DE3734002A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils aus sintereisen oder sinterstahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren Teilen zusammengesetzten Bauteils aus Sintereisen oder Sinterstahl.

Pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile zeichnen sich durch hohe Maßgenauigkeit aus und durch rationelle Herstellung auch komplizierter Formen. Für Körper mit quer zur Preßrichtung liegenden Hinterschneidungen gelten diese Vorteile nur bedingt, da die Hinterschneidungen wegen der Entformung der Preßlinge aus der Preßmatrize nicht angepreßt werden können. In der Regel werden daher Hinterschneidungen, vor allem bei rotationssymmetrischen Teilen, spanabhebend eingebracht. Es ist auch bekannt, Hinterschneidungen durch Zusammenfügen mehrerer gesinterter Einzelteile darzustellen.

Das Verbinden der Teile durch Schweißen, vor allem durch Widerstandsschweißen, hat den großen Nachteil, daß nur Teile aus niedrig legierten, nahezu kohlenstofffreien Stählen ohne Änderung ihrer Eigenschaften zusammengefügt werden können. Auch bei sorgfältiger Einhaltung der Schweißbedingungen sind zudem Maßänderungen kaum zu vermeiden, so daß im allgemeinen eine Nachbearbeitung des gefügten Bauteils nötig ist. Aufwendig ist auch das Zusammenlöten mehrerer Teile, da wegen der Porosität gesinterter Formlinge nur spezielle Lote brauchbar sind, die die äußere Oberfläche benetzen, aber die Körper selbst nicht infiltrieren. Diese Bedingungen erfüllende Lote sind vergleichsweise teuer und bei ihrer Verwendung müssen Ofentemperatur und -atmosphäre sehr genau eingehalten werden.

Schließlich ist es auch üblich, mehrere Einzelteile zu einem größeren Bauteil zusammenzusintern. Dabei geht man von der Erkenntnis aus, daß die Maßänderungen beim Sintern von Preßlingen durch Legieren der verwendeten Metallpulver in weiten Bereichen steuerbar sind. Das Verfahren wird so gehandhabt, daß Teile mit unterschiedlicher Sinterschrumpfung ineinandergesteckt werden und beim Sintern das äußere Teil auf das innere aufschrumpft. Wegen der hohen Temperaturen werden dabei aber keine Schrumpfspannungen übertragen, vielmehr versintern die ineinandergefügten Teile an den Kontaktstellen. Die einzelnen Teile bilden ein gemeinsames Bauteil, die Haftkräfte zwischen den Teilen reichen jedoch nicht aus, um größere Kräfte oder Momente zu übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die geschilderten Nachteile nicht aufweist und die Herstellung von aus mehreren Teilen zusammengesetzten Bauteilen aus Sintereisen oder Sinterstahl ermöglicht, die an den Fügestellen fester aneinanderhaften als zusammengesinterte Bauteile und sich mit einem kleineren Aufwand herstellen lassen als geschweißte oder gelötete Bauteile.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man

• a) Bohrungen und Zapfen aufweisende Formlinge aus Eisen- oder Stahlpulver herstellt,
• b) die geformten Teile zu einem Bauteil zusammensteckt und
• c) die Teile durch Aufbringen einer Magnetitschicht auf ihren Oberflächen stoffschlüssig miteinander verbindet.

Zur pulvermetallurgischen Herstellung von Eisen- oder Stahlteilen werden Eisen- und Stahlpulver in einer dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßten Körnung und Zusammensetzung, im allgemeinen nach Zugabe einer kleineren Menge Gleit- oder Preßhilfsmittel in einem Gesenk verdichtet und gepreßt, das unter Berücksichtigung der Volumenänderungen beim Sintern Form und Maß des Fertigkörpers hat. Zum Sintern werden die Formlinge in einer im wesentlichen reduzierenden oder neutralen Atmosphäre erhitzt. Die gesinterten Teile werden gegebenenfalls kalibriert, d. h. Maßabweichungen durch Stauchen ausgeglichen. Die Teile, die erfindungsgemäß zu einem Bauteil zusammengesteckt werden, sind komplementär ausgebildet. Konvexe Bereiche eines Teils stoßen an konkave Bereiche des benachbarten Teils. Eine zweckmäßige Ausbildungsform eines konvexen Bereichs ist ein Zapfen, eines konkaven Bereichs eine Bohrung. Zapfen und Bohrung sind bevorzugt konisch ausgebildet, so daß der Materialfluß beim Verdichten des Pulvers nicht behindert wird. Grundsätzlich brauchbar sind auch andere komplementäre Formen, z. B. Nut und Feder.

Auf die Oberfläche der das Bauteil bildenden Teile, besonders auf die anstoßenden Flächen wird eine Magnetitschicht aufgebracht, durch welche die einzelnen Teile stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Die Beschichtung von Körpern aus Sintereisen und Sinterstrahl mit Eisenoxid, vornehmlich mit Fe₃O₄, ist Stand der Technik. Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Steigerung der Härte ist es bekannt, Sinterkörper einer Atmosphäre aus überhitztem Wasserdampf auszusetzen. Unter geeigneten Bedingungen bilden sich dabei Körper mit einer geschlossenen, festhaftenden Schicht aus Fe₃O₄. Die Schichten sind im allgemeinen 2 bis 6 µm dick, maximal etwa 10 µm. Dickere Schichten neigen wegen der Volumenzunahme bei der Schichtbildung zum Abplatzen.

Die Erfindung macht sich die überraschende Erkenntnis zunutze, daß Teile aus Sintereisen oder Sinterstahl durch Magnetitschichten zu einem größeren Bauteil verbunden werden können, wenn der Abstand aufeinanderstoßender Flächen die doppelte Dicke der auf der Sinterbasis festhaftenden Magnetitschichten nicht übersteigt. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderstoßenden, komplementären Flächen sollte daher höchstens 20 µm betragen. Da die Haftfestigkeit mit abnehmender Schichtstärke wächst, werden für stärker belastende Verbindungen Schichtstärken von höchstens 10 µm bevorzugt. Jede Magnetitschicht ist auf zwei aneinanderstoßenden Flächen verankert, so daß die Eigenspannungen der zusammengewachsenen, die Teile verbindenden Schicht wesentlich kleiner als in frei gewachsenen Magnetitschichten sind. Ein Abplatzen der Verbindungsschicht wurde bei üblicher Belastung der Bauteile nicht beobachtet.

Die mit Zapfen und Bohrungen versehenen gepreßten Teile werden vor dem Sintern zusammengesteckt, als zusammengesetztes Bauteil gesintert und dann mit einer Magnetitschicht versehen, die die einzelnen Teile stoffschlüssig miteinander verbindet. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden die einzelnen Teile getrennt gesintert, die gesinterten Teile zu dem Bauteil zusammengesetzt dann mit Magnetit beschichtet. Besonders hohe Verbindungsfestigkeiten werden erreicht, wenn das zusammengesetzte Bauteil erst nach dem Kalibrieren mit der Magnetitschicht versehen wird. Das gebildete Magnetit füllt dabei die verbliebenen kleinen Spalten und Poren zwischen den aneinanderstoßenden Teilen vollständig und offenbar in einer für die Verbindungsfestigkeit sehr vorteilhaften Dicke aus.

Zum Aufbringen der die Einzelteile des zusammengesetzten Bauteils verbindenden und das Bauteil gegen Korrosion schützenden Magnetitschicht sind grundsätzlich alle bekannten Oxidationsmittel geeignet. Besonders wirkungsvoll ist überhitzter Wasserdampf, der auch bei sehr dünnen Spaltweiten zwischen aneinanderstoßenden Einzelteilen festhaftende, die Spalten vollständig füllende Magnetitschichten ergibt. Die Fe₃O₄-Schicht ist als keramische Schicht empfindlich gegen Zugspannungen, die sich in Anordnungen dieser Art aufbauen. Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet im wesentlichen die Belastung der verbindenden Schicht mit Zugspannungen. Durch Ineinanderstecken der Einzelteile erreicht man, daß eine verbindende Fe₃O₄-Schicht ausgebildet wird, in der nur Schubspannungen auftreten. Die Verbindung überträgt hohe Momente und Axialkräfte.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und Beispielen erläutert. In den Fig. 1 und 2 sind aus mehreren Teilen zusammengesetzte Bauteile im Schnitt dargestellt.

Beispiel 1 (Fig. 1)

Die gesinterten Eisenbuchsen 1 und 2 mit den Abmessungen

Buchse 1:
4 mm - Innendurchmesser
8 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe

Buchse 2:
8 mm - Innendurchmesser
15 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe

werden ineinandergesetzt. Die mittlere Spaltbreite zwischen den Buchsen 1 und 2 betrug etwa 8 µm. In einem Dampfbehandlungsofen wurden die Buchsen bei 540°C sechs Stunden mit Wasserdampf beaufschlagt und im Spalt zwischen Buchsen 1 und 2 eine die Buchsen miteinander verbindende Magnetitschicht gebildet. Nach der Dampfbehandlung wurden die Teile auf eine Werkstoffprüfmaschine auseinandergedrückt. Die axialen Verschiebekräfte betrugen 2000 N.

Beispiel 2 (Fig. 1)

Buchsen aus Sintereisen 1 und 2 mit den Abmessungen

Buchse 1:
4 mm - Innendurchmesser
8 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe

Buchse 2:
8 mm - Innendurchmesser
12 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe

wurden mit leichtem Preßsitz ineinandergesteckt. Die mittlere Spaltbreite zwischen den Buchsen betrug etwa 6 µm und zum Verschieben beider Buchsen relativ zueinander war eine Axialkraft von 400 N nötig.

Nach der im Beispiel 1 beschriebenen Dampfbehandlung betrugen die Ausstoßkräfte mehr als 10 000 N, wobei Versagen nicht durch Zerstörung der Magnetitschicht, sondern durch Bruch der Buchse 2 auftrat.

Beispiel 3 (Fig. 2)

Zwei aus Eisenpulver mit einem Kupfergehalt von einem Prozent gepreßte Ringe 3 und 4 mit den Maßen -

12 mm - Innendurchmesser
24 mm - Außendurchmesser
5 mm - Höhe

wurden aufeinandergelegt und in die Bohrung in eine aus Eisenpulver mit einem Kupfergehalt von 5% gepreßten Buchse 5 geschoben, deren Abmessungen

8 mm - Innendurchmesser
12 mm - Außendurchmesser
10 mm - Höhe

waren. Das zusammengesteckte Bauteil wurde bei 1120°C gesintert und bei 530°C fünf Stunden mit Wasserdampf beaufschlagt. Wegen der unterschiedlichen Maßänderungen von Ringen und Buchse beim Sintern kommt es zu einer engeren Verzahnung der Teile, so daß die Trennkraft etwa 22 kN betrug. Mit einer Magnetitschicht versehene Bauteile haben eine Trennkraft von 29 kN.

Beispiel 4 (Fig. 2)

Ringe 3 und 4 und Buchse 5 mit den gleichen Maßen wie im Beispiel 3, aber bestehend aus einer Eisenlegierung mit einem Prozent Kupfer wurden getrennt bei 1120°C gesintert, die Teile wurden zusammengesteckt und das Bauteil kalibriert. Durch die Verformung der Buchse 5 beim Kalibrieren kommt es zu einer partiellen Verzahnung mit den Ringen 3 und 4. Die Auspreßkraft der Buchse betrug 2,5 kN. Durch eine Wasserdampfbehandlung wie in Beispiel 3 und die Bildung der Magnetitschicht auf den Oberflächen der Teile erhöht sich die Auspreßkraft auf etwa 25 kN.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren Teilen zusammengesetzten Bauteils aus Sintereisen oder Sinterstahl, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) Bohrungen und Zapfen aufweisende Formlinge aus Eisen- oder Stahlpulver hergestellt,
• b) die geformten Teile zu einem Bauteil zusammengesteckt und
• c) die Teile durch Aufbringen einer Magnetitschicht auf ihre Oberfläche stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formlinge mit konischen Bohrungen und Zapfen hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusammengesetzte Bauteile mit aneinanderstoßenden Flächen verwendet werden, deren Abstand höchstens 20 µm beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusammengesteckte Bauteile mit aneinanderstoßenden Flächen verwendet werden, deren Abstand höchstens 10 µm beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Formlinge zusammengesteckt werden und das zusammengesetzte Bauteil gesintert und nach dem Sintern mit einer Magnetitschicht versehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Formlinge zusammengesteckt wurden und das zusammengesteckte Bauteil gesintert, kalibriert und nach dem Kalibrieren mit einer Magnetitschicht versehen wird.