DE3906583C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rückwärtsfließpreß-Verfahren für pulverförmige oder kompakte Werkstoffe zu kompaktem Voll- oder Profilmaterial.

Das Fließpressen ist ein bekanntes und häufig eingesetz­ tes Verfahren, um zum Beispiel Metallprofile der unter­ schiedlichsten Art zu erzeugen oder um kompakte Werkstof­ fe direkt aus einem Pulvergemisch herzustellen. Bei die­ sem Verfahren wird ein Werkstoffstück oder eine bestimmte Menge Werkstoffpulver in einem Rezipienten eingesetzt.

Beim Fließpressen soll der eingesetzte Werkstoff in ei­ nen fließfähigen Zustand versetzt und dann in eine be­ stimmte Form, meistens nur eine bestimmte Querschnitts­ form, gebracht werden.

Dies wird bei einem bekannten Fließpreßverfahren dadurch realisiert, daß ein Preßstempel den im Rezipienten einge­ setzten Werkstoff soweit unter Druck setzt, daß er durch Öffnungen des Zylinders abfließt. Üblicherweise werden die Ausflußöffnungen in den Boden des Rezipienten als Ma­ trize eingearbeitet, oder durch einen Spalt zwischen Preßstempel und Wand des Rezipienten erzeugt (Pulvermetallurgie Sinter- und Verbundwerkstoffe Hrsg. W. Schatt Dr. A. Hüttig Verlag Heidelberg 1986).

Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird der einge­ setzte Werkstoff mitsamt dem Rezipienten aufgewärmt oder in bereits aufgewärmtem Zustand in den warmen Rezipienten eingesetzt. Das bedeutet, daß der eingesetzte Werkstoff über die gesamte Verfahrensdauer auf Temperatur gehalten werden muß, so daß Werkstoffe, die nur eine kurzzeitige Temperatureinwirkung vertragen, mit den bisher bekannten Verfahren nicht gepreßt werden können (Fortschritte der Pulvermetallurgie Bd. II Hrsg. F. Eisenkolben Akademie-Verlag Berlin 1963).

Des weiteren ist eine Vorrichtung zum Fließpressen von hülsenförmigen Metall-Hohlkörpern aus Hohlblöcken bekannt, die aus einem den Hohlblock aufnehmenden Gesenk mit einer Auspreßöffnung am Grunde besteht sowie aus einem mit dem Preßstempel zusammen axial bewegten, den Innendurchmesser des Hohlkörpers bestimmenden Dorn, unter Verwendung einer Spindelpresse. Bei dieser Vorrichtung ist der Dorn fest mit dem Ende der Schraubspindel der Spindelpresse verbunden, das den Preßdruck über ein Axialdrucklager auf den umdrehbar geführten Stempelträger überträgt (DE-AS 10 10 938).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fließpreß-Verfahren der einleitend genannten Art zu schaffen, mit dem zusätz­ liche Oberflächenaktivierungen des zu verpressenden Werk­ stoffes ohne längere Fließwege und ohne Fließschikanen möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Preßbewegung des Preßstempels eine Drehbewegung der­ art überlagert wird, daß die Oberflächen der zu verpres­ senden Werkstoffe aktiviert und/oder erwärmt werden.

Auf diese Weise gelangt man zu einem Verfahren, mit dem ohne längere Fließwege und ohne Fließschikanen zusätzli­ che Oberflächenaktivierungen des zu verpressenden Werk­ stoffes möglich sind. Die überlagerte Drehbewegung findet unter dem Druck des Preßstempels statt und führt so zu Gleitreibung zwischen dem Preßstempel und dem eingesetz­ ten Werkstoff oder zu einer Fließbewegung in den stempel­ nahen Werkstoffbereichen. Die Gleitreibung und die Fließ­ bewegung im Werkstoff bewirken dann die erwünschte Ober­ flächenaktivierung und zugleich eine lokale Erwärmung.

Da die Oberflächenaktivierung und die lokale Erwärmung nur in der Nähe des Preßstempels auftreten, muß das Mate­ rial auch in der Nähe des Preßstempels ausfließen können. Eine Ausflußöffnung am Boden des Rezipienten ist zwar auch möglich, doch werden dadurch die möglichen Effekte durch das überlagerte Reiben nur sehr begrenzt genutzt. Das bedeutet einmal, daß für das Fließpressen bevor­ zugt nach der Methode des Rückwärts-Fließpressens gear­ beitet wird, bei der hier das oberflächenaktivierte und lokal aufgeheizte Material durch einen Spalt zwischen Preßstempel und Rezipientenwand entgegen der Preßrichtung in Form eines Hohlkörpers ausfließt.

Volle Körper sind realisierbar, wenn der Preßstempel an der Rezipientenwand dichtet und der Materialausfluß durch eine Bohrung im Zentrum des Preßstempels erfolgt. Das be­ deutet zum anderen aber auch, daß wegen der Drehbewegung zwischen Preßstempel und Rezipientenwand entweder nur zy­ lindrische Vollkörper oder aber Hohlkörper mit zylindri­ scher Bohrung herstellbar sind.

Vorteilhafterweise erfolgt eine zusätzliche Aufheizung des zu verpres­ senden Werkstoffes vor und/oder während des Fließpressens im Rezipienten.

Die richtige Wahl der überlagerten Reibbewegung erhöht die Wahrscheinlichkeit dafür, daß vorhandenes Gefüge, Korngrenzen und Oberflächenschichten deformiert, aufgerissen oder zerstört werden, bis zur Gewißheit. Die­ ser Effekt ist für zwei Anwendungsfälle besonders vor­ teilhaft nutzbar: Zum einen können Werkstoffe, die ein grobes oder texturbehaftetes Gefüge aufweisen, während und nach dem Fließpreßvorgang bezüglich des Gefüges ver­ bessert und in den mechanischen Eigenschaften vergütet werden. Wenn hohe Reibleistungen in den Werkstoff einge­ bracht werden, sind ähnliche Wirkungen wie beim Elektro­ Schlacke-Umschmelzen erreichbar. Das bedeutet, daß durch ein lokales Umschmelzen das Materialgefüge von Verunrei­ nigungen gesäubert werden kann.

Zum anderen fördert der genannte Effekt das Fließpressen von pulverförmigen Werkstoffen zu festen Kör­ pern dadurch, daß die physikalisch und chemisch adsor­ bierten Oberflächenschichten aufgebrochen, die oberflä­ chennahen Bereiche der einzelnen Pulverteilchen aktiviert werden und somit die Neigung zur Bildung von kohäsi­ ven und adhäsiven Bindungen generell erheblich zunimmt. Insbesondere sehr heterogene Pulvergemische, wie z. B. Gleitwerkstoffe mit einem hohen Gehalt an schmierwirksa­ men Substanzen, lassen sich ohne überlagerte Oberflächen­ aktivierung überhaupt nicht mit befriedigender Qualität verpressen.

Des weiteren empfiehlt es sich, daß das Fließpressen in Vakuum oder in einer Atmosphäre aus inertem oder reaktivem Gas durchgeführt wird.

Hierdurch ist es möglich, auch oxidations- und korrosi­ onsempfindliche Werkstoffe ohne unerwünschte Oberflächen­ veränderung zu pressen. Darüber hinaus ist es in einem derart abgedichteten Behälter möglich, bei dem Verpressen von Werkstoffpulvern durch Einsatz von Vakuum, und einer Atmosphäre aus inertem oder reaktivem Gas die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, Bindungen zwischen den einzelnen Teilchen des Pulvergemi­ sches zu erzeugen und somit die Qualität des erzeugten Festkörpers zu steigern.

Zweckmäßig werden die Oberflächen der zu verpressenden kompakten oder pulverförmigen Werkstoffe vor und/oder während des Fließpressens durch Vakuum, inerte Gase oder re­ aktive Gase gereinigt, desoxidiert und/oder verändert.

Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Fließpressens, wobei der Rezipient innerhalb des Behälters auf der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders angeordnet ist sowie der Preßstempel in die vom Rezipienten gebildete Preßkammer hineinragt.

Bei dieser Vorrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Preßstempel unter in axialer Richtung des Preßstempels wirkendem Preßdruck drehbeweglich anzutreiben ist.

Zweckmäßig ist dabei der Rezipient auf der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders drehfest angeordnet und der Preßstempel über eine durch den Deckel des Behälters geführte Spindeleinheit anzutreiben.

Hierdurch ist eine zusätzliche Oberflächenaktivierung des zu verpressenden Werkstoffes möglich, ohne daß längere Fließwege und Fließschikanen in Kauf genommen werden müssen.

Der Preßstempel kan auf der dem zu verpressenden Werkstoff zugewandten Seite strukturiert sein.

Dabei kann eine die Wirkungstiefe der eingebrachten Reibleistung sowie die Fließpfade, die Fließstrecke und die Reibungsverhältnisse beeinflussende Stempelstrukturierung vorgesehen sein.

Die Reibleistung und die Wirkungstiefe der eingebrachten Reibleistung können durch eine strukturierte Form des drehenden Preßstempels, z. B. durch radial am Stempelkopf verlaufende Rippen, vergrößert werden.

Mit einer solchen Strukturierung können auch die Fließpfade, die Fließstrecken und die Reibungsverhältnisse für den ausfließenden Werkstoff beeinflußt werden. Damit läßt sich in gewissen Einsatzfällen der notwendige Preßdruck vermindern. Das bedeutet, daß auch solche Werkstoffe preßbar werden, die mit reinem Preßdruck nicht zum Fließen gebracht werden können.

Zweckmäßig ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die im Behälter verwendeten statischen Dichtungen aus Metall bestehen und daß die Hubbewegungen des Hydraulikzylinders und der Spindeleinheit mit Kompensatoren sowie die Drehbewegungen der Spindeleinheit mit Magnetflüssigkeiten abzudichten sind.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens des näheren erläutert. In der Zeichnung ist ein Behälter 1 mit einem Boden 2 und einem Deckel 3 und mit im einzelnen nicht näher veranschaulichten Wänden dargestellt. Am Boden 2 ist ein Hydraulikzylinder 4 mittels eines Zylindergehäuses 5 am Boden 2 des Gehäuses 1 befestigt. Die Kolbenstange 6 des Hydraulikzylinders 4 hat einen Aufnahmekopf 7, an dem ein Rezipient 8 befestigt ist, und ist von einem Metallkompensator 9 umgeben, der über eine Metalleinrichtung 10 gegen die Kolbenstange 6 und über eine Metalldichtung gegen das Zylindergehäuse 5 abgedeckt ist. Das Zylindergehäuse 5 ist mit einer Metalldichtung 11 gegen den Boden 2 des Behälters 1 abgedichtet.

Auf einem Fuß 12 ist eine Strahlungsheizung 13 angeordnet, mit der der Rezipient 8 mit dem darin befindlichen zu verpressenden pulverförmigen Werkstoff auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt wird.

Am Deckel 3 des Gehäuses 1 ist eine Spindeleinheit 14 über ein Gehäuse 15 angeflanscht. Durch den Deckel 3 ragt eine Spindel 16, die durch eine Dichtungseinheit gegen das Gehäuse 15 abgedichtet ist. Das Gehäuse 15 seiner­ seits ist durch den Dichtring 17 gegen den Deckel 3 abge­ dichtet. Am freien Ende der Spindel 16 ist ein Aufnah­ mekopf 18 vorgesehen, in dem ein Preßstempel 19 befestigt ist. Die rotierende Spindel 16 ist zum Gehäuse 15 der Spindeleinheit 14 durch eine nicht näher dargestellte La­ byrinthdichtung abgedichtet, in der auch bei Stillstand eine magnetisierbare Flüssigkeit von einem Dauermagneten gehalten ist.

Der Behälter 1 ist gegenüber dem Zylindergehäuse 5 und dem Spindelgehäuse 15 vakuum- und gasdicht abgedichtet.

Der Preßstempel 19 ist direkt mit der Spindel 16 über Schraubenbolzen gekoppelt. Die Toleranzen der Anordnung gewährleisten, daß der Rezipient 8 und der Preßstempel 19 mit ausreichender Genauigkeit auf derselben Achse liegen. Der Durchmesser des Preßstempels 19 ist um einige Milli­ meter kleiner als der Innendurchmesser des Rezipienten 8, so daß ein Spalt 20 gebildet ist, durch den das verpreßte Material entgegen der Preßrichtung aus der Preßkammer 21 herausfließt.

Der Preßvorgang beginnt mit dem Einfüllen des zu verpres­ senden Pulvergemisches in den Rezipienten 8 außerhalb des Behälters 1. Sodann wird der gefüllte Rezipient 8 in die Aufnahmevorrichtung 7 der Kolbenstange 10 gesteckt. Nach dem Verschließen des Behälters 1 wird dieser bis auf ei­ nen Druck von etwa 10^-6 mbar evakuiert. Danach erfolgt das Aufheizen des Rezipienten 8 mit Hilfe der Strahlungs­ heizung 13 bis auf eine Temperatur von etwa 450°C. Bei dieser Temperatur wird das Pulvergemisch durch mehrmali­ ges Spülen mit Wasserstoff gereinigt und bezüglich der Oxidationsschichten reduziert. An diese Spülvorgänge schließt sich der eigentliche Preßvorgang in einer Atmos­ phäre von Wasserstoffgas an. Dazu wird die Spindel 16 mit dem daran befestigten Preßstempel 19 in Rotation ver­ setzt, wobei der Hydraulikzylinder 4 das im Rezipienten 8 befindliche Pulvergemisch gegen den rotierenden Preßstem­ pel 19 drückt.

Durch die Reibung zwischen dem Preßstempel 19 und dem Pulvergemisch wird letzteres soweit aufgeheizt, bis es dem Preßdruck nachgibt und durch den Spalt 20 abfließt.

Wegen des umgebenden Wasserstoffgases finden insbesondere in der von der Reibungswärme zusätzlich aufgeheizten Zone Reduktionsvorgänge statt, die die Herstellung eines dich­ ten Formkörpers ermöglichen.

Sobald die gewünschte Menge an Pulvergemisch verpreßt ist, senkt der Hydraulikzylinder 4 den Rezipienten 8 ab, und die Rotation des Preßstempels 19 wird gestoppt.

Das Abkühlen des gepreßten Formkörpers, im vorliegenden Falle eines dickwandigen Rohres, erfolgt durch Einlaß von Helium, das die Wärme sehr gut leitet.

Claims (7)

1. Rückwärtsfließpressen von pulverförmigen oder kompakten Werkstoffen zu kompakten Voll- oder Profilmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßbewegung des Preßstempels eine Drehbewegung derart überlagert wird, daß die Oberflächen der zu verpressenden Werkstoffe aktiviert und/oder erwärmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Aufheizung des zu verpressenden Werkstoffes vor und/oder während des Fließpressens im Rezipienten erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließpressen in Vakuum oder in einer Atmosphäre aus inertem oder reaktivem Gas durchgeführt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rezipient innerhalb des Behälters auf der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders angeordnet ist sowie der Preßstempel in die vom Rezipienten gebildete Preßkammer hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel (19) unter in axialer Richtung des Preßstempels (19) wirkendem Preßdruck drehbeweglich anzutreiben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezipient (8) auf der Kolbenstange (6) eines Hydraulikzylinders (4) drehfest angeordnet ist und der Preßstempel (19) über eine durch den Deckel (3) des Behälters (1) geführte Spindeleinheit (14) anzutreiben ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel (19) auf der dem zu verpressenden Werkstoff (13) zugewandten Seite strukturiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Behälter (1) verwendeten statischen Dichtungen (10, 11, 17) aus Metall bestehen und daß die Hubbewegungen des Hydraulikzylinders (4) und der Spindeleinheit (14) mit Kompensatoren (9) sowie die Drehbewegungen der Spindeleinheit (14) mit Magnetflüssigkeiten abzudichten sind.