DE4139421A1

DE4139421A1 - Verfahren zum ueberziehen einer substratoberflaeche mit einer sinterschicht und pulverfoermiges ausgangsmaterial dafuer

Info

Publication number: DE4139421A1
Application number: DE4139421A
Authority: DE
Inventors: Sakae Takahashi; Minoru Umehara
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1992-06-04
Anticipated expiration: 2011-11-30
Also published as: US5336527A; JPH04202705A; JP2726753B2; DE4139421C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen oder Be schichten einer Substratoberfläche mit einer Sinterschicht, insbesondere ein Verfahren zum Überziehen der Oberfläche eines Stahlwerkstoffs mit einer Sinterschicht hoher Korrosions beständigkeit und hoher Abrieb- oder Verschleißfestigkeit, sowie ein pulverförmiges Ausgangsmaterial dafür.

Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen bisherige Verfahren zum Überziehen einer Schichtträger- oder Substratoberfläche mit einem (einer) Sinterkörper bzw. -schicht. Beim Verfahren nach Fig. 9 wird ein durch Sintern eines Formmaterials gebildeter Sinterkörper 101 mit einem Substrat 102 verbunden. Das Ver fahren gemäß Fig. 10 wendet andererseits ein isostatisches Warmpressen (HIP-Methode) an, das einen auf ein Ausgangs materialpulver, das in einen durch ein Gefäß 110 und ein Substrat 111 festgelegten Raum eingefüllt oder geladen ist, angewandten, unter Luftabschluß erfolgenden Schweißvorgang und einen Entlüftungsschritt in Vorbereitung auf den an schließenden Verbindungsschritt, der durch Sintern unter Druck durchgeführt wird, umfaßt, um damit das Substrat 111 mit einer Sinterschicht 112 zu überziehen oder zu bedecken.

Das bisherige Verfahren nach Fig. 9 erfordert jedoch zwei Erwärmungsschritte, d. h. den Sinterschritt und den Verbin dungsschritt, was hohe Herstellungskosten bedingt. Außerdem ist dabei eine Präzisionsbearbeitung erforderlich, um die Oberflächenpräzision des Verbindungsabschnitts zwischen dem Sinterkörper 101 und dem Substrat 102 zu verbessern. Dieses bisherige Verfahren ist daher nicht auf ein Substrat einer komplexen Form anwendbar. Das bisherige Verfahren gemäß Fig. 10 läßt ebenfalls noch Raum für Verbesserung. Zum einen erfordert dieses Verfahren sowohl einen Schweißschritt unter Luftabschluß (hermetic) und einen Entlüftungsschritt, wo durch sich die für den Fertigungsprozeß erforderliche Zeit verlängert. Außerdem sind dabei eine Verformung unter hohen Temperaturen sowie hohe Drücke im Spiel, mit dem Ergebnis, daß der unter Luftabschluß gebildete Schweißabschnitt zu einem Bruch neigt. Zudem erfordert dieses bisherige Verfah ren eine hochwertige (high level) Schweißtechnik und eine höchst genaue Verformungsabschätztechnik für das Substrat beim Sintern. In der Praxis wird ein Vorversuch durchge führt, und die Größe der Verformung wird auf der Grundlage des Vorversuchsergebnisses empirisch bestimmt. Wenn sich da bei die Dicke des Substrats von einem Teil zu einem anderen in komplexer Weise ändert, ist der Verformungsgrad hoch, wo durch sich die Notwendigkeit für den Vorversuch vergrößert. Darüber hinaus erfordert das bisherige Verfahren nach Fig. 10 auch eine mit hoher Temperatur und hohem Druck arbeitende, sehr aufwendige HIP-Vorrichtung.

Im Hinblick auf die oben geschilderten Gegebenheiten liegt damit der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überziehen einer Substratoberfläche mit einer Sinterschicht zu schaffen, das auf einfache Weise und kostensparend eine ausgezeichnete Leistung bezüglich des Ergebnisses gewähr leistet.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Überziehen einer Substratoberfläche mit einer Sinterschicht, umfassend die folgenden Schritte:
Einfüllen oder Laden eines pulverförmigen Ausgangsmaterials in einen Bereich zur Bildung einer Sinterschicht und
Sintern des eingefüllten pulverförmigen Ausgangsmaterials zur Ausbildung einer die Substratoberfläche überziehenden oder bedeckenden Sinterschicht,
wobei das pulverförmige Ausgangsmaterial mindestens zwei Elemente umfaßt und einen Temperaturbereich aufweist, in welchem eine feste Phase und eine flüssige Phase (Schmelz phase) gemeinsam oder gleichzeitig vorhanden sind, von denen die flüssige Phase das Substrat zu benetzen vermag, und der Sinterschritt in dem Temperaturbereich durchgeführt wird, in welchem die feste Phase und die flüssige Phase gemeinsam vorliegen.

Die Erfindung ist auf verschiedenen Gebieten anwendbar. Zweckmäßig kann das erfindungsgemäße Verfahren für die Her stellung von Zylindern, Düsen und Rückschlagventilen für Spritzgießmaschinen, von Zylindern und Schnecken für biaxiale Knetextruder sowie von (Spritz-)Düsen für Extruder bzw. Strangpreßmaschinen angewandt werden.

Fig. 1 veranschaulicht das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip. Vor dem Schritt des Einfüllens bzw. Ladens eines pulverförmigen Ausgangsmaterials werden ein Substrat 1 und ein Werkzeug 2 entfettet und gewaschen. Da eine Verunreini gung des Substrats 1 zu einer Herabsetzung der Binde- oder Verbindungsfestigkeit mit einer Sinterschicht führt, muß das Entfetten und Waschen sorgfältig durchgeführt werden. Zudem muß in diesem Schritt auch Rost entfernt werden.

Der Einfüllraum für das pulverförmige Ausgangsmaterial wird in dem Bereich, in welchem eine Sinterschicht auf dem Substrat 1 erzeugt werden soll, durch Anschweißen (des Substrats) am Werkzeug 2 oder durch mechanisches Zusammensetzen ohne Ver wendung eines Werkzeugs geformt. Da im Sinterschritt kein Druck auf das pulverförmige Ausgangsmaterial ausgeübt wird, kann die Zusammenhaltfestigkeit (durch das Zusammensetzen) niedrig sein. Um zu verhindern, daß das den Laderaum bildende Werkzeug im Sinterschritt mit der Schmelze des pulverförmigen Ausgangsmaterials reagiert oder sich damit verbindet, sollte durch thermisches Spritzen ein Keramikmaterial o. dgl. auf die Oberfläche des Werkzeugs aufgebracht werden.

In den Laderaum wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial 3 eingefüllt, das mindestens zwei Elemente enthalten und einen Temperaturbereich aufweisen sollte, in welchem eine feste Phase und eine flüssige Phase (oder Schmelzphase) gemeinsam vorliegen, wobei die flüssige Phase das Substrat zu benetzen vermag. Das Ausgangsmaterial sollte die für die Sinterschicht geforderten Eigenschaften, wie Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit, aufweisen. Das pulverförmige Ausgangsmaterial 3 kann eine Legierung aus mindestens zwei Elementen oder ein Gemisch aus einer Anzahl von pulverförmigen Ausgangsmateria lien sein. Wie erwähnt, sollte bzw. muß das pulverförmige Ausgangsmaterial einen Temperaturbereich aufweisen, in wel chem eine feste Phase und eine flüssige Phase gemeinsam (bzw. gleichzeitig) vorliegen. Dies bedeutet, daß im Fall einer Le gierung die Soliduslinie der Legierungselemente bezüglich der Temperatur von der Liquiduslinie verschieden ist. Im Fall eines Gemisches sollten mindestens zwei Elemente desselben verschiedene Schmelzpunkte aufweisen, damit das Gemisch einen Temperaturbereich aufweisen kann, in welchem eine feste Phase und eine flüssige Phase gemeinsam vorliegen.

Das pulverförmige Ausgangsmaterial kann als eines der min destens zwei Elemente mindestens ein Keramikmaterial enthal ten, oder es kann mindestens ein Keramikmaterial dem erfin dungsgemäß verwendeten pulverförmigen Ausgangsmaterial zuge mischt sein. Die Zumischmenge des Keramikmaterials, wie Me tallkarbid, Metallnitrid, Metallborid oder Metallsilicid, be trägt im Fall der isostatischen Warmpreßmethode etwa 20%. Er findungsgemäß können jedoch 40-50% eines Keramikmaterials zugesetzt werden. Bei Verwendung eines Stahlwerkstoffs als Substrat (bzw. Schichtträger) kann als pulverförmiges Aus gangsmaterial z. B. ein Ni-Legierungspulver oder ein Co-Le gierungspulver verwendet werden, um eine korrosionsbeständige und abriebfeste Sinterschicht zu erhalten.

Das bevorzugte Ni-Legierungspulver besitzt eine chemische Zusammensetzung von 9,0-18,0 Gew.-% Cr, 1,7-3,9 Gew.-% B, 2,5-4,7 Gew.-% Si, 0,4-5,0 Gew.-% Fe, Rest Ni und un vermeidbare Verunreinigungen. Das bevorzugte Co-Legierungs pulver besitzt eine chemische Zusammensetzung mit 2,5- 29,0 Gew.-% Ni, 17,0-22,0 Gew.-% Cr, 2,8-3,8 Gew.-% B, 1,7-4,0 Gew.-% Si, höchstens 1,0 Gew.-% Fe, 4,0-7,0 Gew.-% W, Rest Co und unvermeidbare Verunreinigungen.

Während des Einbringens oder Ladens des pulverförmigen Aus gangsmaterials sollte dieses mit Schwingung beaufschlagt werden, um eine hohe Ladedichte, d. h. Fülldichte, zu errei chen. Zweckmäßig wird die Füll- oder Ladedichte auf 60% oder mehr eingestellt. Wenn die Fülldichte 50% oder weniger be trägt, kann aufgrund eines Schrumpfens der Sinterschicht eine Rißbildung auftreten.

Im nächsten Schritt wird eine Sinterbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, bei welcher eine feste Phase und eine flüssige Phase des Ausgangsmaterials gemeinsam (gleich zeitig) vorliegen. Bei Verwendung einer Legierung als pulver förmiges Ausgangsmaterial sollte die Sinterbehandlung bei einer zwischen der Soliduslinie und der Liquiduslinie liegen den Temperatur durchgeführt werden. Bei Verwendung eines Ge misches sollte die Sinterbehandlung bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des einen Elements des Gemisches und unter halb des Schmelzpunkts eines anderen Elements durchgeführt werden. Wenn die Sinterbehandlung bei einer Temperatur er folgt, bei der nur die feste Phase vorliegt, enthält eine gebildete Sinterschicht 4 zahlreiche Poren bei niedriger Dichte. Wenn die Sinterbehandlung bei einer Temperatur er folgt, bei der nur die flüssige Phase vorliegt, entsteht in dem sich schließlich verfestigenden Abschnitt, wie bei einem Gußstück, ein Schrumpflunker.

Wenn das pulverförmige Ausgangsmaterial auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher eine feste Phase 5 und eine flüssige Phase 6 gemeinsam vorliegen, übt die flüssige Phase 6 eine Anziehungskraft zwischen den Feststoffteilchen 5 aus. Dabei wirkt die Anziehungskraft nicht zwischen dem Werkzeug 2 und den Feststoffteilchen (oder festen Teilchen), weil auf die Oberfläche des Werkzeugs 2 eine Schicht aus einem Keramikma terial, das mit der flüssigen Phase nicht benetzt wird, durch thermisches Aufsprühen oder Aufspritzen aufgebracht ist. Andererseits vermag die flüssige Phase 6 sowohl das Substrat 1 als auch die festen Teilchen 5 zu benetzen, mit dem Ergebnis, daß sich die flüssige Phase und die festen Teilchen in der Richtung verlagern, in welcher eine Bindung mit dem Substrat erfolgt. Im Laufe der Sinterbehandlung entsteht die flüssige Phase 6 innerhalb der festen Teilchen 5. Infolgedessen ver kleinern sich die Ausgangsmaterialteilchen 3, wobei sich der Zwischenraum zwischen benachbarten Teilchen 3 mit der flüssi gen Phase 6 füllt. Weiterhin wird das Substrat mit der dabei entstehenden Sinterschicht 4 bedeckt. Bei dem erfindungsgemäß angewandten Sinterschritt braucht die flüssige Phase 6 nicht von der Außenseite des Systems her geliefert zu werden.

Im Sintervorgang vom Sinterschritt bis zum Abkühlvorgang wird wünschenswerterweise eine zweistufige Erwärmung angewandt, d. h. ein Zyklus mit einem Erwärmungsvorgang, einem Durchwärm vorgang, einem Temperaturerhöhungsvorgang, einem Sintervor gang und einem Abkühlvorgang (vgl. Fig. 11). In einem bevor zugten Sinterzyklus bzw. -vorgang erfolgt die Erwärmung mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 5-10°C/min. Im an schließenden Durchwärmvorgang (soaking process) werden die Temperatur durch das Gesamterzeugnis hindurch vergleichmäßigt und das Sintern durchgeführt. Die Temperatur im Durchwärmvor gang wird auf eine Größe von 20-30°C unterhalb des Schmelz punkts des pulverförmigen Ausgangsmaterials eingestellt. An schließend wird im Temperaturerhöhungsvorgang die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 0,1-5°C/min erhöht. Wenn das Erzeugnis eine komplexe Form aufweist, muß die Temperaturer höhungsgeschwindigkeit verringert werden. Die Temperatur im anschließenden Sintervorgang sollte so festgelegt werden, daß eine ausreichende flüssige Phase entsteht, um den Zwischenraum bzw. die Zwischenräume zwischen den Pulverteilchen des Aus gangsmaterials auszufüllen. Die Sintertemperatur hängt von den Komponenten oder Bestandteilen des pulverförmigen Aus gangsmaterials ab. Der Sintervorgang ist einzuleiten, wenn das Gesamterzeugnis auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt worden ist, und sollte für etwa 20 min fortgesetzt werden. Für den Abkühlvorgang sollte weiterhin zweckmäßig eine Ofen kühlung angewandt werden.

Im Sinterzyklus vom Erwärmungsvorgang bis zum Abkühlvorgang sollte vorzugsweise ein Sinterofen ohne oxidierende Atmosphäre benutzt werden, beispielsweise ein Wasserstoffofen oder ein Vakuumofen. Im Hinblick auf die Eigenschaften der nach dem Sintervorgang erhaltenen Sinterschicht wird bevorzugt ein Vakuumofen eingesetzt. Im Fall der Benutzung eines Vakuum ofens erfolgt eine Entgasung, so daß in der resultierenden Sinterschicht keine Mikroporen entstehen.

Das mit der Sinterschicht überzogene Substrat wird schließ lich durch entsprechende Bearbeitung auf gewünschte Größe und Form gebracht.

Erfindungsgemäß kann die Substrat- oder Schichtträgerober fläche durch einfaches Sintern des eingefüllten pulverförmi gen Ausgangsmaterials mit einer Sinterschicht überzogen werden. Eine Druckbeaufschlagung bei hohen Temperaturen, wie beim isostatischen Warmpreßprozeß, braucht erfindungsgemäß nicht vorgenommen zu werden, mit dem Ergebnis, daß das Substrat und der Füllraum nur einer geringen Verformung unterliegen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren findet eine Verformung hauptsäch lich im Lade- oder Füllabschnitt des pulverförmigen Ausgangs materials, d. h. in der Sinterschicht, statt. Außerdem tritt die Verformung hauptsächlich in Dickenrichtung der Sinter schicht auf. Die Größe der Verformung kann daher durch Be rechnung der Porosität im Füllschritt für das pulverförmige Ausgangsmaterial einfach bestimmt oder abgeschätzt werden. Hieraus folgt, daß es möglich ist, eine Sinterschicht einer gleichmäßigen Dicke hoher Maßgenauigkeit oder Maßhaltigkeit zu erzeugen. Darüber hinaus ist beim erfindungsgemäßen Ver fahren auch ein Schweißen unter Luftabschluß unnötig. Ebenso sind eine Entlüftung (Luftabsaugung) und eine Behandlung unter Luftabschluß unnötig. Infolgedessen kann kein Schweißabschnitt aufbrechen. Daneben wird erfindungsgemäß ein vergleichsweise preißgünstiger Ofen, wie ein Wasserstoffofen oder Vakuumofen, be nutzt. Da keine isostatische Warmpreßvorrichtung erforderlich ist, sind die Anlagekosten für das erfindungsgemäße Verfahren niedrig. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß das Sintern und Verbinden (coupling) durch die Anziehungskraft zwischen der aus dem pulverförmigen Ausgangsmaterial erzeugten flüssigen Phase (Schmelzphase) und den restlichen festen Teilchen gleichzeitig erfolgen. Weiterhin ist zu beachten, daß das pulverförmige Ausgangsmaterial eine vergleichsweise große Menge an einem Keramikmaterial enthalten kann, so daß eine Sinterschicht einer hohen Verschleiß- oder Abriebbeständigkeit herstellbar ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin dung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des dem erfindungsge mäßen Verfahren zugrundeliegenden Prinzips,

Fig. 2A bis 7D die bei Beispielen 1 bis 6 der Erfindung an gewandten Verfahrensschritte,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der mittels einer Okosi- Abriebtestmaschine ermittelten Abriebfestigkeit oder -beständigkeit eines nach Beispiel 2 erhaltenen Prüflings und derjenigen eines unter Verwendung einer isostatischen Warmpreßvorrichtung erhaltenen Prüf lings,

Fig. 9 und 10 schematische Darstellungen bisheriger Ver fahren und

Fig. 11 eine graphische Darstellung der bevorzugten Sinter zyklen oder -vorgänge gemäß der Erfindung.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. Der technische Rahmen der Erfindung soll jedoch nicht durch die folgenden Beispiele eingeschränkt sein.

Beispiel 1 (Herstellung eines Zylinders einer Spritzgießmaschine)

Bei diesem Beispiel wird auf die in den Fig. 2A bis 2C ge zeigte Weise eine Sinterschicht an der Innenfläche eines als Zylinder bei einer Spritzgießmaschine verwendeten Substrats oder Schichtträgers 11 erzeugt.

In einem ersten Schritt wird die Innenfläche des Substrats 11, das aus einem SCM-Rohr eines Innendurchmessers von 20 mm und einer Länge von 630 mm besteht, entfettet. Als Werkstoff für das Substrat 11 wird ein Stahlwerkstoff eines Wärmedehnungs koeffizienten praktisch gleich dem des Sinter-Ausgangsmaterials gewählt, um eine Restspannung zwischen dem Substrat und der Sinterschicht zu vermeiden. Gemäß Fig. 2A wird an der Innen fläche des Substrats 11 ein Lade- bzw. Füllraum unter Ver wendung eines Zentrierwerkzeugs 12, das aus einem Werkstoff S25C mit einer thermisch aufgespritzten Schicht aus Aluminiumoxid am Berührungsbereich mit dem Sinter-Aus gangsmaterialpulver geformt ist, eines Sinterwerkzeugs 13 aus einem Stab aus S25C-Werkstoff (15 mm Durchmesser und 630 mm Länge) mit einer auf die Oberfläche thermisch aufgespritzten Alu miniumoxidschicht und eines Abstandstücks 14 aus S25C-Werk stoff gebildet. Das thermische Spritzen von Aluminiumoxid auf die Oberflächen des Zentrierwerkzeugs 12 und des Sinterwerkzeugs 13 erfolgte zu dem Zweck, die Sintermaterialschicht im Sinterschritt zum Substrat hin schrumpfen zu lassen. Wenn sich nämlich die Schmelze des Ausgangsmaterialpulvers mit dem Werkzeug verbindet, kann die ses nach Erzeugung der Sinterschicht nicht mehr herausgenom men werden. Das thermische Spritzen erfolgte auch zu dem Zweck, ein Anhaften der Schmelze an Zentrierwerkzeug und Sinterwerk zeug zu verhindern.

Als Sinterausgangsmaterialpulver 15 wird in den Füllraum eine Le gierung aus 10,3 Gew.-% Cr, 2,1 Gew.-% B, 2,9 Gew.-% Si, 0,4 Gew.-% Fe, Rest Ni, eingefüllt (vgl. Tabelle II). Die Legierung besitzt eine ternäre eutektische Temperatur von 980°C, eine binäre eutektische Temperatur von 1055°C und eine Anfangskristallisationstemperatur von über 1055°C. Dies be deutet, daß bei Temperaturen zwischen 980°C und 1055°C so wohl eine feste Phase als auch eine flüssige Phase gemeinsam (gleichzeitig) vorliegen. Diese Legierung eignet sich deshalb für die Erfindungszwecke, weil beim Sintern unter den ange gebenen Temperaturen die Sinterschicht nicht zusammenfällt, so daß sich eine dichte Sinterschicht bildet. Außerdem be sitzt die Legierung der bestimmten (angegebenen) Zusammen setzung ausgezeichnete Korrosions- und Abriebbeständigkeit, so daß sie den Leistungsanforderungen an einen Zylinder für eine Spritzgießmaschine genügt.

Als Ausgangsmaterialpulver wird ein gaszerstäubtes Pulver (einer Teilchengröße) von 150 µm oder weniger verwendet. Das Ausgangsmaterialpulver wird vom oberen Ende der Anordnung gemäß Fig. 2A her in den Füllraum eingefüllt, wobei die Außenfläche des Zylinders mit Schlägen eines Kupferhammers beaufschlagt wird. Als Fülldichte wird eine solche von 61% festgestellt. Anschließend wird eine Sinterbehandlung unter Vakuum durchgeführt. Bei der Sinterbehandlung wird das Ausgangsmaterialpulver 40 min lang auf 950°C gehalten, worauf die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 4°C/min auf 1025°C erhöht wird. Die Temperatur wird 40 min lang bei 1025°C gehalten, worauf eine Ofenkühlung folgt, so daß eine zylindrische Sinterschicht 16 gemäß Fig. 2B erhalten wird.

Der Innendurchmesser der (so hergestellten) Sinterschicht 16 beträgt etwa 17 mm. Da das Ausgangsmaterialpulver unter Bil dung einer zylindrischen Pulverschicht einer Dicke von 2,5 mm eingefüllt worden war, beträgt die durch Schrumpfung bei der Sinterbehandlung verursachte Dickenabnahme etwa 1 mm, entsprechend etwa 40% der (Schicht-)Dicke im Füllschritt, d. h. 2,5 mm. Eine von der Verfestigung oder Erstarrung der flüssigen Phase herrührende Schicht 17 bildet sich im unteren Abschnitt in einer Höhe von etwa 45 mm. Außerdem wurde ein Abplatzen oder Abschälen der Schicht im obersten Bereich festgestellt. Die genannte Schicht 17 und das Abschälen er weisen sich als klein genug, um durch mechanische Bearbei tung entfernt werden zu können. Schließlich erfolgt eine mechanische Bearbeitung zur Gewinnung eines gewünschten Ge genstands der in Fig. 2C dargestellten Art.

Beispiel 2 (Herstellung eines Zylinders eines biaxialen Knetextruders)

Gemäß Fig. 3 wird ein ringförmiger Lade- oder Füllraum einer Weite von 5,0 mm an der Innenfläche eines Schichtträgers oder Substrats 21, d. h. eines Rohrs aus dem Werkstoff SCM 440 mit einem Innendurchmesser von 50 mm, mittels eines einen Durch messer von 40 mm aufweisenden Sinterwerkzeugs 22 gebildet, das aus einem Werkstoff S25C hergestellt war und auf seiner Oberfläche eine thermisch aufgespritzte Aluminiumoxidschicht aufweist.

Gemäß Fig. 3A wird ein Ausgangsmaterialpulver 23 der in der (später folgenden) Tabelle II angegebenen Zusammensetzung mit einer Fülldichte von etwa 60% eingefüllt. Anschließend wird das Ausgangsmaterialpulver zur Herstellung einer eine Dicke von 3 mm aufweisenden, porenfreien Sinterschicht 24 gesintert. Die Dickenschrumpfung der Sinterschicht beträgt etwa 40%. Im unteren Abschnitt ist dabei ein der flüssigen Phase entsprechender Grundbereich (well region) festzustel len. Schließlich wurde zur Herstellung eines Zylinders für einen biaxialen Knetextruder eine mechanische Bearbeitung durchgeführt, wobei der Zylinder einen Innendurchmesser von 45 mm und eine Länge von 420 mm aufweist (vgl. Fig. 3B). Die Dicke der an der Innenfläche des Zylinders erzeugten Sinter schicht wurde zu 2,5 mm ermittelt.

Der auf beschriebene Weise erhaltene Prüfling wurde einem Abriebfestigkeitstest (Okosi-Methode) zur Bestimmung der Be ziehung zwischen dem Reibungsgrad und der spezifischen Ab riebgröße unterworfen. Fig. 8 veranschaulicht die Ergebnisse zusammen mit denen für einen mittels der isostatischen Warm preßvorrichtung (HIP) hergestellten Prüfling. Das bei diesem Test benutzte Gegenelement bestand aus SKD11, HRC58; die End belastung betrug 18,9 kg, die Reibungsstrecke 600 m. Aus Fig. 8 geht deutlich hervor, daß der nach dem erfindungsge mäßen Verfahren hergestellte Prüfling eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit aufweist.

Beispiel 3 (Herstellung einer Schnecke für einen biaxialen Kneter)

Zwischen einem Schichtträger oder Substrat 31 in Form eines einen Außendurchmesser von 37 mm aufweisenden Stabs aus S35C- Material und einem Sinterwerkzeug 32 in Form eines einen Innendurchmesser von 46 mm besitzenden Zylinders aus S25C- Werkstoff mit einer Schräge und einer durch thermisches Spritzen auf die Oberfläche aufgebrachten Aluminiumoxid schicht wird ein Füllraum gebildet. Gemäß Fig. 4A wird ein Ausgangsmaterialpulver 33 der in Tabelle II angegebenen Zu sammensetzung in den Füllraum eingebracht. Anschließend wird das Ausgangsmaterialpulver zur Erzeugung einer Sinterschicht 34 (vgl. Fig. 4B) gesintert. Schließlich erfolgt eine me chanische Bearbeitung der Sinterschicht zur Herstellung einer Schnecke für einen biaxialen Kneter, wobei die Schnecke einen Außendurchmesser von 44 mm, einen Innendurchmesser von 25 mm und eine Länge von 40 mm aufweist (vgl. Fig. 4C).

Beispiel 4 (Herstellung einer Düse für eine Spritzgießmaschine)

Unter Verwendung eines Schichtträgers oder Substrats 41 aus SCM440-Werkstoff, eines ersten Sinterwerkzeugs 42 aus S25C- Werkstoff mit einer durch thermisches Spritzen auf die Ober fläche aufgebrachten Aluminiumoxidschicht und eines zweiten Sinterwerkzeugs 43 in Form eines Stifts aus Aluminiumoxid wird ein Füllraum festgelegt. Gemäß Fig. 5A wird in den Füllraum ein Ausgangsmaterialpulver 44 der in Tabelle II an gegebenen Zusammensetzung eingefüllt. Sodann wird das Aus gangsmaterialpulver zur Erzeugung einer Sinterschicht 45 gesintert, worauf eine mechanische Bearbeitung erfolgt, um gemäß Fig. 5B eine einen Außendurchmesser von 110 mm und eine Länge von 185 mm aufweisende Düse für eine Spritzgieß maschine herzustellen.

Beispiel 5 (Herstellung einer Düse für einen Extruder bzw. eine Strang preßvorrichtung)

Ein Ausgangsmaterialpulver 52 mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle II wird gemäß Fig. 6A in einen Füllraum eingefüllt, der in einem Schichtträger oder Substrat 51 aus SCM440-Werk stoff gebildet worden ist. Anschließend wird das Ausgangs materialpulver zur Herstellung einer Sinterschicht 53 gemäß Fig. 6B gesintert, worauf eine mechanische Bearbeitung zur Herstellung einer einen Durchmesser von 420 mm aufweisenden Extruder(spritz)düse gemäß Fig. 6C durchgeführt wird.

Beispiel 6 (Herstellung eines Rückschlagventils für eine Spritzgieß maschine)

Ein Ausgangsmaterialpulver 64 der Zusammensetzung gemäß Tabelle II wird in einen ersten Füllraum eingebracht, der zwischen einem ersten Sinterwerkzeug 62 aus S25C-Werkstoff mit auf die Oberfläche thermisch aufgespritztem Aluminium oxid und einem zweiten Sinterwerkzeug 63 aus S25C-Werkstoff mit einer durch thermisches Spritzen auf die Innenfläche aufgebrachten Aluminiumoxidschicht (vgl. Fig. 7A) festge legt ist. Sodann wird ein Schichtträger oder Substrat 61 aus S25C-Werkstoff auf das eingefüllte Ausgangsmaterial pulver aufgelegt; um das Substrat 61 herum wird ein zweiter Füllraum geformt, in den sodann Ausgangsmaterialpulver 64 eingefüllt wird (vgl. Fig. 7B). Das Ausgangsmaterialpulver wird zur Herstellung einer Sinterschicht 65 gemäß Fig. 7C gesintert. Anschließend erfolgt eine mechanische Bearbeitung zur Herstellung eines in Fig. 7D gezeigten Rückschlagventils eines Innendurchmessers von 25 mm, eines Außendurchmessers von 37 mm und einer Länge von 41 mm zur Verwendung bei einer Spritzgießmaschine.

Die in Beispielen 1 bis 6 eingehaltenen Bedingungen sind in der (später folgenden) Tabelle I angegeben. Die Zusammen setzungen der in diesen Beispielen verwendeten Ausgangsma terialpulver finden sich in Tabelle II.

Die in den obigen Beispielen erwähnten Werkstoffe SCM440, S25C, SKD11 und S35C entsprechen den Werkstoffen 4140, 1025, D2 bzw. 1035 gemäß AISI und den Werkstoffen 42CrMo4, C25, X210Cr12 bzw. C35 gemäß DIN.

Wie sich aus den obigen Beispielen ergibt, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren das Überziehen oder Beschichten der Oberfläche eines eine komplexe Form, wie in Beispielen 2, 4 und 6, besitzenden Schichtträgers oder Substrats mit einer die gewünschten Funktionen bzw. Wirkungen gewähr leistenden Sinterschicht, während es nach dem bisherigen Verfahren unmöglich war, eine solche Sinterschicht auf einer Substratoberfläche einer komplexen Form zu erzeugen. Nach dem herkömmlichen isostatischen Warmpreßverfahren ist es unmöglich, eine Sinterschicht hoher Genauigkeit bzw. Maßhaltigkeit zu erzeugen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen während des Erwärmungsschritts kein Druck aus geübt, so daß eine solche (angestrebte) Sinterschicht herge stellt werden kann. Insbesondere betragen dabei die Maßge nauigkeit oder Maßhaltigkeit des Innendurchmessers ±0,1 (mm) und die Steigungs- oder Teilkreisgenauigkeit ±0,2 (mm) oder weniger auch im Fall einer großen Sinterschicht nach Bei spiel 2, obgleich der Flüssigphasen-Erstarrungsabschnitt einen um 3,2 mm kleineren Durchmesser als die Sinterschicht aufweist, weil der Innendurchmesser des Werkzeugs 110 mm beträgt. Da der aus der flüssigen Phase erstarrte Abschnitt spanabhebend bearbeitet werden kann, wird in der Endstufe die gesamte Innenfläche der Sinterschicht einer spanabheben den Behandlung unterworfen.

Beim herkömmlichen isostatischen Warmpreßverfahren wird der Lade- oder Füllraum für das pulverförmige Ausgangsmaterial luftdicht verschlossen, wobei während des Erwärmungsvorgangs Druck ausgeübt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind das luftdichte Verschließen und die Druckbeaufschlagung da gegen nicht nötig. Infolgedessen fließt der Überschuß an flüssiger Phase abwärts, und er kann nach der Erzeugung der Sinterschicht durch mechanische Bearbeitung entfernt werden. Außerdem verbleibt ein großer Anteil der festen Phase vom Sinterschritt in der die Substratoberfläche bedeckenden Sinterschicht. Die feste Phase ist dem aus der flüssigen Phase erstarrten Abschnitt sowohl bezüglich Korrosionsbe ständigkeit als auch Abriebfestigkeit überlegen. Hieraus folgt, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge stellte Sinterschicht bezüglich ihrer Leistungseigenschaften der nach dem herkömmlichen isostatischen Warmpreßverfahren geformten Sinterschicht überlegen ist.

Das erwähnte Fließen der flüssigen Phase ermöglicht die Er höhung des Mischungs- oder Zumischverhältnisses an Keramik material in der entstehenden Sinterschicht in dem Fall, daß eine Keramikmaterialien, wie Carbide, enthaltende Sinter schicht erzeugt werden soll, wie dies in Beispielen 5 und 6 der Fall ist. Die Erhöhung des Mischungsverhältnisses des Keramikmaterials ermöglicht eine weitere Verbesserung der Abriebfestigkeit und der Korrosionsbeständigkeit der die Substratoberfläche bedeckenden Sinterschicht.

Es ist auch darauf hinzuweisen, daß das erfindungsgemäße Verfahren einfach durchzuführen ist, keine kostenaufwendige Ausrüstung erfordert und eine Senkung der Fertigungskosten für einen Gegenstand oder ein Erzeugnis in Form eines Sub strats, dessen Oberfläche mit einer Sinterschicht überzogen ist, ermöglicht.

Tabelle I

Tabelle I (Fortsetzung)

Tabelle II

(Zusammensetzung des pulverförmigen Ausgangsmaterials in Gew.-%)

Claims

1. Verfahren zum Überziehen einer Substratoberfläche mit einer Sinterschicht, umfassend die folgenden Schritte:
Einfüllen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials in einen Bereich zur Erzeugung einer Sinterschicht, wobei das pul verförmige Ausgangsmaterial mindestens zwei Elemente ent hält und einen Temperaturbereich aufweist, in welchem eine feste Phase und eine flüssige Phase (Schmelzphase) gemeinsam vorliegen, und wobei die flüssige Phase das Substrat zu benetzen vermag, und
Sintern des eingefüllten pulverförmigen Ausgangsmaterials innerhalb des Temperaturbereichs, in welchem die feste Phase und die flüssige Phase gemeinsam vorliegen, zwecks Erzeugung einer die Substratoberfläche überziehenden oder bedeckenden Sinterschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Elemente ein Keramikmaterial aus der Gruppe Metallkarbid, Metallnitrid, Metallborid, Metall silicid und Gemische derselben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Ausgangsmaterial 40-50 Gew.-% eines Keramikmaterials enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in Bauelementen zur Festlegung eines Lade- oder Füllraums für das pulverförmige Ausgangsmaterial enthal ten ist oder eingeschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einfüllens des pulverförmigen Ausgangs materials einen Vorgang eines Zusammensetzens mindestens eines Bauelements und des Substrats zur Festlegung eines Füllraums für das pulverförmige Ausgangsmaterial umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einfüllens des pulverförmigen Ausgangs materials weiterhin einen Vorgang des Aufbringens eines Keramikmaterials durch thermisches Spritzen auf die den Füllraum festlegenden Fläche des mindestens einen Bau elements umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Ausgangsmaterial ein Legierungspulver mit einer Soliduslinie und einer Liquiduslinie bei ver schiedenen Temperaturen umfaßt und der Sinterschritt bei einer Temperatur zwischen der Soliduslinie und der Liquiduslinie der Legierung durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Ausgangsmaterial oder Ausgangsmaterial pulver ein Gemisch aus mindestens zwei Metallelementen ver schiedener Schmelzpunkte umfaßt und der Sinterschritt bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des einen der mindestens zwei Metallelemente und unter dem Schmelz punkt des anderen Metallelements durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Ausgangsmaterial mindestens ein Keramik material enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial aus der Gruppe Metallkarbid, Metall nitrid, Metallborid, Metallsilicid und Gemischen der selben ausgewählt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Ausgangsmaterial 40-50 Gew.-% eines Keramikmaterials enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Werkstoff auf Eisenbasis geformt ist und das pulverförmige Ausgangsmaterial aus der Gruppe aus einer Ni-Legierung und einer Co-Legierung gewählt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Ausgangsmaterial mit einer Fülldichte von mindestens 60% eingefüllt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterschritt einen Erwärmungsvorgang, einen Durch wärmvorgang, einen Temperaturerhöhungsvorgang, einen Sintervorgang und einen Abkühlvorgang, die in der ange gebenen Reihenfolge durchgeführt werden, umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwärmungsvorgang mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit oder -rate von 5-10°C/min durchgeführt wird, der Durch wärmvorgang bei einer um 20-30°C unter dem Schmelzpunkt des Ausgangsmaterialpulvers liegenden Temperatur durch geführt wird, der Temperaturerhöhungsvorgang mit einer Temperatur-Erhöhungsgeschwindigkeit von 0,1-5°C/min erfolgt, der Sintervorgang nach Erwärmung des gesamten pulverförmige Ausgangsmaterials bis zum Erreichen der Sintertemperatur eingeleitet und etwa 20 min lang fort gesetzt wird und der Abkühlvorgang durch Ofenkühlung durchgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungs-, Durchwärm-, Temperaturerhöhungs-, Sinter- und Abkühlvorgänge in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt werden.

17. Pulverförmiges Ausgangsmaterial zur Erzeugung einer eine Substratoberfläche bedeckenden oder überziehenden Sinter schicht, wobei das pulverförmige Ausgangsmaterial min destens zwei Elemente enthält und einen Temperaturbereich aufweist, in welchem eine feste Phase und eine flüssige Phase (Schmelzphase) gemeinsam vorliegen, und die flüs sige Phase das Substrat zu benetzen vermag.

18. Pulverförmiges Ausgangsmaterial nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Legierung mit einer Solidus linie und einer Liquiduslinie bei verschiedenen Tempera turen umfaßt.

19. Pulverförmiges Ausgangsmaterial nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Gemisch mit mindestens zwei Metallelementen verschiedener Schmelzpunkte umfaßt.

20. Pulverförmiges Ausgangsmaterial nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es 40-50 Gew.-% eines Keramik materials enthält.

21. Pulverförmiges Ausgangsmaterial nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es aus der Gruppe aus einer Ni-Legie rung, einer Co-Legierung, einem im wesentlichen Ni ent haltenden Gemisch und einem im wesentlichen Co enthalten den Gemisch ausgewählt ist.

22. Pulverförmiges Ausgangsmaterial nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall, daß das Substrat aus einem Metall auf Eisenbasis geformt ist, das pulverförmige Aus gangsmaterial eine Legierung mit 9,0-18,0 Gew.-% Cr, 1,7-3,9 Gew.-% B, 2,5-4,7 Gew.-% Si, 0,4-5,0 Gew.-% Fe, Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen, ist.

23. Pulverförmiges Ausgangsmaterial nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall, daß das Substrat aus einem Metall auf Eisenbasis geformt ist, das pulverförmige Aus gangsmaterial eine Legierung mit 2,5-29,0 Gew.-% Ni, 17,0-22,0 Gew.-% Cr, 2,8-3,8 Gew.-% B, 1,7-4,0 Gew.-% Si, nicht weniger als 1,0 Gew.-% Fe, 4,0-7,0 Gew.-% W, Rest Co und unvermeidbare Verunreinigungen, ist.