DE4211319A1 - Verfahren zur Herstellung von Sintereisen-Formteilen mit porenfreier Zone - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Sintereisen-Formteilen mit porenfreier ZoneInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von in einzelnen
Zonen oder Randzonen porenfreien, in den übrigen Zonen porösen Sinterform
teilen aus Eisenwerkstoffen.
Sinterformteile aus Eisenwerkstoffen werden üblicherweise gefertigt,
indem Pulver in Axialpressen zu Grünlingen bzw. Pulverpreßlingen verpreßt
und diese anschließend nach weitgehend standardisierten Verfahren
gesintert werden. Dabei werden Sinterdichten von ca. 90 % der theore
tischen Dichte erreicht. Diese Dichte läßt sich mittels bekannter Zusatz
verfahren nur bedingt verbessern, sofern nicht andere wesentliche
Nachteile in Kauf genommen werden. Entsprechend bleiben die mechanischen
Festigkeitseigenschaften hinter denen von Formteilen aus erschmolzenen,
100 % dichten Werkstoffen zurück.
Für die Anwendung der Sintertechnik zur Herstellung von Formteilen
sprechen die Kostenvorteile einer reinen spanlosen Fertigung. Bezogen auf
die beim Pulverpressen erreichten Dimensionen weisen die Fertigteile gute
Formstabilität und enge, reproduzierbare Maßtoleranzen auf. Weiteres
lassen sich Sinterformteile aufgrund der vorhandenen Restporosität nach
dem Sintern ausgezeichnet kalibrieren, das heißt, in beschränktem Ausmaß
durch Pressen sehr präzise auf ein vorbestimmtes Sollmaß bringen.
Es sind nun eine Vielzahl von Verfahren bekannt geworden, um stofflich
einheitliche Sinterformteile, die wie üblich mit Restporosität behaftet
sind, gleichmäßig auf zumindest annähernd theoretische, d. h. 100 % Werk
stoffdichte zu bringen. Pulverschmieden ist eines der vorgeschlagenen
Verfahren, das die volle Dichte nicht ganz erreicht. Heißisostatisches
Pressen ist ein weiteres geeignetes Verfahren, das durch die notwendige
Umhüllung des Pulvers bzw. Sinterkörpers jedoch sehr aufwendig ist und
für Massenteile daher ausscheidet. Das Sinter-HIP-Verfahren ist eine
Modifizierung des HIP-Verfahrens, mittels dem unter den genannten
Einschränkungen ebenfalls Restporositäten in einem Sinterteil beseitigt
werden können.
Alle diese Verfahren werden angewandt mit dem Ziel, die mechanischen,
aber z. B. auch die korrosiven Eigenschaften von Sinterformteilen zu
verbessern. Ein Nachteil aller dieser Verfahren ist, daß ein derart
veredeltes Sinterformteil zu einem "Rohling" wird, der mechanisch nachge
arbeitet werden muß und der sich insofern wesentlich von konventionell
gefertigten Sinterteilen unterscheidet. Konventionell gefertigte Sinter
formteile, wahlweise in Pressen nachkalibriert, sind in der Regel einbau
fertige Bauteile.
Es sind weiterhin Verfahren bekannt, um Formkörper aus bereichsweise
unterschiedlichen Werkstoffen, von denen zumindest ein Bereich ein Sinter
körper ist, in allen Bereichen möglichst dicht und damit mechanisch fest
zu machen.
So beschreibt die DE-A1 22 58 310 mit dem Titel "Sintereisen-Formteil
sowie Verfahren und Sinterkachel zu seiner Herstellung" einen Weg, nach
dem ein aus Eisenwerkstoff gepreßtes Formteil während des Sinterprozesses
"mit einem Mittel in Verbindung gebracht wird, aus dem wenigstens bei den
Sintertemperaturen austenit-bildende Elemente in die Oberfläche des Form
teiles eindiffundieren".
Damit kommt es im Oberflächenbereich zu einer Werkstoff-Veredelung mit
dem Ziel, die Oberflächen-Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Das fertige Sintereisen-Formteil weist in allen Bereichen Porosität auf,
auch im Diffusionsbereich weist das Formteil zumindest "geschlossene
Porosität" bei insgesamt maximal etwa 95%iger Werkstoffdichte auf.
Nach der Lehre der DE-A1 23 10 536, "Verfahren zur Herstellung von Gegen
ständen aus Verbundmetall", wird ein schmelzmetallurgisch hergestellter
und damit völlig dichter Formteilkern in das Zentrum eines Behälters
gegeben und der Zwischenraum zwischen Kern und Behälterwand wird mit
Metallpulver ausgefüllt. Der "gekannte", d. h. im Behälter eingeschlossene
Verbund wird in einem Autoklaven so hohen allseitigen Preßdrucken und
Temperaturen ausgesetzt, daß seine Dichte allseitig "in den Bereich von
100 % der theoretischen Dichte" kommt. Der so erhaltene Verbund wird
anschließend beispielsweise geschmiedet oder ausgewalzt. Laut Anspruch
werden durch dieses Verfahren Pulverdichten von mehr als 95 % der theore
tischen Dichte erreicht. Der Verbundkörper wird in seiner Gesamtheit
dicht.
Damit lassen sich Verbunde erreichen, deren Kern aus relativ zähen und
leicht bearbeiteten Metallen besteht, während die Randzonen, z. B. für den
genannten Anwendungsfall Fräswerkzeug, Zähne oder andere unregelmäßige
Schneidoberflächen, aus äußerst hartem Material bestehen.
In der DE 30 07 008 wird ein verschleißfestes Teil für Brennkraft
maschinen beschrieben, der einen Grundkörper aus einem erschmolzenen
Eisen- oder Stahlwerkstoff und einen durch Sinterung innig mit dem Grund
körper verbundenen, eisenhaltigen Sinterkörper umfaßt. Das Erfindungs
wesentliche ist die für den Sinterkörper vorgeschlagene Eisenlegierung.
Auch dieses Verfahren dient dem Zweck, Teile herzustellen, "die sich
durch hohe Zähigkeit in ihrem Körperinneren und eine besonders hohe
Abriebbeständigkeit, zumindest in einem Abschnitt ihrer Oberfläche
auszeichnen".
Nach der DE-A2 20 50 276 wird zur Herstellung eines Werkstückes mit
verschleißfester Oberfläche auf einen Stahl-Grundkörper ein verschleiß
festes Hartmetall-Pulver aufgepreßt und aufgesintert.
Im Unterschied zum Sintern von Eisenwerkstoffen läßt sich Hartmetall
wegen der beim Sintern schmelzflüssigen Binderphase annähernd 100 % dicht
herstellen. Der fertige Verbundkörper ist einheitlich dicht. Nachteilig
ist dort die starke Sinterschrumpfung, die die Herstellung von Formteilen
in eng tolerierten Sollabmessungen ohne spanbildende Nachbearbeitung
ausschließt - neben anderen nachteiligen Faktoren wie Werkstoff-Sprödig
keit und Materialkosten.
Allen genannten Vorveröffentlichungen ist gemeinsam, daß Werkstoff
verbunde durch Zusammenfügen einzelner Werkstoffbereiche in Anwendung der
Sintertechnik geschaffen werden. Die fertigen Werkstoffverbunde weisen
möglichst durchgängig hohe, günstigstenfalls 100 % Dichte auf. Einzelne
Formteilbereiche weisen unterschiedliche mechanische Eigenschaften,
jedoch stets hohe Verschleiß- und Festigkeitswerte im Bereich von Ober
flächenzonen auf.
In Fortentwicklung des genannten Standes der Technik besteht die Aufgabe
vorliegender Erfindung darin, bei mittels Sintertechnik hergestellten
Formteilen aus Eisenwerkstoffen in entsprechend beanspruchten Formteil
zonen die für 100 % dichte Werkstoffe erreichbare, hohe mechanische
Festigkeit zu erzielen und doch ein abschließendes Kalibrieren des Sinter
formteils zu erlauben.
Im einzelnen besteht die Aufgabe darin, mittels einer Folge von geeig
neten, einzeln jeweils vorbekannten Verfahrensschritten in einzelnen
vorbestimmten Zonen eines Sinterformteils die bei üblicher Herstellung
mittels Sintern verbleibende Restporosität von ca. 10 Vol.% praktisch
vollständig zu beseitigen, d. h. in diesen Zonen zumindest annähernd
100%ige Werkstoffdichte und entsprechend hohe mechanische Festigkeit bzw.
Verschleißfestigkeit zu erreichen.
Gleichzeitig ist aber in anderen Zonen des Sinterformteiles die etwa
10 Vol.%ige Restporosität zu erhalten oder noch zu erhöhen.
Damit soll sichergestellt werden, daß, wie bei Anwendung von Standard-
Verfahren, die mit dem Grünlingspressen erreichten Teiledimensionen durch
gängig erhalten bleiben und daß sich die fertig gesinterten Teile für ein
abschließendes Kalibrieren eignen.
Das anzuwendende Verfahren soll zudem eine für die Fertigung von Massen
teilen ausreichende Wirtschaftlichkeit aufweisen.
Die Lösung der oben beschriebenen Aufgabe besteht erfindungsgemäß in
einem Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteiles aus Eisenwerk
stoffen der eingangs beschriebenen Art, gemäß dem ein nach üblichen Preß-
und Sinterverfahren auf ca. 10 Vol.% Restporosität gebrachtes Formteil in
einem weiteren Verfahrensschritt mittels zonenweisen Einbringens von
Zusatzwerkstoffen in die verbliebenen Poren und/oder mittels lokal
wirksamen mechanischen Nachverdichtens des Formteils, in diesen Zonen auf
eine Restporosität von 5 Vol.% oder weniger und damit zu geschlossener
Porenstruktur gebracht und anschließend mittels des HIP- oder Sinter-HIP-
Verfahrens in diesen Zonen weiterverdichtet wird. Alle übrigen Zonen des
Sinterformteils behalten die übliche, ca. 10 Vol.% betragende Rest
porosität bei.
In vorliegender Erfindung bedeutet der Begriff "in einzelnen Zonen oder
Randbereichen dichtes, annähernd porenfreies Sinterformteil" definitions
gemäß, daß diese Zonen praktisch 100 % dicht sind, zumindest aber vernach
lässigbar kleine Restporosität von unter 1 Vol.% aufweisen.
Die als "üblich" charakterisierten Pulverpreß- und Sinterverfahren für
Sinterformteile aus Eisenwerkstoffen sind in der einschlägigen Standard
literatur in großer Verfahrensbreite beschrieben.
Die einzelnen erfindungswesentlichen zusätzlichen Verfahrensschritte
umfassen ebenfalls solche, in der Sintertechnologie gut eingeführte und
dem Fachmann bekannte Verfahren großer Variationsbreite. Bevorzugte Aus
gestaltungsdetails sind in den Unteransprüchen sowie in den Beispielen
ausgeführt.
Mit der regelmäßig verwendeten Kurzbezeichnung HIP-Verfahren ist das heiß
isostatische Nachverdichten von Sinterformteilen gemeint. Beim Sinter-
HIP-Verfahren laufen die Prozesse des Sinterns und heißisostatischen Nach
verdichtens gleichzeitig und nebeneinander ab.
Im einzelnen wird auf die Beschreibung in den nachfolgenden Ausführungs
beispielen verwiesen.
Folgende Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich
besonders bewährt.
Unter den in die Grundmatrix des Eisenwerkstoffes einbringbaren Zusatz
werkstoffen sind diejenigen bevorzugt, die unterhalb der üblichen Sinter
temperatur von Eisenwerkstoffen schmelzflüssig werden. Die Gruppe
derartiger Zusatzwerkstoffe schließt mit ein: Kupfer, Mangan, Nickel,
Phosphor und/oder Bor. Diese Zusatzwerkstoffe lassen sich unter Nutzung
der Kapillarkräfte der Poren während des Formteilsinterns als flüssige
Phase in die Poren des Grundwerkstoffes infiltrieren.
Die Zusatzwerkstoffe lassen sich in abgegrenzbare Zonen, z. B. auch in
oberflächliche Randzonen vorbestimmter Dicke einbringen.
Die Zusatzwerkstoffe können die Funktion eines reinen Porenfüllers haben,
sie werden jedoch z. B. nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfinde
rischen Verfahrens bei entsprechender Wärmebehandlung zumindest teilweise
mit dem Eisengrundwerkstoff legiert.
Es hat sich in der Praxis bewährt, eine flüssige Phase, die sich inner
halb einzelner, aus verschiedenartigen Elementen zusammensetzenden Zonen
eines Preßlings während des Sinterns bildet, gezielt in vorbestimmte
andere Zonen des Sinterformteils wandern zu lassen.
Das oberflächliche Nachverdichten von Sinterwerkstoffen mittels
mechanischen Pressens oder Rollierens ist an sich bekannt. Für die
Herstellung von Sinterformteilen nach vorliegender Erfindung hat sich als
besonders vorteilhaft erwiesen, Randzonen von Sinterformteilen mittels
Taumelpressens auf eine Restporosität von 5 Vol.% oder weniger nachzuver
dichten.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung von Sinterform
teilen aus Eisenwerkstoffen, bei welchen die Vorteile von nach üblichen
Preß- und Sinterverfahren hergestellten Formteilen, das sind vor allem
Formstabilität, Kalibrierfähigkeit und Wirtschaftlichkeit, mit den
vorteilhaften Eigenschaften einer hohen Werkstoffdichte und hohen mecha
nischen Festigkeit in einzelnen hochbelasteten Zonen kombiniert sind. Von
besonderer Bedeutung ist die Steigerung der mechanischen und der
Verschleißfestigkeit, z. B. im Bereich der Zahnflanken eines Zahnrades.
Für den Erfolg des erfindungswesentlichen Gesamtverfahrens ist maßgebend,
das übliche Porenvolumen des Sinter-Grundwerkstoffes zonenweise zunächst
auf Werte von 5 Vol.% oder weniger zu bringen und in diesen Zonen eine
"geschlossene" Porosität zu erzeugen. Nur dann lassen sich entsprechende
Zonen anschließend durch HIP-pen bzw. Sinter-HIP-en auf 100 % Dichte
bringen. Das übrige Sinterformteil mit durchgängiger, d. h. üblicher Poro
sität von ca. 10 Vol.% bleibt von den Nachverdichtungs-Maßnahmen
unbeeinflußt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einzelner
Beispiele näher erläutert.
Ein ringförmiger Sinterkörper wird als Verbundkörper aus zwei ver
schiedenen Pulvern hergestellt.
Pulversorte 1 ist ein handelsübliches Eisenpulver, wie es z. B. unter der
Bezeichnung ASC im Handel erhältlich ist.
Pulversorte 2 ist eine Eisen-Kupfer-Legierung FeCu20, wie sie ebenfalls
im Handel erhältlich ist.
Ein Ringwerkzeug wird innen, d. h. im achsnahen Bereich, mit Eisenpulver
ASC, außen mit einer Eisenpulverlegierung FeCu20 gefüllt. Der Pulver
verbund, zunächst gemeinsam mit 6 t/cm2 verpreßt, erfährt beim an
schließenden Sintern folgende Umwandlung:
Der äußere, ursprünglich FeCu20 enthaltende Ringbereich des Sinterkör
pers, ist nach dem Sintern unter Flüssigphasenbildung von der Cu-Phase
entleert und damit hochporös, während der innere Teil des Ringes sich bei
Flüssigwerden des Kupfers durch die in den dortigen Poren auftretenden,
höheren Kapillarkräften mit Kupfer gefüllt hat. Im Schliffbild des Ver
bundwerkstoffes erkennt man im Innenbereich eine geschlossene Porosität
bei insgesamt nur noch geringer Restporosität. Diese im inneren Teil des
Ringes noch vorhandene Restporosität wird in einem folgenden Verfahrens
schritt durch Sinter-HIP-pen beseitigt. Der äußere Teil des Ringes bleibt
hochporös. Das Sinterformteil wird nach dem Sinter-HIP-Prozeß kalibriert.
Ein ringförmiges Sinterformteil wird unter Verwendung von handelsüblichen
Eisenpulvern nach üblichen Preß- und Sinterverfahren hergestellt und
weist die normale Dichte von ca. 90 % der theoretischen Dichte auf.
Anschließend wird die achsferne Oberflächenzone des Ringes durch
Rollieren bis in eine Tiefe von 0,5 mm-1 mm verdichtet, bei vom Inneren
zur Oberfläche hin zunehmender, an der Oberfläche etwa 95 % betragender
Dichte. Mittels anschließenden HIP-pens oder Sinter-HIP-pens wird eine
schmale Randschicht der Oberflächenzone auf die gewünschte 100 % Dichte
gebracht.
Für den Fall, daß die mittels Rollierens erreichbare 100 % dichte Zone
beschränkter Breite ausgeweitet werden soll, wird in den vorgesinterten
und rollierten Sinterformteil-Rohling eine definierte Menge einer
flüssigen Cu-Phase mittels Tränkverfahren in das Sinterformteil einge
bracht. Dabei lagert die flüssige Phase bevorzugt in den durch Rollieren
verdichteten, aber nicht schon auf 100 % verdichteten Randbereich ein,
weil dort aufgrund der geringeren Porenabmessungen höhere Kapillarkräfte
auftreten. Die infiltrierte flüssige Phase weist noch eine "geschlossene
Restporosität" auf. Durch HIP-pen wird eine erweiterte Randzone 100 %
verdichtet, während im Inneren des Sinterteils die normale Porosität
erhalten bleibt. Der Ring wird anschließend maßgenau kalibrieren.
Ein nach üblichen Preß- und Sinterverfahren hergestelltes Sinterformteil
wird innerhalb definierter Zonen durch mechanisches Nachpressen so weit
verdichtet, daß während eines anschließenden Sinter-HIP-Vorganges eine
flüssige Phase infiltriert werden kann, die sich zunächst wegen der dort
größeren Kapillarkräfte im nachverdichteten Bereich kleinerer Poren an
sammelt und dann über den Prozeß des Flüssigphasensinterns zu verdich
teten Zonen mit geschlossener Porosität führt.
Der anschließende Sinter-HIP-Prozeß führt zu Formteilen mit porenfreier
Zone. Außerhalb der vorbehandelten Zonen bleibt die ursprüngliche, offene
Porosität im Sinterformteil unverändert bestehen.
Das Sinterformteil wird in einem abschließenden Kalibriervorgang zu einem
maßhaltigen Bauteil, d. h. mit engen Meaßtoleranzen, ausgeformt.
Ein unter Verwendung handelsüblicher, pulverförmiger Eisenbasiswerkstoffe
nach üblichen Preß- und Sinterverfahren hergestelltes Zahnrad mit ca.
90 %iger Dichte wird im Bereich der Zähnekonturen mit einer zu einer
Paste angerührten Bor- oder Phosphor-Basislegierung bestrichen. Diese
Zusatzlegierungen dienen als Flüssigphasenbildner. Während des an
schließenden Aufheizens des Formteiles auf Sintertemperatur in einem
Sinter-HIP-Prozeß werden in einem ersten Teilschritt die aufgestrichenen
Zusatzwerkstoffe Bor oder Phosphor schmelzflüssig und diffundieren in die
Randzonen des Sinterformteils ein bzw. werden aufgrund der in den Poren
herrschenden Kapillarkräfte in eine Randzone von 0,5 bis 1 mm Dicke ein
gezogen. Der so gewonnene Verbund weist in der Randzone mit Einlagerungen
eine geschlossene Porosität, d. h. mindestens 95 %ige Dichte auf. Diese
geschlossene Restporosität wird in einem zweiten Teilschritt des Sinter-
HIP-Prozesses vollständig beseitigt.
Die so erhaltenen Zahnräder weisen eine porenfreie, 100 % dichte und hoch
feste Oberflächenzone im Zahnbereich auf, wobei die Festigkeit der Ober
fläche an diejenige von entsprechenden erschmolzenen Stahlwerkstoffen
heranreicht bzw. dieser gleichkommt. Die übrigen Zonen des Zahnrades
behalten ihre ursprüngliche Porosität bei. Das Zahnrad mit entsprechendem
Aufbau wird in einem abschließenden Verfahrensschritt kalibriert.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines in einzelnen Zonen oder Randzonen
porenfreien, in den übrigen Zonen porösen Sinterformteiles aus Eisen
werkstoffen,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein nach üblichen Pulverpreß- und Sinterverfahren auf ca. 10 Vol.%
Restporosität gebrachtes Formteil in einem weiteren Verfahrensschritt
mittels zonenweisen Einbringens von Zusatzwerkstoffen in die verblie
benen Poren und/oder mittels lokal wirksamen mechanischen Nachver
dichtens des Formteils in diesen Zonen, auf eine Restporosität von
5 Vol.% oder weniger und damit zu geschlossener Porenstruktur gebracht
und anschließend mittels des HIP- oder Sinter-HIP-Verfahrens in diesen
Zonen weiterverdichtet wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteiles nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzwerkstoffe eingebracht werden, die
unterhalb der üblichen Sintertemperatur von Eisenwerkstoffen schmelz
flüssig sind.
3. Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteiles nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß Cu, Mn, Ni, P und/oder B als Zusatzwerk
stoffe eingebracht werden.
4. Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteiles nach Anspruch 1
bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an ein Vorsintern des
Eisengrundwerkstoffes während des Sinterprozesses die Zusatzwerkstoffe
in flüssiger Phase in die Poren des Grundwerkstoffes infiltriert
werden.
5. Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteiles nach Anspruch 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff in dosierter
Menge auf den zum Sinterrohling verarbeiteten Eisenwerkstoff aufge
bracht, während des anschließenden Sintervorganges mit Erreichen der
Schmelztemperatur in den Eisenwerkstoff infiltriert und in den Zonen
kleinster Porosität eingelagert wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteiles nach Anspruch 1
bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenwerkstoffe mit den einge
brachten Zusatzwerkstoffen im Sinterformteil legiert werden.
7. Verfahren zur Herstellung von Sinterformteilen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Randzonen des Sinterformteiles
mittels Taumelpressens auf 5 Vol.% Restporosität oder weniger nachver
dichtet wird.
8. Sinterformteil, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß dieses gegenüber dem Pulverpreßling unver
änderte Fertigmaße besitzt.
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