DE4211319C2 - Verfahren zur Herstellung von Sintereisen-Formteilen mit porenfreier Zone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines in einzelnen Zonen oder Randzonen porenfreien, in den übrigen Zonen porösen Sinterformteiles aus Eisenwerkstoffen, wobei ein nach üblichen Pulverpreß- 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 wird.

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 theoretischen Dichte erreicht. Diese Dichte läßt sich mittels bekannter Zusatzverfahren 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. Weiters 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 im Fall von Eisen als Sinterwerkstoff durch die notwendige Umhüllung des Pulvers bzw. Sinterkörpers vor dem eigentlichen HIP-Prozeß 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 neben Verfahren zur Herstellung einheitlicher dichter Sinterformteile am einheitlichen Werkstoff 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 austenitbildende Elemente in die Oberfläche des Form­ teiles eindiffundieren". Damit kommt es im Oberflächenbereich zu einer Werkstoffveredelung mit dem Ziel, die Oberflächenverschleißfestigkeit zu verbessern. Das fertige Sintereisenformteil weist in allen Bereichen Porosität auf. 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 Preßdrücken 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, das 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 Hartmetallpulver 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 Werkstoffsprödig­ keit und Materialkosten.

Die Druckschrift DE-A1 26 41 899 lehrt, bei einem gesinterten Formteil mit Restporosität, u. a. aus Stahl, mittels lokalen, oberflächlichen Kaltformwalzens in einem begrenzten Oberflächenbereich die Restporosität auf weniger als 5% zu senken und dabei gleichzeitig die Festigkeit des Werkstoffes zu erhöhen. Eine vollständig porenfreie Struktur wird dort nicht erreicht.

Die US-PS 2 561 579 lehrt, entsprechend ihrem Anspruch 1, ein auf sintermetallurgischem Wege gefertigtes, vollständig poröses, aus Eisen bestehendes Getriebezahnrad im Zahnbereich mit niedrig schmelzenden Metallen, wie Kupferlegierungen zu tränken, um die Festigkeit in diesen Zahnradbereichen zu erhöhen. Die Festigkeit eines mit Porenfüller versehenen Eisenwerkstoffes erreicht nicht annähernd die Festigkeitswerte eines reinen, porenfreien Eisenwerkstoffes.

Das Fachbuch "Pulvermetallurgie, Sinter- und Verbundwerkstoffe", W. Schatt (Herausgeber), 2. Auflage, Leipzig, 1985 besagt, daß für das heißisostatische Nachverdichten (poröser Körper) "vorverdichtete Körper ohne von außen zugänglichen offenen Porenraum" vorliegen müssen. Das Buch nennt Hartmetall als für den HIP-Prozeß geeignetes Material. Dieser Zustand ist beim gesinterten Hartmetall (bestehend aus Karbid und beim Sintern schmelzflüssigem Bindemetall) von vorneherein gegeben. Hinweise, wie diese Voraussetzung für andere Werkstoffe, z. B. Eisenwerkstoffe, erreicht wird, nennt das Fachbuch nicht.

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 und Restporosität von ca. 10% in entsprechend beanspruchten Formteil­ zonen die für 100 % dichte Werkstoffe erreichbare, hohe mechanische Festigkeit zu erzielen und doch ein nur einem Sinterformteil mit ausreichender Restporosität vorbehaltenes, abschließendes Kalibrieren desselben zu erlauben.

Im einzelnen besteht die Aufgabe darin, mittels einer Folge von geeig­ neten, einzeln jeweils vorbekannter wirtschaflticher Verfahrensschritte 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 im Unterschied zum bekannten Stand der Technik in anderen ausreichend großen Zonen des Sinterformteiles die etwa 10 Vol.%ige Restporosität zu erhalten oder noch zu erhöhen.

Die Lösung der oben beschriebenen Aufgabe besteht 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 und dann nur zonenweise auf Rest­ porosität kleiner 5 Vol.% sowie geschlossene Porenstruktur gebrachtes Formteil erfindungsgemäß in einem weiteren Verfahrensschritt 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 eine 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 abgrenzbare 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 erfin­ dungsgemäßen 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-en 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 Nachverdichtungsmaßnahmen unbeeinflußt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einzelner Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

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-en beseitigt. Der äußere Teil des Ringes bleibt hochporös. Das Sinterformteil wird nach dem Sinter-HIP-Prozeß kalibriert.

Beispiel 2

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-ens oder Sinter-HIP-ens 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-en wird eine erweiterte Randzone 100 % verdichtet, während im Inneren des Sinterteils die normale Porosität erhalten bleibt. Der Ring wird anschließend maßgenau kalibriert.

Beispiel 3

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 Maßtoleranzen, ausgeformt.

Beispiel 4

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 (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines in einzelnen Zonen oder Randzonen porenfreien, in den übrigen Zonen porösen Sinterformteiles aus Eisenwerkstoffen, wobei ein nach üblichen Pulverpreß- 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 wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinter-HIP-Verfahrens 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 schmelzflüssig sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteiles nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Cu, Mn, Ni, P und/oder B als Zusatzwerkstoffe 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 Oberflächen-Randzonen kleiner 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 werden.