DE4242854C2 - Pulvermischung und Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Bauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulvermischung und ihre Verwendung zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Bauteils aus einem bei Sinter­ temperatur formstabilem Pulver und einem bei Sintertemperatur sinternden oder schmelzenden Verbindungspulver, das sich beim Sintern nicht verflüchtigt, sondern im Sinterkörper enthalten bleibt.

Pulvermetallurgische Bauteile werden in bekannten Sinterverfahren da­ durch hergestellt, daß Pulver des Materials, aus welchem das Bauteil bestehen soll, binderfrei oder mit Bindern vermischt in eine Form ein­ gebracht werden. Beim anschließenden Sinterschritt schwinden beim Er­ reichen der Sintertemperatur die Freiräume zwischen den Pulverpartikeln und das Volumen des gesinterten Bauteils schrumpft gegenüber dem Vo­ lumen der Form. Die Volumenabnahme liegt bei 30% und die äußeren Ab­ messungen vermindern sich teilweise um mehr als 10%. Danach verbleibt noch eine Restporosität zwischen 3 bis 6% im gefertigten Bauteil, die durch bekannte Preßverfahren vermindert werden kann.

Der Nachteil dieses Vorgehens ist, daß Meisterteile bei der Formgebung in Bezug auf die Außenabmessungen nicht 1 : 1 hergestellt werden können. Vielmehr muß die Form entsprechend dem Schrumpfmaß größer dimensioniert werden. Außerdem ist eine Reproduktion der Außenendmaße eines pulver­ metallurgisch hergestellten Bauteils nicht immer gewährleistet, da sich kleinste Änderungen in den Produktionsparametern auf die Re­ produzierbarkeit der Außenendmaße auswirken.

Ein weiterer Nachteil ist, daß sich Verbundbauteile, bei denen ein Massivkörper von einem pulvermetallurgischen Bauteil mindestens teil­ weise umhüllt oder beschichtet werden soll oder bei denen ein Massiv­ bauteil teilweise in einem pulvermetallurgischen Bauteil stecken soll, sich nicht durch Aufsintern des pulvermetallurgischen Bauteils auf das Massivbauteil herstellen lassen, da das pulvermetallurgische Bauteil nachteilig erhöhter Rißgefahr und Formverzerrungen durch den Schrumpfprozeß beim Sintern ausgesetzt ist.

Aus F. Eisenkolb "Fortschritte der Pulvermetallurgie" Bd.I, Akad. Vlg. Berlin, 1963, S. 290 und 435 bis 449 ist bekannt, daß durch bei Sintertemperatur formstabile Pulver ein "Skelett" gebildet werden kann, das ein Schrumpfen der Außenmaße des Sinterkörpers behindert. Nach­ teilig fehlt in dieser Veröffentlichung eine Angabe, wie hoch die Zu­ gabe an nicht formstabilen sinternden oder schmelzenden Verbindungs­ pulver sein darf, ohne daß das Skelett und damit die Formstabilität gefährdet ist. Damit fehlen exakte Angaben zur prozentualen Zusammen­ setzung zwischen "skelettbildenden", beim Sintern formstabilen Pulvern und dem Anteil an Verbindungspulvern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pulvermischung und Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Bauteils anzugeben, mit dem ein pulvermetallurgisches Bauteil herstellbar wird, das vor und nach dem Sintern praktisch identische Außenmaße aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe, soweit es die Angabe einer erfindungsgemäßen Pulvermischung betrifft, durch eine Pulvermischung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die ein bei Sintertemperatur formstabiles Pulver und ein bei Sintertemperatur sinterndes oder schmelzendes Verbindungspulver umfaßt, wobei der Anteil des Verbindungspulvers in Größe und Menge so auf das formstabile Pulver abgestimmt ist, daß sich eine Pulverschüt­ tung ergibt, die beim Sintern formstabil bleibt und der Anteil des Verbindungspulvers an der Pulverschüttung derselben Teilchengrößenstufe höchstens 25 Vol.-% beträgt.

Diese Pulvermischung hat den Vorteil, daß mittels der bei Sintertempe­ ratur formstabilen Pulverteilchen sowohl bei bin­ derfreiem Sintern als auch bei Sintern des Pulvergemisches unter Zugabe von Bindern sich die Außenmaße der Form unmittel­ bar auf das pulvermetallurgische Bauteil übertragen. Das Verbindungs­ pulver reagiert als Schmelze oder Heißpartikel mit dem formstabilen Pulver und bildet zwischen den formstabilen Pulverpartikeln feste Brüc­ ken. Bestehen formstabiles Pulver und Verbindungspulver aus einer Teilchengrößenstufe, so sind höchstens 25 Vol.-% der Pulverschüttung aus Verbindungspulver, damit vorteilhaft nur überwiegend formstabile Pulver nächste Nachbarn des Verbindungspulvers im Pulvergemisch oder in einem Preßkörper sind, so daß vorteilhaft keine Unterschiede zwischen Formabmessungen oder Abmessungen des Preßkörpers und Bauteilabmessungen auf­ treten.

Eine bevorzugte höchste Grenze ist 8% für den Anteil des Verbindungs­ pulvers an der Pulverschüttung bei gleicher Teilchengrößenstufe von Verbindungspulver und formstabilem Pulver. Diese höchste Grenze hat den Vorteil, daß ausschließlich formstabilem Pulverpartikel nächste Nachbarn von Verbindungspulverpartikeln sind, so daß ein Schrumpfen beim Sintern ausgeschlossen wird.

Nach dem Sintern einer derartigen Pulvermischung aus einer Teil­ chengrößenstufe von formstabilem Pulver und Verbindungspulver zu einem pulvermetallurgischen Bauteil entsteht ein Bauteilmaterial mit hoher Porosität. Dieses wird vorteilhaft für Filter, Energiespeicher oder für Leichtbauteile eingesetzt.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung besteht die Pulvermi­ schung aus einer Pulvermischung in Teilchengrößenstufen, deren mittlere Teilchengrößen derart gestaffelt sind, daß in der Pulverschüttung die Teilchen einer nächst feineren Stufe den Freiraum zwischen den Teilchen einer gröberen Stufe auffüllen. Das hat den Vorteil, daß mit zu­ nehmender Anzahl von Teilchengrößenstufen die Porosität im Material des Bauteils vermindert wird und nahezu massive pulvermetallurgische Bau­ teile entstehen. Um vorteilhaft den Freiraum zwischen den Partikeln einer gröberen Teilchengrößenstufe mit Partikeln einer nächst feineren Teilchengrößenstufe aufzufüllen, weist die Pulverschüttung ein Größen­ verhältnis zwischen dem mittleren Teilchendurchmesser d(n) der nächst feineren Stufe und dem mittleren Teilchendurchmesser d(n-1) der gröb­ eren Stufe höchstens 0,23, vorzugsweise höchstens 0,15, auf. Ein Teil­ chendurchmesserverhältnis von höchstens 0,23 hat den Vorteil, daß die größten Freiräume zwischen den Partikeln der nächst gröberen Teilchen­ größenstufe mit bis zu 4 Partikeln vom größten Teilchendurchmesser der nächst feineren Teilchengrößenstufe belegt werden können. Das bevorzug­ te Größenverhältnis von 0,15 hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Partikel bei abgerundeter oder annähernd kugeliger Form der nächst feineren Teilchengrößenstufe ungehindert zwischen den Partikeln der gröberen Teilchengrößenstufe rieseln können, da die Partikel der nächst feineren Teilchengrößenstufe auch mit ihren größten Teilchendurchmesser nicht der Gefahr ausgesetzt sind, in den Freiräumen zwischen den Partikeln der gröberen Teilchengrößenstufe hängen zu bleiben. Der weitere Vorteil liegt darin, daß eine erhöhte Anzahl von Pulverpartikeln der nächst feineren Teilchengrößenstufe in den Freiräumen der nächst gröb­ eren Teilchengrößenstufe eingebaut werden und damit das Bauteil ein Sintermaterial mit gestiegener Dichte aufweist.

Zur vorteilhaften Verminderung des Verbindungspulveranteils weist vor­ zugsweise das formstabile Pulver in der Pulverschüttung mehrere Teil­ chengrößenstufen auf und das Verbindungspulver liegt nur in der fein­ sten Teilchengrößenstufe vor, wobei alle gröberen Teilchengrößenstufen aus bei Sintertemperatur formstabilem Pulver bestehen. Der Anteil an Verbindungspulver kann damit vorteilhaft auf weniger als 3%, bezogen auf das Gesamtvolumen, vermindert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der Volumen­ anteil der nächst feineren Teilchengrößenstufe kleiner 32% der gröberen Teilchengrößenstufe. Dieses Mengenverhältnis stellt sicher, daß das gesamte Volumen der nächst feineren Teilchengrößenstufe von den Frei­ räumen zwischen den Partikeln der gröberen Teilchengrößenstufe auf­ genommen werden kann, ohne daß Ablagerungen von feinen Partikeln zwi­ schen den Partikeln der gröberen Teilchengrößenstufe auftreten.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist in der Pulvermischung der Volumenanteil an Verbindungspulver innerhalb von nächst feineren Teilchengrößenstufen bis zu 100 Vol.-%. Das hat den Vorteil einer hohen Bindung der formstabilen Pulverpartikel und damit erhöhter Festigkeit des pulvermetallurgischen Bauteils, das aus dieser Pulvermischung her­ gestellt wird.

Die Formstabilität kann vorteilhaft dadurch erhöht werden, daß vorzugs­ weise kein Verbindungspulver in der gröbsten Teilchengrößenstufe vor­ handen ist und die nächst feineren teilweise oder vollständig aus Ver­ bindungspulver bestehen.

Die erfindungsgemäße Pulvermischung wird vorzugsweise zur Herstellung eines Bauteils, das vor und nach der Sinterung formstabil ist, ange­ wandt. Damit ist der Vorteil verbunden, daß die Außenmaße vor und nach der Sinterung völlig identisch sind. Damit werden pulvermetallurgische Bauteile herstellbar, die beim Sinterprozeß nicht schrumpfen, sondern die Maße und die Form des Preßkörpers oder der Pulverschüttung beibe­ halten.

In einer bevorzugten Verwendung der Pulvermischung umschließt die Pul­ verschüttung zumindest teilweise einen Massivkörper und wird mit dem Massivkörper zu einem Verbundbauteil gesintert. Besonders bei einem angeformten Preßkörper wird der Vorteil des Verfahrens deutlich. Der angeformte und bisher beim Sintern schrumpfende Preßkörper würde beim Sintervorgang zerreißen, wenn nicht durch die erfindungsgemäße Pulver­ mischung ein Schrumpfen ausgeschlossen wäre. Bei dem massiven Körper handelt es sich beispielsweise um Wellen, Rohre oder Naben.

Eine weitere bevorzugte Verwendung der Pulvermischung ergibt sich für dünnwandige Umhüllungen, bei denen vorzugsweise die Oberfläche eines Massivkörpers mit der Pulvermischung pulvermetallurgisch beschichtet wird. Besonders bei umhüllenden oder teilweise das Massivbauteil ein­ schließenden Beschichtungen kann dieses Verfahren zu einem rißfreien und formtreuen pulvermetallurgisch aufgebrachten Schutz führen.

Eine verbleibende Restporosität an der Oberfläche des pulvermetallur­ gischen Bauteils kann durch Versiegeln behoben werden, so daß vorteil­ haft eine gasdichte Versiegelungsschicht das Bauteil vor Korrosion oder Oxidation schützt.

Als formstabiles Pulver werden vorzugsweise Eisen-, Nickel, Kobalt- oder Wolframbasislegierungen eingesetzt. Als Verbindungspulver werden die Elemente und Legierungen aus der Gruppe Chrom, Aluminium, Titan, Vanadium, Silber, Zinn oder Blei bevorzugt verwendet.

Die folgenden Beispiele sind Ausbildungen der Erfindung.

Beispiel 1 betrifft die Herstellung einer Pulvermi­ schung,
Beispiel 2 betrifft die Herstellung einer weiteren Pul­ vermischung,
Beispiel 3 betrifft die Herstellung einer Pulvermi­ schung aus Pulvern mit 4 gestaffelten Teilchen­ größenstufen,
Beispiel 4 betrifft die Herstellung eines pulvermetal­ lurgischen Bauteils hoher Porosität,
Beispiel 5 betrifft die Herstellung eines Bauteils aus einer Pulvermischung aus 4 Teilchengrößenstufen mit geringer Porosität.

Beispiel 1 betrifft die Herstellung einer Pulvermischung zur Herstel­ lung eines pulvermetallurgischen Bauteils. Dazu wird ein bei Sintertem­ peratur formstabiles Pulver und ein bei Sintertemperatur sinterndes oder schmelzendes Verbindungspulver von gleicher Teilchengrößenstufe gemischt. Der Anteil des Verbindungspulvers in Größe und Menge an der Pulverschüttung ist dabei höchstens 25 Vol.-%. Das formstabile Pulver stützt und bewahrt die Außenabmessungen bei einem Sinterprozeß, da es sich nicht ändert und der Anteil an sich verformendem oder auf­ schmelzendem Pulver so gering ist, daß eine Veränderung der Außenmaße beim Sinterprozeß nicht feststellbar ist.

Beispiel 2 betrifft die Herstellung einer weiteren Pulvermischung zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Bauteils. Dazu wird ein bei Sintertemperatur formstabiles Pulver und ein bei Sintertemperatur sin­ terndes oder schmelzendes Verbindungspulver von gleicher Teilchengrö­ ßenstufe gemischt. Der Anteil des Verbindungspulvers in Größe und Menge an der Pulverschüttung ist dabei höchstens 8 Vol.-%. Das formstabile Pulver stützt und bewahrt die Außenabmessungen bei einem Sinterprozeß, da es sich geometrisch nicht ändert und der Anteil an sich verformendem oder aufschmelzendem Pulver so gering ist, daß jedes Verbindungspulver­ partikel von formstabilen Pulverpartikeln umgeben ist.

Beispiel 3 betrifft die Herstellung einer Pulvermischung aus Pulvern mit gestaffelten Teilchengrößenstufen. Dazu wird zunächst von einer gröbsten Teilchengrößenstufe mit einem mittleren Teilchendurchmesser von dl ausgegangen. Diese Teilchengrößenstufe besteht in diesem Bei­ spiel zu 100% aus formstabilen Pulverpartikeln und 0% Verbindungspul­ verpartikeln. Diese gröbste Teilchengrößenstufe wird mit einer nächst feineren Teilchengrößenstufe gemischt, die zu 25% aus Verbindungspulver und zu 75% aus formstabilem Pulver besteht. Der mittlere Teilchengrößen­ durchmesser d2 der feineren Teilchengrößenstufe ist höchstens 0,23 × d1 der gröbsten Teilchengrößenstufe. In diesem Beispiel ist d2 = 0,18 d1. Das Mischungsverhältnis zwischen der nächst feineren Teilchengrößen­ stufe und gröbsten Teilchengrößenstufe ist kleiner als 32 Vol.-% und beträgt in diesem Beispiel 21 Vol.-%.

Dieser Mischung werden zwei weitere Teilchengrößenstufe zugemischt, wobei jeweils die nächst feinere Teilchengrößenstufe einen mittleren Teilchengrößendurchmesser von höchstens 0,23 des nächst gröberen Teil­ chengrößenstufe aufweist. Das Mischungsverhältnis zwischen der nächst feineren Teilchengrößenstufe und der nächst gröberen Teilchengrößen­ stufe wird mit 21 Vol.-% beibehalten, so daß die feinste Teilchengrößen­ stufe nur noch eine Volumenanteil von 0,9 Vol.-% vom Gesamtvolumen der Pulvermischung aufweist.

Bei dieser Pulvermischung bestehen die feinste und die nächst gröbere zu 100% aus Verbindungspulverpartikeln, so daß die gesamte Pulvermi­ schung aus 10,7 Vol.-% Verbindungspulver und 89,3 Vol.-% formstabilen Pul­ verpartikeln besteht.

Beispiel 4 betrifft die Herstellung eines pulvermetallurgischen Bau­ teils. Zur Herstellung eines Bauteils aus einer Pulvermischung wird zunächst ein bei Sintertemperatur formstabiles Pulver mit einem bei Sintertemperatur sinternden oder schmelzenden Verbindungspulver ge­ mischt. Dabei weisen beide Pulver eine gröbste Teilchengrößenstufe auf, von der höchstens 25 Vol.-% aus Verbindungspulver bestehen. In diesem Beispiel ist der Anteil an Verbindungspulver 8 Vol.-%. Mit dieser Pul­ vermischung wird anschließend ohne Zugabe von Binder eine achssymme­ trische Form mit einem Massivbauteil in ihrer Achse aufgefüllt. Danach wird die Form mit Massivbauteil und Pulvermischung auf Sintertemperatur aufgeheizt und mehrere Stunden geglüht. Nach Abkühlung und Entfernen der Form umgibt das pulvermetallurgische Bauteil rißfrei das Massivbau­ teil, ohne daß die Außenmaße des pulvermetallurgischen Bauteils gegen­ über den Innenmaßen der Form geschrumpft sind. Die Porosität des pul­ vermetallurgischen Bauteils ist kleiner als 32% und liegt zwischen 23 und 30% je nach Abrundungsgrad der Pulverpartikel.

Mit der achssymmetrischen Form und der Pulvermischung dieses Beispiels wird eine aufheizbare Filterscheibe auf eine massive Stahlwelle ge­ sintert.

Beispiel 5 betrifft die Herstellung eines Bauteils aus einer Pulvermi­ schung aus den 4 Teilchengrößenstufen von Beispiel 3. Dieser Pulvermi­ schung wird ein Epoxidharz als Binder mit a Vol.-% der Gesamtmischung zugegeben und unter Erwärmung aus Pulvermischung und Binder ein Preß­ körper geformt. Der Binderanteil a ist kleiner als das Leervolumen der Freiräume zwischen den Pulverpartikeln, die 6 Vol.-% in diesem Beispiel betragen. Es werden deshalb 5 Vol.-% der Gesamtmischung an Binder zugege­ ben. Dieser Preßkörper wird in einem weiteren Beispiel um ein Massiv­ bauteil herum gepreßt und der Binden ausgetrieben. Nach dem Austreiben des Binders wird der Preßkörper auf Sintertemperatur erhitzt und für mehrere Stunden geglüht. Nach dem Sintern weist das pulvermetallur­ gische Bauteil die gleichen Außenmaße auf wie der Preßkörper und in dem weiteren Beispiel umgibt das pulvermetallurgische Bauteil das Massiv­ bauteil ohne Schrumpfrisse.

Die Porosität des pulvermetallurgischen Bauteils ist in diesem Fall kleiner als 6%.

In weiteren Beispielen zur Herstellung pulvermetallurgischer Bauteile und Verbundbauteilen aus Massivbauteil und pulvermetallurgischem Bau­ teil finden die Pulvermischungen aus Beispiel 1 bis 3 entsprechende Anwendungen.

Claims (11)

1. Pulvermischung zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Bau­ teils aus einem bei Sintertemperatur formstabilen Pulver und einem bei Sintertemperatur sinternden oder schmelzenden Verbin­ dungspulver, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Verbin­ dungspulvers in Größe und Menge so auf das formstabile Pulver abgestimmt ist, daß sich eine Pulverschüttung ergibt, die beim Sintern formstabil bleibt und der Anteil des Verbindungspulvers an der Pulverschüttung in derselben Teilchengrößenstufe 25 Vol.-% beträgt.

2. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Verbindungspulvers an der Pulverschüttung höchstens 8% ist.

3. Pulvermischung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Teilchengrößenstufen mit mittleren Teilchengrößen derart gestaffelt ist, daß in der Pulvermischung die Teilchen einer nächst feineren Stufe den Freiraum zwischen den Teilchen einer gröberen Stufe auffüllen, wobei die Pulverschüttung ein Größen­ verhältnis zwischen dem mittleren Teilchendurchmesser d(n) der nächst feineren Stufe und dem mittleren Teilchendurchmesser d(n-1) der gröberen Stufe von höchstens 0,23, vorzugsweise höchstens 0,15 aufweist.

4. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das formstabile Pulver in der Pulverschüttung mehrere Teilchengrößenstufen aufweist und das Verbindungspulver in der feinsten Teilchengrößenstufe vorliegt.

5. Pulvermischung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der nächst feineren Teilchengrößenstufe kleiner als 32% der gröberen Teilchengrößenstufe ist.

6. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Volumenanteil an Verbindungspulver inner­ halb einer nächst feineren Teilchengrößenstufe bis zu 100 Vol.-% ist.

7. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß kein Verbindungspulver in der gröbsten Teilchen­ größenstufe vorhanden ist und die nächst feineren teilweise oder vollständig aus Verbindungspulver bestehen.

8. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pulver aus abgerundeten, annähernd kugeligen Teilchen bestehen.

9. Verwendung einer Pulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung eines Bauteils, das vor und nach dem Sintern formstabil ist.

10. Verwendung einer Pulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung einer Umhüllung, die einen Massivkörper zu­ mindest teilweise umschließt und mit diesem zu einem Verbund­ teil gesintert ist.

11. Verwendung einer Pulvermischung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umhüllung dünnwandig ist und den Massiv­ körper zumindest teilweise beschichtet.