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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft Schmiermittel zur Schmierung von Pressformen
und ein Herstellungsverfahren für
einen Presskörper
auf Basis von Eisenpulver für
die Pulvermetallurgie. Diese Erfindung betrifft insbesondere das
Verbessern von Schmiermitteln zur Schmierung von Presskörpern, die
zur Kompaktierung von hochdichten Presskörpern auf Basis von Eisenpulver
verwendet werden.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Im
Allgemeinen werden Presskörper
auf Basis von Eisenpulver für
die Pulvermetallurgie über
die Schritte des Mischens eines Pulvers auf Basis von Eisen, von
Pulver(n) zum Legieren, beispielsweise einem Kupferpulver und/oder
einem Graphitpulver und des Weiteren eines Schmiermittels, beispielsweise
Zinkstearat oder Bleistearat, zum Herstellen eines Mischpulvers
auf Basis von Eisen, des Füllens
einer Pressform mit dem Mischpulver auf Basis von Eisen und der
Kompaktierung hergestellt. Dichten der daraus entstehenden Presskörper betragen
im Allgemeinen 6,6 bis 7,1 mg/m3.
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Diese
Presskörper
auf Basis von Eisen werden gesintert und des Weiteren nach Erfordernis
dimensioniert oder zugeschnitten, um Pulvermetallurgie-Produkte
herzustellen. In Fällen,
in denen eine höhere
Festigkeit erforderlich ist, kann eine Aufkohlungs-Wärmebehandlung
oder eine zunderfreie (bright) Wärmebehandlung
nach Beendigung des Sinters durchgeführt werden.
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Durch
die Verwendung dieser Pulvermetallurgie-Technik ist es möglich geworden,
eine nahezu endgültige
Form, das heißt, "endformnah" kompliziert geformte
Komponenten mit hoher Maßhaltigkeit
durch einmaliges Formpressen ohne zahlreiche Schneidarbeitsschritte
herzustellen. Es ist daher möglich
geworden, die Schneidekosten im Vergleich zu herkömmlichen
Herstellungsverfahren in einem großen Ausmaß zu senken. Infolge dessen
wurden 1998 in Japan Pulvermetallurgie-Produkte auf Basis von Eisen
als Komponenten für
Automobile in einer Menge von mehr als 6 kg pro Automobil verwendet.
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In
der letzten Zeit ist es für
Pulvermetallurgie-Produkte auf Basis von Eisen in hohem Maß erforderlich, dass
ihre Maßhaltigkeit
verbessert wird, um Kosten durch den Wegfall von Schneidearbeiten
zu senken, und dass ihre Festigkeit erhöht wird, um miniaturisierte
und leichte Komponenten herzustellen.
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Um
die Festigkeit von Pulvermetallurgie-Produkten (gesinterten Komponenten)
zu erhöhen,
ist es wirkungsvoll, die Dichte von gesinterten Komponenten zu erhöhen, indem
die Dichte von Presskörpern
erhöht wird.
Als Begleiterscheinung der Erhöhung
der Dichte von gesinterten Komponenten nehmen Porositäten in den
Komponenten ab, und mechanische Eigenschaften, beispielsweise Zugfestigkeit,
Kerbschlagzähigkeit und
Ermüdungsfestigkeit,
werden verbessert.
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Als
ein Kompaktierungsverfahren, das in der Lage ist, die Dichte von
Presskörpern
auf Basis von Eisenpulver zu erhöhen,
wurden das Doppelkompaktierungs- und Doppelsinterverfahren, in dem
Mischpulver auf Basis von Eisen einer normalen Kompaktierung und
Sinterung unterzogen wird, und anschließend einer weiteren Kompaktierung
und Sinterung unterzogen wird, und das Sinter- und Schmiedeverfahren
vorgeschlagen, bei dem nach der Durchführung der einmaligen Kompaktierung
und einmaligen Sinterung eine Warmformgebung durchgeführt wird.
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Des
Weiteren wird die Warmkompaktierungs-Technik, in der Metallpulver
verdichtet werden, während sie
erwärmt
werden, in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung
Nr. 2-156002, der geprüften
japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung
Nr. 7-103404 und den U.S.-Patenten Nr. 5,256,185 und 5,368,630 offenbart.
Diese Warmkompaktierungs-Technik soll den Reibungswiderstand zwischen
den Partikeln und zwischen dem Presskörper und der Pressform verringern
und die Verdichtbarkeit durch einen Teil oder durch die Gesamtheit
des Schmiermittels verbessern, das während der Warmkompaktierung
geschmolzen wird und dadurch gleichmäßig zwischen den Pulverpartikeln
verteilt wird. Es herrscht die Überzeugung,
dass diese Warmkompaktierungs-Technik den größten Kostenvorteil unter den
oben genannten Herstellungsverfahren für hochdichte Produkte aufweist.
Gemäß dieser
Warmkompaktierungs- Technik
kann ein Mischpulver auf Basis von Eisen, das durch Mischen von
0,5 Gewichtsprozent von Graphit und 0,6 Gewichtsprozent von Schmiermittel
mit teilweise legiertem Eisenpulver Fe-4Ni-0,5Mo-1,5Cu hergestellt
wird, bei 130 °C und
einem Druck von 7 t/cm2 (686 MPa) verdichtet
werden, um einen Presskörper
mit einer Dichte von etwa 7,30 mg/m3 herzustellen.
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Gemäß den Techniken,
die in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung
Nr. 2-156002, der geprüften
japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung
Nr. 7-103404 und den U.S.-Patenten Nr. 5,256,185 und 5,368,630 beschrieben
wurden, ergeben sich jedoch, weil die Rieselfähigkeit des Pulvergemischs
unzureichend ist, Probleme dadurch, dass die Produktivität verringert
wird, Ungleichmäßigkeit
in der Dichte des Presskörpers
auftritt und sich die Eigenschaften des gesinterten Materials verändern. Des
Weiteren, weil während
der Kompaktierung ein hoher Ausstoßdruck erforderlich ist, ergeben
sich Probleme dadurch, dass an der Oberfläche des Presskörpers Kratzer
erzeugt werden, und die Lebensdauer der Pressform verringert wird.
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Des
Weiteren ist bei diesen Warmkompaktierungs-Techniken das Schmiermittel
in dem Mischpulver auf Basis von Eisen enthalten, um den Reibungswiderstand
zwischen den Partikeln und zwischen dem Presskörper und der Pressform zu verringern
und die Verdichtbarkeit zu verbessern. Ein Teil oder die Gesamtheit des
Schmiermittels wird jedoch während
der Warmkompaktierung geschmolzen, so dass es in die Nähe der Oberfläche des
Presskörpers
herausgedrückt
wird. Während
des anschließenden
Sinterns wird das Schmiermittel thermisch zersetzt oder aus dem
Presskörper
verdampft und abgebaut, und in der Nähe der Oberfläche des
gesinterten Materials bilden sich grobe Poren. Daher ergab sich
ein Problem dadurch, dass die mechanische Festigkeit des gesinterten
Materials verringert wird.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird in der japanischen ungeprüften
Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr.
8-100203, einer Technik mit Kompaktierung bei normaler Temperatur
oder mit Warmkompaktierung, die Oberfläche der Pressform mit einem
elektrisch aufgeladenen Schmiermittelpulver beschichtet, um die
Menge des Schmiermittels in dem Mischpulver auf Basis von Eisen
zu reduzieren und einen hochdichten Presskörper zu erhalten. Gemäß diesem
Verfahren, weil nur eine Art von Schmiermittel für die Pressform-Schmierung durch
Beschichten aufgebracht wird, ändert
sich jedoch die Form des Schmiermittels in der Nähe seines Schmelzpunkts, so
dass sich die Schmierungs-Funktion in großem Ausmaß verändert. Infolgedessen ergibt sich
ein Problem dadurch; dass der Bereich der Kompaktierungstemperatur
durch den Schmelzpunkt des Schmiermittels eingeschränkt wird.
Selbst wenn die Oberfläche
der Pressform mit einem Schmiermittel zur Pressform-Schmierung beschichtet
wird, um die Menge des Schmiermittels in dem Mischpulver auf Basis
von Eisen zu reduzieren, so besteht immer noch das Problem, dass
einige Komponenten des Misch-Schmiermittels auf Grund der Reduzierung
der Menge die Schmierwirkung nicht entfalten können, und eine Erhöhung der Presskörperdichte
wird nicht erreicht.
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Im
Handel erhältliche
Schmiermittel zur Pressform-Schmierung sind für den Einsatz bei Raumtemperatur
ausgelegt. Wenn daher diese im Handel erhältlichen Schmiermittel zur
Pressform-Schmierung mittels elektrischer Aufladung an vorgewärmte Pressformen
angehaftet werden, ergibt sich das Problem, dass die Schmiermittel
an der Oberfläche
der Pressformen vollständig
geschmolzen werden können
und nicht gleichmäßig anhaften,
und es ist wahrscheinlich, dass die Schmiermittel sich während des
Kompaktierungsdrucks so verschieben, dass der Presskörper und
die Oberfläche
der Pressformen in direkten Kontakt kommen können und so der Ausstoßdruck erhöht wird.
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Dementsprechend
besteht immer noch ein großer
Bedarf an einer Kompaktierungstechnik bei normaler Temperatur, mit
der hochdichte Presskörper
durch einmalige Kompaktierung bei Raumtemperatur hergestellt werden
können.
Als die oben genannte Kompaktierungstechnik bei normaler Temperatur
wurde ein Versuch mit einer Kompaktierungstechnik unter Einsatz
einer Pressform-Schmierung unternommen. Siehe beispielsweise W.B.
Ball und andere, The International Journal of Powder Metallurgy,
APMI International, Band 33, Nr. 1, 1997, S. 23 – 30. In dem Fall, in dem die
Pressform mit einem im Handel erhältlichen Schmiermittel zur
Pressform-Schmierung unter Verwendung einer herkömmlichen Pressform-Schmiervorrichtung
beschichtet wird, wird das Schmiermittel jedoch selbst bei Raumtemperatur
weder gleichmäßig verteilt
noch an der Oberfläche
(Wand) der Pressform mit einem hohen Wiederholbarkeitsgrad angehaftet.
Demzufolge ist diese Technik in der Industrie noch nicht angewandt
worden.
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Außerdem besteht
vom Gesichtspunkt des Erhöhens
der Festigkeit von Automobil-Komponenten und vom Kosten-Standpunkt
aus ein Bedarf an der Entwicklung eines Herstel lungsverfahrens für einen
hochdichten Presskörper
auf Basis von Eisenpulver, mit dem ein Presskörper mit einer höheren Dichte
erzeugt werden kann als mit einmaliger Kompaktierung hergestellt
werden kann.
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Aufgaben
dieser Erfindung sind die vorteilhafte Lösung der oben genannten Probleme
von herkömmlichen
Techniken und die Bereitstellung von Herstellungsverfahren für hochdichte
Presskörper
auf Basis von Eisenpulver. Gemäß dem Herstellungsverfahren
wird beispielsweise ein Mischpulver auf Basis von Eisen, das durch
Vermischen von 0,5 Gew.% Graphit mit einem teilweise legierten Eisenpulver
mit der Zusammensetzung von Fe-4Ni-0,5Mo-1,5Cu hergestellt wird,
einem Normaltemperatur-Kompaktierungsdruck bei Raumtemperatur und
einem Druck von 7 t/cm2 ((686 MPa) unterzogen,
und hochdichte Presskörper
mit einer Dichte von wenigstens 7,30 mg/m3 können durch
einmalige Kompaktierung hergestellt werden. Wird es einem Warmkompaktierungs-Druck
bei 130 °C
und einem Druck von 7 t/cm2 ((686 MPa) gemäß dem Verfahren
unterzogen, können
hochdichte Presskörper
mit einer Dichte von wenigstens 7,40 mg/m3 durch
einmalige Kompaktierung hergestellt werden.
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Das
Dokument US-A-5 682 591 des Stands der Technik offenbart ein Verfahren
zur Herstellung eines hochdichten Presskörpers auf Basis von Eisenpulver,
das die Schritte des Einfüllens
eines Pulvers auf Basis von Eisen in eine Pressform und der anschließenden Kompaktierung
des Mischpulvers auf Basis von Eisen bei einer vorgegebenen Temperatur
von zwischen 50 °C – 500 °C umfasst.
US-A-5 683 591 offenbart des Weiteren, dass das Pressform-Schmiermittel
an die Oberfläche
der Pressform mittels elektrischer Aufladung angehaftet wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geeignetes Verfahren
zum Herstellen eines hochdichten Presskörpers auf Basis von Eisenpulver
bei reduziertem Druck bereitzustellen, wodurch die Lebensdauer der
Pressform erhöht
wird, und nach einem geeigneten Schmiermittel für die Pressform-Schmierung
in dem entsprechenden Verfahren zu suchen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Um
die oben genannten Aufgaben unter Verwendung einer Pressform-Schmierungs-Kompaktierungstechnik
zu erfüllen,
haben die gegenwärtigen
Erfinder Gemische von Schmiermitteln zur Pressform-Schmierung ernsthaft
untersucht. Als eine Lösung
für die
Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, wie
es in Anspruch 1 definiert wird, und ein Produkt, wie es in Anspruch
7 definiert wird. Bevorzugte Ausführungsformen des erfinderischen
Verfahrens werden in den Unteransprüchen 2 – 6 definiert.
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Der
Inhalt des Schmiermittels zur Kompaktierung von Pulver (im Folgenden
Mittelzusatzstoff-Menge (means additive amount)) beträgt vorzugsweise
0,05 bis 0,40 Gew.% in Bezug auf das gesamte Mischpulver auf Basis
von Eisen.
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Gemäß dieser
Erfindung kann ein hochdichter Presskörper mit einem einmaligen Kompaktierungsdruck
hergestellt werden.
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BESTER AUSFÜHRUNGSMODUS
DER ERFINDUNG
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In
der Erfindung wird eine Pressform mit einem Mischpulver auf Basis
von Eisen gefüllt,
und anschließend
wird ein Kompaktierungsdruck bei einer vorgegebenen Temperatur ausgeführt, das
heißt,
bei Normaltemperatur oder bei einer "warmen" Temperatur von 70 bis 200 °C, um einen
Presskörper
auf Basis von Eisenpulver herzustellen.
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In
der Erfindung wird die Pressform zur Kompaktierung bei Normaltemperatur
ohne Vorwärmen
in der normalen Kompaktierungstemperatur verwendet, oder die Pressform
wird verwendet, nachdem sie für
die Warmkompaktierung auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt wurde.
In dem Fall, in dem die Pressform einem Vorwärmen unterzogen wird, ist die
Vorwärmetemperatur
der Pressform nicht spezifisch begrenzt, so lange das Mischpulver
auf Basis von Eisen auf der vorgegebenen Temperatur des Kompaktierungsdrucks
gehalten werden kann. Die Vorwärmetemperatur
liegt vorzugsweise um 20 bis 60 °C
höher als
die vorgegebene Temperatur des Kompaktierungsdrucks. Bei der normalen
Kompaktierungstemperatur, selbst wenn die Pressform verwendet wird,
ohne zuerst vorgewärmt
zu werden, erhöht
sich die Temperatur der Pressform nach dauernden Einsätzen auf
etwa 80 °C.
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Ein
elektrisch aufgeladenes Schmiermittel zur Pressform-Schmierung wird
in die Pressform eingeführt,
so dass es durch elektrische Aufladung an der Oberfläche der
Pressform angehaftet wird. Das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung
(Feststoff-Pulver) wird in eine Pressform-Schmiervorrichtung gefüllt, beispielsweise
das von Gasbarre Products, Inc. hergestellte Die Wall Lubricant
System, und wird durch elektrische Aufladung durch Kontakt des Schmiermittels
(Feststoffs) und der Innenwand der Vorrichtung elektrisch aufgeladen.
Das elektrisch aufgeladene Schmiermittel zur Pressform-Schmierung
wird über
die Pressform gesprüht
und wird so in die Pressform eingeführt, dass es durch elektrische
Aufladung an der Oberfläche
der Pressform anhaftet. Das Schmiermittel (Schmiermittel zur Pressform-Schmierung),
das an der Oberfläche
der Pressform anhaftet, kann Reibungswiderstand zwischen der Oberfläche (Wand)
der Pressform und dem Pulver während
der Kompaktierung des Pulvers auf Basis von Eisen so reduzieren,
dass "Druckverlust", das heißt, das
Entweichen von Kompaktierungsdruck an die Oberfläche (Wand) der Pressform, reduziert
wird, und der Druck effektiv auf das Pulver übertragen wird. Daher wird
die Dichte des Presskörpers
erhöht,
und der zum Ausstoßen
des Presskörpers
aus der Pressform erforderliche Ausstoßdruck wird reduziert. Um die
oben genannten Wirkungen als Schmiermittel zu erzielen, muss das
Schmiermittelpulver gleichmäßig an der
Oberfläche
der Pressform angehaftet sein.
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Um
gleichmäßig an der
Oberfläche
der Pressform angehaftet zu sein, wird das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung
(Feststoff-Pulver) durch elektrische Aufladung angehaftet.
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Um
an der Oberfläche
der Pressform zuverlässig
angehaftet zu werden, muss das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung
(Feststoff-Pulver) zuverlässig
in einer Ladevorrichtung der Pressform-Schmiervorrichtung elektrisch
aufgeladen werden. Zu diesem Zweck ist die spezifische Oberfläche des
Schmiermittels zur Pressform-Schmierung (Feststoff-Pulver) vorzugsweise
klein, das heißt,
der Partikeldurchmesser ist vorzugsweise klein. In der Erfindung
betragen die Partikeldurchmesser von 90% oder mehr des Schmiermittels
zur Pressform-Schmierung (Feststoff-Pulver) vorzugsweise 50 μm oder weniger.
Wenn die Partikeldurchmesser die vorgenannte Größe überschreiten, kann die elektrische
Aufladung unzureichend werden, und des Weiteren kann das Schmiermittel
unter seinem eigenen Gewicht abfallen, nachdem es an die Pressform
angehaftet wor den ist, so dass das Anhaften des Schmiermittels an
die Oberfläche
der Pressform unzureichend wird.
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In
der Erfindung werden als das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung
(Feststoff-Pulver) wenigstens zwei Arten von verschiedenen Pulvermaterialien
(Schmiermittelpulver) gemischt und verwendet. Durch Mischen der
wenigstens zwei Arten von verschiedenen Schmiermittelpulvern wird
nicht nur das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung (Feststoff-Pulver)
in der Pressform-Schmiervorrichtung (Ladungsvorrichtung) elektrisch
aufgeladen, sondern auch die wenigstens zwei Arten von verschiedenen
Pulvern kommen in der Pressform-Schmiervorrichtung (Ladevorrichtung)
so miteinander in Berührung,
dass sie durch Kontakt elektrisch aufgeladen werden. Als Begleiterscheinung
dazu wird die Menge von elektrischer Aufladung auf der Gesamtheit
der Pulver größer als
diejenige in dem Fall, in dem eine Art von Schmiermittel verwendet
wird. Daher werden die Schmiermittelpulver zuverlässig an
der Oberfläche
der Pressform angehaftet. In der Erfindung wird als das Schmiermittel
zur Pressform-Schmierung (Feststoff-Pulver) ein Pulvergemisch verwendet,
das durch Mischen von wenigstens zwei Arten von Schmiermitteln hergestellt
wird, von denen jedes einen höheren Schmelzpunkt
als die vorgegebene Temperatur des Kompaktierungsdrucks aufweist.
Hierin bedeutet die vorgegebene Temperatur des Kompaktierungsdrucks
in der Erfindung die Temperatur an der Oberfläche der Pressform während des
Kompaktierungsdrucks.
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Weil
das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung einen Schmelzpunkt aufweist,
der höher
als die vorgegebene Temperatur des Kompaktierungsdrucks ist, wird
das Schmiermittel nicht geschmolzen und ist als Feststoff-Pulver
an der Oberfläche
der Pressform vorhanden, so dass die Schmierungs-Funktion an der
Oberfläche
der Pressform beibehalten wird, die Dichte des Presskörpers erhöht wird,
und der Ausstoßdruck
nicht erhöht
wird. Wenn andererseits das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung
einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als die vorgegebene Temperatur
des Kompaktierungsdrucks ist, schmilzt das Schmiermittel an der
Oberfläche
der Pressform und breitet sich in einem flüssigen Zustand aus. Dies ist
vom Standpunkt einer gleichmäßigen Anhaftung
aus von Vorteil, obwohl sich daraus insofern Probleme ergeben, als
das Schmiermittel aus der Oberfläche
der Pressform herausfließt,
bzw. selbst wenn das Schmiermittel nicht herausfließt, das
Schmiermittel während
der Kompaktierung des Mischpulvers auf Basis von Eisen in das Pulver
auf Grund eines kapillaren Phänomens aufgesaugt
werden kann, so dass das auf der Oberfläche der Pressform verbleibende
Schmiermittel reduziert werden kann. Als Begleiterscheinung dazu
kann die Schmierungs-Funktion auf der Oberfläche der Pressform reduziert
werden, und der Ausstoßdruck
kann erhöht
werden.
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Das
Schmiermittel zur Pressform-Schmierung, das einen höheren Schmelzpunkt
als die vorgegebene Temperatur des Kompaktierungsdrucks aufweist,
wird in der Pressform während
der Kompaktierung nicht geschmolzen und funktioniert als ein Feststoff-Schmiermittel wie
eine "Laufrolle" in der Pressform,
so dass sie auch eine reduzierende Wirkung auf den Ausstoßdruck aufweist.
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Als
das Schmiermittel (Feststoff-Pulver), dessen Schmelzpunkt höher ist
als die Temperatur des Kompaktierungsdrucks, werden wenigstens zwei
Pulvermaterialien bevorzugt, die aus einer oder beiden der folgenden
Gruppen gewählt
werden:
- Gruppe C: eines oder wenigstens zwei
der Materialien, die als Wachse auf Amid-Basis klassifiziert sind;
- Gruppe D: eines oder wenigstens zwei der Materialien, die als
Polyamide klassifiziert sind.
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Diese
wenigstens zwei Schmiermittel (Pulver) werden gemischt, und das
sich daraus ergebende Gemisch wird als Schmiermittel zur Pressform-Schmierung
verwendet.
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Beispielmaterialien,
die als Wachse auf Amid-Basis der Gruppe C klassifiziert sind, umfassen
zum Beispiel Stearinsäureamid
(Schmelzpunkt 103 °C),
Ethylenbisstearamid (Schmelzpunkt 149 °C) und langkettiges Alkyl-Ethylen-bis-alkylamid
(long-chain alkyl ethylene-bis-alkylamides), z.B. Light Amide WH215®,
hergestellt von Kyoeisha Kagaku Co., Ltd. (Schmelzpunkt 215 °C), Light
Amide WH255®,
hergestellt von Kyoeisha Kagaku Co., Ltd. (Schmelzpunkt 255 °C). Unnötig zu erwähnen, dass
sie in der Erfindung nicht auf die oben genannten Wachse auf Amid-Basis
eingeschränkt
sind.
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Beispielmaterialien,
die als Polyamide der Gruppe D klassifiziert sind, umfassen zum
Beispiel Polyamide, die unterschiedliche Molekulargewichte aufweisen.
Von diesen Ma terialien werden Polyamide mit einem Schmelzpunkt von
210 bis 270 °C
(Nylon) bevorzugt.
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Beispielmaterialien,
die als Polypropylene der Gruppe E klassifiziert werden, umfassen
zum Beispiel Polypropylene mit unterschiedlichen Molekulargewichten.
Polypropylenpulver mit einem Molekulargewicht von 5.000 bis 100.000
werden bevorzugt.
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Die
Anhaftungsmenge des Schmiermittels zur Pressform-Schmierung, das
durch elektrische Aufladung an die Oberfläche der Pressform angehaftet
wird, beträgt
bevorzugt 0,5 bis 10 mg/cm2. Wenn die Anhaftungsmenge
weniger als 0,5 mg/cm2 beträgt, ist
die Schmierwirkung unzureichend, so dass die Ausstoßkraft nach
der Kompaktierung erhöht
wird. Wenn die Anhaftungsmenge andererseits mehr als 10 mg/cm2 beträgt, verbleibt
das Schmiermittel auf der Oberfläche
des Presskörpers,
so dass das Erscheinungsbild des Presskörpers beeinträchtigt wird.
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Das
Mischpulver auf Basis von Eisen wird in die Pressform gefüllt, an
die das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung durch elektrische
Aufladung angehaftet wurde, und Kompaktierungsdruck wird zum Herstellen
des Presskörpers
auf Basis von Eisenpulver ausgeführt.
In Fällen,
in denen die Pressform bei normaler Temperatur ohne Vorwärmen verwendet
wird, wird das Mischpulver auf Basis von Eisen bevorzugt ebenfalls bei
normaler Temperatur ohne spezielle Erwärmung verwendet. In Fällen andererseits,
in denen die Pressform vorgewärmt
wird, wird das Mischpulver auf Basis von Eisen vorzugsweise auf
eine Temperatur von 200 °C
oder weniger erwärmt,
vorzugsweise auf eine Temperatur von 70 °C oder mehr. Wenn die Erwärmungstemperatur 200 °C übersteigt,
erhöht
sich die Dichte nicht wesentlich, und das Eisenpulver kann oxidiert
werden. Daher beträgt
die Erwärmungstemperatur
des Mischpulvers auf Basis auf Eisen vorzugsweise 200 °C oder weniger.
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Das
Mischpulver auf Basis von Eisen ist ein Gemisch des Pulvers auf
Basis von Eisen und eines Schmiermittels (Schmiermittel zum Pulverformen),
oder es ist ein Gemisch, das des Weiteren Pulver zum Legieren enthält.
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Als
das Pulver auf Basis von Eisen in der Erfindung werden reine Eisenpulver,
beispielsweise ein zerstäubtes
Eisenpulver oder ein reduziertes Eisenpulver oder teilweise legierte
Stahlpulver, vollständig
legierte Stahlpulver oder Mischpulver daraus bevorzugt.
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Das
Mischverfahren für
das Pulver auf Basis von Eisen und das Schmiermittel für Kompaktierungspulver
oder für
das Pulver auf Basis von Eisen, die Schmiermittel für Kompaktierungspulver
und die Pulver zum Legieren ist nicht speziell eingeschränkt, und
jedes im Allgemeinen bekannte Mischverfahren kann in zweckdienlicher
Weise verwendet werden. Insbesondere in Fällen, in denen das Pulver auf
Basis von Eisen mit dem Pulver zum Legieren gemischt wird, um enthaltene
Pulver daran zu hindern, sich abzusondern, wird ein Mischverfahren
mit den folgenden Schritten bevorzugt: zuerst werden das Pulver
auf Basis von Eisen, das Pulver zum Legieren und ein Teil der Schmiermittel
für Kompaktierungspulver
gemischt; das sich daraus ergebende Gemisch wird umgerührt, während es
auf eine Temperatur erwärmt
wird, die gleich oder höher
als der Schmelzpunkt von wenigstens einer Art von Schmiermittel
aus den oben genannten Schmiermitteln für Kompaktierungspulver ist,
um so wenigstens eine Art von Schmiermittel aus den oben genannten
Schmiermitteln für
Kompaktierungspulver zu schmelzen; nach dem Schmelzen wird das Gemisch
unter Rühren
abgekühlt,
um so das geschmolzene Schmiermittel an der Oberfläche des
oben genannten Pulvers auf Basis von Eisen anzusetzen und damit
das Pulver zum Legieren anzuhaften; anschließend werden restliche Schmiermittel
für Kompaktierungspulver
hinzugefügt,
und es wird ein zweites Mal gemischt.
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Der
Gehalt der Schmiermittel für
Kompaktierungspulver in dem Mischpulver auf Basis von Eisen beträgt vorzugsweise
0,05 Gew.% bis 0,40 Gew.% in Bezug auf das gesamte Mischpulver auf
Basis von Eisen. Wenn der Gehalt der Schmiermittel für Kompaktierungspulver
weniger als 0,05 Gew.% beträgt,
wird die Schmierungswirkung der Pulver untereinander während der
Kompaktierung reduziert, so dass die Dichte des Presskörpers verringert
wird. Wenn andererseits der Gehalt der Schmiermittel für Kompaktierungspulver 0,40Gew.% überschreitet,
erhöht
sich der Anteil des Schmiermittels mit einer geringeren Dichte,
so dass die Dichte des Presskörpers
verringert wird.
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In
der Erfindung kann das Schmiermittel für Kompaktierungspulver in dem
Mischpulver auf Basis von Eisen bevorzugt jedes von einem oder wenigstens
zwei Schmiermitteln sein, die einen Schmelzpunkt, der höher ist
als die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung; ein gemischtes Schmiermittel mit einem Schmiermittel
mit einem niedrigen Schmelzpunkt, der gleich oder niedriger als
die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung ist, und einem Schmiermittel mit einem Schmelzpunkt,
der höher
als die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung ist; und eines oder wenigstens zwei Schmiermittel
mit einem niedrigen Schmelzpunkt, der gleich oder niedriger als
die vorgegebene Temperatur des Kompaktierungsdrucks ist, aufweisen.
Von diesen werden das gemischte Schmiermittel mit dem Schmiermittel,
das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, der gleich oder niedriger
als die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung ist, und dem Schmiermittel mit einem Schmelzpunkt,
der höher
als die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung ist, bevorzugt.
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In
Fällen,
in denen das gemischte Schmiermittel mit dem Schmiermittel, das
einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, der gleich oder niedriger
als die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung ist, und dem Schmiermittel mit einem Schmelzpunkt,
der höher
als die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung ist, verwendet wird, beträgt der Gehalt des Schmiermittels,
das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, der gleich oder niedriger
als die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung ist, vorzugsweise 10 Gew.% bis 75 Gew.% in Bezug
auf die Gesamtheit der enthaltenen Schmiermittel für Kompaktierungspulver, und
beträgt
der Gehalt des Schmiermittels mit einem Schmelzpunkt, der höher als
die vorgegebene Temperatur während
der Kompaktierung ist, vorzugsweise den Restbetrag von 25 Gew.%
bis 90 Gew.%. Das Schmiermittel mit einem niedrigen Schmelzpunkt,
der gleich oder niedriger als die vorgegebene Temperatur während der
Kompaktierung ist, wird während
der Kompaktierung geschmolzen, dringt zwischen die Partikel des
Pulvers durch kapillarische Kraft ein und wird in den Partikeln
des Pulvers gleichmäßig verteilt,
so dass der Kontaktwiderstand zwischen den Partikeln verringert
wird, wodurch sich die Neuanordnung der Partikel beschleunigt, und
die Erhöhung
der Dichte des Presskörpers
beschleunigt wird. Wenn der Gehalt des Schmiermittels mit einem
niedrigen Schmelzpunkt, der gleich oder niedriger ist als die vorgegebene
Temperatur während
der Kompaktierung, weniger als 10 Gew.% beträgt, wird das Schmiermittel
in den Partikeln des Pulvers nicht gleichmäßig verteilt, so dass die Dichte
des Presskörpers
verringert wird. Wenn der Gehalt 75 Gew.% übersteigt, wird als Begleiterscheinung
zur Erhöhung
der Dichte in dem Presskörper
geschmolzenes Schmiermittel zur Oberfläche des Presskörpers nach
außen
gepresst, auf der Oberfläche
bilden sich Auslaufbahnen des Schmiermittels, und auf der Oberfläche des
Presskörpers
bilden sich viele grobe Hohlräume,
so dass die Festigkeit des gesinterten Material verringert wird.
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Das
Schmiermittel mit einem höheren
Schmelzpunkt als die vorgegebene Temperatur während der Kompaktierung, das
in dem Mischpulver auf Basis von Eisen enthalten ist, ist während der
Kompaktierung im festen Zustand vorhanden und funktioniert wie eine "Laufrolle" an konvexen Abschnitten
der Oberfläche
des Mischpulvers auf Basis von Eisen, an denen das geschmolzene
Schmiermittel zurückgetrieben
wird, so dass die Neuanordnung der Partikel beschleunigt und die
Dichte des Presskörpers
erhöht
wird.
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Hinsichtlich
der Schmiermittel zur Pulverkompaktierung, die in dem Mischpulver
auf Basis von Eisen enthalten sind, wird als das Schmiermittel mit
einem Schmelzpunkt, der höher
als die vorgegebene Kompaktierungstemperatur ist, wenigstens ein
Schmiermittel bevorzugt, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Metallseifen,
thermoplastischen Kunststoffen, thermoplastischen Elastomeren und
aus anorganischen und organischen Schmiermitteln besteht, die Schichtkristallstrukturen
aufweisen. Dieses Schmiermittel wird entsprechend aus den im Folgenden
beschriebenen Schmiermitteln in Übereinstimmung
mit der vorgegebenen Temperatur während der Kompaktierung ausgewählt.
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Als
die Metallseife werden Lithiumstearat, Lithiumhydroxystearat und Ähnliches
bevorzugt. Als der thermoplastische Kunststoff werden Polystyrol,
Polyamid, Fluorkunststoff und Ähnliches
bevorzugt. Als das thermoplastische Elastomer werden Elastomere
auf Polystyrol-Basis, Elastomere auf Polyamid-Basis usw. bevorzugt.
Als das anorganische Schmiermittel mit einer Schichtkristallstruktur
kann jedes von Graphit, MoS2 und Fluorkohlenwasserstoff
(fluorocarbon) verwendet werden, und die Ausstoßkraft wird tatsächlich bei
einer Reduzierung der Partikelgröße verringert.
Als das organische Schmiermittel mit einer Schichtkristallstruktur
kann jedes von Melamin-Cyanursäure-Addukten
(MCA) und N-Alkyl-Asparginsäure-β-Alkyester
(N-alkylaspartic acid- β-akyl
ester) verwendet werden.
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Hinsichtlich
der Schmiermittel für
Kompaktierungspulver, die in dem Mischpulver auf Basis von Eisen enthalten
sind, werden als das Schmiermittel mit einem niedrigen Schmelzpunkt,
der gleich oder niedriger als die vorgegebene Temperatur während der Kompaktierung
ist, eines oder wenigstens zwei Schmiermittel bevorzugt, die aus
der Gruppe ausgewählt
werden, die aus Metallseifen, Wachsen auf Amid-Basis, Polyethylenen
und eutektischen Gemischen von wenigstens zwei Schmiermitteln bestehen.
Dieses Schmiermittel wird zweckdienlich aus den im Folgenden beschriebenen
Schmiermitteln in Übereinstimmung
mit der vorgegebenen Temperatur während der Kompaktierung ausgewählt.
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Als
die Metallseife werden Zinkstearat, Calciumstearat und Ähnliches
bevorzugt. Als das Wachs auf Amid-Basis werden Ethylenbisstearamid,
Stearinsäure-Monoamid
und Ähnliches
bevorzugt. Als das eutektische Gemisch werden ein eutektisches Gemisch
aus Ölsäure und
Zinkstearat; ein eutektisches Gemisch aus Ethylenbisstearamid und
Polyethylen; ein eutektisches Gemisch aus Ethylenbisstearamid und
Stearinsäureamid;
ein eutektisches Gemisch aus Ethylenbisstearamid und Zinkstearat;
ein eutektisches Gemisch aus Ethylenbisstearamid und Calciumstearat;
ein eutektisches Gemisch aus Calciumstearat und Lithiumstearat bevorzugt.
Abhängig
von der Kompaktierungstemperatur kann ein Teil dieser Schmiermittel
als ein Schmiermittel mit einem Schmelzpunkt verwendet werden, der
höher als
die Temperatur während
der Kompaktierung ist.
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Das
in dem Mischpulver auf Basis von Eisen enthaltene Graphit als Pulver
zum Legieren hat die Wirkung, das gesinterte Material zu verstärken. Wenn
der Gehalt des Graphits vermindert wird, ist die Festigkeitswirkung
auf das gesinterte Material unzureichend. Wenn andererseits der
Gehalt übermäßig erhöht wird,
wird prä-eutektoidischer
Zementit ausgefällt,
wodurch die Festigkeit verringert wird. Daher beträgt der Gehalt
des Graphits in dem Mischpulver auf Basis von Eisen vorzugsweise
0,1 Gew.% bis 2,0 Gew.% in Bezug auf das gesamte Mischpulver auf
Basis von Eisen.
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Der
wie oben beschrieben hergestellt Presskörper wird einer Sinterbehandlung
unterzogen und kann des Weiteren, falls erforderlich, beispielsweise
einer Aufkohlungs-Wärmebehandlung,
einer zunderfreien Wärmebehandlung
unterzogen werden, um als ein Pulvermetallurgie-Produkt verwendet
zu werden.
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(Beispiele)
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Als
ein Pulver auf Basis von Eisen wurde ein teilweise legiertes Stahlpulver
mit einer Zusammensetzung von Fe-4Ni-0,5Mo-1,5Cu verwendet. Dieses
teilweise legierte Stahlpulver wurde mit einem Graphitpulver und
Schmiermitteln für
Kompaktierungspulver durch ein Wärme-Mischverfahren
gemischt, wozu eine Hochgeschwindigkeits-Mischmaschine verwendet
wurde, um ein Mischpulver auf Basis von Eisen herzustellen. Die Beimischungsmenge
des Graphits betrug 0,5Gew.% in Bezug auf das gesamte Mischpulver
auf Basis von Eisen. Die Arten und die Zusatzmengen der Schmiermittel
für Kompaktierungspulver
in Bezug auf das gesamte Mischpulver auf Basis von Eisen sind in
Tabelle 1 dargestellt.
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Die
Temperatur der Pressform für
den Kompaktierungsdruck wurde, wie in Tabelle 1 dargestellt, eingestellt,
das heißt,
auf normale Temperaturen oder auf Temperaturen, die durch Vorwärmen erhöht wurden. Ein
Schmiermittel zur Pressform-Schmierung, das unter Verwendung einer
(von Gasbarre Products, Inc. hergestellten) Pressform-Schmiervorrichtung
elektrisch aufgeladen wurde, wurde auf die Pressform aufgesprüht und in
sie eingeführt,
um durch elektrische Aufladung an der Oberfläche der Pressform angehaftet
zu werden. Das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung war ein Gemisch
aus wenigstens zwei Arten von Schmiermitteln mit Schmelzpunkten,
die höher
als die Temperatur während
der Kompaktierung waren, und wurde durch Mischen von wenigstens
zwei Arten von Materialien (Schmiermitteln) hergestellt, die aus
einer oder wenigstens zwei Gruppen der Gruppen C und D ausgewählt wurden,
wie in Tabelle 2 dargestellt. Zu Vergleichszwecken wurden Fälle, in
denen wenigstens eine Art von Schmiermittel, das einen niedrigeren
Schmelzpunkt als die Temperatur während der Kompaktierung aufwies,
und Fälle,
in denen eine Art von Schmiermittel, das einen höheren Schmelzpunkt als die
Temperatur während
der Kompaktierung aufwies, als Vergleichsbeispiele verwendet. Die
gemessene Temperatur der Oberfläche
des Presskörpers
wurde als die Temperatur während
der Kompaktierung angenommen.
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Anschließend wurde
die wie oben beschrieben behandelte Pressform mit dem Mischpulver
auf Basis von Eisen gefüllt.
Die Temperatur des Mischpulvers auf Basis von Eisen wurde auf normale
Temperatur oder auf Temperaturen eingestellt, die durch Erwärmen der
Pressform in Übereinstimmung
mit der Behandlung erhöht
wurden. Danach wurde ein Kompaktierungsdruck ausgeübt, um einen
Presskörper
in der Form eines rechtwinkligen Quaders mit den Abmessungen 10
mm × 10
mm × 55
mm herzustellen.
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Der
ausgeübte
Druck betrug 7 t/cm2 (686 MPa). Die Kompaktierungsbedingungen
sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Schmiermittel für Kompaktierungspulver
in dem Mischpulver auf Basis von Eisen wurden aus verschiedenen
Schmiermitteln ausgewählt,
wie in Tabelle 2 dargestellt, und es wurden die Schmiermittel mit höheren Schmelzpunkten
als die Temperatur während
der Kompaktierung, wie in Tabelle 1 gezeigt, oder die Gemische von
Schmiermitteln mit niedrigen Schmelzpunkten, die gleich oder niedriger
als die Temperatur während
der Kompaktierung sind, und Schmiermittel mit höheren Schmelzpunkten als die
Temperatur während
der Kompaktierung, wie in Tabelle 1 gezeigt, verwendet.
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Für herkömmliche
Beispiele wurde eine nicht mit einem Schmiermittel zur Pressform-Schmierung beschichtete
Pressform mit dem Mischpulver auf Basis von Eisen gefüllt. Die
Temperatur des Mischpulvers auf Basis von Eisen wurde auf normale
Temperatur (25 °C)
oder auf Temperaturen eingestellt, die durch Erwärmen in Übereinstimmung mit der Behandlung
der Pressform erhöht
wurden. Danach wurde die Kompaktierung durchgeführt, um Presskörper (Presskörper Nr.
28 und 32) in der Form eines rechtwinkligen Quaders herzustellen, ähnlich demjenigen
in dem oben genannten Beispiel.
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Nach
Beendigung der Kompaktierung wurden die Ausstoßdrücke für den Ausstoß der Presskörper gemessen.
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In
Bezug auf sich daraus ergebenden Presskörper wurden die Dichten nach
dem Archimedischen Prinzip gemessen, das ein Verfahren zum Bestimmen
der Dichte auf der Basis des Volumens des Presskörpers (des Messgegenstand)
ist, das durch Eintauchen in Wasser gemessen wird.
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Des
Weiteren wurde das Erscheinungsbild der sich daraus ergebenden Presskörper in
Bezug auf das Vorhandensein oder Fehlen von Fehlstellen, wie beispielsweise
Kratzern und Brüchen,
einer Sichtprüfung
unterzogen.
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Die
sich daraus ergebenden Presskörper
wurden in der Mitte durchgeschnitten, in einen Kunststoff eingebettet
und geschliffen. Danach wurde das Vorhandensein oder Fehlen einer
groben Pore in dem Durchschnitt mit einem optischen Mikroskop untersucht.
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Die
Ergebnisse für
Ausstoßdrücke, die
Dichten der Presskörper,
das Erscheinungsbild der Presskörper
und die Eigenschaften von Schnitt-Mikrostrukturen der Presskörper sind
in Tabelle 1 dargestellt.
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Hinsichtlich
jedes der Presskörper
gemäß der Erfindung
betrugen die Ausstoßdrücke nach
der Kompaktierung nur 20 MPa oder weniger, und die Dichte betrug
7,30 mg/m3 oder mehr bei der Normaltemperatur-Kompaktierung,
und 7,40 mg/m3 oder mehr bei Warmkompaktierung.
In den Presskörpern
wurden keine Defekte wie Fehlstellen und Brüche beobachtet. Die Eigenschaften
der Querschnitts-Mikrostruktur des Presskörpers waren normal, und es
wurden keine groben Poren beobachtet.
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In
Bezug auf die herkömmlichen
Beispiele (Presskörper
Nr. 28 und 32), die keiner Pressform-Schmierung unterzogen wurden,
erhöhten
sich die Ausstoßdrücke in großem Ausmaß, die Dichten
der Presskörper wurden
verringert, und auf den Oberflächen
der Presskörper
wurden Fehlstellen beobachtet.
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Hinsichtlich
der Vergleichsbeispiele außerhalb
des Umfangs der Erfindung betrugen die Ausstoßdrücke mehr als 20 MPa, die Dichten
bei der Normaltemperatur-Kompaktierung betrugen nur 7,25 mg/m3 oder weniger, die Dichten bei der Warmkompaktierung
betrugen nur 7,35 mg/m3 oder weniger, auf
den Oberflächen der
Presskörper
wurden Kratzer beobachtet, oder es wurden grobe Poren in der Nähe der Oberflächen der Querschnitte
der Presskörper
beobachtet.
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In
Bezug auf die Warmkompaktierung war in Fällen, in denen der Schmelzpunkt
von wenigstens einer Art von Schmiermittel zur Pressform-Schmierung
gleich oder niedriger als die Temperatur während der Kompaktierung war
(Presskörper
Nr. 29), das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung nur ein Schmiermittel
mit einem höheren
Schmelzpunkt als die Temperatur während der Kompaktierung (Presskörper Nr.
30 und 33), oder das Schmiermittel zur Pressform-Schmierung war
nur ein Schmiermittel mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die
Temperatur während
der Kompaktierung (Presskörper
Nr. 31), die Dichten der Presskörper
wurden verringert, und die Ausstoßdrücke wurden erhöht.
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Gemäß der Erfindung
können
hochdichte Presskörper
mit ausgezeichnetem Erscheinungsbild und hervorragenden Querschnitts-Eigenschaften
mit reduzierten Ausstoßdrücken verdichtet
werden.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Gemäß der Erfindung
werden für
die Industrie überlegene
Auswirkungen vorgewiesen. Das heißt, hochdichte Presskörper mit
ausgezeichnetem Erscheinungsbild und hervorragenden Querschnitts-Eigenschaften
können
durch einmalige Kompaktierung hergestellt werden, wobei die Ausstoßdrücke nach
der Kompaktierung verringert werden können, die Lebensdauer der Pressformen
verlängert
werden kann, und hochdichte gesinterte Materialien problemlos hergestellt
werden können.
