DE68917153T2

DE68917153T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von endlosen metallpulverpresslingen.

Info

Publication number: DE68917153T2
Application number: DE68917153T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Greetham
Original assignee: Manganese Bronze Ltd
Current assignee: Manganese Bronze Ltd
Priority date: 1988-12-02
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2009-12-02
Also published as: WO1990006199A1; GB8828123D0; GB2229450A; DE68917153D1; GB2229450B; EP0446264B1; US5314655A; EP0446264A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von endlosen Pulvermetallurgiepreßlingen, beispielsweise von Metallstäben, Rohren und dergleichen, mit handhabbarer Festigkeit.
Eine Reihe von Techniken werden zur Zeit eingesetzt, um Metallprodukte aus Metallpulvern herzustellen. Eine der Haupttechnologien auf diesem Gebiet ist auf die Herstellung von diskreten, identischen Objekten aus Metallpulvern gerichtet, wobei das Verfahren feste formgebende Preßformen verwendet. Das Wesen dieser Technik kann man aufgrund der folgenden vereinfachten Beschreibung des Herstellungsprozesses verstehen.
Eine bekannte Menge an Metallpulver wird in beispielsweise die Bohrung einer zylindrischen rohrförmigen Preßform eingeführt. Das Pulver wird dann zwischen zwei Stanzstempeln komprimiert, die in jedem Ende der Bohrung angeordnet sind, indem eine Kraft auf jeden Stanzstempel entlang der Richtung der Längsachse der Bohrung angelegt wird. Die Preßkraft verdichtet das Pulver, welches einen "grünen, ungebackenen" Preßling mit ausreichender Festigkeit bildet, um ein Handhaben zu erlauben. Dieser Preßling wird dann einem Hochtemperatur-Diffusionsprozeß unterworfen, in der Regel in Schutzgasatmosphäre, um die einzelnen Pulverteilchen in dem Preßling zu verbinden, um ein festes Teil zu bilden.
Das Wesen dieses Prozesses ist derart, daß er in der Praxis auf die Herstellung von getrennten Teilen aus folgenden Gründen beschränkt ist. Aufgrund der Reibung zwischen den Wänden der Preßform und dem Pulver nimmt der auf das Pulver während der Kompression der Stanzstempel übertragene Druck allmählich in einer Richtung weg von den Stanzstempeln ab. Da die Kompressionskräfte entlang der Längsachse des Preßlings gerichtet sind, ist die Dichte des resultierenden Preßlings an jedem Ende am größten und nimmt allmählich auf ein Minimum in der Mitte des Preßlings ab. Wenn dieser Prozeß kontinuierlich verlaufen soll, müssen zuerst die Stanzstempel entfernt werden, wobei der Preßling an Ort und Stelle in der Form gelassen wird, mehr Pulver über den Preßling gegeben und das obere Stanzwerkzeug muß wieder angeordnet werden. Eine Kraft muß dann an den oberen Stanzstempel angelegt werden, um das neu hinzugefügte Pulver zu verdichten, während gleichzeitig der ursprüngliche Preßling veranlaßt wird, aus der Bohrung der Preßform ausgeworfen zu werden. Aufgrund der oben beschriebenen Reibungseffekte ist die Kompressionskraft in der Praxis nicht ausreichend, um den ursprünglichen Preßling aus der Form auszuwerfen, da die Kraft nicht wirkungsvoll durch die Masse des nicht verdichteten Pulvers übertragen wird. Wenn die auf das Stanzwerkzeug wirkende Kraft vergrößert wird, führt dies einfach zu einer weiteren Verdichtung des neu hinzugefügten Pulvers und führt nicht zu einem Auswurf des ursprünglichen Preßlings. Der oben beschriebene Prozeß ist daher auf die Herstellung von getrennten Preßlingen beschränkt.
GB-A-688312 (1953) zeigt ein Verfahren zum Vorbereiten von Preßlingen, indem Metallpulver in einer Form komprimiert wird, während eine Ultraschallfrequenzschwingung durch magnetostriktive Mittel angelegt wird, die an dem Preßstempel der Presse und/oder an den Wänden der Form wirksam werden.
US-A-2920714 (1959) zeigt das Bilden eines Stabes aus einem aus Partikeln bestehenden Material bei aufeinanderfolgenden Längenzuwächsen in einer Form, die gegenüberliegende laterale Führungswände und gegenüberliegende, zwischen den Führungswänden angeordnete Preßkolbenwände aufweist. Wenigstens eine Wand jedes Paares ist periodisch relativ zu dem anderen Teil des jeweiligen Paares bewegbar, wodurch Material in der Form komprimiert wird und der somit gebildete Abschnitz des Preßlings nachfolgend für eine Bewegung aus der Form freigegeben wird. In der besonderen, beschriebenen Ausführungsform werden die Wände durch hydraulisch aufblasbare Preßbeutel bewegt.
EP-A-0097497 (1984) zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von endlosen rohrförmigen Preßlingen aus Metallpulvern durch radiale Kompression, indem eine Mehrzahl von Formen verwendet wird, die mit geringer Frequenz durch hydraulische, mechanische, elektrische oder andere mit Formvorsprüngen verbundene Mittel in Schwingung versetzt werden.
Da kontinuierliche Herstellungsverfahren im allgemeinen wirtschaftlicher als getrennte oder Chargenprozesse sind, würde ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von endlosen Pulvermetallurgiepreßlingen einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil bedeuten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen von endlosen Pulvermetallurgiepreßlingen bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist:
- eine feste formgebende Preßform, die einen Pulververdichtungsbereich vorsieht, welcher zwischen einem Einlaß in der formgebenden Preßform zum Einführen von Metallpulver in den Bereich und einem Auslaß in der formgebenden Preßform angeordnet ist, wobei der Verdichtungsbereich sich in einer Richtung auf den Auslaß verjüngt;
- Mittel zum Versperren des Auslasses in der formgebenden Preßform, um in dem Verdichtungsbereich das anfänglich in den Bereich eingeführte Metallpulver zurückzuhalten;
- Mittel zum Bewirken von radialen Ultraschallschwingungen der formgebenden Preßform um eine Achse herum, die durch den Verdichtungsbereich hindurchgeht, und in einer Ebene quer zu der beabsichtigten Bewegungsrichtung des Metallpulvers durch die formgebende Preßform; und
- Rückhaltemittel zum Verhindern einer Bewegung von Metallpulver innerhalb des Verdichtungsbereiches weg vom Auslaß in der formgebenden Preßform während der radialen Schwingung der formgebenden Preßform.
Wenn sich die Form während der Vibration radial nach außen bewegt, neigt das Pulver dazu, sich in Richtung auf das engere Ende des Verdichtungsbereiches zu bewegen und wird während der nach innen gerichteten Bewegung der Form weiter verdichtet. Das Pulver wird daher fortlaufend während seines Durchtritts durch die Form verdichtet und kommt durch den Auslaß mit der gewünschten Dichte heraus.
Das Rückhaltemittel, das verhindert, daß sich Pulver weg von dem Auslaß in der formgebenden Preßform während der Vibration bewegt, besteht vorzugsweise aus einem verformbaren Material, beispielsweise Gummi, um eine leichte Bewegung des Rückhaltemittels in die Form zu ermöglichen, wenn sich das Pulver in Richtung auf den Auslaß bewegt. Da der Querschnitt des Verdichtungsbereiches im wesentlichen kontinuierlich in Richtung auf den Auslaß abnimmt, muß das Rückhaltemittel eine gewisse Verformung aushalten, um sich an die Gestalt des Verdichtungsbereiches anzupassen. Es ist auch bevorzugt, daß eine gewisse Kraft an das Rückhaltemittel in einer Richtung auf den Auslaß zu angelegt wird.
In einigen Ausführungsformen mag die auf das Rückhaltemittel wirkende Kraft ausreichend sein, um das Pulver durch den Verdichtungsbereich zu drücken und gepreßtes Pulver aus der Form auszuwerfen. Jedoch sind in bevorzugten Ausführungsformen Mittel vorgesehen, die die Versperrmittel von dem Auslaß mit einer vorbestimmten Rate wegziehen, so daß das gepreßte Pulver aus dem Verdichtungsbereich durch den Auslaß gezogen wird. Weiterhin ist bevorzugt, daß Mittel vorgesehen sind, um ein Abziehen des gepreßten Pulvers aus dem Auslaß der formgebende Preßform zu unterstützen. Solche Mittel können Ausführungswalzen aufweisen.
Wenn es gewünscht ist, endlose rohrförmige Preßlinge herzustellen, dann umfaßt die Vorrichtung vorzugsweise einen Dorn, der im Verdichtungsbereich im wesentlichen koaxial zu der Längsachse des Verdichtungsbereiches verläuft. In diesem Fall verjüngt sich der Dorn vorzugsweise in einer Richtung auf den Auslaß der formgebenden Preßform zu, um Reibungseffekte zu minimieren und um eine Bewegung des Pulvers durch den Verdichtungsbereich zu unterstützen.
Die Frequenz der radialen Ultraschallschwingung der formgebenden Preßform ist vorzugsweise so hoch wie möglich und beträgt typischerweise etwa 20 kHz.
Wenn das Pulver im Verdichtungsbereich sich durch die Form während der Vibration bewegt, kann der Prozeß augenblicklich gestoppt werden, so daß mehr Pulver hinzugefügt werden kann. Dies beeinflußt nicht den Verdichtungsprozeß in der Form. Alternativ können Mittel vorgesehen sein, um Metallpulver kontinuierlich in den Verdichtungsbereich während des Prozesses zuzuführen.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen von endlosen Pulvermetallurgiepreßlingen, wobei das Verfahren umfaßt: Einführen von Metallpulver in einen Pulververdichtungsbereich einer festen formgebenden Preßform, wobei der Verdichtungsbereich sich in einer Richtung auf einen Auslaß in der formgebenden Preßform verjüngt; Versperren des Auslasses vor der Verdichtung der ersten Pulvercharge; Induzieren einer radialen Ultraschallschwingung der formgebenden Preßform um eine Achse herum, die durch den Verdichtungsbereich hindurchgeht, und in einer Ebene quer zu der beabsichtigten Bewegungsrichtung des Metallpulvers durch die formgebende Preßform, um das Metallpulver im Verdichtungsbereich zu verdichten; Verhindern einer Bewegung von Metallpulver innerhalb des Verdichtungsbereichs weg von dem Auslaß in der formgebenden Preßform während der Schwingung der formgebenden Preßform; und Entfernen von verdichtetem Pulver aus dem Verdichtungsbereich durch den Auslaß in der formgebenden Preßform.
Zur Zeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden mittels eines Beispieles mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer Vorrichtung zum Herstellen von endlosen Pulvermetallurgiepreßlingen;
Fign. 2 bis 4 zeigen die Vorrichtung der Fig. 1 bei aufeinanderfolgenden Schritten beim Betrieb der Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine formgebende Preßform 1, die so geformt ist, daß sie einen kegelstumpfförmigen Pulververdichtungsbereich 2 ausbildet. Im Betrieb ist die beabsichtigte Orientierung der Vorrichtung derart, daß die Linie A-A eine vertikale Achse der Vorrichtung definiert, wobei der Verdichtungsbereich 2 symmetrisch um diese Achse verläuft und sich in einer abwärtigen Richtung verjüngt.
Ein kurzer Stopfen 3 wird anfänglich in einem Auslaß der formgebenden Preßform angeordnet, um loses, im Verdichtungsbereich 2 angeordnetes Metallpulver 4 abzustützen. Ein verformbares Rückhaltemittel 5, beispielsweise ein Gummistopfen, wird in einem Einlaß in der Form 1 derart angeordnet, daß er an der oberen Oberfläche des Pulvers 4 im Verdichtungsbereich 2 angreift.
Bei dem Vorrichtungsaufbau, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, wird die Form 1 dann einer radialen Ultraschallschwingung unterworfen, d. h. einer Schwingung in einer Ebene rechtwinklig zu der vertikalen Achse A-A. Die Frequenz dieser Schwingung ist so hoch wie möglich und kann typischerweise 20 kHz betragen.
Während der anfänglichen nach außen verlaufenden radialen Bewegung der Form, wie sie durch die Pfeile in Fig. 2 gezeigt ist, wächst das Volumen des Verdichtungsbereiches 2 an, und ein Spalt zwischen den Formwänden und der Masse des Pulvers 4 entsteht. Das Pulver bewegt sich unter dem Einfluß der Schwerkraft und des Gewichtes des Rückhaltemittels 5 vertikal nach unten, um den Spalt zu füllen. Wenn das Pulver sich nach unten bewegt, bewegt sich das Rückhaltemittel 5 eine entsprechende Strecke in den Verdichtungsbereich 2 hinein.
Während der nachfolgenden nach innen gerichteten Bewegung der Form verhindert das Rückhaltemittel 5 eine aufwärts gerichtete Bewegung des Pulvers, welches dadurch in ein kleineres Volumen als das in Fig. 3 gezeigte verdichtet wird. Aufgrund der spitz zulaufenden Form des Verdichtungsbereiches 2 ist die Dichte der Pulvermasse 4 in dem Bereich des Auslasses am größten, der anfänglich durch den Stopfen 3 versperrt war.
Der Stopfen 3 wird dann langsam von dem Auslaß in der Form 1 weggezogen, so daß gepreßtes Pulver an der Unterseite des Verdichtungsbereiches 2 allmählich aus der Form herausgezogen wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn die Form weiterschwingt, bewegt sich die Pulvermasse 4 allmählich nach unten durch die Form 1 und wird fortlaufend durch die radiale Zusammenpressung verdichtet. Das gepreßte Pulver, das aus dem Auslaß in der Form austritt, ist genügend dicht, um ein Handhaben und nachfolgendes Verarbeiten zu erlauben.
Der oben beschriebene Prozeß kann augenblicklich beendet werden, um zu ermöglichen, daß mehr Pulver hinzugefügt wird, indem das Rückhaltemittel 5 zeitweilig entfernt wird. Alternativ kann das Pulver kontinuierlich in den Verdichtungsbereich während des Betriebs durch irgendwelche geeignete Mittel zugeführt werden.
Es kann auch wünschenwert sein, das Abziehen des gepreßten Pulvers aus der Form zu unterstützen, beispielsweise durch Verwendung von Ausführungswalzen (nicht gezeigt)
In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, einen Gitterzylinder oder anderes geeignetes Material in der anfänglichen Masse des in der Form angeordneten Pulvers einzubauen. Das Gitter wird dann während der Verdichtung im Pulver eingebettet und erleichtert die anfängliche Entfernung des gepreßten Pulvers aus der Form.
Wenn die Erzeugung eines rohrförmigen Produktes durch Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung gewünscht wird, kann offensichtlich ein Dorn (nicht gezeigt) im Verdichtungsbereich 2 im wesentlichen koaxial zu der vertikalen Achse A-A der Vorrichtung angeordnet werden. Solch ein Dorn verläuft vorzugsweise verjüngt auf den Auslaß der Form 1 zu, um die oben beschriebenen Reibungseffekte zu verringern und um die Bewegung der Pulvermasse durch die Form zu erleichtern.
Indem die Form geeignet entworfen wird, kann ein pulvermetallurgisches Erzeugnis von nicht kreisförmigem Querschnitt fortlaufend erzeugt werden.
Nach der Verdichtung kann der kontinuierliche Preßling in einem kontinuierlichen Sinterofen gesintert werden oder kann alternativ in bestimmte Längen vor dem Sintern geschnitten werden. Die gesinterten Preßlinge werden nicht eine Dichte von 100 % aufweisen und können durch herkömmliche metallurgische Techniken weiter verdichtet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen von endlosen Pulvermetallurgiepreßlingen, wobei die Vorrichtung aufweist:

- eine feste formgebende Preßform (1), die einen Verdichtungsbereich (2) vorsieht, welcher zwischen einem Einlaß in der formgebenden Preßform zum Einführen von Metallpulver in den Bereich und einem Auslaß in der formgebenden Preßform angeordnet ist, wobei der Verdichtungsbereich (2) sich in Richtung auf den Auslaß verjüngt;

- Mittel (3) zum Versperren des Auslasses in der formgebenden Preßform, um in dem Verdichtungsbereich das anfänglich in den bereich eingeführte Metallpulver zurückzuhalten;

- Mittel zum Bewirken einer radialen Ultraschallschwingung der formgebenden Preßform um eine Achse herum, die durch den Verdichtungsbereich hindurchgeht, und in einer Ebene quer zu der beabsichtigten Bewegungsrichtung des Metallpulvers durch die formgebende Preßform; und

- Rückhaltemittel (5) zum Verhindern einer Bewegung von Metallpulver (4) innerhalb des Verdichtungsbereiches weg von dem Auslaß in der formgebenden Preßform während der radialen Schwingung der formgebenden Preßform.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Rückhaltemittel (5) aus einem verformbaren Material bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der Mittel vorgesehen sind, um eine Kraft auf die Rückhaltemittel (5) in Richtung auf den Auslaß der formgebenden Preßform hin anzulegen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Mittel zum Abziehen der Versperrmittel vom Auslaß mit einer vorbestimmten Rate derart aufweist, daß gepreßtes Pulver aus dem Verdichtungsbereich durch den Auslaß abgezogen wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Mittel zum Unterstützen des Abziehens von gepreßtem Pulver vom Auslaß der formgebenden Preßform aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Mittel zum Unterstützen des Abziehens von gepreßtem Pulver Ausführungswalzen aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen in dem Verdichtungsbereich im wesentlichen koaxial zu der Längsachse des Bereiches angeordneten Dorn aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Dorn sich in Richtung auf den Auslaß der formgebenden Preßform verjüngt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die radiale Schwingung eine Frequenz von etwa 20 kHz aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Mittel zum kontinuierlichen Zuführen von Metallpulver in den Verdichtungsbereich vorgesehen sind.

11. Verfahren zum Herstellen von endlosen Pulvermetallurgiepreßlingen, wobei das Verfahren umfaßt:

- Einführen von Metallpulver in einen Pulververdichtungsbereich einer festen formgebenden Preßform, wobei der Verdichtungsbereich sich in Richtung auf einen Auslaß in der formgebenden Preßform hin verjüngt;

- Versperren des Auslasses vor der Verdichtung der ersten Pulvercharge;

- Induzieren einer radialen Ultraschallschwingung der formgebenden Preßform um eine Achse herum, die durch den Verdichtungsbereich hindurchgeht, und in einer Ebene quer zu der beabsichtigten Bewegungsrichtung des Metallpulvers durch die formgebende Preßform, um das Metallpulver im Verdichtungsbereich zu verdichten;

- Verhindern einer Bewegung von Metallpulver innerhalb des Verdichtungsbereiches weg von dem Auslaß in der formgebenden Preßform während der Schwingung der formgebenden Preßform; und

- Entfernen von verdichtetem Pulver aus dem Verdichtungsbereich durch den Auslaß in der formgebenden Preßform.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die formgebende Preßform derart orientiert wird, daß sich Pulver in einer abwärts verlaufenden Richtung durch die Form bewegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, bei dem die radiale Schwingung eine Frequenz von etwa 20 kHz aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das das Anlegen einer Kraft an das Metallpulver in Richtung auf den Auslaß in der formgebenden Preßform zu umfaßt, um gepreßtes Pulver durch den Auslaß zu zwingen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das das Ziehen von gepreßtem Pulver durch den Auslaß in der formgebenden Preßform umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem gepreßtes Pulver durch den Auslaß in der formgebenden Preßform mittels Ausführungswalzen gezogen wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, das kontinuierliches Zuführen von Metallpulver in den Verdichtungsbereich umfaßt.

18. Verfahren zum Herstellen von endlosen Pulvermetallurgiepreßlingen, das unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ausgeführt wird.