EP2165790A1 - Method for producing a workpiece from composite material and workpiece made of composite material - Google Patents

Method for producing a workpiece from composite material and workpiece made of composite material Download PDF

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EP2165790A1
EP2165790A1 EP20090168127 EP09168127A EP2165790A1 EP 2165790 A1 EP2165790 A1 EP 2165790A1 EP 20090168127 EP20090168127 EP 20090168127 EP 09168127 A EP09168127 A EP 09168127A EP 2165790 A1 EP2165790 A1 EP 2165790A1
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EP
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output
sintering
material
component
connection
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Withdrawn
Application number
EP20090168127
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German (de)
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Inventor
Jochen Rager
Arne Huber
Antje Winkelmann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER
    • B22F7/00Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/062Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts

Abstract

The method for the production of structural element (50) made of a material composite, with a first output piece (10) made of sinter material, comprises partially subjecting second output piece (20) in a cavity of first output piece and then sintering. The first output piece exists in the form of a partially compressed sinter component, a green part or brown part. A connection (30) is produced between the output pieces and is formed on the basis of chemical connections between the materials of the output pieces in the form of an adhesive bond. The method for the production of structural element (50) made of a material composite, with a first output piece (10) made of sinter material, comprises partially subjecting second output piece (20) in a cavity of first output piece and then sintering. The first output piece exists in the form of a partially compressed sinter component, a green part or brown part. A connection (30) is produced between the output pieces and is formed on the basis of chemical connections between the materials of the output pieces in the form of an adhesive bond or based on increased shrinkage of the first output piece additionally in the form of a press fit. In the area of the connection, a diffusion layer is formed and the material fit is held freely by formed intermediate phases. A size of the diffusion zone is adjusted by a sintering duration. The connection is formed at the end of the sintering process. The output piece is produced by a powder metallurgical process such as powder injection molding, extrusion or uniaxial and/or isostatic pressing. The existing oxidation layers in the area of the connection are removed before or during the sintering under a reducing sintering atmosphere. After the sintering process, isotherm stop levels are intended during cooling process. An independent claim is included for a structural element made of composite material.

Description

    Stand der Technik State of the art
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einem Werkstoffverbund und insbesondere ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil aus einem Werkstoffverbund. The invention relates to a method for producing a component from a composite material and, more particularly produced by this method component made of a composite material.
  • Werkstoffverbunde bieten die Möglichkeit, Vorteile unterschiedlicher Werkstoffgruppen zu kombinieren und auf diese Weise Komponenten mit gegenüber den Basiswerkstoffen herausragenden Eigenschaften zu erhalten. Composite materials offer the possibility to combine advantages of different material groups and to obtain in this manner components with respect to the basic materials outstanding properties. Von besonderem Interesse für viele Anwendungen ist die Kombination eines harten, hochverschleißfesten Werkstoffs (Hartmetall, Cermet, Keramik) mit einem Stahl-Grundkörper hoher Zähigkeit und Duktilität. Of particular interest for many applications, the combination of a hard, highly wear-resistant material (carbide, cermet, ceramic) is provided with a steel body high toughness and ductility.
  • Das Fügen von Hartmetallen mit Stählen erfolgt seither über kraftschlüssige Verbindungen wie Klemmen, Schraubverbindungen oder Aufschrumpfen oder aber über stoffschlüssige Verbindungen wie Löten, Schweißen, Kleben oder Eingießen. The joining of hard metals with steels done since then on positive connections such as clamps, screws or shrinking or via bonded connections such as soldering, welding, gluing or pouring.
  • Klemmen und Aufschrumpfen haben den Nachteil, dass keine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen besteht. Terminals and shrinking have the disadvantage that there is no positive connection between the two components consists. Falls die Anpresskräfte zu gering sind oder mit der Zeit nachlassen, kann es daher zur Separation beider Bauteile kommen. If the contact forces are too low or decrease over time, it can therefore come to the separation of the two components. Schraubverbindungen eignen sich lediglich bei recht großen Bauteilen und auch hier ist der entsprechende Fertigungsaufwand zur Herstellung der Bohrlöcher und Gewindegänge sehr hoch. Screw connections are suitable only for very large components and also the corresponding production effort for the production of the drill holes and threads is very high. Weitere Nachteile entstehen durch Spannungskonzentrationen an den Schraubverbindungen, die zum Versagen führen können, lange bevor die eigentliche Belastbarkeit der einzelnen Werkstoffe erreicht ist. Other disadvantages caused by stress concentrations at the screw connections, which can lead to failure long before the actual resilience of the individual materials is reached. Des Weiteren können sich Schraubverbindungen durch Vibrationen oder zyklische Belastung lockern. Furthermore, loosen screw by vibrations or cyclic loading.
  • Bei Löt-, Schweiß-, Klebe-, oder Eingießverfahren wird zwar eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den verschiedenen Werkstoffen geschaffen. In soldering, welding, adhesive, or mold method, although a cohesive connection between the different materials is provided. Durch die meist deutlich unterschiedlichen Materialeigenschaften der Bindenaht im Vergleich zu den zu fügenden Werkstoffpaaren stellt diese allerdings eine Schwachstelle im Gefüge dar. Zudem sind die genannten Verfahren mit einem erheblichen fertigungstechnischen Aufwand und zum Teil hohen Kosten verbunden. By usually significantly different material properties of the weld compared to to be joined material pairs, however, this is a weak point in the structure. In addition, the processes mentioned are associated with a significant manufacturing effort and sometimes high costs.
  • Zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Stahl und Hartmetall sind verschiedene Verfahren zum Diffusionsschweißen unter Zuhilfenahme von Weichblechen (vorzugsweise Kupfer oder Nickel) bekannt, wie zB in der Patentschrift For producing a material connection between the steel and hard metal, various methods for diffusion welding with the aid of common sheet metal (preferably copper or nickel) are known, for example in the patent DE 10104632 C2 DE 10104632 C2 beschrieben. described. Das Diffusionsschweißen ist jedoch auf einfache Geometrien in der Verbindungsebene beschränkt und erfordert eine sehr hohe Oberflächengüte der zu verbindenden Werkstücke. The diffusion welding is limited to simple geometries in the connection level and requires a very high surface quality of the workpieces to be connected.
  • In den Patentanmeldungen In patent applications EP 630713 A1 EP 630 713 A1 und and EP 810051 A1 EP 810 051 A1 werden Verfahren zum Diffusionslöten von Stahl- und Hartmetall-Bauteilen mit Hilfe verschiedener Hochtemperaturlote in Pulver- oder Pastenform beschrieben. A method of diffusion brazing of steel and tungsten carbide components are described using various high-temperature solders in powder or paste form. Als nachteilig erweist sich hierbei die geringe Festigkeit der Lötverbindung gegenüber den Grundwerkstoffen, die teilweise durch zusätzlichen Kraft- oder Formschluss kompensiert werden muss. this proves to be disadvantageous, the low strength of the solder joint with respect to the base materials, which must be partially compensated for by extra force or form-fitting. Zudem ist ein Ausgleich mechanischer Spannungen durch Temperaturwechsel nur begrenzt möglich. In addition, a compensation of mechanical stresses caused by temperature change is limited.
  • In der Patentanmeldung In the patent application EP 1625896 A1 EP 1625896 A1 wird eine Stahl-Hartmetall-Komposit-Walze zum Kaltbandwalzen von Metallblechen vorgeschlagen. a steel-carbide composite roll for cold strip rolling of metal sheets is proposed. Aus einem Stahlkern und einer Hartmetall-Außenschicht wird mittels Vakuumsintern oder heißisostatischem Pressen ein Verbundkörper mit hoher Thermoschockbeständigkeit realisiert. Of a steel core and a carbide outer layer is a composite body having high thermal shock resistance is realized by means of vacuum sintering or hot isostatic pressing. Dabei wird zwischen dem Stahlkern und der Hartmetall-Außenschicht eine dünne Cermet-Zwischenschicht aufgetragen. A thin cermet intermediate layer is applied between the steel core and the rigid metal outer layer. Diese bildet dann unter Temperatureinfluss eine metallurgische Verbindung zwischen dem Stahlkern und dem Hartmetall aus. This then forms a metallurgical bond between the steel core and the cemented carbide under the influence of temperature.
  • Offenbarung der Erfindung Vorteile Disclosure of the Invention Advantages
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem Bauteile unterschiedlicher Materialien, insbesondere Stahl- und Hartmetallbauteile, ohne den Einsatz von weiteren Hilfsmitteln, wie Lotwerkstoffen, Zwischenschichten oder mechanischen Befestigungen, miteinander verbunden werden. The invention has the object of proposing a process by which components of different materials, particularly steel and hard metal components, are joined together without the use of further auxiliaries, such as solder materials, intermediate layers, or mechanical fasteners.
  • Ferner ist es Aufgabe, ein Bauteil aus einem Werkstoffverbund vorzuschlagen, insbesondere der Verbund aus einem harten, hochverschleißfesten Werkstoff und einem Werkstoff mit hoher Zähigkeit und Duktilität. It is another object to provide a component made of a composite material, in particular the composite of a hard, highly wear-resistant material and a material with high toughness and ductility.
  • Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einem Werkstoffverbund und einem Bauteil aus einem Werkstoffverbund entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. These objects are inventively achieved by a method for producing a component from a composite material and a component made of a composite material according to the characterizing features of the independent claims.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher ein erstes Ausgangsteil aus einem porösen Sintermaterial vor. Therefore, the method according to the invention provides a first output part made of a porous sintered material. Das erste Ausgangsteil liegt als teilweise verdichtetes Sinterbauteil, Grünteil oder Braunteil vor. The first output part is present as a partially densified sintered component, green or brown part part. Es ist demnach noch nicht oder nicht vollständig verdichtet, beispielsweise durch einen Sintervorgang. Accordingly, it is not yet or not fully densified, for example, by a sintering process. Ferner sieht das erfindungsgemäße Verfahren zumindest ein zweites Ausgangsteil vor, welches zumindest teilweise in einen Hohlraum des ersten Ausgangsteiles eingebracht wird, bevorzugt als Spielpassung. Furthermore, the inventive method provides at least a second output part in front, which is at least partially placed in a cavity of the first output part, preferably as a clearance fit. Anschließend folgt ein Sintervorgang, in welchem die Ausgangsteile unter Temperatureinfluss verdichtet werden. This is followed by a sintering operation in which the output members are compressed under the influence of temperature. Dabei wird im zumindest teilweise vom zweiten Ausgangsteil ausgefüllten Hohlraum eine Verbindung zwischen den Ausgangsteilen erzeugt. In this case, a connection between the output parts is generated in the at least partially filled from the second output part cavity. Diese Verbindung bildet sich aufgrund von chemischen Verbindungen, insbesondere von Atombindungen, zwischen den Materialien der Ausgangsteile in Form eines Stoffschlusses aus. This compound forms the basis of chemical compounds, in particular of atomic bonds, between the materials of the output members in the form of a material bond from. Der Stoffschluss ist an den Stellen zu finden, an welchen beide Ausgangsteile zueinander in Kontakt stehen. The adhesive bond can be found at the locations where both output parts relate to each other in contact.
    Bevorzugt wird eine Kontaktausbildung beider Ausgangsteile zueinander während des Sintervorganges sichergestellt durch die zu erwartende Sinterschrumpfung zumindest des ersten Ausgangsteiles. a contact structure of both output parts of one another during the sintering process ensured by the expected sintering shrinkage of at least the first output portion is preferred. Vorgesehen ist eine Sinterschrumpfung, wodurch auch eine eventuell vor dem Sintervorgang vorliegende Spielpassung beider Ausgangsteile überbrückt wird. There is provided a sintering shrinkage, whereby a possibly present before the sintering process both output parts clearance is bridged. Durch den Sintervorgang verringert sich die Porosität und das Volumen zumindest des ersten Ausgangsteiles. By the sintering process, the porosity and the volume of at least the first output portion is reduced. Bei der Kontaktausbildung weist das zweite Ausgangsteil zum zumindest teilweise von ihm ausgefüllten Hohlraum des ersten Ausgangsteiles bevorzugt ein theoretisches Übermaß auf. In the contact formation preferably has the second output part for at least partially filled by him cavity of the first output part in a theoretical excess. Dieses Übermaß wird durch Materialtransporte während des Sintervorganges kompensiert, was eine gleichmäßige und vollständige Erzeugung der Verbindung beider Ausgangsteile weiter begünstigt. This excess is compensated for by material transport during the sintering process, which further promotes a uniform and complete production of the connection of the two output parts.
  • Ein derartiger Stoffschluss begünstigt in hohem Maße eine sehr stabile Verbindung der Ausgangsteile. Such a material bond favors a large extent a very stable connection of the output parts. Die Ausbildung chemischer Verbindungen erfolgt insbesondere auf Grund des bei der Sintertemperatur rege stattfindenden Stofftransports infolge von Diffusion, Kriechvorgängen und viskosem bzw. plastischem Fließen. The formation of chemical compounds takes place in particular on the basis of the active at the sintering temperature takes place mass transfer due to diffusion, creep and viscous or plastic flow. In vorteilhafter Weise sind für eine Verbindung der Ausgangsteile, insbesondere in Form eines Stoffschlusses, keine weiteren Hilfsmittel notwendig. Advantageously, no further aids are for connection of the output parts, in particular in the form of a material bond, required.
  • Von Vorteil ist weiterhin, dass eine Verdichtung des Materials mindestens des ersten Ausgangsteiles sowie die Erzeugung der Verbindung in einem Prozessschritt erfolgen. Another advantage is that a compaction of the material made at least of the first output part and the production of the compound in one process step. So ermöglicht die vorliegende Erfindung, die beiden Prozessschritte Verdichtung und Fügen von Stahl-Hartmetall-Verbunden miteinander zu kombinieren. Thus, the present invention is to combine the two processes of compression and joining of steel-carbide interconnected possible. Dies trägt in hohem Maße zu einer Reduktion der Stückkosten bei. This greatly contributes to a reduction in unit costs. Außerdem sind im Gegensatz zu einem üblichen Aufschrumpfen eines erwärmten Teiles auf ein nicht erwärmtes Teil erfindungsgemäß alle Augangsteile der gleichen Sintertemperatur ausgesetzt. In addition, exposed invention all Augangsteile the same sintering temperature to an unheated part as opposed to a conventional shrinking a heated part. Dadurch ist in vorteilhafter Weise kein thermoschockbedingtes Materialversagen der Ausgangsteile an der Stelle der Verbindung zu erwarten. Thus, no thermal shock conditional material failure of the output parts at the point of connection advantageously can be expected.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale möglich. By the provisions recited in the dependent claims, advantageous refinements and improvements of the independent claims are possible.
  • So sieht eine Variante des Verfahrens vor, dass die Verbindung zusätzlich in Form einer Presspassung ausgebildet wird. Thus provides a variant of the method is that the connection is additionally formed in the form of a press fit. Die Presspassung entsteht insbesondere beim Abkühlen nach dem Sintervorgang aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe der Ausgangsteile. The interference fit is formed in particular during cooling after the sintering process due to different thermal expansion coefficients of the materials of the output parts. Hierbei sollte das erste Ausgangsteil einen größeren Ausdehnungskoeffizienten besitzen als die übrigen Ausgangsteile. Here, the first output component should have a higher coefficient of expansion than the other output components. Somit liegt beim Abkühlen eine größere Schrumpfung des ersten Ausgangsteiles im Vergleich zu mindestens dem zweiten Ausgangsteil vor. Thus, there is a greater shrinkage of the first output member compared to at least the second output portion upon cooling.
  • Dadurch, dass das neue Verfahren ohne niedrig schmelzende Lotwerkstoffe auskommt, weist ein nach diesem Verfahren hergestellter Werkstoffverbund auch bei hohen Temperaturen eine hohe mechanische Stabilität der Anbindung auf. Due to the fact that the new method without the low melting point solder materials manages, has a produced by this process composite material even at high temperatures to a high mechanical stability of the connection. Derartige Werkstoffverbunde können in einer Vielzahl von Anwendungen als Materialien für dort verwendete Bauteile zum Einsatz kommen. Such composite materials may be used in a variety of applications as materials for components used there. Diese Bauteile aus einem Werkstoffverbund können für verschiedenartige Verschleißteile eingesetzt werden, bei denen eine stoffschlüssige Verbindung mit einem Stahlbauteil oder auch einem Bauteil aus einem anderen Material von Vorteil ist (zB Bohr- und Schneidwerkzeuge, Walzen, Pumpenteile). These components of a composite material can be used for various wear parts, in which a material-locking connection with a steel component or a component of a different material is beneficial (for example, drilling and cutting tools, rolling, pump parts). Ebenso denkbar ist der Einsatz in hoch belasteten Baugruppen aus dem Automobilbereich(zB Einspritztechnik, Abgasturbolader, Wälzlager, -getriebe). Also conceivable is the use in heavy-duty modules from the automotive industry (for example, injection, exhaust gas turbocharger, bearings, transmissions).
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief Description of Drawings
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. Diese zeigen in: These show in:
  • Fig. 1 Fig. 1
    einen Stahl-Hartmetall-Verbund in einer schemati-schen Darstellung vor einem Sintern a steel-carbide composite in a schemati-rule representation before a sintering
    Fig. 2 Fig. 2
    den Stahl-Hartmetall-Verbund aus the steel-carbide composite of Fig. 1 Fig. 1 nach einem Sintern als Verbundteil after sintering as a composite part
    Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
  • Fig. 1 Fig. 1 zeigt schematisch einen Stahl-Hartmetall-Verbund vor einem Sintern entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren. schematically shows a steel-carbide composite before sintering according to the present invention.
  • Dabei ist mit 10 ein erstes Ausgangsteil bezeichnet. In this case, a first output part is designated by 10. Das Ausgangsteil 10 besteht aus einem Sintermaterial, vorzugsweise einem porösen Sintermaterial. The output portion 10 consists of a sintered material, preferably a porous sintered material. Das Sintermaterial liegt dabei zumindest teilweise in einem unverdichteten Zustand, bevorzugt in einem unverdichteten Zustand, vor. The sintered material lies at least partially in a non-compressed state, preferably in an uncompressed state before. Dies bedeutet, dass das erste Ausgangsteil 10 noch keine oder keine vollständige Sinterbehandlung durch eine Temperaturbehandlung erfahren hat. This means that the first output part 10 still experienced by a temperature treatment no or no full sintering treatment. Allgemein werden unverdichtet vorliegende Sinterbauteile auch als Grünteile (mit organischen Bindern) oder Braunteile (im entbinderten Zustand) bezeichnet. Generally uncompacted present sintered components are also referred to as green parts (with organic binder) or Brown parts (in the debinded state).
  • Das erste Ausgangsteil 10 ist in The first output member 10 is in Fig. 1 Fig. 1 als Hohlzylinder ausgebildet. formed as a hollow cylinder. Generell ist für das erste Ausgangsteil 10 eine beliebige Teileform möglich, wobei diese zumindest einen Hohlraum 15 aufweist. In general, any shape is possible for parts of the first output part 10, wherein said at least one cavity 15th Ein derartiger Hohlraum 15 ist beim in Such cavity 15 is at the in Fig.1 Fig.1 gezeigten ersten Ausgangsteil 10 die Innenbohrung mit einer Innenfläche 11 des Hohlzylinders. first output part shown 10, the inner bore having an inner surface 11 of the hollow cylinder. In den Hohlraum 15 des ersten Ausgangsteiles 10 ist zumindest bereichsweise ein zweites Ausgangsteil 20 eingebracht. Into the cavity 15 of the first output member 10 in regions, a second output member 20 is at least introduced. Vorzugsweise ist die Außenkontur des zweiten Ausgangsteiles 20 komplementär zur Innenkontur des Hohlraumes 15 ausgebildet. Preferably, the outer contour of the second output part 20 is formed complementary to the inner contour of the cavity 15th So ist das in der So it is in the Fig. 1 Fig. 1 dargestellte zweite Ausgangsteil 20 innerhalb des Hohlraumes 15 als Zylinder mit einer Außenfläche 21 ausgebildet. illustrated second exit portion 20 formed as a cylinder having an outer surface 21 within the cavity of 15 °. Dabei ist auch ein Hohlraum 15 möglich, in welchem das zweite Ausgangsteil 20 allseitig vom ersten Ausgangsteil 10 umschlossen ist. In this case also, a cavity 15 is possible in which the second output portion is enclosed on all sides from the first output part 10 twentieth
  • Die bevorzugte Ausführungsform in The preferred embodiment in Fig. 1 Fig. 1 sieht innerhalb des Hohlraumes 15 eine Spielpassung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsteil 10, 20 vor. provides a clearance fit between the first and the second output member 10, 20 within the cavity of 15 °. In diesem Fall ist dann zwischen der Innenfläche 11 des ersten Ausgangsteiles 10 und der Außenfläche 21 des zweiten Ausgangsteiles 20 ein Spalt 16 vorhanden. In this case, then between the inner surface 11 of the first output member 10 and the outer surface 21 of the second output member 20, a gap 16 is present.
  • In diesem Zustand werden die Ausgangsteile 10 und 20 anschließend einem Sintervorgang unterzogen. In this state, the output parts 10 and 20 are then subjected to a sintering process. Während der Temperaturbehandlung schrumpft das erste Ausgangsteil 10 und verliert infolge dessen an Volumen. During the heat treatment, the first output part 10 shrinks and loses as a result of volume. Insgesamt erfährt dadurch das Sintermaterial des ersten Ausgangsteiles 10 eine Verdichtung. Overall, thereby experiences the sintered material of the first output member 10 is a compression. Vorgesehen ist, dass die Sinterschrumpfung des ersten Ausgangsteiles 10 so groß ist, dass der Spalt 16 zwischen der Innenfläche 11 und der Außenfläche 21 geschlossen wird. It is envisaged that the sintering shrinkage of the first output part 10 is so large that the gap 16 between the inner surface 11 and the outer surface is closed 21st Durch die Sinterschrumpfung soll ein Kontakt beider Ausgangsteile 10 und 20 sichergestellt werden. By the sintering shrinkage of both a contact output to parts 10 and 20 are secured.
  • In In Fig. 2 Fig. 2 ist der Stahl-Hartmetall-Verbund aus the steel-carbide composite of Fig. 1 Fig. 1 nach dem Sintern als Verbundteil 50 gezeigt. shown as a composite part 50 after sintering. Durch die Sinterschrumpfung insbesondere des ersten Ausgangsteiles 10 sind zumindest teilweise die Innenfläche 11 des ersten Ausgangsteiles 10 und die Außenfläche 21 des zweiten Ausgangsteiles 20 in Kontakt zueinander. By the sintering shrinkage in particular of the first output member 10 partially the inner surface 11 of the first output member 10 and the outer surface 21 of the second output part 20 are in contact with each other at least.
  • Dabei ist an den Stellen des Kontaktes der Ausgangsteile 10, 20 zueinander im Verbundteil 50 eine Verbindung 30 in Form eines Stoffschlusses erzeugt worden. In this case, 20 to each other is at the points of contact of the output members 10, produced a compound 30 in the form of an adhesive bond in the composite part 50th Infolge der Temperaturbehandlung beim Sintervorgang findet in den Ausgangsteilen 10 und 20 an ihren Kontaktstellen zueinander ein reger Stofftransport statt. Due to the temperature treatment during the sintering process an active material transport takes place in the output parts 10 and 20 at their contact points instead of one another. Ursachen für den Stofftransport sind Diffusion, Kriechvorgänge und viskoses bzw. plastisches Fließen. Causes of the mass transfer, diffusion, creep and viscous or plastic flow. Dies führt an den Kontaktstellen zur Ausbildung von chemischen Verbindungen zwischen den Materialien der Ausgangsteile 10 und 20. Zusätzlich wird dadurch auch eine optimale geometrische Anpassung der Oberflächen 11 und 21 weiter begünstigt. This leads to the contact points for the formation of chemical bonds between the materials of the output parts 10 and 20. In addition, 11 and 21 characterized further promotes an optimal geometric adaptation of the surfaces.
  • Um einen Stoffschluss sicherzustellen, sollten vorhandene Oxidschichten im Bereich der Verbindung 30 vor oder während dem Sintern unter einer reduzierenden Sinteratmosphäre entfernt werden. To ensure an adhesive bond, oxide layers present at the connection should be removed 30 before or during sintering under a reducing sintering atmosphere.
  • Zusätzlich ist im Verbundteil 50 in In addition, the composite part 50 Fig. 2 Fig. 2 eine Verbindung 30 in Form einer Presspassung erzeugt worden. a connection 30 has been produced in the form of a press fit. Dadurch, dass das erste Ausgangsteil 10 mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten gewählt wird als der beim zweiten Ausgangsteil 20, liegt beim Abkühlen nach dem Sintervorgang eine größere Schrumpfung des ersten Ausgangsteiles 10 im Vergleich zu mindestens dem zweiten Ausgangsteil 20 vor. Characterized in that the first output portion 10 is selected having a larger thermal expansion coefficient than that of the second output member 20, is located on cooling after the sintering operation a larger shrinkage of the first output part 10 as compared to at least the second output part 20 before. Durch die dadurch entstandene Presspassung schmiegen sich die Innenfläche 11 und die Außenfläche 21 auch bei Vorhandensein kleinerer Unebenheiten gut aneinander, wodurch ein vollständiger und gleichmäßiger Kontakt der Ausgangsteile 10 und 20 an der Verbindung 30 gewährleistet wird. Characterized by the resulting press fit the inner surface 11 and outer surface 21 nestle well to each other also in the presence of small unevennesses, producing a complete and uniform contact of the output members 10 and 20 is ensured at the junction of the 30th Eine besonders gleichmäßiger Kontakt erfolgt bei einer Rauhigkeit der Oberflächen der Ausgangsteile von Rz < 100 µm. A particularly uniform contact is <100 microns at a roughness of the surfaces of the output parts of Rz. Alternativ können in der Verbindung 30 nach dem Sintervorgang auch eine Übergangspassung oder nur ein stellenweiser Kontakt der Ausgangsteile 10 und 20 zueinander vorgesehen werden. Alternatively, a transition or only a make-wise contact of the output members may be provided 10 and 20 to each other in the connection 30 after the sintering process.
  • Es ist darauf zu achten, dass bei einer Presspassung ein zu großes Übermaß des zweiten Ausgangsteiles 20 vermieden wird. It is important to ensure that an interference fit too great excess of the second output part is prevented 20th Ansonsten kann dies zu einer Behinderung der Verdichtung des ersten Ausgangsteiles 10 in radialer Richtung führen. Otherwise, this can lead to an obstruction of the densification of the first output member 10 in the radial direction. Als Folge daraus kann es zu einem Verzug des ersten Ausgangsteiles 10 kommen. As a result, there can be a delay of the first output portion 10th Aus diesem Grund sollte die Verbindung 30 beider Ausgangsteile 10 und 20, insbesondere durch die Ausbildung des Übermaßes des zweiten Ausgangsteiles 20 während des Sintervorganges, weitestgehend erst am Ende des Sintervorganges erzeugt werden. For this reason, the compound should be largely only generated at the end of the sintering process 30 both output parts 10 and 20, in particular by the formation of the excess of the second output member 20 during the sintering process. Als eine Möglichkeit stellt sich hierbei eine Anpassung der Spielpassung beider Ausgangsteile 10 und 20 zur zu erwartenden Sinterschrumpfung der Ausgangsteile 10, 20 durch den Sintervorgang. As an option 20 turns in this case an adjustment of the clearance of the two output members 10 and 20 to the expected sintering shrinkage of the output members 10 through the sintering process.
  • Der Sintervorgang erfolgt bevorzugt drucklos. The sintering process is preferably carried out without pressure. Wie bereits beschrieben wird dadurch erfindungsgemäß in sehr kostengünstiger Weise eine sehr stabile Verbindung zwischen den Ausgangsteilen realisiert. As already described by the present invention realizes a very stable connection between the output parts in a very cost-effective manner. Des Weiteren sind auch andere Sinterverfahren, wie beispielsweise Drucksintern, Vakuumsintern, heißisostatisches Pressen und feldunterstütztes Sintern, einsetzbar. Furthermore, other sintering methods such as pressure sintering, vacuum sintering, hot isostatic pressing and field-assisted sintering, can be used. Hierdurch lassen sich insbesondere druckunterstützt zusätzlich eine größere Verdichtung der Sintermaterialien und eine bessere Oberflächengüte des Verbundteiles 50 insgesamt erreichen. This makes possible in particular pressure supported additionally a greater compaction of the sintered materials and a better surface quality of the composite part 50 reach a whole. Prinzipiell ist hiermit jedoch ein höherer Fertigungsaufwand verbunden. In principle, however, a higher production expense is connected thereto.
  • Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht für das zweite Ausgangsteil 20 einen bereits verdichteten, zumindest einen teilweise verdichteten Zustand eines Sintermaterials oder eine Keramik oder ein schmelzmetallurgisch hergestelltes Material, insbesondere ein Metall, vor. An embodiment of the inventive method for the second output member 20 an already compressed, at least a partially compressed state of a sintered material or a ceramic or melt metallurgy manufactured material, in particular a metal front. Alternativ liegt das zweite Ausgangsteil 20 aus einem Sintermaterial als Grünteil oder Braunteil vor. Alternatively, the second output member 20 is located in front of a sintered material as a green part or brown part.
  • Erfindungsgemäß ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verbundteil 50 aus einem Stahl und einem Hartmetall als Materialien der Ausgangsteile 10 und 20 gebildet wird. According to the invention it is preferably provided that the composite part 50 is formed from a steel and a hard metal as materials of the output parts 10 and 20th
  • Als Sintermaterialien für das erste und/oder das zweite Ausgangsteil 10 und 20 werden insbesondere WC-Hartmetalle mit Fe-, Ni- oder Co-Bindemetall (ca. 6-20 Gew.-%) vorgeschlagen, wobei diese Zusatzkarbide basierend auf Ti, Ta, V, oder Nb enthalten können. As sintering materials for the first and / or second output members 10 and 20 in particular, WC hard metals Fe, Ni or Co binder metal are proposed (about 6-20 wt .-%), which Zusatzkarbide based on Ti, Ta , V, Nb or contain can. Ebenso kommen Sinterstähle zum Einsatz. Also suitable are sintered steels are used. Neben den genannten Sintermaterialien werden alternativ Sintermaterialien aus keramischen Hartstoffen, Cermet oder schmelzmetallurgisch hergestelltem Materialien vorgeschlagen. In addition to said sintered materials sintered materials from hard ceramic materials, cermet or metal smelting produced materials are alternatively suggested. Bevorzugt kommen Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt ≥ 0,5 Gew.-% in Frage, wie beispielsweise 100Cr6, X65Cr13. Preferably steels come with a carbon content of ≥ 0.5 wt .-% in question, such as 100Cr6, X65Cr13. Dadurch kann eine übermäßige C-Diffusion während des Sintervorgangs unterbunden werden, so dass der Stahl in seinen Eigenschaften nicht verschlechtert wird. Thereby can be prevented during the sintering process, an excessive carbon diffusion, so that the steel is not deteriorated in its properties.
  • Die Herstellung der Ausgangsteile 10, 20 aus einem Sintermaterial erfolgt bevorzugt durch ein pulvertechnologisches Verfahren, beispielsweise mittels Pulverspritzgießen. The starting parts 10, 20 of a sintered material is preferably carried out by a powder technological methods, for example by means of powder injection molding. In vorteilhafter Weise können über dieses Verfahren komplexe und endformnahe Bauteile in großen Stückzahlen gefertigt werden. Advantageously, complex, and near net shape components can be manufactured in large numbers by this method. Ebenso von Vorteil ist, dass bei einem ersten und einem zweiten Ausgangsteil 10, 20 als Grün- oder Braunteil das Schrumpfverhältnis beider Ausgangsteile 10, 20 zueinander eingestellt werden kann. is also of advantage that, in a first and a second output part 10, 20 as a green or brown part of the shrinkage ratio of the two output members 10, 20 can be adjusted to each other. So wird über den jeweiligen Polymeranteil im ersten Ausgangsteil 10 und im zweiten Ausgangsteil 20 sichergestellt, dass das erste Ausgangsteil 10 ein größeres Schrumpfvermögen aufweist als das zweite Ausgangsteil 20. Alternativ kann das zweite Ausgangsteil 20 eine Randschicht mit höherem Bindemetallgehalt (> 20 Gew.-%) enthalten. This ensures on the respective proportion of polymer in the first output part 10 and the second output part 20 that the first output portion 10 has a greater shrinkability than the second output portion 20. Alternatively, the second output part 20 may have a surface layer with a higher content of binder metal (> 20 wt .-% ) contain. Möglichkeiten hierzu sind der Einsatz eines Zweikomponentenmaterials oder eine Beschichtung. Ways to do this are the use of a two-component material or coating. Dadurch kann eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ausgangsteile 10, 20 zueinander optimiert werden. This makes it possible to optimize a matching of the thermal expansion coefficient of the output members 10, 20 to each other.
    Andere pulvertechnologische Verfahren, wie beispielsweise Extrusion oder uniaxiales bzw. isostatisches Pressen, können ebenso zur Herstellung der Ausgangsteile 10, 20 aus einem Sintermaterial zum Einsatz kommen. Other powder technology methods such as extrusion or uniaxial or isostatic pressing, can join 20 of a sintered material is used as well for preparing the starting parts 10.
  • Generell bildet sich durch Materialaustausch infolge von Diffusion in einer Diffusionszone 31 ein Konzentrationsgradient der jeweils vorhandenen Legierungselemente der Materialien der Ausgangsteile 10, 20 aus. Generally, a concentration gradient of the respectively existing alloying elements of the materials of the output members 10, 20 is formed by the exchange of material due to diffusion in a diffusion zone 31 from. Dabei wird die Diffusionszone 31 in der Verbindung 30 und von dort weiter in die Ausgangsteile 10 und 20 hinein ausgebildet. The diffusion zone is formed in the connection 30 and from there further into the outlet portions 10 and 20 into the 31st Infolge des Konzentrationsgradienten können sich weitere Materialphasen in der Diffusionszone 31 ausbilden. As a result of the concentration gradient is more material phases in the diffusion zone 31 are able to form. So können beispielsweise im Falle von Stahl und Hartmetall als Materialien der Ausgangsteile 10, 20 sogenannte η-Phasen (M 6 C bzw. M 12 C) gebildet werden. Thus, for example be formed in the case of steel and hard metal as materials of the output members 10, 20 so-called η-phase (M 6 C or M 12 C). Derartige Phasen sind jedoch sehr spröde und können die mechanischen Eigenschaften der Verbindung 30 verschlechtern. However, such phases are very brittle and can degrade the mechanical properties of the compound 30th Deshalb wird eine sehr schmale Diffusionszone 31 angestrebt, um die Bildung dieser Phasen gering zu halten oder zu vermeiden. Therefore, a very narrow diffusion zone 31 is desired to minimize the formation of these phases low or avoid. Wie groß sich die Diffusionszone 31 ausbildet, wird über die Einstellung der Sinterdauer und How big is the diffusion zone formed 31 is about setting the sintering time and
    • temperatur beeinflusst. temperature influences.
      Neben den η-Phasen kann sich je nach Zusammensetzung der Materialien der Ausgangsteile 10, 20 in der Verbindung 30 auch eine flüssige Phase bilden. Besides the η-phase of the output parts 10 can, depending on the composition of the materials also form a liquid phase in the compound 30 twentieth Diese führt zwar im Allgemeinen zu einer vollständigen und porenfreien Anbindung, allerdings sind diese Schmelzen nach der Erstarrung meist spröde und daher unerwünscht. While this generally leads to a complete and pore-free access, but these are melting after solidification usually brittle and therefore undesirable.
  • Generell sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass zur Reduzierung von Eigenspannungen im Verbundteil 50 nach dem Sintervorgang mehrere isotherme Haltestufen während eines Abkühlvorgangs durchlaufen werden. In general, the inventive method provides that for the reduction of internal stresses in the composite part 50 after the sintering operation more isothermal holding steps are run through during a cooling process. Derartige Eigenspannungen können während des Abkühlvorganges bei großen Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ausgangsteile 10, 20 entstehen. Such residual stresses can arise during the cooling with large differences in thermal expansion coefficients of the output members 10, 20th So weist Stahl einen thermischen Ausdehnungskoeffizient von ca. 11-12*10 -6 /K und Hartmetall einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 5-6 *10 -6 /K auf. Thus, steel on a thermal coefficient of expansion of about 11-12 × 10 -6 / K and hard metal has a thermal expansion coefficient of about 5-6 * 10 -6 / K. Die radiale Schrumpfung des Ausgangsteiles 10 aus Stahl, führt hierbei zu Druckeigenspannungen innerhalb des zweiten aus Hartmetall bestehenden Ausgangsteiles 20. In erster Linie sind diese Druckspannungen aufgrund der hohen Druckfestigkeit der Hartmetalle unproblematisch oder sogar günstig. The radial shrinkage of the output part 10 of steel, this results in residual compressive stresses within the second hard metal existing output part 20. Primarily, these compressive stresses are not a problem or even low due to the high compressive strength of the cemented carbides. Allerdings treten auch axiale Spannungen auf, die dann zum Versagen des Hartmetalls führen können. However, axial stresses occur, which can then lead to the failure of the hard metal. Mehrere isotherme Haltedauern während des Abkühlvorgangs wirken sich entsprechend günstig auf eine Reduzierung der Eigenspannungen aus. Several isothermal holding periods during the cooling effect accordingly favorable effect on the reduction of the residual stresses.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles (50) aus einem Werkstoffverbund mit einem ersten Ausgangsteil (10) aus einem Sintermaterial, wobei das erste Ausgangsteil (10) in Form eines teilweise verdichteten Sinterbauteils, eines Grünteils oder Braunteils vorliegt A process for producing a component (50) made of a composite material having a first output portion (10) of a sintered material, said first output member (10) is in the form of a partially densified sintered component, a green part or brown part
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Ausgangsteil (20) zumindest teilweise in einen Hohlraum (15) des ersten Ausgangsteiles (10) eingebracht wird und beide Ausgangsteile (10, 20) gesintert werden und im zumindest teilweise vom zweiten Ausgangsteil (20) ausgefüllten Hohlraum (15) dann eine Verbindung (30) zwischen den Ausgangsteilen (10, 20) erzeugt wird, wobei die Verbindung (30) aufgrund von chemischen Verbindungen zwischen den Materialien der Ausgangsteile (10, 20) in Form eines Stoffschlusses ausgebildet wird. characterized in that at least a second output part (20) at least partially in a cavity (15) of the first output member (10) is introduced and both output parts (10, 20) are sintered and at least partly from the second output part (20) filled cavity ( 15) then a connection (30) between the output parts 20) is formed in the form of an adhesive bond (10, 20) is generated, wherein the compound (30) as a result of chemical compounds between the materials of the output parts (10,.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, The method of claim 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (30) aufgrund einer größeren Schrumpfung des ersten Ausgangsteiles (10) zusätzlich in Form einer Presspassung ausgebildet wird. characterized in that the connection (30) due to a greater shrinkage of the first output member (10) is formed additionally in the form of a press fit.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, A method according to claim 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verbindung (30) eine Diffusionszone (31) ausgebildet wird und der Stoffschluss dadurch im Wesentlichen frei von gebildeten Zwischenphasen gehalten wird, wobei eine Größe der Diffusionszone (31) bevorzugt durch eine Sinterdauer eingestellt wird. characterized in that in the region of the connection (30) is formed a diffusion zone (31) and the adhesive bond is kept free from the formed intermediate phases, in essence, wherein a size of the diffusion zone (31) is preferably set by a sintering time.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, A method according to any one of claims 1 to 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (30) weitestgehend am Ende des Sintervorganges ausgebildet wird. characterized in that the compound (30) is formed largely at the end of the sintering process.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, A method according to any one of claims 1 to 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das erste Ausgangsteil (10) mit einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt wird. characterized in that at least the first output member (10) is produced by a powder metallurgical process.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, The method of claim 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass als pulvermetallurgisches Verfahren das Pulverspritzgießen, Extrusion oder uniaxiales bzw. isostatisches Pressen verwendet wird. characterized in that the powder injection molding, extrusion or uniaxial or isostatic pressing is used as powder-metallurgical process.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, A method according to any one of claims 1 to 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass vorhandene Oxidschichten im Bereich der Verbindung (30) vor oder während dem Sintern unter einer reduzierenden Sinteratmosphäre entfernt werden. characterized in that oxide layers present in the region of the connection (30) before or during sintering are removed under a reducing sintering atmosphere.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, A method according to any one of claims 1 to 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sintervorgang mehrere isotherme Haltestufen während eines Abkühlvorgangs vorgesehen werden. characterized in that a plurality of isothermal holding steps are provided during a cooling process after the sintering process.
  9. Bauteil aus einem Werkstoffverbund, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem ersten Ausgangsteil (10) aus einem Sintermaterial Component made of a composite material, in particular by a process according to any one of claims 1 to 8, having a first output portion (10) of a sintered material
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Ausgangsteil (20) zumindest teilweise in einem Hohlraum (15) des ersten Ausgangsteiles (10) angeordnet ist und nach einem Sintervorgang das Verbundteil(50) im zumindest teilweise vom zweiten Ausgangsteil (20) ausgefüllten Hohlraum (15) eine Verbindung (30) aufweist, wobei die Verbindung (30) in Form eines Stoffschlusses aufgrund von chemischen Verbindungen zwischen den Materialien der Ausgangsteile (10, 20) ausgebildet ist. characterized in that at least a second output part (20) at least partially in a cavity (15) of the first output member (10) is arranged, and after a sintering process the composite part (50) at least partially from the second output part (20) filled cavity (15) having a connection (30), wherein the compound (30) in the form of an adhesive bond due to chemical compounds between the materials of the output parts (10, 20) is formed.
  10. Bauteil nach Anspruch 9, Component according to claim 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (30) zusätzlich in Form einer Presspassung der Ausgangsteile (10, 20) zueinander ausgebildet ist. characterized in that the connection (30) is additionally in the form of a press fit of the output parts (10, 20) is formed to each other.
  11. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 10, Component according to one of claims 9 to 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffschluss im Wesentlichen frei von gebildeten Zwischenphasen ist. characterized in that the material bond is substantially free of intermediate phases formed.
  12. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, Component according to one of claims 9 to 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Ausgangsteil (10) ein pulvertechnologisch hergestelltes Bauteil ist. characterized in that at least the first output member (10) is a component manufactured powder technology.
  13. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, Component according to one of claims 9 to 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest zweite Ausgangsteil (20) aus einem Sintermaterial, einem keramischen Hartstoff, einem Cermet oder einem schmelzmetallurgisch hergestelltem Material, bevorzugt einem Metall, besteht. characterized in that the at least second output part (20) of a sintered material, a ceramic hard material, a cermet or a metal smelting prepared material, preferably made of a metal.
  14. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, Component according to one of claims 9 to 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermaterial bei dem ersten Ausgangsteil 10 und/oder dem zweiten Ausgangsteil 20 ein WC-Hartmetall mit Fe-, Ni- oder Co-Bindemetall (ca. 6-20 Gew.-%), ein Cermet, eine Keramik oder ein schmelzmetallurgisch hergestelltes Material ist. characterized in that the sintered material at the first output part 10 and / or the second output part 20, a WC cemented carbide with Fe, Ni or Co binder metal (about 6-20 wt .-%), a cermet, a ceramic, or is a melt metallurgically manufactured material.
  15. Verwendung eines Bauteiles (50) entsprechend den Ansprüchen 1 bis 14 als verschleißfestes Bauteil, insbesondere als Bohr- und Schneidwerkzeug, als Walze oder Pumpenteil, und/oder als hoch belastetes Bauteil im Automobilbereich, insbesondere in der Einspritztechnik, im Abgasturbolader, im Wälzlager oder im Getriebe. Use of a component (50) according to claims 1 to 14 as a wear resistant component, in particular a drilling and cutting tool, as a roller or pump part, and / or as a highly stressed component in the automotive sector, particularly in the injection, the exhaust gas turbocharger, in the rolling bearing or Transmission.
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