WO2015154201A1 - Selbstschmierender verbundwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2015154201A1
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pressing process
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density
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Wolfgang Walter
Martin TROST
André SUTER
Beat Hofer
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Buss Ag
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    • F16C35/02—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers in the case of sliding-contact bearings

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a self-lubricating composite material. Furthermore, the invention relates to a self-lubricating composite, the use of a self-lubricating composite material and a mechanical device.
  • solid lubricants solid lubricants
  • An example of a solid lubricant is, for example, graphite or molybdenum sulfide.
  • Such solid lubricants are basically similar to the well-known liquid lubricants, especially lubricating oils.
  • An advantage of solid lubricants is that they have a greater longevity, in particular in certain environmental conditions, since they do not evaporate or at least to a lesser extent from the surface to be lubricated or are removed therefrom, for example by dissolution processes.
  • solid lubricants are also used instead of lubrication on the contrary to produce controlled friction conditions. This is used for example in motor vehicle brakes.
  • solid lubricants as an integral part of material mixtures.
  • the respective solid lubricants are added as small particulate admixtures the actual material (for example, a metallic material).
  • a wear-related removal of the material in question results in an independent lubrication.
  • Devices that are constructed using such materials typically have a very long service life and are particularly suitable for applications that are relatively difficult to access (so that maintenance intervention is problematic) and / or that have a comparatively high wear, for example due to large prevailing forces.
  • a novel solid lubricant and a solid lubricant-containing brake lining formulation produced using the solid lubricant proposed there are shown in European Patent EP 1 070 109 Bl. Again, it is proposed to produce the solid lubricant by a sintering process. It is proposed to suspend metallic tin in finely divided form with sulfur and carbon under inert gas or air atmosphere for a period of 0.1 to 6 hours temperatures of 200 ° C to 1500 ° C. Again, the sintering process is carried out under standard atmospheric pressure. Accordingly, it also comes here to a material with a significant residual porosity.
  • European Patent Application EP 1 652 608 A1 proposes a method for producing a hard-material layer and a product coated with such a hard-material layer.
  • a layer containing the hard material is applied by hot isostatic pressing to the entire surface of an object made of a material having a relatively high coefficient of expansion, such as steel (where the surface may also have difficult zones such as sharp corners).
  • carbides and / or borides are used as hard materials, since these have a coefficient of expansion of at least 6.
  • Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2008-298258 A1 proposes a sliding contact structure comprising a first member and a second member in which one of the members is slidably supported with respect to the other member.
  • the first element contains 5 to 40 vol. -% solid lubricant particles and 5 to 40 vol. % hard particles in a metal base forming a matrix.
  • the second element contains 5 to 50 vol. % Boron nitride particles in a base with silicon nitride as base material.
  • Various alternative hot forming methods are proposed for the production of the elements, such as, for example, hot pressing (hot isostatic pressure sintering or the like) or hot extrusion processing.
  • other age-related dehydration methods are proposed, such as methods in which the composite powder is first compression molded (uniaxial press, cold isostatic pressure forming or the like) and the powdered compact subsequently sintered at normal pressure or vacuum sintered.
  • a method for producing a self-lubricating composite material in which a primary material, which is present as a preferably hard, metallic material in powder form, with a secondary material, which is present in relation to the primary material softer material in powder form, is mixed, and the mixture is subjected to a hot isostatic pressing process, carried out in such a way that the hot isostatic pressing process is carried out in a shaping mold, wherein the forming mold filled with the hot isostatically pressed material mixture is evacuated before the hot isostatic pressing process, and In the course of the hot isostatic pressing process, the material mixture is subjected to pressure in the shaping mold, resulting in an at least essentially compact target material.
  • the property of self-lubrication of the material is realized, in particular, by the fact that the resulting material ("target material”) has at least one type of lubricant, in particular at least one type of solid lubricant -) material "are also referred to as a" lubricant-containing (composite) material ", in particular a” solid lubricant-containing (composite) material ".
  • the primary material is - as already mentioned - a particular metallic material which is provided in powder form. In particular, it is a hard material.
  • the softer secondary material is also present in powder form. In principle, any combination of hardnesses can be understood as “softer.” It may thus be the case in particular that a "normally solid steel" (as a softer secondary material) is mixed with a high-strength steel or another high-strength special alloy (as the primary material) becomes. It is essential that the hardness of the secondary material is less than the hardness of the primary material (a hardness difference of, for example, one, two, three, four, five, six, seven, eight, nine or ten (and more) HRC levels being sufficient can).
  • the secondary material used is a "conventional" solid lubricant known in the art, such as, for example, graphite, etc.
  • the powders to be provided may in principle have any desired shape (such as, for example, spherical, chunky, angular It is also possible for the powders to be produced by any process known in the art, in particular by atomization, sputtering, granulation or mechanical chip removal Powder are prepared in the same way and / or have a similar shape. Likewise, it is also possible that different production methods and / or shapes are used. This is not only possible in the ratio of primary material to secondary material.
  • the powder of the primary material or the powder of the secondary material may also be a mixture of powders with different shapes and / or powders which have been prepared in different ways.
  • the powders mixed together (basically any mixing method known in the art can be used) are then subjected to a hot-isostatic pressing process.
  • the hot isostatic pressing process is carried out in such a way that the hot isostatic pressing (and possibly also further process steps) is carried out in a shaping mold.
  • hot isostatic means that the pressing process takes place on the one hand under a pressurization and, as a rule, also under an elevated temperature.
  • "waste material” can be reduced during subsequent material processing operations (in particular during abrading material processing operations) .Of course, it is also possible that less powder mixture has to be used (which can in particular have a cost-reducing effect.) However, due to a reduced post-processing requirement, the workpiece can also be processed in a timely manner.
  • shaping by means of a shaping mold can also take place independently of the shape of a workpiece to be realized
  • standard shapes are to be considered in this context, such as bar-type shapes, cuboid shapes, cube-shaped shapes, cylindrical shapes and the like.
  • the hot isostatic pressing method is carried out in such a way that the shaping mold filled with the material mixture to be pressed (that is, as a rule, a mixture of at least one primary material and one secondary material) before the "actual pressing process" within the framework of the hot isostatic
  • the shaping mold filled with the material mixture to be pressed that is, as a rule, a mixture of at least one primary material and one secondary material
  • This is typically done after the powders have been filled into the forming mold and it is also possible to add "multiple" powder. It is therefore possible that powder is filled in, then evacuated, then a new batch of powder is added, then evacuated again, etc.
  • the proposed evacuation makes it possible, on the one hand, for possible cavities to be reduced and / or their number reduced even before the actual hot-isostatic pressing process takes place.
  • the vacuum to be provided may well be chosen as appropriate depending on the required material properties. It may also prove expedient to not evacuate “as well as desired”, but on the contrary to maintain a defined minimum pressure, in particular of a shielding gas
  • the values already mentioned above may be used as suitable minimum values. It is also conceivable to use a combination of "lower limit” and "upper limit.” It is advantageous, moreover, if the shaping mold is a (vacuum-tight) sealable mold into which the starting materials are filled, which is subsequently evacuated and then ( vacuum-tight), so that it can be handled and transported "simply and independently”.
  • a particular advantage with such a (vacuum-tight) sealable form is that the actual furnace cavity in which the hot isostatic pressing operation is carried out can be under a (substantially) arbitrary pressure.
  • the material mixture is pressurized in the shaping mold.
  • the shaping mold filled with the material mixture it is possible for the shaping mold filled with the material mixture to be pressed hot-isostatic to be evacuated prior to the hot-isostatic pressing process, and for the material mixture to be heated substantially during the hot-isostatic pressing process while retaining the (or an optionally).
  • the shaping mold filled with the hot-isostatically pressed material mixture during at least part of the hot-isostatic pressing process is evacuated (will, remains or the like), and the material mixture in the course of the hot-isostatic pressing process in the shaping mold (in spite of at least temporarily / partially remaining / existing / generated vacuum) is pressurized course, the pressure of course ni cht "directly by applying a gas pressure" / by "direct pressurization with a gas” (this does not exclude, however, that indirectly a gas pressure is used to pressurize, for example, by a flexibly formed sintered wall through).
  • the vacuum Aufschagagung is present only during a part (in particular temporal portion) of the pressurization. Additionally or alternatively, it is basically also conceivable that the vacuum (pressure, gas composition or the like) is changed during the pressurization.
  • sintering processes certainly exist in the prior art, in which the material mixture to be sintered, in particular during a filling phase and / or during a heating phase with one of the standard atmosphere deviating pressure (and / or gas composition) is applied.
  • the tendency to wear, in particular wear due to disruption, can in part be significantly reduced in comparison with “classical materials” (especially “classic sintered materials", but also “classical hot isostatically pressed materials”)
  • the target material has a porosity of ⁇ 2.5%, ⁇ 2%, and a hygienically perfect material (composite material) %, ⁇ 1.5%, ⁇ !%, ⁇ 0.5%, ⁇ 0.25%, ⁇ 0.2%, ⁇ 0.1%, ⁇ 0.05% or ⁇ 0.025%
  • the target material has a density which is higher than the density of the starting material with the lower density, preferably higher than the weighted average density of the starting materials and in particular higher a ls is the density of the higher density starting material.
  • the starting materials in particular the primary material and the secondary material is to be understood (but possibly also surcharges, such as ceramic powders, binders or the like).
  • surcharges such as ceramic powders, binders or the like.
  • the density may even be increased over the (non-pulverized) starting material (s). It is easy to see that this material can be realized with a particularly long service life.
  • a shaping shape deforming under pressure is used as the shaping mold.
  • the shaping mold can deform under pressure, it is possible that during the execution of the method the mold can adapt to particularly easily changing volume ratios (for example expansion effects, but in particular in the case of shrinkage processes customary in hot isostatic pressing methods). It is also possible for "pressure" to be exerted on the material "through the form", in particular also a fluidically exerted pressure.
  • the method is carried out in such a way that the pressurization is effected by means of a fluid.
  • a fluid can be achieved, for example, by processing in an autoclave, in whose interior a high gas pressure (or fluid pressure) prevails, take place.
  • pressures are to be considered with the values already mentioned above.
  • the lower limit for the primary material may also be 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 or 95 percent by weight
  • a maximum of 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98 or 98.5 percent by weight is conceivable as upper limit
  • Any aggregates for example binders may be added to the primary material or the secondary material in any way (if appropriate taking into account the quantitative ratio of the substances mixed together) " calculates ".
  • At least one material is used, which is taken from the group, the M390, ASP 60, X 260, HIP65-WC, Stellite 12, tungsten carbide, iron, Iron alloys, steel, cobalt, cobalt alloys, nickel and nickel alloys.
  • Such materials usually have outstanding hardness and are therefore particularly suitable for mixing with secondary materials (solid lubricants) for realizing a particularly advantageous target material.
  • the materials mentioned are commercially available, particularly wear-resistant metals or special alloys.
  • tungsten carbides (WC) there is usually a stoichiometrically bound mixture of 93.9 weight percent tungsten and 6.13 weight percent carbon.
  • the method uses as secondary material a material which has a solid lubricant (solid lubricant) or which is a solid lubricant (solid lubricants).
  • solid lubricant solid lubricant
  • solid lubricants solid lubricants
  • Such materials are particularly suitable in combination with the method proposed here (in particular with regard to the hot-isostatic pressing step).
  • lubricants are often particularly advantageous in use, because they are, for example, to a lesser extent washed away by the later "place of use” (im Ratio to liquid lubricants).
  • any solid-body-type lubricants / solid lubricants known in the prior art can be used under a solid lubricant.
  • a type of "encapsulated liquid” is used, so that the lubricant is "initially as a solid", but present after opening the capsule shell as a liquid.
  • at least one material is used, which is taken from the group, the GJSA- XNiSiCr 35-5-2, X120Mnl2, X2NiCoMol895, x53CrMnMoVNb2 - 9, X2NiCoMol895, Nitronic 60, graphite Boron nitride, molybdenum sulfide, graphite sulfide, tungsten sulfide, talc and mica.
  • Such materials are known per se in the art as solid lubricants.
  • particularly advantageous effects can result.
  • the powder particle size of at least one of the starting materials is 0.001 mm and / or ⁇ 1 mm.
  • the lower limit and / or as the upper limit such as in particular 0.002 mm, 0.005 mm, 0.01 mm, 0.02 mm, 0.05 mm, 0, 1 mm, 0, 2 mm and / or 0 , 5 mm.
  • Such powders can be produced in terms of process technology comparatively simple, low in wear and in sufficiently large quantities (and using commercially available machines) by spraying.
  • the hot isostatic pressing method is carried out at a temperature which is below the melting temperature of the lower melting starting material and / or is carried out over a period of between one and twelve hours.
  • the temperature chosen is preferably a temperature which is determined as a function of the melting point of the lower-melting starting material by multiplication by a specific factor.
  • a temperature interval between 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 0.95, 0.97 or 0.98 times the melting temperature of the product with the lowest melting point can be chosen (the Numerical values can be used both as lower limit and as upper limit).
  • a melting point both the solidus temperature and the liquidus temperature can be used.
  • other time limits can be selected for the duration of the actual hot-isostatic pressing process. By way of example only, 0.25, 0.5, 1, 2, 5, 10, 15, 20 or 24 hours can be selected as the lower limit or upper limit.
  • a further advantage may result if in the method at least a part of the particles (powder particles) of the secondary material, in particular at least part of the solid lubricant particles, is provided with a diffusion-inhibiting layer, wherein the diffusion-inhibiting layer is preferably made of nickel, cobalt, tungsten or Mobybdän exists.
  • diffusion inhibition refers to a degree of diffusion with respect to the lubricant used (solid lubricant) or the lubricants used (solid lubricants). This can result in a particularly high durability / storage stability of the resulting composite material without the lubricant properties being appreciably reduced in (later) operation.
  • the lubricant in question it is to some extent possible for the lubricant in question to be released immediately adjacent to the "friction point" by a "rubbing process". Before that, the lubricant can be “held in place” in the composite material and thus, for example, not “outgas” or the like.
  • the diffusion inhibition may additionally or alternatively also relate, for example, to atmospheric oxygen (or other disadvantageous materials / substances, in particular those materials / substances which are to be processed in a mixer or kneader, for example, in this process).
  • the lubricant in question (or the lubricants concerned) can be protected from the material / substance concerned, so that it can be prevented from being adversely affected before the actual lubrication takes place.
  • composite material which can be produced by the method described above or which has been produced by the method described above.
  • the composite material may have the same properties and advantages in at least an analogous manner.
  • further developments of the composite material are possible, in particular in the sense of the previous description.
  • composite material as self-lubricating (composite) material and / or is used in a storage area of a mechanical device.
  • composite material can fulfill its inherent properties in a particularly advantageous manner.
  • a mechanical device which has at least partially a composite material of the type proposed in advance.
  • This composite material can be used in particular in at least one storage area of the mechanical device.
  • Such a mechanical device may also have the properties and advantages already described above, at least in an analogous manner.
  • the parts of the mechanical device for example a housing or a worm shaft
  • the parts of the mechanical device are constructed in a segmental manner, wherein the individual segments are made of different materials (or have different materials) and / or individual segments are designed to be interchangeable.
  • the mechanical device has a shaft and / or a shaft receiving housing, in particular has a worm shaft and / or a worm shaft housing and preferably has an extrusion device or if the mechanical device is designed as such a device.
  • self-lubricating bearing areas of the mechanical device which can be realized in an advantageous manner with the aid of the proposed composite material, can prove to be particularly advantageous.
  • the mechanical device is designed such that it has a different material outside of a bearing region (which typically consists of the proposed self-lubricating composite material or such a composite material), in particular a material according to a method other than the method described above is formed.
  • these may be "classic materials", in particular also “classic sintered materials”.
  • a common steel or a wear-resistant special alloy could be used in this area.
  • Figure 1 is a schematic principle view of a present in an autoclave, filled with a powder mixture mold component form.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a chord-wave extruder with two storage areas
  • HIP hot isostatic pressing
  • a suitable powder mixture 3 is used to carry out the actual HIP pressing process of the powder mixture 3 in one Autoclave 1 is located.
  • the shape of the HIP 2 is designed in such a way that the workpiece (which may well also be an "intermediate stage", ie a type of blank), which consists of the HIP-pressed target material (starting from the powder mixture 3 ) is generated, the desired shape with a certain "excess" receives. This makes it possible that the resulting workpiece can be brought into its final shape with relatively little effort.
  • the HIP mold 2 has a cylindrically shaped recess 4, which forms a blind hole in the finished workpiece.
  • the HIP mold 2 is filled with a powder mixture 3 via a closable filling opening 5. After filling the HIP-Form 2 with the powder mixture 3, the HIP-Form 2 is evacuated (suction of air) and hermetically sealed by a squeeze 6.
  • the squeezing area is realized, for example, in the case of a tubular workpiece by moving two tool parts towards one another. This may preferably be a welding electrode and a welding anvil (Schweisssonotrode).
  • an "additional closure” is realized by "setting a welding point” (for example, a short, strong current pulse is applied between the welding electrode and the welding anvil) (Substantially) permanent (vacuum-tight) fluid tightness can be realized (at least for periods of time that are relevant for HIP processes).
  • the HIP form produced in this way is brought to the desired density in the HIP plant.
  • FIG. 2 shows a so-called co-extruder 8 in a schematic cross section.
  • this has a housing 9 and an internal worm shaft 10.
  • the worm shaft 10 is not only rotated, but also moved linearly in the longitudinal direction of the worm shaft 10 (or the housing 9), which is indicated in Fig. 2 by corresponding arrows.
  • the drive takes place via a drive shaft 11, which penetrates the housing 9 on one side (in Fig. 2 on the left side).
  • the housing 9 On the side on which the drive shaft 11 is provided, the housing 9 also has a filling opening 12 through which the material to be mixed is supplied (there are also designs in which a plurality of filling openings 12 are provided, which partially along the Length of the housing 9 are formed).
  • the discharge port 13 On the drive shaft 11 opposite side of the housing 9, the discharge port 13 is provided in the housing 9.
  • the worm shaft 10 In order not to block the dispensing of the mixed material through the dispensing opening 13, it is preferred that the worm shaft 10 "finish" in front of the dispensing opening 13, thus no part of the worm shaft 10 penetrates the housing 9 on that side or in the immediate vicinity of the dispensing Due to the sometimes considerable lengths of co-extruders 8 (typical lengths of 1 m to 5 m) and the forces occurring in certain materials, it is usually essential that at least one point within the housing 9, Which is spaced from the drive shaft 11, a storage area 14 is provided, in which a storage of the worm shaft 10 takes place however, several storage areas 14 are provided). In the presently illustrated embodiment, two storage areas 14 are provided.
  • a plurality of worm elements 19, 20 with mixing vanes 15, 17 and along the inside of the housing 9 a plurality of kneading bolts 16 are provided along the worm shaft 10, which cause an intimate mixing of the materials to be mixed.
  • the screw elements 19 with mixing vanes 15 are dimensioned such that a clearance exists between the screw elements 19 with the mixing vanes 15 ("normal mixing vanes") and the housing 9.
  • a clearance of 3 mm is provided.
  • a high strength steel such materials are commercially available and inexpensive commercially available).
  • the worm elements 20 with the mixing vanes 17 of the worm shaft 10 are dimensioned such that frictional contact with the storage areas 14 of the housing 9 corresponding thereto occurs.
  • a self-lubricating composite material is used in the storage areas 14 .
  • this is realized in that the subregions (for example, individual segments) of the housing 9, which lie in the region of the bearing areas 14, are made of a self-lubricating composite material.
  • the worm shaft 10 is advantageous if the corresponding components / component regions (screw element 20 with mixing vanes 17, regions of the worm shaft 10 and / or regions of the housing 9) are designed to be interchangeable (each separately).
  • lubrication in the storage areas 14 is permanently ensured due to the special properties of the self-lubricating composite material.
  • a long service life of the co-extruder 8 is ensured due to the still existing high hardness of the self-lubricating composite material.
  • the relevant screw elements 20 of worm shaft 10 and storage areas 14 of housing 9 can be exchanged.
  • Such an exchange of only parts of the "overall arrangement" of the co-extruder 8 is comparatively inexpensive, and then the co-extruder 8 can go through a new "wear cycle".
  • FIG. 3 shows in a schematic flow diagram 21 a possible method for producing a self-lubricating composite material.
  • the starting materials in particular the primary material and the secondary material, comminuted or atomized from the melt, so that they are in powder form.
  • the starting materials now present in powder form are mixed together.
  • the now present powder mixture is introduced in a further step 24 in a HIP form.
  • the HIP mold is evacuated, that is, subjected to a negative pressure.
  • the step of introducing powder mixture into the HIP mold 24 and the step of the evacuation 25 can also be repeated, which is indicated by the recessed arrow 26.
  • the HIP mold is sealed airtight 27 and then exposed, for example in an autoclave, a high pressure and a high temperature. This is the actual HIP process step 28.
  • the recovered composite material is removed from the mold 30. This can be done, for example, by destroying the mold (so-called "lost shape").
  • the recovered workpiece can also be reworked (not shown separately here).
  • tungsten carbide with nickel and carbon aggregate is listed (Ni + C).
  • the tungsten carbide normally consists of 93.9 percent by weight of tungsten and 6.13 percent by weight of carbon and is stochiometrically well-bound. By over-sintering it is possible to change this ratio and excrete free carbon. However, the tungsten carbide lacks carbon and the sprouting increases. This can be offset by increased binder content, such as the addition of cobalt or nickel. Another possibility is to introduce additional carbon into the system and thereby not change the stoichiometric ratio.
  • the now freely available as graphite carbon acts as a solid lubricant (solid lubricant) and reduces wear. Table 1
  • the starting materials each in powder form, were mixed in a Turbula mixer for one hour each.
  • the thus obtained powder mixture was filled in a steel capsule, evacuated and then sealed. Thereafter, the capsule was hot isostatically compressed to a density of 100%, tested and machined mechanically to the desired shape.
  • the hot isostatic pressing process was carried out at a pressure of greater than 400 bar over a period of three hours.
  • the HIP process temperature (“sintering temperature”) used was 0.8x Tsoiidus of the lowest melting point material used.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (21) zur Herstellung eines selbstschmierenden Verbundwerkstoffs, bei dem ein in Pulverform vorliegender metallischer Primärwerkstoff mit einem ebenfalls in Pulverform vorliegenden Sekundärwerkstoff vermischt wird und das Gemisch (3) einem heiss-isostatischen Pressverfahren (28) unterzogen wird. Dabei wird das Werkstoffgemisch aus Primärwerkstoff und Sekundärwerkstoff in eine formgebende Form gefüllt, die Form wird evakuiert und anschliessend wird das eigentliche heiss-isostatische Pressverfahren durchgeführt. Auf diese Weise ergibt sich ein im Wesentlichen kompakter Zielwerkstoff.

Description

Selbstschmierender Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen
Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines selbstschmierenden Verbundwerkstoffs. Weiterhin betrifft die Erfindung einen selbstschmierenden Verbundwerkstoff, die Verwendung eines selbstschmierenden Verbundwerkstoffs sowie eine mechanische Vorrichtung.
Die Verwendung von Festschmierstoffen (FeststoffSchmierstoffen) ist im Stand der Technik in manchen Bereichen üblich geworden. Ein Beispiel für einen Festschmierstoff ist bei- spielsweise Graphit oder Molybdänsulfid. Derartige Festschmierstoffe wirken grundsätzlich ähnlich wie die allgemein bekannten flüssigen Schmierstoffe, wie insbesondere Schmieröle. Ein Vorteil bei Festschmierstoffen ist jedoch, dass diese insbesondere in bestimmten Umgebungsbedingungen eine grössere Langlebigkeit aufweisen, da sie nicht oder zumindest in geringerem Ausmass von der zu schmierenden Oberfläche abdampfen bzw. von dieser beispielsweise durch Lösevorgänge abgetragen werden. Zum Teil werden Festschmierstoffe auch anstatt zur Schmierung ganz im Gegenteil zur Herstellung kontrollierter Reibungsbedingungen verwendet . Dies wird beispielsweise bei Kraftfahrzeugbremsen genutzt .
Grundsätzlich ist es möglich, dass FestSchmierstoffe beispielsweise „per Hand" in den betreffenden, zu schmierenden Bereich eingebracht werden. Ein Nachteil bei einem derartigen Verfahren besteht darin, dass von Zeit zu Zeit ein „Nachschmieren" erforderlich ist . Mit anderen Worten erweist es sich als erforderlich, dass beispielsweise fortgeschwemmter Festschmierstoff (beispielsweise durch AbtragungsVorgänge) ersetzt werden muss .
Zwischenzeitlich hat sich auch die Idee etabliert, Fest- Schmierstoffe als integralen Teil von Materialgemischen zu verwenden. In einem derartigen Fall werden die betreffenden Festschmierstoffe als kleine partikelhafte Beimengungen dem eigentlichen Werkstoff (beispielsweise ein metallischer Werkstoff) hinzugefügt. In einem derartigen Fall erfolgt durch einen verschleissbedingten Abtrag des betreffenden Materials eine selbstständige Schmierung. Vorrichtungen, die mithilfe derartiger Materialien aufgebaut sind, weisen eine typischerweise sehr hohe Standzeit auf und sind insbesondere für Anwendungen geeignet, die vergleichsweise schwer zugänglich sind (sodass ein Wartungseingriff problematisch ist) und/oder die beispielsweise aufgrund grosser vorherrschender Kräfte einen vergleichsweise hohen Verschleiss aufweisen.
Ein Beispiel für einen, ein FeststoffSchmiermittel aufweisen- den metallischen Werkstoff ist in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 1 533 222 AI beschrieben. Ebenso findet sich dort ein für die Herstellung eines derartigen Werkstoffs geeignetes Verfahren. Das dort vorgeschlagene Verfahren ist ein sogenanntes Sinterverfahren, bei dem die unterschiedlichen Aus- gangsmaterialien in Pulverform vorliegen, miteinander vermischt werden und in einem Ofen über eine längere Zeitdauer hinweg erhitzt werden. Beim in DE 1 533 222 AI vorgeschlagenen Sinterverfahren erfolgt der eigentliche Sintervorgang (Erhitzung im Ofen) unter Standard-Atmosphäre , gegebenenfalls auch unter einer Schutzgasatmosphäre , j edoch unter Standard-Atmosphärendruck . Dies hat zur Folge , dass der resultierende Werkstoff eine typischerweise nicht unerhebliche Restporosität aufweist . Dies führt zu einer verminderten Festigkeit des erzeugten Werkstoffs.
Ein neuartiger Festschmierstoff sowie eine unter Verwendung des dort vorgeschlagenen Festschmierstoffs hergestellte fest- Schmierstoffhaltige Bremsbelagrezeptur sind der Europäischen Patentschrift EP 1 070 109 Bl zu entnehmen. Auch hier wird vorgeschlagen, den Festschmierstoff durch ein Sinterverfahren zu erzeugen. Es wird vorgeschlagen, metallisches Zinn in feinverteilter Form mit Schwefel und Kohlenstoff unter Inertgas- oder Luftatmosphäre für eine Zeitdauer von 0,1 bis 6 Stunden Temperaturen von 200 °C bis 1500 °C auszusetzen. Auch hier erfolgt der Sintervorgang unter Standard-Atmosphärendruck . Dementsprechend kommt es auch hier zu einem Werkstoff mit einer nicht unerheblichen Restporosität.
In der europäischen Patentanmeldung EP 1 652 608 AI wird ein Verfahren zum Herstellen einer HartstoffSchicht sowie ein mit einer derartigen HartstoffSchicht beschichtetes Produkt vorgeschlagen. Dabei wird auf der gesamten Oberfläche eines Ge- genstandes aus einem Material mit einem relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise Stahl (wobei die Oberfläche auch diffizile Zonen wie scharfe Ecken aufweisen kann) , eine den Hartstoff enthaltende Schicht durch heiss-isostatisches Pressen aufgebracht. Um dem Abplatzen, Aufbrechen usw. insbesondere der kritischen Zonen vorzubeugen werden als Hartstoffe Karbide und/oder Boride verwendet, da diese einen Ausdehnungskoeffizienten von mindestens 6 aufweisen.
In der japanischen Offenlegungsschrift JP 2008-298258 AI wird ein Gleitkontaktaufbau mit einem ersten Element und einem zweiten Element vorgeschlagen, bei dem eines der Elemente in Bezug auf das andere Element gleitfähig gehalten wird. Dabei enthält das erste Element 5 bis 40 Vol . -% Festschmierstoff- teilchen und 5 bis 40 Vol . - % harte Teilchen in einer Metallbasis, die eine Matrix bildet. Das zweite Element enthält 5 bis 50 Vol . -% Bornitridteilchen in einer Basis mit Silizium- nitrid als Grundmaterial. Für die Herstellung der Elemente werden unterschiedliche, alternativ verwendbare Heissformver- fahren vorgeschlagen, wie beispielsweise Heisspressen (heiss- isostatisches Drucksintern oder dergleichen) oder eine Heis- sextrusionsverarbeitung . Darüber hinaus werden weitere Alter- natiwerfahren vorgeschlagen, wie Verfahren, bei denen das zusammengesetzte Pulver zunächst pressgeformt wird (einachsige Presse, kalt-isostatische Druckformung oder dergleichen) und der Presspulverkörper anschliessend bei Normaldruck gesintert oder vakuumgesintert wird.
Gerade bei Anwendungen, bei denen grosse Kräfte und/oder ein damit einhergehender grosser Verschleiss der betreffenden Oberflächen einhergeht, ist das Vorhandensein einer Restporosität unerwünscht. Versuche haben nämlich gezeigt, dass speziell eine Restporosität im Werkstoff zu einem erhöhten Verschleiss im Bereich der Lagerflächen infolge von Zerrüttung führen kann, was naturgemäss unerwünscht ist . Darüber hinaus kann die Porosität zu hygienischen Problemen führen. Dies ist insbesondere im Bereich der Lebensmitteltechnik, aber auch im medizinischen Bereich ein unter Umständen gravierendes Problem .
Dementsprechend besteht nach wie vor ein Bedarf an selbstschmierenden Werkstoffen, die gegenüber im Stand der Technik bekannten selbstschmierenden Werkstoffen verbesserte Materialeigenschaften aufweisen. Insbesondere ist es erwünscht , dass der resultierende selbstschmierende Werkstoff eine be- sonders hohe Festigkeit und Standzeit aufweist. Darüber hinaus sollte der resultierende selbstschmierende Werkstoff auch hygienisch möglichst einwandfrei sein. Die vorgeschlagene Erfindung löst die Aufgabe.
Es wird vorgeschlagen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines selbstschmierenden Verbundwerkstoffs, bei dem ein Primärwerkstoff, der als vorzugsweise harter, metallischer Werk- stoff in Pulverform vorliegt, mit einem Sekundärwerkstoff, der als im Verhältnis zum Primärwerkstoff weicherer Werkstoff in Pulverform vorliegt, vermischt wird und das Gemisch einem heiss- isostatischen Pressverfahren unterzogen wird, derart durchgeführt wird, dass das heiss-isostatische Pressverfahren in einer formgebenden Form durchgeführt wird, wobei die mit dem heiss-isostatisch zu pressenden Werkstoffgemisch befüllte formgebende Form vor dem heiss- isostatischen Pressverfahren evakuiert wird, und das Werkstoffgemisch im Laufe des heiss- isostatischen Pressverfahrens in der formgebenden Form druck- beaufschlagt wird, sodass sich ein zumindest im Wesentlichen kompakter Zielwerkstoff ergibt. Die Eigenschaft einer Selbstschmierung des Werkstoffs (Verbundwerkstoffs) wird insbesondere dadurch realisiert, dass der resultierende Werkstoff („Zielwerkstoff" ; Verbundwerkstoff ) einen Anteil an zumindest einem Typ von Schmierstoff aufweist, insbesondere zumindest einem Typ von Festschmierstoff. Dementsprechend kann anstelle eines „selbstschmierenden (Verbund- ) Werkstoffs " auch von einem „ Schmierstoffhaltigen (Verbund- ) Werkstoff " , insbesondere von einem „ festschmierstoffhaltigen (Verbund- ) Werkstoff " ge- sprochen werden . Bei dem Primärwerkstoff handelt es sich - wie bereits erwähnt - um einen insbesondere metallischen Werkstoff , der in Pulverform bereitgestellt wird. Insbesondere handelt es sich um einen harten Werkstoff . Hierbei ist nicht nur an „Reinmetalle" zu denken (wie beispielsweise Eisen) , sondern auch an insbesondere metallische Werkstoffmischungen (beispielsweise Legierungen) . Rein beispielhaft ist hier an diverse Stähle und/oder an jegliche Form von kommerziell er- hältlichen harten Materialmischungen zu denken. Bei „hart" kann man insbesondere an eine Härte von ^50, ^51, ^52, Ξ>53, >54, >55, >56, >57, >58, >59, >60, >61, >62, >63, >64, >65, ^66 oder ^67 HRC denken (HRC steht für die sogenannte Rockwellhärte) . Insbesondere im Falle von Härten 60 wird typi- scherweise von verschleissfesten Sonderlegierungen gesprochen. (Wobei auch andere Grenzwerte, insbesondere die vorab genannten Werte, genutzt werden können.) Der weichere Sekundärwerkstoff liegt ebenfalls in Pulverform vor. Unter „weicher" kann grundsätzlich jede beliebige Härtepaarung verstan- den werden. Es kann also insbesondere auch der Fall sein, dass beispielsweise ein „normal fester Stahl" (als weicheres Sekundärmaterial) mit einem hochfesten Stahl oder einer anderen hochfesten Sonderlegierung (als Primärmaterial) vermischt wird. Wesentlich ist, dass die Härte des Sekundärmaterials geringer ist als die Härte des Primärmaterials (wobei bereits ein Härteunterschied von beispielsweise einer, zwei, drei, vier, fünf , sechs , sieben, acht , neun oder zehn (und mehr) HRC-Stufen ausreichend sein kann) . Als bevorzugt kann es sich erweisen, wenn als Sekundärwerkstoff ein „klassischer" im Stand der Technik bekannter FestSchmierstoff verwendet wird, wie beispielsweise Graphit oder dergleichen . Die zur Verfügung zu stellenden Pulver können grundsätzlich j ede beliebige Formgebung aufweisen (wie beispielsweise kugelige , spratzige, eckige , gebrochene oder verformte Pulverpartikel aufweisen) . Ebenso ist es möglich, dass die Pulver durch j egliche, im Stand der Technik bekannte Verfahren erzeugt werden, wie insbesondere durch Verdüsen, Materialzerstäubung, Granulation o- der mechanischen Spanabtrag . Dabei können die verwendeten Pulver auf gleiche Weise hergestellt werden und/oder eine gleichartige Formgebung aufweisen. Ebenso ist es auch möglich, dass unterschiedliche Herstellungsverfahren und/oder Formgebungen genutzt werden. Dies ist nicht nur im Verhältnis Primärwerkstoff zu Sekundärwerkstoff möglich. Auch das Pulver des Primärwerkstoffs bzw. das Pulver des Sekundärwerkstoffs kann gegebenenfalls ein Gemisch aus Pulvern mit unterschiedlicher Formgebung und/oder Pulvern, die auf unterschiedliche Weise hergestellt wurden, sein. Die miteinander vermischten Pulver (wobei grundsätzlich jegliches im Stand der Technik bekannte Mischverfahren genutzt werden kann) werden anschliessend einem heiss-isostatischen Pressverfahren unterzogen. Das heiss-isostatische Pressverfahren wird derart durchgeführt, dass das heiss- isostatische Pressen (gegebenen- falls auch weitere Verfahrensschritte) in einer formgebenden Form durchgeführt wird. „Heiss- isostatisch" bedeutet dabei, dass der Pressvorgang einerseits unter einer Druckbeaufschlagung, und zusätzlich in aller Regel auch unter einer erhöhten Temperatur erfolgt. Das heiss- isostatische Pressverfahren kann im Übrigen in mehreren „zeitlichen Abschnitten" erfolgen. Es kann sich als ausreichend erweisen, wenn lediglich ein „Zeitabschnitt" des eigentlichen heiss-isostatischen Pressverfahrens wie vorgeschlagen druckbeaufschlagt (und in aller Regel bei erhöhter Temperatur) durchgeführt wird. Vor- teilhaft ist es , wenn ein „ zeitlich möglichst grosser Anteil " des heiss-isostatischen Pressverfahrens (bevorzugt im Wesentlichen der gesamte Pressvorgang) wie vorgeschlagen druckbeaufschlagt erfolgt. Mithilfe einer formgebenden Form ist es möglich, dass der Zielwerkstoff bereits „grob" in der schluss- endlich erwünschten Form vorliegt . Auf diese Weise können anschliessende Materialbearbeitungsvorgänge reduziert werden (was insbesondere in einer Verkürzung der Nachbearbeitungs- Zeitdauer resultieren kann) . Darüber hinaus kann „Abfallmaterial" bei anschliessenden Materialbearbeitungsvorgängen (insbesondere bei abtragenden Materialbearbeitungsvorgängen) reduziert werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass weniger Pulvergemisch eingesetzt werden muss (was insbesondere kostenreduzierend wirken kann) . Durch ein verringertes Nachbearbeitungserfordernis kann aber auch das Werkstück in einem zeitlich geringeren Ausmass Vibrationen (welche im Rahmen einer Nachbearbeitung in aller Regel auftreten) ausgesetzt sein, was wiederum die Standzeit erhöhen kann. Der Vollständigkeit halber sollte darauf hingewiesen werden, dass eine Formgebung mithilfe einer formgebenden Form auch unabhängig von der Form eines zu realisierenden Werkstücks erfolgen kann. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang an „Stan- dardformen" zu denken, wie beispielsweise barrenartige Formen, quaderartige Formen, würfelförmige Formen, zylindrische Formen und dergleichen. Wie bereits erwähnt, wird das heiss- isostatische Pressverfahren derart durchgeführt, dass die mit dem zu pressenden Werkstoffgemisch (also in der Regel ein Gemisch aus zumindest einem Primärwerkstoff sowie einem Sekundärwerkstoff) befüllte formgebende Form vor dem „eigentlichen Pressvorgang" im Rahmen des heiss-isostatischen Pressverfahrens evakuiert wird. Dies erfolgt typischerweise nach dem Einfüllen der Pulver in die formgebende Form. Möglich ist es auch, dass „mehrfach" Pulver zugeführt wird . Es ist also möglich, dass Pulver eingefüllt wird, anschliessend evakuiert wird, danach eine neue Charge Pulver nachgefüllt wird, danach erneut evakuiert wird usw . Durch das vorgeschlagene Evakuieren ist es einerseits möglich, dass bereits vor dem eigent- liehen heiss-isostatischen Pressvorgang allfällige Hohlräume verkleinert werden und/oder deren Anzahl verringert wird. Darüber hinaus ist es möglich, dass die (verbleibende) Menge an Gas (Luftatmosphäre und/oder Schutzgas) verringert wird. Es ist bekannt, dass derartige „Restgasmengen" mit den Oberflächen der Pulverpartikel reagieren können, was in verschlechterten Werkstoffeigenschaften des Zielwerkstoffs (also des zu erzeugenden Verbundwerkstoffs) resultieren kann. Über- raschenderweise erweisen sich bereits relativ schlechte Vakua als ausreichend, um deutlich verbesserte Werkstoffeigenschaf - ten des Zielwerkstoffs realisieren zu können. Insbesondere ist an Vakua mit Drücken von < 200 mbar, ^ 150 mbar,
< 100 mbar, < 75 mbar, ^ 50 mbar, < 25 mbar, < 10 mbar, < 5 mbar, < 2,5 mbar, < 1 mbar, < 0,5 mbar, ^ 0,25 mbar oder
< 0,1 mbar zu denken. Das vorzusehende Vakuum kann dabei durchaus auch in Abhängigkeit von den erforderlichen Werkstoffeigenschaften geeignet gewählt werden. Es kann sich auch als sinnvoll erweisen, wenn nicht „beliebig gut" evakuiert wird, sondern im Gegenteil ein definierter Minimaldruck, insbesondere von einem Schutzgas, verbleibt. Als geeignete Minimalwerte können die bereits vorab genannten Werte (bislang als obere Grenzwerte genannt) verwendet werden. Auch eine Kombination aus „Untergrenze" und „Obergrenze" ist denkbar. Vorteilhaft ist es im Übrigen, wenn es sich bei der formgebenden Form um eine (vakuumdicht) verschliessbare Form handelt , in die die Ausgangsmaterialen gefüllt werden, die anschliessend evakuiert wird und anschliessend (vakuumdicht) verschlossen wird, sodass diese „ auf einfache Weise unabhän- gig" gehandhabt und transportiert werden kann. Ein besonderer Vorteil bei einer derartigen (vakuumdicht) verschliessbaren Form ist, dass der eigentliche Ofen-Hohlraum, in dem der heiss- isostatische Pressvorgang durchgeführt wird, unter einem (im Wesentlichen) beliebigen Druck stehen kann. Im Rahmen des heiss -isostatischen PressVerfahrens wird das Werkstoff- gemisch in der formgebenden Form druckbeaufschlagt . Insbesondere ist an Drücke von > 200 bar, > 300 bar, > 400 bar, > 500 bar, > 600 bar, > 700 bar, > 800 bar, > 900 bar, > 1000 bar, > 1100 bar, > 1200 bar, > 1300 bar > 1400 bar,
> 1500 bar, > 1600 bar, > 1700 bar, > 1800 bar, > 1900 bar oder ^ 2000 bar zu denken. Durch die Druckbeaufschlagung ist es möglich, dass Hohlräume im zu pressenden/gepressten Werk- stoffgemisch hinsichtlich ihres Volumens und/oder hinsichtlich ihrer Anzahl verringert werden können. Besonders grosse Vorteile ergeben sich in der Regel, wenn die Druckbeaufschlagung mit der Verwendung einer vakuumdicht verschlossenen, unter Vakuum stehenden, formgebenden (gegebenenfalls auch ver- formbaren) Form kombiniert wird, sodass insbesondere ein beispielsweise in einem Ofen (Autoklaven) befindlicher Gasdruck das Werkstoffgemisch nicht „direkt" erreicht. Wenn also vorliegend davon die Rede ist, dass die mit dem heiss- isostatisch zu pressenden Werkstoffgemisch befüllte formgebende Form vor dem heiss-isostatischen Pressverfahren evakuiert wird, und das Werkstoffgemisch im Laufe des heiss- isostatischen Pressverfahrens in der formgebenden Form (in der Regel mechanisch und/oder extern) druckbeaufschlagt wird, so bedeutet dies in aller Regel auch, dass das Vakuum auch während der Druckbe- aufschlagung vorhanden ist/aufrechterhalten wird. Unter einer „externen" Druckbeaufschlagung wird in der Regel eine von ausserhalb der formgebenden Form ausgeübte („erzeugte"), auf das in der formgebenden Form befindliche Werkstoffgemisch wirkende Druckbeaufschlagung (Kraftbeaufschlagung) verstan- den. Dabei kann es sich um ein Vakuum mit (im Wesentlichen) identischem Druck wie während der Befüllung der formgebenden Form mit dem Werkstoffgemisch handeln. Denkbar ist es aber auch, dass das Vakuum nach der Befüllung der formgebenden Form mit dem Werkstoffgemisch erhöht (verbessert; niedrigerer Restdruck) oder erniedrigt (verschlechtert ; höherer Restdruck) wird . Zusätzlich oder alternativ ist auch an einen ( teilweisen) „Gasaustausch" , beispielsweise durch Spülung mit einem Schutzgas oder dergleichen zu denken (insbesondere im Sinne der vorherigen und nachfolgenden Beschreibung) . Mit anderen Worten ist es möglich, dass die mit dem heiss-isosta- tisch zu pressenden Werkstoffgemisch befüllte formgebende Form vor dem heiss- isostatischen Pressverfahren evakuiert wird, und das Werkstoffgemisch im Laufe des heiss-isostatischen Pressverfahrens im Wesentlichen unter Beibehaltung des (oder eines gegebenenfalls hinsichtlich Druckhöhe oder Gaszusammensetzung „veränderten") Vakuums in der formgebenden Form (mechanisch und/oder extern) druckbeaufschlagt wird. Auch könnte man formulieren, dass die mit dem heiss-isostatisch zu pressenden Werkstoffgemisch befüllte formgebende Form während zumindest eines Teils des heiss-isostatischen Pressverfahren evakuiert ist (wird, bleibt oder dergleichen) , und das Werkstoffgemisch im Laufe des heiss-isostatischen Pressverfahrens in der formgebenden Form (trotz eines zumindest zeitweise/teilweise verbliebenen/vorhandenen/erzeugten Vakuums) druckbeaufschlagt wird. Die Druckbeaufschlagung erfolgt dabei natürlich in aller Regel nicht „unmittelbar durch Anlegen eines Gasdrucks"/durch,,direkte Druckbeaufschlagung mit einem Gas" (dies schliesst allerdings nicht aus, dass mittelbar ein Gasdruck zur Druckbeaufschlagung genutzt wird, beispielsweise durch eine flexibel ausgebildete Sinterformwand hindurch) . Selbstverständlich ist es denkbar, dass die Vakuumbeaufsch1agung nur während eines Teils ( insbesondere zeitlichen Anteils) der Druckbeaufschlagung vorhanden ist. Zusätzlich oder alternativ ist es grundsätzlich auch denkbar, dass das Vakuum (Druck, Gaszusammensetzung oder dergleichen) während der Druckbeaufschlagung geändert wird. Um die vorliegende Idee nochmals zu verdeutlichen: im Stand der Technik existieren durchaus Sinterverfahren, bei denen das zu sinternde Materialgemisch insbesondere während einer Befüllungs- phase und/oder während einer Erhitzungsphase mit einem von der Standard-Atmosphäre abweichenden Druck (und/oder Gaszusammensetzung) beaufschlagt wird. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, eine Sinterform unter vermindertem Druck zu befüllen, um die Entstehung von „Lufttaschen" zu vermeiden. Auch existiert grundsätzlich die Idee eines Vakuum-Sinterns bzw. eines Sinterns unter Schutzgasatmosphäre. Hier wird allerdings (abweichend zum vorgeschlagenen Verfahren) während der Erhitzungsphase kein (mechanischer und/oder externer) Druck auf das Materialgemisch ausgeübt. Umgekehrt gibt es auch Sinterverfahren, bei denen während (eines Grossteils) der Erhitzungsphase ein Druck auf das Materialgemisch ausgeübt wird (beispielsweise durch Prozessführung in einem Autoklaven) . Dabei steht das Materialgemisch allerdings nicht unter einem Vakuum (bzw. nicht unter einem von der umgebenden Atmosphäre abweichenden Druck) . Durch die vorgeschlagene Verfahrensführung unter Verwendung eines heiss-isostatischen Pressverfahrens „unter Vakuum" (bezogen auf das zu pressende/gepresste Werkstoffgemisch) kann ein kompakter Zielwerkstoff (Endprodukt oder Zwischenprodukt des vollständigen Fertigungsvor- gangs) erhalten werden. Es wird also anders als im Stand der Technik bei Sinterverfahren ein Zielwerkstoff erzeugt, der keine (oder allenfalls eine geringe) Restporosität aufweist. Diese „Zielvorgabe" erscheint widersinnig, da es befremdlich erscheint , ein herstellungstechnisch vergleichsweise aufwän- diges heiss-isostatisches Pressverfahren (was ja grundsätzlich eine Art „spezielles Sinterverfahren" darstellt) durchzuführen, um schlussendlich einen kompakten Zielwerkstoff (Verbundwerkstoff) zu erhalten. Denn bislang ging man davon aus, dass kompakte Zielwerkstoffe durch andere Herstellungs- verfahren bedeutend einfacher herzustellen sind und/oder Sinterverfahren gerade den Vorteil haben, besonders poröse Materialien herstellen zu können . Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass sich mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens erstaunlich vorteilhafte Werkstoffeigenschaften (Verbundwerkstoffeigenschaften) realisieren lassen, die das vergleichsweise aufwändige Herstellungsverfahren unter Verwen- dung eines heiss- isostatischen Pressverfahrens mehr als gerechtfertigt erscheinen lassen. Insbesondere können auf diese Weise Werkstoffe (Verbundwerkstoffe) hergestellt werden, welche eine besonders . hohe Festigkeit bei gleichzeitig selbstschmierenden Eigenschaften aufweisen. Die Neigung zu Ver- schleiss, insbesondere zu Verschleiss infolge von Zerrüttung, kann gegenüber „klassischen Materialien" (insbesondere „klassischen Sintermaterialien", aber auch „klassisch heiss- isostatisch gepressten Materialien") zum Teil deutlich verringert werden. Darüber hinaus kann mithilfe des vorgeschla- genen Verfahrens ein hygienisch einwandfreier Werkstoff (Verbundwerkstoff) erzielt werden, was insbesondere im Lebensmittelbereich und/oder im medizinischen Bereich ausschlaggebend sein kann. Insbesondere wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass der Zielwerkstoff eine Porosität von < 2,5 %, < 2 %, < 1,5 %, < ! %, < 0,5 %, < 0,25 %, < 0,2 %, < 0,1 %, ^ 0,05 % oder < 0,025 % aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Zielwerkstoff eine Dichte aufweist, die höher als die Dichte des Ausgangswerkstoffs mit der geringeren Dichte, bevorzugt höher als die gewichtete mittlere Dichte der Ausgangswerkstoffe und insbesondere höher als die Dichte des Ausgangswerkstoffs mit der höheren Dichte ist. Unter den Ausgangswerkstoffen ist insbesondere der Primär- werkstoff und der Sekundärwerkstoff zu verstehen (gegebenenfalls aber auch Zuschlagsbeimengungen, wie beispielsweise keramische Pulver, Bindemittel oder dergleichen) . In diesem Zusammenhang wird speziell darauf hingewiesen, dass es mit dem vorgeschlagenen Verfahren in der Tat möglich ist, dass die Dichte gegenüber dem (unpulverisierten) Ausgangsmaterial bzw. Ausgangsmaterialien sogar erhöht werden kann. Es ist leicht einsichtig, dass dadurch ein Material mit besonders grosser Standzeit realisiert werden kann.
Insbesondere wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass als formgebende Form eine sich unter Druckeinwirkung verformende formgebende Form verwendet wird. Wenn sich die formgebende Form unter Druckeinwirkung verformen kann, ist es möglich, dass während der Durchführung des Verfahrens die Form sich besonders einfach ändernden Volumenverhältnissen anpassen kann (beispielsweise Ausdehnungseffekte, insbesondere aber bei bei heiss-isostatischen Pressverfahren übliche Schrumpf ngsvorgänge) . Auch ist es möglich, dass „durch die Form hindurch" ein, insbesondere auch ein fluidisch ausgeübter, Druck auf den Werkstoff ausgeübt werden kann. Als sich verformende, formgebende Form eignen sich beispielsweise vergleichsweise dünnwandige Metallformen (dosenartige Behält- nisse, die typischerweise mit einer Art Einfüllöffnung versehen sind; die Einfüllöff ung kann dabei vorteilhafterweise mechanisch, insbesondere auch fluiddicht verschlossen werden; insbesondere ist beim Verschliessen der Form an eine Art „Abquetschen" einer rohrartigen Durchführung zu denken, wobei zusätzlich beispielsweise durch Beaufschlagung des Quetschbereichs mit einem starken Stromstoss ein Verschweissen realisiert werden kann) .
Besonders bevorzugt ist es , wenn das Verfahren derart durch- geführt wird, dass die Druckbeaufschlagung mittels eines Fluids erfolgt . Eine derartige Druckbeaufschlagung kann beispielsweise durch eine Prozessierung in einem Autoklaven, in dessen Innenraum ein hoher Gasdruck (bzw. Fluiddruck) vorherrscht, erfolgen. Insbesondere ist an (fluidisch ausgeübte) Drücke mit den bereits vorab genannten Werten zu denken. Weiterhin wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass der Primärwerkstoff mit einem minimalen Anteil von 45 Gewichtsprozent und einem maximalen Anteil von 99 Gewichtsprozent vorliegt. Erste Versuche haben ergeben, dass sich in diesem Intervall ein (Ziel- ) Werkstoff mit besonders vorteilhaften Eigenschaften ergeben kann. Einerseits kann durch die Untergrenze ein besonders festes Material realisiert werden. Erste Versuche haben ergeben, dass ein zu hoher Volumenanteil bzw. Gewichtsanteil an „Zuschlagstoffen" (insbesondere an FeststoffSchmiermitteln) zu Brüchen im Bauteil führen kann und darüber hinaus eine einwandfreie Diffusion zwischen den Pulverkörnern vermindert werden kann. Die Obergrenze andererseits gewährleistet üblicherweise ausreichende Schmiereigenschaften des resultierenden (Verbund- ) Werkstoffs. Selbstverständlich sind auch andere Mengenverhält- nisse denkbar. Insbesondere kann als Untergrenze für den Primärwerkstoff auch 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 oder 95 Gewichtsprozent verwendet werden. In analoger Weise ist als Obergrenze ein maximaler Anteil von 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98 oder 98,5 Gewichtsprozent denkbar. Allfällige Zuschlag- Stoffe (beispielsweise Bindemittel) können in beliebiger Weise dem Primärwerkstoff oder dem Sekundärwerkstoff (gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung des Mengenverhältnisses der miteinander vermischten Stoffe) „zugerechnet" werden. Es hat sich in ersten Versuchen als vorteilhaft erwiesen, wenn bei dem Verfahren als Primärwerkstoff zumindest ein Werkstoff verwendet wird, welcher der Gruppe entnommen ist , die M390, ASP 60 , X 260, HIP65-WC, Stellite 12 , Wolframcarbid, Eisen, Eisenlegierungen, Stahl, Kobalt, Kobaltlegierungen, Nickel und Nickellegierungen umfasst. Derartige Materialien weisen eine üblicherweise herausragende Härte auf und sind daher besonders geeignet zur Vermischung mit Sekundärmaterialien (FeststoffSchmiermitteln) zur Realisierung eines besonders vorteilhaften Zielwerkstoffs. Die genannten Materialien sind kommerziell erhältliche, besonders verschleissfeste Metalle bzw. Sonderlegierungen. Im Falle von Wolframcarbiden (WC) liegt üblicherweise ein stöchiometrisch abgebundenes Gemisch aus 93,9 Gewichtsprozent Wolfram und 6,13 Gewichtsprozent Kohlenstoff vor. Es ist jedoch möglich, durch ein Übersintern dieses Verhältnis zu ändern und dadurch freien Kohlenstoff auszuscheiden. Das kann jedoch dazu führen, dass dem Wolf- ramcarbid dadurch Kohlenstoff fehlt und sich die Sprödigkeit erhöhen kann. Dies kann jedoch durch einen erhöhten Binderanteil, beispielsweise durch Kobalt- oder Nickelanteile abgefangen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zusätzlichen Kohlenstoff in das System einzubringen und dadurch das stöchiometrische Verhältnis nicht zu verändern. Der frei als Graphit vorliegende Kohlenstoff wirkt als Feststoffschmiermittel und verringert den Verschleiss .
Von Vorteil ist es , wenn bei dem Verfahren als Sekundärwerk- Stoff ein Material verwendet wird, welches einen Festschmier- stoff (FeststoffSchmierstoff) aufweist oder welches ein Festschmierstoff (FeststoffSchmierstoffen) ist . Derartige Materialien sind in Kombination mit dem vorliegend vorgeschlagenen Verfahren besonders geeignet ( insbesondere im Hinblick auf den heiss-isostatischen Pressschritt) . Darüber hinaus sind derartige Schmierstoffe auch in der Verwendung oftmals besonders vorteilhaft , weil diese beispielsweise in geringerem Masse vom späteren „Einsatzort" weggeschwemmt werden ( im Verhältnis zu flüssigen Schmierstoffen) . Unter einem Festschmierstoff können grundsätzlich beliebige, im Stand der Technik bekannte, festkörperartige Schmierstoffe/Festschmierstoffe verwendet werden. Möglich ist es aber auch, dass beispielsweise eine Art von „verkapselter Flüssigkeit" verwendet wird, so dass der Schmierstoff „zunächst als Feststoff" vorliegt, nach Aufbruch der Kapselhülle jedoch als Flüssigkeit vorliegt. Insbesondere kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn bei dem Verfahren als Sekundärwerkstoff zumindest ein Werkstoff verwendet wird, welcher der Gruppe entnommen ist, die GJSA- XNiSiCr 35-5-2, X120Mnl2, X2NiCoMol895 , x53CrMnMoVNb2 - 9 , X2NiCoMol895 , Nitronic 60, Graphit, Bornitrid, Molybdänsul- fid, Graphitsulfid, Wolframsulfid, Talkum und Glimmer ura- fasst. Derartige Materialien sind an sich im Stand der Technik als FeststoffSchmiermittel bekannt. Gerade in Kombination mit dem vorgeschlagenen Verfahren und insbesondere auch mit den vorgenannten Primärwerkstoffen können sich jedoch besonders vorteilhafte Effekte ergeben.
Lediglich der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich auch möglich ist, weitere Primärwerkstoffe und/oder sonstige Sekundärmaterialien zu verwen- den.
Vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren derart ausgeführt wird, dass die Pulverkorngrösse zumindest eines der Ausgangswerkstoffe (bevorzugt der beiden bzw. sämtlicher Ausgangswerk- Stoffe) 0,001 mm und/oder < 1 mm ist . Selbstverständlich sind als Untergrenze und/oder als Obergrenze auch andere Zahlenwerte denkbar , wie insbesondere 0,002 mm, 0,005 mm, 0,01 mm, 0,02 mm, 0,05 mm, 0 , 1 mm, 0 , 2 mm und/oder 0 , 5 mm. Derartige Pulver können prozesstechnisch vergleichsweise einfach, verschleissarm und in ausreichend grossen Mengen (sowie unter Verwendung handelsüblicher Maschinen) durch Verdüsen hergestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens kann sich ergeben, wenn das heiss-isostatische Pressverfahren bei einer Temperatur durchgeführt wird, die unterhalb der Schmelztemperatur des niedriger schmelzenden Ausgangswerk- Stoffs liegt und/oder über eine Zeitdauer zwischen einer und zwölf Stunden hinweg durchgeführt wird. Als Temperatur wird bevorzugt eine Temperatur gewählt, die in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt des niedriger schmelzenden Ausgangswerkstoffs durch Multiplikation mit einem bestimmten Faktor ermittelt wird. Insbesondere kann ein Temperaturintervall zwischen 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 0,95, 0,97 oder 0,98 mal der Schmelztemperatur des Produkts mit dem niedrigsten Schmelzpunkt gewählt werden (die genannten Zahlenwerte können dabei sowohl als Untergrenze bzw. als Obergrenze verwendet werden) . Als Schmelzpunkt kann dabei sowohl die Solidus-Temperatur als auch die Liquidus-Temperatur verwendet werden. Auch können für die Zeitdauer des eigentlichen heiss-isostatischen Pressverfahrens andere zeitliche Grenzen gewählt werden. Rein beispielhaft können als Untergrenze bzw. Obergrenze auch 0,25, 0,5, 1, 2, 5, 10, 15, 20 oder 24 Stunden gewählt werden.
Ein weiterer Vorteil kann sich ergeben, wenn bei dem Verfahren zumindest ein Teil der Partikel (Pulverteilchen) des Sekundärwerkstoffs, insbesondere zumindest ein Teil der Fest- Schmierstoffpartikel , mit einer diffusionshemmenden Schicht versehen wird, wobei die diffusionshemmende Schicht bevorzugt aus Nickel , Kobalt , Wolfram oder Mobybdän besteht . Die Dif- fusionshemmung bezieht sich dabei insbesondere auf einen Diffusiongrad gegenüber dem verwendeten Schmierstoff (Festschmierstoff) bzw. den verwendeten Schmierstoffen (Festschmierstoffen) . Hierdurch kann eine besonders grosse Halt- barkeit/Lagerbeständigkeit des resultierenden Verbundwerkstoffs resultieren, ohne dass die Schmierstoffeigenschaften im (späteren) Betrieb nennenswert vermindert werden. Insbesondere ist es gewissermassen möglich, dass der betreffende Schmierstoff erst durch einen „Reibvorgang" unmittelbar be- nachbart zur „Reibungsstelle" freigesetzt wird. Davor kann der Schmierstoff im Materialverbund „zusätzlich festgehalten" werden und dadurch beispielsweise nicht „ausgasen" oder dergleichen. Die Diffusionshemmung kann sich zusätzlich oder alternativ auch beispielsweise auf Luftsauerstoff (oder sons- tige nachteiligen Materialien/Substanzen, insbesondere solche Materialien/Substanzen, die beispielsweise bei einem Mischer oder Kneter in diesem prozessiert werden sollen) beziehen. Hier kann der betreffende Schmierstoff (können die betreffenden Schmierstoffe) vor dem betreffenden Material/der betref - fenden Substanz geschützt werden, so dass eine nachteilige Verschlechterung desselben verhindert werden kann, bevor „die eigentliche Schmierung erfolgt" .
Weiterhin wird ein Verbundwerkstoff vorgeschlagen, der durch das vorab beschriebene Verfahren herstellbar ist bzw. der durch das vorab beschriebene Verfahren hergestellt wurde . Der Verbundwerkstoff kann die gleichen Eigenschaften und Vorteile in zumindest analoger Weise aufweisen . Selbstverständlich sind auch Weiterbildungen des VerbundwerkStoffs möglich, ins- besondere im Sinne der vorherigen Beschreibung .
Vorteilhaft ist es , wenn ein derartiger Verbundwerkstoff als selbstschmierender (Verbund- ) Werkstoff und/oder in einem Lagerbereich einer mechanischen Vorrichtung verwendet wird. In diesem Fall kann der Verbundwerkstoff die ihm innewohnenden Eigenschaften in besonders vorteilhafter Weise erfüllen.
Schliesslich wird auch eine mechanische Vorrichtung vorgeschlagen, die zumindest bereichsweise einen Verbundwerkstoff vom vorab vorgeschlagenen Typ aufweist. Dieser Verbundwerkstoff kann insbesondere in zumindest einem Lagerbereich der mechanischen Vorrichtung genutzt werden. Eine derartige mechanische Vorrichtung kann ebenfalls die bereits vorab beschriebenen Eigenschaften und Vorteile zumindest in analoger Weise aufweisen. Darüber hinaus ist es möglich, die mechanische Vorrichtung zumindest in analoger Weise wie vorab be- schrieben weiterzubilden. Insbesondere ist es denkbar das Teile der mechanischen Vorrichtung (beispielsweise ein Gehäuse oder eine Schneckenwelle) segmentartig aufgebaut sind, wobei die einzelnen Segmente aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sind (bzw. unterschiedliche Werkstoffe aufwei- sen) und/oder einzelne Segmente einzelnen austauschbar ausgeführt sind .
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die mechanische Vorrichtung eine Welle und/oder eine Wellenaufnah- megehäusung aufweist, insbesondere eine Schneckenwelle und/oder eine Schneckenwellenaufnahmegehäusung aufweist und bevorzugt eine Extrusionsvorrichtung aufweist bzw. wenn die mechanische Vorrichtung als eine derartige Vorrichtung ausgebildet ist . Gerade in diesen technischen Einsatzgebieten können sich selbstschmierende Lagerbereiche der mechanischen Vorrichtung, die mithilfe des vorgeschlagenen Verbundwerkstoffs auf vorteilhafte Weise realisiert werden können, als besonders vorteilhaft erweisen. Im Übrigen ist es egal , ob es sich um Einwellenkneter, Zweiwellenkneter oder Mehrwellenkneter handelt.
Im Übrigen kann es auch besonders vorteilhaft sein, wenn die mechanische Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie ausserhalb eines Lagerbereichs (der typischerweise aus dem vorgeschlagenen selbstschmierenden Verbundwerkstoff besteht bzw. einen derartigen Verbundwerkstoff aufweist) einen anderen Werkstoff aufweist, wie insbesondere einen Werkstoff, der nach einem anderen Verfahren als dem vorab beschriebenen Verfahren ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich dabei um „klassische Materialien", insbesondere auch um „klassische Sintermaterialien" handeln. Rein beispielhaft könnte in diesem Bereich ein üblicher Stahl oder eine verschleissfeste Sonderlegierung Anwendung finden. Hierdurch kann der Aufwand für die Gesamtvorrichtung üblicherweise deutlich verringert werden, ohne dass auf die Vorteile einer selbstschmierenden Lagerung verzichtet werden muss. Insbesondere im letztgenannten Fall kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die „sonstigen normalen Bauteile" (wie beispielsweise Mischflügel auf der Welle und/oder Knetbolzen entlang der Wellengehäusung) im Verhältnis zum Lagerungsbereich ein gegebenenfalls deutliches Spiel (bis hin zu mehreren Millimetern) aufweisen. Auf diese Weise kann der Lagerungsbereich über eine gewisse Zeitdauer „verschlissen werden", bevor die sonstigen Bereiche der Vorrichtung ebenfalls durch gegenseitige Kontaktierung in Mitleidenschaft gezogen werden könnten. Als „ relatives Spiel" sind insbesondere Spiele von 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 7 , 5 mm oder 10 mm (sowohl als Ober- als auch als Untergrenze) denkbar . Weitere Einzelheiten der Erfindung und insbesondere beispielhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Vorrichtung und des vorgeschlagenen Verfahrens werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Prinzipansicht einer in einem Autoklaven befindlichen, mit einem Pulvergemisch gefüllten Formbauteilform;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Sehne- ckenwellenextruder mit zwei Lagerungsbereichen;
Fig. 3 ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines selbstschmierenden Verbundwerkstoffs als schemati- sches Flussdiagramm. In Fig. 1 ist dargestellt, wie sich eine mit einem geeigneten Pulvergemisch 3 gefüllte HIP-Form 2 („HIP" für „heiss-isosta- tisches Pressen" ; eine Art Sinterform) zur Durchführung des eigentlichen HIP-Pressvorgangs des Pulvergemischs 3 in einem Autoklaven 1 befindet. Die HIP-Form 2 ist von ihrer Formgebung her so gestaltet, dass das Werkstück (bei dem sich durchaus auch um eine „Zwischenstufe", also eine Art Rohling, handeln kann) , welches aus dem HIP-gepressten Zielwerkstoff (ausgehend vom Pul ergemisch 3) erzeugt wird, die gewünschte Formgebung mit einem gewissen „Übermass" erhält. Dadurch ist es möglich, dass das resultierende Werkstück mit vergleichsweise geringem Aufwand in seine endgültige Form gebracht werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass (im Falle abrasiver Bearbeitungsverfahren) vergleichsweise geringe Materialabträge ausreichen, um das schlussendliche Werkstück herzustel- len (beispielsweise durch Drehen, Schleifen und dergleichen) . Die Formgebung durch die HIP-Form 2 mit einem gewissen Übermass ist dahingehend von Vorteil , dass bei HIP-Verfahren oft- mals gewisse Grössentoleranzen nicht zu vermeiden sind. Mittels des gewissen Übermasses kann in der Regel der Ausschuss an Werkstücken (insbesondere solche, die zu stark geschrumpft sind und dadurch durch materialabtragende Umformverfahren nicht mehr in die gewünschte Form gebracht werden können) deutlich verringert werden, was (wie leicht einsichtig) von Vorteil ist. Neben der Reduktion der Nachbearbeitungsvorgänge kann ein weiterer Vorteil darin bestehen, dass weniger Pulvergemisch 3 erforderlich ist, was ebenfalls zu einer Kosten- reduzierung führen kann.
Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die HIP- Form 2 einen zylindrisch geformten Rücksprung 4 auf, welcher beim fertigen Werkstück ein Sackloch ausbildet.
Die HIP-Form 2 wird über eine verschliessbare Einfüllöffnung 5 mit einem Pulvergemisch 3 befüllt. Nach der Befüllung der HIP-Form 2 mit dem Pulvergemisch 3 wird die HIP-Form 2 evakuiert (Absaugung von Luft) und durch einen Abquetschbereich 6 luftdicht verschlossen. Der Abquetschbereich wird beispielsweise bei einem rohrartigen Werkstück durch Aufeinan- derzubewegen zweier Werkzeugteile realisiert. Vorzugsweise kann es sich hierbei um eine Schweisselektrode und einen Schweissamboss (Schweisssonotrode) handeln. In einem derar- tigen Fall ist es möglich, dass nach dem Abquetsch-Vorgang ein „zusätzlicher Verschluss" durch „ Setzen eines Schweiss- punkts " (hierzu wird beispielsweise ein kurzer, starker Stromimpuls zwischen Schweisselektrode und Schweissamboss angelegt) realisiert wird, so dass eine (im Wesentlichen) dauer- haf e (vakuumdichte) Fluiddichtigkeit realisiert werden kann ( zumindest für Zeitdauern, die für HIP-Verfahren relevant sind) . Die derartig hergestellte HIP-Form wird in der HIP-Anlage auf die gewünschte Dichte gebracht.
In Fig. 2 ist ein sogenannter Ko-Extruder 8 in einem schematischen Querschnitt dargestellt. Wie allgemein bei Ko-Extrudern 8 üblich, weist dieser ein Gehäuse 9 sowie eine innenliegende Schneckenwelle 10 auf. Bei Ko-Extrudern 8 wird die Schneckenwelle 10 nicht nur gedreht, sondern auch linear in Längsrichtung der Schneckenwelle 10 (bzw. des Gehäuses 9) bewegt, was in Fig. 2 durch entsprechende Pfeile angedeutet wird. Der Antrieb erfolgt dabei über eine Antriebswelle 11, die auf einer Seite das Gehäuse 9 durchdringt (in Fig. 2 auf der linken Seite) . Auf der Seite, an der die Antriebswelle 11 vorgesehen ist, weist das Gehäuse 9 darüber hinaus eine Einfüllöffnung 12 auf, über die das zu durchmischende Material zugeführt wird (es existieren auch Bauformen, bei denen mehrere Einfüllöffnungen 12 vorgesehen sind, welche teilweise auch entlang der Länge des Gehäuses 9 ausgebildet sind) . Auf der der Antriebswelle 11 entgegengesetzten Seite des Gehäuses 9, ist die Ausgabeöffnung 13 im Gehäuse 9 vorgesehen. Um die Ausgabe des durchmischten Materials durch die Ausgabeöffnung 13 nicht zu blockieren, ist es bevorzugt , dass die Schneckenwelle 10 vor der Ausgabeöffnung 13 „endet" , mithin kein Teil der Schneckenwelle 10 das Gehäuse 9 an dieser Seite durchdringt oder sich in unmittelbarer Nachbarschaft zur Ausgabe- öffnung 13 befindet . Aufgrund der zum Teil beachtlichen Längen von Ko-Extrudern 8 (typisch sind Längen von 1 m bis 5 m) und der bei bestimmten Materialien auftretenden Kräfte, ist es meist unabdingbar, dass an zumindest einem Punkt innerhalb des Gehäuses 9, welcher von der Antriebswelle 11 beabstandet ist , ein Lagerungsbereich 14 vorgesehen ist , in dem eine Lagerung der Schneckenwelle 10 erfolgt . In der Regel werden jedoch mehrere Lagerungsbereiche 14 vorgesehen). Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Lagerungs- bereiche 14 vorgesehen.
Wie ebenfalls bei Ko-Extrudern 8 üblich, sind entlang der Schneckenwelle 10 mehrere Schneckenelemente 19, 20 mit Mischflügeln 15, 17 sowie entlang der Innenseite des Gehäuses 9 mehrere Knetbolzen 16 vorgesehen, die eine innige Durchmischung der zu vermischenden Materialien bewirken.
Um einerseits eine möglichst grosse Standzeit des Ko-Extru- ders 8 bei gleichzeitig vertretbaren Kosten zu realisieren, wird vorliegend vorgeschlagen, dass ausserhalb von Lagerungs- bereichen 14 die Schneckenelemente 19 mit Mischflügeln 15 (der Schneckenwelle 10) sowie die Knetbolzen 16 (des Gehäuses 9) derartig dimensioniert werden, dass ein Spiel zwischen den Schneckenelementen 19 mit den Mischflügeln 15 („normale Mischflügel") und dem Gehäuse 9 vorhanden ist. Vorliegend wird beispielsweise ein Spiel von 3 mm vorgesehen. In derartigen Bereichen wird darüber hinaus ein konventionelles Material verwendet, wie beispielsweise ein hochfester Stahl (derartige Materialien sind handelsüblich und kostengünstig kommerziell erhältlich) .
Demgegenüber sind in den Lagerungsbereichen 14 die Schnecken- elemente 20 mit den Mischflügeln 17 der Schneckenwelle 10 („vorspringende Mischflügel") derartig dimensioniert , dass es hier zu einem Reibkontakt mit den hierzu korrespondierenden Lagerungsbereichen 14 des Gehäuses 9 kommt .
Es wird vorgeschlagen, dass in den Lagerungsbereichen 14 ein selbstschmierender Verbundwerkstoff eingesetzt wird. Vorliegend wird dies dadurch realisiert, dass die Teilbereiche (beispielsweise einzelne Segmente) des Gehäuses 9, die im Bereich der Lagerungsbereiche 14 liegen, aus einem selbstschmierenden Verbundwerkstoff gefertigt sind. Entsprechendes gilt für die Schneckenwelle 10. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die entsprechenden Bauteile/Bauteilbereiche (Schneckenelement 20 mit Mischflügel 17, Bereiche der Schneckenwelle 10 und/oder Bereiche des Gehäuses 9) (jeweils separat) austauschbar ge- staltet sind.
Durch den Reibkontakt zwischen Mischflügeln 17 und Gehäuse 9 im Bereich der Lagerungsbereiche 14 wird aufgrund der speziellen Eigenschaften des selbstschmierenden Verbundwerkstoff eine Schmierung in den Lagerungsbereichen 14 dauerhaft gewährleistet. Darüber hinaus ist aufgrund der nach wie vor vorhandenen grossen Härte des selbstschmierenden Verbundwerkstoffs eine hohe Standzeit des Ko-Extruders 8 gewährleistet.
Im Betrieb kommt es in den Lagerungsbereichen 14 unvermeidlich zu einem Abtrag der miteinander in Kontakt stehenden Bereiche von Gehäuse 9 und Schneckenelement 20 mit Mischflügel 17. Aufgrund der Beabstandung der „normalen Mischflügel 15" zum Gehäuse 9 bzw. der „Knetbolzen 16" zur Schneckenwelle 10 ist dies jedoch so lange unschädlich (d.h., es kommt ausserhalb der Lagerungsbereiche 14 zu keinen unmittelbaren Kontakten von Gehäuse 9 und Schneckenelement 19 mit Mischflügeln 15 , bis der „Verschleiss -Toleranzbereich" erschöpft ist (also der Verschleiss in den Lagerungsbereichen 14 so weit fortge- schritten ist , dass dieser im Wesentlichen dem ursprünglich vorgesehenen Spiel ausserhalb der Lagerungsbereiche 14 entspricht) . Bevor dieser Fall eintritt, kann nun eine Wartung des Ko- Extrüders 8 erfolgen. Im Rahmen der Wartung können die betreffenden Schneckenelemente 20 von Schneckenwelle 10 und La- gerungsbereiche 14 von Gehäuse 9 ausgetauscht werden. Ein derartiger Austausch von nur Teilen der „Gesamtanordnung" des Ko-Extruders 8 ist vergleichsweise kostengünstig. Anschliessend kann der Ko-Extruder 8 einen neuen „Verschleisszyklus" durchlaufen.
Es wird darauf hingewiesen, dass es bei einem geeignet gewählten Betrieb des Ko-Extruders 8 (zum Beispiel Einhalten der vorgesehenen Wartungsintervalle) ausserhalb der Lagerungsbereiche 14 zu keinem Zeitpunkt zu einem Kontakt zwischen den „normalen" Mischflügeln 15 von Schneckenwelle 10 und dem Gehäuse 9 kommt. Ebenso kommt es zu keinem Zeitpunkt zu einem Kontakt zwischen den Knetbolzen 16 und der Schneckenwelle 10. Dennoch kommt es auch ausserhalb der Lagerungsbereiche 14 zu einem gewissen Verschleiss der Mischflügel 15 sowie der Knet- bolzen 16, der in der Reibung mit dem zu durchmischenden
Material begründet ist. Dieser Verschleiss ist jedoch vergleichsweise klein, sodass ein Austausch der Schneckenelemente 19 mit den „normalen" Mischflügeln 15 sowie der Knetbolzen 16 erst nach dem Durchlaufen einer üblicherweise grös- seren Anzahl von „Verschleisszyklen" erfolgen muss .
In Fig. 3 wird in einem schematischen Flussdiagramm 21 ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines selbstschmierenden Verbundwerkstoffs dargestellt . In einem ersten Schritt 22 werden die Ausgangsmaterialien, insbesondere der Primärwerkstoff und der Sekundärwerkstoff , zerkleinert oder aus der Schmelze verdüst , sodass diese in Pulverform vorliegen. Im nächsten Schritt werden die nunmehr in Pulverform vorliegenden Ausgangswerkstoffe miteinander vermischt 23. Das nunmehr vorliegende Pulvergemisch wird in einem weiteren Schritt 24 in eine HIP-Form eingebracht. Im anschliessenden Schritt 25 wird die HIP-Form evakuiert, das heisst mit einem Unterdruck beaufschlagt .
Gegebenenfalls kann der Schritt des Einbringens von Pulvergemisch in die HIP-Form 24 und der Verfahrensschritt der Eva- kuierung 25 auch wiederholt werden, was durch den rückspringenden Pfeil 26 angedeutet ist.
Anschliessend wird die HIP-Form luftdicht verschlossen 27 und anschliessend, beispielsweise in einem Autoklaven, einem ho- hen Druck und einer hohen Temperatur ausgesetzt. Dies ist der eigentliche HIP-Verfahrensschritt 28.
Nach einem Abkühlschritt 29 wird der gewonnene Verbundwerkstoff der Form entnommen 30. Dies kann beispielsweise durch eine Zerstörung der Form (sogenannte „verlorene Form") erfolgen.
Das gewonnene Werkstück kann gegebenenfalls noch nachbearbeitet werden (vorliegend nicht gesondert dargestellt) .
Nachfolgend werden nunmehr noch einige exemplarische Materialpaarungen näher erläutert , mit denen das vorliegend vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines selbstschmierenden Verbundwerkstoffs erfolgreich durchgeführt wurde . Referenzmaterial
Um eine Vergleichsmöglichkeit zu schaffen, wurde zunächst für eine festgelegte Definition eines Schneckenextruders mit jeweils identischen, massstäblichen Verhältnissen von Druck, Geschwindigkeit, Masse, Schale und Schnecke, eine im Stand der Technik gebräuchliche Materialpaarung gewählt. Hierbei wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Materialpaarungen verwendet. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe sind in Tabelle 2 aufgeführt, während die Zusammensetzungen der betreffenden Werkstoffe in Tabelle 3 zu finden sind.
Insbesondere im Hinblick auf Tabelle 3 ist zu erwähnen, dass ein Wolframcarbid (WC) mit Nickel und Kohlenstoff-Zuschlag aufgeführt ist (Ni+C) . Das Wolframcarbid besteht im Normal- fall aus 93,9 Gewichtsprozent Wolfram und 6,13 Gewichtsprozent Kohlenstoff und liegt stochiometrisch genau abgebunden vor. Durch ein Übersintern ist es möglich, dieses Verhältnis zu ändern und freien Kohlenstoff auszuscheiden. Dem Wolf- ramcarbid fehlt nun aber Kohlenstoff und die Sprodigkeit erhöht sich. Dies kann durch einen erhöhten Binderanteil, wie durch die Zugabe von Kobalt oder Nickel abgefangen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zusätzlichen Kohlenstoff in das System einzubringen und dadurch das stöchiomet- rische Verhältnis nicht zu verändern. Der nunmehr frei als Graphit vorliegende Kohlenstoff wirkt als FeststoffSchmiermittel (Festschmierstoff ) und verringert den Verschleiss . Tabelle 1
Figure imgf000032_0001
Tabelle 2
WärmeStreckDruckStauch- Biege-fes- Härte
ElastizitätsZugfesleitfähiggrenze festiggrenzeo tigkeit (HRC) modul E tigkeit Rm
keit A Rpo keit % (20° C) nach WB
Teilweise
Material DIN (W/mK) (Gpa) (N/mm*) (N/mrn*) (Mpa) (Mpa) (Mpa) umgerechnet
Nitronic 60 15.9 180 655 345 22
X 260 14 220 3'946 3177 63
M390 14 215 ca. 950 62.4
ASP 2060 1.3241 24 250 4'353 3'831 4300 64
X2NiCoMo1895 1.6354 LW 16 193 >1720 >1620 55
X53Cr n oVNbN2-9 1.4882 14.5 205 >1000 550 55
X120 n12 1.3401 13 190 800 350 60
GSJA-XNiSiCr35-5-2 12.6 130 - 150 380 210 58
Steinte 12 Mo 10 1'933 1700 56
HIP 65 - WC 15 198 1'965 1100 58 - 65
WC mit Ni 100 580 5'200 2000 1500 HV
Tabelle 3
Figure imgf000033_0001
Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen schmiermittelhalti- gen Verbundwerkstoffs
In einem ersten Versuchsdurchgang wurden vierzehn Referenz- versuche durchgeführt, wobei sich die Materialpaarungen, die verwendeten Korngrössen sowie die Massen- (bzw. Volumenan- teile) , einschliesslich der j eweils genutzten Mischzeit, aus der beigefügten Tabelle 4 ergeben. Die Dichte der jeweils verwendeten Materialien ergibt sich aus der ebenfalls beigefügten Tabelle 5. Tabelle 4
Figure imgf000034_0001
Tabelle 5
Figure imgf000035_0001
In allen durchgeführten Beispielen wurden die jeweils in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterialien in einem Turbula- Mischer über jeweils eine Stunde hinweg miteinander vermischt. Das derart gewonnene Pulvergemisch wurde in eine Stahlkapsel gefüllt, evakuiert und anschliessend verschlossen. Danach wurde die Kapsel heiss-isostatisch bis auf eine Dichte von 100 % verdichtet, geprüft und mechanisch auf die gewünschte Form bearbeitet. Bei sämtlichen der genutzten Materialpaarungen konnte im Vergleich zum Verschleissverhalten der Referenz-Messungen (siehe oben) der Verschleiss reduziert werden. Der heiss- isostatische Pressvorgang wurde dabei bei einem Druck von grösser 400 bar über j eweils drei Stunden hinweg durchgeführt . Als HIP-Verfahrenstemperatur („Sintertemperatur" ) wurde 0 , 8 x Tsoiidus des verwendeten Materials mit dem niedrigsten Schmelzpunkt verwendet . Gemäss weiterer durchgeführter erster Versuche erscheint es im Übrigen auch als vorteilhaft, wenn neben dem Grundmaterial (Primärwerkstoff) anstelle eines einzelnen beigemischten Materials (Sekundärmaterial) eine Mehrzahl an Beimischungen verwendet wird. Erste Versuche wurden bei den in Tabelle 6 aufgeführten Materialpaarungen durchgeführt.
Tabelle 6
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Dabei erscheint es als sinnvoll , wenn die Mischverhältnisse wie folgt gewählt werden : Grundmaterial = 45 bis 95 Gewichtsprozent und metallische Beimischungen - 5 bis 55 Gewichtsprozent (im Falle metallischer Beimischungen) bzw. Grundmaterial 70 bis 99 Gewichtsprozent und FeststoffSchmiermittel = 1 bis 30 Gewichtsprozent (im Falle von FeststoffSchmiermitteln) . Die Versuche deuten darauf hin, dass insbesondere im Falle von FeststoffSchmiermitteln der Volumenanteil auf maximal 60 % festzulegen ist, da FeststoffSchmiermittel eine geringere Dichte aufweisen. Die geringere Dichte kann nämlich ansonsten zu Brüchen im Bauteil führen und darüber hinaus kann eine einwandfreie Diffusion zwischen den Pulverkörnern gegebenenfalls behindert werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren (21) zur Herstellung eines selbstschmierenden Verbundwerkstoffs, bei dem ein Primärwerkstoff, der als vorzugsweise harter, metallischer Werkstoff in Pulverform vorliegt, mit einem Sekundärwerkstoff, der als im Verhältnis zum Primärwerkstoff weicherer Werkstoff in Pulverform vorliegt, vermischt wird und das Gemisch (3) einem heiss-isostatischen Pressverfahren (28) unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das heiss- isostatische Pressverfahren (28) in einer formgebenden Form (2) durchgeführt wird, wobei die mit dem heiss-isostatisch zu pressenden Werkstoffgemisch (3) befüllte formgebende Form (2) vor dem heiss-isostatischen Pressverfahren (28) evakuiert
(25) wird, und das Werkstoffgemisch im Laufe des heiss- isostatischen Pressverfahrens in der formgebenden Form
(2) druckbeaufschlagt wird, sodass sich ein zumindest im Wesentlichen kompakter Zielwerkstoff ergibt.
Verfahren (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Zielwerkstoff eine Porosität von <2,5%, <2%, <1, 5%, <1%, <0,5%, <0, 25%, <0, 2%, <0, 1%, <0, 05% oder <0 , 025% aufweist und/oder eine Dichte aufweist, die höher als die Dichte des Ausgangswerkstoffs mit der geringeren Dichte, bevorzugt höher als die gewichtete mittlere Dichte der Ausgangswerkstoffe, insbesondere höher als die Dichte des Ausgangswerkstoffs mit der höheren Dichte ist.
Verfahren (21) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als formgebende Form (2) eine sich unter Druckeinwirkung verformende formgebende Form (2) verwendet wird . Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung mittels eines Fluids erfolgt.
Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärwerkstoff mit einem minimalen Anteil von 45 Gewichtsprozent und einem maximalen Anteil von 99 Gewichtsprozent vorliegt.
Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Primärwerkstoff zumindest ein Werkstoff verwendet wird, welcher der Gruppe entnommen ist, die M390, ASP 60, X 260, HIP65-WC, Stellite 12, Wolframcarbid, Eisen, Eisenlegierungen, Stahl, Kobalt, Kobaltlegierungen, Nickel und Nickellegierungen um- fasst .
Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Sekundärwerkstoff ein Material verwendet wird, welches einen Festschmierstoff aufweist oder welches ein FestSchmierstoff ist .
Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass als Sekundärwerkstoff zumindest ein Werkstoff verwendet wird, welcher der Gruppe entnommen ist , die GJSA-XNiSiCr 35-5-2 , X120Mnl2 , X2Ni- CoMol895, X53CrMnMoVNb2-9, X2NiCoMol895 , Nitronic 60, Graphit , Bornitrid, Molybdänsulfid, Graphitsulfid, Wolf - ramsulfid, Talkum und Glimmer umfasst . Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverkorngrösse zumindest eines der Ausgangswerkstoffe ^0,001 mm und/oder ^1 mm ist.
Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das heiss- isostatische Pressverfahren (28) bei einer Temperatur durchgeführt wird, die unterhalb der Schmelztemperatur des niedriger schmelzenden Ausgangswerkstoffs liegt und/oder über eine Zeitdauer zwischen 1 und 12 Stunden hinweg durchgeführt wird .
Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Partikel des Sekundärwerkstoffs, insbesondere zumindest ein Teil der Festschmierstoffpartikel , mit einer diffusionshemmenden Schicht versehen ist, wobei die diffusionshemmende Schicht bevorzugt Nickel, Kobalt, Wolfram und/oder Molybdän aufweist.
Verbundwerkstoff , herstellbar durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche und/oder hergestellt durch ein Verfahren (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche .
Verwendung eines Verbundwerkstoffs nach Anspruch 12 , als selbstschmierender Werkstoff und/oder in einem Lagerbe - reich (14 ) einer mechanischen Vorrichtung (8) .
Mechanische Vorrichtung (8) , dadurch gekennzeichnet , dass sie zumindest bereichsweise einen Verbundwerkstoff nach Anspruch 12 aufweist, insbesondere in zumindest einem Lagerbereich (14) einen Verbundwerkstoff nach Anspruch 12 aufweist .
Mechanische Vorrichtung (8) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorrichtung (8) eine Welle (10, 11) und/oder um eine Wellenaufnahmegehäusung (9) aufweist, insbesondere eine Schneckenwelle (10) und/oder um eine Schneckenwellenaufnahmegehäusung (9) aufweist, bevorzugt eine Extrusionsvorrichtung (8) aufweist bzw. dass die mechanische Vorrichtung (8) als derartige Vorrichtung ausgebildet ist.
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