WO2021259455A1 - Verfahren zur herstellung eines sinterbauteils - Google Patents

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WO2021259455A1
WO2021259455A1 PCT/EP2020/067470 EP2020067470W WO2021259455A1 WO 2021259455 A1 WO2021259455 A1 WO 2021259455A1 EP 2020067470 W EP2020067470 W EP 2020067470W WO 2021259455 A1 WO2021259455 A1 WO 2021259455A1
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insert
sintering
pressing
sintered
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PCT/EP2020/067470
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Franz Josef SCHLEIFSTEIN
Martin Joachim GERTLER
Ulla HAUFF
Original Assignee
Schunk Sintermetalltechnik Gmbh
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/1017—Multiple heating or additional steps
    • B22F3/1021—Removal of binder or filler
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a sintered component with a free volume of predetermined geometry, such as an opening, channel, cavity, comprising the process steps:
  • Sintered products are used in a variety of ways, particularly in the automotive industry, e.g. as bearings or bearing shells, components for engines and gears, sieves, filters, friction and brake linings, gear wheels. But sintered products are also used for tools such as indexable inserts made of hard metals.
  • channels e.g. serving as cooling channels
  • channels run in the sintered products, which can only be formed during the pressing process if they run in the pressing direction. Otherwise, mechanical processing is required, which makes the product more expensive. Regardless of this, there are limits with regard to the course of the free spaces to be produced, i.e. free volumes. If, for example, channels have sections with differing longitudinal directions, discontinuities occur in the transition, which can lead to disruptions when fluids flow through them.
  • the object of the present invention is to develop a method of the type mentioned at the outset in such a way that sintered components are made available in which the free volume or volumes have a desired or basically any geometry can have, without there being any mechanical post-processing of the
  • At least one insert material which defines the free volume and is removed by a thermal process, is located in the pressed sintering powder.
  • the invention provides that the thermal process is carried out before and / or during and / or after the sintering, the thermal process preferably being the sintering itself.
  • the thermal process can be carried out, for example, by means of laser, infrared radiation and / or induction heating.
  • the inlay material can be a solid body or, for example, pourable material such as powder or granules.
  • Curable foam material that is introduced into a free space previously formed in the sintered material which can also be referred to as a recess, can be used to produce a volume in the sintered component that has a desired, predetermined geometry that is simple, such as a sphere or cylinders, or highly complex, such as channels with sections deviating from one another longitudinal axes, can be designed with complex geometry preferably insert elements are used, which are at least partially surrounded by the sintered material and specify the geometry of the free volume.
  • the at least one insert material can be removed by, for example, burning or gasifying the material of which the insert element is made.
  • the invention therefore provides that an insert element or a material, in particular pourable material such as powder material, introduced into the sinter powder in at least one recess that has or delimits the negative shape of the free volume to be formed is used as the insert material.
  • Hydraulic pistons, gearwheels, chain wheels, bushings, rotors, pistons, camshaft bearings are to be mentioned in particular as sintered components.
  • the targeted creation of free space allows components such as oil to flow through them. Cavities can be used to reduce weight and reduce noise.
  • the sintering powder is especially an iron-based one such as Sint-D10 to Sint-D39 according to DIN 30910-4, March 2010.
  • Other sintering powders based on copper or titanium are also possible, just to name other materials by way of example.
  • channels can be formed which have sections with mutually different longitudinal directions that are not or not all of them in
  • part of the sintering powder can first be introduced into the pressing tool and then the insert element or elements can be inserted. Pre-pressing can then take place. The remainder of the sintering powder is then introduced and pressed with the possibly previously pre-pressed unit.
  • the insert element or elements can extend up to at least one pressing tool delimitation, such as a wall, which extends transversely to the pressing direction.
  • the pressing tool used can be one with a dome or slide extending in the pressing direction, from which at least one insert element or a recess for the insert material to be filled extends.
  • At least one material from the group consisting of plastic, wax or a combination of these is used as the material for the inlay material. It is provided in particular that when the sintering powder contains a wax, the insert material consists of or contains the same wax material.
  • Amide waxes should be mentioned as waxes to be emphasized.
  • sintered bodies with desired cavities which also include through bores or openings, can be made available without the complex mechanical processing required according to the prior art for forming them.
  • Cavities running completely within the sintered component can be formed, a possibility which is excluded by machining the sintered component.
  • the inlay material forms a mustard shape that evaporates during sintering.
  • the insert element is volatilized during the sintering process due to the high temperatures, which are in the range of 1,100 ° C when using iron-based materials, so that the space formed by the insert material such as the insert element or elements when filling the pressing tool is available in the sintering powder after sintering, which is required, for example, when using the sintered component to perform functions such as the flow of fluids and the supply of lubricating oil etc., to enable.
  • the cavity can also have geometries that cannot be achieved in principle with mechanical processing. Cavities can be created with a geometry that cannot be produced with exclusively axial pressing.
  • the materials used for the sintering powder are those based on aluminum, titanium, copper or tungsten, in particular iron-based.
  • the sintering temperature should in particular be equal to or greater than 70% of the melting temperature of the powder.
  • the sintering powder is preferably only pressed axially to produce the sintered component.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a pressed body made of sintered powder with an insert element
  • FIG. 9 is a sectional view of FIG. 8,
  • FIG. 11 shows a further longitudinal section of a body made of pressed sintering powder
  • FIG. 12 shows a cross section through the body according to FIG. 11 and FIG. 13 shows basic representations of the positioning of insert elements.
  • the pressed bodies are shown with one or more insert elements, which are then lost during a thermal process and thus the desired cavities are available.
  • Insert elements are not restricted to the teaching according to the invention. Rather, instead of insert elements that are formed by inherently rigid bodies, cavities can also be formed by forming depressions, recesses or other geometric indentations in the sintering powder, into which insert material is introduced or filled, which is removed during a thermal process to be carried out , so is lost
  • the corresponding inlay material is, in particular, a pourable material, such as powder or granulate.
  • foam material can also be used if it does not undergo such a change in geometry during the pressing process that the desired free space cannot be formed in the sintered body.
  • sintering powder on an iron base material is also used, which can be materials Sint-D10 to Sint-D39 according to DIN 30910-4 (March 2010). However, this does not restrict the invention. Rather, other suitable sintering powders, e.g. based on copper or titanium, can also be used.
  • pre-pressing can be carried out at a pressure of up to 500 MPa.
  • a pressure of between 200 and 1,000 MPa can be used to press the green body, i.e. before the sintering process is carried out.
  • the inlay material should be used at temperatures below 1,000 ° C. be removable.
  • a pressing tool is shown in principle, by means of which, for example, iron material-based sintering powder, which may contain admixtures of carbon, molybdenum, nickel, copper and especially wax, is pressed into a molded body, which is then sintered at temperatures of e.g. 1,120 ° C.
  • a pressure of the order of magnitude of 800 MPa can act without the invention being restricted by the numerical values given.
  • the pressing tool consists of a one-part or multi-part die 12 which defines the circumferential shape of the sintered body to be produced.
  • two punches 16, 18 act in the axial direction on the sintering powder filled into the interior of the die 12, as is symbolized by the arrows 20, 22.
  • an insert element 24 is introduced into the powder 14 before the pressing process, which, according to FIG. 1, can be a rod, for example , which contacts the inner walls 24 of the die 12 so that there is a through-opening in the sintered component.
  • the insert element 24, which is to be referred to as a loose form, can consist of a suitable plastic material, but in particular of a wax, specifically preferably of the wax that is mixed with the sintering powder.
  • Amide waxes should be mentioned as the wax material to be emphasized.
  • the insert element 24 must be press-resistant, that is to say it must retain its shape during pressing.
  • the insert element is volatilized e.g. by burning or gasifying.
  • an example of an insert element 26 is shown in principle, which is designed as a ring element and rests against the inner wall of the die during pressing.
  • the insert element - as shown in the drawing - has edges, a possibility which, according to the state of the art, could only be realized with a considerable amount of time-consuming mechanical machining of an annular groove.
  • FIGS. 4 and 5 are intended to make it clear that channels can be formed in a sintered body to be produced which have mutually offset sections and can run in any direction to the pressing direction 20, 22.
  • an insert element 30 is introduced into a sintered metal powder 14, which has two outer sections 32, 34 and an inner section 36 connecting these, which continuously merge into one another.
  • the sections 32, 34 run perpendicular to the pressing direction 20, 22.
  • the connecting section 36 can run inclined to the pressing direction.
  • the insert element 38 according to FIG. 5 likewise has two outer sections 40, 42 and an inner section 44 connecting them.
  • the outer sections 40, 42 run parallel to the pressing direction 20, 22, but offset from the central axis, whereas the connecting section 44 is inclined to the pressing direction 20, 22 and continuously merges into the outer sections 40, 42.
  • the insert elements 24, 26, 28, 30, 38 can of course also be used to produce sintered bodies Pressing domes and / or slides can be used.
  • FIGS. 6 and 7 show examples of insert elements 46 and 48 which have a T-geometry in section, with FIG. 6, viewed in the pressing direction
  • Cross section of the outer section 50 is larger than the inner section 52.
  • the inner section 54 has a larger cross section than the outer section 56.
  • the outer section 50 of the insert element 46 can be designed circumferentially, that is to say ring-shaped, in order to form an annular channel or groove from which protrude sections which run at a distance from one another and have the smaller cross section 52 and form bores.
  • the inner section 54 can be designed in the form of a ring as a groove from which individual outer sections 56, 58 extend, which perform the function of bores.
  • an insert element 58 is pressed with the sintering powder 14, which starts from the inner wall 25 of the die 12 and is angularly formed lying on the wall.
  • FIG. 10 sectional representations of two bodies made of pressed sintering powder 14 are shown, one half each, wherein the insert element 46 shown on the right can correspond to that of FIG. 6. On the left, an insert element 60 is shown, which consists of two sections of differing cross-sections.
  • FIGS. 11 and 12 show an exemplary embodiment in which a pressing tool is used which has domes which form free spaces 62, 64. Insert elements 66, 68 extending obliquely to the pressing direction 20, 22 are then positioned in the sintering powder 14, via which a connection to the cavity 62, 64 is established, which is formed by the dome.
  • the pressing process itself is carried out in particular in such a way that part of the powder is first poured into the mold and then the insert element is introduced. This is followed by pre-pressing, for example with a pressure of 130 MPa. Then the rest of the material is filled in and the pressing process is carried out at a pressure of, for example, 800 MPa.
  • the sintering process is carried out, in particular at a temperature in the region of 1,120 ° C. if the sintering powder is an iron-based material which, as mentioned, can contain additives such as carbon, molybdenum or nickel copper and wax.
  • the insert element or elements present in the pressed powder body are preferably removed or volatilized during the sintering process, e.g. by melting, burning and / or gasifying.
  • the required temperature for the thermal process can be generated using e.g. laser, infrared radiation or induction.
  • the bodies are produced exclusively by axial pressing.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit freiem Volumen, umfassend die Verfahrensschritte: - Füllen zumindest eines Sinterpulvers in eine Form, - Pressen des Sinterpulvers und anschließendes Sintern, wobei sich in dem gepressten Sinterpulver zumindest ein das freie Volumen vorgebendes Einlegematerial befindet, das durch einen thermischen Prozess entfernt wird.

Description

Beschreibung Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteüs mit freiem Volumen vorgegebener Geometrie, wie Öffnung, Kanal, Hohlraum, umfassend die V erfahr ensschritte :
- Füllen zumindest eines Sinterpulvers in eine Form,
- Pressen des Sinterpulvers und anschließendes Sintern.
Vielfältige Einsätze finden Sinterprodukte insbesondere in der Automobilindustrie, z.B. als Lager oder Lagerschalen, Bauteile für Motoren und Getriebe, Siebe, Filter, Reib- und Bremsbelege, Zahnräder. Aber auch bei Werkzeugen, wie z.B. W endeschneidplatten aus Hartmetallen, gelangen Sinterprodukte zum Einsatz.
Häufig ist es erforderlich, dass in den Sinterprodukten z.B. als Kühlkanäle dienende Kanäle verlaufen, die nur dann beim Pressvorgang mit ausgebildet werden können, wenn diese in Pressrichtung verlaufen. Andernfalls ist eine mechanische Bearbeitung erforderlich, die zur Verteuerung des Produktes fuhrt. Unabhängig hiervon sind Grenzen in Bezug auf den Verlauf der herzustellenden Freiräume, also freien Volumina, gegeben. Weisen z.B. Kanäle Abschnitte mit voneinander abweichenden Längsrichtungen auf, so treten im Übergang Unstetigkeiten auf, die beim Durchströmen von Fluiden zu Störungen fuhren können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass Sinterbauteile zur Verfügung gestellt werden, bei denen das freie Volumen bzw. Volumina eine gewünschte bzw. dem Grunde nach beliebige Geometrie aufweisen können, ohne dass es grundsätzlich einer mechanischen N achbearbeitung des
Sinterbauteils bedarf.
Zur Lösung der Aufgabe wird im Wesentlichen vorgeschlagen, dass sich in dem gepressten Sinterpulver zumindest ein das freie Volumen vorgebendes Einlegematerial befindet, das durch einen thermischen Prozess entfernt wird.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass der thermische Prozess vor und/oder während und/oder nach dem Sintern durchgeführt wird, wobei bevorzugterweise der thermische Prozess das Sintern selbst ist.
Der thermische Prozess kann beispielsweise mittels Laser, Infrarotstrahlung und/oder Induktionserwärmung durchgeführt werden. Bei dem Einlegematerial kann es sich um einen festen Körper oder um z.B. schüttfähiges Material, wie Pulver oder Granulat, handeln. Auch aushärtbares Schaummaterial, das in einen vorher in dem Sintermaterial ausgebildeten Freiraum, der auch als Aussparung zu bezeichnen ist, eingebracht wird, kann Verwendung finden, um ein Volumen in dem Sinterbauteil herzustellen, das eine gewünschte vorgegebene Geometrie aufweist, die einfach, wie z.B. Kugel oder Zylinder, oder hochkomplex, wie Kanäle mit Abschnitten voneinander abweichenden Längsachsen, gestaltet sein kann, wobei bei komplexer Geometrie bevorzugterweise Einlegeelemente zum Einsatz gelangen, die von dem Sintermaterial zumindest teilweise umgeben werden und die Geometrie des freien Volumens vorgeben.
Das Entfernen des zumindest einen Einlegematerials kann durch z.B. Verbrennen oder Vergasen des Materials erfolgen, aus dem das Einlegeelement besteht.
Daher sieht die Erfindung vor, dass als das Einlegematerial ein Einlegeelement oder ein in zumindest eine die Negativform des zu bildenden freien Volumens aufweisende oder begrenzende Aussparung in dem Sinterpulver eingebrachtes Material, insbesondere schüttfähiges Material, wie Pulvermaterial, verwendet wird. Als Sinterbauteile sind insbesondere zu nennen Hydraulikkolben, Zahnräder, Kettenräder, Buchsen, Rotoren, Kolben, Nockenwellenlager.
Durch die gezielte Ausbildung von Freiraum können Bauteile von z.B. Öl durchströmt werden. Hohlräume können zur Gewichtsreduzierung und zur Geräuschminderung genutzt werden.
Bei dem Sinterpulver handelt es sich besonders ein solches auf Eisenbasis wie Sint-D10 bis Sint-D39 gemäß DIN 30910-4, März 2010. Andere Sinterpulver auf Kupfer- oder Titanbasis sind gleichfalls möglich, um nur beispielhaft andere Materialien zu nennen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, in dem Freiräume ausgebildet werden, die einen gewünschten geometrischen Verlauf zeigen, der unabhängig von der Pressrichtung ist. So können z.B. Kanäle ausgebildet werden, die Abschnitte mit voneinander abweichenden Längsrichtungen aufweisen, die nicht oder nicht sämtlichst in
Pressrichtung verlaufen müssen. Gleichzeitig kann der Übergang zwischen den Abschnitten stetig ausgebildet werden, eine Möglichkeit, die durch ein mechanisches Bearbeiten dem Grunde nach nicht gegeben ist oder nur mit einem aufwendigen Herstellungsprozess erfolgen kann, der zu einer hohen Kostenbelastung führt.
Um das freie Volumen, wie Öffnung, Kanal, oder allseitig umschlossener Hohlraum, auszubilden, gibt es verschiedene Möglichkeiten. So können zunächst in das Presswerkzeug ein Teil des Sinterpulvers eingebracht und sodann das oder die Einlegeelemente eingelegt werden. Anschließend kann ein Vorpressen erfolgen. Sodann wird der Rest des Sinterpulvers eingebracht und mit der gegebenenfalls zuvor vorgepressten Einheit verpresst.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass zunächst das Einlegeelement in die Form bzw. Matrize und sodann das Sinterpulver eingefüllt wird, um schließlich den Pressvorgang durchzuführen.
Es besteht die Möglichkeit, freie Volumina zu schaffen, die in Pressrichtung betrachtet voneinander abweichende Querschnitte aufweisen. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass ein Werkzeug mit zwei Pressstempeln verwendet wird, die von gegenüberliegenden Seiten in Richtung des oder der den bzw. die Freiräume vorgegebenen Einlegeelemente verstellt werden.
Es besteht die Möglichkeit, mittels des oder der Einlegeelemente ein oder mehrere gegebenenfalls unverbundene Hohlräume auszubilden und/oder einen Hohlraum mit Abschnitten, deren Hauptachsenrichtung einen Winkel ungleich 180° einschließen.
Das oder die Einlegeelemente können sich bis zumindest einer Presswerkzeugbegrenzung, wie Wandung, erstrecken, die quer zur Pressrichtung verläuft.
Als Presswerkzeug kann ein solches mit in Pressrichtung verlaufendem Dom oder Schieber verwendet werden, von dem zumindest ein Einlegeelement bzw. eine Aussparung für das einzufüllende Einlegematerial ausgeht.
Als Material für das Einlegematerial wird zumindest ein Material aus der Gruppe Kunststoff, Wachs oder eine Kombination dieser verwendet. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass dann, wenn das Sinterpulver ein Wachs enthält, das Einlegematerial aus dem gleichen Wachsmaterial besteht oder dieses enthält.
Als hervorzuhebende Wachse sind Amidwachse zu nennen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre können Sinterkörper mit gewünschten Hohlräumen, die auch Durchgangsbohrungen oder -Öffnungen einschließen, zur Verfügung gestellt werden, ohne dass die nach dem Stand der Technik erforderliche aufwendige mechanische Bearbeitung zum Ausbilden dieser erforderlich ist.
Vollständig innerhalb des Sinterbauteils verlaufende Hohlräume können ausgebildet werden, eine Möglichkeit, die durch mechanische Bearbeitung des Sinterbauteils ausgeschlossen ist.
Das Einlegematerial bildet eine Lost-Form, die beim Sintern verflüchtigt.
Das Einlegeelement wird beim Sinterprozess durch die hohen Temperaturen, die im Bereich von 1.100 °C beim Einsatz von Eisenbasiswerkstoffen liegen, verflüchtigt, so dass der beim Füllen des Presswerkzeuges durch das Einlegematerial wie das oder die Einlegeelemente gebildete von diesem bzw. diesen besetzte Raum im Sinterpulver nach dem Sintern zur Verfügung steht, der z.B. beim Einsatz des Sinterbauteils benötigt wird, um Funktionen, wie Durchströmen von Fluiden, Zuführen von Schmieröl etc., zu ermöglichen. Dabei kann der Hohlraum auch Geometrien aufweisen, die bei einer mechanischen Bearbeitung grundsätzlich nicht erzielbar ist. Es können Hohlräume mit einem Geometrieverlauf erzeugt werden, der beim ausschließlich axialen Pressen nicht herstellbar ist. Ganz allgemein ist anzumerken, dass als Werkstoffe für das Sinterpulver solche auf Aluminiumbasis, Titanbasis, Kupferbasis oder Wolffambasis, insbesondere Eisenbasis verwendet werden können.
Die Sintertemperatur sollte insbesondere gleich oder größer als 70 % der S chmelztemperatur des Pulvers betragen.
Bevorzugterweise wird zur Herstellung des Sinterbauteils das Sinterpulver ausschließlich axial gepresst. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Presswerkzeugs,
Fig. 2 bis 7 Prinzipdarstellungen von Körpern aus gepresstem Sinterpulver mit in diesem vorhanden Einlegeelementen,
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines gepressten Körpers aus Sinterpulver mit Einlegeelement, Fig. 9 eine Schnittdarstellung der Fig. 8,
Fig. 10 Schnitdarstellungen von Körpern aus gepresstem Sinterpulver mit Einlegeelementen,
Fig. 11 einen weiteren Längsschnit eines Körpers aus gepresstem Sinterpulver,
Fig. 12 einen Querschnitt durch den Körper gemäß Fig. 11 und Fig. 13 Prinzipdarstellungen von Positionierungen von Einlegeelementen.
Anhand der Zeichnung wird rein prinzipiell die erfindungsgemäße Lehre erläutert, aufgrund der Sinterbauteile mit freiem Volumen einfacher oder komplexer Geometrien, wie Zylinder, Kugel, Durchgangskanäle herstellbar sind, ohne dass zur Ausbildung der freien Volumina, also der Freiräume, eine mechanische Bearbeitung erforderlich ist. Dies schließt jedoch gegebenenfalls eine N achbearbeitung nicht aus.
In den Figuren sind die gepressten Körper mit einem oder mehreren Einlegeelementen dargestellt, die sich anschließend bei einem thermischen Prozess verlieren und so die gewünschten Hohlräume zur Verfügung stehen. Durch die Verwendung der
Einlegeelemente wird jedoch die erfindungsgemäße Lehre nicht eingeschränkt. Vielmehr können anstelle von Einlegeelementen, die durch eigensteife Körper gebildet werden auch Hohlräume dadurch ausgebildet werden, dass in dem Sinterpulver Vertiefungen, Aussparungen oder sonstige geometrische Einformungen ausgebildet werden, in die Einlegematerial eingebracht bzw. -gefüllt wird, das bei einem durchzuführenden thermischen Prozess entfernt wird, also verloren geht
Bei dem entsprechenden Einlegematerial handelt es sich insbesondere um schüttfahiges Material, wie Pulver oder Granulat. Aber auch Schaummaterial kommt in Frage, sofern dieses beim Pressablauf nicht eine derartigen Geometrieveränderung erfahrt, dass der gewünschte Freiraum in dem Sinterkörper nicht ausgebildet werden kann.
Wird das Entfernen des Einlegeelements, das insoweit als Synonym für Einlegematerial zu verstehen ist, entsprechend nachstehender Erläuterung im thermischen Prozess des Sintems entfernt, so erfolgt hierdurch gleichfalls eine Beschränkung nicht. Vielmehr kann ein thermischer Prozess auch vor oder nach dem Sintern oder sowohl vor dem und während des Sintems oder auch während des Sintems oder nach dem Sintern oder vor, während und nach dem Sintern durchgefuhrt werden. Insoweit sind materialabhängige thermische Prozesse durchzufuhren, um das Einlegematerial zu Entfernen und somit die gewünschten Hohlräume in dem Sinterkörper auszubilden. Hohlraum bedeutet dabei auch, dass sich ein freies Volumen bis zum Randbereich des Sinterkörpers erstreckt, also von außen her zugänglich ist, um z.B. in einem entsprechenden Hohlraum ein Fluid einzufüllen bzw. durch entsprechende freie Volumina ein Fluid strömen zu lassen.
Auch wird nachstehend im Wesentlichen von Sinterpulver auf Eisen-Basismaterial gesprochen, bei dem es sich um Materialien Sint-D10 bis Sint-D39 gemäß DIN 30910-4 (März 2010) handeln kann. Hierdurch erfolgt jedoch eine Beschränkung der Erfindung nicht. Vielmehr können andere geeignete Sinterpulver z.B. auf Kupfer- oder Titanbasis gleichfalls Verwendung finden.
Ganz allgemein ist anzumerken, dass ein Vorpressen bei einem Druck bis zu 500 MPa durchgefuhrt werden kann. Zum Pressen des Grünkörpers, also bevor der Sintervorgang durchgeführt wird, kann ein Druck zwischen 200 bis 1.000 MPa zum Einsatz gelangen.
Besteht das Sinterpulver auf Eisenbasis, so sollte das Einlegematerial bei Temperaturen unter 1.000 °C. entfembar sein.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell ein Presswerkzeug dargestellt, mittels dessen z.B. eisenwerkstoffbasiertes Sinterpulver, das Beimengungen von Kohlenstoff Molybdän, Nickel, Kupfer und insbesondere Wachs enthalten kann, zu einem Formkörper gepresst wird, der anschließend bei Temperaturen von z.B. 1.120 °C gesintert wird. Beim Pressen des Pulvers kann ein Druck in der Größenordnung von 800 MPa einwirken, ohne dass durch die angegebenen Zahlenwerte eine Beschränkung der Erfindung erfolgt.
Das Presswerkzeug besteht aus einer ein- oder mehrteiligen Matrize 12, die die Umfangsform des herzustellenden Sinterkörpers vorgibt. Im Ausfuhrungsbeispiel wirken auf das in den Innenraum der Matrize 12 gefüllte Sinterpulver zwei Stempel 16, 18 in axialer Richtung, wie dies durch die Pfeile 20, 22 symbolisiert wird. Um in dem herzustellenden Sinterbauteil ein freies Volumen herzustellen, das nach dem Sintervorgang ausgebildet ist, ohne dass es hierzu einer mechanischen Bearbeitung bedarf, wird in das Pulver 14 vor dem Pressvorgang ein Einlegeelement 24 eingebracht, das entsprechend der Fig. 1 z.B. ein Stab sein kann, der die Innenwandungen 24 der Matrize 12 kontaktiert, so dass im Sinterbauteil eine Durehgangsöffhung vorliegt.
Das als Lost Form zu bezeichnende Einlegeelement 24 kann aus einem geeigneten Kunststoffinaterial, insbesondere jedoch aus einem Wachs, und zwar bevorzguterweise aus dem Wachs bestehen, dass dem Sinterpulver beigemischt ist.
Bei Verwendung von Wachs ergibt sich der Vorteil, dass V orschädigungen nicht auftreten.
Als hervorzuhebendes Wachsmaterial sind Amidwachse zu nennen.
Unabhängig hiervon muss das Einlegeelement 24 pressfest sein, also seine Form beim Pressen beibehalten.
Beim Sintern wird das Einlegeelement durch z.B. Verbrennen oder Vergasen verflüchtigt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre besteht die Möglichkeit, nicht nur vom Randbereich des Sinterkörpers ausgehende Öffnungen auszubilden, die sich in ihrer Längsrichtung nicht in Pressrichtung (Pfeile 20, 22) erstrecken, sondern quer wie senkrecht zu dieser. Sollen z.B. nach dem Stand der Technik senkrecht zur axialen Pressrichtung Queröffnungen ausgebildet werden, muss zusätzlich ein radiales Pressen durchgefuhrt werden. Alternativ kann eine mechanische Bearbeitung erfolgen. All diese Maßnahmen sind aufwendig und führen zu einer Verteuerung der Sinterbauteile. Die erfindungsgemäße Lehre vermeidet die Nachteile. Durch die erfindungsgemäße Lehre ist auch die Möglichkeit gegeben, innerhalb eines Sinterkörpers freie Volumina auszubilden, die nach dem Stand der Technik nicht zur Verfügung gestellt werden können. In Fig. 2 ist ein Beispiel eines Einlegeelementes 26 prinzipiell dargestellt, das als Ringelement ausgebildet ist und beim Pressen an der Innenwandung der Matrize anliegt. Dabei besteht die Möglichkeit, dass das Einlegeelement - wie zeichnerisch dargestellt - Kanten aufweist, eine Möglichkeit, die nach dem Stand der Technik nur mit erheblicher aufwendiger mechanischer Bearbeitung einer Ringnut realisierbar wäre.
Aus der Fig. 3 wird erkennbar, dass innerhalb des gepressten Körpers aus Sintermetallpulver, insbesondere auf Eisenbasis, im Innenraum ein Hohlraum mittels eines Einlegeelementes 28 ausgebildet wird, das somit vollumfanglich von dem Sinterpulvermaterial 14 umgeben ist.
Die Fig. 4 und 5 sollen verdeutlichen, dass in einem herzustellenden Sinterkörper Kanäle ausgebildet werden können, die zueinander versetzte Abschnitte aufweisen und in beliebiger Richtung zur Pressrichtung 20, 22 verlaufen können.
So ist in Fig. 4 ein Einlegeelement 30 in ein Sintermetallpulver 14 eingebracht, das zwei äußere Abschnitte 32, 34 und einen diesen verbindenden inneren Abschnitt 36 aufweist, die stetig ineinander übergehen. Dabei verlaufen die Abschnitte 32, 34 senkrecht zur Pressrichtung 20, 22. Der V erbindungsabschnitt 36 kann geneigt zur Pressrichtung verlaufen.
Das Einlegeelement 38 gemäß Fig. 5 weist gleichfalls zwei äußere Abschnitte 40, 42 und einen diese verbindenden Innenabschnitt 44 auf. Die äußeren Abschnitte 40, 42 verlaufen parallel zur Pressrichtung 20, 22, jedoch versetzt zur Mittelachse, wohingegen der V erbindungsabschnitt 44 geneigt zur Pressrichtung 20, 22 ausgerichtet ist und stetig in die äußeren Abschnitte 40, 42 übergeht.
Werden bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 5 ein sich in Pressrichtung 20, 22 erstreckender Dom oder Schieber nicht eingesetzt, so können die Einlegeelemente 24, 26, 28, 30, 38 selbstverständlich auch zur Herstellung von Sinterkörpem benutzt werden, zu deren Herstellung beim Pressen Dome und/oder Schieber verwendet werden.
Den Fig. 6 und 7 sind Beispiele von Einlegeelementen 46 und 48 zu entnehmen, die im Schnitt eine T-Geometrie aufweisen, wobei in Pressrichtung betrachtet bei der Fig. 6 der Querschnitt des Außenabschnitts 50 größer als der Innenabschnitt 52 ist. Umgekehrte Verhältnisse ergeben sich aus dem Ausführangsbeispiel des Einlegeelementes, d.h. der innere Abschnitt 54 weist einen größeren Querschnitt als der äußere Abschnitt 56 auf. Dabei kann der äußere Abschnitt 50 des Einlegeelementes 46 umlaufend, also ringförmig ausgebildet sein, um einen Ringkanal oder Nut zu bilden, von dem bzw. der beabstandet zueinander verlaufende Abschnitte ausgehen, die den kleineren Querschnitt 52 aufweisen und Bohrungen bilden.
Umgekehrt kann bei dem Einlegeelement 48 der innere Abschnitt 54 ringförmig als Nut ausgebildet sein, von dem einzelne äußere Abschnitte 56, 58 ausgehen, die die Funktion von Bohrungen ausüben.
In den Fig. 8 und 9 wird ein Einlegeelement 58 mit dem Sinterpulver 14 verpresst, das von der Innenwandung 25 der Matrize 12 ausgeht und wandfemliegend kantig ausgebildet ist.
In Fig. 10 sind S chnittdarstellungen von zwei Körpern aus gepresstem Sinterpulver 14 dargestellt, jeweils eine Hälfte, wobei das rechts dargestellte Einlegeelement 46 dem der Fig. 6 entsprechen kann. Links ist ein Einlegeelement 60 dargestellt, das aus zwei Abschnitten voneinanderabweichenden Querschnitten besteht.
Selbstverständlich können die entsprechenden Einlegeelemente auch mehrteilig ausgebildet und zusammengesetzt werden. Auch können Einlegeelemente in dem Pulver beabstandet zueinander positioniert sein. Insoweit sind Grenzen nicht gesetzt. Die Fig. 11 und 12 stellen ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem ein Presswerkzeug zum Einsatz gelangt, das Dome aufweist, die Freiraum 62, 64 bilden. In dem Sinterpulver 14 sind sodann schräg zur Pressrichtung 20, 22 sich erstreckende Einlegeelemente 66, 68 positioniert, über die eine Verbindung zu dem Hohlraum 62, 64 hergestellt wird, der durch die Dome gebildet wird.
Der Pressvorgang selbst wird insbesondere derart durchgeführt, dass zunächst ein Teil des Pulvers in die Form eingefüllt und sodann das Einlegeelement eingebracht wird. Sodann erfolgt ein Vorpressen z.B. mit einem Druck von 130 MPa. Anschließend wird der Rest des Werkstoffs eingefüllt und der Pressvorgang bei einem Druck von z.B. 800 MPa durchgeführt.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, das Einlegeelement zunächst in die Form einzubringen, die anschließend befällt wird, um sodann den Pressvorgang durchzuführen.
Nach Entformen des Körpers wird der Sinterprozess durchgeführt, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 1.120 °C, wenn das Sinterpulver ein Eisenbasiswerkstoff ist, der erwähntermaßen Zusätze wie Kohlenstoff, Molybdän oder Nickelkupfer und Wachs enthalten kann.
Vorzugsweise während des Sinterprozesses wird das bzw. werden die in dem gepressten Pulverkörper vorhandenen Einlegeelemente durch z.B. Schmelzen, Verbrennen und/oder Vergasen entfernt bzw. verflüchtigt.
Die erforderliche Temperatur für den thermischen Prozess kann mittels z.B. Laser, Infrarotstrahlung oder Induktion erzeugt werden.
Anhand der Fig. 13 sollen verschiedene Varianten rein prinzipiell dargestellt werden, die das Positionieren der Einlegeelemente beispielhaft veranschaulicht. Dabei sollen durch die in Klammem gesetzten Beispiele verdeutlicht werden, dass die auf Grund der Einlegeelemente hergestellten freien Volumina in den Sinterkörpem auch auf klassische Weise, also durch mechanische Bearbeitung oder durch den Einsatz von Domen oder Schiebern des Presswerkzeugs oder durch radiales Pressen hergestellt werden können.
Die Körper werden grundsätzlich ausschließlich durch axiales Pressen hergestellt.
Insbesondere ist erkennbar, dass dann, wenn beabstandet zur Ober- und Unterseite des Körpers, auf den die Pressstempel einwirken, Hohlräume in dem Sinterkörper verlaufen, die klassischen Verfahren nicht einsetzbar sind, sofern ausschließlich axial gepresst wird. Im Inneren des Sinterkörpers verlaufende Hohlräume sind auch durch Pressen und mechanisches Arbeiten nicht ausbildbar.

Claims

Ansprüche Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils
1. Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit freiem Volumen, wie Öffnung, Kanal, Hohlraum, umfassend die V erfahrensschritte : - Füllen zumindest eines Sinterpulvers in eine Form (12),
- Pressen des Sinterpulvers und anschließendes Sintern, dadurch gekennzeichnet , dass sich in dem gepressten Sinterpulver zumindest ein das freie Volumen vorgebendes Einlegematerial befindet, das durch einen thermischen Prozess entfernt wird.
2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet , dass der thermische Prozess vor und/oder während und/oder nach dem Sintern durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Einlegematerial während des thermischen Prozesses verbrannt und/oder geschmolzen und/der vergast wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der thermische Prozess durch das Sintern durchgeführt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als das Einlegematerial ein Einlegeelement (24, 26, 28, 30, 38, 46, 48, 58, 60) oder ein in zumindest eine Negativform des freien Volumens aufweisende oder begrenzende Aussparung in dem Sinterpulver eingebrachtes Material, insbesondere schüttfahiges Material, wie Pulvermaterial, verwendet wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Einlegematerial vor dem Pressen vollständig von dem Pulver umgeben wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet , dass das Einlegematerial sich bis zumindest einer Presswerkzeugbegrenzung, wie Wandung, erstreckt, die quer zur Pressrichtung (20, 22) verläuft.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Presswerkzeug ein solches mit in Pressrichtung (20, 22) verlaufendem Dom verwendet wird, von dem zumindest ein Einlegematerial ausgeht.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zunächst das Einlegematerial bzw. das Einlegeelement (24, 26, 28, 30, 38, 46,
48, 58, 60) in die Form und sodann das oder ein Teil des Pulvers in die Form eingebracht werden.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein Teil des Pulvers und das Einlegematerial in die Form eingebracht und vorgepresst und sodann auf so gebildeter Einheit verbleibender Rest des Pulvers in die Form eingebracht und mit der Einheit gepresst werden.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Material für das Einlegematerial zumindest ein Material aus der Gruppe Kunststoff, Wachs oder Kombination dieser verwendet wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Material für das Sinterpulver ein Wachs enthaltender Werkstoff auf der Basis Eisen, Kupfer, Titan, Aluminium und/oder Wolfram verwendet wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Pulver mit dem Einlegematerial einem Druck P mit 250 MPa < P < 1.000 MPa ausgesetzt wird.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das gepresste Sinterpulver auf Eisenbasis mit dem Einlegematerial beim Sintern einer Temperatur T mit 750 C° < T < 1.300 C°, vorzugsweise über eine Sinterzeit t mit 15 min < t < 45 min ausgesetzt wird.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass für das Material des Einlegematerials ein Wachs verwendet wird, das dem entspricht, das dem Sinterpulver beigemischt wird, oder dieses enthält.
16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mittels des oder der Einlegeelemente (24, 26, 28, 30, 38, 46, 48, 58, 60) oder des in einem oder mehrere Aussparungen des Sinterpulvers eingebrachtes vorzugsweise schüttfahige Einlegematerial ein Hohlraum, insbesondere eine Durchgangsöfftiung, wie Kanal, mit stetig ineinander übergehender und versetzt zueinander verlaufender Abschnitte gebildet wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mittels eines oder mehrerer Einlegeelemente (24, 26, 28, 30, 38, 46, 48, 58, 60) oder einer oder mehrerer mit dem schüttfahigen Material gefüllter Aussparungen in dem Sinterkörper ein Hohlraum mit in Pressrichtung (20, 22) betrachtet voneinander abweichenden Querschnitten gebildet wird.
18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mittels des oder der Einlegeelemente (24, 26, 28, 30, 38, 46, 48, 58, 60) oder der mit dem schüttfahigen Material gebildeten Aussparungen ein oder mehrere gegebenenfalls unverbundene Hohlräume gebildet werden und/oder dass ein Hohlraum ein mehrere Abschnitte mit zumindest einem Winkel a mit a < 180° einschließenden Längserstreckungen gebildet wird.
19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein Einlegeelement (24, 26, 28, 30, 38, 46, 48, 58, 60) verwendet wird, mittels dessen ein Hohlraum mit Abschnitten mit stetig ineinander übergehenden Begrenzungswandungen gebildet wird.
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