WO2022188942A1 - Verfahren zur herstellung eines sinterformteils - Google Patents

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WO2022188942A1
WO2022188942A1 PCT/EP2021/055730 EP2021055730W WO2022188942A1 WO 2022188942 A1 WO2022188942 A1 WO 2022188942A1 EP 2021055730 W EP2021055730 W EP 2021055730W WO 2022188942 A1 WO2022188942 A1 WO 2022188942A1
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hardness
sintering
sint
sintered
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PCT/EP2021/055730
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Franz Josef SCHLEIFSTEIN
Martin Joachim GERTLER
Arnd KNECHTEL
Kevin Wagner
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Schunk Sintermetalltechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a multi-component sintered compact.
  • Case-hardened sintered components in the form of gears or sprockets are widely used due to their strength and hardness.
  • carbon or carbon and nitrogen penetrate the surface of the sintered parts and hard martensite is formed. Stresses that occur can be eliminated by tempering or mechanical processing.
  • a desired strength can also be achieved by means of inductive or laser hardening or tempering.
  • Gears basically consist of a uniform material and the toothing can be reworked thermomechanically in order to achieve the desired strength (EP 2080 936 A2). Coating the gearing is also an option.
  • the fundamental disadvantage of known sintered molded parts is that mechanical post-processing may be required to produce the final geometry.
  • the present invention is based on the object of developing a method of the type mentioned at the outset in such a way that the sintered molded part has high strength or hardness in the areas in which it is exposed to particular loads, while at the same time complex mechanical processing to achieve the final geometry is not required makes absolutely necessary.
  • the method for producing the multi-component sintered molded part comprises the method steps:
  • one of the materials being a material that forms a martensitic structure during hardening and after hardening has a hardness Hl with HVo,i > 400 and the other material has a hardness H2 with HVo,i ⁇ 350.
  • 0.1 is the test force F in kiloponds when determining the Vickers hardness HV.
  • the Vickers hardness is determined according to DIN ISO 4498.
  • hardening is carried out by means of rapid cooling, preferably in an endogas atmosphere.
  • the material forming the martensitic structure can be used in the heavily stressed areas of the sintered part, whereas in other areas of the sintered part an unalloyed or low-alloyed and therefore inexpensive material is used, which also opens up the possibility after hardening that to achieve the desired geometry, a form-related process, namely shaping calibration, can be carried out, an advantage that comes into play in particular in the case of sintered molded parts such as toothed wheels and sprockets that have bearing mounts.
  • the softer material can thus be used for the bearing mount, ie in the hub area, whereas the toothing is formed by the harder material, which has a martensitic structure on the surface.
  • Shaping calibration is carried out in particular by means of a calibration mandrel, with both the diameter and the height of the softer material being dimensioned in the mold-related process. Mechanical post-processing is therefore basically not required.
  • the sintered molded part can therefore be produced inexpensively compared to molded parts made of a uniform material, which should have the same strength or hardness in the stressed areas, with the additional advantage that mechanical post-processing does not have to be necessary , since calibration of the softer material is made possible.
  • the calibration can be carried out before sintering and/or after annealing, preferably either before sintering or after annealing.
  • the body is abruptly cooled during hardening.
  • the preferred sintered parts are gears or sprockets, which are produced by the process according to the invention, they can also be used other molded parts in question, such as bearing bush, bearing ring, bearing block, bearing cap or piston, pump cam, control cam.
  • Sinter hardening means that the compacted body is already cooled so quickly in the sintering furnace that a hardened structure is created.
  • the body to be sintered is fed through a continuously operated furnace system, e.g.
  • the body can be rapidly cooled from the sintering zone heat, so that a hardened structure is created.
  • the cooling effect takes place through convection of the cooled gas stream, which should have the same composition as the sintering atmosphere, ie according to the invention it should be an endogas.
  • the process step of carburizing precedes the rapid cooling, with the desired C level being set.
  • the body should be subjected to chilling when the C level is Cp 0.6% ⁇ Cp ⁇ 1%.
  • the sinter hardening takes place in such a way that a significant proportion of martensite is formed in the structure and thus a sintered body with high strength and hardness is produced in the areas in which a corresponding material, in particular from the group Sint-D32, Sint-E32, Sint- D39, Sint-E39 (according to DIN 30910) is used.
  • an iron-based powder should be used for the first material and/or the second material.
  • Hardening takes place in particular immediately after sintering, for example in an oven system.
  • a zone in which the abrupt cooling takes place can thus directly follow a sintering zone.
  • a process space can thus be used which is divided into a sintering zone and a rough cooling zone.
  • the invention is thus also characterized in that hardening is carried out immediately after sintering, preferably in the same or immediately adjacent process space, preferably immediately after a sintering zone, or in a process space that is separate from the sintering zone.
  • the method according to the invention is preferably carried out in an endogas atmosphere, in particular the carburizing, there is also the possibility of using a forming gas atmosphere using a carburizing agent such as propane, natural gas, methane, at least during the carburizing process.
  • a carburizing agent such as propane, natural gas, methane
  • tempering takes place, in particular at a temperature in the range between 160°C and 300°C over a time of in particular 50 min ⁇ t ⁇ 100 min, preferably 60 min ⁇ t ⁇ 90 min.
  • the powdered materials which are in particular iron-based powder, can be pressed axially in particular, albeit to form the layers of different materials radial pressing or axial and radial pressing can also be considered.
  • the first material is already pre-pressed when it is introduced into the mould.
  • regions can be layers.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a gear wheel in cross section
  • FIG. 2 shows a section of the gear wheel according to FIG
  • FIG. 6a, 6b, 6c Schematic representations of layers.
  • FIG. 1 and 2 show a schematic representation of a toothed or sprocket wheel 10 - simply referred to below as a toothed wheel - which consists of a first layer 12 of a first powdered material and a second layer 14 of a powdered second material.
  • a toothed wheel - which consists of a first layer 12 of a first powdered material and a second layer 14 of a powdered second material.
  • appropriate powdered materials can be introduced into a mold, such as a die of a pressing tool, with the layered structure corresponding stamps that can be adjusted coaxially to one another can be used.
  • the bearing mount 16 is created by a dome.
  • this term also includes, in addition to powder materials, pre-compacted blanks such as green bodies, which can have an L- or U-shaped geometry in section, for example, insofar as the "first layer” is meant.
  • the second layer 14 consists of the powdered second material.
  • the material of the first layer 12 is powder material that is unalloyed or low-alloyed.
  • the latter means that the alloy content is equal to or less than 5% by weight.
  • the first material should be an iron-based powder and can be, for example, Sint-D10 or Sint-Dl 1 material according to DIN 30910.
  • the powdered material of the first layer 12 can consist of 2% Cu, 0.6% C, 0.7% wax such as amide wax and the remainder iron in weight %.
  • the material of the second layer 14, which forms the peripheral area with the toothing 18, consists of an alloyed iron base powder, in particular a material from the group Sint-D32, Sint-E32, Sint-D39, Sint-E39 according to DIN 30910.
  • a material from the group Sint-D32, Sint-E32, Sint-D39, Sint-E39 according to DIN 30910.
  • Composition in % by weight 2% Cu, 1.5% Mo, 0.6% C, 0.4% lubricants such as Kenolube and the remainder iron.
  • the material for the first layer 12 can first be introduced into the mold and then precompacted by axial pressing.
  • the area of the matrix intended for the layer 14 is occupied by a stamping section.
  • the die section is retracted to fill the material of the second layer 14 and then to compress the materials by axial pressing.
  • the body produced in this way and referred to as a green compact is then sintered at a temperature T of approx. 1100° C. to 1280° C., preferably 1100° C. to 1150° C., for a time t>20 min.
  • Hardening in the mold then takes place of case hardening with rapid cooling, whereby Endogas can preferably be used as the gas. Cooling with air is also possible.
  • carburizing preferably takes place in a continuously operated furnace system through which the body to be sintered and hardened is conveyed by means of a conveyor belt or roller conveyor.
  • C-level Cp is defined as a percentage weight gain due to carbonation, where % is by weight.
  • the period in which the sintering is carried out is 15 min to 60 min. This is followed by abrupt cooling, with the cooling rates DT/ At being more than 3 K/s. In particular, the cooling rate should be in the range between 3 K/s ⁇ DT through DT ⁇ 20 K/s.
  • tempering takes place at a temperature between 160° C. and 300° C. over a period of time t with 50 min ⁇ t ⁇ 100 min. Tempering is carried out under a protective gas atmosphere carried out.
  • a martensitic structure is formed in the sintered powder material of the second layer 14 during case hardening, so that the required hardness for the gearing exposed to the high loads can be achieved.
  • a Vickers hardness of HVo,i>400, in particular HVo,i>500, can be achieved.
  • the first or inner layer 12 is softer due to the material composition of the powder material, so that after the sintered body has been annealed, the required final geometry of the bearing mount is formed by calibration, i.e. by shaping, without the need for mechanical processing.
  • a transition area between the layers 12, 14 is formed.
  • the density of the material of the first layer 12 Qi forming the soft layer can be less than 7.1 g/cm 3 , in particular in the range of 7.0 g/cm 3 .
  • the density 82 of the second material i.e. that of the second layer 14 more than 7.2 g/cm 3 , in particular in the range of 7.4 g/cm 3 .
  • Other density values are also possible: di between 6.4 g/cm 3 and 7.2 g/cm 3 d2 between 6.8 g/cm 3 and 7.4 g/cm 3 with di ⁇ d2.
  • the gear wheel 10 has a radial layer structure, as can also be seen in principle from FIG. 6b (layers 24, 26).
  • already pre-pressed bodies can be used as the so-called first layer, which have a desired 3-dimensional geometry.
  • 3a to 3d are intended to show, purely in principle, the course of the layers of disc-shaped sintered molded parts which are designed in two or three layers in accordance with the teaching according to the invention.
  • the layers - as in the exemplary embodiments of FIGS. 4 and 5 - which have a martensitic structure and high strength and hardness, as hard layers and those made of the iron-based powder material having a low density and hardness, i.e. the one before referred to as the first material, referred to as the soft layer.
  • the hard layers are marked by dots (red) and the soft layers by dashes (green).
  • the molded part 40 according to FIG. 3a has a three-layer structure, with the inner and outer layers 42, 44 being hard and the layer 46 running between them being soft.
  • the molded part 48 has an inner and outer soft layer 50, 52 and a hard layer 54 extending between these.
  • the embodiments of FIGS. 3c, 3d have molded parts 56, 62 corresponding to the layer structure of FIGS. 1 and 2, a two-layer structure, with the embodiment of FIG. 3c the molded part 56 corresponding to that of FIG Layer 58 and an inner soft layer 60, whereas the molded part 62 according to FIG. 3d has an outer soft layer 64 and an inner hard layer 66.
  • FIGS. 4a to 4f show the principle of bearing bushes as a sintered molded part which, in the exemplary embodiments of FIGS. 4a, 4b, have layers running radially to one another and, according to FIGS. 4c to 4f, have mixed forms, ie layers running radially and axially.
  • the bearing bushes 68, 70 according to FIGS. 4a, 4b differ in that the bearing bush 68 has an inner soft layer 72 and an outer hard layer 74 running radially thereto, whereas in the case of the bearing bush 70 the layers run in reverse order, i. an outer layer 76 is soft and an inner layer 78 is hard.
  • bearing bushes 80, 82, 84, 86 are shown purely in principle, which have mixed forms with regard to the course of the hard and soft layers.
  • the soft layer 88 of the bearing bush 80 extends axially in sections and radially in sections to the hard layer 90.
  • the hard layer 92 extends in sections axially and radially to the soft layer 94.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrkomponenten-Sinterbauteils, das die Verfahrensschritte umfasst: Einbringen eines ersten Werkstoffs in einen ersten Bereich einer Form, Füllen eines von dem ersten Werkstoff verschiedenen pulverförmigen zweiten Werkstoffs in einen zweiten Bereich der Form und Verdichten des ersten Werkstoffs und des zweiten Werkstoffs zur Bildung eines Körpers, Sintern des Körpers, Härten des Körpers, wobei einer der Werkstoffe ein beim Härten martensitisches Gefüge bildender Werkstoff ist und nach dem Härten eine Härte H1 mit HV0,1 ≥ 400 und der andere Werkstoff eine Härte H2 mit HV0,1 ≤ 350 aufweist.

Description

Beschreibung Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteils
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrkomponenten- Sinterformteils. Einsatzgehärtete Sinterformteile in Form von Zahnrädern oder Kettenrädern gelangen aufgrund ihrer Festigkeit und Härte umfassend zum Einsatz. Beim Einsatzhärten dringen Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff und Stickstoff in die Oberfläche der Sinterformteile ein und harter Martensit entsteht. Auftretende Spannungen können durch Anlassen oder durch mechanische Bearbeitung behoben werden. Auch mittels Induktiv-, Laserhärten oder Vergüten kann eine gewünschte Festigkeit erzielt werden.
Zahnräder bestehen grundsätzlich aus einem einheitlichen Werkstoff und können in der Verzahnung thermomechanisch nachbearbeitet werden, um eine gewünschte Festigkeit zu erzielen (EP 2080 936 A2). Auch ein Beschichten der Verzahnung kommt in Frage.
Nachteil bekannter Sinterformteile ist grundsätzlich, dass zur Herstellung der Endgeometrie eine mechanische Nachbearbeitung erforderlich sein kann. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass das Sinterformteil in den Bereichen, in denen es besonderen Belastungen ausgesetzt ist, eine hohe Festigkeit bzw. Härte aufweist, gleichzeitig ein aufwendiges mechanisches Bearbeiten zur Erzielung der Endgeometrie nicht zwingend erforderlich macht.
Zur Lösung der Aufgabe wird im Wesentlichen vorgeschlagen, dass das Verfahren zur Herstellung des Mehrkomponenten-Sinterformteils die Verfahrensschritte umfasst:
- Einbringen eines ersten Werkstoffs in einen ersten Bereich einer Form,
- Füllen eines von dem ersten Werkstoff verschiedenen pulverförmigen zweiten Werkstoffs in einen zweiten Bereich der Form und Verdichten des ersten Werkstoffs und des zweiten Werkstoffs zur Bildung eines Körpers,
- Sintern des Körpers,
- Härten des Körpers, wobei einer der Werkstoffe ein beim Härten martensitisches Gefüge bildender Werkstoff ist und nach dem Härten eine Härte Hl mit HVo,i > 400 und der andere Werkstoff eine Härte H2 mit HVo,i < 350 aufweist.
0,1 ist die Prüfkraft F in Kilopond bei der Bestimmung der Vickershärte HV.
Die Vickershärte wird gemäß DIN ISO 4498 bestimmt.
Dabei ist in hervorzuhebender Weise vorgesehen, dass das Sintern und/oder das Härten in Endogasatmosphäre durchgeführt wird.
Insbesondere wird das Härten mittels Schroffabkühlen durchgeführt, bevorzugt in Endogasatmosphäre.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass als Endogas ein Gemisch aus Luft-Propan oder Luft- Erdgas verwendet wird, das über einen Katalysator in einem endothermen Prozess erzeugt wird. Der Anteil des Martensits im Gefüge in dem aus dem zweiten Werkstoff bestehenden Material und nach dem Härten beträgt 50 Vol.-% bis 100 Vol.-%. Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre kann der das martensi tische Gefüge bildende Werkstoff in den stark belasteten Bereichen des Sinterformteils verwendet werden, wohingegen in übrigen Bereichen des Sinterformteils ein unlegierter oder niedriglegierter und somit kostengünstiger Werkstoff zum Einsatz gelangen, der zudem nach dem Härten die Möglichkeit eröffnet, dass zur Erzielung der gewünschten Geometrie ein formgebundenes Verfahren, nämlich formgebendes Kalibrieren erfolgen kann, ein Vorteil, der insbesondere bei Lageraufnahmen aufweisenden Sinterformteilen wie Zahn- und Kettenrädern zum Tragen kommt. So kann das weichere Material für die Lageraufnahme, also im Nabenbereich Verwendung finden, wohingegen die Verzahnung durch das härtere oberflächlich ein martensitisches Gefüge aufweisende Material gebildet wird.
Formgebendes Kalibrieren erfolgt insbesondere mittels eines Kalibrierdorns, wobei sowohl Durchmesser als auch Höhe des weicheren Materials im formgebundenen Verfahren dimensioniert wird. Eine mechanische Nachbearbeitung ist demzufolge dem Grunde nach nicht erforderlich.
Somit ist das Sinterformteil aufgrund des Materialmix im Vergleich zu Formteilen aus einheitlichem Material, das in den belasteten Bereichen eine gleiche Festigkeit bzw. Härte aufweisen soll, kostengünstig herstellbar, wobei sich außerdem der Vorteil ergibt, dass eine mechanische Nachbearbeitung dem Grunde nach nicht erforderlich sein muss, da ein Kalibrieren des weicheren Materials ermöglicht wird. Dabei kann das Kalibrieren vor dem Sintern und/oder nach dem Anlassen durchgeführt werden, vorzugsweise entweder vor dem Sintern oder nach dem Anlassen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass beim Härten der Körper schroffabgekühlt wird.
Sind vorzugsweise als Sinterformteile Zahn- oder Kettenräder, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, zu nennen, so kommen jedoch auch andere Formteile in Frage, wie Lagerbüchse, Lagerring, Lagerbock, Lagerdeckel oder Kolben, Pumpennocken, Steuernocken.
Insbesondere erfolgt ein Sinterhärten. Sinterhärten bedeutet dabei, dass bereits im Sinterofen der verdichtete Körper so rasch abgekühlt wird, dass ein Härtegefüge entsteht.
Insbesondere wird der zu sinternde Körper durch ein kontinuierlich betriebenes Ofensystem geführt, z.B. mittels eines Förderbandes oder Rollenförderers, wobei die Schroffkühlzone ggf. unmittelbar hinter der Sinterzone angeordnet ist. Somit kann der Körper rasch aus der Sinterzonenhitze abgekühlt werden, so dass ein Härtegefüge entsteht. Die Kühlwirkung erfolgt durch Konvektion des gekühlten Gasstroms, der die gleiche Zusammensetzung wie die Sinteratmosphäre besitzen sollte, also erfindungsgemäß ein Endogas sein.
Der Verfahrensschritt Aufkohlen ist der Schroffabkühlung vorgelagert, wobei der gewünschte C-Pegel eingestellt wird.
Vorzugsweise sollte der Körper dann der Schroffkühlung ausgesetzt werden, wenn der C- Pegel Cp beträgt 0,6 % < Cp < 1 %.
Dabei erfolgt das Sinterhärten derart, dass ein signifikanter Anteil an Martensit im Gefüge gebildet und somit ein Sinterkörper mit hoher Festigkeit und Härte in den Bereichen erzeugt wird, in denen ein entsprechender Werkstoff, insbesondere aus der Gruppe Sint- D32, Sint-E32, Sint-D39, Sint-E39 (gemäß DIN 30910) eingesetzt wird.
Unabhängig hiervon sollte ein Eisenbasispulver für den ersten Werkstoff und/oder den zweiten Werkstoff Verwendung finden.
Das Härten erfolgt insbesondere unmittelbar nach dem Sintern z.B. in einem Ofensystem. So kann sich an eine Sinterzone unmittelbar eine Zone anschließen, in der die Schroffkühlung erfolgt. Es kann somit ein Prozessraum benutzt werden, der in eine Sinterzone und in eine Schroffkühlzone unterteilt ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Härten räumlich getrennt von dem Sinterprozess durchzuführen, z.B. in einer externen Anlage.
Somit zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass das Härten unmittelbar nach dem Sintern, vorzugsweise in demselben oder unmittelbar angrenzenden Prozessraum, vorzugsweise unmittelbar nach einer Sinterzone, oder in einem getrennt von der Sinterzone vorhandenen Prozessraum durchgeführt wird.
Wird vorzugsweise das erfindungsgemäße Verfahren in Endogasatmosphäre durchgeführt, insbesondere das Aufkohlen, so besteht auch die Möglichkeit, zumindest beim Aufkohlprozess eine Formiergasatmosphäre unter Verwendung eines Aufkohlungsmittels, wie Propan, Erdgas, Methan, zu nutzen.
Nach der Schroffkühlung, bei der der Körper auf eine Temperatur T mit 30 °C < T < 70 °C, insbesondere 40 °C < T < 60 °C abgekühlt wird, erfolgt ein Anlassen, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich zwischen 160 °C und 300 °C über eine Zeit mit insbesondere 50 min. < t < 100 min, bevorzugterweise 60 min < t < 90 min.
Zum Vorverdichten bzw. Verdichten der sich berührenden Werkstoffe zur Herstellung des Körpers, der auch als Grünling zu bezeichnen ist, können die pulverförmigen Werkstoffe, bei denen es sich insbesondere um Eisenbasispulver handelt, insbesondere axial gepresst werden, wenngleich zur Ausbildung der Schichten aus den unterschiedlichen Werkstoffen ein radiales Pressen oder ein axiales und ein radiales Pressen gleichfalls in Frage kommen kann. Gleiches gilt, wenn der erste Werkstoff beim Einbringen in die Form bereits vorgepresst ist.
Ferner besteht die Möglichkeit, Sinterformteile mit mehr als zwei Bereichen auszubilden, die voneinander abweichende Härtegrade aufweisen. So kann zwischen zwei äußeren sogenannten harten Bereichen, die ein martensitisches Gefüge aufweisen, ein weicher Bereich verlaufen, der aus dem unlegierten oder niedriglegierten Werkstoff, also einem Werkstoff, dessen Legierungsbestandteile weniger als 5 Gew.-% ausmachen, verlaufen. Alternativ kann auch ein harter Bereich von weichen Bereichen umgeben sein. Durch entsprechende Variationsmöglichkeiten kann u.a. auch der Vorteil erzielt werden, dass eine Geräuschdämpfung sich bewegender Sinterformteile erzielt wird.
Bereiche können insbesondere Schichten sein.
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 bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Zahnrades im Querschnitt, Fig. 2 einen Abschnitt des Zahnrades gemäß Fig. 1 in
Vorderansicht,
Fig. 3a, 3b, 3c, 3d weitere Ausführungsformen eines Zahnrades, Fig. 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f Ausführungsformen einer Lagerbüchse,
Fig. 5a, 5b, 5c, 5d Ausführungsformen von Sinterformteilen und
Fig. 6a, 6b, 6c Prinzipdarstellungen von Schichtverläufen.
In den Fig. sind rein prinzipiell mehrschichtige Sinterformteile dargestellt, die entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre hergestellt werden. So ist in den Fig. 1 und 2 in Prinzipdarstellung ein Zahn- oder Kettenrad 10 - nachstehend vereinfacht Zahnrad genannt - wiedergegeben, das aus einer ersten Schicht 12 eines ersten pulverförmigen Werkstoffs und einer zweiten Schicht 14 eines pulverförmigen zweiten Werkstoffs besteht. Zur Herstellung können entsprechende pulverförmige Materialien in eine Form, wie Matrize eines Presswerkzeugs eingebracht werden, wobei zum schichtweisen Aufbau entsprechende koaxial zueinander verstellbare Stempel benutzt werden können. Die Lageraufnahme 16 wird durch einen Dom erzeugt.
Wird der Begriff Schicht benutzt, so schließt dieser Begriff neben Pulvermaterialien, auch vorverdichtete Rohlinge wie Grünkörper ein, die im Schnitt z.B. eine L- oder U-förmige Geometrie aufweisen können, soweit die „erste Schicht“ gemeint ist. Die zweite Schicht 14 besteht aus dem pulverförmigen zweiten Werkstoff.
Bei dem Material der ersten Schicht 12 handelt es sich um Pulvermaterial, das unlegiert oder niedriglegiert ist. Letzteres bedeutet, dass der Legierungsanteil gleich oder weniger 5 Gew.-% beträgt. Das erste Material sollte ein Eisenbasispulver sein und kann z.B. Sint- D10- oder Sint-Dl 1 -Material gemäß DIN 30910 sein. Beispielhaft kann das pulverförmige Material der ersten Schicht 12 in Gew.-% aus 2 % Cu, 0,6 % C, 0,7 % Wachs wie Amidewachs und Rest Eisen bestehen.
Das Material der zweiten Schicht 14, die den Umfangsbereich mit der Verzahnung 18 bildet, besteht aus einem legierten Eisenbasispulver, insbesondere aus einem Material der Gruppe Sint-D32, Sint-E32, Sint-D39, Sint-E39 gemäß DIN 30910. Insbesondere ist als Zusammensetzung in Gew.-% zu nennen 2% Cu, 1,5 % Mo, 0,6 % C, 0,4% Gleitmittel wie Kenolube und Rest Eisen. Dabei kann zunächst das Material für die erste Schicht 12 in die Form eingebracht und sodann durch axiales Pressen vorverdichtet werden. Der für die Schicht 14 bestimmte Bereich der Matrize ist dabei von einem Stempelabschnitt belegt.
Nach dem Vorverdichten der ersten Schicht 12 wird der Stempelabschnitt zurückgezogen, um das Material der zweiten Schicht 14 einzufüllen und sodann durch axiales Pressen die Materialien zu verdichten. Anschließend wird der so hergestellte und als Grünling zu bezeichnende Körper gesintert bei einer Temperatur T von ca. 1.100 °C bis 1.280 °C, bevorzugt 1.100 °C bis 1.150 °C, über eine Zeit t > 20 min. Anschließend erfolgt ein Härten in Form von Einsatzhärten mit Schroffabkühlung, wobei als Gas bevorzugt Endogas eingesetzt werden kann. Eine Abkühlung mit Luft ist gleichfalls möglich. Das Aufkohlen erfolgt vorzugsweise, wie beim Sinterhärten, in einem kontinuierlich betriebenen Ofensystem, durch das die zu sinternden und zu härtenden Körper mittels eines Förderbandes oder Rollenförderers gefördert wird. Nach dem Sintern, das insbesondere in Endgasatmosphäre durchgeführt werden, d.h. in einer Atmosphäre, die aus Luft und Propan oder Luft und Erdgasgemisch bestehen kann, das über einen Katalysator in einem Endothermprozess erzeugt wird, erfolgt ein Aufkohlen, um einen C-Pegel Cp im Bereich zwischen 0,6 % und 1 % zu erreichen. C-Pegel Cp ist definiert als eine prozentuale Gewichtszunahme durch Kohlenstoffanreicherung, wobei die %- Angabe Gew.-% ist. Der Zeitraum, in dem das Sintern durchgeführt wird, beträgt 15 min bis 60 min. Anschließend erfolgt eine Schroffkühlung, wobei die Abkühlraten DT/ At mehr als 3 K/s betragen sollte. Insbesondere sollte die Abkühlrate im Bereich zwischen 3 K/s < DT durch DT < 20 K/s liegen. Nach der Schroffkühlung auf eine Temperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 40 °C und 60 °C erfolgt ein Anlassen auf eine Temperatur zwischen 160 °C und 300 °C über einen Zeitraum t mit 50 min < t < 100 min. Das Anlassen wird dabei unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
Im gesinterten Pulvermaterial der zweiten Schicht 14 bildet sich beim Einsatzhärten ein martensitisches Gefüge, so dass die erforderliche Härte für die den hohen Belastungen ausgesetzte Verzahnung erzielbar ist. Insbesondere kann eine Vickershärte HVo,i > 400, insbesondere HVo,i> 500, erzielt werden.
Demgegenüber ist die erste oder innere Schicht 12 aufgrund der Materialzusammensetzung des Pulvermaterials weicher, so dass nach dem Anlassen des Sinterkörpers die erforderliche Endgeometrie der Lageraufnahme durch Kalibrierung, also formgebend, ausgebildet wird, ohne dass es einer mechanischen Bearbeitung bedarf. Wie durch die Doppelfeile 20, 22 angedeutet wird, bildet sich ein Übergangsbereich zwischen den Schichten 12, 14 aus. Beispielhaft kann die Dichte des Materials der die weiche Schicht bildenden ersten Schicht 12 Qi kleiner als 7,1 g/cm3 sein, insbesondere im Bereich von 7,0 g/cm3 liegen. Demgegenüber kann die Dichte 82 des zweiten Werkstoffs, also die der zweiten Schicht 14 mehr als 7,2 g/cm3, insbesondere im Bereich von 7,4 g/cm3 liegen. Andere Dichtwerte sind auch möglich: di zwischen 6,4 g/cm3 und 7,2 g/cm3 d2 zwischen 6,8 g/cm3 und 7,4 g/cm3 mit di < d2.
Bei dem Zahnrad 10 liegt ein radialer Schichtaufbau vor, wie dieser auch rein prinzipiell der Fig. 6b zu entnehmen ist (Schichten 24, 26).
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass bei Sinterformteilen bzw. Sinterformbauteilen Schichten 28, 30, 32 axial verlaufen, wie dies prinzipiell der Fig. 6a zu entnehmen ist.
Auch Mischformen sind möglich, wie die Fig. 6c rein prinzipiell verdeutlicht. So verlaufen die Schichten 34, 36, 38 abschnittsweise radial und abschnittsweise axial.
Anstelle von Pulver können bereits vorgepresste Körper als sogenannte erste Schicht verwendet werden, die eine gewünschte 3 -dimensionale Geometrie aufweisen.
Anhand der Fig. 3a bis 3d sollen rein prinzipiell Schichtverläufe von scheibenförmigen Sinterformteilen dargestellt werden, die zwei- bzw. dreischichtig entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre ausgebildet sind. Dabei werden die Schichten - wie bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 -, die ein martensitisches Gefüge und eine hohe Festigkeit und Härte aufweisen, als harte Schichten und diejenigen, die aus dem eine geringe Dichte und Härte aufweisende eisenbasierten Pulvermaterial, also dem zuvor bezeichneten ersten Werkstoff bestehen, als weiche Schicht bezeichnet. Des Weiteren sind die harten Schichten durch Punkte (rot) und die weichen Schichten durch Striche (grün) gekennzeichnet.
So weist das Formteil 40 gemäß Fig. 3a einen dreischichtigen Aufbau auf, wobei innere und äußere Schicht 42, 44 hart und die zwischen diesen verlaufende Schicht 46 weich ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3b weist das Formteil 48 eine innere und äußere weiche Schicht 50, 52 und eine zwischen diesen sich erstreckende harte Schicht 54 auf. Die Ausführungsformen der Fig. 3c, 3d weisen Formteile 56, 62 entsprechend dem Schichtaufbau der Fig. 1 und 2, eine zweischichtige Struktur auf, wobei bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3c das Formteil 56 dem der Fig. 1 entspricht, also eine äußere harte Schicht 58 und eine innere weiche Schicht 60 aufweist, wohingegen das Formteil 62 gemäß Fig. 3d eine äußere weiche Schicht 64 und eine innere harte Schicht 66 besitzt.
Den Fig. 4a bis 4f sind rein prinzipiell Lagerbüchsen als Sinterformteil zu entnehmen, die bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4a, 4b radial zueinander verlaufende Schichten und gemäß der Fig. 4c bis 4f Mischformen, also radial und axial verlaufende Schichten aufweisen.
Die Lagerbüchsen 68, 70 gemäß der Fig. 4a, 4b unterscheiden sich dahingehend, dass die Lagerbüchse 68 eine innere weiche Schicht 72 und eine radial zu dieser verlaufende äußere harte Schicht 74 besitzt, wohingegen bei der Lagerbüchse 70 die Schichten in umgekehrter Reihenfolge verlaufen, d.h. eine äußere Schicht 76 ist weich und eine innere Schicht 78 hart. In den Fig. 4c bis 4f sind Lagerbüchsen 80, 82, 84, 86 rein prinzipiell dargestellt, die Mischformen in Bezug auf den Verlauf der harten und weichen Schichten aufweisen. So erstreckt sich die weiche Schicht 88 der Lagerbüchse 80 abschnittsweise axial und abschnittsweise radial zu der harten Schicht 90. Umgekehrt verläuft bei der Lagerbüchse 82 die harte Schicht 92 abschnittsweise axial und radial zu der weichen Schicht 94.
Gleiche Verhältnisse ergeben sich bei den Lagerbüchsen 84, 86, wobei eine harte Schicht 96 der Lagerbüchse 84 eine innere Schicht 98 umfangsseitig und entlang einer Stirnseite der Lagerbüchse 84 abdeckt. Ein umgekehrter Verlauf der harten Schicht 100 zu der weichen Schicht 102 der Lagerbüchse 86 ergibt sich aus der Fig. 4f.
Anhand der Fig. 5 soll noch einmal der axiale und der radiale Verlauf von Schichten prinzipiell verdeutlicht werden. So verlaufen harte Schichten 104, 106 gemäß der Fig. 5a, 5b axial zu den weichen Schichten 108, 110, wobei die Reihenfolge bei den Ausfühmngsbeispielen der Fig. 5a, 5b zueinander ausgetauscht sind. Entsprechendes ergibt sich aus den Fig. 5c, 5d in Bezug auf die harten Schichten 112, 114 in Bezug auf die weichen Schichten 116, 118.

Claims

Ansprüche Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteils
1 Verfahren zur Herstellung eines Mehrkomponenten-Sinterbauteils, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: - Einbringen eines ersten Werkstoffs in einen ersten Bereich einer Form,
- Füllen eines von dem ersten Werkstoff verschiedenen pulverförmigen zweiten Werkstoffs in einen zweiten Bereich der Form und Verdichten des ersten Werkstoffs und des zweiten Werkstoffs zur Bildung eines Körpers,
- Sintern des Körpers, - Härten des Körpers, wobei einer der Werkstoffe ein beim Härten martensitisches Gefüge bildender Werkstoff ist und nach dem Härten eine Härte Hl mit HVo,i > 400 und der andere Werkstoff eine Härte H2 mit HVo,i <350 aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass vor dem Sintern und/oder nach dem Härten ein formgebendes Kalibrieren im Bereich des Körpers bzw. Sinterformteils durchgeführt wird, der nach dem Härten die Härte H2 aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass als der durch die Härte H2 gekennzeichnete Werkstoff ein unlegierter oder niedriglegierter Werkstoff, vorzugsweise Sint-D10 und/oder Sint-Dll, verwendet wird oder diesen enthält.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als der durch die Härte Hl gekennzeichnete Werkstoff zumindest ein Material aus der Gruppe Sint-D32, Sint-E32, Sint-D39, Sint-E39 verwendet wird oder diesen enthält.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zum Härten der Körper dieser schroffabgekühlt wird, insbesondere mit einer Abkühlrate DT/At > 3 K/s, vorzugsweise AT/At > 4 K/s, bevorzugt AT/At > 5 K/s, besonders bevorzugt 3 K/s < AT/At < 20 K/s.
6 Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Sintern und/oder das Aufkohlen und/oder das Härten bzw. Schroffkühlen in Endogasatmosphäre oder in Formiergasatmosphäre durchgeführt wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Endogas ein Gemisch aus Luft-Propan oder Luft-Erdgas, das über einen Katalysator in einem endothermen Prozess erzeugt wird, und/oder als das Formiergas ein Formiergas unter Verwendung eines Aufkohlungsmittels, wie Propan, Erdgas, Methan, verwendet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Sintern derart erfolgt, dass der C-Pegel Cp beträgt 0,6 % < Cp < 0,9 %.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Körper nach der Schroffkühlung über eine Zeit t mit 50 min < t < 100 min, insbesondere 60 min < t < 90 min, bei einer Temperatur T mit 160 °C < T < 300 °C, insbesondere 250 °C < T < 300 °C, angelassen wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass als Sinterbauteil ein Bauteil aus der Gruppe Zahnrad, Kettenrad, Lagerbüchse, Lagerring, Lagerbock, Lagerdeckel, Kolben, Pumpennocken, Steuernocken hergestellt wird.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Körper durch radiales oder axiales oder radiales und axiales Verdichten erzeugt wird.
12 Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Mehrkomponenten-Sinterbauteil derart hergestellt wird, dass der durch die Härte H2 gekennzeichneter Werkstoff zumindest bereichsweise von dem durch die Härte Hl gekennzeichneten Werkstoff umgeben oder abgedeckt ist oder umgekehrt.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Härten unmittelbar nach dem Sintern, vorzugsweise in demselben oder unmittelbar angrenzenden Prozessraum, vorzugsweise unmittelbar nach einer Sinterzone, oder in einem getrennt von der Sinterzone vorhandenen Prozessraum durchgeführt wird.
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