DE19921934B4

DE19921934B4 - Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Sinterformteils mit hoher Grunddichte und hoher Oberflächendichte

Info

Publication number: DE19921934B4
Application number: DE1999121934
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Arnhold; Ulrich Dipl.-Ing. Bode; Uwe Dipl.-Ing. Eilrich; Manfred Lerbs; Manfred Dr. Weber; Winfried Dipl.-Ing. Maier
Original assignee: Daimler AG; GKN Sinter Metals GmbH
Current assignee: GKN Sinter Metals Holding GmbH
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: DE19921934A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Sinterformteils mit hoher Grunddichte und hoher Oberflächendichte durch die Verfahrensschritte:
– Pressen eines Grünlings (5) aus einem sinterbaren Metallpulver in einer Preßform,
– Sintern des Grünlings (5) zu einem Sinterformteil (7),
– Verdichten von zumindest Teilbereichen der Oberfläche (8) des Sinterformteils (7) durch Druckeinwirkung,
– Erhitzen des Sinterformteils (7) auf eine unter der Sintertemperatur liegende Bearbeitungstemperatur und Nachverdichten des ganzen Sinterformteils durch axiale Druckeinwirkung und
– Unterwerfen des nachverdichteten Sinterformteils (7) einer Wärmebehandlung.

Description

Aus sinterbaren Metallpulvern, insbesondere eisenlegierten Metallpulvern, lassen sich Formteile herstellen, die aufgrund ihrer hohen Formgenauigkeit praktisch keine Nachbearbeitung mehr erfordern. Sinterformteile erreichen jedoch nicht ganz die Grunddichte, die ein vergleichbares, gegossenes oder formgeschmiedetes Stahlformteil aufweist, das jedoch eine geringere Formgenauigkeit aufweist und daher einer Nachbearbeitung bedarf.
Um dem abzuhelfen, ist man dazu übergangen, Sinterformteile im Anschluß an Sintervorgang, vielfach noch in einer Hitze, zur Erhöhung der Grunddichte einer axialen Nachverdichtung mit Hilfe eines Formwerkzeugs zu unterziehen, so daß eine Steigerung der Grunddichte erreicht wird, die nahezu der Grunddichte eines gegossenen und/oder geschmiedeten Stahlformteils entspricht, so daß hier durchaus vergleichbare Gestaltfestigkeiten erzielt werden können.
Die Oberfläche eines Sinterformteils weist jedoch aufgrund des Herstellungsprozesses immer eine gewisse Porosität auf, die bei Belastungen dieser Flächenbereiche mit hoher Flächenpressung oder auch bei Oberflächenbeschichtungen nachteilig ist.
DE 42 11 319 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines in einzelnen Zonen oder Randzonen porenfreien, in den übrigen Zonen porösen Sinterformteils aus Eisenwerkstoffen, wobei ein nach üblichen Pulverpress- und Sinterverfahren auf ca. 10 Vol.% Restporosität gebrachtes Formteil in einem weiteren Verfahrensschritt mittels zonenweisen Einbringens von Zusatzwerkstoffen in die verbliebenen Poren und/oder mittels lokal wirksamen mechanischen Nachverdichtens des Formteils in den Zonen auf eine Restporosität von 5 Vol.% oder weniger und damit zu geschlossener Porenstrucktur ge bracht wird. Im Anschluss daran wird das Bauteil mittels HIP- oder Sinter-HIP-Verfahren in diesen Zonen weiter verdichtet.
EP 0 826 448 B1 lehrt ein Verfahren zum Formen von Schmiedeteilen für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, wobei ein Metallpulverpresskörper zur Ausbildung einer Vorform gesintert wird, zur Verbesserung der Vorform diese kalt verformt wird und wobei die Vorform in eine gewünschte Form mit gewünschten Spezifikationen heißgeschmiedet wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, pulvermetallurgische Sinterformteile herzustellen, die eine hohe Grunddichte und auch eine hohe Oberflächendichte aufweisen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Sinterformteils mit hoher Grunddichte und hoher Oberflächendichte durch die Verfahrensschritte:

– Pressen eines Grünlings aus einem sinterbaren Metallpulver in einer Preßform,
– Sintern des Grünlings zu einem Sinterformteil
– Verdichten von zumindest Teilbereichen der Oberfläche des Sinterformteils durch Druckeinwirkung,
– Erhitzen des Sinterformteils auf eine unter der Sintertemperatur liegende Bearbeitungstemperatur und Nachverdichten des ganzen Sinterformteils durch axiale Druckeinwirkung und
– Unterwerfen des nachverdichteten Sinterformteils einer Wärmebehandlung.

Dadurch, daß nach dem Sintervorgang zumindest Teilbereiche der Oberfläche des so hergestellten Sinterformteils gezielt einer Druckeinwirkung ausgesetzt werden, mit der die oberflächennahen Bereiche des Sinterformteils einer minimalen Verformung zur Beseitigung der Oberflächenporosität ausgesetzt werden, gelingt es, in diesen Oberflächenbereichen dem Sinterformteil eine "Außenhaut" mit höherer Dichte zu geben. Dieser Verfahrensschritt der Oberflächenverdichtung erfolgt zweckmäßigerweise im Anschluß an den Sintervorgang im abgekühlten Zustand. Nach Durchführung der Oberflächenverdichtung wird das Sinterformteil wieder erhitzt und als Ganzes durch axiale Druckeinwirkung nachverdichtet, so daß das Sinterformteil insgesamt eine höhere Grunddichte erhält. Zum Nachverdichten kann das Sinterformteil auf Sintertemperatur aufgeheizt werden. Es kann aber auch zweckmäßig sein, wenn die Aufheizung auf eine unter der Sintertemperatur liegende Bearbeitungstemperatur erfolgt. Bei dieser Temperaturlage sind die Pulverbestandteile nicht vollständig durchlegiert und damit etwas besser verdichtbar. In beiden Fällen bewirkt jedoch die Druckeinwirkung zur Nachverdichtung allenfalls einen Materialfluß im Sinterformteil. Insbesondere bei Sinterformteilen aus härtbaren Eisenlegierungen ist die Wärmebehandlung im letzten Schritt ein Härten.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Oberflächenverdichtung durch Kugelstrahlen erfolgt. Dieses Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Sinterformteils als Ganzes verdichtet werden soll, um so eine glatte, porenfreie Oberfläche zu erhalten, wie sie beispielsweise dann erforderlich ist, wenn das Sinterformteil mit einer Oberflächenbeschichtung versehen werden soll.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Oberflächenverdichtung durch Druckbeaufschlagung mit einem Werkzeug erfolgt. Diese Verfahrensweise ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nur definierte Oberflächenbereiche verdichtet werden sollen, beispielsweise mechanisch beanspruchte Kontaktflächen, wie Abrollflächen, Gleitflächen oder dergleichen. Dies kann beispielsweise durch ein Rollieren erfolgen, bei dem – ähnlich wie beim Kugelstrahlen – durch die Druckeinwirkung eines auf der zu verdichtenden Oberfläche abrollenden Werkzeugs die poröse Oberfläche durch minimale Umformungen im Mikrobereich verdichtet wird und so die oberflächennahen Poren geschlossen werden. Es ist aber auch möglich, die Oberflächenverdichtung eines oder mehrerer begrenzter Oberflächenbereiche des Sinterformteils durch eine statische Druckbeaufschlagung mit Hilfe eines Formwerkzeugs zu erzielen, ähnlich wie dies beim Kalibrieren gegeben ist.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet auf Sinterformteile aus Metallpulvern auf Eisenbasis oder aus Metallpulvern auf Aluminiumbasis. In beiden Fällen kann es sich um vorlegierte Metallpulver handeln oder aber auch um Pulvermischungen, bei denen die Legierungsbestandteile als diskrete Pulver in der Mischung vorliegen.
Die Erfindung wird anhand eines schematischen Fließbildes näher erläutert.
In einem ersten Arbeitsschritt I wird ein sinterbares Metallpulver in einen Formraum 2 einer Preßeinrichtung 1 eingefüllt und mit Hilfe von zwei Preßstempeln 3 und 4 zu einem Grünling 5 verdichtet (Arbeitsschritt II), der aufgrund der Verdichtung praktisch schon die geforderten Endabmessungen aufweist. Statt der hier dargestellten mechanischen Preßeinrichtung können auch andere in der Pulvermetallurgie übliche Preßverfahren zur Herstellung des Grünlings 5 eingesetzt werden.
Nach Entnahme aus der Preßeinrichtung wird der Grünling 5 im darauffolgenden Arbeitsschritt III in einem Sinterofen 6 erhitzt und zu einem Sinterformteil 7 fertiggesintert. Im darauffolgenden Arbeitsschritt IV wird das Sinterformteil 7 abgekühlt.
Anschließend wird in einem Arbeitsschritt V die Oberfläche des Sinterformteils 7 zur Erzeugung einer verdichteten Oberfläche 8 je nach Aufgabenstellung auf seiner ganzen Oberfläche oder nur in Teilbereichen seiner Oberfläche einer Druckeinwirkung ausgesetzt, durch die die Porosität der Oberfläche durch minimale Verformungen beseitigt wird. Dies kann beispielsweise durch ein sogenanntes Kugelstrahlen, durch ein Rollieren der zu verdichtenden Oberflächenbereiche mit einem Werkzeug oder aber auch durch eine Druckbeaufschlagung mit einem der Form der Oberfläche angepaßten Werkzeug nach Art eines Kalibrierwerkzeugs geschehen.
Nachdem die Oberfläche 8 des Sinterformteils 7 so verdichtet worden ist, wird im darauffolgenden Arbeitsschritt VI das Sinterformteil 7 wieder aufgeheizt und anschließend im Arbeitsschritt VII durch axiale Druckeinwirkung als Ganzes nachverdichtet, so daß die Grunddichte des Sinterformteils insgesamt erhöht wird. Diese Nachverdichtung erfolgt allenfalls mit lokalem Materialfluß und wird in der Regel als sogenanntes axiales Nachverdichten mit Hilfe entsprechender Formwerkzeuge ausgeführt.
Die Aufheizung im Arbeitsschritt VI kann hierbei entweder auf Sintertemperatur erfolgen oder aber auch auf eine Temperatur, die unter der Sintertemperatur des betreffenden Sinterwerkstoffs liegt.
Nach dem Abkühlen steht ein Sinterformteil mit einer Grunddichte zur Verfügung, die in etwa der Grunddichte eines Stahlformteils entspricht, bei dem eine hohe Oberflächendichte gegeben ist, insbesondere die verdichteten Oberflächenbereiche praktisch porenfrei sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, gesinterte Maschinenteile herzustellen, die hinsichtlich ihrer Formgenauigkeit keiner Nachbehandlung bedürfen, bei denen im Betrieb die ganze oder auch Teile der Oberfläche einer hohen Flächenpressung ausgesetzt sind. Dies können beispielsweise Getriebeteile, Freiläufe, Nocken an einer Nockenwelle, Steuerkurven an Kurvenscheiben, Zahnoberflächen an Zahnrädern oder dergleichen sein. Bei dynamisch belasteten Maschinenteilen ergibt sich somit eine Erhöhung der Wälzfestigkeit und bei statisch belasteten Maschinenteilen eine Erhöhung der zulässigen Flächenpressung. Die Verdichtung der Oberfläche erlaubt es auch, diese zur Erhöhung der chemischen Widerstandsfähigkeit zu beschichten, beispielsweise durch eine Plasmabeschichtung oder durch eine elektro-chemische Beschichtung.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Sinterformteils mit hoher Grunddichte und hoher Oberflächendichte durch die Verfahrensschritte: – Pressen eines Grünlings (5) aus einem sinterbaren Metallpulver in einer Preßform, – Sintern des Grünlings (5) zu einem Sinterformteil (7), – Verdichten von zumindest Teilbereichen der Oberfläche (8) des Sinterformteils (7) durch Druckeinwirkung, – Erhitzen des Sinterformteils (7) auf eine unter der Sintertemperatur liegende Bearbeitungstemperatur und Nachverdichten des ganzen Sinterformteils durch axiale Druckeinwirkung und – Unterwerfen des nachverdichteten Sinterformteils (7) einer Wärmebehandlung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenverdichtung nach Abkühlung des Sinterformteils (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenverdichtung durch Kugelstrahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenverdichtung durch Druckbeaufschlagung mit einem Werkzeug erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachverdichten durch ein Formwerkzeug erfolgt, das nur in einer Achsrichtung mit Druck beaufschlagbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nachverdichtete Sinterformteil (7) mit einer Oberflächenbeschichtung versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Sinterformteils (7) ein Metallpulver auf Eisenbasis verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Sinterformteils (7) ein Metallpulver auf Aluminiumbasis verwendet wird.