DE69516343T2

DE69516343T2 - Verfahren und Werkzeug der Pulvermetallurgie mit elektrostatischer Schmierung der Wände der Pressform

Info

Publication number: DE69516343T2
Application number: DE1995616343
Authority: DE
Inventors: James D. Brown; J.S. Peter Castle; Peter Hansen; Ion I. Inculet
Original assignee: Quebec Metal Powders Ltd
Current assignee: Quebec Metal Powders Ltd
Priority date: 1994-08-24
Filing date: 1995-08-22
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2015-08-23
Also published as: ES2147583T3; CA2156872C; EP0698435B1; JP3383731B2; CA2156872A1; JPH08100203A; EP0698435A1; DE69516343D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eisenhaltige Pulver und insbesondere auf die Verdichtung derartiger Materialien, um unter Verwendung von Pulvermetallurgie Metallverbundwerkstoffteile auszubilden.

Kurzbeschreibung des Stands der Technik

Bei der Verdichtung von Metallpulvern durch Pulvermetallurgie ("P/M"), um ein Metallverbundwerkstoffteil auszubilden, werden Metallpulver in eine Gesenkvertiefung gepresst, um einen Grünpressling auszubilden, der dann wärmebehandelt wird, um ein Metallverbundwerkstoffteil auszubilden. Während der Verdichtung wird zwischen den Metallpulvern und den die Gesenkvertiefung definierenden Oberflächen ein erhebliches Maß an Reibung erzeugt, was sowohl eine adhäsive Reibung an den Gesenkflächen als auch einen Bruch des Grünpresslings verursacht, wenn er von der Gesenkvertiefung gelöst wird. Um diese Reibungseffekte zu vermindern und um auch die zur Entfernung des Grünpresslings von dem Gesenk erforderliche Ausdrückkraft zu senken, sind bislang zu der Metallpulvermischung Schmierstoffe hinzugegeben worden. Diese werden im allgemeinen als innere Schmierstoffe bezeichnet, da sie über den gesamten zu verdichtenden Metallpulveranteil dispergiert sind.
Die Verwendung von Nassschmierstoffen war nicht erfolgreich, da sie ein Verklumpen des Metallpulvers fördern, wodurch das normalerweise bei P/M-Materialien gewünschte gute Fließverhalten verhindert wird. Die Verwendung von Trockenschmierstoffen war jedoch erfolgreich, da sie nicht bindend sind und nicht das Fließverhalten beeinträchtigen. Trockenschmierstoffe wirken typischerweise, indem sie durch den während der Verdichtung aufgebrachten Druck und die Temperatur aufschmelzen, wodurch ein Fließen des aufgeschmolzenen Schmierstoffs zugelassen wird. Jedoch hat der Einschluss eines inneren Schmierstoffs in den Metallpulveransatz die Konsequenz, dass die erzielbare Enddichte und die Festigkeit des auf diese Weise erzeugten Metallverbundwerkstoffteils niedriger als theoretisch möglich ist, falls kein Schmierstoff hinzugegeben wird.
Frühere Versuche, die Einschluss inneren Schmierstoffs in der Metallpulverzusammensetzung zu vermeiden, konzentrierten sich darauf, auf die Gesenkwände Schmierstoffe in flüssiger Form aufzusprühen. Bislang umfassten diese Schmierstoffe sowohl Flüssigschmierstoffe als auch in Lösungsmitteln dispergierte Trockenschmierstoffe. Jedoch treten infolge einer schlechten Dosierung und Verteilung von auf die Gesenkwand aufgebrachter Flüssigkeit Nachteile hinsichtlich der Größe und Form des Grünpresslings auf. Darüber hinaus stellt die Verwendung dispergierter Trockenschmierstoffe aufgrund des Vorhandenseins von flüssigen Lösungsmitteln zahlreiche Gefahren für die Gesundheit, Sicherheit und Umwelt dar. Die Erfinder waren der Ansicht, dass es nützlich sein würde, Trockenschmierstoffe direkt auf die Gesenkwand aufzubringen, doch war bis dahin kein Gerät oder Verfahren verfügbar, um dies zu tun.
In der FR-A-2 253 570 ist ein Gerät zur Schmierung von Gesenkformen offenbart, bei dem ein ausgewählter Schmierstoff über einen Koronaeffekt geladen und danach auf die Innenwände der Form aufgebracht wird, an denen die Schmierstofftelichen anhaften. Dieses Gerät ist nach wie vor mit einigen der vorstehend genannten Nachteile verbunden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, gewisse Probleme und Nachteile des Stands der Technik zu lösen und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Metallverbundwerkstoffteils durch Pulvermetallurgie bereitzustellen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein umweltverträgliches Verfahren zur Herstellung eines Metallverbundwerkstoffteils bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallverbundwerkstoffteils bereitzustellen, durch das es nicht mehr notwendig ist, in die Metallpulverzusammensetzung einen inneren Schmierstoff einzubringen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallverbundwerkstoffsteils bereitzustellen, das eine Enddichte von mehr als 7,30 g/cm³ aufweist.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, die zum gleichmäßigen Aufsprühen eines Trocken- oder Nassschmiermaterials auf eine Gesenkoberfläche imstande ist.
Diese und weitere Aufgaben werden durch ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Grünpresslings und eines Metallverbundwerkstoffteils durch Pulvermetallurgie gelöst, bei dem die Metallpulverzusammensetzung in eine Gesenkvertiefung gepresst wird, dessen Wandflächen geschmiert worden sind, indem triboelektrisch geladene Schmierstoffe in entweder trockener oder flüssiger Form elektrostatisch auf Wandflächen der Gesenkvertiefung aufgesprüht wurden, die durch ein elektrisches Feld umkehrend geladen wurden. Durch dieses Verfahren wird vermieden, dass ein innerer Schmierstoff in die pulvermetallurgische Zusammensetzung eingebracht werden muss, was dazu führt, dass das Metallverbundwerkstoffteil eine größere Dichte und Festigkeit aufweist. Außerdem ist die Erfindung umweltverträglich, da Trockenschmierstoffe eingesetzt werden können, ohne dass sie in flüchtigen Lösungsmitteln dispergiert werden.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben auch durch eine Vorrichtung zum Aufsprühen eines Nass- oder Trockenschmiermaterials gelöst, die eine Sprüheinrichtung zum Sprühen des Schmiermaterials, eine Aufladeeinrichtung zur Aufbringung einer elektrischen Ladung auf das Schmiermaterial und eine Einrichtung zur Beaufschlagung einer an einem Pulvermetallurgie-Gesenk angeordneten Elektrode mit einem umkehrbaren Potential umfasst. Das Potential verursacht eine elektrische Anziehung, die zwischen dem geladenen Schmiermaterial und dem Pulvermetallurgie- Gesenk auftritt.
Genauer stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Grünpresslings bereit, das die Schritte Bereitstellen eines Gesenks mit einer durch Wandflächen definierten Vertiefung; Auswählen einer zur Pulvermetallurgie geeigneten Metallpulverzusammensetzung; Auswählen eines zur Pulvermetallurgie geeigneten Gesenkwand-Schmierstoffs; triboelektrisches Aufladen des Schmierstoffs mit einem Verhältnis von Ladung zu Masse von mehr als 0,2 uC/g; elektrostatisches Anziehen eines Schmierstoffs an den Wandflächen des Gesenks; umkehrend Laden der Polarität des Gesenks; Füllen der Gelenkvertiefung mit der Metallpulverzusammensetzung; und Verdichten der Metallpulverzusammensetzung in dem Gesenk umfasst, um einen Grünpressling auszubilden.
Bei einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Metallverbundwerkstoffteils, das die obengenannten Schritte sowie die Schritte Entfernen des Grünpresslings aus dem Gesenk und Sintern des Grünpresslings umfasst, um das Metallverbundwerkstoffteil auszubilden.
In beiden obengenannten Ausführungsbeispielen kann die Gesenkvertiefung und die Metallpulverzusammensetzung vor dem Verdichtungsschritt auf eine hohe Temperatur von bis zu 371,1ºC (700ºF) vorerhitzt werden. Außerdem kann bei beiden obengenannten Ausführungsbeispielen die Metallpulverzusammensetzung mit etwa einer triboelektrischen Aufladung elektrostatisch geladen werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf eine Pulvermetallurgievorrichtung, die eine Einrichtung zur Aufnahme eines eine Gesenkvertiefung aufweisenden Gesenks; eine triboelektrische Aufladeeinrichtung zur Aufladung eines Gesenkwand-Schmiermaterials; eine Sprüheinrichtung zum Sprühen triboelektrisch geladenen Schmiermaterials in die Gesenkvertiefung; eine Ladeeinrichtung zur Erzeugung eines umkehrbaren elektrischen Felds in der Gesenkvertiefung; und eine Einrichtung zur Erwärmung der Gesenkvertiefung umfasst.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 stellt die vorausgesagten Verdichtbarkeitskurven von schmierstofffreien Metallpulverzusammensetzungen, die unter Verwendung von sowohl Kalt- als auch Warmpressen in einem elektrostatisch mit einem erfindungsgemäßen Schmierstoff besprühten Gesenk verdichtet werden, und die Verdichtbarkeitskurven von Vergleichsmetallpulverzusammensetzungen dar, die auf herkömmliche Weise mit einem inneren Festschmiermittel gemischt und unter Verwendung von sowohl Kalt- als auch Warmpressen in einem ungeschmierten Gesenk verdichtet werden.
Fig. 2 stellt die vorausgesagten Verdichtbarkeitskurven beim Verdichten von mit unterschiedlichen Mengen an innerem Schmierstoff gemischten Metallpulverzusammensetzungen in einem elektrostatisch mit einem Schmierstoff besprühten Gesenk dar.
Fig. 3 stellt die vorausgesagten Grünkörperfestigkeitskurven beim Verdichten von mit unterschiedlichen Mengen an innerem Schmierstoff gemischten Metallpulverzusammensetzungen in einem elektrostatisch mit einem Schmierstoff besprühten Gesenk dar.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei dieser Erfindung wird der Schmierstoff elektrostatisch in entweder flüssiger oder fester Form auf die Wandflächen des Gesenks aufgebracht. Genauer wird der Schmierstoff elektrostatisch in Form eines Aerosols aus feinen Flüssigkeitströpfchen oder festen Teilchen aufgebracht. Die Flüssigkeitströpfchen oder festen Teilchen weisen vorzugsweise eine Größe von 100 Mikron bzw. Mikrometer oder weniger, besser noch von 50 Mikron oder weniger und am besten von 15 Mikron oder weniger auf.
Durch elektrostatisches Aufladen der Flüssigkeitströpfchen oder festen Teilchen kann auf die Wandflächen, die zumindest teilweise leitend sind, schnell und gleichmäßig ein dünner schmierender Überzug aufgebracht werden. Die elektrostatisch aufgesprühten Tröpfchen oder Teilchen werden durch Bildkräfte, die durch die sich nähernden geladenen Teilchen induziert werden, an die Wandflächen gezogen und dort gehalten. Dieselben Kräfte gestatten zusammen mit der Raumladungswolke aus Tröpfchen oder Teilchen, dass sich die Tröpfchen oder Teilchen um Ecken legen, sodass sämtliche Teile der Wandflächen bedeckt werden. Der Überzug ist gleichmäßig, da die Ladung, die an zuvor abgeschiedenen Teilchen zurückgehalten wird, die Tendenz zeigt, ankommende Teilchen oder Tröpfchen zu unbedeckten Stellen abzulenken.
Geeignete Vorrichtungen zur mit der Erfindung übereinstimmenden elektrostatischen Aufbringung von Schmiermaterialien weisen zum Beispiel die folgenden Komponenten auf: eine Düse zum Sprühen eines festen oder flüssigen Schmierstoffs; ein unterhalb der Düse angeordnetes und ein P/M-Gesenk bildendes Substrat; und eine polaritätsumkehrbare Hochspannungsenergiequelle für Gleichspannung.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wird von der Düse aus Schmierstoff versprüht und mit einer triboelektrischen Ladung versehen. Da das Gesenk mit Masse verbunden ist, wirkt zwischen dem Schmiermaterial und dem Gesenk gleichzeitig eine elektrische Anziehung, wobei der Schmierstoff das P/M-Gesenk erreicht, um darauf abgeschieden zu werden. An eine von dem Gesenk elektrisch isolierte Elektrode wird eine umkehrbare Gleichspannung von 100 V - 50 kV angelegt, um die Anziehung des einpolig geladenen Schmierstoffs zu dem Gesenk zu verbessern.
Die Schmierstoffe, die erfindungsgemäß elektrostatisch aufgesprüht werden können, weisen idealerweise eine geringe elektrische Leitfähigkeit und einen ausreichenden spezifischen Widerstand auf, sodass die Ladungen bei den abgeschiedenen Tröpfchen oder Teilchen für eine ausreichende Zeitdauer zurückgehalten werden, um die Anhaftung an die Wandflächen sicherzustellen.
Wie vorstehend beschrieben ist, können die Schmierstoffe entweder in trockener oder flüssiger Form vorliegen. Geeignete Trockenschmierstoffe schließen Metallstearate wie etwa Zinkstearat, Lithiumstearat und Kalziumstearat, Ethylendistearamid, Fettsäuren auf Polyolefinbasis, Fettsäuren auf Polyethylenbasis, Seifen, Molybdändisulfid, Graphit, Mangansulfid, Kalziumoxid, Bornitrid, Polytetrafluorethylen sowie natürliche und künstliche Wachse ein. Besonders bevorzugt ist Ethylendistearamid, das beispielsweise kommerziell unter dem Markennamen Acrawax® von Lonza Corp. verkauft wird.
Geeignete Flüssigschmierstoffe schließen in Flüssigkeit dispergierte feste Schmierstoffe, wie sie vorstehend diskutiert wurden; Schmierstoffe auf Ölbasis wie etwa Erdöle, Silikonöle und Kohlenwasserstofföle; Schmierstoffe auf Lösungsmittelbasis wie etwa Polyglykole und Polyphenylether; und Schmierstoffe auf Wasserbasis wie etwa Seifen und wässrige Wachsemulsionen ein.
Sämtliche Fest- und Flüssigschmierstoffe können als Einzelkomponentenschmierstoffe oder bei Beimengungen von zwei oder mehr Schmierstoffen verwendet werden. Außerdem können Fest- und Nassschmierstoffe unterschiedlicher Art in jeder gewünschten Kombination verwendet werden.
Bei dem Vorgang des elektrostatischen Sprühens des Schmierstoffs auf die Wandflächen eines Gesenks wird Schmierstoff in Form fester Teilchen oder flüssiger Tröpfchen aus einer Düse ausgestoßen, die vorzugsweise eine Tribogun® darstellt. Die festen Schmierstoffteilchen können trocken oder, falls gewünscht, in einem beliebigen geeigneten Lösungsmittel oder Lösungsmittelsystem dispergiert gesprüht werden.
Die festen Schmierstoffteilchen oder flüssigen Schmierstofftröpfchen können in Luft oder in einem anderen Dispersionsmittel wie etwa Isopropylalkohol, n-Hexan, Butan, Freon® (fluorierter Wasserstoff; Markenzeichen von E. I. Du Pont de Nemours & Co.) und dergleichen ausgestoßen werden. Wenn als Medium zur Dispersion fester Schmierstoffteilchen oder flüssiger Schmierstofftröpfchen ein anderes Dispersionsmittel als Luft verwendet wird, wird das Dispersionsmittel anschließend verdampfen gelassen. Die Schmierstoffteilchen oder -tröpfchen werden vorzugsweise elektrostatisch mit einer derartigen Dicke aufgesprüht, dass der zum Ausstoßen des Grünpresslings erforderliche Ausstoßdruck minimiert wird. Natürlich kann die Dicke so geändert werden, dass insofern wünschenswerte Ausstoßkräfte erzielt werden, als die P/M-Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden.
Die bei der Erfindung verwendete Art von Metallpulverzusammensetzung kann eine beliebige herkömmliche Metallpulverzusammensetzung sein, was unter anderem Eisen-, Stahl- oder Stahllegierungspulver einschließt. Typische Eisenpulver sind die von Quebec Metal Powders Limited (QMP) aus Tracy, Quebec, Kanada, d. h. der Anmelderin dieser Erfindung hergestellte Atomet®-Eisenpulver. Typische Stahl- oder Stahllegierungspulver schließen von QMP hergestelltes Atomet® 1001, 1001 HP, 4201, 4401 und 4601 ein. Das Metallpulver weist im allgemeinen eine maximale Teilchengröße von weniger als etwa 300 Mikron und vorzugsweise weniger als etwa 212 Mikron auf. Das Metallpulver kann auch mit einem geeigneten Bindemittel gebunden sein, wie etwa mit denen, die in den US-Patentschriften Nr. 3 846 126, 3 988 524, 4 062 678, 4 834 800 und 5 069 714 offenbart sind, deren Offenbarungsinhalt somit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Der Fachmann wird ohne weiteres dazu in der Lage sein, alternative oder gleichwertige Metallpulver zu erkennen.
Das Schmiermittel wird durch triboelektrische Aufladung elektrostatisch geladen. Das Schmiermittel kann aufgeladen werden, indem die Zusammensetzung auf einem Luftzug durch ein spiralförmiges Teflonrohr hindurchgeleitet wird. Das Verhältnis von Ladung zu Masse des triboelektrisch aufgeladenen Schmierstoffs sollte mehr als 0,2 uC/g und im allgemeinen mehr als 0,6 uC/g betragen, wobei ein Verhältnis von Ladung zu Masse von mehr als etwa 1,2 uC/g bevorzugt wird. Natürlich kann die Polarität des Verhältnisses Ladung zu Masse in Abhängigkeit von den ausgewählten Materialien unterschiedlich sein. Die Gesamtladung des geladenen Schmierstoffs kann mit einem Elektrometer gemessen werden. (Das Verhältnis Ladung zu Masse kann gemessen werden, indem der geladene Schmierstoff in einem doppelten Faradaybecher gesammelt wird. Die Masse der geladenen Zusammensetzung kann ohne weiteres ermittelt werden, indem sämtliches Pulver, das in dem Faradaybecher gesammelt wurde, sorgfältig entfernt und mit einer Standardwaage mit einer Empfindlichkeit von 1 mg gewogen wird.)
Die Metallpulverzusammensetzung wird in einem Gesenk gewünschter Form verdichtet. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann das Gesenk auf ein Warmpressen und eine beliebige Konfiguration hin angepasst sein, um eine endabmessungsnahe Verdichtung zu erzielen und das Ausdrücken aus der Gesenkvertiefung zu erleichtern.
Die Verdichtung kann durch einen beliebigen Vorgang einschließlich Warmpressen und Kaltpressen erfolgen.
Allgemein gesagt wird ein Warmpressen bei einem Druck von etwa 4,63 · 10&sup8; Pa bis 9,27 · 10&sup8; Pa [30 bis 60 tsi (Tonnen pro Quadratzoll)] und einer Temperatur von etwa 50 bis 300ºC und ein Kaltpressen bei einem Druck von etwa 2,32 · 10&sup8; Pa bis 9,27 · 1010&sup8; Pa [15 bis 60 tsi] und einer Temperatur von etwa 15 bis 50ºC durchgeführt.
Nachdem der Grünpressling aus der Gesenkvertiefung ausgedrückt wurde, wird er gesintert, um das Metallverbundwerkstoffteil auszubilden. Zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Metallverbundwerkstoffteils kann ein beliebiger herkömmlicher Sintervorgang eingesetzt werden. Das Sintern erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 1000 bis 1300ºC und für eine Dauer von 10 bis 60 Minuten. Weil dem Grünpressling vorzugsweise sämtlicher innerer Schmierstoff fehlt, kann das Sintern ein Induktionserhitzen umfassen. In diesem Fall kann ein Vorsintern entfallen.
Natürlich ist diese Erfindung für beliebige P/M-Verfahren geeignet, was zum Beispiel Organo-Bindeverfahren, wie sie etwa in der US-Patentschrift Nr. 5 069 714 offenbart sind, Doppelpress-Doppelsinter-Verfahren, wie sie etwa in der am 26. Mai 1993 eingereichten, gemeinsam übertragenen und mitanhängigen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/067 282 offenbart sind, und Verfahren zur Herstellung eines weichen Verbundwerkstoff-Eisenmaterials einschließt, wie sie etwa in der am 14. Mai 1993 eingereichten, gemeinsam übertragenen und mitanhängigen US- Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/060 965 offenbart sind. Das erfindungsgemäße Metallverbundwerkstoffteil ist, falls gewünscht, dazu imstande, eine Enddichte von mehr als 7,30 g/cm³ und/oder eine Sinterfestigkeit von mehr als 2000 MPa zu erzielen.
Besonders hohe Gründichten lassen sich erfindungsgemäß erzielen, wenn die gepressten Zusammensetzungen kleine Mengen an innerem Schmierstoff in der Größenordnung von 0,1-0,4 Gew.-% und vorzugsweise 0,2-0,3 Gew.-% enthalten (im Gegensatz zu den bekanntermaßen allgemein verwendeten 0,75 Gew.-% bei fehlender Gesenkwandschmierung).
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der folgenden Beispiele veranschaulicht.

Bezugsbeispiel 1

(außerhalb des erfindungsgemäßen Schutzbereichs) Ein rechteckiges, Wandflächen aufweisendes (TRS-) Gesenk wird elektrostatisch mit einem festen Acrawax®- Schmiermittel besprüht, indem mittels komprimierter Luft Acrawax®-Teilchen in eine Tribopistole eingeblasen werden. Die geladenen Teilchen werden dann auf die Gesenkwandflächen aufgesprüht. Das Gesenk wird daraufhin auf eine Temperatur von 80ºC erwärmt und eine Metallpulverzusammensetzung aus Atomet® 4401 + 1,0% Cu + 2,2% Ni + 0,7% C eingespritzt. Die Metallpulverzusammensetzung wird dann in dem Gesenk bei Drücken von 4,63 · 10&sup8; Pa, 6,18 · 10&sup8; Pa, 7,72 · 10&sup8; Pa und 9,27 · 10&sup8; Pa [30, 40, 50 und 60 tsi] verdichtet, während die Gelenktemperatur bei 250ºC gehalten wird. Die vorausgesagte Verdichtbarkeitskurve ist in Fig. 1 dargestellt. Zusätzliche Grünpresslinge werden durch Verdichten der Metallpulverzusammensetzung bei lediglich 7,72 · 10&sup8; Pa [50 tsi] verdichtet. Die auf diese Weise erzeugten Grünpresslinge werden dann aus dem Gesenk ausgedrückt und bei einer Temperatur von 1120ºC für 25 Minuten gesintert. In Tabelle 1 sind die vorausgesagten Eigenschaften der Presslinge im grünen und im gesinterten Zustand angegeben.

Vergleichsbeispiel 1

Mit Ausnahme dessen, dass in die Metallpulverzusammensetzung 0,5% fester Zinkstearat-Schmierstoff eingemischt und das Gesenk nicht elektrostatisch mit einem Schmierstoff besprüht wurde, wurde der in Beispiel 1 beschriebene Vorgang durchgeführt. Die Verdichtbarkeitskurve ist in Fig. 1 dargestellt, und die Eigenschaften der Presslinge im grünen und im gesinterten Zustand bei 50 tsi sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
Wie in Tabelle 1 zu erkennen ist, ist sowohl die Grünfestigkeit des Grünpresslings als auch die Sinterfestigkeit des Metallverbundwerkstoffteils, die durch Verdichten der Metallpulverzusammensetzung in dem elektrostatisch mit Graphit besprühten Gesenk ausgebildet wurden, deutlich höher als bei dem Grünpressling und dem Metallverbundwerkstoffteil, die durch Verdichten der mit 0,5% Zinkstearat gemischten Metallzusammensetzung in dem nicht elektrostatisch mit einem Schmierstoff besprühten Gesenk ausgebildet wurden. Bei dem Metallverbundwerkstoffteil, dass durch Verdichten in dem elektrostatisch mit Graphit besprühten Gesenk ausgebildet wurde, ist außerdem die Enddichte höher.

Bezugsbeispiel 2

(außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung)

Ein rechteckiges, Wandflächen aufweisendes Gesenk wird elektrostatisch mit Acrawax-Schmierstoff besprüht, indem mittels komprimierter Luft Acrawax-Teilchen in eine Tribopistole geblasen werden, in der die Graphitteilchen durch Gleichstrom aufgeladen werden. Die geladenen Teilchen werden dann auf die Gesenkwandflächen aufgesprüht und eine Metallpulverzusammensetzung aus Atomet® 1001 in das geschmierte Gesenk eingespritzt. Die Metallpulverzusammensetzung wird dann in dem Gesenk bei Drücken von 4,63 · 10&sup8; Pa, 6,18 · 10&sup8; Pa und 7,72 · 10&sup8; Pa [30 tsi, 40 tsi und 50 tsi] kaltgepresst. Die vorausgesagte Verdichtbarkeitskurve ist in Fig. 1 dargestellt.

Vergleichsbeispiel 2

Mit Ausnahme dessen, dass 0,4% fester Zinkstearat- Schmierstoff zu der Metallpulverzusammensetzung hinzugegeben wurden und das Gesenk nicht elektrostatisch mit einem Schmierstoff besprüht wurde, wurde der in Beispiel 2 beschriebene Vorgang durchgeführt. Die sich ergebende Verdichtbarkeitskurve ist in Fig. 1 dargestellt.
Aus Fig. 1 geht hervor, dass Grünpresslinge, die durch Warmpressen von Metallpulverzusammensetzungen in einer elektrostatisch mit einem Acrawax-Schmierstoff besprühten Gesenk ausgebildet werden, eine Gründichte von etwa 7,0 bis etwa 7,5 g/cm³ aufweisen, was höher als der Gründichtenbereich von etwa 6,9 bis 7,4 g/cm³ ist, der von Grünpresslingen erzielt wird, die durch Warmpressen der mit 0,5% Zinkstearat gemischten Metallpulverzusammensetzungen in einer nicht elektrostatisch mit einem Schmierstoff besprühten Gesenk ausgebildet werden.
Außerdem geht aus Fig. 1 hervor, dass Grünpresslinge, die durch Kaltpressen von Metallpulverzusammensetzungen in einem elektrostatisch mit Acrawax-Schmierstoff besprühten Gesenk ausgebildet werden, bei 4,63 · 10&sup8; Pa und 6,18 · 10&sup8; Pa [30 und 40 tsi] eine niedrigere Gründichte als Grünpresslinge aufweisen, die durch Kaltpressen von mit 0,4% Zinkstearat gemischten Metallpulverzusammensetzungen in einem nicht elektrostatisch mit einem Schmierstoff besprühten Gesenk ausgebildet werden. Bei 7,72 · 10&sup8; Pa [50 tsi] ist jedoch die Gründichte bei beiden im wesentlichen die gleiche.

Bezugsbeispiel 3

(außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung)

Metallpulverzusammensetzungen aus Atomet® 1001 werden getrennt mit 0,0, 0,2 und 0,4% Acrawax® C Ethylendistearamid-Wachs gemischt und bei verschiedenen Drücken in einem Gesenk kaltgepresst, dessen Wandflächen vorher elektrostatisch mit Zinkstearat besprüht wurden. Die vorausgesagten Verdichtbarkeits- und Grünfestigkeitskurven sind in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die vorausgesagten Wirkungen, wenn vor der Verdichtung ein fester Schnierstoff in die Metallpulverzusammensetzung eingebracht wird. Fig. 2 gibt an, dass die Einbringung eines festen Schmierstoffs in die Metallpulverzusammensetzung bei mehr als 6,18 · 10&sup8; Pa [mehr als 40 tsi] auf die Gründichte des Grünpresslings eine minimale Wirkung hat. In Fig. 3 ist klar der vorausgesagte Vorteil gezeigt, der sich durch das Fehlen des Schmiermittels in der Metallpulverzusammensetzung ergibt, wonach die Grünfestigkeit eines Grünpresslings, der durch Verdichten der Metallpulverzusammensetzung ohne Acrawax® C ausgebildet wird, wesentlich höher als die Grünfestigkeit der Metallpulverzusammensetzungen ist, die mit 0,2 und 0,4% Acrawax C gemischt werden.

Vergleichsbeispiel 3

Verschiedene pulvrige Schmierstoffe (und zwar Graphit, Bornitrid, Acrawax® C und Lithiumstearat) wurden triboelektrisch aufgeladen, indem sie manuell in ein gewundenes, 80 cm langes Teflon®-Rohr eingefüllt und auf einem Luftschwall bei einem Druck von etwa 735,75 N [75 kP] durch das Rohr hindurchgeleitet wurden.
Die Schmierstoffe wurden auf ein Prüfgesenk aufgebracht, das aus zwei Aluminiumzylindern und einer Acrylgrundplatte aufgebaut war, wobei die Grundplatte die zwei Zylinder mit einem konstanten Abstand von 1,3 cm zwischen ihnen an Ort und Stelle hielt. Die Zylinder ragten um 3,5 cm von der Acrylgrundplatte vor, sodass sich eine ringförmige Vertiefung von 1,3 cm und 3,5 cm im Querschnitt ergab. Der Außendurchmesser dieser Vertiefung betrug 12 cm. Die geladenen Schmierstoffe traten aus dem Teflon®- Rohr ungefähr 10 cm oberhalb des Prüfgesenks aus, wurden aber nicht gleichmäßig oder mit angemessener Menge auf den Wänden der Gesenkvertiefung abgeschieden.
Das Verhältnis von Ladung zu Masse wurde für jeden Schmierstoff berechnet, indem die Gesamtladung durch die Masse des in dem Faradaybecher gesammelten Pulvers dividiert wurde. Im Fall der Graphit- und Bornitridpulver waren die Ergebnisse nicht regelmäßig und unterlagen gewissen Schwankungen der Polarität. Die Acrawax®- und Lithiumstearatpulver wurde beide positiv aufgeladen.
In Tabelle 2 ist für fünf Proben aus jeweils Acrawax® oder Lithiumstearat das gemessene Verhältnis von Ladung zu Masse und das durchschnittliche Verhältnis von Ladung zu Masse der jeweiligen fünf Proben angegeben. Tabelle 2

Beispiel

Um die Abscheidung der gemischten Zusammensetzungen gemäß Vergleichsbeispiel 3 weiter zu unterstützen, wurde um die Außenseite des Gesenks ein Ringelektrode platziert. An die Elektrode wurde ein Potential angelegt und in dem Gesenk wie vorstehend beschrieben ein Schwall triboelektrisch aufgeladenen Schmiermittels abgeschieden. Die Abscheidung des geladenen Schmierstoffs in dem Gesenk geschah sehr schnell und ergab auf einer der Flächen des Gesenks eine dicke und gleichmäßige Schicht aus aufgeladenem Schmierstoff. Bei positiver Polarität der Elektrode wurde lediglich auf der Außenfläche des inneren Gesenkrings geladener Schmierstoff abgeschieden; und bei einer Umkehrung der Polarität wurde lediglich auf der Innenfläche des äußeren Gesenkrings geladener Schmierstoff abgeschieden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele erläutert wurde, sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Einzelheiten beschränkt ist. Der Fachmann wird ohne weiteres im Rahmen des Schutzumfangs der Erfindung, der durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist, zahlreiche Änderungen und Abwandlungen erkennen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Grünpresslings, mit den Schritten:

Bereitstellen eines Gesenks mit einer durch Wandflächen definierten Vertiefung;

Auswählen einer zur Pulvermetallurgie geeigneten Metallpulverzusammensetzung;

Auswählen eines zur Pulvermetallurgie geeigneten Gesenkwand-Schmierstoffs;

triboelektrisches Aufladen des Schmierstoffs mit einem Verhältnis von Ladung zu Masse von mehr als 0,2 uC/g;

elektrostatisches Anziehen des geladenen Schmierstoffs an einer Wandfläche des Gesenks;

umkehrend Laden der Polarität des Gesenks;

Füllen der Gesenkvertiefung mit der Metallpulverzusammensetzung; und

Verdichten der Metallpulverzusammensetzung in dem Gesenk, um einen Grünpressling auszubilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schmierstoff elektrostatisch in trockener Form aufgesprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schmierstoff elektrostatisch als feste Teilchen aufgesprüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Verdichten einer Temperatur von etwa 50ºC bis 300ºC stattfindet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schmierstoff aus Metallstearaten, Ethylendistearamid, Fettsäuren auf Polyolefinbasis, Fettsäuren auf Polyethylenbasis, Seifen, Molybdändisulfid, Graphit, Mangansulfid, Kalziumoxid, Bornitrid, Polytetrafluorethylen oder natürlichen oder künstlichen Wachsen ausgewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schmierstoff aus in Flüssigkeit dispergierten festen Schmierstoffen, Schmierstoffen auf Ölbasis, Schmierstoffen auf Lösungsmittelbasis und Schmierstoffen auf Wasserbasis ausgewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Metallpulverzusammensetzung aus Eisen-, Stahl- oder Stahllegierungspulvern ausgewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Metallpulverzusammensetzung nicht mit einem Schmierstoff gemischt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit außerdem den Schritten:

Entfernen des Grünpresslings aus dem Gesenk; und

Sintern des Grünpresslings, um ein Metallverbundwerkstoffteil auszubilden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Metallverbundwerkstoffteil eine Dichte von mehr als 7,30 g/cm³ aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Metallverbundwerkstoffteil eine Sinterfestigkeit von mehr als 2000 MPa aufweist.

12. Pulvermetallurgievorrichtung, mit:

einer Einrichtung zur Aufnahme eines eine Gelenkvertiefung aufweisenden Gesenks;

einer triboelektrischen Aufladeeinrichtung zur Aufladung von Gesenkwand-Schmiermaterial;

einer Sprüheinrichtung zum Sprühen triboelektrisch geladenen Schmiermaterials in die Gesenkvertiefung;

einer Einrichtung zur Erzeugung eines umkehrbaren elektrischen Felds in der Gesenkvertiefung; und

einer Einrichtung zur Erwärmung der Gesenkvertiefung.

13. Pulvermetallurgievorrichtung, mit:

einer Einrichtung zur Erwärmung einer Pulvermischung und einer Einbringeinrichtung zur Einbringung der erwärmten Pulvermischung in die Gesenkvertiefung.