DE69601790T2

DE69601790T2 - Verfahren zum pressen und sinteren eines metallpulverformkörpers

Info

Publication number: DE69601790T2
Application number: DE69601790T
Authority: DE
Inventors: Theodore Hubbard
Original assignee: Sinter Metals Inc
Current assignee: Sinter Metals Inc
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2016-04-12
Also published as: EP0822876B1; EP0822876A1; JP2001073011A; WO1996033832A1; BR9608143A; JPH11501989A; ATE177668T1; US5503795A; CA2219319C; DE69601790D1; CA2219319A1; ES2128854T3; US5772748A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von gepreßten und gesinteren Metallpulverbauteilen. Die vorliegende Erfindung ist im Besonderen für Metallpreßteile anwendbar, die ringförmige Aussparungen, Hinterschneidungen, innenliegende Hohlräume und dergleichen benötigen.
In jüngster Zeit wurde die Pulvermetallurgie ((P/M) zu einer echten Alternative zu herkömmlichen Gießverfahren und Maschinenfertigungsverfahren, um Metallbauteile herzustellen. Bei einem P/M-Verfahren wird ein Metallpulver in eine Form gegeben und anschließend unter sehr hohen Drücken von üblicherweise etwa 20 bis 80 t/in² gepreßt. Das Preßteil wird aus der Form als ein "Preßling" ausgestoßen. Die Preßlinge werden dann in einem Brennofen bei Betriebstemperaturen von üblicherweise 2000 bis 2500ºF gesintert. Der Sinterprozeß schweißt die einzelnen Metallpulverkörner effektiv zu einem Festkörper von beträchtlicher mechanischer Festigkeit zusammen. Das P/M-Verfahren kann generell eingesetzt werden, um Teile aus beliebigem Metall herzustellen, wobei die Sintertemperaturen in erster Linie jeweils in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur des Metalltyps bestimmt werden.
P/M-Teile weisen gegenüber herkömmlichen Gießteilen oder maschinell gefertigten Teilen zahlreiche erhebliche Vorteile auf. P/M-Teile können mit äußerst komplizierten Merkmalen geformt werden, was die bei einer herkömmlichen maschinellen Fertigung erforderliche spanabtragende Bearbeitung unnötig macht. P/M-Teile können bei Toleranzen innerhalb von etwa 4/1000 oder 5/1000, einem für viele Maschinenoberflächen akzeptables Präzisionsmaß, ausgebildet werden. Oberflächen, die engere Toleranzen erfordern, kön nen rasch und einfach maschinell hergestellt werden, da nur eine geringe Metallmenge abgetragen werden muß. Die Oberflächen der P/M-Teile sind sehr glatt und weisen eine ausgezeichnete Oberfläche auf, die als eine Lagerfläche geeignet wäre.
Das P/M-Verfahren ist im Vergleich zu anderen Verfahren ferner sehr effizient. Durch P/M-Verfahren können je nach Größe und Grad der Komplexität üblicherweise 200 bis 200 Teile pro Stunde produziert werden. Die Formen halten üblicherweise Tausenden von Betriebsstunden stand, bevor sie verschleißen und ausgetauscht werden müssen. Da nahezu das gesamte Metallpulver, das in die Form kommt, Bestandteil des Endprodukts ist, weist das P/M-Verfahren in materieller Hinsicht einen Wirkungsgrad von etwa 97% auf. Während des Sinterns muß nur das Preßteil auf eine Temperatur erhitzt werden, die eine Verschmelzung der Metallpulverkörner ermöglicht. Diese Temperatur ist üblicherweise viel niedriger als der Schmelzpunkt des Metalls, so daß das Sintern einen in energetischer Hinsicht wesentlich höheren Wirkungsgrad hat als vergleichbare Gießverfahren.
P/M-Teile sind von Natur aus leicht porös. Aufgrund des Wesens des Metallpulvers und des Verdichtungsprozesses gibt es von Natur aus einige Fehlstellen bzw. Hohlräume, in denen die Metallpulverpartikel unvollständig gepreßt sind. Diese Hohlräume sind eine Funktion der Preßdrücke und der Pulverpartikelgeometrie. Die Hohlräume (und damit die Porösität) läßt sich somit dem gewünschten Grad entsprechend steuern. Strukturteile können produziert werden, die eine Dichte von 80 bis 95% von Feststoffmetallteilen bei vergleichbaren mechanischen Festigkeiten aufweisen.
Die Porosität von P/M-Teilen kann vorteilhafterweise genutzt werden. Die Hohlräume stellen im wesentlichen ein "blasiges" Netzgefüge dar, das die Mikrostruktur des P/M- Teils durchdringt. Diese Hohlräume können mit Öl vakuumim prägniert werden, um selbstschmierende Teile mit Eigenschaften zu schaffen, denen herkömmliche Gieß- und Maschinenfertigungsteile nicht gleichgekommen können. Die Porösität erzeugt ferner eine erhebliche Geräuschdämpfung, die zu geräuschärmeren Teilen führt, die während des Betriebs nicht vibrieren oder "klingen". Des weiteren können die Poren mit korrosionsbeständigen Materialien gefüllt oder mit verdampften Metallen "infiltriert" werden, um verschiedene Material- und metallurgische Eigenschaften vorzusehen, die mit herkömmlichen Gieß- und Maschinenfertigungsteilen nicht erzielt werden können.
Trotz der vielen Vorteile von P/M-Teilen, litten die P/M-Teile bislang unter bestimmten Nachteilen. P/M-Teile werden unter hohen Drücken geformt, die über hohe entgegengerichtete Kräfte erzielt werden, die durch eine Presse erzeugt werden. Diese Kräfte werden auf Formteile aufgebracht, die sich in entgegengesetzte Richtungen vertikal geradlinig, vor und zurück bewegen. Die dadurch erzeugten P/M-Teile hatten bislang zwangsläufig ein "vertikales" Profil. Die herkömmliche Formwerkzeuganordnung und deren Betrieb lassen es nicht zu, Querprofilmerkmale in Gestalt von Vertiefungen oder Aussparungen zwischen den Enden des Form- bzw. Preßteils auszubilden. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines derartigen P/M-Teils zur Veranschaulichung der Beschränkung auf ein vertikales Profil. Auch zum Öffen der Form müssen die P/M-Teile zwangsläufig ein vertikales Profil aufweisen. Da sich die Formelemente in entgegengesetzte Richtungen vertikal vor und zurück bewegen, würden P/M-Teile mit Querprofilmerkmalen, d. h. Aussparungen, Hinterschneidungen, Querlöchern oder Gewinden, eine Öffnung der Form verhindern. Wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist, erforderten derartige Profilmerkmale bislang einen weiteren maschinellen Bearbeitungsschritt, der wesentlich zu den Kosten des Teils beiträgt, was in wirtschaftlicher Hinsicht keinen Anreiz für die P/M-Herstellung bietet.
Das herkömmliche P/M-Verfahren ist ferner nicht geeignet zur Herstellung von Elementen mit steil abfallenden Oberflächen. Wenn eine Oberfläche zu steil abgeschrägt ist, wird das Pulver aufgrund der Preßdrücke aus der Form gedrückt, was die Ausbildung eines abgeschrägten Abschnitts verhindert.
Es wurden Versuche unternommen, um P/M-Teile mit einem anderen Profil als einem Querprofil zu versehen. Ein Versuch besteht darin, ein geteiltes Formwerkzeug zu verwenden. Bei diesem Verfahren ist ein Formwerkzeug vorgesehen, an dessen Formoberfläche ein Querprofil ausgebildet ist. Das Formwerkzeug ist in vertikale Abschnitte geteilt, die horizontal hin- und her bewegt werden. Nach dem Pressen durch eine vertikale Kraftbeaufschlagung wird das geteilte Formwerkzeug horizontal geöffnet, um das Preßteil freizugeben. Dieses Verfahren hat seine Grenzen. Der Querprofilabschnitt darf nicht zu groß sein, andernfalls würde er mit der Pulverfüllung in Konflikt geraten. Auch ein großes Profil könnte die Formöffnung behindern, was zu einer Beschädigung der Preßteile und eine Einrichtungsausfallzeit verursachen würde. Darüber hinaus darf der Querprofilabschnitt nicht zu klein sein, andernfalls würde der Formwerkzeugabschnitt unter bestimmten Preßdrücken zum Bruch neigen. Generell erweist sich das Preßverfahren mit dem geteilten Formwerkzeug als sehr kompliziert und neigt zu Schwierigkeiten. In Anbetracht der Grenzen und Komplikationen dieses Verfahrens stellt das Pressen mit dem geteilten Formwerkzeug in wirtschaftlicher Hinsicht keine echte Alternative zum herkömmlichen P/M-Prozeß dar.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von P/M-Teilen mit Aussparungen, Hinterschneidungen und dergleichen besteht darin, zwei Preßteile durch Sintern miteinander zu verbinden. Wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist, werden zwei Teile mit geeignet abgeschrägten Oberflächen einzeln gepreßt und vor dem Sintern zusammengefügt. Beim Sintern wer den die beiden Teile in der Weise miteinander verbunden, daß sie ein einstückiges Teil mit einer geeignet plazierten Aussparung oder Hinterschneidung bilden. Wenngleich dieses Verfahren effektiv ist, sind zwei Preßschritte erforderlich, da die Teile zunächst jeweils separat geformt und dann vor dem Sintern zusammengesetzt werden müssen. Das Sinterverbindungsverfahren erfordert des weiteren zwei komplexe Werkzeugsätze sowie sorgfältige Materialüberlegungen. Daher kann auch dieses Verfahren in wirtschaftlicher Hinsicht keine echte Alternative zum herkömmlichen P/M-Verfahren darstellen.
Das zum Stand der Technik zählende Dokument US-A- 2695320 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallpulverprodukten. Dieses Verfahren besteht in erster Linie darin, daß ein Formwerkzeughohlraum teilweise mit einer Metallpulvermenge gefüllt, das Metallpulver in die gewünschte Form gepreßt und der Preßgegenstand gesintert wird, wobei der Kern durch Infiltration in die Poren des Metallpulvers entweicht und einen Hohlraum, eine Vertiefung oder eine andere Gestaltänderung übrigbleibt, die der Form entspricht, die vorher der infiltrierbare Kern besessen hat.

Darstellung der Erfindung

In Anbetracht der vorstehend aufgezählten Nachteile bei herkömmlichen Verfahren besteht Bedarf nach einem Verfahren zur Herstellung eines P/M-Teils, das ein anderes Profil als ein Vertikalprofil aufweist.
Des weiteren besteht Bedarf nach einem P/M-Verfahren, das die Notwendigkeit nach einer weiteren maschinellen Bearbeitung reduziert.
Darüber hinaus besteht Bedarf nach einem P/M-Verfahren, das eine Aussparung, Hinterschneidung oder Innenfläche in einem Preßschritt vorsieht.
Ferner besteht Bedarf nach einem P/M-Teil, das eine effiziente maschinelle Bearbeitung ohne eine kostspielige Metallabtragung ermöglicht.
Schließlich besteht Bedarf nach einem P/M-Verfahren, das die herkömmlichen Konstruktionsbeschränkungen reduziert.
Diese und weitere Bedürfnisse werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ausbildung eines Metallpreßteils gelöst, das die Schritte: Einsetzen eines Vorformlings bzw. Formkörpers in eine Metallpreßform und Füllen der Form mit einem Metallpulver umfaßt. Das Metallpulver und der Formkörper werden gepreßt, um ein Metallpreßteil zu schaffen, wobei der Formkörper ein an das Metallpreßteil angrenzendes Volumen definiert. Das Metallpreßteil wird aus der Form ausgestoßen und gesintert, um ein Metallsinterteil zu schaffen. Der Formkörper entweicht durch den Sinterschritt in der Weise, daß das angrenzende Volumen zu einem Hohlraumbereich wird.
Der Formkörper kann aus Kupfer hergestellt sein, wodurch er beim Sintern aus dem Metallsinterteil durch Infiltration entweicht. Alternativ dazu kann der Formkörper aus Zink hergestellt sein, so daß er beim Sintern verdampft und auf diese Weise aus dem Metallsinterteil entweicht. Der durch das Entweichen des Formkörpers geschaffene Hohlraumbereich kann jede beliebige Form einschließlich einer Hinterschneidung, einer Abschrägung, einer ringförmigen Aussparung, eines Gewindes oder eines Innenhohlraums sein. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung von P/M-Teilen, die Oberflächen mit anderen Profilmerkmalen als vertikalen Profilmerkmalen aufweisen, die mit bisherigen Verfahren nicht möglich waren.
Die vorstehenden und weitere Merkmale der Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Erfindungsbeschreibung ersichtlich, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung präsentiert, wie sie insbesondere in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die ein allgemeines P/M-Teil zeigt, das die bei einem bisherigen Verfahren inhärenten vertikalen Profilbeschränkungen aufweist.
Fig. 2 zeigt die weitere maschinelle Bearbeitung, die an den durch das bisherige Verfahren hergestellten P/M-Teilen auszuführen ist, um Merkmale hinzuzufügen, die ein anderes Profil als ein vertikale Profil aufweisen.
Fig. 3 zeigt ein mit Aussparungen versehenes Teil, das durch Sinterschweißen zweier Teile gemäß einem bisherigen Verfahren hergestellt wird.
Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, die das Pressen des Formkörpers und das Entweichen des Formkörpers beim Sinter zur Schaffung des gewünschten Hohlraumbereichs umfassen.
Die Fig. 5A, 5B, 5C und 5D zeigen P/M-Teile, die unter Anwendung des Pressens und Entweichends des Formkörpers gemäß dem vorliegenden Verfahren ausgebildet werden können.
Die Fig. 6A, 6B, 6C und 6D zeigen asymmetrische P/M- Teile, die ebenfalls gemäß dem vorliegenden Verfahren ausgebildet werden können.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Das vorliegende P/M-Verfahren behebt die Probleme bisheriger System durch ein technisches Preßverfahren mit einem entfernbaren Formkörper zum Erzeugen von Hinterschneidungen, ringförmigen Aussparungen, Innenhohlräumen und dergleichen. Nun wird auf Fig. 4 Bezug genommen; vorgesehen ist eine P/M-Form 100 mit einem unteren Stempel 102 und einem Formwerkzeug 104. In einem optionalen, einleitenden ersten Schritt wird die Form 100 mit einer Menge eines Metallpulvers 106 teilweise vorgefüllt. Diese optionale Vorfüllung kann leicht gepreßt werden, um das Pulver annähernd in seine endgültige räumliche Gestalt zu stampfen.
Unabhängig davon, ob eine Vorfüllung erfolgt oder nicht, wird ein Vorformling bzw. Formkörper 108 in die Form 100 eingesetzt. Der Formkörper 108 ist vorzugsweise selbst ein Preßteil, das in einem vorausgegangenen Preßschritt gepreßt worden ist. Der Formkörper 108 besteht aus einem Material, das einen Schmelzpunkt hat, der niedriger ist als die Schmelztemperatur des zu sinternden Metallpulvers. Wenn das Metallpulver beispielsweise ein Eisenmetall ist, das eine Schmelztemperatur von 2050ºF hat, ist der Formkörper aus Kupfer oder Zink hergestellt, das eine Schmelztemperatur von 1980ºF bzw. 787ºF hat.
In der bevorzugten Ausführungsform wird die Form 100, nach dem Einsatz des Formkörpers, mit Metallpulver 110 gefüllt. Die Menge des Metallpulvers 110 in der Form 100 ist entscheidend, da die Größe des fertiggestellten Produkts von der Pulvermenge und dem Preßgrad abhängt. Nach dem Einfüllen wird das Pulver gepreßt. Ein oberer Stempel 112 wird in die Form 100 gefahren, und auf den oberen Stempel 112 und den unteren Stempel 102 werden hohe Kräfte aufgebracht, um die für eine vollständige Verdichtung erforderlichen t/in²-Drücke zu erzeugen. Nach dem Pressen wird das Preßteil 114 mit dem im Preßteil 114 eingepreßten Formkörper 108 aus der Form 100 ausgestoßen. Der Formkörper definiert ein Volumen, das an die Oberfläche des Preßteils 114 an grenzt. Dieses Volumen entspricht der Gestalt des gewünschten Merkmals (d. h. der Aussparung, der Hinterschneidung, etc.).
Nach dem Ausstoßen wird das Preßteil 114 mit dem Formkörper 108 in einem Sinterofen 116 gesintert. Wenn die Schmelztemperatur erreicht ist, schmilzt der Formkörper. In einem Eisenteil, das gemäß der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, würde ein Kupferformkörper schmelzen und in dem porösen Netzgefüge des Preßteils 114 aufgenommen werden. Diese Aufnahme oder "Infiltration" führt zu einem fertiggestellten Teil mit einer höheren Festigkeit sowie besseren metallurgischen Eigenschaften. Der Formkörper 108 kann auch aus einem Material, wie z. B. Zink, hergestellt sein, das eine Verdampfungstemperatur von 1665ºF hat. Wenn die Schmelztemperatur des Eisenteils erreicht wird, schmilzt das Zink und verdampft anschließend, wodurch es zu einem Bestandteil der Ofenatmosphäre wird. Auf diese Weise bleibt kein Teil oder Abschnitt des Formkörpers 108 im fertiggestellten Teil zurück.
Nach dem Sintern bleibt ein fertiggestelltes Sinterteil 118 übrig. Der Formkörper 108 ist während des Sinterprozesses vollständig verschwunden. Der Formkörper 108 hat zwangsläufig die Form eines "Spiegelbildes", d. h. das komplementäre Profil der gewünschten Aussparung. Wenn der Formkörper während des Sinterns verschwindet, bleibt am Sinterteil 118 ein Hohlraumbereich zurück, der dem gewünschten Profil, d. h. der Aussparung, der Hinterschneidung, dem Gewinde oder dergleichen, entspricht. Auf diese Weise können komplizierte P/M-Teile mit Querprofilmerkmalen geschaffen werden, die bislang nicht ohne eine zusätzliche maschinelle Bearbeitung möglich waren. Durch das Weglassen dieser maschinellen Bearbeitungen können P/M-Teile mit derart komplizierten Profilen zu 1/3 bis 1/10 der Kosten derjeniger Teile, die eine zusätzliche maschinelle Bearbeitung benötigen, hergestellt werden, was in wirtschaftlicher Hin sicht eine deutliche Verbesserung gegenüber derartigen herkömmlichen Verfahren darstellt.
Beispiele für Formkörper und für die mit dem vorliegenden Verfahren hergestellten Teile sind in Fig. 5 dargestellt. Wie es aus Fig. 5A ersichtlich ist, kann ein Teil 120 mit einer tiefen Hinterschneidung hergestellt werden, indem zunächst ein geeigneter Formkörper 122 eingesetzt wird. Fig. 5B zeigt einen unter Verwendung eines zylindrischen Formkörper 132 hergestellten Körper 130 mit einem Querloch. Fig. 5C zeigt ein Teil 140 mit einer sich verjüngenden Oberfläche, die das entgegengesetzte Profil des entsprechenden Formkörpers 142 aufweist. Fig. 5D zeigt einen mit einem Gewinde versehenen Körper 150, der durch einen mit einem Gewinde versehenen Formkörper hergestellt wird.
Durch das vorliegende Verfahren können bislang nicht in Erwägung gezogene P/M-Teile in Betracht gezogen werden. Wie es aus Fig. 6A ersichtlich ist, ermöglicht eine geeignete Gestaltung des Formkörpers P/M-Teile mit asymmetrischen Profilen 160, die durch einen seitlich versetzten Formkörper 162 herzustellen sind. Wie es aus Fig. 6B ersichtlich ist, können unter Verwendung eines Formkörpers 108, der in der Weise verschwindet, daß er in einem Teil einen Hohlraumbereich übrigläßt, auch Teile 170 mit einem relativ großen Innenraum 172 hergestellt werden. Wie es aus Fig. 6C ersichtlich ist, können nun unter Verwendung eines geeigneten Formkörpers 184 ohne zusätzliche maschinelle Bearbeitung komplizierte Teile, wie z. B. Hydraulikzylinder 180 mit äußerst komplexen Innenprofilen 182 pulvermetallurgisch hergestellt werden.
Wie es aus Fig. 6D ersichtlich ist, kann durch Einbetten eines Innenteils 192 in einen Formkörper 194 vor dessen Pressung auch ein Teil 190 mit dem Innenteil 192 in einem Innenraum hergestellt werden. Dieses Innenteil 192 kann beispielsweise ein Innenzahnrad 192 sein, das ohne eine Scheineinrichtung für einen Eintritt in einem Innenzahnradprofil 196 im Inneraum 194 eingesetzt werden kann. Mit der Erforschung der Möglichkeiten, die das vorliegende Verfahren bietet, werden P/M-Ingenieure in der Lage sein, unter Ausnutzung dieser Vorteile Teile zu konstruieren, und dadurch die Möglichkeiten auf viele zukünftige P/M-Produkttypen auszudehnen.
Die vorangegangene Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels dient nur zur Veranschaulichung und Erläuterung. Insoweit, als vom Fachmann in Erwägung gezogene weitere Abwandlungen und Variationen ausgeschlossen werden, soll die Beschreibung nicht einschränkend sein. Jede beliebige Abwandlung, die der Fachmann angesichts der vorstehenden Lehre in Erwägung zieht, liegt in dem durch die Ansprüche definierten Schutzbereich der Erfindung.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung eines Metallpreßteils, mit folgenden Schritten:

a) teilweises Vorfüllen einer Metallpreßform (100) mit einer bestimmten Menge Metallpulver (106),

b) leichtes Pressen des Pulvers (106), um es annähernd in seine endgültige räumliche Gestalt zu stampfen,

c) Einsetzen eines verdampfbaren Formkörpers (108) in die Form (100),

d) Füllen der Form (100) mit Metallpulver (110),

e) Pressen des Metallpulvers zusammen mit dem Formkörper (108), um ein Metallpreßteil (114) zu schaffen, wobei der Formkörper (108) ein an das Metallpreßteil (114) angrenzendes Volumen definiert,

f) Ausstoßen des Metallpreßteils (114) aus der Form (100),

g) Sintern des Metallpreßteils (114), um ein Metallsinterteil (118) zu schaffen, wobei der Formkörper (108) durch das Sintern infolge von Verdampfung in der Weise entfernt wird, daß das angrenzende Volumen zu einem Hohlraumbereich wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Formkörper Zink aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumbereich eine Hinterschneidung aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumbereich eine Verjüngung aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumbereich eine ringförmige Aussparung aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumbereich ein Gewinde aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumbereich einen Innenhohlraum aufweist.