AT16903U1 - Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils - Google Patents

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AT16903U1 ATGM50188/2019U AT501882019U AT16903U1 AT 16903 U1 AT16903 U1 AT 16903U1 AT 501882019 U AT501882019 U AT 501882019U AT 16903 U1 AT16903 U1 AT 16903U1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils umfassend die Schritte: Bereitstellen eines metallischen Pulvers; Einfüllen des Pulvers in eine Pulverpresse, Pressen des Pulvers zu einem Grünling, Entfernen des Grünlings aus der Pulverpresse, Sintern des Grünlings zum Sinterbauteil mit Poren, Gegebenenfalls Nachverdichten des Sinterbauteils, Härten des Sinterbauteils, wobei die Poren des Sinterbauteils vor dem Härten zumindest im Bereich der Oberfläche des Sinterbauteils, der einer Härtung unterzogen wird, zumindest teilweise mit einem Füllmittel gefüllt werden.

Description

Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils umfassend die Schritte: Bereitstellen eines metallischen Pulvers; Einfüllen des Pulvers in eine Pulverpresse; Pressen des Pulvers zu einem Grünling; Entfernen des Grünlings aus der Pulverpresse; Sintern des Grünlings zum Sinterbauteil mit Poren; Gegebenenfalls Nachverdichten des Sinterbauteils; Härten des Sinterbauteils.
[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Sinterbauteil umfassend einen Bauteilkörper mit einer Oberfläche, die zumindest bereichsweise gehärtet ist.
[0003] Sinterbauteile, also Bauteile, die nach einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt sind, sind in der Technik weit verbreitet. Aufgrund der relativ einfachen Herstellbarkeit von Bauteilen mit komplexer Struktur in hoher Stückzahl haben sie gegenüber Gussbauteilen einen deutlichen Vorteil. Allerdings ist die Porigkeit der Sinterbauteile mitunter auch ein Problem in Hinblick auf diverse Eigenschaften der Sinterbauteile, wie z.B. von deren Festigkeit. Zur Verbesserung der Festigkeit ist es bekannt, die Sinterbauteile zu Härten.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein verbessertes Verfahren zum Härten von einem Sinterbauteil sowie ein danach hergestelltes Sinterbauteil bereitzustellen.
[0005] Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die Poren des Sinterbauteils vor dem Härten zumindest im Bereich der Oberfläche des Sinterbauteils, der einer Härtung unterzogen wird, zumindest teilweise mit einem Füllmittel gefüllt werden.
[0006] Weiter wird die Aufgabe mit dem eingangs genannten Sinterbauteil gelöst, bei dem die Poren im Sinterkörper zumindest im Bereich der gehärteten Oberfläche mit einem Füllmittel zumindest teilweise gefüllt sind.
[0007] Von Vorteil ist dabei, dass mit der zumindest teilweisen Auffüllung der Poren im Bereich der zu härtenden Oberfläche das für Diffusionsvorgänge zur Verfügung stehende Volumen begrenzt wird. Da Poren üblicherweise einer Porengrößenverteilung unterliegen, kommt es bedingt dadurch zu Konzentrationsschwankungen von Bestandteilen, die sich in größeren Poren „anhäufen“. Durch die Begrenzung des Porenvolumens bzw. das vollständige Schließen der Poren kann dies vermieden werden. In der Folge kann damit ein Sinterbauteil bereitgestellt werden, der gleichmäßigere Eigenschaften zumindest im zu härtenden Bereich aufweisen kann.
[0008] Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Füllmittel bereits dem Sinterpulver selbst zugegeben wird, womit das zumindest teilweise Auffüllen der oberflächlichen Poren vereinfacht werden kann.
[0009] Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, das Füllmittel nach dem Sintern des Grünlings zugegeben wird. Es können damit die Poren im zu härtenden Bereich zielgenauer zumindest teilweise ausgefüllt werden. Darüber hinaus kann damit erreicht werden, dass das Sinterbauteil beim zumindest teilweisen Auffüllen der Poren bereits eine höhere Festigkeit aufweist, sodass Bauteilverzüge infolge von Nebenreaktionen zwischen dem Füllstoff und metallischen Bestandteilen des Sinterpulvers oder mit Bestandteilen aus der Umgebungsatmosphäre besser vermieden werden können.
[0010] Als Füllmittel kann gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ein Metall oder eine Metalllegierung eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass damit das Sinterbauteil für das zumindest teilweise Auffüllen der Poren (noch einmal) auf eine höhere Temperatur erhitzt werden kann.
[0011] In der bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird als metallisches Pulver eine Eisenbasispulver eingesetzt, insbesondere gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung eine Legierung, die zwischen 0,1 Gew.-% und 0,9 Gew.-% C, zwischen 0 Gew.-% und 5,0 Gew.-% Ni, zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-% Mo, zwischen 0 Gew.-% und 1 Gew.-% Mn und zwischen 0,1 Gew.-% und 3 Gew.-% Kupfer enthält, wobei den Rest Eisen bildet.
[0012] Zur besseren Anpassung der Bauteileigenschaften auf die Verfahrensweise kann nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Eisenbasispulver eingesetzt wird, das einen Anteil an Kohlstoff aufweist und/oder dass das Sinterbauteil aufkohlend gehärtet wird.
[0013] Wie voranstehend ausgeführt, wird das Sinterbauteil gehärtet. Das Härten erfolgt dabei nach Ausführungsvarianten der Erfindung bevorzugt durch Aufkohlen und anschließendes Abschrecken oder Sinterhärten und anschließendes Abschrecken oder Induktivhärten.
[0014] Dabei kann nach einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass das Aufkohlen mittels Niederdruckaufkohlen oder Carbonitrieren durchgeführt wird. Es kann damit der Vorteil erreicht werden, dass auch bei in axialer Richtung sehr schmalen Sinterbauteilen im Vergleich zu anderen Aufkohlungsverfahren, sehr gezielt Härteprofile eingestellt werden können. Es ist also auch bei diesen Sinterbauteilen möglich, einen weicheren Kern zu erhalten.
[0015] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
[0016] Einführend sei festgehalten, dass die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich, usw., bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
[0017] Die Herstellung der metallischen Sinterbauteile erfolgt nach einem pulvermetallurgischen Verfahren (Sinterverfahren). Derartige Verfahren sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bereits bestens bekannt, sodass sich eine ausführliche Erörterung der Grundzüge dieses Verfahrens erübrigt. Es sei dazu nur so viel ausgeführt, dass das Verfahren im Wesentlichen die Schritte bereitstellen eines Pulvers, einfüllen des Pulvers in eine Pulverpresse, pressen des Pulvers zu einem Grünling, entfernen des Grünlings aus der Pulverpresse, ein- oder mehrstufiges Sintern des Grünlings zum Sinterbauteil, gegebenenfalls nachverdichten des Sinterbauteils und härten des Sinterbauteils umfasst. Im Folgenden wird daher nur auf die Wesentlichen Schritte des Verfahrens nach der Erfindung näher eingegangen. Zu den restlichen Verfahrensschritten sei auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
[0018] Die genannten Verfahrensschritte werden bevorzugt in der angegeben Reihenfolge abgearbeitet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Nachverdichten des gesinterten Grünlings an einer anderen Stelle des Verfahrens durchgeführt wird. Zudem können noch weitere Verfahrensschritte umfasst sein, sodass die voranstehend genannten Verfahrensschritt nicht zwingenderweise unmittelbar aufeinanderfolgend auszuführen sind, wenngleich dies möglich ist.
[0019] Das Sinterbauteil kann eine beliebige Geometrie aufweisen, beispielsweise die Form eines Zahnrades oder eines Lagerdeckels oder eines Lackerbocks oder eines Pins, etc., haben.
[0020] Weiter weist das Sinterbauteil nach dem Sintern Poren auf. Im Rahmen des Verfahrens nach der Erfindung ist nun vorgesehen, dass diese Poren geschlossen werden, und zwar vor dem Härten des Sinterbauteils. Dazu werden zumindest jene Poren zumindest teilweise mit einem Füllmittel aufgefüllt, die in jenem Bereich des Sinterbauteils sind, der gehärtet wird. Das Auffüllen der Poren kann also nur einen Teilbereich der Oberfläche oder die gesamte Oberfläche des Sinterbauteils betreffen.
[0021] Bei der Erfindung werden also die Poren nicht einfach durch Nachverdichten verschlossen, sondern sie werden mit dem Füllmittel in dem besagten Bereich zumindest teilweise, insbesondere zur Gänze, aufgefüllt.
[0022] Als Füllmittel kann beispielsweise Harz verwendet werden. In Hinblick auf die Anwendbarkeit von unterschiedlichsten Härteverfahren für das Sinterbauteil ist es jedoch von Vorteil, wenn als Füllmittel ein Metall oder eine Metalllegierung verwendet wird. Beispielsweise kann dazu Zinn verwendet werden. Bevorzugt wird zum zumindest teilweisen verschließen der Poren jedoch Kupfer oder eine Kupferlegierung, beispielsweise eine Kupferlegierung mit Eisen, z.B. mit bis zu 5 Gew.-% Eisen, eingesetzt, insbesondere wenn als metallisches Pulver bevorzugt ein
Eisenbasispulver verwendet wird. Mit dem Verfahren nach der Erfindung können aber auch andere metallische Pulver verarbeitet werden, wie z.B. härtbare Aluminiumlegierungen, etc.
[0023] Zweck des Einsatzes des Füllmittels ist es, das Volumen zu reduzieren, das für eine bereichsweise Anreicherung von Substanzen im Sinterbauteil zur Verfügung steht. Beispielsweise kann durch das Auffüllen der Poren im Bereich der Oberfläche des Sinterbauteils ein Überkohlen beim Härten von Sinterbauteilen aus einem Eisenbasispulver, insbesondere einem Stahlpulver, vermieden bzw. deutlich reduziert werden. Es können hierdurch Schadensbilder, die in Folge von zu hoher Sprödigkeit des Sinterbauteils entstehen, vermieden werden.
[0024] Das Füllmittel kann bereits dem Sinterpulver selbst zugesetzt werden. In diesem Fall sollte ein entsprechender Überschuss an dem Füllmittel zugegeben werden, wenn das Füllmittel mit Bestandteilen des restlichen Sinterpulvers reagiert und damit für das Auffüllen nicht mehr oder nur mehr teilweise zur Verfügung steht. Die genaue einzusetzende Menge kann je nach Anwendungsfall anhand weniger Versuche ermittelt werden.
[0025] Bei dieser Ausführungsvariante des Verfahrens werden die Poren im Oberflächenbereich bereits beim Sintern verschlossen, indem das Füllmittel in die Poren diffundiert und diese somit auffüllt.
[0026] Es ist weiter möglich, dass das Füllmittel beim Sintern zugesetzt wird. Dazu kann das Füllmittel in fester Form neben dem aus dem Sinterpulver hergestellten Grünling im Sinterofen platziert werden. Beim Sintern schmilzt auch das Füllmittel auf, und kann damit in die Poren des Sinterbauteils eindringen.
[0027] Die Zugabe des Füllmittels während des Sinterns kann bei mehrstufigen Sinterverfahren in der ersten und/oder einer der weiteren Sinterstufen erfolgen.
[0028] Nach einer anderen Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Füllmittel erst während und/oder nach dem Sintern des Grünlings zum gesinterten Grünling zugegeben wird. Dazu kann das Füllmittel beispielsweise als Pulver oder als Formköper, beispielsweise in Form eines Barrens oder einer Scheibe oder einer Folie oder eines Drahtes, etc., auf jenen Bereich aufgebracht werden, in dem die Poren zumindest teilweise aufgefüllt werden. Danach wird das Sinterbauteil noch einmal erhitzt, wobei das Füllmittel schmilzt, in die Poren eindringt und diese zumindest teilweise ausfüllt.
[0029] Es ist generell für das Verfahren von Vorteil, wenn ein Füllmittel eingesetzt wird, dass einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als der Werkstoff, aus dem das metallische Pulver zur Herstellung des Sinterbauteils besteht. Insbesondere kann der Schmelzpunkt des Füllmittels in einem Bereich liegen, der um 800 °C bis 200 °C unter dem Schmelzpunkt des metallischen Pulvers zur Herstellung des Sinterbauteils liegt.
[0030] Die Poren des Sinterbauteils können mit dem Füllstoff bis zu einer Tiefe zwischen 30 um und 900 um, gemessen von der Oberfläche des Sinterbauteils aus, mit dem Füllmittel zumindest teilweise aufgefüllt werden.
[0031] Sofern nicht die gesamte Oberfläche des Sinterbauteils mit dem Füllmittel behandelt wird, ist es weiter von Vorteil, wenn der Bereich, in dem die Poren zumindest teilweise mit dem Füllmittel aufgefüllt werden, größer ist, als der zu härtende Bereich, beispielsweise um 10 % bis 30 % größer ist, als der zu härtende Bereich. Der zu härtende Bereich liegt vorzugsweise jedenfalls zur Gänze innerhalb des Bereichs, dessen Poren zumindest teilweise aufgefüllt worden sind.
[0032] Mit zumindest teilweise aufgefüllt ist im Rahmen der Erfindung gemeint, dass das Volumen der Poren zu zumindest 60% und bis zu 100 % mit dem Füllmittel aufgefüllt sind.
[0033] Als Eisenbasispulver kann gemäß eine Ausführungsvariante des Verfahrens eine Legierung eingesetzt werden, die zwischen 0,1 Gew.-% und 0,9 Gew.-% C (Grafit), zwischen 0 Gew.% und 5,0 Gew.-% Ni, zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-% Mo, zwischen 0 Gew.-% und 1 Gew.% Mn und zwischen 0,1 Gew.-% und 3 Gew.- % Kupfer enthält, wobei den Rest Eisen bildet. Beispielsweise wird als Eisenbasispulver eine Legierung eingesetzt, die zwischen 0,4 Gew.-% und 0,7 Gew.-% C (Grafit), zwischen 1,5 Gew.-% und 2,0 Gew.-% Ni, zwischen 0,04 Gew.-% und
0,6 Gew.-% Mo, zwischen 0,05 Gew.-% und 1 Gew.-% Mn und zwischen 1,3 Gew.-% und 1,7 Gew.-% Kupfer enthält, wobei den Rest Eisen bildet. Es kann aber eine Legierung für das Eisenbasispulver eingesetzt werden, das zwischen 0,6 Gew.-% und 0,8 Gew.-% C und zwischen 1,1 Gew.-% und 2,5 Gew.-% Kupfer und gegebenenfalls zwischen 1,5 Gew.-% und 2,5 Gew.-% Nickel enthält. Die Mengenanteile der Legierungselemente sind auf das Eisenbasissinterpulver an sich bezogen und nicht auf die Mischung mit den gegebenenfalls verwendeten Hilfsstoffen.
[0034] Im Falle der Verwendung eines Eisenbasispulvers als metallisches Pulver zur Herstellung des Sinterbauteils und der Härtung durch Aufkohlen kann generell vorgesehen sein, dass ein Eisenbasispulver eingesetzt wird, das bereits einen Anteil an Kohlstoff aufweist und/oder dass das Sinterbauteil aufkohlend gehärtet wird.
[0035] Prinzipiell kann für das Härten des Sinterbauteils jedes geeignete und aus dem Stand der Technik bekannte Härtungsverfahren angewandt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens erfolgt das Härten aber durch Aufkohlen und anschließendes Abschrecken oder durch Sinterhärten und anschließendes Abschrecken oder durch Induktivhärten.
[0036] Bei der Ausführungsvariante des Verfahrens nach der das Sinterbauteil durch Aufkohlen und anschließendes Abschrecken gehärtet wird, kann der Schritt des Aufkohlens gleichzeitig mit einem zweiten Sinterschritt erfolgen, falls das Sintern zweistufig ausgeführt wird.
[0037] Durch das Aufkohlen wird der Kohlenstoffanteil im Sinterbauteil erhöht. Das Aufkohlen kann prinzipiell durch verschiedene Verfahren erfolgen, wobei als Kohlenstoffquelle bevorzugt ein Gas oder Gasgemisch eingesetzt wird. Als Gas kann beispielsweise Methan, Propan, Acetylen, etc. verwendet werden. Das Aufkohlen kann auch durch Carbonitrieren erfolgen.
[0038] Das Aufkohlen kann aber auch mit einem anderen, bekannten Aufkohlungsverfahren durchgeführt werden.
[0039] Durch das Aufkohlen kann der Kohlenstoffgehalt des Sinterbauteils um 0,1 Gew.- % bis 1,0 Gew.-% erhöht werden.
[0040] Insbesondere kann das Aufkohlen bis zu einer Tiefe des Sinterbauteils durchgeführt werden, gemessen von dessen Oberfläche aus, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 100 um bis 2000 um; vorzugsweise aus einem Bereich von 100 um bis 1000 um. Der voranstehend genannte bevorzugte Gehalt an Kohlenstoff bezieht sich dabei auf diese Aufkohlungstiefe. Darunterliegende Bereiche des Sinterbauteils 2 können demzufolge einen geringeren Kohlenstoffgehalt aufweisen.
[0041] Das Abschrecken kann mit jedem geeigneten aus dem Stand bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels Ölabschreckung. Vorzugsweise wird die Abschreckung des Sinterbauteils aber mit einem Gas durchgeführt, beispielswiese mit N2, N2/H2 oder He. Die Abschreckgeschwindigkeit kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 1 °C/s bis 7 °C/s.
[0042] Zur Evaluierung des Verfahrens wurde ein Schaltfinger eines PKW-Getriebes danach hergestellt. Als Sinterpulver wurde dazu D10 verwendet (2 Gew.-% Cu, 0,75 Gew.-% C, Rest Fe). Das Sinterpulver wurde mit den Verfahrensschritten Pressen, Sintern mit Füllmittelzugabe, danach Karbonitrieren (Gasaufkohlen) mit anschließendem Abschrecken (Ol oder Gas) verarbeitet. Es zeigte sich dabei, dass das Härten des Sinterbauteils zu gleichmäßigeren Eigenschaften des Sinterbauteils führte.
[0043] Die Ausführungsbeispiele beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.

Claims (10)

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines metallischen Pulvers; - Einfüllen des Pulvers in eine Pulverpresse, - Pressen des Pulvers zu einem Grünling, - Entfernen des Grünlings aus der Pulverpresse, - Sintern des Grünlings zum Sinterbauteil mit Poren, - Gegebenenfalls Nachverdichten des Sinterbauteils, - Härten des Sinterbauteils, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren des Sinterbauteils vor dem Härten zumindest im Bereich der Oberfläche des Sinterbauteils, der einer Härtung unterzogen wird, zumindest teilweise mit einem Füllmittel gefüllt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel dem Sinterpulver zugegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel während und/oder nach dem Sintern des Grünlings zugegeben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllmittel ein Metall oder eine Metalllegierung eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Pulver eine Eisenbasispulver eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Eisenbasissinterpulver einer Legierung eingesetzt wird, die zwischen 0,1 Gew.-% und 0,9 Gew.-% C, zwischen 0 Gew.-% und 5,0 Gew.-% Ni, zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-% Mo, zwischen 0 Gew.-% und 1 Gew.-% Mn und zwischen 0,1 Gew.-% und 3 Gew.-% Kupfer enthält, wobei den Rest Eisen bildet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eisenbasispulver eingesetzt wird, das einen Anteil an Kohlstoff aufweist und/oder dass das Sinterbauteil aufkohlend gehärtet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten durch Aufkohlen und anschließendes Abschrecken oder Sinterhärten und anschließendes Abschrecken oder Induktivhärten erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufkohlen mittels Niederdruckaufkohlen oder Carbonitrieren durchgeführt wird.
10. Sinterbauteil umfassend einen Bauteilkörper mit einer Oberfläche, die zumindest bereichsweise gehärtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Poren im Sinterkörper zumindest im Bereich der gehärteten Oberfläche mit einem Füllmittel zumindest teilweise gefüllt sind.
Hierzu keine Zeichnungen
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