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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von einem aus einem Werkstoffpulver und einem Presshilfsmittel gepressten Formteil in einem Durchlaufofen. Das Verfahren wird auch als Sintern bezeichnet.
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Beim Sintern wird zunächst ein Formteil aus einem Gemisch von Werkstoffpulver, insbesondere Metall- oder Kunststoffpulver, und einem Presshilfsmittel gepresst. Das gepresste Formteil wird auch als Grünling bezeichnet. Das Formteil wird in einen Durchlaufofen mit einem Verdampfungsabschnitt und einem Sinterabschnitt wärmebehandelt. Vor dem eigentlichen Sinterprozess in dem Sinterabschnitt muss zunächst das Presshilfsmittel aus dem Formteil entfernt werden. Zum Entfernen des Presshilfsmittels wird das Formteil in dem Verdampfungsabschnitt auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Presshilfsmittel verdampft. Anschließend wird die Temperatur des Formteils in dem Sinterabschnitt auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffpulvers erhöht, wobei durch Oberflächendiffusion zwischen den Werkstoffpulverteilchen eine Verbindung zwischen den Werkstoffpulverteilchen hergestellt und so das Formteil gebunden wird.
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Sowohl das Verdampfen des Presshilfsmittels als auch das Sintern selbst erfolgt unter einer geeigneten Gasatmosphäre, wobei die Gaszusammensetzung an die Erfordernisse in den verschiedenen Abschnitten angepasst wird. Das Einbringen der Gase bzw. Gasgemische erfolgt in der Regel entgegen der Transportrichtung des Formteils. Es ist bekannt, dass in dem Verdampfungsabschnitt eine oxidierende Atmosphäre eingestellt wird, so dass die bei der Verdampfung des Presshilfsmittels entstehenden Gase, wie beispielsweise Wasserstoff (H
2), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (C
xH
y) oxidiert werden können. Um eine oxidierende Atmosphäre zu erzeugen, wird beispielsweise befeuchteter Stickstoff (N
2) in den Verdampfungsabschnitt eingeleitet. Aus der
US 5,578,147 ist zudem bekannt, dass die Durchlaufgeschwindigkeit der Formteile bzw. die Ofentemperatur während des Verdampfungsprozesses so geregelt wird, dass möglichst alle Presshilfsmittelbestandteile vollständig oxidieren.
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Um beim eigentlichen Sinterprozess ein optimales Sinterergebnis zu erhalten, ist es notwendig, dass in dem Sinterabschnitt eine reduzierende Atmosphäre vorliegt, die beispielsweise durch Einleiten von Wasserstoff (H2) realisiert wird.
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Trotz der oben beschriebenen Maßnahmen, wie Einleiten des Gases entgegen der Transportrichtung der Formteile und das geregelte Variieren der Ausdampfbedingungen, kann nicht immer verhindert werden, dass die verdampften, gasförmigen Bestandteile des Presshilfsmittels in den Sinterabschnitt gelangen. Durch das Vorhandensein der verdampften Presshilfsmittelbestandteile und die hohen Temperaturen im Sinterabschnitt kommt es regelmäßig zum Aufkohlen von metallischen Werkstoffen im Sinterabschnitt. So wird beispielsweise das regelmäßig aus hochlegiertem hitzebeständigen Stahl hergestellte Transportband des Durchlaufofens im Sinterabschnitt aufgekohlt und außerhalb wieder abgekohlt. Dieses intermittierende Aufkohlen und Abkohlen des Transportbandes führt zu Kornwachstum, Verarmung an Legierungselementen und Versprödung, was wiederum zu einer erheblichen Verkürzung der Lebensdauer des Transportbandes und zum Produktionsausfall führen kann, was wiederum zu erhöhten Produktionskosten führt. Zudem wird der Sinterprozess durch die zwangsläufige Aufkohlung des metallischen Werkstoffpulvers beeinträchtigt. So wird unter anderem eine übermäßige Rußbildung im Sinterabschnitt beobachtet, sowie eine Verringerung der Dichte und eine Erhöhung der Härte und Sprödigkeit der gesinterten Formteile.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Verfahren anzugeben, bei dem das Verrußen der Anlage und das Aufkohlen von metallischen Werkstoffen in einem Sinterabschnitt eines Durchlaufofens vermieden wird.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von mindestens einem aus mindestens einem Werkstoffpulver und mindestens einem Presshilfsmittel gepressten Formteil in einem Durchlaufofen mit einem Verdampfungsabschnitt und einem Sinterabschnitt, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
- a) Einbringen des Formteils in den Verdampfungsabschnitt,
- b) Erwärmen des Formteils auf eine zur Verdampfung des mindestens einen Presshilfsmittels geeigneten Temperatur in dem Verdampfungsabschnitt,
- c) Weiterleiten des Formteils von dem Verdampfungsabschnitt in den Sinterabschnitt,
- d) Erwärmen des Formteils auf eine unterhalb der Schmelztemperatur des mindestens einen Werkstoffpulvers liegenden Temperatur in dem Sinterabschnitt,
- e) Einleiten mindestens eines oxidierenden Gases in den Sinterabschnitt.
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Das Werkstoffpulver umfasst bevorzugt metallische Pulver, insbesondere Pulver von Eisen, Kupfer, Molybdän, Bronze und/oder rostfreien Stählen mit eingelagerten Hartstoffen, wie zum Beispiel Wolfram- oder Titankarbid).
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Die Presshilfsmittel umfassen bevorzugt Stearate, in denen ein sehr hoher Anteil an gebundenen Kohlenwasserstoffen enthalten ist. Besonders bevorzugt wird Zinkstearat als Presshilfsmittel verwendet (siehe zum Beispiel „Kieback, Bernd (Hg.): Pulvermetallurgie. Technologien und Werkstoffe, 2. Auflage”)
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Der Durchlaufofen kann durch mehrere hintereinander angeordnete einzelne Öfen gebildet sein, wobei in jedem Ofen eine von den anderen Öfen unabhängige Temperatur einstellbar ist. Alternativ kann der Ofen genau einen Ofen umfassen, in dem ein vorgebbares Temperaturprofil einstellbar ist, wobei die Abschnitte durch die im Betrieb vorliegenden Temperaturen gekennzeichnet sind. Gegebenenfalls können die einzelnen Abschnitte des Ofens auch durch Schürzen oder ähnliches voneinander getrennt sein, beispielsweise um den Gasaustausch zwischen den einzelnen Abschnitten zu vermindern. Bevorzugt werden die Formteile mit Hilfe einer Transportvorrichtung, z. B. einem Transportband, von einem Einlass des Durchlaufofens zu einem Auslass des Durchlaufofens transportiert. Das Formteil durchläuft somit zunächst den Verdampfungsabschnitt und anschließend den Sinterabschnitt auf dem Transportband. Dem Sinterabschnitt des Durchlaufofens schließen sich in der Regel Abkühlzonen an, in denen das gesinterte Formteil abgekühlt wird, meist unter einer Schutzgasatmosphäre.
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Die in Schritt b) vorliegende Temperatur ist mindestens so hoch, dass das Presshilfsmittel vollständig verdampfen kann, aber nicht so hoch, dass eine Verbindung des Werkstoffpulvers entsteht, insbesondere liegt die Temperatur in Schritt b) zwischen 250°C und 700°C, bevorzugt zwischen 400°C und 600°C.
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Die in Schritt d) vorliegende Temperatur ist insbesondere so hoch, dass eine Verbindung des Werkstoffpulvers entsteht, dieses aber gerade nicht schmilzt insbesondere liegt die Temperatur in Schritt d) zwischen 800°C und 1.500°C, bevorzugt zwischen 1.000°C und 1.300°C.
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Erfindungsgemäß und entgegen der bislang vorliegenden Meinung wird ein oxidierendes Gas in den Sinterabschnitt eingeleitet. Durch das oxidierende Gas sollen die in den Sinterabschnitt gelangten gasförmige Presshilfsmittelbestandteile oxidiert werden, so dass eine Aufkohlung der metallischen Werkstoffe in dem Sinterabschnitt unterdrückt wird. Das Kohlenstoffpotential im Sinterabschnitt, welches eine Maß für die mögliche Aufkohlung darstellt, wird somit auf ein unkritisches Maß abgesenkt, und liegt insbesondere oberhalb der Rußgrenze.
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Vorzugsweise wird der Sauerstoffpartialdruck in dem Sinterabschnitt gemessen und. Über den Sauerstoffpartialdruck lässt sich insbesondere das Kohlenstoffpotential im Sinterabschnitt bestimmen, so dass die in Schritt e) eingeleitete Menge oxidierenden Gases bevorzugt in Abhängigkeit von dem Kohlenstoffpotential regelbar ist. Die Messung des Sauerstoffpartialdrucks kann mittels bekannter Sauerstoffsonden oder bekannten Lambdasonden erfolgen. Es wird also so lange der Gasstrom des eingeleiteten oxidierenden Gases erhöht oder erniedrigt, bis ein vorgegebener Sauerstoffpartialdruck erreicht ist oder bis insbesondere ein Kohlenstoffpotential von weniger als 0,2% erreicht ist.
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Ganz besonders bevorzugt wird in Schritt e) Kohlendioxid (CO2) als oxidierendes Gas eingeleitet.
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Bevorzugt ist auch, dass ein Basisgas, umfassend zumindest Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2) und/oder Methan (CH4) entgegen einer Transportrichtung des Formteils in den Durchlaufofen eingeleitet wird. Das Basisgas kann sich entsprechend den Anforderungen in den einzelnen Abschnitten des Durchlaufofens in seiner Zusammensetzung ändern. So ist bevorzugt, dass in dem Sinterabschnitt ein Gasgemisch aus höchstens 5% oxidierendem Gas und als Rest Basisgas eingeleitet wird, wobei das Basisgas im Sinterabschnitt höchstens 2% Methan, 3% bis 10% Wasserstoff und Rest Stickstoff umfasst.
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Insbesondere hängt die Gasgemischzusammensetzung von der Art der Formteile, also insbesondere von der Geometrie, dem verwendeten Werkstoffpulver, dem verwendeten Presshilfsmittel der Formteile, und der Transportgeschwindigkeit der Formteile, und so weiter, ab.
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Es ist besonders bevorzugt, dass das Presshilfsmittel ein Stearat ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Durchlaufofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, umfassend einen Verdampfungsabschnitt, einen Sinterabschnitt, eine Transporteinrichtung zum Transportieren der Formteile von einem Einlass zu einem Auslass des Durchlaufofens und mindestens eine Gasleitung zur Einleitung von Gasen in den Sinterabschnitt.
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Bevorzugt umfasst der Durchlaufofen einen Messsensor zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Sinterabschnitt.
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Bevorzugt umfasst der Durchlaufofen ferner eine Regelvorrichtung, die zumindest mit dem Messsensor oder einem steuerbaren Ventil in der mindestens einen Gasleitung verbunden ist.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und anwenden und umgekehrt.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur beispielhaft erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figur eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigt, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigt schematisch:
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Fig.: einen Durchlaufofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Figur zeigt schematisch einen Durchlaufofen 2 mit einem Verdampfungsabschnitt 3, einem Sinterabschnitt 4, einem Abkühlabschnitt 7 und einer Transporteinrichtung 5 zum Transportieren zumindest eines Formteils 1 durch den Durchlaufofen 2 von einem Einlass 12 zu einem Auslass 13. Der Durchlaufofen 2 umfasst ferner Gasleitungen 6, mittels derer Gase oder Gasgemische über Ventile 10 in die Abschnitte des Durchlaufofens 2 eingeleitet werden können. Zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Sinterabschnitt 4 ist ein Messsensor 11 vorgesehen, der über eine Datenleitung 9 mit einer Regelvorrichtung 8 verbunden ist. Die Regelvorrichtung 8 ist ferner mit den Ventilen 10 zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre mit einer Gaszusammensetzung in den Abschnitten des Sinterofens 2 verbunden.
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Das aus einem Werkstoffpulver und einem Presshilfsmittel gepresste Formteil 1 durchläuft den Durchlaufofen 2 von dem Einlass 12 zu dem Auslass 13. Das Formteil 1 wird zunächst in den Verdampfungsabschnitt 3 eingeführt, wo das Presshilfsmittel bei Temperaturen zwischen 400°C und 600°C verdampft. Anschließend gelangt das Formteil 1 in den Sinterabschnitt 4, wo das Werkstoffpulver bei Temperaturen zwischen 1.030°C und 1.250°C gesintert wird. Das gesinterte Formteil wird in dem Abkühlabschnitt 7 unter Zuführung einer Schutzgasatmosphäre abgekühlt.
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In dem Verdampfungsabschnitt 3 verdampfen die Bestandteile des Presshilfsmittels, insbesondere werden Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe freigesetzt. Da aber verdampfte Presshilfsmittelbestandteile in den Sinterabschnitt 4 gelangen, wird Kohlendioxid zu dem an sich reduzierenden Gasgemisch aus beispielsweise Wasserstoff und Stickstoff in den Sinterabschnitt 4 gegeben. Dadurch werden die in den Sinterabschnitt 4 gelangten Presshilfsmittelbestanteile oxidiert, eine Aufkohlung der metallischen Bestandteile und eine Verrußung der Anlage im Sinterabschnitt 4 werden vermieden.
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Mit der erfindungsgemäßen Lehre lässt sich durch gezielte Eingabe eines oxidierenden Gases in den Sinterabschnitt 4 eines Durchlaufofens 2 eine Verrußung der Anlage und das Aufkohlen von metallischen Werkstoffen, insbesondere von Formteilen 1 im Sinterabschnitt 4 unterdrücken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formteil
- 2
- Durchlaufofen
- 3
- Verdampfungsabschnitt
- 4
- Sinterabschnitt
- 5
- Transporteinrichtung
- 6
- Gasleitung
- 7
- Abkühlabschnitt
- 8
- Regelvorrichtung
- 9
- Datenleitung
- 10
- Ventil
- 11
- Messsensor
- 12
- Einlass
- 13
- Auslass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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