DE69231339T2

DE69231339T2 - Verfahren zur herstellung von lagern

Info

Publication number: DE69231339T2
Application number: DE69231339T
Authority: DE
Inventors: Keith Buckley-Golder; Peter Jones
Original assignee: Stackpole Ltd
Current assignee: Stackpole Ltd
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2012-12-22
Also published as: EP0626893B1; WO1994014557A1; ATE195276T1; CA2104606C; DE69231339D1; US5540883A; JPH07505679A; EP0626893A1; AU3154893A; ES2149195T3; CA2104606A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. einen Prozeß zur Herstellung von Lagerflächen an Pulvermetallgegenständen und bezieht sich insbesondere auf Verfahren, bei denen Ferrolegierungspulver zum Einsatz kommen.
Die Pulvermetalltechnik ist dem Fachmann hinlänglich bekannt und beinhaltet in der Regel die Erzeugung von Metallpulvern, die verdichtet und anschließend einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, um auf diese Weise ein Sintererzeugnis herzustellen.
Der herkömmliche Sintervorgang läuft bei einer maximalen Temperatur von bis zu ca. 1150ºC ab. Früher war die Höchsttemperatur durch die zur Verfügung stehenden Sinteranlagen auf diesen Wert begrenzt. Deshalb sind zur Durchführung der Sinterung bei diesen herkömmlichen Temperaturen von bis zu 1150ºC traditionell Kupfer und Nickel als Legierungszusätze zur Anwendung gekommen, da sich deren Oxide bei diesen Temperaturen in einer erzeugten CO-, CO&sub2;- und H&sub2;-haltigen Atmosphäre mit relativ hohem Taupunkt leicht reduzieren lassen. Der Einsatz von Kupfer und Nickel als Legierungszusatz ist teuer. Hinzu kommt, daß Kupfer bei Verwendung als Legierungsmetall in Kombination mit Kohlenstoff und bei Hochtemperatursinterung eine Formunbeständigkeit bewirkt und es daher bei Einsatz von Kupfer in einem Hochtemperatursinterprozeß schwieriger ist, die Formmerkmale des gewünschten Erzeugnisses zu steuern.
Die Hersteller von Metallpulvern für den Einsatz in der Pulvermetalltechnik erzeugen vorlegierte Eisenpulver, die sich in der Regel schwerer zu komplizierten Formen verpressen lassen, besonders bei höheren Dichten (> 7,0 g/cm³). Wenn bei der Herstellung bestimmte Maßnahmen zur Minimierung des Sauerstoffgehalts getroffen werden, z. B. durch Ölzerstäubung, besteht die Möglichkeit, vorlegierten Pulvern Mangan und Chrom zuzusetzen. Diese Pulver weisen aber dennoch eine schlechtere Verpreßbarkeit auf als vermengte Pulver.
Ein herkömmlicher Weg zur Steigerung der Festigkeit von Pulvermetallgegenständen ist die Verwendung von 8% Nickel, 4% Kupfer und 1,5% Molybdän in vorlegierten, teilweise vorlegierten oder vermengten Pulvern. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Dichte von Hochleistungsteilen besteht im Doppelpressen und Doppelsintern. Die herkömmlichen Zusatzmetalle sind teuer und relativ unwirksam zur Erzielung mechanischer Eigenschaften auf dem Niveau von Schmiedestahler zeugnissen, für die üblicherweise die festigkeitswirksameren Legierungselemente Mangan und Chrom eingesetzt werden.
Die herkömmliche Technik, wie sie im US-Patent Nr. 2.402.120 offenbart wird, sieht ferner die Vermahlung eines Materials wie Walzzunder zu einem sehr feinkörnigen Pulver und die anschließende Reduktion des Walzzunderpulvers zu Eisenpulver ohne Schmelzen vor.
Ein weiteres US-Patent mit der Nr. 2.289.569 betrifft allgemein die Pulvermetallurgie und konkret ein niedrigschmelzendes Legierungspulver und den Einsatz der niedrigschmelzenden Legierungspulver zur Herstellung von Sintererzeugnissen.
Ein anderes Verfahren wird im US-Patent Nr. 2.027.763 offenbart und beinhaltet die Herstellung von Sinterhartmetall; es besteht im wesentlichen aus Schritten, die mit dem Verfahren der Hartmetallherstellung verbunden sind. Konkret betrifft das US-Patent Nr. 2.027.763 ein Verfahren zur Herstellung von Sinterhartmetall durch folgende Schritte: Erzeugung eines unter hohem Druck stehenden Sprühnebels aus einem trockenen, fein pulverisierten Gemisch aus schmelzbaren Metallen und einem leicht schmelzbaren Zusatzmetall, Erzeugung eines unter hohem Druck stehenden Sprühnebels aus einem für Hartmetallbindung üblichen Bindemittel, Lenkung der beiden Sprühnebelstrahlen dergestalt, daß der Metallpulverstrahl und der flüssige Bindemittelstrahl auf ihrem Weg in die Form oder innerhalb der Form aufeinandertreffen, wodurch die Form mit einer kompakten feuchten Metallpulvermasse gefüllt wird, und abschließendes Sintern der auf diese Weise geformten Hartmetallpartikeln.
Das US-Patent Nr. 4.707.332 sieht ein Verfahren zur Herstellung von Konstruktionsteilen aus sinterfähigen intermetallischen Phasen vor, bei dem spezielle Zusätze zur Anwendung kommen, die als Sinterhilfe und gleichzeitig zur Erhöhung der Dehnbarkeit des fertigen Konstruktionsteils dienen.
Schließlich wird noch auf das US-Patent Nr. 4.464.206 verwiesen, das ein Schmiede-Pulvermetallverfahren für vorlegiertes Pulver betrifft. Konkret sieht das US-Patent Nr. 4.464.206 ein aus folgenden Schritten bestehendes Verfahren vor: Vermahlung im wesentlichen unverträglicher vorlegierter Metallpulver zur Glättung der einzelnen Partikeln, Erwärmung der vermahlenen Metallpulverpartikeln bei erhöhter Temperatur, so daß die Partikeln durch die Wärme zusammenbacken und eine Masse bilden, Brechen der Metallpulvermasse, Verpressen der gebrochenen Metallpulvermasse, Sintern des Metallpulvers und Warmbearbeitung des Metallpulvers zu einem Halbzeug.
Außerdem sind bislang verschiedene Verfahren zur Verdichtung eines Pulvermetallgegenstands genutzt worden. Das US-Patent Nr. 4.059.879 sieht beispielsweise ein Verfahren zur Teilverdichtung eines ausgewählten Oberflächenabschnitts an einem Sintererzeugnis aus Pulvermetall mit Porenstruktur vor.
Das US-Patent Nr. 3.874.049 sieht ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Pulvermetallteils mit einer Lagerfläche vor. Das US-Patent Nr. 3.365.770 beschreibt schließlich ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtlagers, während das US- Patent Nr. 3.183.086 ein Verfahren zur Herstellung eines Porenstrukturkörpers mit dicht versiegelter Oberfläche vorsieht.
Die o. g. Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik beinhalten einen relativ weniger kostenwirksamen Prozeß zur Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften des Sintererzeugnisses. Außerdem weisen die Pulvermetall- Lagerflächen nach den o. g. Verfahren des bisherigen Stands der Technik keine erstrebenswerten Festigkeits- oder Verschleißbeständigkeitseigenschaften auf.
Das Patent EP-A-97737 offenbart die Zugabe der Legierungselemente Silizium und Mangan oder Silizium, Mangan und Graphit in Form der Legierungsträger Ferrosilizium, Ferromangan oder der Silizium-Mangan-Eisen-Vorlegierung zur Gewinnung von Sintererzeugnissen mit geringem Schwund, die bei Sintertemperaturen von 1200ºC eine optimale Formbeständigkeit aufweisen.
Das Patent EP-A-421811 sieht die Verwendung von Fe-Cr oder Fe-Mn in Form eines wasserverdüsten Pulvers zur Herstellung von Spritzgußsintererzeugnissen vor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Prozeß zur Herstellung von Pulvermetall-Lagern mit verbesserten dynamischen Festigkeitseigenschaften und ein präzises Verfahren zur Steuerung der Fertigung solcher Lager zu schaffen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Pulvermetallgegenstands die folgenden Schritte beinhaltet:
a) Vermischen von Graphit, mindestens einem Ferrolegierungspulver, auszuwählen aus getrennten Ferrolegierungspartikeln von Ferromangan, Fer rochrom, Ferromolybdän, und einem Gleitmittel mit komprimierbarem Reineisenpulver zu einem Pulvergemisch;
b) Verpressen des Pulvergemisches zu einem verdichteten Körper;
c) Sintern des durch Pressen geformten Körpers;
d) Walzbearbeitung zumindest eines Teils der Oberfläche des Körpers zur Komprimierung seiner Oberflächenschicht zwecks Verdichtung der Schicht und Ausbildung einer Lagerfläche;
e) Wärmebehandlung dieser Oberflächenschicht.
Eine weitere Aufgabenstellung der Erfindung ist die Anwendung eines Oberflächenbehandlungsverfahrens auf ein Sinterteil zur Herstellung eines Erzeugnisses mit einer Lagerfläche, wobei dieses Erzeugnis nach dem oben definierten Verfahren hergestellt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß das Sinterteif eine Lagerfläche hat und nach dem oben definierten Verfahren hergestellt wird. Die bevorzugten Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 und 16 bis 18 offenbart.
Die Lagerfläche ist in der Regel zylindrisch, und die Dicke der verdichteten Schicht entspricht bei diesen Ausführungsformen vorzugsweise der vierfachen Änderung des Durchmessers der zylindrischen Lagerfläche zwischen dem Zustand unmittelbar nach dem Sintern und dem Zustand nach der Walzbearbeitung. Der Walzdruck wird normalerweise durch ein Glättwalzwerkzeug aufgebracht, bestehend aus sieben Walzen, von denen vier entfernt wurden. Das Werkzeug kann dann bei Drehzahlen im Bereich von 20 bis 30 min&supmin;¹ betrieben werden.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird bzw. werden das bzw. die Ferrolegierungspulver aus Ferrochrom und Ferromolybdän ausgewählt. Bei einer solchen Ausführungsform besteht das Pulvergemisch aus 0,5 bis 2,0% Chrom, 0 bis 1,0% Molybdän und 0,1 bis 0,6% Graphit und im übrigen aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen. Bei allen Ausführungsformen kann die verdichtete Oberflächenschicht des Pulvermetallgegenstands eine Dicke von bis zu 2 Millimetern haben, wobei die Dichte dieser Schicht allmählich bis annähernd 98% an der eigentlichen Lagerfläche zunimmt.
Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Abbildungen näher erläutert werden. Die Abbildungen beinhalten Folgendes:
Fig. 1 ist eine Darstellung des Eisenlegierungsgemisches nach dem bisherigen Stand der Technik.
Fig. 2 ist eine Darstellung eines Gemisches aus Reineisen und Ferrolegierung.
Fig. 3 ist ein Diagramm der Korngrößenverteilung.
Fig. 4 ist eine Übersichtszeichnung einer Gasstrahlmühle, die zur Erzielung der Ferrolegierungskorngröße eingesetzt wird.
Fig. 5 zeigt eine Seitenschnittansicht eines Teils in der Art eines Ritzel für automatische Getriebe, dessen Rohling erfindungsgemäß hergestellt wurde.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht zu Fig. 5.
Fig. 7a zeigt ein Pulvermetall-Lager vor dem Walzen.
Fig. 7b zeigt ein walzverdichtetes Pulvermetall-Lager.
Fig. 7c zeigt ein walzverdichtetes und wärmebehandeltes Pulvermetall-Lager.
Fig. 8 ist eine Halbschnittansicht eines Glättwalzwerkzeugs.
Fig. 1 ist eine allgemeine Darstellung eines nach dem bisherigen Stand der Technik in der Pulvermetalltechnik verwendeten Pulvermetallgemisches, bestehend aus Ferrolegierungspartikeln.
Konkret können Kupfer und Nickel als Legierungselemente eingesetzt werden, besonders in Fällen, wo das Pulvermetall beim Sintervorgang herkömmlichen Temperaturen von bis zu 1150ºC ausgesetzt wird.
Weitere Legierungselemente wie Mangan, Chrom und Molybdän könnten nach Legierung mit Eisen in Form einer Vorlegierung zugesetzt werden, wobei diese Elemente allerdings nach dem bisherigen Stand der Technik miteinander verbunden waren. Eine übliche Vorlegierung enthält beispielsweise 22% Mangan, 22% Chrom und 22% Molybdän, und der Rest besteht aus Eisen und Graphit. Der Einsatz der Legierungselemente in gebundener Form erschwerte die Erzielung anwendungsspezifischer mechanischer Eigenschaften des Sinterendproduktes. Auch die Kosten der Vorlegierung sind sehr hoch und unwirtschaftlich.
Durch die getrennte Verwendung einzelner Ferrolegierungen wie Ferromangan oder Ferrochrom oder Ferromolybdän oder Ferrovanadium anstelle einer ge bundenen Ferrolegierung als Kombination von Eisen mit Mangan, Chrom, Molybdän oder Vanadium läßt sich eine präzisere Steuerung der gewünschten Eigenschaften des Endproduktes erzielen, und man erhält ein Verfahren mit mehr Flexibilität als beim bisherigen Stand der Technik, das außerdem kostenwirksamer ist.
Fig. 2 ist eine allgemeine Darstellung des Gemisches aus Reineisen und hier beschriebener Ferrolegierung, bestehend aus Eisenpartikeln Fe und einem Gemisch von Ferrolegierungen 2.
Die Ferrolegierung 2 kann aus den folgenden Gruppen ausgewählt werden:
Wie dem Fachmann hinlänglich bekannt ist, können die marktgängigen Ferrolegierungen auch Graphit sowie unvermeidbare Verunreinigungen enthalten.
Der Zusatz von Chrom, Molybdän und Vanadium zur Erhöhung der Festigkeit des Endproduktes erfolgt besonders dann, wenn das Produkt nach dem Sintern noch wärmebehandelt wird. Der Zusatz von Mangan zur Erhöhung der Festigkeit des Endproduktes erfolgt weiterhin besonders dann, wenn das Produkt nach dem Sintern nicht wärmebehandelt wird. Das ist dadurch begründet, daß Mangan eine stark ferritverfestigende Wirkung hat (bis zu viermal so wirksam wie Nickel).
Besonders gute Ergebnisse erzielt man bei dem hier beschriebenen Verfahren durch Mahlen der Ferrolegierungen bis auf eine mittlere Korngröße D&sub5;&sub0; von 8 bis 12 um und eine generelle Korngröße D&sub1;&sub0;&sub0; bis zu 25 um, so daß praktisch alle Partikeln der Ferrolegierungen kleiner als 25 um sind, wie in Fig. 3 dargestellt. Für bestimmte Anwendungsfälle ist möglicherweise eine noch feinere Korngrößenverteilung wünschenswertrz, B. D&sub5;&sub0; = 4 bis 8 um und D&sub1;&sub0;&sub0; = 15 um.
Bei vielen Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik ist bereits mit D&sub5;&sub0; = 15 um gearbeitet worden, wie in Fig. 3 durch die gestrichelte Linie dargestellt. Es wurde aber gefunden, daß man durch Feinmahlung der Ferrolegierung auf Feinkorngröße in einer hier beschriebenen Inertgasatmosphäre besser ausgewogene mechanische Eigenschaften und eine verbesserte Porenmorphologie des Sintererzeugnisses erzielen kann. Mit anderen Worten, die Poren sind kleiner und runder und in der gesamten Masse gleichmäßiger verteilt, wodurch sich die Festigkeitseigenschaften des Endproduktes verbessern. Konkret lassen sich sehr viel zähere Pulvermetallerzeugnisse herstellen als zuvor.
Das Mahlen der Ferrolegierungspulver auf eine mittlere Korngröße von 8 bis 12 um ist auf vielfältige Weise möglich. So können die Ferrolegierungspulver z. B. in einer Kugelmühle oder in einer Reibungsmühle gemahlen werden, wenn Maßnahmen zur Verhinderung einer Oxidation der gemahlenen Partikeln und zur Regulierung des Mahlvorgangs getroffen werden, so daß die gewünschte Korngrößenverteilung erzielt wird.
Besonders gute Ergebnisse bei der hier beschriebenen Korngrößenregulierung lassen sich durch die Verwendung der in Fig. 4 dargestellten Gasstrahlmühle erzielen. Dabei wird in die Mahlkammer durch die Düsen 4 ein Inertgas wie Cyclohexan, Stickstoff oder Argon eingeleitet, das die Ferrolegierungspartikeln 6 aufwirbelt und ihnen hohe Energie verleiht, wodurch die Ferrolegierungspartikeln aufeinanderprallen und dabei zertrümmert werden. Während sich die Ferrolegierungspartikeln aneinander abschleifen und kleiner werden, trägt sie der Gasstrom in der Kammer weiter nach oben, wo sie in ein Klassierrad 10 gelangen, das auf eine bestimmte Drehzahl eingestellt ist. Beim Eintritt der Ferrolegierungspartikeln in das Klassierrad 10 werden die zu großen Ferrolegierungspartikeln zum Weitermahlen in die Mahlkammer 8 zurückgeleitet, während die Partikeln, die schon klein genug sind, d. h. die Ferrolegierungspartikeln mit einer Korngröße unter 25 um, das Rad 10 passieren und in der Sammelzone 12 gesammelt werden. Das Mahlen des Ferrolegierungsgutes erfolgt wie oben beschrieben in einer Inertgasatmosphäre, um ein Oxidieren des Ferrolegierungsgutes zu verhindern. Demgemäß ist die in Fig. 4 dargestellte Mühle ein gekapseltes System. Die eingesetzte Gasstrahlmühle reguliert mit hoher Genauigkeit die Korngröße der gemahlenen Partikeln und erzeugt eine in einem schmalen Bereich zentrierte Korngrößenverteilung, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Drehzahl des Klassierrades wird so eingestellt, daß eine mittlere Korngröße D&sub5;&sub0; von 8 bis 10 um erzielt wird. Beim Mahlen anderer Ferrolegierungen kommen abweichende Drehzahlen zur Anwendung.
Die mechanischen Eigenschaften eines produzierten Pulvermetallerzeugnisses lassen sich auf folgende Weise genau steuern:
a) Wahl von Reineisenpulver;
b) Bestimmung der gewünschten Eigenschaften des Sintererzeugnisses und Auswahl
(i) einer Graphitmenge und
(ii) der Ferrolegierung(en) aus der Gruppe von Ferromangan, Ferrochrom, Ferromolybdän und Ferrovanadium sowie Festlegung der Einsatzmenge;
c) getrennte Mahlung der Ferrolegierung(en) auf eine mittlere Korngröße von ca. 8 bis 12 um, wobei diese Mahlung in einer hier beschriebenen Gasstrahlmühle stattfinden kann;
d) Zugabe eines Gleitmittels während der Vermischung des Graphits und der Ferrolegierung(en) mit dem Reineisenpulver;
e) Verpressen des Gemisches zur Ausformung des Erzeugnisses;
f) Hochtemperatursinterung des Erzeugnisses bei einer Temperatur von 1250 bis 1350ºC in einer reduzierenden Atmosphäre, z. B. aus 90% Stickstoffund 10% Wasserstoff.
Die Zugabe des Gleitmittels erfolgt auf die dem Fachmann hinlänglich bekannte Weise und dient zur Unterstützung der Pulverbindung sowie zur Unterstützung der Formtrennung nach dem Verpressen des Erzeugnisses. Die Ausformung des Erzeugnisses geschieht durch Formpressen des Gemisches bei einem Druck von beispielsweise 25 bis 50 Tonnen pro Quadratzoll.
Bei dem hier offenbarten Verfahren kommt eine Hochtemperatursinterung bei 1250 bis 1350ºC in einer reduzierenden Atmosphäre aus beispielsweise Stickstoff und Wasserstoff im Verhältnis 90% : 10% oder in Vakuum zur Anwendung. Die reduzierende Atmosphäre bewirkt in Kombination mit der hohen Sintertemperatur eine Verminderung oder Beseitigung der Oberflächenoxide, so daß die Partikeln gute Bindungen eingehen können und das verpreßte Erzeugnis die richtige Festigkeit entwickeln kann. Die Anwendung einer höheren Temperatur dient zur Erzielung des niedrigen Taupunktes, der zur Reduktion der Mangan- und Chromoxide notwendig ist, da sich diese schwer reduzieren lassen. Die herkömmliche Praxis der Sinterung bei 1150ºC erzeugt kein Sinterklima mit der richtigen Kombination von ausreichend niedrigem Taupunkt und ausreichend hoher Temperatur zur Reduktion der Chrom-, Mangan-, Vanadium- und Siliziumoxide.
Nach dem Sintern kann noch eine Nachbearbeitung erfolgen, wie z. B. eine spanende Bearbeitung. Außerdem können nach dem Sintern auch Wärmebehandlungsschritte erfolgen.
Durch die Anwendung der Erfindung in der hier beschriebenen Form sind Vorteile erzielt worden. Zur Erhöhung der Festigkeit des Eisens werden beispielsweise Mangan-, Chrom- und Molybdän-Ferrolegierungen eingesetzt, die kombiniert oder einzeln billiger sind als die Kupfer- und Nickellegierungen, die nach dem bisherigen Stand der Technik verwendet wurden. Außerdem ist Mangan bei der Festigkeitssteigerung des Eisens anscheinend viermal so wirksam wie Nickel, da 1% Mangan etwa 4% Nickel entspricht, so daß dementsprechend ein Kostenvorteil erzielt wurde.
Sinterstähle mit Molybdän, Chrom, Mangan und Vanadium sind darüber hinaus während der hier beschriebenen Hochtemperatursinterung formbeständiger als Eisen-Kupfer-Kohlenstoffstähle (d. h. herkömmliche Pulvermetallstähle (PM)). Dadurch ist die Prozeßsteuerung einfacher und kostengünstiger als bei herkömmlichen PM-Legierungen.
Weiterhin wird das Feingefüge des Endproduktes wie folgt verbessert:
a) gut ausgerundete Poren;
b) homogenes Gefüge;
c) Gefüge mit viel kleinerer Korngröße;
d) Das Produkt ist zusammensetzungsmäßig eher mit Schmiede- und Gußstählen vergleichbar als herkömmliche Pulvermetallstähle.
Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht eine Regulierung oder Anpassung der anwendungsspezifisch gewünschten Werkstoffe.
1. Sinterhärtende Gütegruppe
2. Kaltgasabgeblasene Gütegruppe
3. Sinterharte Gütegruppe
4. Hochfeste Gütegruppe
5. Hochdehnbare Gütegruppe
Die folgende Übersicht enthält Beispiele zu den o. g. fünf Gütegruppen und gibt die Zusammensetzungsbereiche an, die nach dem hier beschriebenen Verfahren zur Anwendung kommen können.
Besonders gute Ergebnisse wurden mit der sinterharten Gütegruppe mit 1,5% Mn und 0,8% C, einer Zugfestigkeit von 90 ksi und einer Schlagfestigkeit von 20 ft/lb erzielt. Andere Legierungskombinationen sind möglich, um Erzeugnisse mit spezifisch ausgewogenen Eigenschaften herzustellen, wie z. B. mit hoher Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit.
Gute Ergebnisse wurden ferner mit folgenden Gütegruppen erzielt:
a) Sinterhärtende Gütegruppe mit 1,5% Mn, 0,5% Mo und 0,85% C
b) Kaltgasabgeblasene Gütegruppe
(i) mit 1,5% Mn, 0,5% Mo und 0,5% C
(ii) mit 0,5% Cr, 1,0% Mn und 0,5% C
c) Hochfeste Gütegruppe
(i) mit 1,0% Mn, 0,5% C, 0,5% Cr und 0,5% Mo
(ii) mit 1,5% Cr, 0,6% C und 1,0% Mn
Das hier beschriebene Pulvermetallverfahren ist Gegenstand der am 9. September 1992 eingereichten PCT-Anmeldung CA 92/00388.

Walzbare Gütegruppe

Das hier beschriebene Verfahren kann auch zur Herstellung einer sechsten Gütegruppe verwendet werden, und zwar einer walzbaren Gütegruppe mit folgender Zusammensetzung:
Walzbar Cr: 0,5-2,0% 80 15
Mo: 0-1,0%
C: 0,1-0,6%
Mn: 0-0,6%
Zur Herstellung einer Lagerfläche entsprechend der nachstehenden Beschreibung eignen sich besonders die walzbare und die hochdehnbare Gütegruppe. Ein Lager 20 mit verbesserten Festigkeits- und Verschleißeigenschaften kann man durch Herstellung eines verdichteten Sinterrohlings entsprechend der o. g. hochdehnbaren bzw. walzbaren Gütegruppe, anschließende Verpressung der Lagerfläche zur Ausbildung einer verdichteten Schicht und nachfolgende Wärmebehandlung in der weiter unten noch eingehender erläuterten Weise gewinnen.
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen ein konkretes Teil mit einem Lager 20. In Fig. 5 ist ein Ritzel 30 für automatische Getriebe dargestellt, das mit Ritzelzähnen 32 und Lager 20 versehen ist. Das Lager 20 hat eine Lagerfläche 22. Das Lager 20 bzw. die Lagerfläche 22 ist keine Kugellagerkonstruktion, sondern eine Laufbuchse bzw. eine massive zylindrische Fläche.
Die Erfindung soll im Folgenden mit Bezug auf den Außendurchmesser einer Laufbuchse beschrieben werden, obgleich sie sich gleichfalls auf die Herstellung einer Lager- oder Laufbuchsenfläche oder die Druckseite oder eine Innenlagerfläche anwenden läßt.
Die Herstellung der Laufbuchse 20 des Ritzels 30 kann dementsprechend wie folgt genau gesteuert werden durch:
a) Wahl von Reineisenpulver;
b) Wahl der hochdehnbaren Eigenschaften des Pulvermetallsintererzeugnisses durch Auswahl
(i) einer Graphitmenge und
(ii) der Ferrolegierungen aus der Gruppe von Ferrochrom und Ferromolybdän
zur Herstellung eines Sintererzeugnisses mit einer resultierenden Zusammensetzung aus 0,5 bis 2,0 Gewichts-% Chrom, 0 bis 1,0 Gewichts-% Molybdän und 0,1 bis 0,6 Gewichts-% Graphit;
c) getrennte Mahlung der Ferrolegierungen auf eine mittlere Korngröße von ca. 8 bis 12 um;
d) Zugabe eines Gleitmittels während der Vermischung des Graphits und der Ferrolegierungen mit dem Reineisenpulver;
e) Verpressen des Gemisches zur Ausformung der Laufbuchse 20;
f) Hochtemperatursinterung des Erzeugnisses bei einer Temperatur von 1250 bis 1350ºC in einer reduzierenden Atmosphäre.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet:
a) Wahl von Reineisenpulver;
b) Wahl der walzbaren Eigenschaften des Pulvermetallsintererzeugnisses durch Auswahl
(i) einer Graphitmenge und
(ii) der Ferrolegierungen aus der Gruppe von Ferrochrom, Ferromolybdän und Ferromangan
zur Herstellung eines Sintererzeugnisses mit einer resultierenden Zusammensetzung aus 0,5 bis 2,0 Gewichts-% Chrom, 0 bis 1,0 Gewichts-% Molybdän, 0 bis 0,6% Mangan und 0,1 bis 0,6 Gewichts-% Graphit;
c) getrennte Mahlung der Ferrolegierungen auf eine mittlere Korngröße von ca. 8 bis 12 um;
d) Zugabe eines Gleitmittels während der Vermischung des Graphits und der Ferrolegierungen mit dem Reineisenpulver;
e) Verpressen des Gemisches zur Ausformung der Laufbuchse 20;
f) Hochtemperatursinterung des Erzeugnisses bei einer Temperatur von 1250 bis 1350ºC in einer reduzierenden Atmosphäre.
Anschließend wird der Sinterrohling mittels eines Glättwalzwerkzeugs 50 kaltgewalzt, das im Folgenden näher beschrieben werden soll.
Der vom Glättwalzwerkzeug auf den zylindrischen Rohling aufgebrachte Walzdruck erzeugt eine verdichtete Schicht 24, die das Lager bildet.
Während der Verdichtung werden die Poren 40 zusammengedrückt, wie in Fig. 7 durch 42 dargestellt, so daß nach der Wärmebehandlung annähernd die Dichte eines Massivkörpers erreicht ist. Die Wirkung der Wärmebehandlung ist aus der unteren Abbildung von Fig. 7 ersichtlich, wo die zusammengedrückten Poren 42 durch Diffusion im wesentlichen verfestigt sind - durch 44 gekennzeichnet.
Die Dicke der verdichteten Schicht 24 richtet sich nach der Zusammensetzung und dem Durchmesser des herzustellenden Lagers. Als Daumenregel gilt, daß die Dicke der verdichteten Schicht 24 annähernd der vierfachen Durchmesseränderung der zylindrischen Lagerfläche entspricht. Konkret bedeutet das, daß die Lagerfläche 24 unmittelbar nach dem Sintern zunächst einen größeren Durchmesser und nach dem Walzen verdichtungsbedingt einen kleineren Durchmesser hat. Es wurde gefunden, daß nach Maßgabe dieser Erfindung bis zu 2 mm starke Lagerflächen hergestellt werden können.
Die hier beschriebenen Walz- und Wärmebehandlungsschritte können ferner zur Herstellung von Pulvermetall-Lagern angewendet werden, jedoch wurde herausgefunden, daß die Herstellung einer verdichteten Schicht an einem Sinterröhling zur Ausbildung einer Laufbuchse bessere Ergebnisse liefert, wobei der Rohling entsprechend dem hier beschriebenen Pulvermetallverfahren aus Pulver der hochdehnbaren Gütegruppe gefertigt wird.
Bei der hier beschriebenen Walzbearbeitung wird der zylindrische Rohling selektiv so verdichtet, daß ein Lager mit einer speziellen Dicke 24 entsteht. Die Dichte des Lagers 20 nimmt von innen nach außen allmählich zu; die innerste Schicht kann eine dem Zustand nach dem Sintern entsprechende Dichte von ca. 89 bis 90% aufweisen, während an der äußeren Lagerfläche 22 eine Dichte von mindestens 98% erreicht wird. Bei einem konkreten Beispiel kann die Innenfläche eine Dichte von 7,0 g/cm³ haben, während die Dichte der äußeren Lagerfläche 7,7-7,8 g/cm³ beträgt. Dementsprechend ist die Dichte an der äußeren Lagerfläche 22 am höchsten.
Nach dem Walzen und Verdichten in der hier beschriebenen Weise erhält man ein Pulvermetallerzeugnis, das auf das Fertigmaß genau hergestellt werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, bewirkt der Wärmebehandlungsvorgang bei den zusammengedrückten Poren 42 eine Diffusionsbindung 44. Konkret kann die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 900 bis 1300ºC erfolgen. Die Behandlungsdauer ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Die Wärmebehandlung kann beispielsweise in Karbonisieren, Abschrecken oder Anlassen bestehen. Während der Wärmebehandlung kommt es unter dem Einfluß der hohen Temperatur zu einer Kristallisierung des gepreßten und verdichteten Materials, so daß man ein Lager 20 mit hohen Festigkeits- und Verschleißbeständigkeitswerten erhält. Das entsprechend dieser Beschreibung hergestellte Lager 20 läßt sich im wesentlichen wie Schmiedestahl schleifen, polieren und zerspanen.
Lagerstähle erfordern kleine Zwischengitterplätze und besonders niedrige Sauerstoffanteile, und es wurde herausgefunden, daß die hier beschriebene Hochtemperatursinterung die Erreichung dieses optimalen Niveaus ermöglicht, so daß Pulvermetall-Lager hergestellt werden können.
Für die Komprimierung des Pulvermetallrohlings zur Herstellung der Lagerfläche 22 können zwar Walzvorrichtungen in jeder Zahl eingesetzt werden, aber das in Fig. 8 in Querschnittansicht dargestellte Glättwalzwerkzeug 50 liefert besonders gute Ergebnisse. Das Glättwalzwerkzeug 50 besteht im Einzelnen aus einem Schaft 52, einem Lager 54 mit Käfigaufnahme 56 und Feder 58. Weiterhin besteht das Glättwalzwerkzeug 50 aus einem Käfig 60, einem Bund 62, einem Walzkörper 64 mit Laufring 66 und Walzen 68. Das in Fig. 8 dargestellte Glättwalzwerkzeug 50 funktioniert in der dem Fachmann hinlänglich bekannten Weise mit den nachstehenden Abänderungen. Das hier konkret verwendete Glättwalzwerkzeug 50 wurde bei Roll- A-Matic Inc. gekauft und hat eine konische Walze 68, die so eingerichtet ist, daß sie an der Außenseite eines Sinterrohlings anliegt. Beim Abrollen des Glättwalzwerkzeugs 50 und insbesondere der konischen Walze 68 auf dem Sinterrohling kommt die Außenfläche 22 mit der Walze 68 in Berührung und wird fortschreitend verdichtet, indem der Sinterrohling immer weiter in das Werkzeug 50 hineingeschoben wird.
Das Glättwalzwerkzeug 50 ist bei Roll-A-Matic Inc. mit einer Bestückung von 7 Walzen erhältlich. Es wurde jedoch herausgefunden, daß besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn das Glättwalzwerkzeug 50 so umgebaut wird, daß es nur noch 3 Walzen enthält, und damit die Lagerfläche 22 bei einer Drehzahl von ca. 20 bis 30 min&supmin;¹ kaltgewalzt und verdichtet wird. Normalerweise ist das Glättwalzwerk zeug 50 für den Betrieb mit 7 Walzen und für eine Drehzahl von 800 min&supmin;¹ ausgelegt. Es wurde herausgefunden, daß die Oberfläche 22 bei Einsatz von 7 Walzen zum Zerspringen tendiert, da das kaltverformbare Material nicht genug Zeit zur Rückbildung erhält. Dementsprechend werden nur drei Walzen bei einer Drehzahl von 20 bis 30 min&supmin;¹ eingesetzt.
Auch Innenlagerflächen können mittels geeigneter Glättwalzwerkzeuge hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Pulvermetallgegenstands mit einer Lagerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren folgende Schritte beinhaltet:

a) Vermischen von Graphit, mindestens einem Ferrolegierungspulver, auszuwählen aus getrennten Ferrolegierungspartikeln von Ferromangan, Ferrochrom, Ferromolybdän, und einem Gleitmittel mit komprimierbarem Reineisenpulver zu einem Pulvergemisch;

b) Verpressen des Pulvergemisches zu einem verdichteten Körper;

c) Sintern des durch Pressen geformten Körpers;

d) Walzbearbeitung zumindest eines Teils der Oberfläche des Körpers zur Komprimierung seiner Oberflächenschicht zwecks Verdichtung der Schicht und Ausbildung einer Lagerfläche;

e) Wärmebehandlung dieser Oberflächenschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ferrolegierungspulver eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 8 bis 12 Mikrometern und die annähernd ganze Menge dieses mindestens einen Ferrolegierungspulvers eine Partikelgröße von weniger als 25 Mikrometern aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent Chrom, 0 bis 1,0 Gewichtsprozent Molybdän, 0 bis 0,6 Gewichtsprozent Mangan und 0,1 bis 0,6 Gewichtsprozent Graphit enthält.

4. Prozeß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ferrolegierungspulver aus Ferrochrom und Ferromolybdän ausgewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent Chrom, 0 bis 1,0 Gewichtsprozent und 0,1 bis 0,6 Gewichtsprozent Graphit enthält.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperatursinterung im Vakuum, in einer reduzierenden Atmosphäre aus einem Gemisch von Stickstoff und Wasserstoffatmosphäre oder in einer reduzierenden Atmosphäre aus Ammoniak-Spaltgas stattfindet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung in einem Temperaturbereich von 1250ºC bis 1350ºC erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche zylindrisch ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der verdichteten Schicht annähernd der vierfachen Änderung des Durchmessers der zylindrischen Lagerfläche zwischen dem Zustand unmittelbar nach dem Sintern und dem Zustand nach der Walzbearbeitung entspricht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzdruck durch ein Glättwalzwerkzeug aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Glättwalzwerkzeug aus sieben Walzen besteht, von denen vier entfernt wurden, sowie dadurch, daß das Werkzeug bei Drehzahlen im Bereich von 20 bis 30 min1 betrieben wird.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in. Karbonisieren, Abschrecken oder Anlassen besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von bis zu 1000ºC erfolgt.

14. Anwendung eines Oberflächenbehandlungsverfahrens an einem gesinterten Pulvermetallkörper zur Herstellung eines Gegenstands mit daran befindlicher Lagerfläche, wobei der Körper durch Sintern eines Pulvergemisches aus Graphitpulver, komprimierbarem Reineisenpulver und mindestens einem Ferrolegierungspulver, ausgewählt aus getrennten Ferrolegierungspartikeln von Ferromangan, Ferrochrom und Ferromolybdän, hergestellt wurde; dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Körperoberfläche einer Walzbearbeitung zur Ausbildung einer verdichteten Lagerflächenschicht unterzogen und die verdichtete Schicht anschließend wärmebehandelt wird.

15. Gesinterter Pulvermetallgegenstand mit einer Lagerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand durch Sintern eines Pulvergemisches aus Graphitpulver, komprimierbarem Reineisenpulver und mindestens einem Ferrolegierungspulver, ausgewählt aus getrennten Ferrolegierungspartikeln von Ferromangan, Ferrochrom und Ferromolybdän, hergestellt wurde; und weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche in einer gewalzten, kaltbearbeiteten und wärmebehandelten verdichteten Schicht besteht.

16. Pulvermetallgegenstand nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus 0,5 bis 2,0% Chrom, 0 bis 1,0% Molybdän, 0,1 bis 0,6% Graphit und im übrigen aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen.

17. Pulvermetallgegenstand nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Oberflächenschicht eine Dicke von bis zu 2 Millimetern hat und die Dichte dieser Schicht allmählich bis annähernd 98% an der eigentlichen Lagerfläche zunimmt.

18. Zylindrisches Lager, bestehend aus einem Pulvermetallgegenstand nach einem der Ansprüche 15 bis 17.

Fig. 1 Fe alloy = Fe-Legierung

Fig. 2

Fig. 3 um = um

Fig. 4 Raw Material Feed - Mahlgutbeschickung

Gas Flow - Gasstrom

Filter - Filter

Compressor - Verdichter

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7a

Fig. 7b

Fig. 7c

Fig. 8 # 2 M. T. = Morsekegel Nr. 2