AT501676A1

AT501676A1 - Verfahren zum herstellen eines schichtverbundwerkstoffes

Info

Publication number: AT501676A1
Application number: AT0094604A
Authority: AT
Original assignee: Miba Gleitlager Gmbh
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-10-15
Also published as: US7156149B2; AT501676B1; US20050281946A1

Description

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(32 970) II

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes, wobei eine Schicht aus sinterbaren Feststoffteilchen auf einen bandförmigen Metallträger aufgebracht und durch Wärmezufuhr in einer Vorschubrichtung fortlaufend mit flüssiger Phase gesintert wird.

Um einen Schichtverbundwerkstoff, der beispielsweise aus einem Stahlträger und einem Schichtwerkstoff auf Kupferbasis besteht und für Gleitlager Verwendung findet, durch ein Sintern des in Pulverform auf den Stahlträger aufgebrachten Schichtwerkstoffes herstellen zu können, ohne den bandförmigen Stahlträger mit dem aufgebrachten Sinterpulver durch einen aufwendigen Sinterofen und eine nachgeschaltete Kühlvorrichtung führen zu müssen, ist es bekannt (GB 2 383 051 A), das auf den Stahlträger aufgestreute Sinterpulver des Schichtwerkstoffes mit Hilfe von Laserstrahlen über die Breite des bandförmigen Stahlträgers in einem örtlich begrenzten Längenbereich aufzuschmelzen und im Anschluß an diesen Aufschmelzbereich von der Seite des Stahlträgers her rasch abzukühlen, um eine von der Oberfläche des Stahlträgers ausgehende, nach außen fortschreitende Erstarrung des Schichtwerkstoffes mit einer feinkörnigen, dendritischen Struktur zu erreichen. Obwohl mit Hilfe dieses Verfahrens zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes die Länge der hiefür erforderlichen Anlagen im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen zum Sintern von Schichtverbundwerkstoffen erheblich verkürzt werden kann, bleibt der Aufwand wegen des notwendigen Einsatzes von Lasereinrichtungen über die Breite des bandförmigen Stahlträgers erheblich.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß die Vorteile eines in einer Vorschubrichtung fortschreitenden, auf einen kurzen Längenbereich beschränkten Sinterns mit flüssiger Phase genützt werden können, ohne die entsprechende Schicht des Schichtwerkstoffes mit Hilfe von Lasereinrichtungen auf die Sintertemperatur erwärmen zu müssen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Metallträger in Vorschubrichtung fortlaufend mit einem Temperaturprofil erwärmt wird, das von einer höchsten Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Feststoffteilchen im Bereich einer die Teilchenschicht aufnehmenden Oberflächenschicht gegen eine Kernschicht des Metallträgers hin zu niedrigeren Temperaturen abfällt, und daß die Teilchenschicht zumindest in einer am Metallträger anliegenden Schicht durch eine Wärmeübertragung vom erwärmten Metallträger gesintert wird.

Da zufolge dieser Maßnahmen der erwärmte Metallträger ein von einer höchsten Temperatur im Bereich der die Teilchenschicht aufnehmenden Oberflächenschicht ausgehendes Temperaturgefälle in Richtung einer Kemschicht hin aufweist, kann trotz der Erwärmung der Feststoffteilchen des Schichtwerkstoffes auf die für ein Sintern mit Flüssigphase erforderliche Sintertemperatur durch eine Wärmeübertragung vom Metallträger her eine von der Oberfläche des Metallträgers ausgehende und nach außen fortschreitende Erstarrung der flüssigen Phase sichergestellt werden. Die dem Metallträger aus dessen oberflächennahen Schicht entzogene Schmelzwärme führt bei einer entsprechenden Abstimmung der hiefür maßgebenden Verhältnisse aufgrund des Temperaturgefälles zu einer Abkühlung der oberflächennahen Schichten des Metallträgers und damit zu einer Erstarrung der flüssigen Phase mit wachsendem Vorschub fortschreitend von innen nach außen. Wesentlich hiefür ist ein ausreichendes Temperaturgefälle, das zur Sicherstellung der angestrebten Wirkung in vielen Anwendungsfällen wenigstens 5 K/mm betragen soll.

Wegen der maßgeblich von der Frequenz abhängigen Eindringtiefe eines elektromagnetischen Wechselfeldes in einen bandförmigen Metallträger kann das angestrebte Temperaturprofil für die Erwärmung des Metallträgers in vorteilhafter Weise durch eine induktive Erwärmung erreicht werden, zumal durch eine entsprechende Anordnung der Windungen der Erregerwicklung im Bereich der einander gegenü- i A ···· ···· _ 3 _ ·« ··· · ··· *· · berliegenden Oberflächen des bandförmigen Metallträgers oder durch eine einseitige Windungsanordnung unterschiedliche Felddichten ohne weiteres eingestellt werden können. Damit kann der Metallträger in Vorschubrichtung fortlaufend mit dem jeweils gewünschten Temperaturprofil erwärmt werden, um die für das Sintern der Feststoffteilchen mit flüssiger Phase erforderliche Schmelzwärme vom Metallträger auf die aufgebrachte Teilchenschicht übertragen zu können. Die Teilchenschicht kann mit herkömmlichen Sinterpulvern hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, erheblich grobkörnigere Werkstoffe oder Granulate einzusetzen, ohne die angestrebte Sinterung durch eine Wärmeübertragung vom Metallträger her zu gefährden.

Die für das Sintern der Feststoffteilchen über die gesamte Schichtdicke erforderliche Wärmeenergie braucht jedoch nicht vollständig über die Erwärmung des Metallträgers aufgebracht zu werden. Die auf den Metallträger aufgebrachte Teilchenschicht kann nämlich während des Sintervorganges zusätzlich induktiv erwärmt werden, so daß lediglich eine am Metallträger anliegende Schicht der Feststoffteilchen durch eine Wärmeübertragung vom erwärmten Metallträger her mit flüssiger Phase gesintert wird. Mil dern Schmelzen einer Teilschicht der Feststoffteilchen können nämlich in dieser geschmolzenen Teilschicht Wirbelströme induziert werden, die für eine entsprechende Zusatzwärme sorgen, um den Sintervorgang nach außen zu beschleunigen. Die über den abgekühlten Metallträger eingeleitete Erstarrung des Sinterwerkstoffes wird dadurch nicht berührt, so daß auch dickere Schichtwerkstoffe mit einem vergleichsweise geringen Aufwand gesintert werden können, was jedoch beispielsweise im Hinblick auf Schichtverbundwerkstoffe für Gleitlager von untergeordneter Bedeutung ist. Darüber hinaus können die Feststoffteilchen vor dem Sintern vorgewärmt werden, um mit einer geringeren Wärmeenergie im Bereich des Metallträgers das Auslangen zu finden.

Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes nach einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem schematischen Längsschnitt,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante einer Vorrichtung zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes,

Fig. 3 den zeitlichen Temperaturverlauf bei der induktiven Erwärmung des Metallträgers in einer Oberflächenschicht und in einer Kernschicht und Fig. 4 das Temperaturgefälle zwischen einer Oberflächenschicht und einer Kernschicht des Metallträgers bei einem Erwärmungsverlauf nach der Fig. 3.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist innerhalb einer Schutzhaube 1 zur Aufrechterhaltung einer Schutzgasatmosphäre eine Einrichtung 2 zum induktiven Erwärmen eines bandförmigen Metallträgers 3 vorgesehen, der mit Hilfe von Treibrollen 4 durch die Schutzhaube 1 gefördert und beim Durchlaufen der Windungen 5 wenigstens einer Induktionsspule erwärmt wird, bevor Feststoffteilchen, beispielsweise ein Sinterpulver, für den aufzubringenden Schichtwerkstoff mit Hilfe einer Aufstreueinrichtung 6 auf den Metallträger 3 aufgebracht wird.

In der Fig. 3 ist der zeitliche Erwärmungsverlauf für einen stählernen Metallträger 3 mit einer Dicke von 5 mm einerseits in einer Oberflächen- und anderseits in einer Kernschicht dargestellt. Aus dem in voller Linie eingezeichneten Verlauf 7 der Oberflächentemperatur ergibt sich, daß bei einer geeigneten Feldfrequenz von beispielsweise 200 kHz die Oberflächentemperatur des Metallträgers 3 nach dem Überschreiten des Curie-Punktes erst wieder allmählich ansteigt, doch kann bei einer entsprechenden Energieversorgung die notwendige, oberhalb der Schmelztemperatur der Feststoffteilchen liegende Höchsttemperatur von z.B. 1100 bis 1200°C innerhalb einer Zeitspanne von 4 bis 5 Sekunden ohne weiteres erreicht werden. Aufgrund der von der Erregerfrequenz abhängigen Eindringtiefe des magnetischen Wechselfeldes folgt die Kerntemperatur gemäß der strichliert gezeichneten Kurve 8 der Oberflächentemperatur 7 des Metallträgers 3 mit einer zeitlichen Verzögerung, so daß sich innerhalb des Metallträgers 3 ein Temperaturprofil mit einem Temperaturgefälle von einer jeweils höchsten Temperatur in einer Oberflächenschicht zu entsprechend niedrigeren Temperaturen in einer Kernschicht ergibt. Der Temperaturunterschied zwischen dem Temperaturverlauf 7 im Oberflächenbereich und den Temperaturverlauf 8 im Kernbereich ist in der Fig. 4 in einem große- • · • · • · • · -5- ren Maßstab als Kurve 9 dargestellt. Es zeigt sich, daß nach dem Überschreiten des Curie-Punktes zwar der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern abnimmt, daß dieser Temperaturunterschied aber bei den vorgegebenen Verhältnissen im Bereich der angestrebten Endtemperatur nicht unter 50 °C absinkt. Dies bedeutet, daß nach dem Erwärmen des Metallträgers 3 auf eine die Schmelztemperatur der Feststoffteilchen übersteigende Oberflächentemperatur ein ausreichender Temperaturgradient in Richtung der Kemschicht des Metallträgers 3 vorliegt, so daß trotz der Übertragung der Schmelzwärme vom Metallträger auf die Teilchenschicht und des damit verbundenen Sinterns des Schichtwerkstoffes mit flüssiger Phase die Erstarrung der aufgeschmolzenen Feststoffteilchen von der Oberfläche des Metallträgers 3 ausgeht und nach außen fortschreitet. Die über den auftretenden Temperaturgradienten eingeleitete Abkühlung der aufgeschmolzenen Feststoffteilchen kann durch eine Kühlung des Metallträgers 1 von der dem Schichtwerkstoff abgekehrten Seite her unterstützt werden, wie dies durch eine in der Fig. 1 strichpunktiert angedeutete Kühleinrichtung 10 veranschaulicht ist.

Da der Metallträger 3 in einer Vorschubrichtung 11 fortschreitend induktiv erwärmt wird, wobei der Erwärmungsbereich auf einen kurzen, durch die induktive Erwärmungseinrichtung 2 bestimmten Längenbereich beschränkt ist, und die aufgestreute Teilchenschicht ebenfalls in einem begrenzten Längenabschnitt des erwärmten Metallträgers 3 mit flüssiger Phase gesintert wird, um unmittelbar danach über den Metallträger 3 her abgekühlt zu werden, ergibt sich für die Sintervorrichtung eine vergleichsweise kurze Baulänge, so daß es durchaus möglich wird, nicht nur Bänder sondern auch als Platten vorliegende Metallträger 3 zur Herstellung von Schichtverbundwerkstoffen mit einem Schichtwerkstoff zu versehen.

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 entspricht im wesentlichen der der Fig. 1. Zum Unterschied zu der Ausführungsform nach der Fig. 1 ist der Einrichtung 2 jedoch eine Zusatzspule mit Windungen 12 zugeordnet, die der Aufstreueinrichtung 6 in Vorschubrichtung 11 nachgeordnet sind und so ausgelegt werden, daß nicht die gesamte Schmelzenergie für die Teilchenschicht über den Metallträger 3 auf die Teilchenschicht übertragen werden muß. Solche zusätzliche Induktionswindungen 6 ♦ ♦ · • · Λ ·#· ·· · • · ♦

12 erlauben selbstverständlich auch ein nachfolgendes Aufstreuen von Feststoffteilchen, wie dies durch die strichpunktiert gezeichnete Aufstreueinrichtung 13 angedeutet wird.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, weil sowohl hinsichtlich der Spulenanordnung als auch der Aufstreuung der Feststoffteilchen Einfluß auf den Sintervorgang und die Ausbildung des Schichtwerkstoffes genommen werden kann. Da sowohl hinsichtlich der Vorbehandlung des zu besinternden Metallträgers 3 als auch bezüglich der Nachbehandlung des Schichtverbundwerkstoffes durch das erfindungsgemäße Verfahren keine Einschränkungen erzwungen werden, wird auf die üblichen Vor- und Nachbehandlungen nicht näher eingegangen.

Claims

·· • · • · • · • # • · ··· • · · · • ··· ·· • · · • ···· Patentanwälte Dipl.-Ing. Gerhard Hübscher Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Spittelwiese 7, A-4020 Linz (32 970) II Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes, wobei eine Schicht aus sinterbaren Feststoffteilchen auf einen bandförmigen Metallträger aufgebracht und durch Wärmezufuhr in einer Vorschubrichtung fortlaufend mit flüssiger Phase gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallträger in Vorschubrichtung fortlaufend mit einem Temperaturprofil erwärmt wird, das von einer höchsten Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Feststoffteilchen im Bereich einer die Teilchenschicht aufnehmenden Oberflächenschicht gegen eine Kernschicht des Metallträgers hin zu niedrigeren Temperaturen abfällt, und daß die Teilchenschicht zumindest in einer am Metallträger anliegenden Schicht durch eine Wärmeübertragung vom erwärmten Metallträger gesintert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallträger auf ein Temperaturprofil mit einem Temperaturgefälle von wenigstens 5K/mm erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bandförmige Metallträger induktiv erwärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenschicht während des Sintervorganges zusätzlich induktiv erwärmt wird.
5. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffteilchen vor dem Sintervorgang vorgewärmt werden. Linz, am 28. Mai 2004 Miba Gleitlager GmbH