DE1301017B - Verfahren zum Verhindern des Werfens bei der pulvermetallurgischen Herstellung von schlanken Formkoerpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verhindern des Werfens oder Verbiegens bei der pulvermetallurgischen Herstellung von schlanken Formkörpern, wie beispielsweise schlanken Stangen, aus einem hochschmelzenden Bestandteil und einer niedrigerschmelzenden Grundmasse. Dabei wird die Pulvermischung verpreßt, anschließend wird mit flüssiger Phase gesintert und schließlich abgekühlt. Im besonderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen geradem, schlankem Rundmaterial aus verdichteten Pulverbestandteilen durch Pulvermetallurgie.

Derartige Verfahren sind bereits bekannt. Das Pulvergemisch wird zu einer schlanken Form verdichtet, um dem Körper die gewünschte Gestalt zu geben, und der Formkörper wird in einer im wesentlichen nicht oxydierenden Atmosphäre von hoher Temperatur gesintert, damit sich die verdichteten Bestandteile zu einer dichten Struktur zusammensintern lassen.

Es ist bereits bekannt, die Drucktypen von Schreibmaschinen durch Zusammenpressen und Zusammensintern von Metallpulvern herzustellen. Um die Produktionsrate zu steigern, hat man dabei mehrere einzelne Drucktypen in der Preßform neben- bzw. hintereinander angeordnet, so daß sich beim Verpressen erne Drucktypenreihe ergibt. Anschließend wurde die Drucktypenreihe in die einzelnen Drucktypen zerschnitten. Dabei ist es auch bekannt, zwei Drucktypenpaare Rückseite an Rückseite miteinander zu verpressen und die Preßstempel so auszubilden, daß sich eine eingeschnürte Stelle an der Rückseite der Drucktypenpaare bildet, an der diese Paare später zerschnitten werden, um durch die zu dieser Einschnürung hinführenden Begrenzungsflächen den Verlauf von eventuellen Rissen festzulegen. Ferner ist es bekannt, eine Reihe von Hartmetallplättchen stapelweise dadurch heiß zu pressen, daß zwischen zwei Preßlinge Zwischenplatten gelegt werden, die beim Sintern ein Zusammensintern der benachbarten Hartmetallschichten verhindern. Dieses Stapelsintern hat den Zweck, die Homogenität der zu sinternden Formkörper zu verbessern. Um aus den einzelnen Hartmetallschichten jeweils mehrere Hartmetallplättchen herstellen zu können, sind dabei die Zwischenplatten mit rippenartigen Vorsprüngen versehen, so daß die Hartmetallschichten entsprechende Aussparungen aufweisen, längs derer sie später zerteilt werden können.

Das pulvermetallurgische Herstellungsverfahren weist jedoch Schwierigkeiten auf, wenn langgestreckte, d. h. schlanke Körper hergestellt werden sollen. Da der aus der Pulvermischung gepreßte Formkörper beim Sintern nicht unbeträchtlich schrumpft, findet nicht nur eine Querschnittsverminderung statt, sondern treten infolge der unterschiedlichen Längen-Querschnitts-Verhältnisse Biegeerscheinungen auf, so daß nach dem Sintern und Abkühlen keine langgestreckten geraden, sondern gebogene Körper zustande kommen. Dieser Nachteil ist insbesondere bei der Herstellung von Formkörpern anzutreffen, die aus einem hochschmelzenden Bestandteil und einer niedrigerschmelzenden Grundmasse bestehen und bei denen mit flüssiger Phase gesintert wird. So war es bisher praktisch nicht möglich, Stangen mit einem Längen-Querschnitts-Verhältnis von etwa 5:1 oder größer herzustellen. Die gebogenen Formkörper können dann auch nicht ohne weiteres von spitzenlosen Schleifmaschinen bearbeitet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verwerfen von schlanken Formkörpern, die nach dem eingangs geschilderten Verfahren hergestellt werden, zu vermeiden.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Sinterung mit einer zu einem Stück vereinigten Mehrzahl der schlanken Formkörper

ίο durchgeführt wird, die über einen dünnen, abbrechbaren Längssteg zwischen jedem Formkörper sich gegenseitig abstützend miteinander verbunden sind, und daß nach dem Abkühlen die gesinterten Formkörper durch Abbrechen ihrer Verbindungsstege voneinander getrennt werden.

Es kann kein Zweifel bestehen, daß das Anfertigen von entsprechenden Preßformen und das Verpressen der Pulvermischung in solchen Preßformen mit nebeneinanderliegenden Formkörpern und diese verbindenden Stegen fertigungstechnisch keinerlei Schwierigkeiten bereitet. Diese Maßnahme führt jedoch zu einer befriedigenden Lösung der seit Jahrzehnten bekannten Aufgabe, denn das unerwünschte Verwerfen bzw. Verbiegen der schlanken Formkörper kann nunmehr verhindert oder zumindest weitgehend vermindert werden.

Bei einem Verhältnis von Länge zur Querschnittsdicke der Formkörper von 5:1 wird eine Stegdicke im Bereich zwischen 0,6 und 2 mm für vorteilhaft angesehen. Dabei beträgt das Verhältnis von Querschnittsdicke zur Stegdicke mindestens 4:1.

Sofern erforderlich, wird jeder der gesinterten und abgetrennten Formkörper entgratet.

Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich auch dadurch bewerkstelligen, daß aus der Pulvermischung zuerst eine Platte gepreßt wird und daß die Platte vor der Sinterung so weit bearbeitet wird, daß eine Mehrzahl gleicher, schlanker Formkörper, die über einen dünnen, abbrechbaren Steg miteinander verbunden sind, gebildet wird. Dadurch bildet die Herstellung der Preßform gar keine Schwierigkeit, da lediglich glatte Preßformflächen zur Herstellung der Platte erforderlich sind. Handelt es sich beispielsweise um stabförmige Formkörper, dann muß die Platte ledig-Hch mit parallelen, rinnenförmigen Aussparungen, die die Stege übriglassen, versehen werden, um den zur Sinterung weiter zu verwendenden Gesamtkörper zu formen.

Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren vorzüglich zur Herstellung von langgestreckten Formkörpern verwendbar ist, die aus einer Pulvermischung von Titankarbid und wärmebehandelbarem Stahl hergestellt werden. Derartige Formkörper zeichnen sich nach der Sinterung und einer anschließenden Wärmebehandlung durch vorzügliche Härteeigenschaften bei guter Duktilität aus.

Im folgenden werden an Hand der F i g. 1 bis 6 Ausführungsbeispiele für die Erfindung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines gesinterten stangenförmigen Formkörpers,

F i g. 2 eine Querschnittsansicht einer Anzahl miteinander durch Stege verbundener schlanker Formkörper, die an ihren Stegen durch dreieckförmige,

6g keramische Stützen abgestützt sind,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht einer einheitlichen Anordnung, die aus mehreren aus einer Pulvermischung verdichteten, schlanken Formkörpern be-

steht, die vor und bei dem Sintern durch Stege, die in Längsrichtung neben den Formkörpern verlaufen, miteinander verbunden sind,

F i g. 4 eine Stirnansicht von zwei mittels eines Steges miteinander verbundener Formkörper in vergrößertem Maßstab,

F i g. 5 die Anwendung der Erfindung auf die Herstellung von Stangen mit quadratischem Querschnitt,

F i g. 5 a ein Formkörperpaar mit jeweils rechteckigem Querschnitt und

F i g. 6 schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer einstückigen Zusammenstellung mehrerer durch Stege miteinander verbundener Stangen.

Die schlanken Formkörper werden im folgenden als Stangen bezeichnet, die z. B. einen Durchmesser von etwa 3 bis zu 25 mm und darüber aufweisen. Die Querschnittsform kann z. B. ein Kreis, ein Quadrat, ein gleichseitiges oder ein gleichschenkliges Dreieck, ein gleichmäßiges Vieleck oder Abwandlungen der vorangehenden Formen sein. Beispielsweise kann der Querschnitt ein Rechteck sein mit einem Verhältnis von Breite zur Dicke bis etwa 2:1. Im Fall eines rechteckförmigen Querschnittes ist also die Länge der rechteckförmigen Stange gewöhnlich mindestens fünfmal größer als die Dicke des Rechtecks.

In F i g. 1 ist eine zylindrische Stange 1 mit dem Durchmesser bzw. der Dicke T und der Länge L gezeigt. Das Verhältnis L: T beträgt 5 :1 und darüber, beispielsweise 10:1. Besteht die Stange 1 z. B. aus einem verdichteten Gemisch aus Metallpulvern mit einer schwerschmelzbaren Metallkohlenstoffverbindung, dann ist die Neigung, beim Sintern zu schrumpfen und sich zu werfen, d. h. aus der Form herauszubiegen, sehr groß. Dies tritt besonders stark in Erscheinung bei Stangen mit kleinem Durchmesser von weniger als T = 12 mm und besonders unterhalb 6 mm.

Dieses Werfen kann gemäß vorliegender Erfindung zum größten Teil vermieden werden, indem z. B. nach F i g. 2 eine einstückige Zusammenstellung einer Mehrzahl parallel zueinander liegender Stangen 2, 3, 4, 5 geschaffen wird, die jeweils durch einen längs der Stangen 2, 3, 4, 5 laufenden Längssteg 2 a, 3 a, 4 a miteinander verbunden sind. Die Längsstege stellen einen starren und steifen Bauteil sicher, der Biegebeanspruchungen erheblichen Widerstand entgegensetzt. Der Gesamtkörper wird durch sich in Längsrichtung erstreckende, dreieckförmige Magnesiastützen 6 abgestützt, die längs der Längsstege la, 3a, 4 a angeordnet sind. Bei der Herstellung der Längsstege 2 a, 3 a, 4 a wird ein Abschnitt mit verringerter Dicke in Form einer Kerbe im Längssteg 2 a, 3 a, 4 a bevorzugt, um das definierte Wegbrechen zu unterstützen. Die Kerbe kann eine flache V-Form aufweisen.

F i g. 3 zeigt schaubildlich eine Einheit aus miteinander durch dünne Längsstege Ta, 8 a, 9a, 10a verbundenen Stangen 7, 8, 9, 10, 11.

Die Dicke der Längsstege Ta, 8a, 9a 10a sollte so gewählt sein, daß eine Trennung der Stangen 7, 8, 9, 10, 11 durch Abbrechen der Längsstege 7 a, 8 a, 9 a, 10 a entlang ihrer Längserstreckung möglich ist. Vorzugsweise sollte die Stegdicke t etwa zwischen 0,6 und 2,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,75 und 1,5 mm, betragen. In F i g. 4 ist eine vergrößerte Stirnansicht 6g dargestellt, die ein Paar im Querschnitt kreisförmiger Stangen 12, 13 zeigt, die durch einen Längssteg 14 miteinander verbunden sind. Das Verhältnis der Querschnittsdicke oder des Durchmessers T der Stangen 12,13 zur Stegdicke t beträgt mindestens 4:1. Der Längssteg 14 ist leicht nach unten eingekerbt, um eine Trennung der beiden Stangen 12, 13 nach dem Sintern zu erleichtern. Das Verhältnis der Querschnittsdicke T zur Stegdicke t kann im Bereich zwischen 4:1 bis 30:1, vorzugsweise zwischen 4:1 und 20:1 liegen. Das Verhältnis der Länge L der Stangen 12, 13 zum Durchmesser T kann entsprechend im Bereich von 5 :1 bis 50:1 oder von 5:1 bis 35 : 1 liegen.

Die Breite des Längssteges 14 sollte vorzugsweise die dreifache Stegdicke t nicht überschreiten; es ist noch günstiger, wenn die Stegbreite nicht größer als das Doppelte der Stegdicke t ist. Um gerade, kreisförmige Stangen in der Größenordnung von etwa 3 mm Durchmesser herzustellen, hat es sich als günstig erwiesen, den Längssteg mit einer Dicke von 0,75 mm und mit einer Breite von 1,5 mm auszuführen. Diese Maße sind in vielen Fällen zufriedenstellend. Um gerade, kreisförmige Stangen von etwa 19 mm Durchmesser herzustellen, hat es sich als günstig erwiesen, den Längssteg mit einer Dicke von 1,5 mm und mit einer Breite von ebenfalls 1,5 mm auszuführen.

Gemäß F i g. 5 ist der Querschnitt von durch Längsstege 15 a, 16 a, 17 a, 18 a miteinander verbundenen quadratischen Stangen 15, 16, 17, 18, 19 gezeigt. In F i g. 5 a sind Stangen 20, 21 von rechteckförmigem Querschnitt gezeigt, die durch den Längssteg 20a miteinander verbunden sind. Die Stangen 15, 16, 17, 18, 19 weisen ein Verhältnis der Querschnittsbreite W zur Dicke T von bis zu 2:1 auf.

Um eine Einheit aus mehreren Formkörpern bzw. Stangen, die durch je einen Längssteg miteinander verbunden sind, herzustellen, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform von einer vollen rechteckigen, genügend verdichteten Platte aus der Pulvermischung ausgegangen. Bei einem Verfahren gemäß F i g. 6 wird eine solche, teilweise geschliffene Platte 25 auf einem Spannfutter 26 gelagert und gegen ein Führungselement 27 gedrückt. Die Platte 25 befindet sich unterhalb einer Formschleifscheibe 28. Wenn die Pulvermischung magnetisch ist, kann es durch seine magnetische Kraft auf dem Spannfutter 26 festgehalten v/erden. Nichtmagnetische Materalien werden mittels mechanischer Einrichtungen an Ort und Stelle gehalten. Die Schleifscheibe 28 besitzt am Umfang einen Umriß, der sich aus zwei Kreisquadranten 29, 30 zusammensetzt, die den Quadranten 29 a, 30 α entsprechen, welche in die Fläche der verdichteten Platte 25 eingeschliffen sind. Die Form, die die Stangen nach Vollendung des Schleifvorganges späterhin erhalten, ist gestrichelt dargestellt. Das Spannfutter 26 ist quer zur Schleifscheibe 28 bewegbar und wird für jede Stellung der Schleifscheibe 28 weitergeschaltet. Nachdem die Stangen 29 α, 30 α usw. auf der einen Seite hergestellt worden sind, wird die Platte 25 umgedreht, so daß das Formschleifen auf der gegenüberliegenden Seite vervollständigt werden kann. Die Formkörpereinheit wird dann einer geeigneten Sintertemperatur für eine Zeitdauer unterworfen, die ausreicht, eine dichte Struktur sicherzustellen. Dann wird die gesinterte Einheit auf Raumtemperatur abgekühlt. Die verbundenen Stangen 29 a, 30 a kommen gerade und unverbogen aus dem Sinterofen. Nach dem Sintern werden die Stangen 29 a, 30 a entlang jedes Längssteges abgebrochen. Der Steggrat wird von der

Seite jeder Stange 29 α, 30 α durch manuelles Entgraten in einer Siliziumkarbid-Schleifscheibe entfernt. Danach sind die Stangen 29 c, 30 a fertig, um in üblicher Weise spitzenlos geschliffen zu werden.

Die Herstellung gerader, schlanker Formkörper bzw. Stangen nach pulvermetallurgischen Gesichtspunkten aus einer Werkzeugstahllegierung mit hohem Kohlenstoffgehalt, die Titankarbid und eine Stahlmatrix umfaßt, ist nach der Erfindung besonders vorteilhaft.

Beispiel

Als Beispiel zur Herstellung von Stangen mit einer Fertiggröße von 3,18 mm Durchmesser und 114,3 mm Länge wird pulverisiertes Titankarbid mit pulverisierten stahlmatrixformenden Bestandteilen gemischt und das Gemisch dann zu einer rechteckigen Platte gepreßt. Um eine Zusammensetzung zu erhalten, die aus 40 Gewichtsprozent TiC und 60 Gewichtsprozent stahlbildenden Bestandteilen besteht, werden 1000 g TiC von einer Größe zwischen 5 bis 7 Mikron mit 1500 g stahlbildenden Bestandteilen gemischt, die Carbonyleisenpulver mit einer Durchschnittsgröße von 20 μιη und 0,80% Kohlenstoff durch Mahlen in einer Stahlmühle umfassen. Die pulverisierten Bestandteile enthalten 1 g Paraffinwachs auf je 100 g des Gemisches. Das Mahlen wird während 40 Stunden durchgeführt. Die Mühle ist halb mit rostfreien Stahlkugeln gefüllt, als Lösungsmittel ist Hexan benutzt.

Nach Beendigung des Mahlens wird das Gemisch herausgenommen und vakuumgetrocknet. Ein Teil des gemischten Erzeugnisses mit einem Gewicht von etwa 175 g wird, um Stangen von 3,2 mm Durchmesser zu erzeugen, in ein mehrteiliges Gesenk oder eine mehrteilige Form eingepreßt, um eine Platte von 54,6 mm Breite und 132 mm Länge bei einer Dicke von 5,84 bis 6,1 mm bei einem Druck von etwa 21 kg/mm² zu bilden. Danach wird die Platte formgeschliffen, wie in F i g. 6 gezeigt, um eine Einheit von sieben miteinander verbundenen, auf die Übergröße von 3,2 mm gebrachte Stangen zu bilden und Toleranzen für das Schrumpfen und Fertigschleifen zu berücksichtigen. Die Übergröße kann im allgemeinen im Bereich zwischen 0,5 und 1,3 mm liegen. Der Längssteg zwischen den Stangen hat eine Dicke von 0,75 mm und eine Breite von 1,52 mm.

Die einstückige Stangeneinheit wird dann einer Vakuumsinterung mit flüssiger Phase bei einer Temperatur von 1450° C für die Dauer einer halben Stunde bei einem Vakuum entsprechend 20 μιη Quecksilbersäule oder darunter ausgesetzt. Nachdem der Sintervorgang beendet ist, wird die Einheit abgekühlt und dann durch Aufheizen auf 900° C während einer Dauer von 2 Stunden angelassen, wonach sich eine Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 15° C pro Stunde bis 100° C anschließt. Danach wird der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt, um ein normal geglühtes Mikrogefüge mit sphäroidischer Beschaffenheit zu erzeugen.

Die normal geglühte Platte wird dann aus dem Ofen entfernt. Die Stangen werden auseinandergebrochen und dann manuell an einer Siliziumkarbid-Schleifscheibe entgratet, um die übriggebliebenen Steggrate zu entfernen. Danach werden die Stangen spitzenlos auf Größe fertig geschliffen. Die entgrateten Stangen waren vor dem Fertigschleifen im wesentlichen gerade und ungebogen.

Um 114,3 mm Stangen mit verschiedenen Durchmessern herzustellen, die dieselbe oben angegebene Zusammensetzung aufweisen, und zwar aus Platten oder Blöcken mit 54,6 mm Länge und 132 mm Breite, dienen die folgenden Tabellen als Anleitung, deren Daten bevorzugte Dimensionspielräume in Millimeter angeben.

Tabelle I

Stangen-	Pulver	Stangen	Platten
endgröße	gewicht	pro	dicke
(mm)	(g)	Einheit	(mm)
3,18	175	7	5,84 bis 6,10
4,76	240	7	6,99 bis 7,24
6,35	300	5	9,91 bis 10,16
7,94	355	4	12,07 bis 12,32
9,52	415	4	13,72 bis 13,97
11,11	475	3	15,62 bis 15,88
12,70	540	3	18,16 bis 18,42
14,29	600	2	19,69 bis 19,94
15,88	660	2	21,59 bis 21,84
17,46	710	2	23,24 bis 23,50
19,05	770	2	25,65 bis 25,91

Tabelle II

Stangen-	Längssteg	Breite	Schleifscheibe	Formtiefe
endgröße	Dicke	(mm)	Radius	(mm)
(mm)	(mm)	1,52	(mm)	2,18
3,17	0,76	1,52	2,44	2,79
4,76	1,02	1,52	2,92	4,19
6,35	1,02	1,52	4,32	5,21
7,94	1,02	1,52	5,46	6,15
9,52	1,02	1,52	6,35	6,60
11,11	1,02	1,52	7,11	7,87
12,70	1,27	1,52	7,82	8,76
14,29	1,27	1,52	9,40	9,65
15,88	1,52	1,52	10,21	10,67
17,46	1,52	1,52	11,18	11,68
19,05	1,52	12,07

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf die Herstellung von Flüssigphasen-Sinterkörpern, die aus einem Pulvergemisch hergestellt werden, das Bestandteile mit niedrigem und hohem Schmelzpunkt besitzt; das Sintern wird bei einer Temperatur zwischen der Schmelztemperatur des Bestandteils mit niedrigem Schmelzpunkt und der Schmelztemperatur des Bestandteils mit hohem Schmelzpunkt durchgeführt. Beispiele von durch das Flüssigphasen-Sintern hergestellten Zusammensetzungen sind solche, die schwerschmelzbare Materialien mit hohem Schmelzpunkt aus der Gruppe Wolfram, Molybdän, Chrom, Tantal, Niob, Vanadium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Mischungen zweier oder mehrerer dieser Metalle und Karbiden, Borverbindungen, Nitriden und Suiziden dieser Metalle enthalten, die mit flüssiger Phase bei Anwesenheit eines Formmetalls mit niedrigerem Schmelzpunkt gesintert sind, wie beispielsweise Kupfer und Kupferlegierungen, weiterhin die Gruppe der Eisenmetalle, wie Eisen, Nickel und Kobalt, einschließlich deren Legierungen und der Legierungen auf Eisenbasis, Nickelbasis und Kobaltbasis; außerdem Silber und bekannte Legierungen auf Silberbasis. Schließlich können andere Formmetalle ver-

wendet werden, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die der schwerschmelzenden Materialien besitzen. Im allgemeinen sind Formmetalle solche mit Schmelzpunkten oberhalb 700° C. Unter einer »Flüssigphasen-Sinterung« soll auch die Erzeugung von Sintergegenständen fallen, die durch Infiltration erzeugt werden und während der Wärmebehandlung zur Verbiegung ihrer schlanken Formen neigen.

Claims (5)

Patentansprüche: IO

1. Verfahren zum Verhindern des Werfens bei der pulvermetallurgischen Herstellung von schlanken Formkörpern aus einem hochschmelzenden Bestandteil und einer niedrigerschmelzenden Grundmasse, bei dem die Pulvermischung verpreßt wird, worauf mit flüssiger Phase gesintert und dann abgekühlt wird, dadurchgekennzeichnet, daß die Sinterung mit einer zu ao einem Stück vereinigten Mehrzahl der schlanken Formkörper durchgeführt wird, die über einen dünnen, abbrechbaren Längssteg zwischen jedem Formkörper sich gegenseitig abstützend miteinander verbunden sind, und daß nach dem Abkühlen die gesinterten Formkörper durch

Abbrechen ihrer Verbindungsstege voneinander getrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der verdichteten, schlanken Formkörper ein Verhältnis von Länge zur Querschnittsdicke von mindestens 5:1 aufweist, eine Stegdicke besitzt, die im Bereich zwischen 0,6 und 2,0 mm liegt und ein Verhältnis von Querschnittsdicke zur Stegdicke von mindestens 4:1 hat.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der gesinterten und abgetrennten Formkörper entgratet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung zu einer Platte zusammengepreßt und die Platte vor der Sinterung derart bearbeitet wird, daß eine Mehrzahl gleicher, schlanker Formkörper, die über einen dünnen, abbrechbaren Steg miteinander verbunden sind, gebildet wird.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 auf eine Pulvermischung aus Titankarbid und wärmebehandelbarem Stahl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909533/73