EP0968068A1

EP0968068A1 - Presshilfsmittel zur herstellung von sinterbaren formteilen aus metallpulver

Info

Publication number: EP0968068A1
Application number: EP98964406A
Authority: EP
Inventors: René LINDENAU; Klaus Dollmeier; Wieland Kynast; Jens Wahnschaffe
Original assignee: GKN Sinter Metals GmbH and Co KG; GKN Sinter Metals GmbH
Current assignee: GKN Sinter Metals GmbH
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1998-11-18
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: KR100341359B1; CA2279275C; JP3386078B2; JP2000517004A; WO1999028069A1; TW434064B; AR009920A1; DE19752993A1; ES2173662T3; ATE214988T1; CA2279275A1; KR20000070202A; US6224823B1; EP0968068B1; DE59803513D1; BR9807116A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sinterbaren metallischen Formteilen aus einem Metallpulver, das mit einem Presshilfsmittel versetzt ist, das zumindest teilweise Komponenten aus der der Familie der Polyalkylenglykole enthält und das in eine Pressform eingefüllt und nach dem Verdichten unter Druck als gepresstes Formteil aus der Pressform ausgestossen wird.

Description

Bezeichnung: PRESSHILFSMITTEL ZUR HERSTELLUNG VON SINTERBAREN FORMTEILEN AUS METALLPULVER

Beschreibung

Bei der Herstellung von metallischen Formteilen im pulvermetallurgischen Verfahren besteht eine Schwierigkeit darin, die Formteile mit einer möglichst hohen Dichte herzustellen, da die metallischen Pulver zunächst in eine Preßmatrize eingefüllt werden und dann über ein ein- oder mehrachsiges Pressen mittels hydraulischer oder mechanischer Presseinrichtungen mit hohem Druck verdichtet werden müssen. Ein hierdurch gewonnener, allgemein als Grünling bezeichneter Formkörper wird anschließend in einem thermischen Verfahren meist unter

Schutzatmosphäre gesintert, so daß sich ein festes und auch formgenaues metallisches Formteil ergibt.

Die Dichte des fertigen gesinterten Formteils hängt hierbei im wesentlichen von der erreichten Gründichte ab, wobei anders als beim Verpressen von keramischen Pulvern die Metallpulverpartikel aufgrund ihrer anderen kristallinen Struktur und der damit verbundenen Anzahl beweglicher Gitterbaufehler eine plastische Verformung erfahren. Aufgrund der Teilchen- geometrie - ebenfalls anders als bei keramischen Pulvern - ist bei metallischen Pulvern die Gleitfähigkeit der einzelnen Pulverteilchen gegeneinander reduziert, so daß schon die lose Schüttung in der Preßform ein Porenvolumen aufweist, das beim Pressen nur unter Aufwendung sehr hoher Preßdrücke nahezu vollständig beseitigt werden kann. Hohe Preßdrücke haben jedoch einen hohen Verschleiß am Preßwerkzeug beim Verdichtungsvorgang zur Folge und führen auch zu einer erhöhten Ausstoßgleitreibung des fertigen Grünlings in der Preßmatrize, so daß hier ebenfalls auch höhere Ausstoßkräfte mit entspre- chend erhöhtem Verschleiß aufzubringen sind. Hohe Ausstoßkräfte bergen jedoch die Gefahr einer unerwünschten lokalen Nachverdichtung und der Rißbildung des Grünlings in sich. Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde in EP-A-0 375 627 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das zu verpressende Metallpulver mit einem durch ein flüssiges Lösungsmittel verflüssigtes Schmiermittel versetzt wird. Als Schmiermittel werden hierzu Metallstearate , insbesondere Lithium- oder Zinksteara- te sowie Paraffine, Wachse, natürliche oder synthetische Fettderivate vorgeschlagen, die beispielsweise mit organischen Paraffinlösungsmitteln als flüssigem Lösungsmittel zunächst verflüssigt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens be- steht zum einen darin, daß die trockenen Metallpulver mit einem zweikomponentigen Schmiermittelsystem, nämlich den Stea- raten und dem Lösungsmittel zunächst vermischt werden müssen, wobei diese Vormischung weitgehend homogen sein muß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß diese Pulvermischung vor dem Füllen der Preßform zunächst bis in den Bereich des Erweichungspunktes des verwendeten Schmiermittels relativ hoch vorerhitzt werden muß. Dadurch ist auch die Gefahr von Anbak- kungen in den Zuführeinrichtungen zur Preßform gegeben. Nach Abschluß des Preßvorganges und dem Ausstoßen des Grünlings muß das Schmiermittel in einem gesonderten Vorgang abgedampft werden, bevor der Grünling dann auf die eigentliche Sintertemperatur aufgeheizt werden kann. Hierbei ist es nicht zu vermeiden, daß die Restanteile des Schmiermittels im Sinterkörper verbleiben, was je nach Einsatzzweck und je nach Art des verwendeten reinen oder legierten Metc-.llpulvers ebenfalls zu Nachteilen führen kann.

Aus EP 0 559 987 ist eine metallurgische Pulverzusammensetzung auf Eisenbasis bekannt, die ein organisches Bindemittel für die eisenbasierten Pulveranteile und die Legierungspulveranteile enthält. Zur Verbesserung des Preßverhaltens enthält das organische Bindemittel einen Anteil an Polyalkylen- oxid, das ein Molekulargewicht von mindestens 7000 g/mol aufweisen soll, bevorzugt sind jedoch wesentlich höhere Moleku- largewichte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Verfahren zu verbessern. Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung von sinterbaren metallischen Formteilen aus einem Metallpulver, das mit einem Preßhilfsmittel versetzt ist, das zumin- dest teilweise Komponenten aus der Familie der Polyalkylen- oxide enthält und das in eine Preßform eingefüllt und nach dem Verdichten unter Druck als gepreßtes Formteil aus der Preßform ausgestoßen wird. Die Verwendung von Preßhilfsmitteln, die zumindest Anteile aus der Familie der Polyalkylen- oxide, insbesondere der Polyalkylenglykole, vorzugsweise der Polyethylenoxide, insbesondere in Form von Polyethylenglyko- len enthalten, hat überraschend gezeigt, daß zur Erzielung hoher Dichten und hoher Grünfestigkeiten sehr viel geringere Preßdrücke als bei anderen Preßhilfsmitteln aufzuwenden sind und daß auch die zum Ausstoßen des gepreßten Formteils aus der Preßform notwendigen Kräfte deutlich verringert sind, so daß die vorstehend aufgeführten Nachteile der vorbekannten Verfahren vermieden sind. Eines besonderen Binders in der Pulvermischung bedarf es nicht, da schon aufgrund der "Schmierung" der sich beim Preßvorgang relativ zueinander bewegenden Pulverteilchen bereits neben einer hohen Dichte auch eine hohe Festigkeit des Grünlings durch die sehr viel höhere "Packungsdichte" der Pulverteilchen und damit eine Erhöhung von direkten Kontakten zwischen den Metallteilchen im Pulver erzielt werden kann. Eine hohe Grünfestigkeit ist immer dann wünschenswert, wenn der Grünling vor dem Sintern noch einer Bearbeitung unterzogen werden soll. "Metallpulver" im Sinne der Erfindung bezeichnet die für die Herstellung des Formteils vorgesehene Pulvermischung mit allen Legierungs- und sostigen Zuschlägen, ausgenommen Preßhilfsmittel.

Ein besonderer Vorteil der aus der Familie der Polyethylenoxide ausgewählten Preßhilfsmittel, insbesondere wenn sie in Form von Polyethylenglykolen eingesetzt werden, besteht dar- in, daß durch eine entsprechende Auswahl des Molekulargewichtes Einfluß auf die Preßparameter genommen werden kann, und zwar sowohl hinsichtlich des Fließverhaltens beim Mischen und beim Füllen der Form, als auch hinsichtlich des Erweichungs- punktes und damit der Temperaturführung und des Materialflus- ses beim Preßvorgang. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäß vorgeschlagene Preßhilfsmittel mit seinem Erweichungspunkt zwischen 40° C und 80° C liegt, so daß beispielsweise in der Serienfertigung die sich beim fortlaufenden Pressen einstellende Werkzeugtemperatur in der Regel ausreicht, um ein einwandfreies "Fließen" der Pulvermischung beim Einfüllen in die Preßform als auch beim Pressen zu bewirken. Dementsprechend läßt sich das mit dem Preßhilfsmittel versetzte Metallpulver mit Raumtemperatur in die Preßform einzufüllen. Insbesondere in der Serienfertigung kann es zweckmäßig sein, das Preßwerkzeug entsprechend zu beheizen, um etwaige Unterbrechungen des Serienlaufs aufzufangen. Zweckmäßig ist eine geregelte Beheizung der Preßwerkzeuge auf etwa 55° C, so daß sowohl die Aufheizung durch die Reibungswärme als auch Abkühlungen durch Arbeitsunterbrechungen berücksichtigt werden und so konstante Preßbedingungen vorgebbar sind. Hierdurch wird die Handhabung des Metallpulvers erheblich vereinfacht, insbesondere das Füllverfahren, da mit "kaltem" Pulver, also mit Pulver mit Raumtemperatur gearbeitet werden kann. Anbackungen, Klumpenbildung oder dergl. können nicht auftreten, da die Erwärmung des mit dem Preßhilfsmittel versetzten Metallpulvers erst in der Preßform erfolgt. Bei extrem großvolu igen Teilen kann eine zusätzliche Pulver- vorwärmung zweckmäßig sein.

Der weitere Vorteil der niederigen Erweichungstemperatur besteht darin, daß unmittelbar nach dem Einfüllen zunächst einmal die Preßhilfsmittelanteile in den mit den aufgewärmten Formwandungen in Kontakt stehenden Metallpulvermengen ihre

Erweichungstemperatur erhalten, so daß beim anschließenden Preßvorgang die an den Werkzeugwandungen auftretenden Relativbewegungen zwischen Pulverfüllung und Preßwerkzeug bereits "geschmiert" erfolgen und so die Reibung in diesen Bereichen herabgesetzt wird. Bei der anschließenden vollständigen

Druckbeaufschlagung wird die gesamte Pulverfüllung infolge des Preßdruckes über der Erweichungspunkt hinaus erwärmt, so daß auch die internen, infolge der durch die Teilchengeome-

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Die Kurve 3 zeigt schließlich das Ergebnis bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das noch zu einer deutlicheren Steigerung in der Enddichte führt.

In den nachstehenden Tabellen sind die in Abhängigkeit vom Preßdruck erzielbaren Gründichten und Grünfestigkeiten darge- stellt. Hierbei sind die Ergebnisse gegenübergestellt, die sich bei unterschiedlichen Mischverfahren für das mit Preßhilfsmittel versetzte Metallpulver und unterschiedlichen Preßdrücken ergeben.

Preßdruck Mischen Pressen Dichte Grünfestigkeit im Mpa g/cm³ 3-Punkt-Biegeversuch N/mm²

Tabelle 1

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

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sehr homogene Mischung von Preßhilfsmittel und Metallpulver und zum anderen wegen des schon beim Mischen erzielten dünnen "Schmiermittelfilms" , der sich beim Warmpressen noch weiter reduziert, zwischen den einzelnen Metallteilchen eine sehr viel höhere Häufigkeit von unmittelbarem Kontakt zwischen metallischen Oberflächen gegeben ist und so die eingangs beschriebene plastische Verformung und Verhakung der Metallpulverteilchen erzielt werden kann.

Gegenüber der Tabelle 2 etwas höhere Werte ergaben sich überraschenderweise auch für eine Preßhilfsmittelmischung aus dem Amidwachs und mit Anteil von etwa 40% eines Polyethylengly- kols mit einem Molekulargewicht von über 6000 g/mol, die warm in das Metallpulver eingemischt wurde, das anschließend warm verpreßt wurde.

In Tabelle 5 sind als Referenz die Werte für das Metallpulver wiedergegeben, dem als Preßhilfsmittel ein Amidwachs kalt zugemischt wurde und das kalt verpreßt wurde.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von sinterbaren metallischen Formteilen aus einem Metallpulver, das mit einem Preßhilfs- mittel versetzt ist, das zumindest teilweise Komponenten aus der Familie der Polyalkylenoxide enthält und das in eine Preßform eingefüllt und nach dem Verdichten unter Druck als gepreßtes Formteil aus der Preßform ausgestoßen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel wenigstens ein Polyethylenoxid, insbesondere wenigstens ein Polyethylenglykol enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel in einer Menge von bis zu 5 Gewichts -%, vorzugsweise unter 1 Gewichts-%, bezogen auf den Metallpulveranteil, in der Mischung enthalten ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel einen Erweichungspunkt zwischen 40° C und 80° C aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel ein Molekulargewicht kleiner als 7000 g/mol aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel ein Molekulargewicht zwischen 100 und 6500 g/mol, vorzugsweise 3000 bis 6000 g/mol, aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Anteil von weniger als 40% an Polyethylenoxid im Preßhilfsmittel das Polyethylenoxid ein Mo- lekulargewicht von mehr als 6500 g/mol aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel eine Hydroxylzahl von 5 bis 700 aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel eine Dichte von 0,9 bis 1,25 g/cm³ aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, daß das mit dem Preßhilfsmittel versetzte Metallpulver in die Preßform bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des verwendeten Preßhilfsmittels eingefüllt wird, so daß sich eine Erweichung des Preßhilfsmittels durch eingebrachte Energie in der Preßform, vorzugsweise wäh- rend des Verdichtens ergibt (Warmpressen) .

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Preßhilfsmittel versetzte Metallpulver in die Preßform bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des verwendeten Preßhilfsmittels eingefüllt und ohne Energiezufuhr beim Pressen verdichtet wird (Kaltpressen) .

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel bei einer Temperatur in das Metallpulver eingemischt wird, die mindestens im Bereich des Erweichungspunktes des Preßhilfsmittels liegt (Warmmischen) .