DE10066005C2

DE10066005C2 - Verfahren zum Sintern von aluminiumbasierten Sinterteilen

Info

Publication number: DE10066005C2
Application number: DE10066005A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Weber
Original assignee: Eisenmann Anlagenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: WO2002000377A1; US6821478B2; ES2214435T3; EP1294512B1; US20030143098A1; DE10066005A1; EP1294512A1; ATE259267T1; AU2001278425A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sintern von aluminiumbasierten Sinterteilen, bei welchem in jeweils voneinander getrennten Atmosphären in räumlich getrenn ten Bereichen die folgenden Schritte durchgeführt werden:

a) die Sinterteile werden entbindert;
b) die Sinterteile werden in einer inerten Gas, dessen Sauerstoffgehalt einem Taupunkt von höchstens minus 40° entspricht, auf eine Sintertemperatur von 560 bis 620°C gebracht und auf dieser eine bestimmte Zeit gehalten;
c) die Sinterteile werden kontrolliert abgekühlt.

Das Sintern von Aluminium gewinnt angesichts der positiven Eigenschaften, die diesem Metall anhaften, auf den verschie densten technischen Gebieten, insbesondere jedoch im Automobilbau, zunehmend an Bedeutung. Im letztgenannten Einsatzgebiet spielt besonders die Gewichtseinsparung eine große Rolle, die mit der Verwendung von Aluminium verbunden ist.

Im allgemeinen wird nicht reines Aluminiumpulver verar beitet; vielmehr kommen vorzugsweise Pulvermischungen oder legierte Pulver zum Einsatz, die insbesondere als Zusatz Silizium enthalten. Alle Pulver, die als wichtigen Bestandteil Aluminium enthalten, werden hier zusammenfas send "aluminiumbasiert" genannt und stehen in der Gefahr, beim Sintern Oxide zu bilden. Besonders gewünscht sind Aluminiumsinterteile mit verhältnismäßig hohem Silizium gehalt. Mit wachsendem Siliziumanteil wird jedoch der Sinterprozeß schwieriger. Eine weitere Schwierigkeit beim Sintern von aluminiumbasierten Pulvern besteht darin, daß sie beim Preßvorgang einen höheren Gehalt an Bindehilf smitteln benötigen. Während beispielsweise beim Sintern von Eisen derartige Bindehilfsmittel, die gleichzeitig als Schmiermittel für das Preßwerkzeug dienen, einen Gehalt von etwa 0,7 bis 1,0 Gewichtsprozent ausmachen, müssen zum Sintern von Aluminium etwa 1,0 bis 1,5 Gewichts prozent Bindehilfsmittel zugesetzt werden. Diese Binde hilfsmittel müssen vor dem Sintervorgang wieder vollständig entfernt werden. Insgesamt sind alle Anforderungen an die Genauigkeit, die Reproduzierbarkeit und die Homogenität der Temperaturverteilung beim Sintern von aluminiumbasierten Pulver sehr viel kritischer als beim Sin tern anderer Pulver, insbesondere von Eisen. Aus diesem Grunde sind Aluminiumsinterteile bisher noch nicht überall dort zum Einsatz gekommen, wo dies an und für sich wünschenswert wäre.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist im "Metals Handbook", Vol. 7, American Society For Metals, Ohio, 19884 beschrieben. Hier erfolgt die Erwärmung der Sinter teile auf Sintertemperatur nicht durch die entsprechend erhitzte Schutzgasatmosphäre sondern durch Strahlung. Dabei werden Muffelöfen eingesetzt. Die Strömung der Schutzgasatmosphäre dient hier dem Zweck, innerhalb des Ofens einen Überdruck aufrecht zu erhalten, um das Ein dringen unerwünschter Substanzen durch Undichtigkeiten zu verhindern. Außerdem werden durch die strömende Schutz gasatmosphäre Ausgasungen des Sintergutes abtransportiert. Die in dieser Druckschrift genannten Strömungsgeschwindig keiten reichen jedoch nicht aus, um das Sintergut auf Sintertemperatur zu erwärmen, zumal das Schutzgas nicht mit entsprechend hoher Temperatur in den Ofen eingebracht wird.

Die DE 197 19 203 C2 betrifft zwar nach ihrem Titel ein Sinterverfahren für aus Metallpulver gepreßte Formteile, wozu sprachlich auch Aluminiumpulver zu zählen wäre. Tatsächlich aber ist das hier beschriebene Verfahren nur zum Sintern von Pulvern auf Eisenbasis bestimmt, da nur für derartige Pulver die dort beanspruchte rasche Abkühlung der Sinterteile unter eine "Martensitstartlinie" denkbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem hochwertige Aluminium-basierte Sinterteile herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sinterteile im Verfahrensschritt b) durch Zirkulieren des entsprechend erhitzten inerten Gases erwärmt werden.

Die Erfindung fußt also auf einer doppelten Erkenntnis:
Dadurch, daß dem Sauerstoffgehalt der Inertatmosphäre eine Höchstgrenze gesetzt wird, wird gewährleistet, daß sich im Sinterungsprozeß keine unerwünschten Oxide bilden können, welche das Sinterungsprodukt nachteilig beeinflussen. Dadurch, daß anders als beim Gegenstand des oben erwähnten "Metals Handbook" und der oben erwähnten DE 197 19 203 C2 die Sinterteile nicht durch Strahlungswärme sondern durch Konvektionswärme erhitzt werden, wozu das erwähnte hoch reine inerte Gas in eine Zirkulationsströmung versetzt wird, erfolgt die Erwärmung der Sinterteile mit einer Homogenität, die anders nicht zu erreichen wäre. Erst in der Summe dieser Merkmale ergibt sich die hohe angestrebte Qualität der Sinterprodukte.

Als inertes Gas wird vorzugsweise Stickstoff verwendet. Dieses läßt ist mit der erforderlichen Reinheit kommerziell erhältlich und gegenüber Edelgasen, die grundsätzlich ebenfalls in Frage kämen, sehr viel billiger.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Sinterofen zum Sintern von aluminiumbasierten Sinterteilen;

Fig. 2 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab durch den Sinterofen von Fig. 1 im Bereich der Sinter zone.

Fig. 1b zeigt im vertikalen Schnitt einen Sinterofen, der zum Sintern Aluminium-basierter Sinterteile bestimmt ist. Der gesamt Sinterofen ist in verschiedene Zonen bzw. Bereich unterteilt, die in Fig. 1a in der Zuordnung zu Fig. 1b schematisch dargestellt sind. Die Sinter teile 23 (vgl. Fig. 2) werden mit Hilfe eines Transport systems T im kontinierlichen Durchlauf in der Zeichnung von links nach rechts durch den Sinterofen geführt. Der Sinterofen enthält, in Förderrichtung gesehen, nacheinander einen Einlaufbereich 8, einen Entbinderungsbereich 3, einen Sinterbereich 2, einen Kühlbereich 4 sowie einen Auslaß bereich 9. Jedem dieser Bereiche 2, 3, 4, 8, 9 des Sinter ofens ist ein separat antreib- und regelbarer Förderer T2 bis T9 zugeordnet, die zusammen das oben erwähnte Fördersystem T bilden.

Zur Abschottung der Atmosphären in den Bereichen 3, 2, 4 und 9 sind zwischen diesen Bereichen Schleusen 7 angeordnet, die jeweils zwei mechanische Tore 6 aufweisen. Diese Tore 6 sind in je einem stirnseitigen Schacht des entsprechenden Bereichs 3, 2, 4, 9 angeordnet und vorzugsweise vertikal bewegbar, wobei jeder Schleuse 7 ein ebenfalls separat ansteuer- und regelbarer Förderer (in der Zeichnung nicht dargestellt) zugeordnet ist.

Details der Schleusen 7 können der Fig. 4 der oben erwähnten DE 197 19 203 C2 entnommen werden.

Der dem Sinterbereich 2 in Förderrichtung vorangehende Entbinderungsbereich 3 ist als Muffelofen aufgestaltet. D. h., oberhalb und unterhalb des Bewegungswegs der zu Sinterteile befindet sich eine Trennwand 20, die durch elektrische Heizstäbe 21 oder dergleichen auf Temperatur gebracht wird, im wesentlichen durch Strahlungswärme die vorbeibeförderten Sinterteile erwärmt und aus diesen die Bindehilfsmittel austreibt.

Während bei dem in der DE 197 19 203 C2 beschriebenen, zur Sinterung von Eisenpulverteilen bestimmten Sinterofen auch der Sinterbereich mit Strahlungswärme arbeitet, unterscheidet sich der Sinterbereich 2 des vorliegenden Sinterofens hiervon in einer Weise, die nunmehr anhand der Fig. 2 beschrieben wird.

Fig. 2 stellt einen Schnitt senkrecht zur Bewegungsrich tung der Sinterteile im Bereich der Sinterzone 2 dar. Das mit einer Isolation versehene Gehäuse 22 ist an allen Stellen, in denen ein Eindringen von Luft aus der Außenatmosphäre oder ein Entweichen von Gasen aus der Innenatmosphäre möglich wäre, gut abgedichtet. Im unteren Bereich des Gehäuses 22 ist das Transportsystem T2 dargestellt, dessen genaue Bauweise bewußt offen gelassen ist. Es zeichnet sich durch eine gute Gasdurch lässigkeit in vertikaler Richtung aus; besonders geeignet sind beispielsweise Rollen- oder Gliederbändersysteme. Mit Hilfe des Transportsystems T2 werden die Sinterteile 23 senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 2 befördert, im dargestellten Beispiel auf einer Trägerplatte 24, die idealerweise selbst in vertikaler Richtung gut durchlässig sein sollte.

Der über den Sinterteilen 23 liegende Bereich des Innen raums des Gehäuses 22 ist durch eine sich parallel zur Bewegungsrichtung der Sinterteile 23 und im wesentlichen vertikal verlaufende Trennwand 25 in zwei Kammern 26 und 27 unterteilt. In der in Fig. 2 links liegenden Kammer 26 befinden sich die Wärmetauscherflächen 28 einer indirekten Heizung 29, die beispielsweise elektrisch betrieben sein kann. Am oberen Ende der Kammer 26 befinden sich Luftleitbleche mit einer mittleren Öffnung 30, welche die Ansaugöffnung eines Gebläses 31 darstellt. Das Gebläse 31 wird durch einen auf der Oberseite des Gehäuses 22 angebrachten Motor 32 angetrieben.

Die Auslaßseite des Gebläses 31 steht über eine Öffnung 33 mit der in Fig. 2 rechten Kammer 27 des Innenraums des Gehäuses 22 in Verbindung. Diese Kammer 27 ist an ihrem unteren Ende, kurz oberhalb der Sinterteile 23, durch eine Düsenplatte 34 abgeschlossen.

Der gesamte Sinterbereich 2 enthält, wie insbesondere Fig. 1b zu entnehmen ist, eine Mehrzahl von identischen, in der oben beschriebenen Weise konstruierte Sinterzonen, die durch Trennwände 35 gegeneinander abgetrennt sind. Die Trennwände 35 enthalten im wesentlichen nur Öffnungen, welche gerade den Durchgang der Sinterteile 23 gestatten.

Der Kühlbereich 4 ist im wesentlichen in der selben Weise ausgestaltet, wie sie in der DE 197 19 203 C2 beschrieben ist. Die Art, auf welche die Sinterteile in diesem Bereich temperiert und kontrolliert abgekühlt werden, ist im vorliegenden Zusammenhang nicht von Inte resse. Dargestellt in der Zeichnung ist hierfür ebenfalls eine Art "Muffelofen" mit einer ähnlichen Bauweise, wie sie in der Entbinderungszone 3 eingesetzt wird.

Der beschriebene Sinterofen arbeitet wie folgt:
Die gepreßten Sinterteile 23 werden im Einlaßbereich 8 auf das Fördersystem T8 aufgesetzt, von diesem über ein einfaches Tor 6 in die Entbinderungszone 3 eingebracht und vom dortigen Fördersystem T3 übernommen. Mit Hilfe der von den beheizten Trennwänden 20 abgegebenen Strahlungs wärme werden die Bindehilfsmittel aus den Sinterteilen 23 ausgetrieben und im wesentlichen abgezogen. Da alle inneren Flächen in der Entbinderungszone 3 heiß sind, droht die Gefahr einer "Versottung" sich niederschlagen der Bindehilfsmittel nicht. Die Sinterteile 23 treten einzeln oder in kleinen Gruppen neben- und/oder übereinan derliegender Sinterteile 23 durch das erste Tor der Schleuse 7, die zwischen dem Entbinderungsbereich 3 und dem Sinterbereich 2 liegt, in den Zwischenraum zwischen den beiden Toren dieser Schleuse 7 ein. Das zum Sinterbe reich 2 führende zweite Tor dieser Schleuse 7 bleibt dabei geschlossen. Alternativ ist es möglich, dieses zweite Tor dauernd mit einem kleinen Spalt offenzuhalten und den Innenraum des Sinterbereichs 2 des Sinterofens 1 unter einem gewissen Überdruck zu betreiben. Dann kann ständig aus dem Sinterbereich 2 die dort herrschende Gasatmosphäre, auf die weiter unten eingegangen wird, in den Zwischenraum zwischen den beiden Toren der Schleuse 7 auslecken und diesen Zwischenraum spülen.

Nachdem die Gruppe von Sinterteilen 23 in die Schleuse 7 eingetreten ist, wird das erste, zur Entbinderungszone 3 führende Tor geschlossen und der Zwischenraum der Schleuse 7 gespült und/oder abgepumpt. Die Sinterteile 23 werden dabei, wie bereits oben erwähnt, von einem eigenen Trans portsystem T7 befördert, dessen Geschwindigkeit sich von der Geschwindigkeit in den anderen Bereichen des Sinter ofens unterscheiden kann, um die Gesamtanlage kurz zu halten.

Nach einer gewissen Verweilzeit innerhalb der Schleuse 7 öffnet sich das dem Sinterbereich 2 benachbarte Tor der Schleuse 7. Die Sinterteile 23 werden nunmehr auf das Fördersystem T2 übergeben und von diesem in eine Aufheiz zone übergeben, welche sich beispielsweise durch die ersten drei Zonen des Sinterbereichs 2 hindurch erstreckt.

In den weiteren Zonen des Sinterbereichs 2 findet die eigentliche Sinterung bei einer Temperatur zwischen 560 und 620°C statt.

Die Temperatur des in den einzelnen Zonen vorhandenen Gases wird jeweils durch einen in der Nähe des Bewegungs weges der Sinterteile 23 angeodneten Temperatursensor 40 (vgl. Fig. 2) überwacht, der über einen Regelkreis die Heizung 29 ansteuert.

Alle Zonen des Sinterbereichs 2 sind, wie bereits oben angemerkt, im wesentlichen in der in Fig. 2 gezeigten Weise aufgebaut und mit hoch reinem Stickstoff als inerter Atmosphäre angefüllt. Der Sauerstoffgehalt in dieser inerten Atmosphäre darf höchstens einem Taupunkt von -40°C entsprechen. In jeder Zone des Sinterbereichs 2 wird mit Hilfe eines Gebläses 31 ein Kreisstrom der Stickstoffatmosphäre aufrechterhalten, welcher, im Bereich der linken Kammer 26 von unten kommend, an den Wärmetau scherflächen 28 der jeweiligen Heizung 29 vorbei durch die Kammer 26 zum Gebläse 31, von dort in die Kammer 27 und durch die Düsenplatte 34 hindurch auf die Sinterteile 23 gerichtet ist. Diese heißen Stickstoffgase umfließen dabei die Sinterteile 23, durchdringen die Trägerplatte 24 und das Transportsystem T2 und werden von dort aus wieder der Heizung 29 zugeführt, womit der Kreislauf geschlossen ist.

Geringe Leckverluste der Inertatmosphäre innerhalb der Zonen des Sinterbereichs 2 werden durch entsprechende Frischgaszufuhr ausgeglichen. Die Temperatur am Einlaß der Heizung 29 sollte sich von der Temperatur am Auslaß der Heizung 29 so wenig wie möglich unterscheiden. Dies ist gleichbedeutend mit der Aussage, daß die zirkulieren den Stickstoffgase im Innenraum des Gehäuses 22 überall im wesentlichen die selbe Temperatur aufweisen.

Um die Gleichmäßigkeit der Erwärmung der Sinterteile 23 weiter zu verbessern, ist es möglich, die Strömungs richtung der Stickstoffgase in den einzelnen Zonen des Sinterbereichs 2 abwechseln zu lassen. Insbesondere ist es denkbar, die Strömung im Bereich der Sinterteile 23 abwechselnd von oben nach unten und von unten nach oben fließen zu lassen.

Am Ende des Sinterbereichs 2 durchtreten die Sinterteile 23 die zwischen dem Sinterbereich 2 und dem Kühlbereich 4 liegende, zwei Tore umfassende Schleuse 7, wobei sinn gemäß die selben Vorgänge stattfinden, wie dies oben für die zwischen dem Entbinderungsbereich 3 und dem Sinterbe reich 2 liegende Schleuse 7 erläutert wurde. Im Kühlbereich 4 findet dann eine kontrollierte Abkühlung der fertig gesinterten Teile auf eine Temperatur statt, mit der die Sinterteile 23 über eine weitere Schleuse 7 aus dem Kühlbereich 4 austreten und schlußendlich im Auslaßbereich 9 von dem dortigen Fördersystem T9 abgenommen oder zu einer anderen Stelle abtransportiert werden können.

Claims

1. Verfahren zum Sintern von aluminiumbasierten Sinter teilen, bei welchem in jeweils voneinander getrennten Atmosphären in räumlich getrennten Bereichen die folgenden Schritte durchgeführt werden:

a) die Sinterteile werden entbindert;
b) die Sinterteile werden in einem inerten Gas, dessen Sauer stoffgehalt einem Taupunkt von höchstens minus 40°C ent spricht, auf eine Sintertemperatur von 560 bis 620°C gebracht und auf dieser eine bestimmte Zeit gehalten;
c) die Sinterteile werden kontrolliert abgekühlt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterteile (23) im Verfahrensschritt b) durch Zirkulieren des entsprechend erhitzten inerten Gases erwärmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Stickstoff verwendet wird.