DE69810916T2

DE69810916T2 - Trockenschmierung der wände einer pressform

Info

Publication number: DE69810916T2
Application number: DE69810916T
Authority: DE
Inventors: M. Cadle; H. Mandel; R. Roskopf
Original assignee: GKN Sinter Metals LLC; GKN Sinter Metals Germantown Inc
Current assignee: GKN Sinter Metals LLC
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2018-04-09
Also published as: CA2286159C; US6190605B1; WO1998045072A1; EP0973624B1; EP0973624A1; ES2190586T3; CA2286159A1; DE69810916D1

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Schmierung von Formen, die für die Verdichtung von Metallpulvern verwendet werden, wie es zur Herstellung von Metallpulverpresslingen zum Sintern erfolgt.

Hintergrund der Erfindung

Pulvermetallurgie ist ein eingeführter Prozess zur Herstellung eines weiten Bereichs von Produkten für verschiedene Anwendungen. In seiner einfachsten Form umfasst der Prozess das Einfüllen von feinen Pulvern in eine Präzisionsmetallform, die bewegliche Elemente aufweist (Fig. 1) und dann Aufbringen eines Druckes auf das Pulver, um einen "Pressling" zu bilden. Der Pressling wird dann durch eine relativ nach oben gerichtete Bewegung des Schnittelements (Stempel) aus der Form ausgeworfen. Durch die Verwendung von "Kernstiften" können im Pressling Löcher gebildet werden. Der Pressling wird dann einem thermischen Prozess unterzogen, der "Sintern" genannt wird, der Erhitzen des Presslings in einem temperaturgesteuerten Ofen unter einer Schutzatmosphäre umfasst, um eine Bindung und Legierung der Pulverpartikel zu bewirken, die zu einem starken Metallprodukt führt, das für die Konstruktion und mechanische Zwecke verwendet werden kann.
Es ist bekannt, dass die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des "Sinterprodukts" in hohem Maß von seiner Dichte abhängen. Da sowohl statische wie dynamische Festigkeit in hohem Maß geschätzte Werkstoffeigenschaften sind, wurde sowohl im akademischen wie im industriellen Bereich ausgedehnte Arbeit geleistet, um die Dichte bei geringen Kosten zu erhöhen. Es gibt einige kostspielige Wege, um dieses Ziel hoher Dichte zu erreichen: doppelte Bearbeitung, die Nachrichten des Sinterprodukts und dann erneutes Sintern beinhaltet, Heißschmieden des Sinterprodukts und in jüngster Zeit "Warmpressen" von Pulvermischungen, das spezielle teuere Schmiermittel und Bindemittelpulveradditive beinhaltet plus ein System zum Präzisionserhitzen der Pulvermischung vor dem Verdichten in warmem Werkzeug.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch eine Verbesserung eines anderen Ansatzes, der Schmierung der vertikalen Flächen der Formelemente (Werkzeuge) beinhaltet. Diese Erfindung ermöglicht die Eliminierung von normalerweise der Mischung zugesetzten Pulverschmierstoffen, um das Auswerfen des Presslings aus der Form zu erleichtern, so dass es ohne Riefenbildung oder Verschleiß der Werkzeuge durch Kaltschweißen von Metallpulverpartikeln an Metallwerkzeugelemente erfolgt. Die Eliminierung der Pressschmierstoffe, die leichte seifenartige Pulver sind wie ein organisches Stearat, ebnet den Weg für zusätzliche Metallpulververdichtung bei hohen Verdichtungsdtücken.
Formwandschmierung ist nicht neu. In der Tat wurde es bei Zenith Sinfered Products, Germantown, Wisconsin USA schon vor 1985 unter dem Handelsnamen Z95 Plus gewerblich durchgeführt. Jedoch beinhaltete es ein flüssiges Schmiermittelspray auf die Werkzeugoberflächen. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass die Oberfläche des erhaltenen Presslings nass ist, und dies sammelt und hält loses Pulver, das in der Sinterstufe am Pressling haftet. Die Folge können Produkte unakzeptabler Qualität sein. Um dieses Problem zu lösen, wurde das Waschen der Presslinge angewendet, aber der Waschprozess weist seine eigenen Probleme auf. Das flüssige Trägermedium stellt auch Probleme dar, da es flüchtig sein, jedoch strenge Sicherheitsvorschriften erfüllen muss.
Die Suche nach einem trockenen Pulver, das auf die Formbeschichtung aufgesprüht wird, war deshalb eine Forschungsrichtung. Unlängst wurde ein Verfahren entwickelt, das elektrostatisches Aufladen von Schmierstoffpulverpartikeln und ihr Aufsprühen auf die Form beinhaltet, die elektrische geerdet ist, und die Ergebnisse sind verbreitet veröffentlicht (siehe auch EP-A-0698435). Eine Haupteinschränkung bei diesem Prozess liegt in Bezug auf die Tiefe der Form, die effektiv beschichtet werden kann, um ein Auswerfen eines Presslings unter hohen Pressdrücken zu erlauben. Es wurden unter Verwendung eines "tribostatischen Sprühgeräts", das an einer Produktionsverdichtungspresse angebracht ist, die Produktionswerkzeuge zur Herstellung eines rechten Zylinders von ungefähren Abmessungen von 1,5 Zoll Außendurchmesser, 1,0 Zoll Innendurchmesser verwendet, eine Reihe von Schmiermittelpulvern auf Formwandflächen gesprüht. Es wurde in Experimenten gefunden, dass bei hohen Pressdrücken (über 50 Tonnen pro Quadratzoll) die maximal erreichbare Dichte eines Eisen-Kohlenstoff-Kupferpulvergemischs auf 7,25 Gramm pro Kubikzentimeter beschränkt und die vertikale Länge (Höhe) auf ungefähr 0,5 Zoll begrenzt ist. Der bestimmende Mechanismus, der die Höhe des Presslings beherrscht, war die Entfernung des Pulverschmierstoffs aus der oberen Hälfte der Formfläche in der Pulververdichtungsstufe. Da die Pulverhöhe beim Verdichten ungefähr halbiert wird, ist die obere Hälfte der Formwand, über die der Pressling ausgeworfen werden muss, vor dem Auswerfen trocken und ungeschmiert. Dies führt zu Riefenbildung und Verschleiß der Formoberfläche beim Auswerfen. Es wurde bestätigt, dass Nasssprühen der Formoberfläche diesen Effekt nicht aufweist, da ein nasser Rückstand auf der oberen Hälfte der Formwand beim Verdichten zurückbleibt, was beim Auswerfen des Presslings für Schmierung sorgt.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der Erfindung ist deshalb, die Vorteile des Trockenpulversprühsystems zu nutzen, dennoch eine Art verbleibende "nasse" Wandschmierung vorzusehen, und dennoch einen nassen Pressling zu vermeiden, wenn er ausgeworfen wird, um eine Pulveranhaftung zu vermeiden.
Bei der Durchführung der Erfindung wird die Form vor und während der Verdichtung in einen engen Temperaturbereich präzise erhitzt, und ein trockenes Pulverschmiermittel wird ausgewählt, das eine ideale Erweichungs- und Schmelzcharakteristik aufweist, die zum Temperaturbereich passt. Als Folge davon erweicht das Schmierstoffpulver bei Kontakt mit der warmen Formwand und' haftet an der Oberfläche. Wenn das Metallpulver verdichtet wird, "wischt" es das weiche Schmierstoffpulver von der Formwandoberfläche ab, wodurch ein Restfilm für wirksames anschließendes Auswerfen verschmiert wird. Sorgfältige Auswahl und Steuerung des Schmierstofftyps, Zustandes und des Formtemperaturbereichs sind für optimales Verhalten wesentlich.
Die Verwendung dieses Prozesses führte dazu, dass es möglich ist, Ringe auf ringförmigem Werkzeug, das zuvor beschrieben wurde, auf über 7,35 Gramm pro Kubikzentimeter Dichte, mit einer Höhe von mindestens 1,0 Zoll zu verdichten, was an der Grenze des Werkzeugs liegt. Beim Auswerfen zeigte sich keine Anhaftung von losem Pulver an den Presslingen.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung ersichtlich.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Diese Erfindung stellt ein Verfahren zum Erhalt eines Produkts mit größerer Länge und Dichte durch Pulvermetallurgie zur Verfügung, wobei trockenes Pulverschmiermittel auf temperaturgeregelte Formwände gesprüht wird, wo die Erweichungs- und Schmelztemperaturen des Schmierstoffs eine verschmierte, aber nicht nasse Schicht auf den Formwänden erzeugen. Dies ermöglicht, dass größere Presslinge erzeugt werden, als es mit derzeitiger Verfahrensweise von trockenem Pulver auf Formwänden möglich ist.

Beispiel des Verfahrens

Eine Pulvermischung aus vorlegiertem Eisen-Nickel-Molybdän-Pulver (0,7% Nickel, 0,5% Molybdän) puls 0,7% Graphit werden in eine Form aus Wolframcarbid mit Hochgeschwindigkeitsstahlstempeln eingefüllt. Die Abmessungen der ringförmigen Form betragen 1,5 Zoll Außendurchmesser, 1,0 Zoll Innendurchmesser mit einer Pulverfülltiefe von 2,0 Zoll. Die Formwände werden unter Verwendung von 4 stabartigen Heizelementen und einem Regler auf einen Bereich von 175ºF bis 200ºF erhitzt und temperaturgeregelt, was durch ein eingebautes Thermoelement gemessen und von einem Oberflächenkontaktthermoelement in Handbetrieb geprüft wird. Das verwendete Pulverschmiermittel ist ein synthetisches Polyethylenwachs mit einem Erweichungspunkt von 145 ºF und einem Schmelzpunkt von 207ºF. Das Pulver wurde von einem handelsüblichen "tribostafischen Pulverspraysystem" abgegeben, das nicht Teil der Erfindung ist. Es wurde gefunden, dass eine Kaltformverdichtung mit den folgenden Schmierstoffen: Zinkstearat, Lithiumstearat, Stearinsäure, Acrawachs und mit dem Schmierstoff dieses Beispiels nur 7,25 Gramm pro Kubikzentimeter Dichte auf eine maximale Tiefe von nur 0,5 Zoll Verdichtung erreicht werden konnten. Es wurde gefunden, dass Ersetzen eines nassen Sprays eine Verdichtung von vollen 1,0 Zoll ermöglichte, aber das Ergebnis war ein nasser Pressling, der loses Pulver auf der Oberfläche sammelte und überschüssigen Schmierstoff an einigen Ecken des Werkzeugs zeigte.
Wenn die Form auf 175ºF vorerwärmt und das Wachspulverschmiermittel auf die Formoberfläche gesprüht wurde, war eine unmittelbare Verbesserung ersichtlich. Es war möglich, die vollen 1,0 Zoll Längenkapazität des Werkzeugs zu nutzen und eine Dichte von 7,35 Gramm pro Kubikzentimeter wurde leicht erreicht. Die erhaltenen Presslinge fühlten sich heiß an, aber trocken genug, dass sie kein loses Pulver annehmen. In einem kurzen Produktionsdurchlauf wurde dies durchgängig und reproduzierbar erhalten, was anzeigt, dass es ein gewerblich durchführbarer Prozess ist.
Die Erfindung stellt deshalb ein Verfahren zur Verfügung für hochdichte großförmige Verdichtung von Metallpulvern unter Verwendung einer präzise temperaturgeregelten Form und einem trocken versprühten Schmierstoffpulver, das die Eigenschaft aufweist, bei Kontakt mit der Form zu erweichen und sich während des Verdichtens auf der Formwand zu verteilen, dennoch beim Auswerfen kein Anhaften von Pulver zu bewirken.
In einer bevorzugten Form, wird die Formwand durch irgendein geeignetes Mittel auf einen Temperaturbereich erwärmt, der zwischen dem Erweichungs- und Schmelzpunkt des Schmierstoffs liegt und die erwärmte Wand wird besprüht oder auf andere Weise mit dem Schmierstoff beschichtet. Wenn das Metallpulver und der Stempel beim Verdichten entlang der Formwand streifen, wird die Schmierstoffschicht auf der Wand verschmiert, was einen Schmierstoffrest auf der Wand zurücklässt, um das Auswerfen des Presslings aus der Form zu schmieren.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Ausführen der Erfindung wurde ziemlich ausführlich beschrieben. Es sind für die Fachleute viele Modifikationen und Variationen des beschriebenen Verfahrens ersichtlich. Beispielsweise kann ein anderes Schmiermittel als Polyethylenwachs verwendet werden und es kann mit irgendeinem geeigneten Auftragsmittel, sei es Sprühen oder anderes, auf die Gesenkwände aufgetragen werden.

Claims

1. Verfahren zum Verdichten von Metallpulver in einer Verdichtungsform zur Herstellung eines Metallpulverpresslings zum Sintern umfassend:

Regeln der Oberflächentemperatur von Wänden der Form, so dass sie eine Temperatur aufweisen, die zwischen einer Erweichungstemperatur und einer Schmelztemperatur eines Schmiermittels liegt;

Aufbringen des Schmiermittels auf die Wände;

Füllen der Form mit Pulvermetall, wobei das Pulvermetall mit dem auf die Wände aufgebrachten Schmierstoff in Kontakt kommt;

Verdichten des Pulvermetalls in der Form während die Oberflächentemperatur der Wände der Form auf der Temperatur gehalten wird, die zwischen einer Erweichungstemperatur und einer Schmelztemperatur des Schmiermittels liegt; und

Auswerfen des verdichteten Pulvermetalls aus der Form.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schmiermittel bei Raumtemperatur in Festphase vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Verdichtungsschritt durchgeführt wird, bis das Pulvermetall fünfzig Prozent oder weniger seiner ursprünglichen unverdichteten Höhe erreicht hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schmiermittel bei Kontakt mit den Wänden der Form erweicht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schmiermittel während des Verdichtungsschrittes auf die Wände der Form aufgestrichen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin nach dem Auswerfen keine Pulvermetallpartikel an dem verdichteten Pulvermetallteil haften.