Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteüs mit freiem Volumen vorgegebener Geometrie, wie Öffnung, Kanal, Hohlraum, umfassend die V erfahr ensschritte :

- Füllen zumindest eines Sinterpulvers in eine Form,

- Pressen des Sinterpulvers und anschließendes Sintern.

Vielfältige Einsätze finden Sinterprodukte insbesondere in der Automobilindustrie, z.B. als Lager oder Lagerschalen, Bauteile für Motoren und Getriebe, Siebe, Filter, Reib- und Bremsbelege, Zahnräder. Aber auch bei Werkzeugen, wie z.B. W endeschneidplatten aus Hartmetallen, gelangen Sinterprodukte zum Einsatz.

Häufig ist es erforderlich, dass in den Sinterprodukten z.B. als Kühlkanäle dienende Kanäle verlaufen, die nur dann beim Pressvorgang mit ausgebildet werden können, wenn diese in Pressrichtung verlaufen. Andernfalls ist eine mechanische Bearbeitung erforderlich, die zur Verteuerung des Produktes fuhrt. Unabhängig hiervon sind Grenzen in Bezug auf den Verlauf der herzustellenden Freiräume, also freien Volumina, gegeben. Weisen z.B. Kanäle Abschnitte mit voneinander abweichenden Längsrichtungen auf, so treten im Übergang Unstetigkeiten auf, die beim Durchströmen von Fluiden zu Störungen fuhren können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass Sinterbauteile zur Verfügung gestellt werden, bei denen das freie Volumen bzw. Volumina eine gewünschte bzw. dem Grunde nach beliebige Geometrie aufweisen können, ohne dass es grundsätzlich einer mechanischen N achbearbeitung des

Sinterbauteils bedarf.

Zur Lösung der Aufgabe wird im Wesentlichen vorgeschlagen, dass sich in dem gepressten Sinterpulver zumindest ein das freie Volumen vorgebendes Einlegematerial befindet, das durch einen thermischen Prozess entfernt wird.

Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass der thermische Prozess vor und/oder während und/oder nach dem Sintern durchgeführt wird, wobei bevorzugterweise der thermische Prozess das Sintern selbst ist.

Der thermische Prozess kann beispielsweise mittels Laser, Infrarotstrahlung und/oder Induktionserwärmung durchgeführt werden. Bei dem Einlegematerial kann es sich um einen festen Körper oder um z.B. schüttfähiges Material, wie Pulver oder Granulat, handeln. Auch aushärtbares Schaummaterial, das in einen vorher in dem Sintermaterial ausgebildeten Freiraum, der auch als Aussparung zu bezeichnen ist, eingebracht wird, kann Verwendung finden, um ein Volumen in dem Sinterbauteil herzustellen, das eine gewünschte vorgegebene Geometrie aufweist, die einfach, wie z.B. Kugel oder Zylinder, oder hochkomplex, wie Kanäle mit Abschnitten voneinander abweichenden Längsachsen, gestaltet sein kann, wobei bei komplexer Geometrie bevorzugterweise Einlegeelemente zum Einsatz gelangen, die von dem Sintermaterial zumindest teilweise umgeben werden und die Geometrie des freien Volumens vorgeben.

Das Entfernen des zumindest einen Einlegematerials kann durch z.B. Verbrennen oder Vergasen des Materials erfolgen, aus dem das Einlegeelement besteht.

Daher sieht die Erfindung vor, dass als das Einlegematerial ein Einlegeelement oder ein in zumindest eine die Negativform des zu bildenden freien Volumens aufweisende oder begrenzende Aussparung in dem Sinterpulver eingebrachtes Material, insbesondere schüttfähiges Material, wie Pulvermaterial, verwendet wird. Als Sinterbauteile sind insbesondere zu nennen Hydraulikkolben, Zahnräder, Kettenräder, Buchsen, Rotoren, Kolben, Nockenwellenlager.

Durch die gezielte Ausbildung von Freiraum können Bauteile von z.B. Öl durchströmt werden. Hohlräume können zur Gewichtsreduzierung und zur Geräuschminderung genutzt werden.

Bei dem Sinterpulver handelt es sich besonders ein solches auf Eisenbasis wie Sint-D10 bis Sint-D39 gemäß DIN 30910-4, März 2010. Andere Sinterpulver auf Kupfer- oder Titanbasis sind gleichfalls möglich, um nur beispielhaft andere Materialien zu nennen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, in dem Freiräume ausgebildet werden, die einen gewünschten geometrischen Verlauf zeigen, der unabhängig von der Pressrichtung ist. So können z.B. Kanäle ausgebildet werden, die Abschnitte mit voneinander abweichenden Längsrichtungen aufweisen, die nicht oder nicht sämtlichst in

Pressrichtung verlaufen müssen. Gleichzeitig kann der Übergang zwischen den Abschnitten stetig ausgebildet werden, eine Möglichkeit, die durch ein mechanisches Bearbeiten dem Grunde nach nicht gegeben ist oder nur mit einem aufwendigen Herstellungsprozess erfolgen kann, der zu einer hohen Kostenbelastung führt.

Um das freie Volumen, wie Öffnung, Kanal, oder allseitig umschlossener Hohlraum, auszubilden, gibt es verschiedene Möglichkeiten. So können zunächst in das Presswerkzeug ein Teil des Sinterpulvers eingebracht und sodann das oder die Einlegeelemente eingelegt werden. Anschließend kann ein Vorpressen erfolgen. Sodann wird der Rest des Sinterpulvers eingebracht und mit der gegebenenfalls zuvor vorgepressten Einheit verpresst.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass zunächst das Einlegeelement in die Form bzw. Matrize und sodann das Sinterpulver eingefüllt wird, um schließlich den Pressvorgang durchzuführen.

Es besteht die Möglichkeit, freie Volumina zu schaffen, die in Pressrichtung betrachtet voneinander abweichende Querschnitte aufweisen. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass ein Werkzeug mit zwei Pressstempeln verwendet wird, die von gegenüberliegenden Seiten in Richtung des oder der den bzw. die Freiräume vorgegebenen Einlegeelemente verstellt werden.

Es besteht die Möglichkeit, mittels des oder der Einlegeelemente ein oder mehrere gegebenenfalls unverbundene Hohlräume auszubilden und/oder einen Hohlraum mit Abschnitten, deren Hauptachsenrichtung einen Winkel ungleich 180° einschließen.

Das oder die Einlegeelemente können sich bis zumindest einer Presswerkzeugbegrenzung, wie Wandung, erstrecken, die quer zur Pressrichtung verläuft.

Als Presswerkzeug kann ein solches mit in Pressrichtung verlaufendem Dom oder Schieber verwendet werden, von dem zumindest ein Einlegeelement bzw. eine Aussparung für das einzufüllende Einlegematerial ausgeht.

Als Material für das Einlegematerial wird zumindest ein Material aus der Gruppe Kunststoff, Wachs oder eine Kombination dieser verwendet. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass dann, wenn das Sinterpulver ein Wachs enthält, das Einlegematerial aus dem gleichen Wachsmaterial besteht oder dieses enthält.

Als hervorzuhebende Wachse sind Amidwachse zu nennen.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre können Sinterkörper mit gewünschten Hohlräumen, die auch Durchgangsbohrungen oder -Öffnungen einschließen, zur Verfügung gestellt werden, ohne dass die nach dem Stand der Technik erforderliche aufwendige mechanische Bearbeitung zum Ausbilden dieser erforderlich ist.

Vollständig innerhalb des Sinterbauteils verlaufende Hohlräume können ausgebildet werden, eine Möglichkeit, die durch mechanische Bearbeitung des Sinterbauteils ausgeschlossen ist.

Das Einlegematerial bildet eine Lost-Form, die beim Sintern verflüchtigt.

Das Einlegeelement wird beim Sinterprozess durch die hohen Temperaturen, die im Bereich von 1.100 °C beim Einsatz von Eisenbasiswerkstoffen liegen, verflüchtigt, so dass der beim Füllen des Presswerkzeuges durch das Einlegematerial wie das oder die Einlegeelemente gebildete von diesem bzw. diesen besetzte Raum im Sinterpulver nach dem Sintern zur Verfügung steht, der z.B. beim Einsatz des Sinterbauteils benötigt wird, um Funktionen, wie Durchströmen von Fluiden, Zuführen von Schmieröl etc., zu ermöglichen. Dabei kann der Hohlraum auch Geometrien aufweisen, die bei einer mechanischen Bearbeitung grundsätzlich nicht erzielbar ist. Es können Hohlräume mit einem Geometrieverlauf erzeugt werden, der beim ausschließlich axialen Pressen nicht herstellbar ist. Ganz allgemein ist anzumerken, dass als Werkstoffe für das Sinterpulver solche auf Aluminiumbasis, Titanbasis, Kupferbasis oder Wolffambasis, insbesondere Eisenbasis verwendet werden können.

Die Sintertemperatur sollte insbesondere gleich oder größer als 70 % der S chmelztemperatur des Pulvers betragen.

Bevorzugterweise wird zur Herstellung des Sinterbauteils das Sinterpulver ausschließlich axial gepresst. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Presswerkzeugs,

Fig. 2 bis 7 Prinzipdarstellungen von Körpern aus gepresstem Sinterpulver mit in diesem vorhanden Einlegeelementen,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines gepressten Körpers aus Sinterpulver mit Einlegeelement, Fig. 9 eine Schnittdarstellung der Fig. 8,

Fig. 10 Schnitdarstellungen von Körpern aus gepresstem Sinterpulver mit Einlegeelementen,

Fig. 11 einen weiteren Längsschnit eines Körpers aus gepresstem Sinterpulver,

Fig. 12 einen Querschnitt durch den Körper gemäß Fig. 11 und Fig. 13 Prinzipdarstellungen von Positionierungen von Einlegeelementen.

Anhand der Zeichnung wird rein prinzipiell die erfindungsgemäße Lehre erläutert, aufgrund der Sinterbauteile mit freiem Volumen einfacher oder komplexer Geometrien, wie Zylinder, Kugel, Durchgangskanäle herstellbar sind, ohne dass zur Ausbildung der freien Volumina, also der Freiräume, eine mechanische Bearbeitung erforderlich ist. Dies schließt jedoch gegebenenfalls eine N achbearbeitung nicht aus.

In den Figuren sind die gepressten Körper mit einem oder mehreren Einlegeelementen dargestellt, die sich anschließend bei einem thermischen Prozess verlieren und so die gewünschten Hohlräume zur Verfügung stehen. Durch die Verwendung der

Einlegeelemente wird jedoch die erfindungsgemäße Lehre nicht eingeschränkt. Vielmehr können anstelle von Einlegeelementen, die durch eigensteife Körper gebildet werden auch Hohlräume dadurch ausgebildet werden, dass in dem Sinterpulver Vertiefungen, Aussparungen oder sonstige geometrische Einformungen ausgebildet werden, in die Einlegematerial eingebracht bzw. -gefüllt wird, das bei einem durchzuführenden thermischen Prozess entfernt wird, also verloren geht

Bei dem entsprechenden Einlegematerial handelt es sich insbesondere um schüttfahiges Material, wie Pulver oder Granulat. Aber auch Schaummaterial kommt in Frage, sofern dieses beim Pressablauf nicht eine derartigen Geometrieveränderung erfahrt, dass der gewünschte Freiraum in dem Sinterkörper nicht ausgebildet werden kann.

Wird das Entfernen des Einlegeelements, das insoweit als Synonym für Einlegematerial zu verstehen ist, entsprechend nachstehender Erläuterung im thermischen Prozess des Sintems entfernt, so erfolgt hierdurch gleichfalls eine Beschränkung nicht. Vielmehr kann ein thermischer Prozess auch vor oder nach dem Sintern oder sowohl vor dem und während des Sintems oder auch während des Sintems oder nach dem Sintern oder vor, während und nach dem Sintern durchgefuhrt werden. Insoweit sind materialabhängige thermische Prozesse durchzufuhren, um das Einlegematerial zu Entfernen und somit die gewünschten Hohlräume in dem Sinterkörper auszubilden. Hohlraum bedeutet dabei auch, dass sich ein freies Volumen bis zum Randbereich des Sinterkörpers erstreckt, also von außen her zugänglich ist, um z.B. in einem entsprechenden Hohlraum ein Fluid einzufüllen bzw. durch entsprechende freie Volumina ein Fluid strömen zu lassen.

Auch wird nachstehend im Wesentlichen von Sinterpulver auf Eisen-Basismaterial gesprochen, bei dem es sich um Materialien Sint-D10 bis Sint-D39 gemäß DIN 30910-4 (März 2010) handeln kann. Hierdurch erfolgt jedoch eine Beschränkung der Erfindung nicht. Vielmehr können andere geeignete Sinterpulver z.B. auf Kupfer- oder Titanbasis gleichfalls Verwendung finden.

Ganz allgemein ist anzumerken, dass ein Vorpressen bei einem Druck bis zu 500 MPa durchgefuhrt werden kann. Zum Pressen des Grünkörpers, also bevor der Sintervorgang durchgeführt wird, kann ein Druck zwischen 200 bis 1.000 MPa zum Einsatz gelangen.

Besteht das Sinterpulver auf Eisenbasis, so sollte das Einlegematerial bei Temperaturen unter 1.000 °C. entfembar sein.

In Fig. 1 ist rein prinzipiell ein Presswerkzeug dargestellt, mittels dessen z.B. eisenwerkstoffbasiertes Sinterpulver, das Beimengungen von Kohlenstoff Molybdän, Nickel, Kupfer und insbesondere Wachs enthalten kann, zu einem Formkörper gepresst wird, der anschließend bei Temperaturen von z.B. 1.120 °C gesintert wird. Beim Pressen des Pulvers kann ein Druck in der Größenordnung von 800 MPa einwirken, ohne dass durch die angegebenen Zahlenwerte eine Beschränkung der Erfindung erfolgt.

Das Presswerkzeug besteht aus einer ein- oder mehrteiligen Matrize 12, die die Umfangsform des herzustellenden Sinterkörpers vorgibt. Im Ausfuhrungsbeispiel wirken auf das in den Innenraum der Matrize 12 gefüllte Sinterpulver zwei Stempel 16, 18 in axialer Richtung, wie dies durch die Pfeile 20, 22 symbolisiert wird. Um in dem herzustellenden Sinterbauteil ein freies Volumen herzustellen, das nach dem Sintervorgang ausgebildet ist, ohne dass es hierzu einer mechanischen Bearbeitung bedarf, wird in das Pulver 14 vor dem Pressvorgang ein Einlegeelement 24 eingebracht, das entsprechend der Fig. 1 z.B. ein Stab sein kann, der die Innenwandungen 24 der Matrize 12 kontaktiert, so dass im Sinterbauteil eine Durehgangsöffhung vorliegt.

Das als Lost Form zu bezeichnende Einlegeelement 24 kann aus einem geeigneten Kunststoffinaterial, insbesondere jedoch aus einem Wachs, und zwar bevorzguterweise aus dem Wachs bestehen, dass dem Sinterpulver beigemischt ist.

Bei Verwendung von Wachs ergibt sich der Vorteil, dass V orschädigungen nicht auftreten.

Als hervorzuhebendes Wachsmaterial sind Amidwachse zu nennen.

Unabhängig hiervon muss das Einlegeelement 24 pressfest sein, also seine Form beim Pressen beibehalten.

Beim Sintern wird das Einlegeelement durch z.B. Verbrennen oder Vergasen verflüchtigt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre besteht die Möglichkeit, nicht nur vom Randbereich des Sinterkörpers ausgehende Öffnungen auszubilden, die sich in ihrer Längsrichtung nicht in Pressrichtung (Pfeile 20, 22) erstrecken, sondern quer wie senkrecht zu dieser. Sollen z.B. nach dem Stand der Technik senkrecht zur axialen Pressrichtung Queröffnungen ausgebildet werden, muss zusätzlich ein radiales Pressen durchgefuhrt werden. Alternativ kann eine mechanische Bearbeitung erfolgen. All diese Maßnahmen sind aufwendig und führen zu einer Verteuerung der Sinterbauteile. Die erfindungsgemäße Lehre vermeidet die Nachteile. Durch die erfindungsgemäße Lehre ist auch die Möglichkeit gegeben, innerhalb eines Sinterkörpers freie Volumina auszubilden, die nach dem Stand der Technik nicht zur Verfügung gestellt werden können. In Fig. 2 ist ein Beispiel eines Einlegeelementes 26 prinzipiell dargestellt, das als Ringelement ausgebildet ist und beim Pressen an der Innenwandung der Matrize anliegt. Dabei besteht die Möglichkeit, dass das Einlegeelement - wie zeichnerisch dargestellt - Kanten aufweist, eine Möglichkeit, die nach dem Stand der Technik nur mit erheblicher aufwendiger mechanischer Bearbeitung einer Ringnut realisierbar wäre.

Aus der Fig. 3 wird erkennbar, dass innerhalb des gepressten Körpers aus Sintermetallpulver, insbesondere auf Eisenbasis, im Innenraum ein Hohlraum mittels eines Einlegeelementes 28 ausgebildet wird, das somit vollumfanglich von dem Sinterpulvermaterial 14 umgeben ist.

Die Fig. 4 und 5 sollen verdeutlichen, dass in einem herzustellenden Sinterkörper Kanäle ausgebildet werden können, die zueinander versetzte Abschnitte aufweisen und in beliebiger Richtung zur Pressrichtung 20, 22 verlaufen können.

So ist in Fig. 4 ein Einlegeelement 30 in ein Sintermetallpulver 14 eingebracht, das zwei äußere Abschnitte 32, 34 und einen diesen verbindenden inneren Abschnitt 36 aufweist, die stetig ineinander übergehen. Dabei verlaufen die Abschnitte 32, 34 senkrecht zur Pressrichtung 20, 22. Der V erbindungsabschnitt 36 kann geneigt zur Pressrichtung verlaufen.

Das Einlegeelement 38 gemäß Fig. 5 weist gleichfalls zwei äußere Abschnitte 40, 42 und einen diese verbindenden Innenabschnitt 44 auf. Die äußeren Abschnitte 40, 42 verlaufen parallel zur Pressrichtung 20, 22, jedoch versetzt zur Mittelachse, wohingegen der V erbindungsabschnitt 44 geneigt zur Pressrichtung 20, 22 ausgerichtet ist und stetig in die äußeren Abschnitte 40, 42 übergeht.

Werden bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 5 ein sich in Pressrichtung 20, 22 erstreckender Dom oder Schieber nicht eingesetzt, so können die Einlegeelemente 24, 26, 28, 30, 38 selbstverständlich auch zur Herstellung von Sinterkörpem benutzt werden, zu deren Herstellung beim Pressen Dome und/oder Schieber verwendet werden.

Den Fig. 6 und 7 sind Beispiele von Einlegeelementen 46 und 48 zu entnehmen, die im Schnitt eine T-Geometrie aufweisen, wobei in Pressrichtung betrachtet bei der Fig. 6 der Querschnitt des Außenabschnitts 50 größer als der Innenabschnitt 52 ist. Umgekehrte Verhältnisse ergeben sich aus dem Ausführangsbeispiel des Einlegeelementes, d.h. der innere Abschnitt 54 weist einen größeren Querschnitt als der äußere Abschnitt 56 auf. Dabei kann der äußere Abschnitt 50 des Einlegeelementes 46 umlaufend, also ringförmig ausgebildet sein, um einen Ringkanal oder Nut zu bilden, von dem bzw. der beabstandet zueinander verlaufende Abschnitte ausgehen, die den kleineren Querschnitt 52 aufweisen und Bohrungen bilden.

Umgekehrt kann bei dem Einlegeelement 48 der innere Abschnitt 54 ringförmig als Nut ausgebildet sein, von dem einzelne äußere Abschnitte 56, 58 ausgehen, die die Funktion von Bohrungen ausüben.

In den Fig. 8 und 9 wird ein Einlegeelement 58 mit dem Sinterpulver 14 verpresst, das von der Innenwandung 25 der Matrize 12 ausgeht und wandfemliegend kantig ausgebildet ist.

In Fig. 10 sind S chnittdarstellungen von zwei Körpern aus gepresstem Sinterpulver 14 dargestellt, jeweils eine Hälfte, wobei das rechts dargestellte Einlegeelement 46 dem der Fig. 6 entsprechen kann. Links ist ein Einlegeelement 60 dargestellt, das aus zwei Abschnitten voneinanderabweichenden Querschnitten besteht.

Selbstverständlich können die entsprechenden Einlegeelemente auch mehrteilig ausgebildet und zusammengesetzt werden. Auch können Einlegeelemente in dem Pulver beabstandet zueinander positioniert sein. Insoweit sind Grenzen nicht gesetzt. Die Fig. 11 und 12 stellen ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem ein Presswerkzeug zum Einsatz gelangt, das Dome aufweist, die Freiraum 62, 64 bilden. In dem Sinterpulver 14 sind sodann schräg zur Pressrichtung 20, 22 sich erstreckende Einlegeelemente 66, 68 positioniert, über die eine Verbindung zu dem Hohlraum 62, 64 hergestellt wird, der durch die Dome gebildet wird.

Der Pressvorgang selbst wird insbesondere derart durchgeführt, dass zunächst ein Teil des Pulvers in die Form eingefüllt und sodann das Einlegeelement eingebracht wird. Sodann erfolgt ein Vorpressen z.B. mit einem Druck von 130 MPa. Anschließend wird der Rest des Werkstoffs eingefüllt und der Pressvorgang bei einem Druck von z.B. 800 MPa durchgeführt.

Alternativ besteht auch die Möglichkeit, das Einlegeelement zunächst in die Form einzubringen, die anschließend befällt wird, um sodann den Pressvorgang durchzuführen.

Nach Entformen des Körpers wird der Sinterprozess durchgeführt, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 1.120 °C, wenn das Sinterpulver ein Eisenbasiswerkstoff ist, der erwähntermaßen Zusätze wie Kohlenstoff, Molybdän oder Nickelkupfer und Wachs enthalten kann.

Vorzugsweise während des Sinterprozesses wird das bzw. werden die in dem gepressten Pulverkörper vorhandenen Einlegeelemente durch z.B. Schmelzen, Verbrennen und/oder Vergasen entfernt bzw. verflüchtigt.

Die erforderliche Temperatur für den thermischen Prozess kann mittels z.B. Laser, Infrarotstrahlung oder Induktion erzeugt werden.

Anhand der Fig. 13 sollen verschiedene Varianten rein prinzipiell dargestellt werden, die das Positionieren der Einlegeelemente beispielhaft veranschaulicht. Dabei sollen durch die in Klammem gesetzten Beispiele verdeutlicht werden, dass die auf Grund der Einlegeelemente hergestellten freien Volumina in den Sinterkörpem auch auf klassische Weise, also durch mechanische Bearbeitung oder durch den Einsatz von Domen oder Schiebern des Presswerkzeugs oder durch radiales Pressen hergestellt werden können.

Die Körper werden grundsätzlich ausschließlich durch axiales Pressen hergestellt.

Insbesondere ist erkennbar, dass dann, wenn beabstandet zur Ober- und Unterseite des Körpers, auf den die Pressstempel einwirken, Hohlräume in dem Sinterkörper verlaufen, die klassischen Verfahren nicht einsetzbar sind, sofern ausschließlich axial gepresst wird. Im Inneren des Sinterkörpers verlaufende Hohlräume sind auch durch Pressen und mechanisches Arbeiten nicht ausbildbar.