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WO2008003660A1 - Metallpulver-spritzgiessverfahren - Google Patents

Metallpulver-spritzgiessverfahren Download PDF

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WO2008003660A1
WO2008003660A1 PCT/EP2007/056605 EP2007056605W WO2008003660A1 WO 2008003660 A1 WO2008003660 A1 WO 2008003660A1 EP 2007056605 W EP2007056605 W EP 2007056605W WO 2008003660 A1 WO2008003660 A1 WO 2008003660A1
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WO
WIPO (PCT)
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component
metal powder
point
powder injection
metal
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2007/056605
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Holz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2008003660A1 publication Critical patent/WO2008003660A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/062—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
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    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/16—Both compacting and sintering in successive or repeated steps
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the invention relates to a metal powder injection molding process according to the preamble of claim 1.
  • a metal powder injection molding (MIM - metal injection molding) is described, in which a metal powder, which consists of metal particles of a defined grain size, is first prepared by means of a binder means in which the individual powder particles are coated in the metal powder. Subsequently, the metal powder is injected into a tool.
  • the resulting molding material - also called feedstock - is one
  • the invention has for its object to produce a component which is produced using the metal powder injection molding process, with high surface quality and high strength.
  • the component is first produced by the metal powder injection molding process.
  • the sinterable molding compound which consists of a metal powder with metal particles defined grain size, first injected into a prefabricated tool, then the binder is removed in the molding material and then the molding material is sintered in a thermal process.
  • the component obtained has a certain surface quality and also a certain strength which already meets high requirements.
  • the component is after sintering at defined points of a deformation to achieve a local Subjected to compaction on the component.
  • This forming process is an additional, downstream process step to which the component is subjected.
  • the targeted forming a partial, possibly complete elimination of pores on the aftertreated surfaces of the component can be achieved, at the same time the strength of the component is increased at these locations.
  • the surface quality and the strength is improved, namely at the desired locations on the component, which should have just these required material properties.
  • the local compaction achieves closing or eliminating the pores at these points, which makes the surface smoother and thus the surface quality better.
  • the compression also causes an increase in the strength of the material.
  • These improved properties can be achieved with a relatively low conversion effort, which would otherwise be accomplished - only by improvements in metal powder injection molding - with a greater effort and additional cost, for example by using a finer metal powder or by higher temperatures or by adding additional additives.
  • such improvement measures in the metal powder injection molding process are in principle possible, but not necessarily a prerequisite for the local improvement of the material properties at the desired locations.
  • embossing volume is already applied to the component at the point during the metal powder injection molding process, which is then subjected to the shaping process.
  • This embossing volume is completely or partially compressed by the deformation and thus reduced until the desired surface geometry and topography is achieved.
  • the embossing volume thus represents a buffer volume for the subsequent forming process.
  • the deformation can be carried out on one side, ie only on the side which is to have the desired surface structure, as well as on two sides, ie in addition to the opposite outside of this point of the component.
  • the one-sided forming has the advantage of a relatively fast and easy to perform process step. With the two-sided forming, on the other hand, a further improved surface quality and, in particular, increased strength are achieved at this location of the component, since the compression extends deeper into the material of the component in comparison with the one-sided deformation.
  • metal powders can be used for the production of the component, for example fine metal powders with a particle size smaller than 20 ⁇ m or even coarser metal particles with a particle size between 20 ⁇ m and 150 ⁇ m.
  • metal powder As a material for the metal powder all sinterable metals and metal alloys can be used.
  • Fig. 1 shows a section through a component which in the
  • FIG. 2 is a view of another component, which is provided at a location on the inside and on the outside for forming,
  • Fig. 3 shows another embodiment with a component which is to be formed only on one side.
  • a component 1 which has been produced by means of metal powder injection molding and then subjected to a transformation process.
  • a sinterable molding compound consisting of a metal powder with added Binder agent is injected into a tool, then the binder is removed from the molding compound and then it is sintered in a thermal process.
  • 1 pores 4 can arise in the metal of the component, which lead to the surface of the component to an undesirable quality degradation.
  • the component 1 is subjected to a deformation at a defined point 2, which is shown by the exaggerated indentation at the point 2.
  • the near-surface region 3 of the component is mechanically compacted, which leads to a complete or at least partial elimination of the pores in the material of the component.
  • improved surface quality and increased near-surface strength 3 are obtained.
  • Forming process is to be able to provide the near-surface region 3 at the point 2 with a desired, defined geometry structure which is embossed into the surface.
  • the surface of the component 1 can be provided in the region of the point 2 with additional desired properties, for example with a reduced friction.
  • FIGS. 2 and 3 show further components 1, which are produced in the metal powder injection molding process and subsequently locally subjected to deformation at point 2.
  • the component 1 in FIGS. 2 and 3 is expediently the sealing seat for an injection valve in an internal combustion engine.
  • the component 1 is only partially shown, can be seen the longitudinal axis 8 of the preferably rotationally symmetrical component 1.
  • the point 2 to be reshaped on opposite outer sides of the component in each case a Pragevolumen 5 and 6, which represents a buffer for the transformation.
  • the reshaping takes place plastically, wherein the embossing volume 5 and 6 are each printed together, so that the surface integrates on both opposite sides gleichschreibig and without exaggeration in the adjacent surfaces of the component. Due to the forming on both opposite outer sides at the point 2 of the component, a deep compaction of the material is achieved, which is exemplified with the hatched area 7 between the Pragevolumen 5 and 6.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 3 differs from the preceding one in that only one embossing volume 6 is provided on one side of the point 2 to be reshaped.
  • the component 1 is formed only on one side in the region of the embossing volume 6.
  • a different cross-sectional geometry of the compacted region 7 in the material at the formed site results, in that the densification on the near-surface side of the deformation is greatest and is tapered with increasing distance.
  • the compacted region 7 has approximately a funnel shape in cross-section, which is due to the double deformation on both outer sides at the point 2.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles wird durch Metallpulver-Spritzgiessverfahren nach dem Sintern eine Umformung an einer definierten Stelle des Bauteiles durchgeführt, um hierdurch eine lokale Verdichtung zu erreichen.

Description

Beschreibung
Titel
Metallpulver-Spritzgießverfahren
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Metallpulver- Spritzgießverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In der US 5,993,507 wird ein Metallpulver-Spritzgießverfahren (MIM - metal injection molding) beschrieben, bei dem ein Metallpulver, welches aus Metallpartikeln einer definierten Korngröße besteht, zunächst mittels eines Bindermittels aufbereitet wird, bei dem die einzelnen Pulverpartikel im Metallpulver ummantelt werden. Anschließend wird das Metallpulver in ein Werkzeug eingespritzt. Die erhaltene Formmasse - auch Feedstock genannt - wird einem
Entbinderungsprozess unterzogen, bei dem das die Metallpartikel umgebende Bindermittel entfernt wird. Anschließend wird der Feedstock bzw. die Formmasse gesintert, also in einem thermischen Prozess verdichtet.
Bei diesem Prozess können Poren in dem hergestellten Bauteil entstehen, die insbesondere die Oberflächenqualität beeinträchtigen. Zur Verbesserung der Oberflächengüte können zum einen kleinere Metallpartikel im Metallpulver verwendet werden, was jedoch mit höheren Materialkosten verbunden ist. Zum anderen wird in der US 5,993,507 vorgeschlagen, ein Metallpulver mit einer Mischung aus feinen und gröberen Metallpartikeln zu verwenden und einen Polymerbinder einschließlich eines Additivs einzusetzen, wodurch die Oberflächenqualität ebenfalls verbessert sein soll. Allerdings ist auch bei diesem Verfahren nicht sichergestellt, dass die gewünschte Oberflächengüte immer erreicht wird.
Darüber ist es in der Regel erforderlich, dem Bauteil eine geforderte Mindestfestigkeit zu verleihen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, welches unter Anwendung des Metallpulver-Spritzgießverfahrens hergestellt wird, mit hoher Oberflächengüte und hoher Festigkeit zu fertigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Bauteil zunächst nach dem Metallpulverspritzgießverfahren hergestellt. Hierfür wird die sinterfähige Formmasse, die aus einem Metallpulver mit Metallpartikeln definierter Korngröße besteht, zunächst in ein vorgefertigtes Werkzeug eingespritzt, anschließend wird das Bindermittel in der Formmasse entfernt und danach wird die Formmasse in einem thermischen Prozess gesintert. Das erhaltene Bauteil weist je nach verwendetem Metallpulver und Bindersystem sowie je nach verwendeten Systemparametern eine bestimmte Oberflächenqualität und auch eine bestimmte Festigkeit auf, die bereits hohen Ansprüchen genügen.
Um jedoch eine weitere Verbesserung der Oberflächengüte und der Festigkeit zu erzielen, wird das Bauteil nach dem Sintern an definierten Stellen einer Umformung zur Erzielung einer lokalen Verdichtung am Bauteil unterzogen. Dieser Umformungsprozess stellt einen zusätzlichen, nachgeschalteten Verfahrensschritt dar, dem das Bauteil unterzogen wird. Durch die gezielte Umformung kann eine partielle, gegebenenfalls auch vollständige Eliminierung von Poren an den nachbehandelten Oberflächen des Bauteiles erreicht werden, zugleich wird die Festigkeit des Bauteils an diesen Stellen erhöht.
Dieses Verfahren weist mehrere Vorteile auf. Zum einen wird die Oberflächenqualität und die Festigkeit verbessert, und zwar an den gewünschten Stellen am Bauteil, die eben diese geforderten Materialeigenschaften aufweisen sollen. Es ist hingegen nicht erforderlich, das gesamte Bauteil dem Umformungsprozess zu unterziehen; vielmehr reicht es aus, hoch belastete Stellen am Bauteil umzuformen. Man erreicht hierdurch an diesen Stellen durch die lokale Verdichtung ein Schließen bzw. Eliminieren der Poren, wodurch die Oberfläche glatter und somit die Oberflächenqualität besser wird. Die Verdichtung bewirkt zugleich eine Erhöhung der Festigkeit des Materials. Diese verbesserten Eigenschaften können mit einem verhältnismäßig geringen Umformungsaufwand erzielt werden, der anderenfalls - allein durch Verbesserungen im Metallpulver-Spritzgießverfahren - nur mit einem größeren Aufwand und zusätzlichen Kosten zu bewerkstelligen wäre, beispielsweise durch Verwendung eines feineren Metallpulvers oder durch höhere Temperaturen bzw. durch Beigabe zusätzliche Additive. Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind dagegen derartige Verbesserungsmaßnahmen im Metallpulver-Spritzgießverfahren zwar grundsätzlich möglich, jedoch nicht zwingend Voraussetzung für die lokale Verbesserung der Materialeigenschaften an den gewünschten Stellen.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch den
Umformungsprozess auch definierte Geometriestrukturen in die
Oberfläche eingeprägt werden können. Derartige Strukturen, die insbesondere im Mikrobereich liegen, können beispielsweise für verbesserte Reibeigenschaften an dieser Stelle des Bauteiles eingeprägt werden. Auf diese Weise wird im Mikrobereich eine reliefartige Struktur erreicht, wobei sowohl die erhabenen als auch die zurückgesetzten Abschnitte innerhalb des umgeformten Bereiches die gewünschten Oberflächen- bzw. Materialeigenschaften aufweisen können.
Zweckmäßig wird bereits während des Metallpulver- Spritzgießverfahrens dem Bauteil ein zusätzliches Prägevolumen an jener Stelle aufgegeben, die anschließend dem Umformungsprozess unterzogen wird. Dieses Prägevolumen wird vollständig oder teilweise durch die Umformung zusammengedrückt und dadurch soweit reduziert, bis die gewünschte Oberflächengeometrie und -topografie erreicht ist. Das Prägevolumen stellt somit ein Puffervolumen für den nachfolgenden Umformungsprozess dar.
Die Umformung kann sowohl einseitig erfolgen, also nur an derjenigen Seite, welche die gewünschte Oberflächenstruktur aufweisen soll, als auch zweiseitig, also zusätzlich an der gegenüberliegenden Außenseite dieser Stelle des Bauteiles. Die einseitige Umformung weist den Vorteil eines verhältnismäßig schnell und leicht durchzuführenden Verfahrensschrittes auf. Mit der zweiseitigen Umformung wird andererseits eine weiter verbesserte Oberflächengüte und insbesondere eine erhöhte Festigkeit an dieser Stelle des Bauteiles erzielt, da sich die Verdichtung im Vergleich zur einseitigen Umformung tiefer in das Material des Bauteiles erstreckt.
Es können verschiedenartige Metallpulver für die Herstellung des Bauteiles eingesetzt werden, beispielsweise feine Metallpulver mit einer Korngröße kleiner als 20 μm oder auch gröbere Metallpartikel mit einer Korngröße zwischen 20 μm und 150 μm. Grundsätzlich können sowohl homogene Metallpulver, also Metallpulver mit einheitlicher Korngröße der Metallpartikel, als auch eine Mischung unterschiedlich großer Metallpartikel für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.
Als Material für das Metallpulver können alle sinterfähigen Metalle sowie Metalllegierungen eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Bauteil, welches im
Metallpulver-Spritzgießverfahren hergestellt und anschließend lokal an einer Stelle umgeformt worden ist,
Fig. 2 eine Ansicht eines weiteren Bauteiles, welches an einer Stelle an der Innenseite und an der Außenseite zur Umformung vorgesehen ist,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Bauteil, welches lediglich an einer Seite umgeformt werden soll.
Ausführungsform (en) der Erfindung
In Fig. 1 ist ein Bauteil 1 dargestellt, das im Wege des Metallpulver-Spritzgießverfahrens hergestellt und anschließend einem Umformungsprozess unterzogen worden ist. Beim Metallpulver-Spritzgießprozess wird zunächst eine sinterfähige Formmasse, die aus einem Metallpulver mit zugesetztem Bindermittel besteht, in ein Werkzeug eingespritzt, anschließend wird das Bindermittel aus der Formmasse entfernt und danach wird diese in einem thermischen Prozess gesintert. Hierbei können im Metall des Bauteiles 1 Poren 4 entstehen, die an der Oberfläche des Bauteiles zu einer unerwünschten Qualitätsbeeinträchtigung führen. Zur Verbesserung der Oberflächengüte und auch zur Erhöhung der Festigkeit zumindest im Bereich der Bauteiloberfläche wird das Bauteil 1 an einer definierten Stelle 2 einer Umformung unterzogen, was durch die überhöht dargestellte Eindrückung an der Stelle 2 gezeigt ist. Im Bereich der Umformung ist der oberflächennahe Bereich 3 des Bauteiles mechanisch verdichtet, was zu einer vollständigen oder zumindest teilweisen Eliminierung der Poren im Material des Bauteiles führt. Als Ergebnis erhält man eine verbesserte Oberflächenqualität sowie eine erhöhte Festigkeit im oberflächennahen Bereich 3.
Ein weiterer Vorteil des sich an das Metallpulverspritzgießverfahren anschließenden
Umformungsprozesses liegt darin, den oberflächennahen Bereich 3 an der Stelle 2 mit einer gewünschten, definierten Geometriestruktur versehen zu können, die in die Oberfläche eingeprägt wird. Hierdurch kann die Oberfläche des Bauteiles 1 im Bereich der Stelle 2 mit zusätzlichen gewünschten Eigenschaften versehen werden, beispielsweise mit einer verminderten Reibung.
In den Figuren 2 und 3 sind weitere Bauteile 1 dargestellt, die im Metallpulver-Spritzgießverfahren hergestellt und anschließend lokal einer Umformung an der Stelle 2 unterzogen werden. Bei dem Bauteil 1 in den Figuren 2 und 3 handelt es sich zweckmäßig um den Dichtsitz für ein Einspritzventil in einer Brennkraftmaschine. Das Bauteil 1 ist jeweils nur teilweise dargestellt, zu erkennen ist die Langsachse 8 des vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeten Bauteiles 1.
Wie Fig. 2 zu entnehmen, weist die Stelle 2, an der umgeformt werden soll, an gegenüberliegenden Außenseiten des Bauteiles jeweils ein Pragevolumen 5 bzw. 6 auf, das einen Puffer für die Umformung darstellt. Die Umformung erfolgt plastisch, wobei das Pragevolumen 5 und 6 jeweils zusammengedruckt wird, so dass die Oberflache sich an beiden gegenüberliegenden Seiten gleichmaßig und ohne Überhöhung in die angrenzenden Oberflachen des Bauteils einfugt. Aufgrund der Umformung an beiden gegenüberliegenden Außenseiten an der Stelle 2 des Bauteiles wird eine tiefgehende Verdichtung des Materials erzielt, was mit dem schraffierten Bereich 7 zwischen den Pragevolumen 5 und 6 exemplarisch dargestellt ist.
Das Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich gegenüber dem vorhergehenden dadurch, dass nur ein Pragevolumen 6 an einer Seite der umzuformenden Stelle 2 vorgesehen ist. Das Bauteil 1 wird nur einseitig im Bereich des Pragevolumens 6 umgeformt. Dementsprechend ergibt sich auch eine unterschiedliche Querschnittsgeometrie des verdichteten Bereichs 7 in dem Material an der umgeformten Stelle, indem die Verdichtung an der oberflachennahen Seite der Umformung am größten ist und sich mit zunehmendem Abstand verjungt. Beim Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 2 weist dagegen der verdichtete Bereich 7 im Querschnitt etwa Trichterform auf, was auf die doppelte Umformung an beiden außen liegenden Seiten an der Stelle 2 zurückzuführen ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem unter Anwendung des Metallpulver-Spritzgießverfahrens eine sinterfähige Formmasse, bestehend aus einem Metallpulver mit Metallpartikeln definierter Korngröße, in ein Werkzeug eingespritzt, Bindermittel in der Formmasse entfernt und die Formmasse anschließend gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sintern eine Umformung an einer definierten Stelle (2) des Bauteils (1) durchgeführt und hierdurch eine lokale Verdichtung am Bauteil erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Umformung ein weiterer Sinterprozess durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) an der gewünschten Stelle (2) einseitig umgeformt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) an der gewünschten Stelle (2) und zusätzlich an der gegenüberliegenden Außenseite dieser Stelle (2) des Bauteils (1) umgeformt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein der Stelle (2), die dem Umformungsprozess unterzogen wird, ein zusätzliches Prägevolumen (5, 6) aufweist, das durch die Umformung zumindest teilweise reduziert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver feine Metallpartikel mit einer Korngröße kleiner als 20 μm umfasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver gröbere Metallpartikel mit einer Korngröße zwischen 20 μm und 150 μm umfasst .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Umformung definierte Geometriestrukturen in die Oberfläche eingeprägt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) plastisch umgeformt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) den Dichtsitz für ein Einspritzventil in einer Brennkraftmaschine bildet.
PCT/EP2007/056605 2006-07-07 2007-06-29 Metallpulver-spritzgiessverfahren Ceased WO2008003660A1 (de)

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DE102006031505.7 2006-07-07

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