DE3018345A1

DE3018345A1 - Verfahren zum erzeugen eines gewindegewalzten gesinterten zylindrischen metallerzeugnisses

Info

Publication number: DE3018345A1
Application number: DE19803018345
Authority: DE
Inventors: William J Chmura; Ronald S Slusarski
Original assignee: Textron Inc
Current assignee: Textron Inc
Priority date: 1979-07-09
Filing date: 1980-05-13
Publication date: 1981-02-05
Also published as: JPS5625907A; GB2051639B; CA1165514A; GB2051639A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf gewindegewalzte Metallerzeugnisse aus gesinterten Pulvermetall-Werkstücken, insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen gewindegewalzter Pulvermetall-Erzeugnisse aus gesinterten zylindrischen Pulvermetall-Werkstücken.

Es ist bekannt, Gewinde aufweisende Erzeugnisse aus zylindrischen Schmiedemetall-Werkstücken mit Hilfe eines Gewinderollwerkzeugs herzustellen. Wenn an einem zylindrischen Werk-

stück bzw. Formling ein Gewinde zu walzen ist, dringt das Werkzeug in die Oberfläche des Werkstücks ein, um den Gewindefuß zu bilden. Dadurch wird Werkstoff nach radial außen verdrängt zur Bildung der Spitze und des Außendurchmessers des Gewindes. Der Durchmesser der zum Gewindewalzen von Schmiedemetallen verwendeten Werkstücke ist üblicherweise der Flankendurchmesser des fertigen Gewindes.

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Da beim Gewindewalzen der Werkstoff weder abgetragen noch zusammengepreßt wird, ist eine wesentliche Voraussetzung beim Gewindewalzen, daß das Werkstück nicht mehr als die korrekte Werkstoff menge zur Bildung des fertigen Gewindes enthält, da das Werkzeug sonst überbeansprucht werden könnte. Wenn der Werkstückdurchmesser kleiner als der korrekte Betrag ist, resultiert ein unvollständig ausgeformtes Gewinde.

Es ist sehr wichtig, daß der Außendurchmesser des Werkstücks so genau wie möglich ist. Da das Volumen des Gewindes über dem Flankendurchmesser (Kopfhöhe) eines amerikanischen Standard-Gewindes nahezu dem Volumen des von unten verdrängten Werkstoffs (Fußhöhe) entspricht, ist ersichtlich, daß der Durchmesser des Werkstücks dem Flankendurchmesser des fertigen Gewindes angenähert ist. Eine unrichtige Einstellung des Werkstück-Durchmessers ist eine der häufigsten Ursachen für vorzeitigen Werkzeugausfall.

Bei einem ausgeglichenen Gewinde ist das Gewindevolumen über dem Flankendurchmesser im wesentlichen gleich dem Gewindevolumen unter dem Flankendurchmesser. Normalerweise soll der Durchmesser eines Schmiedemetall-Werkstücks kleiner als der Effektiv-Flankendurchmesser sein, um "Platz zum Wachsen" zu lassen, bevor der höchstzulässige Werkstückdurchmesser erreicht ist. Metall kann zwar zum Fließen gebracht werden, es kann jedoch nicht zusammengepreßt werden.

Wie bereits gesagt, müssen also die Werkstück-Abmessungen präzise eingestellt werden. Z. B. betragen die Toleranzen der Gewinde-Endabmessungen normalerweise das Zwei- bis Dreifache der Abmessungstoleranzen des Ausgangswerkstücks. Solange das Schmiedemetall-Werkstück gleichmäßig und maßgenau ist, bietet das Gewindewalzen den großen Vorteil, daß

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die Präzision der ursprünglichen Werkzeug-Einrichtung während langer Laufzeiten bei Hochgeschwindigkeits-Fertigung aufrechterhalten werden kann.

Es ist natürlich wünschenswert, ein Verfahren zum Gewindewalzen von Metallwerkstücken zu schaffen, bei dem keine hochpräzisen maßhaltigen Werkstücke benötigt werden und mit dem hohe Fertigungsraten sowie ein gewindegewalztes Erzeugnis mit einer guten Kombination physikalischer Eigenschaften erzielt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Pulvermetall-Verfahrens zum Erzeugen gewindegewalzter Metallerzeugnisse; dabei soll ferner ein gewindegewalztes gesintertes Pulvermetall-Erzeugnis hergestellt werden, das metallografisch durch einen solchen Aufbau gekennzeichnet ist, daß die gewalzten und mechanisch geformten Gewindegänge vom Fuß bis zur Spitze an der Oberfläche hochdicht sind und eine Dichte von wenigstens ca. 95 %, z. B. wenigstens ca. 98 %, der Effektivdichte des Metalls haben, und daß der Kern des Gewindes unterhalb der Gewindegänge eine Porosität aufweist, die durch eine mittlere Dichte von ca. ..75-92 95, im wesentlichen ca. 80-92 %, der Effektivdichte des Metalls definiert ist.

Durch die Erfindung wird also ein Verfahren angegeben zum Gewindewalzen eines zylindrischen gesinterten Pulvermetall-Werkstücks, bei dem ein gesintertes zylindrisches Pulvermetall-Werkstück geformt wird, das eine Dichte im Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des Werkstücks und einen gewählten Durchmesser hat, der größer als der Flanken-Enddurchmesser eines daraus herzustellenden vorbestimmten gewindegewalzten Erzeugnisses und nicht wesentlich größer als der Außendurchmesser dieses Erzeugnisses ist. Der ge-

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wählte Durchmesser des Pulvermetall-Werkstücks steht zu der Dichte des Werkstücks im wesentlichen in umgekehrter Beziehung und ist so abgestimmt, daß ein im wesentlichen vollständig ausgeformtes Gewinde erzeugt wird. Anschließend wird das gesinterte Pulvermetall-Werkstück gewindegewalzt unter Einsatz eines Rollwerkzeugs mit demselben Gewindedurchmesser wie das herzustellende vorbestimmte gewindegewalzte Erzeugnis.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Abschnitt eines zylindrischen porösen Sintermetall-Werkstücks;

Fig. 2 den Abschnitt des Sintermetall-Werkstücks nach dem Gewindewalzen;

Fig. 3 schematisch ein typisches ausgeglichenes Gewinde, bei dem das Gewindevolumen über dem Flankendurchmesser (Kopfhöhe) gleich dem Gewindevolumen unter dem Flankendurchmesser (Fußhöhe) ist;

Fig. A-A ein poröses Sintermetall-Werkstück vor dem Gewindewalzen;

Fig. 4-B das Werkstück nach dem Gewindewalzen, wobei ein Teil weggebrochen ist, um die Innendtruktur zu verdeutlichen; diese ist zur besseren Deutlichkeit vergrößert;

Fig. 5 eine 20fach vergrößerte Makroaufnahme eines Querschnitts eines durch Gewindewalzen hergestellten Pulvermetall-ErZeugnisses, wobei die hohe Dichte an den Gewindeabschnitten, insbesondere die hochdichte Schicht unter der Oberfläche, und die relativ hohe Porosität des Kerns des Erzeugnisses gezeigt sind ;

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Fig. 6 eine der Fig. 5 entsprechende Makroaufnahme, allerdings in 50facher Vergrößerung; und

Fig. 7 eine Zugspannungs-Prüfvorrichtung, die beim Bestimmen der Scherfestigkeit- des Gewinde-Werkstücks verwendet wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das gesinterte Pulvermetall-Werkstück nicht so präzise wie ein Schmiedemetall-Werkstück dimensioniert sein muß, um ein Endprodukt hoher Güte zu ergeben. Z. B. ist der Durchmesser des Pulvermetall-Werkstücks größer als der empfohlene Durchmesser des Schmiedemetall-Werkstücks, d. h. größer als der Flankendurchmesser, vorausgesetzt, daß der als Ausgangswerkstück verwendete gesinterte Pulvermetall-Formling porös ist und eine Dichte hat, die zwischen ca. 75 und 92 % der Effektivdichte des Metalls liegt.

Die Kalthärtung und die Kornorientierung des Pulvermetall-Werkstücks entsprechen denjenigen, die mit Schmiedewerkstoff erzielt werden, allerdings in geringerem Ausmaß infolge der Porositätsverminderung durch Verdichtung. Ein Hauptvorteil bei der Verwendung von Pulvermetall-Werkstoffen besteht in der Beseitigung der eine Versprödung bewirkenden und die Festigkeit verringernden Porosität in Bereichen innerhalb des Kernabschnitts und an diesem, wo bie Spannungskonzentration am höchsten ist.

Wie bereits unter Bezugnahe auf Schmiedewerkstoffe erwähnt wurde, wird, nachdem die gesamte Gewindeflanke einmal ausgefüllt ist, keine weitere Verformung erlaubt oder toleriert; dagegen kann im Fall des Pulvermetall-Werkstücks eine wei- . tere Verformung oder Kompression einfach dadurch erreicht werden, daß die Innenporen des Werkstücks weiter geschlossen

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werden. Diese weitere Verformung vergrößert die Tiefe oder die Verdichtungszone, wodurch die Scherfestigkeit des Gewindes des Pulvermetall-Werkstücks verbessert wird.

Die Tatsache, daß man mit einem größeren Durchmesser des Pulvermetall-Werkstücks beginnen kann und das Gewindewalzen über den Punkt der vollständigen Gewindeausformung hinaus durchführen kann, ergibt sich aus der Kompressibilität des porösen Werkstoffs. Somit besteht ein für die praktische Anwendung bedeutender Vorteil der Erfindung darin, daß aus einem Werkstück mit geringer Präzision ein Hochpräzisions-Gewinde formbar ist. Dies erlaubt eine hohe Flexibilität des Verfahrens, da die Dimensionen des Werkstücks nicht allzu präzise sein müssen und ohne weiteres innerhalb der Möglichkeiten des pulvermetallurgischen Verfahrens liegen, ohne daß sekundäre Schritte erforderlich sind .

Nach dem Gewindewalzen des gesinterten Pulvermetall-Werkstücks kann das ein Gewinde aufweisende Werkstück weiter gesintert werden, um die Festigkeit zu erhöhen, worauf eine Wärme- bzw. Vergütungsbehandlung erfolgt, falls der verwendete Werkstoff vergütbar ist (z. B. Kohlenstoffstahl).

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt eines typischen zylindrischen Pulvermetall-Werkstücks 10. Das Werkstück wird durch das Werkzeug 11 (vgl. Fig. 2) mit einem Gewinde versehen. Fig. 3 zeigt ein ausgeglichenes Gewinde 12 mit einer Neutrallinie 13, der Kopfhöhe 14· und gleicher Fußhöhe 15, wobei die Neutrallinie mittig zwischen dem Fuß und der Spitze des Gewindes verläuft.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Gewindewalzen eines zylindrischen gesinterten Pulvermetall-Werkstücks angegeben, bei dem ein gesintertertes zylindrisches Pulver-

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metall-Werkstück mit einer Dichte im Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des Werkstücks geformt wird, das einen größeren gewählten Durchmesser als der Flankendurchmesser eines daraus hergestellten vorbestimmten Gewindewalz-Erzeugnisses hat, der den Außendurchmesser dieses Erzeugnisses nicht wesentlich übersteigt; der gewählte Werkstückdurchmesser ist so abgestimmt, daß ein im wesentlichen voll ausgeformtes Gewinde erzeugt wird; anschließend wird das gesinterte Pulvermetall-Werkstück unter Einsatz eines Rollwerkzeugs entsprechend der Stärke des zu erzeugenden vorgegebenen Erzeugnisses gewindegewalzt, wodurch ein Gewindekörper erzeugt wird, bei dem die Dichte vom Kern zur Spitze der Gewindegänge wenigstens ca. 95 % der Effektivdichte des Metalls beträgt und der Werkßtoff unter dem Gewinde eine Dichte im Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des Metalls hat.

Durch Verwendung eines Werkstückdurchmessers, der größer als der Flanken-Enddurchmesser ist, ist ein hoher Dichtegrad an dem Gewindeabschnitt sichergestellt. Dies ist in den Fig. ^A und 4B verdeutlicht. Fig. A-A zeigt ein gesintertes Pulvermetall-Werkstück 16, wobei^der Flankendurchmesser durch eine Strichlinie 17 bezeichnet ist; das gewindegewalzte Werkstück 16 von Fig. A-B zeigt die kaltverfestigten Gewindegänge 18, wobei die Flußlinien 19 schematisch dargestellt sind, und den inneren porösen Teil oder Kern 20. Wie bereits erwähnt, hat die Oberfläche und die Schicht unter der Oberfläche des Gewindes am Fuß und an der Spitze eine Dichte von wenigstens ca. 95 %, im wesentlichen wenigstens ca. 98 %, der Effektivdichte des Metalls.

Die Makrografien der Fig. 5 und 6 sind ein 20- bzw. ein 50-fach vergrößerter Querschnitt durch Gewinde aufweisende Pulvermetall-Werkstücke in ungeätztem Zustand.

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Fig. 5 zeigt ein mit Gewinde versehenes gesintertes Werkstück mit einer Größe von 3/8-16 UNC-Gewinde (UNC = Einheits-Grobgewinde), das die Merkmale des Formens eines Pulvermetall-Werkstücks verdeutlicht. Der ursprüngliche Werkstück-Durchmesser war 8,79 mm, wogegen ein Schmiedewerkstück einen Flankendurchmesser von 8,A- mm haben muß. Der Flanken-Enddurchmesser des fertigen Gewindes des Pulvermetall-Werkstücks betrug 8,56 mm. Ein Werkstück-Durchmesser mit einer Übergröße um 0,38 mm ergab einen Flanken-Enddurchmesser, der nur noch eine Übergröße von 0,076 mm hat. Dieser Unterschied erklärt sich aus der Kompressibilität des Werkstoffs.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind die Gewindegänge sowohl an den Füßen als auch an den Spitzen (A) sehr dicht, und der innere Bereich oder Gewindekern B des Gewindes hat eine geringere als die ursprüngliche Porosität des Werkstücks, die durch den Bereich C bezeichnet ist. Der Kernbereich C weist eine Dichte von ca. 75-92 %, im wesentlichen 80-92 %, der Effektivdichte des Metalls auf. Der Bereich A, der den Gewindeoberflächen am nächsten liegt, hat eine Effektivdichte, die mehr -als 95 %, normalerweise 98 %, der Effektivdichte des Metalls beträgt. Die Verdichtung erfolgt in dem Bereich B, in dem die Dichte zwischen den Extremwerten A und C liegt.

Das Pulvermetall-Werkstück kann aus verschiedenen Metallverbindungen hergestellt werden, z. B. aus Stahl, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen wie Messing und Bronze, Legierungen auf Nickelbasis, z. B. Monel (Wz), das aus 60 % Nickel, 37 % Kupfer, Rest u. a. Silizium, Mangan usw., besteht .

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Die Erfindung ist insbesondere bei Pulvermetali-Werkstücken aus Stahl anwendbar. Bei der Herstellung eines gesinterten zylindrischen Werkstücks aus Stahl wird eine Stahlpulvermasse in einem zylindrischen Preßwerkzeug, das die für die erwünschte Endgröße geeigneten Abmessungen hat, kaltgepreßt. Die Masse wird mit einem Druck von ca. 4-2-63 kg:mm verdichtet, und das erhaltene Werkstück wird unter im wesentlichen nichtaufkohlenden Bedingungen in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, z. B. in Ammoniak-Spaltgas, während ca. 20 min bei einer Temperatur von ca. 1093-1177 ⁰C gesintert. Das gesinterte Werkstück hat eine Dichte von ca. 75-92 % der Effektivdichte des Stahls, normalerweise eine Dichte von ca. 80 oder 85-92 %.

Die eingesetzten Arten von Stahlpulver werden bevorzugt unter wirtschaftlichen sowie praktischen Gesichtspunkten gewählt. Die Pulvermasse kann ein Gemisch aus Eelementarpulvern sein oder die Legierungs-Endzusammensetzung haben.

Vorlegierte Pulver, die z. B. durch Verdüsung oder Zerstäubung aus einer flüssigen Schmelze erzeugt sind, werden dabei bevorzugt verwendet. Um sicherzustellen, daß solche Pulver verdichtbar sind, wird der Kohlenstoff aus der Zusammensetzung weggelassen und später vor der Verdichtung mit dem verdüsten Pulver vermischt. Alternativ kann der Kohlenstoff zugeführt werden, nachdem das Werkstück gesintert ist, indem das gesinterte Werkstück auf den erwünschten Kohlenstoffgehalt aufgekohlt wird.

Die Erfindung ist mit einer großen Anzahl Stähle anwendbar, z.. B. mit Stählen des Typs 52100, niedriglegierten Nickei-Molybdän-Stählen, Molybdän-Mangan-Stählen und dergleichen. Somit wird ein Stahl für die Zwecke der vorliegenden Erfindung als eine Zusammensetzung definiert, die wenigstens ca.

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65 Gew.-% Eisen, ca. 0,3-1,5 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Stahllegierungs-Zusätze, enthält.

Beispiele von verwendbaren Stählen unter verschiedenen bekannten Stahlzusammensetzungen sind z. B. k % Ni, 2 % Cu, 0,6 % C, Rest Eisen; 1,5 % Mo, 1 % C, Rest Eisen; 0,5 % Mo, 0,5 % Mn, 0,8 % C, Rest Eisen; 1,5 % Cr, 0,5 % Mo, 1,0 % C, Rest Eisen; und 1,8 % Ni, 0,5 % Mo, 0,25 % Mn, 0,6 % C, Rest Eisen.

Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung,

Beispiel

Es wurden gesinterte zylindrische Pulvermetall-Werkstücke hergestellt mit einer Länge von 22,22 mm und einem Durchmesser von 76,2 mm, und zwar mit dem vorher erläuterten Verfahren. Die Zylinder, die eine mittlere Dichte von ca. 6,6 g/cm hatten, bes
0,5 % Mo, Rest Eisen.

6,6 g/cm hatten, bestanden aus 0,8 % C, 0,5 % Mn,

Die zylindrischen Formlinge wurden zugeschnitten, spanend bearbeitet und trockengeschliffen, so daß Gewindewalz-Werkstücke zur Herstellung eines 3/8-16-UNC-Gewindes erhalten wurden. Die zugeschnittenen Werkstücke wurden auf vier verschiedene Durchmesser geschliffen, nämlich 8,A- mm, 8,66 mm, 8,79 mm und 9,04 mm. Die Werkstücke wurden auf einer Reed-Gewindewalzmaschine (Bezeichnung:, Reed A22HB-Cylindrical Die Thread Rolling Machine der Firma Reed Rolled Thread Die Co.) mit Gewinden versehen.

Die Maschine wurde so eingerichtet, daß ein vollständig ausgeschnittenes Gewinde in Werkstücken aus kohlenstoffarmem Schmiedestahl gewalzt wurde, wobei die Werkstücke notwendi-

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gerweise auf den Effektiv-Flankendurchmesser (8,40 ram) des fertigen Gewindes (3/8-16-UNC-Gewinde) bearbeitet waren. 3eder Pulvermetall-Zylinder wurde ^it der gleichen Maschineneinstellung unter Verwendung von Öl als Kühlmittel (Schmiermittel) gewalzt. Die Einzelheiten des Gewindewalzens sind dem Fachmann bekannt und werden nicht erläutert.

Nach dem Gewindewalzen jedes Pulvermetall-Werkstücks wurden die Werkstücke unter Anwendung der Zugspannungs-Prüfvorrichtung nach Fig. 7 geprüft, die zwei Innengewinde aufweisende Backen oder Zwingen 20, 2.1 aufweist, in deren beide Enden das fertige Werkstück 22 in der gezeigten Weise geschraubt ist. Dann werden beide Enden der Backen 20, 21 lastbeaufschlagt, und die bei Bruch einwirkende Last wird aufgezeichnet. Bei den durchgeführten Tests trat ein Bruch bei Scherbeanspruchung sämtlicher Gewindegänge auf.

Zum weiteren Vergleich wurden in einigen, der Pulvermetall-Werkstücke spanend bearbeitete Pulvermetall-Gewinde hergestellt, so daß ein Vergleich zwischen spanend bearbeiteten Gewinden und gewalzten Gewinden der Pulvermetall-Werkstücke möglich war. Die aus Pulvermetall-Werkstücken verschiedener Durchmesser hergestellten Gewinde wurden vermessen. Die gemessenen Dichten waren ein Durchschnitt des gesamten Werkstücks und werden als Mittelwert angegeben. Härten erfolgt durch Erwärmen auf 851 C und Halten dieser Temperatur für 20 min in einer endothermen Atmosphäre, wobei der Taupunkt so eingestellt wurde, daß er sich im Gleichgewicht mit dem Kohlenstoffgehalt des Werkstücks befand, gefolgt von Abschrecken in Öl und anschließendem Vergüten für 2 h bei 171 ⁰C in Luft.

In der folgenden Tabelle sind die erhaltenen Daten bezüglich der Abmessungen und der physikalischen Eigenschaften zusammengefaßt. Die verschiedenen Pulvermetall-Gewinde sind mit A, B, C und D bezeichnet.

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TABELLE

	Außen~0	gewindegew. Schmiedwer kst. φ 8,A-O mm	Pulver metall werkst, mit geschnittenem Gewinde	Werkstück-0	vor Gewindewalzen (Dichte 6,56 g/cm )	8,79 mm (C)	9,0A- mm (D)	VO
	Flanken-0 Kern-0	9,1+9 mm	9,A-9 mm	8,A-O mm (A)	8,66 mm (B)	9,55 mm	9,62 mm	¹
	hergest.	8,A-O mm 7,36 mm	8,A-O mm 7,36 mm	8,8A- mm	9,A-O mm	8,51 mm 7,A-A- mm	8,56 mm 7,A-9 mm
ο co O	Gewindeform	vollaus-	vollaus-	8,07 mm 7,06 mm	8,A-3 mm 7,A-A- mm	vollaus-	vollaus-
O σ>		geschn.	geschn.	nicht	nicht	geschn.	ge sehn.
	mittl.Dichte			vollaus-	vollaus-
σ σ>	nach dem			ge sehn.	geschn .
	Formen	--	6,56 g/cm			j ' 6,80 g/cm"	³ 6,84 g/cm³
			(83,3 56)	6,75 g/cm	6,83 g/cm^:	(86,A- 56)	(87,0 %)
		(85,8 %)	(86,8 56)

mittl. Scherfestigkeit vor Vergütung

mittl.Scher festigkeit nach Vergütung

1700#

1760#

2A-00#

33OO#

2600#

'= Schmiedewerkstoffe haben höhere Scherfestigkeit als Pulvermetall-Werkstoffe.

Der Vergleich zwischen geschnittenen und gerollten Pulvermetall-Gewinden ist von Bedeutung.

Das Studium der in der Tabelle enthaltenen Daten zeigt, daß eine vollständig ausgeschnittene Gewindeform mit dem Schmiedewerkstück erzielt wird, dessen Werkstück-Durchmesser 8,A-O mm betrug, wogegen die Pulvermetall-Werkstücke mit 8,40 mm und 8,66 mm (Werkstücke A und B) infolge der Kompressibilität des Werkstoffs immer noch unvollständig ausgeschnittene Gewindeformen aufwiesen. Die vollständig ausgeschnittene Gewindeform wird bei den Pulvermetall-Werkstücken C mit einem Durchmesser von 8,79 mm und D mit einem Durchmesser von 9,04 mm erzielt. Formen der übergroßen Gewindewerkstücke hatte kernen Bruch oder Teilbruch des Werkzeugs zur Folge, wie das bei einem übergroßen Schmiedewerkstück der Fall gewesen wäre.

Die sich auf die Werkstücke C und D beziehenden Daten zeigen ferner die Anpassungsfähigkeit ("forgiving characteristic") der Pulvermetall-Werkstoffe. Während der Durchmesser um 0,25 mm vergrößert wurde, war der Flanken-Enddurch messer nur um 0,05 mm, also 1/5 des Durchmessers des ursprünglichen Werkstücks, größer. Es wurde bereits erwähnt, daß die Endtoleranz eines Schmiedewerkstück-Gewindes das Zwei- bis Dreifache des Ausgangs-Werkstücks beträgt. Diese Ergebnisse zeigen den mit gewindegewalzten Pulvermetall-Werkstücken möglichen weiten Toleranzbereich. D. h., das Pulvermetall-Ausgangswerkstück verlangt nicht die Präzision eines Schmiedemetall-Werkstücks.

Ferner zeigen die Daten in der Tabelle, daß die Dichte des■· Pulvermetall-Gewindes sich beim Gewindewalzen erhöht. Es ist jedoch daran zu erinnern, daß die gezeigten Steigerungen sich durch die Beseitigung der Porosität nahe den Zahnflächen selbst ergeben, während die Mittelabschnitte der Werkstücke sich gegenüber den ursprünglichen Werkstück-Dichten nicht ändern. Die Durchschnittsdichte der Werkstücke B, C und D

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ist 6,82 g/cm (86,7 %), was eine Steigerung gegenüber der ursprünglichen Werkstück-Dichte von 6,56 g/cm (83,3 %) darstellt. Die Tatsache, daß der größte Teil dieser Steigerung sich durch die Konzentration der Porositätsbeseitigung nahe dem Gewindefuß und der Flankenoberfläche ergibt, wird durch die tatsächlich erzielten Steigerungen der Scherfestigkeit deutlich.

Wie ersichtlich ist, haben die geschnittenen Gewinde eine viel geringere Scherfestigkeit, und zwar sowohl vergütet als auch unvergütet. Somit sind die gewindegewalzten Pulvermetall-Werkstücke den spanend bearbeiteten Pulvermetall-Werkstücken stark überlegen. Durch das Gewindewalzen wird die Scherfestigkeit im Gewindewalzzustand um mehr als 4-0 % der mit spanend geformten Gewinden erzielten Scherfestigkeit gesteigert, und die Scherfestigkeit im vergüteten Zustand wird um mehr als 75 % der Scherfestigkeit von vergüteten spanend bearbeiteten Gewinden gesteigert.

Wie bereits erwähnt, ist es beim Gewindewalzen von Pulvermetall-Werkstücken wesentlich, daß der Ausgangsdurchmesser des Werkstücks größer als der Flanken-Enddurchmesser des vorbestimmten Gewindewalzprodukts ist und den Außendurchmesser (d. h. den Hauptdurchmesser) des vorbestimmten Produkts nicht merklich übersteigt, wobei der gewählte Durchmesser des Pulvermetall-Werkstücks zu der Dichte des porösen Werkstücks, die im Bereich von 75-92 % der Effektivdichte des Werkstück-Metalls liegt, in umgekehrter Beziehung steht, de höher z. B. die Dichte des Werkstücks ist, desto kleiner ist der gewählte Durchmesser, vorausgesetzt, er ist größer als der Flanken-Enddurchmesser des gewindegewalzten Produkts, und umgekehrt. Bevorzugt liegt der Werkstück-Durchmesser vor dem Gewindewalzen zwischen dem Flanken-Enddurchmcsser und dem Außendurchmesser des gewalzten Gewindes.

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Eine Näherungsgleichung, die bei der Bestimmung des Ausgangsdurchmessers des Pulvermetall-Werkstücks anwendbar ist, lautet wie folgt:

Werkstück-0 = Flanken-0 + 2fache Gewinde-

(100 - Dichte-%)

höhe

100

Beim Herstellen eines 3/8-16-Gewindes aus einem Pulvermetall-Werkstück mit einer Dichte von 83 % der Effektivdichte wird der folgende Werkstückdurchmesser gewählt:

Werkstück-0 = 8,40 + 2 · 1,12 ·

= 8,40 + 2 · 1,12 · 0,17 = 8,40 + 0,38 = 8,78.

Es ist zu beachten, daß der berechnete Werkstück-Durchmesser dem gleichen Werkstück-Durchmesser entspricht, der für das Pulvermetall-Werkstück C angegeben ist und mit dem die erwünschten Resultate erhalten werden.

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— C. J ""

Beispiel

Eine beispielsweise Stahllegierung, die bei der Herstellung von Gewindewalzprodukten einsetzbar ist, ist unter der Bezeichnung AISI'4660 bekannt und enthält 1,8 % Ni, 0,5 % Mo, 0,25 % Mn, 0,6 % C, Rest im wesentlichen Eisen. Der Stahl wird mit Ausnahme des Kohlenstoffs als verdüstes vorlegiertes Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,15 mm (100 mesh US-Standard) erzeugt. Kohlenstoff mit 0,75 % Wachs wird zugesetzt, wobei die Kohlenstoffmenge ausreicht, um etwa vorhandene Oxide zu reduzieren und einen Endkohlenstoff gehalt von ca. 0,6 % zu ergeben. Das so erzeugte Pulvergemisch hat eine höhere Kompressibilität.

Pulvermetall-Werkstücke werden aus dem Pulvergemisch durch Kaltverpressen in einem Preßwerkzeug mit einer Verdichtungs-

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kraft von ca. 4-2 kp/mm geformt, und die Formlinge werden bei ca. 1121 C für 20 min in einer Atmosphäre von Ammoniak-Spaltgas gesintert. Während des Sinterns diffundiert der Kohlenstoff schnell und gleichmäßig in die Legierung, so daß diese hochhomogen wird.

Hochkohlenstoffhaltige Werkstoffe werden zwar normalerweise als zu brüchig für eine Verformung angesehen; es wurde jedoch beobachtet, daß die Porosität in dem verformten Bereich vollständiger beseitigt wird, wenn der Werkstoff härter ist.

Nach dem Herstellen des gesinterten Pulvermetall-Werkstücks wird dieses gewindegewalzt. Das Gewindewalzen ist so eingerichtet, daß so weit wie möglich eine hohe Beanspruchung, ein geringes Arbeitsspiel und Ermüdungsbruch unterbunden oder beseitigt werden und nicht bis zur Verformbarkeits-

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grenze gearbeitet wird. Dies wird erreicht, indem die Walzschritte in möglichst wenigen Umdrehungen ausgeführt werden; dabei sind weniger als fünf Umdrehungen bevorzugt, und normalerweise sind weniger als zehn Umdrehungen erforderlich .

Nach dem Gewindewalzen wird das Werkstück in einer der folgenden Weisen behandelt:

1) Das gewindegewalzte Werkstück wird einfach dadurch gehärtet, daß es von der austenitischen Temperatur für den jeweiligen Stahl in Öl abgeschreckt und dann für ca. 1-4 h bei einer Temperatur von ca. 121-204 C vergütet wird; oder

2) das gewindegewalzte Werkstück wird bei einer Temperatur von ca. 1093-1177 ⁰C (z. B. 1121 ⁰C) für ca. 20-60 min erneut gesintert, wonach eine Vergütung wie vorstehend angegeben stattfindet.

Um optimale Eigenschaften zu gewährleisten, wird bevorzugt die letztgenannte Behandlung nach dem Walzen der Gewinde angewandt.

Durch die Erfindung wird also als Fertigerzeugnis ein gesintertes gewindegewalztes Pulvermetall-Erzeugnis erhalten, das einen porösen Kern und hochdichte Gewinde aufweist, wobei die Dichte der Gewindegänge an der Oberfläche und ' in dem unter der Oberfläche liegenden Bereich vom Gewindefuß bis zur Gewindespitze wenigstens ca. 95 %, bevorzugt wenigstens ca. 98 %, der Effektivdichte des das Sinterprodukt bildenden Metalls beträgt und die Dichte des porösen Kerns in einem Bereich von ca. 75-92 %, im wesentlichen von ca. 80-92 %, liegt. Die verwendeten Metalle sind

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Stahl, Aluminiumlegierunge, Kupfer legierungen oder Nickellegierungen usw. Dabei wird Stahl bevorzugt. Ein typischer Zusammensetzungsbereich von Stahl umfaßt wenigstens ca. 65 % Eisen, ca. 0,3-1,5 % Kohlenstoff, Rest Stahllegierungs-Zusätze.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Erzeugen eines gewindegwalzten gesinterten zylindrischen Metallerzeugnisses, gekennzeichnet durch

- Formen eines gesinterten zylindrischen Pililvermetall-Werkstücks mit einer Dichte im Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des Metalls und mit einem gewählten Durchmesser, der größer als der Flanken-Enddurchmesser des daraus herzustellenden vorbestimmten gewindegewalzten Erzeugnisses ist und den Außendurchmesser dieses Erzeugnisses nicht überschreitet,

- wobei der gewählte Durchmesser des Pulvermetall-Werkstücks zu der Dichte des Werkstücks im wesentlichen in umgekehrter Beziehung steht und so abgestimmt ist, daß ein im wesentlichen vollständig ausgeformtes Gewinde erzeugt wird,

und

- Gewindewalzen des gesinterten Pulvermetall-Werkstücks unter Einsatz eines Rollwerkzeugs mit demselben Gewindedurchmesser wie das herzustellende vorbestimmte gewindegewalzte Erzeugnis,

- so daß ein gewindegewalztes Pulvermetall-Erzeugnis erzeugt wird j das einen porösen Kern und hochverdichtete Gewindegänge aufweist,

- wobei die Dichte der Gewindegänge an der Oberfläche und in der unter der Oberfläche liegenden Schicht vom Fuß bis zur Spitze wenigstens ca. 95 % der Effektivdrehte beträgt
und

- die Dichte des Kerns in einem Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des das Erzeugnis bildenden Metalls liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugnis nach dem Gewindewalzen durch Beaufschlagen mit einer erhöhten Sintertemperatur erneut gesintert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugnis aus einem vergütbaren Metall besteht,

daß es durch Wärmebehandlung vergütet wird.

ή·. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallerzeugnis vergütbarer Stahl ist.

5. Verfahren nach Anspruch k,

dadurch gekennzeichnet, ·»

daß der Stahl wenigstens ca. 65 % Eisen, ca. 0,3-1-,5..%.

Kohlenstoff, Rest Stahllegierungs-Zusätze, enthält.

6. Verfahren zum Erzeugen eines gewindegewalzten gesinter-, ten zylindrischen Pulvermetall-Erzeugnisses, .. ...._..

gekennzeichnet durch .

- Formen aus· einer vergütbaren Stahl zusammensetzung .ein gesintertes zylindrisches Pulvermetall-Werkstück mit . , einer Dichte im Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des Stahls und mit einem .gewä|ilten,,purchmes₍ ^seEv> der größer als der Flanken-Enddurchmesser, eines, daraus „ hergestellten vorbestimmten gewindegewalzten Erzeugnisses ist und den Außendurchmesser dieses Erzeugnisses nicht übersteigt,

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- wobei der gewählte Durchmesser des Pulvermetall-Werkstücks zu der Dichte des Werkstücks im wesentlichen in umgekehrter Beziehung steht und so abgestimmt ist, daß ein im wesentlichen vollständig ausgeformtes Gewinde erzeugbar ist,

und

- Gewindewalzen des gesinterten Pulvermetall-Werkstücks unter Einsatz eines Rollwerkzeugs mit demselben Gewindedurchmesser wie das herzustellende vorbestimmmte gewindegewalzte Erzeugnis,

- so daß ein gewindegewalztes Pulvermetall-Stahlerzeugnis erzeugt wird, das einen porösen Kern und hochdichte Gewindegänge aufweist,

- wobei die Dichte der Gewindegänge an der Oberfläche und in der unter der Oberfläche liegenden Schicht vom Fuß bis zur Spitze wenigstens ca. 95 % der Effektivdichte beträgt und

- die Dichte des Kerns in einem Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des das Erzeugnis bildenden Stahls liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stahlerzeugnis nach dem Gewindewalzen vergütet wird .

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stahlerzeugnis nach dem Gewindewalzen bei erhöhter Sintertemperatur erneut gesintert und anschließend vergütet wird .

9. Verfahren aach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

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daß der vergütbare Stahl wenigstens ca. 65 % Eisen, ca. 0,3-1,5 % Kohlenstoff, Rest Stahllegierungs-Bestandteile, enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Werkstückdurchmesser vor dem Gewindewalzen nach

der folgenden Näherungsgleichung bestimmt wird:

Werkstückdurchm. = Flankendurchm. + Zfache Gewinde-

.... (100 - Dichte-56") hohe . _Μ =

11. Verfahren zum Erzeugen eines gewindegewalzten gesinterten zylindrischen Pulvermetall-ErZeugnisses,
gekennzeichnet durch

- Formen aus einer vergütbaren Stahlzusammensetzung ein·;
gesintertes zylindrisches Pulvermetall-Werkstück mit einer Dichte von ca. 75-92 % der Effektivdichte des Stahls und mit einem gewählten Durchmesser, der größer als der
Flanken-Enddurchmesser eines daraus hergestellten vorbestimmten gewindegewalzten Erzeugnisses ist und den Außendurchmesser dieses Erzeugnisses nicht übersteigt,

- wobei der gewählte Durchmesser des Pulvermetall-Werkstücks zu der Dichte des Werkstücks im wesentlichen in umgekehrter Beziehung steht und so abgestimmt ist, daß ein im wesentlichen vollständig ausgeformtes Gewinde
erzeugt wird,

und .

- wobei der gewählte Werkstück-Durchmesser durch die
folgende Näherungsgleichung bestimmt wird:

Werkstückdurchm. = Flankendurchm. + 2fache Gewinde-

.... (100 - Dichte-%) hohe - j-öö

030066/0823

- Gewindewalzen des gesinterten Pulvermetall-Werkstücks unter Einsatz eines Rollwerkzeugs mit demselben Gewindedurchmesser wie das herzustellende vorbest-immte gewindegewalzte Erzeugnis,

- so daß ein gewindegewalztes Pulvermetall-Erzeugnis erzeugt wird, das einen porösen Kern und hochdichte Gewindegänge aufweist,

- wobei die Dichte der Gewindegänge an der Oberfläche und inrder unter der Oberfläche liegenden Schicht vom Fuß bis zur Spitze wenigstens ca. 95 % der Effektivdichte des Stahls beträgt

und

- die Dichte des Kerns in einem Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des das Erzeugnis bildenden Stahls liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stahlerzeugnis nach dem Gewindewalzen vergütet wird

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stahlerzeugnis nach dem Gewindewalzen bei erhöhter Sinter temperatur erneut gesintert und anschließend vergütet wird.

I^. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß der vergütbare Stahl wenigstens ca. 65 % Eisen, ca. 0,3-1,5 % Kohlenstoff, Rest Stahllegierungs-Zusätze, enthält.

030066/0

15. Gesintertes gewindegewalztes Pulvermetall-Erzeugnis, gekennzeichnet durch

- einen porösen Kern und hochdichte Gewindegänge,

- wobei die Dichte der ' Gewindegänge an der Oberfläche und in der unter der Oberfläche liegenden Schicht vom Fuß bis zur Spitze wenigstens ca. 95 % der Effektivdichte beträgt,

und

- die Dichte des porösen Kerns in einem Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte des das Erzeugnis bildenden Metalls liegt.

16. Pulvermetall-Erzeugnis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dichte der Gewindegänge wenigstens ca. 98 % beträgt

daß die Dichte des Kerns in einem Bereich von ca. 80-92 % liegt.

17. Gesintertes gewindegewalztes Pulvermetall-Erzeugnis aus einer vergütbaren Stahlzusammensetzung, die wenigstens ca. 65 % Eisen, ca. 0,3-1,5 % Kohlenstoff, Rest Stahllegierungs-Zusätze, enthält,
gekennzeichnet durch

- einen porösen Kern und hochdichte Gewindegänge,

- wobei die Dichte der Gewindegänge an der Oberfläche und in der unter der Oberfläche liegenden Schicht vom Fuß bis zur Spitze wenigstens ca. 95 % der Effektivdichte beträgt

- die Dichte des' porösen Kerns in einem Bereich von ca. 75-92 % der Effektivdichte der das Erzeugnis bildenden Stahlzusammensetzung liegt.

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18. Pulvermetall-Erzeugnis nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dichte der Gewindegänge wenigstens ca. 98 %

daß die Dichte des porösen Kerns in einem Bereich von

ca. 80-92 % liegt.

19. Pulvermetall-Erzeugnis nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß das gesinterte gewindegewalzte Erzeugnis ein vergütetes Erzeugnis ist.

030066/0823