DE3808123A1 - Process for producing sintered parts of finely particulate metal or ceramic powders - Google Patents
Process for producing sintered parts of finely particulate metal or ceramic powdersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen aus feinkörnigen metallischen oder keramischen Pulvern.The invention relates to a method for Production of sintered parts from fine-grained metallic or ceramic powders.
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen aus feinkörnigen Pulvern wird das Pulver mit einem, meist aus organischen Stoffen bestehenden Binder oder Gleitmittel (im weiteren zusammenfassend als "Binder" bezeichnet) vermengt und anschließend unter Druck, z.B. in einer mechanischen Presse oder in einer Spritzgießmaschine, in ein Formteil umgewandelt. Nachdem der Binder durch Eintauchen in ein Lösungsmittel und/oder thermische Zersetzung wieder entfernt worden ist, wird das vorgeformte Teil bei hohen Temperaturen dichtgesintert. Der dazu eingesetzte Sinterofen kann entweder ein Vakuumofen oder ein nahezu drucklos betriebener Ofen mit inerter oder reaktiver Gasatmosphäre sein. Um die Qualität des fertiggesinterten Formteils weiter zu verbessern, kann das Formteil anschließend durch Gesenkschmieden oder Pressen auf mehr als 99% seiner theoretischen Dichte endverdichtet werden.In the known processes for the production of Sintered parts made from fine-grained powders Powder with one, mostly organic Existing binders or lubricants (in further referred to collectively as "Binder") mixed and then under pressure, e.g. in in a mechanical press or in a Injection molding machine, converted into a molded part. After immersing the binder in a solvent and / or thermal decomposition has been removed again, the preformed Part densely sintered at high temperatures. The sintering furnace used for this can either be a Vacuum oven or an almost pressure-free Furnace with an inert or reactive gas atmosphere be. To the quality of the finished sintered The molded part can further improve the molded part then by drop forging or pressing to more than 99% of its theoretical density be finally compressed.
Ein modernes Verfahren zur Endverdichtung (oder auch Nachverdichtung) von Sinterteilen ist das hot isostatic pressing (HIP). Bei diesem Verfahren wird das Formteil unter Inertgas bei Drücken von ca. 1000 bis 2000 bar und Temperaturen von ca. 100 bis 300 C° unterhalb seines Materialfließpunktes verpreßt. Die Formteile werden vor dem Verpressen entweder mit einem auch bei hohen Temperaturen gasdicht bleibenden Überzug versehen oder in einem zusätzlichen Sinterprozeß so verdichtet, daß die Dichte des gesinterten Formteils mehr als 93 bis 96% seiner theoretischen Dichte beträgt. In einem solchen Formteil sind keine hinein- bzw. durchgehenden Poren vorhanden. Dadurch wird verhindert, daß während des Verpressens Gas in das Formteil eindringt und seiner Verdichtung entgegenwirkt.A modern process for final compression (or also recompaction) of sintered parts is hot isostatic pressing (HIP). With this procedure the molding is made under inert gas at pressures of approx. 1000 to 2000 bar and temperatures of approx. 100 up to 300 ° C below its material pour point pressed. The molded parts are pre-pressed either with one even at high temperatures provide a gastight cover or in one additional sintering process so compacted that the Density of the sintered molding more than 93 to Is 96% of its theoretical density. In one such a molded part are not through pores. This will prevents gas from getting into the Mold penetrates and its compression counteracts.
Beim low-pressure assisted sintering (PAS) wird die Endverdichtung bei ca. 70 bis 200 bar durchgeführt. Die Prozeßtemperatur wird dicht unterhalb des Materialfließpunktes so gewählt, daß in geringem Umfang flüssige Phasen auftreten. Damit eine durchgehende Verdichtung erreicht wird und Gaseinschlüsse unterbleiben, muß auch bei diesem Verfahren vor der Endverdichtung die Dichte des Formteils auf 93 bis 96% der theoretischen Dichte eingestellt werden.With low-pressure assisted sintering (PAS), the Final compression at approx. 70 to 200 bar carried out. The process temperature becomes tight below the material flow point so chosen that liquid phases occur to a small extent. So that continuous compression is achieved and gas inclusions must also be avoided the density before this final compression of the molded part to 93 to 96% of theoretical Density can be set.
Bei den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen aus feinkörnigen Pulvern muß der dem Pulver zugemischte Binder in der Regel vor dem Sinterprozeß durch thermische Zersetzung entfernt werden. Insbesondere bei Pulver-Binder-Massen, die auf Spritzgießmaschinen geformt werden, werden für die thermische Zersetzung häufig Glühzeiten von mehr als 25 Stunden benötigt mit der Folge, daß die Sinteröfen unverhältnismäßig lange blockiert werden und somit hohe Kosten entstehen. In the previously known manufacturing processes of sintered parts made of fine-grained powders Binder mixed into the powder usually before Sintering process removed by thermal decomposition will. Especially with powder-binder compositions based on Injection molding machines are molded for the thermal decomposition often annealing times longer than 25 hours, with the result that the Sintering furnaces blocked for a disproportionately long time and thus high costs arise.
Durch die bei der Verdampfung des Binders entstehenden gasförmigen Zersetzungsprodukte wird darüber hinaus vielfach ein so hoher Druck im Formteil aufgebaut, daß dieses aufplatzt oder durch Rißbildung unbrauchbar bzw. zerstört wird. Dies ist insbesondere immer dann der Fall, wenn der Binder zu schnell verdampft.Due to the evaporation of the binder resulting gaseous decomposition products moreover, such a high pressure in the Molding built that this bursts or is unusable or destroyed by cracking. This is always the case when the binder evaporates too quickly.
Ein wesentlicher Nachteil der bisher bekannten Verfahren besteht auch darin, daß durch die thermische Zersetzung der organischen, kohlenstoffhaltigen Binder der Kohlenstoffgehalt des Formkörpers beeinflußt wird.A major disadvantage of the previously known The procedure also consists in that thermal decomposition of organic, carbonaceous binder the carbon content of the molded body is influenced.
So tritt bei der Herstellung von metallischen Formteilen mit hohen Kohlenstoffgehalten häufig ein nicht kontrollierbarer Abbau des Kohlenstoffgehalts an den Ecken und Kanten des Formteils auf. Im Innern des Formteils kommt es dagegen insbesondere bei langen Glühzeiten zu unkontrollierbaren Kohlenstoffanreicherungen. Zur Herstellung von metallischen Formteilen mit geringen Kohlenstoffgehalten (< 0,1% Kohlenstoff) werden Metallpulver verwendet, deren Kohlenstoffgehalte deutlich unterhalb der angestrebten Zielgröße liegen. Während des thermischen Zersetzungsprozesses werden die Formteile entweder durch die entstehenden kohlenstoffhaltigen Gase oder durch den bei der thermischen Zersetzung im Metall entstehenden freien, löslichen Kohlenstoff aufgekohlt.So occurs in the manufacture of metallic Moldings with high carbon contents often an uncontrollable degradation of the Carbon content at the corners and edges of the Molding on. It happens inside the molding on the other hand, especially with long glow times uncontrollable carbon enrichment. For the production of molded metal parts with low carbon content (<0.1% carbon) metal powders are used, the Carbon levels well below that desired target size. During the thermal decomposition process Moldings either by the resulting carbon-containing gases or by the at thermal decomposition occurring in the metal carburized free, soluble carbon.
Die Herstellung von Sinterteilen aus metallischen Pulvern, denen organische Binder vor der Formgebung zugesetzt wurden, mit einem über den gesamten Querschnitt gleichmäßigen, genau definierten höheren Kohlenstoffgehalt bzw. die Herstellung entsprechender Sinterteile mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt (z.B. < 0,07% bis 0,086%) ist somit bis heute nahezu unmöglich.The production of sintered parts from metallic Powders, which organic binders before Shaping were added, with an over entire cross section even, accurate defined higher carbon content or the Production of corresponding sintered parts with very low carbon content (e.g. <0.07% to 0.086%) is therefore almost impossible to this day.
Die zum Einsatz kommenden Metallpulver haben häufig anoxidierte Oberflächen. Diese können im Verlauf der Weiterverarbeitung nicht entfernt werden, behindern im Sinterprozeß das Zusammenwachsen der Pulverteilchen und verursachen Oxideinschlüsse und Sauerstoffanreicherungen im Werkstoff. Dadurch wird die Qualität des Sinterteils vermindert.The metal powders used often have oxidized surfaces. these can not removed in the course of further processing are hindering this in the sintering process The powder particles grow together and cause Oxide inclusions and oxygen enrichments in the Material. This will improve the quality of the Sintered part reduced.
Bei keramischen Pulvern aus Oxiden entsteht eine Qualitätsminderung des Sinterteils oftmals dadurch, daß die organischen Binderbestandteile die in der Keramik enthaltenen Oxide bei der thermischen Zersetzung reduzieren.Ceramic oxides form one Quality reduction of the sintered part often in that the organic binder components the oxides contained in the ceramic at reduce thermal decomposition.
Es ist ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren, daß zur Herstellung der Formteile nur metallische oder keramische Pulver verwendet werden können, deren Teilchendurchmesser überwiegend < 10 µm beträgt und die dementsprechend kostspielig sind.It is another disadvantage of the known Process that only for the production of the molded parts metallic or ceramic powder used can be, their particle diameter is predominantly <10 µm and accordingly are expensive.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen aus feinkörnigen Metall- oder Keramikpulvern anzugeben, das auch die Verwendung von Pulverteilchen mit einem Korndurchmesser überwiegend < 10 µm erlaubt, einen Binder verwendet, der zum großen Teil durch einen nichtthermischen Prozeß aus dem Formteil entfernt werden kann, dabei ein stabiles Formteil mit einem definierten freien Porenvolumen erzeugt, wobei dieses dem nachfolgenden Sinterprozeß so angepaßt wird, daß die restlichen Bindemittelbestandteile schnell aber ohne Rißbildung im Formteil entfernt werden können. Das Verfahren soll außerdem derart beschaffen sein, daß anoxidierte Oberflächen in Metallpulvern möglichst vollständig reduziert werden, definierte Kohlenstoffgehalte in metallischen Formteilen eingestellt werden können und bei oxidhaltigem, keramischem Pulver keine Reduktion der Oxide erfolgt.The invention is based on the object Process for the production of sintered parts fine-grained metal or ceramic powders to indicate that the use of Powder particles with a grain diameter predominantly <10 µm allowed, one binder used, largely by one removed non-thermal process from the molded part can be a stable molded part with a generates defined free pore volume, where this is adapted to the subsequent sintering process that the remaining binder components removed quickly but without cracking in the molded part can be. The procedure is also intended to be such be such that anoxidized surfaces in Metal powders reduced as completely as possible are defined carbon contents in metallic moldings can be adjusted and none with oxide-containing, ceramic powder The oxides are reduced.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst:According to the invention, the task is as follows solved:
Zur Herstellung der Formteile wird auf metallische oder keramische Pulver mit einem Teilchendurchmesser bis zu 500 µm, vorzugsweise bis zu 200 µm, zurückgegriffen, wobei die Korngrößenverteilung des Pulvers weitgehend der "Fuller-Verteilung" entspricht, auf die später eingegangen wird.For the production of the molded parts, metallic or ceramic powder with a Particle diameter up to 500 microns, preferably up to 200 µm, where the Grain size distribution of the powder largely the "Fuller distribution" corresponds to that later is received.
Dem Pulver wird ein Binder zugesetzt, der aus mindestens zwei Komponenten besteht, wobei eine Komponente unterhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes der übrigen Komponenten eine flüssige Phase bildet, während die restlichen Komponenten unterhalb ihres Schmelzpunktes ein gleichmäßig ausgebildetes schwammförmiges, dabei aber festes Skelett mit durchgehenden Poren bilden, das nach der Formgebung und Abkühlung von der flüssigen Phase ausgefüllt wird und überwiegend durch ein Lösungsmittel entfernt werden kann. Der Mengenanteil der verflüssigten Bindemittel-Komponente entspricht dabei dem gewünschten freien Porenvolumen.A binder is added to the powder, which consists of consists of at least two components, one Component below the melting or Softening point of the other components liquid phase forms while the rest Components below their melting point evenly formed sponge-shaped, however form a solid skeleton with continuous pores, the after shaping and cooling from the liquid phase is filled and predominantly can be removed by a solvent. The Amount of liquefied Binder component corresponds to that desired free pore volume.
Das von dem flüssigen Bindemittelanteil befreite Formteil wird anschließend in einer ersten Sinterstufe zur Entfernung des Restbinders auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur des Restbinders und oberhalb der Temperatur, bei der das Versintern des Pulvers gerade beginnt, aufgeheizt. Dabei wird der Druck im Sinterofen so eingestellt, daß beim Ausströmen der gasförmigen Zersetzungsprodukte aus dem Formteil keine Risse oder andere Zerstörungen entstehen und außerdem ein Zuwachsen der Poren im Verlauf der von außen nach innen fortschreitenden Versinterung des Pulvers unterbleibt. Erfindungsgemäß wird dabei mit abnehmendem eingestellten Porenvolumen der Druck im Sinterofen erhöht. Der Druck kann zumindest zeitweise pulsierend sein.The freed from the liquid binder portion Molding is then in a first Sintering stage to remove the residual binder a temperature above the evaporation or Decomposition temperature of the residual binder and above the temperature at which the powder sinters just started, heated up. The pressure set in the sintering furnace so that when it flows out of the gaseous decomposition products from the Molding no cracks or other destruction arise and also an overgrowth of pores in the Course of the progressing from the outside inwards Sintering of the powder does not take place. According to the invention, this decreases set pore volume the pressure in the sintering furnace elevated. The pressure can at least temporarily be pulsating.
Die Gasphase wird dabei so eingestellt, daß die Aktivität der Leitkomponente des Feststoffes in der Gasphase vorgegeben ist. Bei metallischen und metallkarbidischen Werkstoffen ist Kohlenstoff die Leitkomponente, bei oxidischen Werkstoffen ist es der Sauerstoff.The gas phase is adjusted so that the Activity of the leading component of the solid in the gas phase is specified. For metallic and metal carbide materials is the carbon Leading component, it is with oxidic materials the oxygen.
Die erste Sinterstufe wird entsprechend bei Metallpulvern oder metallkarbidischen Pulvern in einer Wasserstoff- oder Kohlenwasserstoffatmosphäre durchgeführt, deren Kohlenstoffaktivität der des Pulvers entspricht. Bei Formteilen aus keramischen, oxidhaltigen Pulvern wird eine oxidierende Atmosphäre verwendet, deren Sauerstoffaktivität der des oxidischen Pulvers entspricht.The first sintering stage is accordingly at Metal powders or metal carbide powders in a hydrogen or hydrocarbon atmosphere carried out, whose carbon activity is that of Powder corresponds. For molded parts made of ceramic, oxide-containing powders become oxidizing Atmosphere used whose oxygen activity corresponds to that of the oxidic powder.
Nachdem die restlichen Bindemittelkomponenten entfernt worden sind, wird in einer zweiten Sinterstufe eine Temperatur, die etwa 1-30°C, vorzugsweise 1-10°C, unterhalb des Materialfließpunktes des Formteils liegt, eingestellt, und das Formteil unter Vakuum auf 93 bis 96% seiner theoretischen Dichte dichtgesintert.After the remaining binder components have been removed in a second Sintering stage a temperature that is about 1-30 ° C, preferably 1-10 ° C, below the Material flow point of the molded part is set, and the molding under vacuum to 93 up to 96% of its theoretical density densely sintered.
Bei einer Temperatur dicht unterhalb seines Materialfließpunktes wird das Formteil zuletzt unter Oberdruck in inerter Atmosphäre auf mehr als 99% seiner theoretischen Dichte isostatisch endverdichtet.At a temperature just below his The molded part becomes the material flow point last under pressure in an inert atmosphere to more than 99% of its theoretical density isostatic finally compressed.
In einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens ist vorgesehen, das Formteil nach der Entfernung des Restbinders und nach der Verfestigung des Formteils durch Ansintern bei noch durchgehender Porosität einer Vakuumbehandlung zu unterziehen. Dadurch können die noch in den inneren Poren vorhandenen restlichen Zersetzungsgase vor dem Dichtsintern aus dem Formteil entfernt werden.In a particularly advantageous variant of the The method provides for the molded part according to the Removal of the residual binder and after the Solidification of the molded part by sintering continuous porosity of one Undergo vacuum treatment. This allows those still present in the inner pores residual decomposition gases before the sealing sintering the molded part can be removed.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auch auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser ist die zulässige Abweichung der Korngrößenverteilung der verwendeten feinkörnigen Pulver von der idealen Fuller-Verteilung dargestellt.The method according to the invention is as follows with reference also to the drawing explained. In this is the permissible deviation the grain size distribution of the used fine-grained powder of the ideal Fuller distribution shown.
Nach der Erfindung wird die Korngrößenverteilung der verwendeten Pulver so zusammengestellt, daß sie der sogenannten "Fuller-Verteilung" (P. Schmid, Aufbereitungstechnik (1964) 7, S. 355- 365). According to the invention, the grain size distribution the powder used so that the so-called "Fuller distribution" (P. Schmid, Mineral Processing (1964) 7, p. 355- 365).
mitWith
m F = Mengenverteilungd p /d max = Verhältnis eines Partikels zum
größten
Partikeln F = Fuller Exponent m F = quantity distribution d p / d max = ratio of a particle to the largest
Particle n F = Fuller exponent
weitgehend entspricht. Die zulässige Abweichung der Korngrößenverteilung von der idealen Fuller-Verteilung ergibt sich aus der Zeichnung. Durch die Anwendung dieser speziellen Korngrößenverteilung gelingt es, auch Pulver sphärischer Partikelstruktur mit Partikelgrößen bis zu 500 µm, bevorzugt bis zu 200 µm, einzusetzen. Durch das gezielt zugemischte Feinkorn wird dabei die Zahl der möglichen Sinterbrücken so erhöht, daß das Formteil trotz des hohen Grobkornanteils eine sehr gute Stabilität erhält. Dieser Vorteil ist auch dann noch in ausreichendem Maße gegeben, wenn die einzelnen Fraktionen bis zu den zeichnerisch dargestellten Werten von den jeweiligen Anteilen der idealen Fullerverteilung abweichen.largely corresponds. The allowable deviation the grain size distribution from the ideal Fuller's distribution results from the drawing. By applying this special Grain size distribution succeeds, including powders spherical particle structure with particle sizes up to 500 µm, preferably up to 200 µm. Due to the deliberately mixed fine grain the number of possible sinter bridges increased so that the molded part despite the high proportion of coarse grain receives a very good stability. This advantage is still sufficient, if the individual groups up to the values from the respective proportions of the ideal fuller distribution differ.
Gemäß der Erfindung wird dem Pulver ein Binder zugesetzt, der aus mindestens zwei, vorzugsweise drei Komponenten besteht, die oberhalb ihrer Schmelz- oder Erweichungspunkte eine homogene flüssige Phase mit guten Gleitmitteleigenschaften bilden. Eine der Komponenten bildet unterhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes der Restkomponenten eine flüssige Phase, während die restlichen Komponenten unterhalb ihres Schmelzpunktes ein gleichmäßig ausgebildetes schwammförmiges festes Skelett mit darin gleichmäßig verteilten durchgehenden Poren bilden, das nach der Formgebung und Abkühlung von der flüssigen Phase ausgefüllt wird. Der Mengenanteil der Komponente, die unterhalb des Schmelzpunktes der übrigen Bestandteile eine flüssige Phase bildet, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren so bemessen, daß nach der Entfernung der flüssigen Phase durch ein Lösungsmittel durchgehende Poren mit einem freien Porenvolumen von ca. 20 bis 50 Vol.-% entstehen. Dieses Porenvolumen ist auf den nachfolgenen Sinterprozeß abgestimmt und hat sich in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft erwiesen.According to the invention, the powder becomes a binder added from at least two, preferably there are three components above theirs Melting or softening points a homogeneous liquid phase with good lubricant properties form. One of the components forms below the Melting or softening point of the Residual components a liquid phase while the remaining components below theirs Melting point an evenly formed spongy solid skeleton with inside form evenly distributed through pores, that after the shaping and cooling of the liquid phase is filled. The proportion the component that is below the melting point the remaining components a liquid phase forms, is according to the inventive method dimensioned such that after removal of the liquid Phase through pores through a solvent with a free pore volume of approx. 20 to 50 vol .-% arise. This pore volume is up coordinated and has the subsequent sintering process themselves in relation to the method according to the invention proven to be particularly advantageous.
Der erfindungsgemäße Binder kann beispielsweise aus einem Gemisch aus Ölsäuredecylester und einem Thermoplast (z.B. Polyethylen oder Polypropylen) bestehen. Der Ölsäuredecylester ist unterhalb des Schmelzpunktes der übrigen Komponenten bis zu Temperaturen von etwa -10°C flüssig und bestimmt somit das Porenvolumen des Formteils. Er enthält keine flüchtigen Bestandteile, die vor der Entfernung des Restbinders durch eine thermische Behandlung im Ofen (z.B. beim Kneten und bei der Formgebung) entweichen können. Die Thermoplaste bilden das tragende Skelett des noch nicht gesinterten Formteils.The binder according to the invention can, for example, consist of a mixture of oleic acid decyl ester and one Thermoplastic (e.g. polyethylene or polypropylene) consist. The oleic acid decyl ester is below the Melting point of the other components up to Temperatures of around -10 ° C liquid and thus determines the pore volume of the molded part. He does not contain any volatile components that precede the Removal of the residual binder by a thermal Treatment in the oven (e.g. when kneading and during Shaping) can escape. The thermoplastics do not yet form the supporting skeleton of the sintered molding.
Den beiden Grundkomponenten des erfindungsgemäßen Binders kann als dritte Komponente ein sogenannter Haftvermittler zugesetzt werden, der in den als weitere Binderkomponente verwendeten Thermoplasten oberhalb von deren Schmelzpunkt löslich ist. Es kann beispielsweise als entsprechender Zusatz ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer oder ein modifiziertes EVA-Copolymer mit Anteilen von Vinylacetat verwendet werden. Weitere verwendbare Haftvermittler für Thermoplaste und Metalle sind aus der Praxis der Metallfolienbeschichtung bekannt, wo sie als Zwischenschicht zwischen bekannt, wo sie als Zwischenschicht zwischen Thermoplast und Metall verwendet werden. Erfindungsgemäß wird durch Zumischen des Haftvermittlers die Haftung des Binders an den Feststoffpartikeln erhöht und zwar proportional zum zugesetzten Anteil. Mit zunehmender Haftung des Binders am Feststoff wird die Gefahr, daß es während der Formgebung zu einer Entmischung von Binder und Feststoff kommt, vermindert.The two basic components of the invention Binders can be a so-called third component Adhesion promoter added in the as other binder component used thermoplastics above their melting point is soluble. It can for example as a corresponding addition Ethylene-acrylic acid copolymer or a modified EVA copolymer with proportions of Vinyl acetate can be used. More usable Adhesion promoters for thermoplastics and metals are from the practice of metal foil coating known where it acts as an intermediate layer between known where it acts as an intermediate layer between Thermoplastic and metal are used. According to the invention by admixing the Adhesion promoter the liability of the binder to the Solid particles increased proportionally to the added share. With increasing liability of the Binder on the solid becomes the danger that it during the shaping to segregate from Binder and solid comes, reduced.
Nach der Formgebung wird die flüssige Komponente dieser Binder in einem leicht zu verflüchtigenden Lösungsmittel (z.B. chlorierte und/oder fluorisierte Kohlenwasserstoffe und/oder Alkohole) aufgelöst. Das am Formteil anhaftende Lösungsmittel wird anschließend verdampft. Durch die Beaufschlagung des Lösungsmittelbades mit Ultraschall kann dabei die Lösungsgeschwindigkeit auf mehr als das Doppelte gesteigert werden.After shaping, the liquid component this binder in an easily volatilized Solvents (e.g. chlorinated and / or fluorinated hydrocarbons and / or alcohols) dissolved. The one adhering to the molded part The solvent is then evaporated. By the application of the solvent bath with Ultrasound can speed up the solution can be increased to more than double.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Binders ist eine Mischung aus verschiedenen Methylcellulosen mit Wasser und/oder Alkohol (vorzugsweise Benzylalkohol). In diesem Fall wird die gerüstbildende Methylcellulose von dem zugesetzten Wasser/Alkohol gelöst und verflüssigt. Nach der Formgebung werden Wasser und/oder Alkohol verdampft und dabei das angestrebte freie Porenvolumen freigesetzt. Die Methylcellulose bildet ein das Formteil stabilisierendes poröses, schwammförmiges Gitter.Another embodiment of the invention Binders is a mix of different ones Methyl celluloses with water and / or alcohol (preferably benzyl alcohol). In this case the scaffolding methyl cellulose from that added water / alcohol dissolved and liquefied. After shaping, water and / or alcohol evaporates while doing the desired free Pore volume released. The methyl cellulose forms a porous, stabilizing part sponge-shaped grid.
Anschließend wird der Sinterprozeß in zwei Stufen durchgeführt. Zunächst wird der Restbinder aus dem Formteil entfernt und dieser danach dichtgesintert.Then the sintering process is done in two stages carried out. First, the remaining binder from the Removed molding and then densely sintered.
Zur Entfernung des Restbinders wird das Formteil bei einer Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Restbinders und oberhalb der Temperatur, bei der sich berührende Pulverpartikel gerade durch Sintern verbunden werden, die durchgehende Porosität aber noch erhalten bleibt, gesintert. Diese Temperatur (die unterhalb der eigentlichen Sintertemperatur liegt) ist materialabhängig und wird für jedes Pulver empirisch und/oder experimentell bestimmt; der Sinterprozeß wird vorzugsweise bei Drücken zwischen 1 und 100 bar durchgeführt.The molded part is used to remove the residual binder at a temperature above that Decomposition temperature of the residual binder and above the temperature at which touching Powder particles just connected by sintering continuous porosity is preserved, sintered. This temperature (the is below the actual sintering temperature) is material dependent and is used for every powder determined empirically and / or experimentally; the Sintering process is preferred at pressures between 1 and 100 bar.
Mit steigendem Druck und konstanter Temperatur wird das Volumen der entstehenden Zersetzungsgase verringert und somit die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch die Poren vermindert. Durch eine Druckerhöhung wird die Zersetzungstemperatur des Binders zu höheren Temperaturen verschoben. Druck und Temperatur können dabei so gewählt werden, daß eine hohe Zersetzungsgeschwindigkeit des Binders gegeben ist.With increasing pressure and constant temperature becomes the volume of the resulting decomposition gases thus reducing the flow rate of the gas diminished through the pores. By a Increasing pressure will reduce the decomposition temperature of the Binder moved to higher temperatures. print and temperature can be chosen so that a high decomposition rate of the binder given is.
Durch das gezielte Anpassen von Temperatur und Druck an das gewählte freie Porenvolumen des Formteils kann die thermische Zersetzung des Restbinders somit so gesteuert werden, daß dadurch der bei der Verdampfung bzw. Zersetzung des Restbinders im Innern des Formteils entstehende Druck so schnell abgebaut wird, daß zwischen dem Inneren und Äußeren des Formteils keine Druckdifferenzen entstehen können, die das Formteil zerstören könnten. Bei hohem Porenvolumen, z.B. 50%, genügt ein geringer Druck von etwa 1 bar. Bei niedrigem Porenvolumen, z.B. 20%, ist ein hoher Druck von z.B. etwa 100 bar erforderlich. Eine mögliche Rißbildung im Formteil wird dadurch ausgeschlossen. By specifically adjusting the temperature and Pressure on the selected free pore volume of the Molding can the thermal decomposition of Restbinders can thus be controlled so that of the evaporation or decomposition of the Residual binder in the interior of the molded part Pressure is released so quickly that between the Inside and outside of the molded part none Differences in pressure can arise that the Could destroy molding. At high Pore volume, e.g. 50%, a little pressure is enough of about 1 bar. With low pore volume, e.g. 20%, is a high pressure of e.g. about 100 bar required. A possible crack in the molded part is excluded.
Infolge des schnellen Abtransportes der Gase können die Zersetzungsprodukte nur kurz auf das Formteil einwirken. Dadurch wird bei metallischen Formkörpern eine Veränderung im Kohlenstoffgehalt der Metallphase und bei oxidkeramischen Formteilen die Reduktion der Oxide weitgehend unterdrückt.As a result of the rapid removal of the gases can the decomposition products only briefly on the Act on molding. As a result, metallic Shaped bodies a change in the carbon content the metal phase and for oxide ceramic molded parts the reduction of the oxides largely suppressed.
Unkontrollierte Veränderungen im Kohlenstoffgehalt metallischer Formteile werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aber vor allem dadurch verhindert, daß die Sinterung der Formteile in einem Gasgemisch aus Wasserstoff und gasförmigen Kohlenwasserstoffen (z.B. H2/CH4) durchgeführt wird, wobei die Kohlenstoffaktivität des Gases der Kohlenstoffaktivität des im Formteil gelösten Kohlenstoffs entspricht. Dadurch kann der gewünschte Kohlenstoffgehalt mit hoher Genauigkeit in allen Bereichen des Formteils eingestellt werden.Uncontrolled changes in the carbon content of metallic molded parts are prevented by the process according to the invention, in particular, by the sintering of the molded parts being carried out in a gas mixture of hydrogen and gaseous hydrocarbons (for example H 2 / CH 4 ), the carbon activity of the gas being the carbon activity of the Molding of dissolved carbon corresponds. As a result, the desired carbon content can be set with high accuracy in all areas of the molded part.
Bei Formteilen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wird die Sinterung in einer reinen Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Durch den Wasserstoff werden die kohlenstoffhaltigen Zersetzungsprodukte im Formteil hydriert und insbesondere Zersetzungsgase mit höheren Kohlenstoffgehalten/mol in solche mit niedrigem Kohlenstoffgehalt/mol überführt. Im Formteil entstehende Kohlenstoffausscheidungen werden in gasförmige Kohlenstoffe umgewandelt und mit den Zersetzungsprodukten abgeführt. Dies ist für Sinterteile mit Kohlenstoffgehalten < 0,1% von besonderem Vorteil. Gleichzeitig werden die oxidierten Oberflächen des eingesetzten Metallpulvers durch den Wasserstoff reduziert.For molded parts with a low carbon content sintering in a pure hydrogen atmosphere carried out. Through the hydrogen carbon-containing decomposition products in the molded part hydrogenated and in particular with decomposition gases higher carbon contents / mol in those with low carbon / mol transferred. in the Molding carbon deposits are converted into gaseous carbons and dissipated with the decomposition products. This is for sintered parts with carbon contents <0.1% of particular advantage. At the same time, the oxidized surfaces of the used Metal powder reduced by the hydrogen.
Der hydrierende, desoxidierende und kohlenstoffentfernende Effekt des Wasserstoffs kann in erheblichem Maße dadurch gesteigert werden, daß zur Verbesserung der Durchspülung des porös ausgebildeten Formteils der Druck im Sinterofen im Bereich ± 1 bis 40% des jeweils eingestellten Druckes (z.B. 70 ± 30 bar) periodisch verändert wird, wobei die Druckschwankungen proportional zur eingestellten Porosität des Formteils um so stärker und intensiver ausgebildet werden können, je größer die Porosität ist. Diese Maßnahme hat eine intensive Durchspülung des Formteils mit der reaktiven Gasphase zur Folge und beschleunigt den Sinterprozeß.The hydrating, deoxidizing and carbon-removing effect of hydrogen can can be increased to a considerable extent by the fact that to improve the flushing of the porous trained molding the pressure in the sintering furnace in Range ± 1 to 40% of the currently set Pressure (e.g. 70 ± 30 bar) changed periodically is, the pressure fluctuations proportional to set porosity of the molding can be trained stronger and more intensely, the larger the porosity. This measure has intensive flushing of the molded part with the reactive gas phase and accelerates the Sintering process.
Bei oxidkeramischen Pulvern wird die Sinterung in einer oxidierenden Gasatmosphäre durchgeführt, wobei die Sauerstoffaktivität des Gases der Sauerstoffaktivität des Oxids in der Keramik entspricht.With oxide ceramic powders, the sintering is carried out in carried out in an oxidizing gas atmosphere, where the oxygen activity of the gas Oxygen activity of the oxide in the ceramic corresponds.
Nachdem der Restbinder aus dem Formteil entfernt worden ist, werden die etwa noch vorhandenen restlichen Zersetzungsgase bei noch durchgehender Porosität des Formteils durch eine Vakuumbehandlung entfernt. Dazu wird der Sinterofen ohne weitere Erhöhung der Temperatur auf 1×10-4 mbar, vorzugsweise 1×10-2 mbar evakuiert.After the residual binder has been removed from the molded part, the remaining decomposition gases which are still present are removed by a vacuum treatment while the porosity of the molded part is still continuous. For this purpose, the sintering furnace is evacuated to 1 × 10 -4 mbar, preferably 1 × 10 -2 mbar, without further increasing the temperature.
Anschließend wird das Formteil in einer zweiten Sinterstufe bei einem Druck von 1×10-4 mbar, vorzugsweise 1×10-2 mbar und bei einer Temperatur, die etwa 1 bis 30°C, bevorzugt 1 bis 10°C, unterhalb des Materialfließpunktes des Formteils liegt, auf 93 bis 96% seiner theoretischen Dichte dichtgesintert. The molded part is then in a second sintering stage at a pressure of 1 × 10 -4 mbar, preferably 1 × 10 -2 mbar and at a temperature which is about 1 to 30 ° C, preferably 1 to 10 ° C, below the material pour point The molded part is densely sintered to 93 to 96% of its theoretical density.
Zuletzt wird das Formteil bei Drücken von 60 bis 200 bar, vorzugsweise bis zu 100 bar, und bei einer Temperatur dicht unterhalb seines Materialsfließpunktes unter Inertgas isostatisch auf eine Dichte von mehr als 99% seiner theoretischen Dichte endverdichtet.Finally, the molding is pressed at 60 to 200 bar, preferably up to 100 bar, and at a temperature just below his Material pour point under inert gas isostatic to a density of more than 99% of its theoretical density.
Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Entfernung des das Formteil stabilisierenden Restbinders und das Fertigsintern wirtschaftlich in einem einzigen Sinterofen durchgeführt werden kann. Erfindungsgemäß wird der Restbinder so schnell aus dem Formteil entfernt, daß dieser Prozeßabschnitt innerhalb der ohnehin erforderlichen Aufheizphase des Sinterofens ablaufen kann. Die Sinterteile können dadurch besonders schnell und kostengünstig gefertigt werden.It is a particular advantage of the present Invention that the removal of the molding stabilizing residual binder and finished sintering economical in a single sintering furnace can be carried out. According to the Residual binder removed from the molded part so quickly, that this process section within the anyway required heating phase of the sintering furnace can expire. The sintered parts can manufactured particularly quickly and inexpensively will.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Verwendung von Gasatmophären, deren Kohlenstoff- bzw. Sauerstoffaktitvität der Kohlenstoff- bzw. Sauerstoffaktivität des Sinterteils angepaßt ist, Formteile mit einem über den gesamten Querschnitt gleichmäßigen, genau definierten Kohlenstoff- bzw. Sauerstoffgehalt herstellbar sind.Another significant advantage of the invention is that by using Gas atmospheres whose carbon or Oxygen activity of the carbon or Oxygen activity of the sintered part is adapted, Molded parts with a cross-section uniform, precisely defined carbon or Oxygen content can be produced.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben:An embodiment of the Described method according to the invention:
80 kg Metallpulver einer Nickel-Basislegierung mit einer Korngröße bis zu 150 µm, deren Kornspektrum der in der Zeichnung dargestellten Korngrößenverteilung entsprach, wurden in einem Kneter 5% einer Bindermischung zugegeben, die zu 39% aus Öl, zu 55% aus Polyäthylen und zu 6% aus einem Ethylen-Acrylsäure-Copolymer bestand. Die Masse wurde im Kneter bei 160°C zu einer homogenen Paste verarbeitet und granuliert. Das Granulat wurde mit Hilfe einer konventionellen Spritzgießmaschine in bekannter Weise bei einer Temperatur von 180°C zu Formteilen verarbeitet. Nach Abkühlen der Formteile schied sich das im Binder enthaltene Öl in den Formteilen als durchgehende flüssige Phase aus. Nach Entfernen des Öls in einem mit Ultraschall beaufschlagten Freonbad und Abtrocknen des Lösungsmittels wurden die Formteile durch das Polyethylenskelett zusammengehalten. Anschließend wurden sie in einem Vakuum-Druck-Sinterofen eingesetzt, der in etwa 15 Minuten unter Einstellung eines H2-Druckes von 100 bar auf eine Temperatur von 750°C aufgeheizt wurde. Die Entfernung des Restbinders war nach Erreichen einer mittleren Ofentemperatur von etwa 750°C beendet. Die eingesetzten Formteile wurden durch Ausbildung von Sinterbrücken an den Berührungspunkten der Pulverpartikel stabilisiert. Durch den in die Formteile eindringenden Wasserstoff wurden die oxidischen Oberflächen der Pulverteilchen vollständig reduziert. Anschließend wurden die Formteile im gleichen Sinterofen unter Vakuum bei etwa 10-2 mbar bei gleicher Temperatur bis zur Stabilisierung des Vakuums behandelt. Danach wurde unter Vakuum die Temperatur auf 15°C unter dem Materialfließpunkt des Formteils eingestellt; nach 3 Stunden hatten die Formteile eine Dichte erreicht, die etwa 95% ihrer theoretischen Dichte entsprach. Anschließend wurde der Sinterofen mit Argon geflutet und auf einen Druck von etwa 100 bar hochgefahren. Die Temperatur wurde dabei auf 5°C bis 1°C unter dem Materialfließpunkt des Formteils eingestellt. Die Dichte der Formteile erhöhte sich währenddessen in kurzer Zeit auf etwa 99% ihrer theoretischen Dichte.80 kg of metal powder of a nickel-based alloy with a grain size of up to 150 µm, the grain spectrum of which corresponded to the grain size distribution shown in the drawing, 5% of a binder mixture was added in a kneader, 39% from oil, 55% from polyethylene and 6 % consisted of an ethylene-acrylic acid copolymer. The mass was processed in a kneader at 160 ° C into a homogeneous paste and granulated. The granules were processed in a known manner at a temperature of 180 ° C into molded parts using a conventional injection molding machine. After the moldings had cooled, the oil contained in the binder separated out as a continuous liquid phase in the moldings. After the oil had been removed in an ultrasonic freon bath and the solvent had dried, the molded parts were held together by the polyethylene skeleton. They were then used in a vacuum-pressure sintering furnace, which was heated to a temperature of 750 ° C. in about 15 minutes while setting an H 2 pressure of 100 bar. The removal of the residual binder was complete after reaching an average oven temperature of about 750 ° C. The molded parts used were stabilized by the formation of sintered bridges at the contact points of the powder particles. The hydrogen penetrating into the molded parts completely reduced the oxidic surfaces of the powder particles. The moldings were then treated in the same sintering furnace under vacuum at about 10 -2 mbar at the same temperature until the vacuum stabilized. The temperature was then set to 15 ° C. below the material flow point of the molding under vacuum; after 3 hours the moldings had reached a density which corresponded to approximately 95% of their theoretical density. The sintering furnace was then flooded with argon and raised to a pressure of about 100 bar. The temperature was set at 5 ° C to 1 ° C below the material flow point of the molded part. The density of the molded parts increased to about 99% of their theoretical density in a short time.
Bei allen Prozentzahlen, die sich auf die Zusamensetzung von Werkstoffen beziehen, handelt es sich um Massengehalts-Prozentangaben.For all percentages that relate to the Obtain composition of materials mass percentages.
Claims (20)
- a) die Korngröße des Pulvers bei einer der "Fuller-Verteilung" zumindest angenäherten Korngrößenverteilung bis zu 500 µm, vorzugsweise bis zu 200 µm, beträgt;
- b) der Binder aus Komponenten zusammengesetzt wird, die oberhalb ihres Schmelz- oder Erweichungspunktes eine homogene Phase mit guten Gleiteigenschaften bilden, wobei zumindest eine Komponente unterhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes der Restkomponente(n) eine flüssige Phase darstellt, während die Restkomponente(n) unterhalb ihres Schmelz- oder Erweichungspunktes in dem ungesinterten Formteil ein schwammförmiges Skelett mit durchgehenden Poren bildet bzw. bilden, welche von der flüssigen Phase ausgefüllt sind;
- c) die Menge der zumindest einen das Skelett ausfüllenden flüssigen Komponente derart bemessen wird, daß mit ihrer Entfernung aus dem Formteil durch einen chemischen Lösungsprozeß in diesem ein dem Sinterprozeß angepaßtes freies Porenvolumen entsteht;
- d) das von der flüssigen Phase befreite Formteil in einer ersten Sinterstufe unter Überdruck oberhalb der Zersetzungstemperatur der Restkomponente(n) und oberhalb der Temperatur, bei der das Versintern des Pulvers gerade beginnt, in einer Gasatmosphäre behandelt wird, deren Kohlenstoff- bzw. Sauerstoffaktivität der Kohlenstoff- bzw. Sauerstoffaktivität des Materials, aus dem das Formteil besteht, entspricht, und der Druck derart eingestellt wird, daß die Zersetzungsgase der Restkomponente(n) ohne Bildung eines kritischen inneren Druckes im Formteil durch die Poren schnell abgeführt werden;
- e) das Formteil in einer zweiten Sinterstufe unter Vakuum bei Temperaturen, die unterhalb des Materialfließpunktes des Formteils liegen, auf 93 bis 96% seiner theoretischen Dichte dichtgesintert wird und
- f) bei Drücken zwischen 60 und 200 bar, vorzugsweise 60 und 100 bar, und bei einer Temperatur dicht unterhalb des Materialfließpunktes des Formteils seine Endverdichtung isostatisch durchgeführt wird.
- a) the grain size of the powder with a grain size distribution which is at least approximate to the “Fuller distribution” is up to 500 μm, preferably up to 200 μm;
- b) the binder is composed of components which form a homogeneous phase with good sliding properties above their melting or softening point, at least one component below the melting or softening point of the remaining component (s) being a liquid phase, while the remaining component (s) below their melting or softening point in the unsintered molded part forms a spongelike skeleton with continuous pores, which are filled with the liquid phase;
- c) the amount of the at least one liquid component filling the skeleton is dimensioned such that when it is removed from the molded part by a chemical solution process, a free pore volume adapted to the sintering process is created therein;
- d) the molded part freed from the liquid phase is treated in a first sintering stage under positive pressure above the decomposition temperature of the residual component (s) and above the temperature at which the sintering of the powder is just beginning in a gas atmosphere, the carbon or oxygen activity of which Carbon or oxygen activity of the material from which the molded part is made corresponds, and the pressure is set such that the decomposition gases of the residual component (s) are rapidly removed through the pores without the formation of a critical internal pressure in the molded part;
- e) the molded part is densely sintered to 93 to 96% of its theoretical density in a second sintering stage under vacuum at temperatures which are below the material pour point of the molded part and
- f) at pressures between 60 and 200 bar, preferably 60 and 100 bar, and at a temperature just below the material flow point of the molded part, its final compression is isostatic.
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