DE3912298A1 - Verfahren zum entwachsen und zur verbesserung der eigenschaften spritzgegossener metallteile - Google Patents
Verfahren zum entwachsen und zur verbesserung der eigenschaften spritzgegossener metallteileInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwachsen von
spritzgegossenen Metallteilen aus einem Metall/Binder-Gemisch (Metal
Injection Moulding).
Die Anwendung des Metal Injection Moulding (MIM) erlaubt die Produktion
kompliziert geformter, kleinster Teile, die mit der klassischen Preß- und
Sintertechnik ohne eine Nachbearbeitung nicht hergestellt werden können.
Häufig verwendete Legierungen für das MIM sind Fe, Fe-Ni, Fe-P und rost
freier Stahl.
Die zu diesem Verfahren grundlegenden Arbeiten sind in den
US-Patenten 41 97 118 und 41 13 480.
Dabei werden feinteilige Metallpulver - oft sind das Carbonyleisenpulver
(CEP) und Mischungen mit anderen Legierungspulvern - mit einem Binder
gemischt und mit Hilfe der Spritzgußtechnik in die Form des Grünlings
gebracht. Durch anschließende Sinterung werden Enddichten von etwa 94%
erreicht.
Der Binder soll dem Gemisch die zum Spritzen notwendige Viskosität ver
leihen und den Grünling zusammenhalten. Das anschließende Entfernen des
Binders hat sich als der zeit- und qualitätsbestimmende Faktor des Ver
fahrens herausgestellt.
Als Binder werden oft vielkomponente Systeme aus niedrigmolekularen,
thermoplastischen Kunststoffen, Wachsen, Harzen und speziellen Additiven,
aber auch wasserlöslichen Bindern auf Cellulosebasis verwendet.
Welches Bindersystem man verwendet, hängt in erster Linie von der Pulver
teilchengröße und -morphologie ab. Der Gewichtsanteil des Binders am
fertigen Gemisch liegt etwa zwischen 7% und 20% (US 39 89 518,
GB 8 08 583).
In der Praxis haben sich immer mehr die thermoplastischen Binder durch
gesetzt. Besonders ist hier das Polyethylen und seine niedrigmolekularen
Wachse zu nennen.
Das Entfernen des Binders kann auf mehrere Weisen geschehen. So be
schreiben die Patente GB 7 79 242, US 39 89 518 und US 44 31 449 das
thermische Zersetzen des unterschiedlichen Binders.
Man findet aber auch die Extraktion durch Lösen in verschiedenen Lösungs
mitteln (US 41 97 118, US 44 04 166) und unter Druck (DE 31 20 501).
Aber auch hier hat sich in der Praxis die billigere, und technologisch
schneller zu beherrschende Methode der thermischen Zersetzung durch
gesetzt.
Die für den Entwachsungsprozeß notwendige Zeit kann sehr unterschiedlich
sein und bis zu mehrere Tage betragen.
Solch lange Zeiten waren notwendig, um durch ein zu schnelles Hochheizen
des Grünlings einen zu starken Druckanstieg im Innern durch die Ver
flüssigung und Verdampfung des thermoplastischen Binders zu verhindern.
Zu schnelles Entwachsen hatte somit oft eine starke Verformung des
Grünlings, Riß - oder Blasenbildung zur Folge.
Um das MIM-Verfahren weiter zu verbessern, werden im Moment große An
strengungen unternommen, den Entwachsungszyklus zu verkürzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, durch
Veränderungen des Metall/Binder-Gemisches den notwendigen Entwachsungs
zyklus zu verkürzen und die Dichte der so hergestellten und gesinterten
Teile zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 6 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft vorwiegend den metallischen Teil des
Metall/Binder-Gemisches. Als praktikabler Binder hat sich dabei ein
vierkomponentiges Kunststoffgemisch (ein langkettiges Polyethylen und
3 Polyethylenwachse mit verschiedenen Schmelzpunkten) erwiesen.
Doch können auch andere Bindemittelsysteme benutzt werden, z.B. Polystyrol
und Polypropylen.
Es war überraschend, daß der Zusatz von Eisenoxid sowohl das Entwachsen
erleichtert als auch gleichzeitig den Kohlenstoffgehalt im Metall senkt.
Für die Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, sehr
reine Eisen als Metall des Metall/Binder-Gemischs und Eisenoxide zu ver
wenden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Eisenoxid um ein über den Carbonyl
prozeß hergestelltes Eisenoxid.
Hierbei wird Eisenpentacarbonyl (Fe(CO)5) unter Sauerstoffüberschuß ver
brannt. Man erhält so ein sehr feinteiliges Eisenoxid (5 bis 80 nm) mit
hohen spezifischen Oberflächen von 5 bis 120 m2/g.
Es hat sich als günstig erwiesen, das Oxid sehr intensiv mit dem Metall zu
mischen, so daß es zu einer innigen Bindung zwischen Metall und Oxid
kommt. Das wird bevorzugt durch Mahlen in einer rotierenden oder
vibrierenden Mahlkörpermühle erreicht.
Das Oxid wird mit 2 bis 30 Gew.-% dem Metall zugeführt, vorzugsweise mit 4
bis 10 Gew.-%.
Die Oberfläche des Oxids beträgt 10 bis 120 m2/g, vorzugsweise 70 bis
110 m2/g.
Beim Entfernen des thermoplastischen Binders aus den so hergestellten
Metall/Oxid/Binder-Gemischen war eine deutliche Abnahme der notwendigen
Zeit festzustellen.
So wiesen Teile aus Metall/Binder-Gemischen ohne Oxid nach einer Tempe
raturbehandlung von 36 Stunden Blasen und Risse auf.
Bei Teilen hingegen, die aus dem erfindungsgemäßen Metall/Oxid/Binder-
Gemisch unter Aufmahlen von 4 bis 10 Gew.-% Carbonyleisenoxid hergestellt
wurden, waren bereits nach Temperaturbehandlungen von etwa 14 Stunden
keine Risse oder Blasen zu erkennen.
Außerdem nimmt die Effektivität der Temperaturbehandlung mit zunehmendem
Oxidgehalt bis zu einer gewissen Grenze zu.
Das als Metallkomponente benutzte Carbonyleisenpulver OM der BASF besitzt
einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,9%.
Nach dem Entfernen des Wachses aus einem ohne Oxid hergestellten Teil, war
selbst nach 36 Stunden noch ein Kohlenstoffgehalt von 1,2% festzustellen,
was auf das Vorhandensein eines Restes an Binder zurückgeführt wird.
Bei den Teilen, die etwa 5 Gew.-% Carbonyleisenoxid enthielten, war der
Kohlenstoffgehalt bereits nach 14 Stunden auf 1% gefallen.
Einen ähnlichen Einfluß zeigte die spezifische Oberfläche des Oxids auf
das Entfernen des Binders.
Der Effekt der spezifischen Oberfläche wurde bei der Dichte der
gesinterten Teile besonders deutlich. Mit zunehmender spezifischer
Oberfläche des Oxids steigt die Dichte der gesinterten Teile.
Als herausragend hat sich Carbonyleisenoxid mit einer Oberfläche von
110 m2/g erwiesen, mit dem bei den kürzesten notwendigen Zeiten zum
Entfernen des Binders die höchste Dichte des gesinterten Teils bestimmt
wurde.
Die für den Spritzprozeß notwendigen Gemische wurden wie folgt her
gestellt:
Handelsübliches Carbonyleisenpulver OM der BASF wurde bei laufendem
Getriebe in einem 4-Liter-Sigma-Mischer vorgelegt. Der Mischer war geheizt
und befand sich auf einer Temperatur von 170°C. Das aus den vier o.g.
Kunststoffen vorgemischte Bindersystem wurde dann langsam dem Carbonyl
eisenpulver zudosiert.
Ab dem Zeitpunkt, wo die Masse eine pastöse Konsistenz aufwies - dieser
Zeitpunkt war sehr genau reproduzierbar - blieb das Gemisch noch
20 Minuten im laufenden Mischer und wurde dann im warmen Zustand aus dem
Mischer entfernt.
Die aus der erkaltenden Masse entstehenden Brocken konnte dann in einer
Granuliermaschine zu Granulat verarbeitet werden. Dieses Granulat wurde
mit einer konventionellen Spritzgußmaschine zu kleinen runden Teilen von
etwa 12 m Durchmesser und einer Wandstärke von 2 mm verspritzt.
Der Vorgang vom Mischen im Sigma-Mischer bis zum Spritzen war identisch zu
dem beim Metall/Binder-Gemisch. Vor dem Mischvorgang wurde das Metall
pulver zusammen mit dem Carbonyleisenoxid in einer 200-Liter-Mühle
gemahlen. Die Mühle war mit 60 kg des Produkts und 200 kg Mahlkörpern
(Cylpebs) gefüllt und arbeitete mit 15 U/min.
Die aus dem Metall/Binder-Gemisch hergestellten Teile wurden zum Entfernen
des Binders bei einem linearen Temperaturverlauf von Raumtemperatur auf
ca. 480°C in Stickstoff erhitzt und für 1 Stunde bei der Endtemperatur
gehalten. Der Ofen wurde ständig mit 120 l/h Stickstoff gespült.
Der Gehalt des Binders betrug 8 Gew.-%.
- a) Aufheizrate ca. 32°C/h
Massenverlust ca. 6%
C-Gehalt ca. 1,2% - b) Aufheizrate ca. 13°C/h
Massenverlust ca. 8%
C-Gehalt ca. 1,2%.
Alle Teile waren gerissen und zeigten Blasen.
Einige Teile waren außerdem stark verformt.
Der Sintervorgang wurde für alle Beispiele gleichgehalten. In einer
Wasserstoffatmosphäre wurde auf 900°C geheizt und die Temperatur für
15 min gehalten. Anschließend wurde auf 1200°C geheizt und 4 Stunden
gehalten. Der Ofen kühlte dann auf Raumtemperatur ab.
Die nach Beispiel 1 behandelten Teile erreichten eine maximale Dichte von
ca. 7,2 g/cm3.
5 Gew.-% des Carbonyleisenoxids mit einer Oberfläche von 110 m2/g wurden
wie beschrieben in der Mühle zusammen mit den Carbonyleisenpulver gemahlen
und anschließend wie oben beschrieben verarbeitet. Die Teile wurden
ebenfalls unter Stickstoff einer Temperaturbehandlung unterworfen.
- a) Aufheizrate ca. 32°C/h
Massenverluste ca. 7%
C-Gehalt ca. 1%.
An keinem Teil wurden Blasen oder Risse beobachtet. Die Teile waren nach
dem Entwachsen besser zu handhaben.
Die maximal erreichte Dichte der gesinterten Teile betrug etwa 7,6 g/cm3.
Claims (6)
1. Verfahren zum Entwachsen von spritzgegossenen Metallteilen aus einem
Metall/Binder-Gemisch, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Metall/Binder-Gemisch ein Metalloxid zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei legierten
Metallteilen das Oxid eines Metalls verwendet wird, das ein
erwünschtes Legierungselement ist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Metalloxid ein Eisenoxid ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Eisenoxid einen nahezu kugeligen Habitus aufweist und durch Verbrennen
von Eisencarbonyl hergestellt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Eisenoxid eine spezifische Oberfläche von 10 bis 120 m2/g aufweist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Eisenoxid besonders stark an die Metallteilchen gebunden ist.
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