AT520369A2 - Verfahren zur Herstellung von Gesenken - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, vorzugsweise Gesenken für den Spritzguß bzw. das Heisspressen dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt mit einem additiven Verfahren, vorzugsweise SLM, eine poröse Matrix des Gesenks aus Refraktärmetall, vorzugsweise Molybdän, aus einer Mischung des Refraktärmetallpulvers oder einem Refraktärmetalllegierungspulver mit elementarem Siliziumpulver gebaut wird, und in einem zweiten Schritt mit reinem Cu oder einer Cu Legierung, beispielsweise mit einer CuAl Bronze, infiltriert wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von Gesenken

Beim Spritzgußprozeß (Injection moulding) wird eine flüssige Masse, beispielweise ein Thermoplast, eine Mischung aus Metallpulver und Thermoplast (MIM Metal injection moulding) oder eine Mischung aus Keramikpulver und Thermoplast (PIM Powder Injection moulding) unter hohem Druck oberhalb des Schmelzpunkts des Thermoplasten (z.B. bei 200°C) in eine Kavität (Formnest) gespritzt und abgekühlt. Das Formnest wird durch die Zuhaltekraft der Spritzgußmaschine zusammengedrückt und bleibt während des Abkühlvorgangs geschlossen. Sobald das eingespritzte Teil abgekühlt ist öffnet sich die Spritzgußform und das fertige Teil kann ausgestoßen werden. Anschließend fährt die Spritzgußform wieder zu und ein neuer Einspritzvorgang beginnt. Ein Durchlauf ist ein Zyklus und die dafür notwendige Zeit ist die Zykluszeit. Sie liegt je nach verwendetem Thermoplast und Temperatur sowie je nach Kühlung der Formnester zwischen einigen Sekunden und einigen Minuten.

Da die Zykluszeit direkt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens betrifft ist man bestrebt sie so kurz wie möglich zu gestalten. Eine Halbierung der Zykluszeit bedeutet eine Verdoppelung der Produktion an der betreffenden Maschine. Um die Kühlzeit in einer Form zu verkürzen können Kühlkanäle dicht an die Oberfläche der Form herangeführt werden. Dies geschieht vorteilhafterweise über Additive Verfahren wie SLM (Selective Laser Melting).

Bei der Herstellung von Kavitäten mittels SLM aus Stahlpulvem treten folgende Probleme auf: - Die Oberflächen der Kavitäten sind rau und müssen endbearbeitet werden. Man spricht daher von „endkontumaher Fertigung“. Optimalerweise werden sie in einem Schlichtschritt senkerodiert. - Die Wärmeleitfähigkeit der Stähle ist unter der von Kupfer bzw. Bronzen.

Kavitäten aus reinem Cu oder Bronzen haben nicht genug mechanische Festigkeit um im Spritzgußprozess ausreichend hohe Standzeiten zu gewährleisten.

Es ist also ein Verfahren gefordert bei dem man einerseits mittels SLM schnell komplexe Kavitäten herstellen kann, die weiters keine aufwendige Nachbearbeitung brauchen und darüber hinaus ausreichende mechanische Festigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Dies wird erfindungsgemäß gelöst über die Herstellung von porösen Bauteilen aus Refraktärmetallen, vorzugsweise Mo bzw. Mo Legierungen mittels SLM und anschließender Infiltration dieser porösen Teile mit Cu bzw. Cu Legierungen.

Beschreibung

Wenn man in einer herkömmlichen SLM Maschine Mo Pulver verarbeiten will, so trifft man auf folgendes Phänomen: Selbst unter Inertgasatmosphäre (Ar 5.0) bildet sich schon nach wenigen Lagen an der Oberfläche des Molybdäns eine gelbliche bis braune Färbung die auf Oxidbildung des Mo hinweist. Geschmolzenes Mo ist äußerst Sauerstoff affin und kann sich geringste Spuren von Sauerstoff aus seiner Umgebung holen. Da dies nach unserer Beobachtung aber auch unter Inertgas vonstatten ging wurde vermutet, dass das Mo schon von Haus aus einen gewissen Sauerstoffanteil aufwies, der sich beim SLM in Form einer Oxidschicht an der Oberfläche anreicherte. Diese Oxidschicht fuhrt in letzter Konsequenz dazu, dass keine weiteren Lagen des Mo aufgeschmolzen werden können.

Die Herkunft des Sauerstoffes kann einerseits in einem schlecht getrockneten Mo Pulver liegen, andrerseits kann das Mo schon durch den Herstellungsprozess bedingt eine gewisse Sauerstoffkonzentration aufweisen.

Erfindungsgemäß mischten wir elementares Siliziumpulver, von 0,1-66 at% unter das Mo Pulver und konnten so, auch bei nur geringen Si Zugaben poröse Bauteile aus MoxSiy mittels SLM bauen. Je höher der Si Anteil desto mehr Mo-silizid bildete sich. Je höher allerdings der Silizidanteil desto spröder das Grundgerüst. Für unsere Ansprüche war es deshalb interessant so wenig Si wie möglich zu verwenden um den duktilen Charakter des metallischen Mo zu erhalten. Überraschenderweise stellten wir fest, dass sich im Laufe des SLM Prozesses spinnwebenartige, flaumige Ablagerungen bildeten, deren Farbe bräunlich war und die an Luft etwas heller wurden. Diese waren vor allem an den kalten Stellen im SLM Innenraum bzw. an metallischen Bauteilen (Schloß) zu finden.

Es handelte sich scheinbar um feinste Strukturen aus Siliziumoxiden.

Das dem Molybdänpulver beigemischte elementare Siliziumpulver hatte mit dem Restsauerstoff des Molybdäns anscheinend zu SiO oder SiO2 reagiert und dieses war über die Gasphase entwichen. Offensichtlich hat es sich anschließend an einer kalten Stelle, vorzugsweise mit metallischem Untergrund, abgelagert. Es wird angenommen, dass sich tatsächlich SiO gebildet hat welches einen Siedepunkt von nur 1800°C hat. Dieses SiO hat sich an den kalten Stellen abgelagert und ist gemäß 2SiO —» Si +SiO2 disproportioniert, woraus sich die dunkle Färbung der „Spinnweben“ erklärt. Nach Luftzutritt ist das Si oxidiert, was die Aufhellung erklären würde.

Dies zeigt, dass elementares Siliziumpulver Molybdän während des SLM von Restsauerstoff befreien kann. Eine Reduzierung des Sauerstoffgehalts kann man ebenfalls durch Zugabe von elementarem Bor erreichen. Bei den Bedingungen im Schmelzbad wird Sauerstoff in Form von BO3 abgedampft.

Solcherart hergestellte poröse SLM Proben zeigten folgende Besonderheit: Die Oberfläche war verglichen mit Proben aus Stahl oder niedriger schmelzenden Metallen äußerst glatt! Wir fuhren das primär auf den hohen Schmelzpunkt des Mo zurück, da es nur in geringstem Maße fließt. Der Restsauerstoffgehalt im SLM Teil war niedriger als der Sauerstoffgehalt in den Ausgangspulvem. Die so hergestellten Proben konnten in einfachster Weise drucklos mit Cu bzw. Cu Legierungen infiltriert werden. Die Infiltrierung von Mo mit Cu ist aus der Pulvermetallurgie schon seit längerem Stand der Technik.

Die fertig infiltrierten Proben mußten nun nicht noch einmal über spanende Bearbeitung oder Senkerodieren auf Endmaß gebracht werden, sondern es genügte Sandstrahlen. Dabei wird das oberflächlich vorhandene Kupfer abgetragen während die schon zuvor maßhaltige MoxSiy Matrix bestehen bleibt. Die so hergestellten Gesenke boten eine ausreichend glatte Oberfläche um eine Entformung von spritzgegossenen Bauteilen - in unserem Falle MIM- zu gewährleisten.

Der Vorteil der so hergestellten Gesenkstrukturen war nun eine harte mechanisch stabile Grundstruktur aus MoxSiy zu haben die eine hohe Standzeit gewährleistet und gleichzeitig Kupfer als effektiven Wärmeleiter, was eine verbesserte Wärmeabfuhr und somit eine Verkürzung der Zykluszeiten gewährleistet.

Natürlich ist es denkbar dem Mo Pulver neben Si auch noch andere Bestandteile beizumischen die einen günstigen Effekt auf das Mo Gerüst haben könnten. Dies umfasst u.a. Bor, Titan, Zirkon, Cobalt, Aluminium. Diese können in Form metallischer Pulver oder als chemische Verbindungen beigegeben werden. Es ist ebenfalls denkbar nicht mit elementarem Mo sondern mit bereits vorlegierten Mo Pulvern zu arbeiten. Die Beimischung von elementarem Si wird allerdings immer von Vorteil sein.

Die Verwendung der von uns hergestellten Gesenke ist nicht auf den Spritzgußprozess beschränkt, sondern kann auch für Heißpresswerkzeuge verwendet werden. In diesem Falle ist es allerdings vorteilhaft die poröse Mo Matrix nicht mit reinem Cu zu infiltrieren sondern mit Bronzeverbindungen. z.B. Aluminiumbronzen wie CuA110Ni5Fe4; CuA110Ni5Fe5-C; CuA19Fe2-C;:

Anwendungsbeispiel: 19,7kg Mo Pulver der Korngröße d90= 45 μm wurden mit 290g Silziumpulver d90=20pm in einer Trommelmühle , unter Stickstoff, gemischt. Das so hergestellte Pulver mit ca. 4,8 at%Si wurde in einer EOS250Xtended mit 250W C02 Laser mit 80°C Vorheizung der Bauplattform verarbeitet. Der Durchmesser des Laserstrahles betrug 0,4mm. Die eingestellten Laserparameter konnten fur P zwischen 80 und 100% variiert werden sowie für die Scangeschwindigkeit von 50-90mm/s. Die Schichtdicke wurde mit 0,05mm gewählt und der hatch Abstand mit 0,4mm. Die Scanstrategie war kreuzweises überlagertes Schraffieren. Also eine in jeder Lage um 90° versetzte Richtung der Laserlinien.

Das Ergebnis war ein offen poröses Bauteil. Dieses wurde anschließend in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre (Ar) bei 1200°C mit Cu infiltriert. Dazu wurde ein geeignetes Stück Cu auf das Bauteil gelegt und nach überschreiten der Schmelztemperatur saugte das poröse Mo Teil das Cu vollständig auf.

Zuletzt wurde das Teil sandgetrahlt.

Claims (4)

1. Ansprüche: 1. ) Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, vorzugsweise Gesenken für den Spritzguß bzw. das Heisspressen dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt mit einem additiven Verfahren, vorzugsweise SLM, eine poröse Matrix des Gesenks aus Refraktärmetall, vorzugsweise Molybdän, aus einer Mischung des Refraktärmetallpulvers oder einem Refraktärmetalllegierungspulver unter Zugabe von elementarem Siliziumpulver gebaut wird, und in einem zweiten Schritt mit reinem Cu oder einer Cu Legierung, beispielsweise mit einer CuAI Bronze, infiltriert wird.
2. 2. ) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an elementar zugemischtem Si Pulver zwischen 0,l-66at% lag, vorzugsweise bei 1-10%. Ansprüche: 1. ) Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, vorzugsweise Gesenken für den Spritzguß bzw. das Heisspressen dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt mittels SLM, eine poröse Matrix des Gesenks aus Refraktärmetall, vorzugsweise Molybdän, aus einer Mischung des Refraktärmetallpulvers und elementarem Siliziumpulver gebaut wird, und in einem zweiten Schritt mit reinem Cu oder einer Cu Legierung, beispielsweise mit einer CuAl Bronze, infiltriert wird. 2. ) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an elementar zugemischtem Si Pulver zwischen 0,l-66at% lag, vorzugsweise bei 1-10%.
3. 3. ) Verfahren nach Anspruch 1 -2 dadurch gekennzeichnet, dass statt reinem Refraktärmetallpulver eine metallische Legierung von Refraktärmetallen verwendet wird.
4. 4. ) Verfahren nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, dass 0,l-66at% elementares Bor, vorzugsweise 0,1-10% beigemischt werden