AT521303B1 - Hartmetallpulver für die additive Herstellung - Google Patents

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Abstract

Unter einem Gesichtspunkt werden Teilchenpulverzusammensetzungen zur Herstellung von Artikeln durch verschiedene additive Herstellungstechniken bereitgestellt. Eine Pulverzusammensetzung umfasst eine Teilchenkomponente, die Sinterhartmetallteilchen umfasst, die eine scheinbare Dichte von mindestens 6 g/cm3 aufweisen.

Description

Beschreibung
HARTMETALLPULVER FÜR DIE ADDITIVE HERSTELLUNG
DATEN VERWANDTER ANMELDUNGEN
[0001] Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß Artikel 8 des Patentkooperationsvertrages und 35 U.S.C.$120 der US-Patentanmeldung Nr. 15/437,153, eingereicht am 20. Februar 2017, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft Hartmetallpulver und insbesondere Hartmetallpulver zur Verwendung mit einer oder mehreren additiven Herstellungstechniken.
HINTERGRUND
[0003] Additive Herstellung umfasst im Allgemeinen Prozesse, in denen digitale 3-dimensionale (3D) Konstruktionsdaten verwendet werden, um einen Artikel oder eine Komponente in Schichten durch das Abscheiden und die Verarbeitung der Materialien herzustellen. Verschiedene Techniken wurden unter dem Dach der additiven Herstellung entwickelt. Die additive Herstellung bietet eine effiziente und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Herstellungstechniken von Artikeln, die auf Formungsprozessen basieren. Mit der additiven Herstellung können der erhebliche Zeit- und Kostenaufwand für das Formen und/oder den Formenbau und andere Werkzeuge vermieden werden. Des Weiteren ermöglichen additive Herstellungstechniken eine effiziente Verwendung von Materialien, indem das Recycling in dem Prozess ermöglicht wird und das Erfordernis von Formtrennmitteln und Kühlmitteln ausgeschlossen wird. Am wichtigsten ist, dass die additive Herstellung eine signifikante Freiheit in dem Artikelentwurf ermöglicht. Artikel mit sehr komplexen Formen können ohne signifikanten Aufwand hergestellt werden, was die Entwicklung und Bewertung einer Reihe von Artikelausführungen vor dem endgültigen Entwurf ermöglicht. Herkömmliche Verfahren sind beispielsweise aus der US 2016/375493 A1, der EP 3 409 801 A1, der WO 2011/008439 A2, der US 2011/030440 A1 und der US 2004/134309 A1 bekannt.
KURZDARSTELLUNG
[0004] Es werden Hartmetallpulverzusammensetzungen zur Verwendung bei der Herstellung von verschiedenen Artikeln durch eine oder mehrere additive Herstellungstechniken bereitgestellt. Kurz gesagt, umfasst eine hierin beschriebene Pulverzusammensetzung eine Teilchenkomponente, wobei die Teilchenkomponente Sinterhartmetallteilchen umfasst, die eine scheinbare Dichte von mindestens 6 g/cm? aufweisen. In einigen Ausführungsformen weisen die Sinterhartmetallteilchen eine scheinbare Dichte von mindestens 7 g/cm*® auf. Darüber hinaus können Sinterhartmetallteilchen der Pulverzusammensetzung eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von mindestens 80 Prozent der theoretischen Dichte aufweisen.
[0005] Unter einem anderen Gesichtspunkt werden hierin Verfahren zum Herstellen von Artikeln beschrieben. Ein Verfahren zum Herstellen von Artikeln umfasst das Bereitstellen einer Pulverzusammensetzung, die eine Teilchenkomponente einschließt, wobei die Teilchenkomponente Sinterhartmetallteilchen umfasst, die eine scheinbare Dichte von mindestens 6 g/cm*® aufweisen. Die Pulverzusammensetzung wird durch eine oder mehrere additive Herstellungstechniken zu einem Rohartikel geformt, und der Rohartikel wird gesintert, um einen Sinterartikel bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen weist der Sinterartikel eine theoretische Dichte von mehr als 95 Prozent auf. Additive Herstellungstechniken, die hier in Betracht gezogen werden, umfassen insbesondere Bindemittelspritzen, Materialspritzen, Laserpulverbett, Elektronenstrahlpulverbett und gerichtete Energieabscheidung, wie in ASTM F-42 beschrieben.
[0006] Diese und weitere Ausführungsformen werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung näher beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0007] FIG. 1A ist ein Rasterelektronenmikroskopie-Bild (REM-Bild) von Sinterhartmetallteilchen gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
[0008] FIG. 1B ist ein REM-Bild von vergleichbaren Sinterhartmetallteilchen.
[0009] Fig. 2 ist ein REM-Bild, das die Mikrostruktur eines Sinterartikels gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[0010] Hierin beschriebene Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele und deren vorherigen und folgenden Beschreibungen leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in der ausführlichen Beschreibung und in den Beispielen vorgestellt werden. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich, ohne vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen.
[0011] Unter einem Gesichtspunkt werden Pulverzusammensetzungen zur Herstellung von Artikeln durch verschiedene additive Herstellungstechniken bereitgestellt. Eine Pulverzusammensetzung umfasst eine Teilchenkomponente, die Sinterhartmetallteilchen umfasst, die eine scheinbare Dichte von mindestens 6 g/cm® aufweisen. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die scheinbare Dichte die Masse einer Volumeneinheit von Pulver oder Teilchen im losen Zustand, üblicherweise ausgedrückt in g/m®. In einigen Ausführungsformen weisen Sinterhartmetallteilchen der Teilchenkomponente eine scheinbare Dichte von mindestens 7 g/cm*® auf. Die scheinbare Dichte der Sinterhartmetallteilchen aus hierin beschriebenen Pulverzusammensetzungen kann auch Werte aufweisen, die aus Tabelle | ausgewählt sind.
[0012] Tabelle | - Scheinbare Dichte von Sinterhartmetallteilchen
>6,5 g/cm? >7,5 g/cm?® > 8 g/cm®
> 9 g/cm®
6-11 g/cm®
7-11 g/cm®
8-11 g/cm®
[0013] Die scheinbare Dichte von Sinterhartmetallteilchen kann gemäß ASTM B212 Standard Test Method for Apparent Density Free Flow Metal Powders (Standardprüfverfahren für die
scheinbare Dichte von frei fließenden Metallpulvern) unter Verwendung des Hall- Durchflussmesser-Trichters bestimmt werden.
[0014] Zusätzlich zu der scheinbaren Dichte können Sinterhartmetallteilchen von hierin beschriebenen Pulverzusammensetzungen eine Klopfdichte von mindestens 7 g/cm?® aufweisen. In einigen Ausführungsformen weisen Sinterhartmetallteilchen eine Klopfdichte mit einem Wert auf, der aus Tabelle Il ausgewählt ist.
[0015] Tabelle II - Klopfdichte von Sinterhartmetallteilchen
> 7,5 g/cm? > 8 g/cm? > 8,5 g/cm®
> 9,5 g/cm?3 7-12 g/cm® 8-12 g/cm® 9-12 g/cm® [0016] Die Klopfdichte von Sinterhartmetallteilchen kann gemäß ASTM B527 Standard Test Method for Tap Density of Metal Powders and Compounds (Standardprüfverfahren für die Klopfdichte von Metallpulvern und -verbindungen) bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen beträgt das Verhältnis der Klopfdichte zur scheinbaren Dichte (Hausner-Verhältnis) von Sinter-
hartmetallteilchen 1,05 bis 1,25. Das Hausner-Verhältnis von Sinterhartmetallteilchen beträgt in einigen Ausführungsformen 1,1 bis weniger als 1,25.
[0017] Zusätzlich zur scheinbaren Dichte und zur Klopfdichte können hierin beschriebene Sinterhartmetallteilchen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von mindestens 80 Prozent der theoretischen Dichte aufweisen. In einigen Ausführungsformen beträgt die durchschnittliche Einzelteilchendichte der Sinterhartmetallteilchen mindestens 90 Prozent oder mindestens 95 Prozent der theoretischen Dichte. Sinterhartmetallteilchen können in einigen Ausführungsformen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von 80 bis 95 Prozent der theoretischen Dichte aufweisen. In weiteren Ausführungsformen können Sinterhartmetallteilchen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von 90 bis 98 Prozent der theoretischen Dichte aufweisen.
[0018] Wie hierin ferner beschrieben wird, können die vorstehend angegebenen scheinbaren Dichten, Klopfdichten und Einzelteilchendichten durch einen oder mehrere Sinterprozesse erreicht werden, die auf die Teilchen angewendet werden. Für die Sinterprozesse werden in einigen Ausführungsformen keine Sinterhemmstoffe verwendet, um das Aneinanderkleben oder -haften der Teilchen abzuschwächen. Die hierin beschriebenen Eigenschaften von Sinterhartmetallteilchen können ohne Sinterhemmstoffe erreicht werden. In einigen Ausführungsformen werden Sinterhartmetallteilchen durch Sintern eines Pulvers geeigneter Güte bei Temperaturen von 1100 °C bis 1400 °C für 0,5 bis 2 Stunden hergestellt, um einen Sinterkörper bereitzustellen. Der Sinterkörper wird anschließend gemahlen, um einzelne Sinterhartmetallteilchen bereitzustellen. In Abhängigkeit von der Morphologie und Dichte der Teilchen können die Sinterhartmetallteilchen zur weiteren Verdichtung ferner wärmebehandelt werden. Eine weitere Wärmebehandlung kann eine Plasmaverdichtung wie etwa Plasmakugelglühen unter Verwendung eines HF-Plasmabrenners oder DC-Plasmabrenners umfassen. Alternativ können die Sinterhartmetallteilchen erneut gesintert werden, um einen zweiten Körper zu bilden. Der zweite Körper wird gemahlen, um die Sinterhartmetallteilchen bereitzustellen. Weitere Verdichtungsbehandlungen können beliebig oft angewendet werden, um den Sinterhartmetallteilchen gewünschte scheinbare Dichten, Klopfdichten und/oder Einzelteilchendichten bereitzustellen. Die Sinterzeiten und -temperaturen können gemäß verschiedenen Überlegungen ausgewählt werden, die unter anderem den Bindemittelgehalt der Hartmetallteilchen, die gewünschte Dichte und das Sinterstadium der Sinterteilchen einschließen. In einigen Ausführungsformen werden frühe Sinterschritte bei niedrigeren Temperaturen und/oder über kürzere Zeiten durchgeführt, um das Mahlen des Sinterkörpers zu erleichtern.
[0019] Beispielsweise kann ein Sinterprozess in einem Anfangs- oder frühen Stadium bei Temperaturen unterhalb der Bindemittelverflüssigung angewendet werden. Sinterprozesse eines späten oder Endstadiums können höhere Temperaturen erreichen, wie etwa Temperaturen, bei denen ein Flüssigphasensintern stattfindet.
[0020] FIG. 1A ist ein REM-Bild von Sinterhartmetallteilchen gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Zwei Sinterprozesse wurden auf die Hartmetallteilchen angewendet, was zu einer scheinbaren Dichte von 7 g/cm® und einer Klopfdichte von 8,5 g/cm?® führte. Zum Vergleich zeigt FIG. 1B ein REM-Bild von Sinterhartmetallteilchen, die eine scheinbare Dichte von 4,5 g/cm® und eine Klopfdichte von 5,5 g/cm® aufweisen. Wie in FIG. 1B veranschaulicht ist, weisen die Sinterhartmetallteilchen eine erheblich höhere Porosität auf, wodurch eine geringere Einzelteilchendichte bewirkt wird.
[0021] Sinterhartmetallteilchen können im Allgemeinen eine durchschnittliche Größe von 1 um bis 100 um aufweisen. In einigen Ausführungsformen weisen Sinterhartmetallteilchen eine durchschnittliche Größe auf, die aus Tabelle Ill ausgewählt ist.
[0022] Tabelle Ill - Durchschnittliche Größe von Sinterhartmetallteilchen (um) 5-90
5-50
10-75
10-50
5-40 20-40 0,5-2 1-5 1-10
[0023] Sinterhartmetallteilchen können in einigen Ausführungsformen eine Gaußsche Teilchengrößenverteilung aufweisen. In anderen Ausführungsformen können Sinterhartmetallteilchen eine polydisperse, bimodale oder multimodale Teilchengrößenverteilung aufweisen. In weiteren Ausführungsformen können Sinterhartmetallteilchen monodispers oder im Wesentlichen monodispers sein. Wenn sie im Wesentlichen monodispers sind, liegen die Hartmetallteilchen innerhalb von +10 Prozent oder +5 der durchschnittlichen Teilchengröße. In einigen Ausführungsformen sind Sinterhartmetallteilchen kugelförmig oder im Wesentlichen kugelförmig. Alternativ dazu können Sinterhartmetallteilchen eine Mischung unregelmäßig geformter Teilchen mit kugelförmigen oder im Wesentlichen kugelförmigen Teilchen sein.
[0024] Sinterhartmetallteilchen umfassen ein oder mehrere Metallcarbide, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Metallcarbiden der Gruppe IVB, Metallcarbiden der Gruppe VB und Metallcarbiden der Gruppe VIB. In einigen Ausführungsformen ist Wolframcarbid das einzige Metallcarbid der Sinterteilchen. In anderen Ausführungsformen werden ein oder mehrere Metallcarbide der Gruppe IVB, der Gruppe VB und/oder der Gruppe VIB mit Wolframcarbid kombiniert, um die Sinterteilchen bereitzustellen. Beispielsweise können bei der Herstellung von Sinterteilchen Chromcarbid, Titancarbid, Vanadiumcarbid, Tantalcarbid, Niobcarbid, Zirkoniumcarbid und/oder Hafniumcarbid und/oder feste Lösungen davon mit Wolframcarbid kombiniert werden. Wolframcarbid kann allgemein in einer Menge von mindestens etwa 80 oder 85 Gewichtsprozent in den Sinterteilchen vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen sind Metallcarbide der Gruppen IVB, VB und/oder VIB außer Wolframcarbid in den Sinterteilchen in einer Menge von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent vorhanden.
[0025] In einigen Ausführungsformen umfassen die Sinterhartmetallteilchen keine doppelten Metallcarbide oder niedrige Metallcarbide. Doppelte und/oder niedrige Metallcarbide schließen unter anderem die Eta-Phase (Co3W3C oder CogW6C), WC und/oder W3C ein. Darüber hinaus umfassen Sinterartikel, die aus Sinterhartmetallteilchen gebildet sind, in einigen Ausführungsformen auch keine nicht stöchiometrischen Metallcarbide. Zusätzlich können die Sinterhartmetallteilchen eine gleichförmige oder im Wesentlichen gleichförmige Mikrostruktur aufweisen.
[0026] Sinterhartmetallteilchen umfassen metallisches Bindemittel. Metallisches Bindemittel für Sinterhartmetallteilchen kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Cobalt, Nickel und Eisen und Legierungen davon. In einigen Ausführungsformen liegt metallisches Bindemittel in den Sinterhartmetallteilchen in einer Menge von 0,1 bis 35 Gewichtsprozent vor. Metallisches Bindemittel kann in den Sinterhartmetallteilchen auch in einer Menge vorliegen, die aus Tabelle IV ausgewählt ist.
[0027] Tabelle IV - Gehalt an metallischem Bindemittel (Gew.-%)
0,1-20 0,1-10 0,5-15 1-10 3-20
5-15
12-15 10-35 15-35 15-25
[0028] Ein metallisches Bindemittel für die Sinterhartmetallteilchen kann auch ein oder mehrere Additive, wie etwa Edelmetalladditive, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das metallische Bindemittel ein Additiv umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Platin, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium und Legierungen davon. In anderen Ausführungsformen kann ein Additiv für das metallische Bindemittel Molybdän, Silikon oder Kombinationen davon umfassen. Ein Additiv kann im metallischen Bindemittel in jeder beliebigen Menge vorliegen, solange dies den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht entgegensteht. Zum Beispiel kann in dem metallischen Bindemittel mindestens ein Additiv in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent der Sinterhartmetallteilchen vorhanden sein.
[0029] Unter einem anderen Gesichtspunkt werden hierin Verfahren zum Herstellen von Artikeln beschrieben. Ein Verfahren zum Herstellen von Artikeln umfasst das Bereitstellen einer Pulverzusammensetzung, die eine Teilchenkomponente umfasst, wobei die Teilchenkomponente Sinterhartmetallteilchen umfasst, die eine scheinbare Dichte von mindestens 6 g/cm? aufweisen. Die Pulverzusammensetzung wird durch eine oder mehrere additive Herstellungstechniken zu einem Rohartikel geformt, und der Rohartikel wird gesintert, um einen Sinterartikel bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen weist der Sinterartikel eine theoretische Dichte von mehr als 95 Prozent auf. Sinterhartmetallteilchen der Teilchenkomponente können jede hierin erörterte Zusammensetzung und Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel können Sinterhartmetallteilchen eine beliebige Kombination von Eigenschaften aufweisen, die aus den Tabellen I-IV hierin ausgewählt sind. Darüber hinaus können die Sinterhartmetallteilchen ein oder mehrere Metallcarbide umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Metallcarbiden der Gruppe IVB, Metallcarbiden der Gruppe VB und Metallcarbiden der Gruppe VIB, wie vorstehend beschrieben.
[0030] Wie hierin beschrieben, werden die Sinterhartmetallteilchen durch eine oder mehrere additive Herstellungstechniken zu einem Rohartikel geformt. Es kann jede beliebige additive Herstellungstechnik eingesetzt werden, die geeignet ist, um das Sinterhartmetallpulver zu einem Rohartikel zu formen. In einigen Ausführungsformen werden additive Herstellungstechniken, die ein Pulverbett einsetzen, verwendet, um Rohartikel zu konstruieren, die aus Sinterhartmetallpulver gebildet sind. Zum Beispiel kann durch Bindemittelspritzen einen Rohartikel bereitgestellt werden, der aus Sinterhartmetallpulver gebildet ist. Für den Bindemittelspritzprozess wird eine elektronische Datei bereitgestellt, die die Ausführungsparameter des Rohlings detailliert beschreibt. Die Bindemittelspritzvorrichtung verteilt eine Schicht aus Sinterhartmetallpulver in einem Formkasten. Ein Druckkopf bewegt sich über die Pulverschicht, wobei flüssiges Bindemittel gemäß den Ausführungsparametern für diese Schicht aufgebracht wird. Die Schicht wird getrocknet, und der Formkasten wird abgesenkt. Eine neue Schicht aus Sinterhartmetallpulver wird verteilt, und der Prozess wird wiederholt, bis der Rohartikel fertiggestellt ist. In einigen Ausführungsformen können andere 3D-Druckvorrichtungen verwendet werden, um den Rohartikel aus dem Sinterhartmetallpulver in Verbindung mit organischem Bindemittel zu konstruieren.
[0031] Bei der Bildung des Rohartikels durch eine oder mehrere additive Herstellungstechniken
kann jedes beliebige organische Bindemittel verwendet werden, das den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht entgegensteht. In einigen Ausführungsformen umfasst organisches Bindemittel ein oder mehrere polymere Materialien, wie Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyethylenglycol (PEG) oder Mischungen davon. Organisches Bindemittel ist in einigen Ausführungsformen härtbar, was die Festigkeit des Rohartikels verbessern kann. Der Rohartikel kann beispielsweise eine Druckfestigkeit von mindestens 10 MPa aufweisen. In einigen Ausführungsformen liegt die Druckfestigkeit des Rohartikels im Bereich von 10 bis 20 MPa. Die Druckfestigkeit des Rohartikels wird gemäß ASTM E9 Standard Test Method of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature (Standardprüfverführen für Druckfestigkeitsprüfungen an metallischen Werkstoffen bei Raumtemperatur) bestimmt.
[0032] Rohartikel, die aus den hierin beschriebenen Pulverzusammensetzungen gebildet werden, können unter Bedingungen und für Zeitspannen gesintert werden, um Sinterartikel mit der gewünschten Dichte bereitzustellen. Der Rohartikel kann unter einer Wasserstoff- oder Argonatmosphäre bei Temperaturen von 1300 °C bis 1560 °C gesintert oder mit Vakuum gesintert werden. Darüber hinaus können Sinterzeiten im Allgemeinen im Bereich von 10 Minuten bis 5 Stunden liegen. In einigen Ausführungsformen wird dem Sinterprozess heißisostatisches Pressen (HIP) hinzugefügt. Das heißisostatische Pressen kann als sich an das Sintern anschließender Prozess oder während des Sinterns mit Vakuum durchgeführt werden. Heißisostatisches Pressen kann für bis zu 2 Stunden bei Drücken von 1 MPa bis 300 MPa und bei Temperaturen von 1300 °C bis 1560 °C angewendet werden. Die hierin beschriebenen Sinterartikel können Dichten von mehr als 98 % der theoretischen Volldichte aufweisen. Die Dichte eines Sinterartikels kann mindestens 99 % der theoretischen Volldichte betragen. Außerdem kann die Mikrostruktur der Sinterartikel in einigen Ausführungsformen gleichförmig sein. Nicht stöchiometrische Hartmetalle, wie z. B. Eta-Phase, WC und/oder W2C, können in den Sinterartikeln ebenfalls fehlen. Alternativ dazu können Sinterhartmetallartikel mindestens ein nicht stöchiometrisches Metallcarbid in kleineren Mengen umfassen (im Allgemeinen zu <5 Gew.-% oder zu <1 Gew.-%). Darüber hinaus kann ein hierin beschriebener Sinterartikel eine durchschnittliche Korngröße von weniger als 100 um aufweisen. In einigen Ausführungsformen, beispielsweise, weist ein Sinterartikel eine durchschnittliche Korngröße von 1-50 um oder 10- 40 um auf.
[0033] Sinterartikel, die gemäß den hierin beschriebenen Verfahren gebildet wurden, können eine Querreißfestigkeit von mindestens 2 GPa oder mindestens 2,5 GPa aufweisen. In einigen Ausführungsformen weisen Sinterartikel eine Querreißfestigkeit mit einem Wert auf, der aus Tabelle V ausgewählt ist.
[0034] Tabelle V - Querreißfestigkeit der Sinterartikel (GPa)
2-3,5 2-2,8 2,5-3,5 2,6-3,3 2,8-3,5 2,9-3,3 3-3,5 2,8-3,2
[0035] Die Querreißfestigkeit von hierin beschriebenen Sinterartikeln wird gemäß dem ASTM B406 - Standard Test Method of Transverse Rupture Strength of Cemented Carbides (StandardPrüfverfahren der Querreißfestigkeit von Hartmetallen) bestimmt. Hierin beschriebene Sinterartikel können auch eine Härte von 500 bis 3000 HV500gf aufweisen. HV500gf bezieht sich auf die Vickers-Härte unter Verwendung einer 500-Gramm-Kraftlast. Die Mikrohärteausstattung wird gemäß ASTM E 384 - Standard Methods for Knoop and Vickers Hardness Materials (Standardverfahren für Knoop- und Vickers-Härte-Materialien) zertifiziert. In einigen Ausführungsformen weist
ein Sinterartikel beispielsweise eine Härte von 700- 1500 HV30 auf.
[0036] In einigen Ausführungsformen weist ein Sinterartikel, der gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, weniger als 25 Prozent Schrumpfung oder weniger als 20 Prozent Schrumpfung in einer oder mehreren Dimensionen relativ zum Rohartikel auf. Das lineare Schrumpfen des Sinterartikels in einer oder mehreren Dimensionen relativ zum Rohartikel kann auch einen Wert aufweisen, der aus Tabelle VI ausgewählt ist.
[0037] Tabelle VI - Lineares Schrumpfen eines Sinterartikels
< 15% < 10% < 5%
5-25 % 5-10% 1-10% 1-5%
[0038] Sinterartikel, die nach den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt sind, können in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden, einschließlich der Petrochemie, der Automobilindustrie, der Luftfahrtindustrie, der industriellen Bearbeitung und Herstellung. In einigen Ausführungsformen werden die Sinterartikel als Komponenten verwendet, die Verschleiß oder abrasiven Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, wie etwa Komponenten zur Durchflussregelung, Pumpen, Lager, Ventile, Verntilkkomponenten, Zentrifugenkomponenten, Plattenstapel- und/oder Fluidhandhabungskomponenten. Der Sinterartikel kann auch einen oder mehrere interne Fluidströmungskanäle umfassen, die durch die additive Herstellungstechnik gebildet werden. In einigen Ausführungsformen sind Sinterartikel endkonturnah geformt und/oder erfordern eine minimale Verarbeitung nach dem Sintern, um den Artikel in seiner endgültigen Form zu platzieren. Diese und andere Ausführungsformen werden durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
BEISPIEL 1 - PULVERZUSAMMENSETZUNG
[0039] Eine Pulverzusammensetzung, die Sinterhartmetallteilchen umfasst, wurde wie folgt hergestellt. Wolframcarbid-Teilchen (WC-Teilchen) wurden mit Kobaltpulver gemahlen, um eine Qualitätszusammensetzung herzustellen, die zu 83 Gewichtsprozent WC und zu 17 Gewichtsprozent Kobalt (WC-17Co) umfasst. Nach dem Mahlen wurde die WC-17Co-Qualität sprühgetrocknet und zu einer -53 um bis +10 um-Verteilung gesiebt. Das gesiebte Qualitätspulver wurde in dem festen Zustand bei 1150-1200 °C für 1 bis 2 Stunden im Vakuum gesintert (<10*® Torr), wobei ein leicht gesinterter Körper gebildet wurde. Der Körper wurde von einer Schlagmühle gemahlen, um Sinterhartmetallteilchen bereitzustellen. Die Sinterhartmetallteilchen wurden in einem teilweise flüssigen Zustand bei 1280-1350 °C für 1 bis 2 Stunden im Vakuum (<10*® Torr) erneut gesintert, wobei ein poröser Sinterkörper bereitgestellt wurde. Der poröse Sinterkörper wurde kugelgemahlen, gefolgt von Schlagmahlen, um Sinterhartmetallteilchen bereitzustellen, die eine scheinbare Dichte von 6,5 g/cm® aufweisen. Analyse durch Röntgenstrahlbeugung (XRD) bestätigte die Abwesenheit von nicht stöchiometrischen Carbiden, einschließlich Eta-Phase, in den Sinterhartmetallteilchen.
BEISPIEL 2 - SINTERARTIKEL
[0040] Sinterhartmetallpulver (WC-17 % Co) von Beispiel 1 wurde in die Kammer eines 3DDrucksystems von ExOne von N. Huntingdon, PA, geladen. Ein 3D-Drucksystem erzeugte Querbruchleistenrohlinge in einem Schichtprozess unter Verwendung von iterativem Verteilen des WGC-17 % Co-Pulvers in einem Formkasten, gefolgt vom Aufbringen eines PVP-PEG- Bindemittels mit Polyglycolether-Lösungsmittel gemäß der Ausführung der Bruchleiste. Insgesamt wurden
fünfzehn (15) Querbruchleistenrohlinge durch Bindemittelspritzen der Sinterhartmetallteilchen in die ExOne-Vorrichtung hergestellt. Die Leistenrohlinge wurden anschließend für 4 Stunden bei 200 °C an der Luft gehärtet. Die Querbruchleistenrohlinge wiesen gute Festigkeits- und Handhabungseigenschaften auf. Die Querbruchleistenrohlinge, beispielsweise, splitterten oder blätterten nicht ab und zeigten eine Druckfestigkeit von mindestens 10 MPa gemäß ASTM E9. Die Querbruchleistenrohlinge wurden für 0,5 bis 1 Stunde bei 1460 bis 1500 °C im Vakuum gesintert und auf 13,7 g/cm®, entsprechend 99,3 % der theoretischen Dichte, verdichtet. Die 15 Sinterquerbruchleisten wurden dann auf Maß geschliffen und gemäß ASTM B406 getestet. Die durchschnittliche Querreißfestigkeit der Leisten betrug 3044 MPa. Mikrostrukturelle Analyse zeigte keine Eta-Phase und die Abwesenheit von übermäßig großen Körnern. FIG. 2 ist ein REM der Mikrostruktur einer Sinterquerbruchleiste in dem vorliegenden Beispiel. Wie in FIG. 2 veranschaulicht, ist die Mikrostruktur im Wesentlichen gleichförmig.
BEISPIEL 3 - VERGLEICHSPULVERZUSAMMENSETZUNG UND -SINTERARTIKEL
[0041] Wolframcarbid-Teilchen (WG-Teilchen) wurden mit Kobaltpulver gemahlen, um eine Qualitätszusammensetzung herzustellen, die zu 83 Gewichtsprozent WC und zu 17 Gewichtsprozent Kobalt (WC-17Co) umfasst. Nach dem Mahlen wurde die WC-17Co-Qualität sprühgetrocknet und zu einer -53 um bis +10 um-Verteilung gesiebt. Das gesiebte Qualitätspulver wurde in dem festen Zustand bei 1150-1200 °C für 1 bis 2 Stunden im Vakuum gesintert (<10® Torr), wobei ein leicht gesinterter Körper gebildet wurde. Der Körper wurde mit einer Schlagmühle gemahlen, um Sinterhartmetallteilchen bereitzustellen, die eine scheinbare Dichte von 4,5 g/cm® aufweisen.
[0042] Dieses Sinterhartmetallpulver wurde in die Kammer des ExOne-3D-Drucksystems geladen. Ein 3D-Drucksystem erzeugte einen Querbruchleistenrohling in einem Schichtprozess unter Verwendung von iterativem Verteilen der Pulverzusammensetzung in einem Formkasten, gefolgt vom Aufbringen eines PVP-PEG-Bindemittels mit Polyglycolether-Lösungsmittel gemäß der Ausführung der Bruchleiste. Der Leistenrohling wurde in einem Ofen bei 200 °C für 4 Stunden gehärtet. Der Leistenrohling war zerbrechlich und zersplitterte während der Handhabung. Die Druckfestigkeit des Leistenrohlings konnte aufgrund der strukturellen Schwäche des Leistenrohlings nicht gemessen werden. Der Leistenrohling wurde im Vakuum (<10° Torr) bei 1460 bis 1500 °C für 0,5 bis 1 Stunde gesintert. Die Sinterquerbruchleiste wurde auf 97 % der theoretischen Dichte verdichtet und wies eine lineare Schrumpfung von 31 % in der Länge relativ zu der Länge des Leistenrohlings auf.
[0043] Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllen. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich, ohne vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (33)

Patentansprüche
1. Pulverzusammensetzung, die umfasst: eine Teilchenkomponente, umfassend freifließende Sinterhartmetallteilchen, die eine Schüttdichte von mindestens 6 g/cm? aufweisen.
2. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Schüttdichte der freifließenden Sinterhartmetallteilchen 7 g/cm® bis 11 g/cm® beträgt.
3. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von mindestens 80 Prozent einer theoretischen Dichte aufweisen.
4. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von mindestens 90 Prozent einer theoretischen Dichte aufweisen.
5. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von 80 bis 95 Prozent einer theoretischen Dichte aufweisen.
6. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen eine durchschnittliche Größe von 1 um bis 100 um aufweisen.
7. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 6, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen kugelförmig oder im Wesentlichen kugelförmig sind.
8. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen ein oder mehrere Metallcarbide umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Metallcarbiden der Gruppe IVB, Metallcarbiden der Gruppe VB und Metallcarbiden der Gruppe VIB.
9. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen Wolframcarbid umfassen.
10. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen ferner mindestens ein Metallcarbid der Gruppe VB umfassen.
11. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen keine nicht stöchiometrischen Metallcarbide umfassen.
12. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die nicht stöchiometrischen Metallcarbide Eta-Phase einschließen.
13. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen ein metallisches Bindemittel in einer Menge von 0,1 bis 35 Gewichtsprozent umfassen.
14. Pulverzusammensetzung nach Anspruch 13, wobei das metallische Bindemittel ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Kobalt, Nickel, Eisen und Legierungen davon.
15. Verfahren zum Herstellen eines Artikels, umfassend: Bereitstellen einer Pulverzusammensetzung, die eine Teilchenkomponente einschließt, die freifließende Sinterhartmetallteilchen umfasst, die eine Schüttdichte von mindestens 6 g/cm® aufweisen; Bilden der Pulverzusammensetzung zu einem Rohartikel durch eine oder mehrere additive Herstellungstechniken und Sintern des Rohartikels, um einen Sinterartikel bereitzustellen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Sinterartikel eine theoretische Dichte von mehr als 95 Prozent aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Sinterartikel eine theoretische Dichte von mehr als 99 Prozent aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Sinterartikel vollständig dicht ist.
19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Rohartikel organisches Bindemittel zusätzlich zur Pulverzusammensetzung umfasst.
20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Rohartikel eine Druckfestigkeit von mindestens 10 MPa aufweist.
21. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Sinterartikel eine Querreißfestigkeit von mindestens 2,5 GPa aufweist.
22. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Sinterartikel weniger als 20 Prozent Schrumpfung in einer oder mehreren Dimensionen relativ zum Rohartikel aufweist.
23. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schüttdichte der freifließenden Sinterhartmetallteilchen 7 g/cm?® bis 11 g/cm® beträgt.
24. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von mindestens 80 Prozent einer theoretischen Dichte aufweisen.
25. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen ein oder mehrere Metallcarbide umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Metallcarbiden der Gruppe IVB, Metallcarbiden der Gruppe VB und Metallcarbiden der Gruppe VIB.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen Wolframcarbid umfassen.
27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen ferner mindestens ein Metallcarbid der Gruppe VB umfassen.
28. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen eine im Wesentlichen gleichförmige Mikrostruktur aufweisen.
29. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die freifließenden Sinterhartmetallteilchen ein metallisches Bindemittel in einer Menge von 0,1 bis 35 Gewichtsprozent umfassen.
30. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die additive Herstellungstechnik Bindemittelspritzen ist.
31. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Sinterartikel einen oder mehrere interne Fluidströmungskanäle umfasst, die durch die additive Herstellungstechnik gebildet werden.
32. Verwendung eines Sinterartikels als Komponente zur Durchflussregelung für Öl- und Gasanwendungen, wobei der Sinterartikel durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 31 erhalten worden ist.
33. Verwendung eines Sinterartikels als Pumpenkomponente für Öl- und Gasanwendungen, wobei der Sinterartikel durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 31 erhalten worden ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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