DE10039143C1

DE10039143C1 - Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile mittels Lasersintern und deren Nachbehandlung

Info

Publication number: DE10039143C1
Application number: DE10039143A
Authority: DE
Inventors: Semichi Abdolreza; Frank Petzoldt; Haiko Pohl; Holger Loeffler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-01-10
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: AU2001278408A1; EP1307311A1; WO2002011928A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile durch Lasersintern eines Pulvermaterials, das aus einer Mischung von mindestens zwei Pulverelementen besteht und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung durch den Hauptbestandteil Eisenpulver und weitere Pulverlegierungselemente gebildet ist, die in elementarer, vorlegierter oder teilweise vorlegierter Form vorliegen, und dass im Verlaufe des Lasersinterprozesses aus diesen Pulverelementen eine Pulverlegierung entsteht. Es werden folgende Pulverlegierungselemente, jedes für sich oder in beliebiger Kombination dem Eisenpulver zugegeben: Kohlenstoff, Silizium, Kupfer, Zinn, Nickel Molybdän, Mangan, Chrom, Kobalt, Wolfram, Vanadium, Titan, Phosphor, Bor. Die hergestellten Bauteile werden folgenden Nachbehandlungsschritten, die einzeln oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden, unterzogen: Homogenisierung, Spannungsarmglühen, Wärmebehandlung, Abbau innerer Fehlstellen und Verbesserung der Oberflächengüte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 0 782 487 B1 bekannt. Da nach wird ein Bauteil nach dem Verfahren des Lasersinterns durch Sintern von Metallpulvermischungen mit drei Kompomenten hergestellt. Dabei ist das wichtigste Ziel der Erfindung die Erhöhung der Schmelztemperatur des fertigen Bauteiles.

Bei der Herstellung von metallischen Bauteilen aus konventio nellen Pulvermischungen besteht das Problem, dass die Porosi tät der hergestellten Bauteile relativ hoch ist. Werden die Bauteile mit einem Stahlpulver hergestellt, kann eine Dichte von ca. 90% der theoretischen Dichte erreicht werden. In den lasergesinterten Teilen aus Bronze verbleibt eine Restporosi tät von ca. 30%. Bei Erhöhung der Dichte der fertigen Bautei le z. B. durch Infiltration sinkt die Einsatztemperatur auf ca. 180°C. Weitere Nachteile der konventionellen Pulvermischun gen bestehen in den erreichbaren mechanischen Eigenschaften des Bauteiles. Die thermischen Spannungen, die während des La sersinterprozesses im Bauteil entstehen, bleiben als Eigen spannungen erhalten und führen zu einer Rissbildung an be stimmten Stellen, wie z. B. starken Querschnittübergängen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, metallische Bauteile im Verfahren des Lasersinterns kostengünstig mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und in hoher Qualität herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Danach besteht die Pulvermischung mit der im Verfahren des La sersinterns Bauteile hergestellt werden sollen, aus dem Haupt bestandteil Eisen und weiteren Pulverbestandteilen, die in elementarer, vorlegierter oder in teilweise vorlegierter Form vorliegen können. Aus diesen Pulverlegierungselementen ent steht im Verlaufe des Lasersinterprozesses innerhalb von Mil lisekunden eine Pulverlegierung aus der das Bauteil besteht. Dabei wird die Pulvermischung/Legierung in einen Temperaturbe reich nahe/oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt, versintert und durch anschließendes sehr schnelles Abkühlen in einen metasta bilen Zustand überführt. Dieser metastabile Zustand ist we sentlich für die Durchführung einer darauffolgenden Nachbe handlung, welche die Eigenschaften sowohl des Werkstoffes als auch der daraus hergestellten Bauteile entscheidend verbes sert. Die Nachbehandlung besteht aus folgenden Schritten, die einzeln oder in Kombination durchgeführt werden können: Ver dichtung, Homogenisierung, Spannungsarmglühung, Wärmebe handlung, Abbau innerer Fehlstellen, Verbesserung der Ober flächengüte.

Dem Hauptbestandteil Eisen der Pulvermischung werden je nach Anforderungen an das Fertigbauteil oder das Herstellungsver fahren folgende weitere Pulverelemente einzeln oder in belie biger Kombination zugegeben: Kohlenstoff C, Silizium Si, Kup fer Cu, Zinn Sn, Nickel Ni, Molybdän Mo, Mangan Mn, Chrom Cr, Kobalt Co, Wolfram W, Vanadium V, Titan Ti, Phosphor P, Bor B.

Diese Pulverbestandteile können einzeln oder in beliebiger Kombination, je nach Anforderungen an die Eigenschaften des Fertigbauteils oder des Herstellungsverfahrens, in folgenden Mengen zugegeben werden: Kohlenstoff C: 0,01-2 M.-%, Silizium Si: bis zu 1 M.-%, Kupfer Cu: bis zu 10 M.-%, Zinn Sn: bis zu 2 M.-%, Nickel Ni: bis zu 10 M.-%, Molybdän Mo: bis zu 6 M.-%, Mangan Mn: bis zu 2 M.-% oder 10-13 M.-%, Chrom Cr: bis zu 5 M.-% oder 12-18 M.-%, Kobalt Co: bis zu 2 M.-%, Wolfram W bis zu 5 M.-%, Vanadium V: bis zu 1 M.-%, Titan Ti: bis zu 0,5 M.-%, Phosphor P: bis zu 1 M.-%, Bor B: bis zu 1 M.-%.

Die Erfindung sieht vor, dass die einzelnen Pulverbestandteile in elementarer, legierter oder teilweise legierter Form vor liegen. Dabei kann es sich um Pulverteilchen handeln, die mit dem Hauptbestandteil Eisen legiert sind. In diesem Fall liegen sie als z. B. Ferrobor, Ferrochrom, Ferrophosphor, oder Eisen silizid vor. Es können auch weitere Pulverelemente in legier ter oder vorlegierter Form zugegeben werden, wie z. B. Kupferphosphid, die aber im übrigen hier nicht einzeln aufgezählt werden. Es ist auch vorgesehen, dass die aus den o. g. Pulver bestandteilen gebildete Pulvermischung in einem separaten Ver fahrensschritt vorlegiert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Pulvermischung aus wasser- oder gasverdüsten Pulvern, Karbonylpulvern, gemahlenen Pulvern oder einer Kombination aus diesen.

Es ist vorgesehen, dass die Pulverpartikel der Pulvermischung eine Größe < 50 µm, bevorzugt zwischen 20-30 µm aufweisen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, dass die Pulverpartikelgröße zwischen 50 und max. 100 µm liegen kann. Diese Partikelgröße ist dann besonderes vorteilhaft, wenn die Bauteile schnell hergestellt werden sol len, d. h. wenn die Pulverschichten im Lasersinterverfahren ei ne Schichtdicke von max. 100 µm aufweisen, bei welcher Schicht dicke das Verfahren relativ schnell durchgeführt werden kann.

Es hat sich herausgestellt, dass eine Partikelverteilung von 30% < 20 µm und einer Restmenge aus Partikeln der Größe zwi schen 20 und 60 µm zu besonderes guten Verfahrensergebnissen führt, da dadurch hohe Schüttdichte bei gleichzeitig guter Fliessfähigkeit erreicht wird.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 9 ist vor gesehen, dass der Hauptbestandteil der Pulvermischung, das Ei senpulver einen Anteil zwischen 5 und 20% von Partikeln der Größe < 10 µm und die Restmenge der Pulverpartikel eine Größe zwischen 50 und 60 µm aufweist.

Durch die optimierte Wahl der Belichtungsparameter kann die Dichte der Bauteile nach dem Lasersintern so eingestellt wer den, dass entweder kurze Bauzeiten mit niedrigerer Bauteil dichte oder hohe Eigenschaftsanforderungen (hohe Dichten bei längeren Bauzeiten) berücksichtigt werden. Bei sehr hohen An forderungen hinsichtlich Temperatur und Verschleiß kann nun durch eine gezielte Nachbehandlung (Sintern, Infiltration, HIP) die Restporosität beseitigt werden. Dabei bleibt der Tem peratureinsatzbereich unverändert oder wird verbessert. Gleichzeitig können durch die Wärmebehandlung/Sinterung die Eigenspannungen beseitigt und dadurch die Bauteilqualität gesteigert werden. Bei der Herstellung der Bauteile im Laser sinterverfahren wird die minimale Dichte durch die notwendige Teilefestigkeit bestimmt. Sie muss so hoch sein, dass einer seits das Teil auf der Bauplattform fixiert bleibt und ande rerseits die Durchführung einer Nachbehandlung möglich ist. Die obere Grenze der Dichte wird von dem Werkstoff und den ge wünschten Eigenschaften bestimmt. Außerdem werden ökonomische Belange berücksichtigt. Z. B. konnte bereits gezeigt werden, dass durch geeignete Wahl der Pulvercharakteristik und der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffsystems lasergesinter te Teile mit Dichten 92% der theoretischen Dichte hergestellt werden konnten. Dabei handelt es sich um einen niedriglegier ten Stahl, bei dem die Baurate 5,4 cm³/h betrug. Höhere Baura ten können eingestellt werden, wenn ökonomische Belange eine größere Rolle als die Bauteileigenschaften spielen. Um Kosten zu sparen, kann daher ein Teil mit höherer Baurate bei niedri gerer lasergesinterter Dichte hergestellt werden. Die notwen dige Dichte kann durch eine Nachbehandlung erzielt werden.

Die einzelnen Verfahrensschritte der Nachbehandlung werden im Folgenden näher erläutert:

Verdichtung

Lasergesinterte Bauteile können direkt mit unter schiedlichen Dichten hergestellt werden. Jedoch haben innere Poren einen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigen schaften eines Bauteils. Daher ist die Reduzierung der Rest porosität eine Möglichkeit, das Einsatzfeld lasergesinterter Teile zu erweitern. Dieses Ziel kann durch eine Nachbehandlung mit unterschiedlichen Schritten erreicht werden. Die Schritte beinhalten a) konventionelles Sintern, b) Infiltration oder c) isostatisches Verdichten. Beim Sintern können verschiedene Me chanismen aktiviert werden, z. B. Festkörpersintern und/oder Flüssigphasensintern. Ein Drucksintern ist ebenso anwendbar. Lasergesinterte Strukturen aus Stahl können besonders gut durch eine Kombination aus Festkörper- und Flüssigphasensin tern verdichtet werden. Lasergesinterte Stahlpulvergemische weisen eine hohe Inhomogenität auf. Starke Mikro- und Makrose gregationen entstehen während der Belichtung mit dem Laser strahl als Folge von Schockerwärmung und -abkühlung. Dadurch werden manche Legierungselemente, wie z. B. Kupfer, nicht vollständig im Stahlgefüge gelöst. Weiterhin entstehen nied rigschmelzende Phasen, wie z. B. die Eutektika von Fe-C, Fe-B, Fe-P. Wird nun ein lasergesintertes Bauteil aus Stahl in einem dazu geeigneten Ofen mit einer typischen Heizrate von 10 K/min erwärmt, kann sich eine flüssige Phase zwischen festen lasergesinterten Strukturen bilden. Einige ungelöste Legierungsele mente (Kupfer) schmelzen und führen ebenfalls zu einer Ver dichtung. Segregationen von Legierungselementen innerhalb von Teilchen oder an Korngrenzen können zur Bildung einer diffusiven Flüssigphase führen (Supersolidus-Sintern). Am Beispiel eines Stahls aus (Angaben in M.-%, Rest Fe) 0,9-1,2C - 1-2Cu - 0- 1,5Mo - 0-2Ni - 0,15B konnte diese Methode erfolgreich nachge wiesen werden. So kam es zur Bildung einer ersten Schmelze bei einer Temperatur von 1090°C, welche auf das Schmelzen von Kupfer zurückzuführen ist. Innerhalb der Teilchen kam es bei einer Temperatur von 1135°C zur Bildung einer zweiten flüssi gen Phase durch eine eutektische Phase des Systems Fe-C. 100% Dichte kann durch geeignete Pulvereigenschaften (Pulverkorn größe, Zusammensetzung), Lasersinterparameter (Laserenergie, Laserscangeschwindigkeit) und Sinterbedingungen (Temperatur, Atmosphäre) erzielt werden. Die Genauigkeitseigenschaften kön nen ebenfalls durch die Modifikation des Pulversystems, insbe sondere die chemische Zusammensetzung und durch die Nachbe handlungsschritte kontrolliert werden. So kann Sinterschwund teilweise durch die Ausdehnung während des Homogenisierens der Legierungselemente ausgeglichen werden. Während des Lasersin terns werden die Legierungselemente nicht vollständig homoge nisiert. Dafür finden Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse in einem zu kurzem Zeitraum statt. Zum Beispiel verbleiben Kup ferpartikel nach dem Lasersintern in ungelöster Form. Deshalb bildet sich eine flüssige Phase während der Nachsinterung, die zwischen die Korngrenzen der Eisenpulverteilchen eindringt, sich in Eisen löst und so zu einem Schwelleffekt führt, der den Sinterschwund teilweise oder vollständig ausgleichen kann. Weiterhin ergeben Legierungselemente wie Molybdän und Nickel im gelösten Zustand ebenfalls Schwelleffekte beim Nachsintern. So kann eine Pulvermischung mit Kohlenstoff (Fe-C allein führt durch Porenreduzierung zum Sintern und Schwund), Kupfer und Molybdän und/oder Nickel (diese Elemente ergeben den Schwelleffekt) zur Kompensation der Schwindung durch gleich große Ausdehnung verwendet werden. Der zuvor genannte Stahl konnte mit einem linearen Schwund von 0,8% zu voller Dichte von einer lasergesinterten Dichte von 92% ausgehend nachver dichtet werden. Durch eine gezielte Wahl der Belichtungspara meter, besonders die Anpassung der Strahlkompensation beim Be lichten der Vor- und Nachkontur, kann ebenfalls die Genauig keit kontrolliert werden.

Das Sintern ist nur eine Methode, um vollkommen dichte Bautei le herzustellen. Materialinfiltration mit Polymeren (Epoxydharzen) oder Metallinfiltration mit Kupfer, Bronze oder Hartloten kann zum Verschließen von Poren genutzt werden. Je doch können solche Methoden nur offene Poren verschließen. Me chanische Methoden, die z. B. ein Heissisostatisches Pressen beinhalten, können auch auf geschlossene Poren angewendet wer den.

Homogenisierung

Direkt lasergesinterte Bauteile können ein inhomogenes Gefüge aufweisen. Zum Beispiel liegen sogar im Sy stem Eisen-Kohlenstoff Ferrit, Perlit und Martensit und ange lassener Martenit gleichzeitig vor. Die Existenz von Legie rungselementen, wie z. B. Molybdän und Bor, resultiert in der Bildung von Zwischenstufengefüge. Die Mikrohärte variiert da durch zwischen Werten von 150 bis 900 HV. Die Inhomogenität steigt, wenn elementares und/oder teilweise vorlegiertes Pul ver verwendet wird. Die Bildung und die Segregation von harten Phasen wie z. B. Karbiden, Boriden und Nitriden verringern die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zähigkeit. Durch eine Homogenisierung, die zusammen mit der Sinterung zur Erhö hung der Dichte durchgeführt werden kann, verbessern sich die Bauteileigenschaften lasergesinterter Strukturen. Die Homoge nisierung von Legierungselementen kann ebenfalls bei hohen Temperaturen durch die Bildung einer flüssigen Phase erzielt werden. Das System Fe-0,8 C-0,3 B oder Fe-1,2 C-0,4 P mit An teilen von Kupfer, Molybdän und Nickel (bis zu 2%) kann bei ca. 1150°C durch die Bildung von diffundierenden eutekti schen, flüssigen Phasen aus Eisen-Kohlenstoff-Bor bzw. Eisen- Kohlenstoff-Phosphor in einer Verdichtung und gleichzeitig sehr schnell ablaufenden Homogenisierung resultieren. Das Ge füge besteht danach aus feinem, homogenen Bainit mit einem ge ringen Anteil an erstarrter eutektischer Phase.

Spannungsarmglühen

Erwärmung und Abkühlen der Pulverteilchen im Lasersinterprozess finden in einem sehr kurzen Zeitfenster statt (< 50 ms). Dadurch kommt es zur Ansammlung von thermi schen Spannungen in bestimmten Bereichen des Bauteils. Wenn der Werkstoff zusätzlich eine Phasenumwandlung erlebt, werden den thermischen Spannungen weitere Eigenspannungen überlagert. Z. B. kann für einen lasergesinterten Stahl mit 1% C ein 60minütiges Halten bei einer Temperatur von 200°C die Erhö hung der Biegefestigkeit um 20% bewirken. Spannungsarmglühen verbessert die Bauteileigenschaften also in erheblichen Maße. Diese Methode kann mit den Schritten a) und b) verbunden wer den.

Wärmebehandlung

Diese Nachbehandlung setzt sich zusammen aus der Homogenisierung und dem Spannungsarmglühen.

Abbau innerer Fehlstellen

Thermische Spannungen, die während des Bauprozesses entstehen, verbleiben nach dem Lasersinter prozess als Eigenspannungen im Bauteil. Akkumulierte Eigen spannungen bewirken oftmals eine Rissbildung senkrecht zur Baurichtung. Diese Eigenspannungen müssen besonders in hochbe anspruchten Teilen, wie z. B. Werkzeugen, beseitigt werden. Eine Wärmebehandlung des zuvor genannten Stahls bei einer Tem peratur von 1220°C (20 min) bewirkte eine Verbesserung der Biegefestigkeit um 40% ohne Änderung der Dichte.

Verbesserung der Oberflächengüte

Die Oberflächengüte kann durch eine Wärmebehandlung positiv beeinflusst werden. Unter schiedliche Methoden werden bisher vorrangig eingesetzt, wie z. B. Strahlen mit verschiedenen Strahlmitteln oder Infiltra tion. Wird jedoch ein optimierter Sinterzyklus zur Dichtestei gerung angewendet, kann dadurch gleichzeitig die Oberflächen güte verbessert werden. Dabei spielt die Bildung einer diffu siven flüssigen Phase nahe der Oberfläche eine große Rolle. Diese führt zu einem Verschließen der Poren und gleichzeitig zu einer Einebnung der Oberflächenstrukturen. Dieses Merkmal ist bei allen komplexen Bauteilen (Formeinsätze für den Kunst stoffspritzguss) vorteilhaft, bei denen andere Verfahren nicht zum gewünschten Resultat führen.

Die technischen Anwendungsgebiete der Erfindung bestehen in der Herstellung metallischer Prototypen (Rapid Prototyping), von Einzelteilen (Direct Parts) oder Werkzeugen (z. B. Formein sätze für den Kunstoffspritzguss oder Metalldruckguss - Rapid Tooling) mit dem generativen Verfahren Direktes-Metall-Laser sintern. Aufgrund der sehr guten mechanischen Eigenschaften können solche Teile im Formen- und Werkzeugbau sowie im Ma schinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der folgenden bei spiele näher beschrieben:

Beispiel 1

Konventionelle Pulver werden in der gewünschten Legierungszu sammensetzung miteinander gemischt, wobei die Pulvereigen schaften so eingestellt werden, dass sie den Anforderun gen an das Fertigbauteil oder das Verfahren entsprechen. Es ist wesentlich, dass ein gutes Fliessverhalten bei gleichzei tig hoher Schüttdichte erreicht wird. Die Rolle der Zusatz stoffe besteht in der Einstellung bestimmter mechanischer, physikalischer und chemischer Eigenschaften des fertigen Bau teils. Weiterhin kann die Rolle der Zusatzstoffe in der Erhö hung des Absorptionsvermögens des Eisenpulvers von Laserstrah len, der Verringerung des Schmelzpunktes des Pulversystems, dem Einsatz niedrigschmelzender Elemente/Legierungen, der Ver ringerung der Oberflächenspannung und Viskosität sowie der De soxidation zur Verbesserung der Sinteraktivität zum Erzielen hoher Dichten bestehen. Z. B. bewirkt Kohlenstoff als feiner elementarer Graphit (Pulvergröße 1-2 µm) die Erhöhung des Absorptionsvermögens von Eisen-/Stahlpulver und die Verringe rung des Schmelzpunktes der Pulvermischung durch eutektische Reaktion und Desoxidation. Kupfer- oder Bronzepulver mit einer Pulvergröße von kleiner 45 µm fungiert als ein niedrigschmel zendes Element bzw. eine niedrigschmelzende Verbindung und verbessert die Sinteraktivität. Phosphor und Bor verringern die Oberflächenspannung und die Viskosität der Schmelze, die während des Lasersinterprozesses entsteht, um durch das Ver meiden der Kugelbildung eine gute Oberflächenqualität zu er zielen. Die Rolle der weiteren Pulverlegierungselemente kann sowohl in der Einstellung gewünschter mechanischer Eigenschaf ten als auch in der Reaktion mit anderen Elementen zur ver stärkten Schmelzebildung (Fe-C-Mo) liegen. Die Pulverelemente Kohlenstoff, Molybdän, Chrom, Mangan, Nickel bewirken die ho hen mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils. Phos phor, Bor, Kupfer und Zinn bewirken eine hohe Sinteraktivität. Durch die Wahl geeigneter Lasersinterparameter kann die Dichte zwischen 70 und 95% der theoretischen Dichte variiert werden. Eine weitere Dichtesteigerung auf nahezu 100% wird durch eine Sinterung im Übergangstemperaturbereich Fest-Flüssig erreicht.

Beim direkten Lasersintern der beschriebenen Pulvermischung werden Dichten von 70-95% der theoretischen Dichte erzielt. Die maximale Dichte hängt von der Belichtungsstrategie und der chemischen Zusammensetzung, der Legierungsweise sowie den Ei genschaften (Pulverform, Partikelverteilung, Pulvergröße) der verwendeten Pulvermischung ab: z. B. kann mit den Lasersinter parametern 215 W cw CO₂-Laser mit der Baugeschwindigkeit von 5,4 cm³/h eine Dichte von 92 ± 1% der theoretischen Dichte für Pulver, bestehend aus (in M.-%): 0,7-1 C, 2-4 Cu, bis zu 1,5 Mo, bis zu 2 Ni, bis zu 0,4 Sn, 0,15 B, erreicht werden.

Beispiel 2

Eine Pulvermischung bestehend aus Eisen, 0,8 M.-% C, 0,3 M.-% B wird mit den Lasersinterparametern 215 W CO₂-Laser, 100 mm/s Laserscangeschwindigkeit, 0,3 mm Laserspurbreite bei einer Schichthöhe von 100 µm zu einer Dichte von 80-85% der theo retischen Dichte lasergesintert. Die Bauteilhärte nach dem La sersintern beträgt ca. 200 HV30. Durch eine Nachsinterung im Temperaturbereich 1200-1260°C (Sinterdauer 10 min-1 h) wird die Dichte auf 98% der theoretischen Dichte erhöht. Die Härte bleibt konstant bei 200 HV30.

Beispiel 3

Eine Pulvermischung bestehend aus Eisen, 0,7-1 M.-% C, 2-4 M.-% Cu, 1,5 M.-% Mo, 0,15 M.-% B wird mit den Lasersinterpa rametern 215 W CO₂-Laser, 100 mm/s Laserscangeschwindigkeit, 0,3 mm Laserspurbreite bei einer Schichthöhe von 50 µm zu ei ner Dichte von 92 +/- 1% der theoretischen Dichte lasergesin tert. Die Bauteilhärte nach dem Lasersintern beträgt ca. 370 HV30. Durch eine Nachsinterung im Temperaturbereich 1200- 1260°C (Sinterdauer 10 min-1 h) wird die Dichte auf 98% der theoretischen Dichte erhöht. Die Härte verringert sich auf 320 HV30 durch eine langsame Ofenabkühlung.

Beispiel 4

Eine Pulvermischung bestehend aus Eisen, 1-1,2 M.-% C, 2-4 M.-% Cu, 0,4 M.-% P wird mit den Lasersinterparametern 215 W CO₂-Laser, 100 mm/s Laserscangeschwindigkeit, 0,3 mm Laserspur breite bei einer, im Vergleich zum ersten Beispiel, verringer ten Schichthöhe von 50 µm zu einer Dichte von 90 +/- 1% der theoretischen Dichte lasergesintert. Die Bauteilhärte nach dem Lasersintern beträgt ca. 450 HV30. Durch eine Nachsinterung im Temperaturbereich 1200-1260°C (Sinterdauer 10 min-1 h) wird die Dichte auf 98% der theoretischen Dichte erhöht. Die Härte sinkt durch eine relativ langsame Ofenabkühlung auf 370 HV30 und garantiert somit sehr gute Zähigkeitseigenschaf ten.

Beispiel 5

Eine Eisenpulvermischung mit 0,8 M.-% Kohlenstoff ergibt nach dem Lasersintern Rauheitswerte von R_Z 150 µm und R_a 29 µm. Wird der Kohlenstoffanteil auf 1,6 M.-% erhöht, verbessern sich die Rauheitswerte auf R_Z 60 µm und R_a 19 µm. Pulvermischungen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften nach dem Lasersintern (siehe Pulvermischung aus dem Bespiel 3) weisen Rauheitswerte von R_Z 75 µm und R_a 11 µm auf. Durch eine dem Lasersintern nachfolgende Sinterung kann die Oberflächenqualität weiter verbessert werden. So sinken die Rauheitswerte der Pulvermi schung Eisen, 0,8 M.-% C und 0,3 M.-% B nach einer Sinterung bei 1260-1280°C, 30 Minuten-1 Stunde Sinterdauer im Vor vakuum, auf R_Z 19,6 µm und R_a 2,6 µm.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile durch Lasersin tern eines Pulvermaterials, das aus einer Mischung von minde stens zwei Pulverelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung durch den Hauptbestandteil Eisenpulver und weitere Pulverlegierungselemente gebildet ist, die in ele mentarer, vorlegierter oder teilweise vorlegierter Form vor liegen, und dass im Verlaufe des Lasersinterprozesses aus die sen Pulverelementen eine Pulverlegierung entsteht, und wobei die hergestellten Bauteile folgenden Nachbehandlungsschritten, die einzeln oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden, unterzogen werden: Homogenisierung, Spannungsarmglühen, Wärme behandlung, Abbau innerer Fehlstellen und Verbesserung der Oberflächengüte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass fol gende, in elementarer, legierter oder vorlegierter Form vor liegende, Pulverelemente jedes für sich oder in beliebiger Kombination dem Eisenpulver zugegeben werden: Kohlenstoff, Si lizium, Kupfer, Zinn, Nickel, Molybdän, Mangan, Chrom, Kobalt, Wolfram, Vanadium, Titan, Phosphor, Bor.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverelemente jedes für sich oder in beliebiger Kombination in folgenden Mengen zugegeben werden: Kohlenstoff: 0,01-2 M.- %, Silizium: bis zu 1 M.-%, Kupfer: bis zu 10 M.-%, Zinn: bis zu 2 M.-%, Nickel: bis zu 10 M.-%, Molybdän: bis zu 6 M.-%, Mangan: bis zu 2 M.-% oder 10-13 M.-%, Chrom: bis zu 5 M.-% oder 12-18 M.-%, Kobalt: bis zu 2 M.-%, Wolfram bis zu 5 M.- %, Vanadium: bis zu 1 M.-%, Titan: bis zu 0,5 M.-%, Phosphor: bis zu 1 M.-%, Bor: bis zu 1 M.-%.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverelemente in legierter oder vor legierter Form als Ferrochrom, Ferrobor, Ferrophosphor, Kup ferphosphid oder Eisensilizid vorliegen.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung aus gasverdüsten Pul vern, Karbonylpulvern, gemahlenen Pulvern oder einer Kombinati on davon besteht.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung aus einer Menge von Pulverpartikeln mit einer Größe kleiner 50 µm, bevorzugt zwi schen 20-30 µm besteht.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung aus Partikeln mit einer Größe 50 - max. 100 µm besteht.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung zu 30% aus Partikeln besteht, die kleiner sind als 20 µm und dass die Restmenge aus Partikeln mit der Größe zwischen 20 und 60 µm besteht.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbestandteil der Pulvermischung, das Eisenpulver, zwischen 5 und 20% der Partikel der Größe kleiner 10 µm aufweist und dass die Restmenge aus Partikeln der Große 50-60 µm besteht.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Lasersintervorganges wie Laserenergie, Lasergeschwindigkeit, Spurbreite und Belich tung, in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Fertigteiles eingestellt werden.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Verdichtung als konven tionelles Sintern, Infiltration oder isostatisches Verdichten durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Ansprch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern als Festkörpersintern oder als Drucksintern durchge führt wird.

13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsarmglühung in Verbindung mit dem Schritt der Verdichtung und der Homogenisierung durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Wärmebehandlung aus den Schritten Homogenisierung und Spannungsarmglühung besteht.

15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Verbesserung der Oberflä chengüte durch Strahlen mit verschiedenen Strahlmitteln, durch Infiltration oder durch einen optimierten Sinterzyklus durch geführt wird.