DE102004053866A1

DE102004053866A1 - Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus Magnesiumbasislegierungen durch Metallpulverspritzgießen

Info

Publication number: DE102004053866A1
Application number: DE200410053866
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dr. Aust; Tobias Dr. Benzler; Wolfgang Limberg
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-11

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen von metallischen Erzeugnissen aus Granulat und/oder pulverförmigen Ausgangsstoffen aus Magnesiumbasislegierung in einer Spritzgießform unter Verwendung eines Spritzgießverfahrens vorgeschlagen. Dabei wird ein Gemisch aus einem Metallhydridpulver und/oder einem Metallegierungshydridpulver und einem Binder hergestellt und nachfolgend in eine Form gespritzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Erzeugnissen aus Granulat- und/oder pulverförmigen Ausgangsstoffen in einer Spritzgießform unter Verwendung eines Spritzgießverfahrens.

Pulverförmige Werkstoffe auf Basis von Metallen, die bei ihrer Oxidation exotherm reagieren, lassen sich bisher weder zu komplexen Erzeugnissen in Form von Bauteilen noch zu Halbzeugen verarbeiten, da solche Erzeugnisse zur Ausbildung ihrer Endform derart behandelt werden müssen, daß die Metalle eine exotherme Reaktion mit dem Sauerstoff der Umgebung eingehen. Aufgrund dieser extrem hohen Reaktivität der Metalle mit Sauerstoff ist eine großtechnische Herstellung von Erzeugnissen nicht möglich. Bisher wurden derartige Basiswerkstoffe durch Urformen aus flüssigen, plastischen oder breiigen (semisolit bzw. Thixo-), Zustand in Form von Druck-, Schleu der-, Strang- oder Spritzguß zu Bauteilen bzw. Erzeugnissen aus Metall verarbeitet. Das Urformen aus pulverförmigen Basiswerkstoffen ist bisher nur über das Strangpressverfahren möglich.

Des weiteren treten bei pulverförmigen metallischen Ausgangsstoffen, die exotherm reagieren, während des Herstellens erhebliche Mengen von Verunreinigungsstoffen, wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und dergleichen in den Werkstoff des Erzeugnisses ein. Aus diesem Grunde werden die mechanischen Eigenschaften der Erzeugnisse beim Urformen aus pulverförmigen Werkstoffen im Vergleich zu anderen Urformverfahren beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem pulverförmige exotherm reagierende Werkstoffe verwendet werden können, um metallische Erzeugnisse herzustellen, bei hoher Güte und gleichzeitig hohen Stückzahlen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß ein Gemisch aus einem Metallhydridpulver und/oder einem Metallegierungshydridpulver und einem Binder hergestellt wird und nachfolgend in die Form gespritzt wird.

Durch die enge Bindung des Metalls bzw. der Metallegierung an den Wasserstoff wird während den einzelnen Prozesschritten des Metallpulverspritzgießens verhindert, daß sich das Metall bzw. die Metallegierung mit dem Sauerstoff verbindet und exotherm reagiert. Derartige Metalle bzw. Metallegierungen, die exotherm reagieren, lassen sich auf diese Weise im Metallpulverspritzgießverfahren einsetzen, durch welches insbesondere die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien möglich wird.

Bei dem Metall des Metallhydrids oder einem Metall des Metallegierungshydrids handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Metall der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems, besonders bevorzugt Magnesium. Dieses teilweise äußerst exotherm reagierende Metall läßt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren verarbeiten. Das Verfahren läßt sich auch für die Verarbeitung von Leichtmetallen, insbesondere Nebengruppenmetallen des Periodensystems wie beispielsweise Titan einsetzen.

Bei dem Binder handelt es sich vorzugsweise um ein organisches Material. Als Binderbestandteile werden dabei thermoplastische oder duroplastische Polymere, thermogelierende Substanzen, Wachse oder oberflächenaktive Substanzen oder daraus erhaltene Mischungen verwendet. Hierbei handelt es sich insbesondere um Polyamide, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyimid, natürliche Wachse und Öle, Duroplaste, Cyanate, Polypropylene, Polyacetate, Polyäthylene, Äthylen-Vinyl-Acetate, Polyvinyl-Alkohole, Polyvinyl-Chloride, Polystyrene, Polymethyl-Methacrylate, Aniline, Mineralöle, Wasser, Agar, Glyzerin, Polyvinyl-Butyryle, Polybutyl-Metacrylate, Cellulose, Ölsäuren, Phtalate, Paraffin-Wachse, Carnauba-Wachs, Ammonium-Polyacrylate, Digylcerid-Stearate und -Oleate, Gylceryl-Monostearate, Isopropyl-titanate, Lithium-Stearate, Monoglyceride, Formaldehyde, Octyl-Säure-Phosphate, Olefin-Sulfonate, Phosphat-Ester oder Stearinsäure.

Eine Lehre der Erfindung sieht vor, daß der Volumenanteil des Binders am Gemisch 0 < × < 60%, bevorzugt 20 < × < 50% beträgt. Bei einem derartigen Mischungsverhältnis ist gewährleistet, daß nach Durchführen des Verfahrens ein metallisches Erzeugnis mit hinreichend guten Festigkeitsergebnissen erzeugt wird.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß das Gemisch durch Energieeintrag bei gleichzeitiger Durchmischung hergestellt wird. Bei dem Energieeintrag handelt es sich besonders bevorzugt um Wärme. Das Durchmischen selbst erfolgt besonders bevorzugt durch Kneten. Hierdurch wird ein homogenes Gemisch erzielt.

Die zugeführte Wärme wird dabei gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung so dosiert, daß der Binder durch den Energieeintrag verflüssigt wird. Durch das verflüssigen ist es möglich ein besonders homogenes Metall-/Metallegierungshydrid-Bindergemisch zu erzeugen.

Während des Durchmischens des Metall-/Metallegierungshydridpulvers mit dem Binder wird die Pulveroberfläche mit dem Binder überzogen. Die Erwärmung selbst erfolgt dabei in einem Temperaturbereich von 50 bis 250°C.

Nach dem Erzeugen des Gemisches und dem Einspritzen in die Form sieht eine weitere Lehre der Erfindung vor, daß eine Entbinderung des gespritzten Erzeugnisses vorgenommen wird. Die Entbinderung kann dabei chemisch und/oder thermisch erfolgen. Für eine chemische Entbinderung sieht eine weitere Lehre der Erfindung vor, daß das gespritzte Erzeugnis in einem naßchemischen Bad entbindert wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein Hexanbad.

Durch das chemische und/oder thermische Entbindern werden die in dem gespritzten Erzeugnis befindlichen Binderbestandteile aus dem Erzeugnis entfernt. Das thermische Entbindern erfolgt dabei in einem Temperaturbereich von 250 bis 450°C besonders bevorzugt 300 bis 400°C.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß anschließend an das Entbindern ein Sinterschritt folgt.

Durch das Sintern wird die endgültige Festigkeit des metallischen Erzeugnisses herbeigeführt.

Beim thermischen Entbindern und/oder Sintern entweicht aus dem Metall-/Metallegierungshydrid Wasserstoff, wobei sich das Metall-/Metallegierungshydrid in ein Metall oder eine Metallegierung umwandelt. Durch das Austreten des Wasserstoffes wird eine exotherme Reaktion des Metalls bzw. der Metallegierung mit Sauerstoff verhindert.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß das Sintern unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls oder der Metallegierung erfolgt. Ein Überschreiten der Schmelztemperatur hätte ein Anschmelzen der Oberflächen oder ein Schmelzen des gesamten Erzeugnisses zur Folge. Um ein Anschmelzen der Oberfläche auszuschließen, erfolgt das Sintern gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung bei der Temperatur von 80 – 90% der Schmelztemperatur des Metalls bzw. der Metallegierung.

Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung erfolgen die einzelnen Verfahrensschritte unter einer kontrollierten Atmosphäre. Die kontrollierte Atmosphäre kann dabei durch ein Schutzgas, insbesondere Argon, oder das Anlegen eines Vakuums hergestellt werden. Bei den einzelnen Verfahrensschritten, die unter der kontrollierten Atmosphäre durchgeführt werden, handelt es sich um das Herstellen des Gemisches, die Entbinderung und/oder das Sintern.

Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Darstellungen im Einzelnen beschrieben.
Diese zeigen:
1 Ein Gefügebild von gesintertem Magnesium in 10-facher Vergrößerung,
2 ein Ausschnitt des Gefügebilds von 1 in 64-facher Vergrößerung und
3 ein vergrößerter Querschnitt des hergestellten Magnesiumkörpers gem. 1 im Querschnitt.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gemisches (Feedstock), welches in eine Form mittels einer Spritzgießvorrichtung aufgegeben wird, wird ein Pulver aus Magnesium und Magnesiumhydrid in einem Kneter mit einem Bindemittelgranulat, bestehend aus Wachs, Paraffin und Polyethylen, knetend vermischt. Der Anteil des Binders an der Gesamtmasse des zu erstellenden Feedsdocks beträgt 30 % Gewichtsprozent. Beim Kneten wird das Gemisch auf 120°C erwärmt und ca. 2 Stunden geknetet, damit eine homogene Masse entsteht. Dieser Knetvorgang erfolgt unter einer Schutzgasatmosphäre aus Argon.
Beim Kneten verflüssigt sich durch den Wärmeeintrag der Binder und benetzt die Oberfläche des Magnesiumhydridpulvers.
Der fertige Feedstock wird abgekühlt, wodurch sich eine feste Masse bildet, die anschließend auf eine Korngröße im mm-Spektrum grob zerkleinert wird. Der abgekühlte und zerkleinerte Feedstock wird auf eine Spritzgießmaschine aufgegeben. Mittels Schneckenförderung wird das Magnesiumhydrid-Bindergemisch bei 300 bis 500 bar in eine Spritzgießform gespritzt. Die Spritzgießform ist auf 40-50°C, die Spritzeinheit auf 100 – 120°C erwärmt, so daß sich das Magnesiumhydrid-Bindergemisch zu einer fließfähigen Masse verflüssigt.
Anschließend wird das gespritzte Bauteil in der Spritzgießform abgekühlt, die Form geöffnet und das Bauteil entnommen.
Aus dem zum gegenwärtigen Prozeßzeitpunkt entstandenen Bauteil muß der Binderanteil entfernt werden, damit das Bauteil zu einem soliden und festen Körper gesintert werden kann.
Hierfür wird das Bauteil palettiert und in einem ersten Entbinderungsschritt behandelt.
Die Wachs- und Paraffinbestandteile des Binders werden durch Eintauchen des Bauteils in ein Hexanbad entfernt. Das Hexanbad weist eine Temperatur von 40°C auf. Die Dauer des ersten Entbinderungsschrittes ist abhängig von der Ausführung des Bauteils, beträgt aber üblicherweise 1 – 4 Stunden.
Das Bauteil wird anschließend aus dem Hexanbad entnommen und kann abtropfen. Es ist ein poröser Körper entstanden, der allerdings weitere Binderbestandteile, hier insbesondere Polyethylen, enthält.
Diese werden auf thermische Weise aus dem Bauteil durch die Poren des Bauteils entfernt. Hierfür wird das Bauteil in einen Ofen bei 400°C unter Hochvakuum (≤ 10^-4 mbar) thermisch behandelt.
Das Polyethylen zersetzt sich und entweicht dabei durch die Poren. Ebenfalls entweicht der Wasserstoff des Magnesiumhydridpulvers durch die Poren aus dem Bauteil, wodurch sich Reinmagnesium bildet. Nach Abschluß des Entbindungsprozesses wird das Bauteil üblicherweise bei 80 % der Schmelztemperatur gesintert. Nach Abschluß des Sinterprozesses kühlt das Bauteil im Ofen aus, wobei weiterhin ein Hochvakuum, welches auch während des Sinterns bestand, anliegt.
Ein gem. dem zuvor geschilderten Verfahren hergestellter Prüfkörper ist als Gefügebild in den 1 bis 3 dargestellt. Die 1 bis 3 zeigen geschliffene Gefügebilder des entsprechenden Magnesiumkörpers. Wie aus den Figuren erkennbar ist, weist die Probe ein dichtes Gefüge auf.

Claims

Verfahren zum Herstellen von metallischen Erzeugnissen aus Granulat- und/oder pulverförmigen Ausgangsstoffen in einer Spritzgießform unter Verwendung eines Spritzgießverfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus einem Metallhydridpulver und/oder einem Metallegierungshydridpulver und einem Binder hergestellt wird und nachfolgend in die Form gespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metall des Metallhydrids oder eines Metalls des Metallegierungshydrids um ein Metall der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metall der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems um Magnesium handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metall des Metallhydrids oder eines Metalls des Metallegierungshydrids um ein Leichtmetall handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Binder um ein organisches Material handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des Binders am Gemisch 0 < × < 60%, bevorzugt 20 < × < 50% ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch Energieeintrag bei gleichzeitiger Durchmischung hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag in Form von Wärme erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmischen in Form von Kneten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Energieeintrag der Binder verflüssigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Durchmischens die Oberfläche des Metall-/Metallegierungspulvers mit Binder überzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung in einem Temperaturbereich von 50 bis 250°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Spritzen des Gemisches in die Form eine Entbinderung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Entbinderung chemisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Entbinderung in einem naßchemischen Bad erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Bad um ein Hexanbad handelt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Entbinderung thermisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Entbinderung in einem Temperaturbereich von 250 bis 450°C, besonders bevorzugt 300 bis 400°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an das Entbindern eine Sinterung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem thermischen Entbindern und/oder Sintern aus dem Metall-/Metallegierungshydrid Wasserstoff entweicht, wobei sich das Metall-/Metallegierungshydrid in ein Metall oder eine Metallegierung umwandelt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls oder der Metallegierung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern bei 80 – 90 % der Schmelztemperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Herstellen des Gemisches unter einer kontrollierten Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Entbinderung unter einer kontrollierten Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern unter einer kontrollierten Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der kontrollierten Atmosphäre um Schutzgas handelt.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Schutzgas um Argon handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der kontrollierten Atmosphäre um ein Vakuum handelt.