DE102005035855A1 - Producing components, e.g. pistons for engines, comprises casting a mixture of mesophase carbon powder, liquid, gelling agent and additives followed by binder removal, carbonization and graphitization - Google Patents
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Abstract
Description
Durch seine herausragenden Eigenschaften in Bezug auf Hochtemperaturstabilität, Thermoschockbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und seiner guten tribologischen Eigenschaften findet Graphit ein breites Einsatzfeld als Werkstoff in allen Industriebereichen. Ein Einsatz in zukünftigen Schlüsselanwendungen wie in Brennstoffzellen oder Fusionsreaktoren erscheint wegen oben genannter Eigenschaften denkbar und wahrscheinlich [1, 2]. Dass Graphit als Strukturwerkstoff, wie zum Beispiel als Kolben, noch keine breite Verwendung findet, ist vor allem auf hohe Produktionskosten zurückzuführen. Diese Kosten können durch den Einsatz eines endkonturnahen Fertigungsverfahrens, wie es im Folgenden beschrieben wird gesenkt werden. Darüber hinaus ist es mit diesen Verfahren erstmals möglich, komplexe Bauteile aus Graphit mit der Möglichkeit für Hinterschneidungen ohne umfangreiche mechanische Nacharbeit zu realisieren.By its outstanding properties in terms of high-temperature stability, thermal shock resistance, corrosion resistance and its good tribological properties are graphite Wide field of application as a material in all industrial sectors. One Use in future key applications as in fuel cells or fusion reactors appears because above These properties are conceivable and probable [1, 2]. That Graphite as a structural material, such as a piston, still is not widely used, is mainly due to high production costs due. These Costs can through the use of a near net shape manufacturing process, such as it will be lowered below. Furthermore is it possible for the first time with these methods to design complex components Graphite with the possibility for undercuts without realizing extensive mechanical rework.
Seit 1895 wird Graphit nach dem Acheson-Verfahren produziert [4]. Hochkohlenstoffhaltige Füllmaterialien wie Erdöl- oder Kohlekokse, Ruß oder auch Pulver aus Naturgraphit werden mit Teer oder Pech vermengt und durch Pressverfahren in Form gebracht. In einem anschließenden Brennprozess bei Temperaturen bis etwa 1000 °C unter Inertgasatmosphäre werden die Bindemittel pyrolysiert und es bleibt reiner Kohlenstoff zurück. Die dabei entstehenden Gase diffundieren aus dem Formkörper und hinterlassen ein Porenvolumen von bis zu 25 % [4]. Um eine möglichst hohe Enddichte zu erreichen, werden die karbonisierten Körper bei Bedarf zur Reduktion des Porenvolumens mit flüssigem Pech infiltriert und erneut karbonisiert. Diese als Hartkohle bezeichneten Endprodukte werden bei Temperaturen von 2500–3000 °C in einem zeitaufwendigen Prozess graphitiert und durch spanende Bearbeitung in die gewünschte Endform gebracht. Ein Nachteil dieser traditionell hergestellten Graphitkörper ist die geringe mechanische Festigkeit, verursacht durch eine hohe Porosität und einer ungünstigen Mikrostruktur. Soll Graphit als Strukturwerkstoff mit optimierten mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden, muss ein weitestgehend porenfreier Kohlenstoff mit feiner Kornstruktur realisiert werden. Als Ausgangsmaterial dafür eignen sich Pulver aus Kohlenstoffmesophase [3]. Diese Pulver bestehen aus Sphäroliten mit einem Durchmesser von mehreren hundert Nanometern die wiederum aus gestapelten, flächigen Aromaten aufgebaut sind. Sie bieten optimale Voraussetzungen für eine Graphitierung, da die Schichtstruktur des Graphits bereits vorgeprägt ist. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch folgende Eigenschaften aus [5–11]:
- • Zwischen 200–400 °C thermoplastische Eigenschaften, die ein Sintern des Materials ermöglichen. Somit kann das Porenvolumen deutlich reduziert werden.
- • Mit 90 % beste Kohlenstoffausbeute aller Ausgangsmaterialien, d.h. wenig flüchtige Bestandteile die zu einer Gasporosität im Werkstoff führen
- • Thermoplastic properties between 200-400 ° C, enabling sintering of the material. Thus, the pore volume can be significantly reduced.
- • With 90% best carbon yield of all starting materials, ie less volatile components which lead to a gas porosity in the material
Die Anwendung moderner Spritzgusstechniken auf hochgefüllte MPK-Pulver-Binder-Systeme mit anschließenden Entbinderungs- und Sinterschritten könnte die bisherigen Pressverfahren mit all ihren Nachteilen wie dem hohen Nachbearbeitungsaufwand und den Dichteinhomogenitäten ersetzen.The Application of modern injection molding techniques to highly filled MPK powder binder systems with subsequent Debinding and sintering steps could be the previous pressing process with all its disadvantages such as the high post-processing effort and the density inhomogeneities replace.
Zur Herstellung eines geeigneten Einsatzmaterials ist die Auswahl eines passenden Bindersystems entscheidend. Erste Einschränkungen ergeben sich durch die niedrigen Erweichungspunkte der Mesophasen. Sintervorgänge der Mesophasenpulver im Bauteil vor einer Pyrolyse des Binders würde ein Entweichen der Zersetzungsgase bei der thermischen Entbinderung verhindern und zu einer Zerstörung des Sinterlings durch Risse führen.to Making a suitable feedstock is the selection of a matching binder system crucial. First restrictions result from the low softening points of the mesophases. Sintering operations of Mesophase powder in the component prior to pyrolysis of the binder would enter Escape of the decomposition gases during thermal debindering prevent and destroy of the sintered product through cracks.
Erschwerend kommt hinzu, dass die Mesophase nur bei hohen Aufheizraten das für das Sintern notwendige thermoplastische Verhalten zeigt [6]. Ein geeignetes Bindersystem muss sich folglich möglichst schnell und ohne Schädigung der Struktur aus dem gespritzten Bauteil entfernen lassen.aggravating is added that the mesophase only for high heating rates for sintering necessary thermoplastic behavior shows [6]. A suitable one Binder system must therefore as quickly as possible and without damaging the Remove structure from the sprayed component.
Bis dato sind keine Erfolg versprechenden Bindersysteme anderer Arbeits- und Forschungsgruppen veröffentlicht, die diesen Ansprüchen genügen.To date, there are no promising binder systems of other labor and research groups published, the these claims suffice.
Patentpatent
Durch
den Einsatz eines für
diese Materialklasse neuartigen Bindersystems, basierend auf einer
Flüssigkeit
(polar, Anteil bis 40 %), einem umweltverträglichen Gelbildner und Hilfsstoffen
(Anteil in Summe bis 20 %) in geringer Menge konnte zum ersten Mal
erfolgreich ein Einsatzmaterial auf Grundlage von Kohlenstoffmesophasenpulver
als organisches Graphitvormaterial verarbeitet werden. Im Unterschied
zu herkömmlichen Systemen
besteht ein Grossteil des Binders aus Flüssigkeit welche durch einen
einfachen Trocknungsschritt entfernt werden kann. Durch den dabei
auftretenden Trocknungsschwund (~ 13 %, vgl.
Allein durch die in diesem Prozessschritt stattfindende homogene Vorverdichtung durch die Trocknung können die für ein erfolgreiches Sintern notwendigen Pulverdichten auch beim Spritzgießen erreicht werden. Darüber hinaus bleiben bei dieser ersten Kompaktierung mit diesem System genügend offene Porenkanäle um ein schonendes Entweichen der thermischen Zersetzungsprodukte der übrigen Binderbestandteile im nachfolgenden thermischen Entbinderungsschritt zu garantieren.Alone through the homogeneous precompression taking place in this process step through the drying can the for achieved a successful sintering necessary powder densities also in injection molding become. About that Stay out with this first compaction with this system enough open pore channels around a gentle escape of the thermal decomposition products of the remaining binder components in the subsequent thermal debindering step.
Durch die niedrigen Zersetzungstemperaturen (< 250 °C) der Gelbildner und Hilfsstoffe wird der empfindliche Sinterschritt des Mesophasenmaterials nicht gestört und damit eine höhere Enddichte und bei weitem bessere mechanische Eigenschaften als bei allen anderen bisherigen Bindersystemen erreicht.By the low decomposition temperatures (<250 ° C) of the gelling agents and auxiliaries does not become the sensitive sintering step of the mesophase material disturbed and thus a higher one End density and far better mechanical properties than in reached all other previous binder systems.
Vorteileadvantages
Im Vergleich zu alternativ einzusetzenden Pressverfahren zeichnen sich im Spritzguss hergestellte Bauteile durch eine homogene Dichteverteilung und ein spannungsarmes und formtreues Sintern mit homogenem, definierten Schwund aus. Bauteile mit geometrisch komplexer Gestalt (z.B. mit Hinterschneidungen und Gewinden) können nur mit dieser Methode hergestellt werden.in the Compared to alternative pressing methods are distinguished Injection molded components by a homogeneous density distribution and a low-stress and form-true sintering with homogeneous, defined Disappearance. Components of geometrically complex shape (e.g. Undercuts and threads) can only be done with this method getting produced.
Auch ist es nicht möglich Bauteile mit den erwünschten Eigenschaften wie hohe Festigkeit und Bruchzähigkeit und guter thermischer Leitfähigkeit mit herkömmlichen Bindersystemen zu produzieren.Also it is impossible Components with the desired Properties such as high strength and fracture toughness and good thermal conductivity with conventional To produce binder systems.
Darüber hinaus ermöglichen die niedrigen Verarbeitungstemperaturen (< 100 °C) dieses Systems eine einfache, sichere und energiesparende Prozessführung.Furthermore enable the low processing temperatures (<100 ° C) of this system make a simple, safe and energy-saving process control.
Der erfolgreiche Einsatz des Pulverspritzgusses im Metall- und Keramiksektor lässt auf eine ähnliche Prozessstabilität und -sicherheit der industriellen Verarbeitung von mesophasenbasierten Systemen schließen.Of the successful use of powder injection molding in the metal and ceramic sector lets up a similar process stability and safety industrial processing of mesophase based systems shut down.
Erste Prototypen die im Spritzguss auf einer handelsüblichen Anlage produziert wurden zeigen folgende mechanischen Eigenschaften: Tabelle 1 Mechanische Eigenschaften kalzinierter/graphitierter Teile The first prototypes produced by injection molding on a commercially available plant show the following mechanical properties: Table 1 Mechanical properties of calcined / graphitized parts
WirtschaftlichkeitsbetrachtungenEconomic considerations
Eine Übertragung dieses Prozesses von dem aktuellen Entwicklungsstand auf industriellen Maßstab könnte nach jetzigem Wissensstand binnen eines Jahres erfolgen. Entscheidende Entwicklungsschritte dabei bestehen in der Automatisierung der Compoundierung des Vormaterials und der Trocknung der Grünteile.A transmission this process from the current state of development to industrial Scale could go down current knowledge within one year. decisive Development steps are the automation of compounding of the starting material and the drying of the green parts.
In Bezug auf das Zentralinstitut für Neue Materialien und Prozesstechnik (ZMP) ergeben sich bei der Verwertung zwei mögliche Strategien:
- • Lizenzierung des gesamten Prozesses an interessierte Unternehmen (Federal Mogul bzw. Schunk)
- • Gründung eines Spin-Offs mit der Spezialisierung auf Formteile in geringeren Stückzahlen (< 10 000/a).
- • Licensing of the entire process to interested companies (Federal Mogul or Schunk)
- • Creation of a spin-off specializing in low-volume molded parts (<10 000 / a).
Bedarfrequirement
Konkrete Überlegungen zum Einsatz des beschriebenen Herstellungsprozesses beziehen sich auf die Produktion folgender Bauteile:
- • Kolben für den Einsatz in Verbrennungsmotoren,
- • Bipolarplatten zur Produktion von Hochleistungsbrennstoffzellen oder
- • Elektrodenmaterial in Li-Ionen-Akkumulatoren.
- Piston for use in internal combustion engines,
- • bipolar plates for the production of high performance fuel cells or
- • Electrode material in Li-ion batteries.
Sollte es langfristig gelingen die Serienproduktion von Hochleistungskolben auf Graphit umzustellen, würde allein bei unserem Kooperationspartner Federal Mogul ein jährliches Materialaufkommen von 800 t/a entstehen. Nach der jährlichen Studie des US Geological Survey (2002) [nach 12] wird der Bedarf an Graphit für den Einsatz in Brennstoffzellen und Batterien nach einer breiten Marktdurchdringung sogar bis auf 100 000 t/a steigen.Should in the long run, mass production of high-performance pistons succeeds to convert to graphite would alone at our cooperation partner Federal Mogul an annual Material volumes of 800 t / a arise. After the annual Study of the US Geological Survey (2002) [after 12] is the need on graphite for the use in fuel cells and batteries after a wide Market penetration even to 100 000 t / a rise.
7. Literaturverzeichnis7. Bibliography
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DE102005004059 | 2005-01-28 | ||
DE102005004059.4 | 2005-01-28 | ||
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (2)
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WO2012136509A1 (en) * | 2011-04-08 | 2012-10-11 | Sgl Carbon Se | Slip suitable for use in a pressure slip casting method |
-
2005
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US20100142876A1 (en) * | 2007-07-24 | 2010-06-10 | Schaeffler Kg | Process for producing a graphite cage for an anti-friction bearing, which cage holds a plurality of anti-friction elements |
US8765032B2 (en) * | 2007-07-24 | 2014-07-01 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Process for producing a graphite cage for an anti-friction bearing, which cage holds a plurality of anti-friction elements |
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