DE102011013894A1 - Final shape production of components made of material comprising intermetallic phases of trimolybdenum silicide and molybdenum borosilicide distributed in matrix, comprises e.g. subjecting powder mixture to grinding and producing suspension - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur endformnahen Herstellung von Bauteilen aus einem Werkstoff, bei dem in einer Molybdänmatrix intermetallische Phasen von Mo3Si und Mo5SiB2 homogen verteilt enthalten sind. Ein solcher Werkstoff ist für Hochtemperaturanwendungen geeignet und kann einem Korrosionsangriff sowie mechanischen Belastungen stand halten.The invention relates to a method for near net shape production of components made of a material in which intermetallic phases of Mo 3 Si and Mo 5 SiB 2 are homogeneously distributed in a molybdenum matrix. Such a material is suitable for high temperature applications and can withstand corrosion attack as well as mechanical loads.
So werden beispielsweise für Bauteile, wie sie in Flugzeugturbinen eingesetzt werden, einkristalline Nickel-Basis-Legierungen eingesetzt. Deren maximale Einsatztemperatur ist aber auf ca. 1150°C begrenzt. Ein Einsatz bei höheren Temperaturen kann nur durch zusätzlichen Auftrag thermischer Barriereschichten erfolgen, was den Aufwand für die Herstellung und die Kosten sowie die Eigenmasse solcher Bauteile erhöht. Außerdem können mechanische Spannungen bei thermischer Wechselbeanspruchung nachteilig sein.For example, single-crystal nickel-base alloys are used for components used in aircraft turbines. Their maximum operating temperature is limited to approx. 1150 ° C. Use at higher temperatures can only be done by additional application of thermal barrier layers, which increases the cost of manufacturing and the cost and the intrinsic mass of such components. In addition, mechanical stresses in thermal cycling can be detrimental.
Es ist daher gewünscht, Werkstoffe für Bauteile zur Verfügung zu stellen, die bei höheren Temperaturen oberhalb 1300°C auch bei hoher mechanischer Beanspruchung eingesetzt werden können.It is therefore desirable to provide materials for components that can be used at higher temperatures above 1300 ° C, even at high mechanical stress.
Zu solchen Werkstoffen gehören auch solche die mit einer Molybdänmatrix gebildet sind, in der intermetallische Phasen von Mo3Si und Mo5SiB2 enthalten sind. Sie können eine hohe Bruchzähigkeit aufweisen und mechanischen Belastungen bei hohen Temperaturen widerstehen. Sie weisen außerdem eine hohe Korrosionsresistenz bei Temperaturen oberhalb von 1300°C auf.Such materials also include those formed with a molybdenum matrix containing intermetallic phases of Mo 3 Si and Mo 5 SiB 2 . They can have high fracture toughness and withstand mechanical stresses at high temperatures. They also have a high corrosion resistance at temperatures above 1300 ° C.
So ist es aus
Bei mit diesem Verfahren hergestellten Werkstoffen kann nicht gesichert werden, dass die intermetallischen Phasen von Mo mit Si in der Molybdänmatrix homogen verteilt sind, da dies insbesondere durch die Behandlung bei der Sprühtrocknung und der Weiterverarbeitung des danach erhaltenen Pulvergemischs beeinträchtigt wird. Außerdem ist das Sprühtrocknungsverfahren energieintensiv und daher sind die Kosten erhöht. Zusätzlich wirkt sich das schlechte Fließverhalten des dabei erhaltenen Pulvergemischs bei der Formgebung durch kaltisostatisches Pressen nachteilig aus. So hergestellte Bauteile müssen einer Nachbearbeitung unterzogen werden, um die Endform zu erhalten. Dies ist kostenintensiv. Wegen der Härte und Sprödheit bei Raumtemperatur können viele Bearbeitungsverfahren, z. B. eine spanende Bearbeitung, nicht eingesetzt werden.In the case of materials produced by this method, it can not be ensured that the intermetallic phases of Mo with Si are homogeneously distributed in the molybdenum matrix, since this is impaired in particular by the treatment in the spray drying and the further processing of the powder mixture obtained thereafter. In addition, the spray drying process is energy intensive and therefore the cost is increased. In addition, the poor flow behavior of the resulting powder mixture has a detrimental effect on shaping by cold isostatic pressing. Components produced in this way must be reworked to obtain the final shape. This is costly. Because of the hardness and brittleness at room temperature many processing methods, eg. As a machining, not be used.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Bauteile zur Verfügung zu stellen, die im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden können, die gleichzeitig gegen Korrosion resistent sind und die endformnah gefertigt werden können.It is therefore an object of the invention to provide components that can be used in the high temperature range, which are resistant to corrosion at the same time and can be manufactured close to the final form.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with features described in the subordinate claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ausgangspulvermischung, in der mindestens 80 Masse bevorzugt mindestens 90 Masse Mo und zusätzlich Si3N4 und BN enthalten sind, eingesetzt. Diese Ausgangspulvermischung wird einem Mahlprozess unterzogen. Mit der gemahlenen und dabei homogen vermischten Ausgangspulvermischung wird eine Suspension, in der mindestens ein organischer Binder enthalten ist, hergestellt. Die Suspension soll dabei eine zum Siebdrucken oder zum Metallpulverspritzgießen geeignete Viskosität aufweisen.In the method according to the invention, a starting powder mixture in which at least 80 mass is preferably at least 90 mass Mo and additionally Si 3 N 4 and BN are used. This starting powder mixture is subjected to a grinding process. The ground and homogeneously mixed starting powder mixture is used to prepare a suspension in which at least one organic binder is present. The suspension should have a suitable for screen printing or metal powder injection molding viscosity.
Die so erhaltene Suspension wird dann in einer erfindungsgemäßen Alternative in ein Metallpulverspritzgusswerkzeug eingeführt oder in einer zweiten Alternative wird mittels Siebdruck ein Grünkörper schichtweise aufgebaut. Der so in Form gebrachte Grünkörper wird dann einer thermischen und/oder chemischen Behandlung zum Austreiben der organischen Komponenten unterzogen. Anschließend wird eine drucklose Sinterung in einer nichtoxidierenden Atmosphäre oder bei Hochvakuumbedingungen bei einer Temperatur von mindestens 1600°C durchgeführt. Der Werkstoff des auf diese Art hergestellten Bauteils weist eine homogene Verteilung der beiden intermetallischen Phasen Mo3Si und Mo5SiB2 in der Molybdänmatrix des Werkstoffs auf. Dies trifft auch auf gegebenenfalls im Werkstoff noch enthaltene Reste von Si und Bor, die nicht in intermetallische Phase bei der Wärmebehandlung und der Sinterung umgewandelt worden sind, zu. Der Anteil von Si und B sollte im Werkstoff nach der Sinterung kleiner 10 Masse-%, bevorzugt kleiner 5 Masse-% gehalten sein.The suspension obtained in this way is then introduced into a metal powder injection molding tool in an alternative according to the invention or, in a second alternative, a green body is built up in layers by means of screen printing. The thus formed green body is then subjected to a thermal and / or chemical treatment to drive off the organic components. Subsequently, a pressureless sintering in a non-oxidizing atmosphere or under high vacuum conditions at a temperature of at least 1600 ° C is performed. The material of the component produced in this way has a homogeneous distribution of the two intermetallic phases Mo 3 Si and Mo 5 SiB 2 in the molybdenum matrix of the material. This also applies to any residues of Si and boron which may still be present in the material and which have not been converted into intermetallic phases during the heat treatment and the sintering. The proportion of Si and B should be kept in the material after sintering less than 10 mass%, preferably less than 5 mass%.
Für eine Homogenisierung der Ausgangspulvermischung hat sich das Mahlen als vorteilhaft erwiesen. Als Mahltechnik können alle üblicherweise für eine Homogeniesierung geeignete Mühlen eingesetzt werden. Als besonders geeignet haben sich beispielsweise die Planetenkugelmühle oder ein Attritor erwiesen. Dabei sollte ein Masseverhältnis von Ausgangspulver zu Mahlkugeln von mindestens 1 zu 10 eingehalten werden. Der Mahlprozess sollte über einen Zeitraum von bis zu 30 min, bevorzugt bis zu 20 min bei einer Umdrehungszahl einer Planetenkugelmühle von mindestens 100 U/min, bevorzugt mindestens 200 U/min durchgeführt werden. For a homogenization of the starting powder mixture, milling has proved to be advantageous. The grinding technique used may be any of the mills usually suitable for homogenization. For example, the planetary ball mill or an attritor have proven to be particularly suitable. In this case, a mass ratio of starting powder to grinding balls of at least 1 to 10 should be maintained. The grinding process should be carried out over a period of up to 30 minutes, preferably up to 20 minutes, at a revolution number of a planetary ball mill of at least 100 rpm, preferably at least 200 rpm.
In der Ausgangspulvermischung sollte Mo mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 10 μm bis 15 μm, bevorzugt 12 μm mit einer spezifischen Oberfläche von 1 m2/g bis 2 m2/g und einer elliptischen bis blockigen Partikelform, Si3N4 mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 0,3 μm bis 5 μm, bevorzugt 0,6 μm bis 2,5 μm mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens 3 m2/g und einer ungleichförmigen Partikelform und BN mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens 3 m2/g und einer nadelförmigen und/oder Partikelform in Form von Flakes enthalten sein.In the starting powder mixture Mo should have a mean particle size d 50 of 10 microns to 15 microns, preferably 12 microns with a specific surface area of 1 m 2 / g to 2 m 2 / g and an elliptical to blocky particle shape, Si 3 N 4 with a mean particle size d 50 of 0.3 μm to 5 μm, preferably 0.6 μm to 2.5 μm with a specific surface area of at least 3 m 2 / g and a non-uniform particle shape and BN with a specific surface area of at least 3 m 2 / g and a needle-shaped and / or particulate form in the form of flakes.
Bei der Herstellung der Suspension mit der gemahlenen und dadurch vermischten Ausgangspulvermischung sollte das Ausgangspulvergemisch mit einem Anteil von mindestens 70 Masse enthalten sein. Dabei kann die Suspension mit mindestens einem Binder oder einem aus mehreren Komponenten gebildeten Binder hergestellt sein. Die gewünschte Viskosität kann dabei mit dem Binderanteil eingestellt werden, sie sollte im Temperaturbereich, in dem die eigentliche Formgebung und die Herstellung eines Grünkörpers erfolgt, zwischen 0,1 Pas und 200 Pas liegen. Insbesondere bei einer Formgebung durch Metallpulverspritzgießen sollte bei eine Scherrate von 100 s–1 eine Viskosität von 2 Pas bis 200 Pas bzw. eine scherratenunabhängige Viskosität im Bereich 0,4 Pas bis 4 Pas eingehalten sein. Bei der Einstellung der Viskosität kann die Komplexität der Endform des herzustellenden Bauteils berücksichtigt werden. So kann die Viskosität bei filigranen Geometrien oder Konturen sowie an Bauteilen mit Hinterschneidungen beim Metallpulverspritzgießen niedriger, beim Siebdrucken dagegen höher gewählt werden.When preparing the suspension with the ground and thus mixed starting powder mixture, the starting powder mixture should be present in a proportion of at least 70 mass. In this case, the suspension can be prepared with at least one binder or a binder formed from a plurality of components. The desired viscosity can be adjusted with the binder content, it should be between 0.1 Pas and 200 Pas in the temperature range in which the actual shaping and the production of a green body takes place. In particular, in a shaping by metal powder injection molding should be maintained at a shear rate of 100 s -1, a viscosity of 2 Pas to 200 Pas or a shear rate independent viscosity in the range 0.4 Pas to 4 Pas. When adjusting the viscosity, the complexity of the final shape of the component to be produced can be taken into account. For example, the viscosity of filigree geometries or contours as well as components with undercuts in metal powder injection molding can be lower, but higher in screen printing.
Als Binder können beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat, wachsbasierte Binder (z. B. Bienenwachs oder Parafin) oder Kombinationen dieser Stoffe, auch mit einem jeweils geeigneten Lösungsmittel, eingesetzt werden.Polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, wax-based binders (eg beeswax or paraffin) or combinations of these substances, even with a suitable solvent, may be used as binders.
Der Werkstoff des Bauteils erreicht mit der durchgeführten drucklosen Sinterung eine physikalische Dichte die ca. 95 der theoretischen Dichte entspricht. Dichten von mindestens 99 der theoretischen Dichte können mit im Anschluss an die Sinterung durchgeführtem heißisostatischen Pressen erreicht werden. Beim Sintern erfolgt die Silizidbildung.The material of the component achieved with the performed pressure-free sintering a physical density which corresponds to about 95 of the theoretical density. Densities of at least 99% theoretical density can be achieved with hot isostatic pressing performed subsequent to sintering. During sintering silicidation occurs.
Wird die Formgebung durch Siebdrucken durchgeführt, sollte zumindest nach dem Auftrag jeder zweiten Schicht eine Trocknung durchgeführt werden. Dies kann z. B. durch eine geeignete Bestrahlung erreicht werden. Dabei kann allein oder zusätzlich eine Schichtdicke für die einzelnen übereinander aufgetragenen Schichten im Bereich 5 μm bis 75 μm, bevorzugt im Bereich 5 μm bis 50 μm eingehalten werden. Durch den Einsatz unterschiedlicher Siebe lassen sich in dem Schichtaufbau durch Veränderung der Schichtkontur von Schichten dreidimensionale Bauteile, z. B. mit Hohlräumen, Kanälen, Perforationen oder Hinterschneidungen, herstellen. Dabei können im durch Siebdruck hergestellten Schichtaufbau auch Schichten mit unterschiedlicher Schichtdicke aufgetragen sein, wenn dies beispielsweise für die herzustellende Geometrie des Bauteils vorteilhaft ist.If the shaping is carried out by screen printing, drying should be carried out at least after the application of every other layer. This can be z. B. be achieved by a suitable irradiation. In this case, alone or in addition, a layer thickness for the individual layers applied one above the other in the range of 5 μm to 75 μm, preferably in the range of 5 μm to 50 μm, can be maintained. By using different screens can be in the layer structure by changing the layer contour of layers three-dimensional components, eg. B. with cavities, channels, perforations or undercuts produce. In this case, layers having different layer thicknesses can also be applied in the layer structure produced by screen printing, if this is advantageous, for example, for the geometry of the component to be produced.
Wird das Metallpulverspritzgießen zur Formgebung eingesetzt, kann eine dreidimensionale Gestaltung des Bauteils durch das eingesetzte Formwerkzeug erreicht werden. Zusätzlich kann in das Spritzgusswerkzeug aber auch mindestens ein Kernelement aus einem organischen Werkstoff eingesetzt werden, dessen organische Komponenten ebenfalls bei der thermischen Behandlung aus dem Grünkörper ausgetrieben werden können.If the metal powder injection molding used for shaping, a three-dimensional design of the component can be achieved by the mold used. In addition, at least one core element made of an organic material may be used in the injection molding tool, but its organic components can also be expelled from the green body during the thermal treatment.
Je nach eingesetztem Binder(system) kann die Entbinderung auch mit einem Lösungsmittel (z. B. Wasser, Aceton, Alkohol), mittels Katalysator (z. B. Salpetersäure), durch Sublimation und/oder eine thermische Behandlung (z. B. durch sukzessives Verdampfen mindestens einer oder mehrerer Komponenten) durchgeführt werden. Das Herauslösen/Entfernen kann in einem oder auch mehreren Verfahrensschritten erfolgen. Es ergibt sich eine offene Porosität im Werkstoff, durch die dann auch die letzten noch enthaltenen Binderkomponenten unmittelbar vor dem Sintern durch Verdampfen entfernt werden können.Depending on the binder (system) used, debinding can also be carried out with a solvent (eg water, acetone, alcohol), with catalyst (eg nitric acid), with sublimation and / or with a thermal treatment (eg successive evaporation of at least one or more components). The detachment / removal can take place in one or more process steps. The result is an open porosity in the material, through which then the last remaining binder components can be removed by evaporation immediately before sintering.
Bei einem Herauslösen von Binderkomponente(n) kann das grünfeste Bauteil nach der Formgebung und Entformung in ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch getaucht oder damit besprüht werden. Die jeweilige(n) Binderkomponente(n) wird/werden dann ausgehend von der Oberfläche des Bauteils sukzessive in das Bauteilinnere fortschreitend heraus gelöst. Durch das Herauslösen erhöht sich die Porosität, die aber beim Sintern und insbesondere beim heißisostatischen Pressen (HIP) wieder reduziert werden kann.When binder component (s) are dissolved out, the greenest component can be dipped or sprayed into a solvent or solvent mixture after shaping and demolding. The respective binder component (s) is then progressively released progressively into the component interior starting from the surface of the component. The dissolution increases the porosity, which, however, can be reduced again during sintering and in particular during hot isostatic pressing (HIP).
Die thermische Behandlung zum Austreiben der organischen Komponenten sollte in einer Schutzgasatmosphäre und/oder bis zu einer Maximaltemperatur von 900°C durchgeführt werden. Die Schutzgasatmosphäre kann mit mindestens einem der folgend genannten Gase, nämlich Argon Wasserstoff oder Stickstoff gebildet werden. The thermal treatment for expelling the organic components should be carried out in a protective gas atmosphere and / or up to a maximum temperature of 900 ° C. The protective gas atmosphere can be formed with at least one of the following gases, namely argon, hydrogen or nitrogen.
Neben der verbesserten Werkstoffstruktur mit der erreichbaren homogenen Verteilung der Silizide, ist die erreichbare endformnahe Fertigung vorteilhaft, da auf eine sehr aufwändige Nachbearbeitung verzichtet, zumindest der dafür erforderliche Aufwand erheblich reduziert werden kann.In addition to the improved material structure with the achievable homogeneous distribution of silicides, the achievable close to final production is advantageous because dispensed with a very expensive finishing, at least the required effort can be significantly reduced.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen weiter erläutert werden.The invention will be further explained by way of examples.
Beispiel 1example 1
Es wurde ein Ausgangspulvermischung, in der 93 Masse-% Mo, 4,8 Masse-% Si3N4 und 2,2 Masse-% BN enthalten waren, eingesetzt. Dabei wies das pulverförmige Mo (Partikelform: elliptisch-blockig) eine mittlere Partikelgröße d50 = 12 μm und eine spezifische Ober fläche 1–2 m2/g), das pulverförmige Si3N4 (Partikelform: irregulär) eine mittlere Partikelgröße d50 = 0,6 – 2,5 μm und eine spezifische Oberfläche > 3 m2/g) und das pulverförmige BN (Partikelform: nadelförmig und Flakes) eine spezifische Oberfläche > 4 m2/g) auf.A starting powder mixture containing 93 mass% Mo, 4.8 mass% Si 3 N 4 and 2.2 mass% BN was used. In this case, the powdery Mo (particle shape: elliptical-blocky) had an average particle size d 50 = 12 microns and a specific surface area 1-2 m 2 / g), the powdery Si 3 N 4 (particle shape: irregular) has an average particle size d 50 = 0.6 - 2.5 μm and a specific surface area> 3 m 2 / g) and the powdery BN (particle shape: acicular and flakes) has a specific surface area> 4 m 2 / g).
Bei dem Mahlen in einer Planetenkugelmühle, das auch zum Durchmischen der Pulver der Ausgangspulvermischung führt, wurden ein Masseverhältnis von Pulver zu Mahlkugeln von 1:10 und eine Mahldauer von bis zu 20 Minuten bei einer Umdrehungszahl 200 U/min eingehalten. Das Mahlen in der Planetenkugelmühle erfolgte unter Schutzgas (z. B. Stickstoff).When grinding in a planetary ball mill, which also leads to the mixing of the powders of the starting powder mixture, a mass ratio of powder to grinding balls of 1:10 and a grinding time of up to 20 minutes at a speed of 200 rpm were observed. Milling in the planetary ball mill was carried out under protective gas (eg nitrogen).
Mit der so gemahlenen und vermischten Ausgangspulvermischung wurde eine Pulver-Binder-Suspension hergestellt, in der ein Verhältnis Pulver zu organischem Binder von mindestens 70 Masseprozent eingehalten wurde. Mit dem Binder, bei diesem Beispiel wurde mit einem Anpastmittel auf Basis DECOFLUX WB 17, das bei der Firma Zschimmer + Schwarz DE kommerziell erhältlich ist, eine thixotrope Suspension mit einer belastungsabhängigen Viskosität zwischen 0,1 Pas und 200 Pas hergestellt. Die Suspension ist dabei bevorzugt mit wasserlöslichen Binder(n) und Binderzusätzen gebildet.With the thus ground and mixed starting powder mixture, a powder-binder suspension was prepared in which a ratio of powder to organic binder of at least 70 percent by mass was maintained. With the binder, in this example, a thixotropic suspension having a load-dependent viscosity between 0.1 Pas and 200 Pas was prepared using a DECOFLUX WB 17 based pasting agent which is commercially available from Zschimmer + Schwarz DE. The suspension is preferably formed with water-soluble binder (s) and binder additives.
Für die Herstellung eines endformnahen Bauteils („Grünkörper”) über das Siebdruck-Verfahren wird der Grünkörper schichtweise aufgebaut, wobei die Suspension durch ein die Kontur der jeweiligen Schicht vorgebendes Sieb gedrückt wird. Die Schichtdicke liegt dabei zwischen 5 μm und 50 μm. Die Gesamthöhe des Grünkörpers kann dabei je nach Schichtdicke der einzelnen Schichten und Schichtanzahl zwischen 5 μm und 20 cm problemlos und der vorgegebenen Kontur entsprechend maßgenau erreichen. Zwischen dem Auftrag der einzelnen Schichten kann dabei eine Trocknung durchgeführt werden. Lagenweise können unterschiedliche Siebe verwendet werden, sodass ein dreidimensional gestalteter Grünkörper, mit z. B. geschlossenen Kanälen, Hinterschneidungen oder Perforierung hergestellt werden kann.For the production of a near-net shape component ("green body") via the screen-printing process, the green body is built up in layers, wherein the suspension is pressed by a sieve which predetermines the contour of the respective layer. The layer thickness is between 5 microns and 50 microns. Depending on the layer thickness of the individual layers and the number of layers between 5 μm and 20 cm, the overall height of the green body can be achieved without any problems and according to the predetermined contour without any problems. Drying can be carried out between the application of the individual layers. Layer by layer, different screens can be used, so that a three-dimensional designed green body, with z. B. closed channels, undercuts or perforation can be made.
Die thermische Entbinderung des Grünkörpers wird unter geeigneter Atmosphäre, bevorzugt unter Schutzgas (Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder Mischungen dieser Gase) durch Erwärmung bis zu einer Maximaltemperatur von 900°C durchgeführt. Zur vollständigen Entfernung des Binders können Haltezeiten bis zu 2 Stunden erforderlich sein.The thermal debindering of the green body is carried out under a suitable atmosphere, preferably under protective gas (argon, hydrogen, nitrogen or mixtures of these gases) by heating to a maximum temperature of 900 ° C. For complete removal of the binder, hold times up to 2 hours may be required.
Nach dem Austreiben der organischen Komponenten wird ein druckloses Sintern, des in die gewünschte Form gebrachten Grünkörpers unter nicht-oxidierender Atmosphäre, bevorzugt unter Argon, Wasserstoff oder Hochvakuum, mit einer Heizrate von 5–10 K/min und einer Maximaltemperatur von > 1600°C und einer Haltezeit von mehr als 4 Stunden, bevorzugt 6 Stunden, zur Erreichung einer physikalischen Dichte von > 94% der theoretischen Dichte, durchgeführt.After the organic components have been driven off, pressureless sintering of the green body into the desired shape is carried out under a non-oxidizing atmosphere, preferably under argon, hydrogen or high vacuum, at a heating rate of 5-10 K / min and a maximum temperature of> 1600 ° C and a holding time of more than 4 hours, preferably 6 hours, to achieve a physical density of> 94% of the theoretical density.
Optional (für Sinterdichten oberhalb 94% der theoretischen Dichte) besteht die Möglichkeit einer Nachverdichtung mittels heißisostatischem Pressen zur Erzeugung eines dichten endformnahen Formkörpers (d. h. Dichte ≥ 99% der theoretischen Dichte).Optionally (for sinter densities above 94% of the theoretical density), there is the possibility of densification by means of hot isostatic pressing to produce a dense near-net shape molded article (that is, density ≥ 99% of the theoretical density).
Der resultierende Werkstoff des Bauteils wies drei Phasen: Mo, Mo5SiB2 und Mo3Si auf, wobei die beiden letztgenannten Phasen homogen in einer kontinuierlichen Mo-Matrix verteilt enthalten sind. Die im Folgenden angegebenen Phasenanteile gelten für die erhaltene Zusammensetzung 96 Masse-% Molybdän, 3 Masse-% Silizium und 1 Masse-% Bor. Bei den Phasen waren 50–60% Mo Flächen-/Volumenanteile und der Rest Mo5SiB2 + Mo3Si vorhanden.The resulting material of the component had three phases: Mo, Mo 5 SiB 2 and Mo 3 Si, the latter two phases being homogeneously distributed in a continuous Mo matrix. The phase proportions given below are for the composition obtained 96% by mass of molybdenum, 3% by mass of silicon and 1% by mass of boron. In the phases, 50-60% Mo were area / volume fractions and the remainder Mo 5 SiB 2 + Mo 3 Si available.
Beispiel 2Example 2
Es wurde eine Ausgangspulvermischung, in der 92 Masse Mo sowie Si3N4 und BN mit einem Masseverhältnis 2,5 bis 3 zu 1 enthalten waren, eingesetzt. Dabei wies das pulverförmige Mo (Partikelform: elliptisch-blockig) eine mittlere Partikelgröße d50 = 12 μm und eine spezifische Oberfläche 1–2 m2/g), das pulverförmige Si3N4 (Partikelform: irregulär) eine mittlere Partikelgröße d50 = 0,6 – 2,5 μm und eine spezifische Oberfläche > 3 m2/g) und das pulverförmige BN (Partikelform: nadelförmig und Flakes) eine spezifische Oberfläche > 4 m2/g) auf.A starting powder mixture containing 92% Mo and Si 3 N 4 and BN having a mass ratio of 2.5 to 3: 1 was used. In this case, the powdery Mo (particle shape: elliptical-blocky) had an average particle size d 50 = 12 microns and a specific surface 1-2 m 2 / g), the powdery Si 3 N 4 (particle shape: irregular) has an average particle size d 50 = 0.6-2.5 μm and a specific surface area> 3 m 2 / g) and the powdery BN (particle shape: acicular and flakes) has a specific surface area> 4 m 2 / g).
Bei dem Mahlen in einer Planetenkugelmühle, das auch zum Durchmischen der Pulver der Ausgangspulvermischung führt, wurde ein Masseverhältnis von Pulver zu Mahlkugeln von 1:10 und eine Mahldauer von bis zu 20 Minuten bei einer Umdrehungszahl 200 U/min eingehalten. Das Mahlen in der Planetenkugelmühle erfolgte unter Schutzgas (z. B. Stickstoff). When grinding in a planetary ball mill, which also leads to the mixing of the powders of the starting powder mixture, a mass ratio of powder to grinding balls of 1:10 and a grinding time of up to 20 minutes at a speed of 200 U / min was maintained. Milling in the planetary ball mill was carried out under protective gas (eg nitrogen).
Mit der so gemahlenen und vermischten Ausgangspulvermischung wurde eine Pulver-Binder-Suspension hergestellt. Es wurde ein Binder in Form eines Wachses oder einer Kombination von Wachs, der unter der Handelsbezeichnung Siliplast TP 6000 von der Firma Zschimmer und Schwarz, DE kommerziell erhältlich ist, mit einem Anteil zwischen 6 und 8 Masse in der Suspension hergestellt. Es wurde eine Viskosität bei einer Temperatur von 80°C zwischen 2 Pas und 100 Pas, bei einer Scherrate von 100 s–1 bzw. eine scherratenunabhängige Viskosität im Bereich 0,4 Pas bis 4 Pas eingestellt.With the thus ground and mixed starting powder mixture, a powder-binder suspension was prepared. A binder in the form of a wax or a combination of wax, which is commercially available under the trade name Siliplast TP 6000 from Zschimmer and Schwarz, DE, was prepared in a proportion of between 6 and 8 mass in the suspension. A viscosity was set at a temperature of 80 ° C. between 2 Pas and 100 Pas, at a shear rate of 100 s -1 and a shear rate-independent viscosity in the range from 0.4 Pas to 4 Pas.
Die so erhaltene Suspension wurde in ein Spritzgusswerkzeug eingeführt, um die Formgebung des Bauteils zu erreichen. Nach dem Entformen wurde mit einer thermischen Behandlung eine Entbinderung, zum Austreiben der organischen Komponenten aus dem nach dem Metallpulverspritzgießen erhaltenen dreidimensionalen Grünkörper durchgeführt. Dies wurde in einer Schutzgasatmosphäre (Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder ein Gasgemisch davon) bei einer zu erreichenden maximalen Temperatur von 500°C, die bis zu 2 h gehalten worden ist, erreicht.The suspension thus obtained was introduced into an injection mold to achieve the molding of the component. After demolding, debindering was performed with a thermal treatment to expel the organic components from the three-dimensional green body obtained after the metal powder injection molding. This was achieved in a protective gas atmosphere (argon, hydrogen, nitrogen or a gas mixture thereof) at a maximum temperature of 500 ° C to be achieved, which has been maintained for up to 2 hours.
Im Anschluss an diesen Verfahrensschritt wurde eine drucklose Sinterung in nichtoxidierender Atmosphäre (Argon, Wasserstoff) oder unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt. Dabei wurde mit einer Heizrate von 5 K/min bis 10 K/min auf eine Temperatur von 1750°C erwärmt und diese Temperatur über 6 h gehalten. Nach dem Abkühlen war eine physikalische Dichte, die 94,5% der theoretischen Dichte entspricht, erreicht.Following this process step, pressureless sintering was carried out in a non-oxidizing atmosphere (argon, hydrogen) or under high vacuum conditions. It was heated at a heating rate of 5 K / min to 10 K / min to a temperature of 1750 ° C and held this temperature for 6 h. After cooling, a physical density equal to 94.5% of the theoretical density was reached.
Bei einer Nachverdichtung durch heißisostatisches Pressen bei einem Druck von 280 MPa und einer Maximaltemperatur von 1600°C wurde eine Dichte, die oberhalb von 99% der theoretischen Dichte entspricht, erreicht.In a densification by hot isostatic pressing at a pressure of 280 MPa and a maximum temperature of 1600 ° C, a density that corresponds to above 99% of the theoretical density, achieved.
Im Werkstoff des so hergestellten Bauteils waren 50% bis 55% Flächenanteil an Mo und der Rest mit den beiden intermetallischen Phasen Mo3Si und MO5SiB2 gebildet. Die intermetallischen Phasen waren in der Molybdänmatrix homogen verteilt angeordnet. Was bei einer geschliffenen Probe nachgewiesen werden konnte.In the material of the component produced in this way, 50% to 55% area fraction of Mo and the remainder were formed with the two intermetallic phases Mo 3 Si and MO 5 SiB 2 . The intermetallic phases were homogeneously distributed in the molybdenum matrix. What could be proven with a ground sample.
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