DE102015216969A1

DE102015216969A1 - Beschichteter Sinterwerkstoff, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendungen des beschichteten Sinterwerkstoffs

Info

Publication number: DE102015216969A1
Application number: DE102015216969.3A
Authority: DE
Inventors: Inga Schellenberg; Andreas Sedlmayr; Jens Burghaus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Sinterwerkstoffs (60). Diese umfasst das Herstellen (11, 21) eines Grünteils (30) oder eines Braunteils (40), das Beschichten (12, 22) des Grünteils (30) oder Braunteils (40) mit einem Beschichtungspulver (53), und das Sintern (14, 23) des beschichteten Grünteils (31) oder beschichteten Braunteils (41). Weiterhin betrifft die Erfindung einen mittels des Verfahrens herstellbaren Sinterwerkstoff (60). Dieser kann insbesondere als Klinge oder als medizintechnisches Werkzeug verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Sinterwerkstoffs. Weiterhin betrifft die Erfindung einen beschichteten Sinterwerkstoff der mittels dieses Verfahrens herstellbar ist sowie zwei unterschiedliche Verwendungen dieses Sinterwerkstoffs.
Stand der Technik
Metallische Werkstoffe können mit Beschichtungen versehen werden, um ihre Oberflächeneigenschaften zu modifizieren. So können beispielsweise die tribologischen Eigenschaften und die Verschleißeigenschaften eines Bauteils verbessert werden, indem auf seine Oberfläche eine Beschichtung aufgebracht wird, welche den Reibwert senkt. Um die Oberflächenhärte von Bauteilen für Schleif- und Schneidanwendungen zu verbessern, werden hingegen Beschichtungen aus sehr harten Partikeln aufgebracht.
Das Aufbringen der Beschichtung kann mittels Vakuumabscheidung oder über nasschemische Verfahren auf bereits fertigen Bauteilen erfolgen.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Sinterwerkstoffs umfasst die folgenden Schritte:

– Herstellen eines Grünteils oder eines Braunteils,
– Beschichten des Grünteils oder Braunteils mit einem Beschichtungspulver, und
– Sintern des beschichteten Grünteils oder beschichteten Braunteils.

Unter einem Grünteil, welches auch als Grünling bezeichnet wird, wird dabei ein Körper verstanden, der aus Partikeln eines Sinterpulvers, insbesondere Metall-, oder Keramikpartikeln und einem Binder besteht. Unter einem Braunteil wird ein entbindertes Grünteil verstanden. Die Beschichtung wird in diesem Verfahren also nicht erst nach einer spanenden Fertigstellung eines Bauteils aus dem Sinterwerkstoff, sondern bereits während des Herstellungsprozesses des Werkstoffs aufgebracht. Dies ermöglicht ein gemeinsames Sintern der Beschichtung mit dem Grünteil oder Braunteil, was die Haftung der Beschichtung auf dem Sinterwerkstoff gegenüber herkömmlichen Beschichtungsverfahren verbessert. Das Beschichten des Grünteils oder des Braunteils erfolgt vorzugsweise während des Herstellens des Grünteils oder des Braunteils. Hierdurch ist eine Prozessintegration des Beschichtens in das Herstellungsverfahren des Grünteils oder des Braunteils möglich.
Das Herstellen des Grünteils oder des Braunteils erfolgt bevorzugt mittels Pulverspritzgießens (Powder Injection Molding; PIM). Hierbei wird ein mit einem Binder versehenes Sinterpulver, insbesondere ein Metallpulver (Metal Injection Molding; MIM), ein Keramikpulver (CIM, Ceramic Injection Molding) in einem Spritzgussprozess verarbeitet. Soll ein Braunteil hergestellt werden, so wird der Binder anschließend entfernt. Durch Pulverspritzgießen ist es möglich, bereits komplex geformte Bauteile endkonturnah aus dem beschichteten Sinterwerkstoff in großen Stückzahlen herzustellen, die nach dem Sintern nicht mehr nachbearbeitet werden müssen. Hierdurch wird vermieden, dass durch eine Nachbearbeitung die bereits vor dem Sintern aufgebrachte Beschichtung wieder abgetragen wird.
Das Beschichten des Grünteils oder des Braunteils erfolgt vorzugsweise mittels Aufsprühen, mittels Tauchens oder mittels Aufbringen einer bedruckten Folie. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Aufbringung des Beschichtungspulvers auf der Oberfläche des Grünteils oder des Braunteils in einer Weise, dass das Beschichtungspulver fest genug an der Oberfläche anbindet, damit dieses bis zur endgültigen Fixierung während des Sintervorgangs sicher an der Oberfläche anhaftet.
Wird das Beschichtungspulver auf ein Braunteil aufgebracht, so ist dieses bereits binderfrei. Wird es hingegen auf ein Grünteil aufgebracht, so kann das Grünteil nach dem Beschichten und vor dem Sintern in der für herkömmliche Sinterverfahren bekannten Weise entbindert werden, ohne dass es dabei zu einer Ablösung der Beschichtung kommen würde.
Das Beschichtungspulver enthält insbesondere Festschmierstoffpartikel, wie beispielsweise hexagonales Bornitrid oder Molybdändisulfid oder Hartstoffpartikel, wie beispielsweise kubisches Bornitrid, Borcarbid, Diamant, Titannitrid oder Schleifkeramiken. Hierdurch können wahlweise entweder die tribologischen Eigenschaften und Verschleißeigenschaften des Sinterwerkstoffs oder seine Oberflächenhärte verbessert werden.
Vorzugsweise enthält das Beschichtungspulver Partikel mit einer zahlenmittleren Partikelgröße im Bereich von 100 nm bis 500 µm. Diese Größe liegt zwischen der Größe, die für klassische Schleifmittel verwendet wird und der Partikelgröße, die in pulvermetallurgischen Verfahren üblich ist.
Der beschichtete Sinterwerkstoff, der mittels des Verfahrens herstellbar ist, weist eine gut an seiner Oberfläche anhaftende Beschichtung auf. Wenn sein Beschichtungspulver Hartstoffpartikel enthält, kann er insbesondere als Schneid- oder Schleifwerkzeug verwendet werden, welches eine besonders große Härte aufweist. Solche Schneidwerkzeuge können beispielsweise als Klingen in Hexlern verwendet werden. Weist das Sinterpulver des beschichteten Sinterwerkstoffs hingegen Festschmierstoffpartikel auf, so ist dennoch eine Verwendung als Klinge möglich. Eine solche Klinge weist einen niedrigen Reibkoeffizienten auf. Durch reduzierte Wärmeentwicklung kommt es zu einer Materialschonung des geschnittenen Materials und der Schneidklinge, was beispielsweise für Piezo-Cutter ausgenutzt werden kann. Auch die Verwendung eines solchen beschichteten Sinterwerkstoffs als medizintechnisches Werkzeug ist möglich. Die reduzierte Materialhaftung, die durch eine Festschmierstoffbeschichtung erzielt werden kann, führt zu einem Lotuseffekt, der beispielsweise für Koagulationswerkzeuge genutzt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch die Herstellung eines beschichteten Sinterwerkstoffs gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung aus einem Grünteil oder aus einem Braunteil.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Herstellen 11 eines Grünteils 30 aus Metallpartikeln 51, vorliegend Partikeln eines Eisenbasiswerkstoffs und einem Binder 52, vorliegend Polyoxymethylen. Das erhaltene Grünteil 30 ist in der Figur dargestellt. Ein anschließendes Beschichten 12 des Grünteils 30 mit einem Beschichtungspulver 53 erfolgt vorliegend durch Aufsprühen von Molybdändisulfidpartikeln. Auf diese Weise wird ein beschichtetes Grünteil 31 erhalten. Anschließend erfolgt zunächst ein Entbindern 13 des beschichteten Grünteils 31 durch säurekatalysierten Abbau des Polyoxymethylens und ein anschließendes Sintern 14. Hierdurch wird ein beschichteter Werkstoff 60 erhalten, der an seiner Oberfläche mit den Partikeln des Beschichtungspulvers 53 beschichtet ist.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt mittels Pulverspritzgießens und anschließender Entbinderung die Herstellung 21 eines Braunteils 40, das aus Metallpartikeln desselben Eisenbasiswerkstoffs wie im ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens besteht. Das Braunteil 40 wird mit dem Beschichtungspulver 53 beschichtet 22, indem es in eine Suspension von Molybdändisulfidpartikeln eingetaucht wird. Das auf diese Weise erhaltene beschichtete Braunteil 41 wird gesintert 23, um so den beschichteten Sinterwerkstoff 60 zu erhalten.
Der beschichtete Sinterwerkstoff 60, dessen Beschichtungspulver 53 aus Molybdändisulfid besteht, weist gute tribologische Eigenschaften auf. In einem ersten Ausführungsbeispiel des beschichteten Sinterwerkstoffs 60 ist dieser zur Klinge eines Piezo-Cutters geformt, mit welcher ein Schneiden unter geringer Wärmeentwicklung möglich ist. In einem zweiten Ausführungsbeispiel des beschichteten Sinterwerkstoffs 60 ist dieser zu einem Koagulationswerkzeug geformt, dessen geringe Materialhaftung vorteilhaft in der Medizintechnik eingesetzt werden kann.
Ein beschichtetes Sinterwerkzeug 60 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel kann hergestellt werden, indem bei seiner Herstellung aus dem Grünteil 30 oder dem Braunteil 40 anstelle von Molybdändisulfid als Material des Beschichtungspulvers 53 Borcarbid verwendet wird. Dieser beschichtete Sinterwerkstoff 60 weist eine hohe Oberflächenhärte auf. Er ist zur Klinge eines Durchlaufschnitzlers geformt, welcher als Küchengerät Verwendung findet. In einem vierten Ausführungsbeispiel ist derselbe Sinterwerkstoff zu einem Schleifgerät geformt.
Die Beschichtungen des beschichteten Sinterwerkstoffs 60 gemäß allen vier Ausführungsbeispielen haften aufgrund seiner Herstellung in einem der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens fester an der Werkstoffoberfläche an als dies mit herkömmlichen Vakuumabscheidungsverfahren oder nasschemischen Verfahren realisiert werden könnte. Dadurch kommt es im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Werkstoffen nur zu einem langsamen Verschleiß der Oberflächenbeschichtung, so dass die aus den beschichteten Sinterwerkstoffen 60 gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung hergestellten Werkzeuge eine erhöhte Lebensdauer aufweisen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Sinterwerkstoffs (60), umfassend die folgenden Schritte: – Herstellen (11, 21) eines Grünteils (30) oder eines Braunteils (40), – Beschichten (12, 22) des Grünteils (30) oder Braunteils (40) mit einem Beschichtungspulver (53), und – Sintern (14, 23) des beschichteten Grünteils (31) oder beschichteten Braunteils (41).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten (12, 22) des Grünteils (30) oder Braunteils (40) während des Herstellens (11, 21) des Grünteils (30) oder des Braunteils (40) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen (11, 21) des Grünteils (30) oder des Braunteils (40) mittels Pulverspritzgießens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten (12, 22) des Grünteils (30) oder Braunteils (40) mittels Aufsprühens, mittels Tauchens oder mittels Aufbringen einer bedruckten Folie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Grünteil (30) nach dem Beschichten (12) und vor dem Sintern (14) entbindert wird (13).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulver (53) Festschmierstoffpartikel oder Hartstoffpartikel enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulver (53) Partikel mit einer zahlenmittleren Partikelgröße im Bereich von 100 nm bis 500 µm enthält.
Beschichteter Sinterwerkstoff (60), herstellbar gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verwendung eines beschichteten Sinterwerkstoffs (60) nach Anspruch 8, dessen Beschichtungspulver (53) Hartstoffpartikel enthält, als Schneidwerkzeug oder als Schleifwerkzeug.
Verwendung eines beschichteten Sinterwerkstoffs (60) nach Anspruch 8, dessen Beschichtungspulver (53) Festschmierstoffpartikel enthält, als Klinge oder als medizintechnisches Werkzeug.