DE102018102616A1

DE102018102616A1 - Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern

Info

Publication number: DE102018102616A1
Application number: DE102018102616.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Pötschke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Hartmetallwerkstoffe und der keramischen und/oder pulvermetallurgischen Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern, wie es beispielsweise für die Herstellung von Verschleißteilen eingesetzt werden kann.Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem Hartmetallkörper mit einer Verdichtung von ≥ 98 % herstellbar sind, die ein Hartmetallgefüge aufweisen, welches frei von den ungewünschten Phasen freier Kohlenstoff, reinem W, Wolframdicarbid und verschiedener η-Phasen ist.Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem mit einem laserbasierten additiven Fertigungsverfahren mit einem Energieeintrag mittels Laser an jedem Ort des Energieeintrags zur Realisierung einer Temperatur von 800 °C bis maximal < 2735 °C ein Hartmetallgrünkörper mit einer Dichte von mindestens 30 % und maximal 70 % hergestellt wird, und der nachfolgend einer Sinterung bis zu einer Verdichtung des Hartmetallkörpers von ≥ 98 % unterzogen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Hartmetallwerkstoffe und der keramischen und/oder pulvermetallurgischen Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern, wie es beispielsweise für die Herstellung von Verschleißteilen oder Werkzeugen mit Hartmetallen eingesetzt werden kann.
Die Herstellung von Hartmetallkörpern, die im Grünzustand neben organischen Bindemitteln die Hartmetallausgangspulver enthalten, mittels Pressverfahren, Extrusion oder MIM/CIM und dem anschließenden Sintern ist nach dem Stand der Technik bekannt. Dabei können Hartmetallbauteile mit verschiedener Zusammensetzung hergestellt werden. Bei der Zusammensetzung sind Bindemetallgehalte (z.B. Cobalt, Eisen und/oder Nickel) von 0 bis ≤ 32 Vol.-% realisierbar.
Mit diesen bekannten Herstellungsverfahren sind hinsichtlich der Geometrie der herzustellenden Bauteile Einschränkungen vorhanden, die mit diesen Technologien nicht beseitigbar sind.
Für eine Designfreiheit zur Herstellung von komplexen Hartmetallbauteilen ist der Einsatz von Additiven Fertigungsverfahren erforderlich. Bei solchen Fertigungsverfahren werden die Bauteile gemäß einem 3D-Modell, welches mit einem Computer generiert wird, erzeugt, in dem das 3D-Modell quasi in dünne Scheiben geschnitten und danach das Bauteil scheibenweise hergestellt wird.
Ein solches additives Verfahren ist das Lasersintern, bei welchem mit einem lokalen direkten Energieeintrag bereits eine höhere Festigkeit des Grünkörpers realisiert werden kann (Y. Xiong et al: Powder Metallurgy Vol. 53, Iss. 1, 2010; T. Gläser, Untersuchungen zum Lasersintern von Wolframcarbid-Kobalt, Dissertation 2010; Generative Fertigung von Extrusionswerkzeugen aus Hartmetall-GENIAL (BMBF)).
Ebenfalls bekannt ist die additive Fertigung von Wolframcarbid-Cobalt-Hartmetallen mit dem Verfahren der Laser Powder Bed Fusion (LPBF), mit der Formkörper mit hoher Gestaltungsfreiheit in der Formgebung und die Integration von Funktionseigenschaften in Hartmetall-Werkzeuge möglich werden. Ebenso könnten Ressourcen und Fertigungszeiten deutlich eingespart werden. Bei diesem Verfahren wird Hartmetallpulver in Form eines Pulverbettes in eine Vorrichtung eingebracht und es erfolgt die Verdichtung der gewünschten Hartmetallpulverbereiche durch sehr kurze Einwirkzeiten eines Laserstrahls. Während dieser sehr kurzen Einwirkzeit entsteht im Bereich des Laserstrahls durch lokales Aufschmelzen eine Flüssigphase, während der wesentlich höhere Temperaturen beim Sintern erreicht werden. Durch die vorher vollständige 3-dimensionale Beschreibung des fertigen Werkstücks wird der Laserstrahl computerunterstützt geführt, so dass nur die Bereiche des späteren fertigen Werkstücks aufgeschmolzen und verdichtet werden (T. Schubert et al: 35. Hagener Symposium Pulvermetallurgie, H. Kolaska, H. Danninger, D. Biermann (Eds.), Heimdall Verlag, Dortmund, 163 - 176, (2016).).
Als Hartmetallpulver können vorgesinterte und teilverdichtete Hartmetallgranulate eingesetzt werden (Faisal, N.H. et al: J. Therm. Spray Tech. (2011) 20, 1071; S.M. Nahvi et al: Surface and Coatings Techn., (2016) 286, 95-102; G. Bolelli et al: Surface and Coatings Techn. (2012) 206, 4079-4094).
Bezüglich der Gefügeausbildung bei der Herstellung von Hartmetallen, beispielsweise aus WC-Co, entsteht bei der konventionellen Herstellung idealerweise ein Hartmetallgefüge, welches aus WC-Körnern in einer cobaltreichen Matrix mit gelöstem Wolfram und Kohlenstoff besteht.
Da bei dem LPBF-Verfahren lokal höhere Temperaturen erreicht werden, muss beachtet werden, dass sich WC bei Temperaturen > 2735 °C zersetzt.
Ebenso muss bei der Verfahrensführung einer Verdampfung der Flüssigphase und einer Entkohlung durch höhere Cobaltgehalte entgegengewirkt werden, um eine Versprödung des Hartmetallgefüges durch das Entstehen der η-Phase zu verhindern (T. Schubert et al: 35. Hagener Symposium Pulvermetallurgie, H. Kolaska, H. Danninger, D. Biermann (Eds.), Heimdall Verlag, Dortmund, 163 - 176, (2016).).
Auch aus anderen Veröffentlichungen ist bekannt, dass WC-Co-Hartmetalle mittels laserbasierten additiven Fertigungsverfahren mittels Selectiv Laser Melting (SLM) nur sehr schwierig und nur bei Einsatz von sehr hohen Laserleistungen und hohen Co-Gehalten mit ausreichender Verdichtung herstellbar sind. Dies führt wiederum zu einer Zersetzung von WC, was unerwünscht ist (E. Uhlmann et al: Procedia CIRP 35 (2015) 8-15; T. Gläser, Dissertation RTH Aachen, 2010, Zusammenfassung).
Nachteilig bei den bekannten laserbasierten additiven Fertigungsverfahren ist, dass keine ausreichende Verdichtung und demzufolge eine große Anzahl von Gefügefehlern auftreten, die nur durch eine nachträgliche thermisch Behandlung unter Druck (Nachverdichten) und in vielen Fällen nur teilweise behoben werden konnten, und dass sich das Gefüge durch Gefügedefekte, wie freier Kohlenstoff, reines Wolfram, Wolframdicarbid und verschiedene η-Phasen, kennzeichnet ist, die zu einer deutlichen Verschlechterung der Eigenschaften (z.B. der Biegefestigkeiten) führen. (T. Gläser, Untersuchungen zum Lasersintern von Wolframcarbid-Kobalt, Dissertation 2010; Generative Fertigung von Extrusionswerkzeugen aus Hartmetall-GENIAL (BMBF)) Auch das Auftreten von Rissen im Gefüge aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Gefügebestandteile bei der Abkühlung der Hartmetalle und der Verlust von Cobalt durch eine Verdampfung ist sehr nachteilig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern anzugeben, mit welchem Hartmetallkörper mit einer Verdichtung von ≥ 98 % herstellbar sind, die ein Hartmetallgefüge bei Raumtemperatur aufweisen, welches nahezu vollständig aus WC-Partikeln in einer cobaltreichen Matrix mit gelöstem Wolfram und Kohlenstoff besteht und frei von den ungewünschten Phasen freier Kohlenstoff, reinem W, Wolframdicarbid und verschiedener η-Phasen ist.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern wird mit einem laserbasierten additiven Fertigungsverfahren mit einem Energieeintrag mittels Laser an jedem Ort des Energieeintrags zur Realisierung einer Temperatur von 800 °C bis maximal < 2735 °C ein Hartmetallgrünkörper mit einer Dichte von mindestens 30 % und maximal 70 % der theoretischen Dichte des Hartmetallkörpers hergestellt, und der nachfolgend einer Sinterung bei Temperaturen bis maximal 1600 °C mittels Vakuumsintern bei Partialdrücken von 100 bis 90000 Pa und/oder Gasdrucksintern und Drücken bis maximal 10 MPa bis zu einer Verdichtung des Hartmetallkörpers von ≥ 98 % der theoretischen Dichte unterzogen wird.
Vorteilhafterweise werden die Hartmetallgrünkörper mittels wie LBPF, SLM, DMLS, EBM oder SLS hergestellt.
Weiterhin vorteilhafterweise wird ein Energieeintrag mittels Laser zur Realisierung einer maximalen Temperatur von < 1800 °C durchgeführt.
Auch vorteilhafterweise wird das laserbasierte additive Fertigungsverfahren mit Laserleistungen von ≤ 125 W und/oder Spurabständen von ≥ 200 µm und/oder Scangeschwindigkeiten von ≤ 110 mm/s und/oder Schichtdicken ≤ 90 µm durchgeführt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird das Gasdrucksintern bei Temperaturen von 1200 bis 1600 °C und Drücken von 1 bis 10 MPa durchgeführt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Vakuumsintern bei Temperaturen von 1200 bis 1600 °C und Drücken von 200 bis 90000 Pa durchgeführt wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn Hartmetallgranulate als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren eingesetzt werden, die eine geschlossene Porosität von ≥ 0 Vol.-% bis 40 Vol.-% aufweisen.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn Hartmetallgranulate als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren eingesetzt werden, die aus WC, TiC, TiCN, NbC, TaC, Cr₃C₂, Mo₂C als keramischem Hartstoff, mit Co, Ni, Fe als metallische Bindephase und vorteilhafterweise Zusätzen aus VC, Cr₃C₂, TaC, NbC, ZrC, Mo₂C und/oder aus Cu, Zn bestehen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn Hartmetallgranulate als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren mit Granaliengrößen von 2 µm bis 90 µm eingesetzt werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren teilverdichtete und/oder vollverdichtete vorgesintertes Hartmetallgranulate eingesetzt werden.
Und auch von Vorteil ist es, wenn als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren teilverdichtete Hartmetallgranulate eingesetzt werden, die eine Schüttdichte von 25 bis 55 % der theoretischen Dichte und sowohl monomodale als auch bimodale oder multimodale Partikelgrößenverteilungen aufweisen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern anzugeben, mit welchem Hartmetallkörper mit einer Verdichtung von ≥ 98 % herstellbar sind, die ein Hartmetallgefüge bei Raumtemperatur aufweisen, welches nahezu vollständig aus WC-Partikeln in einer cobaltreichen Matrix mit gelöstem Wolfram und Kohlenstoff besteht und frei von den ungewünschten Phasen freier Kohlenstoff, reinem W, Wolframdicarbid und verschiedener η-Phasen ist.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren, bei dem Laser oder Elektronenstrahl basierte additive Fertigungsverfahren, wie LBPF, SLM, DMLS, EBM oder SLS, eingesetzt werden.
Bekanntermaßen sind für die Herstellung von Hartmetallkörpern mittels laserbasierter additiver Fertigungsverfahren zur Erreichung einer möglichst geringen Gesamtporosität und hoher Dichte einerseits hohe Laserleistungen und geringe Spurabstände und/oder geringe Scangeschwindigkeiten der Laser erforderlich, was zu einer sehr hohen Temperatur von > 2000 °C und höher im Bereich des Energieeintrages durch den Laser führt. Dadurch wird ab 2735 °C WC zersetzt und das entstehende Hartmetallgefüge gestört, was sich sehr negativ auf die Eigenschaften des fertigen Hartmetallkörpers auswirkt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Hartmetallkörper mittels laserbasierter additiver Fertigungsverfahren hergestellt, die ein Hartmetallgrünkörper sind und eine Dichte von mindestens 30 % und maximal 70 % der theoretischen Dichte des Hartmetallkörpers aufweisen dürfen.
Dazu werden die Bedingungen des laserbasierten additiven Fertigungsverfahrens erfindungsgemäß so eingestellt, dass der Energieeintrag mittels Laser an jedem Ort des Energieeintrags nur zur Realisierung einer Temperatur von 800 °C bis maximal < 2735 °C, vorteilhafterweise bis maximal 1800 °C, führt. Gemessen werden können diese Temperaturen direkt annährend mit Pyrometermessungen und indirekt durch eine Analyse der lasergesinterten Grünkörpern durch eine Röntgendiffraktometriemessung bei der nach einer Temperatur > 2735 °C Wolframdicarbidphasen nachgewiesen werden können. Weiterhin kann zur Überprüfung, dass nur Temperaturen bis 1800 °C mittels des Lasers eingetragen werden, eine Röntgenfluoreszenzmessung zur Bestimmung des Cobaltgehaltes im Ausgangspulver und im vorgesinterten Grünling verwendet werden. Hierbei soll der Cobaltverlust während laserbasierten additiven Fertigung des Grünkörpers nur max. 10 % des Ausgangsgehaltes an Cobalt betragen.
Dies kann durch geringere Laserleistungen und/oder größere Spurabstände und/oder größere Scangeschwindigkeiten und/oder geringeren Schichtdicke und/oder kürzeren Laserpulsen als nach dem Stand der Technik bekannt, realisiert werden.
Vorteilhafterweise wird das mit Laserleistungen von ≤ 125 W und Spurabständen von ≥ 200 µm und Scangeschwindigkeiten von ≤ 110 mm/s und Schichtdicken ≤ 90 µm realisiert. Die Laserleistung kann dabei kontinuierlich oder zur besseren Steuerung des Energieeintrages gepulst eingebracht werden.
Andererseits müssen die Bedingungen des laserbasierten additiven Fertigungsverfahrens erfindungsgemäß so eingestellt werden, dass ein Energieeintrag mittels Laser an jeden Ort des Energieeintrages zur Realisierung einer Temperatur von mindestens 800 °C realisiert wird, wodurch der Hartmetallgrünkörper eine Dichte von mindestens 30 % der theoretischen Dichte des Hartmetallkörpers aufweist. Dadurch wird eine ausreichende mechanische Stabilität des Grünkörpers für die Weiterbearbeitung gewährleistet.
Die so hergestellten Hartmetallgrünkörper sind in keinem Fall für die Einsatz als Hartmetallkörper für die bekannten Anwendungen von dichten Hartmetallkörpern vorgesehen, sondern diese Hartmetallgrünkörper müssen erfindungsgemäß nachfolgend einer weiteren Verdichtung mittels Vakuumsinterns oder Gasdrucksinterns, auch SinterHIP genannt, bei Temperaturen bis maximal 1600°C, beim Vakuumsintern bei Partialdrücken von 100 bis 90000 Pa und/oder beim Gasdrucksintern bei Drücken bis maximal 10 MPa bis zu einer Verdichtung des Hartmetallkörpers von ≥ 98 % der theoretischen Dichte unterzogen werden.
Vorteilhafterweise kann die Gasdrucksinterung bei Temperaturen von 1200 bis 1600 °C und Drücken von 1 bis10 MPa durchgeführt werden.
Auch vorteilhaft wird das Vakuumsintern bei Temperaturen von 1200 bis 1600 °C und Drücken von 500 bis 90000 Pa durchgeführt.
Danach liegt ein im Wesentlichen dichter Hartmetallkörper vor, der für die bekannten Anwendungen von dichten Hartmetallkörpern eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß können als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren vorgesinterte Hartmetallpulver oder Hartmetallgranulate eingesetzt werden.
Bei Einsatz von vorgesinterten Hartmetallgranulaten weisen diese vorteilhafterweise eine geschlossene Porosität von ≥ 0 Vol.-% bis 40 Vol.-% und/oder mittlere Granaliengrößen von 2 µm bis 90 µm auf. Die vorgesinterten Hartmetallgranulate können eine Schüttdichte von 25 bis 55 % der theoretischen Dichte aufweisen und sowohl monomodale als auch bimodale oder multimodale Partikelgrößenverteilungen aufweisen.
Es können Hartmetalle aus WC, TiC, TiCN, NbC, TaC, Cr₃C₂, Mo₂C als keramischem Hartstoff, mit Co, Ni, Fe als metallische Bindephase und vorteilhafterweise Zusätzen aus VC, Cr₃C₂, TaC, NbC, ZrC, Mo₂C und/oder aus Cu, Zn, eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß können als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren teilverdichtete und/oder verdichtete gesinterte Hartmetallgranulate eingesetzt werden.
Teilverdichtete Hartmetallgranulate sind Hartmetalle, die mit einem Bindemetall gemischt und zu einem Granulat als Grünling verarbeitet werden. Derartige Hartmetallgranulate werden dann unter Sauerstoffabschluss gesintert, wobei das Bindemetall bis zur Flüssigphase erhitzt wird und die Zwischenräume zwischen den Hartmetallpartikeln teilweise ausfüllt und die Hartmetallpartikel teilweise umschließt. Derartig teilverdichtete Hartmetallgranulate zeigen eine poröse Struktur. Nachfolgend oder direkt in einem Schritt können die teilverdichteten Hartmetallgranulate weiter verdichtet werden und weisen dann eine homogene, so gut wie porenfreie Struktur auf.
Die Granulierung und Teilverdichtung kann zum Beispiel über die Sprühtechnische/Wirbelschicht-Route oder über eine mechanische Agglomerierung/Granulierung erreicht werden. Die weitere Verdichtung der Hartmetallgranulate kann mit einer anschließenden Teil- oder vollständigen Sinterung der Granulate und vorteilhafterweise nachfolgender Deagglomeration erreicht werden.
Dabei ist von besonderer erfindungsgemäßer Bedeutung, dass durch die zweistufige Herstellung der Hartmetallkörper einerseits ein Hartmetallgrünkörper hergestellt wird, der weder beim oder nach dem Entbindern auseinander fällt, und andererseits durch die nachfolgende Sinterung komplex geformte, dichte Hartmetallkörper herstellbar sind.
Es ist ebenfalls erfindungsgemäß von Bedeutung, dass der verbliebene Raum, in teilverdichten Hartmetallgranalien für notwendigerweise zu realisierende Umordnungsvorgänge im Hartmetallgrünkörper zur Verfügung steht, so dass im Sinterprozess eine weitere Verdichtung des Hartmetallgrünkörpers realisiert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen zweitstufigen Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern wird einerseits der Vorteil von laserbasierten additiven Fertigungsverfahren mit den höheren Freiheitsgraden der Gestaltung von Formkörpern genutzt, bei gleichzeitig geringerem bis geringem Energieeintrag und Schonung des Hartmetallgefüges, und gleichzeitig ein dichter Hartmetallkörper herstellbar, für den ebenfalls ein geringerer Energieeintrag während der Sinterung in Gasdrucksinterprozess oder Vakuumsinterprozess erforderlich ist.
Weiterhin ist besonders vorteilhaft, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hartmetallkörper Gefüge aufweisen, die keine störenden Phasen wie W₂C, W und/oder Etaphasen aufweisen, und/oder der Co-Verlust insbesondere beim SLS bei < 10 % im Vergleich zum Ausgangscobaltgehalt beträgt.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Teilverdichtetes Hartmetallgranulat wurde durch eine Mischmahlung aus WC, Co und 2 Ma.-% organischen Binder, hier Paraffin, in Heptan, einer anschließenden Sprühgranulierung und einer Sinterung bei 1030 °C hergestellt. Die Granulate wurden anschließend deagglomeriert und in die Fraktion ≤ 90 µm gesiebt. Anschließend wurde die Fraktion ≥ 10 µm und ≤ 32 µm mittels konventioneller Sichttechnik gewonnen.
Das teilverdichtete Hartmetallgranulat bestand aus 12 Ma.-% WC mit einer Ausgangskorngröße von 0,75 µm d_FSSS.
Die ermittelte Schüttdichte betrug 4,8 g/cm³, dies entspricht einer Dichte von etwa 35 % der theoretischen Dichte.
Die Grünkörperherstellung erfolgte mittels SLS mit den folgenden Parametern zu Testkörpern mit der Sollgeometrie 12*12*7 mm³: Laserleistung 55 W, Scangeschwindigkeit 75 mm/s, Spurabstand 205 µm, Schichtdicke 45 µm.
Der Grünkörper hatte dabei eine Dichte von 63 % und somit eine ausreichende Festigkeit, um diesen nachfolgend für die Sinterung zu handhaben.
Anschließend wurde der Hartmetallgrünkörper in einem Gasdrucksinterofen bei 1400 °C und 10 MPa und einer Haltezeit von 75 Minuten gesintert.
Das entstandene Hartmetallbauteil wurde nach der Sinterung charakterisiert und die Zusammensetzung und die Porosität überprüft. Die Dichte betrug mit 14,35 g/cm³ 99,9 % der theoretischen Dichte und die an lichtmikroskopischen Schliffen ermittelte Porosität lag bei A04-B02-C00.
Beispiel 2
Teilverdichtetes Hartmetallgranulat wurde durch eine Mischmahlung aus WC, Co, Cr₃C₂ und 5 Ma.-% organischen Binder, hier PVB, in Ethanol, einer anschließenden Sprühgranulierung und einer Sinterung bei 1070 °C hergestellt. Die teilverdichteten Granulate wurden anschließend in die Fraktion ≤ 90 µm gesiebt. Anschließend wurde die Fraktion ≥ 15 µm und ≤ 5 µm mittels konventioneller Sichttechnik gewonnen.
Das teilverdichtete Hartmetallgranulat bestand aus 12 Ma.-% WC mit einer Ausgangskorngröße von 0,3 µm d_FSSS.
Die ermittelte Schüttdichte betrug 5,2 g/cm³, dies entspricht einer Dichte von etwa 40 % der theoretischen Dichte.
Die Grünkörperherstellung erfolgte mittels SLS mit den folgenden Parametern zu Testkörpern mit der Sollgeometrie 12*12*7 mm³: Laserleistung 20 W, Pulsfrequenz 120 kHz, Pulslänge 250 ns, Scangeschwindigkeit 20 mm/s, Spurabstand 30 µm, Schichtdicke 20 µm.
Der Grünkörper hatte dabei eine Dichte von 53 % und somit eine ausreichende Festigkeit, um diesen nachfolgend für die Sinterung zu handhaben.
Anschließend wurden die Hartmetallbauteile in einem Gasdrucksinterofen bei 1380 °C und 8,7 MPa und einer Haltezeit von 65 Minuten gesintert.
Das entstandene Hartmetallbauteil wurde nach der Sinterung charakterisiert und die Zusammensetzung und die Porosität überprüft. Die Dichte betrug mit 14,20 g/cm³ 99,8 % der theoretischen Dichte und die an lichtmikroskopischen Schliffen ermittelte Porosität lag bei A04-B04-C00.
Beispiel 3
Teilverdichtetes Hartmetallgranulat wurde durch eine Mischmahlung aus WC, Co und 2 Ma.-% organischen Binder, hier Paraffin, in Heptan, einer anschließenden Sprühgranulierung und einer Sinterung bei 1050 °C hergestellt. Die Granulate wurden anschließend deagglomeriert und in die Fraktion ≤ 90 µm gesiebt. Anschließend wurde die Fraktion ≥ 5 µm und ≤ 20 µm mittels konventioneller Sichttechnik gewonnen.
Das teilverdichtete Hartmetallgranulat bestand aus 13 Ma.-% WC mit einer Ausgangskorngröße von 0,95 µm d_FSSS.
Die ermittelte Schüttdichte betrug 5,3 g/cm³, dies entspricht einer Dichte von etwa 40 % der theoretischen Dichte.
Die Grünkörperherstellung erfolgte mittels SLS mit den folgenden Parametern zu Testkörpern mit der Sollgeometrie 12*12*7 mm³: Laserleistung 20 W, Pulsfrequenz 120 kHz, Pulslänge 250 ns, Scangeschwindigkeit 23, mm/s, Spurabstand 30 µm, Schichtdicke 25 µm.
Der Grünkörper hatte dabei eine Dichte von 58 % und somit eine ausreichende Festigkeit, um diesen nachfolgend für die Sinterung zu handhaben.
Anschließend wurden die Hartmetallbauteile in einem Vakuumsinterofen bei 1450 °C und 5000 Pa und einer Haltezeit von 95 Minuten gesintert.
Das entstandene Hartmetallbauteil wurde nach der Sinterung charakterisiert und die Zusammensetzung und die Porosität überprüft. Die Dichte betrug mit 14,11 g/cm³ 99,9 % der theoretischen Dichte und die an lichtmikroskopischen Schliffen ermittelte Porosität lag bei A04-B00-C00.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Xiong et al: Powder Metallurgy Vol. 53, Iss. 1, 2010 [0005]
T. Gläser, Untersuchungen zum Lasersintern von Wolframcarbid-Kobalt, Dissertation 2010 [0005]
T. Schubert et al: 35. Hagener Symposium Pulvermetallurgie, H. Kolaska, H. Danninger, D. Biermann (Eds.), Heimdall Verlag, Dortmund, 163 - 176, (2016) [0006]
Faisal, N.H. et al: J. Therm. Spray Tech. (2011) 20, 1071 [0007]
S.M. Nahvi et al: Surface and Coatings Techn., (2016) 286, 95-102 [0007]
G. Bolelli et al: Surface and Coatings Techn. (2012) 206, 4079-4094 [0007]
E. Uhlmann et al: Procedia CIRP 35 (2015) 8-15 [0011]
T. Gläser, Dissertation RTH Aachen, 2010 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern, bei dem mit einem laserbasierten additiven Fertigungsverfahren mit einem Energieeintrag mittels Laser an jedem Ort des Energieeintrags zur Realisierung einer Temperatur von 800 °C bis maximal < 2735 °C ein Hartmetallgrünkörper mit einer Dichte von mindestens 30 % und maximal 70 % der theoretischen Dichte des Hartmetallkörpers hergestellt wird, und der nachfolgend einer Sinterung bei Temperaturen bis maximal 1600 °C mittels Vakuumsintern bei Partialdrücken von 100 bis 90000 Pa und/oder Gasdrucksintern und Drücken bis maximal 10 MPa bis zu einer Verdichtung des Hartmetallkörpers von ≥ 98 % der theoretischen Dichte unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hartmetallgrünkörper mittels wie LBPF, SLM, DMLS, EBM oder SLS hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Energieeintrag mittels Laser zur Realisierung einer maximalen Temperatur von < 1800 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das laserbasierte additive Fertigungsverfahren mit Laserleistungen von ≤ 125 W und/oder Spurabständen von ≥ 200 µm und/oder Scangeschwindigkeiten von ≤ 110 mm/s und/oder Schichtdicken ≤ 90 µm durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gasdrucksintern bei Temperaturen von 1200 bis 1600 °C und Drücken von 1 bis 10 MPa durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Vakuumsintern bei Temperaturen von 1200 bis 1600 °C und Drücken von 200 bis 90000 Pa durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Hartmetallgranulate als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren eingesetzt werden, die eine geschlossene Porosität von ≥ 0 Vol.-% bis 40 Vol.-% aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Hartmetallgranulate als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren eingesetzt werden, die aus WC, TiC, TiCN, NbC, TaC, Cr₃C₂, Mo₂C als keramischem Hartstoff, mit Co, Ni, Fe als metallische Bindephase und vorteilhafterweise Zusätzen aus VC, Cr₃C₂, TaC, NbC, ZrC, Mo₂C und/oder aus Cu, Zn bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Hartmetallgranulate als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren mit Granaliengrößen von 2 µm bis 90 µm eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren teilverdichtete und/oder vollverdichtete vorgesintertes Hartmetallgranulate eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Ausgangsstoffe für das laserbasierte additive Fertigungsverfahren teilverdichtete Hartmetallgranulate eingesetzt werden, die eine Schüttdichte von 25 bis 55 % der theoretischen Dichte und sowohl monomodale als auch bimodale oder multimodale Partikelgrößenverteilungen aufweisen.