DE102018201205A1

DE102018201205A1 - Sinteraggregat und Verfahren zum Spark-Plasma-Sintern

Info

Publication number: DE102018201205A1
Application number: DE102018201205.9A
Authority: DE
Inventors: Herrmann Bödinger; Roman Karmazin; Daniel Kupka; Carsten Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2019-08-01
Also published as: WO2019145498A1

Abstract

Das Sinteraggregat dient zum Spark-Plasma-Sintern elektrisch leitfähiger Werkstoffe. Das Sinteraggregat weist eine Sinterkammer sowie einen ersten und einen zweiten Kontakt auf, wobei erster und zweiter Kontakt angeordnet sind, bei Befüllung der Sinterkammer mit elektrisch leitfähigem Material entlang eines durch die Sinterkammer hindurch führenden Sinterstrompfades Sinterstrom zu leiten. Dabei ist bei dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat an einem vom ersten und/oder zweiten Kontakt zur Sinterkammer verlaufenden Abschnitt des Sinterstrompfades je ein Wärmedämmelement angeordnet, welches einen thermischen Isolator und einen elektrischen Leiter bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sinteraggregat zum Spark-Plasma-Sintern sowie ein Verfahren zum Spark-Plasma-Sintern.
Das Spark-Plasma-Sintern ist ein pulvermetallurgisches Fertigungsverfahren zur Fertigung von Werkstücken aus einem pulverförmigen Werkstoff. Der pulverförmige Werkstoff wird dazu regelmäßig in ein Presswerkzeug, eine Matrize, eingebracht, gepresst und mit einem elektrischen Sinterstrom beaufschlagt.
Im Falle eines leitfähigen Werkstoffs führt die aufgrund des Sinterstroms entstehende Joul'sche Erwärmung des Werkstoffs zu seinem schnellen Aufheizen und ermöglicht so das effiziente Sintern des Werkstoffs. Zudem werden die elektrischen Kontakte, mittels welchen der Sinterstrom in das Presswerkzeug eingespeist wird, gekühlt, um Schäden an dem Presswerkzeug und den Kontakten selbst zu vermeiden.
Beim Spark-Plasma-Sintern bleiben einige Randbedingungen zu berücksichtigen: So muss einerseits der leitfähige Werkstoff mit einer hinreichend hohen Aufheizrate und einer hinreichend räumlich homogenen Temperaturverteilung erwärmt werden. Andererseits sollte das Presswerkzeug für eine industrielle Fertigung hinreichend robust sein.
Es sind Presswerkzeuge aus Graphit bekannt, welche eine hinreichend hohe Aufheizrate aufweisen. Jedoch ist die Lebensdauer von Presswerkzeugen aus Graphit häufig zu gering. Presswerkzeuge aus Metall hingegen wären durchaus hinreichend robust, weisen aber keine genügend hohe Aufheizrate, Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit oder hinreichend homogene Temperaturverteilung auf.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Sinteraggregat zum Spark-Plasma-Sintern elektrisch leitfähiger Werkstoffe anzugeben, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Spark-Plasma-Sintern anzugeben.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Sinteraggregat mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Das erfindungsgemäße Sinteraggregat dient zum Spark-Plasma-Sintern elektrisch leitfähiger Werkstoffe. Das erfindungsgemäße Sinteraggregat weist eine Sinterkammer sowie einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt auf, wobei erster und zweiter Kontakt angeordnet sind, bei Befüllung der Sinterkammer mit elektrisch leitfähigem Material entlang eines durch die Sinterkammer hindurch führenden Sinterstrompfades Sinterstrom zu leiten. Dabei ist bei dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat an einem vom ersten und/oder zweiten Kontakt zur Sinterkammer verlaufenden Abschnitt des Sinterstrompfades je ein Wärmedämmelement angeordnet, welcher einen thermischen Isolator und einen elektrischen Leiter bildet.
Die Begriffe „thermischer Isolator“ und „elektrischer Leiter“ folgen dem üblichen technischen Verständnis dieser Begriffe. Unter einem thermischen Isolator im Sinne dieser Erfindung ist insbesondere ein Material zu verstehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 8 W/mK aufweist, vorzugsweise ein Material von höchstens 3 W/mK und idealerweise von höchstens 1 W/mK.
Mittels des einen thermischen Isolator bildenden Wärmedämmelements lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat vorteilhaft vermeiden, dass Wärme von der Sinterkammer in Richtung des ersten elektrischen Kontakts abfließt. Da das Wärmelement zugleich einen elektrischen Leiter bildet, ist gewährleistet, dass elektrischer Sinterstrom das Wärmedämmelement durchsetzen kann. Auf diese Weise ist bei dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat Sinterstrom durch die Sinterkammer leitbar, während die infolge des Sinterstroms durch den Werkstoff sich entwickelnde Wärme in oder zumindest nah der Sinterkammer verbleibt, sodass eine zur Sinterung des Werkstoffs hinreichende Wärmemenge in der Sinterkammer erreichbar ist.
Zweckmäßig ist/sind bei dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat das/die Wärmedämmelement/e derart ausgebildet und angeordnet, dass die Wärme an diesem Abschnitt des Wärmestrompfades zuverlässig gedämmt wird. Insbesondere schließt das Wärmedämmelement thermisch dicht mit übrigen Teilen des Sinteraggregats und/oder der Sinterkammer ab.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sinteraggregats ist das Wärmedämmelement mit kohlefaserverstärktem Graphit und/oder kohlefaserverstärktem Kohlenstoff gebildet. Ein solcher kohlefaserverstärkter Graphit und/oder Kohlenstoff stellt ein kommerziell erhältliches und hinreichend gut elektrisch leitfähiges und wärmeisolierendes Material für das Wärmedämmelement dar.
Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat die Sinterkammer mit einer Matrize aus oder mit Metall gebildet. Vorteilhaft ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, dass die Sinterkammer mit Graphit gebildet ist. Vielmehr kann die Sinterkammer grundsätzlich aus oder mit Metall gebildet sein, sodass die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Sinteraggregats nicht infolge der Materialwahl begrenzt sein muss. Zweckmäßig ist das Metall Stahl oder TZM (TZM = „Titan-Zirkon-Molybdän“). Insbesondere diese letztgenannten Materialien weisen eine deutlich längere Lebensdauer auf als herkömmliche Grafitmatrizen.
Vorzugsweise weist bei dem Sinteraggregat gemäß der Erfindung die Matrize eine im Wesentlichen zylindermantelförmige Gestalt auf. In dieser Weiterbildung der Erfindung kann auf einfache Weise eine Führung des oder der Pressstempel entlang der Zylinderachse realisiert sein, sodass die Sinterkammer leicht druckbeaufschlagbar ist.
Geeigneterweise umgibt bei dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat die Matrize eine Längsachse. Zweckmäßig bildet die Längsachse einen Sinterstrompfad für den Sinterstrom.
Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat die Sinterkammer mit mindestens einem oder mindestens zwei Pressstempel/n gebildet, welche/r zur Kraftbeaufschlagung in einer Richtung entlang der Längsachse ausgebildet und angeordnet ist/sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bei dem Sinteraggregat die Sinterkammer mit mindestens einem Pressstempel oder dem mindestens einen Pressstempel gebildet, wobei der mindestens eine Pressstempel mit Metall gebildet ist. Auf diese Weise lässt sich eine besonders hohe Lebensdauer der Pressstempel und folglich auch des erfindungsgemäßen Sinteraggregats realisieren.
Zweckmäßig umfasst das erfindungsgemäße Sinteraggregat mindestens ein Trennelement, welches in die Sinterkammer einbringbar ist. Vorzugsweise teilt das Trennelement dabei die Sinterkammer in zumindest zwei Sinterräume auf und/oder füllt einen an die Matrize angrenzenden Bereich der Sinterkammer aus. Insbesondere ist das Trennelement eine Metallplatte. Auf diese Weise können aus dem Werkstoff etwa mittels einer mittels Trennelementen aufgeteilten Sinterkammer zeitgleich zwei oder mehr Werkstücke gesintert werden. Ferner lässt sich mittels eines einen an die Matrize angrenzenden Bereich der Sinterkammer füllenden Trennelements eine Anhaftung des Werkstoffs an der Matrize wirksam verhindern. Das gesinterte Werkstück lässt sich somit besonders leicht aus der Matrize herausnehmen. Insbesondere erhöht das Trennelement die Prozesssicherheit, da die Matrize durch das Trennelement geschützt werden kann. Zudem können Wanddickenänderungen der Matrize, etwa wenn eine Matrize zur Entfernung von Schlagspuren ausgedreht werden muss, ausgeglichen werden, indem dickere Trennelemente vorgesehen werden.
Bei dem Sinteraggregat gemäß der Erfindung weist das mindestens eine Trennelement eine elektrische Isolierschicht, insbesondere mit Bornitrid gebildete Isolierschicht, auf. Zweckmäßig ist mit dem mit Bornitrid beschichteten Trennelement ein an die Matrize angrenzender Bereich der Sinterkammer ausfüllbar. Mittels Bornitrid können Anhaftungen von Werkstoff an dem Trennelement verhindert werden. Zudem bildet Bornitrid einen elektrischen Isolator, sodass der Sinterstrom wirksam räumlich auf den Bereich des Werkstoffs der Sinterkammer begrenzt werden kann. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Aufheizung des Werkstoffs gewährleistet. Im Falle eines die Sinterkammer aufteilenden mindestens einen Trennelements ist das mindestens eine Trennelement zweckmäßig mit einer elektrisch leitenden Schicht, insbesondere mit Grafitfolie oder Titandiborid, gebildet. Auf diese Weise sind die Trennelemente elektrisch leitend ausgebildet, sodass die Trennelemente die zeitgleiche Fertigung mehrerer Werkstücke erlauben, zugleich den Sinterstrompfad allerdings nicht unterbrechen, sodass der Sinterstrompfad zur effizienten Fertigung durch die Trennelemente hindurch treten kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum Spark-Plasma-Sintern eines elektrisch leitfähigen Werkstoffs. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Sinteraggregat wie oben beschrieben herangezogen.
Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sinterkammer des erfindungsgemäßen Sinteraggregats mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gefüllt.
Mittels des ersten und des zweiten elektrischen Kontakts wird ein Sinterstrom entlang eines durch die Sinterkammer hindurch führenden Sinterstrompfades durch den Werkstoff geleitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an einem vom ersten und/oder zweiten Kontakt zur Sinterkammer verlaufenden Abschnitt des Sinterstrompfades je ein Wärmedämmelement herangezogen, welcher einen thermischen Isolator und einen elektrischen Leiter bildet.
Auf diese Weise wird der Sinterstrom durch die Sinterkammer geleitet, während die infolge des Sinterstroms durch den Werkstoff sich entwickelnde Wärme in oder zumindest nah der Sinterkammer gehalten wird, sodass der Werkstoff in der Sinterkammer gesintert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die einzige Zeichnungsfigur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sinteraggregat 10 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch im Längsschnitt.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Sinteraggregat 10 ist ausgebildet zum Spark-Plasma-Sintern eines elektrisch leitfähigen und pulverförmigen Werkstoffs 20.
Das Sinteraggregat 10 umfasst in an sich bekannter Weise ein Presswerkzeug 30 umfassend zum einen eine zylindermantelförmige Matrize 40 aus Metall, im dargestellten Ausführungsbeispiel Stahl. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Matrize 40 aus einem anderen Metall, beispielsweise TZM (TZM = Titan-Zirkon -Molybdän) gebildet.
Zum anderen umfasst das Presswerkzeug einen ersten 50 und einen zweiten Pressstempel 60, die in der Matrize 40 axial, d.h. entlang der Längsachse 70, geführt sind, sodass die Pressstempel 50, 60 in axialer Richtung aufeinander zu beweglich sind. Die Pressstempel 50, 60 begrenzen mit der Matrize 40 in an sich bekannter Weise eine Sinterkammer, in welcher der zu sinternde Werkstoff 20 mittels der Pressstempel 50, 60 kraftbeaufschlagt wird, sodass der Werkstoff 20 zusammengepresst und folglich verdichtet wird.
Die Pressstempel 50, 60 sind ebenfalls aus einem Metall, im dargestellten Ausführungsbeispiel Stahl, gefertigt. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen, sind die Pressstempel 50, 60 aus einem anderen Metall, beispielsweise TZM, gefertigt.
Die Pressstempel 50, 60 sind jeweils an ihrer der Sinterkammer fernen Stirnseite 90, 100 elektrisch mit einem elektrischen Speisekontakt verbunden: der erste Pressstempel 50 ist mit einem ersten elektrischen Speisekontakt (nicht explizit gezeigt) verbunden und der zweite Pressstempel 60 ist mit einem zweiten elektrischen Speisekontakt (nicht explizit gezeigt) verbunden. Erster elektrischer Speisekontakt und zweiter elektrischer Speisekontakt dienen zur Einleitung eines zwischen erstem und zweitem Speisekontakt fließenden Sinterstroms, welcher bei mit elektrisch leitfähigem Werkstoff 20 befüllter Sinterkammer in axialer Richtung durch die Sinterkammer hindurch fließt. Die Längsachse 70 der Zylinderform der Matrize 40 bildet folglich einen Sinterstrompfad aus, entlang welchem der Sinterstrom bei befüllter Sinterkammer fließt.
Der erste Pressstempel 50 und der zweite Pressstempel 60 sind nicht direkt mit dem jeweiligen elektrischen Speisekontakt elektrisch kontaktiert. Vielmehr weist das Sinteraggregat 10 eine erste 110 und eine zweite Wärmedämmplatte 120 zur elektrischen Kontaktierung auf. Dazu ist der erste Pressstempel 50 mit der ersten Wärmedämmplatte 110 an den ersten elektrischen Speisekontakt angebunden und der zweite Pressstempel 60 ist mit der zweiten Wärmedämmplatte 120 an den zweiten elektrischen Speisekontakt angebunden. Die Wärmedämmplatten 110, 120 befinden sich dazu jeweils an der der Sinterkammer fernen Stirnseite des jeweiligen Pressstempels 50, 60 zwischen diesem und dem jeweiligen elektrischen Speisekontakt. Die Wärmedämmplatte 110, 120 ist zur elektrischen Anbindung der Pressstempel 50, 60 jeweils aus einem Material gebildet, welches einen elektrischen Leiter und zugleich einen thermischen Isolator bildet, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein kohlefaserverstärkter Graphit und/oder Kohlenstoff (CFC = (engl.) „Carbon Fiber Composite“). Die Wärmedämmplatten 110, 120 sind jeweils als zylindrische Flachscheiben ausgebildet, welche koaxial zur Längsachse 70 der Zylinderform der Matrize 40 orientiert sind.
Im oberen zusammengesetzten Bauteil aus erstem Pressstempel 50 und erster Wärmedämmplatte 110 ist eine Pyrometerbohrung 130 eingebracht, welche von dem der Sinterkammer fernen Stirnende der ersten Wärmedämmplatte 110 am ersten Pressstempel 50 in axialer Richtung auf die Sinterkammer zu durch die Wärmedämmplatte 110 hindurch und in den Pressstempel 50 hinein ragt.
Der zu sinternde Werkstoff 20 ist von der Matrize 40 mittels Stahlblechen 140 getrennt, welche sich in die Matrize 40 einlegen lassen. Die Stahlbleche 140 sind mit einer elektrisch isolierenden Schicht 150, beispielsweise Bornitrid, versehen, mittels welchen Anhaftungen von Werkstoff an dem Stahlblech 140 vermeidbar sind.
Die Sinterkammer ist zur zeitgleichen Sinterung mehrerer Werkstücke aus dem Werkstoff 20 ausgebildet. Dazu sind axiale Abschnitte der Sinterkammer mittels Stahlscheiben 160 räumlich aufgeteilt, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Grafitfolie 170, also mittels eines elektrisch leitfähigen Materials, beschichtet sind, sodass Anhaftungen des Werkstoffs an den Stahlscheiben vermeidbar sind. In weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen, ist anstelle einer Grafitfolie eine Schicht aus Titandiborid vorhanden.
Mittels des erfindungsgemäßen Sinteraggregats 10 wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Spark-Plasma-Sintern durchgeführt, indem in die Sinterkammer der elektrisch leitfähige Werkstoff 20 eingefüllt wird, welcher mittels der Stahlscheiben 160 voneinander getrennt wird um zeitgleich mehrere Werkstücke zu fertigen. Mittels der elektrischen Speisekontakte wird die Sinterkammer mit elektrischem Strom beaufschlagt, sodass sich entlang des Sinterstrompfades 70 der Sinterstrom ausbildet. Entsprechend werden mit dem erfindungsgemäßen Sinteraggregat 10 die Werkstücke gefertigt.

Claims

Sinteraggregat zum Spark-Plasma-Sintern elektrisch leitfähiger Werkstoffe, aufweisend eine Sinterkammer sowie einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt, wobei erster und zweiter Kontakt angeordnet sind, bei Befüllung der Sinterkammer mit elektrisch leitfähigem Material (20) entlang eines durch die Sinterkammer hindurch führenden Sinterstrompfades (70) einen Sinterstrom zu leiten, wobei an einem vom Kontakt zur Sinterkammer verlaufenden Abschnitt des Sinterstrompfades ein Wärmedämmelement (110, 120) angeordnet ist, welches einen thermischen Isolator und einen elektrischen Leiter bildet.
Sinteraggregat nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem das Wärmedämmelement (110, 120) mit kohlefaserverstärktem Graphit und/oder kohlefaserverstärktem Kohlenstoff gebildet ist.
Sinteraggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Sinterkammer mit einer Matrize (40) aus oder mit Metall gebildet ist.
Sinteraggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Matrize (40) eine im Wesentlichen zylindermantelförmige Gestalt aufweist.
Sinteraggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Matrize (40) eine Längsachse (70) umgibt.
Sinteraggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Sinterkammer mit mindestens einem Pressstempel (50, 60) gebildet ist, welcher zur Kraftbeaufschlagung in einer Richtung entlang der Längsachse (70) angeordnet sind.
Sinteraggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Sinterkammer mit mindestens einem Pressstempel (50, 60) oder dem mindestens einen Pressstempel (50, 60) gebildet ist, der aus oder mit Metall gebildet ist.
Sinteraggregat umfassend mindestens ein Trennelement (140, 160), welches in die Sinterkammer einbringbar ist, insbesondere umfassend eine Metallplatte, wobei das Trennelement (140, 160) die Sinterkammer in zumindest zwei Sinterräume aufteilt und/oder einen an die Matrize (40) angrenzenden Bereich der Sinterkammer ausfüllt.
Sinteraggregat nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem das mindestens eine Trennelement (140, 160) eine elektrische Isolierschicht (150), insbesondere mit Bornitrid gebildete Isolierschicht oder eine elektrisch leitende Schicht (170), insbesondere mit Graphit oder mit Titandiborid gebildete Schicht aufweist.
Verfahren zum Spark-Plasma-Sintern eines elektrisch leitfähigen Werkstoffs, bei welchem ein Sinteraggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche herangezogen wird.