DE102021114399A1

DE102021114399A1 - Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen, bei denen zumindest ein Arbeitsbereich mit Hartstoffpartikeln, die in einen metallischen Matrixwerkstoff eingebettet sind, ausgebildet ist

Info

Publication number: DE102021114399A1
Application number: DE102021114399.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Strauß; Michael Franke; Hartmut Göhler; Olaf Andersen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2022-12-08
Also published as: WO2022253661A1

Abstract

Bei dem Verfahren wird für die Herstellung des metallischen Matrixwerkstoffs ein Pulver mit einer mittleren Partikelgröße d50im Bereich35 µm bis 55 µm aus Eisenschwamm mit innerer Porosität bei spezifischer Oberfläche größer 0,8 m2/g und einem Sauerstoffgehalt größer 1 Masse-% hergestellt. Dabei werden 77 Masse-% bis 95 Masse-% des so erhaltenen Eisenpulvers mit 5 Masse-% bis 20 Masse-% Kupfer-, Kupferoxid- oder voroxidiertem Kupferpulver, einem Presshilfsmittel zu einem Pulvergemisch oder das mit Eisen und Kupfer, Kupferoxid oder voroxidiertem Kupfer sowie mit einer organischen Flüssigkeit in Form einer Suspension, in der ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung als Schmelzphasenunterstützung enthalten ist, miteinander sowie mit einem vorgebbaren Anteil an Hartstoffpartikeln vermischt. Anschließend wird die Mischung in eine vorgegebene geometrische Form gebracht werden und dann eine thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich 830 °C bis 920 °C in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt und dabei eine Entfernung organischer Komponenten und ein Sintern des metallischen Matrixwerkstoffs erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen, bei denen zumindest ein Arbeitsbereich mit Hartstoffpartikeln, die in einen metallischen Matrixwerkstoff eingebettet sind, ausgebildet ist. Dabei kann ein Werkzeug hergestellt werden, das vollständig mit in einer metallischen Matrix eingebetteten Hartstoffpartikeln oder ein Werkzeug bei dem ein so ausgebildeter Arbeitsbereich eines Werkzeugs mit einem Trägerelement, das frei von Hartstoffpartikeln ist, ausgebildet worden ist.
In den Bindungssystemen für die Schneid- und Schleifwerkzeugherstellung werden erhebliche Anteile an inzwischen kritisch oder strategisch eingestuften Werkstoffen verwendet. Das Gros dieser Diamant-, WC- oder CBN-Werkzeugkomponenten ist entweder mit signifikanten Anteilen an Kobalt und/oder mit Kupfer/Kupferlegierungen gebunden. Der Einsatz dieser Metalle verursacht hohe Kosten. Vor allem bei Diamantwerkzeugen ist in der Herstellung zudem das Problem der Graphitisierung bei höheren Temperaturen ein entscheidender Faktor, dem bis dato klassisch durch Einsatz von Druck- /Vakuum unterstütztem Sintern, Heißpressen oder durch niedrig schmelzende Lotwerkstoffe entgegnet wird. Im Bereich des mit Druck oder Vakuum unterstützten Sinterns wird primär auch auf die Schmelzpunkte der flüssigen Phasen oder infiltrierenden Legierungen geachtet, was bei der Verwendung einfacher Bindungssysteme auf Basis von Kobalt oder Kupfer immer noch zu Wärmebehandlungstemperaturen oberhalb von 1000 °C führt. Der Einsatz von Hart- oder Hochtemperaturloten im favorisierten Temperaturbereich ist dann an weitere chemische Elemente, wie z.B. Zinn oder Nickel in den Lotwerkstoffen gebunden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von Werkzeugen mit darin eingebetteten Hartstoffpartikeln anzugeben, bei denen die erforderlichen Sintertemperaturen reduziert und das Problem einer Carbonisierung bei einem Einsatz von Diamantpartikeln vermieden sowie der Einsatz kritischer Metalle für die metallische Matrix zumindest reduziert werden kann, was auch zu einer Kostensenkung beitragen kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für die Herstellung des metallischen Matrixwerkstoffs ein Pulver mit einer mittleren Partikelgröße d₅₀ im Bereich 35 µm bis 55 µm, das aus Eisenschwamm mit innerer Porosität des Pulvers bei spezifischer Oberfläche größer 0,8 m²/g und einem Sauerstoffgehalt größer 1 Masse-% hergestellt, und 77 Masse-% bis 95 Masse-% des so erhaltenen Eisenpulvers werden mit 5 Masse-% bis 20 Masse-% Kupfer-, Kupferoxid- oder voroxidiertem Kupferpulver, einem Presshilfsmittel oder einer organischen Flüssigkeit in Form einer Suspension sowie mindestens einem chemischen Element oder einer chemischen Verbindung als Schmelzphasenunterstützung miteinander sowie mit einem vorgebbaren Anteil an Hartstoffpartikeln vermischt und anschließend wird die Pulvermischung oder die Suspension in eine vorgegebene geometrische Form gebracht und anschließend daran wird eine thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich 830 °C bis 920 °C in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt. Dabei werden eine Entfernung organischer Komponenten und ein Sintern des metallischen Matrixwerkstoffs erreicht.
Die spezifische Oberfläche kann dabei mittels BET-Analyse und die mittlere Partikelgröße mittels Laserbeugung bestimmt werden.
Der Sauerstoffgehalt sollte dabei jedoch nicht größer als 1 Masse-% sein.
Als Presshilfsmittel kann, insbesondere ein Wachs, Paraffin, Metallstearat, Stearin, Tenside, Cellulose, Polyethylen, Pressöl oder ein Addukt eines dieser Stoffe mit einem Anteil im Bereich 1 Masse-% bis 4 Masse-% eingesetzt werden.
Eine organische Flüssigkeit für eine Suspension kann mit einem Anteil im Bereich 1 Masse-% bis 20 Masse-% der Pulvermischung vor der Formgebung zugegeben werden. Für eine Suspension kann ein Gemisch oder eine Lösung einer Flüssigkeit und einem organischen Binder eingesetzt werden. Als Flüssigkeit kann man beispielsweise Wasser oder ein Lösungsmittel einsetzen, in die ein organischer Binder integriert werden kann. Es kann sich also um ein Binder-Flüssigkeitsgemisch handeln. Darin können ggf. weitere Zusätze, wie Dispergiermittel oder Entschäumer enthalten sein. Als organischen Binder kann man beispielsweise Methylcellulose oder Polyvinylalkoholund als Flüssigkeit beispielsweise Wassereinsetzen.
Für die Formgebung der Pulvermischung oder der Suspension kann man geeignete Formwerkzeuge einsetzen. Es ist aber auch möglich die Formgebung, insbesondere einer Suspension mit einem Druckverfahren, wie es aus dem Gebiet der additiven Fertigung bekannt ist, zu erreichen, bevor die thermische Behandlung durchgeführt wird.
Als Schmelzphasenunterstützung kann man bevorzugt Phosphor mit einem Anteil 0,3 Masse-% bis 0,6 Masse-% aber auch Metall-Phosphor-Legierugen oder im speziellen für Eisen ein anlegierter Zuschlag, wie Fe₃P als ein besonders geeignetes Eisenphosphid mit einem Anteil 1,5 Masse-% bis 3 Masse-% der Pulvermischung zugeben.
Die thermische Behandlung kann unter reduzierender oder inerter Atmosphäre bei Umgebungsdruck oder vorteilhafter bei einem Druck, der kleiner als der Umgebungsdruck ist, durchgeführt werden. Dadurch können freigesetzte organische Komponenten besser abgezogen werden. Der bei der thermischen Behandlung eingehaltene Druck sollte mindestens 50 mbar kleiner in Bezug zum Umgebungsdruck gehalten werden.
Als Hartstoffpartikel können Diamant-, Carbid- oder Nitridpartikel eingesetzt werden. Neben Diamant- und WC-partikeln sind Partikel aus cBN (kubisches Bornitrid) bevorzugt. Die jeweilige Partikelgröße kann sich nach dem jeweiligen bezweckten Einsatz für ein jeweiliges Werkzeug richten. Dies trifft sinngemäß auch auf die Partikelanzahl bzw. den Partikelanteil, der in der metallischen Matrix eingebettet ist, zu.
Ein Arbeitsbereich eines Werkzeugs kann nach der thermischen Behandlung stoffschlüssig mit einem Trägerelement verbunden werden. Auf dafür geeignete Verfahren soll nachfolgend noch eingegangen werden.
In der Pulvermetallurgie ist schon länger eine höhere Sinteraktivität und somit eine geringere Sintertemperatur von sehr feinen metallischen Pulvern bekannt. In den letzten Jahren drängen verstärkt mikro- und nanostrukturierte Pulvergranalien in die Angebote von Pulverlieferanten, deren Ursprung meist aus granulierten und reduzierten feinsten Oxidpartikeln aus Metallsalzen oder Metallhydroxiden herrührt. Diese Pulver weisen im Vergleich zu klassisch verdüsten Metallpulvern von vornherein eine kleinere Größe der Einzelpartikel auf.
Im Vergleich bieten Schwammmetalle aus Recyclingprozessen vor allem bei den Diamantwerkzeugen für die Natursteinverarbeitung in der Herstellung
durch verringerte Sintertemperaturen einen entscheidenden Vorteil. Es lassen sich trotz verringerter Temperaturen im Sinterprozess vergleichbare Material- und Werkzeugfestigkeiten, wie bei den im Einsatz befindlichen Diamantwerkzeugen generieren. Dies ist entscheidend auf die innere nanoskalige Pulverporosität der Eisenschwammpulver zurückzuführen. Ein weiterer Vorteil liegt in den günstigeren Kosten für Pulver aus Recyclingmaterial, welche beim jeweiligen Werkzeug ebenfalls vergleichbare und reproduzierbare Eigenschaften generieren.
Am Beispiel des Einsatzes von Eisenschwammpulver (Firma TATA) als Primärwerkstoff in der Bindungsmatrix eines Diamant-Schneidwerkzeugbesatzes konnte gezeigt werden, dass vergleichbare Festigkeiten, wie bei einem etablierten Referenzmaterial auf Basis einer Kupferbindung bei einer um 200 K geringeren Sintertemperatur erreicht werden können. Die Kupfergehalte konnten für dieses Bindungsmaterial deutlich verringert werden (um bis zu 50 %). Dies konnte durch den Einsatz eines eisengebundenen Phosphors (Fe₃P) als Hilfsmittel zur Schmelzphasenbildung unterstützt werden. Durch den Einsatz von Kupferoxid oder voroxidiertem Kupfer lässt sich bei der Festigkeit noch eine weitere Steigerung erreichen.
Als Beispiele für Werkzeuge können mit der Erfindung beispielsweise Schneid- und/oder Schleifwerkzeuge mit gebundenen Hartstoffpartikeln aus Diamant, Carbiden, Nitriden (cBN) oder weiteren anderen Hartstoffpartikeln zur Verfügung gestellt werden.
Eine maximale Wärmebehandlungstemperatur kann zwischen 820 °C und 950 °C liegen. Die atmosphärischen Bedingungen während der Durchführung der thermischen Behandlung sollten vollständig reduzierend mit 100 %-iger reduzierender Wasserstoffatmosphäre oder zumindest einem für eine chemische Reduktion ausreichenden Anteil an Wasserstoff sein, was zu niedrigeren Sintertemperatur gegenüber klassischen Eisenbasispulvern für die Schneidwerkzeugfertigung führen kann. Alternative Trägergase, wie Argon oder Stickstoff als inerte Bestandteile einer Atmosphäre bei der thermischen Behandlung zeigen vergleichbare Ergebnisse mit leicht verringerten Eigenschaftsparametern.
Pressdrücke, die bei der thermischen Behandlung auf das Pulver-Hartstoffpartikelgemisch oder eine entsprechende Suspension wirken können, können zwischen 100 MPa und 800 MPa (geringer Pressdruck = bessere Energieeffizienz) gehalten werden. So können verschiedene Gründichten der Presskörper eingehalten werden. Bei der Sinterung auftretende Schwindung kann zumindest Sinterung zum Teil kompensiert werden.
Der Anteil an Eisenschwammpulver mit nanoskaliger Innenstruktur der Metallgranulate (Eisenschwamm, Schwammeisen) kann zwischen 50 Masse-% bis 95 Masse-% bei einer spezifischen Oberfläche > 0,8 m²/g gehalten werden.
Das Metallschwammpulver kann vorteilhaft aus Recyclingprozessen der Metall- und Stahlproduktion (Verwertung Beizschlamm, Walzzunder usw.) stammen. Es kann aus diesem Grund über eine Vielzahl an Verunreinigungsspuren verfügen. Für die Schneid- / Schleifanwendungen liegt eine Toleranzbreite gegenüber Materialverunreinigungen vor.
Der Sauerstoffgehalt der Pulver liegt auf Grund der hohen spezifischen Oberfläche der inneren Pulverstruktur und der Pulvergranalien bei > 1 Masse-%.
Das Eisenschwammpulver kann mit Partikelgrößen zwischen 3 µm und 350 µm eingesetzt werden, wobei die nachfolgende Partikelgrößenverteilung vorteilhaft eingehalten werden sollte. Die Partikelgrößenverteilung sollte bei d₁₀ 10 µm bis 24 µm; d₅₀ 35 µm bis 55 µm und d₉₀ 80 µm bis 100 µm eingehalten sein, wobei die spezifische Oberfläche der Eisenschwammpulverpartikel durch die innere nanoskalige Porosität bei > 0,8 m²/g liegen kann.
Der Anteil an Schmelzphasenunterstützung (Phosphor für Eisen) sollte im Bereich 0,3 Masse-% bis 2 Masse-% bezogen auf die Gesamtformulierung der metallischen Bindematrix gehalten sein. Er kann auch in artgleichem Material, wie der Eisenschwamm vorlegiert oder gemischt enthalten sein.
Der Anteil Kupfer/Kupferoxid/voroxidiertes Kupfer sollte zwischen 5 Masse-% und 20 Masse-% liegen und ist somit deutlich geringer als bei aktuell beschriebenen bisher bekannten technischen Lösungen, die mit Gehalten von größer 20 Masse-% hergestellt worden sind.
Beim Stand der Technik ist es üblich mehr als 95 Masse-% Fe mit Phosphor oder max. 65 Masse-% Fe bei Verwendung von Kupfer in der metallischen Bindematrix einzusetzen. Der Cu-Anteil liegt oberhalb 20 Masse-%. Es ist auch nicht üblich Kupfer als Oxidphase oder voroxidiertes Pulver bei der Herstellung der metallischen Matrix einzusetzen.
Mit der Erfindung kann die Fertigung von diamantbeladenen Schneidsegmenten / Schneidkanten für Diamantblätter / Diamanttrennblätter / Diamantsägeblätter / Diamant Kreissägeblätter / Diamant Stichsägeblätter / Diamant Segmentsägeblätter / Diamant Tauchsägeblätter / Diamant Sägeperlen für Sägeseile zum Seilschleifen und weitere diamantbeladene Werkzeugoberflächen für Schneid-/Schleifapplikationen erreicht werden.
Die Fertigung an sich beruht hierbei auf der klassischen pulvermetallurgischen und pulvertechnologischen Prozessroute, wobei als Hauptpulverkomponente ein Eisenschwammpulver, das bevorzugt aus der Verwertung von Recyclingpulvern erhalten worden ist, eingesetzt wird.
Die Herstellungsprozesse solcher Diamantwerkzeuge können somit an der Stelle des Wärmebehandlungsschrittes durch Absenkung der avisierten Temperaturen optimiert werden, wobei trotzdem vergleichbare Festigkeitseigenschaften und eine damit verbundene Kostensenkung für die Materialkosten erreicht werden können. Vergleichbare Granulatpulver aus Nanopartikelpulvern nutzen zwar auch den Effekt der niedrigeren Wärmebehandlungstemperatur, sind in ihrer Herstellung aber aufwändiger und kostenintensiver als die jetzt avisierten nanoporösen Schwammeisenpulver aus Recyclingprozessen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Beispiel 1
Zuerst werden aus Eisemschwamm gebildetes Pulver mit einer Masse von 150 g, pulverförmiges Fe3P mit einer Masse von 30 g und pulverförmiges Kupfer mit einer Masse von 30 g miteinander vermischt. Alle Pulver hatten eine mittlere Partikelgröße d₅₀ von 30 µm bis 50 um. Der Mischung wurden Hartstoffpartikel aus Diamant mit einer Partikelgröße d₅₀ von 200 µm bis 400 µm mit einer Masse von 2 g sowie Paraffin als Presshilfsmittel mit einem Anteil zwischen 1 Masse-% und 4 Masse-% zugegeben.
Das so erhaltene Gemisch wurde in ein Sinterformwerkzeug gepresst.
Anschließend erfolgte eine thermische Behandlung, bei der eine thermische Entbinderung und eine Sinterung der Metallpartikel (primär flüssigphasensintern) bei einer Temperatur zwischen 830 °C und 920 °C unter reduzierender oder anteilig reduzierender Ofenatmosphäre unter Normaldruck oder im Teilvakuum erfolgte, mit einer Haltezeit von 30 min bis 120 min durchgeführt.
Abschließend wurde der so erhaltene Arbeitsbereich des Werkzeugs, in dem die Hartstoffpartikel in der mit Eisen und Kupfer gebildeten Metallmatrix eingebettet waren mit einem Werkzeugträger (Kreissägeblatt, Stichsägeblatt, Hülse für Schneidperlenaufnahme, usw.) stoffschlüssig verbunden. Der Arbeitsbereich des Werkzeugs kann auf das Trägerelement aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt (z.B. durch Laserschweißen) werden. In der metallischen Matrix war Phosphor mit einem Anteil von 0,6 Masse-% bis 2 Masse-% enthalten.
Beispiel 2
Eine alternative Prozessroute (binderbasierte Additive Fertigung) zum Bauteil sieht wie folgt aus:

Zuerst werden aus Eisemschwamm gebildetes Pulver mit einer Masse von 150 g, pulverförmiges Fe3P mit einer Masse von 30 g und pulverförmiges Kupfer mit einer Masse von 30 g miteinander vermischt. Alle Pulver hatten eine mittlere Partikelgröße d₅₀ von 30 µm bis 50 µm. Der Mischung wurden Hartstoffpartikel aus Diamant mit einer Partikelgröße d₅₀ von 200 µm bis 400 µm mit einer Masse von 2 g zugegeben. Der so erhaltenen Pulvermischung wurden ein Flüssigkeitsgemisch, das mit 35 Masse-% Wasser und 3 Masse-% Methylcellulose als organischer Binder zugegeben und mit zusätzlichen Additiven, wie 0,8 Masse-% Sabilisierer, 0,6 Masse-% Dispergierer und 0,6 Masse-% Weichmacher zu einer pulverbeladenen Suspension, Emulsion, Paste oder Feedstock homogen vermischt.

Die so erhaltene Suspension wurde mittels 3D Druck zu einem Formteil in eine geometrisch gewünschte Form gebracht. Dabei kann die geometrische Form einem Arbeitsbereich eines Werkzeugs, wie z.B. eines Schneidaufsatzes oder in die für ein vollständiges Werkzeug gewünschte Form gebracht werden.
Optional kann eine chemische-, katalytische- oder Lösemittel-Vorentbinderung vor einer thermischen Behandlung, bei der die letztendliche Sinterung und ggf. eine Reduzierung von enthaltenem Oxid erreicht werden kann, durchgeführt werden. Hierbei werden durch chemische- und/oder katalytische Teilzersetzung oder durch herauslösen von Bestandteilen der organischen Bindermatrix bis zu 80 Masse-% der polymeren Formulierung extrahiert.
Die thermische Behandlung, die zum Entbindern und Sintern (primär flüssigphasensintern) des grünen Formkörpers führt, wird bei 830 °C bis 920 °C unter reduzierender oder anteilig reduzierender Ofenatmosphäre unter Normaldruck oder Teilvakuum mit einer Haltezeit von 30 min bis 120 min durchgeführt.
Abschließend (wenn nicht in einem gedruckt) wird ein so erhaltener Arbeitsbereich mit einem Trägerelement stoffschlüssig, analog zu Beispiel 1 verbunden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen, bei denen zumindest ein Arbeitsbereich mit Hartstoffpartikeln, die in einen metallischen Matrixwerkstoff eingebettet sind, ausgebildet ist, bei dem für die Herstellung des metallischen Matrixwerkstoffs ein Pulver mit einer mittleren Partikelgröße d₅₀ im Bereich35 µm bis 55 µm aus Eisenschwamm mit innerer Porosität bei spezifischer Oberfläche größer 0,8 m²/g und einem Sauerstoffgehalt größer 1 Masse-% hergestellt und 77 Masse-% bis 95 Masse-% des so erhaltenen Eisenpulvers mit 5 Masse- % bis 20 Masse-% Kupfer-, Kupferoxid- oder voroxidiertem Kupferpulver, einem Presshilfsmittel zu einem Pulvergemisch oder das mit Eisen und Kupfer, Kupferoxid oder voroxidiertem Kupfer sowie mit einer organischen Flüssigkeit in Form einer Suspension, in der ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung als Schmelzphasenunterstützung enthalten ist, miteinander sowie mit einem vorgebbaren Anteil an Hartstoffpartikeln vermischt und anschließend in eine vorgegebene geometrische Form gebracht werden und anschließend daran eine thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich 830 °C bis 920 °C in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt und dabei eine Entfernung organischer Komponenten und ein Sintern des metallischen Matrixwerkstoffs erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Presshilfsmittel mit einem Anteil im Bereich 1 Masse-% bis 4 Masse-% oder eine organische Flüssigkeit für eine Suspension mit einem Anteil im Bereich 1 Masse-% bis 20 Masse-% der Pulvermischung vor der Formgebung zugegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzphasenunterstützung Phosphor mit einem Anteil im Bereich 0,3 Masse-% bis 2 Masse-% oder Eisenphosphid, insbesondere Fe₃P mit einem Anteil im Bereich 1,5 Masse-% bis 3 Masse-% der Pulvermischung zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei Umgebungsdruck oder einem Druck, der kleiner als der Umgebungsdruck ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Presshilfsmittel ein Wachs, Paraffin, Metallstearat, Stearin, Tenside, Cellulose, Polyethylen, Pressöl oder ein Addukt dieser Stoffe eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoffpartikel Diamant-, Carbid- oder Nitridpartikel eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsbereich eines Werkzeugs nach der thermischen Behandlung stoffschlüssig mit einem Trägerelement verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung einer Suspension ein Gemisch oder eine Lösung einer Flüssigkeit und einem organischen Binder eingesetzt wird.