DE1583758A1 - Verfahren zur Herstellung von Formkoerpern,insbesondere von Giessformen,aus Metallpulvern - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere von Gießformen, aus Metallpulvern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörper:!, insbesondere von Gießformen, aus Metalipulvern. Sie erstreckt sich auf Anwendungsgebiete der Pulvermetallurgie und der Gießereitechnik. Bei der Darstellung des Standes der Technik sind somit beide Fachgebiete zu berücksicntigen.

Die übliche pulvermetallurgische Verfahrensweise umfaßt das Pressen eines Metallpulvers una das Sintern des Preßlings. Die angewendeten spezifischen Preßdrücke liegen dabei zwischen

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etwa 1 t/cm und 10 ΐ/cm . Infolgedessen werden stabile Preßwerkzeuge und Pressen mit hohen Preßkräften benötigt. Wegen dieser Erfordernisse ist die herkömmliche pulvermetaliurgische Technik auf die Herstellung relativ einfacher Formkörper beschränkt, deren Abmessungen zudem in verschiedener Hinsicht Begrenzungen unterworfen sind.

Diese Verhältnisse ändern sich nicht wesentlich, wenn den Metallpulvern Zusatzstoffe in rorm organischer Binde- bzw. Gleitmittel wie Graphit, Kunstharz, lYoiophoniura, Azeton, Stearin, -Losungen von Kampfer oder Paraffin in Äther usw. beigemischt werden, die eine Verbesserung der Preßeigenschaften bewirken.

Gleiches gilt für abgewandelte Techniken, wie das Mehrfachpressen, aas Heißpressen und das btrangpressen, die auf spezielle Anwendungsfaile beschränkt bleiben.

Auch ciat- Verdichten aer Pulver durch Zentrifuge Ly.rai't, aas £k::..laucJ'ipreßßen oder Φλβ i'rescen in allseitig abgeschlossenen Gururima.t;rizeri sinu in der Pulvermetallurgie bisher nur

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vereinzelt in Erscheinung getreten.

Die Wirtschaftlichkeit ist bei den genannten Verfahren infolge der hohen Kosten für Pressen und Werkzeuge bzw. für die sonstigen mechanischen Verciichtungseinrichtungen nur für größere Stückzahlen gegeben-

Die Pulvermetallurgie kennt aber auch Formgebungsverfahren ohne Druckanwendung. Darüber finden sich beispielsweise in einen Buch von F. Eisenkoib, "Fortschritte der Pulvermetallurgie", Band 1, Akademie-Verlag, Berlin (,196^), S. 2öy ff einige Angaben,

Lose Pulver bedürfen zur Sinterung einer Form, in die sie eingeschüttet werden, da sie als solche nicht formbeständig sind. Die Reibung zwischen den Metallpulverteilchen und die Bildung stabiler Brücken über größeren Hohlräumen verhindern beim Schütten oftmals die Einordnung der Teilchen in die räumlich dichteste Packung. Dann sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um die Pulverteilchen in die gewünschte Anordnung zu bringen. Technisch bedeutsam sind Viorationsverfahren neben den aus der Feinkeramik bekannten Schlickergießverfahren.

Durch Vibrationsverdichtung können Formkörper aus Metallpulvern ohne Verwendung von Preßnilfsmittein, also Binde- bzw. Gleitmitteln, mit noher Sinterdichte erzeugt werden.

Nach Ansicht von H. Rebsch, "Neue Werkstoffe durch pulvermetallurgische Verfahren", Akademie-Verlag, Berlin (I9t>4), S. Ί^Ο ff vermag das Schlickergießverfahren eine willkommene Erweiterung der pulverinexaliurgiscnen Arbeitsweise zu bilden.

Der "Schlicker" besteht dabei aus einer Aufschlämmung von Metallpulver in einer Flüssigkeit. Einer soicnen Suspension werden in der Regel plastifiziersnae Stoffe zugegeben, deren Aufgabe darin besteht, die Stabilität der Aufschlämmung zu verbessern und innerhalb des Verarbeitungszeitraumes zu gewährleisten sowie nach dem Trocknen den Zusammenhalt aes Rohgußkörpers herbeizu'.'uhren. Unter Stabilisierung ist dabei die Verhinderung aer Zusammenballung oder Absetzung von Teilchen aus der GusperiSicn zu verstehen. Das Schlickergießverfaiiren erfordert weite::-^y:i r. aen Einsatz von Formen aus sau^;ianigem i'iatC'.'M-j., , M.le cc/ ;■ 2·:έ· ι i_pt ^!. 'fcr.-juspension die Flüssigkeit

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entziehen müssen, damit sich ein relativ trockener Formkörper aus Metallpulver Dilden kann. Im allgemeinen werden hierfür poröse Gipsformen benutzt.

Naturgemäß haben die durch Schlickergießen geformten Teile im ungesinterten Zustand eine geringe Dichte. Sie beträgt in der Regel nur etwa i?0 % der Dichte des kompakten Materials. Trotzdem sintern die Proben relativ gut.

Da die Herstellung der Gipsformen nur geringe Kosten verursacht, soll das Schlickergießverfahren auch bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich sein.

Der Stand der pulvermetallurgischen Technik kann demnach folgendermaßen beschrieben werden.

Für die Herstellung von Formkörpern kommen drei verschiedene Gruppen von Formgebungsverfahren, die dem Sinterprozess vorgeschaltet werden, in Betracht.

a) Die Metallpulver werden in einem Formwerkzeug unter einer Presse mit hohem Druck (1 t/cm bis 10 t/cm ) oder mittels ähnlicher mechanischer Einrichtungen verdichtet,

b) die Metallpulver werden in einem Formwerkzeug unter der Einwirkung von Schwingungen verdichtet,

c) die Metallpulver werden in einer geeigneten Flüssigkeit aufgeschlämmt. Die so entstandene Suspension wird in eine ■fc'orm gegossen, aeren poröse Wandung die Flüssigkeit aufsaugt, so daß ein nahezu trockener Formkörper zurückbleibt.

Die Nachteile dieser Verfahren bestehen darin, daß entweder komplizierte Formwerkzeuge zum mechanischen Verdichten aer Metallpulver Denutzt werden müssen, oder Suspensionen mit honem Flüssigkeitsanteil in Verbindung mit saugfähigen porösen Formen und den daraus resultierenden Schwierigkeiten durch Sedimentation angewendet werden.

Der Stand der Form- und Gießtechnik, soweit er im vorliegenden Zusammennang von Bedeutung ist, sei nachfolgend beschrie-Deri.

In der Gießereitechnik werden uußstucke dadurch hergestellt, daß flüssige Werkstoffe, vorwiegend Metalle oder Metallegierungen

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in Formen gegossen werden, die entweder zum einmaligen Abgießen bestimmt sind (,"verlorene Formen") oder wiederholtes Abgießen erlauben ( "Dauerformen").

Für die Herstellung von "verlorenen Formen" werden bisher ausschließlich mineralische Grundstoffe (,z.jü. Quarzsand, Zirkonsand, Olivin, schamotte, oilimanit) in Mischung mit Bindemitteln ( Ton, 01, ^sulfitablauge, Wasserglas, zement, Kunstharz oder dgl.) vex'wendet, denen zwecks Einstellung ausreichender mechanischer Eigenschaften nötigenfalls Zusätze zur Einleitung, Beschleunigung oder verstärkung der Abbindung hinzugefügt werden.

"Dauerformen" werden fast ausschließlich durch mechanische, vorwiegend spanabhebende Bearbeitung von geschmiedeten, gepreßten, gewalzten oder gegossenen Metalirohiingen gewonnen. Nur in speziellen wallen werden Graphitformen als Üauerformen eingesetzt, und selten finden sich in der Literatur Andeutungen dafür, daß keramische, d.h. durch Brennen von Gläsern, Porzellanemaiilen, Tonprodukten, feuerfesten otoffen, carbiden hergestellte "Dauerformen" sowie gesinterte Cermets oder sinterkörper aus netailpulvern für gießereitechnische Zwecke geeignet sein sollen.

Bezüglich der "verlorenen Formen¹¹ sind folgende Bemerkungen zu machen: Mineralische Grundstoffe besitzen einige Vorzüge, die ihren umfassenden Einsatz in der Gießereitechnik begünstigt haben; hier seien beispielsweise genannt ihre Temperaturbeständigkeit, das verbreitete Vorkommen sowie die niedrigen Preise. in qualitativer Hinsicht stört die Zersplitterungsneigung der mineralischen Stoffe bei thermischer Beanspruchung und die dadurch bedingte Anreicherung von feinstkörnigen Partikeln im Formstoff (Verstaubung). Beim Quarzsand, dem überwiegend verwendeten mineral.i sehen Grundstoff, ist weiterhin als ungünstige z,igev:r,<~.',-iV-^<: ■: : <-> '-'.-nrunghalte Volumenünderurg Dein; Erwärmen über ca. ι.,'-" > z\.. e.. >■■:,.. ::e:\, die zu sogenannten Sandausdehnungsfehlern am Gui: s ιύαλ υηα ,.;r "oeuitrac'it ijrunr cc/ "aßhaltigkeit führen no;:;.. '\'.e r.-.i'j:.:\ -rii.ro War-N^Jeü i:.: ϊγ:;·,θ.ι1 i^l vieyou eier über- ?·;ι · ■;►■".■ ;■ '','-V Λ ; j-wL ! ' ir.,-^.-t·: -. v/i r^-i: i t 'iiei t für die ^ri|"eil·- . >-;..: ' « : ■ "■ ^;.: 1 :'. ■·'■ : : ■.■'... '_:,t':. ... ■ - \ > jr;< l'wÜUi'-ctU .

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Bezüglich der"Dauerformerf ergeben sich folgende Überlegungen: Dauerformen Können wegen aer aufwendigen Herstellungsmethoden im aligemeinen nur dann benutzt werden, wenn eine genügend groüe z,ahi gleicner uußstücke benotigt wird, so daß die anteiligen FormKosten nicht zu hoch anwachsen. Das Gielien in "Dauerformen" (Kokillenguß) ist in verfahrenstechnischer und in werkstoffIieher Hinsicht sehr interessant; eine Ausweitung wird aber erst möglich sein, wenn die Herstellung der Dauerformen entscheidend vereinfacht werden kann. Die hohe Wärmeieitfanigkeit aer metallischen Dauerformen bewirkt eine feinkörnige Erstarrung aer Gußwer-Kstoffe und damit im allgemeinen eine Verbesserung aer mechanischen Eigenschaften. Allerdings kann die schroffe Abkühlung der Gußstücke auch Nachteile mit sich bringen, z.B. durcri Entstehung honer er Gußspannungen, oder bei Gußeisen durch metastabile Erstarrung mit der Ausbildung harter Steilen im Gußstück,

Während die ADkühiungsgeschwinaigkeit der in mineralische und Keramische Formen vergossenen Gußstücke oft als zu niedrig erscheint, muß sie bei metallischen una graphitischen Dauerformen gelegentlich als zu hoch angesehen werden. Bei dem bekannten Stand der Gießereitechnik läßt sich die Abkühiungsgeschwindigkeit innerhalb des Bereiches zwischen den genannten Extremen aber nicht nennenswert steuern.

Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Dauerformen - mit Ausnahme der in PzOduktionsbetrieben anscheinend nur selten benutzten keramischen Dauerformen und der vorgeschlagenen Sinterkörper - besteht darin, daß sie im Gegensatz zu den aus körnigen mineralischen ütoiien bestehenden verlorenen Formen keine GasiTurchiassigkeit besitzen.

In dem englischen Patent Nr. j>j>0 01ö aus dem Jahre Iy^O wird _ ein '/eriahren bescnrieoen, aaß die Verbesserung von Formen für aieMiCK Herstellung von Gußstücken aus Metallen oder Legierungen zürn Gegenstand hat. Derartige Formen sollen ganz oder teilweise aus poriger. Metallen bestehen, die daaurch erhalten werden, daß Metal j pulver¹ einem Druck unü/oüer einer Wärmebehandlung, z.B. vj.i]f ι-: Sxn terprüse!:,, ur; uerworleu werden, wahrend ;nyr: sie in die

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In der Patentschrift fehlen zwar genauere Angaben zur Verfahrenstechnik, doch dürften die bekannten, oben beschriebenen Verfahren aer Pulvermetallurgie gemeint sein.

Anwendungen des Vorschlages sind nicht begannt geworden. Dies dürfte damit zusammenhängen, daß die spanabheoende Formgebung von gesinterten Rohlingen zu aufwendig ist.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Zielsetzung, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Metallpulvern zu entwickein, aas einige der erläuterten Beschränkungen bzw. Nachteile vermeidet und insbesondere für die Erzeugung von Gießformen geeignet ist.

Mit Rücksicht auf aie Forcierung nach einer einfachen Verfahrenstechnik wurden für den Ansatz der entsprechenden Versuche folgende Prämissen gesetzt:

1) Verwendung eines Metallpulvers mit hoher Schmelztemperatur

2) Versieht auf wesentliche mecnaniscne Verdichtung des Pulvers j>) Formgebung durch Schütten, Blasen.. Schießen oder Scnieudern, vorzugsweise unter Zuhilfenahme einer in aer Gießereitechnik

üblichen Model!einrichtung
4) Benutzung einer scnütt- oder rieselfähigen, büasamen Mischung

• aes Metallpulvers mit einem geeigneten Bindemittel .tO Trennung dsr geformten Metallpulvermischung von der Modelleinrichtung vor dem nachfolgenden Sintern,

b) Sintern auf eine so geringe Festigkeit, daß aer Formkörper relativ leicht zerkleinert und das Metallpulver durch Aufoereitung zurückgewonnen werden kann.

Aus dieser Aulzäniur.g ergibt sich, daii zunächst ein Binaemittel gesucht werden muiäte, das mehrere Bedingungen eriuiit: a) Neutrales chemisches Verhalten gegenüber dem Metallpulver ü) Eignung zur Herstellung einer schütt- oder rieseli'ähi^en, aabei aber Dildsamc-ij Formstoff mischung, die nacn aer Formgebung eine ausreichende "Grüniestigkeit" oesitzt um von aer Modeliexnricntung getrennt z\\ weraen

c) Gewanrioist-uug einer genügenden Temperaturbeständigkeit., aa.;i:iu iiii:;, ^rwuriaen zum Sintern Kein Zerfall des riocn nvctit „T^r-·, ^ er; e;i Pormicorpers ei.nir.itt

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Metailpulvers, die gegebenenfalls die Bildung von metallischen öinterbrücken verhindern oder beeinträchtigen wurden.

Wegen der letztgenannten Bedingung Konzentrierten sich die Versuche aul' organische Bindemittel una anorganische Binder wurden nur zum Vergleich herangezogen. Da aber Dekannt ist, daß bei organischen substanzen bereits oberhalD 3uO C die Zersetzung beginnt und nur Siliconharze oder ähnliche Verbindungen Temperaturen um 400° C widerstehen, stellte sich die Frage, ob und wie der Temperaturbereich zwischen 300° und 800° C überDrückt werden kann, wenn der Sinterbeginn bei Ö00 C angenommen wird.

in umfangreichen Untersuchungen wux-de dann das thermische Verhalten einer großen δβhl von in Betracht Kommenden Bindemitteln geprüft. Dabei zeigte sxch überraschenderweise, daß von allen 3indern nur "Erstarrungsöl" und vergleichbare Öle auf Leinölbasis imstande sind, netailpulver bei Raumtemperatur befriedigend zu binden und die übrigen Prämissen zu erfüllen. Außerdem wurde gefunden, daß warmaushärtende Kunstharze (,z.B. Phenolharze, Puranharze), wie sie in der Gießereitechnik beim MasKenformveri'ahren und beim sogenanntea Hot-Box- verfahren eingesetzt werden, unter ahnlichen Bedingungen, d.h. nach der Formgebung und Aushärtung bei erhöhten Temperaturen, feste Sinterkörper aus Pietalipuivern ergeben, die ebenso wie die auf Olbasis gefertigten Formkörper als Dauerformen zum Abgießen von flüssigen Werkstoffen geeignet sind. In beiden Varianten muß dafür gesorgt werden, daß beim Sintern keine Oxidation der organischen Binder erfolgen kann.

Formkörper, die aus Mischunf5en von Eisenpulver mit Kupferpulver (i?%?, Graphitpuiver (1%) und ivrstarruiigsol \^%) bzw. aus

mit Kunstharz umhüiluera Kisenpulver durch Formgebung bei r bzw. 2OU ° C und hintern bei 11(Jü^u C herge wiesen Deispieiswej.se folgende A^guuschaften auf:

Raumtemperatur bzw. 2OU ° C und hintern bei 11(Jü^u C hergestellt

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Nach 50- maligem Abgießen von Gußeisen mit 14-^0° C Gießtemperatur waren dünn berußte Dauerformen noch brauchbar.

Die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung seien kurz zusammengefaßt:

Metallpulver, insbesondere Eisenpulver, lassen sich unter Zusatz von speziellen organischen Bindemitteln, gegebenenfalls nach Zumischung weiterer Stoffe, wie z.B. Kupferpulver (als üinterhilfej und Graphitpulver (.zur verhinderung einer inneren Oxidation beim Sintern), bei Raumtemperatur !,mit sogenannten trocknenden Ölen, beispielsweise Erstarrungsöl, als Bindemittel) oder erhöhten Temperaturen ^ mit warmaushärtbaren Kunstharzen, beispielsweise Phenolharz, Furanharz,Harnstoffharz, als Binder) formen. Durch Zuführung von Wärme gelingt -bei Vermeidung von oxidierenden Bedingungen die Überführung der bei Raumtemperatur bzw. unterhalb von 400° C entstandenen Bindung in eine metallische Bindung durch Fritten oder Sintern zu einem festen Formkörper, ohne daß die zuvor hergestellte Form zerstört wird. Solche gesinterten Formkörper sind zum wiederholten Abgießen von flüssigen Werkstoffen, d.h. als Dauerformen geeignet.

Pat entansprüche - 9 -

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere

von Gießformen, aus Metallpulvern oder Metallpulvergemengen, z.B. Eisenpulver, gegebenenfalls mit weiteren Zusatzstoffen, z.B. Graphit, durch Anwendung bekannter Formgebungsmethoden und anschließendes Sintern , gekennzeichnet durch die Verwendung von schütt- bzw. rieselfähigen, bildsamen Mischungen von Metallpulvern mit sogenannten trocknenden Ölen, z.B. Erstarrungsöl auf Leinölbasis, Formgebung ohne wesentliche mechanische Verdichtung, vorzugsweise durch Schütten, Blasen, Schießen oder Stampfen bei Raumtemperatur, anschließendes Trennen von eventuell benutzten Modelleinrichtungen und nachfolgendes Sintern unter nicht oxidierenden Bedingungen.

2. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere

von Gießformen, aus Metallpulvern oder Metallpulvergemengen, z.B. Eisenpulver, gegebenenfalls mit weiteren Zusatzstoffen, z.B. Graphit, durch Anwendung bekannter Formgebungsmethoden und anschließendes Sintern, gekennzeichnet durch die Verwendung von schütt- bzw. rieselfähigen Mischungen von Metallpulvern mit warmaushärtbaren Kunstharzen, z.B. Phenolharz, Furanharz, Harnstoffharz oder dgl., gegebenenfalls unter gleichzeitiger Zugabe von Härte- und/oder Trennmitteln, wobei die Metallpulverkörner vor der Formgebung mit den Kunstharzen sowie den Härte- und Trennmitteln umhüllt werden können,Formgebung des umhüllten oder gemischten Metallpulvera durch Schütten, Blasen, Schießen oder Stampfen in heiße Formwerkzeuge bei ca. 150 bis 400° C, anschließendes Trennen von den Formwerkzeugen bzw. Modellen und nachfolgendes Sintern unter nicht oxidierenden Bedingungen.

3. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Sintern eine niedrige Festigkeit der Formkörper angestrebt wird, damit diese nach dem Gebrauch leioht zerkleinert und die Metallpulver wiedergewonnen werden können«

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