DE19546901C1 - Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik und der Hartmetallindustrie und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen, insbesondere mit komplizierten Geometrien, wie sie z. B. als Bearbeitungswerkzeuge und Verschleißelemente zur Anwendung kommen.

Keramische oder pulvermetallurgische Bauteile komplizierter Geometrie können gefertigt werden, indem man von Rohformkörpern ausgehend eine mechanische Nachbearbeitung der äußeren Konturen durchführt. Bei derartigen Werkstoffen ist es möglich, die Nachbearbeitung im geformten, gesinterten oder einem zwischen diesen Verfahrensschritten gegebenen Zustand durchzuführen. Dabei erhöht sich der Bearbeitungsaufwand mit der Härte des Werkstoffes im jeweiligen Zustand, mit der Komplexität der Geometrie und mit der Stückzahl.

Große Stückzahlen pulvertechnologischer oder keramischer Werkstoffe werden kostengünstig durch endformnahe ("near net shape") thermoplastische Formgebungsverfahren gefertigt.

Bekannt ist das Spritzgießen von Pulvermetall und Keramik, das darauf beruht, daß ein unplastisches Pulver mit einem thermoplastischen Kunststoffbinder vermischt wird und eine bei höheren Temperaturen unter Druck fließfähige Spritzgußmasse entsteht, die auf herkömmlichen Kunststoffspritzgießmaschinen verarbeitet werden kann (US 2122960, DE 6 80 250).

Bekannt ist ebenfalls ein thermoplastisches Formgebungsverfahren, welches auf dem Verflüssigen unplastischer keramischer Pulver durch Paraffine und Wachse beruht. Die Formgebung thermoplastischer Suspensionen ist bereits bei geringen Drücken möglich (SU 137807). Das Verfahren wird Heißgießen oder Niederdruckspritzgießen genannt. Unterschiedliche keramische Werkstoffe (Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid) wurden mit diesem Verfahren bereits verarbeitet. Die werkstoffspezifischen Besonderheiten liegen vor allem im Versatz des thermoplastischen Binders, der in jedem Fall grenzflächenaktive Stoffe für die Modifizierung der Pulveroberfläche beinhaltet (SU 298566, SU 298567, DD 1 39 397, DD 2 33 117, DD 2 33 119, SU 1590468). Maschinenkonzepte für die Realisierung des Formgebungsverfahrens sind bekannt (US 4416603, DD 2 81 913). Eine Übersicht über das Heißgießverfahren ist ebenfalls veröffentlicht (Lenk, R. Technische Keramische Werkstoffe, Kapitel 3.4.8.1).

Bekannt ist weiterhin aus der DD 2 86 311 ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen aus Sinterwerkstoffen durch Spritzgießen, bei dem aus einem vorbehandelten Metallpulver und einem organischen Bindemittel eine plastifizierte Masse aufbereitet wird, die nach dem Austreiben des Bindemittels durch anschließendes Spritzgießen zu Formteilen verarbeitet und danach gesintert wird. Das Bindemittel besteht dabei aus Paraffin und Polyethylenwachs.

Bislang ist es nicht möglich, Hartmetallwerkstoffe mit dem Heißgießverfahren zu verarbeiten, da aufgrund der niedrigen Viskosität des thermoplastischen Binders (3 bis 6 mPa·s) und der hohen Dichteunterschiede zwischen dem Hartmetallpulver und dem verwendeten Binder (12- bis 24-fach) keine stabildispersen thermoplastischen Suspensionen hergestellt werden können. Die Herstellung derartiger stabildisperser thermoplastischer Suspensionen ist aber die Voraussetzung für die Fertigung von Grünkörpern mit reproduzierbarer Homogenität und Dichte und damit für eine serienfähige industrielle Umsetzung.

Hartmetallbauteile komplexer Geometrien auch in größerer Stückzahl werden bislang im wesentlichen durch eine kosten intensive mechanische Nachbearbeitung im gesinterten Zustand hergestellt.

In den letzten Jahren ist eine Spritzgußtechnologie entwickelt worden, die die Möglichkeiten einer Großserienfertigung mit dem Vorteil der Darstellung sehr komplexer Geometrien verbindet (DE 38 08 123.7). Um die Probleme bei diesem Verfahren, die sich aus dem hohen Dichteunterschied zwischen dem Pulver und dem Binder, sowie den sehr hohen Fließgeschwindigkeiten beim Formfüllprozeß ergeben (Entmischung und Separation), zu minimieren, werden höherviskose Kunststoffbinder verwendet. Diese temporären Kunststoffbinder werden in einem geschlossenen Entbinderungsprozeß durch Extraktion mit Hilfe organischer Lösungsmittel ausgetrieben, bevor die Bauteile gesintert werden (Graf, W. u. a., Pulvermetall in Wissenschaft und Praxis, Band 7, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1991, S. 275-285).

Die Grenzen dieses Verfahrens liegen in einer komplizierten Prozeßführung, hohen Werkzeugkosten, die sich erst bei sehr großen Stückzahlen amortisieren, und der aus Aspekten des Umweltschutzes schwierig zu handhabenden Verwendung großer Mengen organischer Lösungsmittel.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen anzugeben, bei dem Hartmetallbauteile mit komplexen Geometrien hergestellt werden können unter Verwendung einer stabildispersen Hartmetall-Binder-Suspension mit einem thermoplastischen Binder einer Viskosität von 3 bis 6 mPa·s und ohne Einsatz eines organischen Lösungsmittel zur Entbinderung.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen wird ein Hartmetallpulver einer mittleren Korngröße < 2,0 µm mit einem verflüssigten thermoplastischen Binder gemischt und die so erhaltene stabildisperse Suspension zu einem Formkörper verarbeitet, aus dem anschließend das thermoplastische Bindemittel ausgetrieben und der entbinderte Formkörper dann gesintert wird, wobei die Viskosität der Mischung aus Hartmetallpulver und verflüssigtem thermoplastischen Binder während der gesamten Herstellung und Verarbeitung auf einen Wert von 100 bis 2000 mPa·s eingestellt wird.

Vorteilhafterweise werden als thermoplastischer Binder Paraffine, Wachse und grenzflächenaktive Zusätze eingesetzt.

Weiterhin vorteilhafterweise werden als Hartstoffe WC, TaC, NbC, VC TiC Mo₂C, Co, Ni oder Mischungen dieser Hartstoffe in Pulverform eingesetzt.

Ebenfalls vorteilhafterweise werden Hartstoffpulver einer mittleren Korngröße von 0,5 bis 1,5 µm eingesetzt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß das Hartmetallpulver in mehreren Stufen dem flüssigen thermoplastischen Binder zugegeben wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, eine stabildisperse Hartstoff- thermoplastische Binder-Suspension herzustellen, die dann mittels Heißgießen (Niederdruckspritzgießen) zu einem Formkörper verarbeitet werden kann.

Damit werden aufwendige Nachbearbeitungen von Hartmetallbauteilen in jedem Zustand der Herstellung vermieden und es ist weder ein solch hoher technologischer Aufwand notwendig, wie ihn der Einsatz von höherviskosen Binder erfordert, noch müssen große Mengen an organischen Lösungsmitteln für die Entbinderung eingesetzt werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auch trotz der auftretenden großen Dichteunterschiede zwischen den Hartstoffpulvern und dem Binder stabildisperse Suspensionen erreichbar. Die Primärteilchen in der Suspension werden stabilisiert und eine Sedimentation und damit der Verlust der Homogenität der Mischung wird vermieden.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Beispiel

500 g eines Hartstoffpulvergemisches, bestehend aus 16,6 Ma.-% Co, 87,8 Ma.-% WC und 1,6 Ma.-% TaC, NbC, VC, mit einer mittleren Korngröße von 0,9 µm werden mit einem thermoplastischen Binder, bestehend aus 25 g Paraffin und 5 g Stearinsäure, folgendermaßen zu einem Schlicker (Suspension) verarbeitet.

Die Binderbestandteile Paraffin und Stearinsäure werden in einem beheizten Rührgefäß bei 80°C aufgeschmolzen und 300 g des Hartmetallpulvers wird dazugegeben. Diese Mischung wird intensiv gerührt. Da sich während des Rührens die Viskosität der Mischung deutlich verringert, werden vor Unterschreiten einer Viskosität von 100 mPa·s weitere 100 g des Hartstoffpulvergemisches zu der Mischung gegeben. Dadurch wird die Viskosität der Mischung sofort erhöht und die Sedimentationsstabilität des Schlickers ist weiterhin gegeben. Nach weiterem intensiven Rühren werden die restlichen 100 g Hartstoffpulver zugegeben und weiterhin gerührt.

Der so hergestellte Schlicker wird aus einem Vorratsbehälter, der mit einem Druck von 0,6 MPa beaufschlagt ist, über ein Rohrleitungssystem in eine geschlossene Form mit der Negativbauteilform mit einer komplexen Geometrie gefördert. Nach dem Erkalten des Schlickers wird die Form geöffnet, das Bauteil durch langsame Temperaturerhöhung unter Inertgas bis 300°C entbindert und anschließend bei 1450°C gesintert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen, bei dem ein Hartmetallpulver einer mittleren Korngröße < 2,0 µm mit einem verflüssigten thermoplastischen Binder gemischt wird und die so erhaltene stabildisperse Suspension zu einem Formkörper verarbeitet wird, aus dem anschließend das thermoplastische Bindemittel ausgetrieben und der entbinderte Formkörper dann gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität der Mischung aus Hartmetallpulver und verflüssigtem thermoplastischen Binder während der gesamten Herstellung und Verarbeitung auf einen Wert von 100 bis 2000 mPa·s eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als thermoplastischer Binder Paraffine, Wachse und grenzflächenaktive Zusätze eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Hartstoffe WC, TaC, NbC, VC, TiC, Mo₂C, Co, Ni oder Mischungen dieser Hartstoffe in Pulverform eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Hartstoffpulver einer mittleren Korngröße von 0,5 bis 1,5 µm eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Hartmetallpulver in mehreren Stufen dem flüssigen thermoplastischen Binder zugegeben wird.