DE19641023A1

DE19641023A1 - Titan-Graphit Sinterverbundwerkstoff mit verbesserter Verschleißfestigkeit und niedrigem Reibungskoeffizienten

Info

Publication number: DE19641023A1
Application number: DE19641023A
Authority: DE
Inventors: Swee Hin Teoh; Rajendran Thampuran; James Goh Cho Hong
Original assignee: National University of Singapore
Current assignee: National University of Singapore
Priority date: 1995-10-07
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1997-04-10
Also published as: GB2305938A; JPH09165632A; US5758253A; SG49564A1; GB9620750D0; GB2305938B

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft einen gesinterten Titan-Graphit Verbundwerkstoff mit einer dreiphasigen Struktur und insbesondere ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von hochverschleißfesten Verbundwerk stoffen, auch mit poröser Struktur, mit guten Schmier eigenschaften und mit einem Graphit-Schmierfilm, der sich für den Einsatz in der Biomedizin und in anderen industriellen Bereichen eignet.

STAND DER TECHNIK

In vielen Anwendungsgebieten, insbesondere in der Raum fahrt, beim Überschallflug, bei hitzebeständigen und biologischen Werkstoffen sind neue Verarbeitungskonzep te für derartige Werkstoffe erforderlich, um Werkstoffe zu entwickeln, die unter optimalen Bedingungen hin sichtlich Temperatur, Beanspruchung und Umweltbelastun gen funktionstüchtig sind. Bei herkömmlichen Werkstof fen wie Aluminium, Titan und ihren jeweiligen Legierun gen und Stahl sind zwar einige der erforderlichen Eigenschaften vereinigt, wie hohe Festigkeit, Tempera turfestigkeit und ein hoher Modulwert, doch bedürfen sie häufig einer weiteren Verarbeitung zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften wie z. B. Nitrierung der Ober fläche von Titan, um dadurch die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die herkömmlichen Verfahren sind meist teuer und verlangen langwierige Versuche, um die ge wünschten Materialeigenschaften zu entwickeln.

Ein wesentlicher Vorteil der Pulvermetallurgie sind die niedrigen Kosten für die Herstellung der Werkstoffe. Die Technologie ist alt, findet jetzt aber auch Anwen dung bei beispielsweise ölimprägnierten porösen Bronze lagern. Zwei Methoden stehen in der Pulvermetallurgie für die Herstellung von Legierungen zur Verfügung. Die erste besteht in der Sinterung der in Pulverform vor liegenden Legierungsbestandteile, so daß das Endprodukt meist erheblich billiger herzustellen ist als mit ande ren Verfahren und die zweite in der Sinterung von zwei oder mehr unterschiedlichen Pulvern, bei der die Steue rung des Sinterungsprozesses die Interdiffusion der einzelnen Pulver verhindert und das Endprodukt somit an spezielle Einsatzanforderungen anpaßbar ist.

Die kinetischen Abläufe und andere Einflüsse beim Sin tern von binären Pulvern sind durch zahlreiche Unter suchungen ausreichend bekannt geworden (1), deren Ziel es im wesentlichen ist, vollkommene Homogenität im Pulvergemisch zu erreichen und daß sich kein Bestand teil von der gesamten Masse entmischt. Beispielsweise sollte aus Eisen-Nickellegierungen (2) ein homogener Werkstoff aus Eisen und Nickel herstellbar sein im Gegensatz zu Nickel als ein Niederschlag im Eisen.

Pulver aus Titan, Titancarbid oder Graphit in Kombina tion mit anderen sind bereits untersucht worden (3, 4, 5), allerdings nicht bei der Herstellung eines drei Phasen aufweisenden Verbundwerkstoffes. Bisherige Versuche dienten vor allem der Kenntnis über stöchio metrische Zusammenhänge bei der Diffusion zwischen den einzelnen Stoffen. Im Bezugsdokument (4) wurden bei spielsweise reine Titan- und Graphitpulver verwendet, um die stöchiometrischen Zusammenhänge zu bewerten, die eine vollständige Homogenisierung zur Folge haben und als Endprodukt Titancarbid liefern. Titancarbid ist ein bekannter hitzebeständiger und sehr verschleißfester Werkstoff (6) und die zuvor erwähnten Versuche galten der Entwicklung eines derartigen Keramikpulvers auf metallurgischem Wege.

Für bestimmte Anwendungszwecke, beispielsweise in Bio material, bedarf es eines Verbundwerkstoffes, bei dem die einzelnen Phasen die Bioverträglichkeit und die mechanische Festigkeit nicht beeinträchtigen und die dennoch verschleißfest sind und gute Schmiereigenschaf ten aufweisen. Zum patentierten Stand der Technik ge hören beispielsweise Sinterwerkstoffe, die speziell im Hinblick auf größere mechanische Festigkeit und Abrieb festigkeit entwickelt wurden, wie in den Patenten von Kinzoku (JP 55-18508) und Gÿutsu und Honbu (JP 56-25946) beschrieben.

Wenn Pulver unterschiedlicher Art zu verwenden sind, bestehen die aufgrund des Stofftransports der unter schiedlichen Pulver geformten Preßlinge aus einem pulvermetallurgischen Stoff, der unterschiedliche Phasen umfaßt. Pulvergemische werden seit Jahren verwendet (German RM, Pulvermetallurgie, Metal Powder Industries Federation in Princeton, New York, 1984), und zwar meist für die Entwicklung verbesserter Schneidwerkzeuge.

Der besondere Vorteil liegt darin, daß Bauteile mit maßgerechten anwendungspezifischen Eigenschaften her stellbar sind.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, ein pulvermetallurgisches Verfahren für die Herstellung von Sinter-Verbundwerk stoffen aus Titan - Titancarbid - Graphit zu schaffen, bei denen die Porosität und Verschleißfestigkeit an spezifische Forderungen anpaßbar sind.

Durch die Erfindung soll ferner ein poröser, hochver schleißfester und bioverträglicher Werkstoff zur Ver wendung für Prothesen in der Biomedizin geschaffen werden. Desweiteren soll durch die Erfindung ein Titan- Graphit Verbundwerkstoff geschaffen werden, dessen Dichte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit für andere industrielle Anwendungen anpaßbar ist.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Verschleißfeste Titan-Verbundwerkstoffe werden durch Sintern von reinen Titan- und Graphitpulvern herge stellt. Hierbei wird der Sinterprozeß so gesteuert, daß ein Dreiphasen-Verbundwerkstoff entsteht, der Anteile aus reinem Titan enthält, das für die gesamte mechani sche Festigkeit sorgt, Titancarbid, das für die sehr Verschleißfeste Phase steht und freies Graphit mit den bekannten Schmiereigenschaften, das außerdem die Ver schleißfestigkeit und die Schmiereigenschaften eines solchen Verbundwerkstoffes verbessert.

Weitere Anwendungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden aus führlichen Beschreibung sowie aus den praktischen Anwendungsbeispielen.

FIGURENBESCHREIBUNG

Es zeigen:

Fig. 1 einen typischen Heizzyklus für das Sinterver fahren nach der Erfindung

Fig. 2 die Verschleißfestigkeit des Verbundwerkstoffes nach der Erfindung im Vergleich zu reinem Sintertitan, und

Fig. 3 den Reibungskoeffizienten einzelner Verbund werkstoffe mit einem Graphitanteil von 8%.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nach der Erfindung werden reines Titanpulver und Graphitpulver vermischt und unter den nachstehenden Verfahrensbedingungen verdichtet und gesintert, um eine Reihe von dreiphasigen Titan-Graphit-Verbundwerkstoffen mit großer Verschleißfestigkeit und geringen Reibungs eigenschaften zu erzeugen.

Graphit ist eine allotrope Modifikation des Kohlen stoffs, dessen Schmiereigenschaften bekannt sind. Hieraus ergibt sich die Verwendung von Graphit zur Herstellung einer harten, abriebfesten Titancarbid- Phase. Durch Steuerung der Sintertemperatur wandern die Kohlenstoffatome in das Titan und bilden Titancarbid. Titancarbid ist zwar ein harter Werkstoff, weist aber in seinen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Bruch- und Zugfestigkeit Mängel auf. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn reines Titan den mengenmäßig größten Anteil des Gemenges ausmacht. Um dies zu er reichen, muß eine vollständige Auflösung der Kohlen stoffatome durch Steuerung der Verfahrensschritte unterbunden werden.

Bei biomedizinischen Anwendungen, beispielsweise für Hüft- und Knieprothesen, ist eine poröse Struktur meist wünschenswert, damit Knochensubstanz eindringen kann. Die gesinterten Preßlinge, deren Entwicklung in den nachstehenden Abschnitten beschrieben wird, weisen Poren auf, um den typischen Anforderungen an orthopä dische Biowerkstoffe zu entsprechen.

AUSWAHL DER PULVER

Verwendet wurde handelsübliches reines Titan und Graphit für die Pulvermischung. Die in den Pulvern nachgewiesenen Anteile sind in Tabelle 1 (a) und (b) aufgeführt. Die Teilchengröße im reinen Titanpulver betrug im Durchschnitt 150 µm und die Teilchenform war unregelmäßig, flockig und faserig. Die durchschnitt liche Teilchengröße der Graphitpulver betrug 100 µm mit unregelmäßiger und faseriger Form.

Preßlinge mit Graphit Gewichtsanteilen von 8% und 4% wurden hergestellt. Hierzu wurden die Pulver gemischt im Gesamtgewicht von 10 g. Abweichungen beim Pulverge wicht machten weniger als 0,005 g aus. Die 10 g Anteile an Titan und Graphitpulver wurden in einem Y-Kegel- Mischer bei 30 UPM während einer Stunde gemischt, um eine gute Durchmischung zu erreichen.

Tabelle 1(a)

Typische Anteile von Spurenelementen in reinem Titanpulver

Tabelle 1(b)

Typische Anteile von Spurenelementen in reinem Graphitpulver

VERDICHTEN

Unterschiedliche Pulvergemische mit 8% und 4% Graphitanteil wurden mit unterschiedlichem Druck verdichtet, nämlich mit 5, 10, 14 und 18 Tonnen. Das Komprimieren erfolgte in einer Hydraulikpresse mit Formenstempel und in zunehmenden Schritten von 2, 5, 8, 10, 12, 14, 16 und 18 Tonnen, um die Partikelwanderung und -neuordnung zu unterstützen.

Untersuchungen über das Verdichtungsverhalten von Graphit-Titan Pulvergemischen zeigten, daß der maximal zulässige Graphitanteil bis zum Bruch während der Korn primierung etwa 8% betrug. Die zweite Reihe der Preß linge mit 4% Graphitanteil wurde gewählt, um den Ein fluß von Graphit auf die Verschleißfestigkeit dieser Verbundwerkstoffe zu ermitteln.

SINTERN

Das Sintern erfolgt in einem Vakuumofen (carbolite) unter 10^-6 mbar. Die Preßlinge wurden in ein Keramik rohr (von 10 cm Länge) eingesetzt und die Enden von einer Folie aus rostfreiem Stahl umhüllt, um eine Verschmutzung durch im Ofen befindliche Stoffe zu verhindern.

Das Sintern dauerte 2 Stunden bei 1250°C. Erhitzt wurde nach dem Zyklus gemäß Fig. 1. Der Zyklus beinhaltete vier Abschnitte. Das Aufheizen des Ofens erfolgte in Stufen von 10°C pro Minute bis auf 600°C, und anschließend mit 5°C/min bis auf 1250°C. Die Temperatur von 1250°C wurde dann 2 Stunden lang gehalten, bevor die Kühlung mit einem Absenken von 10°C/min bis auf Raumtemperatur erfolgte. Durch diesen Heizzyklus werden Phasenänderungen in den einzelnen Temperaturstufen verhindert, ebenso wie ein Überschrei ten der Maximaltemperatur.

Das Sintern bei Temperaturen zwischen 800°C und 1600°C über länger als 30 Minuten ist zur Erzeugung des gewünschten Verbundwerkstoffes ebenfalls möglich.

Der Sinterprozeß kann unter Vakuum oder in jeder ande ren inerten Atmosphäre durchgeführt werden, so daß es zu keiner Oxidation des Titans während des Verschmel zens von Titan und Graphit kommt.

Nach dem Sintern wurden die Preßlinge entgratet und Wiegemaßnahmen (weight cum height) durchgeführt, um die Dichte der Preßlinge wie folgt zu bestimmen:

Die relative Dichte wird nach der Regel für Gemenge ermittelt, d. h. nach der Summe aller Dichten pro Gewichtseinheit der beiden Bestandteile. Die Dichte von Preßlingen mit 8% und 4% ist in den Tabellen 2 (a) und (b) aufgeführt.

Tabelle 2(a)

Dichte und Porengröße des Ti-8% Graphit Verbundwerkstoffes

Tabelle 2(b)

Dichte und Porengröße des Ti-4% Graphit Verbundwerkstoffes

Die Poren der Preßlinge bei 5 t waren groß und zusam menhängend. Die Poren wurden mit zunehmender Verdich tung kleiner und vereinzelter. Es wurden viele Preßlin ge unter Verwendung der vorstehenden Technik gefertigt, wobei die Änderungen von Porengröße und Dichte 5% in keinem Fall überstiegen.

VERSCHLEISSFESTIGKEIT DER VERBUNDWERKSTOFFE

Eine auffallende Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Titan-Graphit-Gemisches wurde durch Vergleich der Verschleißfestigkeit von reinen Titan-Preßlingen bei Anwendung des jeweils gleichen Verdichtungsdrucks und der Sinterstufen ausgewiesen. Die Abriebtests wurden mittels einer Testvorrichtung durchgeführt, die als Pin-on-disc test rig bekannt ist. Hierbei wurde eine Last von 50 N und eine Gleitgeschwindigkeit von 0,2 m/s angewendet.

Bei Preßlingen mit 4% Graphit wurde eine um das 1,5- fache verbesserte Verschleißfestigkeit festgestellt. Die Verbesserung betrug bis zum 2,5-fachen, wenn der Graphitanteil auf 8% erhöht wurde. Dies ist auf das Vorliegen einer harten Titancarbidphase zurückzuführen, die durch einen galvanischen Gleitfilm aus reinem Graphit ergänzt ist. Darüberhinaus konnte durch den Graphit-Gleitfilm der Reibungskoeffizient reduziert werden. Die Fig. 2(a) und (b) zeigen die typischen Verbesserungen hinsichtlich Verschleiß und Reibung der beschriebenen Verbundwerkstoffe.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines pulver-metall urgischen Verbundwerkstoffes mit drei Phasen aus reinem Titan, Titancarbid und freiem Graphit, dessen Dichte, Verschleißwiderstand und Schmiereigenschaften durch Variierung der Verfahrensparameter bestimmt werden, mit folgenden Verfahrensschritten: Sintern einer Mischung aus Titan- und Graphitpulver mit einem Graphitanteil zwischen 4 bis 8% unter Tempera turen von 800°C bis 1600°C während einer Zeit von etwa einer 1/2 bis 2 h unter einem Verdich tungsdruck von 0,17 bis 0,62 GPa.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Sinterprozeß unter Vakuum durchge führt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Sinterprozeß in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird.

4, Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Partikelgröße des reinen Titanpulvers 150 µm beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Partikelgröße des Graphitpulvers 100 µm beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Titanpulver eine unregelmäßige flockenförmige oder faserige Form und/oder das Graphitpulver eine unregelmäßige oder faserige Form auf weisen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung in stufenweise ansteigenden Schritten erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in einem Vakuumofen unter 10^-6 mbar durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern bei 1250°C während einer Zeit von 2 h erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß das Sintern bei stufenweise Erhitzung und stufenweise Kühlung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erhitzung in Stufen von 10°C/min bis 600°C, 5°C/min bis 1250°C erfolgt und während 2 h bei diesen Temperaturen gehal ten wird, worauf das Kühlen in Stufen von 10°C/min bis zum Erreichen der Raumtemperatur erfolgt.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern bei Temperaturen zwischen 800°C und 1600°C während mehr als 30 min erfolgt.

13. Titan - Titancarbid - Graphitverbundwerkstoff hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

14. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 13 als orthopädisches oder anderes Biomaterial zur biomedizintechnischen Anwendung.

15. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 13 in anderer ingenieur- und/oder industrie technischer Anwendung, bei der hochverschleiß festes Material mit Gleiteigenschaften gewünscht ist.

16. Komponente gebildet aus einem Verbundwerkstoff nach Anspruch 13.