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Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Sinter-
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hartmetall Die Herstellung von Sinterhartmetall wird am besten an
Hand einer kurzen Beschreibung einer WC-Co-Zusammensetzung erläutert. Kurz zusammengefaßt
werden feinpulvriges Wolframcarbid und das als Binder wirkende Kobaltpulver in einer
KugelmQlle mit einer zur Bildung einer Aufschlämmung ausreichenden Kerosinmenge
gemischt.
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Ein Mischvorgang in der Kugelmühle dauert einen oder mehrere Tage.
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Nach Entnahme aus der Kugelmühle können den Pulvern Gleitmittel, z.B.
Vaseline oder Paraffin, zugesetzt werden. Die Aufschlämmung wird dann in Vakuumtrocknern
zur Abtrennung des flüchtigen Kerosins erhitz-t. Je nach
der Art:
und der Menge des in dem Pulver enthaltenen Gleitmittels ist dieses nunmehr entweder
zum Stauchen, Tablettieren oder Strangpressen geeignet.
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Die zum Verpressen der Pulver nach der Zugabe von Paraffin und Vaselin
zur Anwendung koiriiiienden Methoden sind als Stauchen, Tablettieren und Strangpressen
bekannt. Sie werden nachstehend kurz beschrieben.
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Beim Stauchen werden Pulver verwendet, welche das nach dem mehlen
in der KugelmtUle zugesetzte Paraffingleitmittel enthalten. Das Pulver kommt in
einen Kunststoff-oder Gummibeutel, wird dann evakuiert und von der Außenatmosphäre
hermetisch abgeschlossen. Der Beutel mit dem Pulver kommt dann in eine mit Öl gefüllte,
umschlossene Kammer, die dann unter Druck gesetzt wird. Durch diese Druckeinwirkung
wird das Pulver aus allen Richtungen gleichmäßig verfestigt, so daß Pulvern, die
durch Stauchen verfestigt werden sollen, nur sehr wenig Gleitmittel zugesetzt werden
muß.
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Zum Tablettieren verwendet man Pulver, denen zu dem beim Stauchen
verwendeten Paraffin noch zusätzliches zugesetzt rurde. Das Pulver kommt in eine
Preßform, worauf ein Kolben das Pulver an den Boden der Form anpreßt. Der Kolben
wird dann aus der Form entfernt und der Pulverpreßling wird nach oben durch die
obere Öffnung der Form ausgeworfen.
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Zum Tablettieren ist eine höhere Geschmeidigkeit erforderlich als
zum Stauchen, da die Pulverteilchen nicht nur übereinander, sondern auch gegen eine
Formwand gleiten nassen. Das ist der Grund für den zusätzlichen Paraffin bedarf
in diesen Pulvergemischen.
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Eine dritte Methode zum Verpressen der Pulver ist das Strangpressen.
Um die Konsistenz des Pulvers auf die einer tonartigen Substanz zu bringen, wird
Vaseline verwendet. Dieses Pulver wird in eine zylindrische Kammer mit offenen Enden
eingebracht. Ein Druckkolben treibt das Pulver dann durch den verringerten Durchmesser
eines ffundstücl;s am anderen Ende der Kammer.
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Das Strangpressen erfordert den höchsten Gleitmittelzusatz zu den
Pulvern, um die Reibung an der Wand des Mundstücks und zwischen den Teilchen zu
überwinden.
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Jede der vorstehenden Methoden zum Verpressen der Pulver richtet sich
in der Regel nach der Qualität, der Größe und der Form des als Endprodukt gewünschten
Sinterkörpers.
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Beim Stauchen benötigen die Pulver in der Regel nur 0,5 % Paraffinzusatz
und Drücke von etwa 2 800 kg/cm2 können angewendet werden. Diese Methode ist für
große Teile, die eine gute Qualität erfordern, sehr geeignet.
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Es ist ein langsames Verfahren und die gestauchten Teile mussen oft
vor dem Sintern zur Erzielung der gewunschten Form und der Größentoleranzen noch
maschinell bearbeitet werden.
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Das Tablettieren erfordert den Zusatz von etwa 2 C/a Paraffin und
eignet sich äußerst gut zur Erzeugung genauer Formen und Größen, empfiehlt sich
jedoch nicht für Teile mit einem hohen Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D).
Das ist auf die ungleiche Dichte der Preßlinge von oben nach unten in der Formkammer
zurückzu:iühren. Hierfür sind die ReibungskXäfte der Forrand verantwortlich.
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Die ungleiche Dichte wird mit zunehmendem L/D-Verhältnis ausgeprägter.
Zur Herstellung längerer zylindrischer oder länglich geformter Teile muß daher zur
Erzielung eines qualitativ guten WC-Co-Produkts das Strangpressen angewendet werden.
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Das Strangpressen erfordert manchmal bis zu 6 Ges.% Vaseline, damit
man Gemische mit der richtigen Fließfähigkeit erzielt. Beim Strangpressen können
die Ausrichtung der zylindrischen Form und die Dichte zur Erzielung eines qualitativ
hochazertigen Produkts geregelt werden.
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Bekanntlich besitzt Vaseline jedoch unenanschte Nebenwirkungen, was
die Regelung des Kohlenstoffgehalts jedes gesinterten Eridprodukts anbelangt. Obwohl
Vaseline flüchtig ist und vor Erreichen einer endgültigen Sintertemperatur verschwindet,
erfolgt doch auch eine partielle Zersetzung der Vaseline, die in dem verdichteten
Pulver überschüssigen Kohlenstoff zurückläßt. Eine Steuerung des Kohlenstoffgehalts
ist zur Vermeidung von überschüssigem freien Kohlenstoff in dem gesinterten Endprodukt
kritisch. Uberschüssiger freier Kohlenstoff verursacht nämlich ein vorzeitiges Versagen
von starken Beanspruchungen ausgesetztem Sinterhartmetall.
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Die Methode des Strangpressens wird hiervon am meisten betroffen1
da man diese Methode in der Regel deshalb wählt, um zu einem geraden, zylindrischen
Gebilde mit gleichmäßiger Dichte zii gelangen. Die derzeitige Methode zur Regelung
des Eohlerlstoffgehaits in Strangpreßlingen bei Verwendung von Vaseline besteht
darin, daß man kohlenstofffreie Pulver als Ausgangsprodukt verwendet. Da
bekanntlich
die Sinteröfen infolge der Zersetzung der Vaseline mit überschüssigem Kohlenstoff
verunreinigt sind, werden alsdann bestimmte Öfen wegen ihres geschätzten Verunreinigungsgrads
für Sinterprodukte ausgewählt, deren Kohlenstoffgehalt genau geregelt werden muß.
Diese Methode ist mehr praktischer als wissenschaftlicher Natur. Mit der vorliegenden
Erf indung werden die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten beseitigt.
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Typische übliche StranppreP.praxis Verwendet man wiederum als Beispiel
eine WC-Co-Zusammensetzung, so besteht die erfindungsgemäße Methode darin das Wolframcarbidpulver
mit 4 bis 25 °b Kobaltpulver zu mischen.
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Dieses Gemisch wird einige Stunden bis zu einigen Tagen in einer Kugelmühle
gemahlen, bis die Pulver gleichmäßig unterinander verteilt sind und die einzelnen
Teile chen eine sehr feine Korngröße erreicht haben. Nach dem Mahlen in der Kugelmühle
werden, wie beim Strangpresse üblich, 5 bis 6 Gew.% Vaseline dem Pulvergemisch in
einem Vakuumtrockner zugesetzt. Die Vaseline wird mit Kerosin in Lösung gebracht
und mit dem aus der Kugelmühle kommenden Fulvergemisch vermischt. Nach vollständiger
Durchmischung besteht die nächste Verfahrens stufe in der Erhitzung der vereinigten
Gemische in einer Misch trommel mit einer Schmierarirlr.ung bei einer Temperatur
von 930C.
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Dieses Mischen bewirkt zwei Dinge; es trennt das Kerosin ab und arbeitet
das Vaseline in das Gemisch ein. Das Pulver kann in diesem Stadium monatelang gelagert
werden, bis es für die Weiterverarbeitung benötigt wird, wenn es vollständig von
Sauerstoff abgeschlossen ist. Das Pulver wird dann unter Anwendung von Drücken von
352 bis 703 kg/cm2 unter Bildung eines Pulverpreßlings ausgepreßt.
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Nach dem Strangpressen kommt der Preßling in einen Ofen, dessen Temperatur
allmählich von Raumtemperatur auf 427 0C innerhalb 48 Stunden erhöht wird, wobei
innerhalb dieser 48 Stunden eine vorherbestimmte Zeit auf 232°C verweilt wird.
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Dabei wird die Vaseline und das Paraffin ausgetrieben, wobei die Vaseline
sich zuerst verflüchtigt. Die Preßlinge läßt man dann während 12 bis 24 Stunden
wieder auf Raumtempratur abkühlen. Die nächste, nicht unerlëßliche Verfahrens stufe
besteht darin, daß man die Preßlinge in einen Vorsinterofen bringt und die Temperatur
auf 7600C erhöht und etwa 30 Minuten auf diesem Wert hält. Eine abschließende Sinterung
erfolgt dann durch Erhöhen der Temperatur auf 1371 bis 15380C, je nach der fljr
das .jesUeils verwendete Pulver vorherbestimmten geeigneten Temperatur.
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Auf dieser Temperatur wird 1/2 Stunde gehalten, worauf man das gesinterte
Produkt auf Raumtemperatur abkühlen läßt.
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Vorstehend wurde das bisherige bekannte Verfahren unter Verwendung
von Vaseline als Gleitmittel beschrieben.
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Gemäß der Erfindung wird die Vaseline durch eine neue Zusammensetzung
ersetzt, welche die zum Verpressen der Pulver erforderliche Geschmeidikeit ergibt.
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Zusammenfassung der Erfindung Gemäß der Erfindung wird unter Anwendung
auf das vorstehend gegebene Beispiel von WC-Co-Pulver Wolframcarbid mit dem Pulver
des als Binder dienenden Kobalt in der Kugelmühle gemischt. Nach dem Mahlen dieser
Pulver in der Kugelmühle wird nun erfindungsgemäß Äthylcellulose und Tetrahydronaphthalin
mit den Pulvern unter Bildung einer gleichmäßigen Masse gemischt. Die mit dem Gleitmittel
versehenen Pulver können dann auf beliebige Weise durch Stauchen, Tablettieren oder
Strangpressen verpreßt werden.
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Nach dem Verpressen der Pulver kann eine sehr kurze Erhitzungsperiode
zur Austreibung des flüchtigen Te-trahydronaphthalins ohne merkliche Zersetzung,
bei der verunreinigender Kohlenstoff zurückbleiben wurde, angewendet werden. Die
Pulverpreßlinge können dann in einem Vakuumofen zur Erzielung eines Produkts mit
genau geregelter Qualität gesintert werden. Ohne die- Verunreinigung durch Kohlenstoff
besteht eine geringere Neigung zur Entstehung von Stellen aus reiner Kohle, die
metallurgische Zusammensetzung wird genau geregelt, die Qualität des Produkts ist
vorhersagbar und die Öfen bleiben für weitere Erhitzungszyklen frei von Verunreinigungen.
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Nachstehend wird die Erfindung näher beschrieben Alle angegebenen
Prozentgehalte sind auf das Gesamtgewicht des Wolframcarbids und Kobaltpulvers bezogen.
Als Xthylcellulose wird vorzugsweise die unter der Handelsbezeichnung Hercules Ethyl
Cellulose Grade N10 vertriebene verwendet. Natürlich können auch andere Äthylcellulosesorten
verwendet
werden und fallen in den Rahmen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist das folgende: Die Äthylcellulose
wird in einem geeigneten Behälter bei Temperaturen von etwa 50 bis 121 0C in Tetrahydronaphthalin
gelöst. Die zugegebene Äthylcellulosemenge beträgt 1/2 des Pulvergewichts. Das verwendete
Tetrahydronaphthalin hängt von der Größe der strangzupressenden Teile ab. Die Mischung
muß gerührt werden, jedoch nur so schlJach wie möglich, um einen zu starken Einschluß
von Luftblasen zu verhindern. Jede gewünschte Menge kann Tage vor dem Mischen hergestellt
undin einem luftdichten Behälter aufbewahrt werden. Die einzige Bedingung dabei
ist, daß die Lösung nach der Lagerung auf etwa 500C erhitzt wird, da sie bei Raumtemperatur
viskos wird.
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Der für jede Charge erforderliche Prozentgehalt an Tetrahydronaphthalin
richtet sich nach dem Durchmesser des auszupressenden Teils und dem von der Strangpresse
ausgeübten Druck. Die bisherigen Versuche ergeben die folgenden Beziehungen zwischen
Durchmesser und erforderlichem Prozentgehalt an Tetrahydronaphthalin: 1/8 bis 3/8
Zoll Durchmesser verlangen 3,90 bis 4,25 % Tetrahydronaphthalin. 1/2 bis 3/4 Zoll
Durchmesser verlangen 3,82 bis 3,90 % Tetrahydronapthalin. Maximal 15 kg Carbidpulver
können in einen genormten, 6 Quart fassenden Reed-Vakuumtrockner eingegeben werden.
Kaltes Wasser wird durch den Kühlmantel des Trockners zirkuliert und der Pfleiderer-Kneter
wird in Bewegung gesetzt. Warme Lösung von Cellulose in Tetrah«dronaphthalin wird
in das Carbidpulver gegossen und der Deckel des Trockners wird ohne Ausbildung eines
Vakuum, geschlossen und die Pulver werden eine Stunde gemischt.
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Nach einer Stunde wird der Kaltwasserzufluß durch den Kühlmantel abgeschaltet
und die Pulver werden eine weitere Stunde, oder bis die Beschickung Raumtemperatur
erreicht hat, gemischt. Wichtig ist, daß die Schaufeln des Trockners reibungsfrei
rotieren, da etwa durch die Schaufelbewegung erzeugte Wärme eine zu starke Verdampfung
und somit einen Verlust an Tetrahydronaphthalin zur Folge hätte.
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Nach zweistündigem Mischen sind etwa 0,2 /Oo des Gesamtprozentgehalts
an Tetrahydronaphthalin an den Seiten und dem Deckel des Trockners kondensiert.
Während sich die Beschickung noch in dem Trockner befindet, kann eine 50- bis 100
Gramm-Probe zur Bestimmung des Tetrahydronaphthalingehalts der Beschickung entnommen
werden. Das erfolgt durch Vermerken des Gewichtsverlusts der Probe infolge Verdampfung,
während sich diese zwei Stunden in einer offenen Pfanne auf einer Dampfplatte befindet.
Wenn der Tetrahydronaphthalingehalt nicht mehr in den vorstehend angegebenen Bereich
fällt, kann er durch weiteres Zumischen jetzt korrigiert werden.
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Nach Zubereitung der Beschickung kann sie sofort aus der Strangpresse
ausgepreßt oder für eine spätere Verwendung gelagert werden. Eine noch gleichmäßigere
Verteilung der Gleitmittelteilchen kann man durch Behandlung in einer Fitzmühle
mit einer Lochgröße von 0,218 erzielen. Das ist jedoch ein zusätzlicher Verfahrensschritt,
der sich in bestimmten Fällen auf das gesinterte Endprodukt günstig ausgewirkt hat.
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Mit der neuen Gleitmittelzusammensetzung wird anschließend das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung des Karbidpulvers unter beispielsweiser Verwendung von
WC-Co beschrieben.
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Pulver aus Wolframcarbid, Kobalt und Paraffin (0,5 V0) werden in den
vorstehend angegebenen Prozentgehalten gemischt und dann in eineKugelmühle gegeben,
wo sie einige Stunden oder vielleicht mehrere Tage gemahlen werden. Dann wird die
aus einer Lösung von etwa 4 Gew*5tu Tetrahydronaphthalin und 0,5 Gew.c Äthylcellulose
bestehende neue Zusammensetzung mit der Fulvermischung unter Bildung einer neuen
Mischung gemischt.
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Wie bereits gesagt, können die Pulver in diesem Stadium monatelang
gelagert werden, wenn ein Lösungsmittelverlust dabei vermieden wird. Die Pulver
können auf verschiedene Weise verpreßt werden, jedoch eignet sich die erfindungsgemäße
Methode insbesondere zum Strangpressen.
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Für Teile mit großem Durchmesser von 1/4 Zoll oder größer ist eine
zusätzliche Erhitzungaperiode erwünscht.
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Die Pulver kommen in einen Ofen zur Austreibung des Gleitmittels und
die Temperatur dieses Ofens wird auf 93 0C erhöht und vier bis zehn Stunden auf
diesem Wert gehalten, wobei die Venreilzeit umso länger ist, je größer der Querschnitt
ist.
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Die Preßlinge können dann bei der vorherbestimmten, als geeignet befundenen
Pulvertemperatur von 1371 bis 15380C 1/2 Stunde gesintert werden. Das gesinterte
Produkt läßt man dann auf Raumtemperatur abkühlen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der bisherigen
Praxis bestehen in erster Linie darin, daß keine Kerosin-Vaselinmischung verwendet
wird und deshalb keine Extraerhitzungsstufe vor dem Verpressen der Pulver zur Abtrennung
des Kerosins erforderlich ist. In zweiter Linie wurde der Zyklus zur Entfernung
des Gleitmittels nach dem Verpressen von einem 48 Stunden bei 4270C dauernden Zyklus
auf einen von nur 4 bis 10 Stunden - je nach der Größe des Preßlings - bei 930C
beschnitten.
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Dadurch, daß keine Vaseline verwendet wird und keine partielle Zersetzung
des Gleitmittels während seiner Entfernung eintritt, werden ferner die Ofen nicht
übermäßig durch Kohlenstoff verunreinigt. Da nahezu kein überschüssiger Kohlenstoff
-aus der Äthylcellulose kpmmt, läßt sich das Schrumpfen, Werfen und die metallurgische
Zusammensetzung des Endprodukts genauer regeln als dies bisher möglich war.
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Infolge der Verwendung des Lösungsmittels Tetrahydronaphthalin als
Träger für die als Gleitmittel dienende Äthylcellulose treten die meisten der durch
die aus der Vaseline stammendenKohlenstoffverunreinigungen bedingten Probleme nicht
auf. Mit nur 0,5 % (Pulvergewicht) Äthylcellulose kornbiniertes Tetrahydronaphthalin
ist alles, was für eine verarbeitbare Mischung erforderlich ist. Das Lösungsmittel
kann entweder vor oder nach oder während dem Sintern entfernt werden und ergibt
ein Produkt mit einer Al-Porosität, die ebenso gut oder sogar besser ist als die
von gestauchtem Pulver.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vei-rendung der neuen Gleitmittelzusammensetzung
ermöglichen das Strangpressen und Sintern von Abschnitten mit einem Durchmesser
von 1/2 und 3/4 Zoll und sogar größer, die bisher infolge von Qualitätsproblemen
nur schwer oder gar nicht herzustellen waren. Stranggepreßte Produkte, deren Tetrahydronaphthalingehalt
verflüchtigt wurde, sind vor dem Sintern stark genug, um maschinell auf eine gewünschte
Größe und Form bearbeitet zu werden.
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Auch können Abschnitte nach dem Trocknen bei 930C vor dem Sintern
auf äußere Risse und Sprünge untersucht werden. Gesprungene Abschnitte können zusammen
mit Resten aus vorhergehenden Mischungen zu geeigneten Gemischen durch Mahlen, Mischen,
Bestimmung des Lösungsmittelgehalts und anschließende Einstellung dieses Gehalts
auf den gewünschten Wert unter Vermischen aufgearbeitet werden.
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Während der Herstellung entstandene Lösungsmitteldanpfe müssen aus
allen Arbeitsbereichen abgeführt werden und Schutzhandschuhe sind erforderlich,
da das Lösungsmittel durch die Poren während längerer Zeit aufgenommen werden kann
und dann schädlich für den Körper ist.