DE2913623B2 - Pulvermetallurgisches Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisches Verfahren zum Sintern von Metallpulver für die Herstellung von Formkörpern hoher Dichte.

Aus der US-PS 37 00435 ist ein Verfahren zur Verfestigung von Metallpulvern durch isostatisches Heißpressen bekannt, bei dem das Metallpulver in eine Form gefüllt und diese Form in einen Behälter gesetzt wird. Das Ganze wird dann aufgeheizt und unter Druck gesetzt. Die Funktion des sekundären Druckmediums ist die Druckübertragung von den Außenwänden des "to Behälters auf die Form. Das Innere des Behälters einschließlich des sekundären Druckmediums ist mit inertem Gas während des Aufheizens und Evakuierens vor der Druckanwendung gefüllt. Aus dieser Patentschrift sind verschiedene Heißpreßverfahren unter isostatischem Druck für die Verfestigung von Metallpulvern bekannt, die jedoch alle die Anwendung von Drucken und druckbeständigen Gefäßen erforderlich machen, was bekanntlich extrem aufwendig ist.

Der US-PS 37 04 508 ist ein Verfahren zur Verfestigung bestimmter Legierungen zu entnehmen, bei dem kein Pressen oder Aufheizen erforderlich ist. Nach diesem bekannten Verfahren werden die Metallpulver mit einer elektronenabgebenden Verbindung behandelt und anschließend erwärmt und unter Vakuum gesetzt, um die Oberflächen der Pulver vor dem Sintern zu aktivieren. Nach diesem Verfahren lassen sich Gegenstände hoher Dichte durch Sintern von Metallpulvern in einer Glasform herstellen. Diese Formen müssen entsprechend gelagert werden, da das Glas bei den Sintertemperaturen des Metalls schon relativ weich wird. Der dafür angewandte Behälter muß der allgemeinen Form der Glasform entsprechen, um die Gestalt der Form aufrechtzuerhalten. Soll dieses Verfahren für die verschiedensten Formkörper angewandt werden, so sind jeweils entsprechende Behälterformen erforderlich. In dem Abstützungsbehälter — im allgemeinen aus Kohie oder Kohlenstoff — wird die Glasform eingesetzt und dann ein Deckel aus Borosilicatglas aufgelegt Diese Glasplatte ergibt eine Abstützung während des Sintems; denn mit Erweichen des Glases fließt es über die Form und füllt die Hohlräume, womit ein Verschieben der Form innerhalb des Kohlebehälters vermieden wird.

Dieses Verfahren weist verschiedene Nachteile auf. Das größte Problem beruht, wie bereits erwähnt, auf der erforderlichen großen Anzahl verschiedener Glasformen. Jede Glasform benötigt wieder ihre eigene Kohleoder Graphitummantelung. Schließlich besitzen diese Kohle- oder Graphitummantelungen bei den Sintertemperaturen, die in der Größenordnung von etwa 1150° C liegen, nur geringe Lebensdauer. Zur Verlängerung der Lebensdauer dieser Ummantelungen wurde Schutzgas, wie Argon oder Stickstoff, angewandt Dies stellt eine gewisse Verbesserung dar, da der Aufwand für die Bearbeitung dieser Ummantelungen mit komplexen Konfigurationen sehr aufwendig ist Aber trotzdem ist auch im Schutzgas die Lebensdauer der Ummantelungen begrenzt, so daß man gezwungen ist, für jeden herzustellenden Formkörper mehrere Ummantelungen in Reserve zu halten. Schließlich ist das Ausformen des Sinterkörpers aus der Form und der Ummantelung nicht einfach, da das Glas in Bearbeitungsspuren oder Risse der Ummantelung einfließt.

Aufgabe der Erfindung ist nun die Verbesserung des pulvermetallurgischen Verfahrens nach der US-PS 37 04 508, indem keine aufwendigen Ummantelungen aus Kohle oder Graphit und auch keine Schutzgasatmosphäre während des Sintems notwendig sind und es auch nicht erforderlich ist, diese Ummantelungen nach Gestaltsänderung aufgrund von Oxidation nach einigen Sinterungen zu verwerfen. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Wärmeübertragung auf die Glasform, enthaltend das zu verfestigende Pulver, und zwar mit im wesentlichen gleichmäßiger Temperatur über die ganze Oberfläche der Glasform. Man benötigt keine spezielle Atmosphäre zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und auch keine aufwendige Vorrichtung, wie sie für das isostatische Heißpressen benötigt wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines dichten Formkörpers oder Gegenstands wird zuerst das zu verdichtende Metallpulver — vorzugsweise vorbehandelt mit einer oberflächlich aktivierenden Verbindung — in eine verschließbare Form eingebracht, welche beim Erhitzen plastisch wird. Gegebenenfalls unter Erhitzen wird nun das Restgas aus dem Pulver innerhalb der Form abgesaugt, während unter Aufrechterhaltung des Vakuums die Form verschlossen wird. Die gefüllte Form wird nun in eine oben offene Ummantelung eingesetzt, so daß ein Raum zwischen Form und Ummantelung verbleibt. Dieser Raum wird mit einem freifließenden feuerfesten Pulver, vorzugsweise Graphit mit einer Feinheit von < 0,84 mm, gefüllt. Nun wird auf Sintertemperatur aufgeheizt; das feuerfeste Pulver bleibt bei dieser Temperatur freifließend. Die Temperatur wird nun ausreichend lang gehalten für eine im wesentlichen vollständige Verdichtung des Metallpulvers, d. h. möglichst nahe an die theoretische Dichte. Schließlich wird abgekühlt, die Form aus der Pulverfüllung der Ummantelung genommen und der Sinterkörper entformt. Dieser kann dann in üblicher Weise nachbearbeitet werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Puiver aus Werk-

zeugstahl oder Schnelldrehstahl mit einer Feinheit < 0,149 mm in eine Glasform gefüllt und darin auf eine Dichte von etwa 65 VoL-% eingestampft Das Metallpulver enthielt (Gew.-%) 1%C, 8,5% Mo, 1,75% W, 3,75% Cr, 1,85% V, Rest Eisen.

Danach wurde die Glasform bei Raumtemperatur auf 1,33 μbar evakuiert, dann in einen feuerfesten Tiegel aus Ton und Graphit eingesetzt und in den Zwischenraum feuerfestes Pulver eingefüllt Bei den Ton/Graphit-Produkten handelt es sich um Körper, die aus Ton und Graphit bei möglichst weitgehendem Ausschluß von Sauerstoff zur Verhinderung der Oxidation des Graphits und unter Sintern des Tons gebrannt worden sind. Man kann auch Tontiegel oder andere feuerfeste Tiegel anwenden. Da jedoch die Glasform mit dem Tiegel nicht in Berührung kommt, werden Ton-Graphit-Tiegel bevorzugt, und zwar im Hinblick auf ihren Wärmeübergangskoeffizienten und der Temperaturwechselbeständigkeit im Vergleich zu Glas.

Als feuerfestes Pulver kann man Graphit anwenden, welches in der entsprechenden Feinheit verfügbar ist und zumindest 88% C enthält

Man kann auch andere feuerfeste Pulver und Pulvergemische anwenden, wenn sie unter ihrem eigenen Gewicht frei fließend sind, wie Graphitpulver, welches wie eine Flüssigkeit fließt Bevorzugt wendet man als feuerfestes Pulver oder Pulvergemische solche mit zumindest 50 Vol.-% Kohlenstoff an. In diesem Fall bedeutet »Kohlenstoff« Kohle und Graphit einschließlich beispielsweise Schuppengraphit, Ruß, Pulver von Kohle, Koks oder Aktivkohle sowie Petrolkoks. Andere geeignete feuerfeste Pulver sind Siliciumcarbid, Wolframcarbid oder Pulver, die bei den verschiedensten Verfahren als Nebenprodukte in Form von Stäuben anfallen,

Die Form besteht z. B. aus Pyrex-Glas, jedoch sind auch andere Glassorten geeignet. Die Hauptforderung an die Form liegt darin, daß sie nicht reaktionsfähig ist mit dem Metallpulver während des Sinterns und gleichzeitig bei den Sintertemperaturen plastisch wird. Verschiedene Glassorten sind daher geeignet

Die Form aus Pyrex-Glas wird in den Tiegel aus Ton und Graphit mit Hilfe von Graphitpulver eingepackt und 16 Stunden auf 1200⁰C gehalten, worauf die Form abgekühlt und zerbrochen wird, wodurch man den Metallkörper mit nahezu theoretischer Dichte erhält.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt alle Vorteile der bekannten Verfahren, nicht jedoch deren Nachteile. Die Form wird während des gesamten Sinterzyklus einwandfrei abgestützt Mit zunehmender Verdichtung fließt freifließender Graphit nach, um den beim Schrumpfen entstehenden Raum zu kompensieren. Man benötigt kein zusätzliches Glas, um den Sinterkörper zu schützen. Der Wärmeübergang ist gut Der Tiegel gibt in hervorragender Weise die Wärme an das Graphitpulver, welches sich oben befindet, ab. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit des Graphitpulvers nicht besonders hoch ist zeigt sich, daß während der Verfestigung der Wärmedurchgang beträchtlich verbessert wird. Mit zunehmender Erhitzung des Graphits Findet eine Oxidation statt und eine Durchmischung des Bettes, ähnlich einer Wirbelschicht mit Trägergas, findet statt Dieses »Kochen« verbessert den Wärmeübergang, so daß die Temperatur des Graphits und der Form nur geringfügig tiefer liegen als die Ofentemperatur. Die Bewegung des Graphitbetts führt zu einer gleichmäßigen Erhitzung der Form.

Die Vielseitigkeit der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet es, eine Vielzahl von Glasformen in einem einzigen Tiegel zu verarbeiten, ohne Rüdisicht auf deren Größe und Form. Die Lebensdauer der Riegel ist gut Man benötigt keine spezielle Atmosphäre und erfahrungsgemäß ist der Graphitverlust nur etwa 10%. Das bedeutet, daß nach Entfernen eintr geringen Schlackenabdeckung der verbleibende Graphit wiederverwendet werden kann. Das Ausformen des Sinterkörpers ist relativ einfach, da das Glas nicht an dem Tiegel oder dem Graphit haftet.

Zum Vergleich wurde ein Tiegel aus Kohlenstoffstahl hergestellt, eine Glasform gefüllt und — wie oben — verschlossen und dann in den Stahltiegel die Form im Graphitpulver eingepackt. Der Graphit und der Stahl reagierten schnell, wodurch es zu einer schweren Beschädigung des Tiegels kam und der erhaltene Sinterkörper zeigte nur mäßige Qualität.

Als weiterer Versuch wurde ein Ton-Graphit-Tiegel angewandt, jedoch diente in diesem Fall zur Einbettung der Form Glaspulver. Es kam zu einer Reaktion zwischen dem Glaspulver und dem Tiegel, nicht jedoch zu einem entsprechenden Sintern des Metallpulvers.

Grundsätzlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren für die verschiedensten Pulver aus Metallen und Metallegierungen anwenden, aus denen sich die verschiedensten Sintertemperaturen und Sinterzeiten ableiten.

Claims (4)

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Formkörpen, hoher Dichte aus Metallen oder Legierungen durch Einbringen des Pulvers in eine Form und Einbetten der Form in einer mit einem feuerfesten Pulver aufzufüllenden feuerfesten Ummantelung, worauf das Ganze bis zur im wesentlichen vollständigen Verdichtung des Metallpulvers gesintert, dann abgekühlt und der Formkörper ausgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine verschließbare Form, deren Werkstoff beim Erhitzen plastisch wird, nach dem Füllen mit Pulver evakuiert und verschlossen wird und der Raum zwischen Form und Ummantelung mit feuerfestem Pulver, das freifließend bleibt, aufgefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Pulvergemisch, enthaltend zumindest 50 VoL-% Kohlenstoff, aufgefüllt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ummantelung aus einem Ton/Graphit-Tiegel eingebettet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in oxidierender Atmosphäre gesintert wird.