DE3120501A1 - "verfahren und vorrichtung zur herstellung von formteilen" - Google Patents
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Description
hk/ba/fr
HTU MOTOREN- UND TURBI MEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
MÜNCHEN GMBH
München, 21. Mai 1981
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Legierungsmaterial.,
insbesondere aus Nickel-Basis-Legierungen, Chrom-Basis-Legierungen,
Titan-Basis-Legierungen, dispersionsgehärteten Legierungen.
üblicherweise werden Formteile aus Nickel-Uasis-Legierungen,
Chrom- und Titan-Legierungen durch Feinguß hergestellt. Gußteile weisen jedoch vergleichsweise schlechte
mechanische Eigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich der Schwingfestigkeit, die bei statisch oder dynamisch beanspruchten
Teilen, z. B. bei Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen, von Bedeutung ist.
Die mechanischen Eigenschaften vorgenannter Art werden
zwar verbessert, wenn das Formteil aus einer entsprechenden Knet- bzw. Schmiedelegierung hergestellt ist. Durch
Warm- oder Kaltumformung lassen sich jedoch komplizierte
Teile, wie z. B. Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen oder
integrale Turbinenräder nicht in der Endkontur herstellen.
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-δ-Zusätzlich ist in erheblichem Umfang spanabhebende oder
elektrochemische Bearbeitung erforderlich. Bei der Herstellung
hochbeanspruchter Teile, bei denen die Festigkeit von Gußlegierungen nicht ausreicht und die deshalb
beispielsweise aus einer Knet- oder Schmiedelegierung hergestellt werden, entstehen daher erhebliche Kosten durch
Bearbeitung und Material verlust.
Werkstoffe, die durch Teilchendispersion gehärtet sind»
lassen sich weder als Guß noch als Schmiedelegierung in befriedigender Qualitat herstellen, da sich bei diesem
Verfahren die Teilchen nicht genügend homogen verteilen lassen. Bekannt ist sogenanntes TD-Nickel, ein Thoriumoxid-dispersionsgehärtetes
Nickel. Die Herstellungstechnologie dieses Werkstoffs erlaubt jedoch nicht Formträger
der vorgenannten Art mit akzeptablem Aufwand zu verwirklichen. Hauptproblem ist, daß immer von blechartigem Halbzeug
ausgegangen werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen der
eingangs genannten Arta bei dem (der) vorgenannte Nachteile
der Knetlegierungen oder Gußlegierungen überwunden
und insbesondere verbesserte Eigenschaften mit einfachem Aufwand erzielt werden.
Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß ein
Pulver der entsprechenden Legierung oder ein Gemisch aus
™ Pulvern der entsprechenden Legierungskomponenten mit Hilfe
von Kunststoffen in Form von Thermoplasten, Duroplasten und Gleitmitteln zu einer spritzfähigen ca. 30 bis 50 Volumenprozente
des Kunststoffs enthaltenden Granulat-Masse aufbereitet wird, die zu einem Formteil spritzgegossen
wird.
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Die Aufbereitung der spritzfähigen Granulat-Masse erfolgt
insbesondere dadurch, daß die Kunststoffe in einem das Basismetall der Legierung nicht angreifenden Lösungsmittel
gelöst und mit dem Metallpulver gemischt werden, und daö
anschließend das Lösungsmittel abgedampft wird.
Die Kunststoffe des spritzgegossenen Formteils werden zweckmäßigerweise
durch eine Wärmebehandlung bis ca. 600 0C unter Schutzgas oder Vakuum aus dem Formteil zumindest
teilweise entfernt.
Nach der Kunststoffentfernung wird vorteil hafterweise das
Formteil unter Schutzgas bei einer Temperatur von 50 bis 90 % der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls der
Legierung gesintert. Dabei tritt eine Schrumpfung des Formteils auf, das hierbei eine Dichte von 95 bis 98 %
der theoretischen Dichte erreicht.
Bei hochbelasteten Teilen kann bei einer weiteren vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung das spritzgegossene Formteil bei einem Druck von ca. 500 bis 3000 bar und
bei Sintertemperatur des verwendeten Metalls heißisostatisch nachverdichtet werden. Dadurch wird die Dichte des
Formteils auf nahezu 100 % gebracht, wodurch die Festigkeit erheblich zunimmt.
Als Thermoplaste kommen vorteilhafterweise Polyäthylene»
Polystyrol, Polyamide und/oder Cellulose sowie deren Derivate in Frage, als Duroplaste Epoxidharze, Phenolharze
und/oder Polyimide, während als Kunststoff-Gleitmittel
vorteilhafterweise Stearinsäure, Stearate und/oder Wachse
•verwendet v/erden.
Bei Formteilen, die aus einer Nickel-Basis-Legierung,
einer Titan-Basis-Legierung oder einer Chrom-Basis-Legie-
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rung aufgebaut sind, verwendet man zweckmäßigerweise ein kohlenstoffarmes Ausgangspulver bzw. -gemisch. Die meisten
Bindemittel hinterlassen nämlich beim Ausbrennen freien Kohlenstoff, der die Eigenschaften des Formteils verschlechtem
könnte. Durch die Verwendung eines kohlenstoffarmen Ausgangsmaterials wird somit trotz des zurückbleibenden
Kohlenstoffs aus den Bindemitteln der maximal zulässige Kohlenstoffanteil im Formteil nicht überschritten.
Bei Legierungsformteilen auf Nickel-, Titan- und Chrom-Basis verwendet man zweckmäßigerwoise Polyäthylene,
Stearate als Bindemittel, die nach der Wärmebehandlung bzw. Kunststoffentfernung wenig Kohlenstoff zurücklassen,
um vorgenanntem Problem beizukommen.
Vorgenanntes Problem wird bei einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auch
überwunden, wenn nach dem Ausbrennen eine Wärmebehandlung
unter Wasserstoff vorgenommen wird, Der eingestellte Druck beträgt hierbei 1 bis 300 bar, die Wärmebehandlung erfolgt
bei einer Temperatur von ca. 400 bis 1000 0C.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Weise rnodifiziert
werden» daß nach dem Sintervorgang eine Wärmebehandlung erfolgt, um die günstigste Korngröße des Materials
des Formteils einzustellen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß diejenigen Teile der Vorrichtung, die durch Reibung mit der spritzfähigen
Granulat-Masse Verschleiß erfahren, aus dem Material der
zu verarbeitenden Legierung gebildet oder beschichtet sind. Dadurch werden Verunreinigungen während der Verarbeitung
der verwendeten Legierung vermieden.
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Durch die Erfindung wird insbesondere die Schwingfestig-. ' keit des Materials verbessert. Es lassen sich vorteilhaft
auch komplizierte Teile mit hohen Anforderungen an das Ettdprofil herstellen, wie z. B. Lauf- und Leitschaufeln
von Turbinen oder integrale Turbinenräder. Nach der Spritzverformung befindet sich das gefertigte Formteil in einer
Form, die eine anschließende spanabhebende oder elektrochemische Bearbeitung allenfalls in geringem Umfang erfordert.
Insbesondere die drastische Reduzierung des Zei— Spannungsaufwands gegenüber den bekannten eingangs erwähnten
Herstellungsverfahren von Formteilen schafft demnach ein einfaches Herstellungsverfahren mit hochwertigem
Ergebnis, das im Vergleich zu bekannten Verfahren sehr kostengünstig ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben:
Ausgangsmaterial ist ein Pulver der entsprechenden Legierung oder ein Gemisch von Pulvern der Legierungskomponenten.
Dieses Pulver v/ird mit Hilfe von Thermoplasten, Duroplasten und Gleitmitteln zu einer spritzfähigen Hasse
aufbereitet. Die Masse enthält 30 bis 50 Volumenprozente
Kunststoff.
Als Kunststoff kommen in Frage:
Thermoplaste: Polyäthylene, Polystyrol, Polyamide,
Cellulose sowie deren Derivate
Duroplaste: Epoxidharze, Phenolharze, Polyimide ° Gleitmittel: Stearinsäure, Stearate, Wachse.
Die verwendeten Kunststoffe werden in einem Lösungsmittel, das die Metalle nicht angreift, gelöst und mit dem Metallpulver
gemischt. Anschließend wird das Lösungsmittel abge-
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dampft, und die Masse zu einem spritzfähigen Granulat aufbereitet. Dieses Granulat läßt sich nun durch Spritzguß
zum Formteil verarbeiten.
Durch eine Wärmebehandlung bis 600 C unter Schutzgas wird
der Kunststoff aus dem Formteil nach dem Spritzvergießen entfernt. Anschließend wird das Teil gesintert, wobei der
Sintervorgang unter Schutzgas oder Vakuum bei Temperaturen von 50 bis 90 % der Schmelztemperatur des verwendeten
Metalles erfolgt. Hierbei schrumpft das Teil linear zwischen 10 und 25 % und erreicht eine Enddichte von 95 bis
98 % der theoretischen Dichte des Materials.
Bei hochbelasteten Teilen kann durch heißisostatisches Nachverdichten (Druck: 500 bis 3000 bar, Temperatur wie
beim Sintern) die Dichte auf nahezu 100 % gebracht werden9
wodurch die Festigkeit erheblich zunimmt.
Die Anwendung des Verfahrens bietet sich bei folgenden Legierungen hauptsächlich an:
Ni-Basis-Legierungen
Cr-Basis-Legierungen
Ti-Legierungen
Dispersiongehärtete Legierungen.
Cr-Basis-Legierungen
Ti-Legierungen
Dispersiongehärtete Legierungen.
Je nach Legierungstyp muß das Verfahren modifiziert werden,
um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen.
Hauptproblem bei Nickel-Basis-Legierungen ist, daß die meisten Bindemittel beim Ausbrennen freien Kohlenstoff
hinterlassen. Dieser kann die Eigenschaften des zu fertt»
genden Formteils verschlechtern.
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-ιοί Um das Problem zu überwinden, kommen hauptsächlich folgende
Abhilfen in Frage: ■
- Verwendung eines kohlenstoffarmen Ausgangspulvers, so
daß trotz des zurückbleibenden Kohlenstoffs der maximal zulässige C-Anteil im Teil nicht überschritten wird.
- Verwendung von Bindemitteln, die wenig Kohlenstoff zurücklassen,
z. B. Polyäthylene, Stearate.
- Einschaltung einer Wärmebehandlung unter Wasserstoff
nach dem Ausbrennen, wobei als Betriebsbedingungen ein Druck von 1 bis 300 bar und eine Temperatur von 400
bis 1000 0C gewählt werden.
- Bei Legierungen, die einen kleinen C-Anteil enthalten, wird zweckmäßigerweise nach dem Sintervorgang eine
Wärmebehandlung vorgenommen. Der Kohlenstoff aus.dem
Bindemittel ist inhomogen verteilt. Er befindet sich hauptsächlich an den Stellen, die vor dem Sintern Oberflächen
von Pulverkörnern waren. Durch eine Wärmebehandlung läßt sich der Kohlenstoff homogen verteilen.
Ti-Legierungen
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Wie bei Nickel-Basis-Legierungen kann aus den verwendeten Bindemitteln Kohlenstoff frei werden, der die mechanische
Festigkeit des Endprodukts beeinträchtigt. Um insgesamt ausreichende mechanische Festigkeit des Materials zu erzielen,
wird zwecks Kompensierung des übermäßigen C-Anteils aus den Bindemitteln ein C-armes Ausgangspulver verwendet,
so daß trotz des zurückbleibenden Kohlenstoffs aus den Bindemitteln der maximal zulässige C-Anteil im Formteil
nicht überschritten wird (vergleiche Nickel-Basislegierungen) .
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Das Bindemittel spaltet beim Ausbrennen Wasserstoff ab.
Wasserstoff ist in Titan-Legierungen gut löslich und verschlechtert
die Festigkeitseigenschaften. Der Wasserstoff muß durch Wärmebehandlung nach bekannten Methoden im
Vakuum oder unter Schutzgas entfernt werden.
Titan-Legierungen sind sehr leicht oxidierbar. Alle Verfahrensschritte,
die bei einer höheren Temperatur als aer Raumtemperatur erfolgen, sind .zweckmäßigerweise daher im
Vakuum oder unter Schutzgas vorzunehmen. Hierzu gehören insbesondere das Mischen der Masse und das Spritzen der
Formteile. Vorteilhafterweisc werden an sich bekannte
evakuierbare Mischer verwendet. Zum Spritzen verwendet man zweckmäßigerweise evakuierbare Spritzgußmaschinen.
Chrom-Legierungen sind den Nickel-Legierungen hinsichtlich
der chemischen Eigenschaften sehr ähnlich, weshalb auch
die Problematik die gleiche ist. Zur Überwindung des Problems des freien Sauerstoffs kommen Abhilfen in Frage, wie
unter Ni-Basis-Legierungen angegeben.
Dispersionsgehärtete Legierungen
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Bei dispersionsgehärteten Legierungen handelt es sich um zwei oder mehrphasige Werkstoffe, bei denen die Matrix aus
einer oxidationsbeständigens meist einphasigen Legierung
besteht. In die Matrix sind Teilchen einer zweiten Phase ^u (oder mehrerer Phasen) eingelagert.
Kennzeichen dispersionsgehärteter Legierungen ist es, daß die Teilchen nicht in der Matrix gelöst werden können. Die
Teilchen bewirken eine Härtung des Werkstoffes, Vorteil
der dispersionsgehärteten Legierung ist ihre Alterungs-
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beständigkeit bei hoher Temperatur, die auf der Unlöslichkeit der zv/eiten Phase beruht.
Bei der Herstellung von solchen Legierungen sind vornehmlieh
zwei Schwierigkeiten zu überwinden:
- die Teilchen der zweiten Phase müssen möglichst klein s e i η ( 1 m);
- die Teilchen sollen homogen in der Matrix verteilt sein.
üblicherweise werden die Teilchen in die Schmelze der
Matrix-Legierung einrjebracht. Dieses Verfahren hat den
Nachteil, daß sich wegen der Dichteunterschiede von Matrix und Teilchen Konzentrationsgradienten beim Abgießen der
Formteile einstellen. Durch Adhäsionskräfte neigen die Teilchen zusätzlich zum Verklumpen. Insgesamt ist nur
eine sehr unbefriedigende Teilchenverteilung zu erzielen.
Eine Homogenisierung durch plastische Umformung ist nicht
möglich, da bei den bekannten Legierungen die plastische Verformbarkeit nicht ausreicht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind sehr homogene Teilchenverteilungen
herstellbar. Die Teilchen werden dem 2$ Matrix-Pulver zugesetzt und mit diesem vermischt. Da
während des gesamten Prozesses keine Schmelzphase vorliegt, ist Entmischung oder Gradientenbildung nicht möglich. Auch
bei den Schritten "Aufbereiten der Masse und Spritzgießen" wird die Verteilung nicht verschlechtert, sondern eher
noch verbessert. Die erzielbare sehr homogene Teilchenverteilung hat erheblich bessere Festigkeitseigenschaften der
Formteile zur Folge als nach bekannten Herstellungsverfahren.
Um Verunreinigungen während der Verarbeitung zu vermeiden, sind folgende Modifikationen des Verfahrens möglich:
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Ί Diejenigen Teile der Mischmaschine (Behälter und Knet- /
arme) sowie diejenigen Toile der verwendeten Spritzgutßmaschine
(Schnecke, Zylinder, Rückstromsperres Düse),
die durch Reibung mit der Masse Verschleiß erfahrens werden
aus dem Material der zu verarbeitenden Legierung hergestellt oder mit diesen beschichtet. Es ist auch denkbars
ähnliche Legierungen zu verwenden oder nur einen oder mehrere Bestandteile der Legierung, die sich hierfür besonders
eignen.
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- Bei Legierungen, die Kohlenstoff enthalten, kann das Bindemittel als Kohlenstoffspender herangezogen werden.
- Nach der Sinterung kann sich eine Wärmebehandlung an-
sichließen, um die für den Einsatz des Formteils günstigste Korngröße einzustellen.
Es kann mit eingelegten, verlorenen Kernen gespritzt werden.
Der Kern besteht aus einem Material, das sich beim Ausbrennen ebenfalls zersetzt (Kernmaterialien: Kunst- J
stoffe., bevorzugt Duroplaste, eventuell C-Fasei—verstärkt). "
Mit Hilfe von Kernen lassen sich z. B. komplizierte Kühl- r
konfigurationen in Turbinenschaufeln leicht herstellen»
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Claims (1)
- O «0 «β 0 β O fOf O « OOΰ -ο ο α ο ο οJ hk/ba/frMTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBHMünchen, 21. Mai 1981PatentansprücheL Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Legierungsmaterials insbesondere aus Nickel-Basis-Legierungens Chrom-Basis-Legierungen, Titan-Basis-Legierungen3 dispersionsgehärteten Legierungen5 dadurch gekennzeichnet;, dai3 ein Pulver der Legierung oder ein Gemisch aus Pulvern der Legierungskomponenten mit Hilfe von Kunststoffen in Form von Thermoplasten:, Duroplasten und Gleitmitteln zu einer spritzfähigen ca„ 30 bis Volumenprozente des Kunststoffs enthaltenden Granulat-Masse aufbereitet wird5 die zu einem Formteil spritzgegossen wird.2„ Verfahren nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitung der spritzfähigen Granulatmasse dadurch erfolgt., daß die Kunststoffe in einem das Basis-metall der Legierung nicht angreifenden Lösungsmittel gelöst und mit dem Metallpulver gemischt werden» und daß anschließend das Lösungsmittel abgedampft wird.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2S dadurch gekennzeich-net,, daß die Kunststoffe des spritzgegossenen Form-T-653teils durch eine Wärmebehandlung bis ca, 600 0C unterj Schutzgas oder Vakuum zumindest teilweise entferntv/erden.4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spritzgegossene Formteil nach der Kunststoffentfei— nung unter Schutzgas bei einer Temperatur von 50 bis 90 % der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls gesintert wird.
105. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das spritzgegossene Formteil bei einem Druck von ca. 500 bis 3000 bar und bei Sintertemperatur des verwendeten Metalls neißisostatisch nachverdichtet wird.6. Verfahren nach einem der Ansprüche"1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Thermoplaste Polyäthylene, Polystyrol, Polyamide und/oder Cellulose sowie deren Derivate, als Duroplaste Epoxidharze, Phenolharzeund/oder Polyamide und als Gleitmittel Stearinsäure, Stearate und/oder Wachse verwendet werden.7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Formteilen aus Nickel-Basis-Legierungen, Titan-Basis-Legierungen und Chrom-Basis-Legierungen ein kohlenstoffarmes Ausgangspulver bzw. -gemisch verwendet wird.8. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Formteilen aus Nickel-Basis-Legierungen, Titan-Basis-Legierungen und Chrom-Basis-Legierungen Kunststoff-Bindemittel wie z. B. Polyäthylene undStearate verwendet werden, die nach der Wärmebehandlung35bzw. Kunststoffentfernung wenig Kohlenstoff zurücklassen,T-653
21.05.1981« · O O O O 0 O O Oa ο οθ pooo Oi O Π U Πööeo-Döo üoooo «ο οββ OlZUOUl - 3 - -9. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 89 dadurch gekennzeichnet., daß nach dem Ausbrennen eine Wärmebehandlung unter Wasserstoff bei einem Druck von 1 bis 300 bar und einer Temperatur von 400 bis lOOÖ 0C vorgenommen wird.10. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 9» dadurch gekennzeichnet daß nach der Sinterung eine Wärmebehandlung zwecks Einstellung der Korngröße des Materials des Formteils erfolgt.11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1OS dadurch gekennzeichnet,, daß diejenigen Teile der Vorrichtung., die durch Reibung mit der spritzfähigen Granulat-Masse Verschleiß erfahren, aus dem Material der zu verarbeitenden Legierung gebildet oder beschichtet sind.T-65321.05.1981
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