DE3234777C2

DE3234777C2 - Graphitform für das Drucksintern

Info

Publication number: DE3234777C2
Application number: DE19823234777
Authority: DE
Inventors: Wolf Dr. 6301 Biebertal Hüttner; Günter Ing.(grad.) 6338 Hüttenberg Keuscher; Walter 6300 Gießen Müller
Original assignee: Schunk and Ebe GmbH
Current assignee: Schunk and Ebe GmbH
Priority date: 1982-09-20
Filing date: 1982-09-20
Publication date: 1984-07-19
Also published as: DE3234777A1

Abstract

Es wird eine Graphitform für das Drucksintern vorgeschlagen, die ganz oder teilweise aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Graphitform für das Drucksintern von Diamant-, Hartmetall- und Keramikwerkzeugen.

Drucksintern oder Heißpressen ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Diamant-, Hartmetall- und Keramikwerkzeugen. Hierbei werden Diamant-, Hartmetall- oder Keramikpulver mit Metallpulver vermischt und diese Mischungen beispielsweise in Stahl- oder Graphitformen gepreßt und gleichzeitig gesintert. Als Metalle kommen beispielsweise Wolfram, Bronze, Stahl und Kupfer-Silber-Legierungen in Frage. Die Preßdrücke liegen im allgemeinen bei 200 bis 500 bar, die Temperaturen bei 600 bis 1250° C, nach dem Prinzip der Kurzschltui-Stromerhitzung oder durch induktives Erhitzen mit Hochfrequenz-Generatoren.

Die Graphit-Preßformen bestehen z. B. zur Herstellung von quaderförmigen Preßlingen aus vier Seitenplatte!! und einem Ober- und Unterstempel. Für die industrielle Fertigung sind jedoch sogenannte Mehrfachformen im Einsatz, mit denen mehrere Sinterteile gleichzeitig gefertigt werden können. Derartige Formen werden im allgemeinen ebenfalls von vier Seitenplatten begrenzt, diese werden jedoch von weiteren Zwischenplatten und entsprechend vielen Ober- und Unterstempeln unterteilt. In bestimmten Fällen übernehmen die Ober- und Unterstempel auch die Funktion der Zwischenplatten.

Als Werkstoff für die Preßformen wird seit langem technisch hergestelltes Elektrographit eingesetzt. Elektrographit 1st wegen seiner physikalischen Eigenschaften, insbesondere thermische Leitfähigkeit, Abbrandfestigkeit, mechanische Stabilität speziell bei hohen Temperaturen, chemische Inertheit und schlechte Benetzbarkeit gegenüber den Sintermetallen, sehr gut geeignet. Es gibt jedoch für den Etektrographit materialbedingte Grenzen, die nlci.i übersprungen werden können. Es ist also Aufgabe der Erfindung, Graphitformen vorzuschlagen, die so aufgebaut sind daß ^cl°. den erhöhten Anforderungen insbesondere im Hinblick auf Lebensdauer der Graphitformen und kostengünstigere sowie qualitativ bessere Fertigung der Sintererzeugnisse gerecht werden.
Diese Aufgabe wird erfindun-^gemäß durch Graphitfrrmen gelöst, die teilweise oder vollständig aus Platten oder ähnlichen Körpern aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff bestehen.

Der Begriff »Kohlenstoff« umfaßt in dieser Schrift au-:h Graphit, das heißt, daß sowohl die Kohlenstoffasern als auch der Matrixkohlenstoff graphitisch sein können.

Kohlenstoffaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) ist eine Sonderform technisch hergestellten Kohlenstoffs, mit physikalischen Eigenschaften, die hauptsächlich durch die zur Verstärkung verwsndete-,ι Kohlenstoffasern vorgegeben werden. Da dieses Material eine geringe Dichtheit besitzt, mußte es dem Fachmann wenig geeignet für den Einsatz in Drucksinterformen erscheinen, zumal auch die größere Anisotropie des kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffs gegenüber Elektrograph", die Auslegung der Graphitformen zu erschweren schien. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß Graphitformen aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff deutliche Vorteile gegenüber Elektrographitformen aufweisen.

Zur Herstellung von Graphitformen bzw. Einzelteilen von Graphitformen aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff kann vorzugsweise das Flüssig-Imprägnlerverfahren angewendet werden. Beim Flüssig-Imprägnierverfahren wird ein vorgegebenes Kohlenstoffasergerüst mit organischen Bindemitteln, wie beispielsweise Stelnkohlenteerpech oder Phenolharz imprägniert und einer anschließenden Pyrolyse mit Temperaturen zwischen 600° C und 3000° C in Intertatsatmosphäre unterworfen. Diese Schritte werden mehrmals wiederholt, bis sich die angestrebte Porosität des CFC-Verbundkörpers eingestellt hat. Üblich sind 4 bis 12 solcher Imprägnlerungs- und Verkokungszyklen.

Graphitformen aus kohlenstoffverstärktem Kohlenstoff weisen folgende Vorteile auf:

Verminderung der Bruchgefahr und geringer Abbrand, somit höhere Standzeit. Durch die extreme Anisotropie ist eine Anordnung möglich, die die Abstrahlverluste der Wärme gering hält und somit eine homogene Wärmeverteilung in der Form ermöglicht.

Durch die höhere Festigkeit des kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffs ist es möglich, die Einzeltelle der Graphitformen dünner auszubilden, so daß kürzere Aufheizzelten, kürzere Sinterzeiten und somit ein höherer Durchsatz erreicht wird. In gleicher Richtung wirkt ein Gewinn am Nutzvolumen bei vorgegebenen Außenmaßen der Drucksinterform. Schließlich hat sich ergeben, daß auch der Ausschuß an Sintererzeugnlssen reduziert werden konnte.

In Tabelle 1 sind zur Verdeutlichung der Material-Unterschiede die physikalischen Eigenschaften von CFC-Verbundkörpern, den physikalischen Eigenschaften von Graphiten, wie sie typischerweise In der Drucksintertechnologie Verwendung finden, gegenübergestellt.

Tabelle 1 - Physikalische Eigenschaften

konv. Graphite CFC-Verbundkörper
für Drucksintertechnologie // zur Faser J- zur Faser

spez. elektr. Widerstand Biegebruchfestigkeit Druckfestigkeit Wärmeleitfähigkeit therm. Ausdehnungskoeffizient Bruchverhalten

(μΩπι) 20 - 28
(N/mm*) 30 - 60
(N/mm²) 40 - 120
(W/Km) 40 - 70
(10-⁶/K) 3,5 - 5
Sprödbruch

14 - 25 100 - 130

150 -900 20- 40 150 - 900 40 - 80 60-90 8-15 0,5- 1,1 8- 9

Pseudoplastisch

Bei Verstärkung der CFC-Verbundkörper in ein- und zweidimensionaler Richtung (x- und y-Richtung) resultieren anisotrope Werkstoffeigenschaften. Parallel zur Faserrichtung haben die Körper hohe thermische Stabilität, senkrecht zur Faserrichtung dagegen findet man wesentlich niedrigere thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie geringere mechanische Stabilität.

Als Ausführungsformen der Erfindung kommen alle in der Drucksintertechnik üblichen Druc'r^nterformen, eckig und rund, in Frage. Diese Drucksinterformsri sind den jeweils zu fertigenden Produkten angepaßt.

Die Erfindung ist in folgendem Beispiel nShss erläutert:

Zur Herstellung von Graphitformen für die Drucksintertechnik werden zunächst als Vorprodukt Platten aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff hergestellt.

Hierzu werden mit Phenolharz vorimprägnierte Kohlenstoffgewebestücke gleicher Abmessung (z. B. 100 χ 150 mm) ubereinandergelegt und verpreßt, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Diese Platten oder Prepregs werden getrocknet und das Phenolharz durch eine Wärmebehandlung bei 180⁰C gehärtet. Danach wird der ausgehärtete Rohling einer Glühbehandlung in nicht oxidierender Atmosphäre bei einer Temperatur von 1100 bis 1200° C ausgesetzt. Hierbei wird das Phenclharz im Kohlenstoff umgewandelt. Danach weist der aus dem Phenolharz entstandene Kohlenstoff eine Porosität zwischen 10 und 25% auf. Die Nachverdichtung erfolgt durch weitere Imprägnierungen des Körpers mit flüssigem Phenolharz, bis eine Porosität von 5%, besser 2% erreicht ist. Danach oder bereits bei den einzelnen Verdichtungsschritten werden die Kohlenstoffkörper einer GraphitlerungsglOhung im elektrischen Widerstandsofen bei 2400 bis 3000° C unterworfen, wodurch das Kohlenstoffmaterial graphitiert wird. Danach werden die Platten in Stücke, entsprechend den gewünschten Maßen der Drucksintsrformen, geschnitten und spanabhebend endbearbeitet.

Zur näheren Erläuterung wurden in den Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele in perspektivischer Ansicht dargestellt.

Flg. 1 zeigt eine zweireihige Graphitform zum Drucksintern von Segmenten für z. B. Steinsägen.

Fig. 2 zeigt eine einreihige Graphitform für die Herstellung von gekrümmten Segmenten.

Die Graphitform der Fig. 1 besteht aus Seitenplatten 1, Zwischenplatten 2 und die Stempel 3 (Oberstempel) « und 4 (Unterstempel). Die Seiten- und Zwischenplatten bestehe:» erfindungsgemäß aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff, während die Stempel wahlweise aus Elektrographit oder kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff bestehen können. Die Graphitform Ist geeignet für Pulverfüllungen.

Die in Fig. 2 dargestellte Graphitform weist Seitenplatten 1 auf, jedoch fehlen Zwischenplatten. Deren Funktion können gleichzeitig Oberstempel 3 und Unterstempel 4 dadurch übernehmen, daß der Preßbereich versetzt angeordnet ist. Derartige Graphitformen werden zum Drucksintern von vorgepreßten Teilen verwendet. Die Seitenplatten bestehen aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff, die Stempel ebenfalls aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff oder aus Elektrographit. Die beiden gezeigten Graphitformen sind für Sinteröfen mit Kurzschlußheizung geeignet. Die Erfindung ist nicht auf die In den Beispielen beschriebene Herstellung beschränkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Graphitform für das Drucksintern von Diamant-, Hartmetall- und Keramikwerkzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die ganz oder teilweise aus Stücken von an sich bekannten Platten oder ähnlichen Körpern aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff besteht.

2. Verfahren zum Herstellen einer Graphitform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten oder ähnliche Körper nach dem an sich bekannten Flüssig-Imprägnierverfahren zur Herstellung von kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff hergestellt wurden.