DE3525752A1 - Verfahren zum formpressen von pulvern - Google Patents
Verfahren zum formpressen von pulvernInfo
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Description
U.Z. t. 858.58 !
NIPPON KOKAN KABUSHIKI KAISHA 1-2 Marunouchi 1-chome,
Chiyoda-ku
Tokyo
Japan
Tokyo
Japan
VERFAHREN ZUM FORMPRESSEN VON PULVERN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formpressen von Metallpulvern, Keramikpulvern und dergleichen.
Es ist seit langem bekannt, daß Spritzgußverfahren sehr effektive Verfahren zur Herstellung von Formstücken mit
komplizierter Form darstellen. Als Ausgangsmaterial werden dabei Metallpulver, wie 2%Ni-98%Fe-Legierungen, SUS 316
Metall, Stellit und Hartmetall, sowie Keramikpulver, wie Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Zirkondioxid
verwendet. So wird zum Beispiel in "Industrial Heating", Mai 1984, Seite 14 - 17, die Herstellung kleiner
Maschinenteile aus 2%Ni-98%Fe-Pulver oder Pulver aus
2 rostfreiem Stahl sowie die Herstellung von Teilen mit 161 cm
Querschnittsfläche und 5cm Dicke durch Einspritzen einer Mischung aus Metallpulvern und organischen Bindemitteln
mittels dieses Verfahrens beschrieben.
Außerdem wurde die Anwendung solcher Verfahren im Keramikbereich, z.B. bei der Herstellung von Turbinen aus Siliziumkarbid
im "Journal of Engineering for Power", Juli 1982, Band 1o4, Seite 601 - 606, beschrieben. Weitere Beispiele
für die Anwendung solcher Verfahren bei der Herstellung von hochkompakten Teilen aus Siliziumnitrid sind in "Industrial
Heating", Januar 1984, Seite 39 - 42 zu finden.
Diese Spritzgußverfahren bestehen im wesentlichen aus den folgenden fünf Schritten:
1) Mischen: Vermischen des pulverförmigen Ausgangsmaterials mit einem organischen Bindemittel und Herstellung einer
thermoplastischen Masse.
2) Einspritzen: Erweichen der Mischung in einem Heizzylinder und anschließendes Einspritzen der Mischung unter
Druck in die Form.
3) Entformen: Öffnen der Form und Entfernen des Formstücks.
4) Entparaffinieren: Entfernung des organischen Bindemittels
aus dem Formstück.
5) Sintern: Sintern des Formstücks, um ein hochkompaktes Produkt zu erhalten.
Erfolg oder Mißerfolg des Spritzgußverfahrens hängen von der Art des verwendeten organischen Bindemittels ab, und
die Resultate der einzelnen Schritte werden vom organischen
Bindemittel beeinflußt.
Das organische Bindemittel wird dem Metall- oder Keramikpulver zugefügt, um die gewünschte Formbarkeit zu erreichen,
da sonst, wenn die Formbarkeit der Mischung aus Pulver und organischem Bindemittel schlecht ist, Fehlstellen wie Zusammenflußlinien,
Verschweißungslinxen oder Einfallstellen im erzeugten Formstück auftreten können.
Dem Pulver muß eine große Menge organisches Bindemittel beigefügt werden, um die Formbarkeit zu verbessern. Diese
erhöhte Menge Bindemittel verursacht jedoch im Laufe des Entparaffinierens zur Entfernung des Bindemittels Fehlstellen
wie Riß-oder Schaumbildung, Verformungen usw. im Formstück. Deswegen wird seit langem ein Bindemittel mit
solchen Eigenschaften gesucht, das die hinzuzufügende Menge Bindemittel gering hält und das Auftreten von Fehlstellen
verhindert.
Zu den bisher verwendeten Bindemitteln gehören diejenigen, die aus Polyäthylen, Polystyrol, Paraffin und mikrokristallinem
Wachs mit niedrigem Molekulargewicht bestehen, denen eine kleine Menge thermoplastisches Harz, öl oder dergleichen
zugefügt wurde.
Zu den bekannten Bindemitteln gehören außerdem Propylen, Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral, Polyäthylenglykol,
Methylzellulose, Hydroxypropylmethylzellulose, Carboxymethylzellulose, ataktische Polyäthylzellulose,Hydroxyäthylzellulose
usw.
Es ist ebenso bekannt, diesen Bindemitteln kleine Mengen Stearinsäure beizufügen, um die Entformung des Formstücks
zu erleichtern.
Die bekannten Techniken, die bei Formpressverfahren von Metall- und Keramikpulvern angewandt werden, weisen jedoch
die folgenden Nachteile auf:
1) Bei herkömmlichen Spritzgußverfahren für Pulver wird
das Formstück beim Entparaffinieren normalerweise von
. Raumtemperatur auf 400 - 5000C erhitzt, wodurch das
Bindemittel zersetzt und durch Verdampfen entfernt wird. In diesem Fall ist es besonders wichtig, daß das Formstück
langsam bis zur Maximaltemperatur erhitzt wird', damit die Erzeugungsgeschwindigkeit des Dampfs, der durch die
Zersetzung des Bindemittels entsteht, nicht die Geschwindigkeit überschreitet, mit der der Dampf durch Hohlräume
im Formstück entweicht. Wenn das nicht beachtet wird, erhöht sich der Dampfdruck innerhalb des Formstücks und es
kommt zu Riß- oder Schaumbildung, Verformungen usw. Daher dauert das Entparaffinieren 70 - 100 Stunden, wodurch
die hohe Rentabilität des Spritzgußverfahrens zunichte gemacht wird.
2) Der zweite Nachteil ist die Verschwendung von Wärmeenergie aufgrund des langen Erhitzens der Formstücke
auf 400 - 500°C. Da die Temperatur der Abgase niedrig ist, wird dadurch deren wirtschaftliche Wiedergewinnung
in Form von effektiver Wärmeenergie erschwert.
3) Obwohl, wie schon erwähnt, das Entparaffinieren von der
thermischen Zersetzung des Bindemittels abhängt, ist es schwierig, ein vollkommenes Entparaffinieren zu sichern.
Gewöhnlich bleiben geringe Mengen Kohlenstoff und öl im Formstück zurück. Diese Kohlenstoff- und ölreste verursachen
eine Verschlechterung der Formstückeigenschaften nach dem Sintern.
4) Das öl, das beim Entparaffinieren wiedergewonnen wurde,
ist ein ZuerSetzungsprodukt des Bindemittels und daher nicht
mehr als Bindemittel wiederzuverwenden. Das Öl wird daher
üblicherweise ausgesondert, was ein weiterer Grund für die Verteuerung der Formstücke ist.
Es ist bekannt, ein Ge%friergußverfahren (freeze casting
process) zu verwenden, um die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen.
W.D.Jones und E.M.Grala veröffentlichten nacheinander ihre Forschungsergebnisse über dieses Verfahren 1960 bzw. 1961
("Powder Metallurgical Techniques Course: Molding of Metal Powders, 1964, August 25, Nikkan Kogyo Shimbun-sha). In den
von E.M.Grala beschriebenen Beispielen wird erst eine hochviskose Aufschlämmung durch Vermischen von Titankarbidpulver
mit einer 40%igen Gummilösung oder einer 25%igen wässrigen Kleisterlösung hergestellt, die dann in die Einspritzvorrichtung
gegossen wird. D-i*e Einspritzvorrichtung wird gerüttelt, um eine Verfestigung der Aufschlämmung zu verhindern.
Gleichzeitig wird sehr schnell Unterdruck angelegt und dadurch die in der Aufschlämmung enthaltene Luft
entfernt. Dann wird an der Einspritzvorrichtung eine Form angebracht und die Aufschlämmung in die Form eingespritzt,
wobei die Einspritzvorrichtung ständig gerüttelt wird. Nachdem die Aufschlämmung zusammen mit der Form von der Einspritzvorrichtung
entfernt worden ist, wird sie entweder in eine Mischung aus Petroleum (Erdöl) und Trockeneis getaucht,
um bei -40°C 5-10 Minuten lang abzukühlen oder in einem
Petroleumbehälter bei -3°C 45 - 60 Minuten lang gekühlt. Dadurch erstarrt die Aufschlämmung vollständig. Nachdem das
erstarrte Formstück aus der Form entfernt worden ist, wird es 2 Stunden lang in einem Unterdruckbehälter vakuumgetrocknet
oder in Kaolin eingegraben und 48 Stunden luftgetrocknet.
Dann wird das Formstück 1 Stunde lang bei 125O°C vakuumgesintert
und dadurch ein Sinterprodukt aus Titankarbid hergestellt.
Weiterhin wurden von Nakagawa et al. 1984 deren Forschungsergebnisse
über GefrierSpritzgußverfahren (freeze injection
molding) veröffentlicht ("Freeze Injection Molding Process", Nikkan Kogyo Shimbun-sha, 15.June 1984). Dieses Verfahren
entspricht dem oben beschriebenen Verfahren insoweit, als das Formpressen unter Verwendung der Fließfähigkeit von
Wasser durchgeführt und die Form durch Ausnützung der Gefrierfähigkeit entfernt wird, beschreibt aber die
Anwendung des Verfahrens beim Spritzgießen.
So wird z.B. Aluminiumoxidpulver mit einer Korngröße von 1μπι oder weniger mit ungefähr 40 Vol.-% Wasser gemischt,
um dem Pulver Plastizität bei Raumtemperatur zu geben, in eine auf -5 bis -10°C abgekühlte Form gespritzt,
durch das Gefrieren des Wassers auf die gewünschte Festigkeit gebracht und als Formstück durch öffnen der Form
entformt. In diesem Falle bewirkt das Gefrieren eine Erleichterung der Entformung.
Dann wird das Formstück entwässert. Da der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei 250C 25 mmHg beträgt und
dieser Druck im Vergleich zu dem herkömmlicher organischer Bindemittel sehr hoch ist, kann der größte Teil des
Wassergehalts durch Verdampfen entfernt werden und es besteht die Möglichkeit der Lufttrocknung. Weiterhin
bewirkt Vakuumtrocknung eine Erhöhung der Entwässerungsgeschwindigkeit, und die Entwässerungszeit kann durch zusätzliche
Wärmeeinwirkung weiter verringert werden.
Dadurch wird der oben unter 1) aufgeführte Nachteil, d.h. der zu große Entparaffinierungszeitraum bei herkömmlichen
Spritzgußverfahren, aufgehoben. Weiterhin hat dieses Verfahren, was die Wärmeenergie betrifft, Vorteile, da kein
Erhitzen auf hohe Temperaturen erfolgt. Wasser ist außerdem, im Vergleich zu organischen Bindemitteln, preiswert und
kann wiedergewonnen und bei Bedarf erneut verwendet werden.
Bei herkömmlichen Spritzgießverfahren, die organische Bindemittel verwenden,müssen Vorrichtungen zum Erwärmen der
Mischung und zum Plastifizieren in eine Spritzgießmaschine eingebaut und die Einspritztemperatur ganz genau geregelt
werden, da sich die Verformungseigenschaften eines Werkstoffs, der aus Pulver und Bindemittel besteht, bei geringen
TemperatürSchwankungen ändern. Im Gegensatz dazu sind die
Verformungseigenschaften eines plastischen Werkstoffs mit Wasser als Bindemittel bei Raumtemperatur stabil, so daß
Erweichen und Formpressen anstatt in einer einzigen Spritzgießmaschine in verschiedenen Vorrichtungen stattfinden
können. So wird z.B. eine Kombination aus Kneter und Gesenkschmiedemaschine verwendet, so daß das Kneten bei
Raumtemperatur durchgeführt und der Stempel der Gesenkschmiedemaschine mit dem plastischen Werkstoff beschickt
wird, der dadurch geformt wird.
Das Gefriergußverfahren besitzt, wie oben erwähnt, eine Reihe von Vorteilen, hat aber den Nachteil, daß aufgrund
der Verwendung von Wasser die Zahl der formpreßbaren Pulver begrenzt ist.
Die meisten Metallpulver neigen zur Oxidation, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen, und die entstandenen
Oxide hemmen das Sintern von Metallpulvern und bringen
Probleme bezüglich der Festigkeit und Zähigkeit der Formstücke mit sich. Darüber hinaus wird, im Falle der Keramikpulver,
aufgrund der Kolloidvermahlung der Teilchen, nicht nur die Menge des absorbierten Wassers erhöht, sondern
erfolgt auch insbesondere ein schneller Anstieg der 0H~~ -Ionen, die von aktiven Teilchen mit hoher Bindungsenergie adsorbiert werden.
Das führt dazu, daß je feiner die Kolloidvermahlung der Teilchen ist, desto größer die Menge adsorbierter 0H~ Ionen,
für deren Entfernung höhere Temperaturen benötigt werden.
Die Teilchen, die stark adsorbierte OH -Ionen besitzen, hemmen im allgemeinen das Sintern. Es ist bekannt, daß
die adsorbierten OH -Ionen bei Magnesiumpulver die Entstehung abnormaler Teilchen während des Sinterns verursachen.
Es ist weiterhin bekannt, daß Siliziumnitrid mit dem adsorbierten Wasser reagiert, Ammoniak freisetzt und
so zu einem Siliziumoxid wird. Wolframkarbid wiederum reagiert mit adsorbiertem Wasser bei Temperaturen im Bereich
von 1200° C unter Freisetzung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Daher können Formpreßverfahren unter Anwendung
von Gefriergießtechniken nicht bei Pulvern angewandt werden, die durch das adsorbierte Wasser modifiziert
werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Formpreßverfahren mit
Gefrierformtechniken (freeze molding techniques), wie Gefrierguß, GefrierSpritzguß, Gefrierschmieden (freeze
forging) u. dgl. auszuschalten und ein Formpreßverfahren für Pulver vorzuschlagen, das die Verunreinigung des Metall-
oder Keramikpulvers durch Bindemittel verhindert und das Entfernen des Bindemittels nach dem Formpressen
erleichtert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Formpressen von Pulvern wie Metall- oder Keramikpulvern,
bei dem ein Metall- oder Keramikpulver mit 30 bis 55 Vol.-% tertiärem Butanol vermischt und die Temperatur
der Mischung derart eingestellt wird, daß sie über dem Schmelzpunkt des tertiären Butanols liegt, die
Mischung in eine abgekühlte Form gefüllt wird, um sie zu formen und zu haltenr die Oberflächentemperatur des
erzeugten Formstücks derart eingestellt wird, daß sie unterhalb des Schmelzpunkts von tertiärem Butanol liegt,
das tertiäre Butanol im Formstück erstarrt und dann das Formstück aus der Form entfernt wird.
Im Hinblick auf die Überwindung der oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik wird bei der vorliegenden
Erfindung anstatt Wasser tertiäres Butanol (CH3).,-C-OH
(2-Methyl-2-Propanol) als Bindebittel bei Gefriergießverfahren verwendet.
Tertiäres Butanol weist als Bindemittel für Gefriergießverfahren Eigenschaften auf, die denen von Wasser überlegen
sind. So beträgt die Dichte von tertiärem Butanol 0,78 g/cm bei 25° C. Das sind nur 78 % der Dichte von
Wasser. Das Molekulargewicht von tertiärem Butanol beträgt 74,12, was 4,1 mal größer ist als das von Wasser.
So beträgt die Molzahl pro Volumeneinheit bei tertiärem
—2 3
Butanol 1,05 χ 10 gmol/cm . Das ist ungefähr ein Fünf-
Butanol 1,05 χ 10 gmol/cm . Das ist ungefähr ein Fünf-
_2 3
tel von 5,56 χ 10 gmol/cm , der Molzahl von Wasser. Das bedeutet, daß, wenn die Hohlräume zwischen den Pulverteilchen gefüllt sind, die Gasmenge, die während der Ausscheidung des Bindemittels erzeugt wird, nur ein Fünftel der Menge ist, die bei Wasser anfällt, was wiederum für die Verringerung der Ausscheidungszeit des Bindemittels sehr vorteilhaft ist.
tel von 5,56 χ 10 gmol/cm , der Molzahl von Wasser. Das bedeutet, daß, wenn die Hohlräume zwischen den Pulverteilchen gefüllt sind, die Gasmenge, die während der Ausscheidung des Bindemittels erzeugt wird, nur ein Fünftel der Menge ist, die bei Wasser anfällt, was wiederum für die Verringerung der Ausscheidungszeit des Bindemittels sehr vorteilhaft ist.
Da der Schmelzpunkt von tertiärem Butanol bei 25,66° C
und damit nahe der Raumtemperatur liegt, kann das Erstarren durch die Zirkulation von kaltem Wasser bewirkt werden,
und es ist nicht nötig, wie bei Wasser, spezielle Gefriereinrichtungen zu verwenden. Die Wärmeenergie beim
Gefrieren von Wasser beträgt 79,4 cal/cm , wogegen die
von tertiärem Butanol nur 17,1 cal/cm beträgt. Das Verhältnis der Wärmeenergien ist 1 : 4,6, wodurch die Verwendung
von tertiärem Butanol als Bindemittel vom Standpunkt des Energieverbrauchs sehr vorteilhaft wird.
Weiterhin ist der Dampfdruck von tertiärem Butanol bei 25° C 43 mmHg, was höher ist als 25 mmHg, dem Dampfdruck
von Wasser. Tertiäres Butanol ist also dem Wasser, was die Leichtigkeit der Ausscheidung des Bindemittels betrifft,
überlegen. Die Verdampfungsenergie von tertiärem Butanol bei 25° C beträgt 118 cal/cm . Das bedeutet, daß
der Energieaufwand zum Entfernen von tertiärem Butanol im Vergleich zu Wasser gering ist.
Nach dem Entfernen des Bindemittels ungefähr bei Raumtemperatur ist ein Teil des Butanols an der Oberfläche des
Pulvers adsorbiert. Während dies bei Wasser OH~-Ionen
sind, werden beim tertiären Butanol Alkylgruppen adsorbiert. Im Unterschied zu OH~-Ionen ist die Desorption von
Alkylgruppen vergleichsweise einfach, und sie haben auch keine nachteilige Wirkung auf das Sintern des Formstücks.
Tertiäres Butanol ist darüber hinaus ein stabiler Stoff, der aus nur einer Komponente besteht, und es herrscht
somit keine Zersetzungs- oder Degenerationsgefahr aufgrund von Verdampfung; Kondensation und Erstarrung, wodurch
es möglich ist, tertiäres Butanol wiederzugewinnen und erneut zu verwenden. Damit hat tertiäres Butanol, genauso
wie Wasser, große Vorteile gegenüber herkömmlichen organischen Bindemitteln.
Die beigefügte Menge des tertiären Butanols hängt weitgehend von der Korngrößenverteilung des verwendeten Pulvers
ab. Das Bindemittel muß die Hohlräume zwischen den Pulverteilchen vollständig ausfüllen. Empirisch läßt
sich erkennen, daß es außerdem nötig ist, diese Menge um mehrere Volumenprozent zu erhöhen.
Liegt die Bindemittelmenge unter 30 Vol.-% lassen sich keine geeigneten Fließeigenschaften für das Formpressen
erzielen, überschreitet die Menge 55 Vol.-%, ist nicht
nur der Zeitaufwand zum Entfernen des Bindemittels beträchtlich, sondern es besteht auch die Gefahr, daß Fehlstellen
auftreten. Daher müssen Bindemittelmengen von 30 bis 55 Vol.-% beigefügt werden.
Die Temperatur, auf welche die Mischung im Heizzylinder
gebracht werden muß, liegt zwischen 26 und 40° C. Der Grund dafür ist, daß die Temperatur höher sein muß als
der Schmelzpunkt des tertiären Butanols von 25,6° C, um tertiäres Butanol in geschmolzenem Zustand zu erhalten.
Das Erhitzen auf eine Temperatur über 40° C ist nicht vorteilhaft, da der Dampfdruck des tertiären Butanols
erhöht wird, und dadurch die Wärmeverluste zunehmen.
Zum Abkühlen des Formstücks in der Form wird das Formstück auf einer Temperatur von 25° C oder weniger gehalten,
da es notwendig ist, daß zum Erstarren wenigstens die Oberfläche des Formstücks eine Temperatur unterhalb
des Schmelzpunkts von tertiärem Butanol aufweist. Es ist jedoch nicht wünschenswert, das Formstück auf eine sehr
niedrige Temperatur abzukühlen, da dies die Ausscheidungsgeschwindigkeit des Bindemittels im nächsten Schritt
herabsetzt. Eine einfache Wasserkühlung ist dazu nicht ausreichend , und es wäre eine spezielle Energiequelle
notwendig. Daher muß die Form derart abgekühlt werden, daß die Oberflächentemperatur des Formstücks zwischen
5 und 25° C liegt.
Obwohl die Entformung des durch tertiäres Butanol erstarrten
Formstücks leicht ist, kann eine verbesserte Entformung dadurch erreicht werden, daß zuvor z.B.
Stearinsäure als Entformungsmittel beigemischt wird, wie das bei herkömmlichen Formpreßverfahren für Pulver
der Fall ist.
Aus der obigen Beschreibung läßt sich ersehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren der Verwendung von tertiärem
Butanol als Bindemittel für das Gefrierformpressen von Metall- und Keramikpulvern ein wirtschaftliches Formpreßverfahren
ist, da das Bindemittel in kurzer Zeit entfernt werden kann, das Formpressen energiesparend bei Raumtemperatur
durchgeführt werden kann, das pulverförmige Ausgangsmaterial nicht verunreinigt wird, wie das bei Wasser
der Fall ist, und das tertiäre Butanol wiedergewonnen und erneut verwendet werden kann.
Der Anwendungsbereich der Erfindung umfaßt Keramikpulver wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Zirkondioxid
und Titan-(II)-borid, sowie Metallpulver z.B. aus Ni-Fe-Legierung, rostfreiem Stahl, Stellit und Hartmetall.
Die folgenden Beispiele beschreiben das erfindungsgemäße Formpreßverfahren für Pulver ausführlich.
Als Ausgangsmaterial wurde eine Pulvermischung hergestellt, die aus 92 Gew.-% Siliziumnitrid mit einem durchschnittlichen
Korndurchmesser von 0,75 μΐη sowie 6 Gew.-% Y3O3 und 2 Gew.-% Al3O3 als Sinterhilfsstoffe bestand.
Dann wurde eine Mischung aus 60 Vol.-% dieses Ausgangsmaterials und 40 Vol.-% pulverförmigem tertiärem Butanol
hergestellt.
Diese Mischung wurde in einen pneumatischen Kneter gefüllt, in dem eine Stickstoffatmosphäre erzeugt wurde,
wonach der Knetvorgang eingeleitet wurde. Die innere Wand des Kneters wurde mittels einer elektrischen Heizung
auf einer Temperatur von 30° C gehalten, so daß das tertiäre Butanol schmolz, und der Knetvorgang wurde
fortgesetzt. Zwölf Stunden nach Beginn des Knetens wurde die Heizung abgeschaltet und das Kneten dreißig Minuten
lang fortgesetzt, während die Mischung durch Zirkulieren von Kühlwasser mit einer Temperatur von 20° C durch den
Knetbehälter und die Verkleidung der Schaufeln abgekühlt wurde. In dieser Zeit erstarrte das tertiäre Butanol, so
daß es zum Bindemittel für das Pulver wurde. Aus der Mischung wurden kleine Pellets geformt. Die Pellets wurden
entnommen und in einen Aufgabetrichter einer Schneckenkolben-Spritzgießmaschine gefüllt.
Die Temperatur des Heizzylinderausgangs der Spritzgießmaschine wurde auf 30° C gehalten, und Kühlwasser mit
einer Temperatur von 20° C zirkulierte um die Form.
Dann wurde eine Folge von Verformungsvorgangen durchgeführt, d.h. das Schließen des Stempels, Vorschub des Zylinders,
Einspritzen, Anlegen von Dauerdruck, öffnen des Stempels, Entnahme des Formstücks, Zurückfahren des Zylinders
sowie Zurückfahren und Drehen der Schnecke.
Das Bindemittel nahe der Oberfläche der Form erstarrte und verhärtete sich, das Entformen war einfach durchzuführen.
Das Formstück wurde in einen Vakuumtrockner gebracht, der, nachdem die Temperatur auf 25° C eingestellt
worden war, auf einen maximalen Unterdruck von 10 Torr evakuiert wurde. Nach drei Stunden wurde die Vakuumtrocknung
beendet und das Formstück entnommen. Dann wurde das Formstück für drei Stunden in einen Unterdrucksinterofen
_2
eingebracht, der auf 10 Torr und 1200° C eingestellt
war, wodurch die adsorbierten Stoffe ausgeschieden wurden. Daraufhin wurde die Temperatur des Sinterofens drei
Stunden lang in einer Stickstoffatmosphäre von 9,8 atü
auf 1800° C gehalten. Danach wurde der Druck auf Normalwert erhöht und das Formstück durch Stehenlassen abgekühlt.
Mit diesem Verfahren wurden Formstücke mit Hilfe von zwei rechteckigen Hohlräumen von 43,8 mm χ 14,8 mm
χ 19,1 mm bzw. 43,8 mm χ 7,4 mm χ 19,1 mm erzeugt.
Es waren keine Fehlstellen aufgrund der Ausscheidung des Bindemittels zu erkennen, weder im dünneren Formstück
mit 7,4 mm noch im dickeren mit 14,8 mm. In beiden Fällen wiesen die erzeugten Formstücke eine theoretische
Dichte von 98 % und eine einheitliche Schrumpfung auf.
Mit diesem Beispiel wird das Gefrierschmiedeverfahren mit tertiärem Butanol als Bindemittel beschrieben.
Als Ausgangsmaterial wurde eine Pulvermischung hergestellt, die aus 92 Gew.-% Siliziumnitridpulver mit einem
durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,75 μΐη sowie als
Sinterhilfsstoffe 6 Gew.-% Y0O, und 2 Gew.-% Al0O., bestand.
Dann wurde eine Mischung aus 60 Vol.-% Ausgangsmaterial und 40 Vol.-% pulverförmigem tertiärem Butanol
hergestellt. Diese Mischung wurde in einen pneumatischen Kneter gefüllt, in dem eine Stickstoffatmospähre erzeugt
wurde, wonach der Knetvorgang eingeleitet wurde. Die innere Wand des Kneters wurde mittels einer elektrischen
Heizung auf einer Temperatur von 30° C gehalten, so daß das tertiäre Butanol schmolz und der Knetvorgang unterstützt
wurde.
Gleichzeitig wurde während des Knetens auf das Material in Abständen vom Druckdeckel des Kneters Druck ausgeübt,
und das Material wurde entlüftet und verdichtet. Nach zwölf Stunden wurde dann das erweichte, geknetete Material
entnommen, in rechteckige Form gebracht und in einen Stempel überführt, der durch um die Form zirkulierendes
Kühlwasser mit einer Temperatur von 20° C gekühlt wurde. Dann wurde es sofort unter Druck drei Minuten lang
formgepreßt. Das tertiäre Butanol an der Oberfläche des Formstücks erstarrte und die Form konnte einfach entfernt
werden. Das Formstück wurde in einen Vakuumtrockner verbracht, der, nachdem die Temperatur auf 25° C
eingestellt worden war, auf einen maximalen Unterdruck von 10 Torr evakuiert wurde, und das tertiäre Butanol
wurde durch Verdampfung ausgeschieden. Nach drei Stunden wurde die Vakuumtrocknung beendet und das Formstück entnommen
.
Dann wurde das Formstück für drei Stunden in einen Unterdrucksinterofen
überführt, der auf 10~ Torr und 1000° C eingestellt wurde, um adsorbierte Teilchen zu entfernen.
Daraufhin wurde die Temperatur des Sinterofens auf 1800° C erhöht und drei Stunden lang eine Stickstoffatmosphäre
von 9,8 atü erzeugt. Danach wurde der Druck auf Normalwert erhöht und das Formstück durch Stehenlassen abgekühlt.
Nach dem Abkühlen wurde das Formstück herausgenommen und mittels Diamantschleifen entgratet.
Mit diesem Verfahren wurden Formstücke mit Hilfe von zwei verschiedenen rechteckigen Hohlräumen von 43,8 mm χ
14,8 mm χ 19,1 mm bzw. 43,8 mm χ 7,4 mm χ 19,1 mm erzeugt. Es waren weder im dünneren Formstück mit 7,4 mm
noch im dickeren mit 14,8 mm Fehlstellen aufgrund der
Ausscheidung des Bindemittels zu erkennen. In beiden Fällen wiesen die erzeugten Formstücke eine theoretische
Dichte von 98 % und einheitliche Schrumpfung auf.
In diesem Beispiel wird das Gefrierschmieden von Metallpulvern mit tertiärem Butanol als Bindemittel beschrieben.
Es wurde eine Mischung aus 60 Vol.-% SUS 316 Pulver mit
einem Korndurchmesser zwischen 5 und 20 μΐη und 40 Vol.-%
tertiärem Butanol hergestellt. Diese Mischung wurde in einen pneumatischen Kneter gefüllt, in dem eine Stickstoff
atmosphäre erzeugt wurde, wonach der Knetvorgang eingeleitet wurde. Die innere Wand des Kneters wurde mittels
einer elektrischen Heizung auf einer Temperatur von 30° C gehalten, so daß das tertiäre Butanol schmolz und
der Knetvorgang unterstützt wurde. Gleichzeitig wurde während des Knetens auf das Material in Abständen vom
Druckdeckel des Kneters Druck ausgeübt, und das Material wurde entlüftet und verdichtet. Nach 12 Stunden wurde
dann das erweichte geknetete Material entnommen, in rechteckige Form gebracht und in einen Stempel überführt, der
durch um die Form zirkulierendes Kühlwasser mit einer Temperatur von 20° C gekühlt wurde. Dann wurde es sofort
unter Druck drei Minuten lang formgepreßt. Das tertiäre Butanol an der Oberfläche des Formstücks erstarrte und
die Form konnte einfach entfernt werden. Das Formstück wurde in einen Vakuumtrockner verbracht, der, nachdem
die Temperatur auf 25° C eingestellt worden war, auf
_2 einen maximalen Unterdruck von 10 Torr evakuiert wurde, und das tertiäre "Butanol wurde durch Verdampfung ausgeschieden.
Nach drei Stunden wurde die Vakuumtrockung beendet und das Formstück entnommen.
Dann wurde das Formstück für sechs Stunden in einen Unterdrucksinterofen
überführt, der auf 10 Torr und 800° C eingestellt wurde, um adsorbierte Teilchen zu entfernen.
Daraufhin wurde die Temperatur des Sinterofens auf 1100° C erhöht.· Danach wurde der Druck auf Normalwert
erhöht und das Formstück durch Stehenlassen abgekühlt. Nach dem Abkühlen wurde das Formstück herausgenommen und
mittels Diamantschleifen entgratet.
Mit diesem Verfahren wurden Formstücke mit Hilfe von zwei verschiedenen rechteckigen Hohlräumen von 43,8 mm
χ 14,8 mm χ 19,1 mm bzw. 43,8 mm χ 7,4 mm und 19,1 mm
erzeugt. Es waren weder im dünneren Formstück mit 7,4 mm noch im dickeren mit 14,8 mm Fehlstellen aufgrund der Ausscheidung
des Bindemittels zu erkennen. In beiden Fällen wiesen die erzeugten Formstücke eine theoretische Dichte
von 99 % und einheitliche Schrumpfung auf.
In diesem Beispiel wird das Gefrierschmieden einer Mischung aus Metall- und Keramikpulvern mit tertiärem Butanol
beschrieben.
90 Gew.-% Wolframkarbid mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser
von 1,5 μπι und 10 Gew.-% Kobaltpulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 1,3 μπι wurden
vermischt und in Aceton 48 Stunden lang in einer Naßkugelmühle (einem Gefäß aus rostfreiem Stahl, das die Kugeln
aus Wolframkarbid-Kobalt-Legierung enthielt) gemahlen und anschließend getrocknet. Dann wurde eine Mischung
aus 60 Vol.-% dieses Ausgangsmaterials und 40 Vol.-% pulverförmigem tertiärem Butanol hergestellt. Diese Mischung
wurde in einen pneumatischen Kneter gefüllt, in dem eine Stickstoffatmosphäre erzeugt wurde, wonach der
Knetvorgang eingeleitet wurde. Die innere Wand des Kneters wurde mittels einer elektrischen Heizung auf einer
Temperatur von 30° C gehalten, so daß das tertiäre Butanol schmolz und der Knetvorgang unterstützt wurde. Gleichzeitig
wurde während des Knetens auf das Material in Abständen vom Druckdeckel des Kneters Druck ausgeübt, und
das Material wurde entlüftet und verdichtet. Nach zwölf Stunden wurde dann das erweichte, geknetete Material entnommen,
in rechteckige Form gebracht und in einen Stempel überführt, der durch um die Form zirkulierendes Kühlwas- .
ser mit einer Temperatur von 20° C gekühlt wurde. Dann wurde es sofort unter Druck drei Minuten lang formgepreßt.
Das tertiäre Butanol an der Oberfläche des Formstücks erstarrte und die Form konnte einfach entfernt werden. Das
Formstück wurde in einen Vakuumtrockner verbracht, der nachdem die Temperatur auf 25° C eingestellt worden war,
auf einen maximalen Unterdruck von 10 Torr evakuiert wurde, und das tertiäre Butanol wurde durch Verdampfung
ausgeschieden. Nach drei Stunden wurde die Vakuumtrocknung beendet und das Formstück entnommen.
Dann wurde das Formstück für drei Stunden in einen Unter-
_2 drucksinterofen überführt, der auf 5 χ 10 Torr und 1200° C eingestellt wurde, um adsorbierte Teilchen zu entfernen.
Daraufhin wurde die Temperatur des Sinterofens auf 1415° C erhöht. Dann wurde der Druck mittels Stickstoff
auf Normalwert erhöht und das Formstück durch Stehenlassen abgekühlt. Nach dem Abkühlen wurde das Formstück
herausgenommen und mittels Diamantschleifen entgratet.
Mit diesem Verfahren wurden Formstücke mit Hilfe von zwei verschiedenen rechteckigen Hohlräumen von 43,8 mm χ 14,8 mm
χ 19,1 mm bzw. 43,8 mm χ 7,4 mm χ 19,1 mm erzeugt. Es waren
weder im dünneren Formstück mit 7,4 mm noch im dickeren mit 14,8 mm Fehlstellen aufgrund der Ausscheidung des
Bindemittels zu erkennen. In beiden Fällen wiesen die
erzeugten Formstücke eine theoretische Dichte von 99,5 %
und einheitliche Schrumpfung auf.
710/410
Claims (6)
1. Verfahren zum Formpressen von Pulvern, gekennzeichnet
durch folgende Schritte:
Herstellung einer Mischung aus 30 bis 55 Vol.-% tertiärem
Butanol und 45 bis 70 Vol.-% Metall- und/oder Keramikpulver,
Einstellen der Mischung auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von tertiärem Butanol,
Einfüllen der Mischung in eine gekühlte Form, um die Mischung darin zu formen und zu halten,
Erniedrigung der Oberflächentemperatur des erzeugten Formstücks unterhalb des Schmelzpunkts von tertiärem
Butanol und Einfrieren des tertiären Butanols im Formstück, sowie
Entfernen des Formstücks aus der Form.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischung erhitzt und auf eine Temperatur zwischen 26 und 400C eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur des Formstücks auf 5 bis 250C
eingestellt wird.
Postgiroamt: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AQ Villingen iBLZ 69470039) 146332
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver aus einem Material besteht, das aus der
Gruppe bestehend aus Nickel-Eisen-Legierung, rostfreiem Stahl, Stellit und Hartmetall ausgewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikpulver aus einem Material besteht, das aus
der Gruppe bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Zirkondioxid und Titan-(II)-Borid ausgewählt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Keramikpulver Sinterhilfsstoffe beigemengt werden.
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|---|---|---|---|
| JP59179359A JPS6160802A (ja) | 1984-08-30 | 1984-08-30 | 粉体の射出成形方法 |
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|---|---|
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- 1985-07-01 GB GB08516576A patent/GB2163780B/en not_active Expired
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| DE3525752C2 (de) | 1987-12-03 |
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| GB2163780B (en) | 1987-05-28 |
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