DE3611271C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Verfahrensschritt der Austreibung des Bindemit­ tels aus Metallformteilen, im Rahmen des Herstellungsverfahrens durch Pulvermetallspritzgießen mit den Verfahrensschritten: Herstellen des Metallpulvers; Vermischen des Metallpulvers mit einem aus mehreren Komponen­ ten bestehenden Bindemittel; Spritzgießen des vermischten Metallpulvers in eine vorgegebene Form; Austreiben des Bindemittels, wobei die Komponenten des Bindemittels im wesentlichen nacheinander entfernt werden, und Sintern des Metallformteils.

Dieses Pulvermetallspritzgießverfahren ist eine Kombination verschiedener Technologien:

Die herkömmliche Pulvermetallurgie arbeitet mit einem dreistufigen Verfah­ ren: Der Pulvererzeugung, dem Pressen der Formteile unter hohen Drücken und dem Sintern der Preßlinge.

Aus der Kunststoffverarbeitung ist bekannt, daß sich mittels des Spritzgieß­ verfahrens komplizierte Formteile in großen Mengen wirtschaftlich herstellen lassen.

Aus der Keramiktechnologie ist ein Verfahren bekannt, bei dem Keramikpulver mit Bindemittel, meist Kunststoff, vermischt und durch Spritzgießen in die gewünschte Form gebracht wird. Danach wird aus diesen Grünlingen das Bindemittel ausgetrieben. Auf diese Weise werden die Vorteile der Spritz­ gießtechnologie für die Herstellung von Keramikteilen nutzbar gemacht.

Dem Pulvermetallspritzgießverfahren liegt der Gedanke zugrunde, in ähnlicher Weise Metallformteile herzustellen.

Ein solches Pulvermetallspritzgießverfahren ist aus dem Aufsatz "Super­ productivity thru metal injection molding" von R. E. Wiech und I. J. Weisenberg bekannt (veröffentlicht 1981 von Society of Automotive Engineers, Inc.). Bei diesem Verfahren wird das Metallpulver mit Bindemittel, das verschiedene Komponenten enthält, vermischt, wodurch eine spritzgießfähige Masse entsteht. Nachdem das Formteil durch Spritzgießen hergestellt ist, wird wie bei dem Grünling in der Keramiktechnologie das Bindemittel durch Zersetzung ausgetrieben, wobei bei Temperaturerhöhung ein Teil entfernbar ist und ein anderer Teil zur Erhaltung der Form des Formteils zurückbleibt. Nach der Austreibung des Bindemittels wird das Formteil durch Sintern verfestigt.

Solche Pulvermetallspritzgießverfahren sind auch aus der DE-PS 20 05 571 und der DE-OS 31 20 501 bekannt.

Die durch die bekannten Pulvermetallspritzgießverfahren hergestellten Metallformteile weisen oft ungenügende mechanische Festigkeit sowie Rißbildungen auf. Ursache sind die bei der Austreibung des Binders entstehen­ den Zersetzungsprodukte, meistens Kohlenwasserstoffe, die, wenn sie nicht entfernt werden, als Kohlenstoff oder, durch Reaktion mit dem Metall, als Karbide in das Gefüge eingebaut werden und dieses stören, wobei die oben­ genannten ungenügenden mechanischen Festigkeiten und Rißbildungen auftreten. So wird beispielsweise in der DE-OS 30 21 501, Seite 7, Zeilen 2 bis 8 beschrieben, daß die meisten Bindemittel beim Ausbrennen freien Kohlenstoff hinterlassen, der die Eigenschaften des Formteils verschlechtert. Als Maßnahme gegen diese unerwünschte Folge beim Austreiben des Bindemittels wird die Verwendung von kohlenstoffarmem Bindemittel vorgeschlagen. Dieser Vorschlag ist jedoch kaum realisierbar, da der Kohlenstoff das wichtigste und häufigste Element der Kunststoffe und Paraffinwachse ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konzentration der Zersetzungs­ produkte des Bindemittels gering zu halten und dadurch die Reaktionen dieser Zersetzungsprodukte mit den Metallpartikeln auf ein Minimum zu reduzieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zersetzungsprodukte durch Spülung mit Inertgas abgeführt werden, wobei die Temperatur stufen­ weise in Abhängigkeit von der Kohlenwasserstoffkonzentration oder in Abhängigkeit von Anteil an brennbarem Gas erhöht wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die entstehenden Kohlenwas­ serstoffe nie eine bestimmte Konzentration übersteigen und somit auch kontinuierlich in demselben Maß, wie sie entstehen, durch den Inertgasstrom abgeführt werden, so daß es weder zur Ablagerung von freiem Kohlenstoff, noch zur Bildung von Karbiden kommt. Dadurch können Formteile mit hoher Festigkeit, Formtreue und Oberflächengüte hergestellt werden.

Es können auf diese Weise hochsinterfähige, feinste Metallpulver, welche chemisch äußerst reaktionsfähig sind, verarbeitet werden, ohne daß es zu Reaktionen der Metallpartikel mit Zersetzungsprodukten des Bindemittels kommt.

Durch diese Begrenzung von Reaktionen auf ein Minimum wird die Beeinträch­ tigung des Sinterverfahrens vermieden, und es ist die Herstellung von Metallformteilen möglich, die in ihrer Festigkeit, Formtreue und Ober­ flächengüte den durch spanabhebende Bearbeitung hergestellten teuren Formteilen nicht nachstehen und dabei wesentlich wirtschaftlicher produziert werden können.

Des weiteren eröffnet sich durch diese vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ein weiterer Anwendungsbereich:

Es lassen sich Metallformteile mit komplizierten Formen wirtschaftlich herstellen, auch wenn sie aus Metallen mit hohem Schmelzpunkt oder aus Legierungen bestehen, welche nur schlecht spanabhebend bearbeitbar sind (z. B. Hartmetall).

Weiterbildungen der Erfindung, die den Unteransprüchen zu entnehmen sind, ergeben weitere Vorteile und beziehen sich auf günstige Ausgestaltungen des Verfahrensschritts der Austreibung des Bindemittels.

Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, sowie ihre günstigen Ausgestaltun­ gen, werden im Rahmen des gesamten Verfahrens anhand der Zeichnung er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema des Ablaufs des Pulvermetallspritzgießver­ fahrens,

Fig. 2 die Vorgänge beim Austreiben des Bindemittels und

Fig. 3 ein Diagramm der Temperaturregelung beim Austreiben des Bindemittels.

Fig. 1 gibt anhand eines Schemas einen Überblick über den gesamten Verfah­ rensablauf.

Das Verfahren beginnt mit der Herstellung des Metallpulvers. Es ist bekannt, daß kleinkörnigeres Material sinterfähiger ist als grobkörniges. Am besten eignet sich mikrofeines Metallpulver in der Größe von 0,1 bis 20 µm. Dieses mikrofeine Metallpulver oxidiert, wenn es mit Sauerstoff in Berührung kommt. Es muß daher bereits die Herstellung des Metallpulvers so erfolgen, daß es nicht mit Luftsauerstoff in Berührung kommt, z. B. unter Inertgasatmosphäre. Danach wird das Metallpulver unmittelbar mit dem Binder vermischt, wobei diese Vermischung so stattfinden muß, daß das mikrofeine Metallpulver, ohne mit dem Luftsauerstoff in Berührung zu kommen, in einem Mischer oder Kneter mit dem aufschmelzenden Kunststoffgemisch des Bindemittels überzogen und dadurch desaktiviert und damit vor weiterem Sauerstoffangriff geschützt wird. Dabei muß das Bindemittel so ausgebildet sein, daß ein Teil des Bindemittels aus Polymeren großer Kettenlänge und einem Molekulargewicht von 10⁵ bis 10⁶ besteht, das die Metallpartikel umhüllt und ein anderer Teil des Bindemittels aus Polymeren kleinerer Kettenlänge mit einem Molekulargewicht von 5 · 10³ bis 5 · 10⁴, das primär dazu dient, beim Spritzgießen die Hohlräume zwischen den Pulverteilchen zu füllen. Durch die Umhüllung des Metallpulvers mit Kunststoff wird erreicht, daß das Material vor dem Sauerstoff geschützt ist und so an der Luft gelagert werden kann. Die Granulierung dient dazu, dem Material eine Form zu geben, die sich unproblematisch in die Spritzgieß­ maschine einfüllen läßt. Für das Spritzgießen muß eine spezielle Form hergestellt werden, die eine Volumenkontraktion von bis zu 40% berücksich­ tigt.

Das Granulat kann durch Spritzgießmaschinen, wie sie für Kunststoff mit hohem Füllstoffgehalt gebräuchlich sind, verarbeitet werden. Dieses spritzgegossene Teil - vergleichbar mit dem Grünling der Keramiktechnologie - wird in einem Reaktor oder Ofen erhitzt, um das Bindemittel durch Zersetzen auszutreiben. Das Austreiben verläuft wie bei dem aus der Keramiktechnologie bekannten Verfahren zur Entfernung des Bindemittels aus dem Grünling. Beim Pulvermetallspritzgießverfahren muß jedoch darauf geachtet werden, daß sich das Formteil bei der Zersetzung des Bindemittelan­ teils, der die Metallpartikel umhüllt, in einer sauerstofffreien Atmosphäre befindet, um die Bildung von Oxid soweit wie möglich zu unterbinden.

Die Entfernung des Bindemittels wird dadurch bewirkt, daß sich das Formteil in Inertgasatmosphäre befindet und eine stufenweise Temperaturerhöhung erfolgt, wodurch das Bindemittel zersetzt wird. Dabei ist das Inertgas beständig auszutauschen, um die Zersetzungsprodukte des Bindemittels zu entfernen. Die stufenweise Temperaturerhöhung wird in Abhängigkeit von der Kohlenwasserstoffkonzentration vorgenommen. Diesen Vorgang verdeutlichen Fig. 2 und Fig. 3.

Fig. 2 zeigt in der oberen Hälfte das im Reaktor befindlichen Formteil, wobei durch die Darstellung von Formteilen mit den Bezugszeichen 10 bis 13 symbolisiert wird, daß es verschiedenen Temperaturstufen ausgesetzt ist. Im unteren Teil der Zeichnung zeigt das Bild mit dem Bezugszeichen 20 das Gefüge des in den Reaktor eingebrachten Formteils, also des Grünlings. Es besteht aus Metallpartikeln 1, aus Bindemittelkomponenten mit kurzen Kettenlängen 3 und 4 und aus solchen Bindemittelkomponenten mit langen Kettenlängen 2. Durch Zersetzen und Entfernen der Bindemittelkomponenten mit den kurzen Kettenlängen 2 und 3 wird die in Bild 21 dargestellte Zusammensetzung erreicht, die Metallpartikel 1 enthält, welche durch die Bindemittelkomponenten mit langen Kettenlängen 2 in ihrer Form gehalten werden. Durch das Austreiben aller Bindemittelkomponenten - es können wesentlich mehr sein als die dargestellten - kommt man zu der Zusammen­ setzung des Bildes 22, wobei die Metallpartikel bereits punktuell leicht angesintert sind und dadurch ihre Form halten.

Fig. 3 stellt den Temperaturverlauf während des Vorganges dar, wobei die Temperaturkurve und die Kohlenwasserstoffkonzentration C gegen die Zeit t aufgetragen sind:

Die Temperatur wird zunächst erhöht, bis sich durch die Zersetzung des Bindemittelanteils mit der kürzesten Kettenlänge (bzw. dem geringsten Molekulargewicht) eine bestimmte Kohlenwasserstoffkonzentration einstellt, die durch einen Sensor gemessen wird (Zeitpunkt t 1). Dann wird die Tempe­ ratur konstant gehalten. Jetzt tritt durch die Zersetzung genau soviel Kohlenwasserstoff aus, wie durch Spülung der Inertgasatmosphäre abgeführt wird. Dieser Vorgang hält so lange an, bis die Kohlenwasserstoffkonzentra­ tion rückläufig ist, weil der bei dieser Temperatur sich zersetzende Bindemittelanteil, z. B. das Paraffinwachs, nahezu vollständig zersetzt ist (Zeitpunkt t 2). Ein Sensor stellt diesen Rückgang der Kohlenwasserstoffkon­ zentration fest und gibt ein Signal, welches eine erneute Energieeinbringung in den Reaktor bewirkt. Die Temperaturerhöhung findet so lange statt, bis sich wieder eine vorbestimmte Kohlenwasserstoffkonzentration - durch Zersetzung der nächsten Bindemittelkomponente, z. B. das Polyäthylen - einstellt, d. h. ein Gleichgewicht von aus dem Teil ausgasenden und von abgeführtem Kohlenwasserstoff (Zeitpunkt t 3). Diese Temperaturstufe wird so lange gehalten, bis die Binderkomponente, die sich bei dieser Temperatur­ stufe zersetzt, nahezu vollständig ausgetreten ist (Zeitpunkt t 4). Wenn der Sensor das Absinken der Kohlenwasserstoffkonzentration registriert, wird wiederum die Energieeinbringung in den Reaktor bewirkt, wodurch in der eben beschriebenen Weise die nächste Temperaturstufe angesteuert wird (von t 5 bis t 6).

Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis die Bindemittelkomponenten alle ausgetrieben sind. Vorzugsweise findet dieser Vorgang in einem Temperaturbereich zwischen 80 und 500°C statt.

Diese Steuerung der Temperaturkurve dient vor allem dazu, die Konzentration von Zersetzungsprodukten gering zu halten und dadurch die Reaktion der Zersetzungsprodukte mit Metallpartikeln auf ein Minimum zu reduzieren. Diese Maßnahme dient, ebenso wie das Fernhalten von Sauerstoff, der Erhaltung der Sinterfähigkeit der Metallpartikel. Die Steuerung der Temperaturkurve hat außerdem den Vorteil, daß das Ziel - die Entfernung des Binders - mit möglichst geringem Energie- und Zeitaufwand erreicht wird. Anstelle der Steuerung des Prozesses in Abhängigkeit von der Kohlenwasserstoffkonzen­ tration kann der Prozeß auch in Abhängigkeit vom Anteil des brennbaren Gases gesteuert werden.

An diese Verfahrensstufe der Zersetzung und Austreibung des Bindemittels schließt sich die Sinterung an, wobei vorteilhafterweise eine Spülung mittels reduzierender Gase zwischengeschaltet wird, um Reaktionen der Metallpartikel mit den Zersetzungsprodukten der Binderkomponenten - in Form von Abgabe von Sauerstoffatomen an die Metallpartikel - durch Reduktion der Oxide rückgängig zu machen und so eine optimale Sinterung zu gewährleisten.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Metallformteilen, wobei ein mit Metall­ pulver vermischtes Bindemittel bestehend aus mehreren Komponenten durch Spritzgießen in eine vorgegebene Form gebracht und das Binde­ mittel anschließend ausgetrieben wird, indem die Komponenten im wesentlichen nacheinander durch Temperaturerhöhung unter Zersetzung ausgetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzungsprodukte durch Spülung mit Inertgas abgeführt werden, wobei die Temperatur stufenweise in Abhängigkeit von der Kohlenwasserstoffkonzentration oder in Abhängigkeit vom Anteil an brennbarem Gas erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zunächst erhöht wird, bis die Kohlenwasserstoffkon­ zentration oder der Anteil an brennbarem Gas nicht mehr ansteigt, danach die Temperatur gehalten wird, bis die Kohlenwasserstoff­ konzentration beziehungsweise der Anteil an brennbarem Gas wieder absinkt, und daß diese Verfahrensschritte so oft wiederholt werden, bis sämtliche Komponenten des Bindemittels ausgetrieben sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel in einem Temperaturbereich zwischen 80 und 500°C ausgetrieben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Austreibung entstehende brennbare Gasanteil durch einen Sensor erfaßt und zur Steuerung des Temperaturprofils heran­ gezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein Polymergemisch aus Polymeren unterschied­ licher Kettenlängen verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Polymere ein Molekulargewicht von 10⁵ bis 10⁶ und ein anderer Teil der Polymere ein Molekulargewicht von 5 · 10³ bis 5 · 10⁴ aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Polymere Paraffinwachse, Polyäthylen, Polypropylen, Polysul­ fon, Polystyrol und/oder Polyamid verwendet werden.