DE3644871C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Sinterung von Metallformteilen, die mittels folgender Verfahrensschritte hergestellt werden:

Herstellen des Metallpulvers; Vermischen des Metallpulvers mit einem aus mehreren Komponenten bestehenden Bindemittel; Spritzgießen des vermischten Metallpulvers in eine vorgegebene Form; Austreiben des Bindemittels, wobei die Komponenten des Bindemittels im wesentlichen nacheinander ent­ fernt werden, und Sintern des Metallformteils.

Solches Metallpulver-Spritzgießen ist aus der DE-PS 20 05 571 und aus der DE-OS 31 20 501 bekannt. In diesen Schriften wird ebenfalls die Sin­ terung der Metallformteile nach dem Entfernen des Binders beschrieben. Die Sinterung erfolgt bei einer bestimmten Temperatur beziehungsweise einem bestimmten Temperaturverlauf und einer Zeitdauer, die empirisch ermittelt wurden, beziehungsweise je nach Material und Größe des Werk­ stücks immer wieder neu empirisch ermittelt werden müssen, um ein dichtes und homogenes Gefüge zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sintervorgang zu steuern, und zwar so, daß eine gleichmäßige Schrumpfung und dadurch ein dichtes, homogenes Gefüge erzielt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Energieein­ bringung in den Ofen während des Sintervorganges in Abhängigkeit von der Schrumpfungsgeschwindigkeit eines eingebrachten Formteils erfolgt.

Neben der Lösung der obengenannten Aufgabe besteht der Vorteil der Erfin­ dung darin, daß durch Metallpulver-Spritzgießen hergestellte Formteile mit unterschiedlichster Formgebung aus verschiedenen Metallegierungen oder Metallpulvergemischen in kürzerer Zeit und unter geringerem Energieaufwand gesintert werden können ohne eine Vielzahl von Probesinterungen zur Ermittlung der optimalen Bedingungen. Die Steuerung hilft auch, die Abschußrate zu senken.

Weiterbildungen der Erfindung, die den Unteransprüchen zu entnehmen sind, ergeben weitere Vorteile und beziehen sich auf günstige Ausgestaltungen der Steuerung der Sinterung.

Die erfindungsgemäße Steuerung der Sinterung sowie deren günstige Aus­ gestaltungen werden anhand der Zeichnung im Rahmen des Gesamtverfahrens der Herstellung von Metallformteilen durch Metallpulver-Spritzgießen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema des Ablaufs des Metallpulver-Spritzgießens,

Fig. 2 die Vorgänge beim Austreiben des Bindemittels,

Fig. 3 ein Diagramm der Temperaturregelung beim Austreiben des Binde­ mittels und

Fig. 4 ein Diagramm, das den gesteuerten zeitlichen Verlauf der Schrump­ fung beim Sinterprozeß darstellt.

Fig. 1 gibt anhand eines Schemas einen Überblick über den gesamten Ver­ fahrensablauf.

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 Metallpuler, ohne mit dem Luftsauerstoff in Berührung zu kommen, in einem Mischer oder Kneter mit dem aufschmelzenden Kunststoff­ gemisch 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 Pulver­ teilchen zu füllen. Durch diese 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 Spritzgießmaschine ein­ füllen läßt. Für das Metallpulver-Spritzgießen muß eine spezielle Form hergestellt werden, die eine Volumenkontraktion von bis zu 40% berücksichtigt.

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

Die Entfernung des Bindemittels wird vorteilhafterweise 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 Zersetzungs-Produkte 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 befindliche 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 dieses 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 genausoviel Kohlenwasserstoff aus, wie durch Spülung der Inertgasatmosphäre abgeführt wird. Dieser Vorgang hält so lange an, bis die Kohlenwasserstoffkon­ zentration 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 Kohlenwasser­ konzentration fest und gibt ein Signal, welches eine erneute Energieein­ bringung in den Reaktor bewirkt. Die Temperaturerhöhung findet so lange statt, bis sich wieder eine vorbestimmte Kohlenwasserstoffkonzentration - durch Zersetzung der nächsten Bindemittelkomponente, z. B. das Poly­ äthylen - einstellt, d. h. ein Gleichgewicht von aus dem Teil ausgasenden und von abgeführtem Kohlenwasserstoff (Zeitpunkt t 3). Diese Temperatur­ stufe wird so lange gehalten, bis die Binderkomponente, die sich bei dieser Temperaturstufe zersetzt, nahezu vollständig ausgetreten ist (Zeit­ punkt 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 Konzen­ tration von Zersetzungs-Produkten gering zu halten und dadurch die Reaktion der Zersetzungs-Produkte 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 Zersetzungs-Produkten 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.

Auch der Sintervorgang wird vorteilhafterweise gesteuert, um eine gleich­ mäßige Schrumpfung zu erreichen, wodurch ein dichtes, homogenes Gefüge erzielt wird.

Eine solche Steuerung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: Einmal kann eines der eingebrachten Formteile oder ein spezieller Muster­ prüfkörper strahlungsoptisch vermessen werden, um so die Schrumpfungs­ geschwindigkeit zu erfassen.

Fig. 4 zeigt die Schrumpfung in einem Diagramm dadurch, daß eine Abmessung des Prüflings (z. B. die Länge) S gegen die Zeit t aufgetragen wird. Der Prüfling hat zu Beginn des Sintervorganges die Abmessung S 1 und zu Ende des Sintervorgangs die gewünschte Abmessung S 2. Der Sintervorgang verläuft bei einer, je nach Werkstoff und Geometrie des Formteils unterschiedlichen, durch Versuche zu ermittelnden, bestimmten Schrumpfungsgeschwindigkeit ds/dt optimal. Es muß also so lange Energie eingebracht werden, bis die bestimmte Schrumpfungsgeschwindigkeit ds/dt - also der Bereich der Geraden zwischen den Zeitpunkten t 10 und t 11 - erreicht ist. Die Regelung sorgt dafür, daß diese Schrumpfgeschwindigkeit ds/dt konstant bleibt bis zum Zeitpunkt t 11. Die Energieeinbringung wird im Zeitpunkt t 11 beendet, wobei dieser so ausgewählt ist, daß die Wärmekapazität ausreicht, um die einge­ brachten Formteile bis zur gewünschten Dichte weiterschrumpfen zu lassen.

Anstelle der strahlungsoptischen Vermessung kann die Energieeinbringung in den Ofen auch in Abhängigkeit von der Konzentration des Kohlendioxids und des Kohlenwasserstoffs erfolgen, wobei zu Beginn des Sintervorganges eine Reduktion vorhandener Oxidanteile und Restkohlenstoffgehalte - welche von der Zersetzung des Bindemittels herrühren - stattfindet, wobei sich der dadurch freiwerdende Sauerstoff mit dem Kohlenstoff zu Kohlendioxid ver­ bindet. Nachdem der Reduktionsvorgang beendet ist, wird die Energieein­ bringung in Abhängigkeit von der Ausgasung der in den Hohlräumen des Formlings zurückgebliebenen Kohlenwasserstoffe geregelt. Die Ausgasung wird also als Maßstab für die Schrumpfung herangezogen.

Die Energieeinbringung in den Ofen kann auch in Abhängigkeit von den Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Anteilen geregelt werden.

Die Sinterung findet - abhängig von dem zu sinternden Werkstoff - in einem Temperaturbereich von 500 bis 1400°C statt, vorzugsweise bei einer Temperatur von 600 bis 1200°C.

Dem Sintervorgang kann die Einleitung reduzierender Gase in den Ofen vorge­ lagert werden - eventuell auch in der letzten Phase der Binderaustrei­ bung -, um bereits in diesem Verfahrensabschnitt die Reduktion von Oxiden auf den Metallpartikeln einzuleiten und so zu gewährleisten, daß die Sinterung nicht durch noch vorhandene Oxidschichten behindert wird.

Die Reaktionsführung der Sinterung ist durch die Energieeinbringung, sowie durch die eventuelle weitere Zugabe reduzierender Gase in die Ofenatmos­ phäre so zu steuern, daß in den Hohlräumen des Formteils enthaltene Gase genügend Zeit zum Entweichen haben und das Kristallwachstum, sowie eine formtreue Schrumpfung der Formteile bis zu der gewünschten Abmessung, gewährleistet ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der Sinterung von Metallformteilen, welche durch Metallpulver-Spritzgießen hergestellt wurden, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinbringung in den Ofen während des Sintervorganges in Abhängigkeit von der Schrumpfungsgeschwindigkeit eines einge­ brachten Formteils erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinbringung so erfolgt, daß die Schrumpfungs­ geschwindigkeit auf einen vorgegebenen Wert ansteigt, dann konstant bleibt, und daß die Energieeinbringung dann beendet wird, wenn die Wärmekapazität ausreicht, die eingebrachten Formteile bis zur gewünschten Dichte weiterschrumpfen zu lassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Energieeinbringung mittels einer strahlungs­ optischen Überprüfung der Kontraktion eines der eingebrachten Form­ teile oder eines speziellen Musterprüfkörpers im Sinterofen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung in einem Temperaturbereich von 500 bis 1400°C erfolgt, vorzugsweise bei einer Temperatur von 600 bis 1200°C.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgasung aus dem Formteil als Maßstab für die Schrumpfung herangezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinbringung in den Ofen während des Sintervorganges zuerst in die Abhängigkeit von der Kohlenmonoxydkonzentration geregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sintervorgang reduzierende Gase in den Ofen eingebracht werden, die die Reduktion von Oxiden auf den Metallpartikeln bewirken.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsführung durch Steuerung der Energieeinbringung, wie des Anteiles reduzierender Gase in der Ofenatmosphäre, so eingestellt wird, daß zuerst die gasförmigen Reaktionsprodukte ent­ weichen und danach das Kristallwachstum verstärkt statt­ findet.