DE4343420A1 - Verfahren zur Herstellung sintermetallischer Formkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zumindest in Teilvolumina metallischen Sinterkörpern sowie die Verwendung plastifizierter Metallpulver zur Herstellung derselben.

Die Herstellung metallischer Formkörper aus Pulvern mittels Sintertechnologie hat dort große wirtschaftliche Bedeutung erlangt, wo es um die Herstellung komplexer technischer Massenteile geht.

Dabei werden die Pulver durch Pressen zu manipulierbaren Grünlingen verdichtet und anschließend gesintert. Als eher selten verwendetes Sonderverfahren gilt das Einfüllen und Verdichten von Metallpulver in ein organisches Formwerkzeug, das zusammen mit der Pulverfüllung gesintert und dort durch hohe Temperaturen zersetzt bzw. Verflüchtigt wird.

Die Technik zur Herstellung von sintermetallischen Formkörpern wird durch die Anwendung des Strangpressens erweitert. Durch Beimengung von Plastifizierungsmitteln zum Metallpulver lassen sich mittels Strangpressen langgestreckte Formteile, wie Stangen, Rohre und einfache Sonderprofile, als Meterware mechanisch formen und unter Beibehaltung dieser Profile sintern. Qualität und Anwendungsumfang dieses Verfahrens sind maßgeblich bestimmt von den verwendeten Plastifizierungsmitteln, sowie von deren Einbringung vor dem Formgebungsverfahren und der Ausbringung vor oder während des Sinterprozesses.

Nach einem dazu verwandten Verfahren werden plastifizierte Metallpulver zu dünnen Folien, sogenannten metallischen Tüchern ausgewalzt und danach zum Beispiel als Oberflächenschichten auf Bauteile, z. B. auf Walzen aufgebracht und auf den Basiskörper aufgesintert.

In den letzten Jahren haben Verfahren zur maschinellen Fertigung sintermetallischer Formkörper durch die rasche Weiterentwicklung des metallischen Formspritzens (metal injection molding) eine bedeutsame Ausweitung erfahren.

Maßgeblichen Anteil am raschen technischen Fortschritt bei der Herstellung von Sinterformteilen durch Spritzgießen, Strangpressen und dazu verwandten Verfahren hat die wachsende Zahl bekannter Plastifizierungs- und Schmiermittel, welche das Arbeiten bei unterschiedlichsten Temperaturen und nach unterschiedlichsten Ein- und Ausbringungsverfahren ermöglichen. In der Regel werden mehrere, aufeinander abgestimmte oder sich in ihrer Wirkung ergänzende Stoffe zum Metallpulver zugegeben. Ein- und Ausbringung der überwiegend organischen Stoffe erfolgt in ein- oder mehrstufigen Verfahren, teils über thermische, teils über Lösungsverfahren.

Die heute bekannten Zusatzstoffe lassen sich grob unterteilen in

• - Naturstoffe, wie Cellulose, Wachse, Öle
• - synthetische Stoffe, das sind Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
• - Weichmacher, sogenannte oberflächenaktive Stoffe
• - Lösungsmittel und
• - Aushärter.

Von den vielen in der Patentliteratur beschriebenen bekannten Verfahren in Anwendung weiterentwickelter Plastifizierungsmittel seien stellvertretend genannt

• - die EP 0 503 166, bei der ein Pulver, insbesondere Metall­ pulver mit 38 Vol.-% eines speziellen Binders verknetet, daraus Spritzgußteile gefertigt und die Binder bzw. Plastifizie­ rungsmittel beim anschließenden Sintern in sauerstoffhaltiger Atmosphäre wieder aus gebracht werden
• - die EP 0 480 107, bei der ebenfalls ein Metallpulver mit einem speziellen Binder verknetet und damit für die Bearbeitung als gespritztes Teil brauchbar gemacht wird.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallkörpern, bzw. von metallischen Sinterkörpern mittels im Unterschied zum Stand der Technik nicht mechanisierten Formgebungseinrichtungen und -verfahren unter Verwendung plastifizierter Metallpulver, wie sie für maschinelle Ausformung bekannt sind.

Aufgabe ist weiterhin die Ausgestaltung von Körperformen bzw. der oberflächennahen Bereiche von Formkörpern, die maschinellen Formgebungsverfahren für Massenteile nicht zugänglich sind, insbesondere auch hinsichtlich deren ästhetischer Wirkung und der Einmaligkeit (Unikat).

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, nach dem eine knetbare Masse aus plastifiziertem Metallpulver von Hand in eine freie, nicht durch Formwerkzeug vorgegebene Körperform gebracht und/oder die geformte Masse in oberflächennahen Bereichen von Hand nachbehandelt wird.

Die erfinderische Lösung besteht weiterhin in der Verwendung von plastifiziertem, knetbarem Metallpulver zur Herstellung von manuell in eine freie Körperform gebrachten und/oder von Hand in dessen oberflächennahen Bereichen nachbehandelten, sowie anschließend gesinterten, zumindest in Teilen metallischen Formkörpern, wie Skulpturen.

Der Begriff "in von Hand gestaltete Körperform gebracht" steht stellvertretend für alle Verfahren, bei denen der einzelne Formkörper nicht mittels bzw. in einem vorgefertigten, mechanischen Formwerkzeug aus Metallpulver hergestellt wird. Manuell frei gestaltete Körperformen schließen demnach die Gestaltung der Grundform, die nachträgliche Gestaltung der Oberfläche bzw. von oberflächennahen Zonen manuell oder mittels Handwerkszeug ebenso ein, wie das Aufspachteln oder Aufspritzen von Oberflächenschichten auf einen Grundkörper.

Mit vorliegender Erfindung wird somit ein bislang allein der Herstellung von Sintermetall-Massenformteilen in Formwerkzeugen vorbehaltenes Verfahren dem Bereich der individuellen künstlerischen Formgebung erschlossen. Das erfinderische Verfahren bzw. die erfinderische Verwendung von plastifiziertem Metallpulver erlaubt die Herstellung von Sinterformkörpern, wie sie hinsichtlich Formenvielfalt und Formenoberflächengestaltung mittels technisch maschineller Verfahren und in Formgebungswerkzeugen undenkbar sind.

Das erfinderische Verfahren gestattet zudem eine Vielfalt von Formen und oberflächlichen Gestaltungselementen für Formkörper, bei denen es auf die ästhetische Wirkung ankommt, wie sie für gegossene Skulpturen und Plastiken unbekannt sind. Die unterschiedlichen Verfahren erlauben unterschiedliche Fertigungsmittel und ergeben völlig neuartige, ungewohnte, ästhetische Wirkungen entsprechend gefertigter sintermetallischer Formkörper.

Das erfinderische Verfahren gestattet gegenüber gegossenen, auf künstlerische Wirkung ausgerichteten Formkörpern eine unbeschränkte Erweiterung auf alle metallischen Werkstoffe. Die Fertigung gegossener Plastiken beschränkt sich demgegenüber auf Bronzen und niedrigschmelzende metallische Werkstoffe. Künstlerische Stahlplastiken werden in der Regel durch Schmieden vorgeformter Schmelzrohlinge hergestellt.

Sintermetallisch hergestellte Formkörper lassen sich mit gezielter Porenstruktur, das bedeutet mit charakteristischer Oberflächenwirkung herstellen.

Die Poren von sintermetallischen Formkörpern lassen sich zudem nachträglich mit einem zweiten niedrigschmelzenden, ggf. andersfarbigen Metall füllen, z. B. infiltrieren.

Für das erfinderische Verfahren kommen generell solche plastifizierte Metallpulver zur Anwendung, wie sie auch für die zum Stand der Technik beschriebenen technischen Verfahren verwendet werden. Mit Hilfe der dem Fachmann geläufigen Kenntnisse sind allerdings besondere Auswahl- und Kombinationskriterien anzuwenden. Ein von Hand knetbares Metallpulver muß eine Viskosität bzw. Plastizität besitzen, wie sie der Größe nach bei technisch maschineller Verarbeitung nicht immer gefordert ist. Mit maschinellen Einrichtungen und Formwerkzeugen werden aus plastifizierten Metallpulvern sowohl bei Raumtemperatur, aber auch bei Temperaturen bis zu ca. 150 Formteile gefertigt. Entsprechend ist die Auswahl geeigneter Plastifizierungsmittel zu treffen.

Für die Ausbringung der Plastifizierungs- und sonstiger Mittel aus dem geformten, aber noch nicht gesinterten Formkörper kommen in Ausführung des erfinderischen Verfahrens die zum Stand der Technik bekannten Verfahren zur Anwendung.

Der Anteil an Plastifizierungsmitteln im Metallpulver beträgt bis zu 50 Volumprozent. Damit kommt der Ausbringung des Plastifizierungsmittels besondere Bedeutung zu. Schrumpfungsbedingte Formänderungen während der Ausbringung des Plastifizierungsmittels aus dem Formkörper sind unvermeidlich, unerwünschte Risse und Brüche aber nicht.

Unter den bekannten, bei Raumtemperatur einsetzbaren organischen und anorganischen Plastifizierungsmitteln seien vor allem die Naturstoffe, wie Cellulose, Polysaccharide, Alginate, Caseine, Naturkautschuk, Wachse, sowie Öle und/oder Fette genannt. Brauchbare synthetische Stoffen sind vor allem synthetische Kautschuke, Silicone, Paraffine und Epoxidharze (Zweikomponenten-Reaktionsharze), daneben die duroplastischen Polymere- und Cellulose-Verbindungen, wie Celluloseäther, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose und Hydroxylethyl­ cellulose.

Die plastifizierten Metallpulver werden vor dem Kneten und Formgeben von Hand vorteilhafterweise oberflächlich so vorbehandelt, daß das plastifizierte Metallpulver nicht an der Hand bzw. am Kunststoff-Handschuh hängenbleibt. Dazu werden die plastifizierten Massen oberflächlich mit Fetten und Ölen, aber auch mit Seifen präpariert.

Bindemittel aus wäßrigen oder organischen Lösungsmitteln müssen mit Schmiermitteln und oberflächenaktiven Substanzen angereichert werden, um eine leichte Verknetbarkeit bei gleichzeitiger Aufnahme hoher Scherkräfte durch die plastifizierte Masse zu gewährleisten und die innere Rißbildung in der Masse auszuschließen bzw. zu reduzieren. Ein weiteres Kriterium für die Auswahl an Plastifizierungsmitteln ist die Verhinderung von Trocknungsrissen, weiterhin die Möglichkeit, angetrocknete Massen nachträglich wieder anzulösen und weiterverarbeitbar zu halten, ebenso die Möglichkeit des Oberflächenglättens und Oberflächenstrukturierens zum Abschluß des Formgebungsverfahrens.

Die Plastifizierungsmittel werden durch Einrühren und Einkneten in das Metallpulver eingebracht, wobei dies bei der Herstellung größerer plastifizierter Metallpulvermassen vorteilhaft mit Hilfe maschineller Einrichtungen, wie Knetaggregaten geschieht. Derartig plastifizierte Metallpulver lassen sich in luftdichte Folien einschweißen und sind in dieser Form über lange Zeiträume ohne Qualitätsänderung lagerbar, sofern nicht solche Plastifizierungsmittel eingemischt sind, die unter den Lagerungsbedingungen chemisch miteinander reagieren, z. B. die Masse langsam aushärten.

Zur Herstellung der plastifizierten Metallpulver können neben Pulvern aus unterschiedlichen Metallen, in gewissem Umfang auch metallische und nichtmetallische Pulver und weiterhin Pulver unterschiedlicher Korngrößen nebeneinander verwendet werden. Damit lassen sich die Gestaltungsmöglichkeiten und die Wirkungen entsprechend geformter Körper erweitern.

Die manuelle Formgebung von plastifizierten Metallpulvern ist dem Verfahren des Töpfers, d. h. dem Gestalten von keramischen Massen zu Formkörpern und Skulpturen vergleichbar.

Im Begriff manuelle Ausgestaltung von Formkörpern aus plastifizierten Metallpulvern ist das Aufbringen derselben auf ein mechanisch stabiles, temperaturbeständiges Stützgerüst und/oder das Verbinden und Ineinanderformen von Metallpulver und vorgeformten metallischen oder keramischen Festkörpern mit eingeschlossen.

Der Begriff manuelle Formgebung soll ausdrücklich die Verwendung von technischen Geräten und Mitteln, insbesondere von Handwerkszeug zur freien Formgestaltung, nicht aber die Verwendung von die Körperform vorgebenden Formen bzw. Preßformen mit einschließen.

Weiters seien in dem Begriff auch solche Formgebungsverfahren eingeschlossen, bei denen das plastifizierte Metallpulver nur so geringe Plastizität aufweist, daß die Formgebung nicht mehr allein mit der Fingerkraft, sondern nur mit diese unter­ stützenden technischen Hilfsmitteln, wie Stichel oder Hammer und Meißel, möglich ist. Praktisch heißt das plastifizierte Massen mit mechanischen Festigkeiten, vergleichbar denjenigen von Kerzenwachs oder Gips, also Festigkeiten weit unter denjenigen von gesinterten oder gegossenen metallischen Formkörpern.

Die Unteransprüche 3 bis 11 beschreiben besondere Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfinderischen Verfahrens.

In der Folge wird die Erfindung anhand von einzelnen Verfahrensbeispielen näher erläutert.

BEISPIEL 1

1000 g rostfreies Stahlpulver der Korngröße < 44 µm werden mit etwa gleichem Volumenanteil an Plastifizierungsmittel angereichert. Die Zugaben bestehen aus

-Methylcellulose/Wassergemisch 1 : 40|60 g
-Äthylenglykol	15 g
-Glycerin	15 g
-Alkohol	2 g
-Olivenöl	5 g
-Polymethacrylat (Produktname Plexisol)	20 g

Metallpulver und organische Zugaben werden in einem Sigmakneter während 1,5 Stunden homogen vermischt, wobei die Zugabe des Polymethacrylates erst nach ca. 30 Minuten Knetzeit erfolgt. Die so plastifizierte Metallpulvermasse ist in luftdichten Behältern oder Verpackungen verschlossen praktisch unbegrenzt haltbar.

Das plastifizierte Metallpulver bildet eine von Hand und allein mit Fingerkraft formbare Masse.

Der von Hand geformte und abschließend in oberflächennahen Zonen nachbehandelte Formkörper wird während 24 Stunden an Luft getrocknet. Er ist danach - abhängig vom Körpervolumen - mit Vorsicht manipulierbar, ohne die ausgestaltete Körperform zu verlieren oder zu brechen.

Zum abschließenden Sintern wird der Formkörper in ein Sandbett gelegt, das heißt zumindest weitgehend von eingeschüttetem Sand umschlossen und in einen Sinterofen eingebracht. Das mit dem Sintergut beschickte Ofeninnere wird rasch auf 120°C gebracht und dann im Temperaturbereich zwischen 120 und 650°C mit ca. 10°C pro Stunde langsam weiter aufgeheizt. Daran schließt sich eine Haltezeit von einer Stunde bei 650°C an.

Bis zu diesem Zeitpunkt werden sämtliche organischen Zugaben zum Metallpulver nacheinander vollständig aus dem Formkörper ausgebracht. Daran anschließend wird das Sintergut rasch auf 1250° erhitzt und bei dieser Temperatur ca. eine Stunde lang zum fertigen Sinterkörper gesintert. Die Sinterung findet vorzugsweise unter Unterdruck und/oder in Schutzgasatmosphäre statt.

BEISPIEL 2

Zu 1000 g Bronzepulver der Korngröße < 160 µm werden folgende Zugaben eingebracht:

• - 125 g Silikonharz
• - 50 ml Silikonöl
• - 30 g eines handelsüblichen Weichmachers und
• - 10 g eines auf den Weichmacher abgestimmtes Lösungsmittel.

Die im Sigmakneter zubereitete plastifizierte Metallpulvermasse ist von Hand knetbar.

Nach Abschluß des Formgebungsverfahrens wird der gesamte Formkörper mit einem auf die Plastifizierungsmittel abgestimmten Härter besprüht. Dadurch verliert das Material seine Plastizität. Die Körperform wird so mechanisch fixiert.

Das Entfernen des Plastifizierungs- und Bindemittels aus dem Formkörper als Vorstufe eines Sinterprozesses entspricht dem Verfahren nach Beispiel 1. Anschließend wird der von Plastifizierungsmittel vollständig befreite Formkörper rasch auf 830°C erhitzt und dort während 30 Minuten zum fertigen Sinterkörper verarbeitet.

BEISPIEL 3

In einer Abwandlung von Beispiel 1 werden zum Stahlpulver die dort angeführten organischen Zugaben beigemischt, ausgenommen das Olivenöl und das Polymethacrylat. An deren Stelle wird als Plastifizierungsmittel zusätzlich der kaltpolymere Kunststoff Methylacrylat in einer Menge von 10 g beigegeben.

Nach Beendigung der Formgestaltung wird der Formkörper mit einem auf das Methylacrylat abgestimmten Härter besprüht. Es kommt zur Polymerisierung und damit zur mechanischen Formstabilisierung. Die weiteren Verfahrens Schritte des Ausbringens von Plastifizierungsmittel und Sinterung entsprechen denen von Beispiel 1.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von zumindest in Teilvolumina metallischen Sinterkörpern, mit den Fertigungsschritten Formgebung von mit Plastifizierungsmitteln angereicherten Metallpulvern, Ausbringen des Plastifizierungsmittels und Sintern, dadurch gekennzeichnet, daß eine knetbare Masse aus plastifiziertem Metallpulver von Hand in eine freie, nicht durch Formwerkzeug vorgegebene Körperform gebracht und/oder die geformte Masse in oberflächennahen Bereichen von Hand nachbehandelt wird.

2. Verwendung von plastifiziertem, knetbarem Metallpulver zur Herstellung von manuell in eine freie Körperform gebrachten und/oder von Hand in dessen oberflächennahen Bereichen nachbehandelten, sowie anschließend gesinterten, zumindest in Teilen metallischen Formkörpern, wie Skulpturen.

3. Verfahren zur Herstellung von metallischen Sinterkörpern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Metall­ pulver eines oder mehrere organische Plastifizierungsmittel zugegeben werden.

4. Verfahren zur Herstellung von metallischen Sinterkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß dem Metallpulver eines oder mehrere anorganiche Plastifizierungsmittel zugegeben werden.

5. Verfahren zur Herstellung von metallischen Sinterkörpern nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plastifizierungsmittel durch Verflüchtigung und/oder durch Zersetzung bei Temperaturen oberhalb Raumtemperatur aus­ gebracht werden.

6. Verfahren zur Herstellung von metallischen Sinterkörpern nach Anspruch 1, sowie 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß gemeinsam mit dem plastifizierten Metallpulver metallische und/oder nichtmetallische Körper in eine gemeinsame Form gebracht werden.

7. Verfahren zur Herstellung metallischer Sinterkörper, nach Anspruch 1, sowie 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanisch vorgeformte plastifizierte Masse von Hand in ihrer Form nach- bzw. umgearbeitet wird.

8. Verfahren zur Herstellung metallischer Sinterkörper, nach Anspruch 1, sowie 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächenbereiche der geformten Masse, mit oder ohne technische Hilfsmittel von Hand strukturiert wird.

9. Verfahren zur Herstellung metallischer Sinterkörper, nach Anspruch 1, sowie 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei Raumtemperatur von Hand nicht, oder nicht ausreichend knetbare, plastifizierte Metallpulvermasse durch lokale Erwärmung oder durch Anlösen in diesem Bereich von Hand formbar gemacht wird.

10. Verfahren zur Herstellung metallischer Sinterkörper, nach Anspruch 1, sowie 3-9, dadurch gekennzeichnet, daß die von Hand in Körperform gebrachte plastifizierte Masse mit einem das Plastifizierungsmittel chemisch aushärtenden Mittel besprüht wird.

11. Verfahren zur Herstellung metallischer Sinterkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die besprühte und ausgehärtete Körperform mittels Handwerkszeug manuell nachbearbeitet wird.