DE60004613T2

DE60004613T2 - Nichtmagnetische Wolfram-Legierung mit hoher Dichte

Info

Publication number: DE60004613T2
Application number: DE60004613T
Authority: DE
Inventors: Lye King Tan
Original assignee: Advanced Materials Technologies Pte Ltd; Advanced Materials Technology Pte Ltd
Current assignee: Advanced Materials Technologies Pte Ltd; Advanced Materials Technology Pte Ltd
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2020-03-11
Also published as: US6045601A; SG82681A1; EP1083239A1; DE60004613D1; JP2001081522A; EP1083239B1; ATE247721T1; JP4080133B2

Description

Bereich der Technik
Die Erfindung betrifft Schwerlegierungen aus Wolfram/rostfreiem Stahl mit einer neuen Kombination von nichtmagnetischen Eigenschaften und hoher Dichte mit besonderem Bezug auf ein Formen derselben zu komplex gestalteten Gegenständen.
Stand der Technik
Legierungen auf Wolfram-Basis (genannt Schwerlegierungen) werden normalerweise bei Anwendungen, wie mittels kinetischer Energie wirkenden Durchstoßkörpern, Festplatten-Antriebs-Ausgleichsgewichten, Schutzschilden gegen Kernstrahlung, Schutzschilden gegen Strahlung im medizinischen Bereich, Hochspannungselektrokontakten und Hochspannungselektroden, verwendet. Diese Materialien weisen ein sehr wichtiges und wünschenswertes Merkmal, nämlich hohe Dichte, auf, welches bei anderen Metalllegierungen normalerweise nicht gefunden wird.
Bei mittels kinetischer Energie wirkenden Durchstoßkörpern gilt im Allgemeinen, je höher die Dichte des Materials, desto größer die gewünschte Durchstoßung. Bei Festplatten-Antriebs-Ausgleichsgewichten ist der Zweck, das maximal mögliche Gewicht im kleinstmöglichen Raum zu konzentrieren, um so das beanspruchte Volumen in einem Plattenlaufwerk zu verkleinern. Bei Schutzschilden gegen Kernstrahlung und Schutzschilden gegen Strahlung im medizinischen Bereich führt eine höhere Dichte zu höherer Absorption von Röntgenstrahlen und Gammastrahlung. Bei Hochspannungselektrokontakten und Hochspannungselektroden ermöglichen die hohe Schmelztemperatur und Lichtbogenerosionsbeständigkeit von Wolfram eine längere Lebensdauer. Auf diese Weise können Wolframschwerlegierungen in verschiedenen Gestalten ökonomisch in vielen wichtigen Anwendungen verwendet werden. Jedoch sind die meisten Materialien mit hoher Dichte (Dichten größer als 16 oder 17 g/cm³), wie Gold, Rhenium, Platin, Iridium und Uran, entweder sehr teuer oder äußerst schwierig zu verarbeiten.
Mehrere Wolframschwerlegierungs-Zusammensetzungen wurden im Stand der Technik beschrieben. Klassische herkömmliche Legierungen von Wolfram-Nickel-Eisen (z. B. US 5,145,512 , mit dem Titel „Tungsten nickel iron alloys; („Wolfram/Nickel/Eisen-Legierungen")) wurden häufig wegen ihrer einzigartigen Eigenschaften von hoher Dichte, hoher Festigkeit und hoher Verformbarkeit in kommerziellen Anwendungen und Abwehranwendungen verwendet. Eine andere typische Legierung ist Wolfram-Kupfer (z. B. US 5,889,220 , mit dem Titel „Copper-tungsten alloys and their manufacturing methods" („Kupfer/Wolfram-Legierungen und deren Herstellungsverfahren"), und US 5,686,676 , mit dem Titel „Process for making improved copper-tungsten composites", („Verfahren zur Herstellung von verbesserten Kupfer/Wolfram-Verbundstoffen")), welche normalerweise wegen der speziell kombinierten Eigenschaften von niedrigem elektrischen Widerstand und hoher Lichtbogenerosionsbeständigkeit bei elektrischen Anwendungen verwendet wird.
Obwohl diese Legierungen auf ihre Weise einzigartige Eigenschaften bereitstellen, sind sie entweder magnetisch oder weisen einen niedrigen elektrischen Widerstand auf. Diese Eigenschaften schränken ihre Anwendung in den Bereichen ein, wo magnetische Eigenschaften und/oder niedriger elektrischer Widerstand unerwünscht sind, wie bei Ausgleichsgegengewichten in Plattenlaufwerksstellarmen.
Eine Routinesuche wurde für Legierungen durchgeführt, bei welchen die Hauptkomponente Wolfram war und bei welchen etwas Eisen und möglicherweise auch Chrom vorhanden waren. Es wurden keine Druckschriften gefunden, die Zusammensetzungen beschreiben, welche jenen nahe kommen, die durch die vorliegende Erfindung gelehrt werden. In etwa am Nächsten lag US 5,821,441 (Kawamura, Okt. 1998), das eine Legierung mit zwischen etwa 80 und 97 Gew.-% Wolfram offenbart, wobei der Rest Nickel, Cobalt, Kupfer und gegebenenfalls Eisen (in Konzentrationen von bis zu 5 %) ist. Die Legierung wird auch durch Sintern hergestellt, wobei die Hauptcharakteristik derselben ein hoher Level von Korrosionsbeständigkeit ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine nicht teuere Legierung mit hoher Dichte bereitzustellen, welche für eine Vielfalt an Zwecken verwendet werden kann.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, dass die Legierung mit hoher Dichte eine magnetische Einheitspermeabilität aufweist.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung war die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung der nichtmagnetischen Wolframschwerlegierung.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung war, dass das Verfahren auf herkömmlicher Pulvermetallurgie basiert und dass es ökonomisch zur Anwendung eines Metallspritzgießformverfahrens geeignet ist.
Noch eine weitere Aufgabe war, dass das Verfahren auf Massenproduktion mit Flexibilität bei Geometrie und Kontinuität bei Gewicht und Ausmaßen ausgerichtet werden kann.
Diese Aufgaben wurden durch die in den Ansprüchen gegebenen Verfahren und Produkte durch Mischen von Wolfram (vorhanden in einer Menge von mindestens 75 Gew.-%) mit austenitischem rostfreiem Stahl gelöst. Die bevorzugte Zusammensetzung war ungefähr 95 Gew.-% Wolfram und 5 % austenitischer rostfreier Stahl bei einer Sintertemperatur zwischen 1.450 und 1.500°C in einem Vakuum von weniger als 0,01 Torr und einer Zeitdauer des Sinterns von ungefähr 60 Minuten.
Das Verfahren zur Herstellung der Wolframschwerlegierung umfasst im Wesentlichen die Schritte von Mischen einer Zusammensetzung von Elementpulvern zu Rohmaterial, welches Wolfram in einer Menge von mindestens 75 Gew.-% einschließt, wobei der Rest austenitischer rostfreier Stahl in einer Menge ist, die für die erforderliche Dichte und Festigkeit ausreicht.
Das Verfahren schließt Formen des Rohmaterials in die Form von kompaktierten Stücken, wie ein Ausgleichsgegengewicht, und dann Sintern, entweder in Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre, ein. Der technische Vorteil der Schwerlegierung auf Wolfram-Basis der vorliegenden Erfindung ist, dass die Ausgangsmaterialien für die Legierungen einfach erhältlich sind. Austenitisches Pulver aus rostfreiem Stahl und Wolframpulver können weltweit einfach bei Herstellern von Pulvern gekauft werden.
Die Wolframschwerlegierungen der vorliegenden Erfindung können einfach in großem Umfang ökonomisch in vielen komplizierten Gestalten mit ausgezeichneter Kontrolle von Gewicht und Ausmaßen hergestellt werden.
Ein anderer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Schwerlegierung nichtmagnetisch ist. Dies hat zur Folge, dass sie kein Ziel für jedwede magnetische Anziehungskraft ist, wenn sich die Legierung in einem magnetischen Feld befindet. Folglich kann sie als Ausgleichsgegengewicht mit hoher Dichte in Plattenlaufwerksstellarmen und elektrischen Motoren verwendet werden. Zudem weist sie einen höheren elektrischen Widerstand als Wolfram/Kupfer-Legierungen mit gleicher Wolfram-Zusammensetzung auf, wodurch sie für weniger empfindliche elektrische Anwendungen nützlich wird.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren der vorliegenden Erfindung zusammenfasst.
2 ist ein Histogramm, bei welchem die Anzahl der Proben innerhalb einer Charge, die in einen besonderen Bereich der Dicke fällt, ausgedruckt ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die bevorzugte Zusammensetzung (Gew.-%) der Wolframschwerlegierung der vorliegenden Erfindung beträgt 95 % Wolfram und 5 % austenitischer rostfreier Stahl (alle Typen), gute Ergebnisse werden aber noch erhalten, wenn Wolfram in Konzentrationen von 75 bis 98 % vorhanden ist. Diese Legierungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie von hoher Dichte sind, eine magnetische Einheitspermeabilität aufweisen und einen relativ hohen elektrischen Widerstand besitzen.
Die Pulver aus Wolfram und rostfreiem Stahl werden unter Verwendung von herkömmlichen Techniken hergestellt, wie Gasatomisierung oder Wasserzerstäubung, sind aber nicht darauf eingeschränkt. Die, allgemeinen Partikelgrößen der so erhaltenen Metallpulver sind typischerweise jene, welche in der Pulvermetallurgie und beim Pulverspritzgießformen verwendet werden (zum Beispiel 50 Mikron oder weniger). Die Wahl der speziellen Größe des Metallpulvers ist jedoch wichtig, wie für den Fachmann von Pulvermetallurgie und Pulverspritzgießformen offensichtlich. Die Größe des Metallpulvers, einschließend die Pulvergrößenverteilung, hat eine bestimmte Auswirkung auf die Eigenschaften der Endprodukte, die erhalten werden. Deshalb wurden die in der vorliegenden Erfindung verwendete Größe der Metallpulver und Pulvergrößenverteilung so gewählt, dass sie den hergestellten Legierungen maximale Dichte und andere wünschenswerte Eigenschaften verliehen. Bevorzugt sollten die Pulver eine mittlere Partikelgröße zwischen etwa 0,8 und 1,8 Mikron für Wolfram und eine mittlere Partikelgröße zwischen etwa 10 und 25 Mikron für rostfreien Stahl aufweisen.
Pulver aus Wolfram und rostfreiem Stahl sind in diesen Partikelgrößenbereichen im Handel erhältlich. Sie sind im Handel auch in größeren Partikelgrößenbereichen erhältlich. Ein Metallpulver mit der vorstehenden Zusammensetzung (wie durch die vorliegende Erfindung gelehrt) wird dann mit einem Weichmacher (auch als Bindemittel bekannt) gemischt, wobei ein Rohmaterial erhalten wird, welches über schwere Hochdurchsatzpressen kompaktiert und über herkömmliche Spritzgießformmaschinen spritzgießgeformt werden kann. Wie dem Fachmann bekannt ist, sind typischerweise für den Zweck, dass die Gegenstände zusammenhalten, organische Polymerbindemittel in geformten Gegenständen enthalten (und vor dem Sintern werden die Bindemittel wieder entfernt). Ein organisches Polymerbindemittel ist in ähnlicher Weise in den Gegenständen enthalten, wobei es in der vorliegenden Erfindung für den selben Zweck verwendet wird.
In der vorliegenden Erfindung kann im Wesentlichen jedes organische Material verwendet werden, das als Bindemittel wirkt und das sich bei erhöhten Temperaturen zersetzt, ohne einen unerwünschten Rest abzuspalten, der nachteilig für die Eigenschaften der Metallgegenstände ist. Bevorzugte Materialien schließen verschiedenes organisches Polymer ein, wie Stearinsäuren, Mikropulvar-Wachs, Paraffin-Wachs und Polyethylen.
Das vorstehende Rohmaterial wird dann entweder kompaktiert oder spritzgießgeformt. Zum Beispiel kann das Metallpulver unter Verwendung von herkömmlichen Spritzgießformmaschinen spritzgießgeformt werden, wobei Rohlinge gebildet werden. Die Ausmaße der Rohlinge sind, nach in Betracht ziehen der Schrumpfung der Gegenstände während dem Sinterverfahren, abhängig von den Ausmaßen der gewünschten Endgegenstände. Das Metallpulver kann entweder mit einer hydraulischen oder mechanischen Hochdurchsatzpresse in ein Formwerkzeug gepresst werden, um den Rohling zu bilden.
Nachdem das Rohmaterial kompaktiert oder in die gewünschte Gestalt, welche in ihrer Geometrie komplex sein kann, spritzgießgeformt wurde, wird das Bindemittel über jedwede von mehreren bekannten Bindemittelentfernungstechniken, welche in der Metallspritzgießformindustrie zur Verfügung stehen, wie Lösungsmittelextraktion, Erhitzen, katalytische Einwirkung oder Dochtwirkung, entfernt, wobei sie aber nicht auf diese eingeschränkt sind.
Die geformten Gegenstände, aus welchen das Bindemittel entfernt wurde, werden dann in einem Schritt des Sinterns unter Verwendung von jedwedem von mehreren Typen von Öfen verdichtet. Das bevorzugte Sinterverfahren wird in einem Chargenvakuumofen (da er wirkungsvoll und ökonomisch ist) durchgeführt, aber andere Techniken, wie kontinuierliche Atmosphäre oder diskontinuierliche Atmosphäre, können auch angewendet werden, wobei sie aber nicht auf diese eingeschränkt sind.
Die Auswahl der Träger zur Verwendung während dem Sinterverfahren ist wichtig. Tonerde oder ein ähnliches Material, welches sich unter den Bedingungen des Sinterns nicht zersetzt oder umsetzt, müssen als der Träger für die Gegenstände in dem Ofen verwendet werden. Es kann eine Verunreinigung der Metalllegierungen stattfinden, wenn geeignete Träger dieses Typs nicht verwendet werden. Zum Beispiel ist ein Graphitträger nicht zur Verwendung geeignet, da er sich mit der rostfreier Stahl-Komponente der Wolframschwerlegierungen der vorliegenden Erfindung umsetzt.
Das Sintern wird für eine ausreichende Zeit und bei einer Temperatur, welche hoch genug ist, durchgeführt, wobei eine Umwandlung des Rohlings in ein gesintertes Produkt verursacht wird, d. h. in ein Produkt mit einer Dichte von mindestens 98 % (bevorzugt mindestens 99 %) des Werts der Bulkware.
Die für die Herstellung von Legierungen aus Wolfram und rostfreiem Stahl geeigneten Sinterverfahren erfordern eine spezielle Aufmerksamkeit in Bezug auf den Schutz vor gewöhnlichen Defekten, wie Krümmen, Reißen und ungleichmäßige Schrumpfung. Ein Sintern kann entweder in Vakuum oder in Wasserstoffatmosphäre durchgeführt werden, bevorzugt in Vakuum mit weniger als 0,02 Torr. Die Temperatur wird graduell linear ansteigend von Raumtemperatur auf die Sintertemperatur mit einer Geschwindigkeit des linearen Anstiegs von 250°C/Stunde bis 450°C/Stunde erhöht. Typischerweise liegt die Temperatur für 30 bis 90 Minuten zwischen 1.400 und 1.550°C. Ein gutes Vakuum von weniger als 0,01 Torr bei Sintertemperatur wird im Ofen eine ausgezeichnete Temperaturgleichmäßigkeit bereitstellen, was seinerseits bei einer gegebenen Charge zu einer etwa gleichen und gleichmäßigen Schrumpfung der Gegenstände führt.
Die Bedingungen während dem Sintern müssen sorgfältig kontrolliert werden. Eine zu hohe Geschwindigkeit des linearen Temperaturanstiegs und eine nicht ausreichende Sintertemperatur und Zeitdauer des Sinterns werden zur Herstellung von Wolframschwerlegierungen mit schlechten Eigenschaften, wie Dichte, Festigkeit, uneinheitliche Schrumpfung, Brüchigkeit und Ähnlichem, führen.
Bei einem Beispiel eines Sinterprofils, bei welchem wir herausgefunden haben, dass es besonders wirkungsvoll zur wirkungsvollen und ökonomischen Herstellung von Wolfram/rostfreier Stahl-Legierungen ist, spielen Erhitzen der Rohlinge in einem Vakuum von weniger als 0,01 Torr von Raumtemperatur auf 600°C mit einer Geschwindigkeit der Temperaturveränderung von 300°C/Stunde und Halten derselben bei dieser Temperatur für etwa 0,5 bis 1 Stunde eine Rolle. Die Geschwindigkeit des linearen Anstiegs wird dann auf 400°C/Stunde erhöht, bis die Temperatur die Sintertemperatur von 1.450 bis 1.500°C erreicht, welche dann für 30 bis 90 Minuten gehalten wird. Die Temperatur wird dann graduell erniedrigt, bis sie auf 800°C verringert ist, wobei zu diesem Zeitpunkt die Gegenstände unter Verwendung von Inertgasen, wie Argon oder Stickstoff, unter Verwendung des Lüfters des Ofens schnell abgekühlt werden.
Die physikalischen Ausmaße und das Gewicht der gesinterten Wolframschwerlegierungen sind von Charge zu Charge konstant. Die Abweichung von Ausmaßen und Gewichten innerhalb der selben Charge ist minimal. Enge Toleranzwerte von Ausmaßen und Gewicht können erreicht werden und auf diese Weise wird der Bedarf für sekundäre Maschinenverarbeitungsverfahren, die teuer und schwierig sein können, ausgeschaltet.
Wenn das Sinterverfahren abgeschlossen ist, können die Wolframschwerlegierungen der vorliegenden Erfindung aus dem Sinterofen entfernt werden und sie können so verwendet werden, wie sie sind. Alternativ können sie bekannten herkömmlichen sekundären Vorgängen unterzogen werden, wie einem Glasperlverfahren, um die gesinterte Oberfläche zu reinigen, und/oder Trommeln, um scharfe Kanten zu glätten und Grate zu entfernen.
Die in der vorliegenden Erfindung hergestellten Wolframschwerlegierungen können in einer Vielfalt von verschiedenen industriellen Anwendungen in der selben Weise verwendet werden, wie Wolfram/Nickel/Eisen-Legierungen aus dem Stand der Technik. Obwohl sie wirkungsvoll für Anwendungen verwendet werden können, wo magnetische Eigenschaften und gute elektrische Leitfähigkeit nicht gewollt oder gebraucht werden, wie bei Ausgleichsgegengewichten bei Plattenlaufwerksstellarmen, sind sie nicht auf solche Anwendungen eingeschränkt.
Die Oberflächen von Wolframschwerlegierungen können mit einer metallischen Sekundärbeschichtung geschützt sein, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Dies kann einfach erreicht werden, zum Beispiel durch Beschichten mit Nickel unter Verwendung von herkömmlichen Beschichtungsverfahren, wie nicht elektrochemisches Beschichten mit Nickel und/oder elektrochemisches Beschichten. Nicht elektrochemisches Beschichten mit Nickel ist bevorzugt, da es zu einer dichten gleichmäßigen Beschichtung führt. Eine Aktivierung der Oberflächen der Wolframschwerlegierungen kann durch eine Zwischenschicht aus Nickel erreicht werden, was ein Verfahren mit niedrigeren Kosten darstellt und deshalb bevorzugt ist. Nicht elektrochemischer Nickel ist mit verschiedenen Gehalten an Phosphor erhältlich. Mittlerer Phosphor (etwa 7 % P) wird typischerweise für Wolfram/rostfreier Stahl-Legierungen verwendet, da er den besten Ausgleich zwischen Kosten und Leistung bereitstellt.
Wenn gewünscht, können die Wolframschwerlegierungen der vorliegenden Erfindung Epoxidbeschichtet sein, nicht nur um gegen Korrosion zu schützen, sondern auch um eine bessere Adhäsion gegenüber anderen metallischen Oberflächen zu erleichtern.
Die gesinterte Wolfram/rostfreier Stahl-Legierung mit hoher Dichte der vorliegenden Erfindung kann in großen Mengen einfach und schnell als Gegenstände von komplizierter/kompliziertem Gestalt und Profil hergestellt werden. Die Abweichung bei Gewicht und physikalischem Ausmaß zwischen Teilen innerhalb einer Charge ist sehr klein, was bedeutet, dass eine Maschinenbearbeitung nach dem Sintern und eine andere mechanische Bearbeitung vollständig vermieden werden können.
Wir haben das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren in 1 in der Form eines Ablaufdiagramms zusammengefasst.
EIN BEISPIEL
In einer Doppel-V-Mischvorrichtung wurden 22.557 g Wolframpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 1,8 Mikron, 852 g Pulver aus rostfreiem Stahl (Qualität 316 L, atomisiert in Argon) mit einer mittleren Partikelgröße von 15 Mikron und 80 g Stearinsäure für 4 Stunden gemischt. Nachdem eine homogene Mischung erhalten worden war, wurde das Gemisch in eine Mischvorrichtung überführt. Die Mischvorrichtung war ein Doppelplanetenmischer, bei welchem unter Verwendung von zirkulierendem Öl in der doppelwandigen Schüssel die Schüssel auf 150°C erhitzt wurde. Das gut vermischte Pulvergemisch wurde dann in der Schüssel mit einem organischen Bindemittel, welches aus 398 g Mikropulvar-Wachs, 318 g halbraffiniertem Paraffin-Wachs und 795 g Polyethylenalathon zusammengesetzt war, versetzt.
Es dauerte 4,5 Stunden, um aus dem Gemisch von Pulver und organischen Bindemitteln ein homogenes Pulver/Bindemittel-Gemisch zu bilden, wobei die letzte 1 Stunde unter Vakuum war. Das Pulver/Bindemittel-Gemisch wurde dann aus der Mischschüssel entfernt und an der offenen Luft gekühlt. Als es abgekühlt und bei Raumtemperatur verfestigt war, wurde es granuliert, um ein granuliertes Rohmaterial zu bilden. Die Dichte des granulierten Rohmaterials wurde mit einem Heliumgaspyknometer gemessen und es wurde gefunden, dass sie gleich dem Wert der Bulkware war.
Eine Spritzgießformmaschine wurde mit einer Form für einen rechteckigen Block ausgestattet. Der gesinterte Block wies eine Gesamtlänge von 14,0 × 3,0 × 3,0 mm auf. Basierend auf der erwarteten linearen Schrumpfung beim Sintern von 20,5 % wurde die Form in allen Ausmaßen um 20,5 % größer gemacht, als der rechteckige Block. Die Spritzgießform-Zusammensetzung wurde bei einer Zusammensetzungstemperatur von 190°C geschmolzen und in die Form gespritzt, welche 100°C aufwies. Nach einer Abkühlzeit von etwa 20 Sekunden wurden die Rohlinge aus der Form entnommen.
Die Rohlinge, welche das Metallpulver enthielten, wurden in einer Stickstoffatmosphäre über einen Zeitraum von 10 Stunden bei 600°C von allen organischen Bindemitteln befreit. Der rechteckige Rohlingsblock, welcher das Bindemittel-freie Metallpulver enthielt, wurde auf einen Tonerde-Träger gelegt und mit einer Geschwindigkeit von 350°C/Stunde auf 1.450°C unter einem Vakuum von weniger als 0,01 Torr in einem Hochtemperatur-Sinterofen erhitzt. Die Zeitdauer des Sinterns betrug 60 Minuten bei 1.450°C und der Sinterofen wurde dann gekühlt. Dadurch erhielt man einen rechteckigen Block mit genau den richtigen Ausmaßen.
Eine Probe von 125 Stück rechteckiger Blöcke wurde verwendet, um Gewicht und Dicke zu messen und es wurde ein Histogramm gezeichnet, um die Verteilungen zu zeigen. Die Ergebnisse zeigen, wie in 2 ersichtlich ist, dass für eine spezifizierte Dicke von 3,000 mm die tatsächlichen Dicken in einem Bereich von 2,985 bis 3,015 mm, mit einem Mittel von 3,0052 mm, variieren. Die Standardabweichung betrug 0,0023 und der Dreisigma-Wert betrug 0,0069. Der Cp bei 3-Sigma-Verteilung der Gewichte beträgt 4,2, wogegen der Cp von Dickenausmaß 2,16 beträgt. Auf diese Weise stellte das Verfahren von Vakuumsintern Wolfram/rostfreier Stahl-Legierungen mit ausgezeichneter Verfahrenskontrolle in Bezug auf Gewicht und Ausmaß her.
Wenn eine lineare Toleranz von 0,5 % auf das Dickenausmaß angewendet wird, wäre die Spezifizierung von Dicke 3,00 ± 0,015 mm. Der Cpk wäre 1,41, wie im Histogramm von 2 ersichtlich ist. Die Dichte des gesinterten Teils wurde mit 18,39 g/cm³ gemessen, was sehr nahe am Wert der Dichte der Bulkware von 18,5 liegt.
Die magnetische Permeabilität der Legierung wurde mit einem Vibrationsprobenmagnetometer (VSM, vibration sample magnetometer) gemessen. Das Ergebnis war ein Wert von Eins, was bedeutet, dass die Legierung der vorliegenden Erfindung vollständig nichtmagnetisch ist.
Obwohl die Erfindung insbesondere unter Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen davon aufgezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Veränderungen in Form und Details gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Legierung mit hoher Dichte, bestehend aus 75 bis 98 % Wolfram und 2 bis 25 % rostfreiem Stahl, umfassend: – Bereitstellen von Wolframpulver mit einer ersten Partikelgröße; – Bereitstellen von austenitischem Pulver aus rostfreiem Stahl einer zweiten Partikelgröße; – Mischen der Pulver, in Gewichtsverhältnissen von zwischen 75 und 98 % Wolfram und zwischen 2 und 25 % rostfreiem Stahl, mit einem Bindemittel, um ein Rohmaterial zu erhalten, – Verpressen des Rohmaterials und dann Entfernen des Bindemittels und – Einbringen des Pulvergemisches in einen Ofen und Sintern des selben für eine Zeitspanne bei einer Temperatur, wobei das Pulvergemisch zu einem nicht porösen Feststoff wird, welcher eine Dichte aufweist, die mindestens 98 % des Wertes der Bulkware der Legierung entspricht.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Partikelgröße zwischen 0,6 und 10 Mikron beträgt und/oder die zweite Partikelgröße zwischen 5 und 40 Mikron beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeitdauer des Sinterns zwischen 0,5 und 1,5 Stunden beträgt und/oder die Temperatur zwischen etwa 1.400 und 1.550 °C beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine Dichte zwischen etwa 16 und 19 g/cm³ und/oder einen elektrischen Widerstand zwischen etwa 5 und 7 Ohm-cm.
Ein Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Legierung mit hoher Dichte nach Anspruch 1 in Form eines Gegenstandes, umfassend – Bereitstellen von Wolframpulver mit einer ersten Partikelgröße; – Bereitstellen von austenitischem Pulver aus rostfreiem Stahl einer zweiten Partikelgröße; – Mischen der Pulver um eine homogene Pulvermischung zu erhalten, in welcher die Gewichtsverhältnissen von zwischen 75 und 98 % Wolfram und zwischen 2 und 25 % rostfreiem Stahl betragen; - Mischen des gemischten Pulvers mit einem Bindemittel, um ein Rohmaterial zu erhalten; – Verpressen des Rohmaterials in einer Form, um einen Rohling zu erhalten; – dann Entfernen des Bindemittels; – dann Einbringen des Rohlings in einen Ofen auf einem Träger und Sintern desgleichen, wobei der Rohling zu einem Gegenstand wird, welcher eine Dichte aufweist, die mindestens 98 % des Wertes der Bulkware der Legierung entspricht; – nach dem Sintern Reinigen und Glätten aller Oberflächen des Gegenstandes und dann Schützen dieser Oberflächen.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bindemittel ein organisches Polymer ist, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Stearinsäuren, Mikropulvar-Wachs, Paraffin-Wachs und Polyethylen.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Sinterns des Rohlings weiter umfasst: – Erhitzen des Rohlings im Vakuum von weniger als 0,01 Torr von Raumtemperatur auf eine erste Temperatur von zwischen 500 und 700 °C mit einer Veränderung der Temperatur von etwa 100 und 300 °C pro Stunde (°C/hr) – Aufrechterhalten dieser ersten Temperatur für den Rohling für etwa 0,5 bis 1 Stunde; – danach Erhitzen, ausgehend von der ersten Temperatur, mit einer Veränderung der Temperatur von etwa 300 und 500 °C pro Stunde (°C/hr) bis eine zweite Temperatur von zwischen etwa 1.400 und 1.550 °C erreicht ist; – dann konstant halten der zweiten Temperatur für etwa zwischen 30 und 90 Minuten; – danach graduelles Senken der Temperatur bis diese vermindert ist auf zwischen etwa 600 und 1.000 °C; und – danach schnelles Kühlen des Gegenstandes unter Verwendung von Inertgasen.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Reinigens und Glättens aller Oberflächen des Gegenstandes Trommeln oder ein Glasperlverfahren umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Schützens der Oberflächen weiterhin das Beschichten mit einem Epoxid oder das Beschichten mit Nickel umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Beschichtens mit Nickel weiterhin das Ausbringen einer Zwischenschicht aus Nickel oder nicht elektrochemisches Beschichten oder elektrochemisches Beschichten umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bindemittel durch Lösungsmittelextraktion oder durch Erhitzen oder katalytische Einwirkung oder durch Dochtwirkung entfernt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Träger Tonerde ist.
Das Verfahren nach Anspruch 8, ausgerichtet zur Herstellung eines gesinterten Gegenstandes, ausgewählt aus der Gruppe aus mittels kinetischer Energie wirkender Durchstoßkörper, Festplatten-Antriebs-Ausgleichsgewichte, Schutzschilde gegen Kernstrahlung, Schutzschilde gegen Strahlung im medizinischen Bereich, Hochspannungselektrokontakte und Hochspannungselektroden.
Eine gesinterte Legierung, bestehend aus zwischen 75 und 98 Gew.-% aus Wolfram und zwischen 2 und 25 Gew.-% aus austenitischem, rostfreiem Stahl, welche Legierung eine Dichte zwischen 16 und 19 g/cm³ aufweist; welche Legierung nicht magnetisch ist und welche Legierung einen elektrischen Widerstand von zwischen 5 und 7 Ohm-cm aufweist.
Gefertigter Gegenstand, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mittels kinetischer Energie wirkender Durchstoßkörper, Festplatten-Antriebs-Ausgleichsgewichte, Schutzschilde gegen Kernstrahlung, Schutzschilde gegen Strahlung im medizinischen Bereich, Hochspannungselektrokontakte und Hochspannungselektroden, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einer Legierung gemäß Anspruch 14 besteht.
Die Legierung nach Anspruch 14, wobei die Legierung durch ein Sinterverfahren aus Pulver hergestellt wurde.