DE60005045T2 - Plasmaextraktion von bindemittel in durch pulverspritzgiessen hergestellten formkörpern - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein thermochemisches Verfahren zum Entfernen von Bindemittel von Teilen, die durch Spritzgießen metallischer und/oder keramischer Pulver erhalten werden, welches eine elektrische Entladung in einer Umgebung einsetzt, die Wasserstoff oder ein anderes atomares oder molekulares Gas auf niedrigem Druck enthält, um reaktive Teilchen zu erzeugen, und die Teile zu erwärmen, was dazu führt, dass das in den Teilen enthaltene Bindemittel in erheblich kürzeren Zeiten entfernt wird als bei den herkömmlichen Verfahren.
• Die Verfahren der Pulvermetallurgie sind äußerst wirksam, da sie technologisch und ökonomisch wettbewerbsfähige Aspekte bei der Herstellung von Teilen in Gruppen mit komplizierter Geometrie mit sich bringen, die aus Eisen und Stahl und anderen Metallen hergestellt werden. Bei diesen Verfahren stellt das Einspritzen von Mischungen aus metallischen und/oder keramischen Pulvern mit einem organischen Bindemittel eines der vielversprechensten Verfahren dar. Auch hier ist jedoch das Entfernen dieser organischen Bindemittel nach dem Einspritzen, vor der Durchführung der endgültigen Sinterung, immer noch ein begrenzender Faktor, da die vorhandenen Extraktionsverfahren eine übermäßig lange Bearbeitungszeit erfordern, in der Nähe von Dutzenden von Stunden, die Produktivität verringern, und daher den Preis von Teilen erhöhen, die durch die Technik des Ausformens von Pulvern durch Einspritzen erhalten werden. Die heute eingesetzten Verfahren der Bindemittelextraktion führen zur Umweltverschmutzung, darüber hinaus, dass sie eine übermäßig lange Zeit benötigen, da sie kurzkettige Kohlenwasserstoffe freisetzen, oder durch Brennvorgänge Reste erzeugen, beispielsweise Kohlenmonoxyd. Die am häufigsten verwendetsten Bindemittel sind Mischungen aus Wachsen und anderen Polymeren, beispielsweise Polyethylen, Polypropylen und Polyazetat. Bei dem Verfahren der Bindemittelextraktion mittels Plasma, dem Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung, ist eine verringerte Erzeugung von Gasen vorhanden, die im Wesentlichen langkettige Kohlenwasserstoffgase sind, hauptsächlich Methan, ohne Sauerstoffverbrennungserzeugnisse, wodurch das Freisetzen von Kohlenmonoxyd verhindert wird.
• Verfahren, bei welchen die Plasmatechnik heutzutage eingesetzt wird, umfassend Nitrieren, Karbonitrieren, Zementieren, Oxidation, Sintern, unter anderem. Die Erwärmung des Teils erfolgt mittels eines Kathodensputtervorgangs. Die Kathode dient als Halterung für das Teil, das Teil wird zusammen mit der Kathode durch Ionen beschossen, und wird daher warm. Die Erwärmung des Teils tritt deswegen auf, da die elektrische Entladung der Kathode mit einer negativen Spannung einer Hochspannungsquelle verbunden ist, und die Ionen stark in dem elektrischen Feld der Kathodenabschirmung in Richtung auf die Kathode beschleunigt werden; wenn sie mit der Kathode zusammenstoßen, erwärmen sie sie. Das Sinterverfahren mittels Plasma, das in der PI9603488-2 beschrieben wird, stellt ein Beispiel dar.
• Das Verfahren der Bindemittelextraktion mittels Plasma, das in diesem Bericht beschrieben wird, umfasst, die Plasmatechnik dazu einzusetzen, über das Erwärmen der Teile hinaus aktivierte Teilchen zu erzeugen. Diese aktivierten Teilchen sind grundlegend für die Erhöhung der Reaktionskinetik des Verfahrens der Bindemittelextraktion, nämlich in der Hinsicht, dass die Extraktion in der Größenordnung von 10 mal kürzer als bei den herkömmlichen Verfahren erfolgt. Die aktivierten Teilchen werden dadurch erhalten, dass Elektronen mit hoher kinetischer Energie, die in der elektrischen Entladung vorhanden sind, mit Wasserstoffmolekülen zusammenstoßen. Das Vorhandensein dieser aktivierten Teilchen bildet einen fundamentalen Unterschied zwischen dem Gegenstand des Verfahrens der vorliegenden Patentanmeldung und den anderen Verfahren der Bindemittelextraktion.
• Das Verfahren der Bindemittelextraktion mittels Plasma setzt eine elektrische Entladung in einer Umgebung eines Niederdruckplasmareaktors ein, der eine gasförmige Mischung enthält, die H₂ als Hauptgas enthält. Das Verfahren ist in der Zeichnung dargestellt.
• Die Zeichnung verdeutlicht das vereinfachte Aussehen der Plasmareaktorumgebung, die für die Bindemittelextraktion eingesetzt wird, mit den zu bearbeitenden Teilen (1), der Halterung (2) der Teile (1), dem Körper des Ofens (3), dem Zugang (4) der gasförmigen Mischung, dem Vakuumsystem (5) und dem Plasma (6).
• Die zu bearbeitenden Teile (1) werden auf die Halterung (2) aufgelegt. Die Anordnung aus Halterung (2) und Teilen (1) wird mit dem Plasma (6) behandelt, und wird durch den Beschuss mit Ionen und Atomen oder schnellen Molekülen erwärmt, oder sogar durch Wärmestrahlung, die von der Kathode der elektrischen Entladungsschaltung ausgeht.
• Bei der elektrischen Entladung sind, über die Ionen und Atome oder Moleküle mit hoher kinetischer Energie hinaus, die für das Erwärmen der Bauteile verwendet werden, auch Elektronen vorhanden, die erheblich leichter sind als die Ionen, und erheblich höhere Geschwindigkeiten aufweisen. Auf diese Weise treten drei wichtige Reaktionen in dem Verfahren zum Entfernen organischen Bindemittels in eingespritzten Teilen auf: e + H2 → e + 2H
• Dies bedeutet, dass ein Elektron mit hoher Geschwindigkeit mit einem H₂-Molekül zusammenstößt, was zur Dissoziation des Moleküls führt, und einem Verlust an kinetischer Energie des Elektrons. Die andere, bestätigte Reaktion: e + H2 → e + H2 bedeutet, dass ein Elektron mit hoher Geschwindigkeit mit einem H₂-Molekül zusammenstößt, wodurch dieses Molekül angeregt wird, und das Elektron kinetische Energie verliert. Eine andere, beobachtete Reaktion ist: e + H2 → 2e + H2 was bedeutet, dass ein Elektron auf hoher Geschwindigkeit mit einem H₂-Molekül zusammenstößt, wodurch ein Wasserstoffmolekülion erzeugt wird, und das Elektron kinetische Energie verliert.
• Infolge dieser Reaktionen enthält die gasförmige Umgebung des Ofens (3) Teilchen wie atomaren Wasserstoff oder molekularen Wasserstoff, auf einem hohen Niveau der potentiellen Energie, und enthält darüber hinaus das Wasserstoffmolekülion. Die ersten beiden, voranstehend angegebenen Reaktionen bilden den chemischen Teil des thermochemischen Verfahrens zum Entfernen des Bindemittels, während die dritte Reaktion für den thermischen Teil des Verfahrens verantwortlich ist, also für die Erwärmung der Teile verantwortlich ist. Alle diese Teilchen stellen Teilchen mit einem hohen chemischen Reaktionsvermögen dar. Sobald sie in Berührung mit dem Bindemittel des eingespritzten Teils (1) gelangen, rufen Sie eine aktivierte chemische Reaktion hervor, bei welcher die Kohlenstoffkette des organischen Materials in erheblich kürzerer Zeit als bei den herkömmlichen Verfahren aufgebrochen wird. Dies führt dazu, dass Kohlenstoff und flüchtiger Wasserstoff aus der Reaktorumgebung (3) durch die Vakuumpumpe (5) abgezogen werden. Es ist wesentlich darauf hinzuweisen, dass andere atomare oder molekulare Gase, beispielsweise Sauerstoff, ebenfalls dazu eingesetzt werden können, aktivierte Teilchen zu erhalten.
• Über die kleinste Zeit zum Extrahieren des Bindemittels, den niedrigsten Energieverbrauch, und die niedrigsten Umweltverschmutzungsniveaus des hier geschilderten Verfahrens hinaus, besteht eine weitere Eigenschaft darin, dass derselbe Plasmaofen, der für die Extraktion des Bindemittels verwendet wird, auch zum Sintern der Teile mittels Plasma eingesetzt werden kann. Auf diese Weise ist es nur erforderlich, nach dem Entfernen des Bindemittels mittels Plasma, den Ofen so einzustellen, dass er das Plasmasintern erzielt, insbesondere durch Änderung der Gase und der Temperaturbedingungen und des internen Ofendrucks. Dies führt dazu, dass die Extraktion des Bindemittels und das Sintern in denselben Geräten erfolgen, und im selben Wärmezyklus, unter Energieeinsparungen, geringeren Investitionen, und in erheblich kürzerer Zeit.
• Das hier geschilderte Verfahren extrahiert, verglichen mit den vorhandenen Verfahren, das Bindemittel in Zeiten, die bis um das 10fache kürzer sind. Darüber hinaus stellt es ein Verfahren mit erheblich geringerer Umweltverschmutzung dar, da als Reste gasförmige Bestandteile kurzer Kohlenstoffketten und Wasserstoff auftreten. Das Verfahren kann überwacht und automatisiert werden, da die Entfernung des Bindemittels durch Massenspektrometrie oder optische Spektrometrie kontrolliert werden kann, wodurch der Endpunkt des Verfahrens exakt festgelegt wird. Es ist möglich, das Entfernen des Bindemittels und das Plasmasintern in demselben Reaktor (3) durchzuführen, was es ermöglicht, das Verfahren in demselben Wärmezyklus ablaufen zu lassen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Plasmaextraktion eines Bindemittels in Teilen, die aus Pulvern erhalten werden, die durch Spritzgießen geformt wurden, dadurch gekennzeichnet, dass es ein thermochemisches Verfahren ist, das in einem Plasmareaktor ausgeführt wird, der eine gasförmige Mischung einsetzt, die Wasserstoff auf niedrigem Druck enthält, wobei auf Wasserstoff einwirkende elektrische Entladungen die Ausbildung des Plasmas (6) fördern, das aktivierte Teilchen enthält, die aus atomarem Wasserstoff bestehen, aus Wasserstoffmolekülen im Zustand mit hoher potentieller Energie, und Wasserstoffmolekülionen, die zum Erwärmen der Teile (1) dienen, die in der Halterung (2) innerhalb des Ofens (3) angeordnet sind, um die chemische Zersetzung und das Entfernen des Bindemittels im Inneren der Teile (1) zu bewirken, um die Extraktionskinetik des Bindemittels zu erhöhen, und um signifikant die erforderliche Extraktionszeit zu verringern.
2. Verfahren zur Plasmaextraktion eines Bindemittels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma zusätzlich andere atomare oder molekulare Gase enthält, wie Argon, Sauerstoff, oder Stickstoff, in variablen Anteilen, welche aktivierte Teilchen zur Plasmaextraktion des Bindemittels erzeugen.
3. Verfahren zur Plasmaextraktion eines Bindemittels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu extrahierende Bindemittel irgendeines jener Bindemittel ist, die in der Herstellungstechnologie pulvermetallischer und/oder keramischer gespritzter Teile verwendet werden, einschließlich Mischungen aus Wachsen und anderer polymerer Bindemittel, beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyazetat und andere organische Bindemittel.