DE60015255T2

DE60015255T2 - Verfahren zur Herstellung von gesinterten Formkörpern aus Metallpulver durch Schlickergiessen und Gravieren

Info

Publication number: DE60015255T2
Application number: DE60015255T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Suwa-shi Nagano-ken Shimodaira; Junichi Suwa-shi Nagano-ken Hayashi
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-08-19
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: EP1077099B1; KR100512386B1; KR20010030102A; JP2001059103A; CN1287897A; EP1077099A2; EP1077099A3; DE60015255D1; TW450856B

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Metallpresslingen.
Herkömmlicherweise werden Gedenktafeln aus Metall durch Gießverfahren hergestellt, z. B. durch ein Maskenformgebungsverfahren, bei dem eine Form, die durch Hinterfüttern von hitzehärtendem Formsand ausgebildet wird, verwendet wird, und ein Wachsausschmelzverfahren, bei dem ein Wachsmodell verwendet wird, und dergl.
Jedoch kommt es bei diesen Gießverfahren leicht zu Gießfehlern in den Endprodukten, z. B. zu Rissen und Hohlräumen. Wenn derartige Fehler in einem Produkt auftreten, ergibt sich eine große Kontaktfläche mit der Luft, wodurch es zum Oxidieren oder Rosten des Produkts kommt. Ferner muss bei den Gießverfahren die Entformbarkeit eines Produkts aus der Form berücksichtigt werden. Um eine gute Entformbarkeit zu erzielen, ist es erforderlich, dass die Form konisch verlaufende Bereiche zur Freisetzung des Produkts oder abgerundete Eckbereiche mit einer relativ großen Krümmung aufweist, was aber zu einer Einschränkung der Variationsmöglichkeiten bei der Gestalt der Form führt. Ferner tritt bei Gießverfahren ein Problem insofern auf, als feine und genaue Schriftzeichen und Muster auf den Produkten nur schwer auszubilden sind und auf diese Weise gebildete Schriftzeichen und Muster im Verlauf von einigen Jahren mit hoher Wahrscheinlichkeit einer Veränderung oder Deformation unterliegen.
Da ferner Gedenktafeln, die durch ein Gießverfahren erhalten worden sind, eine raue Gießoberfläche aufweisen, muss an den erhaltenen Gedenktafeln eine Oberflächenbehandlung, z. B. durch Sandstrahlen, vorgenommen werden.
Außerdem kann bei diesen Gießverfahren der Fall eintreten, dass es unmöglich oder schwierig ist, ein Metallprodukt unter Verwendung von Materialien, wie Metallen mit einem hohen Schmelzpunkt, Hartmetallen, bei denen die daraus gebildeten Metallprodukte schwer zu bearbeiten sind, und Metallen, die nur schwer Legierungen bilden, herzustellen. Selbst wenn aus diesen Materialien ein Metallprodukt gebildet werden kann, sind längere Zeitspannen und schwierige Bearbeitungen erforderlich. Somit bestehen bei herkömmlichen Gießverfahren Beschränkungen in Bezug auf die zu verwendenden Metallmaterialien.
EP-A-0 856 265 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Edelmetallprodukts, das im wesentlichen aus folgenden Stufen besteht: eine erste Stufe zur Formgebung einer tonartigen Zusammensetzung, die aus 90–99 Gew.-% mindestens eines Bestandteils aus der Gruppe reine . Edelmetallpulver und Edelmetalllegierungspulver, 0,1–10 Gew.-% eines organischen Bindemittels und Wasser besteht, zu einer gewünschten Gestalt, eine zweite Stufe zur Verfestigung der gebildeten tonartigen Zusammensetzung durch Trocknen und Erzielung einer festen geformten Masse, eine dritte Stufe zum festen Anbringen eines Zusatzelements an der festen geformten Masse, wobei ein Teil der tonartigen Zusammensetzung als Klebstoff dient, und eine vierte Stufe zum Brennen des erhaltenen Verbundstoffes, bei dem das Zusatzelement an der festen geformten Masse befestigt ist.
EP-A-0 457 350 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Edelmetallgegenstands, das folgendes umfasst: Herstellen eines formbaren Gemisches mit einem Gehalt an einem Edelmetallpulver und einem Bindemittel, das durch Sintern entfernbar ist, Formgebung des formbaren Gemisches zu einem vorbestimmten Formkörper und Durchführen eines Festphasen-Sinterungsvorgangs am Formkörper, um einen vom Bindemittel befreiten Edelmetallgegenstand bereitzustellen. Die Formgebung umfasst das Aufbringen des formbaren Gemisches von Hand auf ein verbrennbares Grundelement, um einen Formkörper zu erhalten, der die Gestalt des Grundelements wiedergibt. Gemäß einer Ausführungsform wird das formbare Gemisch auf einem Arbeitstisch platziert und ausgebreitet, um eine Platte herzustellen, die sodann vor dem Sintern durch Gravieren oder Stanzen in die gewünschte Form gebracht wird.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Metallpresslingen bereitzustellen, das zur Herstellung von gesinterten Metallpresslingen von hoher Dichte befähigt ist, an denen eine Metallbearbeitung, z. B. durch Gravieren, leicht vorgenommen werden kann, wobei verschiedene Metallmaterialien zur Herstellung der gesinterten Presslinge verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung ist es möglich, gesinterte Metallpresslinge von hoher Dichte herzustellen, auf denen feine und genaue Muster und/oder Schriftzeichen und dergl. ausgebildet und angezeigt werden können oder die eine genaue, komplizierte Gestalt aufweisen. Ferner ist es möglich, Metallprodukte, z. B. Metallprodukte mit großen Abmessungen und nach Maß angefertigte Metallprodukte und dergl., zu erzeugen, da erfindungsgemäß derartige Metallprodukte durch Schlickerguss hergestellt werden. Außerdem ist es mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren möglich, das Metallmaterial für das Metallpulver in entsprechender Weise auszuwählen. Dies ermöglicht die Herstellung von Metallprodukten, wie Gedenktafeln, aus Metalllegierungen, die bei herkömmlichen Gießverfahren nicht verwendet werden konnten, und aus Hartmetallmaterialien, bei denen die daraus gebildeten Metallprodukte nur schwer zu bearbeiten sind, oder aus Metallmaterialien mit hohem Schmelzpunkt. Somit lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung von gesinterten Metallpresslingen ausweiten. Der gesinterte Metallpressling mit einer Porosität von weniger als 7 % weist eine hohe Dichte und eine hohe Festigkeit auf. Daher ist es möglich, gesinterte Metallpresslinge mit hoher Maßhaltigkeit und einem hochwertigen Erscheinungs bild bereitzustellen. Ferner ist es bei derartigen gesinterten Metallpresslingen unwahrscheinlich, dass beim Sinterungsverfahren Sinterungsfehler auftreten.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung ist es bevorzugt, dass das flüssige Gemisch zwei oder mehr Arten von Metallpulvern mit unterschiedlichen Zusammensetzungen umfasst. Durch geeignete Auswahl von zwei oder mehr Arten der Metallpulver wird es möglich, gesinterte Metallpresslinge mit mehrfachen Funktionen oder neuartigen Funktionen herzustellen.
Ferner ist es beim vorstehend beschriebenen Verfahren bevorzugt, dass die durchschnittliche Teilchengröße des Metallpulvers weniger als 150 μm beträgt. Durch Verwendung eines Metallpulvers mit einer derartigen durchschnittlichen Teilchengröße wird die Verdichtung von Grünkörpern durch Sintern gefördert, so dass es möglich wird, gesinterte Presslinge von hoher Dichte zu erhalten.
Außerdem ist es beim vorstehend beschriebenen Verfahren bevorzugt, dass der Anteil des Metallpulvers im flüssigen Gemisch 70 bis 97 Gew.-% beträgt. Das flüssige Gemisch, das Metallpulver in diesem Mengenbereich enthält, weist eine ausreichende Fließfähigkeit auf, so dass es glatt in eine Form gegossen werden kann. Ferner lässt sich durch Verwendung eines derartigen flüssigen Gemisches eine stärkere Schrumpfung eines Grünkörpers während der Sinterung verhindern.
Ferner ist es beim vorstehend beschriebenen Verfahren bevorzugt, dass das flüssige Gemisch außerdem ein organisches Bindemittel enthält und der Anteil des organischen Bindemittels im flüssigen Gemisch 0,2 bis 5 Gew.-% beträgt. Durch Verwendung eines derartigen flüssigen Gemisches lässt sich eine ausreichende Bindungsfestigkeit zwischen den Metallpulverteilchen gewährleisten, nachdem die Wasserkomponente in der Aufschlämmung ohne Verringerung der Fließfähigkeit der Aufschlämmung entfernt worden ist, so dass das Auftreten von Sinterungsfehlern im gesinterten Metallpressling und ein Anstieg der Porosität des gesinterten Metallpresslings in geeigneter Weise verhindert werden kann.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das organische Bindemittel hauptsächlich aus wasserlöslichen Substanzen zusammengesetzt ist. Bei Verwendung eines derartigen organischen Bindemittels wird dieses organische Bindemittel in der Wasserkomponente in Form einer Aufschlämmung gut dispergiert, so dass es möglich ist, eine Aufschlämmung mit gleichmäßiger Zusammensetzung zu erhalten.
Ferner ist es beim vorstehend beschriebenen Verfahren bevorzugt, dass das Fluidgemisch einen Weichmacher enthält. Dadurch lässt sich die Fluidität des Fluidgemisches verbessern, wodurch es möglich wird, durch das Schlickergießverfahren einen Grünkörper mit gleichmäßiger dispergierten Teilchen zu erhalten.
Ferner ist es beim vorstehend beschriebenen Verfahren bevorzugt, dass der Grünkörper bei der Stufe der Herstellung des Grünkörpers durch Schlickergießen zu dem Zeitpunkt aus der Form entnommen wird, an dem der Wassergehalt im Grünkörper 8 % oder weniger beträgt. Dadurch wird es möglich, den Grünkörper aus der Form glatt zu entnehmen, ohne dass es zur Deformation und zur Rissbildung im Grünkörper kommt.
Beim vorstehend beschriebenen Verfahren werden vorbestimmte Muster, Formen und/oder Schriftzeichen oder dergl. am Grünkörper durch Gravieren gebildet, so dass es möglich ist, gesinterte Metallpresslinge herzustellen, auf denen feine und genaue Muster und/oder Schriftzeichen und dergl. ausgebildet sind.
Ferner ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Sinterungsstufe eine Entbindungsbehandlung zur Entfernung des organischen Bindemittels aus dem Grünkörper umfasst. Dabei ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, eine Entbindungsstufe separat vorzunehmen, wodurch das Herstellungsverfahren für gesinterte Metallpresslinge erleichtert und die Produktivität verbessert werden kann.
Außerdem ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, gesinterte Metallpresslinge herzustellen, auf denen feine und präzise Muster und/oder Schriftzeichen oder dergl. ausgebildet sind oder die präzise komplizierte Gestalten aufweisen, so dass sich die vorliegende Erfindung zur Herstellung von nach Maß angefertigten Metallprodukten eignet.
Diesbezüglich eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur Herstellung von Gedenktafeln. Der Grund hierfür ist, dass sich Gedenktafeln üblicherweise im Freien befinden und sie dabei über lange Zeitspannen hinweg der Luft ausgesetzt sind. Aus diesem Grund werden Materialien mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit und Wetterfestigkeit als Bestandteile für Gedenktafeln verwendet. Erfindungsgemäß ist es möglich, gesinterte Metallpresslinge von hoher Dichte und ohne Sinterungsfehler herzustellen, indem man in geeigneter Weise die Arten der zu verwendenden Metallpulver auswählt. Daher eignet sich die vorliegende Erfindung in besonderer Weise zur Herstellung von Gedenktafeln mit derartigen Eigenschaften.
Außerdem ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, umgekehrte Schriftzeichen (d. h. Schriftzeichen in Spiegelschrift) am Boden der Form auszubilden, wie es bei herkömmlichen Verfahren der Fall war. Es ist erfindungsgemäß nämlich möglich, am Grünkörper Gravierungen vorzunehmen, um Schriftzeichen darauf auszubilden, ohne dass sie, wie vorstehend beschrieben, umgekehrt dargestellt werden. Infolgedessen wird es möglich, bei der Herstellung von Metallprodukten die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
Die vorstehend aufgeführten und weiteren Ziele, Verfahren und Vorteile der vorliegenden. Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Fließdiagramm, das eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von gesinterten Metallpresslingen zeigt.
2 ist eine Darstellung, die eine Querschnittansicht eines Beispiels einer Form zeigt, die beim erfindungsgemäßen Schlickergießverfahren verwendet wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen gesinterten Metallpresslinge ausführlich beschrieben.
1 ist ein Fließdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemäßen gesinterten Metallpresslingen darstellt. 2 ist eine Abbildung, die eine Querschnittansicht eines Beispiels für eine Form, die im erfindungsgemäßen Schlickergießverfahren verwendet wird, darstellt.
Zunächst wird eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der gesinterten Metallpresslinge beschrieben. Dabei bezieht sich die Beschreibung auf einen Fall, bei dem ein gesinterter Metallpressling in Form einer Gedenktafel hergestellt wird.
[1] Herstellung eines Grünkörpers
Erfindungsgemäß wird ein Grünkörper durch Schlickerguss unter Verwendung eines Fluidgemisches, das Metallpulver enthält, und einer Form zur Aufnahme des Fluidgemisches hergestellt. Nachstehend wird das Fluidgemisch kurz als "Aufschlämmung" bezeichnet.
Die Aufschlämmung enthält Metallpulver, ein organisches Bindemittel (Dispergiermedium) und Wasser. Üblicherweise wird die diese Bestandteile enthaltende Aufschlämmung mit einem Rührer (d. h. einer Mischvorrichtung) so gerührt, dass das Metallpulver im wesentlichen gleichmäßig in der Aufschlämmung dispergiert wird.
Hinsichtlich der Metallmaterialien für das Metallpulver (nachstehend kurz als "Metallmaterial" bezeichnet) gibt es keine Beschränkungen. Es können mindestens einer der Bestandteile Fe, Ni, Co, Cr, Mn, Zn, Pt, Au, Ag, Cu, Pd, Al, W, Ti, V, Mo, Nb, Zr und dergl. verwendet werden. Ferner können Legierungen, die hauptsächlich Mindestens eines dieser Elemente enthalten, als Materialbestandteile für das Metallpulver verwendet werden.
Wie vorstehend beschrieben, können verschiedene Metallmaterialien für das Metallpulver beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Ferner kann die vorliegende Erfindung, wie nachstehend beschrieben, auf Formen mit verschiedenen Gestalten angewendet werden. Aus diesen Gründen können Metallmaterialien, deren Verwendung bei herkömmlichen Verfahren schwierig ist, zur Herstellung von Metallprodukten (Metallgegenständen), wie Gedenktafeln, verwendet werden. Beispielsweise ist es erfindungsgemäß zur Herstellung von Metallprodukten möglich, folgende Materialien zu verwenden: Metallmaterialien, wie Metalle mit einer relativ hohen Härte; Metalle, die schwierig zu bearbeiten sind; Metalle mit hohem Schmelzpunkt; und Metalle, die schwer Legierungen bilden.
Gedenktafeln werden üblicherweise im Außenbereich angebracht. Dabei sind sie über lange Zeit hinweg der Luft ausgesetzt. Aus diesem Grund sollen als Materialbestandteile für Metallpulver zur Bildung einer Gedenktafel Produkte mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit und Wetterfestigkeit verwendet werden.
Zu speziellen Beispielen für derartige Metallmaterialien gehören Legierungen auf Fe-Basis mit einer korrosionsbeständigen Beschaffenheit, wie rostfreier Stahl (z. B. SUS 304, SUS 310S, SUS 316L, SUS 317, SUS 329J1, SUS 410, SUS 430, SUS 440 und SUS 630) und dergl.; Ti oder Legierungen auf Ti-Basis; Ni oder Legierungen auf Ni-Basis; und dergl.
Ferner können erfindungsgemäß zwei oder mehr Arten von Metallmaterialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen verwendet werden. Durch Verwendung derartiger Metallmaterialien wird es möglich, Metallprodukte aus Legierungen herzustellen, die aufgrund ihrer Zusammensetzungen bei herkömmlichen Gießverfahren nicht verwendet werden konnten. Ferner wird es dadurch möglich, in einfacher Weise gesinterte Metallpresslinge mit mehrfachen Funktionen und neuartigen Funktionen herzustellen, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten von gesinterten Metallpresslingen erweitert werden.
Hinsichtlich der durchschnittlichen Teilchengröße des erfindungsgemäß zu verwendenden Metallpulvers gibt es keine Beschränkungen, wobei die Größe aber unter 150 μm liegen soll und vorzugsweise etwa 0,5 bis 80 μm und insbesondere etwa 1 bis 60 μm betragen soll. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße des Metallpulvers zu groß ist, so erreicht der gesinterte Pressling nicht rasch eine dichte Beschaffenheit, was es erschwert, einen gesinterten Metallpressling von hoher Dichte zu erhalten. Wenn andererseits die durchschnittliche Teilchengröße des Metallpulvers zu klein ist, so ergibt sich eine große Gesamtoberfläche des Metallpulvers, wodurch die Menge des der Aufschlämmung zuzusetzenden organischen Bindemittels zunimmt. Eine derart erhöhte Menge an Bindemittel führt während der Sinterung des Grünkörpers zu einer starken Schrumpfung.
Der Anteil des Metallpulvers in der Aufschlämmung beträgt vorzugsweise etwa 70 bis 97 Gew.-% und insbesondere etwa 80 bis 95 Gew.-%. Wenn der Anteil des Metallpulvers unter 70 Gew.-% liegt, so erfährt der Grünkörper eine stärkere Schrumpfung beim Sintern, wodurch die Maßhaltigkeit sinkt. Wenn andererseits der Anteil des Metallpulvers 97 Gew.-% übersteigt, so ist der relative Anteil des organischen Bindemittels und des Wassers zu gering, was zu einer schlechten Fließfähigkeit führt, wenn die Aufschlämmung in die Form gegossen wird. Dies erschwert die Herstellung des Grünkörpers oder macht diese unmöglich oder die Zusammensetzung des Grünkörpers wird inhomogen.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung des Metallpulvers gibt es keine Beschränkungen. Beispielsweise können ein Wasserzerstäubungsverfahren, ein Gaszerstäubungsverfahren, ein Reduktionsverfahren, ein Carbonylverfahren oder ein Mahlverfahren zur Herstellung des Metallpulvers herangezogen werden. Unter diesen Verfahren wird erfindungsgemäß vorzugsweise das Zerstäubungsverfahren angewendet.
Das erfindungsgemäß verwendete organische Bindemittel dient als Bindemittel zur Bindung von Teilchen des Metallpulvers. Ferner dient das organische Bindemittel in der Aufschlämmung als Dispergiermedium zum gleichmäßigen Dispergieren des Metallpulvers in der Aufschlämmung.
Zu Beispielen für derartige organische Bindemittel (das sowohl als Dispergiermedium als auch als Bindemittel dient) gehören organische Substanzen, wie Stärke, Agar und dergl.; und wasserlösliche Harze, wie Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), wasserlösliches Nylon und dergl. Diese organischen Bindemittel können allein oder in Kombination aus zwei oder mehr Bestandteilen verwendet werden.
Der Anteil eines derartigen organischen Bindemittels in der Aufschlämmung beträgt vorzugsweise etwa 0,2 bis 5 Gew.-% und insbesondere etwa 0,2 bis 3 Gew.-%. Liegt der Anteil des organischen Bindemittels unter 0,2 Gew.-%, so wird die Bindungsfestigkeit zwischen den Metallpulverteilchen, die im Grünkörper enthalten sind, nach Entfernung der Wasserkomponente schwächer, was zu einer brüchigen Beschaffenheit des Grünkörpers führt. Wenn andererseits der Anteil des organischen Bindemittels mehr als 5 Gew.-% beträgt, so ergibt sich eine verringerte Fließfähigkeit der Aufschlämmung, so dass es leicht zum Auftreten von Fehlern im Grünkörper kommt. Ferner ergibt sich tendenziell eine Zunahme der Porosität des gesinterten Metallpresslings nach der Entbindung und Sinterung.
Ferner kann erfindungsgemäß die Aufschlämmung mit Weichmachern versetzt werden. Zu Beispielen für derartige Weichmacher gehören Phthalsäureester (z. B. DOP, DEP und DBP), Adipinsäureester, Trimellitsäureester, Sebacinsäureester und dergl. Diese Produkte können einzeln oder in Kombinationen aus zwei oder mehr Bestandteilen verwendet werden.
Zusätzlich zum Metallpulver, dem organischen Bindemittel und den Weichmachern können gegebenenfalls verschiedene Additive, wie Antioxidationsmittel, Entbindungsförderer, oberflächenaktive Mittel und dergl., der Aufschlämmung zugesetzt werden. Diesbezüglich ist darauf hinzuweisen, dass normalerweise der verbleibende Teil der Aufschlämmung die Wasserkomponente enthält.
Die Bedingungen zum Rühren der Aufschlämmung variieren je nach den Zusammensetzungen und der Teilchengröße des zu verwendenden Metallpulvers und den Typen und Mengen der zuzusetzenden Bindemittel und Additive. Ein Beispiel für derartige Bedingungen ist ein Rührvorgang bei einer Temperatur von 5 bis 80 °C und einer Rührzeit von etwa 5 bis 90 Minuten.
Anschließend wird die auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltene Aufschlämmung in die Form gegossen. Sodann wird ein Grünkörper von gewünschter Gestalt und Größe durch Schlickerguss hergestellt.
Wie in 2 dargestellt, besteht die Form 11 aus einer oberen Formhälfte 12 und einer unteren Formhälfte 13. Die obere Formhälfte 12 und die untere Formhälfte 13 sind über eine Verbindungs oberfläche 15 verbunden. In der Form 11 ist ein Hohlraum (Formgebungsraum) 16 definiert, der der Gestalt einer herzustellenden Gedenktafel entspricht. Ferner ist in der oberen Formhälfte 12 der Form 11 ein Kanal 14 ausgebildet, durch den die Aufschlämmung in den Hohlraum 16 gegossen wird.
In dieser Ausführungsform weist der in der Form 11 definierte Hohlraum 16 eine plattenartige Gestalt auf (was der Gestalt einer herzustellenden Gedenktafel entspricht).
Dabei wird für das Material für die Form 11 mit einem derartigen Hohlraum 16 vorzugsweise ein poröses Material, wie Gips, verwendet. Die Verwendung eines derartigen Materials ermöglicht es, die Wasserkomponente in der Aufschlämmung durch die Form zu absorbieren, so dass ein Grünkörper entsteht.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers unter Verwendung der vorstehend erwähnten Form 11 beschrieben.
Zunächst wird eine Aufschlämmung durch den Kanal 14 in die Form 11 gegossen, so dass der Hohlraum 16 mit der Aufschlämmung gefüllt wird. Nach Beendigung des Eingießens der Aufschlämmung lässt man die Form 11 so lange stehen, bis der Großteil der Wasserkomponente in der Aufschlämmung durch die Form 11 absorbiert worden ist. Sodann wird die Form 11 unter Freisetzen der oberen Formhälfte 12 und der unteren Formhälfte 13 geöffnet und der plattenartige Grünkörper wird aus dem Hohlraum 16 entnommen.
Dabei wird vorzugsweise der Grünkörper aus der Form 11 entnommen, nachdem ein Wassergehalt im Grünkörper von weniger als 8 % und vorzugsweise von weniger als 5 % erreicht ist. Sofern der Grünkörper aus der Form 11 entnommen wird, wenn der Wassergehalt im Grünkörper noch mehr als 8 % beträgt, so ergibt sich eine schwierige Handhabung des erhaltenen Grünkörpers und es kommt leicht zu Deformationen, Fehlern, Rissbildungen und dergl. im erhaltenen Grünkörper, wodurch es üblicherweise schwierig oder unmöglich wird, am erhaltenen Grünkörper eine Metallgravierung (die nachstehend beschrieben wird) vorzunehmen.
Dabei kann der Hohlraum 16 eine beliebige Form annehmen, so dass ein Grünkörper mit der gewünschten Gestalt erhalten werden kann. Im Vergleich zum Metallspritzgießen (MIM), bei dem ein metallisches Spritzwerkzeug verwendet wird, ist es beim Schlickergießen, bei dem man sich einer Form aus Gips oder dergl. bedient, möglich, in einfacher Weise unter geringen Kosten großformatige Formen herzustellen. Dies bedeutet, dass sich das Schlickergießen zur Herstellung von Metallprodukten, wie maßgefertigten (nach Kundenspezifikation gefertigten) Metallprodukten, und von Metallprodukten, die relativ groß sind, und dergl. eignet.
Ferner ist es beim Schlickergießen möglich, die Menge des aus dem Grünkörper während der Entbindungsbehandlung zu entfernenden Bindemittels zu verringern, verglichen mit dem Metallspritzgießen (MIM). Dies bedeutet, dass erfindungsgemäß ein Metallprodukt unter Verwendung einer geringeren Menge an Bindemittel hergestellt werden kann.
Es ist darauf hinzuweisen, dass erfindungsgemäß die Gestalt und die Abmessungen des mit der Form gebildeten Grünkörpers unter Berücksichtigung der erwarteten Schrumpfung, die der Grünkörper während des anschließenden Sinterungsverfahrens erfährt, festgelegt werden.
[2] Gravieren des Grünkörpers
An dem in der vorstehenden Stufe [1] erhaltenen plattenartigen Grünkörper wird ein bestimmter Graviervorgang vorgenommen. Dabei wird eine derartige Gravierung vorgenommen, indem man vorbestimmte Muster, Formen, Schriftzeichen und/oder dergl. am Grünkörper ausbildet (eingraviert).
Bei der Durchführung der Gravierung des Grünkörpers kann ein Gravierwerkzeug, z. B. ein Schaftfräser, der von einer Graviermaschine mit einem Motor angetrieben wird, ein Meißel, der nicht angetrieben werden muss, und dergl., verwendet werden.
Bei dieser Ausführungsform werden vorbestimmte, komplizierte, feine Schriftzeichen und Muster scharf und präzise mit dem Schaftfräser in den Grünkörper graviert, um die Gedenktafel herzustellen, auf der die Schriftzeichen und Muster ausgebildet sind. Dabei kann gegebenenfalls eine zusätzliche Metallbearbeitung, wie Putzvorgänge, Entgratungsvorgänge und dergl., am Grünkörper, an dem die Gravierung vorgenommen worden ist, durchgeführt werden.
Der Grad der am Grünkörper durchzuführenden Gravierung ist unter Berücksichtigung der erwarteten Schrumpfung, die der Grünkörper während der anschließenden Entbindungs- und Sinterungsvorgänge erfährt, vorzunehmen.
Die Härte des Grünkörpers vor dem Sintern ist im Vergleich zur Härte des gesinterten Presslings gering. Daher lässt sich ein derartiger Graviervorgang am Grünkörper unabhängig von der Zusammensetzung des im Grünkörper enthaltenen Metallpulvers leicht durchführen. Selbst bei Herstellung eines Metallprodukts unter Verwendung von Materialien, wie Metallen mit einem hohen Schmelzpunkt oder harten Metallen oder dergl., die nach herkömmlichen Verfahren nur schwer zu verarbeiten waren, ist es aus diesem Grund möglich, den Graviervorgang durchzuführen. Da wie vorstehend beschrieben, erfindungsgemäß das Gravieren am Grünkörper vorgenommen werden kann, ist es möglich, die Größe und die Gestalt des schließlich erhaltenen Produkts leicht zu steuern. Dies bedeutet, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Metallprodukten (Metallgegenständen) eignet, die mit feinen komplizierten Mustern, Schriftzeichen und/oder dergl. versehen sind und/oder eine präzise, komplizierte Gestalt aufweisen.
Ferner ist es bei herkömmlichen Gießverfahren zur Herstellung von Gedenktafeln, auf denen Schriftzeichen angebracht sind, erforderlich, die Schriftzeichen in umgekehrter Form (d. h. in Spiegelschrift) am Boden des Formwerkzeugs anzubringen. Im Gegensatz dazu ist es erfindungsgemäß möglich, den Graviervorgang direkt am Grünkörper unter Bildung von Schriftzeichen vorzunehmen, ohne dass diese, wie vorstehend beschrieben, in umgekehrter Gestalt ausgebildet werden müssen. Infolgedessen wird es bei der Herstellung von Metallprodukten möglich, die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
[3] Sintern des Grünkörpers
Der auf die vorstehende Weise hergestellte Grünkörper wird anschließend in einem Sinterungsofen zur Bildung eines gesinterten Metallpresslings gesintert. Diesbezüglich ist darauf hinzuweisen, dass die Sinterung eine Entbindungsbehandlung zur Entfernung des organischen Bindemittels aus dem Grünkörper umfasst.
Die Diffusion und das Kornwachstum des Metallpulvers werden durch eine derartige Sinterung gefördert und dabei entstehen Kristallkörner. Während der Sinterung verschwinden die Poren unter Bildung eines gesinterten Metallpresslings, der überall eine dichte Beschaffenheit aufweist, d. h. eines gesinterten Metallpresslings mit hoher Dichte und niedriger Porosität.
Wenn es sich bei der Metallzusammensetzung beispielsweise um Fe oder eine Legierung auf Fe-Basis handelt, beträgt die Temperatur während des Sinterungsvorgangs vorzugsweise etwa 1 000 bis 1 500 °C und insbesondere etwa 1 050 bis 1 450 °C. Ferner beträgt im Fall einer Metallzusammensetzung aus Ti oder einer Legierung auf Ti-Basis die Sinterungstemperatur vorzugsweise etwa 950 bis 1 500 °C und insbesondere etwa 1 000 bis 1 450 °C. Ferner beträgt im Fall einer Metallzusammensetzung aus Ni oder einer Legierung auf Ni-Basis die Sinterungstemperatur vorzugsweise etwa 950 bis 1 500 °C und insbesondere etwa 1 000 bis 1 450 °C.
Diesbezüglich ist darauf hinzuweisen, dass die Sinterungstemperatur gegebenenfalls im Laufe der Zeit innerhalb oder außerhalb des vorerwähnten Bereiches verändert (erhöht oder gesenkt) werden kann.
Bei Anwendung der vorstehend angegebenen Sinterungstemperaturen beträgt die Sinterungszeit vorzugsweise etwa 0,5 bis 8 Stunden und insbesondere etwa 1 bis 5 Stunden.
Hinsichtlich der Sinterungsatmosphäre werden keine Beschränkungen auferlegt, wobei aber gemäß einer bevorzugten Praxis die Sinterung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, unter Vakuum oder unter vermindertem Druck durchgeführt werden soll. Durch eine derartige Atmosphäre wird eine Beeinträchtigung der Eigenschaften des gesinterten Metallpresslings durch Oxidation des Metalls verhindert. Ferner wird dadurch ein Beitrag zu einer verminderten Porosität des gesinterten Metallpresslings geleistet.
Ferner handelt es sich bei der bevorzugten Sinterungsatmosphäre (Druck) um eine Atmosphäre unter Vakuum oder unter einem verminderten Druck von 133 Pa (1 Torr) oder darunter (insbesondere 133 × 10^–2 bis 133 × 10^–6 Pa (1 × 10^–2 bis 1 × 10^–8 Torr)); in einem Inertgas (wie Stickstoffgas, Argongas und dergl.) bei 1 bis 101 080 Pa (133 bis 760 Torr); oder in Wasserstoffgas bei 1 bis 101 080 Pa (133 bis 760 Torr).
Erfindungsgemäß kann die Sinterungsatmosphäre während des Sinterungsvorgangs verändert werden. Beispielsweise kann die Sinterungsatmosphäre, bei der es sich ursprünglich um eine Atmosphäre von vermindertem Druck mit 133 × 10^–2 bis 133 × 10^–6 Pa (1 × 10^–2 bis 1 × 10^–8 Torr) handelte, während des Sinterungsvorgangs in eine Inertgasatmosphäre gemäß den vorstehenden Ausführungen abgeändert werden.
Durch Sinterung des Grünkörpers unter den vorerwähnten Bedingungen wird es möglich, die Porosität des schließlich erhaltenen gesinterten Metallpresslings zu verringern. Dabei beträgt die Porosität des gesinterten Metallpresslings weniger als 7 % und vorzugsweise 5 %. Der gesinterte Metallpressling mit einer Porosität in diesem Bereich weist eine hohe Dichte, eine hohe Festigkeit und eine hohe Maßhaltigkeit auf, so dass nicht nur Sinterungsfehler verhindert werden können, sondern auch ein hochwertiges Erscheinungsbild erzielt wird. Ferner kann die Sinterung in wirksamer Weise durchgeführt werden, um den Sinterungsvorgang innerhalb von kurzer Zeit zu beenden, wodurch die Produktivität verbessert wird.
Alternativ kann die Sinterung in zwei oder mehr Stufen durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Sinterungsvorgang zu Ende geführt werden, indem man ihn in eine erste Sinterungsstufe und eine zweite Sinterungsstufe unterteilt.
In diesem Fall kann die zweite Sinterungsstufe unter Sinterungsbedingungen durchgeführt werden, die sich von den Bedingungen der ersten Sinterungsstufe unterscheiden. Ferner kann die Sinterungstemperatur für die zweite Sinterungsstufe auf einen höheren Wert als bei der ersten Sinterungsstufe eingestellt werden. Auf diese Weise wird es möglich, den Sinterungswirkungsgrad weiter zu verbessern und die Porosität des schließlich erhaltenen gesinterten Metallpresslings weiter zu verringern.
Es ist darauf hinzuweisen, dass Metallprodukte, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden können, nicht auf die vorerwähnte maßangefertigte Gedenktafel begrenzt ist. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf die Herstellung von Produkten (Gegenständen), wie Bronzestatuen, Büsten, Siegel, Namensschilder, Nummernschilder, Reliefs (z. B. Kunstgegenstände, industrielle Kunstgegenstände) und dergl. angewandt werden.
Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die Gestalt und die Abmessungen des gesinterten Metallpresslings unter Berücksichtigung der erwarteten Schrumpfung, den der Grünkörper während des Entbindungs- und Sinterungsvorgangs erfährt, festgelegt werden.
Je nach dem speziellen Ziel kann die vorliegende Erfindung eine Vorstufe vor der Durchführung der Stufe [1], eine Zwischenstufe zwischen den Stufen [1] und [3] oder eine nachgeordnete Stufe nach der Stufe [3] umfassen.
BEISPIELE
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von speziellen Beispielen beschrieben.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wird eine Gedenktafel (gesinterter Metallpressling) auf die nachstehend angegebene Weise hergestellt.
Als Metallpulver wurde ein Pulver aus rostfreiem Stahl (SUS 316L; Zusammensetzung: Legierung aus Fe, 18 Gew.-% Cr, 12 Gew.-% Ni, 2 Gew.-% Mo) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 12 μm durch das Wasser-Zerstäubungsverfahren hergestellt.
Ein organisches Bindemittel, das Polyvinylalkohol und Dibutylphthalat (Weichmacher) enthielt, und Wasser wurden mit dem hergestellten Metallpulver vermischt. Das diese Bestandteile enthaltende Gemisch wurde mit einem Rührer 30 Minuten bei 15 °C unter Bildung einer Aufschlämmung gerührt.
Einzelheiten über die Bestandteile in der in Beispiel 1 erhaltenen Aufschlämmung sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle 1
Anschließend wurde die erhaltene Aufschlämmung in die Farm für das Schlickergießen gegossen. Sodann wurde die mit der Aufschlämmung gefüllte Form für eine vorbestimmte Zeitspanne bei Normaldruck und Normaltemperatur stehengelassen, bis die Wasserkomponente in der Aufschlämmung von der Form absorbiert worden war. Anschließend wurde die Form zur Freilegung der Formhälfte und der unteren Formhälfte geteilt, um den Grünkörper aus der Form zu entnehmen. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Wassergehalt im erhaltenen Grünkörper 4 %. Ferner wies der Grünkörper eine Höhe von 345 mm, eine Länge von 345 mm und eine Breite von 41 mm auf. Dabei wurden nach dem Sinterungsvorgang eine Höhe von 250 mm, eine Länge von 250 mm und eine Tiefe von 30 mm angestrebt.
Sodann wurde am erhaltenen Grünkörper ein Graviervorgang durchgeführt. Bei diesem Graviervorgang wurden vorbestimmte Schriftzeichen und Muster mit einem Schaftfräser als Gravierwerkzeug am Grünkörper eingraviert.
Sodann wurde der Grünkörper einer Sinterungsbehandlung unterworfen, die eine Entbindungsbehandlung (d. h. Behandlung zur Entfernung des Bindemittels) umfasste, wodurch man einen gesinterten Metallpressling (Gedenktafel) erhielt. Die Sinterung wurde zunächst bei einem Druck von 1 330 Pa (10 Torr) und einer Temperatur von 500 °C für 3 Stunden in einer Stickstoff-Gasatmosphäre durchgeführt, um die Entbindungsbehandlung zu beenden. Anschließend wurde die Temperatur erhöht, um den braunen Körper (Grünkörper nach Entfernung des Bindemittels) zu sintern. Die Sinterung wurde 3 Stunden bei 1 359 °C in einer Ar-Gasatmosphäre durchgeführt.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurde eine Gedenktafel (gesinterter Metallpressling) unter Verwendung von zwei Arten von Metallpulvern auf die nachstehend angegebene Weise hergestellt.
Als Metallpulver wurde ein Nickelpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3 μm und ein Eisenpulver (reines Eisen) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3 μm durch das Carbonylverfahren hergestellt. Ferner wurde ein Kobaltpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 μm durch ein elektrolytisches Zersetzungsverfahren hergestellt.
Ein organisches Bindemittel, das Polyvinylpyrrolidon und Dibutylphthalat (Weichmacher) enthielt, und Wasser wurden mit dem erhaltenen Nickelpulver, Eisenpulver und Kobaltpulver vermischt. Das diese Bestandteile enthaltende Gemisch wurde 1 Stunde bei 20 °C mit einem Rührer gerührt, wodurch man eine Aufschlämmung erhielt.
Einzelheiten über die Bestandteile in der in Beispiel 2 erhaltenen Aufschlämmung sind in der nachstehenden Tabelle 2 zusammengestellt.
Tabelle 2
Anschließend wurde die erhaltene Aufschlämmung in die Form für das Schlickergießen gegossen. Sodann wurde die mit der Aufschlämmung gefüllte Form für eine vorbestimmte Zeitspanne bei Normaldruck und Normaltemperatur stehengelassen, bis die Wasserkomponente in der Aufschlämmung von der Form absorbiert worden war. Anschließend wurde die Form in die obere Formhälfte und die untere Formhälfte geteilt, um den Grünkörper aus der Form zu entnehmen. Der Wassergehalt im erhaltenen Grünkörper betrug 3 %. Ferner wies der erhaltene Grünkörper eine Höhe von 350 mm, eine Länge von 350 mm und eine Tiefe von 42 mm auf. Die angestrebten Werte für Höhe, Breite und Tiefe nach dem Sinterungsvorgang betrugen 250 mm, 250 mm bzw. 30 mm.
Anschließend wurde am erhaltenen Grünkörper ein Graviervorgang durchgeführt. Bei diesem Graviervorgang wurden vorbestimmte Schriftzeichen und Muster mit einem Schaftfräser am Grünkörper eingraviert.
Sodann wurde der Grünkörper einer Sinterungsbehandlung unterworfen, die eine Entbindungsbehandlung unter Bildung eines metallischen Sinterkörpers (maßangefertigte Gedenktafel) umfasste. Die Sinterung wurde zunächst bei einem Druck von 133 × 10^–2 Pa (1 × 10^–2 Torr und einer Temperatur von 450 °C für 3 Stunden durchgeführt, um die Entbindungsbehandlung zu beenden. Anschließend wurde die Temperatur erhöht, um den braunen Körper (Grünkörper nach Entfernung des Bindemittels) zu sintern. Die Sinterungsbehandlung wurde 3 Stunden bei 1 380 °C in einer Wasserstoff-Gasatmosphäre durchgeführt.
BEWERTUNG DER QUALITÄT
Die in den Beispielen 1 und 2 jeweils erhaltenen gesinterten Metallpresslinge wurden entlang verschiedener Schneideebenen geschnitten, um die Schneideebenen visuell zu bewerten. Die visuelle Bewertung wurde mit dem Ziel einer Prüfung durchgeführt, ob Sinterungsfehler in den jeweiligen gesinterten Metallpresslingen auftraten oder nicht.
Ferner wurden die in den Beispielen 1 und 2 erhaltenen gesinterten Metallpresslinge einer visuellen Prüfung auf den Zustand der Schriftzeichen und Muster, die auf den jeweiligen gesinterten Presslingen gebildet worden waren, unterzogen.
Die Prüfergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
Tabelle 3
Wie in Tabelle 3 angegeben, wurden in den Schnittebenen der gesinterten Metallpresslinge der Beispiele 1 und 2 keine Sinterungsfehler festgestellt. Bei den Prüfungen wurde nämlich festgestellt, dass die in den Beispielen 1 und 2 jeweils erhaltenen gesinterten Metallpresslinge eine hochwertige Qualität aufwiesen. Ferner wurde bei der Prüfung festgestellt, dass die Schriftzeichen und Muster, die auf den gesinterten Presslingen der einzelnen Beispiele auftraten, ebenso präzise und klar waren, wie die auf dem Grünkörper gebildeten Schriftzeichen und Muster, die somit keine Beeinträchtigung erfahren hatten.
Gemäß der vorstehenden beschriebenen Erfindung ist es möglich, gesinterte Metallpresslinge (Metallprodukte/Metallgegenstände) zu erhalten, die eine hohe Dichte und eine präzise, komplizierte Gestalt aufweisen und auf denen erwünschte, feine, präzise Schriftzeichen und Muster und dergl. ausgebildet sind.
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, Metallprodukte unter geringen Kosten durch Schlickergießen herzustellen. Insbesondere ist es möglich, in einfacher Weise Metallprodukte, wie Metallprodukte von relativ großen Abmessungen und maßangefertigte Metallprodukte, herzustellen.
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, Metallprodukte, wie Gedenktafeln, aus Metallmaterialien, wie harten Metallen oder Metallen mit einem hohem Schmelzpunkt, die bei herkömmlichen Verfahren nicht verwendet werden konnten, herzustellen, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Anwendung von gesinterten Metallpresslingen ausgeweitet werden kann.
Wenn ferner zwei oder mehr Arten von Metallpulvern im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, wird es möglich, gesinterte Metallpresslinge mit mehrfachen Funktionen und neuartigen Funktionen herzustellen.
Außerdem werden bei Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die Herstellung von maßgefertigten (nach Kundenspezifikation gefertigten) Metallprodukten, wie Bronzestatuen, Büsten, Siegeln, Namensschildern, Nummernschildern, Reliefs (z. B. Kunstgegenstände, gewerbliche Kunstgegenstände) und dergl., die vorstehend beschriebenen Wirkungen in vorteilhafterer Weise erreicht.
Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass zahlreiche Abänderungen und Zusätze an den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne dass man den Schutzumfang der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung verlässt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gesinterter Metallpresslings, umfassend die folgenden Stufen: Herstellen eines Fluidgemisches, das mindestens eine Art eines Metallpulvers enthält; Herstellen eines Grünkörpers unter Verwendung des Fluidgemisches durch Schlickergießen; Durchführen eines Graviervorgangs am gebildeten Grünkörper; und Sintern des Grünkörpers, an dem der Graviervorgang vorgenommen worden ist, unter Bildung eines gesinterten Metallpresslings, wobei die Porosität des schließlich erhaltenen gesinterten Metallpresslings weniger als 7 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluidgemisch zwei oder mehr Arten von Metallpulvern, die unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Teilchengröße des Metallpulvers weniger als 150 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anteil des Metallpulvers im Fluidgemisch 70 bis 97 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluidgemisch ferner ein organisches Bindemittel enthält, wobei der Anteil des organischen Bindemittels im Fluidgemisch 0,2 bis 5 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das organische Bindemittel vorwiegend aus wasserlöslichen Substanzen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluidgemisch ferner einen Weichmacher umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Stufe der Herstellung des Grünkörpers durch Schlickergießen das Fluidgemisch in eine Form gegossen wird und anschließend der Grünkörper aus der Form entnommen wird, wenn der Wassergehalt im Grünkörper 8 % oder weniger erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gravieren durch Ausbilden von vorbestimmten Mustern, Gestalten, Schriftzeichen und/oder dergl. am Grünkörper vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sinterungsstufe eine Entbindungsbehandlung zur Entfernung des organischen Bindemittels aus dem Grünkörper umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gesinterte Metallpressling als maßgefertigtes Produkt hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich beim maßgefertigten gesinterten Metallpressling um eine maßgefertigte Gedenktafel handelt.