DE60120886T2

DE60120886T2 - Verfahren zur Herstellung gesinterter Formkörper aus unterschiedlichen Materialien

Info

Publication number: DE60120886T2
Application number: DE60120886T
Authority: DE
Inventors: Lim Kay-Leong; Tan Lye-King; Tan Eng-Seng; Robin Baumgartner
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: 2000-12-11
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: EP1213072A2; SG97182A1; US6461563B1; JP2009060138A; EP1213072A3; EP1213072B1; ATE330739T1; DE60120886D1; JP2006169639A; JP2002206101A; JP4589585B2

Description

Technischer Bereich
Die Erfindung betrifft den allgemeinen Bereich der Pulvermetallurgie und des Druckgießens mit spezieller Bezugnahme auf das Ausbilden komplexer Strukturen.
Stand der Technik
Die Herstellung von Metall- oder Keramikkomponenten unter Verwendung des Pulverspritzgießens (Powder Injection Molding – PIM) ist allgemein bekannt. Das Pulver wird mit dem Bindemittel gemischt, um eine Mischung zu erhalten, die in das gewünschte Teil geformt werden kann. Das Bindemittel muss geeignete Fließeigenschaften aufweisen, um ein Einspritzen in eine durch das Werkzeug gebildete Kavität und die Ausformung des Teils zu ermöglichen. Das gegossene Teil ist üblicherweise eine übergroße Nachbildung des fertigen Teils. Es wird dem Entbindern unterworfen, wobei das Bindemittel ohne Stören der Pulverausrichtung entfernt wird. Nachdem das Bindemittel entfernt ist, wird das Teil einem Sintervorgang unterworfen, der in einer Verdichtung des Teils bis zu einem gewünschten Niveau resultiert.
Die Teile, die mittels PIM hergestellt werden, können eine komplexe Geometrie haben. Sie neigen auch dazu, aus einem einzigen Material gefertigt zu sein. Zum Beispiel kann eine kieferorthopädische Klammer aus 316L Edelstahl unter Verwendung der PIM Technologie hergestellt werden.
Es gibt jedoch ein Bedürfnis nach Gegenständen, die durch PIM geformt werden, welche eine Mehrzahl von Teilen enthalten, wobei jedes aus einem unterschiedlichen Material besteht, dessen Eigenschaften sich von denen seiner direkten Nachbarn unterscheiden. Das Verfahren nach dem Stand der Technik war, jedes derartige Teil getrennt zu formen und dann dieselben zum fertigen Produkt zu verbinden unter Verwendung teurer Schweißvorgänge oder mechanischer Einpassverfahren, um diese unterschiedlichen Teile aus unterschiedlichen Materialien miteinander zu verbinden.
Der Grundansatz, den die vorliegende Erfindung nimmt, um dieses Problem zu lösen, ist schematisch in den 1a und 1b dargestellt. In 1a, stellen 11 und 12 zwei Grünlinge dar, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben und mittels PIM geformt sind. 1b zeigt die selben zwei Gegenstände nach dem Sintern, die verbunden sind, um einen einzigen Gegenstand zu bilden. Gemäß dem Stand der Technik war die Zwischenfläche 13 zwischen 11 und 12 üblicherweise eine Schweißnaht (d.h. ein von entweder 11 oder 12 unterschiedliches Material). Alternativ könnte eine einfache Pressverbindung zwischen 11 und 12 ausgereicht haben, so dass der Endgegenstand kein kontinuierlicher Körper war.
Eine offensichtliche Verbesserung gegenüber Schweißen oder ähnlichen Ansätzen würde auftauchen, wenn 11 und 12 gesintert werden, während sie miteinander in Kontakt sind. In der Praxis war ein derartiger Ansatz normalerweise nicht erfolgreich auf Grund eines Versagens der beiden Teile, sich miteinander während des Sinterns sauber zu verbinden. Die vorliegende Erfindung lehrt, wie Probleme dieser Art überwunden werden können, so dass unterschiedliche Teile aus Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften eingebunden werden können, um einen einzigen, kontinuierlichen Körper zu bilden.
Eine Routinerecherche nach dem Stand der Technik wurde durchgeführt, wobei folgender interessanter Verweis gefunden wurde: In "Composite parts by powder injection molding", Advances in powder metallurgy and particulate materials, Vol. 5, S. 19–171 bis 19–178, 1996, diskutieren Andrea Pest und andere die Probleme des gemeinsamen Sinterns von Teilen, die mehr als ein Material aufweisen. Sie zeigen, dass die Steuerung des Schrumpfens während des Sinterns wichtig ist, aber es werden keine anderen Faktoren (die weiter unten diskutiert werden) erwähnt.
Die EP-A-538073 offenbart die Herstellung von Teilen, die magnetische Eigenschaften zeigen und unterschiedliche Materialien aufweisen, mittels MIM.
Zusammenfassung der Erfindung
Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Ausbildung eines kontinuierlichen Körpers mit magnetischem und nicht magnetischem Teil zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruches 1 gelöst, unter Verwendung des Pulverspritzgießens in Verbindung mit sorgfältiger Steuerung der relativen Schrumpfverhältnisse der verschiedenen Teile. Zusätzlich wird Sorgfalt angewandt, um sicherzustellen, dass es nur speziellen ausgewählten physikalischen Eigenschaften ermöglicht ist, sich zwischen den Teilen zu unterscheiden, während die anderen mittels relativ kleiner Änderungen der Zusammensetzung der verwendeten Feedstocks geändert werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a und 1b stellen zwei kontinuierliche Teile dar, die aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, jeweils vor und nach dem Sintern.
2a und 2b zeigen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 ist eine isometrische Ansicht des in 2b geschnitten zu sehenden Gegenstandes.
4 ist eine Draufsicht auf einen Gegenstand, der drei Teile hat, einen nicht magnetischen, einen hartmagnetischen und einen weichmagnetischen.
5 ist ein Schnitt durch die Mitte von 4.
6 bis 8 stellen Schritte des Verfahrens dar, in dem ein Gegenstand im Inneren einer Umschließung gebildet wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Diese Erfindung beschreibt ein neues Verfahren der Herstellung von Komponenten aus mehreren Materialien unter Verwendung des Pulverspritzgießens. Spritzgießen von Artikeln aus unterschiedlichen Materialien ist ein ökonomisch attraktives Verfahren für die Herstellung fertiger Artikel mit kommerziellem Wert auf Grund seiner hohen Herstellungskapazität und Fähigkeit der Endformnähe.
Es ist Fachleuten wohl bekannt, dass der zugrunde liegende Schritt zum Formen gesinterter Artikel das erforderliche Material in Pulverform zur Verfügung zu stellen ist. Dieses Pulver wird dann mit Schmiermitteln und Bindemitteln gemischt, um einen Feedstock zu bilden. Im Wesentlichen kann jedes organische Material verwendet werden, das sich unter erhöhten Temperaturen ohne Zurücklassens eines unerwünschten Rests, welcher schädlich in Bezug auf die Eigenschaften des metallischen Artikels sein wird, zersetzen wird. Bevorzugte Materialien sind verschiedene organische Polymere, wie Stearinsäuren, Mikropulverwachse, Paraffinwachs und Polyethylen. Stearinsäure dient als ein Schmiermittel, während all die anderen Materialien als Bindemittel verwendet werden können. Die Menge und Natur der Bindemittel/Schmiermittel, die dem Pulver zugefügt werden, wird die Viskosität des Feedstocks und das Ausmaß des Schrumpfens, das während des Sinterns auftreten wird, bestimmen.
Wenn der Feedstock einmal vorbereitet wurde, wird er in eine geeignete Form eingespritzt. Der resultierende "Grünling" wird dann aus der Form entfernt. Er hat eine ausreichende mechanische Festigkeit, um seine Form während der Handhabung beizubehalten, während das Bindemittel mittels Erwärmens oder durch die Verwendung eines Lösungsmittels entfernt wird. Das resultierende "Skelett" wird dann in einen Sinterofen platziert und, üblicherweise, bei einer Temperatur zwischen etwa 1200 und 1350°C für zwischen etwa 30 und 180 Minuten in Wasserstoff oder Vakuum erhitzt.
Wie bereits angemerkt, wurden Versuche zum Ausbilden einzelner Gegenstände, die Teile aus unterschiedlichen Materialien enthalten, üblicherweise beschränkt auf das getrennte Formen der Teile und dem späteren Verbinden derselben. Dies war der Fall, da grüne Teile, die aus unterschiedlichen Materialien gefertigt waren, nicht verlässlich sauber während des Sintervorgangs verbunden werden konnten.
Die vorliegende Erfindung lehrt, dass ein Versagen während des Sinterns zu verbinden daher rührt, dass (i) das Schrumpfen der Teile sich voneinander um mehr als einen kritischen Betrag unterscheidet, und (ii) spezielle physikalische Eigenschaften der Teile voneinander abweichen. Ebenso können gewisse andere physikalische Eigenschaften sich bei den Teilen ziemlich unterscheiden, mit geringer oder ohne Auswirkung auf das Verbinden.
Physikalische Eigenschaften, die gleich oder ähnlich sein müssen, wenn ein gutes Verbinden auftreten soll, umfassen (aber sind nicht beschränkt auf) den thermischen Wärmeausdehnungskoeffizenten und den Schmelzpunkt, während Eigenschaften, die sich unterscheiden können, ohne die Verbindung zu beeinflussen umfassen (aber sind nicht beschränkt auf) die elektrische Leitfähigkeit, die magnetische Koerzitivkraft, die dielektrische Konstante, die thermische Wärmeleitfähigkeit, den Elastizitätsmodul, die Härte und das Reflexionsvermögen.
In Fällen, die gut dazu geeignet sind, die vorliegende Erfindung durchzuführen, wird es für die Zusammensetzung der zwei Pulver nicht erforderlich sein, sich sehr stark voneinander zu unterscheiden. Üblicherweise werden sich die zwei Mischungen in ihrer chemischen Zusammensetzung durch weniger als 25 Prozenz aller Bestandteile unterscheiden.
Zusätzlich ist es wichtig, dass die Pulver, die zum Bilden der Feedstocks der zwei Teile verwendet wurden, ähnliche Charakteristiken, wie Partikelgröße, Textur und Größenverteilung miteinander teilen. Die Rütteldichte der zwei Pulver sollte sich nicht um mehr als 30% unterscheiden, wobei die mittlere Partikelgröße beider Pulver sich im Bereich von 1 bis 40 μm bewegen sollte.
Zum Beispiel, wenn ein Teil aus einem weichen Material (bspw. Eisen mit wenig Kohlenstoff) und ein anderes Teil aus einem harten Material, wie Eisen mit viel Kohlenstoff sein muss, dann wird eine Legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit dem speziellen Kohlenstoffgehalt die Härtbarkeit verbessern und die Erfordernisse des Eisens mit hohem Kohlenstoffgehalt erfüllen. Bei dieser Durchführung sind beide Pulver noch ähnlich und haben ähnliche Schrumpfverhältnisse. Dies wird eine gute Verbindung zwischen den zwei Materialien zur Folge haben, wobei sie unterschiedliche Eigenschaften haben.
Ähnlich kann, wenn ein Material ein Eisen mit geringem Kohlenstoffgehalt und das andere Edelstahl ist, das Vermischen der Hauptlegierung des Edelstahls mit einer geeigneten Menge an Eisenpulver, um die erforderte Edelstahlzusammensetzung zu bilden, die Gesamtcharakteristiken der Pulver näher zueinander bringen. Zum Beispiel, wenn die zwei Materialien 316L Edelstahl und Eisen mit geringem Kohlenstoffgehalt sind. Dann ist der Ansatz, ein Drittel der Hauptlegierung des 316L mit zwei Drittel des Eisens mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu vermischen, um die tatsächliche 316L Zusammensetzung zu bilden.
Es sei angemerkt, dass das Gießen eines Gegenstandes aus zwei Materialien in einem Werkzeug mit einer oder mehreren Kavitäten in einer einfachen Spritzgießmaschine mit dem ersten Material erreicht werden kann. Der gegossene Gegenstand wird in ein anderes Werkzeug in einer anderen einfachen Spritzgießmaschine mit dem anderem Material mittels einer manuellen Aufnahme- und Platzier-Tätigkeit oder unter Verwendung eines Roboterarms überführt, um den gewünschten Gegenstand zu formen. Das Gießverfahren kann auch in einer Zwei-Komponenten-Spritzgießmaschine durchgeführt werden, um einen vollständigen Gegenstand aus zwei Materialien in einem einzigen Werkzeug zu gießen; diese Möglichkeit ist jedoch außerhalb des Schutzbereichs der beanspruchten Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
1) Erstes Ausführungsbeispiel
Wir werden dieses Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die 2a und 2b darstellen, aber es sollte verstanden werden, dass das Verfahren, welches wir offenbaren, unabhängig von der Gestalt, der Form, der Größe usw. der auszubildenden Struktur ist.
Der erste Schritt ist die Vorbereitung eines ersten Feedstocks. Dies wird durch Zufügen von Schmiermitteln und Bindemitteln (wie zuvor diskutiert) zu einer Pulvermischung bewerkstelligt. Die letztere besteht nach Gewicht aus etwa 0,05 Prozent Kohlenstoff, etwa 15 Prozent Chrom, etwa 0,5 Prozent Mangan, etwa 0,5 Prozent Silizium, etwa 0,3 Prozent Niob, etwa 4 Prozent Nickel und etwa 80 Prozent Eisen. Unter Verwendung einer geeigneten Form wird dieser erste Feedstock druckgegossen, um einen ersten Grünling 21 zu bilden, wie in 2a dargestellt. Dies hat eine zylindrische Gestalt, wobei 22 das hohle Zentrum darstellt.
Dann wird ein zweiter Feedstock hergestellt mittels Zufügens von Schmiermitteln und Bindemitteln zu einer Pulvermischung, die nach Gewicht aus etwa 0,05 Prozent Kohlenstoff, etwa 15 Prozent Chrom, etwa 0,5 Prozent Mangan, etwa 0,5 Prozent Silizium, etwa 0,3 Prozent Niob, etwa 14 Prozent Nickel und etwa 70 Prozent Eisen besteht. Es ist wichtig, dass die Schmiermittel und Bindemittel in Konzentrationen vorhanden sind, die sicherstellen, dass, nach dem Sintern, der Unterschied des Ausmaßes des Schrumpfens der zwei Feedstocks kleiner als etwa 1% der gesamten Schrumpfung, die durch jeden der beiden erfolgt, ist.
Wir merken hier an, dass die zwei Feedstocks die gleiche Zusammensetzung haben, abgesehen davon, dass 10% des Eisens durch einen zusätzlichen Anteil von 10% Nickel ersetzt wurde. Diese relativ kleine Änderung der chemischen Zusammensetzung lässt die physikalischen Schlüsseleigenschaften, die in Zusammenhang mit einem erfolgreichen Sintern stehen, unverändert, aber führt eine wesentliche Änderung der magnetischen Eigenschaften herbei.
Als nächstes wird der Grünling 21 in eine zweite Form überführt, in die dann eine ausreichende Menge des zweiten Feedstocks eingespritzt wird, um die in 2b dargestellte Struktur durch die Anordnung von 23 um den Ring 21 zu vervollständigen.
Wenn einmal der zusammengesetzte grüne Endgegenstand ausgebildet wurde, werden alle Schmiermittel/Bindemittel auf zuvor diskutierte Weise entfernt, was in einem Pulverskelett resultiert, das dann gesintert werden kann, so dass es ein kontinuierlicher Körper wird, der sowohl magnetische als auch nicht magnetische Teile hat. Auf Grund der Zusammensetzung der ursprünglichen Pulver, aus denen die zwei Feedstocks gebildet wurden, ist Teil 21 von 2b, welches vom ersten Feedstock herrührt, magnetisch, während Teil 23, welches vom zweiten Feedstock herrührt dies nicht ist. Bei diesem speziellen Beispiel hat der magnetische Teil eine maximale Permeabilität (μ max.) zwischen etwa 800 und 1500.
In 3 zeigen wir eine isometrische Ansicht des in 2b dargestellten Gegenstands zusätzlich mit einer Stange 33, die sich frei vor und zurück durch die Öffnung 22 bewegen kann. Wenn die Stange 33 magnetisch ist, könnte ihre Relativstellung zur Öffnung 22 mittels eines angelegten Magnetfelds, erzeugt durch eine externe Spule (nicht dargestellt), gesteuert werden. Da das Teil 21 aus einem magnetischen Material besteht, wird es als ein Kern für eine Konzentration des angelegtenn Feldes wirken. Die Stange 33 könnte getrennt ausgeformt werden, oder sie könnte am Stück als Teil eines integrierten Herstellungverfahrens ausgeformt werden, unter Verwendung des an späterer Stelle beim zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahrens.
Wie bereits vorausgesetzt wurde, muss die Ausbildung eines kontinuierlichen Körpers mit mehreren Teilen, jeder mit unterschiedlichen Eigenschaften, nicht auf zwei derartige Teile beschränkt werden. In 4 zeigen wir eine Draufsicht auf einen Gegenstand mit drei Teilen, jeder mit unterschiedlichen Eigenschaften. Alle Teile sind konzentrische Ringe. In der Mitte der Struktur ist eine Öffnung 44, die durch einen inneren Ring 43 umgeben ist. Ring 43 ist nicht magnetisch. Er ist von einem Ring 41 umgeben, der ein Weichmagnet ist. Sein innerer Bereich hat die gleiche Dicke wie Ring 43. Ring 41 hat auch einen äußeren Bereich, der dicker als Ring 43 ist, was bewirkt, dass er eine innere Seitenwand 52 hat, was in der Querschnittsdarstellung gesehen werden kann, die in 5 dargestellt ist. Fluchten mit und berührend diese Seitenwand ist ein Zwischenring 42, der ein Hartmagnet ist. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass der Begriff Weichmagnet auf ein Material Bezug nimmt, das eine geringe Koerzitivität mit hoher magnetischer Sättigung hat, während der Begriff Hartmagnet sich auf ein Material mit einer hohen Koerzitivität Bezug nimmt.
Die in 4 und 5 ersichtliche Struktur wird durch Einpassen des (getrennt ausgebildeten) Hartmagneten 42 in den einstückigen Teil geformt, nachdem 41 und 43 ausgebildet wurden. Der Grund für das Zufügen eines Rings aus magnetisch hartem Material zu einer Struktur, die ähnlich der in 3 dargestellten ist, ist, um dazu in der Lage zu sein, eine permanente Vormagnetisierung für das angelegte äußere Magnetfeld zur Verfügung zu stellen.
2) Zweites Ausführungsbeispiel
Bei diesem Ausführungsbeispiel offenbaren wir ein Verfahren zum Ausbilden eines Gegenstandes in einem einzigen integrierten Schritt, der durch einen anderen eingeschlossen ist, wobei der innere Gegenstand nicht am äußeren Gegenstand angebracht ist. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren durch ein Beispiel dargestellt, aber es wird verständlich, dass es auf einen beliebig geformten Gegenstand im Inneren einer beliebig geformten Umschließung anwendbar ist.
In 6 zeigen wir anhand einer schematischen Wiedergabe einen Gegenstand, der mittels PIM ausgebildet wurde. Als Teil des Verfahrens für seine Ausbildung wurden die Menge und Qualität der Bindemittel/Schmiermittel so gewählt, dass nach dem Sintern die grüne Form 61 um einen relativ großen Betrag (üblicherweise zwischen etwa 20 und 50%) schrumpfen würde.
Nun Bezug nehmend auf 7 zeigen wir die Umschließung 71, die ausgebildet wurde unter vollständiger Umschließung 61 mit Material aus einem zweiten Feedstock, für den die Bindemittel/Schmiermittel so ausgewählt wurden, dass nach dem Sintern die grüne Form 71 um einen relativ kleinen Betrag (üblicherweise zwischen etwa 10 und 20%) schrumpfen würde. Unabhängig von dem absoluten Schrumpfen, das in Verbindung mit den Teilen 61 und 71 steht, ist es ein wesentliches Erfordernis des Verfahrens, dass der Unterschied zwischen den zwei Schrumpfverhältnissen wenigstens 10% beträgt.
Nach dem Entfernen aller Schmiermittel und Bindemittel aus dem Gegenstand, der in 7 dargestellt ist, wird das resultierende Pulverskelett für zwischen etwa 30 und 180 Minuten im Vakuum oder in Wasserstoff für eisenlegierte Stähle gesintert (zwischen etwa 1200 und 1380°C). Auf Grund des größeren Schrumpfverhältnisses von 61 gegenüber 71 hat die Struktur nach dem Sintern das in 8 dargestellte Erscheinungsbild, wobei gesehen werden kann, dass Teil 81 (ursprünglich 61) sich von 71 gelöst hat, wodurch es ermöglicht wird, sich frei im Inneren des Innenraums 82 zu bewegen. Ein Beispiel einer Struktur diesen Typs ist ein elektrostatischer Motor (in diesem Zustand nicht fertig), bei dem 71 abschließend als der Stator und 81 als der Rotor dienen werden. Gemäß dem Stand der Technik mussten derartige Strukturen unter Verwendung einer Opferschicht hergestellt werden, um das Ablösen von 81 von 71 zu bewirken.
Während die Erfindung insbesondere dargestellt und beschrieben wurde unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele hiervon, ist es den Fachleuten verständlich, dass verschiedene Änderungen der Form und Details durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die angehängten Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines kontinuierlichen Körpers mit magnetischen und nicht magnetischen Teilen, aufweisend: die Ausbildung eines ersten Feedstocks durch Zufügen von Schmiermitteln und Bindemitteln zu einer Mischung aus Pulvern bestehend in Gewicht aus: 0,05% Kohlenstoff, 15% Chrom, 0,5% Magnesium, 0,5% Silizium, 0,3% Niob, 4% Nickel und 80% Eisen; die Ausbildung eines zweiten Feedstocks durch Zufügen von Schmiermitteln und Bindemitteln zu einer Mischung aus Pulvern bestehend in Gewicht aus: 0,05% Kohlenstoff, 15% Chrom, 0,5% Magnesium, 0,5% Silizium, 0,3% Niob, 14% Nickel und 70% Eisen, wobei besagte Schmiermittel und Bindemittel in Konzentrationen vorhanden sind, so dass das Ausmaß, in welchem besagter Feedstock nach dem Sintern schrumpfen wird, sich von dem anderen um weniger als 1% unterscheidet; Verwendung einer ersten Form, Druckgießens des ersten Feedstocks, um einen ersten Grünling zu formen; Umsetzen des ersten Grünlings in eine zweite Form und dann Einspritzen einer Menge des zweiten Feedstocks in die besagte zweite Form, die ausreicht, um einen zusammengesetzten Grünling auszubilden; Entfernen aller Schmiermittel und Bindemittel aus dem zusammengesetzten Grünling, um ein Pulverskelett zu bilden; und Sintern des Pulverskeletts, um besagten kontinuierlichen Körper zu bilden, wobei die Teile des Körpers, die vom ersten Feedstock herrühren magnetisch sind, und die Teile des Körpers, die vom zweiten Feedstock herrühren nicht magnetisch sind.
Verfahren beschrieben in Anspruch 1, wobei die magnetischen Teile eine maximale Permeabilität zwischen 800 und 1500 haben.