DK173647B1 - Fremgangsmåde til fremstilling af et sintret emne, et sådant sintret emne og anvendelse af emnet - Google Patents

Description

i DK 173647 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af et sintret emne. Opfindelsen angår også sådanne emner samt anvendelsen heraf som en kerne eller en form til jern- og metalstøgning eller plaststøbning.

5 Emner indeholdende partikler knyttet sammen af et bindemiddel anvendes inden for mange tekniske områder.

Navnlig ved støbning af metal- eller plastgenstande har sådanne emner fundet anvendelse som forme eller kerner. Sædvanligvis anvendes der partikler i form af kvarts-10 sand og bindemiddel i form af vandglas.

Vandglas som bindemiddel blev første gang anvendt til at sammenbinde kvartssand i støberier omkring 1920.

Ved denne fremgangsmåde blandes sand og en vandig opløsning af vandglas, hvorefter denne blanding fyldes 15 i en form og hærdes ved afdampning af vandet. Denne fremgangsmåde blev væsentligt forbedret omkring 1950 med udviklingen af C02-processen. Herved ledes C02~gas gennem den våde blanding af sand og vandglas, med henblik på at hærde bindemidlet. Kerner eller forme 20 opnået ved C02-processen er relativ porøse og styrken er svag.

I slutningen af I960'erne blev der udviklet selvhærdende bindemiddelsystemer. Hærdningen sker ved tilsætning af en organisk ester til den våde blanding 25 af sand og vandglas inden fyldning i en form.

I slutningen af 1970'erne blev der udviklet en tørringshærdningsproces, hvor energi fra varm luft, varm form eller mikrobølger bevirker hærdning af vandglasbindemidlet.

30 I starten af 1990'erne blev der af nærværende opfinder udviklet en hærdningsfremgangsmåde, hvor der blev gjort brug af indblæsning af varm luft i en 2 DK 173647 B1 ventileret form under anvendelse af en tretrins-tem-peraturcyklus. Se miljøprojekt nr. 189, Miljøstyrelsen.

Alle de ovenfor nævnte fremgangsmåder, hvori der anvendes vandglas som bindemiddel besidder imidlertid 5 den ulempe, at strømningsegenskaberne af blandingen af sand, vandglas og vand er forholdsvis dårlige under fyldningen af formen. Dette bevirker, at blandingen vil have en tendens til ikke at strømme ud i alle hulrummene af formen. De kendte processer, hvori der 10 anvendes vandglas, er således begrænset til anvendelse i forbindelse med forme, som ikke udviser en detaljeret overflade.

I erkendelse af manglerne ved de kendte fremgangsmåder opfandt nærværende opfinder en fremgangsmåde til 15 fremstilling af partikler belagt med vandglas samt emner der kan fremstilles af sådanne med vandglas belagte partikler. Denne opfindelse er omhandlet af den på prioritetsdagen for nærværende ansøgning endnu ikke offentligt tilgængelige internationale patentansøgning 20 nr. PCT/DK97/00575.

Emnerne der kan opnås ifølge PCT/DK97/00575 har til mange formål en tilstrækkelig styrke. Eksempelvis egner emnerne sig fortrinligt som forme eller kerner til metal støbning. Imidlertid er det til visse an-25 vendelsesformål ønskeligt at have en højere styrke eller en større modstandsdygtighed over for påvirkning med vand eller damp, også ved højere temperaturer.

Det er foreslået i JP 4325473 at anvende en vandig opløsning af vandglas som støbe- og sintringshjælpemid-30 del ved fremstillingen af et porøst sintret emne udfra alumina-pulver. Efter simpel blanding af vandigt vandglas og aluminapulver tør-støbes et emne der efterfølgende sintres. Det sintrede porøse emne foreslås anvendt som filter. Der er således ikke mulighed 35 for at forarbejde et grønemne inden den endelige 3 DK 173647 B1 sintring til det færdige emne.

Det er således formålet med nærværende opfindelse at tilvejebringe en fremgangsmåde til fremstilling af et sintret emne der kan udvise stor detaljeringsgrad og 5 som kan forarbejdes inden sintringen. Det er endviddre formålet med opfindelsen at tilvejebringe en fremgangsmåde til fremstilling af et emne med en forøget styrke og en større modstandsdygtighed over for vand eller damp.

10 Dette formål opnås ifølge opfindelsen for en fremgangsmåde til fremstilling af et sintret emne, ved hvilken man tilvejebringer partikler belagt med et lag af vandglas i en form, 15 - hærder partikelmassen til et grønemne, og opvarmer grønemnet til en temperatur på eller over sintringstemperaturen for partiklerne, hvorved der dannes en direkte fysisk forbindelse mellem naboliggende partikler.

20 Sintringstemperaturen defineres i nærværende beskrivelse med krav som den temperatur ved hvilken overfladen af partiklerne uden laget af vandglas vil begynde at smelte således, at en sammensmeltning af overfladerne af naboliggende partikler vil opnås. Det 25 foretrækkes at anvende en temperatur som ligger mindst 10°C, navnlig en temperatur som ligger 10-40°C over sintringstemperaturen. Det antages, at en temperatur som ligger mindst 10°C over sintringstemperaturen letter det smeltede metals evne til at trænge gennem 30 laget af vandglas således at overfladen af naboliggende partikler kan sintres sammen.

Ved betegnelsen "vandglas" skal der i nærværende beskrivelse med krav forstås lithium-, natrium- eller kaliumsilicater. Lithium-, natrium- eller kaliumkom-35 ponenten (M20, M * Li, Na eller K) kan forekomme i 4 DK 173647 B1 varierende mængder i forhold til silicatkomponenten (Si02). Forholdet Si02/M20 betegnes vægtmodulet. Et vandglas med lavt vægtmodul er let opløselig i vand og stærk basisk på grund af et højt indhold af den basiske 5 komponent M20. Tilsvarende besidder et vandglas med højt vægtmodul, en mindre basisk karakter og en mindre vandopløselighed. Ved nærværende opfindelse foretrækkes det at anvende vandglas med et vægtmodul mellem 0,5 og 4, især mellem 1,8 og 3,5 til belægning af partiklerne.

10 Endvidere foretrækkes det at M = Na. Med mindre andet er angivet i det følgende henvises der ved betegnelsen "vandglas" til vandglas hvor M = Na.

Partiklerne, der skal belægges med et lag af vandglas kan være ethvert materiale som vandglas kan 15 binde sig til og som kan sintres.

Eksempler på sådanne materialer er metalliske materialer og keramiske materialer. Eksempler på anvendelige metalliske materialer omfatter aluminium, kobber, tin, jern, wolfram, chrom, vanadium, molybdæn 20 og mangan. Eksempler på keramiske materialer er Si02, A1203, Fe304, Fe203, MnO, NiO, ZnO, Zr02 eller Ti02. Materialet som partiklerne omfatter kan endvidere være en blanding af to eller flere af de ovennævnte.

Størrelsen og størrelsesfordeling af partiklerne 25 er ikke væsentlig for fremstillingen af de belagte partikler. Til brug i form- og kernekasser anvendes i almindelighed partikler med en størrelse på fra 0,05 mm til 2,0 mm, især fra 0,10 til 0,60 mm. Til brug ved afstøbninger hvor der ønskes en høj detaljeringsgrad og 30 en så nøjagtig gengivelse af modellen som muligt, kan der anvendes partikler med en diameter på fra 1 til 100 μπι. De valgte partikler kan have en bred eller en smal partikelstørrelsesfordeling eller partikelmassen kan udgøres af såkaldte dobbeltsigtede partikler (dobbelt-35 sigtet sand), hvori der optræder to toppunkter på 5 DK 173647 B1 kornkurven.

Emnet der skal sintres kan forud herfor være blevet infiltreret. Det foretrækkes navnlig at emnet inden sintringen er infiltreret med vandglas og/eller 5 med et metal eller en metallegering. Den nævnte infiltrering kan også foregå efter sintringen.

I tilfælde af, at emnet er infiltreret med vandglas vælges vandglassen således, at de ønskede oplø-selighedsegenskaber opnås. For vandglas med et vægt-10 modul på indtil ca. 3 er det muligt at opløse dette umiddelbart ved kontakt med vand ved stuetemperatur inden for en overskuelig tidsperiode, medens vandglas med et vægtmodul på over ca. 3,0, f.eks. et vægtmodul på mellem 3,0 og 3,5, er tungtopløseligt i koldt vand.

15 Sædvanligvis ønskes der et bestandigt emne der ikke opløses eller disintegreres ved høj luftfugtighed, eventuelt kombineret med en temperatur over almindelig stuetemperatur. Følgelig vælges almindeligvis en vandglas med et vægtmodul på mellem 3 og 4, fortrinsvis 20 på mellem 3,0 og 3,5.

Emner der relativt let opløses i vand er eksempelvis infiltreret med en vandglas med et vægtmodul på mellem 1,8 og 3,0.

I tilfælde af, at emnet ifølge opfindelsen er 25 infiltreret med metal eller en metallegering kan dette metal eller denne metallegering vælges vilkårligt blandt kendte metaller eller metallegeringer. Det foretrækkes at anvende kobber eller en kobberholdig legering til infiltrering af emnet ifølge opfindelsen.

30 Især foretrækkes det at anvende en bronze, f.eks. indeholdende ca. 90 vægt% kobber og ca. 10 vægt% tin. Eksempler på anvendelige metaller der enten kan anvendes alene eller i kombination som legeringer er aluminium, antimon, vismuth, cadmium, calcium, cobolt, 35 kobber, guld, jern, bly, magnesium, mangan, kviksølv, 6 DK 173647 B1 nikkel, sølv, thallium, tin og zink.

Emnet der fremstilles ifølge opfindelsen kan have en vilkårligt ydre form. På grund af, at partiklerne belagt med et lag af vandglas er meget letstrømmende i 5 tør tilstand og lette at stampe ud i alle kaviteter af en form i let fugtig tilstand, kan der dannes emner som afstøbninger af originale modeller med en meget detaljerig overflade. Eksempelvis kan emnet ifølge opfindelse være en positiv eller en negativ afstøbning af en 10 model. En negativ afstøbning kan anvendes som form for fremstillingen af en kopi af den originale model, medens den positive afstøbning i sig selv udgør en hel eller delvis kopi at den originale model.

Når emnet ifølge opfindelsen anvendes til jern-15 eller metalstøbning, eller til sprøjtestøbning af plast kan emnet udgøre en form og/eller en kerne. Emnet ifølge opfindelsen kan også anvendes til andre formål, såsom katalysatorer eller bærere for sådanne, granulat-filtre, gnistelektroder, elektroder til elektrolyse med 20 videre.

Partiklerne belagt med et lag af vandglas fremstilles fortrinsvis ved at man (a) tilvejebringer en blanding indeholdende partikler der skal belægges, vand og 0,1 - 5 vægt% vand- 25 glas, beregnet på basis af vægten af partiklerne, hvori vandglasset foreligger i opløst form, (b) omrører blandingen mekanisk, eventuelt under tilførsel af varme fra en ekstern varmekilde og tillader vandet at fordampe herfra indtil mindst 30 så meget af vandet er fordampet fra blandingen, at den ikke længere er klæbende.

Mængden af vand i blandingen i trin (a) afhænger af flere faktorer, såsom den specifikke overflade, porøsiteten og den elektrostatiske natur af partikler-35 ne, men er fortrinsvis mindst 0,1 vægt%, beregnet på 7 DK 173647 B1 vægten af partikler, der skal belægges. Der vælges typisk en mængde på 1 - 3 vægt% for at sikre en tilstrækkelig fugtning af partiklerne. Mængden af vand overstiger fortrinsvis ikke 5 vægt%, da en tilsætning 5 af vand ud over denne mængde ikke bidrager yderligere til fugtningen af overfladen af partiklerne, der skal belægges.

Mængden af vandglas i blandingen omfattende partikler, der skal belægges, vand og vandglas afhænger 10 af faktorer såsom den ønskede tykkelse af belægningen og den specifikke overflade af partiklerne, der skal belægges. Der kan anvendes 0,1 - 5 vægt% vandglas, beregnet på basis af vægten af partiklerne. Det foretrækkes i almindelighed at anvende 1-3 vægt%.

15 Blandingen i trin (a) tilvejebringes fortrinsvis ved at man: (al) sammenblander vand og partikler, der skal belægges , (a2) omrører denne blanding således, at vandet for-20 deles jævnt i partikelmassen (a3) tilsætter 0,1-5 vægt% vandglas til denne blanding, og (a4) fortsætter omrøringen til vandglasset er jævnt fordelt og opløst.

25 I trin (a3) sættes vandglasset fortrinsvis til blandingen i fast form, idet det foretrækkes at anvende partikelformig fast vandglas fremstillet ved forstøvningstørring.

Det har vist sig hensigtsmæssigt at foretage en 30 omrøring under hele forløbet af fremstillingen af partiklerne belagt med et lag af vandglas. Denne omrøring foregår mekanisk, fortrinsvis under anvendelse af roterende vinger. Omrøringshastigheden er afpasset således, at det sikres, at der ikke dannes hærdede 35 klumper af partikler, der efterfølgende må knuses.

8 DK 173647 B1

Da klæbetendensen af blandingen, under fordampningen af vandet herfra, stiger kraftigt, har det vist sig hensigtsmæssigt at anvende en beholder af plast til blandingen, hvortil vandglasset har ringe tendens til 5 at klæbe. Omrøringen foretages fortrinsvis med en sådan intensitet at blandingen varmes op således at vandet fordamper. Om ønsket kan der, for at forøge fordampningshastigheden, tilføres varme fra en ydre kilde og/eller foretages fordampning under vakuum. Om ønsket 10 kan de anvendte partikler være forvarmede inden blandingen med vand og vandglas. Dette er særlig fordelagtigt, hvis det anvendte vandglas er tungt opløselig, dvs. besidder et vægtmodul fra 3,0 til 4,0, hvor det foretrækkes at opvarme partiklerne til en temperatur på 15 indtil 100°C, fortrinsvis 80 - 90°C, inden partiklerne blandes med vand og vandglas.

Det må påses under blandingen, at der ikke fore-ligger klumper af enten sand eller vandglas inden væsentlig afdampning af vandet tillades. Under af-20 dampningen af vandet fra blandingen stiger viskositeten heraf og blandingen bliver efter en tid klæbrig, hvorved partiklerne får en tendens til dels at klæbe til hinanden, dels at klæbe til det anvendte apparatur. Omrøringen må tilpasses denne klæbetendens, således at 25 der forhindres en for kraftig indbyrdes binding af partiklerne til hinanden. Når vandindholdet i laget af vandglas er faldet til under det laveste niveau, hvor binding er mulig mellem partiklerne, falder viskositeten igen. Omrøringen kan fortsættes til al vandet er 30 fordampet, og de tørre partikler belagt med et lag af vandglas foreligger, men de fugtige og ikke-klæbende belagte partikler kan udtages på et tidligere tidspunkt, hvis dette ønskes. Det har uventet vist sig, at sådanne med vandglas belagte partikler udviser frem-35 ragende strømningsegenskaber, både i tør form og i let 9 DK 173647 B1 fugtig, men ikke klæbende, form.

Det antages, at disse strømningsegenskaber opnås, både som følge af, at belægningen af vandglas er glat og hård, og som følge af at de belagte partikler under 5 tørringen udøver en påvirkning på hverandre således, at de fremkomne belagte partikler har en mere afrundet form i forhold til de ubelagte partikler.

Et grønemne kan fremstilles ved at man (c) tilvejebringer partiklerne belagt med vandglas i 10 en form, (d) drager omsorg for at vand til aktivering af vandglas er tilstede i partikelmassen, og (e) hærder de med vandglas belagte partikler i formen til et grønemne ved tilførsel af energi fra en 15 kilde herfor.

Partiklerne belagt med vandglas kan tilvejebringes i formen på en vilkårlig valgt måde. Ved en første foretrukken udførelsesform fyldes partiklerne løst i en form, hvorefter formen vibreres let for at opnå en 20 fyldning af alle hulrum af formen, og for at opnå en tæt og homogen pakning. Ved en sådan vibrering, vil de mindre partikler søge ud mod overfladen af partikelmassen og herved øge tætheden af grønemnets overflade.

Efter vibrering af de løst ifyldte partikler kan der 2 5 eventuelt efter-vibreres under påvirkning af partiklerne med et egnet tryk med for eksempel et lod for at fremme en tættere pakning af partiklerne.

Ved en anden foretrukken udførelsesform tilvejebringes partiklerne belagt med vandglas i formen ved at 30 partiklerne, båret af en luftstrøm, blæses ind i formen. Bæreluftstrømmen undslipper gennem ventiler i formen, og partiklerne vil blive pakket i formen under indflydelse af trykket af luftstrømmen.

Ved endnu en foretrukken udførelsesform kan 35 partiklerne belagt med vandglas tilvejebringes i formen 10 DK 173647 B1 ved at partiklerne ekstruderes ind i formen ved en proces betegnet "impact moulding". Ved denne proces stødes partiklerne ind i formen under påvirkning af et stort tryk, der f.eks. kan udøves af pludselig frigivet 5 trykluft.

Ved endnu en foretrukken fremgangsmåde tilvejebringes let fugtige partikler belagt med et lag af vandglas i en form, idet der drages omsorg for, at de fugtige belagte partiklerne udfylder alle kaviteter af 10 formen, for eksempel ved at stampe partikelmassen eller ved at vibrerer formen med partikelmassen som beskrevet ovenfor. Denne fremgangsmåde har den fordel at den nødvendige mængde vand til aktivering allerede foreligger i partikelmassen.

15 Ved tilstedeværelse af vand i partikelmassen og ved tilførsel af energi fra en kilde herfor, vil vandglasset aktiveres således, at der dannes et sammenhængende grønemne. Der må derfor drages omsorg for, at der er vand til aktivering af vandglasset til stede i 2 0 partikelmassen. Dette vand kan f.eks. være til stede som krystalvand, tilføres som vanddamp eller de anvendte partikler kan være opfugtet med en mindre mængde vand inden fyldningen af formen, f.eks. fra 0,1 til 0,7 vægt% vand, fortrinsvis ca. 0,3 vægt%. Energikilden for 25 hærdningen kan for eksempel være en kilde for mikrobølger eller højfrekvente bølger, varm luft, konvektionsvarme eller damp.

Ved en første foretrukken udførelsesform, ledes damp gennem de tørre partikler belagt med vandglas 30 tilvejebragt i en form for at aktivere vandglaslaget. Herefter tilføres trykluft ved en temperatur på 160 -2 00°C for at bevirke en yderligere opvarmning af de belagte partikler og en begyndende fordampning af vandet. Herefter sænkes temperaturen til 80 - 160°C for 35 at fjerne vandet fra det fremstillede grønemne. Eventu- 11 DK 173647 B1 elt kan der slutteligt anvendes en tryklufttemperatur på O - 80°C for at bevirke afkøling af grønemnet og formen. Under befugtningen af de med vandglas belagte partikler i formen med damp, må det påses, at der 5 opfugtes i det væsentlige homogent i alle områder af formen uden af vandglasset skylles af partiklerne.

Ved en variant af denne udførelsesform anvendes der partikler belagt med vandglas, som er fugtet med vand, eksempelvis fugtet med indtil 0,7 vægt% vand i 10 stedet for damp til opfugtning af de belagte partikler.

Trykket af trykluften og varigheden af de forskellige temperaturperioder varierer i afhængighed af mængden af vand anvendt til opfugtning, størrelsen af grønemnet, mængden af anvendt vandglas med videre, og sådanne 15 perioder kan bestemmes af fagmanden på området ved rutineforsøg. En typisk fordeling af længden af de forskellige temperaturer ved fremstilling af et emne på 10 kg, hvor partiklerne er kvartssand med en middel-kornstørrelse på 0,30 mm belagt med en vandglasmængde 2 0 på 0,8 vægt% {modul 2,0) og opfugtet med en vandmængde på 1 vægt% er følgende for et lufttryk på 700 kPa: 10 sekunder trykluft ved en temperatur på 160 - 200°C, 30 sekunder ved en temperatur på 80 - 160°C, og 20 sekunder ved stuetemperatur. Ved ændringen af temperaturen 25 har det vist sig fordelagtigt at opretholde samme tryk for at undgå brud af grønemnet.

Ved en anden foretrukken udførelsesform hærdes partiklerne belagt med vandglas ved hjælp af mikrobølger eller højfrekvente bølger. Det nødvendige vand til 30 aktivering af vandglasset kan være til stede som krystalvand i vandglaslaget, kan tilføres ved at anvende fugtige partikler med et vandindhold på eksempelvis 0,1 til 0,7 vægt% eller kan tilvejebringes ved tilførsel af vanddamp. Med hensyn til sidstnævnte 35 mulighed har det vist sig muligt at opnå hærdning af et 12 DK 173647 B1 emne ved at anbringe en form indeholdende partikler belagt med vandglas i en mikrobølgeovn, hvor indfyld-ningsåbningen af formen vender mod et vædet trækpapir.

En tredje foretrukken udførelsesform er at anvende 5 forme som tilføres varme ved konvektion, f.eks. ved anbringelse af formene i en ovn, ved anbringelse af formene på en varmeplade eller ved anvendelse af en form med varmekappe. Hvis formen indeholdende en fugtig partikelmasse varmebehandles i en ovn anvendes der 10 fortrinsvis en ovn med luftcirkulation for at sikre en mere ensartet fordeling af varmen og dermed en mere ensartet hærdning af grønemnet. Ovnen er fortrinsvis opvarmet til en temperatur på fra 130°C til 200°C. Varigheden af varmebehandlingen i ovnen afhænger af 15 grønemnets størrelse og godstykkelse.

Uanset hvilken af de nævnte tre udførelsesformer, der anvendes til hærdning af et grønemne opnås der et emne omfattende et større antal partikler som er knyttet sammen ved hjælp af laget af vandglas. Det har 20 overraskende vist sig, at det er muligt at fremstille grønemner, som ikke svinder væsentlig under hærdningen, således, at der kan opnås et i det væsentlige fuldstændigt nøjagtigt aftryk af formen. Denne egenskab er særlig fordelagtig, når der skal foretages aftryk af en 25 model med henblik på at fremstille et emne, der kan anvendes som form for fremstillingen af i det væsentlige identiske kopier af modeller.

Det er endvidere muligt at fremstille et grønemne, der er et aftryk af en model, hvor aftrykkets størrelse 30 enten er større eller mindre end modellens overflade ved at regulere temperaturen af modellen. Denne egenskab kan med fordel udnyttes, hvis modellen, der skal kopieres er en sliddel, hvor det ønskes at opnå en overstørrelseskopi.

35 13 DK 173647 B1

Det har vist sig, at et grønemne fremstillet af metalpartikler belagt med vandglas, ikke kan lede strøm, hvilket er en indikation af belægningens fuldstændighed omkring partiklerne. Emnet er derimod 5 modtagelig for mikrobølgeenergi.

Inden grønemnet sintres kan det om ønsket bearbejdes således, at den ønskede udformning og overfladebeskaffenhed opnås.

Efter sintring af et grønemne fremstillet af 10 metalpartikler, er emnet elektrisk ledende og ikke modtagelig for mikrobølgeenergi. Dette indikerer, at der overraskende foregår en gennembrydning af laget af vandglas med metallet, som smelter fra overfladen af metalpartiklerne.

15 Opvarmning til sintringen af grønemnet foregår sædvanligvis i to eller flere temperaturtrin for at undgå for store spændinger i emnet som følge af forskellen i temperatur mellem overfladen og det indre af emnet. Alternativt kan opvarmningen forgå kontinuert.

20 Hvis der forekommer for store spændinger i emnet kan det medføre at der sker revnedannelse. Grønemnet undergår således hensigtsmæssigt en foropvarmning for at opnå en så tilstrækkelig høj kernetemperatur at grønemnet ikke revner, hvorefter temperaturen hæves til 25 eller over sintringstemperaturen. Længden af foropvarmningstrinnet afhænger blandt andet af emnets godstykkelse og af de valgte partikler og vil ved passende rutineforsøg kunne bestemmes af fagmanden på området.

30 Længden af den tid sintringen foregår i afhænger af mange parametre såsom hvor højt temperaturen er hævet over sintringstemperaturen og hvor høj grad af kontakt der ønskes mellem partiklerne. Temperaturen og tiden ved hvilken sintringen skal foregå kan ved 35 14 DK 173647 B1 passende rutineforsøg bestemmes af fagmanden på området .

Opvarmningen og sintringen foregår fortrinsvis under en inert eller reducerende atmosfære for at 5 udelukke en mulig oxiderede virkning af luftens oxygen.

Grønemnet kan infiltreres før under eller efter sintringen for at øge styrken eller forbedre overfladebeskaffenheden. Grønemnet kan før eller efter sintringen infiltreres ved en fremgangsmåde hvor man 10 - bringer grønemnet eller det sintrede emne i kontakt med en opløsning af vandglas, således at en del af opløsningen optages deri, varmebehandler grønemnet eller det sintrede emne, hvori der er optaget en opløsning af vandglas, 15 således at vandglasset udfældes, og eventuelt gentager de foregående trin til opnåelse af et infiltreret emne.

Opløsningen af vandglas er sædvanligvis en vandig opløsning af vandglas på grund af den ringe sundheds-20 skadelige virkning, men kan være andre organiske eller uorganiske opløsningsmidler, hvori vandglas er opløselig. Da opløsningsmidlet i opløsningen skal fjernes i det efterfølgende trin foretrækkes det at anvende en opløsning med et relativt højt indhold af vandglas. En 25 opløsning indeholdende vandglas og vand i vægtforholdet 1:2 har vist sig egnet. Vandglasset kan have et høj eller et lavt vægtmodul. I tilfælde af, at emnet skal bibringes en lav vandopløselighed har vandglas med et vægtmodul på mellem 3,0 og 4,0, især 3,0 og 3,5 vist 30 sig egnet.

Grønemnet eller det sintrede emne kan bringes i kontakt med en opløsning af vandglas på en vilkårlig valgt måde. Eksempelvis kan det sprøjtes eller pensles med opløsningen eller det kan neddyppes i opløsningen.

35 15 DK 173647 B1

Grønemnet eller det sintrede emne kan infiltreres delvis eller fuldstændig med opløsningen af vandglas.

Ved en delvis infiltrering vil opløsningen af vandglas trænge ind i det ydre lag af grønemnet således, at der 5 opnås en forstærket skal omkring emnet. Ved en fuldstændig infiltrering fortrænges al luft i emnet og erstattes af opløsningen af vandglas, således at der opnås et emnet der i hele sin godstykkelse er forstærket . Ved delvis infiltrering kan indtrængningsdyb-10 den eksempelvis reguleres ved den tid i hvilken grønemnet er neddyppet i opløsningen af vandglas. Hvis der ønskes en delvis infiltrering kan emnet neddyppes i opløsningen af vandglas i 1-20 sekunder, fortrinsvis 2-10 sekunder. I tilfælde af at emnet ønskes neddyppet i 15 længere tid i opløsningen af vandglas er det tilrådeligt, at laget af vandglas omkring partiklerne er af en i opløsningsmidlet tungt opløselig vandglas, således at en desintegration undgås.

Grønemnet eller det sintrede emne, hvori der er 2 0 optaget en opløsning af vandglas, kan varmebehandles på en vilkårlig måde der sikrer, at vandglasset udfældes i grønemnet. Ved varmebehandlingen fordamper opløsningsmidlet og vandglasset bliver tilbage i emnet, hvor det understøtter strukturen af emnet. Ved varmebehand-25 lingen kan der også ske en frigørelse af eventuelt tilstedeværende krystalvand.

Varmebehandlingen foregår sædvanligvis ved en temperatur på fra 100 til 250°C, fortrinsvis ved en temperatur på fra 120 til 180°C. Den valgt temperatur 30 ved hvilken varmebehandlingen foregår afhænger blandt andet af den anvendte vandglas, idet vandglas med forskellige vægtmoduler kan have krystalvand som frigøres ved forskellige temperaturer. Det kan være ønskeligt at varmebehandle ved en højere temperatur end 35 nævnt ovenfor for at frigøre eventuelt tilstedeværende 16 DK 173647 B1 krystalvand.

Ved infiltrering med vandglas af grønemnet inden sintring opnås et emne med forøget styrke. Dette skyldes primært at vandglasset i infiltreringsvæsken 5 aflej res i den porøse struktur af grønemnet. Den øgede styrke bevirker at stabiliteten øges ved den efterfølgende varmebehandling ved sintringen, hvorved det i højere grad sikres, at det sluttelige sintrede emne bevarer grønemnets oprindelige form.

10 En yderligere forøgelse af styrken kan opnås ved at blande opløsningen af vandglas til infiltrering med et metalpulver med en diameter som er mindre end porediameteren af grønemnet. Når grønemnet bringes i kontakt med opløsningen af vandglas med opslæmmede 15 metalpartikler vil metalpartikler og vandglas infiltrere grønemnet og udfældes deri ved den efterfølgende varmebehandling.

Det kan være ønskeligt at opnå et emne med en ikke-porøs overflade. Dette kan opnås ved at foretage 20 en infiltrering af det sintrede emne med vandglas ved proceduren anført overfor, eventuelt gentaget en eller flere gange. Overfladen af det sintrede og infiltrerede emne er glat og ikke-porøs og kan derfor med fordel anvendes som formværktøj til eksempelvis plastsprøj-25 testøbning.

Ved en anden foretrukken udførelsesform infiltreres grønemnet eller det sintrede emne med et metal eller en metallegering.

Fortrinsvis infiltreres emnet ved, at man 30 - bringer grønemnet eller det sintrede emne i kontakt med et smeltet metal eller en smeltet metallegering, således at smeltet metal eller metallegering optages i emnet, 35 - afkøler emnet indeholdende smeltet metal eller 17 DK 173647 B1 metallegering til udfældelse af metallet eller metallegeringen, og eventuelt gentager de foregående trin til opnåelse af et infiltreret emne.

5 Sædvanligvis infiltreres grønemnet eller det sintrede emne ved at dette anbringes i en ovn i fysisk kontakt med metallet i fast tilstand. Det foretrækkes at anvende en brikette indeholdende sammenpresset metalpulver. Varmebehandlingen i ovnen følger normalt 10 et to-trins forløb, hvor ovnen i et første trin er foropvarmet til en temperatur under smeltepunktet af metallet til infiltrering for at sikre at kernetemperaturen af emnet er tilstrækkelig høj. I et andet trin opvarmes til metallets eller metallegeringens smelte-15 punkt, hvorved metallet vil flyde ind i grønemnets eller det infiltrerede emnes porer. Varigheden af det første og andet trin afhænger blandt andet af godstykkelse .

Grønemnet eller det sintrede emne har fortrinsvis 20 i det væsentlige samme temperatur som smeltetemperaturen af metallet eller metallegeringen, eller en højere temperatur under infiltreringen. Herved opnås at metallet eller metallegeringen fuldstændigt infiltrerer grønemnet således, at hele den porøse struktur af 25 grønemnet styrkes. Hvis der kun ønskes en indtrængning i de ydre lag af grønemnet kan kernetemperaturen af grønemnet holdes på en lavere temperatur end smeltetemperaturen af metallet eller metallegeringen til infiltrering.

30 Det kan være nødvendigt at støtte grønemnet under infiltreringen heraf, da vandglas bliver blød ved opvarmning til smeltepunktet for mange metaller eller metallegeringer til infiltrering. Eksempelvis har vandglas et blødgøringspunkt på 640°C for et vægtmodul 35 på 3. Det faktisk smeltepunkt for vandglas er imid- DK 173647 B1 18 lertid over smeltepunktet eller sintringstemperaturen for de fleste metaller eller metallegeringer af interesse. Det er således almindeligvis en forudsætning for et vellykket resultat, at der vælges et metal eller en 5 metallegering til infiltrering med et smeltepunkt under smeltepunktet for den valgt vandglas som partiklerne er belagt med.

Ved fuldstændig infiltrering af grønemnet med metal eller metallegering anvendes der fortrinsvis et 10 overskud af infiltrerende metal eller metallegering for at sikre den fuldstændige infiltrering. Inden det infiltrerede grønemne afkøles med henblik på udfældelse af metal eller metallegering drages der i almindelighed omsorg for, at overskydende metal/metallegering fjernes 15 fra emnet.

Grønemnet kan infiltreres med metal eller metallegering ved enhver metode kendt af fagmanden på området, eksempelvis som beskrevet i Metals Handbook, 9. udgave, bind 7, side 551-566.

20 Materialet til infiltrering og til partikler belagt med vandglas kan være valgt således at der opnås en samtidig sintring og infiltrering af emnet således at der kan spares en opvarmning.

I det følgende skal opfindelsen illustreres med 25 eksempler. Eksemplerne må ikke betragtes for begrænsende for beskyttelsesomfanget som defineret i kravene.

EKSEMPLER

Eksempel 1 30 Fremstilling af partikler belagt med vandglas.

6,0 kg partikler af forskellige materialer og med forskellige partiklerstørrelser blev afvej et og anbragt i en cylindrisk plastbeholder med en diameter på 200 mm og en højde på 190 mm. Plastbeholderen blev forsynet 35 med en omrører omfattende en central akse hvorfra der 19 DK 173647 B1 udstrakte sig fire vinger. Længden af vingerne var 95 mm. Omrøreren blev startet og indstillet til en omdrejningshastighed på 450 omdrejninger per minut.

Under omrøring blev der sat 180 ml vand langsomt 5 til partiklerne og der blev blandet i ca. 1 min for at fordele vandet i partiklerne. Herefter blev der til blandingen af partikler og vand sat 180 g fast vandglas med et vægtmodul som angivet i tabel 1 og der blev omrørt til vandglasset var opløst.

10 Omrøringen blev fortsat i ca. 45 minutter, som kunne inddeles i to perioder.

Periode 1: 0 - 30 minutter efter tilsætning af vandglas opvarmedes blandingen af den mekaniske energi som tilførtes fra omrøreren og vand blev tilladt frit 15 at dampe af;

Periode 2: 30 - 45 minutter efter tilsætning af vandglas var fordampningen af vandet så fremskreden at vandglasset begyndte at blive klæbrigt og der blev iagttaget en tendens til dannelse af løstsammenhængende 20 agglomerater. Mod slutningen af intervallet aftog klæbrigheden igen for blandingen da mængden af vandet i blandingen faldet til under laveste bindeniveau og agglomeraterne blev slået i stykker af omrøringen. Vandindholdet af blandingen var ca. 0,7 vægt% ved 25 afslutningen af periode.

Det opnåede produkt blev i mikroskop iagttaget at have en jævn og glat belægning af vandglas, hvilket blev antaget at være årsagen til den iagttagne let-strømmende egenskab.

30 20 DK 173647 B1

Tabel 1:

Forsøg Partikelmateriale Partikelstørrelse Vægtmodul af Mængde vandglas 5 nr. vandglas (vægt*) 1 Jern, HdganSs ABC 50-180/im 3,3 3,0 100.30 2 Bronze (89 væg ti 300-400μηι 2,0 3,0

Cu, li vægt» Sn) * 3 værktøjsstål ( D2 < 40μπ 2,0 3,0 10 1,55 vægt% C, 11,5 vægt% Cr, 0,75 vægt% Mo, 0,95 vægt% V, balance: Fe.

Eksempel 2

Sintret emne indeholdenede partikler af iern 15 De vandglasbelagte partikler af jern opnået i eksempel 1, forsøg nr. l, blev fyldt i en form og der blev vibreret. Formen var cylinderformet med en diameter på 50 mm og en højde på 50mm.

Formen fyldt med de vandglasbelagte partikler blev 20 indsat i en ovn ved 150°C i 40 min. Herefter blev formen udtaget og afkølet til stuetemperatur, og det hærdede emne blev udtaget af formen.

Det hærdede emne indeholdende de belagt partikler blev herefter anbragt i en sintringsovn foropvarmet til 25 700°C i en reducerende atmosfære af hydrogen. Sintringsovnen var af gennemløbstypen. Emnet blev holdt ved denne temperatur i 2 0 min under den reducerende atmosfære af hydrogen.

Herefter blev grønemnet ført videre til en zone 30 med en temeratur på 1120°C og holdt ved denne temperatur i 20 min. Det opnåede sintrede emne blev afkølet til 100°C i løbet af 3 0 min. Vægten af det opnåede sintrede emne var 344 g.

21 DK 173647 B1

En undersøgelse i mikroskop bekræftede, at der var er direkte metallisk forbindelse mellem de enkelte partikler til stede.

5 Eksempel 3

Fremstilling af sintret emne indeholdende bronzepat ikler.

De vandglasbelagte partikler af bronze opnået i eksempel 1, forsøg nr. 2, blev fyldt i en form og der 10 blev vibreret. Formen var cylinderformet med en diameter på 50 mm og en højde på 42 mm.

Formen fyldt med de vandglasbelagte partikler blev indsat i en ovn ved 150°C i 40 min. Herefter blev formen udtaget og afkølet til stuetemperatur, og det 15 hærdede emne blev udtaget af formen.

Det hærdede emne indeholdende de belagt partikler blev herefter anbragt i en batch ovn foropvarmet til 750°C i en inert atmosfære af nitrogen. Emnet blev holdt ved denne temperatur i 30 min. Herefter blev 2 0 temperaturen i løbet af 10 min hævet til 810°C og denne temperatur blev opretholdt i 15 min, hvorved der blev opnået sintring.

Det sintrede emne blev afkølet til stue temperatur i løbet af 30 min. Vægten af det opnåede sintrede emne 25 var 380 g.

En undersøgelse i mikroskop bekræftede, at der var er direkte metallisk forbindelse til stede mellem de enkelte partikler.

30 Eksempel 4

Sintret emne indeholdende partikler af værktøjs- stål.

De vandglasbelagte partikler af værktøjsstål opnået i eksempel 1, forsøg nr. 3, blev fyldt i en form 35 og der blev vibreret. Formen var cylinder formet med en 22 DK 173647 B1 diameter på 50 mm og en højde på 42 mm.

Formen fyldt med de vandglasbelagte partikler blev indsat i en ovn ved 150°C i 40 min. Herefter blev formen udtaget og afkølet til stuetemperatur, og det 5 hærdede emne udtaget af formen.

Det hærdede emne indeholdende de belagt partikler blev herefter anbragt i en sintringsovn foropvarmet til 300°C i en reducerende atmosfære af hydrogen. Sintringsovnen var af gennemløbs typen. Emnet blev holdt 10 ved denne temperatur i 30 min under den reducerende atmosfære af hydrogen for at afdrive eventuelt tilstedeværende krystal vand. Herefter blev emnet ført til en zone med en temperatur på 700°C, hvilken temperatur blev opretholdt i 30 min.

15 Efterfølgende blev emnet ført til en zone med en temperatur på 1120°C, hvilken temperatur blev opretholdt i 30 min. Det sintrede emne blev herefter afkølet til stuetemperatur i løbet af 30 min.

Iagttagelse i lysmikroskop viste en direkte 20 metalliske forbindelse mellem partiklerne. Vægten af emnet var 390 g.

Claims (18)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af et sintret emne, ved hvilken man 5. tilvejebringer partikler belagt med et lag af vandglas i en form, hærder partikelmassen til et grønemne, og opvarmer grønemnet til en temperatur på eller over sintringstemperaturen for partiklerne, 10 hvorved der dannes en direkte fysisk forbindelse mellem naboliggende partikler.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvori partiklerne belagt med et lag af vandglas fremstilles ved, at man (a) tilvejebringer en blanding indeholdende partikler 15 der skal belægges, vand og 0,1 - 5 vægt% vand glas, beregnet på basis af vægten af partiklerne, hvori vandglasset foreligger i opløst form, (b) omrører blandingen mekanisk, eventuelt under tilførsel af varme fra en ekstern varmekilde og 20 tillader vandet at fordampe herfra indtil mindst så meget af vandet er fordampet fra blandingen, at den ikke længere er klæbende.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, hvori grønemnet fremstilles ved at man 25 (c) tilvejebringer partiklerne belagt med vandglas i en form, (d) drager omsorg for at vand til aktivering af vandglas er tilstede i partikelmassen, og (e) hærder de med vandglas belagte partikler i formen 30 til et grønemne ved tilførsel af energi fra en kilde herfor.

4. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 1 til 3, hvori grønemnet opvarmes til en temperatur på 10-40°C over sintringstemperaturen. 35 DK 173647 B1

5. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 1-4, hvori partiklerne omfatter metal, såsom aluminium, kobber, tin, jern, wolfram, chrom, vanadium, mangan eller molybdæn, eller en blanding af to eller flere 5 heraf.

6. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 1-5, hvori partiklerne omfatter metaloxider, såsom Si02, Al203 i Fe304, Fe2C>3, MnO, NiO, ZnO, Zr02, Ti02 eller en blanding af to eller flere heraf.

7. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 1-6, hvori det anvendte vandglas til belægningen af partiklerne har et vægtmodul på 1,8 til 3,5.

8. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 1-7, hvori det sintrede emne infiltreres ved at tillade 15 optagelse af et materiale på væskeform som efterfølgende udfældes.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 8, hvori materialet på væskeform til infiltrering er en opløsning af vandglas.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 9, hvori opløsningen af vandglas er vandig og vandglasset besidder et vægtmodul på fra 3,0 til 3,5.

11. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 1 til 10, hvori man 25. bringer det sintrerede emne i kontakt med en opløsning af vandglas, således at opløsningen optages deri, varmebehandler det sintrerede emne hvori der er optaget en opløsning af vandglas, således at 30 vandglasset udfældes, og eventuelt gentager de foregående trin til opnåelse af et infiltreret sintret emne.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 11, hvori opløsningen af vandglas indeholder opslæmmet metalpulver med 35 DK 173647 B1 en diameter som er mindre end porediameteren af det sintrede emne.

13. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 8 til 12, hvori varmebehandlingen foregår ved en tem- 5 peratur på fra 100 til 250*0, fortrinsvis ved en temperatur på fra 120 til 180°C.

14. Fremgangsmåde ifølge krav 8, hvori materialet til infiltrering er et metal eller en metallegering, eksempelvis kobber, tin eller en kobber- og/eller 10 tinholdig legering.

15. Fremgangsmåde ifølge krav 8 eller 14, hvori man bringer det sintrede emne i kontakt med et smeltet metal eller en smeltet metallegering, således 15 at smeltet metal eller metallegering optages i det sintrede emne, afkøler emnet indeholdende smeltet metal eller metallegering til udfældelse af metallet eller metallegeringen, og eventuelt 20. gentager de foregående trin til opnåelse af et infiltreret emne.

16. Fremgangsmåde ifølge krav 15, hvori det sintrede emne, når det bringes i kontakt med det smeltede metal eller den smeltede metallegering, i det 25 væsentlige har samme temperatur, eller en højere temperatur, som smeltetemperaturen af metallet eller metallegeringen.

17. Sintret emne opnåeligt ifølge et vilkårligt af kravene 1-16.

18. Anvendelse af emnet ifølge krav 17 som en kerne eller en form til jern- og metalstøbning eller plaststøbning.