Verfahren zum Herstellen von Sinterformteilen Process for producing sintered molded parts
Technisches Gebiet:Technical field:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von' Sinterformteilen aus Metall oder Keramik durch Spritz¬ gießen einer Masse, die ein austreibbares Bindemittel und gegebenenfalls ein Gleitmittel enthält.The invention relates to a method for the manufacture of 'sintered components made of metal or ceramic by Spritz¬ casting a composition containing a austreibbares binder and optionally a lubricant.
Stand der Technik:State of the art:
Bekannte Verfahren umfassen folgende Schritte:Known methods include the following steps:
- Mischen des sinterfähigen Metall- oder Keramikpulvers mit einem Bindemittel, so daß eine spritzgußfähige- Mixing the sinterable metal or ceramic powder with a binder, so that an injection moldable
Masse entsteht.Mass arises.
- Spritzgießen der Masse zum Formteil- Injection molding of the mass into the molded part
— Austreiben des Bindemittels aus dem Formteil durch eine erste Wärmebehandlung- Expelling the binder from the molded part by a first heat treatment
- Sintern des entstandenen Rohlings zum Fertigteil- Sintering the resulting blank to the finished part
- Falls eine Dichte nahe bei 100 % der theoretischen Dichte im Fertigteil erforderlich ist, heißiso-
statisches Nachverdichten- If a density close to 100% of the theoretical density is required in the finished part, hot iso- static re-compaction
Als Bindemittel werden verwendet: a) Thermoplaste (z. B. Polyethylen, Polyethylen-Wachse, Paraffin-Wachse, Cellulose und deren Derivate, Poly¬ amide, Polyaeryle, Styrole)The following are used as binders: a) thermoplastics (e.g. polyethylene, polyethylene waxes, paraffin waxes, cellulose and their derivatives, polyamides, polyaeryls, styrenes)
b) Duroplaste, Epoxide, Polyimide Polyester, Phenol- Melamin-Resorcinharzeb) thermosets, epoxies, polyimide polyesters, phenol-melamine-resorcinol resins
c) Gemische aus den Gruppen a) und b)c) mixtures from groups a) and b)
Für die Herstellung von Formteilen durch Spritzguß sind folgende Eigenschaften des Bindemittels besonders wichtig:The following properties of the binder are particularly important for the production of molded parts by injection molding:
- Gutes Fließvermögen bereits bei geringen Anteilen des Binders in der Masse- Good fluidity even with small proportions of the binder in the mass
- Erzielen einer guten Formstabilität im Formteil während des Ausheizens- Achieve good dimensional stability in the molded part during baking
- Vollständige Entfernbarkeit des Binders durch Aus¬ heizen unter Zurücklassen einer einer einstellbaren Menge freien KohlenstoffesComplete removal of the binder by heating, leaving behind an adjustable amount of free carbon
Nachteile der bekannten Bindemittel:Disadvantages of the known binders:
Gruppe a) Diese Bindemittel haben den Vorzug eines guten Fließvermögens und sind auch meist vollständig entfern- bar. Der Nachteil dieser Gruppe liegt darin, daß nur eine geringe Formstabilität zu erzielen ist, weil Thermo¬ plaste beim Ausheizen in die flüssige Phase übergehen. Üblicherweise werden deshalb Gemische von Thermoplasten mit unterschiedlichen Schmelzpunkten gewählt. Trotzdem ist die Temperaturführung während des Ausheizens des
Binders sehr kritisch und der Ausheizvorgang muß sehr vorsichtig, über lange Zeit (3 bis 10 Tage) erfolgen, weil sonst die Gefahr besteht, daß sich die Teile ver- formen oder Risse entstehen.Group a) These binders have the advantage of good fluidity and are usually also completely removable. The disadvantage of this group is that only a low dimensional stability can be achieved because thermoplastics pass into the liquid phase when baked out. Mixtures of thermoplastics with different melting points are therefore usually chosen. Nevertheless, the temperature control during the heating of the Binders are very critical and the heating process must be carried out very carefully over a long period of time (3 to 10 days), otherwise there is a risk that the parts will deform or crack.
Die Bindemittel der Gruppe b) ergeben eine gute Form¬ stabilität der Spritzgußteile. Da ausgehärtete Duroplaste beim Austreiben des Binders nicht aufschmelzen, ist die Gefahr unerwünschter Verformungen oder Rußbildung wesentlich kleiner als bei Thermoplasten.The binders of group b) give the injection molded parts good dimensional stability. Since hardened thermosets do not melt when the binder is driven out, the risk of undesired deformation or soot formation is significantly lower than with thermoplastics.
Die Nachteile dieser Bindemittel bestehen darin, daß nur ein wesentlich geringeres Fließvermögen zu erzielen ist und daß nach dem Ausheizen stets viel freier Kohlenstoff (etwa 15 % bis 50 % bezogen) zurückbleibt.The disadvantages of these binders are that only a much lower fluidity can be achieved and that there is always a lot of free carbon (about 15% to 50% based) after baking.
Im Stand der Technik ist deshalb eine gezielte Einstel¬ lung des zurückbleibenden Kohlenstoffes nur in sehr be¬ grenztem Umfang möglich.In the prior art, therefore, a targeted setting of the remaining carbon is only possible to a very limited extent.
Durch Mischen von Bindemitteln der Gruppe a) und b) zurBy mixing binders of group a) and b) to
Gruppe c) lassen sich die Vorteile beider Gruppen bis zu einem gewissen Grad vereinigen, doch treten dann auch die Nachteile beider Gruppen, wenn auch in schwächerem Ausmaß, auf.Group c) the advantages of both groups can be combined to a certain extent, but then the disadvantages of both groups also appear, albeit to a lesser extent.
Darstellung der Erfindung:Presentation of the invention:
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bindemittel anzugeben, das sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:The object of the invention is to provide a binder which is distinguished by the following properties:
- Erzielen eines guten Fließvermögens- Achieve good fluidity
- gute Formstabilität der Teile und verbessertes Aus- heizverhalten und gewünschtenfalls:- good dimensional stability of the parts and improved heating behavior and if desired:
- Anteil des zurückgelassenen Kohlenstoffes einstellbar von 0.001 % bis 10 %.
Lösung :- The amount of carbon left is adjustable from 0.001% to 10%. Solution:
Es wird erfindungsgemäß nunmehr ein Verfahren vorgeschla¬ gen zum Herstellen von Sinterformteilen aus Metall oder Keramik durch Spritzgießen einer Masse, die ein austreib- bares Bindemittel und ein Gleitmittel enthält, das gekenn¬ zeichnet ist durch ein Bindemittel mitAccording to the invention, a method is now proposed for producing sintered molded parts made of metal or ceramic by injection molding a composition which contains an expellable binder and a lubricant which is characterized by a binder
- einem Thermoplast, dessen Vernetzungsgrad nach der Ver¬ arbeitung in der Spritzgußmasse erhöht werden kann und mit Vorteila thermoplastic, the degree of crosslinking of which can be increased after processing in the injection molding compound, and advantageously
- ein Gleitmittel, wobei dieses Gleitmittel mit Vorteil selbst wiederum aus verschiedenen Bestandteilen besteht und niederviskos (kleiner als 100 Poise) ist, so daß gute Gleiteigenschaften erreicht werden.- A lubricant, which lubricant itself advantageously consists of various components and is low-viscosity (less than 100 poise), so that good sliding properties are achieved.
Der Anteil des Bindemittels beträgt mit Vorteil zwischen 2 und 20%, bezogen auf die Spritzmasse.The proportion of the binder is advantageously between 2 and 20%, based on the spray compound.
Nach der Formgebung und Vernetzung weist der Thermoplast ein hohes Molekulargewicht und damit einen hohen Schmelz- punkt auf. Damit wird erreicht, daß die, mit dem Binder gemischten Gleitmittel beim Austreiben des Binders bei einer Temperatur entfernt werden können, bei welcher der nachvernetzte Thermoplast noch nicht schmilzt und daß da¬ her dem Formteil eine gewisse Festigkeit verbleibt. Das Gleitmittel läßt sich relativ leicht entfernen, ohne daß der Dampfdruck beim Ausheizen zu Beschädigungen (Ver¬ formung, Risse) des Formteils führt.After shaping and cross-linking, the thermoplastic has a high molecular weight and thus a high melting point. It is thereby achieved that the lubricants mixed with the binder can be removed when the binder is driven out at a temperature at which the post-crosslinked thermoplastic does not yet melt and that the molded part therefore has a certain strength. The lubricant can be removed relatively easily without the vapor pressure leading to damage (deformation, cracks) in the molded part during heating.
Wenn dann bei höherer Temperatur (60 bis 90% der Schmelz- temperatur) der nachvernetzte Thermoplast ausgetrieben wird, sind wegen des vorher entfernten Gleitmittels bereits Poren und Kanäle vorhanden, durch die nun auch der Thermo¬ plast entweicht, ohne das Teil zu beschädigen.If the post-crosslinked thermoplastic is then expelled at a higher temperature (60 to 90% of the melting temperature), pores and channels are already present because of the previously removed lubricant, through which the thermoplastic now also escapes without damaging the part.
Somit ist ein Bindemittel geschaffen, das sehr gute Gleiteigenschaften aufweist und sich leicht (d.h. relativ schnell) entfernen läßt. Mit Hilfe eines Duroplast-
Anteils läßt sich der zurückbleibende Kohlenstoff gezielt einstellen, d. h.This creates a binder that has very good sliding properties and can be removed easily (ie relatively quickly). With the help of a thermoset Part of the remaining carbon can be adjusted in a targeted manner, ie
ein Duroplast wird nur verwendet, wenn es erwünscht ist, daß nach dem Ausheizen eine bestimmte Menge Kohlenstoff zurückbleibt.a thermoset is only used if it is desired that a certain amount of carbon be left after baking.
Bei der Herstellung von Sinterformteilen aus Metall oder Keramik mit diesem' neuen Bindemittel wird wie folgt ver¬ fahren a) Aufbereitung einer Masse, bestehend aus dem zu ver¬ arbeitenden Pulver und dem Bindemittel; gegebenen¬ falls wird, um die Homogenität zu erhöhen, ein Lö¬ sungsmittel verwendet, das nach dem Mischen der Be¬ standteile der Masse abgedampft wird.In the production of sintered components made of metal or ceramic with this' new binder is as follows drive ver¬ a) treating a composition consisting of the ver¬ to working powder and the binder; if necessary, in order to increase the homogeneity, a solvent is used which is evaporated after the constituents of the mass have been mixed.
b) Verarbeiten der Masse durch Spritzguß zum Formteilb) Processing the mass by injection molding to give the molded part
c) Erhöhen des Vernetzungsgrades des im Bindemittel enthaltenen vernetzbaren Thermoplast mit dafür ge- eigneten Methoden, wie thermische oder Strahlen¬ vernetzung.c) Increasing the degree of crosslinking of the crosslinkable thermoplastic contained in the binder using suitable methods, such as thermal or radiation crosslinking.
d) Austreiben des Binders durch geeignete Wärmebehandlung.d) driving out the binder by suitable heat treatment.
e) Sintern und gegebenenfalls durch heißisostorisches Pressen Nachverdichten der Formteile auf nahezu vollständige, theoretische Dichte.e) sintering and, if necessary, hot compression of the molded parts to almost complete, theoretical density.
Durch die Erhöhung des Vernetzungsgrades im Thermoplast nach dem Spritzgießen werden zwei Vorteile erzielt:By increasing the degree of crosslinking in the thermoplastic after injection molding, two advantages are achieved:
- Während des Spritzgießens ist der Thermoplast relativ niedermolekular und niederviskos (kleiner als 100 Poise)- During injection molding, the thermoplastic is relatively low molecular weight and low viscosity (less than 100 poise)
- Das Thermoplast ist nachträglich vernetzbar.
1 Wege zur Ausführung der Erfindung:- The thermoplastic can be cross-linked subsequently. 1 ways of carrying out the invention:
a) Für Bindemittel: vernetzbarer Thermoplast: Polyethylen, nachvernetz- 5 bar durch Wärme bei Anwesenheit vcn Wasser (z. B. feuchte Atmosphäre in der Behandlungskammer)a) For binders: crosslinkable thermoplastic: polyethylene, postcrosslinkable - 5 bar by heat in the presence of water (e.g. moist atmosphere in the treatment chamber)
Typ: HDPEX CG 71210:10 Hersteller ASEA Kerbel Stockholm 10 b) für Gleitmittel:Type: HDPEX CG 71210: 10 Manufacturer ASEA Chervil Stockholm 10 b) for lubricants:
Ein Gemisch von Zinkstearat und Stearinsäure zu gleichen TeilenA mixture of zinc stearate and stearic acid in equal parts
-*5 c) Zumischbares Duroplast: Phenolharz Typ SW 433 Hersteller: Fa. Bakelite- * 5 c) Mixable thermoset: phenolic resin type SW 433 Manufacturer: Bakelite
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
2020th
Zusammensetzung einer spritzbaren Masse für SiC: Zu verarbeitendes Pulver: sinterfähiges - SiC (Schmelz¬ temperatur 2700 C) , gemischt mit 0,6 % amorphem Bor.Composition of a sprayable mass for SiC: Powder to be processed: sinterable - SiC (melting temperature 2700 C), mixed with 0.6% amorphous boron.
2 Korngröße 1 u m, BET spez. Oberfläche 15 /g.2 grain size 1 u m, BET spec. Surface 15 / g.
25 78 % SiC-Pulver, 6 % vernetzbarer Thermoplast,25 78% SiC powder, 6% cross-linkable thermoplastic,
12 % Gleitmittel, 4 % Duroplast.12% lubricant, 4% thermoset.
Bei diesem Ansatz bleiben nach dem Ausheizen des Binders 1.6 % freier Kohlenstoff im SiC-Formteil zurück, die 3 als Sinteradditiv wirken.With this approach, 1.6% of free carbon remains in the SiC molded part after the binder has been heated, which 3 act as a sintering additive.
Austührungsbeispiel 2:Design example 2:
Zusammensetzung einer spritzbaren Masse für Ni-Basis- 35 Legierungs-Formteile:
Zu verarbeitendes Pulver: Udimet 700 (Ni-Basis-Legierung) , Korngröße kleiner 45jUm, mittlere Korngröße 30tιmComposition of a sprayable composition for Ni-based 35 alloy molded parts: Powder to be processed: Udimet 700 (Ni-based alloy), grain size less than 45 µm, average grain size 30 µm
Zusammensetzung der Masse:Composition of the mass:
95,5 % U-700 Pulver 2 % vernetzbarer Thermoplast 2,5 % Gleitmittel95.5% U-700 powder 2% cross-linkable thermoplastic 2.5% lubricant
Bei dieser Zusammensetzung bleiben weniger als 0,001 % freier Kohlenstoff im Ni-Basis-Formteil zurück. Dies ist erwünscht, da Kohlenstoff die mechanischen Eigen¬ schaften des Formteils verschlechtert.With this composition, less than 0.001% free carbon remains in the Ni-based molded part. This is desirable because carbon deteriorates the mechanical properties of the molded part.
Abwandlungen der beschriebenen Beispiele lassen sich selbstverständlich durchführen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch andere spritzgießfähige, spritzpreßfähige, strangpreßfähige, extrudierbare Metalle oder Keramiken verarbeitet werden.Modifications to the examples described can of course be carried out without departing from the scope of the invention. In particular, other injection-moldable, extrusion-capable, extrudable, extrudable metals or ceramics can also be processed.
Das Ausheizen oder Austreiben von Bindemittel und gege¬ benenfalls Gleitmittel kann im Ausführungsbeispiel 1 ent¬ weder kontinuierlich einige Stunden oder abgestuft in Teil¬ schritten von Raumtemperatur auf über einige hundert C (1. Stufe) bis etwa Sintertemperatur (75 - 95 % der Schmelz¬ temperatur) ininerter Atmosphäre (Ar) erfolgen. Ein soIn example 1, the heating or expelling of binders and, where appropriate, lubricants can either be continuous for a few hours or in stages in steps from room temperature to over a few hundred C (1st stage) to about sintering temperature (75-95% of the melting temperature) temperature) in an inert atmosphere (Ar). Such a
3 gesinterter Formteil hatte eine Dichte von 3,14 g/cm und3 sintered molding had a density of 3.14 g / cm and
2 650 N/mm Biegefestigkeit.2 650 N / mm bending strength.
Für das Ausführungsbeispiel 2 können an sich bekannte Ausheiz- und Sinterbedingungen angewandt werden.Known baking and sintering conditions can be used for embodiment 2.
Wichtig ist bei der Erfindung, daß die Additive der Spritzmasse bei sehr verschiedenen Temperaturen entfernt werden und daß dazu ein Thermoplast gehört, dessen Ver-
netzungsgrad nach dem Spritzgießen sehr stark erhöht wird, so daß die (Grün-)Teile schon vor dem Sintern ausreichend formstabil sind.It is important in the invention that the additives of the spray compound are removed at very different temperatures and that this includes a thermoplastic, the use of which degree of wetting is very strongly increased after the injection molding, so that the (green) parts are sufficiently dimensionally stable even before sintering.
Gewerbliche Anwendung:Commercial application:
Für komplizierte Formteile, wie z.B. Turbinenschaufeln oder -räder, die erfindungsgemäß aus Metall oder Keramik durch Spritzgießen hergestellt werden können.For complicated molded parts, e.g. Turbine blades or wheels, which according to the invention can be produced from metal or ceramic by injection molding.
Zur Erfindung gehören auch alle Kombinationen der bean¬ spruchten Merkmale und derjenigen, die in der Beschrei¬ bung zur Darstellung der Erfindung erläutert sind.
The invention also includes all combinations of the claimed features and those which are explained in the description to illustrate the invention.