EP0451467A1 - Sintering method using a yielding ceramic mould - Google Patents

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EP0451467A1
EP0451467A1 EP91102428A EP91102428A EP0451467A1 EP 0451467 A1 EP0451467 A1 EP 0451467A1 EP 91102428 A EP91102428 A EP 91102428A EP 91102428 A EP91102428 A EP 91102428A EP 0451467 A1 EP0451467 A1 EP 0451467A1
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EP
European Patent Office
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mold
component
ceramic
powder
sintering
Prior art date
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EP91102428A
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German (de)
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EP0451467B1 (en
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Reinhard Fried
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/1208—Containers or coating used therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/1208—Containers or coating used therefor
    • B22F3/1216—Container composition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/1208—Containers or coating used therefor
    • B22F3/1258—Container manufacturing
    • B22F3/1283—Container formed as an undeformable model eliminated after consolidation

Definitions

  • the invention relates to the further development, perfection and simplification of powder metallurgical manufacturing methods for the production of workpieces with comparatively complicated shapes, where the problems of shrinkage during sintering play an important role.
  • the main area of application is in the area of components for turbine construction.
  • the invention relates to a method for shaping any component from a metallic and / or ceramic material, starting from a powder or a powder mixture, the powder being poured loosely into a mold and then subjected to a sintering process.
  • the invention has for its object to provide a method with which, starting from metal or ceramic powders, a comparatively complicated shaped workpiece of any cross-section and unlimited wall thickness can be produced.
  • the process is intended to provide a reproducible finished product that no longer has to be processed, or at most only slightly. When processing powder bubbles and unwanted harmful residues should be avoided.
  • the process is intended to ensure the greatest possible freedom of movement and universality.
  • a flexible ceramic body is used as the mold, which yields elastically and / or plastically under the stresses that occur due to expansion or shrinkage due to expansion or shrinkage and cause tensile and / or compressive forces, and / or tears at targeted breaking points, but its strength and dimensional stability over the entire temperature range and over the entire process sequence is sufficiently high to ensure high dimensional accuracy of the component to be manufactured as a sintered body.
  • FIG. 1 shows a flow diagram (block diagram) of the method using an elastic / plastically yielding form.
  • the diagram needs no further explanation.
  • the shape is made of a resilient material and is designed to accommodate the movements of the sintered body to be produced follows without tearing or breaking.
  • FIG. 2 shows a flow diagram (block diagram) of the method using a flexible form with predetermined breaking points.
  • the shape here consists of a material that breaks at certain points as soon as the body to be sintered has sufficient inherent strength. The shape which is broken or torn in this way then no longer offers any appreciable resistance to the solidifying sintered body, so that it can expand or contract in all directions without being severely prevented.
  • this category of form includes all variants in which the form undergoes more or less irreversible changes during the sintering process of the workpiece: the form tears, breaks, disintegrates, is at least locally crushed, etc.
  • the shape need not necessarily have precisely predisposed predetermined breaking points as notches, grooves, etc.
  • the "predetermined breaking point" can also occur arbitrarily anywhere where the strength of the material is exceeded. After the sintering process, the destroyed form is not ready for use again.
  • Fig. 3 relates to a schematic elevation / section of a yielding split mold with powder filling for the purpose of demonstrating the principle of conformity when shrinking: state before shrinking.
  • 1 represents the powder filling (powder filling) for the component.
  • 2 is a yielding split mold made of ceramic material in the state before the component shrinks (heat treatment, sintering process).
  • 4 shows a schematic elevation / section of a yielding split mold with a sintered body for the purpose of demonstrating the principle of conformity during shrinking: state during shrinking (even after the shrinking process has ended during the sintering process).
  • 3 is the solidifying sintered body (component, workpiece) formed from the powder in the meantime.
  • 4 shows the yielding split form made of ceramic material during and after the shrinking of the component.
  • the shrinkage is only shown in the direction of the main longitudinal axis, while that in the transverse direction has not been taken into account.
  • the direction of movement during the shrinking process of the component is indicated by opposite vertical arrows. These arrows also represent the longitudinal compression forces acting on the ceramic mold. The mold is thus compressed in the present case.
  • 5 is the original contour (dashed line) of the yielding shape before the component shrinks (see FIG. 3).
  • FIG. 5 shows a schematic elevation / section of a yielding split mold and a finished sintered body for the purpose of demonstrating the principle of conformity during shrinking: state after removal of the filled mold.
  • 3 is the sintered body
  • 6 the divided form made of ceramic material after its removal. After releasing the tension, the elastic shape (in this case two halves) almost returns to its original shape.
  • the arrows show the direction of movement of the molded parts as they are removed from the workpiece.
  • FIG. 6 shows a schematic elevation / section of a detail from a yielding form for the purpose of demonstrating the principle of the predetermined breaking point during shrinking.
  • 7 is any section of a compliant shape made of ceramic material. This stylized example can be easily applied to the case of the side limitation transferred to a turbine blade with cantilevered head and foot sections.
  • 8 represents an expansion piece (bulge, bulge) of the yielding shape. This section serves to deflect the forces (pressure forces p) and to generate a bending moment (M b ) at the predetermined breaking point 9, which is subjected to bending when the component shrinks. In addition, such a bulge provides the space for the movement of the mold caused by the shrinkage of the component.
  • FIG. 7 relates to a schematic elevation / section of a yielding shape with predetermined breaking points and a powder filling: state before shrinking.
  • 1 is the powder filling for the component, 10 the yielding undivided form made of ceramic material with predetermined breaking points before the component shrinks.
  • 8 is an expansion piece in the form of a parabolic bulge with predetermined breaking point 9 in the form of a notch (groove) 11. The space enveloped by expansion piece 8 is closed off from the workpiece side by an elastic-plastic ceramic seal 12 in the manner of a fleece or felt or flexible fiber product.
  • FIG. 8 shows a schematic elevation / section of a yielding shape with broken predetermined breaking points and a sintered body: state during shrinking during sintering.
  • 3 is the sintered body, shown shrunk in the longitudinal direction compared to the powder filling 1 (FIG. 7).
  • 9 is a predetermined breaking point (shape already broken).
  • 13 is a part of the yielding undivided shape made of ceramic material during and after the shrinking of the component.
  • 12 is the elastic-plastic ceramic seal, which has been squeezed here in part by compressing it into the space available transversely.
  • 14 shows a crack in a part of the form made of ceramic material during and after the component has shrunk. In the present case, the crack 14 gapes at this point due to high bending moments. If the shrinkage is severe, they break cantilevered expansion pieces (8 in Fig. 7) completely or are even crushed.
  • FIG. 9 shows a schematic elevation / section of a yielding shape with broken predetermined breaking points and a finished sintered body: state after the fragments of the cracked shape have been removed.
  • 3 is the sintered body, 12 the elastic-plastic ceramic seal and 15 each a fragment of the yielding shape made of ceramic material after removal.
  • 16 is an irregular fracture surface at the predetermined breaking point of the mold.
  • the crack 14 in a fragment is shown closed after the bending moment ceases to exist. In contrast, the lowest fragments 15 are completely broken through. There are all variants of the destroyed form.
  • the arrows indicate the direction of movement of the fragments 15 when they are removed from the component to be manufactured.
  • Fig. 10 shows a schematic elevation / section of a thin-walled yielding shape with numerous notches as predetermined breaking points and a powder filling: state before shrinking.
  • the reference numerals basically correspond to those of FIG. 7.
  • the wall thickness of the mold 10 is greatly reduced compared to FIG. 5.
  • the notches 11 of the predetermined breaking points have a parabolic profile and are predominantly located at the thickened corners of the mold 10. As a result, bending moments are generated during the shrinking, which cause the shell-like mold 10 to break open.
  • 11 relates to a schematic section of a detail from a mold consisting of several ceramic layers and a sintered body.
  • the detail shows a sintered body 3 at the location of a rib with a rectangular cross section.
  • the mold in the present case represents a shell-like body made of different layers.
  • 17 is a smooth inner skin of the mold made of ceramic material. This is usually done with a fine-grained mass, Paste (slip, etc.) used.
  • 18 is the essentially shape-determining, medium-fine-grained inner layer (shell) of the form made of ceramic material. Their relatively dense grains are drawn as more or less globular particles.
  • 19 is the coarse-grained middle layer (shell) of the form. 20 represents the coarse-pored, framework-like outer layer of the mold.
  • FIG. 12 shows a schematic section of a section from a mold consisting of a highly porous foam ceramic layer and a mechanically stronger glass ceramic layer and a sintered body: state before cracking during sintering.
  • the smooth inner skin 17 made of ceramic material.
  • 21 is an inner layer (shell) of the form made of highly porous foam ceramic. The latter has coarse through pores 22.
  • 23 represents an outer layer (shell) of the form made of glass ceramic (fiber-reinforced).
  • FIG. 13 shows a schematic section of a detail from a mold consisting of a highly porous foam ceramic layer and a glass ceramic layer and a sintered body: state after tearing and crumbling.
  • the reference numerals 3, 17, 21, 22, 23 are exactly the same as in Fig. 12.
  • 24 is a crack in the foam ceramic of the mold, which is approximately perpendicular to the workpiece surface (sintered body 3). The cracks 24 partially follow the pores 22 in this layer 21.
  • 25 is the corresponding crack in the glass ceramic of the mold. It is the case is drawn where tensile and bending stresses occur in layers 21 and 23.
  • FIG. 14 shows a schematic elevation / section of a yielding mold consisting of a ductile ceramic film with powder filling: state before shrinking.
  • 1 is the powder filling for the production of the component.
  • 26 is a thin ductile ceramic sheet used in the green or semi-dry or partially heat treated condition. It is placed in a preform and heat treated for solidification or otherwise subjected to a hardening process. The powder is filled through a filling opening 27. 28 is a closure (adhesive joint) in the ceramic film.
  • 15 relates to a schematic elevation / section of a yielding mold consisting of a sintered ceramic film with a sintered body: state after shrinking by sintering together.
  • 3 is the sintered body, 20 the shell made of the sintered ceramic film.
  • the arrows indicate the direction of movement during the shrinking process of the component. Since the shell 29 also shrinks at the same time, only the differential forces come into effect at the interfaces between the shell 29 and the sintered body 3. These can be positive or negative, depending on whether the shrinkage of the component or that of the shape predominates. In the first case, compressive forces arise in the mold (shell 29), in the second case tensile forces. It is advantageous to coordinate the shrinkage mass with one another by choosing the materials involved in each of FIGS. 3 and 29. A special case occurs when both shrinkage masses are the same. Then no forces are transferred.
  • the yielding (i.e., elastic-plastically compliant or tearing) forms are produced according to the well-known conventional process of foundry and plastic molding technology and related technologies. Accordingly, the mold is usually produced using a model, the dimensions of which take account of the subsequent shrinkage during the sintering of the powder to produce the component.
  • the method of melting wax, low-temperature metals and alloys, washing out salt or urea, burning out synthetic foam, etc. is practiced.
  • the ceramic material required for the mold is applied to the model using the immersion, paste, casting and spraying process.
  • Multi-part molds are usually made using models, dies, preforms, etc.
  • Indestructible, elastic-plastic yielding forms are usually designed as thin-walled, highly porous shells, usually made up of several layers.
  • Destructible shapes either have predetermined, predetermined breaking points or consist of thin shells that form net-like polygonal cracks under the forces that occur or disintegrate into mosaic-like fragments. These forces can also be triggered by process control (temperature, chemical reactions, structural changes).
  • a powder with a maximum particle size of 50 ⁇ m was used which was produced by gas jet atomization.
  • the powder was filled dry, without any binder into a ceramic form which gave about 10% more linear expansion, and cold pre-compacted by vibration.
  • the procedure for producing the following mold was as follows: First of all, two preforms (matrices) for a two-part ceramic mold were produced, which depicted the component to be manufactured as a hollow mold, linearly enlarged by the shrinkage 10%.
  • the filled, cold pre-compressed steel powder was sintered under vacuum (residual pressure 10 ⁇ 7 bar).
  • the vacuum furnace and workpiece were first heated to 1000 ° C at a rate of 20 ° C / min, then to 1200 ° C at a rate of 5 ° C / min.
  • the steel powder had the opportunity to sinter to such an extent that the workpiece already had sufficient inherent strength without having undergone any significant shrinkage.
  • the workpiece to be sintered was further heated to a sintering temperature of 1360 ° C. and sintered for 6 hours.
  • the yielding ceramic shape which consisted of sintered casting compound, reached such a level that it offered practically no resistance to the shrinkage of the steel component to be manufactured, but essentially retained its desired shape. Then the whole thing was cooled in the oven to approx. 250 ° C, whereby the shell-like ceramic shape cracked due to different thermal expansion coefficients and some shell parts were already flaking off. After removal from the oven, the component with the still adhering shell parts of the mold was quenched in cold water, the latter flaking off completely. The component was cleaned by blasting with glass beads, which resulted in a clean, smooth surface.
  • Example I As a component, a blade corresponding to Example I was made of the Cr steel X20CrMoV 12 1 with the same dimensions.
  • the divided metallic preforms (matrices) as used in Example I were used as tools.
  • the residual moisture (H2O content) was approximately 2.5 to 3% by weight. 0.5% by volume of a silicate-based binder with the trade name "Silester X15" from Monsanto, Brussels, Belgium, was added to the mass with particles of up to 630 ⁇ m. It was filled into the die with vibration and pressing with a stamp. The green compact produced in this way had sufficient inherent strength to be handled for drying.
  • the binder portion was cured on the way of a chemical reaction by treatment in an atmosphere containing NH 3 (ammonia curing) for 5 min. The ceramic mold was then air-dried for 30 minutes. The drying time depends on the dimensions the form approx. 10 to 60 min. This time was used to fill the resilient ceramic mold made of shells with the powder made of Cr steel.
  • the ceramic mold was not necessary to fire the ceramic mold separately.
  • the filled mold was moved into a vacuum oven, heated and sintered simultaneously with the powder of the component to be manufactured. Due to the low proportion of binder in the mold, the pollution of the furnace atmosphere is negligible. During this heat treatment, there was considerable shrinkage in the mold, so that the latter guaranteed sufficient support of the steel particles of the workpiece at all times, without, however, preventing them from shrinking themselves.
  • the time / temperature program was carried out in such a way that the shrinkage of the workpiece and the shape took place at approximately the same speed and the same degree. In the present case, the whole was first heated to 1100 ° C. at a speed of approx.
  • the powder used was generated by gas jet atomization and had a maximum particle size of 30 ⁇ m.
  • 3 mm thick shells were produced from the borosilicate glass using dies as tools, cemented together and the shape formed in this way was subjected to heat treatment.
  • the borosilicate separated into an almost pure, insoluble Si02 phase and a local sodium borate phase. The latter was dissolved out with 3N sulfuric acid, so that a microporous Si02 skeleton which retained the shape remained.
  • the Cr / Ni steel powder was filled into this mold and the whole was heated to 1000 ° C.
  • the steel powder sintered successively from 900 ° C in such a way that it already assumed sufficient inherent strength.
  • the spongy structure of the mold shrank linearly by 15 to 20%.
  • the complete sintering aimed at a component that was as dense as possible was dispensed with and the entire heat treatment was stopped prematurely (presintering).
  • the whole, the component and the shape as a glass-encased workpiece was cooled and compressed into the finished part in a corresponding system by hot isostatic pressing.
  • Glass and time / temperature program had previously been coordinated in such a way that there was no fear of recrystallization or breakage due to stresses occurring at the Si02 conversion.
  • a blade corresponding to Example II was made of AISI 316 Cr / Ni steel. The dimensions were exactly the same as in Example III. The same matrices were also used.
  • a paste-like mass of a foaming ceramic material based on sodium metasilicate was applied by spraying / spraying onto the positive molding of the respective die, dried, hardened and detached from the die.
  • the two thin shells produced in this way had a wall thickness of 0.5 mm. They were glued together to give the ceramic form and filled with Cr / Ni steel powder. Then the whole, consisting of mold and powder filling, was placed in a box with a sand bed, surrounded on all sides with sand and heated to a temperature of 600 ° C. In the course of heating, the ceramic mass of the mold began to foam, creating a highly porous foam-like structure which displaced a corresponding volume of sand in the sand bed.
  • the non-foamed skin-like inner wall of the shape thus formed was supported against the inside on the steel powder.
  • the brittle foam ceramic was compressed (pressed in) in the zones near the surface by the shrinking process, although the partially broken framework of the component did not offer any appreciable resistance.
  • a component with a comparatively smooth surface could be achieved.
  • An approximate final shape of the component having multi-part metallic matrix was coated on the outside by flame spraying with an approximately 0.8 mm thick Al2O3 layer as an outer shell.
  • Prismatic rectangular cores for the channels with grooves for the ribs were then produced.
  • the material mullite (3Al2O3 ⁇ 2SiO2) was used in coarse-grained powder form with a particle diameter of 200 to 500 ⁇ m, to which a few percent by weight quartz (SiO2) was added as a binder.
  • the yielding ceramic form composed of several Al2O3 shell parts and mullite cores was then filled with vibration with SiC powder with a particle size of 30 to 80 ⁇ m and the whole was subjected to a time-programmed heat treatment.
  • the mixture was heated to a temperature of 300 ° C. at a rate of 100 ° C./h and held at this value for about 1/2 hour.
  • the further heating to 1000 ° C was carried out at 200 ° C / h and that to 1100 ° C at a reduced speed of 20 ° C / h to the expected conversions (phases, modifications of SiO2 etc.) and the resulting volume changes leave time for the substances involved.
  • the mixture was then heated to 1500 ° C. at 200 ° C./h and this temperature was maintained for 2 hours.
  • the mullite already began to soften somewhat, so that it did not hinder the shrinkage of the silicon carbide component to be produced during the sintering process that now began. This was now at a temperature of 1600 ° C for 8 hours carried out. The cores shrank with it and the outer shell of the form (Al2O3) remained. After the sintering process was completed, the quench was cooled relatively quickly, forcing the outer shell of the mold to come off while the cores crumbled. With this example it could be shown that even comparatively complex components made of ceramic materials can be economically manufactured using the present process.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiments.
  • the method for shaping any component from a metallic and / or ceramic material, starting from a powder or a powder mixture, the powder being poured loosely into a mold and then subjected to a sintering process is carried out by using a flexible ceramic body as the mold , which yields elastically and / or plastically under the stresses that occur as a result of expansion or shrinkage, causing tensile and / or compressive forces due to expansion or shrinkage, and / or tears at targeted predetermined breaking points, however, its strength and dimensional stability in the entire temperature range and above the entire process sequence is sufficiently high to ensure a high dimensional accuracy of the component to be manufactured as a sintered body.
  • the shape used is one or more thin, resilient ceramic shells made of high porosity Al2O3, SiO2 or MgO or a body made of a special glass which, when the sintering temperature of the powder mixture intended for the component is reached, tears in a net-like manner without completely breaking or disintegrating.
  • a ceramic body is preferably used as the mold, which has predetermined breaking points in the form of notches at the locations of the highest tensile stresses in the course of the sintering process, and furthermore a ceramic shell which tears when the component is sintered and disintegrates into arbitrary mosaic-like fragments.
  • the form used is a thin, flexible, elastic-plastic ceramic film in the green or only partially heat-treated state, which only in the course of the heating and sintering process, together with the powder used to produce the component, achieve its final strength through chemical processes and finished sintering receives.
  • a green ceramic mass is advantageously used as the mold, which assumes its final shape and strength only during the drying and sintering process at the same time as the component is being sintered, with the associated shrinkage process only the positive or negative due to the different shrinkage of the shape and component Differential forces must be absorbed.
  • Particularly favorable conditions are present if a material is used for the ceramic mass whose shrinkage due to the heating and sintering of the shape and the component is greater than the shrinkage of the powder used for the component, such that the component is subjected to during pressure is exerted during the sintering process while the wall of the mold is under tension.
  • the powder or the powder mixture is preferably precompressed in the yielding form by centrifugal centrifugation before the heating to the sintering temperature or during the first phase of the heating in the lower temperature range.

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Abstract

Method of moulding any desired metallic and/or ceramic component, in which a dry powder is poured in bulk form into a ceramic mould which elastically and plastically yields or cracks or breaks under the influence of shrinkage stresses during sintering and is sintered. Variants for the mould: thin yielding shells composed of Al2O3, SiO2, MgO; special glass which cracks in grid fashion; mould with predetermined fracture points (9), ceramic shell which breaks up into fragments; flexible green ceramic sheet; green ceramic compound which shrinks during sintering. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Herstellung von komplizierten Bauteilen aus metallischen oder keramischen Werkstoffen, wobei als Ausgangsmaterialien Pulver verwendet werden. Fragen des Sinterns und heiss-isostatischen Pressens im Hinblick auf das Schwinden.Manufacture of complex components made of metallic or ceramic materials, powder being used as the starting materials. Questions of sintering and hot isostatic pressing with regard to shrinkage.

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung, Vervollkommnung und Vereinfachung pulvermetallurgischer Fertigungsmethoden für die Herstellung von Werkstücken mit vergleichsweise komplizierten Formen, wo die Probleme der Schwindung beim Sintern eine wichtige Rolle spielen. Anwendungsgebiet ist vor allem der Bereich von Bauteilen des Turbinenbaus.The invention relates to the further development, perfection and simplification of powder metallurgical manufacturing methods for the production of workpieces with comparatively complicated shapes, where the problems of shrinkage during sintering play an important role. The main area of application is in the area of components for turbine construction.

Im engeren Sinne betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Formgebung eines beliebigen Bauteils aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff ausgehend von einem Pulver oder einer Pulvermischung, wobei das Pulver lose in eine Form eingefüllt und daraufhin einem Sinterprozess unterworfen wird.In the narrower sense, the invention relates to a method for shaping any component from a metallic and / or ceramic material, starting from a powder or a powder mixture, the powder being poured loosely into a mold and then subjected to a sintering process.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bei zahlreichen Fertigungsmethoden in der metallurgischen und keramischen Industrie wird von Pulvern ausgegangen. Pulvermetallurgische Verfahren haben den Vorteil, dass sich praktisch jede beliebige Form erzielen lässt. Es besteht die Absicht, Werkstücke pulvermetallurgisch als Fertigteile herzustellen, um teure Bearbeitungskosten teilweise oder ganz einsparen zu können. Die bekannten Verfahren zur Erzielung von Nettoformen (Net-Shape) oder Nahezu-Nettoformen (Near-Net-Shape) der Werkstücke gehen alle von Aufschlämmungen (Schlicker, Paste) von Pulvern in Lösungsmitteln unter Verwendung eines Binders aus. Als Zusätze zu Pulvermischungen werden verwendet:

  • Wasser + Binder + Additive (Schlickergiessen, Gefriertrocknen: "Slip casting, Freeze Drying")
  • Wasser + Zellulose (Metall-Pulver-Spritzgiessen nach Rivers: "MIM by Rivers Process")
  • Thermoplaste (Metall-Pulver-Spritzgiessen)
Numerous manufacturing methods in the metallurgical and ceramic industry are based on powders. Powder metallurgical processes have the advantage that practically any shape can be achieved. The intention is to use powder metallurgy to manufacture workpieces as finished parts in order to be able to save some or all of the expensive machining costs. The known methods for achieving net shapes or near-net shapes of the workpieces are all based on slurries (slurry, paste) of powders in solvents using a binder. The following are used as additives to powder mixtures:
  • Water + binder + additives (slip casting, freeze drying: "Slip casting, Freeze Drying")
  • Water + cellulose (metal powder injection molding according to Rivers: "MIM by Rivers Process")
  • Thermoplastics (metal powder injection molding)

Bei allen diesen nassmechanischen Methoden treten zahlreiche Schwierigkeiten bezüglich Qualität, Freiheit der Gestaltung, Reproduzierbarkeit und Wahl der Zusammensetzung auf:

  • Blasenbildung beim Mischen von Pulver mit Binder und Lösungsmittel.
  • Begrenzung der Wandstärke der Werkstücke (z.B. max. 5-10 mm für "MIM"), da andererseits der Binder nicht mehr vollständig entfernt werden kann.
  • Auftreten von Binderrückständen (z.B. Kohlenstoff), die auch nach dem "Ausbrennen" des Binders im Werkstück verbleiben und dessen Zusammensetzung unkontrolliert beeinträchtigen können.
  • Notwendigkeit der Neuauswahl/Neuentwicklung des Binders bei Übergang auf andere Formen und/oder Zusammensetzungen der Werkstücke.
With all of these wet mechanical methods, there are numerous difficulties with regard to quality, freedom of design, reproducibility and choice of composition:
  • Blistering when mixing powder with binder and solvent.
  • Limitation of the wall thickness of the workpieces (eg max. 5-10 mm for "MIM"), since on the other hand the binder can no longer be completely removed.
  • Appearance of binder residues (eg carbon) which remain in the workpiece even after the binder has "burned out" and can have an uncontrolled effect on its composition.
  • Necessity of new selection / new development of the binder when changing to other shapes and / or compositions of the workpieces.

Zum Stand der Technik werden die nachfolgenden Druckschriften zitiert:

  • GB Pat.Appl. 2088414
  • EP Pat.Appl. 0191409
  • R. Billet, "PLASTIC METALS: From Fiction to Reality with Injection Molded P/M Materials", Parmatech Corporation, San Rafael, California, P/M-82 in Europe Int.PM-Conf. Florence I 1982.
  • Göran Sjöberg, "Powder Casting and Metal Injection Moulding", Manuscript submitted to Metal Powder Report September 1987
The following publications are cited regarding the prior art:
  • GB Pat.Appl. 2088414
  • EP Pat.Appl. 0191409
  • R. Billet, "PLASTIC METALS: From Fiction to Reality with Injection Molded P / M Materials", Parmatech Corporation, San Rafael, California, P / M-82 in Europe Int.PM-Conf. Florence I 1982.
  • Göran Sjöberg, "Powder Casting and Metal Injection Molding", manuscript submitted to Metal Powder Report September 1987

Die bekannten Verfahren lassen zu wünschen übrig. Es besteht daher ein Bedürfnis nach Verbesserung und Weiterentwicklung der pulvermetallurgischen/pulverkeramischen Fertigungsmethoden.The known methods leave something to be desired. There is therefore a need for improvement and further development of the powder metallurgical / powder ceramic production methods.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem, ausgehend von Metall- oder Keramikpulvern ein vergleichsweise kompliziert geformtes Werkstück beliebigen Querschnittes und unbegrenzter Wandstärke gefertigt werden kann. Das Verfahren soll ein reproduzierbares Fertigerzeugnis liefern, das nicht mehr oder höchstens geringfügig zusätzlich bearbeitet werden muss. Bei der Pulververarbeitung sollen Blasen sowie unerwünschte schädliche Rückstände vermieden werden. Das Verfahren soll bezüglich Auswahl der Form und der Zusammensetzung des herzustellenden Werkstücks grösstmögliche Freizügigkeit und Universalität gewährleisten.The invention has for its object to provide a method with which, starting from metal or ceramic powders, a comparatively complicated shaped workpiece of any cross-section and unlimited wall thickness can be produced. The process is intended to provide a reproducible finished product that no longer has to be processed, or at most only slightly. When processing powder bubbles and unwanted harmful residues should be avoided. With regard to the selection of the shape and the composition of the workpiece to be produced, the process is intended to ensure the greatest possible freedom of movement and universality.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs erwähnten Verfahren als Form ein nachgebender keramischer Körper verwendet wird, der unter den bei der Temperturerhöhung und beim Sintern zufolge Ausdehnung oder Schrumpfung auftretenden, Zug- und/oder Druckkräfte verursachenden Spannungen elastisch und/oder plastisch nachgibt und/oder an gezielt angebrachten Sollbruchstellen reisst, wobei jedoch seine Festigkeit und Formbeständigkeit im ganzen Temperaturbereich und über den gesamten Verfahrensablauf betrachtet genügend hoch ist, um eine hohe Formgenauigkeit des als Sinterkörper zu fertigenden Bauteils zu gewährleisten.This object is achieved in that, in the method mentioned at the outset, a flexible ceramic body is used as the mold, which yields elastically and / or plastically under the stresses that occur due to expansion or shrinkage due to expansion or shrinkage and cause tensile and / or compressive forces, and / or tears at targeted breaking points, but its strength and dimensional stability over the entire temperature range and over the entire process sequence is sufficiently high to ensure high dimensional accuracy of the component to be manufactured as a sintered body.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAY OF CARRYING OUT THE INVENTION

Die Erfindung wird anhand der durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.The invention is described on the basis of the exemplary embodiments explained in more detail with the figures.

Dabei zeigt:

Fig. 1
ein Fliessbild (Blockdiagramm) des Verfahrens unter Verwendung einer elastisch/plastisch nachgebenden Form,
Fig. 2
ein Fliessbild (Blockdiagramm) des Verfahrens unter Verwendung einer nachgebenden Form mit Sollbruchstellen,
Fig. 3
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden geteilten Form mit Pulverfüllung zwecks Demonstration des Prinzips der Formnachgiebigkeit beim Schrumpfen: Zustand vor dem Schrumpfen,
Fig. 4
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden geteilten Form mit Sinterkörper zwecks Demonstration des Prinzips der Formnachgiebigkeit beim Schrumpfen: Zustand während des Schrumpfens.
Fig. 5
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden geteilten Form und eines fertigen Sinterkörpers zwecks Demonstration des Prinzips der Formnachgiebigkeit beim Schrumpfen: Zustand nach Entfernung der geteilten Form,
Fig. 6
einen schematischen Aufriss/Schnitt eines Ausschnittes aus einer nachgebenden Form zwecks Demonstration des Prinzips der Sollbruchstelle beim Schrumpfen,
Fig. 7
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden Form mit Sollbruchstellen und einer Pulverfüllung: Zustand vor dem Schrumpfen,
Fig. 8
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden Form mit gebrochenen Sollbruchstellen und einem Sinterkörper: Zustand während des Schrumpfens beim Sintern,
Fig. 9
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden Form mit gebrochenen Sollbruchstellen und einem fertigen Sinterkörper: Zustand nach Entfernung der Bruchstücke der gerissenen Form,
Fig. 10
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer dünnwandigen Form mit zahlreichen Kerben als Sollbruchstellen und einer Pulverfüllung: Zustand vor dem Schrumpfen,
Fig. 11
einen schematischen Schnitt eines Ausschnitts aus einer aus mehreren keramischen Schichten bestehenden Form und eines Sinterkörpers,
Fig. 12
einen schematischen Schnitt eines Ausschnitts aus einer aus einer hochporösen Schaumkeramik-Schicht und einer mechanisch festeren Glaskeramik-Schicht bestehenden Form und eines Sinterkörpers: Zustand vor dem Reissen, während des Sinterns,
Fig. 13
einen schematischen Schnitt eines Ausschnitts aus einer aus einer hochporösen Schaumkeramik-Schicht und einer Glaskeramik-Schicht bestehenden Form und eines Sinterkörpers: Zustand nach dem Reissen und Zerbröckeln,
Fig. 14
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden, aus einer duktilen Keramikfolie bestehenden Form mit Pulverfüllung: Zustand vor dem Schrumpfen,
Fig. 15
einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden, aus einer gesinterten Keramikfolie bestehenden Form mit Sinterkörper: Zustand nach dem Schrumpfen durch gemeinsames Sintern.
It shows:
Fig. 1
a flow diagram (block diagram) of the method using an elastic / plastically yielding form,
Fig. 2
1 shows a flow diagram (block diagram) of the method using a yielding form with predetermined breaking points,
Fig. 3
a schematic elevation / section of a yielding split mold with powder filling for the purpose of demonstrating the principle of conformity when shrinking: state before shrinking,
Fig. 4
a schematic elevation / section of a yielding split form with sintered body for the purpose of demonstrating the principle of conformity when shrinking: state during shrinking.
Fig. 5
1 shows a schematic elevation / section of a yielding split mold and a finished sintered body for the purpose of demonstrating the principle of conformity when shrinking: state after removal of the split mold,
Fig. 6
1 shows a schematic elevation / section of a section from a yielding form for the purpose of demonstrating the principle of the predetermined breaking point when shrinking,
Fig. 7
a schematic elevation / section of a compliant shape with predetermined breaking points and a powder filling: state before shrinking,
Fig. 8
1 shows a schematic elevation / section of a yielding shape with broken predetermined breaking points and a sintered body: state during the shrinking during sintering,
Fig. 9
1 shows a schematic elevation / section of a yielding shape with broken predetermined breaking points and a finished sintered body: state after the fragments of the cracked shape have been removed,
Fig. 10
a schematic elevation / section of a thin-walled shape with numerous notches as predetermined breaking points and a powder filling: state before shrinking,
Fig. 11
1 shows a schematic section of a detail from a mold consisting of several ceramic layers and a sintered body,
Fig. 12
2 shows a schematic section of a detail from a mold consisting of a highly porous foam ceramic layer and a mechanically stronger glass ceramic layer and a sintered body: state before cracking, during sintering,
Fig. 13
1 shows a schematic section of a detail from a mold consisting of a highly porous foam ceramic layer and a glass ceramic layer and a sintered body: state after tearing and crumbling,
Fig. 14
1 shows a schematic elevation / section of a yielding mold consisting of a ductile ceramic film with powder filling: state before shrinking,
Fig. 15
a schematic elevation / section of a yielding form consisting of a sintered ceramic foil with sintered body: state after shrinking by sintering together.

In Fig. 1 ist ein Fliessbild (Blockdiagramm) des Verfahrens unter Verwendung einer elastisch/plastisch nachgebenden Form dargestellt. Das Diagramm bedarf keiner weiteren Erklärungen. Die Form besteht aus einem nachgiebigen Werkstoff und ist derart gestaltet, dass sie den Bewegungen des zu fertigenden Sinterkörpers folgt, ohne aufzureissen oder zu zerbrechen.1 shows a flow diagram (block diagram) of the method using an elastic / plastically yielding form. The diagram needs no further explanation. The shape is made of a resilient material and is designed to accommodate the movements of the sintered body to be produced follows without tearing or breaking.

Fig. 2 zeigt ein Fliessbild (Blockdiageamm) des Verfahrens unter Verwendung einer nachgebenden Form mit Sollbruchstellen. Auch dieses Diagramm bedarf keines weiteren Kommentars. Die Form besteht hier aus einem Werkstoff, der an gewissen Stellen bricht, sobald der zu sinternde Körper genügend Eigenfestigkeit aufweist. Die derart gebrochene oder gerissene Form bietet dann dem sich verfestigenden Sinterkörper keinen nennenswerten Widerstand mehr, sodass er sich ohne stark gehindert zu werden in allen Richtungen dehnen oder zusammenziehen kann. Es soll hier darauf aufmerksam gemacht werden, dass unter diese Kategorie der Formausführung alle Varianten fallen, bei denen die Form im Laufe des Sintervorganges des Werkstücks mehr oder weniger irreversible Veränderungen erleidet: Die Form reisst, zerbricht, zerfällt, wird zum mindesten örtlich zermalmt etc.. Dabei braucht die Form nicht notwendigerweise genau vordisponierte Sollbruchstellen als Kerben, Nuten etc. aufzuweisen. Die "Sollbruchstelle" kann sich auch willkürlich irgendwo dort einstellen, wo die Festigkeit des Materials überschritten wird. Nach dem Sinterprozess ist die zerstörte Form nicht ohne weiteres wieder einsatzbereit.2 shows a flow diagram (block diagram) of the method using a flexible form with predetermined breaking points. This diagram does not require any further comment either. The shape here consists of a material that breaks at certain points as soon as the body to be sintered has sufficient inherent strength. The shape which is broken or torn in this way then no longer offers any appreciable resistance to the solidifying sintered body, so that it can expand or contract in all directions without being severely prevented. It should be pointed out here that this category of form includes all variants in which the form undergoes more or less irreversible changes during the sintering process of the workpiece: the form tears, breaks, disintegrates, is at least locally crushed, etc. The shape need not necessarily have precisely predisposed predetermined breaking points as notches, grooves, etc. The "predetermined breaking point" can also occur arbitrarily anywhere where the strength of the material is exceeded. After the sintering process, the destroyed form is not ready for use again.

Fig. 3 bezieht sich auf einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden geteilten Form mit Pulverfüllung zwecks Demonstration des Prinzips der Formnachgiebigkeit beim Schrumpfen: Zustand vor dem Schrumpfen. 1 stellt die Pulverfüllung (Pulverschüttung) für das Bauteil dar. 2 ist eine nachgebende geteilte Form aus keramischem Material im Zustand vor dem Schrumpfen des Bauteils (Warmbehandlung, Sinterprozess).Fig. 3 relates to a schematic elevation / section of a yielding split mold with powder filling for the purpose of demonstrating the principle of conformity when shrinking: state before shrinking. 1 represents the powder filling (powder filling) for the component. 2 is a yielding split mold made of ceramic material in the state before the component shrinks (heat treatment, sintering process).

Fig. 4 zeigt einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden geteilten Form mit Sinterkörper zwecks Demonstration des Prinzips der Formnachgiebigkeit beim Schrumpfen: Zustand während des Schrumpfens (auch nach Beendigung des Schrumpfprozesses beim Sintervorgang). 3 ist der aus dem Pulver inzwischen gebildete, sich verfestigende Sinterkörper (Bauteil, Werkstück). 4 stellt die nachgebende geteilte Form aus keramischem Material während und nach dem Schrumpfen des Bauteils dar. Der Übersichtlichkeit halber ist die Schrumpfung nur in Richtung Haupt-Längsachse eingezeichnet, während diejenige in der Querrichtung unberücksichtigt geblieben ist. Die Bewegungsrichtung beim Schrumpfprozess des Bauteils ist durch entgegengesetzt gerichtete vertikale Pfeile angedeutet. Diese Pfeile stellen gleichzeitig die auf die Keramikform wirkenden Längs-Kompressionskräfte dar. Die Form wird also im vorliegenden Fall gestaucht. 5 ist die ursprüngliche Kontur (gestrichelte Linie) der nachgebenden Form vor dem Schrumpfen des Bauteils (vergl. Fig. 3).4 shows a schematic elevation / section of a yielding split mold with a sintered body for the purpose of demonstrating the principle of conformity during shrinking: state during shrinking (even after the shrinking process has ended during the sintering process). 3 is the solidifying sintered body (component, workpiece) formed from the powder in the meantime. 4 shows the yielding split form made of ceramic material during and after the shrinking of the component. For the sake of clarity, the shrinkage is only shown in the direction of the main longitudinal axis, while that in the transverse direction has not been taken into account. The direction of movement during the shrinking process of the component is indicated by opposite vertical arrows. These arrows also represent the longitudinal compression forces acting on the ceramic mold. The mold is thus compressed in the present case. 5 is the original contour (dashed line) of the yielding shape before the component shrinks (see FIG. 3).

In Fig. 5 ist ein schematischer Aufriss/Schnitt einer nachgebenden geteilten Form und eines fertigen Sinterkörpers zwecks Demonstration des Prinzips der Formnachgiebigkeit beim Schrumpfen dargestellt: Zustand nach Entfernung der gefüllten Form. 3 ist der Sinterkörper, 6 die geteilte Form aus keramischem Material nach deren Entfernung. Nach Aufhebung der Verspannung kehrt die elastische Form (in vorliegendem Fall zwei Hälften) annähernd in ihre ursprüngliche Gestalt zurück. Die Pfeile zeigen die Bewegungsrichtung der Formteile bei deren Entfernung vom Werkstück.5 shows a schematic elevation / section of a yielding split mold and a finished sintered body for the purpose of demonstrating the principle of conformity during shrinking: state after removal of the filled mold. 3 is the sintered body, 6 the divided form made of ceramic material after its removal. After releasing the tension, the elastic shape (in this case two halves) almost returns to its original shape. The arrows show the direction of movement of the molded parts as they are removed from the workpiece.

In Fig. 6 ist ein schematischer Aufriss/Schnitt eines Ausschnitts aus einer nachgebenden Form zwecks Demonstration des Prinzips der Sollbruchstelle beim Schrumpfen dargestellt. 7 ist ein beliebiger Ausschnitt einer nachgebenden Form aus keramischem Material. Dieses stilisierte Beispiel lässt sich ohne weiteres auf den Fall der seitlichen Begrenzung einer Turbinenschaufel mit vorkragenden Kopf- und Fusspartien übertragen. 8 stellt ein Dehnstück (Ausbuchtung, Wulst) der nachgebenden Form dar. Diese Partie dient zur Umlenkung der Kräfte (Druckkräfte p) und zur Erzeugung eines Biegemoments (Mb) an der Sollbruchstelle 9, welche beim Schrumpfen des Bauteils auf Biegung beansprucht wird. Ausserdem wird durch eine derartige Ausbuchtung der Raum für die durch die Schrumpfung des Bauteils verursachte Bewegung der Form bereitstellt.6 shows a schematic elevation / section of a detail from a yielding form for the purpose of demonstrating the principle of the predetermined breaking point during shrinking. 7 is any section of a compliant shape made of ceramic material. This stylized example can be easily applied to the case of the side limitation transferred to a turbine blade with cantilevered head and foot sections. 8 represents an expansion piece (bulge, bulge) of the yielding shape. This section serves to deflect the forces (pressure forces p) and to generate a bending moment (M b ) at the predetermined breaking point 9, which is subjected to bending when the component shrinks. In addition, such a bulge provides the space for the movement of the mold caused by the shrinkage of the component.

Fig. 7 bezieht sich auf einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden Form mit Sollbruchstellen und einer Pulverfüllung: Zustand vor dem Schrumpfen. 1 ist die Pulverfüllung für das Bauteil, 10 die nachgebende ungeteilte Form aus keramischem Material mit Sollbruchstellen vor dem Schrumpfen des Bauteils. 8 ist ein Dehnstück in Gestalt einer parabelähnlichen Ausbuchtung mit Sollbruchstelle 9 in Form einer Kerbe (Nut) 11. Der vom Dehnstück 8 umhüllte Raum ist gegen die Werkstückseite durch eine elastisch-plastische Keramikdichtung 12 in der Art eines Vlieses oder Filzes oder nachgiebigen Faserprodukts abgeschlossen.7 relates to a schematic elevation / section of a yielding shape with predetermined breaking points and a powder filling: state before shrinking. 1 is the powder filling for the component, 10 the yielding undivided form made of ceramic material with predetermined breaking points before the component shrinks. 8 is an expansion piece in the form of a parabolic bulge with predetermined breaking point 9 in the form of a notch (groove) 11. The space enveloped by expansion piece 8 is closed off from the workpiece side by an elastic-plastic ceramic seal 12 in the manner of a fleece or felt or flexible fiber product.

Fig. 8 zeigt einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden Form mit gebrochenen Sollbruchstellen und einem Sinterkörper: Zustand während des Schrumpfens beim Sintern. 3 ist der Sinterkörper, gegenüber der Pulverfüllung 1 (Fig. 7) in der Längsrichtung geschrumpft dargestellt. 9 ist je eine Sollbruchstelle (Form bereits gebrochen). 13 ist je ein Teil der nachgebenden ungeteilten Form aus keramischem Material während und nach dem Schrumpfen des Bauteils. 12 ist die elastisch-plastische Keramikdichtung, die hier zum Teil durch Stauchen in den quer zur Verfügung stehenden Raum gequetscht worden ist. 14 stellt einen Riss in einem Teil der Form aus keramischem Material während und nach dem Schrumpfen des Bauteils dar. Im vorliegenden Fall klafft der Riss 14 zufolge hohen Biegemoments an dieser Stelle. Bei starker Schrumpfung brechen die vorkragenden Dehnstücke (8 in Fig. 7) vollständig ab oder werden gar zermalmt.8 shows a schematic elevation / section of a yielding shape with broken predetermined breaking points and a sintered body: state during shrinking during sintering. 3 is the sintered body, shown shrunk in the longitudinal direction compared to the powder filling 1 (FIG. 7). 9 is a predetermined breaking point (shape already broken). 13 is a part of the yielding undivided shape made of ceramic material during and after the shrinking of the component. 12 is the elastic-plastic ceramic seal, which has been squeezed here in part by compressing it into the space available transversely. 14 shows a crack in a part of the form made of ceramic material during and after the component has shrunk. In the present case, the crack 14 gapes at this point due to high bending moments. If the shrinkage is severe, they break cantilevered expansion pieces (8 in Fig. 7) completely or are even crushed.

In Fig. 9 ist ein schematischer Aufriss/Schnitt einer nachgebenden Form mit gebrochenen Sollbruchstellen und einem fertigen Sinterkörper dargestellt: Zustand nach Entfernung der Bruchstücke der gerissenen Form. 3 ist der Sinterkörper, 12 die elastisch-plastische Keramikdichtung und 15 je ein Bruchstück der nachgebenden Form aus keramischem Material nach der Entfernung. 16 ist eine unregelmässige Bruchfläche an der Sollbruchstelle der Form. Der Riss 14 in einem Bruchstück ist nach Wegfall des Biegemoments geschlossen eingezeichnet. Im Gegensatz dazu sind die untersten Bruchstücke 15 vollständig durchgebrochen. Es gibt alle Varianten der zerstörten Form. Die Pfeile deuten die Bewegungsrichtung der Bruchstücke 15 bei deren Entfernung vom zu fertigenden Bauteil an.FIG. 9 shows a schematic elevation / section of a yielding shape with broken predetermined breaking points and a finished sintered body: state after the fragments of the cracked shape have been removed. 3 is the sintered body, 12 the elastic-plastic ceramic seal and 15 each a fragment of the yielding shape made of ceramic material after removal. 16 is an irregular fracture surface at the predetermined breaking point of the mold. The crack 14 in a fragment is shown closed after the bending moment ceases to exist. In contrast, the lowest fragments 15 are completely broken through. There are all variants of the destroyed form. The arrows indicate the direction of movement of the fragments 15 when they are removed from the component to be manufactured.

Fig. 10 zeigt einen schematischen Aufriss/Schnitt einer dünnwandigen nachgebenden Form mit zahlreichen Kerben als Sollbruchstellen und einer Pulverfüllung: Zustand vor dem Schrumpfen. Grundsätzlich entsprechen die Bezugszeichen denjenigen der Fig. 7. Die Wandstärke der Form 10 ist gegenüber Fig. 5 stark reduziert. Die Kerben 11 der Sollbruchstellen haben parabolisches Profil und befinden sich vorwiegend an den verdickten Ecken der Form 10. Dadurch werden beim Schrumpfen Biegemomente erzeugt, die die schalenartige Form 10 zum Aufbrechen veranlassen.Fig. 10 shows a schematic elevation / section of a thin-walled yielding shape with numerous notches as predetermined breaking points and a powder filling: state before shrinking. The reference numerals basically correspond to those of FIG. 7. The wall thickness of the mold 10 is greatly reduced compared to FIG. 5. The notches 11 of the predetermined breaking points have a parabolic profile and are predominantly located at the thickened corners of the mold 10. As a result, bending moments are generated during the shrinking, which cause the shell-like mold 10 to break open.

Fig. 11 bezieht sich auf einen schematischen Schnitt eines Ausschnitts aus einer aus mehreren keramischen Schichten bestehenden Form und eines Sinterkörpers. Das Detail zeigt einen Sinterkörper 3 an der Stelle einer Rippe mit rechteckigem Querschnitt. Die Form stellt im vorliegenden Fall einen schalenartigen Körper aus verschiedenen Schichten dar. 17 ist eine glatte Innenhaut der Form aus keramischem Material. Dazu wird in der Regel eine feinkörnige Masse, Paste (Schlicker etc.) verwendet. 18 ist die im wesentlichen gestaltbestimmende mittelfeinkörnige innere Schicht (Schale) der Form aus keramischem Material. Ihre verhältnismässig dicht gelagerten Körner sind als mehr oder weniger globulitische Partikel gezeichnet. 19 ist die grobkörnige mittlere Schicht (Schale) der Form. 20 stellt die grobporige, gerüstartig aufgebaute äussere Schicht der Form dar. Ihre Struktur ist durch längliche, stäbchenförmige Partikel angedeutet. Selbstverständlich werden in der Praxis auch andere Schichtfolgen, andere Körnungen, Strukturen und Zusammensetzungen der Schalen verwirklicht. Die Einzelheiten richten sich nach Art, Form, Legierung, etc. des herzustellenden Bauteils und können beliebig verändert werden.11 relates to a schematic section of a detail from a mold consisting of several ceramic layers and a sintered body. The detail shows a sintered body 3 at the location of a rib with a rectangular cross section. The mold in the present case represents a shell-like body made of different layers. 17 is a smooth inner skin of the mold made of ceramic material. This is usually done with a fine-grained mass, Paste (slip, etc.) used. 18 is the essentially shape-determining, medium-fine-grained inner layer (shell) of the form made of ceramic material. Their relatively dense grains are drawn as more or less globular particles. 19 is the coarse-grained middle layer (shell) of the form. 20 represents the coarse-pored, framework-like outer layer of the mold. Its structure is indicated by elongated, rod-shaped particles. Of course, other layer sequences, different grain sizes, structures and compositions of the shells are also realized in practice. The details depend on the type, shape, alloy, etc. of the component to be manufactured and can be changed as required.

In Fig. 12 ist ein schematischer Schnitt eines Ausschnitts aus einer aus einer hochporösen Schaumkeramik-Schicht und einer mechanisch festeren Glaskeramik-Schicht bestehenden Form und eines Sinterkörpers dargestellt: Zustand vor dem Reissen während des Sinterns. Auf der Innenseite der Form, dem Sinterkörper 3 zugewandt, befindet sich die glatte Innenhaut 17 aus keramischem Material. 21 ist eine innere Schicht (Schale) der Form aus hochporöser Schaumkeramik. Letztere weist grobe durchgehende Poren 22 auf. 23 stellt eine äussere Schicht (Schale) der Form aus Glaskeramik (faserverstärkt) dar.FIG. 12 shows a schematic section of a section from a mold consisting of a highly porous foam ceramic layer and a mechanically stronger glass ceramic layer and a sintered body: state before cracking during sintering. On the inside of the mold, facing the sintered body 3, there is the smooth inner skin 17 made of ceramic material. 21 is an inner layer (shell) of the form made of highly porous foam ceramic. The latter has coarse through pores 22. 23 represents an outer layer (shell) of the form made of glass ceramic (fiber-reinforced).

In Fig. 13 ist ein schematischer Schnitt eines Ausschnitts aus einer aus einer hochporösen Schaumkeramik-Schicht und einer Glaskeramik-Schicht bestehenden Form und eines Sinterkörpers dargestellt: Zustand nach dem Reissen und Zerbröckeln. Die Bezugszeichen 3, 17, 21, 22, 23 sind genau die gleichen wie in Fig. 12. 24 ist je ein Riss in der Schaumkeramik der Form, der annähernd senkrecht zur Werkstückoberfläche (Sinterkörper 3) verläuft. Die Risse 24 folgen teilweise den Poren 22 in dieser Schicht 21. 25 ist der entsprechende Riss in der Glaskeramik der Form. Es ist der Fall gezeichnet, wo in den Schichten 21 und 23 Zug- und Biegespannungen auftreten.13 shows a schematic section of a detail from a mold consisting of a highly porous foam ceramic layer and a glass ceramic layer and a sintered body: state after tearing and crumbling. The reference numerals 3, 17, 21, 22, 23 are exactly the same as in Fig. 12. 24 is a crack in the foam ceramic of the mold, which is approximately perpendicular to the workpiece surface (sintered body 3). The cracks 24 partially follow the pores 22 in this layer 21. 25 is the corresponding crack in the glass ceramic of the mold. It is the case is drawn where tensile and bending stresses occur in layers 21 and 23.

Fig. 14 zeigt einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden, aus einer duktilen Keramikfolie bestehenden Form mit Pulverfüllung: Zustand vor dem Schrumpfen. 1 ist die Pulverfüllung zur Herstellung des Bauteils. 26 ist eine dünne duktile Keramikfolie, welche im grünen oder halbtrockenen oder teilweise wärmebehandelten Zustand verwendet wird. Sie wird in eine Vorform eingelegt und zwecks Verfestigung wärmebehandelt oder sonstwie einem Härtungsprozess unterzogen. Das Pulver wird durch eine Einfüllöffnung 27 eingefüllt. 28 ist ein Verschluss (Klebefuge) in der Keramikfolie.14 shows a schematic elevation / section of a yielding mold consisting of a ductile ceramic film with powder filling: state before shrinking. 1 is the powder filling for the production of the component. 26 is a thin ductile ceramic sheet used in the green or semi-dry or partially heat treated condition. It is placed in a preform and heat treated for solidification or otherwise subjected to a hardening process. The powder is filled through a filling opening 27. 28 is a closure (adhesive joint) in the ceramic film.

Fig. 15 bezieht sich auf einen schematischen Aufriss/Schnitt einer nachgebenden, aus einer gesinterten Keramikfolie bestehenden Form mit Sinterkörper: Zustand nach dem Schrumpfen durch gemeinsames Sintern. 3 ist der Sinterkörper, 20 die Schale aus der gesinterten Keramikfolie. Die Pfeile deuten die Bewegungsrichtung beim Schrumpfprozess des Bauteils an. Da gleichzeitig die Schale 29 ebenfalls schrumpft, kommen an den Grenzflächen zwischen Schale 29 und Sinterkörper 3 nur die Differenzkräfte zur Wirkung. Diese können positiv oder negativ ausfallen, je nachdem, ob das Schwindmass des Bauteils oder dasjenige der Form überwiegt. Im ersten Fall entstehen in der Form (Schale 29) Druckkräfte, im zweiten Fall Zugkräfte. Es ist vorteilhaft, durch Wahl der jeweils beteiligten Materialien von 3 und 29 die Schwindmasse gegenseitig abzustimmen. Ein Sonderfall tritt ein, wenn beide Schwindmasse gleich sind. Dann werden keine Kräfte übertragen.15 relates to a schematic elevation / section of a yielding mold consisting of a sintered ceramic film with a sintered body: state after shrinking by sintering together. 3 is the sintered body, 20 the shell made of the sintered ceramic film. The arrows indicate the direction of movement during the shrinking process of the component. Since the shell 29 also shrinks at the same time, only the differential forces come into effect at the interfaces between the shell 29 and the sintered body 3. These can be positive or negative, depending on whether the shrinkage of the component or that of the shape predominates. In the first case, compressive forces arise in the mold (shell 29), in the second case tensile forces. It is advantageous to coordinate the shrinkage mass with one another by choosing the materials involved in each of FIGS. 3 and 29. A special case occurs when both shrinkage masses are the same. Then no forces are transferred.

Die Herstellung der nachgebenden (d.h. elastisch-plastisch nachgiebigen oder reissenden) Formen erfolgt nach dem bekannten herkömmlichen Verfahren der Giesserei- und Kunststoff-Formtechnik und verwandter Technologien. Demnach erfolgt die Herstellung der Form meist über ein Modell, dessen Dimensionen dem nachträglichen Schwinden beim Sintern des Pulvers zur Erzeugung des Bauteils Rechnung tragen.The yielding (i.e., elastic-plastically compliant or tearing) forms are produced according to the well-known conventional process of foundry and plastic molding technology and related technologies. Accordingly, the mold is usually produced using a model, the dimensions of which take account of the subsequent shrinkage during the sintering of the powder to produce the component.

Bei der Herstellung der einteiligen hohlen Form wird die Methode des Ausschmelzens von Wachs, Tieftemperturmetallen und Legierungen, Auswaschen von Salz oder Harnstoff, Ausbrennen von Kunst-Schaumstoff etc. praktiziert. Das für die Form benötigte keramische Material wird nach dem Tauch-, Pasten-, Giess- und Spritzverfahren auf das Modell aufgebracht.In the manufacture of the one-piece hollow form, the method of melting wax, low-temperature metals and alloys, washing out salt or urea, burning out synthetic foam, etc. is practiced. The ceramic material required for the mold is applied to the model using the immersion, paste, casting and spraying process.

Mehrteilige Formen werden üblicherweise unter Verwendung von Modellen, Matrizen, Vorformen etc. hergestellt.Multi-part molds are usually made using models, dies, preforms, etc.

Unzerstörbare, elastisch-plastisch nachgebende Formen werden in der Regel als dünnwandige, hochporöse Schalen, meist aus mehreren Schichten aufgebaut, ausgeführt. Zerstörbare Formen weisen entweder zuvor bestimmte, definierte Sollbruchstellen auf oder bestehen aus dünnen Schalen, die unter den auftretenden Kräften netzartige polygonale Risse bilden oder in mosaikartige Bruchstücke zerfallen. Diese Kräfte können auch durch Prozessführung (Temperatur, chemische Reaktionen, Gefügeumwandlungen) ausgelöst werden.Indestructible, elastic-plastic yielding forms are usually designed as thin-walled, highly porous shells, usually made up of several layers. Destructible shapes either have predetermined, predetermined breaking points or consist of thin shells that form net-like polygonal cracks under the forces that occur or disintegrate into mosaic-like fragments. These forces can also be triggered by process control (temperature, chemical reactions, structural changes).

Ausführungsbeispiel I:Embodiment I:

Als Bauteil wurde eine Schaufel für eine rotierende thermische Maschine, im vorliegenden Fall für einen Axialverdich ter, hergestellt. Die Schaufel mit Tragflügelquerschnitt hatte die folgenden Endabmessungen:

Länge
= 115 mm
Breite
= 25 mm
grösste Dicke
= 3,6 mm
Profilhöhe
= 6,5 mm
A blade for a rotating thermal machine, in the present case for an axial compaction, was used as a component ter, manufactured. The aerofoil section blade had the following final dimensions:
length
= 115 mm
width
= 25 mm
greatest thickness
= 3.6 mm
Profile height
= 6.5 mm

Als Werkstoff wurde ein Cr-Stahl mit der deutschen Bezeichnung nach DIN X20CrMoV 12 1 mit der nachfolgenden Zusammensetzung gewählt:

Cr
= 12 Gew.-%
Mo
= 1 Gew.-%
V
= 0,3 Gew.-%
Si
= 0,3 Gew.-%
Mn
= 0,6 Gew.-%
C
= 0,20 Gew.-%
Fe
= Rest
A Cr steel with the German designation according to DIN X20CrMoV 12 1 with the following composition was selected as the material:
Cr
= 12% by weight
Mon
= 1% by weight
V
= 0.3% by weight
Si
= 0.3% by weight
Mn
= 0.6% by weight
C.
= 0.20% by weight
Fe
= Rest

Zur Herstellung der Schaufel wurde von einem durch Gasstrahlzerstäubung erzeugten Pulver mit einer maximalen Partikelgrösse von 50 µm ausgegangen. Das Pulver wurde trocken, ohne jeglichen Binder in eine in den Innenabmessungen um ca. 10 % linear vergrösserte nachgebende keramische Form eingefüllt und durch Vibration kalt vorverdichtet.For the manufacture of the blade, a powder with a maximum particle size of 50 µm was used which was produced by gas jet atomization. The powder was filled dry, without any binder into a ceramic form which gave about 10% more linear expansion, and cold pre-compacted by vibration.

Bei der Herstellung der nachfolgenden Form wurde wie folgt vorgegangen:
Zunächst wurden zwei das zu fertigende Bauteil als Hohlform abbildende, um das Schwindmass 10 % linear vergrösserte Vorformen (Matrizen) für eine zweiteilige keramische Form hergestellt. In diese Matrizen wurde eine keramische Vergussmasse auf der Basis von Zirkonsilikat mit dem Handelsnamen Durapot 814 der Fa. Kager GmbH, Bundesrepublik Deutschland, eingefüllt und mit einem Stempel nachgepresst.The procedure for producing the following mold was as follows:
First of all, two preforms (matrices) for a two-part ceramic mold were produced, which depicted the component to be manufactured as a hollow mold, linearly enlarged by the shrinkage 10%. A ceramic potting compound based on zirconium silicate with the trade name Durapot 814 from Kager GmbH, Federal Republic of Germany, was filled into these matrices and pressed with a stamp.

Es handelt sich um eine Vorgussmasse mit einem Aktivator/Wasser-Zusatz, welche bei Raumtemperatur nach einer kurzen Tropfzeit (10 min) in 24 h aushärtet. Die beiden auf diese Weise gefertigten dünnwandigen (Wandstärke ca. 3 mm) keramischen Halbschalen wurden an den Trennfugen feinmechanisch bearbeitet und mittels Hochtemperaturkleber auf SiO₂-Basis stumpf stossend zusammengekittet und bei der Temperatur von ca. 120 °C während 2 h nachgetrocknet. Die Form wurde nicht weiter gebrannt, d.h. es konnte auf eine spezielle Sinterung der Form verzichtet werden.It is a pre-casting compound with an activator / water additive, which hardens in 24 h at room temperature after a short drip time (10 min). The two thin-walled (wall thickness approx. 3 mm) ceramic half-shells produced in this way were precision machined at the parting lines and butt-jointed with high-temperature adhesive based on SiO₂ and then dried at a temperature of approx. 120 ° C for 2 h. The mold was not fired further, i.e. a special sintering of the form could be dispensed with.

Das Sintern des eingefüllten, kalt vorverdichteten Stahlpulvers erfolgte unter Vakuum (Restdruck 10⁻⁷ bar). Der Vakuumofen samt Werkstück wurde zunächst mit einer Geschwindigkeit von 20 °C/min auf 1000 °C, dann mit einer solchen von 5 °C/min auf 1200 °C aufgeheizt. Im Verlauf der entsprechenden Aufheizzeit hatte das Stahlpulver Gelegenheit, soweit zu sintern, dass das Werkstück bereits eine genügende Eigenfestigkeit aufwies, ohne dabei eine nennenswerte Schrumpfung erlitten zu haben. Dann wurde das zu sinternde Werkstück weiter auf eine Sintertemperatur von 1360 °C erhitzt und während 6 h fertiggesintert. Dabei erreichte die aus gleichzeitig gesinterter Vergussmasse bestehende nachgebende keramische Form derart, dass sie für die Schrumfpung des herzustellenden Stahl-Bauteils praktisch keinen Widerstand mehr bot, aber im wesentlichen dessen anzustrebende Gestalt wahrte. Dann wurde das Ganze im Ofen auf ca. 250 °C abgekühlt, wobei die schalenartige keramische Form wegen unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten Risse bekam und einzlene Schalenteile bereits abplatzten. Nach dem Herausnehmen aus dem Ofen wurde das Bauteil mit den noch anhaftenden Schalenteilen der Form in kaltem Wasser abgeschreckt, wobei letztere gänzlich abplatzten. Das Bauteil wurde durch Strahlen mit Glasperlen gereinigt, wodurch eine saubere glatte Oberfläche erzielt wurde.The filled, cold pre-compressed steel powder was sintered under vacuum (residual pressure 10⁻⁷ bar). The vacuum furnace and workpiece were first heated to 1000 ° C at a rate of 20 ° C / min, then to 1200 ° C at a rate of 5 ° C / min. In the course of the corresponding heating time, the steel powder had the opportunity to sinter to such an extent that the workpiece already had sufficient inherent strength without having undergone any significant shrinkage. Then the workpiece to be sintered was further heated to a sintering temperature of 1360 ° C. and sintered for 6 hours. The yielding ceramic shape, which consisted of sintered casting compound, reached such a level that it offered practically no resistance to the shrinkage of the steel component to be manufactured, but essentially retained its desired shape. Then the whole thing was cooled in the oven to approx. 250 ° C, whereby the shell-like ceramic shape cracked due to different thermal expansion coefficients and some shell parts were already flaking off. After removal from the oven, the component with the still adhering shell parts of the mold was quenched in cold water, the latter flaking off completely. The component was cleaned by blasting with glass beads, which resulted in a clean, smooth surface.

Ausführungsbeispiel II:Working example II:

Als Bauteil wurde eine dem Beispiel I entsprechende Schaufel aus dem Cr-Stahl X20CrMoV 12 1 mit den gleichen Abmessungen hergestellt. Als Werkzeuge wurden die geteilten metallischen Vorformen (Matrizen) wie unter Beispiel I angegeben benutzt.As a component, a blade corresponding to Example I was made of the Cr steel X20CrMoV 12 1 with the same dimensions. The divided metallic preforms (matrices) as used in Example I were used as tools.

In die Matrizen wurde eine annähernd trockene körnig-krümlige keramische Masse (Granulat) auf der Basis von Steatit (Mg/Al-Silikat), entsprechend Deutscher Norm Steatit KER 221 DIN40685, Masse 711 der Fa. Hutschenreuter, Neustadt, Bundesrepublik Deutschland, gepresst. Die Masse hatte folgende Zusammensetzung:

Si0₂
= 60,4 Gew.-%
Al₂0₃
= 5,62 Gew.-%
Ti0₂
= 0,18 Gew.-%
Fe₂0₃
= 0,95 Gew.-%
Ca0
= 1,82 Gew.-%
Mg0
= 27,0 Gew.-%
H₂0
= 0,23 Gew.-%
Na₂0
= 0,06 Gew.-%
An approximately dry granular-crumbly ceramic mass (granulate) based on steatite (Mg / Al-silicate), according to German standard steatite KER 221 DIN40685, mass 711 from Hutschenreuter, Neustadt, Federal Republic of Germany, was pressed into the matrices. The mass had the following composition:
Si0₂
= 60.4% by weight
Al₂0₃
= 5.62% by weight
Ti0₂
= 0.18% by weight
Fe₂0₃
= 0.95% by weight
Ca0
= 1.82% by weight
Mg0
= 27.0% by weight
H₂0
= 0.23% by weight
Na₂0
= 0.06% by weight

Die Restfeuchte (H₂O-Gehalt) betrug ca. 2,5 bis 3 Gew.-%. Der Masse mit Partikeln von bis 630 µm wurden 0,5 Vol.-% eines Binders auf Silikatbasis mit dem Handelsnamen "Silester X15" der Fa. Monsanto, Brüssel, Belgien, beigemischt. Das Einfüllen in die Matrize erfolgte unter Vibration und Pressen mit einem Stempel. Der derart erzeugte Grünling wies genügend Eigenfestigkeit auf, um zum Trocknen gehandhabt zu werden. Die Aushärtung des Binderanteils erfolgte auf dem Weg einer chemischen Reaktion durch Behandlung in NH₃-haltiger Atmosphäre (Ammoniakhärtung) während 5 min. Anschliessend wurde die keramische Form während 30 min an Luft getrocknet. Die Trocknungszeit beträgt je nach Abmessungen der Form ca. 10 bis 60 min. Diese Zeit wurde dazu benutzt, um die aus Schalen bestehende nachgebende keramische Form mit dem Pulver aus Cr-Stahl zu füllen. Es konnte im vorliegenden Fall auf ein gesondertes Brennen der keramischen Form verzichtet werden. Die gefüllte Form wurde in einen Vakuumofen eingefahren, erhitzt und gleichzeitig mit dem Pulver des herzustellenden Bauteils gesintert. Zufolge geringen Binderanteils der Form ist die Verschmutzung der Ofenatmosphäre vernachlässigbar. Bei dieser Wärmebehandlung trat in der Form eine beträchtliche Schrumpfung ein, sodass letztere zu jedem Zeitpunkt eine genügende Stützung der Stahlpartikel des Werkstücks garantierte, ohne jedoch diese an ihrer eigenen Schrumpfung zu behindern. Das Zeit/Temperatur-Programm wurde so geführt, dass die Schwindung des Werkstücks und der Form mit annähernd gleicher Geschwindigkeit und gleichem Mass erfolgte. Im vorliegenden Fall wurde das Ganze zunächst mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 °C/min auf 1100 °C erhitzt, auf dieser Temperatur während 30 min gehalten (Beginn der Schwindung in Form und Werkstück) und dann auf 1280 °C gebracht und bei dieser Temperatur während 60 min gehalten. Die Abkühlung erfolgte im Ofen mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,5 °C/min. Bei diesem Programm halten sich in jedem Zeitpunkt Schwindung/Wärmedehnung in der Form und im Werkstück ungefähr die Waage. Hier betrug die lineare Schwindung der keramischen Form ca. 13 bis 14 %, diejenige des herzustellenden Bauteils (Cr-Stahl) ca. 10 bis 12 %. Daher übte die Form stets auf die Bauteiloberfläche eine gewisse Druckkraft aus. An den Stellen, wo die Zugspannung in der Formwand die Formfestigkeit überschritt, riss die Form leicht ein. Im Sinne der Erfindung ist das Reissen jedoch laut Begriff "nachgebende Form"erwünscht oder zumindest nicht störend. Das Ergebnis war ein sehr formgetreues Bauteil mit glatter dichter Oberfläche, welche sich gut für eine Nachverdichtung des Werkstücks durch behälterloses heiss-isostatisches Pressen eignet.The residual moisture (H₂O content) was approximately 2.5 to 3% by weight. 0.5% by volume of a silicate-based binder with the trade name "Silester X15" from Monsanto, Brussels, Belgium, was added to the mass with particles of up to 630 μm. It was filled into the die with vibration and pressing with a stamp. The green compact produced in this way had sufficient inherent strength to be handled for drying. The binder portion was cured on the way of a chemical reaction by treatment in an atmosphere containing NH 3 (ammonia curing) for 5 min. The ceramic mold was then air-dried for 30 minutes. The drying time depends on the dimensions the form approx. 10 to 60 min. This time was used to fill the resilient ceramic mold made of shells with the powder made of Cr steel. In the present case, it was not necessary to fire the ceramic mold separately. The filled mold was moved into a vacuum oven, heated and sintered simultaneously with the powder of the component to be manufactured. Due to the low proportion of binder in the mold, the pollution of the furnace atmosphere is negligible. During this heat treatment, there was considerable shrinkage in the mold, so that the latter guaranteed sufficient support of the steel particles of the workpiece at all times, without, however, preventing them from shrinking themselves. The time / temperature program was carried out in such a way that the shrinkage of the workpiece and the shape took place at approximately the same speed and the same degree. In the present case, the whole was first heated to 1100 ° C. at a speed of approx. 10 ° C./min, held at this temperature for 30 minutes (beginning of the shrinkage in the mold and workpiece) and then brought to 1280 ° C. and at this Temperature held for 60 min. The cooling took place in the furnace at a speed of approx. 0.5 ° C / min. With this program, shrinkage / thermal expansion in the mold and in the workpiece are roughly balanced at all times. Here the linear shrinkage of the ceramic form was approx. 13 to 14%, that of the component to be manufactured (Cr steel) approx. 10 to 12%. Therefore, the form always exerted a certain pressure on the component surface. At the points where the tensile stress in the mold wall exceeded the form strength, the mold tore slightly. In the sense of the invention, however, the tearing is desirable or at least not disturbing according to the term "yielding form". The result was a very true-to-shape component with a smooth, dense surface, which is well suited for post-compaction of the workpiece using container-free hot isostatic pressing.

Ausführungsbeispiel III:Working example III:

Es wurde eine Turbinenschaufel mit Tragflügelprofil folgender Abmessungen hergestellt:

Länge
= 155 mm
Breite
= 29 mm
grösste Dicke
= 4,8 mm
Profilhöhe
= 9,5 mm
A turbine blade with wing profile of the following dimensions was produced:
length
= 155 mm
width
= 29 mm
greatest thickness
= 4.8 mm
Profile height
= 9.5 mm

Als Werkstoff wurde ein Cr/Ni-Stahl mit der Bezeichnung AISI 316 entsprechend X3CrNiMo 17.12.2 Deutsche Norm mit folgender Zusammensetzung verwendet:

Cr
= 17 Gew.-%
Mo
= 2,2 Gew.-%
Ni
= 12 Gew.-%
Mn
= 2 Gew.-%
Si
= 1 Gew.-%
C
= 0,08 Gew.-%
Fe
= Rest
A Cr / Ni steel with the designation AISI 316 according to X3CrNiMo 17.12.2 German standard with the following composition was used as material:
Cr
= 17% by weight
Mon
= 2.2% by weight
Ni
= 12% by weight
Mn
= 2% by weight
Si
= 1% by weight
C.
= 0.08% by weight
Fe
= Rest

Das zur Verwendung gelangte Pulver war durch Gasstrahlzerstäubung erzeugt worden und hatte eine maximale Partikelgrösse von 30 µm.The powder used was generated by gas jet atomization and had a maximum particle size of 30 µm.

Zunächst wurde eine aus zwei Schalen bestehende nachgebende keramische Form auf Si0₂-Basis gefertigt. Dabei wurde das Prinzip der Entmischung von mehrphasige Gemenge bildenden speziellen Silikatgläsern herangezogen (vergl. spinodale Entmischung). Es wurde von einem Borsilikatglas folgender Zusammensetzung ausgegangen:

Si0₂
= 70 Gew.-%
B₂0₃
= 20 Gew.-%
Na₂0
= 20 Gew.-%
First, a resilient ceramic mold based on Si0₂ was manufactured consisting of two shells. The principle of segregation of multiphase batches of special silicate glasses was used (see spinodal segregation). A borosilicate glass with the following composition was assumed:
Si0₂
= 70% by weight
B₂0₃
= 20% by weight
Na₂0
= 20% by weight

Aus dem Borosilikatglas wurden mit Hilfe von Matrizen als Werkzeuge 3 mm dicke Schalen hergestellt, zusammengekittet und die auf diese Weise gebildete Form einer Wärmebehandlung unterzogen. Dabei entmischte sich das Borsilikat in eine fast reine, unlösliche Si0₂-Phase und eine örtliche Natriumboratphase. Letztere wurde mit 3 n-Schwefelsäure herausgelöst, sodass ein mikroporöses, die Gestalt der Form wahrendes Si0₂-Skelett zurückblieb. In diese Form wurde das Cr/Ni-Stahlpulver eingefüllt und das Ganze auf 1000 °C erhitzt. Dabei sinterte das Stahlpulver ab 900 °C sukzessive derart, dass es bereits eine genügende Eigenfestigkeit annahm. Gleichzeitig schrumpfte das schwammige Gerüst der Form um 15 bis 20 % linear. Dabei zersprang die Form teilweise, während andere Teile derselben erweichten. Es wurde kurz vor der Erreichung dieses Zustandes von der Form auf das Werkstück ein Druck senkrecht zur Oberfläche ausgeübt, der mindestens eine lokale Verdichtung der letzeren bewirkte. Dieser Effekt ist erwünscht, da er zu einem dichteren Bauteil führt.3 mm thick shells were produced from the borosilicate glass using dies as tools, cemented together and the shape formed in this way was subjected to heat treatment. The borosilicate separated into an almost pure, insoluble Si0₂ phase and a local sodium borate phase. The latter was dissolved out with 3N sulfuric acid, so that a microporous Si0₂ skeleton which retained the shape remained. The Cr / Ni steel powder was filled into this mold and the whole was heated to 1000 ° C. The steel powder sintered successively from 900 ° C in such a way that it already assumed sufficient inherent strength. At the same time, the spongy structure of the mold shrank linearly by 15 to 20%. The shape broke partially, while other parts of it softened. Shortly before this state was reached, pressure was exerted from the mold onto the workpiece perpendicular to the surface, which at least locally compressed the latter. This effect is desirable because it leads to a denser component.

In einer Variante wurde auf das vollständige, ein möglichst dichtes Bauteil anstrebende Sintern verzichtet und die ganze Wärmebehandlung vorzeitig abgebrochen (Vorsintern). Das Ganze, das Bauteil und die Form als Glasmantel umfassende Werkstück wurde abgekühlt und in einer entsprechenden Anlage durch heiss-isostatisches Pressen zum Fertigteil verdichtet. Dabei waren zuvor Glas und Zeit/Temperatur-Programm derart aufeinander abgestimmt worden, dass weder Rekristallisation noch Bruch durch auftretende Spannungen an der Si0₂-Umwandlung zu befürchten waren.In one variant, the complete sintering aimed at a component that was as dense as possible was dispensed with and the entire heat treatment was stopped prematurely (presintering). The whole, the component and the shape as a glass-encased workpiece was cooled and compressed into the finished part in a corresponding system by hot isostatic pressing. Glass and time / temperature program had previously been coordinated in such a way that there was no fear of recrystallization or breakage due to stresses occurring at the Si0₂ conversion.

Ausführungsbeispiel IV:Working example IV:

Es wurde eine dem Beispiel II entsprechende Schaufel aus dem Cr/Ni-Stahl AISI 316 hergestellt. Die Abmessungen waren genau die gleichen wie in Beispiel III. Es wurden auch die gleichen Matrizen verwendet.A blade corresponding to Example II was made of AISI 316 Cr / Ni steel. The dimensions were exactly the same as in Example III. The same matrices were also used.

Zunächst wurde eine pastenartige Masse eines aufschäumenden keramischen Materials auf der Basis von Natriummetasilikat durch Sprühen/Spritzen auf den Positivformteil der jeweiligen Matrize aufgetragen, getrocknet, ausgehärtet und von der Matrize abgelöst. Die auf diese Weise erzeugten beiden dünnen Schalen hatten eine Wandstärke von 0,5 mm. Sie wurden zur nachgebenden keramischen Form zusammengeklebt und mit Cr/Ni-Stahlpulver gefüllt. Dann wurde das Ganze, aus Form und Pulverfüllung bestehende Werkstück in einen Kasten mit Sandbett gestellt, allseitig mit Sand umgeben und auf eine Temperatur von 600 °C erhitzt. Im Verlaufe des Aufheizens begann die keramische Masse der Form aufzuschäumen, wobei ein hochporöses schaumartiges Gebilde entstand, welches ein entsprechendes Volumen Sandes im Sandbett verdrängte. Die nicht aufgeschäumte hautartige Innenwand der so gebildeten Form stützte sich dabei gegen innen auf das Stahlpulver ab. Bei Erreichen der Sintertemperatur des Bauteils durch weiteres Erhitzen wurde die brüchige Schaumkeramik durch den Schrumpfprozess in den oberflächennahen Zonen gestaucht (eingedrückt), wobei jedoch das teilweise gebrochene Gerüst des Bauteils keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzte. Es konnte ein Bauteil mit vergleichsweise glatter Oberfläche erzielt werden.First, a paste-like mass of a foaming ceramic material based on sodium metasilicate was applied by spraying / spraying onto the positive molding of the respective die, dried, hardened and detached from the die. The two thin shells produced in this way had a wall thickness of 0.5 mm. They were glued together to give the ceramic form and filled with Cr / Ni steel powder. Then the whole, consisting of mold and powder filling, was placed in a box with a sand bed, surrounded on all sides with sand and heated to a temperature of 600 ° C. In the course of heating, the ceramic mass of the mold began to foam, creating a highly porous foam-like structure which displaced a corresponding volume of sand in the sand bed. The non-foamed skin-like inner wall of the shape thus formed was supported against the inside on the steel powder. When the sintering temperature of the component was reached by further heating, the brittle foam ceramic was compressed (pressed in) in the zones near the surface by the shrinking process, although the partially broken framework of the component did not offer any appreciable resistance. A component with a comparatively smooth surface could be achieved.

Ausführungsbeispiel V:Embodiment V:

Es wurde ein Hochtemperatur-Wärmeaustauscher für gasförmige Medien aus Siliziumkarbid hergestellt. Es handelte sich um einen mit äusseren und inneren Rippen versehenen kastenartigen Körper von rechteckförmigem Querschnitt mit einer An zahl von rechteckförmigen Kanälen. Die Abmessungen waren folgende:

Länge in Strömungsrichtung
= 400 mm
Breite
= 200 mm
Höhe
= 60 mm
Dicke der Wände
= 4 mm
Wandstärke der Rippen
= 2,5 mm
A high-temperature heat exchanger for gaseous media made of silicon carbide was manufactured. It was a box-like body of rectangular cross-section with an an provided with outer and inner ribs number of rectangular channels. The dimensions were as follows:
Length in the direction of flow
= 400 mm
width
= 200 mm
height
= 60 mm
Thickness of the walls
= 4 mm
Wall thickness of the ribs
= 2.5 mm

Eine die ungefähre Endform des Bauteils aufweisende mehrteilige metallische Matrize wurde aussen durch Flammspritzen mit einer ca. 0,8 mm dicken Al₂O₃-Schicht als äussere Formschale umhüllt. Sodann wurden prismatische, mit Nuten für die Rippen versehene, rechteckige Kerne für die Kanäle hergestellt. Dazu wurde der Werkstoff Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂) in grobkörniger Pulverform mit einem Partikeldurchmesser von 200 bis 500 µm verwendet, dem als Binder einige Gewichtsprozente Quarz (SiO₂) beigemengt waren.
Die aus mehreren Al₂O₃-Schalenteilen und Mullit-Kernen zusammengesetzte nachgebende keramische Form wurde nun unter Vibration mit SiC-Pulver von 30 bis 80 µm Partikelgrösse gefüllt und das Ganze einer zeitlich programmierten Wärmebehandlung unterworfen. Zunächst wurde zwecks Trocknens und Austreibens flüchtiger Verunreinigungen und Gase mit einer Geschwindigkeit von 100 °C/h auf die Temperatur von 300 °C erhitzt und auf diesem Wert ca. 1/2 h gehalten. Die Weitererhitzung auf 1000 °C erfolgte mit 200 °C/h und diejenige auf 1100 °C mit einer reduzierten Geschwindigkeit von 20 °C/h, um den zu erwartenden Umwandlungen (Phasen, Modifikationen des SiO₂ etc.) und den dadurch bedingten Volumenänderungen der beteiligten Stoffe Zeit zu lassen. Dann wurde mit 200 °C/h auf 1500 °C erhitzt und diese Temperatur während 2 h gehalten. Hierbei begann der Mullit bereits etwas zu erweichen, sodass er die Schwindung des herzustellenden Bauteils aus Siliziumkarbid beim nun einsetzenden Sinterprozess nicht behinderte. Dieser wurde nun bei einer Temperatur von 1600 °C während einer Dauer von 8 h durchgeführt. Dabei schrumpften die Kerne mit und die äussere Schale der Form (Al₂O₃) blieb stehen. Nach Beendigung des Sinterprozesses wurde verhältnismässig rasch abgekühlt (abgeschreckt), wobei die äussere Schale der Form zum Abspringen gezwungen wurde, während die Kerne zerbröckelten. Es konnte mit diesem Beispiel gezeigt werden, dass auch vergleichsweise komplizierte Bauteile aus keramischen Werkstoffen nach dem vorliegenden Verfahren wirtschaftlich hergestellt werden können.An approximate final shape of the component having multi-part metallic matrix was coated on the outside by flame spraying with an approximately 0.8 mm thick Al₂O₃ layer as an outer shell. Prismatic rectangular cores for the channels with grooves for the ribs were then produced. For this purpose, the material mullite (3Al₂O₃ · 2SiO₂) was used in coarse-grained powder form with a particle diameter of 200 to 500 µm, to which a few percent by weight quartz (SiO₂) was added as a binder.
The yielding ceramic form composed of several Al₂O₃ shell parts and mullite cores was then filled with vibration with SiC powder with a particle size of 30 to 80 µm and the whole was subjected to a time-programmed heat treatment. First, in order to dry and expel volatile impurities and gases, the mixture was heated to a temperature of 300 ° C. at a rate of 100 ° C./h and held at this value for about 1/2 hour. The further heating to 1000 ° C was carried out at 200 ° C / h and that to 1100 ° C at a reduced speed of 20 ° C / h to the expected conversions (phases, modifications of SiO₂ etc.) and the resulting volume changes leave time for the substances involved. The mixture was then heated to 1500 ° C. at 200 ° C./h and this temperature was maintained for 2 hours. Here, the mullite already began to soften somewhat, so that it did not hinder the shrinkage of the silicon carbide component to be produced during the sintering process that now began. This was now at a temperature of 1600 ° C for 8 hours carried out. The cores shrank with it and the outer shell of the form (Al₂O₃) remained. After the sintering process was completed, the quench was cooled relatively quickly, forcing the outer shell of the mold to come off while the cores crumbled. With this example it could be shown that even comparatively complex components made of ceramic materials can be economically manufactured using the present process.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not restricted to the exemplary embodiments.

Das Verfahren zur Formgebung eines beliebigen Bauteils aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff ausgehend von einem Pulver oder einer Pulvermischung, wobei das Pulver lose in eine Form eingefüllt und daraufhin einem Sinterprozess unterworfen wird, wird durchgeführt, indem als Form ein nachgebender keramischer Körper verwendet wird, der unter den bei der Temperaturerhöhung und beim Sintern zufolge Ausdehnung oder Schrumpfung auftretenden, Zug- und/oder Druckkräfte verursachenden Spannungen elastisch und/oder plastisch nachgibt und/oder an gezielt angebrachten Sollbruchstellen reisst, wobei jedoch seine Festigkeit und Formbeständigkeit im ganzen Temperaturbereich und über den gesamten Verfahrensablauf betrachtet genügend hoch ist, um eine hohe Formgenauigkeit des als Sinterkörper zu fertigenden Bauteils zu gewährleisten. Als Form werden eine oder mehrere dünne nachgiebige keramische Schalen aus Al₂O₃, SiO₂ oder MgO hoher Porosität oder ein Körper aus einem Spezialglas verwendet, welches bei Erreichen der Sintertemperatur der für das Bauteil bestimmten Pulvermischung netzartig einreisst, ohne vollständig zu zerspringen oder zu zerfallen.The method for shaping any component from a metallic and / or ceramic material, starting from a powder or a powder mixture, the powder being poured loosely into a mold and then subjected to a sintering process, is carried out by using a flexible ceramic body as the mold , which yields elastically and / or plastically under the stresses that occur as a result of expansion or shrinkage, causing tensile and / or compressive forces due to expansion or shrinkage, and / or tears at targeted predetermined breaking points, however, its strength and dimensional stability in the entire temperature range and above the entire process sequence is sufficiently high to ensure a high dimensional accuracy of the component to be manufactured as a sintered body. The shape used is one or more thin, resilient ceramic shells made of high porosity Al₂O₃, SiO₂ or MgO or a body made of a special glass which, when the sintering temperature of the powder mixture intended for the component is reached, tears in a net-like manner without completely breaking or disintegrating.

Vorzugsweise wird als Form ein keramischer Körper verwendet, der an den im Verlauf des Sinterprozesses auftretenden Orten der höchsten Zugspannungen Sollbruchstellen in Form von Kerben aufweist, ferner eine Keramikschale, die beim Sintern des Bauteils reisst und in willkürliche mosaikartige Bruchstücke zerfällt.A ceramic body is preferably used as the mold, which has predetermined breaking points in the form of notches at the locations of the highest tensile stresses in the course of the sintering process, and furthermore a ceramic shell which tears when the component is sintered and disintegrates into arbitrary mosaic-like fragments.

In einer anderen Variante wird als Form eine dünne flexible, elastisch-plastische Keramikfolie im grünen oder nur teilweise wärmebehandelten Zustand verwendet, die erst im Verlauf des Aufheiz- und Sinterprozesses zusammen mit dem zur Erzeugung des Bauteils verwendeten Pulver ihre endgültige Festigkeit durch chemische Prozesse und Fertigsintern erhält.In another variant, the form used is a thin, flexible, elastic-plastic ceramic film in the green or only partially heat-treated state, which only in the course of the heating and sintering process, together with the powder used to produce the component, achieve its final strength through chemical processes and finished sintering receives.

In vorteilhafter Weise wird als Form eine grüne Keramikmasse verwendet, die ihre endgültige Gestalt und Festigkeit erst beim Trocknungs- und Sinterprozess gleichzeitig während des Sinterns des Bauteils annimmt, wobei beim damit verbundenen Schrumpfprozess nur die durch die unterschiedliche Schwindung von Form und Bauteil bedingten positiven oder negativen Differenzkräfte aufgenommen werden müssen. Besonders günstige Verhältnisse liegen vor, wenn für die Keramikmasse ein Material verwendet wird, dessen Schwindung bei der durch die Erwärmung und das Sintern von Form und Bauteil bedingten Schrumpfung grösser ist als die Schwindung des für das Bauteil verwendeten Pulvers, dergestalt, dass auf das Bauteil während des Sinterprozesses ein Druck ausgeübt wird, während die Wand der Form unter Zugspannung steht.A green ceramic mass is advantageously used as the mold, which assumes its final shape and strength only during the drying and sintering process at the same time as the component is being sintered, with the associated shrinkage process only the positive or negative due to the different shrinkage of the shape and component Differential forces must be absorbed. Particularly favorable conditions are present if a material is used for the ceramic mass whose shrinkage due to the heating and sintering of the shape and the component is greater than the shrinkage of the powder used for the component, such that the component is subjected to during pressure is exerted during the sintering process while the wall of the mold is under tension.

Vorzugsweise wird das Pulver oder die Pulvermischung vor der Erhitzung auf Sintertemperatur oder während der ersten Phase des Erhitzens im unteren Temperaturbereich durch Fliehkraftschleudern in der nachgebenden Form vorverdichtet.The powder or the powder mixture is preferably precompressed in the yielding form by centrifugal centrifugation before the heating to the sintering temperature or during the first phase of the heating in the lower temperature range.

Claims (9)

Verfahren zur Formgebung eines beliebigen Bauteils aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff ausgehend von einem Pulver oder einer Pulvermischung, wobei das Pulver lose in eine Form eingefüllt und daraufhin einem Sinterprozess unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Form ein nachgebender keramischer Körper verwendet wird, der unter den bei der Temperaturerhöhung und beim Sintern zufolge Ausdehnung oder Schrumpfung auftretenden, Zug- und/oder Druckkräfte verursachenden Spannungen elastisch und/oder plastisch nachgibt und/oder an gezielt angebrachten Sollbruchstellen reisst, wobei jedoch seine Festigkeit und Formbeständigkeit im ganzen Temperaturbereich und über den gesamten Verfahrensablauf betrachtet genügend hoch ist, um eine hohe Formgenauigkeit des als Sinterkörper zu fertigenden Bauteils zu gewährleisten.Method for shaping any component from a metallic and / or ceramic material, starting from a powder or a powder mixture, the powder being poured loosely into a mold and then subjected to a sintering process, characterized in that a flexible ceramic body is used as the mold, that yields elastically and / or plastically under the tensions and tensile and / or compressive forces that occur as a result of expansion or shrinkage due to expansion or shrinkage and / or tears at targeted predetermined breaking points, however, its strength and dimensional stability in the entire temperature range and over the considered overall process sequence is sufficiently high to ensure a high dimensional accuracy of the component to be manufactured as a sintered body. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Form eine oder mehrere dünne nachgiebige keramische Schalen aus Al₂O₃, SiO₂ oder MgO hoher Porosität verwendet werden.A method according to claim 1, characterized in that one or more thin flexible ceramic shells made of Al₂O₃, SiO₂ or MgO of high porosity are used as the mold. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Form ein Körper aus einem Spezialglas verwendet wird, welches bei Erreichen der Sintertemperatur der für das Bauteil bestimmten Pulvermischung netzartig einreisst, ohne vollständig zu zerspringen oder zu zerfallen.A method according to claim 1, characterized in that a body made of a special glass is used as the mold, which, when the sintering temperature of the powder mixture intended for the component is reached, tears in a net-like manner without completely cracking or disintegrating. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Form ein keramischer Körper verwendet wird, der an den im Verlauf des Sinterprozesses auftretenden Orten der höchsten Zugspannungen Sollbruchstellen in Form von Kerben aufweist.A method according to claim 1, characterized in that a ceramic body is used as the mold, which has predetermined breaking points in the form of notches at the locations of the highest tensile stresses occurring in the course of the sintering process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Form eine Keramikschale verwendet wird, die beim Sintern des Bauteils reisst und in willkürliche mosaikartige Bruchstücke zerfällt.A method according to claim 1, characterized in that a ceramic shell is used as the mold, which tears during sintering of the component and disintegrates into arbitrary mosaic-like fragments. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Form eine dünne flexible, elastisch-plastische Keramikfolie im grünen oder nur teilweise wärmebehandelten Zustand verwendet wird, die erst im Verlauf des Aufheiz- und Sinterprozesses zusammen mit dem zur Erzeugung des Bauteils verwendeten Pulver ihre endgültige Festigkeit durch chemische Prozesse und Fertigsintern erhält.A method according to claim 1, characterized in that a thin flexible, elastic-plastic ceramic film is used in the green or only partially heat-treated state as the shape, which only in the course of the heating and sintering process together with the powder used to produce the component its final strength through chemical processes and finished sintering. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Form eine grüne Keramikmasse verwendet wird, die ihre endgültige Gestalt und Festigkeit erst beim Trocknungs- und Sinterprozess gleichzeitig während des Sinterns des Bauteils annimmt, wobei beim damit verbundenen Schrumpfprozess nur die durch die unterschiedliche Schwindung von Form und Bauteil bedingten positiven oder negativen Differenzkräfte aufgenommen werden müssen.A method according to claim 2, characterized in that a green ceramic mass is used as the mold, which takes on its final shape and strength only during the drying and sintering process at the same time during the sintering of the component, with the shrinking process associated therewith only that due to the different shrinkage of the mold and component-related positive or negative differential forces must be absorbed. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Keramikmasse ein Material verwendet wird, dessen Schwindung beim durch die Erwärmung und das Sintern von Form und Bauteil bedingten Schrumpfung grösser ist als die Schwindung des für das Bauteil verwendeten Pulvers, dergestalt, dass auf das Bauteil während des Sinterprozesses ein Druck ausgeübt wird, während die Wand der Form unter Zugspannung steht.A method according to claim 7, characterized in that a material is used for the ceramic mass, the shrinkage due to the shrinkage caused by the heating and sintering of the shape and component is greater than the shrinkage of the powder used for the component, such that on the component pressure is applied during the sintering process while the wall of the mold is under tension. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver oder die Pulvermischung vor der Erhitzung auf Sintertemperatur oder während der ersten Phase des Erhitzens im unteren Temperaturbereich durch Fliehkraftschleudern in der nachgebenden Form vorverdichtet wird.A method according to claim 1, characterized in that the powder or the powder mixture is pre-compressed in the lower form by centrifugal centrifugal centrifugal force in the yielding form before heating to the sintering temperature or during the first phase of the heating.
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