EP1119429A2 - Verfahren zur herstellung von bauteilen durch metallpulverspritzguss - Google Patents

Verfahren zur herstellung von bauteilen durch metallpulverspritzguss

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EP1119429A2
EP1119429A2 EP99950466A EP99950466A EP1119429A2 EP 1119429 A2 EP1119429 A2 EP 1119429A2 EP 99950466 A EP99950466 A EP 99950466A EP 99950466 A EP99950466 A EP 99950466A EP 1119429 A2 EP1119429 A2 EP 1119429A2
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EP
European Patent Office
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components
metal powder
binder
powder parts
titanium alloy
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EP99950466A
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English (en)
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EP1119429B1 (de
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Thomas Hartwig
Thomas Ebel
Rainer Gerling
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Tricumed Medizintechnik GmbH
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Tricumed Medizintechnik GmbH
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Publication date
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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing components by metal powder injection molding of metal powder parts coated with binder, with the features of the type described in the preamble of claim 1
  • Complex-shaped components in medium and high numbers of pieces have long been required in automotive engineering, in aviation as moving parts and in off-shore applications and also in medical technology, for example for implants. These are complex-shaped components with dimensions that can be up to As a rule, such complexly shaped components are manufactured using machining processes, such as milling, turning and grinding.
  • the materials used are, for example, low-alloy, high-alloy or corrosion-resistant steels, high-speed steels, superalloys, alloys with magnetic properties, hard metals and Other materials not listed in question
  • Complex component geometries require a high workload, thus increasing the stucco price. Certain complicated structures can only be realized with the help of extreme effort. This applies in particular to thin parts, such as thin axes , which are subject to the risk of damage due to the mechanical stress during milling, turning and grinding of the part.
  • Another manufacturing method for producing a complex-shaped component with small dimensions is the use of investment casting.
  • investment casting a mold production is required for each component manufactured, the production of which The amount of work required requires investment casting means that complex-shaped components with small and smallest structures that are in the range of centimeters can no longer be reproduced with certainty.
  • the surface of the complex-shaped component produced generally reacts due to the temperature of the liquid casting with the wall surface of the casting mold.
  • the reaction layer thus created on the surface of the complex-shaped component must, for example, be pickled to produce a flawless surface. This pickling, in turn, means that narrow tolerances can no longer be maintained.
  • the mechanical properties of the casting structure are achieved by investment casting are produced, inferior to the mechanical properties, if the complex-shaped component has been produced with the help of forging technology
  • complex-shaped components cannot be manufactured using the state-of-the-art processes described, such as milling, turning, grinding, investment casting, spark erosion and electrochemical processing, because of their special requirements on the component geometry, they usually switch to another material or one chooses a different design, in order to nevertheless achieve a production of the complex shaped component.
  • thermoplastic used in the injection molding process and / or use thermosetting materials practically, since they did not have sufficient mechanical properties.
  • Titanium powder for the production of heavy-duty components, such as used in motor vehicle construction, etc. Titanium is particularly advantageous as a material for complexly shaped components with small dimensions in the field of medical technology, since such components have an especially good biocompatibility as an implant.
  • Titanium powder can be used to achieve the required strength values of components with a complex-shaped structure, but, for example, in the safety-relevant areas of machines and implants, there is no safety reserve for the component made from titanium powder with regard to functionality and against irreparable damage in the event of overloading and against breakage
  • Complex components made from titanium powder and with the metal powder injection molding process break immediately when the strength limit is reached without prior plastic deformation (cracking), which, however, is not the case in most cases
  • This essential disadvantage of the complex-shaped components produced from titanium powder according to the prior art essentially results from the fact that, during the production of these components, considerable amounts of contaminants, such as oxygen, carbon, nitrogen and the like, are taken up in the material of the titanium component Complex molded components made from titanium powder do not achieve the properties of the same component when the metal powder injection molding process is used if it has been manufactured by the forging process
  • the invention is therefore based on the object of providing an inexpensive method suitable for mass production for the production of complex-shaped components, which in particular enables the sintered component to have a safety reserve against inoperability and against irreparable damage in the event of overloading and against breakage, which minimizes allows the inclusion of contaminants in the material of the components during the manufacture of the components until completion, which for the prefabricated component has a homogeneous structure, extremely high reproducibility and dimensional accuracy, which avoids post-processing of the manufactured components, which has a low surface roughness of the finished one Component enables, and this excludes a distortion of the components during the production of the complex shaped
  • the advantages of the invention lie in particular in that some of the sections of the method according to the invention for the production of complex-shaped components take place while strictly observing a high-purity protective atmosphere consisting of protective gas and / or air exclusion and / or vacuum. This prevents that during manufacture - process of the complex shaped components contaminants with respect to the given performance data of the component can no longer be tolerated by the component.
  • These individual manufacturing sections are, however, partly subdivided into subsections, whereby these subsections also contribute to the inclusion of contaminants in the material the component is always fed to a minimum, such as the metal powder parts of the selected titanium alloy and the constituents of the binder are selected in their composition such that each individual material constituent in its initial state already has the property of being low in contaminants Titanium alloy and the binder, the proportion of undesirable contaminants is set to the lowest possible base value, so that there is an inevitable increase in the amount of contamination during the process Cleaning substances of the material of the component in the final sum corresponding to the selected low basic contamination of the components of the titanium alloy and the binder are reduced
  • the production of the metal powder parts and the mixing of the metal powder parts with the binder components for feedstock production take place under the influence of high-purity protective gas, such as argon
  • high-purity protective gas such as argon
  • the sintering itself is carried out under a vacuum and the debinding is carried out in a commercial debinding bath, for example with hexane and thus with the exclusion of the presence of air and thus of oxygen, carbon, nitrogen and the like as contaminants
  • Each individual section of the manufacturing process of the complex-shaped components is subject to the goal of achieving the least possible accumulation of contaminants in each manufacturing step, as well as when the metal powder parts were produced in accordance with the invention.
  • a titanium alloy was selected for the high-quality stressing of the components produced, which has the composition T ⁇ -6Al-7Nb.
  • the metal powder parts of this titanium alloy which are low in contaminants, can be produced by two processes, namely the electrode induction melting guiding gas atomization process or the plasma melting induction guiding gas atomization process.
  • the metal powder parts for the titanium alloy mentioned are produced by means of an atomizing system with argon inert gas atomization, in which the metal powder parts which are depleted of inert gas are collected in the powder can flanged gas-tight to the atomizing system.
  • the powder can itself is gas-tight closable and is incorporated into a glove box system, which in turn is operated with argon gas, so that in the manufacture of the metal powder parts an absolutely small increase in contaminants such as oxygen, carbon, nitrogen, etc.
  • the rest of the entire mixture of binder components consists of binder components that react to higher melting, decomposition and / or evaporation temperatures compared to the low-melting binder components
  • Metal powder fractions of the titanium alloy are coated with binder components made of thermoplastic or thermoset polymers, with thermo-gelling substances, with waxes or surface-active substances or mixtures obtained therefrom.
  • a special binder has been selected for the production of the components according to the invention, which is used to reduce the entry of contaminants such as oxygen and Reduction of the residual binder in the component contributes
  • a further procedural measure in the production of highly complex components consists in the fact that during the sintering these components must not form a connection with their base during shrinking and should not be changed by contaminants which separate the base on which the components lie during sintering. the same conditions and prerequisites apply to the base for hot isostatic pressing, which can still be carried out for the components after sintering.
  • the sinter base for the components is therefore such explained that while the sintering of the components is carried out, the free slidability of the surface of the sintered base for the overlying components remains unchanged, which can be achieved, for example, by designing the surface of the sintered base with a material d he components of reduction-resistant material such as ceramic oxides happen at the same time, the material of the surface of the sintered base is selected so that the material does not emit contaminants at the sintering temperature.
  • This configuration of the sintered base is a particular advantage of the invention in order to avoid that the complex components are involved often very minimal structure on the sintered base and also during hot isostatic pressing do not warp or break by sticking to the surface and are not contaminated by contaminants with the respective base
  • Another advantage of the present invention is further provided by the selected manufacturing process of metal powder injection molding, in which the mixing of the metal powder parts with the binder components for feedstock production and also the metal molding of the feedstock in the injection molding machine take place at low temperatures, so that no reaction of the feedstock or Binder and metal parts of the feedstock with the mixer itself or, in particular, not with the injection mold in the injection molding machine, so that there are no surfaces on the complex-shaped components which react with the mold or with device parts and therefore do not need to be post-treated, that is that the surface is already in perfect condition, which enables extremely high reproducibility and dimensional accuracy and thus a near-net-shape production of a high-strength component by selecting a titanium alloy for production the metal powder injection molding process for complex
  • 1 is a diagram of a basic representation of the method for producing complex shaped components with the metal powder injection molding method
  • Fig. 2 shows the reproduction of a tension rod, which is made by the metal powder injection molding technique, before and after a tensile test and
  • FIG. 3 shows in table form a compilation of measurement results of samples which were subjected to a tensile test, in particular with indication of the yield strength, the tensile strength and the elongation
  • Figure 1 in the form of a diagram is only sketchy and in partial representation, the manufacture of a complex shaped component from the manufacture of the metal powder parts through the feedstock manufacture, the metal molding, the debinding and the sintering with the finished component is shown in Figure 1, 2 and also in the Results in Figure 3 was deliberately dispensed with the representation of a complex shaped component in order to require clarity and to be able to achieve clear measurement results.
  • Complex shaped components are, however, for their application in motor vehicle construction, aviation, off-shore applications and in Medical technology, for example in the form of implants required.
  • the metal powder parts as the material for shaping components according to the invention can be produced in different ways. Powder can be used that has been produced by mechanical alloying or mechanical comminution he composition of individual titanium alloy components should be selected in such a way that each individual material component in its initial state already has the property of being low in impurities. The required purity of individual material components is based on the requirements placed on the finished end product component when it is used The individual material constituent of the metal powder parts must therefore already have the material properties required for the component to be produced. While the direct powder mixture was described above as the first possibility for producing metal powder parts, the exemplary embodiment in FIG. 1 assumes that pre-alloyed powder is used, for example in the form of a powder Finished alloy made of a rod.
  • This finished alloy can also be used to carry out metal powder parts for the production of complex components or a test specimen namely in an atomization plant by means of argon inert gas atomization.
  • a atomization plant was used which was specially designed for the production of high-purity titanium alloy powder.
  • the atomization of the titanium alloy powder pre-alloyed in a finished alloy takes place under strict compliance with a high-purity protective atmosphere made of protective gas such as argon thereby and through Special design of the atomizing system keeps the absorption of contaminants such as carbon, oxygen and nitrogen very low during the atomization process.
  • the system used by the applicants has a carbon and oxygen content of the titanium alloy powder with carbon 0.01% by weight, oxygen 0 , 21% by weight, these values being only slightly above the values that each individual material component already had in the initial state, namely 0.01% by weight for carbon and 0.2% by weight for oxygen
  • the inert Metal powder parts are collected in a powder can flanged gas-tight to the evaporation plant.
  • This powder can itself is designed to be gas-tight and the powder can is then fed into a glove box system, which in turn is operated with the protective gas argon.
  • the powder components must be less contaminated than the end product, since in the manufacturing process of the component there is one Minimization of the contaminants absorbed into the component can be carried out, however a complete avoidance of the absorption of contaminants during the manufacturing process of the component It is practically impossible To achieve the goal of high-purity metal powder parts, two different processes were used to produce metal powder parts for the titanium alloy.
  • the electrode induction melting gas atomization process was used, and the plasma melting induction guiding gas atomization process was different Results with regard to the total amount of pollutants in the manufacture of the metal powder parts are also caused by the fact that when using a pre-alloyed powder in the form of a finished alloyed rod according to the DIN standard, the oxygen content is already specified in the finished product at 2000 ⁇ g / g, with reference to the specified amount of Oxygen contamination also add up the percent by weight of oxygen contamination and of course other contaminants that arise during the manufacture of the metal powder parts due to the contamination contained in the finished alloy, which is permitted according to the DIN standard Contaminants, it is advantageous to put together the individual material constituents of the titanium alloy in order to achieve a better result in the initial state through special care in the selection and treatment of the individual constituents, ie a result that already minimizes, for example, the oxygen concentration during the manufacture of the metal powder parts enabled in the initial state
  • metal powder parts When using inert gas atomization for the production of metal powder parts, metal powder parts are formed in a pronounced spherical shape.
  • the spherical shape is advantageous for sintering, because a high packing density of the metal powder parts can be achieved due to the spherical shape of the powder and thus a low residual porosity of the sintered, complex component is achieved
  • the amount of metal powder produced is then sieved by means of a sieve chain according to the particle size of the metal powder parts.
  • the use of metal powder parts with a particle size of ⁇ 100 ⁇ m is particularly suitable for the production of the complex-shaped components
  • Favorable results are achieved if a particle size ⁇ 45 ⁇ m is preferably used.
  • the resulting material loss in the production of metal powder is about 70 to 75% of the metal powder parts produced when using metal powder parts with a particle size ⁇ 45 ⁇ m, in contrast to the often 90% material loss in the production of the complex-shaped components by means of machining processes.
  • the sieved metal powder parts with a particle size> 45 ⁇ m can be used for other purposes, so that the material loss can be reduced even more.
  • the surface roughness of the finished, complex-shaped component depends on the powder size and is typical when using metal powder parts with a particle size of ⁇ 45 ⁇ m 1 ⁇ m in general This means that the surface of the finished, complex-shaped component must always be used without reworking
  • the titanium alloy in rod form 1 is shown by way of example, which is processed into metal powder parts 2 by means of inert gas evaporation, wherein it has already been described that this is only one possibility of producing the metal powder parts.
  • the feedstock production follows in FIG. 1 b), ie the mixing of the metal powder parts 2 with the binder 3 in a kneader 4 to the feedstock 5
  • the metal injection molding of the feedstock takes place by means of an injection molding machine 6, which is only schematically indicated here in block form and to which the feedstock 5 is fed and below Pressure is injected into the injection mold 7 into the shape of the component 8.
  • the green body of the component 8 thus produced is partially released in the debinding in FIG.
  • the binder components are thermoplastic or thermosetting polymers, thermogelling substances, waxes or surface-active substances or mixtures obtained therefrom. Binder components can be added thereby polyamides, polyoxymethylene, polycarbonate, styrene-acrylonitrile copolymers, polyimide, natural waxes and oils, thermosets, cyanates, polypropylenes, polyacetates, polyethylenes, ethylene-vinyl-acetates, polyvinyl alcohols, polyvinyl l-chlorides, polystyrene, polymethyl Methacrylates, anilines, water, mineralols, agar, glycenn, polyvinyl-butyryl, polybutyl methacrylates, cellulose, oleic phthalates, paraffin waxes, camauba wax, ammonium polyacrylates, digyl-cad stearates and olates, glyceryl monostearates, Isopropyl titanate, lithium
  • lubricants must also be added to prevent the binder components and the metal powder parts from sticking together It must be ensured with the kneader 4 for a sufficiently homogeneous mixing without the constituents clumping.
  • the binder 3 must also be in its components are selected so that no decomposition of the binder takes place during metal injection molding.
  • the binder must also be very easily removed from the component produced by means of metal powder injection molding, since it is only used for temporary cohesion the metal powder constituents after the metal mold spraying.
  • the binder which always consists of several constituents, must be designed in such a way that each individual material constituent in its initial state already has the property of being low in contaminants such as oxygen, nitrogen and carbon. Quite essential for the production of a complex Shaped component is also in relation to the binder and its components that they help to maintain the required material properties of the component until the component is finished and not to change it by additional absorption of contaminants.
  • the kneader and / or the kneading chamber is preferably included high-purity protective gas, such as argon, to prevent contamination of the two components of the feedstock, for example with oxygen and nitrogen from the air.
  • high-purity protective gas such as argon
  • the binder forms a shell around each individual metal powder part
  • shear processes must ensure that every metal powder part is covered with binder. This is usually done in so-called Z-blade mixers or also in planetary mixers.
  • the feedstock usually contains about 30 to 40 vol% binder
  • the mixing of the metal powder parts of the titanium alloy and the constituents of the binder in the feedstock manufacture is carried out in a low temperature range.
  • the temperature range in the feedstock manufacture is between 50 degrees and 200 degrees Celsius.
  • Provide settlement and / or evaporation temperature Those binder constituents which have a low melting, decomposition and / or evaporation temperature predominate compared to the proportion of binder constituents in the mixture which have a higher different melting, decomposition and / or evaporation temperature Poor binder contaminants, the individual components of which already have the property of being low in contaminants in the initial state, consist of polyethylene, stearic acid, paraffin and camauba wax
  • the metal injection molding of the component 8 in an injection molding machine 6 in the injection mold 7 follows.
  • the injection molding machines customary in the plastics industry are generally used for the metal injection molding.
  • the feedstock is generally pelletized and, if necessary, into the pellet Injection molding machine introduced
  • the precise parameters for metal injection molding such as pressure and temperature, depend on the geometry of the complex-shaped component and the flow properties of the feedstock.
  • the pressure is in the range from 30 to 50 bar.
  • Metal injection molding has the advantages of an inexpensive and excellent reproducibility To enable complex shaped components with small tolerances and is particularly suitable for medium to high numbers of pieces.
  • the metal injection molding of the complex-shaped component for the production of the green body takes place in a low temperature range.
  • This temperature range lies between 60 degrees and 200 degrees Celsius for metal molding.
  • This low temperature range makes it possible to prevent the surface of the sprayed green body from being selected when selecting the binder components the injection molding machine reacts with the surface of the injection mold 7, which is why the surface is smooth and does not have to be reworked after the component has been finished.
  • This also applies, as already described, to the manufacturing process in feedstock production which is in a similar low temperature range and which is between Moving 50 degrees and 200 degrees Celsius
  • it can be a A ⁇ 34332IFAMneu2 doc there is no reaction of the surface of the kneader with the resulting feedstock and therefore there are no disruptions in production.
  • Partial debinding is carried out first, for example by thermal expulsion or in a commercial debinding bath, which is carried out, for example, with hexane in the absence of air at a slightly elevated temperature in the order of 40 degrees Celsius for a few hours. Large portions of the binder content are removed at a slightly elevated temperature with the aid of the solvent. This heating must be carried out very carefully done to avoid warping and destruction of the complex shaped component. That is why the binder is composed of various components that evaporate at different temperatures. During partial debinding under the influence of the solvent hexane, about 75% of the binder is removed from the green ling, which is then called the partially debonded component Braunling.
  • the solvent hexane ensures that the debinding takes place with the complete exclusion of air and also of contaminants such as carbon, oxygen, nitrogen and thus prevents an accumulation of contaminants in the sprayed component. Further removal of the residual binder, which can only be removed at a higher temperature and has hitherto prevented the component from being kept apart, takes place by thermal decomposition.
  • the thermal decomposition preferably takes place in a high vacuum, but can also take place in a pure protective gas atmosphere such as argon Drying in argon gas instead
  • argon Drying in argon gas instead The handling of the sprayed components in the form of a green body and the partially debindered components in the form of a brown body must be carried out carefully to avoid warping or breakage.
  • the next step in the completion of the complex-shaped components is the sintering, as can be seen from FIG. 1 e).
  • the brown part of the component undergoes a heat treatment in which the individual metal powder parts obtain metallurgical contacts in the form of a welding diffusion with one another.
  • a successful sintering process at Ti - Tan alloys and the achievement of a perfect material property of the component can only be achieved by avoiding the inclusion of additional contaminants such as oxygen, carbon and nitrogen during the sintering process in the metal powder.
  • the atmosphere of the chamber of the sintering furnace with an excellent vacuum of the order of ⁇ 10 Have 5 mbar the high temperatures when sintering are unfavorable for maintaining good material properties, since at these high temperatures a particularly good absorption of impurities takes place in the metal powder parts.
  • the temperature interval during sintering is between 1,100 degrees and 1,400 degrees Celsius. Tests during production have shown that preferably the temperature of 1300 degrees Celsius provides an optimal result with regard to the properties of the manufactured component.
  • a heating rate adapted to the evaporation rate of the residual binder still contained in the brown compact of the component, e.g. B 5 K / min is selected, as a result of which the residual binder is expelled thermally during the heating process in the sintering chamber.
  • the complex-shaped component produced after sintering has a density close to the theoretical density, namely at 96%.
  • the mechanis The properties of the finished component are very similar to those of forged material with a comparable composition
  • the sintered underlay plays an important role in the flawless manufacture of the complexly shaped components.
  • the sintered underlay for the complexly shaped components is therefore designed in such a way that the free sliding of the surface of the sintered underlay for the overlying components remains unchanged during the sintering of the components
  • the material of the sintered base is therefore selected so that at the sintering temperature the surface of the sintered base consists of material that is resistant to the material of the components, as is the case, for example, with ceramic oxides.
  • a material of the sintered base is used that is at the sintering temperature does not emit contaminants This selection of the materials of the sintered base causes a delay in the construction when storing the complex shaped components on the sintered base and in the shrinking process occurring during the sintering parts and possible breakage avoided
  • a subsequent hot isostatic pressing treatment can be used to bring the residual porosity of the sintered part to zero in order to get all the theoretically possible mechanical properties out of the material of the component.
  • the sintered components are placed in a high-purity protective gas such as argon given chamber and hot isostatically pressed for a few hours at a temperature of about 850 degrees Celsius and 2000 bar gas pressure.
  • the high-purity protective gas argon is necessary because at these high temperatures the tendency of the titanium alloy to absorb foreign substances is high, but this must be prevented For the same reason, care should also be taken with the material of the contact surface for the components in isostatic pressing that this support maintains the free gliding ability through the formation of a suitable material such as ceramic oxides during the pressing and that the material of the contact surface does not release any contaminants into the chamber and to the components at the temperature of the isostatic pressing.
  • the hot isostatic pressing process is only carried out if either Material inside the components must not have porosity or if the highest possible strengths with a density of 100% and the best possible ductility are required for the respective application and the additional costs incurred are therefore accepted
  • the titanium alloy T ⁇ -6AI-7Nb has also been used for other purposes so far, but could not be used in a metal powder injection molding process without the elasticity being lost due to the absorption of contaminants during the manufacturing process, so that the end product obtained has a safety margin of the sintered component in terms of functionality and against irreparable damage in the event of overloading of the component and against breakage in the prior art was missing.
  • the component manufactured with titanium according to the prior art may have high strength, but does not behave like a metal in terms of ductility , It is not elastically but plastically deformable Only through the combination of the features of the selection of the titanium
  • FIG. 2 Only by the combination of these features the ductility of the tensile rod shown in FIG. 2 is maintained until the completion of the production after sintering.
  • FIG. 2a the tensile rod 8 can be seen after completion.
  • FIG. 2b clearly shows that the tension rod produced by sintering behaved like normal metal in that it had plastically deformed before breaking apart, that is to say it had become longer before it broke apart.
  • FIG. 3 shows the measurement results of mechanical tests in the manufacture of tensile specimens of the tensile rod 8.
  • the sintering temperature of 1250 degrees Celsius and 1300 degrees Celsius and the surface treatment were ground or not ground.
  • Some samples of the tensile rod were additionally varied a hot isostatic process was connected in order to achieve a 100% density, in the other sample the density was around 96%.
  • FIG. 3 tensile samples of tensile bars are summarized which were subjected to the following different treatment
  • the oxygen content is approx. 0.25% by weight, the carbon content is approx. 0.06%.
  • the micrographs showed a homogeneous, fine-lamellar microstructure of ⁇ and ⁇ phase with an average grain size of approximately 150 ⁇ m.
  • the pores have a maximum size of 10 ⁇ m, in the case of the samples subjected to a hot isostatic pressing process, there are no pores.
  • the surface treatment is not a polish, but only a cut, which eliminates any surface notches should Since the material is ductile, the influence of the surface quality should not play a major role in the experiments
  • the structure in the case of the forged material is fine-grained globular, while the tension rod material produced according to the invention has a fine lamellar structure.
  • the carbon content is in each case approximately 0.06% by weight, the increase compared to the starting alloy is approximately 0.05% by weight.
  • the oxygen content increases by a maximum of 0.06% by weight, the starting alloy already had 0.19% by weight.
  • the results of the tensile tests on tensile rod 8 can be interpreted as follows. All samples show excellent strength. Except for the case of the heat-treated sample, the measured value is Elongation in the tension rod samples produced according to the invention is significantly higher than in the forged version The samples sintered at 1300 degrees Celsius show somewhat better results on average than the tension bar sintered at 1250 degrees Celsius.
  • Titanium alloy in rod form

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Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Metallpulverspritzquß
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Metallpulver- spπtzguß von mit Binder überzogenen Metallpulverteilen mit den Merkmalen der in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Gattung
Komplex geformte Bauteile werden in mittleren und hohen Stuckzahlen seit langem im Kraftfahrzeugsbau, in der Luftfahrt als bewegte Teile und in der Off-Shore-Anwendung und ferner in der Medizintechnik beispielsweise für Implantate benotigt Es handelt sich dabei um komplex geformte Bauteile mit Abmaßen, die bis in den Millimeterbereich gehen können In der Regel werden derartig kompliziert geformte Bauteile mit spanabhebenden Verfahren hergestellt, wie etwa durch Fräsen, durch Drehen und durch Schleifen Als Materialien kommen beispielsweise niedπglegierte, hochlegierte oder korrosionsbeständige Stahle, Schnellarbeitsstahle, Superlegierungen, Legierungen mit magnetischen Eigenschaften, Hartmetalle und weitere nicht aufgezahlte Materialien infrage Bei der Anwendung eines spanabhebenden Verfahrens zur Herstellung von komplex geformten Bauteilen, insbesondere bei der Verwendung von harten, hochfesten Werkstoffen für das Bauteil, besteht beim Fräsen, Drehen und Schleifen der Nachteil, daß ein hoher Werkzeugverschleiß bei der Herstellung entsteht und damit entsprechende Kosten Komplexe Bauteilgeometπ- en fordern einen hohen Arbeitsaufwand, damit steigt der Stuckpreis Gewisse komplizierte Strukturen sind nur mit Hilfe von extremem Aufwand zu realisieren Dies trifft insbesondere auf dünne Teile zu, wie beispielsweise dünne Achsen zu, die wegen der mechanischen Belastung beim Fräsen, Drehen und Schleifen des Teiles der Gefahr einer Beschädigung unterliegen Bei Anwendung einer Fertigungstechnik, wie dem Fräsen, Drehen und Schleifen entsteht generell ein hoher Materialverlust und damit entsprechende Kosten Ferner ist die Oberflache der fertiggestellten komplex geformten Bauteile mit einer nicht akzeptablen Rauhigkeit der Oberflache versehen, die spezielle Techniken zur Nachbehandlung erfordert, um eine Oberflache mit geringer Rauhigkeit zu erreichen
Eine weitere Herstellungsmethode zur Erzeugung eines komplex geformten Bauteiles mit geringen Dimensionen besteht in der Anwendung des Feingusses Bei dem Feinguß ist für jedes hergestellte Bauteil eine Formfertigung erforderlich, deren Herstellung einen erhebli- chen Arbeitsaufwand erfordert Mit Hilfe des Feingusses lassen sich komplex geformte Bauteile mit kleinen und kleinsten Strukturen, die im Bereich von Zentelmil meter liegen, nicht mehr mit Sicherheit reproduzieren Darüber hinaus reagiert aufgrund der Temperatur des flussigen Gusses in der Regel die Oberflache des hergestellten komplex geformten Bauteils mit der Wandflache der Gußform Die so entstandene Reaktionsschicht auf der Oberflache des komplex geformten Bauteils muß zur Herstellung einer einwandfreien Oberflache beispielsweise abgebeizt werden Dieses Abbeizen fuhrt wiederum dazu, daß enge Toleranzen nicht mehr eingehalten werden können Ferner sind die mechanischen Eigenschaften des Gußgefuges, die mittels Feinguß hergestellt werden, den mechanischen Eigenschaften unterlegen, wenn das komplex geformte Bauteil mit Hilfe der Schmiedetechnik hergestellt worden ist
Es ist ferner bekannt, komplex geformte Bauteile auf dem Wege der Funkenerosion herzustellen Die Herstellung von Bauteilen mit der Funkenerosion geht nur langsam und zeitaufwendig vor sich und ist auch mit erheblichen Kosten verbunden Beschrankungen bei der Herstellung von komplex geformten Bauteilen durch Funkenerosion ergeben sich auch dadurch, daß nicht alle Geometrien des Bauteils mittels Funkenerosion hergestellt werden können Darüber hinaus ist naturgemäß der Materialverlust bei der Herstellung eines Bauteils auf dem Wege der Funkenerosion hoch Zwangsweise wird durch die Herstellung eines Bauteils auf dem Wege der Funkenerosion auch die Oberflachenschicht des für das komplex geformte Bauteil verwendete Materials unbrauchbar und muß mit entsprechenden Verfahren entfernt und geglättet werden Die Herstellung einer Oberflache mit geringer Rauhigkeit erfordert nicht nur einen zusatzlichen Arbeitsgang, sondern wirkt sich auch negativ auf die Einhaltung einer hohen Reproduziergenauigkeit und Maßhaltigkeit aus
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von komplex geformten Bauteilen mit geringer Dimension ist in der elektrochemischen Bearbeitung für die Herstellung solcher Bauteile gegeben Die elektrochemische Bearbeitung hat den Nachteil, daß manche Bauteilgeometπen nicht gestaltet werden können und daß grundsätzlich keine scharfen Kanten erzeugt werden können Auch bei elektrochemischer Bearbeitung wird bei dem hochwertigen Material für die Herstellung von komplex geformten Bauteilen ein hoher Anteil abgetragen und damit ist der Mateπalverlust erheblich
Lassen sich komplex geformte Bauteile aufgrund ihrer speziellen Anforderungen an die Bauteilgeometrie mit den geschilderten Verfahren nach dem Stand der Technik, wie Fräsen, Drehen, Schleifen, Feinguß, Funkerosion und elektrochemischen Bearbeitung nicht herstellen, so wird in der Regel auf einen anderen Werkstoff ausgewichen oder man wählt ein anderes Design, um dennoch eine Fertigung des komplex geformten Bauteiles zu erreichen Wählt man deshalb ein anderes Design des komplex geformten Bauteiles, das mit einer der geschilderten Techniken nach dem Stand der Technik dann doch gefertigt werden kann, so erzwingt dies einen Verzicht auf die für den jeweiligen Zweck des komplex geformten Bauteiles erforderliche optimale Geometrie des Bauteils Weicht man zur Fertigung des komplex geformten Bauteils auf einen für die Fertigung nach dem Stand der Technik besser geeigneten Werkstoff aus, so handelt man sich den Nachteil ein, daß wegen der veränderten und teilweise mangelhaften Werkstoffeigenschaften des geänderten Werkstoffes das Bauteil beispielsweise großer dimensioniert werden muß, als dies für seine optimale Eigenschaft erforderlich wäre, gegebenenfalls müssen Einschränkungen bezüglich der funktionellen Eigenschaften des Bauteils hingenommen werden oder es müssen beispielsweise im Fall von Bauteilen, die für die Medizintechnik vorgesehen sind, Mateπalei- genschaften eines Werkstoffes akzeptiert werden, die beispielsweise eine schlechtere Bio- kompatilitat des Bauteils bei einem Implantat bedeutet, wie dies bei dem Ersatz eines gut vertraglichen Titanwerkstoffes durch einen anderen bei einem Implantat der Fall ist Jede einzelne der vorstehend genannten Einschränkungen bei der Wahl eines anderen Designs oder eines anderen Werkstoffes kann für den jeweiligen Anwendungsfall für sich allein bereits unakzeptabel sein
Seit langem ist es bekannt, das Spritzgießverfahren für Bauteile mit komplizierten Geometrien aus den unterschiedlichsten Kunststoffen anzuwenden, um solche Teile herzustellen Für höhere Eigenschaften, wie sie beispielsweise beim Maschinenbau, in der Medizintechnik und anderen Gebieten erforderlich sind, ließen sich die im Spritzgießverfahren verwendeten thermo- und/oder duroplastischen Materialien praktisch nicht anwenden, da sie keine ausreichenden mechanischen Eigenschaften aufwiesen Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wurde dadurch erzielt, daß man pulverformige Füllstoffe, beispielsweise aus Metall beim Spritzgießverfahren verwendet hatte und den Metallanteil in der Spritzgießmasse so groß wie möglich ausgeführt hat, so daß nun ein Metallbauteil erzeugt wurde, bei dem der pulverformige Binder durch Mischen die Metallpulverteile umschließt und durch diesen Binder zunächst zusammengehalten wird, wobei das geschilderte Verfahren als Metallpulverspritzgußverfahren bezeichnet wird Das mit Binder versehene Metallpulver wird mit einer Spritzgußmaschine in eine Form gespritzt, danach wird zumindest teilweise der Binder aus dem erhaltenen Bauteilgrunling entfernt und einem Sintern unterzogen Um mit dem Metallpulverspritzgußverfahren eine extrem hohe Reproduziergenauigkeit und Maßhaltigkeit zu erreichen, ferner mechanische Eigenschaften der Bauteile, die denen von geschmiedeten Bauteilen vergleichbar sind, und
um ein homogenes Gefuge beim Werkstoff des Bauteils zu erzielen und damit bei der nachfolgender Wärmebehandlung des Bauteils kein Verzug stattfindet, wurden bereits Titanpulver zum Erzeugen von hochbeanspruchbaren Bauteilen, wie beispielsweise im Kraftfahrzeugbau usw verwendet Besonders vorteilhaft ist als Werkstoff Titan für kompliziert geformte Bauteile mit geringer Dimension auf dem Gebiet der Medizintechnik, da derartige Bauteile als Implantat eine besonders gute Biokompatibilitat aufweisen Mit Titanpulver lassen sich zwar die erforderlichen Festigkeitswerte von Bauteilen mit komplex geformeter Struktur erreichen, jedoch fehlt beispielsweise im sicherheitsrelevanten Bereichen sowohl bei Maschinen wie auch bei Implantaten eine Sicherheitsreserve des aus Titanpulver hergestellten Bauteils bezüglich der Funktionsfahigkeit und gegen irreparable Schaden bei Uberbelastung und gegen Bruch Komplex geformte aus Titanpulver und mit dem Metallpulverspritzgußverfahren hergestellte Bauteile, brechen bei Erreichen der Festigkeitsgrenze ohne vorherige plastische Verformung sofort (Sprodbruch), was jedoch im überwiegenden Teil der Anwendungsfalle nicht toleriert werden kann Dieser wesentliche Nachteil der nach dem Stand der Technik aus Titanpulver hergestellten komplex geformten Bauteile resultiert im wesentlichen daher, daß wahrend der Herstellung dieser Bauteile erhebliche Mengen von Verunreinigungsstoffen, wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und dergleichen in den Werksktoff des Titanbauteils aufgenommen werden Damit erlangen aus Titanpulver hergestellte komplex geformte Bauteile bei Anwendung des Metallpulverspritzgußverfahrens nicht die Eigenschaften, die das gleiche Bauteil hat, wenn es auf dem Wege des Schmiedeverfahrens hergestellt worden ist
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes und für die Massenfertigung geeignetes Verfahren zur Herstellung von komplex geformten Bauteilen zu schaffen, das insbesondere eine Sicherheitsreserve des gesinterten Bauteils vor Funktionsunfa- higkeit und gegen irreparable Schaden bei Uberbelastung und gegen Bruch ermöglicht, das eine Minimierung der Aufnahme von Verunreinigungsstoffen in das Material der Bauteile wahrend der Herstellung der Bauteile bis zur Fertigstellung zulaßt, das für das vorgefertigte Bauteil ein homogenes Gefuge, eine extrem hohe Reproduziergenauigkeit und Maßhaltigkeit aufweist, das eine Nachbearbeitung der hergestellten Bauteile vermeidet, das eine geringe Oberflachenrauhigkeit des fertigen Bauteils ermöglicht, und das wahrend der Herstellung der komplex geformten einen Verzug der Bauteile ausschließt
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere dann, daß einzelne der Abschnitte des Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung von komplex geformten Bauteilen unter striktem Einhalten einer hochreinen Schutzatmosphare aus Schutzgas und/oder Luftausschluß und/oder Vakuum stattfindet Auf diese Weise wird verhindert, daß wahrend des Herstell- prozesses der komplex geformten Bauteile Verunreinigungsstoffe in bezug auf die vorgegebenen Leistungsdaten des Bauteils in nicht mehr tolenerbarem Umfang von dem Bauteil aufgenommen werden Diese einzelnen Herstellabschnitte sind jedoch teilweise nochmals in Unterabschnitte gegliedert, wobei diese Unterabschnitte ebenfalls dazu beitragen, daß die Aufnahme von Verunreinigungsstoffen in das Material des Bauteils stets einem Minimum zugeführt wird, wie beispielsweise die Metallpulverteile der gewählten Titanlegierung und die Bestandteile des Binders in ihrer Zusammensetzung derart ausgewählt werden, daß jeder Werkstoffeinzelbestandteil im Ausgangszustand an sich bereits die Eigenschaft hat, arm an Verunreinigungsstoffen zu sein Durch diese Auswahl der Bestandteile der Titanlegierung und des Binders wird der Anteil der unerwünschten Verunreinigungsstoffe auf den denkbar geringsten Ausgangsbasiswert gesetzt, so daß sich die wahrend des Verfahrens unvermeidliche Erhöhung der Verunreinigungsstoffe des Material des Bauteils in der Endsumme ensprechend der gewählten niedrigen Basisverunreinigung der Bestandteile der Titanlegierung und des Binders verringert Es findet also die Herstellung der Metallpulverteile, ferner die Mischung der Metallpulverteile mit den Binderbestandteilen zur Feedstockherstellung unter dem Einfluß von hochreinem Schutzgas, wie beispielsweise Argon statt Die Sinterung selbst erfolgt unter einem Vakuum und die Entbinderung erfolgt in einem kommerziellen Entbinderbad, beispielsweise mit Hexan und damit unter Ausschluß der Anwesenheit von Luft und damit von Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und dergleichen als Verunreinigungsstoffe
Jeder einzelne Abschnitt des Herstellverfahrens der komplex geformten Bauteile ist dem Ziel unterworfen, eine geringst mögliche Anreicherung von Verunreinigungsstoffen bei jedem Herstellschritt zu erreichen, sowie dies bei der Erzeugung der Metallpulverteile gemäß der Erfindung erfolgt ist Für die hochwertige Beanspruchung der erzeugten Bauteile wurde eine Titanlegierung gewählt, die die Zusammensetzung Tι-6Al-7Nb hat Die an Verunreinigungsstoffen armen Metallpulverteile dieser Titanlegierung können durch zwei Verfahren erzeugt werden, nämlich das Electrode Induction Melting Guiding Gasatomization- Verfahren oder das Plasma Melting Induction Guiding Gasatomazation-Verfahren Die Erzeugung der Metallpulverteile für die genannte Titanlegierung erfolgt durch eine Verdusungsanlage mit Argoninertgaszerstaubung, in der die inertgasverdusten Metallpulverteile in der gasdicht an die Verdusungsanlage angeflanschten Pulverkanne aufgefangen werden Die Pulverkanne selbst ist dabei gasdicht verschließbar ausgeführt und wird in ein Handschuhboxensystem eingeschleußt, das selbst wiederum mit Argongas betrieben wird, so daß bei der Herstellung der Metallpulverteile eine absolut geringe Erhöhung der Verunreinigungsstoffe, wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff usw wahrend dieses Herstellungsabschnittes in den Pulverbestandteilen des Bauteiles erreicht wird Fur das bei der Feedstockherstellung unter Schutzgaseinfluß erfolgende Mischen der erzeugten Metallpulverteile mit dem Binder ist ebenfalls eine spezielle Zusammensetzung des Binders zur Minimierung einerseits der Aufnahmemöglichkeit von Verunreinigungsstoffen wahrend der Feedstockherstellung und andererseits zur Beeinflussung der verbleibenden Binderreste in dem gesinterten Bauteil durch die Zusammensetzung der Bmderbestandteile bezüglich ihrer Reaktion auf eine Temperaturerhöhung in dem Bauteil ausgewählt worden Zur Durchfuhrung einer Teilentbmderung der komplex geformten Bauteile werden Bmderbestandteile mit niedrigen Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur in einem Anteil dem Binder beigemischt, der großer als die Hälfte der Gesamtbinderanteile ist Der Rest des gesamten Gemisches an Binderbestandteilen besteht aus auf höhere Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur reagierende Binderanteile gegenüber den niedrigschmelzenden Binderanteilen Die Metallpulveranteile der Titanlegierung werden mit Binderbestandteilen aus thermoplastischen oder duroplastischen Polymeren, mit thermogelierenden Substanzen, mit Wachsen oder oberflächenaktiven Substanzen oder daraus erhaltenen Mischungen überzogen Zur Herstellung der erfindungsgemaßen Bauteile ist ein spezieller Binder ausgewählt worden, der zur Verringerung des Eintrags von Verunreinigungsstoffen, wie Sauerstoff und zur Verminderung des Restbinders in dem Bauteil beitragt
Eine weitere Verfahrensmaßnahme bei der Herstellung von hochkompliziert gebauten Bauteilen besteht dann, daß wahrend der Sinterung diese Bauteile beim Schrumpfen keine Verbindung mit ihrer Unterlage eingehen dürfen und auch nicht durch Verunreinigungsstoffe verändert werden sollen, die die Unterlage abscheidet, auf der die Bauteile beim Sintern liegen, wobei dieselben Bedingungen und Voraussetzungen bei der Unterlage für das heißisostatische Pressen gelten, das bei den Bauteilen nach der Sinterung noch durchgeführt werden kann Um zu verhindern, daß eine Reaktion zwischen den komplex geformten Bauteilen und der Unterlage stattfindet, ist deshalb die Sinterunterlage für die Bauteile derart ausgeführt, daß wahrend der Durchfuhrung des Sinterns der Bauteile die freie Gleitfahigkeit der Oberflache der Sinterunterlage für die aufliegenden Bauteile unverändert erhalten bleibt, was beispielsweise durch Ausgestaltung der Oberflache der Sinterunterlage mit einem gegen das Material der Bauteile reduktionsbestandigen Werkstoff wie z B Keramikoxyden ggeschieht Gleichzeitig wird der Werkstoff der Oberflache der Sinterunterlage so gewählt, daß der Werkstoff bei Sintertemperatur keine Verunreinigungsstoffe abgibt Diese Ausgestaltung der Sinterunterlage ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, um zu vermeiden, daß sich die komplex aufgebauten Bauteile mit oft sehr minimaler Struktur auf der Sinterunterlage und auch beim heißisostatischen Pressen nicht durch Verkleben mit der Oberflache verziehen oder brechen und auch nicht durch Verunreinigungsstoffe mit der jeweiligen Unterlage kontaminiert werden Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ferner durch das gewählte Herstellverfahren des Metallpulverspritzgusses gegeben, bei dem das Mischen der Metallpulverteile mit den Binderbestandteilen zur Feedstockherstellung und auch das Metallformspritzen des Feedstockes in der Spritzmaschine jeweils bei niedrigen Temperaturen erfolgt, so daß keine Reaktion des Feedstockes bzw der Binder- und Metallanteile des Feedstocks mit dem Mischer selbst oder insbesondere nicht mit der Spritzform in der Spritzgußmaschine erfolgt, so daß an den komplex geformten Bauteilen keine Oberflachen entstehen, die mit der Form bzw mit Gerateteilen reagieren und deshalb auch nicht nachbehandelt werden müssen, das heißt daß sich die Oberflache bereits in einem einwandfreien Zustand befindet, wodurch eine extrem hohe Reproduziergenauigkeit und Maßhaltigkeit und damit eine endformnahe Herstellung eines hochfesten Bauteils ermöglicht wird Durch die Auswahl einer Titanlegierung zur Herstellung nach dem Metallpulverspritzgußverfahren für komplexe Bauteile, wobei die gewählte Titanlegierung Tι-6AI-7Nb mittels ihrer Bestandteile die für das herzustellende komplex geformte Bauteile erforderlichen Mateπaleigenschaften aufweist, gelingt es mit Hilfe des erfindungsgemaßen Verfahrens, diese Legierungseigenschaften wahrend der Herstellung in Abschnitten und Unterabschnitten bis zu Fertigstellung des Endzustandes des Bauteils nahezu unverändert zu erhalten, wahrend es nach dem Stand der Technik bei dem Herstellverfahren des Metallpulverspritzgusses in der Regel zu erheblicher Aufnahme von Verunreinigungsstoffen kommt und damit zu einer nicht toleπerbaren Veränderung der Mateπaleigenschaften des herzustellenden Bauteils im Vergleich zu den Ursprungseigenschaften des ausgewählten Materials zur Herstellung von Metallpulver
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausfuhrungsbeispiels und von Zeichnungen noch naher erläutert
Es zeigen
Fig 1 Schaubildform einer Prinzipdarstellung des Verfahrens zur Herstellung komplex geformter Bauteile mit dem Metallpulverspritzgußverfahren,
Fig 2 die Wiedergabe eines Zugstabes, der nach der Metallpulverspritzgußtechnik hergestellt ist, vor und nach einem Zugversuch und
Fig 3 in Tabellenform eine Zusammenstellung von Meßergebnissen von Proben, die einem Zugversuch unterworfen wurden, insbesondere mit Angabe der Streckgrenze, der Zugfestigkeit und der Dehnung Aus Figur 1 ist in Form eines Schaubildes lediglich skizzenhaft und in Teildarstellung die Fertigung eines komplex geformten Bauteiles von der Herstellung der Metallpulverteile über die Feedstockherstellung, das Metallformpritzen, die Entbinderung und die Sinterung mit zum fertigen Bauteil dargestellt In Figur 1 , 2 und auch bei den Ergebnissen in Figur 3 wurde bewußt auf die Darstellung eines komplex geformten Bauteiles verzichtet, um die Übersichtlichkeit zu fordern und um eindeutige Meßergebnisse erzielen zu können Komplex geformte Bauteile sind jedoch für ihre Anwendung im Kraftfahrzeugbau, der Luftfahrt, bei Off-Shore-Anwendungen und in der Medizintechnik, z B in Form von Implantaten erforderlich Die Metallpulverteile als Material zur Formung von Bauteilen nach der Erfindung kann auf unterschiedlichen Wegen hergestellt werden Es kann einmal Pulver verwendet werden, das durch mechanisches Legieren oder mechanisches Zerkleinern hergestellt worden ist Erforderlich ist jedoch, die Werkstoffeinzelbestandteile der Titanlegierung in ihrer Zusammensetzung derart auszuwählen, daß jeder Werkstoffeinzelbestandteil im Ausgangszustand an sich bereits die Eigenschaft besitzt, arm an Verunreinigungen zu sein Die geforderte Reinheit von Werkstoffeinzelbestandteilen richtet sich nach den Anforderungen, die an das fertiggestellte Endprodukt Bauteil bei seiner Verwendung gestellt werden Jeder Werkstoffeinzelbestandteil der Metallpulverteile muß also die für das herzustellende Bauteil erforderlichen Mateπaleigenschaften bereits aufweisen Wahrend vorstehend die direkte Pulvermischung als erste Möglichkeit der Herstellung von Metallpulverteilen geschildert wurde, geht das Ausfuhrungsbeispiel in Figur 1 davon aus, daß vorlegiertes Pulver verwendet wird, also bespielsweise eine in Form eines Stabes ausgeführte Fertigle- gierung Auch mit dieser Fertiglegierung lassen sich Metallpulverteile zur Herstellung von komplex gebauten Bauteilen oder einem Prüfkörper durchfuhren und zwar in einer Verdusungsanlage mittels einer Argoninertgaszerstaubung Es wurde eine Verdusungsanlage verwendet, die speziell für die Herstellung hochreiner Titanlegierungspulver konzipiert worden ist Die Zerstäubung des in einer Fertiglegierung vorlegierten Titanlegierungspul- vers erfolgt unter strikter Einhaltung einer hochreinen Schutzatmosphare aus Schutzgas wie beispielsweise Argon Dadurch und durch die spezielle Konstruktion der Verdusungsanlage wird die Aufnahme von Verunreinigungsstoffen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff wahrend des Zerstaubungsprozesses sehr gering gehalten Mit der von der An- meldeπn verwendeten Anlage wird ein Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt des Titanlegie- rungspulvers mit Kohlenstoff 0,01 Gew %, Sauerstoff 0,21 Gew % erzielt, wobei diese Werte nur knapp oberhalb derjenigen Werte liegen, die jeder Werkstoffeinzelbestandteil im Ausgangszustand bereits hatte, nämlich bei Kohlenstoff 0,01 Gew % und bei Sauerstoff 0,2 Gew %
Wenn die Erzeugung der Metallpulverteile für die Titanlegierung mittels einer Verdusungsanlage mit Argoninertgaszerstaubung erfolgt, so ist es vorteilhaft, daß die in inert- verdusten Metallpulverteile in einer gasdicht an der Verdusungsanlage angeflanschten Pulverkanne aufgefangen werden Diese Pulverkanne selbst ist dabei gasdicht verschließbar ausgeführt und die Pulverkanne wird dann in ein Handschuhboxensystem eingeschleust, das selbst wiederum mit dem Schutzgas Argon betrieben wird Diese Maßnahmen werden ergriffen, um eine Minimierung der Aufnahme von Verunreinigungsstoffen in das Metallpulver bei der Herstellung zu erzielen Die Reinheit von Verunreinigungsstoffen der benutzten Metallpulverteile für die Titanlegierung ist für die Erfüllung der erforderlichen Mateπa- leigenschaften des fertiggestellten Bauteils sehr wesentlich Die Pulverbestandteile müssen weniger verunreinigt sein als das Endprodukt, da im Herstellprozeß des Bauteils zwar eine Minimierung der aufgenommen Verunreinigungsstoffe in das Bauteil vorgenommen werden kann, jedoch eine völlige Vermeidung der Aufnahme von Verunreinigungsstoffen wahrend des Herstellverfahrens des Bauteils praktisch nicht möglich ist Um das Ziel hochreiner Metallpulverteile zu erreichen, wurden zwei verschiedene Verfahren zur Herstellung von Metallpulverteilen für die Titanlegierung verwendet Zum einen wurde das Electrode Induction Melting Gasatomization-Verfahren angewandt, und zum anderen das Plasma- Melting Induction Guiding Gasatomization -Verfahren Unterschiedliche Ergebnisse bezüglich der Schadstoffsumme bei der Herstellung der Metallpulverteile werden auch dadurch verursacht, daß bei Verwendung eines vorlegierten Pulvers in Form eines fertiglegierten Stabes nach der DIN-Norm der Sauerstoffgehalt mit 2000 μg/g schon im Fertigprodukt vorgegeben ist, wobei sich auf die vorgegebene Menge der Sauerstoffverunreinigung noch diejenigen Gew % an Sauerstoffverunreinigung und natürlich auch anderer Verunreinigungsstoffe aufaddieren, die wahrend der Herstellung der Metallpulverteile entstehen Aufgrund der bei Fertiglegierung enthaltenen nach der DIN-Norm zulassigen Verschmutzung mit Verunreinigungsstoffen ist es vorteilhaft, selbst die Werkstoffeinzelbestandteile der Titanlegierung zusammenzustellen, um so durch besondere Sorgfalt bei der Auswahl und der Behandlung der Einzelbestandieile im Ausgangszustand ein besseres Ergebnis zu erzielen, d h ein Ergebnis das bereits bei der Herstellung der Metallpulverteile eine Mini- mierung beispielsweise der Sauerstoffkonzentration im Ausgangszustand ermöglicht
Bei der Anwendung der Inertgaszerstaubung zur Herstellung von Metallpulverteilen entstehen Metallpulverteile in ausgeprägter Kugelform Die Kugelform ist für die Sinterung vorteilhaft, da eine hohe Packungsdichte der Metallpulverteile aufgrund der Kugelform des Pulvers erreicht werden kann und damit eine geringe Restporositat des gesinterten komplex aufgebauten Bauteils erzielt wird
Die erzeugte Metallpulvermenge wird dann mittels einer Siebkette nach der Teilchengroße der Metallpulverteile gesiebt Für die Herstellung der komplex geformten Bauteile ist die Verwendung von Metallpulverteilen mit der Teilchengroße < 100μm geeignet Besonders gunstige Ergebnisse werden erzielt, wenn man vorzugsweise eine Teilchengroße < 45 μm verwendet Der dabei entstehende Materialverlust bei der Metallpulvererzeugung liegt bei einer Verwendung von Metallpulverteilen mit der Teilchengroße < 45 μm bei etwa 70 bis 75% der hergestellten Metallpulverteile im Gegensatz zu den häufig 90% Matenalverlust bei der Herstellung der komplex geformten Bauteile mittels spanabhebender Verfahren Die gesiebten Metallpulverteile mit einer Teilchengroße > 45 μm lassen sich für andere Zwecke verwenden, so daß sich der Matenalverlust noch verringern laßt Bei dem eigentlichen Metallpulverspritzgußverfahren und -Vorgang wird eine praktisch hundertprozentige Materialausnutzung erreicht, da dann eventuell anfallende Feedstockreste weiter verwendet werden können Die Oberflachenrauhigkeit des fertiggestellten komplex geformten Bauteils ist von der Pulvergroße abhangig und betragt bei Verwendung von Metallpulverteilen mit einer Teilchengroße < 45 μm typischerweise 1 μm Dies bedeutet, die Oberflache des fertiggestellten komplex geformten Bauteils ist grundsätzlich ohne Nachbeabeitung zu verwenden
Aus der Figur 1 a) ist beispielhaft die Titanlegierung in Stabform 1 dargestellt, die mittels In- ertgasverdusung zu Metallpulverteilen 2 verarbeitet wird, wobei bereits geschildert wurde, daß dies nur eine Möglichkeit der Herstellung der Metallpulverteile darstellt In Figur 1 b) folgt die Feedstockherstellung, d h das Mischen der Metallpulverteile 2 mit dem Binder 3 in einem Kneter 4 zu dem Feedstock 5 Danach folgt gemäß Figur 1 c) das Metallformsprit- zen des Feedstocks mittels einer hier nur schematisch in Blockdarstellung angedeuteten Spritzgußmaschine 6, der der Feedstock 5 zugeführt wird und unter Druck in die Spritzform 7 in die Form des Bauteils 8 eingespritzt wird Der so entstandene Grünling des Bauteils 8 wird in der Entbinderung in der Figur 1 d) in einem Entbinderungsbad 9 teilentbindet und danach gemäß Figur 1 e) in der Kammer 10 des Sinterofens gesintert, bis das fertige Bauteil 8 entstanden ist, was aus den bereits geschilderten Gründen der Vereinfachung als Zugstab ausgebildet ist, der gleichzeitig für die spater noch dargestellten Zugversuche verwendet wird Wie der Ubersichtsdarstellung in Figur 1 zu entnehmen ist, folgt nach der Herstellung der Metallpulverteile, die Vermischung dieser Metallpulverteile mit einem Binder 3 Diese beiden Komponenten werden in einem Kneter 4 vermischt und zu einem Feedstock verarbeitet Der Feedstock ist also die Mischung aus den Metallpulverteilen und den Binderbestandteilen, die in dem anschließen Metallformspritzgußprozeß als Spritzmasse verwendet werden Als Binderbestandteile werden thermoplastische oder duropla- stische Polymere, thermogelierende Substanzen, Wachse oder oberflächenaktive Substanzen oder daraus erhaltene Mischungen zugegeben Als Binderbestandteile können dabei Polyamide, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymensat, Polyimid, natürliche Wachse und Ole, Duroplaste, Cyanate, Polypropylene, Polyacetate, Polyäthylene, Athylen-Vinyl-Acetate, Polyvinyl-Alkohole, Polyvinyl-Chloπde, Polystyrene, Polymethyl- Methacrylate, Aniline, Wasser, Mineralole, Agar, Glycenn, Polyvinyl-Butyryle, Polybutyl- Methacrylate, Cellulose, Olsauren Phtalate, Paraffin-Wachse, Camauba-Wachs, Ammoni- um-Polyacrylate, Digylceπd-Stearate und -Oleate, Gylceryl-Monostearate, Isopropyl-titanate Lithlum-Stearate, Monoglycende, Formaldehyde, Octyl-Saure-Phosphate, Olefin-Sulfonate, Phosphat-Ester oder Stearinsaure verwendet werden
Das Mischen der beiden Komponenten des Feedstocks , also der Metallpulverteile 2 und der Binderbestandteile geschieht bei erhöhter Temperatur, so daß die Binderbestandteile flussig werden und die Pulverpartikel umhüllen können In der Regel müssen auch Gleitmittel zugefugt werden, um ein Verkleben der Binderbestandteile und der Metallpulverteile zu verhindern Es muß mit dem Kneter 4 für eine ausreichend homogene Vermischung gesorgt werden, ohne daß sich die Bestandteile verklumpen Durch geeignete Auswahl der Mischtemperatur und der Bestandteile des Binders findet auch keine chemische Reaktion zwischen Binder und dem Metallpulver wahrend der Vermischung statt Der Binder 3 muß auch in seinen Bestandteilen so ausgewählt werden, daß wahrend des Metallspritzgusses keine Zersetzung des Binders stattfindet Darüber hinaus muß der Binder auch sehr leicht aus dem mittels Metallpulverspritzguß hergestellten Bauteils entfernt werden können, da er nur zum vorübergehenden Zusammenhalt der Metallpulverbestandteile nach dem Me- tallformspritzen dient Der stets aus mehreren Bestandteilen bestehende Binder muß derart ausgeführt sein, daß jeder Werkstoffeinzelbestandteil im Ausgangszustand an sich bereits die Eigenschaft besitzt, arm an Verunreinigungsstoffen wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff zu sein Ganz wesentlich für die Herstellung eines komplex geformten Bauteils ist auch bezüglich des Binders und seiner Bestandteile, daß diese dazu beitragen, die geforderten Mateπaleigenschaften des Bauteils bis zur Fertigstellung des Bauteils zu erhalten und nicht durch zusätzliche Aufnahme von Verunreinigungsstoffen zu verandern Aus diesem Grunde ist der Kneter und/oder die Knetkammer vorzugsweise mit hochreinem Schutzgas wie beispielsweise Argon gefüllt, um eine Kontamination der beiden Komponenten des Feedstocks beispielsweise mit Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft zu verhindern Infolge des Zugebens von äußeren Gleitmitteln bildet der Binder eine Hülle um jedes einzelne Metallpulverteil Bei der Erzeugung des Feedstocks müssen Schervorgange sicherstellen, daß jedes Metallpulverteil mit Binder bedeckt ist Dies geschieht meistens in sogenannten Z-Schaufelmischem oder auch in Planetenmischern Der Feedstock weist meist einen Anteil von etwa 30 bis 40 Vol % Binder auf
Das Mischen der Metallpulverteile der Titanlegierung und der Bestandteile des Binders bei der Feedstockherstellung wird in einem niedrigen Temperaturbereich durchgeführt Der Temperaturbereich bei der Feedstockherstellung liegt dabei zwischen 50 Grad und 200 Grad Celsius Die Bestandteile des Binders sind mit einer unterschiedlichen Schmelz-, Zer- setzungs- und/oder Verdampfungstemperatur versehen Es überwiegen dabei diejenigen Binderbestandteile, die einen niedrigen Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur haben gegenüber denjenigem Anteil an Binderbestandteilen des Gemisches, die eine höhere unterschiedliche Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur aufweisen Ein an Verunreinigungsstoffen armer Binder, dessen Werk- stoffeinzelbestandteile im Ausgangszustand an sich bereits die Eigenschaft besitzen, arm an Verunreinigungsstoffen zu sein, besteht aus Polyäthylen, Stearinsaure, Paraffin- und Camauba-Wachs
Es schließt sich gemäß Figur 1 c) das Metallformspritzen des Bauteils 8 in einer Spritzgußmaschine 6 in der Spritzform 7 an Für das Metallformspritzen werden in der Regel die in der Kunststoffindustrie üblichen Spritzgußmaschinen eingesetzt Der Feedstock wird in der Regel pelletiert und als Pellet bei Bedarf in die Spritzgußmaschine eingeführt Die genauen Parameter beim Metallformspritzen wie Druck und Temperatur hangen von der Geometrie des komplex geformten Bauteils und den Fließeigenschaften des Feedstocks ab Der Druck bewegt sich in dem Bereich von 30 bis 50 bar Das Metallformspritzen weist die Vorteile auf, eine kostengünstige und ausgezeichnete Reproduzierbarkeit der komplex geformten Bauteile bei geringen Toleranzen zu ermöglichen und ist besonders für mittlere bis hohe Stuckzahlen geeignet Diese Vorteile sind insbesondere auf die außerordentlich lange Lebensdauer der Metallspritzgußform zurückzuführen, die nahezu keiner Abnutzung unterliegt, so daß eine Veränderung der Bauteilgeometrie mit der Zeit- und Benutzungsdauer nicht zu erwarten ist Die Spritzform wird konventionell hergestellt Da diese Herstellung aber nur einmal erforderlich ist, kann der dazu notige Arbeitsaufwand hoch sein ohne sich wesentlich auf einen mittleren bis hohen Stuckzahlpreis auszuwirken Eine automatische Herstellung großer Stuckzahlen von Bauteilen mit derartigen Maschinen ist ohne irgendein Problem leicht durchzufuhren Es lassen sich auch komplexe Formen, wie beipielsweise Gewinde, Bohrungen und dergleichen nur mit einem einzigen Spritzvorgang herstellen
Das Metallformspritzen des komplex geformten Bauteils zur Herstellung des Grünlings erfolgt in einem niedrigen Temperaturbereich Dieser Temperaturbereich liegt beim Metall- formspπtzen zwischen 60 Grad und 200 Grad Celsius Dieser niedrige Temperaturbereich ermöglicht es, bei der Auswahl der Binderbestandteile zu verhindern, daß die Oberflache des gespritzten Grünlings in der Spritzgußmaschine mit der Flache der Spritzform 7 reagiert, weshalb die Oberflache glatt ist und nach der Fertigstellung des Bauteils nicht nochmals bearbeitet werden muß Dies gilt auch, wie bereits geschildert, für den in einem ähnlichen niedrigen Temperaturbereich liegenden Herstellungsprozeß bei der Feedstockherstellung, der sich zwischen 50 Grad und 200 Grad Celsius bewegt Auch hier kann es zu e A \34332IFAMneu2 doc keiner Reaktion der Oberflache des Kneters mit dem enstehenden Feedstock kommen und deshalb kommt es auch nicht zu Störungen in der Fertigung An das Metallformspritzen schließt sich die Entbinderung des Bauteils 8 an, siehe dazu Figur 1 d) Es wird zunächst eine Teilentbinderung vorgenommen, z B durch thermisches Austreiben oder in einem kommerziellen Entbinderbad, das beispielsweise mit Hexan unter Luftausschuß bei leicht erhöhter Temperatur in der Größenordnung von 40 Grad Celsius für einige Stunden durchgeführt wird Dabei werden große Anteile des Bindergehalts bei leicht erhöhter Temperatur mit Hilfe des Losungsmittels entfernt Dieses Aufheizen muß sehr vorsichtig geschehen, um Verzug und Zerstörung am komplex geformten Bauteil zu vermeiden Deshalb ist auch der Binder aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt, die bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen Es werden bei der Teilentbinderung unter Einfluß des Losungsmittels Hexan etwa 75% des Binders aus dem Grünling herausgelost, der dann als teilentbindertes Bauteil Braunling genannt wird Das Losungsmittel Hexan sorgt dafür, daß die Entbinderung unter völligem Ausschluß von Luft, ferner von Verunreinigungsstoffen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff stattfindet und so eine Anreicherung von Verunreinigungsstoffen in dem gespritzten Bauteil verhindert Eine weitere Entfernung des Restbinders, der sich erst bei höherer Temperatur entfernen laßt und bisher das Auseinanderhalten des Bauteils verhinderte, erfolgt durch thermische Zersetzung Vorzugsweise erfolgt die thermische Zersetzung im Hochvakuum, sie kann jedoch auch in einer reinen Schutz- gasatmosphare wie beispielsweise Argon stattfinden Nach der Extraktion findet ein Trocknen in Argongas statt Die Handhabung der gespritzten Bauteile in Form eines Grünlings und der teilentbinderten Bauteile in Form eines Braunlings muß vorsichtig erfolgen, um einen Verzug oder einen Bruch zu vermeiden Der Grad und die Homogenitat der Entbinderung sind entscheidend für die weitere Geometrietreue, den erfolgreichen Verlauf der Sinterung und einer geringen Kontamination des Bauteils mit Restbinderbestandteilen Zur Durchfuhrung einer Teilentbinderung des komplex geformten Bauteils werden also zunächst diejenigen Binderbestandteile mit niedriger Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur bei leicht erhöhter Temperatur entfernt
Als nächster Schritt zur Fertigstellung der komplex geformten Bauteile erfolgt die Sinterung, wie aus Figur 1 e) ersichtlich ist Bei dem Sintern erfahrt der Braunling des Bauteils eine Wärmebehandlung, in der die einzelnen Metallpulverteile metallurgische Kontakte in Form einer Schweißdiffusion miteinander erhalten Ein erfolgreicher Sinterprozeß bei Ti- tanlegierungen und die Erzielung einer einwandfreien Matenaleigenschaft des Bauteils ist nur durch die Vermeidung der Aufnahme zusätzlicher Verunreinigungsstoffe wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff wahrend des Sinterprozesses in das Metallpulver zu erreichen Deshalb muß die Atmosphäre der Kammer des Sinterofens mit einem ausgezeichneten Vakuum in der Größenordnung < 10 5 mbar besitzen, wobei die hohen Temperaturen beim Sintern ungunstig für die Erhaltung guter Mateπaieigenschaften sind, da bei diesen hohen Temperaturen eine besonders gute Aufnahme von Verunreinigungen in den Metallpulverteilen stattfindet Der Temperaturintervall beim Sintern liegt zwischen 1 100 Grad und 1400 Grad Celsius Versuche bei der Herstellung haben gezeigt, daß vorzugsweise die Temperatur von 1300 Grad Celsius ein optimales Ergebnis bezüglich der Eigenschaften des gefertigten Bauteils erbringt Weiter ist es erforderlich, Verunreinigungen durch in dem Braunling noch enthaltende Binderruckstande zu vermeiden, was dadurch geschieht, daß eine der Verdampfungsrate des in dem Braunling des Bauteils noch enthaltenen Restbinders angepaßte Aufheizrate wie z B 5 K/min gewählt wird, wodurch wahrend des Auf- heizvorganges in der Sinterkammer der Restbinder thermisch ausgetrieben wird Das nach dem Sintern fertiggestellte komplex geformte Bauteil weist eine Dichte nahe der theoretischen Dichte auf, nämlich bei 96% Die mechanischen Eigenschaften des fertiggestellten Bauteils sind sehr ähnlich denen von geschmiedetem Material mit vergleichbarer Zusammensetzung
Eine wichtige Rolle zur einwandfreien Herstellung der komplex geformten Bauteile hat wahrend des Sintervorgangs die Sinterunterlage Die Sinterunterlage für die komplex geformten Bauteile ist deshalb derart ausgeführt, daß wahrend der Durchfuhrung des Sin- terns der Bauteile die freie Gleitfahigkeit der Oberflache der Sinterunterlage für die aufliegenden Bauteile unverändert erhalten bleibt Der Werkstoff der Sinterunterlage wird deshalb so gewählt, daß bei der Sintertemperatur die Oberflache der Sinterunterlage aus gegen das Material der Bauteile reduktionsbestandigem Werkstoff besteht, wie dies beispielsweise bei Keramikoxyden der Fall ist Darüber hinaus wird ein Werkstoff der Sinterunterlage verwendet, der bei der Sintertemperatur keine Verunreinigungsstoffe abgibt Durch diese Auswahl der Werkstoffe der Sinterunterlage wird bei der Lagerung der komplex geformten Bauteile auf der Sinterunterlage und bei dem wahrend des Sintems auftretenden Schrumpfungsprozeß ein Verzug der Bauteile und ein eventueller Bruch vermieden
Nach dem Sintern kann durch eine anschließende heißisostatische Preßbehandlung erreicht werden, daß die Restporositat des gesinterten Teils auf Null gebracht werden kann, um damit alle theoretisch möglichen mechanischen Eigenschaften aus dem Werkstoff des Bauteils herauszuholen Deshalb werden die gesinterten Bauteile in eine mit hochreinem Schutzgas wie beispielsweise Argon ausgestatte Kammer gegeben und bei einer Temperatur von etwa 850 Grad Celsius und 2000 bar Gasdruck für einige Stunden heißisostatisch gepreßt Das hochreine Schutzgas Argon ist deshalb erforderlich, weil bei diesen hohen Temperaturen die Neigung der Titanlegierung groß ist, Fremdstoffe aufzunehmen, was jedoch verhindert werden muß Aus dem gleichen Grund ist deshalb auch bei dem Material der Auflageflache für die Bauteile bei dem isostatischen Pressen darauf zu achten, daß diese Auflage die freie Gleitfahigkeit durch Ausbildung aus geeignetem Material wie beispielsweise Keramikoxyden wahrend des Pressens beibehalt und daß das Material der Auflageflache bei der Temperatur des isostatischen Pressens keine Verunreinigungsstoffe in die Kammer und an die Bauteile abgibt Der heißisostatische Preßprozeß wird nur dann ausgeführt, wenn entweder das Material im Innern der Bauteile keine Porosität aufweisen darf oder, wenn die höchstmöglichen Festigkeiten mit einer Dichte von 100% und die bestmöglichen Dukti taten für die jeweilige Anwendung erforderlich sind und deshalb die dafür entstehenden zusätzlichen Kosten in Kauf genommen werden
Die bisherige Beschreibung der Herstellung des komplex geformten Bauteils gemäß der Erfindung und die nachstehend noch beschriebenen und in Figur 3 zusammengefaßten Werte und Auswertungen von Versuchen an einem als Zugstab ausgebildeten Bauteil zeigen, daß es mit dem erfindungsgemaßen Verfahren möglich ist nicht nur die hohe Festigkeit des Titans als Bestandteil der Titanlegierung für die Extremanforderungen bei den Anwendungen in der Medizintechnik, z B als Implantat, in der Kraftfahrzeug- und Luftfahrtechnik und bei Off-shore-Anwendungen von dem Ausgangszustand des Materials für das Bauteil und seinen Eigenschaften in diesem Ausgangszustand bis zur Fertigstellung des mit Metallpulverteilen im Sinterverfahren hergestellten komplex geformten Bauteils zu erhalten, sondern auch gleichzeitig, was ganz wesentlich ist, die der Ursprungstitanlegierung Ti- 6AI-7Nb bereits eigene hohe Dukti tat bis zum Erhalt des fertig hergestellten komplex geformten Bauteils mittels Sintern zu erhalten Die Titanlegierung Tι-6AI-7Nb wurde auch bisher schon anderweitig verwendet, konnte jedoch nicht sinnvoll bei einem Metallpulverspritzgußverfahren verwendet werden, ohne daß die Eigenschaft der Dehnbarkeit durch die Aufnahme von Verunreinigungsstoffen wahrend des Herstellungsprozesses wieder verloren ging, so daß dem gewonnenen Endprodukt die Sicherheitsreserve des gesinterten Bauteils bezüglich der Funktionsfahigkeit und gegen irreparable Schaden bei einer Uberbelastung des Bauteils und gegen Bruch bei dem Stand der Technik fehlte Das nach dem Stand der Technik mit Titan hergestellte Bauteil kann zwar hohe Festigkeit aufweisen, verhalt sich aber bei der Dehnbarkeit nicht wie ein Metall, es ist elastisch nicht aber plastisch verformbar Nur durch die erfindungswesentliche Kombination der Merkmale der Auswahl der Titanlegierung Tι-6AI-7Nb zusammen mit den weiter hier aufgezahlten Merkmalen des Bestehens einer hochreinen Schutzatmosphare beim Herstellen des Metallpulvers, bei der Feedstockherstellung, der Entbinderung und der Sinterung mit Hilfe von Schutzgas und/oder Luftausschluß und/oder Vakuum zusammen mit der Auswahl von Metalllpulver- teilen und Binder, die an Verunreinigungsstoffen arm ausgebildet sind, den Herstellverfahren an Verunreinung armen Metallpulverteilen der Titanlegierung durch das Electrode Induction Melting Gasatomization- oder das Plasma Melting Induction Guiding Gasatomiza- tion-Verfahren, der Anwendung eines niedrigen Temperaturbereiches beim Herstellen der Mischung des Feedstocks und beim Metallformspritzen und ferner der Beschaffenheit der Sinterunterlage mit der freien Gleitfahigkeit ihrer Oberflache und der Erzeugung der Metallpulverteile für die Titanlegierung durch eine mit Argon betriebene Verdusungsanlage mit der nachgeschalteten Vorrichtung zum Weitertransport der Metallpulverteile in einer Schutzatmosphare Nur durch die Kombination dieser Merkmale laßt sich die beispielsweise in Figur 2 dargestellte Duktilitat des Zugstabes bis zum Abschluß der Fertigung nach dem Sintern erhalten In Figur 2a) ist der Zugstab 8 nach der Fertigstellung zu sehen In Figur 2b) ist eine Dehnung mit dem Zugstab 8 durchgeführt worden bis er auseinanderbrach Aus der Figur 2b ist deutlich ersichtlich, daß sich der durch Sintern hergestellte Zugstab wie normales Metall verhalten hat, indem er sich vor dem Auseinanderbrechen plastisch verformt hat, d h langer geworden ist bevor er auseinander- brach Die Fähigkeit, neben der Elastizität auch eine Piastizitat aufzuweisen, schafft die für die Anwendung erforderliche Sicherheitsreserve beim Einbau von komplex geformten Bauteilen, die nach dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellt sind
Aus Figur 3 sind die Meßergebnisse von mechanischen Versuchen bei der Herstellung von Zugproben des Zugstabes 8 ersichtlich Bei der Herstellung der Zugproben wurden die Sintertemperatur von 1250 Grad Celsius und 1300 Grad Celsius und die Oberflachenbehandlung geschliffen oder nicht geschliffen variiert Bei einigen Proben des Zugstabes wurde zusätzlich noch ein heißisostatischer Prozeß angeschlossen, um eine hundertprozentige Dichte zu erreichen, bei der anderen Proben lag die Dicht bei etwa 96% In Figur 3 sind Zugproben von Zugstaben zusammengefaßt, die folgende unterschiedliche Behandlung erfuhren
• Sintertemperatur 1250° C, keine weiteren Behandlungen
• Sintertemperatur 1300° C, ebenfalls keinerlei zusatzliche Behandlungen
• Sintertemperatur 1300° C, anschließende heißisostatische Preßbehandlung unter Argon, 850° C/2000 bar, keine weitere Oberflachenbehandlung
• Sintertemperatur 1250 °C, heißisostatischer Preßprozeß, Oberflache geschliffen
• Sintertemperatur 1300 °C, heißisostatischer Preßprozeß, Oberflache geschliffen
• Sintertemperatur 1250 °C, heißisostatischer Preßprozeß, anschließende Wärmebehandlung bei 900° C /1 h/ιn Wasser abgeschreckt + 540° C / 8h/ unter Schutzgas gekühlt Diese Temperung entspricht der üblichen Aushartebehandlung einer Ti-Al-V-Legierung ln der Tabelle der Figur 3 sind die Ergebnisse für die Streckgrenze Rp/ 02, die Zugfestigkeit Rm, die Dehnung A, Sauerstoffgehalt und Dichte, geordnet nach Behandlungsvaπation aufgeführt Die Zugversuche zeigten eine Steigerung der Festigkeit bei steigender Sintertemperatur und Dichte Die bei 1300 Grad Celsius gesinterten und anschließend einem heißisostatischen Preßprozeß unterzogenen Proben zeigten Festigkeitswerte bei Raumtemperatur vergleichbar zu denen der geschmiedeten oder gewalzten Legierung (Streckgrenze ca 1000 Mpa, Zugfestigkeit ca 1060 Mpa, Dehnung ca 17%)
Der Sauerstoffgehalt liegt bei ca 0,25 Gew %, der Kohlenstoffgehalt bei etwa 0,06 % Die Ausgangslegierung, die für die Metallpulvererzeugung verwendet wurde, wies bereits einen Sauerstoffgehalt von 0,2% bzw einen Kohlenstoffgehalt von 0,01 % auf Der jeweilige Zuwachs ist durch die Handhabung und vor allem durch den Sinterprozeß bedingt
Die Gefugeuntersuchungen zeigten ein homogenes, feinlamellares Gefuge aus α- und ß- Phase mit einer mittleren Korngroße von etwa 150 μm Die Poren haben eine Große von maximal 10 μm, im Fall der einem heißisostatischen Preßprozeß unterzogenen Proben sind keine Poren vorhanden Zusätzlich sind zum Vergleich Proben mit der Geometrie des Zugstabes, der nach dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellt wurde, spanabhebend aus geschmiedeten Material gefertigt worden Dieses Material diente ebenfalls als Ausgangslegierung für die Metallpulverherstellung Bei der Oberflachenbehandlung handelt es sich nicht um eine Politur, sondern nur um einen Schliff, der eventuelle Oberflachenkerben beseitigen sollte Da das Material duktil ist, sollte der Einfluß der Oberflachenqualitat bei den Versuchen keine allzu große Rolle spielen Auf eine Elektropo tur wurde deshalb verzichtet
Das Gefuge im Fall des geschmiedeten Materials ist feinkornig globular, wahrend das nach der Erfindung hergestellte Material des Zugstabes eine feinlamellare Struktur aufweist Der Kohlenstoffgehalt liegt jeweils bei ca 0,06 Gew %, die Zunahme gegenüber der Ausgangslegierung betragt etwa 0,05 Gew % Der Sauerstoffgehalt nimmt maximal um 0,06 Gew % zu, dabei wies die Ausgangslegierung bereits 0, 19 Gew % auf Die Ergebnisse der Zugversuche an dem Zugstab 8 lassen sich wie folgt interpretieren Alle Proben zeigen eine hervorragende Festigkeit Bis auf den Fall der warmebehandelten Probe ist die gemessene Dehnung bei den nach der Erfindung hergestellten Proben des Zugstabes deutlich hoher als in der geschmiedeten Ausfuhrung Die bei 1300 Grad Celsius gesinterten Proben zeigen im Durchschnitt etwas bessere Resultate als die bei 1250 Grad Celsius gesinterten Zugstabe Eine Ausfuhrung des heißisostatischen Preßprozesses an den Proben verbessert die Festigkeit nocheinmal über 100 MPa Die Festigkeitswerte, der einem heißisostatischen Preßprozeß unterzogenen Proben des Zugstabes sind vergleichbar mit denen des geschmiedeten Ausgangsmatenals in Form eines Zugstabes Die Aushartungsbehandlung führt zwar zu deutlich höherer Festigkeit, gleichzeitig aber nur zu einer sehr kleinen Dehnung. Zusammengefaßt heißt das, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angefertigten Proben des Zugstabes bei geeigneter Auswahl der vorgenommenen Verfahrensmerkmale eine mit den Schmiedeteilen vergleichbare Festigkeit bei gleichzeitig höherer Duktilität aufweisen.
Bezugszeichenliste
Titanlegierung in Stabform
Metallpulverteile
Binder
Kneter
Feedstock
Spritzgußmaschine
Spritzform
Bauteil
Entbinderbad
Kammer des Sinterofens

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Metallpulverspritzguß von mit Binder überzogenen Metallpulverteilen in einer Spritzform, wobei anschließend eine Entbinderung und Sinterung der erzeugten Bauteile erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpulverteile einer Titanlegierung zur Herstellung der komplex geformten Bauteile dienen, daß jeder der folgenden Abschnitte der Herstellung der Bauteile von der Erzeugung der Metallpulverteile für die Titanlegierung, der Feedstockherstellung mit einem Binder, der Entbinderung, und dem Sintern ausschließlich unter Bestehen einer hochreinen Schutzatmosphare aus Schutzgas und/oder Luftausschluß und/oder Vakuum stattfindet, und daß die Metallpulverteile und der Binder arm an Verunreinigungsstoffen ausgebildet sind
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffeinzelbe- standteile der Titanlegierung und des Binders in ihrer Zusammensetzung derart ausgewählt werden, daß jeder Werkstoff Einzelbestandteil im Ausgangszustand an sich bereits die Eigenschaft besitzt, arm an Verunreinigungsstoffen zu sein
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Metallpulverteilen als Binderbestandteile thermoplastische oder duroplastische Polymere, thermogelierende Substanzen, Wachse oder oberflächenaktive Substanzen oder daraus erhaltene Mischungen zugegeben werden
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Binder Polyamide, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril- Copolymeπsat, Polyimid, natürliche Wachse und Ole, Duroplaste, Cyanate, Polypropyle- ne, Polyacetate, Polyäthylene, Athylen-Vinyl-Acetate, Polyvinyl-Alkohole, Polyvinylchloride, Polystyrene, Polymethyl-Methacrylate, Aniline, Wasser, Mineralole, Agar, Gly- ceπn, Polyvinyl-Butyryle, Polybutyl-Methacrylate, Cellulose, Olsauren Phtalate, Paraffin- Wachse, Carnauba-Wachs, Ammonium-Polyacrylate, Digylcend-Stearate und - Oleate, Gylceryl-Monostearate, Isopropyl-titanate, Lithium-Stearate, Monoglyceπde, Formaldehyde, Octyl-Saure-Phospate, Olefin-Sulfonate, Phospat-Ester oder Stearinsaure verwendet werden
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchfuhrung einer Teilentbinderung der komplex geformten Bauteile diejenigen Binderbestandteile mit niedriger Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur einen überwiegenden Anteil an dem gesamten Gemisch der Binderbe- s -"t+a_,nndteιle gegenüber denjenigen Binderbestandteilen des Gemisches haben, die eine höheerree Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur aufweisen
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachverdichtung der komplex geformten Bauteile durch heißisostatisches Pressen der gesinterten Bauteile in einer mit Schutzgas gefüllten Kammer durchgeführt wird, daß die Auflageflache für die Bauteile wahrend des heißisostatischen Pressens eine freie Gleitfahigkeit durch Ausbildung aus geeignetem Material beibehält, und daß das Material der Auflageflache bei der Temperatur des isostatischen Pressens keine Verunreinigungsstoffe abgibt
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Binder aus Polyäthylene, Stearinsaure, Paraffin und Carnauba-Wachs zusammengesetzt ist
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die an Verunreinigungsstoffen armen Metallpulverteile der Titanlegierung durch das Electrode-Induction Melting Gasatomization-Verfahren erzeugt werden
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die an Verunreinigungsstoffen armen Metallpulverteile durch das Plasma Melting Induction Guiding Gasatomization-Verfahren erzeugt werden
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Metallpulverteile für die Titanlegierung durch eine Verdusungsanlage mit Inertgaszerstaubung erfolgt
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die inertgasverdusten Metallpulverteile in einer gasdicht an der Verdusungsanlage angeflanschten Pulverkanne aufgefangen werden, daß dabei die Pulverkanne selbst gasdicht verschließbar ausgeführt ist und daß die Pulverkanne in ein Handschuhboxensystem eingeschleust wird, das mit Argongas betrieben ist
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengroße der Metallpulverteile der Titanlegierung in dem Bereich kleiner als 100 μm ausgeführt ist
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengroße der Metallpulverteile der Titanlegierung vorzugsweise kleiner als 45 μm ausgeführt ist
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Metallformspritzen der Bauteile mit Spritzgußmaschinen ausgeführt wird
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen der Metallpulverteile der Titanlegierung und des Binders bei der Feedstockherstellung und das Metallformspritzen des Bauteils jeweils in einem niedrigen Temperaturbereich durchgeführt wird
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 1 1 , 15 dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich bei der Feedstockherstellung sich zwischen 50 Grad und 200 Grad Celsius bewegt
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 1 1 , 14, 15 dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich beim Metallformspritzen zwischen 60 Grad und 200 Grad Celsius liegt
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanlegierung aus Tι-6Al-7Nb besteht
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterunterlage für die Bauteile derart ausgeführt ist, daß wahrend der Durchfuhrung des Sintems der Bauteile die freie Gleitfahigkeit der Oberflache der Sinterunterlage für die aufliegenden Bauteile unverändert erhalten bleibt
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Sinterunterlage bei der Sintertemperatur keine Verunreinigungsstoffe abgibt
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Sintertempatur die Oberfläche der Sinterunterlage aus gegen das Material der Bauteile reduktionsbeständigem Werkstoff, wie z.B. Keramikoxyden besteht.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 dadurch gekennzeichnet, daß die komplex geformten Bauteile der Sinterung in einem Temperaturintervall von 1 100 Grad Celsius bis 1400 Grad Celsius unterzogen werden.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, daß die komplex geformten Bauteile vorzugsweise bei einer Temperatur von 1300 Grad Celsius gesintert werden.
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