EP1119429B1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen durch metallpulverspritzguss - Google Patents

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EP1119429B1
EP1119429B1 EP99950466A EP99950466A EP1119429B1 EP 1119429 B1 EP1119429 B1 EP 1119429B1 EP 99950466 A EP99950466 A EP 99950466A EP 99950466 A EP99950466 A EP 99950466A EP 1119429 B1 EP1119429 B1 EP 1119429B1
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EP
European Patent Office
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components
metal powder
binder
sintering
powder parts
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EP99950466A
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Thomas Hartwig
Thomas Ebel
Rainer Gerling
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Tricumed Medizintechnik GmbH
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Tricumed Medizintechnik GmbH
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    • B22F3/22—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip
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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 powder-coated metal powder parts with the characteristics of the in the Preamble of claim 1 genus described.
  • Complex shaped components have long been used in medium and large quantities Automotive engineering, in aviation as moving parts and in off-shore applications and also needed in medical technology, for example for implants. It is about complex components with dimensions that go into the millimeter range can. As a rule, such complexly shaped components are machined Processes prepared, such as by milling, turning and grinding. As materials come, 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.
  • Another manufacturing method for producing a complex shaped component with Small dimensions consist in the use of investment casting.
  • the investment casting is for every manufactured component requires a mold production, the production of which is considerable Labor required.
  • complex shaped can be created Components with small and very small structures that are in the range of centimeters, no longer reproduce with certainty. It also responds due to the temperature of the liquid casting, as a rule, the surface of the complex-shaped component produced with the wall surface of the mold. The resulting reaction layer on the surface The complex shaped component must be used to produce a perfect surface for example stripped. This stripping in turn leads to tight Tolerances can no longer be met.
  • the mechanical properties of the casting structure which are produced by means of investment casting, the mechanical properties inferior if the complex shaped component with the help of forging technology has been manufactured.
  • the binder metal powder is injected into a mold with an injection molding machine, after that at least partially removed the binder from the green component obtained and subjected to sintering.
  • Titanium powder for producing heavy-duty components such as in Automotive engineering, etc. used. Titanium is particularly advantageous for complicated molded components with small dimensions in the field of medical technology, there such components have an especially good biocompatibility as an implant. With titanium powder the required strength values of components can be complex achieve shaped structure, but is missing, for example, in safety-relevant areas A safety reserve of titanium powder for both machines and implants manufactured component in terms of functionality and against irreparable Damage due to overloading and against breakage.
  • the invention has for its object an inexpensive and for mass production to create a suitable process for the production of complex shaped components, in particular a safety reserve of the sintered component against inoperability and against irreparable damage in the event of overloading and breakage, which minimizes the uptake of contaminants in the material of the components allows during the manufacture of the components until completion, that for the prefabricated Component has a homogeneous structure, extremely high reproducibility and Has dimensional accuracy that avoids reworking of the manufactured components, which enables a low surface roughness of the finished component, and that during the production of the complex shaped excludes a distortion of the components.
  • the advantages of the invention are, in particular, that individual sections of the method according to the invention for the production of complex shaped components under strict Compliance with a high-purity protective atmosphere consisting of protective gas and / or air exclusion and / or vacuum takes place. This prevents that during the manufacturing process the complex shaped components contaminants with respect to the given Performance data of the component to an intolerable extent from the component be included.
  • these individual manufacturing sections are partially again divided into subsections, these subsections also helping to ensure that the inclusion of contaminants in the material of the component is always a minimum is supplied, such as the metal powder parts of the selected titanium alloy and the constituents of the binder are selected in their composition in such a way that each individual material component already has the property as such has to be low in contaminants.
  • the components of the titanium alloy and the binder becomes the proportion of unwanted contaminants set to the lowest possible starting base value, so that the during the process inevitable increase in the contaminants of the material of the component in the final sum corresponding to the selected low basic contamination of the components the titanium alloy and binder.
  • the mixture of the metal powder parts with the binder components for feedstock production under the influence of high-purity protective gas, such as argon instead of.
  • the sintering itself takes place under a vacuum and the debinding takes place in a commercial debinding bath, for example with hexane and thus under exclusion the presence of air and thus of oxygen, carbon, nitrogen and the like as contaminants.
  • Every single section of the manufacturing process of the complex shaped components is that Subject to the least possible accumulation of contaminants to achieve each manufacturing step, as well as according to the production of the metal powder parts the invention has been made.
  • a titanium alloy was selected which has the composition Ti-6Al-7Nb.
  • the contaminants Poor metal powder parts of this titanium alloy can be made by two methods are generated, namely the Electrode Induction Melting Guiding Gasatomization process or the plasma melting induction guiding gas atomization process.
  • the production the metal powder parts for the titanium alloy mentioned are carried out by an atomization system with argon inert gas atomization, in which the inert gas atomized metal powder parts caught in the powder can flanged gas-tight to the atomization system become.
  • the powder jug itself is designed to be gas-tight and can be sealed in one Glove box system incorporated, which in turn is operated with argon gas, so that in the manufacture of the metal powder parts an absolutely small increase in the contaminants, such as oxygen, carbon, nitrogen, etc. during this manufacturing stage is achieved in the powder components of the component.
  • Binder components are used to carry out partial debinding of the complex shaped components with low melting, decomposition and / or evaporation temperature in a proportion added to the binder that is greater than half of the total binder proportions is.
  • the rest of the entire mixture of binder components consists of higher ones Melting, decomposing and / or evaporating temperature reacting binder components the low-melting binder components.
  • the metal powder parts of the titanium alloy are made with binder components made of thermoplastic or thermoset polymers, with thermal gelling substances, with waxes or surface-active substances or mixtures obtained therefrom.
  • binder components made of thermoplastic or thermoset polymers, with thermal gelling substances, with waxes or surface-active substances or mixtures obtained therefrom.
  • a special binder has been selected to reduce the entry of contaminants such as oxygen and to reduce the residual binder in the Component contributes.
  • the material of the surface of the Sintered base selected so that the material does not contain any contaminants at the sintering temperature emits.
  • This design of the sintered base is a particular advantage of Invention to avoid that the complex components with often very minimal Structure on the sintered base and also not with hot isostatic pressing warp or break by sticking to the surface and also not by contaminants be contaminated with the respective pad.
  • Another advantage of the present invention is 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 injection molding of the Feedstockes in the injection molding machine take place at low temperatures, so that none Reaction of the feedstock or the 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 no surfaces are created on the complex shaped components, which with the React form or with device parts and therefore do not need to be treated, that means that the surface is already in perfect condition, whereby an extremely high reproducibility and dimensional accuracy and thus a Near-net-shape production of a high-strength component is made possible.
  • the selected titanium alloy Ti-6Al-7Nb by means of its components which for the complex-shaped components to be produced have the required material properties, With the aid of the method according to the invention, it is possible to achieve these alloy properties during manufacture in sections and subsections until completion of the To maintain the final state of the component almost unchanged, while according to the state the technology in the manufacturing process of metal powder injection molding is usually too significant Absorption of contaminants occurs and thus an intolerable Change in the material properties of the component to be manufactured compared to the Original properties of the selected material for the production of metal powder.
  • FIG 1 is in the form of a diagram only sketchy and in partial representation Production of a complex shaped component from the production of metal powder parts about the production of feedstock, metal molding, debinding and sintering shown with the finished component.
  • 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 To promote clarity and to be able to achieve clear measurement results.
  • complex shaped components are, however, for their application in motor vehicle construction, aviation, in off-shore applications and in medical technology, e.g. in the form of implants required.
  • the metal powder parts as a material for forming components according to the invention can be manufactured in different ways. Powder can be used once are made by mechanical alloying or mechanical crushing has been.
  • the powder components must be less contaminated than the end product, since one in the manufacturing process of the component Minimization of the contaminants absorbed into the component can be made can, however, completely avoid the absorption of contaminants is practically impossible during the manufacturing process of the component.
  • To the goal of high purity Reaching metal powder parts have been two different manufacturing processes of metal powder parts used for the titanium alloy. On the one hand, there was the electrode Induction melting gas atomization process applied, and on the other hand plasma melting Induction guiding gas atomization process.
  • the oxygen content of 2000 ⁇ g / g is already in the finished product is predetermined, with reference to the predetermined amount of oxygen contamination those% by weight of oxygen contamination and of course also other contaminants add up that occurs during the manufacture of the metal powder parts. Due to the contamination contained in the finished alloy according to the DIN standard with contaminants it is advantageous, even the individual material components the titanium alloy, so as to take special care in the selection and the treatment of the individual components in the initial state to a better result achieve, i.e. a result that minimization already during the manufacture of the metal powder parts for example, the oxygen concentration in the initial state.
  • the spherical shape is for sintering advantageous because a high packing density of the metal powder parts due to the spherical shape of the Powder can be achieved and thus a low residual porosity of the sintered complex built component is achieved.
  • the amount of metal powder produced is then determined by means of a sieve chain according to the particle size of the powdered metal parts.
  • the Use of metal powder parts with a particle size ⁇ 100 ⁇ m is suitable. Especially Favorable results are achieved if one preferably has a particle size of ⁇ 45 ⁇ m used.
  • the resulting loss of material in the production of metal powder is included a use of metal powder parts with a particle size ⁇ 45 microns at about 70 to 75% of the metal powder parts produced in contrast to the often 90% loss of material 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 others Use purposes so that the loss of material can still be reduced.
  • the surface roughness of the finished complex shaped The component depends on the powder size and is when using metal powder parts with a particle size ⁇ 45 ⁇ m typically 1 ⁇ m. This means the surface of the finished, complex-shaped component is basically closed without reworking use.
  • the titanium alloy in rod form 1 is shown by way of example from FIG is processed into metal powder parts 2, which has already been described, that this is only one way of manufacturing the metal powder parts.
  • Figure 1b) follows the feedstock production, i.e. mixing the metal powder parts 2 with the binder 3 in a kneader 4 to the feedstock 5.
  • FIG. 1c) metal molding of the feedstock by means of a block diagram indicated only schematically here Injection molding machine 6, to which the feedstock 5 is fed and under pressure into the injection mold 7 is injected into the shape of the component 8.
  • the green part of the component created in this way 8 is partially delivered in the debinding in FIG. 1d) in a debinding bath 9 and then sintered according to FIG.
  • the kneader 4 must ensure a sufficiently homogeneous mixing without clumping the components. By appropriate selection of the Mixing temperature and the constituents of the binder also find no chemical reaction between the binder and the metal powder during mixing.
  • the binder 3 must also be selected in its components so that during metal injection molding there is no decomposition of the binder.
  • the binder must also be very light can be removed from the component manufactured by means of metal powder injection molding, since he only for the temporary cohesion of the metal powder components after the metal molding serves.
  • the binder which always consists of several components, must be of this type be carried out so that each individual material component in the initial state itself has the property of being low in contaminants such as oxygen, nitrogen and carbon to be. Is very important for the production of a complex shaped component also with regard to the binder and its components, that they contribute to the required Maintain material properties of the component until the component is completed and not to be changed by additional intake of contaminants.
  • the kneader and / or the kneading chamber is preferably of high purity Shielding gas such as argon filled to prevent contamination of the two components of the feedstock, for example with oxygen and nitrogen from the air.
  • Shielding gas such as argon filled to prevent contamination of the two components of the feedstock, for example with oxygen and nitrogen from the air.
  • the binder Due to the addition of external lubricants, the binder forms an envelope around each single metal powder part.
  • shear processes must ensure that that every metal powder part is covered with binder. This usually happens in so-called Z-blade mixers or also in planetary mixers.
  • the feedstock usually shows a share of about 30 to 40 vol.% binder.
  • the temperature range in feedstock production is between 50 degrees and 200 Centigrade.
  • the constituents of the binder have a different melting, decomposition and / or evaporating temperature.
  • Those predominate Binder ingredients that have a low melting, decomposition and / or evaporation temperature have compared to the proportion of binder components in the mixture, which have a higher different melting, decomposition and / or evaporation temperature exhibit.
  • a binder poor in contaminants, its material constituents already have the property of being poor in the initial state to be contaminants consists of polyethylene, stearic acid, paraffin and Carnauba wax.
  • the metal injection molding of component 8 in an injection molding machine closes 6 in the injection mold 7.
  • the feedstock is in the Usually pelletized and inserted as a pellet in the injection molding machine if required.
  • the exact Metal mold injection parameters such as pressure and temperature depend on the geometry of the complex shaped component and the flow properties of the feedstock. The pressure ranges from 30 to 50 bar.
  • Metal injection molding has the advantages on, an inexpensive and excellent reproducibility of the complex shaped To enable components with small tolerances and is especially for medium to high Suitable for quantities. These advantages are particularly due to the extremely long life due to the metal injection mold, which is subject to almost no wear, so that a change in component geometry with the time and duration of use is not expected.
  • the injection mold is manufactured conventionally. Because this manufacture but is only required once, the work involved can be high without itself to have a significant impact on a medium to high unit price. An automatic Manufacturing large numbers of components with such machines is without any Problem easy to carry out. You can also create complex shapes, such as Make threads, bores and the like with only one injection process.
  • 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 is for metal injection molding between 60 degrees and 200 degrees Celsius.
  • This low temperature range makes it possible to prevent the surface when selecting the binder components the injected green body reacts in the injection molding machine with the surface of the injection mold 7, which is why the surface is smooth and not again after the component is finished must be processed.
  • This also applies, as already described, to a similar one low temperature manufacturing process in feedstock manufacturing, which is between 50 degrees and 200 degrees Celsius.
  • feedstock manufacturing which is between 50 degrees and 200 degrees Celsius.
  • To the metal injection molding this is followed by the debinding of component 8, see FIG. 1d).
  • the solvent hexane ensures that the debinding with complete exclusion of air, also of contaminants such as carbon, oxygen, nitrogen and so an accumulation of contaminants prevented in the injection molded component.
  • Another removal of the residual binder which can only be removed at a higher temperature and has previously been kept apart of the component prevented by thermal decomposition.
  • thermal decomposition in a high vacuum, but it can also take place in a pure protective gas atmosphere such as argon. After extraction, drying takes place held in argon gas.
  • the handling of the injected components in the form of a green compact and the partially debonded components in the form of a brown must be done carefully to avoid a delay or break.
  • the next step in the completion of the complex-shaped components is sintering, as can be seen in FIG. 1e).
  • the component's browning undergoes a heat treatment in which the individual metal powder parts receive metallurgical contacts in the form of a welding diffusion with one another.
  • a successful sintering process with titanium 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 must have an excellent vacuum in the order of magnitude ⁇ 10 -5 mbar, the high temperatures during sintering being unfavorable for maintaining good material properties, since at these high temperatures a particularly good absorption of impurities in the metal powder parts takes place.
  • the temperature interval during sintering is between 1100 degrees and 1400 degrees Celsius. Production tests have shown that preferably the temperature of 1300 degrees Celsius gives an optimal result with regard to the properties of the manufactured component.
  • the complex-shaped component produced after sintering has a density close to the theoretical density, namely 96%.
  • the mechanical properties of the finished component are very similar to those of forged material with a comparable composition.
  • the sinter pad for the complex shaped Components is therefore designed such that while sintering is being carried out of the components the free sliding of the surface of the sintered base for Components remain unchanged.
  • the material of the sinter pad is therefore chosen so that at the sintering temperature the surface of the sintered base against the material of the components consists of reduction-resistant material, such as this is the case with ceramic oxides. It also becomes a material of the sintered base used, which releases no contaminants at the sintering temperature.
  • the sintered components After sintering can be achieved by a subsequent hot isostatic pressing treatment that the residual porosity of the sintered part can be brought to zero in order to thus all theoretically possible mechanical properties from the material of the component get. That is why the sintered components are made into one with high purity Protective gas such as argon equipped chamber and given at a temperature of around 850 degrees Celsius and 2000 bar gas pressure for several hours hot isostatically pressed.
  • the high-purity protective gas argon is necessary because at these high Temperatures the tendency of the titanium alloy to absorb foreign matter is great however must be prevented.
  • the material of the contact surface for the components in isostatic pressing ensure that this requirement the free sliding ability by training from a suitable material such as Ceramic oxides retained during pressing and that the material of the contact surface at the temperature of isostatic pressing no contaminants in the Chamber and to the components.
  • the hot isostatic pressing process is only carried out if either the material inside the components must have no porosity or if the highest possible strengths with a density of 100% and the best possible Ductility is required for the respective application and therefore the necessary for it incurred additional costs are accepted.
  • the titanium alloy Ti-6Al-7Nb was also made previously used elsewhere, but could not be useful in a metal powder injection molding process can be used without the property of stretchability the absorption of contaminants during the manufacturing process again was lost, so that the final product gained the safety reserve of the sintered Component in terms of functionality and against irreparable damage in the event of an overload of the component and against breakage in the prior art was missing. That after State of the art component made with titanium can have high strength, behaves However, the elasticity is not like a metal, it is elastic but not plastic deformable.
  • the titanium alloy Ti-6Al-7Nb together with the features of the Existence of a high-purity protective atmosphere during the manufacture of the metal powder Feedstock production, debinding and sintering with the help of protective gas and / or air exclusion and / or vacuum along with the selection of metal powder parts and binders that are low in contaminants, the manufacturing process metal powder parts of the titanium alloy which are low in contamination by the electrode induction Melting Gasatomization or the Plasma Melting Induction Guiding Gasatomization process, the application of a low temperature range in the manufacture of Mixing of the feedstock and in metal injection molding and also the nature of the Sinter pad with the free sliding ability of its surface and the production of the metal powder parts for the titanium alloy through an atomization system operated with argon with the downstream device for further transport of the metal powder parts in one Protective atmosphere.
  • the oxygen content is approximately 0.25% by weight and the carbon content is approximately 0.06%.
  • the parent alloy used for metal powder production already showed an oxygen content of 0.2% or a carbon content of 0.01%.
  • the respective Growth is due to handling and, above all, the sintering process.
  • the structural examinations showed a homogeneous, fine lamellar structure from the ⁇ and ⁇ phase with an average grain size of about 150 ⁇ m.
  • the pores have a size of maximum 10 ⁇ m, in the case of the samples subjected to a hot isostatic pressing process no pores.
  • samples with the geometry of the Tension rod which was produced by the method according to the invention, cutting made from forged material. This material also served as the starting alloy for metal powder production. It's about the surface treatment not a polish, but only a cut, the possible surface notches should eliminate. Since the material is ductile, the influence of surface quality should be considered the experiments do not play a major role. An electropolish was therefore avoided.
  • the structure in the case of the forged material is fine-grained globular, while that after material of the tension rod produced according to the invention has a fine lamellar structure.
  • the carbon content is approximately 0.06% by weight, the increase compared to the starting alloy is about 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 the tension rod 8 can be interpreted as follows. All samples show one excellent strength. Except for the case of the heat-treated sample, the measured one is Elongation in the tensile bar samples produced according to the invention is significantly higher than in the forged version.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Metallpulverspritzguß 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 Stückzahlen seit langem im Kraftfahrzeugsbau, in der Luftfahrt als bewegte Teile und in der Off-Shore-Anwendung und ferner in der Medizintechnik beispielsweise für Implantate benötigt. 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 niedriglegierte, hochlegierte oder korrosionsbeständige Stähle, Schnellarbeitsstähle, Superlegierungen, Legierungen mit magnetischen Eigenschaften, Hartmetalle und weitere nicht aufgezählte 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 Bauteilgeometrien fordern einen hohen Arbeitsaufwand, damit steigt der Stückpreis. 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 Oberfläche der fertiggestellten komplex geformten Bauteile mit einer nicht akzeptablen Rauhigkeit der Oberfläche versehen, die spezielle Techniken zur Nachbehandlung erfordert, um eine Oberfläche 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 erheblichen Arbeitsaufwand erfordert. Mit Hilfe des Feingusses lassen sich komplex geformte Bauteile mit kleinen und kleinsten Strukturen, die im Bereich von Zentelmillimeter liegen, nicht mehr mit Sicherheit reproduzieren. Darüber hinaus reagiert aufgrund der Temperatur des flüssigen Gusses in der Regel die Oberfläche des hergestellten komplex geformten Bauteils mit der Wandfläche der Gußform. Die so entstandene Reaktionsschicht auf der Oberfläche des komplex geformten Bauteils muß zur Herstellung einer einwandfreien Oberfläche beispielsweise abgebeizt werden. Dieses Abbeizen führt wiederum dazu, daß enge Toleranzen nicht mehr eingehalten werden können. Ferner sind die mechanischen Eigenschaften des Gußgefüges, 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. Beschränkungen 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 Oberflächenschicht des für das komplex geformte Bauteil verwendete Materials unbrauchbar und muß mit entsprechenden Verfahren entfernt und geglättet werden. Die Herstellung einer Oberfläche mit geringer Rauhigkeit erfordert nicht nur einen zusätzlichen 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 Bauteilgeometrien 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 Materialverlust 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 größer 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, Materialeigenschaften eines Werkstoffes akzeptiert werden, die beispielsweise eine schlechtere Biokompatilität des Bauteils bei einem Implantat bedeutet, wie dies bei dem Ersatz eines gut verträglichen 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 pulverförmige 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 pulverförmige 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 Bauteilgrünling 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 Gefüge 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 Medizintechhik, da derartige Bauteile als Implantat eine besonders gute Biokompatibilität 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 Funktionsfähigkeit und gegen irreparable Schäden bei Überbelastung und gegen Bruch. Komplex geformte aus Titanpulver und mit dem Metallpulverspritzgußverfahren hergestellte Bauteile, brechen bei Erreichen der Festigkeitsgrenze ohne vorherige plastische Verformung sofort (Sprödbruch), was jedoch im überwiegenden Teil der Anwendungsfälle nicht toleriert werden kann. Dieser wesentliche Nachteil der nach dem Stand der Technik aus Titanpulver hergestellten komplex geformten Bauteile resultiert im wesentlichen daher, daß während 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.
Aus der DE 44 08 304 A1 sind Sinterteile aus sauerstoffempfindlichen, nicht reduzierbaren Pulvern und ihre Herstellung über Spritzgießen bekannt, bei dem Metallpulverteile aus Titan zur Herstellung von komplex geformten Bauteilen dienen, die Erzeugung oxidfreien Pulvers unter Luftausschluss und die Feedstockherstellung mit einem Binder unter Schutzgas erfolgt und bei dem sich ferner die Entbinderung und das Sintern unter Luft- und Feuchtausschluss vollziehen.
Der Erfindung liegt 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 Funktionsunfähigkeit und gegen irreparable Schäden bei Überbelastung und gegen Bruch ermöglicht, das eine Minimierung der Aufnahme von Verunreinigungsstoffen in das Material der Bauteile während der Herstellung der Bauteile bis zur Fertigstellung zuläßt, das für das vorgefertigte Bauteil ein homogenes Gefüge, eine extrem hohe Reproduziergenauigkeit und Maßhaltigkeit aufweist, das eine Nachbearbeitung der hergestellten Bauteile vermeidet, das eine geringe Oberflächenrauhigkeit des fertigen Bauteils ermöglicht, und das während der Herstellung der komplex geformten einen Verzug der Bauteile ausschließt.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß einzelne der Abschnitte des Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung von komplex geformten Bauteilen unter striktem Einhalten einer hochreinen Schutzatmosphäre aus Schutzgas und/oder Luftausschluß und/oder Vakuum stattfindet. Auf diese Weise wird verhindert, daß während des Herstellprozesses der komplex geformten Bauteile Verunreinigungsstoffe in bezug auf die vorgegebenen Leistungsdaten des Bauteils in nicht mehr tolerierbarem 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 während 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 Ti-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 Verdüsungsanlage mit Argoninertgaszerstäubung, in der die inertgasverdüsten Metallpulverteile in der gasdicht an die Verdüsungsanlage 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. während dieses Herstellungsabschnittes in den Pulverbestandteilen des Bauteiles erreicht wird.
Für 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 während der Feedstockherstellung und andererseits zur Beeinflussung der verbleibenden Binderreste in dem gesinterten Bauteil durch die Zusammensetzung der Binderbestandteile bezüglich ihrer Reaktion auf eine Temperaturerhöhung in dem Bauteil ausgewählt worden. Zur Durchführung einer Teilentbinderung der komplex geformten Bauteile werden Binderbestandteile mit niedrigen Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur in einem Anteil dem Binder beigemischt, der größer 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 erfindungsgemäßen Bauteile ist ein spezieller Binder ausgewählt worden, der zur Verringerung des Eintrags von Verunreinigungsstoffen, wie Sauerstoff und zur Verminderung des Restbinders in dem Bauteil beiträgt.
Eine weitere Verfahrensmaßnahme bei der Herstellung von hochkompliziert gebauten Bauteilen besteht darin, daß während 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 während der Durchführung des Sinterns der Bauteile die freie Gleitfähigkeit der Oberfläche der Sinterunterlage für die aufliegenden Bauteile unverändert erhalten bleibt, was beispielsweise durch Ausgestaltung der Oberfläche der Sinterunterlage mit einem gegen das Material der Bauteile reduktionsbeständigen Werkstoff wie z.B. Keramikoxyden ggeschieht. Gleichzeitig wird der Werkstoff der Oberfläche 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 Oberfläche 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 Oberflächen entstehen, die mit der Form bzw. mit Geräteteilen reagieren und deshalb auch nicht nachbehandelt werden müssen, das heißt daß sich die Oberfläche 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 Ti-6Al-7Nb mittels ihrer Bestandteile die für das herzustellende komplex geformte Bauteile erforderlichen Materialeigenschaften aufweist, gelingt es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, diese Legierungseigenschaften während der Herstellung in Abschnitten und Unterabschnitten bis zu Fertigstellung des Endzustandes des Bauteils nahezu unverändert zu erhalten, während 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 tolerierbaren Veränderung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils im Vergleich zu den Ursprungseigenschaften des ausgewählten Materials zur Herstellung von Metallpulver.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen noch näher 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
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 fördern 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 Materialeigenschaften bereits aufweisen. Während vorstehend die direkte Pulvermischung als erste Möglichkeit der Herstellung von Metallpulverteilen geschildert wurde, geht das Ausführungsbeispiel in Figur 1 davon aus, daß vorlegiertes Pulver verwendet wird, also bespielsweise eine in Form eines Stabes ausgeführte Fertiglegierung. Auch mit dieser Fertiglegierung lassen sich Metallpulverteile zur Herstellung von komplex gebauten Bauteilen oder einem Prüfkörper durchführen und zwar in einer Verdüsungsantage mittels einer Argoninertgaszerstäubung. Es wurde eine Verdüsungsanlage verwendet, die speziell für die Herstellung hochreiner Titanlegierungspulver konzipiert worden ist. Die Zerstäubung des in einer Fertiglegierung vorlegierten Titanlegierungspulvers erfolgt unter strikter Einhaltung einer hochreinen Schutzatmosphäre aus Schutzgas wie beispielsweise Argon. Dadurch und durch die spezielle Konstruktion der Verdüsungsanlage wird die Aufnahme von Verunreinigungsstoffen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff während des Zerstäubungsprozesses sehr gering gehalten. Mit der von der Anmelderin verwendeten Anlage wird ein Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt des Titanlegierungspulvers 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 Verdüsungsanlage mit Argoninertgaszerstäubung erfolgt, so ist es vorteilhaft, daß die in inertverdüsten Metallpulverteile in einer gasdicht an der Verdüsungsanlage 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 Materialeigenschaften 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 während 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 während der Herstellung der Metallpulverteile entstehen. Aufgrund der bei Fertiglegierung enthaltenen nach der DIN-Norm zulässigen Verschmutzung mit Verunreinigungsstoffen ist es vorteilhaft, selbst die Werkstoffeinzelbestandteile der Titanlegierung zusammenzustellen, um so durch besondere Sorgfalt bei der Auswahl und der Behandlung der Einzelbestandteile im Ausgangszustand ein besseres Ergebnis zu erzielen, d.h. ein Ergebnis das bereits bei der Herstellung der Metallpulverteile eine Minimierung beispielsweise der Sauerstoffkonzentration im Ausgangszustand ermöglicht.
Bei der Anwendung der Inertgaszerstäubung 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 Restporosität des gesinterten komplex aufgebauten Bauteils erzielt wird.
Die erzeugte Metallpulvermenge wird dann mittels einer Siebkette nach der Teilchengröße der Metallpulverteile gesiebt. Für die Herstellung der komplex geformten Bauteile ist die Verwendung von Metallpulverteilen mit der Teilchengröße < 100µm geeignet. Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, wenn man vorzugsweise eine Teilchengröße < 45 µm verwendet. Der dabei entstehende Materialverlust bei der Metallpulvererzeugung liegt bei einer Verwendung von Metallpulverteilen mit der Teilchengröße < 45 µm bei etwa 70 bis 75% der hergestellten Metallpulverteile im Gegensatz zu den häufig 90% Materialverlust bei der Herstellung der komplex geformten Bauteile mittels spanabhebender Verfahren. Die gesiebten Metallpulverteile mit einer Teilchengröße > 45 µm lassen sich für andere Zwecke verwenden, so daß sich der Materialverlust noch verringern läßt. Bei dem eigentlichen Metallpulverspritzgußverfahren und -vorgang wird eine praktisch hundertprozentige Materialausnutzung erreicht, da dann eventuell anfallende Feedstockreste weiter verwendet werden können. Die Oberflächenrauhigkeit des fertiggestellten komplex geformten Bauteils ist von der Pulvergröße abhängig und beträgt bei Verwendung von Metallpulverteilen mit einer Teilchengröße < 45 µm typischerweise 1 µm. Dies bedeutet, die Oberfläche des fertiggestellten komplex geformten Bauteils ist grundsätzlich ohne Nachbeabeitung zu verwenden.
Aus der Figur 1a) ist beispielhaft die Titanlegierung in Stabform 1 dargestellt, die mittels Inertgasverdüsung zu Metallpulverteilen 2 verarbeitet wird, wobei bereits geschildert wurde, daß dies nur eine Möglichkeit der Herstellung der Metallpulverteile darstellt. In Figur 1b) 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 1c) das Metallformspritzen 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 1d) in einem Entbinderungsbad 9 teilentbindet und danach gemäß Figur 1e) 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 später noch dargestellten Zugversuche verwendet wird. Wie der Übersichtsdarstellung 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 duroplastische Polymere, thermogelierende Substanzen, Wachse oder oberflächenaktive Substanzen oder daraus erhaltene Mischungen zugegeben. Als Binderbestandteile können dabei Polyamide, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyimid, natürliche Wachse und Öle, Duroplaste, Cyanate, Polypropylene, Polyacetate, Polyäthylene, Äthylen-Vinyl-Acetate, Polyvinyl-Alkohole, Polyvinyl-Chloride, Polystyrene, Polymethyl-Methacrylate, Aniline, Wasser, Mineralöle, Agar, Glycerin, Polyvinyl-Butyryle, Polybutyl-Methacrylate, Cellulose, Ölsäuren Phtalate, Paraffin-Wachse, Carnauba-Wachs, Ammonium-Polyacrylate, Digylcerid-Stearate und -Oleate, Gylceryl-Monostearate, Isopropyl-titanate Lithlum-Stearate, Monoglyceride, Formaldehyde, Octyl-Säure-Phosphate, Olefin-Sulfonate, Phosphat-Ester oder Stearinsäure verwendet werden.
Das Mischen der beiden Komponenten des Feedstocks , also der Metallpulverteile 2 und der Binderbestandteile geschieht bei erhöhter Temperatur, so daß die Binderbestandteile flüssig werden und die Pulverpartikel umhüllen können. In der Regel müssen auch Gleitmittel zugefügt 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 während der Vermischung statt. Der Binder 3 muß auch in seinen Bestandteilen so ausgewählt werden, daß während 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 Metallformspritzen 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 Materialeigenschaften des Bauteils bis zur Fertigstellung des Bauteils zu erhalten und nicht durch zusätzliche Aufnahme von Verunreinigungsstoffen zu verändern. 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 Schervorgänge sicherstellen, daß jedes Metallpulverteil mit Binder bedeckt ist. Dies geschieht meistens in sogenannten Z-Schaufelmischern 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-, Zersetzungs- 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 Werkstoffeinzelbestandteile im Ausgangszustand an sich bereits die Eigenschaft besitzen, arm an Verunreinigungsstoffen zu sein, besteht aus Polyäthylen, Stearinsäure, Paraffin- und Carnauba-Wachs.
Es schließt sich gemäß Figur 1c) 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 hängen 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 Stückzahlen geeignet. Diese Vorteile sind insbesondere auf die außerordentlich lange Lebensdauer der Metallspritzgußform zurückzuführen, die nahezu keiner Abnützung 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 nötige Arbeitsaufwand hoch sein ohne sich wesentlich auf einen mittleren bis hohen Stückzahlpreis auszuwirken. Eine automatische Herstellung großer Stückzahlen von Bauteilen mit derartigen Maschinen ist ohne irgendein Problem leicht durchzuführen. 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 Metallformspritzen zwischen 60 Grad und 200 Grad Celsius. Dieser niedrige Temperaturbereich ermöglicht es, bei der Auswahl der Binderbestandteile zu verhindern, daß die Oberfläche des gespritzten Grünlings in der Spritzgußmaschine mit der Fläche der Spritzform 7 reagiert, weshalb die Oberfläche 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 keiner Reaktion der Oberfläche 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 1d). 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 Lösungsmittels 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 Lösungsmittels Hexan etwa 75% des Binders aus dem Grünling herausgelöst, der dann als teilentbindertes Bauteil Bräunling genannt wird. Das Lösungsmittel 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 läßt 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 Schutzgasatmosphäre 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 Bräunlings muß vorsichtig erfolgen, um einen Verzug oder einen Bruch zu vermeiden. Der Grad und die Homogenität der Entbinderung sind entscheidend für die weitere Geometrietreue, den erfolgreichen Verlauf der Sinterung und einer geringen Kontamination des Bauteils mit Restbinderbestandteilen. Zur Durchführung 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 1e) ersichtlich ist. Bei dem Sintern erfährt der Bräunling des Bauteils eine Wärmebehandlung, in der die einzelnen Metallpulverteile metallurgische Kontakte in Form einer Schweißdiffusion miteinander erhalten. Ein erfolgreicher Sinterprozeß bei Titanlegierungen und die Erzielung einer einwandfreien Materialeigenschaft des Bauteils ist nur durch die Vermeidung der Aufnahme zusätzlicher Verunreinigungsstoffe wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff während 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 ungünstig für die Erhaltung guter Materialeigenschaften sind, da bei diesen hohen Temperaturen eine besonders gute Aufnahme von Verunreinigungen in den Metallpulverteilen stattfindet. Der Temperaturintervall beim Sintern liegt zwischen 1100 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 Bräunling noch enthaltende Binderrückstände zu vermeiden, was dadurch geschieht, daß eine der Verdampfungsrate des in dem Bräunling des Bauteils noch enthaltenen Restbinders angepaßte Aufheizrate wie z.B. 5 K/min gewählt wird, wodurch während des Aufheizvorganges 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 während des Sintervorgangs die Sinterunterlage. Die Sinterunterlage für die komplex geformten Bauteile ist deshalb derart ausgeführt, daß während der Durchführung des Sinterns der Bauteile die freie Gleitfähigkeit der Oberfläche der Sinterunterlage für die aufliegenden Bauteile unverändert erhalten bleibt. Der Werkstoff der Sinterunterlage wird deshalb so gewählt, daß bei der Sintertemperatur die Oberfläche der Sinterunterlage aus gegen das Material der Bauteile reduktionsbeständigem 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 während des Sinterns auftretenden Schrumpfungsprozeß ein Verzug der Bauteile und ein eventueller Bruch vermieden.
Nach dem Sintern kann durch eine anschließende heißisostatische Preßbehandlung erreicht werden, daß die Restporosität 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 Auflagefläche für die Bauteile bei dem isostatischen Pressen darauf zu achten, daß diese Auflage die freie Gleitfähigkeit durch Ausbildung aus geeignetem Material wie beispielsweise Keramikoxyden während des Pressens beibehält und daß das Material der Auflagefläche 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 Duktilitäten 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 der Tabelle unten zusammengefaßten Werte und Auswertungen von Versuchen an einem als Zugstab ausgebildeten Bauteil zeigen, daß es mit dem erfindungsgemäßen 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-6Al-7Nb bereits eigene hohe Duktilität bis zum Erhalt des fertig hergestellten komplex geformten Bauteils mittels Sintern zu erhalten. Die Titanlegierung Ti-6Al-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 während des Herstellungsprozesses wieder verloren ging, so daß dem gewonnenen Endprodukt die Sicherheitsreserve des gesinterten Bauteils bezüglich der Funktionsfähigkeit und gegen irreparable Schäden bei einer Überbelastung 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, verhält 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 Ti-6Al-7Nb zusammen mit den weiter hier aufgezählten Merkmalen des Bestehens einer hochreinen Schutzatmosphäre 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 Metalllpulverteilen 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 Gasatomization-Verfahren, der Anwendung eines niedrigen Temperaturbereiches beim Herstellen der Mischung des Feedstocks und beim Metallformspritzen und ferner der Beschaffenheit der Sinterunterlage mit der freien Gleitfähigkeit ihrer Oberfläche und der Erzeugung der Metallpulverteile für die Titanlegierung durch eine mit Argon betriebene Verdüsungsanlage mit der nachgeschalteten Vorrichtung zum Weitertransport der Metallpulverteile in einer Schutzatmosphäre. Nur durch die Kombination dieser Merkmale läßt sich die beispielsweise in Figur 2 dargestellte Duktilität 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. länger geworden ist bevor er auseinander- brach. Die Fähigkeit, neben der Elastizität auch eine Plastizität aufzuweisen, schafft die für die Anwendung erforderliche Sicherheitsreserve beim Einbau von komplex geformten Bauteilen, die nach dem erfindungsgemäßen 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 Oberflächenbehandlung 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 Zugstäben zusammengefaßt, die folgende unterschiedliche Behandlung erfuhren:
  • Sintertemperatur 1250° C, keine weiteren Behandlungen
  • Sintertemperatur 1300° C, ebenfalls keinerlei zusätzliche Behandlungen
  • Sintertemperatur 1300° C, anschließende heißisostatische Preßbehandlung unter Argon, 850° C/2000 bar, keine weitere Oberflächenbehandlung
  • Sintertemperatur 1250 °C, heißisostatischer Preßprozeß, Oberfläche geschliffen
  • Sintertemperatur 1300 °C, heißisostatischer Preßprozeß, Oberfläche geschliffen
  • Sintertemperatur 1250 °C, heißisostatischer Preßprozeß, anschließende Wärmebehandlung bei 900° C /1h/in Wasser abgeschreckt + 540° C / 8h/ unter Schutzgas gekühlt. Diese Temperung entspricht der üblichen Aushärtebehandlung einer Ti-AI-V-Legierung.
In der Tabelle der Figur 3 sind die Ergebnisse für die Streckgrenze Rp, 0,2, die Zugfestigkeit Rm, die Dehnung A, Sauerstoffgehalt und Dichte, geordnet nach Behandlungsvariation 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 Gefügeuntersuchungen zeigten ein homogenes, feinlamellares Gefüge aus α- und β-Phase mit einer mittleren Korngröße von etwa 150 µm. Die Poren haben eine Größe 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 erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, spanabhebend aus geschmiedeten Material gefertigt worden. Dieses Material diente ebenfalls als Ausgangslegierung für die Metallpulverherstellung. Bei der Oberflächenbehandlung handelt es sich nicht um eine Politur, sondern nur um einen Schliff, der eventuelle Oberflächenkerben beseitigen sollte. Da das Material duktil ist, sollte der Einfluß der Oberflächenqualität bei den Versuchen keine allzu große Rolle spielen. Auf eine Elektropolitur wurde deshalb verzichtet.
Das Gefüge im Fall des geschmiedeten Materials ist feinkörnig globular, während 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 beträgt 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 wärmebehandelten Probe ist die gemessene Dehnung bei den nach der Erfindung hergestellten Proben des Zugstabes deutlich höher als in der geschmiedeten Ausführung. Die bei 1300 Grad Celsius gesinterten Proben zeigen im Durchschnitt etwas bessere Resultate als die bei 1250 Grad Celsius gesinterten Zugstäbe. Eine Ausführung 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 Ausgangsmaterials in Form eines Zugstabes. Die Aushärtungsbehandlung 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
1
Titanlegierung in Stabform
2
Metallpulverteile
3
Binder
4
Kneter
5
Feedstock
6
Spritzgußmaschine
7
Spritzform
8
Bauteil
9
Entbinderbad
10
Kammer des Sinterofens
Proben Rp 0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%] Sauerstoff gehalt (Gew.%] Dichte [in % der theoretischen Dichte]
geschmiedetes Material 981 1034 5.0 0,19 100
1250°C Sintertemperatur 796 897 12.8 0,25 96.0
1300°C Sintertemperatur 846 917 14.4 0,25 96,0
1300°C, HIP 1016 1059 17.8 0,25 100
1250°C, HIP, geschliffen 963 1061 17.2 0,25 100
1300°C, HIP, geschliffen 934 1019 20.5 0,25 100
1250°C, HIP, Wärmebeh., geschl. 1050 1115 1.0 0,25 100

Claims (22)

  1. 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, bei dem die Metallpulverteile einer Titanlegierung zur Herstellung der komplex geformten Bauteile dienen, wobei 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 Schutzzatmosphäre aus Schutzgas und/oder Luftausschluß und/oder Vakuum stattfindet, und wobei die Metallpulverteile und der Binder arm an Verunreinigungsstoffen ausgebildet sind,
    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 Auflagefläche für die Bauteile während des heißisostatischen Pressens eine freie Gleitfähigkeit durch Ausbildung aus geeignetem Material beibehält,und dass das Material der Auflagefläche bei der Temperatur des isostatischen Pressens keine Verunreinigungsstoffe abgibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, däß die Werkstoffeinzelbestandteile 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.
  3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 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.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Binder Polyamide, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyimid, natürliche Wachse und Öle, Duroplaste, Cyanate, Polypropylene, Polyacetate, Polyäthylene, Äthylen-Vinyl-Acetate, Polyvinyl-Alkohoie, Polyvinyl-Chloride, Polystyrene, Polymethyl-Methacrylate, Aniline, Wasser, Mineralöle, Agar, Glycerin, Polyvinyl-Butyryle, Polybutyl-Methacrylate, Cellulose, Ölsäuren Phtalate, Paraffin-Wachse, Carnauba-Wachs, Ammonium-Polyacrylate, Digylcerid-Stearate und - Oleate, Gylceryl-Monostearate, Isopropyl-titanate, Lithium-Stearate, Monoglyceride, Formaldehyde, Octyl-Säure-Phospate, Olefin-Sulfonate, Phospat-Ester oder Stearinsäure verwendet werden.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung einer Teilentbinderung der komplex geformten Bauteile diejenigen Binderbestandteile mit niedriger Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur einen überwiegenden Anteil an dem gesamten Gemisch der Binderbestandteile gegenüber denjenigen Binderbestandteilen des Gemisches haben, die eine höhere Schmelz-, Zersetzungs- und/oder Verdampfungstemperatur aufweisen.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Binder aus Polyäthylene, Stearinsäure, Paraffin und Carnauba-Wachs zusammengesetzt ist.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die an Verunreinigungsstoffen armen Metal/pulverteile der Titanlegierung durch das Electrode-Induction Melting Gasatomization-Verfahren erzeugt werden.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die an Verunreinigungsstoffen armen Metallpulverteile durch das Plasma Melting Induction Guiding Gasatomization-Verfahren erzeugt werden.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Metallpulverteile für die Titanlegierung durch eine Verdüsungsanlage mit Inertgaszerstäubung erfolgt.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die inertgasverdüsten Metallpulverteile in einer gasdicht an der Verdüsungsanlage 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.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße der Metallpulverteile der Titanlegierung in dem Bereich kleiner als 100 µm ausgeführt ist.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße der Metallpufverteile der Titanlegierung vorzugsweise kleiner als 45 µm ausgeführt ist.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Metallformspritzen der Bauteile mit Spritzgußmaschinen ausgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Mischer der Metallpulverteile der Titanlegierung und des Binders bei der Feedstockherstellung und das Metallformspritzen des Bauteils jeweils in einem niedrigen Temperaturbereich durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, 14 dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich bei der Feedstockherstellung sich zwischen 50 Grad und 200 Grad Celsius bewegt.
  16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, 13, 14 dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich beim Metallformspritzen zwischen 60 Grad und 200 Grad Celsius liegt.
  17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Titantegierung aus Ti-6Al-7Nb besteht.
  18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterunterlage für die Bauteile derart ausgeführt ist, daß während der Durchführung des Sinterns der Bauteile die freie Gleitfähigkeit der Oberfläche der Sinterunterlage für die aufliegenden Bauteile unverändert erhalten bleibt.
  19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Sinterunterlage bei der Sintertemperatur keine Verunreinigungsstoffe abgibt.
  20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Sintertempatur die Oberfläche der Sinterunterlage aus gegen das Material der Bauteile reduktionsbeständigem Werkstoff, wie z.B. Keramikoxyden besteht.
  21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, daß die kompiex geformten Bauteile der Sinterung in einem Temperarurintervall von 1100 Grad Celsius bis 1400 Grad Celsius unterzogen werden.
  22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 dadurch gekennzeichnet, daß die komplex geformten Bauteile vorzugsweise bei einer Temperatur von 1300 Grad Celsius gesintert werden.
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