EP2900405B1

EP2900405B1 - Verfahren zum sintern eines werkstücks

Info

Publication number: EP2900405B1
Application number: EP13759113.7A
Authority: EP
Inventors: Axel Reichert
Original assignee: Amann Girrbach AG
Current assignee: Amann Girrbach AG
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2020-05-06
Anticipated expiration: 2033-08-14
Also published as: WO2014047664A1; EP2900405A1; DE102012019159A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Sinterung und Wärmebehandlung von, insbesondere dentalen, Werkstücken z.B. aus Sintermetall, setzt eine praktisch oxydfreie Atmosphäre während des Sinterprozesses voraus, um eine Oxidation des Werkstücks bei hohen Temperaturen zu unterbinden. Es ist bekannt, den Sauerstoff um das zu sinternde Werkstück durch die Einleitung von Schutzgasen, vorzugsweise Argon oder Stickstoff, in die Sinterkammer zu verdrängen, um eine möglichst oxydfreie Sinterung zu ermöglichen. Beim Stand der Technik sind zur Erzielung optimaler Ergebnisse ohne Restoxidation am Werkstück oftmals große Mengen an Schutzgas nötig. Dies ist bei gattungsgemäßen Verfahren bzw. entsprechenden Herstellprozessen des Werkstücks ein ungünstiger Kostenfaktor.
Die US 5,911,102 A schlägt vor, die zu sinternden Werkstücke während des Sintervorgangs auf einem platten-, balken- oder netzartigen oder mit einer Vielzahl von Erhebungen ausgebildeten Stützkörper abzulegen, wobei der Stützkörper nach jedem Sintervorgang geschliffen und poliert werden kann bzw. sollte. Am Eingang der Sinterkammer ist ein sogenanntes Gettermaterial vorgesehen, um Sauerstoff zu absorbieren. Die JP S56-81603 A schlägt vor, dass zu sinternde Werkstück vollständig in Keramikpulver einzubetten. Aus der JP S51-94407 A ist die grundsätzliche Verwendung von Gettermaterial bekannt. Die EP 0 480 107 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines spritzgegossenen Stahlprodukts durch Spritzgießen von geknetetem Stahlpulver und Bindemittel zur Formung eines Produkts, anschließendes Entfernen des Bindemittels aus dem Produkt, anschließendes Sintern und durch Nachbearbeitung des Produkts zu einer Endform und durch Härten des Produkts. Die JP S60-224702 A lehrt, dass ein Werkstück aus einer Mischung aus metallischem Pulver und einem synthetischen Harz als Binder geformt wird. Dieses zu sinternde Werkstück wird von einem blattförmigen Material ummantelt, welches aus einer Mischung aus feuerfestem Material und synthetischem Harz als Binder besteht. Das von dieser Schicht ummantelte zu sinternde Werkstück wird in einem Material gelagert, welches Stahlkugeln enthält bzw. daraus besteht.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren der oben genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die genannten Probleme verringert werden.
Hierfür schlägt die Erfindung ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 vor.
Mit anderen Worten wird bei erfindungsgemäßen Verfahren somit ein Stützmaterial eingesetzt, welches einerseits keramische Stützkörner aufweist, welche die mechanische Abstützung bzw. Lagerung des Werkstücks in der Sinterkammer gewährleisten. Andererseits umfasst das Stützmaterial aber auch ein Zusatzmaterial, welches den Sauerstoffgehalt bzw. Restsauerstoffgehalt in der Sinterkammer reduziert. Günstig ist es hierbei, dass das Zusatzmaterial diese Reduktion des Sauerstoffgehaltes in der Sinterkammer ermöglicht, indem es den in der Sinterkammer vorhandenen Sauerstoff bzw. Restsauerstoff anzieht und bindet. Mit Sauerstoff bzw. Restsauerstoff ist dabei der freie, noch ungebundene Sauerstoff gemeint, durch welchen es zu einer ungewollten Oxidation des Werkstücks kommen kann. Dieser liegt, abgesehen von eventuell vorhandenen Sauerstoffradikalen, in der Luft in der Regel als Molekül mit zwei Sauerstoffatomen vor.
In diesem Zusammenhang sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass als Zusatzmaterial ein Material oder eine Materialmischung verwendet wird, welches bzw. welche eine höhere Sauerstoffaffinität als das Werkstück aufweist.
Unter Sauerstoffaffinität wird dabei das Bestreben eines Stoffes bzw. Materials verstanden, Sauerstoff insbesondere durch chemische Reaktion an sich zu binden. Je höher die Sauerstoffaffinität eines Stoffes bzw. Materials ist, desto eher und desto mehr Sauerstoff wird an diesem Stoff bzw. Material gebunden.
Bei der Erfindung ist auch vorgesehen, dass als Zusatzmaterial ein Material oder eine Materialmischung verwendet wird, welches bzw. welche eine höhere massenbezogene spezifische Oberfläche als das Werkstück aufweist. Die höhere Sauerstoffaffinität kann sich im Wesentlichen über die größere Oberfläche ergeben, die für eine entsprechende Bindung des Sauerstoffs zur Verfügung steht. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass es im Sinne der Erfindung dann sogar ausreichen kann, dass das Zusatzmaterial aus demselben Material wie das Werkstück besteht, wobei das Zusatzmaterial dann eben eine höhere massenbezogene spezifische Oberfläche als das Werkstück haben muss. Unter der massenbezogenen spezifischen Oberfläche wird dabei die Gesamtheit aller in einem Körper bzw. Material vorhandenen Oberflächen, außen wie auch innen im Porenraum, verstanden, wobei diese Gesamtheit der Oberflächen auf die Masse des Körpers bzw. des Materials bezogen ist. Die massenbezogene spezifische Oberfläche kann in der Einheit m²/kg (Quadratmeter pro Kilogramm) angegeben werden. In Kombination mit einer höheren spezifischen Oberfläche kann auch vorgesehen sein, dass als Zusatzmaterial ein Material oder eine Materialmischung verwendet wird, welches zumindest ein chemisches Element oder zumindest eine chemische Verbindung aufweist, welches bzw. welche eine höhere Sauerstoffaffinität als das Material des Werkstücks aufweist. Dies ist dann der Fall, wenn das Material bzw. zumindest ein chemisches Element oder zumindest eine chemische Verbindung desselben an sich, also auch bei gleicher massenbezogener spezifischer Oberfläche eine höhere Sauerstoffaffinität als das Werkstück aufweist. In diesem Fall handelt es sich beim Zusatzmaterial dann um ein anderes Material bzw. um eine andere Materialzusammensetzung als beim Werkstück.
Generell gesprochen, wird durch die Verwendung des Zusatzmaterials im Stützmaterial der trotz Schutzgasatmosphäre in der Sinterkammer noch vorhandene Restsauerstoff am Zusatzmaterial chemisch gebunden, sodass er nicht mehr zu einer Oxidation des Werkstückes beim Sintervorgang zur Verfügung steht. Durch die Erfindung wird somit erreicht, dass es auch trotz eines gewissen Restsauerstoffgehalts in der Schutzgasatmosphäre zu keiner oder zumindest keiner wesentlichen Oxidation des Werkstücks während des Sinterverfahrens in der Sinterkammer kommt. Hierdurch kann die für das Sinterverfahren benötigte Schutzgasmenge reduziert werden, womit in der Regel ein entsprechender Kostenvorteil erzielt ist.
Unter Schutzgasatmosphäre wird dabei eine Gaszusammensetzung verstanden, die möglichst wenig Gehalt an freiem Sauerstoff aufweist. Zur Erzeugung dieser Schutzgasatmosphäre in der Sinterkammer können, wie an sich bekannt, entsprechende Inertgase zum Einsatz kommen. Dies können z.B. Stickstoff oder Edelgase sein. Besonders bevorzugt werden zur Bereitstellung der Schutzgasatmosphäre Argon und/oder Stickstoff in die Sinterkammer eingeleitet.
Erfindungsgemäße Verfahren werden besonders bevorzugt zum Sintern von dentalen Werkstücken eingesetzt. Der Begriff des dentalen Werkstücks umfasst dabei insbesondere all diejenigen künstlich angefertigten Komponenten, welche im Gebiss als Ersatz für natürliche Zähne oder Zahnbestandteile eingesetzt werden können, sowie Hilfskörper zum Befestigen und zur Herstellung solcher Zahnersatzteile. Bei den zu sinternden Werkstücken handelt es sich besonders bevorzugt um Metalle oder Metalllegierungen. Die Werkstücke können im Grünlings- oder Weißlingszustand gesintert werden.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass die keramischen Stützkörner zwischen dem Werkstück und dem Zusatzmaterial angeordnet werden. Hierdurch wird vermieden, dass das Zusatzmaterial beim Sintervorgang am Werkstück anhaftet.
Das Stützmaterial mit keramischen Stützkörnern weist zusätzlich zu den keramischen Stützkörnern das Zusatzmaterial zur Reduktion des Sauerstoffgehalts der Sinterkammer auf. Dieses Zusatzmaterial weist eine höhere Sauerstoffaffinität als die keramischen Stützkörner auf, um den Restgehalt an molekularem Sauerstoff in der Schutzgasatmosphäre zu binden, sodass dieser nicht mehr für eine Oxidation des Werkstücks während des Sintervorgangs zur Verfügung steht.
Das Stützmaterial kann ausschließlich aus körnigem, schüttfähigem Material bestehen. Bei diesen Ausgestaltungsformen liegen somit nicht nur die keramischen Stützkörner sondern auch das Zusatzmaterial, sowie gegebenenfalls vorhandene weitere Bestandteile als Körner bzw. Pulver vor. Die verschiedenen Komponenten des Stützmaterials können als eine homogene aber auch als eine inhomogene Mischung vorliegen. Wie bereits ausgeführt, ist es insbesondere in dem Bereich, in dem das Werkstück auf dem Stützmaterial direkt aufliegt, günstig, wenn dort nur oder im Wesentlichen nur keramische Stützkörner vorhanden sind. Die keramischen Stützkörner sind vorwiegend dazu da, das Werkstück zu tragen und zu stützen. Sie weisen günstigerweise, zumindest bei einer Betrachtung mit dem bloßen Auge, eine gerundete und/oder glatte äußere Oberfläche auf. Als Stützkörner können z.B. beim Stand der Technik an sich bekannte keramische Sinterperlen z.B. aus mit Yttrium teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid eingesetzt werden. Die keramischen Stützkörner weisen in bevorzugten Ausgestaltungsformen einen größeren Durchmesser als alle anderen Komponenten des Stützmaterials auf. Bevorzugt liegt ihr Durchmesser im Bereich zwischen 0,4mm und 2mm. Die keramischen Stützkörner können auch den Hauptbestandteil des Stützmaterials bilden. Bevorzugt besteht das Stützmaterial zu zumindest 90 Masseprozent, vorzugsweise zu zumindest 95 Masseprozent, besonders bevorzugt zu zumindest 98 Masseprozent aus den keramischen Stützkörnern. Die keramischen Stützkörner sind bevorzugt hoch temperaturbeständig, womit eine Temperaturbeständigkeit bis zumindest 1.600 °C gemeint ist.
Beim Zusatzmaterial zur Reduktion des Sauerstoffgehalts in der Sinterkammer handelt es sich bevorzugt um Metalle oder Metalllegierungen. Sie können bei entsprechend hoher massebezogener spezifischer Oberfläche, aber z.B. auch keramischer Art sein. Das Zusatzmaterial kann in Pellets- oder Pulverform vorliegen. Es kann sich aber auch um größere, vorzugsweise sieb- oder gitterartige, vorzugweise poröse, Körper, insbesondere Metallkörper, handeln. Diese können auch größer als der Durchmesser der genannten keramischen Stützkörper sein. Es kann sich z.B. um Kobaltchrommolybdän oder Titan oder Titanlegierungen handeln.
Insbesondere wenn das Zusatzmaterial zur Reduktion des Sauerstoffgehalts in der Sinterkammer als Pulver oder feinkörniges Material vorliegt, sehen bevorzugte Ausgestaltungsformen der Stützmaterialien vor, dass das Stützmaterial zusätzlich eine Trägersubstanz aufweist, an die sich das Zusatzmaterial anlagern kann. Es kann sich hierbei z.B. um keramische Materialien wie Aluminiumkorund handeln. Die Trägersubstanz weist günstigerweise eine raue und/oder abrasive Oberfläche auf. Sie kann mit einem Korndurchmesser zwischen 50 und 110 µm ausgestattet sein. Generell gesprochen, liegt der Korndurchmesser der Trägersubstanz günstigerweise zwischen dem größeren Korndurchmesser der keramischen Stützkörner und dem kleineren Korndurchmesser des z.B. in Pulverform vorliegenden Zusatzmaterials zur Reduktion des Sauerstoffgehalts in der Sinterkammer vor. Durch die raue abrasive Oberfläche der Trägersubstanz kommt es zu einer besonders guten Anlagerung des Zusatzmaterials. Durch den geringeren Korndurchmesser kann die Trägersubstanz samt des daran angelagerten Zusatzmaterials zwischen den keramischen Stützkörnern und seinen glatten Oberflächen hindurchgleiten und sich, zumindest im Wesentlichen, unter den keramischen Stützkörpern ablagern. Hierdurch wird die oben bereits erwähnte bevorzugte Ausgestaltungsform erreicht, bei der die keramischen Stützkörner zwischen dem Werkstück und dem Zusatzmaterial angeordnet sind. Dadurch wird zumindest weitgehend verhindert, dass das Werkstück während des Sintervorgangs mit dem Zusatzmaterial in direkten physischen Kontakt kommen kann. Die Trägersubstanz nimmt, soweit sie vorhanden ist, günstigerweise einen Anteil von 0,1 bis 2 Masseprozent des Stützmaterials ein. Die Trägersubstanz ist günstigerweise ebenfalls hoch temperaturbeständig, weist also bevorzugt eine Temperaturbeständigkeit bis mindestens 1.600° C auf. Der Anteil des Zusatzmaterials zur Reduktion des Sauerstoffgehalts in der Sinterkammer am Stützmaterial beträgt bei solchen, zumindest dreikomponentigen Mischungen günstigerweise zumindest 0,1 Masseprozent des Stützmaterials.
Bei einer Anordnung mit einer Sinterkammer und zumindest einem in der Sinterkammer angeordneten Werkstück, wobei das Werkstück in der Sinterkammer von einem erfindungsgemäßen Stützmaterial abgestützt ist, sorgt das Stützmaterial vorwiegend mittels der keramischen Stützkörper für eine gute Lagerung und Abstützung des Werkstücks während des Sinterprozesses. Das Zusatzmaterial entzieht der Schutzgasatmosphäre den freien Restsauerstoff, sodass dieser nicht mehr für eine Oxidation des Werkstückes während des Sintervorganges zur Verfügung steht. Durch die Verteilung des Zusatzmaterials im Stützmaterial wird bevorzugt einerseits sichergestellt, dass das Zusatzmaterial nicht in direkten Kontakt mit dem Werkstück kommt und damit auch nicht daran anhaften kann. Andererseits ist das Zusatzmaterial im Stützmaterial aber während des Sintervorgangs in unmittelbarer Nachbarschaft bzw. Nähe zum Werkstück, sodass insbesondere in der unmittelbaren Umgebung des Werkstücks besonders wenig freier bindungsfähiger Restsauerstoff zur ungewollten Oxidation des Werkstücks während des Sintervorgangs vorhanden ist. Sofern das Stützmaterial in Form von Schüttgut bzw. einer körnigen Mischung mit den genannten zwei oder drei Komponenten vorliegt, kann es durch einen mechanischen Mischvorgang hergestellt werden, indem den keramischen Stützkörnern als Hauptbestandteil entsprechende Anteile an Zusatzmaterial und gegebenenfalls auch Trägersubstanz zugemischt werden. Die Anlagerung des Zusatzmaterials an der Trägersubstanz kann während des Mischvorgangs erfolgen. Das zu sinternde Werkstück liegt in der Sinterkammer während des Sintervorgangs vorzugsweise direkt auf dem Stützmaterial auf und wird so von diesem abgestützt.
Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden beispielhaft in der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand von schematisierten Darstellungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 vergrößert und schematisiert dargestellt, ein Stützmaterial in Form von reinem Schüttgut bzw. einer Körnermischung;
Fig. 2 eine alternative Ausgestaltungsform eines Stützmaterials, bei der das Zusatzmaterial zur Reduktion des Sauerstoffgehalts in der Sinterkammer als poröser Festkörper ausgebildet ist und
Fig. 3 beispielhaft eine Anordnung, bei der ein zu sinterndes Werkstück in einer Sinterkammer auf dem Stützmaterial aufliegt.

In Fig. 1 handelt es sich bei dem Stützmaterial 3 vollständig um eine Kornmischung bzw. um Schüttgut. Die keramischen Stützkörner 4 weisen eine vollständig gerundete äußere Oberfläche auf. Sie bilden den Hauptbestandteil des Stützmaterials 3 und weisen auch den größten Durchmesser auf. In den Zwischenräumen zwischen den keramischen Stützkörnern 4 befindet sich das Zusatzmaterial 5, welches bevorzugt an der Trägersubstanz 6 angelagert ist. Die Durchmesser der Körner des Zusatzmaterials 5 und der Trägersubstanz 6 sind deutlich geringer als die Durchmesser der keramischen Stützkörner 4. Bei dem Ausführungsbeispiel eines Stützmaterials 3 in Fig. 1 handelt es sich um eine Mischung aus den genannten drei Komponenten 4, 5 und 6.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausgestaltungsform eines Stützmaterials 3. Hier sind nur zwei Komponenten, nämlich die keramischen Stützkörner 4 und das Zusatzmaterial 5 vorhanden. Der das Zusatzmaterial 5 bildende Anteil ist hier ein in sich zusammenhängender poröser Körper, auf dem die keramischen Stützkörner 4 aufliegen. In den Zwischenräumen zwischen den keramischen Stützkörnern befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel keine weiteren Komponenten des Stützmaterials 3. Natürlich sind auch Mischformen der in Fig. 1 und 2 gezeigten Varianten möglich.
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine sehr vereinfacht dargestellte Sinterkammer 2. Durch die Ein- und Auslässe 7 kann Schutzgas in den gegen die äußere Atmosphäre abgeschirmten Innenraum 8 eingeleitet werden. Durch Spülen des Innenraums 8 mit Schutzgas über die Ein- und Auslässe 7, kann der Innenraum 8 zumindest im Wesentlichen mit Schutzgasatmosphäre aufgefüllt werden. Um die Menge an benötigtem Schutzgas aber möglichst gering zu halten, ist im Innenraum 8 der Sinterkammer 2 zusätzlich zum zu sinternden Werkstück 1 Stützmaterial 3 vorgesehen, in welches das Werkstück 1 während des Sintervorgangs eingebettet ist bzw. auf welchem es aufliegt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Stützmaterial 3 handelt es sich um eine schüttgutartige Körnermischung mit den drei Komponenten 4, 5 und 6, wie sie grundsätzlich in Fig. 1 dargestellt ist. Allerdings ist das an die Trägersubstanz 6 gebundene Zusatzmaterial 5 im Wesentlichen nach unten auf den Boden der Sinterkammer absedimentiert, sodass das Werkstück 1 im Wesentlichen nur mit den keramischen Stützkörnern 4 in direktem Kontakt ist. Trotzdem ist das an der Trägersubstanz 6 gebundene Zusatzmaterial 5 in relativer Nähe um das Werkstück 1 gleichmäßig herum verteilt und kann damit in unmittelbarer Nähe des Werkstücks 1 den in der Schutzgasatmosphäre vorhandenen Restgehalt an freiem Sauerstoff binden, damit dieser nicht zur Oxidation des Werkstücks 1 während es Sintervorgangs zur Verfügung steht.
Abweichend von der in Fig. 3 gezeigten Anordnung können natürlich auch andere, beim Stand der Technik bekannte Sinterkammern 2 eingesetzt werden. Natürlich kann auch die in Fig. 3 konkret dargestellte Version des Stützmaterials 3 durch andere Ausgestaltungsformen, insbesondere durch die in Fig. 2 dargestellte Variante, ersetzt werden.

Legende

zu den Hinweisziffern:

1: Werkstück
2: Sinterkammer
3: Stützmaterial
4: keramische Stützkörner
5: Zusatzmaterial
6: Trägersubstanz
7: Ein- bzw. Auslass
8: Innenraum

Claims

Verfahren zum Sintern zumindest eines, insbesondere dentalen, Werkstücks (1) unter Verwendung einer Schutzgasatmosphäre in einer Sinterkammer (2), wobei das Werkstück (1) in der Sinterkammer (2) während des Sintervorgangs von einem Stützmaterial (3) abgestützt wird, wobei als Stützmaterial (3) keramische Stützkörner (4) zusammen mit zumindest einem Zusatzmaterial (5) zur Reduktion des Sauerstoffgehalts in der Sinterkammer (2) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass als das Zusatzmaterial (5) ein Material oder eine Materialmischung verwendet wird, welches bzw. welche eine höhere Sauerstoffaffinität als das Werkstück (1) aufweist und welches bzw. welche eine höhere massenbezogene spezifische Oberfläche als das Werkstück (1) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als das Zusatzmaterial (5) ein Material oder eine Materialmischung verwendet wird, welches zumindest ein chemisches Element oder zumindest eine chemische Verbindung aufweist, welches bzw. welche eine höhere Sauerstoffaffinität als das Material des Werkstücks (1) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Stützkörner (4) zwischen dem Werkstück (1) und dem Zusatzmaterial (5) angeordnet werden.