DE102011105413B4 - Plunger tool for spark discharge sintering or field activated sintering - Google Patents

Abstract

Druckstempelwerkzeug für das Funkenentladungssintern oder das feldaktivierte Sintern, das mit mindestens einem Stempel (1) gebildet ist, der für eine Verdichtung und Sinterung eines pulverförmigen Werkstoffs in einen Hohlraum einer Matrize einführbar und mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoffgebildet und an eine elektrische Spannungsquelle anschließbar ist; wobei Bereiche mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Stempel (1) ein oder mehrere Bereich(e) mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit mit mehreren Hohlräumen (1.1, 1.2, 1.3) ausgebildet ist/sind und/oder am Stempel (1) Bereiche mit mindestens zwei Teilen (1.4, 1.5) eines Stempels (1), die aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, gebildet sind und/oder am Stempel (1) ein Bereich mit einem in Richtung einer Druckplatte (2) offener Hohlraum (1.3) ausgebildet ist, der teil- oder bereichsweise mit einem anderen Werkstoff, als dem Werkstoff aus dem der Stempel (1) gebildet ist, befüllt ist und mit einer Druckplatte (2), die zwischen Stempel (1) und zu sinterndem Werkstoff in eine Matrize einführbar ist; wobei der/die Bereich(e) in Abhängigkeit des jeweiligen zu sinternden Werkstoffs und/oder der Dimensionierung des zu sinternden Werkstücks angeordnet und/oder dimensioniert ist/sind.A plunger tool for spark discharge sintering or field activated sintering formed with at least one punch (1) insertable into a cavity of a die for densification and sintering of a powdery material and formed with an electrically conductive material and connectable to an electrical power source; wherein regions with different electrical conductivity are present, characterized in that one or more regions (e) with different electrical conductivity with a plurality of cavities (1.1, 1.2, 1.3) are / is formed on the stamp (1) and / or on the stamp (1 ) Areas with at least two parts (1.4, 1.5) of a stamp (1), which are formed from different materials, are formed and / or on the stamp (1) an area with a in the direction of a pressure plate (2) open cavity (1.3) is formed, which is partially or partially filled with a different material than the material from which the punch (1) is formed and with a pressure plate (2) between the punch (1) and sintered material into a die insertable is; wherein the region (s) is arranged and / or dimensioned as a function of the respective material to be sintered and / or the dimensioning of the workpiece to be sintered.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckstempelwerkzeug für das Funkenentladungssintern (SPS – Spark Plasma Sintering) oder das feldaktivierte Sintern (FAST – Field Activated Sintering). Dabei werden drei Teile (2 Stempel und eine Matrize) eingesetzt. Stempel können dabei aus mehreren Teilen, z. B. einer Druckplatte und einem Stempel, die gemeinsam in einen Hohlraum einer Matrize eines Sinterwerkzeugs eingeführt werden können, gebildet sein. Der Hohlraum ist mit einem zu sinternden pulverförmigen Werkstoff befüllt. Üblicherweise werden solche Stempelwerkzeuge von zwei sich gegenüberliegenden Seiten eingeführt, so dass der pulverförmige Werkstoff beim Sintern mit einer Druckkraft beaufschlagt zusammen gepresst wird. Dabei wird eine elektrische Spannung angelegt, so dass ein elektrischer Strom von einem Druckstempelwerkzeug, über die Matrize zum anderen Druckstempelwerkzeug fließt, der zu einer ausreichenden Erwärmung führt. Bei elektrisch leitfähigen zu sinternden Werkstoffen erfolgt ein elektrischer Stromfluss durch die zu sinternde Pulverschüttung.The invention relates to a plunger tool for spark discharge sintering (SPS - Spark Plasma Sintering) or field-activated sintering (FAST - Field Activated Sintering). In this case, three parts (2 punches and a die) are used. Stamps can consist of several parts, eg. B. a pressure plate and a punch, which can be introduced together into a cavity of a die of a sintering tool, be formed. The cavity is filled with a powdery material to be sintered. Typically, such stamping tools are introduced from two opposite sides, so that the powdery material is subjected to a compressive force during sintering pressed together. In this case, an electrical voltage is applied, so that an electric current flows from a pressure die, via the die to the other pressure die, which leads to a sufficient heating. In the case of electrically conductive materials to be sintered, there is an electrical current flow through the powder bed to be sintered.

Mittels des Funkenentladungssinterns (SPS – Spark Plasma Sintering) oder das feldaktivierte Sintern (FAST – Field Activated Sintering) werden üblicherweise schwer sinterbare Werkstoffe gesintert. In der Literatur sind beide Bezeichnungen für das Verfahren gebräuchlich. Dabei treten jedoch Probleme durch die hohen Temperaturgradienten beim Sintern innerhalb des zu sinternden Werkstoffvolumens auf, was insbesondere bei größeren Volumina (Außendurchmesser ab ca. 50 mm) zu Problemen an den äußeren Rändern der gesinterten Werkstücke führt. Dabei wirken sich bei den für das Funkenentladungssintern (SPS) oder das feldaktivierte Sintern (FAST) eingesetzten Werkzeugen die geforderte gleichzeitige Verdichtung des pulverförmigen Werkstoffs und die bei der Erwärmung und dem Halten der Temperatur gewünschte homogene Temperaturverteilung als wichtige Anforderungen aus. Da die Erwärmung in Form Joule'scher Wärme durch einen fließenden elektrischen Strom erreicht werden soll, spielen der jeweilige lokale elektrische Widerstand der einzelnen Werkzeugkomponenten und hier besonders die der Druckstempel und der Matrize eine wichtige Rolle. Die Werkzeugkomponenten müssen dabei eine ausreichende mechanische Festigkeit auch bei den hohen Sintertemperaturen aufweisen.By spark discharge sintering (SPS - Spark Plasma Sintering) or field-activated sintering (FAST - Field Activated Sintering) usually sintered materials are difficult sintered. In the literature both terms are common to the process. However, problems arise due to the high temperature gradients during sintering within the material volume to be sintered, which leads to problems at the outer edges of the sintered workpieces, in particular for larger volumes (outer diameter from about 50 mm). In the case of the tools used for spark discharge sintering (SPS) or field-activated sintering (FAST), the required simultaneous compaction of the powdered material and the desired homogeneous temperature distribution during heating and maintaining the temperature have important requirements. Since the heating in the form of Joule heat is to be achieved by a flowing electric current, the respective local electrical resistance of the individual tool components and in this case in particular those of the pressure stamp and the die play an important role. The tool components must have sufficient mechanical strength even at the high sintering temperatures.

Vor allem große Werkstücke ab 60 mm Außendurchmesser zeigen bei der Verdichtung und Erwärmung eine starke Überhitzung im äußeren Randbereich für elektrisch nicht leitende Werkstoffe, der in der Nähe der bei den Werkzeugen eingesetzten Matrize angeordnet ist. Bei kleineren so herzustellenden Werkstücken konnte dieser Effekt durch Einsatz von Matrizen mit größerer Wandstärke reduziert werden, was bei größeren Werkstücken jedoch nicht zum gewünschten Ergebnis geführt hat. Größer dimensionierte Werkzeuge oder Werkzeugkomponenten, insbesondere Matrizen führen aber zu großen Eigenmassen und großen thermischen Massen mit entsprechend hoher Wärmekapazität. Bei elektrisch leitenden zu sinternden Werkstoffen treten höhere Temperaturen im Zentrum gegenüber niedrigeren Temperaturen im Randbereich während des Sinterns auf.Above all, large workpieces with an outside diameter of more than 60 mm show, during compaction and heating, a strong overheating in the outer edge area for electrically nonconductive materials, which is arranged in the vicinity of the die used in the tools. For smaller workpieces to be produced this effect could be reduced by using matrices with greater wall thickness, which has not led to the desired result for larger workpieces. However, larger-sized tools or tool components, in particular dies, lead to large intrinsic masses and large thermal masses with correspondingly high heat capacity. In the case of electrically conductive materials to be sintered, higher temperatures occur in the center compared with lower temperatures in the edge region during sintering.

Da aber beim Funkenentladungssintern (SPS) oder dem feldaktivierten Sintern (FAST) hohe Heiz- und Abkühlraten gewünscht und besondere Vorteile dieser beiden Sinterverfahren sind, wäre eine Vergrößerung der Werkzeuge, insbesondere wegen des dadurch erhöhten Energiebedarfs, kontraproduktiv und die eingesetzten Werkzeuge mit ihren Werkzeugkomponenten sollten daher so klein als möglich sein und eine möglichst kleine Eigenmasse aufweisen.However, since high heating and cooling rates are desired for spark discharge sintering (SPS) or field-activated sintering (FAST) and an especial advantage of these two sintering processes, enlarging the tools, in particular because of the increased energy requirement, would be counterproductive and the tools used with their tool components should Therefore, be as small as possible and have the smallest possible net mass.

Von J. Langer ist in der Dipomarbeit „Vergleich der durch das elektrische Feld aktivierten Sintertechnologie mit dem Heißpressverfahren anhand von Oxidkeramiken”; Techische Universität Darmstadt 2010 eine Ausführung von Stempeln für Druckstempelwerkzeuge bekannt, bei der in einem Stempel eine zentrale Sacklochbohrung ausgebildet ist, die einmal zur Bestimmung der Temperatur mittels Pyrometer und zum anderen für eine Justierung genutzt werden sollen.By J. Langer is in the Dipomarbeit "Comparison of the activated by the electric field sintering technology with the hot pressing method based on oxide ceramics"; Techische Universität Darmstadt 2010 an execution of punches for pressure stamping tools known in which a stamp is formed a central blind hole, which should be used once for the determination of the temperature by means of a pyrometer and the other for an adjustment.

Von K. Vanmeensel u. a. ist es aus „Modelling oft he temperature distribution during field assisted sinterung”; Acta Materialia; 53; 2005; S. 4379–4388 bekannt zwischen Stempeln und dem Sinterwerkstoff Plättchen aus Al₂O₃ während des Sinterns anzuordnen. Die Plättchen bilden dabei eine elektrische Isolation.By K. Vanmeensel et al. It is from "modeling often he temperature distribution during field assisted sintering"; Acta Materialia; 53; 2005; S. 4379-4388 known between stamps and the sintered material to arrange plates of Al ₂ O ₃ during sintering. The platelets form an electrical insulation.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, bei der die Vorteile der Verfahren des Funkenentladungssinterns (SPS) oder des feldaktivierten Sinterns (FAST) ausgenutzt werden und dabei auch bei größeren Werkstückvolumina eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb des Werkstücks beim Sintern eingehalten werden kann, so dass ein homogener Werkstoff und eine homogene Kornausbildung im gesamten Werkstückvolumen erreichbar ist/sind.It is therefore an object of the invention to provide ways in which the advantages of the methods of spark discharge sintering (SPS) or field-activated sintering (FAST) are exploited and thereby even with larger workpiece volumes a more homogeneous temperature distribution within the workpiece during sintering can be maintained, so that a homogeneous material and a homogeneous grain formation in the entire workpiece volume can be achieved / are.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Einsatz eines Druckstempelwerkzeugs, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen realisiert werden.According to the invention this object is achieved with the use of a pressure stamping tool having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with technical features described in the subordinate claims.

Das erfindungsgemäße Druckstempelwerkzeug ist mit mindestens einem Stempel gebildet, der für eine Verdichtung und Sinterung eines pulverförmigen Werkstoffs in einen Hohlraum einer Matrize einführt werden kann. Er ist mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet und kann an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen werden. Es sind Bereiche mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit vorhanden. The pressure stamping tool according to the invention is formed with at least one stamp, which can be introduced for a compression and sintering of a powdery material in a cavity of a die. It is formed with an electrically conductive material and can be connected to an electrical voltage source. There are areas with different electrical conductivity.

So können in einer ersten erfindungsgemäßen Alternative am Stempel ein oder mehrere Bereich(e) mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit mit mehreren Hohlräumen, die im Stempel ausgebildet sind, gebildet werden.Thus, in a first alternative according to the invention, one or more regions with different electrical conductivity with a plurality of cavities formed in the stamp can be formed on the stamp.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative können solche Bereiche mit mindestens zwei Teilen eines Stempels, die aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, gebildet werden.In a further alternative according to the invention, such areas can be formed with at least two parts of a stamp, which are formed from different materials.

In einer dritten erfindungsgemäßen Alternative kann mindestens ein solcher Bereich mit einer Druckplatte, die zwischen Stempel und zu sinterndem Werkstoff in eine Matrize eingeführt werden kann, gebildet werden.In a third alternative according to the invention, at least one such area can be formed with a pressure plate which can be introduced into a die between punch and material to be sintered.

Bei der Erfindung können die drei genannten Alternativen auch miteinander kombiniert eingesetzt sein.In the invention, the three alternatives mentioned can also be used in combination.

Der/die Bereich(e) sollen in Abhängigkeit des jeweiligen zu sinternden Werkstoffs und/oder der Dimensionierung des zu sinternden Werkstücks angeordnet und/oder dimensioniert sein. Dabei stellt ein zu berücksichtigender Parameter die elektrische Leitfähigkeit des zu sinternden Werkstoffs dar.The area (s) should be arranged and / or dimensioned as a function of the respective material to be sintered and / or the dimensioning of the workpiece to be sintered. In this case, a parameter to be considered represents the electrical conductivity of the material to be sintered.

Ein Stempel ist dabei vollständig oder teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, bevorzugt Graphit, gebildet.A stamp is completely or partially formed from an electrically conductive material, preferably graphite.

Eine Druckplatte kann während des Sinterns in der Matrize in Kontakt mit dem zu sinternden Werkstoff stehen. Der Stempel liegt dabei an der dem zu sinternden Werkstoff gegenüberliegenden Oberfläche der Druckplatte an. Über den Stempel ohne Druckplatte oder bei einem Einsatz eines Stempels mit Druckplatte kann dann die zum Zusammenpressen des zu sinternden Werkstoffs erforderliche Druckkraft ausgeübt werden.A pressure plate may be in contact with the material to be sintered during sintering in the die. The stamp lies against the surface of the printing plate opposite the material to be sintered. About the stamp without printing plate or when using a stamp with pressure plate can then be applied to compress the material to be sintered required compressive force.

An der gegenüberliegenden Seite kann ein zweites Druckstempelwerkzeug in den Hohlraum der Matrize eingeführt werden, mit dem die Gegenkraft aufgebracht werden kann. Auch dieses Druckstempelwerkzeug kann genau so ausgebildet sein.On the opposite side, a second pressure stamping tool can be introduced into the cavity of the die, with which the counterforce can be applied. This pressure stamping tool can also be designed exactly like this.

Am Stempel eines Druckstempelwerkzeugs ist mindestens ein Hohlraum ausgebildet, der mindestens an der in Richtung Druckplatte und dem zu sinterndem Werkstoff weisenden ebenen planaren Oberfläche des Stempels offen ist.At least one cavity is formed on the plunger of a plunger tool and is open at least on the plane planar surface of the plunger pointing in the direction of the pressure plate and the material to be sintered.

Sind mehrere Hohlräume im Stempel vorhanden sollten sie symmetrisch zur mittleren Längsachse, die parallel zur Richtung der wirkenden Druckkräfte während des Sinterns ausgerichtet ist, angeordnet sein, um einen gleichmäßigeren elektrischen Stromfluss und symmetrische Verhältnisse für die Wärmeleitung und die mechanische Kraftübertragung einhalten zu können.If there are several cavities in the stamp, they should be arranged symmetrically to the central longitudinal axis, which is aligned parallel to the direction of the acting compressive forces during sintering, in order to be able to maintain a more uniform electric current flow and symmetrical conditions for the heat conduction and the mechanical power transmission.

Ein Hohlraum oder mehrere Hohlräume können in Form einer Bohrung, Sacklochbohrung mit kreisförmigem, ellipsenförmigem oder mehreckigem Querschnitt und/oder in Form eines Ringspaltes oder von Ringspaltsegmenten ausgebildet sein. Ringspaltsegmente sollten auf gleichem Radius angeordnet und möglichst gleiche Winkelabstände zueinander aufweisen. Hohlräume können dabei, wie Durchgangsbohrungen durch den gesamten Stempel hindurch geführt sein.A cavity or a plurality of cavities may be formed in the form of a bore, blind bore with a circular, elliptical or polygonal cross section and / or in the form of an annular gap or annular gap segments. Annular gap segments should be arranged at the same radius and should have the same angular distances to each other. Hollow spaces can be guided through the entire punch like through holes.

Die Dimensionierung und Anordnung der Hohlräume kann auf das jeweilige Druckstempelwerkzeug und den Sinterprozess optimiert werden. Dabei kann die erforderliche Festigkeit ebenso wie die lokale elektrische Leitfähigkeit, die für die Erwärmung eine wesentliche Rolle spielt, berücksichtigt werden.The dimensioning and arrangement of the cavities can be optimized for the particular pressure die tool and the sintering process. In this case, the required strength as well as the local electrical conductivity, which plays an important role in the heating, be taken into account.

Günstig ist es, wenn ein Hohlraum mit kreisförmiger Querschnittsfläche mit seinem Mittelpunkt in der Längsachse des Stempels angeordnet ist.It is advantageous if a cavity with a circular cross-sectional area is arranged with its center in the longitudinal axis of the punch.

Bei einem erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeug können auch um den Hohlraum, der mit seinem Mittelpunkt in der Längsachse des Stempels angeordnet ist, weitere Hohlräume symmetrisch angeordnet sein.In a pressure stamping tool according to the invention, further cavities can also be arranged symmetrically around the cavity, which is arranged with its center in the longitudinal axis of the stamp.

Außerdem ist mindestens ein Hohlraum teil- oder bereichsweise mit einem anderen Werkstoff, als dem Werkstoff aus dem der Stempel gebildet ist, befüllt. Dabei können die mechanische Festigkeit und die elektrischen sowie thermischen Parameter lokal weiter positiv beeinflusst werden.In addition, at least one cavity partially or partially filled with a different material than the material from which the stamp is formed, filled. The mechanical strength and the electrical and thermal parameters can be further positively influenced locally.

Dieser Werkstoff, mit dem mindestens ein Hohlraum befüllt ist, kann elektrisch nicht leitfähig sein oder einen elektrischen Widerstand aufweisen, der mindestens 50% größer ist, als der elektrische Widerstand des Werkstoffs aus dem Druckplatte und Stempel gebildet sind.This material, with which at least one cavity is filled, may be electrically non-conductive or have an electrical resistance which is at least 50% greater than the electrical resistance of the material of the pressure plate and stamp are formed.

Es können aber auch Hohlräume mit anderen Werkstoffen befüllt sein, bei denen deren jeweilige Wärmekapazität, die thermische Leitfähigkeit, thermische Ausdehnung oder deren Phasenwechseltemperaturen ausgenutzt werden können.But it can also be cavities filled with other materials, in which their respective heat capacity, the thermal conductivity, thermal expansion or their phase change temperatures can be exploited.

Mehrere Hohlräume können auch mit unterschiedlichen Werkstoffen, die eine jeweils unterschiedliche elektrische, thermische Ausdehnung und/oder thermische Leitfähigkeit aufweisen, befüllt sein. Dadurch kann die jeweilige unterschiedliche Eigenschaft bzw. das Verhalten lokal gezielt ausgenutzt werden.Several cavities can also be filled with different materials which each have different electrical, thermal expansion and / or thermal conductivity. As a result, the respective different property or the behavior can be specifically exploited locally.

Bei der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, den Stempel aus mindestens zwei Teilen auszubilden, die formschlüssig miteinander gefügt und/oder gemeinsam in einen Hohlraum einer Matrize eingeführt werden können. Dabei kann in mindestens einem der beiden Teile mindestens ein Hohlraum ausgebildet sein. Bei einem aus mindestens zwei Teilen gebildeten Stempel können die beiden Teile auch aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sein. In diesem Fall kann ein erstes Teil als Hohlzylinder und ein zweites Teil als Voll- oder ebenfalls als Hohlzylinder ausgebildet sein. Das zweite Teil kann dann in den Hohlraum des ersten Teils eingeführt sein.In the case of the invention, it is also possible to form the stamp from at least two parts which can be positively joined together and / or inserted together into a cavity of a die. In this case, at least one cavity may be formed in at least one of the two parts. In a stamp formed from at least two parts, the two parts may also be formed of different materials. In this case, a first part may be formed as a hollow cylinder and a second part as a solid or also as a hollow cylinder. The second part may then be inserted into the cavity of the first part.

Bei einem erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeug sollte die Summe der Flächen der mehreren Hohlräume mindestens 30% der Gesamtfläche der Gesamtquerschnittsfläche des Stempels, die senkrecht zur Richtung der wirkenden Druckkräfte ausgerichtet ist, ausmachen.In a plunger tool according to the invention, the sum of the areas of the plurality of cavities should be at least 30% of the total area of the overall cross-sectional area of the punch aligned perpendicular to the direction of the acting compressive forces.

Durch die Reduzierung der Flächenquerschnitte im Bereich des Stempels um die Hohlräume erhöht sich dort die elektrische Stromdichte. Bei Teilen eines Stempels aus unterschiedlichen Werkstoffen, mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit erfolgt ein elektrischer Stromfluss über ein Teil, wenn das andere Teil aus elektrisch nicht leitfähigem Werkstoff besteht, so dass die elektrische Stromdichte im Bereich des einen Teils ebenfalls erhöht ist. Ähnlich verhält es sich bei zwei Werkstoffen mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit. Dabei kommt es in den lokalen Bereichen der unterschiedlichen Teile ebenfalls zu unterschiedlichen elektrischen Stromdichten, was zu entsprechend lokal differenzierten Temperaturen bei der Sinterung führt.By reducing the area cross sections in the area of the punch around the cavities, the electrical current density increases there. When parts of a stamp made of different materials, with different electrical conductivity is an electrical current flow over a part, when the other part of electrically non-conductive material, so that the electric current density in the region of one part is also increased. The situation is similar for two materials with different electrical conductivity. In the local areas of the different parts, different electrical current densities also result, which leads to correspondingly locally differentiated temperatures during sintering.

Im Falle einer Druckplatte aus einem dielektrischen Werkstoff oder einer solchen vollflächigen Beschichtung kann es der Fall sein, dass der elektrische Stromfluss über die um die Druckplatte angeordnete Matrize aus elektrisch leitfähigem Werkstoff, bevorzugt Graphit, herum erfolgt.In the case of a pressure plate made of a dielectric material or such a full-surface coating, it may be the case that the electrical current flow takes place over the die arranged around the pressure plate of electrically conductive material, preferably graphite.

Die lokal erhöhte elektrische Stromdichte führt zu einer Erhöhung der Temperatur und der Joule'schen Wärme in diesen Bereichen, wodurch gezielt Einfluss auf Temperaturgradienten beim Sintern des pulverförmigen Werkzeugs innerhalb der Matrize genommen werden kann. Durch die geometrische Gestaltung der Stempel mit den Hohlräumen in ihrer Anordnung und Dimensionierung kann eine sehr gute Anpassung an die thermischen Anforderungen beim Sintern und auch eine ausreichende mechanische Festigkeit und Stabilität erreicht werden. Das Druckstempelwerkzeug kann gegenüber den herkömmlichen Standardwerkzeugen eine reduzierte Masse und dadurch auch eine reduzierte Wärmekapazität aufweisen. Auch die elektrische Leistungsbilanz kann beim gesamten Sinterprozess verbessert werden.The locally increased electrical current density leads to an increase in the temperature and the Joule heat in these areas, whereby specific influence on temperature gradients during sintering of the powdered tool can be taken within the matrix. Due to the geometric design of the stamp with the cavities in their arrangement and dimensioning a very good adaptation to the thermal requirements during sintering and also a sufficient mechanical strength and stability can be achieved. The pressure stamping tool can have a reduced mass and thus also a reduced heat capacity compared to the conventional standard tools. The electrical power balance can also be improved during the entire sintering process.

So können beispielsweise bei zu sinternden elektrisch nicht oder nur gering leitfähigen Werkstoffen, wie z. B. Siliciumnitrid eine signifikante Reduzierung der Temperaturunterschiede im Volumen im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugausführungen erreicht werden. Dies kann neben in-situ Temperaturmessungen mit Pyrometern an unterschiedlichen Positionen nachgewiesen werden. Bei Siliciumnitrid ist auch ein Nachweis der Wirkung, mit den gebildeten α- und β-Phasen möglich.Thus, for example, to be sintered electrically or only slightly conductive materials such. As silicon nitride, a significant reduction in temperature differences in volume compared to conventional tool designs can be achieved. This can be demonstrated in addition to in-situ temperature measurements with pyrometers at different positions. In the case of silicon nitride, it is also possible to demonstrate the effect with the formed α and β phases.

Der jeweilige Anteil dieser Phasen ist von den Temperaturen und dem Temperaturregime über der Zeit beim Sintern abhängig. Eine Bestimmung der lokal gebildeten Anteile beider Phasen ist im Nachgang zur Sinterung eines Werkstücks möglich. Dadurch kann überprüft werden, wie die Sinterung erfolgt und insbesondere welche Temperaturverteilung während des Sinterns aufgetreten ist. So konnte die mit herkömmlichen Druckstempelwerkzeugen nicht vermeidbare vollständige Umwandlung von α- zu β-Siliciumnitrid in äußeren Randbereichen von Werkstücken, die in der Nähe der Matrize beim Sintern angeordnet waren, zumindest reduziert werden.The respective proportion of these phases depends on the temperatures and the temperature regime over the time during sintering. A determination of the locally formed components of both phases is possible in the wake of the sintering of a workpiece. In this way, it is possible to check how the sintering takes place and, in particular, what temperature distribution has occurred during sintering. Thus, the complete conversion of α- to β-silicon nitride unavoidable with conventional die-stamping tools could be at least reduced in outer peripheral areas of workpieces located in the vicinity of the die during sintering.

Obwohl die verfügbare Querschnittsfläche am Stempel eines erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeugs reduziert ist, können neben höheren Heiz- auch höhere Abkühlraten erreicht werden, was die Effizienz des Sinterverfahrens verbessert.Although the available cross-sectional area on the die of a pressure die according to the invention is reduced, higher cooling rates and higher cooling rates can be achieved, which improves the efficiency of the sintering process.

Wie bereits angesprochen, können die Anzahl, Tiefe, Durchmesser, freie Querschnitt und die Anordnung von Hohlräumen je nach Anwendungsfall variiert werden. Die Einhaltung symmetrischer Verhältnisse ist dabei zu bevorzugen. Dabei kann beachtet werden, dass bei elektrisch nicht leitfähigen zu sinternden Werkstoffen üblicherweise im äußeren Randbereich höhere Temperaturen als im Zentrum während der Sinterung erreicht werden. Bei elektrisch leitfähigen zu sinternden Werkstoffen ist dies gegenteilig der Fall.As already mentioned, the number, depth, diameter, free cross section and the arrangement of cavities can be varied depending on the application. The observance of symmetrical conditions is to be preferred. It can be noted that in electrically non-conductive materials to be sintered usually higher temperatures are achieved in the outer edge region than in the center during sintering. In the case of electrically conductive materials to be sintered, this is the opposite case.

Wie bereits ausgeführt, können Hohlräume befüllt werden. Hierfür können Werkstoffe mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und/oder thermischem Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt werden. Dabei kann in einen oder allen Hohlräumen der gleiche Werkstoff für das Befüllen genutzt werden, dessen elektrische Leitfähigkeit und/oder dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient vom Stempelwerkstoff abweicht. Es besteht aber auch die Möglichkeit in Hohlräume unterschiedliche Werkstoffe einzufüllen. Geeignete dielektrische Werkstoffe sind beispielsweise BN, hBN, hBN-Komposite, SiC, SiC-Komposite, Si₃N₄, AlN, B₄C, ZrO₂ und Al₂O₃.As already stated, cavities can be filled. For this purpose, materials with different electrical conductivity and / or thermal expansion coefficients can be used become. It can be used in one or all cavities of the same material for filling, the electrical conductivity and / or its thermal expansion coefficient deviates from the stamp material. But it is also possible to fill in cavities different materials. Suitable dielectric materials are, for example, BN, hBN, hBN composites, SiC, SiC composites, Si ₃ N ₄ , AlN, B ₄ C, ZrO ₂ and Al ₂ O ₃ .

Es besteht aber auch die Möglichkeit Werkstoffe mit höherer thermischer Leitfähigkeit, als dem Werkstoff, aus dem der Stempel und ggf. auch die Druckplatte gebildet ist/sind, einzusetzen. Dabei kann neben der thermischen Leitfähigkeit ggf. auch ein Phasenwechsel dieses Werkstoffs während des Sinterns ausgenutzt werden. Solche Werkstoffe können beispielsweise Metalle oder Metalllegierungen sein, deren Schmelztemperatur in einem beim Sintern auftretenden Temperaturbereich liegt.However, it is also possible materials with higher thermal conductivity, as the material from which the stamp and possibly also the pressure plate is / are used. In this case, in addition to the thermal conductivity, if necessary, a phase change of this material during sintering can be exploited. Such materials may be, for example, metals or metal alloys whose melting temperature is in a temperature range occurring during sintering.

Bei einer angepassten elektrischen Leitfähigkeit eines in einen Hohlraum eingefüllten Werkstoffs in Bezug zum Stempelwerkstoff lässt sich mit den daraus resultierenden elektrischen Stromdichten in den jeweiligen lokalen Bereichen ebenfalls Einfluss auf die lokale Erwärmung beim Sintern nehmen.With an adapted electrical conductivity of a material filled into a cavity in relation to the stamp material, the resulting local electric current densities in the respective local areas can also influence the local heating during sintering.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Dabei zeigen:Showing:

1 einen Stempel nach dem Stand der Technik; 1 a stamp according to the prior art;

2 ein Beispiel eines bei einem erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeug einsetzbaren Stempels mit mehreren als Ringspalt ausgebildeten Hohlräumen; 2 an example of a usable in a pressure die according to the invention stamp having a plurality of annular gaps formed cavities;

3 ein Beispiel eines bei einem erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeug einsetzbaren Stempels mit einem zentral angeordneten Hohlraum, um den rotationssymmetrisch weitere Hohlräume angeordnet sind; 3 an example of an insertable in a pressure die according to the invention punch with a centrally disposed cavity around which rotationally symmetric further cavities are arranged;

4 ein Beispiel eines bei einem erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeug einsetzbaren in zwei Teile geteilten Stempels; 4 an example of a usable in a pressure stamping tool according to the invention divided into two parts stamp;

5 ein Diagramm für das Temperaturverhalten; 5 a diagram for the temperature behavior;

6 ein Diagramm der lokal ermittelten Dichten an mit verschiedenen Druckstempelwerkzeugen hergestellten Werkstücken und 6 a diagram of the locally determined densities of workpieces produced with different pressure die tools and

7 ein Diagramm des β-Siliciumanteils in Abhängigkeit der jeweiligen Position innerhalb des Volumens gesinterter Siliciumnitridwerkstoffe bei Einsatz verschiedener Druckstempelwerkzeuge. 7 a diagram of the β-silicon content as a function of the respective position within the volume of sintered silicon nitride materials using various pressure stamping tools.

Bei allen gezeigten Beispielen sind die Stempel aus Graphit gebildet.In all examples shown, the punches are made of graphite.

In 1 ist ein Stempel 1 eines Druckstempelwerkzeugs nach dem Stand der Technik mit einem zentral angeordneten Hohlraum 1.1, der als Sacklochbohrung ausgebildet ist, gezeigt. Der Hohlraum hat ausschließlich die Funktion der Aufnahme eines Temperatursensors (Pyrometers), mit dem die Temperatur während des Sinterns bestimmt werden kann.In 1 is a stamp 1 a pressure stamping tool according to the prior art with a centrally disposed cavity 1.1 , which is designed as a blind hole, shown. The cavity has only the function of recording a temperature sensor (pyrometer), with the temperature during sintering can be determined.

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel sind im Stempel mehrere als Ringspalt ausgebildete Hohlräume 1.2 ausgebildet, die rotationssymmetrisch um eine zentrisch angeordnete Sacklochbohrung, als Hohlraum 1.1 angeordnet sind. Dabei können die Anzahl der Ringspalte, deren Spaltweite sowie die Abstände der Ringspalte zueinander und zum äußeren Rand des Stempels 1 angepasst werden. Die einzelnen Ringspalte als Hohlräume 1.2 und der zentrale Hohlraum 1.1 können in nicht dargestellter Form mit einem oder unterschiedlichen Werkstoffen befüllt sein. Es ist auch eine Befüllung mit unterschiedlichen Volumina möglich. So dass Hohlräume 1.2 und/oder der Hohlraum 1.1 in unterschiedlicher Form ganz oder teilweise befüllt sein können. Dies trifft sinngemäß auch auf andere Ausführungsformen von Stempeln mit mehreren Hohlräumen 1.1, 1.2 und 1.3 zu.At the in 2 shown example are formed in the stamp more than an annular gap cavities 1.2 formed, the rotationally symmetrical about a centrally arranged blind hole, as a cavity 1.1 are arranged. In this case, the number of annular gaps, their gap width and the distances of the annular gaps to each other and to the outer edge of the punch 1 be adjusted. The individual annular gaps as cavities 1.2 and the central cavity 1.1 can be filled in a manner not shown with one or different materials. It is also possible to fill with different volumes. Leaving cavities 1.2 and / or the cavity 1.1 may be completely or partially filled in different form. This applies mutatis mutandis to other embodiments of punches with multiple cavities 1.1 . 1.2 and 1.3 to.

Die 3 zeigt ein Beispiel eines bei einem erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeug einsetzbaren Stempels 1 mit einem zentral angeordneten Hohlraum 1.1, um den rotationssymmetrisch weitere Hohlräume 1.1 angeordnet sind. Alle Hohlräume 1.1 sind als Sacklochbohrung ausgebildet. Dabei weisen die um den in der mittleren Längsachse des Stempels 1 in Richtung der wirkenden Druckkräfte angeordneten Hohlraum 1.1 angeordneten Hohlräume 1.1 einen größeren Innendurchmesser als der zentral angeordnete Hohlraum 1.1 auf. Der elektrische Stromfluss erfolgt über die Stege zwischen den Hohlräumen 1.1, so dass die elektrische Stromdichte gegenüber einem aus Vollmaterial gebildeten Stempels 1 im Bereich der Stege erhöht ist, was lokal zu höheren Temperaturen in diesen Bereichen führt.The 3 shows an example of a stamp which can be used in a pressure stamping tool according to the invention 1 with a centrally located cavity 1.1 to the rotationally symmetric more cavities 1.1 are arranged. All cavities 1.1 are formed as a blind hole. In this case, have the order in the middle longitudinal axis of the punch 1 arranged in the direction of the acting pressure forces cavity 1.1 arranged cavities 1.1 a larger inner diameter than the centrally located cavity 1.1 on. The electric current flow takes place via the webs between the cavities 1.1 such that the electric current density is opposite to a punch formed of solid material 1 is increased in the area of the webs, which leads locally to higher temperatures in these areas.

Die in den 1 bis 3 gezeigten Stempel 1 können mit ihrer geschlossen ausgebildeten Stirnfläche in eine Matrize eingeführt werden, die gegen den zu sinternden Werkstoff gedrückt wird. Die Stirnfläche mit der Öffnung der Hohlräume 1.1, 1.2 und 1.3 kann nach außen weisen.The in the 1 to 3 shown stamp 1 can be introduced with their closed end face formed in a die, which is pressed against the material to be sintered. The end face with the opening of the cavities 1.1 . 1.2 and 1.3 can point outward.

In 4 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem ein Stempel 1 aus zwei Teilen 1.4 und 1.5 gebildet ist. Das äußere Teil 1.5 ist zylinderförmig ausgebildet und in die Bohrung kann das erste Teil 1.4, das einen an den Innendurchmesser des äußeren Teils 1.5 angepassten Außendurchmesser aufweist, eingeführt werden. Im inneren Teil 1.4 ist eine durchgehende Bohrung ausgebildet, die einen Hohlraum 1.1 darstellt. Die in Richtung der Druckplatte 2 weisende Oberfläche des inneren Teils 1.4 ist mit BN als eingefüllter Werkstoff beschichtet und so der Hohlraum 1.3, bei diesem Beispiel vollständig ausgefüllt. Der Stempel 1 liegt so mit seiner in Richtung der Druckplatte 2 weisenden Stirnfläche mit seinem äußeren Teil 1.5 und dem BN vollflächig an. Beim Funkenentladungssintern oder dem feldaktivierten Sintern kann dann elektrischer Strom über diesen Bereich fließen und die zum Aufheizen und Halten der Temperatur erforderliche Erwärmung erreicht werden. Da BN ein dielektrischer Werkstoff ist, tritt im inneren Bereich kein elektrischer Stromfluss und somit auch nur eine Aufheizung auf, die im Wesentlichen durch Wärmeleitung bestimmt ist.In 4 an example is shown in which a stamp 1 from two parts 1.4 and 1.5 is formed. The outer part 1.5 is cylindrical and into the bore, the first part 1.4 , the one to the inner diameter of the outer part 1.5 adapted outside diameter introduced. In the inner part 1.4 a through hole is formed which forms a cavity 1.1 represents. The towards the pressure plate 2 facing surface of the inner part 1.4 is coated with BN as a filled material and so the cavity 1.3 , completely filled in this example. The Stamp 1 lies with his in the direction of the pressure plate 2 pointing end face with its outer part 1.5 and the BN all over. In spark-discharge sintering or field-activated sintering, electrical current can then flow over this range and the heating required to heat and hold the temperature can be achieved. Since BN is a dielectric material, there is no electrical current flow in the inner region and thus only heating, which is essentially determined by heat conduction.

Das Beispiel nach 4 kann auch so modifiziert sein, dass die beiden Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen mit voneinander abweichender elektrischer Leitfähigkeit gebildet sind und dann ggf. auf die Druckplatte 2 verzichtet werden kann. So sollte das erste Teil 1.5, dass als äußerer Hohlzylinder ausgebildet ist, für die Sinterung elektrisch nichtleitender Werkstoffe, wie z. B. Siliciumnitrid, aus einem dielektrischen Werkstoff und das innere zweite Teil 1.4 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildet sein. Bei der Sinterung elektrisch leitender Werkstoffe, wie z. B. Wolframcarbid kann genau die entgegengesetzte Werkstoffwahl eingesetzt werden. Bei diesem Beispiel könnte auf den Hohlraum 1.1 verzichtet werden. Ein solcher Hohlraum 1.1 wird bei einem Teil der verfügbaren Sinteranlagen für die pyrometrische Messung der Temperaturen genutzt.The example after 4 can also be modified so that the two parts are made of different materials with different electrical conductivity and then possibly on the pressure plate 2 can be waived. So that should be the first part 1.5 in that it is designed as an outer hollow cylinder, for the sintering of electrically non-conductive materials, such. As silicon nitride, of a dielectric material and the inner second part 1.4 be formed of an electrically conductive material. In the sintering of electrically conductive materials, such. B. tungsten carbide can be used exactly the opposite choice of material. In this example could be on the cavity 1.1 be waived. Such a cavity 1.1 is used in some of the available sintering plants for the pyrometric measurement of temperatures.

Auch für dieses Beispiel treffen die allgemeinen Aussagen in der Beschreibung und die Aussagen zu den anderen Beispielen sinngemäß zu.Also for this example, the general statements in the description and the statements to the other examples apply mutatis mutandis.

Bei einem konkreten Beispiel 1 wurde ein Pulvergemisch aus Si₃N₄ mit zusätzlich jeweils 2 Masse-% Y₂O₃ und Al₂O₃ eingesetzt und bei einer Heizrate von 100 K/min mit einem Druck von 50 MPa in einem Standardwerkzeug, ohne erfindungsgemäß vorhandene Hohlräume und mit Beispielen erfindungsgemäßer Druckstempelwerkzeuge, gesintert. Die maximale Temperatur von 1750°C wurde über eine Zeit von 5 min gehalten. Dabei wurde die Temperatur nahe dem Zentrum des herzustellenden Werkstücks und an der Außenseite der Matrize mittels Pyrometer gemessen.In a concrete example 1, a powder mixture of Si ₃ N _{4 was} additionally used with 2% by weight of Y ₂ O ₃ and Al ₂ O ₃ and at a heating rate of 100 K / min with a pressure of 50 MPa in a standard tool, without Inventive cavities and with examples of inventive pressure stamping tools, sintered. The maximum temperature of 1750 ° C was maintained for a period of 5 minutes. The temperature was measured near the center of the workpiece to be produced and on the outside of the die by means of a pyrometer.

Bei den fertig hergestellten Werkstücken konnten mit Druckstempelwerkzeugen nach 2 eine physikalische Dichte des gesinterten Werkstoffs von 2,90 g/cm³, für ein Beispiel nach 3 von 2,89 g/cm³ erreicht werden. Mit dem Standardwerkzeug (1) konnte eine physikalische Dichte von 3,07 g/cm³ erreicht werden. Die höhere Dichte, die mit dem Standardwerkzeug erreicht worden ist, resultiert aus der höheren Temperatur der Matrize.In the finished workpieces could with pressure stamping tools after 2 a physical density of the sintered material of 2.90 g / cm ³ , for example 3 of 2.89 g / cm ³ can be achieved. With the standard tool ( 1 ), a physical density of 3.07 g / cm ^{3 could be} achieved. The higher density achieved with the standard tool results from the higher temperature of the die.

Das in 5 gezeigte Diagramm gibt dafür das Temperaturverhalten bei Einsatz eines Standardwerkzeugs nach dem Stand der Technik gemäß 1 mit dem Verlauf a und bei Einsatz der Beispiele nach den 2 (Verlauf c) und 3 (Verlauf b) wieder. Dabei hat insbesondere die aufgetretene Temperaturdifferenz ΔT zwischen den beiden an den unterschiedlichen Positionen gemessenen Temperaturen eine Bedeutung. Eine positive Temperaturdifferenz bedeutet dabei eine höhere Temperatur an der Matrizenaußenseite. Der im Diagramm eingezeichnete Kurvenverlauf d entspricht der jeweiligen Sintertemperatur über der Zeit.This in 5 The diagram shown indicates the temperature behavior when using a standard tool according to the prior art according to 1 with the course a and when using the examples according to the 2 (Course c) and 3 (Course b) again. In particular, the temperature difference .DELTA.T between the two temperatures measured at the different positions has a meaning. A positive temperature difference means a higher temperature at the die outside. The graph d shown in the diagram corresponds to the respective sintering temperature over time.

Wie dem bei der Sinterung mit einem Standardwerkzeug ermittelten Temperaturwerten entnommen werden kann, tritt eine deutliche Überhitzung mit einer Temperaturdifferenz ΔT von bis zu 200 K während des Aufheizens und von 120 K während der Temperaturhaltephase bei 1750°C unter Verwendung eines Standardstempels auf. Das so hergestellte Werkstück zeigt demzufolge im äußeren Randbereich wegen der starken Überhitzung deutliche Zersetzungserscheinungen des Si₃N₄. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeuge traten keine solchen Zersetzungserscheinungen auf.As can be seen from the temperature values determined during sintering with a standard tool, significant overheating occurs with a temperature difference ΔT of up to 200 K during heating and of 120 K during the temperature maintenance phase at 1750 ° C using a standard punch. As a result, the workpiece produced in this way exhibits marked signs of decomposition of the Si ₃ N ₄ in the outer edge region because of the great overheating. When using the pressure stamping tools according to the invention, no such decomposition phenomena occurred.

Aus den so hergestellten Werkstücken wurden Schnitte hergestellt, um die radiale Dichteverteilung zu bestimmen. Bei Einsatz eines Standardwerkzeugs zeigt sich eine breite Verteilung der Dichte von 2,75 g/cm³ bis 2,96 g/cm³, was dem Diagramm von 6 entnommen werden kann. Die mit den Druckstempelwerkzeugen nach den 2 und 4 hergestellten Werkstücke erreichten eine deutlich homogenere Verteilung der physikalischen Dichte innerhalb des Volumens.Sections were made from the workpieces so produced to determine the radial density distribution. When using a standard tool, a broad density distribution of 2.75 g / cm ³ to 2.96 g / cm ^{3 is shown} , which corresponds to the plot of 6 can be removed. The with the pressure stamping tools after the 2 and 4 produced workpieces achieved a much more homogeneous distribution of physical density within the volume.

Im in 6 gezeigten Diagramm sind die Anteile an β-Siliciumnitrid bei mit verschiedenen Druckstempelwerkzeugen gesinterten Werkstücken in Abhängigkeit des Abstands vom Zentrum (mittlere Längsachse) zum äußeren Rand wieder gegeben. Dabei wird deutlich, dass der β-Siliciumnitridanteil zum äußeren Rand ansteigt. Es wird aber der β-Siliciumnitridanteil bei einem Beispiel nach 3 (Verlauf b) und bei einem Beispiel nach 2 (Verlauf c) deutlich kleiner, als bei Einsatz eines Druckstempelwerkzeugs nach dem Stand der Technik gemäß 1, was dem Verlauf a entspricht. Der erhöhte β-Siliciumnitridanteil am äußeren Rand weist auf die dort lokal erhöhten Temperaturen während des Sinterns hin. Die Temperaturdifferenz zwischen Zentrum und äußerem Rand kann mit Einsatz der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik aber verkleinert werden.Im in 6 In the diagram shown, the proportions of β-silicon nitride in the case of workpieces sintered with different pressure-die tools are given as a function of the distance from the center (central longitudinal axis) to the outer edge. It becomes clear that the β-silicon nitride content increases towards the outer edge. However, the β-silicon nitride content is detected in one example 3 (Course b) and in an example after 2 (Course c) significantly smaller than when using a pressure die according to the prior art according to 1 , which corresponds to the course a. The increased β-silicon nitride content at the outer edge indicates the locally increased temperatures during sintering. However, the temperature difference between the center and outer edge can be reduced with the use of the invention in comparison to the prior art.

In einem weiteren Beispiel 2 wurde reines pulverförmiges WC mit einer Heizrate von 100 K/min, bei einem Druck von 50 MPa und mit einer Haltezeit von 5 min bei einer maximalen Temperatur von 2000°C mit einem Standardwerkzeug (Stand der Technik) und erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeugen gesintert. Die Temperaturmessung beim Sintern erfolgte, wie bereits beim Beispiel 1. Die dabei ermittelten Temperaturdifferenzen ΔT waren wieder bei dem Standardwerkzeug erheblich größer, als bei Einsatz der erfindungsgemäßen Druckstempelwerkzeuge. Dadurch konnte entsprechend ein homogenerer Werkstoff im fertig gesinterten Werkstück erreicht werden.In another example 2, pure powdered WC was heated at a rate of 100 K / min, at a pressure of 50 MPa and with a hold time of 5 min at a maximum temperature of 2000 ° C with a standard tool (prior art) and die-stamping tools according to the invention sintered. The temperature measurement during sintering was carried out as in Example 1. The temperature differences .DELTA.T determined in this case were again considerably greater in the case of the standard tool than when the pressure stamping tools according to the invention were used. As a result, it was possible to achieve a more homogeneous material in the finished sintered workpiece.

Bei einem dritten Beispiel 3 wurde wieder WC, wie bei dem Beispiel 2 gesintert. Es wurde aber ein Druckstempelwerkzeug nach 4 eingesetzt, bei dem im Hohlraum 1.3 eine Schicht hexagonales BN ausgebildet war. Bei einem weiteren Versuch war in den Hohlräumen 1.2 eines Stempels 1 des Beispiels nach 2 ebenfalls hexagonales BN enthalten, wodurch die Temperaturdifferenz ΔT weiter reduziert werden konnte, da die elektrische Stromdichte am äußeren Rand des Stempels 1 noch weiter erhöht war und dabei lokal eine größere Menge an Joulscher Wärme dort freigesetzt werden konnte.In a third example 3, WC was again sintered as in example 2. But it was after a pressure stamping tool 4 used, in which in the cavity 1.3 a layer of hexagonal BN was formed. Another attempt was in the cavities 1.2 a stamp 1 for example 2 also contain hexagonal BN, whereby the temperature difference .DELTA.T could be further reduced, since the electric current density at the outer edge of the punch 1 was increased even further and local a greater amount of Joulscher heat could be released there.

Claims (13)

Druckstempelwerkzeug für das Funkenentladungssintern oder das feldaktivierte Sintern, das mit mindestens einem Stempel (1) gebildet ist, der für eine Verdichtung und Sinterung eines pulverförmigen Werkstoffs in einen Hohlraum einer Matrize einführbar und mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoffgebildet und an eine elektrische Spannungsquelle anschließbar ist; wobei Bereiche mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Stempel (1) ein oder mehrere Bereich(e) mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit mit mehreren Hohlräumen (1.1, 1.2, 1.3) ausgebildet ist/sind und/oder am Stempel (1) Bereiche mit mindestens zwei Teilen (1.4, 1.5) eines Stempels (1), die aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, gebildet sind und/oder am Stempel (1) ein Bereich mit einem in Richtung einer Druckplatte (2) offener Hohlraum (1.3) ausgebildet ist, der teil- oder bereichsweise mit einem anderen Werkstoff, als dem Werkstoff aus dem der Stempel (1) gebildet ist, befüllt ist und mit einer Druckplatte (2), die zwischen Stempel (1) und zu sinterndem Werkstoff in eine Matrize einführbar ist; wobei der/die Bereich(e) in Abhängigkeit des jeweiligen zu sinternden Werkstoffs und/oder der Dimensionierung des zu sinternden Werkstücks angeordnet und/oder dimensioniert ist/sind.A pressure stamping tool for spark discharge sintering or field activated sintering, which is provided with at least one stamp ( 1 ) is formed, which can be introduced for a compression and sintering of a powdery material in a cavity of a die and formed with an electrically conductive material and connectable to an electrical voltage source; wherein regions with different electrical conductivity are present, characterized in that on the stamp ( 1 ) one or more regions (e) having different electrical conductivity with a plurality of cavities ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) is / are formed and / or on the stamp ( 1 ) Areas with at least two parts ( 1.4 . 1.5 ) of a stamp ( 1 ), which are formed from different materials, are formed and / or on the stamp ( 1 ) an area with one in the direction of a printing plate ( 2 ) open cavity ( 1.3 ) is formed, the partially or partially with a different material, as the material from which the stamp ( 1 ) is filled, and with a pressure plate ( 2 ) between stamps ( 1 ) and sintering material in a die is insertable; wherein the region (s) is arranged and / or dimensioned as a function of the respective material to be sintered and / or the dimensioning of the workpiece to be sintered. Druckstempelwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hohlräume (1.1, 1.2) symmetrisch zur mittleren Längsachse, die parallel zur Richtung der wirkenden Druckkräfte während des Sinterns ausgerichtet ist, angeordnet sind.Punching tool according to claim 1, characterized in that a plurality of cavities ( 1.1 . 1.2 ) are arranged symmetrically to the central longitudinal axis, which is aligned parallel to the direction of the acting compressive forces during sintering. Druckstempelwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Hohlraum/-räume (1.1, 1.3) in Form einer Bohrung, Sacklochbohrung mit kreisförmigem, ellipsenförmigem oder mehreckigem Querschnitt und/oder in Form eines Ringspaltes (1.2) oder von Ringspaltsegmenten ausgebildet ist/sind.Pressure stamping tool according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity (s) ( 1.1 . 1.3 ) in the form of a bore, blind bore with a circular, elliptical or polygonal cross-section and / or in the form of an annular gap ( 1.2 ) or is formed by annular gap segments / are. Druckstempelwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum (1.1, 1.3) mit seinem Mittelpunkt oder Flächenschwerpunkt in der mittleren Längsachse des Stempels (1) angeordnet ist.Pressure stamping tool according to one of the preceding claims, characterized in that a cavity ( 1.1 . 1.3 ) with its center or centroid in the central longitudinal axis of the punch ( 1 ) is arranged. Druckstempelwerkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch um den Hohlraum (1.1, 1.3), der mit seinem Mittelpunkt oder Flächenschwerpunkt in der Längsachse des Stempels (1) angeordnet ist, weitere Hohlräume (1.1, 1.2) angeordnet sind.Pressure stamping tool according to the preceding claim, characterized in that symmetrically around the cavity ( 1.1 . 1.3 ), with its center or centroid in the longitudinal axis of the punch ( 1 ), further cavities ( 1.1 . 1.2 ) are arranged. Druckstempelwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hohlraum (1.1, 1.2) teil- oder bereichsweise mit einem anderen Werkstoff, als dem Werkstoff aus dem der Stempel (1) gebildet ist, befüllt ist.Pressure stamping tool according to one of the preceding claims, characterized in that at least one cavity ( 1.1 . 1.2 ) partially or partially with a different material, as the material from which the stamp ( 1 ) is filled. Druckstempelwerkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff, mit dem mindestens ein Hohlraum (1.1, 1.2, 1.3) befüllt ist, elektrisch nicht leitfähig ist oder einen elektrischen Widerstand aufweist, der mindestens 50% größer ist als der elektrische Widerstand des Werkstoffs aus dem der Stempel (1) gebildet ist.Pressure stamping tool according to the preceding claim, characterized in that the material with which at least one cavity ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) is filled, is electrically non-conductive or has an electrical resistance which is at least 50% greater than the electrical resistance of the material from which the stamp ( 1 ) is formed. Druckstempelwerkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hohlräume (1.1, 1.2, 1.3) mit unterschiedlichen Werkstoffen, die eine jeweils unterschiedliche elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit aufweisen, befüllt sind.Punching tool according to claim 6 or 7, characterized in that a plurality of cavities ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) are filled with different materials, each having a different electrical and / or thermal conductivity. Druckstempelwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (1) aus mindestens zwei Teilen (1.4, 1.5) gebildet ist, die formschlüssig miteinander gefügt und/oder gemeinsam in einen Hohlraum einer Matrize einführbar sind.Pressure stamping tool according to one of the preceding claims, characterized in that the stamp ( 1 ) of at least two parts ( 1.4 . 1.5 ) is formed, which are positively joined together and / or jointly inserted into a cavity of a die. Druckstempelwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der beiden Teile (1.4, 1.5) mindestens ein Hohlraum (1.1, 1.2, 1.3) ausgebildet ist.Pressure stamping tool according to claim 9, characterized in that in at least one of the two parts ( 1.4 . 1.5 ) at least one cavity ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) is trained. Druckstempelwerkzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (1.4 und 1.5) aus Werkstoffen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit gebildet sind. Die-stamping tool according to claim 9 or 10, characterized in that the two parts ( 1.4 and 1.5 ) are formed from materials of different electrical conductivity. Druckstempelwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Flächen der mehreren Hohlräume (1.1, 1.2, 1.3) mindestens 30% der Gesamtquerschnittsfläche des Stempels (1), die senkrecht zur Richtung der wirkenden Druckkräfte ausgerichtet ist, entspricht.Pressure stamping tool according to one of the preceding claims, characterized in that the sum of the surfaces of the plurality of cavities ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) at least 30% of the total cross-sectional area of the punch ( 1 ), which is aligned perpendicular to the direction of the acting compressive forces corresponds. Druckstempelwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit mit oder an einer Druckplatte (2), die zwischen Stempel (1) und zu sinterndem Werkstoff in eine Matrize einführbar ist, gebildet ist; wobei die Druckplatte (2) aus einem Werkstoff mit zum Stempelwerkstoff unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit gebildet oder zumindest bereichsweise mit einem solchen Werkstoff beschichtet ist.Pressure stamping tool according to one of the preceding claims, characterized in that a region with different electrical conductivity with or on a pressure plate ( 2 ) between stamps ( 1 ) and sintering material is insertable into a die, is formed; the pressure plate ( 2 ) is formed from a material with the stamp material of different electrical conductivity or at least partially coated with such a material.

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