DE10224671C1 - Verfahren zur endkonturnahen Herstellung von hochporösen metallischen Formkörpern - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Herstellung von hochporösen, metallischen Formkörpern umfasst die folgenden Verfahrensschritte: DOLLAR A - ein als Ausgangsmaterial verwendetes Metallpulver wird mit einem Platzhalter vermischt, DOLLAR A - aus der Mischung wird ein Grünkörper gepresst, DOLLAR A - der Grünkörper wird einer konventionellen mechanischen Bearbeitung unterzogen, wobei der Platzhalter vorteilhaft die Stabilität des Grünkörpers erhöht, DOLLAR A - das Platzhaltermaterial wird an Luft oder unter Vakuum oder unter Schutzgas thermisch dem Grünkörper entfernt, DOLLAR A - der Grünkörper wird zum Formkörper gesintert und anschließend vorteilhaft trovalisiert oder gleitgeschliffen. DOLLAR A Geeignete Materialien als Platzhalter sind beispielsweise Ammoniumbikarbonat oder auch Carbamid. Die mechanische Bearbeitung vor dem Sintern ermöglicht vorteilhaft eine einfache, endkonturnahe Herstellung auch für komplizierte Geometrien des herzustellenden Formkörpers, ohne die Porosität zu beeinträchtigen, und ohne hohen Werkzeugverschleiß. Das Werkstück ist vorteilhaft für die Grünbearbeitung ausreichend druckstabil, da das Platzhaltermaterial während der Bearbeitung noch in den Poren des Grünkörpers vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem eine end­ konturnahe Herstellung von porösen, insbesondere von hochporösen Bauteilen erzielt werden kann.

Stand der Technik

Das Pressen von Metallpulvern zur Herstellung von porö­ sen Metallkörpern ist bekannt. Zur Erzeugung der ge­ wünschten Porosität können den Metallpulvern dabei so­ genannte Platzhaltermaterialien zugegeben werden, die es ermöglichen, die gewünschte Porosität zu stabilisie­ ren. Nach Pressen von Grünkörpern aus dem Pulvergemisch ist das Platzhaltermaterial dann aus den Grünkörpern so zu entfernen, dass der Grünkörper allein noch vom verbleibenden Metallpulvergerüst gehalten wird, das zwischen seiner Gerüststruktur Hohlräume aufweist. Der Grünkörper weist somit die spätere poröse Struktur des Formkörpers bereits auf. Beim Austreiben des Platzhal­ termaterials ist dafür Sorge zu tragen, dass das Me­ tallpulvergerüst erhalten bleibt. Mittels nachfolgendem Sintern der Gründkörper entsteht ein hochporöser Form­ körper, wobei die Berührungsflächen der Pulverteilchen beim Sintern diffusionsverbunden werden.

Als Platzhaltermaterialien zur Ausbildung poröser me­ tallischer Formkörper sind zum einen relativ hoch­ schmelzende organische Verbindungen bekannt, welche durch Verdampfen oder Pyrolyse (Cracken) und Lösen der entstandenen Crackprodukte mittels geeigneter Lösungs­ mittel aus den Grünkörpern entfernt werden. Problema­ tisch sind hierbei der erhebliche Zeitaufwand bei der Entfernung des Platzhaltermaterials sowie Crackproduk­ te, die mit nahezu allen pulvermetallurgisch zu verar­ beitenden Metallen, wie Ti, Al, Fe, Cr, Ni, etc., rea­ gieren und hohe Konzentrationen an Verunreinigungen hinterlassen. Nachteilig wirkt sich auch bei Verwendung von Thermoplasten, die durch Erwärmen des Grünkörpers entfernt werden, die Expansion am Glasübergangspunkt aus, die notwendige Stabilität des Grünkörpers wird hierdurch beeinträchtigt.

Zum anderen werden als Platzhaltermaterialien auch hochschmelzende anorganische Verbindungen wie Alkali­ salze und niedrigschmelzende Metalle wie Mg, Sn, Pb etc. verwendet. Solche Platzhaltermaterialien werden im Vakuum oder unter Schutzgas bei Temperaturen zwischen ca. 600 bis 1000°C unter hohem Energie- und Zeitauf­ wand aus den Grünkörpern entfernt. Nicht zu verhindern sind bei diesen Platzhaltermaterialien im Grünkörper verbleibende Verunreinigungen, die insbesondere bei Formkörpern aus reaktiven Metallpulvern, wie Ti, Al, Fe, Cr, Ni, schädlich sind.

Aus DE 196 38 927 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von hochporösen, metallischen Formkörpern bekannt, bei dem zunächst Metallpulver und ein Platzhalter gemischt und anschließend zu einem Grünzeug gepresst werden. Da­ bei können sowohl das uniaxiale als auch das isostati­ sche Pressen zur Anwendung kommen. Der Platzhalter wird thermisch ausgetrieben und der Grünkörper anschließend gesintert. Wird die Pulver-Platzhalter-Mischung durch einen Binder stabilisiert, ist es prinzipiell möglich durch das mehraxiale Pressen auch relativ komplizierte­ re Bauteilgeometrien direkt zu realsieren. Die Anferti­ gung eines geeigneten Presswerkzeugs ist jedoch aufwen­ dig und teuer. Speziell für kleine Serien ist es des­ halb vorteilhaft, zuerst Halbzeuge mit einer universel­ len Geometrie (z. B. Zylinder oder Platten) herzustel­ len und diese durch nachfolgende mechanische Bearbei­ tung auf die gewünschte Endkontur zu bringen.

Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik erfolgt die endgültige Formgebung hochporöser Formkörper erst nach dem Sintern durch konventionelle mechanische Verfahren wie beispielsweise Drehen, Fräsen, Bohren oder Schlei­ fen. Nachteilig ist diese nachträgliche Bearbeitung des schon gesinterten Halbzeugs mit einer lokalen Werk­ stoffverformung verbunden. Durch die plastische Defor­ mation kommt es regelmäßig zu einem Verschmieren der Poren. Dadurch geht die gewünschte offene Porosität des Formkörpers gerade im Oberflächenbereich regelmäßig verloren. Dies beeinträchtigt nachteilig die funktio­ nellen Eigenschaften des Formkörpers. Ferner ist das Werkstück aufgrund seiner hohen Porosität nur mit Vor­ sicht einzuspannen und zu bearbeiten, da es nicht sehr druckstabil ist. Die ungleichmäßige Oberfläche des po­ rösen Formkörpers bewirkt zudem einen relativ hohen Werkzeugverschleiß.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines hochporösen, metallischen Form­ körpers bereit zu stellen, der insbesondere eine hoch­ komplizierte Geometrie und der nicht die vorgenannten Nachteile z. B. Beeinträchtigung der Porosität an der Oberfläche aufweist.

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstel­ lung von hochporösen metallischen Formkörpern. Das Ver­ fahren umfasst dabei die folgenden Verfahrensschritte. Ein als Ausgangsmaterial verwendetes Metallpulver wird mit einem Platzhalter vermischt. Bei dem Metallpulver kann es sich dabei beispielsweise um Titan und seine Legierungen, Eisen und seine Legierungen, Nickel und seine Legierungen, Kupfer, Bronze, Molybdän, Niob, Tan­ tal und Wolfram handeln.

Geeignete Materialien als Platzhalter sind beispiels­ weise Carbamid CH₄N₂O(H₂N-CO-NH₂), Biuret C₂H₅N₃O₂, Mel­ amin C₃H₆N₆, Melaminharz, Ammoniumkarbonat (NH₄)CO₃H₂O und Ammoniumbikarbonat NH₄HCO₃, die rückstandsfrei bei Temperaturen bis max. 300°C aus dem Grünkörper ent­ fernt werden können. Besonders vorteilhaft hat sich als Platzhaltermaterial Ammoniumbikarbonat herausgestellt, welches schon bei ca. 65°C an Luft ausgetrieben werden kann. Die Körnung, d. h. die Partikelgröße und die Par­ tikelform des Platzhaltermaterials bestimmen die sich im Formkörper ausbildende Porosität. Typische Partikel­ durchmesser des Platzhaltermaterials sind 50 µm bis 2 mm. Durch geeignete Wahl des Platzhalters sowie der Menge des Platzhalters im Bezug zum Metallpulver kann im endgültigen Formteil eine hohe, homogene und offene Porosität erzielt werden. Porositäten bis 90% sind oh­ ne weiteres erzielbar.

Aus der Mischung wird ein Grünkörper, insbesondere ein Grünkörper mit einer einfachen Geometrie, gepresst. Dies kann beispielsweise ein Zylinder oder auch eine Platte sein. Als Preßverfahren können das mehraxiale Pressen und das kaltisostatische Pressen eingesetzt werden. Das mehraxiale Pressen führt zu maßhaltigen Halbzeugen mit definierten Außenkonturen. Die Wandrei­ bung beim Entformen verursacht die Ausbildung einer sog. Presshaut, die aus plastisch verformten, metalli­ schen Pulverteilchen gebildet wird. Diese kann vor dem Sintern durch mechanische Bearbeitung entfernt werden, sofern keine weitere Grünbearbeitung erfolgt. Die Wand­ reibung begrenzt das Längen zu Durchmesser Verhältnis auf 2 zu 1. Oberhalb dieses Werts treten zu große Dichtunterschiede im Pressling auf. Das kaltisostati­ sche Pressen erfolgt beispielsweise in Kautschukformen. Als Druckübertragungsmedium dient eine ölhaltige Emul­ sion, in der sich die mit Pulver gefüllte Kautschukform befindet. Da die Wandreibung beim Entformen entfällt, ist es möglich, auch Halbzeuge mit einem Längen zu Durchmesser Verhältnis größer als 2 zu 1 mit einer aus­ reichend homogenen Dichtverteilung herzustellen. Nachteilig ist die geringe Maßhaltigkeit der Außenkon­ tur, die jedoch die nachfolgende Grünbearbeitung kaum beeinflusst.

Der Grünkörper wird anschließend einer konventionellen mechanischen Bearbeitung unterzogen, bei der das Werk­ stück seine endgültige Form erhält, wobei die Schwin­ dung während des Sintervorgangs mit eingerechnet wird. Die Bearbeitung im Stadium des Grünzeugs, bei dem der Platzhalter noch vorhanden ist, hat den Vorteil, dass das Werkstück sehr einfach zu bearbeiten ist, und die Porosität nicht beeinträchtigt wird. Der Werkzeugver­ schleiß wird so regelmäßig gering gehalten. Auch hoch­ komplizierte Formgebungen sind mit diesem Verfahren möglich. Der noch vorhandene Platzhalter macht das zu bearbeitende Werkstück ausreichend druckstabil, um es für die nachfolgende mechanische Bearbeitung einspannen zu können.

Wenn die endgültige Form erzielt ist, wird das Platz­ haltermaterial an Luft oder unter Vakuum oder unter Schutzgas thermisch aus dem Grünkörper entfernt. Die Atmosphäre ist vom gewählten Platzhalter-Werkstoff ab­ hängig. Beispielsweise reicht schon eine Luftatmosphäre oberhalb von 65°C aus, um Ammoniumbikarbonat als Platzhalter zu entfernen. Der Grünkörper wird anschlie­ ßend zum Formkörper gesintert.

Die mechanische Bearbeitung vor dem Sintern ermöglicht vorteilhaft eine einfache, endkonturnahe Herstellung auch für komplizierte Geometrien des herzustellenden Formkörpers, ohne die Porosität zu beeinträchtigen, und ohne hohen Werkzeugverschleiß.

Dieses Verfahren ist nicht nur auf die Herstellung von Formkörpern mit einer einheitlichen Porosität be­ schränkt, sondern es lassen sich damit auch Formkörper mit einer unterschiedlichen, z. B. gradierten Porosität herstellen.

Bei Verwendung von groben Ausgangspulvern haben regel­ mäßig einige Partikel eine schwache Verbindung zum ge­ sinterten Netzwerk, da die Sinterbrücken nur unvoll­ ständig ausgebildet sind. Schon bei einer kleinen Be­ lastung kann es dabei regelmäßig zu einem Abplatzen führen. Dies kann bei einigen Anwendungen jedoch unzu­ lässig sein. Um diesen nachteiligen Effekt zu vermei­ den, werden hochporöse Bauteile aus groben Ausgangspul­ vern vor dem eigentlichen Einsatz vorteilhaft trovali­ siert oder gleitgeschliffen. Bei diesen Verfahren wer­ den die schwach anhaftenden Partikel durch einen Schleifvorgang regelmäßig von der Oberfläche entfernt.

Spezieller Beschreibungsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.

Es zeigen:

Fig. 1 mögliche Ausführungsformen der Halbzeuge, die durch mehraxiales Pressen und durch kalti­ sostatisches Pressen hergestellt wurden.

Fig. 2 verschiedene Modellgeometrien, die aus rost­ freien Stahl 1.4404 (316L) nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.

Fig. 3 Darstellung der Makroporosität, die durch den Platzhalterwerkstoff eingestellt wird, und der Mikroporosität, die innerhalb der Sinter­ stege auftritt.

Der typische Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gliedert sich wie folgt.

• 1. Zunächst wird ein Halbzeug in Anlehnung an DE 196 38 927 C2 hergestellt. Dazu wird ein Metallpulver, insbe­ sondere der rostfreie Stahl 1.4404 (316L) oder Ti­ tan, mit einem Platzhalter, insbesondere Ammoniumbi­ karbonat, gemischt und uniaxial oder kaltisostatisch verpresst. Je nach Presswerkzeug stehen für die Wei­ terverarbeitung als Halbzeuge z. B. Zylinder oder Platten zur Verfügung. Fig. 1 zeigt mögliche Aus­ führungsformen der Halbzeuge, die durch mehraxiales Pressen und durch kaltisostatisches Pressen herge­ stellt wurden.
• 2. Es folgt die Grünbearbeitung des ungesinterten Halb­ zeugs durch konventionelle mechanische Bearbeitung (Sägen, Bohren, Drehen, Fräsen, Schleifen. . .). Der Platzhalter erhöht vorteilhaft die Grünfestigkeit der Halbzeuge und wirkt sich somit günstig auf die Bearbeitbarkeit aus. Ein weiterer Vorteil der Bear­ beitung ist die niedrige Schneidkraft und dement­ sprechend der geringe Werkzeugverschleiß. Eine Ver­ schmierung der Poren wird ebenfalls vermieden.
• 3. Das Entfernen des Platzhalters und die Sinterung kann konventionell auf einer planaren Sinterunterla­ ge aus Keramik oder alternativ in einer Schüttung aus Keramikkugeln erfolgen. Die Parameter zur Ent­ fernung des Platzhalters können in Anlehnung an DE 196 38 927 C2 gewählt werden. Als Ergänzung zu DE 196 38 927 C2 erfolgt die Entfernung der Platzhalter Ammoniumkarbonat und Ammoniumbikarbonat an Luft. Die Sinterung in einer Kugelschüttung hat den Vorteil, dass die Berührungsflächen zum Bauteil gering sind und so eine Anhaftung des Bauteils an den Keramikku­ geln verhindert wird. Zudem kann die Kugelschüttung die Sinterschwindung durch eine Umorientierung der Kugeln leicht ausgleichen, so dass während des ge­ samten Sinterprozesses ein gleichmäßiger Kontakt zur Sinterlage besteht. Dies vermeidet einen Verzug der Bauteile beim Sintern. Als Option können die Form­ körper zur Verbesserung der Oberflächenqualität im Anschluss trovalisiert werden.

Ausführungsbeispiele

Fig. 2 zeigt verschiedene Modellgeometrien, die aus dem rostfreien Stahl 1.4404 (316L) nach dem erfindungs­ gemäßen und im folgenden beschriebenen Verfahrensablauf hergestellt wurden. Als Ausgangsmaterial wurde ein was­ serverdüstes Pulver (Kornfraktion < 50 µm) verwendet. Das Stahlpulver wurde mit dem Platzhalter Ammoniumbi­ karbonat (Kornfraktion 355 bis 500 µm) im Verhältnis Stahlpulver zu Ammoniumbikarbonat 45 zu 55 (in Vol.%) gemischt. Dies entspricht einem Verhältnis von Stahl­ pulver zu Platzhalter von 80,5 zu 19,5 in Gew.-%. Die Mischung wurde uniaxial mit einem Pressdruck von 425 MPa zu Zylindern verpresst, deren Durchmesser 30 mm und deren Höhe 22 mm betrug. Die Zylinder wurden im Grünzu­ stand durch Bohren und Drehen bearbeitet. Neben Bohrun­ gen konnten sowohl rechtwinklige als auch abgerundete Absätze in den Modellgeometrien realisiert werden. Die Entfernung des Platzhalters Ammoniumbikarbonat erfolgte an Luft bei einer Temperatur von 105°C. Obwohl die Zer­ setzung des Platzhalters bereits bei 65°C einsetzt, wurde die höhere Temperatur gewählt, um das Zerset­ zungsprodukt Wasser im gasförmigen Zustand abführen zu können. Das Sintern wurde bei 1120°C für 2 Stunden un­ ter Argon-Atmosphäre durchgeführt. Die Modellgeometrien zeigten eine Schrumpfung von ca. 4%. Die Endporosität der Bauteile lag bei etwa 60%. Sie setzt sich zusammen aus der Makroporosität, die durch den Platzhalterwerk­ stoff eingestellt wird, und der Mikroporosität, die in­ nerhalb der Sinterstege auftritt (Fig. 3). Die Mikro­ porosität resultiert aus einer unvollständigen Versin­ terung der Metallpulverteilchen. Zur Verringerung der Mikroporosität bietet sich die Verwendung feinerer Aus­ gangspulver oder die Sinterung bei höheren Temperaturen an.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von hochporösen, metal­ lischen Formkörpern mit den folgenden Verfahrens­ schritten:

• - ein als Ausgangsmaterial verwendetes Metallpulver wird mit einem Platzhalter vermischt,
• - aus der Mischung wird ein Grünkörper gepresst,
• - der Grünkörper wird einer konventionellen mecha­ nischen Bearbeitung unterzogen,
• - das Platzhaltermaterial wird an Luft oder unter Vakuum oder unter Schutzgas thermisch aus dem Grünkörper entfernt,
• - der Grünkörper wird zum Formkörper gesintert.

2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 1, bei dem als Platzhalter Carbamid, Biuret, Melamin, Melamin­ harz, Ammoniumkarbonat oder Ammoniumbikarbonat ein­ gesetzt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Platzhalter bei Temperaturen un­ terhalb von 300°C, insbesondere unterhalb von 105°C, und besonders vorteilhaft unterhalb von 70°C entfernt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem rostfreier Stahl 1.4404 (316L) oder Titan als metallisches Ausgangspulver eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Formkörper durch Sägen, Bohren, Drehen, Fräsen oder Schleifen im Grünzustand end­ konturnah hergestellt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Sinterung in einer Schüttung aus Keramikkugeln erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Formkörper nach dem Sintern tro­ valisiert oder gleitgeschliffen werden.