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DE19652223A1 - Formkörper aus einem Werkstoffverbund und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Formkörper aus einem Werkstoffverbund und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE19652223A1
DE19652223A1 DE19652223A DE19652223A DE19652223A1 DE 19652223 A1 DE19652223 A1 DE 19652223A1 DE 19652223 A DE19652223 A DE 19652223A DE 19652223 A DE19652223 A DE 19652223A DE 19652223 A1 DE19652223 A1 DE 19652223A1
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Claus Dipl Ing Richter
Wolfgang Prof Dr Lehnert
Sven Dipl Ing Rasbach
Andreas Dipl Ing Kloeden
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Pulvermetallurgie und der Keramik und betrifft Formkörper aus einem Werkstoffverbund, wie sie im gesinterten Zustand z. B. als Schutz- oder Funktionsschichten auf Körpern gegen korrosive, thermische, chemische oder tribologische Beanspruchungen zum Einsatz kommen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Werkstoff- oder Schichtverbunde werden gegenwärtig durch verschiedene Technologien, wie z. B. die Verfahren des thermischen Spritzens, die CVD- und PVD- Verfahren, das Löten, das Diffusionsschweißen oder das pulvermetallurgische Verbundpressen mit möglicher nachfolgender Schmiedeoperation hergestellt (Steffens, H. D. u. a., Moderne Beschichtungsverfahren, DGM-Informationsgesellschaft Verlag, 1992; Lugscheider, E. u. a., Fügen von Hochleistungswerkstoffen, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1993; Ziegler,G. Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, DGM- Informationsgesellschaft Verlag, Oberursel 1996; Kolaska, H., Beschichten und Verbinden in Pulvermetallurgie und Keramik, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1992). Die Schichten werden dabei entweder über die schmelzflüssige Phase (thermisches Spritzen) oder über die Dampf- (PVD) oder Gasphase (CVD) auf einem kompakten Substrat aufgebracht oder als kompakte Teile mittels eines Hilfswerkstoffs (Löten) oder durch gleichzeitige Anwendung von Druck und Temperatur (Diffusionsschweißen) direkt mit einem kompakten Substratwerkstoff verbunden. Die Schichtgenerierung auf dem Substratwerkstoff erfolgt in jedem Fall als eigenständiger Vorgang. Die Herstellung von Schichtverbunden durch das pulvermetallurgische Verbundpressen erfolgt durch das Verdichten der pulverförmigen Werkstoffe in einem Werkzeug, wobei der Substratwerkstoff vor dem Einfüllen des Schichtwerkstoffes vorverdichtet werden kann, und einer anschließenden Wärmebehandlung (Sintern), bei der es zu einer dauerhaften Verbindung zwischen Schicht- und Substratwerkstoff kommt.
Jedoch weisen die genannten Technologien verfahrensspezifische Grenzen auf. Ungünstige Schichteigenschaften, wie z. B. offene Porosität und Risse in der Schicht (thermische Spritzverfahren), vermindern die Schutzwirkung gegenüber reaktiven Medien. Aufgrund von Temperaturgradienten zwischen den Werkstoffen (unterschiedliche Wärmeleitung und Wärmekapazität der Werkstoffe) bei der Herstellung der Schichtverbunde bleiben Restspannungen in der thermisch beeinflußten Zone der Bauteile zurück (thermisches Spritzen, Löten). Die genannten Mängel können meist nur durch aufwendige Vor- und Nachbehandlungen vermindert werden. Außerdem sind oft nur begrenzte Schichtdicken herstellbar (z. B. CVD/PVD bis ca. 10 um und einige thermische Spritzverfahren 0,1-1,0 mm). Alle genannten Verfahren haben den Nachteil, daß die Möglichkeit, komplizierte Geometrien (Hinterschneidungen, Innenflächen, Formelemente) sowohl im Schicht- als auch im Substratwerkstoff herzustellen sowie die Vielfalt der verarbeitbaren Werkstoffkombinationen, beschränkt ist.
In Metal Powder Report MPR, Band June (1994), S. 22-27, wird die Herstellung von Stahl-Hartmetall-Schichtverbunden auf pulvermetallurgischem Wege beschrieben. Als Stahlsubstrat wurde zum einen Stahldraht und zum anderen pulvermetallurgisch gepreßtes und anschließend vorgesintertes Stahlpulver verwendet. Das WC-Co- Hartmetallpulver wurde mit einem organischen Binder gemischt. Das Stahlsubstrat wurde in ein Werkzeug gelegt und das Hartmetall schichtweise durch Pulverspritzgießen (PIM) auf dem Stahlsubstrat aufgebracht. Nach dem Entfernen des Schichtverbundes aus dem Werkzeug wurde der Binder thermisch ausgetrieben und das Bauteil nachfolgend gesintert. Die Verbindung zwischen Stahl und Hartmetall sowie zwischen den Hartmetallschichten kommt während des Sinterprozesses zustande.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß durch das Pulverpressen die herstellbare Teilkompliziertheit des Stahlparts begrenzt ist und Substrat und Schicht nacheinander in zwei verschiedenartigen Verfahren erzeugt werden.
Ebenfalls bekannt sind verschiedene Technologien, bei denen keramischem Pulver auf ein Substrat abgeschieden werden. Dies erfolgt über PVD- oder CVD-Verfahren (Lugscheider, e., u. a., Workshop Gradientenwerkstoffe, Köln, 1993) oder durch Plasmaspritzen (Am. Ceram. Bull. 71 (1992) 4, S. 617-631) oder durch pulvertechnologische Verfahren (Bast, U., Workshop Gradientenwerkstoffe, Köln, 1993).
Nachteilig bei ihnen ist aber, daß die geometrische Formenvielfalt eingeschränkt ist und sie nur für wenige Werkstoffgruppen und/oder Werkstoffkombinationen geeignet sind. Außerdem erfordern sie alle einen extrem hohen technischen Aufwand.
Weiterhin sind Verfahren zur Formgebung von Keramik über thermoplastische Massen bekannt. Dabei werden keramische Pulver mit einem bestimmten Binder gemischt und bei Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes des Binders zum Teil unter Druck verarbeitet. Bekannt sind diese Technologien als Spritzgießen, Warmextrudieren oder Heißgießen. Diese Verfahren können bezüglich der Werkstoffauswahl und für monolithische Werkstoffe relativ universell eingesetzt werden.
Es ist auch bekannt, daß bei den genannten bekannten Verfahren die für die Werkstoffbildung notwendigen thermischen Prozesse zu Spannungen innerhalb eines Werkstoffes aber in noch weit höherem Maße in Bereichen, in denen Werkstoffe unterschiedlicher Zusammensetzung aneinandergrenzen, führen. Die Bildung derartiger Spannungen ist nur sehr schwierig erkennbar und gar nicht oder nur sehr eingeschränkt steuerbar.
Dies führt letztendlich dazu, daß Bauteile aus einer Reihe von Werkstoffkombinationen, insbesondere bei Werkstoffen mit großen Unterschieden im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TAK) oder bei der Schwindung, nicht oder nur mit sehr großem Aufwand über gradierte Strukturen oder über zusätzliche Zwischenschichten herstellbar sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Formkörper anzugeben, der eine komplizierte Geometrie aufweisen kann und definierte Spannungszustände innerhalb des Formkörpers aufweist.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.
Dabei sind bei dem erfindungsgemäßen Formkörper aus einem Werkstoffverbund, bei dem der Werkstoffverbund aus mindestens einem thermoplastischen Binder und aus mindestens zwei keramischen Werkstoffen oder aus mindestens einem thermoplastischen Binder und aus mindestens einem keramischen und mindestens einem pulvermetallurgischen Werkstoff oder aus mindestens einem thermoplastischen Binder und aus mindestens zwei pulvermetallurgischen Werkstoffen besteht, innerhalb des Formkörpers Teilvolumina vorhanden, die unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung aufweisen und/oder die einen unterschiedlichen Gehalt an Teilchen des Werkstoffes in dem thermoplastischen Binder aufweisen und/oder Teilvolumina aufweisen, die nur aus dem thermoplastischen Binder bestehen, wobei die unterschiedliche Zusammensetzung und/oder der unterschiedliche Gehalt an Teilchen des Werkstoffes im thermoplastischen Binder in den Teilvolumina zueinander entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe zur Erzielung eines definierten Spannungszustandes mindestens in Teilbereichen der Kontaktbereiche der unterschiedlichen Teilvolumina im gesinterten Zustand und bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur des gesinterten Formkörpers eingestellt ist.
Vorteilhafterweise enthalten die Teilvolumina SiC- und TiC-Pulver, jeweils in einem thermoplastischen Binder verteilt, wobei der Gehalt an SiC-Teilchen um 0,5 bis 4,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an TiC-Teilchen und der Gehalt an SiC-Teilchen zwischen 45 und 60 Vol.-% liegt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gehalt an SiC-Teilchen um 2,5 bis 3,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an TiC-Teilchen und der Gehalt an SiC-Teilchen zwischen 50 und 55 Vol.-% liegt.
Ebenfalls vorteilhafterweise bestehen die Teilvolumina aus SiC- und ZrC- und TiC- Pulver, jeweils in einem thermoplastischen Binder verteilt, wobei der Gehalt an SiC- Teilchen um 0,5 bis 4,0 Vol.-% niedriger als der Gehalt an TiC-Teilchen liegt und um 0,2 bis 2,0 Vol.-% niedriger als der Gehalt an ZrC-Teilchen liegt und der Gehalt an ZrC-Teilchen um 0,2 bis 2,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an TiC-Teilchen, und wobei der Gehalt an SiC-Teilchen zwischen 45 und 60 Vol.-% liegt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Teilvolumina ZrO2- und Stahl-Pulver enthalten, jeweils in einem thermoplastischen Binder verteilt, wobei der Gehalt an ZrO2-Teilchen um 0,5 bis 14,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an Stahl-Teilchen und der Gehalt an Stahl-Teilchen zwischen 50 und 64 Vol.-% liegt.
Eine ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Teilvolumina Al2O3- und Stahl-Pulver enthalten, jeweils in einem thermoplastischen Binder verteilt, wobei der Gehalt an Al2O3-Teilchen um 1,5 bis 14,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an Stahl-Teilchen und der Gehalt an Stahl-Teilchen zwischen 50 und 64 Vol.-% liegt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der thermoplastische Binder aus Paraffin(en) und/oder Wachs(en) und/oder grenzflächenaktiven Stoffe(n) besteht und weitere an sich bekannte Sinter- und/oder Formgebungshilfsmittel enthalten sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der thermoplastische Binder aus Polyethylenwachs, Paraffin und Stearinsäure und weitere an sich bekannte Sinter- und/oder Formgebungshilfsmittel sind enthalten.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der erfindungsgemäße Formkörper eine komplizierte innere und/oder äußere Kontur aufweist.
Zweckmäßig ist es auch, wenn bei dem erfindungsgemäßen Formkörper die Kontaktflächen zwischen mindestens zwei Teilvolumina im Formkörper eine komplizierte Geometrie aufweisen.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, daß die Oberfläche und/oder die oberflächennahen Bereiche des Formkörpers nach dem Sintern bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur einen druckverspannten Zustand aufweisen.
Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Werkstoffverbund, bei dem zur Herstellung von thermoplastischen Massen mindestens zwei pulverförmige Werkstoffe mit unterschiedlichen Feststoffgehalten in mindestens einem thermoplastischen Binder dispergiert werden und die mindestens zwei thermoplastischen Massen gleichzeitig oder nacheinander auf eine Unterlage aufgebracht oder in eine Form, die die Außen- und/oder Innenkontur des herzustellenden Formkörpers aufweist, eingebracht werden, wobei die Zusammensetzung und/oder der Feststoffgehalt der pulverförmigen Werkstoffe nach den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der pulverförmigen Werkstoffe zur Erzielung eines definierten Spannungszustandes zumindest in Teilbereichen der Kontaktbereiche der mindestens zwei thermoplastischen Massen im gesinterten Zustand bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur des gesinterten Formkörpers eingestellt wird, nach dem Erstarren der thermoplastischen Massen der Formkörper von der Unterlage entfernt oder aus der Form entformt wird und danach oder nach dem Aufbringen einer oder mehreren weiteren thermoplastischen Massen auf die Außen- und/oder Innenkontur des Formkörpers auf der oder einer weiteren Unterlage oder innerhalb einer weiteren Form und wiederum nach dem Erstarren der thermoplastischen Masse oder Massen der Formkörper gesintert wird.
Vorteilhafterweise wird das Auf- oder Einbringen der thermoplastischen Massen auf die Unterlage oder in die Form unter Druckeinwirkung durchgeführt.
Vorteile ergeben sich auch, wenn der Formkörper vor dem Sintern mechanisch bearbeitet und/oder chemisch behandelt wird.
Eine Varinante der Erfindung besteht darin, daß beim mehrmaligen Ein- oder Aufbringen der thermoplastischen Massen auf die Unterlage oder in die Form oder auf den Formkörper eine teilweise oder vollständige Entbinderung der erstarrten thermoplastischen Masse oder Massen durchgeführt wird.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, daß beim mehrmaligen Ein- oder Aufbringen der thermoplastischen Massen auf die Unterlage oder in die Form oder auf den Formkörper jeweils nach dem Erstarren einer oder mehrerer thermoplastischen Massen eine Sinterung, die nicht zur vollständigen Dichtheit des gesinterten Körpers führt, durchgeführt wird.
Vorteilhaft ist es auch, wenn mindestens eine thermoplastische Masse, die nur aus dem thermoplastischen Binder besteht, teilweise zwischen zwei thermoplastische Massen eingebracht wird, die pulverförmige Werkstoffe im thermoplastischen Binder enthalten.
Entsprechend einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Formkörper eine Innenkontur erzeugt, die ein Eindringen oder Durchdringen einer thermoplastischen Masse in oder durch eine andere thermoplastische Masse ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise dahingehend ausgestaltet sein, daß das Einbringen der thermoplastischen Massen in die Form oder das Aufbringen der thermoplastischen Massen auf einen Formkörper innerhalb oder außerhalb einer Form durch Heißgießen oder Warmextrudieren oder Spritzgießen oder durch Fused Deposition Modelling (FDM) erfolgt.
Zweckmäßig ist es auch, wenn das Aufbringen der thermoplastischen Massen auf die Unterlage oder auf den Formkörper durch pulvertechnologische Verfahren, Gießen, Tauchen oder durch Fused Deposition Modelling (FDM) erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, daß mehrere Formkörper durch Heißgießen, Warmextrudieren, Spritzgießen oder Fused Deposition Modelling hergestellt werden und diese Formkörper nach dem Erstarren des oder der thermoplastischen Binder zusammengesetzt und unter Druck oder unter einem Vakuum gefügt werden.
Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn in der Oberfläche und/oder in den oberflächennahen Bereiche des Formkörpers nach dem Sintern bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur ein druckverspannter Zustand eingestellt wird.
Bei Werkstoffverbunden führt der Einsatz von unterschiedlich zusammengesetzten Teilvolumina im Formkörper bei der Sinterung aufgrund der unterschiedlichen Packungsdichte der verschiedenen Werkstoffe zu einer unterschiedlichen Schwindung und damit zu Spannungen im Sinterkörper. Falls nach Ende der Schwindung bei Sintertemperatur Spannungsfreiheit herrscht, was man durch gleiche lineare Schwindung oder durch den Ausgleich der Schwindungsunterschiede durch eine unterschiedliche Packungsdichte erreichen kann, so wird durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beim Abkühlen das Spannungsmaximum in der Regel bei Raumtemperatur erreicht.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann nun die Schwindung gesteuert und damit der Spannungszustand, der bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur gewünscht wird, eingestellt werden. Diese Steuerung erfolgt durch die Einstellung des Feststoffgehaltes der einzelnen Werkstoffe oder Werkstoffgruppen in den thermoplastischen Massen und im Verhältnis zueinander. Bei beispielsweise zwei thermoplastischen Massen liegt der Feststoffgehalt des Werkstoffes höher, der den größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Die Differenz im Feststoffgehalt ist um so größer, je größer die Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten und je größer die Temperaturdifferenz zwischen Sintertemperatur und Zieltemperatur ist, bei der Spannungsfreiheit herrschen soll. Um einen definierten Spannungszustand zu erzielen, muß die Differenz der Packungsdichten so eingestellt werden, daß sich Schwindungsdifferenz und der unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizient nicht gegenseitig aufheben.
Die thermoplastischen Massen werden hergestellt, indem mindestens ein pulverförmiger Werkstoff in mindestens einem thermoplastischen Binder dispergiert wird.
Als pulverförmige Werkstoffe kommen dabei keramische und/oder pulvermetallurgische Werkstoff in Frage. Beispielsweise können dies sein SiC, TiC, B4C, ZrC, Si3N4, AlN, TiB2, TiN, SSN, Al2O3, ZrO2 und deren Kombinationen untereinander in einem Zwei- oder auch Dreistoffsystem, aber auch beispielsweise Stahlpulver oder ähnliches.
Die thermoplastischen Massen können neben dem Einbringen in eine Form auch auf eine Unterlage aufgebracht werden. Diese Unterlage ist ebenfalls wie die Form nicht Bestandteil des erfindungsgemäßen Formkörpers, ist aber bei verschiedenen Herstellungsverfahren als Hilfsmittel für die Formgebung notwendig. Sowohl die Unterlage als auch die Form sind hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Zustand in Abhängigkeit von der eingesetzten Werkstoffkombination des erfindungsgemäßen Formkörpers und der verwendeten Technologie frei wählbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Formkörper herstellbar, die eine komplizierte innere und/oder äußere Kontur aufweisen. Dabei ist unter innerer Kontur beispielsweise die Gestaltung eines Hohlraumes zu verstehen, also immer ein von außen zugänglicher Bereich des Formkörpers.
Ebenfalls frei gestaltbar sind die Geometrien der Kontaktflächen zwischen zwei oder mehreren Teilvolumina innerhalb eines Formkörpers. Diese Gestaltung der Kontaktflächen kann ebenfalls zu einem Spannungsabbau und/oder zur Steuerung der Spannungen in den Bereichen der Kontaktflächen zwischen zwei oder mehr Teilvolumina führen.
Eine weitere an sich bekannte Möglichkeit zur teilweisen Steuerung der Spannungszustände in dem erfindungsgemäßen Formkörper besteht darin, die Oberfläche und/oder die oberflächennahen Bereiche des Formkörpers nach dem Sintern bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur in einen druckverspannten Zustand zu versetzen.
Durch die Erfindung wird es möglich, beispielsweise erst eine thermoplastische Masse in eine Form einzubringen, diese Erstarren zu lassen und anschließend eine weitere thermoplastische Masse in die Form einzubringen. Nach dem Erstarren der ersten thermoplastischen Masse ist auch ein vollständiges oder teilweises Austreiben des thermoplastischen Binders möglich und sogar eine Vorsinterung, die nicht zur völligen Dichtheit des Sinterkörpers führt. Diese Zwischenschritte sind nach jedem Auf- und/oder Einbringen einer thermoplastischen Masse möglich. Das Auf- und/oder Einbringen einer weiteren thermoplastischen Masse ist innerhalb aber auch außerhalb einer Form möglich. Mit dem Auf- und/oder Einbringen einer thermoplastischen Masse ist auch das ganz oder teilweise Füllen eines Hohlraumes in einem bereits erstarrten Formkörper möglich. Diese Vorgänge können beliebig oft wiederholt werden, bevor das teilweise oder völlige Austreiben des Binders und die Vorsinterung oder vollständigen Sinterung des Formkörpers erfolgt.
Es ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, verschieden erfindungsgemäße Formkörper herzustellen und diese dann unter Druck oder unter Vakuum zu fügen. Anschließend kann dann das Austreiben des Bindemittels und/oder die Sinterung erfolgen.
Unabhängig davon ist die Bearbeitung des erfindungsgemäßen Formkörpers mit an sich bekannten Methoden, wie Drehen, Fräsen, Bohren, Ätzen usw. möglich.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es auch möglich, im Inneren eines erfindungsgemäßen Formkörpers eine von außen nicht zugänglichen Hohlraum zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem bei der Formgebung des Formkörpers an die gewünschte Stelle eine thermoplastische Masse eingebracht wird, die keinen pulverförmigen Werkstoff enthält, also nur aus einem thermoplastischen Binder besteht. Nach dem Austreiben des Binders aus dem gesamten Formkörpers ist an dieser Stelle ein Hohlraum entstanden.
Ein erfindungsgemäß hergestellter erfindungsgemäßer Formkörper weist gegenüber Formkörpern, die nach dem Stand der Technik hergestellt worden sind, unter anderem folgende Vorteile auf.
Durch die Freiheit der Formgestaltung können komplizierte Innen- und Außenkonturen hergestellt werden und ebenfalls die Geometrie der Kontaktflächen der unterschiedlichen Teilvolumina kann kompliziert und beliebig bewußt gestaltet werden. Dadurch sind beispielsweise Hinterschneidungen, scharfe Kanten, senkrecht zueinander stehende Bohrungen herstellbar, oder auch ein kompliziert aufgebauter Körper, der aus einzeln hergestellten Formelementen zusammengesetzt und gefügt worden ist.
Weiterhin sind dickere Schichten auf einer Unterlage herstellbar und auch ein frei wählbares Schichtdickenverhältnis ist möglich.
Ebenfalls wird durch die Erfindung die Herstellung eines annähernd dicht gesinterten Werkstoffverbundes ohne offene Porosität möglich, der insbesondere in reaktiven Medien einsetzbar ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es auch möglich Formkörper herzustellen, die nach dem Sintern bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur einen definierten, gewünschten Spannungszustand aufweisen. Insbesondere ist ein spannungsfreier oder annähernd spannungsfreier Zustand im gesinterten Körper erreichbar.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine starke Erweiterung der Palette der möglichen einsetzbaren Werkstoffe und Werkstoffkombinationen erreicht wird.
Auch ist es durch die Erfindung möglich, einen Sinterkörper herzustellen, bei dem beispielsweise kosten intensive Hochleistungswerkstoffe nur an den Stellen im Sinterkörper eingesetzt werden, die entsprechend beansprucht sind.
Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Aus 69 g SiC, 6 g Al2O3, 4 g Y2O3, 14 g Paraffin, 4 g Stearinsäure und 3 g Polyethylenwachs wird eine homogene thermoplastische Masse hergestellt. Aus 76 g TiC, 6 g Al2O3, 4 g Y2O3, 9 g Paraffin, 3 g Stearinsäure und 2 g Polyethylenwachs wird eine zweite homogene thermoplastische Masse hergestellt. Die beiden Massen werden nacheinander bei 80°C und 0,2 MPa durch eine Düse auf eine Unterlage abgeschieden. Die Düse wird weggesteuert geführt, so daß nach dem bekannten FDM- Verfahren ein Bauteil aufgebaut wird. Die eine Seite des Formkörpers (Grünkörper) besteht zu 100% aus der thermoplastischen SiC-Masse, die andere Seite zu 100% aus der thermoplastischen TiC-Masse.
Anschließend werden Paraffine und Wachse bei 250°C aus dem Formkörper ausgetrieben und danach einer Wärmebehandlung bei 1900°C unterzogen. Nach der Abkühlung sind keine Eigenspannungen an der Kontaktfläche SiC-TiC vorhanden.
Beispiel 2
Aus 100 g Chromstahl-Pulver, 4 g Hartparaffin, 1 g Polyethylenwachs und 3 g Stearinsäure wird eine homogene thermoplastische Masse hergestellt. Aus 100 g ZrO2- Pulver, 12 g Paraffin und 5 g Stearinsäure wird eine zweite homogene thermoplastische Masse hergestellt. Die erste thermoplastische Masse wird bei einer Temperatur von 80°C unter einem Druck von 0,3 MPa in den Hohlraum eines zusammengesetzten Werkzeuges, das die Kontur eines ersten Bauteil-Teilvolumens besitzt, eingespritzt. Nach dem Erstarren dieser thermoplastischen Masse wird ein Schieber im Werkzeug gezogen und es wird ein weiterer Hohlraum im Werkzeug freigegeben, der die Kontur des zweiten Bauteil-Teilvolumens besitzt. In diesen Hohlraum wird die zweite thermoplastische Masse bei einer Temperatur von 80°C und unter einem Druck von 0,3 MPa eingespritzt. Nach dem Abkühlen des Formkörpers wird dieser aus dem Werkzeug entformt.
Bei einer Temperatur von 300°C wird der thermoplastische Binder aus dem Formkörper ausgetrieben und anschließend bei 1350°C unter Wasserstoff gesintert.
Die festgestellten Spannungen in diesem Sinterkörper sind dabei um Größenordnungen kleiner als die Festigkeit der Werkstoffe.

Claims (22)

1. Formkörper aus einem Werkstoffverbund, bei dem der Werkstoffverbund aus mindestens einem thermoplastischen Binder und aus mindestens zwei keramischen Werkstoffen oder aus mindestens einem thermoplastischen Binder und aus mindestens einem keramischen und mindestens einem pulvermetallurgischen Werkstoff oder aus mindestens einem thermoplastischen Binder und aus mindestens zwei pulvermetallurgischen Werkstoffen besteht und bei dem innerhalb des Formkörpers Teilvolumina vorhanden sind, die unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung aufweisen und/oder die einen unterschiedlichen Gehalt an Teilchen des Werkstoffes in dem thermoplastischen Binder aufweisen und/oder Teilvolumina aufweisen, die nur aus dem thermoplastischen Binder bestehen, wobei die unterschiedliche Zusammensetzung und/oder der unterschiedliche Gehalt an Teilchen des Werkstoffes im thermoplastischen Binder in den Teilvolumina zueinander entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe zur Erzielung eines definierten Spannungszustandes mindestens in Teilbereichen der Kontaktbereiche der unterschiedlichen Teilvolumina im gesinterten Zustand und bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur des gesinterten Formkörpers eingestellt ist.
2. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Teilvolumina SiC- und TiC-Pulver, jeweils in einem thermoplastischen Binder verteilt, enthalten, wobei der Gehalt an SiC- Teilchen um 0,5 bis 4,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an TiC-Teilchen und der Gehalt an SiC-Teilchen zwischen 45 und 60 Vol.-% liegt.
3. Formkörper nach Anspruch 2, bei dem der Gehalt an SiC-Teilchen um 2,5 bis 3,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an TiC-Teilchen und der Gehalt an SiC-Teilchen zwischen 50 und 55 Vol.-% liegt.
4. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Teilvolumina aus SiC- und ZrC- und TiC- Pulver, jeweils in einem thermoplastischen Binder verteilt, bestehen, wobei der Gehalt an SiC-Teilchen um 0,5 bis 4,0 Vol.-% niedriger als der Gehalt an TiC-Teilchen liegt und um 0,2 bis 2,0 Vol.-% niedriger als der Gehalt an ZrC-Teilchen und der Gehalt an ZrC-Teilchen um 0,2 bis 2,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an TiC-Teilchen, und wobei der Gehalt an SiC-Teilchen zwischen 45 und 60 Vol.-% liegt.
5. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Teilvolumina ZrO2- und Stahl-Pulver, jeweils in einem thermoplastischen Binder verteilt, enthalten, wobei der Gehalt an ZrO2-Teilchen um 0,5 bis 14,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an Stahl-Teilchen und der Gehalt an Stahl-Teilchen zwischen 50 und 64 Vol.-% liegt.
6. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Teilvolumina Al2O3- und Stahl-Pulver, jeweils in einem thermoplastischen Binder verteilt, enthalten, wobei der Gehalt an Al2O3-Teilchen um 1,5 bis 14,0 Vol.-% niedriger liegt als der Gehalt an Stahl-Teilchen und der Gehalt an Stahl-Teilchen zwischen 50 und 64 Vol.-% liegt.
7. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der thermoplastische Binder aus Paraffin(en) und/oder Wachs(en) und/oder grenzflächenaktiven Stoffe(n) besteht und weitere an sich bekannte Sinter- und Formgebungshilfsmittel enthalten sind.
8. Formkörper nach Anspruch 7, bei dem der thermoplastische Binder aus Polyethylenwachs, Paraffin und Stearinsäure besteht und weitere an sich bekannte Sinter- und/oder Formgebungshilfsmittel enthalten sind.
9. Formkörper nach Anspruch 1, der eine komplizierte innere und/oder äußere Kontur aufweist.
10. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Kontaktflächen zwischen mindestens zwei Teilvolumina im Formkörper eine komplizierte Geometrie aufweisen.
11. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche und/oder die oberflächennahen Bereiche des Formkörpers nach dem Sintern bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur einen druckverspannten Zustand aufweisen.
12. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Werkstoffverbund, bei dem zur Herstellung von thermoplastischen Massen mindestens zwei pulverförmige Werkstoffe mit unterschiedlichen Feststoffgehalten in mindestens einem thermoplastischen Binder dispergiert werden und die mindestens zwei thermoplastischen Massen gleichzeitig oder nacheinander auf eine Unterlage aufgebracht oder in eine Form, die die Außen- und/oder Innenkontur des herzustellenden Formkörpers aufweist, eingebracht werden, wobei die Zusammensetzung und/oder der Feststoffgehalt der pulverförmigen Werkstoffe nach den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der pulverförmigen Werkstoffe zur Erzielung eines definierten Spannungszustandes zumindest in Teilbereichen der Kontaktbereiche der mindestens zwei thermoplastischen Massen im gesinterten Zustand bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur des gesinterten Formkörpers eingestellt wird, nach dem Erstarren der thermoplastischen Massen der Formkörper von der Unterlage entfernt oder aus der Form entformt wird und danach oder nach dem Aufbringen einer oder mehreren weiteren thermoplastischen Massen auf die Außen- und/oder Innenkontur des Formkörpers auf der oder einer weiteren Unterlage oder innerhalb einer weiteren Form und wiederum nach dem Erstarren der thermoplastischen Masse oder Massen der Formkörper gesintert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Auf- oder Einbringen der thermoplastischen Massen auf die Unterlage oder in die Form unter Druckeinwirkung durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Formkörper vor dem Sintern mechanisch bearbeitet und/oder chemisch behandelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem beim mehrmaligen Ein- oder Aufbringen der thermoplastischen Massen auf die Unterlage oder in die Form oder auf den Formkörper eine teilweise oder vollständige Entbinderung der erstarrten thermoplastischen Masse oder Massen durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem beim mehrmaligen Ein- oder Aufbringen der thermoplastischen Massen auf die Unterlage oder in die Form oder auf den Formkörper jeweils nach dem Erstarren einer oder mehrerer thermoplastischen Massen eine Sinterung, die nicht zur vollständigen Dichtheit des gesinterten Körpers führt, durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem mindestens eine thermoplastische Masse, die nur aus dem thermoplastischen Binder besteht, teilweise zwischen zwei thermoplastische Massen eingebracht wird, die pulverförmige Werkstoffe im thermoplastischen Binder enthalten.
18. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem in dem Formkörper eine Innenkontur erzeugt wird, die ein Eindringen oder Durchdringen einer thermoplastischen Masse in oder durch eine andere thermoplastische Masse ermöglicht.
19. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Einbringen der thermoplastischen Massen in die Form oder das Aufbringen der thermoplastischen Massen auf einen Formkörper innerhalb oder außerhalb einer Form durch Heißgießen oder Warmextrudieren oder Spritzgießen oder durch Fused Deposition Modelling (FDM) erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Aufbringen der thermoplastischen Massen auf die Unterlage oder auf den Formkörper durch pulvertechnologische Verfahren, Gießen, Tauchen oder durch Fused Deposition Modelling (FDM) erfolgt.
21. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem mehrere Formkörper durch Heißgießen, Warmextrudieren, Spritzgießen oder Fused Deposition Modelling hergestellt werden und diese Formkörper nach dem Erstarren des oder der thermoplastischen Binder zusammengesetzt und unter Druck oder unter einem Vakuum gefügt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem in der Oberfläche und/oder in den oberflächennahen Bereiche des Formkörpers nach dem Sintern bei Raumtemperatur oder bei Anwendungstemperatur ein druckverspannten Zustand eingestellt wird.
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