DE19856783C1 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Sinterteilen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Sinterteilen, bei dem ein Formkörper schichtweise aufgebaut wird, vorgeschlagen. Dabei wird pulverförmiges Ausgangsmaterial auf einer verfahrbaren Plattform in ebenen Schichten aufgebracht, die zu bauende Querschnittsfläche mittels eines Laserstrahls derart erhitzt, daß die Partikel des pulverförmigen Ausgangsmaterials zumindest partiell miteinander verklebt werden, die im Formkörper enthaltenen Bindemittelanteile bei erhöhter Temperatur ausgegast und die Partikel durch Sintern miteinander verbunden und der entstandene Sinterrohling wird von einem Infiltrationsmaterial infiltriert. DOLLAR A Als pulverförmiges Ausgangsmaterial wird ein Mehrstoffsystem, bestehend aus einer metallischen Hauptkomponente und mindestens einer metallischen Beimengung, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Hauptkomponente aufweist, verwendet. Das Ausgasen wird bei langsamer Steigerung der Ausgasungstemperatur durchgeführt, derart, daß der Formkörper gleichmäßig ausgast. Nach dem Sintern wird in einem zweiten getrennten Ofenprozeß ein Infiltrationsmaterial in den entstandenen Sinterrohling infiltriert, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der der mindestens einen Beimengung des pulverförmigen Ausgangsmaterials, wobei der Formkörper beim Ausgasen und Sintern und die Formhohlräume des Sinterrohlings sowie dieser selbst mit pulverförmigem Material ausgefüllt bzw. vollständig in dieses eingebettet werden, das keine Verbindung mit dem zu ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Sinterteilen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im Stand der Technik ist beispielsweise das indirekte Lasersinterverfahren (SLS - Selective Laser Sinte­ ring) bekannt, bei dem der zu erstellende Körper in 3D-CAD-Daten aufgelöst wird, die gemäß einer zu wäh­ lenden Schichtdicke von typischerweise 0,1 bis 0,3 mm virtuell in Querschnittsflächen geteilt werden. In einer Vorrichtung zum Herstellen eines Formkörpers oder Grünteils wird pulverförmiges Ausgangsmaterial, beispielsweise kunststoffumhüllter Stahl mit einer Pulverwalze auf einer in z-Richtung verfahrbaren Bau­ plattform in einer ebenen Schicht aufgebracht. Ein Laserstrahl überstreicht die zu bauende Querschnitts­ fläche und erhitzt das Pulver dabei partiell so stark, daß der Kunststoffanteil angeschmolzen wird und umliegende Partikel miteinander verklebt. Diese geschieht über die gesamte Querschnittsfläche. Die nicht verklebten Bereiche bleiben rieselfähig und übernehmen eine Stützfunktion des entstehenden Bau­ teils. Nach jeder Schicht wird die Bauplattform um die Schichtdicke abgesenkt und mit Hilfe der Pulver­ walze wird neues Pulver aus dem Vorratsbehälter auf­ gebracht. In dieser Weise wird der Formkörper oder das Grünteil in Schichten hergestellt.

Entsprechend dem Stand der Technik wird der herge­ stellte Formkörper bzw. das Grünteil mit einem was­ serlöslichen Kunststoff infiltriert, der dem Grünteil mehr Stabilität verschafft. Anschließend wird das in­ filtrierte Grünteil im Ofen bei ca. 50 bis 60°C ge­ trocknet. Der im Grünteil enthaltende Bindemittelan­ teil bzw. der Kunststoff wird in einem Folgeprozeß bei erhöhter Temperatur unter Stickstoff- und Wasser­ stoff-Atmosphäre ausgegast. Nach dem Ausgasen wird die Temperatur auf über 1000°C erhöht, wobei sich die Stahlpartikel durch Diffusion verbinden, d. h. die Partikel werden versintert. In die poröse Metall­ struktur wird anschließend bei noch höherer Tempera­ tur Kupfer oder Bronze infiltriert, in dem das schmelzflüssige Metall durch Kapillarwirkung vom Sin­ terteil "aufgesogen" wird. Üblicherweise steht das Sinterteil dabei im Schmelzbad, d. h. das Infiltrat wird um das Bauteil herum angeordnet oder auf einer Rampe postiert, von der es nach dem Schmelzen auf das Sinterteil zufließt. In Fig. 1 ist der Temperaturver­ lauf für die Herstellung des infiltrierten Sinter­ teils dargestellt. Das Massenverhältnis von Stahl zum Infiltrat beträgt im Fertigteil ca. 60% Stahl zu 40% Infiltrat.

Bei Untersuchungen von derart hergestellten Fertig­ teilen, die zur Herstellung von Modellen und Funkti­ onsteilen aus Metall bzw. von großen, geometrisch an­ spruchsvollen Druckgußwerkzeugeinsätzen dienen, wurde festgestellt, daß die Schrumpfung der Bauteile nach dem Kunststoffinfiltrationsprozess ca. 1%, nach der Kupferinfiltration ungefähr weitere 3% betrug. Dabei ergaben sich geometrisch bedingte Zonen, die das Zen­ trum der Schrumpfungsbewegung bestimmten. An den Schnittstellen dieser Zonen traten Risse auf. Die Ge­ nauigkeit der Geometrie wird ebenfalls durch nichtli­ neare Schrumpfungen beeinflußt. Es ließen sich auf waagerechten Flächen Ebenheitsabweichungen in der Mitte von ca. 1 mm bei 200 mm Länge feststellen.

Aus der US 5 745 834 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung metallischer Formteile bekannt, bei dem das SLS-Verfahren angewendet wird. In diesem Fall ist der Ausgangspunkt ein Stoffpulver, welches aus zwei metallischen und einer kunststoffartigen/polymeren Komponente besteht. Ein metallisches Pulver dient als Hauptkomponente, die beiden andren Pulver sind an­ teilig in kleinen Mengen vorhanden. Das zweite metal­ lische Pulver besitzt einen Schmelzpunkt, der niedri­ ger ist als der der Hauptkomponente. Der Kunststof­ fanteil der vorliegenden Pulvermischung wird wie in dem zuvor beschriebenen Verfahren aufgeschmolzen und somit schichtweise ein gewünschter Formkörper er­ stellt. Der Formkörper wird in einen Ofen gelegt und so auf eine Temperatur gebracht, daß der Bindemit­ telanteil bzw. Kunststoffanteil aus diesem entweichen kann. In einem weiteren Schritt wird die Temperatur erhöht, so daß diese oberhalb des Schmelzpunktes der zweiten metallischen Komponente, aber unterhalb des Schmelzpunktes der Hauptkomponente des metallischen Ausgangspulvers liegt und eine Sinterung in Bereichen des Formkörpers stattfindet. Um den Formkörper wäh­ rend dieses Vorgangs zu stützen und zu stabilisieren, ist dieser in ein Keramikpulver gelegt, welches die Eigenschaft besitzt, nicht an diesem anzuhaften bzw. keine Bindung mit diesem eingeht. Die flüssige Phase der metallischen Nebenkomponente fließt in offene Po­ ren des Formkörpers und verbindet die Hauptkomponente mit der Nebenkomponente. Um ein homogenes Gefüge, ei­ ne verringerte Porosität und eine damit verbundene hohe Festigkeit zu erzielen, muß der Formkörper unter Temperatureinwirkung gepreßt werden und in eine dafür vorgesehene Form gedrückt werden, die der Bauteilgrö­ ße entsprechen muß. Dadurch ergibt sich für große Bauteile ein hoher apparativer Aufwand, um einen Formkörper mit einer gewünschten Festigkeit herzu­ stellen.

Die mit diesen Verfahren nach dem Stand der Technik herzustellende derzeitige maximale Größe von Bautei­ len wird nicht nur durch den Maschinenbauraum, son­ dern auch durch die Schrumpfung bestimmt, wobei die maximale Größe nach dem beschriebenen Stand der Tech­ nik ca. zwischen 2.500 und 3.500 cm³ liegt, aller­ dings auch geometrieabhängig ist.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß die mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellten Bauteile nach der Infiltration einen trapezförmigen Quer­ schnitt, sowohl in der Seitenansicht als auch in der Draufsicht aufwiesen. Es wird vermutet, daß die Bau­ teile am Eintritt des ersten Infiltrationsstroms durch die Sogwirkung des Kapillareffekts verformt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Sintertei­ len zu schaffen, mit dem auch große Bauteile ohne Risse und minimalen geometrischen Verformungen herge­ stellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale im Hauptanspruch in Verbindung mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Bauteile in einer Größe fehlerfrei hergestellt werden, die nur durch den Maschinenbauraum der ver­ wendeten Maschine begrenzt wurde. Bei einem Bauteil mit 42 kg (maximales Gewicht eines Bauteiles nach dem Stand der Technik beträgt 17 kg) betrug die gemessene Ebenheitsabweichung nur 0,3 mm und die Differenz zweier gegenüberliegender Seiten betrug weniger als 0,3 mm, wobei das Bauteil keine Risse aufwies.

Dadurch, daß das dann vorhandene Grünteil in der Aus­ gasungsphase extrem langsam aufgeheizt wird (unter 0,5 K/min für die Steuertemperatur der Heizstäbe) können die Schrumpfungsbewegungen im Bauteil homogen verlaufen, so daß eine gleichmäßige Schrumpfung durch das gesamte Bauteil auftritt. Durch Einbetten des Grünlings in der Ausgasungs- und Sinterphase in ein Pulver, das keine Verbindung mit dem Bauteil eingeht, wird das langsame Aufheizen in der Ausgasungsphase unterstützt, wobei zusätzlich das Pulver, vorzugswei­ se Keramikpulver während der labilen Phase zwischen dem Ausgasen und dem Sintern eine Stützfunktion über­ nimmt.

Durch Verwendung eines Mehrstoffsystems als Ausgangs­ pulver, im vorliegenden Fall Stahl und Kupfer, wird der Sintervorgang und die Erzeugung eines mechanisch und thermisch stabilen Sinterbraunlings dahingehend unterstützt, daß entsprechend der gewählten Zusammen­ setzung des Mehrstoffsystems eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Partikeln entsteht, im vor­ liegenden Fall durch Schmelzen des Kupfers und Bil­ dung von Eisen-Kupfer-Mischkristallen.

Durch die Durchführung des Infiltrierschrittes in ei­ nem zweiten Ofenprozeß, kann die Temperatur des Sin­ terprozesses höher gewählt werden, da beim Sintern nicht auf das Infiltratmaterial geachtet werden muß. Eine Schwellung der kupferhaltigen Werkstoffe wird vermieden, da erfindungsgemäß die Atmosphäre beim Sintern und beim Infiltrieren wasserstofffrei gehal­ ten wird, so daß die Diffusion des Wasserstoffs in den Werkstoff minimiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der nachfol­ genden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Temperatur-Zeit-Diagramm der Temperatur der Heizstäbe des bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik verwendeten elektrisch beheizten Ofens für das Ausgasen, Sintern und Infil­ trieren,

Fig. 2a ein Temperatur-Zeit-Diagramm der Temperatur der Heizstäbe für das Ausgasen und Sintern beim erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2b ein Temperatur-Zeit-Diagramm für das Infil­ trieren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 3 einen Druckgußwerkzeugeinsatz, hergestellt nach dem Verfahren nach dem Stand der Tech­ nik,

Fig. 4 einen Druckgußwerkzeugeinsatz, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei blanke Flächen mechanisch bearbeitete Test­ flächen sind, und

Fig. 5 die schematische Darstellung einer Lasersin­ termaschine zur Herstellung eines Grünteils nach dem Stand der Technik.

Entsprechend Fig. 5 wird ein Grünteil aus einem pul­ verförmigen Ausgangsmaterial 1 hergestellt, das in Behältern 2 aufgenommen ist. Eine Bauplattform 3 ist in z-Richtung absenkbar und bildet mit der Oberfläche einer Arbeitsplatte 4 einen Hohlraum, der von einer über die Oberfläche rollende Pulverwalze 5 mit einem Pulverbett 6 gefüllt wird. Ein Laser 7 sendet einen Laserstrahl aus, der von einem dynamischen Spiegel 8 so gesteuert wird, daß er die Oberfläche des Pulver­ betts 6 überstreicht und die Partikel des Pulverbet­ tes 6 anschmilzt, derart, daß sie sich miteinander verbinden. Mit der dargestellten Vorrichtung wird schichtweise ein Grünteil aufgebaut.

Das pulverförmige Ausgangsmaterial für das erfin­ dungsgemäße Verfahren, das von der Pulverwalze verar­ beitet wird, besteht aus einem Gemisch aus einer Hauptkomponente, die als kunststoffumhüllter ferriti­ scher Stahl gewählt ist und einer Beimengung als Bin­ dephase, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als Stahl aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird etwa 10% Kupfer verwendet. Es sind jedoch auch andere Gemische (z. B. als Hauptkomponente austenitischer Stahl oder Nickel) möglich, wobei insbesondere auch auf eine Kunststoffumhüllung der Metallpartikel ver­ zichtet werden kann.

Aus dem Grünteil wird anschließend ein Sinterrohling erzeugt, wobei der Grünling bzw. das Grünteil in ei­ nen Tiegel gestellt, der vollständig mit Keramikpul­ ver bedeckt wird. Der Grünling wird dabei im Tiegel auf eine möglichst glatte Keramikplatte gestellt, die eine chemische Reaktion zwischen dem Grünteil und dem Tiegel, der üblicherweise aus Graphit besteht, zu verhindern. Der Tiegel mit dem im Keramikpulver ein­ gebetteten Grünling wird in einem elektrischen Ofen mit Heizstäben aufgeheizt, wobei in Fig. 2a die Heiz­ kurve, d. h. die Steuertemperatur der Heizstäbe darge­ stellt ist. Fig. 1 zeigt die Heizkurve bei dem Ver­ fahren nach dem Stand der Technik. Wie zu erkennen ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Ausgasungsphase sehr viel langsamer aufgeheizt (Fig. 2a) als im Stand der Technik (Fig. 1). Das Aufheizen geschieht mit einer Temperaturänderung von unter 0,5 K/min., wobei aus Fig. 2a zu erkennen ist, daß an­ fänglich mit 1,5 K/min. bis 180°C etwa zwei Stunden aufgeheizt wird, worauf dann die Heiztemperatur auf 0,18 K/min. eingestellt wird, wobei nach etwa 25 Stunden 450°C erreicht wird. Die Figuren sind aus­ drücklich in der Offenbarung eingeschlossen.

Durch das extrem langsame Aufheizen in der Ausgangs­ gasungsphase verlaufen die Schrumpfungsbewegungen im Bauteil homogen. Das Ausgasen bzw. das Abbrennen der aus dem Bauteil austretenden Gase geschieht unter Verwendung von Wasserstoff. Auch das Keramikpulver, in das das Bauteil eingebettet ist, unterstützt die Homogenisierung des Schrumpfungsvorganges, wobei es zusätzlich eine Stützfunktion während der labilen Pha­ se zwischen dem Ausgasen (200 bis 600°C) und dem Sin­ tern (ab 700°C) übernimmt. Durch die Beigabe des Kup­ fers im pulverförmigen Ausgangsmaterial wird die Schrumpfung durch die Volumenzunahme der Fe-Cu Misch­ kristalle teilweise ausgeglichen. Vor allem aber ent­ steht durch das Kupfer nach dessen Schmelzen und Er­ starren eine feste, stoffschlüssige Verbindung zwi­ schen den Stahlpartikeln.

Anschließend an das Ausgasen wird die Temperatur im Ofen weiter erhöht, wobei im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel aufgrund der Vorgabe des Ofens die ma­ ximale Sintertemperatur nur 1120°C beträgt. Vorzugs­ weise ist jedoch die Sintertemperatur höher zu wäh­ len, z. B. 1300°C, da dadurch das Ergebnis weiter ver­ bessert wird.

Nach dem Sintern wird, wie Fig. 2a zeigt, der Ofen abgeschaltet und der Sinterrohling nach dem Abkühlen her­ ausgenommen.

Der Sinterrohling kann gut mechanisch bearbeitet wer­ den, beispielsweise werden in dem beschriebenen Zu­ stand die verfahrensbedingten Schichtstufen abge­ schliffen. Die Festigkeit des Sinterrohlings gewähr­ leistet eine deutlich verbesserte Stabilität bei der nachfolgenden Infiltration, die um so höher ist, de­ sto geringer die Infiltrationstemperatur ist.

Während des Sinterschrittes im Ofen, d. h. bei Tempe­ raturen ab 600°C wird die Atmosphäre im Ofen wasser­ stofffrei gehalten, wobei der Ofen mit Stickstoff oder Argon gespült wird oder ein Vakuum im Ofen her­ gestellt wird. Auf diese Weise wird eine Schwellung der kupferhaltigen Werkstoffe vermieden.

Für die Infiltration wird der Sinterrohling auf den "Kopf" gestellt, d. h. die Formhohlräume des Sinter­ rohlings zeigen nach unten. Die Hohlräume werden mit Keramikpulver ausgefüllt und der gesamte Sinterroh­ ling wird wiederum in Keramikpulver eingebettet, so daß nur noch der nach oben weisende Boden frei bleibt. Das Infiltrationsmaterial wird dann auf dem nach oben liegenden Boden plaziert, und die so reali­ sierte Anordnung wird in dem Ofen in einem zweiten, vom Sinterschritt getrennten Ofenprozeß entsprechend der Temperaturkurve nach Fig. 2b aufgeheizt. Das In­ filtrationsmaterial, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der niedrigste Schmelzpunkt des Ausgangspul­ vers, in Ausführungsbeispiel Kupfer, kann beispiels­ weise Bronze oder Kupfer-Aluminium sein. Das Material wird abhängig vom Verwendungszweck und von den not­ wendigen mechanischen Eigenschaften gewählt.

Das auf dem Sinterrohling liegende Infiltrationsmate­ rial schmilzt und dringt in die Poren des Sinterroh­ lings ein bzw. wird von dem Sinterrohlings "aufgeso­ gen". Dabei wird die Porosität des Sinterrohlings be­ seitigt. Auch der Infiltrationsvorgang findet bei ei­ ner wasserstofffreien Atmosphäre statt. Die Tempera­ turen und die Zeiten sind wiederum der Fig. 2b zu entnehmen.

In den Fig. 3 und 4 sind die Ergebnisse des Verfah­ rens nachdem Stand der Technik und des erfindungsge­ mäßen Verfahrens anhand eines Druckgußwerkzeugeinsat­ zes mit einer Masse von ca. 22 kg dargestellt, wobei beide Einsätze mit Bronze infiltriert wurden. In Fig. 3 ist zu erkennen, daß zahlreiche Risse aufgetreten sind, während bei dem Druckgußwerkzeugeinsatz ein Satz nach Fig. 4 keine Risse auftraten, was insbeson­ dere auch an den blanken mechanischen Testflächen zu erkennen ist.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Sin­ terteilen, bei dem ein Formkörper schichtweise aufgebaut wird, wobei pulverförmiges Ausgangsma­ terial, welches ein Mehrstoffsystem bestehend aus einer metallischen Hauptkomponente und min­ destens einer metallischen Beimengung, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Hauptkomponente aufweist, und welches auf einer verfahrbaren Plattform in ebenen Schichten aufgebracht wird, verwendet wird, die zu bauende Querschnittsflä­ che mittels eines Laserstrahls derart erhitzt wird, daß die Partikel des pulverförmigen Aus­ gangsmaterials zumindest partiell miteinander verklebt werden, die im Formkörper enthaltenen Bindemittelanteile bei erhöhter Temperatur aus­ gegast und die Partikel durch Sintern miteinan­ der verbunden werden, wobei der Formkörper beim Ausgasen und Sintern und die Formhohlräume des Sinterrohlings sowie dieser selbst mit pulver­ förmigem Material ausgefüllt bzw. vollständig in dieses eingebettet werden, das keine Verbindung mit dem zu sinternden Formkörper bzw. dem Sin­ terrohling eingeht, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgasen bei langsamer Steigerung der Ausgasungstemperatur durchgeführt wird, derart, daß der Formkörper gleichmäßig ausgast und daß nach dem Sintern in einem zweiten getrennten Ofenprozess der entstandene Sinterrohling von einem Infiltrationsmaterial infiltriert wird, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der der mindestens einen Beimengung des pulverförmigen Ausgangsmaterials und wobei die Atmosphäre wäh­ rend des Sinterns und des Infiltrierens wasser­ stofffrei gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgasung bei einem Temperaturan­ stieg von unter 0,5 K/min. durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hauptkomponente Stahl oder Nickel und die Beimengung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Hauptkomponente Kupfer ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anteil von Kupfer etwa 10% beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das den Formkörper bzw. den Sinterrohling umgebende pulverförmige Material, das keine Verbindung mit diesem ein­ geht, Keramikpulver ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sinterrohling vor dem Infiltrieren mechanisch bearbeitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sintertemperatur größer als 1100°C, vorzugsweise zu 1300°C ge­ wählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sinterrohling beim Infiltrieren derart aufgestellt wird, daß die Formhohlräume nach unten zeigen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sinterrohling mit dem Boden nach oben gestellt wird und das Infiltrationsmaterial auf dem Boden plaziert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Formkörper für das Ausgasen und Sintern auf eine glatte Keramik­ platte gestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß als Infiltrationsmate­ rial Bronze oder Kupfer-Aluminium gewählt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre während des Sinterns ab 600°C und während des Infiltrie­ rens wasserstofffrei gehalten wird und mit Stickstoff oder Argon gespült wird oder als Va­ kuum ausgebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hauptkomponente kunststoffumhüllt ist.