DE3120501C2 - "Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen" - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Legierungspulver, welches mit Hilfe von Kunststoffen zu einer spritzfähigen, ca. 30 bis Volumen-% an Kunststoff enthaltenden Granulatmasse aufbereitet wird.

Üblicherweise werden Formteile aus Nickel, Chrom- und Titan-Legierungen durch Feinguß hergestellt. Gußteile weisen jedoch vergleichsweise schlechte mechanische Eigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich der Schwingfestigkeit, die bei statisch oder dynamisch beanspruchten Teilen, z. B. bei Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen, von Bedeutung ist.

Die mechanischen Eigenschaften vorgenannter Art werden zwar verbessert, wenn das Formteil aus einer entsprechenden Knetlegierung hergestellt ist. Durch Warm- oder Kaltumformung lassen sich jedoch komplizierte Teile, wie z. B. Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen oder integrale Turbinenräder nicht in der Endkontur herstellen.

Zusätzlich ist in erheblichem Umfang spanabhebende oder elektrochemische Bearbeitung erforderlich. Bei der Herstellung hochbeanspruchter Teile, bei denen die Festigkeil von Gußlegierungen nicht ausreicht und die deshalb beispielsweise aus einer Knetlegierung hergestellt werden, entstehen daher erhebliche Kosten durch Bearbeitung und Materialverlust.

Werkstoffe, die durch Teilchendispersion gehärtet sind. lasr.en sich weder als Guß- noch als Knetlegierung in befriedigender Qualität herstellen, da sich bei diesem Verfahren die Teilchen nicht genügend homogen verteilen lassen. Bekannt ist sogenanntes TD-Nickel, ein mitThoriumoxiddispersionsgehärtetes Nickel, Die Herstellungstechnologie dieses Werkstoffs erlaubt jedoch nicht, Formträger der vorgenannten Art mit akzeptablem Aufwand zu verwirklichen.

Aus der DE-OS 19 64426 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von hochhitzebeständigen Formkörpern bekannt, bei dem Kunstharze zusammen mit Organosiliziumverbindungen und Legierungspulvern zu Fonnkörpern gegossen, bei Raumtemperatur und anschließend bei etwa 150⁰C vorgehärtet und danach bei höherer Temperatur unter Zersetzung der Kunstharze in inerter Atmosphäre erhitzt werden, wobei die Erhitzung bis zum Sintern der Metall- bzw. Legierungspulver fortgeführt werden kann.

Durch die Verwendung von Duroplasten als Kunststoffe in der Granulatmasse ergibt sich ein beber Anteil von Kohlenstoff, der insbesondere bei Nickellegierungen das Basismetall in Metallkarbide umsetzt Bei dem bekannten Verfahren nach der DE-OS 19 64 426 ist die Verkokung der verwendeten Duroplaste ausdrücklich erwünscht Das Vorhandensein solcher Karbide ist jedoch bei Legierungen auf der Basis von Nickel, Chrom und Titan höchst unerwünscht

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Formteilen der eingangs genannten Art, bei dem verbesserte Eigenschaften, insbesondere im Hochtemperaturbereich mit relativ geringem Aufwand erzielbar sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß Legierungspulver auf der Basis von Nickel, Chrom, Titan oder ein Gemisch dieser Legierungen oder ein Gemisch aus Pulvern von Legierungskomponenten oder dispersionsgehärtete Legierungen und als Kunststoffe solche Thermoplaste, die bei einer Wärmebehandlung von 600⁰C wenig Kohlenstoff zurücklassen, wie Polyäthylen und die in einem das Basismetall der Legierung nicht angreifenden Lösungsmittel gelöst sind, sowie Stearate als Gleitmittel gemischt werden, und daß das spritzgegossene Formteil einer ersten Wärmebehandlung bis ca. 600° C unter Schutzgas oder Vakuum unterzogen und danach bei üblichen Temperaturen gesintert wird.

«5 Die Sintertemperatur soll insbesondere 50 bis 90% der Solidustemperatur der verwendeten Legierung betragen. Dabei tritt eine Schrumpfung des Formteils auf, wodurch eine Dichte von 95 bis 98% der theoretischen Dichte erreicht wird.

so Eine vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß nach der ersten Wärmebehandlung und vor der Sinterung eine zweite Wärmebehandlung unter Wasserstoff bei einem Druck von 1 bis 300 bar und einer Temperatur von 400 bis 1000⁰C vorgenommen wird. Eine solche zweite Wärmebehandlung dient vor allem dazu, eventuell vorhandenen freien Kohlenstoff in gasförmige Kohlenwasserstoffe überzuführen und so aus dem Formteil auszutreiben, um die Gefahr der Bildung von Karbiden auszuschließen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das gesinterte Formteil bei einem Druck von 500 bis 3000 bar und bei Sintertemperatur heißisostatisch nachverdichtet. Hicr-

⁶^ durch läßt sich eine vorhandene Restporösität in der Größenordnung von I bis 2% entfernen, wodurch die Festigkeit des Formteils noch weiter gesteigert werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß als Thermoplaste neben Polyäthylen auch Polystyrol, Polyamide und/oder Cellulose sowie deren Derivate der Granulatmasse zugemischt werden können, da diese Kunststoffe bei der Zersetzung unter Schutzgas oder im Vakuum ähnlich wenig Kohlenstoff wie Polyäthylen zurücklassen.

Durch die Erfindung wird insbesondere die Schwingfestigkeit des Materials verbessert. Es lassen sich vorteilhaft auch komplizierte Teile mit hohen Anforderungen an das Endprofil herstellen, wie z. B. Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen oder integrale Turbinenräder. Nach der Spritzverformung befindet sich das gefertigte Formteil in einer Form, die eine anschließende spanabhebende oder elektrochemische Bearbeitung allenfalls in geringem Umfang erfordert. Insbesondere die drastische Reduzierung des Zerspannungsaufwands gegenüber den bekannten eingangs erwähnten Herstellungsverfahren von Formteilen schafft demnach ein einfaches Herstellungsverfahren mit hochwertigem Ergebnis, das im Vergleich zu bekannten Verfahren sehr kostengünstig ist.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben:

Ausgangsmaterial ist ein Pulver der entsprechenden Legierung oder ein Gemisch von Pulvern aus Legierungskomponenten. Dieses Pulver wird mit Hilfe von Thermoplasten und Gleitmitteln zu eitler spritzfähigen Masse aufbereitet Die Masse enthält 30 bis 50 VoIumer.-% Kunststoff.

Als Kunststoff kommen in Frage:

Thermoplaste:
Gleitmittel:

Polyäthylene, Polystyrol,
Polyamide, O'Julose
sowie deren Derivate
Stearinsäure, S^arate,
Wachse.

Die verwendeten Kunststoffe werden in einem Lösungsmittel, das die Metalle nicht angreift, gelöst und mit dem Metallpulver gemischt Anschließend wird das Lösungsmittel abgedampft, und die Masse zu einem spritzfähigen Granulat aufbereitet. Dieses Granulat läßt sich nun durch Spritzguß zum Formteil verarbeiten.

Durch eine Wärmebehandlung bis 600⁰C unter Schutzgas wird der Kunststoff aus dem Formteil nach dem Spritzvergießen entfernt Anschließend wird das Teil gesintert, wobei der Sintervorgang unter Schutzgas oder Vakuum bei Temperaturen von 50 bis 90% der Solidustemperatur des verwendeten Metalles erfolgt Hierbei schrumpft das Teil linear zwischen 10 und 25% der theoretischen Dichte des Materials.

Dispersionsgehärteten Legierungen sind zwei- oder mehrphasige Werkstoffe, bei denen die Matrix aus einer oxidationsbeständigen, meist einphasigen Legierung besteht In die Matrix sind Teilchen einer zweiten Phase (oder mehrerer Phasen) eingelagert

ίο Kennzeichen dispersionsgehärteter Legierungen ist es, daß die Teilchen nicht in der Matrix gelöst werden können. Die Teilchen bewirken eine Härtung des Werkstoffes. Vorteil der dispersionsgehärteten Legierung ist ihre Alterungsbeständigkeit bei hoher Temperatur, die auf der Unlöslichkeit der zweiten Phase beruht.

Bei der Herstellung von solchen Legierungen sind vornehmlich zwei Schwierigkeiten zu überwinden:

— die Teilchen der zweiten Phase müssen möglichst klein sein (<1 μπι);

— die Teilchen sollen homogen in der Matrix verteilt sein.

Üblicherweise werden die Teilchen in die Schmelze der Matrix-Legierung eingebracht Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß sich wegen der Dichteunterschiede von Matrix und Teilchen Konzentrationsgradienten beim Abgießen der Formteile einstellen. Durch Adhäsionskräfte neigen die Teilchen zusätzlich zum Verklumpen. Insgesamt ist nur eine sehr unbefriedigende Teilchenverteilung zu erzielen. Eine Homogenisierung durch plastische Umformung ist nicht möglich, da bei den bekannten Legierungen die plastische Verformbarkeit nicht ausreicht

Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind sehr homogene Teilchenverteilungen herstellbar. Die Teilchen werden dem Matrix-Pulver zugesetzt und mit diesem vermischt Da während des gesamten Prozesses keine Schmelzphase vorliegt, ist Entmischung oder Gradientenbildung nicht möglich. Auch bei den Schritten »Aufbereiten der Masse und Spritzgießen« wird die Verteilung nicht verschlechtert, sondern eher noch verbessert Die erzielbare sehr homogene Teilchenverteilung hat erheblich bessere Festigkeitseigenschaften der Formteile zur Folge als nach bekannten Herstellungsverfahren.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Legierungspulver, welches mit Hilfe von Kunststoffen zu einer spritzfähigen, ca. 30 bis 50 Volumen-% an Kunststoff enthaltenden Granulatmasse aufbereitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungspulver auf der Basis von Nickel, Chrom, Titan oder ein Gemisch dieser Legierungen oder ein Gemisch aus Pulvern von Legierungskomponenten oder dispersionsgehärtete Legierungen und als Kunststoffe solche Thermoplaste, die bei einer Wärmebehandlung von 600° C wenig Kohlenstoff zurücklassen, wie Polyäthylen und die in einem das Basismetall der Legierung nicht angreifenden Lösungsmittel gelöst sind, sowie Stearate als Gleitmittel gemischt werden, und daß das spritzgegossene Formteil einer ersten Wärmebehandlung bis ca. 600⁰C unter Schutzgas oder Vakuum unterzogen und danach bei üblichen Temperaturen gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß nach der ersten Wärmebehandlung und vor der Sinterung eine zweite Wärmebehandlung unter Wasserstoff bei einem Druck von 1 bis 300 bar und einer Temperatur von 400 bis 1000⁰C vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte Formteil bei einem Druck von ca. 500 bis 3000 bar und bei Sintertemperatur heißisostatisch nachverdichtet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Thermoplaste Polystyrol, i'olyamide und/oder Cellulose sowie deren Derivate zugemischt werden.