Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Legierungsmaterial, insbesondere aus Nickel-Basis-Legierungen, Chrom-Basis-Legierungen, Titan-Basis-Legierungen, dispersionsgehärteten Legierungen.

[0002] Oblicherweise werden Formteile aus Nickel-Basis-Legierungen, 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.

[0003] Die mechanischen Eigenschaften vorgenannter Art werden zwar verbessert, wenn das Formteil aus einer entsprechenden Knet- bzw. Schmiedelegierung 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 Festigkeit von Gußlegierungen nicht ausreicht und die deshalb beispielsweise aus einer Knet- oder Schmiedelegierung hergestellt werden, entstehen daher erhebliche Kosten durch Bearbeitung und Materialverlust.

[0004] Werkstoffe, die durch Teilchendispersion gehärtet sind, lassen sich weder als Guß noch als Schmiedelegierung in befriedigender Qualität herstellen, da sich bei diesem Verfahren die Teilchen nicht genügend homogen verteilen lassen. Bekannt ist sogenanntes TD-Nickel, ein Thoriumoxid-dispersionsgehärtetes Nickel. Die Herstellungstechnologie dieses Werkstoffs erlaubt jedoch nicht Formträger der vorgenannten Art mit akzeptablem Aufwand zu verwirklichen. Hauptproblem ist, daß immer von blechartigem Halbzeug ausgegangen werden muß.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen der eingangs genannten Art, bei dem (der) vorgenannte Nachteile der Knetlegierungen oder Gußlegierungen überwunden und insbesondere verbesserte Eigenschaften mit einfachem Aufwand erzielt werden.

[0006] Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß ein Pulver der entsprechenden Legierung oder ein Gemisch aus Pulvern der entsprechenden Legierungskomponenten mit Hilfe von Kunststoffen in Form von Thermoplasten, Duroplasten und Gleitmitteln zu einer spritzfähigen ca. 30 bis 50 Volumenprozente des Kunststoffs enthaltenden Granulat-Masse aufbereitet wird, die zu einem Formteil spritzgegossen wird.

[0007] Die Aufbereitung der spritzfähigen Granulat-Masse erfolgt insbesondere dadurch, daß die Kunststoffe in einem das Basismetall der Legierung nicht angreifenden Lösungsmittel gelöst und mit dem Metallpulver gemischt werden, und daß anschließend das Lösungsmittel abgedampft wird.

[0008] Die Kunststoffe des spritzgegossenen Formteils werden zweckmäßigerweise durch eine Wärmebehandlung bis ca. 600 °C unter Schutzgas oder Vakuum aus dem Formteil zumindest . teilweise entfernt.

[0009] Nach der Kunststoffentfernung wird vorteilhafterweise das Formteil unter Schutzgas bei einer Temperatur von 50 bis 90 % der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls der Legierung gesintert. Dabei tritt eine Schrumpfung des Formteils auf, das hierbei eine Dichte von 95 bis 98 % der theoretischen Dichte erreicht.

[0010] Bei hochbelasteten Teilen kann bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das spritzgegossene Formteil bei einem Druck von ca. 500 bis 3000 bar und bei Sintertemperatur des verwendeten Metalls heißisostatisch nachverdichtet werden. Dadurch wird die Dichte des Formteils auf nahezu 100 % gebracht, wodurch die Festigkeit erheblich zunimmt.

[0011] Als Thermoplaste kommen vorteilhafterweise Polyäthylene, Polystyrol, Polyamide und/oder Cellulose sowie deren Derivate in Frage, als Duroplaste Epoxidharze, Phenolharze und/oder Polyimide, während als Kunststoff-Gleitmittel vorteilhafterweise Stearinsäure, Stearate und/oder Wachse verwendet werden.

[0012] Bei Formteilen, die aus einer Nickel-Basis-Legierung, einer Titan-Basis-Legierung oder einer Chrom-Basis-Legierung aufgebaut sind, verwendet man zweckmäßigerweise ein kohlenstoffarmes Ausgangspulver bzw. -gemisch. Die meisten Bindemittel hinterlassen nämlich beim Ausbrennen freien Kohlenstoff, der die Eigenschaften des Formteils verschlechtern könnte. Durch die Verwendung eines kohlenstoffarmen Ausgangsmaterials wird somit trotz des zurückbleibenden Kohlenstoffs aus den Bindemitteln der maximal zulässige Kohlenstoffanteil im Formteil nicht überschritten.

[0013] Bei Legierungsformteilen auf Nickel-, Titan- und Chrom-Basis verwendet man zweckmäßigerweise Polyäthylene, Stearate als Bindemittel, die nach der Wärmebehandlung bzw. Kunststoffentfernung wenig Kohlenstoff zurücklassen, um vorgenanntem Problem beizukommen.

[0014] Vorgenanntes Problem wird bei einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auch überwunden, wenn nach dem Ausbrennen eine Wärmebehandlung unter Wasserstoff vorgenommen wird. Der eingestellte Druck beträgt hierbei 1 bis 300 bar, die Wärmebehandlung erfolgt bei einer Temperatur von ca. 400 bis 1000 °C.

[0015] Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Weise modifiziert werden, daß nach dem Sintervorgang eine Wärmebehandlung erfolgt, um die günstigste Korngröße des Materials des Formteils einzustellen.

[0016] Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß diejenigen Teile der Vorrichtung, die durch Reibung mit der spritzfähigen Granulat-Masse Verschleiß erfahren, aus dem Material der zu verarbeitenden Legierung gebildet oder beschichtet sind. Dadurch werden Verunreinigungen während der Verarbeitung der verwendeten Legierung vermieden.

[0017] 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.

[0018] Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben:

Ausgangsmaterial ist ein Pulver der entsprechenden Legierung oder ein Gemisch von Pulvern der Legierungskomponenten. Dieses Pulver wird mit Hilfe von Thermoplasten, Duroplasten und Gleitmitteln zu einer spritzfähigen Masse aufbereitet. Die Masse enthält 30 bis 50 Volumenprozente Kunststoff.

[0019] Als Kunststoff kommen in Frage:

Thermoplaste: Polyäthylene, Polystyrol, Polyamide, Cellulose sowie deren Derivate

Duroplaste: Epoxidharze, Phenolharze, Polyimide

Gleitmittel: Stearinsäure, Stearate, Wachse.

[0020] 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.

[0021] Durch eine Wärmebehandlung bis 600 °C 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 Schmelztemperatur des verwendeten Metalles erfolgt. Hierbei schrumpft das Teil linear zwischen 10 und 25 % und erreicht eine Enddichte von 95 bis 98 % der theoretischen Dichte des Materials.

[0022] Bei hochbelasteten Teilen kann durch heißisostatisches Nachverdichten (Druck: 500 bis 3000 bar, Temperatur wie beim Sintern) die Dichte auf nahezu 100 % gebracht werden, wodurch die Festigkeit erheblich zunimmt.

[0023] Die Anwendung des Verfahrens bietet sich bei folgenden Legierungen hauptsächlich an:

Ni-Basis-Legierungen

Cr-Basis-Legierungen

Ti-Legierungen

Dispersiongehärtete Legierungen.

[0024] Je nach Legierungstyp muß das Verfahren modifiziert werden, um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen.

Nickel-Basis-Legierungen

[0025] Hauptproblem bei Nickel-Basis-Legierungen ist, daß die meisten Bindemittel beim Ausbrennen freien Kohlenstoff hinterlassen. Dieser kann die Eigenschaften des zu fertigenden Formteils verschlechtern.

[0026] Um das Problem zu überwinden, kommen hauptsächlich folgende Abhilfen in Frage:

- Verwendung eines kohlenstoffarmen Ausgangspulvers, so daß trotz des zurückbleibenden Kohlenstoffs der maximal zulässige C-Anteil im Teil nicht überschritten wird.

- Verwendung von Bindemitteln, die wenig Kohlenstoff zurücklassen, z. B. Polyäthylene, Stearate.

- Einschaltung einer Wärmebehandlung unter Wasserstoff nach dem Ausbrennen, wobei als Betriebsbedingungen ein Druck von 1 bis 300 bar und eine Temperatur von 400 bis 1000 °C gewählt werden.

- Bei Legierungen, die einen kleinen C-Anteil enthalten, wird zweckmäßigerweise nach dem Sintervorgang eine Wärmebehandlung vorgenommen. Der Kohlenstoff aus dem Bindemittel ist inhomogen verteilt. Er befindet sich hauptsächlich an den Stellen, die vor dem Sintern Oberflächen von Pulverkörnern waren. Durch eine Wärmebehandlung läßt sich der Kohlenstoff homogen verteilen.

Ti-Legierungen

[0027] Wie bei Nickel-Basis-Legierungen kann aus den verwendeten Bindemitteln Kohlenstoff frei werden, der die mechanische Festigkeit des Endprodukts beeinträchtigt. Um insgesamt ausreichende mechanische Festigkeit des Materials zu erzielen, wird zwecks Kompensierung des übermäßigen C-Anteils aus den Bindemitteln ein C-armes Ausgangspulver verwendet, so daß trotz des zurückbleibenden Kohlenstoffs aus den Bindemittel der maximal zulässige C-Anteil im Formteil nicht überschritten wird (vergleiche Nickel-Basis-legierungen).

[0028] Das Bindemittel spaltet beim Ausbrennen Wasserstoff ab. Wasserstoff ist in Titan-Legierungen gut löslich und verschlechtert die Festigkeitseigenschaften. Der Wasserstoff muß durch Wärmebehandlung nach bekannten Methoden im Vakuum oder unter Schutzgas entfernt werden.

[0029] Titan-Legierungen sind sehr leicht oxidierbar. Alle Verfahrensschritte, die bei einer höheren Temperatur als der Raumtemperatur erfolgen, sind zweckmäßigerweise daher im Vakuum oder unter Schutzgas vorzunehmen. Hierzu gehören insbesondere das Mischen der Masse und das Spritzen der Formteile. Vorteilhafterweise werden an sich bekannte evakuierbare Mischer verwendet. Zum Spritzen verwendet man zweckmäßigerweise evakuierbare Spritzgußmaschinen.

Cr-Legierungen

[0030] Chrom-Legierungen sind den Nickel-Legierungen hinsichtlich der chemischen Eigenschaften sehr ähnlich, weshalb auch die Problematik die gleiche ist. Zur Oberwindung des Problems des freien Sauerstoffs kommen Abhilfen in Frage, wie unter Ni-Basis-Legierungen angegeben.

Dispersionsgehärtete Legierungen

[0031] Bei dispersionsgehärteten Legierungen handelt es sich um 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.

[0032] 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.

[0033] Bei der Herstellung von solchen Legierungen sind vornehmlich zwei Schwierigkeiten zu überwinden:

- die Teilchen der zweiten Phase müssen möglichst klein sein ( 1 m);

- die Teilchen sollen homogen in der Matrix verteilt sein.

[0034] 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.

[0035] 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.

[0036] Um Verunreinigungen während der Verarbeitung zu vermeiden, sind folgende Modifikationen des Verfahrens möglich:

Diejenigen Teile der Mischmaschine (Behälter und Knetarme) sowie diejenigen Teile der verwendeten Spritzgutßmaschine (Schnecke, Zylinder, Rückstromsperre, Düse), die durch Reibung mit der Masse Verschleiß erfahren, werden aus dem Material der zu verarbeitenden Legierung hergestellt oder mit diesen beschichtet. Es ist auch denkbar, ähnliche Legierungen zu verwenden oder nur einen oder mehrere Bestandteile der Legierung, die sich hierfür besonders eignen.

- Bei Legierungen, die Kohlenstoff enthalten, kann das Bindemittel als Kohlenstoffspender herangezogen werden.

- Nach der Sinterung kann sich eine Wärmebehandlung anslchließen, um die für den Einsatz des Formteils günstigste Korngröße einzustellen.

[0037] Es kann mit eingelegten, verlorenen Kernen gespritzt werden. Der Kern besteht aus einem Material, das sich beim Ausbrennen ebenfalls zersetzt (Kernmaterialien: Kunststoffe, bevorzugt Duroplaste, eventuell C-Faser-verstärkt). Mit Hilfe von Kernen lassen sich z. B. komplizierte Kühlkonfigurationen in Turbinenschaufeln leicht herstellen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Legierungsmaterial, insbesondere aus Nickel-Basis-Legierungen, Chrom-Basis-Legierungen, Titan-Basis-Legierungen, dispersionsgehärteten Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver der Legierung oder ein Gemisch aus Pulvern der Legierungskomponenten mit Hilfe von Kunststoffen in Form von Thermoplasten, Duroplasten und Gleitmitteln zu einer spritzfähigen ca. 30 bis 50 Volumenprozente des Kunststoffs enthaltenden Granulat- Masse aufbereitet wird, die zu einem Formteil spritzgegossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitung der spritzfähigen Granulatmasse dadurch erfolgt, daß die Kunststoffe in einem das Basismetall der Legierung nicht angreifenden Lösungsmittel gelöst und mit dem Metallpulver gemischt werden, und daß anschließend das Lösungsmittel abgedampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe des spritzgegossenen Formteils durch eine Wärmebehandlung bis ca. 600 °C unter Schutzgas oder Vakuum zumindest teilweise entfernt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spritzgegossene Formteil nach der Kunststoffentfernung unter Schutzgas bei einer Temperatur von 50 bis 90 % der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls gesintert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das spritzgegossene Formteil bei einem Druck von ca. 500 bis 3000 bar und bei Sintertemperatur des verwendeten Metalls heißisostatisch nachverdichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Thermoplaste Polyäthylene, Polystyrol, Polyamide und/oder Cellulose sowie deren Derivate, als Duroplaste Epoxidharze, Phenolharze und/oder Polyamide und als Gleitmittel Stearinsäure, Stearate und/oder Wachse verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Formteilen aus Nickel-Basis-Legierungen, Titan-Basis-Legierungen und Chrom-Basis-Legierungen ein kohlenstoffarmes Ausgangspulver bzw. -gemisch verwendet wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Formteilen aus Nickel-Basis-Legierungen, Titan-Basis-Legierungen und Chrom-Basis-Legierungen Kunststoff-Bindemittel wie z. B. Polyäthylene und Stearate verwendet werden, die nach der Wärmebehandlung bzw. Kunststoffentfernung wenig Kohlenstoff zurücklassen.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausbrennen eine Wärmebehandlung unter Wasserstoff bei einem Druck von 1 bis 300 bar und einer Temperatur von 400 bis 1000 °C vorgenommen wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Sinterung eine Wärmebehandlung zwecks Einstellung der Korngröße des Materials des Formteils erfolgt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Teile der Vorrichtung, die durch Reibung mit der spritzfähigen Granulat-Masse Verschleiß erfahren, aus dem Material der zu verarbeitenden Legierung gebildet oder beschichtet sind.