METHOD OF MANUFACTURING METALLIC BODIES

Abstract: 1. Process for the production of metallic semifinished material, in which a metal powder charged into an internally pre-contoured monolithic ceramic housing with geometrically simple external form is hot-isostatically pressed, characterised in that a model corresponding in its contours to the metallic semi-finished product to be produced, taking consideration of shrinkage, having a powder filling connector, is enveloped by layers with age-hardenable substances, essentially with ceramics, so that a geometrically simple external form is produced, and with simultaneous removal of the model material is heated continuously up to 700 to 1,000 degrees C, then the finished fired ceramic body is densely filled with metal powder and welded into a metal container which is then evacuated and in conclusion is hot-isostatically pressed.

Description: Verfahren zur Herstellung metallischen Halbzeuges Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischen Halbzeuges, bei dem ein in einem evaku ierbaren, vorkonturierten Keramikgehäuse abgefülltes Metallpulver heissisostatisch gepresst wird. Nach dem Stand der Technik werden Metallgegenstände auf pulvermetallurgischem Wege im wesentlichen derart gefertigt, dass ein vakuumdicht verschlossener Behälter, der das Material für den herzustellenden Gegenstand unter Zwischenschaltung eines sekundären Druckmittels umschliesst, im evakuierten Zustand nach Erhitzen auf die Verdichtungstemperatur einem isostatischen Heisspressen unterworfen wird Der herzustellende Gegenstand kann dabei bereits als vorgefertigter Vorpresskörper vorliegen oder, entsprechend der DE-PS 22 00 066, durch eine in den Innenraum einer nicht vakuumdicht verschliessbaren Form mit der Gestalt des herzustellenden Gegenstandes gefüllte Pulvercharge heissisostatisch gepresst werden. Nachteiligerweise beiiötigt man hierzu ein sekundäres Druckmittel in Pulverform, um eine isostatische Druckübertragung auf das eigentlich zu pressende Metallpulver herbeizuführen. Das sekundäre Druckmittel verdichtet sich bei höher werdendem Druck zu kompaktem keramischem Material, so dass mit zunehmender Verdichtung des sekundären Druckmittels schliesslich die Druckübertragung auf das eigentlich zu verdichtende Metallpulver schwächer wird, da die verdichtete Keramik sich selbst abstützt. Im übrigen ist es bekannt, dass geschüttete und durch Klopfen verdichtete Keramikpulver lokal sehr unterschiedliche Dichte haben können, die der beabsichtigten gleichmässigen isostatischen Druckübertragung unterschiedlich entgegenwirken. Diese Nachteile werden vermieden, wenn man metallische vorkonturierte Kapseln verwendet, in die das Pulver eingefüllt wird, und anschliessend das Pulver wie auch die Kapsel bei Drücken von 10 -4 mbar und 0 Temperaturen bis 450 entgast. Nach dem Abfüllen werden die Kapseln vakuumdicht verschweisst und das Pulver unter Anwendung des im Prinzip bekannten heissisostatischen Pressens verdichtet. In der Regel können die vorkonturierten Kapseln jedoch nur in einfachen geometrischen Formen hergestellt werden, so dass das geschilderte Verfahren hier eine Grenze hinsichtlich des Formenreichtums findet, da die Her- stellung ausgefallener geometrischer Formen in den meisten Fällen unwirtschaftlich ist. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung anzugeben, das die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile umgeht und eine einfach zu handhabende, möglichst wirtschaftliche Herstellung metallischen Halb zuges der unterschiedlichsten geometrischen Formen und Grössen gestattet. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst, das es gestattet, jede beliebige, insbesondere auch geometrisch komplizierte Form zu gestalten. Die Modelle werden mit aushärtbaren Stoffen, im wesentlichen mit Keramik, umhüllt und soweit hinterfüllt, dass ein grosser, in seinen äusseren Abmessungen einfacher geometrischer Körper entsteht, der gegen über den bisher verwendeten vorkonturierten Kapseln mehrere Vorteile besitzt.Zum einen kann dieser Keramikkörper leicht in einen Metallbehälter zum isostatischen Pressen gebracht werden, wobei der gesamte Keramikkörper dicht umschlossen ist, zum anderen kann die isostatische Druckübertragung auf das im Keramikkörper befindliche Metallpulver gleichmässig vorgenommen werden, da auch auf die Druckverhältnisse in dem Keramikkörper durch dessen Formgebung Einfluss genommen werden kann. Ein mit seiner Aussenform verbundener weiterer Vorteil ist die gute Lager- und Stapelfähigkeit des Keramikkörpers. Schliesslich ist die Blechkapsel mit eingeschweisstem Keramikkörper besser als bisher evakuierbar. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird als aushärtbarer Stoff Keramik in mehreren Schichten aufgetragen, die mit C02 ausgehärtet werden. Eine vorteilhafte Mischung der äusseren Umhüllung besteht aus 50 bis 90 Gew.-% Schamotte, 10 bis 50 Gew.-% Aluminiumoxid und 1 bis 15 Gew.-t Wasserglas, wobei Schamotte der Körnung 0.5 bis 1.25 mm und Aluminiumoxid der Körnung < 0.1 mm verwendetwerden. Vorteilhafterweise kann man aber auch Keramiken verwenden, die bei der Prozesstemperatur plastifizieren. Eine solche Keramik besteht aus einer Mischung von bis zu 10 Gew.-% MgO, 1 bis 12 Gew.-% CaO, bis 16 Gew.-% Na2O, bis 8 Gew.-% K20, bis 40 Gew.-E B203, 1 bis 20 Gew.-% Al203, Rest Si02. Vorzugsweise verwendet man eine Mischung von 3 bis 4 Gew.-% MgO, 6 bis 7 Gew.-% CaO, 3 bis 4 Gew.-% Na20, 2 bis 3 Gew .-% K20, 8 bis 9 Gew.-% B203, 15 bis 16 Gew.-% Al203, Rest SiO2. Die Mischungen werden mit Wasserglas angeteigt und mit C02 ausgehärtet und abschliessend bei Temperaturen von ca. 7000C gebrannt Nach einer Weiterbildullg der Erfindung werden mehrere Modelle soumhÜlltass nur ein einziger Formkörper entsteht. Das Modell besteht nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus Wachs und/oder einem anderen organischen Füllstoff und wird beim Aufheizen ausgeschmolzen oder rückstandslos verbrannt bzw. vergast. Das Metallpulver, vorteilhafterweise eine pulverförmige Metallegierung, wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in den unter Vibrationen stehenden Keramikkörper gefüllt, so dass es äusserst dicht, d.h. unter Erreichen der optimalen Klopfdichte eingefüllt wird. Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen im folgenden näher erläutert werden. Ein Wachsinodell, bei dem die Schrumpfungsaufmasse des späteren pulvermetallurgisch hergestellten Bauteils berücksichtigt sind und das zusätzlich mit einem Pulvereinfüllstutzen versehen ist, wird schichtweise mit Keramik mit unterschiedlicher Dichte umhüllt. Dabei wird insbesondere darauf geachtet, dass die Kontaktschicht des Keramikmaterials mit dem Wachsmodell möglichst glatt ist, da von ihr die Güte der späteren Bauteiloberfläche abhängt. Nach Aufbringen der ersten Keramikschichten wird das Modell in einem Formkasten mit einem Gemisch von Schamotte und Wasserglas umgeben. Die angerührte teigartige Masse bestcht zu 75 % aus Schamotte der Körnung 0.5 bis 1.25 mm und 25 % Aluminiumoxyd der Körnung 0.1 mm, der schliesslich 15 % des Gewichtes der vorgemischten Keramik Wasserglas hinzugegeben und die intensiv vermischt wird. Anschliessend wird das Schamotte Wasserglas-Gemisch mit C02 ausgehärtet und der so entstandene Formblock nach dem Ausformen aus dem Formkasten im Autoklaven entwachst und schliesslich im Brennofen bei einer Temperatur von ca. 10000C gebrannt. Durch den Brennprozess werden alle flüchtigen Bestandteile aus der Masse ausgetrieben und es entsteht ein Körper von gleichmässiger Dichte. Die verwendeten Grünmischungen lassen einen sehr porösen, gasdurchlässigen Keramikkörper entstehen. Der Keramikkörper ist wegen seines äusseren einfachen Aufbaus gut stapelbar, gegen mechanische Einwirkungen weitgehend stabil und im Bedarfsfall durch Sägen, Bohren o.ä. leicht bearbeitbar. Zur Herstellung des metallischen Halbzeuges wird der in der Abbildung dargestellte Keramikkörper 1 in einen Metallbehälter 2 eingesetzt und dessen Hohlraum 3 mit dem zu verdichtenden Pulver, im vorliegenden Falle Pulver der Titanlegierung TiAl6V4, gefüllt. Dies geschieht vorzugsweise auf einem Vibrationsgerät, wodurch der Keramik körper 1 mit dem Metallpulver unter Erreichen der optimalen Klopfdichte aufgefüllt wird. Die Starrheit des Keramikkörpers 1 unterstützt beim Füllen mit Pulver den Rüttelprozess intensiv, da durch den kompakten Keramikkörper die Vibration direkt auf das Metallpulver übertragen wird. Nach Füllen des Keramikkörperhohlraums 3 wird der Pulvereinfüll- stutzen mit einem Metallstopfen verschlossen und der Metallbehälter 2 zugeschweisst und über einen Absaugstutzen 4 evakuiert. Der Metallbehalter 2 ist nun fertig, um in eine heissisostatische Pressanlage gebracht zu werden, wo er bei den für das eingefüllte Metallpulver notwendigen Pressparametern verdichtet wird. Nach dem heissisostatischen Pressen wird der Metallbehälter 2 aufgetrenntund die keramische Ummantelung vom fertigen metallischen Halbzeug entfernt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird von einem Kunststoffmodell ausgegangen, das in einem Formrahmen mit einem Gemisch aus Schamotte und Al203 , etwa im Verhältnis 1:1 unter Zugabe von 15 Gew.-% Wasserglas umhüllt und mit C02 gehärtet wird. Anschliessend wird der Formblock dem Rahmen entnommen und in einen Brennofen gegeben. Im Brennofen wird anschliessend eine Temperatur von 1000 C eingestellt, bei der das Kunststoffmodell rückstandslos verbrennt und der verbleibende Körper gehärtet wird. Bezüglich der Herstellung des metallischen Halbzeuges ist dann entsprechend dem vorher geschilderten Ausführgungs- beispiel weiter verfahren worden.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung metallischen Halbzeuges, bei dem ein in einem innen vorkonturierten mono lithischen Keramikgehäuse mit geometrisch ein facher Aussenform abgefülltes Metallpulveeiss- isostatisch gepresst-wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem herzustellenden metallischen Halbzeug unter Berücksichtigung der Schrumpfung in seinen Konturen entsprechendes Modell mit einem Pulver einfüllstutzen versehen, schichtweise mit aushärt baren Stoffen, im wesentlichen mit Keramik, so um hüllt, dass eine geometrisch einfache Aussenform entsteht, und be gleichzeitiger Entfernung des Modellmaterials kontinuierlich auf 700 bis 10000C aufgeheizt wird, anschliessend der fertig gebrannte Keramikkörper mit Metallpulver dicht gefüllt und in einen Metallbehälter eingeschweisst wird, der sodann evakuiert und abschliessend heissisostatisch gepresst wird 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als aushärtbarer Stoff Keramik in mehreren Schichten aufgetragen wird, die mit CO2 ausge härtet werden. 3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, dass auf das Modell Kermikschichten unterschiedlicher Dichte aufgetragen werden. 4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Schamotte der Körnung 0.5 bis 1.25 mm und von Aluminiumoxyd der Körnung40.1 mm. 5. Verfahren nach Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung von 50 - 90 Gew.-% Schamotte, 10 - 50 Gew.-% Aluminium oxid und 1 - 15 Gew.-% Wasserglas als äussere Umhüllung aufgetragen werden 6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5., dadurch ge kennzeichnet, dass die Keramik aus einer Mischung von bis zu 10 Gew.-% MgO, 1 - 12 Gew.-% CaO, bis zu 16 Gew.-% Na20, bis -zu 8 Gew.-% K20, bis zu 40 Gew.-% B203, 1 - 20 Gew.-% Al203, Rest SiO2 besteht, diese Mischung mit Wasser glas angeteigt und mit C02 ausgehärtet und schliesslich bei einer Temperatur von ca. 7000C gebrannt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Mischung aus 3 bis 4 Gew -t MgO, 6 bis 7 Gew.-% CaO, 3 bis 4 Gew.-E Na20, 2 bis 3 Gew.-t K20, 8 bis 9 Gew -% B203 t 15 bis 16 Gew.-% Al203, Rest SiO2. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass mehrere Modelle so umhüllt werden, dass ein einziger Keramikkörper entsteht 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das Modell aus Wachs und/oder einem anderen organischen Füllstoff besteht und beim Aufheizen ausgeschmolzen oder rückstandslos vergast wird. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das Metallpulver in den unter Vibra tionen stehenden Keramikkörper gefüllt wird 11. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine pulverförmige Metall legierung, beispielsweise eine Titanlegierung verwendet wird.

Inventors: JACHOWSKI, JOHANNES, MOHS, RUDOLF, DR., SIBUM, HEINZ, DR.
Applicants: FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1981
Main classification: B22F3
IPC codes: B22F3