-
Verweis auf
verwandte Anmeldungen
-
Diese
Anmeldung beansprucht den Zeitrang der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.
60/329,340, eingereicht am 16. Oktober 2001.
-
Gebiet der
Erfindung
-
Diese
Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe, insbesondere Verbundwerkstoffe,
die als Bleiersatz verwendbar sind.
-
Stand der
Technik
-
Blei
wird seit Tausenden von Jahren in einer Vielzahl von industriellen
Anwendungen verwendet. In den letzten hundert Jahren wurden die
giftigen Wirkungen von Blei offensichtlich. In den Bemühungen,
die Abhängigkeit
von Blei zu senken, hat sich die Forschung in letzter Zeit umfassend
mit Werkstoffen beschäftigt, die
als Ersatz für
Blei verwendet werden können.
-
In
dieser Hinsicht haben sich die zahlreichen Anstrengungen auf die
Herstellung von Metallverbundwerkstoffen konzentriert, die die Eigenschaften
von Blei nachahmen. Da die Dichte von Blei das offensichtlichste
Merkmal für
eine Nachahmung ist, haben sich die meisten Anstrengungen auf das
Finden von Verbundwerkstoffen konzentriert, die eine gleiche oder ähnliche
Dichte wie Blei aufweisen. Weitere wichtige Eigenschaften von Blei
wurden jedoch größtenteils
ignoriert und folglich wurde bisher kein vollständig zufrieden stellender Bleiersatz
gefunden.
-
Ein
erfolgreicher Verbundwerkstoff sollte, zusätzlich zu der Nichtgiftigkeit
und der ähnlichen
Dichte, eine vernünftige
Weichheit verbunden mit struktureller Festigkeit aufweisen. Idealerweise
ist der Verbundwerkstoff im Wesentlichen homogen und seine Herstellung
in großen
Mengen vergleichsweise preisgünstig.
-
US-Patent
5,279,787 offenbart hochdichte Projektile, die durch Mischen eines
Metalls hoher Dichte mit einem Metall niedriger Dichte ausgebildet
werden. Dieses Patent offenbart keinen Verbundwerkstoff, der aus Wolfram
und Bronze hergestellt ist.
-
US-Patent
5,760,331 offenbart Projektile umfassend ein Metall mit einer höheren Dichte
als Blei und ein Metall mit einer niedrigeren Dichte als Blei. Dieses
Patent offenbart keinen Verbundwerkstoff, der Wolfram und Bronze
umfasst.
-
US-Patent
5,894,644 offenbart bleifreie Projektile, die durch Flüssigmetallinfiltration
gebildet sind. In einer Ausführungsform
wird Ferrowolfram durch geschmolzenes Kupfer, Zinn oder Messing
infiltriert. Derartige Verbundwerkstoffe weisen eine unzureichende
Homogenität
auf, sodass sie keine wünschenswerten
Verarbeitungsmerkmale und -eigenschaften besitzen.
-
US-Patent
5,950,064 offenbart bleifreies Schrot umfassend ein Gemisch aus
drei Metallkomponenten. Dieses Patent offenbart keinen Verbundwerkstoff,
der durch Mischen von Wolfram und Bronze gebildet wird.
-
Es
besteht weiterhin ein Bedarf nach Verbundwerkstoffen, die eine zweckmäßig hohe
Dichte, zweckmäßige Verarbeitungsmerkmale
und zweckmäßige Eigenschaften
für eine
Vielzahl von Anwendungen aufweisen.
-
Darstellung
der Erfindung
-
Es
wird ein Verbundwerkstoff bestehend aus Wolfram und Bronze, wie
in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt.
-
Es
wird außerdem
ein Verbundwerkstoff bestehend aus Wolfram, Bronze und Eisen, wie
in Anspruch 2 definiert, bereitgestellt.
-
Es
wird daneben ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs,
wie in Anspruch 25 definiert, bereitgestellt, wobei das Verfahren
umfasst: Mischen von pulverförmigem
Wolfram, pulverförmiger
Bronze und einem organischen Bindemittel, wodurch ein homogenes
Gemisch gebildet wird; Compoundieren des Gemischs bei erhöhten Temperaturen
und Abkühlen
des Gemischs zur Bildung eines Verbundwerkstoffs, wobei der Verbundwerkstoff
an allen Stellen gleich bleibende Eigenschaften aufweist.
-
Es
wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands,
wie in Anspruch 35 definiert, bereitgestellt, umfassend: Bereitstellen
einer Gussform, die eine Formhöhlung
mit einem offenen Ende aufweist; Einfüllen einer bestimmten Menge
eines homogenen Pulvergemisches umfassend Wolfram und Bronze in
die Formhöhlung;
Aufbringen einer bestimmten Menge eines pulverförmigen Infiltrationsmittels
auf das Pulvergemisch in der Formhöhlung; Sintern des Gemisches
von Wolfram- und Bronzepulver bei einer ersten Temperatur gefolgt
von Schmelzen des Infiltrationsmittels bei einer zweiten Temperatur
und Abkühlen
der Gussform und der darin gebildeten Gegenstände.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die
vorliegende Erfindung ist nachstehend anhand von nicht beschränkenden
Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei:
-
1A eine
elektronenmikroskopische Aufnahme bei 2000facher Vergrößerung ist,
die die Mikrostruktur der Bruchfläche eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
zeigt;
-
1B eine
elektronenmikroskopische Aufnahme bei 4000facher Vergrößerung ist,
die die Mikrostruktur der Bruchfläche eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
zeigt;
-
2 eine
lichtmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs ist,
die die in der Bronzematrix dispergierten Wolframteilchen zeigt;
-
3A eine
fotografische Aufnahme einer Patrone umfassend einen erfindungsgemäßen Wolfram-Bronze-Verbundwerkstoff
ist;
-
3B eine
fotografische Aufnahme einer Schrotkugel umfassend einen erfindungsgemäßen Wolfram-Bronze-Verbundwerkstoff
ist;
-
3C eine
fotografische Aufnahme eines Radgewichts umfassend einen erfindungsgemäßen Wolfram-Bronze-Verbundwerkstoff
ist;
-
4 eine
lichtmikroskopische Aufnahme bei 500facher Vergrößerung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
ist, der unter Verwendung von jeweils Wolfram-, Kupfer- und Zinnpulver
hergestellt wurde;
-
5 eine
lichtmikroskopische Aufnahme bei 1000facher Vergrößerung eines
erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
ist, der unter Verwendung von Wolfram- und Bronzepulver hergestellt
wurde;
-
6 eine
Kurve der gesinterten Dichte in Abhängigkeit vom Eisengehalt eines
erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
ist;
-
7 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
ist;
-
8 eine
lichtmikroskopische Aufnahme bei 200facher Vergrößerung eines Verbundwerkstoffs
ist, der in einer Gussform, die eine Formhöhlung mit offenem Ende aufweist,
ohne Verwendung eines Infiltrationsmittels hergestellt wurde;
-
9 eine
lichtmikroskopische Aufnahme bei 500facher Vergrößerung eines Verbundwerkstoffs
ist, der in einer Gussform, die eine Formhöhlung mit offenem Ende aufweist,
unter Verwendung eines Infiltrationsmittels hergestellt wurde;
-
10 eine
elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Schrotkugel
aus Verbundwerkstoff ist, die mechanisch mit Zinn überzogen
wurde.
-
Genaue Beschreibung
der Erfindung
-
Wolfram
wird üblicherweise
in Form von Wolframpulver polygonaler Form verwendet und kann zu
der gewünschten
Form und durchschnittlichen Teilchengröße vermahlen werden. Die durchschnittliche
Teilchengröße beträgt vorzugsweise
ungefähr
0,5-50 μm,
besonders bevorzugt ungefähr
1-20 μm.
-
Bronze
ist üblicherweise
eine Legierung aus Kupfer und Zinn. Das Verhältnis von Kupfer zu Zinn kann in
Abhängigkeit
von der jeweiligen Legierung und den gewünschten Anteilen an Kupfer
zu Zinn im Verbundwerkstoff schwanken. Die meisten industriell nützlichen
Zusammensetzungen weisen einen Zinngehalt von weniger als 25 Gew.-%
auf. Gewöhnlich
werden zahlreiche weitere Zusätze
in unterschiedlichen Anteilen zur Veränderung der Eigenschaften von
Bronzen verwendet. Zu diesen können,
ohne darauf beschränkt
zu sein, Metalle und Nichtmetalle, wie Zink-, Eisen-, Mangan-, Magnesium-,
Aluminium-, Phosphor-, Silizium-, Lithiumverbindungen usw., gehören. Vorzugsweise
wird Bronze mit einem Cu:Sn-Verhältnis
von ungefähr
9:1 verwendet, wovon Bronze mit einem Cu:Sn-Verhältnis
von 89:11 umfasst ist. Bronze wird vorzugsweise in Form eines Pulvers
verwendet und kann zu der gewünschten
Form und durchschnittlichen Teilchengröße vermahlen werden. Die durchschnittliche
Teilchengröße liegt
vorzugsweise unter 100 μm,
besonders bevorzugt unter 50 μm.
-
Im
Allgemeinen kann die Dichte des Verbundwerkstoffs durch Variation
des Verhältnisses
von Wolfram (Dichte = 19,3 g/cc) zu Bronze (Dichte = 8,9 g/cc, 90:10-Legierung Cu:Sn)
beliebig eingestellt werden. Eine Liste nicht erschöpfender
Möglichkeiten
ist in Tabelle 1 bereitgestellt.
-
Es
hat sich herausgestellt, dass ein Verbundwerkstoff umfassend 40-85
Gew.-% Wolfram, bezogen auf den Verbundwerkstoff, wobei der Rest
Bronze umfassend 80-95
Gew.-% Kupfer und 5-20 Gew.-% Zinn, bezogen auf die Bronze, ist,
zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, der zur Verwendung als
Bleiersatz geeignet ist, wirksam ist. Vorzugsweise umfasst der Verbundwerkstoff
50 bis 55 Gew.-% Wolfram, besonders bevorzugt 52 Gew.-% Wolfram,
bezogen auf den Verbund werkstoff, und die Bronze umfasst Kupfer
und Zinn in einem Gewichtsverhältnis
von ungefähr
9:1, bezogen auf die Bronze.
-
Wolframteilchen
bieten Beständigkeit
gegenüber
einer Verdichtung während
des Kompaktierens sowie des Sinterns. Diese Probleme können einen
oberen Grenzwert für
die Wolframfraktion setzen. Letzteres Problem kann auch teilweise
durch die Verwendung feinerer Wolframkorngrößen gelöst werden.
-
Die
Verwendung von Bronze bei der Bildung von Wolfram-Verbundwerkstoffen
bietet erhebliche Vorteile gegenüber
Verbundwerkstoffen, die zuvor im Fachgebiet beschrieben wurden,
einschließlich
der Drei-Komponenten-Systeme, die in US-Patent 5,950,064 beschrieben sind. Es
hat sich überraschenderweise herausgestellt,
dass Suspensionen aus Wolfram in Bronze homogener und dichter sind
als Suspensionen aus Wolfram in anderen Werkstoffen, insbesondere
anderen metallischen Werkstoffen. Die gleichmäßigere Verteilung von Wolfram
in der Bronzematrix führt
zu überlegenen
und konsistenteren Verbundwerkstoffeigenschaften, wie höhere Schlagfestigkeit
und höhere
Dichte. Die Verwendung von Wolfram in Bronze erlaubt auch die Verwendung
einer breiteren Palette von Verarbeitungsmerkmalen als die Verwendung
eines Drei-Komponenten-Systems,
wie derjenigen, die in
US 5,950,064 beschrieben
sind. Bei der Verarbeitung eines Drei-Komponenten-Systems mit drei
Einzelpulvern aus Wolfram, Kupfer und Zinn, löst sich geschmolzenes Zinn
in der Kupfermatrix unter Hinterlassung nicht entfernbarer Hohlräume oder
Porosität,
wodurch die Aggregation der Wolframteilchen, die sich neben den
Zinnteilchen befanden, ermöglicht
wird. Das führt
dazu, dass der Verbundwerkstoff, der aus dem Drei-Komponenten-System
gebildet wird, weniger homogen ist und eine niedrigere Dichte aufweist
als ein Verbundwerkstoff, der aus Wolfram und Bronze hergestellt
wird.
-
Bei
der Erzeugung von Wolfram/Bronze-Verbundwerkstoffen können weitere
Verarbeitungshilfsmittel, wie Schmiermittel (beispielsweise organische
Polymere, Wachse, Molybdändisulfid,
Calciumdifluorid, Ethylen-bis-stearamid, Lithiumstearat, Lithiumcarbonat,
Kupferstearat, Kupferoleat, Kupferamine und Graphit), oberflächenaktive
Mittel (beispielsweise Stearinsäure)
Entformungsmittel (beispiels weise Zinkstearat) und Netzmittel (beispielsweise
Aluminium und basische Polymere, wie Polyvinylpyrrolidon) verwendet
werden.
-
Tabelle 1
-
Dichte
von Verbundwerkstoffen mit verschiedenen Anteilen an Wolfram und
Bronze
-
Der
endgültige
Verbundwerkstoff besteht im Wesentlichen aus Wolfram und Bronze.
Wie jedoch vorstehend gesagt, kann der Verbundwerkstoff zur Veränderung
der Eigenschaften weitere Werkstoffe, beispielsweise Eisen, enthalten.
Darüber
hinaus ist es für
den Fachmann offensichtlich, dass zufällige Verunreinigungen, wie
Kohlenstoff, anwesend sein können,
die die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs nicht nachteilig beeinflussen.
-
Eisen
kann dem Verbundwerkstoff zur Erhöhung der Verdichtung des Verbundwerkstoffs
während
des Sinterns zugegeben werden. Eisen lässt sich problemlos in Bronze
lösen und
Wolfram löst
sich eher in Eisen als in Bronze. Die Zugabe von Eisen zum Verbundwerkstoff
führt zu
einer Unterstützung
der Lösung
von Wolfram in der Bronze, wodurch die Gesamtverdichtung des Verbundwerkstoffs
während
des Sinterns verbessert wird. Außerdem löst sich jeglicher Kohlenstoff,
der in dem Verbundwerkstoff anwesend ist, nicht einfach in Bronze,
dafür aber
in Eisen. Damit unterstützt
Eisen das Lösen
und Dispergieren von Kohlenstoff im Verbundwerkstoff und reduziert
die Wahrscheinlichkeit, dass sich während des Sinterns mit Kohlenstoff
gefüllte
Hohlräume
bilden, die die Dichte des Verbundwerkstoffs herabsetzen würden, auf
ein Minimum. Die Wirkung von Eisen auf die Dichte des Verbundwerkstoffs
ist in 6 dargestellt. Eisen kann in ausgewählten Mengen
zugegeben werden, um die Dichte des Verbundwerkstoffs in einem engen
Bereich gezielt einzustellen, damit die Bedürfnisse einer bestimmten Anwendung
erfüllt
werden.
-
Es
hat sich herausgestellt, dass die Zugabe von Eisen zu dem Verbundwerkstoff,
vorzugsweise im Bereich von 0,5-5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,8
Gew.-%, bezogen auf den Verbundwerkstoff, zur Beeinflussung der
Dichte des Verbundwerkstoffs nützlich
und bei der gezielten Einstellung der Dichte des Verbundwerkstoffs
für eine
bestimmte Anwendung besonders nützlich
war.
-
Ein
Beispiel für
einen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff
besteht im Wesentlichen aus Wolfram, Bronze und Eisen, vorzugsweise
52 Gew.-% Wolfram, 47,2 Gew.-% Bronze und 0,8 Gew.-% Eisen bezogen auf
den Verbundwerkstoff, wobei die Bronze im Wesentlichen aus Kupfer
und Zinn in einem Gewichtsverhältnis von
9:1 bezogen auf die Bronze besteht.
-
Die
erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe
können
in einer Vielzahl von Gegenständen,
wie unter anderem Projektilen oder Munition (beispielsweise Patronen,
Patronenkernen und Schrotkugeln), Gewichten (beispielsweise Radgewichten)
Strahlenschutz und hochdichtem Kreiselballast, verwendet werden.
Gegenstände,
die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs hergestellt
werden, zeichnen sich durch einen erheblichen Kostenvorteil aus,
der verglichen mit Gegenständen,
die unter Verwendung von alternativem im Handel erhältlichem
Bleiersatz hergestellt wurden, 33-50 % beträgt. Außerdem zeigt Munition, die unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
hergestellt wurde, eine ballistische Leistung, die wenigstens so
gut oder besser als diejenige von Munition ist, die unter Verwendung
von Blei hergestellt wurde.
-
Zur
Schaffung der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe
und zum Gießen
der Verbundwerkstoffe zu Gegenständen
können
zahlreiche im Fachgebiet bekannte Ausbildungstechniken der Pulvermetallurgie
verwendet werden. Zahlreiche Verfahren sind allgemein in Manufacturing
with Materials, Herausgeber Lyndon Edwards und Mark Endean, 1990,
Butterworth-Heinemann, Oxford, GB, und Process Selection: From Design
to Manufacture, K. G. Swift und J. D. Booker, 1997, Arnold Publishers,
London, GB, besprochen, wobei deren Offenbarungen vorliegend unter
Bezugnahme eingeschlossen sind.
-
Ein
Beispiel für
ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands, beispielsweise
eines Patronenkerns, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
beinhaltet das Mischen von Wolfram- und Bronzepulver zusammen mit
jedem anderen Werkstoff, beispielsweise Eisen, der zur Veränderung
der Eigenschaften des Verbundwerkstoffs anwesend sein kann. Eine
Gussform, beispielsweise aus einem spanend bearbeitbaren Keramikmaterial,
wie Tonerde, hergestellt, die eine Mehrzahl von Formhöhlungen
mit einem offenen Ende in Form der herzustellenden Gegenstände aufweist,
wird so ausgerichtet, dass die offenen Enden der Formhöhlungen
nach oben weisen. Das Pulvergemisch wird dann in die Formhöhlungen
eingefüllt
und die Gussform aufgeschlagen, um das Absetzen der Pulver zu fördern. Zum
Komprimieren der Pulver kann wahlweise ein Kolben verwendet werden.
Dann wird ein Infiltrationsmittel, beispielsweise Kupferpulver,
auf das Pulvergemisch aufgebracht, wobei es im Allgemeinen den Rest
der Formhöhlung
ausfüllt.
Die Gussform und die Pulver werden dann bei einer ersten Temperatur,
beispielsweise 800-1000 °C über einen
Zeitraum gesintert, der zur Förderung
der Verdichtung von Wolfram und der Bronze ausreicht, beispielsweise
1 bis 3 Stunden. Die Gussform und die Pulver werden dann auf eine
zweite Temperatur erwärmt,
die höher
ist als die erste Temperatur und die zum Schmelzen des Infiltrationsmittels
ausreicht, beispielsweise 1000-1100 °C. Das Infiltrationsmittel füllt die
Hohlräume
in dem gesinterten Verbundwerkstoff, wobei es die endgültige Dichte üblicherweise erhöht, sodass
sie 1-3 % unterhalb der theoretischen Dichte des Gemisches liegt.
Kupfer ist zur Verwendung als Infiltrationsmittel besonders wünschenswert,
da es bei seiner Zugabe den Schmelzpunkt der Bronze erhöht und somit
ein Zusammenfallen verhindert. Außerdem legiert es mit der Bronze
und bewahrt somit die Korrosionsbeständigkeit des Verbundwerkstoffs.
Nach dem Abkühlen
ist ein dichter fertiger Gegenstand mit minimalem Zusammenfallen
geschaffen, der verformbar und gegenüber Rissbildung ausreichend
beständig
ist, um Kaltformen unter Verwendung von beispielsweise Tiefziehgesenken
oder andere Kalibrierverfahren zu ermöglichen.
-
In
einer anderen Art von Herstellungsverfahren kann der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff
unter Verwendung eines organischen Bindemittels, im Allgemeinen
eines thermoplastischen Bindemittels, in einer Menge formuliert
werden, die ausreicht, um zur Herstellung von Gegenständen unter
Verwendung des Verbundwerkstoffs den Einsatz von Fluidverarbeitungstechniken
zu ermöglichen.
Ein Wachs oder eine Mischung aus Wachsen stellt das bevorzugte Bindemittel
dar. Das bevorzugte Bindemittel umfasst ein niedermolekulares Wachs
oder eine niedermolekulare Wachsmischung, das bzw. die vorzugsweise
bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis ungefähr 120 °C, besonders
bevorzugt ungefähr
50-90 °C,
ganz besonders bevorzugt ungefähr
55-65 °C,
schmilzt. Das Wachs kann beispielsweise unter anderem Paraffinwachs,
mikrokristallines Wachs, Polybutenwachs, Polyethylenwachs, Carnauba-Wachs
oder eine Mischung von zwei der mehr davon sein. Das Bindemittel
weist vorzugsweise eine Temperatur für thermales Entbindern auf,
die eine vollständige Entfernung
aus dem Verbundwerkstoff vor dem Sintern ermöglicht. Das Bindemittel weist
vorzugsweise eine Pyrolysetemperatur von weniger als 375 °C, besonders
bevorzugt ungefähr
350 °C,
auf und hinterlässt
nach der Pyrolyse vorzugsweise kaum oder gar keine Aschereste. Weiterhin
sollte das Bindemittel eine Viskosität aufweisen, die sich allmählich mit
der Temperatur verändert.
Ein Wachs mit einem einzigen Schmelzpunkt erfährt beim Erwärmen eine
plötzliche Änderung
der Viskosität.
Plötzliche
Viskositätsverschiebungen
können dazu
führen,
dass sich das Metallpulver im Bindemittel aus der Suspension absetzt,
was Bereiche mit nicht fließenden
Werkstoffen schafft, die die Ausrüstung beschädigen können. Um den verwendbaren Temperaturbereich
des Bindemittels zu vergrößern und
plötzliche
Viskositätsverschiebungen
zu verhindern, kann eine Mischung aus niedermolekularen Wachsen
mit unterschiedlichen Schmelzpunkten verwendet werden. Wahlweise
kann ein oberflächenaktives
Mittel zugegeben werden, um die Adhäsion des Pulvers am Bindemittel
zu verbessern und die Pulver suspendiert zu halten. Das verwendete
oberflächenaktive
Mittel wird vorzugsweise bei derselben Temperatur wie die Wachse
pyrolysiert und wird vorzugsweise beim Entbindern ohne Bildung von Asche,
die das Sintern des Verbundwerkstoffs hemmen kann, vollständig entfernt.
-
Zu
einem Beispiel für
ein erfindungsgemäßes Bindemittel
gehört
eine Mischung aus Paraffinwachsen, die Schmelzpunkte zwischen 50
und 73 °C
aufweisen. Durch Einstellen der relativen Mengen der Wachse kann
der Erweichungsbereich und der Schmelzpunkt des Bindemittels gezielt
auf den verwendeten Verbundwerkstoff und die verwendete Gussausrüstung zugeschnitten
werden.
-
Formulierungen
des Verbundwerkstoffs, die ein organisches Bindemittel umfassen,
werden im Allgemeinen unter Verwendung eines Compoundierers hergestellt.
Wolfram- und Bronzepulver werden trocken zusammen mit dem organischen
Bindemittel und beliebigen anderen zusätzlichen Bestandteilen, beispielsweise Eisen,
die zur Veränderung
der Eigenschaften des Verbundwerkstoffs zugesetzt werden können, gemischt. Das
Ergebnis ist vorzugsweise ein homogenes Gemisch.
-
Das
Gemisch wird dann in einen Compoundierer eingebracht und bei erhöhten Temperaturen
compoundiert. Die Temperatur des Compoundierers liegt vorzugsweise
unterhalb des Schmelzpunkts des Bindemittels, ist aber hoch genug,
um ein Erweichen des Bindemittels zu ermöglichen, sodass ein Mischen
des Bindemittels und der Pulver ermöglicht wird, beispielsweise
55-65 °C.
Der Compoundierer weist üblicherweise eine
erwärmte
Bohrung mit einer Schnecke oder einer Doppelschnecke und einer Reihe
von Schaufeln oder Nocken zum Durchschneiden und Verscheren des
Gemisches während
des Compoundierens auf. Diese Art von Compoundierer gewährt eine
gute Steuerung der Teilchenverteilung und Belegung, was zu einem
hohen Volumendurchsatz und einer guten Konsistenz und Homogenität des Gemisches
führt.
Im Compoundierer wird üblicherweise
ein pelletiertes Gemisch erzeugt, das zur späteren Verwendung beim Gießen von
Gegenständen
unter Verwendung von Fluidverarbeitungstechniken abgekühlt werden
kann.
-
Zu
Beispielen für
Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, in denen Bindemittel
und Fluidverarbeitungstechniken verwendet werden, gehören Pulverspritzgießen (PIM),
Bandgießen
und polymergestützte Extrusion.
Diese Techniken beinhalten alle ein organisches Bindemittel, das
zur Fluidität
des Verbundwerkstoffs beiträgt
und somit das Bilden von gegossenen Formen ermöglicht.
-
In
den letzten Jahren hat sich das Pulverspritzgießen (PIM) als ein Verfahren
zur Herstellung von Präzisionsteilen
in der Luftfahrt-, Automobil-, Mikroelektronik- und Biomedizinindustrie
herausgeschält.
Zu den wichtigen Vorzügen,
die PIM bietet, gehört
die endabmessungsnahe Erzeugung von Gegenständen mit komplexer Geometrie
zu niedrigen Kosten und schneller Erzeugung von hohen Produktionsvolumen.
-
Das
gesamte PIM-Verfahren besteht aus mehreren Stufen. Die Metallpulver
und organischen Materialien, zu denen Wachse, Polymere und oberflächenaktive
Mittel gehören,
werden wie vorstehend beschrieben unter Bildung eines homogenen
Gemisches, das als Einsatzgut bezeichnet wird, compoundiert. Das
Einsatzgut kann beispielsweise pelletiert werden. Idealerweise handelt
es sich bei dem Einsatzgut um ein präzise hergestelltes System.
Die Bestandteile des Einsatzgutes werden ausgewählt und ihre relativen Mengen
derart gesteuert, dass deren Leistung während der verschiedenen Stufen
des Verfahrens optimal ist. Das Einsatzgut wird zum Formen von Teilen
in einer Spritzgießmaschine
auf eine Art, die der Ausbildung herkömmlicher Thermoplaste ähnelt, verwendet.
-
Die
Spritzgießmaschine
verfügt über einen
Einfülltrichter,
der das Einsatzgut zu einem länglichen Spritzzylinder
führt.
Der Spritzzylinder kann mit einem Mantel versehen sein und wird
auf die gewünschte Gießtemperatur
erwärmt.
Die Gießtemperatur
liegt vorzugsweise unterhalb des Schmelzpunkts des Bindemittels,
ist aber hoch genug, um ein Erweichen des Bindemittels zu ermöglichen,
beispielsweise 55-65 °C.
Der Spritzzylinder enthält üblicherweise
eine längliche
Schnecke, die konzentrisch zum Zylinder ausgerichtet ist. Der Spritzzylinder
läuft im
Allgemeinen spitz zu und beim Drehen der Schnecke wird erweichter
Werkstoff unter zunehmendem Druck vorwärts durch den Zylinder transportiert.
Eine Gussform mit einer inneren Formhöhlung, deren Form dem herzustellenden
Gegenstand entspricht, ist am Ausgang des Spritzzylinders vorgesehen
und empfängt
eine Injektion des erwärmten
unter Druck stehenden Werkstoffs. Der Werkstoff wird in der Gussform
unter vorher festgelegten Druck- und Temperaturbedingungen zum Plastifizieren
des Bindemittels abgekühlt
und der gegossene Gegenstand wird zur weiteren Bearbeitung aus der
Form entnommen. Spritzgießen
ist bei der Herstellung von Radgewichten und Patronen besonders
nützlich.
-
Zusätzliche
Verfahren zur Ausbildung von Formen, die sich Fluidverarbeitungstechniken
bedienen, sind nachstehend beschrieben.
-
Extrudieren
und Spritzgießen
werden üblicherweise
bei erhöhten
Temperaturen durchgeführt.
Die Extrusion ist im Allgemeinen eine Schmelzverarbeitungstechnik,
die das Mischen der Metallbestandteile und des organischen Bindemittels
bei erhöhter
Temperatur gefolgt vom Extrudieren des geschmolzenen Gemisches durch
eine offene Düse
in Form von Drähten,
Folien oder anderen einfachen Formen beinhaltet. Bandgießen beinhaltet
in der Regel das Mischen der Metallbestandteile mit einer Lösung eines
organischen Bindemittels und das Extrudieren des Gemisches bei Raumtemperatur
zu Folien. Diese Techniken sind für die kommerzielle Erzeugung
von Schrotkugeln relativ langsam, können aber bei der Herstellung
von Gegenständen
wie Radgewichten und Patronen am geeignetsten sein.
-
Das
Kompaktieren ist eine weitere Technik, bei der Inhaltsstoffe des
Verbundwerkstoffs, einschließlich organischem
Bindemittel, unter Ausbildung eines Presslings verpresst werden.
Der Pressling kann dann bei erhöhter
Temperatur gesintert werden. Kompaktiertechniken dieser Art sind üblicherweise
nicht für
die hochvolumige Erzeugung von Gegenständen, wie Schrotkugeln, geeignet.
-
Bei
einer weiteren Technik, die insbesondere zur Erzeugung von Schrotkugeln
verwendet wird, werden die Inhaltsstoffe des Verbundwerkstoffs,
einschließlich
organischen Bindemittels, miteinander gemischt und das Bindmittel
geschmolzen und in kleine Kügelchen
getropft.
-
Stauch-
oder Walzprofiliertechniken, entweder warm oder kalt, sind schneller
als Gieß-,
Formgieß-, Vorform-
oder Tropftechniken und eignen sich ideal für die Herstellung von Munition,
wie Schrotkugeln, da ein hoher Durchsatz erforderlich ist, um ein
Verfahren wirtschaftlich zu gestalten. Im Allgemeinen werden Wolfram und
Bronze unter Bildung einer Suspension gemischt und unter Ausbildung
eines Drahts, eines Streifens oder einer Folie extrudiert. Der Draht,
der Streifen oder die Folie kann dann zu dem gewünschten Gegenstand verarbeitet
werden. Für
die Erzeugung von Schrotkugeln wird der Draht, der Streifen oder
die Folie unter Ausbildung von im Wesentlichen oder hauptsächlich kugelförmigen Verbundwerkstoffteilchen
gestanzt oder ausgerollt. Zum Pressen des extrudierten Verbundwerkstoffs
zu einer gewünschten
Dicke vor der Ausbildung der kugelförmigen Verbundwerkstoffteilchen
können
auch Presswalzen verwendet werden. Dann können die kugelförmigen Verbundwerkstoffteilchen
unter Erzeugung von Schrotkugeln fertig gestellt werden.
-
Bei
derartigen Stauch- oder Walzprofiliertechniken können Wolfram und Bronze unter
Bildung einer Vormischung vorgemischt und in einen Extruder eingetragen
werden oder sie können
vorgemischt, anschließend
compoundiert und pelletiert und in einen Extruder eingetragen werden.
Das Vormischen erfolgt im Allgemeinen bei Umgebungstemperatur (Raumtemperatur).
Bronze zusammen mit jedem weiteren möglicherweise verwendeten Zusatz,
wird üblicherweise
zuerst unter Bildung eines Gemisches vermengt, welches anschließend unter
Ausbildung der Vormischung mit Wolfram vermengt wird. Compoundieren
und Pelletieren erfolgen üblicherweise
bei erhöhter
Temperatur. Der extrudierte Verbundwerkstoff in Form eines Drahtes,
eines Streifens oder einer Folie, kann dann unter Verwendung einer
Reihe oder Anordnung von Stanzen fortschreitend unter Ausbildung
regelmäßiger Vertiefungen
gestanzt werden, bis die kugelförmigen
Verbundwerkstoffteilchen endgültig
ausgestanzt sind. Alternativ können
Drückrollen
mit einer gepunzten Struktur zur Ausbildung der kugelförmigen Verbundwerkstoffteilchen
verwendet werden.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der zur Ausbildung einer
Vielzahl von Gegenständen
verwendet werden kann, ermöglichen
spezielle Verarbeitungsschritte und die Auswahl des Bindemittels
einen abgekühlten
und verfestigten Gegenstand mit einem derart hohen Pulveranteil
(jenseits der Grenze für
zufällige
Reihenfolge), dass der Gegenstand beim erneuten Erwärmen nicht
seine Form verliert. Die Verwendung eines derartigen Bindemittels
verbessert die Verarbeitbarkeit des Verbundwerkstoffs drastisch,
was die Bildung eines gießfähigen Gemisches
erlaubt, das sich einfach in die gewünschte Form bringen lässt. Die gefüllten Gussformen
können
leicht vibriert werden, um eine geordnetere Packanordnung der Pulverteilchen zu
erzeugen. Erfolgreiche Wiederholungen können mit hoher Wiederholgenauigkeit
und Pulverbelegung gebildet werden.
-
Im
Anschluss an die Stufe der Formausbildung, wie in einem der vorstehenden
Verfahren beschrieben, kann das Entfernen der organischen Bestandteile
vor der Verdichtung des Gegenstands mittels Sintern durch Pyrolyse
vorgenommen werden. Das Verfahren zum Entfernen der Bindemittel
wird im Allgemeinen als Entbindern bezeichnen und das Pyrolyseverfahren
zum Entfernen von Bindemittel als thermisches Entbindern. Das Verfahren
des thermischen Entbinderns beinhaltet das Erwärmen des geformten Gegenstands
in einem Ofen auf eine Temperatur, die das Bindemittel mittels Pyrolyse
schnell in gasförmige
Produkte umwandelt, die von einer fließenden Schutzgasatmosphäre abgeführt werden.
Beim Erwärmen
des Gegenstands schmilzt das Bindemittel. Ein Pulver mit Dochtwirkung,
beispielsweise ein Aluminiumoxid enthaltendes Pulver, kann zur Schaffung
eines Kapillarkraftgradienten verwendet werden, wodurch das Bindemittel
aus dem Formteil gesaugt wird. Da das Schmelzen des Bindemittels
von außen
nach innen erfolgt, gibt es keinen Zeitpunkt, zu dem der gesamte
Gegenstand flüssig
ist. Während
sich die flüssige
Front von außen
zum Mittelpunkt bewegt, wird sie sofort von dem Pulver mit Dochtwirkung
aufgesaugt. Das Entfernen derartiger Bindemittel auf diese Weise ist
weithin bekannt und die Berechnungen sind veröffentlicht, sodass die Basis
für das
Vorgehen ermittelt werden kann.
-
Wahlweise
kann vor dem thermischen Entbindern ein flüssiges Entbindern unter Verwendung
eines organischen Lösungsmittels,
beispielsweise Heptan, das auf eine Temperatur unterhalb seines
Siedepunkts, aber oberhalb des Schmelzpunktes des organischen Bindemittels,
beispielsweise 70 °C,
erwärmt
wird, stattfinden. Wenn das flüssige
Entbindern als Vorbehandlung verwendet wird, wird ein Teil des flüssigen Bindemittels
durch das Lösungsmittel
entfernt und während
des thermischen Entbinderns ist ein Pulver mit Dochtwirkung im Allgemeinen
nicht erforderlich.
-
Nach
beendetem Entbindern wird der Ofen auf eine Temperatur erwärmt, die
für den
Sinterbindungsgrad, der für
die Anwendung erforderlich ist, ausreicht. Üblicherweise kann die Temperatur
bei ungefähr 600-1100 °C liegen.
Bei erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffen
liegt die Sintertemperatur vorzugsweise bei 800-1100 °C, mehr bevorzugt
1000-1100 °C.
Sintern erfolgt im Allgemeinen unter einer reduzierenden Atmosphäre, um eine
Oxidation der Metallkomponenten zu vermeiden. Zur Bereitstellung
einer reduzierenden Atmosphäre
kann ein Schutzgas, beispielsweise reiner Wasserstoff, eine Gasmischung
aus 10 % Wasserstoff/90 % Stickstoff oder Crackammoniakgas, verwendet
werden. Das Gas strömt üblicherweise
mit dem 5- bis 10-fachen Volumen des Ofens pro Stunde, um Verunreinigungen
zu entfernen. Zum thermischen Entbindern und Sintern können periodisch
arbeitende oder Durchlauföfen
verwendet werden. In einem periodisch arbeitenden Ofen wird der
Ofen üblicherweise
mit dem gewünschten
Temperaturprofil in Abhängigkeit
von der Zeit programmiert. Nach Ablauf des Programms werden die
Teile zum Abkühlen
unter kontrollierter Atmosphäre
im Ofen stehen gelassen. In einem Durchlaufofen werden die geformten
Gegenstände über einen
Transportbandförderer
in den Ofen eingebracht. Zur Aufrechterhaltung der kontrollierten
Atmosphäre
im Ofen ist ein hoher Durchfluss an Schutzgas erforderlich. Der
Ofen wird mit Bereichen unterschiedlicher Größe und Temperatur programmiert,
um das gewünschte
Temperaturprofil für
den Transport der Gegenstände
durch den Ofen zu erzeugen. Das Abkühlen der Gegenstände erfolgt üblicherweise
außerhalb
des Ofens unter einer kontrollierten Atmosphäre. Zur Herstellung von erfindungsgemäßen Gegenständen kann
jede Ofenart verwendet werden.
-
Zur
Veränderung
von Oberflächeneigenschaften
von Gegenständen,
die unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs hergestellt
wurden, können
die Gegenstände
mechanisch mit einem anderen Metall beschichtet werden. Das Überzugsmetall
kann beispielsweise Zinn, Zink, Chrom, Molybdän oder deren Mischungen, einschließlich Legierungen,
sein. Das Beschichten kann nützlich
sein, um dem Gegenstand Korrosionsbeständigkeit, Härte oder Gleiteigenschaften
zu verleihen. Die Metalle können
beispielsweise durch Einbringen der Gegenstände und der pulverförmigen Beschichtungsmetalle
in eine Kugelmühle
und Trommeln der Gegenstände
und des Pulvers in der Kugelmühle
mechanisch auf die Gegenstände
aufgebracht werden. Eine derartige Veränderung der Oberflächeneigenschaften
verändert
die Struktur oder Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
in keinster Weise.
-
Beispiele
-
Beispiel 1
-
Eine
pulverförmige
Bronzelegierung mit einem Cu:Sn-Verhältnis von 90:10 wurde mit einem
Wolframpulver in einer 1:1-Mischung, bezogen auf das Gewicht, gemischt.
Das Gemisch wurde mit 0,5 % Ethylen-bis-stearamid als Gleitmittel
bei 50 psi in die Form von rechteckigen Stäben kompaktiert. Die Stäbe wurden unter
Erzeugung von gesinterten Stäben,
die im Wesentlichen aus Wolframteilchen bestehen, die in einer Bronzematrix
dispergiert sind, bei 1100 °C
gesintert. Die Stäbe
wiesen eine gesinterte Dichte von 12,3 g/cc und eine Reißfestigkeit
in Querrichtung von 600 MPa auf. Die gebildete Komponente wies eine
hohe Schlagzähigkeit
auf, die bei Zinn-Wolfram-Verbundwerkstoffen bisher unbekannt ist.
-
Die
Mikrostruktur der Bruchfläche
zeigte Dehnungsbrüche
mit relativ hoher Benetzbarkeit der Wolframkörner (1A und 1B).
Lichtmikroskopische Aufnahmen der Hauptmasse des Verbundwerkstoffs bestätigten die
Gegenwart von benetzten Wolframteilchen, die in einer Bronzematrix
dispergiert waren (2).
-
Beispiel 2:
-
Ein
Gemisch umfassend 60 Gew.-% Wolframpulver und 40 Gew.-% Bronzepulver
wird mit einer Wachsmischung umfassend 20 Gew.-% Paraffinwachs,
40 Gew.-% mikrokristallines Wachs und 40 Gew.-% Carnauba-Wachs bei
190 °F (ungefähr 88 °C) unter
28 Zoll Vakuum 30 Minuten lang derart gemischt, dass die Wachsmischung
55 Vol.-% des Metall-/Wachsgemisches ausmacht. Das Metall-/Wachsgemisch
wird dann wieder auf atmosphärischen
Druck gebracht und in eine vorgewärmte Gummigussform (ungefähr 82 °C) gegossen.
Die gefüllte
Gussform wird vibriert und eine Minute lang in einem heißen Ofen
(ungefähr
82 °C) auf 26
Zoll Vakuum gebracht, wobei das Vibrieren 5 Minuten lang fortgesetzt
wird. Die gefüllte
Gussform wird dann aus dem Ofen entnommen und zum Abkühlen auf
unter ungefähr
27 °C stehen
gelassen.
-
Das
Entbindern findet anschließend
1 Stunde lange bei ungefähr
300 °C,
dann 1 Stunde lange bei 450 °C
und schließlich
1 Stunde lange bei 550 °C
unter einer Wasserstoffgasatmosphäre statt. Dann erfolgt das Sintern
bei einer Temperatur von 850 °C
1 Stunde lang unter Wasserstoffgas.
-
Mittels
dieses Verfahrens hergestellte Teile haben eine hohe Schlagfestigkeit
sowie hervorragende Verformbarkeit und Energieabsorptionsfähigkeit.
Wiederholtes Hämmern
eines Wolfram-Bronze-Pellets, das mittels dieses Verfahrens hergestellt
wurde, führte
zu einem praktisch vollständigen
Abplatten des Pellets ohne Reißen.
Das abgeplattete Pellet fühlte
sich sehr heiß an.
-
Beispiel 3
-
Zur
Bestimmung der Wirkung einer Abwandlung der relativen chemischen
Zusammensetzung des Werkstoffs wurden mehrere unterschiedliche Zusammensetzungen
geprüft
und die durchschnittliche Dichte des Verbundwerkstoffs ermittelt.
Die Ergebnisse gehen aus Tabelle 2 hervor.
-
Tabelle
2: Werkstoffzusammensetzung und durchschnittliche Dichte des Verbundwerkstoffs
-
Die
in Tabelle 1 dargestellten Dichten sind der Durchschnitt einer Reihe
geprüfter
Proben. Das Sintern dauerte eine Stunde in einer 100%igen Wasserstoffatmosphäre bei einer
Temperatur zwischen 1080 und 1100 °C in Abhängigkeit von der herzustellenden
Zusammensetzung. In der ersten Versuchsreihe wurde der Verbundwerkstoff
durch Mischen von Wolfram-, Kupfer- und Zinnpulver hergestellt.
Die Zahl vor dem chemischen Symbol jedes Bestandteils gibt den gewichtsprozentigen
Anteil des Bestandteils im Verbundwerkstoff an. In der ersten Versuchsreihe
wurde eine Vielzahl von Zusammensetzungen geprüft, die eine Vielzahl von Dichten des
Verbundwerkstoffs ergaben. Keine der Dichten des Verbundwerkstoffs
erwies sich jedoch als akzeptabel, in erster Linie aufgrund der
Gegenwart von Hohlräumen
in den Teilchen, die durch Lösen
von Zinn in Kupfer entlang der Kupferkorngrenzen gebildet wurden.
Das Aussehen der Hohlräume
ist in 4 in einem Querschnitt bei 500facher Vergrößerung darstellt,
die einen Drei-Komponenten-Verbundwerkstoff
zeigt, der während
der ersten Versuchsreihe hergestellt wurde, wobei die Hohlräume deutlich
als schwarze Flecken sichtbar sind. Zur Vermeidung der Hohlraumbildung
wurden die nächsten
Versuchsreihen mit Bronzepulver durchgeführt. Das Verhältnis von
Kupfer zu Zinn im Bronzepulver ist in Klammern angegeben. Die Verwendung
von Bronzepulver anstatt jeweils Kupfer- und Zinnpulver erwies sich bei der
Verhinderung der Hohlraumbildung im Verbundwerkstoff als wirksam,
wie aus 5 hervorgeht, die einen Zwei-Komponenten-Verbundwerkstoff,
der in der zweiten Versuchsreihe hergestellt wurde, im Querschnitt
bei 1000facher Vergrößerung zeigt.
Im Gegensatz zu 4 sind keine Hohlräume sichtbar,
wenn zur Bildung des Verbundwerkstoffs ein Bronzepulver und ein
Wolframpulver verwendet werden. In der dritten Versuchsreihe wurde
eine geringe Menge an Eisen zu dem Verbundwerkstoff gegeben. Die
Zahl vor dem chemischen Symbol für
Eisen gibt den gewichtsprozentigen Anteil von Eisen im Verbundwerkstoff
an. Das Eisen verbesserte das Sintern der Werkstoffe und hatte eine
merkbare Wirkung auf die Dichte. Wie aus 6 hervorgeht,
wird die maximale Dichte der geprüften Zusammensetzung mit 0,8
Gew.-% Eisen erreicht, wobei zu viel oder zu wenig Eisen eine nachteilige
Wirkung auf die Dichte des Verbundwerkstoffs hat. Der Verbundwerkstoff,
der im Wesentlichen aus 52W-47,2Bronze(90Cu10Sn)
0,8Fe bestand, hatte eine Dichte von 11,9 g/cm3.
-
Beispiel 4
-
Um
die gewünschte
Bindemittelformulierung zu erhalten, wurden Versuche mit einer Vielzahl
von Wachsmischungen und oberflächenaktiven
Stoffen durchgeführt.
Niedermolekulare Paraffinwachse wurden aus Tabelle 3 ausgewählt und
in einer Vielzahl von Kombinationen gemischt. Tabelle
3: Paraffinwachse für
Mischungsversuche (Quelle: Strahl & Pitsch, West Babylon, NY)
- Anmerkung: EPA – Toxic Substances Control
Act – Chemical
Substance Inventory, Substance Name Index – PARAFFINWACHS/CAS-NUMMER
8002-74-2, Cosmetic, Toiletry & Fragrance
Association -Cosmetic Ingredient Dictionary, CAS-NUMMER 800-74-2.
-
Alle
in der vorstehenden Tabelle genannten Paraffinwachse besitzen einen
Schmelzpunkt zwischen 122 °F
(50 °C)
und 163 °F
(73 °C).
Die Kombination von verschiedenen Schmelzpunkten führt dazu,
dass das Erweichen des Wachses innerhalb eines Temperaturbereichs
erhöht
wird. Dies steht in Gegensatz zu dem plötzlichen Übergang von Feststoff zu Flüssigkeit
innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs bei einem einzigen
Wachs, wie vorstehend angegeben. Durch Mischen der Bindemittel kann
eine allmähliche
Veränderung
von Feststoff zu Flüssigkeit
erreicht werden, wodurch ein Bereich von Betriebstemperaturen bereitgestellt wird,
der mit kommerzieller Compoundier- und Gießausrüstung kompatibel ist. Außerdem wurde
Stearinsäure (Fisher
Scientific: Atlanta, GA) aufgrund ihres vergleichbaren Schmelzpunktes
von 54 °C
und ihrer sauberen Verbrennung ohne Ascherückstand als oberflächenaktives
Mittel zur Verwendung bei der Unterstützung des Suspendierens von
Metallpulver im Bindemittel gewählt.
-
Durch
Mischen mehrerer Wachse und Stearinsäure in einer Anzahl von Kombinationen
und die qualitative Beobachtung der Erweichungs- und Schmelzpunkte
wurde die in Tabelle 4 gezeigte Werkstoffmischung ausgewählt.
-
Tabelle
4: Werkstoffmischung in bevorzugten Bindemittelformulierungen
-
Bei
einem Bindemittel, das unter Verwendung der Werkstoffmischung aus
Tabelle 4 formuliert wurde, wurden die in Tabelle 5 angegebenen
Eigenschaften durch Messen der Temperatur des Bindemittels nach qualitativer
Beobachtung der angegebenen Parameter festgestellt.
-
Tabelle
5: Physikalische Eigenschaften des gemäß Tabelle 4 formulierten Bindemittels
-
Beispiel 5
-
Ein
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs ist schematisch
in 7 dargestellt. Das Wolframpulver 2 und das Bronzepulver
3 wurden trocken zusammen mit einer geringen Menge Eisen und einem
organischen Bindemittel 4 gemischt. Bei dem verwendeten Trockenmischer
handelte es sich einen Hochleistungs-Doppelkegelfreifallmischer
mit einer Kapazität
von 500 Ib und einem offenen Volumen von ungefähr 12 Litern, der ungefähr 15 Minuten
lang mit 30 Umdr./min rotierte. Die Zusammensetzung der gemischten
Pulver geht aus Tabelle 6 hervor.
-
Das
Gesamtvolumen der Versuchscharge betrug 1000 cm3 und
die gemischte Charge hatte eine Gesamtdichte von ungefähr 8,05
g/cm3. Zur Gewährleistung einer guten Pelletbildung
ist es wichtig, die Festvolumenfraktion vor dem Compoundieren zu
maximieren.
-
Tabelle
6: Zusammensetzung der gemischten Pulver
-
Die
Pulver wurden unter Verwendung eines Compoundierers 5 zu Pellets
compoundiert. Bei dem Compoundierer 5 handelte es sich um einen
Doppelschnecken-Compoundierer mit Durchmesser 2" und einer Eintragsöffnung 6 zur Aufnahme der gemischten
Pulver (Readco: York, Pennsylvania). Die Eintragsöffnung 6 wurde
elektrisch auf 65 °C
erhitzt und umfasste einen Eintragsschlauch, der auf ungefähr 23 °C luftgekühlt war. Der
Compoundierer wies einen ölgespeisten
Heizmantel auf und hatte überall
die gleiche Temperatur von 65 °C.
Am Ausgang des Compoundierers wurde eine selbstpelletierende Schneidplatte
mit zwei Löchern
installiert. Die Schneidplatte wurde nicht erwärmt, erreichte aber eine Temperatur
von 65 °C.
Die Pulver wurden mit einer Rate von 100 kg/h bei einer Schneckendrehzahl
von 150 Umdr./min durch den Compoundierer geführt, wobei 1,2 HP elektrischer
Strom verbraucht wurden. Der pelletierte Werkstoff 7 wurde gesammelt,
5 Minuten lang getrommelt und ein zweites Mal compoundiert, um die
Homogenität
des compoundierten Werkstoffs zu gewährleisten.
-
Dann
wurden die Pellets 7 in eine Spritzgießmaschine 8 gegeben. Bei der
Spritzgießmaschine
8 handelte es sich um einen Typ 270V 500-150 mit 55 Tonnen (Arburg:
Lossburg, Deutschland) mit einem PVC-Spritzzylinder und einer Schnecke
eines Typs, der für
PIM-Anwendungen geeignet ist.
-
Die
Gussform 9 war vom Typ Anguss lang mit vier eingesetzten Formhöhlungen.
Es wurden zwei Gussformen 9 verwendet, eine zur Erzeugung von dehnbaren
Stäben,
die andere zur Erzeugung von 9-mm-Patronen. Die Gussform war mit
einem Mantel versehen und auf 10 °C
gekühlt.
Die zum Betrieb der Spritzgießmaschine
8 verwendeten Parameter gehen aus Tabelle 7 hervor.
-
-
Die
gebildeten gegossenen Gegenstände
wurden anschließend
einem Entbindern unterzogen. Bei dieser Versuchsreihe wurde das
fakultative Lösungsmittel-Entbindersystem nicht
benutzt und die Gegenstände
wurden zum Auslösen
des Wachses in Aluminiumoxidpulver gelegt. Die Gegenstände wurden
in einen Ofen 10 mit einer 100%igen Wasserstoffatmosphäre mit einem
Durchsatz des 10-fachen Volumens des Ofens pro Stunde eingebracht.
Die Ofentemperatur wurde um 5 °C
je Minute erhöht,
bis eine Temperatur von 350 °C
erreicht war. Die Temperatur wurde auf diesem Niveau gehalten, bis
das gesamte Bindemittel entfernt war, was durch einen Abfall der
Temperatur der Flamme am Ofenauslass nach ungefähr 2 bis 2,5 Stunden festgestellt wurde.
-
Ohne
die Gegenstände
aus dem Ofen 10 zu entnehmen, wurden die Teile durch Erhöhen der
Temperatur um 5 °C
je Minute bis zum Erreichen einer Temperatur von 1080 °C, die 1
Stunde gehalten wurde, gesintert. Dann wurden die Gegenstände zum
Abkühlen
im Ofen 10 unter der Inertgasatmosphäre stehen gelassen, ehe sie
aus dem Ofen entnommen wurden.
-
Die
physikalischen und mechanischen Eigenschaften der abgekühlten Verbundwerkstoff-Gegenstände wurden
ermittelt und sind in Tabelle 8 wiedergegeben.
-
Tabelle
8: Physikalische und mechanische Eigenschaften von 52W-47,2Bronze(90Cu10Sn)0,8Fe
-
Die
Dichte des Werkstoffs wurde mittels des archimedischen Prinzips
in Öl bestimmt.
-
Die
fertigen Teile wiesen eine durchschnittliche Dichte von 11,9 g/cm3 auf, was 96 % der theoretischen Dichte
der Kombination aus Metallpulvern von 12,35 g/cm3,
wie in Tabelle 6 ermittelt, beträgt.
Dies zeigt an, dass der unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens
erzeugte Werkstoff eine Porosität
von ungefähr
4 % hat. Während
des Entbinderns und Sinterns wurde die durchschnittliche Abmessung
durch das Entfernen des organischen Bindemittels und der Verdichtung
der Metallteilchen während
des Sinterns um 12,72 % verkleinert. Gussformen zur Erzeugung dieser
Gegenstände,
die aus diesem Verbundwerkstoff hergestellt werden, sollten um einen
Faktor von 1,14 vergrößert werden,
um diesen Schwund der fertigen Teile zu berücksichtigen. Diese Kombination
aus physikalischen Eigenschaften ist besonders bei Verbundwerkstoffen
erwünscht,
die als Bleiersatz verwendbar sind.
-
Beispiel 6
-
Zur
Herstellung eines Gegenstands, insbesondere eines 5,56-mm-Patronenkerns
für eine
Vollmantelpatrone, mittels eines alternativen Verfahrens wurde eine
Gussform aus einem spanbar bearbeitbaren Keramikmaterial, das Tonerde
enthält,
hergestellt. Eine Mehrzahl an Formhöhlungen, deren Form einem Patronenkern entspricht,
wurde in das Keramikmaterial eingearbeitet und die Gussform wurde
so ausgerichtet, dass die offenen Enden der Formhöhlungen
noch oben wiesen. Es wurde ein Pulvergemisch hergestellt, das im
Wesentlichen aus 52 Gew.-% Wolfram und 48 Gew.-% Bronze, bezogen
auf das Gemisch, bestand, wobei die Bronze im Wesentlichen aus 90
Gew.-% Kupfer und 10 Gew.-% Zinn, bezogen auf die Bronze, bestand.
Das Pulvergemisch wurde unter Verwendung eines Trockenmischers homogen
gemischt. In dem Pulvergemisch war kein organisches Bindemittel
vorhanden. Das Gemisch wurde in die Formhöhlungen gegossen und die Gussform
leicht aufgeschlagen, damit sich die Pulver in den Formhöhlungen
absetzen konnte. Anschließend wurde
das Pulver unter Verwendung eines Kolbens mit demselben Durchmesser
wie die Formhöhlung
unter Schaffung eines bestimmten Leervolumens oberhalb des Niveaus
der gemischten Pulver komprimiert. Dann wurde ein Kupfer umfassendes
Infiltrationspulver in das Leervolumen aller mit Ausnahme von drei
der Formhöhlungen
gegeben und die Gussform aufgeschlagen, damit sich das Infiltrationspulver
absetzen konnte. Das Infiltrationspulver wurde in einer Menge von
ungefähr
11 Gew.-%, bezogen auf das gemischte Wolfram- und Bronzepulver,
zugegeben.
-
Die
gefüllte
Gussform wurde in einen Ofen mit einer reinen Wasserstoffatmosphäre mit einem
Durchsatz des 5-fachen Volumens des Ofens pro Stunde eingebracht.
Die Temperatur des Ofens wurde mit einer Rate von 10 °C je Minute
bis zum Erreichen einer ersten Temperatur von 840 °C erhöht, die
eine Stunde lang gehalten wurde, um ein Sintern und Verdichten des
gemischten Wolfram- und Bronzepulvers zu erreichen. Die erste Temperatur
lag unterhalb des Schmelzpunkts von Kupfer, 1083 °C. Die Temperatur
des Ofens wurde dann mit einer Rate von 10 °C je Minute bis zum Erreichen
einer zweiten Temperatur von 1100 °C erhöht, die eine Stunde lang gehalten
wurde, um eine Infiltration des geschmolzenen Kupfers in die gesinterte
Wolfram-/Bronzematrix zu erreichen. Dann wurden die Gussform und
die Patronenkerne zum Abkühlen
im Ofen unter einer Schutzgasatmosphäre aus Wasserstoff stehen gelassen.
-
Eine
Analyse der Patronen ohne Infiltrationsmittel ergab, dass während des
Sinterns ungefähr
86 % der theoretischen Dichte erreicht wurden, was eine Porosität von 14
% bedeutet. Eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts
eines dieser Kerne ist in 8 wiedergeben.
Es zeigen sich dunkle schwarze Hohlräume, die nach dem Sintern verblieben.
Die Kerne mit Infiltrationsmittel wiesen eine Dichte von ungefähr 97 %
der theoretischen Dichte auf, was anzeigt, dass das geschmolzene
Kupfer in die Poren eingedrungen war. Eine lichtmikroskopische Aufnahme
eines mit Kupfer infiltrierten Kerns ist in 9 wiedergegeben.
Es ist das Fehlen von Hohlräumen
und eine gute Verteilung der Wolframkörner in einer Bronzematrix
ohne das Vorhandensein individueller Kupferkörner zu erkennen.
-
Die
endgültige
Dichte und das endgültige
Gewicht der Patronenkerne wurde gezielt auf eine Militärspezifikation
für diese
Patronenkerngröße unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
zugeschnitten. Die Patronenkerne erfüllten die Spezifikation mit
einer durchschnittlichen Dichte von 11,4 g/cm3 und
einem durchschnittlichen Gewicht von 62 gr +/-0,5 gr (4,018 g +/-0,032
g). Die Patronenkerne zeigten ein minimales Zusammenfallen und Verziehen
sowie ausreichende Verformbarkeit, die eine Formgebung unter Verwendung
von Tiefziehgesenken ermöglichte,
um die genauen Endabmessungen der Patronenkerne zu erreichen.
-
Beispiel 7
-
Um
das Korrosionspotenzial zu senken, wurde der Verbundwerkstoff mechanisch
mit Zinn beschichtet. Ungefähr
100 g von im Wesentlichen kugelförmigen
Schrotkugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 3,2 mm
wurden zusammen mit 20 g Zinnpulver mit einem durchschnittlichen
Durchmesser von 6 μm und
10 gehärteten
Stahlkugellagern mit einem Durchmesser von 20 mm in eine Kugelmühle eingebracht.
Die Kugelmühle
wurde 1 Stunde lange mit 270 Umdr./min betrieben. Die gebildeten
Schrotkugeln wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) analysiert,
wie in 10 dargestellt. Die Oberfläche der
Schrotkugeln erschien glatt und glänzend, was anzeigt, dass die
Oberfläche
der Schrotkugeln mit einem Teil des Zinns mechanisch beschichtet
worden war. Ein Querschnitt der Schrotkugeln, der mittels Kartieren
der Elementverteilung analysiert wurde, zeigte, dass eine ununterbrochene
Schicht aus Zinn mit einer Dicke von ungefähr 1 μm mechanisch auf die Schrotkugeln
aufgebracht worden war.
-
Weitere
diesen Strukturen inhärente
Vorteile sind für
den Fachmann offensichtlich. Für
den Fachmann ist es offensichtlich, dass zahlreiche Abwandlungen
der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dabei vom Geist
und Schutzumfang der hierin beanspruchten Erfindung abzuweichen.
-
Es
ist offensichtlich, dass bestimmte Merkmale und Teilkombinationen
nützlich
sind und ohne Bezugnahme auf andere Merkmale und Teilkombinationen
verwendet werden können.
-
Dies
ist gemäß den Ansprüchen denkbar
und fällt
in den Schutzumfang der Ansprüche.
-
Da
zahlreiche mögliche
Ausführungsformen
der Erfindung möglich
sind, ohne von deren Schutzumfang abzuweichen, ist es offensichtlich,
dass das gesamte hierin vorgelegte oder in den beiliegenden Figuren dargestellte
Material als Veranschaulichung und nicht als Beschränkung ausgelegt
werden muss.
-
Im
Anschluss an die Beschreibung der Erfindung wird Folgendes beansprucht:
