DE19939765C1 - Einrichtung zum Entwachsen von Sintermaterial - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Entwachsen von Sintermaterial in einem Sinterofen. Dieser Sinterofen ist mit einem Wachsabschneider verbunden, der seinerseits mit einer Vorrichtung zum Bewegen von Fluiden, beispielsweise einer Pumpe, in Verbindung steht. Mit einem Druckmessgerät wird der Druck im Innern des Sinterofens gemessen. In Abhängigkeit von diesem Druck wird die Menge des entgasten Wachses geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Entwachsen von Sintermaterial.

Besonders beanspruchte Werkzeuge, beispielsweise Bohrer oder Sägeblätter, werden oft aus gesinterten Hartmetallen hergestellt. Unter Sintern versteht man das Verdich­ ten, Zusammenfritten oder Stückigmachen pulverförmiger oder körniger Stoffe unter Druck- und/oder Temperatureinwirkung.

Als Sinterwerkstoffe werden Verbundstoffe verwendet, die sowohl aus Metallpulvern als auch aus einer Mischung von Metallpulvern und nichtmetallischen Komponenten hergestellt werden. Die besonderen Eigenschaften der aus gesintertem Material herge­ stellten Werkstücke wie hohe Verschleißfestigkeit und Härte bei ausreichender Zähig­ keit werden durch einen hohen Anteil an Karbiden der Metalle Chrom, Niob, Tantal, Titan, Wolfram und durch einen geringen Anteil an Kobalt erreicht. Oxidkeramische Werkstoffe besitzen an Stelle von Karbiden Aluminiumoxid; sie werden als Schneid­ stoffe in der zerspanenden Fertigung eingesetzt. Sintermagnetstoffe wie Aluminium- Nickel-Kobalt (AlNiCo) und Bariumferrit werden zur Herstellung von Dauermagneten verwendet.

Damit das zu sinternde Metallpulver in eine bestimmte Form gebracht werden kann, wird ihm ein Bindemittel beigegeben. Durch Kaltpressen oder dergleichen kann hier­ durch die Form eines Werkstücks gebildet werden.

Bei diesem Bindemittel handelt es sich oft um ein Wachs, z. B. Paraffin. Es können aber auch Polyethylenglykol oder metallhaltiges Hydrokarbonat oder ein anderes pla­ stisches Mittel verwendet werden.

Das kaltgeformte Werkstück wird vor dem eigentlichen Sintervorgang einer Entwach­ sung unterworfen, bei der das in einem Vakuumofen befindliche Werkstück langsam aufgeheizt wird, wodurch das Bindemittel als Gas oder Flüssigkeit entweicht. Das entwichene Bindemittel wird hierauf durch Wachsgas, Vakuumpumpen oder andere Methoden beseitigt.

Anschließend wird das Werkstück dem eigentlichen Sinterprozess unterworfen. Hier­ bei wird es unter Vakuum auf eine Temperatur gebracht, bei welcher die Pulverkörner teilweise angeschmolzen werden. Damit backen die Pulverteilchen zusammen und bewirken eine Verdichtung des Werkstücks.

Um eine höhere Verdichtung zu erreichen, wurde vorgeschlagen, die zuvor in der Flüssigphase gesinterten Werkstücke im Vakuum auf eine bestimmte Temperatur auf­ zuheizen und einem bestimmten Druck auszusetzen (US-PS 4 591 481).

Neben dem Vakuum-Sintern gibt es somit auch ein Sintern unter Druck. Das Druck­ sintern wird insbesondere für die Herstellung von WC-Co-Hartmetallen eingesetzt. Es ersetzt immer mehr das herkömmliche Vakuumsintern (VS) und die darauffolgende heiße isostatische Behandlung.

Bei der Entwachsung wird zwischen Niederdruckentwachsen und dem Überdruckent­ wachsen unterschieden. Beim Niederdruckentwachsen von Paraffin wird ein Druck des Trägergases (Ar, N₂) von < 50 mbar abs. gewählt, während beim Überdruckentwach­ sen von Polyethylenglykol (PEG) der Gasfluss bei geringem Überdruck 6 . . . 10 mbar rel. stattfindet.

An moderne Sinteranlagen wird indessen die Forderung gestellt, dass sie sowohl das Unterdruckentwachsen als auch das Überdruckentwachsen sowie das Vakuumsintern und das Drucksintern beherrschen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Sinteranlage zu schaffen, mit der es möglich ist, sowohl beim Vakuum- als auch Überdrucksintern einen einwand­ freien Entwachsungsvorgang durchzuführen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Sinterofens für die Unterdruckentwachsung;

Fig. 2 ein Regelschema für die Regelung des Ofeninnendrucks bei einer Unterdruck­ entwachsung;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Sinterofens für die Überdruckentwachsung;

Fig. 4 ein Regelschema für die Regelung des Ofeninnendrucks bei einer Überdruck­ entwachsung;

Fig. 5 eine Darstellung des Temperatur- und Druckverlaufs beim Vakuum- bzw. Drucksintern mit vorgeschalteter Überdruckentwachsung;

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines Sinterofens mit einem Wachsabscheider, dessen Temperatur bei Unterdruckentwachsung geregelt wird;

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung eines Sinterofens mit einem Wachsabscheider, dessen Temperatur bei Überdruckentwachsung geregelt wird;

Fig. 8 ein Regelschema für die Regelung der Temperatur eines Wachsabscheiders bei Unterdruck- und/oder Überdruckentwachsung.

In der Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Sinterofens 1 gezeigt, bei dem eine Un­ terdruckentwachsung zum Einsatz kommt. Dieser Sinterofen 1 weist mehrere konzen­ trische Schichten auf, von denen eine innere ringförmige Schicht 2 eine Muffel aus reinem Grafit oder dergleichen ist. An diese Muffel 2 schließt sich eine thermische Isolierung 3 an, die ebenfalls aus Grafit, aus Grafithartfilz oder Grafitweichfilz oder einer Kombination hiervon bestehen kann. Die äußere Hülle bildet ein metallisches Gehäuse 4, das den eigentlichen Ofenkessel darstellt. Als Metall wird vorzugsweise Stahl verwendet.

Der Sinterofen 1, der somit eine zylindrische Form aufweist, steht mit Beinen 5, 6 auf festem Boden. In dem Innern 7 des Sinterofens 1 ist eine Charge 8 eines zu sinternden Produkts angedeutet. Aus einem nicht dargestellten Gasreservoir kann dem Sinterofen 1 über ein Ventil 9 einer Gasleitung 10 Gas zugeführt werden. Dieses Gas gelangt zwi­ schen die äußere Hülle 4 und die thermische Isolierung 3 und diffundiert von dort über die Muffel 2 in das Innere 7 des Sinterofens 1 ein. Der Druck im Sinterofen 1 wird üblicherweise mittels eines Druckmessgeräts 11 gemessen, das den Gasdruck zwischen den Schichten 3 und 4 mißt. Das Druckmeßgerät 11 ist deshalb über eine Rohrleitung mit dem Raum zwischen der Schicht 3 und der Schicht 4 verbunden.

Erfindungsgemäß ist ein Druckmessgerät 12 vorgesehen, das über eine Fluidleitung 13 direkt mit dem Innern 7 des Sinterofens 1 in Verbindung steht. An diese Fluidleitung 13, in der sich ein Ventil 14 befindet, ist auch noch ein Temperaturmessgerät 15 ange­ schlossen.

Die Fluidleitung 13 führt auf einen Wachsabscheider 16, der im Wesentlichen aus ei­ nem Kondensator 17 und einem Auffangbecken 18 besteht. Über eine Abflussleitung 19 des Auffangbeckens 18 kann Kondensat durch Öffnen eines Ventils 20 abgegeben werden.

Der Kondensator 17 ist über eine weitere Fluidleitung 21 mit einer Vakuumpumpe 22 verbunden, wobei sich in der Fluidleitung 21 eine Regelklappe 23 befindet.

Bei der Unterdruckentwachsung herrscht im Innern des Sinterofens 1 ein Vakuum. Wird nun eine Heizung, die sich z. B. zwischen der Muffel 2 und der Isolierung 3 be­ findet, bis zu einem Temperaturwert hochgefahren, wo das Bindemittel in dem Sinter­ material schmilzt und verdampft, so wird dieses Bindemittel dem Sintermaterial auf­ grund des Vakuums entzogen. Es gelangt zunächst in den Innenraum 7, von wo aus es aufgrund der Saugfähigkeit der Pumpe 22 über das Ventil 14 in den Wachsabscheider 16 gelangt. In dem Kondensator 17, der z. B. Stahlwolle enthält, kondensiert das Bin­ demittel und tropft auf den Boden des Auffangbeckens 18, von wo aus es als Konden­ sat über die Abflussleitung 19 und das Ventil 20 nach draußen gelangt.

Die vom Wachs befreite Abluft wird über die Fluidleitung 21 und die Regelklappe 23 zur Vakuumpumpe 22 und von dort nach draußen befördert.

Wie bereits erwähnt, ist der jeweilige Druck im Innern 7 des Sinterofens 1 wichtig für die Güte des hergestellten Sinterprodukts. Dieser Druck wird deshalb fortwährend durch das Druckmessgerät 12 überwacht und zur Regelung der Regelklappe 23 heran­ gezogen.

In der Fig. 2 ist das Regelschema für einen Entwachsungsvorgang beim Vakuumbe­ trieb im Ofen 1 dargestellt. Der mit dem Messgerät 12 ermittelte Druck im Innern 7 des Ofens 1 wird als Ist-Wert sowohl auf einen Vergleicher 44 als auch auf eine Grenzwertschaltung 24 gegeben. Ein Druck-Sollwert wird aus einem Sollwertgeber 25 ebenfalls auf den Vergleicher 44 gegeben. Der Sollwertgeber enthält ein Rezept, wo­ mit - wie in der Prozess- bzw. Verfahrenstechnik üblich - Daten gemeint sind, die den Ablauf eines Prozesses steuern. Es wird hierdurch z. B. festgelegt, wie hoch die Sin­ tertemperatur bzw. der Sinterdruck sind, welche Entwachsungsart durchgeführt wird und wie die anderen Parameter zu wählen sind, die den Prozessablauf steuern. Druck- Ist- und -Sollwert werden im Vergleicher 44 miteinander verglichen und die Differenz zwischen beiden wird auf einen Druckregler 26 gegeben, der vorzugsweise als PID- Regler ausgebildet ist. Von diesem Druckregler 26 wird die Regelklappe 23 gesteuert.

Durch mehr oder weniger großes Öffnen und Schließen der Regelklappe 23 kann der Innendruck im Sinterofen 1 gesteuert werden. Hat dieser Innendruck einen zu großen Wert angenommen, also den Grenzwert der Grenzwertschaltung 24 überschritten, wird der Gaseinlass über die Fluidleitung 10 und das Ventil 9 gesperrt. Damit sinkt der In­ nendruck im Ofen 1.

Eine andere Variante der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt. Diejenigen Bauteile, welche die gleiche Funktion wie entsprechende Bauteile der Fig. 1 haben, sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Gegenüber der Einrichtung der Fig. 1 weist die Ein­ richtung der Fig. 3 keine Pumpe auf; vielmehr wird durch den im Innern 7 des Sinter­ ofens 1 herrschenden Innendruck das mittels Aufheizung vergasende Bindemittel in die Fluidleitung 13 weggedrückt, von wo aus es zum Kondensator 17 des Wachsab­ scheiders 16 gelangt.

Von dem Kondensator 17 wird das gereinigte Gas über ein Regelventil 27 und ein ge­ öffnetes Absperrventil 28 einer Abfackelvorrichtung 29 zugeführt, wo es verbrennt.

Um den Druck im Innern 7 des Sinterofens 1 zu regeln, wird das Regelventil 27 in Abhängigkeit vom Druck, der in dem Druckmessgerät 12 gemessen wurde, mehr oder weniger weit geöffnet.

Das treibende Agens ist hierbei die Druckdifferenz. Während an der Abfackelvorrich­ tung 29 Atmosphärendruck anliegt, herrscht an der Gasleitung bzw. an dem Ventil ein leichter Überdruck, weshalb man auch von Überdruckentwachsung spricht. Die hier­ durch entstehende Druckdifferenz sorgt für die Diffusion bzw. Gasströmung.

Das Regelschema für die Einrichtung nach Fig. 3 ist in der Fig. 4 näher dargestellt. Wie man hieraus erkennt, ist dieses Regelschema nahezu dasselbe wie das für die Ein­ richtung nach Fig. 1. Die meisten Blöcke des Schemas sind deshalb mit den gleichen Bezugszahlen versehen wie das Regelschema nach Fig. 2. Der einzige Unterschied besteht darin, dass statt des Regelventils 23 das Regelventil 27 betätigt wird.

Die Fig. 5 dient nur der allgemeinen Verdeutlichung des Sinterprozesses. In ihr ist u. a. dargestellt, wie der Temperaturverlauf, der Leistungsverbrauch und der Druckverlauf beim Vakuum- und Drucksintern sind. Der mit "Wasserstoffentwachsung" bezeich­ nete Bereich ist gleichzeitig der Bereich der Überdruckentwachsung, während der mit "Überdrucksintern" bezeichnete Bereich gleichzeitig der Abkühlungsbereich ist. Als besonders vorteilhaft für den Entwachsungsvorgang hat sich die Regelung der Tempe­ ratur des Wachsabscheiders 16 bzw. seines Kondensators 17 erwiesen.

In der Fig. 6 ist eine Prinzipdarstellung dieser Temperaturregelung bei Unterdruckent­ wachsung gezeigt. Die meisten der in der Fig. 5 gezeigten Bauteile stimmen mit denje­ nigen der Fig. 1 überein und weisen deshalb dieselben Bezugszeichen auf. Zusätzlich ist ein Temperaturmessgerät 30 vorgesehen, das die Temperatur im Kondensator 17 misst. Eine im Kondensator 17 vorgesehene elektrische Heizung 31 wird entsprechend der gemessenen Temperatur geregelt.

Während die Fig. 6 eine Prinzipdarstellung der Regelung der Kondensatortemperatur bei Unterdruckentwachsung zeigt, ist in der Fig. 7 eine Anordnung für die Regelung der Kondensatortemperatur bei Überdruckentwachsung dargestellt. Bezüglich der funktionsrelevanten Bauteile besteht zwischen der Anordnung der Fig. 6 und der An­ ordnung der Fig. 7 kein Unterschied, weshalb in der Fig. 7 keine Bezugszahlen ent­ halten sind, die nicht auch schon in der Fig. 6 enthalten waren.

Das der Einrichtung nach den Fig. 6 und 7 zugeordnete Regelschema ist in der Fig. 8 dargestellt. Die im Kondensator 17 gemessene Temperatur wird auf einen Vergleicher 33 gegeben, dem auch einer von zwei Sollwerten 34, 35 zugeführt wird. Mit Hilfe ei­ nes Umschalters 36 kann von dem einen Wert auf den anderen umgeschaltet werden. Mit der Differenz zwischen Soll- und Istwert wird ein Temperaturregler 37 beauf­ schlagt, der hierauf die Heizung 31 hoch- oder herunterregelt. Statt oder neben einer Heizung 31 kann auch eine Kühlung vorgesehen sein.

Ob der eine oder der andere Sollwert 34, 35 dem Vergleicher 33 zugeführt wird, wird von dem jeweiligen Druck bestimmt, der von dem Druckmessgerät 12 gemessen wird. Wurde ein bestimmter Grenzwert, der durch den Schwellwertschalter 38 festgelegt wird, überschritten, so wird statt des einen Sollwerts der andere Sollwert auf den Ver­ gleicher 33 gegeben.

Bei Überschreitung eines weiteren Grenzwerts, der durch den Schwellwertschalter 39 festgelegt wird, wird ein Signal auf ein ODER-Glied 40 gegeben, an dessen zweitem Eingang ein Signal aus einem Block 41 ansteht. Dieses Signal ist entweder das vom Schwellwertschalter 38 kommende Signal, das zeitverzögert an das ODER-Glied 40 weitergegeben wird, oder ein Signal, das durch Differenzieren des Drucksignals nach der Zeit entstanden ist. Liegt das Signal aus dem Block 41 oder das aus dem Schwell­ wertschalter 39 am ODER-Glied 40 an, wird der Gaseinlass mittels des Ventils 9 ge­ schlossen. Übersteigt der gemessene Druck im Innern des Ofens 1 einen dritten Grenzwert, so gibt ein Schwellwertschalter 42 ein Signal ab, durch das der Prozessab­ lauf gestoppt wird, was durch den Block 43 angedeutet ist. Während der Entwachsung findet dann keine weitere Temperaturanhebung mehr statt. Von den Grenzwerten ist derjenige des Schwellwertschalters 39 am größten; der Grenzwert des Schwellwert­ schalters 38 ist kleiner als der des Schwellwertschalters 39, aber wesentlich größer als der des Schwellwertschalters 42. Es spricht also zuerst der Schwellwertschalter 42, dann der Schwellwertschalter 38 und zuletzt der Schwellwertschalter 39 an. Die Tem­ peratur-Sollwerte 34 sind größer als die Sollwerte 35.

Mit der vorstehend beschriebenen Erfindung ist es somit möglich, den Ofeninnendruck zu regeln, also an der Charge 8 und nicht - wie bisher üblich - den Druck zwischen den Schichten 3 und 4. Außerdem kann die Kondensatorinnentemperatur 16, 17, 31 geregelt werden, um den Abscheidungsgrad am Wachsabscheider zu optimieren.

Claims (13)

1. Einrichtung zum Entwachsen von Sintermaterial, mit

• 1. 1.1 einem Sinterofen;
• 2. 1.2 einer Vorrichtung (22) zum Bewegen von Fluiden;
• 3. 1.3 einem Wachsabscheider (16), der sowohl mit dem Sinterofen (1) als auch mit der Vorrichtung (22, 29) zum Bewegen von Fluiden über eine Fluidleitung (13; 21) verbunden ist;
• 4. 1.4 einem Druckmessgerät (12), das den Druck im Innern (7) des Sinterofens (1) misst; und
• 5. 1.5 einer Regeleinrichtung (26), welche die Menge des Fluids, das von der Vorrich­ tung (22, 29) zum Bewegen von Fluiden aus dem Innern (7) des Sinterofens (1) herausbewegt wird, unter Berücksichtigung des vom Druckmessgeräts (12) gemes­ senen Drucks regelt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Bewegen von Fluiden eine Pumpe (22) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Bewegen von Fluiden eine den Druck im Innern des Sinterofens beeinflussen­ de Vorrichtung (29) ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachsabschei­ der (16) einen Abfluss (20) für Wachskondensat aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachsabschei­ der (16) über eine Fluidleitung mit einer Vorrichtung (29) zum Abfackeln von Ga­ sen verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (22) über eine Fluidleitung (21) mit dem Wachsabscheider (16) verbunden ist, wobei in der Fluidleitung (21) ein Ventil (23) vorgesehen ist, das durch eine Regeleinrichtung (26) einstellbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidleitung ein Ventil (27) vorgesehen ist, das durch die Regeleinrichtung (26) einstellbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatur­ messgerät (11) vorgesehen ist, welches die Außentemperatur des Sinterofens (1) misst.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung, die zwischen dem Sinterofen (1) und dem Wachsabscheider (16) vorgesehen ist, ein Ventil (14) aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatur­ messgerät (15) vorgesehen ist, das die Temperatur des Fluids in der Fluidleitung misst, die zwischen dem Sinterofen (1) und dem Wachsabscheider (16) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterofen (1) eine Gaszuführung (10) aufweist, von der aus Gas in das Innere des Sinterofens (1) eindiffundiert.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachsabschei­ der (16) eine Heizung (31) aufweist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatur­ fühler vorgesehen ist, der die Temperatur im Innern (7) des Wachsabscheiders (1) misst, und dass eine Regeleinrichtung (37) vorgesehen ist, welche die Heizung in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur regelt.