DE3234777A1

DE3234777A1 - Graphitform fuer das drucksintern

Info

Publication number: DE3234777A1
Application number: DE19823234777
Authority: DE
Inventors: Wolf Dr. 6301 Biebertal Hüttner; Günter Ing.(grad.) 6338 Hüttenberg Keuscher; Walter 6300 Gießen Müller
Original assignee: Schunk and Ebe GmbH
Current assignee: Schunk and Ebe GmbH
Priority date: 1982-09-20
Filing date: 1982-09-20
Publication date: 1984-03-22
Also published as: DE3234777C2

Description

Graphitform für das Drucksintern
Die Erfindung betrifft eine Graphitform für das Drucks intern.
Drucksintern oder Heißpressen ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Diamant-, Hartmetall- und Keramikwerkzeugen. Hierbei werden Diamant-, Hartmetall- oder Keramikpulver mit Metallpulver vermischt und diese Mischungen beispielsweise in Stahl- oder Graphitformen gepreßt und gleichzeitig gesintert. Als Metalle kommen beispielsweise Wolfram, Bronze, Stahl und Kupfer-Silber-Legierungen in Frage. Die Preßdrücke liegen im allgemeinen bei 200 - 500 bar, die Temperaturen bei 600 - 1.2500 C, nach dem Prinzip der Kurzschluß-Stromerhitzung oder durch induktives Erhitzen mit Hochfrequenz-Generatoren.
Die Graphit-Preßformen bestehen z. B. zur Herstellung von quaderförmigen Preßlingen aus vier Seitenplatten und einem Ober- und Unterstempel. Für die industrielle Fertigung sind jedoch sogenannte Mehrfachformen im Einsatz, mit denen mehrere Sinterteile gleichzeitig gefertigt werden können. Derartige Formen werden im allgemeinen ebenfalls von vier Seitenplatten begrenzt, diese werden jedoch von weiteren Zwischenplatten und entsprechend vielen Ober- und Unterstempeln unterteilt. In bestimmten Fällen über nehmen die Ober- und Unterstempel auch die Funktion der Zwischenplatten.
Als Werkstoff für die Preßformen wird seit langem technisch hergestellter Elektrographit eingesetzt.
Elektrographit ist wegen seiner physikalischen Eigenschaften, insbesondere thermische Leitfähigkeit, Abbrandfestigkeit, mechanische Stabilität speziell bei hohen Temperaturen, chemische Inertheit und schlechte Benetzbarkeit gegenüber den Sintermetallen, sehr gut geeignet. Es gibt jedoch für den Elektrographit materialbedingte Grenzen, die nicht übersprungen werden können. Es ist also Aufgabe der Erfindung, Graphitformen vorzuschlagen, die so aufgebaut sind, daß sie den erhöhten Anforderungen insbesondere im Hinblick auf Lebensdauer der Graphitformen und kostengünstigere sowie qualitativ bessere Fertigung der Sintererzeugnisse gerecht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Graphitformen gelöst, die teilweise oder vollständig aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff bestehen.
Kohlenstoffaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) ist eine Sonderform technisch hergestellten Kohlenstoffs, mit physikalischen Eigenschaften, die hauptsächlich durch die zur Verstärkung verwendeten Kohlenstoffasern vorgegeben werden.
Da dieses Material eine geringe Dichtheit besitzt, mußte es dem Fachmann wenig geeignet für den Einsatz in Drucksinterformen erscheinen, zumal auch die größere Anisotropie des kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffs gegenüber Elektrographit die Auslegung der Graphitformen zu erschweren schien. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß Graphitformen aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff deutliche Vorteile gegenüber Elektrographitformen aufweisen.
Zur Herstellung von Graphitformen bzw. Einzelteilen von Graphitformen aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff kann vorzugsweise das Flüssig-Imprägnierverfahren angewendet werden. Beim Flüssig-Imprägnierverfahren wird ein vorgegebenes Kohlenstoffasergerüst mit organischen Bindemitteln, wie beispielsweise Steinkohlenteerpech oder Phenolharz imprägniert und einer anschließenden Pyrolyse mit Temperaturen zwischen 6000 C und 3.0000 C in Intertatsatmosphäre unterworfen. Diese Schritte werden mehrmals wiederholt, bis sich die angestrebte Porosität des CFC-Verbundkörpers eingestellt hat. Üblich sind 4 bis 12 solcher Imprägnierungs- und Verkokungszyklen.
Graphitformen aus kohlenstoffverstärktem Kohlenstoff weisen folgende Vorteile auf: Verminderung der Bruchgefahr und geringer Abbrand, somit höhere Standzeit. Durch die extreme Anisotropie ist eine Anordnung möglich, die die Abstrahlverluste der Wärme gering hält und somit eine homogene Wärmeverteilung in der Form ermöglicht.
Durch die höhere Festigkeit des kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffs ist es mdglich die Einzelteile der Graphitformen dünner auszubilden, so daß kürzere Aufheizzeiten, kürzere Sinterzeiten und somit ein höherer Durchsatz erreicht wird. In gleicher Richtung wirkt ein Gewinn am Nutzvolumen bei vorgegebenen Außenmaßen der Drucksinterform. Schließlich hat sich ergeben, daß auch der Ausschuß an Sintererzeugnissen reduziert werden konnte.

In Tabelle 1 sind zur Verdeutlichung der Material-Unterschiede die physikalischen Eigenschaften von CFC-Verbundkörpern, den physikalischen Eigenschaften von Graphiten, wie sie typischerweise in der Drucksintertechnologie Verwendung finden,gegenübergestellt. Tabelle 1 - Physikalische Eigenschaften

konv. Graphite

für Drucksinter- CFC-Verbundkörper

technologie # zur Faser # zur Faser

spez. elektr. Wider-

20 - 28 14 - 25 100 - 130

stand (µ#m)

Biegebruchfestig-

keit (N/mm²) 30 - 60 150 - 900 20 - 40

Druckfestigkeit (N/mm²) 40 - 120 150 - 900 40 - 80

Wärmeleitfähig-

keit (W/Km) 40 - 70 60 - 90 8 - 15

therm. Ausdehnungs-

koeffizient (10-6/K) 3,5 - 5 0,5 - 1,1 8 - 9

Bruchverhalten Sprödbruch Pseudoplastisch

Bei Verstärkung der CFC-Verbundkörper in ein- und zweidimensionaler Richtung (x- und y-Richtung) resultieren anisotrope Werkstoffeigenschaften. Parallel zur Faserrichtung haben die Körper hohe thermische Stabilität, senkrecht zur Faserrichtung dagegen findet man wesentlich niedrigere thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie geringere mechanische Stabilität.

Als Ausführungsformen der Erfindung kommen alle in der Drucksintertechnik üblichen Drucksinterformen, eckig und rund, in Frage. Diese Drucksinterformen sind den jeweils zu fertigenden Produkten angepaßt.
Die Erfindung ist in folgendem Beispiel näher erläutert: Zur Herstellung von Graphitformen für die Drucksintertechnik werden zunächst als Vorprodukt Platten aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff hergestellt.
Hierzu verden mit Phenolharz vorimprägnierte Kohlenstoffgewebestücke gleicher Abmessung ( z. B. 100 x 150 mm) übereinandergelegt und verpreßt, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Diese Platten oder Prepregs werden getrocknet und das Phenolharz durch eine Wärmebehandlung bei 180 C gehärtet. Danach wird der ausgehärtete Rohling einer Glühbehandlung in nicht oxidierender Atmosphäre bei einer Temperatur von 1.100 - 1.2000 C ausgesetzt. Hierbei wird das Phenolharz im Kohlenstoff umgewandelt. Danach weist der aus dem Phenolharz entstandene Kohlenstoff eine Porosität zwischen 10 und 25 % auf. Die Nachverdichtung erfolgt durch weitere Imprägnierungen des Körpers mit flüssigem Phenolharz,bis eine Porosität von 5 %, besser 2 % erreicht ist. Danach oder bereits bei den einzelnen Verdichtungsschritten werden die Kohlenstoffkörper einer Graphitierungsglühung im elektrischen Widerstandsofen bei 2.400 - 3.0000 C unterworfen, wodurch das Kohlenstoffmaterial graphitiert wird.
Danach werden die Platten in Stücke, entsprechend den gewünschten Maßen der Drucksinterformen, geschnitten und spanabhebend endbearbeitet.
Zur näheren Erläuterung wurden in den Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele in perspektivischer Ansicht dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine zweireihige Graphit form zum Drucksintern von Segmenten für z. B. Steinsägen.
Fig. 2 zeigt eine einreihige Graphitform für die Herstellung von gekrümmten Segmenten.
Die Graphitform der Figur 1 besteht aus Seitenplatten 1, Zwischenplatten 2 und die Stempel 3 (Oberstempel) und 4 (Unterstempel). Die Seiten-und Zwischenplatten bestehen erfindungsgemäß aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff, während die Stempel wahlweise aus Elektrographit oder kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff bestehen können. Die Graphitform ist geeignet für Pulverfüllungen.
Die in Figur 2 dargestelltuGraphitform weist Seitenplatten 1 auf, jedoch fehlen Zwischenplatten. Deren Funktion können gleichzeitig Oberstempel 3 und Unterstempel 4 dadurch übernehmen, daß der Preßbereich versetzt angeordnet ist. Derartige Graphitformen werden zum Drucksintern von vorgepreßten Teilen verwendet. Die Seitenplatten bestehen aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff, die Stempel ebenfalls aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff oder aus Elektrographit. Die beiden gezeigten Graphitformen sind für Sinteröfen mit Kurzschlußheizung geeignet.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Beispielen beschriebene Herstellung beschränkt.
Der Begriff "Kohlenstoff" umfaßt in dieser Schrift auch Graphit, daß heißt, daß sowohl die Kohlenstoffasern als auch der Matrixkohlenstoff graphitisch sein können.
Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Graphitform für das Drucksintern, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß sie ganz oder teilweise aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff besteht.
2. Graphitform nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß sie nach dem Flüssig-lmprägnierverfahren zur Herstellung von kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff hergestellt wurde.