Modification of catalytically debinded feedstock for powder injection molding

Abstract

Kurzfassung Pulverspritzguß (PIM) ist eine wirtschaftliche Produktionsmethode für kleine, komplex geformte und hochpräzise Bauteile. Dabei wird zunächst ein metallisches oder keramisches Pulver mit einer Polymerphase ("Binder") intensiv gemischt. Der erhaltene "feedstock" wird durch Spritzgießen zu einem "Grünteil" geformt. Anschließend wird durch "Entbindern" der Großteil des organischen Binders entfernt, dabei wird der sog. "Bräunling" erhalten, der nur durch einen Binderrest ("backbone") formstabil gehalten wird . Dieser Teil wird dann gesintert, wobei zunächst in einem Vorsinterschritt der restliche Binder ausgebrannt wird; anschließend wird das Bauteil bei entsprechender Temperatur auf hohe relative Dichte zum fertigen Bauteil gesintert, mit entsprechender Schwindung. Höhere Pulvergehalte im feedstock ergeben geringere Schwindung beim Sintern und damit bessere geometrische Präzision und mechanische Eigenschaften. Allerdings wird durch die Pulverbeladung auch das Fließverhalten des feedstocks beeinflusst, das weiters von der Viskosität des Binders abhängt. In dieser Arbeit wurde ein Bindersystem auf der Basis von Polyacetal verwendet, das katalytische Entbinderung ermöglicht; feedstocks auf dieser Basis sind kommerziell erhältlich.<br />Dieses System wurde im Rahmen dieser Dissertation auf hohen Pulvergehalt im Feedstock sowie Viskosität hin weiterentwickelt; als Pulver wurde einheitlich Carbonyleisenpulver eingesetzt. Jeder Schritt der Herstellung wurde eingehend untersucht und optimiert. Als günstig erwiesen sich Binder mit etwa 75-85 Masse% Polyacetal, 10-20 % HD-Polyethylen ("backbone") und 5 % Stearinsäure; sie zeigten niedrige Viskosität und ermöglichten damit hohe Pulverbeladung im feedstock bei ausreichender Spritzgießfähigkeit, d.h. gutem Fließverhalten, und ergaben homogene Grünkörper. Die Festigkeit nach dem Entbindern lag relativ hoch, aufgrund der hohen Festigkeit des als "backbone" verwendeten HDPE.<br />Die erreichten Sinterdichten lagen im Vergleich zu Literaturangaben relativ hoch, bis zu 7.53 g.cm-3, d.h. 95.7% relativer Dichte, wobei sich höhere Sintertemperaturen, bis 1300°C, und Sinterung in H2 nicht nur auf die Verdichtung, sondern auch auf die Reduktion vorhandener Oxide günstig auswirkten; Sinterung in N2 hinterließ dagegen beträchtliche Gehalte an Oxiden. Der Sinterschwund war im Vergleich zur Literatur geringer, was die geometrische Präzision begünstigt.<br />Entsprechend der Sinterdichte wurden auch gute mechanische Eigenschaften erhalten. Die metallographische Untersuchung der Sinterproben zeigte niedrige Porosität und feine, regelmäßig verteilte Poren; der Gehalt an Oxideinschlüssen war nach Sinterung in H2 sehr gering. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten feedstock konnte somit die PIM-Prozeßroute erfolgreich durchlaufen und einwandfreie Sintereisenkörper erhalten werden. Die erhaltenen Resultate können für die Herstellung von leistungsfähigen PIM-Präzisionsteilen umgesetzt werden.

Abstract Powder injection molding (PIM) is cost effective in the high volume production of small, complex-shaped high precision parts. This process contains several stages: first, a ceramic or metallic powder and a polymeric compound (binder) are mixed together. This mixture ("feedstock") is then injected into a mould to produce a green part.<br />Thereafter the binder is removed from the parts in two stages (debinding and presintering), and finally these parts are sintered to obtain parts with high relative density.<br />Increasing powder loading in the feedstock leads to lower dimensional change which results in better dimensional precision and properties. The rheological behavior of the feedstock plays an important role for this purpose, and this property strongly depends on the binder viscosity and the powder loading. This survey focused on further development of feedstock based on polyacetal, i.e. catalytically-debinded feedstock, of which some variants are commercially available, with regard to binder viscosity and powder loading. Carbonyl iron was applied as a powder. For this work, some polyacetal based binders with various components in varying concentrations were formulated and studied. The best binders included 75 to 85 wt% of polyacetal, 10 to 20 wt% of high density polyethylene ("backbone"), and 5 wt% of stearic acid. These binders possessed a low viscosity which resulted in feedstocks with higher powder loading compared with literature and they could be injection molded without any defects. The feedstocks showed a proper flowability during molding, due to the lower binders viscosity, and also a sufficient homogeneity in the green parts. Strength of the parts based on these feedstocks was also improved after debinding because of high strength of the high density polyethylene used as backbone which resulted in better handling of the debinded parts. The mixing route and the parameters of molding, debinding, presintering and sintering stages were investigated and the optimal conditions were determined. Debinding proved to be a particularly tricky process; if properly done, even parts with a thickness up to 11.5 mm were debinded, which is a successful step for producing parts with higher thickness. Compared with literature data, the sintered parts showed a higher density up to 7.53 g/cm3, i.e. 95.7% of the theoretical density of iron powder if sintering temperatures of 1300°C and H2 atmosphere were employed, which both proved to be beneficial also for reduction of oxides, while sintering in N2, is contrast, leaves a considerable amount of oxides . The specimens also showed a lower shrinkage during sintering, resulting in better dimensional control compared to the literature, and the mechanical properties of the sintered parts were at a highly acceptable level. The microstructures also indicated very low porosity and contamination level which confirmed successful performing the various stages of the PIM process.<br />The results obtained in this study can be applied to manufacture PIM parts with a performance that can meet the users' requirements.