Abstract
Powder injection molding consisting of four stages – feedstock preparation, injection, debinding and sintering – is a unique technique to produce small and complex metal or ceramic components in high quantity. One of the limitations of this method is the production of thick components, which arises from difficulties in de-binding stage. In this study, a novel method is presented to produce thick components with large sections by powder injection molding using preformed inserts in the injection stage. By using a wrought insert on which the feedstock is injected, the thickness of an injected section that needs to be debound, is decreased, while the whole thickness of the component is still large. The key point in this method is the amount of diffusion welding of the wrought insert and the injected feedstock to form an integrated component. 316L stainless steel has been used as material for both insert and feedstock. The effects of insert/component diameter ratio and the sintering atmosphere on diffusion welding have been studied. Finally, a defect-free thick component with a diameter of 20 mm is fabricated with a bonded area at the interface of the insert and injected section having shear strength up to 427 MPa.
Kurzfassung
Das Pulverspritzgießen, bestehend aus den vier Schritten Vorbereitung der Einsatzwerkstoffe, Injektion, Entbindern und Sintern ist eine einzigartige Technik, um kleine und komplexe keramische oder metallische Komponenten in großer Stückzahl zu produzieren. Eine der Grenzen dieses Verfahrens besteht in der Produktion dickwandiger Komponenten, was von Schwierigkeiten im Entbinderungstadium herrührt. In der diesem Beitrag zugrunde liegenden Studie wurde ein neuartiges Verfahren entwickelt, um dickwandige Komponenten mit größeren Querschnitten mittels Pulverspritzgießens zu produzieren, bei dem vorgeformte Einlagen im Injektionsstadium verwendet werden. Unter Verwendung einer gehämmerten Einlage, in die der Einsatzwerkstoff gespritzt wird, wird die Dicke des eingebrachten Querschnitts, der entbindert werden muss, herabgesetzt, während die Gesamtdicke der Komponente immer noch groß ist. Der kritische Punkt bei diesem Verfahren besteht in der Höhe des Diffusionsschweißgrades der gehämmerten Einlage und des eingebrachten Einsatzwerkstoffes, um eine integrierte Komponente zu formen. Hier wurde ein hochlegierter austenitischer Stahl 316 L als Werkstoff für beides, Einlage und Einsatzwerkstoff verwendet. Die Auswirkungen des Verhältnisses von Einlagen zu Komponentendurchmesser und der Sinteratmosphäre auf das Diffusionsschweißen wurden untersucht. Schließlich wurde ein fehlerfreies dickwandiges Bauteil mit einem Durchmesser von 20 mm hergestellt, das im verbundenen Bereich an der Grenzfläche zwischen der Einlage und dem eingebrachten Einsatzwerkstoff eine Scherfestigkeit von bis zu 427 MPa aufweist.
References
1 B. O.Rhee:Processing Behavior of Powder/Binder Mixtures in Powder Injection Molding-Binder Separation and Quick Freezing, PhD Thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, School of Mechanical Engineering, Troy, NY, USA (1992)Search in Google Scholar
2 S.Krug, J. R. G.Evans, J. H. H.ter Maat: Aetiology of defects in large ceramic moldings, J. Am. Ceram. Soc.82 (1999), pp. 2094–2100Search in Google Scholar
3 W.Liu, X.Yang, Z.Xie, C.Jia, L.Wang: Novel fabrication of injection moulded ceramic parts with large section via partially water debinding method, Journal of the European Ceramic Society32 (2012), pp. 2187–219110.1016/j.jeurceramsoc.2012.03.005Search in Google Scholar
4 J. R.Alcock, M. W.Darlington, D. J.Stephenson: Development in powder injection moulding, Powder Metall39 (1996), pp. 252–254Search in Google Scholar
5 D. F.Heaney, P.Suri, R. M.German: Defect-free sintering of two-material powder injection molded components, J. Mater. Sci.38 (2003), pp. 4869–487410.1023/B:JMSC.0000004407.63082.f1Search in Google Scholar
6 J. L.Johnson, L. K.Tan, P.Suri, R. M.German: Design guidelines for processing bi-material components via powder-injection molding, JOM55 (2003), pp. 30–3410.1007/s11837-003-0172-1Search in Google Scholar
7 S. X.Zhang, Q. F.Li, S. F.Pook, C. W.Goh, Q. J.Hu, M. K.Ho: Two materials joining by powder injection moulding, SIMTech Technical Reports9 (2008), pp. 59–64Search in Google Scholar
8 S. X.Zhang, Z. Y.Ong, T.Li, Q. F.Li, S. F.Pook: Ceramic composite components with gradient porosity by powder, Materials and Design31 (2010), pp. 2897–290310.1016/j.matdes.2009.12.030Search in Google Scholar
9 A.Simchi, F.Petzoldt: Cosintering of Powder Injection Molding Parts Made from Ultrafine WC-Co and 316L Stainless Steel Powders for Fabrication of Novel Composite Structures, Metallurgical And Materials Transactions A41 (2010), pp. 233–24110.1007/s11661-009-0045-5Search in Google Scholar
10 M.Dourandish, A.Simchi: Study of the sintering behavior of nanocrystalline 3Y-TZP/430L stainless-steel composite layers for co-powder injection molding, J. Mater. Sci.44 (2009), pp. 1264–127410.1007/s10853-008-3241-6Search in Google Scholar
11 ASM Handbook Vol. 6: Welding, Brazing and Soldering, ASM International, Materials Park, Ohio, USA (1993)Search in Google Scholar
12 M. G.Fillabi, A.Simchi, A. H.Kokabi: Effect of iron particle size on the diffusion bonding of Fe-5%Cu powder compact to wrought carbon steels, Materials and Design29 (2008), pp. 411–41710.1016/j.matdes.2007.01.004Search in Google Scholar
13 Y.Zhang, D.Feng, H.Zhi-Yong, C.Xi-Chun: Progress in Joining Ceramics to Metals, Journal of Iron and Steel Research13 (2006), No. 2, pp. 01–0510.1016/S1006-706X(06)60032-0Search in Google Scholar
14 S.Kolukisa: The effect of the welding temperature on the weldability in diffusion welding of martensitic (AISI 420) stainless steel with ductile (spheroidal graphite-nodular) cast iron, Journal of Materials Processing Technology186 (2007), pp. 33–3610.1016/j.jmatprotec.2006.11.148Search in Google Scholar
15 B.Kurt, A.Çalik: Interface structure of diffusion bonded duplex stainless steel and medium carbon steel couple, Materials Characterization60 (2009), pp. 1035–104010.1016/j.matchar.2009.04.011Search in Google Scholar
16 www.basf.com/catamold, Catamold feedstock for metal injection molding: Processing-properties application (2003)Search in Google Scholar
17 R. M.German, A.Bose:Injection Moulding of Metals and Ceramics, Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ, USA (1997)Search in Google Scholar
© 2014, Carl Hanser Verlag, München
