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Werkstoff, vorzugsweise für Filter- und Maschinenteile, aus Metallfasern, insbesondere
Stahlfasern
Die Erfindung bezieht sich auf einen metallischen, korrosionsfesten und oxydationsbeständigen Werkstoff, der besonders zur Verwendung für Filter und Maschinenteile geeignet ist.
Metallische, poröse Werkstoffe sind bekannt und haben in den verschiedensten Industriezweigen
Anwendung gefunden. Diese Werkstoffe werden meist nach pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt. Werkstoffe auf Eisen-, Kupfer- und Bronzebasis können nicht als korrosionsfest angesprochen werden. Um korrosionsfeste Werkstoffe zu erhalten, hat man Pulver aus V 2 a-Material verwendet. Die aus V 2 aPulver hergestellten Werkstoffe genügen ebenfalls nicht den Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, denn auch rostfreie Stähle sind erst dann gegen aggresive Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten beständig, wenn vollständig glatte und polierte Oberflächen vorliegen, keine Ecken und Spalte vorhanden sind, in denen sich Rückstände ansammeln können, und das Gefüge vollkommen homogen ist, um eine Bildung von Lokalelementen zu verhindern.
Auch die bekannten Oberflächenbehandlungen mit korrosionsbeständigen Metallen, z. B. eine Diffusionsbehandlung mit Chrom (Chromierungsverfahren) von z. B. durch Verpressen von nicht korrosionsfesten Metallen in Pulverform gebildeten Werkstücken, führen nicht zum Ziel. Dabei lässt sich zwar eine sehr korrosionsbeständige Oberflächenschicht auf solche Werkstücke aufbringen, jedoch gelingt es nach diesem bekannten Verfahren nicht, auch die Kernzone eines Werkstückes oder Formstückes korrosionsfest zu machen, was jedoch in vielen Fällen, insbesondere wenn ein solches Werkstück mechanisch nachbearbeitet bzw. weiterverarbeitet werden soll, erforderlich ist.
Auch die in bekannter Weise galvanisch behandelte Metallwolle hat Nachteile insofern, als es nicht möglich ist, eine porenfreie z. B. Chrom-Schicht auf das Metall aufzubringen. Ausserdem schlägt sich auf Grund der begrenzten Streufähigkeit und Streutiefe galvanischer Bäder das aufzubringende Metall nur in den Randzonen eines Formkörpers nieder.
Erfindungsgemäss werden, die bisherigen Nachteile behoben durch einen Werkstoff, der aus mit die Temperatur-, Korrosions- und/oder Oxydationsbeständigkeit fördernden an sich bekannten Legierungsbestandteilen plattierten und anschliessend durch Diffusionsglühen homogenisierten und gegebenenfalls vorher in unbearbeitetem Zustand zu Körpern geformten Metallfasern, insbesondere Stahlfasern, besteht und der vorzugsweise für Filter und Maschinenteile geeignet ist.
Man stellt den neuen Werkstoff in der Weise her, dass man Metallfasern zunächst einer Oberflächenbehandlung mit solchen Metallen unterzieht, die mit dem Grundmetall der Fasern eine temperatur-, korrosions-und/oder oxydationsbeständige Legierung bilden und eine Plattierung auf der MetallfaserOberfläche ergeben. Anschliessend wird durch Diffusionsglühen bei hohen Temperaturen das Material homogenisiert und anschliessend zu Formlingen verpresst.
Man kann auch die Metallfasern in unbearbeitetem Zustand (sogenannter "grüner Zustand") verpressen und verfoimen und als Formlinge, wie vorstehend beschrieben, plattieren und homogenisieren.
Der Erfindungsgedanke besteht darin, dass man als Grundwerkstoff Metallwolle, im besonderen Stahlwolle, verwendet und die einzelnen Fasern nach einem an sich bereits bekannten Verfahren veredelt in der Weise, dass nicht nur die Oberfläche verändert wird, wie dies bei den bekannten Verfahren der Fall ist, sondern dass man durch Glühbehandlung und Homogenisieren erreicht, dass die Formkörper insgesamt einschliesslich ihrer inneren Kernzonen die gewünschten Eigenschaften erhalten.
Dabei ist es möglich, die Metallfasern zunächst zu Platten oder Scheiben oder sonstigen Körpern vorzuformen, gegebenenfalls zu sintern, bevor die Oberflächenplattierung an veredelten Metallen aufgebracht wird. Bei der Formgebung verfilzen die Metallfasern ineinander, so dass ein lockeres Netzwerk entsteht, das zwar formbeständig ist und eine gewisse mechanische Festigkeit aufweist, jedoch dabei bis zu über 90% Hohlraum enthalten kann. Beim Aufbringen von Überzügen erfolgt daher eine Belegung nicht nur auf der äusseren Oberfläche der Metallfaser-Körper, vielmehr durchdringen die die Legierungsbestandteile enthaltenden z. B. Metalldämpfe, Lösungen, Schmelzen oder Pulvergemische das gesamte Netzwerk, so dass sich auch innerhalb der Kernzone auf den einzelnen Metallfasern ein Belag niederschlägt.
Beim nachfolgenden Diffusionsglühen bei geeigneten Temperaturen diffundiert das Legierungsmetall aus der
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Belagschicht bis zur Ausbildung eines Gleichgewichts in die einzelnen Fasern ein, und es entsteht ein durch und durch aus homogen legierten Metallfasern bestehendes Gebilde, wie es sich zur Herstellung von vollkommen korrosionsfesten Werkstücken eignet.
Zum Herstellen der Metallplattierung können alle bekannten Verfahren, wie Metalldampfbehandlungen, Tauchen in Metallschmelzen, Einbetten in Pulver des Legierungsmittels, Tauchen in Salzschmelzen (stromlose Metallabscheidung) sowie Tauchen in wässerige Salzlösungen mit nachträglichem Reduzieren bei höheren Temperaturen z. B. unter Wasserstoff, benutzt werden.
Die sich an die Plattierung anschliessende Diffusionsglühung wird in der Temperaturhöhe und Behandlungsdauer so eingestellt, dass die einzelnen Metallfasern vollkommen in einen z. B. hochchromhaltigen Werkstoff übergeführt werden. In der Regel wird bei Temperaturen um oder über 10000 C gearbeitet. Eine ausreichende Homogenisierung ist in den meisten Fällen nach maximal 3h erreicht. Wird unter Verhältnissen gearbeitet, bei denen die Diffusionsgeschwindigkeit der Plattierungsschicht sehr gering ist, z. B. bei Nickel auf Stahlwolle, so können längere Zeiten, bis zu 10-20 h, notwendig werden.
Die Gasplattierung von Stahlwollefasern mit Chrom wird zweckmässig bei Temperaturen von 1000 bis li00 C während 2-3 h durchgeführt, und das Glühen erfolgt vorteilhaft etwa 0, 5-3h lang bei etwa 1100-14000 C. Diffusions- und Glühbehandlung lassen sich auch in einer Stufe, vorteilhaft bei etwa 1100-1200 C über 1-3 h durchführen.
Chrom wird in sehr vielen Fällen als Metall für die Gasplattierung bevorzugt. Jedoch lassen sich auch sonstige Metalle, z. B. Nickel oder Aluminium, erfindunsgemäss einsetzen.
Bei der erfindungsgemässen Herstellung eines Werkstoffes unter Verwendung von z. B. Stahlfasern und Chrom als veredelndes Metall wird ein Chromgehalt in der Stahlwolle bis zu zirka 40% erreicht. Dies bietet die Gewähr für eine gute Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes auch bei nachfolgender mechanischer Bearbeitung. Das Oberflächenbild der Metallfasern bleibt durch diese Behandlung praktisch unverändert. Die Duktilität und Elastizität der Metallfasern bleibt ebenfalls weitgehend erhalten.
Diese Eigenschaften sind für die spätere Verarbeitung und Verwendung dieser Werkstoffe von grösster Bedeutung.
Der erfindungsgemässe Werkstoff ist in der beiliegenden Zeichnung schematisch veranschaulicht ; es zeigen Fig. 1 ein Faseragglomerat, unbearbeitet ; Fig. 2 das Agglomerat der Fig. 1 nach dem Tränken mit Metallsalzlösung und vorsichtigem Abdunsten des Lösungsmittels, und Fig. 3 das Agglomerat der Fig. 1 und 2 nach dem Eindiffundieren des Metalles aus dem Überzug und der Einstellung des Gleichgewichtes.
Das in Fig. 1 veranschaulichte Faseragglomerat kann einen Porenanteil bis zu 95% haben und besteht aus Metallwolle, insbesondere Stahlwolle, wie sie vorteilhaft durch Abspanen von Draht oder Band gewonnen wird. Solche Metallwolle kann in den Abmessungen, in denen sie hergestellt wird, verwendet werden, u. zw. inFaserstärkeninder GrössenordnungvoneinemTausendstelbismehrerenZehntelMillimetern, Breiten von einem Tausendstel bis mehreren Millimetern und Längen bis zu einigen Metern. Wenn man ein solches Faseragglomerat mit einer Metallsalzlösung tränkt und das Lösungsmittel vorsichtig abdunstet, dann setzt sich, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist, auf der gesamten Oberfläche aller Fasern ein Metallsalzüberzug ab.
Ein solcher Überzug oder auch sonstige an sich bekannte Überzüge auf Metallfasern ergeben nur einen oberflächlichen Schutz, da das Material als solches inhomogen ist, denn die Kernzonen des Fasergrundmaterials bleiben, wie dies aus Fig. 2 erkennbar ist, unverändert. Dagegen zeigt die Fig. 3 den erfindungsgemässen homogen veränderten und vollständig korrosionsfesten Werkstoff, wie er aus dem ursprünglichen Material infolge des Eindiffundierens und der Einstellung des Gleichgewichtes des Metalls aus dem Salz- überzug in das Fasergrundmetall gewonnen wurde. Wie man erkennt, bleibt im erfindungsgemässen Werkstoff das lose Faseragglomerat, wie es die ursprüngliche Stahlwolle, vgl. Fig. 1, darstellt, erhalten, und der erfindungsgemässe Werkstoff kann nach bekannten fasermetallurgischen Gesichtspunkten ohne Schwierigkeiten weiterverarbeitet werden.
Insbesondere die Stahlwollefasern erleiden beim z. B. Inchromieren praktisch keine Formveränderung.
Der erfindungsgemässe Werkstoff lässt sich infolge seiner guten Duktilität und Elastizität mit vergleichsweise geringem Aufwand mechanisch weiterverarbeiten und behält dabei stets seine Korrosionsbeständigkeit. Beispielsweise lässt sich ein mit Chrom diffusionsbehandelter und homogenisierter Stahlwollestrang auf eine Walze, die aus einem Profileisenskelett besteht, aufwickeln und, nach Überspannen mit einem Leinenoder Filztuch, in Bügelmaschinen und Mangelgeräten verwenden. Dort wird aus dem Walzeninneren der heisse Wasserdampf zugeführt, und der Walzenpolster muss deshalb absolut korrosionsfest und gleichzeitig durchlässig für den Dampf sein. Diese Voraussetzungen sind beim erfindungsgemässen Werkstoff in idealer Weise gegeben. Ähnliche Walzenanordnungen werden in der keramischen Industrie zur Entwässerung von Schlickermassen benötigt.
Die Walze taucht dabei an der Unterseite in den Schlicker ein und nimmt eine dünne Schicht des Schlickers mit. Im Inneren des Walzenfilters wird ein Vakuum erzeugt, wodurch das überschüssige Wasser abgefiltert wird. Auch in diesem Anwendungsfall werden hohe Anforderungen bezüglich der Korrosionsbeständigkeit gestellt. Der hohe Porositätsgrad von z. B. inchromierter Stahlwolle ist eine gute Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit einer solchen, mit dem erfindungsgemässen Werkstoff ausgestatteten Vorrichtung.
Neben solchen Maschinenteilen lassen sich vorteilhaft auch Filter aus dem erfindungsgemässen Werkstoff herstellen. Die Einsatzmöglichkeiten so hergestellter Filter liegen z. B. auf dem Gebiet der Staubfilterung in S02-haltiger, feuchter und heisser Atmosphäre.
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Der erfindungsgemässe Werkstoff eignet sich auf Grund seiner hohen Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit und des geringen spezifischen Gewichtes bei grosser Porosität ferner auch für die Herstellung von Turbinenschaufeln, für die sogenannte Schwitzkühlung bei hohen Temperaturen.
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und Keramikstücke so in die Retorte eingefüllt, dass sie keinerlei Druck oder Zug auf die Stahlwollestränge ausüben können. Durch die verschlossene Retorte wird nun ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff als Schutzgas geleitet. Gleichzeitig führt man geringe Mengen Chlorwasserstoff zu, der durch Reduktion mit den Chromstücken und der Stahlwolle den Inchromierungsprozess bewirkt. Die Diffusions- und Glühbehandlung wird anschliessend in einer Stufe 2 h lang bei Temperaturen zwischen 1150 und 1180 C vorgenommen.
Nach dem Abkühlen ist das ursprüngliche Aussehen des Materials praktisch nicht verändert ; es liegt ein poröser, in seinem äusseren Volumen nur wenig veränderter Stahlwollestrang vor, der insgesamt korrosionsfest ist und als Werkstoff zu den gewünschten Zwecken verwendet werden kann.
Beispiel 2 : Ein zirka 1 m langer Stahlwollestrang mit einem durchschnittlichen Faserquerschnitt von 0, 05x0, 5 mm wird in eine Suspension, bestehend aus Methylalkohol und 10 Gew.-% blattförmigen Aluminiumpulvers getaucht. Auf Grund des hohen Porenvolumens von mehr als 90% dringt die AluminiumSuspension bis in das Innere des Stahlwollekörpers ein. Nach einem Trocknungsprozess bei zirka 80 C über etwa 2 h sind die einzelnen Stahlwollefasern mit einer dünnen Schicht Aluminiumpulver bedeckt.
Mittels einer Glühung unter Schutzgas (Stickstoff) bei 600-660 C über 5-10 h diffundiert das Aluminium in die Stahlwollefasern ein, so dass die Fasern homogen aus einem Stahl mit zirka 6-10%Aluminium bestehen.
Dieses Material ist sehr oxydationsbeständig und kann zu einem Hochtemperaturfilter verarbeitet werden, das in oxydierender Atmosphäre verwendet werden kann.
Beispiel 3 : Ein Stahlwollestrang entsprechend Beispiel 2 wird in eine wässerige, gesättigte Nickelnitratlösung getaucht. Auf Grund der grossen Kapillarwirkung saugt sich der Stahlwollekörper mit der Lösung voll. Durch vorsichtiges Trocknen bei 120 C wird die Lösung eingedampft, und auf der Oberfläche der Stahlwollefasern bleibt eine dünne Salzkruste zurück. Nun wird der Stahlwollekörper einer
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der Glühung diffundiert das Nickel in die Stahlwolle ein. Wegen der geringen Diffusionsgeschwindigkeit des Nickels muss der Glühprozess auf 10-20 h ausgedehnt werden. Nach der Glühung liegt eine Faser vor, die aus einem hochnickelhaltigen Stahl mit zirka 15% Nickel besteht.
Mittels eines Prägevorganges in einer Stahlmatrize mit zirka 5 T/cm2 wird das Porenvolumen von rund 80% auf nur noch 10% gesenkt. Ein solcher Teil eignet sich in idealer Weise als Turbinenschaufel mit Schwitzkühlung.
Falls erforderlich kann der Stahlwolle-Formling vor dem Verdichten mit einem Keramik-Schlicker getränkt werden und nach dem Trocknen wie beschrieben verdichtet werden. Allerdings ist in diesem Fall eine Sinterung bei 1400-15000 C notwendig, um dem Teil die gewünschte Festigkeit zu geben.
Dieser Teil eignet sich besonders zur Verwendung in Verbrennungsturbinen.