DE102014215337B4 - Powder metallurgical process for producing a workpiece and powder metallurgically manufactured workpiece - Google Patents
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Abstract
Pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen eines Münzrohlings (7), bei dem der Münzrohling (7) durch Sintern einer Pulverzusammensetzung (2), welche mindestens zwei verschiedene Pulverkomponenten beinhaltet, hergestellt wird,wobei mindestens eine Pulverkomponente der Pulverzusammensetzung magnetisch ist und mindestens eine Pulverkomponente der Pulverzusammensetzung nicht-magnetisch ist, wobei eine Schmelztemperatur der mindestens einen nicht-magnetischen Pulverkomponente unter oder nicht mehr als 900 °C über einer Schmelztemperatur der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente liegt,dadurch gekennzeichnet,dass ein Massenanteil der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente an der Pulverzusammensetzung zwischen 2% und 40 % beträgt, wobei die mindestens eine magnetische Pulverkomponente aus einer oder mehreren der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt wird:- Werkstoffgruppe A, bestehend aus ferritischen Stählen, insbesondere Eisen-Chrom-Legierungen umfassend,- Werkstoffgruppe B, bestehend aus austenitisch-ferritischen Stählen, insbesondere Duplexstähle und Lean-Duplexstähle umfassend,- Werkstoffgruppe C, bestehend aus martensitischen Stählen, insbesondere Cobalt-Stahl umfassend,- Werkstoffgruppe D, bestehend aus Ferrolegierungen, insbesondere Ferrosilizium, Ferromangan und Ferrochrom umfassend,- Werkstoffgruppe F, bestehend aus hartmagnetischen Stählen, wie insbesondere Kobaltlegierte Stähle, sowie aus Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierungen, Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen, Silber-Mangan-Aluminium-Legierungen, Cobalt-Samarium-Legierungen, Neodym-Eisen-Bor-Legierungen,und wobei die mindestens eine nicht-magnetische Pulverkomponente aus der Werkstoffgruppe H ausgewählt wird, bestehend aus austenitischen Stählen, insbesondere austenitische Chrom-Nickel-Stähle umfassend.Powder metallurgical method for producing a coin blank (7), in which the coin blank (7) is produced by sintering a powder composition (2) which contains at least two different powder components, at least one powder component of the powder composition being magnetic and at least one powder component of the powder composition not is magnetic, wherein a melting temperature of the at least one non-magnetic powder component is below or not more than 900 ° C above a melting temperature of the at least one magnetic powder component, characterized in that a mass fraction of the at least one magnetic powder component in the powder composition is between 2% and 40%, the at least one magnetic powder component being selected from one or more of the following material groups: material group A, consisting of ferritic steels, in particular comprising iron-chromium alloys, material ff group B, consisting of austenitic-ferritic steels, especially comprising duplex steels and lean duplex steels, - material group C, consisting of martensitic steels, particularly comprising cobalt steel, - material group D, consisting of ferro-alloys, in particular comprising ferrosilicon, ferromanganese and ferrochromium, - Material group F, consisting of hard magnetic steels, such as in particular cobalt alloyed steels, as well as aluminum-nickel-cobalt alloys, copper-manganese-aluminum alloys, silver-manganese-aluminum alloys, cobalt-samarium alloys, neodymium-iron-boron -Alloys, and wherein the at least one non-magnetic powder component is selected from material group H, comprising austenitic steels, in particular comprising austenitic chromium-nickel steels.
Description
Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks in der Form eines Münzrohlings und ein pulvermetallurgisch hergestellter Münzrohling sowie eine entsprechend hergestellte Münze.The invention relates to a powder-metallurgical method for producing a workpiece in the form of a coin blank and a coin-produced coin blank and a correspondingly produced coin.
Mit pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren lassen sich Werkstücke mit speziellen Eigenschaften herstellen, die sich auf andere Weise nicht und nur mit sehr großem Aufwand erzeugen lassen. Die Eigenschaften eines pulvermetallurgisch hergestellten Werkstücks, wie auch die eines Fertigproduktes, das aus einem solchen Werkstück hergestellt worden ist, hängen von den bei der Herstellung verarbeiteten Werkstoffen wie auch von der Einstellung der der Prozessparameter ab. Aufgrund der großen Vielzahl möglicher Kombinationen von Werkstoffen und Prozessparametern kann es sehr schwierig oder praktisch unmöglich sein, alleine anhand der speziellen Eigenschaften eines pulvermetallurgisch hergestellten Werkstücks oder Fertigteils auf die zu seiner Herstellung benötigten Werkstoffe und Prozessparameter rückzuschließen. So ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs vorzuschlagen, der sich durch eine möglichst hohe Fälschungssicherheit auszeichnet, also durch Eigenschaften, die möglichst einfach nachprüfbar aber möglichst schwierig reproduzierbar sein sollen. Dabei soll sich das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchführen lassen. Dementsprechend soll auch ein in dieser Hinsicht möglichst fälschungssicheres und möglichst einfach und kostengünstig herstellbares Werkstück vorgeschlagen werden.It is the object of the present invention to propose a method for producing a material which is characterized by the highest possible level of security against forgery, that is to say by properties which should be as simple as possible to verify but as difficult to reproduce as possible. The method should be carried out as simply and inexpensively as possible. Accordingly, a workpiece that is as forgery-proof as possible and that is as simple and inexpensive to produce as possible should also be proposed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie durch ein Werkstück in der Form eines Münzrohlings und eine Münze gemäß den Nebenansprüchen. Weiterentwicklungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der übrigen Ansprüche. Die Merkmale und Vorteile des beschriebenen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen spiegeln sich dabei in dem entsprechend hergestellten Werkstück und der daraus gebildeten Münze wieder.This object is achieved according to the invention by a powder metallurgical manufacturing method according to the main claim and by a workpiece in the form of a coin blank and a coin according to the subclaims. Further developments and preferred embodiments of the invention result from the features of the remaining claims. The features and advantages of the described method and its configurations are reflected in the workpiece produced accordingly and the coin formed therefrom.
In der vorgeschlagenen Weise hergestellte Werkstücke, also insbesondere Münzrohlinge sowie daraus hergestellte Münzen, zeichnen sich durch eine ungewöhnliche und daher leicht nachprüfbare Kombination von vergleichsweise geringer elektrischer Leitfähigkeit und vergleichsweise großer magnetischer Permeabilität aus, die schwierig zu reproduzieren ist. Dadurch ergibt sich in einfacher Weise die gewünschte Fälschungssicherheit, womit sich diese Werkstücke insbesondere gut zur Herstellung von Münzen eignen.Workpieces produced in the proposed manner, in particular coin blanks and coins made therefrom, are distinguished by an unusual and therefore easily verifiable combination of comparatively low electrical conductivity and comparatively high magnetic permeability, which is difficult to reproduce. This provides the desired security against counterfeiting in a simple manner, making these workpieces particularly suitable for the production of coins.
Bei dem hier vorgeschlagenen pulvermetallurgischen Verfahren wird also aus einer Pulverzusammensetzung, welche mindestens zwei verschiedene Pulverkomponenten beinhaltet, durch Sintern ein Werkstück in der Form eines Münzrohlings hergestellt. Jede der Pulverkomponenten besteht aus einer Vielzahl von Pulverteilchen oder Partikeln. Für jede der Pulverkomponenten gilt typischerweise, dass die Partikel dieser Pulverkomponente aus dem gleichen Material oder Werkstoff bestehen und somit insbesondere die gleichen elektrischen und magnetischen Eigenschaften aufweisen. Ist daher von den (elektrischen oder magnetischen) Eigenschaften einer Pulverkomponente die Rede, so sind hiermit auch die (elektrischen oder magnetischen) Eigenschaften der Pulverteilchen der Pulverkomponente bzw. des Materials oder Werkstoffs, aus dem diese Pulverteilchen bestehen, gemeint.In the powder metallurgical process proposed here, a workpiece in the form of a coin blank is thus produced from a powder composition which contains at least two different powder components by sintering. Each of the powder components consists of a large number of powder particles or particles. It typically applies to each of the powder components that the particles of this powder component consist of the same material or material and thus in particular have the same electrical and magnetic properties. Therefore, when we speak of the (electrical or magnetic) properties of a powder component, this also means the (electrical or magnetic) properties of the powder particles of the powder component or of the material or material from which these powder particles are made.
Bei dem Werkstück, auch als Sinterteil bezeichnet, handelt es sich erfindungsgemäß um einen Münzrohling. Das Verfahren kann entsprechend weitere Verfahrensschritte umfassen, in denen der Münzrohling zu einer Münze, insbesondere eine Kurs- oder Umlaufmünze für den öffentlichen Zahlungsverkehr, weiterverarbeitet wird, beispielsweise durch Prägen des Münzrohlings. Da das hier vorgeschlagene Herstellungsverfahren und das hier vorgeschlagene Werkstück, also der Münzrohling, sich besonders zur Münzherstellung eignen, wird hierauf besonders ausführlich Bezug genommen. Jedoch lassen sich alle Angaben und Beschreibungen prinzipiell auch auf andere Bereiche der Technik übertragen und dort zur Erzielung entsprechender Vorteile verwenden.According to the invention, the workpiece, also referred to as a sintered part, is a coin blank. The method can accordingly comprise further method steps in which the coin blank is further processed into a coin, in particular a course or circulation coin for public payment transactions, for example by embossing the coin blank. Since the production method proposed here and the workpiece proposed here, that is to say the coin blank, are particularly suitable for coin production, reference is made to this in particularly great detail. However, all information and descriptions can principally transferred to other areas of technology and used there to achieve corresponding advantages.
Mindestens eine der Pulverkomponenten der Pulverzusammensetzung ist magnetisch, womit hier gemeint sein soll, dass diese Pulverkomponente ferromagnetische oder ferrimagnetische Eigenschaften aufweist. Die Partikel dieser mindestens einen Pulverkomponenten bestehen also aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material oder Werkstoff. Die hier und im Folgenden als magnetisch bezeichneten Materialien und Werkstoffe, weisen als ferromagnetische oder ferrimagnetische Materialien permanente magnetische Dipole auf, die sich unterhalb einer materialspezifischen Temperatur, z.B. der Curie-Temperatur, spontan (d.h. ohne äußere Felder) relativ zueinander geordnet ausrichten. Innerhalb sogenannter Weiss-Bezirke weisen die magnetischen Dipole dann jeweils eine geordnete relative Ausrichtung auf. Im Fall eines Ferromagneten sind die magnetischen Dipole innerhalb der Weiss-Bezirke typischerweise parallel zueinander ausgerichtet. Bei einem Ferrimagnet kann die Ausrichtung der Dipolmomente antiparallel sein (mit verschieden großen Dipolmomenten) oder mit einem festen Winkel zwischen den Dipolmomenten. Magnetische Materialien bzw. Werkstoffe weisen ferner eine sogenannte (materialspezifische) Hysterese auf, die insbesondere durch eine sogenannte Remanenz (auch als Restmagnetisierung oder Remanenz-Magnetisierung bezeichnet) und eine sogenannte Koerzitivkraft (auch als Koerzitivfeldstärke bezeichnet) charakterisiert ist. Je nach Hysterese unterscheidet man zwischen „weichmagnetischen“ (kleine Remanenz und kleine Koerzitivkraft) und „hartmagnetischen“ Materialien (große Remanenz und große Koerzitivkraft).At least one of the powder components of the powder composition is magnetic, which means that this powder component has ferromagnetic or ferrimagnetic properties. The particles of these at least one powder components thus consist of a ferromagnetic or ferrimagnetic material. The materials and materials referred to here and below as magnetic have permanent magnetic dipoles as ferromagnetic or ferrimagnetic materials, which are below a material-specific temperature, e.g. the Curie temperature, spontaneously (i.e. without external fields) aligned relative to each other. Within so-called Weiss districts, the magnetic dipoles then each have an ordered relative orientation. In the case of a ferromagnet, the magnetic dipoles within the Weiss districts are typically aligned parallel to one another. In the case of a ferrimagnet, the orientation of the dipole moments can be anti-parallel (with dipole moments of different sizes) or with a fixed angle between the dipole moments. Magnetic materials also have a so-called (material-specific) hysteresis, which is characterized in particular by a so-called remanence (also referred to as residual magnetization or remanence magnetization) and a so-called coercive force (also referred to as coercive field strength). Depending on the hysteresis, a distinction is made between "soft magnetic" (small remanence and small coercive force) and "hard magnetic" materials (large remanence and large coercive force).
Außerdem beinhaltet die Pulverzusammensetzung mindestens eine nichtmagnetische Pulverkomponente, welche also nicht im obigen Sinne magnetisch ist und somit also insbesondere weder ferromagnetisch noch ferrimagnetisch ist. Beispielsweise können die Pulverteilchen der mindestens einen nicht-magnetischen Pulverkomponente diamagnetisch oder paramagnetisch sein. Beispiele für nicht-magnetische Materialien und Werkstoffe werden weiter unten angegeben.In addition, the powder composition contains at least one non-magnetic powder component, which is therefore not magnetic in the above sense and is therefore in particular neither ferromagnetic nor ferrimagnetic. For example, the powder particles of the at least one non-magnetic powder component can be diamagnetic or paramagnetic. Examples of non-magnetic materials and materials are given below.
Das vorgeschlagene Verfahren sieht vor, dass ein Massenanteil der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente an der Pulverzusammensetzung zwischen 2 % und 40 % liegt. Typischerweise liegt dieser Massenanteil über 3%, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10% und 40 %. Die hier und im Folgenden angegebenen Massenanteile beziehen sich immer auf die Gesamtmasse der Pulverzusammensetzung. Im Folgenden wird der Massenanteil gleichbedeutend auch als Gewichtsprozent, kurz Gew%, angegeben, wiederum bezogen auf die Gesamtmasse der Pulverzusammensetzung. Der Massenanteil der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente an der Pulverzusammensetzung ist im Fall mehrerer magnetischer Pulverkomponenten die Summe der Massenanteile der einzelnen magnetischen Pulverkomponenten an der Pulverzusammensetzung. Entsprechendes gilt auch für den Massenanteil der mindestens einen nicht-magnetischen Pulverkomponente.The proposed method provides that a mass fraction of the at least one magnetic powder component in the powder composition is between 2% and 40%. This mass fraction is typically above 3%, preferably in a range between 10% and 40%. The mass fractions stated here and below always relate to the total mass of the powder composition. In the following, the mass fraction is also indicated as a percentage by weight, in short% by weight, again based on the total mass of the powder composition. The mass fraction of the at least one magnetic powder component in the powder composition is the sum of the mass fractions of the individual magnetic powder components in the powder composition in the case of several magnetic powder components. The same applies to the mass fraction of the at least one non-magnetic powder component.
Der Massenanteil der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente ist so groß gewählt, dass die magnetischen Eigenschaften des Werkstücks bzw. des hieraus hergestellten Fertigteils, beispielsweise der Münze, so stark ausgeprägt sind, dass sie auf möglichst einfache Art gemessen oder festgestellt werden können, wie beispielsweise mittels elektromagnetischer Testverfahren, beispielsweise mittels (Wirbelstrom-)Induktion, wie weiter unten anhand eines konkreten Beispiels beschrieben wird, und gleichzeitig aber nicht zu stark, um nicht Störungen zu bewirken, beispielsweise ein ggf. unerwünschtes magnetisches Haften der Werkstücke oder Fertigteile bzw. Münzen aneinander oder an anderen Bauteilen.The mass fraction of the at least one magnetic powder component is selected to be so large that the magnetic properties of the workpiece or the finished part produced therefrom, for example the coin, are so pronounced that they can be measured or ascertained in the simplest possible way, for example by means of electromagnetic Test methods, for example by means of (eddy current) induction, as will be described below with the aid of a concrete example, and at the same time not too strong in order not to cause disturbances, for example an undesirable magnetic adhesion of the workpieces or finished parts or coins to or on one another other components.
Um zu ermöglichen, dass die magnetischen Eigenschaften der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente im Werkstück durch das Sintern nicht verloren gehen, ist außerdem vorgesehen, dass eine Schmelztemperatur der nicht-magnetischen Pulverkomponente im Vergleich zur Schmelztemperatur der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente so niedrig ist, dass die magnetischen Pulverteilchen beim Sintern der Pulverzusammensetzung nicht vollständig zerfallen bzw. sich nicht vollständig auflösen, sondern vollständig oder zumindest soweit, wie es zum Erreichen der gewünschten magnetischen Eigenschaften des Werkstücks erforderlich ist, erhalten bleiben.In order to ensure that the magnetic properties of the at least one magnetic powder component in the workpiece are not lost due to the sintering, it is also provided that a melting temperature of the non-magnetic powder component is so low compared to the melting temperature of the at least one magnetic powder component that the magnetic Powder particles do not completely disintegrate or do not completely dissolve during sintering of the powder composition, but remain intact completely or at least as far as is necessary to achieve the desired magnetic properties of the workpiece.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Schmelztemperatur der mindestens einen nicht-magnetischen Pulverkomponente nicht mehr als 900 °C über der Schmelztemperatur der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente liegt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Pulverzusammensetzung können auch kleinere Schmelztemperarturen der mindestens einen nicht-magnetischen Pulverkomponenten vorgesehen sein, damit nach dem Sintern die gewünschten magnetischen Eigenschaften erhalten werden können. Beispielsweise ist es möglich, dass die Schmelztemperatur der mindestens einen nicht-magnetischen Pulverkomponenten nicht mehr als 850 °C, nicht mehr als 800 °C, nicht mehr als 600 °C, nicht mehr als 400 °C, nicht mehr als 300 °C, nicht mehr als 200 °C oder nicht mehr als 100 °C über der Schmelztemperatur der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente liegt. Es ist auch möglich, dass die Schmelztemperatur der mindestens einen nicht-magnetischen Pulverkomponenten niedriger als die Schmelztemperatur der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente ist.This is achieved in that the melting temperature of the at least one non-magnetic powder component is not more than 900 ° C. above the melting temperature of the at least one magnetic powder component. Depending on the respective powder composition, smaller melting temperatures of the at least one non-magnetic powder components can also be provided, so that the desired magnetic properties can be obtained after sintering. For example, it is possible that the melting temperature of the at least one non-magnetic powder component does not exceed 850 ° C, does not exceed 800 ° C, does not exceed 600 ° C, does not exceed 400 ° C, does not exceed 300 ° C, is not more than 200 ° C or not more than 100 ° C above the melting temperature of the at least one magnetic powder component. It is also possible that the melting temperature of the at least one non-magnetic powder component is lower than the melting temperature of the at least one magnetic powder component.
Sofern die Pulverzusammensetzung mehrere nicht-magnetische Pulverkomponenten enthält, sollte die für die Schmelztemperaturen formulierte Bedingung auch für die höchstschmelzende dieser nicht-magnetischen Pulverkomponenten gelten. Falls die Pulverzusammensetzung mehr als eine magnetische Pulverkomponente umfasst, so muss diese Bedingung für mindestens eine oder mehrere dieser magnetischen Pulverkomponenten gelten, wobei von einem Massenanteil dieser mindestens einen magnetischen Pulverkomponente an der Pulverzusammensetzung zu fordern ist, dass er mindestens 2%, vorzugsweise mindestens 3%, beträgt, wobei dieser Massenanteil typischerweise sogar mindestens 10% betragen wird. Sofern es sich um Legierungen mit einem Schmelzintervall handelt, sei als Schmelztemperatur vorliegend immer die Solidustemperatur gemeint.If the powder composition contains several non-magnetic powder components, the condition formulated for the melting temperatures should also apply to the highest melting of these non-magnetic powder components. If the powder composition comprises more than one magnetic powder component, then this condition must apply to at least one or more of these magnetic powder components, with a mass fraction of this at least one magnetic powder component in the powder composition requiring that it be at least 2%, preferably at least 3% , is, this mass fraction will typically even be at least 10%. If alloys with a melting interval are involved, the solidus temperature is always meant here as the melting temperature.
Während des Sinterns wird die Pulverzusammensetzung auf eine Sintertemperatur erwärmt, so dass die für das Sintern typischen Diffusionsprozesse ablaufen können, bei denen mikroskopische Bestandteile (typischerweise Atome) der Pulverteilchen zumindest einer der Pulverkomponenten der Pulverzusammensetzung diffundieren und nach dem Sintern (durch Bildung von Sinterhälsen) mechanisch stabile Verbindungen zwischen den Pulverteilchen erzeugen und auf diese Weise einen Zusammenhalt der Pulverzusammensetzung bewirken (die Pulverzusammensetzung fügen). Durch die oben angegebenen Relationen zwischen den Schmelztemperaturen der magnetischen und nicht-magnetischen Pulverkomponenten kann erreicht werden, dass die magnetischen Pulverteilchen während der beim Sintern ablaufenden (Diffusions- )Prozesse ausreichend stabil bleiben und somit weitgehend erhalten bleiben. Nach dem Sintern liegen die magnetischen Pulverteilchen somit typischerweise in ihrer ursprünglichen Korngröße oder zumindest in einer im Vergleich hierzu nur leicht reduzierten Korngröße vor. Daher ist auch nach dem Sintern weiterhin möglich, dass sich in den magnetischen Pulverteilchen Weiss-Bezirke ausbilden können, die ausreichend groß sind, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu erzielen.During sintering, the powder composition is heated to a sintering temperature so that the diffusion processes typical for sintering can take place, in which microscopic components (typically atoms) of the powder particles diffuse at least one of the powder components of the powder composition and mechanically after sintering (by formation of sinter necks) create stable connections between the powder particles and in this way bring about a cohesion of the powder composition (add the powder composition). The above-mentioned relations between the melting temperatures of the magnetic and non-magnetic powder components mean that the magnetic powder particles remain sufficiently stable during the (diffusion) processes taking place during sintering and are therefore largely retained. After sintering, the magnetic powder particles are typically present in their original grain size or at least in a grain size that is only slightly reduced in comparison to this. Therefore, even after sintering, it is still possible for white areas to form in the magnetic powder particles which are sufficiently large to achieve the desired magnetic properties.
Die magnetischen und elektrischen Eigenschaften des Werkstücks und somit auch die des Fertigteils hängen typischerweise auch von der Korngröße und der Kornform der Pulverteilchen der Pulverkomponenten ab. Beispielsweise können die magnetischen Pulverteilchen (ebenso wie die nicht-magnetischen Pulverteilchen) kugelförmig oder nicht-kugelförmig, wie beispielsweise langgestreckt oder nadelförmig, sein. Die mittlere Korngröße der magnetischen Pulverteilchen liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 µm und 100 µm. Die mittlere Korngröße der nicht magnetischen Pulverteilchen liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 µm und 100 µm. Die mittlerer Korngröße und/oder die Kornform der magnetischen Pulverteilchen kann verschieden sein von der mittleren Korngröße bzw. der Kornform der nicht-magnetischen Pulverteilchen. Beispielsweise kann es zur Erzielung der gewünschten elektrischen und magnetischen Eigenschaften hilfreich sein, wenn die magnetischen Pulverteilchen größer sind als die nicht-magnetischen Pulverteilchen, beispielsweise um bei ähnlich hohen Schmelztemperaturen der magnetischen und nicht-magnetischen Pulverkomponenten sicherzustellen, dass die magnetischen Pulverteilchen nach dem Sintern noch eine ausreichend große Korngröße aufweisen, um im Werkstück bzw. im Fertigteil die gewünschten magnetischen und elektrischen Eigenschaften hervorrufen zu können.The magnetic and electrical properties of the workpiece and thus also that of the finished part typically also depend on the grain size and the grain shape of the powder particles of the powder components. For example, the magnetic powder particles (as well as the non-magnetic powder particles) can be spherical or non-spherical, such as elongated or acicular. The average grain size of the magnetic powder particles is preferably in a range between 20 μm and 100 μm. The average grain size of the non-magnetic powder particles is preferably in a range between 20 μm and 100 μm. The mean grain size and / or the grain shape of the magnetic powder particles can be different from the mean grain size or the grain shape of the non-magnetic powder particles. For example, in order to achieve the desired electrical and magnetic properties, it may be helpful if the magnetic powder particles are larger than the non-magnetic powder particles, for example in order to ensure that the magnetic powder particles are still after sintering at similarly high melting temperatures of the magnetic and non-magnetic powder components have a sufficiently large grain size to be able to produce the desired magnetic and electrical properties in the workpiece or in the finished part.
Es ist zusätzlich oder alternativ auch möglich, die Pulverteilchen der magnetischen Pulverkomponente mit einer stabilisierenden Beschichtung zu versehen, um die Stabilität der magnetischen Pulverteilchen während des Sinterns zu erhöhen und so eine ausreichend große Korngröße der magnetischen Pulverteilen nach dem Sintern sicherzustellen. Beispielsweise kann eine stabilisierende Beschichtung aus einer refraktären Keramik, wie etwa eine dünne Al2O3-Schicht durch ein Sol-Gel, hergestellt werden. Eine stabilisierende Beschichtung kann auch durch eine Voroxidation der Pulverteilchen der magnetischen Pulverkomponente erzeugt werden. Beispielsweise entsteht durch die Oxidation des Chroms im Chrom-Stahl eine sehr stabile dünne Oxidschicht, die die Diffusion beim Sintern verringert oder ganz unterbindet. Durch die Sinterung des umgebenden unmagnetischen Materials wird die mindestens eine magnetische Pulverkomponente, welche die Minoritätskomponente der Pulverzusammensetzung ist, dennoch eingebunden bzw. eingeschlossen.Additionally or alternatively, it is also possible to provide the powder particles of the magnetic powder component with a stabilizing coating in order to increase the stability of the magnetic powder particles during sintering and thus to ensure a sufficiently large particle size of the magnetic powder parts after sintering. For example, a stabilizing coating can be made from a refractory ceramic, such as a thin Al 2 O 3 layer through a sol-gel. A stabilizing coating can also be produced by preoxidation of the powder particles of the magnetic powder component. For example, the oxidation of chromium in chrome steel creates a very stable thin oxide layer that reduces or completely prevents diffusion during sintering. By sintering the surrounding non-magnetic material, the at least one magnetic powder component, which is the minority component of the powder composition, is nevertheless integrated or included.
Die Werkstoffeigenschaften, wie die magentischen und elektrischen Eigenschaften und die Gefügestruktur des Werkstücks, können durch Ändern eines oder mehrere dieser Prozessparameter beeinflusst und variiert werden. Zu den Prozessparametern gehören insbesondere der Verdichtungsdruck, mit dem die Pulverzusammensetzung vor, während und/oder nach dem Sintern verdichtet wird, die Sintertemperatur, auf die die (verdichtete) Pulverzusammensetzung beim Sintern erwärmt wird, die Dauer des Sinterns bei der Sintertemperatur (Sinterdauer) sowie die Aufheizrate und die Abkühlrate.The material properties, such as the magnetic and electrical properties and the structural structure of the workpiece, can be influenced and varied by changing one or more of these process parameters. The process parameters include in particular the compression pressure with which the powder composition is compressed before, during and / or after sintering, the sintering temperature to which the (compressed) powder composition is heated during sintering, the duration of the sintering at the sintering temperature (sintering duration) and the heating rate and the cooling rate.
Die verdichtete Pulverzusammensetzung wird vor dem Sintern häufig, wie auch im Folgenden, als Pressrohling, Grünling oder Grünkörper bezeichnet. Das Verdichten vor dem Sintern erfolgt typischerweise durch Kaltpressen. Typische Werte für den Verdichtungsdruck (häufig auch als Kompaktierungsdruck bezeichnet), mit dem der Pressrohling hergestellt wird, liegen in einem Bereich zwischen 200-800 MPa. Die Sintertemperatur liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 60% und 90% der Schmelztemperatur der mindestens einen nicht-magnetischen Pulverkomponente. Die Eigenschaften der Pulverkomponenten machen dabei vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens möglich, bei denen eine höchste beim Herstellen des Werkstücks erreichte Sintertemperatur, auf die die Pulverzusammensetzung und das entstehende Werkstück beim Sintern erhitzt werden, die Schmelztemperatur der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente nicht übersteigt. Die Sintertemperatur kann z.B. in einem Bereich zwischen 500 °C und 1400 °C liegen. Die Sinterdauer wiederum kann z.B. in einem Bereich zwischen 20 Minuten und 2 Stunden liegen. Nach dem Sintern wird die Pulverzusammensetzung auch als Sinterteil bezeichnet.The compressed powder composition before sintering is often referred to as a pressed blank, green body or green body, as will also be described below. Compression before sintering is typically done by cold pressing. Typical values for the compression pressure (often also referred to as compacting pressure) with which the press blank is produced are in a range between 200-800 MPa. The sintering temperature is typically in a range between 60% and 90% of the melting temperature of the at least one non-magnetic powder component. The properties of the powder components make advantageous embodiments of the method possible, in which the highest sintering temperature reached during the production of the workpiece, to which the powder composition and the resulting workpiece are heated during sintering, does not exceed the melting temperature of the at least one magnetic powder component. The sintering temperature can e.g. are in a range between 500 ° C and 1400 ° C. The sintering time in turn can e.g. range from 20 minutes to 2 hours. After sintering, the powder composition is also referred to as a sintered part.
Das mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Werkstück bzw. Fertigteil kann eine eindeutige Signatur aufweisen, wie etwa eine spezielle Kombination von elektrischer Leitfähigkeit und magnetischer relative Permeabilität. Diese Signatur lässt sich (beispielsweise durch Impedanzmessungen) einfach messen und identifizieren, ist aber ohne genaue Kenntnisse der Pulverkomponenten und Prozessparameter nicht oder nur unter großem Aufwand reproduzierbar. Außerdem weist der Werkstoff außer dieser sehr leicht nachprüfbaren Signatur noch weitere spezifische Eigenschaften auf, wie beispielsweise eine spezielle Gefügestruktur, die sich beispielsweise durch herkömmliche Gießverfahren im Allgemeinen nicht reproduzieren lässt.The workpiece or finished part produced using the method proposed here can have a unique signature, such as a special combination of electrical conductivity and magnetic relative permeability. This signature can be easily measured and identified (for example by impedance measurements), but is not reproducible or can only be reproduced with great effort without precise knowledge of the powder components and process parameters. In addition to this very easily verifiable signature, the material also has other specific properties, such as, for example, a special microstructure that, for example, cannot generally be reproduced by conventional casting processes.
Im Fall der hier vorgeschlagenen Münze kann die elektromagnetische Signatur der Münze auf relativ einfache Weise mittels einer Münzprüfvorrichtung bekannter Bauart und Funktionsweise geprüft werden. Beispielsweise kann der Münzprüfer eingerichtet sein, mittels eines Induktionssystems die (Wechselstrom-)Leitfähigkeit bzw. die Impedanz der Münze zu messen. Beispielsweise können mittels des Induktionssystems elektromagnetische Testsignale mit verschiedenen Frequenzen erzeugt werden, um innerhalb verschiedener Bereiche (auf der Oberfläche oder im Innern) der Münze Wechselströme zu induzieren. Dabei hängen die Wechselwirkung der Testsignale mit der Münze (insbesondere die Eindringtiefe der Testsignale in die Münze) und somit auch die hierdurch erzeugten Wirbelströme insbesondere von der elektrischen Leitfähigkeit und der relativen magnetischen Permeabilität der Münze ab. Durch die induzierten Wechselströme werden in der Münze elektromagnetische Signale erzeugt, die für die speziellen elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Münze charakteristisch sind und somit deren Identifizierung ermöglichen, beispielsweise durch ein entsprechend eingerichtetes Sensorsystem des Münzprüfers, welches diese Signale erfasst (beispielsweise durch elektrische Kontaktierungselemente oder mittels einer Antenne) und auswertet.In the case of the coin proposed here, the electromagnetic signature of the coin can be checked in a relatively simple manner by means of a coin testing device of known design and mode of operation. For example, the coin validator can be set up to measure the (AC) conductivity or the impedance of the coin by means of an induction system. For example, the induction system can be used to generate electromagnetic test signals with different frequencies in order to induce alternating currents within different areas (on the surface or inside) of the coin. The interaction of the test signals with the coin (in particular the depth of penetration of the test signals into the coin) and thus the eddy currents generated thereby depend in particular on the electrical conductivity and the relative magnetic permeability of the coin. The induced alternating currents generate electromagnetic signals in the coin which are characteristic of the special electrical and magnetic properties of the coin and thus enable their identification, for example by a correspondingly configured sensor system of the coin validator which detects these signals (for example by means of electrical contacting elements or by means of an antenna) and evaluates.
Vorzugsweise weist die relative magnetische Permeabilität des Werkstücks bzw. des Fertigteils, im Folgenden auch mit µ bezeichnet, zum Beispiel der Münze, einen Wert von zwischen 60 und 240 oder zwischen 70 und 240 auf. Vorzugsweise ist die relative magnetische Permeabilität des Werkstücks bzw. des Fertigteils, zum Beispiel der Münze, kleiner als die von Kobalt (Co) oder liegt zwischen den Werten von Kobalt (Co) und Nickel (Ni) oder liegt zwischen den Werten von Nickel (Ni) und Eisen (Fe). Hierbei werden die relativen magnetischen Permeabilitäten jeweils unter Annahme gleicher Messbedingungen angegeben.The relative magnetic permeability of the workpiece or of the finished part, also referred to below as μ, for example of the coin, preferably has a value of between 60 and 240 or between 70 and 240. The relative magnetic permeability of the workpiece or of the finished part, for example the coin, is preferably smaller than that of cobalt (Co) or lies between the values of cobalt (Co) and nickel (Ni) or lies between the values of nickel (Ni ) and iron (Fe). Here the relative magnetic permeabilities are given assuming the same measurement conditions.
Die relative magnetische Permeabilität eines magnetischen Materials wird hier, wie allgemein üblich, durch µ = B/µ0H definiert, wobei B die magnetische Flussdichte (umgangssprachlich Magnetfeld), H die magnetische Feldstärke und µ0 die magnetische Feldkonstante bezeichnen. Aufgrund der bereits genannten Hysterese magnetischer Materialien besteht kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Feldstärke H und der Flussdichte B. Beispielsweise sind magnetische Materialien bei ausreichend hohen Werten der Feldstärke magnetisch gesättigt und nehmen dann eine maximale Magnetisierung an, so dass dann entsprechend auch die Flussdichte B (zumindest näherungsweise) einen Sättigungswert BS annimmt. Vorzugsweise wird die relative magnetische Permeabilität eines magnetischen Materials unter der Messbedingung definiert, dass das Material bis zur Sättigung magnetisiert ist, so dass die dann gemessene Flussdichte B den zugehörigen Sättigungswert BS oder zumindest das 0,98-fache dieses Wertes angenommen hat. Bei der Berechnung von µ wird dann vorzugsweise derjenige Wert der magnetische Feldstärke H verwendet, der beim Erreichen des Sättigungswerts BS der magnetischen Flussdichte (oder alternativ des 0,98-fachen des Sättigungswerts BS) vorlag. Die Messung wird vorzugsweise statisch bzw. quasistatisch durchgeführt, d.h. die magnetische Feldstärke H hat vorzugsweise eine Frequenz von etwa 0 Hz. Ferner hat das Material bei der Messung vorzugsweise eine Temperatur von etwa 21° C. Beispielsweise kann die magnetische Flussdichte bzw. die Magnetisierung des Materials mittels eines sogenannten Sättigungsmagnetometers gemessen werden, wie beispielsweise in Steingroever, Dr. E.: Magnetische Meßtechnik; Ausgabe 1833/97; © MAGNET-PHYSIK Dr. Steingroever GmbH; Köln, 1997 beschrieben ist.The relative magnetic permeability of a magnetic material is, as is generally customary, defined by µ = B / µ 0 H, where B denotes the magnetic flux density (colloquially magnetic field), H the magnetic field strength and µ 0 the magnetic field constant. Due to the hysteresis of magnetic materials already mentioned, there is no clear connection between the field strength H and the flux density B. For example, magnetic materials are sufficiently saturated at sufficiently high field strength values and then assume maximum magnetization, so that the flux density B (at least approximately) assumes a saturation value B S. The relative magnetic permeability of a magnetic material is preferably defined under the measurement condition that the material is magnetized to saturation, so that the flux density B then measured has assumed the associated saturation value B S or at least 0.98 times this value. When calculating μ, the value of the magnetic field strength H that was present when the saturation value B S of the magnetic flux density (or alternatively 0.98 times the saturation value B S ) was reached is then preferably used. The measurement is preferably carried out statically or quasi-statically, ie the magnetic field strength H preferably has a frequency of approximately 0 Hz. Furthermore, the material preferably has a temperature of approximately 21 ° C. during the measurement. For example, the magnetic flux density or the magnetization of the Materials are measured using a so-called saturation magnetometer, such as in Steingroever, Dr. E .: Magnetic measurement technology; Edition 1833/97; © MAGNET-PHYSIK Dr. Steingroever GmbH; Cologne, 1997 is described.
Um für die bestimmungsgemäße Verwendung des Werkstücks bzw. Fertigteils eine geeignete Stärke seiner magnetischen Eigenschaften (zum Beispiel eine geeignete relative magnetische Permeabilität) zu erzielen, wird der Massenanteil der mindestens einen magnetischen Pulverkomponente typischerweise in Abhängigkeit von der Remanenz und/oder von der Koerzitivfeldstärke des Materials bzw. Werkstoffs der jeweiligen magnetischen Pulverkomponente gewählt, und insbesondere in Abhängigkeit davon, ob der Werkstoff oder das Material der jeweiligen magnetischen Pulverkomponente weichmagnetisch oder hartmagnetisch ist. Beispielsweise können als hartmagnetisch solche Werkstoffe und Materialien gelten, deren Koerzitivfeldstärke (HC) größer als 1000 A/m ist. Dementsprechend können beispielsweise als weichmagnetisch solche Werkstoffe und Materialien gelten, deren Koerzitivfeldstärke (HC) kleiner als 1000 A/m ist.In order to achieve a suitable strength of its magnetic properties (for example a suitable relative magnetic permeability) for the intended use of the workpiece or finished part, the mass fraction of the at least one magnetic powder component is typically dependent on the remanence and / or on the coercive field strength of the material or material of the respective magnetic powder component, and in particular depending on whether the material or the material of the respective magnetic powder component is soft magnetic or hard magnetic. For example, those materials and materials whose coercive field strength (H C ) is greater than 1000 A / m can be considered to be hard magnetic. Accordingly, those materials and materials whose coercive field strength (H C ) is less than 1000 A / m can be regarded as soft magnetic, for example.
Vorzugsweise beträgt die elektrische Leitfähigkeit des Werkstücks und/oder des hieraus gefertigten Fertigteils (zum Beispiel der Münze) weniger als 5,8 MS/m (d.h. weniger als 10 % IACS).The electrical conductivity of the workpiece and / or the prefabricated part made therefrom (for example the coin) is preferably less than 5.8 MS / m (i.e. less than 10% IACS).
Die Pulverteilchen werden typischerweise durch Zerkleinern des jeweiligen Werkstoffs hergestellt, wobei ein typisches Zerkleinerungsverfahren das Verdüsen des Werkstoffs ist. Typischerweise handelt es sich bei den Werkstoffen der Pulverkomponenten um metallische Werkstoffe, wie Legierungen oder elementare Metalle, siehe die unten angegebenen Werkstoffgruppen A bis J. Bei den Werkstoffen kann es sich aber auch um Halbleiter handeln, wie etwa Silizium aus der unten angegebenen Werkstoffgruppe K.The powder particles are typically produced by comminuting the respective material, a typical comminution process being atomizing the material. The materials of the powder components are typically metallic materials, such as alloys or elemental metals, see material groups A to J below. The materials can also be semiconductors, such as silicon from material group K below.
Erfindungsgemäß ist die magnetische Pulverkomponente bzw. mindestens eine der magnetischen Pulverkomponenten aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt sein:
- - Werkstoffgruppe A, bestehend aus ferritischen Stählen, insbesondere Eisen-Chrom-Legierungen und Heizleiterlegierungen (mit relativ hohem spezifischen elektrischen Widerstand) wie etwa Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen umfassend,
- - Werkstoffgruppe B, bestehend aus austenitisch-ferritischen Stähle, insbesondere Duplexstähle und Lean-Duplexstähle umfassend,
- - Werkstoffgruppe C, bestehend aus martensitischen Stählen, insbesondere Cobalt-Stahl umfassend,
- - Werkstoffgruppe D, bestehend aus Ferrolegierungen, insbesondere Ferrosilizium, Ferromangan und Ferrochrom umfassend,
- - Werkstoffgruppe F, bestehend aus hartmagnetischen Stählen, wie insbesondere Kobaltlegierte Stähle, sowie aus Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierungen, Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen, Silber-Mangan-Aluminium-Legierungen, Cobalt-Samarium-Legierungen und Neodym-Eisen-Bor-Legierungen.
- Material group A, consisting of ferritic steels, in particular iron-chromium alloys and heating conductor alloys (with a relatively high specific electrical resistance), such as iron-chromium-aluminum alloys,
- Material group B, consisting of austenitic-ferritic steels, in particular comprising duplex steels and lean duplex steels,
- Material group C, consisting of martensitic steels, in particular comprising cobalt steel,
- Material group D, consisting of ferroalloys, in particular comprising ferrosilicon, ferromanganese and ferrochromium,
- - Material group F, consisting of hard magnetic steels, such as in particular cobalt alloyed steels, as well as aluminum-nickel-cobalt alloys, copper-manganese-aluminum alloys, silver-manganese-aluminum alloys, cobalt-samarium alloys and neodymium iron - boron alloys.
Beispiele für Werkstoffgruppen für zusätzliche magnetische Pulverkomponenten sind:
- - Werkstoffgruppe E, bestehend aus elementaren Ferromagnete, Eisen, Nickel und Cobalt umfassend,
- - Werkstoffgruppe G, bestehend aus Ferriten, insbesondere Weichferrite und Hartferrite, wie insbesondere Magnetit, umfassend.
- - material group E, consisting of elementary ferromagnets, including iron, nickel and cobalt,
- - Material group G, consisting of ferrites, in particular soft ferrites and hard ferrites, such as magnetite in particular.
Die Pulverzusammensetzung kann genau eine magnetische Pulverkomponente mit genau einem magnetischen Werkstoff, beispielsweise einem Werkstoff aus einer der obigen Werkstoffgruppen A bis D und F, beinhalten. Die Pulverzusammensetzung kann aber auch mehrere verschiedene magnetische Pulverkomponenten beinhalten. Jede einzelne dieser magnetischen Pulverkomponenten besteht dann aus genau einem Werkstoff, der jeweils aus einer der obigen Werkstoffgruppen A bis G ausgewählt sein kann.The powder composition can contain exactly one magnetic powder component with exactly one magnetic material, for example a material from one of the above material groups A to D and F. However, the powder composition can also contain several different magnetic powder components. Each of these magnetic powder components then consists of exactly one material, which can be selected from one of the above material groups A to G.
Erfindungsgemäß ist die nicht-magnetische Pulverkomponente bzw. mindestens eine der nicht-magnetischen Pulverkomponenten aus einer der Werkstoffgruppe H, bestehend aus austenitischen Stählen, insbesondere austenitische Chrom-Nickel-Stähle umfassend, ausgewählt.According to the invention, the non-magnetic powder component or at least one of the non-magnetic powder components is selected from a material group H consisting of austenitic steels, in particular comprising austenitic chromium-nickel steels.
Beispiele für Werkstoffgruppen für zusätzliche nicht-magnetische Pulverkomponenten sind:
- - Werkstoffgruppe I, bestehend aus Chrom-Nickel-Legierungen und Kupfer-Nickel-Legierungen, sowie
- - Werkstoffgruppe J, bestehend aus Titan, Titan-Legierungen, Aluminium, Aluminium-Legierungen, Kupfer und Kupfer-Legierungen.
- - Material group I, consisting of chrome-nickel alloys and copper-nickel alloys, as well
- - Material group J, consisting of titanium, titanium alloys, aluminum, aluminum alloys, copper and copper alloys.
Die Pulverzusammensetzung kann genau eine nicht-magnetische Pulverkomponente mit genau einem magnetischen Werkstoff aus der obigen Werkstoffgruppen H, beinhalten. Die Pulverzusammensetzung kann aber auch mehrere verschiedene nicht-magnetische Pulverkomponenten beinhalten. Jede einzelne dieser nicht-magnetischen Pulverkomponenten besteht dann aus genau einem Werkstoff, der jeweils aus einer der obigen Werkstoffgruppen H bis J ausgewählt sein kann. The powder composition can contain exactly one non-magnetic powder component with exactly one magnetic material from the above material groups H. However, the powder composition can also contain several different non-magnetic powder components. Each of these non-magnetic powder components then consists of exactly one material, which can be selected from one of the above material groups H to J.
Es ist in manchen Fällen möglich, dass zur gleichzeitigen Herstellung einer magnetischen Pulverkomponente und einer nicht-magnetischen Pulverkomponente ein Werkstoff zerkleinert wird, der sowohl magnetische wie auch nicht-magnetische Anteile (wie etwa Gefügeanteile oder Phasenanteile) aufweist, beispielsweise wenn der Werkstoff in Form eines mehrphasigen Gefüges mit einer magnetischen Phase und einer nicht-magnetischen Phase vorliegt. Die Pulverteilchen, welche ausschließlich nicht-magnetische Anteile aufweisen, bilden in diesem Fall die nicht-magnetischen Pulverteilchen. Ein konkretes Beispiel für einen solchen insgesamt (ferro-)magnetischen Werkstoff ist etwa ein ferritisch-austentischer Stahl (Werkstoffgruppe B) mit einem Gefüge, das (ferro-)magnetische ferritische Phasenanteile und nichtmagnetische austenitischen Phasenanteile aufweist, wie zum Beispiel ein Duplexstahl.In some cases, it is possible that, in order to produce a magnetic powder component and a non-magnetic powder component at the same time, a material is shredded which has both magnetic and non-magnetic components (such as structural components or phase components), for example if the material is in the form of a multi-phase structure with a magnetic phase and a non-magnetic phase. In this case, the powder particles, which only have non-magnetic components, form the non-magnetic powder particles. A concrete example of such an overall (ferro-) magnetic material is, for example, a ferritic-austentic steel (material group B) with a structure that has (ferro-) magnetic ferritic phase components and non-magnetic austenitic phase components, such as duplex steel.
Bei den genannten Stählen in den Werkstoffgruppen A bis C und H handelt es sich vorzugsweise jeweils um nichtrostende Stähle, also typischerweise um Chrom-Stähle, also um Eisen-Chrom-Legierungen, wie beispielsweise um Edelstähle. Als Legierungselemente in den Stählen sind insbesondere Elemente aus den folgenden beiden Werkstoffgruppe möglich:
- - Ferritbildner, umfassend Chrom, Molybdän, Silizium, Niob und Titan, und
- - Austenitbildner, umfassend Nickel, Kohlenstoff und Mangan.
- - Ferrite formers including chromium, molybdenum, silicon, niobium and titanium, and
- - Austenite formers, including nickel, carbon and manganese.
Im Allgemeinen führen die Ferritbildner zu einem höheren ferritischen Phasenanteil im Gefüge des Stahls und somit in der Regel auch zu ausgeprägteren ferromagnetischen Eigenschaften des Stahls, wohingegen die Austenitbildner zu einem höheren austenitischen Phasenanteil in dem Gefüge des Stahls führen und damit die ferromagnetischen Eigenschaften des Stahls in der Regel abschwächen (und eher zu paramagnetischen Eigenschaften führen). Dieser Zusammenhang wird beispielsweise durch das sogenannte Schaeffler-Diagramm der Stahlphasen schematisch dargestellt, bei dem auf einer Achse das sogenannte Chrom-Äquivalent aufgetragen ist, welches ein Maß für den Anteil der Ferritbildner im Stahl ist, und auf der anderen Achse das sogenannte Nickel-Äquivalent aufgetragen ist, welches ein Maß für den Anteil der Austenitbildner im Stahl ist. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist es insbesondere möglich, dass die verwendete Pulverzusammensetzung eine oder mehrere Pulverkomponenten beinhaltet, die jeweils aus einem StahlWerkstoff bestehen, beispielsweise ausgewählt aus den Werkstoffgruppen A bis C und H, wobei sich diese Stahlwerkstoffe durch ihre Phasenanteile an Ferrit, Martensit und Austenit unterscheiden können. Außerdem kann die Pulverzusammensetzung eine oder mehrere Pulverkomponenten beinhalten, die aus der Werkstoffgruppe der Ferritbildner ausgewählt ist bzw. sind. Ferner kann die Pulverzusammensetzung eine oder mehrere Pulverkomponenten beinhalten, die aus der Werkstoffgruppe der Austenitbildner ausgewählt ist bzw. sind. Zusätzlich oder alternativ zu den Pulverkomponenten aus den Stahlwerkstoffen kann eine der Pulverkomponenten ein Eisenpulver sein. Um gewünschte Bereiche elektrischer und magnetischer Eigenschaften leichter erreichen zu können, können beispielsweise das Nickel-Äquivalent und das Chrom-Äquivalent gemäß dem Schaeffler-Diagramm berechnet werden oder auch andere thermodynamische Berechnungen durchgeführt werden.In general, the ferrite formers lead to a higher ferritic phase component in the structure of the steel and thus generally also to more pronounced ferromagnetic properties of the steel, whereas the austenite formers lead to a higher austenitic phase component in the structure of the steel and thus the ferromagnetic properties of the steel in the Weaken the rule (and rather lead to paramagnetic properties). This relationship is schematically represented, for example, by the so-called Schaeffler diagram of the steel phases, in which the so-called chrome equivalent is plotted on one axis, which is a measure of the proportion of ferrite formers in the steel, and the so-called nickel equivalent on the other axis is plotted, which is a measure of the proportion of austenite formers in the steel. With the method proposed here, it is possible in particular that the powder composition used contains one or more powder components, each consisting of a steel material, for example selected from material groups A to C and H, these steel materials being characterized by their phase fractions of ferrite, martensite and Can distinguish austenite. In addition, the powder composition can contain one or more powder components which are selected from the group of materials of the ferrite formers. Furthermore, the powder composition can contain one or more powder components which are selected from the group of materials of the austenite formers. In addition or as an alternative to the powder components made of the steel materials, one of the powder components can be an iron powder. In order to be able to more easily reach desired ranges of electrical and magnetic properties, the nickel equivalent and the chromium equivalent can be calculated according to the Schaeffler diagram, for example, or other thermodynamic calculations can also be carried out.
Durch das Sintern wie auch gegebenenfalls durch zusätzlich durchgeführte Wärmebehandlungen, wie beispielsweise Glühbehandlungen, wie Lösungsglühen, und Abschreckbehandlungen können in Abhängigkeit insbesondere von den jeweils gewählten Prozessparametern (insbesondere die Sintertemperatur und ggf. Temperatur der Wärmebehandlung, Aufheizraten, Abkühlraten, Verdichtungsdruck der Pulverzusammensetzung) martensitische Phasenanteile, ferritische Phasenanteile und/oder austenitischer Phasenanteile beeinflusst werden, wobei neben thermodynamischen Geleichgewichtszuständen (gemäß dem Schaeffler-Diagramm) sogar auch metastabile Phasenzustände hergestellt werden können. Es ist außerdem auch eine gezielte Einstellung des Homogenisierungsgrades des entstehenden Werkstoffgefüges möglich. Der Homogenisierungsgrad wird bestimmt durch die Teilchengröße (kleinere Teilchen lösen sich schneller auf und bewirken schnellere Homogenisierung) und durch die Homogenisierungstemperatur und die Haltezeit auf Homogenisierungstemperatur. Im gewissen Umfang hängt die Homogenisierung auch von den Aufheizgeschwindigkeiten und Abkühlgeschwindigkeiten ab. Insgesamt lassen sich somit aufgrund der beschriebenen Kombinationsmöglichkeiten an Werkstoffen und Prozessparametern eine sehr große Anzahl von Stahlwerkstoffen mit spezifischen Eigenschaften erzeugen, die ohne Kenntnis der gewählten Werkstoffe und Prozessparameter nicht oder nur unter großem Aufwand reproduzierbar sind.By sintering and optionally also by additional heat treatments, such as, for example, annealing treatments, such as solution annealing, and quenching treatments, depending on the particular process parameters selected (in particular the sintering temperature and possibly the temperature of the heat treatment, heating rates, cooling rates, compression pressure of the powder composition), martensitic phase fractions , ferritic phase fractions and / or austenitic phase fractions are influenced, and in addition to thermodynamic equilibrium states (according to the Schaeffler diagram), even metastable phase states can also be produced. A targeted adjustment of the degree of homogenization of the resulting material structure is also possible. The degree of homogenization is determined by the particle size (smaller particles dissolve faster and cause faster homogenization) and by the homogenization temperature and the holding time at the homogenization temperature. To some extent, the homogenization also depends on the heating and cooling rates. Overall, due to the combination of materials and process parameters described, a very large number of steel materials with specific properties can be produced that cannot be reproduced or can only be reproduced with great effort without knowledge of the selected materials and process parameters.
In der folgenden Tabelle sind einige Beispiele für erfindungsgemäße Pulverzusammensetzungen sowie zur Illustration auch einige Beispiele nichterfindungsgemäßer Pulverzusammensetzungen mit jeweils einer nicht-magnetischen Pulverkomponente (linke Spalte) und einer magnetischen Pulverkomponente (mittlere Spalte) angegeben. Für jede Pulverkomponente sind ein typischer Wert oder Wertebereich der Schmelztemperatur (als TS bezeichnet) und eine spezifische Angabe zur magnetischen Eigenschaft des jeweiligen Werkstoffs angegeben. In der rechten Spalte ist die als ΔTS bezeichnete Differenz zwischen der Schmelztemperatur des Werkstoffs der jeweiligen nicht-magnetischen Pulverkomponente und der Schmelztemperatur des Werkstoffs der jeweiligen magnetischen Pulverkomponente angegeben. Diese Differenz ist so definiert, dass positive Werte dieser Differenz bedeuten, dass die Schmelztemperatur der nicht-magnetischen Pulverkomponente größer ist als die Schmelztemperatur der magnetischen Pulverkomponente.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung beinhaltet als nichtmagnetische Pulverkomponente austenitischen Edelstahl mit 60% bis 90% Massenanteil, wie etwa austenitischen Chrom-Nickel-Stahl, und als magnetische Pulverkomponente ferritischen Edelstahl zu 10% bis 40 % Massenanteil, wie beispielsweise ferritischen Chrom-Stahl, beinhalten. In diesem Fall ist die Differenz zwischen den Schmelztemperaturen relativ gering, so dass vorzugsweise die Korngröße des ferritischen Edelstahls größer als die Korngröße des austenitischen Edelstahls gewählt. Um ein möglichst quasiisotropes und homogenes Werkstück zu erzielen, kann eine entsprechende Stabilisierung vorgesehen sein, beispielsweise durch eine stabilisierende Beschichtung der magnetischen Pulverteilchen, wie weiter oben beschrieben worden ist. Kostenvorteile lassen sich erzielen, wenn anstelle des ferritischen Edelstahls eine Ferrolegierung verwendet wird. Im Fall einer Heizleiterlegierung, beispielsweise des Systems FeCrAl, als ferritischen Edelstahl lassen sich besonders kleine elektrische Leitfähigkeiten erreichen. Anstelle eines weichmagnetischen ferritischen Edelstahls kann auch ein hartmagnetisches Material, wie etwa Cobalt-Stahl mit einem Massenanteil zwischen 3% und 20 % oder ein Werkstoff aus der hartmagnetischen Werkstoffgruppe F mit einem Massenanteil zwischen 3% und 20 %, wie etwa eine Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierung, eine Cobalt-Samarium-Legierung, oder eine Neodym-Eisen-Bor-Legierungen (Hartmagnet), verwendet werden. Wird anstelle des austenitischen Edelstahl eine Kupfer-Nickel-Legierung verwendet, kann als hartmagnetische Pulverkomponente mit einem Massenanteil zwischen 3% und 20 % beispielsweis eine Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierungen, eine Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen oder eine Silber-Mangan-Aluminium-Legierung verwendet werden. An exemplary embodiment of a powder composition according to the invention contains, as non-magnetic powder component, austenitic stainless steel with 60% to 90% by mass, such as austenitic chromium-nickel steel, and as magnetic powder component, ferritic stainless steel with 10% to 40% by mass, such as ferritic chromium steel , In this case, the difference between the melting temperatures is relatively small, so that the grain size of the ferritic stainless steel is preferably chosen to be larger than the grain size of the austenitic stainless steel. In order to achieve a workpiece that is as quasi-isotropic and homogeneous as possible, a corresponding stabilization can be provided, for example by a stabilizing coating of the magnetic powder particles, as has been described above. Cost advantages can be achieved if a ferro alloy is used instead of ferritic stainless steel. In the case of a heating conductor alloy, for example the FeCrAl system, as ferritic stainless steel, particularly low electrical conductivities can be achieved. Instead of a soft magnetic ferritic stainless steel, a hard magnetic material, such as cobalt steel with a mass fraction between 3% and 20% or a material from the hard magnetic material group F with a mass fraction between 3% and 20%, such as an aluminum-nickel Cobalt alloy, a cobalt-samarium alloy, or a neodymium-iron-boron alloy (hard magnet) can be used. If a copper-nickel alloy is used instead of the austenitic stainless steel, for example an aluminum-nickel-cobalt alloy, a copper-manganese-aluminum alloy or a silver-manganese can be used as the hard magnetic powder component with a mass fraction between 3% and 20%. Aluminum alloy can be used.
Insbesondere bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Pulverzusammensetzung eine magnetische Pulverkomponente aus einem ferritischen Stahl oder ferritischen Edelstahl beinhaltet, kann die Pulverzusammensetzung beispielsweise außerdem mindestens eine weitere Pulverkomponente beinhalten, die ausgewählt ist aus der Werkstoffgruppe K, bestehend aus Silizium, Mangan und Aluminium.In particular in the case of exemplary embodiments in which the powder composition contains a magnetic powder component made of a ferritic steel or ferritic stainless steel, the powder composition can also include, for example, at least one further powder component which is selected from the material group K, consisting of silicon, manganese and aluminum.
Durch eine Pulverkomponente aus der Werkstoffgruppe K lassen sich elektrisch isolierende Korngrenzphasen in dem (Stahl-)Gefüge des ferritischen Stahls erzeugen und somit seine elektrische Leitfähigkeit stark beeinflussen. Außerdem ist es möglich, die Pulverteilchen dieser Pulverkomponente(n) durch eine Wärme- oder Glühbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wie beispielsweise Luft, zu oxidieren (voroxidieren), um auf diese Weise auf den Korngrenzen des Gefüges des ferritischen Stahls eine halbleitende Phase zu erzeugen. Durch die halbleitende Korngrenzphase kann der elektrische Widerstand des Werkstücks erhöht werden, ohne gleichzeitig die magnetischen Eigenschaften des Werkstücks wesentlich zu beeinflussen. Vorzugsweise beträgt der Massenanteil dieser mindestens einen weiteren Pulverkomponente der Werkstoffgruppe K an der Pulverzusammensetzung insgesamt maximal 10 %.A powder component from material group K can be used to create electrically insulating grain boundary phases in the (steel) structure of ferritic steel and thus have a strong influence on its electrical conductivity. It is also possible to oxidize (pre-oxidize) the powder particles of this powder component (s) by a heat or annealing treatment in an oxygen-containing atmosphere, such as air, in order in this way to produce a semiconducting phase on the grain boundaries of the structure of the ferritic steel , The semiconducting grain boundary phase can increase the electrical resistance of the workpiece without significantly influencing the magnetic properties of the workpiece. The mass fraction of this at least one further powder component of material group K in the powder composition is a maximum of 10% in total.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Pulverzusammensetzung eine magnetische Pulverkomponente aus einem ferritischen Stahl oder Edelstahl beinhaltet, der als Legierungsbestandteile Chrom, Nickel, Mangan und/oder Silizium aufweist, ist es außerdem durch eine Wärme- oder Glühbehandlung dieser Pulverkomponente(n) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wie beispielsweise Luft, möglich, diese Legierungsbestandteile (teilweise) zu oxidieren. Die auf diese Weise erzeugten Oxide können als Widerstände im Gefüge des Stahls wirken und somit die elektrische Leitfähigkeit des Werkstücks reduzieren. Es können durch die Oxide, die bereits vor dem Sintern auf den Pulveroberflächen erzeugt wurden, auch magnetische (ferritische) Phasen erzeugt werden. Ferner kann durch die Oxidbildung (durch Glühen an Luft) nach dem Sintern die Farbe des Werkstücks verändert werden.In embodiments in which the powder composition contains a magnetic powder component made of a ferritic steel or stainless steel, which contains chromium, nickel, manganese and / or silicon as alloy components, it is also through a heat or annealing treatment of these powder component (s) in an oxygen-containing atmosphere , such as air, possible to (partially) oxidize these alloy components. The oxides produced in this way can act as resistors in the structure of the steel and thus reduce the electrical conductivity of the workpiece. Magnetic (ferritic) phases can also be generated by the oxides that were generated on the powder surfaces before sintering. Furthermore, the color of the workpiece can be changed by the oxide formation (by glowing in air) after sintering.
In einer weiteren möglichen Ausführungsvariante ist der Werkstoff einer zusätzlichen nicht-magnetischen Pulverkomponente aus Aluminium oder aus Kupfer ausgewählt.In a further possible embodiment variant, the material of an additional non-magnetic powder component made of aluminum or copper is selected.
Hier kommen zur Einstellung der gewünschten magnetischen Eigenschaften insbesondere magnetische Pulverkomponenten in Frage, die aus den Werkstoffgruppen A bis D und F ausgewählt sind, beispielsweise mit einem Massenanteil von insgesamt 10 % bis 40 %. Bei Aluminium bietet sich noch die Möglichkeit, durch Zulegieren von Mangan und Kupfer zusätzlich Heusler-Phasen zu erzeugen, die ferromagnetisch sind, ohne selbst ferromagnetische Elemente zu enthalten.Magnetic powder components selected from material groups A to D and F are particularly suitable for setting the desired magnetic properties, for example with a total mass fraction of 10% to 40%. In the case of aluminum, there is also the possibility of additionally adding Heusler phases by alloying manganese and copper, which are ferromagnetic without even containing ferromagnetic elements.
In einer weiteren möglichen Ausführungsvariante ist der Werkstoff einer zusätzlichen nicht-magnetischen Pulverkomponente Kupfer. In diesem Beispiel kommen zur Einstellung der gewünschten Werkstoffeigenschaften, wie Leitfähigkeit und Farbe, weitere zusätzliche Pulverkomponenten in Frage, die beispielsweise ausgewählt sein können aus:
- - Werkstoffgruppe L, umfassend Mangan, Aluminium, Titan, Silizium, und den Werkstoffgruppen A bis G.
- - Material group L, including manganese, aluminum, titanium, silicon, and material groups A to G.
Vor dem Sintern der Pulverzusammensetzung können die Pulverteilchen der Pulverkomponenten in der Pulverzusammensetzung homogen durchmischt werden, so dass es sich bei der Pulverzusammensetzung dann um eine homogen gemischte Pulvermischung handelt. Es ist aber auch möglich, dass nicht alle oder keine der Pulverkomponenten vor dem Sintern durchmischt werden. Eine Durchmischung der Pulverkomponenten erfolgt dann erst während des Sinterns durch die bereits beschriebenen Diffusionsprozesse. Insbesondere können die Pulverkomponenten in der Pulverzusammensetzung schichtförmig übereinander angeordnet werden. Hierbei kann es erforderlich sein, nach jeder Herstellung einer der Schichten die Pulverzusammensetzung erneut zu verdichten. Anstelle eines solchen schichtweisen Verdichtens der Pulverzusammensetzung kann ein Schichtaufbau der Pulverzusammensetzung unter Verwendung von Druckverfahren hergestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, eine (oder mehrere) der Pulverkomponenten in einem fließfähigen oder pastösen Hilfsmedium zu dispergieren und dann mittels eines Druckverfahrens eine Schicht dieser Dispersion (Paste) herzustellen. Es ist beispielsweise möglich, eine (oder mehrere) der Pulverkomponenten in einem fließfähigen oder pastösen Hilfsmedium zu dispergieren und dann mittels eines Druckverfahrens eine Schicht dieser Dispersion (Paste) herzustellen. Es ist beispielsweise möglich, die andere(n) Pulverkomponente(n) zunächst zu einem Pressrohling zu verdichten und die Dispersion mit den in ihr dispergierten Pulverteilchen anschließend mittels des Druckverfahrens in Porenräume des Pressrohlings einzubringen, indem der Pressrohling mit der Dispersion (Paste) bedruckt wird, etwa mittels eines Tampondruckverfahrens, oder eines Ink-Jet-Druckverfahrens oder mittels eines Siebdruckverfahrens, beispielsweise mittels eines (kontinuierlichen) Rotationssiebdruckverfahrens. Die Dispersion (d.h. die Farbe im Fall eines Druckverfahrens) kann tief in das poröse Gerüst eindringen und damit eine Gradienten-Wirkung erzielen, die zu einer guten Verbindung mit dem Grundwerkstoff führt. Before the powder composition is sintered, the powder particles of the powder components can be mixed homogeneously in the powder composition, so that the powder composition is then a homogeneously mixed powder mixture. However, it is also possible that not all or none of the powder components are mixed before sintering. The powder components are then only mixed during the sintering by the diffusion processes already described. In particular, the powder components in the powder composition can be arranged in layers one above the other. It may be necessary here to compact the powder composition again after each production of one of the layers. Instead of such a layer-by-layer compression of the powder composition, a layer structure of the powder composition can be produced using printing processes. For example, it is possible to disperse one (or more) of the powder components in a flowable or pasty auxiliary medium and then to produce a layer of this dispersion (paste) by means of a printing process. For example, it is possible to disperse one (or more) of the powder components in a flowable or pasty auxiliary medium and then to produce a layer of this dispersion (paste) by means of a printing process. It is possible, for example, to first compress the other powder component (s) into a press blank and then to introduce the dispersion with the powder particles dispersed therein into the pore spaces of the press blank by means of the printing process, by printing the dispersion blank onto the press blank , for example by means of a pad printing process, or an ink-jet printing process or by means of a screen printing process, for example by means of a (continuous) rotary screen printing process. The dispersion (ie the color in the case of a printing process) can penetrate deeply into the porous framework and thus achieve a gradient effect, which leads to a good connection with the base material.
Je nach Schichtaufbau lässt sich ein Konzentrationsgradient der Werkstoffe der jeweiligen (ggf. dispergierten) Pulverkomponenten innerhalb der Pulverzusammensetzung bzw. des Pressrohlings erzeugen. Beispielsweise kann die Konzentration des aufgedruckten Werkstoffs ausgehend von der Oberfläche der Pulverzusammensetzung bzw. des Pressrohlings zu deren bzw. dessen Mitte abnehmen. Die Konzentrationsgradienten der Werkstoffe können entsprechend auch nach dem Sintern, nachdem sich beispielsweise die Pulverteilchen aus der Dispersion (Paste) mit den übrigen Pulverteilchen verbunden haben, in dem Werkstück bzw. in dem Fertigteil, beispielsweise in der Münze, ganz oder teilweise erhalten bleiben. Auf diese Weise lassen sich auch Attribute wie Mehrfarbigkeit (sichtbare Merkmale) und lokale Werkstoffeigenschaften an der Oberfläche und/oder im Innern des Werkstücks bzw. des Fertigteils einstellen.Depending on the layer structure, a concentration gradient of the materials of the respective (possibly dispersed) powder components can be generated within the powder composition or the press blank. For example, the concentration of the printed material can decrease from the surface of the powder composition or the press blank to the center thereof. Accordingly, the concentration gradients of the materials can also be wholly or partly retained in the workpiece or in the finished part, for example in the coin, even after sintering, for example after the powder particles from the dispersion (paste) have combined with the other powder particles. In this way, attributes such as multicolor (visible features) and local material properties on the surface and / or inside the workpiece or the finished part can also be set.
Insbesondere mittels des oben beschriebenen Druckverfahrens können bei einem entsprechend ausgestalteten Druckmuster auf der Oberfläche des Werkstücks Bereiche mit unterschiedlicher Farbe (Herstellung sichtbarer Kennzeichnungen) und/oder mit unterschiedlichen elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften hergestellt werden, wobei diese Bereiche beispielsweise als Muster oder Dekor, etwa als konzentrische Ringe, oder als Zeichen, Buchstaben oder Ziffern (Zahlen) ausgestaltet sein können. Es können beispielsweise Bereiche hergestellt werden, die sowohl als farbiges Kennzelchen mit bloßem Auge erkennbar als auch elektromagnetisch prüfbar sind.In particular, by means of the printing method described above, areas with a different color (production of visible markings) and / or with different electrical and / or magnetic properties can be produced with a correspondingly designed printing pattern on the surface of the workpiece, these areas for example as a pattern or decor, for example can be designed as concentric rings, or as characters, letters or numbers (numbers). For example, areas can be produced which are both recognizable as a colored label with the naked eye and which can be checked electromagnetically.
Zur Herstellung von Oberflächenbereichen mit unterschiedlichen Farben kann beispielsweise eine Pulverkomponenten aufgedruckt werden, deren Werkstoff eine Farbe aufweist, die sich von der Farbe des Pressrohlings unterscheidet oder die durch eine entsprechende Reaktion mit den übrigen Werkstoffen des Pressrohlings oder mit einer den Pressrohling umgebenden Atmosphäre, beispielsweise beim Sintern oder gegebenenfalls bei einer weiteren Wärmebehandlung (zum Beispiel einer Glühung), eine lokal verschiedene Farbe des Werkstücks innerhalb des jeweils bedruckten Oberflächenbereichs des Pressrohlings bzw. des Fertigteils, beispielsweise der Münze, bewirken. Beispielsweise kann die aufzudruckende Pulverkomponente ein Metall oder eine Legierung sein. Hierfür besonders geeignete Metalle sind beispielsweise Buntmetalle, wie Kupfer, und Titan, wobei besonderes Titan auch mit hohen Sintertemperaturen (wie beispielsweise für Edelstahl) kompatibel ist. Mit Titan können beispielsweise durch Wärmebehandlung unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre blaue Farbtöne (Oxide) erzeugt werden und durch Wärmebehandlung unter stickstoffhaltiger Atmosphäre goldgelbe Farbtöne (Titannitrid). Als geeignete Legierungen kommen vor allem farbige (bunte) Legierungen in Frage wie beispielsweise Bronzen, Messinge und Nordisch-Gold. Außerdem ist es möglich, auf einer Münze, deren Pulverzusammensetzung ein oder mehrere Buntmetalle beinhaltet, oder die eine Buntmetall-Oberfläche durch eine entsprechende Beschichtung aufweisen, können durch Aufdrucken beispielsweise von Nickel, Edelstahl-Pulvern, Silber, Neusilber und vielen anderen Metallen, die eine andere nicht „bunte“ Farbe aufweisen (wie beispielsweise Zinn, Palladium, Eisen und Aluminium) kontrastreiche Dekore und Muster aufgebracht werden, die ebenfalls neben den optischen Merkmalen auch die elektromagnetischen Eigenschaften lokal verändern.For the production of surface areas with different colors, for example, a powder component can be printed on, the material of which has a color that differs from the color of the press blank or by a corresponding reaction with the other materials of the press blank or with an atmosphere surrounding the press blank, for example in the case of Sintering or, if necessary, during a further heat treatment (for example annealing), cause a locally different color of the workpiece within the respectively printed surface area of the pressed blank or of the finished part, for example the coin. For example, the powder component to be printed can be a metal or an alloy. Metals that are particularly suitable for this purpose are, for example, non-ferrous metals, such as copper, and titanium, with particular titanium also being compatible with high sintering temperatures (such as for stainless steel). With titanium, for example, blue shades (oxides) can be produced by heat treatment in an oxygen-containing atmosphere and gold-yellow shades (titanium nitride) by heat treatment in a nitrogen-containing atmosphere. Colored alloys such as bronzes, brasses and Nordic gold are particularly suitable as suitable alloys. It is also possible, on a coin, the powder composition of which contains one or more non-ferrous metals, or which have a non-ferrous metal surface by means of a corresponding coating, by printing, for example, nickel, stainless steel powders, silver, nickel silver and many other metals, which one other non-"colorful" colors (such as tin, palladium, iron and aluminum) are applied with high-contrast decors and patterns, which also change the electromagnetic properties locally in addition to the optical characteristics.
Weitere auf die beschriebene Weise aufdruckbare Werkstoffe zur Erzeugung farblicher Kennzeichen sind Aluminium und Aluminide, wie beispielsweise die Eisenaluminide FeA und FeAl3, wobei die Aluminide vorzugsweise durch anodisches Oxidieren in ihrer Farbe verändert werden, um sichtbare Merkmale zu generieren. Other materials which can be printed on in the manner described for producing color codes are aluminum and aluminides, such as, for example, the iron aluminides FeA and FeAl 3 , the color of the aluminides preferably being changed by anodic oxidation in order to generate visible features.
Durch die beschriebenen Konzentrationsgradienten verschiedener Werkstoffe im Innern und/oder auf der Oberfläche der Pulverzusammensetzung bzw. des Pressrohlings können im Fall der genannten Stahlwerkstoffe und der oben genannten Austenitbildner und/oder Ferritbildner beim Sintern und/oder bei weiterer Wärmebehandlungen entsprechende Konzentrationsgradienten verschiedener Stahlphasen, beispielsweise der ferromagnetischen ferritischen Stahlphase und der nicht-magnetischen austenitischen Stahlphasen, auf der Oberfläche und/oder im Innern des Werkstücks bzw. des Fertigteils hergestellt werden. Sind also der Werkstoff oder die Werkstoffe der Pulverteilchen der aufzudruckenden Pulverkomponente(n) aus den Werkstoffgruppen der Ferritbildnern und der Austenitbildner, können auf der Oberfläche des Werkstücks bzw. des Fertigteils (bspw. der Münze) Bereiche hergestellt werden, die sich voneinander durch ihre Stahlphasenkonzentrationen unterscheiden und beispielsweise verschieden große ferritische Phasenanteilen und verschieden große austenitischen Phasenanteile aufweisen. Durch den oben beschriebenen Schichtaufbau lassen sich im Fall entsprechend gewählter Austenitbildner bzw. Ferritbildner für solche Schichten, die an Schichten aus einem Stahlwerkstoff angrenzen, im Innern des Werkstücks bzw. Fertigteils ebenfalls (schichtförmige) Bereiche mit lokal unterschiedlichen Stahlphasenanteilen und entsprechende Konzentrationsgradienten der Stahlphasen erzeugen. Die sich hierdurch ergebenen Gradienten in den elektrischen und magnetischen Eigenschaften können beispielsweise mittels elektromagnetischer Testsignale mit unterschiedlichen Messfrequenzen gemessen und ausgewertet werden.Due to the described concentration gradients of different materials inside and / or on the surface of the powder composition or the pressed blank, in the case of the mentioned steel materials and the above-mentioned austenite formers and / or ferrite formers, corresponding concentration gradients of different steel phases, for example the ferromagnetic ferritic steel phase and the non-magnetic austenitic steel phases, are produced on the surface and / or inside the workpiece or the finished part. If the material or the materials of the powder particles of the powder component (s) to be printed are from the material groups of the ferrite formers and the austenite formers, areas can be produced on the surface of the workpiece or the finished part (e.g. the coin) that differ from one another by their steel phase concentrations distinguish and have, for example, different sizes of ferritic phase components and different sizes of austenitic phase components. Due to the layer structure described above, in the case of appropriately selected austenite formers or ferrite formers for layers that adjoin layers made of a steel material, (layer-shaped) areas with locally different steel phase fractions and corresponding concentration gradients of the steel phases can also be generated inside the workpiece or finished part. The resulting gradients in the electrical and magnetic properties can be measured and evaluated for example by means of electromagnetic test signals with different measuring frequencies.
Vorteilhafterweise sind die mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Werkstücke praktisch frei von Texturen bzw. (kristallinen) Vorzugsorientierungen und können daher besonders einfach durch Umformverfahren und ohne störende Ausbuchtungen in eine gewünschte Form oder Gestalt gebracht werden. Oftmals ist so eine besonders maßgenaue Fertigung möglich, bei der nur geringfügige Nacharbeiten erforderlich sind. Da die Werkstücke typischerweise einen relativ kleinen Umformwiderstand aufweisen, ist es vorteilhafterweise außerdem möglich, eine besonders breite Palette verschiedener Werkstoffe zu verarbeiten, eben auch solche Materialien mit relativ hoher Festigkeit.Advantageously, the workpieces produced with the method proposed here are practically free of textures or (crystalline) preferred orientations and can therefore be brought into a desired shape or shape particularly easily by forming processes and without disruptive bulges. Often, this enables particularly dimensionally accurate production, in which only minor rework is required. Since the workpieces typically have a relatively low deformation resistance, it is advantageously also possible to process a particularly wide range of different materials, including materials with relatively high strength.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den
-
1 : eine perspektivische Ansicht einer zu einem Pressrohling verdichteten Pulverzusammensetzung gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen pulvermetallurgischen Herstellungsverfahrens, -
2 : einen Teilbereich des in1 gezeigten Pressrohlings in einer stark vergrößerten Ansicht, -
3 : eine perspektivische Ansicht eines Münzrohlings, der durch Sintern des in1 gezeigten Pressrohlings hergestellt worden ist, -
4 : einen Teilbereich des in3 gezeigten Münzrohlings in einer stark vergrößerten Ansicht, -
5 : Pressrohling zur Herstellung einer Umlaufmünze hier vorgeschlagener Art in einer Ansicht von oben, -
6 : eine Ansicht eines Querschnitts durch den in5 gezeigten Pressrohling entlang der in5 gekennzeichneten Schnittlinie, -
6A-6C : Teilbereiche des in6 gezeigten Querschnitts, jeweils in einer stark vergrößerten Ansicht, -
7 : Umlaufmünze, hergestellt durch Sintern des in5 gezeigten Pressrohlings in einer Ansicht von oben, -
8 : eine Ansicht eines Querschnitts durch die in7 gezeigte Umlaufmünze entlang der in7 gekennzeichneten Schnittlinie, -
8A-8C : Teilbereiche des in8 gezeigten Querschnitts, jeweils in einer stark vergrößerten Ansicht.
-
1 1 shows a perspective view of a powder composition compressed into a pressed blank according to a special exemplary embodiment of the powder metallurgical production method proposed here, -
2 : a part of the in1 shown press blank in a greatly enlarged view, -
3 : a perspective view of a coin blank obtained by sintering the in1 press blank shown has been produced, -
4 : a part of the in3 shown coin blank in a greatly enlarged view, -
5 : Press blank for the production of a circulation coin of the type proposed here in a view from above, -
6 : a view of a cross section through the in5 press blank shown along the in5 marked cutting line, -
6A-6C : Subareas of the in6 shown cross section, each in a greatly enlarged view, -
7 : Circulating coin made by sintering the in5 shown press blank in a view from above, -
8th : a view of a cross section through the in7 circulation coin shown along the in7 marked cutting line, -
8A-8C : Subareas of the in8th shown cross section, each in a greatly enlarged view.
In den Figuren wiederkehrend verwendete Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder einander entsprechende Merkmale.Reference symbols used repeatedly in the figures denote the same or corresponding features.
In
In
Nachfolgend werden drei spezielle Varianten dieses Ausführungsbeispiels näher erläutert.Three special variants of this exemplary embodiment are explained in more detail below.
Die erste illustrative, aber nicht erfindungsgemäße Variante ist zur Herstellung einer speziellen Aluminium-Edelstahl-Münze mit ferromagnetischen Eigenschaften ausgestaltet. Die Pulverzusammensetzung
Die zweite illustrative, aber ebenfalls nicht erfindungsgemäße Variante dient zur Herstellung einer Kupfer-Edelstahl-Münze mit ferromagnetischen Eigenschaften. Gemäß dieser Variante beinhaltet die Pulverzusammensetzung
Die dritte illustrative, wiederum nicht erfindungsgemäße Variante ist zur Herstellung einer Edelstahl-Reineisen-Münze geeignet. Hier beinhaltet die Pulverzusammensetzung 2 zu 74,2 Gew% eine nicht-magnetischen Pulverkomponente aus einem wasserverdüsten, austenitischen Edelstahl-Pulver des Typs 316 L (nach AISI; Werkstoffnummer 1.4404), deren Pulverteilchen
Es sind außerdem eine sehr große Vielzahl weiterer Varianten möglich, die sich insbesondere durch ihre Pulverzusammensetzung und ihre Prozessparameter voneinander unterscheiden, so dass durch jede der Varianten ein charakteristischer Satz von Werkstoffeigenschaften, wie etwa elektrische Leitfähigkeit, magnetische Permeabilität, Gefügestruktur, Festigkeit, Massendichte etc., erzielt werden kann.A very large number of other variants are also possible, which differ from one another in particular by their powder composition and their process parameters, so that each of the variants gives a characteristic set of material properties, such as electrical conductivity, magnetic permeability, microstructure, strength, mass density, etc. , can be achieved.
Wie in
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung einer Pulverzusammensetzung
Eine erste weitere Pulverkomponente der Pulverzusammensetzung
Der Münzrohling
In einem nachfolgenden Schritt wird die Münze
Es ist prinzipiell möglich, bereits beim Herstellen des Pressrohlings
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- PressrohlingPress ingot
- 22
- Pulverzusammensetzungpowder composition
- 33
- Teilbereichsubregion
- 44
- Pulverteilchen einer magnetischen PulverkomponentePowder particles of a magnetic powder component
- 55
- Pulverteilchen einer nicht-magnetischen PulverkomponentePowder particles of a non-magnetic powder component
- 66
- Werkstückworkpiece
- 77
- Münzrohlingcoin blank
- 88th
- Oberflächesurface
- 99
- Münzecoin
- 1010
- sichtbares Kennzeichenvisible indicator
- 1111
- BereichArea
- 1212
- Porenraumpore space
- 1313
- Pulverteilchen einer ersten weiteren PulverkomponentePowder particles of a first further powder component
- 1414
- Pulverteilchen einer zweiten weiteren PulverkomponentePowder particles of a second further powder component
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