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Verfahren zur Herstellung warmfester und gleichzeitig korrosionsbeständiger
Aluminiumsinterwerkstoffe Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung warmfester
und gleichzeitig korrosionsbeständiger Aluminiumsinterwerkstoffe. Die Korrosionsbeständigkeit
soll sich nicht ausschließlich, jedoch vorwiegend auf Wasser hoher Temperatur und
hohen Druckes beziehen.
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Die Entwicklung der Technik verlangt nach Werkstoffen, die neben guter
Korrosionsbeständigkeit, z. B. gegen Wasser verschiedener Temperaturen und verschiedenen
Aggregatzustandes, gegen Gase oder organische Flüssigkeiten, auch gute Warmfestigkeitseigenschaften,
vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 200 und 500° C, besitzen. Solche Materialien
sind bisher z. B. auf dem Gebiet der legierten Stähle, der Nickellegierungen, der
seltenen Metalle u. a. mehrfach bekanntgeworden und werden in größerem Umfang in
der chemischen Technik, im Apparatebau, im Turbinenbau, in der Kerntechnik sowie
in anderen Industriezweigen eingesetzt. Größtenteils sind solche Materialien auch
bei noch höheren Temperaturen als oben angegeben, einsetzbar. Im Gebiet der Leichtmetalle,
z. B. auf dem Aluminiumsektor, ist es jedoch weit schwieriger, geeignete Werkstoffe
zu finden bzw. herzustellen, die im angegebenen Temperaturbereich von 200 und darunter
bis 500° C und teils darüber gleichzeitig warmfest und korrosionsbeständig sind.
Es sind zwar Verfahren zur Herstellung von Aluminiumschmelzlegierungen mit relativ
guter Korrosionsbeständigkeit, auch gegen Wasser hoher Temperatur, bekannt. Bei
diesen werden entweder geringe Mengen von Eisen, Nickel oder Silizium, einzeln oder
gemeinsam, vorzugsweise in Mengen bis zu etwa 3% Ge.samtlegierungsgehalt oder größere
Mengen an Silizium, vorzugsweise 911/o einzeln oder in Kombination mit kleineren
Mengen, vorzugsweise 1% Nickel und/oder Titan, einzeln oder getrennt, zulegiert.
Die Warmfestigkeitseigenschaften dieser Aluminiumschmelzlegierungen sind sehr schlecht.
Weiterhin sind Verfahren zur Herstellung von Aluminiumsinterwerkstoffen bekannt,
die gute Warmfestigkeitseigenschaften, auch bei den höchsten der oben genannten
Temperaturen, besitzen. Diese enthalten in ihrem Gefüge einen sehr fein verteilten
Aluminiumoxydanteil von etwa 6 bis 15, vorzugsweise 10 bis 141/o. Sie werden auf
pulvermetallurgischem Wege durch Pressen, Sintern und Strangpressen hergestellt.
Diese urlegierten Aluminiumsinterwerkstoffe haben jedoch in Wasser oder Wasserdampf
über 200° C völlig unzureichendes Korrosionsverhalten.
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Es sind weiterhin auch Aluminiumsinterwerkstoffe bekannt, die metallische
Legierungselemente, und zwar 1 bis 2 Gewichtsprozent Nickel enthalten. Durch diese
Zusätze wird eine Verbesserung des Korrosionsverhaltens in Wasser und Wasserdampf
hoher Temperaturen gegenüber dem völlig unzureichenden Verhalten des urlegierten
Sinteraluminiums erreicht. Diese bekannten Verfahren und Werkstoffe haben den Nachteil,
daß die Eigenschaften guter Warmfestigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit noch
nicht im genügenden Maße in einem Werkstoff vereinigt sind. Insbesondere befriedigt
die Korrosionsbeständigkeit auch der mit 1 bis 21/o Nickel legierten Aluminiumsinterwerkstoffe
noch nicht.
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Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, welches die
Herstellung eines geeigneten Aluminiumsinterwerkstoffes gestattet, der sowohl Warmfestigkeit
als auch Korrosionsbeständigkeit, vorwiegend gegen Wasser hoher Temperatur, gleichzeitig
in genügendem Maße erfüllt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß
zunächst eine Aluminiumschmelzlegierung in an sich bekannnter Weise mit den das
Korrosionsverhalten ganz besonders verbessernder< Legierungsbestandteilen, nämlich
mit mehr als 5%, vorzugsweise 8 bis 12% Silizium, in Kombination mit geringen Mengen
Nickel und/oder Titan, vorzugsweise bis etwa 3%, erzeugt wird. Nach Erhalt dieser
Legierung erfolgt die Weiterverarbeitung zu . Aluminiumlegierungspulver. Dies geschieht
beispielsweise durch Verdüsen, wobei der Oxydgehalt des Pulvers auf 1 bis 2% ansteigt.
Daran anschließend wird der Oxydgehalt
des Pulvers weiter erhöht.
Dies erfolgt durch Oxydation bei weiterem Vermahlen in Schwingmühlen unter Verwendung
von Benzin und Luft. Es ist zweckmäßig, einen Aluminiumoxydanteil von 5 bis 1511/o,
vorzugsweise 8 bis 12%, in feinverteilter Form entstehen zu lassen. Durch das Entstehen
der oxydischen Phase im Aluminiumlegierungspulver wird nicht nur das Warmfestigkeitsverhalten
des herzustellenden Werkstoffes, sondern auch dessen Korrosionsbeständigkeit entscheidend
verbessert. Mit dem auf diese Art und Weise erzeugten Aluminiumlegierungspulver,
das die besonders korrosionshemmenden Bestandteile Silizium, Nickel und/oder Titan
sowie Aluminiumoxyd in sehr fein verteilter Form enthält, lassen sich nunmehr nach
bekannten Sinterverfahren Aluminiumsinterwerkstoffe herstellen, die den in der Einleitung
geschilderten Forderungen in bezug auf Korrosionsbeständigkeit und Warmfestigkeit
genügen.
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Die Zeichnung gibt das Korrosionsverhalten verschiedener Aluminiumsinterwerkstoffe
in hochreinem Wasser, so wie es beispielsweise zur Kühlung in wassergekühlten Kernkraftwerkreaktoren
benutzt wird, bei 300 bzw. 350° C wieder. Die Darstellung erfolgt in doppelt-logarithmischen
Maßstab. Auf der Abszisse ist dabei die Zeit in Stunden, auf der Ordinate als Maß
der Korrosion die Gewichtszunahme der Proben in gim2 aufgetragen. Kurve a zeigt
das Verhalten eines Aluminiumsinterwerkstoffes mit 0,5 Gewichtsprozent Nickel, 0,5
Gewichtsprozent Eisen und 0,2 Gewichtsprozent Silizium neben etwa 10 Gewichtsprozent
Aluminiumoxydanteil. Dieser Werkstoff repräsentiert ebenso wie ein Aluminiumsinterwerkstoff
mit 1 Gewichtsprozent Nickel, dessen Verhalten in Kurve d aufgezeigt ist, den Stand
der Technik, so wie er in der Einleitung beschrieben ist. Die Kurven b und c geben
dagegen das Verhalten von zwei verschiedenen erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffen
wieder. Die Kurve b entspricht dem Aluminiumsinterwerkstoff mit 9 Gewichtsprozent
Silizium, 1 Gewichtsprozent Nickel, 1 Gewichtsprozent Titan neben etwa 10 Gewichtsprozent
Aluminiumoxydanteil; Kurve c gehört zu einem Aluminiumsinterwerkstoff mit 9 Gewichtsprozent
Silizium, 1 Gewichtsprozent Nickel und etwa 10 Gewichtsprozent Aluminiumoxydanteil.
Deutlich ist das überlegene Korrosionsverhalten der erfindungsgemäß hergestellten
legierten hochsiliziumhaltigen Sinterwerkstoffe gegenübenr den bisher bekannten
nickelhaltigen Aluminiumsinterwerkstoffen zu erkennnen. So liegen die Gewichtszunahmen
nach 1200stündiger Korrosionsbeanspruchung in Wasser von 300° C für die hochsiliziumhaltigen
Aluminiumsinterwerkstoffe um einen Faktor 3 bis 5 günstiger.
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Von besonderer Bedeutung ist der Verlauf der Kurve b, bei der nach
etwa 700 Stunden es zu einer wesentlichen Verflachung des Anstieges der Kurve kommt,
was einer sehr wesentlichen Verbesserung des Korrosionsverhaltens entspricht.
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Das Verhalten in Wasser von 350° C wird in den Kurven e und f wiedergegeben.
Während Kurve e das Verhalten des erfindungsgemäß hergestellten Aiuminiumsinterwerkstoffes
mit 9 Gewichtsprozent Silizium, 1 Gewichtsprozent Nickel und Titan wiedergibt, ist
das Verhalten des Aluminiumsinterwerkstoffes mit 1 Gewichtsprozent Nickel in Kurve
f dargestellt. Auch bei dieser Temperatur ist die deutlich bessere Korrosionsbeständigkeit
des erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffes, vor allem durch die wesentlich flachere
Steigung der Korrosions-Zeitkurve, klar zu erkennen.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert werden. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei der
Herstellung von Aluminiumsinterwerkstoffen für eine Korrosionsbeständigkeit und
Warmfestigkeit bis zu Temperaturen von 500° C, vorzugsweise gegen Wasser verschiedener
Aggregatzustände, z. B. wie folgt verfahren: Zunächst wird Reinst- oder Reinaluminium
in geeigneten Anlagen, z. B. in einer Hochfrequenzschmelzanlage, zum Schmelzen gebracht
und in das flüssige Aluminium bei etwa 700° C 9 Gewichtsprozent Silizium und 1 Gewichtsprozent
Nickel in fester, zerkleinerter, metallischer Form eingetragen. Dabei lösen sich
diese Legierungsbestandteile in der Schmelze auf. Die vorhandene Badbewegung reicht
aus, um eine innige Verteilung der Legierungszusätze in der Schmelze zu erzielen.
Diese Legierungsschmelze wird dann in einer bekannten Verdüsungsanlage mit Gegenluftströmung
zu Pulver mit einer 80%igen Hauptkornfraktion mit Korndurchmesser von 0,06 bis 0,30
mm und 1 bis 2 % Oxydanteil verdüst. Als nächste Verarbeitungsstufe folgt die Vermahleng
zu Feinpulver mit gleichzeitiger Oxydation des verdüsten Pulvers in Schwingmühlen
in einem Naßmahlverfahren unter Benzin, wobei genügend Luft zugeführt wird, um die
Oxydation bis zum gewünschten Grad gehen zu lassen. Nach Beendigung des Mahlvorganges
wird im Vakuum von etwa 20 Torr bei 75° C getrocknet, gesiebt und 2 Stunden bei
320° C und 15 Torr geglüht, um letzte Benzinreste zu entfernen. Anschließend wird
aus dem so gewonnenen Feinpulver durch etwa 12stündiges Mahlen in einer Kugelmühle
mit Porzellankugeln Schwerepulver hergestellt. Dabei wird das Schüttgewicht des
Schwerepulvers gegenüber dem des Feinpulvers auf das Dreifache gesteigert. Dieses
so gewonnene legierte und oxydhaltige Aluminiumpulver wird anschließend mit Preßdruck
von 5 t/cm2 kaltgepreßt. Darauf folgt ein Drucksintern bei 550° C und 5 t/cm2. Schließlich
wird der Druckkörper noch durch Strangpressen bei 550° C und 6 t/cm Preßdruck in
die gewünschte Endform gebracht, wobei noch eine weitere Verdichtung erfolgt.