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Verfahren zur Sinterung und gleichzeitigen Diffusionsveredelung von
Eisen- und Stahlgegenständen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diffusionsbehandlung
der Oberflächen von Eisen- oder Stahlgegenständen mit anderen Metallen oder Legierungen,
und zwar von solchen, die nach einem Verfahren der Pulvermetallurgie erhalten wurden.
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Bisher wurde die Diffusionsbehandlung von Metallgegenständen, welche
nach .einem Verfahren der Pulvermetallurgie erhalten worden waren, mit anderen Metallen
oder Legierungen durchgeführt nach Verfahren, wie sie bei der Behandlung üblicher
Metallgegenstände zur Anwendung kamen, d. h., es wurde ein gesinterter Metallgegenstand,
der nach einem Verfahren der Pulvermetallurgie erhalten worden war, üblicherweise
diffusionsbehandelt, nachdem der gesinterte Metallgegenstand einer geeigneten mechanischen
Bearbeitung unterworfen war, beispielsweise einem Preßarbeitsgang oder einem Schmiede-
bzw. Warmverformarbeitsgang. In diesen Fällen mußte jedoch der gesinterte Metallgegenstand
meist während eines verhältnismäßig langen Zeitraumes behandelt werden, beispielsweise
3 bis 4 Stunden bei hohen Temperaturen oberhalb 900° C, um eine ausreichende Diffusionsschicht
zu erhalten, wenn der Metallgegenstand mit einem Metall von hohem Schmelzpunkt,
beispielsweise Chrom, behandelt wurde, außer in den Fällen, wo der Metallgegenstand
mit einem Metall von niedrigem Schmelzpunkt behandelt wurde, wie beispielsweise
Aluminium oder Zink.
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Gemäß der Erfindung wird nunmehr ein Verfahren zur Sinterung und gleichzeitigen
Diffusionsveredelung von Eisen- und Stahlgegenständen angegeben, das sich dadurch
auszeichnet, daß Gegenstände aus Eisen- bzw. Stahlpulver durch Verpressen unter
einem Druck von 5 bis 9 tfcm2 geformt und nach dem an sich bekannten Einsatzdiffusionsverfahren
durch Einbetten in ein Pulvergemisch aus feuerfestem Material und einem oder mehreren
Legierungsmetallen mit einer Diffusionstemperatur, die etwa der Sintertemperatur
des Eisen- oder Stahlpulvers entspricht, und durch Erhitzen in reduzierender Atmosphäre
gleichzeitig in einem Arbeitsgang gesintert und diffusionsvergütet werden. Ein solches
Verfahren besitzt den Vorteil, daß eine gewünschte Diffusionsschicht in einer äußerst
kurzen Zeit erhalten werden kann, da sowohl das Eindiffundierungsverfahren gegenüber
einer Behandlung eines fertigen Körpers verkürzt als auch das Eindiffundieren und
Sintern in einem Arbeitsgang durchgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, daß eine dickere Diffusionsschicht erhalten werden kann. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß die Diffusion bei einer Temperatur ausgeführt werden kann, die
im wesentlichen gleich der Sintertemperatur der Eisenpulver ist.
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Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem oder
mehreren Legierungsmetallen durchgeführt, das oder die aus den Metallen Chrom, Nickel,
Molybdän und rostfreiem Stahl ausgewählt werden.
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Werden eines oder mehrere der obengenannten bevorzugten Legierungsmetalle
für die Vergütung verwandt, so wird das Verfahren am zweckmäßigsten bei einer Temperatur
zwischen 1100 und 13000C
durchgeführt.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand von weiteren vorzugsweisen
Ausführungsbeispielen, an Hand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert
werden, in der B i 1 d 1 den Einfluß der Vorpreßdrücke auf die Tiefe einer Chrom-Eindiffundierschicht
im Fall der Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und B i 1 d 2 die Dichteverteilungen
von Nickel und Chrom in Gegenständen, die gemäß der Erfindung behandelt werden,
zeigt.
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Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein ungesinterter,
poröser Metallgegenstand, welcher durch Vorverpressen : eines gepulverten Metalls,
insbesondere von Eisenpulvern oder Stahlpulvern,
gebildet wurde,
mit einem anderen Metall gleichzeitig mit der Sinterung des Metallgegenstandes diffusionsbehandelt,
wobei gegebenenfalls mit dem gesinterten Metall eine einmalige oder mehrmalige anschließende
Walzbehandlung, Preßbehandlung und Anlaßbehandlung durchgeführt werden kann.
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Die Vorverpressungsstufe für die Eisenpulver oder Stahlpulver wird
beim erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt, indem die Pulver bei einem Druck
von 5 bis 9 t/cm2 nach ihrer Formung zu der gewünschten Form vorverpreßt werden.
Jedoch ist in Anbetracht der Tiefe der Diffusionsschicht, wie nachfolgend näher
erläutert werden wird, ein Druck von 6 bis 8 t/cm2 zu bevorzugen.
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Die erfindungsgemäße Diffusionsbehandlung kann durchgeführt werden,
indem ein ungesinterter, vorgeformter Metallgegenstand in die Pulver des Metalls
oder der Legierung, die einzudiffundieren sind, eingelegt wird, wobei die Diffusionsbehandlung
und die Sinterung gleichzeitig durchgeführt werden.
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Da die Sinterung gleichzeitig mit der Diffusionsbehandlung beim erfindungsgemäßen
Verfahren ausgeführt werden muß, muß die Sintertemperatur praktisch dieselbe sein
wie die Temperatur für die Diffusionsbehandlung. Geeignete, auf pulvermetallurgischem
Weg erhaltene Gegenstände, die gemäß der Erfindung behandelt werden können, sind
vorzugsweise diejenigen, die aus Eisenpulvern oder Stahlpulvern von insbesondere
200 bis 300 meshes hergestellt sind. Als Metalle oder Legierungen, die als Diffusionsstoffe
für das erfindungsgemäße Verfahren bei der Sinterungstemperatur von Eisen oder Stahl
verwendet werden können, sind Pulver von Chrom, Nickel, Molybdän und rostfreiem
Stahl besonders brauchbar, und sie können in Form von Metallen oder Metallchloriden
eingesetzt werden.
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Bei der Durchführung der Sinterung und Diffusionsbehandlung durch
Einbringen eines vorverpreßten Gegenstandes aus einem gepulverten Metall in die
Pulver eines Metalls oder einer Legierung, die in den Gegenstand einzudiffundieren
sind, kann ein übliches Pulver aus feuerfestem Material, beispielsweise Aluminiumoxydpulver,
in die Metall- oder Legierungspulver zugemischt werden, um das Sintern der Metall-
oder Legierungspulver zu verhüten. Die Behandlung kann vorzugsweise in einer reduzierenden
Atmosphäre durchgeführt werden, und die geeignete Temperatur beträgt beispielsweise
im Fall der Behandlung von Eisenpulvern etwa 1100 bis 1300° C. Der Behandlungszeitraum
liegt in geeigneter Weise zwischen etwa 1 und 3 Stunden, kann jedoch möglicherweise
gegebenenfalls kürzer oder länger sein.
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Der diffusionsbehandelte Gegenstand kann weiterhin bei einer Temperatur
von 1100 bis 1300° C in einem Wasserstoffstrom gehalten werden und anschließend
langsam abgekühlt werden, um die Korrosionsbeständigkeit des Gegenstandes zu steigern.
Bei den vorstehenden Ausführungen wurde nur Wasserstoff angeführt, jedoch können
auch andere reduzierende Gase in entsprechender Weise angewandt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Tiefe der Diffusionsschicht
des eindiffundierten Metalls oder der eindiffundierten Legierung mehr als 50 « innerhalb
eines verhältnismäßig kurzen Zeitraumes erreichen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren können nach der gleichzeitigen Anwendung
von Sinterung und Diffusionsbehandlung Walz-, Preß- und AtilaB-behandlungen mit
dem so behandelten Gegenstand einmal oder wiederholt durchgeführt werden, falls
es erforderlich ist, das Ausmaß der Sinterung zu erhöhen oder die Tiefe der Diffusionsschicht
zu verstärken.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ganz allgemein auf Metallgegenstände
anwenden, jedoch ist seine Anwendung am günstigsten in dem Fall, wo eine Metallplatte
aus Metallpulvern durch Verpressen und Sintern erzeugt wird.
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In B i 1 d 1 ist der Einfluß des Druckes bei der Vorverpressung von
Eisenpulvern auf die Tiefe der Diffusionsschicht nach der Sinterung dargestellt,
wobei eine Diffusionsbehandlung mit Chrom erläutert wird. Im dargestellten Fall
wurde die Sinterungs-und Diffusionsbehandlung 2 Stunden lang bei 1200° C durchgeführt.
Wie aus B i 1 d 1 ersichtlich, nimmt die Tiefe der Diffusionsschicht ab, wenn der
Druck beim Vorverpressen ansteigt. Die anscheinende spezifische Dichte wurde nach
dem Sintern in diesem Fall von etwa 6,5 auf 7,1 erhöht. Es ergibt sich, daß die'Diffusion
leichter erfolgt, wenn der Druck für das Vorverpressen niedriger ist und die Porosität
des zu sinternden Gegenstandes höher ist. Wenn man jedoch das Sinterungsausmaß von
Eisenpulvern, wie vorstehend ausgeführt, in Betracht zieht, liegt der geeignete
Druck für das Vorverpressen bei 5 bis 9 t/cmE, wie sich auch aus B i 1 d 1 ergibt.
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In B i 1 d 2 sind die Ergebnisse von Untersuchungen über die Dichteverteilungen
von - Nickel und Chrom mittels eines Röntgenstrahl-Mikroanalysators in dem Fall,
wo Eisenpulvergegenstände bei einem Druck von 7 t/cm2 vorgefertigt wurden, dargestellt,
welche in eine Pulvermischung aus Nickel und einem feuerfesten Material bzw. in
eine Pulvermischung aus Chrom und dem feuerfesten Material eingebracht wurden und
dann einem Wasserstoffstrom während 2 Stunden bei 1200° C ausgesetzt wurden.
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Ein Vergleichsergebnis im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren
gegenüber einem üblichen Verfahren ist in der folgenden Tabelle gezeigt, in der
die Chromdiffusionsschicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Fall der Anwendung
eines Druckes von 7 t/cm2 für die Vorverpressung verglichen ist, mit einem Fall,
bei dem ein unberuhigter Stahl in üblicher Weise diffusionsbehandelt wurde, und
mit einem Fall, in dem ein fertiggestellter Gegenstand aus Eisenpulver diffusionsbehandelt
wurde, nachdem er, wie üblich, gesintert worden war.
| Tiefe |
| der |
| Verfahren Diffusiom- |
| schicht |
| Erfindungsgemäßes Verfahren) .... 110 |
| Chromdiffusion in dem unberuhigten |
| Stahlstreifen .................... 68 |
| Chromcliffiision in dem Eisenpulver- |
| gegenstand nach der Sinterung ... . 64 |
| *) Der ungesinterte Gegenstand wurde durch Vorverfor- |
| mung von Eisenpulvern bei einem Druck von 7 t/cma her- |
| gestellt und mit Chrom 2 Stunden bei 1200° C eindiffnndierL |
Wie sich aus der Tabelle ergibt, ist die Eindringtiefe der Diffusionsschicht bei
dem erfindungsgemäßen
Verfahren etwa zweimal so tief wie bei den
üblichen Verfahren. Darüber hinaus wurde der Einfluß der Sinterungstemperaturen
auf die Tiefe der Diffusionsschicht in einem praktischen Bereich der Sinterungstemperaturen
für Eisenpulver, d. h. im Bereich von 1100 bis 1300° C, untersucht und gefunden,
daß die Tiefe der Diffusionsschicht ansteigt, wenn die Sinterungstemperatur erhöht
wird. Die Änderung der Tiefe der Diffusionsschicht in Verbindung mit den Sinterungszeiträumen
wurde ebenfalls am Fall der Verwendung von Chrom beim Sintern bei 1200° C untersucht,
jedoch wurde dabei die Tiefe nicht bemerkenswert in einem Bereich von 1 bis 3 Stunden
beeinflußt, und sie lag dabei stets im Bereich von 100 bis 110 Mikron.
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Wie vorstehend ausgeführt, wird erfindungsgemäß der gewünschte Metalldifffusionsüberzug
gleichzeitig mit dem Sintern von Metallpulvern erreicht, und der vorverpreßte Metallgegenstand,
der behandelt werden soll, ist beim Sintern porös, so daß die Eindiffundierbarkeit
des überzugsmetalls ausgezeichnet ist und eine ziemlich dicke Diffusionslegierungsschicht
in verhältnismäßig kurzem Zeitraum erhalten werden kann. Darüber hinaus werden die
feinen Nadellöcher in der Oberfläche des zu sinternden Metallgegenstandes durch
die Eindiffusion des Metalls verstopft, so daß der Sinterungseffekt des Gegenstandes
erhöht wird. Infolgedessen kann auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Metallgegenstand
mit einer auflegierten Schicht von ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Abriebbeständigkeit
erhalten werden.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung weiterhin, ohne sie
zu begrenzen.
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Beispiel 1 Diffusionsüberzug aus Chrom 1. Ein ungesinterter Gegenstand
wurde hergestellt durch Verpressen von Eisenpulvern von etwa 250 meshes bei einem
Druck von 7 t/cm2. Dieser Gegenstand wurde in eine Pulvermischung aus 55 % Cr und
45 % A1203 eingebracht, 2 Stunden auf 1200° C in einem Wasserstoffstrom erhitzt
und im Ofen abgekühlt, wobei sich eine Chrom-Diffusionsschicht von 110 Mikron Dicke
ergab.
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2. Eisenpulver wurden unter Pulverwalzen von 3,5 Umdr./Min. durchgeführt,
so daß sich ein Grünstreifen ergab, welcher in eine Pulvermischung aus 55 % Cr und
45 % A1203 eingebracht wurde und 1 Stunde auf 1300° C in einem Wasserstoffstrom
erhitzt wurde, worauf sich eine Ofenabkühlung anschloß. Der auf diese Weise behandelte
Streifen wurde einem Kaltwalzen von 50% bei Raumtemperatur unterworfen, 1 Stunde
bei 1100°C in einem Wasserstoffstrom angelassen und im Ofen abgekühlt, wodurch sich
eine Cr-Diffusionsschicht von 65 Mikron ergab.
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Wenn der auf diese Weise erhaltene gesinterte Gegenstand mit der Chrom-Diffusionsschicht
einem Laugensprühtest oder einem Salzwassersprühtest unterworfen wurde, wurde der
Gegenstand kaum korrodiert, was zeigt, daß die Oberflächenschicht eine hohe Korrosionsbeständigkeit
zeigt.
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Beispiel 2 Diffusionsüberzug aus Molybdän Ein Metallgegenstand wurde
durch Preßverformen von Eisenpulvern von etwa 250 meshes bei einem Druck von 7 t/cm2
hergestellt. Der Gegenstand wurde in eine Pulvermischung aus 55 % Mo und 45o%Al203
eingebracht, 2 Stunden auf 1200° C in einem Wasserstoffstrom erhitzt und im Ofen
abgekühlt, wobei sich eine Molybdän-Diffusionsschicht von 180 Mikron Dicke ergab.
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Beispiel 3 Diffusionsüberzug aus Nickel Ein Gegenstand wurde durch
Verpressen von Eisenpulvern von etwa 200 meshes bei einem Druck von 7 t/cm2 hergestellt
und in eine Pulvermischung aus 5501o Nickel und 45% A403 eingebracht. Darin wurde
er 2 Stunden auf 1200° C in einem Wasserstoffstrom erhitzt und anschließend im Ofen
abgekühlt, wobei sich eine Nickel-Diffusionsschicht von 48 Mikron Tiefe ergab.
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Beispiel 4 Diffusionsüberzug aus rostfreiem Stahl 18-8 Ein Gegenstand
wurde durch Verpressen von Eisenpulvern von etwa 250 meshes bei einem Druck von
7 t/cm2 hergestellt und in eine Pulvermischung aus 55 % rostfreiem Stahl 18-8 und
45 % A103 eingebracht und darin 2 Stunden auf 1200° C in einem Wasserstoffstrom
erhitzt. Es ergab sich eine Diffusionsschicht aus rostfreiem Stahl von 34 Mikron
Dicke. Beispiel 5 Gleichzeitiger Diffusionsüberzug aus Chrom und Nickel Eisenpulver
von etwa 200 meshes wurden bei einem Druck von 7 t/cm2 und Raumtemperatur zu einem
Versuchsstreifen von 100 - 10 - 5 mm geformt. Die Probe wurde in eine Pulvermischung
aus Cr von 200 meshes, Ni von 200 meshes und A1203 von 200 meshes in einem Verhältnis
von 2: 1: 5 eingebracht und auf 1200° C erhitzt, während 0,1 bis 0,31/Min. Wasserstoffgas
durchgeleitet wurden. Nach 2stündigem Beibehalten derTemperatur ist die Probe angelassen
und wird im Ofen abgekühlt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wurde die auf diese
Weise erhaltene Diffusionsschicht untersucht, und es wurde festgestellt, daß eine
Fe-Ni-Cr-Legierungsschicht von 50 i. Tiefe und mit einer Oberflächendichte an Chrom
von etwa 13 % und einer Oberflächendichte von Nickel mit etwa l % erhalten worden
war. Durch Veränderung des Mischungsverhältnisses z. B. von Cr/Ni kann die Legierungszusammensetzung
der Diffusionsschicht verändert werden. Zum Beispiel kann, wenn das Verhältnis Cr/Ni
1: 5 beträgt, eine Oberfläche erhalten werden, bei der die Konzentration
von Chrom etwa 10 % und die Konzentration von Nickel etwa 9 % beträgt.