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Verfahren zum Herstellen von porösen Stahl-Sinterkörpern
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Beschreibunff Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Hers-tellen von porösen Stahl-Sinterkörpern.
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Poröse Körper aus gesintertem Stahl- oder Kupferpulver u.dgl.
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sind bisher als Filter für Flüssigkeiten wie Wasser und Öl eingesetzt
worden. In den letzten Jahren wird den porösen Körpern als Schalldämpfungsmaterial
besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da der poröse Aufbau zu einem hohen Schall schluckvermögen
führt. Trotz dieser guten Verwendbarkeit sind die auf dem Markt befindlichen Sinterkörper
aus Werkstoffen wie Eisen-, Kupfer- oder vergleichbarem Pulver nur beschränkt erhältlich,
weil die gefertigten Sinterkörper einen niedrigen Korrosionswiderstand haben und
schwergewichtig sind.
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Um dem zu begegnen, hat die Anmelderin bereits ein Verfahren zur Herstellung
von porösen Sinterkörpern aus spezifisch leichtem Aluminiumpulver vorgeschlagen.
Danach hergestellte
Leichtmetall-Sinterkörper haben eine Porosität
von z.B. 40 % oder darüber und gewährleisten ausgezeichnete Schallabsorption, doch
lassen Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit immer noch zu wünschen übrig.
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Die Erfindung zielt demgegenüber auf ein verbessertes und vereinfachtes
Verfahren zum Herstellen von Stahl-Sinterkörpern, insbesondere aus rostfreiem Stahl
oder Edelstahl, die bei ausreichender Porosität hohe mechanische Festigkeit sowie
l;roße Korrosions- und Wärmebeständigkeit hnben.
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Da Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 1 angegeben.
Die danach hergestellten porösen Edelstahl Sinterkörper haben ausgezeichnete mechanische
Eigenschaften und eignen sich infolge ihres hohen Korrosionswiderstandes und guter
Wärmebeständigkeit auch bei ungünstigen Bedingungen hervorragend als Schalldämpfungsmaterialien.
Der Sintervorgang kann, unabhängig von der Gestalt der Pulverteilchen, bei verhältnismäßig
niedriger Temperatur vor sich gehen. Die Porosität des Sinterkörpers läßt sich dabei
gut einstellen.
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Der im Sinterkörper vorhandene Kupferanteil ist groß, liegt jedoch
vorzugsweise innerhalb der Grenzen der Bestlöslichkeit, -.o d.'0f3 an den Korngrenzen
keLn oder kaum atis£"e."chiedenes Kltpfer auftritt, das die Korrosionsbeständigkeit
herabsetzen könnte.
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Damit sind beträchtliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik
gegeben. Weil nämlich Pulver aus rostfreiem Stahl bzw. Edelstahl eine große Härte
mit Rockwell-Werten von z.B.
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40 bis 50 HRC und entsprechend hohe Sintertemperaturen hat, ist das
Sinterverfahren selbst mit Schwierigkeiten verbunden.
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Gemäß einem herkömmlichen Verfahren wird das Pulver vor dem Sintern
wärmebehandelt, um seine Härte auf weniger als 40 HRC herabzusetzen und unregelmäßig
geformte Pulverteilchen zu erhalten; anschließend wird das Pulver zu einem Körper
vorbestimmter Porosität gewalzt, der bei Temperaturen von z.B.
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1300 bis 1400 °C gesintert wird. Bei diesem Vorgehen ist also
eine
vorherige Wärmebehandlung des Edelstahlpulvers, eine Verformung des Pulvermaterials
zu der gewünschten Gestalt und vor allem ein Sintern bei hoher Temperatur erfordcrliclll,
was sehr aufwendige Vorrichtungen voraussetzt und die Kosten der Sinterfertigung
stark erhöht.
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Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der
Ansprüche 2 bis 6. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsweisen.
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Man kann von einem NiMn- und einem CrMn-Pulver ausgehen, die zunächst
mit einem Edelstahlpulver vermischt werden. Letzteres kann ein Pulver aus rostfreiem
Stahl eines gewöhnlichen Austenit- oder Ferrit-Systems sein. Es ist möglich, getempertes
Edelstallpulver geringerer Härte zu verwenden.
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Sodann wird das Pulvergemisch in lockerer Packung zu der gewünschten
Gestalt geformt, beispielsweise durch Einbringen in ein Gefäß oder, soferne das
Edelstahlpulver wärmebehandelt war, durch Pressen unter Druck. Der geformte Körper
wird dann in einer nichtoxidierenden oder auch inerten Atmosphäre gesintert, beispielsweise
in einer Wasserstoff-Atmosphäre, und zwar beim Schmelzpunkt des NiMn-Pulvers oder
bei höherer Temperatur. Indem bei diesem Verfahren das NiMn-Pulver schmilzt, wird
auch das CrNi-Pulver geschmolzen und das Pulvergemisch verbacken, wobei ein Teil
davon in flüssiger Phase verbleibt.
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Ob es nun ferritisch oder austenitisch ist, Edelstahlpulver enthält
wenigstens 12 96 Chrom und die Pulverteilchen sind infolge der Oxidation des Chroms
sämtlich mit einem Überzug aus Chromoxid (Cr2O3) versehen. Diese Oxidschicht läßt
sich nur unter großen Schwierigkeiten reduzieren; in einem gewöhnlichen Industrieofen
ist das nicht möglich, sondern
es ist ein spezieller Industrieofen
erforderlich, der die Bearbeitllng mit einem Taupunkt von -45 OC bzw. bei Temperaturen
von 1000 OC oder darunter ermöglicht. Wird aber das von solchen Oxidschichten überzogene
Pulver in einer nichtoxidierenden Atmosphäre gehalten, so entstehen selbst dann,
wenn die Oxidschicht nicht reduziert wird, infolge des Unterschiedes zwischen ihrem
Wärmeausdehnungskoeffizienten und demjenigen des innen befindlichen Edelstahlpulvers
Risse, durch welche das vorerwähnte NiMn- bzw. CrNi-Pulver in den Stahl eindiffundiert.
Man muß nun den Taupunkt in der nichtoxidierenden Atmosphäre bei -45 OC oder darunter
halten, vorzugsweise bei etwa -50 °C. Liegt nämlich der Taupunkt oberhalb -45 OC,
so tritt von den Rissen her Sauerstoff in die Teilchen ein und verbindet sich mit
dem Chrom der Edelstahl-Mater unter Bildung des Oxids Cr203.
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Des weiteren wird wenigstens ein NiCr-Pulver zusammen mit dem NiMn-Pulver
in das Edelstahlpulver eingemischt. Das Sintern des Pulvergemisches beginnt bei
einer auf den Schmelzpunkt des NiMn-Pulvers angestiegenen Temperatur und endet bei
einer Temperatur, die in der Nähe des Schmelzpunkts des NiCr-Pulvers liegt. Wie
aus dem Phasendiagramm von NiMn-Pulver ersichtlich ist, liegt sein Schmelzpunkt
am niedrigsten(bei 1018 OC), wenn der Nickelgehalt 40 % beträgt.
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Mischt man also ein NiMn-Pulver (40 % Ni, 60 % Mn) mit dem Edelstahl)ulver
und sintert man das Pulvergemisch bei 1020 bis 1050 OC, so schmilzt das Pulver mit
dem Nickelanteil von 40 o,6 und diffundiert aus den erwähnten Rissen in die Edelstahl-Partikelchen
ein; bei fortschreitendem Sintern findet auch eine Diffusion der flüssigen Phase
in die NiCr-Pulverteilchen statt, so daß das NiCr-Pulver mit dem NiMn-Pulver legiert
und sich seine Zusammensetzung verändert.
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Gelangt nun die Zusammensetzung der so legierten NiCr- und NiMn-Pulver
zum eutektischen Punkt (50 O/o Ni, 50 % Cr) oder
in seine Nähe,
so sinkt der Schmelzpunkt. Beispielswei.se tritt bei einer in der Nähe des eutektischen
Punktes (1343 °C) liegenden Temperatur das Schmelzen des NiCr-Pulvers und das Sintern
in flüssiger Phase ein. Die Ändenng der Zusammensetzung des NiCr-Pulvers durch eindiffundierendes
NiMn-Pulver muß nicht unter allen Umständen durchgängig im NiCr-Pulver erfolgen.
Vielmehr genügt es, wenn nur ein Teil des NiCr-Pulvers mit dem NiMn-Pulver legiert
und die Zusammensetzung des legierten Anteils dem eutektischen Bereich nahekommt.
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Dies ist darin begründet, daß beim Beginn des Schmelzens des Anteils
von eutektischer Zusammensetzung nachfolgend auch die Zusammensetzungen der übrigen
Bestandteile ..ich ändern und diese mit fortschreitendem Sintern ebenfalls schmelzen.
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Wie schon dargelegt, kann das Pulvermaterial aus Edelstahl entweder
dem Ferrit- oder dem Austenit-System angehören.
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Selbst bei ferritischem Edelstahlpulver ist jedoch eine gewisse Löslichkeit
von Chrom, Nickel und Mangan in festem Zustand gegeben. Bei austenitischem Edelstahlpulver
haben die genannten Elemente eine genügende Löslichkeit in festem Zustand, so daß
die Korrosionsbeständigkeit des Sinterkörpers weiter gesteigert werden kann, indem
man sie in geeigneter Menge zusetzt.
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Möglich ist es ferner, nach Bedarf wenigstens einen das Sintern unterstützenden
Bestandteil und/oder ein feinkörniges Material zur Verstärkung der Mater zuzusetzen,
und zwar zusätzlich zu dem NiMn- und NiCr-Pulver. sügt man beispielsweise Kupfer
oder Kupferlegierungs-Pulver hinzu, so wird das Benetzungsvermögen der Pulverteilchen-Oberfläche
während des Sinterns - innerhalb der Grenzwerte der Löslichkeit von Kupfer in festem
Zustand -erhöht, wodurch das Sintern des Pulvergemisches gefördert wird.
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Weil außerdem der Schmelzpunkt von CuMn-Pulver bei eutektischer Zusammensetzung
868 0C beträgt, beginnt das Sintern, sobald die Sintertemperatur einen Wert von
etwa 870 0C erreicht
hat. Überschreitet der Kupfergehalt jedoch
den Grenzwert für Festlöslichkeit, so wird Kupfer an den Anschlußstellen der benachbarten
Pulverteilchen ausgeschieden, wodurch die Korrosionsbestandigkeit des Sinterkörpers
abnimmt. Es wird deshalb bevorzugt, den Kupferanteil kleiner als 3 % des Grenzwertes
der Löslichkeit im festen Zustand zu halten.
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Beim Sintern von Edelstahlpulver, das mit einem Nickelpulver mit beispielsweise
52 bis 54 % Mn, Rest Ni und mit NiCr-Pulver vermischt wird, beginnt der Sintervorgang
gewöhnlich bei etwa 1000 °C. Die Sintertemperatur steigt allmählich an und das Sintern
wird bei etwa 1200 bis 1350 °C beendet. Hierbei schmilzt das NiMn-Pulver zuerst
und der Anteil in flüssiger Phase diffundiert in die Edelstahlpulver- sowie die
NiCr-Pulver-Teilchen bei fortschreitendem Sintern ein. Sobald die Sintertemperatur
etwa 1350 OC erreicht, beginnt das NiCr-Pulver zu schmelzen und das Verbacken mit
flüssiger Phase findet durchgehen statt, so daß der poröse Sinterkörper entsteht.
Um seine Porosität zu steigern, ist es günstig und erfindungsgemäß bevorzugt, wenn
das Pulvergemisch vor dem Sintern in lockerer Packung zu der erwünschten Gestalt
geformt wird. Wo jedoch eine nicht so große Porosität möglich ist oder gewünscht
wird, kann das Pulvergemisch vor dem Sintern auch unter Druck geformt werden. Bei
dieser Preßformung des Pulvergemisches entsteht ein dichter Sinterkörper. Möglich
ist es ferner, Hohlräume im Sinterkörper mit einem Schmiermittel und mit Materialien
zu füllen, welche die Eigenschaften von Lagerkörpern verbessern, beispielsweise
Sulfide, Oxide, Metalle, anorganische oder organische Werkstoffe. Derart hergestellte
Sinterkörper können als Lager und für andere Konstruktionsteile verwendet werden.
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Beim Vermischen von NiMn- bzw. NiCr-Pulver mit Edelstahlpulver ist
es vorzuziehen, daß die Teilchengröße von NiMn- bzw.
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NiCr-Pulver kleiner als diejenige des Edelstahlpulvers ist,
welches
das Gerüst für den porösen Sinterkörper bildet. Im allgemeinen wird deshalb die
Teilchengröße des Edelstahlpulvers auf den Bereich von 20 bis 100 mesh (0,7...0,15
mm-|#) eingestellt. Es ist wünschenswert, die Korngröße der NiMn- bzw.
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NiCr-Pulverteilchen auf weniger als 100 mesh (0,15 mm einzustellen.
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Die Anteile von NiMn- und NiCr-Pulver am Edelstahlpulvergemisch können
gemaß der Zusammensotzun£r und der Porosität des gewünschten porösen Sinterkörpers
eingestellt werden. Hier wird es bevorzugt, für NiMn-Pulver einen Anteilsbereich
von 5 bis 10 % und für NiCr-Pulver einen Anteilsbereich von 5 bis 20 0% vorzusehen.
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Vorstehend wurde das Sintern von Edelstahlpulver ohne jede Vorbehandlung
erläutert. Es kann jedoch erwünscht sein, das Edelstahlpulver einer vorherigen Wärmebehandlung
zu unterziehen, um seine Härte vor dem Vermischen mit NiCr- bzw.
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NiMn-Pulver herabzusetzen. Wird ein Pulvergemisch durch Preßverformung
zu einer verlangten Gestalt verarbeitet, so wird ü das Verprossen des Pulvergemi;C'hes
wegen der großen Härte von Edelstahlpulver ein sehr hoher Druck benötigt. Ist jedoch
durch eine vorherige Wärmebehandlung die Härte des Edelstahl pulvers herabgesetzt,
so kann der Druck für die Preßformung entsprechend niedrig sein, wodurch die Herstellung
von porösen Körpern außerordentlich erleichtert wird.
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Nachfolgend werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben.
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Beispiel 1 Ein Pulver aus ferritischem Edelstahl mit einer mittleren
Teilchengröße von 70 mesh (0,21 mm ), bestehend au 0,2 Gew.-Ó Co, 0,9 Gew.-% Si,
(),1 Gew.-SÓ Mn, 17,5 Gew.-% Cr, 1 Gew.-% Mo, Rest Eisen, wurde vermischt mit einem
Ni.Mn-Pulver der mittleren
Teilchengröße 150 mesh (ca. 0,10 mm
0), bestehend aus 60 Gew.-% Mn und 40 Gew.-% Ni, sowie mit einem NiCr-Pulver der
mittleren Teilchengröße 150 mesh (ca. 0,10 mm ), bestehend aus 40 Gew.-% Ni und
60 Gew.-0/o Cr, und zwar im Mischungsverhältnis von 80:10:10 Gew.-°,O. Das Pulvergemisch
wurde sodann in loser Packung in einen wärmebeständigen Behälter eingefüllt, der
drucklos in einen Ofen eingebracht wurde. Der Taupunkt der Ofen-Atmosphäre betrug
-45 OC. Das im Behalter befindliche Pulvergemisch wurde 60 min lang bei 1200 0C
gesintert, nachdem die Temperatur von 1050 0C ausgehend allmählich gesteigert worden
war.
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Es ergab sich ein poröser Edelstahl-Sinterkörper mit einer Porosität
von etwa 50 %. Es wurde festgestellt, daß während des Sinterns in die Mater der
Edelstahlpulver-Teilchen Ni, Cr und Mn eindiffundiert worden war.
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Beispiel 2 Ein Pulver aus austenitischem Edelstahlpulver der mittleren
Teilchengröße 70 mesh (0,21 mm ), bestehend aus 0,2 Gew.- Co, 0,9 Gew.-5b Si, 0,2
Gew.-% Mn, 10,5 Gew.-% Ni, 19 Gew.-% Cr, Rest Eisen, wurde vermischt mit einem NiCr-Pulver
der mittleren Teilchengröße 150 mesh (ca. 0,10 mm 0), bestehend aus 50 Gew.-' Ni
und 50 Gew.-SS Cr, einem NiMn-Pulver der mittleren Teilchengröße 150 mesh (ca. 0,10
mm ), bestehend aus 60 Gew.-% Ni und 40 Gew.-% Mn, sowie einem MnCu-Pulver bestehend
aus 35 Gew.-% Mn und 65 Gew.-% Cu, und zwar im Mischungsverhältnis von 90:5:2,5:2,5
Gew.-SO. Da: Pulvergemisch wurde sodann in einen wärmebeständigen Behälter eingefüllt,
der drucklos in einen Ofen eingebracht wurde. Der Taupunkt der Ofen-Atmosphäre betrug
-45 OC Das im Behalter befindliche Pulvergemisch wurde zunächst 30 min lang bei
980 °C und sodann weiter 1 h lang bei 1350 °C gesintert.
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In diesem Falle schmolz das CuMn-Pulver bei 980 °C, und es wurde an
den Edelstahl-Pulverteilchen abgeschieden. Bei etwa
1020 OC schmolz
das NiMn-Pulver; bei 1340 OC schmolz das NiCr-Pulver; und der Sintervorgang war
bei 1350 OC vollständig beendet. Es ergab sich ein poröser Sinterkörper mit einer
Porosität von 30 .
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Beispiel 3 Es wurden die gleichen Pulvergemische wie in den Beispielen
1 und 2 hergestellt, dabei jedoch jeweils 1 Gew.- Zinkstearat hinzugefügt. Noch
vor der Herstellung jedes Pulvergemisches war das Edelstahlpulver wirme behandelt
worden, so daß seine Härte auf etwa 40 tlltC herabgesetzt war. Beide Pulvergem.ieiche
wurden mit einem Druck von rund 70 kN/cm2 gepreßt und sodann gesintert. Die Sinterbedingungen
entsprachen denjenigen der Beispiele 1 bzw. 2.
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Auf diese Weise wurden poröse Sinterkörper erzielt, wobei niedrigschmelzende
Legierungen bzw. Legierungsbestandteile zum Verschwinden gebracht wurden.
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Wie vorstehend im einzelnen dargelegt wurde, wird erfindungsgemäß
ein Stahlpulver, insbesondere aus rostfreiem Stahl bzw.
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Edelstahl, mit wenigstens einem nickelhaltigen Pulver vermischt, namentlich
mit NiMn- und/oder NiCr-Pulver und das erhaltene Pulvergemisch wird drucklos bei
einer verhaltnismäßig niedrigen Temperatur und in verhältnismäßig kurzer Zeit gesintert.
Es ergeben sich poröse Sinterkörper mit ausgezeichneten mechanisschen Eigenschaften,
hoher Korrosionsfestigkeit und guter Wärmebeständigkeit. Es ist auch möglich und
erfindungsgemäß vorgesehen, das Pulvergemisch zu einer gewünschten Gestalt zu pressen-und
sodann zu sintern; hierdurch erzielt man in überaus bequemer Weise poröse Sinterkörper,
bei denen niedrigschmelzende Legierungen bzw. Legierungsbestandteile zum Verschwinden
gebracht wurden.
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Die vorstehenden Erläuterungen setzen nicht unbedingt voraus, daß
die Edelstahl-Pulverteilchen Kugelgestalt haben; sie können vielmehr auch unregelmäßig
geformt sein, beispielsweise länglich, stabartig oder in ähnlicher Gestalt.
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In den Rahmen der Erfindung fallen zahlreiche Abänderungen und Varianten.
Sämtliche aus den Ansprüchen und der Beschreibung hervorgehenden Merkmale und Vorteile
der Erfindung, einschließlich speziellen Verfahrens schritten, können sowohl für
sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.