DE3045265C2

DE3045265C2 - Verfahren zum Herstellen von porösen Sinterstahlkörpern

Info

Publication number: DE3045265C2
Application number: DE19803045265
Authority: DE
Inventors: Masahito Narashino Chiba Fujita; Toru Morimoto; Toshio Ohkawa; Tsuyoshi Ohsaki
Original assignee: Nippon Dia Clevite Co Ltd
Current assignee: Nippon Dia Clevite Co Ltd
Priority date: 1980-12-01
Filing date: 1980-12-01
Publication date: 1985-09-12
Also published as: DE3045265A1

Description

2. Verwendung einer Mischung von Edelstahl-Pulver und Mangan-Nickel- und Chrom-Nickel-Pulver für wärmebeständiges und mechanisch festes Schalldämpfungs-Material.

3. Verwendung einer Mischung nach Anspruch 2 mit einem Zusatz von Pulver von Kupfer oder einer Kupferlegierung für den Zweck nach Anspruch 2.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von porösen Sinterstahlkörpern.

Aus dem von F. Eisenkolb und F. Thümmler herausgegebenen Band II der »Fortschritte der Pulvermetallurgie« (Berlin 1963), S. 146 bis 153, ist es zur Herstellung poröser Sinterkörper aus Metallpulvern bekannt, das zu sinternde Pulver in Formen zu schütten und durch Rütteln oder leichtes Pressen zu verdichten, bevor man — in nichtoxidierender Atmosphäre — sintert. Erwähnt ist die Zumischung von Ammoniumhydrogenkarbonat, dessen Verdampfung entsprechende Porenräume hinterläßt. Damit die Porigkeit erhalten bleibt, wird längeres Sintern bei niedrigeren Temperaturen (als sonst üblich) empfohlen.

Poröse Körper aus Sinterkupfer, Sinterstahl, CrNi-Stahl, FeCu-Legierungen u.dgl. hat man als Filter für Flüssigkeiten, wie Wasser und Öl, eingesetzt. In den letzten Jahren wird den porösen Körpern als Schalldämpfungsmaterial besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da der poröse Aufbau zu einem hohen Schallschluckvermögen 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 spezifisch schwer sind. Weil außerdem Pulver aus rostfreiem Stahl bzw. Edelstahl eine große Härte mit Rockwell-Werten von z. B. 40 bis 50 HRC und entsprechend hohe Sintertemperaturen hat, ist da"! Sinterverfahren selbst mit Schwierigkeiten verbünde; 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 vorbestimmler Porosität gewalzt, der bei Temperaturen von

z. B. 1300 bis 140O⁰C 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 erforderlich, was sehr aufwendige Vorrichtungen voraussetzt und die Kosten der Sinterfertigung stark erhöht

Um dem zu begegnen, hat die Anmelderin bereits ein Verfahren zur Herstellung von spezifisch leichten AIuminium-Sintarkörpern vorgeschlagen. Diese haben eine Porosität von z. B. 40% oder darüber und gewährleisten ausgezeichnete Schallabsorption, doch lassen Wäimebeständigkeit und mechanische Festigkeit zu wünschen übrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zum Herstellen von Sinterstahlkörpern, insbesondere aus rostfreiem Stahl oder Edelstahl, die bei ausreichender Porosität hohe mechanische Festigkeit sowie große Korrosionsund Wärmebeständigkeit haben, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichneden Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst Danach umfaßt das Verfahren drei Hauptschritte, nämlich

a) das Herstellen eines Pulvergemisches,

b) das Einfüllen dieses Gemisches in das Sintergefäß und

c) das eigentliche Sintern.

30 Im ersten Schritt wird ein spezieller Mischansatz mit besonderer Teilchengrößen-Festlegung gewählt. Dieses Pulvergemisch aus Edelstahl, MnNi- und CrNi-Pulver wird im zweiten Schritt völlig drucklos in die Form(en) eingefüllt. Im Sintergang gemäß Merkmal c) ist das bekannte Phasendiagramm von MnNi berücksichtigt, wonach der Schmelzbereich von MnNi-Pulver im Temperaturbereich von 1020⁰C bis 1050⁰C liegt Der aus dem Pulvergemisch in lockerer Packung geformte Körper wird im dritten Schritt in einer nichtoxidierenden oder auch inerten Atmosphäre gesintert, beispielsweise in einer Wasserstoff-Atmosphäre. Indem bei diesem Verfahren das MnNi-Pulver schmilzt, wird auch das CrNi-Pulver geschmolzen und das Pulvergemisch verbacken, wobei ein Teil davon in flüssiger Phase verbleibt.

Zusammenfassend wird also erfindungsgemäß ein Stahlpulver, insbesondere aus rostfreiem Stahl bzw. Edelstahl, mit MnNi- und CrNi-Pulver vermischt; das erhaltene Pulvergemisch wird drucklos geformt sowie bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur und in verhältnismäßig kurzer Zeit gesintert. Es ergeben sich poröse Sinterkörper mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, hoher Korrosionsfestigkeit und guter Wärmebeständigkeit. Es ist auch vorgesehen, das Pulvergemisch zu einer gewünschten Gestalt zu pressen und sodann erfindungsgemäß zu sintern; hierdurch erzielt man in überaus bequemer Weise poröse Sinterkörper.

Das MnNi-Pulver geht im dritten Arbeitsschritt zunächst in eine flüssige Phase über, welche in die Oberfläche der CrNi-Teilchen eindiffundiert. Bei allmählichem Ansteigen der Sintertemperatur legiert ein Teil des CrNi-Pulvers mit der flüssigen MnNi-Phase. Anschließend findet ein Übergang in eine zweite Flüssigphase einer nickelhaltigen Legierung statt, deren Zusammensetzung von jener des MnNi-Pulvers verschieden ist und die eine niedrigere Schmelztemperatur hat als der überschüssige Teil des CrNi-Pulvers. Am Ende des Sinterns

ist düs MnNi-Pulver völlig in die flüssige Phase übergegangen, wodurch sich der Anteil des fließfähig gewordenen CrNi-Pulvers vergrößert Dort, wo MnNi-Pulver und geschmolzene Anteile von CrNi-Pulver vorhanden waren, entstehen Poren.

Man kann gemäß Anspruch 2 von MnNi- und CrNi-Pulver ausgehen, die zunächst mit einem Edelstahlpulver vermischt werden. Letzteres kann ein Pulver aus rostfreiem Stahl im Austenit- oder Ferrit-Zustand sein. Es läßt sich getempertes Edelstahlpulver geringerer Härte verwenden. Ob es nun ferritisch oder austenitisch ist, Edelstahlpulver enthält wenigstens 12% Chrom und die Pulverteilchen sind infolge der Oxidation des Chroms sämtlich mit einem Oberzug aus Chromoxid (Cr₂Oa) versehen. Diese Oxidschicht läßt sich nur unter großen Schwierigkeiten reduzieren; dafür ist ein spezieller Industrieofen erforderlich, der die Bearbeitung mit einein Taupunkt von —45° C bzw. bei Temperaturen von 1000⁰C oder darunter ermöglicht Wird aber das von solchen Oxidschichten aberzogene 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 MnNi- bzw. CrNi-Pulver in den Stahl eindiffundiert Man muß nun den Taupunkt in der nichtoxidierenden Atmosphäre bei —45°C oder darunter halten, vorzugsweise bei etwa -5O⁰C; sonst würde von den Rissen her Sauerstoff in die Teilchen eintreten und sich mit dem Chrom der Edelstahl-Matrix unter Bildung des Oxids Cr2U3 verbinden.

Des weiteren wird erfindungsgemäß CrNi-Pulver zusammen mit dem MnNi-Pulver in das Edelstahlpulver eingemischt Das Sintern des drucklos geformten Pulvergemisches beginnt nun erfindungsgemäß nahe der Schmelztemperatur des MnNi-Pulvers und endet bei einer Temperatur, die nahe dem Schmelzpunkt des CrNi-Pulvers liegt Wie aus dem Phasendiagramm von MnNi erischtlich ist, liegt sein Schmelzpunkt am niedrigsten (bei 1018⁰C), wenn der Nickelgehalt 40% beträgt.

Mischt man also ein MnNi-Pulver (60% bis 54% Mn, Rest Ni) mit dem Edelstahlpulver und sintert man das Pulvergemisch bei 1020 bis 1050° C, so schmilzt das Pulver mit dem Nickelanteil von 40% und diffundiert aus den erwähnten Rissen in die Edelstahl-Partikelchen ein; bei fortschreitendem Sintern mit allmählich steigender Temperatur findet auch eine Diffusion der flüssigen Phase in die CrNi-Pulverteilchen statt, so daß das CrNi-Pulver mit dem MnNi-Pulver legiert und sich seine Zusammensetzung verändert. Gelangt nun die Zusammensetzung der so legierten CrNi- und MnNi-Pulver zum eutektischen Punkt (50% Cr, 50% Ni) oder in seine Nähe, so sinkt der Schmelzpunkt Beispielsweise tritt bei einer in der Nähe des eutektischen Punktes (1343° C) liegenden Temperatur das Schmelzen des CrNi-Pulvers und das Sintern mit flüssiger Phase ein. Der Sintervorgang wird bei Temperaturen zwischen 1200⁰C und 1350° C beendet.

Die Änderung der Zusammensetzung durch eindiffundierendes MnNi-Pulver muß nicht unter allen Umständen durchgängig im CrNi-Pulver erfolgen. Vielmehr genügt es, wenn nur ein Teil davon mit dem MnNi-Pulver legiert und die Zusammensetzung des legierten Anteils dem eutektischen Bereich nahekommt. Dies ist darin begründet, daß beim Beginn des Schmelzens des Anteils von eutektischer Zusammensetzung nachfolgend auch die Zusammensetzungen der übrigen Bestandteile sich ändern und diese mit fortschreitendem Sintern ebenfalls schmelzen.

Wie schon dargelegt, kann das Pulvermaterial aus Edelstahl entweder im Ferrit- oder Austenit-Zustand vorliegen. Selbst bei ferritischem Edelstahlpulver ist jedoch eine gewisse Löslichkeit von Chrom, Nicke! 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 Es ist übrigens nicht unbedingt vorausgesetzt daß die Edelstahl-Pulverteilchen Kugelgestalt haben; sie können vielmehr auch unregelmäßig geformt sein, beispielsweise länglich, stabartig oder in ähnlicher Gestalt

Um eine möglichst große Porosität zu erzielen, ist es günstig und erfindungsgemäß bevorzugt wenn das PuI-vergemisch 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 solchem Pressen 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.

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 CrNi- bzw. MnNi-Pulver herabzusetzen. Wird ein Pulvergemisch durch Pressen verarbeitet, so wird wegen der großen Härte von Edelstahlpulver ein sehr hoher Druck benötigt Ist jedoch durch eine vorherige Wärmebehandlung die Härte des Edelstahlpulvers herabgesetzt, so kann der Druck für das Pressen entsprechend niedrig sein, wodurch die Herstellung von porösen Körpern außerordentlich erleichtert wird.

Beim Vermischen von Edelstahlpulver mit MnNi- bzw. CrNi-Pulver sieht die Erfindung vor, daß deren Teilchengröße kleiner als diejenige des Edelstahlpulvers ist, welches das Gerüst für den porösen Sinterkörper bildet. Deshalb liegt die Teilchengröße des Edelstahlpulvers im Bereich von 7C0 bis 150 μπι, und der MnNi- bzw. CrNi-Pulverteilchen bei weniger als 150 μπι. Die Anteile von MnNi- und CrNi-Pulver am Edelstahlpulvergemisch können gemäß der Zusammensetzung und der Porosität des gewünschten porösen Sinterkörpers gewählt werden. Hier wird es bevorzugt, für MnNi-Pulver einen Anteilsbereich von 5% bis 10% und für CrNi-Pulver einen Anteilsbereich von 5% bis 20% vorzusehen.

Möglich ist es ferner, nach Bedarf wenigstens einen das Sintern unterstützenden Bestandteil und/oder ein feinteiliges Material zur Verstärkung der Matrix zuzusetzen, und zwar zusätzlich zu dem MnNi- und CrNi-Pulver. Fügt man gemäß Anspruch 3 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. Weil außerdem der Schmelzpunkt von CuMn-Pulver bei eutekti-

scher Zusammensetzung 868° C beträgt, beginnt das Sintern, sobald die Sintertemperatur einen Wert von etwa 870⁰C erreicht hat Oberschreitet der Kupfergehalt jedoch den Grenzwert für Festlöslichkeit, so wird Kupfer an den Anschlußstellen der benachbarten Pulverteilchen ausgeschieden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit des Sinterkörpers abnimmt Es wird deshalb bevorzugt den Kupferanteil kleiner als 3% des Grenz-

§ wertes der Löslichkeit im festen Zustand zu halten. Die so hergestellten porösen Edelstahl-Sinterkörper ιυ _K haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und ψ. eignen sich infolge ihres hohen Korrosionswiderstandes

:'i und guter Wärmebeständigkeit auch bei ungünstigen Bedingungen hervorragend als Schalldämpfungsmate- ^ rialien. Der Sintervorgang kann, unabhängig von der

Gestalt der Pulverteilchen, bei verhältnismäßig niedri- :■{' ger Temperatur vor sich gehen. Die Porosität des Sin-'> f terkörpers läßt sich dabei gut einstellen. Der im Sinters'- körper vorhandene Kupferanteil ist groß, liegt jedoch .' vorzugsweise innerhalb der Grenzen dir Festlöslich-

*■'■ keit, so daß an den Korngrenzen kein oder kaum ausgeschiedenes Kupfer auftritt das die Korrosionsbeständigkeit herabsetzen könnte.

Nachfolgend werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben.

Beispie) 1

Ein Pulver aus ferritischem Edelstahl mit einer mittleren Teilchengröße von 210 μπι, bestehend aus 0,2% Co, 0,9% Si, 0,1 % Mn, 17,5% Cr, 1 % Mo, Rest Eisen, wurde vermischt mit einem MnNi-Pulver einer mittleren Teilchengröße von 100 μητ, bestehend aus 60% Mn und 40% Ni, sowie mit einem CrNi-Pulver einer mittleren Teilchengröße von 100 μπι, bestehend aus 40% Ni und 60% Cr, und zwar im Mischungsverhältnis von 80 :10 :10 Gew.-%. 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° C. Das im Behälter befindliche Pulvergemisch wurde 60 min lang bei 1200⁰C gesintert, nachdem die Temperatur von 1050° C ausgehend allmählich gesteigert worden war. Es ergab sich ein poröser Edelstahl-Sinterkörper mit einer Porosität von etwa 50% Es wurde festge- stellt, daß während des Sinterns in die Matrix aus Edelstahlpulver-Teilchen Ni, Cr und Mn eindiffundiert waren.

bei 1340⁰C schmolz das CrNi-Pulver; und der Sintervorgang war bei 1350⁰C vollständig beendet Es ergab sich ein poröser Sinterkörper mit einer Porosität von 30%.

Beispiel 3

Es wurden die gleichen Pulvergemische wie in den Beispielen 1 und 2 hergestellt dabei jedoch jeweils 1% Zinkstearat hinzugefügt Noch vor der Herstellung jedes Pulvergemisches war das Edelstahlpulver wärmebehandelt worden, so daß seine Härte auf etwa 40 HRC herabgesetzt war. Beide Pulvergemische wurden mit einem Druck von rund 70kN/cm² gepreßt und sodann gesintert Die Sinterbedingungen entsprachen denjenigen der Beispiele 1 bzw. 2. Auch auf diese Weise wurden poröse Sinterkörper erzielt

Beispiel 2

50

Ein Pulver aus austenitischem Edelstahlpulver einer mittleren Teilchengröße von 210 μπι, bestehend aus 0,2% Co, 0,9% Si, 0,2% Mn, 10,5% Ni, 19% Cr, Rest Eisen, wurde vermischt mit einem CrNi-Pulver einer mittleren Teilchengröße von ΙΟΟμίτι, bestehend aus 50% Ni und 50% Cr, einem MnNi-Pulver einer mittleren Teilchengröße von 100 μπι, bestehend aus 60% Ni und 40% Mn, sowie einem MnCu-Pulver, bestehend aus 35% Mn und 65% Cu, und zwar im Mischungsverhältnis von 90 :5 :2,5 :2,5 Gew.-%. Das Pulvergemisch wurde sodann in einen wärmebeständigen Behälter eingefüllt, der drucklos in einen Ofen eingebracht wurde. Der Taupunkt der Ofen-Atmosphäre betrug —45° C. Das im Behälter befindliche Pulvergemisch wurde zunächst 30 min lang bei 980° C und sodann weiter 1 h lang bei 1350°C gesintert. Zunächst schmolz das CuMn-Pulver bei 980°C. Bei etwa 1020°C schmolz das MnNi-Pulver;

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von porösen Sinterstahlkörpern, gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte:

a) Bilden eines Pulvergemisches aus Edelstahl-, Mangan-Nickel- und Chrom-Nickel-Pulver, wobei die Teilchengröße des Mangan-Nickel- und Chrom-Nickel-Pulvers mit weniger als 150μπι kleiner ist als diejenige des Edelstahl-Pulvers mit 700 bis 150 μπτ,

b) druckloses Einfüllen des Pulvergemisches in ein , hitzebeständiges Gefäß und

c) Sintern des in das Gefäß eingefüllten Gemisches in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, beginnend bei einer Temperatur von wenigstens etwa 980⁰C und endend im Temperaturbereich zwischen 1200⁰C und 1350⁰C.