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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Extruderdüsen
für die
Bildung dünnwandiger
Wabenstrukturen aus extrudierbaren Materialien. Insbesondere betrifft
die Erfindung Extruderdüsen,
die eine verbesserte Anwendbarkeit für die Extrusion dünnwandiger
keramischer und metallischer Waben mit hoher Zelldichte bieten.
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Bei der Herstellung von keramischen
Waben werden teilchenförmige
mineralische Ansatzmaterialien in einem geeigneten Vehikel verteilt,
um einen plastifizierten Pulveransatz zu bilden, und der Ansatz wird
durch Wabendüse
gezwängt,
um extrudierte grüne
bzw. ungebrannte Körper
einer komplexen Wabenform bereitzustellen, die anschließend getrocknet
und gebrannt werden. So hergestellte dünnwandige keramische Wabenstrukturen
zeigen eine Verwendbarkeit in einer Vielzahl von Anwendungen. Beispielsweise
werden solche Strukturen als Substrate für den Träger von Katalysatoren in Automobil-Rbgasbehandlungssystemen
eingesetzt, sowie für
andere Katalysatorträger,
Filterkörper
und thermische Regeneratoren oder Wärmetauscher. Metallische Waben ähnlicher
Konfiguration sind als Gasheizeinrichtungen verwendet worden.
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Mit fortschreitender Technik der
Wabenextrusion wurden Waben mit immer feineren Zellstrukturen und
dünneren
Zellwänden
entwickelt. Die Herstellung dieser feineren Waben erfordert, dass
Extruderdüsen
mit feineren Strukturen verwendet werden. Üblicherweise für die Extrusion
keramischer Waben verwendete Düsen
sind typischerweise maschinell bearbeitete Metallplatten oder Blöcke mit
flachbödigen,
kreuz und quer verlaufenden und untereinander verbundenen Ausgabeschlitzen
an der stromabwärts gelegenen
Seite oder Ausgangsseite der Düse,
aus der ein plastifizierter Ansatz austritt und durch welche beim
Austreten des Ansatzes die Netze oder Seitenwände der Zellen der Wabenstruktur
gebildet werden. Um das Ansatzmaterial den Ausgabeschlitzen zuzuführen, werden
Zufuhrlöcher
in der gegenüberliegenden
oder Eingangsseite der Düse
bereitgestellt, die mit den Schlitzen in Verbindung stehen bzw. kommunizieren.
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Um feinere Waben mit höheren Zelldichten und
dünneren
Zellwänden
bereitzustellen (mehr Zellen pro Einheitsfläche), müssen die Ausgabeschlitze und
Zufuhrlöcher
selbstverständlich
näher beieinander
und mit kleinerer Größe gebildet
werden. Für
fortgeschrittene keramische Wabenprodukte ist das Ziel, Zelldichten
zu erreichen, die 600 Zellen/in2 (1 in2 = 645 mm2) überschreiten,
sowie Zellwände
von unter etwa 200 μm
Dicke.
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Um diese Dimensionen zu erreichen,
ist eine maschinelle Einarbeitung bzw. Bildung der Schlitze und
Zufuhrlöcher
mit sehr engen Toleranzen erforderlich. Die Erfüllung solcher Toleranzen erfordert
die Verwendung nicht traditioneller bearbeitender Prozesse bspw.
elektrochemische Bearbeitung (electrochemical machining (ECM)) und
Drahterodieren (wire electrical discharge machining (EDM)). EDM
ist das bevorzugte Verfahren zur Erzeugung der Ausgabeschlitze,
und ECM wird typischerweise zur Erzeugung der präzisen Anordnungen kleiner Zufuhrlöcher verwendet,
die für
die Versorgung der Ausgabeschlitze erforderlich sind.
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Im Stand der Technik wurden Extruderdüsen zur
Herstellung keramischer Waben aus Werkzeugstählen oder rostfreien Stählen gebildet.
Rostfreie Stähle
sind schwerer zu bearbeiten, bieten jedoch beträchtliche Vorteile für die Herstellung
von Wabendüsen,
da sie ein korrosionsbeständiges
Medium bieten, welches relativ hohen Beanspruchungen und Angriffen
wässriger
Medien widerstehen kann. Zudem können
viele rostfreie Stähle
mit harten oberflächigen
Materialien, wie Carbiden und Nitriden verschleißbeschichtet werden. Solche
Beschichtungen verbessern die Fähigkeit
der Düse
beträchtlich, einem
Verschleiß durch
die hierdurch extrudierten reibenden keramischen Pulveransatzmaterialien
zu widerstehen.
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Die Schwierigkeit der Formgebung
dieser sehr harten rostfreien Stahlmaterialien führte zu dem Vorschlag alternativer
Strategien zur Herstellung von Extruderdüsen, insbesondere dort wo komplexe
Zufuhrloch-Formen erwünscht
sind. U.S. Patent Nr. 5,308,556 offenbart daher bspw. ein Verfahren
zur Bildung einer Extruderdüse
aus einem Pulver, wobei eine Pulvervorform für die Düse, typischerweise aus einer
keramischen Zusammensetzung, aber wahlweise aus Metall, zumindest
teilweise bearbeitet wird, während
sie sich in einem porösen
und unkonsolidierten Zustand (grün
oder kreidehart) befindet. Die Formung konsolidierter Düsenrohteilmaterialien ist
ebenfalls erwähnt,
obwohl spezielle Materialien, die in diesem Verfahren verwendbar
sind, tatsächlich nicht
beschrieben oder diskutiert werden.
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Unglücklicherweise konnte noch nicht
erwiesen werden, dass Pulver-gebildete Düsen, die wie in dem obigen
Patent beschrieben hergestellt wurden, in der Herstellung von Wabenstrukturen
mit hoher Zelldichte und dünnen
Wänden
verwendbar sind. Ein Problem des beschriebenen Ansatzes ist die
Schwierigkeit, eine hohe dimensionale Präzision in Zufuhrlöchern und/oder
in Ausgabeschlitzen beizubehalten, die in unkonsolidierten Materialien
während
des Starkschrumpf- Prozesses
der Konsolidierung dieser zu einsetzbaren Dichten hergestellt werden.
Die Materialen der Wahl zur Herstellung fortschrittlicher Waben-Extruderdüsen sind
daher immer noch rostfreie Schmiedestähle und Werkzeugstähle.
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Beschreibungen der Verwendung von
EDM und ECM für
die Herstellung von Extruderdüsen
aus rostfreiem Stahl sind in der Patentliteratur zu finden. U.S.
Patente Nr. 5,320,721 und 5,322,599 beschreiben bspw. die Anwendung
von ECM-Prozessen zur Bearbeitung von Düsen-Zufuhrlöchern, wohingegen U.S. Patent
Nr. 4,527,035 die Anwendung von Draht-EDM für die Bearbeitung von Ausgabeschlitzen
in den Ausgangsseiten der Düsen
dokumentiert.
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Prinzipiell können feinere Loch- und Schlitzdimensionen,
die für
fortschrittliche Waben erforderlich sind, mit ECM- und EDM-Bearbeitungsverfahren erreicht
werden. In der Praxis zeigen die erhaltenen Düsen jedoch nicht die erwartete
Extrudierleistung. Formgebungsfehler, einschließlich fehlende Netzwerke (Unterbrechungen
in der Bildung der Zellwände
der Wabe) und geschwollene Netzwerke (Wandsegmente übermäßiger Dicke)
werden häufig
beobachtet, sowie auch ein inakzeptables Verdrillen oder Verdrehen
("Verbiegen") des extrudierten
Materials während
dieses die Extruderdüse
verlässt.
Im Allgemeinen werden diese Fehler üblicherweise der Konstruktion
oder Endbearbeitung der Extruderdüsen zugeordnet.
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Es wäre wünschenswert, eine Düse oder
ein Düsenbearbeitungsverfahren
zu entwickeln; zur Herstellung von Düsen für die Extrusion sehr feiner
Wabenstrukturen, was die Extrusion von Waben mit dünneren Wänden und/oder
höheren
Zellzahlen bei gleichen oder höheren
Ausbeuten als bei bestehenden Waben-Extrusionsverfahren erlauben würde.
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Es wäre auch wünschenswert, eine Düse zu entwickeln,
welche die Extrusion weniger fortschrittlicher Keramik-Waben mit
höheren
Ausbeuten und in höherer
Qualität
erlauben würde.
Jegliches Material, das für
diese Anwendung ausgewählt
wird, müsste aber
ausreichend fest sein, um mit den relativ hohen Extrusiondrücken, die
zur Extrusion feiner Waben erforderlich sind, fertig zu werden,
und ausreichend beständig
und verschleißbeständig, um
die Reibungseffekte gegenwärtig
verwendeter keramischer Pulveransätze zu überstehen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung basiert
auf dem Befund, dass vollständig
konsolidierte Pulver-gebildete rostfreie Stähle, d.h. rostfreie Stähle, die
aus Stahlpulvern gebildet sind, welche zu einem dichten im Wesentlichen
nicht porösen
Zustand konsolidiert wurden, viel bessere Düsen-Rohteilmaterialien für die Herstellung
von Waben-Extruderdüsen
bereitstellen, als dies herkömmliche
oder rostfreie Schmiedestähle
gleicher bzw. ähnlicher
Zusammensetzung tun. Es wurde gefunden, dass die aus diesen Pulver-gebildeten
Rohteilen oder sogenannten rostfreien P/M (Pulvermetallurgie)-Stählen gebildeten
Düsenrohteile
beträchtliche
Verbesserungen in der Oberflächengüte und Extrusionsleistung
ergeben. Diese Verbesserungen sind sowohl aus einer Untersuchung
der Düsen
selbst als auch aus der Qualität der
extrudierten Waben offensichtlich. Verbesserungen werden nicht nur
für fortgeschrittene
Wabengestaltungen hoher Zellzahlen und feiner Wandstrukturen gesehen,
sondern auch für
gegenwärtige
Wabenkonstruktionen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird
durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bildung einer
Waben-Extruderdüse bereitgestellt,
mit dem sich überschneidende
Ausgabeschlitze und verbindende Zufuhrlöcher in gegenüberliegenden
Oberflächen (den
Eingangs- und Ausgangsflächen)
eines Stahldüsen-Rohteils
maschinell gebildet bzw. eingearbeitet bzw. bearbeitet werden, dadurch
gekennzeichnet, dass das rostfreie Stahldüsen-Rohteil aus einem vollständig konsolidierten,
aus Pulver gebildeten rostfreien Stahl gebildet ist, welcher weitgehend
frei von intermetallischen Einschlüssen und mikrostruktureller Porosität ist.
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Rostfreie Pulver-gebildete oder P/M-Stähle sind
in der Metallurgietechnik weithin bekannt, sie wurden jedoch hauptsächlich zur
Bildung von Stahlteilen komplexer Konfiguration verwendet. Unter
Verwendung der P/M-Technologie können
solche Teile fast zu einer Netzform geformt werden, indem Metallpulver
zu kompakten Stücken
gepresst und anschließend
konsolidiert werden. Das Ziel ist natürlich, das Erfordernis einer
maschinellen Bearbeitung bzw. Einarbeitung so weit wie möglich zu
vermeiden.
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Ähnlich
ist Porosität
ein gewünschtes
Merkmal einiger P/M-Metalle,
wobei die Biegefestigkeit von relativ geringer Bedeutung ist. Porosität ist von besonderem
Interesse für
Anwendungen, wie bspw. Lagern oder Halterungen, wo eine Durchdringung der
Metallmatrix mit Schmiermaterialien erwünscht ist.
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Die vorliegende Erfindung beabsichtigt
nicht, die Bearbeitung rostfreier P/M-Stähle zu vermeiden, sondern stattdessen
einen solchen Stahl auszuwählen,
der ausreichend fest, homogen und dicht ist, um ein beständiges Düsenrohteilmaterial
bereitzustellen, das bis zu sehr hohen dimensionalen Toleranzen
und einer Oberflächengüte, weitgehend
frei von Defekten im Mikrometermaßstab, bearbeitbar ist. Auf
gleiche Weise ist eine Porosität
in dem Stahl zu vermeiden, sowohl aus Gründen der Oberflächengüte als auch deswegen,
weil Düsenstähle eine
hohe Festigkeit aufweisen müssen,
um Extrusiondrücken
ohne eine Deformation zu widerstehen.
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Pulver-gebildete rostfreie Stähle wurden
nun identifiziert, die alle diese Anforderungen erfüllen, und
die weiterhin ausreichend verbessert bzgl. der Homogenität und frei
von Einschlüssen
und anderen kristallinen Matrixdefekten sind, so dass eine große und unerwartete
Verbesserung der Bearbeitbarkeit bereitgestellt wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird eine Waben-Extruderdüse aus rostfreiem Stahl mit
sich überschneidenden
Ausgabeschlitzen und verbindenden Zufuhrlöchern, die in gegenüberliegenden
Oberflächen
maschinell eingearbeitet bzw. bearbeitet sind, bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet,
dass die Düse
aus einem vollständig
konsolidierten, aus Pulver gebildeten rostfreien Stahl gebildet
ist, welcher weitgehend frei von intermetallischen Einflüssen und
mikrostruktureller Porosität
ist. Eine solche Düse
bietet alle die Vorteile herkömmlicher
Düsen aus
rostfreiem Stahl bzgl. der Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit
und Verschleißbeschichtbarkeit,
zeigt jedoch zusätzlich
eine hervorragende Extrusionsleistung hinsichtlich Produktqualität und Prozessstabilität.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die Erfindung wird mit Bezug auf
die Zeichnungen verständlicher,
wobei:
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1 eine
elektronenmikroskopische Aufnahme eines Schnitts eines Düsen-Rohteilmaterials aus
Schmiedestahl gemäß Stand
der Technik ist; und 2 eine
elektronenmikroskopische Aufnahme eines Schnitts eines Düsen-Rohteilmaterials
aus P/M-Stahl, das gemäß der Erfindung
bereitgestellt wurde, ist.
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Während
Variationen in der Extrusionseffizienz, die bei dem Versuch gemäß dem Stand
der Technik feine Wabenstrukturen zu extrudieren, beobachtet wurden,
allgemein Variationen der Extruderdüsen zugeordnet wurden, wurden
die Faktoren, durch welche sich Düsen mit gutem Extrusionverhalten
von Düsen
mit schlechtem Verhalten unterschieden, nicht gut verstanden. Während der
Entwicklung von Düsen mit
Konfigurationen feinerer Zufuhrlöcher
und Ausgabeschlitzen, wurden diese Variationen immer wichtiger und
mussten angesprochen werden.
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In dem typischerweise zum Bohren
der sehr feinen Zufuhrloch-Anordnungen
in Düsen-Rohteilen aus
rostfreiem Stahl verwendeten ECM-Prozess war ein häufiges Problem
verdrehte Bohrlöcher.
Solche Verbiegungen erzeugten eine Verwinklung oder ein "Sprießen" des Zufuhrlochs
weg von der beabsichtigten Bohrlinie mit dem Ergebnis, dass einige
Zufuhrlöcher
die Ausgabeschlitze nicht richtig schnitten. Bei der maschinellen
Bearbeitung von Ausgabeschlitzen durch die EDM-Verfahren führte die
Verwendung feinerer Drähte
zwecks Erzielung feinerer Schlitzmuster zu einem vermehrten Auftreten
von Drahtbrüchen und
ungleichmäßigen Schlitzbreiten
in dem endgültigen
Schlitzmuster.
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Eine Analyse von Düsen-Rohteilen,
die beträchtliche
Probleme bezüglich
der maschinellen Bearbeitung aufwiesen, zeigte keine beträchtlichen
Abweichungen von Spezifikationen für chemische Zielzusammensetzungen
und physikalischer Eigenschaften. Tatsächlich erzeugten rostfreie
Stähle
des gleichen AISI-Typs, jedoch von verschiedenen Chargen, und sogar
aus verschiedenen Orten einer einzigen Länge eines Stabstahls einer
einzigen Charge, stark abweichende Ergebnisse, wenn diese einem Bohren
oder einer Schlitzbildung unterzogen wurden.
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Eine Variable, die mit Problemen
der maschinellen Bearbeitung zusammenhing, war jedoch die eingearbeitete
Oberflächenrauheit.
Die Analyse einer großen
Zahl von Proben von verschiedenen Stabstahl-Orten und verschiedenen
Stahlchargen des gleichen Typs zeigte, dass eine starke Korrelation zwischen
Zufuhrloch-Bohrdefekten und der Oberflächenrauheit der maschinell
bearbeiten Oberflächen der
Zufuhrlöcher
bestand. In einer Untersuchung, die an einem rostfreien AISI Typ
450 Stahl aus einer gewerblichen Quelle vorgenommen wurde, betrugen die
Oberflächenrauheitswerte
des bearbeiteten Lochs (Ra) 35–40
Mikroinch (1 Mikroinch = 25,4 × 10–6 mm)
in einigen Stabbereichen und 60–65
Mikroinch in anderen Bereichen. Düsen, die aus den Rohteilen
mit einer größeren maschinell
eingearbeiteten Oberflächenrauheit
hergestellt wurden, wiesen gesprossene Zufuhrlöcher auf und/oder Extrusionen, die
sich von der Extrusionslinie wegbogen und um diese herum verdrillten.
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Mikroskopische Untersuchungen der
Stahlproben, die in dem Bemühen
unternommen wurden, diese Effekte vollständiger zu verstehen, zeigten, dass
die Stähle
mit einer höheren
Oberflächenrauheit
höhere
Grade intermetallischer Einschlüsse
in der Stahlmatrix aufwiesen. Es schien, dass diese Einschlüsse während des
Stahlschmiedeprozesses in vielen Fällen zu langen "Balken" ausgerollt wurden,
was die Möglichkeit
erhöhte,
dass die Einschlüsse
ein Zufuhrloch oder einen Schlitz schnitten.
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Obwohl noch nicht vollständig verstanden scheint
es, dass diese Einschlüsse
reich an Niob sind und vielleicht größtenteils aus Niobcarbid bestehen. Solche
Einschlüsse
würden
bei elektrochemischen Bohrprozessen nicht richtig gelöst oder
erodiert, und könnten
daher zumindest teilweise für
Effekte wie Bohrlochabweichungen und eine höhere Oberflächenrauheit in ausgewählten Bohrlöchern sowie
für Unregelmäßigkeiten
der Ausgabeschlitze und Drahtbrüche
während
des Draht-EDM-Schlitzbildungsprozesses verantwortlich sein.
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Die obigen Befunde deuteten darauf
hin, dass der Großteil
der Zufuhrloch- und Ausgabeschlitz-Defekte, die in aus rostfreien
Stählen
hergestellten Düsen
beobachtet wurden, nicht einfach Beschränkungen und/oder Variabilitäten der
Bearbeitung mittels Drahten-EDM und ECM zuzuordnen sind, sondern
zumindest teilweise mikrostrukturellen Defekten in den zur Bildung
der Düsen
verwendeten rostfreien Stählen.
Obwohl solche Defekte klein sind, könnten sie Schwankungen bei
der Bearbeitung fördern,
was im Maßstab
der erforderlichen Zufuhrloch- und Ausgabeschlitz-Dimensionen relativ
groß sein kann.
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Unabhängig von der Theorie wird gemäß der vorliegenden
Erfindung die Verminderung oder weitgehende Ausschaltung der oben
beschriebenen Bearbeitungsdefekte erreicht, indem die üblicherweise für Düsen-Rohteile
verwendeten Schmiedestahlbestände
durch vollständig
konsolidierter Pulvergebildete rostfreie Stähle ausgetauscht wurden. Diese pulvergebildeten
konsolidierten rostfreien Stähle
sind offenbar ausreichend verbessert bezüglich der Homogenität und ausreichend
frei von Einflüssen
und anderen kristallinen Matrixdefekten, so dass eine große Verbesserung
in der Glattheit und Einheitlichkeit der Zufuhrlöcher und Ausgabeschlitze in
diesen Düsen
bereitgestellt wird.
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Ein Vergleich der Mikrostruktur von
geschmiedeten und pulvergebildeten rostfreien Stahlproben, die zur
Herstellung von Waben-Extruderdüsen
geeignet sind, ist in 1 und 2 der Zeichnungen angegeben. 1 ist eine elektronenmikroskopische
Aufnahme einer herkömmlichen
oder Schmiedestahlprobe, aufgenommen bei einer Vergrößerung von
400X, wobei der schwarze Balken eine Dimension von 10 Mikrometer
darstellt. Die gezeigte Probe ist ein rostfreier Stahl AISI Typ
450, poliert mit 1 Mikrometer Diamantschleifmittel und geätzt in einer
4% Picral-Lösung
mit HCl, um die Mikrostruktur der Probe zu zeigen.
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Wie aus dieser mikroskopischen Aufnahme ersichtlich
ist, beinhaltet der Stahl von 1 eine
beträchtliche
Anzahl intermetallischer Einschlüsse
in der Stahlmatrix, wobei einige Konzentrationen oder Cluster solcher
Einschlüsse
durch Pfeile angedeutet sind. Wie oben angedeutet, können diese
Einschlüsse
gestreckte oder linienartige Defekte in der Struktur bilden, genannt "Balken", von denen nun angenommen
wird, dass sie die chemischen und elektrischen Bearbeitungsrozesse
stören.
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2 der
Zeichnung ist eine gleiche elektronenmikroskopische Aufnahme eines
rostfreien, Pulver-gebildeten AISI-Typ 422 Stahls. Wieder ist die Oberfläche der
Probe bei eine Vergrößerung von 4OOX
nach Polieren und Ätzen
mit 4% Picral in HCl gezeigt. Im Gegensatz zu der Mikrostruktur
von 1 ist die geätzte Mikrostruktur
in dieser mikroskopischen Aufnahme im Wesentlichen frei von den intermetallischen
Einschlüssen,
die in der Schmiedestahlprobe der gleichen Zusammensetzung beobachtet
wird. Zusätzlich,
obwohl aus einem Pulver gebildet, ist sie im Wesentlichen frei von
mikrostruktureller Porosität,
auch bei Vergrößerungen
bis zu 1000x. Die Verwendung eines vollständig konsolidierten rostfreien
P/M-Stahls, wie in 2 gezeigt, zur
Herstellung einer Waben-Extruderdlise ist in dem nachfolgenden illustrierenden
Beispiel beschrieben.
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Beispiel
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Eine aus rostfreiem P/M-Stahl gebildete
Platte wird zur Verwendung als ein Extruderdüsen-Rohteil ausgewählt. Der
eingesetzte Stahl ist ein rostfreier Stahl AISI Typ 422, im Handel
erhältlich
in Stabform als rostfreier Carpenter 636 Stahl von Carpenter Technology
Corporation, Reading, PA. Dieser Stahl wird durch Atomisierung eines
geschmolzenen rostfreien Stahlstroms in einem Hochgeschwindigkeit-Gasstrahl
zu einem feinen Pulver atomisiert, wobei das feine (325 mesh) (325
mesh = 0,044 mm)) Pulver dann durch heissisostatisches Pressen zu großen Stahlbarren
konsolidiert wird. Die Barren werden anschließen gewalzt und gerollt, um
einen Stahlstab- und
Plattenbestand bereitzustellen.
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Um aus der so bereitgestellten Platte
eine Düse
herzustellen, wird zunächst
durch elektrochemische Bearbeitungs-ECM-Prozesse eine Anordnung
feiner Zufuhrlöcher
in eine Oberfläche
der Platte gebohrt. Der verwendete Bohrprozess ist der gleiche Prozess,
der herkömmlicherweise
zum Bohren von rostfreiem Schmiedestahl TYP 422 verwendet wird,
und das Ergebnis ist die Bildung einer Anordnung feiner Zufuhrlöcher in
der gebohrten Oberfläche der
Platte.
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Nachdem die Platte gebohrt wurde,
wird sie umgedreht, und die den Zufuhrlöchern gegenüberliegende Seite wird mit
Schlitzen versehen, um eine Anordnung von Ausgabeschlitzen auf der
gegenüberliegenden
Oberfläche
in Verbindung mit der zuvor gebohrten Zufuhrlochanordnung bereitzustellen.
Die Ausgabeschlitze werden durch Drahterodieren (EDM) in den Stahl
eingearbeitet. Wieder ist der verwendete EDM-Prozess der gleiche,
der zur maschinellen Bearbeitung von rostfreiem Schmiedestahl Typ
422 zu diesem Zweck verwendet wird.
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Sowohl die Zufuhrlochbohrung als
auch die Ausgabeschlitz-Bearbeitung
dieses P/M-Rohteils ist relativ leicht ausführbar. Das Auftreten rauer
oder gesprossener Zufuhrlöcher
und von EDM-Draht-Brüchen
ist beträchtlich
vermindert im Vergleich zu Ergebnissen einer Bearbeitung mit den
gleichen Verfahren, angewandt auf rostfreie Schmiedestähle.
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Die Erfahrung mit rostfreiem Schmiedestahl, am
typischsten Typ 450 rostfreiem Stahl wie in 1 der Zeichnung gezeigt, ist bspw., dass
fehlerhafte Zufuhrlöcher,
einschließlich
Löcher
mit übermäßiger Rauheit
und/oder schlechter Überschneidung
mit den Ausgabeschlitzen, typischerweise 20%–30% der mit dem ECM-Prozess gebohrten
Löcher
umfasst. Im Gegensatz dazu ist die jüngere Erfahrung mit vollständig konsolidierten
rostfreien P/M-Stählen,
wie bspw. dem in der 2 der
Zeichnung gezeigten P/M-Stahl Typ 422, dass übermäßig raue, sprießende oder
sich schlecht überschneidende
Zufuhrlöcher beim
ECM-Bohren der P/M-Materialien
praktisch ausgeschaltet sind.
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Ähnlich
liegen EDM-Drahtbrüche,
die auftreten, wenn rostfreie Schmiedestähle mit Schlitzen versehen
werden, unter Verwendung von bspw. 5 mil (1 mil = 25,4 × 10–3 m)
und 6 mil Draht des typischerweise zur Schlitzbildung bei Waben-Extruderdüsen verwendeten
Typs, im Mittel bei mindestens 20 Brüchen während der Schlitzbildung der
Düsen-Rohteile
mit einer Größe, die gegenwärtig zur
Herstellung von Automobilkatalysator-Substraten verwendet wird. Dies steht
in starkem Gegensatz zu jüngeren
Daten, die mit der Schlitzbildung ähnlicher Düsen-Rohteile Pulver-gebildeter rostfreier
Stähle
wie in dem Beispiel gesammelt wurden. Im letzteren Fall werden typischerweise
weniger als zwei Drahtbrüche
während der
EDM-Schlitzbildung
von P/M-Rohteilen der gleichen Größe beobachtet.
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Die Effekte dieser Verbesserungen
in der Düsenqualität auf die
Extrusion der Keramikwaben ist beträchtlich. Am wichtigsten ist,
dass das Auftreten eines "Verbiegens", wenn eine neue
Düse in
den Extrusionsprozess eingeführt
wird, beträchtlich
vermindert werden kann, indem rostfreie P/M-Stähle als Düsen-Rohmaterial verwendet werden. Tatsächlich kann
der Prozentsatz neuer Düsen,
die ein Polieren oder ein Honen erfordern, um die Verbiegungsprobleme
zu korrigieren, um einen Faktor von mindestens 4 vermindert werden,
indem die Pulver-gebildeten rostfreien Stahl-Rohteile die rostfreien
Schmiedestahl-Rohteile
in dem Düsenherstellungsverfahren ersetzen.
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Gegenwärtig wird die bestimmte Zusammensetzung
des Pulvergebildeten rostfreien Stahls, die als Düsen-Rohmaterial
gemäß dieser
Erfindung verwendet wird, nicht als kritisch erachtet. Daher kann der
unter den erhältlichen
P/M-Quellen ausgewählte Stahltyp
primär
auf der Basis von Faktoren wie Festigkeit, Verschleißbeschichtbarkeit,
Härte und ähnlichem
ausgewählt
werden.
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Die gegenwärtig bevorzugten Pulver-beschichteten
rostfreien Stähle
zur Herstellung von Extruderdüsen
sind die Chrom enthaltenden ferritischen oder martensitischen rostfreien
Stähle
der 400 Serie, wobei spezifische Beispiele solcher Stähle die
Stähle vom
Typ 450 und 422 sind. Gegenwärtig
ist der besonders bevorzugte Stahl der rostfreie P/M-Stahl des Typs
422.
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Abhängig von dem bestimmten extrudierten Material
und/oder unterschiedlichen Erfordernissen bezüglich der Verschleißbeschichtung
oder anderen Düsenhärtverfahren,
können
alternativ andere rostfreie Stähle
eingesetzt werden. Beispiele solcher anderen Stähle, die als hervorragende
Kandidaten für die
Verwendung als Extruderdüse
angesehen werden, wenn sie als Quelle pulverförmigen Stahl haben, sind die
Chrom und Nickel enthaltenden austenitischen oder ausscheidungshärtbaren
Stähle.
Ein Beispiel eines solchen Stahls ist ausscheidungshärtbarer
Stahl des Typs 17-4PH (AISI Typ 630). Sogar dauerhafte Nicht-Stahl-Legierungen,
einschließlich Nickellegierungen
wie bestimmte Inconel-Legierungen,
können
hervorragende Düsenrohteil-Materialien sein,
wenn sie aus Pulvern gebildet sind und zu dichten Hohlraum-freien
Rohteilen konsolidiert werden.
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Schlüsselanforderungen jeglicher
dieser Kandidaten-Extruderdüsenmaterialien
sind, dass sie in einer vollständig
konsolidierten Form erhältlich sind,
die weitgehend frei von mikrostruktureller Porosität ist, korrosionsbeständig ist
und von ausreichender Festigkeit ist, um den Beanspruchungen des
Extrusionsprozesses, für
den sie beabsichtigt sind, widerstehen. Weiterhin wichtig für einige
Anwendungen sind die thermischen Bearbeitungseigenschaften des Metalls,
da eine thermische Beständigkeit
die Verschleißbeschichtungs-Kompatibilität und somit
die Eignung des Düsenmaterials
für Extrusionsanwendungen
keramischer Ansätze
verbessert.