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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Pulver auf Eisen-Basis zur Verwendung
in der Herstellung einer Komponente mittels einer Pulvermetallurgie-Technik
(PM).
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Es
ist bekannt, Komponenten mittels der PM-Technik herzustellen, d.
h. durch Herstellen eines Pulvers auf Eisen-Basis, Verdichten des
Pulvers, um einen Grünkörper zu
bilden, und anschließend
Sintern, so daß das
Pulver zusammenschmilzt, um die Komponente zu bilden. In manchen
Fällen
ist das Pulver ein Gemisch von elementaren Pulvern, wobei Eisen
vorherrscht, und in anderen Fällen
umfaßt
das Pulver eine Legierung von Eisen und anderen Elementen (solche
legierten Pulver können
mittels Wasserdruckverdüsung
hergestellt werden). Es ist auch bekannt, eine Pulverlegierung mit
elementarem Eisen zu mischen und verschiedene Pulverlegierungen zu
mischen. Die PM-Technik bietet viele Vorteile, insbesondere eine
verringerte Bearbeitung.
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Tatsächlich ist
es aufgrund der Beschaffenheit der durch bekannte Verfahren der
Pulvermetallurgie hergestellten Produkte erwünscht, daß ein geringstmögliches
Maß an
Bearbeitung erforderlich ist. Da sie keine vollständig verdichteten
Produkte sind, können
mittels bekannter Verfahren der Pulvermetallurgie hergestellte Produkte
Schaden von dem als Geratter („chattering") bekannten Phänomen erleiden,
welches sowohl die Produkte als auch das Bearbeitungswerkzeug beschädigt. Diese
Problem ist betont, wenn das Gemisch, aus welchem das Produkt gebildet
wird, ein Pulver eines Werkzeugstahls enthält, was einen übermäßigen Werkzeugabrieb
ergeben kann.
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Es
wurde erkannt, daß es
erwünscht
wäre, die
PM-Technik für
die Herstellung von Komponenten zu verwenden, die unter Bedingungen
arbeiten müssen,
welche Heiß oxidationsbeständigkeit
erfordern, beispielsweise bei Temperaturen von bis zu 850°C, und in
der Gegenwart von korrodierendem Gas. Ein Beispiel für eine solche
Anwendung ist eine Turboladerabgasschieberventilbuchse, die in einer
Abgasumgebung arbeitet. Solche Buchsen werden herkömmlicherweise
aus Gußeisen
mit hohem Chromgehalt oder austenitischem Stahl hergestellt. Mittels einer
PM-Technik hergestellte Buchsen dieser Art haben sich jedoch bislang
als nicht befriedigend erwiesen, da sie beispielsweise dafür anfällig sind,
ein „Festfressen" aufgrund von Quellung
zu verursachen.
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GB
2 298 869 A offenbart ein Legierungspulver mit einer Zusammensetzung,
bestehend aus, bezogen auf Gewichtsprozente, 14 bis 30 Chrom, 1
bis 5 Molybdän,
0 bis 5 Vanadium, 0 bis 6 Wolfram, wobei die Gesamtmenge an Molybdän, Vanadium
und Wolfram mindestens 3 beträgt,
einer Gesamtmenge von 0 bis 5 von anderen, feste Carbide-bildender
Elemente, beispielsweise Niob, Tantal und Titan, 0 bis 1,5 Silizium,
Kohlenstoff mit einer minimalen Menge, die ausreichend ist, Carbide
mit im wesentlichen allen von Molybdän, Vanadium, Wolfram und anderen, feste
Carbide-bildenden
Elementen, die vorliegen, zu bilden, und einem Rest, der Eisen und
unvermeidbare Verunreinigungen ist. Die maximale Kohlenstoffmenge
ist als ein Fünftel
des Chromgehalts weniger 2 ausgedrückt. Es sind Beispiele angegeben,
umfassend 20 bis 28 Chrom, 2 bis 3 Molybdän, 1,5 bis 2,5 Vanadium, 2,5
bis 3,5 Wolfram, 0,8 bis 1,5 Silizium und 0,555 bis 2 Kohlenstoff.
Das Pulver wird mittels schneller Druckverdüsung, gefolgt von einer Temperbehandlung
hergestellt und weist eine im wesentlichen ferritische Matrix auf,
die mindestens 12% Chrom in Lösung
und eine Dispersion von Carbiden enthält.
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Komponenten,
die aus den in GB 2 298 869 A offenbarten Legierungspulvern hergestellt
sind, weisen keine gute Heißoxidationsbeständigkeit
auf. Es wird in GB 2 298 869 A auch vorgeschlagen, daß die Abriebbeständigkeit
von Komponenten, hergestellt aus herkömmlichen Pulvern von rostfreiem Stahl,
durch das Mischen des Pulvers von rostfreiem Stahl mit dem darin
offenbarten Pulver verbessert werden kann. Es ist ein Beispiel mit
80% rostfreiem Stahl zu 20% des offenbarten Legierungspulvers angegeben.
Mischungen bzw. Blends von geringeren Mengen des offenbarten Pulvers
mit Pulvern von rostfreiem Stahl ergibt jedoch keine Komponenten mit
guter Heißoxidationsbeständigkeit.
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Weiter
offenbart GB 2 298 869 A in der Diskussion der Herstellung eines
Produkts aus einem Gemisch von herkömmlichem Pulver von rostfreiem Stahl
und dem darin offenbarten Pulver keinerlei unerwartete physikalische
oder mechanische Eigenschaften, die als ein Ergebnis der Kombination
dieser Pulver erwachsen. Vielmehr wird die Härte des offenbarten Pulvers
in das Gemisch eingebracht, um die Härte des weicheren herkömmlichen
Pulvers von rostfreiem Stahl zu verstärken, und in der Abwesenheit
jeglicher gegensätzlicher
Hinweise sind die Eigenschaften der aus dem Pulvergemisch gebildeten Produkte
größtenteils
diejenigen des verwendeten Pulvers von rostfreiem Stahl.
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Es
verbleiben jedoch Anwendungen, im Rahmen derer es erwünscht wäre, die
Eigenschaften des Endprodukts weiter einzustellen. Beispielsweise kann
es erwünscht
sein, den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des aus einem Gemisch von Pulvern hergestellten Produkts zu ändern, um über einen
gesamten Temperaturbereich des Betriebs enger mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Komponenten übereinzustimmen,
mit denen das Endprodukt im ineinandergreifenden Einsatz steht.
Eine solche Situation kann sich ergeben, wenn das Endprodukt und
andere Komponenten einer Preßverbindung
(„interference
matching") oder
einer relativen mechanischen Bewegung unterworfen sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Pulver auf Eisen-Basis
bereitzustellen, welches es ermöglicht,
Komponenten mittels der PM-Technik herzustellen, welche dazu fähig sind,
unter den vorstehend genannten Bedingungen befriedigend zu arbeiten.
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Aus
dem Pulvergemisch gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Komponenten weisen als einen weiteren Vorteil
die wesentliche Beseitigung der Wirkung des Geratters während der
Bearbeitung auf, was die Herstellung von solchen Komponenten ermöglicht,
welche anschließend
zu hohen Toleranzen bearbeitet werden können. Es ist auch ein Vorteil
der vorliegenden Erfindung, daß solche bearbeiteten
Komponenten eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.
Zusätzlich führen die
verbesserten Bearbeitungseigenschaften der vorliegenden Erfindung
zu dem Bearbeitungswerkzeug mit einer längeren Lebensdauer.
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Die
Erfindung stellt ein Pulver auf Eisen-Basis zur Verwendung in der
Herstellung einer Komponente mittels einer Pulvermetallurgie-Technik
bereit, wobei das Pulver ein Gemisch ist, bestehend aus einem ersten
Legierungspulver, bestehend aus, bezogen auf Gewichtsprozente, 14
bis 30 Chrom, 1 bis 5 Molybdän,
0 bis 5 Vanadium, 0 bis 6 Wolfram, wobei die Gesamtmenge an Molybdän, Vanadium
und Wolfram mindestens 3 beträgt,
einer Gesamtmenge von 0 bis 5 von anderen, feste Carbide-bildender Elemente,
ausgewählt
aus Niob, Tantal und Titan, 0 bis 1,5 Silizium, 0,555 bis 2 Kohlenstoff
mit einer minimalen Menge, die ausreichend ist, Carbide mit im wesentlichen
allen bzw. sämtlichen
von Molybdän,
Vanadium, Wolfram und anderen, feste Carbide-bildenden Elementen,
die vorliegen, zu bilden, wobei der Rest Eisen zusammen mit unvermeidbaren
Verunreinigungen ist, einem zweiten Legierungspulver eines austenitischen
rostfreien Stahls und einem festen Schmiermittel, welches 3,5 bis
30 Gew.-% des Gemisches bildet, und wobei, bezogen auf das Gewicht, der
Hauptteil der Kombination des ersten Legierungspulvers und des zweiten
Legierungspulvers durch das erste Legierungspulver gebildet wird,
wobei das zweite Legierungspulver den kleineren Anteil dieser Kombination
bildet.
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Es
wurde festgestellt, daß ein
Pulver gemäß der Erfindung
es ermöglicht,
Komponenten mit befriedigender Leistung unter den vorstehenden Bedingungen
mittels einer kalten Verdichtung in einem Schritt und einer PM-Sintertechnik
in einem Schritt herzustellen. Das erste Legierungspulver ergibt
eine gute Abriebbeständigkeit
und Korrosionsbeständigkeit.
Das zweite Legierungspulver trägt
zur Grün- bzw.
Rohfestigkeit bei, verringert die Porosität und erhöht die Korrosionsbeständigkeit.
Das zweite Legierungspulver erhöht
auch den Wärmeausdehnungskoeffizienten,
was eine Einstellung dieses Parameters für die Kompatibilität mit Komponenten
im Co-Betrieb ermöglicht.
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Bevorzugt
ist das feste Schmiermittel mit bis zu 5 Gew.-% von dem Gemisch
umfaßt.
Bevorzugt umfaßt
das feste Schmiermittel Molybdändisulfid (MoS2).
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Das
Pulver gemäß der Erfindung
wurde mit einem Vergleichspulver verglichen, welches nur das erste
Legierungspulver umfaßt,
und es wurde festgestellt, daß es
eine verbesserte Verdichtbarkeit aufweist. Es wurde festgestellt,
daß aus
einem Pulver gemäß der Erfindung
hergestellte Komponenten eine verbesserte Heißoxidationsbeständigkeit,
einen erhöhten
Wärmeausdehnungskoeffizienten
und eine erhöhte
Dichte im Vergleich mit aus dem Vergleichspulver hergestellten Komponenten
aufweisen.
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Bevorzugt
umfaßt
das erste Legierungspulver, bezogen auf Gewichtsprozente, 20 bis
28 Chrom, 2 bis 3 Molybdän,
1,5 bis 2,5 Vanadium, 2,5 bis 3,5 Wolfram, 0,8 bis 1,5 Silizium,
0,555 bis 2 Kohlenstoff und einen Rest, der Eisen und unvermeidliche
Verunreinigungen ist.
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Bevorzugt
umfaßt
das zweite Legierungspulver, bezogen auf Gewichtsprozente, 1 bis
37 Nickel, 12 bis 28 Chrom, 0 bis 19 Mangan, 0 bis 7 Molybdän, maximal
1 Niob, maximal 0,4 Stickstoff, maximal 0,2 Kohlenstoff, wobei ein
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist. Speziell kann
das zweite Legierungspulver, bezogen auf Gewichtsprozente, 8 bis 16
Nickel, 12 bis 20 Chrom, 0 bis 4 Molybdän, weniger als 0,1 Kohlenstoff
und einen Rest, der Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist,
umfassen. Gute Ergebnisse wurden erhalten, wenn das zweite Legierungspulver,
bezogen auf Gewichtsprozente, 11 bis 13 Nickel, 16,2 bis 17,2 Chrom,
1 bis 3 Molybdän
und 0 bis 1 Silizium umfaßte.
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In
einem Pulver gemäß der Erfindung
kann die Kombination des ersten Legierungspulvers und des zweiten
Legierungspulvers 50 bis 95 Gew.-% des ersten Legierungspulvers
umfassen. Gute Ergebnisse wurden erhalten, wenn dieser prozentuale
Gehalt zwischen 70 und 80 lag. Der Anteil des zweiten Legierungspulvers
kann eingestellt werden, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten
einzustellen, beispielsweise wenn die Komponente eine Turboladerbuchse
ist, kann deren Wärmeausdehnungskoeffizient
mit dem ihres Gehäuses
in Einklang gebracht werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann mehr
als 12 × 10–6°C–1 betragen.
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Die
Erfindung stellt auch ein Pulver bereit, welches aus einem Gemisch
des Pulvers auf Eisen-Basis, auf das sich vorstehend als gemäß der Erfindung
bezogen wird, und einer Zugabe von bis zu 1 Gew.-% freiem Kohlenstoff
besteht. Zusätzlich
oder anstatt des freien Kohlenstoffes kann eine Sinterhilfe eingeschlossen
sein, beispielsweise etwa 0,5 Gew.-% Phosphor.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, ein Pulver in der Herstellung einer Komponente mit Heißoxidationsbeständigkeit
mittels einer PM-Technik zu verwenden.
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Es
folgen nun detaillierte Beschreibungen von erläuternden Beispielen gemäß der Erfindung, die
mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen zu lesen sind.
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In
den Zeichnungen:
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1 ist eine graphische Darstellung,
in welcher der Verdichtungsdruck in MPa (x-Achse) gegen die Rohdichte in Mg/m3 aufgetragen ist;
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2 ist eine graphische Darstellung,
in welcher der Wärmeausdehnungskoeffizient
in Einheiten von 10–6 mm/mm/°C (y-Achse)
gegen die Temperatur in °C
aufgetragen ist; und
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3 ist eine graphische Darstellung,
in welcher der prozentuale Anteil der Gewichtszunahme in 24 Stunden
in einem Heißoxidationsbeständigkeitstest
(y-Achse) gegen die Temperatur in °C aufgetragen ist.
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BEISPIEL 1
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In
den veranschaulichenden Beispielen wurde ein Pulver auf Eisen-Basis
durch Mischen eines ersten, mit Wasser druckverdüsten Legierungspulvers, eines
zweiten mit Wasser druckverdüsten
Legierungspulvers, eines festen Schmiermittels und eines Standardbindemittels
hergestellt. Das erste Legierungspulver wies eine Zusammensetzung
von (in Gewichtsprozent) 24,3 Chrom, 3,1 Molybdän, 2,2 Vanadium, 3,2 Wolfram,
1,6 Kohlenstoff, 1,3 Silizium und einem Rest, bestehend aus Eisen
und unvermeidlichen Verunreinigungen (hauptsächlich Schwefel mit etwa 0,1%),
auf.
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Das
zweite Legierungspulver wies eine Zusammensetzung von (in Gewichtsprozent)
12,7 Nickel, 17,1 Chrom, 2,3 Molybdän, 0,9 Silizium, 0,025 Kohlenstoff
und einem Rest, bestehend aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen,
auf. Das feste Schmiermittel war Molybdändisulfid und das Bindemittel
war Acrawax.
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In
einem ersten veranschaulichenden Beispiel umfaßte das Gemisch 70% des ersten
Legierungspulvers, 26,5% des zweiten Legierungspulvers und 3,5%
des festen Schmiermittels. Zu diesem wurden 0,5% Bindemittel zugegeben.
Proben des Gemisches wurden bei in 1 durch
Sterne veranschaulichten Verdichtungsdrücken gepreßt, um einen Rohkörper zu
bilden. 1 veranschaulicht
die in dem ersten Beispiel erreichten Dichten. 1 veranschaulicht auch die mit einem
Vergleichspulver erreichten Dichten (durch diagonale Kreuze gezeigt). Das
Vergleichspulver beinhaltete nichts von dem zweiten Legierungspulver,
wobei es aus 96,5% der ersten Legierung und 3,5% des festen Schmiermittels
bestand.
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In
dem ersten veranschaulichenden Beispiel wurden die Rohkörper anschließend bei
einer Temperatur von 650°C
entwachst und bei 1110°C
in einem Drahtgürtelsinterofen
gesintert. Die gesinterten Komponenten wiesen Dichten von bis zu
6,27 Mgm–3 auf.
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Die
im Rahmen des ersten Beispiels hergestellten gesinterten Komponenten
wiesen eine Härte von
59 HRA auf. Die Komponenten wurden auch Abriebtests und Korrosionstests
unterworfen (speziell einem durch 3 veranschaulichten
Heißoxidationstest)
und sie erwiesen sich als für
die Verwendung in Hochtemperaturanwendungen und in der Gegenwart
von Abgasen geeignet.
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Wie
in 2 gezeigt, wurden
die im Rahmen des ersten veranschaulichenden Beispiels hergestellten
Komponenten getestet, um ihren linearen Wärmeausdehnungskoeftizienten über einen
Temperaturbereich zu bestimmen. Die Linie A in 2 zeigt die Ergebnisse, während die
Linie B die Ergebnisse zeigt, welche für aus dem vorstehend erwähnten Vergleichspulver
hergestellte Komponenten erhalten wurden. 3 zeigt die Komponenten des ersten veranschaulichenden
Beispiels als kleine Quadrate und die aus dem Vergleichspulver als
große
Quadrate. Aus 3 ist
er sichtlich, daß die
Heißoxidationsbeständigkeit
des Vergleichsbeispiels bei höheren Temperaturen
zunehmend schlecht wird, während die
des ersten veranschaulichenden Beispiels nicht nur besser ist, sondern
auch mit einer viel geringeren Rate mit steigender Temperatur abnimmt.
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Anschließend wurde
ein Reibungstest mit Proben gemäß diesem
Beispiel durchgeführt.
Der Test beinhaltete die Aufnahme dieser Proben und das Einbringen
jeder Probe in eine Testvorrichtung. In der Testvorrichtung wurde
jedes Ende der Probe in eine Buchse eingebracht, jede Buchse anschließend mit
2 kg belastet, um eine Abwärtskraft
auf jedes Ende der Probe zu erzeugen. Die Probe wurde anschließend auf
etwa 600°C
in einer heißen
Dieselabgasumgebung erwärmt.
Die Probe wurde dann mit 20 Cyclen pro Minute in dieser Umgebung
für 110
Stunden fortlaufenden Testens rotiert. Der Auflagerdruck unter diesen
Bedingungen betrug etwa 0,1 MPa und der Reibungskoeffizient während des
Tests betrug zwischen 0,15 und 0,5.
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BEISPIEL 2
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In
einem zweiten veranschaulichenden Beispiel wurde das erste Beispiel
wiederholt, außer,
daß das
Sintern Vakuumsintern bei 1200°C
war. Die Komponenten wiesen eine Härte von 50 HRA auf und die gesinterten
Dichten betrugen bis zu 6,53 Mgm–3.
Die Komponenten bestanden auch die Abrieb- und Korrosionsbeständigkeitstests.
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BEISPIEL 3
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In
weiteren veranschaulichenden Beispielen wurde der prozentuale Anteil
des zweiten Legierungspulvers variiert, wobei der prozentuale Anteil des
ersten Legierungspulvers geändert
wurde, um den Unterschied auszugleichen.
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Mit
46,5% des zweiten Legierungspulvers wurden die durch kleine Quadrate
in 1 gezeigten Rohdichten
und eine Härte
von 230 kg/mm2 erreicht. Ein Block- und
ein Ringabriebtest wurde mit Proben gemäß diesem Beispiel durchgeführt. Der
während des
Tests auftretende Abrieb erzeugt ein Kratzprofil. Die Geometrie
des Kratzers kann anschließend
verwendet werden, das Volumen des während des Tests ent fernten
Materials zu bestimmen – der
Abriebverlust. In dem Abriebtest wurde ein Verlust von 1,50 mm3 beobachtet.
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Mit
36,5% des zweiten Legierungspulvers wurden die durch Kreuze in 1 gezeigten Rohdichten erreicht,
und die Härte
betrug 246 kg/mm2. In dem Abriebtest betrug
der Abriebverlust 1,8 mm3. Mit 16,5% des
zweiten Legierungspulvers wurden die durch große Quadrate gezeigten Rohdichten
erreicht, und die Härte
betrug 270 kg/mm2. In dem Abriebtest betrug
der Abriebverlust 2,1 mm3.
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Die
Testergebnisse zeigen an, daß Pulver gemäß der Erfindung
es ermöglichen,
daß Komponenten
mittels einer PM-Technik hergestellt werden, wobei die Komponenten
eine verbesserte Heißoxidationsbeständigkeit,
aber nur eine leicht verringerte Abriebbeständigkeit im Vergleich mit aus
dem ersten Legierungspulver, d. h. ohne eine Komponente aus austenitischem
rostfreien Stahl, hergestellten Komponenten aufweisen.
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BEISPIEL 4
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Eine
weitere Gruppe veranschaulichender Beispiele wurde unter Verwendung
eines im Handel erhältlichen
austenitischen rostfreien Stahls mit der Bezeichnung 316L hergestellt. Über den
Bereich von Proben wurden, während
der Anteil von festem Schmiermittel um eine festgelegte Menge erhöht wurde,
die Mengen der ersten Legierung und des austenitischen rostfreien
Stahls jeweils derart verringert, daß ein Verhältnis von 2,6 : 1 der ersten
Legierung zu dem austenitischen rostfreien Stahl beibehalten wurde.
Die Proben wurden durch Herstellen eines Gemisches der ersten Legierung,
des rostfreien Stahls und des festen Schmiermittels, wie erforderlich,
hergestellt. Jedes Gemisch wurde gepreßt, um ein Rohpulverpressteil
zu bilden. Das Rohpulverpressteil wurde bei 10°C/Min auf eine Temperatur von
etwa 600°C
erwärmt
und bei dieser Temperatur für
30 Minuten beibehalten. Die Proben wurden anschließend bei
10°C/Min
auf etwa 900°C
erwärmt und
bei dieser Temperatur für
30 Minuten beibehalten. Schließlich
wurden die Proben bei 5°C/Min
unter nahezu Vakuum von 4 mbar Ar auf etwa 1175°C erwärmt und bei dieser Temperatur
für 60
Minuten beibehalten, bevor sie auf Raumtemperatur abkühlen konnten.
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Jede
der Proben wurden einem Heißoxidationstest
unterworfen. Die Proben wurden bei einer konstanten Temperatur von
750°C für 24 Stunden beibehalten
und die Gewichtszunahme für
jede Probe bestimmt. Die Gewichtszunahme veranschaulicht die Menge
an auf jeder Probe gebildetem Oxid. Es wurde festgestellt, daß bei bis
zu 30% Molybdändisulfid
ein zufriedenstellendes Ergebnis derart erhalten werden konnte,
daß weniger
als 1% Gewichtszunahme nachgewiesen wurde.
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Wenn
sich Oxid bildet, so bildet es sich in den Zwischenräumen oder
Poren des gesinterten Materials, was unter Umständen verursacht, daß das gesinterte
Material bricht, wenn das Oxidvolumen größer als das Volumen der Poren
wird, in denen es sich bildet. Der Bruch eines PM-Teils ist klar
bestens verhindert, und ein Teil, welches wenig Oxid bildet, während es
seine physikalischen Eigenschaften beibehält, ist damit wünschenswert.
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BEISPIEL 5
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Eine
weitere Gruppe veranschaulichender Beispiele wurde hergestellt.
Die Proben waren im wesentlichen gleich, wobei jede Probe bestimmte
Mengen sowohl der ersten Legierung, der zweiten Legierung als auch
des festen Schmiermittels enthielt. In jedem Fall wurde das Pulvergemisch
in einem Hubbalkenofen in einer Stickstoff/Wasserstoffatmosphäre gesintert.
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Die
Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen gesintert. Es wurde
festgestellt, daß eine Sintertemperatur über etwa
1230°C erforderlich
war, um Proben herzustellen, die ohne überdurchschnittliche Abnützung der
Bearbeitungswerkzeuge bearbeitet werden konnten.