EP0868956B1 - Verfahren zur Herstellung von Metallkörpern mit innerer Porosität - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Metallkörpern mit innerer Porosität Download PDF

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EP0868956B1
EP0868956B1 EP98890051A EP98890051A EP0868956B1 EP 0868956 B1 EP0868956 B1 EP 0868956B1 EP 98890051 A EP98890051 A EP 98890051A EP 98890051 A EP98890051 A EP 98890051A EP 0868956 B1 EP0868956 B1 EP 0868956B1
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EP
European Patent Office
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metal
powder
heavy
temperature
porosity
Prior art date
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EP98890051A
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EP0868956A1 (de
Inventor
Peter H. Prof. Dr. Degischer
Brigitte Dr. Kriszt
Ahmad Falahati
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Voestalpine Edelstahl GmbH
Original Assignee
Voestalpine Edelstahl GmbH
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Publication date
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Priority to AT98890051T priority Critical patent/ATE248675T1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1121—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers
    • B22F3/1125—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers involving a foaming process

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of metal bodies with a substantially homogeneously formed internal porosity of metal powders and gas-releasing propellant powders. Furthermore, the invention comprises porous, in particular produced by the above process metal body.
  • a production of metal foam bodies takes place when using mostly Light metals and the like alloys in that liquid metal foamed and allowed to solidify. Such manufactured bodies can be many times for reasons of manufacturability have only simple geometric shapes and must be further elaborately processed throughout.
  • a process for producing a body with continuous porosity referred to as Silencer or filter can be used is disclosed in DE-A-3421858 disclosed. According to this method, a powder is sintered without any pressing, wherein a fusion of the sharp edges of the powder grains below the melting point of the powder material takes place.
  • DE-4 018 360 C1 discloses another process for producing porous ones Metal body made of light metals by means of metal powder and at least one Propellant powder.
  • a semi-finished is doing by hot compacting the Powder mixture at a temperature at which the compound of Metal powder particles predominantly by diffusion and at a pressure, the is high enough to prevent the decomposition of the propellant, thus created, that the metal particles are in a fixed connection with each other and represent a gas-tight seal for the particles of the blowing agent.
  • Subsequently is heated by heating the semifinished product to a temperature above the Decomposition temperature of the blowing agent, preferably in the temperature range of Melting point of the metal used, the porous metal body formed.
  • This object is achieved according to the invention that from starting materials powder of at least one heavy metal and / or at least one heavy metal alloy, from at least one gas-forming and / or gas-releasing propellant and from at least one non-metallic reaction and / or alloying agent prepared and the powders are processed into a homogeneous mixture, which Powder mixture under all-round pressure, if necessary in a closable Container and / or compacted at elevated temperature to form a blank and this is subjected to a heat treatment, which heat treatment at least each partially in a temperature range between solidus and liquidus one formed by non-metallic agent, lower melting heavy metal phase on the surface of the powder grains, which Phase a metallic compound or welding the Metal particles causes, and in the field of reaction and / or Decomposition temperature of the blowing agent is, with a gas-forming and / or a volumsverierewort reaction by the
  • the advantages achieved by the invention are essentially to be seen in that by the powder grain structure and / or the powder composition according to a intensive mixing a blank can be produced, which optimally the required Requirements for creating a connection of the metal particles with each other, with a largely gas-tight inclusion of the blowing agent particles, offers.
  • a particularly advantageous method of preparation and uniformly good mechanical Properties of the porous metal body in comparison with its specific Weight is reached when, after raising the melting temperature of the grain connecting areas by diffusion, a heating and / or Pressure reduction on the decomposition and / or reaction criteria of Propellant takes place.
  • Powder with a lower melting thin film on The grain surfaces are, for example, by annealing in one Reaction gas stream produced, wherein after compacting to a blank by a temperature effect, at least a partial melting of the Surface areas and welding of the powder particles can be done. It is also advantageously possible, powder with largely homogeneous chemical Composition across the grain cross-section by means of alloying and / or Coating reagent to compact this mix and a Underlie glowing, whereby by diffusing the Coating elements alloyed, lower melting surface areas formed and the powder grains are joined together. So can for example a substantially pure iron with a melting point of 1500 ° C.
  • the metal powder (s) and the blowing agent (s) powder (s) are used as the Reaction and / or alloying agent is a non-metallic element or a the like compound, preferably carbon, in particular graphite, before homogenizing mixing process is added.
  • alloyed and high-alloyed heavy metals can also be favorable in particular for alloyed and high-alloyed heavy metals be if in the area of the surface of heavy metal powder grains a layer is formed with increased nitrogen content, whereby during a heat treatment the blank is a compound of the same, because ultimately a high Strength of the pore walls can be achieved.
  • a carbon dioxide-releasing substance preferably at least one Carbonate, especially the elements of the second group of periodic System or a heavy metal is used and that through Temperature effect of split off gas, optionally by reaction with the added carbon, undergoes an increase in volume, with highly effective Propellants, optionally with low propellant quantities, particularly favorable achieved trained porosity in the metal body.
  • An increase in volume of a propellant at elevated temperature split carbon dioxide is mixed by a reaction with Carbon causing carbon monoxide formation.
  • At least one oxide preferably a Heavy metal oxide, in particular iron oxide, used and with at least one such amount of carbon are distributed in the powder that the oxygen content of the Oxides is reacted to CO gas.
  • a highly tear-free inflation of the blank is achievable if the Heating rate to the temperature at which the propellant gas splits off, has a value that is greater than 1.05 ° C / s.
  • At least two heavy metal powder and / or at least two propellant powders each having different chemical Composition prepared and used to form the blank For example, the conditions for a metallic compound of the powder particles to Formation of metal bodies with special mechanical properties and uniform small porosity can be optimized.
  • the metal body is a dense Has surface layer and is formed in particular as a composite body.
  • the invention further includes a substantially homogeneous inner porosity of at least 40% by volume.
  • Has porosity, of at least one heavy metal and / or at least one Heavy metal alloy is formed and carbon contents of 0.05 to 4.1 wt .-% and / or nitrogen contents of 0.002 to 0.3 wt .-%.
  • Carbon and / or nitrogen contents in heavy metal is an improved connection-technical or welding metallurgical quality of the connection areas secured around the pores.
  • the metal body can be achieved, if this essentially of an iron-based or nickel-based or a Cobalt-based alloy, in particular each having a chromium content of greater than 1.6 Wt .-% or copper-based alloys and other heavy metals is formed and having a melting point greater than 900 ° C.
  • the metal body consists essentially of at least one intermetallic Phase exists, can advantageously so-called memory properties of such Materials are used.
  • Table 1 show the effects of, on the one hand, propellants of different high dissociation temperature (eg at 1 atm .: CaCO 3 900 ° C, SrCO 3 : 1289 ° C, BaCO 3 : 1360 ° C) and on the other hand the carbon non-metallic reactant a gas volume increasing reaction sequence:
  • the propellant gas volume can be further increased if the carbon oxides formed by splitting off carbonic acid metal oxides, in particular heavy metal oxides, are reducible by carbon at temperatures between 900 ° C and 1250 ° C.
  • This reaction which is advantageously possible with carbonate ores such as iron carbonates, proceeds in principle according to the following equations, where SMe means heavy metal.
  • heavy metal oxides for example iron oxides, in particular lamellar, ie non-amorphous hematite and carbon, can be used, a propellant gas formation taking place according to the formula: Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO
  • Powder additives of lamellar hematite and graphite are particularly advantageous usable, because a platelet-shaped structure of these particles good mixing and Distribution properties in heavy metal powder as well as delayed reactions can effect.
  • AISI 316 stainless steel was processed into a powder having a mean particle diameter of 125 ⁇ m by a gas atomization process. Part of this powder was embroidered on the surface zone of the powder grains. Both the atomized and non-treated as well as the superficially embroidered powder were each partially mixed with 0.1 wt .-% CaCO 3 and 0.15 wt .-% SrCO 3 and compacted at elevated temperature to form blanks. In a subsequent annealing treatment for the formation of internal porosity, the results summarized below in Tab. 2 were obtained: Experiment no.
  • Powder mixture blank Result A 316+ 0.1% CaCO 3 a central bloating B 316+ 0.15% SrCO 3 low porosity C 316 / N + 0.1% CaCO 3 slight porosity D 316 / N + 1.5% SrCO 3 Porosity good
  • Grade 304 L stainless steel was prepared by inert gas atomization techniques and portions of each containing 0.1 wt% CaCO 3 , 0.15 wt% SrCO 3, and 0.15 wt% SrCO 3 + 0 , 4 wt .-% C mixed homogeneously and filled the mixtures in two tin containers, these evacuated and sealed. A series of mixtures was hot isostatically pressed at a temperature of 1100 ° C, after which in an induction heating system, heating of the blanks to a temperature in the range of the melting temperature of the alloy to release the propellant gas followed by cooling took place.
  • a metal body porosity of more than 62% by volume could be found, the carbon exhibiting a significantly increased porosity and alloy hardening effect.
  • the pore volume or the pore size in the center of the part was larger and dropped off towards the partial surface.
  • the second batch was compacted in a hot isostatic press and then heated to near the melting point of the alloy. After holding 30 min.der blanks to temperature was carried out at a homogeneous temperature distribution over the cross section, a reduction of the isostatic pressure to atmospheric pressure and thus a formation of a porosity in the metal body with simultaneous cooling thereof.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Metallkörpern mit einer im wesentlichen homogen ausgebildeten inneren Porosität aus Metallpulvern und gasabspaltenden Treibmittelpulvern. Weiters umfaßt die Erfindung poröse, insbesondere nach obigem Verfahren hergestellte Metallkörper.
Für einen technischen Einsatz von metallischen Körpern, insbesondere beim Bau von Geräten, sind deren mechanische Eigenschaften und zumeist deren Gewicht von entscheidender Bedeutung. Oftmals, zum Beispiel in der Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie, besteht der Wunsch nach Teilen, die eine hohe Biege-und/oder Torsionsfestigkeit, hohe Energieabsorption bei Verformung, geringe Wärmeleitfähigkeit und dergleichen bei geringst möglichem Komponentengewicht aufweisen. Um nun geringe Komponentengewichte im Geräte- und Anlagenbau zu erreichen, besteht einerseits die Möglichkeit, Leichtrnetalle zu verwenden, andererseits kann diesbezüglich ein Einsatz von Metallschaumkörpem besonders vorteilhaft sein.
Eine Herstellung von Metallschaumkörpern erfolgt bei Verwendung von zumeist Leichtmetallen und dergleichen Legierungen dadurch, daß flüssiges Metall geschäumt und erstarren gelassen wird. Derart gefertigte Körper können vielfach aus Gründen der Herstellbarkeit nur einfache geometrische Formen aufweisen und müssen durchwegs aufwendig weiterbearbeitet werden.
Um eine gewünschte Form eines Metallschaumkörpers zu erreichen, wird gemäß US-PS 2 979 392 vorgeschlagen, in eine Kokille eine feste Mischung aus Metallpulver und gasabspaltendem Pulver einzubringen und durch Wärmeeinwirkung den Metallpulverteil zu schmelzen, wobei sich das gasabspaltende Pulver zersetzt und das Gas im Metall unzusammenhängende geschlossene Zellräume bildet. Durch eine darauffolgende Abkühlung wird ein geformter Metallschaumkörper gebildet. Dieses Herstellungsverfahren hat jedoch den Nachteil, daß ein Aufschmelzen und Aufschäumen des flüssigen Metalles durch raschen, weitgehend ungehinderten Austritt des abgespaltenen Gases schwer kontrollierbar ist und nach dem Abkühlen oft im wesentlichen porenfreie Teile des Körpers vorliegen.
Durch die DE-OS 1 201 559 ist ein anderes Verfahren zur Herstellung von Schaumkörpern mit gleichmäßig über dem Querschnitt verteilten Poren bekannt geworden, bei welchem ein Gemisch eines zerkleinerten duktilen Metalles und eines bei erhöhter Temperatur, aber unterhalb der Schmelztemperatur des Metalles gasabgebenden Zusatzes stranggepreßt wird und diese verschweißte Mischung dann auf eine Temperatur oberhalb der Gasabgabetemperatur des Zusatzes, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Metalles erhitzt wird. Dieses gegebenenfalls eine gleichmäßige Porosität des gebildeten Körpers erbringende Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß nur hochduktile Metallpulver, die bereits durch ein Strangpressen verschweißbar sind, eingesetzt werden können.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit durchgehender Porosität, der als Schalldämpfer oder Filter verwendet werden kann, ist in der DE-A- 3421858 offenbart. Nach diesem Verfahren wird ein Pulver ohne jegliches Pressen gesintert, wobei ein Zusammenschmelzen der scharfen Kanten der Pulverkörner unterhalb des Schmelzpunktes des Pulverwerkstoffes erfolgt.
Ein Verfahren zur weitgehend kontinuierlichen Herstellung von Metallschaumkörpern ist aus der EP-0559097 A2 bekannt geworden, wobei ein Metall-Treibmittelpulver-Gemisch in einen Kanal eingeführt, unter Vorkompaktierung bei erhöhter Temperatur zu einer Matrize transportiert und durch diese hindurch ausgepreßt wird. Dieses, hauptsächlich für Aluminium verwendete Verfahren hat jedoch unter anderem die Probleme der Einhaltung der erforderlichen Herstellparamter sowie ein eines hohen maschinentechnischen Aufwandes.
Die DE-4 018 360 C1 offenbart ein weiteres Verfahren zur Herstellung poröser Metallkörper aus Leichtmetallen mittels Metallpulvers und mindestens eines Treibmittelpulvers. Ein Halbzeug wird dabei durch Heißkompaktieren der Pulvermischung bei einer Temperatur, bei der die Verbindung der Metallpulverteilchen überwiegend durch Diffusion erfolgt und bei einem Druck, der hoch genug ist, um die Zersetzung des Treibmittels zu verhindern, derart erstellt, daß die Metallteilchen sich in einer festen Verbindung untereinander befinden und einen gasdichten Abschluß für die Teilchen des Treibmittels darstellen. In der Folge wird durch Aufheizen des Halbzeuges auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Metalles, der poröse Metallkörper gebildet. Dieses, zwar aufwendige Verfahren ist jedoch durchaus geeignet, einen Leichtmetallkörper mit hoher und gleichmäßiger Porosität herzustellen. Für Schwermetalle, insbesondere mit höheren Schmelzpunkten, weist jedoch das Aufschäumverfahren Nachteile und/oder Undurchführbarkeit auf, weil einerseits durch die geringe Oberflächenspannung von Schwermetallschmelzen ein Zusammenfluß der kleinen Gasbläschen gefördert wird und andererseits durch das hohe spezifische Gewicht des Metalles der Gasblasenauftrieb groß ist Im Zusammenhang mit obigem Dokument wird in der EP-A- 0460392 anhand eines Beispieles eine Herstellung eines aufschäumbaren Metallkörpers aus 70 Gew.-% Kupferpulver und 30 Gew.-% Aluminiumpulver dargelegt, wobei ein Heißkompaktieren der Pulvermischung bei einer Temperatur unterhalb des Bereiches von Solidus und Liquidus der Legierung vorgesehen war.
Zur Herstellung von Schaumköpem aus Schwermetall wird gemäß der US-PS- 3 336 134 im wesentlichen vorgeschlagen, eine Mischung aus schäumbaren Harz und Metallpulver, gegebenenfalls mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufzuschäumen und den Schaumkörper zur Härtung auf eine Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Harzes aufzuheizen. Durch weiteres Aufheizen über die Zersetzungstemperatur des Harzes, jedoch unter den Schmelzpunkt des niedrigst schmelzenden Metalles werden alle organischen Verbindungen entfernt bzw. ausgetragen und die Pulverteilchen unter Bildung eines gasdurchlässigen Schwermetall - Schaumkörpers zusammengesintert. Außer dem hohen Herstellungsaufwand und den möglichen Umweltbelastungen sind eine begrenzte Porosität und eine geringe Festigkeit des Körpers als Nachteile zu sehen.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem Schwermetallkörper mit im wesentlichen homogen ausgebildeter innerer Porosität hergestellt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus Ausgangsstoffen Pulver aus mindestens einem Schwermetall und/oder mindestens einer Schwermetalllegierung, aus mindestens einem gasbildendem und/oder gasabspaltenden Treibmittel sowie aus mindestens einem nichtmetallischen Reaktions-und/oder Legierungsmittel hergestellt und die Pulver zu einer homogenen Mischung verarbeitet werden, welche Pulvermischung unter allseitigem Druck gegebenenfalls in einem verschließbaren Behälter und/oder bei erhöhter Temperatur zu einem Rohling kompaktiert und dieser einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche Wärmebehandlung zumindest teilweise jeweils in einem Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur einer durch nichtmetallische Mittel gebildeten, niedriger schmelzenden Schwermetallphase an der Oberfläche der Pulverkörner, welche Phase eine metallische Verbindung bzw. ein Verschweißen der Metallteilchen bewirkt, sowie im Bereich der Reaktions- und/oder Zersetzungstemperatur des Treibmittels liegt, wobei bei einer gasbildenden und/oder einer volumsvergrößemden Reaktion durch das entstehende Treibgas die Bildung von Porosität im Metallkörper, der danach abgekühlt wird, erfolgt.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß durch den Pulverkornaufbau und/oder die Pulverzusammenstellung nach einer intensiven Mischung ein Rohling herstellbar ist, welcher optimal die geforderten Voraussetzungen für eine Erstellung einer Verbindung der Metallteilchen untereinander, bei einem weitgehend gasdichten Einschluß der Treibmittelpartikel, bietet. Erfindungsgemäß ist dafür wichtig, daß die Oberflächenbereiche der Metallpulverteilchen bei einer Erwärmung eine Reaktion mit nichtmetallischen Mitteln derart gerichtet erfahren können, daß Inhomogenitäten entstehen, die niedriger schmelzende Phasen ausbilden. Durch eine Wärmebehandlung bei der Kompaktierung und/oder der Verarbeitung des Rohlings wird vorerst ein Temperatur- und Druckbereich gewählt, bei welchem die niedrig schmelzenden Phasen eine metallische Verbindung bzw. ein Verschweißen der Metallteilchen bewirken, wogegen die derart eingeschlossenen Treibmittelpulverkörner keine wesentliche Zersetzung oder Reaktion erfahren. Nach einer, durch eine weitere Wärmeeinwirkung verursachte Anhebung der Schmelztemperatur und der Materialfestigkeit der kornverbindenden Bereiche durch Diffusion erfolgt eine Erwärmung und/oder Druckminderung auf mindestens die Zersetzungs- und/oder Reaktionskriterien des Treibmittels, wobei das entstehende Gas eine Porenbildung im Rohling bewirkt. Weil die einzelnen Treibmittelkörner weitgehend im Metall eingeschmolzen bzw. eingeschweißt vorliegen, wird eine im wesentlichen homogen ausgebildete innere Porosität im Schwermetallkörper erstellt.
Eine besonders vorteilhafte Herstellungsweise und gleichmäßig gute mechanische Eigenschaften des porösen Metallkörpers im Vergleich mit dessen spezifischem Gewicht werden erreicht, wenn nach einer Anhebung der Schmelztemperatur der kornverbindenden Bereiche durch Diffusion eine Erwärmung und/oder Druckminderung auf die Zersetzungs-und/oder die Reaktionskriterien des Treibmittels erfolgt.
Wenn, wie weiters in günstiger Weise vorgesehen, die Ausgangstoffe zu Metallpulver mit einem mittleren Komdurchmesser von 11µm bis 400 µm und zu einem Treibmittelpulver sowie Reaktions-und/oder Legierungspulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 1,1 bis 200 µm verarbeitet und die Pulver gemischt werden, werden besonders vorteilhafte Voraussetzungen für die Kompaktierung des Rohlinges und eine Bildung von homogener Porosität bei geringem spezifischem Gewicht des Metallkörpers erreicht.
Um ein gasdichtes Einlagern oder allseitiges Einschweißen der Treibmittelpartikel und gegebenenfalls der Reaktions- und/oder Legierungsmittel sicherzustellen sowie in der Folge eine gleichmäßig ausgebildete Porosität im Metallkörper zu erreichen, kann es weiters, wie gefunden wurde, günstig bzw. wichtig sein, wenn mindestens ein Schwermetall- und/oder mindestens ein Schwermetall-Legierungspulver mit einer über den Querschnitt der Pulverkörner inhomogenen chemischen Zusammensetzung hergestellt und/oder durch Legierungsmittel bei Temperatureinwirkung, vorzugsweise im Rohling , gebildet wird und derart eine niedriger schmelzende Dünnschicht an den Kornoberflächen entsteht, die nach einer zumindest teilweisen Verschweißung der Metallkömer bei weiterer Temperatureinwirkung durch Diffusionsausgleich eine Erhöhung der Solidus- und Liquidustemperatur erfährt. Pulver mit einer niedriger schmelzenden Dünnschicht an den Kornoberflächen sind beispielsweise durch Glühung in einem Reaktionsgasstrom herstellbar, wobei nach einem Kompaktieren zu einem Rohling durch eine Temperatureinwirkung ein zumindest teilweises Aufschmelzen der Oberflächenbereiche und ein Verschweißen der Pulverteilchen erfolgen kann. Es ist auch vorteilhaft möglich, Pulver mit weitgehend homogener chemischer Zusammensetzung über den Kornquerschnitt mittels Legierungs-und/oder Reaktionsmittel zu beschichten, dieses Mischgut zu kompaktieren und einer Glühung zu unterwerfen, wobei durch ein Eindiffundieren der Beschichtungselemente auflegierte, niedriger schmelzende Oberflächenbereiche gebildet und die Pulverkörner miteinander verbunden werden. So kann zum Beispiel ein im wesentlichen aus reinem Eisen mit einem Schmelzpunkt von 1500°C bestehendes Pulver durch ein Beimischen von bzw. ein Beschichten der Pulverkörner mit Kohlenstoff beim Erwärmen bzw. Glühen anfänglich Oberflächenbereiche mit einer bis auf etwa 1150 °C abgesenkten Schmelz-bzw. Solidustemperatur erhalten. Diffundieren sodann die Kohlenstoffatme in das Korninnere, so erfahren die Solidus- und Liquidustemperaturen der Legierung im Komoberflächenbereich eine Erhöhung.
Insbesondere im Hinblick auf eine möglichst gute Verteilung der Komponenten und folglich eine gleichmäßige Anordnung der Poren in einem rißfreien Metallkörper, ist es bevorzugt, wenn dem(den) Metallpulver(n) und dem(den) Treibmittelpulver(n) als Reaktions-und/oder Legierungsmittel ein nichtmetallisches Element oder eine dergleichen Verbindung, vorzugsweise Kohlenstoff, insbesondere Graphit, vor dem homogenisierenden Mischvorgang zugesetzt wird.
Es kann auch insbesondere bei legierten und hochlegierten Schwermetallen günstig sein, wenn im Bereich der Oberfläche der Schwermetallpulverkömer eine Schicht mit erhöhtem Stickstoffgehalt gebildet wird, wodurch bei einer Wärmebehandlung des Rohlings eine Verbindung derselben erfolgt, weil dabei letztlich eine hohe Festigkeit der Porenwände erreicht werden kann.
Wenn, wie weiters in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß vorgesehen sein kann, als Treibmittel ein Kohlendioxid abspaltender Stoff, vorzugsweise zumindest ein Karbonat, insbesondere der Elemente aus der zweiten Gruppe des periodischen Systems oder eines Schwermetalles verwendet wird und das durch Temperatureinwirkung abgespaltene Gas ,gegebenenfalls durch Reaktion mit dem zugesetzten Kohlenstoff, eine Volumsvergrößerung erfährt, wird mit hochwirksamen Treibmitteln, gegebenenfalls bei geringen Treibmittelquantitäten, besonders günstig ausgebildete Porosität im Metallkörper erreicht.
Eine Volumsvergrößerung des von einem Treibmittel bei erhöhter Temperatur abgespaltenen Kohlendioxides wird durch eine Reaktion mit beigemischten Kohlenstoff unter Bildung von Kohlenmonoxid verursacht.
Alternativ kann auch als Treibmittelpulver zumindest ein Oxid, vorzugsweise ein Schwermetalloxid, insbesondere Eisenoxid, verwendet und mit mindestens einer derartigen Menge Kohlenstoff im Pulver verteilt werden, daß der Sauerstoffanteil des Oxides zu CO-Gas reagieren gelassen wird.
Ein im hohen Maße rißfreies Aufblähen des Rohlinges ist erreichbar, wenn die Aufheizgeschwindigkeit zu der Temperatur, bei welcher das Treibmittel Gas abspaltet, einen Wert aufweist, der größer ist als 1,05° C/s.
Wenn, wie weiters vorteilhaft vorgesehen ist, zumindest zwei Schwermetallpulver und/oder zumindest zwei Treibmittelpulver mit jeweils unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung hergestellt und zur Bildung des Rohlings verwendet werden, können die Bedingungen für eine metallische Verbindung der Pulverpartikel zur Bildung von Metallkörpern mit besonderen mechanischen Eigenschaften und gleichmäßiger Kleinporosität optimiert werden.
Für eine Erstellung von Komponenten, insbesondere in der Fahrzeug-und Luftfahrtindustrie, kann es zur Ausformung von Teilen mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht günstig sein, wenn der Metallkörper eine dichte Oberflächenschicht aufweist und insbesondere als Verbundkörper ausgebildet ist.
Die Erfindung umfaßt weiters einen mit einer im wesentlichen homogen ausgebildeten inneren Porosität, der zumindest 40 Vol.-% Porosität besitzt, aus mindestens einem Schwermetall und/oder mindestens einer Schwermetallegierung gebildet ist und Kohlenstoffgehalte von 0,05 bis 4,1 Gew.-% und/oder Stickstoffgehalte von 0,002 bis 0,3 Gew.-% aufweist. Durch die Kohlenstoff-und/oder Stickstoffgehalte im Schwermetall ist eine verbesserte verbindungstechnische bzw. schweißmetallurgische Güte der Verbindungsbereiche um die Poren sichergestellt.
Besonders günstige Eigenschaften des Metallkörpers sind erreichbar, wenn dieser im wesentlichen aus einer Eisenbasis-oder Nickelbasis- oder einer Kobaltbasislegierung, insbesondere mit jeweils Chromgehalten von größer als 1,6 Gew.-% oder Kupferbasislegierungen sowie anderen Schwermetallen gebildet ist und einen Schmelzpunkt von größer als 900°C aufweist.
Wenn der Metallkörper im wesentlichen aus zumindest einer intermetallischen Phase besteht, können vorteilhaft sogenannte Memory-Eigenschaften derartiger Werkstoffe genutzt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungswege darstellenden Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1:
Für eine Versuchsreihe wurde mittels Verdüsungsprozesses Reineisenpulver mit einer mittleren Korngröße von ca. 40 um erzeugt. Unter Verwendung dieses Reineisenpulvers und vorgesehener Zusätze erfolgte eine Herstellung von vier unterschiedlich zusammengesetzen Rohlingen durch intensives Mischen und ein Kompaktieren bei einer erhöhten Temperatur von ca. 840°C, welche Rohlinge einer anschließenden Glühbehandlung zur Ausbildung von Porosität unterworfen wurden. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.
Versuch Nr. Pulvermischung Rohling Ergebnis
1 Fe+0,1% CaCO3 keine Porosität
2 Fe+0,15%SrCO3 keine Porosität
3 Fe+0,1% CaCO3 +3%C Niedrige Porosität
4 Fe+0,15%SrCO3 +3%C gleichmäßige Porosität
Die in Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse zeigen die Wirkungen von einerseits Treibmitteln mit verschieden hoher Dissoziationstemperatur (z.B. bei 1 atm.: CaCO3 900°C; SrCO3:1289°C; BaCO3: 1360°C) und andererseits des nichtmetallischen Reaktionsmittels Kohlenstoff gemäß einem gasvolumenvergrößernden Reaktionsablauf:
Figure 00090001
Das Treibgasvolumen kann weiter gesteigert werden, wenn die aus den Karbonaten durch Abspalten von Kohlensäure gebildeten Metalloxide, insbesondere Schwermetalloxide, bei Temperaturen zwischen 900 °C und 1250 ° C durch Kohlenstoff reduzierbar sind. Diese vorteilhaft bei Karbonaterzen wie Eisenkarbonaten mögliche Reaktion läuft prinzipiell gemäß folgender Gleichungen ab, wobei SMe Schwermetall bedeutet.
Figure 00090002
Als Treib- und Reaktionsmittel können auch, wie Versuche zeigten, Schwermetalloxide, zum Beispiel Eisenoxide, insbesondere lamellarer, also nicht amorpher Hämatit und Kohlenstoff verwendet werden, wobei eine Treibgasbildung nach der Formel abläuft: Fe2O3 + 3C  2Fe + 3CO
Pulverzusätze aus lamellarem Hämatit und Graphit sind besonders vorteilhaft verwendbar, weil eine plättchenförmige Struktur dieser Partikel gute Misch- und Verteilungseigenschaften im Schwermetallpulver sowie verzögerte Reaktionen bewirken können.
Beispiel 2:
Rostfreier Stahl vom Typ AISI 316 wurde nach einem Gasverdüsungsverfahren zu Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 125µm verarbeitet. Bei einem Teil dieses Pulvers erfolgte ein Ansticken der Oberflächenzone der Pulverkörner. Sowohl das verdüste und nicht weiterbehandelte als auch das oberflächlich aufgestickte Pulver wurden jeweils teilweise mit 0,1 Gew.-% CaCO3 und 0,15 Gew.-% SrCO3 gemischt und bei erhöhter Temperatur zu Rohlingen kompaktiert. Bei einer anschließenden Glühbehandlung zur Ausformung von innerer Porosität waren die nachfolgend in Tab. 2 zusammengefaßten Ergebnisse erhalten worden:
Versuchs-Nr. Pulvermischung-Rohling Ergebnis
A 316+ 0,1%CaCO3 eine zentrale Aufblähung
B 316+ 0,15%SrCO3 niedrige Porosität
C 316/N+0,1%CaCO3 geringfügige Porosität
D 316/N+1,5%SrCO3 Porosität gut
Unter gleichen Herstellungs- und Untersuchungsbedingungen erfolgte eine Erprobung der Legierung AISI A 316 FM mit 0,13 Gew.-% Schwefel. Es konnte bei allen Proben offensichtlich durch den Schwefelgehalte eine im Vergleich wesentlich verbesserte Poren- bzw. Schaumbildung im Metallkörper festgestellt werden.
Beispiel 3:
Rostfreier Stahl der Marke 304 L wurde mittels Inertgas- Verdüsungsverfahren hergestellt und jeweils Teile davon mit 0,1 Gew.-% CaCO3, mit 0,15 Gew.-% SrCO3 und mit 0,15 Gew.-% SrCO3 + 0,4 Gew.-% C homogen gemischt und die Mischungen in jeweils zwei Blechbehältern abgefüllt, diese evakuiert und verschlossen. Eine Mischungsreihe wurde heißisostatisch bei einer Temperatur von 1100°C gepreßt, wonach anschließend in einer Induktionserwärmungsanlage eine Erwärmung der Rohlinge auf eine Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur der Legierung zur Freisetzung des Treibgases mit anschließender Abkühlung erfolgte. Als Ergebnis konnnte eine Porosität der Metallkörper von über 62 Vol.-% festgestellt werden, wobei der Kohlenstoff eine deutlich die Porosität vergrößernde und die Legierung härtende Wirkung zeigte. Das Porenvolumen bzw. die Porengröße im Zentrum des Teiles war größer und sank zur Teiloberfläche hin ab.
Die zweite Mischungsreihe wurde in einer Heißisostatic-Presse kompaktiert und sodann in die Nähe des Schmelzpunktes der Legierung erwärmt. Nach einem Halten von 30 Min.der Rohlinge auf Temperatur erfolgten bei einer homogenen Temperaturverteilung über den Querschnitt eine Reduktion des isostatischen Druckes auf Normaldruck und damit eine Ausbildung einer Porosität im Metallkörper mit gleichzeitiger Kühlung desselben. Eine Untersuchung der erhaltenen Körper zeigte, daß diese ein spezifisches Gewicht von kleiner als 3,0g/cm3 aufwiesen und daß über den Querschnitt die Porosität weitgehend homogen bzw. mit im wesentlichen gleicher Porengröße vorlag, wobei wiederum die mit SrcO3 als Treibmittel versetzten Teile die besten Ergebnisse brachten.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung von Metallkörpern mit einer im wesentlichen homogen ausgebildeten inneren Porosität, bei welchem aus Ausgangsstoffen Pulver aus mindestens einem Schwermetall und/oder mindestens einer Schwermetalllegierung, aus mindestens einem gasbildenden und/oder gasabspaltenden Treibmittel sowie aus mindestens einem nichtmetallischen Reaktions-und/oder Legierungsmittel hergestellt und die Pulver zu einer homogenen Mischung verarbeitet wenden, welche Pulvermischung unter allseitigem Druck, gegebenenfalls in einem verschließbaren Behälter, und/oder bei erhöhter Temperatur zu einem Rohling kompaktiert und dieser einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche Wärmebehandlung zumindest teilweise jeweils in einem Temperaturbereiche zwischen Solidus- und Liquidustemperatur einer durch nichtmetallische Mittel gebildeten, niedriger schmelzenden Schwermetallphase an der Oberfläche der Pulverkörner, welche Phase eine metallische Verbindung bzw. ein Verschweißen der Metallteilchen bewirkt, sowie im Bereich der Reaktions-und/oder Zersetzungstemperatur des Treibmittels liegt, wobei bei einer gasbildenden und/oder einer volumsvergrößernden Reaktion durch das entstehende Treibgas die Bildung von Porosität im Metallkörper, der danach abgekühlt wird, erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Anhebung der Schmelztemperatur der kornverbindenden Bereiche durch Diffusion eine Erwärmung und/oder Druckminderung auf die Zersetzungs- und/oder die Reaktionskriterien des Treibmittels erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe zu Metallpulver mit einem mittleren Komdurchmesser von 11 um bis 400 um und zu einem Treibmittelpulver mit einem mittleren Komdurchmesser von 1,1 bis 200 µm verarbeitet und die Pulver gemischt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schwermetall- und/oder mindestens ein Schwermetall-Legierungspulver mit einer über den Querschnitt der Pulverkömer inhomogenen chemischen Zusammensetzung hergestellt und/oder durch Legierungsmittel bei Temperatureinwirkung, vorzugsweise im Rohling gebildet wird und derart eine niedriger schmelzende Dünnschicht an den Kornoberflächen entsteht, die nach einer zumindest teilweisen Verschweißung der Metallkörner bei weiterer Temperatureinwirkung durch Diffusionsausgleich eine Erhöhung der Solidus-und Liquidustemperatur erfährt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem(den) Metallpulver(n) und dem (den) Treibmittelpulver(n) als Reaktionsund/oder Legierungsmittel ein nichtmetallisches Element oder eine dergleichen Verbindung, vorzugsweise Kohlenstoff, insbesondere Graphit, vor dem homogenisierenden Mischvorgang zugesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Oberfläche der Schwermetallpulverkörner eine Schicht mit erhöhtem Stickstoffgehalt gebildet wird, wodurch bei einer Wärmebehandlung des Rohlings eine Verbindung derselben erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel ein Kohlendioxid abspaltender Stoff, vorzugsweise zumindest ein Karbonat, insbesondere der Elemente aus der zweiten Gruppe des periodischen Systems oder eines Schwermetalles verwendet wird und das durch Temperatureinwirkung abgespaltene Gas gegebenenfalls durch die Reaktion mit dem zugesetzten Kohlenstoff eine Volumsvergrößerung erfährt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittelpulver zumindest ein Oxid, vorzugsweise Schwermetalloxid, insbesondere Eisenoxid, verwendet wird und mit mindestens einer derartigen Menge Kohlenstoff im Pulvergemisch verteilt wird, daß der Sauerstoffanteil des Oxides zu CO-Gas reagieren gelassen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizgeschwindigkeit zu der Temperatur, bei welcher das Treibmitel Gas abspaltet, einen Wert aufweist, der größer ist als 1,05° C/s.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Schwermetallpulver und/oder zumindest zwei Treibmittelpulver mit jeweils unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung hergestellt und zur Bildung des Rohlings verwendet werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper eine dichte Oberflächenschicht aufweist und insbesondere als Verbundkörper ausgebildet wird.
  12. Metallkörper mit einer im wesentlichen homogen ausgebildeten inneren Porosität, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper zumindest 40 Vol.-% Porosität besitzt, aus mindestens einem Schwermetall und/oder mindestens einer Schwermetall-Legierung gebildet ist und Kohlenstoffgehalte von 0,05 bis 4,1 Gew.-% und/oder Stickstoffgehalte von 0,002 bis 0,3 Gew.-% aufweist.
  13. Metallkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieser im wesentlichen aus einer Eisenbasis- oder einer Nickelbasis - oder einer Kobalt-Basislegierung, insbesondere mit jeweils Chromgehalten von größer als 1,6 Gew.-% oder Kupferbasislegierungen sowie anderen Schwermetallen gebildet ist und einen Schmelzpunkt von größer als 900°C aufweist.
  14. Metallkörper nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß dieser im wesentlichen aus zumindest einer intermetallischen Phase gebildet ist.
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