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Verfahren zum Erzeugen eines für Bauteile und Geräte hoher Festigkeit
geeigneten Werkstoffes Für manche Verwendungszwecke, beispielsweise für Öfen, Rekuperativanlagen
und Glühpfannen, besteht -das Bedürfnis nach einem Werkstoff, der nicht nur ohne
Verschleiß hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann, sondern gleichzeitig auch
bei diesen hohen Temperaturen gute Anfangsfestigkeitseigenschaften beibehält. Reine
Metalle oder deren Legierungen erfüllen zufolge ihrer plastischen Eigenschäften
diese Bedingungen nicht. Die mit steigender Temperatur rasch zunehmende Plastizität
hat nämlich zur Folge, daß Metalle und metallische Legierungen schon weit unterhalb
ihres 'Schmelzpunktes ihre Standfestigkeit verlieren und mechanische Beanspruchungen
nicht mehr in ausreichendem Umfange aufzunehmen vermögen. Im Vergleich hierzu besitzen
Oxyde und deren Verbindungen auch bei höheren Temperaturen eine verschwindend kleine
Plastizität, so daß Formstücke, die aus reinen Oxyden der Metalle und deren Mischungen
aufgebaut sind, ihre mechanischen Eigenschaften bis zu Temperaturen beibehalten,
die viel näher an den Schmelzpunkt herankommen, als es bei den Metallen der Fall
ist. Rein oxydische Werkstoffe besitzen aber ;geringe Zugfestigkeit und verhältnismäßig
viel höhere Sprödigkeit, so daß ihrer Verwendung enge Grenzen gezogen sind.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich die Eigenschaften
dieser beiden Gruppen von Ausgangsstoffen miteinander bis zu einem gewissen Grade
vorteilhaft verbinden lassen und daß ein
Werkstoff von höherer Temperaturbeständigkeit
und auch höherer Festigkeit durch Sintern und Reduzieren eines Pulvergemisches,
das aus 75 bis 95119 Eisen und a5 bis 5% Oxyden der Leichtmetalle oder schwerer
als Eisenoxyd reduzierbarer Oxyde, z. B. Titanoxyd oder Chromoxyd, besteht, erhalten
wird, wenn erfindungsgemäß die Reduktion dieser Oxyde nur bis zu einer sauerstoffärmeren
Oxydationsstufe durchgeführt wird. Unter sauerstoffärmeren Oxydationsstufen können
dabei definierte Oxydationsstufen, wie beispielsweise Ti203, oder es kann auch die
Entfernung einzelner Sauerstoffatome aus den Oberflächenschichten der Oxydkörner
verstanden werden, ohne daß sich dabei eine Oxydationsstufe bestimmter chemischer
Zusammensetzung -auszubilden braucht. Es entsteht hierdurch ein Werkstoff, der im
fertig gesinterten Zustand ein gerüstartiges Gefüge aus metallischem Eisen aufweist,
in das gut verteilt Oxydkörner eingebettet sind; die sich zufolge besserer Besetzbarkeit
als übliche Oxyde höherer Oxydationsstufen mit dem Eisengerüst inniger und fester
verbinden. Während das metallische .Gerüst des Werkstoffes diesem eine ausreichende
Zugfestigkeit und Zähigkeit verleiht, wird durch die fest eingelagerten Oxydkörner
die Stauchungsfestigkeit des Werkstoffes in der Wärme wesentlich verbessert. Damit
die zugesetzten Metalloxyde nur zu niedrigeren Oxydationsstufen, nicht aber zu Metallen
reduziert werden, ist es nur notwendig, die Sinterdauer und die Art der reduzierenden
Atmosphäre entsprechend zu wählen. Die reduzierende Atmosphäre ist hierbei zur Verhinderung
der Oxydation des Eisens erforderlich. Es hat sich im Gegenteil sogar als zweckmäßig
.erwiesen, das Eisen in an sich bekannter Weise in Form von Eisenoxyd einzuführen
und seine Reduktion während der Fertigsinterung vor sich gehen zu lassen. Die günstigere
Wirkung des .Zusatzes von Eisenoxyd an Stelle des Eisenmetalls dürfte mit der leichteren
Feinmahlbarkeit des Eisenoxydes zusammenhängen.
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Es ist zwar an sich bekannt, Pulvergemische aus Eisen und reduzierbaren
Verbindungen, insbesondere Metalloxyden, wie Chromoxyd, in reduzierender :Atmosphäre
einer die Schmelztemperatur des Eisens nicht erreichenden Wärmebehandlung bei etwa
looa°` C zu unterwerfen, so daß sich nur eine Sinterung des Pulvergemisches einstellt.
Die Sinterung wurde hierbei aber durch Verwendung eines aus Eisenkärbonyl gewonnenen
Eisenpulvers besonders begünstigt und so geleitet, daß sie als Endergebnis eine
homogene rein metallische Eisenlegierung ergab.
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- Bei der Erhitzung des Pulvergemisches ist es zweckmäßig, eine ;Sintertemperatur
anzuwenden, die in bekannter Weise oberhalb einer zwei Drittel der Schmelztemperatur
des Eisens betragenden, die Schmelztemperatur des Eisens aber höchstens- nur unwesentlich
überschreitenden Temperatur liegt. Wird nämlich beim Erhitzen des Pulvergemisches
die Schmelztemperatur des Eisens wesentlich überschritten, - so -tritt eine den
Zusammenhang des Fertigkörpers aufhebende Entmischung der Oxyd-und Metallteilchen
ein, wobei sich kleine Metallkügelchen bilden, die an den Oxydteilchen kleben. Bei
einem Oxydzusatz innerhalb der angegebenen Grenzen bleibt in dem Sinterkörper stets
ein metallisches Gerüst zurück, das sich in bezug auf Dehnung und Zähigkeit maßgebend
auswirken kann.
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Zur Durchführung des Verfahrens kann beispielsweise von einer Mischung
aus 9o Gewichtsteilen Eisenpulver von @1 bis a ,u Korngröße und 1o Gewichtsteilen
pulverförmigem Aluminiumoxyd, Calciumoxyd, Titanoxyd oder Chromoxyd von 6o bis Zoo
,u Korngröße ausgegangen werden. Die günstigste Sintertemperatur für eine derartige
Mischung liegt bei Sinterung im Wasserstoffstrom bei 1q.75°. Formkörper aus einer
derartigen Mischung zeigen einen mehrfach höheren Abnutzungswiderstand als reine
Eisenlegierungen; außerdem zeigen sie bei einer Temperatur von 700° noch eine mehrfach
höhere Druckfestigkeit als die besten - Stähle. Bei einer Erhöhung des Oxydzusatzes
auf 25 % läßt sich die Heißdruckfestigkeit noch weiter steigern, wobei die Dehnbarkeit
allerdings etwas abnimmt. Die gute Verbindungsfestigkeit der beim Sintern in eine
sauerstoffärmere Oxydationsstufe übergeführten Oxyde mit dem Eisen hängt wahrscheinlich
mit der Bildung- eines Metallfilms auf der' Oberfläche der Oxydkörner zusammen,
der mit dem Grundmetall eine Art Lötverbindung eingeht.
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Die Wahl des Metalloxydes und auch dessen Körnung richtet sich nach
dem Verwendungszweck des Werkstoffes. Die Formgebung und Sinterung des letzteren
erfolgt nach dem in der Metallkeramik üblichen Verfahren, also zweckmäßig durch
Pressen des Pulvergemisches, Formgebung im vorgesinterten Zustand und Hochsinterung.
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Der durch das Verfahren erhaltene Werkstoff hat gegenüber keramischen
Baustoffen den Vorteil höherer Wärmeleitfähigkeit. Zufolge der metallähnlichen elektrischen
Leitfähigkeit des Werkstoffes kann dieser auch mit Vorteil für die Herstellung von
Widerständen elektrisch beheizter Öfen verwendet werden.