Herstellung von pulvermetallurgischem 316L-Edelstahl

Edelstahl bezeichnet Stahl, der Korrosion durch schwach korrosive Medien wie Dampf, Luft und Wasser sowie durch chemisch korrosive Medien wie Säuren, Laugen und Salze widerstehen kann. Es handelt sich um einen Spezialstahl mit einem hohen Anteil an Legierungselementen, der eine ausgezeichnete Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie hohe mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Zähigkeit und Schlagzähigkeit aufweist. Außerdem besitzt er Eigenschaften wie Nichtmagnetismus (austenitischer Stahl) und Härtbarkeit (martensitischer Stahl). Dadurch wird er in Industriebereichen wie der Automobilindustrie, der Wasserwirtschaft, dem Umweltschutz und dem Bauwesen sowie im täglichen Leben breit eingesetzt und bildet eine wichtige materielle und technologische Grundlage für die Entwicklung der modernen Industrie sowie den wissenschaftlichen und technischen Fortschritt.

Herkömmlicher Edelstahl wird im Allgemeinen durch Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Edelstahlteile aus dem Gießverfahren sind jedoch schwer zu bearbeiten und weisen eine geringe Maßgenauigkeit, raue Oberflächen und bestimmte Einschränkungen hinsichtlich der Form auf. Außerdem können leicht Elementseigerungen, Lunker, Sandlöcher und andere Mängel entstehen. Bei durch Schmieden hergestelltem Edelstahl treten ebenfalls Probleme wie geringe Plastizität, schwierige Umformbarkeit, geringe Materialausnutzung und hohe Kosten auf. Daher bestehen bei der Herstellung mechanischer Teile zahlreiche technische Schwierigkeiten.

Seit den 1970er-Jahren hat die rasante Entwicklung des Zerstäubungsverfahrens zur Herstellung vorlegierter Pulver die Herstellung von pulvermetallurgischem Edelstahl mit hoher Leistungsfähigkeit ermöglicht. Pulvermetallurgischer Edelstahl besitzt gute mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften. Im Vergleich zu Edelstahl, der durch herkömmliche Gieß- und Schmiedeverfahren hergestellt wird, bietet er aufgrund seiner niedrigen Sintertemperatur, der endkonturnahen Formgebung, der hohen Maßgenauigkeit, der hohen Materialausnutzung sowie der guten und gleichmäßigen Gefügestruktur erhebliche Vorteile bei Herstellung und Anwendung. Er wird bereits umfassend in der Maschinenbau- und Chemieindustrie, im Schiffbau, in der Automobilindustrie, in der Instrumentenindustrie und anderen Bereichen eingesetzt.

Edelstahlpulver ist jedoch ein vorlegiertes Pulver mit hohem Legierungsgehalt, hoher Härte und schlechter Verdichtbarkeit. Daher enthält herkömmlich geformter Edelstahl im Inneren Poren und weist häufig eine geringe Dichte auf. Seine Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften sind im Allgemeinen geringer als die des entsprechenden dichten Edelstahls, was die Anwendung von pulvermetallurgischem Edelstahl stark einschränkt. Studien haben gezeigt, dass die Dichte von pulvermetallurgischem Edelstahl einen großen Einfluss auf seine Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften hat. Nahezu alle Eigenschaften von Edelstahl verbessern sich mit zunehmender Dichte. Daher war die kostengünstige Herstellung von pulvermetallurgischem Edelstahl mit hoher Dichte, guten mechanischen Eigenschaften und guter Korrosionsbeständigkeit stets eine zentrale Herausforderung für die Pulvermetallurgie.

Der grundlegende Herstellungsprozess für pulvermetallurgischen Edelstahl lautet: Ausgangspulver → Mischen → Formen → Sintern → Nachbearbeitung → Edelstahlprodukte. Dabei sind Formen und Sintern die beiden wichtigsten Schritte bei der Herstellung von Edelstahl auf Grundlage der Pulvermetallurgie. Sie werden im Folgenden vorgestellt.
1.3.1 Formen von Edelstahlpulver
Beim Formen wird das Pulver in einer Stahlform zu einem Pressling mit einer bestimmten Form, Größe, Porosität und Festigkeit verdichtet. Edelstahl gehört zu den hochlegierten Stählen. Seine Pulverpartikel sind hart und schlecht verdichtbar. Daher ist beim Formen ein höherer Druck erforderlich. Der Pressdruck liegt im Allgemeinen bei etwa 500~800 MPa. Um die Presseigenschaften zu verbessern, werden dem vorlegierten Edelstahlpulver während des Pressvorgangs häufig Schmiermittel zugesetzt. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Reibung zwischen den Pulvern sowie zwischen dem Pulver und der Formwand während des Pressvorgangs zu verringern, den Ausformdruck zu reduzieren und die Dichte des Presslings zu erhöhen. Zu den häufig verwendeten Schmiermitteln gehören Stearinsäure, Zinkstearat, Lithiumstearat und Paraffin. Das Kaltpressen bei Raumtemperatur stellt aufgrund des hohen Pressdrucks hohe Anforderungen an Pressen und Formen. Die gesinterten Produkte weisen starke elastische Rückfederung und geringe Dichte auf und können nur zu Teilen mit einfachen Formen verarbeitet werden. Um den höheren Anforderungen industrieller Anwendungen an die Dichte und mechanischen Eigenschaften pulvermetallurgischer Werkstoffe gerecht zu werden, wurden verschiedene Hochverdichtungsverfahren entwickelt, beispielsweise Warmverdichten, Metallpulverspritzgießen und Gelgießen. Sie können die Dichte von Edelstahl deutlich erhöhen und seine mechanischen Eigenschaften sowie Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessern, wodurch sie die Entwicklung der Pulverformgebung von Edelstahl stark vorangetrieben haben. Sie werden im Folgenden vorgestellt.

(1) Warmverdichten Beim Warmverdichten werden Pulver und ein spezielles Schmiermittel gemischt, auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und anschließend in einer beheizten Form gepresst. Das Verfahren wird sehr geschätzt, da sich damit pulvermetallurgische Teile mit hoher Dichte und guten Eigenschaften herstellen lassen. Im Vergleich zum Kaltverdichten ermöglicht das Warmverdichten bei geringerem Pressdruck eine höhere Presslingsdichte und Festigkeit, die jeweils um 0.15~0.3 g/cm3 und 50~100 % erhöht werden können. Außerdem kann die elastische Rückfederung reduziert werden. Studien haben gezeigt, dass die Dichte des Presslings beim Warmpressen aus folgenden Gründen steigt: Erstens verringert das Warmpressen die Kaltverfestigungsrate des Pulvers, wodurch die plastische Verformung des Pulvers verbessert und somit die Dichte des Presslings erhöht wird. Zweitens fließt aufgrund der Wirkung des Schmiermittels bei einem hohen Schmelzpunkt des Schmiermittels dessen halbflüssige Phase bei der Warmpresstemperatur von den Partikelgrenzen in die Poren, wodurch der Kontakt zwischen den Partikeln zunimmt. Bei einem niedrigen Schmelzpunkt schmilzt das Schmiermittel vollständig und fließt aus dem Pressling heraus; dadurch wird die Formwand geschmiert und der Ausformdruck verringert.

Beim Warmpressen von 420-Edelstahlpulver steigt die Presslingsdichte bei einer Pulvertemperatur von 90 °C, einer Formtemperatur von 120 °C und einem Pressdruck von 784 MPa gegenüber dem Kaltpressen um 0.2 g/cm3. Ke Yuanyuan et al. pressten 316L-Edelstahlpulver mit dem Warmpressverfahren bei einem Pressdruck von 700 MPa und einer Temperatur von 110 °C. Gegenüber dem Kaltpressen erhöhte sich die Dichte des Presslings um 0.19 g/cm3. Nach dem Vakuumsintern bei 1150 °C stieg auch die Dichte des Sinterkörpers um 0.19 g/cm3. Die Zugfestigkeit des Presslings und des Sinterkörpers erhöhte sich um 50 % beziehungsweise 34 MPa. Aufgrund der hohen Dichte der warmgepressten Edelstahlteile kann es jedoch schwierig werden, dass das Polymer in den geschlossenen Poren nach dem Aufbrechen verdampft, wodurch beim Vorsintern Fehler entstehen können. Daher ist die Entfernung des Polymers während des Vorsinterns eine zentrale Herausforderung beim Warmpressen.

(2) Metallpulverspritzgießen (MIM) Metallpulverspritzgießen (MIM) ist eine pulvermetallurgische Technologie zur endkonturnahen Formgebung. Dabei wird Metallpulver oder vorlegiertes Pulver in einem bestimmten Verhältnis und unter bestimmten Prozessbedingungen mit einem organischen Bindemittel gemischt, sodass ein gleichmäßiger viskoelastischer Körper entsteht. Dieser wird anschließend mit einer Spritzgießmaschine spritzgegossen, das Bindemittel wird entfernt und das Teil schließlich zu einem pulvermetallurgischen Produkt mit hoher Leistungsfähigkeit gesintert. Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von Teilen mit komplexen Formen. Die Maßgenauigkeit der damit hergestellten Edelstahlteile kann ±0.3%~0.5% erreichen. Gleichzeitig lassen sich die Nachteile herkömmlicher Form- und Sinterprodukte, wie geringe Dichte und schlechte mechanische Eigenschaften, überwinden. Die Sinterdichte kann 95%~99.5% der theoretischen Dichte erreichen, die Zugfestigkeit mehr als 500 MPa und die Bruchdehnung mehr als 45%.

Das Metallpulverspritzgießen stellt Anforderungen an Partikelgröße, Partikelform, Fließfähigkeit und Schüttdichte des Ausgangspulvers. Das Ausgangspulver wird im Allgemeinen durch Wasser- oder Gaszerstäubung hergestellt. Wasserzerstäubtes Pulver weist eine bessere Formbarkeit auf, während gaszerstäubtes Pulver bessere Sintereigenschaften besitzt und feiner ist. Daher wird dem wasserzerstäubten Pulver häufig eine bestimmte Menge gaszerstäubten Pulvers zugesetzt, um die Zwischenräume des wasserzerstäubten Pulvers zu füllen und dadurch die Dichte des grünen Presslings und des Sinterkörpers zu erhöhen. Die wichtigsten Bindemittel für das Metallpulverspritzgießen sind Bindemittel auf Paraffin-, Öl- und Polymerbasis. Die Entbinderung von Edelstahl umfasst hauptsächlich thermische Entbinderung, Lösungsmittelentbinderung, Siphonentbinderung und katalytische Entbinderung, wobei die thermische Entbinderung am häufigsten eingesetzt wird. Wenn die Entbinderung nach dem Spritzgießen nicht vollständig erfolgt, können im Produkt leicht Fehler wie Blasenbildung und Rissbildung sowie verbleibende Verunreinigungen wie Oxide, Kohlenstoff und Karbide entstehen, die die Sintereigenschaften beeinträchtigen. Bis 200 °C können durch langsames Aufheizen mit einer Rate von weniger als 1 °C/min einige niedermolekulare Bestandteile wie Paraffin entfernt werden. Nach der Entfernung von 30%~40% des Bindemittels wird die Temperatur schnell mit einer Rate von 5 °C/min auf 400~500 °C erhöht und gehalten, um die Polymerbestandteile im Bindemittel zu zersetzen und dadurch das Bindemittel vollständig zu entfernen. Das Sintern ist der letzte Prozessschritt des Metallpulverspritzgießens von Edelstahl. Es erfolgt bei einer höheren Temperatur als bei herkömmlichen pulvermetallurgischen Produkten, was ebenfalls zur Erhöhung der Dichte des Sinterkörpers beiträgt. Sung et al. mischten 17-4PH-Edelstahlpulver und Bindemittel in einem Planetenmischer eine Stunde lang im Verhältnis 60:40 und spritzten die Mischung anschließend bei einem Einspritzdruck von 300 kg/cm2. Nach der thermischen Entbinderung wurden die Teile in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert. Als die Sintertemperatur von 900 °C auf 1350 °C erhöht wurde, stieg die relative Dichte der Proben von 61% auf 99%, während die Zugfestigkeit weiter zunahm, da die Poren im Sinterkörper kugelförmig wurden, schrumpften und verschwanden. Aufgrund des hohen Schmiermittelgehalts beim Metallpulverspritzgießen ist jedoch ein spezielles Entbinderungsverfahren erforderlich, was die Kosten erheblich erhöht.

(3) Gelgießen
Edelstahlprodukte, die durch herkömmliches Druckformen hergestellt werden, weisen aufgrund ihrer hohen Porosität schlechte mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenqualität auf und sind auf die Herstellung von Teilen mit einfachen Formen beschränkt. Obwohl sich mit dem Metallpulverspritzgießen Edelstahlteile endkonturnah herstellen lassen, ist die Herstellung großformatiger Teile mit komplexen Formen schwierig. Das Gelgießen ist eine weitere endkonturnahe Formgebungstechnologie, die nach dem Schlickergießen und Spritzgießen entwickelt wurde. Dabei werden polymere chemische Monomere verwendet, um Pulvermaterialien durch Polymerisation zu verfestigen. Nach der Herstellung einer konzentrierten Suspension mit niedriger Viskosität und hohem Feststoffgehalt können verschiedene Teile mit komplexen Formen hergestellt werden, wodurch ein hochfester und gleichmäßiger grüner Körper entsteht.

Unter optimalen Prozessbedingungen weist der durch Gelgießen hergestellte grüne Edelstahlkörper hervorragende Eigenschaften und eine gleichmäßige Struktur auf. Die Biegefestigkeit des grünen Körpers kann 38 MPa erreichen, die relative Dichte des Sinterkörpers 95% und die Streckgrenze 160 MPa. Außerdem können großformatige grüne Edelstahlkörper mit komplexen Formen hergestellt werden. Beim Gelgießen werden natürliches Agar und Polyacrylsäure als Geliermittel beziehungsweise Dispergiermittel verwendet. Unter optimalen Prozessbedingungen kann der geformte Schlicker gesintert werden, um 316L-Edelstahlprodukte mit komplexen Formen herzustellen; die Streckgrenze des Sinterkörpers kann 138 MPa erreichen. Bei der Herstellung von Edelstahlpulver mit Metallpulver ist es aufgrund des großen Partikeldurchmessers und der hohen Dichte jedoch leicht, dass sich die Partikel in der Suspension absetzen. Dies führt zur Koagulation des Schlickers und zu dilatantem Fließen, wodurch die Herstellung einer Suspension mit hoher Konzentration erschwert wird. Außerdem treten nach dem Gelieren des Schlickers zu einem Rohling Probleme wie Verzug, Verformung sowie Schwierigkeiten beim Be- und Entladen und beim Transport auf.