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May 27, 2023

9. Januar 2023

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Die Pulvermetallurgie wird seit langem zur Herstellung poröser Teile wie selbstschmierender Bronze- und Eisenlager durch Pulververdichten und Sintern eingesetzt, wobei die Porosität mit einem Schmieröl gefüllt werden kann, um den porösen Lagern einen niedrigen Reibungskoeffizienten zu verleihen ( COF) und hohe Verschleißfestigkeit in einem breiten Anwendungsspektrum. Jetzt haben Forscher der Universität Ostfinnland und der Karelien-Fachhochschule, beide in Joensuu, Finnland, Metallspritzguss verwendet, um poröse Teile aus Edelstahl 17-4 PH herzustellen. Die porösen 17-4 PH-Teile sind mit Paraffinwachs imprägniert, um die erforderlichen selbstschmierenden Eigenschaften zu gewährleisten. Die Forscher – M. Kultamaa, K. Monkkonen, JJ Saarinen und M. Suvanto – präsentierten kürzlich die Ergebnisse ihrer Arbeit in einem Artikel, der in Tribology International, Band 2, veröffentlicht wurde. 174, 2022, die darauf hinwies, dass durch MIM neue Arten poröser, selbstschmierender Edelstahlkomponenten mit niedrigem COF hergestellt werden können.

Die Autoren berichteten, dass das martensitische, ausscheidungsgehärtete Edelstahlpulver PolyMIM 17-4 PH mit Natriumchlorid (NaCl) mit einer Größenverteilung von 200–315 µm als Platzhaltermaterial gemischt wurde. Die Menge an NaCl lag im Bereich von 10, 20 bis 30 Gew.-%. Der Mischung wurde außerdem 1 Gew.-% Paraffinwachs zugesetzt, um die Fließfähigkeit des PolyMIM 17-4 PH-Ausgangsmaterials zu erhöhen, das während des Spritzgießens hohe Mengen an NaCl enthielt. Die Spritzgussparameter für die rechteckigen Teststücke mit NaCl-Gehalt und eine zylindrische Stiftprobe ohne NaCl sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Wie aus der Tabelle hervorgeht, erforderten Proben mit 30 Gew.-% NaCl eine höhere Formtemperatur (210 °C). sowie eine längere Formzeit und einen höheren Druck, um die höhere Viskosität und geringere Fließfähigkeit der Ausgangsmischung auszugleichen. Die gewählten Parameter stellten die vollständige Füllung des Formhohlraums und damit eine gleichmäßige Probenqualität zwischen den verschiedenen Porositäten sicher, die durch die Menge an NaCl in den Ausgangsmischungen gesteuert wurde.

Die Entbinderung der Formteile wurde zunächst 20 Stunden lang in einem destillierten Wasserbad bei 60 °C durchgeführt, um das NaCl-Platzhaltermaterial und den wasserlöslichen Teil des Bindemittelmaterials im ursprünglichen Pulverausgangsmaterial zu entfernen. Die braunen Teile wurden dann 2 Stunden lang bei 100 °C getrocknet. Porositäten basierend auf dem Massenverlust (%) der geformten 17-4 PH-Edelstahlteile vor und nach der Entbinderung sind in Tabelle 2 angegeben.

Während des Sinterns, das bei bis zu 1350 °C in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wurde, wurden alle Bindemittelreste von den Teilen entfernt. Abb. 1 zeigt REM-Querschnittsbilder der inneren Porenstruktur der porösen gesinterten 17-4 PH-Edelstahlproben. Die Menge an Platzhaltermaterial (NaCl) mit 10 Gew.-% (a) führte zu einer Porosität von 23,2 %, mit 20 Gew.-% (b) zu einer Porosität von 38,4 %; und bei 30 Gew.-% (c) wurde eine Porosität von 48,2 % beobachtet. Die Porositäten der gesinterten porösen MIM-Teile wurden aus den Dichten berechnet und die durchschnittliche Dichte der nicht porösen Proben mit 0 Gew.-% wurde als Referenzpunkt angesehen. Die Dichte des verwendeten Paraffins betrug 0,90 g/cm3.

Die resultierenden porösen gesinterten 17-4 PH-Edelstahlteile wurden anschließend auf 100 °C erhitzt und 15 Minuten lang in geschmolzenes Paraffinwachs getaucht, um die Imprägnierung der offenen Porosität zu ermöglichen. Überschüssiges Paraffinwachs auf der Oberfläche der porösen, imprägnierten 17-4 PH-Proben wurde mit N-Heptan entfernt, um sicherzustellen, dass die Schmierung nur durch das in der offenen Porosität der Proben gespeicherte Paraffin erfolgte.

Dynamische COFs von porösen und nichtporösen 17-4 PH-Edelstahlproben wurden unter trockenen Gleit- und paraffingeschmierten Bedingungen gemessen. Als Haftreibungspartner wurden zylindrische, porenfreie 17-4 PH-Stifte mit kugelförmiger Spitze verwendet. Jeder Test wurde mindestens dreimal und an verschiedenen Testproben durchgeführt, um die Wiederholbarkeit und Konsistenz der Ergebnisse sicherzustellen. Es wurden Normallasten von 10 und 30 N bei einer Gleitstrecke von 100 m verwendet.

Die Autoren berichteten, dass Paraffin den Gleitreibungskoeffizienten für alle gesinterten porösen 17-4 PH-Proben unter normaler Belastung von 10 N deutlich reduzierte. Die niedrigsten COF-Werte wurden für die Proben mit 20 Gew.-% und 30 Gew.-% NaCl aufgezeichnet. Es wurde festgestellt, dass das in die offene Porosität der porösen 17-4 PH-Proben imprägnierte Paraffin allein für die verringerte Gleitreibung verantwortlich ist. Die Autoren stellten außerdem fest, dass die Menge an Paraffin, mit der die porösen Proben mit 10 Gew.-% imprägniert wurden, im Vergleich zu den Proben mit 20 Gew.-% und 30 Gew.-% zwar gering war, jedoch ausreichte, um die Reibung deutlich zu senken (COF = 0,15). Die COF-Werte für Proben mit 20 Gew.-% und 30 Gew.-% bei 10 N normaler Belastung lagen bei etwa 0,07. Es wurde festgestellt, dass die COF-Werte bei einer normalen Belastung von 30 N für die mit Paraffin imprägnierten gesinterten porösen 17-4 PH-Proben den Ergebnissen bei einer Belastung von 10 N ähnlich waren.

Die Schlussfolgerung dieser Untersuchung ergab, dass eine Porosität von 20 Gew.-% am besten für eine ausgewogene strukturelle Integrität des gesinterten porösen 17-4 PH-Edelstahls mit seiner Fähigkeit, Schmiermittel in seiner porösen Struktur und Schmierleistung zu speichern, geeignet ist. Die Autoren gehen davon aus, dass diese Forschung Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Arten selbstschmierender rostfreier Stähle eröffnen wird, die im Metallspritzgussverfahren für Anwendungen mit hohem Verschleiß hergestellt werden.

www.sciencedirect.com/journal/tribology-international

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