Rückschlagsicherheit von Flammensperren aus Sintermetallen

98 Pages·1973·2.595 MB·German

by  Dr. phil. nat. Gerhard Zapf, Dipl.-Ing. Jörg Niessen (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2362
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn
vom Minister für Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Dr. phil. nat. Gerhard Zapf
Dipl. -Ing. Jörg Niessen
Forschungsgemeinschaft Pulvermetallurgie e. V, Schwelm
Rückschlagsicherheit von
Flammensperren aus
Sintermetallen
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1973
ISBN 978-3-531-02362-5 ISBN 978-3-663-19731-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-19731-7
© 1973 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag Opladen 1973
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
21 .• EGirnunledila tugnee;n~ . . . .. . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . .. . . .. . .. .. .. .. . . . 56
3. Versuchsplanung •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 8
4. Versuchsdurchführung ••••••••.•••••••••••••••••••••••••• 10
4.1 Rohstoffe •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 10
4.2 Probenherstellung •••••••••••••••••••••••••••••• 11
4.3 Untersuchungsmethoden •••••••••••••••••••••••••• 14
4. 3. 1 Bestimmung der Dichte •••••••••••••••••••••••••• 14
4.3.2 Porengröße, Porengrößenverteilung und Ober-
f lächengröße ••••••.•••••••••••••••••••••••••••• 14
4. 3 .2. 1 Porengröße und Porengrößenverteilung ••••••••••• 14
4.3.2.2 Oberflächengröße der Pulver und der gesinterten
Proben ........................................ . 15
4.3.3 Entzündungstemperatur •••••••••••••••••••••••••• 15
4.3.4 Schlagzähigkeit ••..••••· •••••••••••••••••••••.•• 16
4.3.5 Radiale Bruchfestigkeit •••••••••••••••••••••••• 16
4.3.6 Häree ••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••• • • 16
4.3.7 Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit •••••• 17
4.3.8 Durchströmbarkei t •••••••••••••••••••••••••••••• 17
4.3.9 Rückschlagsicherheit ••••••••••••••••••••••••••• 18
5. Versuchsergebnisse • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 22
5. 1 Allgemeines •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 22
5.2 Porengröße, Porenverteilung und Oberflächengröße 22
5.2.1 Porengröße und Porengrößenverteilung ••• : ••••••• 22
5.2.2 Oberflächengröße ••••••••••••••••••••••••••••••• 25
5.3 Entzündungstemperatur .••.•••.•.••••••..•••••••• 27
5.4 Schlagzähigkeit ••••••••••••••••••••••.••••••••• 28
5. 4. 1 Allgemeines ................................... . 28
5.4.2 Einfluß der Sinterdichte ••••••••••••••••••••••• 28
5.4.3 Einfluß der Sintertemperatur ••••••••••••••••••• 30
5.4.4 Einfluß der Sinterzeit ••••••••••••••••••••••••• 30
5.4.5 Einfluß der Sinteratmosphäre ••••••••••••••.•••• 31
5.5 Radiale Bruchfestigkeit •••••••••••••••••••••••• 32
5. 5. 1 Allgemeines •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 32
5.5.2 Einfluß der Dichte ••••••••••••••••••••••••••••• 32
5.5.3 Einfluß der Sintertemperatur ••••••••••••••••••• 34
5.5.4 Einfluß der Sinterzeit ••••••••••••••••••••••••• 34
5.5.5 Einfluß der Atmosphäre ••••••••••••••••••••••••• 35
5.6 Härte •.•••.......................•......•. · · • · · 36
5.6.1 Allgemeines 36
5.6.2 Einfluß der Sinterdichte ••••••••••••••••••••••• 36
5.6.3 Einfluß der Sintertemperatur ••••••••••••••••••• 36
5.6.4 Einfluß der Sinterzeit ••••••••••••••••••••••••• 36
5.6.5 Einfluß der Atmosphäre ••••••••••••••••••••••••• 36
5.7 Elektrische Leitfähigkeit •••••••••••••••••••••• 38
5. 7. 1 Allgemeines 38
3
5.7.2 Einfluß der Sinterdichte ..•.••.•••..••••.••.••• 39
5.7.3 Einfluß der Sintertemperatur •••••.••••••••.•... 39
5.7.4 Einfluß der Sinterzeit .........•..•.•.•........ 39
5.7.5 Einfluß der Sinteratmosphäre ••.•••••.•••••••••• 39
5.8 Durchströmbarkei t • • • • • • • . • • . • . . • • • • • . . • . • • . • • . • 39
5.8.1 Allgemeines . • • . • • . • • . . . . . • • • • • • • • • • • • • • . • • . . • • • 39
5.8.2 Einfluß der Sinterdichte .••••••••••.•••.••.•••• 43
5.8.3 Einfluß der Sintertemperatur ••••...••.•••...••• 43
5.8.4 Einfluß der Sinterzeit • • • • • . . • • • • . . • • • • • . . • • • • • 43
s.8.s
Einfluß der Sinteratmosphäre •••..••••.••••••.•• 43
5.9 Rückschlagsicherheit und Dämpfungsverhalten •••• 44
5.9.1 Allgemeines • . • . • . • . • • • . • . • • • • . . • • . • . • . • . . . . • . • • 44
5.9.2 Einfluß der Sinterdichte ••.••••••••..•.••.••.•. 46
5.9.3 Einfluß der Sintertemperatur •••••••.•.••....•.• 47
5.9.4 Einfluß der Sinterzeit •.•.•...••••••••••••••••• 48
5.9.5 Einfluß der Sinteratmosphäre •..•.••..•••••...•. 48
5.9.6 Einfluß der Durchströmbarkeit •..•...•.•....•••. SO
5.9.7 Einfluß der Porengröße • • . • . • • • • • . . • • • . • • • • • . . . • 51
5.9. 8 Einfluß der Oberfläche . . • . . • • . . • • • . • . . • • • • • . . • • 51
6. Zusammenfassung 51
Literaturverzeichnis . • . . . • • • . . • • • • . . • • • . • • • • • • . • • • . • . . • • • • 53
Abbildungen • • . • • • • . . • • . . • • . • • • • • . . • • • . • . • . . • . • . • • . • • • • . • . • 55
4
1. Einleitung
Das vorliegende Forschungsvorhaben hatte sich die Aufgabe ge
stellt, Untersuchungen Uber den Einfluß der Ausgangswerks~offe
und der Herstellverfahren auf die Rückschlagsicherheit von Sin
termetall-Flammensperren auszuführen. Es war als ein Gemein
schaftsvorhaben der Forschungsgemeinschaft Pulvermetallurgie mit
der Bundesanstalt für Materialprüfung, dem Lehrstuhl für Werk
stoffkunde II an der Universität Karlsruhe und den Firmen
Mannesmann Pulvermetall GmbH in Mönchengladbach und der Sinter
metallwerk Krebsöge GmbH in Krebsöge geplant und in entsprechen
de Teilaufgaben aufgegliedert worden.
Als ein wesentliches Element in der Durchführung der Untersu
chung erwies sich schon nach verhältnismäßig kurzer Zeit die Ent
~icklung eines geeigneten Prüfstandes zur Prüfung der Rückschlag
sicherheit; denn es zeigte sich sehr bald, daß der bei der Bun
desanstalt für Materialprüfung in Benutzung befindliche Prüf
stand keine hinreichend differenzierten Ergebnisse hinsichtlich
der Rückschlagsicherheit von Flammensperren ermöglichte, sondern
nur eine Ja- oder Neinaussage gestattete.
Die Entwicklung des Prüfstandes war mit außerordentlichen meß
technischen Schwierigkeiten verknüpft und ist daher im Zuge der
Untersuchungen mehr und mehr zu einem Schwerpunkt in der Durch
führung des Entwicklungsvorhabens geworden. Da bei der BAM ent
sprechende Arbeitskapazitäten nicht zur Verfügung standen, hat
sich die des Vorhabens über das ursprünglich vorge
Durchf~hrung
sehene Maß hinaus beim Sintermetallwerk Krebsöge verteuert. Es
sind dort Kosten in erheblichem Umfange angefallen, die durch
die Bezuschussung des Vorhabens nicht mehr gedeckt waren. Der
ursprünglich auf 50 % angesetzte Zuschuß des Landesamt für For
schung hat sich daher auf 26,5 % vermindert.
Die erheblichen Schwierigkeiten, die mit der Entwicklung und Er
probung des Prüfstandes in Zusammenhang standen, haben es auch
nicht möglich gemacht, den vorgesehenen Zeitplan einzuhalten.
Im Zuge der Untersuchung zeigte es sich, daß auf die geplante
Untersuchung der Wärmeübergangszahl verzichtet werden konnte.
Im übrigen sind die Untersuchungsarbeiten in Ubereinstimmung mit
dem am 27.10.1967 vorgelegten Versuchsplan durchgeführt worden.
Die Autoren danken an dieser Stelle dem Landesamt für Forschung
für die Bereitstellung der entsprechenden Mittel und dem Sinter
metallwerk Krebsöge für die großzügige Bereitstellung von Mit
teln, die vom Landesamt für Forschung und von der Forschungsge
meinschaft Pulvermetallurgie übernommen wurden.
Ihr besonderer Dank gilt den Herren K.F. Arnz, J. Datta, M.
Fischer, B. Hüchelbach, P. Köppe, u. Manne!, R. Müdder, J.
Tönnessen und M. Zigmann für Mithilfe bei der Durchführung
ih~e
zahlreicher Einzelaufgaben im Rahmen des Gesamtvorhabens, den
5
Herren Prof. Ing. F. Schulz von der Bundesanstalt für Material
prüfung, Prof. Dr. F. Thümmler und Dr. w. Thomma vom Lehrstuhl
für Werkstoffkunde II an der Universität Karlsruhe sowie Dr.
Ing. N. Dautzenberg vom Forschungslaboratorium der Firma Mannes
mann für ihre laufende Beratung und Unterstützung des Vorhabens.
2. Grundlagen
Der Umgang mit Schweißanlagen, in denen explosive Gase, wie
z. B. Acetylen und Sauerstoff verwendet werden, schließt erheb
liche Risiken ein. Insbesondere geht es darum, die Versorgungs
behälter der explosiven Gase vor Flammenrücktritt zu bewahren
(1, 2). Aber auch durch Druck und Temperaturerhöhung können bei
Acetylensauerstoffgemischen Selbstentzündungen durch Zersetzun
gen eintreten, die zur Explosion führen (3, 4). Der Explosions
druck beträgt das 8- bis 12-fache des Anfangsdruckes und die
Flammengeschwindigkeit liegt zwischen 14 und 17 cm/s. Es ist wei
terhin bekannt, daß bei Acetylen und Acetylengasgemischen im
kurzen Abstand von der Zündquelle sich die Explosion in eine De
tonation verwandelt. Hierbei beträgt der Druck das 40- bis 100-
fache des Ausgangsdruckes und die Flamme läuft nunmehr mit Über
schallgeschwindigkeit, d. h. mit 1300 bis 3000 m/s weiter. Bei
einem Mischungsverhältnis von 35 % zu 65 % von Acetylen zu Sauer
stoff wurde bei 1 atü Ausgangsdruck eine Flammengeschwindigkeit
von 2574 m/s und bei 5 atü eine von 2741 m/s gemessen. Es sei da
rauf hingewiesen, daß alle hier genannten Angaben sehr stark
vom Rohrdurchmesser abhängen.
Weiterhin hat sich gezeigt, daß z. B. die Zündtemperatur des
reinen Acetylens um 280 bis 300°C reduziert wird, wenn im Gas
raum Stäube von Koks, Aluminiumoxyd, Siliziumoxyd etc. vorhanden
sind. Selbst der Rohrwerkstoff beeinflußt die Entzündungstempe
ratur. Auch auf die Selbstentzündbarkeit von Acetylen bei Anwe
senheit von Kupfer und kupferreichen Verbindungen muß hierbei
hingewiesen werden (5).
Es gibt zwei Arten von Flammenrückschlagsicherungen (6, 7). Ein
mal die Wasservorlage, zum anderen die Trockensicherung aus Sin
termetall. Wenn sichergestellt ist, daß in der Wassersäule der
Abstand von Gasblase zu Gasblase ein bestimmtes Mindestmaß nicht
unterschreitet, funktionieren die Wasservorlagen verhältnismäßig
sicher. Nachteil dieser Anlagen sind jedoch ihr großer Raumbe
darf, die Einhaltung der senkrechten Gebrauchslage und ihre Pfle
ge und Wartung.
Die Trockensicherung aus Sintermetall zeichnet sich durch gerin
ge Abmessung, Unabhängigkeit von der Gebrauchslage und völlige
Wartungsfreiheit aus. Der prinzipielle Aufbau einer solchen han
delsüblichen Trockenvorlage ist in Abb. 1 gezeigt. Es stellt
nur eine der vielen Ausführungsformen dar, die inzwischen in der
industriellen Praxis üblich sind. Die Entwicklung der Einsätze
ist bisher mehr oder weniger empirisch erfolgt. In dem vorliegen
den Vorhaben sollte erstmals eine große Anzahl von in der indu
striellen Fertigung von Sintermetalleinsätzen wichtigen Parame
tern hinsichtlich ihres Einflusses auf die Rückschlagsicherheit
untersucht werden.
6
Die Trockenvorlagen mit einem Einsatz aus porösem Sintermetall
oder poröser Keramik stellen im wesentlichen eine weitere Ent
wicklung der Davy'schen Sicherheitslampe und ihre Anpassung an
die besonderen Druckverhältnisse dar, wie sie bei der Detonation
des besonders explosiven Acetylensauerstoffgemisches auftreten
(8, 9). Die Einsätze haben eine doppelte Funktion:
a) Sie werfen die Druckwelle der Detonation zurück und dämpfen
sie soweit, daß eine Entzündung hinter dem Rinsatz vermieden
wird (Drosseleffekt).
b) Sie erniedrigen die Temperatur der Zündwelle beim Auftreffen
auf den Einsatz soweit, daß das Gas hinter dem Einsatz nicht
mehr die Zündtemperatur erreicht (Davyeffekt).
Der Davyeffekt ist abhängig von der Größe der inneren und äuße
ren Oberfläche des Einsatzes, von dessen Wärmeübergangszahl und
Wärmeleitfähigkeit sowie von der Gasgeschwindigkeit. Mit höherer
Geschwindigkeit ist die Kontaktzeit zwischen Flamme und Poren
oberfläche geringer und desto weniger Wärme kann vom Einsatz ab
geleitet werden. Die Flammengeschwindigkeit ist von folgenden
Faktoren abhängig:
1. Vom Gasvordruck, d. h. dem Leitungsdruck vor einer Zündung.
Je höher der Gasvordruck, desto schneller verläuft die Ketten
reaktion. Es wird hierbei vorausgesetzt, daß die Explosion und
Detonation eine Kettenreaktion ist, die an der Zündstelle an
fängt und von dort weiterläuft.
2. Vom Detonations- oder Explosionsdruck. Je höher der Explosions
druck, desto größer ist der Druckunterschied vor und hinter dem
Einsatz und desto schneller läuft die Flamme durch den Einsatz
und desto geringer ist der Temperaturentzug im Einsatz.
Der ideale Flammensperreneinsatz besitzt eine gute Drosselwir
kung und eine große innere Oberfläche mit guter Wärmeübergangs
zahl und Wärmeleitfähigkeit. Weiterhin muß vorausgesetzt werden,
daß der Werkstoff, aus dem der Einsatz besteht, schwer entzünd
bar ist und nicht von sich aus zu brennen beginnt, wenn er bei
der Explosion erhitzt wird. Für Montage und Betrieb sind weiter
hin wichtig gute mechanische Eigenschaften, insbesondere Zähig
keit.
Ein ganz entscheidender Faktor ist jedoch die Durchlässigkeit in
der normalen Gasdurchströmungsrichtung. Diese Anforderungen sind
zum Teil gegenläufig, so daß der Hersteller von Flammensperren
zum Zwecke der Optimierung seines Gerätes gezwungen ist, Kompro
misse zwischen den einzelnen Eigenschaften zu schließen. Jede
der genannten Eigenschaften ist pulvermetallurgisch beeinflußbar.
Die Verschiebung des gesamten Eigenschaftskomplexes innerhalb
eines breiten Spektrums von Eigenschaften ist jedoch nicht vor
herzusagen. So kommt es, daß bei der amtlichen Freigabeerprobung
von Charge zu Charge schwankend in einem Falle 5 %, im anderen
20 % der Flammensperren versagen.
Das erklärte Ziel des Forschungsvorhabens war es, durch eine
detaillierte Untersuchung der Einzelparameter und das Herausfin
den günstigster Fertigungsparameter das Sicherheitsniveau von
Flammensperren erheblich zu verbessern und damit die Unfallsi
cherheit von Autogenanlagen zu vergrößern. - Viele der hier ge
wonnenen Erkenntnisse gelten nicht allein für das Gebiet der
Rückschlagsicherheit von Sintermetallflammensperren, sondern
7
haben allgemein Gültigkeit für hochporBse Sinterwerkstoffe aus
verdüsten Stahlpulvern und kBnnen dem Erzeuger solcher Rohstoffe
und Produkte wertvolle Erkenntnisse und Anregungen für die Her
stellung und Benutzung solcher Werkstoffe vermitteln.
Hinsichtlich der allgemeinen Literatur über hochporBse Sinter
werkstoffe sei aus diesem Grunde hier auf folgende Literatur
stellen verwiesen, die durch die vorliegende Arbeit eine sinn
volle Erweiterung erfahren (10, 11, 12, 13, 14).
Die Herstellung hochporBser Sinterwerkstoffe aus verdüsten Stahl
pulvern stellt bislang ein Randgebiet der technischen Pulverme
tallurgie dar, das in seinem Umsatzvolumen hBchstens 1 bis 2 %
der von der pulvermetallurgischen Industrie erzeugten Tonnage
erbringt. Es ist aus diesem Grunde von Forschung und Anwendungs
technik noch immer vernachlässigt worden; es gewinnt aber neuer
dings durch die MBglichkeiten, die sich hier fßr die Herstellung
von Dämpfelementen für die Geräusch- und Druckdämmung sowie von
Filtern für aggressive chemische Medien ergeben, steigende Be
deutung.
Die Forschungsgemeinschaft Pulvermetallurgie, die' sich im letz
ten Jahrzehnt überwiegend mit dichteren Werkstoffen hBherer
Festigkeit befaßt hat, hat mit diesem Forschungsvorhaben, das
sich ausschließlich mit hochporBsen Werkstoffen befaßt, Neuland
betreten und dabei eine Reihe von grundsätzlichen Erkenntnissen
gewonnen, die mit diesem Forschungsbericht einer breiten Öffent
lichkeit zugänglich gemacht werden sollen.
3. Versuchsplanung
Für die Versuchsplanung wurde die Hilfstabelle 1 erstellt, aus
der sich ersehen läßt, durch welche 'Faktoren die einzelnen Ei
genschaften, die an den Einsatz in einer Flammensperre gestellt
werden, sich beeinflussen lassen.
Die EinflußgrBßen sind in primäre und sekundäre KenngrBßen auf
geteilt worden. Zum besseren Verständnis der Tabelle soll am
Beispiel der DurchstrBmbarkeit der Aufbau der Tabelle etwas nä
her erläutert werden.
Die Dichte der Flammensperre des Sintermetall-Einsatzes wird
nach unten hin begrenzt durch die Festigkeit des Pulverpreßlings.
Sie ist ihrerseits vom verwendeten Pulver her beeinflußt. Po
rengrBße und PorengrBßenverteilung beeinflussen die DurchstrBm
barkeit, sie kBnnen durch TeilchengrBße und TeilchengrBßenver
teilung des Ausgangspulvers gesteuert werden. Die Geometrie des
Sintermetalleinsatzes, d. h. also seine Wanddicke, Länge und
sonstige Gestalt sind wiederum von dem dem Gesamtaggregat zur
Verfügung stehenden Einbauraum begrenzt.
Die Aufstellung zeigt sehr deutlich, daß gerade die Eigenschaf
ten des Ausgangspulvers von entscheidender Bedeutung sind. Die
meisten Rohstoffe,für die Herstellung solcher Flammensperren
mußten zu Beginn der Untersuchung noch aus den USA bezogen wer
den und eine Einflußnahme auf den Hersteller war nicht möglich.
Durch die vorliegenden Entwicklungsarbeiten sollte ein deutscher
Pulverhersteller, der ebenfalls der Forschungsgemeinschaft Pul
vermetallurgie angehBrt, in die Lage versetzt werden, ein ver-
8
düstes Stahlpulver herzustellen, das den Anforderungen zur Her
stellung von Flammensperren entspricht. In der bei diesem Her
steller vorhandenen Anlage konnten Chargen mit speziellen Teil
chenformen, Teilchengrößen und Teilchengrößenverteilungen her
gestellt und auch die chemische Zusammensetzung des Ausgangspul
vers variiert werden.
Tab. 1: Einflußgrößen auf die Rückschlagsicherheit von Flammensperren
Eigenschaft primäre Kenngröße~ sekundäre Kenngrößen
Durchströmbarkeit Dichte Festigkeit des Preßkörpers
Porengröße Te~lchengr~ße ) des Aus an s-
Porengrößenverteilung Te~lchengroßen-) 1 g g
verteilung ) pu vers
Geometrie Einbauraum
Schallrückprall Dichte Preßbarkeit
Porengröße Teilchengröße
Porengrößenverteilung Teilchengrößenverteilung
Geometrie Einbauraum
Wärmeüber- Oberflächengröße Teilchenform
gangszahl Oberflächenbe-
Sinterbedingungen
schaffenheit
Wärmeleitfähigkeit Werkstoff Zusammensetzung
Ansinterunq Sinterbedingungen
Entzündbarkeit Werkstoff Zusammensetzung
Oberflächenbe-
Sinterbedingungen
schaffenheit
Mechanische Werkstoff Zusammensetzung
Festigkeit Dichte Preßbarkeit
Ansinterunq Sinterbedingungen
Geometrie Einbauraum
Aus der in Tab. 1 gegebenen Obersicht ergab sich im einzelnen
die Aufgabe, folgende Untersuchungen durchzuführen:
a) Untersuchung des Einflusses der Teilchengröße
b) Untersuchung des Einflusses der Teilchengrößenverteilung
c) Untersuchung des Einflusses der Teilchenform
d) Untersuchung des Einflusses der Dichte
e) Untersuchung des Einflusses der Sintertemperatur
f) Untersuchung des Einflusses der Sinterzeit
g) Untersuchung des Einflusses der Sinteratmosphäre
h) Untersuchung des Einflusses der chemischen Zusammensetzung
i) Untersuchung des Einflusses der geometrischen Form
und folgende Kenngrößen zu bestimmen:
Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung
spezifische Oberfläche
Teilchenform
Preßdichte und Sinterdichte
Porengröße und Porengrößenverteilung
Durchströmbarkeit
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