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Legierungspulver
haben vielfältige
Anwendungen zur Herstellung von gesinterten Formkörpern auf pulvermetallurgischem
Wege. Hauptmerkmal der Pulvermetallurgie ist, dass entsprechende
pulverförmige
Legierungs- oder Metallpulver gepresst und anschließend bei
erhöhter
Temperatur gesintert werden. Diese Methode ist im industriellen
Maßstab
zur Herstellung von komplizierten Formteilen eingeführt, die
sich sonst nur mit einem hohen Maß an aufwändiger Endbearbeitung herstellen
lassen, oder im Falle von Flüssigphasensinterungen,
wie z.B. bei Hart- oder Schwermetallen.
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Generell
nimmt mit steigender Sintertemperatur die Porosität ab, d.h.
die Dichte des Sinterstückes
nähert
sich ihrem theoretischen Wert. Aus Gründen der Festigkeit wird daher
die Sintertemperatur so hoch wie möglich gewählt. Andererseits fällt jedoch
die Härte
der metallischen Matrix oberhalb einer optimalen Temperatur wieder
ab, da es infolge Kornwachstums zu einer Vergröberung des Gefüges kommt
(Ostwald-Reifung). Aus
diesen Gründen
sind für
Sinterkörper
solche Pulver vorteilhaft, die bei möglichst niedrigen Sintertemperaturen
bereits ihre theoretische Dichte erreichen.
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So
gibt es auch eine Reihe von Vorschlägen, metallische Legierungspulver
durch Fällung,
z.T. in Gegenwart von organischen Phasen, und anschließende Reduktion
herzustellen (
WO 97/21 844 ,
US 5 102 454 ,
US 5 912 399 ,
WO 00/23 631 ).
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Aufgabe
der Erfindung ist es, Legierungspulver, so genannte vorlegierte
Metallpulver, enthaltend mindestens die Metalle Eisen, Cobalt und
Molybdän,
die die genannten Anforderungen an Sinterwerkstoffe erfüllen, zur
Verfügung
zu stellen.
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Es
ist seit langem bekannt, dass Stähle
auf FeCoMo-Basis innerhalb bestimmter Zusammensetzungsbereiche bei
entsprechender Wärmebehandlung
die intermetallischen Verbindungen (FeCo)7Mo6 bilden, die sehr hohe Härte und Festigkeit entwickeln
und für
bestimmte Anwendungen eine Alternative zu den Stählen darstellen, die durch
carbidische Ausscheidungen gehärtet
werden (Köster,
W.: Mechanische und magnetische Ausscheidungshärtung der Eisen-Kobalt-Wolfram- und Eisen-Kobalt-Molybdänlegierungen,
Archiv für das
Eisenhüttenwesen, 1932,
Heft 1/Juli, S. 17-23). Die Herstellung solcher Stähle durch
Schmelzen der Komponenten und Gießen unter inerter Atmosphäre ist aber
aufwändig
und hat bisher keinen Eingang in die industrielle Praxis gefunden.
In neuerer Zeit gab es erfolgreiche Untersuchungen, durch Mischen
der Einzelpulver solche FeCoMo-Stähle auf pulvermetallurgischem
Weg herzustellen [2] und ihre Eigenschaften zu testen (Danninger,
H. et al: Heat Treatment and Properties of precitation hardened
carbon-free PM Tool Steels, Powder Metallurgy Progress, Vol.5 (2005),
No.2, S. 92-103). Von Nachteil ist hierbei, dass die Bildung
der intermetallischen Verbindungen mehrere Wärmebehandlungen bei hohen Temperaturen
und zeitlichem Aufwand erfordert, um eine gleichmäßige Diffusion
der Metalle ineinander und eine nachfolgende Bildung und fein disperse
Verteilung dieser Phasen im Gefüge
als Träger
der gewünschten
Eigenschaften zu erreichen. Eine erfolgreiche Kommerzialisierung
hängt davon
ab, ob die Produktion solcher Sinterstücke zu vertretbaren Kosten
realisiert werden kann. Ein entscheidender Vorteil wären sehr
sinteraktive Pulver, die alle Komponenten in homogener, gleichmäßiger Mikrostruktur
mit isotropen Eigenschaften enthalten und kostenintensive Temperaturbehandlungen
vermeiden.
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Bei
den bisher bekannten Pulvern ist insbesondere nachteilig, dass sie
die Komponenten in inhomogener Verteilung enthalten und daher hohe
Temperaturen erfordern, um eine Homogenisierung der Komponenten
duch Diffusion zu erreichen. Ausserdem ist das Sinterverhalten von
der Aufheizrate abhängig
(schnelles Aufheizen erfordert höhere
Endtemperaturen oder längere
Haltezeit) und die Sinterkörper
erreichen nur ungenügende
Sinterdichten und besitzen damit eine entsprechende Porosität.
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Es
wurde überraschend
gefunden, dass bei Anwesenheit von Molybdän in einer hydrometallurgisch hergestellten
FeCo-Matrix bereits bei Kalzination an Luft Mischoxide, wie z.B.
CoMoO4 und FeMoO4 entstehen,
aus denen bei einer nachfolgenden Reduktion unter Wasserstoff bei
moderaten Bedingungen sehr feinkörnige
und hoch sinterfähige
Metallpulver gebildet werden, die das Mo in gelöster, homogener Form enthalten. Überraschenderweise
unterscheiden sich die so hergestellten FeCoMo-Legierungspulver
vom Stand der Technik dadurch, dass ihr Sinterverhalten nahezu unabhängig von
der Aufheizrate beim Sintern ist (5) und unter
vergleichbaren Sinterbedingungen deutlich höhere Sinterdichten und damit geringere
Porositäten
erreicht werden, als beim Einsatz von mechanisch gemischten Pulvern.
Neben dem vorteilhaften Sinterverhalten werden außerdem merklich
höhere
Härten
erreicht (Tabelle 2).
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Gegenstand
der Erfindung ist zunächst
ein Verfahren zur Herstellung der vorlegierten Metallpulver durch
Vermischen von wässrigen
Metallsalzlösungen
mit einem Fällungsmittel,
vorzugsweise einer Carbonsäurelösung, Abtrennen
des Fällungsproduktes
von der Mutterlauge und Reduktion des Fällungsproduktes zum Metall,
wobei vorteilhaft das Fällungsmittel überstöchiometrisch
und als konzentrierte wässrige
Lösung eingesetzt
wird. Die Metallsalzlösungen
und/oder die wässrige
Lösung
des Fällungsmittels
können
zusätzlich feste
Verbindungen dispergiert enthalten. Als Fällungsmittel kann die wässrige Lösung oder
Suspension einer Carbonsäure,
eines Hydroxides, Carbonates oder basischen Carbonates verwendet
werden.
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Dabei
kann die Metallsalzlösung
mit dem Fällungsmittel
versetzt werden, vorteilhaft wird jedoch die Metallsalzlösung in
das Fällungsmittel
gegeben.
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Vorzugsweise
wird das Fällungsprodukt
nach Abtrennung von der Mutterlauge mit Wasser gewaschen und getrocknet.
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Die
Reduktion des Fällungsproduktes
erfolgt vorzugsweise in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei Temperaturen
zwischen 600°C
und 850°C.
Die Reduktion kann im indirekt beheizten Drehrohrofen oder im Durchschubofen
erfolgen. Weitere Möglichkeiten
zur Durchführung
der Reduktion sind dem Fachmann ohne weiteres geläufig, wie
z.B. im Etagenofen oder der Wirbelschicht. Dies ist überraschend,
da sich Mo-Oxide mit Wasserstoff erst oberhalb von 1000°C zu Mo-Metallpulvern
mit hinreichend niedrigen Sauerstoffgehalten reduzieren lassen,
die für
eine pulvermetallurgische Weiterverarbeitung und Sinterung notwendig
sind. Bei diesen relativ hohen Reduktionstemperaturen tritt zwangsläufig eine
stärkere
Kornvergrößerung ein,
die die Sinteraktivität
reduziert.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das feuchte oder getrocknete Fällungsprodukt
vor der Reduktion in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen zwischen
250°C und
600°C kalziniert.
Die Kalzination bewirkt einerseits, dass das aus polykristallinen
Teilchen bzw. Agglomeraten bestehende Fällungsprodukt durch die bei
der Zersetzung (des Carbonsäurerestes)
freigesetzten Gase durch Dekrepitation zerkleinert wird, so dass
für die
anschließende
Gasphasenreaktion (Reduktion) eine größere Oberfläche zur Verfügung steht
und ein feinkörnigeres
Endprodukt erhalten wird. Zum anderen wird ein vorlegiertes Metallpulver
mit erheblicher verringerter Porosität erhalten. Bei der Weiterverarbeitung
des Fällungsproduktes [(Misch)metallcarbonsäuresalz]
zum vorlegierten Metallpulver tritt nämlich eine erhebliche Volumenreduktion der
Teilchen ein, die zur Bildung von Poren führt. Durch den zwischengeschalteten
Kalzinierungsschritt in sauerstoffhaltiger Atmosphäre wird
das Fällungsprodukt
zunächst
in das (Misch)metalloxid überführt und
getempert, so dass eine Vorverdichtung unter Ausheilung von Fehlstellenklastern
erfolgt. Bei der anschließenden Reduktion
in wasserstoffhaltiger Atmosphäre
ist demgemäss
nur noch die Volumenschrumpfung vom Oxid zum Metall zu überwinden.
Durch die zwischengeschaltete Kalzinationsstufe wird demgemäss eine
stufenweise Volumenschrumpfung erzielt, jeweils unter struktureller
Stabilisierung der Kristalle nach jeder Schrumpfungsstufe.
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Geeignete
Fällungsmittel
sind Carbonsäuren,
aber auch Hydroxide, Carbonate oder basische Carbonate, insbesondere
der Alkali- oder Erdalkalimetalle, vorteilhaft von Natrium oder
Kalium. Dies sind insbesondere Hydroxide der Alkali- oder Erdalkalimetalle,
ganz besonders Natrium- oder Kaliumhydroxid.
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Als
Carbonsäuren
sind aliphatische oder aromatische, gesättigte oder ungesättigte Mono-
oder Dicarbonsäuren,
insbesondere solche mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen geeignet. Aufgrund
ihrer reduzierenden Wirkung sind Ameisensäure, Oxalsäure, Acrylsäure und Crotonsäure bevorzugt,
und wegen ihrer Verfügbarkeit werden
insbesondere Ameisen- und Oxalsäure,
ganz besonders bevorzugt Oxalsäure
eingesetzt. Die Carbonsäuren
können
als wässrige
Lösung
oder Suspension, aber auch in reiner Form als Fällungsmittel verwendet werden,
wenn die Carbonsäure
flüssig
ist.
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Ein Überschuß reduzierender
Carbonsäuren
verhindert die Ausbildung von Fe-(III)ionen, die zu einer Verringerung
der Ausbeute führen
würden.
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Vorzugsweise
wird die Carbonsäure
mit 1,1- bis 1,6-fach stöchiometrischem Überschuß, bezogen
auf die Metalle, eingesetzt. Insbesondere bevorzugt ist ein 1,2-1,5-facher Überschuß.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird als Fällungsmittel
eine Carbonsäurelösung als
Suspension eingesetzt, die ungelöste
Carbonsäure
suspendiert enthält.
Die bevorzugt eingesetzte Carbonsäuresuspension enthält ein Depot
an nicht gelöster
Carbonsäure,
aus dem die durch Fällung der
Lösung
entzogene Carbonsäure
nachgeliefert wird, so dass während
der gesamten Fällungsreaktion
eine hohe Konzentration an Carbonsäure in der Mutterlauge aufrechterhalten
wird. Vorzugsweise soll die Konzentration an gelöster Carbonsäure in der
Mutterlauge am Ende der Fällungsreaktion
noch mindestens 10% der Sättigungskonzentration
der Carbonsäure
in Wasser betragen, insbesondere 20% der Sättigungskonzentration der Carbonsäure in Wasser.
Hierdurch wird eine weitestgehende Fällung der Metallsalze sicher
gestellt. Die Legierungszusammensetzung der vorlegierten Pulver
kann also durch die Wahl der Zusammensetzung der Metallsalzlösung festgelegt
werden.
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Andere
geeignete Fällungsmittel
sind Hydroxide, Carbonate oder basische Carbonate. Dies sind insbesondere
Hydroxide der Alkali- oder Erdalkalimetalle, vorteilhaft sind Natrium-
oder Kaliumhydroxid. Diese können
analog zu Carbonsäuren
verwendet werden, auch in Bezug auf ihren Einsatz in Form einer
Lösung oder
Suspension wie oben für
die Carbonsäure
beschrieben. Das Fällungsmittel
kann zwar zur Metallsalzlösung
zugegeben werden, vorteilhaft wird jedoch die Lösung oder Suspension des Fällungsmittels
vorgelegt und die Metallsalzlösung
zugegeben.
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Nach
der besonders bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung
erfolgt die Zugabe der Metallsalzlösung zur Carbonsäuresuspension
allmählich,
und zwar in der Weise, dass der Gehalt an gelöster Carbonsäure in der
Mutterlauge während
der Zuführung
der Metallsalzlösung
einen Wert von 50% der Löslichkeit
der Carbonsäure
in Wasser nicht unterschreitet. Insbesondere bevorzugt erfolgt die
Zugabe der Metallsalzlösung
derart allmählich,
dass bis zur Auflösung
der suspendierten Carbonsäure
die Konzentration an gelöster
Carbonsäure
von 80% der Löslichkeit
in Wasser nicht unterschritten wird. Die Zugabegeschwindigkeit der
Metallsalzlösung
zur Carbonsäuresuspension
erfolgt also in der Weise, dass der Entzug von Carbonsäure aus
der Mutterlauge einschließlich
Konzentrationsherabsetzung durch Verdünnung durch das mit der Metallsalzlösung zugeführte Wasser
durch die Auflösung
von nicht gelöster,
suspendierter Carbonsäure kompensiert
wird.
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Als
Metallsalz zur Herstellung der Metallsalzlösung können alle wasserlöslichen
Verbindungen eingesetzt werden. Vorzugsweise werden die Chloride
oder Sulfate der Metalle verwendet, so dass jeweils eine Metallchlorid-
bzw. -sulfatlösung
verwendet wird. Es können
auch Chloride und Sulfate gemischt eingesetzt werden, in dem beispielsweise
Eisenchlorid und Cobaltsulfat zur Herstellung der Metallsalzlösung verwendet
werden. Vorzugsweise beträgt
die Konzentration der Metallsalzlösung etwa 1,6 bis 2,8 Mole
Metall pro Liter.
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Vorzugsweise
weist die Metallsalzlösung
einen Gehalt von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% Eisen auf, bezogen auf den Gesamtmetallgehalt,
sowie die Elemente Cobalt und Molybdän. Insbesondere bevorzugt beträgt der Gehalt
an Eisen in der Metallsalzlösung
zwischen 25 Gew.-% und 85 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mehr
als 30 Gew.-% bis 70 Gew.-%, jeweils bezogen auf den Gesamtmetallgehalt.
Weiter bevorzugt enthalten die Metallsalzlösungen bis 65 Gew.-% Cobalt,
bezogen auf den Gesamtmetallgehalt, vorteilhaft 5 Gew.-% bis 50
Gew.-%, insbesondere 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%. Der Molybdängehalt
der Metallsalzlösung beträgt 3 Gew.-%
bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 4 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere
5 Gew.-% bis 40 Gew.-%, besonders vorteilhaft 6 Gew.-% bis 35 Gew.-%,
9 Gew.-% bis 30 Gew.-%,
12 Gew.-% bis 20 Gew.-% oder 14 Gew.-% bis 19 Gew.-%.
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Als
Molybdänsalz
wird vorteilhaft Molybdändioxid
MoO2 verwendet. Da MoO2 unlöslich ist,
kann es beispielsweise in der Metallsalzlösung suspendiert werden. Es
kann jedoch ebenso in der Lösung
oder Suspension des Fällungsmittels
suspendiert werden, zu welcher bevorzugt die Metallsalzlösung wie
oben beschrieben zugegeben wird.
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In
Bezug auf die Fällung
der Metallsalze besitzt eine konzentrierte Carbonsäurelösung die „Aktivität 1", eine nur halb konzentrierte
Carbonsäurelösung die „Aktivität 0,5". Bevorzugt soll
demgemäß die Aktivität der Mutterlauge
während
der Zugabe der Metallsalzlösung
nicht unter 0,8 fallen.
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Beispielsweise
beträgt
die Löslichkeit
der bevorzugt eingesetzten Oxalsäure
in Wasser ca. 1,1 Mol pro Liter Wasser (Raumtemperatur), entsprechend
138 g Oxalsäure
(mit 2 Molen Kristallwasser). Nach dem erfindungsgemäßen bevorzugten
Verfahren soll die Oxalsäure
als wässrige
Suspension, die 2,3 bis 4,5 Mol Oxalsäure pro Liter Wasser enthält, vorgelegt
werden. Diese Suspension enthält
ca. 1,2 bis 3,4 Mole ungelöste Oxalsäure pro
Liter Wasser. Nach Einleitung der Metallsalzlösung und beendeter Fällung soll
der Gehalt an Oxalsäure
in der Mutterlauge noch 15 bis 30 g/l betragen. Während der
Einleitung der Metallsalzlösung
in die Oxalsäuresuspension
wird die zur Fällung
verbrauchte Oxalsäure
ständig
durch Auflösung
suspendierter Oxalsäure
ersetzt. Zur Homogenisierung der Mutterlauge wird diese ständig gerührt. Nach
der bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Zugabe der Metallsalzlösung derart allmählich, dass
die Oxalsäurekonzentration
in der Mutterlauge während
der Zugabe nicht unter 69 g, besonders bevorzugt nicht unter 110
g pro Liter Mutterlauge absinkt. Dadurch wird bewirkt, dass während der
Zugabe der Metallsalzlösung
ständig
eine ausreichend hohe Übersättigung
erzielt wird, die zur Keimbildung, d.h. zur Erzeugung weiterer Fällungspartikel
ausreicht. Hierdurch wird einerseits eine hohe Keimbildungsrate,
die entsprechend nur zu kleinen Partikelgrößen führt, gewährleistet und andererseits
aufgrund der geringen, in der Mutterlauge vorhandenen Metallionenkonzentration
eine Agglomeration der Teilchen durch Anläsen weitgehend verhindert.
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Die
erfindungsgemäß bevorzugt
hohe Carbonsäurekonzentration
während
der Fällung
bewirkt ferner, dass das Fällungsprodukt
hinsichtlich der relativen Gehalte an Metallen weitestgehend dieselbe
Zusammensetzung aufweist, wie die Metallsalzlösung, d.h. das ein bezüglich seiner
Zusammensetzung homogenes Fällungsprodukt
und damit Legierungsmetallpulver entsteht.
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Gegenstand
der Erfindung sind außerdem
vorlegierte Metallpulver, welche die Elemente Eisen, Cobalt und
Molybdän
enthalten und die vorteilhaft eine mittlere Korngröße nach
ASTM B330 (FSSS) von weniger als 8 μm, vorteilhaft von 0,1 μm bis 8 μm, insbesondere
0,5 μm bis
3 μm aufweisen.
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Die
BET-Oberfläche
der vorlegierten Pulver beträgt
im Allgemeinen mehr als 0,5 m2/g, vorteilhaft
0,7 m2/g bis 5 m2/g,
insbesondere 1 m2/g bis 3 m2/g.
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Die
Legierungspulver enthalten 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% Eisen, bevorzugt
25 Gew.-% bis 85 Gew.-% und besonders bevorzugt 30 Gew.-% bis 70
Gew.-% Eisen, bezogen auf den Gesamtmetallgehalt. Weiter bevorzugt
enthalten die vorlegierten Metallpulver bis 65 Gew.-% Co, vorteilhaft
5 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%. Der
Molybdängehalt
der Metallpulver beträgt
3 Gew.-% bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 4 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere
5 Gew.-% bis 40 Gew.-%, besonders vorteilhaft 6 oder 7 Gew.-% bis
35 Gew.-%, 9 Gew.-% bis 30 Gew.-%, 12 Gew.-% bis 20 Gew.-% oder
14 Gew.-% bis 19 Gew.-%. Weitere Bestandteile der Legierungspulver
können
noch unvermeidbare Verunreinigungen sein.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft daher auch Legierungspulver enthaltend
20
Gew.-% bis 90 Gew.-% Eisen,
bis 65 Gew.-% Cobalt,
3 Gew.-%
bis 60 Gew.-% Molybdän;
oder
20
Gew.-% bis 90 Gew.-% Eisen,
bis 65 Gew.-% Cobalt,
9 Gew.-%
bis 30 Gew.-% Molybdän;
oder
20
Gew.-% bis 90 Gew.-% Eisen,
bis 65 Gew.-% Cobalt,
12 Gew.-%
bis 20 Gew.-% Molybdän;
oder
20
Gew.-% bis 90 Gew.-% Eisen,
bis 65 Gew.-% Cobalt,
14 Gew.-%
bis 19 Gew.-% Molybdän.
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Vorteilhaft
sind Legierungspulver enthaltend
25 Gew.-% bis 85 Gew.-% Eisen,
5
Gew.-% bis 50 Gew.-% Cobalt,
4 Gew.-% bis 50 Gew.-% Molybdän;
oder
25
Gew.-% bis 85 Gew.-% Eisen,
5 Gew.-% bis 50 Gew.-% Cobalt,
9
Gew.-% bis 30 Gew.-% Molybdän;
oder
25
Gew.-% bis 85 Gew.-% Eisen,
5 Gew.-% bis 50 Gew.-% Cobalt,
12
Gew.-% bis 20 Gew.-% Molybdän;
oder
25
Gew.-% bis 85 Gew.-% Eisen,
5 Gew.-% bis 50 Gew.-% Cobalt,
14
Gew.-% bis 19 Gew.-% Molybdän.
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Besonders
vorteilhaft sind Legierungspulver enthaltend
30 Gew.-% bis
70 Gew.-% Eisen,
10-Gew.-% bis 30 Gew.-% Cobalt,
6 Gew.-%
bis 35 Gew.-% Molybdän;
oder
30
Gew.-% bis 70 Gew.-% Eisen,
10 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cobalt,
9
Gew.-% bis 30 Gew.-% Molybdän;
oder
30
Gew.-% bis 70 Gew.-% Eisen,
10 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cobalt,
12
Gew.-% bis 20 Gew.-% Molybdän;
oder
30
Gew.-% bis 70 Gew.-% Eisen,
10 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cobalt,
14
Gew.-% bis 19 Gew.-% Molybdän.
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Ganz
besonders vorteilhaft sind Legierungspulver enthaltend
45 Gew.-%
bis 70 Gew.-% Eisen,
16 Gew.-% bis 26 Gew.-% Cobalt,
10
Gew.-% bis 38 Gew.-% Molybdän;
oder
45
Gew.-% bis 60 Gew.-% Eisen,
20 Gew.-% bis 26 Gew.-% Cobalt,
15
Gew.-% bis 25 Gew.-% Molybdän.
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Ganz
besonders vorteilhaft sind außerdem
Legierungspulver, wobei der Molybdängehalt kleiner als 25 Gew.-%
ist, wenn der Eisengehalt größer ist
als 50 Gew.-%; und/oder
Legierungspulver, wobei der Cobaltgehalt
bei 10 Gew.-% bis 30 Gew.-% liegt, wenn die Summe aus dem Molybdängehalt
und dem Eisengehalt kleiner 90 Gew.-% ist.
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Vorteilhaft
handelt es sich bei den restlichen Komponenten des Legierungspulvers
um unvermeidliche Verunreinigungen.
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Insbesondere
vorteilhaft sind Legierungspulver der Zusammensetzungen gemäß Tabelle
1. Tabelle 1: Vorteilhafte Zusammensetzungen
der vorlegierten Metallpulver gemäß der Erfindung
Nr. | Eisengehalt
Gew.-% | Cobaltgehalt
Gew.-% | Molybdängehalt
Gew.-% |
1.001 | 45 | 17 | 38 |
1.002 | 50 | 25 | 25 |
1.003 | 60 | 25 | 15 |
1.004 | 70 | 18 | 12 |
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Die
Röntgendiffraktogramme
der erfindungsgemäßen, vorlegierten
Pulver unterscheiden sich deutlich von denjenigen, die aus rein
mechanisch gemischten Elementpulvern hergestellt werden. Vorteilhaft
fehlt der Molybdänreflex
bei 2Theta = 40,5° (CuKα-Strahlung).
Vorteilhaft weist das Röntgendiffraktogramm
einen Reflex für
(FeCo)7Mo6 bei 2Theta
= 37,5° auf.
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Bereits
nach dem Sintern erreichen die vorlegierten Metallpulver gemäß der Erfindung
eine höhere Härte als
metallische Pulvermischungen der gleichen chemischen Zusammensetzung
(siehe Tabelle 2). Die aus dem vorlegierten Metallpulver erhaltenen
Sinterkörper
weisen Dichten von mindestens 97%, vorteilhaft größer als
98,5%, insbesondere aber Werte größer als 99% der theoretischen
Dichte auf. Diese Werte können bei
pulvermetallurgischen Verfahren nur selten erreicht werden. Die
durch Sintern des vorlegierten Pulvers erhaltenen geformten Gegenstände weisen
bereits nach dem Sintern hohe Rockwell-Härten von mehr als 50 HRC, insbesondere
mehr als 55 HRC und ganz besonders bevorzugt mehr als 60 HRC auf.
Abhängig
von nachfolgenden Wärmebehandlungen
(„Anlassen") werden insbesondere
hohe Rockwelt-Härten
von im Allgemeinen größer als
60 HRC erreicht. Wegen der erreichbaren hohen Sinterdichte können sie
sofort endformnah gesintert werden, so dass keine oder nur eine
geringe Nachbearbeitung erforderlich ist. Die vorlegierten Metallpulver
gemäß der Erfindung
sind dadurch gekennzeichnet, dass sie keine durch Mahlung erzeugten
Bruchflächen
aufweisen. Sie sind unmittelbar nach der Reduktion mit dieser Korngröße erhältlich,
d.h. die Feinteiligkeit der Primärkörner wird
durch das chemische Herstellungsverfahren, nicht jedoch durch mechanische
Vorgänge
wie beim Mahlen, Sichten, Sieben usw. erreicht. Die erfindungsgemäßen vorlegierten
Metallpulver weisen einen geringen Kohlenstoffgehalt von weniger
als 0,04 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,02 Gew.-% und ganz besonders
bevorzugt weniger 0,005 Gew.-% auf. Dies ist auf die zwischen Fällung und
Reduktion durchgeführte
Temperaturbehandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zurückzuführen, bei
der der nach der Fällung
vorhandene organische Kohlenstoff entfernt wird. Bevorzugte vorlegierte
Metallpulver weisen ferner einen Sauerstoffgehalt von unter 1 Gew.-%
auf.
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Die
Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Pulver ist aber nicht auf
die Elemente Eisen, Cobalt und Molybdän eingeschränkt. Auch wenn vorteilhaft
die Legierungspulver gemäß der Erfindung
nur diese Metalle und unvermeidbare Verunreinigungen enthalten,
so können
zusätzlich
noch weitere Metalle M ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Wolfram, Kupfer, Nickel, Vanadium, Titan,
Tantal, Niob, Mangan, und Aluminium enthalten sein. Vorteilhaft
können
Wolfram oder Kupfer in Mengen von bis zu je 25 Gew.-% enthalten
sein. Vorteilhaft ist Kupfer in Mengen von bis zu 10 Gew.-%, insbesondere
6,5 bis 10 Gew.-% enthalten. Auch Nickel kann in Mengen von bis
zu 10 Gew.-% enthalten sein, besonders vorteilhaft enthält das Legierungspulver
gemäß der Erfindung
kein Nickel, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen. Weitere
Bestandteile der Legierungspulver können noch unvermeidbare Verunreinigungen
sein. Weiter kann das Legierungspulver gemäß der Erfindung Vanadium, Titan,
Tantal, Niob, Mangan und Aluminium enthalten. Vorteilhaft sind diese
Additive bis zu maximal je 3 Gew.-% enthalten. Damit ist eine gezielte
Einstellung mechanischer, thermischer oder auch elektrischer Eigenschaften
möglich.
Vorteilhaft ist das Legierungspulver jedoch frei von den Metallen M
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Vanadium, Titan, Tantal, Niob, Mangan
und Aluminium. Vorteilhaft handelt es sich bei den restlichen Komponenten
des Legierungspulvers um unvermeidliche Verunreinigungen.
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Die
Figuren verdeutlichen die Eigenschaften der Legierungspulver gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1 zeigt
ein Röntgendiffraktogramm
der mechanischen Pulvermischung gemäß Beispiel 5.
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2 zeigt
ein Röntgendiffraktogramm
des erfindungsgemäßen Pulvers
gemäß Beispiel
4.
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3 vergleicht
die Ergebnisse der thermodilatometrischen Messung des Sinterverhaltens
der mechanischen Pulvermischung und des Legierungspulvers gemäß der Erfindung.
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4 zeigt
die Ergebnisse der thermodilatometrischen Messung des Sinterverhaltens
der mechanischen Pulvermischung gemäß Beispiel 5 in Abhängigkeit
von der Aufheizrate.
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5 zeigt
die Ergebnisse der thermodilatometrischen Messung des Sinterverhaltens
des Legierungspulvers gemäß der Erfindung
nach Beispiel 4 in Abhängigkeit
von der Aufheizrate.
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6 vergleicht
das Sinterverhalten der mechanischen Pulvermischung nach Beispiel
5 und des Legierungspulvers gemäß der Erfindung
nach Beispiel 4 bei wiederholtem Aufheizen.
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7 vergleicht
das Verhalten bei wiederholtem Abkühlen der mechanischen Pulvermischung
nach Beispiel 5 und des Legierungspulvers gemäß der Erfindung nach Beispiel
4.
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8 vergleicht
die Restporositäten
der Sinterkörper
ex mechanischer Pulvermischung nach Beispiel 5 und des Legierungspulvers
gemäß der Erfindung
nach Beispiel 4.
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9 vergleicht
die Warmfestigkeiten der Legierungspulver nach den Beispielen 6,
7 und 8, wobei verbesserte Warmhärten
bei Molybdängehalten
von größer als
6 oder 7 Gew.-% erkennbar sind.
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Die
vorlegierten Metallpulver sind in hervorragender Weise verwendbar
zur pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen. Die Erfindung
betrifft daher auch geformte Gegenstände, welche durch Sintern eines
vorlegierten Metallpulvers gemäß der Erfindung
erhältlich
sind. Diese geformten Gegenstände
sind geeignet für
Anwendungen, die hochwarmfeste Bauteile (mechanische Beanspruchung
bei einer Dauertemperatur von größer als
500°C) erfordern
und zeichnen sich durch eine hohe Warmhärte (auch bei Temperaturen
größer 600°C), hohe
Kriechfestigkeit, gute Wärmeleitung
und gute chemische Korrosionsbeständigkeit aus. Daher sind diese
geformten Gegenstände
insbesondere als Schneidwerkzeuge für austenitische Stähle oder
Teile von Verbrennungsmotoren, Turbinen, Turboladern, Düsentriebwerken
und dergleichen gut geeignet. Die Erfindung soll nachfolgend anhand
von Beispielen erläutert
werden.
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Beispiel 1
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In
einem Rührbehälter wurden
90 L entionisiertes Wasser vorgelegt und unter ständigem Rühren 33,95
kg Eisen-II-chlorid mit 4 Molen Kristallwasser (FeCl2·4H2O) und 17,82 kg Cobalt-II-sulfat mit 7 Molen Kristallwasser
(CoSO4·7H2O) darin aufgelöst und homogenisiert. Parallel
dazu wurden in einem zweiten Rührbehälter 114
L entionisiertes Wasser vorgelegt und 32,51 kg Oxalsäure mit
2 Molen Kristallwasser {(COOH)2·2H2O} und 3 kg Molybdändioxid (MoO2)
darin aufgelöst
bzw. dispergiert und unter kräftigem
Rühren
homogenisiert. Nachfolgend wurde die FeCo-Mischsalzlösung mit
einer Dosierpumpe mit einem Volumenstrom von ca. 2 L/min in die
Vorlage aus Oxalsäure
und Molybdändioxid
gepumpt. Nach vollendeter Fällung
wurde die Fällsuspension
weitere 30 min zur Einstellung des Gleichgewichtes gerührt und
anschließend
zur Abtrennung des Präzipitates
von der Mutterlauge über
eine Nutsche filtriert und mit entionisiertem Wasser von Chlorid- und Sulfationen
frei gewaschen.
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Das
nutschfeuchte Fällungsprodukt
wurde in einem Durchschubofen bei ca. 550°C mit Luft im Gegenstrom kalziniert
und in einem anschließenden
Durchschubofen bei 750°C
in Wasserstoffatmosphäre
zum Metallpulver reduziert. Die analytische Prüfung ergab folgende Werte:
58,38 Gew.-% Fe/24,65 Gew.-% Co/15,27 Gew.-% Mo/0,63 Gew.-% Sauerstoff.
Der Gehalt an Kohlenstoff betrug 17 ppm. Die Korngröße, gemessen
mit FSSS (ASTM B 330), wurde mit 0,85 μm ermittelt und die spezifische
Oberfläche
(ASTM D 4567) mit 1,46 m2/g gemessen.
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Beispiel 2
-
In
einem Rührbehälter wurden
93 L entionisiertes Wasser vorgelegt und unter ständigem Rühren 32,79
kg Eisen-II-chlorid mit 2 Molen Kristallwasser (FeCl2·2H2O) und 12,83 kg Co-II-sulfat mit 7 Molen
Kristallwasser (CoSO4·7H2O)
darin aufgelöst.
Parallel dazu wurden in einem zweiten Rührbehälter 120 L entionisiertes Wasser
vorgelegt und 34,29 kg Oxalsäure
mit 2 Molen Kristallwasser {(COOH)2·2H2O} und 2,40 kg Molybdändioxid darin aufgelöst bzw.
dispergiert. Nachfolgend wurde die FeCo-Mischsalzlösung mit
einer Dosierpumpe mit einem Volumenstrom von ca. 2 L/min in die
Vorlage aus Oxalsäure
und Molybdändioxid
gepumpt. Nach vollendeter Fällung
wurde die Fällsuspension
weitere 30 min zur Einstellung des Gleichgewichtes gerührt, dann
zur Abtrennung des Präzipitates
von der Mutterlauge über
eine Nutsche filtriert und mit entionisiertem Wasser von Chlorid-
und Sulfationen frei gewaschen.
-
Das
nutschfeuchte Fällungsprodukt
wurde in einem Durchschubofen bei ca. 550°C mit Luft im Gegenstrom kalziniert
und in einem anschließenden
Durchschubofen bei 750°C
in Wasserstoffatmosphäre
zum Metallpulver reduziert. Bei der analytischen Prüfung wurden
folgende Werte gemessen: 69,11 Gew.-% Fe/17,73 Gew.-% Co/12,21 Gew.-%
Mo/0,46 Gew.-% Sauerstoff. Der Gehalt an Kohlenstoff betrug 21 ppm.
Die Korngröße, gemessen
mit FSSS (ASTM B 330), wurde mit 0,97 ppm bestimmt, die spezifische
Oberfläche
(ASTM D 4567) lag bei 1,08 m2/g.
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Beispiel 3
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In
einem Rührbehälter wurden
20,8 L entionisiertes Wasser vorgelegt und unter ständigem Rühren 5,91
kg Fe-II-chlorid (FeCl2·2H2O),
2,33 kg Co-II-sulfat (CoSO4·7H2O) und 1,09 kg Cu-sulfat (CuSO4·5H2O) darin aufgelöst. In der klaren Lösung wurden
436 g Molybdändioxid
unter kräftigem
Rühren
homogen dispergiert. Parallel wurden in einem zweiten Rührbehälter 23,9
L entionisiertes Wasser vorgelegt und 6,83 kg Oxalsäure {(COOH)2·2H2O} darin aufgelöst bzw. suspendiert. Nachfolgend
wurde die FeCoCu-Mischsalzlösung
mit dem dispergierten MoO2 mit einer Dosierpumpe
in die Vorlage aus Oxalsäure
gepumpt. Nach vollendeter Fällung wurde
die Fällsuspension
weitere 30 min gerührt,
dann über
eine Nutsche filtriert und mit entionisiertem Wasser von Chlorid-
und Sulfationen frei gewaschen.
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Das
nutschfeuchte Fällungsprodukt
wurde in einem Kammerofen in Gegenwart von Luft bei 550°C kalziniert
und in einem zweiten Kammerofen in H2-Atmosphäre bei 725°C zum Metallpulver
reduziert.
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Bei
der analytischen Prüfung
wurden folgende Werte bestimmt: 61,57 Gew.-% Fe/16,34 Gew.-% Co/11,30
Gew.-% Mo/9,98 Gew.-% Cu/0,647 Gew.-% Sauerstoff. Der Gehalt an
Kohlenstoff lag bei 14 ppm. Die Korngröße (ASTM B 330) wurde mit 1,35 μm gemessen
und die spezifische Oberfläche
(ASTM D 4567) mit 1,41 m2/g.
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Beispiel 4
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Nach
dem Verfahren und den Bedingungen des Beispieles 1 wurde ein Metallpulver
mit der Zusammensetzung 58,02 Gew.-% Fe/24,64 Gew.-% Co/15,03 Gew.-%
Mo/0,774 Gew.-% Sauerstoff und einem Restgehalt von 26 ppm Kohlenstoff
produziert. Die Korngröße wurde
mit 0,67 μm
und die spezifische Oberfläche mit
2,15 m2/g bestimmt. Dieses vorlegierte Pulver
wird nachfolgend „erfindungsgemäßes Pulver" genannt.
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Vergleichsbeispiel 5
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Zum
Vergleich der Eigenschaften wurde aus den Einzelpulvern der beteiligten
Elemente eine mechanische Pulvermischung in weitestgehend gleicher
Zusammensetzung hergestellt. Dazu wurden 1800 g Carbonyleisenpulver
ex BASF (5-9 μm),
750 g Cobaltmetallpulver ex Umicore, Sorte SMS (0,9 μm) und 450
g Molybdänmetallpulver
ex H.C.Starck (1,3 μm)
in einem Turbulamischer unter Beigabe von Kugeln 60 min intensiv gemischt.
Die entstandene Pulvermischung wird nachfolgend als „mechanische
Pulvermischung" bezeichnet.
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Die
analytische Kontrolle ergab 59,94 Gew.-% Fe/24,80 Gew.-% Co/14,46%
Gew.-% Mo/0,61 Gew.-% Sauerstoff und 141 ppm Kohlenstoff. Die Korngröße wurde
mit 1,88 μm
(FSSS) und die spezifische Oberfläche mit 0,78 m2/g
gemessen.
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Im
Vergleich zeigen die Pulver gemäß Beispiele
4 und 5 sehr unterschiedliche Röntgenbeugungsdiffraktogramme.
Die mechanische Pulvermischung gemäß Beispiel 5 zeigt deutliche,
getrennte Reflexe für
die Komponenten Fe, Co und Mo (siehe 1), die
beim vorlegierten erfindungsgemäßen Pulver
gemäß Beispiel 4
praktisch nicht mehr nachweisbar sind (2); offensichtlich
sind die Komponenten Co und Mo in der Fe-Matrix gelöst.
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Die
unterschiedliche Struktur der mechanischen Pulvermischung und des
erfindungsgemäßen Pulvers
führt zu
unterschiedlichem Sinterverhalten in der thermodilatometrischen
Analyse, siehe 3. Zur Prüfung wurden Grünkörper durch
kaltisostatisches Pressen bei 221 MPa hergestellt und im Dilatometer
402 E der Firma Netzsch Gerätebau
GmbH unter Wasserstoffatmosphäre
gesintert.
-
Die
mechanische Pulvermischung zeigt mehrere Schwindungsstufen (siehe
Längenänderungsraten – gestrichelte
Linie), welche die Gestaltung eines praktischen Sinterprofiles erschweren.
Das erfindungsgemäße Pulver
gemäß Beispiel
4 zeigt neben dem α/γ-Phasenübergang
(Übergang
vom kubisch raumzentrierten in das kubisch flächenzentrierte Kristallgitter)
der FeCo-Matrix bei ca. 900°C
nur eine, sehr scharf ausgeprägte, Schwindungsstufe
zwischen 1000-1200°C.
Der Phasenübergang
verläuft
bei der mechanischen Pulvermischung mit einer Aufweitung des Volumens,
beim erfindungsgemäßen Pulver
hingegen mit einer Schwindung.
-
Das
Sinterverhalten der mechanischen Pulvermischung gemäß Beispiel
5 ist abhängig
von der Aufheizrate, siehe 4. Schnellere
Aufheizraten verschieben die Schwindung in Richtung höherer Temperaturen. Überraschenderweise
ist die Schwindung des erfindungsgemäßen Pulvers nach Beispiel 4
demgegenüber
praktisch unabhängig
von der Aufheizrate, siehe 5.
-
Das
unterschiedliche Sinterverhalten bleibt auch bei mehrmaligem Aufheizen
(6) und Abkühlen (7)
erhalten, ist also eine reproduzierbare Eigenschaft der jeweiligen
Pulver.
-
Die
Sintertabletten aus den dilatometrischen Untersuchungen bei unterschiedlichen
Aufheizraten und einheitlicher Abkühlrate wurden auf Sinterdichte,
Porosität
und Härte
untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Überraschenderweise
erreicht das erfindungsgemäße Pulver
trotz deutlich niedrigerer Gründichten
nach dem Pressen systematisch höhere
Sinterdichten mit entsprechend geringerer Porosität und deutlich
höhere
Härten
im Vergleich zur mechanischen Pulvermischung gemäß Beispiel 5. Die nach dem
Sintern verbliebene Restporosität
für die
mechanische Pulvermischung gemäß Beispiel
5 und das erfindungsgemäße Pulver
nach Beispiel 4 zeigt
8 (jeweils 10 K/min Aufheizrate) Tabelle 2: Sinterdichten und Härten der
thermodilatometrischen Sinterproben
| Mechanische
Pulvermischung nach Beispiel 5 | Erfindungsgemäßes Pulver
nach Beispiel 4 |
theoretische
Dichte: 8,40 g/cm3 | theoretische
Dichte: 8,40 g/cm3 |
Gründichte bei
einem Pressdruck von 221 MPa (g/cm3) | % der theor.
Dichte | | Gründichte (g/cm3) bei einem Pressdruck von 221 MPa | % der theor.
Dichte | |
5,59 | 66,2 | | | 4,6 | 54,4 | | |
| | | | | | | | |
Aufheizraten K/min | Sinterdichte (g/cm3) | %
der theor. Dichte | Härte HRC | Standardabw.
s | Sinterdichte (g/cm3) | %
der theor. Dichte | Härte HRC | Standardabw.
s |
1 | 8,20 | 97,6 | 49,4 | 0,95 | 8,37 | 99,6 | 56,1 | 0,76 |
3 | 8,23 | 98,0 | 47,7 | 0,31 | 8,34 | 99,3 | 56,2 | 0,31 |
10 | 8,20 | 97,6 | 49,6 | 3,59 | 8,32 | 99,0 | 56,1 | 0,21 |
20 | 8,23 | 98,0 | 51,7 | 4,68 | 8,39 | 99,9 | 56,3 | 0,46 |
- Sintertemperatur: 1370°C, 60 min isotherm
- Abkühlrate:
einheitlich 10 K/min
-
Beispiele 6, 7 und 8.
-
Analog
zu den Beispielen 1 bis 4 wurden Legierungspulver nach dem Verfahren
gemäß Beispiel
1 über die
Oxalatfällung,
Kalzination und Reduktion unter Wasserstoff hergestellt, deren Zusammensetzungen
in der Tabelle 3 aufgeführt
sind und wobei alle Legierungselemente in vorlegierter Form vorhanden
sind. Der Molybdän-Anteil
wurde als in der Salzlösung
suspendiertes Molybdändioxid
während
der Oxalatfällung
eingebracht.
-
Die
Legierungspulver wurden „as
produced" nachfolgend
zu rechteckigen Stäbchen
verpreßt
und gesintert.
-
Die
Grünkörper wurden
uniaxial mit einem Preßdruck
von 374 MPa hergestellt. Dabei wurden Gründichten um 5 g/cm3 realisiert,
entsprechend ca. 60% der theoretischen Dichte.
-
Gesintert
wurde im Bandofen unter Wasserstoff, die Sinterzeit lag bei insgesamt
8h einschließlich
Vorwärm-
und Abkühlzeit.
Die Sintertemperaturen und -ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Tabelle 3: Zusammensetzung der produzierten
Legierungen
Komponenten
(Gew.-%) | Beispiel
6 | Beispiel
7 | Beispiel
8 |
Fe | 43,06 | 75,91 | 76,02 |
Co | 38,63 | 4,79 | 18,01 |
Cu | 9,75 | 4,19 | |
Mo | 7,29 | 5,26 | 5,18 |
Ni | | 9,29 | |
O | 0,35 | 0,43 | 0,48 |
Tabelle 4: Sintertemperaturen und -ergebnisse
Muster | Sintertemperatur (°C) | Sinterdichte (g/cm3) | %
der theor. Dichte | Porosität (%) |
Beispiel
6
Beispiel 7
Beispiel 8 | 1130
1180
1180 | 8,29
7,91
7,53 | 98,1
97,5
93,4 | 1,9
2,5
6,6 |
-
Zur
Bestimmung der Warmhärten
wurden Stäbchen
mit einer Breite von ca. 8 mm verwendet. Die Prüfung der Warmhärten an
den Sinterstäbchen
erfolgte nach dem Verfahren Vickershärte HV5 (Vickershärte mit 5
kg Belastung) mit einem kalibrierten Mikro-Makro-Härteprüfsystem.
Vor der Messung wurden die Proben planparallel geschliffen und die
Meßfläche poliert.
Bestimmt wurden die Härten
bei 22°C
(Raumtemperatur), 500°C,
700°C und
900°C. Die
Haltezeit der Proben bei den festgelegten Temperaturen betrug 10
min, die Haltezeit beim Eindrucksetzen 20 Sekunden, es wurden jeweils
5 Messungen vorgenommen. Tabelle 5 und
9 zeigen
die erreichten Ergebnisse, s bezeichnet die Standardabweichung.
Es ist klar ersichtlich, dass Materialien mit einem Molybdängehalt
von mehr als 6 Gew.-% unter den entsprechenden Herstellungs- und
Meßbedingungen
deutlich höhere
Vickershärten
HV5 bei Raumtemperatur bis zu 700 °C aufweisen; die Härte der Probe
von Beispiel 6 ist beinahe doppelt so hoch wie die Härten der
Proben der Beispiele 7 und 8 (159 in Beispiel 6 gegenüber 84 und
82 in den Beispielen 7 und 8). Tabelle 5: Warmhärten der Legierungen
Meßtemp. (°C) | Beispiel
6 | Beispiel
7 | Beispiel
8 |
Härte HV5 | s | Härte HV5 | s | Härte HV5 | s |
22
500
700
900 | 515
499
159
31 | 14
20
5
1 | 295
262
84
26 | 11
16
2
1 | 185
130
82
23 | 5
4
5
1 |