DE102010060487A1

DE102010060487A1 - Steel powder used for forming sintered compact, comprises iron, carbon, silicon, manganese, chromium, titanium, copper and nickel, and solidifying agent

Info

Publication number: DE102010060487A1
Application number: DE102010060487A
Authority: DE
Inventors: Kuen-Shyang Hwang; Kai-Hsiang Chuang
Original assignee: TAIWAN POWDER TECHNOLOGIES CO; TAIWAN POWDER TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: TAIWAN POWDER TECHNOLOGIES CO; TAIWAN POWDER TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-05-16

Abstract

A steel powder contains iron as primary component, and further contains (in wt.%) carbon (1.4-2.0), silicon (less than 1.0), manganese (less than 1.0), chromium (11.0-13.0), titanium (0.3-2.3), mixture of copper and nickel (less than 0.75), and solidifying agent (less than 5.0). The carbon source is graphite or carbon black. The titanium source is titanium carbide, titanium carbide powder, tungsten-doped titanium carbide powder and vanadium-titanium-doped carbide powder. The solidifying agent is molybdenum, vanadium and/or tungsten.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stahl-Pulver und dessen Sinter-Körper, insbesondere ein legiertes Stahl-Pulver, das auf Pulver-Metallurgie und auf einen Sinter-Körper angewendet wird, der aus legiertem Stahl-Pulver gefertigt ist.The present invention relates to a steel powder and its sintered body, particularly an alloyed steel powder applied to powder metallurgy and to a sintered body made of alloy steel powder.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Pulver-Metallurgie wurde ausgiebig genutzt, um verschiedene Metallprodukte, vor allem Maschinenteile, anzufertigen. Bei dem konventionellen Pulver-Metallurgie-Verfahren werden Metallpulver vermischt und dann gepresst, um einen Grünling bzw. Formling auszuformen; danach wird der Grünling bei hohen Temperaturen gesintert, wodurch die Atome diffundieren und sich Partikel verbinden, um einen Sinter-Körper mit einer hohen Dichte auszubilden. Mit den Fortschritten der Wissenschaft und Technik, wachsen auch die Anforderungen an die Formen-Komplexität und Maßgenauigkeit der Maschinenteile. Diese Anforderungen können nun durch Anwendung von Metallpulver-Spritzgieß-Verfahren (metal injection moulding, kurz MIM) erzielt werden, die die Techniken der Pulver-Metallurgie und des Kunststoff-Spritzgusses kombinieren, um hoch komplexe Werkstücke mit hoher Dichte und überragenden mechanischen Eigenschaften herzustellen.Powder metallurgy has been extensively used to make various metal products, especially machine parts. In the conventional powder metallurgy process, metal powders are mixed and then pressed to form a green body; after that, the green compact is sintered at high temperatures, whereby the atoms diffuse and combine particles to form a sintered body having a high density. With advances in science and technology, the demands on mold complexity and dimensional accuracy of machine parts are also growing. These requirements can now be met by the use of metal injection molding (MIM) techniques, which combine the techniques of powder metallurgy and plastic injection molding to produce highly complex, high density workpieces with superior mechanical properties.

Beim MIM-Verfahren werden metallische Pulver und Bindemittel vermischt, um ein Ausgangsmaterial zu erhalten; das Ausgangsmaterial wird in eine Form gespritzt, um einen Grünling mittels einer Spritzgieß-Maschine auszubilden; der Grünling wird ausgeworfen und dann gesintert, um einen Sinter-Körper herzustellen. Die im MIM-Verfahren verwendeten Pulver sind üblicherweise schwach legierte Stahl- oder rostfreies Edelstahl-Pulver, die für die Herstellung von Bauteilen für elektronische Geräte geeignet sind, welche keine hohen Härten benötigen. Wenn hohe Härte und Festigkeit benötigt werden, werden die Teile in der Regel aus Werkzeugstahl gefertigt. Beispielsweise erfordern die Scharniere eines Notebook-Computers normalerweise einen Härtegrad bzw. Härtewert von HRC58. Daher werden häufig Werkzeugstähle, wie SKD11 (JIS, Japanese Industrial Standards) und D2 (AISI, American Iron and Steel Institute), für diese Anwendung eingesetzt. Diese Werkzeugstähle haben eine martensitische Matrix, die eine große Menge an Karbid aufweist, und haben somit eine überragende Härte und Verschleißfestigkeit. Die Standard-Sinter-Methode für diese Werkzeugstähle ist SLPS (Supersolidus Liquid Phase Sintering bzw. Supersolidus Flüssig-Phasensintern), die Teile bei einer Temperatur oberhalb des Solidus und unterhalb des Liquidus sintern. Die angemessene Temperatur für diese Werkzeugstahl-Pulver liegt in der Regel zwischen 5°C und 10°C. Wenn sie unterhalb des Temperaturbereiches liegt, gibt es keine ausreichende flüssige Phase und die Matrix wird austenitisch, in der die Atome langsam diffundieren. Als Ergebnis ist die Sinterdichte gering. Wenn die Sintertemperatur über dem Temperaturbereich liegt, wird durch zu viel flüssige Phase eine Verformung gebildet und verursacht. Darüber hinaus wird die Körnung gröber und ein sprödes Karbid-Netz ausgebildet. Somit weist der Sinter-Körper geringe mechanische Eigenschaften auf. Diese Sinter-Verhaltensweisen zeigen, dass Werkzeugstähle, wie SKD11 und D2, in der Regel ein sehr enges Sinter-Fenster haben. Somit ist die Produktions-Ausbeute bei der Verwendung von Standard-Sinteröfen sehr gering.In the MIM process, metallic powders and binders are mixed to obtain a starting material; the raw material is injected into a mold to form a green compact by means of an injection molding machine; the green compact is ejected and then sintered to produce a sintered body. The powders used in the MIM process are usually mildly alloyed steel or stainless steel stainless steel powders suitable for the manufacture of electronic device components that do not require high hardness. When high hardness and strength are required, the parts are usually made of tool steel. For example, the hinges of a notebook computer normally require a hardness level of HRC58. Therefore, tool steels such as SKD11 (JIS, Japanese Industrial Standards) and D2 (AISI, American Iron and Steel Institute) are often used for this application. These tool steels have a martensitic matrix that contains a large amount of carbide and thus have superior hardness and wear resistance. The standard sintering method for these tool steels is SLPS (Supersolidus Liquid Phase Sintering) sintering parts at a temperature above the solidus and below the liquidus. The appropriate temperature for these tool steel powders is usually between 5 ° C and 10 ° C. If it is below the temperature range, there is no sufficient liquid phase and the matrix becomes austenitic, in which the atoms slowly diffuse. As a result, the sintering density is low. If the sintering temperature is over the temperature range, deformation is caused and caused by too much liquid phase. In addition, the grain coarser and a brittle carbide network is formed. Thus, the sintered body has low mechanical properties. These sintering behaviors indicate that tool steels, such as SKD11 and D2, typically have a very narrow sintering window. Thus, the production yield is very low when using standard sintering ovens.

Das US-Patent Nr. 7.211.125 schlägt ein Stahl-Pulver mit verbessertem Sintergrad für Metallpulver-Spritzgieß-Verfahren und Sinter-Körper vor. Die Stahl enthält 0,1–1,8 Gew.% Kohlenstoff, 0,3–1,2 Gew.% Silizium, 0,1–0,5 Gew.% Mangan, 11,0–18,0 Gew.% Chrom und 2,0–5,0 Gew.% Niob, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht. Das oben genannte MIM-Stahl-Pulver hat ein Sinter-Fenster von etwa 50°C. Allerdings ist Niob selten und teuer. Somit ist die Herstellung von Teilen mit einem solchen legierten Stahl-Pulver wirtschaftlich ineffizient.The U.S. Patent No. 7,211,125 proposes a steel powder with improved sintering degree for metal powder injection molding and sintered bodies. The steel contains 0.1-1.8 wt% carbon, 0.3-1.2 wt% silicon, 0.1-0.5 wt% manganese, 11.0-18.0 wt% chromium and 2.0-5.0 wt% niobium, with the remainder being iron and impurities. The above-mentioned MIM steel powder has a sintering window of about 50 ° C. However, niobium is rare and expensive. Thus, the production of parts with such alloyed steel powder is economically inefficient.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Problem der hohen Materialkosten zu überwinden, die sich aus der Tatsache ergeben, dass das konventionelle Stahl-Pulver kein breiteres Sinter-Fenster aufweisen kann, wenn es 2,0–5,0 Gew.% Niob enthält.The primary object of the present invention is to overcome the problem of high material costs resulting from the fact that the conventional steel powder can not have a wider sintering window when it contains 2.0-5.0% by weight. Contains niobium.

Zur Erreichung des oben genannten Ziels stellt die vorliegende Erfindung ein Stahl Pulver und deren Sinter-Körper bereit. Das Stahl-Pulver enthält Eisen als primäre Komponente und enthält ferner 1,4 bis 2,0 Gew.% Kohlenstoff, weniger als 1,0 Gew.% Silizium, weniger als 1,0 Gew.% Mangan, 11,0 bis 13,0 Gew.% Chrom, 0,3 bis 2,3 Gew.% Titan, weniger als 0,75 Gew.% einer Mischung aus Kupfer und Nickel, und weniger als 5,0 Gew.% von mindestens einem verfestigendem Element.In order to achieve the above object, the present invention provides a steel powder and its sintered body. The steel powder contains iron as the primary component and further contains 1.4 to 2.0 wt% carbon, less than 1.0 wt% silicon, less than 1.0 wt% manganese, 11.0 to 13, 0% by weight of chromium, 0.3 to 2.3% by weight of titanium, less than 0.75% by weight of a mixture of copper and nickel, and less than 5.0% by weight of at least one solidifying element.

In der vorliegenden Erfindung, wird Titan mit Kohlenstoff vermischt bzw. kombiniert, um Titan-Karbid beim Sintern auszubilden, das effektiv die Körnungs-Vergröberung hemmt, und somit nimmt die Dicke der Flüssigkeits-Schicht zwischen den Stahl-Pulvern ab. Folglich dehnt sich das Sinter-Fenster auf ca. 50°C aus. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien, benötigt die vorliegende Erfindung nur 0,3 bis 2,3 Gew.% Titan, wodurch die Materialkosten gesenkt und die Ausbeute erhöht werden können. Ferner kann die Erfindung die Korngröße verfeinern, um die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Härte und Zähigkeit, zu verbessern. In the present invention, titanium is mixed with carbon to form titanium carbide in sintering, which effectively inhibits grain coarsening, and thus the thickness of the liquid layer between the steel powders decreases. Consequently, the sintering window expands to about 50 ° C. As compared with conventional materials, the present invention requires only 0.3 to 2.3 wt% of titanium, whereby the material cost can be lowered and the yield can be increased. Further, the invention can refine the grain size to improve the mechanical properties such as strength, hardness and toughness.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers im Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. 1 Fig. 12 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Example 1 of the present invention.

2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers im Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 Fig. 12 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Example 2 of the present invention.

3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers im Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. 3 Fig. 12 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Example 3 of the present invention.

4 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers im Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung zeigt. 4 Fig. 12 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Example 4 of the present invention.

5 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers im Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung zeigt. 5 Fig. 12 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Example 5 of the present invention.

6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers im Beispiel 6 der vorliegenden Erfindung zeigt. 6 FIG. 12 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Example 6 of the present invention.

7 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers im Vergleichsbeispiel 1 zeigt. 7 FIG. 15 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Comparative Example 1. FIG.

8 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers in Vergleichsbeispiel 2 zeigt. 8th FIG. 15 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Comparative Example 2. FIG.

9 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers in Vergleichsbeispiel 3 zeigt. 9 FIG. 15 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Comparative Example 3. FIG.

10 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung der Sintertemperatur und Dichte des gesinterten Körpers im Vergleichsbeispiel 4 zeigt. 10 FIG. 15 is a graph showing the relationship of the sintering temperature and density of the sintered body in Comparative Example 4. FIG.

11 ist ein Elektronen-Mikroskop-Bild der Probe, die bei einer Temperatur von 1260°C im Beispiel 1 gesintert wurde. 11 is an electron microscope image of the sample which was sintered at a temperature of 1260 ° C in Example 1.

12 ist ein Elektronen-Mikroskop-Bild der Probe, die bei einer Temperatur von 1240°C im Vergleichsbeispiel 1 gesintert wurde. 12 is an electron microscope image of the sample sintered at a temperature of 1240 ° C in Comparative Example 1.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Die technischen Inhalte der vorliegenden Erfindung werden unten im Detail im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben.The technical contents of the present invention will be described below in detail in conjunction with the drawings.

Das Stahl-Pulver der vorliegenden Erfindung enthält Eisen (Fe) als primären Bestandteil und enthält ferner 1,4 bis 2,0 Gew.% Kohlenstoff (C), weniger als 1,0 Gew.% Silizium (Si), weniger als 1,0 Gew.% Mangan (Mn), 11,0 bis 13,0 Gew.% Chrom (Cr), 0,3 bis 2,3 Gew.% Titan (Ti), weniger als 0,75 Gew.% einer Mischung aus Kupfer (Cu) und Nickel ( Ni), und weniger als 5,0 Gew.% von mindestens einem verfestigendem Element. Das verfestigende Element kann Molybdän (Mo), Vanadium (V), Wolfram (W) oder eine Kombination davon sein, und liegt vorzugsweise bei 0,2 bis 1,7 Gew.%. In der vorliegenden Erfindung kann ein Ursprung bzw. Lieferant von Titan in dem Stahl-Pulver von Titan-Pulver, einem Titan-haltigen vorlegiertem Pulver, einem Titan-haltigen Karbid-Pulver oder dem Titan stammen, das sich bereits während des Schmelzens vor der Pulver-Atomisierung in dem Metall-Pulver befindet. Das Titan-haltige Karbid-Pulver kann ein Titan-Karbid-Pulver, ein Wolfram-dotiertes Titan-Karbid-Pulver oder ein Vanadium-dotiertes Titan-Karbid-Pulver sein. Die bevorzugte durchschnittliche Korngröße des Titan-haltigen Karbid-Pulvers beträgt weniger als 5 μm. Außerdem kann ein Ursprung des Kohlenstoffs in dem Stahl-Pulver von Graphit oder Ruß stammen.The steel powder of the present invention contains iron (Fe) as the primary component and further contains 1.4 to 2.0 wt.% Of carbon (C), less than 1.0 wt.% Of silicon (Si), less than 1, 0% by weight of manganese (Mn), 11.0 to 13.0% by weight of chromium (Cr), 0.3 to 2.3% by weight of titanium (Ti), less than 0.75% by weight of a mixture of Copper (Cu) and nickel (Ni), and less than 5.0% by weight of at least one strengthening element. The solidifying element may be molybdenum (Mo), vanadium (V), tungsten (W) or a combination thereof, and is preferably 0.2 to 1.7% by weight. In the present invention, a source of titanium in the steel powder may be derived from titanium powder, a titanium-containing prealloyed powder, a titanium-containing carbide powder, or the titanium already present in the powder before melting -Atomization is located in the metal powder. The titanium-containing carbide powder may be a titanium carbide powder Tungsten-doped titanium-carbide powder or a vanadium-doped titanium-carbide powder. The preferred average grain size of the titanium-containing carbide powder is less than 5 μm. In addition, an origin of the carbon in the steel powder may be derived from graphite or carbon black.

In der vorliegenden Erfindung, kombiniert Titan mit Kohlenstoff, um Titan-Karbid zu bilden, das effektiv eine Kornvergröberung beim Sintern verhindern kann und das den Sinter-Körper vor schwerer Verformung nach dem Sintern bewahren kann. Daher kann das Stahl-Pulver der vorliegenden Erfindung zu einer hohen relativen Dichte in einem breiteren Temperaturbereich gesintert werden und der Sinter-Körper kann eine höhere Formstabilität haben. Ferner kann die Kornfeinheit stark die mechanischen Eigenschaften des gesinterten Körpers (wie Festigkeit, Härte und Zähigkeit) befördern. Wenn die Konzentration von Titan weniger als 0,3 Gew.% beträgt, wird der oben genannte Effekt nicht offensichtlich. Wenn die Konzentration von Titan höher als 2,3 Gew.% ist, wird der Sinter-Körper schwerlich die gewünschte Verdichtung erreichen.In the present invention, titanium combines with carbon to form titanium carbide, which can effectively prevent grain coarsening on sintering and can preserve the sintered body from severe deformation after sintering. Therefore, the steel powder of the present invention can be sintered to a high specific gravity in a wider temperature range, and the sintered body can have higher dimensional stability. Further, the grain fineness can greatly promote the mechanical properties of the sintered body (such as strength, hardness and toughness). When the concentration of titanium is less than 0.3% by weight, the above effect does not become apparent. If the concentration of titanium is higher than 2.3% by weight, the sintered body will hardly reach the desired densification.

Kohlenstoff und Karbid können die Festigkeit und Härte des gesinterten Körpers erhöhen. Wenn die Konzentration von Kohlenstoff geringer als 1,4 Gew.% ist, kann der gesinterte Körper nicht die gewünschte Verschleißfestigkeit aufweisen, da die Menge von Chrom-Karbid gering ist. Wenn die Konzentration von Kohlenstoff höher als 2,0 Gew.% ist, nimmt die Zähigkeit des Sinter-Körpers ab. Mangan kann die Härte des gesinterten Körpers aufgrund seiner hohen Härtbarkeit verbessern. Allerdings neigt Mangan dazu, sich mit Sauerstoff zu verbinden, wenn das Stahl-Pulver durch eine Atomisierung angefertigt wird. Zuviel Mangan wird das Stahl-Pulver dazu bringen, dass es zu viel Sauerstoff enthält, und dies wird eine Entkohlung beim Sintern verursachen. Daher ist die Konzentration von Mangan vorzugsweise geringer als 1,0 Gew.%.Carbon and carbide can increase the strength and hardness of the sintered body. When the concentration of carbon is less than 1.4 wt%, the sintered body can not have the desired wear resistance because the amount of chromium carbide is small. When the concentration of carbon is higher than 2.0% by weight, the toughness of the sintered body decreases. Manganese can improve the hardness of the sintered body due to its high hardenability. However, manganese tends to combine with oxygen when the steel powder is made by atomization. Too much manganese will cause the steel powder to contain too much oxygen and this will cause decarburization during sintering. Therefore, the concentration of manganese is preferably less than 1.0% by weight.

Nach dem Sintern besteht Chrom in der Form einer festen Lösung in der Matrix und damit verbessert sich die Korrosions-Beständigkeit des Sinter-Körpers. Chrom kann sich auch mit Kohlenstoff verbinden, um Chrom-Karbid zu bilden, um die Härte des gesinterten Körpers zu verbessern. Die Konzentration von Chrom in der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise 11,0 bis 13,0 Gew.%. Nickel und Kupfer bestehen in Form der festen Lösung in der Matrix, was die die Festigkeit des gesinterten Körper über die Verfestigung der festen Lösung verbessert. Die Konzentration von Nickel zuzüglich Kupfer ist vorzugsweise geringer als 0,75 Gew.%. Wenn das legierte Stahl-Pulver durch eine Atomisierungs-Methode hergestellt wird, wird Silizium sich mit Sauerstoff verbinden, um eine Oxidschicht auf der Oberfläche der Partikel auszubilden, und wird verhindern, dass das Pulver über-oxidiert. Wenn es zuviel Silizium gibt, wird die Oxidschicht zu dick sein, was das Sintern beeinträchtigt. Daher ist die Konzentration von Silizium vorzugsweise geringer als 1,0 Gew.%.After sintering, chromium is in the form of a solid solution in the matrix, thus improving the corrosion resistance of the sintered body. Chromium can also combine with carbon to form chromium carbide to improve the hardness of the sintered body. The concentration of chromium in the present invention is preferably 11.0 to 13.0 wt%. Nickel and copper are in the form of the solid solution in the matrix, which improves the strength of the sintered body through solidification of the solid solution. The concentration of nickel plus copper is preferably less than 0.75% by weight. When the alloyed steel powder is made by an atomization method, silicon will combine with oxygen to form an oxide layer on the surface of the particles, and will prevent the powder from over-oxidizing. If there is too much silicon, the oxide layer will be too thick, affecting sintering. Therefore, the concentration of silicon is preferably less than 1.0% by weight.

Das verfestigende Element, wie Molybdän, Vanadium, Wolfram oder einer Kombination davon, verbindet sich mit Kohlenstoff, um Karbid auszubilden, und verbessert die Härte des gesinterten Körpers. Weniger als 0,2 Gew.% des verfestigenden Elements verringerte die Härte-steigernde Wirkung. Wenn die Konzentration des verfestigenden Elements mehr als 1,7% ausmacht, nimmt der Härtungs-Effekt ab. Daher beträgt die Konzentration des verfestigenden Elements vorzugsweise 0,2 bis 1,7 Gew.%.The solidifying element such as molybdenum, vanadium, tungsten or a combination thereof combines with carbon to form carbide and improves the hardness of the sintered body. Less than 0.2% by weight of the solidifying element decreased the hardness-increasing effect. When the concentration of the solidifying element is more than 1.7%, the hardening effect decreases. Therefore, the concentration of the solidifying element is preferably 0.2 to 1.7% by weight.

Die nachfolgend aufgeführten Beispiele werden verwendet, um die vorliegenden Erfindung weiter zu veranschaulichen. Allerdings dienen die Beispiele nur zur Veranschaulichung, nicht aber zur Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Die chemischen Zusammensetzungen der Beispiele 1–6 und Vergleichsbeispiele 1–4, die in Table. 1 aufgeführt sind, wurden verwendet, um Teile mit Hilfe des Metallpulver-Spritzgieß-(MIM)Verfahrens anzufertigen. Die Dichten und Verformungen der Proben, die bei unterschiedlichen Temperaturen gesintert wurden, wurden gemessen.The examples below are used to further illustrate the present invention. However, the examples are illustrative only, and not intended to limit the scope of the present invention. The chemical compositions of Examples 1-6 and Comparative Examples 1-4, which are shown in Table. 1 were used to make parts using the metal powder injection molding (MIM) process. The densities and deformations of the samples sintered at different temperatures were measured.

In den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden das legierte Stahl-Pulver und eine entsprechende Menge an Bindemittel in einem Z-Schaufel-Mischer bei einer Temperatur von 150°C für 1 Stunde gemischt, um ein körniges Ausgangsmaterial zu bilden, wobei das Gewicht des Bindemittels 7 Gew.% betrug. Als nächstes wurde das Ausgangsmaterial in eine Spritzgießmaschine gegeben, um säulenförmige Proben anzufertigen, die jeweils einen Durchmesser von 12,5 mm und eine Höhe von 20 mm aufwiesen. Anschließend wurden die Proben in einem Vakuumofen entbunden, wobei die Temperatur auf 650°C bei einer Rate von 5°C/Minute angehoben wurde und dann bei 650°C für 1 Stunde gehalten wurde. Anschließend wird die Temperatur auf eine bestimmte Sinter-Temperatur bei einer Rate von 10°C/Minute angehoben und wird bei der angegebenen Temperatur für 1 Stunde zum Sintern gehalten. Dann wird die Temperatur verringert, um den Sinter-Körper zu erhalten. Hierdurch wird das Stahl-Pulver der vorliegenden Erfindung mittels des MIM-Verfahrens veranschaulicht. In der Praxis kann das Stahl-Pulver der vorliegenden Erfindung auch für andere Prozesse, wie Press-und-Sinter-Verfahren, verwendet werden.In the following Examples and Comparative Examples, the alloy steel powder and an appropriate amount of binder were mixed in a Z-blade mixer at a temperature of 150 ° C for 1 hour to form a granular starting material, wherein the weight of the binder 7 % By weight. Next, the raw material was put in an injection molding machine to prepare columnar samples each having a diameter of 12.5 mm and a height of 20 mm. Subsequently, the samples were released in a vacuum oven, raising the temperature to 650 ° C at a rate of 5 ° C / minute and then maintaining at 650 ° C for 1 hour. Subsequently, the temperature is raised to a certain sintering temperature at a rate of 10 ° C / minute and is kept sintered at the indicated temperature for 1 hour. Then, the temperature is lowered to obtain the sintered body. Thereby, the steel powder of the present invention is exemplified by the MIM method. In practice, the steel powder of the present invention may also be used for other processes, such as press-and-sintering processes.

Die Dichte des Sinter-Körpers wurde mittels der archimedischen Methode gemessen. Die 1–6 und 7–10 zeigen jeweils die Dichten der Proben, die bei unterschiedlichen Temperaturen gesintert wurden, in den Beispielen 1–6 und den Vergleichsbeispielen 1–4. Die gemessenen Dichten und die theoretischen Dichten sind in der Tabelle 2 aufgeführt. Die relativen Dichten, die unter Verwendung der Tabelle 2 berechnet werden, sind in der Tabelle 3 aufgeführt. Der Grad der Verformung wurde durch Messung der Durchmesser an beiden Enden jeder Probe ausgewertet, und die erhaltenen Daten sind in der Tabelle 4 aufgeführt. Wenn die Differenz der Durchmesser an den beiden Enden mehr als 1% betrug, wurde die Probe mit X markiert, was bedeutet, dass die Abmessungen der Probe nicht qualifiziert sind. Wenn die Differenz der Durchmesser an den beiden Enden weniger als 1% betrug, wurde die Probe mit O markiert, was bedeutet, dass die Abmessungen der Probe qualifiziert sind. Wenn die relative gesinterte Dichte 98% beträgt oder höher ist und die Abmessungen qualifiziert sind, wird die verwendete Sinter-Temperatur, einschließlich eines ±5°C Messfehlers, als ausreichend erachtet. The density of the sintered body was measured by the Archimedean method. The 1 - 6 and 7 - 10 respectively show the densities of the samples sintered at different temperatures in Examples 1-6 and Comparative Examples 1-4. The measured densities and the theoretical densities are listed in Table 2. The relative densities calculated using Table 2 are shown in Table 3. The degree of deformation was evaluated by measuring the diameters at both ends of each sample, and the data obtained are shown in Table 4. If the difference in diameter at both ends was more than 1%, the sample was marked X, which means that the dimensions of the sample are not qualified. If the difference in diameter at both ends was less than 1%, the sample was marked O, which means that the dimensions of the sample are qualified. If the relative sintered density is 98% or higher and the dimensions are qualified, the sintering temperature used, including a ± 5 ° C measurement error, is considered sufficient.

BEISPIEL 1 EXAMPLE 1

In diesem Beispiel wurde das vorlegierte Pulver durch ein Atomisierungs-Verfahren aufbereitet. Das Titan wird während des Schmelzens zugefügt und ist somit bereits in dem atomisierten Pulver vorhanden. Die 1 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1230°C und 1280°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht auch qualifizierte Abmessungen bzw. Dimensionen in einem Temperaturbereich zwischen 1230°C und 1270°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 50°C (1225 bis 1275°C). In diesem Beispiel enthält die gesinterte Probe 1,6 Gew.% Kohlenstoff.In this example, the pre-alloyed powder was prepared by an atomization process. The titanium is added during melting and is therefore already present in the atomized powder. The 1 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1230 ° C and 1280 ° C. The sintered sample also achieves qualified dimensions in a temperature range between 1230 ° C and 1270 ° C. Therefore, the sintering window is 50 ° C (1225 to 1275 ° C). In this example, the sintered sample contains 1.6% by weight of carbon.

BEISPIEL 2EXAMPLE 2

In diesem Beispiel wurde das vorlegierte Pulver des Vergleichsbeispiels 1 mit 1,0 Gew.% Titan-Karbid-(TiC)Pulver gemischt. Die 2 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1270°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht auch qualifizierte Dimensionen in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1260°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 30°C (1235–1265°C). In diesem Beispiel enthält die gesinterte Probe 1,54 Gew.% Kohlenstoff.In this example, the prealloyed powder of Comparative Example 1 was mixed with 1.0 wt% titanium carbide (TiC) powder. The 2 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1240 ° C and 1270 ° C. The sintered sample also achieves qualified dimensions in a temperature range between 1240 ° C and 1260 ° C. Therefore, the sintering window is 30 ° C (1235-1265 ° C). In this example, the sintered sample contains 1.54 wt% carbon.

BEISPIEL 3EXAMPLE 3

In diesem Beispiel wurde das vorlegierte Pulver des Vergleichsbeispiels 1 mit 2,0 Gew.% Titan-Karbid-(TiC)Pulver gemischt. Die 3 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1290°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht auch qualifizierte Dimensionen in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1280°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 50°C (1235–1285°C). In diesem Beispiel enthält die gesinterte Probe 1,68 Gew.% Kohlenstoff.In this example, the prealloyed powder of Comparative Example 1 was mixed with 2.0 wt% titanium carbide (TiC) powder. The 3 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1240 ° C and 1290 ° C. The sintered sample also achieves qualified dimensions in a temperature range between 1240 ° C and 1280 ° C. Therefore, the sintering window is 50 ° C (1235-1285 ° C). In this example, the sintered sample contains 1.68 wt% carbon.

BEISPIEL 4EXAMPLE 4

In diesem Beispiel wurde das vorlegierte Pulver des Vergleichsbeispiels 1 mit 2,0 Gew.% aus einem Titan-haltigen zusammengesetzten Karbid-Pulver gemischt, das 50 Gew.% Titan-Karbid-(TiC)Pulver und 50 Gew.% Wolfram-Karbid-(WC)Pulver enthält. Die 4 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1260°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht auch qualifizierte Dimensionen in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1250°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 20°C (1235–1255°C). In diesem Beispiel enthält die gesinterte Probe 1,53 Gew.% Kohlenstoff.In this example, the prealloyed powder of Comparative Example 1 was blended with 2.0 wt% of a titanium-containing composite carbide powder containing 50 wt% titanium carbide (TiC) powder and 50 wt% tungsten carbide powder. Contains (WC) powder. The 4 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1240 ° C and 1260 ° C. The sintered sample also achieves qualified dimensions in a temperature range between 1240 ° C and 1250 ° C. Therefore, the sintering window is 20 ° C (1235-1255 ° C). In this example, the sintered sample contains 1.53 wt% carbon.

BEISPIEL 5EXAMPLE 5

In diesem Beispiel wurde das vorlegierte Pulver des Vergleichsbeispiels 2 mit 2,0 Gew.% Titan-Karbid-(TiC)Pulver gemischt. Die 5 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1290°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht auch qualifizierte Dimensionen in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1280°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 50°C (1235–1285°C). In diesem Beispiel enthält das gesinterte Probe 1,64 Gew.% Kohlenstoff.In this example, the prealloyed powder of Comparative Example 2 was mixed with 2.0 wt% titanium carbide (TiC) powder. The 5 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1240 ° C and 1290 ° C. The sintered sample also achieves qualified dimensions in a temperature range between 1240 ° C and 1280 ° C. Therefore, the sintering window is 50 ° C (1235-1285 ° C). In this example, the sintered sample contains 1.64 wt% carbon.

BEISPIEL 6EXAMPLE 6

In diesem Beispiel wurde das vorlegierte Pulver des Vergleichsbeispiels 1 mit 2,0 Gew.% Titan-Pulver vermischt.In this example, the pre-alloyed powder of Comparative Example 1 was mixed with 2.0% by weight of titanium powder.

Die 6 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1260°C und 1290°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht auch qualifizierte Dimensionen in einem Temperaturbereich zwischen 1260°C und 1280°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 30°C (1255 bis 1285°C). In diesem Beispiel enthält das gesinterte Probe 1,52 Gwe.% Kohlenstoff.The 6 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1260 ° C and 1290 ° C. The sintered sample also reaches qualified dimensions in a temperature range between 1260 ° C and 1280 ° C. Therefore, the sintering window is 30 ° C (1255 to 1285 ° C). In this example, the sintered sample contains 1.52 wt% carbon.

VERGLEICHSBEISPIEL 1COMPARATIVE EXAMPLE 1

In diesem Vergleichsbeispiel wurde das vorlegierte Pulver durch ein Atomisierungs-Verfahren hergestellt und hatte eine Zusammensetzung ähnlich der von kommerziellem Werkzeugstahl SKD11. Die 7 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1250°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht auch qualifizierte Dimensionen bei einer Temperatur von etwa 1240°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 10°C (1235–1245°C). In diesem Vergleichsbeispiel enthält die gesinterte Probe 1,52 Gew.% Kohlenstoff.In this comparative example, the pre-alloyed powder was prepared by an atomization method and had a composition similar to that of SKD11 commercial tool steel. The 7 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1240 ° C and 1250 ° C. The sintered sample also reaches qualified dimensions at one Temperature of about 1240 ° C. Therefore, the sintering window is 10 ° C (1235-1245 ° C). In this comparative example, the sintered sample contains 1.52% by weight of carbon.

VERGLEICHSBEISPIEL 2COMPARATIVE EXAMPLE 2

In diesem Vergleichsbeispiel wurde das vorlegierte Pulver durch ein Atomisierungs-Verfahren hergestellt und hatte eine Zusammensetzung ähnlich der von kommerziellem Werkzeugstahl D2. Die 8 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1250°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht auch qualifizierte Dimensionen bei einer Temperatur von etwa 1240°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 10°C (1235–1245°C). In diesem Vergleichsbeispiel enthält die gesinterte Probe 1,48 Gew.% Kohlenstoff.In this comparative example, the pre-alloyed powder was prepared by an atomization method and had a composition similar to that of commercial tool steel D2. The 8th shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1240 ° C and 1250 ° C. The sintered sample also reaches qualified dimensions at a temperature of about 1240 ° C. Therefore, the sintering window is 10 ° C (1235-1245 ° C). In this comparative example, the sintered sample contains 1.48 wt.% Of carbon.

VERGLEICHSBEISPIEL 3COMPARATIVE EXAMPLE 3

In diesem Vergleichsbeispiel wurden elementare Pulver verwendet und Wolfram wurde aus 2 Gew.% Wolfram-Karbid-(WC)Pulver bezogen. Die 9 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1210°C und 1220°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht qualifizierte Dimensionen bei einer Temperatur von etwa 1210°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 10°C (1205–1215°C). In diesem Vergleichsbeispiel enthält die gesinterte Probe 1,47 Gew.% Kohlenstoff.Elemental powders were used in this comparative example and tungsten was obtained from 2 wt% tungsten carbide (WC) powder. The 9 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1210 ° C and 1220 ° C. The sintered sample reaches qualified dimensions at a temperature of about 1210 ° C. Therefore, the sintering window is 10 ° C (1205-1215 ° C). In this comparative example, the sintered sample contains 1.47 wt.% Of carbon.

VERGLEICHSBEISPIEL 4COMPARATIVE EXAMPLE 4

In diesem Vergleichsbeispiel wurden elementare Pulver verwendet und Chrom wurde von 2 Gew.% Chrom-Karbid-(Cr3C2)Pulver bezogen. Die 10 zeigt, dass die gesinterte Probe eine relative Dichte von 98% oder mehr in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1250°C erreicht. Die gesinterte Probe erreicht qualifizierte Dimensionen bei einer Temperatur von etwa 1240°C. Daher beträgt das Sinter-Fenster 10°C (1235–1245°C). In diesem Vergleichsbeispiel enthält die gesinterte Probe 1,55 Gew.% Kohlenstoff.Elemental powders were used in this comparative example and chromium was purchased from 2 wt% chromium carbide (Cr3C2) powder. The 10 shows that the sintered sample reaches a relative density of 98% or more in a temperature range between 1240 ° C and 1250 ° C. The sintered sample reaches qualified dimensions at a temperature of about 1240 ° C. Therefore, the sintering window is 10 ° C (1235-1245 ° C). In this comparative example, the sintered sample contains 1.55 wt.% Of carbon.

In den Vergleichsbeispielen 1–4 beträgt das Sinter-Fenster nur etwa 10°C. Allerdings erweitert sich das Sinter-Fenster des in dieser Erfindung vorgeschlagenen Stahl-Pulvers auf einen Bereich zwischen 20°C und 50°C in den Beispielen 1–6. Die 11 zeigt ein Elektronen-Mikroskop-Bild der Probe nach Beispiel 1, die bei 1260°C gesintert wurde. Man sieht, dass die durchschnittliche Korngröße etwa 11 μm beträgt. Im Vergleich dazu zeigt die 12 ein Elektronen-Mikroskop-Bild der Probe, die bei 1240°C nach dem Vergleichsbeispiels 1 gesintert wurde. Aus der 12 ist ersichtlich, dass die durchschnittliche Korngröße etwa 86 μm beträgt. Daher kann die Zugabe von Titan in der vorliegenden Erfindung wirksam das Kornwachstum hemmen bzw. verhindern.In Comparative Examples 1-4, the sintering window is only about 10 ° C. However, the sintered window of the steel powder proposed in this invention expands to a range between 20 ° C and 50 ° C in Examples 1-6. The 11 shows an electron microscope image of the sample according to Example 1, which was sintered at 1260 ° C. It can be seen that the average grain size is about 11 μm. In comparison, the shows 12 an electron microscope image of the sample, which was sintered at 1240 ° C according to Comparative Example 1. From the 12 it can be seen that the average grain size is about 86 microns. Therefore, the addition of titanium in the present invention can effectively inhibit grain growth.

In der vorliegenden Erfindung, kombiniert Titan mit Kohlenstoff, um Titan-Karbid zu bilden und hemmt das Kornwachstum beim Sintern. Dadurch kann das Stahl-Pulver der vorliegenden Erfindung zu einem hoch-dichten Körper gesintert werden, der eine überragende Dimensionsstabilität in einem erweiterten Sinter-Fenster von 50°C aufweist. Die vorliegende Erfindung benötigt nur 0,3 bis 2,3 Gew.% Titan. Außerdem kann Titan einfacher gewonnen bzw. bezogen werden. Daher weist die vorliegende Erfindung niedrigere Materialkosten auf. Ferner kann die Erfindung die Körnung des gesinterten Körpers verfeinern und dessen mechanische Eigenschaften befördern.In the present invention, titanium combines with carbon to form titanium carbide and inhibits grain growth on sintering. Thereby, the steel powder of the present invention can be sintered into a high-density body having superior dimensional stability in an extended sintering window of 50 ° C. The present invention requires only 0.3 to 2.3 wt% titanium. In addition, titanium can be obtained or obtained more easily. Therefore, the present invention has lower material costs. Further, the invention can refine the grain of the sintered body and convey its mechanical properties.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen nur zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung, aber nicht zur Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Jede gleichwertige Veränderung oder Variante nach dem Geist der Erfindung soll auch in den Umfang der vorliegenden Erfindung einbezogen sein.The above-described embodiments are only illustrative of the present invention, but not for the purpose of limiting the scope of the present invention. Any equivalent variation or variant according to the spirit of the invention is also intended to be included within the scope of the present invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7211125 [0004] US 7211125 [0004]

Claims

Stahl-Pulver enthaltend Eisen als primären Bestandteil und ferner 1,4 bis 2,0 Gew.% Kohlenstoff, weniger als 1,0 Gew.% Silizium, weniger als 1,0 Gew.% Mangan, 11,0 bis 13,0 Gew.% Chrom, 0,3 bis 2,3 Gew.% Titan, weniger als 0,75 Gew.% einer Mischung aus Kupfer und Nickel, und weniger als 5,0 Gew.% von mindestens einem verfestigenden Element.Steel powder containing iron as a primary component and further 1.4 to 2.0 wt.% Carbon, less than 1.0 wt.% Silicon, less than 1.0 wt.% Manganese, 11.0 to 13.0 wt % Chromium, 0.3 to 2.3% by weight titanium, less than 0.75% by weight of a mixture of copper and nickel, and less than 5.0% by weight of at least one strengthening element.

Stahl-Pulver nach Anspruch 1, wobei das verfestigende Element aus einer Gruppe umfassend Molybdän, Vanadium, Wolfram und eine Mischung davon, ausgewählt ist.The steel powder of claim 1, wherein the solidifying element is selected from the group consisting of molybdenum, vanadium, tungsten and a mixture thereof.

Stahl-Pulver nach Anspruch 1, wobei das verfestigende Element 0,2 bis 1,7 Gew.% beträgt.A steel powder according to claim 1, wherein the solidifying element is 0.2 to 1.7% by weight.

Stahl-Pulver nach Anspruch 1, wobei ein Lieferant von Kohlenstoff aus Graphit oder Ruß besteht.Steel powder according to claim 1, wherein a supplier of carbon consists of graphite or carbon black.

Stahl-Pulver nach Anspruch 1, wobei ein Lieferant von Titan aus Titan-Pulver besteht.A steel powder according to claim 1, wherein a supplier of titanium is titanium powder.

Stahl-Pulver nach Anspruch 1, wobei ein Lieferant von Titan aus Titan-haltigem Karbid-Pulver besteht.A steel powder according to claim 1, wherein a supplier of titanium is titanium-containing carbide powder.

Stahl-Pulver nach Anspruch 1, wobei ein Lieferant von Titan aus Titan-haltigem vorlegierten Pulver besteht.The steel powder of claim 1, wherein a source of titanium is titanium-containing prealloyed powder.

Stahl-Pulver nach Anspruch 6, wobei das Titan-haltige Karbid-Pulver ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein Titan-Karbid-Pulver, ein Wolfram-dotiertes Titan-Karbid-Pulver und ein Vanadium-dotiertes Titan-Karbid-Pulver.The steel powder according to claim 6, wherein the titanium-containing carbide powder is selected from a group comprising a titanium-carbide powder, a tungsten-doped titanium-carbide powder and a vanadium-doped titanium-carbide powder.

Stahl-Pulver nach Anspruch 6, wobei das Titan-haltige Karbid-Pulver eine durchschnittliche Korngröße von weniger als 5 μm aufweist.Steel powder according to claim 6, wherein the titanium-containing carbide powder has an average grain size of less than 5 microns.

Sinter-Körper aus dem legierten Stahl-Pulver nach Anspruch 1.Sintered body of the alloyed steel powder according to claim 1.