DE19505628A1 - Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständigen zähen Werkstoffes - Google Patents

Description

Verschleißbeständige metallische Werkstoffe bestehen aus einer verfestigten Metall­ matrix, in die Hartstoffteilchen, wie z. B. Boride, Karbide, Nitride oder intermetallische Phasen eingelagert sind. Der Verschleißwiderstand und die Bruchzähigkeit sind in der Regel dann am höchsten, wenn die harten Teilchen gleichmäßig in der Metallmatrix dispergiert sind und eine netzförmige Anordnung vermieden wird. Bei einem gegebenen Gehalt an gleichmäßig dispergierten harten Teilchen nimmt die Bruchfestigkeit des Werkstoffes mit der Größe der Hartstoffteilchen ab, die Bruchzähigkeit jedoch zu. Für dieses Verhalten gibt es folgende Erklärung (Fig. 1): Bei Zug- oder Biegebeanspruchung bilden sich zuerst an den spröden Hartstoffteilchen Anrisse (Fig. 1a, b). Sie sind umso größer, je gröber die Hartstoffteilchen und breiten sich dadurch schon bei niedrigerer Spannung zum Bruch aus, d. h. die Bruchfestigkeit sinkt mit der Hartstoffgröße (Fig. 1c). Bei gegebenem Hartstoffgehalt nimmt jedoch der mittlere Abstand der Hartstoffteilchen mit ihrer Größe zu (Fig. 1d, e). Dadurch kann sich vor einem Anriß eine plastische Zone in der Metallmatrix ausbilden, ohne daß weitere Anrisse an Hartstoffteilchen entstehen (Fig. 1e) und die Bruchzähigkeit steigt mit dem Hartstoffabstand (Fig. 1f). Bei gegebenem Hartstoffgehalt und dadurch festgelegtem Verschleißwiderstand ist ein Gewinn an Bruchzähigkeit nach Fig. 1 mit einem Verlust an Bruchfestigkeit verbunden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Teilchenverbundwerkstoffes mit gleichzeitig hoher Bruchfestigkeit und Bruchzähigkeit. Dazu wird die bekannte einstufige Dispersion von harten Teilchen (HT) in einer Metallmatrix (MM) durch eine zweistufige Dispersion ersetzt. Das erfindungsgemäße zweistufige Dispersionsgefüge in Fig. 2 besteht aus Bereichen mit einer dichten Dispersion feiner Hartstoffteilchen in einer Metallmatrix (MM I), wobei diese hartstoffreichen Bereiche mit feiner Hartstoff­ dispersion ihrerseits als grobe Dispersion in eine hartstoffarme Metallmatrix (MM II) eingelagert sind. Das zweistufige Dispersionsgefüge besitzt aufgrund des kleinen Hart­ stoffdurchmessers eine hohe Bruchfestigkeit und wegen des großen Hartstoffabstandes auch eine hohe Bruchzähigkeit.

Im folgenden werden die Vorzüge des zweistufigen Dispersionsgefüges im Vergleich zum einstufigen anhand eines Ausführungsbeispieles dargestellt. Die Fertigung des Beispielwerkstoffes geht von gasverdüstem Pulver der Legierung A bis C nach Tafel 1 aus. Durch heißisostatisches Pressen entstehen Probekörper, die durch Härten und Anlassen auf eine Härte von ∼900 HV30 gebracht werden. Das einstufiges Dispersions­ gefüge A entsteht aus Pulver A und enthält eine feine Dispersion von Karbiden mit einem mittleren Durchmesser von ∼1 µm und einem Volumengehalt von ∼16%. Das zweistufige Dispersionsgefüge B/C nach Fig. 3 entsteht aus einem Gemisch der Pulver B und C. Das Pulver B enthält eine feine Dispersion von Karbiden mit einem mittleren Durchmesser von ∼1 µm und einem Volumengehalt von ∼30%. Es wird so mit dem karbidarmen Pulver C gemischt, daß der Karbidgehalt im Probekörper ∼16 Vol.% beträgt. Die durch das Pulver C entstandenen Gefügebereiche sind fast karbidfrei (∼2 Vol.% an feinen Karbiden), die durch das Pulver B entstandenen Bereiche dagegen karbidreich (∼30 Vol.%). Um eine Dispersion von Bereichen B in einer Matrix aus C zu erreichen, empfiehlt es sich, den mittleren Pulverkorndurchmesser D so zu wählen, daß das Verhältnis D_B/D_C mit steigendem Volumengehalt von Pulver B zunimmt. Im Ausführungsbeispiel wurde D_B/D_C = 5 gewählt.

Das einstufige Dispersionsgefüge A und das zweistufige Dispersionsgefüge B/C errei­ chen im statischen Biegeversuch eine Bruchfestigkeit von 3000-3200 MPa. Im Ver­ schleißversuch gegen gebundene Flintkörner mit 80er Körnung unter einer Belastung von 1,31 N/mm² liegt der Verschleißwiderstand für Gefüge A und Gefüge B/C zwi­ schen 7,5×10⁴ und 8×10⁴. Beide Werkstoffe weisen also im Mittel ungefähr gleiche Biegefestigkeiten und Verschleißwiderstände auf. Die Bruchzähigkeit des zweistufigen Gefüges B/C liegt jedoch mit 15 MPa/m um mehr als 40% über der des einstufigen Gefüges, das nur 10,5 MPa/m erreicht.

Tafel 1

Chemische Zusammensetzung der Legierungen A bis C, Basismetall; Fe

Claims (4)

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von verschleißbeständigen Metallmatrix-Teilchen-Verbundwerkstoffen mit erhöhter Zähigkeit, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Metallpulverkörner mit hohem Gehalt an dispergierten harten Teil­ chen in Metallpulverkörnern ohne oder mit geringem Gehalt an harten Teilchen dispergiert sind, eine gegenseitige Berührung der harten Teilchen oder der Pulver­ körner mit hohem Gehalt an harten Teilchen weitgehend vermieden und das Pulvergemisch durch Heißkompaktieren in einen Festkörper überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die harten Teilchen aus Karbiden, Boriden, Nitriden, Oxyden, intermetallischen Phasen oder Silizium bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei die harten Teilchen in den Metallpulver­ körnern bei der Erstarrung oder Wärmebehandlung gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei das Heißkompaktieren durch Vakuum­ sintern, Drucksintern oder heißisostatisches Pressen erfolgt.