DE2001341A1 - Legierung bzw. Mischmetall auf der Basis von Molybdaen - Google Patents

Description

Als Material für die Spritzgussdüsen zum Spritzgießen von hochschmelzenden Werkstoffen, wie Kupfer, Messing und Bronze verwendet man gegenwärtig Wolfram und Legierungen auf Wolframbasis wegen der besonders guten Werkstoffeigenschaften dieser Metalle im Verhältnis zu anderen bekannten Werkstoffen zur Herstellung solcher Werkzeuge.

Nun haben zwar Wolfram und Wolfram-Legierungen zu diesem Zweck besonders gute Eigenschaften; andererseits ist nachteilig, dass Wolfram ein - auf das Gewicht bezogen - sehr teuerer Werkstoff ist. Das spezifische Gewicht des Wolframs von 19,3 g/cm[hoch]3 ist eines der höchsten vorkommenden spezifischen Gewichte. Infolgedessen ist das von der Gewichtseinheit eingenommene Volumen bei Wolfram kleiner als bei den meisten anderen Metallen. Daraus ergibt sich, dass man - gewichtsmäßig - mehr Material braucht, um eine gegebene Form oder anderes Werkzeug herzustellen, als wenn man diese Form oder dieses Werkzeug aus den meisten anderen Metallen herstellen würde.

Molybdän hat nur ein spezifisches Gewicht von 10,2 g/cm[hoch]3, d. h. etwa 52,8 % der Dichte von Wolfram. Damit kann man - bezogen auf Wolfram - nahezu das doppelte Volumen mit einer gleichen masse Molybdän füllen. Da Molybdän normalerweise erheblich billiger ist als Wolfram, kommt insoweit in weiterer wirtschaftlicher Vorteil des Molybdäns gegenüber der Verwendung von Wolfram hinzu. Außerdem ist Molybdän ein feuerfestes Metall mit einem besonders hohen Schmelzpunkt. Diese beiden Eigenschaften lassen es zunächst geeignet erscheinen als Werkstoff zum Herstellen von Spritzgussdüsen, Düsenkernen und anderen Werkzeugen zum Gießen.

Es ist bekannt, dass geschmiedetes Molybdän und insbesondere Molybdän mit weniger als 1 % betragenden Beimischungen aus solchen Elementen wie Titan und Zirkon sich besonders gut zur Herstellung von Spritzgussdüsen, Spritzguß-Kernen und anderen entsprechend beanspruchten Teilen von Spritzgussmaschinen eignet, wenn Legierungen bei hoher Temperatur verarbeitet werden sollen, was z. B. bei gelbem Messing der Fall ist.

Beim Herstellen solcher Molybdän-Legierungen formt man im allgemeinen aus einer Vakuumschmelze einen Rohling. Der Rohling wird dann heiß geschmiedet oder auf andere Weise in einen Block solcher Abmessungen geformt, dass man daraus spanabhebend eine Spritzgussdüse, einen Spritzgusskern oder ein anderes Teil einer Spritzgussform herstellen kann.

Dabei ist allerdings zu bedenken, dass durch das Schmieden und/oder andere Bearbeitungsgänge in der fertigen Düse oder Spritzgussform eine bevorzugte Korn-Orientierung entstehen kann. Dadurch ist die Duktilität der Düse oder des Formteiles senkrecht zu der

Struktur der länglichen Körnung in technisch unerwünschter Weise beeinträchtigt. Aus dieser bisher unvermeidbaren Unregelmäßigkeit ergibt sich bei den oben erwähnten Molybdän-Legierungen eine Riß- bzw. Bruchbildung entlang dieser Ebenen.

Das Schmelzen, Gießen und darauf folgende Heißschmieden und das weitere Bearbeiten erhöht selbstverständlich auch die Entstehungskosten des fertigen Werkzeuges erheblich. Infolgedessen kann man die oben erläuterten grundsätzlichen wirtschaftlichen Vorteile des niedrigeren spezifischen Gewichtes, des sich daraus ergebenden größeren spezifischen Volumens und die geringeren Kosten des Molybdäns oft nicht nur nicht ausnützen, sondern muß in den meisten Fällen erhöhte Kosten hinnehmen.

Die Erfindung richtet sich auf die Schaffung von Molybdän-Legierungen und/oder -Zusammensetzungen insbesondere für die Herstellung von Düsen, Kernen, Kernstangen und anderen Formteilen zum Behandeln von Metallen bei hohen Temperaturen, wie z. B. beim Spritzgießen von Kupfer, Bronze, Messing, Stahl und anderen Metallen bzw. Legierungen.

Insbesondere sucht die Erfindung dabei die wirtschaftlichen Vorteile des Molybdäns auszunützen, die sich aus dessen relativ niedrigem spezifischen Gewicht, dem großen spezifischen Volumen und dem relativ geringen Preis des Molybdäns ergeben, und zwar um Werkzeuge etwa der genannten Art zu schaffen, die eine lange Standzeit haben und zu einem vernünftigen Preis hergestellt werden können.

Die Erfindung richtet sich weiter darauf, die Methoden der Pulver-Metallurgie zur Herstellung von Molybdän-Legierungen und/oder -Zusammensetzungen anzuwenden, welche diejenigen Eigenschaften aufweisen, die zur Herstellung von Düsen, Kernen, Spritzgussteilen und dgl. notwendig sind.

Dabei macht die Erfindung u. a. vom Sintern in der flüssigen Phase bei der Herstellung von Molybdän-Legierungen oder -Zusammensetzungen Gebrauch, wobei diese flüssige Phase aus Metallpulvern gewonnen wird.

Ferner will die Erfindung im wesentlichen aus Molybdän bestehende Legierungen und Metallzusammensetzungen finden, bei denen sich keine bevorzugte Korn-Orientierung einstellt, so dass entsprechende Werkzeuge bzw. Gegenstände in allen Richtungen im wesentlichen dieselben mechanischen Eigenschaften aufweisen.

Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen erläutert:

Die Legierungen bzw. Zusammensetzungen nach der Erfindung sind aus mindestens drei metallischen Elementen zusammengesetzt, wobei Molybdän den Hauptbestandteil bildet. Zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Legierung oder Zusammensetzung als Material für Gießformen, Gießkerne oder andere Teile von Spritzgussdüsen oder Formen für die Formung besonders heißer geschmolzener Metalle sollte der Molybdän-Gehalt der Legierung bzw. Mischung wenigstens etwa 80 Gew.-% betragen.

Die anderen zwei oder mehr Elemente bilden eine Legierung, die im geschmolzenen Zustand eine erhebliche Menge des Molybdäns löst, wodurch ein als Sintern in der flüssigen Phase bezeichnetes Phänomen auftritt. Im folgenden werden in einer Tabelle (siehe Seite 6) die Gewichtsprozent-Zusammensetzungen der Legierungen angegeben, welche zum Sintern in der flüssigen Phase der Legierung oder der Zusammensetzung führen. Das Gesamtgewicht der die Legierung bildenden Elemente beträgt bis zu 20 % der aus Molybdän und Legierung bestehenden Masse.

Die Tabelle gibt als Zusammensetzung u. a. jeweils einen "Rest" an. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass - um die Tabelle nicht zu überladen - der sog. "Rest" nur den wesentlichen Bestandteil des Restes darstellt, so dass also in der oben beschriebenen Weise durchaus die Legierung aus mehr als zwei Metallen bestehen kann.

In der dargestellten Tabelle sind die Bestandteile der Legierung - ohne das den Hauptbestandteil bildende Molybdän - auch in Gewichtsprozenten bezogen nur auf die Legierung dargestellt. Die in der ersten Zeile der Tabelle angegebene Zusammensetzung kann also z. B. folgende Bestandteile haben:

80 % Mo + 20 % Legierung (Legierung: 2 % B + 98 % Co) oder: 80 % Mo + 20 % Legierung (Legierung: 8 % B + 92 % Co) oder: 90 % Mo + 10 % Legierung (Legierung: 2 % B + 98 % Co) oder: 90 % Mo + 10 % Legierung (Legierung: 8 % B + 92 % Co) usw..

Die weiter angegebenen möglichen Zusammensetzungen der Tabelle können selbstverständlich in derselben Weise innerhalb der angegebenen Grenzen variieren.

Wie oben bereits unter Hinweis auf den Begriff "Rest" erläutert, können auch noch weitere Legierungselemente zu den nach der Erfindung hergestellten Legierungen gegeben werden, und zwar nach Maßgabe der jeweiligen Zweckbestimmung des Materials. So können z. B. bestimmte Härteelemente beigegeben werden, die dem Fachmann bekannt sind.

Die Gestaltungen der gewünschten Werkstücke können aus Pulvern gemäß den oben angegebenen Legierungen z. B. wie folgt hergestellt werden:

Eine Zusammensetzung gemäß der Tabelle kann in eine gewünschte Gestalt gepresst werden, dann spanabhebend fein verarbeitet und anschließend gesintert werden, um eine entsprechend zusammengesetzte Legierung zu erhalten. Daraufhin kann dann eine weitere spanabhebende Bearbeitung und/oder ein Schleifvorgang erfolgen, falls dies notwendig oder zweckmäßig ist.

Man kann - in einer anderen Ausführung - die Zusammensetzung auch erst pressen und dann sintern, in welchem Falle eine spanabhebende Bearbeitung und/oder ein Schleifvorgang am Ende des Herstellungsvorganges, durchgeführt wird. Offensichtlich kann man bei den beiden beschriebenen Vorgängen mit sehr engen Toleranzen arbeiten; Abfall ist also gering.

Die Metallpulver zum Pressen können bereits pulverisierte Legierungen gemäß der oben angegebenen Tabelle sein oder das Pulver kann aus verschiedenen Pulverbestandteilen bestehen, wobei die Bestandteile die Metalle der Zusammensetzung nach der Tabelle sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die beiden oben erwähnten Möglichkeiten kombiniert werden, so dass die verwendeten Metallpulver sowohl aus Legierungen als auch aus reinen Metallen bestehen.

Beim Pressen der Pulver können beliebige der bekannten Binder verwendet werden, z. B. Zinkstearat und/oder Paraffin. Es können wahlweise auch Bindeverfahren verwendet werden, bei denen kein besonderes Bindemittel notwendig ist. Z. B. kann man die zusammenzudrückenden Bindeteilchen in einen Sack aus Kunststoffmaterial einbringen und dann einen Flüssigkeitsdruck von wenigstens etwa 700 kg/cm[hoch]2 durch den Sack hindurch auf die Teilchen wirken lassen, um die Teilchen miteinander zu verbinden.

Die Sintertemperatur zum Verarbeiten einer Legierung nach der Erfindung liegt bei etwa 1000 bis 1600°C. Zweckmäßig verwendet man eine zusätzliche Vorsinterung mit einem Temperaturbereich von etwa 300 bis 1000°C.

In beiden Fällen, d. h. beim Vorsintern und beim Sintern muß in einer Atmosphäre gearbeitet werden, welche keinen Sauerstoff enthält. Man kann z. B. im Vakuum sintern oder in einem nicht oxydierenden Gas, z. B. Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Helium, usw.. Weiter kann in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak gesintert werden.

Die Legierungen nach der Erfindung eignen sich besonders gut als Werkstoff für Spritzgussdüsen, Kerne und entsprechende Teile der Formen beim Gießen von Kupfer und Kupferlegierungen, wie z. B. Messing und Bronze, anderen hochschmelzenden Metallen, wie Eisen, Nickel- und Kobaltlegierungen. Entsprechende Spritzgussformen und Düsen sind natürlich genau so gut beim Spritzgießen von niedrig schmelzenden Metallen geeignet, z. B. zum Verarbeiten von Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium und Magnesiumlegierungen usw..

Die Eigenschaften der Legierungen bzw. Zusammensetzungen nach der Erfindung liegen im allgemeinen im Bereich der Eigenschaften von im Handel erhältlichem, reinem Molybdän, wobei festgestellt wurde, dass einige der neuen Legierungen bzw. Zusammensetzungen sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temperatur erheblich größere mechanische Festigkeit haben.

Claims (20)

1. Molybdän-Legierung mit mindestens 80 Gew.-% Molybdänanteil und mindestens zwei weiteren zusätzlichen Metallen, wobei die zusätzlichen Metalle eine Legierung bilden, die im geschmolzenen Zustand einen erheblichen Molybdänanteil löst.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus Molybdän und den lösenden, eine Legierung bildenden Metallen besteht.

3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Metalle Bor ist.

4. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Metalle Mangan ist.

5. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Metalle Vanadium ist.

6. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Metalle Silicium ist.

7. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich ein Element aus der Gruppe Co, Fe, Ni, Nb, Ta, Cr, V und Mischungen daraus enthält.

8. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ebenfalls ein Element aus der Gruppe Ni, Fe, Cu, Ti, Zr, U, Si, Co und Mischungen daraus enthält.

9. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ebenfalls ein Element aus der Gruppe Fe, Ni, Co, Mn und Mischungen daraus enthält.

10. Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich ein Element aus der Gruppe Ni, Fe, Co, Cu, V und Mischungen daraus enthält.

11. Verwendung der Metallzusammensetzung nach Anspruch 1 als Werkstoff für ein formendes Teil eines Extruders oder einer Spritzgussmaschine.

12. Verwendung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Teil einer Gießform handelt.

13. Verwendung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Hälfte einer Gießform ist.

14. Verwendung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein Gießform-Kern ist.

15. Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Pressen von Molybdänpulver und einem Pulver, welches mindestens zwei weitere Metalle enthält, die ihrerseits im geschmolzenen Zustand eine Legierung bilden, wobei diese letztere Legierung in erheblichem Umfang Molybdän löst und das Pressen zur Bildung eines festen Körpers dient;

b) Erhitzen des so erhaltenen festen Körpers solange und bei solcher Temperatur, dass Sintern in der Flüssig-Phase stattfindet und dadurch ein dichter Körper aus einer Molybdän-Legierung entsteht; und

c) Herstellen der gewünschten Gestalt aus dem gesinterten Körper ohne Warmbearbeitung oder Heißschmieden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der dortige Verfahrensschritt b) vor dem dortigen Verfahrensschritt c) durchgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt c) vor dem Verfahrensschritt b) ausgeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) zumindest teilweise durch spanabhebende Bearbeitung durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des die zusätzlichen

Metalle enthaltenden Pulvers eine Mischung aus von den Elementen gebildeten Pulvern ist.

20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des die zusätzlichen Metalle enthaltendes Pulvers eine pulverisierte Legierung der Metalle ist.