DE2650766A1

DE2650766A1 - Stahllegierungspulver

Info

Publication number: DE2650766A1
Application number: DE19762650766
Authority: DE
Inventors: Robin Thomas Cundill
Original assignee: British Steel Corp
Current assignee: British Steel Corp
Priority date: 1976-11-05
Filing date: 1976-11-05
Publication date: 1978-05-11
Also published as: FR2392134B1; BE848156A; NL7612503A; FR2392134A1; CA1066539A; JPS5364606A; US4253874A; SE7612279L

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. Curt Wallach

Dipl.-lng. Günther Koch

2650766 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 5. November 1976

Unser Zeichen: 15 704 - Κ/Αρ

British Steel Corporation, J53 Grosvenor Place, London, S.W.I., England

Stahllegierungspulver

Die Erfindung bezieht sich auf härtbare Chromstahllegierungspulver und auf die Erzeugung heißverdichteter Gegenstände aus diesem Pulver. Typische Beispiele solcher Bauteile sind kraftfahr technische Erzeugnisse wie z.B. Zahnräder, Wellen und Lager.

Es ist bekannt, Metallpulver dadurch zu ^erzeugen, daß Wasserstrahlen auf einen frei fallenden Strom aus geschmolzenem Metall gerichtet wird, um diesen zu versprühen. Normalerweise wird das erzeugte Metallpulver einer Glühbehandlung unterworfen, um die Verdichtungsfähigkeit zu verbessern. Aus diesem Pulver erzeugte kompakte Teile werden dann gesintert und für höhere Beanspruchungen werden die gesinterten Körper durch Heiß- oder Kaltbearbeitung weiter verdichtet. Typische wärmebehandelte Stähle weisen Legierungsbestandteile wie z.B. Silicium, Mangan und Chrom auf. Wenn eine Schmelze einer solchen Stahllegierung durch Wasser atomisiert wird, dann bilden sich Oxide, die während der nachfolgenden Sinterung nicht reduziert werden können und die zu einer verminderten Dehnbarkeit, Schlagfestigkeit und Lebensdauer der hieraus hergestellten Gegenstände führen.

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Gemäß der Erfindung besteht ein geglühtes feinverteiltes Stahlpulver aus den folgenden Gewichtsprozentsätzen: Bis zu 1,5$ Kohlenstoff, 1.0 bis 2,0% Chrom, weniger als 0,05# Silicium, weniger als 0,1$ Mangan und entweder einer der folgenden Bestandteile oder eine Kombination von zwei oder mehreren dieser nachstehend aufgeführten Bestandteile: 0,2 bis 1,0$ Molybdän, 0,2 bis l,0# Nickel, bis zu 0,3% Phosphor und bis zu 1,0$ Kupfer. Der Rest ist abgesehen von Verunreinigungen Eisen.

Ein bevorzugtes Pulver besteht aus folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 0,9 bis 1,1$ Kohlenstoff, 1,4 bis 1,6% Chrom, weniger als 0,02# Silicium, weniger als 0,05$ Mangan und entweder einen der folgenden Bestandteile, oder eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Bestandteile: 0,5 bis 0,6% Molybdän, 0,5 bis 0,6% Nickel, bis zu 0,2# Phosphor und 0,5 bis 0,6% Kupfer. Der Rest besteht abgesehen von Verunreinigungen aus Eisen.

Ein Verfahren zur Erzeugung einer härtbaren Chromstahllegierung bzw. von hieraus hergestellten verdichteten Gegenständen mit einem Oxidgehalt von weniger als 250 Teilen pro Million (ppm) und mit einer Zusammensetzung gemäß der beiden vorstehenden Absätze besteht darin, daß eine Stahlschmelze der gewünschten chemischen Zusammensetzung versprüht wird, daß das erzeugte Pulver in einer Atmosphäre geglüht wird, die ganz oder im wesentlichen aus Wasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak: besteht, wobei die Glühtemperatur 700 bis 900⁰C beträgt, daß das hieraus erzeugte Pulver in einer Atmosphäre gesintert wird, die insgesamt oder im wesentlichen aus Wasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak mit einem Taupunkt von nicht mehr als minus 10⁰C besteht, wobei der Sintervorgang bei einer Temperatur zwischen 900 und 1300⁰C durchgeführt wird. Die Atmosphäre kann durch Zusatz von Kohlenstoffmonoxyd oder einem Kohlenwasserstoffgas

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wie Ethan, Methan, Butan oder Propan angereichert sein.

Nach dem Glühen kann Graphit dem Pulver zugesetzt werden, um Kohlenstoffverluste zu kompensieren, die beim Sintervorgang auftreten können. Die Graphitzusätze liegen im typischen Fall in der Größenordnung zwischen 0,5 und 0,6 Gewichtsprozent. In gewissen Fällen kann der anfängliche Kohlenstoffgehalt des Stahles minimal sein und beispielsweise 0,05 Gewichtsprozent betragen, und in diesem Fall wird ein Graphitzusatz von ungefähr 1,3 Gewichtsprozent erforderlich.

Das geglühte Pulver mit oder ohne Kohlenstoffzusatz kann durch isostatisches Pressen oder eine Gesenkverdichtung geformt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung wärmebehandelter gehärteter Bauteile in der Weise durchgeführt, daß eine Stahllegierungsschmelze versprüht wird, um ein Pulver zu erzeugen, das in Gewichtsprozent bis zu 1,5$ Kohlenstoff, 1,2 bis 2,0$ Chrom, weniger als 0,05$ Silicium, weniger als 0,1$ Mangan und einen der folgenden Bestandteile oder eine Kombination zweier oder mehrerer der folgenden Bestandteile enthält: 0,2 bis l,0# Molybdän, 0,2 bis 1,0$ Nickel, 0 bis 0,3$ Phosphor und 0 bis 1,0$ Kupfer, wobei der Rest,abgesehen von Verunreinigungen, Eisen ist, daß das Pulver in einer Atmosphäre geglüht wird, die ganz oder im wesentlichen aus Wasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak besteht und eine Temperatur zwischen 700 und 900°C besitzt, daß aus dem geglühten Pulver kompakte Körper hergestellt werden, daß diese kompakten Körper in einer Atmosphäre gesintert werden, die ganz oder im wesentlichen aus Wasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak mit einem Taupunkt von weniger als minus 1O°C besteht, wobei der Sintervorgang bei einer Temperatur zwischen 900 und 1300⁰C stattfindet, wodurch der Sauerstoff-

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gehalt des Pulvers auf weniger als 250 Teile pro Million vermindert wird, daß die gesinterten Gegenstände auf mehr als 99% der theoretischen Materialdichte verdichtet werden, und daß die verdichteten Gegenstände einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dem geglühten Pulver kann Graphit zugesetzt werden, um den Kohlenstoffgehalt auf einen Wert zu bringen, der nach dem Sintervorgang zu einem Kohlenstoffgehalt im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 Gewichtsprozent liegt. Die Verdichtung der gesonterten Körper kann durch Heißpressen, durch Walzen, durch Schmieden oder durch einen Extrusionsprozeß erfolgen.

Das Stahllegierungspulver wird erzeugt, indem Wasserstrahlen mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche eines Stromes geschmolzenen Stahls gerichtet werden, der frei durch Schwerkraft aus einer Gießwanne abfließt. Die chemische Zusammensetzung des Pulvers ist allgemein die gleiche wie die beim Endprodukt gewünschte. Die mittlere Partikelgröße des so verstäubten Pulvers liegt allgemein im Bereich zwischen 50 und 100 μΐη.

Wie oben erwähnt, enthalten in der Wärmebehandelbaren Chrom-Stahllegierungen Legierungsbestandteile wie Silicium und Mangan in beträchtlichen Mengen, d.h. in Gewichtsprozenten zwischen 0,25$ und 0,35$· Wenn man aus einem solchen Stahl Pulver erzeugt, dann bilden während der Vernebelung die Legierungselemente Oxide, und diese Oxidbildung setzt sich bei dem folgenden Glühvorgang fort und diese Produkte sind äußerst hitzebeständig und schwer zu reduzieren. Infolgedessen hat das Pulver einen hohen Oxidgehalt in Form von Oxideinschlussen, die die Dehnbarkeit, die Schlagfestigkeit und die Lebensdauer der verdichteten Körper, die aus diesem Pulver hergestellt sind, vermindern. Es hat sich gezeigt, daß die Oxideinschlüsse beträchtlich dadurch vermindert werden können, daß die Menge dieser Legierungsbestandteile in der Schmelze herabgesetzt wird, jedoch ist dies

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allein nicht ausreichend, weil dies dazu führt, daß das Pulver einen niedrigen Hartbarkeitsgrad hat. Eine hohe Härtbarkeit ist wichtig, wenn gute Eigenschaften hinsichtlich Lebensdauer und Abnutzungswiderstand erlangt werden sollen. Infolgedessen werden diese Legierungsbestandteile durch geeignete Zusätze von Molybdän, Nickel, Phosphor und Kupfer ersetzt, die sämtlich ein Oxydationspotential besitzen, welches gleich oder geringer ist als Jenes von Eisen, und dies führt zu einer verbesserten Härtbarkeit. Biese Zusätze liegen in den Bereichen: Molybdän 0,2 bis 1%, Nickel 0,2 bis 1,0%, Phosphor bis zu 0,3# und Kupfer bis zu l,0#.

Das so zerstäubte Pulver wird in einer Atmosphäre geglüht, die aus Wasserstoff oder dissoziierten! Ammoniak besteht, wobei die Temperatur bei 800°C liegt und hierbei werden die einzelnen Partikel erweicht, um ihre Kompressibilität zu verbessern. Während des Glühens werden der Kohlenstoffgehalt und der Oxidgehalt des Pulvers allgemein vermindert und es ist deshalb gewöhnlieh notwendig, Graphit zuzusetzen, um den Kohlenstoffpegel auf den erforderlichen Wert von 0,9 bis 1,1 Gewichtsprozent heraufzusetzen, und um die Kohlenstoffverluste zu kompensieren, die während des nachfolgenden Sintervorganges auftreten. Im typischen Fall, wenn der Kohlenstoffgehalt des flüssigen Metalls vor der Zerstäubung etwa 1,0 Gewichtsprozent beträgt, dann wird 0,5 Gewichtsprozent Graphit zugesetzt.

Das geglühte Pulver wird durch isostatischen Druck oder Gesenkformung verdichtet, und die so geformten Gegenstände werden auf einem Förderriemen durch einen Ofen geführt und in einer Wasserstoffatmosphäre oder einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak bei einer typischen Temperatur von 115O°C ungefähr 4 Stunden lang gesintert. Die Ofenatmosphäre kann durch Zusatz von Kohlenmonoxid oder einem Kohlenwasserstoffgas angereichert werden, um während des Sintervorganges eine Kohlenstoffsteuerung durchführen zu können.

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Stattdessen kann der Sinterofen auch ein Kammerofen oder ein Balkenherdofen sein.

Der Sintervorgang kann auch bei Unterdruck und einer Temperatur von etwa 1250⁰C durchgeführt werden.

Es hat sich gezeigt, daß zur Verminderung des Oxidgehaltes des Sinterkörpers auf ein Minimum die Notwendigkeit besteht, Ofenatmosphären zu benutzen, deren Taupunkt niedriger als minus 10⁰C* vorzugsweise niedriger als minus 20⁰C liegt. Es wäre sogar vorteilhaft, mit einer noch niedrigeren Taupunktgrenze von Wasserstoff und dissoziierte)® Ammoniak zu arbeiten, die kommerziell verfügbar ist und einen Taupunkt von minus 70⁰C besitzt. Jedoch ist ein Arbeiten mit einem kontinuierlichen Sinterofen bei Taupunkten von weniger als minus 40°C gegenwärtig nicht möglich und eine Atmosphäre mit einem Taupunkt von minus 20°C ist die die benutzt werden kann, ohne daß es notwendig wäre, kostspielige Dichtungen anzubringen.

Nach dem Sintervorgang werden die Sinterkörper auf mehr als Ψ2& der theoretischen Materialdichte verdichtet, um den fertigen Gegenstand zu erzeugen.

Nach der Verdichtung können die Bestandteile einer Wärmebehandlung unterworfen werden, indem sie auf eine Temperatur im Bereich zwischen 800°C und 86o°C erhitzt werden, worauf eine Abschreckung in öl oder Wasser erfolgt, um dem Sinterkörper eine Härte zu verleihen, die über 800 VPM liegt.

Versuche, die an verdichteten Gegenständen durchgeführt wurden zeigen, daß die Gegenstände, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, von der Mitte bis zu den Rändern bei einem Äquivalenten Stangendurchmesser von 19 mm durchgehärtet waren und der Härtewert besser war oder wenigstens äquivalent Jenem, den in herkömmlicher Weise ausgewalzte Chromstähle besitzen.

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Nachstehend wird ein Beispiel eines Versuchs beschrieben, der gemäß der Erfindung durchgeführt wurde.

Beispiel 1

Durch Wasserzerstäubung wurde ein Pulver erzeugt, welches eine mittlere Partikelgröße im Bereich zwischen 60 und 80 pm und eine nominelle Zusammensetzung in Gewichtsprozenten von 1% C, 1,5$ Cr, 0,5% Mo, 0,02$ Si und 0,05$ Mn besaß. Der Sauerstoffgehalt des so zerstäubten Pulvers betrug 5250 Teile pro Million, und dieser Sauerstoffgehalt wurde durch Glühen in einer Wasserstoffatmosphäre bei 800°C und langsamer Abkühlung herabgesetzt und betrug dann JlOO ppm. Der Kohlenstoffgehalt fiel während des Glühvorganges auf 0,75^. Die Kompressibilität des geglühten Pulvers ergab sich zu 6,38 g/cm , nachdem eine Verdichtung bei einem Druck von 620 MN/m stattgefunden hatte.

Dann wurde unter das Pulver Graphit gemischt, um den Kohlenstoffgehalt auf etwa 1,3 Gewichtsprozent heraufzusetzen und um den Kohlenstoffverlust zu kompensieren, der während des nachfolgenden Sintervorganges zu erwarten ist.

Eine bestimmte Menge des Pulvers wurde isostatisch bei einem

Druck von 210 MN/m verdichtet, wodurch Barren von 75 mm Durchmesser erzeugt wurden, die dann eine halbe Stunde lang bei 115O⁰C in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von etwa minus 30° gesintert wurden.

Nach dem Sintervorgang wurden die Barren durch Erhitzung auf 800°C geglüht und danach erfolgte eine Abkühlung mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 10° pro Stunde auf unter 600°C und dann erfolgte eine Luftkühlung.

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Die Analyse der extrudierten Barren ergab in Gewichtsprozenten: l,O7# C, 0,02# Si, 0,05# Mn, O,008# S, O,OO8# P, 0,02# Ni, 1*39# Cr und 0,52# Mo. Der Sauerstoffgehalt betrug 6o Teile pro Million, und dies entspricht jenem Gehalt der normalerweise bei geschmiedeten, niedrig legierten Stählen erhalten wird.

Nach der Wärmebehandlung mit 840°C und einer Wasser- und ölabschreckung und einer Temperung bei 175°C ergaben sich Härtewerte von 849 VPN und 810 VPN.Herkömmlicher geschmiedeter Kunststoffchromstahl der gleichen Größenabmessung wurden einer identischen Wärmebehandlung ausgesetzt und es ergaben sich Härtewerte von 810 VPN und 798 VPN.

Beispiel 2

Wie beim Beispiel 1 wurde ein Pulver durch Wasserzerstäubung erzeugt, das die gleiche Zusammensetzung hatte. Dieses Pulver wurde geglüht und mit Graphit in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel 1 geglüht. Eine gewisse Menge des geglühten Pulvers wurde isostatisch bei einem Druck von 210 MN/m verdichtet und es wurde ein hohler Barren erzeugt, der einen Außendurchmesser von 75 mm und eine Innenbohrung von 28 mm besaß. Der Barren wurde in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von etwa minus 25°C gesintert und anschließend mittels eines Doms auf die Länge des Rohres extrudiert, wobei der Dorn an einem Extruderkolben angriff, wobei der Dorn sowohl durch die Bohrung des Barrens als auch durch die Extruderfarbe hindurchlief. Das extrudierte Rohr hatte einen äußeren Durchmesser von 31*25 mm und die Bohrung einen Innendurchmesser von 25 mm.

Der Kohlenstoffgehalt des extrudierten Rohres lag bei 1,01$ und der Sauerstoffgehalt bei I50 Teilen pro Million.

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Derartige Rohrstücke wurden durch Erhitzung auf 800°C geglüht und danach mit einer Geschwindigkeit von 10° pro Stunde auf unter 600°C und dann in Luft abgekühlt. Die Glühhärte der Rohrteile betrug 205 VPN. Eine bestimmte Zahl der geglühten Gegenstände wurde gehärtet, indem eine Erhitzung auf 84o°C erfolgte und die Gegenstände dann in öl abgeschreckt wurden, wonach eine Temperung bei 150⁰C erfolgte. Die Härte der wärmebehandelten Teile betrug 870 VPN.

Die gemäß der Erfindung aus niedrig legierten Pulvern hergestellten Gegenstände haben einen bedeutend geringeren Sauerstoffgehalt und zeigen eine gute Härtecharakteristik.

Patentansprüche 809819/0346

Claims

Patentansprüche :

1. Peinverteiltes Glühstahlpulver,
dadurch gekennzeichnet, daß es in Gewichtsprozent die folgenden Bestandteile aufweist: 1,5$ Kohlenstoff, 1,0 bis 2,0$ Chrom, weniger als 0,05$ Silicium, weniger als 0,1$ Mangan und entweder einen oder in Kombination mehrere der folgenden Bestandteile: 0,2 bis 1,0$ Molybdän, 0,2 bis 1,0$ Nickel, bis zu 0,3$ Phosphor und bis zu 1,0$ Kupfer, während der Rest abgesehen von Verunreinigungen Eisen ist.

2. Pulver nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß es in Gewichtsprozenten die folgende Zusammensetzung hat: 0,9 bis 1,1$ Kohlenstoff, 1,4 bis 1,6$ Chrom, weniger als 0,02$ Silicium, weniger als 0,05$ Mangan und entweder einen Bestandteil oder eine Kombination zweier oder mehrerer der folgenden Bestandteile: 0,5 bis 0,6$ Molybdän, 0,5 bis 0,6$ Nickel, bis zu 0,2$ Phosphor und 0,5 bis 0,6$ Kupfer, während der Rest, abgesehen von Verunreinigungen, Eisen ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines härtbaren Chrom-Stahl-Legierungspulvers mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 250 Teilen pro Million und einer Legierungszusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stahlschmelze der erforderlichen chemischen Zusammensetzung zerstäubt wird, daß das Pulver in einer Atmosphäre geglüht wird, die ganz oder teilweise aus Wasserstoff oder dissoziierbem Ammoniak besteht, wobei der Glühvorgang bei einer Temperatur zwischen 700

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900°C stattfindet, daß das Pulver oder hieraus durch Verdichtung hergestellte Gegenstände in einer Atmosphäre gesintert werden, die ganz oder im wesentlichen aus Viasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak besteht und einen Taupunkt von nicht mehr als minus 10⁰C besitzt, wobei der Sintervorgang bei einer Temperatur zwischen 900 und 1500⁰C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre durch Zusatz von Kohlenmonoxid angereichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre durch Zusatz von Kohlenwasserstoff gas angereichert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenwasserstoffgas Ethan oder Methan oder Butan oder Propan ist.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Glühvorgang dem Pulver Graphit zugesetzt wird, um die während des SinterVorganges auftretenden KohlenstoffVerluste zu kompensieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitzusätze in der Größenordnung zwischen 0,5 und 0,6 Gewichtsprozent liegen.

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Verfahren zur Herstellung von in der Wärme härtbaren Gegenständen unter Verwendung eines Legierungspulvers gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stahllegierungsschmelze zerstäubt wird um ein Pulver zu erzeugen, das folgende Bestandteile enthält: 1,5$ Kohlenstoff, 1,2 bis 2,0$ Chrom, weniger als 0,05$ Silicium, weniger als 0,1$ Mangan und entweder ein oder mehrere der folgenden Bestandteile in Kombination: 0,2 bis 1,0$ Molybdän, 0,2 bis 1,0$ Nickel, 0 bis 0,3$ Phosphor, 0 bis 1,0$ Kupfer und der Rest, abgesehen von Verunreinigungen Eisen, daß das Pulver in einer Atmosphäre geglüht wird, die ganz oder im wesentlichen aus Wasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak besteht, wobei die Glühtemperatur zwischen 700 und 900°C liegt, daß einer oder mehrere verdichtete Gegenstände aus dem geglühten Pulver hergestellt werden, daß diese Gegenstände dann in einer Atmosphäre gesintert werden, die vollständig oder im wesentlichen aus Wasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak besteht und einen Taupunkt von weniger als minus 10⁰C besitzt, wobei der Sintervorgang bei einer Temperatur zwischen 900 und 1300⁰C stattfindet und der Sauerstoffgehalt des Pulvers auf weniger als 250 Teile pro Million vermindert wird, und daß die Sinterkörper auf mehr als 99$ ihrer theoretischen Materialdichte verdichtet werden, und daß die verdichteten Gegenstände dann einer Wärmebehandlung unterworfen werden.

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10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß dem geglühten Pulver Graphit zugesetzt wird, um seinen Kohlenstoffgehalt auf einen Pegel anzuheben, der nach dem Sintervorgäng zu einem Kohlenstoffgehalt im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 Gewichtsprozent führt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörper entweder durch Heißpressen, durch Walzen, durch Schmieden oder durch einen Extruderprozeß verdichtet werden.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierungsschmelze dadurch zerstäubt wird, daß ein Wasserstrahl oder mehrere Wasserstrahlen mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche eines Schmelzstroms geschickt wird, der frei unter der Wirkung der Schwerkraft aus einem Gefäß herabfällt.

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