DE2728286A1

DE2728286A1 - Verfahren zur herstellung von praezisionskomponenten aus gesintertem stahl

Info

Publication number: DE2728286A1
Application number: DE19772728286
Authority: DE
Inventors: Per Folke Lindskog; Goeran Erik Wastenson
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1977-06-23
Publication date: 1978-01-05
Also published as: ES460045A1; ATA443977A; US4603028A; FR2355597B1; AU510259B2; JPS531610A; AT374210B; SE397780B; AU2637877A; IT1079252B; GB1522928A; FR2355597A1; CA1094362A

Description

GLAWE, DELFS, MOlL & PARTNEm

PATENTANWÄLTE

DR.-INQ. RICHARD GLAWE. MÖNCHEN DIPL-ING. KLAUS DELFS. HAMBURG DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN DIPL.-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG

8000 MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 LIEBHERRSTR. 20 TEL. (089) 22 65 48 TELEX 52 25 05

MÜNCHEN

A 81

2000 HAMBURG POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE 58 TEL. (040)410 20 TELEX 21 29 21

HÖGANÄS AB
Höganäs, Schweden

Verfahren zur Herstellung von Präzisionskomponenten aus gesintertem Stahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Präzisionskomponenten aus gesintertem Stahl auf pulvermetallurgischem Wege, wobei der Stahl durch hohe Festigkeit sowie durch hohe Duktilität gekennzeichnet ist.

Die Verwendung von Phosphor als Legierungselement in der Pulvermetallurgie zur Herstellung von gesinterten Komponenten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften ist bekannt. Pulvergemische, <iie bis zu 0,6 i» Phosphor

enthalten und aus Eisen- und Ferrophosphorpulver bestehen, sind zum Beispiel seit einigen Jahren verwendet worden (die hier und im folgenden verwendeten Prozentzahlen beziehen sich auf Gew.-^). Gesinterte Stähle, hergestellt durch Kompression und Sinterung derartiger Pulver, sind durch eine Kombination von hoher mechanischer Festigkeit und Duktilität gekennzeichnet. Diese Kombination macht Phosphorlegierungen anderen bekannten Legierungssystemen für gesinterte Stähle überlegen und scheint der wichtigste Grund für das Vordringen von Phosphor als Legierungselement zu aein. Während des Sinterns tritt jedoch eine unerwünschte erhebliche Schrumpfung der kompakten Rohlinge auf, insbesondere bei hohen Phosphorgehalten. Da einer der Vorteile der pulvermetallurgischen Herstellung in dem Umstand begründet ist, daß hierdurch die Massenherstellung von Komponenten mit guter Genauigkeit möglich ist, wird die Verwendbarkeit des Phosphors durch seine Eigenschaft, Schrumpfungen während des Sinterns zu verursachen, eingeschränkt. Es konnte gezeigt werden, daß dem Schrumpfen durch die Zugabe von Kupfer oder kleinen Mengen Graphit entgegengewirkt werden kann. In einem gewissen Umfang ist diese Methode bisher für gesinterte Legierungen mit Phosphorgehalten bis zu 0,6 i» angewendet worden.

Gerr:äi3 der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, hei dem die Möglichkeiten des Phosphors als Legierungs-

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element in größerem Umfang als bisher ausgenutzt werden können. Bei dem Verfahren der Erfindung werden gesinterte Komponenten erhalten die eine Festigkeit aufweisen, welche in günstiger Weise mit demjenigen der hoch-festen gesinterten Stähle mit den teuren, festigkeitsverbessernden Legierungselementen Nickel und Molybdän verglichen werden können. Gleichzeitig sind diese gesinterten Komponenten den vorgenannten gesinterten Stählen bezüglich der Duktilität überlegen. Weiterhin sind DimensionsVeränderungen während der Sinterung vernachlässigbar gering und in bezug auf kleine Veränderungen des Gehalts an den Legierungselementen relativ stabil.

Das Verfahren der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch auf der Basis von Eisen, das zusätzlich zum Eisen zwischen 0,65 und 1,1 # Phosphor, bis zu 0,6 # Kohlenstoff oder Graphitpulver und Schmiermittel enthält, zu kompakten Rohlingen komprimiert wird, die dann bei einer Temperatur zwischen 950 und 125O⁰C, vorzugsweise zwischen 1050 und 11500C 5 bis 90 Minuten, vorzugsweise 15 bis 30 Minuten, gesintert werden, und zwar in solch einer reduzierenden Atmosphäre, daß die Komponenten nach dem Sintern einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,05 und 0,6 $>, insbesondere zwischen 0,1 und 0,5 #, aufweisen. Der gewünschte Kohlenstoffgehalt wird durch den Umstand erhalten, daß der zugesetzte Kohlenstoff bzw. das Graphitpulver gelöst wird

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und/oder daß die Sinteratmosphäre ein solches Kohlenstoff potential aufweist, daß das Material karburisiert wird und den gewünschten Kohlenstoffgehalt erhält. Normalerweise tritt dies infolge des Umstandes ein, daß die Atmosphäre aus teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen besteht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfiihrungsbeispielen und Zeichnungen erläutert. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Aueführungsbeispielen und den Ansprüchen.

Beispiel 1

Zur Feststellung des Einflusses der Phosphor- und Kohlenstoffgehalte auf Dimensionsänderungen während des Sinterns wurden Pulvergemische hergestellt, die Eisenpulver, Ferrophosphorpulver mit einem Phosphorgehalt von 15,8 ?6 und Graphit pulver enthielten. Ee wurden Pulvergemische mit drei verschiedenen Phosphorgehalten, d.h. 0,65, 0,80 und 1,00 #, bereitgestellt. Für jeden Phosphorgehalt wurden unterschiedliche Graphitpulvermengen zugegeben, und zwar zwischen 0 und 0,45 £· Zusätzlich wurde Zinkstearatpulver als Schmiermittel zugesetzt.

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Die Pulvergemische wurden zu Zugfestigkeitstestbarren gemäß MPIP Standard 10-63 bei einem Druck von 588 MPa gepreßt. Die Versuchsbarren wurden in Sinterboxen mit einem Getterpulver gegeben und bei 1120⁰C 60 Minuten in Krackammoniak gesintert. Die Dimensionsänderung der der bei erhaltenen Barren ist in Fig. 1 gezeigt.

Beispiel 2

Die Zugfestigkeitstestbarren aus dem obigen Beispiel wurden auf ihre Zugfestigkeit und Bruchdehnung untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in dem Diagramm gemäß Fig. 2 gezeigt.

Es ergibt sich, daß hohe Phosphorgehalte, d.h. über 1 $, ein Festigkeitsmaximum bei 0,2 fo Kohlenstoffgehalt in dem gesinterten Stahl ergeben. Wenn der Kohlenstoffgehalt darüber hinaus vergrößert wird, verringert sich wiederum die Festigkeit, und zwar infolge der Bildung von Zementit. Phosphorgehalte von weniger als 1 $> ergeben jedoch, wie aus Beispiel 2 ersichtlich, eine kontinuierliche Zunahme der Festigkeit mit zunehmenden Kohlenstoffgehalten bis zu 0,5 % Kohlenstoff. Um eine hohe Festigkeit zu erhalten, sollte der Phosphorgehalt zwischen 0,7 und 0,9 # liegen, d.h. etwa bei 0,8 #. Ein solcher gesinterter Stahl erhält seine hohe Festigkeit ohne irgendeine nennenswerte Abnahme der Duktilität, die gewöhn-

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lieh bei gesinterten Stählen auftritt die andere, die Festigkeit erhöhende Legierungselemente enthalten. Weiterhin zeigt ein Material mit diesem Phosphorgehalt eine Dimensionsveränderung, die relativ stabil um Null innerhalb eines bestimmten Bereiches des Kohlenstoffgehaltes ist. Pur Phosphorgehalte von bis zu 0,8 56 liegt dieser Bereich zwischen 0,1 bis 0,5 $, wogegen der gesinterte Stahl einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,2 und 0,4 $> bei höheren Phosphorgehalten aufweisen sollte. Bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,35 $> ist die Dimensionsveränderung nahezu unabhängig von dem Phosphorgehalt. Die oben genannten Kohlenstoffgehalte beziehen sich auf die Kohlenstoffgehalte des gesinterten Stahls. Wie oben erwähnt, können die Kohlenstoffgehalte erhalten werden, indem man entweder die Sinterung in einer Karburisierungsatmosphäre durchführt oder ein Graphitpulver in das Eisen/Phosphor-Gemisch einmischt. In diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, daß die so zugesetzte Graphitmenge gewöhnlich einem in gewissem Umfang geringerem Endkohlenstoffgehalt in dem gesinterten Stahl entspricht.

Die pulvermetallurgische Herstellung durch Komprimierung eines Metallpulvers in Formen erfordert, daß eine gute Schmierung der Berührungsoberfläche zwischen dem Pulverkörper und der Form aufrecht erhalten wird.

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Dies kann dadurch erreicht werden, daß man dem Pulvergemisch ein festes Schmiermittel, z.B. Zinkstearat, zusetzt. Das zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung zu verwendende Pulver besteht aus nicht mehr als 1,5 $j vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,0 ^, eines festes Schmiermittels. Zusätzlich zu Eisen, Phosphor, Kohlenstoff und Schmiermitteln kann das Pulvergemisch geringe Mengen an Elementen enthalten, die nicht erwünscht sind, deren Vorkommen jedoch nicht verhindert werden kann, wenn man gewöhnliche Herstellungsverfahren verwendet.

Das zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendete Pulvergemisch besteht, wie oben erwähnt, aus einem Gemisch unterschiedlicher Komponenten. Die

Hauptkomponente ist ein Eisenpulver, das für die pulverig·

metallurgische Herstellung gesinteter Komponenten angepaßt ist. Es weist eine maximale Teilchengröße von weniger als 0,5 mm auf; die maximale Teilchengröße dieses Eisenpulvers beträgt vorzugsweise 0,15 mm. Die phosphorenthaltende Komponente des Pulvergemisches ist ein Ferrophosphorpulver, das einen solchen Phosphorgehalt aufweist, daß eine geschmolzene, phosphorreiche Phase bei der Sinterung bei den oben genannten Temperaturen bereitgestellt wird. Diese wird erhalten, wenn der Phosphorgehalt des Ferro phosphors mehr als 2,8 9& beträgt. Ein geeigneter maximaler Gehalt scheint 27 $> zu sein. Für

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die meisten Anwendungsarten ist jedoch ein Phosphorgehalt in dem Perrophosphorpulver von 14 bis 27 $> bevorzugt.

Die Teilchengröße des Ferrophosphorpulvers hat sich für die Zähigkeitseigenschaften des phosphorlegierten gesinterten Stahls als von kritischer Bedeutung erwiesen. Eine zu hohe Teilchengröße des Ferrophosphorpulvers verursacht Sprödigkeitsbrüche des gesinterten Stahls. Die maximale Teilchengröße des Ferrophosphorpulvers sollte daher 45 um übersteigen und sollte vorzugsweise unterhalb von 20 um sein.

Zusätzlich zu Eisenpulver, Ferrophosphorpulver und Schmiermittel enthält das Pulvergemisch Graphitpulver. Das Graphitpulver sollte eine Teilchengröße von weniger als 20 um, vorzugsweise weniger als 10 um, insbesondere weniger als 5 um, aufweisen.

In diesem Falle besteht ein großer Unterschied zwischen den Teilchengrößen der Pulverkomponenten des Gemisches. Dies führt zu einem besonders großen Risiko bezüglich einer Entmischung, welche eine ungleiche Verteilung der Legierungselemente verursacht. Um die Entmischungstendenz des Gemisches in Zusammenhang mit der Mischoperation zu verringern, kann man während des Mieohene 50 bis 200 g dünnflüssiges Mineralöl pro metrische Tonne Pulver während

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der Mischungsoperation zusetzen. Dies trägt dazu bei, daß die kleinen Legierungsteilchen an den größeren Eisenpulverteilchen haften.

Um einen noch besseren Schutz gegen die Entmischung zu erreichen, kann man das Eisen/Ferrophosphor-Pulvergemisch (ohne Zugabe von Graphit und Schmiermittel) mit oder ohne ölzugabe in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 650 und 900⁰C für eine Zeitspanne von 15 Minuten bis 2 Stunden erhitzen. Dadurch wird das Pulver lose zusammengesintert, so daß eine folgende vorsichtige Zerkleinerung bewirkt werden muß, um die originale Teilchengröße wieder herzustellen. Das so erhaltene Pulver weist Eisenteilchen mit daran angesinterten feinkörnigem Ferrophosphorpulver auf und wird anschließend mit Graphit und Schmiermittel vermischt.

Die oben genannten Verfahren zur Verhinderung des Entmischens können an einem Gemisch ausgeführt werden, das einen erhöhten Anteil an Perrophosphorpulver aufweist. Das so erhaltene Konzentrat kann dann mit Eisenpulver gemischt werden, um den gewünschten Phosphorgehalt in dem Endprodukt einzustellen.

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Claims

2728285 Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Präzisionskomponenten mit hoher Festigkeit und Duktilität aus gesintertem Stahl durch pulvermetallurgische Verarbeitung, dadurch gekennzeichnet , daß man ein Pulver, das zu 0,65 bis 1,10 Gew.-#, insbesondere 0,65 bis 1,00 Gew.-%, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.-?6 und speziell 0,8 Gew.-# aus Phosphor, zu 0 bis 0,6 Gew.-56, insbesondere 0,1 bis 0,5 Gew.-# und vorzugsweise 0,3 bis 0,5 Gew.-% aus Graphit oder Kohlenstoffpulver und zu 0 bis 1,5 Gew.-^ vorzugsweise 0,5 bis 1,0 Gew.-#, aus einem festen Schmiermittel, Rest Eisen sowie gewöhnlich zugegen, zusätzliche Elemente, besteht, in Formen zu kompakten Rohlingen preßt und die Rohlinge bei einer Temperatur von 950 bis 125O⁰C, vorzugsweise 1050 bis 1150⁰C 5 bis 90 Minuten, vorzugsweise 15 bis 30 Minuten, sintert, und zwar in einer reduzierenden Atmosphäre, gewöhnlich teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen, die ein solches Kohlenstoffpotential aufweist, daß die Komponenten einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,6 Gew.-^, insbesondere 0,1 bis 0,5 Gew.-#, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 Gew.-#, speziell 0,35 Gew.-$, durch Auflösen des in dem Pulver eingeschlossenen Kohlenstoffs

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und/oder durch Kohlenstoffaufnahme aus der Atmosphäre erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Phosphorgehalt des Pulvers 0,65 bis 0,8 Gew.-# beträgt und die Komponenten mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,5 Gew.-<$> hergestellt werden.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Phosphorgehalt des Pulvers 0,8 bis 1,0 Gew.-# beträgt und die Komponenten mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 bis 0,4 Gew.-# hergestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Phosphorgehalt des Pulvers 0,8 Gew.-# beträgt und die Komponenten mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,35 Gew.-# hergestellt werden.

5· Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Pulver aus einem Gemisch an ein Eisenpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,15 mm, Ferrophosphorpulver mit einem Phosphorgehalt von 2,8 bis 27 #, vorzugsweise 14 bis 27 # und einer maximalen Teilchengröße von weniger als 45 um, vorzugs-

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weise weniger ale 20 tun, Graphit pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 20 μχα, vorzugsweise weniger als 10 um, insbesondere weniger als 5 um sowie einem festen Schmiermittel, z.B. Zinkstearat, besteht.