DE3027785C2

DE3027785C2 - Verfahren zur Herstellung gesinterter Eisen-Kupfer Legierungen hoher Dichte

Info

Publication number: DE3027785C2
Application number: DE19803027785
Authority: DE
Inventors: Tadao Kashiwa Chiba Hayasaka; Shigeru Ozwawa; Masahiro Tokio Suzuki; Yoshiaki Matsudo Chiba Takeya
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1979-07-29
Filing date: 1980-07-23
Publication date: 1988-03-03
Also published as: JPS5844004B2; JPS5621611A; DE3027785A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Legierungen auf der Basis von Eisen und Kupfer, die eine größere Dichte aufweisen als herkömmliche Legierungen des gleichen Typs. Es besteht darin, daß man die Ausdehnung von hauptsächlich aus Eisen- und Kupferpulver bestehenden Preßkörpern während des Sintervorganges unterdrückt

Kupfer steife den am meisten verwendeten Legierungsbestandteil von gesinterten Legierungen auf der Basis von Elsen dar. Diese Eisen-Kupfer-Legierungen bilden eine Grundkomponente für eine Vielzahl gesinterter Materialien.

Die gesinterten Legierungen auf der Basis von Eisen und Kupfer haben den schwerwiegenden technischen Nachteil, daß sie sich während des Sintervorganges wesentlich ausdehnen, was als Kupferwachstumsphänomen bezeichnet wird. Mit anderen Worten, die zur Zeit im Handel erhältlichen gesinterten Gegenstände oder Teile werden di'rch Formpressen von Pulvern zu Preßkörpern hergestellt, die die gleiche Dimension aufweisen, wie öie gewünschten Gegenstände, wobei die Form so beschaffen ist, daß sie eiw* Dimensionsänderung während des Sinterns ermöglicht, worauf die Preßkörper gesintert und dann nachbehandelt werden, zum Beispiel dimensioniert oder gestanzt werden. Dementsprechend führt eine zu große Dimensionsänderung zu einer größeren Variation in den Abmessungen der Preßkörper. Es ist daher sehr schwierig, selbst durch Dimensionierung Teile mit der erforderlichen Dimensionsgenauigkeit zu erhalten.

Als Folge der Ausdehnung während des Sintervorganges fällt die Festigkeit der Preßkörper unter hohen Drücken auf einen solchen Grad, daß sie nicht für mechanisch beanspruchte Teile verwendet werden.

Die für mechanisch beanspruchte Teile bestimmten gesinterten Materialien sollten daher aus verschiedenen Gründen, einschließlich wirtschaftlicher, während des Sin'.ervorganges einer Dimensionsveränderung von nicht mehr als 0,4% unterliegen, bezogen auf die Dimension der verwendeten Form.

Es wurden bereits verschiedene Versuche gemacht, um das Kupferwachstumsphänomen zu unterdrücken. Zum Beispiel hat man vorgeschlagen, dieses Phänomen durch die Zugabe von Kohlenstoff, Phosphor, Nickel und dergleichen zu unterbinden. Bis jetzt hat man jedoch noch keinen Zusatz gefunden, der zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt. Die Zugabe von Kohlen-Stoff hat, wenn der Kupfergehalt niedrig ist, einen gewissen Effekt. Bei einem Kupfergehalt von nicht unter 5% ist es jedoch unmöglich, die gewünschte Dimensionsveränderung zu erreichen. Dies ist auch bei Verwendung von Phosphor der Fall. Die Verwendung von Phosphor oder Kohlenstoff in größerer Menge verursacht, daß die Sinterkörper härter werden, was zu Schwierigkeiten bei der Dimensionierung nach der Sinterung führt. Nickel ist wirksam, wenn es in größerer Menge verwendet wird. Dies ist jedoch kostspielig und unwirtschaftlich. .

Die mit anderen Elementen erzielten Ergebnisse sind in derTabelle 1 zusammengestellt.
Ferner hat man vorgeschlagen, das Küpferwachstum durch Sintern bei niedrigen Temperaturen zu verhindern. Aber auch dies ist "unpraktisch, da das Kupferwachstum : schon bei einer Temperatur "von 910⁰C beginnt, das ist die Obefgangstemperatur vorireinem

ι ο Eisdn aus der α-in dieJJ-Phase.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Legierungen auf der Basis von Eisen und Kupfer mit hoher Dichte, die die oben .aufgeführten Nachteile nicht besitzen, insbesondere die Herstellung einer Sinterlegierung hoher Dichte, die hauptsächlich aus Eisen und bis zu 50 Gew.-% aus Kupfer besteht Nach diesem. Verfahren werden zur Unterdrückung oder Beschränkung des Kupferwachstumsphänomens während des Sinterns nicht unter 0,03% Bor zugesetzt Die so hergestellten Sinterlegierungen können für Lager und ähnliche Teile verwendet werden.

In den Abbildungen zeigt
F i g. 1 den Einfluß des Bors in bezug auf den Kupfergehalt und die Dimensionsänderung während des Smtervorganges der aus Eisen und Kupfer bestehenden Legierung;

Fig.2 die Beziehung zwischen dem Borgehalt und der Dimensionsänderung;

F i g. 3 die Beziehung zwischen der Sintertemperatur und der Dimensionsänderung;

F i g. 4 die Beziehung zwischen Kohlenstoffgehalt und Dimensionsänderung und
F i g. 5 die Beziehung zwischen Kupfergehalt und dem Prozentanteil der erreichbaren Sinterdichte.

Aus der F i g. 1 geht der Einfluß des Bors auf die Dimensionsänderung des aus einer Mischung von Eisen- und Kupferpulver bestehenden Preßkörpers während des Sinterns hervor, wobei die Dimensionsänderung während des Sinterns auf der Ordinate und der Kupfergehalt im Preßkörper auf der Abszisse eingezeichnet ist Bei der Herstellung der Proben werden feinteilige Eisenpulver mit einer Teilchengröße von nicht über 0,149 mm und einer Reinheit von nicht unter 99% mit einer Menge pulvrigen Elektrolytkupfers mit einer Teilchengröße von nicht über 0,074 mm und einer Reinheit von nicht unter 99,6% und 0,5% Zinkstearat als Gleitmittel gut vermischt. Wenn die Probe Bor enthalten soll, wird eine vorgegebene Menge Eisen-Bor-Pulver mit einer Teilchengröße von nicht über 0,063 mm und einem Borgehalt von 20% zugesetzt. Das Gemisch wird unter einem Druck von 5 t/cm³ zu 12,7-31,8-5 mm messenden Teststücken verformt. Die Sinterung wird in einer Atmosphäre, die durch 30 Minuten langes Zersetzen von Ammoniak bei 1130⁰C erhalten wurde, in einem Sinterofen durchgeführt

Aus der F i g. 1 geht hervor, daß der Wachstumskoeffizient einer Probe ohne Bor mit zunehmendem Kupfergehalt ansteigt, bei einom Kupfergehalt von 8 bis 10% ein Maximum erreicht und dann wieder abfällt. So beträgt der Wachstumskoeffizient 2% bei einem Kupfergehalt von 5% und etwa 2,5% bei einem Kupfergehalt von 8%, bezogen auf die Dimension der Form. Aus den vorstehend genannten Gründen sollte der Kupfergehalt auf 1% beschränkt werden, damit die Dimensionsveränderung auf nicht mehr als 0,4% verringert wird. Dies erlegt den Eigenschaften der

Legierung schwerwiegende Beschränkungen auf.

Eine Probe, die 025% Bor enthält, schrumpft jedoch ungeachtet der Größe ihres Kupfergehaltes. Es wurde auch gefunden, daß die Probe bis zu 8% Kupfer enthalten kärin, wenn die Schrumpfung auf nicht über 0,4% begrenzt wird.

Die F ig. 2 zeigt grafisch die Beziehung zwischen dem Borgehalt und der Dimensionsänderung einer 8% Kupfer enthaltenden Probe mit großem WachstumskoeffizientenDiese Darstellung dient der Ermittlung der unteren Grenze des Borgehaltes, der zur Unterdrükkung dps Kupferwachstumsphänomens erforderlich ist, und zeigt an, daß Bor in einer Menge von nur 0,03% bereits wirksam ist.

Fig.3 zeigt die Beziehung zwischen Sintertemperatür und Dimensionsveränderung, wobei der Wachstumskoeffizient einer borfreien Probe mit der Sintertemperater ansteigt, während eine borhaltige Probe mit ansteigender Sintertemperatur eher einer Schrumpfung unterliegt. Der Einfachheit halber bezeichnet der Ausdruck »Sintertemperatur 0« in dieser Figur den unbehandelten Preßkörper vordem Sintern.

F i g. 3 zeigt auch, daß das Kupferwachstum bei etwa 800⁰C einsetzt und bei einer Temperatur mäßig ist, die die Obergangstemperatur reinen Eisens von der «- in die /?-Phase überschreitet, und drastisch ist bei einer Temperatur, die über den Schmelzpunkt von Kupfer bei 1083⁰C hinausgeht Dieses Phänomen wird durch die Legierungsbildung hervorgerufen. Das Eisengerüst dehnt sich durch Diffusion der Kupferatome in das Kristallgitter des Eisens aus, ferner durch die dabei eintretende Unterbrechung des intergranularen Eisenbereiches infolge des Eindringens der restlichen flüssigen Kupferphase in diesen Bereich.

Auf der anderen Seite verursacht die Zugabe von Bor zum Fe-Cu-System die gemeinsame Ausfällung des Bors als ternäre Phase aus Fe-Cu-B innerhalb der kristallinen Eisenteilchen. Diese Phase wird rasch bei einer Temperatur von nicht unter 1050⁰C gebildet und verringert die Konzentration des in das Kristallgitter des Eisens diffundierten Kupfers. Als Folge tritt keine Ausdehnung des Eisengitters ein. Im Fe-B-System verhindert das Bor die Diffusion des Kupfers in gleicher Weise wie Kohlenstoff. Es scheint, daß diese Effekte das Kupferwachstumsphänomen synergistisch unterdrükken.

Der Einfluß, den der Kohlenstoffgehalt auf die Dimensionsänderung hat, wurde dann unter Verwendung von gesintertem Fe-Cu-Stahl ermittelt, der 8% Kupfer enthielt und einen großen Wachstumskoeffi- '" zienten aufwies. Die Versuche wurden mit borhaltigen und borfreien Proben durchgeführt. Die F i g. 4 zeigt die Ergebnisse. Der zugesetzte Kohlenstoff bestand aus Graphit und die Teststücke waren unter den gleichen Bedingungen hergestellt worden, wie die in Verbindung ^5> mit der F i g. 1 genannten.

Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß bei der borfreien Kontrollprobe das Kupferwachstumsphänomen noch in unzureichender Weise unterdrückt ist. Außerdem liegt die Oberflächenhärte des Sinterkörpers in der Größen-Ordnung von über 70 nach der Rockwell B-Skala und ist damit so hoch, daß durch Bearbeitung keine wirtschaftlich vertretbaren Verbesserungen in der Dimensionsgenauigkeit erzielt werden können.

Auf der anderen Seite «igt die eine geeignete Menge ^b5 Bor enthaltende Probe* daß ihre Schrumpfung durch die Wechselwirkung mit dem Kohlenstoff gemäßigt wird, so daß die Dimensioni-Veränderung während des

4") Sinterns im wesentlichen 0 erreicht Außerdem liegt die Oberflächenhärte des Sinterkörpers nicht über 70 nach der Rockwell B-Skala, ungeachtet der Menge des Kohlenstöffgehaltes: Damit verursacht die Dirnensionierung keine Probleme.

In der Tabelle 1 ist ein TeQ der mit Elementen erhaltenen Ergebnisse zusammengestellt, die im wesentlichen das gleiche Verhalten zu zeigen scheinen, wie Bor. Der Grund für die Auswahl dieser Elemente ist, daß sie der gleichen Gruppe» angehören wie Bor und ähnliche chemische Eigenschaften sowie legierungsbildende Eigenschaften besitzen wie dieses. Jedoch erwiesen sich alle anderen Elemente außer Bor als nicht zufriedenstellend.

Tabelle Γ

Vergleich verschiedener Elemente

JO

j>

Zugesetzte	Art der	Dimensions
Elemente	Pulver-Zugabe	änderung
Keines		2,5%
Aluminium	metallisch	6,1
Schwefel	Fe-S	3.3
Schwefer	MoS₂	2,0
Lithium	Stearat	2,8
Zink	metallisch	2,4
Titan	metallisch	2,4
Blei	metallisch	2,3
Silicium	Fe-Si	2,0
Zinn	metallisch	1,8
Phosphor	Fe-P	1,2
Phosphor	roter Phosphor	1,0
Kohlenstoff	Graphit	1,0
Bor	B₄C	-0,1
Bor	Fe-B	-0,2
Bor	Cu-B	-0,6

Zugesetzte Menge: 0,5%; Matrix: Fe + 0,8% Cu

Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse aus einer Reihe gesinterter Legierungen auf der Basis Fe-Cu, die noch andere Legierungselemente enthielten. Aus diesen Werten ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäSe Lehre auf alle Legierungen auf der Basis Fe-Cu anwendbar ist, da durch die Zugabe von Bor die Dimensionsänderung verringert oder beschränkt wird.

Tabelle 2

Legierungen	mit den	Ni	Cr	angegebenen	Eisen	Dimensions
Komponenten außer	1,4	—	8% Kupfer und		änderung, %
als Rest- %	1,4	-		B
C	1,4	-	Mo Mn	_
—	-	2,0	_ _	0,15	+ 2,00
-	-	2,0	-	0,15	-0,09
0,30	-	0,7	-	-	-0,06
0,30	-	-	-	0,15	+ 1,4.5
0,30	-	-	-	0,15	-0,02
0,10	-	-	-	-	-0,25
0,05		i,5	0,15	+ 1,87
0,05	1,5	0.15	0
0,20	1.5	+ 0.20

Fortsetzung

Legierungen mit den angegebenen Komponenten außer 8% Kupfer und Eisen als Rest, %

Ni

Cr

Mo Mn B

3,0 3,0 -

1,0

ι,ο

0,5 0,5 0,2 0,2

0,6
0,6

Dimensionsänderung, %

+ 1,57 0,15 +0,18

+ 1,46 0,15 +0,39

Als Ergebnis von Untersuchungen, welchen Einfluß Bor auf Fe-Cu-Materialien mit hohem Kupfergehalt hat, wurde gefunden, daß durch die Zugabe einer geeigneten Menge Bor die Dichte auf den gleichen Wert erhöht werden kann, wie durch die Schmelzimprägnierung mit Kupfer.

Die in der F i g. 5 gezeigten Ergebnisse sind von Interesse. Das heißt, die Dichte der Legierung ohne Bor fällt bei einem Kupfergehalt zwischen etwa 10 bis 20% stark ab und steigt mit zunehmendem Kupfergehalt allmählich an. Der Wert von reinem Eisen ist schließlich bei einem Kupfergehalt von 40% erreicht. Auf der anderen Seite steigt die Dichte einer Legierung mit einem Borgehalt von 0,1% gleichmäßig mit dem Kupfergehalt an und erreicht bereits bei 15% Cu einen Wert von nicht unter 92% der theoretischen Dichte.

Bisher wurde ein solches Ergebnis nur durch Kupferschmelzimprägnierung erreicht. Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung von Sinterkörpern hoher Dichte in einer Qualität, die einer durch Schmelzimprägnierung mit Kupfer erhaltenen äquivalent oder sogar überlegen ist.

Der Zusatz von Bor verhindert also das Kupferwachstumsphänomen in gesintertem Fe-Cu-Stahl, was vom technischen Standpunkt von großer Bedeutune ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1
Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung gesinterter Legierungen aus Eisen und bis zu 50Gew.-% Kupfer mit hoher Dichte, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung oder Beschränkung des Kupferwachstumsphänomens während des Sinterns mindestens 0,03% Bor zugesetzt werden.