DE3313736A1 - Hochfester formkoerper aus einer mechanisch bearbeitbaren pulvermetall-legierung auf eisenbasis, und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Hochfester formkoerper aus einer mechanisch bearbeitbaren pulvermetall-legierung auf eisenbasis, und verfahren zu dessen herstellung

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DE3313736A1 DE19833313736 DE3313736A DE3313736A1 DE 3313736 A1 DE3313736 A1 DE 3313736A1 DE 19833313736 DE19833313736 DE 19833313736 DE 3313736 A DE3313736 A DE 3313736A DE 3313736 A1 DE3313736 A1 DE 3313736A1
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    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Description

tlSCHER" ■ KERN & BREHN
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Albert-Rosshauptor-Strnsee 65 D 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 Telex 05-212284 patsd Teleoramme Kernpatent Münchi
IMPERIAL CLEVITE INC. 15. April 1983
540 East 105th Street IC-27
Cleveland, Ohio 44108
U.S.A.
Hochfester Formkörper aus einer mechanisch bearbeitbaren Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis, und Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung hochfester Formkörper aus einer hochdichten Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis, die ihrerseits durch hohe Festigkeit und außerordentlich gute mechanische Bearbeitbarkeit charakterisiert ist.
In der Fachwelt ist bekannt, daß die Festigkeit von nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Eisenlegierungen gesteigert werden kann, wenn der Legierung bestimmte kleinere Mengen an Kupfer zugefügt werden. Obwohl der Kupferzusatz bestimmte wünschenswerte Ergebnisse hinsichtlich der Festigkeitssteigerung
ergibt, führt ein solcher Kupferzusatz leider auch zu bestimmten nachteiligen Auswirkungen. Hierzu gehört beispielsweise, daß der Kupferzusatz zu üblichen Eisenlegierungen häufig eine Warmbrüchigkeit oder Warmrissigkeit hervorruft, d.h., entsprechende Legierungen weisen im Inneren eine außerordentlich starke Rißbildung auf.
Um dieses Problem der Warmbrüchigkeit oder Warmrissigkeit zu überwinden, sind hochdichte Eisenlegierungen mittels konventioneller Pulvermetall-Technologie erzeugt worden. Die Erzeugung dieser Formkörper erfolgte in der Weise, daß bereits dem rohen Formkörper die fertige Gestalt erteilt wurde. Wenn es jedoch trotzdem erforderlich geworden ist, an den fertigen Formkörpern noch eine mechanische Bearbeitung vorzunehmen, traten Schwierigkeiten auf, weil sich diese fertigen Formkörper nur schlecht mechanisch bearbeiten ließen.
Davon ausgehend besteht die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen hochfesten Formkörper aus einer hochdichten Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis bereitzustellen, der eine außergewöhnliche Festigkeit und ein hohes Ausmaß an mechanischer Bearbeitbarkeit aufweisen soll. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkörpers anzugeben.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und dieses Zieles ist ein Formkörper mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. ein Verfahren mit den in Anspruch 9 angegebenen Maßnahmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem Gesichtspunkt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einer mechanisch bearbeitbaren, warmverformten Pulvermetall-
Legierung auf Eisenbasis, welches Verfahren die nachstehenden Schritte vorsieht:
-es wird ein Teilchengemisch bereitgestellt, das besteht aus:
etwa 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,16 bis 0,35 Gew.-% Schwefel, etwa 0,4 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, und Rest Eisen einschl. 0 bis etwa 2 Gew.-% üblicher, bzw. herstellungsbedingter Verunreinigungen; -aus diesem Teilchengemisch wird ein roher Formkörper mit bestimmter Gestalt geformt;
-der rohe Formkörper wird bei einer ausreichend hohen Temperatur gesintert, um die angestrebte Legierung zu erzeugen; und
-am gesinterten Formkörper wird eine Warmumformung durchgeführt, um einen warmverformten Formkörper bereitzustellen, dessen Dichte nahe an seine theoretische Dichte herankommt.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung einen Formkörper aus einer warmverformten Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis, welcher Formkörper bei einem Verfahren mit folgenden Schritten erhalten worden ist:
-es wird ein Teilchgengemisch bereitgestellt, das besteht aus:
etwa 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,16 bis 0,35 Gew.-% Schwefel, etwa 0,4 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, und Rest Eisen einschl. 0 bis etwa 2 Gew.-% üblicher, bzw. herstellungsbedingter Verunreinigungen; -aus diesem Teilchengemisch wird ein roher Formkörper mit bestimmter Gestalt geformt;
-der rohe Formkörper wird bei einer ausreichend hohen Temperatur gesintert, um die angestrebte Legierung zu erzeugen; und
-am gesinterten Formkörper wird eine Warmumformung durchgeführt, um einen warmverformten Formkörper bereitzustellen, dessen Dichte nahe an seine theoretische Dichte herankommt.
Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung für den Formkörper bzw. die Pulvermetall-Legierung vorgesehene Zusammensetzung ist eine solche, die kleine Mengen Kupfer, Schwefel und. Kohlenstoff enthält, deren größerer Bestandteil jedoch Eisen ist. Die Zusammensetzung kann bis zu 2 Gew.-% Beimengungen bzw. Verunreinigungen enthalten; hierzu gehören etwa Magnesium, Silicium und Aluminium.
Zur praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung werden Kupferteilchen, Schwefelpulver, Kohlenstoffpulver, Eisenteilchen und ein geeignetes Schmier- bzw. Gleitmittel innig miteinander vermischt, bis sie eine homogene Masse bilden. Die verschiedenen Legierungskomponenten der Mischung werden in einem solchen Anteil verwendet, daß die fertige Mischung besteht aus ungefähr 1,0 bis ungefähr 3,0 Gew.-% Kupfer, ungefähr 0,16 bis ungefähr 0,35 Gew.-% Schwefel, ungefähr 0,4 bis ungefähr 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, wobei der Rest aus Eisen besteht und 0 bis etwa 2 Gew.-% übliche Beimengungen und Verunreinigungen enthalten kann. Die genaue Teilchengröße der einzelnen Legierungskomponenten ist nicht von besonderer Bedeutung; erforderlich ist lediglich, daß sich diese Legierungsteilchen leicht verdichten lassen, um einen rohen Formkörper zu ergeben, der dann anschließend entsprechend den Vorschriften dieser Erfindung weiter behandelt werden kann.
- ίο -
Obwohl es im Rahmen der Erfindung keine notwendige Maßnahme darstellt, ist es übliche Praxis, dem Gemisch der Legierungselemente ein Schmier- oder Gleitmittel zuzusetzen. Dies erfolgt, um das Vermischen zu fördern und die Verdichtung zu erleichtern. Zu diesem Zweck sind verschiedene Schmierbzw. Gleitmittel bekannt. Zu solchen Schmier- bzw. Gleitmitteln gehören beispielsweise Zinkstearat und ACROWAX (ein synthetisches Wachs aus Fettsäure-Diamiden, das von der Glycol Chemical Inc., New York, N.Y. hergestellt und vertrieben wird). Da jedoch die im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Schmier- bzw. Gleitmittel in der Pulvermetallurgie gut bekannt sind, sollen sie hier nicht im einzelnen erörtert werden.
Nachdem eine homogene Mischung aus den oben erläuterten Bestandteilen erzeugt worden ist, wird aus einer angemessenen Menge davon ein roher Formkörper mit einer bestimmten Gestalt geformt. Diese Formgebung erfolgt durch Verdichtung einer ausgewählten Menge des Teilchengemisches in einer Form, etwa einer Blockform oder dgl. Das Ausmaß der Verdichtung ist nicht von besonderer Bedeutung, wichtig ist jedoch, daß eine so starke Verdichtung vorgenommen worden ist, daß die nachfolgenden Verfahrensschritte, nämlich die Sinterung und die Warmumformung, einen Formkörper ergeben, dessen Dichte nahezu seine theoretische Dichte erreicht. In der Praxis ist es wünschenswert, das un-gesinterte Legierungsmaterial zu einer Dichte zu verdichten, die mehr als 75 % der theoretischen Dichte ausmacht.
An dem auf diese Weise verdichteten Gegenstand wird anschliessend eine Sinterbehandlung durchgeführt; die Sinterung erfolgt bei ausreichend hoher Temperatur und für eine ausreichend lange Zeitspanne, um eine Legierung der gewünschten Zusammensetzung zu erzeugen. Die genauen Sinterungsparameter sind
eine Funktion der genauen Anteile der ausgewählten Bestandteile zur Erzeugung der gewünschten Pulvermetall-Legierung. Obwohl die Sinterung unter inerter Atmosphäre durchgeführt werden kann, ist es bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung wünschenswert, eine kontrollierte, endotherme Atmosphäre vorzusehen. Da diese Arten einer Atmosphäre ebenfalls in der Fachwelt gut bekannt sind, müssen sie hier nicht im einzelnen erörtert werden.
Im Anschluß an die Sinterung wird an dem gesinterten Formkörper eine Warmumformung durchgeführt, etwa als Warm-Schmiede-Behandlung. Diese Warmumformung (d.h. die Warm-Schmiede-Behandlung) wird in üblicher Weise mit solcher Intensität durchgeführt, daß danach ein warmverformter Pulvermetallgegenstand erhalten wird, dessen Dichtewert ungefähr 99 % oder mehr seiner theoretischen Dichte ausmacht.
Der auf diese Weise erzeugte hochfeste, warmverformte Pulvermetallgegenstand kann anschließend leicht mechanisch bearbeitet werden. Bei einer solchen mechanischen Bearbeitung kann es sich beispielsweise um eine spanabhebende Verformung handeln. Der erhaltene Gegenstand ist ein Formkörper aus einer Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis, welche eine außergewöhnlich hohe Festigkeit und eine ausgezeichnete mechanische Bearbeitbarkeit aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend noch mehr im einzelnen mit Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel erläutert, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Dieses Beispiel soll jedoch lediglich zur Erläuterung der Erfindung dienen, und diese nicht einschränken.
1, Es wird ein geeignetes Mischgerät ausgewählt, und dieses zuerst mit rohem Eisenpulver gespült, um jegliche Verunreinigungen daraus zu entfernen.
2. Das Mischgerät wurde daraufhin mit 34 kg Kupferteilchen, 5,67 kg Schwefelpulver, 13,6 kg Kohlenstoffpulver, 22,7 kg Schmiermittel (ACROWAX) und 1.134 kg Eisenpulver beschickt. Die Kupferteilchen wiesen eine solche Teilchengröße auf, daß 100 % ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm passierten. Das Schwefelpulver wies eine solche Teilchengröße auf, daß 100 % ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm passierten. Das Kohlenstoffpulver wies eine solche Teilchengröße auf, daß 100 % ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm passierten. Das Eisenpulver wies eine solche Teilchengröße auf, daß 100 % ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,175 mm passierten. Im einzelnen wies das Eisenpulver folgende spezifische Korngrößenverteilung auf:
0,1 % passierten ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,177 mm und wurden von einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 mm zurückgehalten (nachstehend kurz Korngrößenbereich 0,177 bis 0,149 mm); 12,1 % Korngrößenbereich 0,149 bis 0,105 mm;
29.5 % Korngrößenbereich 0,lo5 bis 0,074 mm; 15,4 % Korngrößenbereich 0,074 bis 0,062 mm; 19,3 % Korngrößenbereich 0,062 bis 0,044 mm; und
23.6 % Korngrößenbereich kleiner 0,044 mm.
Das Schmier- bzw. Gleitmittel (ACROWAX) wies eine solche Korngrößenverteilung auf, daß 99,9 % ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm passierten.
3. Die oben bezeichneten Materialien wurden daraufhin vermischt, um eine homogene Verteilung der Pulver zu gewährleisten.
4. Dem erhaltenen Gemisch wurden daraufhin 1.081,1 kg Roheisen-Pulver zugefügt, das ebenfalls die oben angebene Korngrößenverteilung aufwies.
5. Diese Pulver wurden erneut angenähert 30 min lang miteinander vermischt, um ein homogenes Teilchengemisch zu erhalten.
6. Das Teilchengemisch wurde daraufhin untersucht, um zu gewährleisten, daß tatsächlich die angestrebte hohe Homogenität gewährleistet war.
7. Ein angemessener Anteil des Teilchengemisches wurde
daraufhin in den Hohlraum einer Blockform gegeben und
2 unter einem Druck von angenähert 463,3 N/mm (30 tons per square inch) zu einer Dichte im Bereich von ungefähr 6,1 bis 6,7 g/cm brikettiert. Der auf diese Weise erhaltene, brikettierte rohe Formkörper war selbsttragend und wies eine im wesentlichen zylindrische Gestalt auf mit zwei gegenüberliegenden vertikalen Ösen oder "Augen", die von den Seitenwänden abstanden.
8. Der auf diese Weise geformte Gegenstand wurde daraufhin in einen Ofen gebracht und unter einer kontrollierten endothermen Atmosphäre gesintert. Die Sinteratmosphäre bestand aus einem Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Kohlendioxid, Methan und Wasser. Der in Rede stehende Gegenstand wurde ungefähr 20 min lang bei einer Temperatur von angenähert 1.121°C innerhalb dieser Atmosphäre gehalten, um die angestrebte Legierungszusammensetzung zu erzeugen.
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- 14 -
9. Der auf diese Weise gesinterte Gegenstand wurde daraufhin aus dem Sinterofen herausgenommen und im noch warmen Zustand (angenähert 1500C) mit einer Graphit/Wasser-Suspension beschichtet, so daß das Wasser verdampfen konnte und der Graphit auf der Oberfläche des Gegenstandes niedergeschlagen wurde.
10.Der mit Graphit überzogene Gegenstand wurde daraufhin in einer gesteuerten endothermen Atmosphäre auf eine Umformungstemperatur von angenähert 1.0380C erhitzt.Das im einzelnen angewandte Erhitzungsprogramm bestand darin, den Gegenstand zuerst auf eine Temperatur von 760 C zu erwärmen, daraufhin ihn auf eine Temperatur von 1.121°C zu bringen, und schließlich eine Temperatur von 1038 C zu erreichen. Auf jeder der genannten Temperaturen wurde der Gegenstand angenähert 8 bis 10 min lang gehalten.
11.Der auf diese Weise warm behandelte Gegenstand wurde daraufhin in die Aushöhlung einer Form gebracht, und unter
2 einer Druckkraft von angenähert 772,2 bis 818,5 N/mm (50 bis 53 tons per square inch) verdichtet, um einen Gegenstand zu erhalten, der eine Scheindichte (apparent density) von 7,8 g/cm aufwies.
12.Der warmgeformte Gegenstand wurde daraufhin aus der Form entnommen und an Umgebungsluft auf Raumtemperatur abgekkühlt.
13.Der warmverformte Gegenstand wurde daraufhin mit üblichen Mitteln mechanisch bearbeitet, um die endgültigen Abmessungen sicherzustellen; diese mechanische Bearbeitung konnte ohne jegliche Schwierigkeiten durchgeführt werden.
Die nach dem oben angegebenen Verfahren hergestellten Gegenstände wiesen eine außergewöhnlich hohe Festigkeit auf und
waren durch ihre ausgezeichnete mechanische Bearbeitbarkeit gekennzeichnet. Typischerweise weisen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gegenstände eine Zugfestigkeit von mehr als ungefähr (634,3 χ 106) N/m2 (92.000 psi) bei einer Dehnung in der Größenordnung von 20 % auf. Aus diesen Ergebnissen folgt klar,, daß es mit der erfindungsgemäßen Lehre möglich ist, warmverformte Gegenstände aus einer Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis bereitzustellen, die überragende Festigkeitswerte aufweisen, und darüberhinaus durch eine ausgezeichnete mechanische Bearbeitbarkeit gekennzeichnet sind.
Obwohl die Erfindung - wie oben dargelegt - anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert worden ist, können von Fachleuten Abweichungen und Modifizierungen vorgesehen werden, ohne vom eigentlichen Kern der Erfindung abzuweichen. Derartige Modifizierungen und Abweichungen sollen daher ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfaßt werden, soweit sie sich unter den Gegenstand der Patentansprüche und deren Äquivalente subsummieren lassen.

Claims (16)

■ ""■ TiSCHER··■' KERN & BREHM Albert-RoBShaupter-Strasee 65 ■ D 8000 München 70 ■ Telefon (089) 7605520 Telex 05-212264 patsd Telegramme Kempalenl München IMPERIAL CLEVITE INC. 15. April 1983 540 East 105th Street IC-27 Cleveland, Ohio 44108 U.S.A. Hochfester Formkörper aus einer mechanisch bearbeitbaren Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis, und Verfahren zu dessen Herstellung Patentansprüche:
1. Hochfester Formkörper aus einer Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis,
gekennzeichnet durch; die Herstellung nach einem Verfahren mit folgenden Schritten:
-es wird ein Teilchengemisch bereitgestellt, das besteht aus etwa 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,16 bis 0,35 Gew.-% Schwefel, etwa 0,4 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, und Rest Eisen einschl. 0 bis etwa 2 Gew.-% üblichen, bzw. herstellungsbedingten Verunreinigungen;
-aus diesem Teilchengemisch wird ein roher Formkörper mit bestimmter Gestalt geformt;
-der rohe Formkörper wird bei einer ausreichend hohen Temperatur gesintert, um die angestrebte Legierung zu erzeugen; und
-am gesinterten Formkörper wird eine Warmumformung durchgeführt, um einen warm verformten Formkörper bereitzustellen.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem warmverformten Formkörper zusätzlich eine mechanische Bearbeitung, etwa eine spanabhebende Umformung, durchgeführt worden ist, um dem Formkörper seine fertige Gestalt zu erteilen.
3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchengemisch homogen vermischt worden ist, bevor daraus der rohe Formkörper geformt worden ist.
4. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte rohe Formkörper vor der Warmumformung mit einem Graphit-Schmiermittel oder -Gleitmittel überzogen worden ist.
5. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
_ "i _ die Warmumformung durch Warmschmieden erzielt worden ist.
6. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rohe Formkörper so stark verdichtet worden ist, daß seine Dichte mehr als 75 % der theoretischen Dichte beträgt,
7. Formkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmschmieden mit solcher Intensität durchgeführt worden ist, daß der Formkörper danach eine Dichte von wenigstens 99 % der theoretischen Dichte aufweist.
8. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte rohe Formkörper vor der Warmumformung erneut erwärmt worden ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Formkörpers aus einer Pulvermetall-Legierung auf Eisenbasis, insbesondere nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Teilchengemisch bereitgestellt wird, das besteht aus etwa 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,16 bis 0,35 Gew.-% Schwefel, etwa 0,4 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, und Rest Eisen einschl. 0 bis etwa 2 Gew.-% üblichen, bzw. herstellungsbedingten Verunreinigungen; aus diesem Teilchengemisch ein roher Formkörper mit bestimmter Gestalt geformt wird; der rohe Formkörper bei einer ausreichend hohen Temperatur gesintert wird, um die anquisl reble Ley ie rung zu erz und
am gesinterten Formkörper eine Warmumformung durchgeführt wird, um einen warm verformten Formkörper bereitzustellen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß am warmverformten Formkörper eine mechanische Bearbeitung, etwa eine spanabhebende Umformung durchgeführt wird, um dem Formkörper seine fertige Gestalt zu erteilen.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchengemisch homogen vermischt wird, bevor daraus der rohe Formkörper geformt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte, rohe Formkörper mit Graphit-Schmiermittel oder -Gleitmittel überzogen wird, bevor die Warmumformung durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Warmumformung eine Warm-Schmiede-Behandlung durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der rohe Formkörper so stark verdichtet wird, daß seine Dichte wenigstens 75 % der theoretischen Dichte beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet/ daß
der gesinterte rohe Formkörper vor der Warmumformung erneut erwärmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Warm-Schmiede-Behandlung des gesinterten Formkörpers mit solcher Intensität durchgeführt wird, daß danach die Dichte des Formkörpers wenigstens 99 % der theoretischen Dichte ausmacht.
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