DE4001900A1 - METAL POWDER MIXING - Google Patents

Abstract

The invention proposes a metal-powder blend which can be produced simply and can be used to manufacture high-strength wear-resistant cylinder parts to tight dimensional tolerances. This metal-powder blend consists of a steel powder formed by atomizing a steel melt and mixed with 0.3-0.7 % by wt. of graphite, the steel powder consisting of: max. 0.02 % by wt. C; max. 0.03 % by wt. Si; ).05-0.25 % by wt. Mn; 2.5-5.0 % by wt. Ni; 0.2-1.5 % by wt. Mo, remainder iron and the usual impurities and the blend contains in addition 0.7-1.5 % by wt. of finely divided Cu, with the provision that the weight ratio of Cu:graphite lies within the range 1.4-2.5.

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallpulvermischung zur Herstellung martensitisch durchgehärteter, hochfester Sinterteile auf der Basis eines durch Verdüsung einer Stahllegierungsschmelze entstandenen Stahlpulvers, welches mit 0,3 bis 0,7 Gew-% Graphitpulver vermischt ist. Unter hochfesten Sinterteilen werden in diesem Zusammenhang Teile mit einer Zugfestigkeit von mindestens 550 N/mm² verstanden.The invention relates to a metal powder mixture for producing martensitic through-hardened, high-strength sintered parts on the basis of a steel powder formed by atomizing a steel alloy melt, which is mixed with 0.3 to 0.7% by weight of graphite powder. In this context, high-strength sintered parts are understood to mean parts with a tensile strength of at least 550 N / mm ² .

Aus der EP 01 36 169 B1 ist ein Stahllegierungspulver zur Herstellung hochfester Sinterteile bekannt, das besteht aus (Gew%)EP 01 36 169 B1 is a steel alloy powder for production known high-strength sintered parts, which consists of (wt%)

max. 0,02% C
max. 0,1% Si
0,4-1,3% Ni
0,2-0,5% Cu
0,1-0,3% Mo
max. 0,3% Mn
max. 0,01% N
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.Max. 0.02% C
Max. 0.1% Si
0.4-1.3% Ni
0.2-0.5% Cu
0.1-0.3% Mo
Max. 0.3% Mn
Max. 0.01% N
Balance iron and usual impurities.

Dieses Legierungspulver soll billig herstellbar und verarbeitbar sein, gute Preßeigenschaften aufweisen und eine hohe Festigkeit im gesinterten Fertigteil gewährleisten. Über seine Eigenschaften hinsichtlich der erzielbaren Maßgenauigkeit im Fertigteil ist in dieser Schrift nichts Näheres ausgeführt.This alloy powder is said to be cheap to manufacture and process, have good pressing properties and high strength in the ensure sintered finished part. About its properties regarding the achievable dimensional accuracy in the finished part is in this Scripture did nothing more.

Durch das Sintern eines aus Stahlpulver hergestellten Preßlings wird dessen Geometrie normalerweise verändert. Man spricht von Sinterschwund. Ein martensitisches Härten wirkt im Grundsatz wegen der damit verbundenen Volumenvergrößerung infolge der Gefügeumwandlung diesem Effekt entgegen. Selbstverständlich kann eine Volumenänderung des Fertigteils gegenüber dem zum Sintern eingesetzten Preßling auch bei der Auslegung des Preßwerkzeugs berücksichtigt werden, d. h. man versucht, die Maßabweichungen zu antizipieren und durch eine Änderung der Maße des Preßlings von vornherein auszugleichen. Bisher ist dies aber nur sehr unvollkommen gelungen, weil die relativen Maßabweichungen nicht nur von den jeweiligen Wanddicken im Preßling abhängig sind, sondern auch die am Preßling erzielte Dichte, die innerhalb desselben Preßlings und auch zwischen den einzelnen Exemplaren von an sich gleichartigen Preßlingen Schwankungen unterliegt, hierauf einen großen Einfluß hat. Insofern haben die Bemühungen zur Erzielung einer Maßkonstanz im gesinterten Fertigteil aus fertiglegierten Werkstoffen bisher lediglich eine reproduzierbare Begrenzung der Maßabweichungen auf Werte im günstigsten Fall bis zu etwa +/- 0,1% erbracht. Für viele Teile sind derartige Abweichungen nicht mehr tolerierbar. Aus diesem Grunde unterzieht man Sinterteile vielfach einem abschließenden Kalibriervorgang, was mit erheblichen Kosten verbunden ist. Bei gehärteten Teilen ist aber wegen der Härte der Sinterteile nicht einmal das mehr möglich. By sintering a compact made from steel powder whose geometry usually changes. One speaks of Sintering loss. A martensitic hardening works in principle because of the associated increase in volume as a result of structural change counter this effect. Of course, a change in volume of the finished part compared to the compact used for sintering be taken into account when designing the press tool, d. H. one tries to anticipate the dimensional deviations and by making a change to compensate for the dimensions of the compact from the outset. So far this is but only succeeded very imperfectly because of the relative dimensional deviations not only depend on the respective wall thickness in the compact, but also the density achieved on the compact, which is within the same Pressed and also between the individual copies of themselves similar compacts are subject to fluctuations, then a large one Has influence. In this respect, efforts to achieve one Dimensional consistency in the sintered finished part made of alloyed materials So far only a reproducible limitation of the dimensional deviations In the best case, values of up to approximately +/- 0.1% are achieved. For many Such deviations are no longer tolerable in parts. For this Basically, sintered parts are often subjected to a final one Calibration process, which is associated with considerable costs. At hardened parts is not even because of the hardness of the sintered parts the more possible.  

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Metallpulvermischung anzugeben, die mit möglichst geringem Aufwand herstellbar ist und die Herstellung von hochfesten und verschleißfesten Sinterteilen gestattet, deren Maßabweichungen in einem Toleranzband von maximal +/- 0,05% Breite gehalten werden können, ohne daß es hierzu zusätzlicher konstruktiver Maßnahmen am Preßwerkzeug für die Herstellung der zu sinternden Preßlinge bedarf. Das Metallpulver soll also die Eigenschaft haben, beim Sintern von daraus mit üblicher Verdichtung hergestellten Preßlingen kein nennenswertes Schrumpfen oder Wachsen zu bewirken.The object of the invention is to provide a metal powder mixture which can be produced with as little effort as possible and the production of high-strength and wear-resistant sintered parts allowed, their Dimensional deviations within a tolerance band of maximum +/- 0.05% width can be kept without this being additional constructive Measures on the pressing tool for the production of the sintered Compacts needed. The metal powder should therefore have the property when Sintering of compacts produced therefrom with conventional compression not cause any significant shrinkage or growth.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Metallpulvermischung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Mischung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.This task is solved by a metal powder mixture with the Features of claim 1. Advantageous further developments of this Mixture are specified in subclaims 2 to 6.

Im Gegensatz zu dem aus der EP 01 36 169 B1 bekannten Stahllegierungspulver ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Cu-Anteil nicht bereits in die zur Verdüsung eingesetzte Legierung einzubringen, sondern in feinteiliger Form mit dem Stahlpulver zu vermischen. Außerdem sind die Mengenanteile der einzelnen Legierungselemente gemäß Anspruch 1 in anderen Grenzen gehalten als bei dem bekannten Stahlpulver. Besonders wesentlich ist es, daß das Verhältnis des Cu-Anteils an dem ebenfalls in Pulverform als Kohlenstoff in die Metallpulvermischung eingebrachten Graphitanteil im Bereich 1,4-2,5, vorzugsweise 2,0 gehalten wird. Bei Einhaltung aller Vorschriften des Patentanspruchs 1 gelingt es überraschenderweise, Preßlinge nach üblichen Preßverfahren der Pulvermetallurgie herzustellen, die unter wiederum üblichen Sinterbedingungen unabhängig von den Wanddicken der Preßlinge nahezu völlige Maßkonstanz aufweisen. Die Maßabweichungen betragen weniger als +/- 0,05%. In contrast to that known from EP 01 36 169 B1 Steel alloy powder is provided according to the invention, the Cu portion not already in the alloy used for atomization, but to mix with the steel powder in finely divided form. Furthermore are the proportions of the individual alloy elements according to claim 1 kept within different limits than with the known steel powder. Especially it is essential that the ratio of the Cu portion of the also in Powder form introduced as carbon in the metal powder mixture Graphite content is kept in the range 1.4-2.5, preferably 2.0. At Compliance with all provisions of claim 1 succeeds Surprisingly, compacts according to the usual pressing methods To manufacture powder metallurgy, which in turn is usual Sintering conditions almost independent of the wall thickness of the compacts have complete dimensional stability. The dimensional deviations are less than +/- 0.05%.  

Bei Abkühlung an Luft oder mittels einer in der Kühlzone des Sinterofens angeordneten Gasdusche (z. B. unter Druck zugeführtes Inertgas) ergibt sich in den Sinterteilen ein vollständig martensitisches Gefüge, das den Teilen eine hohe Festigkeit (über 750 N/mm²) verleiht, ohne daß es hierzu einer nachträglichen Wärmebehandlung bedarf.When cooling in air or by means of a gas shower arranged in the cooling zone of the sintering furnace (e.g. inert gas supplied under pressure), a completely martensitic structure results in the sintered parts, which gives the parts high strength (over 750 N / mm ² ), without the need for subsequent heat treatment.

Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.The invention will be elucidated on the basis of the exemplary embodiment below explained.

Es wurde ein Stahlpulver durch Wasserverdüsung einer Schmelze mit folgender Zusammensetzung (Gew-%) erzeugt:It was a steel powder by atomizing water with a melt of the following composition (% by weight):

0,01% C
0,02% Si
0,10% Mn
4,0% Ni
0,5% Mo
0,020% P
0,010% S
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.0.01% C
0.02% Si
0.10% Mn
4.0% Ni
0.5% Mo
0.020% P
0.010% S
Balance iron and usual impurities.

Nach der Wasserverdüsung wurde dieses Stahlpulver getrocknet und bei etwa 1000°C einer Reduktionsglühung in einer H₂-Atmosphäre unterzogen. Nach Abkühlung wurde das so entstandene Agglomerat feinteilig vermahlen. Der Restsauerstoffgehalt des Stahlpulvers belief sich auf etwa 0,15%, seine Fülldichte betrug etwa 3 g/cm³.After the water atomization, this steel powder was dried and subjected to a reduction annealing in an H ₂ atmosphere at about 1000 ° C. After cooling, the resulting agglomerate was ground in fine particles. The residual oxygen content of the steel powder was about 0.15% and its bulk density was about 3 g / cm ³ .

Diesem Stahlpulver wurden anschließlich 0,60% Graphitpulver und 1,0% feinteiliges Cu sowie ca. 1% übliches Schmiermittel zugesetzt. Nach gleichmäßiger Mischung dieser Komponenten wurden Preßlinge durch Kaltpressen in üblicher Weise erzeugt, wobei die Dichte der Preßlinge etwa 7 g/cm³ betrug. Then 0.60% graphite powder and 1.0% finely divided Cu as well as approx. 1% common lubricant were added to this steel powder. After these components had been uniformly mixed, compacts were produced by cold pressing in the customary manner, the density of the compacts being approximately 7 g / cm ³ .

Nach dem Sintern dieser Preßlinge bei etwa 1120°C ergaben sich an den Fertigteilen Maßabweichungen von weniger als +/- 0,03% gegenüber den Preßlingsmaßen. Die Teile waren bei Abkühlung unter einer Stickstoffdusche nach dem Sintern vollständig martensitisch durchgehärtet und wiesen eine Zugfestigkeit von über 820 N/mm² bei einer Härte von ca. 400 HB.After sintering these compacts at about 1120 ° C, there were dimensional deviations of less than +/- 0.03% compared to the compact dimensions. The parts were completely martensitically hardened when cooled under a nitrogen shower after sintering and had a tensile strength of over 820 N / mm ² with a hardness of approx. 400 HB.

Bei einem weiteren Versuch mit dieser erfindungsgemäßen Metallpulvermischung wurde eine Zweifachpreß- und -Sintertechnik mit den Temperaturstufen 800°C und 1120°C auf die Preßlinge angewendet. Dabei ergaben sich durch die beiden Sintervorgänge wiederum Maßabweichungen von jeweils weniger als 0,03%. Die Zugfestigkeit lag bei ca. 900 N/mm², die Härte bei ca. 450 HB.In a further experiment with this metal powder mixture according to the invention, a double pressing and sintering technique with the temperature levels 800 ° C. and 1120 ° C. was applied to the compacts. The two sintering processes resulted in dimensional deviations of less than 0.03% each. The tensile strength was approx. 900 N / mm ² , the hardness approx. 450 HB.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Metallpulvermischung sind insbesondere darin zu sehen, daß maßkonstante Sinterteile hergestellt werden können, die keine aufwendige mechanische, umformtechnische oder wärmetechnische Nachbehandlung nach dem Sintern mehr erfordern und wobei das Stahlpulver auf preisgünstige Weise herstellbar ist. Es ist nämlich für die gewählte Legierung der Erfindung eine Wasserverdüsung mit anschließender Reduktion unter H₂-Atmosphäre anwendbar. Eine kostenaufwendige Vakuumglühung, wie sie bei anderen fertiglegierten wasserverdüsten Metallpulvern für den gleichen Einsatzzweck notwendig ist, kann hierbei entfallen. Die preiswerte Herstellung ist darüberhinaus noch verbunden mit der Erzielung hervorragender Festigkeits- und Verschleißeigenschaften.The advantages of the metal powder mixture according to the invention can be seen in particular in the fact that dimensionally constant sintered parts can be produced which no longer require complex mechanical, shaping or thermal aftertreatment after sintering, and the steel powder can be produced in a cost-effective manner. Namely, water atomization with subsequent reduction under an H ₂ atmosphere can be used for the selected alloy of the invention. This eliminates the need for costly vacuum annealing, as is required for other fully alloyed water-atomized metal powders for the same purpose. The inexpensive production is also associated with the achievement of excellent strength and wear properties.

Claims (6)

1. Metallpulvermischung zur Herstellung martensitisch durchgehärteter, hochfester Sinterteile auf der Basis eines durch Verdüsung einer Stahllegierungsschmelze entstandenen Stahlpulvers, welches mit 0,3-0,7 Gew-% Graphit vermischt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahllegierungspulver besteht aus (Gew-%) max. 0,02% C
max. 0,03% Si
0,05-0,25% Mn
2,5-5,0% Ni
0,2-1,5% Mo
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen unddaß die Mischung feinteiliges Cu in einer Menge von 0,7-1,5% enthält mit der Maßgabe, daß das Mengenverhältnis Cu : Graphit im Bereich 1,4-2,5 liegt.1. Metal powder mixture for producing martensitic through-hardened, high-strength sintered parts on the basis of a steel powder formed by atomizing a steel alloy melt, which is mixed with 0.3-0.7% by weight of graphite, characterized in that the steel alloy powder consists of (% by weight) Max. 0.02% C
Max. 0.03% Si
0.05-0.25% Mn
2.5-5.0% Ni
0.2-1.5% Mo
Remainder iron and usual impurities and that the mixture contains finely divided Cu in an amount of 0.7-1.5% with the proviso that the Cu: graphite ratio is in the range 1.4-2.5. 2. Metallpulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mn-Gehalt auf Werte von 0,10-0,20 eingeschränkt ist.2. metal powder mixture according to claim 1, characterized, that the Mn content is limited to values of 0.10-0.20. 3. Metallpulvermischung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ni-Gehalt auf 3,0-4,0% eingeschränkt ist. 3. metal powder mixture according to claim 1 or 2, characterized, that the Ni content is limited to 3.0-4.0%.   4. Metallpulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mo-Gehalt auf Werte von 0,5-1,0% eingeschränkt ist.4. metal powder mixture according to one of claims 1 to 3, characterized, that the Mo content is limited to values of 0.5-1.0%. 5. Metallpulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitzusatz auf 0,5-0,6% eingeschränkt ist.5. metal powder mixture according to one of claims 1 to 4, characterized, that the graphite addition is limited to 0.5-0.6%. 6. Metallpulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Cu : Graphit bei 2 liegt.6. metal powder mixture according to one of claims 1 to 5, characterized, that the Cu: graphite ratio is 2.