DE69613359T2

DE69613359T2 - Pulvermetallurgisches herstellungsverfahren für verbundsstoff

Info

Publication number: DE69613359T2
Application number: DE69613359T
Authority: DE
Inventors: Hans Berns
Original assignee: Koeppern & Co KG GmbH; Erasteel Kloster AB
Current assignee: Koeppern & Co KG GmbH; Erasteel Kloster AB
Priority date: 1995-02-18
Filing date: 1996-02-16
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2016-02-17
Also published as: DE69613359D1; JPH11500784A; JP4166821B2; AU708686B2; EP0815274A1; US6022508A; EP0815274B1; ATE202155T1; AU4737196A; DE19505628A1; WO1996026298A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Verbundstoffes, der Partikel in einer Metallmatrix enthält, wobei der Verbundstoff einen hohen Abnutzungswiderstand in Kombination mit hoher Zähigkeit besitzt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Metallmaterial mit Abnutzungswiderstand besteht konventionellerweise aus einer verfestigten Metallmatrix, in der harte Partikel, wie Boride, Carbide, Nitride oder intermetallische Phasen als Einschlüsse auftreten. Der Abnutzungswiderstand und die Bruchfestigkeit in solchen Materialien sind üblicherweise am höchsten, wenn die harten Partikel gleichmäßig in der Metallmatrix verteilt sind, und wenn eine netzähnliche Verteilung vermieden wird. Bei einer vorgegebenen Menge gleichmäßig verteilter harter Partikel wird die Bruchfestigkeit des Materials verringert, wenn die Größe der harten Partikel ansteigt, während die Bruchzähigkeit zunimmt. Dieses kann auf folgende Weise unter Bezugnahme auf die beiliegenden Fig. 1a und 1b erklärt werden.
Wenn das Material einer Zug- oder Biegebelastung F unterworfen wird, werden Risse oder Sprünge anfänglich in den brüchigen harten Partikeln ausgebildet, siehe Fig. 1a. Diese Risse oder Sprünge werden größer, je größer die harten Partikel sind und pflanzen sich schon bei einer niedrigen Belastung zu einem Bruch fort; mit anderen Worten, die Bruchfestigkeit nimmt ab, wenn die Größe der harten Partikel zunimmt. Bei einem vorgegebenen Ausmaß an harten Partikeln nimmt jedoch der durchschnittliche Abstand zwischen den harten Partikeln mit den Größen der harten Partikel zu, Fig. 1b. Deshalb kann sich eine plastische oder nachgiebige Zone in der Metallmatrix vor einem Bruch ausbilden, so daß weitere Brüche in den harten Partikeln vermieden werden, wobei die Bruchzähigkeit in Bezug zum Abstand zwischen den harten Partikeln zunimmt. Bei einem vorgegebenen Gehalt an harten Partikeln und konsequenterweise einem vorgegebenen Abnutzungswiderstand, wird eine verbesserte Bruchzähigkeit von einer verschlechterten Bruchfestigkeit begleitet.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials wird in B. Champagne offenbart: "Eigenschaften von Wc/Co/Stahlverbundstoffen", International Journal of Refractory and Hard materials, Quebec, Canada, vol. 6, n.3, Seiten 155-160, wo zwei Pulver vermischt und durch Heißverdichtung verdichtet werden. Das erste Pulver ist ein Wc/Co- Verbundpulver, hergestellt durch Agglomeration und Vakuumsinterung, während das zweite Pulver ein niedrig legiertes Stahlpulver darstellt.

KURZE OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist der Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verbundmaterial zu schaffen, das Partikel in einer Metallmatrix enthält, bei dem das Material einen hohen Abnutzungswiderstand in Kombination mit einer hohen Bruchfestigkeit und Bruchzähigkeit aufweist. Dieses kann durch ein Verfahren erreicht werden, das im beiliegenden Anspruch 1 definiert wird. Weitere Kennzeichnungsmerkmale der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen und in der folgenden Beschreibung offenbart, wobei Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1a und 1b beschreiben schematisch die Beziehung zwischen den Größen der harten Partikel und den mechanischen Eigenschaften der Bruchfestigkeit und der Bruchzähigkeit für eine Verteilungsstruktur bei einem vorgegebenen Gehalt an harten Partikeln,
Fig. 2a und 2b zeigen schematisch eine einstufige bzw. eine zweistufige Verteilungsstruktur bei gleichen Volumengehalten der harten Partikel,
Fig. 3 zeigt eine zweistufige Verteilungsstruktur, die aus einem Gemisch eines ersten Pulvers I und eines zweiten Pulvers II hergestellt worden ist und
Fig. 4 stellt ein graphisches Diagramm des Verhältnisses zwischen den durchschnittlichen Durchmessern eines ersten und eines zweiten Pulvers gegen den Volumengehalt des ersten Pulvers I dar.

DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird die gut bekannte Verteilungsstruktur der Fig. 2a, die durch eine einstufige Verfahrensweise erhalten wird, bei der die härten Partikel HT in einer Metallmatrix MM vorliegen, ersetzt durch die dispergierte Struktur, die durch eine zweistufige Verfahrensweise erhalten wurde, Fig. 2b. Die zweitstufige Dispersionsstruktur der Erfindung, Fig. 2b, enthält Bereiche mit einer dichten Dispersion von feinen harten Partikeln in einer ersten Metallmatrix MM I, wobei diese Bereiche, die reich an feinen, harten Partikeln sind, wiederum als eine Dispersion von Einschlüssen in einer zweiten Metallmatrix MM II erscheinen, die im wesentlichen harte Partikel vermissen läßt. Die zweistufige Dispersionsmikrostruktur der Erfindung besitzt eine hohe Bruchfestigkeit aufgrund ihrer geringen harten Partikeldurchmesser in der ersten Metallmatrix MM I und ebenfalls eine hohe Bruchzähigkeit aufgrund des großen Abstands zwischen den harten Partikeln in der zweiten Matrix MM II.
Im folgenden werden die Vorteile der Mikrostruktur, die durch die zweistufige Dispersion im Vergleich zur einstufigen Dispersionsmikrostruktur unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel erläutert. Beim Herstellen des Materials nach dem Beispiel wurden als Ausgangsmaterialien gasatomisierte Stahlpulver verwendet, deren Legierungszusammensetzung in Tabelle 1 gezeigt sind Tabelle 1: Chemische Zusammensetzungen der verwendeten Stahlpulver
Die Stahllegierungen enthielten ferner etwa 0,4% Si, etwa 0,3% Mn, sowie Stickstoff und andere Unreinheiten in normalen Mengen für Hochgeschwindigkeitsstähle, Resteisen.
Versuchsmaterialien wurden durch heißes isostatisches Verpressen hergestellt und die Materialien wurden gehärtet und auf eine Härte von etwa 900 HV30 getempert. Die übliche einstufige Dispersionsstruktur wurde durch Metallpulver MP gebildet und enthielt eine feine Dispersion an Carbiden, die ein Durchschnittsdurchmesser D von etwa 1um besitzen, was einem Volumengehalt von etwa 16% entspricht. Die zweitstufige Dispersionsstruktur der Erfindung gemäß Fig. 3 wurde aus einem Gemisch der Metallpulver MP I und MP II hergestellt. Im Pulver MPI ist eine feine Dispersion an Carbiden ausgebildet, die einen Durchschnittsdurchmesser D&sub1; von etwa 1 um besitzen, was am Volumengehalt von etwa 30% entspricht. Dieses wird mit dem Pulver MPII vermischt, das im wesentlichen keine Carbide aufweist, so daß der Carbidgehalt in den Versuchsproben sich auf etwa 16% belief. Die Strukturbereiche, die vom Pulver MPII gebildet wurden, enthielten etwa 2 Vol.-% an feinen Carbiden, was man als fast carbidfrei bezeichnen kann, während die Regionen, die aus dem Pulver MPI gebildet wurden, etwa 30 Vol.-% an Carbiden enthielten, mit anderen Worten: sie waren carbidreich. Um eine Dispersion von MPI-Partikeln in der Masse der MPII-Partikel zu erhalten, sollten die Durchschnittspulverpartikeldurchmesser D&sub1; und D&sub2; der Pulver MPI bzw. MPII derart ausgewählt werden, daß das Verhältnis D&sub1;/D&sub2; gesteigert wird, wobei der Volumengehalt an Pulver MPI zunimmt, und so daß er im schattierten (schräg linierten) Bereich A über der Kurve C in Fig. 4 liegt. Im Ausführungsbeispiel der Erfindung, angedeutet durch E in Fig. 4, wurde das Verhältnis von D&sub1;/D&sub2; = 5 gewählt.
Das Versuchsmaterial, das eine dispergierte Struktur besitzt, die üblicherweise in einer Stufe hergestellt wird und die Dispersionsstruktur nach der Erfindung in zwei Stufen besitzt, wenn es einer statischen Biegung unterworfen wird, eine Bruchfestigkeit von etwa 3.000 bis 3.200 MPa. Bei Abnutzungsversuchen, wo die Materialien einer Abnutzung gegenüber gebundenen Flintsteinkörnern der Gittergröße 80 unter einer Belastung von 1.31 N/mm² unterworfen wurde, wurde der Abnutzungswiderstand beider Materialien gemessen und lag zwischen 7,5 · 10&sup4; und 8 · 10&sup4;. Beide Versuchsmaterialien wiesen also mit anderen Worten durchschnittlich etwa gleiche Bruchfestigkeiten und Abnutzungsfestigkeiten auf. Die Bruchzähigkeit des Testmaterials, das erfindungsgemäß in zwei Stufen hergestellt worden ist, wurde jedoch gemessen mit 15 MPa/m, was mehr als 40% über dem Wert für das übliche Material liegt, das in einer Stufe hergestellt wird, welches gemessen wurde und lediglich 10.5 MPa/m betrug.
Zwei Formeinsätze wurde aus dem erfindungsgemäßen zweistufigen Versuchsmaterial hergestellt, und die Farmeinsätze wurden in einem Kaltschmiedewerkzeug zur Bildung von Schrauben aus einem Stahldraht geschrumpft. Im Vergleich zum üblichen Hochgeschwindigkeitsstahl S 6-5-2, der nach dem Stand der Technik eingesetzt wird, würde die Menge an Schrauben, die in diesem Werkzeug hergestellt wurde, um den Faktor 8 gesteigert, wenn mit einem angelassenen Draht gearbeitet wird, und mit einem Faktor 6.5, erhöht, wenn mit einem kaltgezogenen Draht gearbeitet wird.

Claims

1. Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Verbundstoffes, der Partikel in einer Metallmatrix enthält, wobei der Verbundstoff einen hohen Abnutzungswiderstand in Kombination mit hoher Festigkeit oder Zähigkeit besitzt, wobei die Pulverpartikel (I) eines ersten Pulvers eines ersten Metalls oder Legierung einen hohen Gehalt an harten Partikeln (HT) besitzt, die in der Matrix der ersten Pulverpartikel dispergiert sind, in einem zweiten Pulver dispergiert sind, das aus Partikeln (II) eines zweiten Metalls oder Legierung besteht, die einen niedrigen Gehalt an harten Partikeln besitzt, die in der Matrix der zweiten Pulverpartikel dispergiert sind, wobei das zweite Pulver durch ein Verfahren zubereitet wird, einschließlich Gasatomisierung des geschmolzenen zweiten Metalls oder der Legierung und der Bildung von Partikeln, die eine im wesentlichen sphärische Form besitzen, wobei den Pulverpartikeln des ersten und zweiten Pulvers vor dem Vermischen miteinander eine unterschiedliche Partikelgrößenverteilung verliehen wird, wobei der Durchschnittsdurchmesser (DI) des ersten Pulvers größer als der Durchschnittsdurchmesser (DII) des zweiten Pulvers gestaltet wird, und wobei das Verhältnis (DI/DII) zwischen dem Durchschnittsdurchmesser (DI) der Pulverpartikel des ersten Pulvers und dem Durchschnittsdurchmesser (DII) der Pulverpartikel des zweiten Pulvers in Abhängigkeit des Verhältnisses des ersten Pulvers in einer Mischung des ersten und zweiten Pulvers ausgewählt und so ausgelegt wird, daß er in dem schattenförmigen (schräglinierten) Bereich im graphischen Diagramm nach der beiliegenden Fig. 4 liegt, und wobei das Gemisch des ersten und zweiten Pulvers in einen Festkörper durch heiße Verdichtung überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ebenfalls das erste Pulver durch ein Verfahren zubereitet wird, einschließlich Gasatomisierung des geschmolzenen ersten Metalls oder der Legierung unter Bildung von Partikeln, die im wesentlichen sphärische Formen besitzen, wobei ein gegenseitiger Kontakt zwischen den harten Partikeln des ersten Pulvers ebenfalls im wesentlichen vermieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchschnittsdurchmesser der harten Partikel geringer ist als ein viertel des Durchschnittsdurchmessers der Partikel des ersten Pulvers.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel des ersten Pulvers mehr als 10 Vol.-% an härten Partikeln enthalten, und daß die Pulverpartikel des zweiten Pulvers weniger als 10 Vol.-% an harten Partikeln enthalten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel des ersten Pulvers 10-20 Vol.-% an harten Partikeln enthalten, und daß die Pulverpartikel des zweiten Pulvers weniger als 5 Vol.-% an harten Partikeln enthalten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel des ersten Pulvers mehr als 20 Vol.-% an harten Partikeln enthalten, und daß die Pulverpartikel des zweiten Pulvers weniger als 10 Vol.-% an harten Partikeln enthalten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel des zweiten Pulvers weniger als 8 Vol.-% an harten Partikeln enthalten.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Partikel aus der Art von Verbindungen, Phasen oder Elementen bestehen, die zur Gruppe gehören, welche aus Carbiden, Nitriden, Boriden, Oxiden, intermetallischen Phasen und Silizium bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbide, Nitride und/oder Boride im wesentlichen als Verbindung von Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Bor einerseits auftreten, und wobei andererseits eines oder mehrere der Elemente zu der Gruppe gehört, die aus Fe, Ni, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti, Ta, B, Si besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide im wesentlichen als Verbindungen von Sauerstoff auftreten und ein oder mehrere der Elemente zu der Gruppe gehören, die aus Ca, Mg, Al, Si, Cr, Ti, Zr, Y, Ce und La besteht.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Metalle oder Legierungen Aluminiumlegierungen sind, und daß die harten Partikel mindestens zu einem bedeutendem Ausmaß als primärer oder eutektischer Niederschlag von Silizium, Si gebildet sind.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Partikel in den Pulverpartikeln bei der Verfestigung von Tröpfchen der ersten und zweiten Metalle oder Legierungen unter Ausbildung von Pulverpartikeln oder bei einer Wärmebehandlung anschließend an die Verfestigung gebildet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten Pulver durch ein Verfahren zubereitet wird, einschließlich des Siebens von Schüttgutpulver, um ein Pulver vorzusehen, das ausgewählte Größen besitzt.

13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Durchschnittsdurchmessern der Partikel der ersten und zweiten Pulver die Gleichung erfüllen:

1.6 ≤ DI/DII ≤ 30, worin

D&sub1; der Durchschnittsdurchmesser der Partikel des ersten Pulvers darstellt und

DII den Durchschnittsdurchmesser der Partikel des zweiten Pulvers darstellt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Gleichung

2 ≤ DI/DII ≤ 10.

15. Verfahren nach Anspruch 14, das die folgende Gleichung erfüllt

3 ≤ DI/DII ≤ 8.

16. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Metalle oder Legierungen hauptsächlich aus irgendeinem der Elemente bestehen, die zur Gruppe gehören, welche aus Fe, Ni, Co, Cu und Al besteht, und das mindestens die erste Legierung legiert wird, um härtere Partikel und die gewünschten Merkmale vorzusehen.

17. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißverdichtung durch irgendeine der folgenden Verfahrensweisen durchgeführt wird: Vakuumsintern, Drucksintern oder heißes isostatisches Verpressen.

18. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Metall oder Legierung eine Legierung ist, die, ausgedrückt in Gew.-%, mehr als insgesamt 1% an C, N, B und O, 0-2 Mn, 0-3 Si und mehr als insgesamt 15% an Metallen enthält, die eine hohe Affinität zu C, N, B und O unter Bildung von Carbiden, Nitriden, Boriden und/oder Oxiden besitzen, wobei diese Metalle Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Zr, Ti und Al einschließen und daß das zweite Metall oder die Legierung weniger als insgesamt 1% C, N, B und O, 0-2 Mn, 0-3 Si, und weniger als insgesamt 15% derjenigen Metalle enthält, die eine hohe Affinität zu C, N, B und O besitzen, wobei der Rest sowohl bei der ersten als auch zweiten Legierung Eisen, Kobalt und Nickel und zufällige Unreinheiten, sowie Zuschlagselemente in normalen Mengen umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Legierung mehr als insgesamt 1, 5% an C, N, B und O umfaßt, und insgesamt mehr als 18% der Metalle, die eine hohe Affinität zu C, N, B und O besitzen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Legierung mehr als insgesamt 2,0% an C, N, B und O enthält und insgesamt mehr als 22% der Metalle, die eine hohe Affinität zu C, N, B und O besitzen.

21. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die zweite Legierung weniger als insgesamt 0,9% an C N, B und O besitzt und weniger als insgesamt 14% derjenigen Metalle, die eine hohe Affinität zu C, N, B und O besitzen.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die zweite Legierung weniger als insgesamt 0,6% an C, N, B und O besitzt, und insgesamt weniger als 10% derjenigen Metalle, die eine hohe Affinität zu C, N, B und O besitzen.