AT402167B - Eisenpulvermischung zur herstellung von sinterkörpern mit besserer spanbarkeit - Google Patents

Description

AT 402 167 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Eisenpulvermischung zur Herstellung von Sinterkörpern mit besserer Spanbarkeit.

Aus der EP-A1 0 266 936, den Chemical Abstracts Ref. 114 294y sowie etwa der US-PS 2 888 738 ist bekannt, Eisenpulvem Bornitridpartikel beizumengen, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern; die BN-Partikelgröße beträgt dabei etwa 5 bis 15 um, und die Zusatzmenge reicht bis 5 Gewichtsprozent. Auch bei schmelzmetallurgisch hergestellten Legierungen sind Bornitridzusätze üblich (vgl. GB-PS 986 061). Abgesehen davon ist die Herstellung von Bornitridkörpern aus der US-PS 2 808 314 bekannt. Zum Stand der Technik sei auch noch auf die DE-A1 2610 224 hingewiesen.

Die Herstellung und Verwendung von eisenhältigen Pulvern ist wohl bekannt und hinlänglich detailliert in Kirk-Othmers Enzyklopädie der Chemischen Technologie, 3. Auflage, Band 19, Seiten 28-62, beschrieben. Eisenhältiges Pulver kann hergestellt werden, indem man eine Eisenmetallschmelze aus einem Ofen in einen Tiegel abläßt, in dem es nach Durchtritt durch Refraktordüsen mittels horizontaler Wasserstrahlen einer Granulation ausgesetzt wird. Das granulierte Eisen wird sodann getrocknet und zu Pulver zerkleinert, welches anschließend zwecks Entfernung von Sauerstoff und Kohlenstoff geglüht wird. Der so gewonnene reine Eisenkuchen wird sodann wieder zu Pulver zerkleinert.

Eisenhaltige Pulver haben viele Anwendungen, z.B in der Herstellung von pulvermetallurgischen Teilen (P/M-Teilen) für Überzüge von Schweißelektroden, zum Schneidbrennen und zum Schremmen. Für P/M-Anwendungen wird das Eisenpulver oft mit ausgewählten Zusätzen gemischt, z.B. mit Schmier- oder Bindemitteln oder mit Legierungszusätzen. Ein eisenhältiger P/M-Teil wird durch Einbringen des Eisenoder Stahlpulvers in eine Form bestimmter Konfiguration hergestellt, worauf Druck angewandt wird, um einen kompakten Körper zu erhalten, anschließend der kompakte Körper gesintert und hierauf der gesinterte Körper gegebenenfalls noch überarbeitet wird.

Geformte P/M-Sinterkörper erfordern oft eine maschinelle Bearbeitung als einen der Fertigstellungsschritte, um das gewünschte P/M-Endprodukt zu erhalten. Wenn es sich bei dem P/M-Produkt um ein Massenprodukt handelt (hierfür eignet sich der pulvermetallurgische Prozeß besonders), dann hängt die Geschwindigkeit und Effektivität, mit der diese P/M-Produkte hergestellt werden können, zum Teil von der Geschwindigkeit und Effektivität des Bearbeitungsschrittes ab. Die Geschwindigkeit und Effektivität des Bearbeitungsschrittes ist wiederum (unter anderem) eine Punktion davon, wie einfach der gesinterte P/M-Körper durch die Werkzeugmaschine bearbeitet werden kann. Im allgemeinen gilt: Je schwieriger das Bearbeiten des P/M-Sinterkörpers ist, desto mehr Energie wird für das Schneidwerkzeug benötigt, desto kürzer ist die Standzeit des Schneidwerkzeugs und desto länger dauert der Bearbeitungsvorgang.

Eine der Methoden zur Erhöhung der Geschwindigkeit und Effektivität des Bearbeitungsschrittes ist es, den P/M Sinterkörper mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Sinterkörper sowie mit verbesserten Spanbildungseigenschaften auszustatten. Dies kann durch Mischen des eisenhältigen Pulvers mit einem reibungsverringernden Zusatz, beispielsweise Mangansulfid oder Bornitrid, erzielt werden, doch sind diese bekannten Eisenpulverzusätze - obwohl verwendbar - doch noch verbesserungswürdig. Da all diese Mittel mit dem eisenhältigen Pulver vor dem Sintern vermischt werden, beeinflussen manche die während des Sinterns auftretenden Dimensionsänderungen in abträglicher Weise, andere wiederum reduzieren die Festigkeitseigenschaften des Sinterkörpers, oder aber es treten beide negativen Einflüsse auf. Ein nennenswerter Einfluß auf die Dimensionsänderungen kann für einen P/M-Teil-Hersteller ein Auswechseln der Preßform notwendig machen, was einen kostenaufwendigen und daher zu vermeidenden Schritt darstellt. Eine nennenswerte Herabsetzung der Festigkeitseigenschaften des Sinterkörpers reduziert wiederum letztlich seine Nützlichkeit. Diese unerwünschten Effekte sind zumindest teilweise eine Funktion von der Art und der Menge der Mittel, welche dem eisenhältigen Pulver zugesetzt werden, weshalb die Identifizierung von Mitteln, die gewünschte Effekte bei geringen Zusatzmengen und Kosten erzielen lassen, ein permanentes Bestreben der P/M-Forschung darstellt und Ziel der gegenständlichen Erfindung ist.

Erreicht wird dieses Ziel mit einer Eisenpulvermischung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus - mindestens 85 Gewichts-% eines eisenhältigen Pulvers mit einer maximales Teilchengröße von weniger als 300 um und - 0,01 bis 0,5 Gewichts-% Bornitridpulver aus unregelmäßig geformten Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 0,05 und 1 um besteht und - gegebenenfalls Zusätze von organischen Bindemitteln und/oder Metallpulvern aufweist.

Die unregelmäßig geformten Teilchen, die nicht größer als 1 um sind, füllen die Lücken zwischen den Eisenpulverpartikeln bestmöglichst aus, was zu verbesserter Bearbeitbarkeit führt. Die Dimensionsänderungen während des Sinterns und die Festigkeit des fertigen Sinterkörpers werden durch den geringen Bornitridzusatz nicht beeinträchtigt. 2

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Da technisches Bornitrid wegen Resten von Boroxid hygroskopisch ist, sollte das zur Herstellung erfindungsgemäßer Einsenpulvermischungen eingesetzte Bornitridpulver weniger als 5 Gewichts-% Boroxid enthalten. Für die erfindungsgemäße Eisenpulvermischung kann im wesentlichen jedes eisenhaltige Pulver ver-wendet werden, dessen maximale Teilchengröße kleiner als 300 um ist. Typische Eisenpulver sind Atomet-Eisenpulver, die von Quebec Metal Powders Ltd., Tracy, Quebec, Kanada hergestellt werden. Diese Pulver haben einen Eisengehalt von höher als 99 Gewichtsprozent mit weniger als 0,2 Gewichtsprozent Sauerstoff und 0,1 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

Atomet-Eisenpulver haben typischerweise eine scheinbare Dichte von wenigstens 2,5 g/cm3 und eine Durchflußrate von weniger als 30 Sek. für 50g. Obwohl das erfindungsgemäße Bornitrid bei Atomet-Eisenpulvern als effektiver gefunden wurde, können auch Stahlpulver, einschließlich Pulver aus rostfreiem und legiertem Stahl, als eisenhältige Pulver für die erfindungsgemäßen Mischungen verwendet werden, wofür die Atomet-Pulver Nr. 1001, 4201 und 4601, bei denen es sich um Stahlpulver handelt, als repräsentativ für Stahl- und legierte Stahlpulver gelten können. Diese Atomet-Pulver enthalten mehr als 97 Gewichtsprozent Eisen und weisen eine scheinbare Dichte von 2,85 - 3,05 g/cm3 sowie einen Durchfluß von 24 - 28 Sek. für 50 g auf. Das Atomet-Stahlpulver 1001 enthält mehr als 99 Gewichtsprozent Eisen, wogegen die Atomet-Stahlpulver 4201 und 4601 jeweils 0,55 Gewichtsprozent Molybdän und 0,5 bzw. 1,8 Gewichtsprozent Nickel enthalten. Praktisch gesehen, kann Stahlpulver jeder Güte verwendet werden, Vorzugsweise hat das eisenhältige Pulver jedoch eine maximale Teilchengröße von weniger als etwa 212 um.

Das erfindungsgemäß verwendete Bornitridpulver weist irregulär geformte Partikel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von wenigstens etwa 0,05, vorzugsweise von wenigstens etwa 0,1 um auf. Der hier verwendete Ausdruck "irregulär geformte Partikel" bedeutet nicht bloß Partikel, die in Fig. 2 (f) auf Seite 32 von Kirk-Othmers Enzyklopädie der Chemischen Technologie, 3. Auflage, Band 19 dargestellt sind, sondern umfaßt auch Teilchen, die in den Fig. 2 (c), (d), (e), (g) und (h), desselben Werkes veranschaulicht sind. Obwohl die Partikel selbst Submikron-Größe aufweisen, haben sie die Tendenz, sich miteinander zu Agglomeraten zu verbinden, deren Größe zwischen etwa 5 - etwa 50 um liegt. Obwohl nicht mit Sicherheit bekannt, brechen diese Agglomerate beim Mischen mit den Eisenpartikeln auseinander, und die Submikron-Teilchen konzentrieren sich ihrerseits in oder an den Poren bzw. Spalten der Eisenpartikeln. Diese Anordnung der Bornitridteilchen an den Eisenteilchen reduziert vermutlich den Einfluß des Bornitrids auf die Eisenteilchen während des Sinterprozesses und beeinträchtigt dementsprechend auch nicht wesentlich die mechanische Festigkeit des P/M-Körpers nach dem Sintervorgang. Ein ähnlicher Effekt wird von einem Zusatz nicht agglomerierter Submikron-Bomitridteilchen erwartet. Die bevorzugte Teilchengröße der Bornitridteilchen, die erfindungsgemäß verwendet werden, liegt zwischen etwa 0,2 und etwa 1,0 um.

Bornitrid selbst ist ein relativ inertes Material, welches mit Eisen und Stahl bei Temperaturen unterhalb von 1400’ C nicht mischbar ist und auch mit Kohlenstoff unterhalb von 1700* C nicht nennenswert reagiert. Die dem Bornitrid im allgemeinen anhaftende Hygroskopizität ist größtenteils auf das Vorhandensein von Boroxid zurückzuführen, das ein Überbleibsel der Bornitridherstellung ist. Da die Lagerbeständigkeit einer eisenhältigen Pulvermischung teilweise von der Wassermenge abhängt, die zwischen dem Zeitpunkt der Herstellung der Mischung und dem Zeitpunkt der Verarbeitung zu einem P/M-Sinterkörper absorbiert wird, ist die Menge von Boroxid, die im Bornitrid enthalten ist, das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mischungen verwendet wird, typischerweise geringer als etwa 5 Gewichtsprozent (basierend auf dem Totalgewicht von Bornitrid), vorzugsweise weniger als etwa 3 Gewichtsprozent.

Die eisenhältigen Pulvermischungen dieser Erfindung werden durch Mischen von wenigstens etwa 0,01, vorzugsweise von wenigstens etwa 0,02 Gewichtsprozent Bornitridpulver mit wenigstens 85, vorzugsweise wenigstens 90 Gewichtsprozent eisenhältigem Pulver hergestellt. In bevorzugter Weise werden etwa 0,01 -0,10 Gewichtsprozent Bornitridpulver mit dem eisenhältigen Pulver vermischt; noch bevorzugter ein Bereich zwischen 0,03 und 0,07 Gewichtsprozent. Das Mischen wird so ausgeführt, daß die resultierende Mixtur aus eisenhältigem und Bornitridpulver im wesentlichen homogen ist. Im wesentlichen kann jede Mischmethode angewandt werden, wobei das herkömmliche mechanische Mischen am typischsten ist.

Die erfindungsgemäße eisenhältige Pulvermischung kann auch andere Materialien zusätzlich zu dem eisenhältigen und dem Bornitridpulver enthalten. Bindemittel wie Polyäthylenglycol, Polypropylenglycol, Kerosin und ähnliche können ebenso enthalten sein wie Legierungspulver wie Graphit, Kupfer und/oder Nickel. Diese Materialien, ihr Einsatz und das Verfahren ihres Einbaus in die eisenhältigen Pulvermischungen sind in der Fachwelt wohl bekannt. P/M-Sinterkörper mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften sind das Kennzeichen dieser Erfindung. Die erfindungsgemäßen Körper sind einfacher maschinell bearbeitbar als Körper, die aus eisenhältigen Pulvermischungen bestehen, welche kein Bornitridpulver im Sinne der vorstehenden Beschreibung enthal- 3 ΑΤ 402 167 Β ten, weshalb der Bearbeitungsvorgang bei der P/M-Herstellung mit größerer Effektivität erfolgen kann. Dieser Vorteil wird ohne nennenswerten negativen Einfluß auf die Eigenschaften der gesinterten Eisenpulvermischung erzielt.

Die folgenden Beispiele illustrieren die Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung.

Atomet 28-Eisenpulver wurde verwendet, um den Einfluß von reibungsreduzierenden Zusätzen auf die Sintereigenschaften von P/M-Körper und auf die Festigkeit und Bearbeitbarkeit von P/M-Sinterkörper zu untersuchen. Atomet 28-Eisenpulver enthält 99 Gewichtsprozent Eisen, etwa 0,18 Gewichtsprozent Sauerstoff und 0,07 Gewichtsprozent Kohlenstoff. Es weist eine scheinbare Dichte von etwa 2,85 g/cm3 und eine Flußrate von etwa 26 Sek. für 50 g auf. Die Siebanalyse (US-mesh-Zahl) betrug:

Siebweite Gewichtsprozent auf 100 5 -100 +140 28 -140 + 200 23 -200 + 325 24 -325 20

In diesen Beispielen wurde Mangansulfid (MnS) als reibungsreduzierendes Mittel verwendet, das in Form nicht-agglomerierter Partikel mit einer mittleren Teilchengrößen von etwa 5 um vorlag.

Drei Güten von Bornitrid (BN) wurden als reibungsreduzierende Agenzien ebenfalls verwendet. Die erste Güte (BN-I) wies Agglomerate der Größe von 5-10 um aus plattenähniichen Partikeln mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 - 1 um auf. Diese Güte des Bornitrids enthielt ferner zwischen etwa 0,2 und etwa 0,4 Gewichtsprozent Boroxid.

Die zweite Güte (BN-II) enthielt nicht-agglomerierte plattenähnliche Partikel von 5-15 um Größe und maximal etwa 0,5 Gewichtsprozent Boroxid.

Die dritte Güte (BN-Ill) bestand wie die erste Güte aus Agglomeraten, diesmal jedoch von einer Größe zwischen 5 und 30 um, wobei die Einzelpartikel eine mittlere Teilchengröße von 0,05 -1 um aufwiesen und nicht plattenähnlich, sondern irregulär geformt waren. Der Boroxidgehalt von BN-Ill betrug zwischen etwa 0,5 und etwa 3 Gewichtsprozent.

Das Atomet 28-Eisenpulver wurde zunächst mit etwa 0,5 Gewichtsprozent Zink-Stereat (ein Schmiermittel) und verschiedenen Mengen von Graphit - von 0 - 0,9 Gewichtsprozent - gemischt. Verschiedene Mengen der reibungsreduzierenden Mittel wurden sodann zu jeweils gleichen Teilen der Mischung hinzugefügt und hierauf mechanisch gemischt, um eine im wesentlichen homogene Mischung (innerhalb von 5 % der Zugabenmenge) zu erhalten. Probestücke wurden auf 6,7 g/cm3 verdichtet und sodann während 30 min. bei 1120* C in einer reichen, endothermen Atmosphäre gesintert. Die Sintereigenschaften wurden an standardisierten Querbruchproben in Übereinstimmung mit den Testmethoden der Vereinigung der Metall-pulver-lndustrien gemessen. Die in der Tabelle wiedergegebenen Werte stellen Durchschnitte von wenigstens drei Messungen dar.

Die Bearbeitbarkeit wurde anhand des Bohrkrafttestes ermittelt. Gewöhnliche Stahlspiralbohrer wurden in den Spindelkopf einer Industriedrehbank eingesetzt und unter Rotation in die in einer Lastzelle gehaltenen Proben eingeführt. Die Druckkräfte wurden an Testkörpern mit den Abmessungen 31,8 mm mal 12,7 mm mal 12,7 mm gemessen, die wie oben beschrieben verdichtet und gesintert worden waren. Zwei Löcher von 6,4 mm Durchmesser und 10 mm Tiefe wurden in jede Probe gebohrt. Während des Bohrvorganges wurde kein Kühlmittel verwendet, der Vorschub war konstant 40 mm/min. und die Drehzahl betrug bei allen Tests 800 U/min. Die Druckkräfte wurden durch die Belastungszelle gemessen und auf einem Hochgeschwindigkeitsplotter aufgezeichnet. Die Druckkraft wurde als Index für die Bearbeitbarkeit der gesinterten Teile herangezogen: je niedriger die Druckkraft war, desto besser wurde die Bearbeitbarkeit bewertet (längere Standzeit des Schneidwerkzeuges, geringerer Energieaufwand für das Schneidwerkzeug, geringerer Zeitaufwand für die Bearbeitung des Sinterkörpers). Die Ergebnisse dieser Tests sind in der Tabelle wiedergegeben; sie zeigen, daß der Zusatz von jedem der angeführten reibungsreduzierenden Mitteln einen positiven Effekt auf die Verringerung der Druckkraft hatte. Die Menge eines Mittels zur Erzielung einer gewissen Reduktion der Druckkraft variierte jedoch mit dein Mittel, und auch der negative Einfluß auf die Festigkeit, die Dimensionsänderung und Härte des verdichteten Körpers variierte mit dem jeweiligen Mittel und der Menge seiner Anwendung.

Beispielsweise ergab eine Menge von 0,5 Gewichtsprozent von MnS eine 10 %ige Reduktion der Druckkraft bei einem Körper aus einer Mischung mit 0,9 Gewichtsprozenten Graphit, führte aber gleichzeitig zu einer Reduktion der Querbruchfestigkeit (um 15 %) und der Härte (von 77 auf 74 HRB) und verursachte 4

AT 402 167 B überdies eine größere Dimensionsänderung (plus 0,1 %). Bessere Resultate wurden dagegen bei Verwendung signifikant geringerer Mengen von BN-I und BN-II erhalten. Diese beiden Mittel reduzierten die Druckkraft um wenigstens 17 %, wogegen sie die Querbruchfestigkeit und Härte weniger als bzw. etwa genauso wie ein Zusatz von 0,5 Gewichtsprozenten an MnS reduzierten. Die Verwendung von BN-I und BN-II in diesen geringen Zusatzmengen (0,1, 0,2 und 0,3 Gewichtsprozent) resultierte auch in geringeren Dimensionsänderungen.

Die Verwendung von BN-Ill (im Einklang mit der Erfindung) führte zu einer sehr großen Druckkraftreduzierung (23 %) bei Zugabemengen (0,05 %), die nahezu um eine Größenordnung kleiner waren als die zur Erzielung gleicher Resultate erforderlichen Zugabemengen von BN-I und BN-II. Überdies war die Verringerung der Querbruchfestigkeit (7,1 %) und der Härte (von 77 auf 74 HRB) sowie der Einfluß auf die Dimensionsänderung (plus 0,01 %) praktisch gleich. Größere Druckkraftreduktionen (61 %) können durch eine höhere Zugabe von BN-Ill (0,3 Gewichtsprozent) erzielt werden, doch ist dabei eine größere Verringerung der Querbruchfestigkeit (43%) und der Härte (77 auf 54 HRB) sowie ein negativer Einfluß auf die Dimensionsänderung (minus 0,04 %) hinzunehmen. Diese Nachteile existieren jedoch auch bei den anderen Mitteln (man vergleiche die 0,1 und 0,2 %-Mengen bei BN-II). Bei Verwendung des reibungsreduzierenden Mittels gemäß dieser Erfindung (BN-Ill) reicht somit die Zugabe einer wesentlich geringeren Menge aus, um dennoch erwünschte Bearbeitungscharakteristika zu ergeben, ohne dabei aber die Nachteile einer Verringerung der mechanischen Festigkeit und der Härte sowie einer größeren Dimensionsänderung beim Sintern in Kauf nehmen zu müssen. Obwohl also die Zugabemengen von BN-Ill geringer sind als jene von BN-I und BN-II liegt die Vermutung nahe, daß die größere Anzahl der Teilchen pro Gewichtseinheit bei BN-Ill einen gleichmäßigeren Spanbruchvorgang ergibt und für das beobachtete gute Aufeinandergleiten von Span und Werkzeug verantwortlich ist. 5

Claims (2)

1. AT 402 167 B TABELLE EINFLUSS REIBUNGSREDUZIERENDER MITTEL AUF DIE EIGENSCHAFTEN VON ATOMET 28 - SINTERKÖRPER Mittel Gewichts-% der Zusatzmenge Gewichts-% Graphitzusatz Querbruchfestigkeit % 1) Dimensionsänderung % 2) Härte 3) HRB Verringerung der Druckkraft in % keines - 0.3 - 0 51 0 0.6 - 0 66 0 0.9 - 0 77 0 MnS (als 0.5 0.3 13 + 0.10 52 23 Vergleich) 0.6 11 + 0.11 65 18 0.9 15 + 0.10 74 10 BN-I (als 0.1 0.9 2.6 + 0.02 76 4 Vergleich) 0.2 0.3 2.1 + 0.03 51 21 0.6 0.8 + 0.01 68 19 0.9 2.5 -0.01 76 17 BN-II (als o.i 0.9 10.3 + 0.04 77 21 Vergleich) 0.3 0.9 16.3 + 0.04 73 36 BN-Ill 0.02 0.9 0.8 -0.01 75 3.5 (gemäß der Erfindung) 0.05 0.3 1.9 0 46 15 0.6 1.5 -0 03 59 19 0.9 7.1 + 0.01 74 23 0.1 0.6 7.1 + 0.03 59 30 0.9 12.3 + 0.03 70 28 0.2 0.6 15 + 0.04 60 47 0.9 38 0 62 46 0.3 0.9 43 -0.04 54 61 0.5 0.6 36.6 -0.10 53 61 1) Querbruchfestigkeit, prozentuelle Abweichung vom Bezugswert 2) Dimensionsänderung, prozentuelle Abweichung vom Bezugswert 3) Rockwell-B-Härte Patentansprüche 1. Eisenpulvermischung zur Herstellung von Sinterkörpern mit besserer Spanbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenpulvermischung aus - mindestens 85 Gewichts-% eines eisenhaltigen Pulvers mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 300 um und - 0,01 bis 0,5 Gewichts-% Bornitridpulver aus unregelmäßig geformten Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 0,05 und 1 um besteht und - gegebenenfalls Zusätze von organischen Bindemitteln und/oder Metallpulvern aufweist. 6 AT 402 167 B
2. 2. Eisenpulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bornitridpulver weniger als 5 Gewichts-% Boroxid enthält. 7