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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Sinter- stahl, wobei ein Sinterpulver auf Eisenbasis mit einem Nickel, Bor und Eisen enthaltenden Vorle- gierungspulver gemischt und die Pulvermischung zu einem Formling gepresst wird, bevor der Formling unter Bedingungen eines Flüssigphasensintems mit einem Volumsanteil an flüssiger Phase bis 15% gesintert wird.
Beim Verdichten von Sinterstählen durch Flüssigphasersintern unter Einsatz eines Vorlegie- rungspulvers aus Nickel und Bor diffundiert das Nickel spätestens nach dem ersten Auftreten von Schmelze in das Eisenpulver, wobei sich Eisen teilweise in der flüssigen Phase löst und vorhande- nes Nickelborid in Eisenborid umgewandelt wird, das zumindest bei Temperaturen oberhalb des Eisen-Bor-Eutektikums wiederum mit Eisen unter Bildung einer flüssigen Phase reagiert, so dass die flüssige Phase zunehmend die Körner des Eisenpulvers umgibt. Die Zunahme der flüssigen Phase während der Sinterung bedingt eine Verringerung der Poren und damit eine Verdichtung des Sinterstahls. Da die Menge an flüssiger Phase massgeblich vom Gehalt an Eisen in der flüssi- gen Phase bestimmt wird, wurde bereits vorgeschlagen (T. Nishida, T. Yamazaki, S. Chida, M.
Yamamiya : Effect of B on the Densification and the Mechanical Properties of Sintered Iron Powder Compacts, J. Japan Inst. Metals, Vol. 54, No. 10 (1990), pp. 1147-1153) ein Vorlegierungspulver aus Eisen, Nickel und Bor einzusetzen, so dass über die Vorlegierung zusätzlich Eisenborid zur Verfügung gestellt wird, was eine Beschleunigung der Reaktionen mit sich bringt, die eine Volu- menvergrösserung der flüssigen Phase nach sich ziehen. Es bilden sich netzartige eutektische Strukturen aus, die die Zugfestigkeit des Sinterstahls vergrössern, insbesondere die Schlagzähig- keit jedoch erheblich verschlechtern.
Diese Zusammenhänge wurden mit einem Vorlegierungspul- ver mit 20 Gew.% Eisen, 70 Gew.% Nickel und 10 Gew. % Bor als Legierungsbestandteile unter- sucht, wobei der Anteil des Vorlegierungspulvers an der Pulvermischung aus Vorlegierungspulver und Eisenpulver 3 bis 7 Gew.% ausmachte. Während das Eisenpulver eine durchschnittliche Teilchengrösse von 80 um aufwies, betrug die durchschnittliche Teilchengrösse des Vorlegierungs- pulvers ungefähr 4 um, um eine Verbesserung hinsichtlich der Schlagzähigkeit zu erhalten.
Abge- sehen davon, dass die Herstellung solcher Vorlegierungspulver aufwendig ist, weil die benötigten Vorlegierungen zunächst geschmolzen und verdüst sowie durch Schwingungsanregung zerschla- gen werden, bevor durch einen entsprechenden Mahlvorgang eine durchschnittliche Teilchengrösse von 4 um und feiner erhalten wird, bleibt die Schlagzähigkeit der mit Hilfe dieser Vorlegierungspul- ver hergestellten Sinterstähle unbefriedigend.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Formkör- pers aus Sinterstahl der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass insbesondere die Schlagzähigkeit des Sinterstahls entscheidend gesteigert werden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Borgehalt der Pulvermischung bei einem Boranteil des Vorlegierungspulvers von weniger als 10 Gew. % zwischen 0,03 und 0,2 Gew.% liegt, dass das Gewichtsverhältnis zwischen dem Nickel- und dem Boranteil der Pulver- mischung 5 übersteigt und dass das Vorlegierungspulver eine durchschnittliche Teilchengrösse zwischen 10 und 90 um aufweist.
Durch das Zusammenwirken dieser Massnahmen kann in überraschender Weise der Aufbau einer durchgehenden eutektischen Netzstruktur unterbunden werden, wie sie für eine weitgehende Verdichtung des Sinterstahls angestrebt wird. Dies bedeutet, dass der Formkörper gute Werte hinsichtlich der Schlagzähigkeit aufweist, und zwar bei entsprechend höheren Zugfestigkeiten aufgrund der grösseren Dichte, wenn auch wegen der gegeneinander abgegrenzten Boridbereiche eine gewisse Restporosität in Kauf genommen werden muss.
Obwohl davon ausgegangen werden kann, dass mit gröberen Teilchen des Vorlegierungspul- vers die Dicke der beim Sintem entstehenden Boridschichten zunimmt und dadurch die Wahr- scheinlichkeit eines zusammenhängenden Boridnetzes steigt, können durch eine mittlere Feinheit des Vorlegierungspulvers (durchschnittliche Teilchengrösse zwischen 10 und 90 um) im Vergleich zu feinen Pulvern hinsichtlich der Unterdrückung eines ausgeprägten Boridnetzwerkes Vorteile gewonnen werden, weil diese vorzugsweise durch eine Gasverdüsung erhaltenen gröberen Vorle- gierungspulver gerundete Kanten aufweisen, weniger zum Agglomerieren neigen und gleichmässi- ger mit dem Sinterpulver auf Eisenbasis vermischt werden können.
Dieser Umstand führt im Zu- sammenhang mit der Begrenzung des Borgehaltes an der gesamten Pulvermischung auf 0,03 bis 0,2 Gew.% und der damit verbundenen Verzögerung des Komwachstums bei einer entsprechen-
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den Wahi der Sintertemperatur zu einer ausreichenden Behinderung des Zusammenwachsens örtlicher Boridbereiche, um die Ausbildung eines zusammenhängenden Boridneztwerkes vermei- den zu können. Da Nickel die Wirkung des Bors hinsichtlich der Versprödung des Sinterstahls mildert, ist für einen ausreichenden Nickelanteil in der Pulvermischung zu sorgen.
Mit einem Ver- hältnis zwischen dem Nikkelanteil und dem Boranteil an der Pulvermischung von wenigstens 5 kann wegen der die Sinterung unterstützenden Wirkung des Nickels ein entsprechend verringerter Borgehalt eingesetzt werden, was für das Vermeiden eines zusammenhängenden Boridnetzwer- kes von erheblicher Bedeutung ist.
Bei einem Borgehalt von 0,03 Gew.% an der Pulvermischung kann unter den geforderten Be- dingungen bereits ein entsprechender Einfluss auf das Sintern im Hinblick auf eine verbesserte Schlagzähigkeit des Sinterstahls festgestellt werden. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich in diesem Zusammenhang, wenn der Borgehalt der Pulvermischung zwischen 0,10 und 0,15 Gew.% liegt, weil bei diesen Borgehalten die Gefahr eines zusammenhängenden Borid- netzwerkes weitgehend ausgeschlossen werden kann.
Der für die Härtung eines Sinterstahls benötigte Kohlenstoff wird in üblicher Weise als Graphit zugegeben. Der Kohlenstoff beeinträchtigt allerdings die vorteilhafte Wirkung des Bors auf den Sintervorgang, so dass es sich empfiehlt, den Kohlenstoffgehalt auf einen Wert zwischen 0,15 und 0,8 Gew. % zu beschränken.
Die beschriebenen Wirkungen der erfindungsgemässen Massnahmen sind nicht von der Zu- sammensetzung des Sinterpulvers auf Eisenbasis abhängig, so dass die Zusammensetzung dieses Sinterpulvers den jeweiligen Anforderungen entsprechend gewählt werden kann. Das Vorlegie- rungspulver ist ebenfalls nicht auf eine ternäre Legierung beschränkt. So kann das Vorlegierungs- pulver zusätzlich Mangan, Chrom, Kupfer, Molybdän, Vanadium, Titan, Niob, Wolfram, Kohlenstoff, Aluminium und/oder wenigstens ein Element aus der Gruppe der Lanthanoiden enthalten.
In einem Ausführungsbeispiel wurde ein Vorlegierungspulver mit 67 Gew.% Nickel, 30 Gew.% Eisen und 3 Gew. % Bor eingesetzt. Die durchschnittliche Teilchengrösse betrug 40 um. Dieses Vorlegierungspulver wurde mit einem Gewichtsanteil von 4 % mit einem Sinterpulver auf Eisenba- sis vermischt, das 0,3 Gew.% Kohlenstoff aufwies. Die Pulvermischung wurde zu einem zylindri- schen Formling mit einer Gründichte von 7,160 g/cm3 verpresst und anschliessend bei einer Tempe- ratur von 1250 C unter einer Wasserstoffatmosphäre gesintert. Nach dem Sintern wurde eine Dichte von 7,314 g/cm3 gemessen. Die Schlagzähigkeit konnte mit 78,24 J/cm2 gemessen werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde ein Vorlegierungspulver mit 63 Gew.% Nickel, 30 Gew. % Eisen und 7 Gew. % Bor mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 60 um einge- setzt, und zwar in einer Menge von 2 Gew. % an der gesamten Pulvermischung. Das Sinterpulver auf Eisenbasis wies wiederum einen Kohlenstoffgehalt von 0,3 Gew. % auf. Bei einer mit dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel übereinstimmenden Behandlung wurden eine Gründichte von 7,068 2g/cm3 und eine Sinterdichte von 7,228 g/cm3 gemessen. Die Schlagzähigkeit betrug 76,21 J/cm .
Bei den angegebenen Mischungsverhältnissen betrugen der Nickelanteil im Sinterstahl beim ersten Ausführungsbeispiel 2,68 Gew. % und der Anteil des Bors 0,12 Gew. %, was einem Verhält- nis von Nickel zu Bor von etwa 22 : entspricht. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ergaben sich der Anteil an Nickel mit 1,26 Gew.% und der an Bor mit 0,14 Gew.%. Das Verhältnis von Nickel zu Bor konnte damit mit 9 :1 angegeben werden.
In der Zeichnung ist die Abhängigkeit der Schlagzähigkeit vom Borgehalt bei einem erfin- dungsgemässen Verfahren an Hand zweier Vorlegierungspulver dargestellt.
Die Kurve 1 bezieht sich auf ein Vorlegierungspulver mit 67 Gew.% Nickel, 30 Gew. % Eisen und 3 Gew. % Bor, wobei dieses Vorlegierungspulver in verschiedenen Mengen dem Sinterpulver zugemischt wurde. Nach einem Sintern unter den Bedingungen der Ausführungsbeispiele wurde die Schlagzähigkeit der unterschiedliche Boranteile aufweisenden Formkörper gemessen. Die Kurve 1 zeigt den grundsätzlichen Verlauf der Schlagzähigkeit in Abhängigkeit von den in Gew.% auf der Abszisse aufgetragenen Werten des Borgehaltes. Die Grösse der Schlagzähigkeit wird dabei von der Zusammensetzung des Sinterpulvers mitbestimmt, so dass in der Zeichnung nur die grundsätzliche Abhängigkeit der Schlagzähigkeit vom Borgehalt wiedergegeben wurde, nicht aber bestimmte Messwerte für die Schlagzähigkeit.
Es zeigt sich, dass die Schlagzähigkeit im Bereich eines Borgehaltes zwischen 0,13 und 0,15 Gew. % des Sinterstahls ein Maximum erreicht, um
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dann zu höheren Boranteilen hin stark abzufallen.
Die Kurve 2 spiegelt die Messwerte wieder, die sich beim Einsatz eines Vorlegierungspulvers mit 63 Gew.% Nickel, 30 Gew. % Eisen und 7 Gew. % Bor entsprechend dem zweiten Ausfüh- rungsbeispiel ergeben. Es wurden bei der Ermittlung der Kurven 1 und 2 lediglich die Gewichtsan- teile des Vorlegierungspulvers an der Pulvermischung geändert, die übrigen Parameter aber unverändert belassen. Es zeigt sich aus den beiden Kurven 1 und 2, dass sich für das Vorlegie- rungspulver mit dem höheren Nickel- und dem geringen Boranteil in einem weiten Bereich günsti- gere Bedingungen hinsichtlich der Schlagzähigkeit der Formkörper ergeben.
Aus den beiden Kurven lässt sich auch ablesen, dass bei einem Borgehalt grösser als 0,2 Gew.% die Schlagzähigkeit rasch abnimmt und daher lediglich ein Borgehalt bis 0,2 Gew.% eine entsprechend hohe Schlag- zähigkeit mit sich bringt.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Sinterstahl, wobei ein Sinterpulver auf
Eisenbasis mit einem Nickel, Bor und Eisen enthaltenden Vorlegierungspulver gemischt und die Pulvermischung zu einem Formling gepresst wird, bevor der Formling unter Bedin- gungen eines Flüssigphasensintems mit einem Volumsanteil an flüssiger Phase bis 15% gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Borgehalt der Pulvermischung bei einem
Boranteil des Vorlegierungspulvers von weniger als 10 Gew. % zwischen 0,03 und
0,2 Gew.% liegt, dass das Gewichtsverhältnis zwischen dem Nickel- und dem Boranteil der
Pulvermischung 5 übersteigt und dass das Vorlegierungspulver eine durchschnittliche Teil- chengrösse zwischen 10 und 90 um aufweist.