AT527435A2 - Process for the production of alloyed sintered steel - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-6-Element- und/oder Gruppe 5-Element-legierten Sinterstahls, umfassend die Schritte: • Bereitstellen einer Pulvermischung, umfassend o 1 bis 6 Gew.% einer pulverförmigen Masteralloy-Vorlegierung, wobei die Masteralloy-Vorlegierung einen Schmelzpunkt von max. 1300 °C aufweist, o 0,1 bis 2 Gew.% pulverförmiges Gruppe-6- und/oder Gruppe 5-Elements als Elementarpulver oder als Ferrolegierungspulver oder als Carbidpulver, o 0,1 bis 1,0 Gew. % Kohlenstoff, o bis zu 1,0 Gew. % eines Presshilfsmittels, o Rest: pulverförmiges Eisen oder pulverförmige Eisenlegierung • Herstellung eines Grünlings aus dieser Pulvermischung und • Sintern des Grünlings bei einer Maximaltemperatur von 1100 bis 1250 °C.Method for producing a group 6 element and/or group 5 element alloyed sintered steel, comprising the steps: • Providing a powder mixture comprising o 1 to 6 wt. % of a powdered master alloy, wherein the master alloy has a melting point of max. 1300 °C, o 0.1 to 2 wt. % of powdered group 6 and/or group 5 element as elemental powder or as ferroalloy powder or as carbide powder, o 0.1 to 1.0 wt. % carbon, o up to 1.0 wt. % of a pressing aid, o remainder: powdered iron or powdered iron alloy • Producing a green compact from this powder mixture and • Sintering the green compact at a maximum temperature of 1100 to 1250 °C.
Description
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON LEGIERTEM SINTERSTAHL PROCESS FOR THE PRODUCTION OF ALLOYED SINTERED STEEL
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-5- bzw. Gruppe6-Element-legierten Sinterstahls, insbesondere eines Molybdän-legierten Sinterstahls. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung einer Masteralloy-Vorlegierung zum Legieren von Sinterstahl. Weiters betrifft die Erfindung eine Masteralloy-Vorlegierung zum Legieren The present invention relates to a method for producing a group 5 or group 6 element alloyed sintered steel, in particular a molybdenum alloyed sintered steel. In addition, the invention relates to the use of a master alloy for alloying sintered steel. Furthermore, the invention relates to a master alloy for alloying
von Sinterstahl. of sintered steel.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Zur Härtung und zur Verhinderung der Anlassversprödung von Stahl werden dem Stahl als Legierungselemente zunehmend Refraktärmetalle wie z.B. Molybdän oder Vanadium zugesetzt. Aufgrund der im Vergleich zu Eisen sehr hohen Schmelztemperatur insbesondere von Molybdän wurden bei der Herstellung von legierten Sinterstählen inzwischen auch Masteralloy-Verfahren beschrieben. Bei diesen Verfahren wird ein Masteralloy (eine „Vorlegierung‘“) mit signifikantem Gehalt am zu legierenden Metall (z.B. Molybdän oder Vanadium), hergestellt, wobei das Masteralloy anschließend in Pulverform mit metallischem Eisenpulver gemischt, gepresst und gesintert wird (siehe z.B. Zapf, G., Dalal, K.: Modern developments in powder metallurgy, 1977, p. 129; Schlieper, G., Thümmler, F.: Powder Metallurgy International, vol. 11, 1979, p. 172; Banerjee, S., et al.: Progress in Powder Metallurgy, vol. 13, 1980, p. 143). Eine gleichmäßige Verteilung des molybdän- bzw. vanadiumhaltigen Masteralloys in der Pulvermischung sorgt für eine gute Verteilung des Molybdäns und des Vanadiums im Sinterstahl. Da allerdings bei diesem Verfahren das Molybdän und noch mehr das Vanadium im Masteralloy als thermodynamisch recht stabiles Karbid vorliegt, sind für die homogene Verteilung des Mo bzw. V in der Stahlmatrix hohe To harden steel and prevent temper embrittlement, refractory metals such as molybdenum or vanadium are increasingly being added to steel as alloying elements. Due to the very high melting temperature of molybdenum in particular compared to iron, master alloy processes have now also been described for the production of alloyed sintered steels. In these processes, a master alloy (a "master alloy") with a significant content of the metal to be alloyed (e.g. molybdenum or vanadium) is produced, whereby the master alloy is then mixed in powder form with metallic iron powder, pressed and sintered (see e.g. Zapf, G., Dalal, K.: Modern developments in powder metallurgy, 1977, p. 129; Schlieper, G., Thümmler, F.: Powder Metallurgy International, vol. 11, 1979, p. 172; Banerjee, S., et al.: Progress in Powder Metallurgy, vol. 13, 1980, p. 143). A uniform distribution of the molybdenum- or vanadium-containing master alloy in the powder mixture ensures a good distribution of the molybdenum and vanadium in the sintered steel. However, since in this process the molybdenum and even more the vanadium in the master alloy is present as a thermodynamically stable carbide, high
Sintertemperaturen erforderlich. sintering temperatures required.
Kurzbeschreibung der Erfindung Brief description of the invention
Mit Molybdän legierte Sinterstähle sind aus dem Stand der Technik zwar bekannt, allerdings ist die Herstellung von mit Molybdän (Mo) legiertem Sinterstahl, bei dem das Mo homogen im fertigen Sinterstahl verteilt ist, aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Mo (2623 °C) technisch und energetisch aufwändig. Das Sintern von Pulvermischungen mit elementarem Mo oder auch Ferromolybdänpulver erfordert sehr hohe Sintertemperaturen und damit aufwändige Ofenaggregate, damit die für die geforderten mechanischen Eigenschaften notwendige gleichmäßige Verteilung des Legierungselementes in der Stahlmatrix erreicht wird. Auch das zuvor beschriebene Master-Alloy-Verfahren ist wie erwähnt energetisch aufwändig mit hohen erforderlichen Sintertemperaturen. Hohe Sintertemperaturen führen in diesem Fall auch dazu, Molybdenum-alloyed sintered steels are known from the state of the art, but the production of molybdenum (Mo)-alloyed sintered steel, in which the Mo is distributed homogeneously in the finished sintered steel, is technically and energetically complex due to the high melting point of Mo (2623 °C). The sintering of powder mixtures with elemental Mo or ferromolybdenum powder requires very high sintering temperatures and thus complex furnace units in order to achieve the uniform distribution of the alloying element in the steel matrix required for the required mechanical properties. As mentioned, the previously described master alloy process is also energetically complex with high required sintering temperatures. In this case, high sintering temperatures also lead to
dass der Sinterstahl merklich schwillt bzw. zu Verzug neigt, was hinsichtlich der Maßhaltigkeit that the sintered steel swells noticeably or tends to warp, which in terms of dimensional stability
legierten Sinterstählen auf. alloyed sintered steels.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines niedrig Refraktärmetalllegierten Sinterstahls, bei welchem die erforderliche Sintertemperatur gegenüber den oben erwähnten Verfahren niedriger liegt sowie die Maßhaltigkeit verbessert ist. The object of the present invention is therefore to provide a method for producing a low refractory metal alloyed sintered steel, in which the required sintering temperature is lower than in the above-mentioned methods and the dimensional stability is improved.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-6-Element- bzw. Gruppe-5-Element-legierten Sinterstahls, umfassend die Schritte: e Bereitstellen einer Pulvermischung, umfassend o 1 bis 6 Gew.% einer pulverförmigen Masteralloy-Vorlegierung, wobei die Masteralloy-Vorlegierung einen Schmelzpunkt von max. 1300 °C aufweist, o 0,1 bis 2 Gew.% pulverförmiges Gruppe-6- und/oder Gruppe 5-Elements als Elementarpulver oder als Ferrolegierungspulver oder als Carbidpulver, o 0,1 bis 1,0 Gew. % Kohlenstoff, o bis zu 1,0 Gew. % eines Presshilfsmittels, Oo Rest: pulverförmiges Eisen oder pulverförmige Eisenlegierung e Herstellung eines Grünlings aus dieser Pulvermischung und This object is achieved by a method for producing a group 6 element or group 5 element alloyed sintered steel, comprising the steps: e providing a powder mixture comprising o 1 to 6 wt.% of a powdered master alloy, wherein the master alloy has a melting point of max. 1300 °C, o 0.1 to 2 wt.% of powdered group 6 and/or group 5 element as elemental powder or as ferroalloy powder or as carbide powder, o 0.1 to 1.0 wt.% carbon, o up to 1.0 wt.% of a pressing aid, Oo remainder: powdered iron or powdered iron alloy e producing a green compact from this powder mixture and
e Sintern des Grünlings bei einer Maximaltemperatur von 1100 bis 1250 °C. e Sintering of the green body at a maximum temperature of 1100 to 1250 °C.
Als Gruppe-6-Element- bzw. Gruppe-5-Element werden die natürlich vorkommenden Elemente der Gruppe 6 bzw. Gruppe 5 verstanden. Die Gruppe-6-Elemente im Sinne der Erfindung sind daher die Metalle Chrom, Molybdän und Wolfram, die Gruppe 5-Elemente sind Vanadium, Niob und Tantal. Bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung das Gruppe-6-Element Molybdän vorgesehen. Daher wird nachfolgend neben der Bezeichnung Gruppe-6-Elementlegierter Sinterstahle insbesondere Molybdän-legierter Sinterstahl beschrieben; bei den The naturally occurring elements of group 6 and group 5 are understood as group 6 and group 5 elements. The group 6 elements in the sense of the invention are therefore the metals chromium, molybdenum and tungsten, the group 5 elements are vanadium, niobium and tantalum. The group 6 element molybdenum is preferably provided within the scope of the invention. Therefore, in addition to the term group 6 element alloyed sintered steel, molybdenum alloyed sintered steel is described below in particular;
Gruppe-5-Elementen gilt das Gleiche für Vanadium. The same applies to vanadium among group 5 elements.
Niedrig Refraktärmetalllegiert bzw. niedrig Molybdän-legiert in Sinne der Erfindung bedeutet, dass der fertige Sinterstahl nicht mehr als 2 Gew.% an Refraktärmetall bzw. Mo aufweist. Pulverförmiges Eisen hat eine Reinheit von > 99 Gew.%. Eine Eisenlegierung im Rahmen der Erfindung enthält zumindest 90 Gew.% Eisen. Low refractory metal alloy or low molybdenum alloy in the sense of the invention means that the finished sintered steel does not contain more than 2 wt.% of refractory metal or Mo. Powdered iron has a purity of > 99 wt.%. An iron alloy in the context of the invention contains at least 90 wt.% iron.
Im Sinne der Erfindung wird unter Stahl unter Bezugnahme auf die EN 10020:2000—-07 ein For the purposes of the invention, steel is defined with reference to EN 10020:2000—-07 as
Werkstoff verstanden, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, Material whose mass fraction of iron is greater than that of any other element,
dessen Kohlenstoffgehalt maximal 2 Gew. % beträgt und der andere Elemente enthalten kann. whose carbon content is a maximum of 2 wt. % and which may contain other elements.
Molbydäncarbidpulver oder Vanadiumcarbidpulver zugesetzt werden. Molybdenum carbide powder or vanadium carbide powder can be added.
Die Verteilung von Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element erfolgt den Studien der Erfinder zufolge so, dass zunächst das Masteralloy schmilzt und beim Schmelzen sich in der Pulvermischung verteilt. Das pulverförmige Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element löst sich dabei in der Schmelzphase des Masteralloys und verteilt sich gemeinsam mit dem Masteralloys im Grünling. Auf diese Weise kann die Sintertemperatur niedrig gehalten werden, weil lediglich die Schmelztemperatur des Masteralloys erreicht werden muss. Außerdem ändern sich die Maße des Körpers beim Sintern kaum, sodass die Maßhaltigkeit verglichen mit anderen Verfahren gemäß dem Stand der Technik höher ist. Ähnliche Ergebnisse sind beim Legieren von Eisen mit Chrom oder Wolfram bzw. Niob oder Tantal möglich, wobei dann das Masteralloy chromfrei bzw. wolframfrei, niobfrei bzw. tantalfrei ist und einen Schmelzpunkt von max. 1300 °C aufweist und wenn das Chrom bzw. das Wolfram, Niob und/oder Tantal als According to the inventors' studies, the distribution of group 6 element or group 5 element occurs in such a way that the master alloy melts first and is distributed in the powder mixture during melting. The powdered group 6 element or group 5 element dissolves in the melting phase of the master alloy and is distributed together with the master alloy in the green body. In this way, the sintering temperature can be kept low because only the melting temperature of the master alloy has to be reached. In addition, the dimensions of the body hardly change during sintering, so that the dimensional stability is higher compared to other state-of-the-art processes. Similar results are possible when alloying iron with chromium or tungsten or niobium or tantalum, whereby the master alloy is then chromium-free or tungsten-free, niobium-free or tantalum-free and has a melting point of max. 1300 °C and if the chromium or tungsten, niobium and/or tantalum as
elementares Pulver oder als entsprechendes Ferrolegierungspulver zugesetzt wird. elemental powder or as corresponding ferroalloy powder.
Im Unterschied zu bekannten Masteralloy Ansätzen (wie z.B. in Raquel de Oro Calderon et. al; Powder Metallurgy Progress, Vol.18 (2018), No.2, p.121-127 http://dx.doi.org/10.1515/pmp2018-0014 beschrieben) wird das zu legierende Element nicht in das Masteralloy selbst eingebracht, sondern es wird als Pulver entweder unmittelbar (bevorzugt) oder als In contrast to known master alloy approaches (as described e.g. in Raquel de Oro Calderon et. al; Powder Metallurgy Progress, Vol.18 (2018), No.2, p.121-127 http://dx.doi.org/10.1515/pmp2018-0014), the element to be alloyed is not introduced into the master alloy itself, but is introduced as a powder either directly (preferred) or as
Ferrolegierungspulver oder als Carbid zugesetzt. Ferroalloy powder or added as carbide.
Mit diesem Verfahren ist es nunmehr möglich, einerseits hochschmelzende Elemente einfach zu legieren, andererseits aber auch solche, die hochschmelzende Carbide bilden und aufgrund der Schmelztemperaturen bzw. Zersetzungstemperaturen nur schwer legierbar sind. Nachfolgend sind für einzelne Gruppe-6-Elemente bzw. Gruppe-5-Elemente bestimmte With this process it is now possible to easily alloy elements with high melting points, but also those that form high melting carbides and are difficult to alloy due to the melting or decomposition temperatures. Specific alloying methods for individual group 6 and group 5 elements are given below.
Schmelzpunkte bzw. Zersetzungspunkte aufgelistet: Melting points and decomposition points are listed:
Cr: kongruent schmelzend bei 1857°C Cr23C6: peritektische Zersetzung bei 1576°C Cr7C3: kongruent schmelzend bei 1766°C Cr: congruent melting at 1857°C Cr23C6: peritectic decomposition at 1576°C Cr7C3: congruent melting at 1766°C
e NbC, TaC: W.G.Moffatt: „The Handbook of Binary Phase Diagrams”. Genium Publishing Corp., Schenectady NY (1984) e NbC, TaC: W.G.Moffatt: “The Handbook of Binary Phase Diagrams”. Genium Publishing Corp., Schenectady NY (1984)
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nunmehr auch diese Metalle bzw. Metallcarbide The process according to the invention now also allows these metals or metal carbides
einfach zu legieren. easy to alloy.
Die Masteralloy-Vorlegierung soll die Verteilung des Gruppe-6- bzw. Gruppe-5-Elements in der Eisenphase begünstigen. Als ideal haben sich dabei Legierungen erwiesen, bei denen die Verteilung der Masteralloy-Schmelze im Grünling ideal ist. Masteralloy - Vorlegierungen, die sich als geeignet erwiesen haben, sind solche, die aus The Masteralloy master alloy is intended to promote the distribution of the group 6 or group 5 element in the iron phase. Alloys in which the distribution of the Masteralloy melt in the green body is ideal have proven to be ideal. Masteralloy master alloys that have proven to be suitable are those that consist of
e 10 bis 60 Gew.% Eisen, e 10 to 60 wt.% iron,
e 0bis 20 Gew.% Silizium, e 0 to 20 wt.% silicon,
e 0O0bis 6,7 Gew. % Kohlenstoff, e 0O0to 6.7 wt. % carbon,
e 10 bis 60 Gew. % Mangan, e 10 to 60 wt. % manganese,
ee max 30 Gew. %, vorzugsweise maximal 20 Gew. % sonstige Elemente ee max 30 wt. %, preferably maximum 20 wt. % other elements
bestehen. consist.
Sonstige Elemente sind beispielsweise Cu, Ni, Co, Sn und Al in geringen Mengen. Other elements include Cu, Ni, Co, Sn and Al in small amounts.
Bevorzugt beträgt der Gehalt des zu legierenden Gruppe-6- bzw. Gruppe-5-Elements in der Masteralloy-Vorlegierung < 0,1 Gew. %, besonders bevorzugt < 0,01 Gew. %. Preferably, the content of the group 6 or group 5 element to be alloyed in the master alloy is < 0.1 wt. %, particularly preferably < 0.01 wt. %.
Die Verteilung des pulverförmigen Gruppe-6- bzw. Gruppe-5-Elements ist dann ideal, wenn es The distribution of the powdered group 6 or group 5 element is ideal when it
einen Partikeldurchmesser dso von < 10 um aufweist. a particle diameter dso of < 10 µm.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante erfolgt die Bereitstellung der Pulvermischung in mehreren Schritten: In einem ersten Schritt werden zunächst die pulverförmige MasteralloyVorlegierung und das pulverförmige Eisen bzw. die pulverförmige Eisenlegierung für vorzugweise 10 bis 30 Minuten vermischt; danach wird das pulverförmige Gruppe-6- bzw. Gruppe-5-Element zugesetzt und wieder für die gleiche Zeit gemischt. Anschließend wird Kohlenstoff zugesetzt und die so erhaltene Mischung erneut — für vorzugsweise 10 bis 30 Minuten — gemischt. Anschließend wird das Presshilfsmittel zugesetzt und die so erhaltene Mischung erneut — für vorzugsweise 10 bis 30 Minuten — gemischt. Diese Vorgehensweise In an advantageous embodiment, the powder mixture is prepared in several steps: In a first step, the powdered Masteralloy master alloy and the powdered iron or the powdered iron alloy are mixed for preferably 10 to 30 minutes; then the powdered Group 6 or Group 5 element is added and mixed again for the same time. Carbon is then added and the mixture thus obtained is mixed again — preferably for 10 to 30 minutes. The pressing aid is then added and the mixture thus obtained is mixed again — preferably for 10 to 30 minutes. This procedure
gewährleistet die optimale Verteilung aller Komponenten im fertigen Sinterstahl. ensures the optimal distribution of all components in the finished sintered steel.
Der Grünling wird typischerweise so hergestellt, dass die Pulvermischung durch axiales Matrizenpressen in die gewünschte Form gepresst wird. Dies kann in Formwerkzeugen durch The green part is typically produced by pressing the powder mixture into the desired shape by axial die pressing. This can be done in molds by
Anlegen eines Drucks von vorzugsweise 500-800 MPa erfolgen. Apply a pressure of preferably 500-800 MPa.
Vorzugsweise wird der Sintervorgang bei einer Initialtemperatur von 600 °C gestartet, um das Preferably, the sintering process is started at an initial temperature of 600 °C in order to
Presshilfsmittel restlos zu entfernen. Press aids must be completely removed.
Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Sintertemperatur von der Initialtemperatur bis zur Maximaltemperatur bei einer Rate von 5 bis 15 K/min, vorzugsweise In addition, it has proven advantageous if the sintering temperature is increased from the initial temperature to the maximum temperature at a rate of 5 to 15 K/min, preferably
etwa 10 K/min, gesteigert wird. about 10 K/min.
Wird ein Presshilfsmittel eingesetzt, so sollte das Presshilfsmittel vor dem Sintern, durch Erwärmen - vorzugsweise wie oben erwähnt auf 600 °C Einstelltemperatur — aus dem Grünling entfernt werden. Dieser Schritt wird vorzugweise unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Beispielsweise kann das Erwärmen zur Entfernung des Presshilfsmittels unter If a pressing aid is used, the pressing aid should be removed from the green body before sintering by heating it - preferably to a setting temperature of 600 °C as mentioned above. This step is preferably carried out under a protective gas atmosphere. For example, heating to remove the pressing aid can be carried out under
Stickstoffatmosphäre erfolgen. nitrogen atmosphere.
Der Sintervorgang erfolgt vorteilhaft unter einer Atmosphäre, bestehend aus Stickstoff und The sintering process is preferably carried out under an atmosphere consisting of nitrogen and
Wasserstoff, mit einem Taupunkt unterhalb -20°C. Hydrogen, with a dew point below -20°C.
e 10 bis 60 Gew.% Eisen, e 10 to 60 wt.% iron,
e 0 bis 20 Gew.% Silizium, e 0 to 20 wt.% silicon,
e 0O0bis 6,7 Gew. % Kohlenstoff, e 0O0to 6.7 wt. % carbon,
e 10 bis 60 Gew. % Mangan, e 10 to 60 wt. % manganese,
ee max 20 Gew. % sonstige Elemente ee max 20 wt. % other elements
zum Legieren von Sinterstahl. for alloying sintered steel.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Die Erfindung wird anhand von Beispielen, Figuren und der nachfolgenden The invention is illustrated by examples, figures and the following
Figurenbeschreibung näher erläutert. Figure description explained in more detail.
Fig. 1 zeigt ein klassisches Sinterverfahren für hochschmelzende Elemente Fig. 2 zeigt ein bekanntes Sinterverfahren für hochschmelzende Elemente mit Masteralloy. Fig. 1 shows a classic sintering process for refractory elements. Fig. 2 shows a known sintering process for refractory elements with Masteralloy.
Fig. 3 zeigt ein Sinterverfahren nach der Erfindung. Fig. 3 shows a sintering process according to the invention.
Fig. 1 zeigt ein klassisches Sinterverfahren, bei dem pulverförmiges Eisen oder eine pulverförmige Eisenlegierung (Basispulver) mit einem Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5Element (z.B. Mo, Cr, V oder W) und Kohlenstoff (C) gesintert werden. Als Basispulver wurden z.B. ASC 100.29 (Fe), Astaloy 0.85 Mo (Fe_0.85Mo), Astaloy CrA (Fe_1.8Cr) und Astaloy CrM (Fe 3Cr_0.5Mo) untersucht. Als Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element wurden Mo, Cr, V und W untersucht. Fig. 1 shows a classic sintering process in which powdered iron or a powdered iron alloy (base powder) is sintered with a group 6 element or group 5 element (e.g. Mo, Cr, V or W) and carbon (C). The base powders investigated were ASC 100.29 (Fe), Astaloy 0.85 Mo (Fe_0.85Mo), Astaloy CrA (Fe_1.8Cr) and Astaloy CrM (Fe 3Cr_0.5Mo). Mo, Cr, V and W were investigated as group 6 element or group 5 element.
Das Basispulver wird mit Kohlenstoff und elementarem, pulverförmigem Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element vermischt. In der Aufheizphase wird die Mischung von etwa 20 °C auf 1250 bis 1300 °C erwärmt, wobei es zu einer Carbidbildung kommt. Wenn eine eutektische Reaktion mit Basispulver erfolgt, kommt es zu einer intermediären Schmelzbildung mit Sekundärporen; nach dem Sintern ist das Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element weitgehend homogen in der Eisenmatrix verteilt. Allerdings erfordert die eutektische Reaktion je nach Legierungselement Temperaturen von 1250 bis 1370°C. Geschieht der Sintervorgang unterhalb dieser Temperaturschwelle, mit reiner Festphasendiffusion, liegt ein gesinterter und legierter Pulverstahl vor. In diesem ist aber das Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element nur lokal, nicht jedoch über den gesamten Körper verteilt, und der gewünschte Effekt dieser The base powder is mixed with carbon and elemental, powdered group 6 element or group 5 element. In the heating phase, the mixture is heated from about 20 °C to 1250 to 1300 °C, which leads to the formation of carbide. If a eutectic reaction takes place with the base powder, an intermediate melt formation with secondary pores occurs; after sintering, the group 6 element or group 5 element is distributed largely homogeneously in the iron matrix. However, the eutectic reaction requires temperatures of 1250 to 1370 °C, depending on the alloying element. If the sintering process takes place below this temperature threshold, with pure solid phase diffusion, the result is a sintered and alloyed powder steel. In this case, however, the group 6 element or group 5 element is only distributed locally, not over the entire body, and the desired effect of this
Elemente auf die Eigenschaften des Sinterstahls wird nicht erreicht. Elements on the properties of the sintered steel is not achieved.
Das Basispulver wird mit Kohlenstoff und pulverförmigem MA vermischt. In der Aufheizphase wird die Mischung von etwa 20 °C auf 1120 bis 1180 °C erwärmt. Dabei schmilzt das Masteralloy und verteilt sich über die offenen Poren. Nach dem Sintervorgang mit Festphasendiffusion bei 1120 bis 1180 °C liegt ein gesinterter und legierter Pulverstahl vor. Die Elemente Mn und Si haben sich über den ganzen Körper verteilt, nicht aber das Gruppe-6Element bzw. Gruppe-5-Element, das nach wie vor zumindest teilweise als ungelöstes Karbid vorliegt. Für homogene Verteilung dieser letzteren Elemente sind auch hier Sintertemperaturen von zumindest 1250°C erforderlich. Lediglich wenn das Masteralloy-Pulver MnMA verwendet wird, reichen Sintertemperaturen von 1120-1180°C aus, um Homogenisierung der Legierungselemente zu bewirken; allerdings wird in diesem Fall auf die vorteilhafte Wirkung The base powder is mixed with carbon and powdered MA. In the heating phase, the mixture is heated from about 20 °C to 1120 to 1180 °C. The master alloy melts and spreads over the open pores. After the sintering process with solid phase diffusion at 1120 to 1180 °C, a sintered and alloyed powder steel is obtained. The elements Mn and Si are distributed over the entire body, but not the group 6 element or group 5 element, which is still present at least partially as undissolved carbide. For a homogeneous distribution of these latter elements, sintering temperatures of at least 1250 °C are also required here. Only when the master alloy powder MnMA is used are sintering temperatures of 1120-1180 °C sufficient to bring about homogenization of the alloy elements; however, in this case, the beneficial effect
von Gruppe-5- bzw. Gruppe-6-Elementen verzichtet. of Group 5 or Group 6 elements.
Fig. 3 zeigt ein Masteralloy Sinterverfahren gemäß der Erfindung, bei dem pulverförmiges Eisen oder eine pulverförmige Eisenlegierung (Basispulver) mit einem Masteralloy Pulver und einem Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element in Pulverform gesintert werden. Das Masteralloy Pulver ist frei vom zu sinternden Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element (z.B. Mo, Cr, V oder W). Weiters ist Kohlenstoff (C) vorhanden. Als Basispulver wurden ebenfalls die zu Fig. 1 genannten Basispulver untersucht. Als Masteralloy kam MnMA (Fe-Si-C-Mn) zum Einsatz. Als Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element wurden Mo, Cr, V und W Fig. 3 shows a master alloy sintering process according to the invention, in which powdered iron or a powdered iron alloy (base powder) is sintered with a master alloy powder and a group 6 element or group 5 element in powder form. The master alloy powder is free of the group 6 element or group 5 element to be sintered (e.g. Mo, Cr, V or W). Carbon (C) is also present. The base powders mentioned in Fig. 1 were also examined as base powders. MnMA (Fe-Si-C-Mn) was used as the master alloy. Mo, Cr, V and W were used as the group 6 element or group 5 element.
untersucht. examined.
Das Basispulver wird mit Kohlenstoff, pulverförmigem MA und pulverförmigem Gruppe-6Element bzw. Gruppe-5-Element vermischt. In der Aufheizphase wird die Mischung von etwa 20 °C auf 1120 bis 1180 °C erwärmt. Dabei schmilzt das Masteralloy und löst das elementare Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element auf. Diese Lösung verteilt sich über die offenen Poren. Nach dem Sintervorgang mit Festphasendiffusion bei 1120 bis 1180 °C liegt ein gesinterter und legierter Pulverstahl vor. Das Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-Element hat sich über den gesamten Körper verteilt. Im Unterschied zum Beispiel der Fig. 2 kann so auf ein aufwändiges Masteralloy, bei dem eine Legierung mit dem Gruppe-6-Element bzw. Gruppe-5-The base powder is mixed with carbon, powdered MA and powdered group 6 element or group 5 element. In the heating phase, the mixture is heated from about 20 °C to 1120 to 1180 °C. The master alloy melts and dissolves the elemental group 6 element or group 5 element. This solution is distributed over the open pores. After the sintering process with solid phase diffusion at 1120 to 1180 °C, a sintered and alloyed powder steel is present. The group 6 element or group 5 element is distributed over the entire body. In contrast to the example in Fig. 2, a complex master alloy, in which an alloy with the group 6 element or group 5 element is used, can be dispensed with.
Element vorgelegt werden muss, verzichtet werden. element must be presented.
„Lösungsvermittler“ und Transportmedium fungieren. “solubilizer” and transport medium.
Die Herstellung der Sinterstahlkörper folgt der bekannten AHerstellroute für pulvermetallurgische Formteile, d.h. Mischen der Ausgangspulver unter Zusatz eines geeigneten Presshilfsmittels, Pressen durch einachsiges Matrizenpressen in Presswerkzeugen mit entsprechender Geometrie, thermische Entfernung des Presshilfsmittels in einem Ofenaggregat unter geeigneter Atmosphäre und Sintern unter inertem oder reduzierendem Schutzgas. Bei geeigneter Ausstattung des Sinterofens kann das Sintergut unmittelbar nach dem Verlassen der Hochtemperaturzone des Ofens durch Anblasen mit kaltem Inertgas abgeschreckt und damit gehärtet werden; dem schließt sich eine Anlassbehandlung in einer entsprechend The production of the sintered steel bodies follows the well-known production route for powder metallurgical molded parts, i.e. mixing the starting powder with the addition of a suitable pressing aid, pressing by uniaxial die pressing in pressing tools with the appropriate geometry, thermal removal of the pressing aid in a furnace unit under a suitable atmosphere and sintering under inert or reducing protective gas. If the sintering furnace is suitably equipped, the sintered material can be quenched and thus hardened by blowing cold inert gas immediately after leaving the high-temperature zone of the furnace; this is followed by tempering in an appropriate
temperierten Auslaufzone des Ofens oder in einem eigenen Anlassofen an. tempered outlet zone of the furnace or in a separate tempering furnace.
In dem konkret beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Masteralloy-Pulver der beschriebenen Zusammensetzung mit einem Reineisenpulver oder einem niedriglegierten Stahlpulver als Basispulver sowie Graphitpulver als Kohlenstoffträger gemischt; weiters wird eine geringe Menge des Pulvers eines Gruppe-6- und/oder Gruppe-5-Elements zugesetzt sowie das Presshilfsmittel. Vorteilhafterweise wird der Mischprozess stufenweise durchgeführt, indem zunächst das Basispulver mit dem Masteralloypulver gemischt wird, dann das Gruppe6-/Gruppe5S-Element-Pulver, nach einem weiteren Mischvorgang das Graphitpulver und nach In the specifically described method according to the invention, a master alloy powder of the described composition is mixed with a pure iron powder or a low-alloy steel powder as a base powder and graphite powder as a carbon carrier; furthermore, a small amount of the powder of a group 6 and/or group 5 element is added, as well as the pressing aid. The mixing process is advantageously carried out in stages by first mixing the base powder with the master alloy powder, then the group 6/group 5S element powder, after a further mixing process the graphite powder and after
weiterem Mischen das Gleitmittel zugesetzt und fertig eingemischt wird. After further mixing, the lubricant is added and mixed until complete.
Das Pressen geschieht in einem entsprechend der Geometrie des herzustellenden Bauteils geformten Presswerkzeug bei einem Pressdruck von 500 bis 800 MPa, je nach anzustrebender relativer Dichte. Der so erhaltene Grünkörper, der typischerweise 8-12% Porosität enthält. wird zunächst thermisch entwachst und dann im Ofenaggregat gesintert. Während des Aufheizprozesses auf Sintertemperatur, die vorzugsweise zwischen 1120 und 1180°C liegt, schmilzt das zugesetzte Masteralloypulver und bildet intermediär eine flüssige Phase, die imstande ist, das zugesetzte Gruppe-6- bzw. Gruppe-5-Element zu lösen. Unter der Wirkung der Kapillarkräfte verteilt sich die flüssige Phase mit dem darin enthaltenen Gruppe-6- bzw. Gruppe-5-Element im Porennetzwerk des Körpers; damit werden die Legierungselemente in dem Körper makroskopisch homogen verteilt. Anschließend diffundieren die Elemente in die Pressing takes place in a press tool shaped according to the geometry of the component to be manufactured at a pressure of 500 to 800 MPa, depending on the relative density to be achieved. The green body thus obtained, which typically contains 8-12% porosity, is first thermally dewaxed and then sintered in the furnace unit. During the heating process to the sintering temperature, which is preferably between 1120 and 1180°C, the added master alloy powder melts and forms an intermediate liquid phase that is able to dissolve the added group 6 or group 5 element. Under the effect of capillary forces, the liquid phase with the group 6 or group 5 element contained in it is distributed in the pore network of the body; this means that the alloying elements are distributed macroscopically homogeneously in the body. The elements then diffuse into the
Partikel des Basispulvers, wodurch die flüssige Phase verschwindet. particles of the base powder, causing the liquid phase to disappear.
Eigenschaften ungünstig ist. properties are unfavorable.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, hochschmelzende Gruppe-6bzw. Gruppe-5-Elemente schon bei mäßigen Sintertemperaturen mit dem FEisenbasisMatrixmetall zu legieren und so die positive Wirkung der Gruppe-6- bzw. Gruppe-5-Elemente The method according to the invention thus makes it possible to alloy high-melting group 6 or group 5 elements with the iron-based matrix metal even at moderate sintering temperatures and thus to increase the positive effect of the group 6 or group 5 elements
auf die Eigenschaften des Sinterstahls voll zum Tragen zu bringen. to fully exploit the properties of sintered steel.
Ausführungsbeispiele: Examples of implementation:
Für diese Untersuchung wurden Materialzusammensetzungen und Herstellparameter verwendet, bei denen festgestellt wurde, dass die Systeme bereits ohne Mo- oder V- Zugabe brauchbare mechanische Eigenschaften ergaben. Es wurde damit konkret untersucht, ob und in For this investigation, material compositions and manufacturing parameters were used which showed that the systems already produced usable mechanical properties without the addition of Mo or V. This was specifically investigated to see whether and to what extent
welchem Umfang der Zusatz dieser Elemente weitere Verbesserung bewirkt. the extent to which the addition of these elements brings about further improvement.
Beispiel 1: Example 1:
Es werden folgende Pulver gemischt: The following powders are mixed:
- 4 Gew. % Masteralloy-Pulver Fe-40%Mn-9%Si-1.5%C, hochdruck-wasserverdüst - 2 Gew. % Masteralloy-Pulver Fe-33%Mn-7.5%Si-3.44%C, hochdruck-wasserverdüst - 4 wt. % Masteralloy powder Fe-40%Mn-9%Si-1.5%C, high-pressure water atomized - 2 wt. % Masteralloy powder Fe-33%Mn-7.5%Si-3.44%C, high-pressure water atomized
- 0.5 Gew. % Mo-Pulver <32 um, elementar - 0.471 Gew .% Graphitpulver - 0.5 wt. % Mo powder <32 μm, elemental - 0.471 wt. % graphite powder
- Rest: Reineisenpulver wasserverdüst - Rest: pure iron powder water atomized
Die Mischung wird mit 0.6% Ethylenbisstearamid als Gleitmittel vermengt und in einem Presswerkzeug mit Schwebematrize mit 600 MPa Pressdruck zu quaderförmigen Probekörpern nach ISO 5754 gepresst. Als Referenz werden gleichartige Probekörper, aber ohne Mo-Zusatz, hergestellt. The mixture is mixed with 0.6% ethylene bisstearamide as a lubricant and pressed in a press tool with a floating die at 600 MPa pressure to form cuboid-shaped test specimens according to ISO 5754. As a reference, similar test specimens are produced, but without Mo addition.
Die so hergestellten Presslinge beider Zusammensetzungen werden in einem Ofen mit rohrförmiger, gasdichter Retorte aus hitzebeständigem Stahl 30 min bei 600°C unter Reinstickstoff entwachst und dann in einem weiteren Ofen mit rohrförmiger, gasdichter Retorte aus einer Superlegierung für 60 min bei einer Temperatur von 1180°C gesintert und in der The pellets of both compositions produced in this way are dewaxed in a furnace with a tubular, gas-tight retort made of heat-resistant steel for 30 minutes at 600°C under pure nitrogen and then sintered in another furnace with a tubular, gas-tight retort made of a superalloy for 60 minutes at a temperature of 1180°C and in the
wassergekühlten Auslaufzone des Ofens mit ca. 0.4 K/s auf Raumtemperatur abgekühlt. water-cooled outlet zone of the furnace at approx. 0.4 K/s to room temperature.
Von jeder Zusammensetzung wird ein Teil der Probekörper im Sinterzustand charakterisiert, ein weiterer Teil wird im letztgenannten Ofen nochmals auf 1100°C erwärmt, 30 min gehalten und dann in einer Abschreckvorrichtung mit Reinstickstoff so abgekühlt, dass sich eine zwischen 900° und 100°C linearisierte Kühlrate von 3 K/s ergibt. Direkt im Anschluss wird das For each composition, a portion of the test specimens is characterized in the sintered state, another portion is heated again to 1100°C in the latter furnace, held for 30 minutes and then cooled in a quenching device with pure nitrogen so that a cooling rate of 3 K/s linearized between 900° and 100°C is obtained. Immediately afterwards, the
Material für 60 min bei 180°C an Luft angelassen. Auch diese Proben werden charakterisiert. Material is annealed in air at 180°C for 60 minutes. These samples are also characterized.
Es werden die folgenden Eigenschaften gemessen: The following properties are measured:
AS (as sintered): Sinterzustand; GQ (gas quenched): gasabgeschreckt und angelassen Sinterdichte | Härte AS | Härte GQ | Schlagzähig- Schlagzähig-AS (as sintered): sintered state; GQ (gas quenched): gas quenched and tempered Sintered density | Hardness AS | Hardness GQ | Impact strength- Impact strength-
g/cm” HV30 HV30 keit AS keit GQ J/cm-2 J.cm-2 Mit Mo-Zusatz 7.01+0.01 | 339+ 14 | 379+11 7.1+0.6 11.7+ 0.6 Ohne Mo 7.00+ 0.01 | 264+4 338 +4 8.0+ 0.8 74+1.2 g/cm” HV30 HV30 AS strength GQ J/cm-2 J.cm-2 With Mo addition 7.01+0.01 | 339+ 14 | 379+11 7.1+0.6 11.7+ 0.6 Without Mo 7.00+ 0.01 | 264+4 338 +4 8.0+ 0.8 74+1.2
Beispiel 2: Example 2:
Es werden folgende Pulver gemischt: The following powders are mixed:
4 Gew. % Masteralloy-Pulver Fe-40%Mn-9%Si-1.5%C, hochdruck-wasserverdüst 4 wt. % Masteralloy powder Fe-40%Mn-9%Si-1.5%C, high-pressure water atomized
2 Gew. % Masteralloy-Pulver Fe-33%Mn-7.5%Si-3.44%C, hochdruck-wasserverdüst 0.5 Gew. % V-Pulver <90 um, elementar 2 wt. % Masteralloy powder Fe-33%Mn-7.5%Si-3.44%C, high-pressure water atomized 0.5 wt. % V powder <90 um, elemental
0.471 Gew. % Graphitpulver 0.471 wt. % graphite powder
Rest: Reineisenpulver, wasserverdüst Rest: pure iron powder, water atomized
11718 11718
Die Pulvermischung wird wie in Beispiel 1 beschrieben mit Gleitmittel vermengt, gepresst, The powder mixture is mixed with lubricant as described in Example 1, pressed,
entwachst und gesintert bzw. zum Teil anschließend gasabgeschreckt und getempert. dewaxed and sintered or, in some cases, subsequently gas quenched and tempered.
Es werden die folgenden Eigenschaften gemessen: The following properties are measured:
AS (as sintered): Sinterzustand; GQ (gas quenched): gasabgeschreckt und angelassen AS (as sintered): sintered state; GQ (gas quenched): gas quenched and tempered
Sinterdichte | Härte Härte Schlagzähigkeit Schlagzähigkeit Sintered density | Hardness Hardness Impact strength Impact strength
g/cm” AS GQ AS GQ HV30 HV30 J/cm-2 J.cm-2 Mit V-Zusatz | 7.01+0.01 | 296+22 | 376 + 15 7.7+03 6.2 + 0.4 Ohne V 7.00+£0.01 | 264+4 | 3384 8.0+ 0.8 74+1.2 g/cm” AS GQ AS GQ HV30 HV30 J/cm-2 J.cm-2 With V-added | 7.01+0.01 | 296+22 | 376 + 15 7.7+03 6.2 + 0.4 Without V 7.00+£0.01 | 264+4 | 3384 8.0+ 0.8 74+1.2
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| ATA50569/2023A AT527435A2 (en) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | Process for the production of alloyed sintered steel |
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| ATA50569/2023A AT527435A2 (en) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | Process for the production of alloyed sintered steel |
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| Country | Link |
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| WO (1) | WO2025015363A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5108493A (en) * | 1991-05-03 | 1992-04-28 | Hoeganaes Corporation | Steel powder admixture having distinct prealloyed powder of iron alloys |
| US5217683A (en) * | 1991-05-03 | 1993-06-08 | Hoeganaes Corporation | Steel powder composition |
| DE19756608A1 (en) * | 1997-02-03 | 1998-08-06 | Ford Global Tech Inc | Liquid phase sintered ferrous metal article production |
| EP0787048B1 (en) * | 1994-11-25 | 2000-02-02 | Höganäs Ab | Manganese containing materials having high tensile strength |
-
2023
- 2023-07-17 AT ATA50569/2023A patent/AT527435A2/en unknown
-
2024
- 2024-07-17 WO PCT/AT2024/060281 patent/WO2025015363A1/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5108493A (en) * | 1991-05-03 | 1992-04-28 | Hoeganaes Corporation | Steel powder admixture having distinct prealloyed powder of iron alloys |
| US5217683A (en) * | 1991-05-03 | 1993-06-08 | Hoeganaes Corporation | Steel powder composition |
| EP0787048B1 (en) * | 1994-11-25 | 2000-02-02 | Höganäs Ab | Manganese containing materials having high tensile strength |
| DE19756608A1 (en) * | 1997-02-03 | 1998-08-06 | Ford Global Tech Inc | Liquid phase sintered ferrous metal article production |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025015363A1 (en) | 2025-01-23 |
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