DE10253577B4

DE10253577B4 - Verfahren zur Herstellung eines dispersionsgehärteten Eisenwerkstoffs

Info

Publication number: DE10253577B4
Application number: DE10253577A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Gegner
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2022-11-16
Also published as: DE10253577A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines dispersionsgehärteten Eisenwerkstoffs, wobei einer Schmelze des Eisenwerkstoffs ein erstes Pulver zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pulver aus Partikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 200 nm besteht und dass nach der Durchmischung der Schmelze mit dem ersten Pulver eine über eine Unterkühlung der Schmelze gesteuerte Erstarrung durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dispersionsgehärteten Eisenwerkstoffs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Festigkeit sowie die Ermüdungs- und Verschleißbeständigkeit von Eisenwerkstoffen, insbesondere von Stählen, kann durch Einlagerung von Partikeln wie beispielsweise hochschmelzenden Oxiden verbessert werden. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, den Eisenwerkstoff in Pulverform mit den einzulagernden Partikeln zu vermischen und anschließend einem Sinter- bzw. Heißpressprozess zu unterziehen. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich zwar sehr gute Ergebnisse im Hinblick auf die Eigenschaften des so hergestellten Eisenwerkstoffs erzielen. Einen gravierenden Nachteil stellen jedoch die hohen Kosten dar, die dieses Verfahren verursacht (vergleiche z. B. Schnellarbeitsstähle). Der Einsatz des bekannten Verfahrens ist somit auf Spezialanwendungen beschränkt, bei denen Kostengesichtspunkte eher zweitrangig sind.
Aus der EP 0 680 521 B1 ist es zudem bekannt, Legierungscarbidteilchen einem flüssigen technischen Eisenmetall zuzugeben. Durch die Zugabe der Legierungscarbidteilchen zur Schmelze des technischen Eisenmetalls soll eine gewünschte Carbidkonzentration hergestellt werden. Die Legierungscarbidteilchen weisen eine maximale Abmessung von bis zu 10 μm auf, wobei Abmessungen von 1 bis 5 μm bevorzugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem vertretbaren Aufwand einen Eisenwerkstoff herzustellen, der dauerhaft über eine hohe Festigkeit verfügt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines dispersionsgehärteten Eisenwerkstoffs wird einer Schmelze des Eisenwerkstoffs ein erstes Pulver zugemischt. Das erste Pulver besteht aus Partikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 200 nm. Nach der Durchmischung der Schmelze mit dem Pulver wird eine über eine Unterkühlung der Schmelze gesteuerte Erstarrung durchgeführt.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass damit auf kostengünstige Weise ein Eisenwerkstoff hoher Qualität hergestellt werden kann, der insbesondere über eine hohe Festigkeit sowie eine hohe Ermüdungs- und Verschleißbeständigkeit verfügt. Der derart hergestellte Eisenwerkstoff weist eine sehr stabile Mikrostruktur auf, was zu einer hohen Lebensdauer daraus gefertigter Bauteile führt. Die zugegebenen Nanopartikel bilden wegen der inkohärenten Phasengrenze zur Eisenmatrix nicht schneidbare Hindernisse für Versetzungen, die bei moderaten Betriebstemperaturen (für Eisenwerkstoffe bis etwa 300°C) auch nicht durch thermisch aktivierte Kletterprozesse überwunden werden können. Die Versetzungen passieren deshalb nach dem Orowan-Meschanismus durch spannungsinduziertes Ausbauchen und Umgehen (vergleiche Frank-Read-Quelle). Den erreichbaren Verfestigungsbeitrag regelt daher der Hindernisabstand, der entsprechend der Friedel-Statistik aus dem durch den Volumenanteil f und der Durchmesserverteilung der zugegebenen Partikel (Dispersionsphase) gegebenen mittleren Planaren Teilchenabstand hervorgeht:
In Gleichung (1) wurde als Näherung eine sphärische Form der Partikel mit normalverteilten Radien ( r Mittelwert, σ Standardabweichung) angenommen. Für gleich große Kugelteilchen (Radius r) folgt daraus direkt:
Gleichung (2) erlaubt die Abschätzung des erzielbaren Verfestigungsbeitrags durch Einsetzen in die Orowan-Beziehung zur Berechnung des Scherspannungsanstiegs:
Dabei bezeichnen v die Querkontraktionszahl, G den Schubmodul und b den Betrag des Burgers-Vektors (b ≈ 2,5·10^–10 m). Für Eisenwerkstoffe gilt in guter Näherung v = 0,3 und G = 80 GPa. Für die gewünschte Stabilisierung der Mikrostruktur insbesondere gegen Materialermüdung ist es wesentlich, dass der geringe Partikel-, d. h. Hindernisabstand (z. B. 2r = 20 nm: f = 1 Vol.-% L_p = 130 nm, f = 3 Vol.-% L_p = 70 nm) Versetzungsdämpfung (Snoek-Köster-Effekt) behindert und sich dieses günstige Gefüge bei Auswahl geeigneter Dispersoide (z. B. Oxidpartikel) gegenüber Ostwaldreifung als äußerst beständig und damit alterungsstabil erweist. Zum Vergleich ist dies bei den in der konventionellen Stahlhärtung nach dem gleichen Mechanismus genutzten Carbidausscheidungen (Zusammensetzung etwa Fe_2,5C: ε-Carbid-Ausscheidungssequenz) mit Nanometergröße nicht der Fall, was typisch für solche Ausscheidungsreaktionen ist (das bekannteste Beispiel bilden Aluminiumlegierungen wie Duralumin). Die daraus resultierende Forderung nach thermomechanisch stabiler Sekundärhärtung wird durch erfindungsgemäße Verfahren besonders preisgünstig realisiert. Dadurch wird die Bauteillebensdauer unter zyklischer Belastung verlängert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere eine im wesentlichen homogene Verteilung des ersten Pulvers in der Schmelze hergestellt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Eigenschaften des Eisenwerkstoffs einheitlich verbessert werden und nicht durch Agglomeration der zugegebenen Partikel und/oder Verarmung Schwachstellen entstehen. Die homogene Verteilung kann durch elektromagnetisches Rühren, Einleitung eines Gases mit Blasenbildung, Aufschütteln, Einrühren und/oder Rütteln erreicht werden. Als Gas wird dabei bevorzugt Argon eingesetzt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Partikeldurchmesser des ersten Pulvers zwischen 5 und 150 nm. Besonders gute Ergebnisse lassen sich mit einem Partikeldurchmesser zwischen 10 und 100 nm erzielen. Der Anteil des Pulvers an der Schmelze beträgt in der Regel maximal 15 Vol.-%, wobei vorzugsweise 1 bis 5 Vol.-% vorgesehen sind. Bei einer Beachtung der genannten Parameterbereiche lässt sich eine besonders günstige Gefügestruktur des Eisenwerkstoffs erzielen. Im besonders bevorzugten Fall (Partikeldurchmesser zwischen 10 und 100 nm, Volumenanteil f von 1 bis 5 Vol.-%) ergeben sich gemäß Gleichungen (2) und (3) unter der Annahme kugelförmiger Pulverteichen der Hindernisabstand und der erzielbare Verfestigungsbeitrag zu L_p ≈ 25–650 nm bzw. Δτ ≈ 30–500 MPa. Daraus geht klar die Wichtigkeit der Verwendung feinstkörniger Nanopulver in nicht zu geringer Beigabe (Konzentration f) hervor.
Der Schmelze kann zusätzlich zum ersten Pulver ein zweites Pulver zugemischt werden, das aus Partikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 0,2 und 10 μm, vorzugsweise 1 und 5 μm bestehen kann. Durch das zweite Pulver, das bevorzugt aus wesentlich größeren Partikeln besteht als das erste Pulver lässt sich insbesondere eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit des Eisenwerkstoffs erreichen.
Bei dem ersten und/oder bei dem zweiten Pulver kann es sich um Oxid, Borid, Nitrid, Silizid und/oder Carbid handeln. Vorzugsweise kommt einer oder mehrere der Stoffe Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Tantaloxid, Thoriumoxid, Zirkonoxid, Ceriumoxid, Yttriumoxid, Siliziumcarbid, Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid Borcarbid, oder Wolframcarbid zum Einsatz. Die genannten Materialien haben den Vorteil, dass sie kostengünstig verfügbar sind und aufgrund ihrer hohen Schmelzpunkte den in der Schmelze des Eisenwerkstoffs herrschenden Temperaturen standhalten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Materialien unter den in der Schmelze herrschenden Bedingungen weitgehend chemisch inert sind.
Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Eisenwerkstoff kann es sich insbesondere um Stahl, z. B. Baustahl wie Vergütungsstahl, Einsatzstahl oder Wälzlagerstahl, handeln.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Eisenwerkstoff, beispielsweise ein Stahl über seine Schmelztemperatur hinaus, erhitzt. Der so hergestellten Schmelze wird ein Pulver derart zugemischt, dass es möglichst homogen im gesamten Schmelzvolumen verteilt ist. Um das feine Pulver in die Schmelze einzubringen, eignet sich beispielsweise Gaseinblasen, z. B. Argon. Dadurch lässt sich Agglomeration der Partikel verhindern. Die Durchmischung kann beispielsweise durch elektromagnetisches Rühren, Gaseinleitung (Argon) mit Blasenbildung, Aufschütteln, Einrühren oder Rütteln gefördert werden. Das Pulver besteht aus einem Material, das beim Einbringen in die Schmelze des Eisenwerkstoffs seinen festen Aggregatszustand beibehält. Als Pulvermaterial eignet sich beispielsweise Oxide wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Tantaloxid, Thoriumoxid, Zirkonoxid, Ceriumoxid oder Yttriumoxid sowie Boride, Nitride wie Bornitrid oder Siliziumnitrid, Silizide und Carbide wie Siliziumcarbid, Borcarbid oder Wolframcarbid.
Um bei dem Eisenwerkstoff eine Gefügestruktur zu erzeugen, die zu einer hohen Festigkeit sowie zu einer hohen Ermüdungs- und Verschleißbeständigkeit führt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass das zugemischte Pulver aus Partikeln mit einer geeigneten Partikelgröße besteht. Es hat sich gezeigt, dass ein qualitativ hochwertiger Eisenwerkstoff nur dann hergestellt werden kann, wenn der Partikeldurchmesser des zugemischten Pulvers zwischen 1 und 200 nm liegt. Insbesondere ist für den Partikeldurchmesser ein Bereich zwischen 5 und 150 nm vorzuziehen, wobei zwischen 10 und 100 nm die besten Ergebnisse erzielt wurden. Auch das Mischungsverhältnis zwischen dem zugesetzten Pulver und dem Eisenwerkstoff hat großen Einfluss auf die Eigenschaften des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Eisenwerkstoffs. Das Mischungsverhältnis wird so gewählt, dass der Anteil des Pulvers maximal 15 Vol.-% beträgt. Besonders gute Ergebnisse können im Bereich zwischen 1 und 5 Vol.-% Pulver erzielt werden. Nachdem das Pulver möglichst homogen mit der Schmelze des Eisenwerkstoffs vermischt wurde, sind Maßnahmen zu treffen, die diese homogene Verteilung des Pulvers auch bei der Erstarrung der Schmelze weitgehend erhalten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Erstarrung der Schmelze über temperaturgeregelte Unterkühlung gesteuert wird. Insbesondere kann damit beispielsweise eine gerichtete Erstarrungsfront erzeugt werden und ein unkontrolliertes Erstarren an Kondensationskeimen, dass in der Regel zu einer inhomogenen Verteilung des zugemischten Pulvers führt, verhindert werden. Der auf diese Weise hergestellte Eisenwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass die zugesetzten Partikel fein verteilt in das Gefüge eingebettet sind und dadurch insbesondere eine Verbesserung der Festigkeit und der Ermüdungsbeständigkeit des Eisenwerkstoffs zur Folge haben.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schmelze des Eisenwerkstoffs wenigstens ein weiteres Pulver zugemischt, das ebenfalls aus einem der bereits genannten Stoffe bestehen kann. Dieses weitere Pulver unterscheidet sich zu dem vorstehend beschriebenen Pulver allerdings darin, dass es über einen deutlich größeren Partikeldurchmesser (Korngröße) verfügt. Der Partikeldurchmesser des weiteren Pulvers beträgt zwischen 0,2 und 50 μm, wobei sich besonders gute Ergebnisse im Bereich zwischen 1 und 10 μm erzielen lassen. Die größeren Partikel werden ebenso wie die kleinen Partikel möglichst homogen mit der Schmelze des Eisenwerkstoffs gemischt und in dieser Verteilung in das Gefüge eingelagert. Der Haupteffekt der größeren Partikel besteht darin, dass sie eine zusätzliche Verbesserung der Verschleißbeständigkeit bei dem Eisenwerkstoff bewirken.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dispersionsgehärteten Eisenwerkstoffs, wobei einer Schmelze des Eisenwerkstoffs ein erstes Pulver zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pulver aus Partikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 200 nm besteht und dass nach der Durchmischung der Schmelze mit dem ersten Pulver eine über eine Unterkühlung der Schmelze gesteuerte Erstarrung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erstarrung eine im wesentlichen homogene Verteilung des ersten Pulvers in der Schmelze hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen homogene Verteilung des ersten Pulvers in der Schmelze durch elektromagnetisches Rühren, Einleitung eines Gases – bevorzugt Argon – mit Blasenbildung, Aufschütteln, Einrühren und/oder Rütteln erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikeldurchmesser des ersten Pulvers zwischen 5 und 150 nm, vorzugsweise zwischen 10 und 100 nm, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze das erste Pulver mit einem Anteil von maximal 15 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 1 und 5 Vol.-%, zugemischt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze ein zweites Pulver zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Pulver aus Partikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 0,2 und 50 μm, vorzugsweise zwischen 1 und 10 μm, besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten und/oder dem zweiten Pulver um ein Oxid, Borid, Nitrid, Silizid und/oder Carbid handelt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten und/oder dem zweiten Pulver um Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Tantaloxid, Thoriumoxid, Zirkonoxid, Ceriumoxid, Yttriumoxid, Siliziumcarbid, Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Borcarbid oder Wolframcarbid handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Eisenwerkstoff um Stahl handelt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um bei dem Stahl um Baustahl handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Baustahl um Vergütungsstahl, Einsatzstahl oder Wälzlagerstahl handelt.