DE1758141A1 - Herstellung von Gegenstaenden aus pulverfoermigen Metallen - Google Patents

Description

Crucible Steel Company of America in Pittsburgh, Pennsylvania / USA

Herstellung von Gegenständen aus pulverfömigen Metallen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gegenständen bzw. Formungen aus pulverförmigen Metallen. Dabei betrifft die Erfindung - allgemein betrachtet - das Gebiet der Pulvermetallorgie bzw. der Metallkeramik. Insbesondere nimmt die Erfindung bezug auf ein solches pulvermetallurgisches Verfahren, bei dem fein verteiltes Metallpulver zu dichten bzw. kompakten Gegenständen unter Zuhilfenahme eines durch ein Druckmittel beaufschlagbaren Gefäßes verdichtet wird. Solche Gefäße werden allgemein als "Autoclav" bezeichnet.

Für die Herstellung vieler aus Metall bestehender Gegenstände, insbesondere solcher, die aus Werkzeugstahl bestehen, ist es sehr erwünscht, daß das Produkt durch sehr kleine, in einer feinkörnigen Grundmasse verteilter Karbide gekennzeichnet ist. Für solche Gegenstände, die aus Werkzeugstählen bestehen, ergibt diese Gefügestruktur beim Abschrecken von austenitisehen Temperaturen ein Höchstmaß an Härte. Obgleich die vorerwähnten Eigenschaften für

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Gegenstände, die aus Werkzeugstählen bestehen, sehr erwünscht sind, sind hochlegierte Werkzeugetähle^egen Segregation eutektischer Karbide während der Erstarrung sehr empfindlich. Dieser Effekt äußert eich insbesondere bei abnehmbaren Kühlgeschwindigkeiten· Um diesen Effekt gering zu halten, sind deshalb geringe Abmessungen der Massel bzw. des Blockes erwünscht. Diese eutektisohen Karbide sind sehr schwer duroh Anlassen bzw. Austenitisieren auflösbar, wobei lange Anlass- bzw. Austenitisierungszeiten zu einem übermäßigen Kornwachstuua führen. Wird ein blockförmigem autektische Karbid-Segregationen enthaltener Formling gewalzt, so werden diese Ausseigerungen bzw. Ausscheidungen lediglich gestreckt als gleichmäßig verteilt. Daher werden üblicherweise vor dem Walzen solche Formlinge geschmiedet, damit die Ausseigerungen bzw. Ausscheidungen oder dergl aufgebrochen und gleichmäßig verteilt werden. Durch diese Technik ist es jedoch nicht möglich, eine vollständig wahllose DispesLon der Karbide zu erzielen.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, -Oß die gewünschte wahllose sowie vollständige Dispersion **>* Karbide in aus hochle- gierten Werkzeugstählen bestehenden Gegenständen dadurch erzielt werden kann, daß atomisierte bzw. feinverteilte oder fein zerstäubte bzw. fein aufgelöste Partikel benutzt werden, welche die Karbide in der erwünschten wahllosen Verteilung enthalten, wobei diese Partikel durch

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Druck verdichtet werden, und zwar bei riner Temperatur und bei rinom Druck, die ausreichen, um eine Bindung und im wesentlichen eine Densifikation zu vollenden, ohne daß eine wesentliche Agglomeration von Karbiden eintritt.

ISrfindun./s^enäß wird ein Verfahren zum Herstellen von Gegenstanden bzw. Forralin.ren aus pulverförini-~en Metallen vorgeschlagen, ds sich dadurch kennzeichnet, daß eine Charge pulverförmiger Metalles in einen Behälter gebracht und in diesem Behalt er erhitzt wird, und zwar bis su oinor höheren Temperatur, die oberhalb einer ausgewählten bzw. bestimmten Verdichtung- oder Verfestigun^steiaperatur lierjt, wobei diese Verdichtun^stemperatur oder der.jl. jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der FuIveraet^llchar^e lit_t;t, und daß der Behälter und die Pulvermetdllcharße in ein mit einem Druckmittel betriebenes Gefäß gegeben werden, wonr.ch der Druckmitteldruck in dem uefaß erhöht wird, und zw;;r big zu einer solchen Höhe, daß die Fulvernetallcharge bir zu einer richte von 95 verdichtet wird, wobei die Verdichtung oder dergl. bis zu dieser Dichte vollendet ist, bevor die Pulvernetallcharge sich bis zu einer Temperatur unterhalb der ausgewählten Verdichtun.^steuparatür oder ier.tl. abgekühlt hat.

In derartigen Druck^efäßen, die allgemein mit "Autoclav " bezeichnet werden, können hohe Drücke durch ein gasförmiges Druckmittel, beispielsweise durch Helium erzielt werden.

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Der Gasdruck in einem solchen Autoclav wirkt gleichmäßig und gleichförmig auf die gesamte Charge pulverfürmigen Metalles ein, das zum Zwecke der Verdichtung in einem Behälter angeordnet ist. Der Druckmitteldruck, der auf diese Weise auf diePulvernetallcharge einwirkt, verursacht ein Fließen des Metalles, das erforderlich ist, um die gewünschte Verdichtung zu erzielen, ohne daß jedoch die vollständig ungeordnete b/.w. wahllose Dispersion der Karbide zerstört wird. Insbesondere werden durch den Druckmitteldruck die Partikel mit ihren Oberflächen solang zusammengehalten bzw. gegeneinander gepresst, bis oie zusammengebacken sind und der gewünschte feste Zustand erreicht ist. Um dieses Zusammenbacken oder dergl. zu erreichen, ist es jedoch notwendig, daß die Partikel bzw. Bestundteile der Pulveruetallcharge eine höhere Temperatur aufweisen und einen Druck ausgesetzt werden, der oberhalb eines Miniaaldruckes liegt, welcher von ddr Temperatur abhängig ist. Wenn die Temperatur zu hoch ist, wird dies zu einer Agglomeration der Karbide durch Sintern führen, so daß die gewünschte wahllose Verteilung der Karbide nicht erzielt wird, und zwar auch dann nicht, wenn gleichmäßige Druckbedingungen in dem Druckbehälter vorbanden sind. Die Temperatur, bei der dies bei einem bestimmten Metall geschieht, kann als Schmelztemperatur bezeichnet werden. Wenn andererseits die Temperatur zu gering iut, wird es nicht möglich sein, die gewünschte Bindung und Verdichtung

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bis zu Dichten von etwa 100 % zu erreichen. Die Dichte dee Pulvers vor dem Verdichten sollte relativ hoch, z.B. wenigstens 60 % betragen, damit infolge der Verdichtung Dichten von im wesentlichen 100 % erreicht werden, wobei ein Verziehen, Knicken oder ein sonstiges nach Innen gerichtetes unregelmäßiges Verwerfen oder falten der Wandungen des Behälters, der das Pulveruetall zwecks Verdichtung enthält, vermieden werden muß. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, daß die Metallpartikel im wesentlichen sphärisch bzw. kugelförmig ausgebildet sind und eine solche Größe besitzen, die nicht größer als -30 mesh (internationale Maßeinheit zur Messung der Kurnung; Maschenzahl eines Prüfsiebes; Siebfeinheit) ist. Da der Behälter von dem verdichteten Formling oder dergl. wieder getrennt werden muß, was beispielsweise durch Beizen mittels einer geeigneten Säure oder maschinell geschehen kann, nachdem die Verdichtung vollendet ist, muß jede nach innen gerichtete Einfaltung oder Einkerbung des Behälters während des Verdichtungsvorganges vermieden werden. Anderenfalls werden wesentliche Bestandteile des verdichteten Körpers beim Entfernen des Behälters ebenfalls abgetrennt. In den Fällen, in denen die Partitel bzw. Bestandteile der Pulvermetallcharge nicht im wesentlichen sphärisch sind wie es zur Erreichung einer zufriedenstellenden Verdichtung erforderlich ist, können diese Schwierigkeiten in gewissen Grenzen durch eine Vorverdichtung des Pulvers überwunden werden,

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d.h. das Pulver wird bevor es in den Autoclav zur Erzielung der endgültigen Verdichtung bis zu einer Dichte von annähernd 100 i» eingebracht wird, vorverdiohtet. Diese Vorverdichtung kenn mechanisch erfolgen, beispielsweise durch Verwendung einer geeigneten Matrize, in welche der mit Pulver angefüllte Behälter zwecks Vorverdichtung der Charge hineingesetzt wird, derart, daß ein Stempel oder Stößel, der jait der Matrize zusammenwirkt, die 'orverdichtung vornimmt. Zur Hrmöglichung einer schnellen und wirtschaftlichen Verdichtung ist es notwendig, daß das pulverförmige Metall bzw. die Pulvermetallchij.rge bis zu ausreichenden und zufriedenstellenden Verdiehtungstempera.-turen erhitzt wird, und zwar innerhalb des Behälters, bevor dieser dem Autoclaven zwecks Verdichtung zugeführt wird. Die Erhitzungsdauer vor deu Verdichten, kann zwei oder mehr Stunden betragen, weil zur Erreichung einer geeigneten Bindung und kompackten Dichte es vorteilhaft ist, daß fc die i/ärme zunächst den gesagten Behälter durchdringt, denn die Temperatur des Pulvertetails muß über den gesauten Querschnitt des Behälters im wesentlichen gleichmäßig sein. Aus diesem Grunde wüde es praktisch nicht vertretbar aein, wenn der Behälter bei Raumtemperatur in den Autoclaven hineingesetzt und dann die erforderliche lange Zeit erhitzt würde, bevor der Druckmitteldruck zur Verdichtung auf ihn einwirken könnte. In der Praxis wird deshalb erfindungsgemäß der mit Pulver angefüllte Behälter bis auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb einer solchen Temperatur

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ii?-i*\-.}i_f bei -.a-loh or die Karbid*- a-.^rlciacrio-reii, jedoch ι rfC-I *t ji<_" I'.rhi tzuh>t oowiiv i iß' di*. Xbtrgabe an den

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.auf die Fin.1iinj des liet-iilpulvt γλ ur.^; die Qualität des .■-, PertifTproduktos scv.-i: die Veril'htuii- r.us-.

Es wurde 'festgestellt, daä es zvcokniäiii^ Int, .lie M.ttillpulverchcr^e bis auf eine bestimmte, ausgewählte Yerdichtuntretsiaperatur zu erhitzen, die -gewöhnlich 0,7 oberhalb der entsprechenden !reaper:!tür des Met^llpulvers He^t, jedoch nicht oberhalb der Schmelztenperiitur des Metallpulvers.

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Wenn diese Temperaturgrenzen eingehalten werden, kunn das Metallpulver zufriedenstellend verdichtet werden, und zwar durch Druckmitteldrücke in der Größenordnung von 10,00 bis 30,00 pei (142 230,000 bis 426 690,000 kp/cia²), wobei der Druck umgekehrt zur TeiaperLitur variiert werden kann, bei welcher dna Material verdichtet wird. Um Schwierigkeiten zu begegnen, die beim Aufrechterhalten der Temperatur vor Vollendung der Verdichtung entstehen können, iat es möglich Hei zündmittel innerhalb des Autoclaven vorzusehen, welche einem Abfallen bzw. einem wesentlichen Abfallen der Temperatur innerhalb dee Autoclaven während der Druck- und Verdichtungsphase entgegenwirken uaddie gewünschte Temperatur innerhalb des Autoclaven aufractit erhalten.

Für die Zwecke der Erfindung kann die entsprechende Schaelzteupcrutur definiert werden als die wirkliche aboolute Temperatur der pulverförmigen Metalles, z.B. in Urad Renkin, dividiert durch die absol^ Schaelztemperatur der Metallpartikel. PUr die infrage könnenden Materialien wie z.B. Werkzeugstahl ergeben sich typische Ergebnisse bei einer unteren Temperaturgrenzc von ungefähr 1QOO⁰F (ca. 704,44⁰C) und einer oberen Grenze von ungefähr 2 20O⁰F (ca. 1 204,44⁰C). Wie oben ausgeführt wurde, variiert der zur Erreichung der Verdichtung bis suder erforderlichen Dichte und geeigneten Bindung erforderliche Druck

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umgekehrt zur Temperatur des Materials, welches verdichtet wird, und zwar innerhalb des Bereiches von 10,000 bis 30,000 psi (142 230,000 bis 426 69O?OOO kp/om²). Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungs beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine graphische Darstellung der Heizzeiten, die zum Erhitzen des Metallpulvers in verschiedenen Querschnittsebenen eines gefüllten Behälters erforderlich sind, um die jeweilige Verdichtun_östemperatur zu erzielen und

Figur 2 eine andere graphische Darstellung, die einen Heiz- und Verdichtungszyklus für Pulvermetall veranschaulicht.

Bei der aus Figuriersichtlichen graphischen Darstellung ist auf der Abszisse des Koordinatensystems die Zeit in Stunden und auf der Ordinate die Temperatur in Grad Fahrenheit aufgetragen. Die Temperatur in Grad Fahrenheit lässt sich nach folgender Foruel in Grad Celsius umrechnen: tp = 1,8 t-, + 32°; worin bedeuten t™ = Temperatur in Grad Fahrenheit, t_Q = Temperatur in Grad Celsius. Die aus Figur 1 ersichtlichen Kurven sind mit arabischen Ziffern 1 bis 6 bezeichnet. Die Erläuterung zu diesen Ziffern befindet sich unterhalb dieser Kurven. Ziffer 1 bedeutet

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äußere Oberfläche der Kanne bzw. des Behälters; Ziffer 2 bedeutet ein halb Zoll innerhalb der Kanne} Bezugszeichen 3 bedeutet ein Zoll innerhalb der Kanne;

4 bedeutet zwei Zoll innerhalb der Kanne; BuzU£szeichtn

5 bedeutet drei Zoll innerhalb der Kanne Und Bezutcezeichen 6 bedeutet vier Zoll innerhalb der Kanne (1 Zoll = 25,4 mm).

In Figur 2 ist die Druokkurve nit einer 'ausgezogenen Linie gezeichnet, während die Temperaturkurve gestrichelt dargestellt ist. Auf der Abszisse dee Koordinatensystcus ist die Zeit in Stunden eingetragen, während auf der - in der Zeichnungsebene sesehen - linken Ordinate der Druck in psi (pound/square inch; 1 pel » 14,223 kp/cm ) oufgetr .gen ist. Auf der rechts danebenstehenden Ordinute ist die Temperatur in Grad Fahrenheit aufgetragen.

Um die lraigen Heizzeiten zum Erhitzen einer l*ulvertietallcharge bis cuf eine zufriedenstellende Verdichtungstemperatur innerhalb eines Behälters zu demonstrieren, wurden die folgenden Versuche vorgenommen. Bin röhrenförmiger aus Kohlenstoffstahl bestehender Behälter mit einem Durchmesser von 8 Zoll und einer Länge von θ Zoll wurde mit M2ö Werkzeugstahlpulver mit einer Körnung -100 mesh (Siebnaß für die Körnung; Siebfeinheit) gefüllt. Feuchtigkeit wurde durch Evakuieren des Behälters entfernt und der Behälter

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j'c^en die Atmosphäre vcie ic_;jelt. Danach wurden ücriaofleiac-nte in Zc-ntrun und auf radialen iibr.tänden von 1,2, 3, '5,5 und 4 Zoll, ausgehend von einer Mittel-Länero-i'osition, angeschlossen. Dor Bt-halter wurde ilsdann in einen k.-.ltt.n kupclförui_t;en Ofen ,^ebr'.cht und JicTheruoeleuuiite i.ii t eine¹³ Uci<:ii3trierappar<jit verbunden.

Vdc . U3 Fipur 1 hervorgeht, dauerte es -Lnnähernd fünf Λ

Stunden bis der -esaute Inhalt des Behälters eine Teaper-.tur von etwa 2 20O⁰F (ca. 1.204,44⁰C) erreichte, »ie verstehend bereits ausgeführt wurde, ist os erforderlich, ^icherBUstellen, laß :uch d:s Zcntruu deu Materials innerh-.lb des Behalters eine hinreichend Temperatur aufweist, weil andernfalls die Dichte dos Ilaterials ii:i Zcntrun au fertigen konpakten Porulin_t7 nicht hinniclund ict. hie dies -ua Fijur 1 ersichtlich ist, erreichen die äußereten abschnitte des Behälters die jo.eilc erforderliche Verdiehtun₍tstenperatur viel ».her ;ils das H;terial ia Bereich " des Zentruias des Behälters. Diese Daten zeigen iie Italien ISrhitzungsaeiten, die vor deia Verdichten erforderlich sind, welche ein Erhitzen des Pulvernetalls auf die erforderlicht: Verdichtungstemperatür vor dem Verdichten innerhalb des Autoclaven ausschließen.

Es wurde weiterhin mit einer Charge, wie sie bereits vorstehend beschrieben ist in einen Behälter aus weichem

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Kohlenstoffstahl mit einen Durchmesser von 3,5 Zoll und einer Länrje von 6 Zoll ein Versuch unternommen. Die hergestellten Probestücke boGaßenTherraoelemente,welche nahe den geometrischen Zentrum ..ngeordnet waren. Die Temperatur wurde während des Heizun.;szyklus wie er in Figur 2 dargestellt ist als anhält genommen. Die Probestücke wurden bis i.uf eine Temperatur von un^efär 2 200⁰P (ca. 1 204,Wc) erhitzt, worauf sie innerhalb eines Autoclaven einem Druckmitteldruck in der Größenordnung von 10,000 psi (ca. 142 230,000 kp/cm ) unterworfen wurden. Wie 4U3 Figur 2 hervorgeht,verringerte sich die durch die Thermoelemente gemessene Temperatur vor dem Verdichten durch den Druckmitteldruck a.uf ungefähr 1 800⁰P (ca. 982,22⁰C). Nachfolgende aetallorrraphische Untersuchungen des fertigen Pormlinges zeigten, daß die Dichte über den gesamten Formling gesehen verhältnismäßig gering war im Gegensatz zur Dichte solcher Formlinge oder dergl., die bei höheren Temperaturen innerhalb der Grenzwerte nach der lärfindung verdichtet worden&aren.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   1 . Verfahren zum Herstellen von Gegenständen bzw. Formungen aus pulverförmigen Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Charge pul verformten Metalles in einen Behälter gebracht und in diesem Behälter μ erhitzt wird, und zwar bis zu einer höheren Temperatur, die oberhalb einer ausgewählten bzw. bestimmten Verdichtungsoder Verfestigun»stemperatür liegt, wobei diese Verdichtungstemperatur oder dergl. jedoch unterhalb der Schmelztemperatur $er Pulvermetallcharge liegt, und daß der Behälter und die Pulvermetallcharge in ein mit einem Druckmittel betriebenes Gefäß gegeben werden, wonach der Druckmitteldruck in dem Gefäß erhöht wird, und zwar bis zu einer solchen Höhe, daß die Pulvermetallcharge bis zu einer Dichte von 95 % verdichtet wird, wobeiL die Verdichtung oder dergl. f bis zu dieser Dichte vollendet ist, bevor die Pulvermetallcharge sich bis zu einer Temperatur unterhalb der ausgewählten Verdichtungstemperatur oder dergL abgekühlt hat.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte bzw. im voraus festgelegte Verdichtungstemperatür der 0,7faohen Schmelztemperatur der Pulvernetallcharge entsprecht bzw. oberhalb dieser Temperatur liegt.

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3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, der Druckmitteldruck innerhalb de3 Gefäßes biß auf einen Wert in der Größenordnung von 142 230,OCX)bis 426 690,000 kp/cm² (10,000 biij 30,000 psi - pound/square inch) erhöht wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmitteldruck umgekehrt zur Verdichtun;¹;stemperatur innerhalb des Druckbereiches variiert wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermetallcharge im wesentlichen aus kugelförmigen Bestandteilen hergestellt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile nicht größer als ungefähr -30 mesh (international bekanntes MaB für die Korngröße von Schüttgütern oder dergl. - Siebfeinheit Maß für die Siebgröiie) sind.

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7. 7. Verfahren nuch ^iiapruch 1 oder einem der fol-

   ,'"ϊίά·η, i-tdur^h ,» e k e η η ζ e i η h η e t_f daß die lulvcr:,*. tc.iloi.-ir,:« , bc-v^r zie in Λ α α Druckte fäß ein{rerrueiiT wird, i.uf eine Zwicchendichte verdiclitet v.-ird.

   Vf:rf;ihren nach iurispruch 1 oder eineru der fol-, 'i'idurch »-c- kennsei ο h η c t, daß die } ulvorr^tiHohur-'e in den Druck-efnß einer zusätzlichen Krkitzun- unterwerfen wird, bevor die Verdichtung voll-

   9· Verfuhren nach Anspruch 1 öler einen der folgenden, i-.durrh {r ^kennzeichnet, d-ii der mit iiilver refüilte Behälter vor ien Verdichten in dea Druckbehälter ent^aat bzw. evakuiert wird.

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