DE1783134A1

DE1783134A1 - Verfahren zur Herstellung von Hartlegierungen

Info

Publication number: DE1783134A1
Application number: DE19661783134
Authority: DE
Inventors: Holtz Jun Frederick C
Original assignee: Latrobe Steel Co
Current assignee: Latrobe Steel Co
Priority date: 1965-02-26
Filing date: 1966-06-24
Publication date: 1972-03-30
Also published as: DE1533275B1; DE1783134B2; DE1783134C3; AT293034B; US3746518A; SE322635B

Description

DR. KURT-RUDOLF EIKENBERG · PATENTANWALT

9 HANMOVlB · SCHACKSTnASSE 1 · TELIFON 10111) SI 406· · KABEL PATENTION HANNOVER

III RESEARCH INSTITUTE 205/22

Verfahren zur Herstellung von Hartlegierungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung 7on Hartlegierunßen vom Duplex-Typ. Darunter werden Legierungen verstanden mit einer in einer Trägerphase gleichförmig eingebetteten und von dieser umhüllten Hartlegierungsphase, die keine intermetallischen Verbindungen an den Korngrenzen besitzen.

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Es sind bereits zahlreiche sogenannte "Hartlegierungen" be^vannt, bzw. vorgeschlagen worden, "bei denen eine harte Phase, vorzugsweise eine Carbid-Phase, in einem Grundgefüge verteilt ist. Derartige Hartlegierungen werden als hoch-feste Werkzeug-Legierungen, Matritzen-bzw. Gesenk- oder Form-Legierungen oder aber auch als Bau-Legierungen verwendet. Sie zeichnen sich durch besonders große Härte aus, haben aber sehr häufig den Nachteil, daß sie verhältnismäßig spröde sind und entsprechend schlechte Bruchfestigkeiten zeigen.

Hit der Erfindung soll nunmehr ein Verfahren angegeben werden, das es gestattet,Hartlegier ngen ohne Beeinträchtigung der Härte zäher und bruchfester einzustellen. Dieses Ziel wird erfIndungsgenäß dadurch erreicht, daß man ein feinteiliges Hartlegierungopulver mit e'nem Pulver einer Legierung von geringerer Hurte, aber hoher Zähigkeit und Duktilität vermischt,- die Mischung in sauerstofffreier Atmosphäre auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Hartlegierungsteilchen noch nicht plastisch verformt werden, und bei dieser Temperatur in sauerstofffreier Atmosphäre unter Druck zu einem dichten Werkstück verdichtet. Vorzugsweise wird dabei die die Trägerphase bildende Legierung in einem Anteil von 10 bis 50& Volumenprozent, bezogen auf die fertige Legierung, mit der die Hartlegierungsphase bildenden Legierung vermischt.

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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht eine sogenannte "Duplex-Legierung"* bei der ein verhältnismäßig zäher und dukti/ler Träger eine kontinuierliche Trägerphase bildet, in der die Hartlegierungsphase in Form feiner Teilchen, die auf jeden Fall härter sind als das Material der Grundphase, vollständig eingebettet ist, wobei die einzelnen Teilchen der Hartlegierungsphase vollständig von der Trägerphase umgeben sind.

Bevorzugt, aber nicht notwendigerweise werden die zur Yer mi scaling bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pulver, insbesondere die Pulver der Hartlegierung, mit einem Zerstäubungsprozeß hergestellt, indem eine Schmelze der Legierungszusammensetzung in einer inerten Atmosphäre zerstäubt und sehr rasch abgeschreckt wird. Ein solcher Zerstäubungsprozeß, der J

auch für die Trägerphase verwendet werden kann, h~t den Vorteil einer einfachen Handhabung, daneben aber bei den Hartlegierungen auch noch besondere Vorteile hinsichtlich des Gefügeaufbaus. lieben einem Zerstäubungsverfahren können aber auch andere geeignete Pulverisierungs-Verfahren zur Herstellung der Pulver eingesetzt werden.

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Die Zusammensetzung der Hartlegierung'--phase und der Trägerphase ist "bei den Duplex-Legierungen an sich beliebig. Vorzugsweise i::,t aber die Trägerphase aus einer der auf Eisen, Kobalt ofler Nickel basierten Legierungsgruppen ausgewählt, und außerdem ist vorzugsweise die in der Trägerphase diskontinuierlich, aber gleichförmig dispergierte Hartlegierungsphase aus jeweils der gleichen Legierungsgruppe ausgewählt wie die"Trägerphase.

Es ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Duplex-Legierungen in sehr eleganter Weise möglich, eine zähe Trägerphase, z.B. einen zähen "-.'eiicZeucotahl ode¹¹ einen zllhen Baustahl, mit einem harten, stark an Carbiden angereicherten Material zu kombinieren. Dadurch entsteht ein Legierungssystem, bei den si^h Härte und Zähigkeit praktisch, unabhängig voneinander auf den jeweils gewünschten Wert einstellen lassen. Insbesondere kann auf diese Weise praktisch jede Hartlegierung dadurch, daß sie als Hart-Pho.se in eine weichere, aber zähere Grundphase eingebettet w:^;.rd, ohne nennenswerten Härte verlust auf höhere Zähigkeiten und damit auf bessere Bruchfestigkeiten gebracht werden, verglichen mit den entsprechenden Eigenschaften der betreffenden Hartlegierung allein. Dies wirkt sich nicht nur gUnstig in Hinsicht auf den Ver-

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wendungszweck des Materials aus, sondern führt auch, zu einer beträchtlich erleichterten Bearbeitbarkeit.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei wird zugleich auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen darstellen:

Fig. 1 ßchematisch. ein "bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft verwendbares Zerstäubungsgerät,

Fig. 2 ein Teil des Gerätes gemäß f

Pig. I im größeren Haßstab.

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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von einem Pulver einer Hartlegierung und einem x^ulver einer Legierung von hoher Zähigkeit und Festigkeit ausgegangen. Diese Pulser, insbesondere das Hartlegierungspulver, werden bevorzugt durch einen Zerstäubungsprozeß hergestellt, der nachfolgend beschrieben wird.

Eine gut geeignete Legierung (d.h. eine

Charge mit der für das jeweilige Endprodukt jeweils gewünschten Zusammensetzung) wird in einem geeigneten Schmelztiegel aufgeschmolzen und dann im geschmolzenen Zustand in den Einlaß 21 oberhalb der Zerstäubungskammer 22 eingegossen. Innerhalb der Kammer 21 wird dabei der durch die öffnung 21 fließende Metallstrom zunächst zu feinen Teilchen aufgerissen und dann sehr rasch abgeschreckt, und zwar durch einen Inertgas-Strom, der unter hohem Druck über den Einlaß 23 in die Kammer 22 eintritt und diese über den'Auslaß 23 wieder verläßt. Um eine vollständige Abschreckung der gebildeten Metallteilchen sicherzustellen, befindet sich am Boden der Kammer 22 noch ein Kühlwasserbad 24» in das die Metallteilchen schließlich hineinfallen.

Die Kammer 22 besitzt einen wassergekühlten Stahlmantel von zweckmäßig zylinderischer Form. Ihr Durchmesser kann beispielsweise ungefähr 90 cm und ihre Höhe ungefähr 60 cm betragen, aber natürlich sind auch andere Abmessungen möglich. Der Boden der Kammer ist

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konisch ausgebildet und mit einem Verschluß 25 versehen, über den sich das Gemisch aus wasser und den feinen Metallteilchen abziehen läßt.

Zum Beschicken einer Kammer mit den vorgenannten Abmessungen wird zweckmäßig eine Charge von ungefähr 2,5 kg der betreffenden Legierung verwendet. Eine λ Charge wird unter einer Argon-Schutzgasatmosphäre auf eine Temperatur erhitzt, die etwa 110 bis 160 C oberhalb ihrer Schmelztemperatur liegt. Als Zerstäbungs-Gas wird dabei ebenfalls Argon benutzt. Es wird mit einem Druck von etwa 25 at in die Kammer 22 eingespeist, und zwar bereits vor dem Einfüllen der Metallschmelze, um die Kammer zu "reinigen", d.h. um irgendwelche Fremdgas-Reste aus der Kammer auszuspülen. Nachdem sich in der Kammer eine reine Argon-Atmosphäre eingestellt hat, wird die Metallschmelze in den Trichter gegossen, von dem aus sie über die Öffnung 21 in die Kammer 22 einfließt.

Unterhalb der Öffnung 21 befindet sich ein mit hochtemperaturbeständigera Material ausgekleideter Konus 27, an dessem unteren Ende das Zerstäubungs-Gas vorbeistreicht. Dabei reißt es den in die Kammer einfließenden Strom aus geschmolzenem Metall in zahllose feine Teilchen auf. Zugleich kühlt es auch diese Teilchen ab, so daß sich die Teilchen bereits verfestigt haben,

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bevor sie in das Kühlwasserbad 24 hineinfallen. Mithin findet eine sehr rasche Abschreckung der Teilchen statt.

Fach Beendigung des Zerstäubungsvorganges wird das Gemisch aus Wasser und den Metallteilchen aus der Kammer 22 abgezogen und getrocknet, wobei sich ein feines Metallpulver ergibt. In praktisch allen Fällen wurde dabei gefunden, daß dieses Pulver mit 75 bis 85$ feiner ist als 80 Maschen und mit 15 bis 30% feiner ist als 325 Maschen.

Dieser Zerstäubungsprozeß hat nicht nur den Vorteil, daß sich auf einfache Weise ein feinteiliges Pulver mit einer Korngröße von weniger als 5,u erzeugen läßt, sondern es stellt sich auch noch ein technologischer Vorteil an, der im wesentlichen bei der Bildung der Hartlegierungspulver zum Tragen kommt und der deshalb das Zerstätoungsverfahren gerade für¹ die Bildung der Hartlegierungspulver zum bevorzugten Verfahren macht.

Die Hartlegierungspulver sind, worauf weiter unten noch eingegangen wird, vorzugsweise Legierungen mit Fe-und/oder Co-und/oder Ni-Basis mit einem zusätzlichen Gehalt an Carbidbildnern, wie V, W, Mo, Or, Ti, Nb, Ta, Zr und Hf. Es gelingt bei diesen Typen von Legierungen, durch das Zerstäfcungsverfahren ein ausgesprochen günstiges

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Korngefüge einzustellen mit der weiteren Folge, daß sich der Anteil der CarMdphase im Vergleich zu entsprechenden, herkömmlich hergestellten Legierungen beträchtlich erhöhen läßt. Die entsprechenden herkömmlichen Hartlegierungen werden bei ihrer Herstellung aufgeschmolzen und dann in Blockformen eingegossen, wobei die Blockformen eine solche Größe, Form und Wärmeleitfähigkeit besitzen, daß das Metall mindestens mehrere Minuten bis zur endgültigen Verfestigung benötigt. Innerhalb dieses Zeitintervalls bilden sich Carbid-Keime aus, die dann zu Carbidkörnchen von erheblicher Größe anwachsen. Zwar schließt sich dann meistens eine Warmbearbeitung des Materials an, während der einige dieser Garbidkörnchen wieder zerbrochen werden, aber insgesamt bleiben die Carbidkörnchen doch relativ grob, und sie haben außerdem auch die Neigung, sich in Richtung der Warmbearbeitung auszurichten.

Demgegenüber werden bei dem beschriebenen Zerstäubungsprozeß die geschmolzenen Legierungen in der Form sehr feiner Tröpfchen (die in der Regel einen Durchmesser von weniger als 0,17 mm besitzen) abgekühlt, und zwar innerhalb des Bruchteils einer Sekunde. Während dieses sehr kurzen Zeitintervalls können die Garbidkörnchen nicht zu einer unerwünschten Größe anwachsen, sondern bleiben in einer Korngröße von durchweg 0,5 bis 3,u gleichförmig in dem Grundgefüge des Basismetalls verteilt. Dies ist

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der Grund dafür, daß bei den nach dem Zerstäubungsver-* fahren hergestellten Hartlegierungsteilchen das Volumen der Carbidphase und damit die Härte und der Abnutzungswider stand der Legierungen erhöht werden kann, ohne daß sich nachteilige Einflüsse, also schlechtere ^Tierte für die Festigkeit oder Zähigkeit der Hartlegierungsphase ergeben.

Die Herstellung des die dispergierte Hartlegierungsphase der Duplex-Systerae bildenden Materials kann außer durch den (bevorzugten) Zerstäubungsprozeß aber auch durch andere Methoden erfolgen, sofern diese ein Pulver mit vergleichbaren Eigenschaften ergeben, d.h. ein Pulver aus einem harten, abnutzungsbeständigen Material, das einen großen Anteil an einer feinkörnigen, gleichmäßig verteilten, harten Phase besitzt. Beispielsweise lassen sich die Anforderungen an den Hartlegierungsbestandteil der Duplex-Systeme auch dadurch erfüllen, daß zementierte Carbide, wie WC-Co oder WC-TiC-Co oder verwandte gesinterte Werkzeug-Legierungen durch geeignete mechanische Einrichtungen zur Pulverform zerkleinert werden.

Dem die dispergierte Hartlegierungsphase bildenden pulverförmigen Material wird der die Trägerphase bildende Bestandteil ebenfalls in Pulverform zugesetzt. Es wurde gefunden, daß ein Zusatz von ungefähr 25 Volumenprozent an der Trägerphase dem Fertigprodukt eine gute Bearbeitbarkeit, eine gute Festigkeit und eine gute

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Zähigkeit verleiht. Falls jedoch eine besonders große Zähigkeit gewünscht sein sollte, kann der Zusatz an Trägerphase über den vorgenannten Wert hinaus erhöht werden. Andererseits kann der Zusatz an Trägerphase aber auch, falls eine erhöhte Abnutzungsbeständigkeit gefordert sein sollte, entsprechend vermindert werden. Mithin .liegt je nach dem beabsichtigten Verwendungszweck der J

Anteil an Trägerphase im Fertigprodukt zwischen IC und 40 Volumenprozent.

Die Trägerphase kann ebenfalls durch den weiter vorn beschriebenen Zerstäubungsprozeß in die Pulverfrom gebracht sein. Ebenso kann das Pulver aber auch durch Reduktion von Einenoxid in einer Wasserst off atmosphäre und durch Mischung dieses Eisenpulvers mit fein zerkleinerten Carbiden hergestellt sein, wie sich dies im einzelnen aus der beigefügten Tabelle für die Beispiele 18-20 entnehmen läßt. Weiterhin können auch andere Verfahren zur Herstellung geeigneter Pulver verwendet werden, sofern sie die Förde- " rung erfüllen, dal? das gepulverte Material ein relativ geringes Carbidvolumen und eine relativ geringe Härte, aber eine relativ hohe Festigkeit und eine relativ hohe Zähigkeit besitzt. Beispiele solcher anderen Verfahren sind die Verfahren der Reduktion von einzelnen oder gemische Oxiden, die Carbonyl-Verfahren, oder die Verfahren der Comminution von Metallen oder Legierungen.

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Hinsichtlich der Materialauswahl für die Hartlegierungsphase der Duplex-Legierungen haben sich sehr gute Ergebnisse gezeigt, wenn für die Hartlegierungsphase eine auf Eisen basierte und mit dem beschriebenen Zerstäubungsprozeß pulversierte Legierung mit einem stark vergrößerten Garbid-Volumen verwendet wird,-bei der die Carbidphase sehr feinkörnig(vorwiegend kleiner als 3 ,u) und praktisch gleichförmig in dem Eisen-Grundgefüge verteilt ist. Natürlich können bei den Duplex-Legierungen aber auch andere Materialien für die Hartlegierungsphase verwendet werden, wobei die Härte dieser anderen Materialien nicht notwendigerweise auf einer Garbidbildung und/oder einem großen Carbid-Voluraen zu beruhen braucht. So kann beispielsweise die Hartlegierungs-Phase aus Nichteisen-Legierungen aufgebaut sein, und ihre Härte kann entweder durch einen Carbid-Anteil oder durch einen anderen Mechanismus bedingt sein. Generell läßt sich für die Hartlegierungsphase sagen, daß sie aus allen wesentlich harten, spröden Legierungstypen bestehen kann, deren Basis aus der Gruope Eisen, Kobalt, Nickel, Kobalt-Wolframcarbid, Wolfram, Chrom, Aluminium, Kupfer od. dgl. ausgewählt ist. Bevorzugt lassen sich dabei neben den bereits erwähnten, auf Eisen basierten und nach dem Zerstäubungsprozeß pulverisierten Legierungen auch analog hergestellte Legierungen mit Basis Kobalt, Nickel oder Kobaltr-Wolframcarbid einsetzen, deren Härte in erster Linie durch einen großen Anteil an feinkörniger und gleichmäßig verteilter Carbidphase hervorgerufen ist.

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Die kontinuierliche, d.h. die Hartlegierungsphase umhüllende Trägerphase der Duplex-Systeme benteht vorzugsweise aus dem Basismetall der für die dispergierte Hartlegierungs-Phase verwendeten Materialien, weist aber gegenüber der Hartlegie rungsphase eine geringere Härte auf sowie eine höhere Zähigkeit, eine höhere Festigkeit und eine höhere Duktilität. Nach der Verdichtung soll die Trägerphase im wesentlichen kontinuierlich die Körnchen der dispergierten Phase umhüllen, aber nicht mit den dispergierten Körnchen unter Bildung unerwünschter, beispielsweise versprödender Verbindungen reagieren. Außerdem ist zu fordern, daß sich die dispergierten Teilchen und die Trägerphase bei solchen Temperaturen und während solcher Zeitintervalle miteinander zusammenarbeiten lassen, daß die Diffusion zwischen den beiden Phasen nicht zu stark wird. Bin geringes Ausmaß an Diffusion ist jedoch in der Regel erwünscht, da sie die Bindung zwischen den diapergierten Körn chen und der kontinuierlichen Phase verbessert, indem sie im Bereich der Grenzflächen der beiden Phasen für eine graduelle Abstufung des Gehalts an harter Phase sorgt.

Die Herstellung der Duplex-Legierungen der hier betrachteten Art erfolgt dadurch, daß die beiden Bestandteile - Hartlegierungsphase und Trägerphase nach der Zerstäubung bzw. anderweitigen Zerkleinerung, also in Pulverform miteinander vermischt werden und daß die Mischung dann im erhitzten Zustand verdichtet wird, bevorzugt durch Schmieden, Hämmern und Walzen bis auf die Gußdichte.

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Nach den Abwiegen der erforderlichen Mengen an pulverförmiger Trägerphase und Hartlegierungsphase wird das Gemisch z.B. in einer Taumeltrommel, in einer Kugelmühle, in einem Rüttelmischer oder in einer anderen geeigneten Einrichtung durch innige Vermischung homogenisiert. Die Körngröße der Pulver kann dabei vorwiegend geringer als 80 Maschen sein, aber gröbere Pulver (bis zu mindestens etwa 3 mm Durchmesser) können auch noch gut verwendet werden.

An die Homogenisierung des Gemisches aus den Pulvern der jeweiligen Legierungen schließt sich als nächster Verfahrensschritt an die Verdichtung dieser Pulver zu einem kompakten Werkstoff. Dabei kann es in einigen Fällen günstig sein, die Pulver vor der Verdichtung noch einige Minuten lang in einer Wasserstoff atmosphäre bei etwa 815 bis 870⁰C zu behandeln, um einen evtl. gebildeten Oxidfilm zu reduzieren. Zwingend notwendig ist eine solche Wasserstoff-Behandlung aber nicht.

Die Verdichtung der Pulver zu einem kompakten Werkstoff kann an sich durch Pressen oder Strangpressen oder durch andere geeignete Methoden erfolgen, sie wird jedoch bevorzugt durch Hämmern bzw. Schmieden bewirkt, und zwar in folgender Weise:

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Die Pulver werden zunächst in zylindrische_s rait einem aufgeschweißten Boden versehene Behälter gefüllt, die aus Inconel "bestehen und eine Molybdän-Auskleidung "besitzen, damit sich der Behälter nach Beendigung des Schmiedens leicht wieder entfernen läßt.

;~;odann werden die Pulver in den Behältern vorgepreßt, _Λ

2 %

wobei Preßdrücke von etwa 775 bis 5·650 kg pro cm angewendet werden können. Vorzugsweise liegen die Preßdrücke dabei in dem Bereich zwischen etwa 775 und 2 300 kg pro cm , denn es wurde gefunden, daß die höheren Preßdrücke bei den meisten Legierungen, offenbar wegen der spheroidalen Form und extremen Härte der Teilchen, zu keiner signifikant erhöhten Pulver-Dichte führen. Im Anschluß an den PreßVorgang wird in die Behälter ein oberer Deckel eingeschweißt, so daß die vorgepreßten Pulver in den Behälter vollständig von der Außenatmosphäre abgeschlossen werden.

Am Rande sei noch vermerkt, daß, wie Versuche f ergeben haben, ein Evakuieren der in den Behältern eingeschlossenen Pulver keine spürbare Verbesserung der Eigenschaften des Endproduktes ergibt. Deshalb wurde auf ein solches Evakuieren durchweg verzichtet.

Nach dem Verschließen werden die Behälter, falls die Trägerphase ein Weichstahl, ein Matritzenstahl, ein Schnelldrehstahl oder eine auf Nickel bzw. Kobalt basierte "Superlegierung" ist, auf die zum Schmieden oder Warm-Bearbei-

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ten der Trägerphase übliche Temperatur (von etwa 1000 bis 1200 G) erhitzt und ungefähr zehn Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten. Dann werden sie in einer mechanischen Schmiedeanlage (mit z.B. einer Kapazität von etwa 120 kg) so lange gehämmert, bis sich pfannenkuchenartige Blöcke von ungefähr 1,25 cm Stärke ergeben haben. Diese Blöcke werden sodann heiß auf eine Stärke von ungefähr 0,55 "bis 0,60 cm ausgewalzt, und zwar in mehreren aufeinanderfolgenden Durchgängen, von denen jeder die Blockstärke um ungefähr 10$ vermindert. Die gesamten Verminderung der Stärke beträgt etwa 90 bis 92$, bezogen auf die Ausgangs-Stärke vor der Bearbeitung.

Während der Verdichtung werden die Pulverteilchen der Trägerphase plastisch verformt, so daß die Trägerphase die Teilchen der dispergierten Hartlegierungsphase umhüllen kann. Je nach der angewandten Temperatur können aber auch die die dispergierte Hartlegierungsphase bildenden Teilchen in einem gewissen Ausmaß eine plastische Verformung erfahren. Da sich aber bei einer stärkeren Deformation der die dispergierte Phase bildenden Teilchen Gefügestörungen und insbesondere die unerwünschten "gerichteten Eigenschaften" ausbilden können, wir die Verdichtung vorzugsweise derart vorgenommen, daß die dispergierten Teilchen ihre ursprüngliche sphäroidale Form behalten. Dies läßt sich sehr einfach dadurch erreichen, daß die Verdichtungstemperaturen auf einem Wert gehalten werden, bei dem sich die die Trägerphase bildenden

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Teilchen zwar leicht deformieren lassen, bei dem aber die die dispergierte Hartlegierungsphase bildenden Teilchen noch ausreichend fest sind und einer plastischen Deformation widerstehen. Bei den angewandten Verdichtungstemperaturen findet bei den die dispergierte Hartlegierungs- Λ phase bildenden Teilchen auch noch keine nachträgliche Vergröberung oder Agglomeration der Carbidphase statt.

Das Behältermaterial wird nach dem Auswalzen entfernt,so daß die bearbeitete Legierung in der Form eines ausgewalzten plattenförmigen Werkstoffes anfällt« Dieser plattenförraige Werkstoff kann sodann in einzelne leilstücke unterteilt werden, die entweder nachbehandelt oder ggf. ohne Nachbehandlung auf ihre metallurgischen und mechanischen Eigenschaften untersucht werden können.

Bedeutungsvoll ist bei dem soweit beschriebenen " Verfahren die Tatsache, daß der verdichtete Werkstoff unmittelbar aus den Pulvern durch Hämmern, Schmieden od. dgl» erzeugt wird, ohne daß diese Pulver noch in der für die reinen Hartlegierungen bisher üblichen (und z«B. in der US-Patentschrift 3 150 444 beschriebenen) Weise geglüht, kalt gepreßt, gesintert und in ihrem Kohlenstoffgehalt nachjustiert werden müssen. Die Eliminierung dieser zusätzlichen Maßnahmen führt nicht nur zu einer Arbeitsersparnis und damit zu e'nem wirtschaftlichen Vorteil, sondern ergibt vor allem einen erheblichen technologischen Vorteil.

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Bei dem soweit "beschriebenen Verfahren - insbesondere wenn die Pulverherstellung bei der Hartlegierungnphase durch Zerstäubung erfolgt -ist nämlich die Zusammensetzung des Werkstoffes bereits genau vorbestimmt, und zwar gerade auch in Hinsicht auf den Kohlenstoffgehalt. Mit anderen Worten finden sich die vorher in den Ausgangsprodukten enthaltenen Bestandteile in praktisch unveränderten Mengen - und in einer sehr gleichfömrigen, feinen Verteilung - in dem fertig geschmiedeten Werkstoff wieder.

Bei den für die reinen Hartlegierungen herkömmlichen Verfahren stellt sich, wie allgemein bekannt ist, während dee Glühend und auoh des Cinterna der Pulver (beides in einer Atmosphäre aus reinem, trockenem Wasserstoff durchgeführt) ein beträchtlicher Kohlenstoff-Verlust ein, so daß den Pulvern große zusätzliche Mengen an Kohlenstoff in der Form von Ruß, Graphit oder karbonisierenden Gasen zugefügt werden müssen. Im wesentl ichen tritt dabei dieser Kohlenstoff-Verlust während des langen Weich-Glühens auf, das notwendig ist, um die Pulver für das anschließende Kalt-Pressen ausreichend zu enthärten. Der "reine,trockene Wasserstoff", der in der Praxis normalerweise verwendet wird, enthält nämlich noch so viel Sauerstoff und/oder Wasserdampf, daß der in der Legierung enthaltene Kohlenstoff zumindest teilweise zu CO oder CO oxydiert werden kann, insbesondere, wenn die Legierung pulverförmig ist. Weiterhin erfolgt in einer aus handelsüblichem "reinen, trockenem Wasserstoff" "bestehenden Atmosphäre auch eine Oxydation

BAD O?*IGmM.

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der übrigen Legierungsbestandteile, beispielsweise eine Oxydation des Chroms« Dadurch bilden sich - zusätzlich zu dem starken Kohlenstoff-Verlust - auf der Oberfläche der Pulver-Teilchen Oxidschichten aus.

Demgegenüber ist bei dem vorangehend beschriebenen Verfahren des Schmiedens bzw. Hämmerns der in Behältern eingesiegelten Pulver die Gefahr einer ™

Oxydation vollständig vermieden, und zwar auch dann, wenn die Pulver auf die Schmiede-Temperaturen (bzw. die für das sonstige Verdichtungs-Verfahren benötigten Temperaturen) erhitzt werden. Deshalb kann sich praktisch kein Kohlenstoff-Verlust einstellen, so daß es nicht nötig ist, den Pulvern noch nachträglich zusätzlichen Kohlenstoff zuzufügen. Als Folge davon ergibt sich eine erheblich erleichterte und genauere Regelung des Kohlenstoff-Gehaltes der Legierungen, nämlich einfach dadurch, daß der Kohlenstoff-Gehalt bereits vorher auf den jeweils gewünschten V/ert eingestellt wird. Irgenwelche Nachteile in Hinsicht auf den | Aufwand und due Ungenauigkeit der Regelung des Kohlenstoff -Gehaltes im Endprodukt bestehen also nicht.

Weiterhin können sich bei dem vorangehend beschriebenen Verfahren auf den Pulver-Teilchen auch praktisch keine Oxidschichten ausbilden. Solche Oxidschichten besitzen den Nachteil, daß sie infolge ihrer morphologischen Beschaffenheit (insbesondere wenn sie die Pulver-Teilchen als kontinuierliche oder semi-kontinuierliche Filme umhüllen) die Verdichtung der Pulver außerordentlich

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schwierig machen, eine strukturelle Schwächung der verdichteten Produkte hervorrufen oder aber eine exzessive mechanische Bearbeitung der Produkte erforderlich machen, um die Filme so weit aufzubrechen, daß sie die Pestigkeitswerte der Endprodukte nicht mehr beeinträchtigen können.'

Zusammenfassend läßt sich mithin sagen, daß bei dem vorangehend beschriebenen Verdichtungsrverfahren die Bildung jeglicher "schädlicher Oxide" vermieden ist, wobei unter dem Begriff "schädliche Oxide" sowohl die Oxidschichten auf der Oberfläche der Pulver-Teilchen verstanden sein sollen als auch die gasförmigen Oxide des Kohlenstoffs, dfe für den Kohlenstoff-Verlust ursächlich sind. Dadurch lassen sich die Pulver ohne spürbaren Kohlenstoff-Verlust und ohne Behinderung durch irgendwelche Oxidfilme sehr leicht durch plastische Deformation im heißen Zustand zu einem vollständig dichten Werkstoff vereinigen.

Einige der möglichen Duplex-Legierungen sind lintenmäßig hinsichtlich ihre? Zusammensetzung in der Tabelle erfaßt, und zwar unter den Nummern 18 bis 20, 53 bis 61, 63 bis 65 und 84 bis 85. Diese Legierungen überdecken einen weiten Bereich an Kombinationen von Trägerphase mit dispergieren Hartlegierungsphasen. So ist beispielsweise eine auf Eisen basierte Trägerphase mit einem auf Eisen bzw. auf Kobalt basierten dispergierten Bestandteil kombiniert oder eine auf Niokel basierte Trägerphase mit einem auf Kobalt

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basierten dispergierten Bestandteil oder eine auf Kobalt basierte Trägerphase mit einem auf Kobalt basierten dispergierten Bestandteil usw.

Is wurde bereits erwähnt, daß vorzugsweise das Basismaterial der Trägerphase zugleich auch .das Basismaterial der dispergierten Hartlegierungsphase ä sein sollte. Diese Forderung ist aber nicht zwingend. Zwar ist es sehr günstig, eine auf Eisen basierte Trägerphase, wie z. B .einen Matritzenstahl zu verwenden, wenn die dispergierte Phae aus einer hochlegierten, auf Eisen basierten Legierung besteht. Jedoch kann eine au^fJ Nickel basierte Trägerphase, wie z.B. das bekannte Udiraet 700, auch ebensogut zusammen mit einer dispergierten Phase verwendet werden, deren Basismaterial Kobalt ist. Die Auswahl der Basiamaterialien für die Trägerphase und die dispergierte Phase hängt im wesentlichen von der gegenseitigen Verträglichkeit der beiden Phasen ab. Es ist wünschenswert, die jeweiligen Kombinationen so auszuwählen, daß an der Phasen- ™ grenzfläche keine versprödenden intermetallischen Verbindungen gebildet werden können, wenn die gemicchten Pulver zum Zwecke der Verdichtung erhitzt werden. Im Fall der Verwendung einer au" Nickel basierten Trägerphase in Korabination mit'einem auf Kobalt basierten dispergierten Bestandteil können sich keine solchen intermetallischen Verbindungen ausbilden. Auf der anderen Seite wurden einige solche unerwünschten Reaktionsprodukte gefunden, bei der Verdichtung

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der Legierung Nr. 60, die eine Trägerphase aus M-2 Schnelldrehstahl in Kombination mit einem hochlegierten, auf der Basis von Kobalt aufgebauten Material als dispergierte Phase enthält.

Zur weiteren Veranschaulichung der günstigen Eigenschaften der Duplex-Systeme seien nachfolgend noch einige Zahlenbeispiele betrachtet.

7'enn allein aus der Hartlegierungsphase der Legierung Nr. 57 in dor Tabelle ( Fe mit 27 Co - 20 Cr - 9 W - 6 Mo - 3 C)
naoh dem hier beschriebenen Verdiohtungsverfahren eine reiner Hartlegierungswerkstoff hergestellt wird,

2 hat dieser eine Bruchfestigkeit von rund 15 CCC kg / cm .

Venn die gleiche Phase aber mit 25 Gewichtsprozent einer Trägerphase aus Matritzenstahl der Sorte H-13 zu einem Duplex-System erweitert wird (identifiziert als Legierung Nr. 57 in der Tabelle 2), erhöht sich die Festigkeit

ρ
auf ungefähr 20 700 kg /cm , ohne daß eine wesentliche Änderung der Härte auftritt. Das Duplex-Material ist außerdem sehr viel leichter bearbeitbar.

Der vorgennante reine Hartlegierungswerkstoff, also die Hartlegierungsphase der Legierung Nr. 57 besitzt als Schneidwerkzeug bei einem Drehbank-Test (mit Stahl vom Typ AISI 4340 und einer Rockwell-C-Härte von 40 als Werkstück) eine Lebensdauer von 9 Minuten bei

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einer Schneidgeschwindigkeit von rund 27 m /> Minute. In der Form der Duplex-Iegierung Hr. 57» in der dieser -Hartlegierungswerkstoff die dispergierte Phase bildet, zeigte sich bei dem gleichen Drehbank-Test eine Lebensdauer des Schneidwerkzeugs von etwa 10 Minuten bei einer Schneidgeschwindigkeit von rund 28 m / Minute. Sehr viel wichtiger ist dabei jedoch die Tatsache, daß bei der legierung Nr. 57 die Werkzeug-Abnutzung sehr viel gleichförmiger ist, da kein Abbröckeln oder Absplittern des Materials an den Werkzeugkanten auftritt, wie dies im Gegensatz dazu bei dem spröderen reinen Hartlegierungswerkstoff der Pall int.

Ein weiterer Vorteil der Duplex-Systeme besteht darin, daß ihre Warm-Bearbeitung bei !Temperaturen erfolgen kann, die etwas tiefer liegen als die zum Verdichten allein der die dispergierte Phase bildenden Legierung benötigten Temperaturen. Die Möglichkeit einer solchen Temperaturverminderung folgt aus der Tatsache, daß die Trägerphase relativ geringe Anteile an härtenden Stoffen, z.B. Carbiden, enthält und sich deshalb sehr viel leichter plastisch deformieren läßt.

Schließlich muß als Vorteil der Duplex-Systeme auch noch hervorgehoben werden, daß sich ihre jeweilige Wärmeleitfähigkeit und ihre jeweilige elektrische Leitfähigkeit sehr gut durch entsprechende Auswahl der Trägerphasen bestimmen läßt. Da die Trägerphase eine kontinuierliche

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Phase darstellt, im Gegensatz zu dem in isolierter Form dispergieren HartlegierungslieBtandteil, bestimmt er nahezu vollständig die Leitfähigkeitseigen schaft en des Endproduktes. Dementsprechend laßt sich beispielsweise eine Kupfer-Trägerphase in Kombination mit einem dispergierten, harten, abnutzungsbeständigen Bestandteil ausgezeichnet als elektrisches Kontaktmaterial benutzen. Entsprechendes 'gilt auch für Aluminium als Trägerphase.

Bei den iti der Tabelle aufgeführten Duplex-Systemen bestehen sowohl die Trägerphnse als auch die dispergierte Hartlegierungsph-ise aus Verkzeuglegierungen, Ilatritzenlegierungen und Bauleglerungen auf der Basis von Eisen, nickel und/oder Kobalt, natürlich können ebensogut aber auch andere Legierungssysteme wie beispielsweise solche mit Aluminium, Kupfer, !folfram, Chrom und dgl. in vorteilhafter Weiße zu eine Duplex-System mit Trägerphase und dispergierte Phase zusammengesetzt werden.

- Ansprüche -

BAD

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Claims

A η sj r ü c h e

1. Verfahren zur Herstellung von Legierungen mit

einer in der Trägerphase gleichförmig eingebetteten ^

und von dieser umhüllten Hartlegierungsphase unter Vermeidung von intermetallischen Verbindungen an den Korngrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein feinteiliges Hartlegierungspulver mit einem Pulver einer Legierung von geringer Härte, aber hoher Zähigkeit und Duktilität vermischt, die Mischung in sauerstofffreier Atmosphäre auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Hartlegierungsteilchen noch nicht plastisch verformt werden, und bei dieser Temperatur in sauerstofffreier Atmosphäre unter Druck zu einem dichten Werkstück verdichtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die die Trägerphase bildende Legierung in einem Anteil.vm 10 bis 50 Vol.$, bezogen auf die fertige Legierung, mit der die Hartlegierungsphase bildenden Legierung vermischt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Trägerphase eine Legierung auf Fe-, Co- und ITi-Baois mit der die Hartlegierungsphase bildenden Legierung vermischt.

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4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das die Hartlegierungsphase bildende Legierungspulver mit einem die Trägerphase bildenden, aus jeweils der gleichen Legierungsgruppe wie dieses ausgewählten Legierungspulver vermischt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Trägerphase eine Legierung mit einem Kohlenstoff-Gehalt von 0 - 3 # und als. Hartlegierungsphase eine Legierung mit einem Kohlenstoff-Gehalt von 0,6 - 4$ verwendet.

KRE/bö

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