DE1902367A1 - Verfahren zur Herstellung von Stahlpulver - Google Patents

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A. 0. Smith Corporation Milwaukee, Wisconsin, U. S. A.

Verfahren zur Herstellung von Stahlpulver

Man kennt verschiedene grundsätzliche Verfahren, mit denen man Metallpulver herstellen kann, das in der Pulvermetallurgie zum Einsatz kommen soll. Beispielsweise kann man Metallpulver durch elektrolytische Verfahren, Eräreduktionsverfahren oder durch Luft- oder Wasserzerstäubungsverfahren herstellen, wie es in der USA-Patentschrift 3 325 277 beschrieben ist. Nach diesem Verfahren wird geschmolzener Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,8 % durch sein eigenes Gewicht von einem Trichter in Form eines sich nach unten bewegenden Stromes zugeführt. Man richtet eine Reihe von flachen Wasserschichten gegen den Strom des geschmolzenen Stahles unter einem bestimmten Winkel, um den Schmelzstrom zu zerstäuben und eine Reihe von kettenartigen Agglomeraten kugelförmiger Teilchen zu erzeugen. Anschließend werden die Teilchen auf -eine Temperatur von ca. 820° G (1500° F) in einer reduzierenden Atmosphäre so lange erhitzt oder angelassen, bis die Teilchen erweichen und der Kohlenstoffgehalt auf einen Wert unter 0,05 $ sin&t.

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Wach dieser Anlaßbehandlung werden die Teilchen in einer Hammermühle oder dergleichen bearbeitet, um die während des Anlaßvorganges entstandene kuchenartige Struktur aufzubrechen und die von der Zerstäubung herstammende Teilchengröße wieder herzustellen.

Das nach dem Verfahren der USA-Patentschrift 3 325 277 hergestellte Stahlpulver weist nach dem Zusammenpressen und Sintern eine hoehe Dichte und überlegene physikalische Eigenschaften auf.

Das nach diesem beschriebenen Verfahren hergestelte Stählpulver findet allgemein Verwendung für die Herstellung von Metallteilen mit komplexen Konturen oder Formen, weil das Pulver sich in diesen komplexen Formen formen läßt und uamit die Nachbearbeitung des entsprechenden Teiles auf ein Minimum herabgesetzt werden kann. Abgesehen von der Tat- · sache, daß die Pulvermetallurgieprozesse im allgemeinen dazu bestimmt sind, die Nachbearbeitung zu vermeiden oder herabzusetzen, erfordern pulvermetallurgisch hergestellte Teile trotzdem im allgemeinen ein geringes Nacharbeiten, beispielsweise das Einschneiden von Gewinden, das Bohren von löchern, das Unterschneiden und dergleichen.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Verbesserung des in der USA-Patentschrift 3 325 277 beschriebenen Verfahrens und befaßt sich insbesondere mit der Herstellung von Stahlpulver,welches nach dem Pressen oder Verdichten und Sinettern eine Verbesserte Bearbeitbarkeit aufweist. Gemäß der Erfindung wird zu dem geschmolzenen Stahl entweder im Ofen und/oder der Pfanne Schwefel hinzugegeben. Anschließend wird der den Schwefel in Lösung en%hs*^. ^w geschmolzene Stahl durch seine eigene Schwere von einem Trichter in Form eines sich nach unten bewegenden Stromes

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zugeführt. Es werden dann eine Reihe von Wasserschieliten gegen den Strom des geschmolzenen Stahles gerichtet, welche ihn unmittelbar abschrecken und den Stahl zerstäuben, so daß eine Vielzahl klumpenartiger Agglomerate von Teilchen entsteht. Infolge der sehr raschen Abschreckung werden der in Form von feinen Dispersionen in den Stahlteilchen vorhandene Schwefel und größere Schwefeleinschlüsse beseitigt.

Anschließend werden die Teilchen bei einer erhöhten Temperatur angelassen, wobei dieser Anlaßvorgang nicht nur die Teilchen erweicht und den Kohlenstoffgehalt reduziert, sondern bei ihm auch restlicher Schwefel ausgebrannt wird, der auf den Oberflächen der Stahlteilchen sitzen kann. Während des Anlaß- oder Erhitzungsvorganges neigen die Teilchen dazu, sich zu einem kuchenartigen Körper zu verbinden, so daß nach dem Anlaßvorgang die kuchenartige Struktur wieder aufgebrochen werden muß, um die vom Zerstäubungsvorgang herrührende Teilchengröße der Agglomerate wieder herzustellen.

Schließlich werden anschließend die Teilchen verdichtet und gesintert unter üblichen Bedingungen und der fertige Metallteil weist eine verbesserte Yerarbeitbarkeit infolge der Anwesenheit von Schwefel auf. Da jedoch der Schwefel innerhalb der einzelnen Stahlteilchen eingesperrt ist, lassen sich die Teilchen ohne merklichen Verlust an physikalischen Eigenschaften verdichten und sintern.

Beim Bearbeiten des fertigen Teiles ist die bearbeitete Oberfläche extrem glatt, die Späne sind kurz und hell ohne Verfärbung infolge Erhitzung.

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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Einzelbeschreibung. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine Blockdarstellung zur Wiedergabe des Verfahrens gemäß der Erfindung; und in

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Zerstäabung der Metallteilchen.

Der zur Herstellung der Stahl teilchen zum Einsatz^ommende geschmolzene Stahl kann nach einem üblichen Stahlherstellungsverfahren, beispielsweise im offenen elektrischen Herdofen, nach dem basischen Sauerstoffverfahren oder dergleichen hergestellt werden. Der Stahl enthält weniger als 3»3 Gew.$ und vorzugsweise weniger als 2 Gew.?£ an Legierungselementen, und der Kohlenstoffgehalt liegt unter 1,8 Gew.^, vorzugsweise unter 0,20 Gevr.fo und unter den meisten Bedingungen im Bereich zwischen 0,08 und 0,12 Gew.fo. Außerdem weist der Stahl einen Mangangehalt unter 0,60 Gew.$ und im allgemeinen im Bereich von 0,15 - 0,40 Gew.fo und vorzugsweise im Bereich von 0,25 bis 0,35 Gew.$ auf.

Gemäß der Erfindung wird der Schwefel dem geschmolzenen Stahl entweder im Ofen oder in der Pfanne oder sowohl im Ofen als auch in der Pfanne zugegeben. Der Schwefel wird in solcher Menge zugegeben, daß das zerstäubte Pulver einen Schwefelgehalt im Bereich von 0,08 - 0,25 Gew.f> und vorzugsweise im Bereich von 0,10 - 0,20 Gew.$ aufweist. Normalerweise liegt die Menge des dem geschmolzenen Stahl zugesetzten Schwefels etwas über dem oberen Bereich infolge der Tatsache, daß eine gewisse Menge Schwefel während der Stahlherstellung verlorengeht.

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Der Schwefel kann dem geschmolzenen Stahl in jeder gewünschten Form zugegeben werden. Es hat sich gezeigt, daß Schwefel in Form von festen Stangen sehr zufriedenstellend ist, da man die Stangen vollständig in den Stahl eintauchen kann, ohne daß merkliche Mengen von Schwefel ausbrennen. Man kann andererseits den Schwefel dem geschmolzenen Stahl auch in Form von wesentlich reinem Pyrit oder als Elementaren Schwefel als Flüssigkeit oder Pulver zusetzen.

Der den Schwefel enthaltende geschmolzene Stahl wird dann in den Trichter 1 mit einer Temperatur von ca. 1700° C (3100° F) eingefüllt und fließt infolge seines eigenen Gewichtes durch die Auslaßschlitze oder Düsen 2 in einer Reihe von Strömen 3. Das Verfahren, durch welches der Stahl zerstäubt wird, kann ähnlich ausgeführt werden, wie es in der USA-Patentschrift 3 325 277 beschrieben ist.

Um den Strom geschmolzenen Metalls zu zerstäuben, wird Wasser in Form von dünnen Schichten oder Vorhängen 4 gegen den Strom 3 unter einem Winkel über 5° bezüglich der Stromaehse und im allgemeinen unter einem Winkel von 15 - 55° bezüglich der Vertikalen gerichtet. Die Temperatur des beim Zerstäubungsprozess verwendeten Wassers ist nicht kritisch und liegt im allgemeinen unter ca. 70° (160° FjK

Das für die Zerstäubung verwendete Wasser steht unter einem wesentlichen Druck oberhalb 35 atü (500 Psi) und in den meisten Fällen oberhalb 70 atü (1000 Psi).

Das Wasser wird auf den Strom geschmolzenen Metalls in Form einer dünnen Schicht mit einer Dicke unter 1,9 mm (0,075 Zoll) und vorzugsweise unter 1,3 mm (0,05 Zoll) an der Austrittstelle aus der Düse gerichtet. Die Düse soll so ausgelegt sein, daß die Wasserstrahlen nicht merklich divergieren,

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sondern ihre Dicke im wesentlichen beim Auftreffen auf den Schmelzstahlstrom beibehalten haben.

Die dünnen Wasserschichten zerstäuben oder zerkleinern den Stahl und erzeugen kettenartige Agglolmerate von im wesentlichen kugelförmigen Teilchen. Die unregelmäßige Form der zusammengeballten Teilchen führt zu einer höheren Grünzugfestigkeit für die später aus dem Stahlpulver hergestellten Gegenstände.

Der Schwefel befindet sich in Lösung in dem geschmolzenen Stahl und infolge der raschen Abschreckung bei der Zerstäubung wird der Schwefel in den einzelnen Teilchen in Form feiner Dispersionen eingefangen oder versperrt. Das rasche Abschrecken hindert die Schwefeldispersionen an einer Ansammlung in Form von großen Einschlüssen, und man kann davon ausgehen, daß die feinen Dispersionen, die innerhalb der einzelnen Teilchen eingesperrt sind, verantwortlich sind für die verbesserte Bearbeitbarkeit der anschliessend gesinterten Teile ohne merklichen Verlust anderer physikalischer Eigenschaften.

Nach der Zerstäubung wird das Stahlpulver einer Anlaßbehandlung ausgesetzt, die dazu dient, die Teilchen zu erweichen, den Oxydfilm zu reduzieren und den Kohlenstoffgehalt wesentlich herabzusetzen. Außerdem werden alle Schwefeldispersionen, die auf der Oberfläche der Teilchen freiliegen, im allgemeinen während der Anlaßbehandlung abgebrannt, so daß die angelassenen Teilchen frei von äußerem Schwefel sind.

Während der Anlaßbehandlung wird das Pulver auf eine Temperatur im Bereich von 820° C (1500° F) bis 1150° C (2100° F)

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und vorzugsweise 900° C (1650° F) Ms 985° C (1800° ϊ¹) in einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise einer solchen aus disoziiertem Ammoniak, Wasserstoff oder anderen üblichen decarburisierenden reduzierenden Gasen erwärmt. Die Anlaßbehandlung dient zur Erweichung der Stahlteilchen sowie zur Herabsetzung des Kohlenstoffgehaltes auf einen Wert unter 0,05 $ und im allgemeinen auf einen Wert im Bereich von 0,001 $ bis 0,020 #. TSa die optimalen physikalischen Eigenschaften zu erhalten, sollte das Pulver auf der Anlaßtemperatur für wenigstens 1,5 Stunden und vorzugsweise 2 Stunden gehalten werden.

Während des Anlassens neigen die Teilchen zum Zusammenbacken. Die entstandene kuchenartige Struktur wird anschließend an das Anlassen durch ein Hammerwalzverfahren aufgebrochen. Dabei werden die gesinterten Kuchen zerkleinert, ohne daß die regelmäßige agglomerierte Natur der Teilchen zerbrochen wird. Es wird dabei insbesondere die ursprüngliche, aus der Zerstäubung stammende Teilchengröße wieder hergestellt. Es ist wichtig, den Taupunkt beim Anlaßvorgang zu beachten, um ein übermäßiges Verbacken der Teilchen zu verhindern. Vorzugsweise sollte der Taupunkt oberhalb 10° C (50° Ϊ¹) und unterhalb 27° C (80° P) in dem letzten Drittel der heißen Zone des Ofens liegen.

Das fertige Stahlpulver kann man zur Herstellung jedes gewünschten Maschinenteiles oder Kombination von Maschinenteilen nach üblichen pulvermetallurgischen Verfahren verwenden. Beispielsweise kann man ein übliches Schmiermittel, wie Zinkstearat und zusätzlichen Kohlenstoff, falls erforderlich, mit dem Stahlpulver in einer geeigneten Mischvorrichtung mischen. Das Pulvergemisch wird dann in die gewünschte Gestalt unter einem Verdichtungsdruck von allgemein

oberhalb 2362,5 kg/cm (15 tons per square inch) und vor-

zugsweise ca. 4725 kg/cm (30 tons per spare inch) verdichtet,

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Das verdichtete Pulver wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1095° C (2000° F) bis 1260° C (2300° F) für einen Zeitraum von 10 Minuten bis 1 Stunde, abhängig von der Zusammensetzung und der gewünschten Enddichte gesintert.

Der Zusatz an Schwefel verbessert die Verarbeitbarkeit des gesinterten Teiles wesentlich. Der Schwefel liegt vermutlich in Form feiner Mangansulfiddispersionen vor, die das Stahlgefükge unterbrechen und dafür sorgen, daß die Späne während der Bearbeitung unmittelbar am Werkzeug aufbrechen, wodurch es zu einem niedrigeren Reibungskoeffizienten zwischen Werkzeug und Werkstück kommt. Die während der Bearbeitung entstehenden Späne sind im allgemeinen kurz und hell ohne Verfärbung infolge übermäßiger Erwärmung. Darüberhinaus ist die bearbeitete Oberfläche beträchtlich glatter als die bearbeitete Oberfläche eines ähnlichen Teiles, der jedoch keinen Schwefelzusatz enthält. So zeigen beispielsweise typische Oberflächenrauhigkeitsmessungen nach identischen Bearbeitungsvorgängen eine durchschnittliche arithmetische Oberflächenrauhigkeit von 0,0025 mm (100 Mikrozoll) auf gesintertem Material gemäß der Erfindung im Vergleich zm einer durchschnittlichen Obeflächenrauhigkeit von 0,0125 mm (250 Mikrozoll) auf Gegenständen aus identisch gesintertem Metall, jedoch ohne Zusatz von Schwefel.

Bei den bekannten Verfahren wurde der Schwefel mit den Stahlteilchen vor dem Verdichten und Sintern gemischt, um dadurch die Verarbeitbarkeit des gesintertein Teiles zu vergrößern. Während des Sinterns bildet der Schwefel jedoch einen Film oder Überzug auf jedem einzelnen Stahlteilchen, und dieser Schwefelfilm reduziert ernsthaft die mechanischen oder physikalischen Eigenschaften des gesinterten Teiles. Außerdem kann der Oberflächenschwefel ernste Beschädigungen an Legierungs-

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mischbändern und Ofenmuffeln während des Sintervorgangs hervorrufen. Durch Zugabe des Schwefels zum Tiegel oder Ofen, wie im Fall der vorliegenden Erfindung, wird der Schwefel in die Teilchen eingesperrt, so daß keine Schicht oder kein Film aus Schwefel auf den einzelnen Teilchen entsteht, die nachteilig auf die physikalischen Eigenschaften des gesinterten Teiles einwirken könnten. Während der Schwefel eine gewisse Brüchigkeit des,Stahles zur Folge hat, ermöglicht die Tatsache, daß der Schwefel in den Teilchen eingesperrt ist, daß der gesinterte Teil eine wesentlich höhere Gründichte und Grünfestigkeit als gesinterte Teile aufweist, die nach üblichen Verfahren hergestellt sind, bei denen der Schwefel lediglich mit den zerkleinerten Teilchen gemischt wird.

Patentansprüche:

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Claims (7)

- ίο - Patentansprüche

1. Für die Pulvermetallurgie verwendbare Stahl zusammen Setzung, bestehend aus einer Vielzahl von Stahlteilchen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,05 Gew.^ und einem Mangangehalt uiter 0,60 Gew.$, gekennzeichnet durch eine Vielzahl feiner Schwefeldispersionen verteilt im Inneren der Teilchen in Mengen von 0,08 bis 0,25 Gew.i° des Stahls zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit eines durch Verdichten und Sintern der Teilchen hergestellten Metallteils.

2. StahlzusammenSetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwefel im Stahl im Bereich von 0,10 bis 0,20 Gew.$ vorliegt.

3. Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stahl teilchen die Form von Agglomeraten von Stahlkügelchen aufweisen.

4. Verfahren zur Herstellung eines Pulverstahl-teiles mit verbesserter Verarbeitbarkeit, gekennzeichnet durch Zugabe von Schwefel zu sehmelzfltissigem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1 ,8 Gew.fo und einem Mangangehalt unter 0,6 $ in solchen Mengen, daß die anschließend gebildeten zerstäubten Teilchen einen Schwefelgehalt im Bereich von 0,08 - 0,25 Gew.^ aufweisen; Abgabe des schmelzflüssigen Stahles aus einem Trichter oder dergleichen in Form eines Stromes; Auftreffenlassen einer unter Druck stehenden Wasserschicht auf den Schmelzstrom unter einem solchen Winkel, daß der Schmelzflüssige Stahl zerstäubt wird und eine Vielzahl von Teilchen entsteht, innerhalb denen unter Bildung feiner Dispersionen

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der Schwefel eingeschlossen ist; durch Anlassen der Teilchen in einem reduzierenden Gas "bei einer Temperatur von 820° C (1500° P) bis 1150° C (2100° Έ) für so lange Zeit, daß die Teilchen erweichen, der Kohlenstoffgehalt sinkt und eine kuchenartige Struktur entsteht; Aufbrechen der kuchenartigen Struktur sowie der Herstellung der Teilchengröße der zerstäubten Teilehen; Verdichten der Teilchen in die gewünschte Form; und Sintern der verdichteten Teilchen bei einer Temperatur von 1095° C (2000° F) bis 1260° C (2300° F).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kohlenstoffgehalt des schmelzflüssigen Stahles im Bereich von 0,08 bis 0,12 Gew.^ des Stahles liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwefel im Bereich von 0,10 bis 0,20 Gew.fo des Stahles vorliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenoberfläche der angelassenen Teilehen im wesentlichen frei von Schwefel gehalten wird.

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