DE1924995A1 - Sintermaterial und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Sintermaterial und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
- B22F3/26—Impregnating
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- Powder Metallurgy (AREA)
Description
PATENTANWÄLTE j 9 2 4 9 U
DR. HUGO WILCKEN - DIPL.-ING. TH. WILCKEN
D - 24 LÜBECK, BREiTE STRASSE 52-S4 14» Mal 1969
C z/L
Anmelder: Srico Engineering Limited,HoIbrook Lane,Coventrw,
Warwickshire, England <*
Sintermaterial und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Sintermaterial und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Nach der Erfindung umfaßt ein Siritermaterial ein gesintertes
metallisches Basismaterial,das mit einem Metall (nachstehend
Hartmetall bzw. Hartstoff genannt) durchsetzt ist, das eine größere Härte als das gesinterte metallische Basismaterial
aufweist. Es wird betont, daß der Ausdruck "Hartmetall bzw. Hartstoff" eine legierung oder ein Gemisch einschließt, welche
bzw. welches ein Hartmetall bzw. Hartstoff einschließt.
Die Menge des Hartstoffes, mit welchem das Basismaterial durchsetzt
ist, wird im allgemeinen 25 Gewichtsprozent vom Basismaterial nicht übersteigen, und in vielen Fällen wird 17 Gewichtsprozent
nicht überschritten werden. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 12 und 15 Gewichtsprozent des Hartstoffes
Γ
in dem Basismaterial.
in dem Basismaterial.
Das gesinterte metallische Basismaterial kann entweder ein Eisenmaterial oder ein Nichteisenmaterial sein und kann jede
gewünschte Form aufweisen, z.B. zylindrische oder rechteckige Form. 90984 8/07 7 0
Der Hartstoff kann in Pulverform bei Raumtemperatur zu einem
•tr Lübeck (0451) 7 58 88, Privat: Dr. H. Wilcken, Curau (04505) 210 · Dipl.-Ing. Th Wllcken, Lübeck (0451) 40 81 84
Bank! Commerzbank A. G., Hl. Lübeck, Klo.-Nr. 39 0187 Postscheck: Hamburg 1381 19 . OJLJ") HRlftMÄT
Kompaktkörper gepreßt werden, der im wesentlichen eine ähnliche
Form und einen Oberflächenbereich aufweist wie der Sinterkörper, in den der Hartstoff eindringen soll. Der Kompaktkörper wird
dann entweder oberhalb oder unterhalb des Sinterkörpers angeordnet, odsr Kompaktkörper können sowohl oberhalb als auch unterhalb
des Sinterkörpers vorgesehen werden, Alternativ kann
der Hartstoff auch auf der oberen Fläche des Sinterkörpers in Pulverform aufgebracht sein.
Das Sintermaterial und der Hartstoff werden dann in einem Ofen bei einer Temperatur von 1000 - 125O0C in einer im wesentlichen
neutralen Atmosphäre wärmebehandelt, und die Poren des Sintermaterials werden dadurch vom Hartstoff ausgefüllt, Die Menge
des Hartstoffes kann berechnet werden, um die Notwendigkeit zu vermeiden, irgendwelchen Überschuß zu entfernen, der oberhalb
oder unterhalb des Sintermaterials verbleibt.
Die neutrale Atmosphäre verhindert jede Veränderung in der Zusammensetzung
des Materials während der Durchsetzung und kann z.B. aus Wasserstoff gas oder aus wärmeaufnehmendem Gas bestehen,
welche Gase aus Propan hergestellt sind. Die Wärmebehandlungszeit in dem Ofen hängt vom Querschnitt des Sinterkörpers ab, der
durchsetzt werden soll und kann sich in der Größenordnung von einer Stunde für eine Querschnittsdicke des Sinterkörpers von
einem halben Zoll (12,5 mm) bewegen.
Um einen schnell zu handhabenden Kompaktkörper zu bilden,kann
der Hartstoff mit einem Bindestoff vermischt sein, der ein Metallpuder
sein kann, z.B. Kupfer,Messing oder Bronze, oder eine
Legierung aus 8$ Phosphor und mit dem Rest aus Kupfer. Bis zu
12 Gewichtsprozent kann Eisenpulver verwendet werden. Ein ande-'
— 3 —
Π ü 9 8 Λ 8 / 0 7 7 0
SAD ORIGINAL
rer geeigneter Bindestoff ist eine Kupfer-Eisen-Mangan-Legierung, bestehend aus einer Zusammensetzung von im wesentlichen
Kupfer, 5% Eisen und 5# Mangan.
Alternativ kann auch ein nichtmetallischer Bindestoff verwendet werden, z. B. Metall-Stearat, Kampfer, oder ein synthetisches
Harzmaterial, z*B. Methyl-Metacrylat oder Phenol-Formaldehyd.
Wenn ein Metallbindestoff benutzt wird, unterstützt dieser das
Eindringen des Hartstoffes in das gesinterte Basismaterial. Wenn ein nichtmetallischer Bindestoff benutzt wird, so verdampft dieser,
bevor die Durchsetzungstemperatur erreicht wird.
Die Erfindung wird nun unter Zuhilfenahme von speziellen Ausführungsbeispielen
sowohl der Sintermateriälien als auch der Hartstoffe weiter beschrieben, wobei Bezug auf die anliegenden
Zeichnungen genommen wird, in denen die Figuren 1-5 Schritte in verschiedenen Verfahren beim Herstellen der Sintermaterialien
gemäß der Erfindung darstellen.
Viele Eisenlegierungen können wie Sintermateriälien hergestellt
werden, derartige Legierungen weisen z* B. ein ferritisches,
perlitisches,martensitisches oder austenitisches Gefüge auf.
Es folgen Beispiele von gesinterten Materialien auf Eisenbasis (alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente)
S (1) Ferritisches Gefüge; Im Handel erhältliches Weicheisen-
puiver, das Kohlenstoff unter 0,2 #,gemischt mit angenähert
5 % Kupferpulver, enthält (z. B. 0,1 # Kohlenstoff
und 4*5 i> Kupfer).
s (2) Eerlitisches Gefüge: Im Handel erhältliches Weicheisenpulver,
das unter 0,2 ^ Kohlenstoff, gemischt mit angenähert
5 # Kupfer und 0,90 % zusätzlichen Kohlenstoff,
enthält (alternativ kann der Kohlenstoff auch vermindert werden, wenn die Atmosphäre, die während
des Sinters benutzt wird, den Kohlenstoffgehalt des
- 4 -/6770
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Basismaterials aufnimmt).
S (3) Perlitisches Gefüge mit freien Earbidgn^.Weichelgenpul·-
ver,wie Torsteliend (2) mit 5,5 ^^ Kupferpulver, of'6 %
Molybdän ist entweder als Molybdän-Metallpulver oder Ferro-MolybdänpüLter zugefügt. 1 % Kohlenstoff ist entweder
"als Zuschlag in Graphitform sum Grundgemisch ein*
geführt oder teilweise als Graphitzusatz und teilweise durch die Benutzung einer geeigneten karburierenden
Atmosphäre.
S (4) Martensiiisches Gefüge; Jedem der Materialien der Beispiele
(2) und (3) kann ausreichend Nickel, Chrom undf
wenn es gewünscht wird, weiteres Molybdän zugesetzt werden? z. Beispiel
Nickel 4,5 J^ Chrom 1,5 S^i
Molybdän 0,6 ?t;
um ein Gefüge entstehen zu lassen, welches nach dem Sintervorgang beim Abkühlen martensitisch wird.
S (5) Austenitisches Gefüge; Einem Gemisch aus Weicheisenpulver
und 5 96 Kupferpulver nach Beispiel (1) kann
zugesetzt werden?
Chrom 8 #
Mangan 18 $>
Kohlenstoff bis 0,2 $.
Mangan 18 $>
Kohlenstoff bis 0,2 $.
Ein weiteres Beispiel eines Sintermaterials auf Eisenbasis besteht aus folgender Zusammensetzung: Kupfer 3,5 ^, Kohlenstoff
1 56, Molybdän 0,6 96, Mangan 0,3$, und der Rest besteht
aus Eisen.
Die vorgenannten Basismatsiialien können verdichtet bzw. vorgepreßt
und gesintert werden durch normale Pulvermetallurgietechniken, z. B-. verdichtet bei ca. 5.500/kp/cm und gesintert bei
11000C (in einer Atmosphäre, die;wenn es gewünscht wird, neutral
oder karburierend sein kann.)
Der bevorzugte Dichte-Bereich ist 6,5/6,7 gr/cm , wobei ein
Porositätsmaß von 15 - 17 96 gegeben ist.
'· ■ : ' B / 0 7 7 0
BAD ORIGINAL
Wenn es gewünscht wird, kann in jedem der vorgenannten Beispiele
ein vorlegiertes Stahlpulver anstelle von Weicheisenpulver eingesetzt werden.
Der Hartstoff kann eine Legierung auf Kobaltbasis sein, deren Hauptbestandteile in dem im folgenden genannten weiten Bereich
vorkommen: zum Beispiel Kobalt 42 ~ 66 #, Chrom 16-53 #>
Wolfram und/oder Molybdän 5 - 19 $, weiter können evt. verträgliche
Bestandteile vorhanden sein, die z. B. 0 - 15 $ Nickel,
0 - 3 % Bor, 0 - 3 # Silicium, 0 - 2 # Kohlenstoff und die üblichen
Beimengungen einschließen. Andere geeignete Hartstofflegierungen bestehen aus Legierungen auf Nickelbasis in dem Bereldi:
Nickel 70 - 85 $, Chrom 7,5 - 15 #, und verträgliche Bestandteile,
z. B. Eisen,0 - 5 #, Bor 0 - 5% und Silicium 0 - 5$.
Noch andere geeignete Legierungen bestehen aus Legierungen auf " Eisenbasis in dem Bereich: Eisen 50 - 96 %, Kohlenstoff 2-4%
und verträgliche Bestandteile, z.B. Chrom 0 - 30 %, Phosphor
0 - 10 % und Mangan 0 - 10 $>.
Es folgen Beispiele von Hartstoffen (oder Gemischen, die Hartstoffe
enthalten); alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente.
HM (1) eine Legierung, bestehend aus Kobalt 54 #
Chrom 19 # Nickel 13 $
Wolfram 9 $> Silicium 2,55^
Bor i,5# Kohlenstoff %Q%
Diese Legierung weist eine Härte von 48 - 50 Rockwell C auf.
eine Legierung, bestehend aus Kobalt 42 %
Chrom 19 $>
Wolfram 15 # _ g -
9 09 8/, 8/07 7 0
Kohlenstoff 1,5 <$>
Nickel 13 ί>
Bor 3 56 Silicium 3 # Diese Legierung weist eine Härte von 60 - 62 Rockwell C auf.
HM (3) eine Legierung, bestehend aus
Chrom | 15 | * |
Nickel | 70 | Ji |
Eisen | 4,5 | Ji |
Bor | 3,0 | |
Silicium | 5,0 | |
Diese Legierung weist eine Härte von 59 - 62 Rockwell C auf.
HM (4) eine Legierung, bestehend aus Chrom 30 ff
Kohlenstoff 3,0 9& Eisen 61,0 $
Mangan 6,0 #
Diese Legierung weist eine Härte von 51 - 54 RockwellC auf.
HM (5) eine Legierung, bestehend aus Kohlenstoff 4,0 %
Eisen 96,0 # Diese Legierung weist eine Härte von 40 Rockwell C auf.
HM (6) eine Legierung, bestehend aus Kohlenstoff 2 $>
Phosphor 10 56 Eisen 74 #
Diese Legierung weist eine Härte von 50 Rockwell C auf.
Jede der erwähnten Hartstofflegierungen in feiner Pulverform
kann mit jedem der metallischen oder nichtmetallischen Bindestoffen, die weiter vorstehend genannt sind, versetzt sein.
Eine Zugabe von Borsäure bis zu 5 Gewichtsprozent zum 'eindringenden
Material unterstützt das Eindringen.
Es folgen Beispiele von Basismaterialien auf Nichteisenbasis
(alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente)
a) ein Gemisch aus Nickel- und Kupferpulver in dem Verhältnis von Nickel 60 - 70 #
Kupfer 40 - 30 %.
b> ein bevorzugtes Gemisch besteht aus 65 # Nickel und 35 #_ j
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- - 7 'lupf er.
Als eine Alternative kann eine Legierung aus den vorgenannten Zusammensetzungen in Pulverform Torbereitet werden. Jede der
vorgenannten Pulverzusammensetzungen kann gepreßt und gesintert werden,um einen Kontaktkörper mit einem Porositätsmaß von ungefähr
15 - 17 £ zu bilden.
Jede dieser gesinterten nichteisenhaltigen Basismaterialien kann
mit jedem der Hartstoffe durchsetzt sein, welche Hartstoffe vorstehend
beispielhaft angegeben sind.
Es wird nun auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen.
Fig. 1 zeigt einen Kompaktkörper aus Hartstoff, der über dem gesinterten metallischen Basismaterial
2 angeordnet ist, und zwar fertig für die Wärmebehandlung in einem Ofen in einer im wesentlichen
neutralen Atmosphäre bei 1000 1250 C, um den Hartstoff zu veranlassen, in das Basismaterial einzudringen. Sowohl der Kompaktkörper als auch das Basismaterial weisen ähnliche
Form und Berührungsflächenbereiche auf.
In Fig. 2 ist der Kompaktkörper 1 über dem Basismaterial
2 angeordnet und in
Fig. 3 sind die Kompaktkörper 1a und 1b des Hartstoffes
über bzw. unter dem Basismaterial 2 angeordnet.
Fig. 4 ist ein Querschnitt, der zeigt, wie ein Ventilsitzeinsatz
durch Anwendung der Erfindung hergestellt
werden kann. Ein ringförmiger Körper 12
aus gesintertem Material auf Eisenbasis ist auf seiner oberen Fläche mit einem ringförmigen
Kompaktkörper 11 aus Hartstoff versehen, und diese Anordnung wird dann durch einen Sinterofen
mit einer im wesentlichen neutralen Atmosphäre und einer Temperatur von angenähert 1180 - 12oo
C für eine Zeit geschickt, die ausreichend istr
um eine vollständige Durchsetzung des Basissintermaterials 12 mit dem Hartstoff 11 zu erlauben.
Der Yentilsitzeinsatz, der so hergestellt ist, kann nachfolgend bearbeitet und wärmebehandelt
werden, um, wenn dies gewünscht wird, die Eigenspannungen abzubauen, und kann dann
fertig bearbeitet werden. Der eisenhaltige gesinterte Körper 12 kann eine Zusammensetzung
gemäß dem Beispiel S(3) aufweisen und der Hartstoff
kann eine Zusammensetzung gemäß dem Bei- - ■■"■' - -■■ : ■■ : - 8 -
' ? 0 9 P L 8 / 0 7 7 0
spiel HM (1) aufweisen einschließlich einer gleichen
Menge eines Kupferbindestoffes.
Fig. 5 zeigt eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4, jedoch
ist hier der Hartstoff 11a in Pulverform auf
der oberen Fläche des ringförmigen Basissinterkörpers 12 aufgebracht.
Beim Gegenstand der Erfindung wurde festgestellt, daß es nicht nur die mit Hartstoff gefüllten Poren des Sintermaterials sind,V;
die verbesserte Verschleiß- und Hitzebeständigkeitseigenschaften geben, sondern es sind auch die Hartstoffbestandteile, die
in das Sinterbasismaterial eindiffundieren, wodurch die genannten Eigenschaften weiter verbessert werden.
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Claims (6)
1. Sintermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es ein gesintertes
metallisches Basismaterial umfaßt, das mit einem Metall durchsetzt ist, das eine Härte aufweist, die größer
ist als die Härte des gesinterten metallischen Basismaterials .
2. Sintermaterial nach Anspruch.3,dadurch gekennzeichnet, daß
die Menge des Hartetoffes, der in das Basismaterial infiltriert
wird, 24 Gewichtsprozent vom Basismaterial nicht übersteigt.
3. Sintermaterial nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß
die Menge des Hartstoffes in dem Bereich zwischen 12 - 15 Gewichtsprozent liegt.
4. Sintermaterial, nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das gesinterte metallische Basismaterial ein eisenhaltiges Material ist. ■
^
5. Sintermaterial nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch ge-
c- kennzeichnet, daß das gesinterte metallische Basismaterial
■"·» ein nichteisenhaltiges Material ist.
-J ■ ·
-j .
6. Sintermaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hartstoff mit einem metallischen
Binder, z. B. Kupfer,Messing oder Bronze, gemischt ist.
<» Lübeck (0451) 7 58 88, Privah Dr. H. Wilcken, Curau (04505) 210 · Dipl.-Irtg. Th. Wilcken, Lübeck (0451) 40 81 84
Banki Commerzbank A. G., FiI. Lübeck, Kto.-Nr. 39 0187 Posischeck: Hamburg 138U9
1924985
7« Sintermaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bindestoff auch bis zu 12 Gewxchtsprozent Eisenpulver
einschließt.
r~
8. Sintermaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hartstoff mit einem nichtmetallischen Bindestoff gemischt ist, z. B. Metallstearat,
Kampfer oder ein synthetisches Harzmaterial.
9. Sintermaterial nach üAnspruch 4f dadurch gekennzeichnet, daß
das gesinterte metallische Basismaterial aus einer Eisenlegierung besteht, die entweder ein ferritisches, perlit!-
sches, martens!tisches oder austenitisches Gefüge aufweist.
10. Sintermaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das gesinterte metallische Basismaterial ein nichteisenhaltiges Material ist, das aus einem Gemisch oder einer Legierung aus Nickel und Kupfer besteht. ·
11.Sintermaterial nach mehreren der Ansprüche 1 - 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Hartstoff eine Legierung auf Kobaltbasis ist, deren Hauptbestandteile in dem Bereich von 42 66
$> Kobalt, 16 - 33 $>
Chrom und 5 - 19 $> Wolfram und/oder Molybdän liegen.
12. Sintermaterial nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
tfs die Bestandteile 0 - 15 % Nickel, 0 - 3 i>
Bor, 0 - 3 $>
Silicium und 0 - 2 % Kohlenstoff einschließt.
13. Sintermaterial nach mehreren der Ansprüche 1 -^ 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Hartstoff aus einer Legierung auf
Nickelbasis besteht, die Bestandteile,im Bereich 70 - 85 $
Nickel, 7,5 - 15 # Chrom aufweist, und weiterhin verträgli-
909848/0 77 0 : ,
ehe Bestandteile, z.B. ο - 5 & Eisen, ο - 5 $>
Bor und 0 - 5 Silicium.
H. Sintermaterial nach mehreren der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartstoff aus einer Legierung auf
Eisenbasis besteht, deren Bestandteile in dem Bereich 50 96 56 Eisen und 2 - 4 # Kohlenstoff liegen, und weiterhin
sind verträgliche Bestandteile vorhanden, z. B. 0 - 30 fi
Chrom, ο - 10 f> Phosphor und 0 - 10 56 Mangan.
15. Gesinterter Ventilsitzeinsatz, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Sintermaterial umfaßt, wie es in einem oder mehreren
der Ansprüche 1- 1ft beansprucht ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Sintermaterials, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein gesintertes metallisches Basismaterial umfaßt, das mit einem Netall durchsetzt ist, das eine
größere Härte als das gesinterte metallische Basismaterial aufweist, daß der Hartstoff in Pulverform bei Raumtemperatur
zu einem Kompaktkörper gepreßt wird, der im wesentlichen eine ähnliche Form und Oberfläche wie das Sintermaterial auf
weist, in welches der Hartstoff infiltriert werden soll.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompaktkörper entweder oberhalb oder unterhalb des Sintermaterials
angeordnet wird.
18. Verfahren nach Ansprch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kompaktkörper sowohl oberhalb als auch unterhalb des Sintermaterials
angeordnet wird.
19-r Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hartstoff auf die obere Fläche des Sinter-
9 09 8 U 8 /07 7 0 "* 4 ~
materials in Puder- bzw. Pulverform aufgebracht vM.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 - 19»
dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermaterial und der Hartstoff in einem Ofen bei einer Temperatur von 1000 -12500C und in einer im wesentlichen neutralen Atmosphäre
wärmebehandelt werden, so daß die Poren des Sintermaterials durch den Hartstoff durchsetzt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die neutrale Atmosphäre durch ein Wasser stoff gas oder durch ein wärmeaufnehmendes Gas gebildet wird, welche Gase aus
Propan hergestellt werden.
22.Verfahren nach einem ode"r mehreren der Ansprüche 16-21,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hartstoff mit einem Bindestoff gemischt wird, und zwar vor seiner Infiltration in das
gesinterte metallische Basismaterial.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bindestoff aus einem Metallischen Binde stoff besteht.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bindestoff aus'einem nichtmetallischen Bindestoff besteht.
9098*8/0770
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- 1969-05-16 JP JP3746569A patent/JPS508403B1/ja active Pending
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