DE1930724C3 - Verfahren zur Herstellung von kupferhaltigen Eisen-Sinterlegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei dem durch die britische Patentschrift 7 75 180 bekannt gewordenen Verfahren wird ein vorgesinterter Preßkörper nachgepreßt, und dann so lange einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von wenigstens 1100 C unterworfen, bis sich das Kupfer vollständig im Eisen gelöst hat, d. h. bis dieses gleichmäßig im Eisen verteilt ist. Durch zusätzliche Verfahrensschritte, wie eine Härtebehandlung und eine Temperung in Wasserstoffatmosphäre, lassen sich bei einer kupferhaltigen Sinterlegierung auf Eisenbasis bei hoher Zugfestigkeit gute Dehnungseigenschaften erzielen.

Das bekannte Verfahren erscheint aufwendig, insbesondere wenn neben dem Verfahrensschritt des Nachpressens auch ein Härten und Tempern vorgesehen ist, um die guten Festigkeitseigenschaften zu erzielen. Die für eine gleichmäßige Verteilung des Kupfers im Eisen benötigte Zeit ist außerdem verhältnismäßig lang.

Durch die USA.-Patentschrift 24 56 779 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kupfer enthaltenden gesinterten Legierungen auf Eisenbasis bekannt geworden, bei dem ein Preßkörper aus Eisenpulver, gegebenenfalls nach einem Sintervorgang, mit flüssigem Kupfer, dem ein weiteres Metall, wie Nickel beigegeben ist, getränkt und dann einer Wärmebehandlung oberhalb 500 C unterworfen wird. Es kann sich zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften eine Ausscheidungs-Härtebehandlung anschließen.

Auch bei diesem Verfahren wird die Wärmebehandlung so lange durchgeführt, bis eine vollständige Verteilung des Kupfers im Eisen erreicht ist, d. h. es ist eine verhältnismäßig lange Behandlungszeit erforderlich; außerdem werden zusätzliche Behandlungsschritte benötigt, um die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu erzeilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der einleitend genannten Art zu vereinfachen und bei verringerter Prozeßdauer Sinterprodukte zu erzielen, die sich durch hohe Zugfestigkeit und gute Dehnungseigenschaften auszeichnen.

Die Aufgabe ist durch die im Patentanspruch I angegebene Erfindung gelöst.

Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Kupfer enthaltenden Sinterlegierungen auf Eisenbasis wurde überraschend gefunden, daß ein wesentlicher Faktor für die Zähigkeit bzw. die fehlende Zähigkeit des daraus hergestellten Sinterprodukts die spezielle Verteilung des Legierungsmetalls, d. h. des Kupfers inner halb der Metallmatrix ist Wird das Legierungselemen nur an den Grenzen der Metallpartikel angereichert durchdringt es also diese nicht, v/ie bei den durch dii bekannten Verfahren erhaltenen Sinterprodukten dann lassen sich im Vergleich zu diesen bessere Deh nungseigenschaften erzielen. Durch sorgfältiges Auf einanderabstimmen der Zeit- und Temperaturpara meter können Zugfestigkeit und Dehnung genau ge

ίο steuert werden.

Zur Herstellung einer nicht homogenen Sinterlegie rung gemäß der Erfindung wird mit Kupferpulve gemischtes Eisenpulver zunächst gepreßt und anschlie ßend zwischen 700 C bis unterhalb des Schmelzpunk tes von Kupfer (1083 C) gesintert, um ein poröse Gefüge von zusammengebackenen Pulverteilchen zi erhalten. Danach wird das Sinterprodukt bei eine Temperatur zwischen den Schmelzpunkten des Kup fers und des Eisens (1539 C) 4 bis 30 min lang erhitzt Vorzugsweise erstreckt sich aer Bereich von etwj 1100 bis 1500 C. Ehe das Kupfer gleichmäßig im Eisen diffundiert ist und ein homogenes Gefüge gebildet ist wird der Erhitzungsvorgang unterbrochen. Mit ande ren Worten kann durch eine gesteuerte Erhitzungszei das Kupfer in das Eisen als feste Lösung diffundiere!

und sich an den Grenzflächen der Eisenteilchen kon zentrieren, um ein heterogenes Gefüge, das eine ver besserte Zähigkeit aufweist, zu bilden.

Dem Eisenpulver können Nickel- und/oder Kohlen stoffpulver beigemischt werden, um die Zähigkeit de! Produkts weiter zu verbessern.

Die Erfindung wird an Hand von 13 Figuren nähe erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte graphische Darstellung de Gefüges eines aus einem Eisen-Kupfer-Pulvergemiscl hergestellten Preßkörpers;

Fig. 2 eine vergrößerte graphische Darstellung de Gefüges gemäß Fig. I nach einer in bekannter Weisi durchgeführten Sinterung;

*° Fig. 3 ein schematisch gezeichnetes Gefügebik einer Eisen-Kupfer-Sinterlegierung, die auf bekannt Weise hergestellt worden ist;

Fig. 4 ein Diagramm der Eisen-Kupfer-Sinterlegie rung gemäß Fig. 3, das durch einen Elektronensonden Mikroanalysator (EPMA) erhalten wurde, worin di( vertikale Achse die Kupferkonzentration innerhalb de Gefüges in % und die horizontale Achse den Wej in μηι über das uniersuchte Gefüge darstellen;

Fig. 5 eine vergrößerte graphische Darstellunj eines Preßkörpers, der nur aus Eisenpulver besteht;

Fig. 6 eine vergrößerte graphische Darstellung de Preßkörpers gemäß Fig. 5 nach dem Sintern unc gleichzeitigen Tränken mit schmelzflüssigem Kupfe (bekanntes Verfahren);

Fig. 7 ein schematisch gezeichnetes Gefügebild de Eisen-Kupfer-Sinterlegierung gemäß Fig. 6;

Fig. 8 ein Diagramm des Gefüges der Eisen-Kupfer Sinterlegierung gemäß Fig. 7, das durch einen Elek tronensonden-Mikroanalysator erhalten wurde, wöbe

die vertikale und horizontale Achse die gleiche Be deutung wie bei Fig. 4 haben;

Fig. 9 eine vergrößerte graphische Darstellung eine gemäß einem Verfahrensschritt der Erfindung au gemischten Eisen- und Kupferteilchen hergestellte

Sintergefüges;

Fig. 10 eine vergrößerte graphische Darstellung de Sintergefüges gemäß Fig. 9, nachdem eine gesteuert! Diffusion gemäß der Erfindung stattgefunden hat;

Fig. 11 ein schematisch gezeichnetes Gefügebild der Eisen-Kupfer-Sinterlegierung gemäß Fig. 10;

Fig. 12 ein Diagramm des Gefüges gemäß Fig. 11, das durch einen Elektronensonden-Mikroanalysator erhalten wurde, wobei die vertikalen und horizontalen Achsen dieselbe Bedeutung wit bei Fig. 4 haben;

Fig. 13 ein Diagramm, das die Wirkung der Erwärmungszeit (horizontale Achse) auf die Zugfestigkeit (ob) und die Dehnung (ό) von aus Eisen-Kupfer-Pulvergemischen erfindungsgemäß hergestellten Sinterlegierungen darstellt.

Fig. 1 stellt das typische Gefüge eines Metallpulver-Preßkörpers dar. Ein Kupferteilchen 1 steht mit einem es umgebenden Eisenteilchen 2 in Berührung. Der Preßkörper ist aus einem Gemisch aus Eisenpulver und is bis 8% Kupferpulver hergestellt. Bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Kupfer-Sinterlegierung wird der Preßkörper gemäß Fig. 1 längere Zeit, z. B. 60 min, auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer, z. B. auf U50"C erhitzt. ^ao Hierbei schmilzt das Kupfer und diffundiert in die Eisenteilchen 2. Es bildet ein homogenes Gefüge aus einer gleichmäßigen festen Lösung des Kupfers in Eisen.

Gemäß Fig. 2 sind die Eisenteilchen 21 teilweise ^a5 verschmolzen bzw. zusammengebacken dargestellt und weisen zwischen den gesinterten Teilchen 21 Brücken auf. Die schraffierten Bereiche stellen eine weitgehend gleichmäßige Konzentration des gelösten Kupfers innerhalb der Matrix dar.

Fig. 3 stellt eine 400fache Vergrößerung eines Schliffbildes einer nach dem bekannten Verfahren hergestellten gesinterten Legierung dar. Das Kupfer ist als feste Lösung gleichmäßig in den Eisenteilchen 21 verteilt und bildet ein homogenes Gefüge. Nach dem ^3S Diffundieren der Kupferteilchen ist das -Gefüge porös und weist ^n der Stelleder Kupferteilchen Hohlräume3 auf. Das nach dem bekannten Verfahren gebildetes Gefüge wurde mittels eines Elektronensonden-M ikroanalysators analytisch geprüft. Durch quantitatives Messen der Zusammensetzung an verschiedenen Punkten des Teilchengefüges wurde Fig. 4 erhalten. Hierdurch wurde bestätigt, daß das Sintergefüge eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Kupfers in der Eisen-Kupfer-Sinterlegierung aufweist. Die Konzentration der festen Kupferlösung wurde als etwa 2% bestimmt.

tin ähnlich homogenes Gefüge wurde durch ein herkömmliches Tränkverfahren erzielt. Dabei wurde eine Eisen-Kupfer-Sinterlegierung dadurch hergestellt, daß ein Sinterkörper aus Eisenpulver geschmolzenem Kupfer während eines längeren Zeitraums z. B. ungefähr 60 min lang ausgesetzt wurde. Das Kupfer tränkte das poröse Gefüge und füllte jeden Zwischenraum 3' aus. Das Kupfer überzog auch die Eisenteilchen 2, wie in Fig. 5 dargestellt. Während des ausgedehnten Zeitraums diffundierte geschmolzenes Kupfer in die Eisenteilchen und löste sich darin unter Bildung eines homogenen Gefüges aus einer festen Kupferlösung gleichmäßig auf. Gleichzeitig fand eine teilweise Lösung der Eisenteilchen in dem den Zwischenraum 3' ausfüllenden Kupfer statt. Das erhaltene Gefüge, das in den Fig. 6 und 7 400fach vergrößert dargestellt ist, wird durch einzelne Eisenteilchen 21 gekennzeichnet, die mit einer gleichmäßig verteilten festen Lösung aus Kupfer durchsetzt sind, wobei eine Überbrückung mit Kupfer 12 vorhanden ist, in dem teilweise Eisen gelöst ist. Ein mittels einer Elektronensonde eines Mikroanalysators erhaltenes Diagramm (Fig. 8) bestätigt daß die feste Lösung des Kupfers in den Eisenteilchei vorhanden ist und ein homogenes Gefüge aufweist wobei der Kupfergehalt ungefähr 8% beträgt. Di unteren Bereiche des Diagramms (P) entsprechen de Zusammensetzung des in den einzelnen Eisenteilchei gelösten Kupfers innerhalb der mit Kupfer durch setzten Eisenmatrix. Es ist festzustellen, daß die gemäl den beiden herkömmlichen oben beschriebenen Ver fahren erzeugten Eisen-Kupfer-Sinterlegierungen eil Gefüge aufweisen, das durch eine homogene V.erteilunj des Kupfers in den Eisenteilchen gekennzeichnet ist

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eil Gemisch aus Eisen- und bis zu 8% Kupferpulver ge preßt und anschließend bei einer Temperatur, di zwischen der Sintertemperatur des Eisens und den Schmelzpunkt des Kupfers liegt, gesintert, wonacl 4 bis 30 min lang bei einer Temperatur oberhalb de Schmelzpunktes des Kupfers, vorzugsweise bei 1100 C erhitzt wird. Nach dem Sintern besteht ein Gefügi gemäß Fig. 9. Danach sind die Eisenteilchen 2 teil weise zusammengebacken und bilden Brücken n. Dem gemäß sind ungelöste Kupferteilchen 1 von einen gesinterten Netzwerk aus teilweise zusammengebacke nen Eisenteilchen 2 umgeben. Es wird dann die Tempe ratur so weit erhöht, daß die Kupferteilchen, aber nich die Eisenteilchen schmelzen. Indem man die Wärme behandlungszeit relativ kurz, nämlich zwischen 4 un< 30 min hält, erzielt man ein inhomogenes Gefügi gemäß Fig. 10, bei dem die feste Kupferlösung ai den Grenzflächen 22 der Eisenmatrix konzentriert ist Durch metallographische Überprüfung bei 400fache Vergrößerung wurde festgestellt, daß die in diese Weise hergestellte Eisen-Kupfer-Sinterlegierung in Bereich 20 sehr wenig oder kein Kupfer aufweis (Fig. 11), selbst wenn der Grenzflächenbereich 22 seh stark mit gelöstem Kupfer angereichert ist. Nach de Lösung des Kupfers in der Eisenmatrix entstand eir poröses Gefüge mit Hohlräumen 3.

Eine Analyse mit der Elektronensonde eines Mikroanalysators (Fig. 12) bestätigt die ungleichmäßige Verteilung der ^festen Kupferlösung in der Sinterlegie rung und eines heterogenen Gefüges mit einem siel örtlich wesentlich verändernden Kupferprozentsatz.

In Fig. 13 ist der Einfluß der Dauer der Erhitzungs zeit auf die mechanischen Eigenschaften der gemäi der Erfindung hergestellten Sinterlegierungen darge stellt. Die Kurven as und δ stellen die Zugfestigkei bzw. die Dehnung von Sinterkörpern aus einer Mi schung von Eisen und 2% Kupfer dar. Der Preßkorpe wurde unter einem Druck von 5 t/cm² gepreßt unc während 60 min bei 900" C gesintert, worauf eine weitere Erhitzung bei 1100 C während eines bestimmter Zeitraums erfolgte.

Gemäß Fig. 13 steigt bei zunehmender Erhitzungs· dauer bis 16 min die Zugfestigkeit steil an und bleib dann bei einem Wert von etwa 26 kp/mm² konstant Die Dehnung ö erreicht jedoch ihren Maximalwert vor ungefähr 10% innerhalb der ersten 4 min der Erhitzung und nimmt danach langsam ab. Zwischen 4 und 30 mii fällt die Dehnung von ungefähr 10 auf 6% ab. An Harn dieser beiden Kurven ist es daher möglich, bei Sinter legierungen die gewünschte Kombination aus hohe Zugfestigkeit und hoher Dehnung zu erzielen, wenr die Legierung bei geregelter Temperatur währenc 4 und 30 min erhitzt wird.

An Hand des Diagramms gemäß Fig. 13 kann eir Bereich für die ootimale Glühdauer ausgewählt wer-

den. Es ist jedoch zu beachten, daß der Temperaturbereich zur Erzielung des gewünschten Gefüges kritisch ist. Bei dem beschriebenen Beispiel wurde eine Temperatur von 1 100 C gewählt. Jedoch können andere Temperaturen zwischen etwa dem Schmelzpunkt des Kupfers und dem des Eisens gewählt werden. Die Lage der Kurven für die Zugfestigkeit und für die Dehnung wird abhängig von der Erhitzungstemperatur verschoben. Bei einer Temperatur oberhalb 1100 C wird der Diffusionsvorgang beschleunigt. Daher ist hier die Dauer zu verkürzen, um äquivalente Ergebnisse zu erzielen. Umgekehrt wird bei einer tieferen Temperatur eine längere Erhitzungsdauer benötigt.

Die untersuchten Proben sind aus einer Eisen-Kupfer-Sinterlegierung hergestellt. Jedoch ist es möglich, Nickelpulver und Kohlenstoffpulver zuzusetzen.

Es wird vermutet, daß die kurze Glühung und die inhomogene Konzentration des diffundierten Kupfers eine Schwächung der verengten Halsabschnitte η im Sintergefüge verhindert und zu der Festigkeit dieses Abschnittes beiträgt.

Es werden nun noch einige konkrete Beispiele beschrieben :

Es wurden gemäß den Normen der Japan Powder Metallurgical Association für die Vorbereitung von genormten Zugfestigkeitsproben Metallpulver in Metallformen unter einem Druck von 5 t/cm² gepreßt. Die nachfolgende Wärmebehandlung des Preßkörpers wurde gemäß dieser Erfindung in einem Zweizonen-Ofen mit Wasserstoffatmosphäre durchgeführt und zwar zunächst bei 900 C und anschließend bei 1100 C. Die Messung der Erhitzungsdauer bei der tieferen Temperatur bzw. Erhitzungstemperatur erfolgte erst, nachdem der Preßkörper diese Temperaturen erreicht hatte.

Ferner wurden die nach Erfindung hergestellten Proben A mit nach bekannten Verfahren hergestellten Proben B verglichen. Die Ergebnisse sind in den folgenden Beispielen und in der Tabelle enthalten.

Die gemessene Zugfestigkeit betrug 26 kp/mm² und die Dehnung 5% (B 1).

Beispiel 2

Ein Gemisch aus Eisenpulver und 5% Kupferpulver wurde zu einem Preßkörper geformt und dieser 60 min lang bei 900 C gesintert. Dann wurde der Sinterkörper 30 min lang bei 1100 C erhitzt. Die gemessene Zugefstigkeit betrug 31 kp/mm² und die ίο Dehnung 5% (A 2). Zum Vergleich wurde eine aus demselben Eisen- 5% Kupfer-Gemisch nach der herkömmlichen Methode gefertigte Probe 60 min lang bei 1100 C gesintert. Die gemessene Zugfestigkeit betrug 33 kp/mm² und die Dehnung 2,5% (B2).

Beispiel 3

Ein Gemisch aus Eisenpulver, 2% Nickelpulver und 2% Kupferpulver wurde zu einem Preßkörper geformt und dieser 60 min lang bei 900 C gesintert und danach 30 min lang bei 1100 C erhitzt. Die gemessene Zugfestigkeit betrug 30 kp/mm² und die Dehnung 10% (A3).

Zum Vergleich wurde ein Preßkörper aus derselben Eisen- 2% Nickel- und 2% Kupfer-Mischung 30 min *5 lang bei 1100 C gesintert. Die gemessene Zugfestigkeit betrug 30 kp/mm² und die Dehnung 4% (B 3).

Die folgende Tabelle stellt eine Zusammenfassung der Ergebnisse der Beispiele dar.

Tabelle

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Beispiel 1

Ein Gemisch aus Eisenpulver und 2% Kupferpulver wurde zu einem Preßkörper geformt und dieser 60 min lang bei 900 ^JC gesintert. Dann wurde der Sinterkörper 16 min lang bei 1100 C erhitzt. Die gemessene Zugfestigkeit betrug 26 kp/mm² und die Dehnung 8% (Al).

Zum Vergleich wurde eine aus demselben Eisen- 5<> 2% Kupfer-Gemisch gefertigte Probe nach der herkömmlichen Methode 60 min lang bei 1100 Cgesintert.

Probe	Zusammensetzung	Zugfestig-	Dehnung
		KCIl (kp/rnrn2)	(%)
Al	Eisen-2% Kupfer	26	8
B 1	Eisen-2% Kupfer	26	5
A2	Eisen-5% Kupfer	31	5
B2	Eisen-5% Kupfer	33	2,5
A3	Eisen-2%Nickel-
	2% Kupfer	30	10
B3	Eisen-2%Nickel-
	2% Kupfer	30	4

Aus der Tabelle ist zu entnehmen, daß wesentliche Verbesserungen in der Zähigkeit der Sinterlegierung auf Eisenbasis gegenüber der herkömmlichen Methode zu erzielen sind. Man erhält Sinterlegierungen mit Zugfestigkeitswerten, die denen der besten herkömmlichen Sinterlegierungen gleichkommen, bei denen aber die Dehnungswerte um 50 bis 80% höher liegen als die der nach herkömmlichen Verfahren gefertigten Produkte.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

9625

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von kupferhaltigen Eisen-Sinterlegierungen, bei dem Eisenpulver mit bis zu 8 % Kupfer gleichmäßig gemischt, ein Preßkörper geformt, dieser weniger als 60 min lang bei einer Temperatur oberhalb 700"C und unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer gesintert und der Sinterkörper anschließend auf eine Temperatur von 1100 bis 1400 C erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß 4 bis 30 min lang ohne vorausgegangenes Nachpressen erhitzt wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Pulvermischung mit bis zu 2% Nickel und/oder bis zu 0,2 % Kohlenstoff.