DE2310536A1

DE2310536A1 - Verfahren zur herstellung von gegenstaenden aus verbundmetall

Info

Publication number: DE2310536A1
Application number: DE19732310536
Authority: DE
Inventors: Richard Wiegand Bratt; Gary Steven
Original assignee: Crucible Inc
Current assignee: Crucible Inc
Priority date: 1972-06-27
Filing date: 1973-03-02
Publication date: 1974-01-17
Also published as: GB1380381A; JPS4936512A; JPS5141082B2; US3803702A; FR2190556B1; AT340228B; ATA196173A; CA984186A; IT979766B; FR2190556A1

Description

Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Verbundmetall

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus einer Verbundlegierung, bestehend aus einem von verdichtetem Metallpulver umgebenen Kern sowie derartig aufgebaute Gegenstände.

Bei der Weiterverarbeitung vieler auf pulvermetallurgischem Wege hergestellter Erzeugnisse ist es wünschenswert, daß die Erzeugnisse ein hartes, abtriebbeständiges Äußeres und ein relativ zähes und leicht zu bearbeitendes Inneres besitzen. So ist es beispielsweise bekannt, Naben auf pulvermetallurgischem Wege herzustellen. Dabei wird eine Charge von Schnellarbeitsstahl-Pulver bei erhöhter Temperatur verdichtet, um einen Zylinder zu bilden, der im wesentlichen der angestrebten

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Gestalt der Nabe entspricht. Nach der Bildung des verdichteten Zylinders muß eine axiale Bohrung durch denselben gebohrt und außerdem eine Keilnut innerhalb der Bohrung vorgesehen werden, damit in der Nabe eine Welle aufgenommen werden kann. Dieser Vorgang birgt technische Probleme, da das zu bohrende und zu bearbeitende Material aus Schnellarbeitsstahl besteht, der notwendigerweise zur Herstellung der Nabe verwendet werden muß, um die erforderliche Zerspanbarkeit sowie die Abriebfestigkeit im Gebrauch zu gewährleisten. Es ist aus diesem Grunde wünschenswert, einen Gegenstand zu haben, der die angestrebte Härte und Abriebfestigkeit dort besitzt, wo dieses für Zerspanungszwecke erforderlich ist, und trotzdem leicht bearbeitbar ist, um das erforderliche Bearbeiten und Bohren zu gestatten.

Außerdem gibt es auf pulvermetallurgischem Wege hergestellte Erzeugnisse, bei denen Zähne oder andere unregelmäßige Schneidoberflächen in der äußerst harten Oberfläche dieser Erzeugnisse herzustellen sind. Zur Verlängerung der Lebensdauer derartiger Erzeugnisse, insbesondere zum Verhindern des Ausbrechens von Verzahnungen und dergl. aus dem Fuß, ist es wünschenswert, daß der Fuß aus relativ zähem Material besteht als der übrige Zahn.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zurgrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Verbundmaterial, insbesondere für Schneidbearbeitungszwecke zu schaffen, mit dessen Hilfe Verbundgegenstände auf pulvermetallurgischem Wege herstellbar sind, die einen Kern aus relativ zähem und leichtbearbeitbarem Metall besitzen und von einem verdichteten Pulver umgeben sind, welches metallurgisch an den Kern gebunden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein in einem Behälter angeordneter Metallkern unter Bildung einer Einheit mit einem Metallpulver umgeben wird und daß die Einheit anschließend verdichtet wird, wobei Durck und Temperatur

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derart gewählt werden, daß das Pulver auf mehr als 95% der theoretischen Dichte verdichtet und das Pulver metallurgisch an den Kern gebunden wird.

Bei einem erfindungsgemäß hergestellten Erzeugnis bildet das verdichtete Pulver das Äußere, welches die angestrebten Zerspanbarkeitseigenschaften sowie die angestrebte Abriebfestigkeit aufweist, während der Kern die erforderliche Zähigkeit und Bearbeitbarkeit aufweist .

Falls die Abmessungen des Erzeugnisses nach dem Verdichten noch verringert werden sollen, so kann dieses entsprechend bearbeitet werden, wozu typischerweise herkömmliche Warmbearbeitungstemperaturen in der Größenordnung von 927 his 1204 ⁰C verwendet werden können. Bei Verbundwerkstücken, bei denen das Pulver aus Schnellarbextsstahl besteht, erfolgt die isostatische Verdichtung vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 1093 und 1260 C. Die verwendeten

Verdichtungsdrücke liegen zwischen 7,03 und 14,06 kg/mm . Es ist erforderlich, die Verdichtung bei Verwendung isostatischer Drücke durchzuführen, damit die angestrebten hohen Dichten und die metallurgische Bindung erzielt werden, während die Gleichförmigkeit des gesamten Erzeugnisses aufrechterhalten wird. Zu diesem Zweck können verschiedene Druckgefäße oder Autoklaven in Verbindung mit einem Druckmittel,-wie Stickstoff oder Helium verwendet werden. Obgleich eine Anzahl verschiedener Vorrichtungen dieser Art zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet sind, wird als Beispiel einer derartigen Vorrichtung auf die US-Patentschrift 3 5^3 345 verwiesen.

Bei der Verwendung einer Verbundwerkstückes zur Herstellung von Fräsern, bei der eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle ausgeführt werden muß, ist die für den Kern des Fräsers verwendete Legierung zäher und leichter bearbeitbar, als die Legierung, aus welcher das Pulver hergestellt ist, da das

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Pulver nach dem "Verdichten hart und abriebt» es tändig sein muß, um der späteren Beanspruchung des Fräsers gewachsen zu sein. Auf diese Weise kann der leichter zu bearbeitende Kern gebohrt werden, um die zur Aufnahme der Welle erforderliche Bohrung auszuführen. Die zum Festlegen der Welle erforderlichen Keilnuten können leicht auf herkömmliche Weise hergestellt "werden. Das aus dem verdichteten Pulver bestehende Äußere bildet die Werkzeugoberfläche, in welcher die Schneidzähne ausgebildet sind. Bei Anwendungsgebieten, wie der Herstellung von Präsern, wird zur Erleichterung der Herstellung der Keilnuten und zum Erzielen einer zähen, duktilen Hülse ringsum die Welle vorzugsweise ein konzentrischer Bandbereich des Kerns stehengelassen, der das Bohrloch während der Bohrarbeit umgibt. Bei der Herstellung von Fräsern enthält das Verbundwerkstück vorzugsweise einen Kern aus niedrig legiertem Stahl und ein Pulver aus Schnellarbeitsstahl, das ringsum den Kern verdichtet wird und sich metallurgisch mit dem Kern verbindet.

Zur Herstellung dieses Verbundfräsers werden der Kern und das Pulver in einen Behälter eingebracht, der typischerweise aus Flußstahl hergestellt ist und in welchem das Kern und das Pulver eine Einheit bilden. Nachdem der Behälter evakuiert und gegen die Atmosphäre abgedichtet ist, wird die Einheit auf eine erhöhte Temperatur gebracht und anschließend bei dieser erhöhten Temperatur in dem Autoklaven verdichtet. Bei isostatischem Verdichten und Verdichtungstemperaturen zwischen 1093 und 1260 ⁰C ist es möglich, übereinstimmenderweise Dichten von 95% und mehr der theoretischen Dichte zu erzielen, was erforderlich ist, um den Werkstoffzusammenhalt, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitswerkzeugen, zu gewährleisten.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Ausdruck "niedrig legierter Stahl" ein Stahl verstanden, der 0,15 bis 0,70 % Kohlenstoff sowie Legierungselemente mit

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Gehalten von Ms zu 2% Mangan, bis zu 0,50% Schwefel, Ms zu 2% Silizium, bis zu 4% Hickel, bis zu 6% Chrom, Ms zu 2% Vanadin, bis zu 2% Wolfram, bis zu 2% Molybden, Best Eisen, enthält. Daraus ergibt sich, daß unter der Bezeichnung "niedriggekohlter Stahl" sowohl typische Kohlenstoffstähle als auch legierte Stähle mit mittleren Gehalten an Legxerungselementen zu verstehen sind. Unter der Bezeichnung "Schnellarbeitsstahl" soll ein Stahl verstanden werden, der 0,80 bis 3,0% Kohlenstoff, bis zu 2% Mangan, bis zu 1% Silizium, bis zu 0,5% Schwefel, zu bis 18% Wolfram, Ms zu 10% Chrom, bis zu 12% Molybden, bis zu 5% Vanadin, Ms zu 12% Kolbalt, Rest Eisen enthält, wobei die Summe aus Wo, Mo, Cr und V zumindest 10% beträgt.

Zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, die das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung darstellt, werden die für das Kernmaterial bestimmten Zusammensetzungen entsprechend den folgenden Erwägungen ausgewählt:

1. Der Werkstoff muß verglichen mit dem Werkstoffanteil für das Äußere preiswert sein.

2. Der Werkstoff muß sich vor dem Härten des Werkstückes leicht bearbeiten lassen.

3. Der Werkstoff muß mit der Wärmebehandlung vereinbar sein, die zum Härten des Werkzeugaußenbereiches erforderlich ist.

4. Der Werkstoff muß über ausreichende Festigkeit und Zähigkeit verfugen, um der Anfangsbeanspruchung sowie der fortwährenden Verdrehung beim Einsatz des Werkzeuges zu widerstehen.

Um ein Verbundwerkntück zu erzielen, bei welchem das Pulver in gleichförmiger Dichte verdichtet ist, laßt man bei der

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MB ^J BK

Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise den Kern kurz vor dem Ende des Behälters enden, um auf diese Weise einen Leerraum zu bilden und füllt den Behälter lediglich bis zu einer Höhe mit Pulver, die nicht unterhalb des Kernendes liegt. Dann wird in den verbleibenden Bereich oder den Leerraum des Behälters ein Material eingebracht, das dazu dient, das Pulver vor der Verdichtung an seinem Platz zu halten, was insbesondere während der Entgasung von Bedeutung ist. Dieses Material soll zusammen mit dem Behälter und dem Pulver während der Anwendung des isostatischen Verdichtungsdruckes zusammenbrechen. Auf diese Veise stimmt der auf die Einheit von oben ausgeübte Druck mit dem auf die Seiten ausgeübten Druck überein, was zu einer gleichförmigen Dichte führt. Als Material kann für diesen Zweck ein zusätzliches Pulver, eine dünnwandige Röhre, die in axialer Ausrichtung mit dem Kern steht, Stahlwolle oder eine Kombination dieser Materialien dienen.

Wird die Erfindung zur Herstellung von Präsern benutzt, so besteht das bevorzugte Endprodukt aus einem zylindrischen verdichteten Werkstück, welches eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle besitzt, wobei die Bohrung von einer Hülse aus niedrig legiertem Stahl umgeben ist, in welchem die erforderlichen Keilnuten vorgesehen sind. Metallurgisch mit der Hülse verbunden ist ein verdichtetes Pulver aus Schnellarbeitsstahl angeordnet, welches eine Dichte von mehr als 95% der theoretisch erzielbaren Dichte besitzt, und wobei das Äußere des Werkstückes eine unreglemäßig geformte Schneidoberfläche besitzt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfxndungsgemaßen Verfahrens sowie mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung hergestellte Gegenstände sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dererKHilfe auf erfindungsgemäße Weise Verbundwerk— stücke herstellbar sind,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Einrichtung nach Fig. 1 nach der Verdichtung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Verbundwerkstück nach der Erfindung und

Fig. 4 eine Schliffbildaufnahme bei 1000-facher Vergrößerung, die die metallurgische Bindung erkennen läßt, die bei dem Werkstück nach Fig. 3 erzielt wurde.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine mit 10 bezeichnete Einrichtung, die einen zylindrischen Behälter 12 aus Flußstahl sowie ein Anschlußglied 14 zur Verbindung mit einer nichtdargestellten Pumpe enthält, mit deren Hilfe das Innere des Behälters zur Entgasung in Übereinstimmung mit bekannten pulvermetallurgischen Maßnahmen entgast wird. Nach der Beendigung des Entgasens kann das Anschlußglied 14 geschlossen werden, um den Behälter 12 vor dem Aufheizen und Verdichten gegen die Atmosphäre abzuschließen. Die Einrichtung enthält weiter einen festen zylindrischen Stab 16, der aus niedrig legiertem Stahl hergestellt sein kann und axial innerhalb des Behälters 12 angeordnet ist. Wie er Zeichnung zu entnehmen, besitzt der Stab 16 ein oberes Ende, welches im Abstand von dem oberen Ende des Behälters 12 ende.t. Der Behälter 12 wird mit Metall- oder Legierungspulver 18, bei welchem es sich um gepulverten Schnellarbeitsstahl handeln kann, bis zu einer Höhe gefüllt, die nicht unterhalb des oberen Endes des Stabes 16 liegt. Ein dünnwandiger Rohrabschnitt 20 igt j.n axialer Übereinstimmung mit dem Stab 16 angeordnet und erstreckt sich von dessen Ende bis zu der Spitze des Behälters 12, wobei er

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das Anschlußglied 14 umschließt. Der Rohrabschnitt 20 kann aus irgendeinem leicht zusammenbrechenden Material bestehen und «eist vorzugsweise einen Werkstoff und eine Bauweise auf, die zum Zusammenbrechen und Verdichten gemeinsam mit dem Behälter .12 und dem Pulver 18 infolge der Anwendung isostatischer Drücke führt. Während des Auspumpens des Behälterinneren bei der Entgasung sorgt der Rohrabschnitt 20 dafür, daß keine beachtenswerte Menge des Pulvers aus dem Behälter entfernt oder anderseitig erheblich beeinträchtigt wird.

Die in Pig. 1 dargestellte Einrichtung 10 wird auf eine Verdichtungstemperatur zwischen 1093 ^nd 1260 ⁰C erhitzt, wozu dieselbe in einen nichtdargestellten Ofen gebi'acht wird. Wenn die Einrichtung die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird sie in einen nichtdargestellten Autoklaven verbracht, um dort auf bekannte Weise unter der Wirkung eines Druckmittels verdichtet zu werden. Als Druckmittel werden üblicherweise gasförmiger Stickstoff oder Gasförmiges Helium verwendet. Beim Verdichten brechen die Spitze des Behälters 12 und der Rohrabschnitt 20 in gleicher Weise zusammen, um so für wirkliche isostatische Verhältnisse hinsichtlieh der Einheit 10 zu sorgen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die derart hergestellten isostatischen Druckverhältnisse führen zu einem vollständig dichten und gleichmäßigen Erzeugnis.

Es versteht sich, daß äer Rohrabschnitt 20 durch ein beliebiges Material ersetzt werden kann, welches leicht gemeinsam mit dem Behälter 12 zusammenbricht und auf diese Weise eine einheitliche Druckausübung und ein einheitliches Verdichten des oberen Teils der Einrichtung 10 bewirkt, während es vor dem Verdichten die Entfernung oder Störung des Pulvers verhindert .

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Werkstück aus Verbundmetall ist in Fig. 3 vor der Entfernung des ö dargestellt. Diese Figur zeigt einen Querschnitt

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durch ein zylindrisches Werkstück, hei dem ein zylindrischer Stab als axialer Kern dient, der von verdichtetem Pulver mit etwa 100% Dichte umgehen ist. Ringsum das Werkstück befindet sich der Behälter, der mit Hilfe einer geeigneten Bearbeitung entfernt wird. Das verdichtete Pulver ist, wie Pig. 4 zu entnehmen, infolge der Verbindung von hoher Temperatur und isostätischem Druck' metallurgisch an den Kern gebunden.

Soll das Verbundwerkstück zur Herstellung einer Fräse verwendet werden, so wird eine axiale Bohrung durch das Werkstück im Bereich des Kerns ausgeführt. Vorteilhafterweise wird während der Bohrung rundum das Bohrloch ein Rand oder eine Hülse des Kernmaterials stehengelassen, um das Anbringen der erforderlichen Keilnuten zu erleichtern und um ein zähes, rißbeständiges Futter zu schaffen, welches die erforderliche Rißbeständigkeit gegenüber der Drehbeanspruchung besitzt, die bei der Drehung der Welle im Verlaufe von Schneidbearbeitungen auftreten.

Sollen nach der Verdichtung die Abmessungen des Verbundwerkstückes noch weiter verringert werden, so kann das Werkstück erneut auf eine hinreichende Warmbearbeitungstemperatur erhitzt und das Werkstück auf bekannte Weise in der Wärme be*- arbeitet werden.

Als spezifische Ausführungsbeispiele des Verfahren nach der Erfindung wurden zwei Verbundwerkstücke auf erfindungsgemäße Weise hergestellt, wobei die in Tafel 1 zusammengestellten Legierungen verwendet wurden.

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!Tafel 1

Zusammensetzung (Gew-%)

Legierung 0 Mn Si Cr V W Mo S Fe

EEX M7 1,00 0,30 0,30 3,75 2,00 1,75 8,75 0,025 Rest

max.

HEX M2S 1,00 0,30 0,30 4,15 1,95 6,40 5,00 0,15 Rest HC

CSM 2 0,30 0,80 0,50 1,65 - - 0,48 0,025 Rest

max.

MAXEL 0,50 1,25 - 0,65 - - 0,18 0,08 Rest 3-1/2

Beispiel I

Ein zylindrischer Behälter aus Flußstahl von 121,9 cm Länge und einem äußeren Durchmesser von 27,3 cm sowie einem innerem Durchmesser von 23,5 cm wurde mit einem axialen, zylindrischen Kern aus der in !Tafel 1 aufgeführten CSM 2-Legiemng versehen. Der Kern "bestand aus einem 106,7 cm langen Stab mit einem Durchmesser von 9,5 cm. Der Behälter wurde dann mit dem in Tafel 1 aufgeführten Pulver REX M7 "bis zu einer Höhe gefüllt, die im wesentlichen dem Stabende entsprach. Der in dem oberen Ende des Behälters oberhalb des Stabendes und dem Pulverspielgel verbleibende Hohlraum wurde mit Stahlwolle ausgefüllt. Der Behälter wurde entgast, um jegliche Feuchtigkeit darin zu entfernen, gegen die Atmosphäre abgedichtet und dann in einen Ofen verbracht, in welchem er auf eine Temperatur von etwa 1204 C erhitzt wurde. Er wurde dann in einen Autoklaven überführt, in welchem er auf eine Dichte im Bereich von 100% der theoretischen Dichte verdichtet wurde. Als Druckmittel diente gasförmiger Stickstoff und der Verdichtungsdruck betrug etwa 9,14 kg/mm . Die Untersuchtung des derart verdichteten Erzeugnisses ergab, daß es vollständig dicht war, d· h. eine Dichte von etwa 100% der theoretischen Dichte besaß und gänzlich homogen war.

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Ferner zeigten die Untersuchungen, daß eine gleichmäßige metallurgische Bindung" zwischen dem verdichteten Pulver und dem Kern vorlag. Das derart verdichtete Erzeugnis wurde erfolgreich zu einem 127 mm-Knüppel ausgeschmiedet und zu einem Walzstab von 5Pi8 mm ausgewalzt; Die Untersuchtung ergab, daß die metallurgische Bindung während des Schmiedens und Walzens erhalten geblieben war. Das Material könnte einer Wärmebehandlung unterworfen werden, wobei das REX M7-Materiai eine Rockwell-Härte von etwa 65 und das CSM 2-Material eine Rockwell-Härte von 37 erzielte. ·

Beispiel II

In der bei Beispiel I beschriebenen Weise wurde ein weiterer Versuch durchgeführt, wobei der Kern aus der MAXEL 3-1/2-Zusammensetzung nach Tafel 1 und das Pulver aus der REX M2S HC-Zusammensetzung nach Tafel 1 bestand. Als Ergebnis der Wärmebehandlung wurde bei dem verdichteten Erzeugnis eine Rockwell-Härte von 66 für das REX M2S HC-Material und eine Rockwell- · Härte von 25 für das MAXEL 3-1/2 Material gemessen.

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Claims

Patenten Sprüche

1. Verfahren zur Herstellen eines Gegenstandes aus einer Verbundlegierung, "bestehend aus einem von verdichtetem Metallpulver umgebenen Kern, dadurch gekenzeichn e t, daß ein in einem Behälter (12) angeordneter Metallkern (16) unter Bildung einer Einheit (12, 16, 18) mit einem Metallpulver (18) umgeben wird und daß die Einheit (12, 16, 18) anschließend verdichtet wird, wobei Druck und Temperatur derart gewählt werden, daß das Pulver auf mehr als 95% der theoretischen Dichte verdichtet und das Pulver metallurgisch an den Kern gebunden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichn e t, daß der Metallkern (16) vor der Verdichtung gänzlich dicht ist.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (12, 16, 18) nach dem Verdichten mechanisch bearbeitet wird.

4-. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Kernes (16) zäher und leichter bearbeitbar ist, als das Metall des Pulvers (18).

5· Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß als Kern (16) ein niedriglegierter Stahl und als Pulver (18) ein Schnellarbeitsstahl verwendet wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verdichten wenigstens ein Teil des Kerns (16) entfernt wird.

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7· Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (12, 16, 18) in im wesentlichen zylindrischer Gestalt vorliegt und der Kern (16) sich axial innerhalb derselben erstreckt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Kernes (16) eine axiale Bohrung durch die Einheit (12, 16, 18) geführt wird.

9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (16) kurz vor dem ersten Ende des Behälters (12) endet und daß das Pulver (18) bis zur Höhe des Kernendes in den Behälter (12) gefüllt wird und daß am ersten Behälterende ein Material (20) angeordnet wird, daß sich von dem Pulver (18) unterscheidet und mit dem Behälter (12) verdichtet wird.

10. Werkstück aus Verbundmetall, gekennzeichnet durch einen von einem verdichteten Metallpulver (18) umgebenen metallischen Kern (16)

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