DE2413017C2 - Verschleißfeste Sinterkörper aus einer Nickel-Chrom-Legierung - Google Patents

Verschleißfeste Sinterkörper aus einer Nickel-Chrom-Legierung

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DE2413017C2 DE2413017A DE2413017A DE2413017C2 DE 2413017 C2 DE2413017 C2 DE 2413017C2 DE 2413017 A DE2413017 A DE 2413017A DE 2413017 A DE2413017 A DE 2413017A DE 2413017 C2 DE2413017 C2 DE 2413017C2
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Description

Die Erfindung betrifft Sinterkörper aus verschleißfesten und abnebbesiändigen Nickcl-Chrom-Legierungen.
Es wurden bereits zahlreiche abrieb- und verschleißfeste Legierungen Für Gegenstände entwickelt, die solchen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Diese haben eine hohe Zugfestigkeit und große Härte auch bei hohen Temperaturen von 650 bis 760 C. fine Schlagar beit von etwa 4 bis 7 |: im allgemeinen sind jedoch diese Werkstoffe sehr schwierig oder gar nicht /u bearbeiten Aus diesem Grunde werden sie als Gußstücke verwendet, welche manchmal auf die geforderten Abmessungen /urechtgeschliffen werden oiler es werden nach einem Schweißverfahren harte Oberflä chenüberzüge hergestellt.
Die Mehrzahl dieser Legierungen sind Kobalt'Lcgierungen mit wesentlichen Anteilen an Chrom, Wolfram und manchmal Molybdän. Kobalt ist ein teurer Legierungsbestandteil. Daher sind Versuche unternommen worden, Kobalt zumindest teilweise durch andere, weniger teure Elemente zu ersetzen. In der US-Patentschrift 30 68 096 wird eine Nickel-Legierung beschrieben, welche für viele Anwendungszwecke anstelle von Kobalt-Legierungen verwendet werden kann. Die Härte dieser Nickel-Legierung fällt jedoch bei Temperaturen oberhalb 6500C etwas unter die Härte der
-, besten Kobalt-Legierungen ab. Dies wird auf einen Mangel an harten Carbid-Bestandteilen zurückgeführt Obwohl verschiedene Kobalt-Legierungen bekannt sind, welche Kohlenstoff in der Größenordnung von 23% enthalten, muß bei der in der oben genannten
in US-Patentschrift beschriebenen Legierung nach der dort angegebenen Lehre der Kohlenstoff unter ungefähr 1,6% gehalten werden. Dort wird ausgeführt, daß ein größerer Gehalt an Kohlenstoff unerwünscht ist und zu einer verringerten Schlagfestigkeit führt. Nach der Lehre dieses Patentes wird dieses Verhalten auf die Eildung von Carbiden vom MiCj-Typ zurückgeführt, solche Carbide sollen sich dann bilden, wenn der Kohlenstoffgehalt den angegebenen kritischen Wert übersteigt.
Während die Gußverfahren und die Verfahren zur Erzielung harter Oberflächen bei der Herstellung von verschleißfesten Gegenständen mit großen und mittleren Abmessungen durchaus zufriedenstellend sind, sind diese Verfahren für die Herstellung einer Vielzahl relativ kleiner Gegenstände nicht gut geeignet. Aus diesem Grunde wurden Versuche unternommen, pulvermetallurgische Verfahren für die Herstellung von Gegenständen aus a'jriebbeständigen. verschleißfesten Legierungen, einschließlich der in der oben genannten US-Patentschrift angegebenen Legierungen anzuwenden. Ein solches Verfahren besteht darin, durch Pressen eines Pulvers aus der gewünschten Legierung den Gegenstand mit den gewünschten Abmessungen zu formen und dann diesen Preßkorper zur Herstellung von Gegenständen mit einer solchen Dichte, die mit der Dichte eines gegossenen Gegenstandes vergleichbar ist. zu sintern. Hier/u wird das Legierungspulver in eine Form mit den gewünschten Abmessungen gefüllt und dort unter Druck zu dem Preßkörner verdichtet, der den
4(i Schrumpfspannungen und weiteren Spannungen während des Sinterns standhält. Die Preßkörper werden anschließend in nicht-oxidierende1· Atmosphäre gesintert. Auf diese Weise können eine große Zahl gleichartiger Gegenstände preiswert hergestellt wer-
4-> den.
Zahlreiche Kobalt-Legierungen, wie auch andere verschleißfeste Legierungen, können nach diesem grob beschriebenen pulvermetallurgischen Verfahren verarbeitet werden, (edoch eignet sich hierfür die in der oben
in genannten US-Patentschrift angegebene Nickel! egit rung nicht. Um einen Raumerfüllungsgrad von ti"'" oder mehr sowie eine Rockwell C Härte von 40 oder mehr /u emclen miissen die Preßkorper hei einer Temperatur von mindestens 12h0 C gesintert werden
,·, wobei der Temperaturbereich von der Korngröße der Pulverteili hen ilihangt. Da die Sintertemperatur um nicht mehr als t ί C von der theoretischen Sinteriings temperatur abweichen soll, ist dieses Verfahren im wesentlichen auf d.is Laboratorium beschrankt. Das
Μ· Vermählender Piilvcrteilchen auf kleinere leikhengrci ßen. was zeitraubend und teuer ist. erweitert den Sinlerbereich auf ± 10 bis ± 130C. Für ein wirtschaftliches Verfahren ist dieser immer noch zu eng, da dieser eine ziemlich sorgfältige Regulierung des Ofens erfordert.
Bei der wirtschaftlichen Herstellung einer großen Zahl von Gegenständen mit Hilfe der Pulvermetallurgie ist es wünschenswert, die Sinterung kontinuierlich
durchzuführen. Dies wird am wirtschaftlichsten dadurch erreicht, indem man die Preßkörper in Metallbehälter stellt, und diese hintereinander durch einen Tunnelofen mit der gewünschten Atmosphäre führt, wobei die Gegenstände zum vollständigen Sintern ausreichend lange bei der vorgesehenen Temperatur gehalten werden. Eine günstige Vorgangsweise hierfür besteht darin, mit einem mit den Preßkörpern gefüllten Behälter, der in den Ofen eingeführt wird, einen anderen Behälter mit gesinterten Körpern am anderen Ende des Ofens herauszustoßen. Die Länge des Ofens stellt dann natürlich ein Vielfaches der Länge eines einzelnen Behälters dar. Wernden die üblicherweise für diesen Zweck eingesetzten Metallbehälter auf Temperaturen von 1260°C erwärmt, so können dabei die Behälter verbogen werden. Bei etwa 12000C haben diese Behälter jedoch eine genügende Festigkeit. Es ist daher vorteilhaft, die Preßkörper bei Temperaturen zu sintern, die von den Behältern ausgehalten werden.
Aufgabe der Erfindur g ist die Schaffung verschleißfester, abriebbeständiger Sinterkörper aus einer Nickel-Legierung, die eine höhere Härte besitzen. Die Zusammensetzung der Legierung soll ein Sintern iii einem breiteren Temperaturbereich ermgölichen und zu Sinterkörpern mit befriedigender Dichte führen. Dabei soll die Sintertemperatur niedriger liegen als bisher möglich.
Es wurde gefunden, daß Sinterkörper aus einer Legierung, deren Zusammensetzung sich durch einen höheren Kohlenstoffgehalt und einen kleinen Borgehalt von der oben genannten US-Patentschrift 30 68 096 unterscheidet, geringere Sprödigkeit und größere Härte aufweisen und bei niedrigerer Temperatur innerhalb eines erweiterten Temperaturbereichs, der vom Kohlenstoffgehalt abhängig ist, sintern.
Die folgende Tabelle i bringt die Zusammensetzung von erfindungsgemäßen Legierungen bzw. der erfindungsgemäßen Sinterkörper.
Tabelle
F.rlindungsgemaße Legierungen
(Angaben in Gew.-"A)		 BoanspruLhter Bereich Beviir/uiiter Bereich Nomineller Bereich
23 bis 24 25 bis 27 26
Cr 8 bis 15 9 bis I! 10
W 1.65 bis 5,0 1,65 bis 4.2 1.65 bis 4,2
C 1.3 ma ν 1,00 max. 1.00 max.
Si 1,3 max. 1,00 mi« χ 0,75 max.
Mn 1,0 max. 0.05 b.\ l.d 0.5
B 8 bis 15 9 bis Il 10
Co 8 bis I5 9 bis 11 10
Mo 10 bis 17,5 11,5 bis 13.* 12.5
Fe bis zu 1,0 bis zu 1,0 bis zu 0.5
Modifizierende Elemente bis zu 10,0 bis zu 8,0 bis zu 5,0
Gelegentlich vorhandene Elemente Rest, wenigstens 20 Rest, wenigstens 20 Rest, wenigstens 20
Nickel und zufällige, herstellungs-
bedingte Verunreinigungen
Das Legierungspulver wird vorzugsweise durch Zerstäuben einer Schmelze der gewünschten Zusammensetzung in üblicher Weise hergestellt. Es wird nur der Anteil des Pulvers verwendet, der ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,54 mm passiert. Diese Teilchen «eisen angenähert kugelförmige Gestalt auf. 25 bis 35% dieser Teilchen weisen eine Größe von weniger als 0.04 mm auf. Wenn Gegenstände mit hoher Dichte hergestellt werden sollen, dann wird dazu lediglich diese Fraktion mit einer Teilchengröße unter 0,04 mm verwendet.
Das Pulver wird anschließend in üblicher Weise mit einem festen Bindemittel und einem Lösungsmittel vermischt.
Das Vermischen des Pulvers Und der Bindemittelteil· chen erfolgt in einer geeigneten Mischvorrichtung. Der Anteil an Bindemittel ist nicht von großer Bedeutung, einige Gewichtsprozente sind ausreichend. Die plastische oder kittartige Masse aus Pulverteilchen, Bindemittel und Lösungsmittel wird anschließend zu Agglomeraten Verfestigt, bevorzugt durch Extrusionsverfahren.
obwohl auch andere Verfahren, etwa Brikettieren in einer Presse, angewandt werden können.
Die Extrudate werden getrocknet, in einem Walzwerk, einer Hammermühle oder einer ähnlichen Vorrichtung zerkleinert und anschließend gesiebt. Die Fraktion mit einer Teilchengröße unter 0,15 mm lrt ausreichend fein. Ungefähr 60 bis 80% dieser Teilchen wsisfc.i eine Größe unter 0,04 mm auf. was einer scheinbaren Dichte von ungefähr 2.0 bis 3,3 gr'cm' entspricht. Sowohl der Prozentgehalt an feinen Teilchen als auch die scheinbare Dichte dieses Materials sind jedoch geringer als bei gemahlenem Pulver.
Die Agglomerat aus Pulver und Bindemittel werden anschließend in Matrizen der gewünschten Form unter einem Druck von ungefähr 700 N/mm2 gepreßt. Der zur Verdichtung angewandte Druck kann dabei 280 bis 980 N/mm' betragen, wobei die Dichte der hohen Preßkörper größer ist, wenn zur Verdichtung ein höherer Druck angewandt wurde. Bei einem Verdich tungsdruck von 280 N'min2 beträgt die Dichte der Preßkörper ungefähr 56 bis 58% der Dichte m
gegossenem Zustand, und bei einem Verdichtungsdruck von 980 N/mm2 beträgt der Raumfüllungsgrad 70 bis 72%.
Die Sinterkörper erhalten die gewünschte Dichte durch Sintern der Preßkörper im Vakkum oder unter reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur z\\ ischen der Solidus- und der Liquidus-Temperatur der Legierung. Eine vollständige Sinterung kann in etwa einer Stunde erreicht werden, bei einer Sinterungsdauer von zwei oder drei Stunden kann die Sinterungslemperatur etwas verringert werden, ohne daß die Eigenschaften der Sintei körper beeinträchtigt werden. Sie besitzen einen Raumerfüllungsgrad von 98%.
Wenn es erforderlich ist, können auch Teile oder alle bei der Zerstäubung der Schmelze angefallenen Pulverteilchen gemahlen werden, um aus einer gröberen Fraktion eine Pulverfraktion mit Teilchengrößen unter 0,04 nini zu erhalten.
Aus einer einzigen Grundlegierung wurde im experimentellen Mnßstnb. wie oben beschrieben, neun Versuchslegierungen hergestellt. Alle diese Legierungen enthielten im wesentlichen:
26% Chrom
10% Wolfram
weniger als 1,0% Silicium
weniger als 1,0% Mangan
0,5% Bor
10% Kobalt
10% Molybdän
12,5% Eisen
Rest Nickel und
herstellungsbedingte
Verunreinigungen
Von einer Legierung zur nächsten wurde der Kohlenstoffgehalt dieser Legierungen in der in Tabelle 2 angegebenen Weise variiert. Der Kohlenstoffgehalt in den Legierungen A und B entsprach dem Kohlenstoffgehalt den aus der US-Patentschrift 30 68 096 bekannten Legierungen, während die Legierungen 1 bis 7 wie angegeben höhere Kohlenstoffgehalte aufwiesen. Die Rockwell-C-Härte bei Raumtemperatur und der Sinterungsbereich sind jeweils für jede Legierung angegeben. In jedem Falle betrug die Sinterdauer ungefähr eine Stunde. Alle Legierungen wiesen einen Raumerfüllungsgrad von 95% oder mehr auf.
Tabelle 2 Kohlenstoff- Harte Bereich der
GcKaIt f%) (Rockwell C) Sinterungs
Versuchslegierungen temperatur f°Cl
Legie 1.26 37-40 1210-1216
rung Nr 1.46 40-42 1210-1221
1.84 43-45 1199-1221
A 1.94 45-46 1199-1232
B 2.11 45-47 1199-1232
1 2.36 45-48 1199-1243
2 3J9 53-57 1160-1227
3 3.78 56-59 !160-1216
4 4.22 56 - 58 1154-1210
^
7
Hierbei ist festzustellen, daß die Legierungen A und B. welche in ihrer Zusammensetzung den Legierungen aus der bekannten US-Palentschrift entsprechen, abgesehen von dem erfindungsgemäßen Borzusatz, bei Ί merklich tieferen Temperaturen sintern, als gleiche Legierungen ohne Borzusatz. Der zulässige Bereich für die Sinlerungstemperaturen ist jedoch für die Bor enthaltenden Legierungen der gleiche, wie für die kein Bor enthaltenden Legierungen, bei jeweils gleicher
id Korngröße der Pulver. Bei den erfindungsgemäßen Legierungen, welche, wie oben dargelegt, ebenfalls bei tieferen Temperaturen sintern, ist der zulässige Bereich für die Sinterungsiemperatur sehr stark erweitert, wenn der Kohlenstoffgehall der Legierung über 1,65% liegt.
r, wobei die untere Temperaturgrenze niedriger ist. wenn der Kohlenstoffgehalt über diesen Wert ansteigt. Die obere Temperaturgrenze steigt bis der Kohlenstoffgehalt 2.4% an: bei weiterer Steigerung fällt die Maximaltemperatur ab. Dies ist grafisch in Fig. I
2ii dargestellt, wobei zu Vergleichszsvecken der Kohlenstoffgehalt auch in jene Gehaltsbereiche ausgedehnt wurde, welche aus der US-Patentschrift 30 68 096 bekannt sind. Nachdem die bekannte Legierung mit ihrem bevorzugten Kohlenstoffgehalt von 1.4% nach
2ΐ dem hier beschriebenen Pulvermetallurgischen-Verfahren lediglich bei Temperaturen zwischen 1210 und 1221T gesintert werden kann: dies entspricht einem Sinteningsbereich von lediglich IPC. kann die hier beschr;ebene erfindungsgemäße Legierung, beispielsweise mit einem Kohlenstoffgehalt von 2.4% bei Temperaturen zwischen 1199 und 1243" C gesintert werden. Die erfindungsgemäße Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von 4,2% kann sogar bei Temperaturen zwischen 1154 und 1210°C gesintert werden.
3j Überraschenderweise wurde beobachtet, daß in Gegenständen, welche nach dem beschriebenen Verfahren aus Metallpulver der genannten Zusammensetzung gesintert worden sind, die unerwünschten Carbide vom M?Cj-Typ (wie sie in der oben genannten US-Patentschrift erwähnt sind) nicht in nennenswertem Umfang gebildet werden, solang der Kohlenstoffgehalt der Legierung ungefähr 5% nicht übersteigt. Es kann sein, daß sich dieser Vorteil aus der verbesserten Homogenität der erPindungsgemäßen Gegenstände ergibt, im
A3 Vergleich zu gegossenen Gegenständen; die vorliegende Erfindung soll jedoch keinesfalls an diese Erklärung gebunden sein. Die Härte der erfindungsgemäßen Gegenstände bei Raumtemperatur wie bei erhöhter Temperatur ist höher als die Härte der Legierungen nach der genannten US-Patentschrift, während die Schlagfestigkeit jeweils in der gleichen Größenordnung liegt.
F i g. 2 zeigt grafisch, wie die Rockwell-C-Härte (bei Raumtemperatur) der erfindungsgemäßen Legierungen mit ansteigendem Kohlenstoffgehalt zunimmt Zu Vergleichszwecken ist diese Kurve auch in den Zusammensetzungsbereich ausgedehnt welcher der Zusammensetzung von Legierungen aus der oben genannten US-Patentschrift entspricht Die Härte der
ta erfindungsgemäßen Legierungen steigt nahezu linear zu dem Kohlenstoffgehalt der Legierungen an. bis dieser ungefähr 33% erreicht: bei darüber hinaus gehenden Kohlenstoffgehalten neigt sich die Kurve und erreicht ihr Maximum bei ungefähr 4°/o Kohlenstoff. Die Rockwell-C-Härte (bei Raumtemperatur) der erfindungsgemäßen Legierung mit diesem Kohlenstoffgehalt beträgt ungefähr 57. Der maximale Kohlenstoffgehalt der erfindungsgemäßen Legierungen wird auch noch
durch andere Überlegungen begrenzt. Wie oben dargelegt, werden erfindungsgemäß Legierungspulver bevorzugt, welche durch Zerstäuben einer Schmelze der gewünschten Zusammensetzung erhalten worden sind. Steigt der Kohlenstoffgehalt einer solchen Schmelze der effindiingsgemäßen Legierung über ungefähr 5% an, so verliert die Schmelze ihre Fluidität und wird viskos, so daß eine Zerstäubung unmöglich wird.
Wie oben dargelegt, erweitern Borzusätze nicht den zulassigen Bereich für die Sintefungstemperaturen der hier betrachteten Legierungen, sie senken jedoch die absoluten Werte für diese Temperaturen ab. Je höher der Kohlenstoffgehalt der erfindungsgemäßen Legierung ist, um so mehr wirken jedoch Kohlenstoffgehalt und Borgehall zusammen, in dem der Bereich der Sinterungstemperatur sowohl erweitert und auf niedrigere minimale Sinterungstemperaturen abgesenkt wird. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, den Legierungen ungefähr 0,5% Bor zuzusetzen, jedoch ist auch bereits 0,05% Bor wirksam, weshalb kein Vorteil darin gesehen wird, mehr als ungefähr 1% Bor zuzusetzen. Für die Fälle, in denen kein Interessen an einer Absenkung der Sinterungstemperatur besteht, etwa weil die zur Sinterung verwendete Vorrichtung auch gegenüber höheren Sinterungstemperaturen beständig ist, kann in den erfindungsgemäßen Legierungen auch auf Bofzusatz verzichtet werden.
Im Gegensatz zu der Lehre nach der US-Patentschrift 30 68 096 kann Kobalt nicht durch ein anderes Element ersetzt werden, sondern muß innerhalb der angegebenen Bereichsgrenzen vorliegen. Abgesehen von Kohlenstoff wirken die anderen in der bekannten US-Patentschrift aufgeführten Elemente in der gleichen Weise wie dort beschrieben. Zu den in Tabelle I genannten modifizierenden Elementen gehören Zirkonium, Lanthan, Yttrium, Vanadin, Beryllium, Magnesium und die Seltenen Erden. Die Anwesenheit von einem öder
ί mehreren dieser Elemente mit den genannten Gehalten Verbessert die Verarbeitungseigenschaften, wie etwa Duktilität oder Oxidationsbeständigkeit der Legierungen. Zu den gelegentlich in den Legierungen vorhanden nen Elementen nach Tabelle 1 gehören Tantal, Niob,
ίο Titan, Aluminium, Hafnium und Kupfer. Das Vorliegen dieser Elemente mit den aufgeführten Gehalten beeinflußt die Härte, die Schlagfestigkeit und die Sinterbarkeit def erfindungsgemäßen Legierungen nicht nachteilig.
Die Legierungen, welche zur Ermittlung der grafischen Darstellungen nach den Fig. 1 und 2 verwendet wurden, entsprechen in ihrer Zusammensetzung der nominellen Zusammensetzung nach Tabelle 1, abgesehen vom Kohlenstoffgehalt; sie enthielten jedoch keine modifizierenden oder Eeleeentlich auftretende Elemen-
Im allgemeinen gilt für die hier genannten Legierungen, daß bei Sinl^ertemperaturen unterhalb der Liquidustemperatur die Kurve der Härte bei Raumtemperatur und die des Raumerfüllungsgrades in Abhängigkeit von der Sintertemperatur gegeneinander verlaufen, Der Temperaturbereich für die Sinterung wird oben von der Temperatur begrenzt, bei der der Preßkörper seine Form verliert, während die untere Grenze die
3ö Temperatur darstellt, bei der bei einer vorgegebenen Sinterdauer noch ein Raumerfüllungsgrad von 95% zu erzielen ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verschleißfeste Sinterkörper bestehend aus 23 bis 29% Chrom, 8 bis 15% Wolfram, 8 bis 15% Kobalt, 8 bis 15% Molybdän, 1,65 bis 5% Kohlenstoff, bis zu 1% Bor, bis zu 1,3% Mangan, bis zu 1,3% Silicium, IO bis 17,5% Eisen, Rest (wenigstens 20%) Nickel und zufällige, herstellungsbedingte Verunreinigungen.
2. Sinterkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Borgehalt von 0,05 bis 1%.
3. Sinterkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an 25 bis 27% Chrom, 9 bis 11% Wolfram, 1,65 bis 4,2% Kohlenstoff, bis zu 1% Silicium, bis zu 1 % Mangan, bis zu 1 % Bor, 9 bis 11 % Kobalt, 9 bis 11% Molybdän, 11,5 bis 13,5% Eisen, Rest (wenigstens 20%) Nickel und zufällige, herstellungsbedingte Verunreinigungen.
4. Sinterkörper nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Borgehalt von 0,05 bis 1 %.
5. Sinterkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Chrom von 26%, an Wolfram von 10%, an Kohlenstoff von 1,65 bis 4,2%, an Silicium von 1 %, an Mangan von 0,75%, an Bor von 03%, an Kobalt von 10%, an Molybdän von 10%, an Eisen von 123%. Rest Nickel und zufällige, herstellungsbedingte Verunreinigungen.
6. Sinterkörper nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch zusätzlichen Gehalt an einem oder mehreren der folgenden Elemente, Zirkonium. Lanthan. Yttrium. Vanadin, Beryllium, Magnesium, und Seltene Erd i. wobei der Gesamtgehalt dieser Elemente nicht mehr als ungefähr 1 % beträgt.
7. Sinterkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zusätzlichen Gehalt an einem oder mehreren der folgenden Elemente. Tantal, Niob. Aluminium. Hafnium und Kupfer, wobei der Gesamtgehalt ungefähr 10% nicht übersteigt.
8. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver durch Zerstäubung einer Schmelze der beanspruchten Zusammensetzung erhalten wurde.
DE2413017A 1973-03-22 1974-03-19 Verschleißfeste Sinterkörper aus einer Nickel-Chrom-Legierung Expired DE2413017C2 (de)

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