DE2456781C3

DE2456781C3 - Verfahren zum Herstellen homogener manganlegierter Stahlsinterteile

Info

Publication number: DE2456781C3
Application number: DE19742456781
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.phil.nat. 5608 Krebsöge; Hoffmann Gottfried Dr.-Ing. 5608 Radevormwald; Niessen Jörg Dipl.-Ing. Nossegem Zapf (Belgien); Dalal, Kirit, Dipl.-Ing., 5608 Radevormwald
Original assignee: Sintermetallwerk Krebsöge GmbH, 5608 Krebsöge
Filing date: 1974-11-30
Publication date: 1977-05-12

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen homogener manganlegierter Stahlsinterteile durch Pressen und Sintern eines eine Vorlegierung und Eisenpulver enthaltenden Pulvergemisches.

Es ist bekannt, daß sich die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zugfestigkeit von Eisen- bzw. Stahlsintcrteilen durch Legierungselemente, wie Nickel. Kupfer. Chrom, Mangan und Molybdän, verbessern lassen. Beim Sintern entsprechend zusammengesetzter Pulver ergeben sich im allgemeinen so lange keine Schwierigkeiien, wie es sich um Legierungselemente, wie Nickel und Kupfer, mit verhältnismäßig geringer Sauerstoffaffinität handelt. Bei der Verwendung sauerstoffaffiner Legierungselemente, wie Chrom und insbesondere Mangan, kommt es dagegen schon beim Erwärmen auf die Sintertemperatur zu einer die Eigenschaften des Werkstoffs beeinträchtigenden Oxydation. Dabei geht nicht nur ein Teil der sauerstoffaffinen Legierungselemente infolge Oxydation für die Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften verloren, sondern die bei der Oxidation entstehenden Oxyde behindern auch die Diffusion der Legierungsbestandteile und beeinträchtigen als Korngrenzenoxyde die dynamischen Eigenschaften des Werkstoffs.

Um eine Oxydation zu vermeiden, ist es bekannt, in reduzierender oder netraler Atmosphäre zu sintern. Damit allein läßt sieh aber eine Oxydation der sauerstoffaffinen Elemente, insbesondere des Mangans nicht vermeiden, weil die Ofenatmosphäre immer noch Spuren von Sauerstoff und auch das Ausgangspulver

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-15 stets Oxyde und freien Sauerstoff enthalten. Demzufolge _kommt es schon beim Erwärmen auf die Smtertemneratur zu einer Oxydbildung, die insbesondere im Falle des Mangans schon bei niedrigen Temperaturen beginnt Um dem zu begegnen, ist es bekannt, in geschlossenen Kästen in Anwesenheit einer Gettersub- Itanz zu sintern. Damit ist jedoch ein erheblicher Aufwand verbunden, der die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens in Frage stellt.

Bekannt ist es auch, beim Herstellen legierter Sinterstähle legierte Pulver zu verwenden, die durch Zerstäuben einer entsprechend legierten Stahlschmelze hergestellt werden. Solche Pulver besitzen zwar den Vorteil daß jedes Pulverteilchen dieselbe Zusammensetzung besitzt wie der fertige Sinterstahl. Dies gilt aber nur dann, wenn das legierte Pulver nicht mit Eisenpulver gemischt wird, um die Fertiganalyse einzustellen bzw. das Legierungspulver gleichsam zu verdünnen. Mit der Verwendung legierter Pulver ist jedoch der Nachteil verbunden, daß mit steigendem Anteil des Legierungspulvers im Ausgangspulvergemisch die Preßbarkeit geringer wird. Demzufolge sind hohe Preßdrücke erfprderlich, um eine ausreichende Dichte zu erreichen.

Wegen der Schwierigkeiten bei der Verwendung legierter Pulver, insbesondere aus verhältnismäßig sprödeti Stahllegierungen bevorzugt die Praxis die Verwendung von Pulvergemischen aus Eisenpulver und Legierungsträgern, bei denen die Legierungsbildung erst im Wege einer Diffusion während des Sinterns stattfindet. Der Auswahl der Legierungsträger kommt dabei im Falle der sauerstoffaffinen Legierungselemente, wie Chrom, Titan, Silizium. Aluminium und Mangan, eine entscheidende Bedeutung zu. Dabei müssen die Legierungsträger insofern zwei Forderungen genügen, als sie einerseits eine ausreichende Oxydationsbeständigkeit bei Temperaturen bis zur Sintertemperatur besitzen müssen u.d andererseits die Diffusion der betreffenden Legierungselemente nicht beeinträchtigen dürfen, um eine homogene Sinterlegierung herstellen ?u können.

Auf vorstellenden Überlegung^;! basieren alle Vorschläge, die das Einbringen der sauerstoffaffinen Legierungsbestandteile als Ferrolegierungen, intermetallische Verbindungen oder Karbide empfehlen. Abgesehen von der zum Teil schlechten Preßbarkeit der Legicrungsträger sind zumeist auch große Mengen derselben erforderlich, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Ein weiterer Nachteil besteht bei Mangan als Legierungsmittel darin, daß dessen Sauerstoffaffinität weitaus größer ist als die der meisten Legierungsbestandteile, daß das Mangan aber anderersci's auch keine Karbide bildet. Diese Nachteile sind um so schwerwiegender, als das Mangan eine wesentlich höhere Festigkeitssteigerung ergibt als Kobalt. Chrom und Molybdän, die um so größer ist, je homogener das Mangan im Sinterstahl verteilt ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen homogener manganlegierter Stahlsinterteile zu schallei.. bei dein das Mangan einerseits gegen eine Oxydation geschützt ist, andererseits aber auch ebenso wie die übrigen Legierungsbestandteil bei der üblichen Sintcrtemperatur von etwa Π 50 bis 1200 C und mehr freigesetzt wird und elementar bis zur Bildung einer homogenen Stahllegieriing diffundieren kann.

Die Lösung dieser Aufgabe geht davon aus, daß einige sauerstoffaffinen Elemente, wie Mangan, zwar keine Karbide bilden, im Karbid jedoch die Gitterplätze

i/on Metallatomen einzunehmen vermögen. Die Erfindung basiert daher auf den Gedanken, die karbidbildenden Legierungsbestandteile, wie Chrom und Molybdän, in Mischkarbide zu überführen und die saiierstoffaffinen Elemente, wie Mangan, Aluminium und ggf. auch Titan, in die Mischkarbide einzubauen, um die Legierungsmittel auf diese Weise vor einer Oxydation zu schützen. Angesichts der verhältnismäßig hohen Löslichkeit, beispielsweise des Mangans und der hohen Oxydationsbeständigkeit der in Frage kommenden komplexen _!0 Mischkarbide des Chroms, Molybdäns, Wolframs, Titans und Vanadins lassen sich auf diese Weise die erforderlichen Legierungsbestandteile ohne die Gefahr einer Oxydation einbringen. Beim Sintern kommt es dann zu einer elementaren Diffusion der Bestandteile der Mischkarbid-Vorlegierung, die das Entstehen einer homogenen Stahllegierung ohne heterogene Ausscheidungsphasen gewährleistet. Demnach befinden sich bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterstahl sämtliche Atome im Verband des ;o Eisen-Mischkristalls und weist das Gefüge trotz der Verwendung einer karbidischen Vorlegierung keine diskreten Karbide auf, wie das beispielsweise bei gesinterten Stelliten der Fall ist.

Mit dem Einbau des Mangans in die Mischkarbide ist ;~ zudem der Vorteil verbunden, daß sich die Härte der karbidischen Vorlegierung mit zunehmendem Mangangehalt verringert. Andererseits ist die karbidische Vorlegierung jedoch spröde genug, um ein leichtes Zerkleinern bis auf kleinste Teilchengrößen unter 20 u. _v vorzugsweise 10 μ zu ermöglichen.

Für" das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere Vorlegierungen, die jeweils bis 25%) Chrom. Molybdän und Mangan einzeln oder nebeneinander sowie bis !0% Kohlenstoff, Rest Eisen enthalten. Vorzugsweise enthält das Vorlegierungspulver 15 bis 20% Chrom. 15 bis 20% Molybdän. 15 bis 20% Mangan, einzeln oder nebeneinander sowie 5 bis 7% Kohlenstoff, Rest Eisen.

Das erfindungsgemäße vorlegierte Pulver wird mit Eisenpulver, preßerleichternden Mitteln und ggf. Graphit vermischt, um die Legierungsbestandteil auf eine Endanalyse von jeweils bis 5% Chrom, Molybdän und Mangan einzeln oder nebeneinander sowie bis 2,0%) Kohlenstoff einzustellen. Vorzugsweise ist das Aisgangspulver so zusammengesetzt, daß der Sinterstahl 0.4 bis 2.0%) Chrom, 0,4 bis 2,0% Molybdän, 0.4 bis 2.0% Mangan und 0,3 bis 1,0% Kohlenstoff enthält.

Außer den erwähnten Bestandteilen kann das Ausgangspulver noch weitere Legierungsmittel wie Kupfer, Nickel, Phosphor, Zinn, Zink, Silizium und Aluminium, beispielsweise bis 5% Kupfer, bis 5% Nickel, bis 0,8% Phosphor, bis 3% Zinn, bis 2% Wolfram, bis 3% Silizium und bis 3% Aluminium, einzeln oder nebeneinander, enthalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführurigsbeispiclcn und der Diagramme der Zeichnung des näheren erläutert. In der Zeichnung 7cirt

Fig. i eine grafische Darstellung der Abhängigkeil der mechanischen Eigenschaften von der Menge der karbidischer, Vorlegierung η eincrr keinen freien Kohlenstoff enthaltenden Pulvergemisch.

F 1 L'. 2 eine grafische Darstellung der Abhiiru'igki■■■: der mechanischen Eigenschaften von der Menge U: karbidischen Vorlegierung in einem 0.2»< !:<,cn Kohlenstoff enthaltenden Pulvergemisch.

Fig. 3 eine g-afische Darstellung der Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Menge der

karbidischen Vorlegierung in einer insgesamt 0,6% Kohlenstoff enthaltenden Pulvemnischung,

F i g. 4 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften nach einem zweifachen Sintern der Menge der karbidischen Vorlegierung in einer insgesamt 0,6% Kohlenstoff enthaltenden Pulvermischung und

F i g. 5 eine grafische Darstellung des Verschleißes und der Härte verschiedener Sinterstähle.

Beispiel 1

Unterschiedliche Mengen einer Vorlegierung MCM aus komplexen Mischkarbiden mit jeweils 20% Chrom. Molybdän und Mangan sowie 7% Kohlenstoff. Rest Eisen und einer Teilchengröße von 10 μπι wurden mit einem üblichen Eisenpulver einer Teilchengröße von 30 μηι unter gleichzeitigem Zusatz von 0,7% Acrawax, bezogen auf das Gesamtgewicht, vermischt. Das Pulvergemisch wurde mit einem Druck von 600 MN/m² 2u Formkörpern verpreßt, die fünfzig Minuten bei einer Temperatur von 1280^:C in einer Atmosphäre aus \mmoniakspaltgas gesintert wurden. Die mechanischen Eigenschaften der Sinterstähle in Abhängigkeit vom Gewichtsanteil der Vorlegierung aus komplexen Mischkarbiden ergeben sich aus dem Diagramm der Fig. 1. Danach ergibt sich eine optimale Eigenschaftskombination, wenn der Anteil der Vorlegierung 5 bis 7% beträgt, und der mit dieser Vorlegierung hergestellte Sinterstahl jeweils 1,0 bis 1.4% Chrom. Molybdän und Mangan sowie 0.3 bis 0,6" Kohlenstoff enthält.

Die Dichte des gesinterten Stahls lag bei b.b bis O.9 g/cm'.

Beispiel 2

s Unterschiedliche Mengen des VorlegierungspuKers gemäß Beispiel 1 wurden, jeweils bezogen auf das Gesanugemisch, mit 0.7% -\crawax und 0.2%) Graphit. Rest Eisenpulver vermischt. Das Pulvergemisch wurde unter den Bedingungen des Beispiels 1 gesintert, wobei

sich Sinterstahl mit einer Dichte von 6,6 bis 6.^ g/cm' und den aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlichen mechanischen Eigenschaften ergaben.

Das Diagramm der F i g. 2 läßt erkennen, daß sich eine optimale Eigenschaftskombination ergibt, wenn

\s der Zusatz der Vorlegierung aus komplexen Mischkarbiden 4 bis 5% beträgt bzw. der Sinterstahl jeweils 0,8 bis 1.0⁰Vi Chrom, Molybdän, und Mangan sowie 0.5 his 0.b'">> Kohlenstoff enthält.

B e i s ρ i e I 3

Mehrere unterschiedliche Mengen der Vorlegierung gemäß Beispiel 1 und. bezogen .luf da? Gesamtgewicht 0.7% ^crawax. Rest Eisen enthaltende Pulvermischungen wurden unter Berücksichtigung des Kohlenstoffge

haltes der karbidischen Vorlegierung «.lurch Zusatz vor Graphit auf einen Gesamtgehalt an Kohlenstoff vor 0.6⁵¹J eingestellt. Die einzelnen Fulvermischungei winden unter den Bedingungen des Beispiels 1 verpreß Ui,J ges.nten, wobei '-ich snterstähle mit einer Du.hti

1, von t\h I¹IS b.^g'cm- und der ,ins dem Diagramm de Fig. j ersichtkl-en mechan,-, üen Eigenschalten erga ben

De; '-.erlauf der Kur\ en nii Diagramm der F 1 g. 3 IaH erkenne;;, daß sich cmc KjM'male Figeischaftskombm.i

(.-, tion hei einem Vorlegierungszus.u/ von ! bis 5% bzw bei einem Sinterstahl mit leweils 0,6 bis 1.0% thron Molybdän und Ma;,gar sowie 0,6% '.kohlenstoff. Re* Eisen ergibt.

Beispiel 4

Um die Eigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterstahls weiter zu verbessern, wurden Proben des etwa 4% der Vorlegierung aus komplexen Mischkarbiden enthaltenden Sinterstahls des Beispiels 3 mit der höchsten Festigkeit dreißig Minuten bei 900⁰C austenitisiert und anschließend in öl abgeschreckt sowie bei verschiedenen Temperaturen angelassen. Die Anlaßtemperaturen sowie die entsprechenden Zugfestigkeiten und Härten sind aus der nachfolgenden Tabelle I ersichtlich.

Tabelle I Tabelle Ii

Anlaßlemperatur
CQ

Zugfestigkeit
(N/mm')

Härte
(HRC)

890	40
810	35
770	31

Anlaßlemperatur

C_Q

200
300
400

Des weiteren wurde diese Stahllegierung zusammen mit drei anderen teils gesinterten, teils regulinischen Stählen einem vergleichenden Verschleißversuch unterworfen. Die Versuchsergebnisse sind im Diagramm der F i g. 5 zusammengestell;. Dabei zeigte sich, daß die Verschleißfestigkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterstahls an die Verschleißfestigkeit der Vergleichsstähle heranreicht.

Beispiel 5

Dem Beispiel 3 entsprechende Pulvergemische wurden mit einem Druck von jeweils 600 MN/m² verpreßt. Die einzelnen Preßkörper wurden zunächst in einem Bandsinterofen unter Ammoniakspaitgas 30 Minuten bei 800°C vorgesintert, alsdann mit demselben Druck erneut gepreßt und anschließend 50 Minuten bei 1280⁰C unter Ammoniakspaltgas abschließend gesintert. Dabei ergaben sich Sinterstähle mit einer Dichte von 6.9 bis 7,1 g/cm³, deren mechanische Eigenschaften aus dem Diagramm der F i g. 4 ersichtlich sind.

Der Verlauf der Kurven im Diagramm der Fig.4 zeigt, daß sich eine optimale Eigenschaftskombination bei einem Vorlegierungszusatz von 3 bis 5% bzw. bei einem Sinterstahl mit jeweils 0.6 bis 1.0% Chrom. Molybdän und Mangan sowie 0.6% Kohlenstoff. Rest Eisen ergibt.

Beispiel 6

Die etwa 4% der Vorlegierung aus komplexem Mischkarbid enthaltende und die höchste Festigkeit aufweisende Legierung des Beispiels 5 wurde unter den Bedingungen des Beispiels 4 mit den aus der nachfolgenden Tabelle Il ersichtlichen Ergebnisse vergütet.

Zugfestigkeit
(N/mm-)

940
870
820

Harte
(HRC)

45
40
37

Die Daten der vorstehenden Tabelle zeigen, daß sich die Zugfestigkeit und Härte der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterstähle im Wege einer Wärmebehandlung einstellen lassen.

Beispiel 7

Ein Pulvergemisch aus 4% der Vorlegierung des Beispiels 1, 0,3% Graphit und 0,7% Acrawax. Rest Eisen, wurde mit einem Druck von 400 MN/m² zu Formkörpern mit einer Dichte von 6,0 bis 6.5 g/cm³ verpreßt. Die Formkörper wurden bei einer Temperatur von 1000⁰C heißgepreßt und erreichten dabei eine Dichte von 7,5 g/cm³ oder über 7.7 g/cm³. Die mechanischen Eigenschaften der Sinterstähle sind aus der nachfolgenden Tabelle III ersichtlich.

Tabelle	III	0.1-Streck grenze (N/mm²)	Dehnung (%)	E-M od u I (N/mm-')
3° Dichte (g/cm3)	Zug festigkeit (N/mm²)	>620 >7OO	8 >9	150 000 170 000
7.5 ^ >7.7	>850 >1000

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterstähle können nicht nur wärmebehandelt sondern darüber hinaus auch in üblicher Weise weiterbehandelt, beispielsweise kalibriert, einsatzgehärtet, nitriert oder gebläut werden.

Das erfindungsgemäße Pulvergemisch kann nach den üblichen Verfahren gepreßt und gesintert werden; se können aus dem Pulvergemisch bei Drücken von 400 bis 600 MN/m² Formkörper gepreßt und diese etwa 30 bi> 60 Minuten bei 1200 bis 1300⁰C gesintert werden. Die Formkörper können auch 20 bis 40 Minuten bei etw£ 800 bis 900⁰C vorgesintert, alsdann erneut mit einerr Druck von 500 bis 600 MN/m² gepreßt und etwa 30 bi;

so 60 Minuten bei einer Temperatur von 1200 bis 1300° C fertiggesintert werden. Schließlich können die Probe körper gegebenenfalls nach einem 20- bis 40minütigerr Vorsintern bei 800 bis 1000°C bei einer Temperatur vor 1000 bis 1200⁰C heißgepreßt werden. Daran kann sich

s5 noch ein 30- bis 60minütiges Sintern bei 1200 bis 1300" C anschließen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen homogener manganlegierter Stahlsinterteile durch Pressen und Sintern eines eine Vorlegierung und Eisenpulver enthalten den Pulvergemischs, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch einschließlich eines sauerstoffaffine Elemente in Lösung enthaltenden komplexkarbidischen Vorlegierungspuivers kaltge- ι ο preßt und der Kaltpreßkörper so lange gesintert wird, bis die Karbide in Lösung gegangen sind.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, auf eine Vorlegierung aus einer Mischkarbide enthaltenden Ferrolegierung.

3. Anwendung nach Anspruch 1 oder 2 auf eine Vorlegierung aus jeweils 25% Chrom, Molybdän und Mangan, einzeln oder nebeneinander, sowie bis 10% Kohlenstoff und Eisen als Rest.

4. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf ein Pulvergemisch aus bis zu 5% Chrom, bis 5% Molybdän, bis 5% Mangan, bis 2% Kohlenstoff, 0 bis 5% Kupfer. 0 bis 5% Nickel, 0 bis 8% Phosphor und 0 bis 3% Zinn. 0 bis 2% Wolfram. 0 bis 3% Silizium und 0 bis 3% Aluminium einzeln oder nebeneinander und Eisen als Rest.

5. Anwendung nach Anspruch 4 auf ein Pulvergemisch aus 0,4 bis 2,0% Chrom. 0.4 bis 2.0% Mangan, 0,4 bis 2.0% Molybdän und 0,3 bis 1.0% Kohlenstoff und Eisen als Rest.

6. Anwendung nach Anspruch 4 auf ein Pulvergemisch aus 1.0 bis 1.4% Chrom. 1.0 bis 1,4% Mangan, 1.0 bis 1,4% Molybdän und 0,3 bis 0.6% Kohlenstoß und Eisen als Rest.