DE2501409A1

DE2501409A1 - Pulvermetallurgisches verfahren und werkzeug zu dessen durchfuehrung

Info

Publication number: DE2501409A1
Application number: DE19752501409
Authority: DE
Inventors: Hellmut Prof Fischmeister; Vaeino Dr Ing Lampe; Leif Dipl Ing Olsson
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 1974-01-17
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1975-07-24
Also published as: SE7500469L; FR2258239A1

Description

As/P

Dr. E Boertner
D^L-lns. H.-J. (Huller

Dn Tn. B«remit
D Ji ι.! ii Ii ρ 1) e η 3 0

Luoilu-Grmm hir. 38, Tel. 47 51 55

UDDEHOLMS AKTIEBOLAG, Hagfora (Schweden)

Pulvermetallurgisches Verfahren und Werkzeug zu dessen Durchführung

Die Erfindung bezieht sich auf ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Stabprofilen und Halbzeug aus Materialien auf Eisen-, Nickel- oder Gobalibasis.

Die Technik der pulvermetallurgischen Herstellung von Halbwaren ist bereits seit langem Gegenstand von. Forschung und Versuchen¹. In der Hauptsache sind die bisher geäußerten Vorstellungen nicht über das Versuchsstadium hinaus-gewachsen und gelten als kaum mehr als technische Kuriositäten. Während der letzten zehn Jahre wurde allerdings die Entwicklungsarbeit auf diesem Gebiet vorangetrieben. Während sich diese Entwieklungsarbeiten früher hauptsächlich auf Materialien, wie Beryllium, Titan,

509830/0696 "²"

Zircon und feuerfeste Metalle bezogen, werden jetzt auch andere Arten von Metallen, wie Schnellstahl, Werkzeugstahl und Superlegierungen, d.h. Materialien auf Eisen-, Nickel- und Cobaltbasis, die in verhältnismäßig großen Mengen verwendet werden, in Betracht gezogen, und es sind technisch gangbare Verfahren zur Herstellung von Stabprofilen und Halbzeug aus Pulvern von Materialien auf Eisen-, Nickel- und Cobaltbasis entwickelt worden. Diese Verfahren sind jedoch teuer und erfordern die Verwendung von Pulvern mit äußerst niedrigem Sauerstoffgehalt und hochspezialisierter Einrichtungen für die Verdichtung, beispielsweise die isostatische Heißverdichtung.

Die Erfindung zielt auf die Schaffung eines Verfahrens ab, das sich einerseits wirtschaftlich in einem praktischen Maßstab bei der Herstellung von Halbzeug und Profilen in Stabform aus Materialien auf Eisen-, Nickel- oder Cobaltbasis anwenden läßt und andererseits Erzeugnisse von hoher Qualität, nämlich

guter

von geringer Porosität und . Teilchenbindung im fertigen Erzeugnis liefert, ι · " ·

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist es auch erforderlich, daß das Verfahren weder komplizierter und teuerer Gerätschaften bedarf noch ausgeklügelte Verfahrensweisen voraussetzt. Außerdem sollte es möglich sein, Pulver zu verwenden, die nicht sauerstofffrei sind, und das Verfahren in nicht-sauerstofffreier Atmosphäre durchzuführen} diese Erfordernisse zu erfüllen, ist mit dem bisherigen Verfahren richt möglich, wenn ein Erzeugnis von niedriger Porosität und guter Teilchenbindung erzielt werden soll. Die vorliegende Erfindung hingegen ermöglicht" die Herstellung solche r Erzeugnisse durch einen weitaus einfacheren Vorgang als bisher erforderlich.

Die Erfindung schafft ein Verfahren für die pulvermetallurgische Herstellung von Stabprofilen und Halbzeug aus Legierungen auf Eisen-, Nickel- oder Cobaltbasis, bei dem ein Pulver der gewünschten Legierung auf Eisen-, Nickel·· oder.Cobaltbasis, die

-3-509830/0696

250U09

nicht notwendigerweise im wesentlichen sauerstofffrei zu sein braucht und bei der auch ein gewisser Grad der Oxydation zugelassen werden kann, zusammen mit einem Material mit Affinität für Sauerstoff (einem Getter) eingeführt \iird, die Kapsel dicht verschlossen wird, die Legierung auf eine Schmiedetemperatur erhitzt wird, die geschlossene Kapsel mit dem Pulver ge-, schmiedet und dann der geschmiedete Rohling, beispielsweise durch Walzen zwischen Profil·· oder Rillenwalzen zur Bildung von Stäben oder Profilen, in die gewünschte Form gebracht wird.

Es ist dabei nützlich, dem Pulver einen Säuerstoffträger, vorzugsweise Kohlenstoff, zuzusetzen. Auch die Verwendung eines Halogens ist hierzu möglich. Unter einem "Sauerstoffträger" is.t eine Substanz zu verstehen, die Sauerstoff vom gebundenen Zustand in den Oxydhäuten der Teilchenoberflache freisetzt und es in Gasform bindet, so daß,es auf den Getter überführt werden kann.

Vorzugsweise ist die Reihenfolge der Arbeitsschritte bei dem Verfahren gemäß der Erfindung folgende:

1. Herstellung des Pulvers, wie durch Schmelzen und Zerstäuben.

2. Einmischen eines Sauerstoffträgers, vorzugsweise Kohlenstoff in der Form von Graphit oder möglicherweise einer Halogenverbindung, in das Pulver.

3. Anbringen des Getters an der Wand der Kapsel.

4. Beschicken der Kapsel.

5. Schließen der Kapsel.

6. Erhitzen auf eine für das fortschreitende Schmieden geeignete Temperatur.

7. Fortschreitendes Schmieden in einem Spezialwerkzeug.

8. Erhitzen auf eine zum Walzen geeignete Temperatur.

9. Walzen der geschmiedeten Rohlinge, vorzugsweise unter Verwendung profilierter Walzen, zu Stäben oder Profilen der gewünschten Form.

+ in einen im folgenden als Kapsel bezeichneten -4-

Behälter

509830/0696

Im folgenden wird das Verfahren anhand einiger Beispiele und der Zeichnung eingehender beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung

des Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 2 veranschaulicht ein Werk^zeug zum fortschreitenden Schmieden, vom Eintrittsende her gesehen;

Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. k zeigt einen fortschreitend geschmiedeten Rohling, der für das Walzen zwischen Profilwalzen bereit ist;

Fig. 5 zeigt ein weiteres Werkzeug zum fortschreitenden Schmieden vom Eintrittsende her gesehen; und

Fig. 6 ist ein Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig.

Wie in Fig. 1 veranschaulicht, kann das Verfahren in folgenden Verfahrensstufen A bis H durchgeführt werden:

A. Pulverbildung

B. Mischen des Pulvers mit einem Sauerstoffträger

C. Beschicken der Kapsel

D. Schließen der Kapsel

E. Erhitzen der Kapsel

F. Fortschreitendes Schmieden

G. Erhitzen des geschmiedeten Rohlings H. Walzen des geschmiedeten Rohlings.

Wie in Fig. 1 für die Verfahrensstufe A veranschaulicht, besteht die zur Herstellung des Pulvers verwendete Anlage aus einem Ofen 10 zum Vorbereiten oder Schmelzen der Legierung^,

1 2 einem Zerstäuber 11 und einem Klassierer zum Trennen und Sieben •des in dem Zerstäuber gebildeten Pulvers.

509830/0698

-ο-

Der Schmelzofen 10 kann von bekannter Art, beispielsweise ein Induktionsofen, sein. Die geschmolzene Legierung wird in den Zerstäuber 11 übergeführt, in dem das Pulver in üblicher Weise durch Gaszerstäubung in einer im wesentlichen inerten Atmosphäre gebildet wird. Hierfür geeignete Gase sind Argon, Stickstoff und Helium. Versuche deuten jedoch an, daß die Atmosphäre nicht unbdingt völlig inert, d.h. sauerstofffrei, zu sein braucht, und es sind tatsächlich befriedigende Ergebnisse mit Pulvern erzielt worden, die bis zu 500 Teilen pro Million (ppm) Sauerstoff enthalten, und es gibt bisher'keinerlei Anzeichen dafür, daß dies die.obere Grenze des möglichen Sauerstoffgehaltes ist. Es hat im Gegenteil den Anschein, daß Sauerstoffgehalte von zwischen 500 und 1000 Teilen je Million (ppm) und darüber .grundsätzlich vertretbar sind. Dies würde es ermöglichen, die Legierung durch Sprühen mit Wasser zu zerstäuben, beispielsweise in einer Wasserzerstäubungsanlage der Art, in der ein Wasserstrahl unter hohem Druck schräg auf einen vertikalen Strahl der geschmolzenen Legierung auftrifft, und dies trägt zusätzlich zu den wirtschaftlichen Vorteilen des Verfahrens gemäß der Erfindung bei.

Das Pulver wird in einem Klassierer 12 gesiebt. Teilchen mit Übergräße werden in die Schmelze im Ofen 10 zurückgeführt, und etwaige Teilchen mit Untergröße werden ebenfalls ausgeschieden, obwohl dies in Fig. 1 nicht ausdrücklich angedeutet ist.

Auf diese Weise wird ein vorlegiertes Pulver erzielt, das normalerweise alle gewünschten Legierungselemente enthält, die in dem fertigen Material, enthalten sein sollen. Weitere Zusätze zu der Legierung, beispielsweise Carbide oder Dispersionsmittel,' können jedoch erwünscht sein. Pulvergemische, die mindestensteilweise aus elementaren Teilchen bestehen, können auch geeignet sein, wenn zusammengesetzte Materialien oder Materialien in Form chemischer Verbindungen erzeugt werden sollen.

Da ein vorlegiertes Pulver aus einer großen Anzahl kleinster

-6-

50 983 0/069 6

2 5 01 4 Q

Gußkörperchen (Micro-Ingots) besteht, die durchwegs homogen und von übereinstimmender Zusammensetzung sind, können Teilchengrößenbereiche innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen zugelassen werden. Ein vorlegiertes Pulver kann Teilchendurchmesser von 1 bis 2000 mm haben, während bei elementaren

Pulvern die Teilchengröße nur innerhalb eines sehr engen Bereiches veränderlich sein sollte und die Maximalgröße 6 /um nicht überschreiten sollte, damit die Erzeugung homogener Materialien ermöglicht wird.

Ss wurde bereits bemerkt, daß gemäß der Erfindung verhältnismäßig hohe Sauerstoffgehalte in den Pulvern zugelassen werden können. Dementsprechend ist es nicht erforderlich, daß die Zerstäubung in der Zerstäuberanlage 11 in vollständig sauerstofffreier Atmosphäre durchgeführt wird.

Aus dem Klassierer 12 wird das vorlegierte Pulver in einen Mischer 21 (Schritt B) übergeführt, in dem dem Pulver ein durch eine Leitung 22 zugeführter "Sauerstoffträger beigemischt wird. Der Sauerstoffträger soll bei diesem Verfahren den Sauerstoff aus den Metalloxyden an den Teilchenoberflächen zum Getter überführen, wie dies im folgenden beschrieben wird. Bei einer bevorzugten Durchführungswexse der Er*»findung wird Kohlenstoff in der Form eines feinverteilten Graphitpulvers als Sauerstoffträger verwendet. Die erforderliche Graphitmenge hängt dabei erstens und vor allem vom Sauerstoffgehalt des Pulvers ab. Versuche haben gezeigt, daß unter Berücksichtigung des Sauerstoffgehaltes und des Kohlenstoffgehaltes des vorlegierten Pulvers und des zur Anwendung des Graphitpulvers verwendeten Verfahrens eine Graphitmenge im Bereich von 0,03 bis 0,15 Gew.-$ gewöhnlich geeignet ist.

In der Stufe C enthält ein Vorratsbehälter 23 ein gegenüber Sauerstoff affines Mat&rial 2k, das die Fähigkeit hat, Sauerstoff fester an sich zu binden als das Metall, das den vorherrschenden Bestandteil der Pulverteilchen bildet. Die Funktion

509830/0696

äieses säuerstoffaffinen Materials ist folglich die eines Getters für in den Kapseln vorhandenen Sauerstoff und möglicherweise Stickstoff.. Dieser Getter wird an der Innenseite der Wand der Kapsel angebracht. Es ist auch möglich, den Getter an der Wand der Kapsel vor deren Füllen, beispielsweise mittels eines Klebmittels wie Gummiarabikum, oder in beliebiger anderer geeigneter Weise, zu befestigen. Ein bestimmtes Verfahren ist bei C in Fig. 1 veranschaulicht. Dort wird "das Getterpulver 2k in die rohrförmige. Stahlkapsel 30 durch Leitungen 32 eingeführt, während gleichzeitig die Kapsel durch ein zentrales Rohr 33 aus dein Mischer 21 mit dem Gemisch aus Legierungspulver und Kohlenstoff beschickt wird. Die offenen Mündungsenden der Leitungen 32, die sich entlang der Wände der Kapsel 30 erstrecken, befinden sich während dieser Tätigkeit auf geringe- rer Höhe als die Mündung des Rohres 33» so.daß das Pulverbett 37 bei seiner Bildung den Getter 31 entlang der Wände der Kapsel an diesen festhält, während das Pulver untör langsamen! Absenken der Kapsel in diese eingeführt wird. Ein Vorteil der Anbringung des Getters rund um die Wand der Kapsel 30 besteht darin, daß die Schicht aus Gettersubstanz das Abnehmen der Kapsel 30 nach dein Schmieden erleichtert. Außerdem sollte das Haftvermögen zwischen der Kapsel und dem geschmiedeten Rohling aus Legierung auf ein Minimum vermindert werden, damit die Neigung zur Rißbildung an den Kanten des Rohlings beim fortschreitenden Schmieden möglichst vermieden wird.

Wenn die Kapsel 30 mit Pulver gefüllt ist, wird sie. hermetisch verschlossen, indem das offene Ende der Kapsel ohne vorheriges Evakuieren der Luft zusammengedrückt wird (stufe D).

Nun werden,die gefüllten und geschlossenen Kapseln kO in einem Ofen 50 auf eine für das fortschreitende Schmieden geeignete Temperatur, beispielsweise auf 800 bis 125O°C, erhitzt (Stufe E

Während des fortschreitenden Schmiedens (Stufe F) werden die erhitzten Kapseln zwischen der oberen und unteren Hälfte eines Schmiedewerkzeuges 6o fortschreitend verdichtet, die relativ

509830/0696 ~⁸~ .

zu einander vertikal hin- und herbewegbar sind und zwischen sich einen Hohlraum oder eine Schmiedezone mit offenen Enden begrenzen, durch die die Kapseln hindurchgeführt werden. Während dieses Schmiedens finden gewisse Reduktionsvorgänge statt, die für die Erfindung kennzeichnend sind. Wenn der Sauerstoffträger Kohlenstoff ist, verbindet sich der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff der in der Kapsel 40 vorhandenen Luft zu Kohlen— oxyden und reduziert zusammen mit dem elementaren Kohlenstoff das Metall in den Oxydschichten auf den Pulverteilchen. Die entstehenden Oxyde CO und CO„ diffundieren gegen die Wände der Kapsel, an denen die Gase mit dem Getter reagieren. Auf diese Weise wird innerhalb der Kapsel dauernd ein niedriges Säuerstoffpotential aufrechterhalten.

Versuche haben ergeben, daß Titan ein Metall mit geeigneter Affinität gegenüber Sauerstoff und daher zur Verwendung als Getter geeignet ist. Andere Metalle, die hierfür verwendet werden können, sind u.a. Aluminium, Calcium und Magnesium. Wenn Metalle mit grundsätzlich niedriger Schmelztemperatur, beispielsweise Aluminium,verwendet werden, ist es empfehlenswert, mechanische Hindernisse, beispielsweise eine Sperrschicht aus Asbest oder Graphitfilz, vorzusehen, die das Metall daran hindern, in das Pulvermaterial einzutreten. Wenn als Getter Titan verwendet swird, ist es zweckmäßig, bei industrieller Anwendung des Verfahrens das Titan in Form von Ferro-Titan zu verwenden, das zu weit geringeren Preisen als reines Titan erhältfhlich ist.

Obwohl eine genaue Theorie nicht gegeben werden kann, folgt hier eine Aufstellung der einfachen chemischen Reaktionen, die wahrscheinlich auftreten und die die gemäß der Erfindung erzielten vorteilhaften Wirkungen erklären dürften. Diese Aufstellung ist jedoch nicht beschränkend aufzufassen.

-9-

509830/0 6 96

Bei "der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sind bei Beginn des Schmiedens in der Kapsel Luft mit ihrem, natürlichen Sauerstoffgehalt sowie eine gewisse Kohlenstoffmenge vorhanden. Der in der Luft vorhandene Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff gemäß folgenden Gleichungen (1) und (2) : ' ' . . ■

2C H	(D	CO ·,	^C02	(3)
C H	(2)	C H	CO	(3a)
ν O₂ -	H MeO -
H O₂ -	h MeO -
-> 2CO	-» Me +
~* ^C02	•^ Me +

Das Kohlenmonoxyd aus Gleichung (i) reagiert gemäß Gleichung (3) mit einem beliebigen an den Pulverteilchen vorhandenen Metalloxyd (MeO),' d.h. das Metall wird + C0_ reduziert. Gleichzeitig findet eine Reaktion statt, bei der eine direkte Reduktion nach Gleichung (3a). erfolgt; diese Reaktion· (3a) herrscht im Falle schwer reduzierbarer Oxyde vor.

Das Kohlenmonoxyd und das Kohlendioxyd reagieren an den Wänden der Kapsel mit dem dort vorhandenen Getter, beispielsweise Titan, in im übrigen bekannter Weise. Der Stickstoff der Luft geht mit dem Titan eine Verbindung ein, und es entsteht Titannitrid. Auf diese Weise schreitet der Prozess fort, bis in der Hauptsache die ganze Luft in der Kapsel aufgebraucht ist und das Metalloxyd zur Gänze reduziert ist. Die Endprodukte bestehen aus Verbindungen von Titan, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff an den Wänden der Kapsel, und im Inneren der Kapsel befindet sich ein durch das Schmieden und durch die Wärmezufuhr verdichteter und gesinterter Körper, Dieser verdichtete- Körper hat eine äußerst geringe Porosität und zeichnet sich durch hervorragende Bindung der Einzelteilchen aus.,

Statt des Kohlenstoffs können andere Sauerstoffträger, wie •gewisse Halogenide, vorzugsweise Chloride, z.B, FeCl₉, FeCl_, CoCl₀ und CrCl₀, verwendet werden. Dabei ist es- am besten,

+ unter Bildung von

-10-

5098 3 0/069 6

ein Chlorid eines der in dem Legierungspulver vorhandenen Metalle zu wählen. Bei Verwendung eines der Chloride mit geeignet niedriger Stabilität wird dabei die Grundlage für eine Reaktion, zwischen dem Chlorid und dem Metalloxyd an den' Teilchen geschaffen, bei der ein flüchtiges Oxychlorid des betreffenden Metalls gebildet wird. Das Metall-Oxychlorid soll dann seinerseits mit dem Getter eine Verbindung eingehen, und der Getter sollte in diesem Fall eine hochgradige Affinität sowohl gegenüber Sauerstoff als auch gegenüber dem Betreffenden Halogenid aufweisen. Grundsätzlich können als Sauerstoffträger auch Chloride verwendet werden, die nicht aus einem Metall gebildet sind, beispielsweise Ammoniümchlorid NH.Cl.

+ Bei Verwendung von Halogeniden als Sauerstoffträger können Ti, Ca und Mg verwendet werden. Die oben erwähnten Kombinationen von Halogeniden und Gettermetallen gelten natürlich nur als Beispiele. Unter Benutzung,der angegebenen Grundsätze als Leitlinien können für ein betriebstüchtiges Verfahren mit praktischer Anwendbarkeit Alternativkombinationen ausgewählt werden.

Von hohem wirtschaftlichem Nutzen ist der Umstand, daß bei dem Verfahren gemäß der Erfindung keine Notwendigkeit besteht, die Kapseln vor dem Verschließen zu evakuieren, und ein bevorzugtes Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Evakuieren der Kapseln vor deren Verschließen entfällt.

Ein weiteres Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung, das von hoher wirtschaftlicher Bedeutung ist, besteht darin, daß ein Vorverdichten der Kapseln vor dem Erhitzen nicht erforderlich ist, sondern die geschlossenen Kapseln ohne irgendeine sonstige Behandlung auf die Schmiedetemperatur erhitzt und dann direkt geschmiedet werden. Für den gewünschten, in diesem Arbeitsgang zu erzielenden Verdichtungsgrad ist es von außer-

+ als Getter

509830/0696

ordentlicher Bedeutung, daß die Bearbeitung als stufenweises oder fortsclrreitendes Schmieden durchgeführt wird und das Werkzeug von besonderer Ausbildung ist.Besondere Aufmerksamkeit sollte dabei dem Eintrittswinkel des Werkzeugs gewidmet werden. Versuche haben gezeigt, daß dieser Winkel im Bereich von

4 bis 12° und vorzugsweise zwischen 5 und 10 liegen sollte. Außerdem ist die Verwendung eines Werkzeugs zu empfehlen, dessen Schmiedezone oder, -hohlraum die Form eines Doppelkeils mit gleichen Eingangswinkeln, nämlich 4 bis 12 und vorzugsweise

5 bis 10°, in der oberen und der unteren Werkzeughälfte hat. Genauer gesagt, sollte das Werkzeug rinnen- oder U-profilartige Aussparungen aufweisen, die einen Doppelkeil mit geneigten öeitenwänden zur Erleichterung der Freigabe des geschmiedeten Rohlings begrenzen.

Fig. 2 und 3 veranschaulichen eine Ausführungsform eines Werkzeugs 6O für die Herstellung des Rohlings 64 in der Verfahrensstufe F. In Fig. 4 ist dieser Rohling 64 zur Veranschaulichung der Verformung der Kapselwand am einen Ende geschnitten dargestellt. Das Werkzeug 60 weist eine obere und eine untere Hälfte 61 bzw. 62 auf, die eine rinnen- oder U-profilförmige Aussparung 61a bzw. 6ib als länglichen Hohlraum mit offenen Enden begrenzen, dessen kleinster Querschnitt 63 den Querschnitt des Rohlings 64 bestimmt. In der Vertikalebene gesehen, ist der Hohlraum von der Eintrittsöffnung 65 beginnend gegen das schnälere Austrittsende 66 hin verjüngt ausgebildet. Bei der. in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform sind die Eintrittswinkel (A* in beiden Teilen des Werkzeugs 7 · Grundsätzlich kann der gleiche Aufbau wie gemäß Fig. 2 und 3 für Werkzeuge zur Herstellung von Rohlingen verwendet werden, deren Querschnitt von dem in Fig. 4 gezeigten abweicht, beispielsweise von Rohlingen von hauptsächlich kreisförmigem Querschnitt, wobei der Hohlraum in dem Werkzeug von entsprechender Form ist.

-12-

509 8 30/069 6

250U09

Die gemäß der Darstellung bei F in Fig. 1 erzielten, fortschreitend geschmiedeten Rohlinge 6k werden vor dem Walzen auf eine für das Heißwalzen geeigenete Temperatur in einem Ofen 70 erhitzt (stufe G-) und anschließend beispielsweise zwischen Rillenwalzen 80 zu der gewünschten Stab- oder Profilform gewalzt (Stufe H), und bei 81 und 82 sind beispielsweise ein Quadratprofil bzw· ein Rundprofil gezeigt. Bei Beendigung des Arbeitsganges wird das Material, aus dem die Kapsel besteht, beseitigt. Anstatt dessen kann dieses Material bereits vor dem abschließenden Heißwalzen beseitigt werden, jedoch wegen der Oxydbildung an der Oberfläche des Stabes nur unter Verlust einer gewissen Menge des verdichteten und gesinterten Materials an der Innenseite der ¥ände der Kapsel.

Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung (wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, beziehen sich alle Prozentangaben auf das Gewichtsverhältnis).

Beispiel 1

Es wurde die in Fig. 1 bis 3 veranschaulichte Anlage verwendet. Das verwendete vorlegierte Pulver bestand aus einer Stahl legiergung von annähernd folgender Zusammensetzung: 0,25 % C, 0,60$>Si, Ο,4Ο70 Mn, 11,5% Cr, 7,5% W, 9,5% Co, 0,5% V, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen. Die durchschnittliche Teilchengröße des Pulvers betrug annähernd 0,2 mm.

An der Oberfläche des vorlegierten Pulvers, befand sich in allen Fällen ein dünner Oxydfilm, der wahrscheinlich aus komplexen Oxyden der Metalle Fe, Cr, Si und Mn bestand und dessen Zusammensetzung teilweise von dem Partialdruck des Sauerstoffs in dem Zerstäuber und von der Temperatur, bei der das fertige Pulver der Einwirkung des atmosphärischen Sauerstoffs ausgesetzt war, abhing. Der Sauerstoffgehalt des

-13-

509830/0696

Pulvers wechselte zwischen 300 und 1000 Teilen je Million ■ (ppm). Außer dem Oxydfilm war auch eine komplexe Mangan-Silicium-Schlacke vorhanden. Das Pulver wurde in rohrförmige Kapseln aus Edelstahl mit einem Außendurchmesser von 38 mm eingebracht.

In einer ersten "Versuchsreihe wurden acht Kapseln mit dem beschriebenen Pulver in unterschiedlichen Mengen zwischen etwa 800 und 1 300 g gefüllt. Kohlenstoff war in dem Pulver ebenfalls in der unten angegebenen Menge vorhanden. Dann wurden die Kapseln ohne vorheriges Evakuieren der Luft verschlossen. Vor dem Verschließen wurde ein Versuch mit einer auf die Kapsel aufgeschweißten Kappe durchgeführt. Dabei stellte sich jedoch heraus, daß das Verschließen der Kapsel durch Würgen oder Zusammendrücken das bessere Verfahren war.·Sieben der acht Kapseln enthielten einen Getter nach Tabelle 1.

Tabelle 1

Versuch

Getter

Kohlenstoffmenge (bezogen auf das Gewicht des Legierungspulvers)

12 g Titan an der Kapselwand 12 g Titan an der Kapselwand 1>5 g Magnesium am einen Ende 12 g Titan an der Kapselwand 9 g Titan am einen Ende

Al-Folie, gegen die Wand gewickelt

1,08 g Magnesium am einen Ende Ohne Zusatz

0,08$ 0,08$ 0,08% 0,08% 0,08%

0,08% kein C

Als Kohlenstoff diente feinverteiltes Graphitpulver. Wie oben bemerkt, hat sich Titan als Getter besonders bewährt, während die anderen.Substanzen zwar natürlich in höherem Maß reduktionsfähig

-14-

509830/0896

250U09

sind, jedoch eine Neigung zum Bindringen in das Pulverbett zeigen, und deren Verwendung daher gewisse Einrichtungen voraussetzt, die das reduzierende Metall mechanisch daran hindern, in das Pulverbett einzutreten. < .

Uie Menge des unter praktischen Bedingungen bei einem Verfahren als Getter verwendeten Metalls kann im Vergleich zu den, in Tabelle 1 angegebenen Mengen bedeutend vermindert werden. Bei diesen Versuchen wurde nämlich mehr als das Zehnfache der Titanmenge verwendet, die theoretisch erforderlich ist, um den ganzen Sauerstoff in der Kapsel zu binden. Es empfiehlt sich, das Titan in Form eines feinverteilten Pulvers zuzusetzen, das außerdem frisch gemahlen sein sollte. Bei Verwendung von Titan als Getter ist eine hohe Ofentemperatur erforderlich. Versuche haben gezeigt, daß bed. Verwendung von Titan als Getter Temperaturen von 1 100 bis 1 250 C geeignet sind, während die Erhitzungsdauer direkt von den Abmessungen der Kapsel abhängt. In den meisten Fällen schwankte die Ofentemperatur--·- zwischen 1 100 und 1 16O 6, während die Kapseln eine Stunde lang auf Schmiedetemperatur erhitzt wurden. Nach fortschreitendem Schmieden und nachfolgendem Walzen mittels profilierter ¥alzen wurde eine hervorragende Teilchenbindung erzielt, und dies gilt insbesondere für Werkstücke, die unter Verwendung von Ti als Gettermetall und von Graphit erzielt wurden. Bruchversuche an diesen Proben nach dem fortschreitenden Schmieden und Falzen mit Rillenwalzen ergaben durch die Teilchen hindurchgehende Brüche über die ganze Bruchfläche, und dies beweist, daß die aneinandergrenzenden Teilchenoberflächen keineswegs den schwächsten Teil der Struktur bilden. Ein Ver gleichsversuch an einer Probe mit Mg als Getter und ohne Kohlenstoff führte zu einem Bruch durchwegs zwischen den Teilchen, und Andeutungen von metallischen Bindungen in der Bruchfläche waren vernachlässigbar gering.

509830/0696

Beispiel 2

Zur Prüfung der Bedeutung des Sauerstoffgehaltes im Pulver wurde das in Beispiel 1 beschriebene Vorgehen zur Herstellung von Proben wiederholt., bei denen der Sauerstoffgehalt des Pulvers 1000 Teile je Million (ppm) betrug. Die Reduktion wurde im einen Fall mit 0,1% Kohlenstoff im Verein mit 0,5% Titan und im anderen Fall mit 0,05% Kohlenstoff im Verein mit 0,5% Titan durchgeführt, wobei sich das Titan entlang einer längslaufenden Linie entlang der Kapselwand befand. Die dan«erhaltenen Bruchflächen hatten in unterschiedlichen Bereichen der Bruchstelle unterschiedliches Aussehen. In gewissen Bereichen waren nämlich an aneinandergrenzenden Teilchen nach dem fortschreitenden Schmieden übermäßige Oxydmengen zurückgeblieben, die zu einem Bruch zwischen den Teilchen führten. Dieser Versuch zeigt, daß es möglich ist, durch geeignete Wahl der Verteilung und durch entsprechende Maßnahmen beim Anbringen des Sauerstoffträgers bzw. des reduzierenden Metalls auch Pulver mit Sauerstoffgehalten bis zu 1000 Teilen je Million (ppm) fortlaufend zu schmieden,

Fig. 5 und 6 zeigen die z.Zt. bevorzugte Ausführungsform eines Schmiedewerkzeugs zur Verwendung in der Verfahrensstufe F der Herstellung von Rohlingen aus den geschlossenen Kapseln.

Das Werkzeug 90 (Figo 5 und 6) ist aus einer oberen und einer unteren Hälfte 91 bzw. 92. mit einer oberen und einer unteren Schmiedefläche 93 bzw. 9k gebildet. Die Schmiedeflächen 93 und 94 sind von den Wänden einander mit den offenen Seiten zugewendeter, V-förmiger Nuten oder Rinnen gebildet, und begrenzen im Verein einen Hohlraum oder eine Schmiedezone 95 von rautenförmigem Querschnitt mit offenen Enden, der um zwei zueinander rechtwinklige Achsen A und B symmetrisch ist. Wie in Fig. 6 dargestellt, sind auch die beiden Werkzeughälften 91,

-16-

509830/0696

92 und die Schmiedezone 95 um eine Längsachse C symmetrisch, die als Schnittlinie einer vertikalen Mittelebene durch die Achse A und einer horizontalen Trennebene durch die Achse B gegeben ist. ¥enn das Werkzeug 90,in der dargestellten Weise geschlossen ist, liegen die beiden Hälften in der Trennebene aneinander.

Der Eintrittswinkel der Schmiedezone, d.i. der Winkelt zwischen der Längsachse C und jeder Schnittlinie der beiden obengenannten Ebenen mit den die Schmiedezone 95 begrenzenden Flächen 93 und 94 ist nicht konstant, sondern nimmt vom Eintrittsende der Schmiedezone gegen deren Austrittsende ab. Die Abnahme kann stetig oder in Stufen von 1 bis 3 sein. Am Eintrittsende der Schmiedezone sollte der Eintrittswinkel im Bereich von 4 bis 12 und insbesondere zwischen 5 und 10 liegen. Wie in Pig. 6 dargestellt, beträgt der Eintrittswinkel in einem ersten. Abschnitt 96 der Schmiedezone 95 8 > die Ver-

97 ο

jüngung in einem zweiten Abschnitt 5t5 t in einem vierten Abschnitt 98 4 , und in einem abschließenden Abschnitt 98, der den endgültigen Querschnitt des geschmiedeten Rohlings bestimmt, 4 . Die Übergänge zwischen den einzelnen Abschnitten sind vorzugsweise gerundet.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, sind über die Länge der Schmiedezone 95 alle vier Quadranten des Querschnittes der Schmiedezone, die von den Achsen A und B bestimmt sind, im wesentlichen kongruent. Während des fortschreitenden Schmiedens, bei dem die erhitzte Kapsel in das Schmiedewerkzeug eingeführt und allmählich schrittweise durch die Schmiedezone vorgeschoben wird und entsprechend der Form der Schmiedezone im Querschnitt vermindert wird, wird die Kapsel zwischen den aufeinanderfolgenden S
gedreht.

genden Schmiedeschritten jeweils um 90° um ihre Längsachse

-17-

609830/06.96

Der s.o erhaltene .Rohling ist im wesentlichen gratfrei und . kann in der anhand der Fig. 1 beschriebenen Weise gewalzt werden (Stufe H). Der Vorteil dieses Werkzeugs gegenüber dem gemäß Fig. 2 und 3 besteht darin, daß in der Trennebene des Werkzeugs gemäß Fig. 5 an dem Werkstück kein Grat gebildet wird, wie er bei dem Werkstück gemäß Fig. 4 gezeigt ist. Ein solcher Grat ist unerwünscht, weil er beim Walzen stören kann.

Patentansprüche

-18-

509830/0696

Claims

— ι ο —

Pat ent ans prü ehe

1. Verfahren zur Herstellung von Stabprofilen und Halbzeug geringer Porosität mit guter Teilchenbindung aus einem Pulver aus einer Legierung auf Eisen-, Nickeloder Cobaltbasis,

dadurch gekennzeichnet, daß längs der Innenseite einer hohlen Kapsel ein gegenüber Sauerstoff affines, reduzierendes Material vorgesehen wird, das die Fähigkeit hat, Sauerstoff fester an sich zu binden als das Metall, das den vorherrschenden Bestandteil der Pulverteilchen bildet, die Kapsel mit dem Pulver gefüllt wird, in der Pulvermasse in der Kapsel ein Sauerstoffträger vorgesehen wird, die Kapsel hermetisch verschlossen und die Pulvermasse in der. Kapsel durch fortschreitendes Schmieden der Kapsel bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1 200

C verdichtet wird, wobei der Sauerstoffträger sich mit dem Sauerstoff in der Pulvermasse zu einem Gas verbindet, das gegen die Innenseite der Kapsel transportiert wird und dort mit dem Sauerstoffäffinen Material reagiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

. daß das sauerstoffäffine Material

ein Material ist, das außerdem eine Affinität gegenüber Stickstoff hat.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffäffine Material Titan ist.

If* Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffträger Kohlenstoff ist.

509830/0696

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffträger ein Halogenid ist.

6. Verfaliren nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffaffine Material aus der Gruppe Titan, Calcium und Magnesium ausgewählt ist.

7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffträger ein Chlorid eines der in dem Legierungspulver vorhandenen Metalle ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffträger in feinverteilter Form dem Pulver beigesetzt wird, bevor dieses in die Kapsel eingebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffäffine Material vor Einbringen des Pulvers in die Kapsel an der Innenseite derselben angebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffaffine Material in feinverteilter Form in die Kapsel zugleich mit dem Pulver eingebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel ein vertikales Stahlrohr ist, das während des Einbringens des Pulvers und des sauerstoffaffinen Materials in die Kapsel in vertikaler Stellung gehalten wird, das Pulver durch ein Vertikalrohr, das sich koaxial zur Kapsel in diese erstreckt, allmählich eingeführt wird und das sauerstoffäffine Material durch mehrere, durch Abstände in der Umfangsrichtung angeordnete, in die Kapsel entlang der Innenseite derselben hineinragende vertikale Rohre an Stellen unterhalb der Oberfläche des eingeführten Pulvers

-2Φ-

509830/0696

allmählich in die Kapsel eingeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das fortschreitende Schmieden der Kapsel in einem Schmiedewerkzeug durchgeführt wird, dessin obere und untere Hälfte relativ zueinander vertikal hin- und herbewegbar sind und im Verein eine Schmiedezone mit offenen Enden und einem Eintrittsabschnitt begrenzen, deren Querschnitt vom einen Ende zum anderen allmählich abnimmt.

13· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der beim fortschreitenden Schmieden erzielte Rohling zur weiteren Verdichtung und Querschnittsverminderung zwischen Rillen- oder Profilwalzen gewalzt wird.

Ik. Schmiedewerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß es zum Verdichten und Längen eines erhitzten Werkstückes in der Form einer hermetisch verschlossenen rohrförmigen Kapsel, die eine Masse eines Metallpulvers enthält, ein oberes und ein unteres Gesenk aufweist, die zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung in bezug aufeinander hin- und herbewegbar sind und in der geschlossenen Stellung einander in einer Trennebene berühren und eine Schmiedezone mit offenen Enden und einem Eintrittsteil begrenzen, deren Querschnitt vom einen Ende zum anderen allmählich verjüngt ist, wobei samtliche Querschnitte der Schmiedezone geschlossen und sowohl zur Trennebene als auch zu einer zu dieser rechtwinkeligen längslaufenden Mittelebene symmetrisch sind.

15· Schmiedewerkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle vier Quadranten der Querschnitte der Schmiedezone, die von der Mittelebene und der Trennebene begrenzt sind, im wesentlichen kongruent sind.

-2-J-

509830/0696

25Q1409

i6. Scjiiniedewerkzeug nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Schnittlinie der Mittelebene und der Trennebene einerseits und jeder Schnittlinie dieser Ebenen mit den Flächen der die Schmiedezone begrenzenden Hälftea des Schmiedewerkzeugs andererseits vom einen zum anderen Ende der Schmiedezone abnimmt.

17· Schmiedewerkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der ¥inkel am breiten Ende der Schmiedezone im Bereich von 5 bis 10 liegt und in einem letzten Abschnitt der Schiniedezone, angrenzend an das gegenüberliegende Ende derselbe^ Null beträgt.

609830/0-696