DE2518248C2

DE2518248C2 - Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers

Info

Publication number: DE2518248C2
Application number: DE19752518248
Authority: DE
Inventors: Richard James Crouch Kent Dain; Hugh London Ford
Original assignee: Powdrex Ltd
Current assignee: Hoganas Great Britian Ltd
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1975-04-24
Publication date: 1986-01-16
Also published as: DE2518248A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochdichten Sinterkörpers gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Während mit der Bezeichnung »Werkzeugstahl« entsprechend ASTM-Norm (»tool steel«) Stahllegierungen für die Verwendung in hochverschleißfesten Metallschneid- und Metallformwerkzeugen gemeint sind, sollen »rostfreie Stähle« und »sonstige hochlegierte Stähle« etwas weniger hochlegierte Stähle bezeichnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochfeste Werkzeuge für die Metallbearbeitung und ähnliche Produkte aus Sintermetall herzustellen.

Die betreffenden Produkte unterscheiden sich durch ihre MikroStruktur erheblich von gleich dichten unter Gießen und Schmieden gewonnenen Produkten, indem sie nicht wie diese Karbidadern senkrecht zu der Schmiederichtung aufweisen, sondern völlig isotrop sind. Bei einem Schmiedeprozeß wird von einem Barren oder allenfalls Rohling ausgegangen, der zunächst vor allem dort, wo Aussparungen erforderlich sind, spanabhebend bearbeitet werden muß. Eine solche spanabhebende Bearbeitung aber bedeutet einen erheblichen Aufwand an Zeit und Geld, wobei neben dem verlorenen Material die hohen Werkzeugkosten in Rechnung zu stellen sind. Im Gegensatz dazu können durch Sintern sogleich Formstücke erhalten werden, die allenfalls noch einem Schleifvorgang unter geringstem Materialverlust zu unterziehen sind. Da hochlegierte Stähle, wie sie hier in Betracht stehen, eine sehr hohe Liquidustemperatur aufweisen, ist es auch schwierig, durch Präzisionsguß formgenaue Stücke zu erhalten. Ein Direktguß scheidet aus, da die hauptsächlichen Legierungselemente während des Erstarrens stark zum Steigern neigen.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs ! gelöst.

Hinsichtlich der Einzelmaßnahmen der Erfindung war es zwar bereits bekannt,

ein Stahlpulver mit Partikeln unregelmäßiger Gestalt durch Zerstäuben und Wasserabschrecken zu erhalten,
ein solches Pulver durch Erhitzen vor dem Verpressen zu normalisieren unter gleichzeitiger E--j.elung einer beträchtlichen Desoxidation (bis 0,04% O₂),

das Pulver in gespreßter Form vor dem Sintern zu desoxidieren und bei einer Temperatur oberhalb der SoIidusiemperatur des Stahis oder unter infusion eine Sekundärmetalls oder einer Sekundärmetallegierung zu sintern (vgl. insbes. Kief fer/Hotop »Sintereisen und Sinterstahl«, 1948, Seiten 75,79,178.421 u. a.).

Alle bisherigen Versuche, hochdichte Sinterkörper aus hochwertigen Stählen zu erzeugen, verliefen jedoch unbefriedigend, weshalb die meisten Bemühungen eine Warmverfestigung durch Warmverformung einschlossen(vgl.DE-OS2151859).

Den Erfindern blieb es vorbehalten zu erkennen, daß es für den Erhalt durchgehend hochwertiger, hochdichier Sinterkörper aus dem Pulver hochwertiger Stähle vor allem darauf ankommt, den Sauerstoffgehalt vor dem Sintern auf maximal 0,04% zu senken, und daß dies zweckmäßigerweise in zwei Stufen und unter Verwen rlttnct aimac Unlrtitifnc kai fior t*\\cf-V%\%oft&T\rian r\ecnviHo.

tion am Preßkörper geschieht. Neben der Unmöglichkeit der Erzeugung von Sinterprodukten hoher Dichte mit höherem Sauerstoffgehalt würde ein solcher auch zum Verbleib von Oxidpartikeln in dem Material führen, womit sich die Festigkeit und vor aliem die Zähigkeit vermindern würde. Durch Desoxidieren des Metallpulvers in bereits gepreßter Form läßt sich eine höhere Desoxidationstemperatur verwenden, vorzugsweise im Bereich von 1000 bis 1200⁰C, und die Desoxidierung kann in Verbindung mit dem Sintern in einer Hitze erfolgen.
. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsfxmäßen Verfahrens an.

Das Metallpulver wird vorzugsweise durch Zerstäuben eines Fal'stromes des geschmolzenen Stahls mittels darauf gerichteter Gas-, Wasser- oder Dampfstrahlen und Abschrecken der so entstehenden Stahltröpfchen mit Wasser in solcher Weise erhalten, daß Partikel einer unregelmäßigen Form entstehen. Ein auf diese Weise gewonnenes Pulver hat den Vorteil guter Preßbarkeit, was die Herstellung sehr dichter Preßkörper erleichtert.

Dem Abschreckwasser wird vorzugsweise ein rosthemmendes Mittel, wie z. B. ein wasserlöslicher Rosthemmer auf Amin-Basis, zugesetzt, um die Bildung von Metalloxiden zu vermindern und in einem nachfolgenden Glühprozeß ein Zusammenbacken zu verhindern.

Der Preßkörper kann auf verschiedene Weise, je nach dem gewünschten fertigen Metallkörper erhalten werden. Wo dieser eine komplizierte Form aufweist, wie z. B. bei einem Werkzeug, kann das Metallpulver in eine

selbst verformbare, relativ steife Form eingebracht werden, deren Innenprofil im wesentlichen dem Außenprofil des gewünschten Körpers entspricht, worauf die gefüllte Form zur Herstellung des Preßkörpers isostatischem Druck unterworfen wird. Die Hinzugabe eines s flüchtigen Schmiermittels zu dem Metallpulver ermöglicht die Erzielung einer höheren Dichte unter einem gegebenen isostatischen Druck. Andererseits kann das Metallpulver zum gleichen Zweck mittels einer Stempelpresse in einer Matrize unter Druck in einer Riehtung mit verhältnismäßig niedrigem Druck vorgeformt werden, um die gewünschte Form zu erhalten, worauf man auf dem so erzeugten Freßkörper einen porenverschließenden Schutzüberzug aufbringt und ihn anschließend isostatisch bei verhältnismäßig hohem Druck preßt In diesem letztgenannten Fall erfolgt das Vorpressen des Pulvers vorzugsweise in einer Stempel-Verdichtungspresse, deren Matrize bereits die gewünschte Form aufweist Der porenverschließende Oberzug kann aus Gummi oder einem Kunststoff bestehen und durch Besprühen oder Eintauchen aufgebracht werden.

Bei Verwendung genügend hoher Preßdriicfce ist es möglich, den Preßkörper noch vor der Sinterung normal spanabhebend zu bearbeiten. Damit ist auf wirtschaftliche Weise ein erheblich höherer Materialabtrag möglicht als bei gesinterten oder auf herkömmliche Weise hergestellten Körpern.

In gewissen Fällen ist es möglich, den gesamten erforderlichen Preßvorgang mittels einer Stempelpresse ohne nachfolgenden isostatischen Druck durchzuführen, sofern ein geeignetes flüchtiges Schmiermittel vor dem Pressen entweder »-em Metallpulver beigemischt oder auf die Formteile aufgesprüht wird um die Wandreibung und damit auch die Formabnutzung zu vermindern.

Soll ein zusammengesetzter Formkörper hergestellt werden, so kann ein metallpulver einer ersten Zusammensetzung um einen metallischen Einsatz einer zweiten Zusammensetzung herum in eine kompressible Form eingebracht und anschließend isostatisch gepreßt werden. Die nachfolgende Sinterung bindet dann das umgebende Metallpulver metallurgisch an den Einsatz, dieser Einsatz kann ein solider Metalikörper oder ein selbst aus einem Pulver hergestellter Formkörper sein, wobei das Pulver durchaus von dem umgebenden Metallpulver differieren kann. Der Einsatz braucht also nicht aus Werkzeugstahl, rostfreiem Stahl oder einem sonstigen Legierungsstahl zu bestehen.

Wenn das Metallpulver um einen Dorn herum gepreßt wird, der sich beim Sintern nicnt metallurgisch mit dem Pulver verbindet, ist es möglich, den Dorn beim Sintern formgebend in dem Preßkörper zu belassen und erst danach zu entfernen. Auf diese Weise können mehrteilige Matrizen oder ähnliche Formkörper mit guten mechanischen Eigenschaften formgenau hergestellt werden.

Soll zum späteren Ausforrr ~n ein mehrschichtiger Barren hergestellt werden, so kann das auf die obengenannte Weise gewonnene Metallpulver gesiebt werden, um eine feinere und eine gröbere Fraktion zu erhalten. Dann kann eine Form mit der gröberen und der feineren Fraktion so gefüllt werden, daß ein Kern der ersteren zumindest auf einem wesentlichen Teil seiner Oberfläche von einer Schicht der feineren Fraktion umgeben ist. Daraufhin wird die Form dem Preßdruck ausgesetzt. Auf diese Weise kann eine hohe Oberflächengüte erzielt werden.

Das isostatische Pressen erfolgt vorzugsweise in einem Flüssigkeitsbad unter einem Druck von 4200 bis 14 000 bar, noch besser zwischen 6300 und 9100 bar. Unter Verwendung von Schmiermitteln kann der für die Erzielung einer bestimmten Dichte des Preßkörpers erforderliche Preßdruck reduziert werden. Beispielsweise genügen bei Zugabe von 0,5 bis 1,0 Gew.-% von metallischen Stearaten 4200 bis 7000 bar für das gleiche Ergebnis.

Isostatische Kompression des Metallpulvers unter einem Druck von etwa 6300 bar ergibt einen Preßkörper mit einer relativen Dichte von etwa 75%.

Die Desoxidation erfolgt dadurch, daß das gepreßte Metallpulver, welches Kohlenstoff in gebundener oder freier Form enthält, erhitz? wird, um den Sauerstoff in Kohlenoxide zu binden, die kontinuierlich abgeführt werden, um das chemische Gleichgewicht möglichst im Sinne der Bildung weiteren Kohlenoxids zu beeinflussen. Dabei wird zunächst ein Vakuum von beispielsweise 0,0133 Pa angewandt, während das Metallpulver bis auf 900°C erhitzt wird. Bei der anschließenden Weitererhitzung — die hauptsächliche Desoxidation erfolgt vorzugsweise im Bereich von iÜOO bis 1200"C — kann ein Entweichen flüchtiger Metallkomponenten weitgehend dadurch unterdrückt werden, daß das Vakuum etwas verringert wird. Beispielsweise erfolgt die Verringerung über 900⁰C auf etwa 133 Pa durch Einleiten eines inerten Gases, wie z. B. Stickstoff, Waoserstoff, Argon oder Helium. Unter Umständen können in verschiedenen Temperaturbereichen verschiedene Gase zur Anwendung kommen. Verzugsweise wird der Druck des inerten Gases abwechselnd erhöht und verringert, um die entstandenen Kohlenoxide aus dem Inneren des gepreßten Rohlings auszuspülen. Beispielsweise wird der Ofen wiederholt mit einem inerten Gas unter 26,6 bis 133 Pa gefüllt und daraufhin auf 6,65 bis 133 Pa evakuiert, sooft dies wünschenswert ist.

Um die Dichte, Festigkeit und metallurgische Bindung gesinterter Metallkörper zu verbessern, ist bereits vorgeschlagen worden, während des Sinters durch Kapillarwirkung die Poren des bet_t-effen<sen Preßkörpers mit einer niedrigschmelzenden Legierung oder einem niedrigschmelzenden Metall, wie z. ß. Silber, Kupfer, Kobalt und deren Legierungen, aufzufüllen. Dabei wird ein Quantum der betreffenden Legierung bzw. des betreffenden Metalls zu Beginn des Sintervorganges mit dem Preßkörper in Berührung gebracht, so daß es während des Sintervorganges in den letzteren einzudringen vermag. Auf diese Weise wird ein vollkommen dichter Metallkörper erhalten. Obgleich dieses Verfahren nicht in Verbindung mit Werkzeugstahl, oder Legierungsstahlpulver Anwendung gefunden hat, hat sich nun gezeigt, daß es auch hier gute Ergebnisse bringt. Jedoch wird dies erfindungsgemäß vorzugsweise ohne Verwendung eines zusätzlichen Metalls oder einer zusätzlichen Legierung einfach dadurch erreicht, daß die Sintertemperatur so gewählt wird, daß diejenigen Stahlkomponenten mit niedrigerer Solidustemperatur während des Sintervorganges zum Schmelzen kommen, während die übrigen Komponenten fest bleiben. Durch diese Maßnahme werden darüber hinaus die Sintervorgänge der Voluniendiffusion, der inneren Massenverschiebung sowie der Bildung fester Lösungen und anderer chemischer Verbindungen beschleunigt. Zugleich werden Oberflächenspannungen erzeugt, die genügen, den Großteil der Poren des Preßkörpers zum Verschwinden und die übrigen Hohlräume zum Abwandern nach der Oberfläche zu bringen, womit eine Dichte erreicht wird, die derjenigen des Stahls nahekommt, aus dessen Pulver

	Gew.-
Kohlenstoff	1
Wolfram	6
Molybdän	5
Chrom	4,5
Vanadium	2
Mangan	*<02*
Schwefel	<0,03
Phosphor	<0,03
Rest: Eisen

der Preßkörper geformt wurde. Durch die einfache Maßnahme also, die Sinterung bei einer höheren Temperatur durchzuführen, wird ein praktisch vollkommen dichtes Erzeugnis erhalten. Freilich muß die Sintertemperatur streng überwacht werden, um den Anteil der flüssigen Phase innerhalb des Preßkörpers während des Sintervorganges zu steuern. In der Regel ist die Sinterung im Temperaturbereich zwischen 1180 und 1280⁰C über einen Zeitraum zwischen einer halben Stunde und vier Stunden durchzuführen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, womit ein Werkzeugstahlkörper hergestellt wird:

Das verwendete Metallpulver wird aus einem geschmolzenen Werkzeugstahl der folgenden Zusammen-Setzung erzeugt:

20

25

Die Schmelze wir durch Strahlen zerstäubt, die auf einen Fallstrom des geschmolzenen Stahls unter einem Winkel von 12° bis 18° für Dampf bzw. 20° bis 30° für Gas oder Wasser gerichtet sind, wobei das Gas oder der Dampf unter einem Druck von 1,4 bis 14 bar und das Wasser unter einem solchen von 70 bis 280 bar stehen. Die so entstehenden Stahltröpfchen werden in Wasser abgeschreckt, indem sie mit freifließendem Wasser in Berührung gebracht werden, und fallen in Form eines Pulvers in einem Wasserbad an, aus dem sie vermittels einer Pumpe oder eines Elektromagneten entnommen werden. Der gesamte freie Fall der Tröpfchen vor der Wasserabschreckung sollte nicht mehr als 45 cm und vorzugsweise zwischen 15 und 23 cm betragen, um ihnen eine unregelmäßige Form zu geben.

Dieses Pulver wird sodann im Vakuum oder in einer Wasserstoff-/Stickstof f-Atmosphärc bei etwa 870° C geglüht, worauf man es mit einem Temperaturgradienten von 25 bis 50°C/h auf 600 bis 700⁰C und anschließend im Ofen auf Umgebungstemperatur abkühlen läßt. Das geglühte Pulver wird mit Graphit und/oder flüchtigen Schmiermitteln, w<e z. B. Stearaten und/oder anderen Metall- oder Nichtmetallpulvern in einer Trommel gemischt, um ihm überschüssigen Kohlenstoff für den nachfolgenden Desoxidationsprozeß, bessere Gleiteigenschaften für das Pressen und/oder Zusatzstoffe zürn Erhalt einer bestimmten Zusammensetzung zu vermitteln. Zu einem gewissen Grade vermag auch bereits der Graphit die Gleiteigenschaften zu verbessern.

Danach wird auf irgend eine der vorausgehend beschriebenen Methoden mit einer isostatischen Kompression oder mit einer Stempelpresse unter einem Druck im Bereich 4200 bis 14 000 bar, vorzugsweise einem solchen von etwa 7000 bar, ein Preßkörper geformt.

Soll der Preßkörper aus voneinander getrennten groben und feinen Fraktionen gebildet werden, so findet eine Form mit einer entfernbaren inneren Hülse Verwendung. Auf den Boden derselben wird zunächst eine Schicht der feinen Fraktion aufgebracht. Sodann wird die Hülse aufgesetzt und mit der groben Fraktion gefüllt sowie mit der feinen Fraktion umgeben, so daß diese letztere den Zwischenraum zwischen der Hülse und der Forminnenwand ausfüllt. Danach wird die Form einer Vibration unterzogen, um das Pulver zu verdichten und, soweit möglich, die Luft zu entfernen. Schließlich wird die Hülse entfernt und der Vibrationsvorgang wiederholt. Dann wird der Inhalt der Form dem Preßdruck ausgesetzt.

Auf diese Weise wurd ein Preßkörper von 51 mm Durchmesser und 51 mm Länge gebildet, der eine relative Dichte von 75% aufwies.

Dieser Preßkörper wurde als nächstes desoxidiert und gesintert. Dazu wurde er in einen Vakuumofen gesetzt, der durch Evakuieren auf 0,0665 Pa praktisch von atmosphärischem Sauerstoff befreit wurde. Unter Beibehaltung dieses Drucks wurde der Ofen während eines Zeitraums von 30 Minuten erhitzt, dm den Preßkörper auf eine Temperatur von 900° C zu bringen. Darauf wurde die Temperatur, noch immer unter dem gleichen Vakuum, kontinuierlich oder sck-aUweise erhöht, bis der Preßkörper eine Temperatur νο.-ί 1100⁰C erreichte. Dann wurde der Ofen unter Beibehaltung dieser Temperatur mit Stickstoff auf einen Druck von 26,6 Pa aufgefüllt und 30 Sekunden in diesem Zustand belassen, worauf er wieder auf 6,65 Pa evakuiert wurde. Dieser Vorgang des Auffüllens mit Stickstoff und Wiederauspumpens wurde wiederholt, während der Ofen auf die Sintertemperatur von 1240⁰C gebracht wurde, was 90 Minuten in Anspruch nahm. Daber war die Desoxidation vollendet, bevor die Verdichtung durch die Sinterung erfolgte. Auf der Sintertemperatur wurde der Ofen eine Stunde lang gehalten. Darauf wurde er abgekühlt und der fertige Formkörper entnommen. Bei der Untersuchung ergab sich, daß der letztere einen Sauerstoffgehalt von 0,03% bei 100% Dichte aufwies.

je nach dem gewünschten Endprodukt und dem Verfahren für die Herstellung des Preßkörpers, kann der Körper eine gewisse Bearbeitung abgesehen von einer Glättung erfordern, oder er kann von vornherein warm verformt werden, um seine Eigenschaften zu verbessern, worauf er erst in seine fertige Form, beispielsweise als Werkzeug, gebracht wird. Die Warmverformung kann aus einem Schmieden, Walzen uder Drücken bestehen. Andererseits kann eine Oberflächenbearbeitung mit einer Verdichtung etwa durch Kaltdrücken, Kaltschmieden oder Kaltziehen durch Rollen einhergehen, die aus einem harten Material, wie z. B. Wolframkarbid, bestehen müssen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines hochdichten Sinterkörpers aus durch Zerstäuben und Wasserabschrecken gewonnenem und sodann formgepreßtem Pulver von Werkzeugstählen, rostfreien und sonstigen hochlegierten Stählen, dessen Sauerstoffgehalt vor dem Verpressen und Sintern durch Glühen unter Vakuum reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nach-Desoxidation der Preßkörper im Vakuum auf eine Temperatur zwischen 90C⁰C und der Sintertemperatur während eines genügend langen Zeitraumes erhitzt wird, um den Sauerstoffgehalt auf maximal 0,04% zu reduzieren, und daß gleich anschließend in der gleichen Hitze bei einer Temperatur zwischen 1180 und 1280°C gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abschreckwasser für die Gewinnung des Pulvers ein rosthemmendes Mittel ZUgeselzl wird

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nach-Desoxidation bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1200⁰C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum bei der Nach-Desoxidation mit der Erhöhung der Temperatur in solchem Maße verringert wird, daß ein Entweichen flüchtiger Metallkomponenten im wesentlichen verhindert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Nach-Desoxidation das Vakuum abwechselnd erhöht und durch Einleiten eines inerten Gases wieder verringert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßkörper vor dem Erhitzen spanabhebend bearbeitet wird.