DE2644917C2

DE2644917C2 - Verfahren zur Herstellung geschmiedeter Sintermetallgegenstände

Info

Publication number: DE2644917C2
Application number: DE19762644917
Authority: DE
Inventors: Robert N. Northville Mich. Haynie; Myron C. Sarnes
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 1976-10-05
Filing date: 1976-10-05
Publication date: 1985-08-22
Also published as: DE2644917A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung geschmiedeter Sintermetallgegenstände, bei dem ein Eisenlegierungspulver zu einem Preßkörper verdichtet und dieser bei einer Temperatur gesintert wird, bei der der Sinterkörper in den austenitischen Zustand gebracht und in diesem Gefügezustand in einem einzigen Schritt geschmiedet und dann abgekühlt wird.

Aus Eisen oder Eisenlegierung bestehende geschmiedete Metallgegenstände können aus Schmiederohlingen oder aus Sintermetall hergestellt werden.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung geschmiedeter Sinternietallgegenstände (»Maschinenmarkt«, 80 (1974) 3, S. 33 —36) wird der Preßkörper entweder gesintert und geschmiedet oder gesintert, abgekühlt, wieder erwärmt und dann geschmiedet. Bei diesem bekannten Verfahren wurde es bisher immer als notwendig angesehen, zur Erzielung einer Rockwell-Härte der Arbeitsoberfläche von rund Rc 60 entweder (a) einen Kohlenstoffgehalt von 0,2 bis 0,3 Gew.-% zu verwenden und dann den Sintermetallgegenstand aufzukohlen und darauffolgend zu härten, oder (b) einen Kohlenstoffgehalt von 0.5 bis 0,7 Gew.-% zu verwenden und dann den Gegenstand zu austenitisieren und abzuschrecken. Obwohl verschiedene Verfahren zur Durchführung dieser beiden Verarbeitungsvorgänge (a) und (b) bekannt sind, ist festzustellen, daß hierb:i zwar die gewünschte Oberflächenhärte und Oberflächengüte erreicht wird, jedoch andererseits unerwünschte Änderungen der Abmessungen des Gegenstandes aufgrund der Wärmewirkung hervorgerufen werden.

Weiterhin ist es bekannt (H. Ohmann, »Allgemeine und Praktische Metallkunde«, Fachbuchverlag Leipzig 1955. S. 258. 264 bis 271 und 341), Schmiederohlinge in einem einzigen Schlag zu schmieden und einen unterbrochenen Abschreck- oder Äbkühlungsvorgang zu verwenden. Hierbei erfolgt ein langsames Abkühlen, das unerwünschte Spannungszustände in dem Schmiederohling und damit in dem fertigen Metallgegenstand vermeidet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die bisher beim Schmieden von Sintermetallgegenständen auftretenden Probleme hinsichtlich der Änderungen der Abmessungen des Gegenstandes vermieden werden, so daß ein einstufiges Schmieden der Gegenstände mit der gewünschten Dichte, Härte und mit genauen Maßtoleranzen möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist im Anspruch 2 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von geschmiedeten Sintermetallgegenständen mit sehr engen Maßtoleranzen, die keine Oberflächenfehler oder innere Fehler aufweisen und die eine im wesentlichen gleichförmige hohe Rockwell-Härte innerhalb des gesamten Gegenstands aufweisen >md nicht nur eine Oberflächenhärte, wie sie durch Aufkohlen erzielbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es damit, einen durchgehend gehärteten zunderfreien geschmiedeten Sintermetallgegenstand mit einer Dichte von zumindestens ungefähr 99,5% der theoretischen Dichte direkt durch Schmieden in einem einzigen Schritt und sehr schnelles Abschrecken herzustellen, so daß die Produktionsgeschwindigkeit erhöht wird.

Ein Beispiel einer Ausführungsform des Verfahrens wird im folgenden noch näher erläutert.

Bei dem Verfahren wird zunächst das vorlegierte Metallpulver 12 zubereitet. Die Zusammensetzung des PuI-vers kann sich weitgehend in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des fertigen Sintermetallgegenstandes ändern. Selbstverständlich ist Eisen der Hauptbestandteil und es werden sich ändernde Mengen solcher Metalle, wie z. B. Mangan, Molybdän und Nickel

is hinzugefügt. Kohlenstoff in der Form von Graphit wird vor der Herstellung des Preßkörpers hinzugefügt. In der Praxis wird es bevorzugt, zunächst das Eisen und die anderen Metalle in der üblichen Weise zu legieren und die Legierung zu zerstäuben, um ein Eisenlegierungspulver zu erzeugen. Das Eisenlegierungspulver wird dann mit dem Graphit und einem Schmiermittel gemischt. Derartige Schmiermittel sind üblicherweise wachs- oder fettartige Materialien, die in dem Sinterofen verbrannt und ausgetrieben werden, wie dies weiter unten beschrieben wird.

Das Eisenlegierungspulver kann bei einem Beispiel typischerweise die folgende Zusammensetzung haben:

Das Pulver wird dann zu einem Preßkörper dadurch geformt, daß es in einem Gesenk unter Druck verdichtet wird. Diese Herstellung des Preßkörpers wird zur Steuerung der Verdichtung, der Form und der allgemeinen Maßtoleranzen verwendet. Im allgemeinen kann bei der Herstellung des Preßkörpers eine Verdichtung bis auf 85% des theoretisch möglichen Wertes erzielt werden. Auch in diesem Fall kann die Art der verwendeten Verdichtung geändert werden, und sie kann beispielsweise einachsig oder isostatisch sein.

Nach der Verdichtung und Zusammendrückung wird der Preßkörper gesintert. Dies wird dadurch erreicht, daß der Preßkörper in einen Sinterofen gebracht wird.

	Gewichtsprozent
Mangan	0.25-0,5
Molybdän	0.25-0.5
Nickel	0.25-2,25
Kohlenstoff	0.2-0.9
Eisen	Rest

Ein derartiger Sinterofen weist üblicherweise eine Vorheiz-Zone zum Verbrennen und Austreiben des Schmiermittels, eine heiße Zone zum Sintern und eine Kühlzone auf. Normalerweise wird das Sintern von eisenhaltigen Materialien bei einer Temperatur von ungefähr 1100⁰C bis 1150⁰C durchgeführt. Das Sintern wird in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt, d. h. in einer sauerstofffreien Atmosphäre, um eine innere Oxidation und die Bildung von Zunder-Oxidschichten auf der Oberfläche des Preßkörpers zu vermeiden. Die Ofenatmosphäre, in der die Preßkörper gesintert werden, enthält den Kohlenstoffgehalt, der erforderlich ist. um den gewünschten kombinierten Kohlenstoffgehalt des Materials des Preßkörpers aufrechtzuerhalten. Irgendwelche Schutzgasatmosphären, die üblicherweise für diesen Zweck verwendet werden, sind geeignet. Weiterhin kann eine Aufkohlung an der Oberfläche des Preßkörpers erfolgen. Ein derartiger Schritt trägt nicht nur zur Aufrechterhaltung-i ;r Härte bei, sondern beseitigt auch aügernein Spränge, die sich aus dem darauffolgenden Abschreckschritt ergeben können.

Bei dem beschriebenen Verfahren ist es wesentlich, daß das Aufheizen des Preßkörpers nach dem Sintern auf eine Temperatur erfolgt, die über der Austenitisierung5temperatur liegt, bevor der Preßkörper geschmiedet wird. Bei üblichen Sinteröfen wird der Preßkörper auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Entsprechend muß der Preßkörper darauffolgend erneut über seine Austenitisierungstemperatur erhitzt werden. Die spezielle Temperatur oberhalb des Atistenitwertes, die ausgewählt wird, wird hauptsächlich in Abhängigkeit von der Form und der Querschnittsdicke des Preßkörpers gewählt So kann beispielsweise ein PreRkörper mit einer Austenitisierungstemperatur von 8-t2,5^oC auf eine Temperatur von ungefähr 870.24 bis 1036.7⁰C vor dem Schmieden eingestellt werden.

Unmittelbar nachdem der Preßkörper auf die richtige Temperatur gebracht wurde, wird er in einer Schutzgasatmosphäre geschmiedet und in diesem Schmiedevorgang wird ein einziger Schmiedeschlag von ungefähr 926 bis 1235 N/mm^J zur Formung des Preßkörpers in den Sintermetallgegenstand verwendet.

Den geschmiedeten Sintermetallgegenstand läßt man dann auf eine durchgehende gleichförmige Temperatur abkühlen, die sich der Austenitisierungstemperatur nähert, worauf er sofort in einem üblichen Abschreckbad abgeschreckt wird, was sehr wesentlich ist.

Es wird bevorzugt, ein Öl-Abschreckbad zu verwenden, obwohl auch andere Abschreckbäder, wie z. B. Wasser mit Äthylenglykol, verwendet werden können.

Es wurde festgestellt, daß eine sorgfältige Einstellung der Temperatur vor dem Schmieden und dem Abschrecken die Notwendigkeit irgendeiner weiteren Wärmebehandlung vor dem Schmieden beseitigt und daß das unmittelbare Abschrecken die Notwendigkeit irgendeiner weiteren Wärmebehandlung oder Bearbeitung des Gegenstandes zur Erzielung der gewünschten Toleranzen und Härte über den gesamten Gegenstand beseitigt Weiterhin wird durch die Verwendung der Schutzgasatmosphäre während des Sinterns und des Schmiedens die.Bildung irgendeiner Zunderschicht vermieden. Der geschmiedete Sintermetallgegenstand ist nach dem Entfernen aus dem Abschreckbad in fertigem Zustand.

Bei dem beschriebenen Verfahren ergibt sich eine Rockwell-Härte von Rc 40 bis Rc 62 oder mehr. Es ist verständlich, daß, wenn eine geringere Härte erwünscht ist, der fertige Sintermetallgegenstand weiter wärmebehandelt werden kann. Weiterhin kann der Sintermetallgegenstand selektiv oder oberflächengehärtet werden.

Im folgenden werden ausführlichere Beispiele angegeben:

Beispiel 1

Es wurde ein Eisenlegierungspulver mit den folgenden Bestandteilen hergestellt:

	Gewichtsprozente
Mangan	0,25
Molybdän	0,5
Nickel	1,8
Kohlenstoff	0,6
Eisen	96,85

100,00

Das Eisen, Mangan, Molybdän und Nickel wurden in der üblichen Weise legiert und die Legierung wurde zerstäubt, um ein Eisenlegierungspulver zu gewinnen. Dieses Pulver wurde mit Graphit zur Zufuhr des Kohlenstoffs und mit einem Schmiermittel (Acrawax = ein hartes weißes synthetisches Wachs mit einem Schmelzpunkt von 94 bis 97*C) gemischt und in den Gesenkhohlraum einer üblichen ?resse gebracht, in der Druck ausgeübt wurde und das Pulver zu einem Preßkörper mit ausreichender Festigkeit geformt wurde, um eine weitere Behandlung zu ermöglichen.

Der Preßkörper wurde dann in einem Sinterofen bei ungefähr 1120° C für ungefähr 30 Minuten in einer Schutzatmosphäre gesintert Der Ofen war ein im Handel erhältlicher Ofen mit einer Zone zum Austreiben und Verbrennen des Schmiermittels, mit einer heißen Zone für das Sintern und mit einer Abkühlungszone. Der gesinterte Preßkörper wurde bei einer Temperatur von ungefähr 933⁰C aus dem Sinterofen entnommen. Der gesinterte Preßkörper wurde dann ?··ιί eine Temperatur von ungefähr 898° C in einer Schutzatmosphäre in einem elektrischen Heizkern aufgeheizt. Diese Temperatur lag über der Austenittemperatur (84Z5°C) des Materials. Der aufgeheizte Preßkörper wurde dann schnell in eine Schmiedepresse überführt und in einem Hub mit einem Druck von ungefähr 827 N/mm² in einen geschmiedeten Statorkupplungslaufring mit einem glatten Außend^urchmesser und einem kerbverzahnten Innendurchmesser geschmiedet Nach dem Schmieden wurde es dem geschmiedeten Gegenstand ermöglicht, sicn zu stabilisieren und sich auf seine Austenittemperatür von ungefähr 8423⁰C abzukühlen, worauf er sofort in einem üblichen Ölbad abgeschreckt wurde.

Der Gegenstand wies keine Oberflächenverzunderung auf und Untersuchungen zeigten, daß er eine Dichte von 7,82 g/cm³ (min.) oder eine Dichte von 99,6% der theoretisch möglichen Dichte aufwies, wobei 7.87 g/cm⁵ als theoretische Dichte genommen wurde. Von größter Bedeutung ist hierbei, daß der Gegenstand eine Härte über den gesamten Gegenstand von Rc 59 bis 62 aufwies. Der Gegenstand hatte, was genauso wichtig ist, die gewünschte ,Form und die gewünschten Abmessungen, Iso-daß'keine'weitere Bearbeitung oder Verarbeitung zur Erzielung der gewünschten Härte erforderlich war.

Beispiel 2

Ein Eisenlegierungspulver wurde wie im Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch für diese Eisenlegierung die folgende Zusammensetzung gewählt wurde:

Nickel

Mangan

Molybdän

Kohlenstoff

Eisen

Gewichtsprozente

0,5

0,3

0,5

0,65

Rest
100,0

Das Graphit und das Schmiermittel wurden wie im Beispiel 1 hinzugefügt und die Mischung wurde in den Gesenkhohlraum des Gesenksatzes einer üblichen Presse angebracht und zu einem Preßkörper zusammengedrückt. Dieser Preßkörper wurde dann gesintert, erhitzt, geschmiedet und abgeschreckt sowie spannungsfrei gemacht wie dies im Beispiel 1 beschrieben wurde. Eine Untersuchung des auf disse Weise hergestellten geschmiedeten Gegenstandes zeigte, daß dieser Gegenstand ebenfalls eine ausgezeichnete Oberflächenqualität ohne Oberflächenverzunderung und andere Oberflächenfehler aufwies und unmittelbar ohne weitere Bearbeitung abgegeben werden konnte. Untersuchungen zeigten, daß sich die Härte vollständig durch ien gesamten Gegenstand erstreckte, wobei gleiche Eigenschaften in allen Richtungen festgestellt wurde.

Beispiel 3

Ein nickelhaltiges Eisenlegierungspulver wurde, wie im Beispiel 1. mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt:

Die hohe durch das Schmiede- und Abschreckverfahren erziehe Härte ist in idealer Weise für mechanische Teile geeignet, die schweren Lanfbelastungen während ihrer Benutzung ausgesetzt sind, und zwar insbesondere dann, wenn die Härte so hoch ist, daß das Material nicht mehr spanabhebend bearbeitet, sondern nur noch geschliffen werden kann, nämlich oberhalb einer Rockwell-C-Härte von 35. Beispielsweise nutzen sich Wälzlager-Laufringe sehr schnell ab und weisen keine hohe

ίο Lebensdauer auf, wenn sie keine Rockwell-C-Härte von etwa 57 oder 58 aufweisen.

	Gewichtsprozente
Nickel	2,0
Mangan	0,25
Molybdän	03
Kohlenstoff	Oj
Eisen	Rest

100,0

Die Ve. .irbeitungsschritte des Beispiels 1 wurden wieder durchgeführt, um einen fertigen geschmiedeten Gegenstand herzustellen. Untersuchungen zeigten, daß dieser geschmiedete Gegenstand eine ausgezeichnete Oberflächenqualität ohne Oberflächenverzunderung und andere Oberflächenfehler aufwies, so daß er ohne weitere Oberflächenbehandlung vertrieben werden konnte. Es wurde weiterhin festgestellt, daß sich die Härte des Gegenstandes, wie in den Beispielen 1 und 2, über den gesamten Gegenstand erstreckte und Rc 55 bis 57 betrug.

Erfahrungen mit der Durchführung des Verfahrens haben gezeigt, daß eine derartig ausgezeichnete Oberflächequalität erzielt wird, daß der Gegenstand, so wie er geschmiedet wurde, ausgeliefert werden kann, und zwar ohne die übliche spanabhebende Bearbeitung von 0,5 bis 0.75 mm zur Beseitigung der Oberflächenschäden, die bisher auftraten. Weiterhin wurde bei diesem Verfahren der fertige Gegenstand unmittelbar nach dem Schmieden mit den erforderlichen Toleranzen erzielt, während sich vorher die Abmessungen des Gegen-Standes änderten, wenn der Gegenstand nach dem Schmieden aufgekohlt wurde. Daher beseitigt die Abschreckung unmittelbar nach dem Schmieden den zusätzlichen Toleranzbereich, der auf Grund von Maßänderungen erforderlich war, die während der darauffolgenden erneuten Erhitzung auftraten, die durch die bisher bekannten Verfairen, wie z. B. die Aufkohlung, erforderlich waren.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung geschmiedeter Sintermetallgegenstände, bei dem ein Eisenlegierungspulver zu einem Preßkörper verdichtet und dieser bei einer Temperatur gesintert wird, bei der der Sinterkörper in den austenitischen Zustand gebracht und in diesem Gefügezustand in einem einzigen Schritt geschmiedet und dann abgekühlt wird, d a durch gekennzeichnet, daß das Eisenpulver aus 0,25 bis 0,5% Mangan. 0,25 bis 0,5% Molybdän, 0.25 bis 2^5% Nickel und 0.2 bis 05% Kohlenstoff und Eisen als Rest besteht, und daß der Gegenstand unmittelbar nach dem Schmieden in Öl abgeschreckt wird, während er im austenitischen Zustand verbleibt worauf der abgeschreckte Schmiedekörper aus dem Abschreckbad entfernt und entspannt wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in einer Atmosphäre mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt durchgeführt wird.