DE2749215A1

DE2749215A1 - Verfahren zur herstellung eines kupferhaltigen eisenpulvers

Info

Publication number: DE2749215A1
Application number: DE19772749215
Authority: DE
Inventors: Goesta Theodor Gustavsson; Axel Sten-Aake Kvist; Per Folke Lindskog; Lars-Erik Svensson
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1976-11-03
Filing date: 1977-11-03
Publication date: 1978-05-18
Also published as: GB1595346A; ES463769A1; SE408435B; FR2370104A1; IT1090423B; SE7612217L; JPS5392306A; DE2749215C2; FR2370104B1

Description

A 1/Dr.Me

Höganäs AB 26301 Höganäs/Schweden

Verfahren zur Herstellung eines kupferhaltlgen Elsenpulvers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elsen- bzw. Stahlpulvers, das Insbesondere bei der Herstellung von Präzisionskomponenten auf pulvermetallurglschem Wege verwendet werden kann. Das Pulver gemäß der Erfindung ermöglicht die Vereinfachung der Herstellung derartiger Präzis lon skomponen ten, an die große Anforderungen bezüglich der Dimensionsgenauigkeit und der mechanischen Festigkeit bestehen.

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Pulvermetallurgische Herstellungsverfahren sind durch die Herstellung von großen Komponentenserien mit guter Dimensionsgenauigkeit gekennzeichnet. Die Herstellungssequenz beginnt mit dem Vermischen von Eisenpulver und Schmiermittel, um die folgenden Komprimierungsmaßnahmen zu erleichtern, in denen das Eisenpulvergemisch zu einem Rohling gepreßt wird, der der gewünschten Form der Endkomponente nahe kommt. Der Rohling wird anschließend auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Komponente durch Sinterung ihre Endeigenschaften bezüglich Festigkeit, Duktilität und dgl. erhält.

Es ist häufig erwünscht, daß die Komponente genauere Abmessungen erhält als die gemäß dem obigen Verfahren erreichbaren. Dies wird mittels einer weiteren Komprimierungsmaßnahme, einer Kalibrierung, erreicht, durch die die Komponente außerordentlich genaue Abmessungen erhält.

Um die mittels der Pulvermetallurgie hergestellten Komponenten mit der häufig geforderten hohen Festigkeit herzustellen, verwendet man ein Legierungspulver als Ausgangsmaterial. Gegenwärtig werden im wesentlichen zwei Arten derartiger Legierungspulver eingesetzt, nämlich Pulvergemische und sogenannte atomisierte Pulver.

Pulvergemische werden hergestellt, indem man mit dem Eisenpulver ein pulverförmiges Legierungselement vermischt, und zwar letzteres entweder in elementarer Form oder als Ver-

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bindung, die sich während des Sinterungsverfahrens zersetzen kann. Die sogenannten atomisierten Stahlpulver werden hergestellt, indem man eine die gewünschten Legierungselemente enthaltende Stahlschmelze zu einem Pulver zerkleinert.

Einer der Nachteile von Pulvergemischen besteht in der Gefahr der Segregation. Diese Gefahr ist dadurch begründet, daß Pulver mit unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. unterschiedlichen Teilchengrößen, miteinander vermischt werden, ohne daß dabei ein mechanischer Zusammenhang zwischen den Teilchen besteht. Diese Segregation führt zu einer unterschiedlichen Zusammensetzung der gepreßten Rohlinge, die aus den Pulvergemischen hergestellt werden. Dies führt wiederum zu unterschiedlichen Dimensionsänderungen während der Sinterung der Rohlinge. Ein anderer Nachteil von Pulvergemischen beruht auf ihrer Tendenz zur Staubbildung, insbesondere wenn das Legierungselement in Form von sehr kleinen Teilchen zugegen ist. Dieser Umstand kann selbstverständlich zu ernsten Umweltproblemen führen.

Andererseits fehlt bei den atomisierten Pulvern die Segregationsgefahr vollständig, da jedes Pulverteilchen die gewünschte Legierungszusammensetzung aufweist. Auch das Staubrisiko ist verringert, da kein Legierungselement mit geringer Teilchengröße vorhanden ist. Im Gegensatz hierzu weist das vorlegierte atomisierte Pulver jedoch einen anderen großen Nachteil auf, nämlich die geringe Kompressibilität des PuI-

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vers, die abhängig ist von dem auflösenden Anlaßeffekt, den die Legierungselemente auf die Pulverteilchen ausüben. Eine hohe Kompressibilität ist erforderlich, wenn die Komponente eine hohe Dichte als Voraussetzung für eine hohe Festigkeit aufweisen soll. Andererseits ist die Kompressibilität eines Pulvergemisches im wesentlichen die gleiche wie die des darin eingeschlossenen Eisenpulvers. Dieser Umstand in Verbindung mit der Flexibilität bezüglich der Legierungszusammensetzung, die für Pulvergemische typisch ist, hat dazu geführt, daß PuI-vergemische die am häufigsten verwendete Form von Legierungspulvern sind.

Die vorliegende Erfindung, die sich auf ein Pulver auf der Basis von Eisen bzw. Stahl bezieht, vereinigt die günstigen Eigenschaften einer hohen Kompressibilität mit einer geringen Segregationsgefahr und Staubbildung in dem Pulver. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß dieses Pulver eine überlegene Dimensionsstabilität der Komponenten ergibt. Unerwarteterweise hat sich weiterhin gezeigt, daß es in Verbindung mit bestimmten Anwendungen möglich ist, die Kalibrierungsmaßnahme fort-

fallen zu lassen, indem man ein Pulver gemäß der Erfindung die
an'Stelle eines Eisen/Kupfer-Gemisches treten läßt.

Der Gegenstand der Erfindung, der im einzelnen anhand der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen erläutert wird, beruht im wesentlichen auf zwei Erkenntnissen, nämlich der Tatsache, daß es möglich ist, Kupferteilchen auf der Ober-

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fläche von Elsenteilchen durch Erhitzen eines Gemisches von Eisen- und Kupferpulver durch Diffusion anzuheften, wobei diese Diffusion ohne eine weitere Änderung der Eisenteilchen stattfindet, und des Umstands, daß ein in dieser Weise verarbeitetes Gemisch, das im folgenden als diffusionslegiertes Eisen pulver bezeichnet wird, morphologisch dem nicht legierten Eisenpulver ähnlich ist, und zwar in einem solchen Ausmaß, daß ein Geraisch aus den zwei Pulvern nicht segregiert. Anstelle von Kupferpulver ist es selbstverständlich möglich, eine pulverförmige, leicht reduzierbare Kupferverbindung, vorzugsweise Kupferoxid, einzusetzen, da die Diffusionserhitzung in einer reduzierenden Atmosphäre stattfindet.

Die Herstellung von diffusionslegiertem Eisenpulver verläuft erfindungsgemäß in der folgenden Weise:

Eisenpulver mit einer Teilchengröße von weniger als

350 um, vorzugsweise weniger als 175 um und insbesondere von weniger als 150 um wird mit einem Pulver aus leicht reduzierbaren Kupferverbindungen mit einer Teilchengröße von weniger als 175 um, vorzugsweise von weniger als 75 um, vermischt.

Das Pulvergemisch wird anschließend einer Wärmebehandlung bei 7OO bis 95O°C, vorzugsweise 750 bis 85O°C, für eine Zeitspanne von 15 Minuten bis 10 Stunden, vorzugsweise 0,5 bis 5 Stunden, in einer reduzierenden Atmosphäre unterworfen. Die Kupferteilchen versintern dabei mit den Eisenteilchen, ohne daß dabei eine Diffusion des Kupfers in einem solchen Ausmaß stattfin-

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det, daß die mit der Diffusion verbundene Verringerung der Kompressibilität größer als 0,15 g/cm² (ASTM Standard B 331-64) ist. Die Wärmebehandlung wird so geführt, daß der Gesamtsauerstoff gehalt des Pulvers weniger als 1,2%, vorzugsweise weniger als 0,8%, ist. Der so erhaltene Kuchen wird zu einem Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 350 um, vorzugsweise von weniger als 175 pm und insbesondere von weniger als 150 μτα, zerkleinert. Das so erhaltene Pulver wird im folgenden als diffusionslegiertes Eisenpulver bezeichnet.

Das mit Kupfer diffusionslegierte Eisenpulver wird anschließend mit reinem Eisenpulver vermischt, so daß ein Gemisch mit dem gewünschten Kupfergehalt erhalten wird. Bei der Verwendung des obigen Pulvers in der Pulvermetallurgie ist es bevorzugt, zusätzlich zu dem Eisenpulver 0 bis 2%, vorzugsweise 0 bis 1% Graphit, 0 bis 2%, vorzugsweise 0 bis 1% eines festen Schmiermittels in Pulverform und gegebenenfalls, einzeln oder in Kombination, 0 bis 5% Nickel, 0 bis 2% Mo und 0 bis 1,5% P zuzusetzen. Der gemäß der Erfindung bevorzugte Kupfergehalt in dem Primärgemisch, das anschließend diffusionsgetempert wird, liegt zwischen 1 und 20%, vorzugsweise zwischen 5 und 15%, und insbesondere zwischen 8 und 12%, wogegen der Kupfergehalt des Endgemisches zwischen 1 und 5% liegen kann.

Das als Basispulver verwendete Eisenpulver weist vorzugsweise eine große spezifische Oberfläche auf, um eine wirksame

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Adhäsion zu gewährleisten. Man bevorzugt daher aus Eisenschwamm hergestelltes Eisenpulver, sogenanntes Schwarzpulver, bei der Herstellung des Pulvers gemäß der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Experimenten, aus denen die überraschenden Eigenschaften des Pulvers der Erfindung ersichtlich sind, näher erläutert.

Beispiel 1 Eine mit A bezeichnete Mischung wurde in der folgenden

Weise hergestellt. Zunächst wurden 500 kg Kupferpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 um mit 4500 kg Eisenschwammpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 um und 0,015% flüssigem Mineralöl vermischt. Die Kompressibilität dieses Gemisches wurde gemäß ASTM Standard B 331-64 bestimmt und ergab einen Wert von 6,59 g/cm . Das Gemisch wurde 75 Minuten lang auf 77O°C in einer Atmosphäre von gecracktem Ammoniak mit einem Taupunkt von +22⁰C erhitzt. Dabei bildete sich ein gesinterter Kuchen, der zu einem Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 pm vermählen wurde. Dieses Pulver bestand im wesentlichen aus Eisenpulverteilchen mit auf der Oberfläche angesinterten Kupferteilchen. Die Kompressibilität dieses Pulvers wurde gemäß ASTM Standard B 331-64 bestimmt und ergab sich zu 6,57 g/cm . Der Gesamtsauerstoffgehalt des Pulvers wurde zu 0,53% bestimmt, das Gesamtvolumengewicht ge maß ASTM Standard B 212-48 ergab sich 2,43 g/cm .

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300 kg des oben erhaltenen Pulvers wurden mit 700 kg Eisenschwairanpulver und 8 kg Zinkstearatpulver vermischt. Das so erhaltene Gemisch wird im folgenden als Mischung B bezeichnet.

VJeiterhin wurde ein Gemisch C aus den folgenden Komponenten hergestellt:

96,2% Eisenschwammpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 um,

3,0% Kupferpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 pm

0,8% Zinkstearatpulver.

Jeweils zwei Kilogramm von jeder der Mischungen B und C wurden in einen Behälter gegeben, aus dem sie ungehindert ausströmen konnten. Das letzte Zehntel aus jeder der Mischungen wurde gesammelt und bezüglich des Kupfergehaltes analysiert. Der Kupfergehalt der Mischung B ergab sich zu 2,8% Kupfer, derjeniger der Mischung C betrug 0,9% Kupfer.

Aus den zwei Gemischen wurden bei einem Druck von 600 MPa Versuchsbarren zur Bestimmung der Zugfestigkeit gepreßt. Die Versuchsbarren wurden bei 1120⁰C 30 Minuten lang in einer Atmosphäre aus gecracktem Ammoniak gesintert. Die Eigenschaften der Versuchsbarren wurden bestimmt, wobei die folgenden Ergebnisse erhalten wurden:

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	M	B	,71	C	73	27A9215
		6		6,	59
Gesinterte Dichte g/cm		+0		+0,
Dimensionsänderung %		320	,8	298	6
2 Zugfestigkeit N/mm		5		6,
Bruchdehnung %

Die Ergebnisse der zwei oben erläuterten Experimente zeigen, daß die Entmischungsgefahr wesentlich herabgesetzt wird, wobei die guten mechanischen Eigenschaften erhalten bleiben, wenn man das erfindungsgemäß hergestellte Metallpulver einsetzt.

Beispiel 2

Es wurden zwei Pulvergemische D und E mit der aus der folgenden Aufstellung ersichtlichen Zusammensetzung hergestellt.

Mischung D: 96,2% Eisenschwammpulver mit einer maximalen

Teilchengröße von 147 um 3,0% Kupferpulver mit einer maximalen Teilchen

größe von 147 pn

0,8% Zinkstearat.

Mischung E: 69,2% Eisenschwammpulver mit einer maximalen

Teilchengröße von 147 pm 30,0% diffusionslegiertes Eisenpulver, enthal

tend 10,0% Kupfer, mit einer maximalen Teilchengröße von 147 pm

0,8% Zinkstearat.
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Zur Herstellung von gesinterten Komponenten im großtechnischen Maßstab wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem jede der Mischungen D und E komprimiert und in üblicher Weise gesintert wurden, wobei 10 000 Komponenten erhalten wurden. Die betreffende Komponente wurde in die normale Produktion des Herstellers aus Material gemäß Mischung D eingeschlossen. Nach der Sinterung wurde eine aus statistischer Sicht ausreichende Anzahl von Komponenten entnommen, und man bestimmte die Dimensionsnnderungen dieser Komponenten. Für das Gemisch ü ergab sich eine Dimensionsänderung im Bereich zwischen 0,43 und 0,74%, wogegen derselbe Bereich für die Mischung E zwischen 0,39% und 0,54% lag. Diese Resultate ergeben sich aus dem Diagramm 1, in dem die relative Häufigkeit der Dimensionsänderung für die Mischungen D und E gezeigt ist. Auch die Standardabweichung der Dimensionsänderung von Komponenten, die kontinuierlich während der Herstellung entnommen wurden, wurde berechnet. Das Ergebnis ist in Diagramm 2 wiedergegeben, das zeigt, daß die Dispersion der Dimensionsänderung für das Material E wesentlich geringer als für das Material D ist. Dies bedeutet, daß die festgelegten Anforderungen bezüglich der Dimensionsgenauigkeit, d.h.

definierte Meßtoleranzen, leichter erreicht werden können, wenn man das Material E verwendet. Die mit dem Material E gemäß den obigen Versuchen erhaltene Meßgenauigkeit entspricht der Toleranzklasse IT 8, wogegen die aus dem Material D hergestellten Komponenten eine Meßgenauigkeit entsprechend der Toleranzklasse IT 10 ergeben.

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27492 Ib

Zusätzlich wurde willkürlich eine Anzahl von gesinterten Komponenten, die jeweils aus den Materialien D und K hergestellt worden waren, entnommen. Diese Komponenten wurden bezüglich des Kupfergehaltes analysiert. Für das Material D Iagen die Kupfergehalte zwischen 3,17 und 1,97%, während die entsprechenden Gehalte für das Material F 2,88% und 2,66% betrugen, d.h. der Bereich des Kupfergehalts für das Material Π betrug 1,2O1> und für das Material Γ 0,22%. Diese Zahlen ergeben sich aus dem Diagramm 3. Zusätzlich wurde der Mittelwert (x) und die Standardabweichung (+_^) für die so erhaltenen Analysenergebnisse berechnet. Diese Werte ergeben sich aus der folgenden Aufstellung:

Material	χ	+ -λ
	2,62%	0,40%
D	2,76%	0,06%
i:

Aus den obigen Ergebnissen ergibt sich offcnsichtlich, daß die Dispersion des Kupfergehalts innerhalb einer Produktionsserie v.-esentlich geringer ist, wenn die Komponenten aus dem Material I. und nicht aus dem Material D hergestellt wurden.

Γ e i π ρ i e 1 3

Γπ wurden zwei Pulvergemische F und G hergestellt. Die Zusammensetzung ergikt sich aus der folgenden Aufstellung.

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Mischunq F:

mischung

2 7 A y ^ I 5

97,2S Fisenschwammpulver mit rinor maximalen Teilchengröße von 147 pm

2,0% Kupferpul vor mit pin»r maximalen Teilchengröße von 74 um

0,8o Zinkstearat

70,2?. Fisenschwammpulver nit rinor maximalen Teilchengröße von 147 um

20,o'i cliffusionslegiertos Msenpulver mit einen Gehalt von 10,0% Kupfer mit einer maximalen Teilchengröße von 147 um

O, QI Zinkstearat.

Aus den Materialien F und G wurden in industriellem "aßstab bei einem Hersteller von gesinterten komponenten 10O O'x Lagerbüchsen oepv'ß Fig. 1 durch Pressen und f> in tern hergestellt Die betreffende Komponente wurde in die normale Forstellung ⁽'· ■> geschlossen und aur, einem Material gemäß Mischung F hergestellt Fine aus statistischer flicht (gemäß IFO/TC 119) ausreichende Anzahl von vollständigen Komponenten wurden bezüglich ihrer Dimensionsstabilität getestet. Für Lagerbuchsen, hergestellt aus dem Material F, ergab sich ein Innendurchmesser zwischen 9,954 mm und 9,986 mm, v/ogegen entsprechende Messungen für aur. dem Material G hergestellte Komponenten einen Bereich von 9,994 mm und 10,012 mm ergaben. Her Pispersionswert betrug somit 0,032 bzw. O,O^-18 mm. Dies entspricht den ToIeranz)-lassen IT 9 bzw. ΓΤ 7 für aus den Materialien F 1 ■?.'.-:. ■■'· hergestellte I'omponfintim. Im Diagramm 4 i;.;t di<~> relativ«· F'iufigVoit der Durchmesr.erbept immunqen fi^;r aur, den Materiilion Γ

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is-

bzv/. G hergestellte Komponenten angegeben. In das Diagramm wurde auch die definierte Toleranzförderung eingesetzt, die die gleiche ist wie bei den Messungen, din nach einer Kalibrierungskomprimierung erhalten wurden.

Zusätzlich ergab sich eine v/esentlich geringere Ovalform, bestimmt als Unterschied zwischen den Maximal- und -Minimalmaßen der Durchmesser der aus dem Material G hergestellten Komponenten. Für die aus diesem Material hergestellton Einzelstücke ergab sich eine gemessene Ovalitnt von O,OO39 mm; der entsprechende Wert für die aus dem Material F hergestellten Stücke ergab sich zu 0,0139 mm. Der gleiche Lffekt wurde bezüglich der Konusform der Komponenten, definiert als Unterschied zwischen den Enddurchmessern der Lagerbuchsen, erhalten. Für Komponenten aus dem Material F betrug die Konizität O,0327 mm; der entsprechende Wert für G war O,OO61 mm.

Das aus den obigen Beispielen ersichtliche Gesamtergebnis zeigt, daß diffusionslegierte Eisenpulver eine Maßgenauigkeit ergeben, die im wesentlichen die gleiche wie bei kalibrierungskomprimierten Komponenten ist.

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e e r s e ι t e

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines kupferhaltigen Eisenpulvers, dadurch gekennzeichnet , daß ein Gemisch, bestehend aus Eisenpulver mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 350 pn und 1 bis 20% eines Kupferpulvers oder pulverförmiger reduzierbarer Kupferverbindungen mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 175yum, hergestellt und in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 700 und 95O°C 15 Minuten bis 10 Stunden, vorzugsweise O,5 bis 5 Stunden, einer Anlaß- bzw. Temperbehandlung unterworfen wird, der so erhaltene Kuchen zu einem Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 350 um vermählen wird, wobei die Anlaß- bzw. Temperbehandlung bezüglich Temperatur und Zeit so ausgeführt wird, daß die Kompressibilität des getemperten Pulvers nach ASTH Standard B 331-64
höchstens 0,15 g/cm kleiner als die Kompressibilität des entsprechenden Gemisches aus Eisen- und Kupferpulver und der Gesamt sauerstoffgehalt nicht größer als 1,2% ist, und das so
erhaltene kupferlegierte Eisenpulver mit reinem Eisenpulver
in einer Menge vermischt wird, daß das Gemisch den gewünschten Kupfergehalt, 0 bis 2% Graphit, 0 bis 2% festes Schmiermittel in Pulverform und gegebenenfalls 0 bis 5% Nickel,
0 bis 2% Mo und 0 bis 1,5% P - als Einzelzusatz oder in Kombination - enthält.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das für die Diffusionstemperung vorgesehene Gemisch aus Eisenpulver und Kupferpulver bzv/. gepulverten reduzierbaren Kupferverbindungen einen Kupfergehalt von 5 bis 15% aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das in dem für die Temperung vorgesehenen Gemisch enthaltene Eisenpulver eine maximale Teilchengröße von weniger als 175 um, vorzugsweise weniger als 150 um, und das Kupferpulver bzw. die pulverförmige reduzierbare Kupferverbindung eine maximale Teilchengröße von weniger als 75 um aufweisen, und daß der gesinterte Kuchen zu einem Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 175 um, vorzugsweise weniger als 150 um, vermählen wird.

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