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Selbstschmierende Hartstofflegierung
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Die Erfindung betrifft eine selbstschmierende Hartstofflegierung.
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Aus der DE-PS 19 53 481 sind selbstschmierende Legierungen in folgendem
Bereich bekannt: 10 bis 75 % Titankarbid Rest Stahl, bestehend aus 0, 8 bis 3, 9
% C als freier Graphit 0, 5 bis 6, 0 % Si 0 bis 7, 0 % Mn 0 bis 36, 0 % Ni 0 bis
8, 0 % Cu 0 bis 2, 0 % Cr + Mo + V + Ti 0 bis 7, 0 % Al 0 bis 0, 1 % Mg 0 bis 0,
1 % Cer 0 bis 0, 1 % B Rest Fe Innerhalb dieser Abgrenzungen lassen sich auch austenitische
Legierungen1 also nicht umwandlungsfähige, nicht magnetisierbare Legierungen herstellen.
Bei dem vorhandenen Eisengehalt muß mit Silizium gearbeitet werden, um freien Kohlenstoff
in Form von Graphit in der Endlegierung zu behalten. Die nötigen verhältnismäßig
hohen Si-Gehalte erschweren aber die Sinterung und beeinträchtigen die Maßhalt igke
it.
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Es stellt sich also die Aufgabe, selbstschmierende, hochverschleißfeste
temperaturschock-, korrosions- und zunderbeständige Sinter-Hartstofflegierung vornehmlich
für Werkzeuge und Verschleißteile zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Legierung folgender Zusammensetzung
(in Gew. -%) vorgeschlagen: 5, 0 bis 35, 0 % Chrom, Kohlenstoff in einer solchen
Menge, daß 1, 0 bis 3, 9 % als freier Graphit in der Endlegierung verbleibt, 10,
0 bis 45, 0 % Titankarbid, Rest Nickel und/oder Kobalt.
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Zusätzlich kann in der Legierung noch bis 3 % Silizium, bis 15 % Kupfer,
bis 8 % Aluminium, bis 22 % Molybdän, bis 25 % Wolfram, bis 8 % Niob/Tantal, bis
8 % Mangan und bis 0, 1 % Bor einzeln oder zu mehreren enthalten sein. Eine solche
Legierung erfüllt die gestellten Anforderungen, wie die folgenden Beispiele zeigen.
Insbesondere ergeben sich einfachere Sinterbedingungen.
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Chrom in einer Menge von 5 bis 35 % dient der Sicherung der Korrosionsbeständigkeit
und trägt zur Mischkarbidbildung mit Titankarbid bei Kohlenstoff soll in einer solchen
Menge vorhanden sein, daß 1 bis 3, 9 % freier Graphit in der Legierung verbleibt.
Da ein Teil des Kohlenstoffs mit dem Chrom und etwaigen weiteren Karbidbildnern
zum Metallkarbid reagiert, wird ein Gehalt von 1, 5 bis 9 % erforderlich sein, Bei
Anwesenheit von Titankarbid/ Chromkarbid-Mis chkarbid wird der hohe Verschleißwiderstand
und insbesondere ein hoher Widerstand gegen Temperaturschock in Verbindung mit dem
freien Kohlenstoff gewährleistet.
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Titankarbid in einer Mindestmenge von 10 % ist erforderlich, um ausreichenden
Verschleißwiderstand sicherzustellen. Mehr als 45 % Titankarbid würden die Legierung
zu stark verspröden und die Bearbeitbarkeit erschweren.
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Ein zusätzlicher Kupfergehalt bis 15 % kann zweckmäßig sein, wenn
die Sintertemperatur herabgesetzt werden soll. Ferner tritt durch Kupfer ein Auslagerungseffekt
zur Härtesteigerung ein.
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Bei Anwesenheit von Kobalt als Bindemetall stellt Kupfer sicher, daß
die kubische 0<-Phase des Kobalt erhalten bleibt, also keine Modifikationsänderungen
eintreten.
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Ähnlich wie Kupfer wirkt Aluminium, das in einer Menge bis 8% in der
Legierung enthalten sein kann. Der Aluminiumgehalt ist für bestimmte Werkzeuge durch
die Entstehung von val203 in der Zunderschicht bei Warmarbeit von positiver Bedeutung.
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Gehalte bis 28% Molybdän erhöhen die Korrosionsbeständigkeit.
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Gehalt an Karbidbildnern wie Wolfram bis 25% und Niob-Tantal bis 8%
tragen zur Mischkarbidbildung mit Titankarbid bei und wirken thermoschockbeständig
und zunderbeständig.
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Bis 3% Silizium kann bei Anwesenheit von Kobalt als Bindemetall dessen
hexagonale £-Phase stabilisieren, die besonders gute Gleiteigenschaften besitzt.
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Bor dient in geringen Mengen zur inneren Desoxydation~der einzelnen
Pulverteilchen und wirkt als Sinterhilfe bei Verwendung nicht ausreichend aktiver
Pulver.
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Mangan mit Gehalten bis 8% wirkt festigkeitssteigernd.
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Die Nickelbasis gestattet einen einfachen Verbund mit nickelhaltigen
Legierungen ohne Karbid oder mit nur wenigen Karbiden zwecks besserer Bearbeitung
oder zur Verbilligung schlechthin.
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Legierungen mit reinem Nickelbinder zeichnen sich durch hohe Warmfestigkeit
bis zu 10000 C aus und sind bis zu dieser Temperatur thermoschock- und zunderbeständig.
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Kobalt hat einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Legierungen auf
Kobaltbasis haben daher beste Gleiteigenschaften. Die Anwendung ist allerdings auf
Temperaturen bis ca. 5000 C beschränkt.
Für höhere Temperaturanwendungen
wird erfindungsgemäß ein Nickel-Kobalt-Binder mit 22 bis 50 Gew.-% Nickel empfohlen.
Aufgrund der schlechten Benetzbarkeit des Kobalt mit Titankarbid wird ferner vorgeschlagen
Mischkarbide zu verwenden, beispielsweise TiC/Cr3C2 oder TiC/VC.
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Durch Zugabe von Nickel zum Kobalt und den Einsatz von Mischkarbid
werden weiterhin folgende Vorteile erzielt: - Die Wärmedehnung der Matrix wird der
des Mischkarbids angeglichen, so daß bei vielen Temperaturwechseln keine Spannungen
entstehen.
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- Die Löslichkeit für TiC-Mischkarbide im Binder wird erhöht, da die
Löslichkeit des TiC im Nickel schon 5mal höher ist als in Co und für Cr3C2 12mal
höher liegt als für TiC allein.
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- Die Modifikationsänderungen des reinen Kobalts werden durch die
Zugabe von Nickel (über 22%) zu niedrigen Temperaturen verlagert, das heißt, es
gibt beim oftmaligen Anwärmen und Abkühlen innerhalb der Warmarbeit keine zusätzlichen
Volumenänderungen infolge Modifikationswechsel. Es besteht also eine kubisch flächenzentrierte
Legierung, die keine Umwandlung erfährt. Besonders günstig ist dabei, daß auch das
Titankarbid ein kubisch flächenzentriertes Gitter besitzt, was auch bei 50% Anteil
eines anderen Karbides wie z.B. Cr3C2 oder VC erhalten bleibt.
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- Die gute Wärmeleitung des Co von 0,1666 cal/cm.sec.°C bleibt auch
bei Nickelzusatz erhalten. Dies ist von besonderer Bedeutung, weil die Wärmeleitung
der Karbide (TiC 0,041) und die des Graphits (0,05555) schlecht ist. Je besser aber
die Wärme abgeführt wird, desto weniger kommt es zu Brandrissen infolge Schlupf.
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Die Verarbeitung der Legierung erfolgt auf dem üblichen pulvermetallurgischen
Weg durch Mischen, Mahlen, Trocknen, Pressen und Sintern im Vakuum oder unter Schutzgas.
Das Heißverdichten der erfindungsgemäßen Legierung, entweder nach einer Vorsinterung
oder in einem Arbeitsgang und in einem Behälter, gestaltet die Herstellung noch
rationeller.
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Anwendungsbeispiele sind Werkzeuge und Verschleißteile, die in Wärme
bis zu Temperaturen von 1100 C eingesetzt werden und ev:l auch noch starken Temperaturschocks
ausgesetzt sind, und hohe Zunderbeständigkeit besitzen müssen, wie Prel3rverkzeuge,
Warmspritzmatrizen für Stähle, z. B. Ventile, Warmabgratwerkzeuge, Schmiedegesenke,
Matrizen und-Stempel zum Heißverdichten, Warmschlagwerkzeuge aller Art, Warmreduzierwerkzeuge,
z.B. in der Rohrfabrikation, Brennerdüsen für Flammen aller Art (Öl-Gasfeuerung),
Werkzeuge aller Art bei der Glasverarbeitung, Führungsringe und Walzringe in varmwalzwerken,
Ventile und strömungstechnisch in Wärme beanspruchte Teile in der Reaktortechnik,
unter anderem bei natriumgekühlten Reaktoren, Gleitleisten in Rotationsmaschinen.
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Spezielle Legierungen mit ihrer Zusammensetzung und ihren Eigenschaften
ergeben sich aus den folgenden Beispielen: Beispiel 1 Eine Legierung aus 5,08 Kohlenstoff
15,0% Titankarbid 13,0% Chrom Rest Nickel mit austenitischem, nicht magnetisierbaren
Gefüge hatte nach dem Pressen und Sintern gute Temperaturwechselbeständigkeit bis
10000 C und eine Härte von 50 bis 52 HRC.
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Beispiel 2 Eine Legierung aus 6, 7 % Kohlenstoff 24, 0 % Chrom 27,
5 % Titankarbid Rest Nickel erreichte im gesinterten Zustand eine Härte von 52 bis
55 HRC.
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Beispiel 3 Eine Legierung aus 7, 9 ?; Kohlenstoff 30, 3 % Chrom 35,
0 % Titankarbid Rest Nickel hatte im gleichen gesinterten Zustand eine Härte von
55 bis 60 HRC.
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Die außergewohnlich hohe Teeperatirwechselbeständigkeit der Nickell:asis-Legierung
gemäß der Erfindung (nach 10-maligem Abschrecken von 100°C in Wasser noch keine
Rißbildung) gestattet den Einsatz in Warmarbeitsxverkzeugen und Verschleißteilen
bis zu Temperaturen von 1100° C, auch bei großen Temperaturwechseln, zumal das stabile
austenitische nicht magnetisierbare Gefüge keine Gefüge- oder Modifikationsänderung
erfährt. Die hohe Zunderbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist durch die
Nickelmatrix gewährleistet. Ferner ist die niedrige Dichte und damit niedrigeres
Gesamtgewicht als Vorteil bei schnellaufenden Verschleißteilen, z. B. Walzrollen,
Walzringen u. ä. erwähnenswert. höchster \'erschleit3widerstand läßt sich durch
entsprechende Zugabe von Karbiden im Bereich von 4D bis 80 Rockwell C bei gleichzeitig
hoher Zähigkeit einstellen.
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Bei hohen Karbidgehalten, wo die Sintertemperatur steigt, z.B.
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Legierungen nach Beispiel 2 und 3, kann die Zugabe von Al und, oder
Cu
notwendig werden um die Sintertemperatur wieder zu erniedrigen.
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Dies ist besonders dann notwendig, wenn eine Kombination mit Legierungen
kleineren Narbidgeha tess wie beim Verbundpressen und -sintern, hergestellt u-erden
soll.
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Die Elemente Cu und Al bewirken aber auch eine Erhöhung der Wärmeleftung
der erfindungsgemäßen Legierung.
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Beispiel 4 Nach den üblichen pulvermetallurgischen Verfahren durch
Mischen. Naßmahlen, Trocknen und Vakuum-Sintern wurde eine Legierung folgender Zusammensetzung
hergestellt: 38,5% Titankarbid 14,5% Chrom 5,7% Kohlenstoff davon 3,596 als freier
Graphit Rest- Kobalt.
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Der gesinterte Körper erreichte bei einem Schwund von 15& eine
Dichte von 6,16 g/cm³ . Die Härte wurde mit 64 - 65 Rockwell C gemessen. Ein Schliffbild
ergab einen Volumenanteil an freiem Graphit von 288 in einer Korngrößenverteilung
von 1,5 bis 2 0 Zum Vorteile von Legierungen mit Kobaltbasisbinder sind gegenüber
bekannten Maßnahmen - geringer Reibungskoeffizient durch E-Co-Phase und dadurch
geringer Verschleiß des Reibpartners durch hohen Selbstschmiereffekt, - gute Wärmeleitung
durch Verwendung reinen Kobalts und von Mischkarbiden,
- hohe Temperaturschockbeständigkeit
auch in dem möglichen Erhitzungsbereich der Oberflächen durch Reibungswärme, - gute
Schleifbarkeit mit kunststoffgebundenen Diamantscheiben, - magnetisch spannbar,
da Kobalt das stabilste magnetische Element ist (Curie-Punkt 11200 C).
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Beispiel 5 38,5% Titankarbid 14,3% Chrom 5,7% Kohlenstoff, davon 3,5%
als freier Graphit Rest 50% Nickel und 50% Kobalt.
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Erzielte Dichte 6,07 g(cm³ mit einer Härte von 59-60 HRC.