DE3138669A1

DE3138669A1 - Verfahren zum herstellen geformter gegenstaende

Info

Publication number: DE3138669A1
Application number: DE19813138669
Authority: DE
Inventors: Per 81060 Söderfors Hellmann
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1981-09-29
Publication date: 1982-06-09
Also published as: IT1138676B; SE8105681L; JPS5789403A; GB2084612A; FR2490975A1; AT376919B; FR2490975B1; ATA418681A; GB2084612B; IT8124224A0

Description

Patentanwälte * Case P

Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Müller Gq/lhr

DipL-Chem. Dr. Gerhard Schupfner DipL-Ing. Hans-Peter Gauger Lucil?-Gra:;n-Str. 38 - D 80GO München 80

üddeholms Aktiebolag

683 05 Hagfors (Schweden)

Verfahren zum Herstellen geformter Gegenstände

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen geformter Gegenstände, insbesondere von Gegenständen mit einem unregelmäßigen Querschnitt, bei dem ein Metallpulver einer isostatischen heißen Verdichtung unterworfen wird.

Wenn sehr kleine Körner direkt aus geschmolzenem Metall, wie geschmolzenem Stahl, hergestellt werden, dann kann dabei jedes Korn als ein winzig kleiner Gußblock betrachtet werden. Da die Tropfen, welche die einzelnen Körner bilden, äußerst rasch gekühlt werden, werden in den Körnern Absonderungen vermieden, so daß die Körner eine sehr homogene Zusammensetzung erhalten. Diese Bedingungen sind allgemein bekannt und werden für die Herstellung von hochwertigen Stählen genutzt, die für solche Absonderungen empfänglich sind, wie beispielsweise Hochleistungs-Stähle. Gemäß einem bekannten Verfahren, das unter dem Warennamen "ASP" durchgeführt wird, wird ein Stahlpulver dieses Typs durch eine Zerstückelung einer Stahls eines geschmolzenen Metalls in einer inerten Gasatmosphäre hergestellt. Das Pulver, das die Form winzig kleiner Kugeln aufweist, die während der Herstellung durch die inerte Atmosphäre vor eine Oxydation geschützt wurden, wobei die kugelförmige Formgebung auch ein kleines Verhältnis der Oberfläche zum Volumen ergibt, wird in eine dünnwandige Kapsel eingefüllt. Die Kapsel wird dann geschlossen und evakuiert, worauf die Kapsel und ihr Inhalt erhitzt und der isostatisehenVerdichtung bis zum Erreichen der vollen Dichte unterworfen werden. Der erhaltene Knüppel wird dann geschmiedet und danach in herkömmlicher Weise gewalzt. Durch dieses Verfahren wird ein Ausgangsmaterial für die Herstellung hochqualifizierter Werkzeuge mit sehr guten Eigenschaften und einer verlängerten Benutzungsmöglichkeit erhalten.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, auf pulvermetallurgischem Weg Werkzeuge mit der Formgebung der letztlich fer-

tigen Werkzeuge herzustellen. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem vorstehend kurz beschriebenen Verfahren, das eine herkömmliche Bearbeitung, plastische Verformung und Spanabnahme erfordert, liegt darin, daß auf mehrere Arbeitsschritte verzichtet werden kann, so daß die Herstellung mit kleineren Kosten verbunden ist. Nach einem neueren Vorschlag ist vorgesehen, einen gesinterten Pulverkörper herzustellen, in welchen ein Infiltrationsmaterial zum Infiltrieren gebracht wird. Diese Technik kann jedoch nur für Produkte mit mäßigen Anforderungen an die Härte und an die Verschleißfestigkeit angewandt werden. Für Werkzeuge aus einem Hochleistungsstahl wird beispielsweise verlangt, daß sie einen homogenen Körper aus dem Hochleistungsstahl· aufweisen. Die Herstellung erfordert daher in diesen Fällen eine heiße isostatische Verdichtung. Nach einem insoweit bekannten Verfahren, das in gewissem Ausmaß erfolgreich war, wurde ein Pulver durch eine Wasseratomisation hergestellt. Das Puiver wurde danach auf eine Glühtemperatur erhitzt, um die Oxyde zu entfernen und auch die Härte zu verkleinern. Danach kann das Pulver zu der gewünschten Form kaltgepreßt werden und schließlich bis zum Erreichen nahezu der vollen Dichte bei einer so hohen Temperatur gesintert werden, daß die Struktur des Materials beeinflußt wird. Dieses Verfahren kann für die Herstellung von Teilen geeignet sein, die einem Verschleiß unterworfen sind, und auch für andere, eher einfache Werkzeuge, jedoch nicht für Hochleistungsstahl-Werkzeuge u.dgl., an welehe hohe Anforderungen bezüglich der ' und des Vergleichswiderstandes gestell werden.

Bei der Herstellung hochqualifizierter Produkte, wie Werkzeuge aus einem Hochleistungsstahl·, aus einem Meta^pu^er, scheint es eine Vorbedingungen zu sein, daß das Ausgangsmaterial· ein Pulver mit einem sehr kleinen Sauerstoffgehalt ist. Ein Pulver, das diese Forderung zu erfüMen vermag, ist das kugeiförmige Puiver, das bei dem vorerwähnten, unter dem Warenzeichen "ASP" geführten Verfahren benutzt wird. Hier-

bei besteht jedoch der Nachteil, daß dieses kugelförmige Pulver nicht durch ein kaltes isostatisches Pressen zu einem grünen Körper verpreßt werden kann. Es ist daher vorgeschlagen worden, daß Pulver in Kapseln verschiedener Arten anzuordnen, wie beispielsweise in zugeschnittenen Plattenbehältern, Glasbehältern u.dgl. Alle diese Verfahren erfordern jedoch Verfahrensschritte, welche die Gesamtkosten erhöhen, was vielleicht der Hauptgrund dafür ist, warum die pulvermetallurgische Herstellung von hochqualifizierten Werkzeugen bis heute noch zu keinem Durchbruch gekommen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die pulvermetallurgische Herstellung von hochqualifizierten Werkzeugen und anderen Gegenständen bereitzustellen, bei dem die fertige Formgebung oder eine Formgebung, die wenigstens etwa der gewünschten fertigen Formgebung des Artikels oder Gegenstandes entspricht, erreicht wird. Insbesondere besteht die Aufgabe, die vorstehend angesprochenen Probleme zu beherrschen.

Nach der Erfindung wird als ein Ausgangsmaterial ein Pulver verwendet, bei dem die einzelnen Körner im wesentlichen eine Kugelform haben. Ein geeignetes Pulver ist ein mittels eines Gases atomisiertes Pulver mit einem kleinen Sauerstoffgehalt, obwohl prinzipiell auch ein mit Wasser atomisiertes Pulver in Betracht kommen kann, vorausgesetzt, daß das Pulver vor seiner fortgesetzten Behandlung deoxydiert wird. Mit Vorteil kann man beispielsweise das Verfahren benutzen, das bei dem unter dem Warenzeichen "ASP" geführten Verfahren angewandt wird. Gemäß diesem Verfahren wird Stickstoff oder Argon als ein Atomisationsgas benutzt. Dasselbe Gas ist auch in dem Kühltrum enthalten, in welchem die Tropfen verfestigen, wodurch die Schmelze, die aus der Schmelze geformten Tropfen und das verfestigte Pulver vor einem Oxydieren geschützt werden. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der US-PS 3 813 196 beschrieben. Auf diese Weise wird das Ausgangsma-

terial für die vorliegende Erfindung vorteilhaft erhalten, wobei das Pulver aus kugelförmigen Teilchen mit einem mittleren Durchmesser zwischen 100 und 200 μϊη besteht. Der Sauerstoffgehalt beträgt weniger als 100 ppm und liegt normal in der Größenordnung von 50 ppm.

Das so hergestellte kugelförmige Pulver wird dann nach der Erfindung zu kleinen Teilchen mit einer unregelmäßigen Form zerdrückt. Das Zerdrücken kann auf mehrere Arten durchgeführt werden. So kann das Pulver beispielsweise durch das Verfahren der "kalten Strömung" desintegriert werden, wobei gemäß diesem bekannten Verfahren das Pulver durch flüssigen Stickstoff gekühlt wird, so daß es extrem spröde wird. Mittels des gekühlten Gases wird das Pulver gegen eine gekühlte Wand geblasen, so daß es durch die Schlageinwirkung zerstückelt wird. Ein Nachteil dieser Technik besteht jedoch darin, daß sie sehr viel Energie verbraucht. Das Pulver wird daher vorzugsweise durch ein Naßmahlen ohne den Zutritt von Luft desintegriert. Als Mahlflüssigkeit kann dabei Dichlormethan (CH₉Cl₀)y Äthanol (C₀H OH) oder eine andere nicht-oxydierende Flüssigkeit mit einem hohen Dampfdruck benutzt werden, so daß die Flüssigkeit nach dem Mahlen leicht entfernt werden kann. Diehlormethan hat einen Siedepunkt von 41⁰C.

In Abhängigkeit von dem für die Zerstückelung benutzten Verfahren wird das desintegrierte Pulver getrocknet, um die . Mahlflüssigkeit zu entfernen. Das Trocknen kann zu einem Zusammenballen des Pulvers zu ziemlich harten Klumpen führen. Das getrocknete Material wird daher in seinem getrockneten Zustand über eine kurze Zeit gemahlen, um diese Klumpen aufzubrechen und das Pulver in denselben Zustand zu versetzen, den es vor dem Trocknen hatte. Für diesen Mahlvorgang kann derselbe Typ einer Mühle benutzt werden wie für das Naßmahlen.

Nach dem Zerstückeln, dem Trocknen und der Nachbehandlung wird das Pulver weißgeglüht. Dieses Weißglühen wird zu dem

Zweck durchgeführt, die Teilchen plastisch deformierbar zu machen, so daß ein grüner Körper mit einer ausreichenden Festigkeit durch das folgende Kaltverpressen erhalten werden kann. Das Weißglühen wird ohne die Anwesenheit nines oxydierenden Gases durchgeführt, beispielsweise in einer reduzierenden Atmosphäre, in einer in bezug auf das Metallpulver chemisch inerten Atmosphäre, wie beispielsweise in Stickstoff oder Argon, oder vorzugsweise im Vakuum. Um eine sehr wesentliche Verringerung der Härte zu erhalten, kann das Pulver auf die Austenit bildende Temperatur erhitzt werden, die bei Hochleistungsstahl etwa 850⁰C beträgt, worauf dann die Temperatur an der Perlit-Nase vorbei auf weniger als die AC₁-Temperatur abgesenkt wird, bei welcher dann das Material über 10 bis 20 Stunden gehalten wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens des Weißglühens des Pulvers besteht jedoch darin, daß das sehr feinkörnige Pulver bei der höheren Temperatur leicht zu sehr harten Aggregaten zusammenballt. Es ist daher vorgeschlagen, daß auf diese Austenit-Behandlung verzichtet wird, obwohl damit keine so hohe, für den Zweck jedoch ausreichende Härteverringerung erreichbar ist. Stattdessen wird das Pulver von der Umgebungstemperatur direkt auf eine Temperatur unmittelbar unterhalb der AC₁-Temperatur erhitzt, so daß das Pulver in dem ferritischen Zustand weißgeglüht wird und folglich ein Metallpulver erhalten wird, das im Falle von Hochleistungsstahl eine Struktur aufweist, die im wesentlichen aus übertemperten Martensit besteht. Eine geeignete Haltezeit beläuft sich auf 10 bis 20 Stunden.

Das weißgeglühte Pulver wird danach in eine kompressible Gieß- oder. Preßform eingefüllt, die nach einem Modell geformt worden ist. Prinzipiell können für die Gieß- oder Preßform verschiedene Materialien in Betracht kommen, wie beispielsweise Metall, Kunststoff usw. Vorzugsweise besteht die Gießoder Preßform jedoch aus Gummi. Eine solche Gieß- oder Preßform kann in herkömmlicher Weise hergestellt werden mittels

des sogenannten Schalengusses von Gummi an einem Modell, worauf die Gieß- oder Preßform abgenommen wird. Bevor das Pulver in die Gieß- oder Preßform eingefüllt wird, kann ein Schmiermittel oder ein Bindemittel, wie beispielsweise Zink-Stearat, in die Form gebracht werden. Ein Nachteil eines solchen Mittels, wie beispielsweise Zink-Stearat, besteht jedoch darin, daß der Kohlenstoff in dem Stahlpulver das Zink reduzieren kann, so daß es in die Pulverlegierung integriert wird. Als Alternative kann daher an organische' Bindemittel gedacht werden, die in dem Pulver Verbleiben, bis die Sintertemperatur erreicht ist, bei welcher sie dann verdampfen. Versuche haben jedoch gezeigt, daß durch die Kombination des Zerdrückens des Pulvers mit dem Weißglühen eine gute selbstbindende Eigenschaft des Pulvers erhalten wird, so daß die Hinzufügung von zusätzlichen Bindern vor dem Kaltverpressen überhaupt nicht erforderlich ist. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist deshalb darin gekennzeichnet, daß das Pulver ohne die Hinzufügung eines zusätzlichen Bindemittels kaltverpreßt wird.

Vor dem Kaltverpressen wird das Gas aus der Form evakuiert, und die Form wird nach abgedichtet. Das Kaltverpressen wird daher in einer Art und Weise durchgeführt, die für sich bekannt ist und bei der eine Wasseremulsion auf einem Druck von mehr als 1000 bar, vorzugsweise von mehr als 4000 bar gehalten wird. Das Kaltverpressen wird insbesondere als ein kaltes isostatisches Verpressen durchgeführt, bei dem der Preßvorgang bei einer Temperatur stattfindet, die kleiner als die Sintertemperatur des Metallpulvers ist. Normalerweise wird das Kaltverpressen bei Raumtemperatur durchgeführt, jedoch ist es prinzipiell möglich, diesen Vorgang auch bei einer höheren Temperatur durchzuführen, vorausgesetzt, daß die höhere Temperatur kleiner ist als die Sintertemperatur. Dies kann in einigen Fällen vorteilhaft sein. So kann es damit beispielsweise möglich sein, aus Kunststoff bestehende Gieß- oder Preßformen zu benutzen, die steif sind und bei Raumtemperatur eine schlechte Flexibi-

- xf Ai

lität haben, die aber bei einer höheren Temperatur flexibler sind und daher dann auch kompressibler.

Wenn die kalte isostatische Verdichtung beendet ist, wird die Gieß- oder Preßform von dem grünen Körper abgenommen. Wenn die Form aus Gummi besteht, so wird sie von dem grünen Körper abgestülpt und kann wieder verwendet werden- Der freigelegte grüne Körper wird dann gesintert. Wenn der grüne Körper ein Schmiermittel oder ein Bindemittel enthält, wird dieses zuerst entfernt. Das Sintern wird ohne den Zutritt eines oxydierenden Gases durchgeführt. Vorzugsweise wird das Sintern im Vakuum durchgeführt. Die Temperatur und die Sinterzeit sind an die Zusammensetzung der jeweiligen Legierung angepaßt sowie weiterhin auch an die Korngröße des Pulvers und die Abmessungen des grünen Körpers, so daß ein gesinterter Körper erhalten wird, der geschlossene, nicht-zusammenhängende Poren aufweist, ohne daß dadurch die Struktur des Materials grob wird. Die Sintertemperatur sollte im allgemeinen wenig niedriger liegen als die Solidus-Temperatur des Materials, so daß bei einem Hochleistungsstahl eine Temperatur zwischen 1100 und 1300⁰C eingehalten wird. Die Haltezeit beläuft sich normal auf 1 bis 24 Stunden. Ein Vorteil der Erfindung ist der, daß die Haltezeit deshalb verhältnismäßig kurz eingestellt werden kann, daß ein genügender Sintereffekt wegen der sehr hohen Anzahl an Kontaktflächen die Volumeneinheit sehr rasch erreicht wird Es kann daher ein beträchtliches Karbidwachstum vermieden werden.

Der gesinterte Körper wird dann schließlich einer heißen isostatischen Verdichtung unterworfen, bis er hundertprozentig dicht ist. Die Verdichtung wird dabei in herkömmlicher Art und Weise durchgeführt unter einem sehr hohen Druck, der in bestehenden Druckbehältern bei Verwendung von Argon als Druckmedium in der Größenordnung 1000 bar liegen kann. Die Temperatur beträgt normal 1000 bis 1200⁰C,

und die Haltezeit ist etwa eine Stunde. Der gesinterte Körper kann vor dem heißen isostatischen Verpressen auch vorgewärmt werden.

Nach den erfindungsgemäßen Grundzügen können auch Mischmaterialien hergestellt werden, wobei dann das Pulver an einem aus einem festen Material bestehenden Kern vorgesehen werden kann. Als Alternative ist es auch möglich, Pulver verschiedenen Typs, die nahe beinander liegen, zu benutzen,
und folglich diese verschiedenen Pulver in einem Artikel zu vereinigen. Di ο verschiedenen Teile dieses Artikels können daher verschiedene chemische Zusammensetzungen und verschiedene Merkmale aufweisen.

Ausführungsbeispiel

Als Ausgangsmaterial wird ein mit einem Gas atomisiertes Pulver eines Hochleistungsstahls benutzt, dessen kugelförmige Teilchen eine mittlere Korngröße von etwa 150 μπι und einen Sauerstoffgehalt von etwa 50 ppm haben. Der Hochleistungsstahl kann beispielsweise ein unter dem Handelsnamen "UHB" oder unter dem Handelsnamen "ASP"23" erhältlicher Stahl sein, der die nominelle Zusammensetzung 1,27 C, 4,2 Cr, 5,0 Mo,
6,4 W, 3,1 V, Rest Eisen und Verunreinigungen (W-No 3344;
AISI M3:2) hat. Das Pulver wird dann mittels Dichlormethan (CH-CLp) naßgemahlen, wobei eine Mühle geeigneten Typs benutzt wird und die Mahlzeit 100 Stunden beträgt. Während
Labortests wurde eine kleine Rohrmühle mit Erfolg benutzt. Das gemahlene Produkt wird dann im Vakuum getrocknet, um
die Mahlflüssigkeit auszutreiben. Durch dieses Trocknen
wird ein Agglomerat in der Form von Klumpen erhalten, die
über eine kurze Zeit von etwa 5 Minuten in derselben Mühle gemahlen werden, um wieder das feine Pulver zu erhalten.
Das Pulver wird dann bei 780⁰C über 20 Stunden im Vakuum
weißgeglüht. Auch dabei kann wieder eine Anballung des Materials auftreten, so daß es beispielsweise durch ein Zerreißen desintegriert werden muß. Bei den durchgeführten
Labortests wurden die Pulverklumpen mit der Hand ohne ir-

vt

gendwelche plastische Verformung in einem Mörser zerrissen. Das Pulver wird danch in eine Gummiform eingefüllt, die nach dem Modell geformt ist. Das Gas wird aus der Form evakuiert, und die Form wird danach abgedichtet und mit ihrem Inhalt bei 4000 bar über 10 Minuten unter vollem Druck kaltverdichtet, wobei die gesamte Verdichtung eine Stunde dauert. Die Gummiform wird dann abgestülpt und der grüne Körper im Vakuum bei 119O⁰C über eine Stunde gesintert. Der gesinterte Körper wird auf die Umgebungstemperatur gekühlt und dann auf 1150⁰C vorgewärmt, um dann anschließend bei 1000 bar und 1115O⁰C über eine Stunde isostatisch heißverdichtet zu werden. Als Ergebnis wird ein Körper erhalten, der frei von Poren, großen Schlackeneinschlüssen und großen Karbiden ist.

Claims

3133669 Case P 455 Gg/Ihr Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen geformter Gegenstände, insbesondere von Gegenständen mit einem unregelmäßigen Querschnitt, bei dem ein Metallpulver einer isostatischen heißen Verdichtung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet ,

a) daß als Ausgangsmaterial ein Pulver verwendet wird, dessen Körner im wesentlichen eine Kugelform haben,

b) daß das im wesentlichen kugelförmige Pulver in kleine Teilchen mit unregelmäßiger Formgebung zerdrückt wird,

c) daß aus dem zerkleinerten Pulver ein grüner Körper geformt wird,

d) daß der grüne Körper so gesintert wird, daß geschlossene, nicht-zusammenhängende Poren gebildet werden, und

e) daß der gesinterte Körper der isostatischen heißen Verdichtung bis zum Erreichen der vollen Dichte unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Ausgangsmaterial ein mit einem Gas atomisiertes Pulver mit einein kleinen Sauerstoffgehalt verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das im wesentlichen kugelförmige Pulver in eine unregelmäßige, winzig kleine Form im wesentlichen ohne Adoption von Sauerstoff zerdrückt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1- bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß dem zerdrückten Pulver ein Schmiermittel, wie Zink-Stearat, vor der Formung des grünen Körpers beigemischt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Pulver noch bevor es mit dem grünen Körper geformt wird, in einem Gehäuse, wie einer aus Gummi bestehenden Gieß- oder Preßform, angeordnet wird, das innen die gewünschte Form des herzustellenden Gegenstandes aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das zerkleinerte Pulver vorzugsweise durch ein kaltes isostatisches Verpressen zu einem grünen Körper verpreßt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der grüne Körper in wenigstens zwei Schritten gesintert wird, wobei während eines anfänglichen Schrittes das gesamte Schmiermittel ausgetrieben und während eines nachfolgenden Schrittes ein Sintereffekt erhalten wird, durch welche die geschlossenen, nicht-zusammenhängenden Poren ohne eine Vergröberung der Struktur des Materials gebildet werden.

3138663

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Pulver aus einem Hochleistungs-Stahlpulver besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das zerkleinerte Pulver vor der kalten isostatischen Verdichtung weißgeglüht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die kalte isostatische Verdichtung des zerkleinerten und weißgeglühten Pulvers ohne ein Extra-Bindemittel durchgeführt wird.