DE3219324A1 - Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung von formteilen hoher festigkeit und haerte aus si-mn- oder si-mn-c-legierten staehlen - Google Patents

Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung von formteilen hoher festigkeit und haerte aus si-mn- oder si-mn-c-legierten staehlen

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DE3219324A1 DE19823219324 DE3219324A DE3219324A1 DE 3219324 A1 DE3219324 A1 DE 3219324A1 DE 19823219324 DE19823219324 DE 19823219324 DE 3219324 A DE3219324 A DE 3219324A DE 3219324 A1 DE3219324 A1 DE 3219324A1
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Rainer 7521 Liedolsheim Oberacker
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Description

Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Formteilen hoher Festigkeit und Härte aus Silizium-Mangan- oder Silizium-Mangan-Kohlenstoff-legierten Stählen.
Da die Festigkeit von unlegiertem Sintereisen relativ niedrig ist (auch bei höchster Dichte werden nur rd. 300 MPa erreicht), müssen für höhere Festigkeitsanforderungen legierungstechnische Maßnahmen ergriffen werden.
Als Legierungselemente werden vorwiegend die Elemente Cu, Ni, Mo, P und C verwendet. Eine ganze Reihe von Legierungselementen, die in der Schmelzmetallurgie mit Erfolg eingesetzt werden, ist in der Pulvermetallurgie nur bedingt verwendbar. Es handelt sich dabei um die sauerstoffaffinen Legierungselemente, wie Cr, Mn, Si und Ti, von denen besonders Si und Mn wegen ihres günstigen Preises und ihrer langfristig gesicherten Verfügbarkeit interessant sind.
Si ist als stark verfestigend wirkender Mischkristallbildner bekannt. Auch in pulvermetallurgisch hergestellten Fe-Basis-Legierungen können mit Si beachtliche Festigkeitssteigerungen erzielt werden CHoffmann, G., Thümmler, F., Zapf, G.; Sintering, Homogenization and Properties of α-Phase Iron-Aluminium and Iron-Silicon Alloys; Powder Metallurgy, 3rd Europ.Powd. Met. Symp. 1971 Conf. Supplement, Pt 1, 335 - 36 13. Dem stehen jedoch zwei Nachteile
entgegen:Zum einen neigt Si aufgrund seiner hohen Sauerstoffaffinität in technischen Sinteratmosphären zur Oxidbildung. Dem läßt sich begegnen, indem als Legierungsträger eine Fe-Si-Vorlegierung verwendet wird (Verfahren zur Herstellung von Sinterwerkstoffen auf Eisenbasis; Deutsche Auslegeschrift 1 928 9 3ÖJ. Nach diesem Verfahren hergestellte Sinterstähle sind aber für Formteile nicht geeignet, da bei ihrer Sinterung eine starke Schwindung auftritt, die sich negativ auf die Maßhaltigkeit der Teile auswirkt. Es wurden Versuche unternommen, die Schwindung durch Zulegieren weiterer Elemente (Cu, Al) zu kompensieren. Dies gelingt jedoch nur teilweise und ist außerdem mit Einbußen bei den Festigkeitseigenschaften verbunden £siehe Hoffmann, G., Thümmler, F., Zapf, G.: Sintering, Homogenization and Properties of α- Phase Iron-Aluminium and Iron- Silicon AlloyS; Powder Metalurgy, 3rd Europ.Powd. Met. Symp. 1971 Conf. Supplement, Pt 1, Seite 128j.
Auch Mn hat als Legierungselement Eingang in die Pulvermetallurgie gefunden. Da es ebenfalls sehr sauerstoffaffin ist, sind auch hier besondere Schutzmaßnahmen erforderlich. Bekannt ist z.B. das Einbringen von Mn über karbidische Vorlegierungen [Verfahren zum Herstellen homogener manganlegierter Sinterstähle; Deutsche Patentschrift 24 56 781J. Diese Vorlegierungen sind bis in den Bereich der Sintertemperatur stabil, wodurch die Legierungselemente gegen Oxidation geschützt werden. Da Mn aber selbst kein starker Karbidbildner ist, müssen diese Vorlegierungen
zwangsläufig karbidbildende Elemente, wie z.B. Cr, Mo oder V enthalten. Diese Elemente sind sehr teuer, was die Legierungskosten stark erhöht. Die hohe Härte der Karbide bewirkt außerdem einen erhöhten Werkzeugverschleiß.
Die gemeinsame Verwendung von Si und Mn wird in der Literatur erwähnt. Die danach hergestellten Sinterstähle sollen jedoch "keine überraschenden Ergebnisse" aufweisen fFindeisen, G., Hewing, J.: Kupfer- und nickelhaltige SinterstähLe mit weiteren Legierungszusätzen; Industrie-Anzeiger Pd. 92(197θ\ Seiten 241 - 244 u. 431 - 434,hier: S. 4J4j.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur pulverraetallurgischen Herstellung von Formteilen hoher Festigkeit r.nd Härte sowie ausreichender Zähigkeit aus Sinterstählen zu schaffen, bei welchem ausschließlich leichterhältliche, Legierungselemente, deren Bezug Langfristig gesichert ist, verwendet werden. Die Formteile sollen durch die Erfindung während des Sinterprozesses maßhaltig hergestellt werden können,d.h. sie sollen durch Zusätze von Legierungselementen keinen Schwund und/oder keine Festigkeitseinbußen durch einen Schwund verhindernde Maßnahmen erleiden.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß man die Legierungselemente Silizium und Mangan oder Silizium, Mangan und Kohlenstoff über die Legierungsträger Ferrosilizium,
Ferromangan und Graphit in Pulverform einem Eisenpulver zumischt und das Pulvergemisch in an sich bekannter Weise verpreßt und bei einer Temperatur im Bereich von Π50 C bis 1250 C unter Schutzgas-Atmosphäre sintert und abkühlt. Vorteilhafterweise wird ein Ferrosilizium mit 15 Gew.-% Si und/oder ein Ferromangan mit 8O bis 84 Gew.-% Mn verwendet. Die Zumischung der Legierungsträger erfolgt in solchen Mengen, daß sie den Massenanteilen im Pulvergemisch von 0,3 bis 3 Gew.-% Si;
von 0,3 bis 4 Gew.-% Mn;
von 0 bis 0,5 Gew.-I C
entsprechen. In einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gesinterten Formteile einer zusätzlichen Wärmebehandlung, bestehend aus Härten und Anlassen, unterzogen.
Bei ausreichend hohen Abkühigeschwindigkeiten werden hohe Festigkeit und Härte bereits mit der Einfach-Sintertechnik erzielt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bewirkt, daß
- Sinterung und Homogenisierung nicht durch Oxidation der Legierungselemente beeinträchtigt werden.
- Eine homogene Verteilung der Legierungselemente bei technisch relevanten Temperatur/Zeit-Bedingungen für die Sinterung erreicht wird.
- Die Legierungselemente wirksam zur Erhöhung der Festigkeit führen.
- Die gefertigten Teile während der Sinterung eine möglichst geringe Maßänderung erfahren.
• Während der Homogenisierung tritt bereits bei Tempera-
■ ·
türen um ca. 1OOO°C temporär flüssige Phase auf, weshalb evtl. auf den Legierungsteilchen vorhandene Oxidschichten nicht zur Diffusionsbarriere werden können
und außerdem eine schnelle Verteilung der Legierungselemente erfolgt. Der Zusatz von Mn und C bewirkt
eine Kompensation der durch Si bisher hervorgerufenen Schwindung, so daß sich insgesamt relativ
geringe Maßänderungen oder Maßstabilität ergibt.
Si und Mn wirken als Mischkristallhärter. Mn hemmt
außerdem sehr stark die Umwandlungsneigung und Si
beeinflußt die C-Diffusion, so daß die Kombination
der Legierungselemente Si-Mn-(C) zu hohen Festigkeits- | werten führt. Ein Vergütungsgefüge mit einer Härte S
von bis zu 300 HV2O läßt sich bereits bei einer S
Ofenabkühlung mit einer mittleren Abkühlgeschwindig- |
keit von 3O K/min aus der Sinterhitze, also ohne |
zusätzliche Wärmebehandlung, erzielen. Bei genügend §
langsamer Abkühlung kann ein Härtungseffekt aber |
unterdrückt werden, so daß eine Kalibrierung der ί
Teile durchaus möglich ist. Das Potential der einge- j setzten Legierungselemente kann dann durch eine zu- I
sätzliche Wärmebehandlung nutzbar gemacht werden. f
Als Vorteile ergeben sich:
- Niedrige Legierungskosten gegenüber herkömmlich |
legierten Sinterstählen und hohe Zugfestigkeiten |
(y 600MPa). Nur wenige der bekannten relativ hoch 3
legierten Zusammensetzungen erreichen Zugfestig- |
keiten von 700 MPa mit Einfachsintertechnik ohne "\
zusätzliche Wärmebehandlung (z.B. Sinterstahl mit |
4,5 % Cu, 5 % Ni : R = 6OO MPa). |
- die mechanischen Eigenschaften sind in einem Temperaturbereich von 1150 - 125O°C relativ unempfindlich gegenüber der Sintertemperatur. Dies ermöglicht z.B. eine exakte Abgleichung der Maßänderung durch Wahl einer geeigneten Sintertemperatur, ohne starke Änderung des mechanischen Verhaltens.
- Die Anwesenheit von Si und Mn bewirkt eine so starke Härtbarkeitszunähme, daß bereits bei Abkühlung aus der Sinterhitze ein Vergütungsgefüge entsteht, wodurch sich eine weitere Wärmebehandlung erübrigt. Solche Sinterstähle wurden bisher unter Verwendung der teuren Legierungselemente Ni und Mo hergestellt.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einiger Durchführungsbeispiele in Verbindung mit den nachfolgenden Figuren 1 bis 6 näher erläutert.
Beispiel 1:
Unterschiedliche Mengen von Si, Mn und C wurden über die genannten Legierungsträger einem üblichen Eisenpulver zugegeben und zusammen mit einem preßerleichternden Zusatz vermischt. Das Pulvergemisch wurde mit einem Preßdruck von 6OO MPa zu Prüfstäben verpreßt, die 60 min bei einer Temperatur von 1180 C in Wasserstoff-Atmosphäre gesintert wurden. Die mechanischen Eigenschaften einiger
-AO-
ausgewählter Zusammensetzungen sind in den Figuren
I und 2 dargestellt (R = Zugfestigkeit in MPa, R= Dehngrenze in MPa). Optimale Eigenschaftskombinationen werden mit Massenanteilen von 1 bis 2 Gew.-% Si, 2 bis 3 Gew.-% Mn, 0,2 bis O,3 Gew.-% C erreicht. Die durch das Sintern hervorgerufene Längenänderung der Prüfstäbe ist aus Figur ersichtlich. Erst bei einem. Verhältnis von Si/Mn>2 steigt die Schwindung stark an.
Mit den gleichen Si- und Mn-Gehalten werden ohne Kohlenstoff Zugfestigkeiten von 350 bis 6OO MPa, Härten von 100 bis 2 10 HV2O, bei Bruchdehnungen von
II bis 2 % erreicht. Auch diese Legierungen sind in gewissen Bereichen (z.B. 2 % Si, 2 bis 4 % Mn) bei den angegebenen Herstellungsbedingungen maßstabil.
Beispiel 2:
Bei einer Zusammensetzung mit optimaler Eigenschaftskombination wurde die Sintertemperatur, bei sonst gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1, variiert. Mechanische Eigenschaften und Maßänderung sind in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Festigkeit und Dehngrenze sind im untersuchten Bereich nahezu unabhängig von der Sintertemperatur, auch Härte und Bruchdehnung reagieren nicht empfindlich. Mit steigender Sintertemperatur geht die anfangs auftretende leichte Schwellung zurück, bis sogar leichte Schwindung auftritt. Dies eröffnet die Möglichkeit
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321932Λ
das Maßverhalten über die Sintertemperatur einzustellen, ohne die mechanischen Eigenschaften wesentlich zu ändern (R = Zugfestigkeit in MPa; R= Dehngrenze in MPa; A = Bruchdehnung in %).
Beispiel 3:
Bei Teilen, die kalibriert werden müssen, ist eine sehr langsam geführte Abkühlung aus der Sinterhitze erforderlich. Festigkeit und Härte erreichen dann nicht die in Beispiel 1 und 2 ausgewiesenen Werte. Die eingesetzten Legierungselemente ermöglichen jedoch eine Wärmebehandlung.
Die in Beispiel 2 verwendete Legierung wurde bei 12000C 6O min in Wasserstoff gesintert und anschließend vergütet. Vergütungsbehandlung: Austenitisiert bei 10OO C, 60 min in Argon, abgeschreckt in Öl, angelassen 60 min in Argon bei den angegebenen Temperaturen (siehe Figur 6). Optimale Festigkeits- und Härtewerte werden bei Anlaßtemperaturen von 200 bis 3OO C erreicht, die Bruchdehnung ist noch meßbar (> 1 %).
- 11 -
Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Karlsruhe, 17.O5.1982 PLA 8228 Gl/hr
ANR 1 0O2 59 7
Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Formteilen hoher Festigkeit und Härte aus Si-Mn-oder Si-Mn-C-legierten Stählen.

Claims (5)

Kernforschungszentrum Karlsruhe, 17.O5.19 Karlsruhe GmbH PLA 8228 Gl/hr ANR 1 OO2 597 Patentansprüche:
1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Formteilen hoher Festigkeit und Härte aus Silizium-Mangan- oder Silizium-Mangan-Kohlenstoff-legierten Stählen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungselemente Silizium und Mangan oder Silizium, Mangan und Kohlenstoff über die Legierungsträger Ferrosilizium, Ferromangan und Graphit in Pulverform einem Eisenpulver zumischt und das Pulvergemisch in an sich bekannter Weise verpreßt und bei einer Temperatur im Bereich von 115O°C bis 12 50° C unt
phäre sintert und abkühlt.
von 115O°C bis 12 50° C unter Schutzgas-Atmos-
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ferrosilizium mit 15 Gew.-% Si verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ferromangan mit 80 bis 84 Gew.-% Mn verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumischung der Legierungsträger in solchen Mengen erfolgt, daß sie den Massenanteilen im
Pulvergemisch
von O,3 bis 3 Gew.-% Si; von 0,3 bis 4 Gew.-% Mn;
von O bis 0,5 Gew.-% C entsprechen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterten Formteile einer zusätzlichen Wärmebehandlung, bestehend aus Härten und Anlassen, unterzogen werden.
DE19823219324 1982-05-22 1982-05-22 Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung von formteilen hoher festigkeit und haerte aus si-mn- oder si-mn-c-legierten staehlen Withdrawn DE3219324A1 (de)

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