DE3308409A1

DE3308409A1 - Verfahren zur herstellung einer hartstofflegierung

Info

Publication number: DE3308409A1
Application number: DE19833308409
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 8000 München Seilstorfer
Original assignee: Seilstorfer & Co Metallur GmbH
Current assignee: Seilstorfer & Co Metallur GmbH
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE3308409C2

Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hartstofflegierung die durch einen oder mehrere in einer Metallmatrix gebundene Hartstoffe gebildet ist, nach welchem ausgehend von einem den oder die Hartstoffe und die Metallmatrixkomponenten enthaltenden homogen gemischten Pulver ein Verbund der Pulverteilchen zu einem festen Werkstoff herbeigeführt wird.
Es ist seit langem, beispielsweise aus der DE-PS 20 60 605, bekannt, den Verbund der Pulverteilchen durch einen Sintervorgang, also eine drucklose Wärmebehandlung eines kalt vorgepreßten Pulvergemisches der gewünschten Zusammensetzung unter Bildung flüssiger Phase herbeizuführen. Die auf diese Weise gewonnenen Sinterhartmetallegierungen haben zwar eine erhebliche technische Bedeutung erlangt, ihre Herstellung leidet aber unter dem Umstand, daß die verwendeten Hartstoffe - Carbide, Nitride, Boride und Silizide der Ubergangsmetalle der 4a-, 5a- und 6a-Gruppe des Periodensystems - allesamt schlecht benetzbar sind, so daß für den Sintervorgang erhebliche Mengen an Flüssigphase der Matrixstoffe gebildet werden müssen, wobei der damit verbundene große Sinterschwund der Teile zu Rissen und Ausschuß führt. Der große Sinterschwund erlaubt auch nur die direkte Herstellung relativ einfacher geometrischer Teile, wie Blöcke, Stäbe und Stangen.
Außerdem wird auch bei ausgeprägter Flüssigphasensinterung wegen der mangelnden Benetzbarkeit der Hartstoffphase kein porenfreier Werkstoff erreicht. Hinzu kommt, daß der Sintervorgang aufgrund langsamer Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten extrem aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren anzugeben, welches die Vorteile pulvermetallurgisch hergestellter metallmatrixgebundener Hartstofflegierungen beibehält und gleichzeitig die erwähnten Nachteile des Sinterverfahrens vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Herbeiführung des Verbundes zwischen den Pulverteilchen das Pulver heißisostatisch gepreßt wird. Unter heißisostatischem Pressen wird hierbei der Vorgang verstanden, daß das mit möglichst hoher Schüttdichte (oder auch vorgepreßt) in eine nachfolgend evakuierte und gasdicht verschlossene sogenannte Kapsel (die bei der Prozeßtemperatur plastisch ist) eingebrachte Pulver unter gleichzeitiger Anwendung von Temperatur und Druck in einem Autoklaven auf nahezu theoretische Dichte verdichtet wird. Der im Autoklaven allseitig auf die Kapsel wirkende und zu einer ähnlichen Verkleinerung der Kapsel (unter Zunahme ihrer Wandstärke) führende Druck ist typischerweise von der Größenordnung 1000 bar, die Temperatur liegt im allgemeinen bei Werten, bei denen noch keine oder wenig flüssige Phase gebildet wird, da maßgeblich für die Verbindung der Pulverpartikel ein Diffusionsschweißvorgang ist, bei dem die Benetzbarkeit der Hartstoffphase von untergeordneter Bedeutung ist und auch die Sinteraktivität keine Rolle spielt.
Ein weiterer Vorteil der Heißisostattechnik besteht ferner darin, daß wegen der vorhandenen Kapsel eine Oxidation der Einzelkomponenten des Ansatzes während der Wärmebehandlung unterbunden ist.
Vorzugsweise wird als Ansatz für den heißisostatischen Preßvorgang ein entsprechend der Zusammensetzung der Metallmatrix vorlegiertes Pulver im Gemisch mit dem Hartstoffpulver verwendet. Bevorzugt wird dabei das vorlegierte Pulver der Metallmatrix in sphärischer Form verwendet. Es ist verglichen mit der Hartstoffphase relativ grobkörnig, so daß die artstoffteilchcii die Zwischenräume zwischen den Metallmatrixkügelchen einnehmen, was eine hohe Schüttdichte zur Folge hat, die erwünscht ist, weil sie der Herstellung von Genauteilen entgegenkommt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein entsprechend der Zusammensetzung der Metallmatrix vorlegiertes Pulver, dessen Teilchen mit der Hartstoffphase beschichtet sind, verwendet. Mögliche Beschichtungsverfahren sind hierbei zum Beispiel das Plasma-Spritzverfahren oder das CVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidung). Als vorlegiertes Pulver für die Metallmatrix wird wiederum vorzugsweise sphärisches Pulver verwendet.
Mit der Verwendung von mit der Hartstoffphase beschichtetem Matrixpulyer geht man dem Problem einer Entmischung von Metallmatrix- und Hartstoffpulver aus dem Weg. Die metallischen Hartstoffe, insbesondere das in hohem Maße verwendete Titancarbid, sind nämlich aus herstellungstechnologischen Gründen in aller Regel nicht als spärisches, sondern nur -als spratziges Pulver verfügbar. Aufgrund dieser unterschiedlichen Granulometrie zum Metallmatrixpulver entsteht dann in einem gewissen Maße die Gefahr einer Entmischung der beiden Pulversorten, die durch die Verwendung des beschichteten Pulvers vermieden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Metallmatrix ein härtbarer Stahl verwendet. Eine solche Hartstofflegierung kann im weichgeglühten Zustand ~bearbeitet und erst nachfolgend auf ihre Endhärte gebracht werden. Das Weichglühen wird hierbei vorzugsweise noch in der Kapsel vorgenommen, was ohne besondere zusätzliche Vorkehrungen einer Verzunderung des Werkstoffes entgegenwirkt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden nichtmetallische Hartstoffe, insbesondere Al-uminiumoxid,verwendet. Dieses ist billig verfügbar und seinem Einsatz bei Sinterhartmetallegierungen stand der Umstand mangelnder Benetzbarkeit durch die flüssige Phase entgegen, ein Punkt, der beim heißisostatischen Pressen keine Rolle spielt. Als weitere nichtmetallische Hartstoffe kommen Borcarbid, Siliziumcarbid, Bornitrid oder auch Diamant in Frage.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben: Aus einem unter Stickstoff verdüsten und damit sphärischen Pulver eines ledeburitischen Stahles mit 2,25 % C, 13 % Cr, 4 % V, 1 % Mo, Rest Fe werden Anteile kleiner 63 ßm ausgesiebt und mit TiC-Pulver, Korngröße 4 - 6 am, vermischt, wobei der Anteil des Hartstoffes 21,8 Gew.% (= 30 Vol.%) beträgt. Dieses Pulver besitzt eine Schüttdichte von 51% der theoretisch möglichen Dichte, die durch Vibrieren auf 75 % gesteigert wird. Das Pulver wird in eine Stahlkapsel einvibriert. Nach dem Evakuieren und Ausheizen bei 400°C, 1 h (Druck etwa 10 3 bis 10 4 mbar) wird die Stahlkapsel gasdicht verschlossen und in einem Autoklaven bei 12500 bis 13500C, 1000 bar, 3 h heißisostatisch gepreßt. Anschließend erfolgt eine Weichglühung bei 8800C mit Ofenabkühlung,.wobei diese Wärmebehandlung an Luft erfolgen kann, da die Kapsel als Zunderschutz wirkt. Die Stahlkapsel wird durch Drehen entfernt. Der so hergestellte Werkstoff besitzt eine Glühhärte von 45 HRC. Nach dem Härten mit Abschrecken von 10750C in einem Warmbad und zweimaligem Anlassen bei 5000C, je 2 h wird eine Härte von 68 bis 70 HRC erreicht. Der Werkstoff ist porenfrei und hat nahezu theoretische Dichte.
Als generell in Frage kommende Werte können angegeben werden für die Pulverkorngröße kleiner etwa 1000 im, für den Verdichtungsdruck etwa 300 - 2000 bar und für die Verdichtungstemperatur, je nach Matrix, etwa 800 - 15000C.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer HartstofElc(sioruncJ PATENTANSPRUCHE 1. verfahren zur Herstellung einer Hartstofflegierung, die durch einen oder mehrere in einer Metallmatrix gebundene Hartstoffe gebildet ist, nach welchem ausgehend von einem den oder die Hartstoffe und die Metallmatrixkomponenten enthaltenden homogen gemischten Pulver ein Verbund der Pulverteilchen zu einem festen Werkstoff herbeigeführt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Pulver heißisostatisch gepreßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein Pulver verwendet wird, welches die Komponenten der Metallmatrix im Verhältnis ihrer Anteile zusammen mit dem oder den Hartstoffen im Gemisch enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein entsprechend der Zusammensetzung der Metallmatrix vorlegiertes Pulver im Gemisch mit dem Hartstoffpulver verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein entsprechend der Zusammensetzung der Metallmatrix vorlegiertes Pulver, dessen Teilchen mit der Hartstoffphasebeschichtet sind, verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß sphärisches vorleoiertes Pulver verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Metallmatrix ein härtbarer Stahl verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein nichtmetallischer Hartstoff verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Aluminiumoxid als Hartstoff verwendet wird.
9. Hartstofflegierung, die durch einen- oder mehrere in einer Metallmatrix gebundene Hartstoffe gebildet ist, g e k e n n z e i c h n e t durch einen sich nach einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ergebenden Gefügeaufbau.