DE3438547A1

DE3438547A1 - Sinterverfahren

Info

Publication number: DE3438547A1
Application number: DE19843438547
Authority: DE
Inventors: Sylvia Dipl.-Ing. 7778 Markdorf Härdtle; Rainer Dipl.-Phys. Dr. Schmidberger
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1984-10-20
Filing date: 1984-10-20
Publication date: 1986-04-30
Also published as: JPS61104002A; DE3438547C2; DE3564391D1; ATE36481T1; US4698096A; EP0183017B1; EP0183017B2; EP0183017A1

Description

DORNIER SYSTEM GMBH α_%

7990 Friedrichshafen

Reg. S 494

Sinterverfahren

Die Erfindung betrifft ein Sinterverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim konventionellen Sintern mehrphasiger Wolframlegierungen werden die Metalle pulverförmig gemischt, gepresst und in der flüssigen Phase gesintert. Bei Wolframlegierungen geschieht dies bei Temperaturen grosser als 1450 C. Innerhalb der flüssigen Phase müssen mindestens drei Prozesse ablaufen:

1, Legierungsbildung

2, Umhüllung der Wolframkörner

3, Verdichten des Presslings

Die dafür erforderliche lange Verweilzeit in der flüssigen Phase führt zu starkem Kornwachstum, was die Festigkeit verringert.

Aus der DE OS 32 26 648 sind Wolframlegierungspulver bekannt, die bereits vorlegiert sind, d.h. die Wolframkörner

sind bereits von der Binderphase umhül.lt. Presslinge aus diesem Pulver werden durch Festphasensintern verdichtet. Die Sinterteile zeichnen sich durch ein polygonales Gefüge der Wolframphase aus. Das Gefüge ist wesentlich feiner als das konventioneller Wolframschwermetalle, die aus den Einzelpulvern (W, Ni, Fe) durch Mischen, Pressen und Sintern in flüssiger Phase hergestellt wurden. Das polygonale Gefüge weist jedoch eine hohe Durchgängigkeit der Wolframphase (Kontiguität) auf. Dies bedeutet, dass eine Vielzahl von Wolfram—Wolfram-Korngrenzen existiert, die die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Wolframschwermetalle verschlechtern können. Eine Verschlechterung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung ist insbesondere dann vorhanden, wenn interstitielle Verunreinigungen wie Sauerstoff, Phosphor, Schwefel und andere in Wolfram schwerlösliche Bestandteile in der Legierung enthalten sind. Sie scheiden sich auf den Wolfram-Korngrenzen aus und bewirken die für reines Wolfram charakteristische Korngrenzen-Versprödung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sinterverfahren anzugeben, mit dem ein Sinterkörper mit hohem Wolframanteil mit feinkörnigem Gefüge (kleiner 10 ,um der Wolframphase) zu schaffen, das eine geringe Kontiguität der Wolframphase aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst mit den in den Ansprüchen angegebenen Verfahrensschritten.

Die erfindungsgemässe Wärmebehandlung in der flüssigen Phase führt zu einer Abrundung der vorher polygonen Wolframkörner durch Anlösung in der schmelzflüssigen Binderphase, ohne dass gleichzeitig nennenswertes Kornwachstum

eine
auftritt. Dabei ergibt sich annähernd kugelige Gestalt der Wolframkörner, wodurch die schädliche Durchgängigkeit der Wolframphase verringert wird, da Kugeln untereinander weniger Berührungsfläche aufweisen als Polygone.

Damit ist die Verbindung der Vorteile des Festphasensinterns und des Flüssigphasensinterns möglich, ohne die Nachteile des sonst üblichen Flüssigphasensinterns - das Kornwachstum — in Kauf nehmen zu müssen. Feinkörnigkeit ist erforderlich wegen der daraus resultierenden Festigkeitssteigerung (Erhöhung der Streckgrenze nach Hall-Petch-Beziehung G^₅ ""^^tÖu wobei OL die mittlere Korngrösse angibt.

Kornwachstum tritt bei dem erfindungsgemässen Prozess praktisch nicht auf, da lediglich während sehr kurzer Zeit eine flüssige Phase auftritt. Während der Existenz der Flüssigphase erfolgt lediglich eine Abrundung der W-Körner aufgrund der hohen Grenzflächenspannung des Wolframs in

^: -r- -■ ^: 34385Λ7

Kontakt mit der flüssigen Binderphase.. Legierungsbildung und Verdichtung des porösen Pressgefüges sind bereits bei der Pulverherstellung bzw. während des Festphasensinterns erfolgt.

Die Dauer der Wärmebehandlung mit flüssiger Phase beträgt vorteilhaft 2 bis 10 min. Nach dieser Zeit sind die Wolframkörner weitgehend abgerundet. Da beim Auftreten der flüssigen Phase der Sinterkörper bereits dicht gesintert ist (Restporosität < 1 %) und eine relativ hohe Durchgängigkeit der Wolframphase vorliegt, wird die beim üblichen Flüssigphasensintern auftretende Entmischung von Wolfram·*- und Binderphase nicht erfolgen.

Die im Vergleich zum Flüssigphasensintern kurze Verweilzeit in flüssiger Phase ist ausreichend, um die gewünschte Gefügeumwandlung zu erzielen. Legierungsbildung und Verdichtung des porösen Teils sind im Gegensatz zum Flüssigphasensintern zum Zeitpunkt der Gefügeumwandlung bereits erfolgt.

Während des Festphasensinterns poröser Formteile aus verdichtetem Wolfram^Schwermetallpulver wird zweckmässigerweise mindestens ein Teil der Sinterung unter strömendem Wasserstoff durchgeführt, um den in den legierten Wolframpulvern enthaltenen Restsauerstoff zu entfernen. Dabei ist

wichtig, dass im noch offenporigen Zustand des Sinterteils eine weitgehende Entfernung des Sauerstoffs erfolgt. Im Anschluss an die Sinterung unter Wasserstoffatmosphäre sollte eine Vakuumglühung zur Entfernung des im Sinterteil gelösten Wasserstoffs erfolgen. Der gelöste Wasserstoff kann jedoch auch durch Glühung in Schutzgas (z.B. Argon) entfernt werden. Durch die Entfernung des Wasserstoffs werden die mechanischen Eigenschaften des Sinterteils verbessert.

Die Festphasensinterung kann auch teilweise im Vakuum durchgeführt werden. Falls sich daran keine weitere Sinterung unter Wasserstoffatmosphäre anschliesst, kann eine gesonderte Vakuumglüirung zur Entfernung des im Sinterteil gelösten Wasserstoffs entfallen.

Die Wärmebehandlung mit flüssiger Phase kann unmittelbar nach der Festphasensinterung oder erst nach erfolgter Vakuumglühung erfolgen. Die dabei vorliegende Atmosphäre kann sowohl Wasserstoff als auch Inertgas sein. Die Wärmebehandlung kann jedoch auch im Hochvakuum erfolgen.

Wichtig ist_f dass die Zeit, während der die flüssige Phase vorliegt, genau kontrolliert wird. Zu langes Verweilen in flüssiger Phase führt zu unerwünschtem Kornwachstum und muss daher vermieden werden. Es ist also erforderlich, Aufheizung und Abkühlung im Bereich der Flüssigphase möglichst rasch durchzuführen.

Falls die Wärmebehandlung in H₂-Atmosphäre durchgeführt wird, muss bei der Abkühlung eine Ausscheidung des gelösten Wasserstoffs im Bereich der Erstarrungstemperatur vermieden werden, da sie zu Porenbildung führen kann. Zu diesem Zweck sollte die Abkühlgeschwindigkeit in der Nähe der Erstarrungstemperatur nicht mehr als 3 K/min betragen.

Nach Durchlaufen des Erstarrungsbereichs führt eine weitere rasche Abkühlung (ca. 100 K/min) auf Temperaturen unterhalb von ca. 800° C ebenfalls zu einer weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Der Grund dafür ist vermutlich die Verhinderung von Korngrenzensegregation durch störende Verunreinigungen.

Unterhalb von 800° C verläuft der Segregationsprozess so langsam, dass eine normale Ofenabkühlung (ca. 20 K/min) ausreicht, um eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften zu verhindern.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird die Zähigkeit der Sinterteile erhöht. Die Bruchdehnung steigt durch die Gefügeumwandlung ohne wesentliche Abnahme der Festigkeit z.B. von 15 % auf 40 %.

Festigkeits— und Dehnungseigenschaften der gesinterten Teile lassen sich in weiten Grenzen durch die Einstellung

der Wolfram-Korngrösse über die Verweilzeit in flüssiger Phase bei der Gefügeumwandlung verändern.

Steigende Korngrösse durch langer andauernde Wärmebehandlung in flüssiger Phase führt zu abnehmender Festigkeit bei steigender Bruchdehnung.

Die-Wirkung des erfindungsgemässen Verfahrens wird anhand zweier Schliffbilder gezeigt.

Fig. 1 zeigt ein festphasengesintertes Werkstück, Fig. 2 zeigt ein Werkstück, das der erfindungsgemässen Behandlung unterzogen wurde.

Fig. 1 zeigt den metallographischen Schliff eines festphasengesinterten Wolfram-Schwermetalls mit 90 % Wolframanteil. Man erkennt die polygonale Struktur der Wolframkörner, die eine erhebliche Kontiguität der Wolframphase erzeugt.

Fig. 2 zeigt ein Schliffbild eines Wolfram-Schwermetalls nach Durchführung einer Wärmebehandlung mit flüssiger Phase. Die Wolframkörner sind unwesentlich grosser als im festphasengesinterten Zustand. Durch ihre Abrundung ergibt sich jedoch eine deutlich geringere Kontiguität.

Beispiel 1

Ein legiertes Wolframschwermetallpulver der Zusammensetzung 90 % W, 6 % Ni, 2 % Co, 2 % Fe wird mit einem Druck von 300 N/mm verdichtet. Der Pressling wird in strömendem Wasserstoff bei 1.300° C 5 Stunden lang gesintert und danach im Vakuum von 10^ mbar bei 1.050° C 6 Stunden lang entgast. Anschliessend wird das gesinterte Teil im Vakuum bei 1,470° C 5 Minuten wärmebehandelt und danach rasch ab-

gekühlt. Die Zugfestigkeit der Probe beträgt 1.150 N/mm bei einer Bruchdehnung von 30 %.

Beispiel 2

Ein Wolframschwermetallpulver wie in Beispiel 1 wird mit

einem Druck von 300 N/mm verdichtet. Der Pressling wird in strömendem Wasserstoff bei 900° C 10 Stunden lang vorgesintert und danach im Vakuum bei 1360° C 20 Stunden lang fertiggesintert. Anschliessend wird eine Wärmebehandlung des gesinterten Teils im Vakuum bei 1470° C 10 min durch-

geführt. Die Zugfestigkeit der Probe beträgt 1100 N/mm bei einer Bruchdehnung von 40 %.

15. Okt. 1984
Ka/Ht.

Claims

DORNIER SYSTEM GMBH
Friedrichshafen

Reg. S 494

Patentansprüche

3. Sinterverfahren für vorlegierte Wolframpulver mit hohem Wolframanteil, wobei ein poröses Formteil aus verdichtetem Pulver in fester Phase gesintert wird, dadurch gekennzeichnet _f dass sich eine kurze Wärmebehandlung mit flüssiger Phase anschliesst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Wärmebehandlung mit flüssiger Phase 2 bis 10 min beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in strömendem Wasserstoff gesintert wird und die Wärmebehandlung im Hochvakuum (^ 10 mbar) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mit flüssiger Phase begonnen wird, wenn der Pressling

durch die vorausgegangene Festphasensinterung auf weniger als 1 % Porosität kompaktiert ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Wärmebehandlung durch Halten auf Sintertemperatur im Hochvakuum bei einem Druck unterhalb von 10 mbar entgast wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende rasch abgekühlt wird,

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung aus 90 bis 97% W, Rest Ni:Fe:Co im Gewichtsverhältnis 3:1:1, 5 h. in strömendem Wasserstoff bei 1300° C gesintert, bei 1300° C im Hochvakuum (^r1O~ mbar) 0,5 h lang entgast, bei 1470° C im Hochvakuum für 5 min einer Wärmebehandlung unterzogen und schIiesslieh rasch auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mit flüssiger Phase so lange durchgeführt wird, bis alle W-Körner abgerundet sind.

15. Okt. 1984
Ka/Ht.