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Diese Erfindung bezieht sich auf einen verschleißfesten Eisenlegierungs-Gegenstand,
der durch Sintern eines kompakten Mittels aus Eisenpulver, welches Kohlenstoff- und
Borzusätze aufweist, gebildet wird.
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Die Herstellung eines Eisengegenstandes durch Kompaktieren eines Eisenpulvers
und durch Sintern des kompaktierten Pulvers, um das Eisen zu einer fest
zusammenhängenden Struktur durch Diffusion zu verbinden, ist bekannt. Das kompakte
Mittel enthält Zusätze, um Eigenschaften in dem Produkt zu verstärken.
Kohlenstoffpulver wird hinzugefügt, um in das Eisen zu diffundieren, um eine Perlit- oder
Martensit-Mikrostruktur herzustellen. Kupfer kann zur Ausscheidungshärtung und
zur verbesserten Dimensionsregelung hinzugefügt werden. US-A- 4 618 473 beschreibt
einen Zusatz von Nickelborid, um die Zähigkeit zu verbessern, indem
Abschreckaustentit um Poren gebildet wird, was eine Rißbildung hemmt. Ein Überblick über diese
Arbeit wurde in Metal Powder Report, Volume 40, No. 2, Februar 1985, veröffentlicht.
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DEA- 2 320 525 stellt eine an Bor reiche, verschieißfeste, gesinterte, eisenhaltige
Legierung vor, welche 1 bis 4 Prozent Kohlenstoff, 0,5 bis 2 Prozent Bor, bis zu 5
Prozent Nickel, bis zu 2 Prozent Molybdän und bis zu 3 Prozent von anderen
Legierungselementen und Verunreinigungen enthält, wobei der Rest aus Eisen aufgebaut ist.
Ein Beispiel stellt eine Legierung heraus mit 1,24 Prozent Kohlenstoff, 0,78 Prozent
Bor und einem Rest aus Eisen und Verunreinigungen, wobei das Bor in der Form von
Eisenborid hinzugefügt wird. Das Pulver wird kompaktiert und dann in einer
reduzierenden Atmosphäre für 20 bis 30 Minuten bei 1000º C gesintert. Die gewünschte
Struktur weist ein ternäres Eisen-Bor-Kohlenstoff-Eutektikum auf.
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Es ist in einer pulvermetallurgischen Herstellung wünschenswert, ein kompaktes
Mittel zu bilden, das im wesentlichen die Größe und Form des gewünschten
Gegenstandes hat, so daß eine minimale, wenn überhaupt, maschinelle Behandlung
erforderlich ist, um das Produkt zu vervollständigen. Kupfer- und Nickelborid bilden eine
Flüssigkeit bei bevorzugten Sintertemperaturen für Eisen. Diese Flüssigkeit kann eine
Diffusion der vorhandenen Verbindungen in das Eisen verstärken. Jedoch neigt die
Flüssigkeit, wenn sie für eine längere Zeitspanne vorhanden ist, dazu, das Eisenskelett
zu verzerren, so daß der gesinterte Gegenstand nicht der Form des kompakten Mittels
entspricht.
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Es ist auch wünschenswert, die Verschleißfestigkeit des hergestellten Gegenstandes
zu verbessern. Im allgemeinen ist die Verschleißfestigkeit von Gußeisen, insbesondere
von Gußeisen, das Chrom enthält, besser als die von Eisenpulvergegenständen. Dies
wird der Anwesenheit großer harter Phasen im Gußeisen zugeschrieben.
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Ein verschleißfester, gesinterter Eisenlegierungs- Gegenstand gemäß der
vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale, die in dem kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 spezifiziert sind.
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Somit schafft diese Erfindung einen verbesserten Eisenlegierungs-Gegenstand, der
durch Kompaktieren und Sintern einer Pulvermischung gebildet wird, die überwiegend
aus einem Eisenpulver mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zusammengesetzt ist, wobei
der Gegenstand eine überwiegend aus Perlit oder Martensit bestehende Mikrostruktur
besitzt, welche darin dispergierte harte Borzementit-Partikel in einer Menge und einer
Größe besitzt, die effektiv sind, um die Verschleißfestigkeit des Gegenstandes wesentlich
zu verbessern.
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Im besonderen schafft diese Erfindung auch ein pulvermetallurgisches Verfahren
zur Bildung solch eines verschleißfesten Eisenlegierungs-Gegenstandes durch Sintern
eines kompakten Mittels aus Eisenpulver, welches einen Kohlenstoffzusatz und einen
Borzusatz aufweist, wobei das Sintern effektiv ist, um den Kohlenstoff und das Bor
zu veranlassen, in die Eisenstruktur weg von Poren darin zu diffundieren und sich bei
innengelegenen Gebieten anzureichern, um harte Borzementit-Partikel zu bilden.
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Nach einem bevorzugten Gesichtspunkt dieser Erfindung, wie in Anspruch 3
spezifiziert, schafft sie ein putvermetallurgisches Verfahren zur Bildung eines Eisenlegierungs-
Gegenstandes, welcher eine verbesserte Verschleißfestigkeit durch Kompaktieren und
Sintern einer Eisenpulvermischung besitzt, welche Kohlenstoffpulver, ein
Metallboridpulver und Kupferpulver aufweist, wobei das Sintern eine Bildung einer
Flüssigkeitsphase für eine Zeitspanne zur Folge hat, die ausreicht, um eine Diffusion der Zusätze
in das Eisen zu fördern, aber nicht so lange andauert, um eine signifikante
Skelettverzerrung der Eisenlegierungs-Struktur des Gegenstandes zu erzeugen. Das Boridpulver
schließt ein Metall ein, das eine Diffusion von Kohlenstoff und Bor in innengelegene
Gebiete der Struktur fördert. Ähnlich fördert Kupfer eine Kohlenstoff- und
Bordiffusion in die innengelegenen Gebiete. Als ein Ergebnis reichern sich Kohlenstoff und Bor
bei den innengelegenen Gebieten an, um harte Borzementit-Partikel zu erzeugen, was
die Verschleißfestigkeit des Gegenstandes wesentlich verbessert.
Beschreibung der Erfindung
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein gemäß dieser Erfindung
gebildeter Eisenlegierungs-Gegenstand harte Borzementit-Partikel auf, welche
innerhalb einer Eisenlegierungsmatrix dispergiert sind. Die Matrix besteht überwiegend
aus Martensit oder Perlit. Die Partikel haben eine Querschnittsdimension größer als 1
Mikrometer. Desweiteren sind harte Partikel in einer Menge von mindestens 4
Volumenprozent, vorzugsweise zwischen 10 und 30 Volumenprozent, vorhanden. Man hat
festgestellt, daß die harten Borzementit-Partikel, wenn sie in solcher Größe und Menge
vorhanden sind, effektiv sind, um die Verschleißfestigkeit wesentlich zu verbessern.
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Der Eisenlegierungs-Gegenstand wird vorzugsweise durch Kompaktieren und
Sintern
einer innigen Pulvermischung gebildet, die hauptsächlich aus einem Eisenpulver
mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zusammengesetzt ist und zwischen etwa 1 und 2
Gewichtsprozent Kohlenstoffpulver und zwischen etwa 2 und 3 Gewichtsprozent
Kupferpulver aufweist. Wie hierin verwendet, wird ein Gewichtsprozent bezüglich des
gesamten Produktmetalls angegeben und schließt nicht das Gewicht flüchtiger Materialien,
so wie ein verdampfbares Schmiermittel, das hinzugefügt wird, um eine Behandlung
zu erleichtern, ein, die während des Sinterns verbraucht werden und nicht zu dem
Produktgewicht beitragen. Zusätzlich zu Kohlenstoff und Kupfer enthält die Mischung
ein Metallboridpulver, vorzugsweise Nickelborid. Das Borid wird hinzugefügt in einer
Menge, die ausreicht, einen Borgehalt in dem hergestellten Gegenstand zwischen 0,15
und 1,2 Gewichtsprozent zu erzeugen. Der bevorzugte Nickelboridzusatz liegt zwischen
etwa 0,8 und 3,1 Gewichtsprozent. Wahlweise kann ein Teil des Bors als Eisenborid
hinzugefügt werden.
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Während des Sinterns werden die vorherrschenden Eisenpartikel mittels Diffusion zu
einer fest zusammenhängenden Skelettstruktur verbunden, welche interstitielle Poren
einschließt, die für Eisenpulverstrukturen kennzeichnend sind. Kohlenstoff diffundiert
schnell in die Skelettstruktur, um einen Kohlenstoffgehalt zu erzeugen, der die
Konzentration übertrifft, die notwendig ist, um eine Martensit- oder eine Perlitstruktur in dem
gekühlten Produkt zu bilden. Das Nickelborid erzeugt auch während der frühen Phasen
des Sinterns eine vorübergehende Flüssigkeitsphase, welche die Porenflächen innerhalb
des kompakten Mittels befeuchtet, um einen intensiven Eisenkontakt zu schaffen. Bor
diffundiert schnell von der Flüssigkeitsphase in das Eisen. Auch Nickel diffundiert von
der Flüssigkeit in das Eisen, aber bei einer geringeren Rate relativ zu dem
Kohlenstoff und Bor. Somit bildet sich die von einem Borid abgeleitete Flüssigkeitsphase, um
eine Nickel- und Bordiffusion zu fördern, dissipiert aber nach einer kurzen Zeitspanne,
um eine Skelettverzerrung zu vermeiden. Das Kupfer bildet auch eine vorübergehende
Flüssigkeitsphase, die die Porenflächen bedeckt, und diffundiert auch in das
Eisenskelett bei einer geringeren Rate als die Bor- oder Kohlenstoffdiffusion. Die langsame
Diffusion von Nickel und Kupfer neigt dazu, diese Mittel um die Poren anzureichern,
während das Bor und der Kohlenstoff dazu neigen, sich innerhalb der innengelegenen
Gebiete des Eisenskeletts anzureichern. Man glaubt, daß die Diffusion von Kohlenstoff
und Bor in innengelegene Gebiete durch die Konzentration von Nickel und Kupfer um
die Poren gefördert wird. In jedem Fall reichern sich der Kohlenstoff und Bor bei
innengelegenen Stellen in der Eisenmatrix an und erzeugen die gewünschten harten
Borzementit-Partikel.
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Somit enthält gemäß dieser Erfindung das kompakte Mittel aus Eisenpulver
Kohlenstoffpulver und ein Metallboridpulver. Nickelborid ist ohne weiteres verfügbar und
nicht teuer und wird somit bevorzugt. Kobaltborid und Manganborid eignen sich auch.
Das Metallborid wird gewählt, um eine vorübergehende Flüssigkeitsphase innerhalb der
Umgebung des kompakten Mittels während des Sinterns zu erzeugen, um eine Diffusion
der Bestandteile in die Eisenstruktur zu fördern. Desweiteren glaubt man, daß eine
Diffusion eines nicht eisenhaltigen Metalls, das von dem Borid abgeleitet wird, wobei
es langsamer diffundiert als der Kohlenstoff oder das Bor, das Treiben des Bors und
Kohlenstoffs weg von den Poren unterstützt. Auch Kupfer, wenn hinzugefügt,
diffundiert in das Eisen und veranlaßt ähnlich das Bor und den Kohlenstoff, von den Poren
weg zu diffundieren. Als ein Ergebnis bilden sich harte Borzementit-Partikel innerhalb
der Matrix. In der Eisenmatrix gelöster Kohlenstoff erzeugt eine Martensit- oder
Perlitmatrix, die geeignet ist, um die harten Partikel fest zu halten. Die Menge und die
Dauer des Vorhandenseins der Flüssigkeitsphase während des Sinterns ist begrenzt, um
eine Verzerrung des Eisenskeletts zu vermeiden. Somit erzeugt diese Erfindung ein
beinahe netzartig geformtes Eisenlegierungs-Produkt, welches große Borzementit-Partikel
aufweist, die zur verbesserten Verschleißfestigkeit in-situ gebildet werden.
Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird weiter veranschaulicht werden unter Bezugnahme auf
die beiliegende Figur, welche ein Mikrophotogramm einer Mikrostruktur zeigt, die
gemäß dieser Erfindung erzeugt wurde, zusammen mit einer Skala, welche das
Ausmaß der Vergrößerung anzeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Diese Erfindung wird besser verstanden unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele.
Beispiel 1
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Eine selbstbewegende Verteilerschaltvorrichtung wurde hergestellt durch Kompaktieren
und Sintern einer Pulvermischung, welche in Gewichtsanteilen etwa 94,1 Teile
gewöhnliches Eisenpulver, etwa 1,4 Teile Graphitpulver, etwa 2,0 Teile Kupferpulver, etwa
0,8 Teile Nickelboridpulver, etwa 1,7 Teile Eisenboridpulver und etwa 0,75 Teile
handelsübliches Warmpressen-Schmiermittel aufweist. Das Eisenpulver war ein Material
mit einem niedrigen Kohlenstoffanteil von handelsüblicher Qualität, welches einen
maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,01 Gewichtsprozent besitzt und bis -60 mesh (250
Mikrometer) dimensioniert ist. Das Graphitpulver war ein handelsübliches synthetisches
Pulver, das von der Joseph Dixon Crucible Company, New Jersey, unter der
Handelsbezeichnung KS-2 erhältlich ist und Teilchengrößen zwischen etwa 2 und 5 Mikrometer
besitzt. Das metallische Kupferpulver war zusammengesetzt aus einem Material von
handelsüblicher Reinheit mit einer Größe bis -325 mesh (44 Mikrometern). Mit einem
Lichtbogen geschmolzenes Nickelboridpulver, das im wesentlichen aus einer
intermetallischen
Nickelboridverbindung NiB besteht, wurde hinzugefügt und enthielt etwa
14,8 Prozent Bor, der Rest Nickel und Verunreinigungen. Das Eisenborid bestand im
wesentlichen aus einer intermetallischen Verbindung FeB und enthielt etwa 16 Prozent
Bor, der Rest Eisen und Verunreinigungen. Um das Pulver herzustellen, wurden
handelsüblich verfügbares Nickelborid und Eisenborid fragmentiert und bis -400 mesh (37
Mikrometer) dimensioniert. Das Warmpressen-Schmiermittel wurde von Glyco, Inc.,
Connecticut, U.S.A., unter der Handelsbezeichnung Acrawax C Atomized erhalten.
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Die verschiedenen Pulver wurden kombiniert und zu einer gleichförmigen Mischung
vermengt. Die Mischung wurde in einer Gußform plaziert, die im wesentlichen die
gewünschte Größe und Form der Schaltvorrichtung besitzt. Die Pulvermischung wurde
in der Gußform kompaktiert, um ein unbehandeltes kompaktes Mittel zu bilden, das
eine Dichte von etwa 6,7 Gramm pro Kubikzentimeter besitzt.
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Das unbehandelte kompakte Mittel wurde innerhalb eines Vakuumofens in zwei
Schritten erhitzt. Der Ofen wurde evakuiert bis zu einem Druck von etwa 10,67 Pa
(8 × 10&supmin;² Torr), wonach das kompakte Mittel auf etwa 500ºC für einen Zeitraum von
annähernd einer halben Stunde erhitzt wurde, was ausreicht, um das Schmiermittel zu
verdampfen. Danach wurde die Ofentemperatur auf 1120ºC erhöht und für annähernd
20 Minuten zum Sintern aufrechterhalten. Das gesinterte kompakte Mittel wurde aus
der heißen Ofenzone entfernt und auf Raumtemperatur gekühlt, während es einem
konvektiven trockenen Stickstoffgas ausgesetzt wurde.
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Die resultierende Mikrostruktur wird in der Figur gezeigt. Die Figur zeigt eine
Eisenmatrix, die überwiegend aus Martensit und feinem Perlit besteht und Poren B
besitzt. Die Mikrostruktur schließt dispergierte Partikel A ein, die als Borzementit
durch eine Röntgenbeugungsanalyse und eine Elektronenprobenmikroanalyse
identifiziert wurden. Harte Partikel A bilden annährend 17,5 Volumenprozent der
Mikrostruktur, wie durch eine quantitative Metallographie angezeigt wird. In Tests, welche den
Gebrauch der Schaltvorrichtung in einer selbstbewegenden Maschine simulieren, wies
eine aus dieser Struktur gebildete Schaltvorrichtung eine Abriebverschleißfestigkeit auf,
besser als die einer gewöhnlichen Verteilerschaltvorrichtung aus chromlegiertem
Gußeisen.
Beispiel 2
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Eine zweite Verteilerschaltvorrichtung wurde auf eine im wesentlichen dem Beispiel 1
ähnliche Weise angefertigt durch Kompaktieren und Sintern einer Pulvermischung,
welche etwa 88,4 Teile Eisenpulver, 1,6 Teile Kohlenstoff-Graphitpulver, 1,5 Teile
Nickelboridpulver, 5,5 Teile Eisenboridpulver, 3,0 Teile Kupferpulver und 0,75 Teile eines
flüchtigen Warmpressen-Schmiermittels aufweist. Die resultierende Schaltvorrichtung
wies eine Mikrostruktur, dem Charakter nach ähnlich der des Beispiels 1, wobei sie
aber etwa 28 Volumenprozent harte Partikel besitzt, und einen reduzierten Verschleiß
in simulierten Tests für eine selbstbewegende Maschine auf.
Beispiel 3
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Eine gesinterte Metallschaltvorrichtung wurde auf eine im wesentlichen den Beispielen 1
und 2 ähnliche Weise gebildet durch Kompaktieren und Sintern einer Pulvermischung,
die aus etwa 93,6 Teilen Eisenpulver, 2,0 Teilen Kupferpulver, 3,0 Teilen
Nickelboridpulver, 1,4 Teilen Kohlenstoffpulver und 0,75 Teilen eines flüchtigen Warmpressen-
Schmiermittels besteht. Die resultiernde Mikrostruktur wies annähernd 22
Volumenprozent harte Partikel auf. Die Matrix war überwiegend aus Martensit und feinem
Perlit gebildet, schloß aber auch annähernd 10 Volumenprozent Austenit ein, das in
erster Linie um Poren angeordnet war. Die hergestellte Schaltvorrichtung wies eine
befriedigende Verschleißfestigkeit in simulierten Tests für eine selbstbewegende Maschine
auf.
Beispiel 4
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Ein gesinterter Eisengegenstand wurde auf eine dem Beispiel 3 ähnliche Weise
hergestellt, wobei aber Kobaltborid das Nickelborid ersetzt. Das Kobaltborid enthielt 16,1
Gewichtsprozent Bor, der Rest Kobalt und Verunreinigungen, und wurde bis -400 mesh
(37 Mikrometer) zerkleinert. Eine Pulvermischung, welche etwa 3,0 Teile
Kobaltboridpulver, 2,0 Teile Kupferpulver, 1,4 Teile Kohlenstoffpulver, 93,6 Teile Eisenpulver und
etwa 0,55 Teile eines flüchtigen Warmpressen-Schmiermittels aufweist, wurde
hergestellt. Die Mischung wurde auf eine Dichte von etwa 6,7 Gramm pro Kubikzentimeter
kompaktiert und bei einem Druck von etwa 1,33 Pa (10&supmin;² Torr) vakuumgesintert.
Der Sinter-Zyklus schloß ein Heizen auf etwa 500ºC für etwa 30 Minuten ein, um die
Verdampfung des Schmiermittels zu komplettieren, danach ein Heizen auf etwa 1120º
C, ein Halten des kompakten Mittels bei etwa 1120ºC für etwa 20 Minuten und ein
Abschrecken mit trockenem Stickstoffgas.
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Die resultierende Mikrostruktur enthielt etwa 74 Volumenprozent feines Perlit und
etwa 18 Volumenprozent harte Borzementit-Partikel. Der Rest bestand hauptsächlich
aus Gebieten aus Abschreckaustentit um Poren und Martensit.
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Somit weist ein hergestellter Gegenstand gemäß dieser Erfindung eine
Eisenlegierungs-Matrix auf mit einer darin verteilten Phase harter Partikel, die aus
Borzementit bestehen. Borzementit ist eine orthorhombische, intermetallische Eisen-
Bor-Kohlenstoff-Verbindung ähnlich dem Zementit, wobei sie aber ein partielles
Borsubstitut für Kohlenstoff enthält. Die Borsubstitution ist nicht so umfangreich, um ein
tetragonales, für Eisendiborid Fe&sub2;B typisches Gitter zu erzeugen. Man hat festgestellt,
daß die gemäß dieser Erfindung hergestellten Borzementit-Partikel allgemein durch
die Formel Fe&sub3;(CxB1-x) gekennzeichnet sind, worin Fe Eisen, C Kohlenstoff und B Bor
repräsentieren und x zwischen 0,4 und 0,6 liegt. Zusätzlich zu einer hohen Härte haben
die Partikel eine angemessene Größe, um Verschleißeigenschaften zu beeinflußen. Man
glaubt, daß Submikrometer-Partikel für diesen Zweck untauglich sind. Man glaubt
auch, daß die Verbesserung der Verschleißfestigkeit mit den Volumenprozent an harten
Partikeln in Beziehung steht. Man hat festgestellt, daß weniger als etwa 4
Volumenprozent an harten Partikeln in einem Gegenstand den Verschleiß des Gegenstandes nicht
signifikant reduzieren. Sind mehr als 30 Prozent harte Partikel in einem Gegenstand
vorhanden, kann dies den Verschleiß des Gegenstandes reduzieren, allerdings wird eine
Herstellung des Gegenstandes ohne eine Skelettverzerrung schwierig, die wegen einer
nicht gleichförmigen Verteilung der Additive, besonders des Kohlenstoffs, auftritt, die
zu einer Segregation neigt. Ein Volumenprozentanteil zwischen 10 und 30 Prozent wird
bevorzugt.
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Die harten Partikel sind innerhalb einer Martix ohne Ferrit verteilt. Eine Matrix,
die aus relativ hartem Martensit oder Perlit gebildet ist, wird bevorzugt. Wahlweise
kann die Matrix einen kleinen Anteil an Abschreckaustentit einschließen. Das Austentit
kann um Poren stabilisiert werden durch die Konzentration des aus einem Borid
abgeleiteten Metalls, insbesondere Nickel oder Kobalt. Dieses Abschreckaustentit kann
die Zähigkeit erhöhen durch Hemmen einer Rißbildung, wie in US-A-4 618 473
beschrieben. Man glaubt jedoch, weil Austentit relativ weich im Vergleich zu Martensit
und Perlit ist, daß Austentit nicht direkt dazu beiträgt, die Verschleißfestigkeit zu
verbessern. Außerdem kann eine Phasenbegrenzung der Partikel aus weichem Austentit
die Partikel nicht angemessen in der Matrix binden, was somit die Wirksamkeit der
Partikel vermindert. Daher ist es wünschenswert, das Abschreckaustentit in der
Mikrostruktur auf weniger als etwa 12 Prozent zu begrenzen. Ein zusätzliches Merkmal
der hergestellten Mikrostruktur ist die Anordnung der harten Partikel bei
innengelegenen Gebieten des Eisenskelettes, von Poren entfernt. Somit sind die Partikel umgeben
von der und eingebettet in die Martix, im Gegensatz zu einer Anordnung nahe einer
Pore, bei welcher ein Matrixkontakt mit den Partikeln reduziert ist und weiche Phasen
vorhanden sein können.
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Gemäß dieser Erfindung wird der Eisenlegierungs-Gegenstand durch Sintern einer
Mischung hergestellt, die überwiegend aus Eisenpulver besteht. Das Eisenpulver ist
geeigneterweise zusammengesetzt aus Eisen oder einer Eisenlegierung, das oder die nicht
eine signifikante Menge von Kohlenstoff oder Bor enthält. Kohlenstoff wird der
Mischung hinzugefügt in einer Menge, die ausreicht, um eine hypereutektoidische
Matrixkonzentration herzustellen und zusätzlichen Kohlenstoff zur Bildung der gewünschten
harten Partikel zu liefern. Ein kleiner Teil des Kohlenstoffs, von der Größenordnung
von 0,03 Gewichtsprozent, geht während des Vakuumsinterns verloren. Man glaubt,
daß ein Kohlenstoffzusatz von weniger als 1,0 Gewichtsprozent nicht ausreicht, um die
gewünschten 4 Volumenprozent an harten Partikeln herzustellen. Kohlenstoffzusätze
von mehr als etwa 2 Prozent tendieren dazu, eine Segregation während der
Behandlung zur Folge zu haben, was zuviel Flüssigkeit in lokalisierten Gebieten während des
Sinterns bilden kann, was eine strukturelle Verzerrung zur Folge hat. Der
Kohlenstoffgehalt wird vorzugsweise zwischen 1,2 und 1,8 Gewichtsprozent gehalten.
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Obwohl man nicht glaubt, daß er wesentlich für die Bildung harter Borzementit-
Partikel ist, wird ein Kupferzusatz bevorzugt. Die Kupferlegierung erhöht die
Matrixhärte und läßt das Skelett anwachsen, um einen Eisenschwund während des Sinterns
auszugleichen. Kupfer unterstützt das Treiben von Kohlenstoff und Bor von Gebieten
um Poren, um sie in innengelegenen Gebieten anzureichern, welche die harten
Partikel bilden. Dies wird einer relativ geringen Bor- und Kohlenstoffaffinität für Kupfer
zugeschrieben. Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, den Kupferzusatz zu
maximieren. Mehr als etwa 4 Gewichtsprozent Kupfer neigen jedoch dazu, eine übermäßige
Flüssigkeitsbildung während des Sinterns zu erzeugen, und verursachen somit eine
unerwünschte Produktverzerrung. Im allgemeinen wird ein Kupferzusatz zwischen 2 und
3 Gewichtsprozent bevorzugt.
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Eine Quelle für Bor in den Borzementit-Partikeln wird durch einen Zusatz eines
geeigneten Metallboridpulvers geschaffen, wahlweise in Verbindung mit
Eisenboridpulver. Es ist wünschenswert, eine Flüssigkeitsphase, die Bor enthält, herzustellen, um
eine Diffusion in die Eisenmatrix zu fördern. Im Vergleich zur Diffusion im festen
Zustand schafft die Flüssigkeit einen intensiven Kontakt mit dem Eisen und erhöht die
Aktivität des Bestandteils. Es ist jedoch wünschenswert, das Volumen und die Dauer
des Vorhandenseins der Flüssigkeit zu begrenzen, um ein Angreifen des Eisenskelettes
zu vermeiden, was eine strukturelle Verzerrung zur Folge hat. In Ausführungsformen,
die auch einen Kupfermetallzusatz aufweisen, ist es weiter wünschenswert, daß die
gebildete Borflüssigkeit dissipiert, bevor das Kupfer bei etwa 1083ºC schmilzt, um eine
Bildung von zuviel Flüssigkeit zu vermeiden. Somit stellt eine geeignete Borquelle eine
vorübergehende Flüssigkeitsphase für eine kurze Zeitspanne während der frühen Phasen
des Sinterns her, dissipiert aber schnell unter Diffusion der Bestandteile. Eine geeignete
Borquelle weist ein Metallborid auf, worin das Metall aus einer aus Nickel, Kobalt und
Mangan bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Boride dieser Metalle werden flüssig
innerhalb des kompakten Mittels aus Eisen während des Sinterns. Zum Beispiel bildet
Nickelborid eine Flüssigkeit, wenn das kompakte Mittel aus Eisen auf mehr als etwa
1030ºC erhitzt wird. Zum Vergleich bildet Eisenborid keine Flüssigkeitsphase bei
bevorzugten Sintertemperaturen, obwohl Eisenborid sich in eine Boridflüssigkeitsphase
auflösen kann, nachdem die Phase sich gebildet hat, und ist somit geeignet zur
Verwendung in Verbindung mit Nickel-, Kobalt- und Manganborid. Desweiteren ist die
relative Affinität von Bor derart, daß das Bor schnell von einer Flüssigkeit aus den
geeigneten Metallboriden in das Eisen diffundiert. Während das umfangreichere, aus
einem Borid abgeleitete Metall in das Eisen diffundiert, wobei die Diffusion
wesentlich langsamer als die von Bor oder Kohlenstoff ist, glaubt man, daß das Metall Bor
und Kohlenstoff hin zu innengelegenen Gebieten der Struktur treibt, bei welchen das
Bor und der Kohlenstoff sich in einer Konzentration sammeln, die ausreicht, um die
gewünschten harten Partikel herzustellen. Zusätzlich zu Pulvern, die aus Nickelborid,
Kobaltborid und Manganborid gebildet werden, glaubt man, daß ein Boridzusatz, der
mehr als ein solches Metall oder solch ein Metall in Verbindung mit Eisen enthält, auch
geeignet ist.
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Im allgemeinen genügt das hinzugefügte Bor, um einen Borgehalt in dem
Produkt zwischen etwa 0,15 und 1,2 Gewichtsprozent zu erzeugen. Mindestens 0,15
Gewichtsprozent werden benötigt, um die gewünschten 4 Prozent harte Partikel
herzustellen.
Übermäßige Boridzusätze jedoch neigen dazu, eine übermäßige
Flüssigkeitsphase zu erzeugen, und haben eine strukturelle Verzerrung zur Folge. Für Nickel
ist es wünschenswert, mindestens etwa 0,8 Gewichtsprozent Nickelboridpulver hinzu
zufügen. Ein Nickelboridzusatz von mehr als etwa 3,1 Gewichtsprozent jedoch
erzeugt eine übermäßige Austentitphase, die die Verschleißfestigkeit vermindert.
Obwohl Zusätze aus Nickelborid NiB bevorzugt werden, können andere Nickel-Bor-Pulver
substituiert werden, so wie Ni&sub2;B oder Legierungen aus NiB und Ni&sub2;B. Eine
Nickelkonzentration zwischen etwa 0,7 und 2,7 Prozent wird bevorzugt. Der Rest an Bor
wird hinzugefügt in der Form einer Eisen-Bor-Legierung, vorzugsweise das Eisenborid
FeB in den beschriebenen Beispielen. Weil die Atomgewichte von Kobalt und Mangan
annähernd gleich dem Atomgewicht von Nickel sind, glaubt man, daß vergleichbare
Werte für diese Metalle gelten.
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In der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird das unbehandelte
kompakte Mittel innerhalb eines Vakuumofens gesintert, um eine Oxidation nicht nur der
hauptsächlichen Metalle, sondern auch des Bors, zu minimieren. Das Sintern kann
durch irgendein geeignetes Verfahren ausgeführt werden, welches einen Kontakt mit
oxidierenden Sorten minimiert. Zum Beispiel kann das kompakte Mittel
geeigneterweise gesintert werden, während es einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt wird,
einer Atmosphäre aus gespaltenem Ammoniak, einer Wasserstoffatmosphäre oder
einer Atmosphäre aus einem trockenen Inertgas. Zusätzlich kann eine geeignete
Sinteratmosphäre aus einer Kohlenwasserstoffquelle, so wie Methanol oder Propan,
abgeleitet werden. In Ausführungsformen mit einem bevorzugten Kupferzusatz wird das
Sintern geeigneterweise bei einer Temperatur oberhalb 1083º C, dem Schmelzpunkt
von Kupfer, ausgeführt, um die gewünschte Flüssigkeitsphase von Kupfer
herzustellen. Höhere Temperaturen sind wünschenswert, um eine Eisendiffusionsbindung zu
verstärken. Praktische Probleme jedoch treten auf bei der Handhabung der
kompakten Mittel bei Temperaturen oberhalb 1150ºC. Eine Sintertemperatur zwischen 111ºC
und 1120ºC wird bevorzugt. Es ist wünschenswert, daß die Zeit für das Sintern zur
Eisendiffusionsbindung und zum Diffundieren der verschiedenen Legierungen in das
Eisengitter ausreicht. Für Sintertemperaturen innerhalb des bevorzugten Bereichs,
erzeugen Sinterzeiten zwischen etwa 15 und 35 Minuten befriedigende Strukturen.