DE3780113T2 - Gesinterter verschleissfester eisenformkoerper. - Google Patents

Gesinterter verschleissfester eisenformkoerper.

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DE3780113T2
DE3780113T2 DE8787307130T DE3780113T DE3780113T2 DE 3780113 T2 DE3780113 T2 DE 3780113T2 DE 8787307130 T DE8787307130 T DE 8787307130T DE 3780113 T DE3780113 T DE 3780113T DE 3780113 T2 DE3780113 T2 DE 3780113T2
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Jandeska, Jr
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen verschleißfesten Eisenlegierungs-Gegenstand, der durch Sintern eines kompakten Mittels aus Eisenpulver, welches Kohlenstoff- und Borzusätze aufweist, gebildet wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein verschleißfester, gesinterter Eisenlegierungs- Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale, die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 spezifiziert sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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
  • Diese Erfindung wird besser verstanden unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele.
  • Beispiel 1
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

1. Verschleißfester gesinterter Eisenlegierungs-Gegenstand, der Kohlenstoff, Bor, ein aus der aus Nickel, Kobalt und Mangan bestehenden Gruppe ausgewähltes Metall und Eisen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in Gewichtsanteilen umfaßt zwischen 1 und 2% Kohlenstoff, von 0 bis 4% Kupfer, zwischen 0,15 und 1,2% Bor, zwischen 0,7 und 2,7% des aus der aus Nickel, Kobalt und Mangan bestehenden Gruppe ausgewählten Metalls und Rest Eisen und daß der Gegenstand umfaßt eine Eisenlegierungs-Matrix und in der Matrix dispergierte Borzementit-Partikel, daß die Matrix vorwiegend aus einer Eisenphase gebildet ist, die aus der aus Martensit und Perlit bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und daß die Borzementit-Partikel eine Querschnittsabmessung größer als 1Mµm besitzen und in einem Ausmaß von mindestens 4 Vol.-% des Gegenstandes vorhanden sind, um die Verschleißfestigkeit des Gegenstandes wesentlich zu verbessern.
2. Verschleißfester gesinterter Eisenlegierungs-Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in Gewichtsanteilen umfaßt zwischen 1,2 und 1,8% Kohlenstoff, zwischen 2 und 3% Kupfer, zwischen 0,15 und 1,2% Bor, zwischen 0,7 und 2,7% Nickel und Rest Eisen, und daß die Borzementit-Partikel in einem Ausmaß zwischen 10 und 30 Vol.-% des Gegenstandes vorhanden sind.
3. Pulvermetallurgisches Verfahren zum Ausbilden eines verschleißfesten Eisenlegierungs-Gegenstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahren ein Pulvergemisch kompaktiert und gesintert wird, daß in Gewichtsanteilen des erzeugten Metalls umfaßt zwischen 1 und 2% Kohlenstoffpulver, von 0 bis 4% Kupferpulver, eine pulverisierte Borquelle in einer Menge, die zur Erzeugung einer Borkonzentration zwischen 0,15 und 1,2% wirksam ist und Rest Eisenpulver mit geringem Kohlenstoffgehalt, wobei die Borquelle umfaßt ein Metallborid, bei dem das Metall aus der aus Nickel, Kobalt und Mangan bestehenden Gruppe ausgewählt ist, die eine Übergangs-Flüssigphase während des Sinterns erzeugt, das Sintern bei einer Temperatur und während einer Zeit ausgeführt wird, die ausreicht, das Eisen zu einer integralen Struktur zu verbinden und Kohlenstoff, Bor und das Metall in die Struktur zu diffundieren zum Erzeugen einer Mikrostruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Eisenlegierungs-Matrix dispergierten Borzementit-Partikel vorherrschend aus Martensit oder Perlit ausgebildet werden.
4. Pulvermetallurgisches Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch umfaßt in Gewichtsanteilen des entstehenden Metalls zwischen 1 und 2% Kohlenstoffpulver, zwischen 2 und 3% Kupferpulver, die pulverisierte Borquelle in einem Ausmaß, das zur Erzeugung einer Borkonzentration zwischen etwa 0,15 und 1,2% wirksam ist und Rest Eisenpulver mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und daß das Sintern bei einer Temperatur und während einer Zeit ausgeführt wird, die ausreichen, das Eisen in die integrale Struktur zu binden und Kohlenstoff, Bor, Kupfer und das Metall in die Struktur zu diffundieren zum Erzeugen der vorherrschenden Martensit- oder Perlit-Mikrostruktur, so daß der vorhandene Kohlenstoff und das vorhandene Bor sich innerhalb Bereichen der Struktur zum Erzeugen der Borzementit-Partikel ansammeln.
5. Pulvermetallurgisches Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Borquelle umfaßt Nickelborid in ausreichendem Maße zum Erzeugen einer Nickelkonzentration von zwischen 0,7 und 2,7 Gew.-% des entstehenden Metalls.
6. Pulvermetallurgisches Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Borquelle umfaßt 0,8 bis 3,1 Gew.-% eines aüs Nickelborid-Verbindung bestehenden Pulvers und wahlweise eines aus Eisenborid-Verbindung bestehenden Pulvers und das Gemisch bei einer Temperatur zwischen 1100ºC und 1150ºC während einer ausreichenden Zeit gesintert wird, um die integrale Struktur mit einer Mikrostruktur zu erzeugen, die zwischen 10 und 30 Vol.-% in der Eisenmatrix dispergierte Borzementit-Partikel umfaßt.
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