DE3825463A1 - Verfahren zum herstellen eines formteiles aus sintermetall und daraus hergestelltes formteil - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines formteiles aus sintermetall und daraus hergestelltes formteil

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    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C21D1/20—Isothermal quenching, e.g. bainitic hardening

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formteiles aus Sintermetall, wobei Sintermetallpulver formge­ preßt und gesindert wird, wonach das Sinterteil durch eine Erwärmung auf Temperaturen von über 800 Grad austenitisiert und anschließend zum Härten rasch abgekühlt wird. Ebenso betrifft die Erfindung ein nach dem Verfahren herstelltes Formteil.
Eines der wesentlichen Merkmale der bekannten Formteile aus Sintermetall, im allgemeinen Sinterstahl, ist deren Genauig­ keit, mit der sie hergestellt werden können. Es sind Durch­ messertoleranzen hoher Qualität erreichbar. Nach der übli­ chen Arbeitsfolge mit einem Formpressen und einem anschlie­ ßenden Sintern wird das gesinterte Formteil hierzu z.B. kali­ briert. Durch den Arbeitsgang des Kalibrierens wird die hohe Genauigkeit erreicht. Formteile, die nicht durch Kalibrieren oder einen anderen Arbeitsvorgang nachbehandelt werden, be­ sitzen keine so hohe Toleranz mit ausreichender Wiederholbar­ keit.
Ein weiteres Merkmal gesinterter Formteile ist deren mehr oder weniger große Porigkeit ihrer Mikrostruktur. Diese Poren stellen innere Kerben dar und beeinflußen damit die Werkstoffeigenschaften erheblich. Mit Sinterstählen lassen sich damit zwar beachtliche Streckgrenzen- und Zugfestig­ keitswerte erreichen, aber deren plastische Verformbarkeit, die z.B. als Bruchdehnung gemessen wird, und deren Zähig­ keit, die z.B. als Schlagarbeit gemessen wird, sind gering.
Ebenso wie die Poren die Zähigkeit begrenzen, so begrenzt die Festigkeit die erreichbare Genauigkeit gesinterter Form­ teile. Dies liegt daran, daß eine Nacharbeit nach dem Sin­ tern auf wirtschaftliche Weise, z.B. durch Kalibrieren, nur durchgeführt werden kann, wenn die Festigkeit des Werkstof­ fes 500 bis höchstens 600 N/mm2 nicht übersteigt. Sinter­ stähle mit deutlich höherer Zugfestigkeit sind zwar ohne weiteres herstellbar, z.B. bis etwa 1200 N/mm2 Zugfestig­ keit, denn Formteile aus solchen Werkstoffen lassen sich auch noch Pressen und Sintern, aber sie lassen sich nicht mehr auf wirtschaftliche Weise zur Erhöhung der Genauigkeit nachbearbeiten.
Eine hohe Festigkeit an Sinterstählen läßt sich durch legie­ rungstechnische Maßnahme oder durch eine Wärmebehandlung, ggf. durch eine Kombination beider Maßnahmen, erzielen. Legierungstechnische Maßnahmen haben den erwähnten Nachteil, daß damit zwar eine hohe Festigkeit erreicht wird, aber zur Erreichung einer erforderlichen Genauigkeit keine wirtschaft­ liche Nacharbeit möglich war.
Aus diesem Grunde ist bereits versucht worden mit Legie­ rungsbestandteilen in dem Sintermetallpulver zu arbeiten, wobei nach dem Sintern eine Festigkeit von höchstens ca. 500 N/mm2 erreicht worden ist. Anschließend konnten die auf die­ se Weise hergestellten Formteile kalibriert werden. Um eine höhere Festigkeit zu erhalten, wurde das Sinterteil danach gehärtet. Hierzu wurde es auf eine Temperatur zwischen 800 und 940 Grad C in Abhängigkeit von der Stahlzusammensetzung erwärmt, wobei eine Austenitisierung einsetzte. Durch ein rasches Abkühlen auf Raumtemperatur und ein anschließendes Anlassen (Wiedererwärmung) in bekannter Weise auf Temperaturen von max. ca. 500 Grad C wurde die gewünschte höhere Festigkeit erreicht, die auch bei über 1000 N/mm2 liegen konnte. Ein derartig behandelter Sinterstahl war jedoch sehr spröde. Dies bedeutet, daß seine Verformbarkeit und Zähigkeit auf ein sehr niedriges Niveau abfielen. Es wurden Dehnungswerte von nur 1% bis 2% gemessen. Weiterhin traten dabei Maßveränderungen infolge von Verzug auf, die so groß waren, daß Toleranzen nur in einer geringen Qualität reproduziert werden konnten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterteiles und ein da­ nach hergestelltes Sinterteil zu schaffen, das eine hohe Festigkeit besitzt, gleichzeitig jedoch auch eine gute Dehn­ barkeit aufweist, wobei darüberhinaus eine möglichst hohe Formgenauigkeit erreicht werden soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß nach der austenitischen Wärmebehandlung das Sinterteil auf eine Temperatur von 280 bis 450 Grad C abgekühlt und in diesem Temperaturbereich zwischen 5 und 60 Minuten gehalten wird, wobei eine bainitische Mikrostruktur des Gefüges erreicht wird.
Es wurde nämlich festgestellt, daß das durch eine rasche Abkühlung auf den genannten Temperaturbereich erzielte bainitische Gefüge eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Dehnbarkeit bzw. Zähigkeit besitzt. Im Vergleich zu einer normalen Härtung bzw. Vergütung können nahezu die gleichen Festigkeitswerte erreicht werden, wobei jedoch die Dehnung und Zähigkeit deutlich besser ist und gleichzeitig auch ein wesentlich geringerer maßlicher Verzug auftritt.
Es ist lediglich erforderlich, das zu behandelnde Gut so lange in dem angegebenen Temperaturbereich zu halten, bis das gesamte Gefüge in Bainit umgewandelt ist. Der Temperatur­ bereich und auch die Umwandlungszeit sind dabei abhängig von der Stahlzusammensetzung.
Zwar ist der Arbeitsgang des Bainitisierens bereits bekannt, aber für Sintermetalle, insbesondere für Sinterstähle, war das Verfahren noch nicht angewendet worden. Dies liegt ins­ besondere daran, daß es bei einer einfachen Übertragung durch die vorhandene Porosität des Sinterteiles zu Problemen bei der nachfolgenden Härtung bzw. Abkühlung kommen würde. Zum Austenitisieren, d.h. zur Erwärmung des Sinterteiles, verwendet man ein Salzbad und anschließend für das isothermi­ sche Bainitisieren ein zweites Salzbad. Da Sinterstähle im allgemeinen sehr porös sind und die Poren häufig unterein­ ander noch Verbindungen haben, besteht somit die Gefahr, daß bei der Salzschmelze oder bei Verwendung eines anderen Bades die hierfür verwendeten Chemikalien in das Innere der Sinter­ teile eindringen. Dadurch entstehen später sogenannte Aus­ blühungen wodurch das Sinterteil sogar unbrauchbar werden kann.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung werden deshalb zur Lösung dieses Problemes zwei Wege vorgeschlagen.
Die erste Möglichkeit besteht darin, daß die Formpressung des zu sinternten Teiles so hoch gewählt wird, daß ein Poren­ volumen von weniger als 8% erreicht wird. Bei einem derarti­ gen Prozentsatz haben die Poren im wesentlichen untereinan­ der keine Verbindung mehr. Dies bedeutet, daß Salz sich dann nur noch bei der Wärmebehandlung in Poren setzen kann, die zur Oberfläche des Sinterteiles hin offen sind. Von dort läßt es sich später leicht auswaschen.
Zur Anwendung dieses Verfahrens ist es erforderlich hoch verdichtbare Basispulver und/oder sehr hohe Preßdrücke zu verwenden. Dabei kann in vorteilhafter Weise auch eine stu­ fenweise Behandlung mit einer Operationsfolge: Vorpressen - Vorsintern - Nachpressen - Fertigsintern - und ein anschlie­ ßendes Bainitisieren durchgeführt werden.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, daß die Poren des Sin­ terteiles wenigstens teilweise mit einem Füllstoff gefüllt werden, der gegen die bei einer raschen Abkühlung in einem Bad verwendeten Mittel und Chemikalien resistent ist.
Für eine derartige Infiltration eignen sich z.B. metallische Stoffe, deren Schmelzpunkt über der Temperatur des Austeni­ tisierens liegt, bei der Wärmebehandlung aber unter der Sin­ tertemperatur. Dies ist z.B. im allgemeinen für Kupfer und entsprechende Kupferlegierungen der Fall.
Zur Füllung der Poren können jedoch auch nichtmetallische Stoffe, wie z.B. keramische Stoffe verwendet werden. So sind z.B. Silikate oder eine Mischung bzw. ein dünner Brei aus Talkum und Wasserglas möglich.
Im allgemeinen wird man jedoch eine Füllung der Poren mit metallischen Werkstoffen vorziehen, da ja bei der Wärmebe­ handlung die Abkühlung von der hohen Austenittemperatur auf die Temperatur der Bainitumwandlung sehr rasch erfolgen muß. Dies wird durch Metall oder andere Werkstoffe mit einer gu­ ten Wärmeleitfähigkeit als Infiltrate gewährleistet. Kerami­ sche Porenfüllungen verzögern naturgemäß infolge ihrer isolierenden Wirkung etwas die rasche Wärmeabfuhr.
Zum Zwischenstufenvergüten sind zahlreiche in der sintertech­ nischen Formteilefertigung gängigen Sinterstahlpulver geeig­ net. Möglich sind sowohl fertiglegierte, d.h. verdüste, eben­ so wie mischlegierte oder anlegierte Pulver. Fertiglegierte Pulver erhält man durch Erschmelzen von Eisen mit den gewün­ schten Legierungsbestandteilen, wonach die Schmelze zu Pul­ ver verdüst wird, das anschließend in üblicher Weise formge­ preßt wird. Mischlegiertes Pulver bedeutet, daß man Eisenpul­ ver mit Legierungspulver zusammenmischt, wonach die trockene Pulvermischung ebenfalls formgepreßt wird. Ein Mittelweg ist die Kombination aus beiden Verfahren, womit ein anlegiertes Pulver für die nachfolgende Formpressung entsteht.
Im allgemeinen wird man fertiglegierte Pulver mit z.B. 1,5 bis 2 Gew.% Ni, 0,3 bis 0,6 Gew.% Mo einer entsprechenden Restmenge Eisen zumischen, wobei zusätzlich noch 0,3 bis 1 Gew.% Graphit beigegeben werden kann. Ggf. kann Kupfer im üblichen Rahmen als schwundausgleichendes Legierungselement toleriert werden.
Nachfolgend sind nähere Einzelheiten der Erfindung beispiels­ weise anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 ausschnittsweise Schnitt durch ein Sinterteil;
Fig. 2 die Beziehung zwischen Zugfestigkeit und Dehnung für verschiedene Legierungssysteme und Wärmebe­ handlungen.
Aus einem fertiglegierten Pulver mit folgender Zusammen­ setzung:
1,8 Gew.-% Ni
0,5 Gew.-% Mo
1,5 Gew.-% Cu
Rest Fe
dem als Zusätze
ca. 0,4 Gew.-% Graphitpulver
ca. 1% Mikrowachs als Schmiermittel
zugemischt werden, wird ein Formteil so gepreßt, daß seine Dichte ca. 7,1 g/cm3 beträgt. Dies entspricht damit einem Porenvolumen von 9,9%. Anschließend wird bei ca. 1230 Grad C für 40 Minuten unter Schutzgas gesintert. Während des Sinter­ vorganges wird auf das Formteil so viel Kupferblech aufge­ legt, daß sein Gewicht dem Porenvolumen entspricht, welches im vorliegenden Falle rund 10% des Teilegewichtes beträgt. Bei dieser Temperatur schmiltzt das Kupfer und kann damit in die Poren infiltrieren.
Nach dem Sintern wird das Formteil kalibriert und anschlie­ ßend folgender Wärmebehandlung unterzogen.
  • 1. Austenitisieren bei 870 Grad C, 15 Minuten im Salzbad
  • 2. Innerhalb von 2 Minuten abkühlen auf 345 Grad C durch Tauchen in entsprechend erwärmtes Salzbad
  • 3. Halten auf 320 Grad C 45 Minuten im Salzbad
  • 4. beliebige Abkühlung.
Auf diese Weise entsteht gemäß Fig. 1 ein Formteil 1 dessen Poren 2 mit Kupfer gefüllt sind.
Versuche mit Zerreißproben haben für das vorstehend aufgeführte Beispiel folgende Eigenschaftswerte ergeben:
Dabei bedeutet:
R p = Proportionalitätsgrenze (Trägheit)
R m = Festigkeit
A % = Dehnung
Wie ersichtlich, liegt zwar gegenüber einem gehärteten und angelassenen Sinterteil 1 eine etwas geringere Trägheit und Festigkeit vor, aber die Dehnbarkeit ist um ein mehrfaches besser. Gegenüber nur gesinterten Formteilen ist neben der höheren Trägheit und Festigkeit auch die Dehnbarkeit deut­ lich besser.
In der Fig. 2 sind Versuchsergebnisse für verschiedene Sin­ terstahlsorten bezüglich der Zugfestigkeit über der Dehnung aufgetragen.
Dabei sind im unteren Bereich der Zugfestigkeit mehrere Fel­ der mit verschiedenen bekannten Legierungszusammensetzungen dargestellt, wobei das Feld 3 mit einer Legierung aus FE-Cu-Ni-Mo-C die höchsten Zugfestigkeitswerte bei einer allerdings relativ geringen Dehnung aufweist. Wird der gleiche gesinterte Legierungstahl gehärtet und angelassen, so erhält man das Feld 4. Bei einer gleichzeitigen Infiltrie­ rung von Kupfer während des Sintervorganges und einer an­ schließend gleichen Wärmebehandlung wie bei Feld 4 erhält man das Feld 5 mit den höchsten Zugfestigkeitswerten, wobei allerdings die Dehnung wiederum relativ gering ist. In dem Feld 6 sind die Werte für ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Sinterteil ersichtlich. Wie daraus zu entnehmen ist, ist die Zugfestigkeit deutlich höher als die von Sinterstählen ohne jede Behandlung und nur unwesent­ lich schwächer als bei einem gehärteten und angelassenen Legierungsstahl. Im Unterschied dazu ist jedoch die prozen­ tuale Dehnung um ein mehrfaches besser.
Aus dem Vergleich zwischen den Feldern 4 und 5 ist ersicht­ lich, daß zwar durch Infiltrieren mit Kupfer die Zugfestig­ keit nochmals gesteigert werden kann, aber die Dehnung bleibt in dem gleichen geringen Umfange, wenn sie nicht so­ gar etwas niedriger ausfällt.
Messungen der Durchmesser an ringähnlichen Teilen (außen und innen) die aus einer Pulvermischung entsprechend dem o.a. Ausführungsbeispiel gepreßt und wie beschrieben bainitisiert worden sind, haben ergeben, daß die Toleranz vor und nach der Wärmebehandlung auf der gleichen Qualitätsstufe lag. Bekannte Sinterteile, die durch Härten und nachfolgendes Anlassen vergütet worden sind, erfuhren bei gleichen Teilen dagegen durch die Wärmebehandlung eine deutliche Toleranzver­ gröberung. Auch für porige Stähle zeigt es sich damit, daß der Maßverzug durch das erfindungsgemäße Bainitisieren deut­ lich kleiner ist als der durch eine konventionelle Vergütung hervorgerufene.

Claims (23)

1. Verfahren zum Herstellen eines Formteiles aus Sintermetall, wobei Sintermetallpulver formgepreßt und gesintert wird, wonach das Sinterteil durch eine Erwärmung auf Temperaturen von über 800 Grad austenitisiert und anschließend zum Härten rasch abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der austenitischen Wärmebehandlung das Sinterteil auf eine Temperatur von 280 bis 450 Grad C abgekühlt und in die­ sem Temperaturbereich zwischen 5 und 60 Minuten gehalten wird, wobei eine bainitische Mikrostruktur des Gefüges er­ reicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung auf einen Temperaturbereich von 320 bis 360 Grad C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterteil zwischen 20 und 40 Minuten in dem Temperatur­ bereich gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die austenitische Wärmebehandlung bei 800 bis 900 Grad C für eine Dauer von 10 bis 60 Minuten durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung für eine Dauer von 15 bis 20 Minuten durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Formpressung des zu sinternden Teiles so hoch gewählt wird, daß ein Porenvolumen von weniger als 8% erreicht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zu sinternde Teil vorgepreßt, anschließend vorgesintert, danach nachgepreßt und fertiggesintert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren des Sinterteiles wenigstens teilweise mit einem Füllstoff gefüllt werden, der gegen die bei einer raschen Abkühlung in einem Bad verwendeten Mittel und Chemikalien resistent ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff ein metallischer Stoff verwendet wird, dessen Schmelzpunkt über der Temperatur des Austenitisierens, je­ doch unterhalb der Sintertemperatur liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff ein keramischer Stoff verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoffe ein Silikat verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff eine Mischung aus Talkum und Wasserglas verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß als Sinterwerkstoff neben Eisen als Legierungspulver 1,5 bis 2 Gew.% Ni und 0,3 bis 0,6 Gew.% Mo verwendet wird, wobei 0,3 bis 1,0 Gew.% Graphit zugemischt wird.
15. Formteil aus Sintermetall, dadurch gekennzeichnet, daß seine Mikrostruktur aus Bainit besteht.
16. Formteil aus Sintermetall nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sein spezifisches Gewicht mindestens 7,3 g/cm3 beträgt.
17. Formteil aus Sintermetall nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sein spezifisches Gewicht zwischen 6,8 g/cm3 und 7,4 g/cm3 liegt, und daß seine Porenräume wenigstens teilweise mit einem Nichteisenmetall gefüllt sind.
18. Formteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß seine Porenräume mit Kupfer oder einer Kupferlegierung, dessen Schmelzpunkt zwischen 920 und 1230 Grad C liegt, gefüllt sind.
19. Formteil aus Sinterstahl nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sein spezifisches Gewicht zwischen 6,8 g/cm3 und 7,4 g/cm3 liegt und daß seine Porenräume wenigstens teilweise mit einem nichtmetallischen Stoff gefüllt sind.
20. Formteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß seine Porenräume wenigstens teilweise mit einem keramischen Stoff gefüllt sind.
21. Formteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß seine Porenräume wenigstens teilweise mit einem Silikat ge­ füllt sind.
22. Formteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß seine Porenräume wenigstens teilweise mit einer Mischung aus Talkum und Wasserglas gefüllt sind.
23. Formteil aus Sinterstahl nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß neben Eisen als Sinterwerkstoff Legierungspulver mit 1,5 bis 2 Gew.% Ni und 0,3 bis 0,6 Gew.% Mo verwendet wird, wobei 0,3 bis 1,0 Gew.% Graphit zugemischt ist.
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