DE3830112C2 - - Google Patents
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
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- C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
- C22C33/0292—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with more than 5% preformed carbides, nitrides or borides
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- B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
- B22F9/18—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallgebundenen Carbiden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannt ist die Herstellung von Schnellstahlpulver durch
Wasserverdüsen fertiglegierter Schmelzen (Metal Powder Report, Vol. 38, No. 4 (1983) S. 185-194). Wasserverdüste
Schnellstahlpulver weisen typischerweise Partikelgrößen
von 40 bis 200 µm auf, welche nur in einem sehr engen
Temperaturintervall (∼4°C) ohne starkes Kornwachstum
gesintert werden können. Vollständige Dichte kann nur
durch anschließendes Heißisostatpressen erreicht werden.
Aus der DE-32 39 718 C2 ist ein Sinter-Schnellarbeitsstahl bekannt, der
durch Mischen von pulverförmigen Metalloxiden mit pulverförmigem Kohlenstoff und
anschließendes Vermahlen, Reduzieren und Sintern hergestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Herstellungsverfahren für einen
Schnellstahlwerkstoff zu schaffen, welcher gute mechanische
Eigenschaften aufweist, wobei die Sinterung in einem großen
Temperaturintervall durchgeführt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den in
Anspruch 1 genannten Schritten. Ausführungen der Erfindung,
sind Gegen
stände von Unteransprüchen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Werkstoff mit sehr guten
mechanischen Eigenschaften aufgrund der kleinen Carbidkörner
mit engem Größenspektrum sowie aufgrund seiner hohen Dichte
hergestellt werden.
Das erfindungsgemäß hergestellte Pulver hat folgende Vorteile:
- - Bei der Sinterung kann ein breites Temperaturintervall (< 30°C) benutzt werden, was aufwendige Temperatur überwachung und Regelung überflüssig macht und die Fertigungssicherheit erhöht (geringer Fertigungsaus schuß).
- - Vollständige Dichte (< 99,9%) ist ohne starkes Korn wachstum möglich.
- - Bei der Herstellung können einige Schritte, beispiels weise das Herstellen der individuellen Metalle, das Aufschmelzen und Legieren und das aufwendige Verdüsen der Metallschmelze eingespart werden.
- - Die Karburierung kann bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden.
Die günstigen Eigenschaften des Pulvers beruhen vor allem
darauf, daß bereits im Legierungspulver, also vor der
Sinterung, kleine Carbidteilchen (< 3 µm) vorhanden sind,
welche von der Binderphase umhüllt und benetzt werden. Die
Struktur der Pulver ist nicht kompakt, sondern schwammig-
oder korallenartig, woraus sich hohe Sinteraktivität er
gibt.
Die Herstellung des Werkstoffs erfolgt in drei Schritten:
- 1. Herstellung von Mischoxidpartikeln
- 2. Reduktion/Karburierung zu Legierungspulvern
- 3. Sinterung
Der erste Schritt erfolgt mit einem Reaktions
sprühverfahren (RSV), bei dem eine Metallsalzlösung der
gewünschten Stöchiometrie in einem heißen Reaktor verdüst
wird (T = 800 bis 12 000°C). Bei diesem Schritt bilden
sich mikrokristalline Mischoxidpulver.
Der zweite Schritt, die Reduktion/Karburierung der Misch
oxide, wird mit karburierenden Gasen oder Gasmischungen oder
Kohlenstoff durchgeführt. Dazu eignen sich besonders gut
Drehrohröfen oder Wirbelschichtreaktoren, die ein Zusammen
backen verhindern. Dieser Schritt kann aber auch in einer
Schüttung durchgeführt werden.
Der dritte Schritt (Pressen und Sintern) erfolgt mit an
sich bekannten Verfahren, wobei jedoch wesentlich größere
Temperaturintervalle beim Sintern zulässig sind als bei den
bisher bekannten Pulvern.
Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Mischoxide aus dem Reaktionssprühverfahren (RSV),
Fig. 2 und 3 Schnellstahlpulver,
Fig. 4 das Gefüge eines gesinterten Teils.
Die im ersten Schritt hergestellten Mischoxidpulver werden
im zweiten Schritt einer Reduktion/Karburierung unterworfen.
Die Mischoxidpulver selbst zeichnen sich durch homogene Ver
teilung der Komponenten aus. Die Agglomeratgröße (3 bis 40 µm)
ist sowohl beeinflußbar über die Konzentration der eingesetz
ten Lösung, und die Zerstäubungs- oder Verdüsungstechnik als auch
über die Reaktortemperatur. Die Agglomerate setzen sich aus
Primärkristalliten mit einer Größenverteilung zwischen 0,3
und 3 µm zusammen.
Die Homogenität und die feine Verteilung der einzelnen
Komponenten bleibt bei der Karburierung erhalten. Aufgrund
der schwamm- oder korallenartigen, also sehr oberflächen
reichen und deswegen reaktiven Struktur des RSV-Mischoxids,
kann die Reduktion/Karburierung bei Temperaturen zwischen
850 und 1000°C durchgeführt werden. Im Gegensatz zu
bekannten Verfahren für die Karburierung von Einzelmetal
len, bei denen weit höhere Temperaturen die Regel sind
(< 1200°C), bleibt die mikrokristalline Struktur des RSV-
Pulvers dabei erhalten.
Die Carbidgröße in den Pulveragglomeraten wird sowohl durch
den Herstellungsprozeß der Mischoxidpulver als auch durch
Kornwachstum während des Karburierens bestimmt.
Die Kristallitgröße der Mischoxidpulver nimmt mit steigender
Temperatur im RSV zu. Diese Kristallitgröße beeinflußt maß
geblich die Carbidkorngröße nach der Karburierung.
Die Karburierung selbst erfolgt bei so niedrigen Temperatu
ren, daß dabei kein Kornwachstum stattfindet.
Als Reduktions- und Karburierungsmittel werden karburierende
Gase, Gasgemische oder Kohlenstoff eingesetzt. Geeignet sind
CH4/H2-Mischungen mit einer Kohlenstoffaktivität < 1.
Kohlenstoff wirkt sowohl als direktes Reduktions-/Karburie
rungsmittel als auch indirekt über die Bildung von CO mit
dem Mischoxid. Die Reaktion wird zeitkontrolliert durchge
führt, das heißt der Kohlenstoffgehalt wird über die Karbu
rierungszeit eingestellt. Der Zusammenhang zwischen Karbu
rierungszeit und Kohlenstoffgehalt muß für die jeweilige
Karburierungsart empirisch ermittelt werden.
Eine Lösung mit einer Metallkonzentration von 150 g/l wird
aus stöchiometrisch äquivalenten Mengen Chromnitrat, Kobalt
nitrat, Eisennitrat, Vanadylsulfat, Ammoniummetawolframat
und Ammoniumheptamolybdat unter Zugabe von Wasser herge
stellt. Die so hergestellte Lösung wird mit 10 l/h in einen
heißen Reaktor verdüst (Reaktionstemperatur 800°C). Das
Aerosol verdampft extrem rasch, es erfolgt Zersetzung der
Salze, wobei sehr feinkristalline, homogene Mischoxid
partikel entstehen (Fig. 1). Gase und Partikel werden in
einem Separator getrennt, das Pulver wird einer Reduktion/
Karburierung unterzogen.
Die Reduktion/Karburierung erfolgt beispielsweise in einer
Wirbelschichtanlage, in der ein Verbacken der Pulver während
der Umsetzung ausgeschlossen werden kann. Die Reaktion wird
bei 950°C durchgeführt, als Reaktionsgas dient eine
Mischung aus 99% H2 und 1% CH4.
Die genaue Einstellung des Kohlenstoffgehalts erfolgt zeit
kontrolliert und beträgt für 5-kg-Chargen größenordnungs
mäßig 40 Stunden. Die Fig. 2 und 3 zeigen karburiertes
Pulver.
Die so hergestellten Pulver lassen sich ohne Zugabe weiterer
Preßhilfsmittel zu Preßkörpern mit etwa 6,3 g/cm3 verdichten.
Die Sinterung erfolgt im Vakuum, bei Temperaturen zwischen
1235 und 1265°C. In diesem Intervall stellt sich voll
ständige Dichte ohne Kornwachstum ein (sonst nur möglich
durch Sintern bis 97% der theoretischen Dichte mit an
schließendem Heißisostatpressen). Fig. 4 zeigt in 2500facher
Vergrößerung das Gefüge eines gesinterten Teils.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von metallgebundenen Carbiden, die als
Werkstoff für Schnellarbeitsstähle verwendbar sind,
- - mit einer ersten Phase aus Hartstoffpartikeln (Wolframcarbid, Molybdäncarbid, Chromcarbid, Vanadiumcarbid, Niobcarbid, Tantalcarbid und/oder Mischcarbide der genannten Metalle) mit einer Korngröße zwischen 2 und 7 µm und
- - einer zweiten Phase aus einer Eisenbasislegierung, die als Haupt bestandteil Eisen und als Minderkomponente Kobalt enthält, wo bei der Anteil der zweiten Phase zwischen 60% und 95% liegt,
- - auf pulvermetallurgischem Weg über die Verwendung von Oxid partikeln, deren Reduktion und Sinterung,
dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidpartikel Mischoxidpartikel
(homogene Mikrokristallite) mit der dem Werkstoff zugrundeliegen
den Metallzusammensetzung verwendet werden, die durch Verdüsen
einer metallsalzhaltigen Lösung in einen heißen Reaktor hergestellt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reduktion/Karburierung des Mischoxids mit karburierenden Gasen
oder Gasmischungen oder Kohlenstoff durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Reduktion/Karburierung in einer Wirbelschicht, einem Drehrohr
ofen oder einer Schüttung durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine
Karburierungstemperatur von 850°C bis 1000°C.
Priority Applications (2)
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Family Applications (1)
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