DE3936523A1 - Fuer maschinelle bearbeitung geeignete eisenpulver-mischungen mit einem gehalt an bornitrid - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft Eisenpulver-Mischungen. Gesichtspunkte der Erfindung sind einerseits Eisenpulver- Mischungen, die der mit Maschinen bearbeitbaren Klasse zuzuordnen sind sowie Bornitrid enthalten, und andererseits die Verwendung von Bornitrid-Pulver, das aus Agglomaraten von ungleichmmäßig geformten submikroskopischen Teilchen besteht.

Herstellung und Verwendung von Eisenpulvern sind wohl bekannt und in wesentlichen Einzelheiten in Kirk-Othmer's Encyclo­ pedia of Chemical Technology, 3. Aufl., Band 19, Seiten 28 bis 62, beschrieben. Eisenpulver können hergestellt werden durch Ablassen von geschmolzenem Eisenmetall aus einem Ofen in eine Gießwanne, wo nach dem Passieren von feuerfesten Ausgüssen das geschmolzene Eisen einer Granulation durch horizontale Wasserstrahlen unterworfen wird. Das granulierte Eisen wird dann getrocknet und auf Pulvergröße gebracht, woraufhin ein Vergüten zur Entfernung von Sauerstoff und Kohlenstoff erfolgt. Ein reiner Eisenkuchen wird erhalten, der dann in Pulverform aufgebrochen wird.

Eisenpulver können auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden, so für pulvermetallurgische Verarbeitung (P/M), Schweißelektroden-Überzüge, autogenes Brennschneiden und Flammstrahlen.

Für P/M Anwendung wird das Eisenpulver oftmals abgemischt mit ausgewählten Zusätzen, wie Gleitmitteln, Bindemitteln und legierenden Mitteln. Ein Eisen-P/M-Teil wird hergestellt durch Injektion von Eisen- oder Stahl-Pulver in eine der gewünschten Gestalt nahekommende Form und Anwendung von Druck zur Ausbildung eines Preßkörpers, Sintern des Preßkörpers und Bearbeiten des gesinterten Körpers zum Erhalt der gewünschten Abmessungen.

Geformte P/M-Sinter-Preßkörper benötigen oft eine spanab­ hebende Bearbeitung als eine der Endstufen zum Erhalt des gewünschten P/M-Produkts. Sofern es sich bei dem P/M-Produkt um ein Massenprodukt handelt (für dessen Herstellung die P/M- Verarbeitung geeignet ist), dann hängen Geschwindigkeit und Wirkungsgrad für die Gewinnung der P/M-Produkte zum Teil von der Geschwindigkeit und Produktivität der Bearbeitungsstufe ab. Andererseits ist die Geschwindigkeit und Produktivität der Bearbeitungsstufe eine Funktion u. a. davon, wie leicht der P/M-Sinterkörper spanabhebend bearbeitet werden kann. Im allgemeinen gilt, daß bei schwerer Bearbeitbarkeit das Schneidwerkzeug einen größeren Energieaufwand bedarf sowie die Einsatzbarkeit verkürzt und eine längere Bearbeitungs­ dauer bis zum Abschluß der Behandlungsstufe benötigt wird.

Eine der Methoden zur Erhöhung der Geschwindigkeit und des Wirkungsgrades in der Behandlungsstufe besteht darin, einen P/M-Sinterkörper herzustellen, der einen niedrigen Reibungs­ koeffizienten an der Schnittstelle vom Schneidwerkzeug und Sinterkörper sowie verbesserte Spanbildungs-Eigenschaften aufweist. Dies kann erreicht werden durch Mischen des Eisenpulvers mit einem die Reibung reduzierenden Mittel, wie Mangansulfid oder Bornitrid; indessen bedürfen diese bekannten und eingesetzten Mittel der Verbesserung. Da alle diese Mittel mit dem Eisenpulver vor dem Sintern vermischt werden, hat dies zur Folge, daß einige die beim Sintern eintretende Dimensionsveränderungen ungünstig beeinflussen oder die Festigkeitseigenschaften des Sinterkörpers redu­ zieren oder beides bewirken. Ein wesentlicher Einfluß auf die Dimensionsveränderung kann für den Hersteller von P/M-Teilen die Änderung der Form erfordern, was wegen der Kosten möglichst vermieden werden soll. Wesentlich reduzierte Festigkeits-Eigenschaften eines Sinterkörpers vermindern im allgemeinen die Endbrauchbarkeit. Diese unerwünschten Einflüsse sind wenigstens teilweise eine Funktion von der Natur und der Menge des dem Eisenpulver zugesetzten Mittels. Daher ist die Suche nach Mitteln, die die gewünschten Eigenschaften bei niedrigen Zusatzmengen und Kosten hervor­ rufen, ein ständiges Erfordernis in der P/M-Forschung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine für maschinelle Bearbeitung geeignete Eisenpulver-Mischung hergestellt aus:

• A. wenigstens 85 Gew.-% eines Eisenpulvers mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 300 µm (microns) und
• B. wenigstens 0,01 Gew.-% Bornitrid-Pulver, das aus Agglomeraten von unregelmäßig geformten submikro­ skopischen Teilchen besteht.

P/M-Sinterkörper aus diesen Eisenpulver-Abmischungen weisen eine verbesserte maschinelle Bearbeitbarkeit auf. Zusätzlich hat das reibungsvermindernde Bornitrid nur einen minimalen Einfluß sowohl auf die Festigkeit des P/M-Sinterkörpers als auch die Dimensionsänderung des Körpers während des Sinterns.

Im allgemeinen kann jedes Eisenpulver mit einer maximalen Teilchengröße unter etwa 300 µm in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen verwendet werden. Typische Eisenpulver sind die "Atomet®"-Eisenpulver, hergestellt von der Quebec Metal Powders Limited of Tracy, Quebec, Canada. Diese Eisenpulver haben einen Eisengehalt von mehr als 99 Gew.-% bei einem Gehalt an Sauerstoff von weniger als 0,2 Gew.-% und an Kohlenstoff von weniger als 0,1 Gew.-%.

Atomet®-Eisenpulver haben üblicherweise eine scheinbare Dichte von mindestens 2,50 g/cm³ und eine Fließrate von weniger als 30 Sekunden je 50 g. Das Bornitrid gemäß der Erfindung wurde zwar als wirksamer in Eisenpulvern gefunden, doch können auch Stahlpulver, einschließlich Edelstahlpulvern und legierten Stahlpulvern als Eisenpulver im Rahmen der erfindungsgemäßen Mischungen verwendet werden; Atomet® 1001, 4201 und 4601 Stahlpulver sind Beispiele der Stahl- und legierten Stahl-Pulver. Diese Atomet®-Pulver enthalten mehr als 97 Gew.-% Eisen und weisen eine scheinbare Dichte von 2,85 bis 3,05 g/cm³ sowie einen Fluß von 24 bis 28 Sekunden je 50 g auf. Atomet®-Stahlpulver 1001 hat einen Eisengehalt von mehr als 99 Gew.-% und im Falle der Atomet®-Stahlpulver 4201 und 4601 beträgt der Molybdän-Gehalt jeweils 0,55 Gew.-% sowie der Nickel-Gehalt 0,5 bzw. 1,8 Gew.-%. Im Grunde genommen kann jedes Stahlpulver eingesetzt werden. Vorzugs­ weise hat das Eisenpulver eine maximale Teilchengröße unter etwa 212 µm.

Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Bornitrid- Pulver besteht aus unregelmäßig geformten Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von wenigstens 0,05 µm, vorzugsweise von wenigstens 0,1 µm. Der hier gebrauchte Ausdruck "unregelmäßig geformte Teilchen" bedeutet, daß nicht nur Teilchen gemäß Fig. 2(f) auf Seite 32 von Kirk-Othmer's "Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Auflage, Band 19, sondern auch Teilchen entsprechend den Fig. 2(c), (d), (e), (g) und (h) vorliegen. Insofern als die Teilchen von submikroskopischer Größe sind, tendieren sie zu einem Zusammenhaften unter Bildung von Aggregaten mit einer Teilchengröße von etwa 5 bis etwa 50 µm. Wenn auch nicht genau bekannt, so wird angenommen, daß die Agglomerate beim Vermischen mit den Eisen-Teilchen aufbrechen und sich die wiedererhaltenen submikroskopischen Teilchen in oder um die Poren oder Spalten der Eisen-Teilchen konzentrieren. Auf Grund dieser Anordnung der Bornitrid-Teilchen an den Eisen- Teilchen wird angenommen, daß der Einfluß des Bornitrids auf die Eisen-Teilchen während des Sintervorgangs vermindert wird und dementsprechend auch die materielle Wirkung auf die mechanische Festigkeit der P/M-Sinterkörper nach dem Sintervorgang. Ein entsprechender Effekt wird von dem Zusatz von nichtagglomerierten submikroskopischen Bornitrid-Teilchen angenommen. Die bevorzugte mittlere Teilchengröße der gemäß dieser Erfindung verwendeten Bornitrid-Teilchen liegt zwischen etwa 0,2 bis etwa 1,0 µm.

Das Bornitrid ist für sich betrachtet ein relativ inertes Material, das mit Eisen und Stahl bei Temperaturen unterhalb 1400°C nicht mischbar ist und im wesentlichen mit Kohlenstoff unter 1700°C nicht reagiert. Indessen beruht die im allgemeinen mit Bornitrid verbundene Hygroskopizität zum großen Teil auf der Anwesenheit von Boroxid, einem Rückstand aus dem Herstellungsprozeß für Bornitrid. Insofern als die Gebrauchs­ dauer von Eisen-Pulver-Mischung abhängig ist von der Menge des Wassers, das während der Zeit der Herstellung der Mischung und der Zeit der Verwendung zur Verarbeitung zu einem P/M-Sinterkörper absorbiert wird, liegt der Gehalt an Borsäure in dem für die Mischungen gemäß der Erfindung verwendeten Bornitrid im allgemeinen unter etwa 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Bornitrid, und vorzugsweise unter etwa 3 Gew.-%.

Die Mischungen vom Eisenpulver gemäß der Erfindung werden hergestellt durch Vermischen von wenigstens etwa 0,01, vorzugsweise von wenigstens etwa 0,02 Gew.-% des Bornitrid- Pulvers mit wenigstens etwa 85, vorzugsweise wenigstens etwa 90 Gew.-% des Eisenpulvers. Insbesondere werden zwischen etwa 0,01 und 0,10 Gew.-% des Bornitrid-Pulvers mit dem Eisen- Pulver vermischt und am meisten bevorzugt zwischen 0,03 bis 0,07 Gew.-%. Das Vermischen wird derart durchgeführt, daß die resultierende Mischung aus Eisen-Pulver und Bornitrid im wesentlichen homogen ist.

Im allgemeinen kann jede Art des Mischens durchgeführt werden, wobei das konventionelle mechanische Mischen am typischsten ist. Die Mischung von Eisenpulver gemäß der Erfindung können andere Materialien außer dem Eisen- und Bornitrid-Pulver enthalten.

So können auch Bindemittel, wie Polethylenglykol, Poly­ propylenglykol, Kerosin u. dgl. anwesend sein, aber auch Legierungs-Pulver, wie Graphit, Kupfer und/oder Nickel. Derartige Materialien, ihre Verwendung und Methoden zum Einbringen in die Eisen-Pulver-Mischungen gehören zum Strand der Technik.

Die herausragende Besonderheit bei der vorliegenden Erfindung ist die verbesserte maschinelle Bearbeitbarkeit der P/M- Sinterkörper. Diese Körper lassen sich leichter maschinell bearbeiten als solche Körper, die aus Mischungen ohne den Gehalt an den hier beschriebenen Bornitrid-Pulvern herge­ stellt wurden. Auf diese Weise ist die maschinelle Bear­ beitungsstufe der P/M-Sinterkörper wirkungsvoller. Diesses vorteilhafte Merkmal wird erreicht ohne einen signifikanten negativen Einfluß auf die Sintereigenschaften der Eisenpulver- Mischungen.

Die nachstehenden Beispiele sind erläuternde Ausführungen der Erfindung.

Atomet® 28-Eisenpulver wurde herangezogen, um den Einfluß von reibungsvermindernden Mitteln auf die Sintereigenschaften von P/M-Sinterkörper und die Festigkeit sowie maschinelle Bearbeitbarkeit von P/M-Sinterkörpern zu untersuchen. Atomet® 28-Eisenpulver besteht aus 99+ Gew.-% Eisen und enthält etwa 0,18 Gew.-% Sauerstoff und 0,07 Gew.-% Kohlenstoff. Es hat eine scheinbare Dichte von etwa 2,85 g/cm³ und eine Fließrate von etwa 26 Sekunden je 50 g.

Die Siebanalyse war:

Das im nachstehenden verwendete reibungsvermindernde Mittel auf Basis von Mangansulfid (MnS) bestand aus nicht agglo­ merierten Teilchen mit einer mittleren Größe von etwa 5 µm.

Ferner wurden verwendet drei verschiedene Typen von Bornitrid (BN) als reibungsvermindernde Mittel. Die erste Type (BN-I) bestand aus 5 bis 10 µm-Agglomeraten von plättchenförmigen Teilchen mit einer mittleren Größe von 0,5 bis 1 µm. Diese Type enthielt zwischen etwa 0,2 und 0,4 Gew.-% Boroxid.

Die zweite Type (BN-II) bestand aus nichtagglomerierten plättchenförmigen Teilchen von 5-15 µm und enthielt maximal etwa 0,5 Gew.-% Boroxid.

Die dritte Type bestand - ähnlich wie die erste - aus 5 bis 30 µm-Agglomeraten von Teilchen mit einer mittleren Größe von 0,05 bis 1 µm, hatte aber im Gegensatz zu der ersten Type mit der Plättchenform eine nicht-plättchenförmige, unregel­ mäßige Gestalt. Der Boroxid-Gehalt lag zwischen etwa 0,5 und 3 Gew.-%.

Das Atomet® 28-Eisenpulver wurde zuerst abgemischt mit etwa 0,5 Gew.-% Zinkstearat (als Gleitmittel) und wechselnden Anteilen an Graphit im Bereich von 0 bis 0,9 Gew.-%. Verschiedene Mengen an reibungsvermindernden Mittel wurden dann zu aliquoten Mischungen zugegeben und mechanisch unter Bildung einer homogenen Mischung (im 5% Zusatzbereich) vermischt. Teststücke wurden unter 6,7 g/cm³ gepreßt und während 30 Minuten bei 1120°C in einer stark aufnehmen­ den Atmosphäre gesintert. Die Sintereigenschaften wurden bestimmt mit Standard-Biegespannungs-Stäben gemäß den Testmethoden der Metal Powder Industries Federation. Die in der Tabelle wiedergegebenen Werte sind Mittelwerte aus wenigstens 3 Messungen.

Die maschinelle Bearbeitbarkeit wurde bestimmt unter Verwen­ dung des Bohr-Druck-Tests (drilling thrust force test). Für allgemeine Zwecke geeignete Drallstahlbohrer wurden in den Umlaufkopf einer industriellen Drehbank eingebracht und den auf einer Meßdose montierten Mustern zugeführt. Die Druckwerte (thrust forces) wurden bestimmt mit Teststangen in der Größe 31,8 mm×12,7 mm×12,7 mm, die wie oben gepreßt und gesintert worden waren. Zwei Löcher von 6,4 mm Durchmesser und 10 mm Tiefe wurden in jede Probe gebohrt. Kühlungsmittel wurden während des Bohrens nicht verwendet; die Penetrationsrate wurde auf 40 mm/min festgelegt und die Bohrgeschwindigkeit betrug bei allen Versuchen 800 upm. Die Druckwerte wurden bestimmt mit der Meßdose und übertragen auf einen Hochgeschwindigkeits-Plotter. Die Druckwerte dienten als maschineller Bearbeitungsindex für die gesinterten Teile. Je niedriger die Druckwerte waren, um so besser ist die Bearbeitbarkeit (längere Lebensdauer des Schneidwerkzeugs, geringerer Kraftbedarf für das Schneiden und geringerer Zeitbedarf für die Bearbeitung des Sinterkörpers).

Die bei diesen Versuchen erhaltenen Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt und zeigen, daß der Zusatz eines jeden der reibungsvermindernden Mittel einen positiven Einfluß auf die Verminderung der anzuwendenden Drucke hat. Indessen variiert die zur Erzielung einer Verminderung des Drucks auf einen gegebenen Wert erforder­ liche Menge mit dem eingesetzten Mittel; ebenso variieren die negativen Einflüsse auf die Festigkeit, die Dimensionsver­ änderung und Härte des Sinterkörpers in Abhängigkeit von dem Mittel und der davon eingesetzten Menge.

So führt beispielsweise ein Zusatz von 0,5 Gew.-% MnS zu einer 10%igen Verminderung im Druckwert bei einem Sinterkörper aus einer Mischung, die noch 0,9 Gew.-% Graphit enthält; sie vermindert jedoch auch die Festigkeit (TRS=Transverse Rupture Strength) um 15%, die Härte von 77 auf 74 und verursacht eine stärkere Dimensionsveränderung (+0,1%). Bessere Ergebnisse erzielt man mit erheblich geringeren Zusätzen an BN-I und BN-II. Ein jedes dieser Mittel ver­ minderte den Druckwert um wenigstens 17% und reduzierte die TRS und Härte weniger oder in etwa gleicher Höhe wie dies bei Verwendung von MnS bei einem Zusatz von 0,5 Gew.-% der Fall war. Der Einsatz von BN-I und II führte bei diesen geringeren Mengen (0,1, 0,2 und 0,3 Gew.-%) auch zu einer geringeren Dimensionsveränderung.

Die Verwendung von BN-III (also einer erfindungsgemäßen Ausführungsform) bringt eine sehr positive Druckwert-Ver­ minderung von 23% bei einem Zusatz, der mit 0,05 um eine Größenordnung niedriger ist als bei entsprechenden Ergebnissen für BN-I und II. Darüberhinaus war die Reduktion der TRS mit 7,1% und der Härte von 77 auf 74 sowie der Einfluß auf die Dimensionsveränderung mit 0,01 im wesentlichen gleich. Größere Druckwert-Verminderungen (61%) können erreicht werden bei Verwendung von mehr BN-III (0,3 Gew.-%), aber auf Kosten einer größeren Verminderung in der Festigkeit (43%) und Härte (von 77 auf 54) sowie des Einflusses auf die Dimensionsveränderung (-0,04). Indessen bestehen diese Erscheinungen auch bei den anderen Mitteln (vgl. die 0,1- und 0,2-Zusätze von BN-II). Nach alledem kann man bei Verwendung der reibungsermindernden Mittel gemäß der Erfindung (BN-III) beträchtlich weniger einsetzen und erhält trotzdem die erwünschten Bearbeitungscharakteristiken ohne Zunahme von Nachteilen durch Verminderung der mechanischen Festigkeit, Härte oder vergrößerter Dimensionsveränderung. Dies beruht, so wird angenommen, darauf, daß trotz des geringeren Anteils an BN-III im Vergleich zu BN-I und BN-II im Falle von BN-III eine größere Anzahl an Teilchen pro Gewichtseinheit existierten mit dem kontinuierlicheren spanbrechenden Effekt und dem größeren Schmiergrad, wie er an der Grenzfläche von Span und Werkzeug beobachtet wird.

Tabelle

Die Erfindung wurde vorstehend beschrieben unter spezieller Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen, indessen sollen diese nur der Erläuterung dienen und keineswegs eine Begrenzung der beanspruchten Lehre darstellen.

Claims (10)

1. Der mit Maschinen bearbeitbaren Klasse zuzuordnende Eisenpulver-Mischungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie bestehen aus:

• A. wenigstens etwa 85 Gew.-% eines Eisenpulvers mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 300 µm und
• B. wenigstens etwa 0,01 Gew.-% Bornitrid-Pulver, bestehend aus Agglomeraten von unregelmäßig geformten, submikroskopischen Teilchen.

2. Pulvermischung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Teilchengröße des Eisenpulvers weniger als 212 µm ist.

3. Pulvermischung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenpulver in derselben in einer Menge von min­ destens etwa 90 Gew.-% vorliegt.

4. Pulvermischung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bornitrid in derselben in einer Menge von wenigstens etwa 0,02 Gew.-% vorliegt.

5. Pulvermischung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bornitrid-Pulver in derselben in einer Menge zwischen etwa 0,02 und 0,1 Gew.-% vorliegt.

6. Pulvermischung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bornitrid-Pulver weniger als etwa 5 Gew.-% Boroxid enthält.

7. Pulvermischung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bornitrid-Pulver weniger als etwa 3 Gew.-% Boroxid enthält.

8. Pulvermischung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die submikroskopischen Teilchen des Bornitrids eine mittlere Teilchengröße zwischen etwa 0,05 und 1,0 µm haben.

9. Pulvermischung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die submikroskopischen Teilchen des Bornitrids eine mittlere Teilchengröße zwischen etwa 0,1 und 1,0 µm haben.

10. Eisen-Formstück, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Pulvermischung gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 verpreßt worden ist.