DE4118067A1 - METAL BASE MATERIAL, MOLDED BODY AND METHOD FOR THE PRODUCTION AND USE THEREOF - Google Patents

METAL BASE MATERIAL, MOLDED BODY AND METHOD FOR THE PRODUCTION AND USE THEREOF

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Abstract

It is proposed, to improve the wearing properties, to add boron carbide to a metal-based material whereby, on the application of abrasive stress in the peripheral regions near the surface, a wear protection layer consisting of finely divided metallic carbides, borides, carboborides and small residual boron carbide particles is formed and constantly renewed.

Description

Die Erfindung betrifft einen auf pulvermetallurgischem Weg mit gemeinsamem Mahlen der Ausgangsbestandteile durch Sintern, Heißpressen, Sintern mit getrennter heißisostatischer Nachver­ dichtung sowie einer kombinierten Sinter-/HIP-Behandlung herge­ stellten Metallbasiswerkstoff, einen aus diesem Metallbasis­ werkstoff bestehenden Formkörper und ein zu seiner Herstellung geeignetes Verfahren sowie seine Verwendung.The invention relates to a powder metallurgical route joint grinding of the starting components by sintering, Hot pressing, sintering with separate hot isostatic post ver seal as well as a combined sintering / HIP treatment made metal base material, one from this metal base existing moldings and one for its manufacture suitable method and its use.

Verschleiß, insbesondere durch Abrasion hervorgerufene Schädi­ gungen führen zu bedeutenden wirtschaftlichen Verlusten. Aus diesem Grund sind eine Vielzahl mehr oder weniger verschleißfe­ ster Werkstoffe entwickelt worden. Die nach dem Stand der Tech­ nik bekannten Vorschläge gehen in zwei Richtungen:Wear, especially damage caused by abrasion conditions lead to significant economic losses. Out for this reason, a variety are more or less wear materials have been developed. According to the state of the art nik known proposals go in two directions:

  • 1. Die Herstellung eines verschleißbeständigen Massivwerkstof­ fes mit isotroper Zusammensetzung und gleichen Eigenschaften über den gesamten Querschnitt.1. The production of a wear-resistant solid material fes with an isotropic composition and the same properties over the entire cross section.
  • 2. Die Herstellung einer oder mehrerer Verschleißschutzschichten auf einem relativ zähen und weichen Kernmaterial.2. The production of one or more wear protection layers on a relatively tough and soft core material.

Während die zu der 1. Gruppe zählenden Werkstoffe über eine meist geringe Zähigkeit verfügen oder aber teure Legierungs­ elemente wie Wolfram und Cobalt, verbunden mit aufwendigen Produktionstechnologien verwendet werden müssen, ergeben sich für die zu der 2. Gruppe zählenden Werkstoffe häufig Schwierig­ keiten infolge der auftretenden Kräfte und Temperaturen beim Verschleißprozeß hinsichtlich der Haftung zwischen der Ver­ schleißschutzschicht und dem Kernwerkstoff sowie als Hauptpro­ blem, daß nach dem Abtragen der relativ dünnen Veschleißschutz­ schicht(en) eine meist irreversible Schädigung des Kernkörpers erfolgt.While the materials belonging to the 1st group have a usually have low toughness or expensive alloys elements such as tungsten and cobalt combined with complex Production technologies must be used difficult for the materials belonging to the second group due to the forces and temperatures involved  Wear process with regard to liability between the Ver wear protection layer and the core material as well as the main pro blem that after removing the relatively thin wear protection layer (s) a mostly irreversible damage to the core body he follows.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Metall­ basiswerkstoff und einen Formkörper anzugeben, die preisgünstig ohne großen Herstellungsaufwand zu erhalten sind und die eine gute Verschleißfestigkeit aufweisen.It is therefore an object of the present invention, a metal base material and a molded body specify that inexpensive can be obtained without great manufacturing effort and the one have good wear resistance.

Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geeigne­ tes Herstellungsverfahren sowie eine bevorzugte Verwendung des Metallbasiswerkstoffes bzw. eines hieraus gefertigten Formkör­ pers anzugeben.It is also an object of the present invention to find a suitable tes manufacturing process and a preferred use of Metal base material or a molding made therefrom to specify pers.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch angegenen Metallbasis­ werkstoff gelöst, der erfindungsgemäß 10 bis 80 Massen-% Eisen, 4 bis 15 Massen-% Borcarbid und 10 bis 80 Massen-% Chrom enthält. Vorteilhafterweise werden beim abrasiven Verschleiß an der Körperoberfläche wirkende Kräfte und Temperaturen dazu ge­ nutzt, um mit Hilfe der eingebundenen und angelösten Borcarbid­ körner eine sehr harte und feinkörnige Oberflächenschicht zu erzeugen, die aus feinverteilten Metallcarbiden, Metallboriden, Metallcarboboriden und sehr kleinen Borcarbidrestteilchen be­ steht. Diese Schicht bildet sich vorteilhafterweise infolge ei­ ner mechanischen Legierungsbildung beim abrasiven Verschleiß immer wieder neu aus.This object is achieved by the metal base specified in the claim solved material, the invention 10 to 80 mass% iron, 4 to 15 mass% boron carbide and 10 to 80 mass% chromium contains. Advantageously, abrasive wear forces and temperatures acting on the body surface uses to with the help of the bound and dissolved boron carbide a very hard and fine-grained surface layer generate from finely divided metal carbides, metal borides, Metal carboborides and very small particles of boron carbide stands. This layer is advantageously formed as a result of egg Mechanical alloying during abrasive wear always new.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Metallbasiswerkstoffes sind in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.Advantageous further developments of the metal base material are in claims 2 to 4 described.

So werden bevorzugt 50 bis 70 Massen-% Eisen, 4 bis 10 Massen-% Borcarbid und 20 bis 40 Massen-% Chrom verwendet. Dem Metall­ basiswerkstoff können auch 0,1 bis 3 Massen-% Titan und/oder 0,1 bis 9 Massen-% Silizium zugegeben werden, was insbesondere bei sauerstoffreichen Ausgangspulvern die mechanischen Kenn­ werte des Endproduktes verbessert. Vorzugsweise beträgt der Ge­ halt an Titan und/oder an Silizium jeweils 1 bis 2 Massen-%.50 to 70% by mass of iron, 4 to 10% by mass are preferred. Boron carbide and 20 to 40 mass% chromium are used. The metal base material can also 0.1 to 3 mass% titanium and / or  0.1 to 9 mass% silicon can be added, which in particular the mechanical characteristics of oxygen-rich starting powders values of the end product improved. The Ge is preferably holds 1 to 2 mass% each of titanium and / or silicon.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch den im An­ spruch 5 beschriebenen Formkörper gelöst, der eine 30 bis 150 m dicke Verschleißschutzschicht einer höheren Härte als die des Kernkörpers aufweist, die ausschließlich durch das Ein­ wirken einer Verschleißbeanspruchung entsteht und die sich bei fortlaufender Abnutzung des Formkörpers in dessen Oberflächen­ randzonen fortlaufend neu bildet, während der Kernkörper unver­ ändert bleibt. Hierdurch bleibt die Zähigkeit des Kernkörpers erhalten, da dort im Gegensatz zur Randzone nur wenig harte Be­ reiche vorhanden sind. Insbesondere erreicht die Biegefestig­ keit des Formkörpers Werte zwischen 1200 bis 1900 MPa.The object of the invention is further by the in Proof 5 solved molded body, the 30 to 150 m thick wear protection layer of higher hardness than that of the core body, which is exclusively by the one wear wear arises and that continuous wear of the molded body in its surfaces marginal zones continuously forms, while the core body is unchanged changes remains. As a result, the toughness of the core body remains preserved, because in contrast to the edge zone there is only a little hard Be rich exist. In particular, the flexural strength reaches of the molded body values between 1200 and 1900 MPa.

Vorzugsweise hat der Kernkörper eine Mikrohärte zwischen 500 bis 900 HV 0,05 und die Verschleißschutzschicht eine Mikrohärte zwischen 2000 bis 3000 HV 0,05.The core body preferably has a microhardness between 500 up to 900 HV 0.05 and the wear protection layer a micro hardness between 2000 to 3000 HV 0.05.

Der Metallbasiswerkstoff bzw. der hieraus bestehende Formkörper wird nach dem im Anspruch 7 beschriebenen Verfahren herge­ stellt. Hierbei wird Eisenpulver einer Korngröße bis 500 m, Borcarbidpulver mit Kristallitgrößen zwischen 10 und 80 m mit den übrigen Bestandteilen vermischt, die Mischung mit einer wasserfreien Mahlflüssigkeit mindestens 5 h vermahlen, getrock­ net, abgesiebt und in einem anschließenden Heißpressen unter Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre bei 1100 bis 1200°C und einem Druck zwischen 1 bis 3 kN/cm2 oder einem Sintern bei Temperaturen zwischen 1150 und 1200°C mit anschließendem heißi­ sostatischem Pressen unterzogen. Beim Mahlen der härteren Bor­ carbidteilchen mit den übrigen Stoffen werden die Borcarbid­ teilchen in die weicheren Teilchen "eingeschlagen" bzw. es kommt zum "Aufplattieren" der weicheren Legierungsbestandteile auf die härteren.The metal base material or the molded body made therefrom is produced by the method described in claim 7. Here, iron powder with a grain size of up to 500 m, boron carbide powder with crystallite sizes between 10 and 80 m are mixed with the other constituents, the mixture is ground with an anhydrous grinding liquid for at least 5 h, dried, sieved and then subjected to hot pressing under vacuum or in an inert gas atmosphere 1100 to 1200 ° C and a pressure between 1 to 3 kN / cm 2 or sintering at temperatures between 1150 and 1200 ° C with subsequent hot isostatic pressing. When the harder boron carbide particles are ground with the other substances, the boron carbide particles are “hammered” into the softer particles or the softer alloy components are “plated” onto the harder ones.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 9 bis 12 beschrieben.Further developments of the method according to the invention are in the Claims 9 to 12 described.

So wird als Mahlflüssigkeit vorzugsweise Alkohol, Aceton, Hexan, Heptan, Benzin und/oder Tetralin verwendet. Das Mahlen wird in einer Kugelmühle durchgeführt. Vorzugsweise wird die gemahlene Mischung mit einem Sieb der Maschenweite von 100 m abgesiebt.For example, alcohol, acetone, Hexane, heptane, gasoline and / or tetralin are used. Grinding is carried out in a ball mill. Preferably the ground mixture with a sieve with a mesh size of 100 m sieved.

Als Inertgas beim Heißpressen wird vorzugsweise ein Edelgas wie Argon verwendet.An inert gas such as is preferably used as the inert gas in hot pressing Argon used.

Die erfindungsgemäßen Werkstoffe bzw. Formkörper eignen sich hervorragend als verschleißfeste Körper beim Transport, zur Be­ arbeitung oder Verarbeitung mineralischer Güter sowie als Ma­ schinenbauteile, insbesondere für die Fahrzeugindustrie und die Landwirtschaft. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Werk­ stoffe auch für Zerspanungswerkzeuge eingesetzt werden.The materials or moldings according to the invention are suitable excellent as wear-resistant body during transport, for loading work or processing of mineral goods as well as Ma Machine components, especially for the automotive industry and the Agriculture. Furthermore, the plant according to the invention materials can also be used for cutting tools.

In konkreten Ausführungsbeispielen lag folgende Zusammensetzung vor (Angaben jeweils in Massen-%):The following composition was in concrete exemplary embodiments before (data in mass%):

Die Zusammensetzungen nach vorstehenden Beispielen 1 bis 3 wur­ den gemischt, mit einer Mahlflüssigkeit 5 h vermahlen, an­ schließend getrocknet und abgesiebt. Die mittlere Korngröße be­ trug nach dem Absieben 0,02 mm, wobei die größten Körner Werte bis zu 0,1 mm hatten. Das abschließende Heißpressen wurde bei einer Temperatur von 1100°C durchgeführt, die Haltezeit bei dieser Temperatur lag zwischen 10 und 20 Minuten. Die Enddichte der so hergestellten Formkörper lag bei mindesten 95%.The compositions according to Examples 1 to 3 above the mixed, ground with a grinding liquid for 5 h finally dried and sieved. The average grain size be after sieving wore 0.02 mm, with the largest grains values up to 0.1 mm. The final hot pressing was at a temperature of 1100 ° C, the holding time at this temperature was between 10 and 20 minutes. The final density the shaped body produced in this way was at least 95%.

Während der abschließenden Wärmebehandlung wurden die Borcar­ bidteilchen angelöst; die borcarbidhaltige Schutzschicht hin­ gegen bildet sich erst bei abrasivem Oberflächenverschleiß durch "mechanische Legierungsbildung" aus.During the final heat treatment, the Borcar dissolved in particle; the protective layer containing boron carbide against only forms when abrasive surface wear occurs through "mechanical alloy formation".

Claims (12)

1. Auf pulvermetallurgischem Weg mit gemeinsamem Mahlen der Ausgangsbestandteile durch Sintern, Heißpressen, Sintern mit getrennter heißisostatischer Nachverdichtung sowie einer kombinierten Sinter-/HIP-Behandlung hergestellter Metallbasiswerkstoff mit 10 bis 80 Massen-% Eisen, 4 bis 15 Massen-% Borcarbid und 10 bis 80 Massen-% Chrom.1. By powder metallurgy with joint grinding of the Starting components by sintering, hot pressing, sintering with separate hot isostatic post-compression and a combined sintering / HIP treatment Metal base material with 10 to 80 mass% iron, 4 to 15 mass% boron carbide and 10 to 80 mass% chromium. 2. Metallbasiswerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er 50 bis 70 Massen-% Eisen, 4 bis 10 Mas­ sen-% Borcarbid und 20 bis 40 Massen-% Chrom enthält.2. Metal base material according to claim 1, characterized records that he has 50 to 70 mass% iron, 4 to 10 mas Contains sen% boron carbide and 20 to 40 mass% chromium. 3. Metallbasiswerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er zusätzlich 0,1 bis 3 Massen-% Titan und/oder 0,1 bis 9 Massen-% Silizium enthält.3. Metal base material according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that it contains an additional 0.1 to 3% by mass of titanium and / or contains 0.1 to 9 mass% silicon. 4. Metallbasiswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß er 1 bis 2 Massen-% Titan und/oder 1 bis 2 Massen-% Silizium enthält.4. Metal base material according to one of claims 1 to 3, there characterized in that it contains 1 to 2% by mass of titanium and / or Contains 1 to 2 mass% silicon. 5. Formkörper aus einem Metallbasiswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine 0,03 bis 0,15 mm dicke Verschleißschutzschicht einer höheren Härte als der des Kernkörpers, die ausschließlich durch das Ein­ wirken einer Verschleißbeanspruchung entsteht und sich bei fortschreitender Abnutzung des Formkörpers in dessen Ober­ flächenrandzonen fortlaufend neu bildet, während der Kern­ körper unverändert bleibt.5. Shaped body made of a metal base material according to one of the Claims 1 to 4, characterized by a 0.03 to 0.15 mm thick wear protection layer of higher hardness than that of the core body, which is exclusively through the one wear wear arises and progressive wear of the molded body in its upper Continuous new surface areas, while the core body remains unchanged. 6. Formkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernkörper eine Mikrohärte zwischen 500 bis 900 HV 0,05 und die Verschleißschutzschicht eine Mikro­ härte zwischen 2000 bis 3000 HV 0,05 besitzt. 6. Shaped body according to claim 5, characterized in that the core body has a microhardness between 500 to 900 HV 0.05 and the wear protection layer a micro hardness between 2000 and 3000 HV 0.05.   7. Verfahren zur Herstellung eines Metallbasiswerkstoffes oder eines Formkörpers nach einem der Anprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Eisenpulver mit einer Korn­ größe bis 0,5 mm, Borcarbidpulver mit Kristallitgrößen zwischen 0,01 und 0,08 mm sowie den übrigen Bestandteilen vermischt, die Mischung mit einer wasserfreien Mahl­ flüssigkeit mindestens 5 Stunden vermahlen, getrocknet, abgesiebt und in einem anschließenden Heißpressen unter Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre bei 1100°C und einem Druck zwischen 1 bis 3 kN/cm2 oder einem Sintern bei Tem­ peraturen zwischen 1150 bis 1200°C mit anschließendem heißisostatischen Pressen unterzogen wird.7. A method for producing a metal base material or a shaped body according to one of claims 1 to 6, characterized in that iron powder with a grain size up to 0.5 mm, boron carbide powder with crystallite sizes between 0.01 and 0.08 mm and the other ingredients mixed , the mixture is ground with an anhydrous grinding liquid for at least 5 hours, dried, sieved and in a subsequent hot pressing under vacuum or an inert gas atmosphere at 1100 ° C and a pressure between 1 to 3 kN / cm 2 or a sintering at temperatures between 1150 to 1200 ° C with subsequent hot isostatic pressing. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Mahlflüssigkeit Alkohol, Aceton, Hexan, Heptan, Benzin, und/oder Tetralin verwendet wird.8. The method according to claim 7, characterized in that as grinding liquid alcohol, acetone, hexane, heptane, Gasoline, and / or tetralin is used. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung in einer Kugelmühle vermahlen wird.9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the mixture is ground in a ball mill. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mischung nach dem Mahlen mit einem Sieb mit einer Maschenweite von 0,1 mm abgesiebt wird.10. The method according to any one of claims 7 to 9, characterized ge indicates that the mixture after grinding with a Sieve with a mesh size of 0.1 mm is sieved. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Inertgas ein Edelgas, vorzugsweise Argon, verwendet wird.11. The method according to any one of claims 7 to 10, characterized ge indicates that an inert gas, preferably, is used as the inert gas Argon, is used. 12. Verwendung eines Metallbasiswerkstoffes oder Formkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff für Körper, die einem starken Verschleiß unterliegen, vorzugsweise zum Transport, zur Bearbeitung oder Verarbeitung mineralischer Güter sowie als Maschinenbauteile, insbesondere für die Fahrzeugindustrie und die Landwirtschaft.12. Use of a metal base material or molded body according to one of claims 1 to 6 as a material for bodies, which are subject to heavy wear, preferably to Transport, processing or processing mineral Goods as well as machine components, especially for the Automotive industry and agriculture.
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