DE4331938A1

DE4331938A1 - Molybdänhaltiges Eisenbasispulver

Info

Publication number: DE4331938A1
Application number: DE4331938A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Ing Dautzenberg; Karl-Heinz Dr Ing Lindner; Klaus Dr Ing Vossen
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: QMP Metal Powders GmbH
Priority date: 1993-09-16
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 1995-03-23
Also published as: DE9409832U1; DE59405861D1

Description

Die Erfindung betrifft ein molybdänhaltiges Eisenbasispulver mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 0,06 Gew.-% zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher Zähigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Sinterteile.

Die Herstellung von mechanischen Bauteilen aus Eisenwerkstoffen im Wege der Sintertechnik hat gegenüber einer Herstellung durch spanende Formgebung (z. B. Drehen, Bohren, Fräsen) den großen Vorteil, daß die eigentliche Formgebung in einem einzigen Arbeitsgang praktisch ohne die Entstehung von Abfallmaterial erfolgen kann und daher bei Serienteilen schneller und kostengünstiger möglich ist. Die Teile werden beispielsweise auf einer hydraulischen Metallpulverpresse in einem Formwerkzeug unter Anwendung eines Preßdrucks von z. B. 7 t/cm² zu Grünlingen gepreßt und anschließend in einem Ofen bei etwa 1120-1150°C (Normalsintern) oder auch bei etwa 1250-1280°C (Hochtemperatursintern) gesintert, um eine ausreichende statische und dynamische Festigkeit zu erlangen. Herstellungsbedingt weisen Sinterteile stets eine geringere Dichte als die des entsprechenden vollmassiven Werkstoffs (theoretische Dichte) auf, da sie von Poren durchsetzt sind. Bei Eisenwerkstoffen liegt die tatsächliche Dichte der Sinterteile üblicherweise je nach angewendetem Preßdruck und Form des Teils bei etwa 80-92% der theoretischen Dichte. Hierdurch ergibt sich zwangsläufig eine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften, die dazu führt, daß Sinterteile bei besonders hoher mechanischer Beanspruchung bisher kaum angewendet werden, zumal eine größere Dimensionierung zur Kompensation dieses Nachteils im Regelfall wegen der damit verbundenen Volumen- und Gewichtserhöhung nicht akzeptiert werden kann. Hinzu kommt, daß die im Sinterteil enthaltenen Poren als innere Kerben wirken können, die zu einer drastischen Verminderung insbesondere der dynamischen Festigkeitseigenschaften führen können.

Um das Porenvolumen von Sinterteilen zu vermindern, ist es bekannt, das Eisenbasispulver mit einem höheren Phosphorgehalt einzusetzen. Dies führt zu einem deutlichen Schrumpfen während des Sintervorgangs und damit zu einer Dichtesteigerung. Die Schrumpfung des Sinterteils wird bei der geometrischen Gestaltung der Preßform durch entsprechende übermaße berücksichtigt und kann somit weitestgehend kompensiert werden. Die Zugabe von Phosphor, die entweder durch entsprechendes Zulegieren zu der bei der Pulverzerstäubung eingesetzten Schmelze oder durch Zumischen von Phosphorverbindungen zum Eisenbasispulver erfolgen kann, hat jedoch den Nachteil, daß sie nur bis zu einem gewissen Grad zur Dichtesteigerung genutzt werden kann, weil höhere Phosphorgehalte tendenziell eine Versprödung des Sinterteils hervorrufen und somit die Empfindlichkeit gegenüber Kerbwirkung noch erhöht wird.

Ein anderer Weg, zu einer höheren Dichte, also zu einer Verminderung des Porenvolumens zu kommen, ist in der sogenannten Zweifachsintertechnik zu sehen, bei der der Preßkörper nach einem ersten Sintern bei üblicherweise ca. 700-900°C einem erneuten Preßvorgang und einem abschließenden Fertigsintern unterzogen wird. Wegen des zweifachen Pressens und Sinterns handelt es sich hierbei um ein sehr kostenintensives Verfahren.

Aus der WO 91/19 582 ist ein Eisenbasispulver bekannt, das eine vergleichsweise hohe Schlagfestigkeit gewährleisten soll. Es schreibt als Legierungselemente zwingend 0,3-0,7 Gew.-% Phosphor und 0,3- 3,5 Gew.-% Molybdän vor. Etwa vorhandene weitere Legierungselemente sind in der Summe auf maximal 2 Gew.-% beschränkt. Bevorzugt liegen die Gehalte an Molybdän bei 0,5-2,5 Gew.-% und von Phosphor bei 0,4-0,6 Gew.-% (Zugabe insbesondere in Form von Fe₃P). Für Kohlenstoff wird eine Obergrenze von 0,07 Gew.-% empfohlen. Dieses Eisenbasispulver ist für normale Sintertemperaturen (unter 1150°C) geeignet. Die in dieser Schrift dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß sowohl für Phosphor als auch für Molybdän optimale Mengenanteile existieren, bei denen die Schlagfestigkeit besonders hoch liegt. So steigt die Schlagfestigkeit bei einem Pulver mit 0,5 Gew.-% Phosphor bei Molybdängehalten von 0-1,0 Gew.-% steil an, erreicht im Bereich 1-2 Gew.-% ein Maximum und fällt jenseits von 3,5 Gew.-% Molybdän sogar bis unterhalb der Ausgangswerte ab.

Bei mechanisch stark beanspruchten Zahnrädern ist neben einer möglichst hohen Zahnfußbiegewechselfestigkeit insbesondere eine hohe Zahnflankentragfähigkeit erforderlich. Daher werden solche Zahnräder üblicherweise gehärtet. Bei einem Werkstoff mit relativ hohem Phosphorgehalt führt dies jedoch zu erheblichen Schwierigkeiten bei dem Bestreben, eine gleichmäßig dicke Verschleißschicht zu erzeugen, wobei in der Regel eine unzulässige Versprödung des Bauteils eintritt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Eisenbasispulver anzugeben, das bei guter Oberflächenhärtbarkeit möglichst noch bessere dynamische Festigkeitseigenschaften aufweist und dadurch ohne Anwendung der aufwendigen Zweifachsintertechnik für mechanisch besonders stark belastbare Bauteile einsetzbar wird, insbesondere für die Herstellung von Zahnrädern für Automobilgetriebe und ähnlich beanspruchten Bauteilen. Als Nebenaufgabe soll ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteile angegeben werden.

Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich des Eisenbasispulvers durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Pulvers sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Ein Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen gemäß der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gekennzeichnet und durch die Merkmale der Unteransprüche 9 bis 14 in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltbar.

Es war völlig überraschend, daß gefunden werden konnte, daß ein z. B. durch Gasverdüsung, Gas/Flüssigkeits-Verdüsung oder vorzugsweise durch Wasserverdüsung einer molybdänhaltigen Stahlschmelze hergestelltes Eisenbasispulver sich zu Bauteilen verarbeiten läßt, die nur noch ein äußerst kleines Porenvolumen, d. h. eine nahe an der theoretisch höchstmöglichen Dichte des Werkstoffs liegende Dichte (z. B. 95 bis 98%) aufweisen. Dabei ist lediglich ein einfaches Pressen unter Anwendung üblicher Drücke im Bereich 5,0-8,0 t/cm², vorzugsweise 6,5- 7,5 t/cm² erforderlich. Die Sintertemperaturen können im Bereich 1050 - 1350°C liegen. Eine bevorzugte Temperatur liegt im Bereich bis 1150°C, insbesondere bei 1120°C. Durch Hochtemperatursintern, vorzugsweise im Bereich 1250-1280°C, läßt sich die erzielbare Dichte gegenüber dem Normalsintern weiter steigern.

Das erfindungsgemäße Eisenbasispulver zeichnet sich dadurch aus, daß es praktisch phosphorfrei (P < 0,02 Gew.-%) ist. Der mindestens erforderliche Molybdängehalt der Stahlschmelze, die für die Pulverherstellung eingesetzt werden soll, hängt von der vorgesehenen Sintertemperatur bei der späteren Herstellung der Sinterteile ab. Ein Gehalt von 4,0 Gew.-% ist bereits als ausreichend anzusehen. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte eine Obergrenze von 5 Gew.-%, vorzugsweise sogar von nur 4,5 Gew.-% nicht überschritten werden. Bei einer Sintertemperatur von 1120°C reichen 3,8 Gew.-% Molybdän und bei 1280°C sogar 2,7 Gew.-% aus. Wegen der zu berücksichtigenden Schmelztoleranzen empfiehlt sich zur Sicherheit jedoch eine Erhöhung dieser unteren Grenzwerte um z. B. 0,5 Gew.-% auf 4,3 Gew.-% bzw. 3,2 Gew.-%. Der mindestens erforderliche Molybdängehalt läßt sich in Abhängigkeit von der Sintertemperatur T₅ wie folgt bestimmen:

Die zu verdüsende Stahlschmelze muß nicht nur praktisch phosphorfrei sein, sondern darf auch keinen nennenswerten Kohlenstoffgehalt aufweisen (C < 0,01% Gew.-%), damit das Pulver ausreichend weich und gut preßbar bleibt. Zur Erhöhung der Festigkeit kann im Einzelfall, wenngleich dies möglichst sogar vermieden werden sollte, dem Pulver Graphit zugemischt werden, der jedoch höchstens zu einem Kohlenstoffgehalt von 0,06 Gew.-% führen darf. Bevorzugt wird eine Begrenzung des Kohlenstoffgehalts auf max. 0,04 Gew.-% und insbesondere auf max. 0,02 Gew.-%. Das Pulver kann im übrigen die üblichen Verunreinigungen einer Stahlschmelze enthalten. Weitere Legierungszusätze sind nicht erforderlich, stören aber auch nicht, wenn sie nicht zu große Werte annehmen. Insgesamt sollten diese zusätzlichen Legierungselemente (z. B. Eu, Ni, Si, Er, Mn) eine Summe von 0,8 Gew.-%, vorzugsweise von 0,5 Gew.-% nicht überschreiten. Im einzelnen sollten folgende Höchstwerte nicht überschritten werden:

Cu < 0,15 Gew.-%
Ni < 0,10 Gew.-%
Cr < 0,10 Gew.-%
Mn < 0,20 Gew.-%
Si < 0,05 Gew.-%

Bei der Verarbeitung des erfindungsgemäßen Pulvers ist es vorteilhaft, den Sintervorgang in einer reduzierenden Atmosphäre, insbesondere in einer überwiegend Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre auszuführen. Damit wird beispielsweise erreicht, daß die Ausscheidung von Nitriden vermieden oder auf ein Minimum reduziert wird. Die Abkühlung nach dem Sintern erfordert keine besonderen Maßnahmen.

Die gesinterten Teile können anschließend noch einer Kalibrierung unterzogen werden, die zu einer Verformung im Oberflächenbereich (Einebnung der Rauhigkeit) und somit zu einer besseren Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit führt. Danach kann in bekannter Weise eine Einsatzhärtung durchgeführt werden, die sich insbesondere für Zahnräder und ähnlich beanspruchte Teile empfiehlt, da sie zu einer wesentlichen Erhöhung der Oberflächenhärte und zum Einbringen von Druckeigenspannungen führt. Bei Zahnrädern ist es zweckmäßig, vor der Einsatzhärtung den Verzahnungsbereich einem Weichschaben zu unterziehen. Nach dem Einsatzhärten der Zahnräder kann das übliche Schleifen von Bohrungen und Planflächen erfolgen.

Die in dieser Weise hergestellten Sinterteile haben eine nahe am theoretischen Höchstwert liegende Dichte, wobei besonders bemerkenswert ist, daß die verbleibenden Poren klein, in sich abgeschlossen und rund sind und daher keine nennenswerte Kerbwirkung entfalten. Daher ergeben sich ausgezeichnete dynamische Festigkeitswerte sowie nach einer Einsatzhärtung gleichzeitig auch hohe Oberflächenhärten, die für die Verschleißfestigkeit und z. B. die Zahnflankentragfähigkeit von entscheidender Bedeutung sind.

Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen in unterschiedlicher Vergrößerung Schliffbilder von Sinterteilen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff.

Aus einer Stahlschmelze mit (Gew.-%)

< 0,01% C
< 0,02% P
3,2% Mo
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen (< 0,5%)

wurde durch Wasserverdüsung ein feines, spratziges Stahlpulver hergestellt. Nach einer Reduktionsglühung über ca. 70 min bei ca. 1000°C wurde das Pulver, das einen Restsauerstoffgehalt von weniger als 0,15 Gew.-% und nach dem Sieben eine Korngröße unter 0,2 mm aufwies, mit 0,8 Gew.-% Mikrowachs als Gleitmittel vermischt. Auf einer hydraulischen Metallpulverpresse wurden aus diesem Material unter Anwendung eines Preßdrucks von 7 t/cm² Probekörper nach ISO 2740 erzeugt, die anschließend bei einer Temperatur von 1280°C über ca. 30 min in einem Ofen unter Wasserstoff gesintert wurden. An einer Teilmenge der Probekörper wurde anschließend noch eine Einsatzhärtung bei 320-350°C in einem Ofen mit einem C-Potential von 0,6% durchgeführt, die zu einer Einhärtetiefe von ca. 0,4 mm führte. Die Untersuchung der Probekörper ergab folgende Werte:

Sinterdichte: 7,64 + 0,04 g/cm³ (96-97% der theoretischen Dichte)
Biegewechselfestigkeit bei 2 × 10⁶ Lastwechseln:
nach Einsatzhärtung ca. 400 MPa
ohne Einsatzhärtung ca. 180 MPa
Bruchdehnung gesintert: A₅ < 25%

Die äußerst geringe Porosität ergibt sich aus den Schliffbildern der Fig. 1 und 2, wobei aus Fig. 2 die vorteilhafte runde Ausbildung der Poren klar entnehmbar ist.

Claims

1. Molybdänhaltiges Eisenbasispulver mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 0,06 Gew.-% zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher Zähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß es durch Verdüsung einer praktisch kohlenstoff- und phosphorfreien Molybdänstahlschmelze mit üblichen Verunreinigungen erzeugt wurde, deren Molybdängehalt in Abhängigkeit von der vorgesehenen im Bereich von etwa 1050-1350°C liegenden Sintertemperatur T_s festgelegt wurde und mindestens beträgt, und daß der gegebenenfalls gewünschte Kohlenstoffgehalt in Form von Graphit nachträglich zugemischt ist.

2. Eisenbasispulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an sonstigen Legierungselementen, insbesondere von Cu, Ni, Si, Cr, Mn in der Stahlschmelze auf eine Summe von maximal 0,8 Gew.-% beschränkt ist.

3. Eisenbasispulver nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an sonstigen Legierungselementen auf eine Summe von maximal 0,5 Gew.-% beschränkt ist.

4. Eisenbasispulver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt für eine Sintertemperatur von 1280°C mindestens 3,2 Gew.-% beträgt.

5. Eisenbasispulver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt für eine Sintertemperatur von 1120°C mindestens 4,3 Gew.-% beträgt.

6. Eisenbasispulver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt auf maximal 5,0 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 4,5 Gew.-% begrenzt ist.

7. Eisenbasispulver nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt (Graphitpulver) auf max. 0,04 Gew.-%, insbesondere auf 0,02 Gew.-% begrenzt ist.

8. Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher Zähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile durch Einfachpreßtechnik unter Verwendung eines Eisenbasispulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Preßdruck von 6,0-8,0 t/cm² als Grünlinge gepreßt werden und anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 1050-1350°C unter einer überwiegend Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre, insbesondere einer reinen Wasserstoffatmosphäre gesintert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßdruck 6,5-7,5 t/cm² beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertemperatur 1120-1150°C beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertemperatur 1250-1280°C beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterten Teile anschließend einer Kalibrierung unterzogen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterten und gegebenenfalls kalibrierten, insbesondere als Zahnräder hergestellten Teile einer Einsatzhärtung unterzogen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterten und kalibrierten Zahnräder vor der Einsatzhärtung im Verzahnungsbereich geschabt werden.