DE60004106T2

DE60004106T2 - Pressen und sintern von stahlpulver

Info

Publication number: DE60004106T2
Application number: DE60004106T
Authority: DE
Inventors: Niewska-Weinert; Sewastianow; Ewgienij; Michajlowicz Leszczynski Wolf; Stojanow; Aleksandr; Kuczma; Jurij
Original assignee: Instytut Obrobki Plastycznej
Current assignee: Instytut Obrobki Plastycznej
Priority date: 1999-12-31
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: PL337637A1; ATE245715T1; WO2001049891A1; EP1246950A1; DE60004106D1; EP1246950B1; PL191806B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von geformten Elementen durch Verdichten, Sintern und wiederholtes Pressen von Stahlpulver-Mischungen mit Legierungszusätzen, die für die Herstellung von Maschinenteilen verwendet werden, wie zum Beispiel Zahnräder, Kugellager und andere, die eine hohe Abnutzungsbeständigkeit und Oberflächenfestigkeit haben.
Bei allgemein bekannten Lösungen werden Bauteile aus Pulver-Mischungen mit Legierungszusätzen durch Verdichten und Sintern bei Temperaturen von 1100 bis 1150°C in Schutzgas hergestellt. Produkte, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, sind durch eine hohe Porösität mit bis zu 12 Volumenprozent und geringe Druckfestigkeit gekennzeichnet.
Bei einem anderen Verfahren wird ein Produkt aus pulverförmigem Legierungsstahl doppelt gepresst und doppelt gesintert bei Temperaturen von 800°C und 1150°C. Bei dieser Lösung erhalten die hergestellten Produkte nicht die geforderten hohen Festigkeitsparameter.
Es ist außerdem ein Verfahren bekannt, um Bauteile aus Stahlpulver-Mischungen mit Legierungszusätzen herzustellen, das Verdichten, Vorsintern bei Temperaturen von 800 bis 850°C, wiederholtes Pressen der vorgesinterten halbfertigen Produkte und Endsintern bei Temperaturen von 1120 bis 1180°C in einem Schutzgas umfasst. Teile, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, haben keine ausreichenden Festigkeitsparameter, insbesondere habe sie eine geringe Biegefestigkeit. Ein ähnliches Verfahren ist in der EP-0 457 418 A1 beschrieben.
Darüberhinaus ist ein Verfahren zum. Herstellen von Teilen aus Metall-Pulver mit Legierungszusätzen bekannt, bei dem ein Verdichten, ein Vorsintern bei einer Temperatur von 650°C, ein zweites Pressen (wiederholtes Pressen) und ein zweites Sintern bei einer Temperatur von 1150°C durchgeführt wird. Teile, die durch dieses Verfahren erhalten werden, sind durch geringe Festigkeitsparameter gekennzeichnet, insbesondere durch eine geringe Radialdruckfestigkeit von ringförmigen Produkten.
Die oben genannten Verfahren zum Herstellen von Produkten aus Stahlpulver-Mischungen mit Legierungszusätzen präzisieren keine Druckwerte, die auf das geformte Teil wirken, und sie spezifizieren auch keine exakte Zeitdauer, während der das Sintern durchgeführt werden muss, und geben außerdem einen sehr breiten Temperaturbereich an.
Die Verdichtung von Pulver während des Verdichtens in einer geschlossenen Druckform unter Druck wird als Folge von gegenseitiger Zwischenpartikelscherung und plastischer Verformung der Pulverpartikel erreicht. Ihre Verbindung in dem definierten Zustand der Verdichtung hemmt den Zwischenpartikelscherungsprozess. Daher kann eine weitere Verbesserung der Dichte des Produkts nur in Folge der Deformation der Pulverpartikel stattfinden. Es erfolgt ein intensives Kalthärten der gepressten Partikel. Eine noch höhere Verdichtungskraft ist erforderlich, um einen solchen pulverförmigen Körper zu deformieren und um äußere Friktionskräfte an den Kontaktstellen des Pulvermaterials mit einem Verdichtungswerkzeug zu überwinden. Die Folge ist, dass eine hohe Porösität nach einer einzelnen Verdichtung im Bereich von 15 bis 20% erreicht wird.
Eine weitere Erhöhung der Dichte des Produkts kann erreicht werden, indem die Metallfließkraft vermindert und eine kompakte Plastizität erhöht wird, was beim Vorsintern bei Temperaturen erreicht werden kann, die gleich der Glühtemperatur von einem definierten Metall ist. Der Prozess des Vorsinterns bei Glühtemperatur macht es daher möglich, die Dichte des Produkts zu erhöhen, und zwar durch dessen plastische Deformation während des Vorgangs des erneuten Pressens.
Eine plastische Deformation von einem vorgesinterten halbfertigen Produkt, wie bei einem massiven Material, folgt auf das Formen und Verschieben von Versetzungen in dem Kristallgitter an den definierten Gleitebenen. Die Plastizität und insbesondere die Verdichtungseigenschaften von einem derartigen gesinterten Produkt werden verbessert, wenn beim ersten Sintern die Eliminierung von Strukturelementen (massive Lösungen, feinkörnige Partikel, sekundäre Phasen, etc.) erreicht wird, die eine Verlagerung von Versetzungen verhindern. Das ist der Grund, weshalb das erste Sintern bei Zuständen des Rekristallisationsglühen bei der Temperatur A_cl durchgeführt wird.
Der Stahlpulver-Grünling enthält eine Mischung aus verschiedenen Komponenten, wie zum Beispiel Eisenpulver (oder ein legiertes Eisenpulver) und Graphit-Additive. Die optimale Vorsinter-Temperatur von Grünlingen sollte im Bereich von 720°C bis 730°C liegen. Eine Löslichkeit von Kohlenstoff in α-Eisen bei diesem Temperaturbereich beträgt etwa 0,03 %, und nach dem Vorsintern ist das Produkt gekennzeichnet durch geringe Umform- festigkeit und Härtekoeffizienten als ein Ergebnis des Fehlens solcher Festigkeitsfaktoren, wie zum Beispiel sekundäre Phasen und Partikeldispersion.
Es ist allgemein bekannt, dass eine Diffusionsmobilität von Eisenatomen in Kohlenstoffstahl in einem Zustand vor der Transformation (für Konstruktionsstähle mit Legierungselementen von Cr, Mo, Ni, Cu) bei 720°C bis 730°C etwa den. gleichen Wert hat, wie in γ-Eisen bei 1100°C bis 1200°C.
Während des Vorsinter führen Diffusionsprozesse von Eisenatomen in dem Temperaturbereich von 720°C bis 730°C zu einer Bildung von Zwischenpartikelverbindungspunkten (Kontaktpunkte).
Die Verbindungskontaktpunkte können allgemein durch. Positionen von Atomen definiert sein, die zu beiden Pulverpartikeln gehören, die durch Zwischenpartikelgrenzen getrennt sind. Eine Anordnung solcher Kontaktpunkte kann als "Raumkontaktgitter" bezeichnet werden. Eine Bildung solcher Zwischenpartikel-Interaktionsgebiete findet nicht nur als ein Ergebnis von "Raumkontaktgitter"-Bewegung entlang von Zwischenpartikelflächen statt, sondern auch durch das Übergehen von "Raumkontaktgitter"-Parametern in Richtung auf Matrixkristallgitter-Parameter. Wenn ein Auflösen von Kohlenstoff und Legierungszusätzen in Eisen bei 720°C bis 730°C nicht stattfindet, dann können die Parameter des "Raumkontaktgitters" in einem breiten Bereich variieren, indem die Zeitdauer des Sinterns bei den obigen Temperaturen verändert wird.
Nach einer definierten Zeit des Sinterns wird durch die Zwischenpartikelkontaktpunkte ein System aus Gleitebenen gebildet, das als ein System von Gleitebenen innerhalb von Körnern und Partikeln bei Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) verwendet wird. Ein Gleiten entlang der Zwischenpartikelverbindungen findet bei Druck von außen statt, was eine wesentliche Bedeutung für den Prozess von plastischer Verformung hat. Ein ähnliches Modell kann als ein Modell für "Super Dislokation" bezeichnet werden, da es auf einem wirksamen Gleiten entlang von Partikelgrenzen als eine Folge von partikulärer Verschiebung nach Art eines "Raumkontaktgitters" basiert. Dies führt zu einer zusätzlichen signifikanten Erhöhung der Plastizität des gesinterten halbfertigen Produkts, da es bekannt ist, dass Metallmaterialglastizität signifikant ansteigt, wenn ein zusätzlicher Mechanismus von plastischer Verformung neben dem Dislokation-Gleiten in dem Prozess von plastischem Metallfliessen intergriert ist.
Unter Einbeziehung der oben genannten Bedingungen wurde ein Verfahren entwickelt, das Gegenstand der Erfindung ist.
Das Wesentliche der Erfindung, das ein Verfahren zum Herstellen von geformten Elementen durch Pressen, Sintern und Verdichten von Pulver-Mischungen aus Stahl und Legierungszusätzen betrifft, besteht darin, dass ein vorgeformtes Element durch Vorsintern, vorzugsweise in einer dissoziierten Ammoniak-Atmosphäre bei einer Temperatur von 700 bis 750°C, vorzugsweise 720 bis 730°C, für 20 bis 40 Minuten, vorzugsweise 30 Minuten, und erstes Verdichten unter einem Druck von 700 bis 800 MPa, vorzugsweise 750 MPa, und dann durch ein zweites Verdichten mit gleichzeitiger Kalibrierung unter einem Druck von 900 bis 1000 MPa, vorzugsweise 950 MPa, und dann durch Endsintern bei einer Temperatur von 1100 bis 1200°C, vorzugsweise 1120 bis 1150°C, für 40 bis 50 Minuten, vorzugsweise 45 Minuten, bearbeitet wird.
Dank der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die folgenden technischen und funktionalen Effekte erreicht:

– hohe Abnutzungsbeständigkeit, Bruchfestigkeit, Scherfestig- keit und Druckfestigkeit von hergestellten Produkten
– hoher Fließpunkt
– Dichte des hergestellten Produkts von über 7,6 g/cm³
– hoher Materialfließkoeffizient im Bereich von 10^–2 – 10^–3 mm
– Verminderung des Energieverbrauchs bei der Herstellung
– mögliche Verwendung für Produkte mit optionalen Formen, optionaler Anwendung, insbesondere für Produkte mit geforderter hoher Festigkeit, wie zum Beispiel Zahnräder, Lager, etc.

Der Gegenstand der Erfindung ist in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen gezeigt:
Beispiel 1
Ein vorgeformtes, halbfertiges Produkt aus Pulvermischungen aus Stahl mit Legierungszusätzen von Messing, Nickel, Kupfer und anderen wird durch Vorsintern in einer. dissoziierten Ammoniak-Atmosphäre bei einer Temperatur von 725 +/– 5°C für 30 Minuten behandelt und dann durch Verdichten bei einem Druck von 750 MPa bearbeitet. Dann werden ein zweites Verdichten bei einem Druck von 950 MPa und eine Kalibrierung durchgeführt. Anschließend erfolgt ein Endsintern bei einer Temperatur von 1130°C für 45 Minuten.
Beispiel 2
Ein vorgeformtes, halbfertiges Produkt aus Pulvermischungen aus Stahl mit Legierungszusätzen von Messing, Nickel, Kupfer und anderen wird durch Vorsintern in einer dissoziierten Ammoniak-Atmosphäre bei einer Temperatur von 740 +/– 5°C für 25 Minuten behandelt und dann durch erstes Verdichten bei einem Druck von 780 MPa bearbeitet. Das derart vorbereitete Element wird durch zweites Verdichten bei einem Druck von 980 MPa und Kalibrierung bearbeitet. Anschließend erfolgt ein Endsintern bei einer Temperatur von 1180°C für 40 Minuten.
Beispiel 3
Ein vorgeformtes, halbfertiges Produkt aus Pulvermischungen aus Stahl mit Legierungszusätzen von Messing, Nickel, Kupfer und anderen wird durch Vorsintern in einer dissoziierten Ammoniak-Atmosphäre bei einer Temperatur von 710 +/– 5°C für 35 Minuten behandelt und dann durch erstes Verdichten bei einem Druck von 710 MPa, dann durch zweites Verdichten bei einem Druck von 910 MPa und Kalibrierung bearbeitet, und dann erfolgt schließlich ein Endsintern bei einer Temperatur von 1100°C für 40 Minuten.
In der angefügten Tabelle sind die Ergebnisse der Festigkeitstests von Teilen aus Pulver-Mischungen mit Legierungszusätzen aufgeführt, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung mit verschiedenen Temperaturen beim ersten Sintern hergestellt sind, verglichen mit einer Standard-Probe, die durch das bisher bekannte Verfahren hergestellt sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen von geformten Elementen durch Sintern und Pressen von Pulver-Mischungen, die Stahl und Legierungszusätze enthalten, bei dem ein vorgeformtes, halbfertiges Produkt durch Vorsintern und erstes Verdichten unter einem Druck von 700–800 MPa und dann durch ein zweites Verdichten mit gleichzeitiger Kalibrierung unter einem Druck von 900–1000 MPa bearbeitet wird, und dann durch Endsintern bei einer Temperatur von 1100–1200°C bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsinter-Bearbeitung in einer dissoziierten Ammoniak-Atmosphäre bei einer Temperatur von 700–750°C, vorzugsweise 720–730°C, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsinter-Bearbeitung für 20–40 Minuten, vorzugsweise 30 Minuten, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichtungsdruck 750 MPa beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichtungsdruck 950 MPa beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endsinter-Temperatur 1120–1150°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Endsintern für 40–50 Minuten, vorzugsweise 45 Minuten, durchgeführt wird.