DE60025931T2

DE60025931T2 - Herstellungsverfahren für verbesserte metallurgische pulverzusammensetzung und nutzung derselbe

Info

Publication number: DE60025931T2
Application number: DE60025931T
Authority: DE
Inventors: C. Michael Schwenksville BARRON; S. Kalathur Moorestown NARASIMHAN
Original assignee: Hoeganaes Corp
Current assignee: Hoeganaes Corp
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2020-08-09
Also published as: EP1246949A4; US20030103858A1; MXPA02004478A; KR100697534B1; EP1246949A1; KR20020062637A; JP2003514112A; AU7758000A; ATE317458T1; EP1246949B1; DE60025931D1; WO2001032946A1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verbesserte Verfahren zur Herstellung und zum Gebrauch von eisenbasierenden metallurgischen Pulverzusammensetzungen. Die eisenbasierenden Pulverzusammensetzungen enthalten ein Gemisch aus im wesentlichen reinem Eisenpulver und einem Eisenlegierungspulver welches bevorzugt Molybdän als Legierungsadditiv enthält. Die so hergestellten eisenbasierenden Pulverzusammensetzungen haben eine verbesserte Fähigkeit zur maschinellen Bearbeitung bei der Formung in Metallteile.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der industrielle Gebrauch von Metallteilen, die durch Kompaktierung und Sinterung aus Metallpulverzusammensetzungen hergestellt wurden expandiert rapide in einer Vielzahl von Bereichen.
Bei der Herstellung dieser Teile werden typischerweise Metallpulverzusammensetzungen aus metallbasierenden Pulvern und anderen Additiven wie Schmierstoffen und Bindern gebildet. Die metallbasierenden Pulver sind typisch Eisenpulver, die optional mit einer oder mehreren Legierungskomponenten legiert werden können.
Eine herkömmliche Technik zur Vorbereitung eines Eisenlegierungspulvers besteht darin, eine homogene geschmolzene Metallzusammensetzung, die Eisen und eine oder mehrere ge wünschte Legierungskomponenten enthält, zu bilden und die geschmolzene Metallzusammensetzung zur Bildung einer homogenen Pulverzusammensetzung wäßrig zu zerstäuben.
Das metallbasierende Pulver wird nach einer optionalen Auflegierung mit anderen Additiven zur Verbesserung der Eigenschaften im Werkstück vermischt. Beispielsweise wird das metallbasierende Pulver oft mit wenigstens einem anderen Legierungsadditiv, welches in Pulverform („Legierungspulver") vorliegt, gemischt. Das legierende Pulver erlaubt z.B. die Erzielung höherer Festigkeit und anderer mechanischer Eigenschaften im gesinterten Werkstück.
Das Gemisch aus metallbasierendem Pulver und optionalen Legierungspulvern wird oft mit anderen Additiven wie Schmierstoffen und Bindemitteln zur Bildung der abschließenden Metallpulverzusammensetzung gemischt. Die Metallpulverzusammensetzung wird typischerweise in eine Pressform ausgebracht und unter Druck (d.h. 5–70 t/square inch (tsi)) kompaktiert und bei einigen Gelegenheiten bei erhöhten Temperaturen, um das kompaktierte Werkstück oder den Grünling zu bilden. Der Grünling wird dann üblicherweise gesintert, um ein zusammenhängendes metallisches Teil zu bilden und optional endbearbeitet. Beispiele von Arten von Endbearbeitungsschritten beinhalten maschinelle Bearbeitung des Metallteils (d.h. Schneiden, Schaben, Bohren, Drehen, Schleifen usw.) zu den gewünschten Spezifikationen. Ein bei der Schlußbearbeitung von Metallteilen auftretendes Problem besteht darin, daß die Metallteile oft schwierig maschinell zu bearbeiten sind. Beispielsweise kann ein Metallteil schwierig zu bohren sein, was zu längeren Maschinenzeiten, Abnahme der Standzeit des Maschinenwerkzeugs und Zunahme an Energieverbrauch um die Maschinenausrüstung zu betreiben, führt.
Eine Lösung zur Vergrößerung der Fähigkeit zur maschinellen Bearbeitung eisenbasierender Metallteile ist in US-PS 4,018,632 von Schmidt (im folgenden „Schmidt") offenbart. Schmidt offenbart, daß die Fähigkeit zur maschinellen Bearbeitung eines eisenbasierenden Metallteils durch den Gebrauch einer Stahlpulvermischung aus Graphit und einer Eisenmolybdänmanganlegierung verbessert werden kann.
Stahlpulver wird nach der Verdichtung und dem Sintern erhitzt und in Übereinstimmung mit vorbestimmten Temperaturprofilen abgekühlt, um die Fähigkeit zur maschinellen Bearbeitung des Metallteils zu verbessern.
Eine andere Lösung zur Verbesserung der Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung eisenbasierender Metallteile wird in US-PS 5,599,377 von Uenosono et al (nachstehend „Uenosono") offenbart. Uenosono offenbart ein Metallpulver, welches ein Gemisch aus Eisenpulver mit weniger als 0,1 Gewichtsprozent Mangan und von 0,08 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,15 Gewichtsprozent Schwefel enthält; Graphit; und von 0,05 bis ungefähr 0,70 Gewichtsprozent von wenigstens einer Verbindung aus MoO₃ oder WO₃. Das offenbarte Eisenpulver soll eine exzellente Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung und eine hohe Festigkeit durch die Lösung von Molybdän oder Wolframverbindungen in den Feritteilen als Folge der Sinterung eines verdichteten Metallteils in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre haben.
Eine andere Lösung, die zur Verbesserung der Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung von Metallteilen vorgeschlagen wurde, ist in US-PS 5,679,909 von Kaneko et al (im folgenden „Kaneko") offenbart. Kaneko offenbart ein gesintertes Material mit guter Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung, bei welchem das gesinterte Material durch Verdichtung und Sinterung eines Pulvers vorbereitet wird, welches ein Gemisch aus zusammengesetzten Oxiden aus CaO-MgO-SiO₂ und eine eisendominierte Metallmatrix enthält. Die eisendominierte Metallmatrix kann aus einem Gemisch aus reinem Eisen und „harten" Partikeln FeMo, FeCr, FeW oder Tribaloy (beinhaltend Co-Ho-Cr und/oder Co-Ho-Si) vorbereitet sein. Es wird angenommen, daß diese harten Partikel wenigstens 50 Gewichtsprozent der Nichteisenelemente enthalten, um die gewünschte Härte zu erzielen.
WO 98/59083 offenbart den Gebrauch von vorlegierten Mo-Pulvern in der Herstellung von hochdichten gesinterten Stahlteilen. Obwohl die oben genannten Zusammensetzungen und/oder Verfahren Wege zur Verbesserung der Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung eines Metallteils enthalten, wäre es wünschenswert, andere Zusammensetzungen und Verfahren zu entwickeln. Vorzugsweise würden derartige alternative Zusammensetzungen und Verfahren in Metallteilen resultieren mit einer vergleichbaren oder verbesserten Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung und zum Gebrauch von metallurgischen Pulverzusammensetzungen. Die metallurgischen Pulverzusammensetzungen, sobald sie in Metallteile geformt sind, weisen verbesserte Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung auf. Die verbesserte Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung ist wenigstens teilweise die Folge aus der Anwesenheit vorbestimmter Mengen von wenigstens einem Eisenlegierungspulver in den metallurgischen Pulverzusammensetzungen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Bildung eines Metallteils, welches eine metallurgische Pulverzusammensetzung nach der vorliegenden Er findung vorsieht und die Kompaktierung der metallurgischen Pulverzusammensetzung bei einem Druck von wenigstens ungefähr 5 tsi, um ein Metallteil zu bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph, welcher den Hauptschub (in Pounds) beim Bohren eines Metallteils zeigt, welches aus einer metallurgischen Pulverzusammensetzung nach vorliegender Erfindung geformt wurde (Beispiel 5) im Vergleich zu Metallteilen, die aus metallurgischen Pulverzusammensetzungen hergestellt wurden, die kein Eisenlegierungspulver enthalten (Vergleichsbeispiele 1 und 2).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung sieht verbesserte metallurgische Pulverzusammensetzungen vor, die, wenn sie in Metallteile geformt sind, verbesserte Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung besitzen. Mit der „Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung" wird die Fähigkeit eines Metallteils gemeint, welches in irgendeiner Weise durch maschinenbetriebene Werkzeuge fertiggestellt wird. Beispielsweise sind Metallteile, die in Übereinstimmung mit den Verfahren nach vorliegender Erfindung hergestellt wurden, bevorzugt geeignet zum Schaben, Bohren, Schneiden, Drehen, Schleifen oder irgendeine Kombination daraus. Die metallurgischen Pulverzusammensetzungen, die nach vorliegender Erfindung vorbereitet sind, sind eisenbasierende Pulverzusammensetzungen mit im wesentlichen reinem Eisenpulver, einem Eisenlegierungspulver und Kohlenstoff. Diese metallurgischen Pulverzusammensetzungen können ebenfalls optional legierende Pulver enthalten, ein oder mehrere Schmierstoffe, ein oder mehrere Binder, irgendein weiteres konventionelles pulvermetallurgisches Additiv oder irgendeine Kombination hieraus.
Es wurde unerwarteterweise herausgefunden, daß die Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung von eisenbasierenden Metallteilen wesentlich verbessert werden konnte durch die Zufügung von bestimmten Mengen aus Eisenlegierungspulver in der metallurgischen Pulverzusammensetzung, die zur Herstellung des Metallteils gebraucht wurde. Das Eisenlegierungspulver, welches in vorliegender Erfindung nützlich ist, wird vorzugsweise hergestellt durch teilweises oder vollständiges Legieren des Eisens mit wenigstens einem Legierungsadditiv (z.B. Molybdän enthaltende Zusammensetzungen), welches eine harte Phase zur verbesserten Fähigkeit für die Maschinenbearbeitung vorsieht.
Durch „Legieren" wird gemeint, daß die legierenden Additive und das Eisen derart zusammengemixt werden, daß Schmelzen, Diffusionsbonden oder chemisches Bonden von dem Eisen und dem legierenden Additiv erfolgt. Geeignete Verfahren zum Legieren beinhalten beispielsweise „Vorlegieren" und „Diffusionsbonden".
Vorlegierte und diffusionsgebondete Eisenlegierungspulver können nach jeder bekannten Technik des Standes der Technik herstellt werden. Beispielsweise können vorlegierte Eisenlegierungspulver aus einer Schmelze aus Eisen und einem oder mehreren der gewünschten legierenden Additive vorbereitet werden. Vorzugsweise wird die Schmelze dann zerstäubt, so daß die zerstäubten Tröpfchen ein Pulver vor der Verfestigung bilden. Diffisionsgebondetes Eisenlegierungspulver kann beispielsweise durch Vermischung von Eisenpulver mit einem oder mehreren legierenden Additiven zubereitet sein, die vorzugsweise in Oxidform vorliegen und durch anschließendes Tempern des sich ergebenden Gemisches bei hohen Temperaturen (d.h. 800° C oder mehr). Während des Temperns diffundieren die legierenden Zusammensetzungen in die äußeren Flächen der Eisenteile und legieren sie teilweise. Ein bevorzugter Diffusionsbondingprozess ist in GB 1,162,702 offenbart.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Eisenlegierungspulver durch einen Vorlegierungsprozess gebildet. Vorlegieren hat den Vorteil, daß die vollständige Legierung des Eisens und der Legierungsadditive erreicht wird.
Vorzugsweise ist das Eisenlegierungspulver in der metallurgischen Pulverzusammensetzung in einer Konzentration vorhanden, die in der Verbesserung der Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung des Metallteils im Vergleich zu einer Zusammensetzung, die kein eisenlegierendes Pulver enthält, effektiv ist. Die Menge des Eisenlegierungspulvers ist zwischen 5 Gewichtsprozent bis 40 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von ungefähr 10 Gewichtsprozent bis ungefähr 30 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt von ungefähr 12 Gewichtsprozent bis ungefähr 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung.
Eisen, welches zur Bildung von Eisenlegierungspulver verwendbar ist, ist vorzugsweise im wesentlichen reines Eisen mit nicht mehr als ungefähr 1,0 Gewichtsprozent, vorzugsweise nicht mehr als ungefähr 0,5 Gewichtsprozent, normaler Verunreinigungen. Das Eisen kann in irgendeiner physikalischen Form vor der Vorlegierung vorliegen. Zum Beispiel kann das Eisen in Pulverform oder als Schrott vorliegen. Zum Diffusionsbonden ist das Eisen bevorzugt in Pulverform.
Beispiele geeigneter Legierungsadditive zur Bildung des Eisenlegierungspulvers beinhalten, aber keinesfalls begrenzt auf Elemente, Zusammensetzungen oder Legierungen aus Molybdän, Mangan, Magnesium, Wolfram, Chrom, Silizium, Kupfer, Nickel, Gold, Vanadium, Kolumbium (Niob) oder Aluminium, oder Oxide daraus; Binärlegierungen aus Kupfer oder Zinn oder Phosphor; Herbide von Wolfram oder Silizium; Siliziumnitride; Sulfide von Mangan oder Molybdän oder Kombinationen daraus. Bevorzugt beinhaltet das Eisenlegierungspulver wenigstens ein legierendes Additiv mit Molybdän, Mangan, Magnesium, Wolfram, Chrom, Silizium, Kupfer, Nickel, Vanadium, Oxide daraus oder irgendeine Kombination daraus und besonderes bevorzugt Molybdän, Chrom, Vanadium, Wolfram oder Kombinationen daraus.
Die Gesamtmenge eines legierenden Additivs in dem Eisenlegierungspulver wird von den gewählten Legierungsadditiven abhängen. Die Legierungsadditive liegen in dem eisenbasierenden Pulver in einer Menge von 0,1 Gewichtsprozent bis 7,0 Gewichtsprozent vor, bevorzugt von etwa 0,10 Gewichtsprozent bis ungefähr 3,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt von ungefähr 0,10 Gewichtsprozent bis ungefähr 2,0 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Eisenlegierungspulvers.
Das Eisenlegierungspulver kann ebenfalls restliche Unreinheiten enthalten, z.B. aus dem Eisen, welches zur Herstellung des Eisenlegierungspulvers verwendet wurde. Im allgemeinen enthält das Eisenlegierungspulver wenigstens verbleibende Verunreinigungen von mindestens ungefähr 0,15 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt von wenigstens ungefähr 0,25 Gewichtsprozent und bevorzugt maximal verbleibende Verunreinigungen von bis zu ungefähr 1,0 Gewichtsprozent und bevorzugt bis zu ungefähr 0,9 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Eisenlegierungspulvers. Das Gleichgewicht des Eisenlegierungspulvers ist bevorzugt Eisen. Eisen liegt im Eisenlegierungspulver in einer Menge von wenigstens 90 Gewichtsprozent vor und bevorzugt von ungefähr 94,0 Gewichtsprozent bis ungefähr 99,8 Gewichtsprozent.
In der vorliegenden Erfindung wird das Eisen mit wenigstens einem Legierungsadditiv, welches Molybdän beinhaltet, vorlegiert zur Bildung eines Eisen-Molybdän-Vorlegierungspulvers. Ein Molybdänadditiv, das zur Bildung eines Eisenmolybdänvorlegierungspulvers nützlich ist, ist jedes Element, jede Verbindung oder jede Legierung, die Molybdän enthält und zur Legierung mit Eisen in den Vorlegierungsverfahren geeignet ist. Das Molybdänadditiv kann z.B. ein Oxid aus Molybdän, wie z.B. Molybdäntrioxid oder eine Eisenmolybdänlegierung sein. Das Molybdänadditiv kann auch im wesentlichen reines elementares Molybdän (bevorzugt mit einer Reinheit von mehr 90 Gewichtsprozent) sein. Bevorzugt ist das Molybdänadditiv ein Oxid aus Molybdän, wie z.B. Molybdäntrioxid.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält das Eisenmolybdänvorlegierungspulver zwischen ungefähr 0,40 Gewichtsprozent bis ungefähr 1,6 Gewichtsprozent Molybdän, basierend auf dem Gesamtgewicht des Eisenmolybdänvorlegierungspulvers und von ungefähr 97,4 Gewichtsprozent bis ungefähr 99,5 Gewichtsprozent Eisen. Das Eisenmolybdänvorlegierungspulver beinhaltet bevorzugterweise höchstens zwischen ungefähr 0,03 Gewichtsprozent Schwefel, ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Silizium und ungefähr 0,01 Gewichtsprozent Stickstoff, basierend auf dem Gesamtgewicht des Vorlegierungspulvers als maximal verbleibende Verunreinigungen.
Beispiele geeigneter Eisenmolybdänvorlegierungspulver die gewerblich verfügbar sind, beinhalten ANCORSTEEL 150HP Stahlpulver, 85HP Stahlpulver, 50HP Stahlpulver oder Kombinationen daraus. Die Mengen des Molybdäns in dem 150HP, 85HP und 50HP Stahlpulvern tragen ungefähr 1,5 Gewichtsprozent, 0,85 Gewichtsprozent und 0,55 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht der Vorlegierung. Diese Eisenmolybdänvorlegierungspulver enthalten weniger als ungefähr 0,75 Ge wichtsprozent von Materialien wie Mangan, Chrom, Silizium, Kupfer, Nickel, Aluminium und weniger als ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Kohlenstoff, wobei das Gleichgewicht im wesentlichen aus Eisen besteht. Ein anderes Beispiel eines kommerziell erhältlichen Eisenmolybdänvorlegierungspulvers ist Hoeganaes ANCORSTEEL 4600V Stahlpulver, das ungefähr 0,5 bis 0,6 Gewichtsprozent Molybdän enthält, ungefähr 1,5 bis 2,0 Gewichtsprozent Nickel, ungefähr 0,1 bis 0,25 Gewichtsprozent Mangan, weniger als ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Kohlenstoff und wobei das Gleichgewicht vorzugsweise im wesentlichen durch Eisen herbeigeführt wird. Andere ANCOR-STEEL-Eisenmolybdänvorlegierungspulver, die in vorliegender Erfindung nützlich sind, beinhalten z.B. ANCORSTEEL 2000 und 737 Stahlpulver. Die 150HP, 85HP oder 50HP-Stahlpulver werden bevorzugt als Vorlegierungspulver in vorliegender Erfindung benutzt.
Die metallurgischen Pulverzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung beinhalten ebenfalls im wesentlichen reines Eisenpulver. Das im wesentlichen reine Eisenpulver ist in der metallurgischen Pulverzusammensetzung in einer Menge von wenigstens 55 Gewichtsprozent, bevorzugt von etwa 60 Gewichtsprozent bis ungefähr 95 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt von ungefähr 70 Gewichtsprozent bis ungefähr 90 Gewichtsprozent, jeweils basierend auf dem Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung vorhanden.
Im wesentlichen reines Eisenpulver, welches in der Erfindung benutzt werden kann, sind Pulver aus Eisen mit nicht mehr als 1,0 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt nicht mehr als ungefähr 0,5 Gewichtsprozent normaler Verunreinigungen. Beispiele derartiger hochkompressibler metallurgisch geeigneter Eisenpulver sind die ANCORSTEEL 1000 Serien reiner Eisenpulver, z.B. 1000, 1000B und 1000C, erhältlich bei der Hoeganaes Corporation, Riverton, New Jersey. Zum Beispiel besitzt das ANCORSTEEL 1000 Eisenpulver ein typisches Siebprofil von ungefähr 22 Gewichtsprozent aus Partikeln unterhalb eines Nr. 325 Siebs (U.S. Serien) und ungefähr 10 Gewichtsprozent von Partikeln die größer als ein Nr. 100 Sieb sind, wobei der Rest zwischen diesen beiden Größen liegt (Restmengen größer als ein Nr. 60 Sieb). Das ANCORSTEEL 1000 Pulver hat eine offenbare Dichte von ungefähr 2,85 bis 3,00 g/cm³, typischerweise 2,94 g/cm³.
Die Teilchen des Eisenlegierungspulvers und im wesentlichen des reinen Eisenpulvers haben die Verteilung von Partikelgrößen. Typischerweise weisen derartige Pulver wenigstens ungefähr 90 Gewichtsprozent eines Pulveranteils auf, das durch ein Nr. 45 Sieb (U.S. Serien) durchtreten kann und besonders bevorzugt wenigstens ungefähr 90 Gewichtsprozent des Pulveranteils kann durch ein Nr. 60 Sieb hindurchtreten. Typischerweise besitzen derartige Pulver wenigstens ungefähr 50 Gewichtsprozentanteile, die durch ein Nr. 70 Sieb hindurchtreten werden oberhalb oder mehr von einem Nr. 400 Sieb zurückbehalten, besonders bevorzugt ungefähr 50 Gewichtsprozent des Pulvers treten durch ein Nr. 70 Sieb hindurch und werden oberhalb eines Nr. 325 Siebs zurückbehalten. Ebenfalls besitzen derartige Pulver typischerweise mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent, verallgemeinert wenigstens ungefähr 10 Gewichtsprozent und generell wenigstens ungefähr 15 Gewichtsprozent Partikel, die durch ein 325 Sieb hindurchtreten. Dabei können diese Pulver eine durchschnittlich gewichtete Partikelgröße von weniger als ein Mikron oder darunter oder bis zu ungefähr 850–1000 Mikron aufweisen, aber generell werden die Partikel durchschnittlich gewichtete Partikelgrößen im Bereich von ungefähr 10–500 Mikron besitzen. Bevorzugt sind Eisenlegierungspartikel oder im wesentlichen reine Eisenpartikel mit maximalen durchschnittlich gewichteten Partikelgrößen bis zu ungefähr 350 Mikron; besonders bevorzugt haben die Partikel durchschnittlich gewichtete Partikelgrößen im Bereich von ungefähr 25–150 Mikron und besonders bevorzugt 80–150 Mikron. Diesbezüglich wird verwiesen auf den MPIF-Standard 05 für Siebanalysen.
Die metallurgische Pulverzusammensetzung enthält auch Kohlenstoff. Der Kohlenstoff wird bevorzugt als im wesentlichen reines Kohlenstoffpulver hinzugefügt, wie z.B. Graphit. Bevorzugt weist das Kohlenstoffpulver eine Reinheit von wenigstens ungefähr 99,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt eine Reinheit von mindestens ungefähr 99,5 Gewichtsprozent auf. Das Kohlenstoffpulver kann in kristalliner und/oder amorpher Form vorliegen. Kohlenstoff liegt bevorzugt in der metallurgischen Pulverzusammensetzung in einer Menge von 0,1 Gewichtsprozent bis 2,0 Gewichtsprozent vor, mehr bevorzugt von ungefähr 0,2 Gewichtsprozent bis ungefähr 2,0 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt von ungefähr 0,3 Gewichtsprozent bis ungefähr 1,2 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung.
Die metallurgischen Pulverzusammensetzungen nach vorliegender Erfindung enthalten ebenfalls Legierungspulver zusätzlich zu dem Kohlenstoffpulver. Der Begriff „Legierungspulver" bezieht sich in der vorliegenden Anmeldung auf jedes einzelne Element, jede einzelne Zusammensetzung oder jedes einzelne Legierungspulver, welches mit der metallurgischen Pulverzusammensetzung physikalisch vermischt ist, unabhängig davon, ob dieses Additiv letztlich mit der metallurgischen Pulverzusammensetzung ganz oder teilweise eine Legierung bildet oder nicht.
Beispiele optionaler Legierungspulver die in der metallurgischen Pulverzusammensetzung vorliegen, schließen Elemente, Verbindungen oder Legierungen ein, die Molybdän, Mangan, Kupfer, Nickel, Chrom, Silizium, Gold, Vanadium, Kolumbium (Niob), Phosphor, Aluminium, Bor oder Oxide daraus enthalten; binäre Legierungen aus Kupfer und Zinn, Kupfer und Nickel oder Kupfer und Phosphor; Eisenlegierungen aus Mangan, Chrom, Bor, Phosphor oder Silizium; niedrig schmelzende ternäre oder quarternäre Eutektika von Kohlenstoff in Kombination mit Elementen, die ausgewählt sind aus Eisen, Vanadium, Mangan, Chrom, Molybdän oder Kombinationen daraus; Karbide aus Wolfram oder Silizium; Siliziumnitride; Aluminiumoxide; sowie Sulfide aus Mangan oder Molybdän und Kombinationen daraus. Bevorzugte Legierungspulver schließen Elemente, Verbindungen oder Legierungen ein, die Molybdän, Mangan, Kupfer, Nickel, Chrom, Vanadium, Phosphor oder Kombinationen daraus enthalten und besonders bevorzugt Elemente, Verbindungen oder Legierungen, die Kupfer, Nickel oder Kombinationen daraus enthalten.
Die Legierungspulver liegen in der metallurgischen Pulverzusammensetzung in einer Menge von 1,0 bis 10 Gewichtsprozent vor, bevorzugterweise bis zu ungefähr 7 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt bis zu ungefähr 5 Gewichtsprozent. Die Legierungspulver haben eine durchschnittliche Gewichtspartikelgröße unterhalb ungefähr 100 Mikron, bevorzugterweise unterhalb von ungefähr 75 Mikron, mehr bevorzugt unterhalb ungefähr 30 Mikron und besonders bevorzugt im Bereich von ungefähr 5 Mikron bis ungefähr 20 Mikron. Die Partikelgröße der Legierungspulver ist im allgemeinen relativ klein und kann durch Laserlichtstreutechnologie angewandt auf Siebtechniken analysiert werden. Laserlichtstreutechnologie berichtet die Partikelgrößenverteilung in d_x Werten, wobei zum Ausdruck kommt, daß „x"-Prozent des Volumens des Pulvers einen Durchmesser unterhalb des berichteten Werts besitzen. Die legierenden Partikel haben im allgemeinen eine Größenverteilung derart, daß sie einen d₉₀ von unterhalb ungefähr 100 Mikron aufweisen, bevorzugterweise unterhalb ungefähr 75 Mikron und mehr bevorzugt unterhalb ungefähr 50 Mikron; wobei der d₅₀-Wert unterhalb ungefähr 75 Mikron, bevorzugterweise unterhalb ungefähr 50 Mikron und besonders bevorzugt unterhalb ungefähr 30 Mikron liegt.
Die metallurgische Pulverzusammensetzung enthält ein Legierungspulver mit Kupfer. Das Kupfer bewirkt härtbare Eigenschaften an Metallteilen, die aus den metallurgischen Pulverzusammensetzungen gebildet wurden. Das Kupfer enthaltende Pulver ist bevorzugterweise elementares Kupfer mit relativ wenig Verunreinigungen. Bevorzugterweise enthält das Kupfer enthaltende Pulver wenigstens 90 Gewichtsprozent, mehr bevorzugt weniger als 98 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt wenigstens 99 Gewichtsprozent Kupfer bezogen auf das Gesamtgewicht des Kupfer enthaltenden Pulvers.
Die Menge des Kupfer enthaltenden Pulvers, in der metallurgischen Pulverzusammensetzung nach der vorliegenden Erfindung ist derart, daß 1,0 bis 3,0 Gewichtsprozent elementares Kupfer, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung vorhanden sind. Die metallurgische Pulverzusammensetzung nach vorliegender Erfindung kann ebenfalls Schmierstoffe, Bearbeitungsagentien und Plastifizierungsmittel beinhalten.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält die metallurgische Pulverzusammensetzung ein Schmiermittel, um die Auswurfkraft zu reduzieren, die erforderlich ist, um ein kompaktiertes Teil aus der hohlen Form zu entfernen. Beispiele typischer Pulver metallurgischer Schmierstoffe schließen Stearate, wie z.B. Zinkstearat, Litiumstearat, Manganstearat oder Kalziumstearate ein; syntetische Wachse wie Ethylen Bistearamide oder Polyolefine oder Kombinationen hieraus. Der Schmierstoff kann ebenfalls ein Polyamidschmierstoff wie z.B. PROMOLD-450 sein, der in US-PS 5,368,630 offenbart ist, insbesondere auch Ester, offenbart in US-PS 5,498,276 von Luk oder ein metallisches Salz einer Fettsäure, offenbart in US-PS 5,330,792 von Johnson et al. Der Schmierstoff kann auch eine Kombination aus irgendeinem der oben beschriebenen vorgenannten Schmierstoffe sein.
Der Schmierstoff wird allgemein in einer Menge von bis zu ungefähr 2,0 Gewichtsprozent, bevorzugt von ungefähr 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent, mehr bevorzugt von ungefähr 0,1 bis ungefähr 1,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,75 Gewichtsprozent der metallurgischen Pulverzusammensetzung hinzugefügt werden.
Bevorzugte Schmierstoffe sind Ethylen Bistearamide, Zinkstearat, Kenolube^TM (vertrieben durch Hoganas Corporation, Sitz in Hoganas, Schweden), Ferrolube^TM (vertrieben durch Blanchford) und Polyethylenwachs. Bevorzugterweise werden diese Schmierstoffe in einer Menge von ungefähr 0,2 Gewichtsprozent bis ungefähr 1,5 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht der so gebildeten metallurgischen Pulverzusammensetzung hinzugefügt.
Andere Additive können ebenfalls in der metallurgischen Pulverzusammensetzung vorliegen, wie z.B. Plastifizierungsmittel. Bevorzugterweise liegen diese anderen Additive in der metallurgischen Pulverzusammensetzung in einer Menge von ungefähr 0,05 Gewichtsprozent bis ungefähr 1,5 Gewichtsprozent und mehr bevorzugt von ungefähr 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung vor. Plastifizierungsmittel, wie z.B. Polyethylen-Polyprophylen Copolymer werden typischerweise in Verbindung mit Bindemitteln und/oder Schmiermitteln benutzt. Mangansulfid liegt in der metallurgischen Pulverzusammensetzung in einer Menge von 0,1 Gewichtsprozent bis 0,75 Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung vor.
Die metallurgische Pulverzusammensetzung kann auch ein oder mehrere Bindemittel enthalten, um die in der vorliegenden metallurgischen Pulverzusammensetzung enthaltenen verschiedenen Komponenten zu bonden um Segregation zu ver meiden. Durch „Bonden" wie vorliegend gebraucht, wird jedwedes physische oder chemische Verfahren bezeichnet, das die Adhäsion der Komponenten der metallurgischen Pulverzusammensetzung ermöglicht.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird Bonden durch den Gebrauch von wenigstens einem Bindemittel erzeugt. Bindemittel die in der vorliegenden Erfindung benutzbar sind, sind solche die allgemein in dem Stand der Technik der Pulvermetallurgie verwendet werden. Beispiele derartiger Bindemittel sind in US-PS 4,834,800 von Semel, US-PS 4,483,905 von Engstrom, US-PS 5,154,881 von Rutz et al. und US-PS 5,298,055 von Semel et al. offenbart.
Derartige Bindemittel beinhalten, beispielsweise Polyglykole wie Polyethylenglykol oder Polyprophylenglykol; Glycerin; Polyvinylalkohol; Homopolymere oder Copolymere des Vinylacetats; cellulosische Ester oder ätherische Harze; Methacrylatpolymere oder Copolymere; Alkydharze; Polyurethanharze; Polyesterharze; oder Verbindungen daraus. Andere Beispiele von Bindemitteln die hilfreich sind, sind die relativ hoch gewichtsmolekularen Polyalkylenoxid basierenden Zusammensetzungen die in US-PS 5,298,055 von Semel et al. beschrieben sein. Geeignete Bindemittel beinhalten auch dibasische organische Säure, wie azelaische Säure und eine oder mehrere polare Komponenten wie Polyether (flüssig oder fest) und acrylische Harze wie sie in US-PS 5,290,336 von LuK beschrieben sind, auf deren gesamten Inhalt diesbezüglich Bezug genommen wird. Die Bindemittel in dem '336 Patent von LuK können ebenfalls vorteilhafterweise als Schmiermittel wirken. Zusätzliche geeignete Bindemittel schließen die Celluloseesterharze, die Hydroxialkylcelluloseharze und die thermoplastischen Phenolharze ein, die in US-PS 5,368,630 von LuK beschrieben sind. Das Bindemittel kann weiterhin von niedrig schmelzenden festen Polymeren oder Wachsen gebildet werden, wie einem Polymer oder Wachs mit einer Erweichungstemperatur von unterhalb 200° C (auf 390°F), wie Polyester, Polyethylene, Epoxy, Urethan, Paraffin, Ethylenbistearamide und Baumwollsaatwachse und ebenso Polyolefine mit durchnittschlichen Molekulargewichten unterhalb von 3.000 und hydrogenierte Pflanzenöle, die C_14-24 Alkylteiltriglyceride und Derivative daraus, einschließlich gehärtete Derviative wie Baumwollsaatöl, Sojabohnenöl, Jojobaöl und Mischungen daraus wie in der WO 99/20689, veröffentlicht am 29. April 1999, beschrieben. Diese Bindemittel können durch die Trockenbondtechniken gemäß vorliegender Anmeldung aufgebracht werden und in den allgemeinen Mengen, die oben für Bindemittel angegeben sind. Weitere Bindemittel die in vorliegender Erfindung benutzbar sind, sind Polyvinylpyrolidone wie in US-PS 5,069,714 veröffentlicht. Bevorzugte Bindemittel sind Polyethylenoxide oder Polyvinylacetate oder Kombinationen daraus, die Bindemittel sind, wie sie in WO 99/20689 offenbart sind.
Die Menge des Bindemittels, die in der metallurgischen Pulverzusammensetzung vorliegt, hängt von Faktoren wie Dichte, Teilchengrößenverteilung und Mengen des Eisenlegierungspulvers, dem Eisenpulver und optional dem Legierungspulver in der metallurgischen Pulverzusammensetzung ab. Im allgemeinen wird das Bindemittel in einer Menge von wenigstens ungefähr 0,005 Gewichtsprozent, mehr bevorzugt von ungefähr 0,05 Gewichtsprozent bis ungefähr 2 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt von ungefähr 0,05 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, zugefügt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält die metallurgische Pulverzusammensetzung von ungeführ 10 Gewichtsprozent bis ungefähr 20 Gewichtsprozent eines Eisenmolybdänvorlegierungspulvers, von ungefähr 80 Gewichtsprozent bis ungefähr 90 Gewichtsprozent im wesentlichen reines Eisenpulver, von ungefähr 0,1 Ge wichtsprozent bis ungeführ 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, der vorzugsweise Graphitpulver ist und von ungefähr 0,1 bis ungefähr 3,0 Gewichtsprozent Kupfer, welches vorzugsweise in der Form eines kupferenthaltenden Pulvers vorliegt. In diesem Ausführungsbeispiel enthält das Eisenmolybdänvorlegierungspulver vorzugsweise von ungefähr 0,4 Gewichtsprozent bis ungefähr 2,0 Gewichtsprozent Molybdän und ungefähr 98 Gewichsprozent bis ungefähr 99,6 Gewichtsprozent Eisen. Die Prozente an Eisen, Molybdän, Kohlenstoff und Kupfer in der metallurgischen Pulverzusammensetzung können z.B. durch eine Elementanalyse bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung sieht ebenfalls Verfahren zur Vorbereitung metallurgischer Pulverzusammensetzungen vor. In den Verfahren nach vorliegender Erfindung wird ein Eisenlegierungspulver, welches bevorzugterweise in Übereinstimmung mit den vorstehend beschriebenen Verfahren vorbereitet wurde, zur Verfügung gestellt. Das Eisenlegierungspulver wird im wesentlichen mit reinem Eisenpulver und bevorzugterweise Kohlenstoffpulver zusammengemischt in den vorstehend beschriebenen Mengen, um eine metallurgische Pulverzusammensetzung nach vorliegender Erfindung zu bilden. Zusätzlich können andere Additive der metallurgischen Pulverzusammensetzungen in den vorstehend beschriebenen Mengen zugefügt werden. Z.B. kann jedwede Kombination aus Legierungspulvern, Schmiermitteln, Bindemitteln, Bearbeitungsmitteln, Plastifizierungsmitteln oder anderen herkömmlichen metallurgischen Pulveradditiven zugefügt werden. Das Verfahren zur Kombination des Eisenlegierungspulvers, dem im wesentlichen reinen Eisenpulver, dem Kohlenstoffpulver u.a. gewünschten Additiven kann durch jedwede Technik nach dem Stand der Technik ausgeführt werden. Bevorzugterweise resultiert die verwendete Methode in einer einheitlich vermischten metallurgischen Pulverzusammensetzung, die sich nicht fertigt abscheidet. Darüber hinaus ist die Reihenfolge der Hinzufügung aus Eisenlegierungspulver, des im wesentlichen reinen Eisenpulvers, des Kohlenstoffpulvers und den anderen gewünschten Additiven nicht kritisch. Jedoch ist die Reihenfolge der Hinzufügung so, daß eine einheitliche Mischung der metallurgischen Pulverzusammensetzung bevorzugt wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel schließen die Verfahren nach vorliegender Erfindung das Hinzufügen eines Bindemittels zu der metallurgischen Pulverzusammensetzung zwecks Bonden des Eisenlegierungspulvers, des im wesentlichen reinen Eisenpulvers und der anderen Additive zur Vermeidung von Segregation ein. Das Bindemittel kann der Pulvermischung in Übereinstimmung mit irgendeiner Technik aus dem Stand der Technik hinzugefügt werden. Beispielsweise können die Verfahren nach US-PS 4,834,800 von Semel, 4.483,905 von Engstrom, 5,154,881 von Rutz et al., 5,298,055 von Semel et al. sowie WO 99/20689, veröffentlicht am 29. April 1999, verwandt werden. Bevorzugterweise wird das Bindemittel in flüssiger Form hinzugefügt und mit den Pulvern bis zur Erzielung einer guten Durchfeuchtung der Pulver vermischt. Diese Bindemittel, die in flüssiger Form bei Raumbedingungen vorliegen, können dem Pulver als solches hinzugefügt werden, aber es wird bevorzugt, daß das Bindemittel, ob flüssig oder fest, in einer organischen Lösung gelöst oder dispergiert und als flüssige Lösung hinzugefügt wird, um auf diese Weise eine im wesentlichen homogene Verteilung des Bindemittels über die gesamte Mischung herbeizuführen. Das flüssige Pulver wird anschließend unter Anwendung herkömmlicher Techniken zur Entfernung des Lösemittels bearbeitet. Typischerweise bei geringen Mengen an Mischungen, im allgemeinen 5 lbs oder weniger, wird das feuchte Pulver über ein flaches Tablett ausgebreitet und ihm die Trocknung in Luft erlaubt. Auf der anderen Seite kann im Falle größerer Gemische der Trockungsschritt durch Anwendung in der Mischtrommel unter Aufbringung von Wärme und Vakuum erzielt werden.
Ebenfalls kann die Sequenz der Hinzufügung des Bindemittels und eines Schmiermittels, falls gewünscht, variiert werden um die letztendlichen Eigenschaften der metallurgischen Pulverzusammensetzung zu verändern. Beispielsweise können die Verfahren nach US-PS 5,256,185 von Semel et al. verwendet werden. Ebenfalls kann das Schmiermittel beispielsweise mit dem Eisenlegierungspulver vermischt werden, dem im wesentlichen reinen Eisenpulver, dem Kohlenstoffpulver, den legierenden Pulvern und anderen optionalen Additiven und dann letztlich wird das Bindemittel in diese Zusammensetzung eingebracht. In einem anderen Verfahren wird eine Portion des Schmiermittels, vorzugsweise von ungefähr 50 bis ungefähr 99 Gewichtsprozent, mehr bevorzugt von ungefähr 75 bis ungefähr 95 Gewichtsprozent der Mischung aus Eisenlegierungspulver, dem im wesentlichen reinen Eisenpulver und den anderen Additiven hinzugefügt, anschließend wird das Bindemittel zugefügt, danach wird das Lösemittel entfernt und letztlich wird der Rest des Schmiermittels der metallurgischen Pulverzusammensetzung hinzugefügt. Ein weiteres Verfahren besteht darin, das Bindemittel zunächst einer Mischung aus Eisenlegierungspulver und anderen Additiven hinzuzufügen, das Lösemittel zu entfernen und letztendlich die vollständige Menge des Schmierstoffs hinzuzufügen.
Die metallurgischen Pulverzusammensetzungen nach vorliegender Erfindung so hergestellt, können in einer Matrize in Übereinstimmung mit herkömmlichen metallurgischen Techniken zur Bildung von Metallteilen verdichtet werden. Typische Verdichtungsdrücke liegen zwischen ungefähr 5–200 t (tsi), 69–2760 MPa, bevorzugterweise von 20–100 tsi (276–1379 MPa) und mehr bevorzugt von ungefähr 25–60 tsi (345–828 MPa).
Nach der Verdichtung kann das Teil gesintert werden in Übereinstimmung mit herkömmlichen metallurgischen Techniken bei Temperaturen, Sinterzeiten und anderen Bedingungen, die für die metallurgische Pulverzusammensetzung geeignet sind.
Beispielsweise betragen die Sintertemperaturen in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwischen ungefähr 1900° F bis ungefähr 2400° F und werden für eine ausreichende Zeit zur Erzielung metallurgischer Bindung und Legierungsbildung ausgeübt. Die metallurgische Pulverzusammensetzung kann ebenfalls doppelt verdichtet und doppelt gesintert werden durch Techniken, die im Stand der Technik bekannt sind.
Metallteile verschiedener Formen und für verschiedenen Gebrauch können aus den metallurgischen Pulverzusammensetzungen nach vorliegender Erfindung gebildet werden. Beispielsweise können die Metallteile zum Gebrauch in der Automobiltechnik, der Luftfahrt und der Kernenergieindustrie geformt werden.
Es wurde herausgefunden, daß die metallurgischen Pulverzusammensetzungen nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung unerwartete herausragende Fähigkeiten zur Maschinenbearbeitung besitzen. Diese Verbesserungen wurden insbesondere beobachtet, wenn die metallurgische Pulverzusammensetzung von ungefähr 10 Gewichtsprozent bis ungefähr 30 Gewichtsprozent eines Eisenmolybdänvorlegierungspulvers enthält, von ungefähr 70 Gewichtsprozent bis ungefähr 90 Gewichtsprozent eines im wesentlichen reinen Eisenpulvers, von ungefähr 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 3,0 Gewichtsprozent eines Kohlenstoffpulvers und von ungefähr 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent eines Kupfer enthaltenden Pulvers. Bevorzugterweise enthält die Eisenmolybdänvorlegierung von ungefähr 0,40 bis ungefähr 2,0 Gewichtsprozent Molybdän und von ungefähr 98 Gewichtsprozent bis ungefähr 99,6 Gewichtsprozent Eisen. Die Maschinenbearbeitbarkeit kann weiterhin durch die Anwesenheit eines Bearbeitungsmittels wie Mangansulfid in der metallurgischen Pulverzusammensetzung verbessert werden.
BEISPIELE
Einige Beispiele der vorliegenden Erfindung werden jetzt im Detail in den folgenden Beispielen beschrieben. Eisen-basierende metallurgische Pulverzusammensetzungen werden in Übereinstimmung mit den Verfahren vorliegender Erfindungen vorbereitet. Vergleichsweise metallische Pulverzusammensetzungen werden ebenso vorbereitet. Die vorbereiteten Pulverzusammensetzungen wurden verdichtet und gesintert zur Bildung von Metallteilen und zur Maschinenbearbeitung vorbereitet.
Vergleichsbeispiele 1 bis 2 und Beispiele 3 bis 10
Metallurgische Pulverzusammensetzungen mit Zusammensetzungen entsprechend Tabelle 1 wurden vorbereitet
Tabelle 1: Zusammensetzung der getesteten Metallpulver
Die Zusammensetzungen wurden durch einheitliche Vermischung aller Zutaten in den Mengen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, vorbereitet. Das Eisenpulver, welches in allen Beispielen verwendet wurde, war Ancorsteel 1000A erhältlich von Hoeganaes Corporation, Sitz in Cinnaminson, New Jersey. Das Eisenlegierungspulver, welches in allen Beispielen verwendet wurde, war Ancorsteel^TM 85HP Stahlpulver, ebenfalls erhältlich von Hoeganaes Corporation. Ancorsteel 85HP ist ein Eisenmolybdänvorlegierungspulver mit ungefähr 0,85 Gewichtsprozent Molybdän. Der in allen Beispielen verwendete Graphit (gezeigt als Kohlenstoff in Tabelle 1) hatte eine durchschnittlich gewichtete Partikelgröße von ungefähr 6 bis 8 Mikron und stammte von Asbury Graphite Mills, Inc., Sitz in Asbury, New Jersey. Das Kupferpulver (gezeigt als „Kupfer" in Tabelle 1) welches in allen Beispielen verwendet wurde, war Accupowder von Accuppowder Corporation. Das Kupferpulver hatte eine durchschnittlich gewichtete Partikelgröße von ungefähr 10 Mikron bis ungefähr 14 Mikron und eine Reinheit von 99.5 Gewichtsprozent. Das „MnS" aus Tabelle 1 ist Mangansulfid, ein Bearbeitungshilfsmittel. Das Schmiermittel entsprechend Tabelle 1 war Acrawax^TM C Schmiermittel. Acrawax C ist ein syntetisches Wachs und wurde bezogen von Algroup Lonza, mit Sitz in Fair Lawn, New Jersey.
BEISPIEL 11
Die metallischen Pulverzusammensetzungen der Vergleichsbeispiele 1 und 2 und der Beispiele 3 bis 10 wurden für die Maschinenbearbeitung untersucht. Zur Untersuchung der Maschinenbearbeitung wurde jede der metallurgischen Pulverzusammensetzungen aus Tabelle 1 in Scheiben von 4 Zoll Durchmesser und 1 Zoll Dicke mit einer Dichte von 6,8 g/cm³ verdichtet. Die Scheiben wurde bei 2050° F für 30 Minuten in einer Atmosphäre von 10% Wasserstoff und 90% Stickstoff gesintert und bei Umgebungstemperatur abgekühlt.
Vor der Durchführung der Fähigkeit zur Maschinenbearbeitung wurde jeder Bohrerbit in folgender Weise kalibriert. 20 Bohrerbits von 0,25 Zoll Durchmesser wurden benutzt zum Bohren von 0,95 Zoll tiefen Löchern in Scheiben, die aus dem mit „Kontrolle" bezeichneten Pulver aus Tabelle 1 gebildet worden sind. Jedes Bohrerbit wurde verwendet um ungefähr 2 bis 3 Löcher aus einer Gesamtheit von ungefähr 40 bis ungefähr 60 Löchern zu bohren. Die Löcher wurden gebohrt mit einem Vorschub 0,005 Zoll pro Umdrehung und einer Schnittgeschwindigkeit von 2220 rpm. Während des Bohrens wurde das Bohrmoment die Schubkraft automatisch für jeden Bohrerbit gemessen und daraus ein durchschnittliches Bohrmoment und eine durchschnittliche Schubkraft aus allen Messungen errechnet. Es wurden ausschließlich Bohrerbits mit einem Bohrmoment und einer Schubkraft innerhalb ± 5% des Durchschnitts in den Maschinenbearbeitungstests verwendet.
Durch die Verwendung eines übereinstimmenden Equipments zur Kalibrierung der Bohrerbits wurden Scheiben aus jeder einzelnen der metallurgischen Pulverzusammensetzungen entsprechend Tabelle 1 mit Löchern gebohrt, die eine Tiefe von 0,95 Zoll besaßen bis der Bohrerbit versagte (d.h. der Verschleiß überstieg ein vorbestimmtes Niveau). Für jedes gebohrte Loch wurde ein Vorschub von 0,05 Zoll pro Umdrehung und eine Schnittgeschwindigkeit von 2200 rpm verwendet. Das Bohrmoment und die Schubkraft wurden während des Tests gemessen und Verschleißmessungen am Drillbit wurden nach jeweils 10 gebohrten Löchern aufgenommen. Die Verschleißmessungen wurden durch ein Mikrodynaskop Modell E Universal Inspection and Gauging System aufgenommen, vertrieben durch Vision Engineering, Sitz in Surrey, England. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des Maschinentests. Die mittlere Schubkraft war der mittlere Wert aller Schubkräfte für alle gebohrten Löcher vor dem Versagen des Bohrerbits. Tabelle 2 zeigt ebenfalls die Anzahl der gebohrten Löcher bis zum Versagen, die zur Be rechnung der mittleren Schubkraft verwendet wurde. Die Anzahl der gebohrten Löcher hing im einzelnen von der Festigkeit des Materials ab (zunehmende Festigkeit verringert die Anzahl der Löcher bis zum Versagen).
Tabelle 2: Ergebnisse der Maschinenbearbeitung
Die Ergebnisse in Tabelle 2 zeigen, daß die Hinzufügung von Eisenlegierungspulver in einer metallurgischen Pulverzusammensetzung die mittlere Schubkraft eines Bohrerbits während des Bohrens einer Scheibe verringert. Beispielsweise kann trotz der Verringerung der mittleren Schubkraft durch die Hinzufügung eines Mangansulfids zu einer eisenbasierenden Pulverzusammensetzung (Vergleichsbeispiel 1 in Vergleich zum Vergleichsbeispiel 2) eine weitere Verbesserung durch Hinzufügung eines Eisenlegierungspulvers erreicht werden. Die Ergebnisse der mittleren Schubkraft die aus den Vergleichsbeispielen 1 bis 2 und Beispiel 5 erzielt wurden, sind in
1 gezeigt. 1 ist eine graphische Darstellung zum Zeigen der mittleren Schubkraft für Scheiben die nach den Vergleichsbeispielen 1 bis 2 und Beispiel 5 erstellt wurden. Durch Verringerung der mittleren Schubkraft tritt ein verringerter Verschleiß am Bohrerbit auf, aus dem Vorteile wie eine verlängerte Lebensdauer des Bohrerbits entstehen. Auf diese Weise wurden bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der verbesserten metallurgischen Pulverzusammensetzungen nach vorliegender Erfindung beschrieben und Verfahren zur Herstellung und zum Gebrauch. Während bevorzugte Ausführungsbeispiele offenbart und beschrieben wurden, wird es durch den Fachmann erkannt werden, daß Veränderungen und Modifikationen innerhalb der Erfindung liegen, wie sie in den anliegenden Ansprüchen definiert sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer metallurgischen Pulverzusammensetzung mit den Verfahrensschritten: (a) Bereitstellung eines Pulvers aus Eisenlegierung und mindestens eines Legierungsadditives, wobei das Legierungsadditiv in einer Menge von 0,1 Gewichtsprozent bis 7 Gewichtsprozent vorhanden ist und das Eisen in einer Menge von mindestens 90 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Pulvers aus Eisenlegierung, wobei das Legierungsadditiv in dem Pulver aus Eisenlegierung in einer Menge von 0,1 bis 2,0 Gewichtsprozent enthalten ist, bezogen auf das Gesamtgewicht des Pulvers aus Eisenlegierung; und (b) Beimischung des Pulvers aus Eisenlegierung zur Herstellung einer metallurgischen Pulverzusammensetzung welche, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, besteht aus: von 5 bis 40 Gewichtsprozent des Pulvers aus Eisenlegierung, von 0,10 bis 0,75 Gewichtsprozent Mangansulfid, von 0,1 bis 2,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, von 1,0 bis 10 Gewichtsprozent Legierungspulver, wobei das Legierungspulver von 1,0 bis 3 Gewichtsprozent Kupfer enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, wahlweise von 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent Schmiermittel, wahlweise von 0,05 bis 1,5 Gewichtsprozent Plastifizierungsmittel, wahlweise von 0,005 bis 2 Gewichtsprozent Bindemittel, und mindestens 55 Gewichtsprozent eines Eisenpulvers mit nicht mehr als 1,0 Gewichtsprozent Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Additive in dem Pulver aus Eisenlegierung weiterhin Chrom, Vanadium, Wolfram oder Kombinationen hieraus enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver weiterhin als Elemente, Verbindungen oder Legierungen Molybdän, Mangan, Nickel, Chrom, Silizium, Gold, Vanadium, Niobium, Phosphor, Aluminium, Bor, oder Oxide daraus enthält; Zweistofflegierungen aus Kupfer und Zinn, Kupfer und Nickel, oder Kupfer und Phosphor, oder Silizium; niedrig schmelzende dreifach und vierfach Eutektika aus Kohlenstoff in Kombination mit Elementen ausgewählt aus Eisen, Vanadium, Magnesium, Chrom, Molybdän oder Kombinationen hieraus; Karbide aus Wolfram oder Silizium; Siliziumnitride; Aluminiumoxide; und Sulfate aus Molybdän und Kombinationen hieraus.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver weiterhin als Elemente, Verbindungen oder Legierungen Molybdän, Mangan, Nickel, Chrom, Vanadium, Phosphor oder Kombinationen hieraus, enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver weiterhin Elemente, Verbindungen oder Legierungen mit Nickel enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel ein Stearat, ein synthetisches Wachs, ein Polyamid-Schmiermittel, ein metallisches Salz aus Fettsäure oder eine Kombination hieraus ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent des Schmiermittels in der metallurgischen Pulverzusammensetzung vornanden sind, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastifizierungsmittel ein Polyethylen-Polypropylen-Copolymer ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 0,05 bis 1,5 Gewichtsprozent des Plastifizierungsmittels in der metallurgischen Pulverzusammensetzung vorhanden sind, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Polyglycol, Glycerin, Polyvinylalkohol, Homopolymere oder Copolymere aus Vinylacetat enthält; cellulosische Ester oder Etherharze, Methacrylatpolymere oder Copolymere, Alkydharze, Polyurethanharze, Polyesterharze, niedrig schmelzende, feste Polymere oder Wachse, welche eine Erweichungstemperatur von unter 200° C haben, Polyvinyl Pyrrolidone, hohe Ölester oder Kombinationen hieraus.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel Polyethylenoxid, Polyvinylacetat oder Kombinationen hieraus sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 0,005 bis 2 Gewichtsprozent Bindemittel in der metallurgischen Pulverzusammensetzung, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, vorhanden sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß von 10 bis 30 Gewichtsprozent des Pulvers aus Eisenlegierung in der metallurgischen Pulverzusammensetzung, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, vorhanden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Metallteils, mit den Verfahrensschritten: (a) Bereitstellung einer metallurgischen Pulverzusammensetzung nach einem der vorstehenden Ansprüche, und (b) Verdichtung der metallurgischen Pulverzusammensetzung mit einem Druck von mindestens 5 tsi (60 MPa) zur Herstellung eines Metallteils.
Verfahren nach Anspruch 14, einschließlich Sintern des verdichteten Metallteils bei einer Temperatur von mindestens 1900°F (1038°C) zur Herstellung eines bearbeitbaren gesinterten Metallteils.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß 1,75 bis 2,0 Gewichtsprozent Kupfer in der metallurgischen Pulverzusammensetzung, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß 0,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff in der metallurgischen Pulverzusammensetzung, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß 0,35 Gewichtsprozent Mangansulfid in der metallurgischen Pulverzusammensetzung, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, vorhanden sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 20 Gewichtsprozent Pulver aus Eisenlegierung in der metallurgischen Pulverzusammensetzung, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallurgischen Pulverzusammensetzung, vorhanden sind.