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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen pulvrigen
Zusatz zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit und/oder der
Verschleißfestigkeit für ein Eisen- oder Stahl-Pulver zur
Verwendung in der pulvermetallurgischen Produktion von
Preßlingen. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf
ein Eisen- oder Stahl-Pulver, welches einen derartigen
pulvrigen Zusatz enthält.
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Die pulvermetallurigische Herstellung von Preßlingen, wie
beispielsweise Konstruktionselementen, wird häufig gemäß
den nachfolgenden Prozeßschritten durchgeführt. Zu einem
Basispulver, gewöhnlich einem Eisen- oder Stahlpulver,
werden Legierungselemente, wie z.B. Nickel, Kupfer, Molybdän
oder Kohlenstoff, in Form eines Pulvers und zusätzlich ein
Gleitmittel beigefügt. Die Pulvermischung wird in einer
Preßform kompaktiert. Die rohen Preßlinge7 die man durch
die Kompaktierung erhält, werden gesintert, so daß sie ihre
Endeigenschaften bezüglich Festigkeit usw. erhalten.
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Einer der Hauptvorteile der pulvermetallurgischen
Herstellung von Preßlingen besteht darin, daß die Kompaktierung
und Sinterung es möglich machen, die Preßlinge in beinahe
der Endform zu produzieren. Es gibt jedoch Fälle, in denen
eine nachfolgende Maschinenbearbeitung notwendig ist. Zum
Beispiel kann ein Nacharbeiten notwendig werden infolge
hoher Toleranzforderungen oder weil das fertige Produkt ein
Design hat, so daß es nicht direkt kompaktiert werden kann
sondern nach dem Sintern bearbeitet werden muß.
Insbesondere erfordern Geometrien, wie beispielsweise Löcher quer
zur Kompaktierrichtung, Unterschneidungen und Gewinde, ein
Nachbearbeiten.
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Mit der kontinuierlichen Entwicklung neuer gesinterter
Stähle mit höherer Festigkeit und auch höherer Härte ist
die Bearbeitung zum Hauptproblem bei der
pulvermetallurgischen Herstellung von Komponenten geworden und in vielen
Fällen ist die Bearbeitbarkeit der limitierende Faktor,
wenn überlegt wird, ob eine pulvernetallurgische
Herstellung das optimale Herstellverfahren für eine Komponente vom
ökonomischen Standpunkt aus ist. Dies bedeutet, daß eine
große Notwendigkeit für neue und wirksamere Verfahren oder
Zusätze zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit gesinterter
Stähle besteht. Die Ausgangsmischung der Legierungselemente
gibt der Pulvermetallurgie die einzigartige Möglichkeit,
auch weitere Substanzen zuzufügen, welche z.B. die
Bearbeitbarkeit des Materials verbessern. Ein Beispiel hierfür
ist in der SE-C-8406054-0 oder der EP-A-0183666 gezeigt,
welche beschreiben, wie die Bearbeitbarkeit eines
gesinterten Stahls durch Beimischung von MnS zum Stahlpulver
verbessert werden kann.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung
eines Zusatzpulvers für ein Pulver auf Eisen- oder
Stahlbasis zur Benutzung in der pulvermetallurgischen Herstellung
von Preßlingen, wobei dieser pulvrige Zusatz dazu geeignet
sein soll, die Bearbeitbarkeit und/oder
Verschleißfestigkeit des produzierten Preßlings zu verbessern.
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Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 5 definiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Ansprüche 2 bis 4
beschrieben.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß dieses Ziel durch
einen pulvrigen Zusatz erreicht werden kann, der aus MnS
und wenigstens einer weiteren Verbindung besteht, die
ausgewählt ist aus Te, oder einer Te-Verbindung, Se oder einer
Se-Verbindung. Dieser pulvriger Zusatz erzeugt einen
wesentlich verbesserten, die Schneidfähigkeit erhöhenden
Effekt verglichen mit einem pulvrigen Zusatz, der lediglich
aus MnS besteht.
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Gemäß den US-A-3,152,890, US-A-4,279,646 und US-A-4,434,006
ist es Stand der Technik in der Pyrometallurgie, Stahl mit
verbesserter Schneidfähigkeit, d.h. was im allgemeinen als
freischneidender Stahl bezeichnet wird, durch Legierung mit
Mn, S, Se und/oder Te zu produzieren. In diesem
Zusammenhang findet jedoch die Legierung gemeinsam mit dem
Schmelzen des Stahls statt. Der Zweck des Zufügens z.B. von Te
lag darüber hinaus in der Modifizierung der geometrischen
Form der Einschlüsse im Stahl, die in Bezug auf die
freischneidenden Eigenschaften des Stahls aktiv sind. Bei der
Heißbearbeitung von Materialien erhalten diese Einschlüsse
eine unerwünschte Form, die durch Beigabe von Te und/oder
Se verbessert werden kann.
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Der erfindungsgemäße pulvrige Zusatz gibt den damit
hergestellten Preßlingen eine verbesserte Bearbeitbarkeit und
verbessert darüber hinaus auch die Verschleißfestigkeit der
Preßlinge, ohne andere wichtige Eigenschaften des Materials
zu beeinträchtigen, wie die Dimensionsänderungen der
Preßlinge beim Sintern und ihre mechanischen Eigenschaften.
Unter Bearbeitbarkeit werden dabei alle existierenden
Arbeitsverfahren verstanden, wie z.B. Bohren, Drehen, Fräsen,
Schleifen usw. Im Lichte des obigen Standes der Technik der
Pyrometallurgie erweist sich die verbesserte
Bearbeitbarkeit durch den pulvrigen Zusatz gemäß der vorliegenden
Erfindung als unerwartet, da in der Pulvermetallurgie jede
Deformation von Einschlüssen isostatisch während der
Kompaktierung stattfindet und damit das
Längen/Breitenverhältnis nach der Kompaktierung das gleiche
ist. Der Grund dafür, warum der pulvrige Zusatz gemäß der
vorliegenden Erfindung eine wesentlich größere
Bearbeitbarkeit
als ein pulvriger Zusatz von MnS alleine aufweist, muß
daher in einem anderen Effekt als der modifizierten Form
der Einschlüsse gefunden werden. So ist es möglich, daß der
erfindungsgemäße pulvrige Zusatz den Gleiteffekt bei der
Bearbeitung verbessert. Dies kann auch ein Grund dafür
sein, warum der erfindungsgemäße pulvrige Zusatz sich als
höchst wirksam bei der Verbesserung der
Verschleißfestigkeit von pulvermetallurgisch hergestellten Elementen
erwiesen hat.
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Der pulvrige Zusatz gemäß der vorliegenden Erfindung kann
in verschiedener Weise hergestellt werden. Zunächst kann
Te, eine Te-Verbindung, Se und/oder eine Se-Verbindung mit
MnS legiert werden durch Schmelzen von Mn, S, Te, einer Te-
Verbindung, Se oder einer Se-Verbindung, woraufhin ein
Schleifen zur gewünschten Teilchengröße stattfindet. Zum
anderen kann auch eine innige Mischung von Teilchen aus MnS
und Te, einer Te-Verbindung, Se und/oder einer
Se-Verbindung durchgeführt werden, beispielsweise durch
Agglomeration oder mechanische Legierung, wodurch alle oder im
wesentlichen alle Teilchen des Pulvers MnS und Te und/oder Se
enthalten.
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Drittens kann der pulvrige Zusatz gemäß der vorliegenden
Erfindung auch dadurch produziert werden, daß man separate
Teilchen aus MnS und Te, Te-Verbindung, Se und/oder
Se-Verbindung mischt.
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Bei einem erfindungsgemäßen pulvrigen Zusatz mit MnS und Te
sollte das Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Te
zweckmäßigerweise im Bereich von 10-2000, vorzugsweise 50-1000,
liegen.
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Bei einem erfindungsgemäßen pulvrigen Zusatz mit MnS und Se
sollte das Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Se
zweckmäßigerweise im Bereich 10-1000, vorzugsweise 10-500, liegen.
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Bei einem MnS, Te und Se enthaltenden pulvrigen Zusatz
gemäß der vorliegenden Erfindung sollte das
Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Te geeigneterweise im Bereich 20-4000,
vorzugsweise 100-2000, und das Gewichtsverhältnis zwischen
MnS und Se im Bereich 20-2000, vorzugsweise 20-1000,
liegen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus ein
Eisen- oder Stahlpulver zur pulvermetallurgischen Herstellung
von Preßlingen mit verbesserter Bearbeitbarkeit und/oder
Verschleißfestigkeit vorgesehen. Dieses Pulver ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß es einen pulvrigen
Zusatz enthält, der aus MnS und wenigstens einer Verbindung
besteht, die ausgewählt ist aus Te oder Te-Verbindung, Se
oder einer Se-Verbindung. Im Falle, daß der pulvrige Zusatz
aus MnS und Te oder einer Te-Verbindung besteht, sollte die
Menge des MnS im Eisen- oder Stahlpulver erfindungsgemäß
zweckmäßig im Bereich zwischen 0,2-3 Gew.-% liegen und das
Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Te im Bereich 10-2000,
vorzugsweise 50-1000.
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Im Falle, daß der pulvrige Zusatz aus MnS und Se oder einer
Se-Verbindung besteht, sollte die Menge von MnS im Eisen-
oder Stahlpulver zweckmäßigerweise im Bereich 0,2-3 Gew.-%
und das Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Se im Bereich
10-1000, vorzugsweise 10-500, liegen.
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Im Falle, daß der pulvrige Zusatz aus MnS, Te oder einer
Te-Verbindung und Se oder einer Se-Verbindung besteht,
sollte die Menge von MnS im Eisen- oder Stahlpulver
zweckmäßigerweise
im Bereich 0,2-3 Gew.-% liegen und das
Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Te im Bereich von 20-
4000, vorzugsweise 100-2000, und das Gewichtsverhältnis
zwischen MnS und Se im Bereich von 20-2000, vorzugsweise
20-1000.
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Die Erfindung und Ausführungsbeispiele davon werden im
Detail nachstehend an einigen Beispielen erläutert.
Beispiel 1
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Erfindungsgemäße Zusätze, bestehend aus Mischungen von MnS
und Se-Partikeln, wurden hergestellt, wobei die
Gewichtsverhältnisse zwischen MnS und Te wie folgt lagen. Die
Partikelgröße von MnS und Te-Pulver war kleiner als 56 um.
Zusatz
Gewichtsverhältnis MnS/Te
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Diese Zusätze wurden mit kommerziell erhältlichem,
teilweise vorlegiertem Stahlpulver mit 4% Ni, 1,5% Cu, 0,5% Mo
und 0,5% C in Mengen von 0,5% beigemischt. Alle Mengen sind
in Gew.-% angegeben.
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Aus diesen Pulvermischungen mit den verschiedenen Zusätzen
wurden Elemente durch Kompaktieren (6 t/cm²) und Sintern
(1120ºC über 30 Minuten in einer endothermischen
Atmosphäre) zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften und
der Bearbeitbarkeit gefertigt. Die gemessenen Werte
wichtiger Metalleigenschaften, wie z.B. die kompaktierte Dichte
(GD), gesinterte Dichte (SD), Dimensionsänderung beim
Sintern [ΔL/L&sub0;], Härte (HV10), Zugfestigkeit (Rm), Dehnung [A]
und Bearbeitungindex, sind in der untenstehenden Tabelle
wiedergegeben. Darüber hinaus ist die Bearbeitbarkeit des
Materials der Elemente, die wie vorstehend beschrieben
hergestellt worden sind, mit Hilfe eines Bohrtests bestimmt
worden. Die Anzahl der Bohrlöcher für jeden verschlissenen
Bohrer ist ein Maß, welches die Bearbeitbarkeit wiedergibt.
Pulvermischung mit Zusatz
Bearbeitbarkeit (Zahl der Bohrlöcher)
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Wie man aus diesen Beispielen ersehen kann, haben die
Zusätze, die MnS und Te enthalten, einen verbesserten, die
Bearbeitbarkeit erhöhenden Effekt verglichen mit Zusätzen,
die lediglich MnS enthalten.
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Der erfindungsgemäße Zusatz scheint den gewünschten die
Bearbeitkeit erhöhenden Effekt auch dann zu haben, wenn sehr
geringe Mengen an Te bezogen auf MnS vorliegen. Wird die
Menge von Te bezüglich MnS erhöht, so ergibt sich eine
graduelle
Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der
pulvermetallurgisch hergestellten Preßlinge. Wenn das
Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Te im Bereich 200-1000
liegt, sind die anderen Eigenschaften nur zu einem sehr
geringen Maß beeinträchtigt. Bei geringeren Verhältnissen
zwischen MnS und Te ist die Festigkeit der
pulvermetallurgisch hergestellten Preßlinge verschlechtert. Dies kann in
einigen Fällen toleriert werden, wenn eine extrem gute
Bearbeitbarkeit des Materials gewünscht wird. Das
Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Te sollte also im Bereich 10-
2000, vorzugsweise 50-1000 liegen.
Beispiel 2
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Es wurden erfindungsgemäße Zusätze aus einer Mischung von
MnS und Se-Teilchen hergestellt, wobei die
Gewichtsverhältnisse zwischen MnS und Se wie folgt gewählt wurden. Die
Partikelgröße von MnS und Se-Pulver war kleiner als 56 um.
Zusatz
Gewichtsverhältnis MnS/Se
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Diese Zusätze wurden mit kommerziell erhältlichem,
teilweise vorlegiertem Stahlpulver, enthaltend 4% Ni, 1,5% Cu,
0,5% Mo und 0,5% C, in Mengen von 0,5% gemischt.
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Aus diesen Pulvermischungen mit den verschiedenen Additiven
wurden Elemente durch Kompaktieren (6 t/cm²) und Sintern
(1120ºC für 30 Minuten in einer endothermischen Atmosphäre)
zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften und der
Bearbeitbarkeit
hergestellt. Die gemessenen Werte wichtiger
Materialeigenschaften, wie z.B. der kompaktierten Dichte
(GD), der gesinterten Dichte (SD), der Dimensionsänderung
beim Sintern [ΔL/L&sub0;], Härte (HV10), Zugfestigkeit (Rm),
Dehnung [A] und Bearbeitbarkeit sind in der nachfolgenden
Tabelle wiedergegeben.
Pulvermischung mit Zusatz
Bearbeitbarkeit (Zahl der Bohrlöcher)
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Der erfindungsgemäße Zusatz, bestehend aus MnS kombiniert
mit Se, scheint nicht den gewünschten Verbesserungseffekt
der Bearbeitbarkeit aufzuweisen außer bei einem geringfügig
kleineren Verhältnis zwischen MnS und Se. Das
Gewichtsverhältnis zwischen MnS und Se sollte daher im Bereich 10-
1000, vorzugsweise 10-500, liegen.
Beispiel 3
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Bei einem Zusatz bestehend aus einer Mischung der Zusätze C
und J der Beispiele 1 und 2, wurde zu diesen teilweise
vorlegiertes Pulver wie in Beispiel 1 in folgendem
Gewichtsverhältnis gemischt: 0,25 Gew.-% von C und 0,25 Gew.-% von
Proben zum Testen der mechanischen Eigenschaften und der
Bearbeitbarkeit wurden in der gleichen Weise wie beim
Beispiel 1 hergestellt. Man erhielt die folgenden Ergebnisse.
Zusatz
Gew.-verhältnis MnS/Te
Gew.-verhältnis MnS/Se
Bearbeitbarkeit (Zahl der Bohrlöcher)
Beispiel 4
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Dieses Beispiel zeigt den überraschenden synergetischen
Effekt, der erhalten wird durch Beimischung einer Kombination
aus MnS und Te und/oder Se.
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Die Zusätze bestanden aus MnS, Te oder Se-Teilchen, mit
einer Teilchengröße kleiner als 56 um. Diese Additive wurden
in einem kommerziell erhältlichen, teilweise vorlegiertem
Stahlpulver mit 4% Ni, 1,5% Cu, 0,5% Mo und 0,5% C in
Mengen gemischt, die der jeweiligen Gesamtmenge von
Mangansulfid und entsprechend Te und Se in den Zusätzen der
Beispiele A, C und J entsprachen.
Zusatz
Inhalt
Zugefügte Menge
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Aus diesen pulvermischungen wurden Proben zum Testen der
gleichen Eigenschaften wie im Beispiel 1 hergestellt. Das
Ergebnis war folgendes:
Zusatz
Menge
Bearbeitbarkeit (Zahl der Bohrlöcher)
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Aus diesem Beispiel kann geschlossen werden, daß die
Zufügung nur von Te und/oder Se in den angegebenen Mengen die
Bearbeitbarkeit von gesintertem Stahl nur unmerklich
beeinflußt, was bedeutet, daß ein sehr starker synergetischer
Effekt bei der Kombination von MnS mit Te und/oder Se
auftritt.
Beispiel 5
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Die Additive A und C wurden zu vier verschiedenen
pulvermetallurgischen Materialien zugefügt.
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1. Fe - 4% Ni - 1.5% Cu - 0.5% Mo - 0.5% C
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2. Fe - 5% Cu - 0.5% C
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3. Fe - 8% Ni - 1% Mo - 0.5% C
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4. 410 L (ein rostfreies martensitisches Material).
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Dieses Experiment wurde gemacht um nachzuweisen, daß das
Additiv C gemäß der vorliegenden Erfindung einen Effekt
auch bei anderen Typen von pulvermetallurgisch
hergestellten Materialien aufweist.
Material
Zusatz
Menge (%)
Bearbeitbarkeit (Zahl der Bohrlöcher)
Beispiel 6
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Es wurden Pulvermischungen von einem kommerziell
erhältlichen, teilweise vorlegiertem Stahlpulver, enthaltend 4% Ni,
1.5% Mo und 0.5% C mit verschiedenen Mengen des Zusatzes C
gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt.
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Dieses Beispiel zeigt die Verbesserung der Bearbeitbarkeit,
die erreicht wird, wenn die Menge des Additivs C in einem
pulvermetallurgischem Material erhöht wird.
Pulvermischung mit Zusatz
Menge (%)
Bearbeitbarkeit (Zahl der Bohrlöcher)
Beispiel 7
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Um an einem Beispiel die erhöhte Verschleißfestigkeit eines
pulvermetallurgisch hergestellten Materials zu zeigen, wenn
ein erfindungsgemäßer Zusatz verwendet wurde, wurde der
nachfolgende Test durchgeführt. Die Additive A und C
entsprechend Beispiel 1 wurden mit reinem Eisenpulver in einer
Menge von 1 Gew.-% gemischt. Zu diesem Eisenpulver wurden
folgende Ingredienzien/Zusätze beigefügt: 2% Cu, 20% Zusatz
von Hartfaser in Form eines komerziell erhältlichen
Schnellschneidestahlpulvers M2. Es wurden Proben
hergestellt zum Testen der Verschleißfestigkeit nach dem Ogushi-
Verfahren.
Material
Zusatz
Menge (%)
Verschleißindex (mm³/kg,m)
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Das Verschleißvolumen pro Kraft und Abstand ist um ein
Drittel reduziert, wenn ein erfindergemäßer Zusatz anstelle
lediglich MnS alleine benutzt wird. Aus diesem Beispiel
kann man ersehen, daß der Zusatz C gemäß der vorliegenden
Erfindung einen sehr hohen Effekt auf die
Verschleißfestigkeit eines pulvermetallurgisch hergestellten Materials hat.
Abschließend sollte erwähnt werden, daß durch Verwendung
von Te und/oder Se-Verbindungen anstelle der reinen
Elemente Te und/oder Se die Neigung des pulvrigen Zusatzes zur
Staubbildung und/oder seine Giftigkeit reduziert werden
kann. Kupferverbindungen, die Te und/oder Se enthalten,
sind Beispiele für solche nützliche Verbindungen.