DE69803218T2

DE69803218T2 - Verfahren zur herstellung von hochdichten sinterwerkstücke mit hohem kohlenstoffgehalt

Info

Publication number: DE69803218T2
Application number: DE69803218T
Authority: DE
Inventors: Peter Jones; Roger Lawcock
Original assignee: Stackpole Ltd
Current assignee: Stackpole Ltd
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2018-06-20
Also published as: JP2002504188A; EP1027467B1; EP1027467A1; ATE212073T1; CA2294066A1; US5997805A; AU7903298A; WO1998059083A1; ES2170505T3; DE69803218D1

Description

Die Erfindung betrifft Herstellungsverfahren, die das Formen von hochdichten Sinterwerkstücken mit hohem Kohlenstoffgehalt bei Raumtemperatur ermöglichen. Die Erfindung betrifft spezielle thermische Behandlungen, die vor dem Formprozeß angewendet werden müssen. Die Erfindung betrifft ferner spezielle Zusammensetzungen von Pulvermischungen auf Eisenbasis, die zur Herstellung des hochdichten Gegenstandes verwendet werden können.
In früheren Patentveröffentlichungen, nämlich US Patentanmeldung 08/644 978, eingereicht am 15.05.96, und PCT-Anmeldung PCT/CA/96/00879, eingereicht am 24.12.96, sind Verfahren zur Herstellung von hochdichten Metallgegenständen, die bis zu 0,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) Kohlenstoff enthalten können. In einigen Anwendungen ist zusammen mit hoher Dichte ein höherer Kohlenstoffgehalt gewünscht, um spezielle mechanische Erfordernisse an die Eigenschaft zu erreichen.
Der Bezug richtet sich auf die Internationale Patentschrift Nr. WO97/01651A, welche ein Hochdichtesinterverfahren beschreibt, bei welchem hohe Dichte während des Sinterns erreicht wird. Insbesondere offenbart diese Druckschrift ein Verfahren zur Herstellung von Sintermetallgegenständen, wie Verbindungsstangen oder Wechselgetriebe, die 0,8 bis 2,0 Gew.-% Kohlenstoff enthalten, und das die folgenden Schritte umfaßt:
- Vermischen von Graphit und preßerleichterndem Zusatz mit einem vorlegierten Pulver auf Eisenbasis, das 0,5 bis 3 Gew.-% Molybdän - Ferromolybdänpulver - enthält,
- Pressen des gemischten Gemisches,
- Sintern von 1270 bis 1350ºC 40 Minuten lang, um einen Sintergegenstand mit einer Dichte von größer als 7,4 bis 7,7 g/cm³ herzustellen,
- entweder Abkühlen durch einen 10 Minuten langen isothermen Aufenthalt bei 1000ºC und Abschrecken oder langsames Abkühlen auf Raumtemperatur, gefolgt von Austenitisieren und Abschrecken,
- Kugelglühen bei einem 2 Stunden langen isothermen Aufenthalt zwischen 700 und 800ºC,
- und Kaltprägen, um gute Maßgenauigkeit zu erhalten.
Weil Kohlenstoffzusätze zum Eisen die Härte erhöhen und die Duktilität verringern, ist das Formen hochdichter Materialien mit höherem Kohlenstoffgehalt gewöhnlich nicht durchführbar. In dieser Erfindung ist jedoch ein Verfahren bestimmt worden, wodurch die kombinierte Auswahl von Materialzusammensetzung und thermischen Bearbeitungsverfahren Materialien formbarer Natur mit hohem Kohlenstoffgehalt herstellen kann. Hier zu beschreibende Materialien mit hohem Kohlenstoffgehalt, die auf die vorgeschriebene Art und Weise bearbeitet werden, sind von merklich geringerer Härte als gewöhnlich erwartet, und bieten vorteilhafte Formeigenschaften, die verwendet werden können, um Metallgegenstände hoher Dichte herzustellen.
Formen, wie hier definiert, schließt ein:
(a) Kalibrieren - welches als ein Fertigpressen eines Sinterformteils definiert werden kann, um eine gewünschte Form oder Abmessung zu sichern;
(b) Prägen - welches als Pressen eines Sinterformteils definiert werden kann, um eine bestimmte Oberflächenstruktur zu erhalten;
(c) Nachpressen - welches als das Anwenden von Druck auf ein vorher gepreßtes Sinterformteil definiert werden kann, gewöhnlich zu dem Zweck des Verbesserns der physikalischen oder mechanischen Eigenschaften und Maßeigenschaften;
(d) Nachschlagen - zusätzliches Verdichten eines Sinterformteils.
Bei kohlenstoffhaltigen Stählen, die auf die normale Art und Weise bearbeitet werden, veranschaulicht Fig. 1, daß, wenn der Kohlenstoffgehalt erhöht wird, die Dichte, die bei Kaltformung erreicht wird, merklich verringert ist. Zum Beispiel zeigt Fig. 1, daß bei einem Formdruck von 60 Tonnen pro Quadratzoll ein Sintererzeugnis mit 0,2% Kohlenstoff eine Dichte von ungefähr 7,5 g/cm³ erreicht werden würde. Mit 0,6% Kohlenstoff würde bei demselben Formdruck eine Dichte von nur 7,3 g/cm³ erreicht werden.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, um Metallteile mit verbesserter Formbarkeit bei höherem Kohlenstoffgehalt herzustellen.
Diese Erfindung schildert ausführlich Verfahren zum Bearbeiten von Materialien mit hohem Kohlenstoffgehalt auf eine Art und Weise, die die vorstehende Verringerung der Formbarkeit minimiert, was gewöhnlich bei höheren Kohlenstoffgehalten erfahren wird.
Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Sintermetallgegenstandes das Vermischen von Pulvern der gewünschten Zusammensetzung mit preßerleichterndem. Zusatz und Pulver auf Eisenbasis, Formverdichten der genannten vermischten Pulver, Sintern des genannten Formgegenstandes und dann Abkühlen des genannten Sintergegenstandes durch:
(a) isothermen Aufenthalt oder
(b) langsames Abkühlen
im Temperaturbereich zwischen 650ºC und 750ºC über einen Zeitraum von 20 Minuten bis 2 Stunden; wonach der genannte Gegenstand auf eine Dichte zwischen 7,4 und 7,7 g/cm³ geformt wird.
Die Zusammensetzungen der Fertigerzeugnisse bei erfindungsgemäßen Verfahren weisen typischerweise ein mittleres bis hohes Kohlenstoffstahl- Kennzeichen auf, wobei der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,4 und 0,8 Gew.-% liegt und vorzugsweise etwa 0,6 Gew.-% beträgt, abhängig von den Erfordernissen des Fertigerzeugnisses. Der Formprozeß kann bei Umgebungstemperatur durchgeführt werden (obwohl erhöhte Temperaturen verwendet werden, könnten), welches annehmbare Formwerkzeuglebensdauer und hervorragende Präzisionsmerkmale bereitstellt.
Das Verfahren verwendet vorzugsweise preiswerte Eisenpulver, welche mit berechneten Mengen Graphit und preßerleichterndem Zusatz gemischt werden, berechnete Mengen Ferrolegierungen können auch hinzugefügt werden, so daß die gewünschte chemische Endzusammensetzung erreicht wird. Die Pulvermischung sollte geeignet sein, in starren Verdichtungsformen verdichtet zu werden, wodurch die Pulvermischung zu einem Preßling gepreßt wird, der ungefähr 90% der theoretischen Dichte aufweist. Das Verfahren wird allgemein in US-A-5 476 632 beschrieben. Sintern der Ferrolegierungszusammensetzungen wird normalerweise bei hohen Temperaturen, allgemein größer als 1250ºC vorgenommen, so daß die im Preßling enthaltenen Oxide reduziert werden.
Die Vorteile der Erfindung können auch durch Verwendung von vorlegierten, teilweise vorlegierten oder reinen Mischungen von Metallpulvern erreicht werden, die Elemente aus der Gruppe Chrom, Kupfer, Molybdän, Mangan oder Nickel entweder einzeln oder in Kombination enthalten. Solche Materialien können bei herkömmlichen Sintertemperaturen von 1100ºC bis 1150ºC oder in einer anderen Ausführungsform bei höheren Sintertemperaturen über 1150ºC gesintert werden.
Beim Abkühlen von der Sintertemperatur, um die gewünschten formbaren Eigenschaften des Materials mit hohem Kohlenstoffgehalt zu erzeugen, ist es erforderlich, eine Unterbrechung der Abkühlgeschwindigkeit einzuführen. Fig. 2 zeigt ein Diagramm eines herkömmlichen Sinterofentemperaturzyklus, welcher aus einem Heizabschnitt, einem Halten bei der Sintertemperatur und einem Abkühlabschnitt besteht. Fig. 3 zeigt ein Diagramm eines modifizierten Temperaturprofils, das ein Merkmal der hier beschriebenen Erfindung ist. In dem in Fig. 3 gezeigten modifizierten Zyklus gibt es eine Unterbrechung oder einen isothermen Aufenthalt während des Abkühlabschnittes.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann die Verwendung eines herkömmlichen Sinterzyklus, aber dann Unterziehen der Sintergegenstände einem nachfolgenden Wärmebehandlungsverfahren einschließen, welches einen Heizabschnitt, einen Aufenthaltsabschnitt, der sich gewöhnlich bei einer niedrigeren Temperatur befindet als der Sintertemperatur, und einen Abkühlabschnitt einschließt, der einen Abschnitt isothermen Aufenthalts einschließt, welche alle in Fig. 4 veranschaulicht sind.
Solche isothermen Behandlungen, wie vorstehend beschrieben, sind in den schweißstahlverabeitenden Industrien dokumentiert. Jedoch sind die Anwendung dieser Verfahren auf Metallgegenstände auf eine Art und Weise, die nachfolgendes Hochdichteformen ermöglicht, vorher nicht offenbart worden.
Nach dem vorstehend modifizierten thermischen Verfahren ist der Sintermetallgegenstand mit hohem Kohlenstoffgehalt zum Hochdichteformen geeignet, wie in US Patentanmeldung 08J644 978 beschrieben.
Die Erfindung wird nun beispielsweise und mit Bezug auf die dazugehörigen Zeichnungen weiter beschrieben, wobei gilt:
Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Wirkung von Kohlenstoff auf die Formdichte veranschaulicht, wobei Testringe bei 60 tsi geformt wurden.
Fig. 2 ist ein Diagramm eines herkömmlichen Sinterofentemperaturzyklus.
Fig. 3 ist ein Diagramm eines modifizierten Sinterofentemperaturzyklus, der eine Unterbrechung während des Abkühlens einschließt.
Fig. 4 ist ein Diagramm eines Wärmebehandlungstemperaturzyklus, der eine Unterbrechung während des Abkühlens einschließt.
Fig. 5 ist ein Diagramm eines alternativen Temperaturzyklus, der ein langsames Abkühlen im kritischen Temperaturbereich einschließt.
Fig. 6 ist ein idealisiertes isothermes Transformationsdiagramm.
Fig. 7 zeigt die Mikrostruktur eines Sinterwerkstücks nach herkömmlichem Abkühlen.
Fig. 8 zeigt die Mikrostruktur, welche die hier beschriebene, modifizierte Abkühlbehandlung betrifft.
Fig. 9 ist ein spezielles thermisches Zyklusbeispiel, das mit einer Eisen- Legierung mit 0,6 Gew.-% C und 0,5 Gew.-% Molybdän verwendet wird.
Fig. 10 ist ein Schaubild, der die Wirkung des Formdrucks auf die Formdichte einer Fe-Legierung mit 0,6 Gew.-% C und, 0,5 Gew.-% Mo zeigt.
Fig. 11 ist ein Schaubild, das einen Vergleich, der mechanischen Eigenschaft zeigt.
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht des Formverfahrens.
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht des Formverfahrens für einen Sinterring.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Sintermetallgegenstandes mit hohem Kohlenstoffgehalt, geeignet zum Hochdichteformen, wird hier beschrieben. Die Erfindung schließt Stahlzusammensetzungen mit mittlerem bis hohem Kohlenstoffgehalt ein, die nach dem beschriebenen thermischen Verfahren bei Umgebungstemperatur hochdichtegeformt werden können.
Insbesondere weisen die hier verwendeten, bevorzugten Stahlzusammensetzungen mit mittlerem bis hohem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,4 Gew.-% und 0,8 Gew.-% Kohlenstoff und vorzugsweise zwischen 0,6 Gew.-% und 0,7 Gew.-% Kohlenstoff des Fertigerzeugnisses auf. Der tatsächliche verwendete Kohlenstoffgehalt hängt von den gewünschten mechanischen Eigenschaften des fertigen Sintergegenstandes ab. In einer Ausführungsform kann die übrige Zusammensetzung des Gegenstandes im wesentlichen Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sein.
Das hier beschriebene Herstellungsverfahren kann auch auf einen weiten Bereich von Legierungszusammensetzungen angewendet werden, wenn erforderlich. Die Einfachheit der Erfindung für die verschiedenen Zusammensetzungen besteht in dem thermischen Verfahren, das auf einen weiten Bereich von Zusammensetzungen angewendet werden kann, mit der Aufgabe des Bereitstellens eines Materials mit hohem Kohlenstoffgehalt (d. h. 0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew.-%), das zum Hochdichteformen mit dem in US Patentanmeldung 08/644 978 und PCT/CA96/00879 beschriebenen Verfahren geeignet ist.
Zusätzlich zum Kohlenstoff kann die Gegenwart anderer Legierungselemente erforderlich sein, wie Chrom, Kupfer, Mangan, Molybdän und Nickel. Diese Legierungselemente können entweder einzeln oder in Kombination auf eine Art und Weise vorhanden sein, um die gewünschten mechanischen und metallurgischen Erfordernisse des Fertigerzeugnisses zu erreichen.
In einer Ausführungsform würde das bevorzugte Verfahren des Hinzufügens von Chrom, Mangan und Molybdän sein, diese als Ferrolegierungen (d. h. Ferrochrom, Ferromangan und Ferromolybdän) zum Pulver auf Eisenbasis hinzuzufügen, wie in US-A-5 476 632 beschriebe, welches hier durch Inbezugnahme eingefügt wird.
Das Ferromangan, Ferrochrom und Ferromolybdän können einzeln mit dem Pulver auf Eisenbasis oder in jeder Kombination verwendet werden, wie es erforderlich sein kann, um die gewünschten funktionellen Erfordernisse des Erzeugnisses zu erreichen. Mit anderen Worten, es könnten ein, zwei oder drei einzelne Ferrolegierungen verwendet werden, oder es können drei Ferrolegierungen mit dem Pulver auf Eisenbasis gemischt werden. Beispiele eines solchen Pulvers auf Eisenbasis schließen ein Hoeganaes Ancorsteel 1000/1000B/1000C, Quebec Metal Powder, verkauft unter den Handelsbezeichnungen QMP Atornet 29 und Atomet 1001.
Die Pulverzusammensetzung auf Eisenbasis besteht aus im Handel erhältlichem, im wesentlichen reinem Eisenpulver, welches vorzugsweise weniger als 1 Gew.-% unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Zusätze an Legierungselementen werden gemacht, um die gewünschten Eigenschaften des Enderzeugnisses zu erreichen. Beispiele von Zusammensetzungsbereichen von Legierungselementen, die typischerweise verwendet werden können, schließen wenigstens einen der folgenden ein: 0,4 bis 0,8% Kohlenstoff, 0 bis 1,5% Mangan, 0 bis 1,5% Chrom und 0 bis 1,5% Molybdän, wobei sich die Prozentangabe auf den Gewichtsprozentgehalt des Legierungselements (abgesehen von Kohlenstoff) zum Gesamtgewicht des Sinterprodukts bezieht, und das Gesamtgewicht der Legierungselemente liegt zwischen 0 und 2,5%. Die Bezugnahme von 0% bezieht sich auf die Situation, wenn es 0% der Legierungselemente Mn, Cr, Mo, aber zwischen 0,4 und 0,8% Kohlenstoff gibt.. Die Legierungselemente Mn, Cr und Mo werden als Ferrolegierungen, nämlich FeMn, FeCr, FeMo, hinzugefügt. Die Teilchengröße des Eisenpulvers wird allgemein eine Verteilung im Bereich von 10 bis 350 um aufweisen. Die Teilchengröße der Legierungszusätze wird allgemein innerhalb des Bereichs von 2 bis 20 um liegen. Um die Verdichtung des Pulvers zu erleichtern, wird ein preßerleichternder Zusatz zur Pulvermischung hinzugefügt. Solche preßerleichternden Zusätze werden in der Sintermetallindustrie regelmäßig verwendet. Typische verwendete preßerleichternde Zusätze sind regelmäßig im Handel erhältliche Qualitäten des Typs, welcher Zinkstearat, Stearinsäure oder Ethylenbistearamid einschließt.
Der Nickel- und Molybdängehalt kann unter Verwendung vorlegierter Pulverqualitäten erreicht werden.
Vorlegiertes Molybdänmetall mit Molybdänzusammensetzungen von 0,5% bis 1,5%, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist, kann verwendet werden. Vorlegiertes Molybdänmetall ist erhältlich von Hoeganaes unter der Bezeichnung Ancorsteel 85HP (welcher ungefähr 0,85 Gew.-% Mo aufweist) oder Ancorsteel 15OHP (welcher ungefähr 1,5 Gew.-% Mo aufweist) oder von Quebec Powder Metal unter den Handelsmarken QMP AT 4401 (welcher ungefähr 0,85 Gew.-% Mo aufweist). Die Teilchengröße des vorlegierten Molybdänmetalls liegt allgemein typischerweise innerhalb des Bereichs von 45 um bis 250 um. Dieselbe Art preßerleichternde Zusätze, wie vorstehend bezeichnet, kann zum Erleichtern der Verdichtung verwendet werden.
Ein Beispiel eines vorlegierten Molybdänpulvers, welches auf dem Märkt erhältlich ist, wird unter der Bezeichnung QMP AT 4401 verkauft, welches die folgenden physikalischen und chemischen Eigenschaften aufweisen kann:
Fülldichte 2,92 g/cm³
Fließvermögen 26 Sekunden/50 g
Chemische Analyse
C 0,003%
O 0,08%
S 0,007%.
P 0,01%
Mn 0,15%
Mo 0,85%
Ni 0,07%
Si 0,003%
Cr 0,05%
Cu 0,02%
Fe größer als 98%
Der Kupfer- und Nickelgehalt kann durch geeignete Zusätze von Elementpulvern von Kupfer und Nickel zum Pulver auf Eisenbasis erreicht werden. Solche Elementpulver sind auf dem Markt erhältlich und enthält Spurenelemente und unvermeidbare Verunreinigungen.
In einer anderen Ausführungsform kann der Kupfer- Nickel- und Molybdängehalt unter Verwendung von teilweise vorlegierten Pulverqualitäten erreicht werden, zum Beispiel von Qualitäten des Typs, der durch Hoeganaes unter der Bezeichnung Distaloy geliefert wird.
Die formulierte Pulvermischung, die Pulver von entweder Eisen, vorlegiertem Eisen oder teilweise vorlegiertem Eisen zusammen mit Kohlenstoff (welcher gewöhnlich als Graphit hinzugefügt wird), Ferrolegierungen, wenn erforderlich, und preßerleichternden Zusatz enthält, wird auf die gewöhnliche Art und Weise, wie beschrieben, durch Pressen in starren Werkzeugen verdichtet.
Verdichtungsdrücke um 40 Tonnen pro Quadratzoll werden typischerweise verwendet, um einen Grünling mit einer Dichte von ungefähr 90% der theoretischen Dichte von Schweißstahl zu erzeugen. Die gesamttheoretische Dichte von Schweißstahl beträgt 7,86 g/cm³.
Der verdichtete Gegenstand wird dann entweder bei herkömmlichen Temperaturen für vorlegiertes und teilweise vorlegiertes Eisen gesintert, welche im Bereich von 1100ºC bis 1350ºC liegen. Sintern des Pulvers auf Eisenbasis mit Ferrolegierungen wird bei hoher Temperatur durchgeführt, wobei allgemein bei größer als 1250ºC gesintert wird, wie in US-A-5 476 632 beschrieben. Während des Sinterverfahrens wird eine reduzierende Atmosphäre oder ein Vakuum gehalten, um die Reduktion von Oxiden innerhalb des Preßlings während des Einwirkens der erhöhten, Temperatur sicherzustellen. Während des Abkühlens von der Sintertemperatur wird, -wenn die Temperatur ungefähr 700ºC erreicht, ein isothermer Aufenthalt eingeführt. Die genaue Temperatur des isothermen Aufenthalts hängt vom Kohlenstoffgehalt und der Legierungszusammensetzung des zu verarbeitenden Materials ab. Allgemein wird der isotherme Aufenthalt im Bereich von 680ºC bis 700ºC liegen, obwohl für einige Legierungen der isotherme Aufenthalt innerhalb des Temperaturbereichs von 650ºC bis 750ºC liegen müßte.
Die Dauer des isothermen Aufenthalts wird innerhalb des Bereichs von 20 Minuten bis zwei Stunden liegen, abhängig vom Kohlenstoffgehalt, der Legierungszusammensetzung und der Art der Komponente, die herzustellen ist.
In einer Ausführungsform ist das Verfahren des isothermen Aufenthalts das bevorzugte Verfahren des Erreichens der erforderlichen metallurgischen Bedingung vor dem Hochdichteformprozeß, der in US Patentanmeldung 08/644 978 und PCT/CA96/00879 beschrieben ist. Jedoch können annehmbare Ergebnisse auch durch Einführen eines Abschnittes mit, einer merklich langsameren Abkühlgeschwindigkeit während der allgemein schnelleren Abkühlgeschwindigkeit von entweder der maximalen Sintertemperatur oder der maximalen Wärmebehandlungstemperatur erreicht werden, solch ein thermischer Zyklus ist in Fig. 5 gezeigt.
Der spezielle Grund für den isothermen Aufenthalt ist, eine metallurgisch gewünschte Mikrostruktur im Material mit hohem Kohlenstoffgehalt zu erzeugen, so daß das Material für einen nachfolgenden Hochdichteformprozeß geeignet ist. Fig. 6 zeigt ein idealisiertes Diagramm isothermer Transformation für einen Stahl. Die genaue Form des Diagramms ändert sich bei jeder speziellen Stahlzusammensetzung. Jedoch veranschaulicht Fig. 6 eines der Merkmale des Diagramms zusammen mit der Wirkung der Abkühlgeschwindigkeit und des isothermen Aufenthalts auf die Mikrostruktur, die in dem schließlich gekühlten Gegenstand erzeugt wird. Beim herkömmlichen Abkühlen von Sinter- oder Wärmebehandlungstemperaturen ist die Abkühlgeschwindigkeit im wesentlichen linear, wie durch Abkühlweg "1" in Fig. 6 gezeigt. Bei einem Material mit hohem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,6 Gew.-% würde die so erhaltene Mikrostruktur im wesentlichen aus Pearlit bestehen, und eine kleine Menge anderer Transformationsphasen kann in Abhängigkeit vom eigentlichen Kohlenstoffgehalt, dem Legierungsgehalt und der genauen Abkühlgeschwindigkeit vorhanden sein. Eine solche Mikrostruktur, wie in Fig. 7 gezeigt, ist relativ hart. Außerdem wird die in Fig. 7 gezeigte Mikrostruktur während eines nachfolgenden Hochdichteformprozesses keine hohe Dichte liefern. Mit anderen Worten, eine Pearlitstruktur, wie in Fig. 7 gezeigt, ist, obwohl brauchbar, nicht ausreichend duktil oder hämmerbar. Wenn jedoch das modifizierte Abkühlverfahren verwendet wird, wie durch Weg "2" in Fig. 6 gezeigt, wird von genau demselben Material mit hohem Kohlenstoffgehalt eine bemerkenswert verschiedene Mikrostruktur erreicht. Die Temperatur des isothermen Aufenthalts und die Zeitdauer werden so ausgewählt, daß während des Abkühlens des Materials eine Verweilzeit in der Ferritregion des Diagramms isothermer Transformation erreicht wird. Das Ergebnis ist, daß in dem schließlich abgekühlten Gegenstand ein viel größerer Anteil Ferrit, welcher sehr weich ist, vorhanden ist, welches eine Mikrostruktur in einem Material mit hohem Kohlenstoffgehalt bereitstellt, die für einen nachfolgenden Hochdichteformprozeß geeignet ist. Demgemäß kontrolliert man durch Verwendung des Verfahrens des isothermen Aufenthalts, das hier offenbart wird, die Transformation, um den Ferritgehalt zu maximieren. Fig. 8 zeigt die so erhaltene Mikrostruktur desselben, in Fig. 7 gezeigten Materials, aber der modifizierte Abkühlweg wurde während des Abkühlens von der Sintertemperatur verwendet.

Beispiel - Kohlenstoff-Molybdän-Material

Eine Legierung auf Eisenbasis aus 0,6% Kohlenstoff, 0,5% Molybdän wurde durch Mischen von Eisenpulver, preßerleichterndem Zusatz, Ferromolybdän und Graphit erzeugt. Das gemischte Gemisch wurde mit einem Verdichtungsdruck von etwa 40 Tonnen pro Quadratzoll zu Testringen verdichtet, um eine Preßkörperdichte von ungefähr 7,0 g/cm³ zu liefern.
Die verdichteten Ringe wurden dann mit einer Heizgeschwindigkeit von ungefähr 20ºC pro Minute auf Sintertemperatur erhitzt, der Preßling wurde 20 Minuten lang bei einer Sintertemperatur von 1280ºC gehalten. Der Preßling wurde mit 12ºC pro Minute von der Sintertemperatur auf 680ºC abgekühlt, woraufhin ein isothermer Aufenthalt bei 680ºC über einen Zeitraum von 60 Minuten eingeführt wurde. Abkühlen von 680ºC wurde mit 12ºC pro Minute auf Umgebungstemperatur fortgeführt. Der thermische Zyklus ist in Fig. 9 dargestellt. Ein Stickstoff/reduzierende Wasserstoff-Atmosphäre wurde während des gesamten thermischen Zyklus aufrechterhalten.
Die Ringe wurden einem Hochdichteformprozeß unterzogen, wie in US Patentanmeldung 08/644 978 und PCT-Anmeldung PCT/CA96/00879, beschrieben.
Die Ringe zeigen eine bemerkenswerte Zunahme der Dichte, die für ein solches Material mit hohem Kohlenstoffgehalt (0,6 Gew.-%) gewöhnlich nicht erreicht werden kann. Fig. 10 zeigt, daß nach dem Formen bei Drücken im Bereich von 50 bis 80 Tonnen pro Quadratzoll Dichten im Bereich von 7,4 g/cm³ bis 7,6 g/cm³ erreicht wurden. Bei 60 Tonnen pro Quadratzoll wurde eine Dichte von etwas größer als 7,5 g/cm³ erreicht. Es sollte festgestellt werden, daß, wie in Fig. 1 gezeigt, bei herkömmlichem thermischem zyklischem Durchlaufen mit einer Legierung mit 0,6% Kohlenstoff nach Formen bei 60 Tonnen pro Quadratzoll eine Dichte von nur 7,3 g/cm³ erreicht werden würde.
Die mechanischen Eigenschaften eines solchen Materials nach Hochdichteformen sind in Fig. 11 gezeigt. Zum Vergleich sind die mechanischen Eigenschaften eines herkömmlich verarbeiteten Metallmaterials gegeben. Die durch das beanspruchte Verfahren erreichten Verbesserungen sind klar dargelegt.
Das beschriebene Verfahren kann bei einem weiten Bereich von Legierungselementen verwendet werden, welche hinzugefügt werden können, um spezielle Produkterfordernisse zu erreichen, und Legierungselemente aus der Gruppe von Chrom, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Niob und Vanadium können entweder einzeln oder in Kombination zusammen mit dem hohen Kohlenstoffgehalt (im Bereich von 0,4 Gew.-% 0 bis 0,8 Gew.-% C) vorhanden sein. Das Verfahren kann verwendet werden, um eine Anzahl an Produkten, einschließlich Kupplungsdruckplatten, Zahnkränzen, Wechselgetrieben und Verbindungsstangen, herzustellen.

Wärmebehandlung

Im Anschluß an den Formprozeß kann es erforderlich sein, um die, vollen mechanischen Eigenschaften des Gegenstandes zu entwickeln, den Gegenstand einem Wärmebehandlungsprozeß zu unterziehen. Der Wärmebehandlungsprozeß wird allgemein innerhalb des Temperaturbereichs von 800ºC und 1300ºC durchgeführt. Die Bedingungen können innerhalb des vorstehenden Bereichs variiert werden, um den gewünschten funktionellen Erfordernissen des speziellen Gegenstandes zu entsprechen. Es ist auch bevorzugt, eine Schutzatmosphäre während des Wärmebehandlungsverfahrens zu verwenden. Die Atmosphäre verhindert Oxidation des Gegenstandes während der Einwirkung der erhöhten Temperatur des Wärmebehandlungsverfahrens. Die tatsächliche verwendete Atmosphäre kann aus Wasserstoff/Stickstoff-Mischungen, Stickstoff/exothermes Gas-Mischungen, Stickstoff/endothermes Gas-Mischungen, dissoziiertem Ammoniak oder einem Vakuum bestehen. Bei der Wärmebehandlungsstufe ist es allgemein bevorzugt, hinsichtlich des Kohlenstoffpotenzials hinsichtlich des Kohlenstoffgehalts des Gegenstandes eine neutrale Atmosphäre aufrechtzuerhalten. Unter bestimmten Umständen, wenn der Gegenstand zum Beispiel hohe Verschleißfestigkeit erfordern sollte, kann eine karburierende Atmosphäre während der Wärmebehandlung verwendet werden. Die karburierende Atmosphäre kann aus Methan oder Propan bestehen, wobei die Kohlenstoffatome aus dem Methan oder Propan zu den Oberflächenschichten des Gegenstandes wandern werden. Bei einem solchen Prozeß wird Kohlenstoff in die Oberflächenschichten des Gegenstandes eingeführt werden. Wenn der Gegenstand nachfolgend abgeschreckt wird, kann ein einsatzgehärtetes Produkt mit nützlichen Verschleißfestigkeitseigenschaften hergestellt werden.
Das Wärmebehandlungsverfahren bewirkt besonders metallurgische Bindung innerhalb des verdichteten Gegenstandes. Nach dem Formen besteht sehr geringe metallurgische Bindung zwischen den verdichteten Gegenständen. Eine solche Struktur, während sie eine hohe Dichte aufweist, wird allgemein keine guten mechanischen Eigenschaften darlegen. Bei der erhöhten Temperatur des Wärmebehandlungsverfahrens wird die kaltverarbeitete Struktur rekristallisieren, und metallurgische Bindung findet zwischen den verdichteten Teilchen statt. Nach dem Abschluß des Verfahrens der metallurgischen Bindung wird der Gegenstand bemerkenswerte mechanische Eigenschaften darlegen, welche für Sintermetallgegenstände ungewöhnlich sind.
Nach der Wärmebehandlung ist der Gegenstand gebrauchsfertig und wird mechanische Eigenschaften zeigen, die allgemein dem Schweißstahl derselben chemischen Zusammensetzung sehr ähnlich sind.

Formen

Das Formverfahren wird ausführlicher in US Patentanmeldung 08/644 978 und PCT/CA96/00879 beschrieben, wird aber hier allgemein beschrieben.
Allgemein gesprochen, werden beim Sintern nur kleine Größenänderungen stattfinden. Das genaue Ausmaß der Größenbewegung wird von den verwendeten Sinterbedingungen, wie Temperatur, Zeit und Atmosphäre, und von den speziellen Legierungszusätzen, die eingesetzt werden, abhängen. Der Sintergegenstand wird ungefähr 90% der theoretischen Dichte aufweisen, und wird im wesentlichen dieselbe Form wie das Fertigerzeugnis aufweisen. Zusätzliche Verarbeitungsabweichungen der Abmessungen sind vorhanden und sollten hier ausführlicher spezifiziert werden.
Der Sintergegenstand wird dann dem Formprozeß unterzogen, bei welchem die Abmessungen im wesentlichen auf die Enderfordernisse gebracht werden. Mit anderen Worten, die Größenregulierung wird mit der Bewegung des Sinterwerkstücks während des Formens erreicht. Außerdem geschieht sie während des Formprozesses, bei welchem dem Gegenstand hohe Dichte verliehen wird. Der Formprozeß wird häufig als Prägen, Kalibrieren, Nachpressen oder Nachschlagen bezeichnet. Im Wesentlichen werden alle Verfahren auf ähnliche Art und Weise durchgeführt. Die Einfachheit ist das Pressen eines Sintergegenstandes innerhalb eines geschlossenen, starren Formenhohlraums.
Der geschlossene Formenhohlraum des Formprozesses ist in Fig. 12 gezeigt. Der geschlossene, starre Formenhohlraum 10 wird durch vertikal angeordnete Formenwände 12 und 14, untere Stanz- oder Stößelwände 16 und obere Stanzstempel oder Stößel 18 definiert. Das Sinterwerkstück wird durch 20 dargestellt. Während des Formprozesses überträgt der obere Stanzstempel oder Stößel 18 eine Druckkraft auf das Sinterwerkstück 20. In einer anderen Ausführungsform kann die Druckkraft durch relative Bewegung zwischen der unteren Stanz- oder Stößelwand 16 und der oberen Stanz- oder Stößelwand 18 übertragen werden. Der geschlossene Formenhohlraum ist mit einem Freiraum 22 angelegt, um Bewegung des duktilen Sintermaterials in eine Richtung senkrecht oder lotrecht zu der Druckkraft zu erlauben, wie durch Pfeil A gezeigt. Während der Verdichtung wird die Gesamtpreßlänge oder -höhe des Sintergegenstandes um die Abmessung S verringert.
Herkömmliches Prägen kann Verringern oder Bewegen des Sintermaterials in Richtung A um 1 bis 3% erlauben. Die hier beschriebene Erfindung erlaubt Bewegung des Sintermaterials über 3% der ursprünglichen Höhe oder Länge. Es ist möglich, wie hier beschrieben werden sollte, daß die Verringerung S oder der Verschlußgrad des Sintermaterials bis zu 30% Verringerung der Abmessung H erreichen kann. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden erreicht, wenn man einen Verschluß hat, welcher eine Preßlänge oder -höhe Ch darstellt, welche zwischen 3% und 19% weniger als die ursprüngliche nicht verdichtete Länge liegt. Mit anderen Worten, S stellt die Änderung der Gesamthöhe H des Sinterwerkstücks zu der der Preßhöhe Ch dar. Außerdem drückt die Verdichtung der Gesamtlänge oder -höhe die Mikrostrukturporen im Sintermetallwerkstück zusammen und verdichtet dadurch das Sinterwerkstück.
Ein anderes Beispiel des geschlossenen Formenhohlraums ist in Fig. 13 gezeigt, wobei der geschlossene, starre Formenhohlraum 10 wieder durch die starren Werkzeuge, nämlich die vertikal angeordneten Formwände 12 bzw. 14, die untere Stanz- oder Stößelwand 16 und die obere Stanz- oder Stößelwand 18 sowie den Kern 19; definiert ist. Der Kern 19 bewegt sich in gleitender, koaxialer Beziehung innerhalb angepaßter Löcher, die im oberen Stanzstempel oder Stößel und im unteren Stanzstempel oder Stößel erzeugt sind. In diesem Fall wird das Sinterwerkstück durch einen Ring 21 dargestellt, welcher eine Bohrung 23 darin aufweist. Erneut während des Formprozesses überträgt der obere Stanzstempel oder Stößel 18 eine Druckkraft A auf den Sinterring 21. In einer anderen Ausführungsform kann die Druckkraft durch relative Bewegung zwischen der unteren Stanz- oder Stößelwand 16 und dem oberen Stanzstempel oder Stößel 18 übertragen werden. Der geschlossene Formhohlraum ist erneut mit einem Freiraum 22 angelegt, um Bewegung des duktilen Sintermaterials in eine Richtung senkrecht oder lotrecht zu der Druckkraft A zu erlauben. Sobald das Sintermaterial geformt oder verdichtet ist, wird es sich innerhalb des geschlossenen Hohlraums aus der Position der Pfeile Cv, Ch nach Dv und Dh bewegen. Mit anderen Worten, das Sintermaterial wird sich bewegen, um den Freiraum 22 zu füllen. Beim Verdichten wird die Bohrung 23 nach der Anwendung der Druckkraft einen kleineren Innendurchmesser aufweisen. Die Preßhöhe des Sinterrings 21 kann um ungefähr 3 bis 19% der nicht verdichteten Höhe verringert werden. In dem in Fig. 12 gezeigten Fall stellt die Höhe des Rings auch die Höhe in der axialen Richtung des Rings dar. Mit anderen Worten, der Sintergegenstand wird durch axiales Verdichten hergestellt, wobei radiale Expansion erlaubt wird, um die Axiallänge des Sintergegenstandes um ungefähr 3 bis 30% der ursprünglichen Axiallänge zu verringern.
Der Werkzeugfreiraum 22 hängt von der Geometrie des Sinterwerkstücks ab, und es ist möglich, daß man einen anderen Werkzeugfreiraum 22 am Außendurchmesser des Werkstücks haben kann als der Werkzeugfreiraum am Innendurchmesser.
Die hier beschriebene Erfindung kann verwendet werden, um verschiedene Sintermetallgegenstände oder -werkstücke, welche Mehrfachebenen aufweisen, herzustellen. Beispiele von solchen sind in US Patentanmeldung 08/644 978 und PCT/CA96/00879 beschrieben und schließen Transmissionsmuffen ein.
Eine Mehrebenenkomponente besteht aus den Metallpulvern, auf die vorher verwiesen wurde.

Legende:

A Druckkraft
Ch Preßlänge oder -höhe
Cv Position des Sintermaterials
Dh Position des Sintermaterials
Dv Position des Sintermaterials
H Gesamthöhe des Sinterwerkstücks
S Verringerung oder Verschlußgrad des Sintermaterials; Abmessung
10 geschlossener, starrer Formenhohlraum
12 vertikal angeordnete Formenwand
14 vertikal angeordnete Formenwand
16 untere Stanz- oder Stößelwand; unterer Stanzstempel oder Stößel
18 obere Stanz- oder Stößelwand; oberer Stanzstempel oder Stößel
19 Kern
20 Sinterwerkstück
21 Sinterring
22 Freiraum
23 Bohrung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Sintermetallartikels, umfassend das Vermischen von Pulvern der gewünschten Zusammensetzung mit Schmiermittel und Basiseisenpulver, Formverdichten der genannten vermischten Pulver, Sintern des genannten Formartikels und anschließend Abkühlendes genannten Sinterartikels durch:

(a) isothermen Aufenthalt oder

(b) langsames Abkühlen

im Temperaturbereich zwischen 650ºC und 750ºC über einen Zeitraum von 20 Minuten bis 2 Stunden, wonach der genannte Artikel auf eine Dichtigkeit zwischen 7,4 und 7,7 g/cm³ geformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Artikel einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,4 und 0,8 Gew.-% hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der genannte Artikel Basiseisenpulver mit unvermeidbaren Verunreinigungen umfasst, das mit einem oder mehreren Legierungselement(en) vermischt wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Kupfer, Mangan, Molybdän und Nickel.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der genannte Artikel Basiseisenpulver mit unvermeidbaren Verunreinigungen umfasst, das mit wenigstens einem Elementarpulver aus der Gruppe bestehend aus Kupfer oder Nickel vermischt wird.

Verfahren nach Anspruch 3, wobei das genannte vermischte Pulver teilweise vorlegiertes Eisenpulver umfasst, das wenigstens ein Legierungselement aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Molybdän und Nickel enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das genannte vermischte Pulver vorlegiertes Eisenbasispulver umfasst, wobei eine oder mehrere Legierung(en) ausgewählt ist/sind aus der Gruppe bestehend aus Nickel und Molybdän.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der genannte Artikel einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,6 und 0,7 Gew.-% hat.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine isotherme Behandlung oder ein langsames Abkühlen während des Abkühlens in einem Wärmebehandlungsverfahren angewendet wird, das nach dem Sintern stattfindet.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die genannte Formung bei Umgebungstemperatur stattfindet.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der genannte Sintermetallartikel 0 bis 1,5% Mn, 0 bis 1,5% Cr und 0 bis 1,5% Mo enthält, wobei das Gesamtgewicht der Legierungselemente Mn, Cr und Mo zwischen 0 und 2,5% liegt, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der genannte Sintermetallartikel dadurch produziert wird, dass Basiseisenpulver, Graphit und Schmiermittel mit einem oder mehreren Ferrolegierungspulver(n) der Gruppe bestehend aus Ferrochrom, Ferromangan, Ferromolybdän, Ferroniobium oder Ferrovanadium vermischt werden, und anschließend verdichtet und bei einer Temperatur über 1250ºC gesintert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die genannten vermischten Pulver Basiseisenpulver mit unvermeidbaren Verunreinigungen umfassen, mit einem oder mehreren Ferrolegierungspulver(n), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ferrochrom, Ferromangan und Ferromolybdän.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die genannte Eisenpulverzusammensetzung reines Eisenpulver mit weniger als 1 Gew.-% an unvermeidbaren Verunreinigungen umfasst.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der genannte Sintermetallartikel dadurch produziert wird, dass ein vorlegiertes Molybdänpulvermetall mit einer, Molybdänzusammensetzung zwischen 0,5' und 1,5 Gew.-%, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, mit Graphit und Schmiermittel vermischt und anschließend verdichtet und bei einer Temperatur zwischen 1100 und 1350ºC gesintert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend den Schritt des Sinterns vorlegierter Qualitäten von Ni-, Cu- und Mo-Pulver mit den folgenden Gewichtsanteilen:

Ni 0,0% bis 4,0%

Mo 0,5% bis 1,5%

Cu 0,0% bis 3,0%

16. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der genannte Sintermetallartikel dadurch produziert wird, dass Elementarpulver aus Cu und Ni mit Basiseisenpulver und unvermeidbaren Verunreinigungen mit Graphit und Schmiermittel vermischt und anschließend verdichtet und gesintert wird, wenn das genannte Cu und Ni die folgenden Gewichtsanteile haben:

Cu 0,0% bis 3,0%

Ni 0,0% bis 4,0%

17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, einschließlich eines weiteren Wärmebehandlungsschritts nach dem Formen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der genannte Formungsschritt in einem geschlossenen Matrizenhohlraum mit Spielraum für die Bewegung des genannten Sintermetalls zu einer endgültigen Gestalt durchgeführt wird, wobei der geformte Sintermetallartikel eine komprimierte Länge hat, die 3 bis 30% unter der ursprünglichen Länge liegt.