DE69901550T2

DE69901550T2 - Metallpulver gewonnen aus materialabtragenden bearbeitungsverfahren von eisenhaltenden hartgussteilen

Info

Publication number: DE69901550T2
Application number: DE69901550T
Authority: DE
Inventors: Virginie Emmanuelle Besson; Ian Hamilton; Charles Grant Purnell
Original assignee: Federal Mogul Sintered Products Ltd
Current assignee: Federal Mogul Coventry Ltd
Priority date: 1998-03-28
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2019-03-27
Also published as: GB9806731D0; JP2002509984A; EP1066128B1; EP1092493A2; EP1066128A1; DE69901550D1; WO1999050010A1; KR20010078699A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Metallpulver auf Eisenbasis und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands aus diesen Metallpulvern. Die Erfindung kommt insbesondere bei der pulvermetallurgischen Herstellung von Metallprodukten aus Metallpulvern zur Anwendung.
Es ist bekannt, Metallprodukte mittels verschiedener Techniken, einschließlich Verdichten und Sintern im weitesten Sinne, aus Metallpulver herzustellen. Ebenso ist es bekannt, die Verschleißfestigkeit eines aus einem Metallpulver auf Eisenbasis gefertigten Produktes durch Herstellung eines Gemisches aus einem Pulver auf Eisenbasis mit Graphitpulverteilchen und anschließendes Verarbeiten des Gemisches zum Legieren des Kohlenstoffs mit dem Pulver auf Eisenbasis durch einen Diffusionsmechanismus, z. B. zum Erzeugen von Carbiden, zu erhöhen. Die Pulver auf Eisenbasis und die Graphitpulver, die derzeit verwendet werden, sind beide qualitativ hochwertige, mit hohen Kosten verbundene Waren. Zudem gibt es aufgrund des großen Dichteunterschiedes (Graphit = 2,25 g/cc, Fe = 7,87 g/cc) Probleme beim Sicherstellen der Qualität von Pulvergemischen aus Eisen und Graphit derart, daß gesetzlich geschützte Mittel verwendet werden, um die beiden Pulver miteinander zu verbinden, um eine Seigerung oder Entmischung von Bestandteilen des Gemisches zu verhindern (z. B. StarmixTM-Mischungen, ein Warenzeichen der Hoganas Corporation, oder FLOMETTM, ein Warenzeichen von Quebec Metal Powders Ltd.). Zudem sind graphithaltige Pulver anfällig für eine Feuchtigkeitsaufnahme im Laufe der Zeit, die eine Verminderung der Pulverflußeigenschaften bewirkt, was nachteilige Folgen für einen kontinuierlichen Formfüllvorgang hat. Während des Sinterns können auch Dampfreaktionen erfolgen, die eine Gasporosität bewirken. Es wäre wünschenswert, wenn ein bei solchen Verfahren einsetzbares Pulver existierte, das ein Pulvermetall-Produkt ergibt, welches zumindest einen ähnlichen Grad an Verschleißfestigkeit durch Eisen-Kohlenstoff-Legieren durch Diffusion während des Sinterns aufweist, allerdings mit niedrigeren Kosten und ohne Mischprobleme oder zumindest mit geringeren Problemen beim Mischen.
Die GB-A-1285186 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterartikels auf Eisenbasis durch Einbringen von Flockengraphit-Gußeisenfeilspänen oder des Rückstandes aus einem Freistrahlvorgang in ein Pulvergemisch. Die beschriebenen Arten von Rückständen sind jedoch grundverschieden, und es ist sehr unwahrscheinlich, daß ein Produkt mit guten oder wiederholbaren Eigenschaften hergestellt werden könnte.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Metallgegenstands auf Eisenbasis auf pulvermetallurgischem Wege bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, bei denen ein Gemisch von Pulverbestandteilen mit einer gewünschten allgemeinen chemischen Zusammensetzung bereitgestellt wird, wobei das Gemisch einen Anteil eines Pulvers aus einem Gußeisenrückstand enthält, der aus einem Metallentfernungsverfahren stammt, das Pulvergemisch verdichtet und das verdichtete Pulvergemisch gesintert wird, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte, bei denen in das Gemisch 5 bis 30 Gew.-% des Metallpulvers eingebracht werden, das von dem Rückstand stammt, der beim Abschleifen eines hartgegossenen Gußeisenrohlings erzeugt wird, und dadurch, daß das Metallpulver aus dem Rückstand vorwiegend Zementit (Fe&sub3;C) ist und 2 bis 7 Gew.-% Kohlenstoff umfaßt.
Das Gemisch enthält mindestens 5 Gew.-% des Rückstandspulvers. Bevorzugter enthält das Gemisch mindestens 10 Gew.-% des Rückstandspulvers. Der Mindestgehalt an Rückstandspulver hängt weitgehend vom Grund seiner Zugabe und vom Typ anderer Pulverbestandteile auf Eisenbasis in dem Gemisch ab. Wenn das Rückstandspulver z. B. als Sinterhilfe verwendet wird, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird, dann kann ein Minimum von 5 Gew.-% ausreichend sein. Wird jedoch beabsichtigt, daß das Rückstandspulver den Kohlenstoffanteil des Gemisches für ein legiertes Pulver auf Eisenbasis weitgehend oder ganz bereitstellen soll, so kann ein Minimum von 10 Gew.-% bevorzugt sein.
Ein bevorzugter Kohlenstoffbereich für das Rückstandspulver kann 2,5 bis 5 Gew.-% betragen, was für die Anwendung praktischer Gußverfahrenstemperaturen zweckdienlich sein kann.
Ein bevorzugterer Kohlenstoffbereich im Rückstandspulver kann 2,5 bis 4,5 Gew.-% betragen, was im allgemeinen weitgehend erhältlichen Gußeisenzusammensetzungen entspricht.
Das durch das Materialentfernungs- oder Formgebungsverfahren erzeugte Pulver ist der Rückstand, der beim Schleifen eines hartgegossenen Gußeisenrohlings erzeugt wird. Dieser dabei erzeugte Rückstand liegt normalerweise in Form eines Schlammes mit Öl und Wasser vor und wird derzeit als Abfall, typischerweise auf Mülldeponien, entsorgt. Derzeit wird diesem Rückstand keinerlei kommerzieller, wirtschaftlicher Wert beigemessen. Tatsächlich können Firmen, die einen solchen Rückstand erzeugen, beispielsweise etwa 100 £/Tonne für dessen Entsorgung an Vertragspartner zahlen, wobei diese Kosten aufgrund der immer strenger werdenden Umweltgesetzgebung steigen. Daher wird dieser Rückstand nicht nur als wertlos betrachtet, sondern stellt eigentlich selbst einen Kostenfaktor dar, und seine Entsorgung verursacht sehr reelle Wirtschaftskosten. Es wäre von Vorteil, das Erfordernis der Entsorgung dieses Abfallproduktes zu vermindern oder zu beseitigen. Ferner könnten mehrere Vorteile zusammenkommen, wenn dieser Rückstand nach entsprechender Behandlung als eigenständiger Bestandteil eines Pulvermetallurgie-Produktes eingesetzt werden könnte. Erstens kann er eine Materialkostensenkung bei pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren bewirken; und zweitens kann er die Möglichkeit eines alternativen Mittels zum Bereitstellen wenigstens eines Teils des Kohlenstoffgehaltes mit den daraus folgenden Vorteilen der Verarbeitungsflexibilität aufgrund einer veränderten Reaktionskinetik des verdichteten Pulvers beim Sintern bieten. Kohlenstoffpulver in Form von Graphit weist einen Aktivitätskoeffizienten von 1 auf und diffundiert äußerst rasch und unkontrollierbar bei Temperaturen oberhalb etwa 800ºC, während ein typisches Rückstandspulver einen Kohlenstoff-Aktivitätskoeffizienten von etwa 0,03 aufweist und damit eine bessere Kontrolle des Sinterverfahrens bewirkt, indem die Diffusion des Kohlenstoffs durch die Matrix verlangsamt wird. Das Zementit-Eutektikum bietet zudem eine geringe Menge einer Flüssigkeitsübergangsphase bei einer praktischen und leicht erreichbaren sowie leicht kontrollierbaren Temperatur, wobei die Flüssigkeitsübergangsphase zur besseren Verdichtung des Preßteils beiträgt.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung bietet aufgrund des relativ hohen Kohlenstoffgehaltes in den Gußeisenteilchen, der hauptsächlich in Form von Eisencarbid oder Zementit (Fe3C) vorhanden ist, eine Möglichkeit zur Bereitstellung von Kohlenstoff in einem Pulvermetallurgie-Produkt auf Eisenbasis.
Die Hauptquelle dieses Rückstandspulvers sind Schleifvorgänge zum Formen und/oder Dimensionieren hartgegossener Gußeisenbauteile, wie z. B. Nockenwellen und Stößel für Verbrennungsmotoren. Es besteht das Erfordernis, die Nockenerhebungen von Nockenwellen sehr hart auszubilden, damit sie verschleißfest sind, wenn sie z. B. gegen Stößel oder Nockenrollen rutschen. Die Eigenschaft der Verschleißfestigkeit wird allgemein dadurch verliehen, daß man sicherstellt, daß zumindest der Außenumfang der Erhebungen und der Reibeflächen von Stößeln als sogenanntes Weißgußeisen aushärtet, das vorwiegend aus Zementit besteht.
Bis vor relativ kurzer Zeit wurden solche Schleifvorgänge mit Schleifscheiben aus Aluminiumoxid oder aus Aluminiumsilikat durchgeführt, die unter normalen Herstellungsbedingungen wenigstens alle paar Tage ausgewechselt werden müssen. Dabei wiesen die so gebildeten Schleifrückstände einen relativ signifikanten Aluminiumoxid- oder Aluminiumsilikatgehalt auf, der für die nach dem Verfahren gemäß der folgenden Erfindung vorgesehene Verwendung nachteilig ist. In jüngerer Vergangenheit wurden solche Schleifvorgänge jedoch mit Bornitrid-Schleifscheiben durchgeführt, die bei vergleichbarer Abnutzung drei Monate hatten können. Dabei ist der Gehalt an unerwünschten, nicht-metallischen Einschlüssen von außen im Verhältnis sehr niedrig.
Die Herstellung von Hartgußeisenschlacken ausschließlich zum Zweck des Schleifens, um die hier beschriebenen Rückstandspulver zu erzeugen, ist ebenfalls Teil dieser Erfindung.
Zementit ist aufgrund seiner metallurgischen Eigenschaften äußerst hart und spröde; folglich sind die beim Schleifvorgang gebildeten Teilchen sehr klein (deutlich kleiner als die beispielsweise bei Drehvorgängen gebildeten) und von einer Größe, die homogen in die Hauptmasse eines Pulvergemisches auf Eisenbasis vor dem Verdichten zu einem Rohling assimiliert werden kann.
Da die Dichte der Rückstandsteilchen deutlich näher an der Dichte der anderen Metallbestandteile des gesamten Gemisches liegt, als Graphit (die Dichte von Fe&sub3;C beträgt 7,7 g/cc), ist die Seigerung der Bestandteile beim Mischen oder Lagern stark verringert.
Die Tatsache, daß die Rückstandspulverteilchen im Vergleich zu den Teilchengrößen der anderen Pulverteilchen auf Eisenbasis in dem Gemisch klein sind, ermöglicht auch, daß sie unter für Materialien auf Eisenbasis normalen Sinterbedingungen in den Rohpreßling und in die spätere Mikrostruktur des gesinterten Bauteils assimiliert werden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß aufgrund der Rückstandsteilchen, die einen hohen Anteil an Zementit enthalten, eine eutektische Phase vorliegt, die bei etwa 1150ºC schmilzt, was eine vorübergehende Flüssigphase ergeben kann, die sowohl die Assimilierung der Rückstandsteilchen in die Matrix unterstützen kann, um vorherige Teilchengrenzen zu minimieren, was vorteilhafte mechanische Eigenschaften ergibt, als auch durch Fördern einer einheitlichen Schrumpfung und damit die Verdichtung des Gegenstands beim Sintern unterstützt. Letztlich wird das Rückstandspulver in der Rolle einer Sinterhilfe sowie zum Bereitstellen des notwendigen Kohlenstoffes verwendet.
Wenn im Stand der Technik Graphit dazu verwendet wird, Kohlenstoff für die Carbidbildung zu liefern, beginnt dieser bei etwa 900ºC, in die Struktur zu diffundieren. Der Kohlenstoff aus Zementit in dem Rückstandspulver, das beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beginnt jedoch nicht unter einer relativ deutlich höheren Temperatur in hohem Maße in die umgebende Struktur zu diffundieren. Ein Beispiel dafür, wo dies ein Vorteil ist, ist das als Rohzerspanen (green machining) bekannte Verfahren, bei dem eine spanende Bearbeitung des vollständig gesinterten Endproduktes schwierig ist. Um dieses Problem zu mindern, wird der Rohling zunächst bei einer niedrigeren Temperatur vorgesintert, um ihm ausreichende Festigkeit zu verleihen, damit er einer spanenden Bearbeitung standhalten kann, die den Preßling den Endabmessungen annähert, die vor einem anschließenden weiteren Verdichten und Sintern oder vor dem abschließenden Vollsintern erforderlich sind. Wenn zumindest ein Teil des Kohlenstoffs durch ein Rückstandspulver gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, kann der Vorsinter-Schritt auf höhere Temperaturen ausgeweitet und eine nachfolgende zusätzliche Carbidbildung aufgrund einer raschen Diffusion von elementarem Kohlenstoff vermieden werden, da dieser nicht vorliegt, und dennoch ein besser bearbeitbarer Gegenstand erhalten werden.
Die Menge an Rückstandspulver, die in dem Gemisch eingesetzt wird, kann von den anderen Bestandteilen des Pulvergemisches abhängen. Wenn z. B. die anderen Bestandteile ein hochlegiertes, eisenhaltiges Pulver umfassen, das beispielsweise Molybdän enthält, ist der erforderliche Kohlenstoffgehalt niedrig, und damit kann auch der Anteil an Rückstandspulver entsprechend niedrig sein, z. B. ein Rückstandspulvergehalt von 10 Gew.-%. Wenn die Bestandteile des Pulvergemisches andererseits hauptsächlich unlegiertes oder niederlegiertes Eisen umfassen, kann der Rückstand relativ groß sein, z. B. 20 bis 30 Gew.-%, um einen hohen Kohlenstoffgehalt beizubehalten.
Der Sinterschritt kann unter normalen Massenfertigungsbedingungen mit Schutzgasatmosphären, z. B. Wasserstoff/Stickstoff-Gemischen oder jedem anderen für den Zweck des Sinterns eisenhaltiger Metalle bekannten Gemisch, im wesentlichen bei atmosphärischem Umgebungsdruck durchgeführt werden.
Gleichermaßen können die eingesetzten Sinteröfen z. B. herkömmliche Förderbandöfen mit kontinuierlichem Durchsatz oder Schrittmacheröfen oder jeder andere geeignete Ofen sein, wie z. B. ein diskontinuierlich arbeitender Vakuumsinterofen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung kann das aus dem Formgebungsvorgang stammende Rückstandspulver ein vorlegiertes Metallpulver mit einer Zusammensetzung innerhalb der folgenden Bereiche sein:
2,5 bis 4, 5% Kohlenstoff,
0,3 bis 3,0% Silicium,
bis zu 1,0% Mangan,
bis zu 1,0% Chrom,
bis zu 1,5% Schwefel,
bis zu 0,5% Phosphor,
bis zu 0,5% Nickel,
bis zu 1,0% Molybdän,
bis zu 0,03% Kupfer,
Rest Eisen,
sowie zufällige Verunreinigungen.
Diese Verunreinigungen sind solche, wie sie üblicherweise in der Technologie im Zusammenhang mit dem Gießen von Gußeisen vorzufinden sind, z. B. bei der Verwendung von tellur- oder bismuthaltigen Formspülungen, um eine Oberflächenhärtung zu fördern, und möglicherweise eine kleine Menge von Bruchstücken der Schleifscheiben, wie oben beschrieben.
Das Rückstandsmetallpulver weist vorzugsweise eine im wesentlichen einheitliche Teilchengröße auf.
Die maximale Teilchengröße beträgt vorzugsweise nicht mehr als 50 um. Noch bevorzugter beträgt die mittlere Teilchengröße etwa 20 um oder weniger. Besonders bevorzugt kann die mittlere Teilchengröße nur 10 um betragen, was mit der von Graphitpulver, das üblicherweise bei Pulvermetallurgieverfahren verwendet wird, vergleichbar ist.
Aufgrund seiner Herkunft benötigt das Rückstandsmetallpulver vor der Benutzung bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Reinigung. Der Rückstand wird zunächst als Schlamm erzeugt, der hauptsächlich mit Öl und Wasser als Kühlmittel/Schmiermittel vermischt ist.
Normalerweise wird ein solcher Rückstand in der zuvor beschriebenen Weise entsorgt, und es stellt sich niemals die Frage des Abtrennens und Reinigens des Metallpulver-Bestandteils.
Ein Verfahren zur Herstellung eines vorlegierten Metallrückstandspulvers zur Verwendung beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt folgende Schritte:
i) Abschleifen eines hartgegossenen Gußeisenrohlings mit einer Schleifscheibe, zusammen mit einer Kühlflüssigkeit, um einen Schleifrückstand zu bilden;
ii) Waschen des Rückstandes, um die Kühlflüssigkeit zu entfernen;
iii) Trocknen des Rückstandes und
iv) Durchführen eines mechanischen Rührvorgangs mit dem Rückstand, um die Teilchenagglomeration zu verringern.
Wahlweise kann nach dem Waschschritt, vor dem Trocknungsschritt, ein Zentrifugierschritt eingeschlossen sein.
Der Rückstand wird vorzugsweise mit einer umweltfreundlichen Lösungsmittelbasis gewaschen. Vorzugsweise wird der Rückstand während des Waschvorgangs grob zerstoßen.
Der getrocknete Rückstand wird vorzugsweise nach dem Trocknen gerührt, um eine einheitlichere Korngröße zu erzeugen und einer Agglomeration entgegenzuwirken.
Die gewaschenen und getrockneten Rückstände können gemahlen werden, um etwaige Agglomerate endgültig aufzubrechen. Bei diesem Schritt kann auch eine gewisse Zerkleinerung einzelner Teilchen erfolgen. Versuche zeigten, daß durch Mahlen des getrockneten Pulvers in einer Giro Mill (Handelsbezeichnung), z. B. drei Minuten lang, die mittlere Teilchengröße durch eine verminderte Agglomeration von 50 auf 20 um verringert wurde.
Die Schleifscheibe umfaßt vorzugsweise Bornitrid. Alternativ dazu kann die Schleifscheibe auch auf Aluminiumoxid basieren.
Das Verfahren zur Herstellung des vorlegierten Metallrückstandes bietet den Vorteil, daß ein Nebenprodukt der Fertigung genutzt wird, das ansonsten entsorgt werden würde. Das durch solche Verfahren hergestellte Pulver eignet sich zur Verwendung bei Pulvermetallurgietechniken der zuvor beschriebenen Art. Solche Pulver enthalten einen merklichen Anteil an Eisencarbiden und einen hohen Kohlenstoffanteil, von z. B. bis zu 5%. Durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung sind diese Pulver nun gewerblich einsetzbar, da sie einen Pulvermetallrohling mit den zuvor angegebenen Anforderungen ergeben, bei dem der Kohlenstoff innig mit Eisen legiert ist und nicht dazu neigt, sich aufgrund von Dichteunterschieden zu entmischen.
Während des Sinterns von Rohlingen auf Basis eisenhaltiger Metallpulver ist die Diffusion von Kohlenstoff in umgebende Teilchen auf Eisenbasis bei Temperaturen von mehr als 1000ºC häufig das Phänomen, das die Sinterrate bestimmt. Eine solche Diffusion ist abhängig von der Konzentration, der Temperatur und der Teilchengröße (Diffusionsabstand). Der Erfolg bei der Verwendung eines vorlegierten Pulvers, das Kohlenstoff als Quelle für ein Kohlenstoffpotential zum Diffundieren in die umgebenden Pulverteilchen enthält, ist bei einer feinen Teilchengröße natürlich größer. Die Härte der spröden Eisencarbidphase von Hartgußeisen liegt in der Größenordnung von 1000 Hv oder mehr; es besteht eine starke Tendenz, daß die Schleifrückstände eine feine Teilchengröße aufweisen, auf jeden Fall eine mittlere Teilchengröße von 20 um oder weniger, und unter bestimmten Schleifbedingungen sogar bis zu 8 um mittlerer Teilchengröße.
Die eisenhaltigen Pulver, mit denen das Rückstandspulver vermischt wird, können auf Eisen- oder Eisenlegierungspulvern, wie z. B. Stahlpulvern mit einem verringerten Graphitgehalt, oder anderen Pulverbestandteilen, die für die Pulvermetallurgie eisenhaltiger Bauteile üblich sind, basieren, einschließlich beispielsweise metallischer Legierungselemente, Sinterhilfen, wie Kupfer, Zerspanungshilfen, wie Mangansulfid, festen Schmiermitteln, wie Molybdändisulfid, usw..
Gemäß dem vorhergehenden Abschnitt hergestellte Materialien können auch Zugaben von harten, verschleißfesten Teilchen anorganischer Materialien im Pulvergemisch vor dem Verdichten umfassen. Solche Materialien können Keramik umfassen, einschließlich mindestens eines der folgenden: Carbide, Oxide, Boride, Nitride und/oder Carbonitride, um die Verschleißfestigkeit und/oder Schneidfähigkeit daraus hergestellter Sinterprodukte zu verbessern.
Obwohl der Rückstandspulvergehalt beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung als eine Hauptquelle von Kohlenstoff für die Mikrostruktur des herzustellenden Gegenstandes betrachtet wird, ist weder das Vorliegen von Kohlenstoff, der z. B. in einen anderen eisenhaltigen Pulverbestandteil des Gemisches vorlegiert ist, noch die Zugabe von elementarem Kohlenstoff, z. B. in Form von Graphit, zum Einstellen des endgültigen Kohlenstoffgehaltes des Gemisches nicht ausgeschlossen. Die Verwendung von Graphit zum Einstellen des gewünschten Gesamtkohlenstoffgehaltes kann unter gewissen Umständen erwünscht sein, da sie dem Pulvergemisch eine größere Verdichtbarkeit verleiht und ein eigenständiges Schmiermittel ist. Vorlegierter Kohlenstoff in den anderen eisenhaltigen Bestandteilen (d. h. außer dem Rückstand) erhöht die Festigkeit der Pulverteilchen und verringert folglich die Verdichtbarkeit. Wie in der WO95/26421 beschrieben ist, fördert die Verwendung von Kohlenstoff unter bestimmten Sinterbedingungen sogar die Produktion eisenhaltiger Bauteile mit Dichten von mehr als 95% der Theorie. Beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung bietet die Verwendung eines Rückstandspulvers, das einen hohen Anteil an Zementit enthält, jedoch eine alternative Verdichtungsmöglichkeit auf Dichten von bis zu 95% der vollen theoretischen Dichte und mehr. Dies ist für die Herstellung einer breiten Palette hochlegierter Stahlzusammensetzungen von besonderer Relevanz, bei denen Dichten in dieser Größenordnung hinsichtlich der anstrengenden Anwendungen, denen solche Materialien zugeführt werden, erforderlich sind.
Die Palette an verdichteten und gesinterten Materialien, die durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, schließt nahezu jedes Material auf Eisenbasis ein, das bis zu etwa 30 Gew.-% des Pulvers aus dem eisenhaltigen Rückstand aufnehmen kann. Die einzige Einschränkung ist daher die Herstellbarkeit des Pulvergemisches mit der gewünschten Zusammensetzung aus den Materialien, die der Pulvermetallurgie-Industrie zur Verfügung stehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß spezielle vorlegierte Pulver auf Eisenbasis hergestellt werden können, um eine bestimmte Quelle des Rückstandsmaterials zu ergänzen und so auf eine gewünschte allgemeine Zusammensetzung eines Gegenstandes zu kommen, der hergestellt werden soll. Weitere Zugaben von elementarem Kohlenstoff, Schmieradditiven, die spanende Bearbeitung verbessernden Zusätzen, Metallpulvern oder irgendwelchen anderen bekannten Zusätzen können nach Bedarf miteingeschlossen sein.
Die Pulvermetallurgie-Techniken, die bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angewandt werden können, sind alle derzeit bekannten und umfassen z. B. einachsiges Formpressen und Sintern, isostatisches Kaltpressen und Sintern, isostatisches Warmpressen, Pulverextrusion, Pulverwalzen und Sintern.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden veranschaulichenden Beispiele beschrieben.

Beispiel I

Eine typische Quelle für Rückstand, der nach dem Abschleifen eines Hartgußeisenrohlings mit einer Schleifscheibe erzeugt wird, ist das Zuschleifen einer Hartgußeisen-Nockenwelle hinsichtlich Form und Größe.
Ein Gußrohling wurde mit dem bekannten Hartgußverfahren hergestellt. Der Gußrohling wies die folgenden in Gewichtsprozent ausgedrückten, nominalen Zusammensetzungsbereiche auf: 3,5 bis 3,8 Kohlenstoff, 1,7 bis 2,4 Silicium, 0,6 bis 0,9 Mangan, 0,7 bis 1,0 Chrom, bis zu 1,5 Schwefel, bis zu 0,3 Phosphor, bis zu 0,3 Nickel und bis zu 0,3 Molybdän, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen bestand. Der Gußrohling wurde mit einer Schleifscheibe auf Aluminiumoxid-Basis abgeschliffen und gleichzeitig mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt. Die Kühlflüssigkeit war eine Emulsion auf Wasserbasis mit HYSOL X (Handelsbezeichnung), einem chlorfreien, löslichen Öl, das von Castrol hergestellt wird. Das Schleifmaterial wurde vom Gußrohling weg zu einem Abfallbehälter abtransportiert und in dem Behälter als Schleifrückstand gesammelt.
Der Schleifrückstand wurde dann aus dem Behälter entnommen und in Aceton gewaschen, um die während des Schleifens verwendete Kühlflüssigkeit zu entfernen. Während des Waschens wurde der Rückstand von Hand grob zerstoßen, um die größten Ansammlungen von Schleifmaterial aus dem Rückstand aufzubrechen.
Nach dem Trocknen wurde der Rückstand in einem Lösungsmittel, in diesem Fall Trichlorethan, gereinigt. Dies erfolgte innerhalb einer Kondensationssäule und dauerte zwei Stunden. Anschließend wurde der Rückstand 90 Minuten bei 120ºC in einem Luftofen getrocknet.
Wie festgestellt wurde, hatten die Rückstandsteilchen eine mittlere Teilchengröße von 17 um mit einer Obergrenze von 40 um.
Eine Analyse der Rückstandsteilchen zeigte das Vorliegen von Zementit (Fe&sub3;C), Magnetit (Fe&sub3;O&sub4;), Korund (Al&sub2;O&sub3;) und Eisen. Die Analyse zeigte auch die Anwesenheit von 0,04% AI und 3,6% C. Es ist davon auszugehen, daß die Korund-Teilchen und der Aluminiumgehalt von der Schleifscheibe stammen. Dies wäre jedoch kein Problem, wenn eine Bornitrid-Schleifscheibe eingesetzt würde.
Anschließend wurde unter Verwendung der Rückstandsteilchen eine erste Gruppe von Sinterproben hergestellt. Es wurde ein Gemisch mit einer in Gew.-% ausgedrückten Zusammensetzung von 25 Rückstandspulver, 1 Graphitpulver, 2 Kupferpulver und 72 reinem Eisenpulver hergestellt. Das Gemisch wurde bei Raumtemperatur und 770 MPa zu einem Rohling verdichtet. Der Rohling wurde dann bei etwa 1120ºC gesintert.
Eine Analyse der Mikrostruktur ergab, daß die Sinterproben aus großen Körnern zusammen mit einem intragranulären Netzwerk aus kleinen Körnern bestanden. Die großen Körner schienen eine perlitische Mikrostruktur zu haben. Das intragranuläre Netzwerk ist hauptsächlich martensitisch, obwohl in diesem Netzwerk auch perlitische Bereiche zu sehen sind. Die Härte der Sinterproben lag, wie festgestellt wurde, bei etwa 70 HRB. In der Matrix waren auch vereinzelte Aluminiumoxid-Teilchen sichtbar.

Beispiel II

Ein Gemisch von Pulvern wurde vermischt, das 20 Gew.-% des unter Bezugnahme auf obiges Beispiel I beschriebenen Rückstandspulvers und 80 Gew.-% eines vorlegierten Stahlpulvers mit folgender in Gew.-% angegebener Zusammensetzung umfaßte: 1 Kohlenstoff, 8 Kobalt, 4 Chrom, 10 Molybdän, 1 Vanadium, 2 Wolfram, wobei der Rest neben zufälligen und unvermeidbaren Verunreinigungen Eisen ist. Dieses vorlegierte Pulver wurde wasserzerstäubt und angelassen sowie mit dem Rückstandspulver zusammen mit einem flüchtigen Wachs-Formschmiermittel vermischt. Rohlinge wurden bei einem Preßdruck von 770 MPa hergestellt und bei 1170ºC unter einer Wasserstoff/Stickstoff-Schutzgasatmosphäre bei Umgebungstemperatur in einem Schrittmachersinterofen gesintert.
Es wurde ein Vergleichsbeispiel, das 100% des zuvor beschriebenen vorlegierten Pulvers enthielt, mit Zugabe von Graphitpulver, um den Kohlenstoff-Endgehalt der gesinterten Legierung auf 1,5 Gew.-% zu bringen, aber ohne Rückstandspulver durchgeführt. Das Pulvergemisch wurde unter den gleichen Bedingungen wie die unter Bezugnahme auf Beispiel II beschriebenen verdichtet und gesintert.
Die gesinterten Produkte aus Beispiel II und dem Vergleichsbeispiel wurden mittels Lösungsbehandlung, Abschrecken auf Raumtemperatur, Tieftemperatur-Behandlung und Tempern bei 625ºC gehärtet und getempert.
Die gehärteten und getemperten Materialien wurden Tests unterzogen, um Dichte, Härte, Youngschen Modul und 0,2% Druckprüfspannung zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Tests sind nachfolgend in der Tabelle angegeben. Tabelle
Es ist ersichtlich, daß die Dichte und Härte des Materials aus Beispiel II mit denen des Vergleichsbeispiels direkt vergleichbar sind. In diesem Zusammenhang sollte nicht vergessen werden, daß bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführten Beispiel 20 Gew.-% weniger des teuren, vorlegierten Stahlpulvers verwendet wurden, was eine merkliche Materialkosteneinsparung bei minimaler Verschlechterung von Eigenschaften darstellt.

Beispiel III

Vollständig gereinigter, getrockneter und agglomerationsfreier Schleifrückstand wurde in einer Menge von 20 Gew.-% zu Astaloy Mo (1,5) (Handelsbezeichnung), einem vorlegierten, zerstäubten Eisenpulver, gegeben, das 1,5 Gew.-% Molybdän und 0,5 Gew.-% Acrawax (Handelsbezeichnung)- Preßwachs enthielt. Es wurde kein Graphit zugegeben. Das Gemisch wurde in einem Turbula (Handelsbezeichnung)-Mischer zwanzig Minuten gemischt, um ein Pulver mit einer Scheindichte von 2,71 g/cc zu ergeben. Das Gemisch wurde bei 770 MPa gepreßt, um ein Ringwulstteil und eine Rohdichte von 6,6 g/cc zu ergeben. Nach dem Sintern in einer Stickstoff/Wasserstoff-Atmosphäre bei 1170ºC hatte sich die Dichte auf 6,85 g/cc erhöht. Die Härte nach dem Sintern betrug 84 HRB. Die Mikrostruktur des Teils nach dem Sintern bestand nahezu vollständig aus feinem Bainit mit nahezu völligem Fehlen von Ferrit. Weitere Proben, die in einem Dilatometer mit der gleichen Atmosphäre und bei maximaler Temperatur gesintert wurden, zeigten eine Änderung des Dehnungskoeffizienten beim Abkühlen auf zwischen 300 und 400ºC, was der Bainit-Bildung entsprach. Die Struktur nach dem Sintern zeigte deutlich die vollständige Diffusion von Kohlenstoff aus dem Schleifrückstand in die Eisenmatrix.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallgegenstands auf Eisenbasis auf pulvermetallurgischem Wege, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, bei denen ein Gemisch von Pulverbestandteilen mit einer gewünschten allgemeinen chemischen Zusammensetzung bereitgestellt wird, wobei das Gemisch einen Anteil eines Pulvers aus einem Gußeisenrückstand enthält, der aus einem Metallentfernungsverfahren stammt, das Pulvergemisch verdichtet und das verdichtete Pulvergemisch gesintert wird, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt, bei dem in das Gemisch 5 bis 30 Gew.-% des Metallpulvers eingebracht werden, das von dem Rückstand stammt, der beim Abschleifen eines hartgegossenen Gußeisenrohlings erzeugt wird, und dadurch, daß das Metallpulver aus dem Rückstand vorwiegend aus Zementit (Fe&sub3;C) besteht und 2 bis 7 Gew.-% Kohlenstoff umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rückstand durch Waschen und Trocknen behandelt wird, um Öl und Wasser daraus zu entfernen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Menge des Rückstandspulvers maximal 25 Gew.-% beträgt.

4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Rückstandspulvergehalt mindestens 10 Gew.-% beträgt.

5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Kohlenstoffgehalt des Rückstandspulvers maximal 5 Gew.-% beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Kohlenstoffgehalt des Rückstandspulvers im Bereich von 2,5 bis 4,5 Gew.-% liegt.

7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Metallrückstandspulver die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:

2,5 bis 4, 5% Kohlenstoff;

0,3 bis 3,0% Silicium;

bis zu 1,0% Mangan;

bis zu 1,0% Chrom;

bis zu 1,5% Schwefel;

bis zu 0,5% Phosphor;

bis zu 0,5% Nickel;

bis zu 1,0% Molybdän;

bis zu 0,03% Kupfer;

Rest Eisen;

sowie zufällige Verunreinigungen.

8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Metallrückstandspulver eine maximale Teilchengröße von 50 um aufweist.

9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die mittlere Teilchengröße etwa 20 um oder weniger beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die mittlere Teilchengröße bei 10 um oder weniger liegt.

11. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Eisenpulvergemisch mindestens ein weiteres Pulver enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die folgendes umfaßt: Graphit, Metall-Legierungsbestandteile; Sinterhilfen; Zerspanungshilfen; feste Schmiermittel; und Formschmiermittel.

12. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Gemisch mindestens ein Material enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die folgendes umfaßt: Carbide, Oxide, Boride, Nitride, andere Keramiken und Carbonitride.