DE9409832U1 - Metallpulvermischung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Metallpulvermischung gemäß dem Gattungsbegriff des Schutzanspruchs 1.
Die Herstellung von mechanischen Bauteilen aus Eisenwerkstoffen im Wege
der Sintertechnik hat gegenüber einer Herstellung durch spanende Formgebung (z.B. Drehen, Bohren, Fräsen) den großen Vorteil, daß die
eigentliche Formgebung in einem einzigen Rrbeitsgang praktisch ohne die
Entstehung von flbfallmaterial erfolgen kann und daher bei Serienteilen
schneller und kostengünstiger möglich ist. Die Teile werden beispielsweise auf einer hydraulischen Metallpulverpresse in einem
Formwerkzeug unter Anwendung eines Preßdrucks von z.B. 7 t/cm zu Grünlingen gepreßt und anschließend in einem Ofen bei etwa 1120-11500C
(Normalsintern) oder auch bei etwa 1250-12800C (Hochtemperatursintern)
gesintert, um eine ausreichende statische und dynamische Festigkeit zu erlangen. Herstellungsbedingt weisen Sinterteile stets eine geringere
Dichte als die des entsprechenden vollmassiven Werkstoffs (theoretische
Dichte) auf, da sie von Poren durchsetzt sind. Bei Eisenwerkstoffen liegt die tatsächliche Dichte der Sinterteile üblicherweise je nach
• ·
angewendetem Preßdruck und Form des Teils bei etwa 80 - 92 % der
theoretischen Dichte. Hierdurch ergibt sich zwangsläufig eine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften, die dazu führt, daß
Sinterteile bei besonders hoher mechanischer Beanspruchung bisher kaum angewendet werden, zumal eine größere Dimensionierung zur Kompensation
dieses Nachteils im Regelfall wegen der damit verbundenen Volumen- und
Gewichtserhöhung nicht akzeptiert werden kann. Hinzu kommt, daß die im Sinterteil enthaltenen Poren als innere Kerben wirken können, die zu
einer drastischen Verminderung insbesondere der dynamischen Festigkeitseigenschaften führen können.
Um das Porenvolumen von Sinterteilen zu vermindern, ist es bekannt, das
Eisenbasispulver mit einem höheren Phosphorgehalt einzusetzen. Dies führt zu einem deutlichen Schrumpfen während des Sintervorgangs und
damit zu einer Dichtesteigerung. Die Schrumpfung des Sinterteils wird
bei der geometrischen Gestaltung der Preßform durch entsprechende
Übermaße berücksichtigt und kann somit weitestgehend kompensiert werden. Die Zugabe von Phosphor, die entweder durch entsprechendes Zulegieren zu
der bei der Pulverzerstäubung eingesetzten Schmelze oder durch Zumischen
von Phosphorverbindungen zum Eisenbasispulver erfolgen kann, hat jedoch den Nachteil, da8 sie nur bis zu einem gewissen Grad zur
Dichtesteigerung genutzt werden kann, weil höhere Phosphorgehalte tendenziell eine Versprödung des Sinterteils hervorrufen und somit die
Empfindlichkeit gegenüber Kerbwirkung noch erhöht wird.
Ein anderer Weg, zu einer höheren Dichte, also zu einer Verminderung des
PorenvoLumens zu kommen, ist in der sogenannten Zweifachsintertechnik zu
sehen, bei der der PreSkörper nach einem ersten Sintern bei
üblicherweise ca. 700 - 90O0C einem erneuten Preßvorgang und einem
abschließenden Fertigsintern unterzogen wird. Wegen des zweifachen
Pressens und Sinterns handelt es sich hierbei um ein sehr
kostenintensives Verfahren.
Rus der WO 91/19582 ist ein Eisenbasispulver bekannt, das eine
vergleichsweise hohe Schlagfestigkeit gewährleisten soll. Es schreibt als Legierungselemente zwingend 0,3 - 0,7 Gew-% Phosphor und 0,3 3,5
Gew-% Molybdän vor. Etwa vorhandene weitere Legierungselemente sind
in der 5umme auf maximal 2 Gew-% beschränkt. Bevorzugt liegen die Gehalte an Molybdän bei 0,5 - 2,5 Gew-% und von Phosphor bei
0,4 - 0,6 Gew-% (Zugabe insbesondere in Form von Fe0P). Für Kohlenstoff
wird eine Obergrenze von 0,07 Gew-% empfohlen. Dieses Eisenbasispulver
ist für normale Sintertemperaturen (unter 11500C) geeignet. Die in
dieser Schrift dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß sowohl für
Phosphor als auch für Molybdän optimale Mengenanteile existieren, bei
denen die Schlagfestigkeit besonders hoch liegt. So steigt die Schlagfestigkeit bei einem Pulver mit 0,5 Gew-% Phosphor bei
Molybdängehalten von 0-1,0 Gew-% steil an, erreicht im Bereich 1-2 Gew-% ein Maximum und fällt jenseits von 3,5 Gew-% Molybdän sogar
bis unterhalb der Rusgangswerte ab.
Weiterhin ist aus der DE 29 43 601 C2 ein vorlegiertes Stahlpulver zur
Herstellung hochfester Sinterteile bekannt, das 0,35 bis 1,50 % Mn, 0,2 bis 5,0 % Cr, 0,1 bis 7,0 % Mo, 0,01 bis 1,0 V, maximal 0,10 % Si,
maximal 0,01 % fll, maximal 0,05 % C, maximal 0,004 % N, maximal 0,25 %
Sauerstoff, Rest Eisen und andere herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält. Der niedrige C-Gehalt ist erforderlich, um eine gute
Preßbarkeit des Stahlpulvers zu ermöglichen, das durch Wasserverdüsung einer entsprechenden Schmelze und anschlieBende Reduktionsglühung bei
1000 0C erzeugt wird. Vor dem Verpressen zu Grünlingen wird dieses
Stahlpulver in üblicher Weise mit Schmiermitteln (z.B. 1 % Zinkstearat)
versetzt und zusätzlich mit Graphitpulver gemischt, um den gewünschten C-Gehalt im Sinterteil einstellen zu können. Die zugesetzte Menge an
Graphitpulver beträgt regelmäBig mehrere Zehntel. Prozent (z.B. 0,8 %},
da die Sinterteile nach dem Sintern in öl gehärtet werden, um ausreichende Festigkeitswerte zu erhalten. Die preßfertige
Metallpulvermischung muß daher unter Berücksichtigung der beim Sintern zu erwartenden flbbrandverluste einen für einen Vergütungsstahl
ausreichend hohen C-Gehalt aufweisen. Durch den Sintervorgang wird wegen
des C-Gehaltes zwangsläufig ein Gefüge erzeugt, das je nach
Rbkühlgeschwindigkeit aus Martensit oder aus Martensit und Bainit oder
aus Bainit und Perlit besteht. Zur Erzielung einer Dichte, die in der Nähe der theoretischen Dichte von Stahl liegt, ist vorgesehen, die
Sinterteile vor der Wärmebehandlung einem Schmiedevorgang zu unterziehen.
Bei mechanisch stark beanspruchten Zahnrädern ist neben einer möglichst
hohen Zahnfußbiegewechselfestigkeit insbesondere eine hohe
Zahnflankentragfähigkeit erforderlich. Daher werden solche Zahnräder üblicherweise gehärtet. Bei einem Werkstoff mit relativ hohem
Phosphorgehalt führt dies jedoch zu einer unzulässigen Versprödung des
Bauteils.
flufgabe der Erfindung ist es daher, eine Metallputvermischung der
gattungsgemäßen flrt anzugeben, aus der Sinterteile mit hoher Dichte herstellbar sind, die bei guter Oberflächenhärtbarkeit insbesondere gute
dynamische Festigkeitseigenschaften aufweisen und dadurch ohne Rnwendung der aufwendigen Zweifachsintertechnik oder eines Schmiedevorgangs für
mechanisch besonders stark belastbare Bauteile einsetzbar sind, insbesondere als Zahnräder für Rutomobilgetriebe und ähnlich
beanspruchte Bauteile.
Gelöst wird diese flufgabe durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1.
Vorteilhafte flusführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
2 bis 7 angegeben.
Es war völlig überraschend, daß gefunden werden konnte, daß ein z.B.
durch Gasverdüsung, Gas/Flüssigkeits-Verdüsung oder vorzugsweise durch
Wasserverdüsung einer molybdänhaltigen Stahlschmelze und anschließende
Reduktions- und Weichglühen bei 850 - 950 0C hergestelltes Stahlpulver
sich nach Mischung mit üblichen Schmiermitteln der Pulvermetallurgie
(z.B. Zinkstearat) zu Bauteilen verarbeiten läßt, die nur noch ein
äußerst kleines Porenvolumen, d.h. eine nahe an der theoretisch höchstmöglichen Dichte des Werkstoffs liegende Dichte (z.B. 95 bis 96 %)
aufweisen. Dabei ist lediglich ein einfaches Pressen unter flnwendung
2
üblicher Drücke im Bereich 6,0 - 8,0 t/cm , vorzugsweise 6,5 -
üblicher Drücke im Bereich 6,0 - 8,0 t/cm , vorzugsweise 6,5 -
7,5 t/cm erforderlich. Die Sintertemperaturen können im Bereich 1050 13500C
liegen, wobei höhere Temperaturen bevorzugt werden. Das bedeutet bei Einsatz von Bandöfen etwa bis zu 1150 0C und bei Hubbalkenofen etwa
1250 - 1300 0C CHochtemperatursintern). Durch Hochtemperatursintern läßt
sich die erzielbare Dichte gegenüber dem Normalsintern weiter steigern.
Die erfindungsgemäße Pulvermischung zeichnet sich dadurch aus, daß sie
praktisch phosphorfrei ist, Phosphor also Lediglich aLs Verunreinigung
enthält (P < 0,02 Gew-%). Der mindestens erforderliche MolybdängehaLt der Stahlschmelze, die für die Pulverherstellung eingesetzt werden soll,
hängt von der vorgesehenen Sintertemperatur bei der späteren Herstellung der Sinterteile ab. Ein Gehalt von 4,0 Gew-% ist in jedem Fall bereits
als ausreichend anzusehen. Rus wirtschaftlichen Gründen sollte eine
Obergrenze von 5 Gew-%, vorzugsweise sogar von nur 4,5 Gew-% nicht überschritten werden. Bei einer Sintertemperatur von 112O0C reichen
3,8 Gew-% Molybdän und bei 12800C sogar 2,7 Gew-% aus. Wegen der zu
berücksichtigenden Schmelztoleranzen empfiehlt sich zur Sicherheit
jedoch eine Erhöhung dieser unteren Grenzwerte um z.B. 0,5 Gew-% auf 4,3 Gew-% bzw. 3,2 Gew-%. Der mindestens erforderliche MolybdängehaLt
LaGt sich in flbhängigkeit von der Sintertemperatur T wie folgt
bestimmen:
T T 2
MO (Gew-%) = 16,1 L - 0,7 (—— ) - 88,7
100° 100°
Die zu verdüsende Stahlschmelze muß nicht nur praktisch phosphorfrei
sein, sondern darf auch keinen nennenswerten Kohlenstoffgehalt aufweisen
(C < 0,01 % Gew-%), damit das Pulver ausreichend weich und gut preQbar
bleibt. Zur Erhöhung der Festigkeit kann im Einzelfall, wenngleich dies
möglichst sogar vermieden werden sollte, dem Pulver Graphit zugemischt werden, der jedoch höchstens zu einem Kohlenstoffgehalt von 0,06 Gew-%
in der Pulvermischung führen darf. Bevorzugt wird eine Begrenzung des
Kohlenstoffgehalts auf max. 0,04 Gew-% und insbesondere auf max. 0,02 Gew-%. Das Pulver kann im übrigen die üblichen Verunreinigungen
einer Stahlschmelze enthalten. RuBer Molybdän sind weitere metallische
Legierungszusätze nicht erforderlich, stören aber in der Regel nicht,
wenn sie nicht zu groGe Werte annehmen. Insgesamt sollten diese zusätzlichen Legierungselemente eine Summe von 1,0 Gew-%, vorzugsweise
von 0,5 Gew-% nicht überschreiten. Zur Steigerung der Festigkeit der
Legierung kann insbesondere die Zugabe von Chrom (vorzugsweise ohne weitere zusätzliche Legierungselemente) in den genannten Grenzen
zweckmäßig sein.
Bei der Verarbeitung der erfindungsgemäßen Pulvermischung ist es vorteilhaft, den Sintervorgang in einer reduzierenden Atmosphäre,
insbesondere in einer mindestens 10 Vol-%, vorzugsweise 20 - 40 Vol-%
Wasserstoff enthaltenden fltmosphäre auszuführen. Damit wird beispielsweise erreicht, daß die flusscheidung von Nitriden vermieden
oder auf ein Minimum reduziert wird. Zweckmäßig ist beispielsweise der
Einsatz von Formiergas, d.h. eine Mischung aus H_ und N-. Höhere
H2~GehaLte verbessern tendenziell die erzielbare Dichte beim Sintern,
das aufgrund der Einstellung der erfindungsgemäBen Pulvermischung
ausschlieBlich in der fllpha-Phase erfolgt und daher ein Dichtsintern
(ohne Bildung einer flüssigen Phase) stark begünstigt. Die Abkühlung
nach dem Sintern erfordert keine besonderen MaGnahmen. Die Sinterteile
weisen ein rein ferritisches Gefüge aus FeMo-Mischkristallen auf.
Die gesinterten Teile können anschließend noch einer Kalibrierung unterzogen werden, die zu einer Verformung im Oberflächenbereich
CEinebnung der Rauhigkeit) und somit zu einer besseren Oberflächenqualität und MaBhaltigkeit führt. Danach kann in bekannter
Weise eine Einsatzhärtung durchgeführt werden, die sich insbesondere für Zahnräder und ähnlich beanspruchte Teile empfiehlt, da sie zu einer
wesentlichen Erhöhung der Oberflächenhärte und zum Einbringen von Druckeigenspannungen führt. Bei Zahnrädern ist es zweckmäßig, vor der
Einsatzhärtung den Verzahnungsbereich einem Weichschaben zu unterziehen. Nach dem Einsatzhärten der Zahnräder kann das übliche Schleifen von
Bohrungen und Planflächen erfolgen.
Die in dieser Weise hergestellten Sinterteile haben eine nahe am theoretischen Höchstwert Liegende Dichte, wobei besonders bemerkenswert
ist, daß die verbleibenden Poren klein, in sich abgeschlossen und rund sind und daher keine nennenswerte Kerbwirkung entfalten. Daher ergeben
sich ausgezeichnete dynamische Festigkeitswerte sowie nach einer Einsatzhärtung gleichzeitig auch hohe Oberflächenhärten, die für die
Verschleißfestigkeit und z.B. die Zahnflankentragfähigkeit von
entscheidender Bedeutung sind.
finhand des nachfolgenden flusfuhrungsbeispiels wird die Erfindung näher
erläutert. Die Figuren 1 und 2 zeigen in unterschiedlicher Vergrößerung Schliffbilder von Sinterteilen aus dem erfindungsgemäGen Werkstoff.
< 0,01 % C
< 0,02 % P
3,2 % MO
3,2 % MO
wurde durch Wasserverdüsung ein feines, spratziges Stahlpulver
hergestellt. Nach einer Reduktionsglühung über ca. 70 min bei ca.
900 0C wurde das Pulver, das einen Restsauerstoffgehalt von weniger als
0,15 Gew-% und nach dem Sieben eine KorngröBe unter 0,2 mm aufwies, mit
0,8 Gew-% Mikrowachs als Gleitmittel vermischt, fluf einer hydraulischen
Metallpulverpresse wurden aus diesem Material unter flnwendung eines
2
PreGdrucks von 7 t/cm Probekörper nach ISO 2740 erzeugt, die
PreGdrucks von 7 t/cm Probekörper nach ISO 2740 erzeugt, die
anschließend bei einer Temperatur von 128O0C über ca. 30 min in einem
Ofen unter Formiergas (80 % N2, 20 % H2) gesintert wurden, fln einer
Teilmenge der Probekörper wurde anschließend noch eine Einsatzhärtung bei 920 - 950 0C in einem Ofen mit einem C-Potential von 0,8 %
durchgeführt, die zu einer Einhärtetiefe von ca. 0,4 mm führte. Die Untersuchung der Probekörper ergab folgende Werte:
Sinterdichte 7,60 + 0,04 g/cm3
(96 - 97 % der theoretischen Dichte)
nach Einsatzhärtung ca. 450 MPa ohne Einsatzhärtung ca. 180 MPa
Die äußerst geringe Porosität ergibt sich aus den Schliffbildern der
Figuren 1 und 2, wobei aus Fig. 2 die vorteilhafte runde Rusbildung der
Poren klar entnehmbar ist.
Claims (7)
1. Metallpulvermischung zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher
Zähigkeit, bestehend aus einem mit Gleitmitteln und gegebenenfalls
zur Einstellung eines Kohlenstoffgehaltes mit Graphitpulver vermischten und durch Verdüsung einer kohlenstoff- und
phosphorfreien MolybdänstahlschmeLze mit üblichen Verunreinigungen
erzeugten Stahlpulver, . .
dadurch gekennzeichnet,
daG der Molybdängehalt in Rbhängigkeit von der vorgesehenen im
Bereich von etwa 1050 - 1350 C liegenden Sintertemperatur T festgelegt ist und mindestens
Mo (Gew-%) = 16,1 1 - C ,7 (—-&Lgr; ~ 08,7
100 100
beträgt, und UaQ der Kohlenstoffgehalt der MetaLLpulvermischung auf
maximal 0,08 5ew-% begrenzt ist.
2. MetalIpulvermischung nach Rnspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daG der Gehalt an sonstigen Legierungselementen auf eine Summe von
maximal 1,0 Gew-%, vorzugsweise 0,5 Gew-%, beschränkt ist.
3. Metallpulyermischung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelze Chrom, insbesondere Chrom ohne weitere sonstige
Legierungselemente, zugesetzt ist.
4. Metallpulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daB der Molybdängehalt für eine Sintertemperatur von 12800C
mindestens 3,2 Gew-% beträgt.
5. Metallpulvermischung nach einem der flnsprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt für eine Sintertemperatur von 112O0C
mindestens 4,3 Gew-% beträgt.
6. Metallpulvermischung nach einem der flnsprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt auf maximal 5,0 Gew-%, vorzugsweise auf
maximal 4,5 Gew-% begrenzt ist.
7. Metallpulvermischung nach einem der flnsprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt auf max. 0,04 Gew-%, insbesondere auf
0,02 Gew-% begrenzt ist.
Priority Applications (9)
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