EP0597832B1 - Metallpulvermischung - Google Patents

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EP0597832B1
EP0597832B1 EP90914132A EP90914132A EP0597832B1 EP 0597832 B1 EP0597832 B1 EP 0597832B1 EP 90914132 A EP90914132 A EP 90914132A EP 90914132 A EP90914132 A EP 90914132A EP 0597832 B1 EP0597832 B1 EP 0597832B1
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EP
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graphite
max
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metal powder
powder mixture
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EP90914132A
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Norbert Dautzenberg
Heinz Josef Dorweiler
Karl-Heinz Lindner
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Vodafone GmbH
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Mannesmann AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C33/00Making ferrous alloys
    • C22C33/02Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0264Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements the maximum content of each alloying element not exceeding 5%

Definitions

  • the invention relates to a metal powder mixture for producing martensitic through-hardened, high-strength sintered parts on the basis of a steel powder formed by atomizing a steel alloy melt, which is mixed with 0.3 to 0.7% by weight of graphite powder.
  • high-strength sintered parts are understood to mean parts with a tensile strength of at least 550 N / mm2.
  • a steel alloy powder for producing high-strength sintered parts is known from EP 0 136 169 B1, which consists of (% by weight) Max. 0.02% C Max. 0.1% Si 0.4-1.3% Ni 0.2-0.5% Cu 0.1-0.3% Mo Max. 0.3% Mn Max. 0.01% N Balance iron and usual impurities.
  • This alloy powder should be cheap to manufacture and process, have good pressing properties and ensure high strength in the sintered finished part. This document does not specify anything about its properties with regard to the achievable dimensional accuracy in the finished part.
  • Sintering a compact made from steel powder normally changes its geometry.
  • martensitic hardening counteracts this effect because of the associated increase in volume as a result of the structural transformation.
  • a change in volume of the finished part compared to the compact used for sintering can also be taken into account in the design of the pressing tool, ie an attempt is made to anticipate the dimensional deviations and to compensate from the outset by changing the dimensions of the compact.
  • a sintered alloy is known from EP 0 042 654 in which the nickel content is at most 2.5%. This content in connection with the molybdenum content is important for the possibility of air hardening. With the maximum limit of 0.7% Mo disclosed in this document, however, this cannot be carried out. The improved strength of this alloy is achieved through a special heat treatment after sintering.
  • the object of the invention is to provide a metal powder mixture which can be produced with as little effort as possible and which allows the production of high-strength and wear-resistant sintered parts, the dimensional deviations of which can be kept within a tolerance band of a maximum of +/- 0.05% without this being the case additional constructive measures on the pressing tool for the production of the compacts to be sintered are required.
  • the metal powder should therefore have the property of not causing any appreciable shrinkage or waxing when sintering compacts produced therefrom with conventional compaction.
  • the proportions of the individual alloy elements are kept within different limits than in the known steel powder. It is particularly important that the ratio of the proportion of Cu to the proportion of graphite also introduced in powder form as carbon in the metal powder mixture is kept in the range 1.4-2.5, preferably 2.0. If all of the provisions of claim 1 are observed, it is surprisingly possible to produce compacts by conventional pressing processes in powder metallurgy, which under normal sintering conditions have almost complete dimensional stability regardless of the wall thicknesses of the compacts. The dimensional deviations are less than +/- 0.05%.
  • the sintered parts result in a completely martensitic structure, which gives the parts a high strength (over 750 N / mm2) without this a subsequent heat treatment is required.
  • a steel powder was produced by water atomization of a melt with the following composition (% by weight): 0.01% C 0.02% Si 0.10% Mn 4.0% Ni 0.5% Mo 0.020% P 0.010% S Balance iron and usual impurities.
  • this steel powder was dried and subjected to a reduction annealing in an H2 atmosphere at about 1000 o C. After cooling, the resulting agglomerate was ground in fine particles.
  • the residual oxygen content of the steel powder was about 0.15%, its bulk density was about 3 g / cm3.
  • the advantages of the metal powder mixture according to the invention can be seen in particular in the fact that dimensionally constant sintered parts can be produced which no longer require complex mechanical, shaping or thermal aftertreatment after sintering, and the steel powder can be produced inexpensively. It is namely applicable to the selected alloy of the invention, a water atomization with subsequent reduction under an H2 atmosphere. This eliminates the need for costly vacuum annealing, as is required for other fully alloyed water-atomized metal powders for the same purpose. The inexpensive production is also associated with the achievement of excellent strength and wear properties.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Metallpulvermischung zur Herstellung martensitisch durchgehärteter, hochfester Sinterteile auf der Basis eines durch Verdüsung einer Stahllegierungsschmelze entstandenen Stahlpulvers, welches mit 0,3 bis 0,7 Gew-% Graphitpulver vermischt ist. Unter hochfesten Sinterteilen werden in diesem Zusammenhang Teile mit einer Zugfestigkeit von mindestens 550 N/mm² verstanden.
  • Aus der EP 0 136 169 B1 ist ein Stahllegierungspulver zur Herstellung hochfester Sinterteile bekannt, das besteht aus (Gew%)
       max. 0,02 % C
       max. 0,1 % Si
       0,4 - 1,3 % Ni
       0,2 - 0,5 % Cu
       0,1 - 0,3 % Mo
       max. 0,3 % Mn
       max. 0,01 % N
       Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
  • Dieses Legierungspulver soll billig herstellbar und verarbeitbar sein, gute Preßeigenschaften aufweisen und eine hohe Festigkeit im gesinterten Fertigteil gewährleisten. Über seine Eigenschaften hinsichtlich der erzielbaren Maßgenauigkeit im Fertigteil ist in dieser Schrift nichts Näheres ausgeführt.
  • Durch das Sintern eines aus Stahlpulver hergestellten Preßlings wird dessen Geometrie normalerweise verändert. Man spricht von Sinterschwund. Ein martensitisches Härten wirkt im Grundsatz wegen der damit verbundenen Volumenvergrößerung infolge der Gefügeumwandlung diesem Effekt entgegen. Selbstverständlich kann eine Volumenänderung des Fertigteils gegenüber dem zum Sintern eingesetzten Preßling auch bei der Auslegung des Preßwerkzeugs berücksichtigt werden, d.h. man versucht, die Maßabweichungen zu antizipieren und durch eine Änderung der Maße des Preßlings von vornherein auszugleichen. Bisher ist dies aber nur sehr unvollkommen gelungen, weil die relativen Maßabweichungen nicht nur von den jeweiligen Wanddicken im Preßling abhängig sind, sondern auch die am Preßling erzielte Dichte, die innerhalb desselben Preßlings und auch zwischen den einzelnen Exemplaren von an sich gleichartigen Preßlingen Schwankungen unterliegt, hierauf einen großen Einfluß hat. Insofern haben die Bemühungen zur Erzielung einer Maßkonstanz im gesinterten Fertigteil aus fertiglegierten Werkstoffen bisher lediglich eine reproduzierbare Begrenzung der Maßabweichungen auf Werte im günstigsten Fall bis zu etwa +/- 0,1 % erbracht. Für viele Teile sind derartige Abweichungen nicht mehr tolerierbar. Aus diesem Grunde unterzieht man Sinterteile vielfach einem abschließenden Kalibriervorgang, was mit erheblichen Kosten verbunden ist. Bei gehärteten Teilen ist aber wegen der Härte der Sinterteile nicht einmal das mehr möglich.
    Aus der EP 0 042 654 ist eine Sinterlegierung bekannt, bei der der Nickelgehalt maximal 2,5 % beträgt. Dieser Gehalt ist in Verbindung mit dem Molybdängehalt von Bedeutung für die Möglichkeit einer Lufthärtung. Bei der in dieser Schrift offenbarten Höchtstgrenze von 0,7 % Mo läßt sich diese allerdings nicht durchführen. Die verbesserte Festigkeit wird bei dieser Legierung durch eine besondere Wärmebehandlung nach dem Sintern erreicht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Metallpulvermischung anzugeben, die mit möglichst geringem Aufwand herstellbar ist und die Herstellung von hochfesten und verschleißfesten Sinterteilen gestattet, deren Maßabweichungen in einem Toleranzband von maximal +/- 0,05 % Breite gehalten werden können, ohne daß es hierzu zusätzlicher konstruktiver Maßnahmen am Preßwerkzeug für die Herstellung der zu sinternden Preßlinge bedarf. Das Metallpulver soll also die Eigenschaft haben, beim Sintern von daraus mit üblicher Verdichtung hergestellten Preßlingen kein nennenswertes Schrumpfen oder Wachsen zu bewirken.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren und eine Metallpulvermischung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw 3. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Mischung sind in den Unteransprüchen 2 und 4 bis 8 angegeben.
  • Im Gegensatz zu dem aus der EP 0 136 169 B1 bekannten Stahllegierungspulver ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Cu-Anteil nicht bereits in die zur Verdüsung eingesetzte Legierung einzubringen, sondern in feinteiliger Form mit dem Stahlpulver zu vermischen. Außerdem sind die Mengenanteile der einzelnen Legierungselemente gemäß Anspruch 1 in anderen Grenzen gehalten als bei dem bekannten Stahlpulver. Besonders wesentlich ist es, daß das Verhältnis des Cu-Anteils an dem ebenfalls in Pulverform als Kohlenstoff in die Metallpulvermischung eingebrachten Graphitanteil im Bereich 1,4-2,5, vorzugsweise 2,0 gehalten wird. Bei Einhaltung aller Vorschriften des Patentanspruchs 1 gelingt es überraschenderweise, Preßlinge nach üblichen Preßverfahren der Pulvermetallurgie herzustellen, die unter wiederum üblichen Sinterbedingungen unabhängig von den Wanddicken der Preßlinge nahezu völlige Maßkonstanz aufweisen. Die Maßabweichungen betragen weniger als +/- 0,05 %.
  • Bei Abkühlung an Luft oder mittels einer in der Kühlzone des Sinterofens angeordneten Gasdusche (z.B. unter Druck zugeführtes Inertgas) ergibt sich in den Sinterteilen ein vollständig martensitisches Gefüge, das den Teilen eine hohe Festigkeit (über 750 N/mm²) verleiht, ohne daß es hierzu einer nachträglichen Wärmebehandlung bedarf.
  • Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
  • Es wurde ein Stahlpulver durch Wasserverdüsung einer Schmelze mit folgender Zusammensetzung (Gew-%) erzeugt:
       0,01 % C
       0,02 % Si
       0,10 % Mn
       4,0 % Ni
       0,5 % Mo
       0,020 % P
       0,010 % S
       Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
  • Nach der Wasserverdüsung wurde dieses Stahlpulver getrocknet und bei etwa 1000oC einer Reduktionsglühung in einer H₂-Atmosphäre unterzogen. Nach Abkühlung wurde das so entstandene Agglomerat feinteilig vermahlen. Der Restsauerstoffgehalt des Stahlpulvers belief sich auf etwa 0,15 %, seine Fülldichte betrug etwa 3 g/cm³.
  • Diesem Stahlpulver wurden anschließlich 0,60 % Graphitpulver und 1,0 % feinteiliges Cu sowie ca. 1 % übliches Schmiermittel zugesetzt. Nach gleichmäßiger Mischung dieser Komponenten wurden Preßlinge durch Kaltpressen in üblicher Weise erzeugt, wobei die Dichte der Preßlinge etwa 7 g/cm³ betrug.
  • Nach dem Sintern dieser Preßlinge bei etwa 1120oC ergaben sich an den Fertigteilen Maßabweichungen von weniger als +/- 0,03 % gegenüber den Preßlingsmaßen. Die Teile waren bei Abkühlung unter einer Stickstoffdusche nach dem Sintern vollständig martensitisch durchgehärtet und wiesen eine Zugfestigkeit von über 820 N/mm² bei einer Härte von ca. 400 HB.
  • Bei einem weiteren Versuch mit dieser erfindungsgemäßen Metallpulvermischung wurde eine Zweifachpreß- und -Sintertechnik mit den Temperaturstufen 800oC und 1120oC auf die Preßlinge angewendet. Dabei ergaben sich durch die beiden Sintervorgänge wiederum Maßabweichungen von jeweils weniger als 0,03 %. Die Zugfestigkeit lag bei ca. 900 N/mm², die Härte bei ca. 450 HB.
  • Die Vorteile der erfindungsgemaßen Metallpulvermischung sind insbesondere darin zu sehen, daß maßkonstante Sinterteile hergestellt werden können, die keine aufwendige mechanische, umformtechnische oder wärmetechnische Nachbehandlung nach dem Sintern mehr erfordern und wobei das Stahlpulver auf preisgünstige Weise herstellbar ist. Es ist nämlich für die gewählte Legierung der Erfindung eine Wasserverdüsung mit anschließender Reduktion unter H₂-Atmosphäre anwendbar. Eine kostenaufwendige Vakuumglühung, wie sie bei anderen fertiglegierten wasserverdüsten Metallpulvern für den gleichen Einsatzzweck notwendig ist, kann hierbei entfallen. Die preiswerte Herstellung ist darüberhinaus noch verbunden mit der Erzielung hervorragender Festigkeits- und Verschleißeigenschaften.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung hochfester Sinterteile durch Sintern von Preßlingen, die aus einem Ni-enthaltenden Stahllegierungspulver mit (in Gew.-%)
       max. 0,02 % C
       max. 0,03 % Si
       0,05 - 0,25 % Mn
       0,2 - 1,5 % Mo
       Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
    erzeugt wurden, wobei dem Stahllegierungspulver feinteiliges Cu in einer Menge von 0,1-1,5 % und Graphit in einer Menge von 0,3-0,7 % zugesetzt wurden,
    mit der Maßgabe,
    daß der Ni-Gehalt des Stahllegierungspulvers, das durch Wasserverdüsung einer Stahlschmelze erzeugt wurde, über 2,5 % bis max. 5,0 % beträgt, daß das Mengenverhältnis Cu : Graphit im Bereich 1,4 - 2,5 gehalten wird und
    daß die Sinterteile martensitisch durchgehärtet werden, indem sie ohne eine nachträgliche Wärmebehandlung nach dem Sintern an Luft oder unter einer Gasdusche abgekühlt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Ni-Gehalt im Bereich 3,0 - 4,0 % gehalten wird.
  3. Metallpulvermischung zur Verwendung in dem Verfahren nach Anspruch 1, hergestellt aus einer Ni-enthaltenden Stahllegierung mit (in Gew.-%)
       max. 0,02 % C
       max. 0,03 % Si
       0,05 - 0,25 % Mn
       0,2 - 1,5 % Mo
       Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
    mit einem Zusatz an feinteiligem Cu in einer Menge von 0,7 - 1,5 % und an Graphit in einer Menge von 0,3 - 0,7 %,
    wobei
    das durch Wasserverdüsung erzeugte Stahlpulver einen Ni-Gehalt von über 2,5 % bis max. 5,0 % aufweist und daß das Mengenverhältnis Cu : Graphit im Bereich 1,4 - 2,5 gehalten wird.
  4. Metallpulvermischung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Mn-Gehalt auf Werte von 0,10 - 0,20 eingeschränkt ist.
  5. Metallpulvermischung nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Ni-Gehalt auf 3,0 - 4,0 % eingeschränkt ist.
  6. Metallpulvermischung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Mo-Gehalt auf Werte von 0,5 - 1,0 % eingeschränkt ist.
  7. Metallpulvermischung nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Graphitzusatz auf 0,5 - 0,6 % eingeschränkt ist.
  8. Metallpulvermischung nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verhältnis Cu : Graphit bei 2 liegt.
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DE4001900A DE4001900A1 (de) 1990-01-19 1990-01-19 Metallpulvermischung
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PCT/DE1990/000751 WO1991010753A1 (de) 1990-01-19 1990-09-28 Metallpulvermischung

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EP0597832A1 EP0597832A1 (de) 1994-05-25
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