SE442486B - Sett att pulvermetallurgiskt framstella snabbstalsprodukter - Google Patents

Description

20 25 30 35 8402752-3 Metal Powder Report, 38 (April, 1983) P.M. Methods for the Production of High Speed Steels; Powdrex' pulverprocess som beskrivs i Preci- sion Tool Maker, March 1983, Current Developments in P.M. High Speed Steel; och den s k HTMrprocessen som också beskrivs i Metal Powder Report, 38 (April, 1983), Full Density NNS P.M. Part via the HTM Process. En liknande process (Edgar Allen) beskrivs i Proceedings of the 10th Plansee-Seminar 1981, Vol. 2, Cutting Properties of Directly Sintered HSS Tools. Eventuella framgångar med produkter tillverkade på något av dessa sätt kan hänföras till applikationer där i första hand nötningsmotståndet är en viktig egenskap. Ett exempel på denna typ av applikation är dieselpumpkannringar. För flertalet andra applikationer och främst då skärande bearbetning av stål och metall, är segheten hos sintrat snabbstål dock ej tillräckligt hög för an- vändning i professionella sammanhang.

Om en tät eller nära tät produkt (större än 99,9 Z relativ densitet) utan strukturförgrovning eftersträvas, krävs sintring vid förhållande- vis låg temperatur av ett finkornigt utgångspulver. Vidare krävs en från sintringssynpunkt väl avvägd halt av kol i förhållande till halten av legeringselement. För fullständig täthet krävs vidare att produkterna pressas varmisostatiskt. I exempelvis DE-OS 31 38 669 beskrivs en metod som uppfyller dessa kriterier.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att erbjuda en förbättrad teknik av det slag som.anges i ingressen. Som utgångsmaterial kan användas såväl vattenatomiserat pulver, som är pressbart men innehåller hög syre- halt, 300-2000 ppm, och som därför måste reduceras, som gasatomiserat sfäriskt pulver, vilket innehåller låg syrehalt, 30-200 ppm, men som ej är pressbart utan kraftig mekanisk sönderdelning av de sfäriska kornen. I båda fallen är kornstorleken hos pulvren mycket för stor för att tillåta tätsintring utan strukturförgrovning, varför i båda fallen en mekanisk sönderdelning av kornen är nödvändig. Uppfinningen innebär en förbättring av den metod som beskrivs i nämnda DE-QS 31 38 669. Uppfinningen kännetecknas härvid av följande steg: Uti 10 15 20 25 30 35 8402752-3 a) att ett utgångspulver av snabbstål mjukglödgas i en första glödg- ningsoperation i icke oxiderande miljö, b) att det mjukglödgade pulvret fragmenteras mekaniskt, c) att det fragmenterade pulvret glödgas i stålets austenitíska om- råde i en andra glödgningsoperation i icke oxiderande miljö i syfte att förbättra det fragmenterade pulvrets pressbarhet genom hårdhets- sänkning samt genom bildning av aggregat av fragnenterade partiklar, varvid med pressbarhet förstås förmåga hos pulvret att bilda en hanteringsbar pulverkropp, sk råpresskropp, d) att det i nämnda andra glödgningsoperation glödgade och aggre- gerade pulvret blandas med grafit av hög renhet om pulvrets kol/syre- balans så kräver och pressas mekaniskt i verktyg till en råpresskropp med önskad produktform, e) att råpresskroppen sintras i icke oxiderande miljö till dess kommu- nicerande porositet i råpresskroppen har eliminerats, och f) att den síntrade kroppen varmisostatiskt kompakteras till full tät- het.

Mjukglödgningen av pulvret före fragmenteringen utförs lämpligen i vakuum i stålets ferritiska eller austenitiska område. Fragmente- ringen utförs lämpligen genom våtmalning av pulvret med en malvätska som innehåller max 0.1 Z H20. Malvätskan utgörs av en eller flera organiska lösningsmedel. Malningen utförs vidare lämpligen i en kvarn som är infodrad med snabbstål.

Utförda försök har visat att det fragmenterade pulvret bör glödgas i åtminstone två steg, nämligen ett första steg vid en temperatur mellan 850 och 95000 och ett andra steg vid en temperatur som är 75- 25000 lägre än temperaturen i det första steget. Å andra sidan bör glödgningen i det andra steget pågå under en tidsperiod som är 2-20 gånger längre än i det första steget. Vid behov rivs det fragmenta- rade och glödgade pulvret, dvs om det vid glödgningen sintrat samman till större agglomerat, innan det pressas till en råpresskropp. Denna pressning utförs i verktyg under ett tryck som lämpligen uppgår till mellan 300 och 700 MPa, lämpligen vid 400-600 MPa. Före pressningen kan tillsättas ett pressmedel till pulvret i en halt av mellan 0,1 ,,_,.....,;m.. ._ 10 15 20 25 30 35 8402752-5 och 0,5 Z. Sintringen av råpresskroppen före den avslutande varm- isostatiska kompakteringen kan, beroende på vald kemisk sammansätt- ning, utföras vid en temperatur mellan 1150 och 1250oC. Vid de före- trädesvis valda sammansättningarna utförs sintringen lämpligen vid en temperatur av mellan 1180 och 1220°C.

Ytterligare kännetecken på samt fördelar med uppfinningen kommer att framgå av följande beskrivning av utförda försök samt uppnådda re- sultat.

KORT FIGURBESKRIVNING I följande beskrivning av utförda försök och uppnådda resultat kommer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka Fig. 1 grafiskt illustrerar hur pulvrets kemiska samansättning ändras under malningen på grund av upptagning av legerings- element från kvarninfodringen, Fig. 2 grafiskt visar partikelstorleksfördelningen hos några pulver, Fig. 3 visar temperaturkurvor för mjukglödgning och síntring, och Fig. 4 grafiskt visar sinterkropparnas densitet som funktion av sintringstemperatur och presstryck vid sintringen.

BESKRIVNING Av UTFÖRDA FöRsöK Vid försöken användes gasatomiserat pulver av två kommersiella snabb- stålskvaliteter, nämligen ASP®23 och ASP®30. Dessa stål har följande nominella sammansättning.

TABELL 1 Ståltyp C Si Mn Cr Mo W V Co As1=°°23 1,21 o,s 0,3 4,2 5,0 6,4 3,1 ¿sp®3o 1,27 0,5 0,3 4;2 5,0 6,4 3,1 8,5 10 15 20 25 30 35 8402752-3 För att göra det sfäriska pulvret dels pressbart och dels snabb- sintrande sönderdelades pulvret genom våtmalning. Kvarnarna var hårdmetallinfodrade och även malkropparna var av hårdmetall. Som malvätskor provades etanol och diklormetan. Av dessa båda vätskor är etanol att föredraga, då den är billig och föga giftig och ger ungefär samma nedmalningshastíghet som dyrare och giftigare diklormetan. Det är emellertid viktigt att etanolen från början innehåller så lite vatten som möjligt, lämpligen högst ca 0,1 Z vatten. Kvarnen fylldes genom att man först tillsatte pulver och malkroppar och därefter malvätska, så att ett minimum av luft blev kvar under locket. Locket tätades mot kvarnen med 0-ring av gumi.

Under arbetet med olika malvätskor gjordes ett antal iakttagelser med avseende på oxidationen. Av dessa iakttagelser kunde man dra den slutsatsen att man skall använda en vattenfri malvätska, helst med låg vattenlöslighet, och att ett kolväte bör vara en idealisk mal- vätska.

Det obehandlade snabbstålspulvret slet kraftigt på kvarnens infod- ring. Då denna liksom malkropparna bestod av hårdmetall, innebar detta att halten av wolfram i snabbstålspulvret kontinuerligt ökade under malningen, vilket illustreras i Fig. 1. Vid malning av ASP®23 var även en ökning av kobolthalten tydlig. Kolhalten ökade också.

I vissa fall glödgades pulvret före malningen. Detta representeras av de heldragna kurvorna i Fig. 1, medan de streckade kurvorna represen- terar icke mjukglödgat pulver. Malvätskan utgjordes av etanol. Genom att införa den extra mjukglödgningenföre malningen kunde följande fördelar uppnås: Pulvret blev pressbart, kvarnslitaget blev lågt eller inget, sönderdelningshastigheten blev högre och man gjorde det möjligt att utnyttja kvarnar infodrade med snabbstål i stället för hårdmetall.

Mjukglödgningseffekten framgår även av de resultat som redovisas i Tabell 2. De båda ståltyperna antages vara så lika varandra att skill~ naden ej påverkar resultatet. 10 15 20 25 30 35 8402752-3 6 TABELL 2 Pulver Ståltyp Malnings- Glödgning Medelkorn- Press- nr tid, tim före malníng storlek (um) bart cymon As1>®3o o - 45 . 6 Nej 1 Asx=®3o 192 Nej 14.4 Nej z Asv®zs 240 Nej N15 Nej 3 AsP®23 240 Ja 9 _ 7 Ja 4 As1=®3o 148 Ja ~1 5 Ja Fig. 2 visar partikelstorleksfördelningen hos utgångspulvret (sk. cyklonpulver, vilket är en finkornig restprodukt från gasatomiseríng av snabbstålspulver) samt pulver nr 1 och 3. Pulvrens karakteristika framgår även av följande Tabell 3.

TABELL 3- Pulver CS MV PH PM PS CS = Beräknad yta 102, soz 902. mv = Medelvärde (dia- tYP m2/Cm3 um um um um meter) cy1<1°n .287 45.6 >99.6 >3s.a >9.s PH = öv" gräns 1 .sso 14.4 >z4.2 >13.2 >5.4 PM = Meàíanväráe 3 .844 9.7 >1s.e > 8.6 >3.s PS = Um” gräns Efter malningen mjukglödgades pulvret. All mjukglödgning, dvs även den som utfördes före malníngen, utfördes under vakuum. Lägsta hård- het uppnåddes med austenitísk, isotermisk värmebehandling: 85006/1 h + 75000/10 h. Temperaturkurvans förlopp vid glödgning och sintríng framgår av Fig. 3. Syftet med glödgningen efter malningen är att förbättra pressbarheten genom hårdhetssänkning samt genom att skapa pulveraggregat. Det senare kunde åstadkomas genöm att man höjde I austenitiseringstemperaturen från 850 till 90000. Bildningen av dessa aggregat är viktig från pulverpressningssynpunkt för att pulvret skall flyta på önskat sätt under hanteringen.

I dessa fall har ingen grafittillsats gjorts till pulvret. Orsaken till detta är utgångspulvrets låga syrehalt (ca 200 ppm) samt måttlig 15 20 25 30 35 8402752-3 ökning av syrehalten under malningen. Vid användning av vattenato- miserade pulver eller andra typer av pulver med hög utgångshalt av syre, vid användning av vattenhaltig malvätska eller vid malning i otät kvarn bör grafit tillsättes. Mängden grafit, som i dessa fall måste tillsättes, beräknas stökiometriskt utgående från pulvrets kol- och syrehalter. Blandning av grafit och snabbstålspulver kan ske genom torrmalning under ca 30 min.

Av det malda och glödgade pulvret framställdes pressade pulverkrop- par, dels i form av låga cylindrar och dels större avlånga plattor.

Vid pressningen av cylindrarna användes 0,3 Z pressmedel, som ut- gjordes av Kamfer eller Sterotex (handelsnamn). Plattorna pressades däremot utan pressmedel. Vid den därefter följande sintringen av råpresskropparna sker en materialtransport, som strävar efter att minska pulvrets sammanlagda yta och därmed också pulverkroppens porosítet. Detta kan ske genom diffusion utmed ytor och korngränser, varvid den drivande kraften är ytspänningen. Låg temperatur ger låg sintringshastighet och hög halt av restporositet. Vid hög halt av restporositet kan även öppen porositet förekomma, som ej kan eli- mineras genom varmisostatisk kompaktering. Hög temperatur under sintringen kan å andra sidan medföra strukturförgrovning genom kar- bidtillväxt eller uppsmältning. Genom val av finkornigt pulver och en avslutande varmpressning kan man emellertid välja en sintríngstem- peratur, beroende på önskemål och struktur och krav på ytegenskaper, tämligen fritt inom ett ca 50°C brett intervall.

Bättre resultat med avseende på restporositet och karbidstruktur kan uppnås om sintríngstiden ökas på temperaturens bekostnad. I den föreliggande undersökningen har valts att redovisa resultat från sintringar inom temperaturintervallet 1180-1220°C. Enstaka försök visar dock att åtminstone de finkorniga pulvren kan pressas varm- isostatiskt efter sintring vid ca 115000, vilket leder till en fin karbidstruktur efter härdning. Ökat presstryck leder till kortare diffusionsavstånd och lägre halt utgångsporositet. Detta medför att högt presstryck är fördelaktigt 20 8402752-3 från sintringssynpunkt. Emellertid medför ett högt presstryck också ökat verktygsslitage. Presstrycket 600 Mæa kan betraktas som en acceptabel kompromiss. Fig. 4 visar hur den sintrade kroppens den- sitet varierar med sintringstemperatur och presstryck.

Den sintrade kroppens densitet beror på pulvertlpen (kemisk samman- sättning och form), sintringstemperatur och -tid, råpresskroppens densitet (presstryck, smörjmedel, höjd-/längdförhållande) samt 'atmosfären vid sintringen (gastryck, gasens sammansättning).

Fig. 4 visar att pulver 4 sintrar till en given densitet inom områ- det 7,5-7,9 g/cm3 snabbare än pulver 1. Detta tolkas som en effekt av olika kolhalt, 1,30 resp 1,13 Z. Denna skillnad i kolhalt kan även noteras efter malningen, 1,7 resp 1,5 Z.

Slutligen pressades sinterkropparna varmisostatiskt, vilket utfördes vid 1150°C/1 h med argongas vid 100 Ma. Densiteten hos det varmr isostatískt pressade materialet visade liten variation med sintrings- temperaturen inom området 1180-122006. Detta tyder på att eventuellt förekomande porer varit slutna. Resultaten redovisas i Tabell 4, varvid framgångsrik varmpressning har markerats med * i tabellen. . _-._____.__...._....__..___ _ 8402752-3 9 TABELL 4 Prov Pulver Smörjmedel Press- Sintr. Densitet g/cmg Form” nr typ K=Kamf er tryck temp Råpres s- S intrad Varmí sol- C=Cy1 índer S=Sterotex MPa OC kropp kropp statisk P=P1atta kropp 71 1 s 400 1160 6,97 7,14 2 " " 600 " 5,70 7,20 *s,21 3 " K 400 1193 7,19 7,51 " 4 " " 600 " 5,70 7,45 66,18 " 5 " S 800 1200 7,92 - " 6 " " 400 1210 7,56 68,18 " 7 " " 600 " 5,70 7,78 *8,21 " 8 " " 400 1220 7 , 78 *8 , 15 " 9 " " 600 " 8,03 - " 10 " " 800 " 8,04 - " 11 " K " " 6,04 7,67 *8,19 " 12 “ " " " 6,01 7,56 *s,22 " '13 3 K 600 1178 5,67 6,92 7,25 " 14 " " " 1190 5,65 7,59 *7,58 " 15 " - 400 1193 7,74 - P 16 " K 600 1200 7,78 417,85 C 17 " - 400 1201 7,81 - P 18 " - " " 7,78 - " 19 " - " " 7,81 ~ " 20 " - " " 7,09 - " 21 " K 600 1210 5,61 7,92 *7,93 22 4 K 600 1178 5,60 7,66 *7,91 C 23 " " " 1190 5,76 7,73 *7_,84 " 24 " " " 1200 5,83 7,90 *7,96 “ 25 " " 400 1207 4,87 7,89 ~' P 26 " - " 1213 4,67 7,09 - " 27 " K 600 1210 5,49 7,82 *7,84 C 28 " - " 1217 4,94 7,64 - P 29 " K 600 1220 7,62 *s,21 c 30 " - 400 1222 4,87 7,91 -' P 1) Cylinder = diameter 30 nun, höjd 4 zum.

Platta = längd 120 mm, bredd 20 mm, höjd 6-8 mm.

Claims (10)

10 20 25 3Û 35 8402752-3 10 PATENTKRAV

1. Sätt att pulvermetallurgiskt framställa snabbstålsprodukter, vilkas form nära ansluter sig till produktens önskade slutliga form, dvs framställning genom s k nära-färdig-form-teknik, k ä n n e - t e c k n a ti av a) att ett utgångspulver av snabbstål mjukglödgas i en första glödg- ningsoperation i icke oxiderande miljö, b) att det mfiukglödgade pulvret fragmenteras mekaniskt, c) att det fragmenterade pulvret glödgas i stålets austenitiska område i en andra glödgningsoperation i icke oxiderande miljö i syfte att förbättra det fragmenterade pulvrets pressbarhet genom hård- hetssänkning samt genom.bildning av aggregat av fragmenterade par- tiklar, varvid med pressbarhet förstås förmåga hos pulvret att bilda en hanteringsbar pulverkropp, s k råpresskropp, d) att det i nämnda andra glödgningsoperation glödgade och aggrege- 'rade pulvret pressas mekaniskt i verktyg till en råpresskropp med önskad produktform, e) att råpresskroppen sintras i icke oxiderande miljö till dess kommunicerande porositet i råpresskroppen har eliminerats, och f) att den sintrade kroppen varmisostatískt kompakteras till full täthet .

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att mjukglödg- ningen av pulvret före fragmenteringen utförs i vakuum.

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att fragmenta- ringen utförs genom våtmalning av pulvret med en malvätska som inne- håller max 0,1 Z H20.

4. Sätt enligt krav 3, k ä n n e.t e c k n a t av att malvätskan utgörs av åtminstone ett organiskt lösningsmedel.

5. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att malningen utförs i en kvarn som är infodrad med snabbstål.

6. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att glödgningen av 10 15 20 8402752-3 11 det fragmenterade pulvret sker i åtminstone två steg; ett första steg vid en temperatur mellan 850 och 95000 och ett andra steg vid en temperatur som är 75-25000 lägre än temperaturen i det första steget men under 2-20 gånger längre tid än i det första steget.

7. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det fragmen- terade pulvret vid behov rivs, dvs om det vid glödgningen sintrat samman till större agglomerat, samt pressas till en råpresskropp i verktyg under ett tryck av 300-700 MPa, lämpligen 400-600 MPa.

8. Sätt enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att man före pressningen tillsätter ett pressmedel till pulvret i en halt av mellan 0,1 och 0,5 Z.

9. Sätt enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att man före press- ningen tillsätter grafit till pulvret i en halt som stökiometriskt bestäms av pulvrets kol- och syrehalter.

10. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att sintringen utförs vid en temperatur mellan 1150 och 125000, lämpligen mellan 1180 och 12zo°c.