WO1987000207A1 - Sintered alloys based on high-speed steels - Google Patents

Sintered alloys based on high-speed steels Download PDF

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    • C22C33/0207—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy
    • C22C33/0214—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy comprising P or a phosphorus compound

Definitions

  • the invention is based on sintered alloys according to the type of the main claim.
  • Sintered high-speed steels are characterized by high hardness, very good wear behavior and satisfactory toughness.
  • Powder metallurgical processes for the production of objects from such steels ensure very high material utilization and low energy consumption. Nevertheless, they have so far only been used essentially in the area of highly stressed cutting tools, but they have not yet been able to establish themselves as wear parts in machine and vehicle construction because the powder prices are high, the sintering of the material is time-consuming and requires special vacuum ovens and the dimensional accuracy of the sintered parts is unsatisfactory, so that expensive mechanical post-processing is usually necessary.
  • the sintered alloys according to the invention with the characterizing features of the main claim have the advantage that they can be sintered in normal furnaces under protective gases without the shrinkage occurring in pure high-speed steels. Temperature deviations from the target value during sintering in a protective gas furnace, which are known to lead to strong dimensional variations of the molded parts in pure high-speed steel powders, are practically insignificant. In contrast to pure high-speed steels, these mixed materials are deliberately not optimized for full density, but rather for processability that is as accurate as possible. The properties of these combination steels can be improved in a similar way to pure high-speed steels by heat treatment corresponding to high-speed steels without their dimensional stability being impaired.
  • Another advantage is that by replacing part of the high-speed steel powder with cheaper iron powder, up to 40% of the powder costs can be saved. It has already been indicated above that the hardness, wear and bending strength values of the pure high-speed steels are not achieved by these combination materials - if only because of the pores present - but the values of the case-hardened normal sintered steels are exceeded. Due to the presence of the pores, the use of the sintered steels according to the invention is particularly advantageous where hard and wear-resistant surfaces with pores are required to absorb lubricants.
  • Sintered alloys made from 65% by weight of a powder of high-speed steel of type S 65.2 with approximately 0.9% C; 6.3% W; 5.2% Mo; 4.2% Cr; 1.9% V; Balance Fe and 35% by weight of a phosphorus-alloyed iron powder with 0.45% P; 1.5 - 2% Si, rest Fe, because they have particularly good hardness and wear properties and can also be sintered in a very dimensionally stable manner.
  • the component added to the high-speed steel powder in contrast to this, does not form a liquid phase, it acts here as a supporting structure which counteracts the tendency of the high-speed steel powder to shrink. Only when the high-speed steel powder is above 50% does the liquid phase former begin to prevail, which means that the material shrinks.
  • the components are mixed thoroughly and then compressed under pressures of 600 to 800 MN / m 2 and sintered in chamber furnaces under pure hydrogen or nitrogen / hydrogen mixed gases at 1 250 ° C. for one hour.
  • the shrinkage during sintering is included less than 0.2%. If the workpieces are quenched from a temperature of 1,190 ° C and tempered twice for 6 ⁇ min at 550 ° C, hardnesses between 500 and 575 HV3 are achieved.
  • the bending strength is 1,500 to 1,800 N / mm 2 .
  • An example of such a mixture is a mixture consisting of 65% of the above high-speed steel powder and 35% of an iron-silicon-phosphor powder material with 2% Si and 0.45% P, which was processed in the same way as this has been described above.
  • the shrinkage during sintering is less than 0.2%
  • the hardness HV3 after sintering is between 550 and 600 and after heat treatment between 650 and 750.
  • the bending strength is between 850 and 900 N / mm 2 lower than for the previously described mixtures.
  • the iron-silicon-phosphorus alloy mentioned is described in more detail in DE-PS 27 08 916.

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Description

Sinterlegierungen auf der Basis von Schnellarbeitsstählen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von Sinterlegierungen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Gesinterte Schnellarbeitsstähle zeichnen sich durch hohe Härten, sehr gutes Verschleißverhalten und befriedigende Zähigkeit aus. Pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus solchen Stählen gewährleisten eine sehr hohe Materialausnutzung und einen geringen Energieverbrauch. Trotzdem werden sie bisher im wesentlichen nur im Bereich hochbeanspruchter Schneidwerkzeuge eingesetzt, als Verschleißteile im Maschinen- und Fahrzeugbau konnten sie sich jedoch noch nicht durchsetzen, da die Pulverpreise hoch sind, die Sinterung der Werkstoff zeitaufwendig ist und spezielle Vakuumöfen erfordert und die Maßgenauigkeit der gesinterten Teile unbefriedigend ist, so daß meist eine teure mechanische Nachbearbeitung notwendig ist. Bei den genannten Verschleißteilen im Maschinen- und Fahrzeugbau kommt es oft weniger auf die Ausschöpfung der Verschleißeigenschaften der reinen Schnellstähle bis an die Grenze an, hier ist die Maßhaltigkeit der aus dem Werkstoff hergestellten Teile ein gewichtigeres Argument, solange derartige Sinterstähle mehr Sicherheit bieten als die einsatzgehärteten normalen Sinterstähle. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Sinterlegierungen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs haben demgegenüber den Vorteil, daß sie in normalen Öfen unter Schutzgasen ohne die bei reinen Schnellarbeitsstählen auftretende Schrumpfung gesintert werden können. Dabei sind Temperaturabweichungen vom Sollwert bei der Sinterung im Schutzgasofen, die bei reinen Schnellarbeitsstahl-Pulvern bekanntlich zu starken Maßstreuungen der Formteile führen, praktisch bedeutungslos. Diese Mischwerkstoffe werden im Gegensatz zu den reinen Schnellarbeitsstählen absichtlich nicht auf volle Dichte, sondern auf eine möglichst maßgenaue Verarbeitbarkeit hin optimiert. Durch eine den Schnellstählen entsprechende Wärmebehandlung lassen sich die Eigenschaften dieser Kombinationsstähle ähnlich wie bei den reinen Schnellstählen verbessern, ohne daß ihre Maßhaltigkeit verschlechtert wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch den Ersatz eines Teiles des Schnellarbeitsstahl-Pulvers durch billigere Eisenpulver bis zu 40 % der Pulverkosten eingespart werden können. Es wurde oben schon angedeutet, daß die Härte-, Verschleißund Biegefestigkeitswerte der reinen Schnellarbeitsstähle von diesen Kombinationswerkstoffen - schon allein wegen der vorhandenen Poren - zwar nicht erreicht, die Werte der einsatzgehärteten normalen Sinterstähle dagegen übertroffen werden. Durch die Anwesenheit der Poren ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Sinterstähle gerade auch dort vorteilhaft, wo harte und verschleißfeste Oberflächen mit Poren zur Aufnahme von Schmierstoffen gefordert sind.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Sinterlegierungen möglich. Besonders vorteilhaft sind Sinterlegierungen, die aus 65 Gew.-% eines Pulvers eines Schnellarbeitsstahles des Typs S 65.2 mit ca. 0,9 % C; 6,3 % W; 5,2 % Mo; 4,2 % Cr; 1,9 % V; Rest Fe und 35 Gew.-% eines phosphorlegierten Eisenpulvers mit 0,45 % P; 1,5 - 2 % Si, Rest Fe bestehen, da diese besonders gute Härte- und Verschleißeigenschaften aufweisen und zudem sehr formstabil gesintert werden können.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Unter zahlreichen möglichen Mischsystemen bieten sich aufgrund der niedrigen Pulverpreise, des günstigen Verhaltens beim Sintern sowie der hohen Härte- und Verschleißwerte Mischungen aus dem Schnellarbeitsstahl-Pulvertyp M2 entsprechend S 6.5.2 mit 0,9 % C; 6,3 % W; 5,2 % Mo; 4,2 % Cr; 1,9 % V; Rest Fe (alle Prozentangaben sind Masse-%) mit ca. 50 Masse-% Reineisenpulver und 0,15 % Kohlenstoffpulver oder 50 % eines diffusionslegierten Eisenpulvers mit 1,5 % Cu; 4 % Ni und 0,5 % Mo und 0,2 % Kohlenstoffpulver. Die geringen Kohlenstoffzusätze verbessern dabei sowohl das Verhalten beim Sintern wie die Eigenschaftswerte. Diese Werkstoffe lassen sich mit Dichten um 7,0 g/cm3 herstellen.
Bei diesen Mischungen bildet die zu dem Schnellarbeitsstahl-Pulver zugegebene Komponente im Gegensatz zu dieser keine Flüssigphase, sie wirkt hier als stützendes Gerüst, das dem Schwindungsbestreben des Schnellstahl-Pulvers entgegenwirkt. Erst bei Gehalten des SchnellarbeitsstahlPulvers von über 50 % beginnt sich der Flüssigphasenbildner durchzusetzen, was zur Folge hat, daß der Werkstoff schwindet.
Zur Herstellung der Formteile werden die Komponenten gründlich gemischt und dann unter Preßdrücken von 600 bis 800 MN/m2 verdichtet und in Kammeröfen unter reinem Wasserstoff oder Stickstoff/Wasserstoff-Mischgasen bei 1 250 °C eine Stunde lang gesintert. Die Schwindung beim Sintern liegt bei weniger als 0,2 % . Werden die Werkstücke von einer Temperatur von 1 190 °C abgeschreckt und zweimal 6θ min bei 550 °C angelassen, werden Härten zwischen 500 und 575 HV3 erreicht. Die Biegefestigkeit liegt bei 1 500 bis 1 800 N/mm2.
Mischungen von Schnellarbeitsstahl-Pulvern mit phosphor/ silicium-legiertem Eisenpulver verhalten sich beim Sintern dagegen anders: Ausgehend vom Wert des reinen phosphor/ siliciumlegierten Werkstoffes nimmt die Dichte mit steigendem Schnellarbeitsstahl-Gehalt bis unter die Werte des ungesinterten Materials ab und beginnt erst bei höheren Schnellarbeitsstahl-Gehalten wieder zuzunehmen. Dieses Verhalten war zunächst nicht zu erwarten, da beide Mischpartner Flüssigphasenbildner sind und deshalb auch als Mischungen eine Dichtezunahme beim Sintern zeigen müßten. Es zeigte sich jedoch, daß diese Werkstoffe sich mit einer nur geringen Schwindung, das heißt praktisch maßgenau verarbeiten lassen. Ein Beispiel für eine solche Mischung ist eine aus 65 % des obengenannten Schnellarbeitsstahl-Pulvers und 35 % eines Eisen-Silicium-Phosphor-PulverWerkstoffes mit 2 % Si und 0,45 % P bestehende Mischung, die in der gleichen Weise verarbeitet wurde, wie dies oben beschrieben wurde. Die Schwindung beim Sintern liegt auch hier bei kleiner 0,2 % , die Härte HV3 nach der Sinterung bei 550 bis 600 und nach der Wärmeb'ehandlung bei 650 bis 750. Die Biegefestigkeit liegt mit 850 bis 900 N/mm2 niedriger als bei den zuvor beschriebenen Mischungen. Die genannte Eisen-Silicium-Phosphor-Legierung ist in der DE-PS 27 08 916 näher beschrieben.

Claims

Ansprüche
1. Sinterlegierungen auf der Basis von Schnellarbeitsstählen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Mischung eines Pulvers eines Schnellarbeitsstahles und eines unlegierten oder niedrig legierten Eisenpulvers bestehen.
2. Sinterlegierungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Mischung eines Pulvers eines Schnellarbeitsstahles und eines keine Flüssigphasen bildenden, unlegierten oder niedrig legierten Eisenpulvers bestehen.
3. Sinterlegierungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das unlegierte oder niedrig legierte Eisenpulver 0,1 bis 0,5 % C enthält und der Schnellarbeitsstahl einen Gewichtsanteil von maximal 50 % ausmacht.
4. Sinterlegierungen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das unlegierte oder niedrig legierte Eisenpulver aus einem Reineisenpulver oder einem diffusionslegierten Eisenpulver mit 1,5 % Cu, 4 % Ni und 0,5 %. Mo besteht.
5. Sinterlegierungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Mischung eines Pulvers eines Schnellarbeitsstahles und eines Flüssigphasen bildenden, legierten Eisenpulvers besteht.
6. Sinterlegierungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigphasen bildende legierte Eisenpulver ein phosphorlegiertes Eisenpulver ist.
7. Sinterlegierungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das phosphorlegierte Eisenpulver aus 0,45 % P;
2 % Si; Rest Fe besteht.
8. Sinterlegierungen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 65 % eines Pulvers eines Schnellarbeitsstahles mit 0,9 % C; 6,3 % W; 5,2 % Mo; 4,2 % Cr; 1,9 % V; Rest Fe und 35 % des phosphorlegierten Eisenpulvers mit 0,45 % P; 2 % Si; Rest Fe bestehen (alle Prozentangaben in Masse-%).
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