WO1992021783A1 - Metallbasiswerkstoff, formkörper und verfahren zu seiner herstellung sowie verwendung - Google Patents

Metallbasiswerkstoff, formkörper und verfahren zu seiner herstellung sowie verwendung Download PDF

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Bernd MÄRTNER
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Krupp Widia Gmbh
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0292—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with more than 5% preformed carbides, nitrides or borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
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    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0052—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
    • C22C32/0057—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides based on B4C

Definitions

  • the invention relates to a metal-based material produced by powder metallurgy with joint grinding of the starting components by sintering, hot pressing, sintering with separate hot isostatic post-compression and a combined sintering / HIP treatment, a shaped body consisting of this metal base material and one to the same Manufacturing suitable method and its use.
  • the metal base material set forth in the claim which according to the invention contains 10 to 80 mass% iron, 4 to 15 mass% boron carbide and 10 to 80 mass% chromium.
  • forces and temperatures acting on the body surface are advantageously used to produce a very hard and fine-grained surface layer with the aid of the bound and dissolved boron carbide grains, which are composed of finely divided metal carbides, metal borides, metal carboborides and very small residual boron carbide particles stands.
  • This layer advantageously forms again and again due to the formation of a mechanical alloy during abrasive wear.
  • the metal base material can also contain 0.1 to 3% by mass of titanium and / or 0.1 to 9% by mass of silicon are added, which improves the mechanical characteristics of the end product, in particular in the case of starting powders rich in oxygen.
  • the titanium and / or silicon content is preferably 1 to 2% by mass.
  • the object according to the invention is further achieved by the shaped body described in claim 5, which has a 30 to 150 ⁇ m thick wear protection layer of a higher hardness than that of the core body, which arises exclusively from the action of a wear load and which is subject to continuous wear of the Shaped body continuously in its surface edge zones, while the core body remains unchanged.
  • the toughness of the core body is retained, since in contrast to the edge zone there are only a few hard areas.
  • the bending strength of the molded body reaches values between 1200 and 1900 MPa.
  • the core body preferably has a microhardness between 500 to 900 HV 0.05 and the wear protection layer has a microhardness between 2000 to 3000 HV 0.05.
  • the metal base material or the molded body consisting of it is produced by the method described in claim 7.
  • iron powder with a grain size of up to 500 t ⁇ m, boron carbide powder with crystallite sizes between 10 and 80 A.m are mixed with the other constituents, the mixture is ground with an anhydrous grinding liquid for at least 5 h, dried, sieved and in a subsequent hot press under vacuum or in an inert gas atmosphere at 1100 to 1200 ° C and a pressure between 1 to 3 kN / cm 2 or subjected to sintering at temperatures between 1150 and 1200 ° C with subsequent hot isostatic pressing.
  • the boron carbide Particles "hammered" into the softer particles or the softer alloy components are "plated” onto the harder ones.
  • Hexane, heptane, gasoline and / or tetralin are used.
  • the milling is carried out in a ball mill.
  • the ground mixture is preferably sieved using a sieve with a mesh size of 100 am.
  • An inert gas such as argon is preferably used as the inert gas in hot pressing.
  • the materials or moldings according to the invention are outstandingly suitable as wear-resistant bodies during transport, for processing or processing mineral goods and as machine components, in particular for the automotive industry and agriculture. Furthermore, the materials according to the invention can also be used for cutting tools.
  • composition was present in concrete exemplary embodiments: (data in each case in mass%)
  • compositions according to Examples 1 to 3 above were mixed, ground with a grinding liquid for 5 hours, then dried and sieved.
  • the average grain size after sieving was 0.02 mm, the largest grains having values of up to 0.1 mm.
  • the final hot pressing was carried out at a temperature of 1100 ° C., the holding time at this temperature was between 10 and 20 minutes.
  • the final density of the moldings produced in this way was at least 95%.
  • the boron carbide particles were dissolved; the protective layer containing boron carbide, on the other hand, only forms in the event of abrasive surface wear due to "mechanical alloy formation".

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Abstract

Zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften wird vorgeschlagen, in einen Metallbasiswerkstoff Borcarbid einzubringen, wobei sich bei abrasiver Beanspruchung in den oberflächennahen Randzonen eine Verschleißschutzschicht aufbaut und stets erneuert, die aus feinverteilten Metallcarbiden, -boriden, -carboboriden und kleinen Borcarbidrestteilchen besteht.

Description

Beschreibung
Metallbasiswerkstoff, Formkörper und Verfahren zu seiner Her¬ stellung sowie Verwendung
Die Erfindung betrifft einen auf pulvermetallurgischem Weg mit gemeinsamem Mahlen der Ausgangsbestandteile durch Sintern, Heißpressen, Sintern mit getrennter heißisostatischer Nachver¬ dichtung sowie einer kombinierten Sinter-/HIP-Behandlung herge¬ stellten Metallbasiswerkstoff, einen aus diesem Metallbasis¬ werkstoff bestehenden Formkörper und ein zu seiner Herstellung geeignetes Verfahren sowie seine Verwendung.
Verschleiß, insbesondere durch Abrasion hervorgerufene Schädi¬ gungen führen zu bedeutenden wirtschaftlichen Verlusten. Aus diesem Grund sind eine Vielzahl mehr oder weniger verschleißfe¬ ster Werkstoffe entwickelt worden. Die nach dem Stand der Tech¬ nik bekannten Vorschläge gehen in zwei Richtungen:
1. Die Herstellung eines verschleißbeständigen Massivwerkstof¬ fes mit isotroper Zusammensetzung und gleichen Eigenschaften über den gesamten Querschnitt
2.Die Herstellung einer oder mehrerer Verschleißschutzschichten auf einem relativ zähen und weichen Kernmaterial.
Während die zu der 1. Gruppe zählenden Werkstoffe über eine meist geringe Zähigkeit verfügen oder aber teure Legierungs¬ elemente wie Wolfram und Cobalt, verbunden mit aufwendigen Produktionstechnologien verwendet werden müssen, ergeben sich für die zu der 2. Gruppe zählenden Werkstoffe häufig Schwierig¬ keiten infolge der auftretenden Kräfte und Temperaturen beim Verschleißprozeß hinsichtlich der Haftung zwischen der Ver¬ schleißschutzschicht und dem Kernwerkstoff sowie als Hauptpro¬ blem, daß nach dem Abtragen der relativ dünnen Veschleißschutz- schicht(en) eine meist irreversible Schädigung des Kernkörpers erfolgt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Metall¬ basiswerkstoff und einen For kδrper anzugeben, die preisgünstig ohne großen Herstellungsaufwand zu erhalten sind und die eine gute Verschleißfestigkeit aufweisen.
Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geeigne¬ tes Herstellungsverfahren sowie eine bevorzugte Verwendung des Metallbasiswerkstoffes bzw. eines hieraus gefertigten Formkör¬ pers anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch angegenen Metallbasis¬ werkstoff gelöst, der erfindungsgemäß 10 bis 80 Massen % Eisen, 4 bis 15 Massen % Borcarbid und 10 bis 80 Massen % Chrom enthält. Vorteilhafterweise werden beim abrasiven Verschleiß an der Körperoberfläche wirkende Kräfte und Temperaturen dazu ge¬ nutzt, um mit Hilfe der eingebundenen und angelösten Borcarbid- körner eine sehr harte und feinkörnige Oberflächenschicht zu erzeugen, die aus feinverteilten Metallcarbiden, Metallboriden, Metallcarboboriden und sehr kleinen Borcarbidrestteilchen be¬ steht. Diese Schicht bildet sich vorteilhafterweise infolge ei¬ ner mechanischen Legierungsbildung beim abrasiven Verschleiß immer wieder neu aus.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Metallbasiswerkstoffes sind in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.
So werden bevorzugt 50 bis 70 Massen % Eisen, 4 bis 10 Massen % Borcarbid und 20 bis 40 Massen % Chrom verwendet. Dem Metall¬ basiswerkstoff können auch 0,1 bis 3 Massen % Titan und/oder 0,1 bis 9 Massen% Silizium zugegeben werden, was insbesondere bei sauerstoffreichen Ausgangspulvern die mechanischen Kenn¬ werte des Endproduktes verbessert. Vorzugsweise beträgt der Ge¬ halt an Titan und/oder an Silizium jeweils 1 bis 2 Massen %.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch den im An¬ spruch 5 beschriebenen Formkörper gelöst, der eine 30 bis 150 Am dicke Verschleißschutzschicht einer höheren Härte als die des Kernkörpers aufweist, die ausschließlich durch das Ein¬ wirken einer Verschleißbeanspruchung entsteht und die sich bei fortlaufender Abnutzung des Formkörpers in dessen Oberflächen- randzonen fortlaufend neu bildet, während der Kernkörper unver¬ ändert bleibt. Hierdurch bleibt die Zähigkeit des Kernkörpers erhalten, da dort im Gegensatz zur Randzone nur wenig harte Be¬ reiche vorhanden sind. Insbesondere erreicht die Biegefestig¬ keit des Formkörpers Werte zwischen 1200 bis 1900 MPa.
Vorzugsweise hat der Kernkörper eine Mikrohärte zwischen 500 bis 900 HV 0,05 und die Verschleißschutzschicht eine Mikrohärte zwischen 2000 bis 3000 HV 0,05.
Der Metallbasiswerkstoff bzw. der hieraus bestehende Formkörper wird nach dem im Anspruch 7 beschriebenen Verfahren herge¬ stellt. Hierbei wird Eisenpulver einer Korngröße bis 500 t^ m, Borcarbidpulver mit Kristallitgrößen zwischen 10 und 80 A. m mit den übrigen Bestandteilen vermischt, die Mischung mit einer wasserfreien Mahlflüssigkeit mindestens 5 h vermählen, getrock¬ net, abgesiebt und in einem anschließenden Heißpressen unter Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre bei 1100 bis 1200°C und einem -ruck zwischen 1 bis 3 kN/cm2 oder einem Sintern bei Temperaturen zwischen 1150 und 1200°C mit anschließendem heißi- sostatischem Pressen unterzogen. Beim Mahlen der härteren Bor- carbidteilchen mit den übrigen Stoffen werden die Borcarbid- teilchen in die weicheren Teilchen "eingeschlagen" bzw. es kommt zum "Aufplattieren" der weicheren Legierungsbestandteile auf die härteren.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
Ansprüchen 9 bis 12 beschrieben.
So wird als Mahlflüssigkeit vorzugsweise Alkohol, Aceton,
Hexan, Heptan, Benzin und/oder Tetralin verwendet. Das Mahlen wird in einer Kugelmühle durchgeführt. Vorzugsweise wird die gemahlene Mischung mit einem Sieb der Maschenweite von 100Am abgesiebt.
Als Inertgas beim Heißpressen wird vorzugsweise ein Edelgas wie Argon verwendet.
Die erfindungsgemäßen Werkstoffe bzw. Formkörper eignen sich hervorragend als verschleißfeste Körper beim Transport, zur Be¬ arbeitung oder Verarbeitung mineralischer Güter sowie als Ma¬ schinenbauteile, insbesondere für die Fahrzeugindustrie und die Landwirtschaft. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Werk¬ stoffe auch für Zerspanungswerkzeuge eingesetzt werden.
In konkreten Ausführungsbeispielen lag folgende Zusammensetzung vor: (Angaben jeweils in Massen %)
1 2 3
24,5
65,5 7
1
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2 Die Zusammensetzungen nach vorstehenden Beispielen 1 bis 3 wur¬ den gemischt, mit einer Mahlflüssigkeit 5h vermählen, an¬ schließend getrocknet und abgesiebt. Die mittlere Korngröße be¬ trug nach dem Absieben 0,02 mm, wobei die größten Körner Werte bis zu 0,1 mm hatten. Das abschließende Heißpressen wurde bei einer Temperatur von 1100°C durchgeführt, die Haltezeit bei dieser Temperatur lag zwischen 10 und 20 Minuten. Die Enddichte der so hergestellten Formkörper lag bei mindesten 95%.
Während der abschließenden Wärmebehandlung wurden die Borcar- bidteilchen angelöst; die borcarbidhaltige Schutzschicht hin¬ gegen bildet sich erst bei abrasivem Oberflächenverschleiß durch "mechanische Legierungsbildung" aus.

Claims

Patentansprüche
1. Auf pulvermetallurgischem Weg mit gemeinsamem Mahlen der Ausgangsbestandteile durch Sintern, Heißpressen, Sintern mit getrennter heißisostatischer Nachverdichtung sowie einer kombinierten Sinter-/HIP-Behandlung hergestellter Metallbasiswerkstoff mit 10 bis 80 Massen% Eisen, 4 bis 15 Massen % Borcarbid und 10 bis 80 Massen% Chrom.
2. Metallbasiswerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß er 50 bis 70 Massen % Eisen, 4 bis 10 Mas¬ sen % Borcarbid und 20 bis 40 Massen % Chrom enthält.
3. Metallbasiswerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß er zusätzlich 0,1 bis 3 Massen % Titan und/oder 0,1 bis 9 Massen % Silizium enthält.
4. Metallbasiswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, daß er 1 bis 2 Massen % Titan und/- oder 1 bis 2 Massen % Silizium enthält.
5. Formkörper aus einem Metallbasiswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine 0,03 bis 0,15 mm dicke Verschleißschutzschicht einer höheren Härte als der des Kernkörpers, die ausschließlich durch das Ein¬ wirken einer Verschleißbeanspruchung entsteht und sich bei fortschreitender Abnutzung des Formkörpers in dessen Ober- flächenrandzonen fortlaufend neu bildet, während der Kern¬ körper unverändert bleibt.
6. Formkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernkörper eine Mikrohärte zwischen 500 bis
900 HV 0,05 und die Verschleißschutzschicht eine Mikro¬ härte zwischen 2000 bis 3000 HV 0,05 besitzt.
7. Verfahren zur Herstellung eines Metallbasiswerkstoffes oder eines Formkörpers nach einem der Anprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Eisenpulver mit einer Korn¬ größe bis 0,5 mm, Borcarbidpulver mit Kristallitgrößen zwischen 0,01 und 0,08 mm sowie den übrigen Bestandteilen vermischt, die Mischung mit einer wasserfreien Mahl¬ flüssigkeit mindestens 5 Stunden vermählen, getrocknet, abgesiebt und in einem anschließenden Heißpressen unter Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre bei 1100 °C und einem Druck zwischen 1 bis 3 kN/cm2 oder einem Sintern bei Tem¬ peraturen zwischen 1150 bis 1200 °C mit anschließendem heißisostatischen Pressen unterzogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Mahlflüssigkeit Alkohol, Aceton, Hexan, Heptan, Benzin, und/oder Tetralin verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung in einer Kugelmühle vermählen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Mischung nach dem Mahlen mit einem Sieb mit einer Maschenweite von 0,1 mm abgesiebt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß als Inertgas ein Edelgas , vorzugsweise Argon, verwendet wird.
12. Verwendung eines Metallbasiswerkstoffes oder Formkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff für Körper, die einem starken Verschleiß unterliegen, vorzugsweise zum Transport, zur Bearbeitung oder Verarbeitung mineralischer Güter sowie als Maschinenbauteile, insbesondere für die Fahrzeugindustrie und die Landwirtschaft.
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