WO2018149567A1 - Verfahren zum presssintern von stahlbauteilen, pressgesintertes stahlbauteil selbst sowie verwendung eines speziellen stahlpulvers als ausgangsmaterial zur herstellung desselben - Google Patents

Verfahren zum presssintern von stahlbauteilen, pressgesintertes stahlbauteil selbst sowie verwendung eines speziellen stahlpulvers als ausgangsmaterial zur herstellung desselben Download PDF

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WO2018149567A1
WO2018149567A1 PCT/EP2018/050644 EP2018050644W WO2018149567A1 WO 2018149567 A1 WO2018149567 A1 WO 2018149567A1 EP 2018050644 W EP2018050644 W EP 2018050644W WO 2018149567 A1 WO2018149567 A1 WO 2018149567A1
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sintered
steel
press
steel component
powder
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PCT/EP2018/050644
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Andrea Di Benedetto
Holger Wuest
Heike Langner
Tilman Miehle
Arne Huber
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Robert Bosch 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%
    • C22C33/0285—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 Cr, Co, or Ni having a minimum content higher than 5%
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
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    • B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
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    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
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    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles

Definitions

  • the present invention relates to a method for press sintering
  • Press-sintered steel component itself produced by process parameters as well as a use of a specially produced by gas atomization fine powder as a starting material for the press sintering.
  • Diesel injection injectors consist of components that must have a high fatigue strength in an often complex component geometry in order to achieve the expected long service life in normal use.
  • the press sintering is suitable, if for this purpose a suitable high-alloy steel material is used for the purpose.
  • Fulfillment of this claim is subject to material and production-related target conflicts.
  • the so-called hot isostatic pressing is suitable for the press sintering of high-alloyed steels.
  • components of a preferably very fine powder of 1 to 20 ⁇ m average grain diameter are produced.
  • the isostatic pressure allows the steel to be sintered to almost full density.
  • the method has the advantage that the microstructure is much more homogeneous than with molten metallurgy
  • MIM metal powder injection molding
  • the sinter press technology is less expensive than the MIM due to a shorter process chain.
  • fine powders such as those used in the MIM, are poorly pourable and difficult to compact. This results in very high density gradients in the component.
  • the green parts after pressing due to the globular shape and high hardness of the powder particles have too low a strength, whereby they can not be charged.
  • EP 2 364 798 A1 discloses a technical solution which is based on sintering of granulated powder.
  • very fine powders are used, which, however, are first processed into so-called granules. This can be done, for example, by spray granulation of a dispersion of the powder, an organic solvent and an organic binder, for example wax.
  • the individual granules consist of many individual powder particles with an average diameter of 50 to 300 micrometers. The granules ensure that the powder is free-flowing and therefore easy to fill in a press die.
  • the starting material may be a metal powder, in particular also an alloyed steel, for example a stainless steel, such as chromium steel or chromium-nickel steel.
  • a metal powder in particular also an alloyed steel, for example a stainless steel, such as chromium steel or chromium-nickel steel.
  • highly loadable components of the type of interest here can not be produced on the basis of a granulated powder produced in this way by conventional sinter pressing.
  • chromium carbides which are also distributed quite inhomogeneous in the structure. These chromium carbides have a negative influence on the corrosion resistance and the mechanical properties, in particular the fatigue properties under cyclic loading. This is because by forming the chromium carbides, chromium is removed from the nearby areas and thus can no longer contribute to corrosion protection. In addition, these have chromium carbides other elastic properties in terms of Young's modulus and transverse contraction number, as the matrix of the material, whereby voltage overshoots are generated, which can lead to the formation of cracks and ultimately to the breakage of the component under cyclic loading. By using the method of press sintering, the formation of large chromium carbides and the resulting
  • the object is achieved by a manufacturing method according to claim 1. With regard to a press-sintered steel component produced therewith, the object is achieved by claim 4 and with respect to a use of a special fine powder produced by gas atomization as the starting material for the
  • the invention includes the procedural teaching that the
  • this special powder is granulated with the addition of a preferably organic binder. Thereafter, the granulated powder is pressed to produce a green part whose shape shape is maintained solely by the organic binder. Finally, the green part is sintered as a semi-finished product to produce a sintered part, wherein the organic binder escapes from the green part and the compound of the particles is formed only as a result of sintering.
  • the press-sintering of this special granulated powder the carbides are substantially smaller and distributed very homogeneously in the microstructure compared to the prior art discussed above. Thus, the Passivi mecanicsgrenze of 11 wt.% Chromium, preferably from 10.5 wt.% Chromium is not exceeded.
  • the process parameters in press sintering are in particular the
  • the final microstructure is adjusted accordingly only during sintering. Due to the fine particle size of the powder, there are very many nucleation sites in the microstructure, which lead to a homogeneous distribution of the carbides. The remaining pores in the structure are relatively small and essentially round, whereby the properties are only insignificantly influenced. As a result, the press-sintered steel component has a high corrosion resistance and improved fatigue properties over the corresponding molten metal massive materials.
  • the sinter press technology also enables the production of near-net shape
  • the sintering of the green part is carried out with a process temperature between 1000 and 1500 ° C, preferably between 1100 and 1400 ° C, with an associated process pressure between 0.1 and 100 bar during sintering.
  • the pressing pressure for pressing the green part is about 800 MPa, preferably 600 to 1000 MPa.
  • the fine powder with the spherical particles of a high-alloy steel material is produced by gas atomizing the melt by means of a noble gas.
  • the use of inert gas during gas atomization prevents oxidation of the solidifying melt.
  • the gas atomization creates spherical particles, ie particles with an approximate spherical shape up to a drop shape, without edges and points.
  • the gas-atomized spherical particles have, according to a preferred embodiment, a mean diameter of between 10 and 20 ⁇ m.
  • high-alloy steel material is understood in the context of the present application, in particular a high-alloy chromium-molybdenum-vanadium steel.
  • the grades X45CrMoV15 (1.4116) and X90CrMoV18 (1.4112) lead after pressing sintering to steel components, which have the component properties discussed above.
  • the inventive solution also extends to steels, with a slightly lower Cr content compared to the aforementioned steels, such as
  • the press-sintered steel component In the structure of the press-sintered steel component only relatively small and homogeneously distributed round to oval gas pores are present, which have a mean diameter of 1 to 15 ⁇ , but usually only smaller than 10 ⁇ . Because of the method according to the invention, steel components can be produced with high end densities of up to 99% of the theoretical density. In addition, the steel component is sintered under process parameters that form a
  • Residual porosity in the range of 1 to 3 vol.% Leads, which is detectable by a simple structural analysis.
  • densities of about 92 to 97% of the theoretical density are achieved in a pressing technique with conventional, that is coarser and more sparse powders and the resulting pores are rather sharp.
  • Figure 2 is a schematic pictorial representation of the structure of such
  • press sintering for producing a steel component 1 from a high-alloy steel material, here X45CrMoV15 is effected by providing a fine powder 2 with spherical particles of the abovementioned steel material produced by gas atomization in a step I. Subsequently, in a step II., This powder 2 is processed with the addition of an organic binder 3, here wax, into granules which have a much larger average
  • step III Pressing takes place in step III. first at a
  • the subsequent sintering of the green part 5 to produce the steel component 1 takes place as a sintered part in step IV.
  • the organic binder 3 escapes from the green part 5 and there is a predominantly cohesive connection of the particles of the powder 2 with each other as a result of sintering sintering.
  • a press-sintered steel component 1 of high-alloy chromium-molybdenum-vanadium steel of the abovementioned specification which has a final density of up to 99% of the theoretical material density and thus high component strength, is produced under these process conditions.
  • Injector or the like is not to be feared.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Presssintern von Stahlbauteilen (1) aus einem granulierten Pulver (4), umfassend die folgenden Herstellungsschritte: Bereitstellen eines durch Gasverdüsen erzeugten feinen Pulvers (2) mit kugligen Partikeln aus einem hochlegierten Stahlmaterial, Granulieren zu einem groben Pulver (4) unter Hinzugabe eines organischen Binders (3), Verpressen des granulierten Pulvers (4) zur Erzeugung eines Grünteils (5), dessen Formgestalt allein durch den organischen Binder (3) aufrechterhalten wird, Sintern des Grünteils (5) zur Erzeugung des Stahlbauteils (1) als Sinterteil, wobei der organische Binder (3) aus dem Grünteil (5) entweicht und die Verbindung der kugeligen Partikel untereinander erst durch das Sintern entsteht. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein auf diese Weise hergestelltes Stahlbauteil.

Description

Beschreibung Titel:
Verfahren zum Presssintern von Stahlbauteilen, pressgesintertes Stahlbauteil selbst sowie Verwendung eines speziellen Stahlpulvers als Ausgangsmaterial zur Herstellung desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Presssintern von
Stahlbauteilen aus einem granulierten Pulver, ein unter speziellen
Prozessparametern hergestelltes pressgesintertes Stahlbauteil selbst sowie eine Verwendung eines speziell durch Gasverdüsen erzeugten feinen Pulvers als Ausgangsmaterial für das Presssintern.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die
Automobiltechnik. Insbesondere hochbelastete Injektorkomponenten, wie
Dieseleinspritzinjektoren, bestehen aus Bauteilen, die bei einer oftmals komplizierten Bauteilgeometrie eine hohe Dauerfestigkeit aufweisen müssen, um im bestimmungsgemäßen Einsatz die erwartet hohe Lebensdauer zu erreichen.
Zur Herstellung derartiger Bauteile eignet sich das Presssintern, falls hierfür ein für den Einsatzzweck passendes hochlegiertes Stahlmaterial verwendet wird. Die
Erfüllung dieses Anspruchs unterliegt material- und fertigungstechnisch bedingten Zielkonflikten.
Stand der Technik
Da sich gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik konventionelle metallische Sinterpressteile beim Sintern aufgrund der üblicherweise
verwendeten groben Pulver mit einer Korngröße zwischen 50 bis 300 μηι praktisch nicht mehr verdichten lassen, wird die Bauteildichte bereits am Ende des Pressvorgangs, also noch vor dem anschließenden Sintern erreicht. Daher sind diese Sinterpressteile hauptsächlich auf niedrig legierte Stähle beschränkt, deren Pulverpartikel gut verformbar sind. Mit zunehmendem Legierungsgehalt nimmt die Materialfestigkeit zu, wodurch die Verformbarkeit der Pulverpartikel und somit die Verpressbarkeit verschlechtert wird. Daher können bei
Verwendung von aus einem hochlegierten Stahl bestehenden Pulvern als Ausgangsmaterial keine hohen Bauteildichten erzielt werden, die für den vorstehend angegeben Einsatzzweck erforderlich wären, insbesondere hinsichtlich der Festigkeit sowie den magnetischen Eigenschaften.
Für das Presssintern hochlegierter Stähle eignet sich gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik allerdings das sogenannte heißisostatische Pressen (HIP). Hierbei werden Bauteile aus einem vorzugsweise sehr feinen Pulver von 1 bis 20 μηι mittleren Korndurchmessers hergestellt. Dieses
Ausgangsmaterial wird in eine Form eingeführt und bei sehr hohem isostatischen Druck und hoher Temperatur versintert. Durch den isostatischen Druck kann der Stahl bis zu fast voller Dichte gesintert werden. Das Verfahren hat den Vorteil, dass das Gefüge deutlich homogener ist als bei schmelzmetallurgisch
hergestellten Stählen. So treten bei dem pulvermetallurgischen Verfahren keine Entmischungen, Steigerungen oder Lunker auf. Zudem sind die Karbide im Gefüge sehr fein und homogen verteilt, was Vorteile im Bezug auf die
Verschleißbeständigkeit und Zugfestigkeit bietet. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt allerdings darin, dass ein sehr hoher fertigungstechnischer Aufwand zur Durchführung erforderlich ist, weil jedes herzustellende Bauteil einzeln verkapselt werden muss.
Anders stellt es sich bei dem ebenfalls allgemein bekannten sogenannten Metallpulverspritzgießen (MIM) dar. Hierbei wird ein feines Pulver als
Ausgangsmaterial über die Beimischung recht großer Mengen eines organischen Binders fließfähig gemacht. Der sogenannte Feedstock wird anschließend bei erhöhten Temperaturen in eine Spritzgussform gespritzt. Anschließend wird der Binder, beispielsweise mittels Lösemitteln oder durch Temperatur wieder entzogen. Die Bauteildichte wird bei diesem Verfahren ausschließlich über den anschließenden Sinterprozess erzielt. Durch die hohe Feinheit der Pulverpartikel von ca. 10 bis 20 μηι und der damit einhergehenden hohen Sinteraktivität können auch hochlegierte Stähle nahezu vollständig verdichtet werden. Dieses spezielle Verfahren eignet sich vor allem für recht komplexe Bauteile, die in hohen Stückzahlen hergestellt werden. Es ist jedoch eine lange Prozesskette nötig.
Die Sinterpresstechnik ist aufgrund einer demgegenüber kürzeren Prozesskette weniger aufwendig als das MIM. Feine Pulver, wie diese beim MIM benutzt werden, sind jedoch schlecht rieselfähig und können nur schwer verpresst werden. Dadurch entstehen sehr hohe Dichtegradienten im Bauteil. Zudem weisen die Grünteile nach dem Pressen durch die globulare Form und hohe Härte der Pulverpartikel eine zu geringe Festigkeit auf, wodurch sie nicht chargiert werden können.
Aus der EP 2 364 798 AI geht eine technische Lösung hervor, welche auf einem Sinterpressen von granuliertem Pulver basiert. Hierbei werden wie bei MIM sehr feine Pulver verwendet, welche jedoch zunächst zu sogenannten Granalien verarbeitet werden. Dies kann beispielsweise durch Sprühgranulation einer Dispersion aus dem Pulver, einem organischen Lösungsmittel und einem organischen Binder, beispielsweise Wachs erfolgen. Die einzelnen Granalien bestehen aus vielen einzelnen Pulverpartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 50 bis 300 Mikrometern. Die Granalien gewährleisten, dass das Pulver gut rieselfähig ist und sich daher einfach in eine Pressmatrize einfüllen lässt. Das Ausgangsmaterial kann ein Metallpulver sein, insbesondere auch ein legierter Stahl, beispielsweise ein rostfreier Stahl, wie Chromstahl oder Chrom-Nickel-Stahl. Hochbelastungsfähige Bauteile der hier interessierenden Art lassen sich auf Basis eines derart hergestellten granulierten Pulvers durch herkömmliches Sinterpressen allerdings nicht erzeugen.
Die Sinterpresstechnik von solchen granulierten Pulvern kann also vorteilhaft für rostfreie Stähle sein. Diese Stähle neigen dazu, dass bei der
schmelzmetallurgischen Herstellung große Chromkarbide gebildet werden, welche zudem recht inhomogen im Gefüge verteilt sind. Diese Chromkarbide haben einen negativen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit sowie die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Ermüdungseigenschaften bei zyklischer Belastung. Dies liegt daran, dass durch Bildung der Chromkarbide Chrom aus den naheliegenden Bereichen entzogen wird und somit nicht mehr zum Korrosionsschutz beitragen kann. Zudem weisen diese Chromkarbide andere elastische Eigenschaften hinsichtlich E-Modul und Querkontraktionszahl auf, als die Matrix des Werkstoffes, wodurch Spannungsüberhöhungen erzeugt werden, welche bei zyklischer Belastung zur Bildung von Rissen und letztlich zum Bruch des Bauteils führen können. Durch die Verwendung der Methode des Presssinterns kann die Bildung großer Chromkarbide und die damit
einhergehenden negativen Effekte vermieden werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Presssintern von hochlegierten Stahlbauteilen aus einem granulierten Pulver sowie ein hieraus resultierendes Stahlbauteil zu schaffen, das sich durch eine hohe Bauteilfestigkeit auszeichnet und sich in reproduzierbarer Qualität effizient in Serienproduktion herstellen lässt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich eines hiermit hergestellten pressgesinterten Stahlbauteils wird die Aufgabe durch Anspruch 4 gelöst und hinsichtlich einer Verwendung eines durch Gasverdüsen erzeugten speziellen feinen Pulvers als Ausgangsmaterial für das
Presssintern wird auf Anspruch 9 verwiesen. Die jeweils zugeordneten abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zum
Presssintern aus einem granulierten Pulver zunächst ein durch Gasverdüsen erzeugtes feines Pulver mit kugeligen Partikeln aus einem hochlegierten
Stahlmaterial bereitgestellt wird. Anschließend wird dieses spezielle Pulver unter Hinzugabe eines vorzugsweise organischen Binders granuliert. Danach wird das granulierte Pulver zur Erzeugung eines Grünteils, dessen Formgestalt allein durch den organischen Binder aufrechterhalten wird, verpresst. Schließlich wird das Grünteil als Halbzeug zur Erzeugung eines Sinterteils gesintert, wobei der organische Binder aus dem Grünteil entweicht und die Verbindung der Partikel untereinander erst infolge des Sinterns entsteht. Durch das Presssintern dieses speziellen granulierten Pulvers sind die Karbide gegenüber dem vorstehend diskutierten Stand der Technik wesentlich kleiner und sehr homogen im Gefüge verteilt. Somit wird die Passivierungsgrenze von 11 Gew.% Chrom, vorzugsweise von 10,5 Gew.% Chrom nicht unterschritten. Die Prozessparameter beim Presssintern werden hinsichtlich insbesondere der
Prozesstemperatur sowie des zugeordneten Prozessdruckes so gewählt, dass sich diese lokale Passivierungsgrenze einstellt. Die endgültige Gefügestruktur wird erst beim Sintern entsprechend eingestellt. Durch die feine Partikelgröße des Pulvers sind sehr viele Keimstellen im Gefüge vorhanden, die zu einer homogenen Verteilung der Karbide führen. Die restlichen Poren im Gefüge sind relativ klein und im Wesentlichen rund, wodurch die Eigenschaften nur unwesentlich beeinflusst werden. Dadurch weist das pressgesinterte Stahlbauteil eine hohe Korrosionsbeständigkeit und verbesserte Ermüdungseigenschaften gegenüber den entsprechenden schmelzmetallurgischen Massivwerkstoffen auf. Die Sinterpresstechnik ermöglich zudem die Herstellung von endkonturnahen
Bauteilen, wodurch die Bearbeitungszeiten verkürzt und somit Kosten gegenüber der schmelzmetallurgischen Herstellung und anschließender spanender
Bearbeitung eingespart werden können. Vorzugsweise erfolgt das Sintern des Grünteils mit einer Prozesstemperatur zwischen 1.000 und 1.500 °C, vorzugsweise zwischen 1.100 und 1.400 °C, mit einem zugeordneten Prozessdruck zwischen 0,1 und 100 bar beim Sintern. Der Pressdruck zum Pressen des Grünteils liegt dagegen bei etwa 800 MPa, vorzugsweise 600 bis 1000 MPa. In dem vorzugsweise angegebenen
Temperatur- bzw. Druckbereich treten die vorgenannten Vorteile der Erfindung besonders prägnant hervor.
Es ist von Vorteil, wenn das feine Pulver mit den kugeligen Partikeln aus einem hochlegierten Stahlmaterial durch Gasverdüsen der Schmelze mittels eines Edelgases erzeugt wird. Die Verwendung von Edelgas beim Gasverdüsen verhindert eine Oxidation der erstarrenden Schmelze. Durch das Gasverdüsen entstehen kugelige Partikel, also Partikel mit einer annähernden Kugelform bis hin zu einer Tropfenform, ohne Kanten und Spitzen. Die so gasverdüsten kugeligen Partikel weisen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen mittleren Durchmesser zwischen 10 bis 20 μηι auf. Als hochlegiertes Stahlmaterial wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung insbesondere ein hochlegierter Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl verstanden. Insbesondere die Sorten X45CrMoV15 (1.4116) sowie X90CrMoV18 (1.4112) führen nach dem Presssintern zu Stahlbauteilen, welche die vorstehend erörterten Bauteileigenschaften aufweisen. Weiterhin erstreckt sich die erfindungsgemäße Lösung auch auf Stähle, mit einem etwas niedrigeren Cr-Gehalt im Vergleich zu den vorangehend genannten Stählen, wie
beispielsweise auch auf X12CrS13 (1.4005).
Im Gefüge des pressgesinterten Stahbauteils sind nur relativ kleine und homogen verteilte runde bis ovale Gasporen vorhanden, die einen mittleren Durchmesser von 1 bis 15 μηι aufweisen, meist jedoch nur kleiner alslO μηι. Denn durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Stahlbauteile mit hohen Enddichten von bis zu 99 % der theoretischen Dichte herstellen. Ferner wird das Stahlbauteil unter Prozessparametern gesintert, die zu einer
Restporosität im Bereich von 1 bis 3 Vol.% führt, was durch eine einfache Gefügeanalyse nachweisbar ist. Demgegenüber werden bei einer Presstechnik mit konventionellen, also gröberen und spratzigen Pulvern Dichten von ca. 92 bis 97 % der theoretischen Dichte erzielt und die entstehenden Poren sind eher scharfkantig.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Presssintern von
Stahlbauteilen mit speziellen Prozessparametern,
Figur 2 eine schematisch bildliche Darstellung des Gefüges eines so
hergestellten pressgesinterten Stahlbauteils. Gemäß Figur 1 erfolgt ein Presssintern zur Erzeugung eines Stahlbauteils 1 aus einem hochlegierten Stahlmaterial, hier X45CrMoV15, indem in einem Schritt I. ein durch Gasverdüsen erzeugtes feines Pulver 2 mit kugeligen Partikeln aus dem vorgenannten Stahlmaterial bereitgestellt wird. Anschließend wird in einem Schritt II. dieses Pulver 2 unter Hinzugabe eines organischen Binders 3, hier Wachs, zu Granulaten verarbeitet, welche einen viel größeren mittleren
Partikeldurchmesser aufweisen, als das feine Pulver 2. Es entsteht ein granuliertes Pulver 4, welches als Ausgangsmaterial für das nachfolgende
Presssintern dient.
Im Rahmen des Presssinterns erfolgt in Schritt III. zunächst bei einem
Pressdruck von ca. 800 MPa ein Verpressen des granulierten Pulvers 4 zur Erzeugung eines Grünteils 5. Die Formgestalt des Grünteils 5, also dessen äußere Abmessungen, werden hier allein durch den organischen Binder 3 aufrechterhalten, da die kugelige Partikelform des feinen Pulvers aus dem gasverdüsten hochlegierten Stahlmaterial eine Verbindung dieser Partikel untereinander nicht herbeizuführen vermag.
Unter einer Prozesstemperatur von ca. 1.300 °C erfolgt in Schritt IV. das anschließende Sintern des Grünteils 5 zur Erzeugung des Stahlbauteils 1 als Sinterteil. Hierbei entweicht der organische Binder 3 aus dem Grünteil 5 und es entsteht eine vornehmlich stoffschlüssige Verbindung der Partikel des Pulvers 2 untereinander infolge eines Versinterns.
Nach Figur 2 entsteht unter diesen Prozessbedingungen ein pressgesintertes Stahlbauteil 1 aus hochlegiertem Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl der vorgenannten Spezifikation, welches eine Enddichte von bis zu 99 % der theoretischen Materialdichte erreicht und somit eine hohe Bauteilfestigkeit aufweist.
Innerhalb des Gefüges sind nur relativ kleine runde bis ovale Gasporen 6 zu beobachten, die einen mittleren Durchmesser von bis zu 10 μηι aufweisen. Die in dem relativ homogenen Gefüge verteilten Karbide haben nicht zur Folge, dass die lokale Passivierungsgrenze von 10,5 Gew.% Chrom gemäß Probenanalyse in den angrenzenden Bereichen unterschritten wird. Durch eine Restporosität im Bereich von maximal 3 Vol.% sind Rissbildungen beim bestimmungsgemäßen Einsetzen des pressgesinterten Stahlbauteils 1 als hochbelastete
Injektorkomponente oder dergleichen nicht zu befürchten.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Presssintern von Stahlbauteilen (1) aus einem
granulierten Pulver (4), umfassend die folgenden Herstellungsschritte:
Bereitstellen eines durch Gasverdüsen erzeugten feinen Pulvers (2) mit kugligen Partikeln aus einem hochlegierten Stahlmaterial,
Granulieren zu einem groben Pulver (4) unter Hinzugabe eines organischen Binders (3),
Verpressen des granulierten Pulvers (4) zur Erzeugung eines Grünteils (5), dessen Formgestalt allein durch den organischen Binder (3) aufrechterhalten wird,
Sintern des Grünteils (5) zur Erzeugung des Stahlbauteils (1) als Sinterteil, wobei der organische Binder (3) aus dem Grünteil (5) entweicht und die Verbindung der kugeligen Partikel untereinander erst durch das Sintern entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das feine Pulver (2) mit den kugligen Partikeln aus einem hochlegierten Stahlmaterial durch Gasverdüsen der Schmelze mittels eines Edelgases erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen zur Erzeugung des Grünteils (5) mit einem Pressdruck zwischen 600 und 1.000 MPa durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Presssintern des Grünteils (5) mit einer Prozesstemperatur zwischen 1.000 und 1.500 °C mit einem zugeordneten Prozessdruck zwischen 0,1 und 100 bar während des Sinterns durchgeführt wird.
5. Pressgesintertes Stahlbauteil (1), bestehend aus durch Sintern miteinander verschmolzenen kugligen Partikeln eines Pulvers (2) aus einem hochlegierten Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl, vorzugsweise ausgewählt aus einer Materialgruppe, umfassend X45CrMoV15 und X90CrMoV18.
6. Pressgesintertes Stahlbauteil (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlbauteil (1) unter Prozessparametern, insbesondere einer Prozesstemperatur zwischen 1.000 und 1.500 °C mit einem zugeordneten Prozessdruck zwischen 0,1 und 100 bar derart gesintert ist, bis sich eine Enddichte von 97% bis 99% der theoretischen Materialdichte einstellt.
7. Pressgesintertes Stahlbauteil (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlbauteil (1) unter Prozessparametern, insbesondere einer Prozesstemperatur zwischen 1.000 und 1.500 °C mit einem zugeordneten Prozessdruck zwischen 0,1 und 100 bar derart gesintert ist, dass sich im Gefüge im Querschnitt runde bis ovale Gasporen (6) mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 15 Mikrometern, vorzugsweise von 1 bis 10 Mikrometern, ausbilden.
8. Pressgesintertes Stahlbauteil (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlbauteil (1) unter Prozessparametern, insbesondere einer Prozesstemperatur zwischen 1.000 und 1.500 °C mit einem zugeordneten Prozessdruck zwischen 0,1 und 100 bar derart gesintert ist, dass die in einem homogen Gefüge verteilten Karbide zur Folge haben, dass eine lokale Passivierungsgrenze von 11 Gew.% Chrom, vorzugsweise von 10,5 Gew.% Chrom, in den angrenzenden Materialbereichen gewahrt bleibt.
9. Pressgesintertes Stahlbauteil (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlbauteil (1) unter Prozessparametern, insbesondere einer Prozesstemperatur zwischen 1.000 und 1.500 °C mit einem zugeordneten Prozessdruck zwischen 0,1 und 100 bar derart gesintert ist, dass eine Restporosität im Bereich von 1 bis 3 Vol.% entsteht.
10. Verwendung eines durch Gasverdüsen erzeugten feinen Pulvers (2) mit kugligen Partikeln aus einem hochlegierten Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl, vorzugsweise ausgewählt aus einer Materialgruppe, umfassend X45CrMoV15 und X90CrMoV18, zur Herstellung eines Stahlbauteils (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 9.
11. Verwendung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die gasverdüsten kugligen Partikel des feinen Pulvers (2) einen mittleren Durchmesser zwischen 10 bis 20 Mikrometern aufweisen.
PCT/EP2018/050644 2017-02-16 2018-01-11 Verfahren zum presssintern von stahlbauteilen, pressgesintertes stahlbauteil selbst sowie verwendung eines speziellen stahlpulvers als ausgangsmaterial zur herstellung desselben WO2018149567A1 (de)

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DE102017202497.6A DE102017202497A1 (de) 2017-02-16 2017-02-16 Verfahren zum Presssintern von Stahlbauteilen, pressgesintertes Stahlbauteil selbst sowie Verwendung eines speziellen Stahlpulvers als Ausgangsmaterial zur Herstellung desselben

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