DE9409832U1

DE9409832U1 - Metallpulvermischung

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Publication number: DE9409832U1
Application number: DE9409832U
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1993-09-16
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2004-06-10
Also published as: DE59405861D1; DE4331938A1

Description

MetalIpul Vermischung

Die Erfindung betrifft eine Metallpulvermischung gemäß dem Gattungsbegriff des Schutzanspruchs 1.

Die Herstellung von mechanischen Bauteilen aus Eisenwerkstoffen im Wege der Sintertechnik hat gegenüber einer Herstellung durch spanende Formgebung (z.B. Drehen, Bohren, Fräsen) den großen Vorteil, daß die eigentliche Formgebung in einem einzigen Rrbeitsgang praktisch ohne die Entstehung von flbfallmaterial erfolgen kann und daher bei Serienteilen schneller und kostengünstiger möglich ist. Die Teile werden beispielsweise auf einer hydraulischen Metallpulverpresse in einem

Formwerkzeug unter Anwendung eines Preßdrucks von z.B. 7 t/cm zu Grünlingen gepreßt und anschließend in einem Ofen bei etwa 1120-1150⁰C (Normalsintern) oder auch bei etwa 1250-1280⁰C (Hochtemperatursintern) gesintert, um eine ausreichende statische und dynamische Festigkeit zu erlangen. Herstellungsbedingt weisen Sinterteile stets eine geringere Dichte als die des entsprechenden vollmassiven Werkstoffs (theoretische Dichte) auf, da sie von Poren durchsetzt sind. Bei Eisenwerkstoffen liegt die tatsächliche Dichte der Sinterteile üblicherweise je nach

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angewendetem Preßdruck und Form des Teils bei etwa 80 - 92 % der theoretischen Dichte. Hierdurch ergibt sich zwangsläufig eine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften, die dazu führt, daß Sinterteile bei besonders hoher mechanischer Beanspruchung bisher kaum angewendet werden, zumal eine größere Dimensionierung zur Kompensation dieses Nachteils im Regelfall wegen der damit verbundenen Volumen- und Gewichtserhöhung nicht akzeptiert werden kann. Hinzu kommt, daß die im Sinterteil enthaltenen Poren als innere Kerben wirken können, die zu einer drastischen Verminderung insbesondere der dynamischen Festigkeitseigenschaften führen können.

Um das Porenvolumen von Sinterteilen zu vermindern, ist es bekannt, das Eisenbasispulver mit einem höheren Phosphorgehalt einzusetzen. Dies führt zu einem deutlichen Schrumpfen während des Sintervorgangs und damit zu einer Dichtesteigerung. Die Schrumpfung des Sinterteils wird bei der geometrischen Gestaltung der Preßform durch entsprechende Übermaße berücksichtigt und kann somit weitestgehend kompensiert werden. Die Zugabe von Phosphor, die entweder durch entsprechendes Zulegieren zu der bei der Pulverzerstäubung eingesetzten Schmelze oder durch Zumischen von Phosphorverbindungen zum Eisenbasispulver erfolgen kann, hat jedoch den Nachteil, da8 sie nur bis zu einem gewissen Grad zur Dichtesteigerung genutzt werden kann, weil höhere Phosphorgehalte tendenziell eine Versprödung des Sinterteils hervorrufen und somit die Empfindlichkeit gegenüber Kerbwirkung noch erhöht wird.

Ein anderer Weg, zu einer höheren Dichte, also zu einer Verminderung des PorenvoLumens zu kommen, ist in der sogenannten Zweifachsintertechnik zu sehen, bei der der PreSkörper nach einem ersten Sintern bei üblicherweise ca. 700 - 90O⁰C einem erneuten Preßvorgang und einem abschließenden Fertigsintern unterzogen wird. Wegen des zweifachen Pressens und Sinterns handelt es sich hierbei um ein sehr

kostenintensives Verfahren.

Rus der WO 91/19582 ist ein Eisenbasispulver bekannt, das eine vergleichsweise hohe Schlagfestigkeit gewährleisten soll. Es schreibt als Legierungselemente zwingend 0,3 - 0,7 Gew-% Phosphor und 0,3 3,5 Gew-% Molybdän vor. Etwa vorhandene weitere Legierungselemente sind in der 5umme auf maximal 2 Gew-% beschränkt. Bevorzugt liegen die Gehalte an Molybdän bei 0,5 - 2,5 Gew-% und von Phosphor bei 0,4 - 0,6 Gew-% (Zugabe insbesondere in Form von Fe₀P). Für Kohlenstoff wird eine Obergrenze von 0,07 Gew-% empfohlen. Dieses Eisenbasispulver ist für normale Sintertemperaturen (unter 1150⁰C) geeignet. Die in dieser Schrift dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß sowohl für Phosphor als auch für Molybdän optimale Mengenanteile existieren, bei denen die Schlagfestigkeit besonders hoch liegt. So steigt die Schlagfestigkeit bei einem Pulver mit 0,5 Gew-% Phosphor bei Molybdängehalten von 0-1,0 Gew-% steil an, erreicht im Bereich 1-2 Gew-% ein Maximum und fällt jenseits von 3,5 Gew-% Molybdän sogar bis unterhalb der Rusgangswerte ab.

Weiterhin ist aus der DE 29 43 601 C2 ein vorlegiertes Stahlpulver zur Herstellung hochfester Sinterteile bekannt, das 0,35 bis 1,50 % Mn, 0,2 bis 5,0 % Cr, 0,1 bis 7,0 % Mo, 0,01 bis 1,0 V, maximal 0,10 % Si, maximal 0,01 % fll, maximal 0,05 % C, maximal 0,004 % N, maximal 0,25 % Sauerstoff, Rest Eisen und andere herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält. Der niedrige C-Gehalt ist erforderlich, um eine gute Preßbarkeit des Stahlpulvers zu ermöglichen, das durch Wasserverdüsung einer entsprechenden Schmelze und anschlieBende Reduktionsglühung bei 1000 ⁰C erzeugt wird. Vor dem Verpressen zu Grünlingen wird dieses Stahlpulver in üblicher Weise mit Schmiermitteln (z.B. 1 % Zinkstearat) versetzt und zusätzlich mit Graphitpulver gemischt, um den gewünschten C-Gehalt im Sinterteil einstellen zu können. Die zugesetzte Menge an

Graphitpulver beträgt regelmäBig mehrere Zehntel. Prozent (z.B. 0,8 %}, da die Sinterteile nach dem Sintern in öl gehärtet werden, um ausreichende Festigkeitswerte zu erhalten. Die preßfertige Metallpulvermischung muß daher unter Berücksichtigung der beim Sintern zu erwartenden flbbrandverluste einen für einen Vergütungsstahl ausreichend hohen C-Gehalt aufweisen. Durch den Sintervorgang wird wegen des C-Gehaltes zwangsläufig ein Gefüge erzeugt, das je nach Rbkühlgeschwindigkeit aus Martensit oder aus Martensit und Bainit oder aus Bainit und Perlit besteht. Zur Erzielung einer Dichte, die in der Nähe der theoretischen Dichte von Stahl liegt, ist vorgesehen, die Sinterteile vor der Wärmebehandlung einem Schmiedevorgang zu unterziehen.

Bei mechanisch stark beanspruchten Zahnrädern ist neben einer möglichst hohen Zahnfußbiegewechselfestigkeit insbesondere eine hohe Zahnflankentragfähigkeit erforderlich. Daher werden solche Zahnräder üblicherweise gehärtet. Bei einem Werkstoff mit relativ hohem Phosphorgehalt führt dies jedoch zu einer unzulässigen Versprödung des Bauteils.

flufgabe der Erfindung ist es daher, eine Metallputvermischung der gattungsgemäßen flrt anzugeben, aus der Sinterteile mit hoher Dichte herstellbar sind, die bei guter Oberflächenhärtbarkeit insbesondere gute dynamische Festigkeitseigenschaften aufweisen und dadurch ohne Rnwendung der aufwendigen Zweifachsintertechnik oder eines Schmiedevorgangs für mechanisch besonders stark belastbare Bauteile einsetzbar sind, insbesondere als Zahnräder für Rutomobilgetriebe und ähnlich beanspruchte Bauteile.

Gelöst wird diese flufgabe durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte flusführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen

2 bis 7 angegeben.

Es war völlig überraschend, daß gefunden werden konnte, daß ein z.B. durch Gasverdüsung, Gas/Flüssigkeits-Verdüsung oder vorzugsweise durch Wasserverdüsung einer molybdänhaltigen Stahlschmelze und anschließende Reduktions- und Weichglühen bei 850 - 950 ⁰C hergestelltes Stahlpulver sich nach Mischung mit üblichen Schmiermitteln der Pulvermetallurgie (z.B. Zinkstearat) zu Bauteilen verarbeiten läßt, die nur noch ein äußerst kleines Porenvolumen, d.h. eine nahe an der theoretisch höchstmöglichen Dichte des Werkstoffs liegende Dichte (z.B. 95 bis 96 %) aufweisen. Dabei ist lediglich ein einfaches Pressen unter flnwendung

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üblicher Drücke im Bereich 6,0 - 8,0 t/cm , vorzugsweise 6,5 -

7,5 t/cm erforderlich. Die Sintertemperaturen können im Bereich 1050 1350⁰C liegen, wobei höhere Temperaturen bevorzugt werden. Das bedeutet bei Einsatz von Bandöfen etwa bis zu 1150 ⁰C und bei Hubbalkenofen etwa 1250 - 1300 ⁰C CHochtemperatursintern). Durch Hochtemperatursintern läßt sich die erzielbare Dichte gegenüber dem Normalsintern weiter steigern.

Die erfindungsgemäße Pulvermischung zeichnet sich dadurch aus, daß sie praktisch phosphorfrei ist, Phosphor also Lediglich aLs Verunreinigung enthält (P < 0,02 Gew-%). Der mindestens erforderliche MolybdängehaLt der Stahlschmelze, die für die Pulverherstellung eingesetzt werden soll, hängt von der vorgesehenen Sintertemperatur bei der späteren Herstellung der Sinterteile ab. Ein Gehalt von 4,0 Gew-% ist in jedem Fall bereits als ausreichend anzusehen. Rus wirtschaftlichen Gründen sollte eine Obergrenze von 5 Gew-%, vorzugsweise sogar von nur 4,5 Gew-% nicht überschritten werden. Bei einer Sintertemperatur von 112O⁰C reichen 3,8 Gew-% Molybdän und bei 1280⁰C sogar 2,7 Gew-% aus. Wegen der zu berücksichtigenden Schmelztoleranzen empfiehlt sich zur Sicherheit jedoch eine Erhöhung dieser unteren Grenzwerte um z.B. 0,5 Gew-% auf 4,3 Gew-% bzw. 3,2 Gew-%. Der mindestens erforderliche MolybdängehaLt

LaGt sich in flbhängigkeit von der Sintertemperatur T wie folgt bestimmen:

T T ²

MO (Gew-%) = 16,1 L - 0,7 (—— ) - 88,7

100° 100°

Die zu verdüsende Stahlschmelze muß nicht nur praktisch phosphorfrei sein, sondern darf auch keinen nennenswerten Kohlenstoffgehalt aufweisen (C < 0,01 % Gew-%), damit das Pulver ausreichend weich und gut preQbar bleibt. Zur Erhöhung der Festigkeit kann im Einzelfall, wenngleich dies möglichst sogar vermieden werden sollte, dem Pulver Graphit zugemischt werden, der jedoch höchstens zu einem Kohlenstoffgehalt von 0,06 Gew-% in der Pulvermischung führen darf. Bevorzugt wird eine Begrenzung des Kohlenstoffgehalts auf max. 0,04 Gew-% und insbesondere auf max. 0,02 Gew-%. Das Pulver kann im übrigen die üblichen Verunreinigungen einer Stahlschmelze enthalten. RuBer Molybdän sind weitere metallische Legierungszusätze nicht erforderlich, stören aber in der Regel nicht, wenn sie nicht zu groGe Werte annehmen. Insgesamt sollten diese zusätzlichen Legierungselemente eine Summe von 1,0 Gew-%, vorzugsweise von 0,5 Gew-% nicht überschreiten. Zur Steigerung der Festigkeit der Legierung kann insbesondere die Zugabe von Chrom (vorzugsweise ohne weitere zusätzliche Legierungselemente) in den genannten Grenzen zweckmäßig sein.

Bei der Verarbeitung der erfindungsgemäßen Pulvermischung ist es vorteilhaft, den Sintervorgang in einer reduzierenden Atmosphäre, insbesondere in einer mindestens 10 Vol-%, vorzugsweise 20 - 40 Vol-% Wasserstoff enthaltenden fltmosphäre auszuführen. Damit wird beispielsweise erreicht, daß die flusscheidung von Nitriden vermieden oder auf ein Minimum reduziert wird. Zweckmäßig ist beispielsweise der

Einsatz von Formiergas, d.h. eine Mischung aus H_ und N-. Höhere H₂~GehaLte verbessern tendenziell die erzielbare Dichte beim Sintern, das aufgrund der Einstellung der erfindungsgemäBen Pulvermischung ausschlieBlich in der fllpha-Phase erfolgt und daher ein Dichtsintern (ohne Bildung einer flüssigen Phase) stark begünstigt. Die Abkühlung nach dem Sintern erfordert keine besonderen MaGnahmen. Die Sinterteile weisen ein rein ferritisches Gefüge aus FeMo-Mischkristallen auf.

Die gesinterten Teile können anschließend noch einer Kalibrierung unterzogen werden, die zu einer Verformung im Oberflächenbereich CEinebnung der Rauhigkeit) und somit zu einer besseren Oberflächenqualität und MaBhaltigkeit führt. Danach kann in bekannter Weise eine Einsatzhärtung durchgeführt werden, die sich insbesondere für Zahnräder und ähnlich beanspruchte Teile empfiehlt, da sie zu einer wesentlichen Erhöhung der Oberflächenhärte und zum Einbringen von Druckeigenspannungen führt. Bei Zahnrädern ist es zweckmäßig, vor der Einsatzhärtung den Verzahnungsbereich einem Weichschaben zu unterziehen. Nach dem Einsatzhärten der Zahnräder kann das übliche Schleifen von Bohrungen und Planflächen erfolgen.

Die in dieser Weise hergestellten Sinterteile haben eine nahe am theoretischen Höchstwert Liegende Dichte, wobei besonders bemerkenswert ist, daß die verbleibenden Poren klein, in sich abgeschlossen und rund sind und daher keine nennenswerte Kerbwirkung entfalten. Daher ergeben sich ausgezeichnete dynamische Festigkeitswerte sowie nach einer Einsatzhärtung gleichzeitig auch hohe Oberflächenhärten, die für die Verschleißfestigkeit und z.B. die Zahnflankentragfähigkeit von entscheidender Bedeutung sind.

finhand des nachfolgenden flusfuhrungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Figuren 1 und 2 zeigen in unterschiedlicher Vergrößerung Schliffbilder von Sinterteilen aus dem erfindungsgemäGen Werkstoff.

Rus einer Stahlschmelze mit (Gew-%)

< 0,01 % C

< 0,02 % P
3,2 % MO

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen (< 0,5 %)

wurde durch Wasserverdüsung ein feines, spratziges Stahlpulver hergestellt. Nach einer Reduktionsglühung über ca. 70 min bei ca. 900 ⁰C wurde das Pulver, das einen Restsauerstoffgehalt von weniger als 0,15 Gew-% und nach dem Sieben eine KorngröBe unter 0,2 mm aufwies, mit 0,8 Gew-% Mikrowachs als Gleitmittel vermischt, fluf einer hydraulischen Metallpulverpresse wurden aus diesem Material unter flnwendung eines

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PreGdrucks von 7 t/cm Probekörper nach ISO 2740 erzeugt, die

anschließend bei einer Temperatur von 128O⁰C über ca. 30 min in einem Ofen unter Formiergas (80 % N₂, 20 % H₂) gesintert wurden, fln einer Teilmenge der Probekörper wurde anschließend noch eine Einsatzhärtung bei 920 - 950 ⁰C in einem Ofen mit einem C-Potential von 0,8 % durchgeführt, die zu einer Einhärtetiefe von ca. 0,4 mm führte. Die Untersuchung der Probekörper ergab folgende Werte: Sinterdichte 7,60 + 0,04 g/cm³

(96 - 97 % der theoretischen Dichte)

Biegewechselfestigkeit bei 2 &khgr; 10⁶ Lastwechseln

nach Einsatzhärtung ca. 450 MPa ohne Einsatzhärtung ca. 180 MPa

Bruchdehnung gesintert R₁. > 25 %

Die äußerst geringe Porosität ergibt sich aus den Schliffbildern der Figuren 1 und 2, wobei aus Fig. 2 die vorteilhafte runde Rusbildung der Poren klar entnehmbar ist.

Claims

Schutzansprüche

1. Metallpulvermischung zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher Zähigkeit, bestehend aus einem mit Gleitmitteln und gegebenenfalls zur Einstellung eines Kohlenstoffgehaltes mit Graphitpulver vermischten und durch Verdüsung einer kohlenstoff- und phosphorfreien MolybdänstahlschmeLze mit üblichen Verunreinigungen erzeugten Stahlpulver, . .

dadurch gekennzeichnet,

daG der Molybdängehalt in Rbhängigkeit von der vorgesehenen im Bereich von etwa 1050 - 1350 C liegenden Sintertemperatur T festgelegt ist und mindestens

Mo (Gew-%) = 16,1 1 - C ,7 (—-&Lgr; ~ 08,7

100 100

beträgt, und UaQ der Kohlenstoffgehalt der MetaLLpulvermischung auf maximal 0,08 5ew-% begrenzt ist.

2. MetalIpulvermischung nach Rnspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daG der Gehalt an sonstigen Legierungselementen auf eine Summe von maximal 1,0 Gew-%, vorzugsweise 0,5 Gew-%, beschränkt ist.

3. Metallpulyermischung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Schmelze Chrom, insbesondere Chrom ohne weitere sonstige Legierungselemente, zugesetzt ist.

4. Metallpulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daB der Molybdängehalt für eine Sintertemperatur von 1280⁰C mindestens 3,2 Gew-% beträgt.

5. Metallpulvermischung nach einem der flnsprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt für eine Sintertemperatur von 112O⁰C mindestens 4,3 Gew-% beträgt.

6. Metallpulvermischung nach einem der flnsprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt auf maximal 5,0 Gew-%, vorzugsweise auf maximal 4,5 Gew-% begrenzt ist.

7. Metallpulvermischung nach einem der flnsprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt auf max. 0,04 Gew-%, insbesondere auf 0,02 Gew-% begrenzt ist.