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EP0719349B1 - Verfahren zur herstellung von sinterteilen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von sinterteilen Download PDF

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Publication number
EP0719349B1
EP0719349B1 EP94926797A EP94926797A EP0719349B1 EP 0719349 B1 EP0719349 B1 EP 0719349B1 EP 94926797 A EP94926797 A EP 94926797A EP 94926797 A EP94926797 A EP 94926797A EP 0719349 B1 EP0719349 B1 EP 0719349B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weight
content
sintering
sintered
molybdenum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP94926797A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0719349A1 (de
Inventor
Norbert Dautzenberg
Karl-Heinz Lindner
Klaus Vossen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
QMP Metal Powders GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE4331938A external-priority patent/DE4331938A1/de
Application filed by Mannesmann AG filed Critical Mannesmann AG
Publication of EP0719349A1 publication Critical patent/EP0719349A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0719349B1 publication Critical patent/EP0719349B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C22C33/0264—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements the maximum content of each alloying element not exceeding 5%
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/08—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of toothed articles, e.g. gear wheels; of cam discs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123—Spraying molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
    • B22F2003/241—Chemical after-treatment on the surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/0824—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid with a specific atomising fluid
    • B22F2009/0828—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid with a specific atomising fluid with water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S75/00—Specialized metallurgical processes, compositions for use therein, consolidated metal powder compositions, and loose metal particulate mixtures
    • Y10S75/95—Consolidated metal powder compositions of >95% theoretical density, e.g. wrought

Definitions

  • the invention relates to a method for producing sintered parts according to the preamble of claim 1.
  • the production of mechanical components from ferrous materials by means of sintering technology has the great advantage over production using metal-cutting shaping (e.g. turning, drilling, milling) that the actual shaping can be carried out in a single operation, practically without the generation of waste material, and therefore for series parts is possible faster and cheaper.
  • the parts are pressed, for example, on a hydraulic metal powder press in a molding tool using a pressing pressure of, for example, 7 t / cm 2 to give green bodies and then in an oven at about 1120-1150 ° C (normal sintering) or also at about 1250-1280 ° C ( High temperature sintering) to obtain sufficient static and dynamic strength.
  • sintered parts Due to the manufacturing process, sintered parts always have a lower density than that of the corresponding solid material (theoretical density) because they are penetrated by pores.
  • the actual density of the sintered parts is usually around 80-92% of the theoretical density, depending on the pressure applied and the shape of the part. This inevitably results in an impairment of the mechanical properties, which means that sintered parts have so far rarely been used with particularly high mechanical stress, especially since larger dimensions to compensate for this disadvantage cannot generally be accepted because of the associated increase in volume and weight.
  • the pores contained in the sintered part can act as internal notches, which can lead to a drastic reduction, in particular of the dynamic strength properties.
  • An iron-based powder is known from WO 91/19582, which is intended to ensure a comparatively high impact strength. It prescribes 0.3 - 0.7% by weight phosphorus and 0.3 - 3.5% by weight molybdenum as alloying elements. Any other alloying elements present are limited to a maximum of 2% by weight.
  • the 6 contents of molybdenum are preferably 0.5-2.5% by weight and of phosphorus 0.4-0.6% by weight (addition in particular in the form of Fe 3 P).
  • An upper limit of 0.07% by weight is recommended for carbon.
  • This iron-based powder is suitable for normal sintering temperatures (below 1450 ° C).
  • the test results shown in this document show that optimum proportions exist for both phosphorus and molydbdenum, in which the impact strength is particularly high.
  • the impact strength of a powder with 0.5% by weight phosphorus with a molybdenum content of 0-1.0% by weight rises steeply, reaches a maximum in the range 1-2% by weight and falls beyond 3.5% by weight. Molybdenum even down to below the initial values.
  • DE 29 43 601 C2 discloses a pre-alloyed steel powder Manufacture of high-strength sintered parts known, the 0.35 to 1.50% Mn, 0.2 up to 5.0% Cr, 0.1 to 7.0% Mo, 0.01 to 1.0 V, maximum 0.10% Si, maximum 0.01% Al, maximum 0.05% C, maximum 0.004% N, maximum 0.25% Oxygen, balance iron and other manufacturing-related impurities contains.
  • the low C content is required to be a good one
  • To enable the steel powder to be pressed by water atomization a corresponding melt and subsequent reduction annealing 1000 ° C is generated. Before pressing, it turns into green Steel powder in the usual way with lubricants (e.g.
  • the object of the invention is therefore a method of the generic type Specify with which Sintered parts can be produced with high density, with good Surface hardenability especially good dynamic Have strength properties and therefore without using the complex double sintering technology or a forging process for mechanically particularly strong components can be used, especially as gears for automotive transmissions and the like stressed components.
  • a steel powder produced for example, by gas atomization, gas-liquid atomization or preferably by water atomization of a steel melt containing molybdenum and subsequent reduction and soft annealing at 850-950 ° C., after mixing with conventional lubricants of powder metallurgy (e.g. Zinc stearate) can be processed into components which only have an extremely small pore volume, ie a density close to the theoretically highest possible density of the material (eg 95 to 98%). All that is required is a simple pressing using customary pressures in the range 6.0-8.0 t / cm 2 , preferably 6.5-7.5 t / cm 2 .
  • powder metallurgy e.g. Zinc stearate
  • Sintering temperatures can range from 1050 to 1350 ° C, with higher temperatures being preferred. This means around up to 1150 ° C when using belt furnaces and around 1250 - 1300 ° C with walking beam furnaces (high temperature sintering). High-temperature sintering can further increase the density that can be achieved compared to normal sintering.
  • the powder mixture according to the invention is characterized in that it is practically phosphorus-free, that is to say it contains phosphorus only as an impurity (P ⁇ 0.02% by weight).
  • the minimum required molybdenum content of the molten steel that is to be used for the powder production depends on the intended sintering temperature during the later production of the sintered parts. A content of 4.0% by weight is already sufficient in any case. In economic reasons, an upper limit of 5% by weight, preferably even only 4.5% by weight, should not be exceeded. At a sintering temperature of 1120 ° C 3.8% by weight of molybdenum and at 1280 ° C even 2.7 6% by weight are sufficient.
  • the molten steel must not only be practically phosphorus-free but must also have no significant carbon content (C ⁇ 0.01% by weight) so that the powder is sufficiently soft and easy to press remains.
  • the strength can be increased in individual cases, albeit this should even be avoided if possible, admixed with the 6-graphite powder which, however, has a maximum carbon content of 0.06% by weight may result in the powder mixture.
  • the powder can also contain the usual impurities contain a molten steel.
  • Carbon black molybdenum are other metallic Alloy additions are not required, but usually do not interfere, if they don't take on too large values. Overall, these should additional alloying elements a sum of 1.0% by weight, preferably not exceed 0.5% by weight.
  • To increase the strength of the Alloy can include the addition of chromium (preferably without further additional alloying elements) within the stated limits be appropriate.
  • a reducing atmosphere in particular in an atmosphere containing at least 10% by volume, preferably 20-40% by volume, of hydrogen.
  • forming gas ie a mixture of H 2 and N 2 .
  • Higher H 2 contents tend to improve the density that can be achieved during sintering, which, because of the setting of the powder mixture according to the invention, takes place exclusively in the alpha phase and therefore strongly promotes density sintering (without the formation of a liquid phase).
  • the cooling after sintering does not require any special measures.
  • the sintered parts have a purely ferritic structure made of FeMo mixed crystals.
  • the sintered parts can then be calibrated be subjected to deformation in the surface area (Leveling the roughness) and thus to a better one Surface quality and dimensional accuracy.
  • case hardening is carried out, which is particularly suitable for Gears and similarly stressed parts is recommended as they become one substantial increase in surface hardness and for the introduction of Residual compressive stresses.
  • gears it is advisable to use the Case hardening to subject the tooth area to soft scraping. After hardening the gears, the usual grinding of Drilling and plane surfaces are done.
  • the sintered parts produced in this way have a close to theoretical maximum density, being particularly remarkable is that the remaining pores are small, self-contained and round are and therefore have no significant notch effect. Hence arise excellent dynamic strength values as well as after a Case hardening at the same time also high surface hardness, which for the Wear resistance and e.g. the tooth flank capacity of are crucial.
  • Figures 1 and 2 show in different magnifications Cross section of sintered parts produced according to the invention.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 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 Arbeitsgang praktisch ohne die Entstehung von Rbfallmaterial erfolgen kann und daher bei Serienteilen schneller und kostengünstiger möglich ist. Die Teile werden beispielsweise auf einer hydraulischen Metallpulverpresse in einem Formwerkzeug unter Rnwendung eines Preßdrucks von z.B. 7 t/cm2 zu Grünlingen gepreßt und anschließend in einem Ofen bei etwa 1120-1150°C (Normalsintern) oder auch bei etwa 1250-1280°C (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 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 6estaltung 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, daß sie nur bis zu einem gewissen 6rad 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 Preßkörper nach einem ersten Sintern bei üblicherweise ca. 700 - 900°C einem erneuten Preßvorgang und einem abschließenden Fertigsintern unterzogen wird. Wegen des zweifachen Pressens und Sinterns handelt es sich hierbei um ein sehr kostenintensives Verfahren.
Aus 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 Summe auf maximal 2 Gew-% beschränkt. Bevorzugt liegen die 6ehalte an Molybdän bei 0,5 - 2,5 Gew-% und von Phosphor bei 0,4 - 0,6 Gew-% (Zugabe insbesondere in Form von Fe3P). Für Kohlenstoff wird eine Obergrenze von 0,07 Gew-% empfohlen. Dieses Eisenbasispulver ist für normale Sintertemperaturen (unter 1450°C) geeignet. Die in dieser Schrift dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß sowohl für Phosphor als auch für Molydbdän 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 % Al, 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 anschließende Reduktionsglühung bei 1000 °C erzeugt wird. Vor dem Verpressen zu 6rünlingen 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 regelmäßig 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 Rbbrandverluste einen für einen Vergütungsstahl ausreichend hohen C-Gehalt aufweisen. Durch den Sintervorgang wird wegen des C-Gehaltes zwangsläufig ein Gefüge erzeugt, das je nach Abkühleschwindigkeit 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 relative hohem Phosphorgehalt führt dies jedoch zu einer unzulässigen Versprödung des Bauteils.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit dem Sinterteile mit hoher Dichte herstellbar sind, die bei guter Oberflächenhärtbarkeit insbesondere gute dynamische Festigkeitseigenschaften aufweisen und dadurch ohne Anwendung der aufwendigen Zweifachsintertechnik oder eines Schmiedevorgangs für mechanisch besonders stark belastbare Bauteile einsetzbar sind, insbesondere als Zahnräder für Automobilgetriebe und ähnlich beanspruchte Bauteile.
Gelöst wird diese Rufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben.
Es war völlig überraschend, daß gefunden werden konnte, daß ein z.B. durch Gasverdüsung, GaslFlüssigkeits-Verdüsung oder vorzugsweise durch Wasserverdüsung einer molybdänhaltigen Stahlschmelze und anschließende Reduktions- und Weichglühen bei 850 - 950 °C 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 98 %) aufweisen. Dabei ist lediglich ein einfaches Pressen unter Anwendung üblicher Drücke im Bereich 6,0 - 8,0 t/cm2, vorzugsweise 6,5 - 7,5 t/cm2 erforderlich. Die Sintertemperaturen können im Bereich 1050 - 1350°C liegen, wobei höhere Temperaturen bevorzugt werden. Das bedeutet bei Einsatz von Bandöfen etwa bis zu 1150 °C und bei Hubbalkenöfen etwa 1250 - 1300 °C (Hochtemperatursintern). 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 6ehalt von 4,0 Gew-% ist in jedem Fall bereits als ausreichend anzusehen. Rus wirtschaftlichen 6ründen sollte eine Obergrenze von 5 Gew-%, vorzugsweise sogar von nur 4,5 Gew-% nicht überschritten werden. Bei einer Sintertemperatur von 1120°C reichen 3,8 Gew-% Molybdän und bei 1280°C sogar 2,7 6ew-% 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 läßt sich in Rbhängigkeit von der Sintertemperatur T5 wie folgt bestimmen: Mo (Gew-%) = 16,1 Ts 100o - 0,7 Ts 100o - 88,7
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 preßbar bleibt. Zur Erhöhung der Festigkeit kann im Einzelfall, wenngleich dies möglichst sogar vermieden werden sollte, dem Pulver 6raphit 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. Rußer Molybdän sind weitere metallische Legierungszusätze nicht erforderlich, stören aber in der Regel nicht, wenn sie nicht zu große 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 Pulvermischung ist es vorteilhaft, den Sintervorgang in einer reduzierenden Atmosphäre, insbesondere in einer mindestens 10 Vol-%, vorzugsweise 20 - 40 Vol-% Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre auszuführen. Damit wird beispielsweise erreicht, daß die Ausscheidung von Nitriden vermieden oder auf ein Minimum reduziert wird. Zweckmäßig ist beispielsweise der Einsatz von Formiergas, d.h. eine Mischung aus H2 und N2. Höhere H2-Gehalte verbessern tendenziell die erzielbare Dichte beim Sintern, das aufgrund der Einstellung der erfindungsgemäßen Pulvermischung ausschließlich in der Alpha-Phase erfolgt und daher ein Dichtsintern (ohne Bildung einer flüssigen Phase) stark begünstigt. Die Abkühlung nach dem Sintern erfordert keine besonderen Maßnahmen. 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 (Einebnung der Rauhigkeit) und somit zu einer besseren Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit 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.
Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Figuren 1 und 2 zeigen in unterschiedlicher Vergrößerung Schliffbilder von erfindungsgemäß hergestellten Sinterteilen.
Aus 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 °C wurde das Pulver, das einen Restsauerstoffgehalt von weniger als 0,15 Gew-% und nach dem Sieben eine Korngröße unter 0,2 mm aufwies, mit 0,8 Gew-% Mikrowachs als Gleitmittel vermischt. Ruf einer hydraulischen Metallpulverpresse wurden aus diesem Material unter Anwendung eines Preßdrucks von 7 t/cm2 Probekörper nach ISO 2740 erzeugt, die anschließend bei einer Temperatur von 1280°C über ca. 30 min in einem Ofen unter Formiergas (80 % N2, 20 % H2) gesintert wurden. An einer Teilmenge der Probekörper wurde anschließend noch eine Einsatzhärtung bei 920 - 950 °C 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 x 106 Lastwechseln
       nach Einsatzhärtung ca. 450 MPa
       ohne Einsatzhärtung ca. 180 MPa
  • Bruchdehnung gesintert A5 > 25 %
    • Die äußerst geringe Porosität ergibt sich aus den Schliffbildern der Figuren 1 und 2, wobei aus Fig. 2 die vorteilhafte runde Ausbildung der Poren klar entnehmbar ist.

    Claims (14)

    1. Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher Zähigkeit und Dichte durch Sintem von gepreßten Grünlingen bei einer im Bereich von etwa 1050 - 1350 °C liegenden Sintertemperatur Ts, wobei die Grünlinge hergestellt werden aus einer preßfertigen Pulvermischung aus Stahlpulver, das durch Verdüsung, insbesondere Wasserverdüsung, einer kohlenstoff- und phosphorfreien Molybdänstahlschmelze, deren Molybdängehalt in Abhängigkeit von der Sintertemperatur Ts mindestens Mo (Gew-%) = 16,1 Ts 100o - 0,7 Ts 100o - 88,7 beträgt, mit üblichen Verunreinigungen und anschließende Reduktions- und Weichglühung erzeugt wird und das danach mit üblichen Gleitmitteln versetzt und gegebenenfalls zur Einstellung eines Kohlenstoffgehaltes mit geringen Mengen Grafitpulver gemischt wird, wobei der Kohlenstoffgehalt der Pulvermischung auf maximal 0,06 Gew.-% begrenzt wird und die Reduktionsglühung im Temperaturbereich 850 bis 950 °C stattfindet.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Gehalt an sonstigen metallischen Legierungselementen in der Stahlschmelze auf eine Summe von maximal 1,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 Gew.-%, beschränkt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Schmelze Chrom, insbesondere Chrom ohne weitere sonstige Legierungselemente, zugesetzt wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Molybdängehalt für eine Sintertemperatur von 1280 °C mindestens 3,2 Gew.-% beträgt.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Molybdängehalt für eine Sintertemperatur von 1120 °C mindestens 4,3 Gew.-% beträgt.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Molybdängehalt auf maximal 5,0 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 4,5 Gew.-% begrenzt wird.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Kohlenstoffgehalt (Grafitpulver) auf maximal 0,04 Gew.-%, insbesondere auf 0,02 Gew.-% begrenzt wird.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die Grünlinge durch Einfachpreßtechnik mit einem Preßdruck von 6,0 bis 8,0 t/cm2 gepreßt werden und die anschließende Sinterung unter einer mindestens 10 Vol.-% Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre, insbesondere einer N2/H2-Atmosphäre, erfolgt und die Sinterteile ein ferritisches Gefüge aufweisen.
    9. Verfahren nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der H2-Anteil 20 bis 40 Vol.-% beträgt.
    10. Verfahren nach Anspruch 9,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Preßdruck 6,5 bis 7,5 t/cm2 beträgt.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die Sintertemperatur 1250 bis 1300 °C beträgt.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die gesinterten Teile anschließend einer Kalibrierung unterzogen werden.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die gesinterten und gegebenenfalls kalibrierten, insbesondere als Zahnräder hergestellten Teile einer Einsatzhärtung unterzogen werden.
    14. Verfahren nach Anspruch 13,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die gesinterten und kalibrierten Zahnräder vor der Einsatzhärtung im Verzahnungsbereich geschabt werden.
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