PROCESS FOR MANUFACTURING HIGH-DENSITY SINTERED STEEL BY A SIMPLE SINTERING TECHNIQUE

Abstract: 1. Method for the production of sintered steel with a space filling of at least 94% by a single-state sintering technique using a single type of powder, at least one layer consisting of one or more alloy components being applied to the surface of the iron powder particles, said power being moulded and sinterd at a temperature at which a liquid and a solid phase are produced by reaction of the powder particle granule with the applied layer material, and that simultaneously the diffusion of the alloy components applied as a layer into the powder particle granule and consequently formation of the liquid and solid phases are retarded either by the use of an iron powder granule with a low carbon content or by application of an additional layer of graphite between the granule and the layer consisting of the alloy components.

Description: Verfahren zur Herstellung von Sinterstahl hoher Raumerfüllung durch Einfachsintertechnik Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Sinterstahl nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die Festigkeitseigenschaften von Sinterstählen werden, ausser durch die Zusammensetzung, im wesentlichen durch die Raumerfüllung bestimmt. Daneben ist, wegen der Kerbwirkung der Poren, auch die Porenform wichtig. Wünschenswert sind daher Sinterstähle mit einer Raumerfüllung > 94 % und möglichst abgerundeten Poren. Der wirtschaftlichste Weg zur Erreichung dieses Zieles ist die sogenannte Einfachsintertechnik, bei welcher nur ein einziges Mal gepresst und gesintert wird. Bei der heute üblichen Einfachsintertechnik erfolgt die Versinterung der Pulverteilchen im wesentlichen durch Festphasendiffusion, wobei sie durch das Auftreten flüssiger Phasen unterstützt werden kann. Man kommt dabei im Falle von Zwei- oder Dreistoffsystemen im allgemeinen bis zu einer Raumerfüllung von etwa 92 %. Durch die sogenannte Zweifachsintertechnik, bei der auf eine erste Verfahrensfolge Pressen und Sintern eine zweite solche folgt, kann man eine Raumerfüllung von knapp 94 ss erreichen. Diese Technik ist aber wesentlich aufwendiger als die Einfachsintertechnik. Die Sinterschmiedetechnik schliesslich gestattet zwar eine Verdichtung bis zur Raumerfüllung von 99 % und darüber, sie ist aber sehr aufwendig und in den meisten Fällen unwirtschaftlich. Die Einfachsintertechnik mit einem Auftreten flüssiger Phasen, das sogenannte Zweiphasendichtsintern, wird heute bei der Herstellung von Bauteilen aus Schnellstahipulvern angewendet. Bei diesen Schnellstählen erreicht man zwar Sinterdichten von mindestens 97 %, jedoch weisen die Ausgangspulver sehr komplizierte Zusammensetzungen auf, da sie aus mindestens fünf Legierungskomponenten bestehen. Die Teilchen des Ausgangspulvers haben eine völlig homogene Zusammensetzung, da die Legierung vor dem Pressen und Sintern hergestellt wird. Während des Sinterns befindet sich innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches jedes Pulverteilchen gleichzeitig im festen und im flüssigen Aggregatzustand, was zwar dazu führt, dass sich der Anteil der Poren auf < 3 % erniedrigen lässt, jedoch ist der Temperaturbereich, in dem dieses Phänomen zum Zwecke des Verdichtens durch Sintern ausgenutzt werden kann, mit 2 bis 3 C sehr eng, was sehr hohe Anforderungen an die Temperaturkonstanz während des Sinterprozesses stellt und mit ein Grund dafür ist, dass der Sinterprozess bei den Schnellstahlpulvern im Vakuum durchgeführt werden muss. Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemässe Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den normalen Sinterstählen, die durch Mischen der Elementpulver im allgemeinen als Zwei- oder Dreistoffsystem hergestellt werden, den Vorteil, dass es mit ihm gelingt, einen Sinterstahl durch einfache Sintertechnik auf eine Raumer füllung = > 94 % zu bringen. Dies erfolgt durch das Zweiphasendichtsintern, wobei aber bei dem erfindungsgemässen Verfahren ein inhomogenes, mehrere Komponenten enthaltendes Ausgangspulver benutzt wird, das, ohne Reaktionen der Komponenten untereinander, während des ganzen Sintervorgangs gleichzeitig nur in einem Aggregatzustand vorliegt. Der Zweiphasenzustand wird während des Sinterns durch Reaktionen zweier oder mehrerer Ausgangskomponenten erreicht, wobei sich eine ursprünglich nicht vorhandene neue Phase bildet, die dann gleichzeitig im festen und flüssigen Aggregatzustand vorliegt. Die Verteilung dieser Komponenten im Presskörper muss so sein, dass die Reaktionen während des Sinterns an möglichst vielen Stellen im Presskörper auftreten. Weiterhin muss der Zweiphasenzustand möglichst lange aufrechterhalten bleiben, damit die Poren weitgehend nach aussen wandern können. Die Zusammensetzung der Ausgangspulver muss so gewählt werden, dass die Komponente, die gleichzeitig im festen und im flüssigen Aggregatzustand auftritt, in ausreichender Menge vorhanden ist. Gegenüber den obenerwähnten Schnellstahlpulvern ergibt sich der Vorteil, dass der Temperaturbereich während des Sinterns nicht so kritisch ist, da hier ein Bereich von ca. 30 C zur Verfügung steht. Ausserdem braucht der Sinterprozess nicht im Vakuum durchgeführt zu werden, hier wird vielmehr vorzugsweise unter Wasserstoff gesintert. Ausserdem liegt die Sintertemperatur bei den Schnellstahlpulvern mit mehr als 1250 OC verhältnismässig hoch. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist es, das Ausgangspulver auf die Weise herzustellen, dass man die Pulverteilchen des Hauptbestandteils Eisen mit einer oder mehreren Schichten der Legierungskomponenten überzieht, dass man dieses Pulver dann presst und anschliessend sintert, wie es unten anhand von Beispielen noch genauer beschrieben wird. Dabei ist es im allgemeinen notwendig, dafür Sorge zu tragen, dass die als Schicht aufgebrachten Legierungskomponenten während des Sinterns nicht zu schnell in das Eisen hineindiffundieren. Dies kann zum einen dadurch geschehen, dass man ein Eisenpulver mit einem geringen Kohlenstoffanteil verwendet oder dass man als erste Schicht auf die Eisenpulverteilchen eine Graphitschicht als Diffusionsbremse aufbringt. Das erfindungsgemasse Verfahren hat sich beispielsweise besonders bewährt bei der Herstellung der technisch interessanten Fe-Si-P-Sinterlegierung, die grundsätzlich den Vorteil hat, dass Silicium und Phosphor preiswerte, leicht verfügbare Elemente sind, die bei einer eventuellen Wiederaufbereitung von Sinterstahlteilen sehr wenig Schwierigkeiten bereiten. Beschreibung der Ausführungsbeispiele Beispiel 1: Im System Eisen-Nickel tritt für Legierungen bis etwa 40 % Ni oberhalb 1450 C der Zweiphasenzustand auf. Um eine Fe-Ni-Legierung mit etwa 5 % Ni und einer Raumerfüllung von > 94 % durch Einfachsintertechnik herstellen zu können, wurde sphärisches Eisenpulver durch Aufdampfen mit einer Nickelschicht versehen, wobei die Schichtdicke des Nickels so gewahlt wurde, dass ein Bruttogehalt von etwa 5 % Nickel erreicht wurde. Das so erhaltene Pulver wurde mit einem Druck von etwa 7 Mp/cmê zu einem Presskörper geformt, der dann zunächst bei 1000 oC getempert wurde, so dass sich in der Grenzzone zwischen Eisen und Nickel schon eine Legierung bildete. Danach wurde die Temperatur auf ca. 1470 OC erhöht. Es stellte sich jedoch heraus, dass dieser Zweiphasenzustand nicht ausreichend lange erhalten blieb, da das Nickel zu schnell in das Eisen eindiffundierte und das Zweiphasengebiet daher zu schnell wieder verlassen wurde. Die Poren hatten in diesem Falle zu wenig Zeit, um nach aussen zu wandern. Diese Schwierigkeit konnte jedoch dadurch überwunden werden, dass man ein Eisenpulver verwendete, das etwa 0,2 Gew.-% Kohlenstoff enthielt, wodurch die ickel-Dif- fusion in ausreichendem Masse verzögert wurde. Bei den so hergestellten Sinterteilen wurden Sinterdichten zwischen 7,4 und 7,5 g/cm erzielt, was einer Verdichtung auf > 94 % entspricht und auf das gleichzeitige und ausreichend lange Vorhandensein einer Fe-Ni-Phase im festen und im flüssigen Zustand zurückzuführen ist. Beispiel 2: Es wurde oben schon angedeutet, dass die Fe-Si-P-Legierung eine technisch interessante Legierung darstellt. Im ternären System Fe-Si-P gibt es verschiedene Zweiphasengebiete, die man für die Herstellung hochaichter Sinterteile ausnutzen kann. Als Ausgangsstoffe wurden Eisen-, Ferrosilicium-, Ferrophosphor- und Graphitpulver verwendet. Es hat sich nämlich gezeigt, dass es auch in diesem Falle notwendig ist, eine Diffusionsbremse zwischen dem Eisen und den Legierungspulvern vorzusehen. Daher wurde das Eisenpvulver zunächst mit Graphitpulver überzogen, indem das Graphitpulver mit 5 cm3 auf 1000 g Eisenpulver einer 35 %igen wässrigen Dextrinlösung als Bindemittel vermischt und auf die Eisenpulverteilchen aufgebracht wurde. Dabei lag der Brutto-Kohlenstoffgehalt zwischen 0,05 und 0,3 Gew.-%. Um eine bessere Haftung des Graphits am Eisen zu erreichen, wurde dieses Pulver einer einstündigen W rme- behandlung bei 700 C unterzogen. Dann wurde in gleicher Weise eine Mischung aus Ferrosilicium und Ferrophosphor aufgebracht und wiederum eine Wärmebehandlung wie oben durchgeführt. Danach wurde das nunmehr in Form eines Panates vorliegende Pulver in üblicher Weise gepresst und eine Stunde bei 1150 - 1180 OC in Wasserstoff gesintert. Alternativ wurden Eisen-, Ferrosilicium- und Ferrophosphorpulver in der üblichen Weise sorgfältig gemischt, wobei bei einem Teil der Proben noch 0,7 Gew.-% eines synthetischen Wachses als Presshilfsmittel zugesetzt wurde. Diese Pulvermischungen wurden dann wie oben weiterverarbeitet. Bei der Prüfung der Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Probekörper zeigten die aus Panatpulver und aus Mischpulver mit Wachszusatz hergestellten Proben weitgehend die gleichen Ergebnisse, während bei den Mischpulvern ohne Wachszusatz, besonders bei hohen Pressarücken und Sintertemperaturen, grosse Streuungen der wigenschafts- werte auftraten. 2 Bei Pressdrücken zwischen 6,5 und 8,5 Mp/cm wurden Sinter- dichten zwischen 7,25 und 7,40g/cm erreicht. Dies entspricht Werten für die Raumerfüllung von 94 bis 96 %. In diesem Dichtebereich sind die Festigkeitseigenschaften sowie die Massänderungen (Schwindungen) während des Sinterns nahezu unabhängig von der Dichte. Bei den oben beschriebenen Versuchen wurden die Komponenten in solchen engen eingesetzt, dass die Anteile der einzelnen Komponenten in den Legierungen in folgenden Bereichen lagen: P 0,8 bis 1,4 Gew.- Si 1,0 bis 2,0 Gew.-% C 0,05 bis 0,3 Gew.-% (bei Panat) Fe Rest Eine bezüglich. ihrer Eigenschaften besonders günstige Legierung hat die folgende Zusammensetzung: P 1,0 Gew.-,0 Si 1,75 Gew.-% c 0,06 Gew.-w (bei Panat) Fe Rest Panat bzw. Mischpulver mit Wachs wurden mit 6,5 bis 8,5 2 0 Mp/cm gepresst. Nach einer Sinterung bei 1150 C,eine Stunde in Wasserstoff ergaben sich Sinterdichten zwischen 7,25 und 7,40 g/cm . Die wichtigsten Eigenschaften dieser Legierung sind: Bruchfestigkeit Rm = 570 bis 600 N/mmê 0,2 0-Dehngrenzen Rp0,2 (zyklisch) = Rp0,2 (zügig) = 500 bis 550 N/mm2 Dauerschwingfestigkeit #D 250 N/mm bei k = 1 D (Biegung) #D = 140 bis 160 N/mm bei &alpha;k = 3,2. Die Vorteile dieser nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Sinterlegierung seien im folgenden nochmals zusammengefasst: - Billige und leicht verfügbare Legierungselemente - Durch Einfachsintertechnik Raumerfüllung # 94 % Hohe Werte der mechanischen Eigenschaften bei niedriger Sintertemperatur von etwa 1150 OC - Im Dichtebereich 7,25 bis 7,4 weitgehende Unabhängigkeit der Festigkeit und der Mass änderung von der Dichte - Dauerschwingfestigkeit im gekerbten Zust-and entspricht derjenigen von gekerbten Walzstählen, die im Bereich von 160 bis 180 N/mm2 liegt - Trotz des hohen Si- und P-Gehaltes, der laut Phasen diagramm zu einer Abschnürrung des &alpha; -Bereiches führt, ist die Legierung in technisch verwertbarem Masse hart bar.

Claims: Ansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Sinter stahl hoher Raumerfüllung durch Einfachsintertechnik, wobei ein Pulver aus einer Metallegierung gepresst und bei einer Temperatur gesintert wird, bei der die Metallegierung während des Sinterns gleichzeitig im flüssigen und im festen Aggregatzustand vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangspulver anstelle einer homogenen Metallegierung ein aus mehreren Komponenten mit Eisen als Hauptbestandteil bestehendes Pulvergemisch eingesetzt wird, das ohne Reaktion der Komponenten untereinander während des Sintervorganges nur in einem Aggregatzustand vorliegt, deren zwei Aggregatzustände fest und flüssig jedoch während des Sintervorganges durch Reaktion mindestens zweier Komponenten des Ausgangspulvers miteinander unter Bildung einer entsprechenden Legierungsphase entstehen. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche der Eisenpulverteilchen mindestens eine Schicht aus einer oder mehreren Legierungskomponenten aufgebracht wird, das auf diese Weise hergestellte Pulver dann gepresst und anschliessend gesintert wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche der Eisenpulverteilchen zunächst eine Schicht aufgebracht wird, die die Diffusion der Legierungskomponenten in das Eisen verlangsamt. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Graphitschicht aufgebracht wird, bevor die Eisenpulverteilchen mit mindestens einer Schicht der ne- gierungskomponenten versehen werden. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eisenpulver mit einer oder mehreren Legierungskomponenten innig gemischt wird, dass das gemischte Pulver anschliessend gepresst und das Pressteil dann gesintert wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Pulver ein Wachs als Presshilfsmittel zugesetzt wird. 7. Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Silicium-Phosphor Sinterlegierung mit einer Raumerfüllung von mindestens 94 % nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisenpulver zunächst mit einer Graphit schicht überzogen wird, indem das Graphitpulver mit einem Bindemittel und anschliessend mit dem Eisenpulver gemischt wird, dass auf die so hergestellten Pulverteilchen dann eine Schicht aus Ferrosilicium und Ferrophosphor aufgebracht wird, indem die drei Pulverarten unter Zufügen eines Bindemittels miteinander gemischt werden, und dass das gesamte Pulver schliesslich gepresst und dann gesintert wird. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten in einem solchen Verhältnis gemischt werden, dass der tohlenstoffgehalt 0,05 - 0,3 Gew.-%, der Siliciumgehalt 1,0 - 2,0 Gew.-%, der Phosphorgehalt 0,8 - 1,4 Gew.-% beträgt, dass der Pressdruck bei 6,5 - 8,5 Mp/cm und die Sintertemperatur bei 1150 - 1180 OC liegt und die Sinterung in einer Wasserstoffatmosphäre vorgenommen wird. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Graphitschicht und nach dem Aufbringen der Schicht der Legierungskomponenten jeweils eine einstündige Wärmebehandlung bei 700 OC erfolgt.

Inventors: ESPER, FRIEDRICH JOSEF, DR., KAYSSER, WOLFGANG, DR. DIPL.-ING., LEUZE, GUNDMAR, DR., PETZOW, GUNTER, PROF. DR. DR. H.C., ZELLER, ROBERT, Petzow, Günter, Prof. Dr. Dr. h.c.
Applicants: ROBERT BOSCH GMBH
Application year: 1983
Main classification: C22C33
IPC codes: C22C33, B22F3, C22C38, B22F1