DE69514935T2

DE69514935T2 - Manganhaltige materialien mit hoher zugfestigkeit

Info

Publication number: DE69514935T2
Application number: DE69514935T
Authority: DE
Inventors: Caroline Lindberg
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2015-11-22
Also published as: EP0787048B1; MX9703838A; AU3996995A; KR100258376B1; JPH10510007A; SE9404110D0; JP3853362B2; EP0787048A1; ES2147618T3; ATE189418T1; CN1166802A; DE69514935D1; CA2205869A1; WO1996016759A1; CA2205869C; BR9510335A; CN1068384C; US5969276A; TW272235B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Pulver auf Eisenbasis zum Herstellen von Komponenten durch Kompaktieren und Sintern. Genauergesagt betrifft die Erfindung Pulverzusammensetzungen, welche im wesentlichen frei von Nickel sind und welche, wenn sie gesintert sind, Komponenten ergeben, die wertvolle Eigenschaften wie etwa eine hohe Zugfestigkeit aufweisen. Die Komponenten können beispielsweise in der Automobilindustrie verwendet werden. Die Erfindung betrifft auch eine pulvermetallurgisch hergestellte Komponente aus diesem Pulver sowie ein Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen einer solchen Komponente.
Nickel ist ein relativ häufiges Legierungselement in Pulverzusammensetzungen auf Eisenbasis auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie und es ist allgemein bekannt, daß Nickel die Zugfestigkeit der gesinterten Komponenten verbessert, welche aus Eisenpulvern hergestellt worden sind, die bis zu 8% Nickel enthalten. Außerdem fördert Nickel das Sintern, erhöht die Härtbarkeit und hat gleichzeitig einen positiven Einfluß auf die Dehnung.
Ein gegenwärtig vermarktetes Pulver, dessen Verwendung zu Produkten mit Eigenschaften führt, die den Eigenschaften ähneln, die mit dem erfindungsgemäßen Produkt erhalten werden, ist Distaloy®AE, welches 4 Gew.-% Nickel enthält.
Es besteht jedoch ein zunehmender Bedarf an Pulvern, die kein Nickel enthalten, da Nickel z. B. teuer ist, Probleme mit Stäuben während der Verarbeitung des Pulvers verursacht und in kleinen Mengen allergische Reaktionen hervorruft. Unter Umweltgesichtspunkten sollte die Verwendung von Nickel somit vermieden werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine nickelfreie Pulverzusammensetzung bereitzustellen, welche wenigstens in gewisser Hinsicht im wesentlichen die gleichen Eigenschaften aufweist wie Zusammensetzungen, die Nickel enthalten.
Eine zweite Aufgabe ist es, ein billiges umweltverträgliches Material bereitzustellen.
Eine dritte Aufgabe ist, gesinterte Produkte bereitzustellen, welche nach einem Sintern sowohl bei niedriger als auch bei hoher Temperatur Zugfestigkeitswerte aufweisen, die höher sind, als die mit Distaloy®AE erhaltenen Werte.
Diese Aufgaben werden gelöst mit dem Pulver auf Eisenbasis nach Anspruch 1, der pulvermetallurgisch hergestellten porösen Komponente nach Anspruch 10 und dem Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von gesinterten porösen Komponenten nach Anspruch 11.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen Metallpulver, welche 0,25-2,0 Gew.-% Mo, 1,2-3,5 Gew.-% Mn, 0,5-1,75 Gew.-% Si, 0,2-1,0 Gew.-% C, Rest Eisen und nicht mehr als 1 Gew.-% Verunreinigungen, die weniger als 0,25 Gew.-% Cu und weniger als 0,25 Gew.-% Ni einschließen, enthalten, sehr interessante Eigenschaften auf. So können Zugfestigkeiten bis zu 1200 MPa erhalten werden, wenn die Metallpulver gemäß der Erfindung kompaktiert und anschließend bei hohen Temperaturen gesintert werden.
Eine bevorzugte Pulverzusammensetzung auf Eisenbasis gemäß der Erfindung enthält 0,5-2 Gew.-% Mo, 1,2-3 Gew.-% Mn, 0,5-1,5 Gew.-% Si, 0,3-0,9 Gew.-% C, Rest Eisen und weniger als 1 Gew.-% Verunreinigungen, die weniger als 0,25 Gew.-% Cu und weniger als 0,25 Gew.-% Ni einschließen.
Mo könnte als Metallpulver, teilweise mit Eisen vorlegiert oder mit Eisen vorlegiert, verwendet werden. Wenn Mo zu dem Eisenpulver zugegeben wird, nimmt die Härtbarkeit des komprimierten Materials zu und es wird empfohlen, daß die Menge an Mo mindestens 0,25 Gew.-% betragen sollte. Da jedoch zunehmende Mengen an Mo zu einer herabgesetzten Komprimierbarkeit und entsprechend herabgesetzter Dichte führen, sollte die Menge an Mo nicht mehr als 2,0 Gew.-% betragen. Außerdem machen zu hohe Mengen an Mo, insbesondere in Kombination mit hohen Mengen an C, das gesinterte Material hart und spröde und die Festigkeit des Materials nimmt ab.
Mo wird vorzugsweise in Form eines vorlegierten Ausgangspulvers zugegeben, was ermöglicht, eine homogenere Mikrostruktur, die aus Bainit und Martensit besteht, in dem gesinterten Material zu erhalten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Mo in Form von Astaloy Mo oder Astaloy 85 Mo (erhältlich von Höganäs AB, Schweden) zugegeben, welche 1,5 bzw. 0,85% Mo enthalten.
Mn und Si verbessern die Härtbarkeit. Zweckmäßigerweise werden diese Elemente in Mengen über 1,2 bzw. 0,5 Gew.-% zugegeben. Zu hohe Mengen an Mn und Si, wie etwa über 3,5 bzw. 1,75 Gew.-% führen jedoch zu einer herabgesetzten Komprimierbarkeit und können Oxidationsprobleme verursachen. Hohe Mengen an Mn und Si in einem vorlegierten Ausgangspulver haben eine starke lösungshärtende Wirkung, wogegen diese Elemente, wenn sie in elementarer Form zugegeben werden, eine hohe Affinität zu Sauerstoff aufweisen.
Wenn diese Elemente jedoch in Form einer Vorlegierung zugegeben werden, ist ihre Affinität für Sauerstoff herabgesetzt und sie werden weniger empfindlich für eine Oxidation. So werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Mn und Si in Form einer Fe-Mn-Si-Vorlegierung zugegeben, die aus 10-30 Gew.-% Si, 20-70 Gew.-% Mn besteht, wobei der Rest Eisen ist, und die ein Gewichtsverhältnis von Mn/Si zwischen 1 und 3 aufweist. Eine solche Vorlegierung kann hauptsächlich aus beispielsweise (Fe, Mn)&sub3;Si und (Fe, Mn)&sub5;Si&sub3; bestehen und ist in EP 97 737 offenbart. Die Vorlegierung ergibt auch eine verbesserte Komprimierbarkeit und die Mikrostruktur des gesinterten Materials wird homogener, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß beim Sintern die Fe-Mn-Si-Vorlegierung eine vorübergehende flüssige Phase bildet, welche das Sintern beschleunigt, die Diffusion erleichtert, die Menge an Martensit erhöht und die Poren runder macht. Mit der Vorlegierung ist es möglich, die große Schrumpfung zu vermeiden, die normalerweise durch Silicium verursacht wird, und eine Größenänderung zu erhalten, die nahe bei Null liegt. Alternativ dazu kann Mn und Si in Form von Ferromangan und Ferrosilicium zugegeben werden.
Wenn die Menge an C, welches normalerweise als Graphitpulver zugegeben wird, weniger als 0,2% beträgt, wird die Zugfestigkeit zu niedrig sein, und wenn die Menge an C über 1,0% liegt, wird die gesinterte Komponente zu spröde sein. Komponenten, die aus erfindungsgemäßen Zusammensetzungen hergestellt sind, worin der C-Gehalt relativ niedrig ist, weisen eine gute Duktilität und annehmbare Zugfestigkeit auf, wogegen Produkte, die aus Zusammensetzungen mit höheren Mengen an C hergestellt sind, eine niedrigere Duktilität und eine erhöhte Zugfestigkeit aufweisen. Die Graphitzugabe muß unter Berücksichtigung der Sinteratmosphäre erfolgen. Je mehr Wasserstoff in der Atmosphäre ist, desto mehr Graphit muß zugegeben werden aufgrund der größeren Entkohlung. Da normalerweise etwas Kohlenstoff beim Sintern verschwindet, wird der Kohlenstoffgehalt des gesinterten Produktes etwas geringer sein als der Kohlenstoffgehalt des Pulvers auf Eisenbasis. Folglich variiert der Kohlenstoffgehalt der gesinterten Produkte normalerweise zwischen 0,15 und 0,70 Gew.-%.
Als mögliche Verunreinigungen können Ni, Cu und Cr genannt werden. Diese Elemente können in Mengen von jeweils weniger als 0,25 Gew.-% vorhanden sein, sollten aber vorzugsweise nur als Spuren vorhanden sein, d. h. bis zu 0,1 Gew.-% der Zusammensetzung. Andere mögliche Verunreinigungen sind Al, P, S, O, N, Be, B in Mengen, wie sie in den Ansprüchen angegeben sind. Die Gesamtmenge der Verunreinigungen sollte weniger als 1 Gew.-% betragen.
Der Einfluß der Zugabe von verschiedenen Mengen an Mo, Mn/Si und C ist in den Fig. 1, 2 bzw. 3 offenbart.
Außer den Pulvern auf Eisenbasis betrifft die vorliegende Erfindung auch Verfahren zum Herstellen von Komponenten unter Verwendung dieser neuen Pulver sowie die hergestellten Komponenten. Das pulvermetallurgische Verfahren wird auf herkömmliche Weise durchgeführt, die dem Fachmann bekannt ist, und schließt die Schritte des Kompaktierens, Sinterns und gegebenenfalls Nachpressens und Sinterns und/oder Vergütens des Pulvers ein. Der Kompaktierschritt könnte sowohl als kalter als auch als warmer Kompaktierschritt durchgeführt werden und der Sinterschritt könnte als Sintern bei niedriger Temperatur sowie als Sintern bei hoher Temperatur durchgeführt werden. Die Sin teratmosphäre sowie die Sinterzeiten haben einen Einfluß auf die Eigenschaften des Endprodukts, wie im Fachgebiet bekannt ist.
In diesem Zusammenhang kann erwähnt werden, daß WO 80/01083 Legierungsstahlgegenstände offenbart, die eine Zusammensetzung aufweisen, die der Zusammensetzung der Produkte der vorliegenden Erfindung ähnelt. Diese bekannten Produkte sind jedoch herkömmliche geknetete porenfreie Produkte, die durch Gießen hergestellt wurden. Eine spezielle nachfolgende Wärmebehandlung, Zwischenstufenumwandeln wird durchgeführt, um Produkte mit einer im wesentlichen vollständigen Bainitstruktur zu erhalten. Zusätzlich zu den Bereichen der Legierungselemente unterscheiden sich diese bekannten Produkte von dem gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Produkt in verschiedenerlei Hinsicht, wie etwa durch die Art der Ausgangsmaterialien, die Verfahrenswege und die Mikrostruktur.
Es wurde ziemlich unerwarteterweise gefunden, daß Materialien mit Zugfestigkeiten bis zu ungefähr 1200 MPa erhalten werden können unter Verwendung der neuen Zusammensetzungen auf Eisenbasis. Diese bemerkenswert hohen Werte können z. B. durch Hochtemperatursintern zwischen ungefähr 1200ºC und 1280ºC während Zeiträumen von ungefähr einer Stunde in einer Wasserstoffatmosphäre erhalten werden. Bemerkenswert ist auch die Tatsache, daß die komprimierten Körper, die aus dem Pulver auf Eisenbasis gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, wenn sie einem Sintern bei niedriger Temperatur, d. h. einem Sintern bei 1120ºC und 1150ºC unterzogen werden, sich ebenfalls durch sehr hohe Zugefestigkeiten bis zu 1000 MPa auszeichnen. Es ist auch beobachtet worden, daß unerwartet hohe Zugfestigkeiten bei relativ mäßigen Dichten wie etwa 6,8 bis 7,0 g/cm³ erhalten werden. Außerdem wurde gefunden, daß die neuen Zusammensetzungen eine gute Stabilität der Größenänderung bei verschiedenen Dichten aufweisen.
Kurz gesagt macht die hohe Zugefestigkeit der gesinterten Produkte gemäß der Erfindung in Kombination mit den niedrigen Kosten des Pulvers und dem mäßigen Einfluß auf die Umwelt die vorliegende Erfindung besonders interessant.
Die Erfindung wird im folgenden Beispiel ausführlicher beschrieben.

Beispiel

Es wurden verschiedene Legierungszusammensetzungen im Hinblick auf Mo, Mn, Si und C untersucht. Eine Vorlegierung mit einer Zusammensetzung aus 45% Mn, 21% Si und dem Rest Eisen wurde in den folgenden Versuchen verwendet. Die Vorlegierung, Graphit und in einigen Versuchen auch Mo-Pulver wurden zu ASC100.29, Astaloy 85 Mo oder Astaloy Mo hinzugemischt. Zugteststäbe wurden bei 600 MPa kompaktiert, gefolgt von einem Sintern bei 1250ºC während 30-60 Minuten in einer Wasserstoff- Stickstoff-Mischatmosphäre. Optimale Festigkeitseigenschaften wurden bei Molybdängehalten von 0,25 bis 2,0% erhalten, Fig. 1. Die Härtbarkeit ist bei kleinen Zugaben zu niedrig, wogegen die Dichte bei höheren Molybdänzugaben zu niedrig wird. Der Mo- Gehalt liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 2%. Außer Eisen und verschiedenen Mengen an Mo enthielt das untersuchte Pulver 2,8% Mn, 1,2% Si und 0,7% Graphit.
Kleinere Vorlegierungszugaben führen zu einer niedrigen Härtbarkeit des Materials und dadurch einer niedrigen Festigkeit. Hohe Legierungszugaben führen zu einem großen Volumen der Vorlegierung, was die Komprimierbarkeit herabsetzt und auch zu einem erhöhten Anschwellen des Materials führt. Die Festigkeit wird dadurch aufgrund der niedrigeren Dichte abnehmen. Die Mangan- und Siliciumzugaben sind optimal zwischen 1 und 3,5% Mn bzw. zwischen 0,5 und 1,75% Si, Fig. 2. Außer Eisen und verschiedenen Mengen an Mn, Si, enthielt das untersuchte Pulver 0,85% Mo und 0,7% Graphit.
Der analysierte Kohlenstoffgehalt hängt von der Menge des zugegebenen Graphits und auch davon ab, welche Sinteratmosphäre verwendet worden ist. Je höher der verwendete Wasserstoffgehalt ist, desto größer ist die Entkohlung. Der Kohlenstoffgehalt des gesinterten Produkts ist optimal zwischen 0,15 und 0,7%, Fig. 4. In diesen Versuchen entspricht dies 0,3-0,9% Graphit in der Pulverzusammensetzung, Fig. 3. Das untersuchte Pulver auf Eisenbasis enthielt 0,85% Mo, 1,8% Mn, 0,8% Si und verschiedene Mengen an Graphit.
Die Festigkeit des Materials wird durch eine zunehmende Sintertemperatur und/oder -dauer erhöht. Dies ist hauptsächlich auf eine bessere Diffusion der zusammengemischten Legierungselemente zurückzuführen, welche die Härtbarkeit und dadurch die Festigkeit des Materials erhöht. Diesen Effekt sieht man in Fig. 5 für ein Pulver, das aus Eisen, 0,85% Mo, 1,8% Mn, 0,8% Si und 0,5-0,7% Graphit besteht.
Die Größenänderung bei verschiedenen Dichten ist für das neu entwickelte Material stabil. Dies ist ein großer Vorteil beim Herstellen von Komponenten mit einer großen inneren Dichtevariation. Durch die Verwendung eines dimensionsstabilen Materials wird es leichter, enge Toleranzen einzuhalten. Die Fig. 6 offenbart die Variation der Größenänderung für Fe-0,85Mo-1,8Mn-0,8Si-(0,6-0,7C), das bei 400, 600 und 800 MPa kompaktiert wurde. Das Sintern erfolgte bei 1120ºC und 1250ºC. Die Variation der Größenänderung beträgt 0,03% bzw. 0,12% in dem Dichtebereich 6,6-7,1 g/cm³

Claims

1. Pulver auf Eisenbasis zum Herstellen von Komponenten durch Pulverkompaktieren und Sintern umfassend

0,25-2,0 Gew.-% Mo,

1,2-3,5 Gew.-% Mn,

0,5-1,75 Gew.-% Si,

0,2-1,0 Gew.-% C,

Rest Eisen

und nicht mehr als 1 Gew.-% Verunreinigungen, die weniger als 0,25 Gew.-% Cu und weniger als 0,25 Gew.-% Ni einschließen.

2. Pulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Mo 0,5-2,0 Gew.-% beträgt.

3. Pulver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Mn 1,2-3,0 Gew.-% beträgt.

4. Pulver nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Si 0,5-1,50 Gew.-% beträgt.

5. Pulver nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an C 0,3-0,9 Gew.-% beträgt.

6. Pulver nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Mn und Si in Form von Ferromangan, Ferrosilicium oder einer Silicium-Mangan-Eisen- Vorlegierung vorhanden sind.

7. Pulver nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis Mangan/Silicium der Silicium-Mangan-Eisen-Vorlegierung zwischen 1 und 3 schwankt.

8. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mo in Form einer Vorlegierung aus Fe und Mo vorhanden ist.

9. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es unvermeidliche Verunreinigungen in den folgenden Bereichen einschließt

Cr < 0,25

Cu < 0,25

Ni < 0,25

Al < 0,20

P < 0,05

S < 0,05

O < 0,03

N < 0,02

Be < 0,01

B < 0,02

andere < 0,5.

10. Pulvermetallurgisch hergestellte poröse Komponente, welche umfaßt

0,25-2,0 Gew.-% Mo,

1,2-3,5 Gew.-% Mn,

0,5-1,75 Gew.-% Si,

0,15-0,70 Gew.-% C,

Rest Eisen

11. Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von gesinterten porösen Komponenten, gekennzeichnet durch Verwenden eines Pulvers auf Eisenbasis, umfassend

0,25-2,0 Gew.-% Mo,

1,2-3,5 Gew.-% Mn,

0,5-1,75 Gew.-% Si,

0,2-1,0 Gew.-% C,

Rest Eisen

und nicht mehr als 1 Gew.-% Verunreinigungen, die weniger als 0,25 Gew.-% Cu und weniger als 0,25 Gew.-% Ni einschließen; Kompaktieren des Pulvers zu der gewünschten Gestalt und Sintern des Preßkörpers bei einer Temperatur von mindestens 1120ºC.