DE2749215C2

DE2749215C2 - Verfahren zur Herstellung eines kupferhaltigen Eisenpulvers

Info

Publication number: DE2749215C2
Application number: DE19772749215
Authority: DE
Inventors: Gösta Theodor Gustavsson; Axel Sten-Aake Kvist; Per Folke Lindskog; Lars-Erik Höganäs Svensson
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1976-11-03
Filing date: 1977-11-03
Publication date: 1983-11-03
Also published as: FR2370104B1; IT1090423B; SE7612217L; JPS5392306A; GB1595346A; FR2370104A1; DE2749215A1; ES463769A1; SE408435B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kupferhauigen Eisenpulvers aus einem Gemisch von Eisenpulver einer tiaxima* ,n Teilchengröße unter 350 μπι und 1 bis 20% eines Kupferpulvers oder pulverförmiger reduzierbarer Ki 'ferverbindungen einer maximalen Teilchengröße unter 175 μπι.

Verfahren der vorgenannten Art sind aus F. Eisenkolb »Fortschritte der Pulvermetallurgie«, Band 11, Seite 116-121, Akademie-Verlag, Berlin 1963. bekannt. Derartige Verfahren ermöglichen die Herstellung großer Komponentenserien mit guter Dimensionsgenauigkeit. Bei der Herstellung wird zunächst Eisen- bzw. Stahlpulver und ein Schmiermittel vermischt, um die nachfolgende Komprimierung zu einem in einer der gewünschten Endform ähnlichen Form ru erleichtern. Der Preßkörper wird anschließend gesintert, wobei das Material die gewünschten Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften und dergleichen erhält. Häufig erfolgt auch eine Kalibrierung in Form einer weiteren Komprimierung, wodurch die Endkomponente außerordentlich genaue Abmessungen erhält.

Zur Herstellung von mittels der Pulvermetallurgie hergestellten Komponenten verwendet man ein Legierungspulver als Ausgangsmaterial, und zwar im wesentlichen Pulvergemische oder sogenannte atomisierte Pulver.

Die Pulvergemische werden erhalten, indem man mit dem Eisenpulver ein pulverförmiges Legierungselement vermischt, und zwar letzteres entweder in elementarer Form oder als Verbindung, die sich während des Sinterungsverfahfens zersetzen kann. Die atomisierten Eisen- bzw. Stahlpulver werden durch Zerkleinerung einer die gewünschten Legierungselemente enthaltenden Stahlschmelze erhalten.

Bei Pulvergemischen besteht die Gefahr der Segregation, ζ. B. wenn Pulver mit unterschiedlichen Teilchengrößen miteinander vermischt werden. Weiterhin besteht bei ihnen die Gefahr der Staubbildung.

Atomisierte Pulver zeigen zwar keine Segregationsneigung, da jedes Pulverteilchen die gewünschte Zusammensetzung aufweist, und stauben nicht wegen des Fehlens von Teilchen geringer Teilchengröße, sind jedoch wenig kompressibel; daher werden im allgemeinen Verfahren der eingangs genannten Art unter Verwendung von Pulvergemischen bevorzugt

Das Verfahren der Erfindung vereinigt die günstigen Eigenschaften einer hohen Kompressibilität mit einer

ίο geringen Segregationsgefahr und Staubbildung in dem als Ausgangsmaterial vorgesehenen Pulver auf der Basis eines Eisen- oder Stahlpulvers. Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Eisenpulver und Ktspferpulver oder pulverförmiger

lä- reduzierbarer Kupferverbindungen in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 70C und 950⁰C während 0,25 bis 10 Stunden so geglüht wird, daß das nach dem Mahlen des dabei erhaltenen Sinterkuchens entstehende Pulver einer maximalen Teilchengröße unter 350 um eine Verdichtbarkeit (nach ASTM Standard B 331-64) von höchstens 0,15g/cm^J kleiner ais die Verdichtbarkeil des entsprechenden Gemisches aus Eisen- und Kupferpulver aufweist und der Gesamtsauerstoffgehalt nicht größer als 1.2% ist, und das so erhaltene kupferlegierte Eisenpulver mit reinem Eisenpulver vermischt wird.

Das erfindungsgemäß kupferhahige Eisenpulver ergibt eine überlegene Dimensionsstabilität der hergestellten Komponenten. Unerwarteterweise hat sich auch gezeigt, daß in bestimmten Fällen die oben genannte Kalibrierungsmaßnahme entfallen kann, wenn

man ein erfindungsgemäß hergestelltes Pulver an die Stelle eines Eisen/Kupfer-Gemisches treten läßt.

Das Verfahren der Erfindung beruht im wesentlichen auf zwei Erkenntnissen, nämlich der Tatsache, daß es möglich ist. Kupferteilchen auf der Oberfläche von Eisenteilchen durch Erhitzung eines Gemisches von Eisen- und Kupferpulver durch Diffusion zu verankern, wobei diese Diffusion ohne eine weitere Änderung der Eisenteilchen stattfindet, und weitt.-hin der Tatsache, daß ein in dieser Weise verarbeitetes Gemisch, das im folgenden als diffusionslegiertes Eisenpulver bezeichnet wird, morphologisch dem nicht legierten Eisenpulver ähnlich ist, so daß ein Gemisch aus den zwei Pulvern nicht segregiert. Anstelle von Kupferpulver ist es selbstverständlich möglich, eine pulverförmige, leicht reduzierbare Kupferverbindung, vorzugsweise Kupferoxid, einzusetzen, da die Diffusionserhitzung in einer reduzierenden Atmosphäre stattfindet.

Die Herstellung des kupferhaltigen Eisenpulvers erfolgt typischerweise folgendermaßen:

Eisenpulver mit einer Teilchengröße von weniger als J50 μπι. vorzugsweise weniger als 175 μπι und insbesondere von weniger als 150 μπι, wird mit einem Pulver aus leicht reduzierbaren Kupferverbindungen mit einer Teilchengröße von weniger als 175 μπι. vorzugsweise von weniger als 75 μπι. vermischt. Das Pulvergemisch wird anschließend einer Wärmebehandlung bei 700 bis 950⁰C. vorzugsweise 750 bis 850"C, für eine Zeitspanne von 0,25 bis 10 Stunden, vorzugsweise 03 bis 5 Stunden, in einer reduzierenden Atmosphäre unterworfen. Die Kupferteilchen versintern dabei mit den Eisenteilchen, ohne daß dabei eine Diffusion des Kupfers in einem solchen Ausmaß stattfindet, daß die mit der Diffusion verbundene Verringerung der Kompressibilität größer als 0,15 g/cm* (ASTM Standard B 331-64) ist. Die Wärmebehandlung wird so geführt, daß der Gesamtsauerstoffgehalt des Pulvers weniger als 1.2%. Vorzugs-

weise weniger als 0,8%, ist Der so erhaltene Kuchen wird zu einem Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von weniger als 350 μπτ, vorzugsweise von weniger als 175 μπι und insbesondere von weniger als 150 μητ, zerkleinert Das so erhaltene Pulver wird im folgenden als diffusionslegiertes Eisenpulver bezeichnet

Das mit Kupfer diffusionslegierte Eisenpulver wird anschließend mit reinem Eisenpulver vermischt, so daß ein Gemisch mit dem gewünschten Kupfergehalt erhalten wird. Bei der Verwendung des obigen Pulvers in der Pulvermetallurgie ist es bevorzugt, zusätzlich zu dem Eisenpulver 0 bis 2%, vorzugsweise 0 bis 1% Graphit, 0 bis 2%, vorzugsweise 0 bis 1%, eines festen Schmiermittels in Pulverform und gegebenenfalls, einzeln oder in Kombination, 0 bis 5% Nickel, 0 bis 2% Molybdän und 0 bis 1,5% Phosphor zuzusetzen. Der gemäß der Erfindung bevorzugte Kupfergehalt in dem PrimärgeEÜsch, das anschließend diffusionsgetempert wird, liegt zwischen 1 und 20%, vorzugsweise zwischen 5 und 15%, und insbesondere zwischen 8 und 12%, wogegen der Kupfergehalt des Endgemisches zwischen 1 und 5% liegen kann.

Das als Basispulver verwendete Eisenpulver weist vorzugsweise eine große spezifische Oberfläche auf, um eine wirksame Adhäsion zu gewährleisten. Man bevorzugt daher aus Eisenschwamm hergestelltes Eisenpulver, sogenanntes Schwammpulver, bei der Herstellung des Pulvers gemäß der Erfindung.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Anwendung des Verfahrens der Erfindung auf ein Gemisch von Eisenpulver und 5 bis 15% Kupferpulver oder einem entsprechenden Anteil reduzierbarer Kupferverbindungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsversuchen, die die überraschenden Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten kupferhaltigen Eisenpulvers verdeutlichen, näher erläutert

Beispiel 1

40

Eine mit A bezeichnete Mischung wurde in der folgenden Weise hergestellt. Zunächst wurden 500 kg Kupferpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 jim mit 4500 kg Eisenschwammpulver mit einer maximalen teilchengröße von 147 > m und 0,015% flüssigem Mineralöl vermischt Die Kompressibilität dieses Gemisches wurde gemäß ASTM Standard B 331-64 bestimmt und ergab einen Wert von 6,59 g/cm*. Das Gemisch wurde 75 Minuten lang auf 77O⁰C in einer Atmosphäre von gecracktem Ammoniak mit einem Taupunkt vcn +22° C erhitzt Dabei bildete sich ein gesinterter Kuchen, der zu einem Pulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 μπι vermählen wurde. Dieses Pulver bestand im wesentlichen aus Eisenpulverteilchen mit auf der Oberfläche angesinterten Kupferteilchen. Die Kompressibilität dieses Pulvers wurde gemäß ASTM Standard B 33i-64 bestimmt und ergab sich zu 6,57 g/cm³. Der Gesamtsauerstoffgehalt des Pulvers wurde zu 0,53% bestimmt, das Gesamtvolu- $0 mengewicht gemäß ASTM Standard B 2J2-48 ergab lieh 2,43 g/cm³.

300 kg des oben erhaltenen Pulvers wurden mit 700 kg Eisenschwammpulver und 8 kg Zinkstearatpulver vermischt. Das so erhaltene Gemisch wird im folgenden als Mischung B bezeichnet.

Weiterhin wurde ein Gemisch C aus den folgenden Komponenten hergestellt:

96,2% Eisenschwarnmpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 μπι,

3,0% K.upferpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 μπι,

0,8% Zinkstearatpulver.

Jeweils zwei Kilogramm von jeder der Mischungen B und C wurden in einen Behälter gegeben, aus dem sie ungehindert ausströmen konnten. Das letzte Zehntel aus jeder der Mischungen wurde gesammelt und bezüglich des Kupfergehaltes analysiert Der Kupfergehalt der Mischung B ergab sich zu 2,8% Kupfer, derjeniger der Mischung C betrug 0,9% Kupfer.

Aus den zwei Gemischen wurden bei einem Druck von 600 MPa Versuchsbarren zur Bestimmung der Zugfestigkeit gepreßt Die Versuchsbarren wurden bei 1120⁰C 30 Minuten lang in einer Atmosphäre aus gecracktem Ammoniak gesintert Die Eigenschaften der Versuchsbarren wurden bestimmt, wobei die folgenden Ergebnisse ei halten wurden:

Gtstatoite Dickte g/«n³) Diincmioaiiiiienms % Zuefcstiekeit N/m«²)

+0,5*

320

54

298

Die Ergebnisse der zwei oben erläuterten Experimente zeigen, daß die Entmischungsgefahr wesentlich herabgesetzt wird, wobei die guten mechanischen Eigenschaften erhalten bleiben, wenn man das erfindungsgemäß hergestellte Metallpulver einsetzt.

Beispiel 2

Es wurden zwei Pulvergemische D und E mit der aus der folgenden Aufstellung ersichtlichen Zusammensetzung hergestellt.

Misch .aig D:

96,2% Eisenschwammpulver mit einer maximalen

Teilchengröße von 147 μπι 3,0% Kupferpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 147 μπι 0,8% Zinkstearat.

Mischung E:

69,2% Eisenschwammpulver mit einer maximalen

Teilchengröße von 147 μπι 30,0% diffusionsregiertes Eisenpulver, enthaltend 10.0% Kupfer, mit einer maximalen Teilchengröße von 147 μπι O,6°/0 Zinkstearat

Zur Herstellung von gesinterten Komponenten im großtechnischen Maßstab wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem jede der Mischungen D und E komprimiert und in üblicher Weise gesintert wurden, wobei 10 000 Probekörper erhalten wurden. Die Mischung E wurde in die normale Produktion des Herstellers aus Material gemäß Mischung D eingeschlossen. Nach der Sinterung wurde eine aus statistischer Sicht ausreichende Anzahl von Probekörpern entnommen, und man bestimmte die Dimensionsänderungen dieser Proben. Für das Gemisch D ergab sich eine Dimensionsänderung im Bereich zwischen 0,43 und 0,74% wogegen derselbe Bereich für die Mischung

E zwischen 039% und 0,54% lag. Diese Resultate, ergeben sich aus dem Diagramm 1, in dem die relative, Häufigkeit der Dimensionsänderung für die Mischungen D und E gezeigt ist. Auch die Standardabweichung der Dimensionsänderung von Probekörpern, die kontinuier- ι lieh während der Herstellung entnommen wurden, wurde berechnet. Das Ergebnis ist in Diagramm 2 wiedergegeben, das zeigt, daß die Streuung der Dimensionsänderung für die Mischung E wesentlich geringer als für die Mischung D ist. Dies bedeutet, daß ίο die festgelegten Anforderungen bezüglich der Dimensionsgenauigkeit, d. h. definierte Meßtoleranzen, leichter erreicht werden können, wenn man die Mischung E verwendet. Die mit der Mischung E gemäß den obigen Versuchen erhaltene Maßgenauigkeit entspricht der υ Toleranzklasse IT 8, wogegen die aus der Mischung D hergestellten Probekörper eine Maßgenauigkeit entsprechend der Toleranzklasse IT 10 ergeben.

Zusätzlich wurde willkürlich eine Anzahl von gesinterten Proben, die jeweils aus den Mischungen L) Jo und E hergestellt worden waren, entnommen. Diese Proben wurden bezüglich des Kupfergehaltes analysiert. Für die Mischung D lagen die Kupfergehalte zwischen 3,17 und 1,97%, während die entsprechenden Gehalte für die Mischung E 2,88% und 2,66% betrugen, d.h. die Schwankungsbreite des Kupfergehaits für D betrug 1,20% und für E 0,22%. Diese Zahlen ergeben sich aus dem Diagramm 3. Zusätzlich wurde der Mittelwert (X) und die Standardabweichung (±<J) für die so erhaltenen Analysenergebnisse berechnet. Diese Werte ergeben sich aus der folgenden Aufstellung:

Material

±6

35

2,76%

0,0m

Aus den obigen Ergebnissen ergibt sich offensichtlich, daß die Streuung des Kupfergehalts innerhalb einer ProduktionsEcrie wesentlich geringer ist, wenn die Probekörper aus E und nicht aus D hergestellt wurden.

Beispiel 3

Es wurden zwei Pulvergemische F und G hergestellt. Die Zusammensetzung ergibt sich aus der folgenden Aufstellung.

, Mischung F:

, 97,2% Eisenschwammpulver mit einer maximalen

Teilchengröße von 147 μπι 2,0% Kupferpulver mit einer maximalen Teilchengröße von 74 μιη 0,8% Zinkstearat

Mischung G:

79,2% Eisenschwammpulver mit einer maximalen

Teilchengröße von 147 μπι 20,0% diffusionslegiertes Eisenpulver mit einem Gehalt von 10,0% Kupfer mit einer maximalen Teilchengröße von 147 μπι 0,8% Zinkstearat.

Aus den Mischungen F und G wurden in industriellem Maßstab 100 000 Lagerbuchsen durch Pressen und Sintern hergestellt. Die Mischungen wurden in die normale Herstellung eingeschlossen. Eine aus statistischer Sicht (gemäß iSö/TC ii9) ausreichende Anzähi von Lagerbuchsen wurden bezüglich ihrer Dimensionsstabilität getestet. Für Lagerbuchsen, hergestellt aus Mischung F, ergab sich ein Innendurchmesser zwischen 9,954 mm und 9,986 mm, wogegen aus Mischung G hergestellte Buchsen einen Bereich von 9,994 mm und 10,012 mm ergaben. Der Sireuwert betrug somit 0,032 bzw. 0,018 mm. Dies entspricht den Toleranzklassen IT 9 bzw. IT 7 für aus F bzw. G hergestellte Buchsen. Im Diagramm 4 ist die relative Häufigkeit der gemessenen Durchmesser für aus F bzw. G hergestellte Buchsen angegeben. In das Diagramm wurde auch die definierte Toleranzforderung eingesetzt, die die gleiche ist wie bei den Messungen, die nach einer Kalibrierung erhalten wurden.

Zusätzlich ergab sich eine wesentlich geringere Ovalform, bestimmt als Unterschied zwischen den Maximal- und Minimalmaßen der Durchmesser der aus G hergestellten Buchsen. Für die aus G hergestellten Buchsen ergab sich eine gemessene Ovalität von 0,0039 mm; der entsprechende Wert für die aus F hergestellten Stücke ergab sich zu 0,0139 mm. Der gleiche Effekt wurde bezüglich der Konusform der Komponenten, definiert als Unterschied zwischen den Enddurchmessern der Lagerbuchsen, erhalten. Für Buchsen aus F betrug die Konizität 0,0327 mm; der entsprechende Wert für G war 0,0061 mm.

Das aus den obigen Beispielen ersichtliche Gesamtergebnis zeigt, daß diffusionslegierte Eisenpulver eine Maßgenauigkeit ergeben, die im wesentlichen die gleiche wie bei nachträglich noch kalibrierten Sinterkörpern ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines kupferhaltigen Eisenpulvers aus einem Gemisch von Eisenpulver einer maximalen Teilchengröße unter 350 μπι und 1 bis 20% eines Kupferpulvers oder pulverförmiger reduzierbarer Kupferverbindungen einer maximalen Teilchengröße unter 175 μιη, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 700 und 950⁰C während 0,25 bis 10 Stunden so geglüht wird, daß das nach dem Mahlen des dabei erhaltenen Sinterkuchens entstehende Pulver einer maximalen Teilchengröße unter 350 μιη eine Verdichtbarkeit (nach ASTM Standard B 331-64) von höchstens 0,15 g/cm³ kleiner als die Verdichtbarkeit des entsprechenden Gemisches aus Eisen- und Kupferpulver aufweist und der Gesamtsauerstoffgehalt nicht größer ?ls 1,2% ist, und das so erhaltene kupferlegisrte Eisenpulver mit reinem Eisenpulver vermischt wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf ein Gemisch von Eisenpulver und 5 bis 15% Kupferpulver oder einem entsprechenden Anteil reduzierbarer Kupferverbindungen.