Untersuchungen an Sinterlegierungen aus dem binären System Eisen-Mangan und dem ternären System Eisen-Mangan-Kupfer

119 Pages·1975·5.66 MB·German

by  Dr. phil. nat. Gerhard Zapf, Dipl.-Ing. Frank Gernand (auth.)

FORSCHUNGSBERICIITE DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN
Nr. 2431
Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz KUhn
vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Dr. phil. nat. Gerhard Zapf
Dipl. -Ing. Frank Gernand
Forschungsgemeinschaft Pulvermetallurgie e. V. Schwelm
Untersuchungen an Sinterlegierungen
aus dem binaren System Eisen-Mangan
und dem ternaren System
Eisen-Mangan-Kupfer
Westdeutscher Verlag 1975
© 1975 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02431-8 e-ISBN-13: 978-3-322-88276-9
DOl: 10.1007/978-3-322-88276-9
Die Arbeiten wurden im Auf trag der Forschungsgemeinschaft
Pulvermetallurgie, im Forschungslaboratorium der Sintermetall
werk Krebsoge GmbH ausgefUhrt.
Die Verfasser danken dem Landesamt fUr Forschung des Landes
Nordrhein-Westfalen, der Forschungsgemeinschaft Pulvermetallur
gie und der Sintermetallwerk Krebsoge GmbH, fUr die Bereit
stellung der Mittel.
Sie danken ihren Mi tarbei tern fUr die Hi lfe bei der DurchfUh
rung der Vielzahl von Messungen und Auswertungen.
Besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr. Ing. Paul Wiest fUr
seine laufende Beratung und freundliche UnterstUtzung.
3
Inhalt
1. Einlei tung 7
1.1 Bedeutung der Sintertechnik .......•........ 7
1. 1. 1 Einsatzm6glichkeiten von Sinterteilen ..... . 7
1 .1 .2 Einteilung der Sinterwerkstoffe ........... . 8
1.2 Technologische Eigenschaften von Sinter-
te i len .•................................... 9
1.3 Moglichkeiten zur Erhohung der Festigkeit .. 9
1.3. 1 Verfahrenstechnische Moglichkeiten ........ . 9
1 .3.2 Legierungstechnische Moglichkei ten ........ . 10
2. Stand der Sintertechnik 11
2. 1 Verwendbare Legierungselemente ............. 11
2.2 untersuchungen weiterer Systeme ............ 11
2.3 Mangan als Legierungselement ....•.......... 12
2.4 Sauerstoffaffinitat des Mangans ............ 12
2.5 Literatur ..•...•........................... 14
3. Versuchsplan •............................•............. 15
3.1 Fertiglegierte Pulver ......•..••........... 16
3.2 Zumischung von Vorlegierungen ..........•... 17
3.3 Zumischung von reinen Manganpulvern ........ 17
4. Versuchsdurchflihrung ...•....•.......•.•.....•....•.•... 18
4.1 Aufstellen der Pulverkenndaten .••..••...••• 18
4.2 P robenhers te 11 ung ••...•........•.....•.•••. 1 8
4.3 Untersuchung der technologischen Eigen-
schaften •••....•........•......•......•.... 19
5. Versuchsergebnisse ..•....••.....•...••...•.•..••.••..•. 20
5. 1 Fertig legierte Pul ver ........•....••..•..•. 20
5.1.0.0.1 Pul verkenndaten ....•....•.••..•••.•.•.•...•
20
5.1.0.0.1.1 Siebanalyse ....••.••.•.•........•...•.••..•
20
5.1.0.0.1.2 F lieBverm6gen ••.••.••....•..•.•••...••.....
21
5.1.0.0.1.3 Flilldichte •.•..•.•.••.......•.•••....•..•..
21
5.1.0.0.1.4 PreBbarkei t .•••..••.....••...••..•.•.•.••••
21
5.1.0.0.2 Sin terverhal ten •••.........•••••••..•....•.
22
5.1.0.0.2.1 MaBanderung •••.•...•.......•..•......•..••. 22
5.1.0.0.2.2 Technologische Eigenschaften ..••.....•..... 25
5.1.0.0.3 Zusammenfassung von den fertiglegierten
Pulvern •.•.•.•.••..•.••....•.•.•.••••...... 27
5.2 Zumischung von Vorlegierungen ••.....•...... 28
5.2.1 Vorlegierungspulver mit niedrigem Mangan-
gehal t .••........•.....•.•...••......••.... 28
5.2.2 Vorlegierungspulver mit hohem Mangangehalt . 29
5.2.2.1 Auswahl des Eisenpulvers •..•...•...••..•..• 29
5.2.2.2 EinfluB von Ferromangan auf HVA-Star-Pulver 31
5.2.2.2.1 Pulverkenndaten •••....••.•....••••••....••. 32
5
5.2.2.2.1.1 S iebanalyse ....................•........•.. 32
5.2.2.2.1.2 F lie BverrnOgen .........................•.•.. 32
5.2.2.2.1.3 Fiilldichte ...............•......•.......... 33
5.2.2.2.1.4 PreBbarkei t .......•.........•.......•...... 33
5.2.2.2.2 Sinterverhal ten .............•....•......... 33
5.2.2.2.2.1 MaBanderung .........••..•...•.............. 34
5.2.2.2.2.2 Technologische Eigenschaften •....•....•.... 35
5.2.2.2.3 Zusammenfassung der Zumischung von Ferro-
mang an ......................•..•.......•... 37
5.2.2.3 EinfluB von Kupfer auf Pulvermischungen mit
Ferromangan .......•............•........... 37
5.2.2.3.1 Sin terverhalten ......................•..•.. 37
5.2.2.3.1.1 Ma6anderung .........•••..........•......... 37
5.2.2.3.1.2 Technologische Eigenschaften •....•..••..... 38
5.2.2.3.2 Zusammenfassung der Zumischung von Cu und
FeMn .•........•.....•.....••..•.•.•.••..... 39
5.3 Zumischung von reinen Manganpulvern ....... . 39
5.3.0.1 Auswahl des Manganpulvers und des Eisenpul-
vers .........................•........•.... 40
5.3.0.2 EinfluB von feinem Elektrolytmanganpulver
auf HVA-Star-Pul ver •.•....••......•..••.... 42
5.3.0.2.1 Pulv erkenndaten ...••.........•......••..... 42
5.3.0.2.1.1 Siebanalyse .......•.............•.••....... 42
5.3.0.2.1.2 FlieBvermOgen .•.....•..•.........•..•••.... 42
5.3.0.2.1.3 Fiilldichte ........••..••.•.....•..•...•.•.. 43
5.3.0.2.1.4 PreBbarkei t .....•.•....•...••.•..••........ 43
5.3.0,2.2 Sinterverhalten ... -.•.•.•.........•...••.... 44
5.3.0.2.2.1 MaBanderung .•.••.••.•..••.....••.•.•.•..... 44
5.3.0.2.2.2 Technologische Eigenschaften ....•.••.•..... 44
5.3.0.3 Einflu6 von grobem Elektrolytmanganpulver
auf HVA-Star-Pul ver .••.....•.••...•..•..... 45
5.3.0.4 EinfluB von Kupfer auf Pulvermischungen aus
reinem Mangan- und Eisenpulver ....•.•...... 47
5.3.0.4.1 S interverhal ten ....••.••....•....•.•..•.... 47
5.3.0.4.1.1 MaBanderung •.......•.••.••........• , .•..... 47
5.3.0.4.1.2 Technologische Eigenschaften ...•.......•... 47
5.3.0.5 Zllsammenfassung der Zumischung von reinen
Mn-Pulvern und des Einflusses von Cu •.•.•.. 49
5.4 Physikalische Untersuchungen ...•...•..••... 50
5.4. 1 Pulveruntersuchung mit dem Elektronen-
Raster-Mikroskop .•••••.••••.•.•..•....•.... 50
5.4.2 Untersuchungen mit dem Dilatometer •....•... 51
5.4.3 Diffusionsuntersuchungen ••......•..•....... 52
6. Zusammenfassung ..............•....•...•....•••......... 54
Li teraturverzeichnis .....•.....•..•.••••...•......••.•••. 56
Anhang
a) Diagramme •......•..•.....•...•••.••.•.•.•.•...••••.•••. 57
b) Abbi ldungen .....•.•••••..•....••••.••..••••.••.••••.•. 60
6
1. Einlei tung
1.1 Bedeutung der Sintertechnik
Das pulvermetallurgische Formgebungsverfahren hat in den letzten
drei Jahrzehnten groBe Bedeutung in der verarbeitenden Industrie
erlangt. Es hat sich besonders in der Mengenfertigung kleiner
Metallteile fUr die Feinwerktechnik, den Fahrzeugbau, den Ma
schinenbau (1) und viele andere Gebiete einen festen Platz er
worben.
Den Jahresverbrauch in der BRD von gesinterten Formteilen in den
verschiedenen Industriezweigen von 1965 - 1970 zeigt ein Dia
gramm von H. Silbereisen (2). Die GroBe der Sinterteile. ist je
doch nochdurch die Leistungen der Pressen begrenzt, so daB bis
lang nur Kleinteile bis zu 1 kg Gewicht wirtschaftlich herge
stellt werden konnen. Es zeigt sich aber eine deutliche Tendenz
zur Herstellung immer schwererer Teile ab, und es kann erWartet
werden, daB in den nachsten Jahren auch Teile in der Gewichts
klasse 1 kg bis 10 kg pulvermetallurgisch hergestellt werden.
8 12
2
~ 10 g
"1.~100 .I.~~ ~- ""I. Q~ 11~1 fJ bl
12 1) "I. V'I } " ..
.1 l X,I IJ Hov5ltalf-u.
Elf'*",~m.
51 ,~
" " "
5'
196~ 1966 1961 196~ 1969 1910
1. 1.1 Einsatzmoglichkeiten von Sinterteilen
Das pulvermetallurgische Formgebungsverfahren eignet sich in
erster Linie zur Herstellung von Genauteilen, weil es die Ein
haltung sehr enger Passungen in den Toleranzklassen 6 bis 9 er
m6glicht. Durch die Endkalibrierung der Sinterteile nach dem Sin
tern wird diese hohe Genauigkeit erreicht. In dieser Hinsicht
ist die Sintertechnik z. B. den GieBverfahren und den Methoden
der Warmumformung Uberlegen.
7
Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, daB meistens keine oder
nur geringe spanende Nachbearbeitung vorgenommen werden muB,
was eine Material- und vor allem eine Arbeitsersparnis bedeutet.
In der Sintertechnik besteht die Moglichkeit, Werkstoffkombina
tionen herzustellen, die auf schmelzmetallurgischem Wege nicht
herstellbar sind. Durch beliebige Mischungen verschiedener Pulver
konnen bestimmte Eigenschaften erzielt werden. Eine Steuerung
von Eigenschaften ist daher mOglich.
Bauteile ohne groBe Beanspruchung wurden frUher aus Stahl ge
fertigt, wei). es keinen "schlechteren" Werkstoff gab. Der Werk
stoffaufwand war also oft hoher als notwendig. Die Pulvermetallur
gie gestattet fUr solche Teile heute eine bessere Werkstoffaus
nutzung.
Die Anwendungsgebiete der Sinterformteile werden im wesentlichen
durch die erreichbaren Festigkeitseigenschaften bestimmt.
1.1.2 Einteilung der Sinterwerkstoffe
Da die Werkstoffe der pulvermetallurgischen Verfahrenstechnik
Eigenschaften aufweisen, die sich von denen der schmelzmetallur
gisch hergestellten Werkstoffe oft wesentlich unterscheiden,
ist es ~ichtig, die besonderen Merkmale der Sinterwerkstoffe
verbindlich festzulegen.
Der Fachverband Pulvermetallurgie hat deshalb fUr gesinterte
Eisen- und NE-Metalle Werkstoff-Leistungsblatter (3) herausgege
ben, urn die Sinterwerkstoffe nach ihren Eigenschaften zu ordnen.
Die Leistungsblatter stellen eine Vorarbeit fUr eine spatere Nor
mung dar. Sie geben Auskunft Uber die physikalischen und techno
logischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung.
Aus dem soeben erschienenen Entwurf DIN 17007 Blatt 5 kann allein
schon entnommen werden, wie vielseitig die Werkstoffe in der
Sintertechnik sind.
Die Haupteinteilung der Leistungsblatter wurde nach dem Raumer
fUllungsgrad vorgenommen, da der RaumerfUllungsgrad bzw. die Po
rositat einen groBeren EinfluB auf die technologischen Eigen
schaften hat als die chemische Zusammensetzung der Sinterwerk
stoffe. Der RaumerfUllungsgrad ist das Verhaltnis der Dichte des
porenhaltigen Werkstoffes zur Dichte des kompakten Stoffes glei
cher Zusammensetzung.
RaumerfUllungsgrad von 40 % bis 70 % Filter
RaumerfUllungsgrad von 70 % bis 80 % Lager
RaumerfUllungsgrad Uber 80 % Bauteile
Die Poren, die bei Sinterbauteilen wegen ihrer festigkeitsmin
dernden Wirkung unerwUnscht sind, werden bei der Herstellung von
Lagern vorteilhaft ausgenutzt. Der Porenraum wird mit Schmier
mitteln gefUllt und dient somit als Reservoir. Hierdurch sind die
guten Notlaufeigenschaften der Sinterlager bedingt (4).
Sinterteile mit sehr geringem RaumerfUllungsgrad, bei denen die
Poren durchgehend miteinander verbunden sind, werden auf vielen
Gebieten als Filter (5) eingesetzt.
8
In den Werkstoffleistungsblattern haben die Filterwerkstoffe die
Bezeichnung Sint-A und die Gleitlagerwerkstoffe die Bezeichnungen
Sint-B und Sint-H. Die Sinterbauteile sind in die Gruppen Sint-C
bis Sint-G nach ihrem Raurnerfullungsgrad eingeteilt. Die cherni
sche Zusammensetzung wird durch angefugte Ziffern angegeben.
1.2 Technologische Eigenschaften von Sinterteilen
Die technologischen Eigenschaften der Sinterteile sind abhangig
von den Ausgangswerkstoffen, dem PreBdruck und den Sinterbedin
gungen. Bei den Sinterbedingungen hat die Sintertemperatur rnei
stens einen gr6Beren EinfluB als die Sinterzeit. Es ist bekannt,
daB bei Teilen, die unter gleichen Sinterbedingungen und aus glei
chen Ausgangsstoffen hergestellt sind, die Eigenschaften direkt
von der Dichte der gesinterten Teile abhangig sind.
Fur den Konstrukteur, der die Sinterteile in der Praxis einsetzen
will, sind die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung und die Harte die
wichtigsten Kennwerte. '
Eine Besonderheit bei den Sinterwerkstoffen ist die Tatsache, daB
die Zugfestigkeit und die Dehnung gleichzeitig mit der Dichte
ansteigen, wahrend bei den massi ven Werkstoffen im allgerneine'n
Zugfestigkeit und die Dehnung ein gegenlaufiges Verhalten zeigen.
Die Zugfestigkeit und die Brinellharte sind im technischen Be
reich fast linear von der Dichte abhangig; und die Bruchdehnung
steigt mit zunehmender Dichte progressiv an (6).
Bei Verwendung von technischen Eisenpulvern ohne Zusatz werden
maximale Zugfestigkeitswerte von etwa 25 kp/rnrn2 erzielt.
1.3 M6glichkeiten zur Erh6hung der Festigkeit
Es gibt zwei Wege, Bauteilen aus Sintermetall eine h6here Festig
keit zu geben:
1.3.1 Verfahrenstechnische M6glichkeiten
1.3.2 Legierungstechnische M6glichkeiten
1.3.1 Verfahrenstechnische M6glichkeiten
a) PreBdruckerh6hung
Durch PreBdrucksteigerung kann die Dichte der Teile erh6ht werden.
Die Festigkeit von Sintermetall steigt bekanntlich mit der Dich
te an. Die h6heren PreBdrucke sind jedoch durch die Leistungen
der Pressen begrenzt. AuBerdem bewirken die hohen PreBdrticke
einen groBen WerkzeugverschleiB, wodurch die Herstellung un
wirtschaftlich wird, weil die Werkzeugkosten sehr hoch sind und
zur Wirtschaftlichkeit mit einem Werkzeug eine bestirnrnte Menge
von PreBlingen hergestellt werden muB.
b) DoppelpreBtechnik
Beim Pressen der Teile verfestigt sich der Werkstoff so sehr,
daB eine Erh6hung des PreBdruckes kaurn noch eine Erh6hung der
Dichte bewirkt. Eine weitere Dichtesteige'rung kann dann nur
dadurch erreicht werden, daB die PreBlinge vorgesintert werden
9
und dann vor dem Fertigsintern noch einmal nachgepreBt werden.
Die Vorsinterung ist in diesem Fall eine Art Weichgllihen des
kaltverfestigten PreBlings.
Dieses Verfahren wird "DoppelpreBtechnik" genannt und dient zur
Herstellung von Sinterteilen mit sehr hoher Dichte. Neben den
doppelten Sinterkosten sind die zusatzlichen Werkzeugaufwendungen
zu berlicksichtigen, die dadurch bedingt sind, daB die Teile min
des tens zweimal - im unglinstigen Fall sogar dreimal - durch die
Werkzeuge gebracht werden mlissen.
1.3.2 Legierungstechnische M6g1ichkeiten
Die zweite M6g1ichkeit, eine Festigkeitssteigerung zu erreichen,
besteht darin, dem Grundwerkstoff Legierungselemente zuzuflihren.
Die Festigkeitssteigerung wird dabei durch Mischkristallbildung,
durch Aushartungs- oder Hartungsvorgange bewirkt.
Legierungspulver, d. h. Metallpulver aus mindestens zwei Kompo
nenten, k6nnen auf verschiedenen Wegen hergestellt werden.
a) Fertiglegierte Pulver
Die Legierungselemente k6nnen einer Metallschmelze zugesetzt
werden, die dann durch Verdlisungzu Pulver verarbeitet wird. Auf
diese Weise wird ein fertiglegiertes Pulver gewonnen, in dem je
des Pulverteilchen die chemische Zusammensetzung der gesamten
Pulvermenge aufweist.
b) Vorlegierungspulver
Legierungselemente k6nnen auch durch ein Vorlegierungspulver ein
gebracht werden. Das Vorlegierungspulver ist ein fertiglegiertes
Pulver mit einem h6heren Anteil des zuzusetzenden Elementes als
im Endprodukt vorhanden sein soll. Ein Konzentrationsausgleich
kann erst wahrend des Sinterns durch Diffusion eintreten.
c) Anlegierte Pulver
Es besteht auch die M6g1ichkeit, anlegierte Pulver zu verwenden,
die auch teillegierte Pulver genannt werden. Das sind Legierungs
pulver, deren Komponenten durch thermische Behandlung noch nicht
den Zustand des fertiglegierten Pulvers erreicht haben. Die Her
stellung geht so vor sich:
Pulver, die legiert werden sollen, werden gemischt und anschlie
Bend so geglliht, daB eine Diffusion nur an der Oberflache der
Pulverteilchen stattfindet. Der entstehende sogenannte "Sinter
kuchen" wird anschlieBend wieder zu Pulver gebrochen. Durch die
Diffusion erfahrt das Teilchen meistens eine Aufhartung, aber
nur in der Oberflachenschicht; der Kern bleibt zah und unlegiert.
Dadurch bleibt die verformbarkeit der Pulverteilchen noch recht
gut erhalten. Bei anlegierten Pulvern kann eine Entmischung beim
Transport nicht auftreten, was bei Mischpulvern m6g1ich ist.
Die Kompressibilitat der teillegierten ist besser als bei den
fertiglegierten Pulvern.
10
d) Mischpulver
Durch mBglichst gleich~Biges Vermengen reiner Pulver mit den
reinen Pulvern der Legierungselemente werde~ die sogenannten
Mischpulver hergestellt. Sie besitzen eine hohe Kompressibilitat.
Bei diesen Pulververmischungen tritt eine Legierungsbildung erst
beim Sintern durch Diffusion der verschiedenen Komponenten in
einander ein.
Bei der Diffusion findet ein Austausch von Atomen auf den Gitter
platzen statt oder ein Eindringen von Atomen des einen Stoffes
in das Gitter des anderen Stoffes.
AuBerdem rekristallisiert das Material wahrend des Sinterns in
folge'der Kaltverformung beim Herstellen des PreBlings.
2. Stand der Sintertechnik
2.1 Verwendbare Legierungselemente
Theoretisch konnen alle Elemente, die in der Schmelzmetallurgie
verwendet werden, auch in der Sintertechnik benutzt werden. Doch
mussen die Bedingungen des Sinterprozesses besonders beachtet
werden.
Die gebrauchlichsten Legierungselemente in der Pulvermetallurgie
des Eisens sind heute Kupfer und Nickel, einzeln oder in Kombina
tion miteinander.
Kupfer bewirkt eine Festigkeitssteigerung und kompensiert den
Sinterschwund, senkt aber die Dehnung recht erheblich. Nickel er
hoht die Zugfestigkeit ebenfalls, aber ohne daB die Dehnung so
stark erniedrigt wird wie beim Kupfer. Beide Legierungselemente
erfordern die ubliche reduzierende Sinteratmosphare.
In vie len Arbeiten sind die Systeme Fe-Cu, Fe-Ni und Fe-Cu-Ni
fur die Pulvermetallurgie erforscht worden (7,8,9,10,11,12,13,14,
15,16,17).
2.2 Untersuchungen weiterer Systeme
In der Schmelzmetallurgie sind die binaren, ternaren und hoheren
Systeme weitgehend erforscht worden, so daB die unterschiedli
chen Einflusse der verschiedenen Legierungselemente auf das Eisen
bekannt sind.
In der Pulvermetallurgie sind dagegen im Verh~ltnis nur sehr we
nige Legierungselemente auf ihren EinfluB auf Sintereisen unter
sucht worden. Zwar sind zahlreic.;ile Untersuchungen an verschiede
nen Systemen vorgenommen worden, aber meistens urn spezielle Eigen
schaften der Sinterteile zu erreichen.
Zum Beispiel Fe-Al-Ni-Legierungen zur Herstellung von Sintermag
neten (18, 19) rostfreier Sinterstahl aus Cr-Ni-Fe-Pulver (20),
verschleiBfeste Werkstoffe aus Legierungen mit Karbiden und an
deren Hartstoffen (21, 22). - Diese Entwicklungen dienten dazu,
legierte Sinterstahle mit besonderen physikalischen und chemi
schen Eigenschaften zu entwickeln.
11