Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers aus Stahlpulver

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Sinterkörpers aus Stahlpulver, bei dem das Stahlpulver in einer zumindest zeitweise Kohlenmonoxid enthaltenden Atmosphäre auf Sintertemperatur erwärmt, über einen vorbestimmten Zeitraum auf Sintertemperatur gehalten, und der hierbei gebildete Sinterkörper nachfolgend abgekühlt wird.

STAND DER TECHNIK

[0002] Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er beispielsweise in Metals Handbook Ninth Edition Vol 7 Powder Metallurgy, S.360 und 361, angegeben ist. In diesem Stand der Technik wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers beschrieben, bei dem Stahlpulver mit Graphitpulver gemischt und die resultierende Pulvermischung nachfolgend gesintert wird. Hierbei soll der Graphit zweierlei bewirken: zum einen soll er im Stahlpulver befindliche Metalloxide reduzieren, zum anderen soll er in das Stahlpulver diffundieren, um so den Kohlenstoffgehalt des Sinterkörpers auf einen vorbestimmten Wert zu bringen. Dies ist notwendig, da andernfalls in der beim Sintern wirkenden Atmosphäre, welche häufig Vakuum ist oder ein inertes Gas enthält, eine erhebliche Entkohlung des Stahlpulvers erfolgt. Bei dieser Entkohlung entweicht der im Stahlpulver befindliche Kohlenstoff, indem er mit Sauerstoff etwa aus oder auf den Körnern des Stahlpulvers oder aus der Atmosphäre zu Kohlenmonoxid reagiert, welches im allgemeinen mit der Atmosphäre weggespült oder weggepumpt wird. Um eine solche Entkohlung zu vermeiden, ist eine äusserst homogene und fein verteilte Mischung von Stahl- und Graphitpulver erforderlich. Dies bedingt eine aufwendige Technologie und ist in einem auf Serienfertigung ausgerichteten Herstellverfahren zu Zwecken einer Qualitätskontrolle kaum auf den Verteilungsgrad hin zu prüfen.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0003] Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem in einfacher und in für eine Serienfertigung geeigneter Weise der Kohlenstoffgehalt der danach hergestellten Sinterkörper eingestellt werden kann.

[0004] Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch vergleichsweise einfach auszuführende technologische Massnahmen Sinterkörper auf der Basis eines Stahlpulvers mit einem - etwa dem Ausgangsstahlpulver entsprechenden - Kohlenstoffgehalt hergestellt werden können. Das Verfahrens nach der Erfindung gewährleistet eine weitgehend gleichbleibend gute Qualität der danach hergestellten Sinterkörper und lässt sich vor allem bei der Fertigung von Serienprodukten wegen der hieraus sich ergebenden Kostenvorteile bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit mit besonderem Vorteil einsetzen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0005] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Sinterkörpern ein X20CrMoV121 - Stahlpulver verwendet. Die chemische Zusammensetzung dieses Stahlpulvers beträgt:

Anteil in Gewichtsprozent	Komponente
0,21	C
11,6	Cr
1,08	Mo
0.30	V
0,58	Mn
0,38	Ni
0,36	Si
Rest	Fe

[0006] Die Struktur dieses Ausgangsmaterials ist überwiegend martensitisch mit kleineren Anteilen an δ-Ferrit und Austenit. Die durch Sieben bestimmte Teilchengrösse der Pulverkörner ist kleiner 50µm. Der Sauerstoffgehalt im Inneren des Pulvers beträgt 55ppm und weist sowohl gelösten Sauerstoff als auch Oxide auf. Hinzukommen Oxide und adsorbierter Sauerstoff auf der Oberfläche des Pulvers von 100-1000ppm.

[0007] Anstelle eines derartigen Stahlpulvers lassen sich auch andere Stahlpulver bei der Herstellung von Sinterkörpern nach dem erfindungsgemässen Verfahren verwenden.

[0008] 50g Pulver werden jeweils in quaderförmige Formen von ca 1oomm x 15mm x 10mm Abmessung gefüllt. Die gefüllten Formen werden in einen mit einer Aluminiumoxid- Röhre von ca. 50mm Durchmesser versehenen Sinterofen gebracht. Dem Ofen wird ein unter atmosphärischem Druck stehendes Sintergas mit einer Zuflussrate von ca. 0.5 1/min zugeführt.

[0009] Der mit den gefüllten Formen beschickte Ofen wird mit einer Rate von ca 10^oC/min auf eine Sintertemperatur von ca. 1330^oC aufgeheizt, ca. eine Stunde auf Sintertemperatur belassen und danach mit einer Rate von ca. 10^oC/min auf Raumtemperatur abgekühlt.

[0010] Beim Aufheizen wird dem Ofen als Sintergas zunächst ein Inertgas, wie insbesondere etwa Argon, zugeführt.

[0011] Oberhalb einer Temperatur von vorzugsweise ca. 1000^oC findet ein Gaswechsel statt. Das nunmehr zugeführte Sintergas weist neben dem Inertgas zusätzlich zumindest noch Kohlenmonoxid auf. Hierdurch wird unterhalb einer Temperatur von ca.1200^oC das Stahlpulvers aufgekohlt. Oberhalb einer Temperatur von ca. 1200^oC findet eine Entkohlung statt.

[0012] Nach der Sinterung wird beim Abkühlen der gebildeten Sinterkörper bei einer Temperatur von ca. 1200^oC ein erneuter Wechsel des Sintergases vorgenommen. Unterhalb dieser Temperatur wird wiederum nurmehr Inertgas, wie etwa Argon, zugeführt. Hierdurch wird eine der zuvor vorgenommenen Entkohlung folgende Aufkohlung der Sinterkörper vermieden. Durch geeignete Wahl der Temperaturen, an denen die beiden Gaswechsel vorgenommen werden, kann so erreicht werden, dass in dem durch diese Temperaturen bestimmten Temperaturintervall die Auf- und die Entkohlung des Stahlpulvers und der daraus gebildeten Sinterkörper zur Gleichheit gebracht sind.

[0013] Unter Beibehaltung der vor allem durch Sinterdauer sowie Aufheiz- und Abkühlrate bestimmten Verfahrensparameter kann durch Verlagerung einer oder beider Temperaturen der Kohlenstoffgehalt der Sinterkörper auf einen vom Kohlenstoffgehalt des Stahlpulvers abweichenden vorbestimmten Wert eingestellt werden.

[0014] Wichtig ist vor allem, dass der Partialdruck der den Sinterkörper bei der Ausführung des Herstellverfahrens umgebenden Atmosphäre gezielt verändert wird, und dass diese Änderung derart gesteuert wird, dass der Kohlenstoffgehalt des Sinterkörpers auf den vorbestimmten Wert eingestellt wird.

[0015] Wird als Atmosphäre das Sintergas eingesetzt, so kann zur Einstellung des Kohlenstoffgehaltes auf den vorbestimmten Wert die Zusammensetzung des Sintergases während der Ausführung des Herstellverfahrens nicht nur - wie zuvor beschrieben - schrittweise, sondern auch kontinuierlich geändert werden. Hierbei lässt sich der Kohlenstoffgehalt des herzustellenden Sinterkörpers besonders genau festlegen, da dann das für die Einhaltung des vorbestimmten Kohlenstoffgehalts massgebliche und durch das Verhältnis der Partialdrücke von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid definierte Gleichgewicht durch kontinuierliche Änderung des Partialdruckes des Kohlenmonoxids während des gesamten Herstellverfahrens eingehalten werden kann.

[0016] Wird der Kohlenmonoxidgehalt - wie zuvor beschrieben - schrittweise verändert, so empfiehlt es sich, während des Aufheizens bei einer Temperatur zwischen 900 und 1200^oC vom Inertgas auf ein kohlenmonoxidhaltiges Sintergas umzuschalten. Bei den zuvor angegebenen Parametern, wie Pulverzusammensetzung, Grösse der zu erstellenden Sinterkörper, Aufheiz- und Abkühlraten sowie Sinterdauer, hat sich während des Aufheizens eine Umschalttemperatur von ca. 1000^oC und beim Abkühlen eine solche von ca. 1200^oC als besonders günstig herausgestellt.

[0017] Dem Sintergas werden während des Aufheizens beim Erreichen der Umschalttemperatur bis zu 10 Volumenprozent Kohlenmonoxid zugeführt. Es ist zu empfehlen, dem Sintergas beim Erreichen der Umschalttemperatur zusätzlich ein reduzierendes Gas, wie vorzugsweise Wasserstoff, zuzugeben. Hierdurch wird zusätzlich erreicht, dass bei der durch das Kohlenmonoxid bewirkten Aufkohlung des Sinterkörpers dessen Oxidation weitgeheng vermieden wird. Dies ist von besonderem Vorteil bei der Herstellung vergleichsweise poröser und/oder mit einer Pulverfüllung versehener Sinterkörper. Dem Sintergas können bis zu 20 Volumenprozent Wasserstoff zugeführt werden. Sehr bewährt hat es sich, während des Aufheizens beim Erreichen der Umschalttemperatur ein Sintergas mit ca. 5 Volumenprozent Kohlenmonoxid und ca. 10 Volumenprozent Wasserstoff zuzuführen.

[0018] Es ist möglich, das Herstellverfahren in einem abgeschlossenen Behälter auszuführen. Hierbei wird der Sintervorgang zeitlich derart gesteuert, dass bei hohen Temperaturen im Stahlpulver gebildete Kohlenstoffoxide beim Abkühlen zersetzt werden und dabei entstehender Kohlenstoff in den Sinterkörper wieder eingebaut wird.

[0019] Ferner kann das Herstellverfahren auch in einem Behälter ausgeführt werden, in dem das Stahlpulver und damit auch der herzustellende Sinterkörper von elementarem Kohlenstoff, wie vorzugsweise Graphit, umgeben ist. Hierbei ist es erforderlich, dass der Graphit in relativ engem Kontakt mit dem Stahlpulver bzw. dem Sinterkörper steht. Der Sauerstoffrest des Sintergases holt sich dann den zum Aufbau einer um den Sinterkörper lokalisierten, kohlenmonoxidhaltigen Atmosphäre benötigten Kohlenstoff aus der Graphithülle und beeinflusst den Kohlenstoffgehalt des Stahlpulvers bzw. des Sinterkörpers nurmehr unwesentlich.

[0020] Es ist sehr zu empfehlen, vor dem Sinterprozess eine Wärmebehandlung des Stahlpulvers in einer reduzierenden Atmosphäre vorzunehmen. Wird eine solche Wärmebehandlung bei Temperaturen bis zu 1400^oC durchgeführt, so wird der in den kaum zu vermeidenden Metalloxiden des Stahlpulvers befindliche oder an den Pulverteilchen angelagerte Sauerstoff durch Reaktion mit dem reduzierenden Bestandteil der Atmosphäre weitgehend entfernt. Im nachfolgenden Sinterprozess kann dieser Sauerstoff dann nicht mehr zu einer Entkohlung des Stahlpulvers unter Bildung von Kohlenmonoxid beitragen. Ein derart vorgeglühtes Stahlpulver kann im nachfolgenden Sinterprozess wesentlich einfacher auf einen vorbestimmten Kohlenstoffgehalt eingestellt werden als ein nicht wärmebehandeltes Stahlpulver, da durch das Vorglühen einer der den Kohlenstoffgehalt des Sinterkörpers beeinflussenden Faktoren ausgeschaltet ist.
Wird das Stahlpulver in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht, so werden bereits schon bei Temperaturen oberhalb 800 bis 1000^oC die Anteile an leicht reduzierbaren Oxiden, wie z.B. FeO und/oder Cr₂O₃, erheblich reduziert. Hingegen werden schwer reduzierbare Oxide, wie z.B. MnO, etwa durch Schwefelabbindung auf ein Minimum reduziert.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Sinterkörpers aus Stahlpulver, bei dem das Stahlpulver in einer zumindest zeitweise Kohlenmonoxid enthaltenden Atmosphäre auf Sintertemperatur erwärmt, über einen vorbestimmten Zeitraum auf Sintertemperatur gehalten, und der hierbei gebildete Sinterkörper nachfolgend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Partialdruck des in der Atmosphäre befindlichen Kohlenmonoxids während der Ausführung des Herstellverfahrens gezielt verändert wird, und dass diese Änderung derart gesteuert wird, dass der Kohlenstoffgehalt des Sinterkörpers nach Ausführung des Herstellverfahrens auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung eines als Atmosphäre eingesetzten Sintergases während der Ausführung des Herstellverfahrens kontinuierlich geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung eines als Atmosphäre eingesetzten Sintergases während der Ausführung des Herstellverfahrens schrittweise geändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erwärmen unterhalb einer ersten Temperatur als Sintergas überwiegend Inertgas verwendet wird, dass oberhalb der ersten Temperatur dem Inertgas zumindest Kohlenmonoxid zugesetzt wird, und dass beim Abkühlen unterhalb einer zweiten Temperatur als Sintergas wiederum überwiegend Inertgas verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen der ersten und zweiten Temperatur verwendete Sintergas zusätzlich Wasserstoff enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Temperatur derart gewählt werden, dass in dem durch diese Temperaturen bestimmten Temperaturintervall die Auf- und die Entkohlung des Stahlpulvers und des aus ihm gebildeten Sinterkörpers zur Gleichheit gebracht sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur zwischen 900 und 1200^oC festgelegt wird.

8. Verfahren nach Anspruche 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur bei ca. 1000^oC und die zweite Temperatur bei ca.1200^oC festgelegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen erster und zweiter Temperatur zugeführte Sintergas bis zu 1o Volumenprozent Kohlenmonoxid und bis zu 20 Volumenprozent Wasserstoff enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellverfahren in einem abgeschlossenen Behälter ausgeführt wird, und dass der Sintervorgang zeitlich derart gesteuert wird, dass bei hohen Temperaturen aus dem Stahlpulver gebildete Kohlenstoffoxide beim Abkühlen zersetzt werden und hierbei entstehender Kohlenstoff in den Sinterkörper eingebaut wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterkörper von elementarem Kohlenstoff umgeben ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlpulver vor dem Sintern in einer reduzierenden Atmosphäre wärmebehandelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlpulver in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht wird.