AT506444B1 - Verfahren zum herstellen eines gesinterten werkstückes auf eisenbasis - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT506 444B1 2010-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Werkstückes auf Eisenbasis, wobei ein Formling aus einem Sinterpulver gepresst und zu einem Rohling gesintert wird, bevor der Rohling im Bereich einer Oberflächenschicht verdichtet wird.

[0002] Um eine höhere Dauerbiegefestigkeit im Bereich der Zahnfüße und eine höhere Verschleißfestigkeit im Bereich der Zahnflanken bei pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrädern zu erreichen, ist es bekannt (EP 0 552 272 B1, AT 406 836B), die gesinterten Pulvermetallrohlinge der Zahnräder im Flanken- und im Fußbereich der Zähne zu verdichten, sodass eine weitgehend porenfreie Oberflächenschicht erhalten wird, die im Eingriffsbereich des Zahnrades eine erhebliche Steigerung der zulässigen Belastbarkeit mit sich bringt. Die Verdichtung der Oberflächenschicht im Eingriffsbereich des Zahnrades erfolgt über ein Drückenwerkzeug in Form wenigstens eines Zahnrades, das entweder eine in die Verzahnung des Pulvermetallrohlings eingreifende Außenverzahnung (EP 0 552 B1) oder eine Innenverzahnung (AT 406 836 B) aufweist, mit deren Hilfe die Gleitgeschwindigkeit zwischen den Zahnflanken des Pulvermetallrohlings und des Drückerwerkzeuges verringert werden kann. Diese Drückerwerkzeuge bedingen jedoch im Allgemeinen einen erheblichen Konstruktionsaufwand und sind einem entsprechenden Verschleiß unterworfen. Außerdem besteht unabhängig von der Art des jeweils eingesetzten Drückenwerkzeuges die Gefahr einer über die Oberflächenverdichtung hinausgehenden Verformung des Werkstückes.

[0003] Durch ein Sintern mit einer weitgehend flüssigen Phase kann zwar die Porosität der Rohlinge wesentlich verringert und damit eine Festigkeitssteigerung erzielt werden, doch ist mit einem solchen Flüssigphasensintern ein erhebliches Schwinden des Sinterwerkstoffes verbunden. Abgesehen davon, dass sich das Schwindverhalten nachteilig auf die Fertigungstoleranzen des Werkstückes auswirkt, ist es häufig aus Gewichtsgründen erwünscht, nur die entsprechend belasteten Werkstückbereiche durch ein Verdichten einer Oberflächenschicht zu verstärken.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zum Herstellen eines gesinterten Werkstückes auf Eisenbasis so auszugestalten, dass trotz eines Verzichts auf aufwändige Drückerwerkzeuge eine auf eine Oberflächenschicht begrenzte Verdichtung des Werkstückes gewährleistet werden kann, und zwar bei einer vergleichsweise geringen Fertigungstoleranz.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der gesinterte Rohling im zu verdichtenden Oberflächenbereich mit Kohlenstoff und/oder Bor angereichert und über der Solidustemperatur der angereicherten Oberflächenschicht nachgesintert wird.

[0006] Die Erfindung nützt die Erkenntnis, dass das Sinterverhalten von gepressten Formlingen aus einem Sinterpulver auf Eisenbasis vom Gehalt bestimmter Einlagerungselemente, insbesondere von Gehalt an Kohlenstoff und Bor, abhängt. Während unterhalb eines kritischen Kohlenstoff- oder Borgehalts beim Sintern keine ausgeprägte Verdichtung des Sinterwerkstoffes beobachtet werden kann, nimmt die Verdichtung eines Sinterwerkstoffes mit entsprechend hohen Kohlenstoff- und Borgehalten beim Sintern stark zu. Mit einem Kohlenstoff- und Borgehalt über den jeweils kritischen Bereichen bildet sich nämlich eine flüssige Phase aus, die beim Überschreiten der Solidustemperatur spontan aus den jeweiligen Mischkristallen des Eisens mit Kohlenstoff und Bor entsteht und einen weitgehend porenfreien Sinterkörper ermöglicht. Da erfindungsgmäß lediglich eine Oberflächenschicht des gesinterten Rohlings mit Kohlenstoff und/oder Bor in einem die diesbezüglich kritischen Werte übersteigenden Ausmaß angereichert und der Rohling einer Nachsinterung bei einer Temperatur über der Solidustemperatur der angereicherten Oberflächenschicht unterworfen wird, bleibt die flüssige Phase bei der Nachsinterung auf die mit Kohlenstoff bzw. Bor angereicherte Oberflächenschicht mit der Folge beschränkt, dass lediglich diese Oberflächenschicht der Verdichtung durch das Flüssigphasensintern unterworfen wird, während in den übrigen Teilen des Rohlings nur ein normales Festphasensintern auftritt. Die Anreicherung der Oberflächenschicht mit Kohlenstoff und/oder Bor 1/3 österreichisches Patentamt AT506 444B1 2010-01-15 kann in herkömmlicher Weise vorgenommen werden. So ist beispielsweise eine Kohlenstoffanreicherung in der Oberflächenschicht mit Hilfe einer Gasaufkohlung oder einer Niederdruckaufkohlung möglich. Zur Boranreicherung kann der vorgesinterte Rohling in an sich bekannter Weise in pulver- oder pastenförmig vorliegendes Bor eingelegt oder einem Plasmaborieren unterworfen werden. Es kommt ja lediglich auf die Anreicherung der Einlagerungselemente Kohlenstoff und Bor, nicht aber auf die dafür eingesetzten Verfahren an.

[0007] Die für das Flüssigphasernsintern erforderliche Anreicherung der Einlagerungselemente Kohlenstoff und Bor in einer Oberflächenschicht des Rohlings birgt die Gefahr einer Versprödung der Oberflächenschicht mit sich. Um dieser Gefahr zu begegnen, empfiehlt es sich, die für das Verdichten erforderliche Nachsinterung isotherm durchzuführen, um insbesondere den Kohlenstoffgehalt der Oberflächenschicht durch ein Abdiffundieren des Kohlenstoffes in das Innere des Rohlings zu senken und dadurch die Ausscheidung von Korngrenzcarbiden zu vermeiden.

[0008] Damit das spontane Entstehen der flüssigen Phase aus den Eisen-Kohlenstoff-Mischkristallen sichergestellt wird, soll der Kohlenstoffgehalt in der zu verdichtenden Oberflächenschicht größer als 1 Massen% gewählt werden. Dies bedeutet aber im Hinblick auf den späteren Werkstückeinsatz eine Überkohlung der Oberflächenschicht bis in eine Tiefe von typischerweise 1 bis 1,5 mm. Wird die isotherme Sinterung überder Solidustemperatur solange durchgeführt, bis der Kohlenstoffgehalt unter 1 Massen% gesunken ist, so ist die Gefahr einer Versprödung der Oberflächenschicht durch überschüssigen Kohlenstoff weitgehend gebannt. Der mit der Nachsinterung über der Solidustemperatur einhergehenden Kornvergröberung kann durch ein Normalglühen des nachgesinterten Rohlings in an sich bekannter Weise begegnet werden.

[0009] Wird Bor zum Verdichten der Oberflächenschicht eingesetzt, so empfiehlt sich eine Boranreicherung in einem Ausmaß von 0,01 bis 0,6 Massen%. Dabei kann die Versprödungsgefahr dadurch vermieden werden, dass die Nachsinterung unter einer entborierenden Atmosphäre durchgeführt wird. Hierfür eignet sich insbesondere eine Wasserstoffatmosphäre, weil in einer solchen Wasserstoffatmosphäre das Bor, nachdem es seine Wirkung auf die spontane Entstehung einer flüssigen Phase entfaltet hat, aus der Oberflächenschicht des Rohlings zum Teil wieder entfernt wird und nicht weiter stört. Während die Nachsinterung auch in einer nicht entborierenden Atmosphäre, wie Argon, oder in Vakuum durchgeführt werden kann, ist eine Nachsinterung in einer Stickstoffatmosphäre nicht zu empfehlen. In einer Stickstoffatmosphäre bildet sich nämlich Bornitrid, wodurch die die flüssige Sinterphase aktivierende Wirkung des Bors verloren geht. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1: [0010] Ein vorlegiertes Eisenpulver mit 1,5 Massen% Molybdän wird mit 0,3 Massen% Graphit und 0,8 Massen% Äthylenbistearoylamid als Gleitmittel versetzt und mit 600 MPa zu einem Formling gepresst, der bei 800° C über eine Zeitspanne von 30 Minuten entwachst und zugleich einer Festphasensinterung unterworfen wird. Der gesinterte Rohling wird in einem herkömmlichen Gasaufkohlofen aufgekohlt, wobei ein Kohlenstoffgehalt von 1,2 Massen% in der Oberflächenschicht eingestellt wird. Danach wird der Rohling in einem Hubbalkenofen unter einer Stickstoffatmosphäre 45 min bei 1320° C gesintert, wobei die Aufheizrate auf diese Sintertemperatur 15 K/min beträgt. Nach der isothermen Sinterung wird der Rohling mit durchschnittlich 10 K/min auf 400° C abgekühlt und anschließend einem Normalglühen bei 900° C unterworfen, welche Glühtemperatur für 10 Minuten aufrechterhalten wird. Danach wird das Werkstück in einer Stickstoffatmosphäre mit einer Kühlrate von 10 K/min auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Porosität des Werkstückes wurde im Kern mit 9 bis 11 % und im Bereich der verdichteten Oberflächenschicht bis in eine Tiefe von 0,3 mm mit weniger als 2 % gemessen. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2: [0011] Ein vorlegiertes Eisenpulver mit 3 Massen% Chrom und 0,5 Massen% Molybdän wird mit 0,35 Massen% Graphit und 0,6 Massen% eines Gleitmittels gemischt, bevor ein Formling 2/3