Einfluß des Herstellungsverfahrens auf die physikalischen Eigenschaften von binären Eisen-Nickel-, Eisen-Kupfer- und ternären Eisen-Kupfer- und Nickel-Legierungen bei Anwendung des Doppelpreßverfahrens [1. Aufl.] 978-3-663-20066-6;978-3-663-20424-4

Table of contents :
Front Matter ....Pages 1-4
Einleitung (Gerhard Zapf, Jörg Niessen)....Pages 5-5
Grundlagen (Gerhard Zapf, Jörg Niessen)....Pages 6-8
Versuchsdurchführung (Gerhard Zapf, Jörg Niessen)....Pages 9-13
Untersuchungsergebnisse (Gerhard Zapf, Jörg Niessen)....Pages 14-55
Bestimmung der physikalischen Werte, die sich mit den untersuchten Sinterstählen im Bereiche der Klassen Sint-D und Sint-F der Werkstoffleistungsblätter erreichen lassen (Gerhard Zapf, Jörg Niessen)....Pages 55-59
Vergleich der in dieser Untersuchung gemessenen Werte mit den Angaben in der Literatur (Gerhard Zapf, Jörg Niessen)....Pages 59-62
Zusammenfassung (Gerhard Zapf, Jörg Niessen)....Pages 63-63
Back Matter ....Pages 64-134

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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN

Nr. 2106

Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt

Dr. phil. nat. Gerhard Zapf Dipl.-lng.Jiirg Niessen Sintermetallwerk Krebsijge GmbH im Auftrage der Forschungsgemeinschaft Pulvermetallurgie e. V. Schwelm

Einfluß des Herstellungsverfahrens auf die physikalischen Eigenschaften von binären Eisen-Nickel-, Eisen-Kupfer- und ternären Eisen-Kupfer- und Nickel-Legierungen bei Anwendung des Doppelpreßverfahrens

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1970

ISBN 978-3-663-20066-6 ISBN 978-3-663-20424-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-20424-4 Verlags-Nr. 012106

© 1970 by Springer Fachmedien Wiesbaden Urspriing1ich erschienen bei Westdeutscher Ver1ag GmbH, Koln un Op1aden 1970.

Inhalt

1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2. Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.1 2.2 2.3

Dichteabhängigkeit der physikalischen Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . Doppelpreßverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 7

3. Versuchsdurchführung .............................................. .

9

3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7

Rohstoffe .................................................. . 9 Prüfung der Rohstoffe ...................................... . 9 Ergebnisse der Rohstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Probenform und Probenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Probenform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Probenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Maßänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Zugfestigkeit und Bruchdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Elektrische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 E-Modul und a 02 -Grenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Dauerfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4. Untersuchungsergebnis .............................................. . 4.1

Einfluß der zugemischten Legierungsbestandteile auf die Nachpreßeigenschaften .............................................. . Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit, Brinellhärte, Zugfestig4.2 keit und Bruchdehnung von der Sinterdichte ................... . Elektrische Leitfähigkeit .................................... . 4.2.1 4.2.1.1 Vergleich der elektrischen Leitfähigkeit in bezug auf Einfach- und Doppelpreßtechnik ......................................... . Brinellhärte ................................................ . 4.2.2 4.2.2.1 Vergleich der Brinellhärte in bezug auf Einfach- und Doppelpreßtechnik ................................................... . Zugfestigkeit und Bruchdehnung ............................. . 4.2.3 4.2.3.1 Vergleich der Zugfestigkeit und Bruchdehnung in bezugauf Einfachund Doppelpreßtechnik ..................................... . 4.2.3.1.1 Vergleich der Zugfestigkeit in bezug auf Einfach- und Doppelpreßtechnik ................................................... .

14 14 17 17 19 23 23 34 34

3

4.2.3.1.2 Vergleich der Bruchdehnung in bezugauf Einfach- und Doppelpreßtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Abhängigkeit von Leitfähigkeit, Brinellhärte, Zugfestigkeit und 4.3 Bruchdehnung vom Nachpreßdruck bei unlegiertem, mit Nickel, mit Kupfer und mit Nickel und Kupfer legiertem Sinterstahl . . . . . . . . . 36 Elektrische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.3.1 Brinellhärte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3.2 Zugfestigkeit und Bruchdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3.3 Bestimmung des Härte-, Zugfestigkeits-und Bruchdehnungsbereiches, 4.4 der insgesamt mit den untersuchten Sinterstählen beherrscht werden kann................................................. ...... 42 Brinellhärte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4.1 Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4.2 Bruchdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.3 Zusammenstellung der physikalischen Werte, die bei Sinterstählen 4.5 der untersuchten Zusammensetzung und Herstellungsbedingungen in der industriellen Fertigung erreicht werden können . . . . . . . . . . . . . . 51 u02-Grenze, Elastizitätsmodul, Dauerfestigkeit und Wärmeaus4.6 dehnungskoeffizient einiger ausgewählter binärer und ternärer Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4

uo2-Grenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastizitätsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dauerfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linearer Ausdehnungskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52 52 54 55

5. Bestimmung der physikalischen Werte, die sich mit den untersuchten Sinterstählen im Bereiche der Klassen Sint-D und Sint-E der Werkstoffleistungsblätter erreichen lassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.1 5.2

Werkstoffe der Klasse Sint-D Werkstoffe der Klasse Sint-E

56 59

6. Vergleich der in dieser Untersuchung gemessenen Werte mit den Angaben in der Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7. Zusammenfassung.................................... ................

63

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

Anhang.............................................. ..................

65

a) Abbildungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

b) Diagramme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4

1. Einleitung

In dem Forschungsbericht des Landes Nordrhein-Westfalen, Bericht-Nr. 1403 [1], ist über die Entwicklung von Fertigungsmethoden zur Erzeugung hochfester Sinterteile berichtet worden. In der Einleitung zu dem obigen Bericht (S. 11 und 13) sind die Gründe dargelegt, die die Pulvermetallurgie als Formgebungstechnik besonders wirtschaftlich machen. Es ist darin gezeigt worden, daß für eine Weiterentwicklung des pulvermetallurgischen Herstellungsverfahrens und die Erschließung neuer Anwendungsgebiete nicht nur die Kenntnis der physikalischen Werte, wie Zugfestigkeit, Dehnung, Schlagzähigkeit, Dichte und Härte, besonders wichtig ist, sondern daß es vielmehr darauf ankommt, Verfahrens- und Legierungstechniken zu entwickeln, die es erlauben, diese genannten Werte über das bisher Bekannte hinaus zu steigern. Im ersten Teil dieses Berichtes ist die Frage untersucht worden, welche Steigerung der physikalischen Eigenschaften durch Infiltrieren des verhältnismäßig porösen Sintereisenkörpers mit einem niedriger schmelzenden Metall erreicht werden kann. Obwohl die Festigkeits- und vor allem Zähigkeitszunahme beachtlich ist, und sich hierdurch neue Anwendungsgebiete für hochbelastbare Sinterteile erschließen lassen, ist die Anwendung dieses Verfahrens aus wirtschaftlichen und aus Gründen der Maßgenauigkeit beschränkt. Der Abschnitt 2 des angeführten Berichtes hat sich daher mit Sintereisenwerkstoffen befaßt, die aus verschiedenen Eisenpulvern, mit Legierungszusätzen von Cu-Ni sowie durch Kombination von Cu und Ni miteinander, durch einmaliges Pressen und Sintern, dem sich gegebenenfalls ein Kalibrietvorgang anschließen kann, hergestellt waren. Dieser Herstellungsprozeß sichert die zum Wettbewerb mit anderen Herstellungsverfahren notwendige Maßgenauigkeit. Das Untersuchungsergebnis ließ erwarten, daß die weitere Dichtesteigerung durch Anwendung des Doppelpreßverfahrens, eines Verfahrensablaufes also, der aus Pressen, Sintern, Nachpressen, Nachsintern und notfalls einem nachfolgenden Kalibrieren besteht, noch weitere Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften erzielen lassen könnte. Mit dem vorliegenden Bericht über den Einfluß des Herstellungsverfahrens auf die physikalischen Eigenschaften von binären Fe-Ni-, Fe-Cu- und ternären Fe-Cu-NiLegierungen bei Anwendung des Doppelpreßverfahrens ist also der angeführte Bericht Nr. 1403 in sinnvoller Weise systematisch fortgesetzt und abgeschlossen worden. Die Untersuchungen beinhalten wie zuvor die Bestimmung von Dichte, Sinterschwund, Zugfestigkeit, Härte, Bruchdehnung sowie elektrische Leitfähigkeit und sind durch Ermittlungen der Dauerfestigkeit, des E-Moduls, der ao2-Grenze und des Ausdehnungskoeffizienten ergänzt worden. Der logische Anschluß an diesen bereits vorliegenden Bericht bringt es naturgemäß mit sich, daß Wiederholungen in der Schilderung der Versuchsdurchführung etc. auftreten. Die Untersuchung wurde mit finanzieller Unterstützung des Landes Nordrhein-Westfalen und des Sintermetallwerkes Krebsöge GmbH im Auftrage der Forschungsgemeinschaft Pulvermetallurgie im Forschungslaboratorium des Sintermetallwerkes Krebsöge GmbH durchgeführt. Die Autoren danken den fördernden Stellen für ihre Unterstützung der Arbeit.

5

2. Grundlagen 2.1 Dichteabhängigkeit der physikalischen Kennwerte Auf Seite 13 des bereits erwähnten Forschungsberichtes Nr. 1403 [1] ist nachgewiesen worden, daß der Dichte eine überragende Bedeutung für die physikalischen Kennwerte der Sinterwerkstoffe zukommt. Es ist gezeigt worden, daß eine ganze Reihe von physikalischen Kennwerten linear mit der Dichte ansteigen und daß eine Reihe anderer wichtiger physikalischer Kennwerte mit der Dichte sogar progressiv anwachsen. Diese Erkenntnisse basieren nicht nur auf Literaturhinweisen [2-6], sondern auch auf eigenen, an anderer Stelle veröffentlichten Mitteilungen [7].

2.2 Doppelpreßverfahren Bei der Herstellung von Bauteilen, die dazu bestimmt sind, Kräfte aufzunehmen oder zu übertragen, kommt es daher darauf an, die Dichte der Werkstoffe tunliehst zu steigern. Zur Erreichung dieses Zieles eignet sich in erster Linie das sogenannte Doppelpreßverfahren, das unter den auf S. 22 des Forschungsberichtes Nr. 1403 behandelten Verfahrenswegen der Pulvermetallurgie unter Ziffer IV und V beschrieben worden ist. In dem zitierten Bericht Nr. 1403 sind bereits die Eigenschaftswerte von Sinterlegierungen bis zu einer Dichte von 7,4 gjcm 3 ermittelt worden. Die hohen Raumerfüllungsgrade über 90% sind jedoch nur mit Preßdrücken zu erzielen gewesen, die im Interesse der Werkzeughaltbarkeit und der Maßgenauigkeit in der industriellen Praxis nicht angewendet werden können. Ein wirtschaftliches Verfahren zur Erzielung dieser hohen Dichten stellt das Doppelpreßverfahren dar. Es wird dabei aus dem Pulver bzw. der Pulvermischung mit einem Preßdruck von 4 bis 6 Mpjcm 2 ein Preßling hergestellt, der sich hinsichtlich seiner Form und Abmaße von dem Werkstück, das gefertigt werden soll, nur durch die Höhenmaße in der Preßrichtung unterscheidet. Bei den hier untersuchten Pulvern erhält er eine Dichte von 6,4 bis 7,0 gjcm 3 • Wegen des geringen Preßdruckes bleiben Werkzeugbruch und Werkstattverschleiß in wirtschaftlich vertretbaren Grenzen. Der Preßling wird nun bei einer Temperatur unter Schutzgas gesintert, bei der der Festigkeitszuwachs, der durch die Sinterung entsteht, kleiner ist als der Festigkeitsabfall, der sich durch die Aufhebung der Kaltverfestigung, die beim Pressen entstanden war, ergibt. Der Preßling kommt dadurch in einen Zustand, in dem eine weitere Verdichtung in einem Preßwerkzeug mit wirtschaftlich vertretbarem Druck, Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch möglich ist. Bei den hier untersuchten Werkstoffen bedeutet dies, daß Werkstücke mit einer Dichte von 7,0 bis 7,5 gjcm 3 unter wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen hergestellt werden können. Das Doppelpreßverfahren ist außerdem geeignet, den Sintervorgang zu beeinflussen. G. ZAPF [8] hat festgestellt, daß bei manchen Eisenpulvern bei gleicher Dichte erhebliche Unterschiede zwischen den physikalischen Kennwerten von Sintereisen, das nach dem Einfachpreßverfahren, und Sintereisen, das nach dem Doppelpreßverfahren hergestellt war, auftreten können. Er hat diese Erscheinung als Doppelpreßeffekt bezeichnet. An Hand von Abb. 1 sollen seine Beobachtungen näher erläutert werden. Sie zeigt eine Auftragung der Zugfestigkeit über der Sinterdichte für Proben aus zwei verschiedenen Eisenpulvern. Die unteren, mit 1) bezeichneten Geraden geben die Abhängigkeit der Zugfestigke:t von der Sinterdichte für Proben aus zwei verschiedenen Eisenpulvern wieder, die einmal

6

gepreßt und dann einmal unterVor-und einmal unter Fertigsinterbedingungen gesintert waren. Die oberen, mit 2) bezeichneten Geraden zeigen die Dichteabhängigkeit von Proben aus den gleichen Pulvern, die vorgepreßt, vorgesintert, nachgepreßt und nachgesintert waren. Bei beiden Pulvern ist der Doppelpreßeffekt deutlich zu erkennen. Er ist jedoch bei dem weniger sinteraktiven HAMETAG-Wirbelschlagpulve r erheblich größer als bei dem sinteraktiveren Elektrolyteisenpulver. Wenn der Zapfsehe Doppelpreßeffekt auch bei den hier untersuchten Pulvern auftritt, ist zu erwarten, daß bei gleicher Enddichte die Eigenschaften der im Doppelpreßverfahren hergestellten Werkstoffe sich von den Eigenschaften der im Einfachpreßverfahren hergestellten unterscheiden. Daß ein solcher Doppelpreßeffekt tatsächlich auftritt, zeigen die Abb. 2, 3, 4 und 5. Neu ist die Beobachtung, daß der Doppelpreßeffekt nicht nur als positiver, sondern auch als negativer Effekt auftreten kann. Es ist zu erkennen, daß je nach Pulverart die Fortsetzung des Kurvenzuges der einfach gepreßten Proben durch den Kurvenzug der doppelt gepreßten Proben zu niedrigeren oder höheren Eigenschaftswerten verschoben ist, und daß unterschiedliche Steigungen der Kurvenzüge auftreten. So hat HV A-Star hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit (Abb. 2), der Härte (Abb. 3), der Zugfestigkeit (Abb. 4) einen negativen Doppelpreßeffekt, d. h., die Eigenschaftswerte der doppelt gepreßten Proben liegen niedriger als die der einfach gepreßten, und hinsichtlich der Bruchdehnung (Abb. 5) einen positiven Doppelpreßeffekt, d. h., die Dehnungen der doppelt gepreßten Proben sind höher als nach Einfachpreßtechnik, bezogen auf gleiche Enddichte. Das Pulver MH 100/28 hat bei allen vier untersuchten Eigenschaften einen positiven Doppelpreßeffekt, das Pulver RZ 150 ebenfalls, mit Ausnahme der Zugfestigkeit. Diese Betrachtungsweise zeigt, daß nicht nur die Dichte, sondern auch das Herstellungsverfahren der Proben einen Einfluß auf die Eigenschaftswerte hat. Eine Extrapolation von Kurvenzügen über einen untersuchten Dichtebereich ist daher nur zulässig, wenn zur Erzeugung dieser Raumerfüllungsgrade dasselbe Herstellungsverfahren angewendet wird. Mit diesem Vorgriff auf die ermittelten Ergebnisse wird verständlich, warum die Fortsetzung des Berichtes Nr. 1403, Teil II, durch Einbeziehung der Doppelpreßtechnik notwendig wurde. 2.3 Versuchsplanung Das Versuchsprogramm ist dem in Teil II des Berichtes Nr. 1403 beschriebenen ähnlich. Es wurden wiederum die gleichen Eisenpulver verwendet. HVA-Star als Vertreter der elektrolytisch gewonnenen Eisenpulver RZ 150 als Vertreter der Verdüsungspulver MH 100/28 als Vertreter der Reduktionspulver Zum Legieren wurden ebenfalls die gleichen Typen von Kupfer- und Nickelpulver gebraucht wie bei der Untersuchung der einfach gepreßten Proben. Neben den unlegierten Pulvern wurden im System Eisen-Kupfer Pulvermischungen mit 1,5%, 3,0% und 4,5% Kupfer untersucht. Mit dem Kupfergehalt von 0 bis 4,5% ist das Gebiet der bei Sintertemperatur und auch nach bestimmten Abkühlbedingungen bei Raumtemperatur einphasigen Sinterlegierungen des Systems Eisen-Kupfer vollständig überdeckt [9). Im System Eisen-Nickel wurden Nickelgehalte von 2,5% und 5,0% untersucht. Legierungen mit höheren Kupfer- und Nickelgehalten wurden ausdrücklich ausge-

7

klammert, weil bei den höheren Gehalten an Legierungsmetallen die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens in Frage gestellt werden muß. Außerdem wird sowohl im Legierungssystem Eisen-Kupfer als auch Eisen-Nickel die Festigkeitssteigerung mit zunehmendem Legierungsgehalt ab etwa 5 Gewichtsprozent geringer, so daß auch vom technischen Gesichtspunkt weitere Erhöhungen der Legierungsprozentsätze nicht sinnvoll erscheinen. Im ternären System Eisen-Kupfer-Nickel wurden alle denkbaren Kombinationen aus den beiden vorstehenden Reihen untersucht, so daß sich, aufbauend auf dem Nickelgehalt, eine Versuchsreihe mit 2,5% Nickel und 1,5%, 3,0% und 4,5% Kupfer und eine zweite mit 5,0% Nickel und 1,5%, 3,0% und 4,5% Kupfer ergab. Aus diesen Pulvermischungen wurden mit einem Preßdruck von 6 Mpjcm 2 Probestäbe hergestellt. Sie wurden bei 1000°C eine Stunde unter Ammoniak-Spaltgas gesintert und dann mit verschiedenen Nachpreßdrücken bei vorgegebener Nachpreßdichte fertiggepreßt. Im Anschluß daran wurden die Proben dann bei 1200° C zwei Stunden gesintert und an den gesinterten Proben die Sinterdichte, Brinellhärte, Zugfestigkeit und Bruchdehnung bestimmt. An einigen ausgewählten Legierungen wurden außerdem zusätzlich die a 02 Grenze, der E-Modul, die Dauerfestigkeit und der Ausdehnungskoeffizient ermittelt. Die Untersuchung über die Einfachpreßtechnik erstreckte sich über einen Dichtebereich von 6,0 bis 7,2 gjcm 3, in Einzelfällen bis 7,4 g/cm 3 • Um einen nahtlosen Übergang zu erhalten und gleichzeitig einen bestimmten Dichtebereich sowohl durch Einfach- als auch durch Doppelpreßtechnik zu realisieren, wurde für vorliegenden Bericht der Dichtebereich von 7,1 bis 7,5 gfcm 3 untersucht. Durch Auswerten der Ergebnisse nach den verschiedenen Gesichtspunkten lassen sich dann folgende Erkenntnisse für die industrielle Praxis ableiten: 1. Beeinflussung der Nachpreßeigenschaften der untersuchten Metallpulver durch die Zumischung von Legierungsbestandteilen, 2. Abhängigkeit der bestimmten Kenngrößen von der Sinterdichte für alle untersuchten Pulver und Pulvermischungen, 3. Abhängigkeit der bestimmten Kenngrößen vom Nachpreßdruck für alle untersuchten Pulver und Pulvermischungen, 4. Bestimmung des Festigkeits-, Härte- und Dehnungsbereiches, der insgesamt von den untersuchten Pulvern und Pulvermischungen beherrscht werden kann, 5. Bestimmung der physikalischen Werte, die in der industriellen Fertigung mit einem gegebenen maximalen Nachpreßdruck bei den untersuchten Pulvern und Pulvermischungen noch erreicht werden können, 6. Bestimmung der physikalischen Werte, die sich mit den untersuchten Pulvern und Pulvermischungen im Bereich der Dichteklassen Sint-D und Sint-E der Werkstoffleistungsblätter einhalten läßt, 7. Feststellung, in welchem Umfange die hier gemessenen physikalischen Werte mit den Angaben der Literatur übereinstimmen.

8

3. Versuchsdurchführung 3.1 Rohstoffe Die Anzahl der untersuchten Eisenpulver konnte auf Grund der am einfach gepreßten und gesinterten Werkstoff gewonnenen Erkenntnisse wesentlich eingeschränkt werden. Um den Anschluß an die alten Versuche zu gewinnen, wurde wiederum auf die Eisenpulver HVA-Star, RZ 150 und MH 100/28 zurückgegriffen. Bei diesen Eisenpulvern wurden die drei Herstellungsverfahren berücksichtigt, nach denen auch heute noch die überwiegenden Mengen der in der Bundesrepublik verarbeiteten Eisenpulver hergestellt werden. HVA-Star ist der Vertreter der Elektrolyteisenpulver und wird von der Firma Husqvarna Vapenfabriks Aktiebolag, Huskvarnaf Schweden, produziert. Das Pulver RZ 150 wird nach dem Roheisenzunderprozeß der Firma MannesmannPulvermetall GmbH, Mönchengladbach, hergestellt und das Pulver MH 100/28 gehört zur Gruppe der Eisenschwammpulver, die von der Firma Höganäs-Billesholms Aktiebolag, HöganäsfSchweden, nach dem Reduktionsverfahren gewonnen werden. Zum Legieren wurde elektrolytisch hergestelltes Kupferpulver »M« der Norddeutschen Affinerie verwendet, das zuvor bei 650° C unter Spaltgas reduziert wurde, um den Einfluß einer Oxydation durch das Lagern auszuschließen. Das Nickelpulver wurde in Form von Carbonyl-Nickel eingesetzt. Gewählt wurde der Pulvertyp » C

@ 5,9 ® 9,0 @ 8,5 ®I 13,5

10

1,5% 3% 4,5% 1,5% 3% 4,5%

® 6,8 @ 11,5 ® 11,2

@ 12,5 @ 7,5

Bezeichnung

®I 4,6

9

Q) HVA-Stu

® 9,2

® 7,3 ® 8,7

®I 12,0

4,2

® @ 7,5 @ 7,3

® 4,1

®I

55

50

8

7

Beziehung zwischen Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei 36 untersuchten Sintereisensorten

Zugfestigkeit in kpfmm2 1 20 2 30 25 3

Auswertungstab. 25

70

RZ 150 + 2,5% Ni+ 1,5% Cu RZ 150 + 2,5% Ni+ 3% Cu RZ 150 + 2,5% Ni + 4,5% Cu RZ 150 + 5% Ni + 1,5% Cu RZ 150 + 5%Ni+ 3% Cu RZ 150 + 5% Ni+ 4,5% Cu MH 100/28 MH 100 + 2,5% Ni MH 100 + 5% Ni MH 100 + 1,5% Cu MH 100 + 3% Cu MH 100 + 4,5% Cu MH 100 + 2,5% Ni + 1,5% Cu MH100+2,5%Ni+ 3% Cu MH 100 + 2,5% Ni + 4,5% Cu MH 100 + 5% Ni + 1,5% Cu MH 100 + 5%Ni+ 3% Cu MH 100 + 5% Ni + 4,5% Cu

@ 9,8 @ 12,7

11

andererseits die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie für einfach gepreßtes und einfach gesintertes Sintereisen. Dadurch sind auch hier eine große Anzahl von Zugfestigkeitsund Bruchdehnungskombinationen möglich. Der einzige wesentliche Unterschied liegt darin, daß bei gleicher Zugfestigkeit durchweg eine höhere Bruchdehnung erreicht wird. In Auswertungstab. 25 sind für den Festigkeitsbereich von 20 bis 70 kpjmm 2 die Werte für die Bruchdehnung eingetragen, die bei der Untersuchung der 36 Werkstoffe gemessen worden sind. In einem Raster sind auf der Waagerechten die Zugfestigkeiten gestuft in 5 kpjmm2 und auf der Senkrechten die Werte für die Bruchdehnung in Stufen von 5% vorgezeichnet. Die Werkstoffe sind mit laufenden Nummern versehen. In jedes Rasterfeld sind die Werkstoffnummern der Werkstoffe eingetragen, deren Eigenschaften der Feldbezeichnung entsprechen. Hinter der Werkstoffnummer ist der Nachpreßdruck in Mpfcm 2 eingetragen, der zur Herstellung des entsprechenden Sinterwerkstoffes benötigt wird. So ergibt z. B. in Feld 3e der Werkstoff 2 mit einem Nachpreßdruck von 2,4 Mpjcm2 eine Zugfestigkeit von 30 kpjmm 2 und eine Bruchdehnung von 20 bis 25%. Die Tabelle liefert auch Hinweise darauf, ob die entsprechenden Werkstoffe sich noch industriell herstellen lassen. In Tab. 10 ist für die 11 Festigkeitsbereiche die Zahl der in jedem Bereich aufgefundenen Werkstoffe mit dem ungefähren Bereich der Bruchdehnung zusammengestellt. Zugleich ist die Zahl angegeben, bei der eine Herstellung mit einem maximalen Nachpreßdruck von 8 Mpfcm 2 möglich ist. Im Bereich von 30 bis 55 kpjmm 2 stehen eine ganze Reihe von Werkstoffen zur Wahl. Mit fallender und steigender Zugfestigkeit nimmt die Zahl ab. Bei 65 kpjmm 2 liegt die Grenze der Möglichkeiten, die die untersuchten Legierungssysteme für die Herstellung hochfester Sinterstähle bieten.

Tab. 10 Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei unlegierten und Ni-, Cuund Cu- und Ni-legierten Sinterstählen, hergestellt nach dem Doppelpreßverfahren Vorpreßdruck: 6 Mpjcm 2 ; Vorsintertemperatur: 1000°C; Vorsinterzeit: 60 min; Nachsintertemperatur: 1200°C; Nachsinterzeit: 120 min; Schutzgas: Ammoniak-Spaltgas Zugfestigkeit

Bruchdehnung

kpjmm 2

%

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

15-21 15-45 33--45 5--40 3-40 2-20 2-20 2-10 2- 5 2- 5 2

Zahl der Werkstoffe

1 4 8 13

15 10 8 8 8

5 2

davon mit einem Nachpreßdruck von 8 Mp/cm 2

1 4 7 12 12-13 6 5 5 4 1

49

Auswertungs/ab. 26 Pf?ysikalische Kennwerte von 36 untersuchten Sinterstählen, hergestellt nach dem Doppelpreßverfahren mit einem Preßdruck von 8 Mpjcm 2 Nachpreßdruck 8 Mpfcm 2 Härte HB ZugElektr. festigkeit Leitfähigk. mf!Jmm 2 kp/mm 2 kp/mm 2

Pulver

HVA-Star Simetag RZ 150 Höganäs MH 100/28 HVA-Star + 2,5% Ni RZ 150 + 2,5% Ni MH 100/28 + 2,5% Ni HVA-Star + 5% Ni RZ 150 + 5% Ni MH 100/28 + 5% Ni HVA-Star + 1,5% Cu RZ 150 + 1,5% Cu MH 100/28 + 1,5% Cu HVA-Star + 3% Cu RZ 150 + 3% Cu MH 100/28 + 3% Cu HVA-Star + 4,5% Cu RZ 150 + 4,5% Cu MH 100/28 + 4,5% Cu HVA-Star + 2,5% Ni + RZ 150 + 2,5% Ni+ MH 100/28 + 2,5% Ni + HVA-Star + 2,5% Ni + RZ 150 + 2,5% Ni+ MH 100/28 + 2,5% Ni + HVA-Star + 2,5% Ni + RZ 150 + 2,5% Ni + MH 100/28 + 2,5% Ni HVA-Star + 5% Ni + RZ 150 + 5% Ni + MH 100/28 + 5% Ni + HVA-Star + 5% Ni+ RZ 150 + 5% Ni+ MH 100/28 + 5% Ni+ HVA-Star + 5% Ni + RZ 150 + 5% Ni + MH 100/28 + 5% Ni +

+

50

8,80 7,50 8,50 5,80 5,10 5,65 4,50 4,10 4,40 6,31 6,40 6,77 6,18 6,35

1,5% 1,5% 1,5% 3% 3% 3% 4,5% 4,5% 4,5% 1,5% 1,5% 1,5% 3% 3% 3% 4,5% 4,5% 4,5%

Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu

6,20 6,51 5,10 4,71 4,84 4,87 4,44 4,63 4,82 4,29 4,55 4,15 3,65 3,94 3,87 3,40 3,64 3,73 3,20 3,49

81 86 77 99 107 101 116 122 113 119 102 105 130 112 121 134 118 125 127 124 131 143 160 158 161 175 173 139 137 145 159 151 160 173 175 172

30,8 30,5 28,7 36,2 35,0 34,2 41,0 40,4 39,1 42,5 37,8 35,0 42,5 41,5 39,2 45,0 45,0 41,8 44,0 43,2 40,0 53,5 53,9 48,3 62,0 63,5 56,0 48,3 47,3 44,5 56,0 55,8 53,0 68,0 64,0 60,5

BruchQK dehnung %. 31,2 31,8 40,0 26,8 25,9 27,0 20,6 19,4

9,5 9,1 14,5 9,4 8,9 11,1 8,3 7,6

18,2 14,8 23,2 11,4 11,5 13,0 7,0 6,7 16,2 11,1 10,1 11,0 4,9 4,5 5,8 2,7 2,7 13,5 6,6 6,3 6,0 2,5 2,5 2,5 1,4 1,5

6,9 5,2 9,9 4,7 4,5 5,9 3,2 2,8 7,1 4,8 4,0 5,4 2,6 2,2 3,6 1,7 1,5 6,5 3,1 2,8 3,4 1,4 1,3 1,7 0,9 0,9

4.5 Zusammenstellung der physikalischen Werte, die bei Sinterstählen der untersuchten Zusammensetzung und Herstellungsbedingungen in der industriellen Fertigung erreicht werden können Im vorangehenden Kapitel ist der Bereich der physikalischen Werte besprochen worden, der insgesamt von den untersuchten Sinterstählen überdeckt wird. Betriebswirtschaftliehe Gesichtspunkte sind dabei nur wenig berücksichtigt worden. Für die industrielle Herstellung der besprochenen Sinterstähle müssen von der Kostenseite her recht wesentliche Einschränkungen gemacht werden. Die höhere Zähigkeit der Sinterstähle aus HVA-Star z. B. läßt sich nur dadurch erreichen, daß man den wesentlich höheren Preis für das Elektrolyteisenpulver aufwendet. Die wichtigste Einschränkung aber kommt von der Werkzeugseite her. Die Erreichung hoher Härte, Zugfestigkeit und Dehnungswerte und die Erzielung einer hohen elektrischen Leitfähigkeit setzt eine hohe Dichte voraus, die sich wiederum nur mit einem hohen Nachpreßdruck erreichen läßt. Erfahrungsgemäß liegt der höchste Nachpreßdruck, der sich mit tragbarem Werkzeugverschleiß noch anwenden läßt, bei etwa 8 Mpjcm 2 • Damit ist die Grenze für diejenigen physikalischen Werte gesetzt, die sich unter günstigen Bedingungen in der industriellen Fertigung gerade noch verwirklichen lassen. In Auswertungstab. 26 sind nun unter dieser Voraussetzung die physikalischen Werte zusammengetragen, die sich mit den untersuchten Sinterstählen erreichen lassen. Neben elektrischer Leitfähigkeit, Zugfestigkeit und Bruchdehnung ist der Qualitätskoeffizient mit angegeben. In allen untersuchten Zusammensetzungen ergeben Sinterstähle aus HVA-Star den höchsten Qualitätskoeffizienten. Nach Zugfestigkeit geordnet ergeben sich für die einzelnen Legierungen die in Tab. 11 zusammengestellten Anwendungsbereiche.

Tab. 11

Mit einem Nachpreßdruck von 8 Mpfcm 2 erreichbare Zugfestigkeiten nach Zugfestigkeit geordnet Zusammensetzung

unlegiert

2,5% 1,5% 5,0% 3,0% 2.5% 4,5% 5,0% 2,5% 5,0% 2,5% 5,0%

Ni Cu Ni Cu Ni + 1,5% Cu Ni + 1,5% Ni + 3,0% Ni + 3,0% Ni + 4,5% Ni + 4,5%

Zugfestigkeit kpjmm 2

28,5-30,5 34-36

Cu Cu Cu Cu Cu Cu

35-42,5 39-41 39-42,5 40-44 41,5-45 44,5-48 48-33,5 53-56 56-63,5 60,6-68

4.6 a02 -Grenze, Elastizitätsmodul, Dauerfestigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient einiger ausgewählter binärer und ternärer Legierungen Wie bereits in Kapitel 1 und 2.3 angedeutet, wurden an einigen ausgewählten Legierungen zusätzliche Eigenschaften untersucht, die für den Anwender dieser Werkstoffe von Interesse sind. Diesen zusätzlichen Prüfungen wurden folgende Legierungen unterworfen: 51

HVA-Star RZ 150 MH 100/28 HVA-Star HVA-Star RZ 150 MH 100/28

+ 2,5% Ni

+ 2,5% Ni + 2,5% Ni + 5,0% Ni + 5,0% Ni + 4,5% Cu + 5,0% Ni + 4,5% Cu + 5,0% Ni + 4,5% Cu

Die binären Eisen-Kupfer-Legierungen wurden bewußt ausgeklammert, weil schon umfangreiche Untersuchungen über die Dauerfestigkeit dieses Legierungssystems vorliegen [16]. Die Herstellung der Proben erfolgte, wie unter Kapitel 3.2.2 dargestellt, jedoch zu einem späteren Zeitpunkt, nachdem die Auswertung der bisher geschilderten Prüfungen durchgeführt war. Die Zeitdifferenz in der Herstellung der ersten und dieser zweiten Probenserie betrug ca. 1 Jahr. Es war daher notwendig, auch die Bestimmung von elektrischer Leitfähigkeit, Härte, Zugfestigkeit und Bruchdehnung an diesen Proben vorzunehmen und diese Werte mit den Meßergebnissen der 1. Probenserie zu vergleichen. Es hat sich dabei gezeigt, daß die Reproduzierbarkeit der Werte innerhalb der Meßgenauigkeit der einzelnen Prüfverfahren liegt, wenn insbesondere die gleichen Abkühlungsverhältnisse nach dem Sintern eingehalten werden. Die erhaltenen Meßergebnisse sind auf Auswertungstab. 27 wiedergegeben.

4.6.1 ao2-Grenze Eine Streckgrenze im Sinne einer oberen und unteren Fließgrenze wird nur bei wenigen Sinterwerkstoffen beobachtet. Die Angabe einer a 0 2-Grenze ist daher vom Bestimmungsverfahren her zuverlässiger und gibt dem Konstrukteur einen definierten Spannungswert für das Erreichen einer bestimmten plastischen Verformung von 0,2%. Die a 02 -Grenze eines Sinterwerkstoffes ist wie die Zugfestigkeit proportional von der Dichte abhängig. Dies geht aus dem bei jeder Legierung konstanten Verhältnis von ao2/aB hervor. Diese Verhältniszahlen kennzeichnen bei erschmolzenen Stählen im Bereich von 0,5 bis 0,63 normalgeglühte Werkstoffe. Für höhere Verhältniszahlen kann ein Vergütungszustand angenommen werden. Wenn sich diese Folgerungen auf Sinterwerkstoffe übertragen lassen, müßte bei den ternären Eisen-Kupfer-Nickel-Legierungen (Auswertungstabelle 27) zumindest teilweise ein Abschreckgefüge vorliegen. Metallografische Untersuchungen haben bewiesen, daß tatsächlich diese Werkstoffe einen mit »Hydroferrit« zu bezeichnenden Gefügebestandteil aufweisen. Dieser Umstand erklärt auch die Tatsache, daß die Reproduzierbarkeit der 1. und 2. Meßserie nur bei Einhaltung gleicher Abkühlgeschwindigkeiten nach dem Sintern gesichert war (Kapitel 4.6).

4.6.2 Elastizitätsmodul Die Abhängigkeit des E-Moduls von der Dichte ist für diese untersuchten Legierungen in Abb. 50 aufgezeigt. Es ist ein schwach überproportionaler Zusammenhang zwischen E-Modul und Dichte festzustellen. Erstaunlich ist die Tatsache, daß der E-Modul von der Eisenpulverart beeinflußt wird. Die Legierungen mit 2,5% Nickel (Kurve 1, 4, 6) haben im mittleren Dichtebereich von 7,3 gfcm 3 von unten nach oben folgende Reihenfolge: HVA-Star- RZ 150MH 100/28. Dieselbe Reihenfolge von niedrigen zu höheren E-Modulen liegt bei den ternären Legierungen vor. 52

VJ

\.11

9,5

9,6

18

21

103 105 113 121 121 126 155 180 204 174 204 204 191 197 200

11 800 14100 15 460 16100 16 200 17100 11 900 13 500 14 500 12 200 12 600 14 800 12 500 13 900 15 700

14,1 16,4 19,0 22,0 23,8 26,3 3,7 4,4 3,7 3,0 2,7 3,0 3,2 3,0 3,2

0,57 0,50 0,50 0,58 0,59 0,55 0,79 0,79 0,81 0,80 0,79 0,72 0,78 0,85 0,77

29,1 29,0 31,8 34,0 34,6 36,0 68,0 68,0 73,5 70,8 72,2 68,3 66,5 68,0 69,5

16,6 16,0 15,8 19,7 20,5 19,8 54,0 54,2 59,8 56,9 57,0 49,1 52,0 57,7 53,3

7,49 7,55 7,62

7,18 7,32 7,40

7,11 7,20 7,36

7,17 7,20 7,38

HVA-Star + 5,0% Ni

HVA-Star + 5% Ni + 4,5% Cu

RZ 150 + 5% Ni + 4,5% Cu

MH 100/28 + 5% Ni + 4,5% Cu

0,302

0,264

0,294

3,05

3,7

3,9

4,29 0,470 16

20

5,44 0,409 13

9,0

10,1

9,8

9,2

7,18 7,28 7,47

4,88

MH 100/28 + 2,5% Ni

0,421

13

87 100 107

10 700 11000 13 500

17,4 19,9 22,5

0,58 0,58 0,55

28,3 30,9 33,8

16,4 18,1 18,5

7,24 7,38 7,54

9,7

RZ 150 + 2,5% Ni

5,04

12

89 96 104

10 800 12 500 14 500

23,8 25,7 28,8

0,61 0,57 0,61 0,348

10,9

11,6

11,5

11,6

11,0

11,3

11,5

11,9

12,3

12,4

12,2

12,1

12,2

12,0

linearer Ausdehnungskoe ffizient + 20 bis + 20 bis + 20 bis +100°C +200°C +300°C mjQmmmfm oc m/m ac mfm °C

~

30,0 34,5 34,1

kpfmm 2 kp/mm2

kpfmm 2

%

abw an

18,3 19,8 20,8

an

ao2

-

E-Modul HB5/2,5 abw

7,32 7,43 7,53

kpfmm 2 kp/mm 2

gfcma

an

ao2

(!

6

HVA-Star + 2,5% Ni

Pulver

für Auswertungs/ab. 27 Zusammenstellung der an einigen ausgewählten binären Fe-Ni- und ternären Fe-Ni-Cu-Legierungen gewonnenen Meßergebnisse Leitfähigkeit elektrische und a 02 -Grenze, Elastizitätsmodul, Dauerfestigkeit

Weiterhin wird der E-Modul von den Legierungszusätzen beeinflußt, ein Umstand, der bei erschmolzenen Stählen unbekannt ist, es sei denn, die Legierungszusätze bewirken die Bildung eines anderen Gittertyps. Jedes der untersuchten Pulver bringt eine Steigerung des E-Moduls durch Erhöhung der Legierungszusätze von 2,5% Nickel auf 5,0% Nickel (Kurve 1 zu 2) und von 2,5% Nickel auf 5,0% Nickel + 4,5% Kupfer (Kurve 1 zu 3, 4 zu 5, 6 zu 7). Besonders intensiv ist die E-Modul-Verbesserung durch Legierungsmaßnahmen bei den Pulvern RZ 150 und HVA-Star. Das Pulver MH 100/28 liegt in den Absolutwerten jeweils an erster Stelle und erfährt geringe Eigenschaftszunahmen durch Legierungselemente. Die Erklärung für die Beeinflussung des E-Moduls durch Legierungszusätze ist wahrscheinlich in der Erhöhung der Sinteraktivität zu suchen.

4.6.3 Dauerfestigkeit Die Dichte aller auf Dauerfestigkeit untersuchten Legierungen liegt nahezu gleich (7,32-7,49 gfcm 3). Es läßt sich kein eindeutiger Einfluß der Eisenpulversorte auf die Dauerfestigkeit erkennen. Bei der Legierungsreihe mit 2,5% Nickel rangiert HVA-Star an unterer Stelle, während die beiden anderen metallurgischen Pulver auf gleicher Höhe liegen. Die Reihenfolge für steigende Dauerfestigkeit der ternären Eisen-Kupfer-NickelLegierungen dagegen ist RZ 150 - HVA-Star - MH 100/28. Die Erhöhung der Legierungszusätze bringt zwar eine Steigerung der Dauerfestigkeit, jedoch nicht in dem von der Zugfestigkeit her erwarteten Maße. Dies spiegelt sich deutlich an dem Verhältnis abw/aB wieder, das in Auswertungstab. 27 mit angeführt ist. Die binären Legierungen besitzen ein normales Verhältnis von dynamischer zu statischer Festigkeit (0,35-0,47), die ternären Legierungen dagegen weisen eine ungünstige Verhältniszahl (0,26-0,3) auf. Dies muß auf den heterogenen Gefügezustand dieser Proben (Kapitel 4.6.1) zurückgeführt werden. Die Dauerfestigkeit der binären Eisen-Kupfer-Legierungen ist bereits vom Mitverfasser zu einem früheren Zeitpunkt ermittelt und veröffentlicht worden [16]. Es sollen der Vollständigkeit halber diese Ergebnisse an dieser Stelle mit aufgenommen werden. Auswertungstab. 28 gibt die Meßwerte wieder, die an einfach- und doppeltgepreßten Sinterstählen aus HVA-Star + 2% Kupfer gewonnen wurden. Die Dauerfestigkeit nimmt mit steigender Dichte zu, während das Verhältnis von abw zu aB keine klare Abhängigkeit von der Dichte erkennen läßt. Die absolute Höhe der Verhältniszahlen liegt in der gleichen Größenordnung, wie sie bei den binären Eisen-Nickel-Legierungen

Auswertungstab. 28 Abhä'ngigkeit der Dauerfestigkeit von der Sinterdichte bei einem gesinterten Kupferstahl (HVA-Star + 2% Kupfer) Herstellungsverfahren

Sinterung

Einfachpreßtechnik

Doppelpreßtechnik 1. Pressen auf Dichte 6,3 g/cm 3 54

gjcm 3

an kpjmm 2

1250°C 2 h

6,37 6,65 6,95 7,22

19,6 23,7 29,3 34,0

1. Sintern

6,97 7,11 7,36

30,5 31,8 34,1

1050°C 1 h 2. Sintern 1250°C2h

(!

HB 5/2,5 abw kpjmm 2 kpjmm 2

abw an

2,9 3,2 5,1 6,4

57 69 78 93

7,5 8,5 10,0 12,0

0,383 0,359 0,341 0,353

6,0 7,1 10,7

80 90 97

10,5 12,0 14,0

0,344 0,377 0,411

t:5

%

festgestellt werden (Auswertungstab. 27). Bezogen auf die gleiche Dichte ist die Dauerfestigkeit der 2%igen Eisen-Kupfer-Legierung um 1-1,5 kpfmm 2 höher als die der 2,5%igen und um ca. 1 kpfmm 2 niedriger als die der 5%igen Eisen-Nickel-Legierung. Es sind demnach zur Erzielung einer gleichhohen Dauerfestigkeit 4% Nickel oder 2% Kupfer bei gleicher Dichte notwendig. Die graphische Auswertung der Dichteabhängigkeit der Dauerfestigkeit (Abb. 51) läßt erkennen, daß die positiven Doppelpreßeffekte des HVA-Star-Pulvers in Verbindung mit Kupferzusätzen, wie sie bereits bei der Härte (Kapitel4.2.2.1), der Zugfestigkeit (Kapitel 4.2.3.1.1) und der Bruchdehnung (Kapitel 4.2.3.1.2) beobachtet werden, auch bei der Dauerfestigkeit auftreten.

4.6.4 Linearer Ausdehnungskoeffizient Die Ergebnisse der Messungen in den 3 Temperaturbereichen + 20° C bis + 100° C, + 20°C bis + 200°C und + 20°C bis + 300°C sind in der Auswertungstab. 27 mitgeteilt. Aus den Prüfungen an anderen Sinterwerkstoffen [11] ist bekannt, daß der Ausdehnungskoeffizient nicht von der Dichte abhängig ist. Dies ist einleuchtend, da theoretisch der Ausdehnungskoeffizient lediglich von den räumlichen Veränderungen des Atomgitters unter Temperaturveränderung bestimmt wird. Lediglich zu hohe Anpreßkräfte im Dilatations-Übertragungssystem der Versuchsapparaturen können von der Dichte abhängige Ausdehnungskoeffizienten ergeben, da elastische und plastische Verformungen vom Elastizitätsmodul und der a 0 2-Grenze abhängig sind, die wiederum von der Dichte beeinflußt werden. · Die an Sinterwerkstoffen erhaltenen Ausdehnungskoeffizienten müssen unter diesen Voraussetzungen mit denen der erschmolzenen Werkstoffe gleicher Zusammensetzung übereinstimmen. Auch bei den hier gefundenen Werten ist diese Übereinstimmung gegeben. Im Meßbereich + 20° C bis + 300° C sind praktisch keine Unterschiede zwischen den einzelnen untersuchten Legierungen zu finden; alle Werte liegen zwischen 11,9 und 12,4 mfm 0 C. In den anderen Meßbereichen sind die Streuungen unter den verschiedenen Werkstoff:!n etwas grö3er. Es ist jedoch keine Abhängigkeit vom Pulvertyp oder von den Legierungszusätzen zu erkennen.

5. Bestimmung der physikalischen Werte, die sich mit den untersuchten Sinterstählen im Bereiche der Klassen Sint-D und Sint-F der Werkstoffleistungsblätter erreichen lassen

5.0.0 Allgemeines In den Werkstoffleistungsblättern [11] für Sinterwerkstoffe wird Sinterstahl hoher Dichte, der im allgemeinen durch zweimaliges Pressen und Sintern hergestellt ist, in den Klassen Sint-D und Sint-E behandelt. Die hier untersuchten Sinterstähle fallen in den Bereich dieser Dichteklassen. Mit ihrer Hilfe sollen die Forderungen der Leistungsblätter erfüllt werden. Die gewonnenen Versuchsergebnisse bieten die Möglichkeit, die 55

eingetragenen Sollwerte kritisch zu überprüfen und die Leistungsblätter durch einige Sinterstähle höherer Festigkeit zu erweitern. 5.1 Werkstoffe der Klasse Sint-D Der Dichtebereich der Klasse Sint-D liegt zwischen 7,0 und 7,2 gfcm 3 • Es liegen die Leistungsblätter von sechs Sinterstählen ohne und mit Zusatz von Legierungsbestandteilen vor. Einige von ihnen (D 11 und D 31) enthalten Kohlenstoff, sie können durch Abschreckhärtung gehärtet werden und lassen sich mit den hier untersuchten Sinterwerkstoffen nicht vergleichen. Der Werkstoff D 02 ist ein Material mit besonderen physikalischen Eigenschaften, bei dem es auf hohe chemische Reinheit in den Ausgangsmaterialien und während der Verarbeitung (Schutzgas) ankommt. Die erzielten mechanischen Eigenschaften sind von untergeordneter Bedeutung. Daher kann der Werkstoff bei dieser Betrachtung ausgeklammert werden. Die übrigen drei hingegen liegen im Rahmen der vorliegenden Untersuchung. In Auswertungstab. 29 werden die geforderten Kennwerte mit den Ergebnissen der Versuche verglichen. Angegeben sind die Werte für elektrische Leitfähigkeit, Brinellhärte, Zugfestigkeit und Bruchdehnung. In der Auswertungstabelle sind die Spalten für jede Kenngröße unterteilt in »Soll« und »Ist«. Bei »Soll« sind die Mindestwerte eingetragen, die sich in den Leistungsblättern finden, bei »Ist« die Werte, die bei der vorliegenden Untersuchung gemessen worden sind. Im einzelnen ergibt der Vergleich folgendes : Gemäß Werkstoffleistungsblatt gehören zu Sint-D 00 alle Sinterstähle mit einer Dichte von 7,0 bis 7,2 g/cm 3 , einem Kupfergehalt von max. 1%, einem Kohlenstoffgehalt von max. 0,3% und einem Gehalt an anderen Elementen von max. 3%.

Sint-D 00 Ohne Zusatz von Legierungselementen werden die Mindestwerte für Brinellhärte und Bruchdehnung mit allen Pulvern erreicht. Die erzielten Zugfestigkeitswerte liegen jedoch zum Teil unter der Sollgrenze. Ein Zusatz von 2,5% Nickel ist notwendig, um auch die Mindestforderung für die Zugfestigkeit zu erfüllen. Ein Zusatz von 1,5% Kupfer reicht ebenfalls aus, um die Forderung hinsichtlich Brinellhärte und Zugfestigkeit zu erreichen, setzt aber die Dehnung zu stark herab. Da jedoch im Werkstoffleistungsblatt D 00 der Kupfergehalt auf max. 1% beschränkt ist, mußte geprüft werden, welche Werte sich mit diesem Kupfergehalt erzielen lassen. Dies bedingt eine Auswertung der Versuchsergebnisse in Abhängigkeit vom Kupfergehalt bei konstanter Dichte. Da grundsätzlich im betrachteten Dichtebereich 7,0 bis 7,2 gfcm 3 auch die Möglichkeit besteht, die Werkstoffe durch Einfachpreßtechnik zu erstellen, wurden in die Diagramme auch die Werte der einfach gepreßten Proben übernommen. Die Abb. 52 und 53 geben die Abhängigkeit der Zugfestigkeit vom Kupfergehalt bei einer Dichte von 7,0 und 7,2 gfcm 3 wieder. Es ist zu erkennen, daß die geforderte Zugfestigkeit von 25 kpfmm 2 von den Pulvern MH 100/28 und RZ 150 mit 1% Kupferzusatz bereits bei Dichte 7,0 gfcm 3 gut erreicht wird, daß dagegen bei Verwendung von chemisch sehr reinen Pulvern (HVA-Star) die Dichte auf 7,1-7,2 g(cm3 angehoben werden muß. Auch die Mindestbruchdehnung von 12% (Abb. 54 und 55) ist bei Elektrolyteisen im oberen Dichtebereich nach Zusatz von 1% Kupfer erziel bar. Für die beiden anderen Pulver wird bei Dichte 7,0 gfcm 3 und bei 1% Kupfergehalt die Solldehnung eb:n erreicht. Es ist daher empfehlenswert, den Kupfergehalt bei diesen Pulvern auf 0,5-0, 75% zu senken, um gleichzeitig die vorgeschriebene Festigkeit und Bruchdehnung 56

zu erreichen. Ein Mindestwert bzw. Richtwert für die elektrische Leitfähigkeit von Sint-D 00 kann auf Grund der vorliegenden Untersuchung festgelegt werden.

Sint-D 02 Dieser Werkstoff ist weichmagnetisch. Die magnetischen Eigenschaften sind von eigentlichem Interesse, weniger die mechanischen Werte.

Sint-D 10 Die geforderte Zugfestigkeit von 30 kp(mm 2 kann auf Basis RZ 150 bereits mit 1% Kupfer, auf Basis MH 100(28 mit 2% Kupfer und auf Basis HVA-Star erst mit 2,75% Kupfer erreicht werden, wenn man die untere Dichte von 7,0 g(cm 3 betrachtet (Abb. 52). Bei den jeweils angeführten Kupfergehalten kann bei allen drei Pulvern auch die Mindestdehnung von 7% mit dieser Dichte eingehalten werden. Der höchstzulässige Kupfergehalt von 5% in dieser Werkstoffgruppe kann nur mit dem Pulver HVA-Star angewandt werden, wenn die Sollbruchdehnung noch erreicht werden soll. Die vorgeschriebene Brinellhärte von 80 kp/mm 2 kann ebenfalls erzielt werden, wenn die vorgenannten Kupfergehalte bei den jeweiligen Pulvern zugrundegelegt werden mit Ausnahme von RZ 150. Hinsichtlich der Erfüllung der Härtevorschrift muß bei Anwendung des Doppelpreßverfahrens 1,75% Kupfer zu diesem Pulver legiert werden, während nach Einfachpreßtechnik die obigen 1% Kupfer genügen.

Sint-D 11 Dieser Werkstoff enthält bis 1% gebundenen Kohlenstoff und kann daher durch Abschreckhärtung gehärtet werden. Er ist daher mit den hier untersuchten Werkstoffen nicht voll vergleichbar. Die Mindestforderungen, die an ihn im ungehärteten Zustand gestellt werden, sind ab 2,5% Nickel und 3% Kupfer zu erfüllen.

Sint-D 30 Für diesen Werkstoff ist eine Sollzusammensetzung von 1 bis 5% Kupfer, 0-4% Nickel, max. 0,3% Kohlenstoff und max. 3% andere Elemente vorgesehen. Die Mindestforderungen an Zugfestigkeit, Brinellhärte und Bruchdehnung können bei einer Dichte von 7,0 g(cm 3 von keiner der hier untersuchten Werkstoffe erreicht werden. Es gelingt zwar, mit einer der untersuchten Pulversorten und durch Zulegieren von 2,5% Nickel und 4,5% Kupfer die Zugfestigkeit von 55 kp(mm 2 und die Härte von > 110 kp(mm 2 bei einer Dichte von 7,0 g/cm 3 einzuhalten, jedoch kann dann nur eine Bruchdehnung von 2% garantiert werden. Würde man die Spanne im Nickelg~halt zu höheren Gehalten verschieben (statt 0-4% nunmehr 2-6%), so ließe sich die geforderte Mindestzugfestigkeit bei allen drei Pulvern schon bei Dichte 7,0 g(cm 3 sicher erreichen (5% Nickel und 4,5% Kupfer), die Bruchdehnung müßte aber wiederum herabgesetzt werden (> 1,5%). Die angegebene Spanne für die Brinellhärte sollte in jedem Falle umgewandelt werden in einen Mindestwert, da auch diese 5% Nickel/4,5% KupferSinterstähle, ja nach verwendetem Pulvertyp, Härten von 153 bis 189 kp(mm 2 aufweisen können. Eine Überarbeitung des Leistungsblattes D 30 scheint angezeigt.

Sint-D 31 Bei diesem Werkstoff handelt es sich um einen Sinterstahl mit Zusatz von Kohlenstoff, Kupfer und Blei mit Sondereigenschaften. Er ist mit den hier untersuchten Legierungen nicht vergleichbar. 57

Auswertungs/ab. 29 Physikalische Werte von unlegierten und mit Nickel, Kupfer sowie Nickel und Kupfer legierten Sinterstählen der Klasse Sint-D Dichtebereich 7,0-7,2 gfcm3 Zugfestigkeit Dehnung Leitfähig- Brinellhärte keit aB kpfmm 2 15% "m/Dmm 2 HB kpfmm 2 Soll Ist Soll Ist Ist Soll Ist

Zusammensetzung

(D 00) unlegiert (D 00) 1,0% Cu (D 00) 2,5% Ni (D 10) 1,5% Cu (D 10) 3,0% Cu (D 10) 4,5% Cu 2,5% Ni + 1,5% Cu (D 30) 2,5%Ni+ 3% Cu (D 30) 2,5% Ni + 4,5% Cu (D 30) 5,0% Ni 5,0% Ni + 1,5% Cu 5,0% Ni+ 3% Cu 5,0% Ni + 4,5% Cu

58- 71 25 18,2-26,5 50 6,2 -8,0 23,5-33,5 68- 87 5,8 -7,1 24,6-32,0 72- 95 4,4 -5,25 75- 99 30 26,0-35,5 5,3 -6,14 80 84--113 30 31,2-39,3 80 5,4 -6,21 97-123 30 35,2-44,6 5,65-6,58 80 3,92-4,65 110-140 80-121 55 30,1-37,5 3,95-4,62 110-140 110-148 55 40,0-50,5 4,04--4,65 110-140 128-178 55 50,3-64,0 28,7-36,4 93-107 3,4 -4,1 100-134 36,5-46,0 3,29-3,85 47,8-57,5 137-160 3,24--3,76 59,2-68,4 153-189 3,25-3,72

12

12,9-24,8 10,8-17,0 11,4--20,8 9,4--12,8 7 6,4--10,0 7 4,5- 8,6 7 6-10 5,6-10,4 6-10 3,0- 8,4 6-10 1,0- 5,6 5,1-17,0 4,4-- 8,2 2,2- 5,2 1,3- 3,5

Auswertungs/ab. 30 PI?Jsikalische Werte von unlegierten und mit Nickel, Kupfer sowie Nickel und Kupfer legierten Sinterstählen im Dichtebereich der Klasse Sint E Zusammensetzung

unlegiert 2,5% Ni 1,5% Cu (E 10) 5% Ni 3% Cu (E 10) 4,5% Cu (E 10) 2,5% Ni + 1,5% 2,5% Ni+ 3% 2,5% Ni + 4,5% 5% Ni+ 1,5% 5% Ni + 3,0% 5% Ni + 4,5%

58

Cu Cu Cu Cu Cu Cu

Dichtebereich 7,2-7,4 gfcm3 Dehnung Brinellhärte Zugfestigkeit

Leitfähigkeit m/Dmm 2 Ist

HB kpfmm2 Ist Soll

6,7 -8,4 4,7 -5,5 5,8 -6,55 2,7 -4,3 5,9 -6,6 6,13-6,94 4,29-5,05 4,27-4,87 4,34-4,95 3,56-4,12 3,51-3,98 3,48-3,89

65- 82 81-103 > 100 89-109 102-118 > 100 103-127 > 100 116-142 101-131 128-169 151-202 118-151 152-179 170-212

kp/mm 2 Soll Ist

15% Soll

22,5-29,1 28,6-33,6 > 35 31,3-37,8 33,4--39,8 > 35 35,8-43,1 > 35 40,9-47,6 35,8-42,6 45,5-56,1 56,0-69,0 42,0-49,2 52,6-61,5 63,3-73,8

21,9-33,1 18,5-27,1 > 10 11,9-21,2 12,2-21,2 > 10 8,5-17,0 > 10 6,2-16,0 7,6-17,0 3,8-11,9 2,0-· 7,3 6,1-12,8 2,5- 7,5 1,6- 4,6

aB

Ist

5.2 Werkstoffe der Klasse Sint-E Der Dichtebereich der Klasse Sint-E liegt zwischen 7,2 und 7,4 g/cm 3• Es sind in diesem Bereich bisher nur dieLeistungsblätterE 02 und E 10 erschienen. Auswertungstab. 30 gibt eine Übersicht über die in dieser Dichteklasse erreichbaren physikalischen Eigenschaften.

Sint-E 02 Dieser Werkstoff besitzt besondere physikalische Eigenschaften. Seine weichmagnetischen Kenndaten sind dominierend, die Festigkeits-, Bruchdehnungs- und Härtewerte sind nur von informativem Belang. Er kann daher bei dem Vergleich der Eigenschaftswerte zwischen Werkstoffleistungsblatt und den in dieser Untersuchung gefundenen Werten ausgeklammert werden.

Sint-E 10 Die Mindestforderung an Zugfestigkeit wird erst ab 3% Kupfer bei allen drei untersuchten Pulvern bei einer Dichte von 7,2 gfcm 3 erreicht (Abb. 53). Mit dieser Dichte und diesem Kupfergehalt läßt sich nach dem Doppelpreßverfahren jedoch nur eine Dehnung von 8% einhalten (Abb. 55). Eine Bruchdehnung von 10% setzt eine Anhebung der Dichte auf 7,3 gfcm 3 (vergl. Abb. 55 und 57) voraus. In diesem Falle wird der vorgeschriebene Festigkeitswert sicher erreicht (vgl. Abb. 53 und 56), so daß eine Reduzierung des Kupfergehaltes und auch der Dichte erfolgen kann und somit durch 2,5% Kupfer bei einer Dichte von 7,25 gfcm 3 die Festigkeit, die Bruchdehnung und auch die Brinellhärte, wie sie im WerkstoffleistungsblattE 10 festgelegt sind, eingehalten werden können. Die Legierung mit 5% Nickel und 4,5% Kupfer könnte die Basis für die Herausgabe eines Leistungsblattes für einen Sinterstahl mit > 60 kpfmm 2 Zugfestigkeit sein.

6. Vergleich der in dieser Untersuchung gemessenen Werte mit den Angaben in der Literatur Ähnlich wie bei einfach gepreßten Sintereisen liegen auch bei doppelt gepreßten Sinterstählen einige Literaturangaben über den Einfluß von Kupfer und Nickel als Legierungselemente vor. Sie sind allerdings noch weniger umfangreich als dort. Untersuchungen überunlegierte Sinterstähle und mit Kupfer legierte Sinterstähle finden sich bei L. HARRISON und S. MARTON [12]. In Tab. 12 sind die Festigkeitswerte der unter vergleichbaren Bedingungen hergestellten Sinterstähle zusammengestellt. Allerdings muß berücksichtigt werden, daß L. HARRISON und S. MARTON verhältnismäßig niedrige Vorsintertemperaturen von etwa 700 bis 800°C t::nd sehr kurze Sinterzeiten von etwa 10 bis 20 min zum Zwecke der Verhinderung einer Verfestigung während der Vorsinterung benutzt haben. Für die vergleichende Betrachtung der Festigkeitswerte wurden Sinterstähle etwa gl ~icher Zusammensetzung und gleicher Dichte miteinander verglichen. Für Stähle aus .El;:ktrolyteisen der Dichte 7,31 g/cm 3 finden L. HARRISON und S. MARTON sowohl höhere Festigkeiten als auch eine höhere Bruchdehnung. Bei den ~interstählen aus unlegiertem MH 100/28 werden bei etwa gleicher Festigkeit sehr verscl:J.iedene Bruch59

dehnungswerte gefunden, bei der eigenen Untersuchung 25,2% gegenüber 13% bei L. HARRISON und S. MARTON. Die Ursache für diese verschiedenen Werte mag damit begründet werden, daß bei der vorliegenden Untersuchung die Sinterung bei 1200° C während 120 min durchgeführt wurde gegenüber 1130° C 60 min bei L. HARRISON und S. MARTON. Tab. 12

Vergleich der Ergebnisse an unlegierten und kupferlegierten Sinterstählen mit den Untersuchungen von L. HARRISON und S. MARTON L. HARRISON und S. MARTON

Elektro! yteisen HVA-Star MH 100 MH 100/28 98,0% Elektro!. + 2% Cu 98,5% HV A-Star + 1,5% Cu 98,0% MH 100 + 2% Cu 98,5% MH 100/28 + 1,5% Cu 96,0% Elektro!. + 4% Cu 95,5% HVA-Star + 4,5% Cu 96,0% MH 100 + 4% Cu 85,5% MH 100/28 + 4,5% Cu

diese Arbeit

6,70 8,18 28,4 29,0 7,31 1200 6,0

4,1

24,8 27,6 7,31

1h 6,0 6,75 8,18 27,8 15,0 7,25 1130 1h 6,0 6,20 9,45 33,0 6,0 6,90 1100 1h 6,0 6,72 8,18 36,7 11,0 7,20 1130 1h 6,0 5,75 9,45 31,5 2,0 7,11 1130 1h 6,0

5,4

26,9 25,2 7,24

4,2

32,8 13,2 7,25

3,0

28,9

5,5 6,90

6,0

40,8

8,6 7,20

6,0

40,3

6,8 7,11

1h

11,0 25,0 13,0 7,24 1130

Bei den mit Kupfer legierten Stählen aus MH 100 und Elektrolyteisen ist ein direkter Vergleich nicht möglich, weil bei den beiden Arbeiten die Kupfergehalte nicht genau übereinstimmen. Trotz dieses Umstandes und der verschiedenen Sintertemperaturen und Sinterzeiten wird bei den Festigkeitseigenschaften eine befriedigende Übereinstimmung festgestellt. G. FINDEISEN [13 und 14) hat in seiner Arbeit einige gesinterte Nickelstähle untersucht. Den Vergleich mit seinen Ergebnissen bringt Tab. 13. Bei 2,5% Nickel besteht hinsichtlich der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung eine sehr gute Übereinstimmung. Für die Brinellhärte hingegen findet G. FINDEISEN etwas niedrigere Werte. Bei 5% Nickel besteht hinsichtlich der Zugfestigkeit ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung, wenn man den Wert für Dichte 7,425 gfcm 3 ausschließt, der wahrscheinlich wegen eines Druckfehlers zu niedrig ist. Für die Bruchdehnung findet G. FINDEISEN etwas höhere und für die Brinellhärte etwas niedrigere Werte. Bei den Sinterstählen, die mit Nickel und Kupfer legiert sind, ist der Vergleich mit den Ergebnissen von G. FINDEISEN etwas schwieriger, weil einmal die Kupfergehalte bei den untersuchten Stählen verschieden sind und außerdem G. FINDEISEN zwei Reihen mit verschiedenen Nachpreßdrücken durchgeführt hat, bei denen durch unterschiedlichen Einfluß des Doppelpreßeffektes die Dichteabhängigkeit der physikalischen Werte unterschiedlich ist. 60

Tab. 13

Vergleich der Ergebnisse dieser Arbeit an nickellegierten Sinterstählen mit den Untersuchungen von G. FINDEISEN [26]

Dichte g/cm 3

G. FINDEISEN HB Gß kp/mm 2 kp/mm 2

lh

RZ 150 + 2,5% Ni

7,27 7,30 7,38 7,50 7,575 7,55

80,20 80,75 84,40 94,05 95,50 94,05

RZ 150 + 5% Ni

7,15 7,28 7,36 7,35 7,425 7,50

Pulver

Tab. 14

29,80 31,3 31,25 34,60 34,95 35,45

18,80 18,60 24,60 26,20 27,0 25,4

98,0 98,5 102,5 107,0 110,0 109,0

31,8 32,1 33,2 35,0 36,0 35,6

22,0 22,4 24,8 26,4 29,0 27,2

34,25 35,10 36,25 38,80 28,95 39,65

15,0 19,0 19,9 22,0 23,2 23,0

104,0 111,5 115,5 115,0 119,5 124,0

36,0 38,0 39,2 38,9 40,0 41,0

16,5 18,0 19,0 18,6 20,2 22,0

%

Vergleich der Ergebnisse dieser Arbeit an gesinterten nickel-kupferlegierten Sinterstählen mit den Untersuchungen von G.FINDEISEN [26]

Pulver

RZ 150 +2,5%Ni + 2%Cu

RZ 150 +5%Ni +2%Cu

89,7 92,6 98,6 109,0 109,0 109,0

OL

%

diese Arbeit HB GB kp/mm 2 kp/mm 2

Dichte g/cm 3

G. FINDEISEN HB Gß OL kp/mm 2 kpfmm 2 %

diese Arbeit HB aB OL kp/mm 2 kp/mm 2 %

Pulver

7,15 7,23 7,35

130 135 148

37,9 40,5 43,6

6,3 6,0 5,8

102 104 119

36,2 38,0 41,0

7,4 7,9 9,4

RZ 150 +2,5%Ni +1,5%Cu

7,33 7,38 7,40 7,49

130 130 128 135

45,0 43,0 44,9 46,6

5,9 7,0 6,4 10,2

118 120 121 129

40,5 41,6 42,2 44,4

9,2 10,0 10,5 13,0

7,08 7,22 7,30

120 125 130

48,5 47,5 48,2

5,0 6,6 6,2

129 135 138

44,0 46,0 47,6

6,1 6,3 6,7

7,30 7,34 7,38 7,48

170 175 175 180

50,6 51,2 50,7 52,9

4,6 5,0 5,2 8,1

138 140 142 145

47,6 48,0 49,0 50,5

6,7 6,9 7,2 8,5

RZ 150 + 5%Ni + 1,5% Cu

Trotzdem soll in Tab. 14 ein Vergleich vorgenommen werden. Es sind dabei den Versuchen von G. FINDEISEN an den Legierungsreihen mit 2,5% und 5,0% Nickel und 2,0% Kupfer die Ergebnisse dieser Arbeit an den Reihen mit 2,5% und 5,0% Nickel und 1,5% Kupfer gegenübergestellt. In der Tabelle sind bei G. FINDEISEN die beiden Reihen mit unterschiedlichem Nachpreßdruck durch einen Doppelstrich getrennt. In der Reihe mit 2,5% Nickel besteht hinsichtlich Zugfestigkeit und Bruch.dennung gute Übereinstimmung zwischen dieser Arbeit und der Versuchsreihe von FINDEISEN 61

mit niedrigem Nachpreßdruck Die geringfügigen Unterschiede sind durch den unterschiedlichen Kupfergehalt hinreichend erklärt. Die Brinellhärte hingegen ist bei G. FINDEISEN wesentlich höher. Bei höherem Nachpreßdruck findet G. FINDEISEN höhere Werte für Brinellhärte und Zugfestigkeit und niedrigere Werte für die Bruchdehnung. In der Legierungsreihe mit 5% Nickel besteht wiederum hinsichtlich Zugfestigkeit und Bruchdehnung gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit und der Reihe mit niedrigerem Nachpreßdruck beiG. FINDEISEN. FürdieBrinellhärte werden diesmal, ähnlich wie bei den nickellegierten Sinterstählen, höhere Werte als bei FINDEISEN gemessen. In der Reihe mit höherem Nachpreßdruck kommt G. FINDEISEN zu höheren Werten für die Brinellhärte. Hinsichtlich Zugfestigkeit und Bruchdehnung hingegen besteht recht gute Übereinstimmung. Eine neue Arbeit über einfach und doppelt gepreßte Fe-Ni- und Fe-Ni-Cu-Legierungen liegt von der International Nickel Co., USA, vor [15]. A. F. KRAWIC und A. B. GLOoR teilen darin Ergebnisse von Proben mit, die mit 4 Mpfcm 2 vorgepreßt, bei 850°C vorgesintert, mit 4 Mpfcm 2 nachgepreßt und einer zweiten Sinterung bei 1320°C unterworfen wurden. Die Verfasser benutzten als Basispulver Elektrolyteisenpulver. Die hinsichtlich der Zusammensetzung zum Vergleich geeigneten Ergebnisse sind in Tab. 15, die für die betreffende Dichte aus unseren Diagrammen inter- und extrapoliert wurden, gegenübergestellt. Es ist eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen unserer Arbeit festzustellen. Die zum Teil etwas höheren Dehnungswerte dieser Literaturstelle sind auf die höhere Sintertemperatur zurückzuführen.

Tab. 15 Vergleich der Ergebnisse an unlegierten, Ni- und Ni-CU-legierten Sinterstählen auf Basis HVA-Star mit den Untersuchungen von A. F. KRAVIC und A. B. GLOoR [15] A.F. KRAVIC und A.B. GwoR ZugZusammen- Dichte Bruchsetzung festigkeit dehnung gfcma Gew.-% kp/mm 2 % Ni Cu

0 2 5 5

0 0 0 2,5

7,28 7,22 7,26 7,16

21,6 28,8 37,3 48,2

22 22 15 7

diese Arbeit Zusammen- Dichte setzung gfcma Gew.-% Ni Cu

ZugBruchfestigkeit dehnung kpfmm 2 %

0 2,5 5 5 5

24 29 34,4 41 52

0 0 0 1,5 3,0

7,28 7,22 7,26 7,16 7,16

25 19 15 7 5

Die über die Dauerfestigkeit von Sinterwerkstoffen erschienene Literatur läßt sich in zwei Gruppen teilen. Die eine behandelt unlegierte Sintereisenwerkstoffe [17, 18, 21, 25] und geht dabei auf den Einfluß der Teilchengröße bzw. Porengröße ein, während die andere sich mit der Dauerfestigkeit, vorzugsweise mit Kohlenstoff legierter Sinterstähle, befaßt [19, 20, 22, 23, 24, 26]. Ein Vergleich mit den in dieser Untersuchung gefundenen Werten ist daher nur bedingt auf dem binären System Eisen-Kupfer möglich und bereits in der Arbeit [16] vollzogen worden.

62

7. Zusammenfassung Die Forschungsgemeinschaft Pulvermetallurgie e. V. hat sich die Aufgabe gestellt, die Pulvermetallurgie binärer und ternärer Systeme zu erforschen, um durch solche Untersuchungen neue Wege der pulvermetallurgischen Legierungstechnik aufzuschließen. Dieses Vorhaben ist ein Anliegen der pulvermetallurgischen Industrie, die nach neuen Wegen sucht, das Anwendungsgebiet des pulvermetallurgischen Formgebungsverfahrens zu erweitern. Eine solche Erweiterung ist in erster Linie zu erwarten, wenn es gelingt, die Festigkeitseigenschaften von Sinterformteilen zu steigern und sie damit zur Aufnahme und Übertragung höherer statischer und dynamischer Kräfte geeignet zu machen. Die vorliegende Untersuchung über binäre Eisen-Kupfer-, Eisen-Nickel- und ternäre Eisen-Kupfer-Nickel-Legierungen stellt ein Glied in dieser Untersuchungsreihe dar. Während in einer vorhergehenden Forschungsarbeit, die als Forschungsbericht des Landes Nordrhein-Westfalen, Nr. 1403, veröffentlicht worden ist, die gleichen Legierungssysteme im Dichtebereich bis zu etwa 7,0 gjcm 3 untersucht worden sind und bei dieser Untersuchung ausschließlich ein Arbeitsverfahren verwendet wurde, das aus einmaligem Pressen und Sintern besteht und als Einfachpreßtechnik bezeichnet wird, befaßt sich die vorliegende Untersuchung mit den gleichen Legierungssystemen im Dichtebereich von ca. 7,0 bis 7,5 gjcm 3 • Als Herstellungsverfahren ist dabei das sogenannte Doppelpreßverfahren verwendet, das aus einem zumindest vierstufigen Arbeitsverfahren, nämlich Pressen, Vorsintern, Nachpressen und Hochsintern besteht. Es ermöglicht durch die eingeschaltete Vorsinterbehandlung unter Anwendung relativ verschiedener Preßdrücke die Herstellung von Sinterwerkstoffen mit höherer Dichte. Die Untersuchung hat erneut bestätigt, daß die Festigkeitseigenschaften von Sinterlegierungen in den genannten Legierungssystemen dichteabhängig sind und mit höherer Dichte demgemäß erheblich ansteigen. Das gilt insbesondere für die Bruchdehnung. Die Untersuchung hat weiter gezeigt, daß der sogenannte Doppelpreßeffekt an zahlreichen Kombinationen in den Legierungssystemen auftritt. Dieser Effekt besteht darin, daß bei der Auftragung der Festigkeitseigenschaften über der Sinterdichte deutliche Unterschiede zwischen einfach gepreßten und doppelt gepreßten Werkstoffen sichtbar werden. Neu ist die Beobachtung, daß der Doppelpreßeffekt nicht in allen Fällen positiv, ·sondern gelegentlich auch negativ sein kann. Zum ersten Mal sind in die Untersuchung auch Messungen über die Dauerfestigkeit und den Elastizitätsmodul einbezogen worden, da diese Kenngrößen für höher belastete Bauteile von besonderer Bedeutung sind. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben eindeutig gezeigt, daß unter den bisher untersuchten kohlenstofffreien Sintereisenlegierungen die ternären Legierungen des Systems Eisen-Kupfer-Nickel die höchsten Festigkeitswerte erbringen und daher für die Anwendungstechnik von allergrößtem Interesse sind.

63

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64

Anhang a) Abbildungen

I

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5.5

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Abb. 1

11•-'

Zusammenhang zwischen Sinterdichte und Zugfestigkeit bei Proben aus zwei verschiedenen Eisenpulvern

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6, 6

6,8

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Abb. 2

7.6

II•,)

Ele~ische Leitfähigkeit einfach- und doppeltgepreßter Proben aus HVA-Star, RZ 150 und MH 100/28

65

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7.•

7.6

Abb. 13 Vergleich der elektrischen Leitfähigkeit einfach- und doppeltgepreßter Proben in Abhängigkeit von der Dichte bei binären Fe-Cu-Ni-Legierungen auf Basis

MH 100/28

73

111 111 111 111 111 tot

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+ ~.5 - II • a,5 - ." • 2,5' 11 + 5.0- .1 + 5,0- lll

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Vergleich der Brinellhärte einfach- und doppeltgepreßter Proben in Abhängigkeit von der Dichte bei binären Fe-Cu- Ni-Legierungen auf Basis HVA-Star

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Abb. 18 Vergleich der Brinellhärte einfach- und doppeltgepreßter Proben in Abhängigkeit von der Dichte bei ternären Fe-Cu-Ni-Legierungen auf Basis HVA-Star

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Vergleich der Bruchdehnung einfach- und doppeltgepreßter Proben in Abhängigkeit von der Dichte bei ternären Fe-Cu-Ni-Legierungen auf Basis RZ 150

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Abb. 43 Vergleich der Bruchdehnung einfach- und doppeltgepreßter Proben in Abhängigkeit von der Dichte bei ternären Eisen-Kupfer-Nickel-Legierungen auf Basis MH 100/28

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Abb. 46

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Abhängigkeit der Zugfestigkeit und Bruchdehnung vom Nachpreßdruck bei mit Kupfer legiertem Sinterstahl, hergestellt nach dem Doppelpreßverfahren Vorpreßdruck: 6 Mp/cm 2 ; Vorsintertemperatur: 1000°C; Vorsinterzeit: 60 min; Sintertemperatur: 1200° C; Sinterzeit: 120 min

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Abb. 47

Abhängigkeit der Zugfestigkeit und Bruchdehnung vom Nachpreßdruck bei mit Kupfer und Nickellegiertem Sinterstahl, hergestellt nach dem Doppelpreßverfahren Vorpreßdruck: 6 Mp/cm 2 ; Vorsintertemperatur: 1000°C; Vorsinterzeit: 60 min; Sintertemperatur: 1200° C; Sinterzeit: 120 min

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Abb. 48 Abhängigkeit der Zugfestigkeit und Bruchdehnung vom Nachpreßdruck bei mit Kupfer und Nickellegiertem Sinterstahl, hergestellt nach dem Doppelpreßverfahren Vorpreßdruck: 6 Mpjcm 2 ; Vorsintertemperatur: 1000°C; Vorsinterzeit: 60 min; Sintertemperatur: 1200° C; Sinterzeit: 120 min

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Diagramm 49

Abhängigkeit der Bruchdehnung von der Sinterdichte und vom Nachpreßdruck bei Sinterstahl, hergestellt aus Eisenpulver mit Zusatz von 0-5% Ni Vorpreßdruck: 6 Mpfcm 2 ; Vorsinterung: 1000°C 1 h Pulver: MH 100(28

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Abhängigkeit der Bruchdehnung von der Sinterdichte und vom Nachpreßdruck bei Sinterstahl, hergestellt aus Eisenpulver mit Zusatz von 1,5 4,5% Cu Vorpreßdruck: 6 Mpfcm 2 ; Vorsinterung: 1000°C 1 h Pulver: MH 100/28

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Diagramm 51

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Abhängigkeit der Bruchdehnung von der Sinterdichte und vom Nachpreßdruck bei Sinterstahl, hergestellt aus Eisenpulver mit Zusatz von 2,5% Ni und 1,5-4,5% Cu Vorpreßdruck: 6 Mp/cm 2 ; Vorsinterung: 1000°C 1 h Pulver: MH 100/28

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Abhängigkeit der Bruchdehnung von der Sinterdichte und vom Nachpreßdruck bei Sinterstahl, hergestellt aus E isenpulver mit Zusatz von 5% Ni und 1,5--4,5% Cu Vorpreßdruck: 6 Mp/cm 2 ; Vorsinterung: 1000°C 1 h Pulver: MH 100/28

131

Forschungsberichte des Landes Nordrhein-Westfalen Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt

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