Temperature and interstitial effects on physical and chemical processes during sintering of ferrous powder compacts

Abstract

Sintern spielt für die endgültigen Eigenschaften pulvermetallurgischer Bauteile eine große Rolle. Daher ist die Untersuchung der Sintervorgänge notwendig, um die physikalischen und chemischen Prozesse zu charakterisieren, die während des Sinterns eingetreten ist, und auch um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der hergestellten Teile vorherzusagen Verschiedene Arten von PM-Eisen und -Stählen wurden in dieser Studie verwendet, um umfassende Ergebnisse zu erreichen, hergestellt aus Reineisenpulver - Verdüsungs- und Schwammeisenpulver -, Mo- und zwei Arten von Cr-Mo vorlegierten Pulvern und Cu-Ni-Mo- diffusionlegiertem Stahlpulver. Die vorliegende Dissertationsarbeit wurde in vier Abschnitten, als Module bezeichnet, durchgeführt.<br />Im ersten Modul wurde nach dem Pressen bei 600 MPa isotherme Sinterung in Stickstoff-Atmosphäre in einem relativ weiten Bereich der Sintertemperatur von 700 bis 1300°C durchgeführt und die physikalischen und chemischen Prozesse untersucht. Die Entfernung von interstitiellen Elementen wurde untersucht, und für oxidationsempfindliche Materialien - Cr-Mo-Stähle - wurden kritische Temperaturfenster festgestellt. Die Bildung und das Wachstum von Sinterbrücken wurde von den ersten Stufen der Sintern bis zu hohen Sintertemperaturen charakterisiert. Es zeigte sich, dass die elektrische Leitfähigkeit stark von der Sintertemperatur abhängt, allerdings nur im Bereich des Vorsinterns, nicht bei technisch üblichen hohen Sintertemperaturen. Das Ziel des zweiten Moduls ist die Untersuchung der Dichteauswirkungen auf die Bildung von Sinterbrücken. Durch Pressen mit 200-800 MPa wurden Proben mit Gründichten zwischen 5.9-7.25 g.cm-3, d.h. mit 7-24% Porosität hergestellt. Diese wurden in Stickstoff-Atmosphäre bei zwei verschiedenen industriell üblichen Temperaturen gesintert. Hier zeigte sich, dass Eigenschaften wie E-Modul, Zugfestigkeit und Leitfähigkeit fast ausschließlich von der Dichte/Porosität abhängen, während die Schlagzähigkeit sowohl von der Dichte als auch von den Sinterbedingungen beeinflusst wird. Für die elektrische Leitfähigkeit sind Legierungselemente sehr viel stärker wirksam als die Dichte/Porosität, d.h. Mischkristalleffekte wirken sich stärker aus als der Durchmesser der Sinterkontakte, zumindest bei Standardsinterung. Im Modul 3 wurde der Effekt von gasbildenden Zusätzen beim Sintern untersucht. Dazu wurden verschiedene Gehalte von hBN, zwischen

In production of PM parts, sintering has a crucial impact on the final properties of the components. In this work, investigation of the sintering procedure was done to characterise the physical and chemical processes occurring during this production stage and also to predict the physical and mechanical properties of the sintered products. Different PM steel grades were used in this research, i.e. plain carbon steels prepared from atomised and sponge iron powders, prealloyed Mo and two grades of Cr-Mo steels as well as Ni-Cu-Mo diffusion bonded steels.<br />Mechanical and functional properties, as e.g. the conductivity, were studied, the interstitial content was measured by chemical analysis, and the formation of sintering necks was characterized by quantitative fractography. This PhD thesis was focused on four topic groups, defined as modules. In the first module, steels were compacted at 600 MPa and isothermally sintered in nitrogen atmosphere at various temperatures in a relatively wide range between 700-1300°C which enables studying the physical and chemical processes, as e.g. removal of interstitials and neck formation from the initial stages of sintering up to high sintering temperatures, as a function of the temperature. It also rendered identification of oxidation-sensitive temperature windows possible in particular for the Cr-Mo prealloyed steels. The electrical conductivity was found to depend strongly on the sintering temperature, but only in the pre-sintering range. The goal of the second module was the investigation of density effects on formation of sintering necks. Compaction pressures of 200-800 MPa resulted in specimens with green density of 5.9-7.25 g.cm-3, which is about 24-7% porosity, which were then sintered in nitrogen atmosphere at two different industrial temperature levels. It showed that properties such as Young's modulus, conductivity and tensile strength depend mainly on the density/porosity only, while the impact energy is affected both by density and sintering conditions. The electrical conductivity was found to depend much more on the alloy element content than on the sintering temperature, which indicates that solid solution effects are more relevant than the diameter of the sintering necks, at least if sintering has been done in the industrially used temperature range.<br />In module 3, the effect of gas-forming additives during sintering was studied. Therefore, hexagonal boron nitride (hBN) was admixed to Fe-0.8%C steel in different contents between