Sintering of mo-alloyed PM steels via the master alloy route

Abstract

Sinterstähle werden für komplexe Bauteile mit hoher Präzision in hohen Stückzahlen verwendet. Im Gegensatz zur klassischen Stahlherstellung sind die wichtigsten Legierungselemente Ni, Cu und Mo. Diese werden aufgrund ihrer Komprimierbarkeit und O-unempfindlichkeit verwendet. Jedoch sind Cu und Ni mit Umweltproblemen und Preisfluktuationen verbunden. Deswegen besteht das Interesse umweltfreundlichere alternativen wie Mn und Si zu verwenden. Diese O-empfindlichen Legierungselement müssen speziell in Sinterstähle eingebracht werden. Eine Möglichkeit, um O-empfindliche Legierungselemente in Sinterstähle einzubringen ist die Verwendung von sogenannten Master Alloys (MA ́s). In dieser Legierungsvariante wird ein Reineisen- oder vorliegiertes Basispulver mit kleinen Mengen an MA gemischt, welche die Legierungselemente enthalten. MA ́s ermöglichen Flüssigphasensinterung was zu erniedrigten Sintertemperaturen und einer guten Verteilung der Legierungselemente führt. In dieser Arbeit wurde der Effekt verschiedener Basispulver in Sinterstählen mit niedrigschmelzenden Mn-Si-MA ́s untersucht. Weiters wurde die Möglichkeit Mo zugemischt als Karbid (Mo2C), in Kombination mit denselben MA ́s, in Sinterstähle einzuführen untersucht.Zwei verschiedene Mn-Si-MA ́s wurden untersucht. Zuerst wurden vorgepresste Proben wo diese MA ́s mit Mo- und Cr-vorlegierten Basispulvern (0,85 wt% Cr und Mo) kombiniert wurden konsolidiert und die mechanischen Eigenschaften der Proben (Dichte, Härte, Schlagzähigkeit) wurden getestet. Anschließend wurden Proben mit einem Reineisen-Basispulver und zugemischtem Mo (0,5 wt% Mo) als Mo2C mit denselben MA ́s gemischt, gepresst, konsolidiert und getestet. In einem letzten Experiment wurden Proben mit einem Mo-vorlegiertem Basispulver (0,45 wt% Mo) und denselben MA ́s gemischt, gepresst, konsolidiert und getestet. Das Gefüge aller Proben wurde außerdem nach ätzen mittels Lichtmikroskop untersucht.Bei den vorgepressten Proben zeigten die mit vorlegiertem Mo eine bessere Kombination aus Härte und Schlagzähigkeit als die Proben mit derselben Menge an vorlegiertem Cr. Es gab keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden MA`s. Eine Sintertemperatur von 1250 °C führte zu Proben mit besseren Härte- und Schlagzähigkeitswerten im gehärteten und angelassenen Zustand im Vergleich zu Proben, welche bei 1140 °C gesintert wurden. Es war möglich Mo als Mo2C in Kombination mit den untersuchten MA ́s zuzumischen. Die hergestellten Proben wiesen vergleichbare Härte- und Schlagzähigkeitswerte (bis zu 440 HV30 und Schagzähigkeitswerte bis zu 20 J/cm2) zu den vorgepressten mit Mo Proben im gehärteten und angelassenen Zustand auf. Die Proben welche bei 1250 °C gesintert wurden zeigten höhere Härte, bessere Schlagzähigkeit und homogenere Gefüge im Vergleich zu den Proben welche bei 1140 und 1180 °C gesintert wurden. Außerdem wurden bei den niedrigeren Sintertemperaturen unaufgelöste Partikel in den Gefügen entdeckt. Trotz guten Härtewerten unterliefen die Proben mit 0,45 wt% Mo-vorlegiertem Basispulver Korngrenzenoxidbildung. Dies resultierte in sehr niedrigen Schlagzähigkeitswerten.Die Einführung von Mo als Mo2C kombiniert mit niedrigschmelzenden Mn-Si-MA ́s in Sinterstähle war erfolgreich und führte zu Proben mit vergleichbaren Härte- und Schlagzähigkeitswerten wie bei Mo-vorlegierten Proben. Wegen einer Veränderung des der Messungsparameter während der Experimente wäre es interessant weitere Untersuchungen mit Mo-zugemischten und Mo-vorlegierten Sinterstählen in Kombination mit den untersuchten MA ́s durchzuführen. Des Weiteren sollte eine Variation des zugemischten Mo-Gehaltes und die Untersuchung der resultierenden Eigenschaften durchgeführt werden.

Sintered steels are used for complex, high precision components for high lot sizes. In contrast to classical steel production Ni, Cu and Mo are the most common alloying elements in sintered steels. They are used because of their compressibility and because of their non-sensitivity to O. But Cu and Ni are connected to environmental problems and price fluctuations. Therefore, there is an interest to use more environmentally friendly alternatives like Mn and Si. These O sensitive alloying elements need to be especially introduced into sintered steels. One way to introduce O sensitive alloying elements into sintered steels is the use of low melting master alloys (MA ́s). In this alloying route, a ferrous base powder or a pre-alloyed powder is mixed with small amounts of MA ́s, which contain the alloying elements. MA ́s facilitate liquid phase sintering which allows comparably lower sintering temperatures and a good homogenization of alloying elements. In this work the effect of different base powders on sintered steels with low melting Mn-Si-MA ́s was investigated. Furthermore, the possibility to introduce Mo admixed as a carbide (Mo2C) into sintered steels combined with the same MA ́s was investigated.Two different Mn-Si-MA ́s were investigated. First prepressed samples where those MA ́s were combined with Mo- and Cr-pre-alloyed base powders (0,85 wt% Cr and Mo) were consolidated and their mechanical properties (density, hardness and impact energy) were tested. Then samples with a purely ferrous base powder and Mo admixed (0,5 wt% Mo) as Mo2C with the same MA ́s were mixed, pressed and consolidated and tested. In a last experiment, samples with a Mo-pre-alloyed base powder (0,45 wt% Mo) and the same MA ́s were mixed, pressed, consolidated and tested. The microstructure of all samples was also characterized after etching with optical microscopy.In the prepressed samples the ones with a Mo-pre-alloyed base powder showed a better combination of hardness and impact energy than the samples pre-alloyed with the same amount of Cr-pre-alloyed. There was no significant difference between the two used MA ́s. A sintering temperature of 1250 °C yielded samples with better hardness and impact energy compared to samples sintered at 1140 °C after sinter hardening and tempering. It was possible to introduce Mo admixed as Mo2C combined with the use of the investigated MA ́s. The resulting samples showed similar hardness and impact energy values (up to 440 HV30 and impact energies up to 20 J/cm2) as the prepressed samples with Mo in the sinter hardened and tempered condition. The samples sintered at 1250 °C showed better hardness, higher impact energies and more homogeneous microstructures compared to the samples sintered at 1140 and 1180 °C. Also, at the lower sintering temperatures undissolved component particles were found in the microstructures. Despite showing promising hardness values, the samples with a 0,45 wt% Mo-pre-alloyed base powder underwent grain boundary oxide formation. This resulted in very low impact energies.The introduction of Mo as Mo2C combined with low melting Mn-Si-MA ́s in sintered steels was successful and yielded samples with comparable hardness and impact energy values to samples with pre-alloyed Mo. Due to a change in the measurement setup during the experiments, further investigations with Mo-admixed and Mo-pre-alloyed sintered steels combined with the investigated MA ́s would be interesting. Also, a variation of the admixed Mo content to study the impact on the resulting properties of the sintered steels should be conducted.