Herstellung von pulvermetallurgischen Werkstoffen mit Mikrogradient

Abstract

Hintergrund Die pulvermetallurgische Fertigung ermöglicht die Erzeugung von Sinterstählen mit inhomogenen Gefügestrukturen. Durch das Vorliegen harter und zäher Bereiche nebeneinander mit fließenden Übergangsgradienten können entsprechende Sinterteile die mechanischen Eigenschaften eines Werkstücks gleicher Zusammensetzung mit homogener Elementverteilung deutlich übertreffen. Die vorliegende Arbeit untersucht Glüh- und Mahlprozesse zur Oberflächenbeschichtung der Basispulver ASC 100.29 und Astaloy CrA mit den Legierungselementen Cu, Ni und Mn, um diesen Eekt zu verstärken. In einer anderen Versuchsreihe wurden manganreiche Legierungen untersucht, in denen in Folgeversuchen entsprechende Gefüge durch verformungsinduzierte Phasenumwandlung (TRIP-Eekte) erstellt werden sollen. Ergebnisse Geglühte Ni-Varianten zeigten teilweise verbesserte Härten und Schlagzähigkeiten. Ein Großteil der untersuchten Legierungen wies keine signikante Beeinussung durch die Vorbehandlungsprozesse auf. Die Manganvarianten, insbesondere jene auf Basis von Astaloy CrA, reagierten auf das Glühen mit deutlich verschlechterter Verpressbarkeit. Gemahlene Ausgangspulver wiesen drastisch erhöhte Fließfähigkeiten und Fülldichten bei nahezu unbeeinflusster Verpressbarkeit auf. Eine Anbindung an die Oberflächen der Basispulver konnte jedoch nicht erzielt werden. Für die Mn-TRIPStähle konnten als Sintertemperatur zur vollständigen Homogenisierung ca. 1350 C ermittelt werden. Als problematisch erwiesen sich dabei insbesondere Randentkohlung und Entmanganisierung durch Sublimation. Schlussfolgerungen Die Verteilung von Mangan über die Gasphase eignet sich sehr gut zur Beschichtung des Basispulvers, jedoch diffundiert das Mangan anschließend auch sehr rasch in das Basispulver hinein. Die resultierenden verschlechterten Verpressbarkeiten gestalten eine Anwendung schwierig. Zur Partikelbeschichtung durch Mahlen wären aller Wahrscheinlichkeit nach Kräfte notwendig, die ein Verpressen der erhaltenen Pulver ohne weitere Behandlung unmöglich machen würden. Die Sinterung der Mn-TRIP-Stähle ist in Bandöfen aufgrund der hohen benötigten Sintertemperatur nicht realisierbar und benötigt Kohlenstoffkontrolle und die Sinterung einer ausreichenden Probenmenge zur Verhinderung eines übermäßigen Mn-Verlusts.

Background: Powder metallurgy allows for the production of PM steels featuring inhomogeneous microstructure. Through the combination of hard and tough areas with smooth gradients in between, parts with such structures can outperform those of the same composition but with homogeneous microstructure by far regarding their mechanical properties. This paper examines thermal annealing and milling processes to achieve bonding or coating of the alloying elements Cu, Ni and Mn on the ferrous base powders ASC 100.29 and Astaloy CrA in order to enhance this strengthening effect. Another series of experiments investigates PM steels rich in manganese, which are intended for achieving similar gradient structures through plastically induced transformation (TRIP-effects) in following experiments. Results: Some annealed Ni-variants exhibited increased hardness and fracture toughness. Most of the investigated alloys were not affected by the pretreatment in a signicant way. Manganese variants, especially those based on Astaloy CrA, exhibited dramatically decreased compressibility after annealing. Milling of the powder mixtures resulted in drastically increased flowability and bulk density with compressibility staying nearly the same. However, bonding of the alloy particles to the base powder surface could not be achieved. Regarding the Mn-TRIP-steels, a minimum sintering temperature of approximately 1350 C was determined. Problems included decarburisation and loss of manganese by sublimation from the surface. Conclusions: Distribution of manganese through the vapor phase is well-suited for coating the base powders, however Mn subsequently diuses into the particles. The resulting reduced compressibility renders application of such powders difficult. Dry particle coating through milling would most likely require forces making compaction of the treated powder without further treatment impossible. Sintering of the investigated Mn-TRIP-steels in a conveyor belt sintering furnace is infeasible due to the high temperature requirement and requires careful carbon control and simultaneous processing of batches large enough to counteract loss of manganese.