Verschleißbeständige Metall-Matrix-Composite (MMC) mit in situ Hartphasen durch Supersolidus-Flüssigphasensintern
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Schaffung verschleißbeständiger Metall-Matrix- Composite (MMC) durch Flüssigphasensintern von Pulvermischungen aus Warmarbeitsstahl WAS (56NiCrMoV7, <150pm, gasverdüst), Flüssigphasenbildner FPB (Fe-3,6C-2,1B-4Ni-1Cr, <36 pm, gasverdüst) und Ferotitan FeTi (Fe-70Ti, 100-150 pm, gebrochen). Nach dem Verdichten durch Aufschmelzen des FPB Anteils sollte C und B zu den FeTi Partikeln wandern, um dort eine in situ Umwandlung zu hochharten Ti(C,B) zu erreichen. Es zeigte sich jedoch bereits beim Erwärmen ein rascher Diffusionsausgleich von C und B zwischen FPB und WAS im festen Zustand vor Erreichen einer Flüssigphase. Aus untereutektoidem WAS und übereutektischem FPB bildete sich eine untereutektische Grundmasse aus segmentierten Pulverkörnern, von deren flüssigem, eutektischem Anteil die in situ Umwandlung des FeTi zu TiC ohne Beteiligung von B ausging. Der Verbleib von B im Eutektikum verhinderte dessen erwartete Ducktilisierung, d.h. Auflösung zu Gunsten der in situ Reaktion. Durch die Diffusion im festen Zustand ging das liquid phase sintering (LPS) über in das super solidus liquid phase sintering (SLPS), das im Fortsetzungsantrag anhand von niedriglegierter WAS Basis mit C, B und FeTi wie auch von hochlegiertem Kaltarbeitsstahl KAS (X220CrVMo13-4) mit FeTi und Graphit weiter verfolgt wurde. In beiden Systemen ließen sich durch SLPS dichte MMC mit < 20 Vol% in situ TiC herstellen. Durch Härten erreichten die MMC zwischen 780 und 980 HV30. Mit rund 2400 HV0.05 waren die in situ Hartphasen deutlich härter als die eutektischen (1200 - 1400 HV0.05). Im Schleifpapierversuch erwiesen sich die groben in situ TiC verschleißbeständiger gegen tiefe Furchung. Aber auch die feineren eutektischen Hartphasen trugen - im Vergleich zu den sehr feinen Hartphasen gehipter Vergleichswerkstoffe - erheblich zum Widerstand gegen Abrasion bei, wenn die Furchentiefe unterhalb ihrer mittleren Größe lag. Am Beispiel von Flint (1200 HV0.05), das die härteren der natürlich vorkommenden Gesteine repräsentiert, konnte gezeigt werden, dass die neuen „SLPS in situ MMC" im oberen Bereich des Verschleißwiderstandes (KAS-Basis) bzw. im Mittelfeld (WAS-Basis) liegen. Als Fortschritt gegenüber dem Stand des Wissens zum Zeitpunkt der Antragstellung ist zu werten, dass grobe Hartphasen aus kostengünstigem FeTi in situ durch Sintern mit flüssiger Phase hergestellt wurden, was gegenüber dem vorher angewendeten heißisostatischen Pressen einen weiteren Kostenvorteil verspricht. Wichtig ist auch die Erkenntnis, dass die bei SLPS ausgeschiedenen Hartphasen deutlich gröber als die nach HIP ausfallen, was den Widerstand gegen furchenden Verschleiß verbessert. Neue Möglichkeiten eröffnet des Weiteren die Erkenntnis, dass SLPS anstatt mit bisher einem untereutektisehen Pulver (hier KAS) auch mit mehreren möglich ist, weil selbst die substituierten Legierungselemente unterschiedlich legierter Pulver durch die Flüssigphase gleichmäßig verteilt werden. Zum Schluss sei noch vermerkt, dass ein Flüssigphasenanteil von < 40 Vol% reicht, um eine porenfreie stoffschlüssige Anbindung an ein Stahlsubstrat zu erzielen.
Publications
- Fragmentation of Gas Atomized Steel Powder during Liquid Phase Sintering with an Admixed Fe-B-C Powder, Proceedings EURO PM2008, Mannheim, Germany
Saltykova A., Berns H.
- Wear resistance of in situ MMC produced by supersolidus liquid phase sintering (SLPS), Presented at the 1st Conference on Abrasive Processes, 21-25 September 2008, Cambridge UK
Berns, H., Saltykova A.
- PM tooling material with coarse hard particles formed In situ, Contribuflon to the Int. Conf. Tool 09, Aachen, June 2009
Berns, H.
- Sintered in situ MMC for wear protection, Proceedings Euro PM2009, PM Tool Steels, Kopenhagen, 12. - 14. Okt. 2009
Berns H., Saltykova A.
- Wear resistance of in situ MMC produced by SLPS, WEAR 267 (2009), 1791-1797
H. Berns, A. Saltykova
- Wear resistant In situ MMC sintered with FeBC liquid phase, RoPM2009 in Craiova, Rumänien, Juli 2009
Anastasia Saltykova, Hans Berns
