DE69434357T2

DE69434357T2 - Legierung auf Stahlbasis mit hohem Modul und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69434357T2
Application number: DE69434357T
Authority: DE
Inventors: Takashi Owariasahi-shi Aichi-ken Saito; Kouji Owariasahi-shi Aichi-ken Tanaka
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: EP0659894A2; EP0659894B1; DE69434357D1; US5854434A; EP0659894A3

Description

Diese Erfindung betrifft eine Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul und ein Verfahren zur Herstellung der Legierung. Insbesondere betrifft sie eine Legierung auf Eisenbasis, die einen hohen Young'schen Modul oder spezifischen Young'schen Modul aufweist und als Metall-Strukturmaterial mit hohem Modul geeignet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Legierung.
Stähle oder Eisenlegierungen werden verbreiteter verwendet als alle anderen Metall-Strukturmaterialien. Die Zugabe eines Legierungselements oder von Legierungselementen zu diesen Metallmaterialien und deren effektive Wärmebehandlung fördert eine sehr breite mikrostrukturelle Veränderung und stellt dadurch die Vielfalt der mechanischen Eigenschaften der Materialien bereit, wie z.B. Festigkeit und Zähigkeit. Es wurde jedoch als schwierig erachtet, ungeachtet der Wichtigkeit der Gestaltung jedweden Strukturteils eine drastische Verbesserung des Moduls zu erreichen, da der Modul direkt von der Bindungskraft der aufbauenden Atome abhängt.
Während nur in wenigen Fällen von Forschungsbemühungen berichtet worden ist, den Modul von Stahl oder einer Eisenlegierung zu verbessern, ist seit langem ein Verfahren bekannt, das auf der Textur von Stahl für einen hohen Young'schen Modul nur in einer spezifischen Richtung beruht (vgl. z.B. J. L. Lytton, J. of Applied Physics, 35–8 (1964), 2397). Die Anwendung des Verfahrens ist jedoch nur auf ein dünnes Blech beschränkt und ist nicht für jedwedes raumerfüllendes Material geeignet.
Im Bereich eines Verbundmaterials, das eine Matrix aus einem Metall mit geringem Gewicht, wie z.B. einer Magnesium-, Aluminium- oder Titanlegierung, und Verstärkungsfasern oder -teilchen umfasst, die zur Erhöhung der Festigkeit oder des Moduls des Materials eingesetzt werden, wurden umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt. Tatsächlich stellt ein Verbundmaterial, das durch Verteilen von Teilchen mit hohem Modul in einer Metallmatrix mit geringem Gewicht hergestellt wird, ein raumerfüllendes Material mit hohem Modul bereit.
Das vorstehend genannte Konzept, das zur Verbesserung des Moduls einer Legierung mit geringem Gewicht eingesetzt wird, kann jedoch nur schwer auf Stahl oder eine Eisenlegierung angewandt werden. Nur manche Carbide und Nitride stehen in einem thermodynamischen Gleichgewicht mit Eisenlegierungen und bei der Verteilung jedweder solcher Teilchen kann keine drastische Verbesserung des Young'schen Moduls erwartet werden. Es war üblich, Carbide von Molybdän, Vanadium, Chrom, Wolfram oder dergleichen in Stählen, insbesondere Werkzeugstählen, auszuscheiden, und zwar vorwiegend zur Verbesserung ihrer Verschleißfestigkeit. Diese Carbide, die durch chemische Formeln wie z.B. MC, M3C, M6C, M7C3 und M23C6 dargestellt werden, lösen eine große Menge Eisen und können keinen Beitrag zu einem hohen Young'schen Modul der Legierungen leisten.
Einige Boride von Übergangsmetallen zeigen einen relativ hohen Young'schen Modul, jedoch wurde kaum über Ergebnisse berichtet, die durch Verteilen von Boridteilchen in einer Eisenlegierungsmatrix erhalten wurden, um eine Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul zu erhalten. Als einer der wenigen relevanten Fälle haben jedoch Miodownik et al. über Legierungen auf Eisenbasis mit hohem Modul berichtet, die Chrom- und Molybdänboridteilchen enthalten (N. J. Saunders, L. M. Pan, K. Clay, C. Small und A. P. Miodownik, in: User Aspects of Phase Diagrams, Inst. Materials, GB (1991), 64). Die Legierung auf Eisenbasis wird durch Heißextrusion einer sich schnell verfestigenden amorphen Folie und anschließender Wärmebehandlung verarbeitet und es wird berichtet, dass sie einen Young'schen Modul von etwa 25000 kgf/mm² aufweist.
Es wurde auch ein Material mit hohem Modul, das nicht mehr als 20 Vol.-% Verbundteilchen mit hohem Modul in einer Legierungsmatrix auf Eisenbasis enthält, und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen (japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 5-239504). Gemäß der Offenbarung wird eine Verbindung mit hohem Young'schen Modul durch mechanisches Legieren in eine Matrix eingeführt, was zu einer Legierung auf Eisenbasis mit verteilten Teilchen führt, die einen hohen Young'schen Modul von mindestens 22500 kgf/mm² und einen Schlagzähigkeitswert von mindestens 8 kgf·m/cm² aufweist.
Die Teilchen in der von Miodownik et al. vorgeschlagenen Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul bilden jedoch eine komplexe Molybdän-Chrom-Eisen-Boridphase, die aus der Reaktion von Bor mit der Eisenlegierungsmatrix resultiert. Der Young'sche Modul des komplexen Borids ist sehr viel niedriger als derjenige eines binären Borids, d.h. Chrom- oder Molybdänborid. Das komplexe Borid weist eine relative Dichte von etwa 8,4 auf, was höher ist als die relative Dichte der Matrix. Daher weist die Legierung auf Eisenbasis, in der das komplexe Borid verteilt ist, einen unerwünscht niedrigen spezifischen Young'schen Modul auf. Darüber hinaus kann die verwendete amorphe Folie mit vorhandenen Anlagen nur schwer hergestellt werden, da ein Verfahren mit schneller Abkühlung erforderlich ist, um den enorm hohen Borgehalt in der Folie zu lösen.
Die vorstehend genannte japanische Patentanmeldung beschreibt Teilchen aus verschiedenen Verbindungen, wie z.B. Carbiden, Boriden und Nitriden, enthält jedoch keinerlei Offenbarung bezüglich der thermodynamischen Stabilität dieser Teilchen in der Eisenlegierungsmatrix. Obwohl die Carbide oder Nitride von Übergangselementen im Allgemeinen als solche einen hohen Young-schen Modul zeigen, wird deren Modul in einer Eisenlegierungsmatrix beträchtlich vermindert, da die Übergangselemente in der Matrix teilweise durch Eisenatome ersetzt werden. Daher ist es unmöglich, einen hohen Young'schen Modul zu erreichen, der mit der Mischungsregel in Einklang steht, wie sie mittels Beispielen in der japanischen Anmeldung beschrieben ist. Selbst wenn diese Teilchen ihren hohen Young'schen Modul in der Matrix aufrechterhalten können, kann jedwede Übereinstimmung mit der Mischungsregel kaum erwartet werden. Der Modul eines Verbundmaterials variiert üblicherweise mit dem Volumenanteil der Teilchen entlang einer Kurve, die theoretisch in Materials Science and Technology, Band 8 (1992), 922, angegeben ist.
Ferner war die Verteilung von Teilchen mit hohem Young'schen Modul, durch die sowohl gemäß Miodownik et al. als auch gemäß der japanischen Anmeldung eine Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul erhalten wird, ein bekanntes Konzept in dem Fachgebiet der Verbundmaterialien, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Die US 4,419,130 beschreibt eine Legierung auf Eisenbasis, die aus einer Matrix besteht, die aus einer Eisenlegierung und unvermeidbaren Verunreinigungen und einem Borid eines Elements der Gruppe IVa, nämlich TiB₂, in einer Menge von 2 bis 10 Gew.-% ausgebildet ist. Ein Boridgehalt von 10 Gew.-% entspricht einem Boridgehalt von etwa 16 bis 17 Vol.-%.
Die EP 0 433 856 A1 beschreibt TiB₂-Fe-Materialien und Verfahren zur Herstellung der Materialien.
Jüngling et al., New Hardmetals Based upon TiB₂, 13^th International Plansee Seminar, 24 bis 28. Mai 1993, Plansee Procs., Band 2, Verschleißfeste Materialien, Seiten 43 bis 46, beschreiben ebenfalls TiB₂-Fe-Materialien und Verfahren zu deren Herstellung.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Legierung auf Eisenbasis bereitzustellen, die einen hohen Young'schen Modul aufweist und als Metall-Strukturmaterial mit hohem Modul geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul nach Anspruch 1 gelöst. Weiterentwicklungen dieser Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das zur Herstellung jedweder derartigen Legierung und insbesondere eines Strukturteils davon geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 9 gelöst. Eine Weiterentwicklung dieser Erfindung ist in dem Unteranspruch 10 angegeben.
Im Hinblick auf die Nachteile des Standes der Technik, wie sie vorstehend dargelegt worden sind, haben sich die Erfinder dieser Erfindung auf die Wichtigkeit der Bereitstellung von Teilchen konzentriert, die nicht nur einen hohen Young'schen Modul aufweisen, sondern die auch in einer Eisenlegierungsmatrix thermodynamisch stabil sind. Im Fall instabiler Teilchen führt die partielle Substitution von Metallatomen durch Eisenatome oder die Bildung einer komplexen Eisenverbindung selbst dann nicht zu einem Produkt mit einem zufrieden stellend hohen Modul, wenn die Teilchen einen hohen Young'schen Modul aufweisen.
Es wurde gefunden, dass von verschiedenen Verbindungen, die einen hohen Young'schen Modul zeigen, Boride von Elementen der Gruppe IVa in einer Eisenlegierungsmatrix thermodynamisch stabil sind. Es wurde eine umfangreiche metallographische Untersuchung einer Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul durchgeführt, in der Boridteilchen verteilt sind, und dabei wurde die erfindungsgemäße Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul gefunden.
Es wurde auch dafür gesorgt, dass die herkömmlichen Verfahren für Stahlteile im Wesentlichen auf die Herstellung jeglicher derartiger Legierungen als raumerfüllendes Material angewandt werden können. Daher wurden neue Verfahren zur Herstellung von Legierungen auf Eisenbasis entwickelt, die zur Herstellung von Strukturteilen ohne die Verwendung einer speziellen Technik oder einer teuren Anlage geeignet sind.
Es wurde davon ausgegangen, dass die Nutzung vorhandener Techniken oder Anlagen durch Verbessern derselben vorteilhaft ist. Es wurde versucht, ein verbessertes Verfahren zu realisieren, mit dem jedwede derartige Legierung als praktisch geeignetes Material hergestellt werden kann, das zur Herstellung eines Strukturteils gebrauchsfertig ist, und dabei wurde das erfindungsgemäße Verfahren gefunden. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Legierung auf Eisenbasis bereitzustellen, die einen hohen spezifischen Young'schen Modul aufweist und als Metall-Strukturmaterial mit hohem Modul geeignet ist. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das zur praktischen Herstellung jeglicher derartigen Legierung und insbesondere eines daraus ausgebildeten Strukturteils geeignet ist.
Die Reaktion von Teilchen vieler Verbindungen mit Eisen in einer Eisenlegierungsmatrix führt zu einer drastischen Verminderung ihres Young'schen Moduls und dazu, dass keinerlei Produkt mit einem zufrieden stellend hohen Modul erhalten wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Darüber hinaus ergab sich, dass die komplexen Boride einen Young'schen Modul aufwiesen, der sehr viel niedriger war als der Young'sche Modul jedweden binären Borids, und eine relative Dichte, die höher war als die relative Dichte jedweder Eisenlegierung.
Unter diesen Umständen wurde gefunden, dass ein Borid, das ein Element der Gruppe Va enthält, und Eisen oder eine Eisenlegierung unter Bildung eines komplexen Borids aus dem Element der Gruppe Va und Eisen reagieren, das einen hohen Young'schen Modul und eine niedrige relative Dichte aufweist. Insbesondere wurde gefunden, dass das komplexe Borid, das einen hohen Young'schen Modul, eine niedrige relative Dichte und dadurch einen hohen spezifischen Young'schen Modul realisieren kann, durch die Reaktion eines Borids eines Elements der Gruppe Va oder Ferrobor, einer Ferrolegierung, die ein Element der Gruppe Va enthält, und Eisen in einer Eisenlegierung gebildet wird. Die erfindungsgemäße Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul wurde als Ergebnis der Durchführung einer metallographischen Untersuchung der optimalen Borid- und Matrixzusammensetzung gefunden. Es wurde auch das erfindungsgemäße Verfahren gefunden, mit dem jedwede derartige Legierung mit niedrigen Kosten als praktisch geeignetes raumerfüllendes Material hergestellt werden kann, das zur Herstellung eines Strukturteils gebrauchsfertig ist.
Die erfindungsgemäße Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul umfasst eine Matrix, die aus Eisen oder einer Eisenlegierung zusammengesetzt ist, und mindestens ein Borid, das aus Boriden von Elementen der Gruppe IVa und komplexen Boriden von einem oder mehreren Elementen der Gruppe Va und Eisen ausgewählt ist und in der Matrix verteilt ist. Die Legierung weist aufgrund des Borids, das einheitlich in der Matrix verteilt ist, einen sehr hohen Young'schen Modul auf.
Das in der erfindungsgemäßen Legierung eingesetzte Borid stellt hervorragende Verstärkungsteilchen bereit, da es einen hohen Young'schen Modul aufweist und thermodynamisch stabil ist. Die Verteilung von dessen Teilchen ermöglicht einen höheren Modul als denjenigen, der mit jedwedem herkömmlichen Produkt, das einen gleichen Volumenanteil von Teil chen enthält, erhalten werden konnte. Wenn das Borid ein komplexes Borid mit einer relativen Dichte ist, die niedriger ist als die relative Dichte der Matrix, weist die Legierung auf Eisenbasis eine niedrigere relative Dichte und dadurch einen hohen spezifischen Young'schen Modul auf.
Das Borid eines Elements der Gruppe IVa ist eine Verbindung mit einer geordneten Kristallstruktur, die durch stark gebundene Atome gebildet wird, und weist daher einen sehr hohen Young'schen Modul auf, da die Bindungskraft der Atome des Borids eine direkte Auswirkung auf den Young'schen Modul des Borids aufweist. Es ist in der Matrix thermodynamisch stabil und unterliegt aufgrund dessen Reaktion mit der Matrix keinerlei kristallographischer Veränderung, wie z.B, der Substitution seiner Atome durch Atome anderer Elemente, oder der Bildung jedweder komplexen Eisenverbindung, behält jedoch dessen starke Bindungskraft und dadurch dessen hohen Young'schen Modul in der Matrix bei. Folglich weist die erfindungsgemäße Legierung auf Eisenbasis einen sehr hohen Young'schen Modul auf.
Das komplexe Borid ist auch eine Verbindung mit einer geordneten Kristallstruktur, die durch stark gebundene Atome gebildet wird, und weist daher einen sehr hohen Young'schen Modul auf. Das komplexe Borid ist ebenfalls in der Matrix thermodynamisch stabil. Darüber hinaus weist es eine relative Dichte auf, die niedriger ist als die relative Dichte der Matrix. Folglich weist die erfindungsgemäße Legierung auf Eisenbasis, die jedwedes derartiges komplexes Borid enthält, einen sehr hohen spezifischen Young'schen Modul auf.
Andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Die 1 ist eine Photomikrographie mit einer 600-fachen Vergrößerung, weiche die metallographische Struktur einer gesinterten Legierung auf Eisenbasis zeigt, die im Beispiel 1 erhalten worden ist, wie es nachstehend beschrieben wird;
die 2 ist eine Photographie, die derjenigen von 1 ähnlich ist, jedoch die Struktur eines Produkts zeigt, das im Beispiel 2 erhalten worden ist;
die 3 ist eine Photographie, die derjenigen von 1 ähnlich ist, jedoch die Struktur eines Produkts zeigt, das im Vergleichsbeispiel 3 erhalten worden ist;
die 4 ist ein Graph, der die gemessenen und berechneten Werte des Young'schen Moduls der in den Beispielen 1 und 2 dieser Erfindung und den Vergleichsbeispielen 3 und 4 erhaltenen gesinterten Legierungen auf Eisenbasis vergleicht;
die 5 ist eine Photographie, die derjenigen von 1 ähnlich ist, jedoch die Struktur eines Produkts zeigt, das im Beispiel 4 erhalten worden ist; und
die 6 ist ein Graph, der den spezifischen Young'schen Modul der in den Beispielen 4 und 6 dieser Erfindung und dem Vergleichsbeispiel 3 erhaltenen gesinterten Legierungen auf Eisenbasis vergleicht.
Gemäß eines ersten Aspekts dieser Erfindung wird eine Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul bereitgestellt, die eine Eisen- oder Eisenlegierungsmatrix und mindestens ein Borid von Elementen der Gruppe IVa umfasst, das in der Matrix verteilt ist. Die Legierung weist aufgrund der einheitlich in der Matrix verteilten Boridteilchen einen sehr hohen Young'schen Modul auf. Das Borid, das eine geordnete Kristallstruktur aus stark gebundenen Atomen aufweist, weist einen sehr hohen Young'schen Modul auf. Darüber hinaus befindet sich das Borid in einem thermodynamischen Gleichgewicht mit einer Eisenlegierungsmatrix und unterliegt keinerlei kristallographischer Änderung aufgrund einer Reaktion mit der Matrix, wie z.B. einer Substitution durch Eisenatome in der Matrix oder der Bildung jedweder komplexer Eisenverbindung. Daher behält das Borid dessen hohen Young'schen Modul in der Matrix bei und ermöglicht es, dass die erfindungsgemäße Legierung auf Eisenbasis einen sehr hohen Young'schen Modul aufweist.
Die Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul kann mit einem Verfahren hergestellt werden, das die Schritte des Mischens eines Eisen- oder Eisenlegierungspulvers und eines Pulvers von mindestens einem Borid von Elementen der Gruppe IVa zur Herstellung eines Mischpulvers, Pressens des Mischpulvers zu einem Formkörper und Sinterns umfasst, wodurch mindestens ein Borid von Elementen der Gruppe IVa in dem Eisen verteilt wird. Dieses Verfahren erleichtert die Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung mit niedrigen Kosten.
Der Schritt des Mischens der Pulver kann mit einem beliebigen bekannten Verfahren ohne spezielle Anlagen oder Vorbehandlung durchgeführt werden. Zum Pressen des Mischpulvers kann jegliches bekannte Verfahren bei einem gewöhnlichen Druck eingesetzt werden, um einen geeignet geformten Körper mit einer ausreichenden Festigkeit für eine normale Hand habung zu bilden, da das Mischpulver vorwiegend aus dem Eisen- oder dem Eisenlegierungspulver mit einem hohen Pressvermögen besteht.
Dann wird der gepresste Körper gesintert. Das Sintern kann in einem Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre bei einer für gesinterte Eisen/Stahl-Materialien üblichen Temperatur und Zeit durchgeführt werden, was das gute Sintervermögen des Eisen- oder Eisenlegierungspulvers unterstützt. Die Boridphase befindet sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht mit der Matrix und verbleibt selbst während des Sinterns in einem hohen Temperaturbereich in Form von einheitlich verteilten Teilchen. Folglich wird ein gesintertes Produkt mit einer geeigneten raumerfüllenden Form mit der gewünschten Mikrostruktur als Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul erhalten, die mindestens ein in der Eisen- oder Eisenlegierungsmatrix verteiltes Borid eines Elements der Gruppe IVa aufweist.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul mit niedrigen Kosten hergestellt werden, da es auf einem gewöhnlichen pulvermetallurgischen Verfahren beruht, das durch den Einsatz leicht erhältlicher Pulver aus Ausgangsmaterialien und bestehenden Anlagen beruht.
Die Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul gemäß dem ersten Aspekt dieser Erfindung kann auch mit einem anderen Verfahren hergestellt werden, das die Schritte des Mischens eines Eisen- oder Eisenlegierungspulvers, eines Ferroborpulvers und eines Ferrolegierungspulvers, das mindestens ein Element der Gruppe IVa enthält, zur Herstellung eines Mischpulvers, Pressens des Mischpulvers zu einem geeignet geformten Körper und Sinterns des Körpers umfasst, wobei das Ferrobor- und das Ferrolegierungspulver mindestens ein Borid eines Elements der Gruppe IVa bilden, das in einer durch das Eisen- oder Eisenlegierungspulver gebildeten Matrix verteilt ist.
Die Pulver, die in diesem Verfahren verwendet werden, sind nicht so teuer wie diejenigen, die in dem zuerst beschriebenen Verfahren verwendet werden. Das Ferrobor- und das Ferrolegierungspulver reagieren während des Schritts des Sinterns miteinander unter Bildung der feinen Boridteilchen. Zusätzlich fördert das Ferrobor die Verdichtung eines gesinterten Produkts. Folglich kann mit diesem zweiten Verfahren die Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul einfacher und mit niedrigeren Kosten hergestellt werden. Ansonsten weist es die gleichen Vorteile auf wie das erste Verfahren. Daher werden keine Erläuterungen wiederholt, jedoch wird auf die vorstehende Beschreibung der Misch-, Press- und Sinterschritte des ersten Verfahrens verwiesen.
Nachstehend werden die Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul gemäß des ersten Aspekts dieser Erfindung und das Verfahren detaillierter beschrieben.
Es gibt viele Anforderungen bezüglich Metall-Strukturmaterialien, die einen höheren Modul bereitstellen. Stähle und Eisenlegierungen sind dabei keine Ausnahmen, obwohl sie den höchsten Modul aller praktisch geeigneten Materialien aufweisen und viel häufiger und verbreiteter zur Herstellung von Strukturelementen oder -teilen verwendet werden, als ein beliebiges anderes Material. Bezüglich Kraftfahrzeugmotoren können dünnere oder schlankere Teile mit einer geringeren Trägheit die globalen Bedürfnisse bezüglich eines geringeren Kraftstoffverbrauchs erfüllen. Die Gestaltung solcher Teile kann jedoch nicht ausreichend ausgeweitet werden, und zwar aufgrund der Schwierigkeit bei der Sicherstellung des erforderlichen Moduls und nicht einer ausreichenden Festigkeit. Tatsächlich wird angenommen, dass eine Verbesserung von z.B. 20% des Moduls eines beliebigen Stahlteils oder eines beliebigen Eisenlegierungsteils eine Innovation bei der Gestaltungsfreiheit verursachen könnte. Ein weiterer Bedarf für Materialien mit höherem Modul beruht auf einer Anforderung für weniger Schwingungen, die hauptsächlich Kraftfahrzeuge betrifft. Die erfindungsgemäße Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul sollte alle diese Anforderungen erfüllen können, die mit jedwedem bekannten Stahl oder jedweder bekannten Eisenlegierung oder Legierung auf Eisenbasis mit darin verteilten Teilchen nicht erfüllt werden konnten. Die erfindungsgemäße Legierung ist daher auf viele verschiedene Strukturteile anwendbar, einschließlich nicht nur Kraftfahrzeugmotorteile oder -fahrwerke, sondern auch auf verschiedene Arten von Wellen und auf Teile für Audiovorrichtungen.
Die Verteilung einer Verstärkung in einer Matrix zur Verbesserung ihrer Festigkeit, ihres Moduls und ihrer Verschleißfestigkeit ist in dem Fachgebiet der Verbundmaterialien bekannt. Im Fall eines Metall-Matrix-Verbunds werden bestimmte Verfestigungsverfahren bei hoher Temperatur eingesetzt, um eine Verstärkung mit einer Matrix als raumerfüllendes Material zu schaffen. Bei der Verarbeitungstemperatur findet zwangsläufig eine Wechselwirkung koexistierender Phasen statt, so dass eine Anzahl unerwünschter Veränderungen verursacht wird, einschließlich einer Phasenumwandlung der Verstärkung und die Bildung einer spröden umgesetzten Schicht entlang der Grenzfläche. Diese Veränderungen beeinträchtigen üblicherweise die Eigenschaften des Verbundmaterials in einem weitaus geringeren Maß als die theoretischen Veränderungen, die gemäß der Mischungsregel berechnet worden sind. Es wurde jedoch gefunden, dass die Boride der Elemente der Gruppe IVa in einem thermodynamischen Gleichgewicht mit den Eisenlegierungen bleiben und daher als die effektivsten Teilchen zur Bildung von Legierungen auf Eisenbasis mit hohem Modul angesehen werden.
In der Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul gemäß dem ersten Aspekt dieser Erfindung wird mindestens ein Borid der Elemente der Gruppe IVa Ti (Titan), Zr (Zirkonium) oder Hf (Hafnium) eingesetzt. Während jedwedes derartige Borid mit einem Young'schen Modul von mindestens 25000 kgf/mm² zu einer Verbesserung der Legierung beiträgt, zeigen Diboride der chemischen Formel MB₂ (M: ein Element der Gruppe IVa) unter anderen Boriden einen besonders hohen Young'schen Modul und sind für die Zwecke dieser Erfindung bevorzugt. Jegliches derartige Diborid ist ein geeignetes Material für die erfindungsgemäße Legierung, da die inhärente oder chemische Stabilität die Verfügbarkeit und eine einfache Handhabung fördert.
Das Borid liegt in Form feiner Teilchen mit einem Durchmesser unter 100 μm und homogen in der Matrix verteilt vor. Boridteilchen mit einem Teilchendurchmesser nicht über 100 μm stellen sicher, dass für die praktische Verwendung ausreichend gute mechanische Eigenschaften, einschließlich Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität, bereitgestellt werden. Boridteilchen mit einem Durchmesser nicht über 20 μm sind jedoch mehr bevorzugt, da sie eine Legierung mit einem noch besseren Niveau der mechanischen Eigenschaften ergeben.
Die Legierung weist einen Boridgehalt von 10 Vol.-% bis 50 Vol.-% auf, bezogen auf das Volumen der gesamten Legierung, um einen ausreichend hohen Modul zu erreichen. Keine Legierung mit einem Boridgehalt unter 10 Vol.-% weist einen zufrieden stellend hohen Modul auf, während jedwede Legierung mit einem Boridgehalt von über 50 Vol.-% aufgrund der Kohäsion oder Koaleszenz von Boridteilchen verschlechterte mechanische Eigenschaften aufweist. Ein Bereich von 10 bis 40 Vol.-% ist essentiell.
Obwohl ein breiter Bereich von Eisenlegierungen, einschließlich ferritische, austenitische und martensitische Eisenlegierungen, als Matrix verwendet werden können, ist die Eisenlegierung vorzugsweise aus einer Eisenlegierung ausgebildet, die einen Kohlenstoffgehalt von nicht mehr als 0,1 Gew.-% aufweist, um sicherzustellen, dass das Borid ein so hohes Maß an thermodynamischer Stabilität in der Matrix aufweist, dass keine Bildung eines Carbids oder Borcarbids ermöglicht wird, die dazu führt, dass der vorgesehene hohe Modul nicht erreicht werden kann.
Während jedwedes Verfahren, das in dem Fachgebiet der Stahl- oder Eisenlegierungsherstellung bekannt ist, wie z.B. Gießen, Schmieden oder Pulvermetallurgie, zur Herstellung einer Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul verwendet werden kann, ist die Pulvermetallurgie unter den anderen Verfahren für die homogene Verteilung feiner Boridteilchen bevorzugt. Ein Eisen- oder Eisenlegierungspulver und ein Pulver von mindestens einem Borid eines Elements der Gruppe IVa werden zur Herstellung eines Mischpulvers gemischt. Das Mischpulver wird zu einem geeignet geformten Körper gepresst. Der gepresste Körper wird zur Erzeugung einer Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul gesintert, der die in der Eisen- oder Eisenlegierungsmatrix verteilten Boridteilchen enthält.
Das Eisen- oder Eisenlegierungspulver kann ein käufliches Eisen- oder Eisenlegierungspulver sein oder es kann mit einem beliebigen, bekannten Verfahren hergestellt werden. Es ist folglich möglich, ein billiges Pulver zu verwenden, das z.B. durch Zerstäuben oder elektrolytisches Raffinieren erhalten worden ist, wie z.B. reines Eisen- oder Edelstahlpulver. Während viele käufliche Pulver unter einem Teilchendurchmesser von z.B. 150 μm (-#100) gesiebt werden, erleichtert ein Pulver mit einem Teilchendurchmesser von nicht mehr als 45 μm (-#330) die homogene Verteilung von Boridteilchen und die Verdichtung eines gesinterten Produkts. Ein extrem feines Pulver mit einem Teilchendurchmesser in der Größenordnung von 1 μm oder weniger ist jedoch aufgrund der Schwierigkeiten bei der Handhabung und dem Pressen nicht erwünscht.
Das Boridpulver kann entsprechend ein käufliches Boridpulver sein, oder es kann mit einem beliebigen bekannten Verfahren hergestellt werden. Es weist vorzugsweise einen Teilchendurchmesser von mehreren Mikrometern auf. Wenn nur ein Pulver mit einem größeren Teilchendurchmesser zu Verfügung steht, ist es ratsam, das Pulver z.B. mit einer Kugel- oder Schwingmühle oder einer Reibmühle zu einer geeigneten Teilchengröße zu pulverisieren.
Zum Mischen der Pulver kann z.B. ein V-Mischer oder eine Kugel- oder Schwingmühle verwendet werden. Wenn das Boridpulver kohäsiv ist, so dass es Sekundärteilchen bildet, ist jedoch ein Mischen in einer Reibmühle oder einer Hochleistungs-Kugelmühle bevorzugt, um die homogene Verteilung feiner Teilchen sicherzustellen.
Zum Pressen des Mischpulvers in eine geeignete Form kann ein beliebiges Verfahren wie z.B. Matrizenpressen oder kaltisostatisches Pressen eingesetzt werden. Vorzugsweise wird ein Pressdruck von mindestens 2 t/cm² eingesetzt, um ein gesintertes Produkt mit einer zufrieden stellend hohen Dichte zu erzeugen.
Der gepresste Körper wird vorzugsweise in einem Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre bei einer Sintertemperatur von 1000°C bis 1250°C und einer Sinterzeit von etwa 1 bis 4 Stunden gesintert. Bei weniger als 0,5 Stunden Sintern oder bei einer Temperatur unter 1000°C kann kein Produkt mit einer ausreichend hohen Dichte erhalten werden. Bei mehr als 4 Stunden Sintern kann keine höhere Dichte erwartet werden und es handelt sich dabei le diglich um eine Energieverschwendung. Es ist keine Temperatur über 1250°C geeignet, da die große Menge der flüssigen Phase, die aus der eutektischen Reaktion resultiert, die Verformung des gesinterten Produkts verursacht. Für eine noch höhere Sinterdichte wird empfohlen, dass der gepresste Körper vorläufig bei einer Temperatur von 800°C bis 1000°C für 0,5 bis 1 Stunde(n) gesintert wird und dann das vorläufig gesinterte Produkt erneut gepresst wird, bevor ein Sekundärsintern unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen durchgeführt wird.
Die vorstehenden Erläuterungen gelten im Allgemeinen auch für das Verfahren, bei dem das Ferrobor- und das Ferrolegierungspulver anstelle des Boridpulvers verwendet werden. Während das Ferrobor- und das Ferrolegierungspulver als zerkleinerte Produkte von Barren käuflich sind, ist es ratsam, Produkte mit einer Zusammensetzung zu verwenden, die derjenigen von intermetallischen Verbindungen nahe kommt, und zwar aufgrund des Vorteils beim Pulverisieren z.B. mit einer Kugel- oder Schwingmühle oder einer Reibmühle. Die Verhältnisse des Ferrobor- und des Ferrolegierungspulvers müssen so ausgewählt werden, dass das durch ihre Reaktion gebildete Borid einen geeigneten Volumenanteil einnehmen kann. Beim Sintern können mildere Bedingungen eingesetzt werden, da von Ferrobor berichtet wird, dass es den Verdichtungseffekt in einer gesinterten Eisenlegierung fördern kann.
In jedem Fall findet nach dem Sinterschritt vorzugsweise eine Warmverarbeitung statt. Die Sinterdichte kann durch eine Warmverarbeitung einfach auf deren theoretisch ausreichenden Wert verbessert werden, wie z.B. durch Schmieden, Extrusion oder Gesenkschmieden. Die Verarbeitungstemperatur liegt vorzugsweise bei einer Temperatur von 700°C bis 1250°C. Während bei unter 700°C eine schlechte Formbarkeit und eine sehr hohe Belastung vorliegen, ist es in unerwünschter Weise wahrscheinlich, dass bei über 1250°C eine flüssige Phase gebildet wird. Zur Verdichtung des gesinterten Produkts ist auch ein heißisostatisches Pressen effektiv. Das Verfahren wird vorzugsweise unter Bedingungen durchgeführt, die eine Temperatur von 900°C bis 1200°C, einen Druck von 500 bis 2000 atm und eine Zeit von 1 bis 10 Stunden umfassen, obwohl die optimalen Bedingungen mit der Reaktivität mit dem umgebenden Gas, dem Verdichtungsverhalten und wirtschaftlichen Faktoren variieren können.
Gemäß eines zweiten Aspekts dieser Erfindung wird eine Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul bereitgestellt, die eine Eisen- oder Eisenlegierungsmatrix und mindestens ein komplexes Borid von mindestens einem Element der Gruppe Va und Eisen umfasst, das in der Matrix verteilt ist. Diese Legierung weist ebenfalls einen sehr hohen Young'schen Modul auf, und zwar nicht nur aufgrund des inhärent hohen Moduls des komplexen Borids, sondern auch aufgrund dessen thermodynamischer Stabilität. Darüber hinaus weist sie einen sehr hohen spezifischen Young'schen Modul auf, da das komplexe Borid mit einer geringeren spezifischen Dichte als derjenigen der Matrix die relative Dichte der Matrix als Ganzes effektiv vermindert.
Die Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul gemäß des zweiten Aspekts dieser Erfindung kann einfach und mit niedrigen Kosten hergestellt werden, und zwar durch den Einsatz jedes der vorstehend in Verbindung mit dem ersten Aspekt dieser Erfindung beschriebenen Verfahren, bei denen ein geeignetes Borid- oder Ferrolegierungspulver eingesetzt wird, das ein Element der Gruppe Va enthält.
Die Legierungen auf Eisenbasis mit hohem Modul gemäß des zweiten Aspekts dieser Erfindung enthalten mindestens ein komplexes Borid von mindestens einem der Elemente der Gruppe Va V (Vanadium), Nb (Niob) und Ta (Tantal) und Eisen in der Matrix. Bisher war kein Bericht über das komplexe Borid verfügbar und selbst die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des komplexen Borids sind nicht gut bekannt. Die Dichte und der Young'sche Modul können jedoch aus den experimentellen Ergebnissen bezüglich der Legierung dieser Erfindung abgeschätzt werden und liegen bei 6,1 bis 6,9 bzw. 40000 kgf/mm², wie es aus der Beschreibung der Beispiele ersichtlich ist.
Das Boridpulver kann käuflich sein oder es kann mit einem beliebigen bekannten Verfahren hergestellt werden. Es gibt eine Anzahl von Boridarten, die durch die chemischen Formeln MB₂, M₃B₂, M₃B₄, usw. dargestellt werden (M: ein Element der Gruppe Va), und alle diese Boridarten können zur Bildung eines komplexen Borids mit einem hohen Young'schen Modul verwendet werden. Die Verwendung eines Diborids MB₂ von den Boriden ist jedoch bevorzugt, da die chemische Stabilität die Verfügbarkeit und eine einfache Handhabung fördern.
Der Sinterschritt wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1000°C bis 1300°C für z.B. 1 bis 4 Stunden durchgeführt. Bei einer Temperatur über 1300°C führt die große Menge an flüssiger Phase, die sich aus der eutektischen Reaktion ergibt, zu einer Verformung des gesinterten Produkts. Nach dem Sinterschritt wird vorzugsweise eine Warmverarbeitung bei einer Temperatur von 700°C bis 1300°C durchgeführt. Es ist in unerwünschter Weise wahrscheinlich, dass das gesinterte Produkt über 1300°C eine flüssige Phase bildet.
Die Herstellung der Legierung gemäß des zweiten Aspekts dieser Erfindung wird nicht detaillierter beschrieben, jedoch wird auf die Beschreibung verwiesen, welche die Legierung gemäß des ersten Aspekts dieser Erfindung betrifft, da die gleichen Verfahren und Bedingun gen im Wesentlichen auf beide Legierungen angewandt werden können, falls nichts anderes angegeben ist.
Die Erfindung wird nachstehend detaillierter mittels Beispielen beschrieben.
Beispiel 1
Ein käufliches Elektrolyteisenpulver (-#330) und ein käufliches Titandiboridpulver (TiB₂-Pulver) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 4 μm wurden in den in der Tabelle 1 gezeigten Mengen verwendet und in einer Reibmühle mit einer Argongasatmosphäre 10 min gemischt, um ein Mischpulver herzustellen. Das Mischpulver wurde in einer Matrize bei einem Druck von 4 t/cm² gepresst, um einen festen zylindrischen Körper mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Höhe von 12 mm zu bilden. Der gepresste Körper wurde 1 Stunde in einem Vakuumofen bei 1200°C gesintert. Das gesinterte Produkt wurde im Vakuum auf 1200°C erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 0,05 mm/s mit einem Warmverarbeitungssimulator auf 75% Reduktion gepresst, um eine höhere Dichte zu erhalten. Auf diese Weise wurden drei scheibenförmige Proben mit einem Durchmesser von etwa 25 mm hergestellt (Proben Nr. 1 bis 3).
Die 1 ist eine Photomikrographie mit 600-facher Vergrößerung, welche die metallographische Struktur der gesinterten Legierung auf Eisenbasis zeigt, die als Probe Nr. 2 erhalten wurde. Wie es aus der 1 ersichtlich ist, sind feine Boridteilchen mit einem Durchmesser von 1 bis mehreren μm homogen und einheitlich in einer Matrix aus reinem Eisen verteilt. Der Volumenanteil der Boridteilchen in jeder Probe ist in der Tabelle 1 gezeigt. Die lokale quantitative Analyse mit einem Elektronensonden-Mikroanalysegerät zeigte, dass die Boridteilchen 1,5 Gew.-% Eisen, 69,1 Gew.-% Titan und 29,3 Gew.-% Bor enthielten. Aus diesen Zahlen ist ersichtlich, dass das Borid das Eisen nur wenig aus der Matrix herauslöst, was mit der Röntgenbeugungscharakterisierung von Titandiborid im Einklang steht. Diese Ergebnisse zeigen, dass das in dem Mischpulver verwendete Titandiborid in der Eisenmatrix bei der hohen Temperatur, die für das Sintern und die Warmverarbeitung eingesetzt wurden, thermodynamisch stabil blieb, ohne irgendeiner Veränderung der Kristallstruktur oder irgendeiner merklichen Veränderung der Zusammensetzung zu unterliegen.
Beispiel 2
Drei scheibenförmige Proben aus Legierungen auf Eisenbasis, die eine ähnliche Größe wie im Beispiel 1 aufwiesen (Proben Nr. 4 bis 6), wurden unter Verwendung eines käuflichen Fe- 17Cr-Pulvers (-#330) und eines käuflichen TiB₂-Pulvers, die eine ähnliche Größe wie im Beispiel 1 aufwiesen, und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 1 hergestellt.
Die 2 ist eine Photomikrographie mit 600-facher Vergrößerung, welche die metallographische Struktur der Probe Nr. 5 zeigt. Wie es aus der 2 ersichtlich ist, sind feine Boridteilchen mit einem Durchmesser von 1 bis mehreren μm homogen in einer Matrix aus einer ferritischen Fe-17Cr-Legierung verteilt. Der Volumenanteil des Borids in jeder Probe ist in der Tabelle 1 gezeigt. Die lokale quantitative Analyse mit einem Elektronensonden-Mikroanalysegerät zeigte, dass die Boridteilchen 1,0 Gew.-% Eisen, 0,2 Gew.-% Chrom, 69,0 Gew.-% Titan und 29,7 Gew.-% Bor enthielten. Aus diesen Zahlen ist ersichtlich, dass das Borid das Eisen und das Chrom nur wenig aus der Matrix herauslöst, was mit der Röntgenbeugungscharakterisierung von Titandiborid im Einklang steht. Diese Ergebnisse zeigen, dass die in dem Mischpulver verwendeten Titandiboridteilchen in der Eisenlegierung bei der hohen Temperatur, die für das Sintern und die Warmverarbeitung eingesetzt wurden, thermodynamisch stabil blieb, ohne irgendeiner Veränderung der Kristallstruktur oder irgendeiner merklichen Veränderung der Zusammensetzung zu unterliegen.
Die in den Beispielen 1 und 2 erhaltenen Legierungen auf Eisenbasis wurden bezüglich ihres Young'schen Moduls bewertet. Ein Prüfkörper in der Form einer rechteckigen Säule mit den Abmessungen 1 mm × 2 mm × 11,2 mm wurde aus jeder Probe herausgeschnitten und bezüglich des Young'schen Moduls mit einem piezoelektrischen Resonanzverfahren unter Verwendung eines Quarzresonators untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Wie es aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, zeigte der Young'sche Modul mit zunehmendem Volumenanteil der Titanboridteilchen im Allgemeinen eine Verbesserung und erreichte ein Maximum von etwa 29000 kgf/mm², wie es bei der Probe, die etwa 30 Vol.-% Borid enthielt, ersichtlich ist. Dabei handelt es sich um eine Verbesserung von 40% oder mehr bezüglich des Young'schen Moduls jedweder herkömmlichen Eisenlegierung und um eine Verbesserung von 70% oder mehr bezüglich des spezifischen Young'schen Moduls. Da Titandiborid eine Dichte aufweist, die weitaus geringer ist als die Dichte einer Eisenlegierung, weist die Legierung auf Eisenbasis, in der es verteilt ist, mit zunehmendem Volumenanteil von Titandiborid eine niedrigere Dichte auf. Daraus folgt, dass die erfindungsgemäße Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul aufgrund ihrer niedrigen relativen Dichte eine geringere Trägheit für jedwedes Strukturteil bereitstellt.
Beispiel 3
Eine scheibenförmige Probe aus einer gesinterten Legierung auf Eisenbasis, die eine ähnliche Größe wie in den vorstehenden Beispielen aufwies (Probe Nr. 7), wurde unter Verwendung eines käuflichen Fe-17Cr-Pulvers (-#330), eines käuflichen TiB₂-Pulvers, das eine ähnliche Größe wie in den vorhergehenden Beispielen aufwies, und eines Graphitpulvers, und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 1 hergestellt. Der Young'sche Modul der Probe wurde mit dem in den Beispielen 1 und 2 eingesetzten Verfahren bestimmt und ist in der Tabelle 1 gezeigt. Wie es aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, zeigte die Probe Nr. 7 eine Verbesserung des Young'schen Moduls von etwa 20 bezüglich jedweder herkömmlichen Eisenlegierung. Aufgrund der Gegenwart von Kohlenstoff war der Young'sche Modul der Probe jedoch um etwa 7,3% niedriger als derjenige der Probe Nr. 5 im Beispiel 2, und zwar trotz der Tatsache, dass in beiden Proben der gleiche Anteil an Titandiboridteilchen verteilt war.
Vergleichsbeispiel 1
Eine scheibenförmige Vergleichsprobe aus gesintertem Eisen, die eine ähnliche Größe wie in den vorhergehenden Beispielen aufwies (Probe Nr. C1), wurde nur unter Verwendung eines käuflichen Elektrolyteisenpulvers (-#330) und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 1 hergestellt. Der Young'sche Modul wurde mit dem im Beispiel 2 eingesetzten Verfahren bestimmt und ist in der Tabelle 1 gezeigt. Der Young'sche Modul wies einen niedrigen Wert von 18910 kgf/mm² auf.
Vergleichsbeispiel 2
Eine scheibenförmige Vergleichsprobe aus einer gesinterten Eisenlegierung, die eine ähnliche Größe wie in den vorhergehenden Beispielen aufwies (Probe Nr. C2), wurde nur unter Verwendung eines käuflichen Fe-17Cr-Pulvers (-#330) und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 1 hergestellt. Der Young'sche Modul wurde mit dem im Beispiel 2 eingesetzten Verfahren bestimmt und ist in der Tabelle 1 gezeigt. Der Young'sche Modul wies einen niedrigen Wert von 20250 kgf/mm² auf.
Vergleichsbeispiel 3
Eine scheibenförmige Vergleichsprobe aus einer gesinterten Legierung auf Eisenbasis, die eine ähnliche Größe wie in den vorhergehenden Beispielen aufwies (Probe Nr. C3), wurde unter Verwendung eines käuflichen Fe-17Cr-Pulvers (-#330) und eines käuflichen MoB-Pulvers mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,7 μm und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 1 hergestellt. Die 3 ist eine Photomikrographie mit 600-facher Vergrößerung, welche die metallographische Struktur der Probe Nr. C3 zeigt. Wie es aus der 3 ersichtlich ist, sind feine Boridteilchen mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometer in einer ferritischen Fe-17Cr-Matrix verteilt. Die Tabelle 1 zeigt den Volumenanteil der Boridteilchen, der bei der Probe Nr. C3 gemessen worden ist. Die lokale Analyse des Borids mit einem Elektronensonden-Mikroanalysegerät zeigte, dass das Borid 19,0 Gew.-% Eisen, 3,8 Gew.-% Chrom, 69,3 Gew.-% Molybdän und 8,2 Gew.-% Bor enthielt. Folglich wurde gefunden, dass die Boridteilchen eine große Menge Eisen, wobei es sich um einen Hauptbestandteil der Matrix handelte, und auch eine gewisse Menge Chrom enthielten. Eine Röntgenbeugung zeigte, dass es sich bei dem Borid um ein komplexes Borid aus Eisen, Chrom und Molybdän handelte, das die chemische Formel Mo₂(Fe, Cr)B₂ aufwies. Folglich wurde gefunden, dass sich das Molybdänborid in dem Mischpulver nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit der Eisenlegierungsmatrix befinden konnte und für die Zwecke dieser Erfindung nutzlos war. Der Young'sche Modul der Probe Nr. C3 wurde mit dem im Beispiel 2 eingesetzten Verfahren bestimmt und ist in der Tabelle 1 gezeigt. Obwohl die Probe Nr. C3 aufgrund der Gegenwart des Borids einen besseren Young'schen Modul aufwies wie das Borid der Probe Nr. C2, wies der Young'sche Modul trotz der Gegenwart von nicht weniger als 26,2 Vol.-% des Borids einen niedrigen Wert von 24580 kgf/mm² auf.
Vergleichsbeispiel 4
Eine scheibenförmige Vergleichsprobe aus einer gesinterten Legierung auf Eisenbasis, die eine ähnliche Größe wie in den vorhergehenden Beispielen aufwies (Probe Nr. C4), wurde unter Verwendung eines käuflichen Fe-17Cr-Pulvers (-#330) und eines TiC-Pulvers mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 1 hergestellt. Der Volumenanteil der Carbidteilchen, der bei der Probe Nr. C4 gemessen worden ist, ist in der Tabelle 1 gezeigt. Die lokale Analyse der Carbidteilchen mit einem Elektronensonden-Mikroanalysegerät zeigte, dass sie 10,4 Gew.-% Eisen, 2,3 Gew.-% Chrom, 71,3 Gew.-% Titan und 16,0 Gew.-% Kohlenstoff enthielten. Folglich wurde gefunden, dass die Carbidteilchen eine große Menge Eisen, wobei es sich um einen Hauptbestandteil der Matrix handelte, und auch eine gewisse Menge Chrom enthielten. Diese Ergebnisse zeigten die wesentliche Substitution von Titanatomen in dem Carbid durch Eisen. Daraus folgt, dass das Titancarbid in der Eisenlegierungsmatrix einen Mangel an thermodynamischer Stabilität aufwies und für die Zwecke dieser Erfindung nutzlos war. Der Young'sche Modul der Probe Nr. C4 wurde mit dem im Beispiel 2 eingesetzten Verfahren bestimmt und ist in der Tabelle 1 gezeigt. Obwohl die Probe Nr. C4 aufgrund des Carbids einen verbesserten Young'schen Modul aufwies, wies der Young'sche Modul trotz der Gegenwart von nicht weniger als 33,5 Vol.-% des Carbids einen niedrigen Wert von 25330 kgf/mm² auf.
In der 4 sind die gemessenen Young'schen Module der Legierungen auf Eisenbasis gemäß den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichsbeispielen 3 und 4 gegen den Volumenanteil des Borids oder Carbids in jeder Legierung und die entsprechenden Werte aufgetragen, die durch Berechnung mittels der theoretischen Formel für die Young'schen Module der Verbundmaterialien erhalten worden sind, die in Materials Science and Technology, Band 8 (1992), 922, beschrieben ist. Wie es aus der 4 ersichtlich ist, zeigen die Legierungen gemäß den Beispielen 1 und 2, die Titandiborid enthielten, Young'sche Module, die im Wesentlichen mit den berechneten Werten übereinstimmten, und es wurde bestätigt, dass das Titandiborid hervorragende Verstärkungsphasen bereitstellte, die der Eisenlegierung einen hohen theoretischen Modul verliehen. Andererseits war der Young'sche Modul des Produkts von Vergleichsbeispiel 3, das Molybdänborid enthielt, bei weitem niedriger als der berechnete Wert. Dies war auf die Tatsache zurückzuführen, dass sich das Molybdänborid in ein komplexes Borid aus Eisen, Chrom und Molybdän mit einem niedrigeren Young'schen Modul umgewandelt hatte, wie es aufgrund der vorstehenden Diskussion offensichtlich ist. Der Young'sche Modul des Produkts von Vergleichsbeispiel 4, das ein Carbid enthielt, war ebenfalls bei weitem niedriger als der berechnete Wert. Dies war offensichtlich auf die wesentliche Substitution von Titanatomen in dem Titancarbid durch Eisen zurückzuführen, was zu einer Verminderung des Young'schen Moduls geführt hatte, wie es aufgrund der vorstehenden Diskussion offensichtlich ist.
Beispiel 4
Ein käufliches Fe-17Cr-Pulver (-#330) und ein käufliches VB₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm wurden in den in der Tabelle 2 gezeigten Mengen eingesetzt, den Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritten von Beispiel 1 unterworfen und zu zwei scheibenförmigen Proben mit einer ähnlichen Größe wie in den vorhergehenden Beispielen geformt (Proben Nr. 8 und 9).
Die 5 ist eine Photomikrographie mit 600-facher Vergrößerung, welche die metallographische Struktur der gesinterten Legierung auf Eisenbasis zeigt, die als Probe Nr. 9 erhalten wurde. Wie es aus der 5 ersichtlich ist, sind feine komplexe Boridteilchen mit einem Durchmesser von mehreren μm homogen in einer ferritischen Fe-17Cr-Matrix verteilt. Der Volumenanteil und die Dichte der Boridteilchen in jeder Probe wurden gemessen und sind in der Tabelle 2 gezeigt. Die lokale Analyse mit einem Elektronensonden-Mikroanalysegerät zeigte, dass die Boridteilchen 35,9 Gew.-% Vanadium und 30,0 Gew.-% Eisen, 22,2 Gew.-% Chrom und 12,0 Gew.-% Bor enthielten. Es ist offensichtlich, dass das Vanadiumdiborid in dem Mischpulver bei der hohen Sinter- und Warmverarbeitungstemperatur mit dem Eisen in der Matrix reagiert hatte, wobei das komplexe Borid gebildet wurde.
Die Proben wurden bezüglich der Dichte und des Young'schen Moduls mit dem gleichen Verfahren untersucht, wie es im Beispiel 2 eingesetzt worden ist. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. Wie es aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigten die Proben Nr. 8 und 9, die einen Boridvolumenanteil der Boridteilchen von 17% bzw. 31% aufwiesen, einen relativ hohen Young'schen Modul von 23900 kfg/mm² bzw. 26500 kgf/mm², wobei es sich um eine Verbesserung von etwa 20% bzw. 30% bezüglich des Young'schen Moduls jedweder herkömmlichen Eisenlegierung handelt. Die Dichte der Proben nahm mit zunehmendem Volumenanteil der Boridteilchen ab. Daraus folgt, dass das komplexe Borid eine niedrigere relative Dichte aufwies als die Eisenlegierungsmatrix.
Beispiel 5
Eine scheibenförmige Probe aus einer gesinterten Legierung auf Eisenbasis, die eine ähnliche Größe wie in den vorhergehenden Beispielen aufwies (Probe Nr. 10), wurde unter Verwendung eines käuflichen Fe-17Cr-Pulvers (-#330), eines käuflichen VB₂-Pulvers mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm und eines käuflichen Graphitpulvers, und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 1 hergestellt. Der Volumenanteil der Boridteilchen in der Probe und deren Dichte und Young'scher Modul wurden unter Verwendung der in den Beispielen 1 und 2 eingesetzten Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. Wie es aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigte die Probe Nr. 10 eine Verbesserung des Young'schen Moduls von etwa 20% bezüglich der herkömmlichen Eisenlegierung. Aufgrund der Gegenwart von Kohlenstoff war der Young'sche Modul der Probe jedoch um etwa 7,9% niedriger als derjenige der Probe Nr. 9 (Beispiel 4), und zwar trotz der Tatsache, dass in beiden Proben der gleiche Anteil an komplexen Boriden verteilt war.
Beispiel 6
Zwei scheibenförmige Proben aus gesinterten Legierungen auf Eisenbasis, die eine ähnliche Größe wie in den vorhergehenden Beispielen aufwiesen (Proben Nr. 11 und 12), wurden unter Verwendung eines käuflichen Fe-17Cr-Pulvers (-#330) und eines käuflichen NbB₂- Pulvers mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 4 hergestellt.
Die mikroskopische Untersuchung jeder Probe bezüglich ihrer metallographischen Struktur bestätigte, dass sie feine Boridteilchen mit einem Durchmesser von mehreren μm enthielt, die homogen in einer ferritischen Fe-17Cr-Matrix verteilt waren. Die lokale Analyse mit einem Elektronensonden-Mikroanalysegerät zeigte, dass die Boridteilchen 51,6 Gew.-% Niob und 34,9 Gew.-% Eisen, 4,0 Gew.-% Chrom und 9,5 Gew.-% Bor enthielten. Folglich ist es offensichtlich, dass das Niobdiborid in dem Mischpulver bei der hohen Sinter- und Warmverarbeitungstemperatur mit dem Eisen in der Matrix reagiert hatte, wobei das komplexe Borid gebildet wurde.
Der Volumenanteil der komplexen Boridteilchen in jeder Probe und deren Dichte und Young'scher Modul wurden unter Verwendung der im Beispiel 2 eingesetzten Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. Wie es aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigten die Proben Nr. 11 und 12, die ein Boridvolumen aufwiesen, einen relativ hohen Youngschen Modul. Die Dichte der Proben nahm mit zunehmendem Volumenanteil der Boridteilchen ab. Daraus folgt, dass das komplexe Borid eine niedrigere relative Dichte aufwies als die Eisenlegierungsmatrix.
Die 6 zeigt den spezifischen Young'schen Modul jedes der Produkte der Beispiele 4 und 6 und des Vergleichsbeispiels 3 bezüglich deren Volumenanteil des Borids. Der spezifische Young'sche Modul jedes Produkts wurde durch Dividieren von dessen Young'schem Modul durch dessen relative Dichte erhalten. In der 6 zeigen die Kurven A, B und C die spezifischen Young'schen Module des Produkts von Beispiel 4, das komplexe Boridteilchen von Vanadium und Eisen enthält, des Produkts von Beispiel 6, das ein komplexes Borid von Niob und Eisen enthält, bzw. des Produkts von Vergleichsbeispiel 3, das ein komplexes Borid von Molybdän und Eisen enthält.
Aus der 6 ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Produkte aufgrund ihrer niedrigeren relativen Dichte einen höheren spezifischen Young'schen Modul zeigen, und zwar selbst dann, wenn sie mit der Vergleichslegierung auf Eisenbasis verglichen werden, welche die gleiche Menge an Boridteilchen enthielt. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die erfindungsgemäßen Legierungen auf Eisenbasis mit hohem Modul aufgrund ihrer niedrigen relativen Dichte einen weiteren Beitrag zu einer geringeren Trägheit kleinerer und dünnerer Strukturteile leisten.
Beispiel 7
Drei scheibenförmige Proben aus gesinterten Legierungen auf Eisenbasis, die eine ähnliche Größe wie in den vorhergehenden Beispielen aufwiesen (Proben Nr. 13 bis 15) wurden unter Verwendung eines pulverisierten Ferrotitanpulvers und eines pulverisieren Ferroborpulvers, die beide einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 4 μm aufwiesen, sowie eines käuflichen Fe-17Cr-Pulvers (-#330) in den in der Tabelle 3 gezeigten Mengen, und Wiederholen der Misch-, Press-, Sinter- und Warmverarbeitungsschritte von Beispiel 1 hergestellt.
Der Volumenanteil ausgeschiedener Teilchen in jeder Probe wurde gemessen und ist in der Tabelle 3 gezeigt. Die lokale Analyse mit einem Elektronensonden-Mikroanalysegerät zeigte, dass die Teilchen 0,9 Gew.-% Eisen, 68,5 Gew.-% Titan und 30,4 Gew.-% Bor enthielten. Wie es aus diesen Figuren zusammen mit den Ergebnissen einer Röntgenbeugung ersichtlich ist, konnte die Bildung von Titandiborid mit wenig Eisen bestätigt werden. Es ist folglich offensichtlich, dass die Ferrotitan- und Ferroborteilchen bei der hohen Sinter- und Warmverarbeitungstemperatur unter Bildung der Titandiboridteilchen reagieren, die in der Eisenlegierungsmatrix thermodynamisch stabil sind.
Der Young'sche Modul jeder Probe wurde unter Verwendung des Verfahrens von Beispiel 2 bestimmt und ist in der Tabelle 3 gezeigt. Wie es aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, zeigten die Proben mit steigendem Volumenanteil der Boridteilchen einen erhöhten Young'schen Modul, einschließlich der Probe 15, die etwa 30 Vol.-% enthielt und einen hohen Young'schen Modul von 29500 kgf/mm² zeigte. Diese Proben sind bezüglich des Young'schen Moduls mit den Produkten von Beispiel 2 vergleichbar, die mit Titandiboridpulver erzeugt worden sind. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Verwendung von Ferrotitan- und Ferroborpulvern als Ausgangsmaterialien ebenfalls zur Herstellung von Legierungen auf Eisenbasis mit hohem Modul effektiv ist, in denen Titandiboridteilchen verteilt sind.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3

Claims

Eine Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul, die aus einer aus ferritischem, austenitischem oder martensitischem Stahl oder Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildeten Matrix und mindestens einem Borid besteht, das aus der Gruppe bestehend aus Boriden von Elementen der Gruppe IVa und komplexen Boriden von Elementen der Gruppe Va und Eisen ausgewählt ist, wobei das mindestens eine Borid einheitlich in der Matrix verteilt ist und das Borid in der Matrix thermodynamisch stabil ist und mit der Matrix in einem thermodynamischen Gleichgewicht steht, wobei das mindestens eine Borid aus feinen Teilchen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 100 μm zusammengesetzt ist und der Gehalt des mindestens einen Borids 10 bis 50 Vol.-% beträgt und die Legierung auf Eisenbasis einen Young'schen Modul von 23120 kgf/mm² oder mehr aufweist.
Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul nach Anspruch 1, bei welcher der Kohlenstoffgehalt nicht mehr als 0,1 Gew.-% beträgt.
Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei der das mindestens eine Borid der Boride von Elementen der Gruppe IVa ein Diborid der chemischen Formel MB₂ ist, worin M für Elemente der Gruppe IVa steht.
Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Gehalt des mindestens einen Borids 10 bis 40 Vol.-% beträgt.
Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die feinen Teilchen einen Durchmesser von weniger als 20 μm aufweisen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul, wobei das Verfahren die Schritte des Mischens von Eisen- oder Stahlpulvern und Pulvern von mindestens einem Borid von Elementen der Gruppe IVa zur Herstellung von Mischpulvern, Pressens der Mischpulver zu einem Formkörper, und Sinterns des Formkörpers umfasst, wodurch die Teilchen des mindestens einen Borids von Elementen der Gruppe IVa in einer aus ferritischem, austenitischem oder martensitischem Stahl oder Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildeten Matrix einheitlich verteilt werden, wodurch eine Legierung auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 5 erhalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul, wobei das Verfahren die Schritte des Mischens von Eisen- oder Stahlpulvern, Ferroborpulvern und Ferrolegierungspulvern, die mindestens ein Element der Gruppe IVa enthalten, zur Herstellung von Mischpulvern, Pressens der Mischpulver zu einem Formkörper, und Sinterns des Formkörpers umfasst, wodurch eine Reaktion der Ferroborpulver und der Ferrolegierungspulver zur Bildung mindestens eines Borids von Elementen der Gruppe IVa und zur einheitlichen Verteilung von Teilchen davon in einer aus ferritischem, austenitischem oder martensitischem Stahl oder Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildeten Matrix verursacht wird, wodurch eine Legierung auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 5 erhalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul, wobei das Verfahren die Schritte des Mischens von Eisen- oder Stahlpulvern und Pulvern von mindestens einem Borid von Elementen der Gruppe Va zur Herstellung von Mischpulvern, Pressens der Mischpulver zu einem Formkörper, und Sinterns des Formkörpers umfasst, wodurch Teilchen von mindestens einem komplexen Borid von mindestens einem Element der Gruppe Va und Eisen in einer aus ferritischem, austenitischem oder martensitischem Stahl oder Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildeten Matrix einheitlich verteilt werden, wodurch eine Legierung auf Eisenbasis nach Anspruch 1 oder 2 oder 4 oder 5 erhalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung auf Eisenbasis mit hohem Modul, wobei das Verfahren die Schritte des Mischens von Eisen- oder Stahlpulvern, Ferroborpulvern und Ferrolegierungspulvern, die mindestens ein Borid von Elementen der Gruppe Va enthalten, zur Herstellung von Mischpulvern, Pressens der Mischpulver zu einem Formkörper, und Sinterns des Formkörpers umfasst, wodurch eine Reaktion der Ferroborpulver und der Ferrolegierungspulver zur Bildung mindestens eines komplexen Borids von mindestens einem Element der Gruppe Va und Eisen und zur einheitlichen Verteilung von Teilchen davon in einer aus ferritischem, austenitischem oder martensitischem Stahl oder Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildeten Matrix verursacht wird, wodurch eine Legierung auf Eisenbasis nach Anspruch 1 oder 2 oder 4 oder 5 erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, das ferner nach dem Sintern eine Warmverarbeitung umfasst.