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Dokumentenidentifikation DE3844941C2 18.07.1996
Titel Pulvergesinterte Hartlegierung
Anmelder Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho, Kobe, Hyogo, JP
Erfinder Morishita, Masao, Kobe, Hyogo, JP;
Kawatani, Hiroshi, Kakogawa, Hyogo, JP;
Minamide, Toshiyuki, Takasago, Hyogo, JP
Vertreter Thomsen, D., Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 80336 München
DE-Anmeldedatum 29.09.1988
DE-Aktenzeichen 3844941
File number of basic patent 38331217
Offenlegungstag 20.04.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.07.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.07.1996
IPC-Hauptklasse C22C 29/14
IPC-Nebenklasse C22C 32/00   

Beschreibung[de]

Da Spritzgieß- und Strangpreßverfahren bei Kunststoffen etc. unter Bedingungen erhöhter Temperaturen durchgeführt werden, kann zuweilen eine Wärmezersetzung bei einem Teil des Ausgangsmaterials nicht vermieden werden, so daß korrosive Gase entstehen. Im Fall der Beimischung von Halogen-enthaltenden Verbindungen zur Erzielung geringerer Flammbarkeit werden größere Mengen Halogen- enthaltender Gase freigesetzt. Die Innenseite von Spritzgießzylindern ist demzufolge permanent einem korrosiven Medium ausgesetzt; derartige Zylinder müssen deshalb einen hohen Korrosionswiderstand aufweisen. Da weiterhin bei solchen Spritzvorgängen hohe Drücke angewendet werden und zusätzlich anorganische Füllmaterialien oft zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Endprodukte zugesetzt werden, wird von derartigen Zylindern auch noch eine hohe Verschleißbeständigkeit verlangt.

Verarbeitet man Fluorharze in solchen Injektions- und Extrusionsvorrichtungen, so ist die Forderung nach sehr hohem Korrosionswiderstand der Werkstoffe unausweichlich, um den sehr stark korrosiven Gasen widerstehen zu können. Da derartige korrosive Gase auch beim Schneiden und Schaben von aus Fluorharzen und Fluorgummi bestehenden Spritzprodukten auftreten, muß für entsprechende Maßnahmen gegen das Auftreten von Korrosion und Abnutzungserscheinungen gesorgt werden.

Bei Injektions- und Extrusionsformvorgängen von Plastikmaterialien, z. B. synthetischen Plastikmaterialien wie PES-(Polyethersulfon)- oder PPS-(Polyphenylensulfind)-Harzen oder -Gummi, werden die erhitzten Materialien in einen Zylinder eingeführt und unter Druck eines Kolbens zum Schmelzen gebracht. Da der Schmelzvorgang bei relativ hohen Temperaturen durchgeführt wird und da aus den Sulfongruppen der Plastikmaterialien, beispielsweise erhitzten Harzen, SO&sub2;-Gase freigesetzt werden, besteht auch hier die Notwendigkeit, Materialien mit hohem Korrosionswiderstand und hoher Verschleißbeständigkeit einzusetzen.

Bei Injektions- und Extrusionsformungsvorgängen von z. B. ABS- Harzen werden aus den erhitzten Plastikmaterialien NOx-Gase aus den CN-Gruppen oder korrosive Gase (wie Halogene) freigesetzt; folglich braucht man auch hier Baustoffe mit hohem Korrosionswiderstand und hoher Verschleißbeständigkeit.

Als Materialien für die genannten Zylinder werden normalerweise verschleißbeständige Nickel- und Kobaltlegierungen verwendet, mit denen die Innenseiten der Zylinder nach der Zentrifugalschmelzmethode beschichtet werden. In abgewandelten Anwendungsformen werden fernerhin Ni-Mo-Cr- Legierungen mit hohem Korrosionswiderstand eingesetzt.

Obwohl solche Typen von Legierungen hohe Verschleißbeständigkeitswerte aufweisen, ist ihr Korrosionswiderstand gegenüber stark korrosiven Gasen, z. B. Fluorgasen, SO&sub2;-Gasen und NOx-Gasen nicht ausreichend. Andererseits aber haben die erwähnten Ni-Mo- Cr-Legierungen zuweilen einen ausreichenden Korrosionswiderstand, während gleichzeitig die Verschleißbeständigkeit u. a. bei Zylindern und Schrauben jedoch nicht ausreichend ist. Keine der erwähnten Legierungen besitzt somit gleichzeitig hohen Korrosionswiderstand und hohe Verschleißbeständigkeit. Hier liegt starker Verbesserungsbedarf in der Technik.

Aus "Materials Science and Technology" 1985, S. 1063 bis 1068, sind Untersuchungen über gewisse Boridpartikel-Werkstoffe bei pulvermetallurgischen Superlegierungen bekannt. Speziell werden M&sub3;B&sub2;-Boride in Nickelbasislegierungen eingesetzt; außer Ni kommen in den Legierungen und bei den wissenschaftlichen Untersuchungen noch andere Metallkomponenten zum Einsatz, z. B. Co, Cr, Mo, Al, Ti etc.

Bekannt sind weiterhin aus der US-PS 44 27 446 korrosions- und verschleißbeständige Legierungen für Beschichtungen nach der Zentrifugalschmelzmethode für Auskleidungen; es werden 20 bis 50 Gew.-% Verstärkungsmaterial (harte Teilchen), nämlich Boride, in die Matrix hineingegeben; die Matrix besteht aus Nickelbasislegierungen oder Kobaltbasislegierungen.

DE 32 38 555-A1 beschreibt eine Sinterhartlegierung, die gewisse Festigkeit und Zähigkeit aufweist; dabei sind 40 bis 95 Gew.-% einer Hartphase vorhanden, die aus mindestens 10 Gew.-% Eisen enthaltenden Mehrfachboriden zusammengesetzt ist; dieser mindestens 10%ige Eisengehalt in der Hartphase ist nötig, um die verschiedenen Mehrfachboride der zusammengesetzten Hartphase zu erhalten.

Man hat auch schon in den JP-Patentpublikationen 61-143 547-A und 62-142 705-A Legierungen vorgeschlagen, die sowohl hohen Korrosionswiderstand als auch hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen; solche Legierungen bestehen aus 0,5 bis 3,0% Si, 0,5 bis 3,0% B, 10 bis 40% Cr, 0,5 bis 3,0% Cu, 10 bis 30% W, 0,1 bis 2,0% C, Rest Nickel und/oder Kobalt.

In den vorstehend genannten Patentpublikationen treten bei den Legierungen keine M&sub3;B&sub2;-Boride auf.

Es hat sich herausgestellt, daß alle diese zum Teil sehr detaillierten bekannten Vorschläge im Stand der Technik nicht ausreichen, wenn es um Legierungen mit einerseits extrem hohem Korrosionswiderstand und entsprechender Abriebfestigkeit geht, andererseits aber auch ohne Rißfestigkeit verlangt wird.

Die Aufgabe der Erfindung liegt deshalb in der Bereitstellung eines solchen Legierungsmaterials, das unter den vorstehend dargestellten Extrembedingungen gute technische Resultate unter den verschiedenen Aspekten der Anwendungen ergibt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die Legierung gemäß Hauptanspruch.

Bevorzugte Anwendungsformen sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Im Fall einer Legierung aus einer Hartphase und einer Verbindungsphase (Matrix) werden lokale Zellen zwischen der Hartphase als Kathode und der Verbindungsphase als Anode gebildet, wobei die Matrix zuerst korrodiert.

Bei Legierungen aus Hartphase und Verbindungsphase sind Zusammensetzungen aufgefunden worden, die einen äußerst hohen Korrosionswiderstand aufweisen. Es werden verschiedene Legierungselemente der Matrix zugesetzt; das Potential der Matrixphase wird damit erhöht; dadurch wird das Korrosionspotential zwischen Matrix und Hartkörnern ausgeglichen.

In der praktischen Anwendung bietet die erfindungsgemäße, aus gesintertem Pulver bestehende Legierung gegenüber korrosiven Gasen, beispielsweise Fluorgas, SO&sub2;-Gas und NOx-Gas, hohen Korrosionswiderstand.

Will man ein zusammengesetztes Material für die Formung von Plastikmaterialien, keramischen Stoffen u. dgl. mit ausgezeichneten Korrosions- und Abriebeigenschaften herstellen, so wird die Innenfläche eines Zylinders oder die Außenfläche einer Schraube (Schnecke) durch heißisostatische Druckbehandlung (HIP) mit einer Schicht aus einer verschleißbeständigen gesinterten Pulverlegierung beschichtet, welche 15 bis 95% einer Hartphase mit weniger als 5 µm Korngröße aus einer M&sub3;B&sub2;-Phasenstruktur innerhalb der Matrix aufweist; M hat dabei die Bedeutung von Ni oder Co, und dazu Cr und Mo oder W; die Legierung enthält 0,5 bis 6,0% B, 14,0 bis 30% Cr, 14,0 bis 35,0% Mo allein oder in Verbindung mit W, bis zu 3,5% Si, bis zu 5,0% Fe, 4,0 bis 20% einer oder mehrerer der Bestandteile Cu, Ag, Au und Pt, während der Rest aus einem oder mehreren der Metalle Ni und Co einschließlich unvermeidbare Verunreinigungen und die Matrix aus einem Material mit edlem Korrosionspotential besteht.

Falls der gesamte Zylinder aus dieser Legierung bestehen würde, würden sich die folgenden Punkte ergeben:

  • a) Da der Innendruck des Zylinders beim Injektionsverfahren zu gewissen Zeitpunkten Werte im Bereich von 20×10&sup7; Pa erreicht, kann es ggfs. vorkommen, daß die Festigkeit unzureichend ist.
  • b) Da die Dicke des Zylinders demzufolge erhöht werden muß, ergibt sich bei einem Zylinder mit dem Innendurchmesser von 30 mm ein Außendurchmesser von etwa 90 mm; das wäre äußerst aufwendig.
  • c) Da die Festigkeit der Legierung sehr hoch ist, können Probleme auftauchen bei der Bearbeitung der Außenflächen.


Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, einen hochfesten oder wärmefesten Stahl, beispielsweise SCM 440, SNCM 439, SUS 304, SUS 316 usw. als Grundmaterial für den Zylinderkörper zu verwenden und eine Schicht aus korrosionsbeständiger und verschleißbeständiger Legierung auf die Innenoberfläche aufzubringen.

Da die erfindungsgemäße Legierung aus gesintertem Pulver eine hohe Verschleißbeständigkeit und einen hohen Korrosionswiderstand besitzt, kann sie für verschiedene Anwendungszwecke eingesetzt werden, bei denen sowohl hoher Abrieb- als auch Korrosionswiderstand erforderlich ist. Derartige Legierungen sind insbesondere für mechanische Teile, wie Zylinder oder Schrauben von Extrusionsformmaschinen, oder als Werkzeugmaterialien geeignet.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1c verschiedene Darstellungen zu Sintervorgängen (FM1 und FM2 bezeichnen Legierungen);

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Doppelzylinders zur Verwendung bei einer zusammengesetzten Injektionsformmaschine, wobei dieser Zylinder an der Innenseite mit einer Legierung gemäß der Erfindung beschichtet ist.

FM1 und FM2 gemäß Fig. 1 sind Beispiele von zwei Ausgangslegierungen; dabei FM1 enthaltend Cr, Mo, B, Si, Cu und Ni; FM2 desgleichen, jedoch ohne Cr und B. Fig. 1 zeigt die Phasenbildung.

Im folgenden sollen die Gründe zur Festlegung der chemischen Zusammensetzungen der Erfindung erläutert werden. Die Bestandteile der Zusammensetzung werden dabei auf Gewichtsbasis in bezug auf die Gesamtlegierung angegeben.

Si: bis zu 3,5%

Si hat die Wirkung der Erzeugung einer dichten SiO&sub2;- Schicht auf der Oberfläche der Legierung, wodurch adhäsive Abnutzung verhindert wird. Gleichzeitig wird dabei die Fluidität der geschmolzenen Legierung erhöht, während der betreffende Bestandteil zusätzlich als Deoxidationsmittel wirkt. Falls der Gehalt den Wert 3,5% überschreitet, werden jedoch Silicide gebildet, wodurch sich nachteilige Effekte in bezug auf die Festigkeit ergeben. Die Gesamtmenge von Silicium sollte demzufolge maximal 3,5% betragen.

B: 0,5 bis 9,0%

B ist ein Element, welches mit Ni, Cr, Mo, W und Co harte Boride bildet, wodurch eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit zustande kommt. Dabei sollte der Gehalt an B mehr als 0,5% sein, um den gewünschten Effekt wirksam zu erhalten. Falls jedoch der Gehalt 6,0% überschreitet, ergibt sich eine Reduzierung der Festigkeit der Legierung. Bei Überschreitung des Wertes 9,0% wird die Festigkeit so reduziert, daß das Material nicht als Werkzeug eingesetzt werden kann. In Verbindung mit Plastikformmaschinen u. dgl. sollte demzufolge der Gehalt an B vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 9,0% liegen.

Cr: 14,0 bis 35,0%

Cr hat die Wirkung einer Pasivierung der Legierung und der Erhöhung des Korrosionswiderstandes gegenüber oxidierender Atmosphäre, wie Salpetersäure. Da der kritische Wert für die Passivierung größer als 14,0% ist, sollten wenigstens 14,0% Chrom vorhanden sein. Zusätzlich hat Cr die Wirkung der Erzeugung harter Boride in Verbindung mit B, wodurch eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit zustande kommt. Falls jedoch der Gehlat 35,0% überschreitet, wird der Korrosionswiderstand gegenüber reduzierender Atmosphäre, wie Fluorwasserstoffsäure, vermindert. Demzufolge sollte der Gehalt an Chrom innerhalb des Bereiches zwischen 14,0 und 35,0%, vorzugsweise zwischen 14,0 und 30,0% liegen.

Im Fall einer Verbesserung des Korrosionswiderstandes gegenüber Halogengasen, beispielsweise Fluorgas, oder SOx-Gasen, wie SO&sub2;, kann die obere Grenze 24% sein. In bezug auf die NOx-Gase ist es jedoch notwendig, mehr als 24% einzusetzen, um Korrosionswiderstand gegenüber oxidierender Atmosphäre, wie Salpetersäure, zu verbessern.

Mo: 14,0 bis 50%

Mo hat die Wirkung einer Erhöhung des Korrosionswiderstandes gegenüber reduzierender Atmosphäre, wie Fluorwasserstoffsäure. Demzufolge sind mehr als 14,0% Mo notwendig, um den Korrosionswiderstand gegenüber kleinen Rissen zu verbessern. Zusätzlich hat Mo wie Cr die Wirkung, in Verbindung mit B harte Boride zu bilden, wodurch eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit zustande kommt. Da jedoch die Härte der Legierung bei zu großen Mengen reduziert wird, erweist es sich als nicht wünschenswert, den Wert von 50,0% zu überschreiten. Im Fall einer Verbindung mit Stahl und Eisenmaterialien sollte die Menge an Mo vorzugsweise nicht 35,0% überschreiten, da ansonsten unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zustande kommen. Demzufolge sollte die Menge von Mo im Bereich zwischen 14,0 und 50,0%, vorzugsweise 14,0 und 35,0%, liegen.

W hat ähnlich wie Mo die Wirkung einer Erhöhung des Korrosionswiderstandes innerhalb einer reduzierenden Atmosphäre, wie Fluorwasserstoffsäure, wobei dieses Material teilweise oder ganz Mo ersetzen kann. Auch in diesem Fall sollte der Gehalt an Mo bzw. der Gesamtgehalt an Mo und W innerhalb des angegebenen Bereiches liegen.

Cu, Ag, Au, Pt: 4,0 bis 20%

Diese Metalle und Edelmetalle werden im festen Zustand in der Matrix gelöst, wodurch sie zu einer erheblichen Verbesserung des Korrosionswiderstandes beitragen.

Im Fall einer Dispersion von Keramikteilchen, beispielsweise Boriden, wie CrB, innerhalb der Matrix bildet die Matrix mit ihrem Korrosionspotential die Anode, während die keramischen Teilchen bei edlerem Korrosionspotential die Kathode bilden. Auf diese Weise entsteht eine lokale Zelle, bei welcher die Matrix zuerst korrodiert. Im Fall einer Dispersion der zweiten Phase, wie Keramikteilchen, muß das Potential der Matrix edel sein, um den Korrosionswiderstand zu verbessern. Es ist gefunden worden, daß Cu, Ag, Au und Pt wirksam das edle Matrixpotential herstellen können, wodurch der Korrosionswiderstand verbessert wird.

Es ist festgestellt worden, daß innerhalb des Bereiches von 4,0 bis 20,0% der thermische Ausdehnungskoeffizient der Legierung invers zunimmt und gleichzeitig die Rißfestigkeit verbessert wird. Aus diesem Grund ist ein derartiges Material insbesondere als Beschichtungsmaterial für zusammengesetzte Bauteile geeignet. Die thermische Ausdehnung findet statt durch Erhöhung der Oszillationen zwischen den Kristallgittern mit zunehmender Temperatur. Aus der Sicht der Elektronentheorie werden die Gitterschwingungen und der thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner, sobald die Bindungskräfte zwischen den Atomen des Kristallgitters zunehmen. Die Gitterschwingungen und der thermische Ausdehnungskoeffizient werden jedoch größer, sobald die Bindungskräfte zwischen den Atomen geringer werden. Bei einer Legierung gemäß der Erfindung bewirken die zusätzlichen Elemente Cr, Mo, W, Si und Co eine Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Matrix, da die Bindungskräfte zwischen diesen Atomen groß sind. Da jedoch Cu die Bindungskraft gegenüber Ni reduziert, werden die Gitterschwingungen vergrößert, so daß auf diese Weise der thermische Ausdehnungskoeffizient der Matrix ebenfalls vergrößert wird. Aus metallographischer Sicht hat Kupfer hingegen eine Clustertendenz innerhalb eines engen Bereiches, wodurch der thermische Ausdehnungskoeffizient vergrößert wird. Bei der Legierung gemäß der Erfindung soll demzufolge der thermische Ausdehnungskoeffizient einen Wert von 12 bis 14,5×10-6 K-1 aufweisen, welcher dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Baustahl in der Größenordnung von 14×10-6 K-1 im Bereich zwischen 25 und 600°C ähnlich ist. Ein derartiger Wert läßt sich dabei durch Zusatz von Cu bis zu 20% erreichen. Falls mehr als diese Menge zugesetzt wird, wird die Legierung weich und besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher größer als der von Baustahl ist; das führt im Fall einer Beschichtung nach dem HIP-Verfahren zu bleibenden Spannungen und damit tendenziell zu Rißbildungen. Aus den genannten Gründen können einer oder mehrere der Bestandteile Cu, Ag, Au, Pt innerhalb des Bereiches von 4,0 bis 20,0% zugesetzt werden, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erhöhen, wodurch die Festigkeit gegenüber Rißbildung verbessert wird.

Fe: bis zu 5,0%

Fe hat die Wirkung einer Verbesserung des Korrosionswiderstandes gegenüber reduzierender Atmosphäre, wie Salzsäure; es zeigt jedoch keine anderen Wirkungen zur Verbesserung der Eigenschaften der betreffenden Legierung. Bei der Erfindung ist Fe als unvermeidbarer Bestandteil vom Schmelzvorgang der Legierung anzusehen, da B vorzugsweise als Legierung FeB zugesetzt wird. Eine derartige Legierung ist kostengünstiger als metallisches Bor, das allerdings ebenfalls zugesetzt werden kann. Fe verschlechtert aber den Korrosionswiderstand gegenüber Salzsäure und oxidierender Salpetersäure, falls mehr als 5,0% zugesetzt werden; die zugesetzte Menge von Fe soll also innerhalb des Bereiches von 0 bis 5,0% bleiben.

Verhältnis von Ni und Co

Ni ist ein Element zur Verbesserung des Korrosionswiderstandes, insbesondere gegenüber Halogenen, so daß Ni als Ausgleichselement verwendet wird. Da der Austausch von Ni gegen Co eine Verbesserung des Korrosionswiderstandes gegenüber SO&sub2;-Gasen ergibt, kann bis zu 95% Nickel durch Co ersetzt werden. Die Substitution der Gesamtmenge Ni durch Co erscheint jedoch nicht vorteilhaft, da der Korrosionswiderstand gegenüber Halogenen auf diese Weise verschlechtert wird. Im Fall einer Legierung mit einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung ist es demzufolge notwendig, daß die Hartphase aus einer M&sub3;B&sub2;-Phasenstruktur besteht, welche innerhalb des Bereiches zwischen 15 und 95% liegt. Falls die Hartphase weniger als 15% beträgt, ist die Verschleißbeständigkeit nicht ausreichend. Falls jedoch der Wert von 95% überschritten wird, wird der Weibull- Koeffizient auf weniger als 7 reduziert, wodurch die Sprödigkeit erhöht wird. Demzufolge sollten beide Grenzwerte nicht überschritten werden.

Bei der praktischen Ausführung werden verschiedene Legierungen hergestellt, indem CrB unter heiß-isostatischem Druck (HIP) zu einer Ni- (Co)-Mo-(W)-Si-(Cu-Pt-Au-Ag)-Feinpulverlegierung gesintert wird. Es folgen Tests auf Härte und Korrosionswiderstand.

Die erfindungsgemäßen Legierungen mit den jeweiligen chemischen Zusammensetzungen werden zu pulvergesinterten Legierungen verarbeitet nach dem HIP-Verfahren, d. h. unter heiß-isostatischem Druck. Dieses Herstellungsverfahren ist dabei einfacher als im Fall eines Sprühverfahrens in Atmosphäre, bei welchem eine gute Ausführbarkeit wegen Verarbeitungsbeschränkungen, beispielsweise der Oxidation der Legierungszusammensetzung, insbesondere im Hinblick auf Mo, nicht gegeben ist.

Insbesondere bei Legierungen mit 20 bis 35% Mo sollte demzufolge das folgende Verfahren angewendet werden: Die Gleichgewichtszusammensetzung der Boride (Atom-%), mit den gewünschten physikalischen Werten ist dabei (Ni0,09Cr0,32Mo0,59)&sub3;B&sub2;. Falls der Mo- Gehalt bei gleichzeitigem Vorhandensein von Cr und B hoch ist, wird die Viskosität der geschmolzenen Legierung erhöht, während die Zerstäubung schwierig wird. Mit einer Ni-Mo- Si-Cu-Ausgangslegierung, in welcher Cr und B nicht vorhanden sind, kann jedoch eine Zerstäubung leicht durchgeführt werden, selbst wenn Mo vorhanden ist. Es wird demzufolge eine Ausgangslegierung aus 1,2 bis 4,9% Si, 23,4 bis 49,3% Mo, bis 5,6% Cu und Rest Ni zuerst durch ein Gaszerstäubungsverfahren hergestellt. Dieser Ausgangslegierung werden dann entsprechende Mengen von Cr und B bzw. Chromborid wie CrB bzw. CrB und Cr&sub2;B zugesetzt und anschließend auf eine geeignete Temperatur erhitzt. Dabei werden die Cr-, B- und/oder CrB-Teilchen an der Oberfläche des Pulvers der Ausgangslegierung zersetzt, während gleichzeitig der Sintervorgang durchgeführt wird, wobei Cr und B in das Pulver der Ausgangslegierung eindiffundiert werden, so daß auf diese Weise eine feine Boridgleichgewichtsphase M&sub3;B&sub2; zustande kommt und die gesinterte Legierung die gewünschte Feinstruktur erhält. Die auf diese Weise hergestellte Legierung kann dabei als Zylindermaterial für Injektionsspritzmaschinen und Extrusionsformmaschinen für Plastik- und Keramikmaterialien verwendet werden.

Zur Erzielung der gesinterten pulverförmigen Legierung muß die Zusammensetzung der Ausgangslegierung genau eingestellt werden. Die Temperatur der Sinterreaktion muß auf einen derartig hohen Wert gelegt werden, daß Cr und Bor in ausreichendem Maße in die Ausgangslegierung eindiffundiert werden. Das Verfahren des Zusatzes von CrB zu einer Ausgangslegierung mit hohem Mo-Gehalt kann nicht nur bei Nickellegierungen, sondern auch bei Legierungen zur Bildung von M&sub3;B&sub2;-Phasen mit Eisen- oder Cobalt-Basis verwendet werden, wobei M den Stoffen Ni, Co, Fe, Cr, Mo oder W entspricht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert.

Tabelle: "Bal" heißt Balance, also Rest.

Beispiel (thermischer Ausdehnungskoeffizient)

Es wurden Legierungen mit chemischen Zusammensetzungen entsprechend der folgenden Tabelle 1 hergestellt, wobei CrB einer pulverisierten Legierung aus Ni-Mo-Si-Cu zugefügt wurde; im HIP-Verfahren folgte dann ein Reaktionssintervorgang in bekannter Art; Ergebnis: vgl. die Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1.

Bei diesen Proben wurde die Härte gemessen und ein Korrosionswiderstandstest in bekannter Art durchgeführt. Es wurden fernerhin die Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ermittelt; Resultate: vgl. Tabelle 2. Tabelle 1 Chemische Legierungszusammensetzung (Gew.-%)

Tabelle 2 Eigenschaften der Legierung



Anhand von Tabelle 2 ergibt sich, daß die Legierungen 2 und 3 gemäß der Erfindung einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Werte im Bereich zwischen 12,0 und 14,5×10-6 K-1 liegen. Der Korrosionswiderstand ist zufriedenstellen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist bei der Vergleichslegierung 5 sehr stark erhöht. Mit zunehmenden Mengen von Cu nimmt tendenziell die Härte ab.

In der praktischen Anwendung wurde ein Zweischaftzylinder für eine Injektionsspritzmaschine entsprechend Fig. 2 hergestellt, wobei eine Legierung gemäß der Erfindung als Innenbeschichtung aufgebracht war. Selbst bei einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12×10-6 K-1 konnte dabei ein Innendurchmesser bis zu 60 mm erfaßt werden. Der betreffende Zylinder besteht dabei aus mechanischem Strukturstahl SCM 440; er ist mit einer Innenbeschichtung 2 aus einer Legierung gemäß der Erfindung versehen. Der Zylinder 1 weist fernerhin einen Flansch 3 sowie Bohrungen 4a, 4b zur Wasserkühlung und Bohrungen 5a, 5b für das Hindurchführen von Befestigungsbolzen auf. Bei einer Injektionsspritzmaschine werden etwa 6 bis 10 derartige Zylinder zusammengesetzt, um auf diese Weise einen langen Schaftzylinder zu bilden.

Bei einem größeren Zylinder mit Innendurchmesser von mehr als 60 mm und bei einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtungslegierung von weniger als 12×10-6 K-1 sind bisher Probleme aufgetreten, weil nämlich während des Abkühlvorgangs bei der Herstellung aufgrund auftretender elektrischer Spannungen an der Innenoberfläche wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen Zylinder und Innenbeschichtung Risse auftreten. Selbst bei einer Auslegung des Zylinders derart, daß das Auftreten von Rissen bis zum Sintervorgang unterdrückt werden kann, ergeben sich Risse bei der Herstellung einer Trichteröffnung im Bereich der Einführöffnung durch den Fräser.

Erfindungsgemäß hat sich dagegen bei der Herstellung eines Zylinders großer Abmessungen mit einem Innendurchmesser von mehr als 60 mm gezeigt, daß bei Verwendung dieser Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 12,0 und 14,5×10-6 K-1 als Innenbeschichtung derartige Schwierigkeiten überwunden sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Pulvergesinterte Hartlegierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 12 und 14,5×10-6 K-1 mit 15 bis 95% einer harten Phase, bestehend aus einer M&sub3;B&sub2;-Phasenstruktur, wobei M Ni ist, welches teilweise durch Co ersetzt sein kann, und dazu Cr und Mo oder W, in der Matrix, und wobei die Hartlegierung (aufs Gewicht bezogen) besteht aus:

    0,5 bis 9,0% B,

    14,0 bis 35,0% Cr,

    14,0 bis 50,0% Mo und/oder W,

    bis zu 3,5% Si,

    bis zu 5,0% Fe,

    >4,0 bis 20% Cu und/oder Ag und/oder Au und/oder Pt, Rest Ni und/oder Co einschließlich unvermeidbare Verunreinigungen.
  2. 2. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1 als Beschichtung auf Stahloberflächen, mit der Maßgabe, daß die Hartphase weniger als 5 µm Korngröße hat und die Legierung (auf Gewichtsbasis) besteht aus:

    0,5 bis 6,0% B,

    14,0 bis 30,0% Cr,

    14,0 bis 35,0% Mo allein oder in Kombination mit W,

    bis zu 3,5% Si,

    bis zu 5,0% Fe,

    >4,0 bis 20% Cu und/oder Ag und/oder Au und/oder Pt, Rest Ni und/oder Co einschließlich unvermeidbare Verunreinigungen.
  3. 3. Verwendung nach Anspruch 2 als Beschichtung für Zylinder, Schrauben, Werkzeugmaterialien aus Stahl bei Spritz- und Extrusionsformmaschinen für Plastik- oder Keramikmaterialien.






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