AT398397B - Verfahren zum herstellen zumindest der verschleissschicht hochbelastbarer sinterteile, insbesondere für die ventilsteuerung einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

AT 398 397 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen zumindest der Verschleißschicht hochbelasteter Sinterteile, insbesondere für die Ventilsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Kohlenstoff enthaltende Pulvermischung auf der Basis von Eisenpulver, das mit wenigstens einem carbidbil-denden Element der Gruppe VI A des Periodensystems legiert ist, zu einem Formling verpreßt und dann mit flüssiger Phase gesintert wird.

Um den hohen Anforderungen hinsichtlich der Verschleißfestigkeit und der Dauerfestigkeit von Nocken einer Nockenwelle oder anderen Teilen für die Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen zu genügen, ist es bekannt (EP-A-303 809), diese Teile aus einem Pulvergemisch zu pressen, das mit carbidbildenden Elementen der 5: und 6. Nebengruppe des Periodensystems legiertes Eisenpulver und Graphitpulver in der zu Carbidbildung benötigten Menge enthält, den Preßling bei einer Temperatur geringfügig über der Solidustemperatur zu sintern und dann den mit flüssiger Phase gesinterten Formteil bei einer Temperatur unter der Solidustemperatur durch ein heißisostatisches Pressen auf mindestens 99 % der theoretischen Dichte zu verdichten. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist vor allem, daß der Aufwand zum isostatischen Heißpressen der vorgesinterten Formteile erheblich ist, daß aber auf ein solches isostatisches Pressen nicht verzichtete werden kann, weil sonst die gleichmäßige Carbildverteilung bei der erforderlichen Dichte nicht sichergestellt werden kann. Das Sintern bei einer Sintertemperatur geringfügig über der Solidustemperatur erlaubt zwar eine gleichmäßige Carbidverteilung, doch nur im Zusammenhang mit einem vergleichsweise großen Porenanteil. Außerdem ist das Zulegieren von niedriger schmelzenden Bestandteilen wegen der für das Heißpressen erforderlichen Temperaturen nicht möglich. Diese Bestandteile würden bei den Preßtemperaturen schmelzen und dann beim Verpressen durch die noch vorhandenen Poren austreten.

Schließlich ist es bekannt (DE-A-3 907 886), die Nocken einer Nockenwelle aus einer äußeren Verschleißschicht und einem Nockenkörper pulvermetallurgisch durch ein Flüssigphasensintern herzustellen, wobei die Rohpreßlinge, die ein unterschiedliches Schrumpfverhalten aufweisen, auf eine Stahlwelle aufgeschoben werden, so daß sich nach dem Sintern sowohl zwischen der Verschleißschicht und dem Nockenkörper als auch zwischen dem Nockenkörper und der Stahlwelle eine gute Verbindung ergibt. Die äußere Verschleißschicht wird dabei von einer Eisen-Kohlenstoff-Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung gebildet, die jedoch hohen Beiastungsanforderungen nicht genügen kann, weil beispielsweise das Nickel keine Carbide bildet, die für die Verschleißfestigkeit wesentlich sind, und nickelhaltige Werkstoffe zur Austenitbildung neigen, wodurch die Dauerfestigkeit herabgesetzt wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein zum Herstellen hochbelasteter Sinterteile, insbesondere für die Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, geeignetes Verfahren anzugeben, das mit einem Flüssigphasensintern ohne nachträgliches isostatisches Heißpressen auskommt.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Pulvermischung 3 bis 6 Gew. % Molybdän bzw. Molybdän anteilig ersetzendes Wolfram oder entsprechende Anteile dieser Elemente als carbildbildenden Legierungsbestandteil des Eisenpulvers sowie 1,5 bis 2,6 Gew. % Kohlenstoff und 0,4 bis 1,0 Gew. % Phosphor enthält und daß das Eisenpulver durch ein Verdüsen einer entsprechend legierten Eisenschmelze mit einem Gas- oder Wasserstrahl hergestellt wird, bevor es mit den übrigen Pulverbestandteilen vermischt wird.

Durch den Einsatz eines vergleichsweise hohen Kohlenstoffanteiles wird im Zusammenhang mit Molybdän bzw. Wolfram, die ausgezeichnete Carbidbildner sind, eine zufriedenstellende Carbidbildung unter Ausbildung einer ausreichenden flüssigen Phase beim Sintern sichergestellt, und zwar bei einer nicht nur wegen des Kohlenstoffgehaltes, sondern auch wegen der Phosphorzugabe deutlich herabgesetzten Sintertemperatur, so daß mit einer gleichmäßigen Carbidverteilung gerechnet werden kann. Aufgrund des hohen Anteils an flüssiger Phase wird außerdem die erforderliche Dichte des Sinterkörpers erreicht, ohne ein nachträgliches Heißpressen vornehmen zu müssen. Dabei ist ein Molybdänanteil von mindestens 3 Gew. % erforderlich, um nicht nur eine entsprechende Verschleißfestigkeit, sondern auch eine ausreichend gleichmäßige Carbidverteilung zu erhalten. Die obere Grenze für den Molybdänanteil ist für die Verpreßbar-keit des Sinterpulvers von maßgebender Bedeutung.

Voraussetzung für eine die Verschieißfestigkeit bestimmende, gleichmäßige Carbidverteilung ist zunächst, daß die carbidbildenden Elemente entsprechend gleichmäßig in der Pulvermischung verteilt sind. Zu diesem Zweck wird ein mit dem carbidbildenden Element legiertes Eisenpulver eingesetzt, das aus der Schmelze durch ein Verdüsen mit Hilfe eines Gas- oder Wasserstrahles hergestellt wird. Zur Beruhigung und zur besseren Verdüsbarkeit der Eisenschmelze können dieser bis zu 1,0 Gew. % Mangan, vorzugsweise höchstens 0,4 Gew. % Mangan zugesetzt werden.

Um einerseits die Verpreßbarkeit des Eisenpulvers zu verbessern und anderseits eine für den Sintervorgang vorteilhafte große Teilchenoberfläche sicherzustellen, soll das legierte Eisenpulver eine dendritische Teilchenform und einen Anteil von wenigstens 70 Gew. % an Pulverteilchen mit einem mittleren Durchmes- 2

AT 398 397 B ser je Teilchen kleiner als 50 um aufweisen, während der mittlere Durchmesser der Teilchen des restlichen Pulveranteils höchstens 100 um beträgt. Mit diesen Pulveranteilen kann im Sinne einer vorteilhaften —·- Optimierung berücksichtigt werden, daß zwar bei besonders feinen Pulvern die Sinterbedingungen zufolge einer Vergrößerung der Berührungsflächen zwischen den einzelnen Pulverteilchen und einer Verkleinerung 5 der verbleibenden Poren verbessert werden, daß aber mit sinkender Korngröße der Herstellungsäufwand für diese Pulver steigt.

Als Kohlenstoff kann ein Pulver aus Naturgraphit oder Elektrographit mit einem mittleren Durchmesser je Teilchen von höchstens 5 um eingesetzt werden, so daß die für die Carbidbildung erforderliche feine Verteilung des Kohlenstoffes erreicht werden kann. Der zusammen mit dem Kohlenstoff für den erfindungs-io gemäßen Effekt maßgebende Phosphorzusatz kann entweder als Ferrophosphor der Eisenschmelze beigegeben werden, um mit der Eisenschmelze im Gas- oder Wasserstrahl verdüst zu werden, oder dem legierten Eisenpulver als Ferrophosphorpulver zugemischt werden, wobei auf einen mittleren Durchmesser der Einzelteilchen kleiner als 10 um zu achten ist. Durch das Zumischen eines Ferrophosphorpulvers wird eine raschere Diffusion des Phosphors in die Eisenmatrix erzielt und damit die Bildung größerer Sekundär-15 poren durch den diffundierenden Phosphor verhindert.

Das Molybdän kann durch Wolfram als Carbidbildner ersetzt werden, wobei das mit Molybdän legierte Eisenpulver durch ein mit 12 Gew. % Wolfram legiertes Eisenpulver im Verhältnis 1 : 2 ersetzt wird. Der Legierungsanteil des Wolframs muß jedoch mit 12 Gew. % beschränkt bleiben, damit eine ausreichende Grünfestigkeit der Preßlinge sichergestellt werden kann. Neben dem bis zu 6 Gew. % mit Molybdän 20 legierten Eisenpulver kann die Pulvermischung aber auch 1 bis 2 Gew. % Wolframpulver enthalten, um eine weitere Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch Wolframcarbide zu erreichen.

Die Pulvermischung wird gegebenenfalls nach einem Granuliervorgang unter der Anwendung von Preßdrücken zwischen 700 und 800 MPa zu Formlingen mit einer Dichte zwischen 6,5 bis 6,6 g.cnrr3 verpreßt und anschließend einem Glühvorgang unterworfen, um einerseits den Formling von dem üblicher-25 weise aus Wachs bestehenden Gleitmittel zu befreien und anderseits eine Reduktion des Sauerstoffgehaltes auf maximal 1800 ppm zu erreichen. Dieser Glühvorgang kann vorzugsweise durch ein die Grünfestigkeit erhöhendes Vorsintern zwischen 850 und 950° C sichergestellt werden. Die Preßdichte soll dabei 6,7 g.m-3 nicht überschreiten, weil sonst das beim Sintern entstehende Kohlenmonoxid nicht entweichen kann und zur Blasenbildung führt. Eine Verringerung der Preßdichte unter 6,4 g.m-3 beeinträchtigt die erforderli-30 che Grünfestigkeit.

Beispiel:

Zur pulvermetallurgischen Herstellung der Nocken einer Nockenwelle wurde von einem wasserverdü-35 sten, mit 6 Gew. & Molybdän legierten Eisenpulver mit dendritischer Teilchenform ausgegangen, dessen Einzelteilchen einen mittleren Durchmesser von höchstens 75 lim aufwiesen, der mittlere Einzelteildurchmesser von 70 % dieser Teilchen jedoch kleiner als 50 um war. Nach der Verdüsung und einem Beduziervorgang unter einer Wasserstoff-Stickstoffatmosphäre konnte bei diesem Eisenpulver noch immer ein Sauerstoffgehalt von ca. 5000 ppm festgestellt werden. Dem Eisenpulver wurden bezogen auf das 40 Gewicht der Gesamtmischung zunächst 0,45 Gew. % Phosphor als sehr feinkörniges, 16%iges Ferrophosphorpulver mit einer mittleren Korngröße kleiner 10 um in einem Doppeikonusmischer (Mischzeit ca. 5 min.) zugemischt, bevor in einem weideren 5 minütigen Mischvorgang 1,85 Gew. % Kohlenstoff in Form eines feingemahlenen Naturgraphitpulvers mit einer mittleren Korngröße kleiner als 5 um beigefügt wurde. Vor dem anschließenden Preßvorgang wurde dieser Muttermischung 0,5 Gew. % eines Preßhilfsmittels 45 (Wachs) zugemischt und dann dieses Pulvergemisch unter einem Druck von 700 MPa zu Formteilen verpreßt, wobei eine Dichte von 6,5 g.m-3 erreicht wurde. Die Formteile wurden bei einer Temperatur von 950 · C unter einer Wasserstoff-Stickstoff-Schutzgasatmosphäre (Verhältnis Wasserstoff: Stickstoff = 1:3) -während einer Zeitspanne von 2 h reduziert, wonach ein Sauerstoffgehait von 1500 ppm und ein Kohlenstoffgehalt von 1,6 Gew. % ermittelt werden konnte. Zur Flüssigphasensinterung wurden die so so vorbehandelten Formteile in einen Vakuumofen bei einer Sintertemperatur von 1075” C gebracht, und zwar für eine Zeit von 2 h.

An Stelle eines Sinterns im Vakuumofen könnte auch eine Sinterung in einem Bandofen unter einer Schutzgasatmosphäre von Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis 1 : 5 sehr wirtschaftlich erfolgen.

Nach der Sinterung wiesen die Formteile eine Schrumpfung von ca. 7 % auf und erreichten 98 % ihrer 55 theoretischen Dichte. Die Härtemessungen ergaben eine Härte von HRC 42 ± 2. Es konnte eine sehr gleichmäßige Verteilung der Molybdäncarbide in der Eisenmatrix festgestellt werden, wobei die Carbide kugelige Form mit einem Durchmesser zwischen 3 und 7 um aufwiesen, was ein sehr gutes Verschleißverhalten mit sich brachte. Die verbliebenen Poren hatten ebenfalls kugelige Form mit einem maximalen 3

Claims (8)

1. AT 398 397 B Durchmesser von 50 um, wodurch eine hohe Dauerfestigkeit gewährleistet werden konnte. Für die dem Sintervorgang nachfolgende Härtebehandlung bieten sich mehrere Möglichkeiten an, nämlich eine Härtung in dem für die Sinterung eingesetzten Vakuumofen oder in einem Bandofen unter einer geregelten Atmosphäre oder eine Ölhärtung. Nach dem Härten besaßen die Formteile eine Härte von HRC 63 ± 1, die sich nach einer Anlaßbehandlung bei einer Temperatur von 550° C während einer Zeit von 2 h auf HRC 51 ± 1 verringerte. Die so hergestellten Nocken wiesen neben einer hohen Verschleißfestigkeit und einer hohen Dauerfestigkeit eine sehr gute Anlaßbeständigkeit auf. Da Carbide aus Molybdän- bzw. Wolframlegierungen grundsätzlich weniger aggressiv als beispielsweise Chromcarbide sind, ergibt sich im Mischreibungsbereich eine geringere Neigung zum Fressen und damit eine schonende Wirkung der Molybdän- und Wolframcarbide im Mischreibungsbereich. Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen zumindest der Verschleißschicht hochbelasteter Sinterteile, insbesondere für die Ventilsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Kohlenstoff enthaltende Pulvermischung auf der Basis von Eisenpulver, das mit wenigstens einem carbidbiidenden Element der Gruppe VI A des Periodensystems legiert ist, zu einem Formling verpreßt und dann mit flüssiger Phase gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung 3 bis 6 Gew. % Molybdän bzw. das Molybdän anteilig ersetzendes Wolfram oder entsprechende Anteile dieser Elemente als carbidbiidenden Legierungsbestandteil des Eisenpulvers sowie 1,5 bis 2,6 Gew. % Kohlenstoff und 0,4 bis 1,0 Gew. % Phosphor enthält und daß das Eisenpulver durch ein Verdüsen einer entsprechend legierten Eisenschmelze mit einem Gas- oder Wasserstrahl hergestellt wird, bevor es mit den übrigen Pulverbestandteilen vermischt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Herstellen des mit Molybdän legierten Eisenpulvers eine Eisenschmelze mit 1,0 Gew. % Mangan eingesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das legierte Eisenpulver mit dendritischer Teilchenform einen Anteil von wenigstens 70 Gew. % an Pulverteilchen mit einem mittleren Durchmesser je Teilchen kleiner als 50 um aufweist, während der mittlere Durchmesser je Teilchen des restlichen Pulveranteiles höchstens 100 um beträgt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoff ein Pulver aus Naturgraphit oder Elektrographit mit einem mittleren Duchmesser je Teilchen von höchstens 5 um eingesetzt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phosphor als Ferrophosphor der Eisenschmelze zugefügt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, -daß die Pulvermischung als Phosphor ein Ferrophosphorpulver mit einem mittleren Durchmesser je Teilchen kleiner als 12 um enthält.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Molybdän legierte Eisenpulver zumindest teilweise durch ein mit 12 Gew. % Wolfram legiertes Eisenpulver im Verhältnis 1 : 2 ersetzt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung 1 bis 2 Gew. % Wolframpulver enthält. 4