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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Teilchendispersions-Kupferlegierung,
in welcher Teilchen in einer aus einer Kupferlegierung zusammengesetzten
Matrix dispergiert sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben.
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In
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird das Verbrennungsgas
nach Maßgabe
der Vor- und Zurückbewegung
eines Kolbens in einer Zylinderbohrung erzeugt. Die Brennkraftmaschine
ist mit einer Auslassöffnung
versehen, um das Verbrennungsgas auszulassen. Die Auslassöffnung wird durch
ein Ventil geöffnet/geschlossen.
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Die
Auslassöffnung
ist mit einem Ventilsitz versehen, um gegenüber Verbrennungsgas abzudichten.
Das Ventil, welches nach Maßgabe
einer Öffnungs-/Schließbetätigung der
Auslassöffnung eine
Vorwärts-/Rückwärtsbewegung
ausführt,
gelangt in Gleitkontakt bzw. Anlage mit dem Ventilsitz. Es ist daher
wünschenswert,
dass der Ventilsitz von hervorragender Abriebsfestigkeit ist.
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Ein
aus einem gesinterten Material auf Fe-Basis hergestellter Sitz oder
ein aus einer selbstgehenden Legierung auf Kupferbasis hergestellter Sitz
wurden bislang als Ventilsitz eingesetzt. Ein solcher Ventilsitz
ist für
die Zylinderbohrung wie folgt eingerichtet. Im Falle des aus gesintertem
Material auf Fe-Basis hergestellten Sitzes wird ein ringförmiges Element
hergestellt und unter Druck hineingedrängt. Andererseits wird in dem
Fall eines aus selbstgehender Legierung auf Kupferbasis hergestellten
Sitzes eine Plattierung (oder Auffüllung) in der Nähe einer Öffnung der
Zylinderbohrung ausgeführt.
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In
den letzten Jahren hat der Umweltschutz hohe Aufmerksamkeit erlangt.
Es wurden daher der Ausstoß von
stärker
gesäubertem
Gas aus der Brennkraftmaschine sowie ein reduziertes Kraftstoffverbrauchsverhältnis angestrebt.
Im Zusammenhang mit solchen Versuchen wurde das Verhältnis von Kraftstoff
zu Luft reduziert, wenn Kraftstoff in der Brennkraftmaschine verbrannt
wurde. Mit anderen Worten wird der Kraftstoff mager. Wird jedoch
das oben beschriebene Verbrennungsverfahren ausgeführt, so
kommt es bei den bekannten Sitzen, die aus gesintertem Material
auf Fe-Basis oder aus selbstgehender Legierung auf Kupferbasis hergestellt
sind, in relativ kurzer Zeitdauer zu einem unerwünschten Verschleiß.
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Um
die Abriebfestigkeit beispielsweise des aus der selbstgehenden Legierung
auf Kupferbasis hergestellten Sitzes zu verbessern, ist es bevorzugt, harte
Teilchen in der selbstgehenden Legierung auf Kupferbasis zu dispergieren/zu
verteilen. Nach diesem Gesichtspunkt schlägt die
japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.
2001-105177 vor, dass ein Silicid mit einer dreidimensionalen
Laves-Struktur als harte Teilchen in einer selbstgehenden Legierung
auf Kupferbasis dispergiert werden.
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Im
Falle dieser Technik erstreckt sich der durchschnittliche Teilchendurchmesser
der harten Teilchen über
50 bis 200 μm.
In dem Fall der Teilchendispersions-Kupferlegierung, welche in der oben
beschriebenen Weise grobe Teilchen als die harten Teilchen enthält, wird
die Oberflächenrauhigkeit übermäßig erhöht. Wenn
das Ventil in Gleitkontakt bzw. Anlage gelangt, so kann die Reibungswärme im unerwünschten
Maße ansteigen.
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Andererseits
offenbart das
japanische Patent
Nr. 3373076 sowie die
japanische
Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-194462 die Tatsache,
dass ein Silicid von einer eine Kupferlegierung bildenden Komponente
kristallisiert oder abgeschieden wird und als harte Teilchen bereitgestellt
wird. Da jedoch in diesem Fall die harten Teilchen möglicherweise nicht
gleichmäßig dispergiert
sind, ist es schwierig, die Abriebsfestigkeit über den gesamten Sitz hinweg gleichmäßig zu gestalten.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer Teilchendispersions-Kupferlegierung
ist aus der
EP 0 320
195 A1 bekannt. In diesem herkömmlichen Verfahren wird eine
Kupferlegierung, welche Nickel, Silicium, Bor, Chrom sowie gegebenenfalls
ein Karbid sowie Wolfram enthält,
einer Erwärmung
durch einen Laserstrahl ausgesetzt, um ein Endprodukt mit relativ hoher
Verschleißfestigkeit
herzustellen. Zur weiteren Verstärkung
der Legierung sowie zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit
kann dem Kupferlegierungspulver ferner Eisen, Wolfram oder Molybdän zugegeben
werden.
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Eine
Teilchendispersions-Kupferlegierung zur Herstellung eines Ventilsitzes
eines Zylinderkopfs wird herkömmlich
ferner durch ein aus der
EP
1 120 472 B1 (
DE
699 09 812 T2 ) bekanntes Verfahren hergestellt. Zur Verbesserung
der Härte
bei Zimmertemperatur schlägt
das bekannte Verfahren vor, einem Kupferlegierungspulver 5 bis 15
Gewichtsprozent Kobalt zuzugeben. Weiterhin kann das Kupferlegierungspulver
in dem bekannten Verfahren Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen, Nickel,
Silicium, Aluminium oder Phosphor enthalten, wobei harte Teilchen
zur Verbesserung der Abriebsfestigkeit der Legierung zugefügt werden.
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Zur
weiteren Illustration des Stands der Technik betreffend die Herstellung
verschleißfester Kupferlegierungen
kann ferner auf die
WO 2005/059190
A1 verwiesen werden, in welcher ein Kupferlegierungspulver,
welches harte Karbidteilchen enthält, mit einer Korngröße zwischen
5 μm und 300 μm hergestellt
und durch einen Laserstrahl erhitzt wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen
einer Teilchendispersions-Kupferlegierung sowie eine mit diesem
Verfahren hergestellte Teilchendispersions-Kupferlegierung bereitzustellen,
welche hohe Abriebsfestigkeit sowie geringe Oberflächenrauigkeit
des Endprodukts ermöglicht,
wobei die harten Teilchen im Wesentlichen gleichmäßig in der
Teilchendispersions-Kupferlegierung dispergiert sind.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine nach diesem
Verfahren hergestellte Teilchendispersions-Kupferlegierung nach
Anspruch 7 gelöst.
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Die
durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte
Teilchendispersions-Kupferlegierung umfasst
Teilchen, die in einer aus einer Kupferlegierung zusammengesetzten
Matrix dispergiert sind, wobei die Teilchendispersions-Kupferlegierung 6
bis 15 Gewichtsprozent Co, 3 bis 8 Gewichtsprozent wenigstens eines
Elements aus Cr und Mo, 0,3 bis 1 Gewichtsprozent W, 0,5 bis 1,8
Gewichtsprozent Fe, 8 bis 15 Gewichtsprozent Ni, 0,08 bis 0,2 Gewichtsprozent
C, 1,5 bis 4 Gewichtsprozent Si, 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Al,
0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent P sowie unvermeidbare Verunreinigungen
und Cu als Rest enthält,
wobei die Teilchen einen mittleren Teilchendurchmesser von 8 bis
20 μm und
eine Teilchengrößen-Verteilungsbreite
von 0,1 bis 100 μm
aufweisen und ein durch die Teilchen in einem willkürlichen Querschnitt
eingenommener Flächenanteil
10 bis 20% beträgt.
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In
der vorliegenden Erfindung nehmen die Hartphasenteilchen in einem
beliebigen Querschnitt einen Flächenanteil
von 10 bis 20% ein. Das heißt, dass
die Hartphasenteilchen im Wesentlichen gleichmäßig in der Matrix dispergiert
sind. Die Härte
ist daher im Wesentlichen über
die gesamte Legierung hinweg gleichmäßig. Bei hoher Härte ist
die Abriebsfestigkeit ebenfalls hervorragend. Die Abriebsfestigkeit ist
somit über
die ganze Legierung hinweg zufriedenstellend und gleichmäßig.
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Da
ferner der mittlere Teilchendurchmesser und die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
innerhalb der vorbestimmten Bereiche liegen, wird außerdem eine
Zunahme der Oberflächenrauhigkeit
vermieden.
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Da
die Teilchen (harte Phase), welche die vorbestimmten Komponenten
bei dem vorbestimmten Zusammensetzungsverhältnis enthalten, in der Cu-Legierung dispergiert
sind und, wie oben beschrieben, der mittlere Teilchendurchmesser
der Teilchen, die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
sowie der in einem willkürlichen
Querschnitt eingenommene Flächenanteil
so eingestellt sind, dass sie innerhalb der vorbestimmten Bereiche
liegen, sind die Hartphasenteilchen, welche relativ fein und sehr
klein sind, im wesentlichen gleichmäßig in der Matrix dispergiert.
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Dementsprechend
ist es möglich,
eine Teilchendispersions-Kupferlegierung zu erhalten, welche eine
durchgehend zufriedenstellende und im Wesentlichen gleichmäßige Abriebsfestigkeit
aufweist.
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Ferner
wird in der vorliegenden Erfindung der durch die Teilchen eingenommene
Flächenanteil, verglichen
mit einer bekannten Teilchendispersions-Kupferlegierung, um ungefähr 10 bis
40% gesteigert. Wenn der durch die harten Teilchen eingenommene
Flächenanteil
wie oben beschrieben gesteigert wird, so wird die Abriebsfestigkeit
ebenfalls verbessert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Teilchendispersions-Kupferlegierung
bereitgestellt, umfassend Teilchen, die in einer aus einer Kupferlegierung
zusammengesetzten Matrix dispergiert sind, wobei in einem willkürlichen
Querschnitt ein durch die Teilchen eingenommener Flächenanteil
10 bis 20% beträgt,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Herstellen eines
gemischten Pulvers durch Mischen eines Cu-Legierungspulvers und
eines Co-Legierungspulvers bei einem Gewichtsverhältnis von Cu-Legierungspulver
zu Co-Legierungspulver von 99 bis 85:1 bis 15, wobei das Cu-Legierungspulver
eine Teilchengröße von 10
bis 150 μm
aufweist und 6 bis 12 Gewichtsprozent Ni, 2 bis 5 Gewichtsprozent
Si, 1 bis 10 Gewichtsprozent wenigstens eines Elements aus Cr und
Mo, 2 bis 10 Gewichtsprozent Co, 0,3 bis 1 Gewichtsprozent Al, 0,3
bis 1,2 Gewichtsprozent P, 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent Fe und unvermeidbare Verunreinigungen
sowie Cu als Rest enthält,
und wobei das Co-Legierungspulver
eine Teilchengröße von 10
bis 150 μm
aufweist und 20 bis 35 Gewichtsprozent wenigstens eines Elements
aus Cr und Mo, 1 bis 3 Gewichtsprozent Ni, 1 bis 2,5 Gewichtsprozent
Si, 3 bis 8 Gewichtsprozent W, 1 bis 3 Gewichtsprozent Fe, 0,8 bis
2 Gewichtsprozent C sowie unvermeidbare Verunreinigungen und Co
als Rest enthält;
und Erwärmen
des gemischten Pulvers durch einen Laser oder durch Plasma, um die
Teilchendispersions-Kupferlegierung herzustellen.
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Wenn
die oben beschriebenen Schritte durchgeführt werden, so ist es möglich, auf
leichte und einfache Weise die oben beschriebene Teilchendispersions-Kupferlegierung
zu erhalten. Da insbesondere Laser oder Plasma verwendet wird, welche in
das gemischte Pulver eindringen, so ist es möglich, die Auflösung des
gemischten Pulvers sowie die Matrixbildung des Cu-Legierungspulvers
auf einfache Weise fortschreitend zu lassen.
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Das
gemischte Pulver kann auf einem Metallelement erwärmt werden.
In diesem Verfahren wird die Teilchendispersions-Kupferlegierung
in einem Zustand ausgebildet, in welchem sie mit dem Metallelement
verbunden ist. Mit anderen Worten wird ein plattierter Abschnitt
ausgebildet.
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Das
Material des Metallelements ist nicht speziell beschränkt, kann
jedoch als bevorzugtes Beispiel eine Al-Legierung sein.
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Die
vorstehenden sowie andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden nun durch die Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
verdeutlicht.
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1 ist
eine vergrößerte Schnittansicht, welche
wesentliche Bereiche illustriert, um einen Zustand zu zeigen, in
welchem ein plattierter Abschnitt, aufgebaut aus einer Teilchendispersions-Kupferlegierung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, an einem vertieften Abschnitt eines Al-Legierungselements
vorgesehen ist.
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2 ist
eine SEM-Fotografie, welche den plattierten Abschnitt von Beispiel
1 illustriert.
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3 ist
eine SEM-Fotografie, welche den plattierten Abschnitt eines Vergleichsbeispiels
1 illustriert.
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Nachfolgend
wird die Teilchendispersions-Kupferlegierung sowie das Verfahren
zum Herstellen derselben gemäß der vorliegenden
Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die vorstehend angegebenen Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht, welche
Hauptbereiche illustriert, um einen Zustand zu zeigen, in welchem
ein plattierter Abschnitt 14 an einem vertieften Abschnitt 12 eines
Al-Legierungselements 10 vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform
ist der plattierte Abschnitt 14 aus einer Teilchendispersions-Kupferlegierung
gebildet.
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Der
vertiefte Abschnitt 12 ist als ringförmiger Stufenabschnitt vorgesehen,
so dass der Durchmesser in der Nähe
der Öffnung
eines Durchgangslochs 16 erweitert ist. In dieser Anordnung
weist somit der plattierte Abschnitt 14 eine ringförmige Gestalt
auf.
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Teilchen
als harte Phase sind im Wesentlichen gleichmäßig in einer Cu-Legierung als Matrix
in dem plattierten Abschnitt 14, d. h. in der Teilchendispersions-Kupferlegierung
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, dispergiert. Das heißt, dass der plattierte Abschnitt 14 durch
die Teilchen eine hohe Härte
aufweist. Die Teilchen sind prinzipiell aus Cr2C3 aufgebaut. Teilchen aus beispielsweise
anderen Carbiden, Legierungen und Siliciden/Siliziumverbindungen/Siliziummetallverbindungen
sind ebenfalls vorhanden.
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Die
Komponenten des plattierten Abschnitts 14 und deren Anteile
betragen 6 bis 15 Gewichtsprozent Co, 3 bis 8 Gewichtsprozent wenigstens
eines Elements aus Cr und Mo, 0,3 bis 1 Gewichtsprozent W, 0,5 bis
1,8 Gewichtsprozent Fe, 8 bis 15 Gewichtsprozent Ni, 0,08 bis 0,2
Gewichtsprozent C, 1,5 bis 4 Gewichtsprozent Si, 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent
Al und 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent P, wobei der Rest unvermeidbare
Verunreinigungen sowie Cu enthält.
Das heißt,
das Zusammensetzungsverhältnis von
Cr repräsentiert
beispielsweise nicht nur die Zusammensetzung der Matrix, sondern
auch in der Matrix und allen Teilchen. Das Gleiche gilt für die anderen
der oben beschriebenen Komponenten.
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Cr
oder Mo oder die Kombination daraus kann enthalten sein. Sind beide
enthalten, so kann die Gesamtsumme aus Mo und Cr insgesamt 3 bis
8 Gewichtsprozent betragen. Vorzugsweise beträgt Mo 0,3 bis 1 Gewichtsprozent
und der Rest ist Cr.
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Co
dient als die Komponente zur Kernbildung zur Ablagerung der harten
Phase (Teilchen). Liegt Co unterhalb von 6%, so ist der Effekt der
Verbesserung der Härte
gering, da die Teilchen übermäßig fein
und winzig sind. Übersteigt
dagegen Co 15%, so wird die Härte übermäßig gesteigert,
da die Teilchen übermäßig grob
werden. Ein Element, welches in Gleitkontakt bzw. in Anlage mit
dem plattierten Abschnitt 14 gelangt, ist somit schnell
abgerieben. Während
des Plattierens kann ein Riss/Bruch auftreten.
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Cr
oder Mo liegen prinzipiell in einem Carbid-Zustand vor, und zwar
im Ergebnis der Reaktion mit T, was als Kernbildung zur Ablagerung
der harten Phase in gleicher Weise wie Co dient. Cr und Mo verbessern
einzig die Wärmebeständigkeit
und die Abriebsfestigkeit des plattierten Abschnitts 14.
Liegt Cr oder Mo unterhalb von 3 Gewichtsprozent, so wird ein ausreichender
Effekt nicht erhalten. Übersteigt dagegen
Cr oder Mo 8 Gewichtsprozent, so treten in dem plattierten Abschnitt 14 während des
Plattierens tendenziell Haarrisse auf. Ferner tendiert der Dispersionszustand
der Hartphasenteilchen leicht dazu, ungleichmäßig zu werden.
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W
verbessert die Abriebsfestigkeit des plattierten Abschnitts 14 und
unterdrückt
Haarrisse. Liegt W unterhalb 0,3 Gewichtsprozent, so ist es schwierig, diese
Wirkungen zu erreichen. Überschreitet
dagegen W 1 Gewichtsprozent, so ist die Verteilung der Hartphasenteilchen
tendenziell ungleichmäßig.
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Fe
ist eine Komponente, welche den Teilchen eine hohe Härte verleiht.
Insbesondere wenn Fe eine Ferrolegierung bildet, so ist dieser Effekt
hervorragend. Da Fe relativ billig ist, ist es möglich, die Härte des
plattierten Abschnitts 14 bei geringen Kosten zu verbessern.
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Ni
ist eine Komponente, welche die selbstgehende Eigenschaft während des
Plattierens sowie Adhäsionsverschleiß eines
in Gleitkontakt bzw. Anlage mit dem plattierten Abschnitt 14 gelangenden
Elements beeinflusst. Das heißt,
dass dann, wenn der Gesamtanteil von Ni in dem Cu-Legierungspulver und
dem Co-Legierungspulver, welche später beschrieben werden, geringer
ist als 8 Gewichtsprozent, die selbstgehenden Eigenschaften beider
Legierungspulver während
des Plattierens unzureichend sind. Übersteigt dagegen Ni 15 Gewichtsprozent,
so ist es für
ein Element, beispielsweise ein Ventil, welches in Gleitkontakt
bzw. Anlage mit dem plattierten Abschnitt 14 gelangt, wahrscheinlich,
Adhäsionsverschleiß zu verursachen.
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C
bildet ein Carbid zusammen mit einem Teil von Cr oder Mo und somit
liegt C als abgelagerte Hartteilchen vor. Das heißt, dass
C zur Steigerung der Härte
des plattierten Abschnitts 14 beiträgt und dementsprechend zur
Verbesserung der Abriebsfestigkeit beiträgt. Wenn C nicht mehr als 0,08
Gewichtsprozent beträgt,
so ist diese Wirkung unzureichend.
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Wenn
C zwei Gewichtsprozent übersteigt,
so tendiert das Element, welches in Gleitkontakt bzw. Anlage mit
dem plattierten Abschnitt 14 gelangt, zum Abrieb, da die
Härte des
plattierten Abschnitts 14 übermäßig ansteigt.
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Si
dient zur Ausprägung
der selbstgehenden Eigenschaft. Ferner liegt ein Teil des Si als
ein Silicid vor und verleiht dem plattierten Abschnitt 14 eine hohe
Härte.
Liegt Si unterhalb von 1,5 Gewichtsprozent, so ist die selbstgehende
Eigenschaft nicht ausreichend ausgeprägt und der Anteil an Silicid
ist unzureichend. Wenn andererseits Si 4 Gewichtsprozent übersteigt,
so treten während
des Kühlens
nach dem Plattieren tendenziell Haarrisse auf, da ein Korngrenzen-Ablagerungsbetrag
des Silicids übermäßig ansteigt.
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Al
ist eine Komponente zur Ausprägung
der selbstgehenden Eigenschaft. Ferner trägt Al zur Steigerung der Härte des
plattierten Abschnitts 14 bei. Liegt Al unterhalb von 0,5
Gewichtsprozent, so ist die Härte
des plattierten Abschnitts 14 unzureichend. Wenn andererseits
Al 0,8 Gewichtsprozent übersteigt,
so treten in dem plattierten Abschnitt 14 tendenziell Haarrisse
auf.
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P
ist eine Komponente, welche die Viskosität des geschmolzenen Metalls
verringert, wenn ein Legierungspulver hergestellt wird, so dass
ein atomisiertes/zerstäubtes
Pulver auf leichte Weise gebildet wird. Das heißt, P übt die Funktion eines so genannten
Flussmittels aus, welches die Legierungsoberfläche reduziert und den Schmelzpunkt
des Oxids herabsetzt. Liegt P unterhalb 0,1 Gewichtsprozent, so
ist diese Wirkung unzureichend. Wenn andererseits P 0,3 Gewichtsprozent übersteigt,
so können
während der
Verfestigung Risse verursacht werden. P ist außerdem eine Komponente zur
Ausprägung
der selbstgehenden Eigenschaft.
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In
dem oben beschriebenen plattierten Abschnitt 14 ist der
mittlere Teilchendurchmesser der harten Teilchen auf einen Wert
im Bereich von 8 bis 20 μm
gesetzt. Ihre Teilchengrößen-Verteilungsbreite liegt
bei 0,1 bis 100 μm.
Wenn der mittlere Teilchendurchmesser und die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
innerhalb der oben beschriebenen Bereiche festgelegt sind, so wird
auch die Oberflächenrauhigkeit
des plattierten Abschnitts 14 ebenfalls reduziert. Daher
ist es möglich,
einen Abrieb des in Gleitkontakt bzw. Anlage mit dem plattierten
Abschnitt 14 gelangenden Elements zu unterdrücken.
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Liegt
die Teilchengröße unterhalb
von 0,1 μm,
so wird die Abriebsfestigkeit des plattierten Abschnitts 14 nicht
so stark verbessert, obwohl es notwendig ist, einen feinen und sehr
kleinen Teilchendurchmesser für
das Ausgangsrohmaterial zu verwenden, was im Hinblick auf die Kosten
unvorteilhaft ist. Wenn andererseits die Teilchengröße größer als 100 μm ist, so
werden die harten Abschnitte, die von den Teilchen herrühren, in
dem plattierten Abschnitt 14 intermittierend ausgebildet
und die harten Abschnitte gehen in weiche Abschnitte über, die
von der Matrix herrühren.
Wenn daher beispielsweise eine Schneideverarbeitung an dem plattierten
Abschnitt 14 ausgeführt
wird, so tritt an dem Schneidwerkzeug eine Vibration auf.
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Nimmt
man an, dass die Fläche
eines willkürlichen
Querschnitts des plattierten Abschnitts 14 100% entspricht,
so entspricht die durch die Teilchen eingenommene Fläche 10 bis
20%.
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In
dem Fall einer allgemeinen Teilchendispersions-Kupferlegierung,
in welcher, wie oben beschrieben, die Co-Legierungsteilchen in der
selbstgehenden Cu-Legierung dispergiert sind, so beträgt der mittlere Teilchendurchmesser
der Teilchen ungefähr
300 μm,
die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
ist groß und
die Teilchen sind ungleichmäßig dispergiert.
Die eingenommene Fläche
der Teilchen in einem willkürlichen
Querschnitt liegt typischerweise bei ungefähr 13%. Der Wert ist jedoch
für unterschiedliche
Querschnitte ebenfalls unterschiedlich. Der Wert kann unterhalb
von 10% oder oberhalb von 20% liegen. Das heißt, dass selbst in dem Fall
der gleichen/gleichartigen Teilchendispersions-Kupferlegierung die
eingenommene Fläche
der Teilchen in Abhängigkeit
vom Querschnitt variiert und sich stark verändert.
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Wie
aus dem Vorstehenden deutlich zu erkennen ist, sind in dem Fall
der Teilchendispersions-Kupferlegierung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung die Hartphasenteilchen im Wesentlichen gleichmäßig dispergiert.
Ferner sind der mittlere Teilchendurchmesser und die Teilchengrößen-Verteilungsbereiche
der Hartphasenteilchen verglichen mit der allgemeinen Teilchendispersions-Kupferlegierung
bemerkenswert gering. Die durch die Teilchen eingenommene Fläche in einem beliebigen
Querschnitt liegt ferner innerhalb des konstanten Bereichs. Die
bemerkenswert hervorragende Abriebsfestigkeit ist daher im Wesentlichen
gleichmäßig ausgeprägt, unabhängig von
den Bereichen in der Teilchendispersions-Kupferlegierung gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, d. h. in dem plattierten Abschnitt 14.
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Der
plattierte Abschnitt 14 kann wie folgt bereitgestellt werden.
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Zunächst wird
ein Al-Legierungselement 10 hergestellt. Wird als das Al-Legierungselement 10 ein
Element mit einer komplizierten Form, wie etwa ein Zylinderkopf,
verwendet, so kann dieser beispielsweise durch Gießen gebildet
werden.
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Ein
Pulver zur Bildung einer Matrix (Cu-Legierung), d. h. ein Cu-Legierungspulver,
welches 6 bis 12 Gewichtsprozent Ni, 2 bis 5 Gewichtsprozent Si,
1 bis 10 Gewichtsprozent wenigstens eines Elements aus Cr und Mo,
2 bis 10 Gewichtsprozent Co, 0,3 bis 1 Gewichtsprozent Al, 0,3 bis
1,2 Gewichtsprozent P, 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent Fe sowie unvermeidbare
Verunreinigungen und Cu als Rest enthält, wird beispielsweise durch
das Zerstäubungsverfahren
bzw. Pulverisierungsverfahren hergestellt. In diesem Fall wird die
Härte der
Matrix dank des Vorhandenseins von Al verbessert und die selbstgehende
Eigenschaft ist ebenfalls zufriedenstellend. Dank des Vorhandenseins
von P wird die Metalloberfläche reduziert,
wenn das Zerstäubungsverfahren
bzw. Pulverisierungsverfahren ausgeführt wird, der Schmelzpunkt
des Oxids wird herabgesetzt, um die Viskosität des geschmolzenen Metalls
zu reduzieren, und ein atomisiertes/zerstäubtes Pulver wird auf einfache
Weise erhalten. Ferner wirkt auch P ebenfalls als ein selbstgehendes
Element.
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Das
Pulver der Cu-Legierung wird unter Beibehaltung der Teilchengrößen-Verteilungsbreite
innerhalb des Bereichs von 10 bis 150 μm hergestellt. Ist die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
geringer als 10 μm,
so wird die Energiemenge verringert, wenn der Laser, wie später beschrieben,
durch das Pulver hindurchtritt. Im Ergebnis wird die Menge an Wärme, die
auf das Al-Legierungselement 10 übertragen wird, reduziert.
Somit ist das Fortschreiten der Ablagerung auf dem Al-Legierungselement 10 erschwert. Ist
andererseits die Teilchengrößen-Verteilungsbreite größer als
150 μm,
so nehmen der mittlere Teilchendurchmesser und die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
der Hartphasenteilchen zu, da das Kornwachstum der Hartphasenteilchen übermäßig voranschreitet.
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Andererseits
wird ein Pulver der Co-Legierung, welche die Hartphasenteilchen
bilden soll, hergestellt. Das heißt, ein gemischtes Pulver aus
20 bis 35 Gewichtsprozent von wenigstens einem Element aus Cr und
Mo, 1 bis 3 Gewichtsprozent Ni, 1 bis 2,5 Gewichtsprozent Si, 3
bis 8 Gewichtsprozent W, 1 bis 3 Gewichtsprozent Fe, 0,8 bis 2 Gewichtsprozent
C und unvermeidbare Verunreinigungen sowie Co als Rest wird hergestellt
und es wird dann das Zerstäubungsverfahren
bzw. Pulverisierungsverfahren in gleicher Weise wie bei dem Cu-Legierungspulver
mit dem so hergestellten gemischten Pulver ausgeführt, um
Co-Legierungspulver zu erhalten.
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Das
Co-Legierungspulver wird unter Erhalt der Teilchengrößen-Verteilungsbreite
von 10 bis 100 μm
hergestellt. Liegt die Teilchengrößen-Verteilungsbreite unterhalb 10 μm, so tritt
der Laser kaum durch das Pulver hindurch, wie später beschrieben wird, und somit
ist es schwierig, das Pulver zu schmelzen. Die Ablagerung auf dem
Al-Legierungselement 10 schreitet somit kaum voran. Ist
andererseits die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
größer als
100 μm,
so schreitet das Kornwachstum der Hartphasenteilchen übermäßig voran.
In der Folge nehmen der mittlere Teilchendurchmesser und die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
der Hartphasenteilchen zu.
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Danach
werden das wie oben beschrieben erhaltene Co-Legierungspulver und
das Cu-Legierungspulver miteinander gemischt, um ein gemischtes
Pulver herzustellen. In dieser Prozedur beträgt das Mischungsverhältnis (Co-Legierungspulver):(Cu-Legierungspulver)
= 1 bis 15:99 bis 85 im Gewichtsverhältnis. Mit dem vorstehend beschriebenen
Verhältnis
wird der plattierte Abschnitt 14 gebildet, welcher 6 bis
15 Gewichtsprozent Co, 3 bis 8 Gewichtsprozent wenigstens eines
Elements aus Cr und Mo, 0,3 bis 1 Gewichtsprozent W 0,5 bis 1,8
Gewichtsprozent Fe, 8 bis 15 Gewichtsprozent Ni, 0,08 bis 0,2 Gewichtsprozent
C, 1,5 bis 4 Gewichtsprozent Si, 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Al,
0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent P sowie unvermeidbare Verunreinigungen
und Cu als Rest enthält.
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Danach
wird das gemischte Pulver in den vertieften Abschnitt 12 des
Al-Legierungselements 10 eingebracht
und dann durch Laser oder Plasma erwärmt.
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Da
die Teilchengröße des gemischten
Pulvers wie vorstehend beschrieben vorgegeben ist, tritt der Laser
leicht durch das gemischte Pulver.
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Dementsprechend
wird das gemischte Pulver ausreichend erwärmt. In der Folge wird es geschmolzen
und lagert sich auf dem Al-Legierungselement 10 ab, um
den plattierten Abschnitt 14 zu bilden. Haarrisse in dem
plattierten Abschnitt 14 werden aufgrund der wie vorstehend
beschrieben festgelegten Komponenten und Zusammensetzungsverhältnisse
des gemischten Pulvers vermieden.
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In
dem plattierten Abschnitt 14 werden die Hartphasenteilchen,
für welche
der mittlere Teilchendurchmesser 8 bis 20 μm beträgt und die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
0,1 bis 100 μm
beträgt,
im Wesentlichen gleichmäßig während des
Vorgangs der Ablagerung dispergiert. Ferner werden die aus Cr und
C in der Co-Legierung gebildeten Carbide sowie die aus der Si-Quelle
resultierenden Silicide abgelagert. Darüber hinaus beträgt der Flächenanteil
der Hartphasenteilchen in einem willkürlichen Querschnitt 10 bis
20%.
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Wenn
die Hartphasenteilchen, wie oben beschrieben, im Wesentlichen gleichmäßig dispergiert sind,
so weist der plattierte Abschnitt 14 eine über den
gesamten plattierten Abschnitt hinweg im Wesentlichen gleichmäßige hohe
Härte auf.
Da ferner der Flächenanteil
der Hartphasenteilchen groß ist, wird
die Abriebsfestigkeit gesteigert und es ergibt sich eine hervorragende
Oxidationsbeständigkeit, was
zu einem bemerkenswert reduzierten Abrieb selbst bei einer hohen
Temperatur führt.
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Die
Teilchendispersions-Kupferlegierung dieses Typs ist vorzugsweise
als Material für
ein Element, wie etwa ein Ventilsitz, verwendbar, welches Abriebsfestigkeit
erfordert.
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Wenngleich
in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Teilchendispersions-Kupferlegierung
an dem vertieften Abschnitt 12 des Al-Legierungselements 10 ausgebildet
ist, so ist diese jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann an irgendeinem
anderen Metallelement ausgebildet sein.
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Es
ist nicht notwendig, die Teilchendispersions-Kupferlegierung als
plattierten Abschnitt 14 auf dem Metallelement bereitzustellen.
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Beispiele 1 bis 3
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Ein
Pulver aus einer selbstgehenden Cu-Legierung, welches 8 bis 10 Gewichtsprozent
Ni, 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent Si, 4 bis 5 Gewichtsprozent Cr, 2
bis 3 Gewichtsprozent Co, 0,5 bis 1 Gewichtsprozent Mo, 0,5 bis
0,9 Gewichtsprozent Al, 0,7 bis 1,2 Gewichtsprozent Fe sowie unvermeidbare
Verunreinigungen und Cu als Rest enthielt, wurde durch das Zerstäubungsverfahren
bzw. Pulverisierungsverfahren unter Beibehaltung der Teilchengrößen-Verteilungsbreite
im Bereich von 10 bis 150 μm
hergestellt.
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Andererseits
wurde ein Pulver einer Co-Legierung, welche 23 bis 28 Gewichtsprozent
Cr, 1,5 bis 2 Gewichtsprozent Ni, 2 bis 2,3 Gewichtsprozent Si,
3,5 bis 4,5 Gewichtsprozent W, 1,2 bis 1,5 Gewichtsprozent Fe, 0,8
bis 1,2 Gewichtsprozent Mo, 1,4 bis 1,6 Gewichtsprozent C und unvermeidbare Verunreinigungen
und Co als Rest enthielt, mittels des Zerstäubungsverfahrens bzw. Pulverisierungsverfahrens
unter Beibehaltung der Teilchengrößen-Verteilungsbreite im Bereich
von 10 bis 100 μm hergestellt.
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Das
vorstehend beschriebene Pulver aus dem selbstgehenden Cu-Legierungspulver
und das Pulver aus der Co-Legierung wurden im Gewichtsverhältnis von
(selbstgehendes Cu-Legierungspulver):(Co-Legierung) = 95:5, 90:10 und 85:15 gemischt,
um drei Typen von gemischten Pulvern zu erhalten.
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Jedes
der gemischten Pulver wurde einzeln an dem vertieften Abschnitt 12 abgelagert,
der in der Nähe
der Öffnung
des Durchgangslochs 16 des Al-Legierungselements 10 vorgesehen
ist, um den plattierten Abschnitt 14 mit einer Dicke von
2,5 mm bereitzustellen. Die erhaltenen Proben wurden jeweils als
Beispiele 1 bis 3 bezeichnet.
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Durch
ein Elektronenmikroskop (SEM) wurden willkürliche Querschnitte der plattierten
Abschnitte 14 der Beispiele 1 bis 3 erhalten. 2 zeigt
eine SEM-Fotografie des plattierten Abschnitts 14 von Beispiel
1. Im Wesentlichen kreisförmige
Bereiche, die in 2 visuell erkennbar sind, sind
abgelagerte Hartphasenteilchen. Als Ergebnis der SEM-Untersuchung
betrug der mittlere Teilchendurchmesser der Hartphasenteilchen 10 μm und die
Teilchengrößen-Verteilungsbreite
betrug 0,1 bis 100 μm
für alle plattierten
Abschnitte 14.
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Der
durch die Hartphasenteilchen eingenommene Flächenanteil, welcher durch Binärwertumwandlung
für willkürliche Querschnitte
der jeweiligen plattierten Abschnitte 14 bestimmt wurde,
betrug jeweils 10,6%, 15,2% bzw. 19,1%.
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Zum
Vergleich wurde ein plattierter Abschnitt durch Verwendung von nur
der selbstgehenden Cu-Legierung bereitgestellt. Dieses Beispiel
wurde als Vergleichsbeispiel 1 bezeichnet. Eine SEM-Fotografie davon
ist in 3 gezeigt. Wie aus 3 deutlich
zu erkennen ist, ist die Existenz der abgelagerten Teilchen in dem
plattierten Abschnitt, der nur aus der selbstgehenden Cu-Legierung
aufgebaut ist, kaum zu erkennen.
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Ungefähr 10 Gewichtsprozent
der Co-Legierung wurde der selbstgehenden Cu-Legierung hinzugefügt, um eine
Legierung zu bilden, und zwar durch das Zerstäubungsverfahren bzw. Pulverisierungsverfahren.
Dieses Legierungspulver wurde dazu verwendet, einen plattierten
Abschnitt bereitzustellen. Dieses Beispiel wird als Vergleichsbeispiel
2 bezeichnet.
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Im
Vergleichsbeispiel 2 war der durchschnittliche Teilchendurchmesser
extrem groß,
d. h. 300 μm,
und die Teilchengrößen-Verteilungsbreite
war ebenfalls groß,
wenngleich die Dispersion der Hartphasenteilchen festgestellt wurde.
Ferner betrug der Flächenanteil
der harten Phase in einem willkürlichen Querschnitt
im Mittel 13%, war jedoch in Abhängigkeit
vom Querschnitt stark unterschiedlich. Das bedeutet, dass die Dispersion
der Hartphasenteilchen ungleichmäßig ist.
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Für die jeweiligen
plattierten Abschnitte der Beispiele 1 und 2 sowie der Vergleichsbeispiele
1 bis 2, wie sie oben beschrieben wurden, wurde ein Abriebsfestigkeitstest
durchgeführt.
Das heißt,
ein Ventil, welches mit einer Nockenwelle verbunden war, wurde in
das Durchgangsloch 16 des Al-Legierungselements 10 eingeführt. Das
Ventil bewegt sich durch die Rotation der Nockenwelle vorwärts/rückwärts, während das
Ventil und der plattierte Abschnitt mit einem Gasbrenner erwärmt wurden,
so dass es zu einem Gleitkontakt bzw. Anlage zwischen dem Ventil und
dem plattierten Abschnitt kam. Der Brenner wurde beim theoretischen
Luft-Kraftstoff-Verhältnis (14,7)
betrieben und die Nockenwelle wurde mit 3000 Umdrehungen pro Minute
gedreht. Im Ergebnis betrugen die Abriebsbeträge 140 μm und 70 μm in den Vergleichsbeispielen
1 bzw. 2. Im Gegensatz dazu waren die Abriebsbeträge in den
Beispielen 1 bzw. 2 extrem klein, d. h. 45 μm und 30 μm.
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Wie
aus den Ergebnissen deutlich ist, wird durch die Verwendung eines
gemischten Pulvers aus dem Cu-Legierungspulver und dem Co-Legierungspulver
mit den vorbestimmten Teilchengrößen die Teilchendispersions-Kupferlegierung
erhalten, welche eine hervorragende Abriebsfestigkeit aufweist.
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Hartphasenteilchen,
einschließlich
Co-Legierungsteilchen, Carbid-Legierungsteilchen
und Silcidteilchen, sind im Wesentlichen gleichmäßig über eine Matrix hinweg dispergiert,
die aus einer selbstgehenden Cu-Legierung
eines plattierten Abschnitts 14 zusammengesetzt ist. Der
plattierte Abschnitt 14 enthält 6 bis 15 Gewichtsprozent
Co, 3 bis 8 Gewichtsprozent eines Elements aus Cr und Mo, 0,3 bis 1
Gewichtsprozent W, 0,5 bis 1,8 Gewichtsprozent Fe, 8 bis 15 Gewichtsprozent
Ni, 0,08 bis 0,2 Gewichtsprozent C, 1,5 bis 4 Gewichtsprozent Si,
0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Al und 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent P
sowie unvermeidbare Verunreinigungen und Cu als Rest. Die Hartphasenteilchen
weisen einen mittleren Teilchendurchmesser von 8 bis 20 μm und eine
Teilchengrößen Verteilungsbreite
von 0,1 bis 100 μm
auf und nehmen in einem willkürlichen Querschnitt
des plattierten Abschnitts 14 10 bis 20% ein.