DE102010035293A1

DE102010035293A1 - Formteil und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102010035293A1
Application number: DE102010035293A
Authority: DE
Inventors: Klaus Czerwinski
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH; BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sinterformteil bestehend aus 0,2–0,7 Gew.-% C, 13–19 Gew.-% Cr, 5–19 Gew.-% Ni, 1–3 Gew.-% Mo, 0–2 Gew.-% Mn, 0–5 Gew.-% Si, 0–3 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Co, Ti, Nb, V, W, 0–0,2 Gew.-% S und Fe einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen als Rest. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteils, sowie dessen Verwendung in einem Abgasturbolader.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formteil, ein Verfahren zur Herstellung desselben und die Verwendung eines Formteils.
Verbrennungsmotoren, insbesondere im Hochleistungsbereich sind in der Regel mit einem Abgasturbolader ausgestattet, mittels dem hohe Drehmomente und somit höhere Motorleistungen erzielt werden. Die Wärme- und Bewegungsenergie der Motorabgase werden dabei genutzt, um eine Abgasturbine eines Turboladers anzutreiben.
An sämtliche Formteile eines Abgasturboladers, insbesondere aber an den Leitschaufelträger, die Lagerbuchsen und Verstellringe, werden hohe Materialanforderungen gestellt. Demgemäß müssen die Formteile eine hohe Zeitstandsfestigkeit und Kriechbeständigkeit aufweisen und thermisch hoch beanspruchbar sein.
Die DE 10 2004 062 564 A1 offenbart ein Formteil eines Turboladers, nämlich einen Schaufellagerring, mit einem hohen Kriechwiderstand und einer hohen Festigkeit bei Temperaturen von oberhalb 850°C, bestehend aus einer austenitischen Eisenmatrix-Legierung mit einem Schwefelanteil zur Erzielung einer Festschmierstoffwirkung an seinen Lagerflächen, und einen Anteil von 1–6 Gew.-% eines Legierungselementes oder mehrerer dieser Elemente wie Wolfram (W), Cobald (Co), Niob (Nb), Rhenium (Re), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Vanadium (V), Hafnium (Hf), Yttrium (Y), Zirconium (Zr) oder dergleichen.
Die Formteile, insbesondere Lagerringe, Leitschaufelträger, Hohlwellen und dergleichen, werden im Schleuderguss aus dem austenitischen Werkstoff hergestellt, der aus Verschleiß- und Zeitstandsfestigkeitsgründen mit den Karbiden der Legierungselemente verfestigt ist.
Bei den handelsüblichen Schleudergussvorrichtungen für den Feinguss, ist eine Hohlgussform vorhanden, die um eine außerhalb der Hohlgussform liegende Rotationsachse in einem bestimmten Abstand rotiert. Hierfür sind massive mechanische Aufbauten erforderlich, um die Fliehkräfte abzufangen und die Unwucht, die von der rotierenden Masse der Hohlgussform und der Masse des Gusswerkstoffes herrührt, zu kompensieren.
Schließlich liegt nach dem Schleudergießen und Entformen ein Schleudergussrohling vor, der einer weiteren Bearbeitung bedarf. Insbesondere müssen mittels spanender Technik, oberflächennahe Verunreinigungen durch Schlackenbildung entfernt werden. Wenn ein leicht konisches Formteil aus einer einstöckigen zylindrischen Kokille zu entfernen ist, muss zudem sehr viel Material an der Außen- aber auch an der Innenseite entfernt werden, da sämtliche äußeren Profilierungen, insbesondere Hinterschneidungen nicht anders hergestellt werden können. Die spanende Nacharbeit der im Schleudergussverfahren gefertigten Formteile ist, aufgrund des Materialverlusts und eines erhöhten Werkzeugseinsatzes ein wesentlicher Kostenfaktor bei der Herstellung. Zudem sind die Schleudergussvorrichtungen teuer in der Anschaffung und im Unterhalt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und insbesondere den Arbeits- und Kostenaufwand bei der Herstellung von thermisch hochbelasteten Formteilen, insbesondere von Leitschaufelträger, deutlich zu verringern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, thermisch hochbelastete Formteile, insbesondere Leitschaufelträger, Lagerbuchsen oder Verstellringe, nicht länger als Schleudergussrohlinge sondern als Formteile durch Sintern, nachfolgend als Sinterformteile bezeichnet, herzustellen. Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der Sinterformteile über ein bei Sintertemperatur karbidarmes Gefüge, wodurch die Formteile erst die geforderten Eigenschaften, insbesondere die hohe Zeitstandsfestigkeit bei Temperaturen von > 600°C erhalten, da dadurch ein vorteilhaftes Kornwachstum, insbesondere ein grobes Korn einstellbar ist. Unter karbidarmem Gefüge wird im Rahmen dieser Erfindung ein Gefüge bei Sintertemperatur verstanden, das einen Karbidanteil bevorzugt von < 1 Gew.-% und besonders bevorzugt von < 0,5 Gew.-% aufweist.
Die erfindungsgemäßen Sinterformteile sind durch eine gezielte Temperaturführung während der Herstellung, insbesondere während des eigentlichen Sinterns und der anschließenden Abkühlung erhältlich. Zunächst muss ein nahezu karbidfreies Gefüge bei einer Temperatur knapp unterhalb der Flüssigphasenbildung vorliegen, was ein vorteilhaftes Kornwachstum bedingt. Durch ein grobes Korn wird eine minimale Kriechgeschwindigkeit durch die Reduktion des Korngrenzgleit-Anteils erreicht. Lägen hingegen bei der Sintertemperatur aufgrund der Legierungszusammensetzung Karbide vor, werden diese an den Korngrenzen ausgeschieden. Diese sog. Kornfeinung erhöht zwar die Festigkeit der Sinterformteile bei Raumtemperatur (Hall-Petch-Beziehung), und reduziert die Kriechrissgefahr, vermindert jedoch auch deren Kriechbeständigkeit.
Die für die Verschleißbeständigkeit und Zeitstandsfestigkeit notwendigen Karbide, die zu einem erfindungsgemäßen Sinterformteil führen, werden durch eine gezielte Temperaturführung nach dem eigentlichen Sintern, d. h. während der Abkühlphase ausgeschieden.
Die Sinterformteile gemäß der Erfindung bestehen aus 0,2–0,7 Gew.-% C, 13–19 Gew.-% Cr, 0,5–19 Gew.-% Ni, 1–3 Gew.-% Mo, 0–2 Gew.-% Mn, 0–5 Gew.-% Si, 0–3 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Co, Ti, Nb, V, W, 0–0,2 Gew.-% S und Fe einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen als Rest.
Es wurde gefunden, dass ab einem Anteil von wenigstens 0,2 Gew.-% Kohlenstoff bis zu einem Anteil von höchstens 0,7 Gew.-% Kohlenstoff bei einer Sintertemperatur knapp unterhalb der Flüssigphasenbildung ein nahezu karbidfreies Gefüge erhältlich ist, das schließlich zu einem erfindungsgemäßen karbidarmen Sinterformteil führt, bei dem sowohl die Kriechbeständigkeit als auch die Kriechrissgefahr optimal ausgewogen sind. Demnach liegt der Kohlenstoff-Anteil bei den erfindungsgemäßen Sinterformteilen bevorzugt zwischen 0,2–0,7 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0,3–0,5 Gew.-%.
Ab einem Anteil von wenigstens 13 Gew.-% Chrom und 5 Gew.-% Nickel verbessern sich die Verschleißbeständigkeit und Zeitstandsfestigkeit bis zu einem Anteil von höchstens 19 Gew.-% der beiden Metalle, um sich schließlich wieder zu verschlechtern. Demnach liegt der Chrom-Anteil bei den erfindungsgemäßen Sinterformteilen bevorzugt zwischen 13–19 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 14–17 Gew.% und der Nickel-Anteil bevorzugt zwischen 5–19 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 10–14 Gew.-%.
Die für die Verschleißbeständigkeit und Zeitstandsfestigkeit notwendigen Karbide werden durch eine gezielte Temperaturführung nach dem eigentlichen Sintern, d. h. während der Abkühlphase ausgeschieden. Demnach ist der Gegenstand der Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sinterformteils.
Das Verfahren umfasst zumindest die Schritte:

a) Bereitstellen einer pulverförmigen Mischung aus 0,2–0,7 Gew.-% C, 13–19 Gew.-% Cr, 0,5–19 Gew.-% Ni, 1–3 Gew.-% Mo, 0–2 Gew.-% Mn, 0–5 Gew.-% Si, 0–3 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Co, Ti, Nb, V, W, 0–0,2 Gew.-% S und Fe einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen als Rest; gegebenenfalls unter Zusatz von organischen Binde- und Presshilfsmitteln in Wasser und/oder organischen Lösemitteln zur Herstellung einer homogenen Pulversuspension;
b) gegebenenfalls Herstellen eines Pulvergranulats aus der Pulversuspension;
c) Verpressen des Pulvergranulats zu Grünkörpern hoher Dichte,
d) Sintern der erhaltenen Grünkörper im Vakuum oder unter Schutzgas bei einer Temperatur zwischen 1.250 und 1.350°C in Abhängigkeit des Chrom-Anteils für zumindest 30 min, und
e) anschließendem Abkühlen auf 800 bis 900°C, Halten auf dieser Temperatur für etwa 30 min und anschließendem Abkühlen auf < 400°C.

Die Herstellung erfolgt im Wesentlichen in an sich bekannter Weise. Das Verpressen der pulverförmigen Mischung zu Grünkörpern hoher Dichte kann mittels üblicher Formgebungsverfahren, wie axiales oder kaltisostatisches Pressen, aber auch Strangpressen, Spritzgießen, Schlickergießen und Druckschlickergießen erfolgen. Die pulverförmige Mischung besitzt gute Fließeigenschaften und eignet sich hervorragend zum Verpressen bei gleichzeitig geringem Ausstoßwiderstand am Presswerkzeug. Dadurch wird die Lebensdauer der Presswerkzeuge erhöht, und es können beispielsweise Leitschaufelträger maßgenau verpresst werden, wodurch eine wirtschaftliche Fertigung ohne wesentliche mechanische Nachbearbeitung der Leitschaufelträger möglich ist. Gegebenenfalls werden die Grünkörper vor dem Sintern in inerter Atmosphäre bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur ausgeheizt, um die organischen Binde- oder Presshilfsmittel zu entfernen.
Erfindungswesentlich ist, dass die Grünkörper im Vakuum oder unter Schutzgas bei einer Temperatur zwischen 1.250°C und 1.350°C in Abhängigkeit des Chrom-Anteils für zumindest 30 min gesintert werden, wobei das dabei erhältliche Gefüge karbidarm ist, und anschließend auf 800 bis 900°C abgekühlt und für etwa 30 min auf dieser Temperatur gehalten werden, und schließlich auf < 400°C abgekühlt werden.
Dieser Verfahrensschritt liefert ein Sinterformteil mit einem kubischen Kornaufbau und MnS in der Matrix, das die eingangs genannten Eigenschaften aufweist. Der pulverförmigen Mischung kann hierbei Mangan und Schwefel oder aber Mangansulfid in den entsprechenden Mengen zugegeben werden. Mangansulfid wirkt dabei insbesondere als Festschmierstoff.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlichen Sinterformteile besitzen eine Dichte von mindestens etwa 94% der theoretischen Dichte, vorzugsweise eine Dichte von mindestens 97% der theoretischen Dichte. Durch solche Dichtewerte wird gewährleistet, dass eine Porosität, soweit vorhanden, als geschlossene Porosität vorliegt. Gegebenenfalls wird das Sinterformteil nachverdichtet, um die Dichte zu erhöhen, und um die geschlossene Porosität zu verringern.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur (Phasendiagramm) dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur
1 ein Phasendiagramm einer erfindungsgemäßen pulverförmigen Mischung, wobei der Chrom-Anteil und die Temperatur gegeneinander aufgetragen sind.
Gemäß der Figur erfolgt das Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteils bei einem Chrom-Anteil zwischen 13 und 19 Gew.-% bei einer Sintertemperatur zwischen 1.280°C und 1.320°C für zumindest 30 min, um ein karbidfreies Gefüge während des Sinterns zu erhalten.
Anschließend muss das Sinterformteil auf eine Temperatur von 800 bis 900°C abgekühlt und für etwa 30 min bei dieser Temperatur gehalten werden, um schließlich in < 5 min auf eine Temperatur von < 400°C abgekühlt zu werden. Dadurch werden die für die Verschleißbeständigkeit und Zeitstandsfestigkeit notwendigen Karbide, die schließlich zu einem erfindungsgemäßen Sinterformteil mit einem kubischen Kornaufbau und MnS in der Matrix führen, ausgeschieden.
Durch die erfindungsgemäße Temperaturführung während des Sinterns lassen sich demnach die mechanischen und tribologischen Eigenschaften des Sinterformteils einstellen.
Aus der Figur wird ferner deutlich, dass bei einer Sintertemperatur unterhalb von 1.180°C bei vorstehend genannten Chrom-Anteil im Gefüge zunehmend Karbide an den Korngrenzen ausgeschieden werden, die bekanntlich das Kornwachstum behindern und folglich zu einer verminderten Kriechbeständigkeit des Sinterformteils führen.
Wird hingegen bei einer Temperatur über 1.300°C gesintert, beginnt die Flüssigphasenbildung und folglich die Zerstörung der Symmetrie in Form des kubischen Kornaufbaus.
Das erfindungsgemäße Verfahren zu Herstellung der Sinterformteile eignet sich insbesondere aufgrund der sehr guten Maßhaltigkeit zur Herstellung von Leitschaufelträger. Diese lassen sich innerhalb der geforderten maßlichen Toleranzen pressen und sintern, so dass eine das Formteil verteuernde Nachbearbeitung entfällt oder auf ein Minimum reduziert ist.
Zudem lassen sich durch die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung und das erfindungsgemäße Verfahren die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Formteile einstellen. Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung liegt darin, dass diese sehr temperaturbeständig ist, d. h. die Sinterformteile weisen eine bei Temperaturen von > 600°C hohe Zeitstandsfestigkeit und geringe Kriechgeschwindigkeit auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004062564 A1 [0004]

Claims

Sinterformteil bestehend aus 0,2–0,7 Gew.-% C, 13–19 Gew.-% Cr, 5–19 Gew.-% Ni, 1–3 Gew.-% Mo, 0–2 Gew.-% Mn, 0–5 Gew.-% Si, 0–3 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Co, Ti, Nb, V, W, 0–0,2 Gew.-% S und Fe einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen als Rest.
Sinterformteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 0,3–0,5 Gew.-% C, 14–18 Gew.-% Cr, 10–14 Gew.-% Ni, 1–3 Gew.-% Mo, 0–2 Gew.-% Mn, 1–3 Gew.-% Si, 2–4 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Co, Ti, Nb, V, W, 0–0,2 Gew.-% S und Fe einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen als Rest.
Sinterformteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch 1–3 Gew.-% Molybdändisulfid (MoS₂) und/oder 1–3 Gew.-% Mangansulfid (MnS).
Verfahren zur Herstellung eines Sinterformteils über eine karbidarmes Gefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer pulverförmigen Mischung aus 0,2–0,7 Gew.-% C, 13–19 Gew.-% Cr, 0,5–19 Gew.-% Ni, 1–3 Gew.-% Mo, 0–2 Gew.-% Mn, 0–5 Gew.-% Si, 0–3 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Co, Ti, Nb, V, W, 0–0,2 Gew.-% S und Fe einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen als Rest; gegebenenfalls unter Zusatz von organischen Binde- und Presshilfsmitteln in Wasser und/oder organischen Lösemitteln zur Herstellung einer homogenen Pulversuspension; b) gegebenenfalls Herstellen eines Pulvergranulats aus der Pulversuspension; c) Verpressen des Pulvergranulats zu Grünkörpern hoher Dichte, d) Sintern der erhaltenen Grünkörper im Vakuum oder unter Schutzgas bei einer Temperatur zwischen 1.250 und 1.350°C in Abhängigkeit des Chrom-Anteils für zumindest 30 min, und e) anschließendem Abkühlen auf 800 bis 900°C, Halten auf dieser Temperatur für etwa 30 min und anschließendem Abkühlen auf < 400°C.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge bei Sintertemperatur einen Karbidanteil von < 1 Gew.-% aufweist.
Sinterformteil, erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 4 oder 5.
Verwendung eines Sinterformteils nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem Abgasturbolader.