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Verfahren zur Herstellung von Eisengr-aphit-Verbundwerkstoffen Die
Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Eisengraphit-Verbundwerkstoffen
und nach diesem Verfahren hergestellte Eisengraphit-Sinterkörper. Der neue Werkstoff
soll insbesondere für Friktionszwecke Verwendung finden, d. h. für Brems-
und Kupplungsbeläge.
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Die fortschreitende technische Entwicklung hat auch zu wesentlich
höheren Anforderungen an die Friktionswerkstoffe geführt. Durch die Vergrößerung
der Geschwindigkeit der Fahrzeuge und deren Gewichte steigern sich entsprechend
die Geschwindigkeiten und Anpreßdrücke insbesondere in den Bremsen und Kupplungen.
Damit verbunden ist eine wesentlich größere Wärmeentwicklung, denn die kinetische
Energie der Fahrzeuge wird an den Bremsen in Wärme umgesetzt. Reibmaterialien mit
organischen Bindemitteln können diese Beanspruchungen nicht mehr bewältigen.
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Aus diesen Gründen hat man vorgeschlagen, Reibstoffe durch Sintern
von Pulvermischungen aus metallischen und nichtmetallischen Bestandteilen herzustellen.
Als Rohstoffbasis wurde hierfür NE-Metall verwendet, z. B. hauptsächlich Kupfer
und Zinn, so daß Sinterreibstoffe auf der Bronzebasis entstanden. Vorschläge, das
Kupfer gegen Eisen auszutauschen, haben bisher zu keinen brauchbaren Ergebnissen
geführt.
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Es ist auch bekannt, Eisengraphitwerkstoffe mit Graphitgehalten bis
zu 10 Gewichtsprozent auf pulvermetallurgischem Wege herzustellen, indem
Eisenpulver-Graphit-Gemische oder hieraus kaltgepreßte Formlinge in Preßformen unter
Anwendung von Druck und Wärme verfestigt werden.
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Hierbei hat es sich gezeigt, daß es notwendig ist, den Formling unter
Aufrechterhaltung des Druckes bis zur Verfestigung des Gefüges, d. h. bis
auf Temperaturen von 150 bis 300'C, besser bis auf Raumtemperatur
in der Form abkühlen zu lassen. Dann erst soll der Formling vom Druck befreit und
aus der Preßform herausgenommen werden.
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Es ist weiterhin bekannt, daß die Eisengraphitfornflinge mit Graphitgehalten
bis 6 Gewichtsprozent, die kalt mit 2 bis 4 t/cmg vorgepreßt und
1 bis 2 Stunden unter kohlenoxydhaltiger Atmosphäre gesintert waren, aus
der Sinterhitze heraus mit 6 bis 10 t/cm2 heiß nachgepreßt werden
mußten, um einen für Lagerzwecke verwendbaren Eisengraphitsinterkörper zu erzeugen
(Fachbuch von K i e f f e r und H o t o p, Ausgabe 1948 *Sintereisen
und Sinterstahl«, S. 363).
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Das Heißpressen in einer Preßform ist in diesem Fall erforderlich,
da der Sinterprozeß bei 700 bis 800'C
nur als ein Vorsintern zu bezeichnen
ist. Erst durch das Heißpressen in einer Preßform kann man bei einem solchen Verfahren
Werkstoffe mit mechanischen Festigkeiten erhalten.
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Die vorgeschriebenen Verfahren zur Herstellung von Eisengraphitsinterkörpern
sind, wenn man insbesondere an die Fertigung von großen Stückzahlen denkt, außerordentlich
aufwendig und daher kostspielig. Zudem ist bei den hohen Temperaturen von
800'C eine laufende Erneuerung der Preßwerkzeuge notwendig. Besonders erschwerend
und zeitraubend wirkt sich aus, daß die Abkühlung der beißgepreßten Formlinge unter
Druck in dem Preßwerkzeug erfolgen muß. Bei der Anfertigung großer Stückzahlen erfordert
dieses wieder die Bereitstellung einer großen Anzahl Preßwerkzeuge.
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Damit kommt zum Ausdruck, daß das Heißpressen in einer Preßform und
das anschließende Abkühlen unter Druck hohe Produktionskosten mit sich bringt und
für die Produktion von Massenwerkstoffen damit unwirtschaftlich ist.
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Weiterhin muß bemerkt werden, daß bei den bekannten Verfahren nur
Graphitgehalte von 6 bis höchstens 10 Gewichtsprozent verwendet werden.
Dies ist aber dadurch erklärlich, da bei größeren Graphitgehalten besondere Maßnahmen
erforderlich sind, um Eisengraphitsinterkörper mit technisch brauchbaren Festigkeiten
zu erhalten.
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Ebenso hat man bereits die Herstellung von Gleitkörpern aus Eisenpulver
mit geringen Graphitzusätzen von 2 0/, durch ein 2stündiges Sintern in einer neutralen
Atmosphäre vorgenommen. Die Sinterung der durch Brikettieren Mit 5 t/CM2
geformten Teile wird in einer neutralen Sinteratmosphäre allerdings bei etwa
1100'C durchgeführt. Die bei dem Verfahren erzielten Gleiteigenschaften sind
jedoch in der Hauptsache der Bleizugabe und nicht dem Graphitanteil zuzuschreiben
(Deutsche Patentschrift 945 565).
Bei der Wahl einer so hohen
Temperatur geht der in Form des Graphits zugesetzte Kohlenstoff in Lösung und es
besteht hierbei die Gefahr, daß Gefüge mit zu großer Härte entstehen, die für Brems-
und Gleitzwecke ungeeignet sind, weil sie zum Anfressen der Gegenreibflächen neigen.
Überdies erfordert das nach diesem Verfahren durchgeführte heiße Nachpressen bei
solch hohen Temperaturen die Verwendung von hochhitzebeständigem Stahl für die Preßwerkzeuge,
wobei wiederum ein großer Werkzeugverschleiß unvermeidbar ist. Zudem ist diese Sinterbehandlung
ebenso nur eine Vorbehandlung.
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Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu
schaffen, mit dem Sinterwerkstoffe auf der Eisengraphitbasis mit brauchbaren technischen
Festigkeiten und infolge ihres hohen Graphitgehaltes von 10 bis
30 Gewichtsprozent mit besonderen Reib-und Gleiteigenschaften hergestellt
werden.
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Erflndungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Herstellung
von gesinterten Eisengraphitkörpern Eisenpulver mit 10 bis 30 Gewichtsprozent
Graphit - das sind etwa 30 bis 60 Volumprozent Graphit
- innig vermischt, kalt gepreßt oder gewalzt und anschließend in einem Sinterofen
ohne Druckeinwirkung in besonderer Weise gesintert wird.
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Mit diesem Verfahren ist es möglich, daß trotz des wesentlich höheren
Graphitgehaltes von 10 bis 30 Gewichtsprozent Eisengraphitsinterwerkstoffe
von z. B. 5 kg/MM2 Festigkeit bei etwa 20 Gewichtsprozent Graphit hergestellt
werden können. Man erhält zugleich nach diesem Verfahren in den Sinterteilen ein
ferritisch-perlitisch-graphitisches Gefüge, das nach den gemachten Erfahrungen für
Reib- und Gleitzwecke besonders gut geeignet ist.
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Der Sinterprozeß unterteilt sich hierbei in nachstehende zwei Abschnitte:
1. Bei aufsteigender Sintertemperatur bis 750'C muß durch eine reduzierende
z. B. wasserstoff- oder kohlenoxydhaltige Sinteratmosphäre eine gute Reduktion des
Eisenpulvers erzielt und damit erreicht werden, daß das Eisenpulver zu einem tragenden
Eisengerüst zusammensintert, in dem der Graphit fest eingelagert ist. Das Zusammensintern
der Eisenteilchen zu einem festen Eisengerüst kann durch Zugabe von etwas Phosphor
zum Eisenpulver - vorzugsweise unter 10/, Phosphor - unterstützt werden.
Hierdurch bildet sich beim Sintern an der Oberfläche des Eisenpulvers ein flüssiges
Eisen-Phosphor-Kohlenstoff-Eutektikum, welches den Sintervorgang beschleunigt und
zu besonders festen Verbindungen der Teilchen des Eisens untereinander und damit
zu einer höheren Festigkeit des Werkstoffes führt.
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2. Ab 750'C muß eine wasserstofffreie und neutrale Schutzgasatmosphäre,
z. B. Stickstoff, angewendet werden, wobei durch Steigerung der Temperatur von
750 auf 1000'C, die ungefähr 2 Stunden gehalten wird, das im ersten
Abschnitt des Sinterprozesses gebildete Eisenskelett weiter verfestigt wird.
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Bei Anwendung einer wasserstoffhaltigen Schutzgasatmosphäre über
750'C hinaus würde sich Methangas bilden, was eine Entkohlung und eine Gefügeauflockerung
der Eisengraphitsinterkörper zur Folge hätte.
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Die Höhe der Sintertemperatur und die Sinterzeit sind dabei so zu
bemessen, daß eine möglichst große Festigkeit erreicht wird, ohne daß dabei eine
zu starke Diffusion des Kohlenstoffes (des Graphits) durch die eintretende Austenitbildung
stattfindet. Die anschließende Abkühlung bis auf 750'C muß langsam erfolgen,
damit der in Lösung gegangene Kohlenstoff Zeit hat, sich wieder als freier Graphit
auszuscheiden. Die weitere Abkühlung soll im Interesse der Abkürzung des Sinterprozesses
schnell erfolgen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles
näher beschrieben: Gut reduzierendes Eisenpulver mit einer Korngröße < 0,10
mm wird mit feingepulvertem Graphit innig vermischt. Beispielsweise besteht eine
solche Mischung aus 10 Gewichtsprozent Graphit und 90 Gewichtsprozent
Eisen oder aus 30 Gewichtsprozent Graphit und 70 Gewichtsprozent Eisen.
Legt man Wert auf eine besonders gute Festigkeit des Eisengraphit-Verbundwerkstoffes,
dann setzt man dem Eisenpulver bis maximal 1 % Phosphor zu. Das Pulvergemisch
wird dann mit einem spezifischen Preßdruck von 2,5 bis 4 t/CM2 gepreßt oder
zu einem Band gewalzt.
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Die Formlinge, die aus der Preßforin oder dem Walzwerk entnommen wurden,
werden nun in die Sinteröfen eingesetzt und ohne mechanischen Druck in einer reduzierenden
Atmosphäre, z. B. Wasserstoff, auf 750'C erhitzt. Dann erfolgt eine Umstellung
auf eine neutrale Sinteratmosphäre durch Abschalten des Wasserstoffes und durch
Zuführung von z. B. Stickstoff. Die neutrale Schutzgasatmosphäre wird bis zum Ende
des Sinterprozesses beibehalten. Die Sintertemperatur wird nun von 750'C
weiter bis auf 965'C gesteigert und auf dieser Höhe 2 Stunden konstant gehalten.
Dann erfolgt der Abkühlungsprozeß, der bis zur Erreichung der Temperatur auf
750'C zurück langsam erfolgt und etwa 1 Stunde in Anspruch nehmen
soll. Hiernach kann der Sinterofen schnell bis auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
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Nach diesem Verfahren unter Zusatz von beispielsweise
0,8 0/,
Phosphor hergestellte Eisengraphitsinterkörper haben nachstehende Festigkeits-,
Verschleiß-und Reibbeiwerte: Die vorgeschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen, daß
das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach ist. Es ermöglicht die wirtschaftliche
Herstellung großer Stückzahlen oder von Massenteilen, wie sie insbesondere für Brems-
und Kupplungsbeläge benötigt werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen
sich hochgraphithaltige Eisengraphit-Verbundwerkstoffe mit
10 bis
30 Gewichtsprozent Graphit herstellen, die ein besonders gutes Reibverhalten
auch bei hohen Temperaturen bis zu
700'C in den Bremsvorrichtungen und Kupplungen
zeigen. Das Gegenmaterial, beispielsweise die Bremstrommel, unterliegt bei Verwendung
des erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffes praktisch keinem Verschleiß, vielmehr
übt der neue Werkstoff eine glättende Wirkung auf die Reibfläche der Bremstrommeln
aus.
Das durch dieses Verfahren in den Sinterteilen erzielte ferritisch-perlitisch-graphitische
Gefüge spielt hierbei eine maßgebende Rolle.