DE19513911A1

DE19513911A1 - Lagerlegierung für Hochtemperatur-Anwendungszwecke

Info

Publication number: DE19513911A1
Application number: DE19513911A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Koichi Yamamoto; Kouki Ozaki
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1994-04-21
Filing date: 1995-04-12
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2015-04-13
Also published as: GB2290305B; JPH07292430A; US5895516A; DE19513911C2; GB9504701D0; GB2290305A; JP3010246B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerlegierung für Hochtempera tur-Anwendungszwecke, die in einer oxidierenden Atmosphäre bei hohen Temperaturen verwendet wird.

Herkömmliche Lager für Hochtemperatur-Anwendungszwecke, ins besondere Lager für Abgas-Kontrollventile von Benz in- oder Dieselmotoren, variable Ventile für Gasturbinen und derglei chen, werden in oxidierender Atmosphäre bei Temperaturen oberhalb 700°C eingesetzt. Es besteht daher ein steigender Bedarf für eine Lagerlegierung, die in oxidierender Atmo sphäre bei einer derart hohen Temperatur eingesetzt werden kann. Um diesem Bedürfnis zu genügen, wurde von den benannten Erfindern bereits in der JP-A-5-17839 eine Lagerlegierung vorgeschlagen, die sogar bei 900°C eingesetzt werden kann.

Die bekannte Lagerlegierung besteht, auf das Gewicht bezogen, aus 9 bis 30% Cr, 5 bis 19% Fe, 0,1 bis 1,5% Si, 2 bis 22% Co, 1,4 bis 11% Mo und zum Rest Ni und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Sie hat eine Struktur, bei der harte Teil chen einer intermetallischen Verbindung vom Co-Mo-Cr-Si-Sy stem in der Legierungsmatrix dispergiert sind. Weiterhin ist es, wie in der JP-A-5-17839 beschrieben, zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit der bekannten Lagerlegierung wesent lich, einen grünen Kompaktkörper eines Pulvers davon zu sin tern und diesen dann danach heiß zu komprimieren, um seine Dichte zu erhöhen. Wenn das paarende Material eine hitzebe ständige Legierung auf Ni-Grundlage vom Ausfällungs-Härtungs- Typ ist, dann zeigt die Lagerlegierung ausgezeichnete Gleit eigenschaften, weil ihre Härte so hoch wie 300 bis 500 Hv ist. Wenn aber beispielsweise ein weiches paarendes Material, wie austenitischer Edelstahl mit 100 bis 300 Hv, verwendet wird, dann nimmt trotz der Tatsache, daß der Reibungskoeffi zient niedrig ist, der Verschleißverlust des paarenden Ma terials zu. Dies führt zu Problemen hinsichtlich der Ver schlechterung der Dauerhaftigkeit aufgrund des Verschleißes des paarenden Materials. Dazu kommt noch, daß beim Herstel lungsprozeß der bekannten Lagerlegierung die Dichte durch Heißkomprimieren erhöht werden muß, um die Oxidationsbestän digkeit zu verbessern. Dies verkompliziert das Verfahren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lagerlegierung für Hochtemperatur-Anwendungszwecke bereitzustellen, die das paa rende Material, selbst dann, wenn das paarende Material weich ist, kaum verschleißt und die eine Härte von nicht höher als 300 Hv hat. Diese Lagerlegierung soll eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit haben, ohne daß die Dichte durch Heißkomprimierung erhöht wird, und sie soll leicht herstell bar sein.

Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung wird eine Lagerle gierung bereitgestellt, die, auf das Gewicht bezogen, aus 2 bis 8% Cr, 2 bis 10% Fe, 0,1 bis 1,5% Si, 2 bis 22% Co, 1,4 bis 11% Mo und zum Rest Ni und erschmelzungsbedingten Verun reinigungen besteht, wobei die Lagerlegierung eine Struktur hat, bei der harte Teilchen einer intermetallischen Verbin dung des Co-Mo-Cr-Si-Systems in der Matrix in einer Verhält nismenge von 5 bis 35 Gew.-% der Matrix dispergiert sind.

1) Der Cr-Gehalt ist auf 2 bis 8% deswegen begrenzt, weil bei geringeren Mengen als 2% die Oxidationsbeständigkeit der Matrix nicht ausreichend ist. Andererseits kann bei Mengen von mehr als 8% die Geschwindigkeit der Pulverkomprimierung nicht erhöht werden, und es kann kein gesintertes Material mit hoher Dichte erhalten werden. Daher beträgt im Hinblick auf die Verschlechterung der Oxidationsbeständigkeit bei ho her Temperatur der Cr-Gehalt 2 bis 8%. Vorzugsweise beträgt er im Hinblick auf die Formeigenschaften und die Oxidations beständigkeit 5 bis 7%.
2) Der Fe-Gehalt ist deswegen auf 2 bis 10% begrenzt, weil bei Mengen von weniger als 2% die Hochtemperaturfestigkeit schlechter ist. Andererseits wird bei Mengen von mehr als 10% das für die Legierung verwendete Pulver hart, und das Kom pressionsverhältnis des Pulvers kann nicht erhöht werden, was dazu führt, daß das Legierungs-Sintermaterial keine hohe Dichte haben kann und daß somit die Oxidationsbeständigkeit verschlechtert wird. Konsequenterweise beträgt der Fe-Gehalt 2 bis 10%, vorzugsweise 4 bis 6%, da in diesem Fall die Hoch temperaturfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit beson ders gut sind.
3) Die Menge der harten Teilchen der intermetallischen Verbindung vom Co-Mo-Cr-Si-System ist in der Matrix deswegen auf 5 bis 35 Gew.-% begrenzt, weil bei Mengen von weniger als 5% die Gleiteigenschaften bei hoher Temperatur nicht zufrie denstellend verbessert werden. Andererseits wird bei Mengen von mehr als 35% die Formeigenschaft bzw. die Verformungsei genschaft des Pulvers schlechter, und in diesem Fall wird die Legierung auch hart, wodurch der Verschleißverlust einer paa renden Welle während der Gleitbewegung erhöht wird. Weiterhin müssen die harten Teilchen der intermetallischen Verbindung des Co-Mo-Cr-Si-Systems in der Matrix dispergiert sein. Es wird bevorzugt, daß die harten Teilchen mit einer Größe von 100 bis 200 µm gleichförmig in der Matrix dispergiert sind.

Die harten Teilchen der intermetallischen Verbindung vom Co- Mo-Cr-Si-System haben eine dichtgepackte hexagonale Kristall struktur, die aus, auf das Gewicht bezogen, 26 bis 30% Mo, 7,5 bis 9,5% Cr, 2,4 bis 2,6% Si und zum Rest Co besteht und die die Gleiteigenschaften der Legierung verbessert. Um die harten Teilchen der dichtgepackten hexagonalen Kristallstruk tur vom Co-Mo-Cr-Si-System zu bilden, sollten die Elemente Si, Co und Mo in der Gesamtlegierung wie folgt enthalten sein: 0,1 bis 1,5% Si, 2 bis 22% Co und 1,4 bis 11% Mo.

Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung enthält die Lager legierung gemäß dem ersten Merkmal weiterhin 1,5 bis 5 Gew.-% BN. Wenn der BN-Gehalt nicht weniger als 1,5% ist, dann ist das Pulver gegenüber einem Festfressen an den Formen bzw. Preßgesenken während der Pulverformung beständig. In dem Maß aber, wie der Gehalt an BN zunimmt, wird die Legierung wei cher, und weiterhin, wenn die Temperatur über 700°C hinaus geht, nimmt die Oxidationsbeständigkeit ab. Daher ist der BN- Gehalt auf 1,5 bis 5% begrenzt.

Gemäß einem dritten Merkmal wird eine Kombination aus einem Lager und einer Welle bereitgestellt, wobei das Lager aus der Lagerlegierung gemäß dem ersten oder zweiten Merkmal herge stellt ist und die Welle eine Härte von 100 bis 300 Hv hat und von dem Lager getragen wird. Bei dieser Kombination ar beitet das Lager gut als Gleitmaterial bei hoher Temperatur und mit kleinerem Verschleißverlust der paarenden Welle.

Gemäß dem ersten Merkmal der Erfindung enthält die Lagerle gierung für Hochtemperaturzwecke, auf das Gewicht bezogen, 2 bis 8% Cr, 2 bis 10% Fe, 0,1 bis 1,5% Si, 2 bis 22% Co, 1,4 bis 11% Mo und zum Rest Ni und erschmelzungsbedingte Verun reinigungen. Die Lagerlegierung schließt die Struktur ein, bei der harte Teilchen vom Co-Mo-Cr-Si-System in einer Menge von 5 bis 35 Gew. -% in der Matrix dispergiert sind, so daß die Lagerlegierung für Hochtemperatur-Anwendungszwecke selbst dann eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit hat, wenn ein Heißkomprimierungsprozeß nach dem Sintern weggelassen wird. Sie kann eine ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit unter Verminderung des Verschleißverlustes der Welle haben.

Gemäß dem zweiten Merkmal werden 1,5 bis 5 Gew.-% BN zu der Lagerlegierung gemäß dem ersten Merkmal zugesetzt, so daß ein Festfressen an den Formen bzw. Preßgesenken während des Pul ververformens verhindert werden kann. Hierdurch wird die Herstellung dieser Lagerlegierung für Hochtemperaturzwecke erleichtert.

Gemäß dem dritten Merkmal werden das aus der Lagerlegierung gemäß dem ersten oder zweiten Merkmal gebildete Lager und eine Welle mit einer Härte von 100 bis 300 Hv, die von dem Lager getragen wird, zu einem Gleitmaterial für Hochtempera tur-Anwendungszwecke kombiniert, so daß das Gleitmaterial den Effekt der Verminderung des Verschleißverlustes der paarenden Welle in erheblicher Weise zeigen kann.

Beispiel

Nachstehend werden Probekörper aus der erfindungsgemäßen Le gierung beschrieben.

Zur Herstellung der Probekörper aus der erfindungsgemäßen Le gierung und von Vergleichs-Probekörpern für die Durchführung von Versuchen wurden die folgenden Pulver von Rohmaterialien vermischt. Ein reines Ni-Pulver hatte eine Teilchengröße von -250 mesh (nicht mehr als 60 µm). Ein Fe-Cr-Legierungspulver hatte eine Teilchengröße von -250 mesh (nicht mehr als 60 µm) und bestand aus 46 Gew.-% Cr und zum Rest Fe und erschmel zungsbedingten Verunreinigungen. Ein Co-Mo-Cr-Si-Legierungs pulver hatte eine Teilchengröße von -100 mesh (nicht mehr als 150 µm) und bestand aus, auf das Gewicht bezogen, 28% Mo, 8,5% Cr, 2,5% Si und zum Rest Co und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Ein BN-Pulver hatte eine mittlere Teilchen größe von 300 µm.

Diese Rohmaterialpulver wurden bei den in Tabelle 1 gezeigten Mischverhältnissen gemischt. Es wurden Mischpulver von erfin dungsgemäßen Probekörpern 1 bis 11 und Vergleichs-Probekör pern 12 bis 19 mit den Zusammensetzungen gemäß Tabelle 2 her gestellt. Während des Vermischens wurde 1% Zinkstearat zuge setzt, um die Verformungsfähigkeit zu verbessern. Die so er haltenen Mischpulver wurden zu kreisförmigen festen Stangen mit einem Durchmesser von 22 mm und einer Länge von 50 mm bei einem Kompressionsdruck von 6 t/cm² verformt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Stangen wurden auf 500°C zur angemessenen Entwachsung des Zinkstearats erhitzt und sodann 1 Stunde lang in einer Atmo sphäre von "H₂+N₂" bei 1150°C gesintert. Auf diese Weise wur den Probekörper für die folgenden Tests hergestellt. Der er findungsgemäße Probekörper 11 wurde auf 900°C erhitzt und un ter einem Kompressionsdruck von 6 t/cm² heiß komprimiert.

Mit den so erhaltenen, erfindungsgemäßen Probekörpern 1 bis 11 und den Vergleichs-Probekörpern 12 bis 19 wurden Härte messungen, Tests der Oxidationsbeständigkeit und Tests der Gleiteigenschaften durchgeführt.

Die Härtemessungen erfolgten bei Raumtemperatur (20°C), 500°C bzw. 900°C. Die resultierenden Härtewerte (Hv) sind in Ta belle 3 zusammengestellt.

Tabelle 3

Als Ergebnis wurde gefunden, daß bei ansteigender Temperatur die Härte (Hv) abnimmt und daß die Härte bei 900°C so niedrig wie etwa die Hälfte der Härte bei Raumtemperatur ist. Beim Vergleich der erfindungsgemäßen Probekörper 1 bis 3 und 6 bis 8 mit den Vergleichs-Probekörpern 12 bis 14 wurde gefunden, daß die Matrix härter wird, wenn der Fe- oder Cr-Gehalt zu nimmt. Beim Vergleich der erfindungsgemäßen Probekörper 1 und 4 oder 2 und 5 wurde gefunden daß die Legierung härter wird, wenn die Menge der harten Teilchen des Co-Mo-Cr-Si-Systems zunimmt. Weiterhin wurde gefunden, daß eine 3%ige Zugabe von BN die Härte Hv erniedrigt.

Bei den Tests der Oxidationsbeständigkeit wurden die Pro bekörper spanabhebend zu der Gestalt eines Lagers mit einem Außendurchmesser von 16 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 20 mm bearbeitet. Sie wurden in atmosphä rischer Luft bei 900°C während 10, 20, 50 und 100 Stunden aufbewahrt. Aus den Gewichtszunahmen wurden die Geschwindig keiten der Gewichtszunahmen vor und nach dem Erhitzen, d. h. 100 × ((Gewicht nach dem Erhitzen) - (Gewicht vor dem Erhit zen))/(Gewicht vor dem Erhitzen), abgeleitet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.

Tabelle 4

Als Ergebnis wurde gefunden, daß die Geschwindigkeiten der Gewichtszunahme der erfindungsgemäßen Probekörper 1 bis 5 nach 100 Stunden 0,1 bis 0,3 betrugen. Die erfindungsgemäßen Probekörper hatten im Vergleich zu den Vergleichs-Probekör pern 12 bis 16 selbst beim Weglassen des Heißkomprimierungs prozesses nach dem Sintern eine bessere Oxidationsbeständig keit. Durch Vergleich der erfindungsgemäßen Probekörper 1 und 4 oder 2 und 5 wurde gefunden, daß die Legierung leichter oxidiert wird, wenn die Menge der harten Teilchen des Co-Mo- Cr-Si-Systems zunimmt. Es wurde jedoch gefunden, daß der er findungsgemäße Probekörper 11, der einem Heißkomprimierungs prozeß unterworfen worden war, eine Geschwindigkeit der Ge wichtszunahme von 0,1 hatte und nur wenig oxidiert war. Wei terhin zeigten die erfindungsgemäßen Probekörper 6 bis 10, denen BN zugesetzt worden war, etwas höhere Geschwindigkeiten der Gewichtszunahme, da das BN von einer Temperatur von etwa 700°C an oxidiert wird.

Bei den Tests der Gleiteigenschaften wurden die Probekörper zu Testplatten spanabhebend bearbeitet. Reibungs-Verschleiß tests wurden mit diesen Testplatten und mit paarenden Gleit elementen, nämlich Zapfen, hergestellt gemäß der JIS-Norm SUS304 (aus 9,3% Ni, 19% Cr und zum Rest Fe und erschmel zungsbedingten Verunreinigungen), mit einer Härte von 250 Hv und einem Durchmesser von 4 mm durchgeführt. Unter Anlegung einer Last von 2 kg an die Zapfen wurden die Zapfen 1 Stunde lang mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 1 m/min hin- und herbewegt. Die Tests der Gleiteigenschaften wurden bei Temperaturen von 500°C und 900°C durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengestellt.

Tabelle 5

Die Reibungskoeffizienten bei 900°C hatten die Tendenz, nied riger zu sein als diejenigen bei 500°C. Jedoch wurden keine großen Unterschiede zwischen den erfindungsgemäßen Probekör pern 1 bis 11 und den Vergleichs-Probekörpern 12 bis 19 beob achtet.

Es wurde weiterhin gefunden, daß die erfindungsgemäßen Pro bekörper kleinere Volumina des Zapfenverschleißes bewirkten als die Vergleichs-Probekörper bei 500°C oder bei 900°C und daß die erfindungsgemäßen Probekörper keinen Verschleiß der paarenden Welle bewirkten.

Claims

1. Lagerlegierung für Hochtemperatur-Anwendungszwecke, da durch gekennzeichnet, daß sie im wesentli chen, auf das Gewicht bezogen, aus 2 bis 8% Cr, 2 bis 10% Fe, 0,1 bis 1,5% Si, 2 bis 22% Co, 1,4 bis 11% Mo und zum Rest Ni und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht und daß sie eine Struktur aufweist bei der harte Teilchen einer in termetallischen Verbindung des Co-Mo-Cr-Si-Systems in der Ma trix in einer Verhältnismenge von 5 bis 35 Gew.-% der Matrix dispergiert sind, wobei die jeweilige Komponente der interme tallischen Verbindung ebenfalls in der Legierungszusammenset zung gezählt wird.

2. Lagerlegierung für Hochtemperatur-Anwendungszwecke, da durch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus, auf das Gewicht bezogen, 2 bis 8% Cr, 2 bis 10% Fe, 0,1 bis 1,5% Si, 2 bis 22% Co, 1,4 bis 11% Mo, 1,5 bis 5% BN und zum Rest Ni und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen be steht und daß sie eine Struktur aufweist, bei der harte Teil chen einer intermetallischen Verbindung des Co-Mo-Cr-Si-Sy stems in der Matrix in einer Verhältnismenge von 5 bis 35 Gew.-% der Matrix dispergiert sind, wobei die jeweilige Komponente der intermetallischen Verbindung ebenfalls in der Legierungszusammensetzung gezählt wird.

3. Kombination aus einem Lager und einer paarenden Welle, die von dem Lager getragen wird, dadurch gekenn zeichnet, daß das Lager aus der Lagerlegierung nach Anspruch 1 und 2 hergestellt ist und daß die paarende Welle eine Härte von 100 bis 300 Hv hat.