DE1953481B2 - Gesinterte stahlgebundene karbidhartlegierung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Gesinterte stahlgebundene karbidhartlegierung und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine gesinterte stahlgebundene Karbidhartlegierung, bestehend aus 10 bis
Gewichtsprozent Metallkarbid, insbesondere Titankarbid, Rest Stahlgrundmasse sowie ein Verfahren
zur Herstellung derselben.
Karbidhartlegierungen, bei denen eine Komponente aus einem Metallkarbid und die andere Komponente
aus einem Stahl besteht, sind bekannt, z.B. aus der deutschen Auslegeschrift 1,260,796. Aufgrund des
hohen Karbidanteils von 10 bis 75 Gewichtsprozent sind solche Legierungen hochverschleißfest und werden
z.B. als Werkstoffe für Werkzeuge für die spanlose Formgebung, z. B. Ziehmatrizen, eingesetzt.
Für Teile, die einem Reibungsverschleiß ausgesetzt sind, haben sich bekannte stahlgebundene Hartstofflegierungen
bisher nicht als besonders geeignet erwiesen. Die Paarung zweier aufeinandergleitender Teile
aus bekannten Hartstofflegierungen verursacht bei irgendeiner Reibbeanspruchung selbst bei kleinster
Oberflächenrauhigkeit noch verhältnismäßig hohe Reihunesfaktoren.
sobald der zwischen ihnen befindliche Sohmierfilm abreißt oder nicht vorhanden ist. Laufen
dagegen zwei Teile aufeinander, von denen das eine aus einer stahlgebundenen Karbidhartlegierung besteht
und das andere aus einem anderen Werkstoff, was aus konstruktiven Gründen häufig der Fall ist,
z.B. eine Stahlwelle, die in Lagerschalen aus einer stahlgebundenen Karbidhartlegierung umläuft, so
zeigt sich, daß das nicht aus der stahlgebundenen Karbidhartlegierung bestehende Teil einem außeror-
dentlich hohen Verschleiß duroh das andere Teil aus der stahlgebundenen Karbidhartlegierung unterliegt.
Werkstoffe mit sogenannten Notlaufeigenschaften sind zwar bekannt, sie besitzen jedoch nur geringe
oder gar keine Verschleißfestigkeit. So sind für porös
π gesinterte Lagerwerkstoffe, z.B. Eisen, Bronze, Kupfer,
Neusilber, Kunststoffe, Kohle usw. bekannt. Ihre Schmiereigenschaften beruhen auf der Tränkung der
Poren mit Ölen oder auf einer eigenen Schmierfähigkeit, wie z. B. bei Kupfer, Phosphorbronzen oder ähnliehen
Werkstoffen. Ein weiterer Werkstoff mit Selbst schmierung ist Gußeisen, bei dem lamellarer oder kugeliger
Graphit neben Phosphiden und Sulfiden den Selbstschmiereffekt hervorrufen. Es gibt auch einige
Gußeisensorten mit Graphit, die einen geringen Anteil an Chromkarbiden und Molybdänkarbiden aufweisen
und damit eine etwas höhere Abriebfestigkeit besitzen. Auch diese Werkstoffe entsprechen jedoch in
ihrem Verschleißverhalten nicht den gestellten Anforderungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer hochverschleißfesten harten Legierung mit
Selbstschmiereigenschaften. Der Werkstoff soll für Teile eingesetzt werden, die einer starken Reibbeanspruchung
ausgesetzt sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer gesinterten stahlgebundenen Karbidhartlegierung
mit 10 bis 75 Gewichtsprozent Metallkarbid, Rest Stahlgrundmasse bestehend aus
0,5 bis 6,0 Gewichtsprozent Silizium
0 bis 7,0 Gewichtsprozent Aluminium
0 bis 7,0 Gewichtsprozent Mangan
0 bis 36,0 Gewichtsprozent Nickel
0 bis 8,0 Gewichtsprozent Kupfer
0 bis 0,1 Gewichtsprozent Magnesium
0 bis 0,1 Gewichtsprozent Magnesium
0 bis 0,1 Gewichtsprozent Cer
0 bis 0,1 Gewichtsprozent Bor
0 bis 2,0 Gewichtsprozent insgesamt an Chrom,
Molybdän, Vanadium, so Titan,
Rest Eisen
vorgeschlagen, daß die Legierung außer dem gebundenen 0,8 bis 3,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff
5 als freien Graphit enthält.
Aus dem Buch Kieffer, Benesovsky »Hartmetalle«,
1965, Seite 226 ist zwar u. a. eine Hartmetall legierung, bestehend aus 74% Eisen, 1% Graphit und
25% eines TiC-VC-Mischkristalls bekannt. Diese Sinterlegierung hat aber ebenso wie andere bekannte
stahlgebundene Hartstofflegierungen keinen Kohlenstoff als freien Graphit in der Stahlgrundmasse,
durch welchen der gewünschte Selbstschmiereffekt bei der erfindungsgemäßen Legierung erst erreicht
wird-
Bis zu 50 Gewichtsprozent des Titankarbids kann in der erfindungsgemäßen Karbidhartlegierung durch
andere Metallkarbide ersetzt sein.
I 953 481
Aufgrund des in der Stahlgrundmaase der stahlgebundenen
Karbidhartlegierung vorhandenen freien Graphits ergibt sioh ein gußartiges Gefüge mit der
diesem eigenen Selbstsohmierwirkung. Versuche
haben gezeigt, daß die bekanntlich hoohverschleißfesten stahlgebundenen Karbidhartlegierungen durch
den Zusatz von freiem Graphit zu der Stahlgrundmasse eine wesentliche Erhöhung der Standzeit aufwiesen,
wenn die daraus hergestellten Teile einer Reibbeanspruchung unterworfen wurden. Eine Verbesserung
der Verschleißfestigkeit bei Reibbeanspruchung ergab sich auch dann, wenn nur ein Teil aus der erfindungsgemäßen
.stahlgebundenen Karbidhartlegierung bestand und das andere mit dem ersten in reibender
Berührung stehende aus einem anderen Werkstoff hergestellt war.
Aufgrund des verhältnismäßig hohen Hartsloffanteils in der erfindungsgemäßen Legierung kann diese
in bekannter Weise nur auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt werden. Dabei besteht noch eine besondere
Schwierigkeit den freien Graphit in die Stahlgrundmasse einzubringen. Der außergewöhnlich hohe
Kohlenstoffgehalt in der Stahlmatrix bei der erfindungsgemäßen Hartstofflegierung und das dadurch
auftretende niedrig schmelzende Eutektikum im stabilen System des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms (4,3
Gewichtsprozente und 11530C) verursachen erhebliche
Schwierigkeiten beim Sintern, zumal der Anteil dieser Phase über 50 Volumprozent liegt. Dabei muß
noch berücksichtigt werden, daß absolut dichte, also porenfreie Sinterkörper erzielt werden sollen. Durch
die Lösung des Kohlenstoffs beim Sintern und die Ausscheidung desselben als freier Graphit bei der
Abkühlung von der Sintertemperatur muß mit verwikkelten Schwindungsverhältnissen gerechnet werden.
Die geringe Dichte des Graphits gegenüber Eisen spielt dabei eine entscheidende Rolle.
Die Lösungsverhältnisse sind beim Sintern anders geartet als beim Erstarren aus der Schmelze, wo nur
bei übereutektischen Legierungen (oberhalb 4,3 Gewichtsprozent C) primär Kohlenstoff ausscheidet, an
dem sich bei weiterer Erstarrung und Abkühlung Graphit anlagert. Beim Sintern, also in umgekehrter Richtung
zum Erstarren aus der Schmelze, muß die Zementitbildung verhindert und die Lösung des Kohlenstoffs
im Eisen gesichert werden. Daher kommt der gesamten Sinterbehandlung der erfindungsgemäßen
Hartstofflegierung entscheidende Bedeutung zu.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Sintern der erfindungsgemäßen Hartstofflegierung dadurch
gekennzeichnet, daß die aus den zu Pulver gemahlenen Ausgangsstoffen (Hartstoffkomponente und
die Stahlgrundmasse bildenden Einzelelementen) gepreßten Formkörper mit einer Geschwindigkeit von
80 bis 100°C/Stunde auf eine Sintertemperatur von 1000 bis 1200°C erhitzt, mindestens für etwa 4 bis
6 Stunden auf der Sintertemperatur gehalten, dann mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 50°C/Stunde
bis auf 750 bis 850°C abgekühlt und von dieser Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 100 bis
200°C/Stunde auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Entscheidend für das Gelingen ist zunächst die chemische Zusammensetzung, da beim Sintern naturgemäß
die Verbindung
3 Fe + C = Fe3C
abläuft und ein dem weißen Roheisen ähnlicher harter spröder Werkstoff entsteht, der genau die gegenteiligen Eigenschaften des zu findenden Werkstoffes hat. Die Zugabe von wenigstens 1 Gewiohtsprozent Silizium, meist in Form von Ferrosilizium, verhindert weitgehend die Zementitbildung und fördert die Graphitbildung, ähnlich wirken Aluminium und Titan. ,Entscheidend aber ist eine spezielle Sinterung, d.h., eine Haltezeit von 4 bis 6 Stunden auf Sintertemperatur und eine mehrstündige Abkühlung, um das
abläuft und ein dem weißen Roheisen ähnlicher harter spröder Werkstoff entsteht, der genau die gegenteiligen Eigenschaften des zu findenden Werkstoffes hat. Die Zugabe von wenigstens 1 Gewiohtsprozent Silizium, meist in Form von Ferrosilizium, verhindert weitgehend die Zementitbildung und fördert die Graphitbildung, ähnlich wirken Aluminium und Titan. ,Entscheidend aber ist eine spezielle Sinterung, d.h., eine Haltezeit von 4 bis 6 Stunden auf Sintertemperatur und eine mehrstündige Abkühlung, um das
ίο Gleichgewicht der Legierungskomponenten herzustellen,
den Graphit gleichmäßig verteilt auszuscheiden und ihn in eine günstige lamellare Form zu bringen.
Letztere ist für Schmiervorgänge in diesem pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff am günstigsten.
π Soloh ein ungerichteter Graphit steigert die Temperaturschock-Beständigkeit
und die Wärmeleitfähigkeit. Die bewußt ungerichteten, aber fein und gleichmäßig
verteilten Graphitlamellen führen zu einem sehr geringen Reibungskoeffizienten und hohem Widerstand
gegen Brandrisse. Letztere können bei sehr starker und schneller Oberflächengleitung entstehen, also ähnlich
wie beim unsachgemäßen Schleifen infolge wechselnder Temperatur und durch Erwärmen und Abkühlen.
In dem Schliffbild ist das Gefüge einer Hartstofflegierung mit 20 Gewichtsprozent Titankarbid, 2,5 Gewichtsprozent
Kohlenstoff, 2,0 Gewichtsprozent Silizium, 1,5 Gewichtsprozent Nickel und Rest Eisen dargestellt.
Die Stahlmatrix ist rein ferritisch und der Graphit liegt in kugeliger und lamellarer Form vor.
Das Titankarbid ist gleichmäßig verteilt in einer Korngröße von 1 bis 3 μΐη. Die Härte dieser Legierung
wurde mit 33 bis 36 HRC, entsprechend 321 bis 353 HB, gemessen. Der Volumenanteil Graphit
liegt bei 35 bis 40 Gewichtsprozent und verleiht der Legierung neben hoher Verschleißfestigkeit den gewünschten
Selbstschmiereffekt. Dieses ferritische Gefüge mit lamellarem, blättrigem Graphit und einem Titankarbidgehalt
ergibt hervorragende Dämpfungswerte, die mit steigendem Graphitgehalt noch zunehmen.
Demgegenüber fallen die Dämpfungswerte bei höherem Kohlenstoffgehalt, also perlitischem Gefüge ab.
Zusätze von Silizium, die zur Graphitisierung notwendig sind, erhöhen in Mengen von 0,5 bis 6,0 Gewichtsprozent
die Korrosionsbeständigkeit.
Eine Erhöhung des Nickelgehalts bis zu 36,0 Gewichtsprozent führt zu austenitischer Grundmasse, in
die Titankarbide und Graphit eingelagert sind. Auch hier ist die Höhe des Kohlenstoffs für die Menge des
Graphits maßgebend. Diese austenitischen Legierungen sind korrosionsbeständig, nicht magnetisierbar,
zunderbeständig, sehr zäh und auch gut bearbeitbar. Der Ausdehnungskoeffizient dieser austenitischen Legierungen
liegt fast doppelt so hoch wie der ferriti-5 scher bzw. perlitischer Legierungen mit Titankarbid
und Graphit.
Mangangehalte bewirken eine stärkere Austinitbildung und können bis 7,0 Gewichtsprozent betragen.
Aluminium in Mengen bis 7,0 Gewichtsprozent bewirken eine Vergrößerung des Anteils an flüssiger Phase, was insbesondere bei höheren Hartstoffgehalten erwünscht ist.
Aluminium in Mengen bis 7,0 Gewichtsprozent bewirken eine Vergrößerung des Anteils an flüssiger Phase, was insbesondere bei höheren Hartstoffgehalten erwünscht ist.
Kupfer bis 8,0 Gewichtsprozent bringt einen Aushärteeffekt und verbessert die Selbstschmiereigenschaften
der Legierung.
. Zusätze von Magnesium und/oder Cer lassen ebenso wie beim normalen Gußeisen die kugelige
Form des Graphits entstehen.
Bor bis 0,1 Gewichtsprozent bewirkt eine Desoxydation im Innern der Legierung und führt zur Bin-1
dung des vorhandenen Sauerstoffs in der Legierung zu B2O3, das bei verhältnismäßig niedriger Temperatur
im Vakuum leicht flüchtig ist.
Die Elemente Chrom, Molybdän, Vanadium und Titan werden bei den Hartstofflegierungen gemäß der
Erfindung selten benötigt, da sie starke Karbidbildner sind und sofort mit dem Graphit reagieren würden.
Bis zu einer Gesamtmenge von 2,0 Gewichtsprozent können sie jedoch zur Härtung zugegeben werden.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Hartstofflegierung erfolgt aus den einzelnen Komponenten, Hartstoff
einerseits und den Einzelelementen der Stahlgrundmasse andererseits. Die Hartstoffkomponente
und die die Stahlgrundmasse bildenden Einzelelemente oder sie enthaltene Vorlegierungen, wie Karbonyleisen,
Graphit, Silizium, z.B. in Form von Ferrosilizium, werden trocken gemischt, auf eine Korngröße
von 1 bis 3 μτη naß gemahlen, im Vakuum getrocknet,
gepreßt und im Vakuum von 2 χ 10~2 Torr bei
etwa 1100° C gesintert.
Die Sinterung erfolgt in der vorerwähnten Weise durch langsames Anheizen, mehrstündiges Halten auf
Sintertemperatur und langsames, gestuftes Abkühlen nach erfolgter Sinterung. Daran kann sich eine Wärmebehandlung
der gesinterten Hartstofflegierung anschließen. Diese kann bestehen aus Spannungsfreiglühen
ohne Gefügeänderungen zwischen 550 und 650°C. Zum Einformen des streifigen Perlits.zu körnigem·
Perlit kann ein Glühen zwischen 650 und 800° C vorgenommen werden. Zur Bildung von ferritischer
Grundmasse empfiehlt sich ein Weichglühen zwischen 800 und 9250C, wodurch ein restloser Zerfall
von FE3C mit Volumenvergrößerung eintritt. Für perlitisches Grundgefüge kann außerdem ein Härten
in Öl be] 870 bis 9000C und Anlassen zwischen 200
ίο und 240"C vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäße stahlgebundene Hartstofflegierung eignet sich vornehmlich für solche Verschleißteile,
die einer Reibbeanspruchung ausgesetzt sind und daher Selbstschmiereigenschaften aufweisen sollten,
um zu starken Verschleiß am Gegenstück zu vermeiden. Daraus ergeben sich verschiedene Anwendungsmöglichkeiten,
z.B. für Lager und zwar bis zu hohen Temperaturen von 900° C bei austenitischer Grundmasse. Außerdem kann die erfindungsgemäße
Hartstofflegierung für Bremstrommeln, Bremsblöcke, Bremsbacken, Kupplungsdruckplatten, Ventilstößel,
Laufbüchsen, Dichtringe, Dichtleisten, Kolbenringe, Maschinenteile, Pumpenteile usw. eingesetzt werden.
Durch eine Verbindung von Teilen aus der erfindungsgemäßen stahlgebundenen Hartstofflegierung
mit Trägerkörpern aus Stahl und Gußeisen durch Löten, Schweißen oder Verschrauben wird die Herstellung
verbilligt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Gesinterte stahlgebundene Karbidhartlegierung, bestehend aus 10 bis 75 Gewichtsprozent
Metallkarbid, insbesondere Titankarbid, Rest Stahlgrundmasse aus
0,5 bis 6,0 Gewichtsprozent Silizium
0 bis 7,0 Gewichtsprozent Aluminium
0 bis 7,0 Gewichtsprozent Mangan
0 bis 36,0 Gewichtsprozent Nickel
0 bis 8,0 Gewichtsprozent Kupfer
0 bis 0,1 Gewichtsprozent Magnesium
0 bis 0,1 Gewichtsprozent Cer
0 bis 0,1 Gewichtsprozent Bor
0 bis 2,0 Gewichtsprozent insgesamt an Chrom,
Molybdän, Vanadium,
Titan,
Rest Eisen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung außer dem gebundenen 0,8 bis 3,9 Gewichtsprozent
Kohlenstoff als freien Graphit enthält.
2. Karbidhartlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 50% des Titankarbids
durch andere Karbide ersetzt ist.
3. Verfahren zum Sintern einer Karbidhartlegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die aus den zu Pulver gemahlenen Ausgangsstoffen (Hartstoffkomponente
und die Stahlgrundmasse bildenden Einzelelementen) gepreßten Formkörper mit einer Geschwindigkeit
von 80 bis 100°C/Stunde auf eine Sintertemperatur von 1000 bis 1200°C erhitzt,
mindestens für etwa 4 bis 6 Stunden auf der Sintertemperatur gehalten, dann mit einer Geschwindigkeit
von 30 bis 50°C/Stunde bis auf 750 bis 85O0C abgekühlt und von dieser Temperatur
mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 200°C/Stunde auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
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