DE1953481C2 - Gesinterte stahlgebundene Karbid hartlegierung und Verfahren zu ihrer Her stellung - Google Patents

Gesinterte stahlgebundene Karbid hartlegierung und Verfahren zu ihrer Her stellung

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DE1953481C2 DE1953481A DE1953481A DE1953481C2 DE 1953481 C2 DE1953481 C2 DE 1953481C2 DE 1953481 A DE1953481 A DE 1953481A DE 1953481 A DE1953481 A DE 1953481A DE 1953481 C2 DE1953481 C2 DE 1953481C2
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Description

0.5 bis 6,0 Gewichtsprozent Siliziurn 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 ι
0 bis 2,0 Gewichtsprozent insgesamt an Chrom.
Molybdän. Vanadium.
Titan.
Resi Eisen.
dadurch gekenn zeich η ei. dai.i die Lenierurui -'· außer dem gebundenen 0.8 bis }.-) Gewichtsprozent Kohlenstoff als freien Graphil enthalt.
2. Karbidhanlegierung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 50'V des Titan karbids durch andere Karbide ersetzt ist.
3. Verfahren zum Sintern einer Karbidhartlei'ie rung nach einem der Ansprüche 1 oder 2. da durch gekem/rchnet. daii die aus den zu Pulver gemahlenen Ausgangsstoffen (Hartstoffkompo nente und die Stahlgruncimasse 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 Ge ; schwindigkeit von 30 bis 50°C Stunde bis auf 750 bis 850 C abgekühlt und von dieser Tem peratur mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 200° C/Stunde auf Raumtemperatur abgekühii werden. f,
Die Erfindung bezieht sich auf eine gesinterte stahlgebundenc Karbidhartlegierung, bestehend aus 10 bis Gewichtsprozent Metallkarbid, insbesondere Titan karbid. 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 Gcwichtsprozen! 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 aufeinandergleitcnder Teile aus bekannten Hartstofflegierungen verursacht bei irgendeiner Reibbeanspruchung selbst, bei kleinster Oberflächenrauhigkeit noch verhältnismäßig hohe Reibunesfaktoren. sobald der zwischen ihnen befindliche Schmierfilm abreißt oder nicht vorhanden ist. Laufen dagegen zwei Teile aufeinander, von denen das erne aus einer siahlgebundenen Karbidhartlegierung be steht und das andere aus einem anderen Werkstoff, was aus konstruktiven Gründen häufig der Fall ist. /.B. eine Stahlweile, die in Lagerschalen aus einer stahlgebundenen KarbUhartlcgierung umläuft. :o zeigt -.ich. daß das nicht aus der siahigebundenen Karbidhartlegierung bestehende Teil einem auüerur dentlich hohen Verschleiß durch das andere Teil a·.;-. der siahlgebundenen Karbidhartlegicmng unterliegt.
Werkstoffe mit sogenannten Noiiaufeigcnschaften sind zu ar bekannt, sie besitzen jedoch nur terin.u oder enr keine Verschleißfestigkeit. So sind für ponV-gesinterte LagenverkstolTe, z.B. Eisen, B:on?e. K';p fer. Neusilber. Kunststoffe. Kohle usw. bekannt, !luv Schmiereigienschatten beruhen auf tier Tränkun-: n-.-r Poren -m Ölen oder auf einer eigenen Sehrnierfahi^ keii. wie z.B. bei Kupier. Phosphorbron/en oder ah;; liehen Werkstoffen, !in neuerer Werkstoff mit Selh-r schmierung ist Gußeisen, bei dem lamellarcr oje; k.. acliger Graphit neben Phosphiden und Sulhd-jn aj.. Selbstsehrriereffekt hervorruft?!1.. Fs gibt auch an\: Gußeisensonen mit Graphit, die einen geringen V teil an Chrornkarbiden und Molybdänkarbideri auf >e. sen and damit eine etwqs höhere Abriebfesiigkcii bc sitzen. Auch diese Werkstoffe entsprechen jedoc'- η ihrem Verschleißverhalten nicht den gestellten Anfo· di-Yungcn.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schal fung einer hochverschleißfesten harten Legierung m,; Selbstschiniereigenschaften. Der WerksiotT soll tür Teile eingesetzt werden, die einer starken ReiHbear spruehiing ausgesetzt sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Krfm dung bei einer gesinterten stahlg"bundenen Karbid hartlegierung mit 10 bis 75 Gewichtsprozent Meuiii knrbid. Rest Stahlgrundmasse bestehend aus
0.5 bis 6.0 Gewichtsprozei ■ Silizium Ü 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 < bis 0.1 Gewichtsprozent Cer 0 bis 0.1 Gewichtsprozent Bor 0 bis 2.0 Gewichtsprozent insgesamt an Chroiii.
Molybdän. Vanailr ii. Titan. Rest Eisen
wirgeschlagen,, daß die Legierung außer dem ge bundenen 0,8 bis 3,9 Gewichtsprozent Kohleastoff als freien Graphit enthält.
Aus dein Buch Kieffer. Benesovsky »Hartmetalle«. 1965, Seile 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.
Aufgrund des in der Stahlgrundmasse der stahlge bundenen Karbidharliegierung vorhandenen freien Graphits ergibt .-,ich ein gußaruges Gefüge mit der diesem eigenen Seibstschrmerwirkuni.. Versuche haben gezeigt, daß die bekanntlich hoehverschleißfe * sicn stahlgebundenen Karbidhartlegieriingen durch · den Zusatz \on freiem Graphit zu der Stahlgrundmasse eine wesentliche Erhöhung der Standzeit aufwiesen, wenn üic daraus hergestellten Teile einer Rctiv beanspruchung unterworfen wurden. Line Verbesse- ''■ rung der Verschleißfestigkeit bei Reibneansprüchung ergab sich auch darin, .venn .iur ein Teil aus der er fmüuiigsgemäßen sianlgebimdenen Karnidhartlrgie rimg bestand and das andere mit dem ersten in reibender Berührung stehende aus einem anderen Werk- ι ■ stoff h.·- -gestellt :■ .tr.
.AUig'und de.·» erhaUnisnin.'.ii-: honen Ιί',ΠΛίοΓί'κπ tens m vier ι·· 'mdungspemäßcn Legierung kann diese in bekannter Weise nur auf pulver.net.iliurgischem Vijp iioige-iielU weider. Oabei bc-;eh noch eint- he -' sondere SchuieiigK·.;· clen freien Grappit in die Slatil griiiuiiTuisss eiimihringjii. Der :iu;\-r>:.-v.^hnhcb hc:ie Rohlenstoflgehait ι ■ der St:ihlm;i'r!,\ hei der erllndurigsj.cmal.k-n HartsaiiVicgierimg unu das dadurch auftretende pi^.d:ig schmeizende f:iiickük.:;n '..'■'; mal·: ^; Um S;. stern üc-; Elisen Kohlenstoff Diagramms (4.3 Gu'.vi-htspmzf-iiC und i i 5 J- C) verursachen erheb liehe Schwierigkeiten burn Sintern, z.um.ii der Aniei! dieser Phase jber 50 Volumprozent hesi. Drbe, r--u:J noch '''enicksichtiut werden. da;.i ab'.oiut diuiie,, ais'"1 v pore:if:eic Sin' :rkrirpei- erziel: werden solle·" Viur-;!'. die Losung des Kohlenstoffs beim S:ni?iT: s —J die Ausscheidung desselben als freier Graphit hei der Abkühlung von der Sintertempei Jiur muli mit \erwik keilen Schwindungsverhältnissen gerechnet w.v-der. Die μ ringe Dichte des Graphits gegenüber Lisen spielt dabei eine entscheidende Rolle.
Die Lösungsverhältnisse sind bein Sintern anders geartet als beim Erstarren aus der Schmelze. «■■.■> nur bei tibereutekiischen Legierungen (oberhalb 4.^ Ge ι uichtsprozent C) primär KohlensKiiT auischeidet. an dem .ich bei weiterer Erstarrung and Abkühlung Graphit .nlagert. Reim Sintern, also in Linigekehrter Rieh tiing /um Frsiarren ans der Schmelze. muC die Ze nientiibildun» verhindert und die Lösung des Kohlen- ü Stoffs im Kisen gesichert werden. Daher kommt der gesamten Sintcrbchdii.llung der erllndungsgemälJen Hartsiofilegierung entscheidende Bedeutung zu.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren /um Sin tern der erfindungsgemäßen I lartstofflcgierung d;: ^1 durch gekennzeichnet, daß die aun den /u Pulver gemahlenen Ausgangsstoffen (HartstcitTkiiinponentc und die Stahlgruiiilmasse bildenden F-.inzelelemenien) gepreßten Formkörper mit einer Geschwindigkeit '.on 80 bis IOO°C/Stunde auf eine Sinlcrtemperatur win ■' JOOO bis 1200°C erhiut. mindestens für etwa 4 bis 6 Stunden auf der Sintertemperatur gehalten, dann mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 50°C/Siunde bis auf 750 bis 85Ü°C abgekühlt und von dieser Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 100 bis w> 200 C/Stunde auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Entscheidend für das Gelingen ist zunächst die chemische Zusammensetzung, da beim Sintern naturgemäß die Verbindung
3 Fc +C= Fc1C abläuft und ein dem weißen Roheisen ähnlicher harter spröder Werkstoff entsteht, der genau die gegentei ligen Eigenschaften des zu findenden Werkstoffes hat.
Die Zugabe von wenigstens I Gewichtsprozent SiIi /ium, meist in Form von Ferrosiüzium. verhindert weitgehend die Zutieniiibildung und fördert die Graphitbildur.g. ähnlich wirken Aluminium und Titan. Entscheidend .'.bor ist eine spezielle Sinterung, d.h.. eine Hallezeit von -- his 6 Stunden auf Sintertempera iur u;id eine mehrstündige Abkühlung, um das Gleichgewicht der l.egierungskomponenten herzuste! i-.-.n. dt-n Graphit gleichmaßig verteilt auszuscheiden und ihn in eine günstige lameüare Form zu bringen. Letztere ist für Kelimiervorgänge in diesem pulvermeiaiiurgisch hergestellten Werkstoff am günstigsten. Solch c;n ungerichteier Graphit steigert die Tempera türsjhnck Beständigkeit i.id die 1A ärmeleitfäiiigkeu. Dse bewußt u !gei' ,iietcn. . ner fein und gleichmäßig verteilten Graphitlcmellcn führe,1 -a einem sehr geringen RoibungskoeiYizienten und 'mihem Widerstan·.! gegen iirandrisse. Letztere künnep bf; sehr siatkc und schneller Ohertlaohengleitung entsteht·.·!, also ahn „üi α ic beim iir;^iu:i''ieniaßL-n Schleifen infolge ·.'.ech selnder Tempor.uur unu durch F.ruiirT.en und Ahkiili !en.
'ί dem SchiiiT^iid ist das Getiige einer Hansiofflegie't.ng mit 2ü Gewich'.sprozent Ί 'lankarbid. 2.5 Ge wu-h's-pro/ct Ki^iiitnst!'!!. 2.0 Gewiciilspro/ent Sihzi ::;-.!. ίΛ Gl.mc! isTrozeni Nicke! und Rest Eisen dar g'.'-'rll!. Die Stah'matrix ist rein Serritisch und der Graphit ;··::ι;ί '.r, kugeliger urnJ !amdlare'" Form vor. D^- Ti'UP.karhid lit gieiciimaJiu venent in eine, rCi n:'.'."<")tV: v.'!·; 1 hi-. 3 mn. Die Miine dieser Leaie ruf·:: '-urde ".it 33 bl· 3o IiRC. , nisprd.l.v.-nd ^2! tms 35'; HB- gemessen. Der Vohmiepnnieii Graphil iieet '-,ei 3"" h··- 40 Gewielv.>nro7.cnt unu verleiht der Li:-:i·.·; ..ng üeben hoher Ver-.chleißk'Migkeit den ge ν.ünscii.-j'i -»elbsisc'iiriicreifekt. Dieses rerntisciie ("ie iüize :i:M lamell.irem. !-i;i!ti"igen- Grr.phit und einen1 Ti iankarbidgehak ergibt hervorrager.de Dämnfungswer ic. die mit neigendem · iraphitcehaii noch /unehnien. Demgegenüber fallen die Diimpfuiiaswerte bei höhe rem Kohlcnstt)ffg'"-:,|t. ;· -.o perlitisciiom Gefüge ah.
/.usäi'/e von äiii/ium. die zur Graphi'isicrung not wellig sind, erhöhen in Meiieen .on 0.5 bis 6.0 (je ν ichtsprozent die Korrosionsbeständigkeit.
Hin'? Krhöhung des Ni:kclgehails bis zu 36.Ü Ge ■.vicliLsprozent führ: /u iiistenitischer Grundmasse. i:i uic 'i'itankarbido unii Cjrrmhit eingelagert sind. Auch r;ier i:-t die Höhe des Koiiienstoffs für die Menge des Graphirs maßsiebi-nd. Diese nustenitischen Lesierun- ;;en >u.j i.orrosionsbeständig. nicht magnetisierbar, /.under! .ständig, sehr zäh und auch gut bearbeitbar. Der /uiscchnungskoelTi/ienl dieser austenitischen Le gierunger lieat fast doppelt so hoch wie tier fernti 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 bc wirken eine Vergrößerung des Anteils an flüssiger Phase, was insbesondere bei höheren Hartstoffgehaltcn 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 Bindung des vorhandenen Sauerstoffs in der Legierung zu B2Oj, das bei verhältnismäßig niedriger Temperatur im Vakuum leicht flüchtig ist.
Die Elemente Chrom, Molybdän, Vanadium und Titan werden bei den Hartstofflcgierungcn gemäß der Erfindung selten benötigt, da sie starke Karbidbildner sind und sofort mit dem Graphit reagieren wurden. 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 Stahlgrundmassc bildenden Einzelelemente oder sie enthaltene Vorlegierungen, wie Karbonyleisen. Graphit, Silizium, z. B. in Form von Fcrrosilizium, werden trocken gemischt, auf eine Korngröße von 1 bis 3 /im naß gemahlen, im Vakuum getrocknet, gepreßt und im Vakuum von 2 χ 10~2 Torr bei etwa 1 100° 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 Hartstofflcgierung anschließen. Diese kann bestehen aus Spannungsfreiglühen ohne Gefügeänderungen zwischen 550 unc 650°C. Zum Lünformcn des streifigen Perlits zu kör nigem Perlit kann ein Glühen zwischen 650 unc 800" C vorgenommen werden. Zur Bildung von fcrriti
s scher Grundmassc empfiehlt sich ein Weichglüher zwischen 800 und 925°C, wodurch ein restloser Zcr fall von Fc-,C mit Volumenvergrößerung eintritt. f7ü perlitisches Grundgefügc kann außerdem ein Härter in Öl bei 870 bis 900°C und Anlassen zwischen 200
in und 240°C vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäße stahlgebundene Hartstofflegierung eignet sich vornehmlich für solche Verschleiß teile, die einer Reibbeanspruchung ausgesetzt sind und daher Selbstschmiercigenschaften aufweisen soll-
π ten, 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
jo Harlstofflegicrung für Bremstrommeln, Bremsblöcke. Bremsbacken, Kupplungsdruckplatten, Ventilstößel. Laufbüchsen. Dichtringe, Dichtleistcn, Kolbenringe, Maschinenteile, Pumpenteile usw. eingesetzt werden. Durch „'ine Verbindung von Teilen aus der erfindungsgemäßen stahlgebundenen Hartstofflegierung mit Trägerkörpern aus Stahl und Gußeisen durch Löten, Schweißen od'ir Verschrauben wird die Herstellung verbilligt.
Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 953 1 Patentansprüche:
1. Gesinterte stahlgebundene Karbidhartlegierung, bestehend aus 10 bis "5 Gewichtsprozent Metallkarbid, insbesondere Titankarbid, Rost Stahlgrundmasse aus '
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