DE19655210C2 - Verfahren zur Modifizierung einer Eisenlegierung und eines Eisenlegierungsproduktes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung einer Kohlenstoff enthaltenden Eisenlegierung, wobei man die Verarbeitbarkeit des Eisenlegierungsmaterials verbessert. Sintereisenlegierungsmaterialien, die über ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt sind, haben allgemein den Vorteil, dass das Herstellungsverfahren von verschiedenartigen Teilen für Vorrichtungen, Fahrzeuge etc. aus dem Sintereisenlegierungsmaterial, d. h. in bezug auf die Bearbeitungsbehandlung wie Formen, Schneiden, Verarbeiten und ähnliches, im Vergleich mit denen von anderen Eisenlegierungsmaterialien sehr einfach ist. Da jedoch die Verarbeitbarkeit des Eisenlegierungsmaterials eher schlecht ist, stellt es einen schwerwiegenden Nachteil dar, wenn diese bearbeitet werden.

Zum Verbessern der Verarbeitbarkeit des Sintereisen­ legierungsmaterials wurde bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren des Sintereisenlegierungsmaterials eine der Maßnahmen angewandt, wobei man ein Eisenpulver, das Schwefel enthält, verwendet, wobei man das Rohmaterial mit einer Sulfidverbindung mischt, und wobei man es einer Schwefelbehandlung aussetzt, bei der es in einer gasförmigen Schwefelwasserstoffatmosphäre erwärmt wird. Jedoch ist das Sintereisenlegierungsmaterial, das über das obige herkömmliche Verfahren erhalten wird, von geringer Festigkeit, so dass sich die Schlagfestigkeit verschlechtert und es leicht angeätzt wird.

Die offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer (Kokai) H3-79701 offenbart, dass es möglich ist, den Reibungskoeffizienten des Sintereisen­ legierungsmateriales auf dem Verarbeitungswerkzeug oder Schneidwerkzeug durch Zugabe eines Bornitridpulvers in ein gemischtes Rohpulver für das Sintereisenlegierungsmaterial zu verringern. Jedoch muss das Bornitridpulver, das in dem Verfahren aus der obigen Offenlegungsschrift verwendet werden soll, eine hohe Reinheit aufweisen, und ein Bornitrid mit hoher Reinheit ist teuer. Deshalb ist der praktische Nutzen dieses Verfahrens wirtschaftlich gering.

In der Zwischenzeit wurden gemäß der gegenwärtigen Forderung nach einer Gewichtsverringerung von Fahrzeugen Aluminiumlegierungsmaterialien bei der Herstellung von Vorrichtungsteilen für Fahrzeuge verstärkt verwendet. Dies schafft die Voraussetzung für die notwendige Behandlung von sowohl einem Sintereisenlegierungsmaterial als auch einem Aluminiumlegierungsmaterial, wobei man gleichermaßen dieselben Bearbeitungsmittel verwendet. Das bedeutet, dass von dem Sintereisenlegierungsmaterial verlangt wird, dass es so eine hohe Verarbeitbarkeit wie das Aluminiumlegierungsmaterial, z. B. wie die Aluminiumlegierung ADC 14 gemäß dem japanischen Industriestandard, aufweist. Sogar dann, wenn das obige herkömmliche Verfahren verwendet wird, ist die Verarbeitbarkeit des darüber erhaltenen Sintereisenlegierungsmateriales nicht ausreichend, so dass dieses nicht die oben zuletzt erwähnten Anforderungen erfüllt. Außerdem ist der Bedarf, die Verarbeitbarkeit des Sintereisenlegierungsmaterials zu verbessern, noch immer ansteigend.

Unter den obigen Umständen gibt es ein weiteres herkömmliches Verfahren, das bei der Verbesserung der Verarbeitbarkeit verwendet wird, und dieses Verfahren schlägt vor, dass ein Füllstoff wie Paraffin, Harz und ähnliches in die Poren des Sintereisenlegierungsmaterials gefüllt wird. Der Füllstoff neigt jedoch dazu, das Schneidwerkzeug zu schädigen, und die Lebensdauer der Bearbeitungsvorrichtung wird verkürzt.

Außerdem muss nach der Bearbeitung des Sintereisenlegierungs­ materiales der Füllstoff vollständig aus dem erhaltenen Maschinenteil vor der Verwendung desselben entfernt werden. Das ist sehr schwierig und wirtschaftlich nachteilig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbessern der Verarbeitbarkeit eines Sintereisenlegierungsmateriales bereitzustellen, das über ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt ist, so dass die Schlagfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Produktes beibehalten wird.

Es wird ein Verfahren zum Modifizieren einer Kohlenstoff enthaltenden Eisenlegierung bereitgestellt, umfassend die Schritte: Herstellen einer Lösung, die eine Borkomponente enthält, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Bor, Boroxid, Borsulfid, Borhalogenid, Borhydrid, Borsäure, Borat und Tetrafluorborat; Eindringenlassen der Lösung in die Eisenlegierung; und Erwärmen der Eisenlegierung nach dem Imprägnierungsschritt in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 1000 bis 1250°C.

Gemäß dem obigen Entwurf wird die Härte der Eisenlegierung durch Zugabe der Borkomponente verringert, wobei eine zufriedenstellende Festigkeit der Eisenlegierung beibehalten wird. Außerdem ist es auch möglich, die Härte von einem Teil des Eisenlegierungsmateriales zu verringern, so dass nur der Bereich, der notwendigerweise bearbeitet werden soll, in bezug auf die Verarbeitbarkeit verbessert ist. Demzufolge kann die Sintereisenlegierung bei geringen Kosten hergestellt werden, und diese kann als ein Material für verschiedenartige Maschinenteile von Fahrzeugen und ähnlichem geeignet verwendet werden.

Die Eigenschaften und Vorteile des Modifizierverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbunden mit den beiliegenden Abbildungen eindeutig verstanden.

Fig. 1 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Mikrohärte nach Vickers (MHV) der Eisenlegierung und der Tiefe, gemessen von der Oberfläche, zeigt, in einem Vergleich zu dem Fall, wo man den Oberflächenmodifizierer der vorliegenden Erfindung verwendet, in dem Fall ohne Oberflächenmodifizierung;

Fig. 2 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Anzahl der Wiederholungen der Bohrvorgänge und der Zeitdauer zeigt, die benötigt wird, um die Eisenlegierung aufzubohren, in einem Vergleich zu dem Fall, wo man den Oberflächen­ modifizierer der vorliegenden Erfindung verwendet, in dem Fall ohne Oberflächenmodifizierung; und

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das das Verfahren der Herstellung eines Eisenlegierungsbauteiles zeigt, bei der die Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Bei der herkömmlichen Pulvermetallurgie wird Graphitpulver häufig als Festschmierstoff in das gepulverte Rohmaterial zur Herstellung eines Eisenlegierungsproduktes eingebracht. Es wirkt als Festschmierstoff, indem es die Reibung verringert, worüber man die Verarbeitbarkeit des Eisenlegierungsproduktes, das aus dem gepulverten Rohmaterial hergestellt wird, verbessert. Um jedoch ein praktisch verwendbares Eisenlegierungsprodukt herzustellen, muss das oben beschriebene herkömmliche Rohmaterial notwendigerweise bei einer niedrigen Temperatur gesintert werden, so dass es sich unterhalb des Temperaturbereiches befindet, bei dem der Kohlenstoff in die Schicht der Eisenlegierung eindiffundieren könnte. Dieses führt aufgrund der niedrigen Sintertemperatur natürlicherweise zu einem Abfall der Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei dem herkömmlichen Eisenlegierungsmaterial.

Deshalb haben die Erfinder des hier vorgeschlagenen Verfahrens nach den Bedingungen bei der Herstellung eines Produktes aus einer Eisenlegierung, das Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit besitzt, gesucht. Als ein Ergebnis hat man gefunden, dass, wenn der Kohlenstoff, der zwischen der Eisenschicht verteilt ist, daran gehindert wird, sogar bei einer hohen Temperatur in die Eisenschicht zu diffundieren, das Sintern bei einer hohen Temperatur möglich wird und ein Eisenlegierungsprodukt mit großer Festigkeit möglicherweise hergestellt wird. Außerdem hat man auch gefunden, dass Bor und Borverbindungen wirksam sind, um die Diffusion des Kohlenstoffs in die Schicht des Legierungsmaterials zu verringern.

Die Borverbindung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann bevorzugt ausgewählt werden aus Boroxid, Borsulfid (B₂S₃), Borhalogenid, Borhydrid, Borsäure, Borat (Salz der Borsäure) und Tetrafluorborat.

Das Boroxid beinhaltet Dibortrioxid (B₂O₃, auch Bortrioxid oder Boranhydrid genannt), Dibordioxid (B₂O₂), Tetrabortrioxid (B₄O₃.2H₂O), Tetraborpentaoxid (B₄O₅) und ähnliche.

Das Borhydrid kann in verschiedenartigen Formen wie BH₃, B₂H₆, B₄H₁₀, B₅H₉, B₅H₁₁, B₆H₁₀, B₆H₁₂ und B₁₀H₁₄ vorhanden sein.

Das Borhalogenid beinhaltet Bortrifluorid (BF₃), Bortrichlorid (BCl₃), Bortribromid (BBr₃), Bortrijodid (BI₃), Dibortetrachlorid (B₂Cl₄), Dibortetrabromid (B₂Br₄), Dibortetrajodid (B₂I₄) und ähnliche.

Die Borsäure kann als Orthoborsäure (H₃BO₃), Metaborsäure (HBO₂) und Tetraborsäure (H₂B₄O₇) klassifiziert werden.

Das Borat kann als Orthoborat, Diborat, Metaborat, Tetraborat, Pentaborat und Octaborat klassifiziert werden und schließt speziell verschiedenartige Boratminerale wie Borax (Na₂B₄O₇.10H₂O), Larderellit ((NH₄)₂B₁₂O₁₆.5H₂O), Kotoit (Mg₃BO₃(BO₃)₂) und ähnliche ein.

Das Tetrafluorborat beinhaltet Ammoniumtetrafluorborat (NH₄BF₄) und ähnliche.

Unter den obigen spezifischen Beispielen der Borkomponente ist Dibortrioxid (B₂O₃) für die Verhinderung des Aufkohlens oder der Verschlechterung der Festigkeit des Eisenlegierungsproduktes und für die Verbesserung der Verarbeitbarkeit sehr wirksam, wobei dessen Marktpreis ziemlich niedrig ist. Deshalb ist Dibortrioxid für die vorliegende Erfindung sehr geeignet und verwendbar.

In der vorliegenden Erfindung benutzt man die Borkomponente als ein Oberflächenmodifizierer, wobei man nur einen Teil des Eisenlegierungskörpers, wie einem Oberflächenbereich, der verarbeitet oder abgeschnitten werden soll, weich macht. Unten wird das Verfahren genau beschrieben.

Die Borkomponente wird zuerst in einem Lösungsmittel, in dem die Borkomponente löslich ist, gelöst, und diese Lösung wird als Oberflächenmodifizierer verwendet. Spezifische Beispiele des Lösungsmittels, das bei der Herstellung des Obenflächenmodifizierers verwendbar ist, beinhalten Wasser und Alkohol wie Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol und ähnliche. Natürlich sind verschiedenartige Mischungen von Wasser und dem oben beschriebenen Alkohol auch verwendbar.

Die hergestellte Lösung oder der Oberflächenmodifizierer wird auf einen Bereich eines Eisen enthaltenden und Kohlenstoff enthaltenden Körpers aufgebracht, der bearbeitet oder verarbeitet werden soll. Den Oberflächenmodifizierer läßt man in den Körper, der bearbeitet werden soll, eindringen, wodurch in dem Oberflächenbereich des Körpers eine modifizierte Schicht, die die Borkomponente enthält, gebildet wird. Der Eisen enthaltende und Kohlenstoff enthaltende Körper kann jeder Grünpreßling des gepulverten Rohmaterials, ein vorgesinterter Preßling und ein Sintereisenlegierungskörper sein, der wenigstens in dem Bereich, der modifiziert werden soll, Durchlässigkeit aufweist. Dies bedeutet gleichfalls, dass der Oberflächenmodifizierer der vorliegenden Erfindung entweder bei dem Herstellungsverfahren des Sintereisenlegierungsmateriales, oder danach, oder sowohl als auch wirksam verwendet werden kann. Natürlich wird, wenn der Eisenlegierungskörper, der oberflächenmodifiziert werden soll, in einer Atmosphäre eines verringerten Druckes angeordnet wird, um die Luft vor der Imprägnierung daraus zu entfernen, der Oberflächenmodifizierer leichter eindringen.

Alternativ ist es auch möglich, den Eisenlegierungskörper in dem Oberflächenmodifizierer einzuweichen.

Nach dem Trocknen des Körpers, der mit dem Oberflächenmodifizierer imprägniert ist, wird dieser dann in einer nichtoxidierenden Gasatmosphäre erwärmt oder gesintert. Die Heiztemperatur wird bevorzugt auf einen Bereich von 1000 bis 1250°C eingestellt, und es wird bevorzugt, den Körper für 30 Minuten oder länger zu erwärmen. Während des Heizvorganges diffundiert die Borkomponente in der modifizierten Schicht vor dem Kohlenstoff in die Eisenschicht, und die Diffusion der Borkomponente verhindert, dass der Kohlenstoff in die Eisenschicht diffundiert. Deshalb weist die metallographische Struktur der modifizierten Schicht nicht eindiffundierten freien Kohlenstoff und eine Eisenschicht, die einen großen Bereich einer Ferritphase enthält, auf. Als ein Ergebnis wird die Härte der modifizierten Schicht gering gehalten. Auf der anderen Seite, da der nichtmodifizierte Bereich des Körpers die Borkomponente nicht enthält, diffundiert der Kohlenstoff in den nichtmodifizierten Bereich und wird gelöst, um die Eisenlegierung hart zu machen.

Da die Dicke der modifizierten Schicht, die auf dem Eisenlegierungskörper gebildet wird, sich mit der Konzentration der Borkomponente in dem Oberflächenmodifizierer und der Verfahrensart sowie der Zeit für die Imprägnierung mit dem Oberflächenmodifizierer ändert, ist es möglich, eine gewünschte Dicke der Modifizierungsschicht durch Kontrollieren der obigen Faktoren geeignet herzustellen. Der Oberflächenmodifizierer dringt leichter in einen vorgesinterten Preßling als in einen Grünpreßling oder in einen Sinterkörper ein. Wenn ein Preßling, der eine Fettsäure als einen Schmierstoff enthält, modifiziert wird, ist es wünschenswert, die Fettsäure unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels etc. aus dem Preßling zu entfernen, bevor der Oberflächenmodifizierer in den Preßling eindringt. In dem Fall der Oberflächenmodifizierung eines Sinterkörpers, in den der Kohlenstoff bereits eindiffundiert und in der Eisenschicht gelöst ist, wobei eine Perlit- oder ein Cementitphase gebildet wird, ersetzt die Borkomponente des Oberflächenmodifizierers den eindiffundierten Kohlenstoff oder er bindet an den Kohlenstoff, um den Kohlenstoff von dem Eisen zu lösen, wodurch eine Ferritphase erzeugt wird.

Außerdem ändert sich auch die Härte der modifizierten Schicht nach der Wärmebehandlung in Übereinstimmung mit der Art und der Menge der Borkomponente, die in die modifizierte Schicht eingedrungen ist. Deshalb wird die Konzentration des Oberflächenmodifizierers gemäß der Art der Borkomponente geeignet eingestellt, so dass die modifizierte Schicht nach der Wärmebehandlung eine gewünschte Verarbeitbarkeit aufweist. Es ist bevorzugt, dass man die Konzentration der Borkomponente in dem Oberflächenmodifizierer in einem Bereich von ungefähr 0,01 bis 0,3 g/ml für eine einfache Handhabung und eine exakte Kontrolle der Dicke der modifizierten Schicht einstellt.

Bei der oben beschriebenen Verfahrensart ist es möglich, die Verarbeitbarkeit des Sintereisenlegierungs­ materials nur in dem Bereich, der verarbeitet oder abgeschnitten werden soll, zu verbessern. Deshalb ändern sich in bezug auf den anderen Bereich des Sintereisenlegierungs­ materials, der nicht modifiziert ist, die mechanischen Eigenschaften nicht. Da außerdem die Verbesserung der Verarbeitbarkeit unter Verwendung einer Flüssigkeit, die die Borkomponente enthält, durchgeführt wird, ist es leicht, die Dicke und die Härte des modifizierten Bereichs über eine geeignete Regulierung der Konzentration der Borkomponente in dem Oberflächenmodifizierer und der Imprägnierungszeit und über eine geeignete Anwendung des Imprägnierungsverfahrens zu kontrollieren. Weiterhin ist der Oberflächenmodifizierer der vorliegenden Erfindung eine Flüssigkeit, die mit geringen Kosten hergestellt werden kann und leicht handhabbar ist. Außerdem ist, wie oben beschrieben, die erste Verfahrensart dadurch vorteilhaft, dass sie auf jeden Grünpreßling, vorgesinterten Preßling und Sinterkörper anwendbar ist, um diesen eine gewünschte Verarbeitbarkeit leicht zu verleihen.

Die oben beschriebene Verfahrensart ist gut anwendbar, und das macht es möglich, die Verarbeitungsleistung und die Lebensdauer des Verarbeitungswerkzeuges, etc. zu verbessern, insbesondere, wenn diese Verfahrensart bei einem Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils wie einer Staubkappe und einer Synchronisiernabe (synchronizer hub) eines Motors für Fahrzeuge verschiedenartiger Getriebe für Allzweckmotoren, Teilen von Ausrüstungen von Büroautomaten, Teilen von Maschinenwerkzeugen und ähnlichem, wo Schneidevorgänge, Größenbehandlungen und ähnliches erforderlich sind, angewandt wird.

BEISPIELE

Nun werden einige Beispiele der Sintereisenlegierungsprodukte der vorliegenden Erfindung und einige Proben der herkömmlichen Materialien beschrieben.

Beispiel 1 Wirkung der Borkomponente als Oberflächenmodifizierer Herstellung der Rohmaterialien

Die folgenden Pulvermaterialien wurden hergestellt.

Ein einfaches Eisenpulver, das eine mittlere Partikelgröße von 50 µm aufweist.

Ein Kupferpulver, das eine mittlere Partikelgröße von 30 µm aufweist.

Ein Graphitpulver, das eine mittlere Partikelgröße von 5 µm aufweist.

Ein Zinkstearatpulver als Pulverschmierstoff, der eine mittlere Partikelgröße von 5 µm aufweist.

Herstellung der Proben Nr. 33a, 33b und 33c

Die Rohmaterialpulver wurden in einem Mischungsverhältnis von 1,5 Gew.-% Kupfer, 1,0 Gew.-% Graphit, 0,8 Gew.-% Zinkstearat und Resteisen gemischt, um eine Mischung zu erhalten. Außerdem wurde die Mischung für 30 Minuten unter Verwendung eines V- förmigen Rotationsmischers gemischt. Die Mischung wurde zu vielen flachen Grünpreßlingen verdichtet, von denen jeder eine Abmessung von 12,5 mm × 32 mm × 10 mm und eine Gründichte von 6,6 g/cm³ aufwies.

Ein Drittel der Grünpreßlinge wurde in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr 690°C für 60 Minuten weiter vorgesintert und dann auf Zimmertemperatur abgekühlt, um Untersuchungsplatten, die aus einem vorgesinterten Eisenlegierungsmaterial hergestellt sind, herzustellen. Ein weiteres Drittel der Grünpreßlinge wurde in der nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr 1130°C für 60 Minuten gesintert und dann auf Zimmertemperatur abgekühlt, um Untersuchungsplatten, die aus einem Sintereisenlegierungsmaterial hergestellt sind, zu erhalten. Bei dem Vorsinterverfahren und dem Sinterverfahren wurde eine dissoziierte Ammoniakatmosphäre als nichtoxidierende Atmosphäre verwendet.

Unter dem Punkt der "Oberflächenmodifizierungsbehandlung" und "Messung von Härte und Dicke der modifizierten Schicht", was unten beschrieben wird, wurde der oben erhaltene Grünpreßling als Untersuchungsplatte der Probe Nr. 33a verwendet, die Untersuchungsplatte des vorgesinterten Eisenlegierungsmaterials wurde als das der Probe Nr. 33b verwendet, und das des Sintereisenlegierungsmaterials wurde als Probe Nr. 33c verwendet.

Herstellung des Oberflächenmodifizierers

Jeder der Oberflächenmodifizierer A bis G wurde entsprechend Tabelle 1 unter Auflösen der Borkomponente in dem Lösungsmittel mit einer wie in Tabelle 1 beschriebenen Konzentration hergestellt.

Tabelle 1

Oberflächenmodifizierungsbehandlung

Unter einer Luftatmosphäre wurde der Oberflächenmodifizierer A mit einer Saugwatte auf jede der Untersuchungsplatten von den Proben Nr. 33a, 33b und 33c entsprechend aufgebracht, und jede der Untersuchungsplatten, die mit dem Oberflächenmodifizierer A imprägniert wurde, wurde getrocknet. Dieses Aufbringungsverfahren wurde noch zweimal für jede Platte wiederholt.

Jede der Untersuchungsplatten von den Proben 33a, 33b und 33c wurde mit dem Oberflächenmodifizierer A in einer nichtoxidierenden Gasatmosphäre (dissoziierte Ammoniakgasatmosphäre) bei einer Temperatur von 1130°C erwärmt, um von jeder der Untersuchungsplatten der Proben Nr. 33a, 33b und 33c die oberflächenbehandelte Platte zu erhalten.

Für eine weitere Gruppe von Untersuchungsplatten der Proben Nr. 33a, 33b und 33c wurde die obige Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche wiederholt, mit der Ausnahme, dass der Oberflächenmodifizierer gegen den Oberflächenmodifizierer B entsprechend ausgetauscht wurde. Weiterhin wurde unter dem Austausch des Oberflächenmodifizierers die gleiche Behandlung mit jedem der Oberflächenmodifizierer C, D, E, F und G wiederholt.

Messung der Härte und Dicke der modifizierten Schicht

Für jede der oberflächenbehandelten Platten, die durch die Oberflächenbehandlung von jeder der Untersuchungsplatten der Proben Nr. 33a, 33b und 33c mit jedem der Oberflächen­ modifizierer A bis 6 erhalten wurden, wurde die Rockwell B Härte (HRB) und die Dicke der modifizierten Schicht gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 2 gezeigt.

Hinsichtlich der Dicke der modifizierten Schicht wurde die Mikrohärte nach Vickers (MHV) von der Untersuchungsplatte bei jeder Tiefe, gemessen von der Oberfläche, gemessen, wobei die Tiefe von 0,2 bis 3,4 mm variiert wurde. Von den erhaltenen Ergebnissen wurde eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Microhärte und der Tiefe zeigt, erhalten, und die Tiefenwerte, bei der die Mikrohärte 200 betrug, wurde aus der Darstellung bestimmt, und dieser Tiefenwert wurde als die Dicke der modifizierten Schicht, die durch die Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche erzeugt wurde, betrachtet. Fig. 1 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Microhärte und der Tiefe in dem Fall zeigt, wo man den Oberflächenmodifizierer A verwendet, und den ohne Oberflächenmodifizierung bei der Untersuchungsplatte der Probe Nr. 33c. In Fig. 1 zeigt die durchgezogene Linie mit der Bezugsnummer 4 den Fall der Probe Nr. 33a mit dem Oberflächenmodifizierer A, die durchgezogene Linie 5 den Fall der Probe Nr. 33b mit dem Oberflächenmodifizierer A, die durchgezogene Linie 6 den Fall der Probe Nr. 33c mit dem Oberflächenmodifizierer A, und die gepunktete Linie 7 stellt den Fall der Probe Nr. 33c ohne Oberflächenmodifizierung dar.

Tabelle 2

Wie in Tabelle 2 gezeigt, ist es möglich, mit jedem der Oberflächenmodifizierer A bis 6 die Härte der Oberfläche der Untersuchungsplatte deutlich zu verringern, so dass diese geringer ist als die des inneren Bereiches davon. Dies wird als ein Ergebnis der Oberflächenmodifizierung verstanden, die eine metallographische Struktur erzeugt, in der ein großer Bereich an der Ferritphase enthalten ist. Von den obigen Oberflächenmodifizierern A bis G, ist der Oberflächenmodifizierer A, d. h. die Dibortrioxidlösung für die Inhibierung der Diffusion von Kohlenstoff am wirksamsten.

Weiterhin ist die Härte der modifizierten Schicht, die auf dem vorgesinterten Preßling erzeugt wird, im Vergleich mit den. Fällen des Grünpreßlings und der Sintereisenlegierung deutlich verringert und die Dicke der modifizierten Schicht vergrößert. Wie den obigen Ergebnissen leicht entnommen wird, ist die Dicke der Schicht, die nahezu aus der Ferritphase zusammengesetzt ist und die durch die Oberflächenbehandlung mit dem Oberflächenmodifizierer der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, möglicherweise auf ungefähr 1,8 mm ausgedehnt.

Messung der Verarbeitbarkeit der modifizierten Schicht

Um die Untersuchungsplatten für den Bohrtest herzustellen, der die Verarbeitbarkeit der modifizierten Schicht mißt, wurden die Untersuchungsplatten von der Probe Nr. 33b im Vakuum angeordnet und vollständig mit dem Oberflächenmodifizierer A imprägniert, so dass die Untersuchungsplatten nicht nur an der Oberfläche, sondern auch im Inneren hervorragend modifiziert wurden. Außerdem wurden die Untersuchungsplatten, die vollständig mit dem Oberflächenmodifizierer A imprägniert waren, unter den gleichen Bedingungen wie denen der oberflächenbehandelten Untersuchungsplatten gesintert.

Die Untersuchungsplatte, die über das obige Verfahren erhalten wurde, wurde einem Bohrtest unterworfen, und die Zeitdauer, die für das Aufbohren der Untersuchungsplatte notwendig war, wurde gemessen. Diese Messung wurde einhundertundfünfzig Mal an den oberflächenbehandelten Untersuchungsplatten unter den gleichen Bedingungen wiederholt. Die gleiche Messung wurde vierzigmal an Untersuchungsplatten der Probe Nr. 33c ohne Oberflächenbehandlung mit einem Flesh-Bohrer durchgeführt. Die Ergebnisse der Messung sind in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Anzahl der Wiederholungen der Bohrvorgänge und der Zeitdauer des Aufbohrens zeigt, und die Ergebnisse von Probe Nr. 33b mit dem Oberflächenmodifizierer A werden unter der Bezugsnummer 8 gezeigt, und solche der Probe Nr. 33c ohne Oberflächenmodifizierer werden unter der Bezugsnummer 9 gezeigt.

Wie aus Fig. 2 bekannt ist, können die Untersuchungsplatten, die mit dem Oberflächenmodifizierer A modifiziert sind, leicht mehrfach bearbeitet werden. Im Vergleich zu diesen steigt die Zeitdauer für die Untersuchungsplatten ohne Oberflächenbehandlung in Übereinstimmung mit der Anzahl der Wiederholungen der Bohrvorgänge an, und dies scheint auf Schäden des Bohrers zurückzuführen zu sein. Als ein Ergebnis des Obigen ist eindeutig, dass die Oberflächenmodifizierung mit den Oberflächenmodifizierern der vorliegenden Erfindung die Verarbeitbarkeit des Eisenlegierungsmaterials verbessert.

Beispiel 2 Kontrolle der Oberflächenmodifizierung Herstellung des Oberflächenmodifizierers

Entsprechend Tabelle 3 wurde jeder der Oberflächenmodifizierer H, I, und J durch Auflösen von Dibortrioxid in 100 ml Ethanol mit einer Konzentration, die in Tabelle 3 beschrieben ist, hergestellt.

Oberflächenmodifizierungsbehandlung

Unter Verwendung von jedem der folgenden Aufbringungsverfahren (1), (2) und (3) ließ man den Oberflächenmodifizierer Hin eine Untersuchungsplatte von Probe Nr. 33a eindringen.

Aufbringungsverfahren (1)

Unter einer Luftatmosphäre wurde der Oberflächenmodifizierer mit einer Saugwatte auf die Untersuchungsplatte aufgebracht, und die mit dem Oberflächenmodifizierer imprägnierte Untersuchungsplatte wurde getrocknet. Das obige Aufbringungsverfahren wurde noch zweimal wiederholt.

Aufbringungsverfahren (2)

Unter einer Luftatmosphäre wurde die Untersuchungsplatte in dem Oberflächenmodifizierer für die Imprägnierung für 15 Minuten eingetaucht. Diese wurde dann dem Oberflächenmodifizierer entnommen und getrocknet.

Aufbringungsverfahren (3)

Die Untersuchungsplatte wurde im Vakuum angeordnet und dann mit dem Oberflächenmodifizierer imprägniert. Weiterhin wurde diese in einer Luftatmosphäre angeordnet und getrocknet [die sogenannte Vakuumimprägnierung].

Nach der oben beschriebenen Aufbringung wurde jede der Untersuchungsplatten in einer nichtoxidierenden Gasatmosphäre (dissoziierte Ammoniakatmosphäre) bei einer Temperatur von 1130°C erwärmt, um die oberflächenbehandelten Platten zu erhalten.

Die obige Oberflächenmodizierungsbehandlung wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass der Oberflächenmodifizierer gegen die Oberflächenmodifizierer I und J ausgetauscht wurde.

Messung der Härte und Dicke der modifizierten Schicht

Für jede der oberflächenbehandelten Platten von Probe Nr. 33a, die über die jeweiligen Oberflächenbehandlungsverfahren mit jedem der Oberflächenmodifizierer H, I und J erhalten wurde, wurde die Rockwell B Härte (HRB) und die Dicke der modifizierten Schicht unter Verwendung des Verfahrens, das in Beispiel 1 beschrieben ist, gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 3 gezeigt.

Tabelle 3

Wie in Tabelle 3 gezeigt, ist die Härte der Untersuchungsplatte bei jedem der Aufbringungsverfahren (1) bis (3) verringert, wenn die Konzentration des aufgebrachten Oberflächenmodifizierers entsprechend ansteigt. Das bedeutet, je größer die Konzentration der Borkomponente bei dem verwendeten Oberflächenmodifizierer ist, desto größer ist das Ausmaß der Ferritphase in der modifizierten Schicht. Außerdem ist, verglichen mit dem Fall des Aufbringungsverfahrens (1), die modifizierte Schicht, die durch jedes der Aufbringungsverfahren (2) und (3) erzeugt wird, dicker. Insbesondere entwickelt sich in dem Fall des Eindringenlassens des Oberflächenmodifizierers im Vakuum, der einer Konzentration von 15 g/100 ml aufweist, eine Oberflächenmodifikation bis zu einer Tiefe von 3,8 mm, gemessen von der Oberfläche, um eine modifizierte Schicht zu erzeugen, die eine metallographische Struktur aufweist, die in einem großen Ausmaß eine Ferritphase enthält, und deren Mikrohärte nach Vickers, MHV, 200 oder weniger beträgt.

Beispiel 3 Kontrolle der Oberflächenmodifikation Rohmaterialien

Für das Eisen enthaltende Schichtmaterial wurden die folgenden Pulvermaterialien hergestellt.

Ein einfaches Eisenpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 50 µm.

Ein teilweise diffundiertes Legierungspulver, das aus 1,5 Gew.-% Kupfer, 4,0 Gew.-% Nickel, 0,5 Gew.-% Molybdän und dem Resteisen zusammengesetzt ist und eine mittlere Partikelgröße von 45 µm aufweist.

Ein Eisenlegierungspulver (1), das aus 2,0 Gew.-% Nickel, 0,5 Gew.-% Molybdän und dem Resteisen zusammengesetzt ist und eine mittlere Partikelgröße von 50 µm aufweist.

Ein Eisenlegierungspulver (2), das aus 1,0 Gew.-% Chrom, 0,7 Gew.-% Mangan, 0,3 Gew.-% Molybdän und dem Resteisen zusammengesetzt ist und eine mittlere Partikelgröße von 50 von aufweist.

Außerdem wurden für die Additive folgende Pulvermaterialien hergestellt.

Ein Kupferpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 30 µm. Ein Nickelpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 25 µm. Ein Molybdänpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 5 µm. Ein Graphitpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 5 µm. Ein Zinkstearatpulver für den Pulverschmierstoff mit einer mittleren Partikelgröße von 5 µm.

Herstellung der Mischungen (1) bis (6)

Entsprechend dem in Tabelle 4 beschriebenen Zusammensetzungsverhältnis wurden die obigen Rohmaterialpulver gemischt und für 30 Minuten unter Verwendung eines V-förmigen Rotationsmischers gemischt, um jede der Mischungen (1), (2), (3), (4), (5) und (6) zu erhalten.

Tabelle 4

Herstellung der Grünpreßlinge A1 bis A6, B1 bis B6, C1 bis C6 und D1 bis D6

In Übereinstimmung mit dem für die Herstellung der Probe Nr. 33a in Beispiel 1 verwendeten Verfahren wurden jeweils die Grünpreßlinge A1, A2, A3, A4, A5 und A6 ähnlich aus den jeweiligen obigen Mischungen (1) bis (6) entsprechend hergestellt.

Für die Mischung (1) bis (6) wurde das obige Herstellungsverfahren wiederholt, mit der Ausnahme, dass die Gründichte auf 6,8 g/cm³ geändert wurde, um die Grünpreßlinge B1, B2, B3, B4, B5 und B6 zu erhalten.

Ähnlich wurden die Grünpreßlinge C1, C2, C3, C4, C5 und C6 mit einer Gründichte von 7,0 g/cm³ aus den Mischungen (1) bis (6) hergestellt. Weiterhin wurden die Grünpreßlinge D1, D2, D3, D4, D5 und D6 mit einer Gründichte von 7,2 g/cm³ aus den Mischungen (1) bis (6) ähnlich hergestellt.

Oberflächenmodifizierungsbehandlung

Für jede der Grünpreßlinge A1 bis A6, B1 bis B6, C1 bis C6 und D1 bis D6 wurde das Verfahren der Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche aus Beispiel 1 unter Verwendung des Oberflächenmodifizierers A wiederholt.

Messung der Dicke der modifizierten Schicht

Für jede der oberflächenbehandelten Platten, die über die Oberflächenbehandlung von jedem der Grünpreßlinge A1 bis A6, B1 bis B6, C1 bis C6 und D1 bis D6 erhalten wurden, wurde die Dicke der modifizierten Schicht unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 5 gezeigt.

Tabelle 5

Jede der oberflächenbehandelten Platten, die durch die Behandlung von jedem der Grünpreßlinge A1 bis A6, B1 bis B6, C1 bis C6 und D1 bis D6 erhalten wurde, wies eine modifizierte Schicht auf, die in einem größeren Ausmaß eine Ferritphase enthielt.

Die Ergebnisse aus Tabelle 5 zeigen die Beziehung zwischen der Gründichte des Preßlings, der oberflächenbehandelt werden soll, und der Dicke der modifizierten Schicht, die durch die Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche erzeugt wird, und es ist eine deutliche Tendenz vorhanden, dass die Dicke der modifizierten Schicht entsprechend verringert ist, wie die Gründichte des Preßlings, der behandelt werden soll, ansteigt. Es wird verstanden, dass diese Tendenz auf den Unterschied bei der Durchlässigkeit des Oberflächenmodifizierers in den Körper zurückzuführen ist, und dass diese nicht mit einer Änderung in der Zusammensetzung des Preßlings, der behandelt werden soll, variiert.

Beispiel 4 Oberflächenmodifizierung zum Zwecke der Größenbehandlung

Fig. 3 ist ein Beispiel für die Anwendung der Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche der vorliegenden Erfindung, um die Verarbeitbarkeit und Wiederverdichtungsfähigkeit bei einem Verfahren zur Größenbehandlung zu verbessern, wobei das Verfahren aus Fig. 3 die Schritte umfaßt:
Verdichten (10); Oberflächenmodifizieren (11); Sintern (12); Größenbehandeln und Bearbeiten (13); und Aufkohlen unter Wärme (14).

In Übereinstimmung mit dem Verfahren aus Fig. 3 wurden die folgenden Abläufe ausgeführt.

Herstellung der Proben Nr. 34 und 35

Die Mischung (4) aus Beispiel 3 wurde zu röhrenförmigen Grünpreßlingen verdichtet, die einen Innendurchmesser von 20 mm, einen Außendurchmesser von 30 mm, eine Länge von 10 mm und eine Gründichte von 6,6 g/cm³ aufwiesen. Es wurden zwanzig Exemplare der Grünpreßlinge geformt.

Unter einer Luftatmosphäre wurde der Oberflächenmodifizierer A, der in Beispiel 1 hergestellt wurde, mit einer Saugwatte auf die äußere Oberfläche von 10 Preßlingen der oben erhaltenen Grünpreßlinge aufgebracht. Dieses Aufbringungsverfahren wurde noch zweimal für jeden Preßling wiederholt. Dann wurden die so behandelten Preßlinge in einer nichtoxidierenden Gasatmosphäre (dissoziierter Ammoniak) bei einer Temperatur von 1250°C gesintert, um die Sinterkörper der Probe Nr. 34 zu erhalten.

Weitere zehn Grünpreßlinge wurden in einer nichtoxidierenden Gasatmosphäre (dissoziierter Ammoniak) bei einer Temperatur von 1250°C ohne Aufbringung des Oberflächenmodifizierers gesintert, um die Sinterkörper von Probe Nr. 35 zu erhalten.

Größenbehandlung und Aufkohlen

Jeder der Sinterkörper von den Proben Nr. 34 und 35 wurde in einer Form bei einem Nachpreßdruck von 500 MPa nachgepreßt, und der Außendurchmesser der Sinterkörper der Proben Nr. 34 und 35 wurde zur Einschätzung des Ausdehnungsunterschiedes vermessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.

Für das Aufkohlen wurden die Sinterkörper der Proben Nr. 34 und 35, die nach dem obigen Nachpreßverfahren erhalten wurden, bei einer Temperatur von 850°C für 60 Minuten in einer Atmosphäre, die einen Kohlenstoffpotentialwert von 0,8% aufwies, erwärmt. Außerdem wurden sie in einem Öl bei 60°C gehärtet und dann in einer Luftatmosphäre bei 180°C temperiert. Bei jedem dieser Sinterkörper wurde die obige Messung des Außendurchmessers wiederholt, um den Ausdehnungsunterschied einzuschätzen. Weiterhin wurde jeder der Sinterkörper bezüglich der radialen Bruchfestigkeit mittels eines Amsler- Type-Universal-Testers vermessen. Die Ergebnisse der obigen Messungen sind in Tabelle 7 gezeigt.

In Tabelle 6 und Tabelle 7 bedeutet die "Differenz des Außendurchmessers" die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Außendurchmessers.

Tabelle 6

Tabelle 7

Da der Oberflächenbereich des Sinterkörpers durch den eindringenden Oberflächenmodifizierer weichgemacht wird, kann die Ausdehnung des Sinterkörpers leicht mittels eines Verfahrens zur Größenbehandlung korrigiert werden. Die Wirkung, den Oberflächenbereich des Sinterkörpers präzise herzustellen, kann auch über eine Größenbehandlung des weichen Oberflächenbereiches erhalten werden. Weiterhin wird die mechanische Festigkeit dem Oberflächenbereich des Sinterkörpers am Ende durch die Aufkohlungsbehandlung verliehen.

Wie in der obigen Beschreibung eindeutig gezeigt wird, umfaßt die Oberflächenmodifizierung gemäß der vorliegenden Erfindung den Schritt des Eindringenlassens des Oberflächenmodifizierers, der die Borkomponente enthält, entweder in einen Preßling, einen vorgesinterten Preßling oder in einen Sinterkörper, der aus einer Eisenlegierung mit Kohlenstoff zusammengesetzt ist, und den Schritt des Sinterns oder Erwärmens des Preßlings oder des Sinterkörpers, der mit dem Oberflächenmodifizierer imprägniert ist. Da diese Oberflächenmodifizierung nur die Härte des imprägnierten Bereichs in dem Eisenlegierungsmaterial verringert, ist es möglich, die Herstellung einer Sintereisenlegierung, die bezüglich der Bearbeitungsfähigkeit wie zum Beispiel der Verarbeitungsfähigkeit, der Leichtigkeit der Größenbehandlung, etc. bei geringen Kosten hervorragend ist.

Weiterhin ist die Oberflächenmodifizierung der vorliegenden Erfindung nicht nur auf ein Sintereisenlegierungsmaterial, sondern auch auf Stahl und andere gewöhnliche Eisenmaterialien, die Kohlenstoff enthalten, anwendbar, und es ist möglich, verschiedenartige Maschinenteile und Bauteile bei geringen Kosten unter Verwendung des leicht verarbeitungsfähigen Materials, das durch Aufbringen des Oberflächenmodifizierers auf jedem dieser Materialien und durch Sintern derselben erhalten wird, herzustellen. Als ein Ergebnis des Obigen kann das Gebiet, auf dem die Sintereisenlegierung und andere Eisenmaterialien verwendet werden können, größer werden.

Claims (4)

1. Ein Verfahren zum Modifizieren einer Kohlenstoff enthaltenden Eisenlegierung, umfassend die Schritte:
Herstellen einer Lösung, die eine Borkomponente enthält, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Bor, Boroxid, Borsulfid, Borhalogenid, Borhydrid, Borsäure, Borat und Tetrafluorborat besteht;
Eindringenlassen der Lösung in die Eisenlegierung; und
Erwärmen der Eisenlegierung nach dem Imprägnierungsschritt in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 1000 bis 1250°C.

2. Das Modifizierungsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Lösung durch Lösen der Borkomponente in einer Konzentration von 0,01 bis 0,3 g/ml in einem Lösungsmittel, das Wasser oder Alkohol, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Methanol, Ethanol, 1-Propanol und 2-Propanol, enthält, hergestellt wird.

3. Das Modifizierungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, das weiter den Schritt umfasst:
Einbringen der Eisenlegierung vor dem Imprägnierungsschritt in eine Atmosphäre mit verringertem Druck, um Luft aus der Eisenlegierung zu entfernen.

4. Ein Eisenlegierungsprodukt, modifiziert nach dem Modifizierungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.