DE2258310A1

DE2258310A1 - Sintereisen-formteil sowie verfahren und sinterkachel zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2258310A1
Application number: DE19722258310
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Pohl; Franz Redlinger
Original assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Current assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1972-11-29
Publication date: 1974-05-30
Also published as: DE2258310C3; FR2207770A1; JPS4983633A; ATA956873A; SE411230B; GB1443015A; JPS574682B2; IT1001966B; BR7309346D0; AT334938B; CH585519A5; DE2258310B2; NL7316170A; FR2207770B1; BE807741A

Description

Patentanwalt
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ilfliMnWi 28. Nov. 1972

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'Sintereisen-Formteil sowie Verfahren und Sinterkachel zu seiner '

Herstellung

jDie Erfindung betrifft ein^ τ Sintereisen-Formteil mit verschleiß- !fester Oberfläche sowie ein Verfahren und eine Sinterkachel zu
seiner Herstellung. Die Erfindung ist bei gesinterten Eisenmetallen, das heißt bei reinem Eisen und bei Eisenlegierungen anwendbar.

Die Sintertechnik ist als Pertigungsverfahren bekannt, das die
Herstellung von Formteilen mit so geringen Toleranzen gestattet,
dass die fertigen Teile überwiegend in einbaufertigem Zustand ' anfallen. Die Einsatzbedingungen gesinterter !Formteile erfordern.' häufig eine verschleißfeste Oberfläche, umi-hre Lebensdauer ; (Standzeit) zu verlängern. Bisher sind zur Erzeugung verschleiß- j fester Oberflächenschichten das Einsatzhärten, die Nitrierung, ! die Karbonnitrierung und in selteneren Fällen die induktive Ober-j flächenhärtung bekannt. Die Verschleißfestigkeit, die sich bei ; diesem Verfahren ergibt, beruht auf einer Strukturveränderung i in der Oberflächenschicht. Durch Härtungsverfahren entsteht dort
beispielsweise Martensit, durch Nitrierverfahren entstehen Eisen-

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nitride. Schließlich können auch Teile aus kohlenstoffhaltigem Sinterstahl durchgehärtet werden, wobei neben der Oberfläche auch der Kern des Werkstückes verschleißfest wird. Sine-weitere Möglichkeit besteht darin, galvanisch verschleißfeste Schichten, z.B. Hartchromschichten, aufzubringen. Bei allen diesen Verfahren ist es jedoch erforderlich, daß zusätzlich zu den Arbeitsgängen, die zur Herstellung der Sintereisenteile nötig sind, weitere Arbeitsgänge zur Herstellung der verschleißfesten Oberflächenschicht durchgeführt werden müssen. Dazu sind zusätzliche Apparaturen erforderlich, so daß die Kosten eines Sinterteiles durch eine der oben angeführten Nachbehandlungen in unerwünschter Weise steigen.

Ein v/eiterer Nachteil der ^entnnten H^rtungsverfahren tssteht noch darin, daß sich das Fomteil während der Wärmebehandlung ¹^. »jr Er-zeugung Γ er verschleißfesten Oberfläcra verziehen kapn, £-■ da." die engen Toleranzen, die ein besonderer Vorteil dfir Sintermetallformteile sind, wieuei vergrößert werden. Die auf diese V/eise wärmebehandelten Sinterteile müssen daher häufig noch einer spanabhebenden Nachbearbeitung unterzogen werden, die v/eitere Kosten verursacht. Bei den auf übliche Weise gehärteten Sinterteilen ist es auch sehr nachteilig, daß diese wegen der hohen Festigkeit der Randschichten nicht kalibrierbar sind und deshalb meist spanend nachbearbeitet werden müssen.

Erfindungsgemäß wird nun ein Sintereisen-Formteil mit verschleißfester Obefläche angegeben, das durch eine Oberflächenschicht aus austenitischem Gefüge gekennzeichnet ist.

Solche austenitische Oberflächenschichten, deren kennzeichnender Gefügebestandteil kubisch-flächenzentriertes Eisen, sogenannter Austenit ist, sind sehr verschleißfest. Das erfindungsgemäße Verfahren bringt dazu den großen Vorteil, daß die hohe Bndhärte durch Kalibrieren erreicht werden kann. Austenitische Oberflächenschichten können mit Nickel oder Kupfer oder n*it Mangan allein oder in Kombination hergestellt v/erden. Vorzugsweise hat die Oberflächenschicht jedoch eine Zusammensetzung, die der eines austenitischen Manganhartstahles entspricht.

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Die Herstellung der Austenitschiht- rait Mangan ist insofern vorteil- !

haft, als die anderen genannten Elemente teurer als Mangan sind. | !Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Austenit-Oberflächenschiclrb durch Kaltverformung verfestigt und gehärtet ist. Austenit weist als solcher bereits eine gewisse Härte auf. Die Härte ^! kann jedoch durch Kaltverfestigung sehr stark erhöht werden, ■ so dass die Oberflächenschicht verschleißfest wird. Die KaItverfestigung kann durch die übliche Beanspruchung eines Formteiles während seines Einsatzes hervorgerufen werden. Diese ! Eigenschaft ist bei der Herstellung von Maschinenteilen aus · - Manganhart stahl als Arbeitshärtung bekannt. Bei einem er- ; findungsgemässem Sintereisenformteil besteht nur die Oberflächenschicht aus einem austenitischen Stahl, während der Kern des Formteiles aus der üblichen Sintereisenlegierung besteht. Die Oberflächenschicht ist vorzugsweise durch Diffusion der austenit-bildenden Legierungselemente in die Oberfläche des Normteils hergestellt. Die Diffusion ist die einfachste Möglichkeit, die für die Austenitbildung erforderlichen Elemente j in die Oberfläche des Normteiles einzubringen." j

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Normteiles; aus Sintereisen ist dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil j zur Erzeugung einer austenitischen, verschleißfesten Ober- · ! flächenschicht während eines Sinterproaesses mit einem Mittel j

in Verbindung gebracht wird, aus dem wenigstens bei den Sintertemperaturen austenitbildende Elemente in die Oberfläche des Normteiles eindiffundieren. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird daher auf dem Wege der Duffision an gesinterten Normteilen aus Eisen und Eisenlegierungen eine austenitische Oberflächenschicht erzeugt, die sich insbesondere durch die Kalthärtbarkeit auszeichnet.

Der Vorteil des Verfahrens liegt insbesondere darin, dass bei seiner Durchführung keine weiteren Einrichtungen erforderlich sind als die, die in einer Sintereisenfertigung ohnehin vorhanden sind. Es ist auch kein zusätzlicher Wärmebehandlungsprozess notwendig. Die Erzeugung der Oberflächenschicht erfolgt während des Sintervorganges, das heißt bei einem Schutzgas- ......

glühen bei Temperaturen zwischen vorzugsweise lOOOund 1300 °

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Celsius. Diesen Sinterprozeß muß aber Jedes Sinterelsen-Formteil ofrtehin durchlaufen. Daraus ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich kostengünstiger als jedes bisher bekannte Wärmebehandlungs- bzw. Härtungsverfahren ist. Auch ist es von Vorteil, daß das erfindungsgemäße Verfahren in Jeder üblichen Sinteratmosphäre, im Vakuum und - unter Verwendung völlig dicht verschlossener Sinterkacheln - sogar in Luft und anderen Atmosphären durchgeführt'werden kann. Es ist lediglich dafür zu sorgen, daß das Material der kachel nicht von der Atmosphäre angegriffen wird. Bei Durchführung des Verfahrens in Luft empfiehlt es sich, daß die Kachel aus .hoch hitzebeständigem Stahl besteht. Um Sintereisenteile mit einer verschleißfesten Oberflächenschicht aus Manganstahl zu versehen, benötigt man-ein Mittel, aus dem Mangan und kohlenstoff in den Formteil eindiffundieren können. Als solches Mittel ist eine Mischung aus

0,1 bis 10 % Kohlungsmittel

0,1 Lid '-³^ % thermisch die pot¹? crendes Karbonat 0,1 bif- J)O % lia.iogensa'.ze

1,0 bis 20 £ Silizium- oder Aluminiumoxid Rest Perromangan

vorteilhaft. Auf das Kohlungsmittel kann unter Umständen verzichtet werden, wenn man Ferromangan mit ausreichendem Kohlenstoffgehalt verwendet. Das Mittel ist eine Mischung von

0,1 bis 25 % thermisch dissoziierendes Karbonat

0,1 bis 30 % Halogensalze

0,1 bis 20 %· Silizium- oder Aluminiumoxid

Rest Ferromangan mit 5 bis 10 % Kohlenstoff.

Als Kohlungsmittel kommen Aktivhohle, Holzkohle, Knochenkohle, Kokspulver und alle anderen in der Technik üblichen Kohlungsmittel in Frage. Aktivkohle ist jedoch, insbesondere wegen ihrer Reinheit und ihrer großen Oberfläche bevorzugt. Als thermisch dissoziierendes Karbonat eignen sich Bariumkarbonat sowie alle anderen Karbonate, die bei der Sintertemperatur thermisch in Kohlendioxid und andere Molekülreste dissoziieren. Als Halogensalze kommen grundsätzlich alle bei der Sintertemperatur thermisch in Chlorion und einen Molekülrest dianziierenden Chloride in Frage. Die Chloride können auch durch andere Halogen-

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salze, d.h. Fluoride, Bromide oder Jodide ersetzt v/erden. Amoniumsalze, insbesondere Amoniumchlorid sind jedoch bevorzugt, da sie den Vorteil haben, in einen Halogenrest (Chlor, Fluor, · Brom oder Jod) und Ammoniak zu zerfallen. Dadurch erfolgt zusätzlich eine Aufstickung der behandelten Formteile. Die Aufstickung ist insofern vorteilhaft, als durch den Stickstoff der Austenit zusätzlich stabilisiert wird.

Das Aluminiumoxid bzw. das Siliziumoxid dienen als indifferente. Stoffe dazu, ein Zusammensintern der die austenitbildenden Elemente abgebenden Mischung zu verhindern. Grundsätzlich kann hierzu jeder Stoff- verwendet werden, der diese Wirkung hat.

Es ist vorteilhaft, wenn das austenitbildende Mittel ein Pulver mit einc^r· Korngröße von 0-5 mm", vorzugsweise von 0 -C»6 mm ist, damit eine möglichst große aktive Oberfläche gegeben ist, aus der bei P.afheizen des Mittels auf die Sinter-i-enperatur des Porir.teils die austenit-bildenden Elemente a is treten können«

Im Rahmen der vorstehenden Angaben hat sich herausgestellt, daß ein Mittel, das aus K - β % Aktivkohle

5 - 8 fo Bariumkarbonat 10 -2) % Amoniumchlorid

k -. 8 % Aluminiumoxid

Rest Ferromangan

besteht, für praktische Zwecke gut geeignet ist.

In diese Mischung bzw. das die Aistenit bildenden Elemente abgebende Mittel werden die pulvergdpreßten, also noch nicht gesin-. terten Formteile eingepackt und dann dem üblichen Sinterprozeß unterzogen. Während der Sinterung bildet sich dann gleichzeitig die erwünschte austenitische Oberflächenschicht _s ohne daß irgendwelche zusätzlichen Maßnahmen notwendig wären. Die Oberfläche der Formteile wird allerdings rauher, als für Sintepteiie üblioh, weil die Mischung etwas zum Anbacken neigt,, Wenn die Teile von ' einer Pulvermischung völlig umgeben sindj, wird aueh das Abdampfen von Schmiermitteln, z.B. von Stearkten etwas ersehwert,

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die gewöhnlich den Sinterpulvern zum Erleichtern des Formpres-■ sens zugegeben sind.. In Fällen, in denen diese Einschränkungen jedoch -nicht störend sind, stellt das Einpacken der Formteile in die aktive Mischung das einfachste und billigste Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formteile dar.

Wenn jedoch die vorstehend genannten Einschränkungen störend sein sollten, muß die Sinterung so erfolgen, daß die Formteile mit der aktiven Mischung nicht in direkten Kontakt kommen. Dazu ist ein abgeschlossener Reakticnsraum notwendig, in dem die austenitbildenden Elemente aus der Mischung über die Gasphase in das Formteil eindiffundi^ren. Das kann beispielsweise in einer Sinterkachel gescb-oiiei:, wie sie schematisch in der beiliegenden Figur gezeigt ist. Eine üiuLkachel der Sinterkachel 1 entht.lt. die f'angan und Kohlenstoff abgebende Pulver- * mischung 2, die r.n Boden de*¹ Xajnel 1 ausgebreitet ist. A'j Boden der Kachel befinden rieh ferner Abstand;?tt'cke in Form von Rippen 3> deren Spitzen über die Pulvern·J sehnig ? Hinausragen. Auf diesen Rippen 3 liegen die Preßlinge 4, aus denen durch Sinterung die erfindungsgemäßen Formteile entstehen sollen. Die Sirterkachel 1 ist mit einem Deckel 5 verschlossen, der mit einer beliebigen, thermisch beständigen Kasse 6 abgedichtet ist. Der Austritt von Mangan und Kohlenstoff aus der aktiven Mischung sowie die Eindiffusion des Mangans und des Kohlenstoffs in die Preßlinge h erfolgt in diesem Fall über die Gasphase während der Slnterbehandlng.

Die Sintertemperatür ist die zur Herstellng von gesinterten Eisenteilen übliche Temperatur von 1000 - 1300° Celsius. Auch die Sinterdauer entspricht den üblichen Werten von etwa 20 min. bis zu einer Stunde. Die so behandelten Formteile zeichnen sich durch die für Sinterteile übliche, glatte Oberfläche aus und haben die erfindngsgemäße, verschleißfeste Oberflächenschicht mit Austenitstruktur.

' Nach diesem Arbeitsgang beträgt die Oberfläohenhärte der Forrateile -ungefähr HV. gleich 200 ... 300. Die für die Verschleiß-

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!festigkeit erwünschte Härte können die Formteile nun durch Bean-■ spruchung während der Verwendung erhalten (Arbeitshärtung). ι Sinterformteile werden jedoch in aller Regel nach dem Sintern zu Ea?ziehlung besserer Toleranzen kalibriert» Da die Kalibrierung eine Kaltverformung in der Oberfläche bewirkt, wird dadurch bei den erfindungsgemassen Formteilen, die beim vorausgegangenen Sintern mit einer austenitischen Oberflächenschicht versehen worden sind, eine grosse Härtesteigerung bis auf HV gleich 600 ... 700-bewirkt. Auch in diesem Fall ist ein zusätzlicher Arbeitsgang nicht erforderlich, da der grösste Teil- aller Sinterformteile ohnehin eine Kalibrierung durchläuft. Die Kalibrierung bewirkt eine teilweise Umwandlung des Austenits in Martensit.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist jedoch nicht nur auf die sogenannten Grünlinge anwendbar. Auch bereits in üblicher Sinter^· technik fertiggestellte Formteile können nach" dem vorliegenden Verfahren nachträglich mit der austenitischen Oberflächenschicht versehen werden. In diesem Fall ist ein zweiter Sinterprozess erforderlich, wie er oben beschrieben wurde, dem sich gegebenenfalls eine Kalibrierung anschliessen kann*

Praktische Versuche haben gezeigt, dass durch das erfindungsgemässe Verfahren konturengetreue austenitische Oberflächen- \ schichten erhalten werden. Die chemische Zusammensetzung ent- ; spricht etwa dem Hadfield'sehen Manganhartstahl. Die Analyse ⁺ j ergab 0,6 c,. 1_t8 % 0 und 10 ... 15 % Mn.

der Schichten

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Claims

Ι Patentansprüche

|1. Sintereisen-Formteil mit verschleißfester Oberfläche gekennzeichnet durch eine Oberflächenschicht aus ; austenitischein Gefüge.

2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zusammensetzung der Oberflächenschicht der eines austeniti-' sehen ManganhartStahls entspricht.

^! 3· Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die austenit-bildenden Legierungselemente Mangan, Nickel oder Kupfer sind.

^! 4. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die austenit bildenden Elemente Mangan, Nickel und Kupfer in Kombination in der Oberflächenschicht enthalten sind.

5. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

; gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht durch Kaltver- _: formung verfestigt und gehärtet ist.

6. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4^ dadurch gekenn- ■ zeichnet, dass die Oberflächens chicht durch Diffusion der austenit-bildenden Legierungselemente in die Oberfläche des Formteils hergestellt ist.

7· Verfahren zur Herstellung eines Formteiles aus Sintereisen nach einem der Ansprüche 1 bis 5idadurch gekennzeichnet, dass das Formteil zur Erzeugung einer austenitischen verschleißfesten Oberflächenschicht während eines Sinter- ; Prozesses mit einem Mittel in Verbindung gebracht wird, aus ; dem wenigstens bei den Sintertemperaturen austenit-bildende ; Elemente in die Oberfläche des Formteiles eindiffundieren. ;

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass der

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Formteil in das Mittel eingepackt wird.

! 9· Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, dass

der Formteil beim Sintern nahe bei, jedoch ausser direkten ; Kontakt mit dem Mittel angeordnet wird.

; 10. Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, dass : das Mittel eine Mischung von

[ 0,1 - 10 % Kohlungsmittel

0,1 - 25 % thermisch dislozierenden ' . . Karbonat

! 0,1- 30 % Halogensalze

I 1,0 - 20 % Silizium- oder Aluminium

oxid

Rest Ferromangan : ist.

i μ Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das ■ Mittel eine Mischung von

j - 0,1 - 25 % thermisch dissozierenden

i ■ Karbonat

! 0,1 - 30 % Halogensalze

; 1,0- 20 % Silizium- oder Aluminiumoxid

Rest Perromangan■ mit 5-10 % Kohlenstoff ist.

[ 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als'

^; Kohlungsmittel Aktivkohle verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisch dissozierendes Karbonat Bariumkarbonat verwendet wird. · ■ · ·

. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Halogensalz Amoniumhalogenid verwendet wird.

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15· Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel aus

4 - 6 % Aktivkohle

5 - 8 % Bariumkarbonat 10 -20 % Amoniumchlorid

4- - 8 % Aluminiumoxid Rest Ferromangan besteht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15» dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein Pulver mit einer Korngrösse von 0 bis 5 mm,- vorzugsweise 0 bis 0,6 mm ist.

17· Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Formteil durch Arbeitshärtung oder durch einen Kalibrierungsprozess oberflächengehärtet wird.

18. Sinterkachel zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Boden der Sinterkachel (1) Abstandshalter (3) angeordnet sind, die den Formteil (4) unter Abstand über dem auf dem Boden der Kachel (1) ausgebreiteten, austenit-bildenden Mittel (2) tragen.

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