DE2258310B2

DE2258310B2 - Sintereisen-Formteil mit einer verschleißfesten Oberflächenschicht und Verwendung eines Mittels zur Herstellung dieser Oberflächenschicht

Info

Publication number: DE2258310B2
Application number: DE19722258310
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. 7080 Aalen Pohl; Franz 7343 Kuchen Relinger
Original assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Current assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1972-11-29
Publication date: 1981-05-27
Also published as: DE2258310C3; DE2258310A1; IT1001966B; NL7316170A; ATA956873A; JPS4983633A; FR2207770B1; GB1443015A; JPS574682B2; CH585519A5; BR7309346D0; FR2207770A1; BE807741A; AT334938B; SE411230B

Description

4 bis	6%	8%	Aktivkohle
5 bis	8%		Bariumkarbonat
10 bis 20%	Ammoniumchlorid
4 bis	Aluminiumoxid
Rest	Ferromangan.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel ein Pulver mit einer Teilchengröße bis 5 mm, vorzugsweise bis 0,6 mm, ist.

Die Erfindung betrifft ein Sintereisen-Formteil mit einer verschleißfesten Oberflächenschicht sowie die Verwendung eines Mittels zur Herstellung einer solchen Oberflächenschicht.

Die Sintertechnik ist als Fertigungsverfahren 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, um ihre Lebensdauer (Standzeit) zu verlängern. Bisher sind zur Erzeugung verschleißfester Oberflächenschichten das Einsatzhärten, die Nitrierung, die Karbonitrierung und in selteneren Fällen die induktive Oberflächenhärtung bekannt. Die Verschleißfestigkeit, die sich bei diesen Verfahren ergibt, beruht auf einer Gefügeveränderung in der Oberflächenschicht. Durch Härtungsverfahren entsteht dort beispielsweise Martensit, durch Nitrierverfahren Eisennitride. Es können auch Teile aus kohlenstoffhaltigem Sinterstahl durchgehärtet werden, wobei außer der Oberfläche auch der Kern des Werkstückes verschleißfest wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, verschleißfest Schichten, z. B. Hartchromschichten, galvanisch aufzubringen. Bei allen diesen Verfahren ist es jedoch erforderlich, daß

ι ο 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 angegebenen Nachbehandlungen in unerwünschter Weise steigen.

Ein weiterer Nachteil dieser Härtungsverfahren besteht darin, daß sich das Formteil während der Wärmebehandlung zur Erzeugung der verschleißfesten Oberflächenschicht verziehen kann, so daß die engen Toleranzen, die ein besonderer Vorteil der Sintermetall-Formteile sind, wieder vergrößert werden. Die auf diese Weise wärmebehandelten Sinterteile müssen daher häufig noch einer spanabhebenden Nachbearbeitung unterzogen werden, die weitere 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 darum meist spanend nachbearbeitet werden müssen.

Es ist bei dem Sintereisen-Formteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt (DE-AS 12 48 420), die Oberfläche mit Chrom, Nickel, Molybdän und rostfreiem Stahl durch Packzementieren und gleichzeitigem Sintern zu veredeln. Dabei werden in der Oberfläche des zu sinternden Formteiles vorhandene feine Nadellöser durch Eindiffusion des jeweiligen Diffusionsmetalls verstopft und dadurch der Sintereffekt erhöht. Ist der Anteil an Chrom und Molybdän ausreichend hoch, werden ferritische Schichten gebildet,

■»ο die zwar korrosionsfest, aber nicht verschleißfest sind.

Aus der Literaturstelle »Metals and Materials«, Juni 1968, Seite 67 ist bekannt, bei gesinterten Stahlteilen ein hartes, ma: tensitisches Gefüge zu erzeugen, wobei das Behandlungsgut erwärmt und abgeschreckt wird, gegebenenfalls nach vorausgehender Aufkohlung. Die harte Oberflächenschicht wird hier mit dem üblichen Härten durch Martensitbildung erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sintereisen-Formteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß er verschleißfest und gleichzeitig maßgenau ohne spanende Arbeitsgänge hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Sintereisen-Formteil wird die verschleißfeste Oberflächenschicht bewußt durch Austenitbildung erzeugt. Durch die Kaltverformung dieser Austenitschicht erhält der Sintereisen-Formteil eine sehr hohe Verschleißfestigkeit, die eine Härte von 600 bis 700 HV haben kann. Austenit weist zwar als solcher bereits eine gewisse Härte auf, jedoch wird diese Härte durch die Kaltverfestigung sehr stark erhöht, so daß die Oberflächenschicht eine entsprechend hohe Verschleißfestigkeit erhält. Die Kaltverfestigung kann durch die übliche Beanspruchung des Formteiles während seines Einsatzes hervorgerufen werden. Diese Eigenschaft ist bei der Herstellung von Maschinenteilen aus Manganhartstahl als Arbeitshär-

tung bekannt. Da die Oberflächenschicht aus dem austenitischen Manganhartstahl besteht, ist an der Oberflächenschicht ein ausreichend hoher Kohlenstoffgehalt vorhanden, um eine schädliche Karbidbildung des Manganaustenits zu verhindern. Manganhi.rtstahl hat "· einen Kohlenstoffgehalt um etwa 1%. Bei solchen Kohlenstoffgehalten tritt eine Karbidbildung nicht auf. Schon verhältnismäßig kleine Karbidmengen im Gefüge des zu kalibrierenden Formteiles würden das Kalibrierwerkzeug so rasch verschleißen lassen, daß die erforderliche Maßgenauigkeit bei den üblicherweise großen Herstellungsmengen der Sinterfertigung nicht gehalten werden könnten. Der erfindungsgemäße Sintereisen-Formteil kenn infolge seiner erfindungsgemäßen Ausbildung sehr maßgenau durch Kalibrieren hergestellt werden, ohne daß spanende Arbeitsgänge notwendig sind. Bei dem erfindungsgemäßen Sintereisen-Formteil besteht ausschließlich die Oberflächenschicht aus dem austenitischen Manganhartstahl, während der Kern des Sintereisen-Formteilesjecie beliebige Gefügeausbildung aufweisen kann.

Die austenitische Oberflächenschicht wird vorzugsweise durch Dissusion der austenitbildenden Legierungselemente in die Oberflächensicht des Formteils hergestellt. Die Diffusion ist die einfachste Möglichkeit, die für die Austenitbildung erforderlichen Elemente in die Oberflächenschicht des Formteiles einzubringen.

Zur Herstellung der verschleißfesten Oberflächenschicht wird das Formteil aus Eisenpulver während des Sinterprozesses mit einem Mittel in Verbindung gebracht, aus dem zumindest bei den Sintertemperaturen austenitbildende Elemente in die Oberflächenschicht des Formteiles eindiffundieren. Zur Durchführung des Verfahrens sind keine weiteren Einrichtungen erforderlich als diejenigen, die in der Sintereisenfertigung ohnehin vorhanden sind. Es ist auch keine zusätzliche Wärmebehandlung notwendig. Die Erzeugung der Oberflächenschicht erfolgt während des Sintervorganges, d. h. bei einem Schutzgasglühen bei Temperaturen zwischen 1000 und 1300⁰C. Diesen ίο Sinterprozeß muß aber jedes Sintereisen-Formteil ohnehin durchlaufen. Dieses Verfahren ist dadurch sehr kostengünstig. Auch ist es von Vorteil, daß dieses Verfahren in jeder üblichen Sinteratmosphäre, im Vakuum und — unter Verwendung völlig dicht geschlossener Sinterkacheln — sogar in Luft durchgeführt werden kann. Es ist lediglich dafür zu sorgen, daß das Material der Kachel von der Atmosphäre nicht angegriffen wird. Wird die verschleißfeste Oberflächenschicht in Luft hergestellt, empfiehlt es sich, die Kachel aus hoch hitzebeständigem Stahl herzustellen.

Um Sinterteile mit einer verschleißfesten Oberflächenschicht aus Manganhartstahl zu versehen, benötigt man ein Mittel, aus dem Mangan und Kohlenstoff in den Formteil eindiffundieren können. Als solches Mittel ist folgende Mischung vorteilhaft:

0,1 bis 10% Kohlungsmittel

0,1 bis 25% thermisch dissozierendes Karbonat

0,1 bis 30% Halogensalze

1,0 bis 20% Silizium- oder Aluminiumoxid

Rest Ferromangan.

Auf das Kohlungsmittel kann unter Umständen verzichtet werden, wenn man Ferromangan mit ausreichendem Kohlenstoffgehalt verwendet. Ein soiches Mittel zur Herstellung der Oberflächenschicht hat folgende Zusammensetzung:

0,1 bis 25% thermisch dissozierendes Karbonat

0,1 bis 30% Halogensaize

0,1 bis 20% Silizium- oder Aluminiumoxid

Rest Ferromangan mit 5 bis 10% Kohlenstoff.

Als Kohlungsmittel kommen Aktivkohle, Holzkohle, Knochenkohle, Kokspulver und alle anderen in der Technik üblichen Kohlungsmittel in Frage. Aktivkohle ist jedoch, insbesondere wegen ihrer Rei.iheit 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 dissoziierenden Chloride in Frage. Die Chloride können auch durch andere Halogensalze, d. h. Fluoride, Bromide oder Jodide, ersetzt werden. Bevorzugt werden jedoch Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumchlorid, verwendet, 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 Aufstikkung hat den Vorteil, daß durch den Stickstoff der Austenit zusätzlich stabilisiert wird.

Aluminiumoxid bzw. Siliziumoxid dienen als indifferente Stoffe, um ein Zusammensintern des die austenitbildenden Elemente abgebenden Mittels zu verhindern. Grundsätzlich kann hierzu jeder Stoff verwendet werden, der eine solche Wirkung hat

Es ist vorteilhaft, wenn das austenitbildende Mittel ein Pulver mit einer Teilchengröße bis 5 mm, vorzugsweise bis 0,6 mm ist, damit eine nöglichst große aktive Oberfläche gegeben ist, aus der bei Aufheizen des Mittels auf die Sintertemperatur des Formteils die austenitbildenden Elemente austreten können.

Im Rahmen der vorstehenden Angaben hat sich herausgestellt, daß für praktische Zwecke folgendes Mittel gut geeignet ist:

4 bis 6%	Aktivkohle
5 bis 8%	Bariumkarbonat
10 bis 20%	Ammoniumchlorid
4 bis 8%	Aluminiumoxid
Rest	Ferromangan.

In dieses Mittel werden die gepreßten, also noch nicht gesinterten Formteile eingepackt und dann dem üblichen Sinterprozeß unterworfen. Während der Sinterung bildet sich dann gleichzeitig die gewünschte austenitische Oberflächenschicht, ohne daß irgendwelche zusätzlichen Maßnahmen notwendig wären. Die Oberfläche der Formteile wird allerdings rauher als bei Sinterteilen üblich, weil das Mittel etwas zum Anbacken neigt. Wenn die Formteile von dem Mittel völlig umgeben sind, wird auch das Abdampfen von Schmiermitteln, z. B. von Stearaten, erschwert, die gewöhnlich den Metallpulvern zum Erleichtern des Formpressens zugegeben werden. In Fällen, in denen diese Einschränkungen jedoch nicht störend sind, stellt das Einpacken der Formteile in das Mittel das einfachste und billigste Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formteile dar.

Wenn jedoch die vorstehend genannten Einschränkungen störend sein sollten, muß die Sinterung so vorgenommen werden, daß die Formteile mit dem Mittel nicht in direkten Kontakt kommen. Dazu ist ein abgeschlossener Reaktionsraum notwendig, in dem die

austenitbildenden Elemente aus dem Mittel über die Gasphase in das Formteil eindiffundieren. Das kann beispielsweise in einer Sinterkachel geschehen, wie sie schematisch in der Zeichnung dargestellt ist. Die Sinterkachel 1 enthält das Mangan und Kohlenstoff abgebende pulverförmige Mittel 2, das am Boden der Kachel 1 ausgebreitet ist. Am Kachelboden befinden sich ferner Abstandsstücke in Form von Rippen 3, deren Spitzen über das Mittel 2 hinausragen. Auf den Rippen liegen die Preßkörper 4, aus denen die Sinterteile entstehen sollen. Die Sinterkachel 1 ist mit einem Deckel 5 verschlossen, der mit einer beliebigen, thermisch beständigen Masse 6 abgedichtet ist. Der Austritt von Mangan und Kohlenstoff aus dem Mittel sowie die Eindiffusion von Mangan und Kohlenstoff in die Preßkörper 4 erfolgt in diesem Fall über die Gasphase während der Sinterbehandlung.

Die Sintertemperatur ist die zur Herstellung von gesinterten Eisenteilen übliche Temperatur von 1000 bis 1300⁰C. Auch die Sinterdauer entspricht den üblichen Werten von 20 Min. bis zu einer Stunde. Die so behandelten Formteile zeichnen sich durch die für Sinterteile übliche glatte Oberfläche aus und haben die verschleißfeste Oberflächenschicht mit Austenitgefüge. Nach diesem Arbeitsgang beträgt die Oberflächenhärte der Formteile ungefähr 200 bis 300 HV. Die für die Verschleißfestigkeit erwünschte Härte können die Sinterteile nun durch Beanspruchung während der Verwendung erhalten (Arbeitshärtung). Sinterteile wer- > den jedoch in aller Regel zur Erzielung besserer Toleranzen kalibriert. Da die Kalibrierung eine Kaltverformung in der Oberflächenschicht bewirkt, wird dadurch bei den Sinterteilen mit austenitischer Oberflächenschicht eine große Härtesteigerung bis auf

.'. 600 bis 700 HV bewirkt.

Das beschriebene Beschichtungsverfahren ist nicht nur auf ungesinterte Preßkörper anwendbar. Auch bereits fertige Sinterteile können nach diesem Verfahren nachträglich mit der austenitischen Oberflächen-

!'■· schicht versehen werden. In diesem Fall ist ein zweiter Sinterⁿrozeß erforderlich, wie er oben beschrieben wurde, dem sich gegebenenfalls eine Kalibrierung anschließen kann.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß durch das

so Verfahren konturengetreue austenitische Oberflächenschichten erhalten werden. Die chemische Zusammensetzung entspricht etwa dem Hadfield'schen Manganhartstahl. Die Analyse ergab 0,6 bis 1,8% Kohlenstoff und 10 bis 15% Mangan.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sintereisen-Formteil mit einer verschleißfesten Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich die Oberflächenschicht aus einem austenitischen Manganhartstahl besteht und daß sie kaltverformt ist

2. Verwendung eines Mittels zur Herstellung der Oberflächenschicht gemäß Anspruch 1, das folgende Zusammensetzung hat:

0,1 bis 10% Kohlungsmittel

0,1 bis 25% thermisch dissoziierendes Karbonat

0,1 bis 30% Halogensalze

1,0 bis 20% Silizium-oder Aluminiumoxid

Rest Ferromangan.

3. Verwendung eines Mittels zur Herstellung der Oberflächenschicht gemäß Anspruch 1, das folgende Zusammensetzung hat:

0,1 bis 25% thermisch dissoziierendes Karbonat
0,1 bis 30% Halogensalze
1,0 bis 20% Silizium-oder Aluminiumoxid
Rest Ferromangan mit 5 bis 10% Kohlen

stoff.

4. Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlungsmittel aus Aktivkohle besteht.

5. Verwendung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch dissoziierende Karbonat aus Bariumkarbonat besteht.

6. Verwendung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogensalz aus Ammoniumhalogenid besteht.

7. Verwendung eines Mittels zur Herstellung der Oberflächenschicht gemäß Anspruch 1, das folgende Zusammensetzung hat: