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Verschleißfeste phosphorreiche Sinterlegierung Die Erfindung betrifft
eine verschleißfeste phosphorreiche Sinterlegierung, insbesondere eine derartige
Legierung, die sich unter schweren Bedingungen befriedigend verhält und die als
Werkstoff für Gleitstücke in Motoren und dergleichen verwendet werden kann.
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Ein typischer bekannter verschleißfester Werkstoff ist phosphorreiches
Gußeisen, das allgemein für Zylinderbuchsen und dergleichen verwendet wird. Da das
phosphorreiche Gußeisen an den Korngrenzen in der Grundmasse ein ternäres Kristalleutektikum
Fe-C-P enthält, besitzt dieser Werkstoff eine relativ hohe Verschleißfestigkeit;
er ist aber nicht so schweren Bedingungen gewachsen wie die Sinterlegierung gemäß
der Erfindung. In Fig. 1 ist das Gefüge eines Gußeisens dargestellt, das aus 0,6
% L'nospnor, 3 90 Kohlenstoff, 93,9 % Eisen, 2,0 % Silicium und 0,5 % Mangan besteht.
Soweit der Anmelderin bekannt ist, enthält das bekannte Gußeisen nur bis zu 2 %
Phoschor. Seit einigen wahren werden jedoch Gleitstücke yefordert, die auch sehr
schweren Bedingungen gewachsen sind, beispidsweise wenn der autor andauernd mit
hoher
Drehzahl und unter hoher Belastung liuft und ihm nur wenig
Schmiermittel zugeführt wird. Unter diesen Badingungen verhalten sich die bekannten
Gleitstücke nicht einandfrei, weil an ihrer Obcrfläche leicht ein -estfressen stattfindet,
das zu einem sehr starken Verschleiß führt.
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Es ist schon versucht worden, diese nachteile zu beseitigen und eine
hohe Verschleißfestigkeit zu erzielen, indem man Dispersionen von etallkarbiden,
xiie TiC und Sie, Metalloxiden, wie Al2O3 und SiC2, und Metallnitriden verwendet.
auch die aus diesen Dispersionen hergestellten Gleitstücke haben jedopch den Wachteil,
daß sie Riefen in der Fläche bildeii, auf der sie gleiten, weil die Disversionen
im allgemeinen sehr h2rt sind. Daher sind weitere Versuche gemacht worden, in denen
beispielsweise Graphit, Kohlenstoff oder Sulfide in Pulverform verwendet wurden,
so daß das Produkt selbstschmierend war. Ein derart verbesserter Werkstoff hat aber
den Nachteil, daß bei einem hohen Berührungsdruck zwischen dem aus dem Werkstoff
hergestellten Gleitstück und seinem Gegenstück, beispielsweise bei einem Betrieb
mit hoher Drehzahl oder unter hoher Belastung, die Oberfläche des Gleitstücks leicht
abzundert, so daß ein sehr starker Verschleiß auftritt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der Schaffung einer neuen
Sinterlegierung mit hoher Verschleißfestigkeit.
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Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Sinterlegierung,
die als Werkstoff für ein Gleitstück geeignet ist, das im wesentlichen frei ist
von den vorgenannten Nachteilen der bekannten Gleitstücke.
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Weiter besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Sinterlegierung,
die sich bei hoher Verschleißfestigkeit durch erhöhte Hitzebeständigkeit und mechanische
Festigkeit auszeichnet.
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Die Erfindung scllafft eine verschleißfeste phosphorreiche Legierung,
die 1,0 - 3,0 % Kohlenstoff, 2,0 - 7,0 % Phospnor, mindestens 80 % Eisen und gegebenenfalls
bis zu 5 % wickel und/oder bis zu 2 e Molybdän enthält. Der Gesamtgehalt an Verunreinigungen
und an andern als den obengenannten Legierungselementen beträgt vorzugsweise höchstens
3 %.
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weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes
gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 in 115facher Vergrößerung in einer likrofi
lmaufn ahme das Gefüge eines bekannten phosphorhaltigen Gußeisens und zeigen Fig.
2 bis 4 in Mikrofilmaufnahmen in 115facher Vergrößerung Gefüge von erfindungsgemäßen
Sinter legierungen gemäß den Beispielen 1 bis 3.
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Die erfindungsgemäße Sinterlegierung enthält 1,0 - 3,0 % Kohlenstoff,
2,0 - 7,0 % Phosphor und mindestens 80 % Lisen. Da sich in der Grundmasse der Sinterlegierung
mit der vorgenannten Zusammensetzng das ternäre Kristalleutektikum
Fe-P-C
in beträchtlicher Menge bildet, hat die Sinterlegierung eine relativ geringe Härte
von höchstens HV 850. Ein aus dieser Legierung hergestelltes Gleitstück bildet daher
keine Riefen in der Fläche, -auf der es gleitet. Ferner neigt die genannte Sinterlegierung
auch nicht zum Festfressen, weil sie eine intermetallische Verbindung in großer
Menge enthält. Daher braucht ein daraus hergestelltes Gleitstück nicht so stark
geschmiert zu werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Sinterlegierung
bis zu 5 % Nickel und/oder bis zu 2 % Molybdän, wodurch ihre Hitzebeständigkeit
und mechanische Festigkeit erhöht wird. Eine derart verbesserte Sinterlegierung
ist auch schweren Bedingungen gewachsen, insbesondere auch bei hoher Drehzahl oder
unter hoher Belastung verwendbar Wie die üblichen Sinterlegierungen kann auch die
erfindungsgemäße Sinterlegierung zusätzlich zu den vorgenannten Legierungse lementen
weitere Legierungse lemente enthalten, welche die Eigenschaften der Legierung verbessern
oder modifizieren. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Sinterlegierung bis zu
etwa- 1 % Sillciun und bis zu etwa 0,5 % Mangan als Legierungsbestandteile enthalten.
Die Sinterlegierung gemäß der Erfindung kann ferner Verunreinigungen enthalten,
die durch das Verfahren zum Erzeugen der Legierung bedingt sind. Ein zu hoher Gehalt
an diesen Verunreinigungen und an zusätzlich in Kohlenstoff, Phosphor, Eisen, zwickel
und Molybdän vorhandenen Legierungselementen würde jedoch die Eigenschaften der
Sinterlegierung beeinträcntigen. Daher liegt der Gesamtgehalt an Verunreinigungen
und solchen zusätzlichen Legierungselementen vorzugsweise unter 3 t.
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Die chemische Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Sinterlegieruny
ist auf folgende Überlegungen zurückzuführen.
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Der kohlenstoffgehalt liegt zwischen 1,0 % und 3,0 %, weil bei weniger
als 1,0 % Kohlenstoff die Sinterlegierung an ihrer Oberflache bei starker Gleitbeanspruchung
zum Festfressen neigt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das metallische Proeutektoid
in großer menge in der Grundmasse der Legierung bleibt. Bei einem Kohlenstoffgehalt
über 3 % wird die so erhaltene Siaterlegierung jedoch infolge der Ausscheidung einer
relativ großen Menge Graphit so spröde, daß sie als Werkstoff für ein Gleitstück
praktisch nicht mehr verwendet werden kann. Der Phosphorgehalt der Sinterlegierung
soll 2,0 - 7,0 % betragen, weil bei einem Phosphorgehalt unter 2,0 e das metallische
Proeutektoid in großer .1enge in der Grundmasse der Legierung bleibt, so daß diese
unter hoher Gleitbeanspruchung leicht zum Festfressen neigt.
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Ein Phosphoryehalt über 7,0 - führt jedoch zu einer höheren Porosität
der Sinterlegierung, so daß diese als Werkstoff für ein Gleitstück praktisch unbrauchbar
ist.
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Die erfindungsgemäße Sinterlegierung kann wie folgt hergestellt werden:
Ein Gemisch von Eisen-, Phosphor- und Kohlenstoffpulver oder ein Legierungspulver
wird gepreßt. Der so erhaltene Preßling wird in einer nichtoxidierenden Atmosphäre,
beispielsweise einem Inertgas, einem reduzierend wirkenden Gas oder im Vakuum gesintert.
Dabei wird in der Grundmasse der Legierung ein ternäres Kristalleutektikum in großer
Menge erzeugt.
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Die auf diese Weise erzeugte Sinterlegierung gemäß der Erfindung hat
eine hohe Verschleißfestigkeit und eine geringe ,leigung zum Festfressen und ist
als Werkstoff für ein Gleitstück sehr gut yeeignet. Aus der Legierung hergestellte
Gleitstücke
verhalten sich auch unter hohen Gleitbeanspruzungen einwandfrei, insbesondere bei
hoher Drehzahl, unter hoher Belastung und bei nur schwacher Schmierung.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Ausführungsbeispiele
erläutert, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
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Beispiel 1 In diesem Beispiel wurde eine verschleißfeste Sinterlegierung
erzeugt, die aus 1,0 % Kohlenstoff, 2,0 % Phosphor, Rest im wesentlichen Eisen und
Verunreinigungen, bestand.
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Elektrolyteisenpulver in einer solchen Korngröße, daß es durch ein
Sieb mit 80 mesh geht, Ferrophosphorpulver in einer solchen Korngröße, daß es durch
ein Sieb von 150 mesh geht, und 1iaturgraphitpulver in einer solchen Korngröße,
daß es durch ein Sieb von 325 mesh geht, wurden zu einem Gemisch mit der vorgenannten
Zusammensetzung vermengt.
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Das Gemisch wurde in einem Doppelkonusmischer 30 min lang gründlich
gemischt. Dlit ililfe einer Form, deren Innenwandung mit einem Schmiermittel überzogen
war, wurde das Ge-2 misch unter einem Druck von 4,5 Mp/cm zu einem Preßling von
12 x 12,7 x 75 mm gepreßt. Der Preßling wurde 30 min lang in einer exothermen Atmosphäre
bei einer Temperatur von 1150 ° C gesintert und dann langsam abgekühlt. Man erhielt
auf diese Weise eine verschleißbeständige Sinterlegierung in Form eines Gleitstückes.
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In Fig. 2 stellen die amöbenförmigen weißen Flächen das ternäre Kristalleutektikum
Fe-P-C dar. Die schwarzen Flächen stellen Poren dar. Es zeigte sich, daß die erhaltene
Sinterlegierung
eine Porosität von 8 - 10 % hatte. Da der durch Pressen der Pulver hergestellte
Preßling eine Porosität von 20 - 22 % besaß, ist erkennbar, daß das Sintern teilweise
in der flüssigen Phase stattyefunden und zu einer höheren Jichte geführt natte.
Dies ist darauf zurückzuführen, daß die eutektische Reaktionstemperatur des ternären
kristalleutektikums Fe-P-C 950 ° C beträgt und daher niedriger ist als die Sintertemperatur.
Es wurde festgestellt, daß die Sinterlegierung insgesamt unter eier Belastung von
5 kp eine Vickershärte von 320 - 350 hatte und daß die aus Cem ternaren kristalleutektikum
bestenenden Anteile der Grumtmasse unter einer Belastung von 200 p eine Vickershärte
von 700 - 800 und die metalliscnen Anteile unter einer Belastung von 100 p eine
Vickersharte von 150 - 230 hatten.
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beispiel 2 In diesem Beispiel wurde eine verschleißfeste Sinterlegierung
hergestellt, die aus 2,0 90 Kohlenstoff, 5,0 96 Phosphor, Rest im wesentlichen Eisen
und Verunreinigungen, bestand.
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Pulverförmiges reduziertes Eisen in einer solchen sorngröße, daß es
durch ein Sieb von 80 mesh geht, Ferrophospnorpulver in einer solchen Korngröße,
daß es durch ein otieb von 150 mesh geht, und Waturgraphitpulver in einer orngröße,
aß es durch ein Sieb von 325 mesh geht, wurden zu einem. Gemisch mit einer vorgenannten
Zusammensetzung vermengt. Das Gemisch wurde in einem Zwillingstrommclmischer 30
min lang gröndlich gemischt. Mit Hilfe einer Form, deren Iunenwandung mit einem
Schmiermittel überzogen war, wurde das gendsch unter einem Druck von 5,0 Mp/cm²
zu einem Preßling von 12 x 12,7 x 75 tut geproßt. Dejr Preßling
wurde
in einer argongasatmosphäre 30 min lang bei einer Aemperatur von 1200 C gesintert
und dann langsam, a»gekühlt. kuE diese Weise wurde eine verschleißfeste Legierung
in Form eines Gleitstücks erhalten.
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In Fig. 3 sina die metallischen Anteile grauschwarz dargestellt; die
übrigen Flächen stellen das ternäre Eristalleutektikum Fe-P- dar. In diesem Fall
war die Sinterlegierung im wesentlichen porenfrei, weil das Sintern in der flüssigen
Phase stattgefunden hatte. Es zeigte sich, daß die sinterlegierung insgesamt unter
einer Belastung von 5 kp eine VickershGrte von 630 - 730 hatte.
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Unter einer Belastuny von 200 p hatten die aus dem ternären Rristalleutektikum
bestehenden Anteile der Grundmasse eine Vickershärte von 750 - 850 und die metallischen
kateile eine Vickershärte von 200 - 250.
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Beispicl 3 In diesem Beispiel wurde eine verschleißfeste Sinterlegierung
hergestellt, die aus 1,6 % Kohlenstoff, 5,66 % Phosphor, Rest im wesentlichen Eisen
und Verunreinigungen, bestand.
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Elektrolyteisenpulver mit einer solchen Korngröße, daß es durch ein
Sieb von 80 mesh geht, Ferrophosphorpulver mit einer solchen Korngröße, daß es durch
ein Sieb von 150 mesh geht, und Naturgraphitpulver mit einer solchen Korngröße,
daß es durch ein Sieb von 325 mesh geht, wurden zu einem Gemisch mit der vorgenannten
Zusammensetzung vermengt. Das Gemisch wurde in einem ZWillingstrommelmischer 20
min lang yründlich gemischt. Mit Hilfe einer Form, deren Innenwandung mit Schmiermittel
überzogen war, wurde 2 das Gemisch unter einem Druck von 4,5 Mp/cm zu eine Preßling
von
12 x 12,7 x 75 mm gepreßt. er Preßling wurde 20 min lang in einer Wsserstoffgasatmosphäre
bei einer Temperature von 1200° C gesintert und danach luftgekühlt.
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lan ernielt eine verschleißfeste Sinterlegierung in Form eines Gleitstücks.
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Aus der Sig. 4 gent hervor, daß das Gefüge der Legierung vollständig
aus dem ternären Aristalleutektikum Fe-P-C besteht. Die Legierung hatte insyesamt
unter einer Belastung von 5 kp eine Uickershärte von 610 - 700; die aus dem ternären
kristalleutektikum bestehenden Anteile der Grundmasse der Legierung hatten unter
einer Belastung von 200 p eine Vickershärte von 750 - 850.
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Aus der nachstehenden Tabelle gehen die Ergebnisse einer Versuchsreihe
hervor, in der die Sinterlegierungen gemäß den vorstehenden Beispielen und die bekannten
Werkstoffe auf Verschleißfestigkeit geprüft wurden. Die Prüfung wurde mit einem
Verschleißprüfgerät durchgeführt, das mit einer trockenen Scheibe versehen war.
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In der Prüfung wurde zur Bestimmung der Verschleißfestigkeit jeder
Legierung der Verschleiß eines Prüflings gemessen, der 10 min lang unter einem Druck
von 1,8 kg radial gegen den Umfang einer Scheibe gedrückt wurde, die mit einer Umfangsgeschwindigkeit
von 19,8 m/sek rotierte.
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Tabelle I Teil A Bekannte Legierungen Legierungs- Gußeisen Phosphor-
Sinter- Sinterzusammensetzung m. wadel- reiches legie- legie-(Gew.%) graphit Gußeisen
rung A rung B Kohlenstoff 3,0 3,0 5,0 5,0 Phosphor - C,6 - -Eisen Rest Rest Rest
Rest - f andere Elemente 2,2 Si 2,0 Si 5,0 Pb 5,0 Pb C,7 In 0,8 In 2,0 Cu 2,0 Ni
2,0 Hi 0,8 Mo 0,5 Mo 1,0 Cu Tiefe des Verschleißes von Prüflinyen, die 10 min lang
gegen eine rotierende, verchromte Scheibe gedrückt wurden (µm) 200-235 300-358 406-512
352-463 iiefe des Verschleißes von Prüflingen, die 10 min lang gegen eine rotierende
Scheibe aus hochfrequenzabgeschrecktem Gußeisen mit Lamellengraphit gedrückt wurden
1) 1) (/um) 350-400 500-600 615-705 über neigt zum Festfressen
Tabelle
I Teil B Erfindungsgemäße Sinterlegierungen Legierungs- Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel
3 zusammensetzung (Gew. %) Kohlenstoff 1,0 2,0 1,6 Phosphor 2,0 5,0 5,66 Eisen Rest
Rest Rest andere elemente Verunrei- Verunrei- Verunreininigungen nigungen gungen
Tiefe des Verschleißes von Prüflingen, die 10 min lang gegen eine rotierende, verchromte
Scheibe gedrückt wurden (µm) 98-115 50-70 25-42 Tiefe des Verschleißes von Prüflingen,
die 10 min lang gegen eine rotierende Scheibe aus hochfrequen zabgeschrecktem Gußeisen
mit Lamellengraphit gedrückt wurden (1um) 77-96 33-45 20-35
Ein
weiterer Versuch wurde mit einer Sinter legierung durchgeführt, die einen Kohlenstoffgehalt
von 0,8 % und im übrigen dieselbe Zusammensetzung wie die Legierung gemäß Beispiel
1 hatte. Diese Legierung neigte an ihrer Oberfläche zum Festfressen, wenn sie gegen
die rotierende Scheibe gedrückt wurde.
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Die Sinterlegierungen gemäß der nachstehenden Tabelle zeigten ebenfalls
eine hohe Verschleißfestigkeit.
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Tabelle II Legierungszusanmensetzung (Gew.t) Legie- Kohlen- Phosphor
Rest Andere Elemente rungen stoff (1) 1,6 2,0 Eisen Verunreinigungen (2) 2,0 2,0
Eisen Verunreinigungen.
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(3) 2,4 2,0 Eisen Verunreinigungen (4) 1,2 5,0 Eisen Verunreinigungen
(5) 1,6 5,0 Eisen Verunreinigungen (6) 2,8 5,0 Eisen Verunreinigungen (7) 1,2 5,66
Eisen Verunreinigungen (8) 2,0 5,66 Eisen Verunreinigungen (9) 2,4 5,66 Eisen Verunreinigungen
(10) 2,8 5,66 Eisen Verunreinigungen Aus den vorstehend angegebenen Ergebnissen
geht hervor, daß durch einen Zusatz von bis zu 5 % Nickel.und/oder 2 % Molybdän,
einzeln oder in Kombination, die Hitzebeständigkeit und mecflanische Festigkeit
der erfindungsgemäßen
Sinterlegierung verbessert werden, ohne daß
dadurch ihre Verschleißfestigkeit beeinträchtigt wird.
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Die Gesamtmenge der Verunreinigungen und der zusätzlich zu den erfindungsgemäß
vorgesehenen Bestandteilen Kohlenstoff, Phosphor, Nickel, Molybdän und Eisen vorhandenen
Legierungselemente soll vorzugsweise 3 % nicht übersteigen, weil ein höherer Gehalt
an Verunreinigungen und solchen zusätzlichen Legierungselementen die Verschleißfestigkeit
der Legierung beeinträchtigen würde.