DE2341760C3

DE2341760C3 - Hochfeste Automatensinterlegierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2341760C3
Application number: DE19732341760
Authority: DE
Inventors: Kametaro Hashimoto; Itaru Nagoya Niimi; Yoshiro Osugi; Takashi Suzuki; Chiaki Tsumuki; Kenji Ushitani
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1972-08-18
Filing date: 1973-08-17
Publication date: 1975-12-04
Also published as: JPS5135365B2; GB1411865A; JPS4938805A; DE2341760A1; DE2341760B2

Description

30 Der Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und trägt sehi

wesentlich zur Verbesserung der Härtbarkeit bei, doch

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hoch- hat er in einer Menge unter 0,2% eine geringe Wirkung feste Automatensinterlegierungen und ein Verfahren und führt bei mehr als 0,7 % zu einer Versprödung. Bei ru ihrer Herstellung. . Wärmebehandlungen, wie beispielsweise Abschrecker

Übliche durch pulvermetallurgi„che Verfahren her- 35 oder Härtung, kann ein solcher Gehalt auch zu Warmgestellte Sinterlegierungen auf Eisenbasis für Kon- rissen führen.

struktionszwecke umfassen Eisen-Kohlenstoff, Eisen- Der Mindestwert der relativen Dichte zu mehr als

Kupfer, Eisen-Nickel, Eisen-Kupfer-Kohlenstoff, 96% ergibt sich daraus, daß bei weniger als 96% die Eisen-Nickel-Kohlenstoff und Eisen-Kupfer-Nickel- Porosität zu starker Kerbempfindlichkeit und damil Kohlenstoff mit Dichten von 6,2 bis 7,0 g/cm³ (relative 40 zu einer herabgesetzten Festigkeit führt. Dichteverhältnisse: 79 bis 89 %) und Zugfestigkeiten in Wenn das Metall in kaltem oder heißem Zustand zui

gesintertem Zustand von 15 bis 50 kg/mm² oder in Erhöhung der Dichte nachverdichtet wird, bleibt eine gehärtetem oder abgeschrecktem und angelassenem innere Spannung zurück, die das Metall heterogen und Zustand von 40 bis 70 kg/mm², doch ist bei allen diesen brüchig macht. Es muß daher einer Wärmebehand Legierungen die Bearbeitbarkeit schlecht. Es wurden 45 lung, die aus einer Normalisierung oder einer Härtung Versuche unternommen, die Schnitteigenschaften durch Abschreckung und gegebenenfalls einem An durch Zugabe von Schwefel zu den Eisen-Kohlenstoff- lassen zur Kornneubildung und Entfernung restliche! Legierungen zu verbessern. Wenn jedoch Schwefel in Spannung besteht, unterzogen werden, wodurch di< reiner Form als Substanz zugegeben wird, fließt mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Schwefel bei dem Sinterprozeß ab, wobei schlechte 50 Das Herstellungsverfahren der Legierungen gemäi Ausbeuten erhalten werden und die Lebensdauer des der Erfindung kann wie folgt durchgeführt werden Sinterofenmaterials herabgesetzt werden kann. Reduktionseisenpulver, Elektrolytkupferpulver

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaf- (—100 mesh), Graphitpulver und Schwefelpulver fung von neuen verbesserten Automatensinterlegierun- (—325 mesh), werden in dem obengenannten Verhält gen hoher Festigkeit und guter Bearbeitbarkeit. 55 nis gemischt und gepreßt, derart, daß eine Dichte voi

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Automa- 6,3 bis 6,7 g/cm³ vorliegt. Dann wird der Preßling be tensinterlegierung, die 2 bis 8% Kupfer, 0,2 bis 0,7% 1100 bis 1150° C während 20 bis 30 Minuten in eine Kohlenstoff, 0,3 bis 1,0% Schwefel, Rest Eisen, ent- nichtoxydierenden Gasatmosphäre gesintert. Das ge halten und eine relative Dichte über 96% aufweisen, sinterte Produkt wird erneut bei 900 bis 1200°C ode und deren Herstellungsverfahren. 60 in kaltem Zustand gepreßt, auf eine relative Dichte voi

Die erfindungsgemäßen Sinterlegierungen zeichnen über 96 % nachverdichtet. Zuletzt wird es einer Norma sich durch ausgezeichnete Festigkeit und Zähigkeit lisierung, Härtung, Abschreckung und einem Anlassei gegenüber üblichen Sinterlegierungen und ausgezeich- unterzogen. Das theoretische Dichteverhältnis bedeu nete Bearbeitbarkeit gegenüber den bleihaltigen Auto- tet hier das Dichteverhältnis der erfindungsgemäßei matenstählen aus. 65 Legierung zu Stahl, dessen Dichte zu 100% angenom

Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme men wird.

auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert werden. Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Ei

Rc ,^;_M.„ läuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Reduktionseisenpulver (—100 mesh), Elektrolytkiipferpulver (—lOOmesh), Graphitpulver (—325mesh) und Schwefelpulver (—325 mesh) werden zu einer Zusammensetzung mit 3% Kupfer, 0,6 '/„ Graphit, 0,3% Schwefel und Rest Eisen vermischt. Nach dem Vermischen wurde ein Preßling mit einer Dichte von 6,5 g/ _cms (relative Dichte 83%) hergestellt. Dieses Produkt wurde bei 1120° C 20 Minuten lang in einer nichtoxydierenden Gasatmosphäre gesintert, und das so erhaltene Sinterprodukt wurde erneut in kaltem Zustand gepreßt, um seine Dichte auf 7,7 g/cm³ (relative Dichte 98%) zu bringen. Dann wurde das Produkt wieder auf 900°C erhitzt, in Öl abgeschreckt und schließlich bei 580°C P/2 Standen lang angelassen.

Beispiel 2

Reduktionseisenpulver (—100 mesh), Elektrolytkupferpulver(—100 mesh), Graphitpulver (—325 mesh) und Schwei'elpulver (—325 mesh) wurden zu einer Zusammensetzung mit 7% Kupfer, 0,25% Graphit, 1,O⁰O Schwefel und Rest Eisen vermischt und zu einem Preßling mit einer Dichte von 6,0 g/cm³ relative Dichte 76%) verdichtet. Das Produkt wurde bei 112O⁰C 20 Minuten in einer nichtoxydierenden Atmosphäre gesintert. Das gesinterte Produkt wurde dann auf 93O⁰C in einer nichtoxydierenden Gasatmosphäre erhitzt, wonach es wieder gepreßt wurde, um seine D/chte auf 7,8 g/cm³ (relative Dichte 99%) zu bringen. Anschließend wurde es wieder erhitzt und dann luftgekühlt.

Beispiel 3

Reduktionseisenpulver (—100 mesh), Elektrolytkupferpulver (—100 mesh), Graphitpulver (—325 mesh) und Schwefelpulver (—325 mesh) wurden zu einer Zusammensetzung mit 6% Kupfer, 0,7% Graphit, 0,5% Schwefel und Rest Eisen vermischt und gepreßt. Der Preßling hatte eine Dichte von 6,6 g/cm³ (relative Dichte 85%). Das Produkt wurde 20 Minuten bei 1120⁰C in einer nichtoxydierenden Atmosphäre erhitzt und sofort anschließend in heißem Zustand gepreßt, um seine Dichte auf 7,7 g/cm³ (relative Dichte 99 %) zu bringen, und dann luftgekühlt.

B e i s ρ i e 1 4

Feinstzerkleinertes Eisenpulver (—100 mesh), Elektrolytkupferpulver (—100 mesh), Graphitpulver (—325 mesh) und Schwefelpulver (—325 mesh) wurden zu einer Zusammensetzung mit 4% Kupfer, 0,6% Graphit, 0,3% Schwefel und Rest Eisen vermischt. Nach dem Mischen wurde ein Preßling mit einer Dichte von 6,5 g/cm³ (relative Dichte 83 %) hergestellt. Das Produkt wurde 20 Minuten bei 112O⁰C in einer nichtoxydierenden Gasatmosphäre erhitzt und unmittelbar anschließend in heißem Zustand gepreßt, um seine Dichte auf 7,7 g/cm³ (relative Dichte 99 %) zu bringen. Anschließend wurde es direkt in Öl abgeschreckt ι nd schließlich 90 Minuten bei 58O⁰C angelassen.

Die Ergebnisse der Festigkeitsmessungen der gemäß den Beispielen 1 bis 4 erhaltenen Legierungen sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I

Zugfestigkeit Dehnung
(kg/mm²) (%)

Schlagfestigkeit

(kg - m/cm¹)

Ermüdungs- Härte
festigkeit

(kg/mm¹) (HV)

Bemeikung
(S-Verteilung)

Beispiele

Übliches Sinterprodukt¹)

Amerikanischer Normstahl

SAE 1151»)

Walzrichtung

Senkrecht zur Walzrichtung

84
56
68
92

55

86

8,7

12,0

10,0

8,1

1,5

20,0
7,0

3,3
4,2
4,0
3,0

0,5

22,0
1,5

42
27
33
45

24

44
40

264
172
198
287

173

276
276

vgl. F i g. 1
vgl. F i g. 3
vgl. F i g. 2
vgl. F i g. 1

vgl. F i g. 5
vgl. F i g. 4

•^l) Zusammensetzung: Fe-2Cu-O,8C; Dichte 6,8 g/cm⁵ in gesintertem Zustand.
^!) Abgeschreckt und angelassen; S = Q,\ %.

Die Ergebnisse eines Bearbeitbarkeitsvergleichs der SAE 10L55 (mit C bezeichnet), mit guter Bearbeitbar-Legierung gemäß Beispiel 1 (mit A bezeichnet) mit keit und eine Sinterlegierung (Fe—0,7% C, Dichte anderen sind sin der folgenden Tabelle II angegeben. 65 7,8 g/cm³ oder relative Dichte 99%) mit erhöhter Da die übliche Sinterlegierung in der Bearbeitbarkeit Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Bearbeitbarkeit versehr viel schlechter ist, wurden zum Vergleich der wendet,
amerikanische bleihaltige geschmolzene Normstahl

Tabelle II Werkzeug- Span- Schneid-

vei schleiß entfernung widerstand

gering<-»stark gut··-*·schlecht gering*-»groß

Schneiden A<C«B C<A<B A<C = B

des äußeren

Ufnfangs

Bohren A<B<«C A<B<C

Anmerkung:

<« großer Unterschied
« Unterschied
< geringer Unterschied
= kein Unterschied.

Der Schnittest wurde unter der Verwendung einer Drehbank mit stufenlos veränderbarer Drehzahländerung durchgeführt, wobei die Bedingungen die folgenden waren: Schneidgeschwindigkeit 20 bis 150 m/min, Vorschub 0,20 bis 0,25 mm/U, Schneidtiefe 1 mm. Der Bohrtest wurde unter Verwendung einer Bohrmaschine mit stufenlos veränderbarer Drehzahländerung durchgeführt, wobei die Bedingungen die folgenden waren: Bohrgeschwindigkeit 15 m/min, Vorschub 0,15 mm/U.

Wie aus den obigen Daten hervorgeht, besitzt die erfindungsgemäße Legierung eine höhere Festigkeit und Zähigkeit als die übliche Sinterlegierung und ausgezeichnete Bearbeitbarkeit, die nicht nur besser als diejenige der üblichen Sinterlegierung, sondern auch gleich oder besser als die von bleihaltigen Automatenstahl (SAE 1OL55) ist.

Die Figuren der Zeichnung und die Gefügeaufnahmen zeigen einen Vergleich der Mikrostrukturen von erfindungsgemäßem Sinterprodukt und Schwefel-Automatenstahl. Das erfindungsgemäße Sinterprodukt enthält Schwefel gleichförmig verteilt, selbst wenn dessen Gehalt verändert wird, und es ist keine Ausrichtung vorhanden. Seine Festigkeitseigenschaft variiert etwas je nach dem Gehalt (F i g. 1, 2, 3). Im Falle von schwefelhaltigem Automatenstahl ist die Schwefelverteilung in dem Schnitt senkrecht zur Walzrichtung die gleiche wie in dem Sinterprodukt, doch bildet der Schwefel längs der Walzrichtung Streifen, durch die die Festigkeit herabgesetzt wird (Tabelle I).

Ein Vergleich zwischen einem einfachen Sinterprodukt und einem Sinterprodukt, das anschließend wie-

Tabelle

der gepreßt wurde, ergibt, daß das erstere hochgradig porös ist, das letztere jedoch ähnlich der Struktur von erschmolzenem Stahl porenfrei ist.

Eingangs war ausgeführt worden, zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit von bekannten Legierungen diesen Schwefel zuzusetzen, der jedoch bei einer Zugabe in reiner Form wegfließt.

Erfindungsgemäß wird durch die Zugabe von Kupfer dieses Wegfließen von Schwefel verhindert.·

ίο Nachfolgend sind die chemischen Schwefelanalysen in den erfindungsgemäßen Produkten gemäß der Beispiele 1, 2 und 3 tabellarisch zusammengefaßt und den Analysenwerten gegenübergestellt, die unter Verwendung ähnlicher Produkte erhalten worden sind, denen jedoch kein Kupferpulver zugesetzt worden ist.

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, weist jede Probe einen bestimmten Schwefelgehalt nach dem Sintern auf, wobei die Hauptmenge in Form einer Verbindung und ein Teil in reiner Form vorliegt, während der Rest

so verlorengegangen ist. Der Schwefelwert liegt jedoch im Falle von erfindungsgemäßen Produkten, denen Kupferpulver zugesetzt worden ist, höher als bei den Vergleichsprodukten.

Untersucht man das Gefüge der jeweiligen Probestücke, so stellt man eine Verteilung der Schwefelverbindung fest. Bei der Schwefelverbindung handelt es sich wahrscheinlich um ein Kupfersulfid, wie z. B. Cu₂S oder CuS, insbesondere Cu₂S. Im Falle der Vergleichsproben, die kein Kupfer enthalten, liegt der Schwefel, sofern er in Form einer Verbindung vorliegt, wahrscheinlich als Eisensulfid vor. Dies läßt sich auf Grund der folgenden Tatsachen vermuten:

1. Eine Analyse unter Verwendung einer Röntgen-Mikroanalysatorvorrichtung zeigt, daß die Segregationspunkte von Kupfer und Schwefel einander sehr oft entsprechen.

Durch die Zugabe von Kupfer wird die Härtbarkeit der erfindungsgemäßen Produkte merklich verbessert. Wird Schwefel zugesetzt, dann tritt eine Verminderung der Härtbarkeit ein, deren Ausmaß der Kupfermenge äquivalent ist, die zur Erzeugung eines Sulfids erforderlich ist.

Ferner ist die freie Energie der Erzeugung von Kup-

fersulfid geringer als diejenige von Eisensulfid, woraus hervorgeht, daß sich leichter ein Kupfersulfid bildet.

Durch die Zugabe von Kupfer wird daher gegenüber den Produkten, die kein Kupfer enthalten, ein Schwefelverlust weitgehend verhindert.

Art der Teststücke

Menge des zugesetzten Schwefelpulvers

Ergebnisse

Gesamtmenge Gesamtmenge Menge des an Schwefel an Schwefel- Schwefels, dei verbindung in reiner

Form zurückbleibt

Erfindungsgemäße Legierungen
Beispiel 1: Fe — 3 Cu-0,3
Beispiel 2: Fe — 7 Cu-1,0
Beispiel 3: Fe-6 Cu-0,5
Vergleichslegierungen
Vergleichslegierung 1: Fe — 0,3
Vergleichslegierung 2: Fe — 1,0
Vergleichslegierung 3: F? — 0,5

S — 0,6 C	0,3	0,27	0,24	0,03
S — 0,25 C	1,0	0,90	0,83	0,07
S — 0,7 C	0,5	0,46	0,42	0,04
S — 0,6 C	0,3	0,21	0,15	0,06
S —0,25 C	1,0	0,73	0,58	0,15
S — 0,7 C	0,5	0,41	0,30	0,11

Zur Bestimmung des Schwefels werden folgende Analysenmethoden durchgeführt:

1. Die Bestimmung der Menge der Schwefelverbindung (CuS, Cu₂S etc.) erfolgt gemäß der ASTM-Methode E-30 (1956).

2. Die Gesamtmenge an Schwefel wird nach der UIS-G-1215-Methode (1969 überarbeitet) durchgeführt.

3. Aus den Ergebnissen der vorstehenden Methoden läßt sich die Menge an Schwefel in reiner Form ermitteln.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

$09 649/280

Claims

F i g. 1 bis 3 vergrößerte photographische Darstel- Patentanspriiche: lungen der Gefüge von erfindungsgemäßen Legierun- p gen mit verschiedenen Scbwerelgehalten nach dem

1. Automatensinterlegierung mit hoher Festig- Sintern,

keit, dadurch gekennzeichnet, dafi S Fig.4 eine vergrößerte photograph.sche Darstel-

lie aus 2 bis 8 % Kupfer, 0,2 bis 0,7 % Kohlenstoff, lung des Gefüges eines Schnitts eines bekannten blei-

0,3 bis 1,0 % Schwefel, Rest Eisen, besteht und eine haltigen Automatenstahls senkrecht zur Walzrichtung

relative Dichte von mehr als 96% aufweist. und

2. Automatensinterlegierung nach Anspruch 1, F i g. 5 eine vergrößerte photographische Darsteldadurch gekennzeichnet, daß der Kupfergehalt » lung des Gefüges des bekannten bleihaltigen Automa-3 bis 7% beträgt. tenstahls in Walzrichtung.

3. Automatensinterlegierung nach Anspruch 1 Es wurden Sinterlegierungen mit hoher Festigkeit oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative und guter Bearbeitbarkeit geschaffen, die an Stelle von Dichte zwischen 80 und 85% liegt. üblichen Kohlenstoff-Automatenstählen, verwendet

4. Verfahren zur Herstellung einer Automaten- 15 werden können.

Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Die Gründe für die Grenzen der verschiedenen

zeichnet, daß eine Pulvermischung der reinen Korn- Elemente, die in der erfindungsgemaßen Legierung vor-

ponenten aus 2 bis 8% Kupfer, 0,2 bis 0,7% Gra- handen sind, sind die folgenden:

phit, 0,3 bis 1,0% Schwefel und Rest Eisen bis zu Kupfer trägt zur Erhöhung der Festigkeit und Härteiner Dichte von 6,3 bis 6,7 g/cm^s gepreßt, 20 bis ao barkeit bei und verhindert den Verlust von Schwefel

30 Minuten in nichtoxydierender Atmosphäre bei durch Bildung von Sulfiden (CuS · Cu₂S). Da jedoch

1100 bis 1150⁰C gesintert und bei Sintertemperatur Schwefel zugesetzt wird, hat Kupfer in einer Menge

erneut auf eine relative Dichte von mehr als 96% unter 2% praktisch keine Härtungswirkung, und bei

gepreßt und anschließend normalisiert oder ge- einer Menge über 8% besteht keine Gefahr der härtet und gegebenenfalls angelassen wird. as Warmrissc, wodurch die Produktionskosten steigen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- Schwefel trägt zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit zeichnet, daß die zweite Verdichtung bei Raumtem- bei, doch hat er in einer Menge unter 0,3 % eine geringe peratur erfolgt. Wirkung und setzt bei mehr als 1,0 % die Festigkeit und

Warmbearbeitbarkeit herab.