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Oxydations- und hochhitzebestandige Sinterlegierung.
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Die Erfindung betrifft eine oxydations- zu ons- und hochhitzebeständige
Sinterlegierung für Ventilsitze von inneren Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere
für Dieselmotoren.
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Bei inneren Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Automotoren,
wird angestrebt, bleifreies Benzin zu verwenden, um den Motorbetrieb zu verbessern
und die Luftverglftung zu verringern. Hierbei besteht jedoch eine Schwierigkeit
insofern als die Bleiverbindungen nicht von der Ventilsitzoberfläche aufgenommen
werden, so daß hier eine Neigung zur Zerklüftung (valve recession) besteht.
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Zwar sind verschiedene Ventilsitzwerkstoffe bekannt, welchedieser
Neigung entgegenwirken sollen. Bei Verwendung von Gießmetall wird eine Mehrzahl
von Legierungsbildnern wie Nickel, Chrom udgl. hinzugefügt, wodurch allerdings das
Gießen und die mechanische Bearbeitung erschwert und relativ teure Rohstoffe verwendet
werden müssen. Auch ist die
Verwendung von Sintermetall bekannt,
welches sehr gute Eigenschaften zeigt und wenig Legierungsbestandteile benötigt.
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Wenn auch die nachträgliche Bearbeitung des Sintermetalis nicht leicht
ist, ergeben sich insgesamt verringerte Kosten wegen der Eignung für die Fiassenproduktion,
Bei A40motoren jedoch, insbesondere bei Dieselmotoren, ist es mit Schwierigkeiten
verbundene diesen Werkstoff als Material für Ventilsitze zu verwenden. Als Grund
hierfür sieht die Pachwelt die Tatsache an, daß der Ventilsitz erhöhter Temperatur
und erhöhter Oxydation ausgesetzt ist, was auf die Bauart der Motoren, auf den verwendeten
Brennstoff u. a.
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zurückgeht. Wenn man versucht, aus Sinterlegierung einen üblichen
Ventil sitz für den Betrieb unter den obigen Bedingungen herzustellen, dring ein
oxydierendes Gas in wesentlicher Weise in die Poren des 5intermetalls ein und oxydiert
den Innenteil der Poren, welche mit Eisenoxyden gefüllt sind, mit dem Ergebnis,
daß die mechanischen Eigenschaften des Ventilsitzes außerordentlich geschwächt werden
und sich Risse wegen der unterschiedlichen MWärmeausdehnunoswerte bilden. Dies kann
zum Aufbrechen des Ventilsitzes fuhren, also zur Beschädigung des Motors selbst.
Zwar ist es bereits bekannt, diese Gefahr durch Verkleinerung der Poren zu vermindern,
indem Schlagen im heißen Gesenk oder das nachfolgende Sintern und Schmieden zum
Einsatz kommt, die an sich in der Sintertechnik bekannt sind.
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Hierdurch wird die Materialdichte hier annähernd auf die wahre Dichte
zurückgeführt und ein höherer Widerstand den oxydierenden Gasen entgegengesetzt.
Jedoch ist dieses Verfahren insofern
nachteilig, als erhöhte Kosten
entstehen. Auch für die Lebensdauer der Gießformen und bei den zusätzlichen Arbeitsschritten
ist eine erhöhte Sorgfalt in vieler Hinsicht zusätzlich erforderlich.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile
zu vermeiden und einen Ventilsitz anzugeben, welcher hochhitzebeständig, verschleißbeständig
und oxydationsbeständig ist.
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Erfindungsgemäß wird hierfür vorgeschlagen, daß die unter relativ
erhöhtem Druck aus einer pulverförmigen Mischung, die aus 0,6 - 2 ffi Kohlenstoff,
1 - 3 ffi Nickel, 10 - 15 ß Chrom, 0,3 - 1,5 ffi Molybdän, 5 - 15 o Kobalt und 3
- 7 Xo Wolfram, Rest Eisen, besteht, die Legierung geschmolzen und gesintert wird,
wobei die Sintertemperatur weniger als 11500 C beträgt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zur Gewinnung dieser Legierung besteht
darin, daß bei 1420 - 11500 a 30 - 60 Minuten lang gesintert wird. Die vorstehend
angegebenen Prozentwerte sind Gewichtsprozente.
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Hierdurch wird erreicht, daß die Poren der Sinterlegierung mit Reinmetall
oder mit Legierung gefüllt werden, deren Schmelzpunkt bzw. Schmelzpunkte niedriger
als 11500 a sind, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient im wesentlichen gleich dem
Basismetall ist. Die Poren werden durch Infiltration oder Diffusion gefüllt. Dadurch,
daß erfindungsgemäß die gewünschte
Legierung unter einem relativ
höheren Druck als dem normalen Gießdruck hergestellt wird, wird einmal bewußt die
Dichte des diesem Druck unterliegenden Pulvers erhöht, wobei eine möglichst hohe
Dichte bei diesem Verfahrensschritt angestrebt wird, und gleichzeitig die Porösität
herabgesetzt wird. Nachdem das Sintern beendet ist, werden die Poren des Sintermetalls
mit reinem Metall oder mit Legierungen gefüllt, deren Schmelzpunkt unter dem genannten
Wert von 11500 C liegt und etwa mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie
derjenige des Basismetalls. Dies hat den Vorteil, daß bei den Betriebsbedingungen
des Motors das üllmetall bzw. die Füllegierung gehindert ist, sich von den Poren
zu lösen und deshalb der agressive Angriff der Oxydationsgase hier insoweit keinen
Nachteil bringt. Das Ergebnis ist eben das bochhitzebeständige Sintermetall, das
widerstandsfähig nicht nur gegen Verschleiß, sondern eben gegen oxydativen Eingriff
ist. In der bekannten Sintermetaillegierung liegen diese Bedingungen aber nicht
vor, so daß nach dem Schmelzen und Eindringen des Materials in die Poren hier keine
einwandfreie Verbindung besteht und die Sintermetallbereiche in den Poren durch
oxydativen Angriff der Gase langsam zerstört und die mechanische Festigkeit des
Ventilsitzes herabgesetzt wird bzw. sich Risse ausbilden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß man für die Sinterlegierung
von einem Pulver ausgeht, welches, in Gewichtsprozent, 1 - 3 %0 Kohlenstoff, 55
- 65 %0 Chrom, 25 - 30 % Wolfram und 5 - 20 Kobalt enthält, welche einer Pulvermischung
hinzugefügt
wird, welche im wesentlichan aus Eisen besteht und Bor, Nickel und Molybdän enthält.
Somit erhält man zuletzt ein Pulver mit einer endgültigen Zusammensetzung von 0,6
- 2 % Kohlenstoff, 1 - 3 o/a Nickel, 0,) - 1,5- Molybdän, 10 - 15 i,J/ó Chrom, 5
- 15 $ Kobalt und 3 - 7 0 Wolfram, Rest Eisen. Es wird unter einem Druck von 30
- 60 kg pro mm² gegossen und dann in der Atmosphäre bzw. einem umgebenden Gas bei
einer Temperatur von 1120 - 11500 C 70 - 60 Minuten lang gesintert. Hierbei bzw.
nach dieser Vorbehandlung fließen die Reinmetalle oder Legierungen, welche einen
Schmelzpunkt unterhalb von 1150°C sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizient haben,
welcher im wesentlichen gleich dem Basismetall ist, nach Art einer Diffusion oder
Infiltration in einzeln an sich bekannter Weise in die Poren des Sintermetalls.
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Die erfinderische Lehre gründet sich auch auf folgenden tiberlegungen:
Wenn der Kohlenstoffgehalt niedriger als 0,6 Gewichtsprozent wird, ist zu erwarten,
daß die Legierung eine übermäßig starke Ferritstruktur annimmt, so daß dann Schwierigkeiten
bestehen, die erforderliche hohe Härte zu erlangen.
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Würden aber mehr als 2 o% Kohlenstoff vorliegen, ist zu erwarten,
daß die Legierung übermäßig viel Zementit hat und spröde wird. Wenn auch durch Zusatz
von Nickel an das Grundmetsll der Legierung eine Erhöhung der Zähigkeit zu erwarten
ist, jedenfalls Hochhitzebeständigkeit und Verschleißbeständigkeit, so kann diese
vorteilhafte Eigenschaft dann nicht erwartet werden, wenn zuwenig Nickel vorliegt,
deshalb wird erfindungsgemäß
mehr als 1 /o Nickel vorgeschlagen.
Ein-übermäßiger Zusatz von Nickel kann aber dazu führen, daß die Grundstruktur des
Gefüges zumindest örtlich in ein Martensit übergeht. Dies kann aber in nachteiliger
Weise eine übermäßige Härte mit sich bringen. Ferner kann die Gleichmäßigkeit des
Gefüges und eine gleichmäßige Härteverteilung verlorengehen. Deshalb wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, mit nicht mehr als 3 %0 Nickel zusatz zu arbeiten.
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Durch Zusatz von Molybdän wird die Dehnbarkeit der Legierung vergrößert,
jedenfalls die Schlagfestigkeit und die Grenze der Dauerfestigkeit, ebenfalls wird
die Hitzebeständigkeit und eine stabile Struktur nach dem Sintern vergrößert. Allerdings
war nicht vorher zu erwarten, wie sich der synergistische Effekt und die Verträglichkeit
mit anderen Legierungsbestandteilen auswirken würde, auch dann, wenn ihr Zusatz
gering ist.
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Hier haben die Erfinder vorgeschlagen, daß eine Grenze von 0,3 Gewichtsprozent
nicht unterschritten werden darf, aber man darf auch nicht mehr als 1,5 % Molybdän
verwenden. In Übereinstimmung mit dem hergestellten Legierungspulver, der gewünschten
Struktur und den Eigenschaften des Sintermaterials wurde herausgefunden, daß 10
- 15 % Chrom, 5 - 15 °%0 Kobalt und 3 - 7 Va Wolfram für das endgültige Legierungspulver
notwenig sind; 15 - 25 % Legierungspulver wurden in diesem Zusammenhang ausgewählt.