DE2508798C3

DE2508798C3 - Pulver für die Herstellung eines abriebbeständigen Gleitwerkstoffs und daraus hergestellter Gleitwerkstoff

Info

Publication number: DE2508798C3
Application number: DE19752508798
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi; Yamada Toshio; Hiroshima Morishita (Japan)
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1977-09-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Pulver für die Herstellung eines abriebbeständigen Gleitwerkstoffs auf Eisenbasis mit Graphit- und Phosphor-Zusatz.

Sinterprodukte aus Gemischen, die Teilchen aus Carbid, beispielsweise aus WC, TiC oder dergleichen als Basis und Co, Cu oder dergleichen als Bindemittel enthalten, sind bereits bekannt und als sehr abriebbeständig verwendet worden. Da jedoch die in diesen Sir terlegierungen enthaltenen Carbide sehr hart sind, füiirt die Verwendung dieser Werkstoffe manchmal zu einem sehr starken Abrieb der mit ihnen in Gleitberührung stehenden Werkstoffe. Aus F. E i s e η k ο 1 b »Über pulvermetallurgisch hergestellte Gleit- und Reibwerkstoffe«, Referat, gehalten am 24.4.1957 in Dresden, sind Gleitwerkstoffe auf Eisenbasis mit Graphit- und Phosphor-Zusatz bekannt, wobei aus DL-PS 20 635 zu erkennen ist, dal) bei Eisen-Phosphor-Gemischen Sintertemperaturen von 950 bis 1150⁰C zu den üblichen Temperaturen gehören. Ferner wird in der DT-PS 9 75 195 beschrieben, die Herstellung dichter Sinterkörper werde durch den Zusatz geringer Bormengen günstig beeinflußt.

Bei den bekannten Gleuwerkstoffen besteht jedoch die Gefahr des Festfressens oder sie weisen nicht die erforderliche Abriebfestigkeit auf.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Gleitwerkstoff zu schaffen, der billig ist, zugleich eine gute Abriebfestigkeit besitzt, ohne zu spröde zu sein, und bei dem die Gefahr des Festfressens nicht auftritt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Pulver aus einem pulverförmigen Legierungsgemisch aus 70 bis 98% einer ternären eutektischen Legierung aus 0,2 bis 3% Bor, 1 bis 4% Kohlenstoff und Eisen als Rest und aus 2 bis 30% einer ternären eutektischen Legierung aus 3 bis 7% Phosphor und 0,5 bis 2,5% Kohlenstoff und Eisen als Rest, wobei beide Legierungspulver eine Teilchengröße gleich oder kleiner als 70 μηι haben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Pulver gute Sintereigenschaften besitzt und der nach der Sinterung erhaltene Gleitwerkstoff gute Festigkeit und Abriebbeständigkeit besitzt. Ferner tritt bei Verwendung des erfindungsgemäßen Gleitwerkstoffes die Erscheinung des Festfres

sens nicht auf.

Nachstehend wird die Erfindung ausführlich erläutert

Die erfindungsgemäß als Grundmetall verwendete eutektische Fe- B—C-Legierung besteht aas 0,2 bis 3% B, 1 bis 4% C, Rest Eisen. Die kritische Bedeutung dieser Anteilsbereiche wird nachstehend erläutert

B ist für die Erzielung einer genügend hohen Abriebbeständigkeit wichtig. Bei einem B-Gehalt unter 0,2% nimmt der Metallgehalt zu, so daß leicht ein Festfressen vorkommen kann. Bei einem B-Gehalt über 3% wird der Werkstoff dagegen für die praktische Verwendung zu spröde.

C ist wichtig für die Bildung von Carbiden. Bei einem C-Gehalt unter 1% werden nur sehr wenig Carbide gebildet und nimmt der Metallgehalt zu. Bei Verwendung des Werkstoffes als Gleitwerkstoff kommt es dann leicht zum Festfressen. Ferner hat der Gleitwerkstoff dann eine geringere Abriebbeständigkeit Dagegen bilden sich bei einem C-Gehalt über 4% beim Schmelzen große Mengen von Graphit und Gasblasen. Ferner wird dann die gegenseitige Benetzbarkeit der eutektischen Fe-B-C-Legierung und der eutektischen Fe-P—C-Legierung herabgesetzt, so daß der Werkstoff keine genügende Festigkeit und Abriebbeständigkeit besitzt.

Die erfindungsgemäß als Bindemetall verwendete eutektische Fe- P—C-Legierung enthält 3 bis 7% P und 0,5 bis 2,5% C, Rest Fe.

Die kritische Bedeutung dieser Anteilsbereiche wird nachstehend erläutert.

P ist wichtig, weil es in Form eines Phosphides, wie Fe3P, die Abriebfestigkeit verbessert. Bei einem P-Gehalt unter 3% nimmt der Metallgehalt zu und es kommt leicht zum Festfressen. Bei einem P-Gehalt über 7% dagegen bilden sich beim Schmelzen der eutektischen Fe-P—C-Legierung Gasblasen in beträchtlichen Mengen und wird die gegenseitige Benetzbarkeit der eu tektischen Fe — P—C- Legierung u nd der eutektischen Fe-B—C-Legierung herabgesetzt so daß die Sintereigenschaften verschlechtert werden. Infolgedessen kann man nicht einwandfrei sintern, und der erhaltene Gleitwerkstoff hat eine geringere Festigkeit und Abriebbeständigkeit.

C ist wichtig für die Verschleißbeständigkeit des Gleitwerkstoffes, weil es zu einer Verkokung führt. Bei einem C-Gehalt unter 0,5% ist der Metallgehalt höher. Dagegen werden bei einem C-Gehalt über 2,5% beim Schmelzen mehr Graphit und Gasblasen gebildet, so daß die gegenseitige Benetzbarkeit der Legierung und der eutektischen Fe-B —C-Legierung herabgesetzt wird. Dies führt zu schlechteren Sintereigenschaften und zu einer geringeren Festigkeit und Verschleißbeständigkeit.

Man kann diese beiden eutektischen Legierungen nach allen üblichen Verfahren herstellen, beispielsweise durch Gießen.

Jede der beiden eutektischen Legierungen wird nach bekannten Verfahren zu einem Pulver mit einer Teilchengröße nicht größer als 74 um zerkleinert. Weder die eutektische Fe-B—C-Legierung noch die eutektische Fe-P—C-Legierung kann in beträchtlichem Maße plastisch verformt werden, wenn Teilchen größer als 74 μπι vorhanden sind. Beim Formpressen eines aus den beiden eutektischen Legierungen bestehenden Gemisches mit einer Teilchengröße größer als 74 μπι hat der Preßkörper daher große Poren. Wenn der Preßkörper danach gesintert wird, wobei die eutektische Fe-P-C-Legierung eine flüssige Phase

Ιλ.

bildet, füllt diese die Poren nicht vollständig aus, sondern es sind auch in dem Sinterprodukt große Poren vorhanden. Das Produkt hat daher eine geringe Dichte, und man kann in diesem Fall keine genügende Festigkeit und Abriebbeständigkeit erzielen.

Durch Pulverisieren beider eutektischen Legierungen zu sehr feinen Teilchen erhält man zwar ein aktiviertes Pulver, doch kann man die ,Aufgabe der Erfindung auch dann einwandfrei lösen, wenn man ein derartiges aktiviertes Pulver verwendet. Für die Erfindung genügt ι ο es daher, beide eutektische Legierungen zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von 74 μπι oder kleiner zu mahlen.

Die auf diese Weise pulverisierte eutektische p_e_B—C-Legierung und eutektische Fe-P—C-Legierung mit den vorstehend angegebenen Zusammensetzungen und Teilchengrößen werden zu einem genügend einheitlichen Gemisch vermischt, das zu 2 bis 30% aus der pulverförmigen eutektischen Fe-P-C-Legierung besteht.

Der Anteil der als Bindemetall verwendeten eutektischen Fe-P—C-Legierung muß unbedingt im Bereich von 2 bis 30% liegen. Wenn der Anteil dieser eutektischen Legierung kleiner ist als 2%, bildet das Bindemetall beim Sintern die flüssige Phase nicht in genügender Menge, so daß keine gute Sinterung erzielt wird. Infolgedessen hat das Sinterprodukt dann keine genügend hohe Festigkeit und Abriebbeständigkeit. Wenn der Anteil der eutektischen Fe-P-C-Legierung dagegen größer ist als 30%, bildet das Bindemetall beim Sintern die flüssige Phase in einer zu großen Menge, so daß das Produkt zu stark verformt wird und daher die Nachverarbeitungskosten erhöht werden.

Zur Erzielung eines Sinterprodukts mit guten Gleiteigenschaften ist es zweckmäßig, wenn der Anteil der eutektischen Fe-P-C-Legierung 5 bis 20%

beträgt.

Das auf diese Weise erhaltene Pulvergemisch wird in eine Form eingebracht, welche die gewünschte Gestalt besitzt, und wird unter einem Preßdruck von 0,5 bis 3 t/cm² gepreßt Bei einem Preßdruck unter 0,5 t/cm² hat der Preßkörper nur eine geringe Festigkeit und kann nur schwer manipuliert werden. Bei einem Preßdruck über 3 t/crn² wird die Dichte nicht so erhöht, wie dies angesichts der Höhe des Preßdruckes zu erwarten wäre, und bilden sich Risse im Preßkörper.

Der auf diese Weise erhaltene Preßkörper wird bei 950 bis 1130⁰C in einer geeigneten Atmosphäre mindestens 5 min lang gesintert. Als Sinteratmosphäre kann man ein Inertgas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, verwenden oder Wasserstoffgas, durch die Zersetzung von Ammoniak gebildetes Gas, oder Vakuum. Unsere Versuche haben gezeigt, daß im Hinblick auf die Porosität des Produkts diese Atmosphären in folgender Reihenfolge zu bevorzugen sind: Inertgase, durch die Zersetzung von Ammoniak gebildetes Gas, Wasserstoffgas und Vakuum, welches zu dem besten Produkt führte. Bei einer Sinterdauer untc 5 min bildet die eutektische Fe-P-C-Legierung keine flüssige Phase in genügender Menge, so daß kein genügend festes Produkt erzielt werden kann. Die obere Grenze der Sinterzeit ist im Rahmen der Erfindung nicht besonders kritisch. Die Begrenzung der Sintertemperatur auf den Bereich von 950 bis 1130⁰C ist darauf zurückzuführen, daß die Kristallisationstemperatur der eutektischen Fe-P-C-Legierung 950⁰C und die der eutektischen Fe-B-C-Legierung 1130⁰C beträgt. Bei einer Temperatur unter 950⁰C bildet die eutektische Fe- P—C-Legierung keine flüssige Phase, so daß sie keine Bindemittelwirkung haL Bei einer Temperatur über 1130° C schmilzt auch das GnindmetaU, so daß die gewünschten Wirkungen nicht erzielt werden und beim Abkühlen der Schmelze Fehler beispielsweise in Form von Rissen auftreten.

Im Rahmen der Erfindung kann man vor der Sinterung eine Vorsinterung vornehmen.

Das auf diese Weise erhaltene Sinterprodukt enthält in seinem Gefüge Teiie aus Fe₃(B₁C) und aus (Fe + Fe₃[B₁P₁C]) und feine Poren.

Der erfindungsgemäße Gleitwerkstoff hat ein Porenvolumen nicht über 7% und einen Porendurchmesser von nicht über 50 μηι. Bei einem Porendurchmesser von höchstens 30 μπι hat der Werkstoff eine besonders hohe Festigkeit und Abriebbeständigkeit und erhält man einen besonders guten Gleitwerkstoff.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

A b b. 1 in einem Diagramm die Ergebnisse eines Abriebversuches bei erfindungsgemäßen und üblichen Produkten,

A b b. 2 eine Mikroaufnahme eines gemäß Beispiel 1 erhaltenen Produkts in 200facher Vergrößerung,

A b b. 3 eine Mikroaufnahme eines gemäß Beispiel 2 erhaltenen Produkts in 200facher Vergrößerung,

A b b. 4 eine Mikroaufnahme eines gemäß Beispiel 3 erhaltenen Produkts in 200facher Vergrößerung und

A b b. 5 in einem Diagramm die durch Röntgenfeinstrukturanalyse bestimmte P- und C-Konzentration im Gefüge eines erfindungsgemäßen Produkts.

Beispiel 1

(1) Eutektische Fe-B-C-Legierung:95%. davon 1,83% B, 3,0% C, Rest Fe.

(2) Eutektische Fe-P—C-Legierung: 5%, davon 5,66% P, 1,6% C, Rest Fe.

Die eutektischen Legierungen aus Fe, B and C und aus Fe, P und C wurden getrennt voneinander aus ihren Bestandteilen erschmolzen. Jede Legierung wurde dann so pulverisiert und gesiebt, daß durch ein Sieb von 74 μιτι Maschenweite gehende Teilchen gewonnen wurden. Die erhaltenen Legierungspulver wi.rden in dem vorgenannten Mischungsverhältnis miteinander gemischt. Dem pulverförmigen Legierungsgemisch wurde eine Azetonlösung hinzugefügt, die als Schmiermittel Campher in einer Menge von 2% der Legierungskomponenten enthielt. Das so erhaltene Gemisch wurde getrocknet und eine Stunde lang mit einem Zwillingstrommelmischer gemischt. Das gemischte Pulvergemisch wurde unter einem Preßdruck von 2 t/cm² zu einem Formkörper von 3,7 χ 11 χ 80 mm gepreßt und zum Vorsin'.ern 20ⁱmin lang bei 400⁰C in einer Argon-Atmosphäre stehengelassen. Das vorgesinterte Gemisch wurde danach 30 min lang bei KKX)⁰C gesintert und allmählich abgekühlt

Die auf diese Weise erhaltene Sinterlegierung hatte eine Dichte von 7,1 — 7,2 g/cm³, eine Porosität von 6,0 - 6,3%, eine Porengröße nicht über 25 μπι, eine Härte von 45-50 HRC-Einheiten und eine Biegefestigkeit von 55-60 kp/'mm². in der Abriebprüfung wurden die in A b b. 1 dargestellten Eigenschaften ermittelt. Dabei wurde keine Beschädigung des als Gegenwerkstoff verwendeten verchromten Gegenstandes beobachtet.

Das Gefüge der auf diese Weise erhaltenen Sinterlegierung ist in Abb.2 gezeigt. In dieser Mikroaufnahme stellen die schwarzen Kreise Poren dar; die grauen Flächen bestehen aus (Fe-I Fe₃[B₁P₁C]) und die weißen Flächen aus Fe₃(B₁C).

Beispiel 2

(1) Eutektische Fe-B—C-Legierung:90%,
davon 1,5% B, 4.0% C. Rest Fe.

(2) Eutektische Fe-P-C-Legierung: 10%.
davon 4,73% P, 1.0% C₁ Rest Fe.

Die eutektischen Legierungen aus Fe, B und C und aus Fe, P und C wurden getrennt voneinander aus ihren Bestandteilen erschmolzen. Jede Legierung wurde dann so pulverisiert und gesiebt, daß durch ein Sieb von 42 μΐη Maschenweite gehende Teilchen gewonnen wurden. Die erhaltenen Legierungspulver wurden in dem vorgenannten Mischungsverhältnis miteinander gemischt. Dem pulverförmigen Legierungsgemisch wurde eine Azetonlösung hinzugefügt, die als Schmiermittel Campher in einer Menge von 2% der Legierungskomponenten enthielt. Das so erhaltene Gemisch wurde getrocknet und eine Stunde lang mit einem Zwillingstrommclmischer gemischt. Das gemischte Pulvergemisch wurde unter einem Preßdruck von 2 t/cm² zu einem Formkörper von 3,7 χ Π χ 80 mm gepreßt und in einem Vakuum von 2x10~²Torr mit einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 3 Grad/min auf 980⁰C erhitzt. Der Formkörper wurde zum Sintern 1 Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten. Der Sinterkörper wurde allmählich abgekühlt.

Die auf diese Weise erhaltene Sinterlegierung hatte eine Dichte von 7,5 — 7,6 g/cm³, eine Porosität von 0,5 — 0,8%, eine Porengröße nicht über ΙΟμίη. eine Härte von 50-55 HCR-Einheiten und eine Biegefestigkeit von 60 —65 kp/mm². Beim Abriebversuch wurden die in Abb. 1 dargestellten Eigenschaften ermittelt. Dabei wurde keine Beschädigung der Oberfläche des als Gegenwerkstoff verwendeten verchromten Gegenstandes beobachtet.

Das Gefüge der auf diese Weise erhaltenen Sinterlegierung geht aus der Abb.3 hervor. In dieser Mikroaufnahme stellen die schwarzen Kreise Poren dar: die grauen Flächen bestehen aus

(Fe + Fe₃[B₁P₁C])

und die weißen Flächen aus Fe₃(BX]).
Beispiel 3

(1) Eutektische Fe-B-C-Legierung:80%.
davon 0.92% B. 1,2% C, Rest Fe.

(2) Eutektische Fe-P—C-Legierung:20%.
davon 3,1 % P. 1,3% C, Rest Fe.

Zur Herstellung des Formkörpers wurde auch hier so vorgegangen, wie im Beispiel 2 beschrieben.

Der Formkörper wurde 30 min lang bei 400^cC in einer Wasserstoffgasatmosphäre vorgesintert. Danach wurde er 30 min lang bei 1080"C gesintert. Der Sinterkörper wurde allmählich abgekühlt.

Der Sinterkörper hatte eine Dichte von 7,3-7.4 g/ cm³, eine Porosität von 3.8 — 2.9%. eine Porengrößc nicht über 30 μπι, eine Härte von 40 — 45 HRC-Einheiten und eine Biegefestigkeit von 40 —45 kp/mm². Die Ergebnisse des Abricbversiiches des so erhaltenen Sinlerprodukts gehen aus der A b b. 1 hervor. Nach diesem Abriebversuch wurde keine Beschädigung dei Oberfläche de» als Gegen werkstoff verwendeter verchromten Gegenstandes beobachtet.

Das Gefüge der auf diese Weise erhaltener Sinterlegierung ist in Abb.3 gezeigt. In diesel Mikroaufnahme stellen die schwarzen Kreise Poren dar die grauen Flächen bestehen aus

(Fe + Fe₃[B₁P₁C])

ic und die weißen Flächen aus Fe₃(B₁C).

A b b. 5 zeigt die durch Röntgen-Feinstrukturanalyse ermittel'e Verteilung von P und C in erfindungsgemäßen Produkten. In Abb.5 ist auf der Abszisse det Abtastweg des Röntgenstrahls und sind auf dei Ordinate die Konzentrationen von P und C aufgetragen In dem in A b b. 5 gezeigten Diagramm ist mit A der

(Fe+ Fe₃[B₁P₁C])TeU

und mit B der Fe₃(B₁C)TeU des Gefüges dargestellt. Ar den Grenzflächen des

Fe+Fe₃[B₁RC])TeUs

bilden sich nichtmetallische Einschlüsse, die eine höhere als die im mittleren Bereich vorhandene P-Konzentra tion besitzen. Dies geht aus der A b b. 5 hervor.

Dabei wurden Prüfkörper analysiert, die gemäE Abb. 3 in einer Wasserstoffgasatmosphärc gesinten worden waren. Ähnliche Ergebnisse kann man natürlich bei der Analyse von Prüfkörpern erhalten, die in einei anderen Atmosphäre gesintert worden sind« beispiels weise in einer Argongasatmosphäre oder im Vakuum.

Die in den vorstehenden Beispielen erwähnter Abriebversuche wurden wie folgt durchgeführt:

Ein Prüfkörper mit einer konvexen Stirnfläche, die einen Krümmungsradius von 3 mm hatte (Grundlinie 3 mm, Länge 15 mm) wurde mit einer Kraft von 1.8 kf gegen eine rotierende verchromte Scheibe gedrückt wobei der konvexe Teil des Prüflings vertikal an dei Scheibe angriff. Die Scheibe wurde mit einer solcher Drehzahl gedreht, daß sie an ihrer Berührungsstelle mil dem Prüfkörper eine Geschwindigkeit von 19,8m/sec hatte. Dieser Versuch wurde in Abwesenheit vor Schmieröl 10 min lang durchgeführt. Der Abrieb wurde gemessen. In A b b. 1 sind auch die Ergebnisse vor

Abriebversüchen dargestellt denen Kontrollprodukte 1 und 2 unterworfen wurden. Das Kontrollprodukt 1 bestand aus phosphorreichem Gußeisen mit 3% C, 0,6% P. 2% Si. 0.8% Mn, Rest Fe. Das Vergleichsprodukt 2 war eine Sinterlegierung, in der 10% MoS₂ in einei Cu-Sn-Legierung dispergieri: waren.

Aus der Beschreibung geht hervor, daß der durch Sintern von zwei pulverförmigen ternären eutektischer Legierungen hergestellte Gleitwerkstoff gemäß dei Erfindung nicht nur die für Sinterprodukte typischer

Eigenschaften besitzt, sondern daß er auch kleinere Poren und eine niedrigere Porosität aufweist als sie ir den üblichen Sinterprodukten erzielt werden könner und daß er ferner eine hohe Abriebbeständigkeit hat wie aus der A b b. 1 hervorgeht. Da in dem erfindungs gemäßen Gleitwerkstoff der zu einem unerwünschter Festfressen neigende Metallanteil von einem nichtme tallischen Anteil mit hohem P-Gehalt umgeben ist. kanr man auch eine genügend niedrige Neigung zurr Fesifressen und eine genügend hohe Festigkeit erzielen

<'=, Insbesondere mit einem verchromten Gegenwerkstof ist der erfindungsgemäße Gleitwerkstoff gut vertrag lieh. Er beschädigt einen verchromten Gegenwerksiof nicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Pulver für die Herstellung eines abriebbeständigen Gleitwerkstoffes auf Eisenbasis mit Graphit- und Phosphor-Zusatz, bestehend aus einem pulverförmiger! Legierungsgemisch aus 70 bis 98% einer ternären eutektischen Legierung aus 0.2 bis 3% Bor, 1 bis 4% Kohlenstoff und Eisen als Rest und aus 2 bis 30% einer ternären eutektischen Legierung aus 3 bis «o 7% Phosphor und 0,5 bis £5% Kohlenstoff und Eisen als Rest, wobei beide Legierungspulver eine Teilchengröße gleich oder kleiner als 74 μπι haben.

2. Pulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Legierungsgemisch zu 5 bis 20% aus der ternären eutektischen phosphorhaltigen Legierung besteht.

3. Abriebbeständiger Gleitwerkstoff aus dem Pulver nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Porenvolumen von nicht mehr als 7,0%.