DE2831548A1

DE2831548A1 - Sinterkoerper

Info

Publication number: DE2831548A1
Application number: DE19782831548
Authority: DE
Inventors: Terence Michael Cadle; Paul Smith; Percival Edward Warner
Original assignee: Brico Engineering Ltd
Current assignee: Federal Mogul Coventry Ltd
Priority date: 1977-07-20
Filing date: 1978-07-18
Publication date: 1979-02-01
Also published as: LU79994A1; ES471831A1; GB1576143A; DE2831548C2; CA1113354A; NL7807646A; SE7807966L; FR2397904A1; IE781439L; IE47334B1; DK322478A; DK155982C; JPS5421911A; AU3816478A; DK155982B; BE869121A; AU524364B2; ZA784114B; US4271239A; FR2397904B1

Description

p<?te"-Ttaiwäite Dipl.-lng. Curt Wallach

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 18 . Juli 1978

Unser Zeichen: \ß

Brico Engineering Limited
Coventry, West Midlands / England

Sinterkörper

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' Patentanwäite Dipl.-lng. C U rt Wa Mach

_f Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

Datum: 13. 'Uli I978

Unser Zeichen: 16 J)15 _T Κ/Ne

Erieo Engineering Limited Coventry, West Midlands / England

Sinterköroer

Die Erfindung bezieht sich auf einen gesinterten Metallgegenstand und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gegenstandes. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, befaßt sich die Erfindung mit der Herstellung von Kolbenringen und Dichtungsringen mit relativ kleinem Querschnitt, d.h. mit einer Querschnittsfläche, die nicht größer ist als

etwa 20 mm . Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Kolbenringen für Kraftfahrzeugmotoren und für kleine Verbrennungskraftmotoren, wie sie beispielsweise bei Rasenmähern und Kettensägen benutzt werden. Außerdem befaßt sich die Erfindung mit der Herstellung von Dichtungsringen von Stoßdämpfern.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besitzt ein gesinterter Metallgegenstand eine Dichte, die wenigstens 88,5 /» der theoretischen Dichte beträgt, der Gegenstand besitzt eine fein bearbeitete Oberfläche (wobei der Grad der "Feinbearbeitung¹¹ noch definiert wird) und es ist eine Nitrokarburierungs-Ober-

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flächenschicht ("weiße Schicht"'! vorhanden, die sich nicht mehr in einer Tiefe findet, die 25c urn von der Oberfläche des Gegenstandes überschreitet.

Vorzugsweise beträgt die Dichte wenigstens 90 % der theoretischen Dichte.

Gemäß einen weiteren Merkmal der Erfindung weist das Verfahren zur Herstellung des gesinterten Hetallgegenstandes folgende Stufen auf: Es wird Metallpulver auf eine Dichte von wenigstens 85,5 ^ der theoretischen richte verpreßt, um einen kompakten Körper zu bilden, dieser kompakte Körper viirö gesintert, dann erfolgt eins Feinbearbeitung der Oberfläche des gesinterten Gegenstandes und schließlich v;irc der feinbearbeitete Gegenstand durch Nitrokarburierung einer Einsatzhärtung unterworfen, um eine gehärtete Oberflächenschicht f'-'eiße Schicht; über eine Ti-afe au bilden, öle 250 um von der Oberfläche des Gegenstandes aus nicht Teerschreitet.

Vorzugsweise wire das I.etallpulver zu einer Dichte von wenigstens 90 >j der theoretischen Dichte verpreist.

Nachstehend rerien Au.:.^:f ährungsbei^picle der Erfindung für die Herstellung von Kolbenringen- und Dichtungsringen anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht, welche eine Oberflächenschicht erkennen läßt;

i-ig. 2 eine grafische Darstellung der Härte in Abhängigkeit vorn Abstand von der Oberfläche;

7Ig. 3 eine grafische Darstellung des Verfahrensablaufs;

Fig. 4 eine Ansicht eines geteilten Kolbenrings bzw.

Dichtungsrings hergestellt gem. der Erfindung.

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BAD ORIGiNAL

Eel öer ti-~rstellung vn.rd pin Pulver nit einer Teilchengröße von ivenigcr als IOC Britisch standard oiebskala mit de:-' Colgenden Zusammensetzung ausgewählt, wobei sämtliche Prozentsätze in der Eesohreibunn ~'-e\,!"htsprozer.tGätze sind:

Prozentsatz der Bestandteile

Gesamteehalt C

Mn,8 i,ο,

ώ P (gesamt)

0,4 1,5

- 0,9

- 5

- 0,6

- 2,0

Rest

1,5

0,6

Rest

c,9

Rest

C ,6

0,5 4,5

}*2 Rest

Rest

Ein kleiner Prozentsatz, z.B. 1 fo eines geeigneten Schmiermittels, beispielsvieise von Zinkstearat kann ebenfalls zugesetzt werden.Das Pulver wird in einer geeigneten Kischvorrichtung eingehend vermischt und dann in einer geeigneten pulvermetallu^rgischen Presse in die gewünschte Form gebracht.

Im Gegensatz zu der bisherigen Praxis, bei der|das Pulver auf eine Dichte von 6,7 g/cnr oder 85 % der theoretischen Dichte verpreßt wurde, erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung eine Verpressung des Pulvers auf eine Mindestdichte von wenigstens 7,0 g/cnr und vorzugsweise auf eine Dichte von 7,1 bis 7,2 g/cnr, Eine Dichte von 7,0 g/cnr für diese Zusammensetzungen entspricht einer Dichte von 85,5 % der theoretisch möglichen Dichte und eine Dichte von 7,1 g/cnr entspricht einer Dichte von etwa 90 ¹P der theoretisch möglichen Dichte.

809885/0948 BAD ORIGINAL

--er -

Bas verpreßte Werkstück wird dann in einer Schutzatmosphäre beispielsweise dissoziertem Ammoniak in einem Temperaturbereich zwischen 1090⁰C und 1120°C 20 bis 40 Minuten lang gesintert. Das Schmiermittel verschwindet während des Sintervorganges.

Nach dem Sintervorgang werden die Ringe gemäß der herkömmlichen Praxis spanabhebend bearbeitet und dabei wird auch der Ring aufgeschnitten. Die Endbearbeitung stellt das Feindrehen dar. "Unter Feinbearbeitun " im Sinne dieser Beschreibung wird ein Drehen mit wenigstens J56O Schnitten pro 25,4 mm verstanden. Vorzugsweise beträgt die Tiefe der Nuten die durch Drehen auf der Oberfläche der Ringe verbleibt, etwa 7*5 JJm. Die Durchschnittsquerschnittsfläche der Kolbenringe für Kraftfahrz.eugmotoren beträgt 5 bis 10 mm^.

Dann werden die Ringe auf ihren Seitenflächen mit einem Gewicht auf dem obersten Ring gestapelt und die Spalte werden aufeinander ausgerichtet und es wird in die Spalte ein Teil eingesetzt, um den Spalt mit der richtigen Breite aufrechtzuerhalten und dann werden sie unter Hitze gemäß der normalen Praxis geformt und abgekühlt. Dann wird der Stapel von Ringen auf wenigstens 350⁰C, vorzugsweise aber auf 400°C vorgeheizt und dann in ein Nitrokarburierungssalzbad eingetaucht, welches Natrium- und Kaliumsalze enthält, wobei der Zyanidpegel (als KCN) auf 45 bis 50 % des Zyanadpegels (z.B. KCNO) bei 40 bis 50 io gehalten wird. Das Bad wurde auf einer Temperatur von 570⁰C gehalten. Der Ringstapel wurde 45 Minuten lang eingetaucht.

Bei Ringen, die aus bekannten pulvermetallurgischen Materialien hergestellt sind, beispielsweise Ringe gemäß der GB-PS 979 414 zeigten eine Eindringtiefe der Nitrokarburierungsschicht ("weiße Schicht") von ungefähr 1,5 mm von der Oberfläche und zwar infolge der Porösität des Materials. Bei gemäß der Erfindung hergestellten Ringen zeigte es sich, daß die von d er Ober-

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fläche gemessene Tiefe, in der die iTitrokarburierungsschicht("v.^-eißc Schicht") festgestellt v/erden kann, 250 pm nicht überschreitet.

Lie folgende Tabelle zeigt die Zugfestigkeit und die Elastizität von Ringen, die aus den zwei Materialien hergestellt s ind.

Material Dichte g/cnr	6,7 - 6,8 7,1 - 7,2	Elastizitäts modul (E^ ON/rn²	Zugfestigkeit (121/r/)	nach der Behänd Ig.
3B-PS 979,414 Beispiel A	117 I3I-I38	vor der Behänd Ig.	315 650
495 725

Die Eigenschaften der Ringe, die aus den Zusammensetzungen B, C, D, Ξ und F bestehen, sind ziemlich ähnlich. Die Behandlung, die in den Spalten 4 und 5 der Tabelle erv/ähnt ist, stellt die Mitrokarburierungs-Salzbadbehandlung dar.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer typischen Oberflächenschicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Ringes in starker Vergrößerung. Die Tiefe der Poren, die hier ersichtlich sind, übersteigt nicht 250 pm von der Oberfläche und die Dicke der "weißen Schicht", die durch die Nitrokarburierung erhalten wurde, beträgt etwa 250 pm. So befindet sich die "weiße Schicht" nicht in einerTiefe, die 250 pm von der Oberfläche überschreitet. Es zeigt sich, daß ein Schließen des Halses der Poren nicht auftritt, so daß das Material gute Schraierrnittelrückhaltefähigkeiten besitzt.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung der Vickers Härte HVC.03 in Abhängigkeit von der Entfernung der Ringoberfläche für zwei

·/■

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- ie- M

riaterialien. Die obere Kurve wurde gemessen für Materialien des Beispiel« A gemäß der Erfindung und die untere Kurve wurde gemessen für einen schwach legierten Nitrokarburierungsschmierstahl. Es zeigt sich, daß bei letzterem die OberfIHchenschicht eine Härte von 68C besitzt aber diese Schicht ist nur 12 um dick und danach fällt die Härte rasch ab, so daß bei einer Tiefe von etwa 200 um die Härte nur >25 beträgt. Bei dem Material gemäß der Erfindung fällt die Härte sehr viel flacher ab und sie beträgt noch über 550 in einer Tiefe von 2OC pm, was eine Folge der Nitrokarburierung, d.h. der "weißen Schicht" innerhalb der Poren ist, und zwar bis zu einer Dicke von etwa 250 um von der Oberfläche. Die "weiße Schicht" besteht in diesem Fall aus Karbiden und Epsilon-Eisen-Nitrid und es ict klar, daß die Wirkung der Stickstoff-Diffusion sich über die "weiße Schicht" um etwa 250 ,um erstreckt.

2-1 diesem Material gemäß der Erfindung tritt eine Versprödung infolge einer übermäßig dicken "weißen Schicht" nicht auf.

Die Abnutzung wurde bei einer feingedrehten Oberfläche, wie sie oben beschrieben wurde, zu 17 um nach einem Versuch von 200 Stunden gemessen. Dies ist besser als bei einem chromplattierten Gußeisen unter den gleichen Bedingungen.

Es können zwei andere Formen von Nitrokarburierungssalzbädern benutzt werden. Das eine gleicht dem oben beschriebenen, jedoch wird der Zyanidgehalt auf einem niedrigen Pegel (ungefähr 2$) gehalten,was aus Gründen der Gesundheit und Sicherheit wünschenswert ist.

Bei dem anderen "usfuhrungsbeispiel beträgt der Zyanadgehalt 30 bis 40 y₃ und das Bad enthält außerdem 0,1 bis 0,5 % Schwefel während der Rest Kalium-, Natrium- und Lithiumkarbonate sind. Dieses Salzbad kann ebenfalls bei einer Temperatur von 57O⁰C benutzt v/erden. Obgleich das letztgenannte Verfahren im strengen Sinne nicht als Nitrokarburierung bezeichnet werden kann, so hat sich doch noch kein anderer Name ausgebildet und

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4%

deshalb soll der Ausdruck "Nitrokarburierung" aus Zweckmäßigkeitsgründen auch hier angewandt werden.

Die nach der Erfindung vorgesehenen Materialien können demgemäß so zusammengefaßt werden, daß sie die folgenden Eigenschaften besitzen, die bei Kolbenringen, bei Dichtungsringen höchst erwünscht sind, bei denen ein relativ kleiner Querschnitt vorhanden ist, d.h. eine Querschnittsfläche von nicht

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mehr als etwa 20 mm . Hierbei handelt es sich insbesondere um Kolbenringe für Kraftfahrzeugmotoren und für kleine Motoren, wie sie beispielsweise bei Rasenmähern benutzt werden und außerdem kann die Erfindung Anwendung finden für Dichtungsringe von Stoßdämpfern. Hier sind die folgenden Eigenschaften erwünscht:

a) eine gute Elastizität, um den Druck gegen die Zylinderx«?and aufrechtzuerhalten;

b) eine gute Schmiermittelrückhalteeigenschaft;

c) eine gute Zugspannungsfestigkeit, was zu einer guten Ermüdungseigenschaft und langer Lebensdauer führt;

d) der Abnutzungswiderstand ist gleich oder besser demjenigen von chromplattierten Gußeisen.

Fig. 4 zeigt einen Kolbenring bzw. einen Dichtungsring, bei dem die Eigenschaften verwirklicht sind.

Als Kolbenring besteht er aus einer gesinterten Eisenlegierung mit einer Dichte, die wenigstens 88,5 /*> der theoretischen Dichte beträgt und er besitzt eine feinbearbeitete Oberfläche und eine nitrokarburierte Oberflächenschicht, die sich jedoch nicht in einer Tiefe findet, die 250 jum von der Oberfläche des Gegenstandes überschreitet.

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- ie- -

Auch als Stoßdämpfer-Dichtungsring besteht er aus einer gesinterten Eisenlegierung unä besitzt eine Dichte von wenigstens 88,5 der theoretischen Dichte und es ist eine feinbearbeitete Oberfläche vorgesehen, mit einer nitrokarburierten Oberflächenschicht, die sich jedoch nicht in einer Tiefe findet, welche ungefähr 250 pm von der Oberfläche des Gegenstandes übersteigt.

809885/0948 BAD ORIGINAL,

Λ* . Leerseite

Claims

Patentanwälte Dipl.-lng. Curt Wallach Dipl.-lng. öünther Koch 2 8 3 1 5 A 8 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 18. ..'Uli 19?B Unser Zeichen: 16 315 - K/Ne Patentansprüche :

1. Sinterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dichte aufweist, die wenigstens 88,5 ^cp der theoretischen Dichte beträgt, daß er eine fein bearbeitete Oberfläche (wie in der Beschreibung definiert) besitzt und daß er eine durch Nitrokarburierung gebildete Oberflächenschicht ("weiße Schicht") besitzt, die sich nicht mehr in einer Tiefe findet, welche etwa 250 μπι der Oberfläche des Gegenstandes überschreitet.

L¹. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens 90 % der theoretischen Dichte aufweist.

3. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten besitzt: Gesamtkohlenstoffgehalt 0,3 bis 0,9 fo; Kupfer 2 bis 5 #j Molybdän 0,4 bis 0,6 %-, Nickel 1,5 bis 2,0 %\ Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor insgesamt nicht mehr als 2 $; Resteisen; wobei die Dichte wenigstens 7,0 g/cnr beträgt.

4. Sinterkörper nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte wenigstens "JA g/cnr beträgt.

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5· Sinterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze lehne t , daß die Tiefe der Muten, die beim Drehen der Oberfläche des Sinterkörpers verbleiben, ungefähr 7>5 um beträgt.

6. Sinterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze lehnet , daß die Nitrokarburierungsschicht Karbide und Epsilon-Eisen-Nitride aufweist.

J. Verfahren zur Herstellung eines Sintermetallkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpulver zu einer Dichte von wenigstens 88,5 % der theoretischen Dichte verpreßt wird, um einen Preßling zu erhalten, daß der Preßling gesintert wird, daß die Oberfläche des gesinterten Gegenstandes spanabhebend fein bearbeitet wird und daß der spanabhebend bearbeitete Gegenstand einer Nitrokarburierung unterworfen wird, um eine gehärtete Oberflächenschicht ("weiße Schicht") in einer Tiefe von der Oberfläche des Gegenstandes zu bilden, die ungefähr 250 μτη nicht überschreitet.

8. Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet , daß das Metallpulver auf eine Dichte von wenigstens 90 % der theoretischen Dichte verpreßt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver die folgende Zusammensetzung besitzt: Gesamtkohlenstoffgehalt 0,3 bis 2 %*, Kupfer 0 bis Molybdän 0 bis 1,2 %; Nickel 0 bis 4,5 %', Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor insgesamt nicht mehr als 2 $; Resteisen; wobei das Metallpulver auf eine Dichte von wenigstens 7,0 g/cnr verpreßt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver auf eine Dichte von wenigstens

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7>~^l s/ΰΐ'Ί'' verpreßt wird. <

11. Verfahren nach einem der. Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der bearbeitete Gegenstand in ein Kitrokarburierungs-Salzbad eingetaucht wird, Kelches Natrium- und Kaliumsalze enthält, wobei der Zyanidpcgel (z.E. KCW) auf ^;I5 bis 50 'A gehalten wird und der Zyanadpegel (z.E. KCNO) auf 40 bis 50 ,o.

12. Vorfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennze i cTh η e t , daß der spanabhebend bearbeitete Gegenstand in ein Nitrokarburierungs-Salzbad eingetaucht wird, das Natrium- und Kaliuinsalze enthält, wobei das Zyanid auf einem niedrigen Pegel gehalten wird.

l'j>. Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der spanabhebend bearbeitete Gegenstand in ein Nitrokarburierungs-Salzbad eingetaucht wird, in dem der Zyanadpegel auf JG bis 40 % gehalten wird, -wobei das Bad außerdem 0,1 bis 0,5 % Schwefel enthält und der Kest von Kalium^atrium- und/oder Lithiumkarbonaten gebildet

l'f. Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennze lehnet , daß er als Kolbenring oder Dichtungsring ausgebildet ist, der gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13 hergestellt ist.

15. Sinterkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er als Kolbenring mit relativ kleinem Querschnitt ausgebildet ist.

16. Sinterkörper nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, daß er als Kolbenring.für einen Kraftfahrzeugmotor ausgebildet ist.

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,ORIGINAL INSPECTED

Sinterkörper nach Anspruch 15> dadurch g e k e η η zeichnet, daß er als Dichtungsring für Stoßdämpfer ausgebildet ist.

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