DE2846122C2

DE2846122C2 - Sinterlegierung für die Herstellung von Gleitelementen für Motoren

Info

Publication number: DE2846122C2
Application number: DE2846122A
Authority: DE
Inventors: Yoshikatsu Ohmiya Saitama Nakamura; Kentaro Takahashi; Masajiro Yono Saitama Takeshita
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1977-10-27
Filing date: 1978-10-23
Publication date: 1983-10-20
Also published as: US4243414A; DE2846122A1; GB2007710A; JPS5462108A; GB2007710B

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer verschleißfesten, porösen Sinterlegierung zur Herstellung von Gleitelementen für Motoren. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Legierung zur Herstellung von Bauteilen für Antriebsmaschine·!, die — speziell bei Brennkraftmaschinen, Kompressoren usw. - unter hohen Flächendrücken arbeiten. Ganz speziell bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer Legierung für ein derartiges Gleitelement, das auch unter dem Einfluß hoher Flächendrücke eine ausreichende Lebensdauer, d. h. lange Betriebsdauer, hohe Verschleißfestigkeit und hohe mechanische Dauerstandfestigkeit, besitzt.

Für Bauteile bzw. Gleitelemente dieser Art, die niedrigen Flächendrücken ausgesetzt sind, werden häufig Sinterlegierungen verwendet; derartige Bauteile werden aber selten bei hohen Flächendrücken eingesetzt.

Die Kipphebel einer Brennkraftmaschine mit oben liegender Nockenwelle werden üblicherweise aus Grauguß bzw. Gußstahl hergestellt. Beispiele für derartige Kipphebel sind solche, bei denen die Gleit(berührungs)fläche schalenhart ist, die eine verchromte Gleitfläche aufweisen oder deren Gleitfläche durch Flammspritzen mit einer selbstverschmelzenden Legierung beschichtet ist. Da die Gleitfläche eines Kipphebels hohen Flächendrücken ausgesetzt ist, stellt ihre Standdauer ein schwieriges Problem dar.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Verwendung einer Legierung zur Herstellung eines Gleitelementes, das unter hohen Flächendrücken eine ausgezeichnete Standfestigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung einer verschleißfesten, porösen Sinterlegierung, bestehend aus

0,5 bis 4,0% Kohlenstoff,

8,0 bis 30,0% Chrom,

0,1 bis 5,0% mindestens einer der Elemente Phosphor, Bor und/oder Silizium, Rest Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen zur Herstellung von Gleitelementen für Motoren, mit der Maßgabe, daß die Legierung 0,2 bis 10% Vol.-%Poren aufweist, von denen mindestens 40% eine Größe von nicht mehr als 150 μπι besitzen.

Durch die US-PS 26 37 671 ist ein Verfahren zur Herstellung von Sinterkörpern bekannt, die für Schneidwerkzeuge verwendet werden. Die Sinterlegierungen sollen eine hohe Dichte und Härte aufweisen und bestehen aus Eisen, Kohlenstoff, Chrom, Silizium, Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Nickel und Kobalt. Dabei können auch Überschneidungen mit dem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Sintermetall auftreten. Das bekannte Sintermetall weist jedoch nicht die weiteren für den vorliegenden Verwendungszweck vorteilhaften Eigenschaften auf. Das prozentuale Porenvolumen des Sintermetalls darf einerseits einen gewissen Mindestwert nicht unterschreiten, damit es die erforderliche Ölhaltefähigkeit und damit eine hervorragende Abriebbeständigkeit besitzt. Andererseits soll jedoch die Bildung großer Poren vermieden werden, um die Beständigkeit gegenüber das Metall angreifenden Materialien zu verbessern. Somit erhält man ein Sintermetall, das nicht nur eine Dichte und Härte aufweist, sondern das korrisions- und abriebbeständig ist und, was von besonderer Bedeutung ist, eine ausgezeichnete Ölhaltefähigkeit besitzt. Daher ist dieses Sintermaterial für die Herstellung von Gleitelementen in Motoren wesentlich besser geeignet als die durch die US-PS 26 37 671 bekannten Sintermetalle.

Die US-PS 35 61 934 zeigt ebenfalls Pulvermetallkörper zur Verwendung in Schneidwerkzeugen sowie in Preßringen bzw. Prägestempeln. Das hier beschriebene Sintermetall weist eine hohe Dichte von etwa 99% auf, d. h. das Porenvolumen liegt bei etwa 1% Die genannte Entgegenhaltung enthält keine Angaben zur Größe der Poren im Sintermaterial. Damit weist auf das bekannte Sintermaterial nicht die für den vorgesehenen Zweck besonders vorteilhaften Eigenschaften auf.

Auch die GB-PS 14 61 273 beschreibt einen Sinterwerkstoff hoher Dichte. Dieser enthält jedoch zwingend einen relativ hohen Anteil Kupfer. Die Sinterlegierung ist gedacht zur Verwendung für einen Ventilsitz im Zylinderkopf von Verbrennungsmaschinen. Es stehen bei diesem somit andere Eigenschaften im Vordergrund als bei dem erfindungsgemäß verwendeten Sintermetall. Die genannte Entgegenhaltung enthält auch keine

Angaben über die Porengröße, so daß über die Ölhaltefähigkeit keine Aussagen gemacht werden können. Angesichts der sehr hohen Dichte des Materials kann diese jedoch nur relativ gering sein. Die US-PS 36 98 877 schließlich beschreibt einen gesinterten Chromstahl hoher Dichte, hoher Festigkeit und hoher Wärmebeständigkeit. Die Legierung besteht im wesentlichen aus Eisen, Chrom und Kohlenstoff, denen Nickel, Molybdän, Mangan, Silizium, Wolfram, Aluminium, Titan, Vanadium, Kupfer oder dergleichen beigefügt werden können. Diese Entgegenhaltung läßt keine besonderen Beziehung zwischen Porenvolumen und Porengröße erkennen. Ihr ist auch kein spezieller Verwendungszweck des Sintermetalls zu entnehmen.

Die Erfindung ist das Ergebnis ausgedehnter Untersuchungen mit dem Ziel der Entwicklung einer Legierung für ausgezeichnete Gleitelemente für den Einsatz bei hohen Flächendrücken.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführun.isbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Verschleißgrößen an den bei einer Versuchsmaschine eingesetzten Kipphebeln aus der verschleißfesten Sinterlegierung gmäß der Erfindung und

F i g. 2 und 3 Schliffbilder zur Veranschaulichung des Gefüges von Ausführungsbeispielen für die erfindungsgemäß verwendete Legierung.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung für die Herstellung von Gleitelementen kennzeichnet sich durch eine Zusammensetzung aus 0,5 bis 4,0% Kohlenstoff, 8,0 bis 30,0%Chrom, 0,1 bis 5,0%mindestens eines der Elemente Phosphor, Bor und/oder Silizium, die ein Sintern bei Temperaturen von höchstens 1 ?50° C zulassen, und im Rest Eisen, sowie durch 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Größe von höchstens 150 μΐη besitzen. In anderer Ausführungsform kennzeichnet sich die Erfindung durch eine Legierungszusammensetzung, die neben Eisen, Kohlenstoff, Chrom sowie der Phosphor-, Bor- und Siliziumkomponente (1) höchstens 10% eines Metalls wie Ni, Cu, Co und W, (2) höchstens 20% Mo oder (3) höchstens 20% zweier Metalle wie Ni, Mo, Cu, Co und W enthält und 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen besitzt, von denen mindestens 40% eine Größe von höchstens 150 μΐη besitzen.

Die Wirkungsweise der verschiedenen Einzelkomponenten der erfindungsgemäß verwendeten Gleitelement-Sinterlegierung sowie die Gründe für die Begrenzung ihrer Mengenanteile sind nachstehend erläutert.

Kohlenstoff ist zur Verfestigung des Substrats, zur Bildung einer Seigerungshärtungsphase (Chromkarbid enthaltendes Fe) und zur Gewährleistung von Verschleißfestigkeit des Gleitelements notwendig. Kohlenstoff reagiert in eier Legierungszusammensetzung mit Chrom unter Ausseigerung einer harten Karbidphase, welche der Gleitfläche Verschleißfestigkeit verleiht. Die Begrenzung des Mengenanteils an Kohlenstoff als Legierungskomponente erfolgt aus folgendem Grund: Wenn die Kohlenstoffmenge unter 0,5 liegt, ist die Größe der Seigerungshärtungsphase ungenügende, so daß keine hervorragende Verschleißfestigkeit erzielt wird und die Legierung Abrieb und Verschleiß unter hohen Flächenbelastungen nicht zufriedenstellend zu widerstehen vermag. Außerdem wird dabei auch kein Substrat hoher Festigkeit erhalten. Andererseits ist die Größe der Seigerungshärtungsphase der im System befindlichen Kohlenstoffmenge unmittelbar proportional, so daß dann, wenn die KohlenstoffmenBe 4,0% übersteigt, die Seigerungshärtungsphase zu groß und die Legierung spröde wird.

Mit hohen Flächendrücken arbeitende Gleitelemente unterliegen einer Grübchenbildung, d. h. einer durch wiederholte Belastung während der Gleitbewegung verursachten Ermüdungserscheinung. Gleitelemente aus Sinterlegierung, die durch übliches Festphasensintern hergestellt wurde, besitzen zahlreiche Poren und daher eine geringe Festigkeit. Solche Gleitelemente sind daher unter Dauerbelastung einem solchen Ausschleifabrieb unterworfen. Die Beständigkeit gegen Grubchenbildung kann dadurch erhöht werden, daß ein hohen Flächendrücken unterworfenes Gleitelement aus einer durch Flüssigphasensuitern hergestellten Sinterlegierung geformt wird. Das Flüssigphasensintern läßt sich bei höheren Temperaturen durchführen. Im Hinblick auf die Lebensdauer des Sinterofens ist es jedoch notwendig, eine ausreichend große Flüssigphasenmenge bei Temperaturen von höchstens 1 250° C zu erzeugen. Hierfür sind Phosphor, Bor und Silizium wirksam, weil diese Elemente das Flüssigphasensintern bei Temperaturen von höchstens 1250° C ermöglichen. Wenn der Mengenanteil eines dieser Elemente Phosphor, Bor und Silizium unter 0,1% liegt, ist die Größe der Flüssigphase zu gering, um eine Festigkeitserhöhung zu erreichen. Wenn dagegen die Menge dieses betreffenden Elements mehr als 5,0% beträgt, wird die Flüssigphasenmenge zu groß, so daß sich ein Sinterkörper mit hoher Maßgenauigkeit nicht herstellen läßt.

Aus dem genannten Grund wird mindestens eines der Elemente wie Phosphor, Bor und Silizium in einer Menge von 0,1 bis 5,0% eingesetzt. Die angewandte Menge ist der Sintertemperatur umgekehrt proportional.

Chrom ist für die Festigung des Substrats und für die Vereinigung mit Kohlenstoff zur Bildung der erwähnten seigerungsgehärteten Phase wesentlich. Bei weniger als 8% Chrom ist die Menge oder Größe der Seigerungshärtungsphase ungenügend; bei mehr als 30% Chrom läßt sich andererseits keine merkliche Erhöhung der Abriebfestigkeit mehr feststellen, vielmehr erhöhen sich dabei nur die Fertigungskosten für den Bauteil. Außerdem läßt sich eine derartige Legierung schlechter spanabhebend bearbeiten.

Bezüglich der Porosität läßt sich sagen, daß bei einem Porengehalt von mehr als 10 Vol.-% die Sinterung ungenügend und die Bindungsfestigkeit zwischen den Teilchen gering ist. Die entsprechende Legierung ist somit für Ermüdungsbruch und für Grübchenbildung anfällig. Darüber hinaus verschlechtert sich ihre mechanische Festigkeit. Die Porosität wird daher auf höchstens 10 Vol.-%begrenzt. Wenn sie unterO,2 Vol.-%liegt, sind zuwenig Ölhaftstellen vorhanden, so daß das Erzeugnis eine mangelhafte Ölhaltefähigkeit besitzt und für Freß- bzw. Scheuerabrieb anfällig ist. Die Bedeutung der Poren geht aus der Tatsache hervor, daß eine Legierung aus denselben Bestandteilen die angestrebten Eigenschaften nicht bietet.

Die Poren sollten vorzugsweis klein und gleichmäßig verteilt sein. Im Fall einer Porengröße von über 150 μπι und einer Porosität von unter 10 Vol.-% sind die Poren nicht gleichmäßig verteilt, so daß die Ölhalte- oder -haftfähigkeit des Erzeugnisses sehr mangelhaft ist. Aus demselben Grund kann Scheuerabrieb auftreten, wenn feine Poren mit einer Größe von höchstens 150 μπι in einer Menge von weniger als 40 Vol.-°/o vorhanden sind.

Wie erwähnt, ist die erfindungsgemäße Legierung eine Flüssigphasen-Sinterlegierung. Nach dem Vermischen der Ausgangsmaterialien entsprechend den offenbarten Zusammensetzungen werden die Pulver unter einem Druck von etwa 2 bis 7 Kbar und vorzugsweise etwa 5 Kbar verpreßt. Eine zweckmäßige Flüssigphasen-Sintertemperatur liegt für die erfindungsgemäß angewandte Legierungszusammensetzung bei etwa 1 000 bis 1 250⁰C. Obgleich die optimale Temperatur innerhalb dieses Bereichs liegt, ist sie eine Funktion der in der Zusammensetzung vorhandenen Menge an Phosphor, Silizium oder Bor. Das; Sintern erfolgt im allgemeinen etwa 20 bis 60 min und vorzugsweise etwa 45 min lang in einer Atmosphäre aus zersetztem gasförmigem Ammoniak oder umgewandeltem Propan oder im Vakuum.

• Nach dem Sintern ist das Produkt weitgehend perlitisch. Das Substratgefüge kann jedoch je nach dem Gleitelement, für welches es vorgesehen ist, in an sich bekannter Weise verfestigt werden. Ein zweckmäßiges Verfestigungsverfahren besteht darin, daß das Produkt nach dem Sintern wärmebehandelt wird, um es hauptsächlich in ein Bainit- oder Martensitgefüge umzuwan-■ dein, wodurch die Beständigkeit des Produkts gegen Grübchenbildung weiter erhöht wird. Wenn das Produkt nach dem Sintern beispielsweise auf 870° C erwärmt und in einem Salzbad bei etwa 400° C während einer Zeitspanne von etwa 10 bis 40 h wärmebehandelt wird, wird das Substratgefüge bainitisch. Bei Erwärmung auf 870° C und anschließender Wärmebehandlung mit Wasser oder Öl bei Raumtemperatur wird das Substratgefüge martensitisch.

Eine andere Möglichkeit zur Verfestigung des Substratgefüges besteht in der Zugabe von Ni, Mo, Cu, Co, W usw. Die Zuschläge Ni, Mo, Cu, Co und W können entweder allein oder als Gemisch von zwei oder mehr dieser Elemente eingesetzt werden. Bei Verwendung dieser Stoffe besitzt die Legierung weiterhin folgende Zusammensetzung: 1) höchstens 10% der Metalle Ni, Cu, Co und W; 2) höchstens 20% Mo; oder 3) höchstens 20 Gew.-%von mindestens zwei Zusätzen wie Ni, Mo, Cu, Co und/oder W, und zwar bei dem vorher angegebenen Volumen der Sinteporen, von denen mindestens 40% eine Porengröße von nicht mehr als 150 μηι besitzen.

Wenn Ni, Cu, Co und Wjeweils allein eingesetzt werden, ist eine Menge von nicht mehr als 10%ausreichend. Insbesondere mit Ni, Cu und Co kann eine ausreichende Verfestigung erzielt werden, wenn die Zuschlagmenge 10%nicht übersteigt. Diese Menge wird auch aus wirtschaftlichen Gründen auf höchstens 10% beschränkt. Bei Einsatz von mehr als 10% W und bei Verwendung des hergestellten Bauteils in Verbindung mit einem anderen Gleitelement kann letzteres einem erhöhten Verschleiß unterliegen. Der angestrebte Zweck kann daher nur dann erreicht werden, wenn nicht mehr als 10% W verwendet werden. Bei alleiniger Verwendung von Mo reicht eine Menge von höchstens 20% aus. Bei Verwendung von Mo in größerer Menge und in Verbindung mit einem anderen Gleitelement erhöht sich der Versc.i:'eiß an letzterem. Aus wirtschaftlichen Erwägungen wird ebenfalls Mo in einer Menge von vorzugsweise höchstens 20% angewandt.

Bei Einsatz von zwei oder mehr Elementen wie Ni, Mo, Cu, Co und W läßt sich eine zufriedenstellende Verfestigung des Substratgefüges erreichen, wenn die Gesamtmenge dieser Elemente nicht mehr als 20% beträgt. Auch bei Zugabe von Legierungselementen kann die beschriebene Wärmebehandlung nach dem Sintern zur Verfestigung des Substratgefüges angewandt werden.
Die erfindungsgemäß verwendete Gleitelement-Legierung besitzt eine durch die Zugabe von Cr ausgeseierte Härtungsphase, und sie ist wegen der Zugabe von P, B oder Si aufgrund des Flüssigphasensinterns höchst dicht Sie besitzt überlegene Grübchenbildungs- und sehr gute Verschleißfestigkeit.

Aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung wurde ein Gleitelement in Form eines Kipphebels hergestellt, der am Prüfstand in einer Brennkraftmaschine untersucht wurde.

Beispiel

Pulver der Ausgangsmaterialien wurden entsprechend den Zusammensetzungen nach Tabelle 1 vermischt. Jedes Gemisch wurde bei einem Druck von 5 Kbar geformt bzw. verpreßt und 45 min lang in zersetztem gasförmigen Ammoniak gesintert. Auf diese Weise wurde Gleitelemente Nr. 1 bis 9 hergestellt.

Das Vergleichselement Nr. 10 (ein Grauguß- bzw. Gußstahl-Kipphebel) wurde in der Weise hergestellt, daß ein Abschreckblock in einer Kokille an die mit dem Nocken in Gleitberührung zu bringende Fläche angesetzt und eine Schmelze aus den Bestandteilen in die Kokille eingegossen wurde, um die Gleitfläche abzuschrecken.

Maschinenversuch

1) Betriebsbedingungen:

Prüfmaschine: Wassergekühlte Vierzylinder-Reihenmaschine, obenliegende Nokkenwelle

Maschinendrehzahl: 750 U/min — unbelastet

Schmieröl: SAE-Grad 30

Öltemperatur: 50° C

Laufzeit: 200 h

2) Nockenwelle:

Das Material des Nockenteils der Nockenwelle bestand aus perlitischem Schalenhartguß mit 30 bis 40% Karbid. Es besaß folgende chemische Zusammensetzung:

Prüfnockenwelle
Schalsr.hartguß

Zusammensetzung (%) C Si Mn P Cu

Mn

3,4 2,1 0,7 0,1 0,04 0,3 0,8 0,3 Rest

Die Versuchsergebnisse sind in F i g. 1 dargestellt, in welcher die schraffierten Balken die Größe des Verschleißes des Nockens und die nicht schraffierten Balken die Größe des Verschleißes am Kipphebel angeben.

Das aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung hergestellte Gleitelement besitzt somit eine aufgrund der Zugabe von Cr ausgesehene Härtungsphase sowie eine hohe Dichte aufgrund des Flüssigphasensinterns bei Zugabe von P, B, Si usw. Dieses Gleitelement besitzt eine überlegene Grübchenbildungsbeständigkeit und eine sehr gute Verschleißfestigkeit. Wie aus Fig.] hervorgeht, beträgt der Verschleiß nur 1/3 bis 1/5 des Verschleißes am Vergleichselement.

Die aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung hergestellten Gleitelemente Nr. 1 bis 9 zeigten keinen Grübchenverschleiß.

F i g. 2 ist ein Schliffbild (200fache Vergrößerung, angeätzt) des Gefüges von Gleitelement Nr. 7. Die weiße Phase besteht aus Fe-Cr-Karbid und Steadit, während das Substrat um die weiße Phase herum Perlit ist.

F i g. 3 ist ein Schliffbild (200fache Vergrößerung, angeätzt) des Gefüges von Gleitelement Nr. 3. Wie in F i g. 2 besteht die weiße Phase aus Fe-Cr-Karbid und Steadit In diesem Fall ist das die weiße Phase umgebende Substrat Bainit.

Zusammensetzung (Gew.-%)
C P B Si

0,5
0,5

Cr

Ni

Mo

Cu Co W

Fe

Sinter
tempe
ratur
(⁰C)

Verfestigungs
behandlung

Porosität
(%)

Prozentuale
Porengröße
von 150 μπι
oder darunter

Endgültiges
Grundgefüge

2,5
2,5

12,0
16,0

1,0

1,0
1,0

2,0

Rest
Rest

1145
1145

Erwärmung auf
870° C, dann

0,5
2,0

99
85

Bainit
Mertensit*')

Tabelle 1

Prül"-
ling
Nr.

1
2

3	2,5	0,5
4	2,0	1,0
5	1,5	-
6	2,5	0,3

3,0
1,0

1,0

2,0

10,0	1,0	10,0	—
11,5	1,0	1,0	1,5
10,3	1,0	2,0	-
lü,0	1,0	1,0	—

0,5 1,0

17,0 11,0 -

0,6 1,5 - - 11,0 -

*'),²).³), ⁴) Grundgefüge aufgrund einer Wärmebehandlung

2,0

Rest 1125

Rest 1140

Rest 1160

Rest 1140

Rest 1145
Rest 1140

Rest 1160

bei Raumtemperatur

Erwärmung auf 870° C, dann 20 h langes Eintauchen in ein Salzbad bei 400⁰C

6,0 4,0 3,0 2,5

Erwärmung auf 870° C, dann
Eintauchen in Öl bei Raumtemperatur

8,0 4,0

5,0

60 90 85 95

70 90

100

Bainit Bainit Bainit Bainit *²)

Perlit Mertensit *³)

Martensit *⁴)

OO (Ti K>

Vergleichselement Nr.

Mn P

B Cu Cr Mo Fe

3,5 2,2 0,7 0,1 0,04 0,02 0,5 0,9 0,5 Rest

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer verschleißfesten, porösen Sinterlegierung, bestehend aus

0,5 bis 4,0% Kohlenstoff,

8,0 bis 30,0% Chrom,

0,1 bis 5,0% mindestens eines der Elemente Phosphor, Bor und/oder Silizium,

Rest Eisen mit hsrstellungsbedingten Verunreinigungen zur Herstellung von Gleitelementen für Motoren, mit der Maßgabe, daßdieLegierungO,2bis 10 Vol.-% Poren aufweist, von denen mindestens 40% eine Größe von nicht mehr als 150 μπι besitzen.

2. Verwendung einer Sinterlegierung nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Legierung nicht mehr als 10% eines Metalls wie Nickel, Kupfer, Kobalt und Wolfram enthält.

3. Verwendung einer Sinterlegierung nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Legierung nicht mehr als 20% Molybdän enthält.

4. Verwendung einer Sinterlegierung nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Legierung nicht mehr als 20% mindestens zweier Metalle wie Nickel, Molybdän, Kupfer, Kobalt und Wolfram enthält.