DE2851100A1 - Verschleissfeste sinterlegierung - Google Patents

Description

Von den Teilen eines Motors erfordern die gleitenden Teile, die unter einer relativ hohen Flächenpressung arbeiten, im allgemeinen die Bildung eines stabilen Schmierfilmes, und deshalb müssen ihre Werkstoffe in hohem Maße verschleißfest^" und lochfraßbeständig sein. Die derzeitig verfügbaren Werkstoffe sind oberflächengehärtete Werkstoffe, einschließlich vergütetem Stahl mit hoher Härte, Hartgußeisen, harter chromplatierter oder weichnitrierter Stahl, jedoch können diese nicht immer den gestellten Anforderungen gerecht werden, denn viele von ihnen leiden an Mangeln, wie Verschleiß oder L_ochfraß. In den letzten Jahren werden jedoch vermehrt Autoteile gefordert, die eine höhere Leistungsfähigkeit und eine längere Lebensdauer besitzen. Insbesondere besteht ein sehr starker Wunsch dahingehend, die Leistungsfähigkeit dieser gleitenden Teile zu verbessern. Sinterlegierungen auf Eisenbasis, im folgenden Eisen-Sinterlegierungen genannt, besitzen anerkanntermaßen ausgezeichnete Antiverschleißeigenschaften und werden als vorteilhafte Werkstoffe für gleitende Teile, die unter einem relativ niedrigen Flächendruck arbeiten, empfunden. Wenn die Sinterlegierungen jedoch, die hochporös sind, unter einem hohen Flächendruck angewendet werden, so lassen sie die Bildung eines stabilen Gleitmittelfilms wegen ihrer Porosität nicht zu, da sie das Öl absorbieren. Außerdem besitzen sie solch eine geringe Festigkeit, daß sie dazu neigen, sich unter dem hohen Betriebflächendruck zu werfen oder zu brechen; ferner sind sie gegenüber Lochfraß nicht geschützt, was ein Ergebnis der örtlichen Ermüdung auf der Oberfläche ist. Aus diesen Gründen werden Eisen-Sinterlegierungen selten dort verwendet, wo eine hohe Flächenpressung zu erwarten ist.

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Aufgebe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine verschleißfeste Sinterlegierung zu schaffen, die eine hohe Dichte, eine große Härte, eine bessere Profilverteilung der ausgefällten li-rbide, einen geringen Abrieb ebenso wie eine eigene hohe Widerstrndfähigkeit gegenüber Verschleiß und Lochfraß besitzt, die in vorteilhafter Weise sls Werkstoff für gleitende Autoteile, die unter einer relativ hohen Flächenpressung "rbeiten, in vorteilhafter Weise verwendet werden k.'j-nn.

Diese Aufgabe wird bei einer Sinterlegierung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die verschleißfeste Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindurg stellt also eine Verbesserung bei den Eisen-Sinterlegierungen dar. Man erhält sie durch eine Legierungszusammensetzung aus 15 bis 25 % Cr, O - 3 % Mo, 1 - 5 % Cu, 0,3 - 0,8 % P, 2,0 - 4,0 °/o C, Rest Eisen und weniger als 2 % Verunreinigungen. Das gesinterte Metallpulver dieser Zusammensetzung besitzt eine Dichte von mehr als 7i3 g/cm .

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung ar.har.d der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 das Mikrogefügebild (4-00-fach) der Struktur

einer Sinterlegierung gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 2 das Mikrogefügebild (400-fach) der Struktur

einer herkömmlichen Sinterlegierung (Vergleichsnummer 4), und

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Fig. 3 eine Seitenansicht einer ApOrdnung für den

Abriebversuch.

Im folgenden sei zunächst die verschleißfeste Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung im einzelnen erläutert.

Die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung ist eine Sinterlegierung auf Eiser.basis (im folgenden Eisen-Sinterlegierung genannt) hoher Dichte und großer Härte, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ihre Dichte über 7?3 g/cm und ihre Härte bei 400 bis 700 HV liegt und daß ihre Zusammensetzung in Gewichtsprozenten im wesentlichen folgendes aufweist: I5 bis 25 % Cr,

0 - 3 % Mo, 1 - 5 % Cu, 0,3 - 0,8 % P, 2,0 - 4,0 % C, Rest Fe und weniger als 2 % Verunreinigungen, wie sie in gewöhnlichen Eisen-Sinterlegierungen enthalten sind. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, zeigt die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung sehr harte, feine Mischkarbide, wie (Fe, Cr)₇C^ oder (Fe, Cr, Mo)₇C,, die in einer festen Grundmasse (Matrix) eines Fe-Cr-(Mo)-Cu-P-C-Systems ( - --Phase + r—Phase) gleichmäßig verteilt sir.d. Diese Legierung kann mit hoher Dichte und großer Härte in praktisch demselben Verfahren erzeugt v/erden, wie es für herkömmliche Eisen-Sinterlegierungen verwendet wird; dabei sind die Ergebnisse ihrer Abriebversuche extrem gut.

Im folgenden werden Beispiele von Legierungen gemäß vorliegender Erfindung aufgeführt.

Beispiel 1

Zerstäubtes Legierungspulver von weniger als 100 mesh (<* 0,14-9 mm) mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: I7 % Cr,

1 ^ Ko, 2 ^ Cu, 0,5 % P, Rest Eisen und weniger als 2 °/o Verunreinigungen, die im allgemeinen in herkömmlichen Eisen-Sinterlegierungen enthalten sind, wurde vorbereitet und zu diesem Pulver wurde 2,5 % C in Form eines natürlichen blättrigen Graphit-

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Oulvers als Kohlenstoffquelle und ein Zink-Stearat-Pulver ε:Is Gleitmittel hinzugefügt. Bcs so erhaltene Pulver wurde in eir.era Mischer gleichmäßig gemischt, woran sich ein Preßformen in einer I-ietallform unter einem Druck von 6,5 t/cm anschloß, wodurch man ein geformtes Produkt mit eii.er Dichte von 6,2 - '- t^ g/cm erhielt. Dieses Produkt wurde dann einem Sintervor- gr.-' g vor 50 i-iinuten bei 1100 - 1200° C in einer Atmosphäre aus zersetztem Ammoniakgas (.p+Hp) unterworfen. Somit erhielt mrir die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung in genau derselben Weise wie eine herkömmliche Eisen-Sinterlegierung. Die geschaffene Legierung wurde hinsichtlich Dichte und Härte gemessen und einem Abriebversuch unterworfen, um die Größe des Abriebs von Polster bzw. Kissen (Stößel) und ..ocken zu bestimmen. Für diesen Versuci wurde ei.-i Schwinghebelkissen. 1 , wie in irig. 5 dargestellt, für ei^ren Dieselmotor von 2200 cnr mit O.K.G. (oben liegende ..ocker)-Ventilmechanismus aus der so erhalten en Sinterlegierung hergestellt; dieses Kissen 1 wurde an den Schwinghebel 2 -uibelötet u^r d zur Ablage an eine-: ί locken 3 aus !:rrfcgußeise^ gebracht, u~'d so der Motor getestet. Bei diesem Versiach wurde ei"- ei.'deiner Motor durch fünf Zyklen von insgesamt 1000 Stunden gebracht, und zwar jeweils bei 4400 Upm χ VoIl-Lrst χ 50 Stunde:. + 2000 Upm χ ohne Lnst χ 150 Stunden. Die maximale Abnutzungstiefe wurde sowohl am Polster bzw. Kisser: als ■tuch :.m Locken gemessen.

In derselben Weise wie beim Beispiel 1 wurden die anderen Legierungen gemäß vorliegender Erfindung u: d die Vergleichslegierungen mit unterschiedlichen Zusommensetzunger vorbereitet und den Dichte- und Härtemessungen und dem o.g. Abriebversuch unterworfen. Die Zusammensetzung, Dichte und Härte dieser Legierungen urd die Ergebnisse ihrer Abriebversuche, einschließlich denen des Beispieles 1, sind i?i der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei die erfindurgsgemäßen Legierungen als "Beispiel" 1 bis und die herkömmlichen Legierungen als "Vergleich" 1 bis 5 bezeichnet wurden.

9 0 9"8% T / O S 5 2

BAD ORIGINAL

ω es

CO-

	Zusammensetzung in Gew.- io	Dichte g/cnr	Härte Hv (10kg)	Ergebnisse des +Hf Verschlußversuchs	Nocken
Beispiel 1	Pe-17^Or-1 foMo-2fo0u-0. 5f°P-2 *5%G	7.6	630	Kissen	28/λ
" 2	TPä_O ί-ί^ΡΎ» Ρ^^Οι ι ^ wiuTJ *3 RCK.P* '	' 7.4 ,	450	7 -μ	·'. 53 ju
" 3		7.7	650	5 μ	32: μ
. " .4	Pe-I5^Cr-1^Cu-O.5^P-2*0^0	7.4	580 ' ,
VJl	Fe-17$Cr-2$Mo-5^Cu-O»5$P~4.0$C	7.7	600	2 μ	^ μ
Vergleich]	Hartchrom-Plattierung		950*.	2 μ	180 μ
2	Pe-5.3^Gr—1.3^Mo-1.2^W -0.4^V-1·1^Si-O.39^C (Werkstoff .d* Verschmelzen:SKD 63)		670	370 μ	160 ja
" 3	]?e-'\7'?oGr-1foMo-2<foGvL-2»5</oC (Sinterlegierung)	6.3	3-10	230 μ	2,360 'μ
4	Fe -17^0^1^0-2^1-0.5jSp—2 · 5^0 (Sinterlegierung)	7.7	600	510 ^u	450 μ
VJI	(Sintercermet)	7.9	780	22 μ	3,140 μ
8μ

Anm.: ^ bedeutet bei Hv(o,l kg) Verschleißtiefe

CD H H CD

OD

Das Vergleichsbeispiel 4- erhielt man durch dasselbe Verfahren wie für die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung. Das Vergleichsbeispiel 3 erhielt man unter Verwendung eines handelsüblich erhältlichen SUS-4-34~Pulvers (Fe-i7^Cr-1^Mo), elektrolytisches Kupferpulver und natürliches blättriges Graphitpulver durch dasselbe Verfahren wie das für die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung verwendete. Das Vergleichsbeispiel 1 zeigt eine herkömmlich erhältliche Legierung SCr^, die an ihrer, chromplattierten Oberfläche vergütet, also abgeschreckt und wieder angelassen ist.

Wie aus den Ergebnissen der. Tabelle zu ersehen ist, erwies sich dieser Verschleiß- bzw. Abriebversuch, bei dem ein Dieselmotor verwendet wurde und bei dem als Folge davon feiner Ruß im verbrannten Gas sich in das Gleitmittel iirährend des Versuches gemischt hat, als sehr hart, wobei selbst der gewöhnlich verwendete harte chromplattierte Schwinghebel einen erheblichen Abrieb aufwies, während die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung, die in einer festen Matrix von (<=*. + f) -Phase gleichmäßig verteilte feine Karbide zeigt, sehr gute Antiverschleißeigenschaften zeigte, mit dem Ergebnis, daß sowohl das Kissen als auch der Nocken sich im Hinblick auf den Verschleiß bzw. Abrieb als ausreichend erwiesen, d.h. keines der beiden aneinanderliegendei: Teile wurde verschlissen. Die Größe der Karbide in der Sinterlegierung wurde mit Hilfe einer"QTM-Maschine" (hergestellt durch Metall Research Co, England) zu 5 - 6 /i gemessen. Auch zeigte die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung eine hohe Dichte (über 7₅3 g/cnr) und eine große Härte (HV 400-700), woraus von selbst erwiesen ist, daß sie einer hohen Flächenpressung standhalten kann.

Im folgenden seien die Ziele und quantitativen Beschränkungen der betreffenden Elemente, die bei der Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden, erläutert.

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P ist zum Unterstützen des Sinterns einer Eisenlegierung allgemein bekannt, und es hat sich erwiesen, daß es eine wichtige Wirkung bei der Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung besitzt.

Aufgrund der Wirkung von P kann man, wie beim Beispiel dargestellt, ein Sinterprodukt hoher Dichte mit gewöhnlicher Sintertemperatur von 1100° - 1200° C erhalten; beim Vergleichsbeispiel 3 ohne Zusatz von P war die Eichte gering, nämlich 6,3g/cm . Eine solche Wirkung von P ist bei einem Gehalt von Über 0,3 % wesentlich, und es wurde ein Gehalt von 0,8 % als ausreichend empfunden. Somit wird der Gehalt von P bei 0,3 - 0,8 % angesetzt.

C, von dem ein Teil sich mit Cr, Mo vereinigt, wird als ein v/irksames Element geschätzt, um ein Mischkarbid, Wie (Fe, Cr)₇C-, oder (Fe, Cr, Mo)₇C-, zu bilden, was die Antiverschleißeigenschaft verbessert, während der Best dazu dient, die Härte und die Festigkeit der Grundmasse (Matrix) zu erhöhen. Eei der Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung sind weniger als 2 °/o C nicht ausreichend, um die notwendige Härte und die notwendige Quantität an Karbiden abzugeben; mehr als 2 °/o C werden benötigt, um eine ausreichende AntiverscbIeißeigenschaft (Verschleißbeständigkeit) unter hohem Flächendruck sicherzustellen.

Bei über 4- % C ,jedoch werden die Karbidkörner so grob, daß sie das Gegenstück abreiben. Somit liegt der bevorzugte Wert des C-Gehaltes bei weniger als 4 %.

Cr fällt teilweise als feste Lösung in der Matrix aus und festigt das letztere, jedoch verbindet sich sein größerer Teil mit C und liefert Karbidkörner. Bei weniger als 15 % Gv ist der C-Gehalt zu groß für den Cr-Gehalt, was die Karbidkörner in unerwünschter Weise vergröbert. Somit wird der Cr-Gehalt bei mehr als 15 % angesetzt. Je größer der Cr-Gehalt ist, desto größer ist seine Wir-

kung; bei mehr als 25 % Cr ,jedoch verringert sich die Wirkung des vermehrten Cr, w:is ei^e Anreicherung der Phase des Fe-Cr-Systems im Werkstoffpulver bewirkt, was das Preßformen des Pulvers verhindert. Somit wird der Cr-Gehalt bei weniger rIs 25 % angesetzt.

Mo wird im allgemeinen als ebenso wirksames Element wie Cr zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch Festigen der Grundmasse (Matrix) und zur Lieferung von Karbiden angesehen. Bei der Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung, die viel Cr enthält urd verschleißfest genug ist, ist die Wirkung Mo nicht groß. Wenn Mo zu dieser Legierung jedoch hinzugefügt wird, sind die meisten der gelieferten Karbide (Fe, Cr, Mo)₇C^ und sie sind, da sie mehr kugelig bzw. weich geglüht sind, gegenüber dem Gegenstück weniger abreibend. Mo ist somit wirksam für die Verminderung des Abriebs am Gegensrück; wenn jedoch sein Gehalt 3 % übersteigt, so entwickelt sich ein Karbid-Netzwerk an der Korngrenze der Matrix, wodurch sich die Antilochfraßeigenschaft verschlechtert. Somit sollte der Mo-Gehalt unter 3 % liegen.

Ebenso wie bei der herkömmlichen Eisen-Sinterlegierung ist das Cu in der Matrix während der Kühlung nach dem Sintern fein ausgefällt und trägt zur Legxerurgsfestxgkeit bei, jedoch liegt die wichtigste Wirkung von Cu bei dieser Sinterlegierung darin, daß es die Karbide fein macht urd sie weichglüht. Fig. 1 zeigt das Mikrogefüge einer Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung und Fig. 2 zeigt das Mikrogefüge der Legierung gemäß Vergleichsbeispiel 4. Die Karbide in ihnen sind sehr unterschiedlich im Profil und erbringen daher erhebliche Unterschiede im Nockenverschleiß, wie der Tabelle zu entnehmen ist, was von einer extrem großen Wirkung des Cu zeugt. Die Wirkung ist bei mehr als 1 % Cu offensichtlich, wenn jedoch 5 % überschritten sind, wird diese Wirkung negativ, schwächt die Korngrenze der Matrix und verringert die Antilochfraßeigenschaft.

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Wie oben erwähnt, ist die Eisen-Sinterlegierung mit der Zusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung frei von allen herkömmlichen Fehlern und-Nachteilen und arbeitet selbst bei ihrer Anwendung an gleitenden Maschinenteilen wegen ihrer hohen Dichte, ihrer großen Härte und Antiverschleißeigenschaft unter relativ hohem Flächendruck sehr gut; sie wird deshalb als ir> hohem Maße ausreichend als Autowerkstoff empfunden, die nach einer beträchtlich besseren Leistungsfähigkeit und längeren Lebensdauer verlangen, insbesondere als Werkstoff für dem Verschleiß und einem hohen Flächendruck unterworfenen Teile wie beispielsweise Nocken, Schwinghebelkissen, Ventilhebel, Ventilhebel, Ventilhebelspitzen bei Brennkraftmaschinen, und als verschleißfester Werkstoff im allgemeinen. Somit kann die vorliegende Erfindung mit ihrem breiten Anwendungsbereich als von industriell hohem Wert vetrachtet werden.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verschleißfeste Sinterlegierung auf der Grundinge von Eisen, gekennzeichnet , durch eine Sinterung mit einer Dichte von mehr als 7,3 g/cm aus einem Metallpulver aus 15 - 25 % Gr, 0 - 3 % Wo, 1 - 5 % Cu, 0,3-0,8 % P und 2,0 - 4,0 % C, Rest Fe und weniger als 2 % Verunreinigungen.

   Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Mo-Gehalt 0 ist.

   Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch g e k' e η η zeichnet , daß der Mo-Gehalt weniger als 3 fo ist.

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   4. Sinterlegierung nsch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
   gekennzeichnet , daß sie harte, feine Mischk'irbide enthält, die in einer Matrix des Fe-Cr-(Mo)-Cu-P-C-Svstems gleichmäßig verteilt sind.

   5. Sinterlegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , d,?ß die Mischkarbide (Pe, Cr)₇C^ oder
   (Pe, Cr, 1''Jo)₇Cv sind.

   6. Sinterlegierung nach Anspruch 4 oder 5? dadurch gekennzeichnet , d iß die Größe des Mischkarbides
   5 bis 6 η ist.

   7. Sinterlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Härte von HV 400 - 700 aufweist.

   8. Sinterlegierung nach einem der vorhergehenden Aisprüche, dadurch gekennzeichnet , dsß sie durch Preßformen eines Legierungspulvers in einer Metallform und. Erhitze¹" des geformten Produktes erzeugt wird.

   9. Sinterlegierung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Preßformen unter einem Druck von etwa 6,5 t/cm zur Bildung eines geforr

   ner Dichte von 6,2 - 6,4 g/cm erfolgt.

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   etwa 6,5 t/cm zur Bildung eines geformten Produktes mit ei-

   10. Sinterlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Sintern sechzig Minuten lang bei 1100° bis 1200° C in einer Atmosphäre
   von zersetztem Ammoniakgas erfolgt.

   - Ende der Patentansprüche -

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