DE2851100B2 - Verschleißfeste Sinterlegierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betriff eine verschleißfeste Sinterlegierung auf Eisenbasis.

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 Stab? 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 Mängeln, wie Verschleiß oder Lochfraß. 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 Antiverschleißeigenschäften 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 Ol absorbieren. Außerdem besitzen sie solch eine geringe Festigkeit, daß sie dazu neigen, sich unter dem hohen Betriebsflächendruck 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 ZW erwarten ist

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine verschleißfeste Sinterlegierung zu schaffen, die eine hohe Dichte, eine große Härte, eine bessere Profilverteüungder ausgefällten Karbide, einen geringen Abrieb ebenso wie eine eigene hohe Widerstandfähigkeit gegenüber Verschleiß und Locbfraß besitzt die in vorteilhafter Weise als Werkstoff für gleitende Autotei-Ie, die unter einer relativ hohen Flächenpressung arbeiten, verwendet werden kann.

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

is gelöst

Die verschleißfeste Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung stellt also eine Verbesserung bei den Eisen-Sinterlegierungen dar. Man erhält sie durch eine Legierungszusammensetzung aus 15 bis 25% Cr₁-O-3% Mo, 1-5% Cu, 0,3-0,8% P, 2,0-4,0% C, Rest Eisen und weniger als 2% Verunreinigungen. Das gesinterte Metallpulver dieser Zusammensetzung besitzt eine Dichte von mehr als 73 g/cm³.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Erzeigt
Fig. 1 das Mikrogefügebild (400fach) der Struktur einer Sinterlegierung gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig.2 das Mik/agefügebild (400fach) der Struktur einer herkömmlichen Sinterlegierung (Vergleichsnummer 4), und

F i g. 3 eine Seitenansicht einer Anordnung 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 Eisenbasi* (im folgenden Eisen-Sinterlegierung genannt) hoher Dichte und großer Härte, die dadurch gekennzeichnet ist daß ihre Dichte über 7,3 g/cm³ und ihre Härte bei 400 bis 700 HV liegt und daß ihre Zusammensetzung in Gewichtspro· zenten im wesentlichen folgendes aufweist: 15 bis 25% Cr, 0-3% Mo, 1-5% Cu, 03-0,8% P, 2,0-4,0% C, Rest Fe und weniger als 2% Verunreinigungen, wie sie in gewöhnlichen Eisen-Sinterlegierungen enthalten sind.

so Wie in F i g. 1 dargsstellt ist, zeigt die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung sehr harte, feine Mischkarbide, wie (Fe, Cr)₇C₃ oder (Fe, Cr, Mo)₇C₃, die in einer festen Grundmasse (Matrix) («-Phase+ y-Phase) gleichmäßig verteilt sind. Diese Legierung kann mit hoher Dichte und großer Härte in praktisch demselben Verfahren erzeugt werden, wie es für herkömmliche Eisen-Sinterlegierungen verwendet wird; dabei sind die Ergebnisse ihrer Abriebversuche extrem gut.

Im folgenden werden Beispiele von Legierungen

t>o gemäß vorliegender Erfindung aufgeführt.

Beispiel 1

Zerstäubtes Legierungspulver von weniger als 0,149 mm mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-(>> prozenten: 17% Cr, 1% Mo, 2% Cu, 0,5% P, Rest Eisen und weniger als 2% Verunreinigungen, die im allgemeinen in herkömmlichen Eisen-Sinterlegierungen enthalten sind, wurde vorbereitet und zu diesem Pulver

wurde 2£% C in Form eines natürlichen blättrigen Graphitpulvers als KohlenstoffquelJe und ein Zink-Stearat-Pulver als Gleitmittel hinzugefügt. Das so erhaltene Pulver wurde in einem Mischer gleichmäßig gemischt, woran sich ein Preßformen in einer Metallform unter einem Druck von 6,5 t/cm² anschloß, wodurch man ein geformtes Produkt mit einer Dichte von 6,2—6,4 g/cm³ erhielt Dieses Produkt wurde dann einem Sintervorgang von 60 Minuten hei 1100—1200° C in einer Atmosphäre aus zersetztem Ammoniakgas (N2+H2) unterworfen. Somit erhielt man 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 Nocken zu bestimmen. Für diesen Versuch wurde ein Schwinghebelkissen 1, wie in F i g. 3 dargestellt, für einen Dieselmotor von 2200 cm³ mit oben liegendem Nockenwellen-VentUmechanismus aus der so erhaltenen Sinterlegierung hergestellt; dieses Kissen I wurde an den Schwinghebel 2 angelötet und zur Anlage an einen Nocken 3 aus Hartgußeisen gebracht, und so der Motor getestet. Bei diesem Versuch wurde ein einzelner Motor durch fünf Zykleo von insgesamt 1000 Stunden gebracht, und zwar jeweils bei 4400 UpM χ VoU-Last χ 50 Stunden +2000 UpM x ohne Last χ 150 Stunden, Die maximale Abnutzungstiefe wurde sowohl am Polster bzw. Kissen als auch am Nocken gemessen.

In derselben Weise wie beim Beispiel 1 wurden die anderen Legierungen gemäß vorliegender Erfindung und die Vergleichslegierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen vorbereitet und den Dichte- und Härtemessungen und dem o.g. Abriebversuch unterworfen. Die Zusammensetzung, Dichte und Härte dieser Legierungen und die Ergebnisse ihrer Abriebversuche, einschließlich denen des Beispiels 1, sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei die erfindungsgemäßen Legierungen als »Beispiel« 1 bis 5 und die herkömmlichen Legierungen als »Vergleich« 1 bis 5 bezeichnet wurden.

Zusammensetzung in Gew.-%

	Härte	Ergebnisse	Nocken
	HV		28 μπι
Dichte	(10 kg)	des Verschleiß	53 μπι
g/cm3	630	versuchs··)	32 μπι
7,6	450	Kissen	62 μπι
7,4	650	7μΐη	38 μπι
7,7	580	5μηι	180μΐτι
7,4	600	5μπι	160 μπι
7,7	950»)	2 μπι	2360 μπι
-	670	2μΐη	450 μπι
—	310	370 μπι	3,740 μπι
6,3	600	230 μπι
7,7	780	510 μπι
73	22 μπι
	8 μπι

Beispiel 1 Fe -17% Cr -1 % Mo - 2% Cu - 0,5% P - 2,5% C Beispiel 2 Fe-25% Cr-5% Cu-0,8% P-3,5% C Beispiel 3 Fe-16% Cr-3% Mo-3% Cu-03% P-3,0% C Beispiel 4 Fe-15% Cr-1% Cu-0,5% P-2,0% C Beispiel 5 Fe-17% Cr-2% Mo-5% Cu-0,5% P-4,0% C Vergleich 1 Hartchrom-Plattierung Vergleich 2 Fe-53% Cr-13% Mo-1,2% W-0,4% V

-1,1% Si-039% C

(Werkstoff d. Verschmelzen: SKD 63) Vergleich 3 Fe -17% Cr -1 % Mo - 2% Cu - 2,5% C

(Sinterlegierung)
Vergleich 4 Fe -17% Cr -1 % Mo - 2% Ni - 0,5% P - 2,5% C

(Sinterlegierung)
Vergleich 5 Ni-5% Mo-50% Tic/Tin (Sintercermet)

·) Bedeut.it bei //V(O₁I kg).

Verschleißtiefe.

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-434-Pulvers (Fe-17%Cr-l%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 chromplatticrten 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 während 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 aus den Phasen (a + y) gleichmäßig verteilte feine Karbide zeigt, ',ehr gute Antiverschleißeigenschaften zeigte, mit dem Ergebnis, daß sowohl das Kissen als auch der Nocken sich im Hinblick auf den Verschleiß craw. Abrieb als ausreichend erwiesen, d. h. keines der beiden aneinanderliegenden 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 μπι gemessen. Auch zeigte die Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung eine hohe Dichte (über 73 g/cm¹) und eine große

b5 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.

P ist zum Unterstützen des Sinterns einer Eisenlegierung allgemein bekannt, und es hat sich erwiesen, daß er 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 Dichte gering, nämlich 6,3 g/cm³. 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 wirksames Element geschätzt, um ein Mischkarbid, wie (Fe, Cr);C3 oder (Fe, Cr, Mo^Cj zu bilden, was die Antiverschleißeigenschaft verbessert, während der Rest

rung gemäß vorliegender Erfindung, die viel Cr enthält und verschleißfest genug ist, ist die Wirkung von Mo nicht groß. Wenn Mo zu dieser Legierung jedoch hinzugefügt wird, sind die meisten der gelieferten Karbide (Fe, Cr, Mo^Cj 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 Gegenstück; 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 Legierungsfestigkeit bei, jedoch liegt die wichtigste Wirkung von Cu bei dieser Sinterlegierung darin, daß es die Karbide fein macht und sie weichglUht. F i g. 1 zeigt das Mikrogefüge einer Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung

uiuu UICiIi, uic r iai ic unu uic rcMigK.cu uci

(Matrix) zu erhöhen. Bei der Sinterlegierung gemäß vorliegender Erfindung sind weniger als 2% C nicht ausreichend, um die notwendige Härte und die notwendige Quantität an Karbiden abzugeben; mehr als 2% C werden benötigt, um eine ausreichende Antiverschleißeigenschaft (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 die letztere, jedoch verbindet sich sein größerer Teil mit C und liefert Karbidkörner. Bei weniger als 15% Cr 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 Wirkung; bei mehr als 25% Cr jedoch verringert sich die Wirkung des vermehrten Cr, was eine Anreicherung der Phase des Fe-Cr-Systems im Werkstoffpulver bewirkt, was das Preßformen des Pulvers verhindert. Somit wird der Cr-Gehalt bei weniger als 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 Sinterlegie unu r ι g. £/..cigi uns iriim ugciugc uci Liegtet ung gcnmu 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.

Wie t bcn 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 in 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, Ventilhebelspit2en bei Brennkraftmaschinen, und als verschleißfester Werkstoff im allgemeinen. Somit kann die vorliegende Erfindung mit ihrem breiten Anwendungsbereich als von industriell hohem Wert betrachtet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunccn

Claims (7)

Patentansprüche;

1. Verschleißfeste Sinterlegierung auf Eisenbasis, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 15 bis 25% Cr, 0 bis 3% Mo, 1 bis 5% Cu, 0,3 bis 0,8% P und 2,0 bis 4,0% C, Rest Fe und weniger als 2% Verunreinigungen besteht und eine Dichte von mehr als 7,3 g/cm³ aufweist

2. Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie harte, feine Mischkarbide in der Matrix gleichmäßig verteilt enthält

3. Sinterlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Mischkarbide (Fe, Cr)₇C₃ oder (Fe, Cr, Mo)₇C₃ sind.

4. Sinterlegierung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Größe des Mischkarbides 5 bis 6 μΐη ist

5. Sinterlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß sie eine Härte von HV400 bis 700 aufweist

6. Sintetiggierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß das Legierungspulver unter einem Druck von etwa 6,5 t/cm² in einer Metallform gepreßt wird und das so geformte Produkt eine Dichte von 6,2 bis 6,4 g/cm³ aufweist

7. Verfahren zum Sintern einer Sinterlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Sintern sechzig Minuten lang bei 1100° bis 1200⁰C in einer Atmosphäre von zersetztem Ammoniakgas erfolgt