DE3005513A1

DE3005513A1 - Sintereisen-formteil und verfahren zur herstellung eines solchen formteils

Info

Publication number: DE3005513A1
Application number: DE19803005513
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. 7080 Aalen Pohl; Franz 7347 Bad Überkingen Redlinger
Original assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Current assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority date: 1980-02-14
Filing date: 1980-02-14
Publication date: 1981-08-20

Description

Sintereisen-Formteil und Verfahren
zur Herstellung eines solchen Formteils Die Erfindung betrifft ein Sintereisen-Formteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sintereisen-Formteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Bei dem bekannten Sintereisen-Formteil (DE-OS 22 58 310) ist die Außenschicht zur Erzielung einer verschleißfesten Oberfläche aus austenitischem Gefüge hergestellt. Die austenitische Außenschicht kann durch Kaltverfestigung in ihrer Verschleißfestigkeit sehr stark erhöht werden. Insbesondere kann die hohe Endhärte des Formteils durch Kalibrieren erreicht werden. Dieses Formteil hat aber nur mäßige Notlaufeigenschaften, so daß es beispielsweise nicht als Gleitlager eingesetzt werden kann, wo außer einer hohen Verschleißfestigkeit auch eine sehr geringe Reibung notwendig sind. Wegen der schlechten Notlaufeigenschaften wird bei Verringerung oder Unterbrechung der Schmiermittelzufuhr oder bei Eintritt von Wasser oder Fremdkörpern ein aus diesem Formteil bestehendes Gleitlager innerhalb kurzer Zeit zerstört.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Sintereisen-Formteil so auszubilden, daß es gute Notlaufeigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Die Sulfide in der verschleißfesten Außenschicht bilden feste Schmierstoffe, die dem Formteil weitgehende Notlaufeigenschaften verleihen, insbesondere dann, wenn es bei höheren Temperaturen eingesetzt wird bzw. sich während seines Einsatzes erwärmt.
Die in der verschleißfesten Außenschicht eingelagerten Sulfidpartikel wirken als Schmierstoff, so daß das erfindungsgemäße Formteil beispielsweise als Gleitlager eingesetzt werden kann.
Insbesondere wenn bei de r der Verschleißbeanspruchung des Formteils höhere Temperaturen entstehen oder sogenannte Temperaturblitze auftreten, verleihen die Sulfide in der Außenschicht dem Formteil die gewünschten guten Gleiteigenschaften, so daß das Formteil nicht beschädigt oder zerstört wird. Wird das Formteil als Lager verwendet, so bleibt dieses Lager infolge der Sulfide längere Zeit betriebsfähig, und es tritt kein Festfressen des Lagers auf.
Wenn die verschleißfeste Außenschicht eine Zusammensetzung hat, die der eines austenitischen Manganhartstahls entspricht, ist es von besonderem Vorteil, wenn in dieser Außenschicht Mangansulfide als feste Schmierstoffe eingelagert sind. Mangansulfide haben besonders gute Schmiereigenschaften und lassen sich bei der Herstellung des Sintereisen-Formteils besonders einfach erzeugen. Insbesondere ist Mangan ein billiges austenitbildendes Element, das den Vorteil hat, daß es sich mit Schwefel leicht zur Bildung von Mangansulfid verbindet. Mangansulfid kann daher bei höherer Temperatur unmittelbar aus den Elementen Mangan und Schwefel hergestellt werden.
Das Verfahren zur Herstellung des Sintereisen-Formteils ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil während des Sinterns mit einem schwefelhaltigen Mittel in Verbindung gebracht wird, aus dem während des Sinterprozesses Schwefel in die Außenschicht des Formteils zur Bildung der Sulfide diffundiert. Die Sulfide werden also gleichzeitig während des Sinterns gebildet, so daß keine nachträglichen Verfahrensschritte notwendig sind, um Sulfide in der Außenschicht des Formteils zu bilden.
Die bei dem Formteil vorgesehene austenitische Außenschicht kann jeweils mit Nickel, Kupfer oder Mangan oder auch durch eine Kombination dieser Elemente hergestellt werden. Vorzugsweise wird jedoch zur Herstellung der austenitischen Außenschicht Mangan verwendet, das nicht nur wesentlich billiger als die anderen Elemente ist, sondern darüber hinaus besonders leicht die notwendigen, als Schmierstoffe wirkenden Sulfide in der Außenschicht erzeugt. Mangan ist ein verhältnismäßig unedles Metall, das sich mit Schwefel leicht zu Mangansulfid verbindet. Selbst wenn Eisen zugegen ist, kommt es zur Bildung von Mangansulfid und nicht von Eisensulfid, da die Bildungsenthalpie von Mangansulfid wesentlich größer ist als die von Eisensulfid. Eisensulfid entsteht nur dann, wenn mehr Schwefel vorhanden ist, als zur völligen Umwandlung des Mangans zu Mangansulfid notwendig ist Die Erzeugung der austenitischen Außenschicht mit den Mangansulfiden erfolgt während des Sintervorganges, d.h. bei einem Schutzgasglühen bei Temperaturen zwischen etwa 950 ° und 13500 C, vorzugsweise bei etwa 11500 C. Diese Temperatur reicht aus, um Mangansulfid zu bilden.
Grundsätzlich ist es möglich, den notwendigen Schwefel in der Sinteratmosphäre als Schwefeldampf, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff oder als sonstiges schwefelhaltiges Gas zuzuführen.
Eine solche Zufuhr ist allerdings probelmatisch, da diese Stoffe die Heizleiter von Sinteröfen sowie die Materialien der Reaktoren, in denen das Verfahren zur Bildung der Manganaustenitschicht durchgeführt wird, angreifen und zerstören können.
Als besonders günstig hat es sich dagegen erwiesen, der Eisenpulvermischung, aus der das Sintereisen-Formteil hergestellt wird, Schwefel in elementarer Form zuzumischen. Die erforderliche Menge Schwefel liegt in einem Bereich zwischen etwa -0,3 und ,0 %. Der bevorzugte Wert ist 0,6 bis 1,0 % S. Der Schwefelzusatz kann zu jeder, in der Sintertechnik üblichen Eisenpulvermischung erfolgen außer zu austenitischen Pulvern. Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele genannt.
Beispiel 1 Mischung für Grundwerkstoff Sint - C 11 oder Sint - D 11

0,7 % Schwefelblüte

0,7 % Graphitpulver

2,5 % Kupferpulver

96,1 % Eisenpulver

zus. 100,0 %

Beispiel 2 Mischung für Grundwerkstoff Sint C 30 oder Sint - D 30

0,9 % Schwefelblüte

0,3 % Graphitpulver

2,5 % Kupferpulver

2,5 % Nickelpulver

93,8 % Eisenpulver

zus. 100,0 %

Nach Zufügen von 0,5 bis 1,5 % eines üblichen pulverförmigen Gleitmittels werden aus den Mischungen Grünlinge des auszufertigenden Formteils angepreßt.
Diese gelangen anschließend zur Sinterung. Während der Sinterung, die vorzugsweise bei 11500 C (möglich ist ein Bereich von 9500 C bis 13500 C) vorgenommen wird, wird gleichzeitig die Oberfläche des Formteils mit Mangan so weit auf legiert, daß eine austenitische Randschicht entsteht. Während der Behandlung bildet ein Teil des eindiffundierenden Mangans mit dem Schwefel Mangansulfid, der übrige Teil mit dem Eisen Austenit. Auf diese Weise entsteht am Formteil eine austenitische Randschicht, die Einlagerungen von Mangansulfid enthält, und zwar einige Volumenprozente.
Die große Affinität des Mangans zum Schwefel zeigt sich insbesondere darin, daß nach der Sinterung im Bereich der Außenschicht ein höherer Schwefelgehalt vorliegt als im darunterliegenden Kernmaterial. Wie metallografische Untersuchungen gezeigt haben, ist der Schwefel in einem Formteil, das keine austenitische verschleißfeste Außenschicht aufweist, im Bereich der Außenschicht und im Kern gleich verteilt. Hat das Formteil dagegen eine manganaustenitische Außenschicht, dann tritt eine deutliche Schwefelanreicherung in dieser Außenschicht auf. Dies deutet darauf hin, daß während des Sintervorganges der Schwefel offensichtlich eine sogenannte up hill-Diffusion erfährt, d.h.
daß der Schwefel von innen nach außen wandert. Durch diesen Vorgang kann der S-Gehalt im Kern bis unter die weiter unten genannte Grenze von 0,3 % sinken.
Die in der verschleißfesten Außenschicht eingelagerten Mangansulfid-Partikel. wirken als Schmierstoff. Die Menge des Mangansulfids in der Verschleißschicht kann durch die Höhe des beigemischten Schwefelanteils verändert werden.
Bei dem beschriebenen Verfahren wird ein Formteil gebildet, bei dem lediglich die Außenschicht Austenitstruktur hat, während der Kern aus einer beliebigen, jedoch nicht austenitischen Eisenlegierung besteht. Der Kern des Formteils ist ebenfalls schwefelhaltig, jedoch geht der Schwefel im Kernbereich eine beliebige Bindung mit anderen Elementen ein. Lediglich in der Außenschicht wird ausschließlich Mangansulfid gebildet, da in diesem Bereich in ausreichend großer Menge Mangan vorhanden ist. Dementsprechend ist der Schwefelanteil in der Außenschicht gleich oder größer als der Schwefelanteil im Kern. In der Außenschicht beträgt der Schwefelgehalt etwa 0,3 % bis mehr als 5 %, während er im Kern dagegen unterhalb von etwa 0,3 % liegt und höchstens bis 5 % beträgt.
Nach dem Sintern beträgt die Oberflächenhärte der Formteile ungefähr 200 bis 300 HV. Die für die Verschleißfestigkeit erwünschte Härte können die Formteile nun durch Beanspruchung während der Verwendung erhalten, durch die sogenannte Arbeitshärtung.
In aller Regel jedoch werden die Sintereisen-Formteile nach dem Sinterprozeß zur Erzielung besserer Toleranzen kalibriert. Da die Kalibrierung eine Kaltverformung in der Außenschicht bewirkt, wird dadurch bei den Formteilen, die bei dem vorausgegangenen Sintern mit der austenitischen Außenschicht versehen worden. sind, eine große Härtesteigerung bis auf 600 bis 700 HV bewirkt. Die Härtesteigerung durch Kalibrierung hat den Vorteil, daß die engen Toleranzen, die mit dem Sinterverfahren eingehalten werden können, nicht vergrößert werden, so daß teure und aufwendige Nacharbeiten nicht mehr notwendig sind.

Claims

PatentanspiEche 1. Sintereisen-Formteil mit einer verschleißfesten Außenschicht aus austeni-tischem Gefüge, dadurch -gekennzeichnet, daß wenigstens in der Außenschicht Sulfide eingelagert sind.
2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Sulfide in der Außenschicht mindestens gleich hoch, vorzugsweise jedoch größer ist als im Kern des Formteils.
3. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefelgehalt in der Außenschicht in einem Bereich zwischen etwa 0,3% und etwa 5 % liegt.
4. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefelgehalt im Kern des Formteils in einem Bereich von unterhalb etwa 0,3 % bis etwa 5 liegt.
5. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn-zeichnet, daß die Sulfide in der Außenschicht durch Mangansulfide gebildet sind.
6. Sintereisen-Formteil mit einer verschleißfesten, aus austenitischem Gefüge bestehenden Außenschicht, deren Zusammensetzung der eines austenitischen Manganhartstahlsentspricht,nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenschicht Mangansulfid eingelagert ist.
7. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bia 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel im Kern des Formteile eine beliebige Bindung eingegangen ist.
8. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Formteils aus einer beliebigen, jedoch nicht austenitischen Ei senlegierung besteht.
9. Verfahren zur Herstellung des Sintereisen-Formteils nach einem. der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zunächst das Formteil aus einer Pulvermischung gepreßt wird, die pulverförmige Legierungszusätze und Eisenpulver enthält, und bei dem anschließend der gepreßte Formteil zur Erzeugung der austenitischen verschleißfesten Außenschicht während des Sinterprozesses mit einem Mittel in Verbindung gebracht wird, aus dem wenigstens bei den Sintertemperaturen austenitbildende Elemente, vorzugsweise Mangan, in die Außenschicht des Formteils diffundieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil während des Sinterns mit einem schwefelhaltigen Mittel in Verbindung gebracht wird, aus dem während des Sinterprozesses Schwefel in die Außenschicht des Formteils zur Bildung der Sulfide diffundiert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das schwefelhaltige Mittel in Pulverform der Pulvermischung zur Herstellung des Formteile zugemischt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als schwefelhaltiges Mittel elementarer Schwefel verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bisll, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung zur Herstellung des Formteils etwa 0,3 bis etwa 5 % Schwefel, vorzugsweise 0,6 bis 1,0 % Schwefel enthält.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Grünlingen des berzustellenden Formteils eine Mischung folgender Zusammensetzung verwendet wird: 0,7 % Schwefelblüte 0,7 % Graphitpulver 2,5 % Kupferpulver 96,1 % ~.Eisenpulver
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Grünlingen des herzustellenden Formteils eine Mischung folgender Zusammensetzung verwendet wird: 0,9 % Schwefelblüte 0,3 % Graphitpulver 2,5 ffi Kupferpulver 2,5 % Nickelpulver 93,8 ffi Eisenpulver
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Grünlinge der Mischung 0,5 bis 1,5 % eines pulverförmigen Gleitmittels zugesetzt wird.