DE3015897A1

DE3015897A1 - Verschleissfeste sinterlegierung

Info

Publication number: DE3015897A1
Application number: DE19803015897
Authority: DE
Inventors: Yoshikatsu Nakamura; Kentarao Takahasi; Masajiro Takeshita
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1979-04-26
Filing date: 1980-04-24
Publication date: 1980-11-06
Also published as: JPS6011101B2; US4360383A; JPS55145156A; DE3015897C2

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Sinterlegierung zur Verwendung in Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen, insbesondere eine Sinterlegierung zur Verwendung in einem gleitenden Teil für Kipphebel, Ventilsitze, Kolbenringe^ Zylinderauskleidungen und dergleichen.

Sinterlegierungen guter Verschleißfestigkeit zur Verwendung als gleitende Teile bei hohen Planardrucken sind aus der DE-OS 2 846 122 bekannt. Weiterhin sind derartige Sinterlegierungen auch aus den US-PS 3 674 472, 2 637 671 und 3 698 877 bekannt. Sinterlegierungen weiter verbesserter Substratstrüktur sind den üblichen bekannten Sinterlegierungen insbesondere in den Grübchenbildungs- bzw. Lochfraßeigenschaften überlegen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine verschleißfeste Sinterlegierung für Verbrennungsmotoren zu schaffen, die sich bei Verwendung als gleitendes Teil in Kipphebeln oder deren Auskleidung bei Einsatz unter drastischen Bedingungen oder als einer Lochfraßabnutzung, wie sie bei Ventilsitzen vorkommt, ausgesetztes Teil durch eine hohe Verschleißfestigkeit auszeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine verschleißfeste Sinterlegierung für Verbrennungsmotoren, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 5,0 bis 30,0 Gew.-# Chrom, 1,5 bis 16,0 Gew.-% Niob, 0,1 bis 4,0 Gew.-# Molybdän, 0,1 bis 10,0 Gew.-% Nickel und 0,1 bis 5,0 Gew.-# Phosphor, der ein Flüssigphasensintern

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Henkel, Kern, Feiler Sr Hänzel

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before the

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NIPPON PISTON RING CO., LTD. Tokio / Japan

Verschleißfeste Sinterlegierung

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bei Temperaturen von höchstens 125O⁰C gestattet, enthält und 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens kO% eine Porengröße von höchstens 150 um aufweisen, enthält.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, aus der sich der Abrieb eines aus einer verschleißfesten Sinterlegierung gemäß der Erfindung hergestellten Kipphebels bei einem Motortest ergibt; und

Fig. 2 eine Mikrophotographie der Struktur des im später folgenden Beispiel beschriebenen, aus einer Sinterlegierung gemäß der Erfindung hergestellten gleitfähigen Bauteils.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die verschleißfeste Sinterlegierung gemäß der Erfindung 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 5,0 bis 20,0 Gew.-% Chrom, 3,0 bis 12,0 Gew.-# Niob, 0,4 bis 3,0 Gew.-JS Molybdän, 0,1 bis 5,0 Gew.-96 Nickel und 0,2 bis 3,0 Gew.-# Phosphor, der ein Flüssigphasensintem bei Temperaturen nicht über 1250⁰C ermöglicht, und zum Rest Eisen und weist 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens kO% aus Poren einer Porengröße von nicht mehr als 150 um bestehen, auf.

Im folgenden werden nun die Aktivität der verschiedenen Einzelbestandteile der Sinterlegierungen gemäß der Erfindung und die Gründe für die Begrenzung ihrer Mengen auf die angegebenen Bereiche näher erläutert.

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Kohlenstoff ist erforderlich, um das Substrat zu verfestigen und um eine durch Ausscheidungshärtung gehärtete Phase (Fe mit Chromcarbid) zu bilden, wobei die Sinterlegierung verschleißfest wird,, Der Grund für die Begrenzung der Kohlenstoff menge als Legierungsbestandteil ist folgender: Wenn die Kohlenstoffmenge unter 0,5 Gew»-% liegt, reicht die Menge an durch Ausscheidungshärtung gehärteter bzw« ausgehärteter Phase nicht aus, so daß keine für verschleißfeste Teile von Verbrennungsmotoren erforderliche Verschleißfestigkeit erreicht wird. Weiterhin stellt sich auch keine hohe Substratfestigkeit ein. Wenn andererseits die Menge der durch Ausfällungshärtung gehärteten Phase 4,0 Gew.-% übersteigt, erhöht sich der Sprödigkeitsgrad des Materials so stark, daß es nicht mehr brauchbar ist. Folglich sollte die Kohlenstoffmenge in der Sinterlegierung gemäß der Erfindung auf 0_s5 bis 4,0 Gew_o-% begrenzt werden.

Gleitfähig© Bauteil©, die hohen Planardrucken ausgesetzt sindj, neigen zur Grübchenbildung bzw. zum Lochfraß. Die Grübchenbildung bzw₀ der Lochfraß ist eine Ermüdungserscheinung s, die auf eine Dauerbelastung beim Gleiten zurückzuführen istο Gleitfähig© Teile aus durch übliches Festphasensintern hergestellten Sinterlegierungen weisen zahlreiche Poren und folglich eine geringe Festigkeit auf. Folglich erfahren solche gleitfähigen Teile bei Dauerbelastung eine Grübchenbildung hzw_e einen Lochfraß_β

Es hat sich überraschenderweis© gezeigt, daß sich die Beständigkeit gegen Grübchenbildung oder Lochfraß in vorteilhafter Weise erhöhen läßt» wenn man ein unter hohen Planardrucken arbeitendes Bauteil aus einer durch Flüssigphasensintern hergestellten Sinterlegierung herstellt.

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Üblicherweise erfolgt das Flüssigphasensintern bei höheren Temperaturen. Im Hinblick auf die Haltbarkeit des Sinterofens ist es jedoch erforderlich, eine ausreichende Menge flüssiger Phase bei Temperaturen von nicht über 125O⁰C zu erzeugen. Dazu eignet sich Phosphor, da es sich hierbei um ein Element handelt, das, ohne die Substratstruktur spröde zu machen, ein Flüssigphasensintern bei einer Temperatur von nicht mehr als 1250⁰C gestattet. Wenn die Menge an Phosphor unter 0,1% liegt, ist die Menge an flüssiger Phase zu gering, so daß man keine Festigkeitssteigerung erreicht. Wenn andererseits die Phosphormenge über 5,0% liegt, wird die Menge an flüssiger Phase zu groß, so daß man keinen Sinterkörper hoher Dimensionsgenauigkeit erhält. Aus diesem Grunde wird die Phosphormenge auf 0,1 bis 5,0 Gew.-96 begrenzt. Die Phosphormenge ist umgekehrt proportional zur Sintertemperatur.

Zur Verfestigung des Substrats und zur Kombination mit dem Kohlenstoff zur Bildung der durch Ausscheidungshärtung gehärteten Phase wird Chrom benötigt. Wenn die Chrommenge unter 5 Gew.-% liegt, reicht die Menge an durch Ausscheidungshärtung gehärteter Phase nicht aus. Wenn andererseits die Chrommenge 30 Gew.-% übersteigt, ist keine weitere Verbesserung der Verschleißfestigkeit mehr feststellbar. Darüber hinaus wird durch eine höhere Chrommenge lediglich der Preis des aus der Sinterlegierung hergestellten Bauteils erhöht. Schließlich ist die bei einer 30 Gewo-% übersteigenden Chrommenge erhaltene Sinterlegierung von schlechterer Bearbeitbarkeit.

Niob wird zugesetzt, um in der Substratstruktur zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit feine Teilchen von Niob-

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carbid auszufällen oder auszuscheiden. Wenn es in einer Menge von unter 1,5 Gew.-% verwendet wird, wird die Menge des erhaltenen Carbids so gering, daß keine akzeptable Verschleißfestigkeit erreicht wird. Andererseits ist es auch nicht zweckmäßig, den Niobzusatz auf über 16 Gew.-% zu erhöhen, da sich sonst so viel Niobcarbid ausscheidet, daß das aus der erhaltenen Sinterlegierung hergestellte Bauteil sein Gegenstück, mit dem es in gleitendem Eingriff steht, einem Abrieb unterwirft.

Wenn die Porosität 10 Vol.-% übersteigt, ist die Sinterung unzureichend und die Bindefestigkeit zwischen den Teilchen schwach. Somit ist die erhaltene Legierung ermüdungsanfällig und neigt zur Abnutzung infolge Grübchenbildung oder Lochfraß. Darüber hinaus wird ihre mechanische Festigkeit beeinträchtigt. Folglich wird die Porosität auf höchstens 10 Vol.-% begrenzt. Wenn sie dagegen unter 0,2 Vol.-% liegt, gibt es zu wenige Ölpools, so daß das aus der Legierung hergestellte Produkt eine schlechte Haltekraft erhält und gegen Abnutzung durch Festfressen anfällig wird. Die Bedeutung der Poren ergibt sich aus der Tatsache, daß aus einer Lösung derselben Bestandteile hergestellte nicht-poröse Materialien nicht die gewünschten Eigenschaften zeigen.

Zweckmäßigerweise sollen die Poren fein und gleichmäßig verteilt sein. Wenn die Porengröße 150 um übersteigt und die Porosität unter 10 Vol.-% liegt, sind die Poren ungleichmäßig verteilt und die Ölrückhaltung des aus der Legierung hergestellten Produkts sehr schlecht. Folglich kommt es aus demselben Grund zu einer Abnutzung durch Festfressen, wenn feine Poren einer Größe von höchstens 150 um in einer Menge von weniger als k0% vorhanden sind.

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Molybdän und Nickel werden zulegiert, um die Substratstruktur weiter zu verfestigen. Die Molybdänmenge wird auf 0,1 bis 4,0 Gew.-% begrenzt, da der Zusatz von mehr als 4,0 Gew.-% Molybdän aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten von Nachteil ist und ein Molybdänzusatz von unter 0,1 Gew.-% die Substratstruktur nicht zu verfestigen vermag. Nickel, das ebenfalls zur Verfestigung der Substratstruktur zugesetzt wird, läßt die Substratstruktur spröde werden, wenn seine Menge 10,0 Gew.-% übersteigt. Liegt sie unter 1,0 Gew.-%, stellen sich die gewünschten Eigenschaften nicht ein.

Aus den genannten Gründen sollte eine Sinterlegierung gemäß der Erfindung 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 5,0 bis 30,0 Gew.-% Chrom, 1,5 bis 16,0 Gew.-% Niob, 0,1 bis 4,0 Gew.-% Molybdän, 0,1 bis 10,0 Gew.-% Nickel und 0,1 bis 5,0 Gev.-% Phosphor, der ein Flüssigphasensintern bei Temperaturen von höchstens 125O°C gestattet, und zum Rest Eisen enthalten und 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Porengröße von höchstens 150 um zeigen, aufweisen.

Vorzugsweise sollte eine Sinterlegierung gemäß der Erfindung 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 5,0 bis 20,0 Gew.-% Chrom, 3,0 bis 12,0 Gew.-# Niob, 0,4 bis 3,0 Gew.-% Molybdän, 0,1 bis 5,0 Gew.-96 Nickel und 0,2 bis 3,0 Gew.-% Phosphor enthalten.

Das in flüssigem Zustand zu sinternde pulverförmige Ausgangsmaterial enthält Silicium und Mangan. Die Mengen an Silicium und Mangan sollten auf nicht mehr als 1,5 Gew.-?6, zweckmäßigerweise auf nicht mehr als 1,0 Gew.-%, begrenzt

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werden, da sonst die Substratstruktur spröde wird.

Erfindungsgemäß kann (können) als Carbidbildner zur weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit neben Uiob Titan und/oder Vanadium zulegiert werden«, Die Gesamtmenge an Titan und/oder Vanadium beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10,0 Gewo-^s, da sonst die Menge an ausgeschiedenem (ausgeschiedenen) Carbid(en) so groß wird, daß das aus der betreffenden Legierung hergestellte Bauteil sein Gegenstück einem starken Abrieb unterwirft» Die Verbesserung der Verschleißfestigkeit ist unzureichend, wenn das (die) Element(e) in einer Menge von weniger als 0,1 Gew.-?£ vorhanden ist (sind).

Erwünschten- oder erforderlichenfalls kann (können) zur Verfestigung der Substratstruktur Kupfer und/oder Kobalt zulegiert werden« In der Regel hängt die Kupfer- und/oder Kobaltmenge von der Menge an zulegiertem Nickel ab, vorzugsweise beträgt sie jedoch 0,1 bis 5,0 Gew.-%. Wenn sie 5,0 Gew_o-% übersteigt, wird das Substrat spröde. Wenn sie andererseits 0,1 Gew.-% unterschreitet, läßt sich keine akzeptable Verfestigungswirkung erreichen.

Nach dem Sintern besteht das erfindungsgemäße Produkt vornehmlich aus Perlit. Die'Substratstruktur läßt sich erwünschten- oder erforderlichenfalls je nach dem gleitfähigen Teil, zu dem sie verarbeitet werden soll, in üblicher bekannter Weise festigen. Die Substratstruktur kann durch Wärmebehandlung der Legierung nach dem Sintern zur hauptsächlichen Umwandlung in eine bainitische oder martensitisehe Struktur gefestigt werden. In diesem Falle wird die Beständigkeit des Produkts gegen Grübchenbildung oder Loch-

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fraß noch weiter erhöht. Wenn beispielsweise das Produkt nach dem Sintern auf eine Temperatur von 870⁰C erwärmt und in einem Salzbad etwa 10 bis 40 h lang bei einer Temperatur von etwa 400⁰C wärmebehandelt wird, geht die Substratstruktur in eine bainitischs Struktur über. Wenn das Produkt auf eine Temperatur von 870⁰C erwärmt und bei Raumtemperatur mit Wasser oder Öl wärmebehandelt wird, geht die Substratstruktur in eine martensitische Struktur über.

Wie bereits ausgeführt, enthält eine in Verbrennungsmotoren verwendbare Sinterlegierung gemäß der Erfindung relativ große und feine Ausfällungen chromhaltiger Carbide und feine Ausfällungen niobhaltiger Carbide in der Substratstruktur und zeigt eine hervorragende Verschleißfestigkeit. Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Sinterlegierung ist, daß sie Molybdän und Nickel und/oder Kupfer enthält und durch Flüssigphasensintem hergestellt ist. Dies führt dazu, daß die Substratstruktur verfestigt ist und folglich aus der Legierung hergestellte Bauteile auch unter drastischen Bedingungen, d.h. bei hohen Planardrucken, eingesetzt werden können und dabei eine hervorragende Verschleißfestigkeit zeigen.

Das folgende Beispiel soll die Erfindung näher veranschaulichen.

Beispiel

Das erfindungsgemäß hergestellte gleitfähige Bauteil besteht aus einem gleitenden Teil eines Kipphebels. Es wird unter Verwendung eines Verbrennungsmotors auf einem Tisch getestet.

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Gemäß der folgenden Tabelle werden pulverförmige Rohmate rialien miteinander vermischte Jedes erhaltene Gemisch wird bei einem Druck von 5 t/cm ausgeformt und in zersetztem gasförmigen Ammoniak 45 min lang gesinterte Auf diese Weise erhält man ein gleitfähiges Bauteil Nr₀ 1 ge mäß der Erfindung und ein gleitfähiges Vergleichsbauteil Nr. 2o

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Tabelle

Prüfling Nr. Zusammensetzung in Gew.-%

C P Ni Mo Cr Nb

Ti B V Fe

Porosi- prozentuale endgültät in % Porengröße tige

von 150 um Substratoder weniger struktur

1 (erfindungsgemäß) 2,5 0,5 0,7 1,0 7,3 5,0

2 (Vergleichsprüfling) 2,5 0,5 1,0 10,0 10,0 Rest 4,0

- Rest 6,0

90

60

Bainit

Verbrennungsmotortest

(1) Betriebsbedingungens

getesteter Motors wassergekühlter Reihen~4-

Zylinder 0.H_eC_o

Umdrehungsgeschwindigkeits 750 Upm unbelastet

Schmieröls SAE 30

Öltemperaturs 50⁰C

Betriebsdauer? 200 h

(2) Nockenwelle?

Das Material des Nockenteils der Nockenwelle besteht aus

Perlit in Form von Hartguß mit 30 bis

40% Carbide Es besitzt folgende chemische Zusammensetzungi

getestete Nockenwelle Zusammensetzung in Gew.~?£

C Si Mn P S Cu Cr Mo Fe

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

Die Testergebnisse sind in Figur 1 graphisch dargestellt. In Figur 1 zeigen die schraffierten Stellen die Menge Abrieb des Nockens, die nicht=schraffierten Teile die Menge Abrieb des Kipphebels.

Das aus einer Sinterlegierung gemäß der Erfindung hergestellte gleitfähige Bauteil enthält eine gleichmäßig verteilte gehärtete Phase aus feinen,durch Zulegieren von Niob ausgefällten Carbidteilchen. Es zeigt eine hervorragende Verschleißfestigkeit, was auf ein synergistisches Zusammenspiel des niobhaltigen Carbids mit den sowohl großen als auch feinen chromhaltigen Carbiden zurückzuführen ist.

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In d@r Mikrophotographie gemäß Figur 2 ist in 400-facher Vergrößerung die Ätzstruktur des gleitfähigen Bauteils Nr. 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Die große weiße Phase besteht aus Fe-Cr-Carbid und Steadit, die feine weiße Phase besteht aus Nb-Cr-Carbid. Das Substrat rund um die weiße Phase besteht aus Bainit.

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Leerseite

Claims

Patentansprü ehe

Verschleißfeste Sinterlegierung für Verbrennungsmoto ren, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,5JbIs 4,0 GeWo-% Kohlenstoff, 5,0 bis 30,0 Gew»-% Chrom, 1,5 bis 16,0 Gewo=% Niob, 0,1 bis 4,0 Gewo-% Molybdän, 0,1 bis 10,0 Gewo~% Nickel und 0,1 bis 5,0 Gew_e-% Phosphor, der ein Flüssigphasensintern bei Temperatu ren von höchstens 1250⁰C gestattet, enthält und 0,2 bis 10 VoIo=^ Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Porengröße von höchstens 150 um aufxfeisen, enthalte

2ο Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 5,0 bis 20,0 Gew=~% Chrom, 3₉O bis 12,0 Gew,=% Niob, 0,4 bis 3,0 Gew_o-?6 Molybdän, 0,1 bis 5,0 GeWo-% Nickel und 0,2 bis 3_s0 Gew_o-% Phosphor enthält.

ο Sinterlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 1,5 Gew„-% Silicium und weniger als 1,0 Gewo-% Mangan enthält₀

4ο Sinterlegierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,1 bis 10,0 Gew*-% Titan und/oder Vanadium und 0,1 bis 5,0 Gew.-% Kupfer und/ oder Kobalt enthält.

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ORIGINAL !NSPECTED