DE3015897C2

DE3015897C2 - Verschleißfeste Sinterlegierung

Info

Publication number: DE3015897C2
Application number: DE3015897A
Authority: DE
Inventors: Yoshikatsu Omiya Nakamura; Kentarao Takahasi; Masajiro Yono Saitama 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: 1983-01-27
Also published as: JPS6011101B2; US4360383A; DE3015897A1; JPS55145156A

Description

Die F.rfindung betrifft eine verschleißfeste Sinterlegierung zur Verwendung in Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen, insbesondere eine Sinterlegierung zur Ve 'vendung in einem gleitenden Teil für Kipphebel. Ventilsitze. Kolbenringe. Zylinderauskleidungen und dergleichen.

Sinterlegierungen guter Verschleißfestigkeit zur Verwendung als gleitende Teile uei hohen Planardruk· ken sind aus der DE-OS 28 46 122 bekannt. Weiterhin sind derartige Sinterlegierungen auch aus den US-PS 36 74 472, 2b 37 671 und 36 98 877 bekannt. Sinterlegie rungen mit verbesserter Gefügestruktur sind der, üblichen bekannten Sinterlegierungen insbesondere im Widerstand gegen Grübchenbildung bzw Lochfraßbildung überlegen.

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

Gegenstand der Erfindung ist somit eine verschleißfeste Sinterlegierung, die dadurch gekennzeichnet ist. daß sie aus 0.5 bis 4.0% Kohlenstoff. 5.0 bis 30.0% Chrom. 1.5 bis 16.0% Niob. 0.1 bis 4.0% Molybdän. 0.1 bis 10.0% Nickel. 0.1 bis 5.0% Phosphor, der Rest Eisen besteht, wobei Phosphor ein Flussigphasensintern bei Tempera tuten von höchstens I250C ermöglicht, und 0.2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Porengtöße von höchstens 150 μιη aufweisen, enthält.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. ί eine graphische Darstellung, äiis der sich der Abrieb eines aus einer Verschleißfesten Sintefiegierurig 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 besteht die verschleißfeste Sinterlegierung gemäß der Erfin- : dung aus 0,5 bis 4,0% Kohlenstoff, 5,0 bis 20,0% Chrom, 3,0 bis 12,0% Niob, 0,4 bis 3.0% Molybdän, 0,1 bis 5,0% Nickel und 0,2 bis 3,0% Phosphor, Rest Eisen und weist 0,2 bis 10 VoI.-% Sinterporen, von denen mindestens 40% aus Poren einer Porengröße von iiicht mehr als

υ 150 μίτι bestehen, auf.

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

ii Kohlenstoff ist erforderlich, um das Gefüge zu verfestigen und um eine durch Ausscheidungshärte gehärtete Phase (Fe mit Chromcarbid) zu bilden, wodurch die Sinterlegierung verschleißfest wird. Der Grund für die Begrenzung der Kohlenstofimenge als Legierungsbestandteil ist folgender: Wenn die Kohlenstoffmenge unter 05% liegt, reicht die Menge an durch Aüsscheidungshäriung gehärteter Phase nicht aus, so daß die für verschleißfeste Teile von Verbrennungsmotoren erforderliche Verschleißfestigkeit nicht erreicht

2- wird. Weiterhin stellt sich auch keine hohe Gefügefestigkeit ein. Wenn andererseits die Menge der durch Ausfällungshärtung gehärteten Phas<* 4.0% übersteigt, erhöht sich der Sprödigkeitsgrad des Materials so stark, daß es nicht mehr brauchbar ist. Folglich sollte die

ίο Kohlenstoffmenge in der Sinterlegierung gemäß der Erfindung auf 0.5 bis 4.0% begrenzt werden.

Gleitfähige Bauteile, die hohen Planardrucken ausgesetzt sind, neigen zur Grübchenbildung bzw. zum Lochfraß. Die Grübchenbildung bzw. der Lochfraß ist

ö eine Ermüdungserscheinung, die auf eine Dauerbelastung beim Gleiten zurückzuführen ist. Gleitfähige Teile aus durch übliches Fesiphasensintern hergestellten Sinterlegierungen wiesen zahlreiche Poren und folglich eine geringe Festigkeit auf. Folglich erfahren solche gleitfähigen Teile bei Daue^rbelas; ng eine Grubchenbildung bzw einen Lochfraß.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, rinß sich die Beständigkeit gegen Grubchenbildung oder Lochfraß in vorteilhafter Weise erhohen laßt wenn man ein unter hohen Planardrucken arbeitendes Bauteil aus einer durch Flussigphasensintern hergestellten Sinterlegie rung herstellt.

Üblicherweise erfolgt d.is Flussigphasensintern bei höheren Temperaturen Im Hinblick auf die Haltbarkeit

to des Sinterofens ist es jedoch erforderlich, eine ausreichende Menge flüssiger Phase bei Temperaturen von nicht über 1250' C" /u erzeugen. Da/u e μπει sich Phosphor, weil es. ohne die Gefügestruktur spröde /u machen, ein Flussigphasensintern bei einer Temperatur von mehl mehr als 1250 C ermöglicht. Wenn die Menge an Phosphor unter 0.1 % hegt, ist die Menge an flussiger Phase /u gering, so daß keine Festigkcitssteigerung erreicht wird Wenn andererseits die Phosphormenge über 5.0% liegt, wird die Menge an flussiger Phase /u

bo groß, so daß kein Sinterkörper hoher Dimensionsgenau igkeit erhalten wird Aus diesem Grunde wird die Phosphormenge auf 0,1 bis 5,0% begrenzt Die ^Phosphormenge ist umgekehrt proportional/zur Sintep temperatur,

Zur Verfestigung des Gefüges und ztir Kombination mit dem Kohlenstoff zur Bildung der durch Ausscheidungshärtüng gehärteten Phase wird Chrom benötigt. Wenn die Chrommenge unter 5% liegt, reicht die

Menge an durch A_^ cheidungshartung gehärteter Phase nicht aus. Wenn andererseits die Chrommenge 30% 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% übersteigenden Chrommenge erhaltene Sinterlegierung schlechter zu bearbeiten.

Niob wird zugesetzt, um in der Gefügestruktur zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit feine Teilchen von Niobcarbid auszufällen. Wenn es in einer Menge von unter 1,5% 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% zu erhöhen, da sich sonst so viel Niobcarbid ausscheidet, daß das aus der erhaltenen Sinterlegierung hergestellte Bauteil seir. Gegenstück, mit dem es in gleitendem Eingriff steht, einem Abrieb unterwirft.

Wenn die Porosität 10 Vol.-°/o übersteigt, ist die Sinterung unzureichend und die Bindefestigkeit zwischen den Teilchen schwach. Somit ist die erhalten^ 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 μπι übersteigt und die Porosität unter 10 Vol. % lieg', 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 μηι in einer Menge von weniger als 40% vorhanden sind.

Molybdän und Nickel werden zulegiert, um die Gefügestruktur weiter zu verfestigen. Die Molybdänmenge wird auf 0.1 bis 4.0% begrenzt, d" der Zusatz von mehr als 4,0% Molybdän unwirtschaftlich ist und ein Molybdänzusatz von unter 0.1% die Gefügestruktur nicht zu verfestigen vermag. Nickel, das ebenfalls /ur Verfestigung der Gefügestruktur zugesetzt wird, läßt die Gefügestruktur spröde werden, wenn seine Menge 10.0% übersteigt. Liegt sie unter 1.0%. stellen sich die gewünschten Eigenschaften nicht ein.

Aus den genannten Gründen besteht eine Sinterlegierung gemäß der Erfindung aus 0.5 bis 4.0^0/n Kohlenstoff. 5.0 bis )0.0"n Chrom. 1.5 bis 16.0% Niob. 0.1 bis 4.0% Moi.bdan. 0.1 bis 10.0% Nickel und 0.1 bis 5.0% Phosphor. Rest Hisen und 0.2 bis 10 Vol.-^0/o Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Porergröße von höchstens 1 50 μιτι /eigen, aufweisen.

Vorzugsweise besteht eine binierlegierung gemaU der Erfindung 0,5 bis 4,0% Kohlenstoff, 5,0 bis 20,0% Chrömi 3,0 bis T2,Ö% NiOb₁O₁IbIsS₁O(M) Molybdän, 0,1 bis 5,0% Nickel, 0,2 bis 3,0% Phosphor, Rest Eisen.

Das mit flüssiger Phase zu sinternde pulverförmige Aiisgangsmalerial kitnn Silicium und Mangart enthalten. Die Mengen an Silicium und Mangan sollten auf nicht mehr als 1,5%, zweckmäßigerweise auf nicht mehr als 1,0%, begrenzt werden, da sonst die Gefügestruktur spröde wird.

Erfindungsgemäß können als CarbidDÜdner zur weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit neben Niob Titan und/oder Vanadium zulegiert werden. Die Gesamtmenge an Titan und/oder Vanadium beträgt vorzugsweiwe 0,1 bis 10,0%, da sonst die Menge an ausgeschiedenen Carbiden so groß wird, daß das aus der ίο betreffenden Legierung hergestellte Bauteil sein Gegenstück einem starken Abrieb unterwirft. Die Verbesserung der Verschleißfestigkeit ist unzureichend, wenn die Elemente in einer Menge von weniger als 0,1% vorhanden sind.

Gegebenenfalls können zur Verfestigung der Gefügestruktur 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%. Wenn sie 5.0% übersteigt, wird das Substrat spröde. Wenn sie andererseits 0,1% unterschreitet, läßt sich keine akzeptable Verfestigungswirkung erre^; · .en.

Nach dem Sintern besteht das Gefüge Je· erfindungsgemäßen Produkts vornehmlich aus Perlit. Die Gefügestruktur läßt sich je nach dem gleitfähigen Teil, zu dem sie verarbeitet werden soll, in üblicher Weise festigen. Die Gefüc'struktur kann durch Wärmebehandlung der Legierung nach dem Sintern zur hauptsächlichen Umwandlung in eine bainitische oder martensitische Struktur gefestigt werden. In diesem Falle wird die Beständigkeit des Produkts gegen Gri,bchenbildung oder Lochfraß noch weiter erhöht. Wenn beispielsweise das Produkt nach dem Sintern auf eine Temperatur von 870 C erwärmt und in einem Salzbad 10 bis 40 h lang bei einer Temperatur von 400⁰C wärmebehandelt wird, geht das Gefüge in eine bainitische Struktur über. Wenn das Produkt auf eine Temperatur von 870"C erwärmt und bei Raumtemperatur mit Wasser oder Öl wärmebehandelt wird, geht das Gefiige in eine martensitische Struktur über.

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

Das ^fjl»ende Beispiel soll die Erfindung näher veranschaulichen.

Beispiel

Das erfindungsgemäß hergestellte Bauteil besteht aus einem gleitenden T;il einps Kipphebels. Es wird unter Verwendung eines Verbrennungsmotors auf einem Tisch getestet

ücm.dli der !«.'!gcnücn Tabelle werden pulveriörnugw. Rohmaterialien miteinander Vermischt, jedes erhaltene Gemisch Wird'bei einem Drück von 5 l/cm² ausgeformt es Und in zersetztem gasförmigen Ammoniak 45 min lang gesintert. Auf diese Weise erhält man ein gleitfähigcs Bauteil Nr. 1 gemäß der Erfindung und ein gleitfähiges VergleichsbaUtei! Nr. 2.

Tabelle

Prüfling Nr.

1 (erfindungsgemäß)

2 (Vergleichsprüfling)

Tabelle (Fortsetzung)

Prüfling Nr.

1 (erfindungsgemäß)

Zusammensetzung	P	in Gew.-V,,	Mo	Gr
C	0,5	Ni	1,0
2,5	0,5	OJ	10,0	10,0
2,5	1,0

ti

5,0

Zusammensetzung in Gew.-% B V Fe

Porosität in % Prozentuale Endgültige

Porengröße von Gefüge-

150 μπι oder Struktur weniger

Rest Rest 4,0
6.0

90
60

Bainit Bainit

Verbrennungsmotortest

(1) Betriebsbedingungen:

getesteter Motor: wassergekühlter Reihen-4-Zylinder O. H. C. Umdrehungsgeschwindigkeit: 750 Upm unbelastet Schmieröl: SAE 30
Öltemperatur: 50°C
Betriebsdauer: 200 h

(2) Nockenwelle:

Das Material des Nockenteils der Nockenwelle besteht aus perlitischem Hartguß mit 30 bis 40% Carbid. Es besitzt folgende chemische Zusammensetzung:

Getestete
Nockenwelle

Hartguß

Zusammensetzung in Gcw.-% C Si Mn

Cu

Cr

Mo

Fe

3,4

2,1

0,7

0,1

0,3

0,8

0,3

Rest

Die Testergebnisse sind in Fig. 1 graphisch darge- 45 den sowohl vielen als auch feinen chromhaltigen

stellt. In Fig. 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 Carbiden zurückzuführen ist.

In der Mikrophotographie gemäß Fig.2 ist in 400facher Vergrößerung die Ätzstruktur des gleitfähigen Bauteils Nr. 1 gemäß der Erfindung dargestellt Die

hergestellte gleitfähige Bauteil enthält eine gleichmäßig so große weiße Phase besteht aus Fe-Cr-Carbid und

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 Steadit, die feine weiße Phase besteht aus Nb-Cr-Carbid. Das Gefüge rund um die weiße Phase besteht aus Bainit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verschleißfeste Sinterlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,5 bis 4,0% Kohlenstoff. 5.C bis 30,0% Chrom, 1,5 bis 16,0% Niob,0,1 bis4,0% Molybdän,0,1 bis 10,0% Nickel,0,1 bis 5,0% Phosphor, Rest Eisen besteht und bei Temperaturen von höchstens 1250° C flüssigphasen gesintert ist und 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Porengröße von höchstens 150 μπι aufweisen, enthält.

2. Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 03 bis 4,0% Kohlenstoff, 5.0 bis 20.0% Chrom, 3,0 bis 12,0% Niob, 0.4 bis 3,0% Molybdän, 0,1 bis 5,0% Nickel und 0,2 bis 3.0% Phosphor besteht.

3. Sinterlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 1,5% Silicium und weniger als 1,0% Mangan enthält

4. Sinterlegierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sse zusätzlich 0,! bis 10,0% Titan und/oder Vanadium und 0.1 bis 5,0% Kupfer und/oder Kobalt enthält.