DE3015898A1

DE3015898A1 - Verschleissfeste sinterlegierung zur verwendung in verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3015898A1
Application number: DE19803015898
Authority: DE
Inventors: Yoshikatsu Nakamura; Kentaro Takahashi; 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: JPS55145151A; JPH0210222B2; US4345943A

Description

Henkel, Kq* η,

Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

NIPPON PISTON RING CO., LTD. Tokio / Japan

Möhlstraße 37 D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkjd Telegramme: ellipsoid

50 850/79 - Dr.F/rm

Verschleißfeste Sinterlegierung zur Verwendung in Verbrennungsmotoren

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B. ...e_js._c h r © i b u ng

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Sinterlegierung zur Verwendung in Verbrennungsmotoren bzw* Brennkraftmaschinen j, insbesondere eine Sinterlegierung sur Verwendung in einem gleitenc η Teil für Kipphebel _s Ventilsitze, Kolbenringe, Zylinäerauskleidungen 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 Substratstruktur 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 Tj^I 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 zur Verwendung in Verbrennungsmotoren aus

0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 5,0 bis 30,0 Gew.-% Chrom,

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th

weniger als 10,0 Gew.-% Nickel und/oder Molybdän

und/oder Kobalt und/oder Kupfer, 0,1 bis 5,0 Gew,-% Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium, der bzw. das eine Flüssigphasensinterung bei Temperaturen von nicht über 1250⁰C

ermöglicht, und
zum Rest Eisen

mit einer Härte Hv nach dem Sintern von 500 bis 1200, 7 bis 45?6igem Flächenverhältnis Cementit oder eutektische Kristalle von Cementit und Phosphor und 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Porengröße von nicht über 150 um aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält eine verschleißfeste Sinterlegierung gemäß der Erfindung 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 5,0 bis 30,0 Gevr.-% Chrom, 0,1 bis 4,0 Gew.-% Molybdän, 0,1 bis 10,0 Gew.-% Nickel und 0,1 bis 5,0 Gew.-% Phosphor, der eine Flüssigphasensinterung bei Temperaturen von nicht über 1250⁰C ermöglicht, und zum Rest Eisen. Eine solche Legierung besitzt eine Härte Hv nach dem Sintern von 500 bis 1200 und ein 7 bis 45%iges Flächenverhältnis von Cementit oder einem eutektischen Kristall aus Cementit und Phosphor sowie 0,2 bis 10 V0I.-96 Sinterporen, von denen mindestens 4096 eine Porengröße von nicht mehr als 150 um aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält eine verschleißfeste Sinterlegierung gemäß der Erfindung 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 5,0 bis 20,0 Gew.-# Chrom, 0,4 bis 3,0 Gew.-96 Molybdän, 0,1 bis 5,0 Gew.-% Nickel und 0,2 bis 3,0 Gew.-96 Phosphor, der eine Flüssigphasen-

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Sinterung bei einer Temperatur von nicht über 125O°C ermöglicht. Eine solche Sinterlegierung besitzt eine Härte Hv nach dem Sintern von 500 bis 1200, ein 7 bis 455&Lges Flächenverhältnis von Cementit oder einem eutektischen Kristall aus Cementit und Phosphor sowie 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens h0% aus Poren einer Porengröße von nicht über 150 um bestehen.

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.

Kohlenstoff ist zur Festigung der Substratstruktur und zur Bildung einer Ausscheidung von Cementit oder eines eutektischen Kristalls aus Cementit und Phosphor (im folgenden als "Cementitphase" bezeichnet) erforderlich, damit die Sinterlegierung verschleißfest wird. Die Gründe für die Begrenzung der Menge des Legierungsbestandteils Kohlenstoff sind folgende: Wenn die Menge an Kohlenstoff unter 0,5 Gew.-% liegt, reicht die Menge der Cementitphase nicht aus. Darüber hinaus erreicht man keine für verschleißbeständige Teile von Verbrennungsmotoren ausreichend hohe Verschleißfestigkeit. Schließlich stellt sich auch keine hohe Substratfestigkeit ein. Wenn andererseits die Menge der Cementitphase 4,0 Gew.-% übersteigt, steigt auch die Materialsprödigkeit so weit an, daß die Legierung nicht mehr brauchbar ist. Folglich muß die Kohlenstoffmenge in der Sinterlegierung gemäß der Erfindung im Bereich von 0,5 bis 4,0 Gew.-% liegen.

In der Regel müssen Sinterlegierungen für Verbrennungsmotoren eine akzeptable Verschleißfestigkeit aufweisen, wenn

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sie einer Grübchenbildung bzw. einem Lochfraß oder wiederholter Belastung ausgesetzt sind oder unter gleitenden Bedingungen zum Einsatz gelangen. Es ist jedoch bekannt, daß aus durch übliche Festphasensinterung erhaltenen Sinterlegierungen hergestellte gleitende Teile zahlreiche Poren und folglich eine geringe Festigkeit aufweisen. Folglich neigen solche gleitende Teile bei wiederholter Belastung zur Grübchenbildung bzw. zum Lochfraß.

Es hat sich gezeigt, daß die Verschleißfestigkeit in vorteilhafter Weise sich erhöhen läßt, wenn man die Sinterlegierung durch Flüssigphasensinterung herstellt.

Üblicherweise erfolgt die Flüssigphasensinterung bei hoher Temperatur. Im Hinblick auf die Haltbarkeit des Sinterofens ist es jedoch, erforderlich, die Flüssigphasensinterung bei Temperaturen von nicht über 1250⁰C durchzuführen. Um dies zu gewährleisten, wird der Legierung mindestens eines der Elemente Phosphor, Bor und Silicium zulegiert. Phosphor eignet sich zur Bildung einer Ausscheidung von eutektischen Kristallen aus Cementit und Phosphor, wodurch die Verschleißfestigkeit verbessert wird. Phosphor, Bor und Silicium wirken dahingehend, daß sie eine Flüssigphasensinterung bei niedrigen Temperaturen, d.h. bei Temperatur von nicht über 1250°C, ermöglichen. Die Temperatur, bei der eine Flüssigphase auftritt, sinkt im umgekehrten Verhältnis zur Erhöhung der (zulegierten) Menge an den genannten Elementen.

Wenn die Menge an Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium unter 0,1 Gew.-# liegt, ist die Menge der Flüssigphase zu gering, wobei man keine Steigerung der Verschleißfestigkeit erreicht. Wenn andererseits die Menge an Phosphor

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und/oder Bor und/oder Silicium 5,0 Gew.-% übersteigt, wird die Menge an Flüssigphase zu groß, so daß man keinen Sinterkörper hoher Dimensionsgenauigkeit mehr erhält. Aus diesen Gründen wird (werden) Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium in einer Menge von 0,1 bis 5,0 Gew.-% zulegiert. Von den genannten drei Elementen wird Phosphor bevorzugt, da dieser am wirksamsten eine Flüssigphase bildet und die Festigkeit der Substratstruktur nicht erniedrigt. Die zulegierte Menge an Phosphor beträgt zweckmäßigerweise 0,1 bis 5,0, vorzugsweise 0,2 bis 3,0 Gew.-^. Die Menge an zulegiertem Silicium sollte vorzugsweise 1,5 Gew.-% nicht übersteigen, da das Silicium in größeren Mengen als 1,5 Gew.-% den Sprödigkeitsgrad der Substratstruktur erhöht.

Wenn die durch Flüssigphasensinterung unter den angegebenen Bedingungen erhaltene Sinterlegierung Silicium enthält, scheidet sich im Substrat Cementit aus. Im Falle, daß die Legierung Phosphor enthält, scheiden sich im Substrat eutektische Kristalle aus Cementit und Phosphor aus. Diese Cementitphase (Cementit oder eutektische Kristalle aus Cementit und Phosphor) ist für die Ausstattung der Substratstruktur mit der erforderlichen Verschleißfestigkeit von großer Bedeutung. Wenn die Menge der Cementitphase ein 7?öiges Flächenverhältnis unterschreitet, erreicht man keine akzeptable Verschleißfestigkeit. Andererseits bereitet es in der Praxis Schwierigkeiten, Sinterlegierungen mit einer Cementitphase mit größeren Flächenverhältnissen als 45% herzustellen. Folglich wird die Menge der Cementitphase auf ein 7 bis 45%iges Flächenverhältnis begrenzt.

Ferner sollte die Härte der durch Flüssigphasensinterung erhaltenen Sinterlegierung eine Vickers-Härte (Hv) von

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500 bis 1200 aufweisen. Wenn die Vickers-Härte (Hv) unter 500 liegt, genügt die Verschleißfestigkeit der Sinterlegierung den in Verbrennungsmotoren herrschenden Anforderungen nicht. Ist dagegen die Härte Hv größer als 1200, wird der Verschleiß des Gegenstücks durch das aus der betreffenden Legierung bestehende Teil so stark, daß die beiden Teile nicht als Werkstoffpaarung verwendet werden können.

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.-96 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 40% vorhanden sind.

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Aus dem angegebenen Grund sollte die Sinterlegierung gemäß der Erfindung 0,5 bis 4_p0 Gew.-tf Kohlenstoff, 0,1 bis 5,0 Gewe-% Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium, der bzw. das ein Flüssigphasensintem bei einer Temperatur von nicht über 1250⁰C ermöglicht, und zum Rest Eisen enthalten und eine Vickers-Härte nach dem Sintern von 500 bis 1200, ein 7 bis 45%iges Flächenverhältnis Cementit oder eutektischer Kristalle aus Cementit und Phosphor und 0,2 bis 10 VoI. ·>% Sinterporen, von denen mindestens hO% aus Poren einer Porengröße von nicht mehr als 150 um bestehen, zeigen.

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 martensitische Struktur gefestigt werden= In diesem Falle wird die Beständigkeit des Produkts gegen Grübchenbildung oder Lochfraß 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 400°C wärmebehandelt wird_p geht die Substrat·= struktur in eine bainitische Struktur über_o Wenn das Pro= dukt auf eine Temperatur von 870⁰C erwärmt und bei Raumtemperatur mit Wasser oder Öl wärmebehandelt wird_s geht di© Substratstruktur in eins martensitisehe Struktur üb©r_o

Zur weiteren Verfestigung der Substratstruktur ist @s höchst zwsckmäßigj Nick®! und/oder Molybdän una/od©r Kobalt und/oder Kupfer in ein©r Menge von höchstens 10

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Gew.-% zuzulegieren. Diese Elemente können alleine oder in Kombination zu einer ausreichenden Verfestigung führen, wenn sie in einer Menge von höchstens 10 Gew.-% zugesetzt werden. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten wird deshalb deren Menge auf zweckmäßigerweise nicht mehr als 10 Gew.-?6 begrenzt.

Von den Elementen Nickel, Molybdän, Kobalt und Kupfer wird Molybdän bevorzugt, da es die Substratstruktur am zweckmäßigsten verfestigt. Wenn es in einer Menge von weniger als 0,1 ?6 zulegiert wird, erreicht man keine Verfestigung. Wenn es in einer Menge von über 4,0 Gew.-% zulegiert wird, wird die Substratstruktur spröde. Folglich sollte die Sinterlegierung gemäß der Erfindung 0,1 bis 4,0 Gew.-^ an mindestens einem der letzteren Elemente enthalten. Bevorzugt werden Molybdänmengen von 0,2 bis 3,0 Gew.-%. Nikkei kann in einer Menge von 0,1 bis 10,0, vorzugsweise von 0,2 bis 3,0 Gew.-% zulegiert werden. Bei dieser Menge erreicht man die gewünschte Wirkung, ohne daß die Substratstruktur spröde wird. Zur weiteren Verfestigung der Substratstruktur kann (können) Kobalt und/oder Kupfer vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 5,0 Gew.-% (Gesamtmenge Kobalt und/oder Kupfer) zulegiert werden. Diese Mengen reichen aus, um den gewünschten Effekt herbeizuführen, ohne dabei die Substratstruktur spröde werden zu lassen.

Das zur Herstellung der Sinterlegierung verwendete pulverförmige Ausgangsmaterial kann Mangan in @ia@r Meng© von nicht mehr als 1,0 Gew_e-?o enthalten, da sonst die Substratstruktur spröde wird«,

Daneben eignet sich auch Chrom zur weiteren Y®rb®ss®vwig dar Verschleißfestigkeit der Sinterlegierung gemäß der

Erfindimgο Beim Zulegieren von Chrom entstehen in der Cementitphase chromhaltige Cart>idausfällungen_s die die Verschleißfestigkeit in sehr vorteilhafter Weise t»eeinfLussen_s doho verbessern Die Chrommenge ist auf 0,2 bis 30,0 Gewo-% begrenzt j da bei einer Menge von unter 0,2 Gew.-9^ Chrom keine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit zu verzeichnen ist, bei einer Menge von über 3O.\Ge\r.-$& Chrom sich die Verschleißfestigkeit erwartungsgemäß nicht mehr weiter verbessern läßt, Jedoch der Material- oder Bauteilpreis erhöht und die Bearbeitbarkeit des Materials verringert werden. Bevorzugt werden Chrommengen von 0,2 bis 20,0 Gew.-56.

Wie ausgeführt, wird erfindungsgemäß eine spezielle, in der flüssigen Phase gesinterte Legierung bereitgestellt, die in der Substratstruktur ein 7 bis 45%iges Flächenverhältnis einer Cementitphase aufweist und eine hervorragende Verschleißfestigkeit zeigt.

Claims

Patentansprüche

ο Verschleißfeste Sinterlegierung zur Verwendung in Verbrennungsmotoren aus

0,5 bis 4,0 Gew.-96 Kohlenstoff, 5,0 bis 30,0 Gew.-96 Chrom,

weniger als 10,0 Gew.-% Nickel und/oder Molybdän

und/oder Kobalt und/oder Kupfer, 0,1 bis 5,0 Gew.-96 Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium, der bzw. das eine Flüssigphasensinterung bei Temperaturen von nicht über 1250⁰C

ermöglicht, und
zum Rest Eisen

mit einer Härte Hv nach dem Sintern von 500 bis 1200, 7 bis 45%igem Flächenverhältnis Cementit oder eutektische Kristalle von Cementit und Phosphor und 0,2 bis 10 Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Porengröße von nicht über 150 um aufweisen.

2ο Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,1 bis 10,0 Gew.-96 Ni, 0,1 bis 4,0 Gew.-Ji Mo und 0,1 bis 5,0 Gew.-96 P enthält.

3ο Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 5,0 bis 20,0 Gew.-96 Cr, 0,4 bis 3,0 Gew.-96 Mo, 0,1 bis 5,0 Gew.-96 Ni und 0,2 bis 3,0 Gew.-96 P enthält.

4. Sinterlegierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,1 bis 5,0 Gew.-96 Co und/oder Cu, weniger als 1,5 Gew.-96 Si und weniger als 1,0 Gew.-96 Mn enthält.

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