DE3017310C2

DE3017310C2 - Verschleißfeste Ferrosinterlegierung

Info

Publication number: DE3017310C2
Application number: DE3017310A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ageo Saitama Hiraoka; Keiji Funabashi Chiba Nakamura; Masajiro Yono Saitama Takeshita; Shigeru Omiya Saitama Urano
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1979-05-07
Filing date: 1980-05-06
Publication date: 1982-12-16
Also published as: DE3017310A1; JPS55164060A; US4348232A; JPH0217620B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Ferrosinterlegierung zur Herstellung verschleißfester Bauteile von Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen, insbesondere von solchen Bauteilen, die gleichzeitig wärmebeständig, korrosionsbeständig und verschleißfest sein müssen, wie Ventilsitze, Ventile sowie sonstige gleitende Bauteile.

Übliche verschleißfeste Ferrosinterlegierungen enthalten die verschiedensten Carbide und Legierungsteilchen in einer Perlit- oder Martensitmatrix. Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Verträglichkeit mit sonstigen Bauteilen, mit denen sie in Gleitkontakt stehen, werden solche Legierungen auch einer Blei- oder Schwefelimprägnierung oder einer Dampfbehandlung unterworfen.

Die betreffenden Materialien enthalten die verschiedensten Zusätze in großen Mengen in Form von Pulverlegierungen, Pulvergemischen oder einzelner Pulver der betreffenden Zusätze. Der Zusatz der verschiedenen Elemente ist oft mit Schwierigkeiten behaftet, da diese Elemente, insbesondere Kobalt, nur unter Schwierigkeiten zur Verfügung stehen.

Bauteile, die bei hoher Temperatur und unter hoher Belastung arbeiten, werfen die verschiedensten Probleme auf. So kommt es beispielsweise bei einer mit Blei imprägnierten Legierung zu einem Aufschmelzen und Ausfließen des Bleis. Die Härte von dampfbehandelten Bauteilen ist zu groß, wobei das Material spröde wird. Darüber hinaus sinkt auch bei Durchführung solcher Behandlungen infolge zusätzlicher Arbeitsschritte die Produktivität.

Es besteht somit ein erheblicher Bedarf an Legierungen, die wichtige Legierungsbestandteile in der geringstmöglichen Menge enthalten und trotzdem eine hohe Wärme- und Korrosionsbeständigkeit sowie Verschleißfestigkeit aufweisen. Durch Entwicklung solcher Legierungen lassen sich sowohl die natürlichen Quellen für die betreffenden Legierungsbestandteile schonen, als auch die Produktivität verbessern.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine hervorragend wärme-, korrosions- und verschleißfeste Ferrosinterlegierung für bei hohen Temperaturen und unter hoher Belastung arbeitende Bauteile, z. B. Ventile und Ventilsitze von Verbrennungsmotoren, zu schaffen, die nur geringe Mengen an Legierungsbestandteilen enthält und mit niedrigen Gestehungskosten herstellbar ist.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine verschleißfeste Ferrosinterlegierung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus 0,8 bis 1,5% Kohlenstoff, 0,5 bis 2,5% Chrom, 2,0 bis 6,0% Molybdän, 1,5 bis 5,0% Nickel, 0,1 bis 2,0% Wolfram. 0,2 bis 5,0% Kupfer, Rest Eisen besteht, daß sie Molybdänteiichen mit um diese verteiltem Nickel aufweist, die gleichmäßig in der aus ίο einem Gemisch aus Perlit, Bainit und Martensit bestehenden Grundstruktur dispergiert sind und ferner ein in der Grundstruktur dispergiertes zusammengesetztes Carbid Fe—Cr—W-C enthält.

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

Fig. 1 eine Mikrophotographie (in 200facher Vergrößerung) einer Sinterlegierung gemäß der Erfindung und

Fig.2 eine graphische Darstellung, aus der die Verschleißfestigkeit erfindungsgemäßer Sinterlegierungen und einer bekannten Ferrolegierung hervorgeht.

In einer Sinterlegierung gemäß der Erfindung sind Ferromolybdänteilchen, die der Legierung Verschleißfestigkeit verleihen, gleichmäßig in der Grundstruktur in Form eines Gemisches aus zähem Perlit und einer zur Härte der Grundstruktur beitragenden Bainit- und Martensitstruktur verteilt.

Eine Legierung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie Nickel enthält, welches die Wärme- und Korrosionsbeständigkeit bzw. -festigkeit verbessert. Das Nickel ist um die Ferromolybdänteilchen herum verteilt. Ferner enthält eine erfindungsgemäße Legierung in der Grundstruktur verteilte Legierungsteilchen in Form eines zusammengesetzten Carbids Fe—Cr—W-C. Die in der Grundstruktur verteilten Teilchen bewirken zusätzlich gegenüber üblichen Legierungen eine Steigerung der Wärme-, Korrosionsund Verschleißfestigkeit. Ferner vermögen sie die Legierung mit anderen Bauteilen, mit denen sie in gleitendem Kontakt steht, verträglich zu machen.

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

Kohlenstoff bildet mit dem Eisen eine feste Lösung, wobei in der Grundstruktur zäher Perlit ausgebildet wird. Wenn die Menge an Kohlenstoff 0,8% unterschreitet, neigt das Perlitgefüge zur Umwandlung in Ferrit, wodurch die Verschleißfestigkeit verringert wird. Wenn andererseits die Menge an Kohlenstoff 2,0% überschreitet, erhöht sich in der Grundstruktur der Gehalt an sprödem Zementit, so daß Festigkeit und Bearbeitbarkeit der Legierung beeinträchtigt werden.

Molybdän, das in die Legierung in Form von Ferromolybdänpulver eingeführt werden kann, geht in der Grundstruktur mit dieser eine teilweise feste Lösung ein. Der Rest der Grundstruktur dispergierte harte Ferromolybdänteilchen. Durch diese werden die Verschleißfestigkeit und Festigkeit bei hoher Temperatur verbessert. So erfolgt der Molybdänzusatz zur Stabilisierung des Legierungsgefüges nach dem Sintern. Wenn das Molybdän in einer Menge von unter 2% zugesetzt wird, ist der Gehalt der Legierung an Ferromolybdänteilchen gering, so daß deren Verschleißfestigkeit beeinträchtigt wird. Wenn andererseits die Molybdän-

als 6,0% betragt

wird die Grundslruktür

rricngc meh
spröde.

Nickel steigert die Zähigkeit der Grundstruktur und

erhöht gleichzeitig ihre Festigkeit. Darüber hinaus tragt dieses Element zu einer Umwandlung eines Teils der Grundstruktur zu Martensit/Bainit bei. Wenn die Nickelmenge unter 1,5% liegt, ist die Martensitmenge so gering, daß die Grundstruktur keine ausreichende Härte erhält Wenn andererseits die Nickelmenge mehr als 5,0% beträgt, ist die Martensitmenge r.u hoch, um die Legierung gegen ein Sprödewerden zu schützen. Folglich sollte die Nickelmenge zweckmäßigerweise 1,5 bis 5,0% betragen. '°

Chrom ist in der Grundstruktur in Form von Legierungsteilchen aus dem zusammengesetzten Carbid Fe-Cr-W—C dispergiert und verleiht der Legierung Verschleißfestigkeit. Ein Teil des Chroms bildet jedoch mit dem Grundmaterial eine feste Lösung und verbessert dadurch die Festigkeit der Grundstruktur. Die Chrommenge ist auf 0,5 bis 2,5% begrenzt, weil die Verwendung von weniger als 0,5% Chrom zur Bildung einer unzureichenden Menge an zusammengesetztem Carbid führt, wodurch die Verschleißfestigkeit beeinträchtigt wird, und die Verwendung von mehr als 2,5% Chrom zur Bildung übermäßiger Carbidmengen, wodurch die Legierung spröde wird, führt.

Wolfram, das in der Grundstruktur in Form von Legierungsteilchen des zusammengesetzten Carbids Fe-Cr-W—C verteilt ist, verhindert eine Carbidstreuung bei hohen Temperaturen und bedingt eine Stabilisierung der Grundstruktur. Wenn das Wolfram unter 0,1% beträgt, wird das Carbid instabil. Wenn dagegen die Wolframmenge mehr als 2,0% beträgt, erreicht man keine weitere Verbesserung mehr. Es erhöht sich vielmehr die Härte des Carbids auf einvn höheren Wert als erforderlich. Folglich wird die zugesetzte Wolframmenge auf 0,1 bis 2,0% begrenzt.

Kupfer wird in der Grundstruktur dispergiert und J5 verfestigt dieselbe. Wenn die Kupfermenge weniger als 0,2% beträgt, ist die Festigkeit der Grundstruktur unzureichend. Wenn dagegen die Kupfermenge mehr als 5,0% beträgt, wird die Grundstruktur spröde. Somit wird die Kupfermenge auf 0,2 bis 5,0% begrenzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht eine erfindungsgemäße verschleißfeste Legierung aus 0,8 bis 1,5% Kohlenstoff, 0,5 bis 2,5% Chrom, 2,0 bis 6,0% Molybdän, 1,5 bis 5,0% Nickel, 0,1 bis 2,0% Wolfram, 0,2 bis 5,0% Kupfer, 0,1 bis 5,0% Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium, Rest Eisen, Molybdänteilchen mit um diese verteiltem Nickel, die an der Grundstruktur in Form eines Gemischs aus Perlit, Bainit und Martensit gleichmäßig verteilt sind, ferner in der Grundstruktur dispergierte Legierungsteilchen in Form eines zusammengesetzten Carbids Fe-Cr-W—C und 0,2 bis 10Vol.-% Sinterporen, von denen mindestens 40% eine Porengröße von nicht über 150 μίτι aufweisen.

Wie bereits ausgeführt, tragen Kohlenstoff, Chrom, Molybdän, Nickel, Wolfram und Kupfer zu einer Verbesserung der Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit der Grundstruktur bzw. des Grundgefüges bei. Andererseits werden 0,1 bis 5,0% Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium zugesetzt, um eine Flüssigphasensinterung zu ermöglichen. &o

Phosphor, Bor und Silicium vermögen die Temperatur, bei der eine Flüssigphase auftritt, im umgekehrten Verhältnis zu ihrer Menge zu senken unii ermöglichen somit eine akzeptable Flüssigphasensinterung bei niedrigen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen von ^b5 nicht über 1250⁰C, die im Hinblick auf die Haltbarkeit des Sinterofens keine Probleme schaffen. Eine Fiussigphasensinterung ist deshalb von Vorteil, weil man kleinere Sinterporengrößen erreicht und das Gesamtvolumen der Sinterporen verringert werden kann. Dies führt zu einer hervorragenden Festigkeit insbesondere bei Einwirkung hoher Planardrucke, einer hervorragenden Beständigkeit gegen Grübchenbildung bzw. Lochfraß und einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit

Die Gründe für die Begrenzung der Menge an Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium auf Werte innerhalb des angegebenen Bereichs sind folgende: Wenn die Menge an Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium unter 0,1 % liegt, ist die Menge der Flüssigphase zu gering, wobei man keine Steigerung der Verschleißfestigkeit erreicht. Wenn andererseits die Menge an Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium 5,0% übersteigt, wird die Menge an Flüssigphase zu groß, so daß man keinen Sinterkörper hoher Dimensionsgenauigkeit mehr erhält Deshalb werden Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium in einer Menge von 0,1 bis 5,0% zulegiert.

Wenn die Porosität 10VoI.-% 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 schlecht. Folglich kommt es aus demselben Grund zu einer Abnutzung durch Festfressen, wenn feine Poren einer Größe von höchstens 150 μπι in einer Menge von weniger als 40% vorhanden sind.

In Fig. 1 der Zeichnung ist die Grundstruktur einer erfindungsgemSßen Sinterlegierung in 200facher Vergrößerung dargestellt. Die Sinterlegierung besteht aus 1,20% Kohlenstoff, 3,58% Molybdän, 3,40% Nickel, 1,0% Chrom, 0,20% Wolfram, 1,30% Kupfer, Rest Eisen. Die Sinterlegierung war mit einer 3%igen Niter-Lösung erodiert worden. In Fig. 1 wird mit 1 das Perlitgefüge, mit 2 das Martensitgefüge, mit 3 das Bainitgefüge, mit 4 ein Ferromolybdänteilchen und mit 5 ein zusammengesetztes Fe-Cr-W—C-Carbidteilchen bezeichnet.

Wie Fi g. 1 zeigt, sind in der Grundstruktur in Form eines Gemischs aus Perlit, Martensit und Bainit Ferromolybdänteilchen und Legierungsteilchen aus dem zusammengesetzten Carbid Fe-Cr-W—C dispergiert.

Fig.2 zeigt die Ergebnisse einer VerschleiDmessung unter Verwendung eines Verschleißtestgeräts für Ventilsitze, das unter folgenden Bedingungen arbeitet:

Anzahl der Umdrehungen:	3000	Upm
Anzahl der durchgeführten
Tests:	8 ·	ΙΟ⁵
Ventilgeschwindigkeit
zum Zeitpunkt des
Ventilschließens:	0.5	m/s

Federdruck:
Anzahl der
Ventilumdrehungen:
Erwärmung:

Versuchstemperatur:
Zusammensetzung
des Ventilgegenstücks:

35 kg

8 bis 10 Upm Verbrennung eines Gemischs aus Propan und Luft 300⁰C

mit Stellit überzogen

Prüfling:

1. Sinterlegierung gemäß der Erfindung: 1,20% Kohlenstoff, 1,30% Kupfer, 3,40% Nickel, 3,58% Molybdän, 1,0% Chrom, 0,20% Wolfram, Rest Eisen;
Härte:96 HRB,
Dichte: 6,80 g/cm³

2. übliche Ferrolegierung:

1,5% Kohlenstoff, 4,0% Molybdän, 1,5% Chrom, 1,5% Nickel, 3,5% Kobalt, Rest Eisen; Grundstruktur: Ferromolybdänteilchen und Chromcarbid in Perlit verteilt, Härte: 90 HRB,

Dichte: 6,70 g/cm³.

In Fig. 2 sind die Ergebnisse des Verschleißtests dargestellt. Auf der Ordinate sind die Abriebmengen bei Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung bzw. der bekannten Ferrolegierung unter denselben Versuchsbedingungen aufgetragen. Die in F i g. 2 graphisch dargestellten Ergebnisse /eigen, daß die erfindungsgemäße Sinterlegierung eine hervorragende Verschleißfestigkeit besitzt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Sinterlegierung beruht vermutlich auf einem synergistischen Zusammenwirken der Ferromolybdänteilchen einer sehr hohen Härte (von nicht weniger als Hv 1000) und der Legierungsteilchen aus dem zusammengesetzten Carbid Fe-Cr-W — C. Vermutlich beruht die hervorragende Verschleißfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung darauf, daß die Ferromolybdänteilchen nicht herausfallen, wenn das aus der Legierung hergestellte Bauteil in Betrieb ist, da die Ferromolybdänteilchen in der Grundstruktur dispergiert sind, die Grundstruktur als solche zäh ist und, bedingt durch die Anwesenheit von Martensit/Bainit, eine akzeptable Härte aufweist.

Eine Sinterlegierung gemäß der Erfindung besitzt nicht nur eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Festigkeit, sondern auch eine ausgezeichnete Wärme- und Korrosionsfestigkeit. Dies ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß um die Ferromolybdänteilchen herum Nickel verteilt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verschleißfeste Ferrosinterlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,8 bis 1,5% Kohlenstoff, 03 bis 2,5% Chrom, 2,0 bis 6,0% Molybdän, 1,5 bis 5,0% Nickel, 0,1 bis 2,0% Wolfram, 0,2 bis 5,0% Kupfer, Rest Eisen besteht, daß sif Molybdänteilchen mit um diese verteiltem Nickel aufweist, die gleichmäßig in der aus einem Gemisch aus Perlit, Bainit und Martensit bestehenden Grundstruktur dispergiert sind, und ferner ein in der Grundstruktur dispergiertes zusammengesetztes Carbid Fe-Cr-W-C enthält

2. Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,1 bis 5,0% Phosphor und/oder Bor und/oder Silicium, für eine Flüssigphasensinterung enthält, und 0,2 bis 10Vol.-% Sinterporen aufweist, von denen mindestens 40% eine Porengröße von nicht über 150μπι besitzen.