DE3048035A1

DE3048035A1 - Verschleissfeste sinterlegierung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3048035A1
Application number: DE19803048035
Authority: DE
Inventors: Shuichi Fujita; Yoshio Fuwa; Tetsuya Nagoya Aichi Suganuma; Yoshitaka Toyota Aichi Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1980-03-04
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1981-09-24
Also published as: JPS5918463B2; US4388114A; JPS56123353A; GB2073247B; DE3048035C2; GB2073247A

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Sinterlegierung mit hoher Dichte und hoher Härte und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Verschiebbare bzw. auf anderen Teilen gleitende Teile wie Nocken bei Verbrennungsmotoren müssen häufig unter relativ hohen Flächen- oder Anpreßdrücken arbeiten. Unter solchen strengen Bedingungen sind Schmiermittel im allgemeinen instabil. Daraus ergibt sich, daß Materialien, deren Oberfläche auf übliche Weise behandelt worden ist, wie wärmebehandelter, durch Hartguß oder Kokillenguß verarbeiteter, galvanisch verchromter oder weich nitrierter Stahl zur Verschlechterung neigen, weil im Übermaß Abrieb, Verschleiß, Fressen, Lochfraß oder Grübchenbildung auftreten. Es besteht ein wachsender Bedarf an in hohem Maße haltbaren Materialien, die von diesen Problemen frei sind.

Gesinterte Legierungen oder Sinterlegierungen wer-

Xl/rs

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Deutsche BanK (München) KIo. 51/61070 Dresdner Bank (München) Klo. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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den allgemein als in hohem Maße verschleißfeste, abriebbeständige Materialien für verschiebbare oder gleitende Teile anerkannt und finden zahlreiche praktische Anwendungen. Es war jedoch schwierig, durch übliche Massenfeftigungssysteme Materialien mit hoher Dichte und hoher Härte zu erhalten, wodurch eine Nachbehandlung, beispielsweise durch Schmieden oder durch eine Hitzebehandlung, notwendig gemacht wurde. Es war bisher nicht möglich, auf vorteilhafte Weise und mit geringem Kostenaufwand Materialien für verschiebbare Teile herzustellen, die unter strengen Betriebsbedingungen ausreichend haltbar sind.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, verschleiß-' feste Sinterlegierungen zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Haltbarkeit, eine hohe Dichte, eine hohe Härte und eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Abrieb, Verschleiß, Fressen, Lochfraß .oder Grübchenbildung haben, wenn sie in verschiebbaren bzw. auf anderen Teilen gleitenden Teilen verwendet werden, die einem relativ hohen Anpreßdruck ausgesetzt sind, wobei diese Sinterlegierungen durch übliche Herstellungsverfahren,'die für eine Massenfertigung geeignet sind, in wirtschaftlicher Weise herstellbar sein sollen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete, verschleißfeste Sinterlegierung und das im Patentanspruch 12 gekennzeichnete Verfahren zu deren Herstellung gelöst.

Die erfindungsgemäße Sinterlegierung hat eine ausgezeichnete Haltbarkeit, wenn sie in einem verschiebbaren Teil eingesetzt wird, der beim Betrieb einem relativ hohen Flächen- oder Anpreßdruck ausgesetzt ist.

Sie hat eine hohe Haltbarkeit, eine hohe Dichte und 35

eine hohe Härte. .

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] Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme

auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Mikrographie-Gefügebild (400-fache Vergrößerung), in dem die MikroStruktur

einer erfindungsgemäßen, verschleißfesten Sinterlegierung gezeigt wird.

In Fig. 2 wird das Testverfahren erläutert, mit dem die Haltbarkeit der erfindungsgemäßen,

verschleißfesten Sinterlegierung gemessen wird.

Die erfindungsgemäße Sinterlegierung enthält:

etwa 2,5 bis etwa 7,5, vorzugsweise etwa 4,5 bis etwa 6,5 und insbesondere etwa 4,5 bis 6,0 Gew.-% Cr; etwa 0,1 bis etwa 3,0, vorzugsweise bis etwa 1,5 und insbesondere bis etwa 1,2 Gew.-% Mn; etwa 0,2 bis etwa 0,8, vorzugsweise etwa 0,35 bis etwa 0,65 und insbesondere etwa 0,40 bis etwa 0,60 Gew.-% P; etwa 1,0 bis etwa 5,0, vorzugsweise etwa 1,5 bis 3,0 und insbesondere bis etwa 2,5 Gew.-% Cu; im allgemeinen etwa 0,5 bis etwa 2,0, vorzugsweise etwa 0,7 bis etwa 1,5 und insbesondere bis etwa 1,3 Gew.-% Si; im allgemeinen weniger als etwa 3, vorzugsweise etwa 0,5 bis etwa 1,5 und insbesondere etwa 0,7 bis etwa 1,3 Gew.-% Mo; etwa 1,5 bis etwa 3,5, vorzugsweise etwa 1,8 bis etwa 3,0 und insbesondere etwa 2,0 bis etwa 2,8 Gew.-% C, weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen und als Rest Eisen. Die Fe-Menge beträgt

30 vorzugsweise etwa 90 bis etwa 85 -Gew.-%.

Die erfindungsgemäße Sinterlegierung ist weiter gekennzeichnet durch eine Dichte von etwa 7,3 bis. 7,8 g/cm³ und vorzugsweise von etwa 7,4 bis 7,8 g/cm³, eine scheinbare Härte Hv (10 kg)· von 350 bis 800, vorzugsweise von 400 bis 700 und insbesondere von 400 bis 6 00 und durch eine gleichmäßige Verteilung in der

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Matrix von hauptsächlich M₃C-Carbiden mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 5 bis 30 μΐη und vorzugsweise von 10 bis 25 um und/oder einer gehärteten Steaditphase, wobei der Flächenänteil.der Teilchen dieser Phase oder Phasen etwa 5 bis etwa 30 % und vorzugsweise etwa 15 bis etwa 20 % der Matrixfläche beträgt und wobei die Carbidteilchen eine Mikrohärte HV (200 g) von 800 bis 1300 haben.

Die erfindungsgemäße Sinterlegierung kann erhalten werden, indem man ein Legierungspulver herstellt, in dem die angegebenen Elemente mit Ausnahme von Kohlenstoff enthalten sind, und zu diesem Legierungspulver eine • bestimmte Kohlenstoffmenge hinzugibt, worauf gemischt und die Mischung verdichtet bzw. preßgeformt und gesintert wird.

Das Legierungspulver, das als Material für die erfindungsgemäße Sinterlegierung eingesetzt wird, kann nach üblichen Verfahren erhalten werden. Das Legierungspulver wird im allgemeinen nach dem Zerstäubungsverfahren .aus einem geschmolzenen Metall erhalten.

Beim Zerstäubungsverfahren wird eine durch Vermischen der Bestandteile des Legierungspulvers hergestellte, geschmolzene Legierung in einer ^-Atmosphäre durch einen Wasserstrahl zerstäubt bzw. atomisiert. Die Teilchengröße des durch Zerstäuben hergestellten Legierungspulvers liegt meistens unter 177 μπι und beträgt vorzugsweise weniger als 149 μΐη.

Das Material für das Legierungspülver sollte als ι Verunreinigungen wünschenswerterweise enthalten:

weniger als 0,5 und vorzugsweise weniger als 0,3 Gew.-% I"" Sauerstoff sowie weniger als 0,3 und vorzugsweise weniger als 0,1 Gew.-% Kohlenstoff.

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. Das auf diese Weise durch Zerstäuben erhaltene Legierungspulver wird mit Kohlenstoff Vermischt, und zwar üblicherweise mit Graphit und vorzugsweise mit flockigem Graphit. Im allgemeinen wird Graphit mit einem mittleren Teilchendurchmesser bis etwa 10 μπι eingesetzt, jedoch werden feine Teilchen von weniger als 2 bis 3 μΐη bevorzugt. Diese Grundmaterialien können durch bekannte Verfahren vermischt werden. Auch ein Grundmischungsverfahren, beispielsweise ein unter vermindertem Druck

10 oder ein mittels einer Schwingmühle durchgeführtes

Mischungsverfahren/ kann angewendet werden. Diese Verfahren setzen die Entmischung oder Absonderung von Graphit bei dem' Mischungs- und Verdichtungsverfahren . • auf ein Mindestmaß herab, wodurch die Härte der Matrix

15 sowie die Gestalt, die Größe und die Verteilung der

Carbide in verschiedenen Teilen des Produkts gleichmäßig gemacht und erwünschte Ergebnisse, nämlich geringere Veränderungen in der Beständigkeit des Produkts gegenüber Abrieb, Verschleiß,. Fressen, Lochfraß ode.r Grübchen-

20 bildung, erzielt werden.

Für die Verdichtung können übliche Schmiermittel wie Zinkstearat hinzugegeben und beigemischt werden. Die Menge des hinzuzufügenden Schmiermittels beträgt weniger als etwa 1,2 und vorzugsweise etwa 0,3 bis 1,0 Gew.-%.

Das auf diese Weise hergestellte Material wird verdichtet und gesintert. Das Verdichten bzw. Preßformen wird im allgemeinen unter einem Druck von .etwa 4,9 bis etwa 6,9 kbar und vorzugsweise unter einem Druck von etwa 5,9 bis etwa 6,9 kbar unter Erzielung einer gewünschten Gestalt durchgeführt. Die Dichte der Preßlinge beträgt geeigneterweise etwa 5,8 bis etwa 6,4 g/cm³ und vorzugsweise etwa 5,9 bis etwa 6,3 g/cm³. Als nächstes wird das verdichtete Pulver bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1020 ° bis etwa 1180 ⁰C und vorzugsweise im Bereich von etwa 1050 ° bis etwa 1150 "C gesintert.

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Die Sinterungszeit hängt von der Temperatur ab. Die Sinterung wird im allgemeinen etwa 30 bis etwa '90 min lang durchgeführt. Wünschenswerterweise wird die Sinterung in inerten oder reduzierenden Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff, Wasserstoff-Stickstoff-Mischung oder zersetztem Ammoniak oder unter Vakuum durchgeführt. Es ist nicht erwünscht, die Sinterung in dem gewöhnlichen, denaturierten RX-Gas durchzuführen. Der Taupunkt der angewandten Atmosphäre liegt wünschenswerterweise unter -10 ⁰C und vorzugsweise unter -20 °C.

Das auf diese Weise erhaltene Sinterteil nimmt ■die erforderliche Härte an, wenn es mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 °C/min und vorzugsweise von 20 ° bis 100 °C/min von etwa 750 ⁰C auf etwa 450 ⁰C abgekühlt wird.

Unter Anwendung der so erhaltenen Sinterlegierung . können Motornocken und andere Teile in vorteilhafter Weise verbunden werden. Beispielsweise können Motornocken aus dieser Sinterlegierung während der Sinterung . durch Diffusion mit einer Stahlwelle verbunden werden,

so daß eine Nockenwelle hergestellt wird. Bei der Be-• arbeitung und dem Zusammenbau der Sinterteile können die Preßlinge vorgesintert werden, was im allgemeinen bei 900' ° bis 1000 ⁰C durchgeführt wird.

. ■ Die aus der erfindungsgemäßen Sinterlegierung

hergestellten Maschinenteile zeigen als verschiebbare

■■' Teile eine ausgezeichnete Haltbarkeit und Abriebbeständigkeit bzw. Verschleißfestigkeit. Sie ermöglichen es, daß auf ihnen ein stabiler Schmiermittelfilm gebildet wird, und sie können auf einfache und billige

Weise hergestellt werden. 35 _:

Durch jedes der in der erfindungsgemäßen Sinterlegierung enthaltenen Elemente wird der Sinterlegierung eine erwünschte Wirkung verliehen.

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Ein Teil des Chroms wird in der Matrix in festem Zustand gelöst und verstärkt bzw. festigt die Matrix durch die Bildung von Martensit oder eines Bainits bei dem auf die Sinterung folgenden Abkühlungsprozeß. Der Rest des Chroms verbindet sich mit Kohlenstoff, wobei gehärtete Carbidteilchen gebildet werden, die hauptsächlich dem Typ M₃C mit (Fe-Cr)' C als Hauptbestandteil angehören. Dadurch wird die Beständigkeit der Sinterlegierung gegenüber Abrieb, Verschleiß,. Fressen IQ und Festklemmen erhöht.

Die Zugabe einer zu geringen Chrommenge ist unerwünscht, weil dies zu einer ungenügenden Bildung von « Carbid und zur Konzentrierung eines carbidartigen Netzwerks an den Kristallgrenzen führt, wodurch die Struktur vergröbert und das Gleitvermögen in hohem Maße vermindert wird. Die Zugabe einer zu großen Chrommenge ist ebenfalls unerwünscht, weil dies zu einem Überschuß von Carbid nach der Sinterung, zu einer Änderung der Kristallstruktur vom M₃C-TyP in den M^C,-Typ und praktisch zum Verschwinden der phosphorhaltigen Phase des Steadits führt, wodurch das Gleitvermögen vermindert wird, indem ein Reiben oder Scheuern der Legierung auf dem Folgeelervient verstärkt wird.

Wie festgestellt wurde, ist die Wirkung der

Zugabe von Mn in bezug auf die Aktivierung der-Fe-Matrix für die Sinterung optimal, wenn Cr in einer Menge von 2,5 bis 7,5 Gew.-% vorhanden ist.

Wenn die flüssige Phase, die beim Sinterungsprozeß der'erfindungsgemäßen Legierung erzeugt wird, ausgenutzt wird, um die Legierung mit einem anderen Teil, beispielsweise einem Stahlteil, zu verbinden, führt eine Chronunenge in der Legierung, die die Obergrenze überschreitet, zu einer ungenügenden Bildung von flüssiger Phase, wodurch die Verbindungsfestigkeit herabgesetzt wird.

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Wenn die Chrommenge' erhöht wird, werden die Bearbeitbarkeit und die Möglichkeit des Aufbringens einer Schmiermittelschicht zur Verbesserung der anfänglichen Passung verschlechtert, wodurch erhöhte Kosten verursacht werden. Die hinzuzugebende Chrommenge ist daher auf 2,5 bis 7,5 Gew.-% beschränkt, und ihr optimaler Bereich liegt zwischen 4,5 und 6,5 Gew.-%.

Mangan spielt aufgrund der nachstehend beschriebenen drei Wirkungen eine sehr bedeutende Rolle in der erfindungsgemäßen Sinterlegierung. Erstens wird Mangan im festen Zustand in der Matrix gelöst. Es verstärkt die Matrix und verbessert die Härtbarkeit der Legierung in ■ bedeutendem Maße, wenn die Legierung in zersetztem Ammoniakgas in einem Sinterungsofen für die kontinuierliche Sinterung durch einen langsamen Abkühlungsprozeß mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 10 °C/min gehärtet wird. Die Legierung erreicht ohne.Schwierigkeiten eine scheinbare Härte Hv (10 kg) von mehr als 350, wodurch das Gleitvermögen verbessert wird.

Zweitens aktiviert Mn die Fe-Matrix für die Sinterung, wodurch eine Sinterung bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht wird, was zur Energieeinsparung führt. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist diese Wirkung optimal, wenn eine Cr-Menge im Bereich von 2,5 bis 7,5 Gew.-%· vorhanden ist.

Drittens hemmt Mn das Kristallwachstum, und es führt zur Erzielung von feinen Carbidteilchen und trägt zur Bildung von sphäroidischen Teilchen bei, wodurch das Gleitvermögen verbessert wird.

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Es tritt praktisch keine Erhöhung der Festigkeit einer vorher gesinterten Masse ein, wenn weniger als 0,10 Gew.-% Mn hinzugegeben werden. Andererseits führt eine Zugabe von mehr als 3,0 Gew..-% Mn zu einer Sphäroidisierung und Härtung des durch Zerstäubung erhaltenen Legierungspulvers. Durch diese Härtung wird nicht nur ein bedeutender Verlust an Verdichtbarkeit des Pulvers hervorgerufen, wodurch es unmöglich gemacht wird, die gewünschte Dichte oder Härte zu erzielen, sondern die Härtung führt auch zu einer Erhöhung des Anteils des restlichen Austenits in der Matrix und einer Herabsetzung des Sinterungsvermögens durch Oxidation. Aus diesem Grund ist die hinzuzugebende Mn-Menge auf 0,10 bis 3,0 • Gew.-% und vorzugsweise auf 0,10 bis 1,5 Gew.-% beschränkt.

Phosphor leistet in der Hinsicht einen Beitrag zu der erfindungsgemäßen Sinterlegierung, daß es während der Sinterung in festem Zustand in der Matrix gelöst wird und die Sinterung aktiviert. Deshalb kann die Sinterung bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden, und durch die Bildung einer flüssigen Phase aus Steadit mit einem niedrigen Schmelzpunkt wird eine höhere Dichte erzielt. Diese Wirkung des Phosphors ist ■ jedoch unzureichend, wenn weniger als eine minimale

25 Phosphormenge zu der Legierung hinzugegeben wird.

Andererseits wird im Fall der Zugabe einer zu hohen P-Menge eine übermäßige Menge der flüssigen Phase gebildet, was zu einem abnormen Wachstum von Carbid und Steadit und zu einer Versprödung der Kristallgrenzen -führt, wodurch das Gleitvermögen vermindert wird. Die hinzuzugebende Phosphormenge ist daher auf 0,2 bis 0,8 Gew.-% und vorzugsweise auf 0,35 bis 0,65

Gew.-% beschränkt. 35

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.1. "::·"' '.] 's ■-'■" i 30A8035

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Kupfer wird in festem Zustand in der Matrix gelöst, stabilisiert die Sinterung, erhöht die Festigkeit und Härte der Matrix, führt zur Bildung von feinen Carbidteilchen und trägt zur Sphäroidisierung der Carbid- ' teilchen bei. Wenn zu wenig Kupfer hinzugegeben wird, treten diese Wirkungen nicht in merklichem Maße ein, Während bei Zugabe einer zu großen Kupfermenge die Kristallgrenzen geschwächt werden, was nicht nur zu einem herabgesetzten Gleitvermögen, sondern auch zu vermehrten Kosten führt. Die Menge, in der das Kupfer hinzugegeben wird, ist deshalb auf 1,0 bis 5,0 Gew.-% und vorzugsweise auf 1,5 bis 3,0 Gew.-% beschränkt.

Silicium wird in festem Zustand in der Matrix gelöst und stabilisiert die Sinterung der Fe-Matrix.. Silicium ist insbesondere in Gegenwart von etwa 2,5 bis 7,5 Gew.-% Chrom in der Hinsicht wirksam, daß es auf Veränderungen im Kohlenstoffgehalt beruhende Veränderungen der Dichte oder Härte verhindert. Silicium ist auch in bezug auf eine Sphäroidisierung der Carbidteilchen wirksam. Außerdem ist Silicium notwendig, da es ein unerläßliches Desoxidationsmittel für das geschmolzene Metall darstellt, wenn dieses zur Herstellung eines Legierungspulvers zerstäubt wird.

Ungenügende Siliciummengen führen zu einer Erhöhung der Oxidation des Pulvers. Eine zu hohe Siliciummenge führt nicht nur zu einer Herabsetzung der Härtbar-. keit der Matrix und dadurch zu einem Verlust an Härte, sondern vergröbert auch das Carbid und. führt zu einer Absonderung von Carbid an den Kristallgrenzen, wodurch eine Verminderung des Gleitvermögens verursacht wird. Die hinzuzugebende Siliciummenge ist deshalb auf 0,5 bis 2 Gew.-% und vorzugsweise auf 0,7 bis 1,5 Gew.-%

^oz> beschränkt.

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14 -" ■ ■ """" ■"* * _DE

] Graphit, der als Kohlenstoffquelle hinzugegeben

wird, wird in festem Zustand in der Matrix gelöst und erhöht die Härte und Festigkeit der Matrix. Außerdem verbessert Graphit die Abriebbeständigkeit, indem er

5 zusammen mit Chrom und Molybdän zusammengesetzte

Carbide wie (Fe-Cr) C oder (Fe-Cr-Mo)₃C bildet und indem er zur Bildung der Steaditphase (Fe-Fe₃C-Fe₃P) beiträgt. .

Eine ungenügende Graphitmenge führt jedoch zu einer Verminderung der Härte der Matrix und der Volumina des Carbids und Steadits, während eine zu große Graphitmenge eine Vergröberurig der Struktur und das Wachstum . eines Netzwerks an den Kristallgrenzen verursacht, wodurch das Gleitvermögen beträchtlich herabgesetzt und ein Reiben oder Scheuern der mit der Sinterlegierung gekoppelten Folgeelemente verursacht wird. Die hinzuzugebende Menge des Graphits ist deshalb auf 1,5 bis 4,0 Gew.-% und vorzugsweise auf 1,8 bis 3,0 Gew.-% beschränkt.

20 . .

Molybdän erhöht wie Chrom nicht nur die Härte der Sinterteile durch Verstärkung der Matrix und durch Verbesserung ihrer Härtbarkeit, sondern verbessert auch das Gleitvermögen, indem es ein gehärtetes, zusammengesetztes Carbid mit (Fe-Cr-Mo)₃C als Hauptbestandteil bildet. Selbst ohne Zugabe von Mo kann eine ausreichende

Gebrauchsleistung von verschiebbaren Teilen wie Nocken erzielt werden. Trotzdem ist die Zugabe von

Mo in einer Menge von weniger als etwa 3 Gew.-% nützlich, weil dies dazu führt, daß die Carbidteilchen in höherem Maße sphäroidisch werden und weil dadurch ein Reiben bzw. Scheuern der Sinterlegierung an deren Folgeelement unterdrückt wird. Die hinzuzugebende Molybdänmenge ist auf weniger als 3 Gew.-% und vorzugsweise auf 0,5 bis 1,5 Gew.-% beschränkt, weil die Zugabe von mehr als 3 Gew.-% Molybdän zur Bildung eines Netzwerks von Carbid an den Krista11grenzen führen würde, wodurch eine Versprödung der Legierung, eine·Herabsetzung des Gleit-

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Vermögens und eine Erhöhung der Kosten verursacht werden würden.

Beispiel 1

Durch Zerstäuben wurde ein Legierungsmetallpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 149 μΐη hergestellt. Zu dem Legierungspulver, das 2,5 Gew.-% Chrom, 0,10 Gew.-% Mangan, 5,0 Gew.-% Kupfer, 0,5 Gew.-% Silicium, 0,7 Gew.-% Phosphor, weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen und als Rest Eisen enthielt, wurden 1,6 Gew.-% eines flockigen Graphits sowie 0,5 Gew.-% Zinkstearat hinzugegeben.

Die Mischung wurde 30 min lang in einem V-förmigen Pulvermischer behandelt. Das erhaltene, vermischte Pulver wurde unter einem Verdichtungsdruck von 5,9 kbar bis zur Erzielung einer Dichte von 6,1 g/cm³ preßgeformt, 60 min lang bei 1150 ⁰C in einem zersetzten Ammoniakgas mit einem Taupunkt von -20 ⁰C gesintert und mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 °C/min abgekühlt, wodurch eine- erfindungsgemäße Sinterlegierung erhalten wurde. Nach der Sinterung war der Kohlenstoffgehalt • der Legierung auf 1,5 Gew.-% gesunken.

25 . '

Beispiel 2

Ein Legierungsmetallpulver mit -einer Teilchengröße von weniger als -149 μΐη, das 5,0 Gew.-% Chrom, 1,0 Gew.-% Mangan, 2,0 Gew.-% Kupfer, 1,0 Gew.-% Silicium, 0,5 Gew.-% Phosphor, weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen und als Rest Eisen enthielt, wurde durch Zerstäuben hergestellt. Zu dem Pulver wurden 2,7 Gew.-% eines flockigen Graphits hinzugegeben. Nach dem gleichen Verfahren wie

in Beispiel 1 wurde das Pulver preßgeformt und bei 1120 ?C gesintert, wodurch eine erfindungsgemäße Sinter-

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] legierung erhalten wurde. Der Kohlenstoffgehalt der

Legierung war nach der Sinterung auf 2,5 Gew.-% gesunken.

Beispiel 3 . ' ■'

5 ·

Ein Legierungsmetallpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 149 μπι, das 7,5 Gew.-% Chrom, 3*0 Gew.-% Mangan, 1,0 Gew.-% Kupfer, 2,0 Gew.-% Silicium, 0,2 Gew.-% Phosphor, weniger als 2 Gew.-%

]0 Verunreinigungen und Fe als Rest enthielt, wurde durch Zerstäuben hergestellt» 3,8 Gew.—% eines flockigen Graphits wurden hinzugegeben, Und es wurde das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 durchgeführt. Das erhaltene, . preßgeformte Pulver wurde bei 1100 ⁰C gesintert, wodurch eine erfindungsgemäße Sinterlegierung erhalten.wurde, deren Kohlenstoffgehalt nach der Sinterung auf 3,5 Gew.-% gesunken war.

Beispiel 4

Wie in Beispiel 2, jedoch unter Zugabe von 3 Gew.-% Mo, wurde durch Zerstäuben ein Legierungsmetall pulver hergestellt. Das Legierungsmetallpulver wurde der gleichen Behandlung wie in Beispiel 2 unterzogen, wobei eine erfindungsgemäße Sinterlegierung erhalten wurde.

Vergleichsbeispiel 1

Zur Bestätigung der Wirkung von Mn wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 eine- Vergleichs-Sinterlegierung hergestellt, die kein Mangan enthielt, jedoch ansonsten die gleiche Zusammensetzung

wie die Sinterlegierung von Beispiel 1 hatte. 35

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1 Vergleichsbeispiel 2

. Zur Bestätigung der Wirkung von Kupfer wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 eine Vergleichs-Sinterlegierung hergestellt, die kein Kupfer enthielt, jedoch ansonsten die gleiche Zusammensetzung wie die Sinterlegierung von Beispiel 1 hatte.

Vergleichsbeispiel 3

Zur Bestätigung der Wirkung von Silicium wurde

unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 eine Vergleichs-Sinterlegierung hergestellt, die kein • Silicium enthielt, jedoch ansonsten· die gleiche Zusammensetzung wie die Sinterlegierung von Beispiel 1 hatte.

Vergleichsbeispiel 4

Zur Bestätigung der Wirkung von Phosphor wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 eine Vergleichs-Sinterlegierung hergestellt, die kein Phosphor, enthielt, jedoch ansonsten die gleiche Zusammensetzung wie die Sinterlegierung von Beispiel 1 hatte.

25 Vergleichsbeispiel 5

Durch Zerstäuben wurde ein Legierungsmetallpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 149 μΐη hergestellt, das 20 Gew.-% Chrom, 2,0 Gew.-% Kupfer, 1,0 Gew.-% Silicium, 0,5 Gew.-% Phosphor, weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen und als Rest Eisen enthielt. Das Pulver wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2 'gemischt, geformt und 6 0 min lang bei 1150 ⁰C in einem zersetztem Ammoniakgas gesintert, wodurch

35 eine Vergleichs-Sinterlegierung erhalten wurde.

130039/0-967-

- 18 - ; ' DE. 0876 ] Vergleichsbeispiel 6

Um zu beweisen, daß es notwendig ist, als Ausgangsmaterial ein durch Zerstäuben erhaltenes Legierungsmetallpulver einzusetzen, wurde eine Vergleichs-Sinterlegierung hergestellt, indem man Eisenpulver, Ferrochrompulver, Ferromanganpulver, Elektrolytkupferpulver, Ferrosiliciumpulver und flockiges Graphitpulver unter Erzielung der gleichen Zusammensetzung wie in "IO Beispiel 1 vermischte, worauf Zinkstearat als Schmiermittel hinzugegeben und dann die gleiche Behandlung wie in Beispiel 1 durchgeführt wurde. ■

Vergleichsbeispiel 7 ·

15 . ■

Durch Schalenhartguß eines Gußteils mit folgender Zusammensetzung: 3,2 Gew.-% Kohlenstoff, 2,1 Gew.-% Silicium-, 0,7 Gew.-% Mangan, 0,5 Gew.-% Chrom und 0,2 Gew.-% Molybdän und als Rest Fe und ein Anteil von Verunreinigungen wurde eine Vergleichsprobe hergestellt.

Motornocken, die aus den in den vorstehend erwähnten Beispielen und Vergleichsbeispielen erhaltenen Sinterlegierungen hergestellt und während der Sinterung bei der Durchführung der Beispiele durch Diffusion mit Wellen verbunden worden waren, wurden nach dem Sintern mit den Wellen punktverschweißt und einem 1000-stündigen 'Motortest mit 1000 U/min unterzogen, und zwar in Verbindung mit Kipphebeln, die aus JIS (Japan Industrial Standard) SCr 30-Stahl, einem durch Zementieren gehärteten Stahl, hergestellt waren. Die Ergebnisse des Testes sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Die Eigenschaften der getesteten Materialien, d. h., die Dichte, die Härte sowie die Teilchengröße und der Flächenanteil des Carbide wurden untersucht, und. die Untersuchungsergebnisse werden ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.

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Tabelle 1

COi O O co

O (JO cn

	Charakteristische	Vergleichs	6,95	Scheinbare	•	300	Carbidteilchen	Flächenan	Ergebnisse des Ver	Verschleiß	Bemerkungen
	Werte der Sinter	beispiel	7,32	.Härte		280		teil*	schleißtestes	des als
	teile	1	7,10	Hv (10 kg)	310	Mittlere	f o/ 's V /Q J	Verschleiß	Folgeele
	Dichte	2	6,54		240	Größe		des Nockens**	ment ein
	(g/cm³)	3	7,51		550	(um)		(pn)	gesetzten
		4							Kipphebels
		5							*** (um)
			6,98		280
				370			16		20
		6								2,5 Cr; 0,10 Mn; 5 Cu;
■ Beispiel			-	560	530	22	18	95	3	0,5 Si; 0,7 P; J.,5 C
.1	7,36									5,0 Cr; 1,0 Mn; 2 Cu;
		7	780		12	23	22	8	1 Si; 0,5 P; 2,5 C
2	7,45 .							7,5 Cr; 1,0 Mn; 1 Cu;
		660	23	22	25	2	2,0 Si; 0,2 P; 3,5 C
3	7,62					Beispiel 2 + 3 Mo
		18		19
4	7,63		13		30
	15		26	Beispiel 1 ohne Mn
25	14	260	25	Beispiel 1 ohne Cu
24	5	150	110	Beispiel 1 ohne Si
20	35	130	25	Beispiel 1 ohne P
3		970		20 Cr; 2 Cu; 1 Si;
20		30		0,5 P; 2,5 C (ohne M₃C-
	12		83	Carbid und Steadit)
				Wie Beispiel 1, jedoch
28		690		nach einem Vermischungs
	-		70	verfahren
				Schalerihartguß-Legierung
-		320

* Anteil der Carbidflache an der Gesamtfläche, durch QTM-Analysatoren berechnet oder durch mikroskopische

Betrachtung mit dem Auge ermittelt
** Verschleiß in Richtung der Nockennase *** Maximale Verschleißtiefe der Kipphebel-Arbeitsfläche

00 CD CO

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Bei dem.in Fig. 2 dargestellten, zur Messung der Haltbarkeit durchgeführten Motortest wurde der Nocken 1 mit dem Kipphebel 2 in Berührung gebracht, und diese Anordnung wurde unter bestimmten Beschleunigungsbedin-' gungen bei Verwendung eines Öls mit niedriger Viskosität einer Belastung durch eine in geeigneter Weise eingestellte Ventilfeder ausgesetzt. Die Wellen werden in der Figur mit 3 und 3' bezeichnet.

IQ Fig. 1 ist ein Beispiel eines Mikrophotographie-Gefügebildes (400-fache Vergrößerung) einer erfindungsgemäßen, nach Beispiel 2 erhaltenen Sinterlegierung. Die weiß aussehenden Teilchen sind (Fe.Cr)' C-Carbid A und . Steadit B (ternäres Eutektikum Fe-Fe₃P-Fe₃C), die Matrix C ist ein Bainit und das Symbol D bezeichnet eine Pore.

Die Härte des Carbide in dieser Legierung beträgt Hv 800 bis 1300, während die Härte der Matrix 400 bis 500 beträgt.

Der Haltbarkeitstest (Verschleißtest) wurde unter

2 2

einem Druck von 686 N/mm anstelle von 588 N/mm durch-

0 .

geführt. Der Wert von 588 N/mm ist typisch für den

Druck, der von einem als Folgeelement eingesetzten Kipphebel 2 auf einen Nocken 1 ausgeübt wird.

Aus den vorstehenden Testergebnissen geht hervor, daß die Dichte einer bei 1120 ⁰C gesinterten Legierung mit der in Beispiel 1 erwähnten Zusammensetzung 7,36 g/ cm beträgt, während die kein Mangan enthaltende Legierung von Vergleichsbeispiel 1 nur eine Dichte von 6,95 g/cm hat. Zur Erhöhung der Dichte der Legierung von Ve gleichsbeispiel 1 wäre eine Sinterung bei einer höheren Temperatur, d. h., bei mehr als 1150 C, notwendig.

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Wie vorstehend erläutert wurde, trägt auch die Steaditphase zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei, wenn der Chromgehalt 2,5 bis 7,5 Gew.-% beträgt. Bei einem Chromgehalt von mehr als 7,5 Gew.~% wird kein Beitrag zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit geleistet und ist die Steaditphase praktisch verschwunden.

Wenn die Sinterung bei 1120 ⁰C durchgeführt wird, hat die Legierung von Beispiel 1 eine Dichte von 7,36 g/

3 · ·
cm , während die Legierung von Vergleichsbeispiel 4, die keinen Phosphor enthält, nur eine Dichte von 6,54 g/cm"" hat. Zur Erhöhung der Dichte der Legierung von Ver-· gleichsbeispiel 4 müßte die Sinterung bei mehr als 1200 -. · C durchgeführt werden. .

Nachstehend wird erläutert, daß es notwendig ist, die Legierungsbestandteile bzw. Legierungselemente mit Ausnahme von Kohlenstoff in Form eines Eisenlegierungspulvers einzusetzen. Im Vergleichsbeispiel 6 wurde jedes Legierungselement in Form eines Ferrolegierungspulvers zu Eisenpulver, daß durch Zerstäuben erhalten worden war, Kupferpulver und Graphitpulver hinzugegeben. Die Mischung wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 60 min lang bei 1120 ⁰C gesintert. Im Vergleichsbeispiel 6 dauerte das Hineindiffundieren jedes Legierungselements in die Matrix langer als im Fall des erfindungsgemäß eingesetzten Legierungspulvers. Die"Härte und die Dichte der erhaltenen Sinterlegierung waren niedrig. Die Legierung müßte deshalb zur Erhöhung ihrer Härte und Dichte bei einer Temperatur von mehr als 1150 ⁰C gesintert werden. Außerdem wurde die Sinterung von Teilchen zu Teilchen durch die Oxidation von Chrom, Mangan und Silicium behindert, und die Härte und die Dichte konnten nur erhöht werden, wenn die Sinterung in einer Atmosphäre mit einer

^OJ höheren Reinheit und einem niedrigeren Taupunkt stattfand. Anders als beim Einsatz der Legierungspulver sonderte sich jedes Legierungselement in der Sinterlegierung ab, wodurch die Struktur unregelmäßig gemacht wurde, die

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Carbidteilchen örtlich vergröbert wurden und die Verteilung der Carbidteilchen ungleichmäßig gemacht wurde. All dies ist nachteilig für die Beständigkeit gegenüber Abrieb, Verschleiß, Lochfraß und Grübchenbildung. 5

Die Gebrauchsleistung der erfindungsgemäßen Sinterlegierung wird in hohem Maße durch die Gestalt, die Größe und die Verteilung der gehärteten, zusammengesetzten Carbide beeinflußt. Eine scharf gewinkelte oder längliche Gestalt der Carbidteilchen ist weniger günstig als eine fast sphäroidische Gestalt. In bezug auf die Größe und die Verteilung ist festzustellen, daß die mittlere Teilchengröße der unter einem optischen Mikroskop (400-fache " Vergrößerung) unterscheidbaren Teilchen geeigneterweise etwa 5 bis 30 pm und vorzugsweise 10 bis 25 /im beträgt, während der Flächenanteil geeigneterweise etwa 5 bis 30 % und vorzugsweise 15 bis 20 % ausmacht. Eine möglichst gleichmäßige Verteilung ist wünschenswert. Die Mikrohärte der Carbidteilchen beträgt geeigneterweise Hv (200 g)

20 800 bis 1300.

Anders als bei üblichen, gesinterten Lagern kann im Fall von Teilen wie Nocken, die für· eine Verwendung unter einem relativ hohen Anpreßdruck vorgesehen sind, nicht erwartet werden, daß die in einer dafür eingesetzten Sinterlegierung vorhandenen Poren die Bildung eines Ölfilms durch Zurückhalten eines Schmiermittels unterstützen. Es ist im Gegenteil wahrscheinlich, daß

die Poren einen. Löchfraß oder eine Grübchenbildung verqn
° Ursachen. Deshalb sind möglichst wenige Poren erwünscht, und es ist um so besser, je höher die Dichte ist. Die Dichte der erfindungsgemäßen Legierung beträgt geeigneterweise 7,3 bis 7,8 g/cm und vorzugsweise 7,4 bis 7,8 g/cm . Geschlossene Poren, d. h., Poren, die nicht in

die Tiefe der Legierung eindringen, sind erwünscht. Außerdem sind die Poren wünschenswerterweise möglichst rund, fein und gleichmäßig verteilt.

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Wenn die Sinterlegierung eine zu niedrige Härte hat, verschlechtert sich die Beständigkeit gegenüber Abrieb und Verschleiß* Andererseits verursacht die Legierung ein Fressen bzw. Scheuern des Folgeelernents und eine Ver-. schlechterung der Bearbeitbarkeit, wenn die Härte zu hoch ist. Deshalb muß die scheinbare Härte Hv (10 kg) 350 bis 800 und vorzugsweise 400 bis 600 betragen.

Vorstehend wurde gezeigt, daß die erfindungsgemäße Legierung für die Verwendung in verschiebbaren Teilen wie Nocken, die einem relativ hohen Anpreß- bzw. Flächendruck .ausgesetzt sind, ausgezeichnete Eigenschaften hat. Es wurde festgestellt, daß die erfiridungsgernäße Legierung bei der Verwendung in verschiebbaren Teilen wie Zapfenlagern oder Radialgleitlagern, die für den Einsatz unter gewöhnlicher Flüssigschmierung vorgesehen sind, eine genauso hohe Haltbarkeit zeigt. In diesem Fall werden mit Hv 350 bis 450 zufriedenstellende Ergebnisse erhalten. Wie vorstehend beschrieben wurde, handelt es £3 ich bei der erfindungsgemäßen Legierung um eine hervorragende, verschleißfeste Sinterlegierung mit hoher Dichte und hoher Härte, die leicht hergestellt werden kann, ohne daß eine Nachbehandlung durch Schmieden oder irgendeine Hitzebehandlung erforderlich ist.

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ι *Κ·

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Verschleißfeste Sinterlegierung, dadurch gekenn zeichnet, daß sie.2,5 bis 7,5 Gew.-% Chrom, 0,10 bis 3,0 Gew.-% Mangan, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 2,0 Gew.-% Silicium, 0 bis 3 Gew.-% Molybdän, 1,5 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen·und als Rest Eisen enthält.

2Q

2. Verschleißfeste Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 4,5 bis 6,5 Gew.-% Chrom, 0,10 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,35 bis 0,65 Gew.-% Phosphor, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Kupfer, 0>7 bis 1,5 Gew.-% Silicium, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Molybdän, 1,8 bis 3,0 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen und als Rest Eisen enthält. . .

3. Verschleißfeste Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 4,5 bis 6,0 Gew.-% Chrom, 0,10 bis 1,2 Gew.-% Mangan, 0,40 bis 0,60 Gew.-% Phosphor, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Kupfer, 0,7 bis 1,3 Gew.-% Silicium, 0,7 bis 1,3 Gew.-% Molybdän, 2,0 bis 2,8 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen und als Rest Eisen enthält. " ·. . .

4. Legierung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihre scheinbare Härte Hv (10 kg) 350 biß 800 beträgt. " . ·

τ,-

XI/rs

Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070

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Dresdner Bank (München) Kto. 3939844

Postscheck (München) Kto.' 670-43-804 ,

ORIGINAL INSPECTED

] 5. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, daß ihre scheinbare Härte Hv (10 kg) 400 bis 600 beträgt.

cj 6 · Legierung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, gekennzeichnet durch Carbidteiichen mit einer Größe von 5 bis 3 0 μπ\.

7. Legierung, nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Carbidteiichen mit einer Größe von 10 bis

25 μΐη.

8. Legierung nach Anspruch 1; 2 oder 3, dadurch • gekennzeichnet, daß in der Matrix eine gehärtete Phase

von MßC-Carbid und Steadit gleichmäßig verteilt ist und daß der Flächenanteil der Teilchen dieser Phase 5 bis
30 % der Matrixfläche beträgt.

9. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3,. dadurch gekennzeichnet, daß in der Matrix eine gehärtete Phase

von. M₃C-Carbid und Steadit. gleichmäßig Verteilt ist und daß der Fläehenanteil der Teilchen dieser Phase 15 bis
20 % der Matrixflache beträgt. ' . -

10. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekenn

zeichnet durch eine Dichte· von 7,3 bis 7,8 g/cm³. -

11. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Dichte von 7,4 bis 7,8 g/cm³.

30 · ·

12. Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Sinterlegierung mit weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß man

durch ein Zerstäubungsverfahren ein Legierungspulver herstellt, das aus 2,5 bis 7,5 Gew.-% Cr, 0,10 bis 3,0 Gew.-%

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Mn, 0,2 bis 0,8 Gew.-% P, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Cu, 0,5 bis 2,0 Gew.r-% Si, 0 bis 3 Gew.-% Mo und 75,2 bis 89,7 Gew.-% Fe besteht,

das Legierungspulver unter Bildung einer Mischung mit 1,5 bis 3,

5 Gew.-% Kohlenstoff und 0 bis 1,2 Gew.-% eines Schmiermittels vermischt,

die Mischung unter einem Druck von 4,9 bis 6,9 kbar bis zur Erzielung einer Dichte von 5,8 bis 6,4 g/cm³ preßformt und

. die Preßlinge bei 1020 ° bis 1ΐ'8Ο ⁰C-sintert und dann mit einer Geschwindigkeit von 10 ° bis 100 °C/min abkühlt.

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