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Verschleißbeständiges Teil zur Verwendung in einem Ver-
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brennungsmotor Die vorliegende Erfindung betrifft verschleißbeständige
Teile zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Kolbenringen, welche
besonders der Abnutzung durch Reibung ausgesetzt sind, bei Zylinderbüchsen, Wellen,
bei welchen sich leicht Lochfraß bildet, Stößeln, Schwinghebeln, Ventilen, bei welchen
Abnutzung infolge von Schlagwirkung leicht auftritt, Ventilsitzen und dergleichen.
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Beim Auswählen der Materialien zur Verwendung bei der Herstellung
verschleißbeständiger Verbrennungsmotorteile, wie sie oben beschrieben sind, ist
es auch erforderlich, den verschiedenartigen Bedingungen Rechnung zu tragen, wie
Reibungsbedingungen, Temperatur, Stoß, Belastung und korrosive Atmosphäre, bei welchen
die Teile verwendet werden. Ein Weg, um den Teilen die Verschleißbeständigkeit mitzuteilen,
liegt darin, daß man die Härte der Oberfläche erhöht, welche dem Verschleiß ausgesetzt
ist. Wenn man derartige harte Materialien an der Oberfläche vorsieht, dann verringert
man die Material-Berührungszoner welche der plastischen Verformung der Oberfläche
zugeordnet ist, was zu einer Verringerung der Abnutzung führt. Materialien mit großer
Härte haben üblicherweise auch eine hohe Festig-
keit und eine gute
Ermüdungsbeständigkeit und liefern eine gute Verschleißbeständigkeit gegenüber der.
Lochfraß und der Schlag- bzw. Hämmerwirkung.
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Bei derartigen, sehr harten Materialien tritt allerdings, wenn die
Materialien keine Schmiereigenschaften aufweisen, ein außergewöhnlicher Verschleiß
auf, wie etwa Verschleiß durch Schleifwirkung. Um derartige Schmiereigenschaften
zu liefern, werden Materialien, die beispielsweise Graphitpartikel enthalten und
selbstschmierende Eigenschaften aufweisen, verwendet, oder es wird eine Oberflächen-Endbearbeitung
durchgeführt, um feine Unregelmäßigkeiten auszubilden. Deshalb werden naturgemäß
Materialien mit guter Bearbeitungsfähigkeit verwendet, und es kann nur eine begrenzte
Anzahl von Grundmaterialien verwendet werden. Zusätzlich ist es erforderlich, daß
diese Materialien eine gute Kompatibilität zu den gegenüberliegenden Materialien
aufweisen, welche hiermit unter Verursachung des Verschleißes in Berührung gelangen.
Deshalb werden allgemein Gußeisen und gesinterte Legierungen verwendet, und diese
werden Nachbearbeitungen unterzogen, welche die Vrschrolnung, die Oberflächenbeschichtung
beispielsweise durch Metall aufsprühen, das Weichnitrieren und die Wärmebehandlung
umfassen, die etwa durch einen Härtevorgang ausgeführt wird.
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Diese Gußeisen und Sinterlegierungen sind allerdings- in ihrer Festigkeit
dem Stahl unterlegen. Dies setzt Grenzen bei der Erzeugung von Materialien, die
eine viel höhere Härte aufweisen. In ähnlicher Weise sind auch Oberflächenbeschichtungen
in der Haftfestigkeit begrenzt, die durch Plattieren bzw. Galvanisieren oder Metallauf
sprühen erzeugt werden, und Wärmebehandlungen haben dahingehend Nachteile, daß sie
Risse usw. erzeugen können.
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In JA-GM 59 110/80 sind Ventile, Ventilsitze und dergleichen offenbart,
bei welchen Stellit durch Auftragen oder Aufschweißen vorgesehen ist. Dieses Verfahren
leidet allerdings unter dem Nachteil, daß, obwohl eine Oberfläche
mit
großer Härte erzielt werden kann, Stellit an sich bereits teuer ist und Schwierigkeiten
auftreten; beispielsweise werden Unebenheiten und Risse erzeugt, und ferner weist
die Oberfläche eine übermäßig hohe Härte auf, verglichen mit den gegenüberliegenden
Teilen, d.h. dem Ventilsitz, was zu einem beträchlichen Verschleiß des gegenüberliegenden
Teiles führt.
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Zusätzlich ist die Verwendung gesinterter Legierungen verwendet und
beschrieben, beispielsweise in JP-GM 1 37 208/77 und JP-OS 8 497/80 (DE-OS 2 926.
879) . In Übereinstimmung mit diesem Verfahren treten allerdings die Probleme auf,
daß bei Kolbenringen und Ventilen, die durch dieses Verfahren hergestellt sind,
die relativen Unterschiede in der Härte bezüglich den jeweiligen Zylinderbüchsen
und Ventilsitzen nicht ausreichend hergestellt werden können und die Haftfestigkeit
und die Festigkeit von Kolbenringen und Ventil schlecht sind, Somit haben sich die
herkömmlichen Materialien nicht als befriedigend zur Verwendung bei der Herstellung
von Kolbenringen, Zylinderbüchsen, Nockenwellen, Ventilstößeln, Schwingarmen, Ventilen,
Ventilsitzen und dergleichen erwiesen, bei welchen es erforderlich ist, die relative
Abnutzung in Betracht zu ziehen.
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Die vorliegende Erfindung soll die obenbeschriebenen Probleme überwinden
und liefert verschleißbeständige Teile, welche eine hohe Härte, Stabilität und Produktivität
aufweisen, und welche in ihrer Härte bezüglich ihren gegenüberliegenden Teilen einreguliert
werden können.
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Die vorliegende Erfindung betrifft deshalb verschleißbeständige Teile
für Verbrennungsmotoren, bei welchen Eisenlegierungen, welche vorher geformt und
gesintert wurden, erneut geschmolzen und mit Grundmaterialien aus Stahl oder Gußeisen
zusammengefügt werden.
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Die einzige Figur der Zeichnung ist eine Mikrofotografie (200-fache
Vergrößerung), welche die Struktur des Metalles eines erfindungsgemäßen, verschleißbeständigen
Teiles darstellt.
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Die gesinterten Eisenlegierungen, die hier verwendet werden, sind
bevorzugt ausgewählt aus Sinterlegierungen, die üblicherweise als verschleißbeständige
Teile für Verbrennungsmotoren verwendet werden, beispielsweise gesinterte Eisenlegierungen,
wie sie in US-PS 3 837 816 (DE-OS 2 248 195), US-PS 3 982 907, US-PS 4 243 414 (DE-OS
2 846 122) und JP-OS 1 64 060/80 beschrieben sind. Bei der Erfindung kann jede gesinterte
Legierung verwendet werden, so lange sie den unten beschriebenen Mindestanforderungen
entspricht.
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Für die erfindungsgemäßen gesinterten Eisenlegierungen ist es erforderlich,
daß sie einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen und große Mengen an karbidformenden
Elementen enthalten. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Härte der gebildeten
Oberfläche unzureichend wird, wenn die Menge an Mischkarbid in der gesinterten Eisenlegierung
niedrig ist (das Mischkarbid wird durch einen Schmelzvorgang gebildet, dem ein Abkühlvorgang
nachfolge); dies wird im einzelnen nachfolgend beschrieben. Wenn beispielsweise
die gesinterte Legierung einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,5 Gew.-% aufweist,
dann ist selbst dann, wenn karbidbildende Elemente zugeführt werden, die Gesamtmenge
an den gebildeten Karbiden klein, und es kann keine ausreichende Härte erreicht
werden. Obwohl andererseits die Karbidmenge erhöht wird, wenn die Kohlenstoffmenge
erhöht wird, wird , wenn der Kohlenstoffgehalt übermäßig hoch ist, Kohlendioxid
(CO2) usw. erzeugt, wenn die Legierung geschmolzen wird, was zur Bildung von Gasbläschen
führt. In manchen Fällen werden Teile, die geschmolzen und abgekühlt wurden, sehr
brüchig, und unvermeidlich bilden sie Risse. Als Ergebnis verschiedenartiger Untersuchungen
hat es sich als notwendig herausgestellt, daß man den Kohlenstoffgehalt auf. 5,0
Gew.-% oder weniger
einstellt.
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Als karbidbildende Elemente werden aus der Gruppe Cr, Mo, W, V, Nb,
Ti und Bi, welche üblicherweise als karbidbildende Elemente verwendet werden, eines
oder mehrere Elemente in geeigneter Weise ausgewählt. Die Gesamtmenge an verwendetem
karbidbildendem Material ist üblicherweise auf 2 bis 40 % eingestellt. Wenn die
Menge verwendeter karbidbildender Substanzen kleiner isqt als 2 %, dann ist die
Menge an gebildeten Karbiden unzureichend, während dann, wenn sie 40 % überschreitet,
eine sehr brüchige Oberflächenstruktur, die durch Schmelzen und Abkühlen gebildet
ist, verursacht wird, und unvermeidlich Risse gebildet werden.
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Der Grund, warum besonders Eisenlegierungen mit so hohem Kohlenstoffgehalt
gewählt werden, welche so hohe Mengen an karbidbildenden Elementen aufweisen, ist
der folgende: Falls hochlegierte Materialien mit hohen Kohlenstoffgehalten, wie
sie oben beschrieben sind, durch die übliche Technik hergestellt werden, ist es
selbst dann, wenn sie geschmolzen und gegossen werden, im wesentlichen unmöglich,
das gewünschte Teil zu erhalten, da die Bildung von Graphit, Hartguß und zahlreiche
Erscheinungen auftreten, die den Gußvorgang unmöglich machen, wie z. B. schlechter
Metallfluß und Seigerung. Andererseits werden bei gesinterten Legierungen die Legierungselemente
entweder als Einzelpulver oder Legierungspulver gebildet, und da der Kohlenstoff
die Grundstruktur der gesinterten Legierung durch Diffusion bildet, die dem Sintervorgang
zugeordnet ist, bildet er ein Karbid und bleibt nicht als Graphit zurück. Da ferner
Sinterlegierungen eine hervorragende Formbarkeit aufweisen, können sie in jede gewünschte
Form eingeformt werden.
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Die Formbarkeit gesinterter Legierungen und ihre Eigenschaft, daß
sie nicht Graphit enthalten, sind dafür
wesentlich, sie in heißem
Zustand mit dem Grundmaterial aus Stahl oder Gußeisen zusammenzufügen.
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Der Grund hierfür liegt darin, daß die Anwesenheit von Graphit für
die Erzeugung von Gas we CO2 beim Schmelzen verantwortlich ist. Da ferner verschleißbeständige
Teile zur Verwendung bei Verbrennungsmotoren eine weite Vielfalt von Formen aufweisen
und hohe Arbeitsgenauigkeit erforderlich ist, ist die gute Formbarkeit wesentlich.
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Das erfindungsgemäße verschleißbeständige Teil wird dadurch hergestellt,
daß man gesinterte Eisenlegierungen mit den obenbeschriebenen Eigenschaften an einem
Grundmaterial aus Stahl oder Gußeisen anschmilzt. Wenn die gesinterte Legierung
geschmolzen und abgekühlt ist, dann ist eine Legierungsschicht in der Schicht aus
gesinterter Legierung und dem Grundmaterial gebildet, und eine wiedergeschmolzene
Legierungsschicht ist an der Oberfläche der gesinterten Legierungsschicht gebildet.
Zusätzlich ist eine durch Wärmewirkung hervorgerufene Schicht im Grundmaterial ausgebildet.
Diese Schichten erzielen die nachfolgenden synergistischen Wirkungen.
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Obwohl die wiedergeschmolzene Legierungsschicht, welche eine verschleißbeständige
Oberfläche bildet, beinahe dieselbe Zusammensetzung wie die gesinterte Eisenlegierung
aufweist, weist sie doch eine eutektische Ledeburitstruktur auf, die Dendrit enthält,
und zwar durch das Verschwinden der Löcher durch das erneute Schmelzen und den Schmelzvorgang,
dem eine rasche Abkühlung gefolgt ist, und die Grundstruktur hiervon ist Martensit.
Das Karbid ist ein Mischkarbid aus dem karbidbildenden Element, welches zur gesinterten
Legierung hinzugefügt wurde, und Eisen.
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Somit ist die wiedergeschmolzene Legierungsschicht in Struktur und
Eigenschaften vollständig unterschiedlich gegenüber der gesinterten Eisenlegierung
vor ihrem erneuten Schmelzen. Die hervorragendste Änderung liegt darin, daß
in
der erneut geschmolzenen Legierungsschicht sehr feine Mischkarbide gleichmäßig und
gleichförmig verteilt sind.
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Ferner fallen diese Mischkarbide in der Dendritform aus, es bildet
sich eine kräftige Strukturtund Gasblasen verschwinden.
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Wie bereits vermerkt, ist die Grundstruktur Martensit, der durch rasche
Abkühlung gebildet wurde, und deshalb ist die Härte der Struktur merklich erhöht
und ihre Festigkeit ist stark verbessert. Einer der Gründe hierfür ist das Verschwinden
der gesinterten Hohlräume, die für eine Verringerung der Gesamthärte verantwortlich
sind. Der andere Grund liegt darin, daß Partikel, die keine Karbide gebildet haben,
wie Fe- Mo-Partikel alle in Mischkarbide umgewandelt sind, was die Karbidmenge und
auch die Härte des Mischkarbides an sich erhöht. Die Grundstruktur wird, wenn sie
wieder geschmolzen und rasch abgekühlt wird, üblicherweise in Martensit umgewandelt,
jedoch in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter welchen sie wieder geschmolzen
und rasch abgekühlt wird, kann sie auch in Bentonit umgeformt werden. Bei der vorliegenden
Erfindung ist es bevorzugt, die Basisstruktur durch übliche Wärmebehandlung zu kontrollieren.
Obwohl die Härte hiervon dadurch erhöht werden kann, daß man die Basisstruktur in
Form von Martensit verwendet, weil die erforderliche Härte durch das Mischkarbid
sichergestellt ist, welches gemäß der Erfindung geformt ist, kann auch die Basisstruktur
entsprechend ihrer Kompatibilität mit dem gegenüberliegenden Teil bestimmt werden.
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Bei dieser Wärmebehandlung wird das Grundmaterial mit der gesinterten
Legierung legiert, wobei sich eine Legierungsschicht bildet, die es der wiedergeschmolzenen
Legierungsschicht gestattet, mit dem Grundmaterial verbunden zu werden. Diese Legierungsschicht
wird nachfolgend eine "Verbindungsschicht" genannt. Die Verbindungsschicht ist somit
aus einer komplexen Legierung zusammengesetzt, welche jene Elemente umfaßt, die
das Grund-
material wie auch die gesinterte Legierung bilden. Die
Verbindungsschicht weist eine Abkühlungsgeschwindigkeit auf, welche höher ist als
jene der wiedergeschmolzenen Legierungsschicht, und weist auch eine feinere Struktur
als die wiedergeschmolzene Legierungsschicht auf, weil üblicherweise ein Grundmaterial'
verwendet wird, das die Legierungselemente in geringeren Mengen zugefügt sind als
in der gesinterten Legierung. Außerdem ist die Menge an Legierungselementen und
die Menge an Mischkarbiden in der Grundstruktur der Verbindungsschicht in der Zähigkeit
gegenüber der wiedergeschmolzenen Legierungsschicht überlegen. Somit ist die wiedergeschmolzene
Legierungsschicht mit dem Grundmaterial durch eine derartige Legierungsbildung verbunden,
d.h. durch die Bildung der Verbindungsschicht, und die Bildung von Rissen usw. in
oder rund um die Verbindungsschicht findet nur schwierig statt.
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Da ferner das Grundmaterial an sich rasch von hohen Temperaturen bei
dem Wärmebehandlungsverfahren abgekühlt wird, bildet es: eine durch F#irmebildung
hervorgerufene Schicht. Diese durch Wärmewirkung hervorgerufene Schicht nimmt eine
Martensitstruktur nahe der Verbindungsschicht an, und deshalb ist die Härte erhöht.
Die Härte der wiedergeschmolzenen Legierungsschicht ist höher als jene der Verbindungsschicht,
bei welcher die Härte ihrerseits höher ist als bei der durch Wärmewirkung hervorgerufenen
Schicht. Somit weist die Oberfläche des schließlich gebildeten, verschleißbeständigen
Teils eine äußerst hohe Härte auf, der Bereich unmittelbar unter der Oberfläche
ist sehr hart, und ferner ist die Verbindungsfestigkeit hoch. Das erfindungsgemäße
wärmebeständige Teil weist deshalb eine höhere Härte auf als herkömmliche Teile,
die aus gesinterten Legierungen oder Gußeisen hergestellt sind. Mit diesem verschleißbeständigen
Teil kann eine Schicht mit hoher Härte über einen beträchtlich großen Bereich der
Dicke gebildet werden, und es liegt ferner nicht die Gefahr schlechter Anhaftung,
verringerter Zähigkeit oder unzulänglicher Festigkeit vor. Somit liefern die Teile
eine hervorragende
Beständigkeit gegenüber dem durch Gleitbewegung
hervorgerufenen Verschleiß und Lochfraß, und weisen ferner eine hervorragende Beständigkeit
gegenüber dem durch Stoß hervorgerufenen Verschleiß auf. Dies kann teilweise der
Tatsache zugeschrieben werden, daß die Härte der Oberfläche des Bereichs unmittelbar
unter der Oberfläche hoch ist.
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Die verschleißbeständigen Teile der Erfindung besitzen feine und zähe
Strukturen, und ihre Zähigkeit ist aufeinanderfolgend von der Oberfläche zu den
unteren Abschnitten hiervon erhöht. Somit wird die Bildung von Rissen in der Oberflächenschicht
durch Stoß oder Ermüdung verhindert, im Gegensatz zu jenen Teilen, bei welchen lediglich
eine dünne, harte Schicht auf der Oberfläche dieser Teile vorliegt.
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Wie bereits oben beschrieben, weisen die verschleißbeständigen Teile
der Erfindung zur Verwendung in Verbrennungsmotoren eine hohe Härte, hohe Festigkeit
und hohe Verbindungsfestigkeit auf, und da die Teile unter Verwendung einer gesinterten
Legierung hergestellt sind, können sie ferner hervorragend geformt und hergestellt
werden.
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Es wird für die Wärmebehandlung, die zum erneuten Schmelzen bei der
Erfindung verwendet wird, erforderlich, daß sie durch die Verwendung einer Wärmequelle
mit hoher Intensität durchgeführt wird, da die rasche und selektive Erwärmung erforderlich
ist, Somit werden bei der Erfindung Klammereinrichtungen, Laser, Elektronenstrahleinrichtungen
usw.
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verwendet. Wo die gesinterte Legierung bei der Wärmebehandlung der
Erfindung wieder geschmolzen wird, können, wenn Gas in den gesinterten Hohlräumen
oder Gasblasen zurückbleibt, kleine Löcher usw. gebildet werden, und wenn ferner
das erneute Schmelzen in der Umgebungsluft durchgeführt wird, findet eine Oxidation
der Oberfläche statt, wobei ein verschleißbeständiges Teil erhalten wird, das unstabil
ist. Somit ist es von Vorzug, die Wärmebehandlung zum erneuten Schmelzen im Vakuum
durchzuführen.
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Bei der Erfindung ist es besonders von Vorzug, an der gesinterten
Legierung vorher einen Versiegelungsvorgang durchzuführen, um die Hohlräume oder
Gasblasen in der gesinterten Legierung zu versiegeln. Dies ist insbesondere dann
erforderlich, wenn eine gesinterte Legierung mit einer verhältnismäßig hohen Dichte
verwendet wird, weil in diesem Fall Gas unvermeidlich in den Gasblasen verbleibt.
Das Versiegelungsverfahren kann beispielsweise durch Infiltration durchgeführt werden.
Zur Infiltration wird Kupfer (Cu) üblicherweise verwendet, und zusätzlich können
auch andere Materialien verwendet werden. Wo die gesinterte Legierung in einer dünnen
Form vorliegt, kann der Versiegelungsvorgang. durch Eintauchen durchgeführt werden.
Als Tauchmittel können manchmal harte Materialien wie Glas verwendet werden Das
Grundmaterial, das hier verwendet ist, ist bevorzugt Stahl bei welchem nicht die
Gefahr der Gaserzeugung vorliegt. In diesem Fall sind solche Arten von Stahl verwendet,
die nicht beim Legierungsschritt brüchig werden.
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Zum Beispiel kann SK-Stahl, SUS-Stahl, SUH-Stahl, Schmiedestahl, Kohlenstoffstahl
und Baustahl verwendet werden.
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Wo Gußeisen als Grundmaterial verwendet wird, ist es möglich, die
Gasbildung dadurch zu verhindern, daß man durch Dekarbonisieren oder durch chemische
Behandlung das Graphit entfernt. Es kann auch Hartgußeisen bzw. abgeschrecktes Gußeisen
verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße, verschleißbeständige Teil kann wahl weise in
Hinblick auf seine Oberflächenhärte und Form bestimmt werden. Der Grund hierfür
liegt darin, daß die Formbarkeit des Teiles hervorragend ist, weil eine gesinterte
Legierung verwendet ist, und weil zusätzlich die Typen von Elementen, die zugesetzt
werden, aus einem weiteren Bereich ausgewählt werden können#, verglichen mit Gußeisen;
selbst wenn die gesinterte Legierung praktisch wegen ihrer niedrigen Festigkeit
nicht verwendet werden
kann, kann sie erneut geschmolzen und mit
dem Grundmaterial legiert werden, und eine hinlängliche Festigkeit kann durch die
Entfernung von Hohlräumen oder Gasblasen bei der Bildung feiner Strukturen erhalten
werden.
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Eine Probe eines verschleißbeständigen Teiles, wie es in der Zeichnung
dargestellt ist, wurde erfindungsgemäß hergestellt und geprüft.
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Das Grundmaterial, das bei der Herstellung der Probe verwendet wurde,
war SUH-3-Stahl. Die verwendete, gesinterte Legierung wurde dadurch hergestellt,
daß man eine Legierung wiedergeschmolzen hat, die folgende Gewichtsanteile bzw.
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Gewichtsprozente aufwies: 1,20 C, 2,15 Ni, 6,65 Cr, 1,30 Mo, 2,40
W und 6,15 Co, wobei der Rest Fe war; die Legierung wurde mit 13,5 Cu durch Infiltrierung
versehen, um eine Härte von HRC 39 vorzusehen, und zwar im Vakuum zur Anwendung
eines Elektronenstrahls und durch Härten und Glühen der wiedergeschmolzenen Legierung.
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Die gesinterte Legierung war 1 mm dick. Die Fig. ist eine Mikrofotografie
(200-fache Vergrößerung) des Bereichs nahe der Verbindungsschicht, der mit einer
Marble-Flüssigkeit geätzt wurde. Es wird nun auf die Fig. Bezug genommen; die Probe
umfaßt einen unteren Abschnitt 1 aus einer wiedergeschmolzenen Legierungsschicht,
eine Verbindungsschicht 2, eine durch Wärmewirkung herbeigeführte Schicht 3 und
ein Grundmaterial 4. Die Probe wurde einer Oberflächenbehandlung unterzogen; nachfolgend
wurde die Oberflächenhärte gemessen und betrug, wie herausgefunden wurde, HV 610.
Ein Punkt 0,1 mm unter der Oberfläche wies eine Härte von HV 590 auf, der Abschnitt
der Verbindungsschicht wies eine Härte von HV 480 auf, und die durch Wärmewirkung
hervorgerufene Schicht hatte eine Härte von HV 405.
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Das erfindungsgemäße verschleißbeständige Teil zur Verwendung in einem
Verbrennungsmotor weist dahingehend Vorzüge auf, daß die Oberfläche eine hohe Härte
aufweist,
die Verbindungsstärke durchaus ausreichend ist, die Formbarkeit
hiervon hervorragend ist, kaum irgendeine Unebenheit auftritt, die Struktur mühelos
in Abhängigkeit von dem Typ des gegenüberliegenden Materials kontrolliert werden
kann und die Verschleißfestigkeit, Fähigkeit zur Herstellung und der Anwendung hiervon
hervorragend sind.
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Somit ist das erfindungsgemäße, verschließbeständige Teil höchst geeignet
zur Verwendung als ein Gleitteil in einem Verbrennungsmotor.
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Bei der praktischen Ausführung der Erfindung ist auch eine Wärmebehandlung
und die Anbringung von Nuten oder Löchern im Grundmaterial erforderlich, wodurch
die gesinterte Legierung in das Grundmaterial eingepaßt wird.
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