DE3249505C2 - Verfahren zur Herstellung abn}tzungsbest{ndiger Teile auf Eisenbasis - Google Patents
Verfahren zur Herstellung abn}tzungsbest{ndiger Teile auf EisenbasisInfo
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Description
- Kipphebel, Buchsen für Ventile und andere Teile mit hoher Beanspruchung für Motoren sind typischerweise aus einem festen Material gefertigt. Im Fall von Kipphebeln bestanden sie üblicherweise aus Gußeisen. Diese Eisenteile erforderten eine kostspieliege Nachbehandlung, um die Abnutzungseigenschaften zu verbessern. Es wurden bereits andere Materialien anstelle der feste Gußstücke eingesetzt, beispielsweise Blechmetallstanzstücke. Die Ersatzmaterialien zeigten jedoch eine hohe Abnutzung zusammen mit einer niedrigen Festigkeit und einer niedrigen Dauerhaftigkeit.
- In den letzten Jahren wandten sich die Fahrzeughersteller den pulvermetallurgisch gefertigten Teilen mit der Hoffnung einer Verringerung der Bearbeitungskosten zu, waren jedoch nicht in der Lage, mit derartigen Teilen eine hohe Abnutzungsbeständigkeit zu erzielen. Sie ordneten somit diese Teile Anwendungsgebieten von niedriger bis mäßiger Abnutzungsbeanspruchung zu.
- Es wurden auch Überzüge auf pulvermetallurgisch gefertigte Teile aufgetragen, um die Oberflächenbedingungen zu verbessern, jedoch umfaßten in jedem Fall die Verfahren mehrfache Sinterungsstufen mit zwischengeschalteten Überzugsstufen, wobei die Überzüge nicht von besonders niedrigen Reibungseigenschaften waren und typischerweise Kupfer, Zinn, Zink und Blei enthielten, wozu auf die US-PS 36 84 498 und 22 99 192 verwiesen wird.
- Zur Auftragung metallischer Deckschichten wird üblicherweise das kostenaufwendige Plasmaspritzen eingesetzt. Leider besitzen diese an Ort und Stelle gegossenen Überzüge nicht die notwendigerweise aufrechterhaltene erfolgreiche Haftung im Betrieb und zeigen den Fehler einer Entschichtung.
- Weiterhin geht aus der US-PS 39 29 476 hervor, ein Metallpulver, vorzugsweise Wolfram mit einem thermoplastischen Binder zu versetzen, die Mischung zu vermahlen und nach isostatischem Pressen und weiterem Sintern den erhaltenen porösen Körper mit einer Kupferschmelze zu infiltrieren. Dabei können beosnders kompliziert geformte Teile erzeugt werden. Die US-PS 41 58 689 schlägt vor, beispielsweise zur Herstellung von gesinterten Edelstahlteilen, bei der Herstellung der Vorform ein Blockpolymer mit einem Plastifizierer zu verwenden, welcher beim anschließenden Sintern vergast. Des weiteren ist allgemein aus der US-PS 27 75 531 bekannt, metallische Gegenstände zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit, der Oxydationsbeständigkeit sowie zur besseren thermischen Isolierung mit einem Überzug zu versehen, der in wäßriger Aufschlämmung beispielsweise Tonerde oder Siliciumcarbid zusätzlich zu einem metallischen Binder enthält. Dieser Überzug kann aufgesprüht werden, er wird nach Trocknen mit dem Metallkörper versintert.
- Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines einfachen Verfahrens zur Herstellung abnutzungsbeständiger Teile auf Eisenbasis.
- Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von abnutzungsbeständigen Teilen auf Eisenbasis durch Formung a) eines einheitlichen Gemisches aus einem Pulver auf Eisenbasis und einem thermoplastischen Bindermaterial zu einem kompakten Formteil, b) Erhitzen des kompakten Formteils zur Entfernung des Bindermaterials und zur teilweisen Sinterung des Gemisches zu einer Festigkeit im Bereich von 70 bis 565 · 10&sup5; Pa, c) Hinzufügen eines dritten Materials zur Tränkung und d) durch abschließenden Sintern, angegeben, wobei beim ersten Sintern eine Porosität von 20 bis 40% zumindest entlang des äußeren Bereiches des Teiles eingestellt wird und daraufhin eine Abscheidung einer fließfähigen Suspension von abnutzungsbeständigen Pulverteilchen auf mindestens eine ausgewählte Oberflächenzone des teilweise gesinterten Formteils erfolgt, so daß die Teilchen diese Zone überziehen und in den Oberflächenbereich der Zone eindringen.
- Vorteilhafterweise werden das Pulver auf Eisenbasis und der Binder in einem Verhältnis von etwa 70/30 Gew.-% vermischt. Vorteilhafterweise werden als eisenhaltiges Pulver Teilchen eines Stahls, bestehend aus 0,98 bis 1,10%C, 0,25 bis 0,45% Mn, max. 0,025% P, max. 0,025% S, 0,2 bis 0,35% Si, 1,30 bis 1,60% Cr, Rest Fe, verwendet. Besonders günstig ist die Verwendung eines Gemisches mit zumindest 35%-Volumenfraktion einer Teilchengröße kleiner als 0,044 mm, wobei vorzugsweise ein Gemisch mit einer Teilchengröße von
3 bis 5% größer als 0,10 mm
20 bis 30% 0,10 µm bis 0,062 mm
15 bis 25% 0,062 bis 0,053 mm
15 bis 20% 0,053 bis 0,044 mm
35% kleiner als 0,044 mm
verwendet wird. - Bevorzugt wird das Gemisch durch mechanisches Vermischen des Pulvers und des thermoplastischen Bindermaterials während 15 bis 30 Minuten bei einer Temperatur von 150° bis 158°C hergestellt.
- Günstig ist es, wenn das Gemisch zu Pellets vorgeformt wird.
- Das erste Erhitzen wird im Bereich von 926° bis 1177°C während 15 bis 30 Minuten durchgeführt, wobei vorteilhafterweise das erste Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird, wobei der gesamte Aufheizungszeitraum etwa 2 bis 6 Stunden beträgt. Als günstige Ausführungsform erwies es sich, daß das erste Erhitzen in Teilbeträgen mit einer ersten Erhöhung von Raumtemperatur auf 150°C während 1 Stunde, einer zweiten Erhöhung von 150°C auf 232°C während 1 Stunde, einer dritten Erhöhung von 232°C auf 925°C während 2 Stunden und einer letzten Erhöhung von 925°C auf 1177°C während einer ¼ Stunde ausgeführt wird.
- Als abnutzungsbeständige Pulverteilchen werden bevorzugt solche aus einem Material mit einem Härtewert von mindestens RC 55, einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 6,6 × 10-6 cm/cm/°C und einem Reibungskoeffizienten von weniger als 0,1 gegen geöltes Gußeisen oder gehärteten Stahl verwendet.
- Bevorzugt sind die Ausführungsformen, wo die Abscheidung der Suspension durch Aufsprühen einer wäßrigen Aufschlämmung der abnutzungsbeständigen Teilchen durchgeführt wird oder die Abscheidung der Suspension durch Eintauchen des teilweise gesinterten Formteils in eine die abnutzungsbeständige Teilchen enthaltende Aufschlämmung durchgeführt wird. Allgemein wird die Suspension in einer Überzugsdicke von 50 bis 510 µm abgeschieden.
- Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß abnutzungsbeständige Teilchen aus der Gruppe von Cr&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3; und SiC zusammen mit einem Bindermaterial bis zu 10% auf der Basis von Nickel oder Kobalt verwendet werden. Vorzugsweise wird die Abscheidung in aufeinanderfolgenden Anteilen ausgeführt, wobei der abschließende Anteil eine Gesamtdicke von 0,25 mm ergibt. Als günstig erwies es sich, daß abnutzungsbeständige Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 µm oder weniger, insbesondere abnutzungsbeständige Teilchen, die aus einer Legierung aus, auf das Gewicht bezogen, 45 bis 70% Kobalt, 28 bis 48% Molybdän, 2 bis 10% Si und 0,5 bis 10% Cr bestehen, verwendet werden.
- Vorteilhafterweise erfolgt die zweite Erhitzung durch rasches Erhitzen auf 1093°C und Halten während 15 bis 30 Minuten und anschließende Steigerung auf eine Temperatur von 1150°C während 1 Stunde. Das zweite Erhitzen wird günstigerweise in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von -56°C durchgeführt.
- Fig. 1 ist eine Ansicht eines Bruchschnittes eines Teiles eines Motors, der die Anwendung eines abnutzungsbeständigen Teiles auf Eisenbasis zeigt, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, nämlich die Reibflächen eines Kipphebels 10.
- Die Abnutzungsflächen auf dem Hebel 10, der in bewegte Oberflächen eingreift, umfassen die äußere Oberfläche 19 und die inneren Oberflächen 20 und 21.
- Im speziellen wird die erste Stufe zur Formung und Bildung eines kompaktierten Formteils vorzugsweise durch Vermischen eines Stahlpulvers von einer Teilchengröße, die mindestens eine 35%-Volumenfraktion von kleiner als 0,044 mm hat, durchgeführt. Eine typische Siebanalyse eines derartigen Stahlpulvers besteht im allgemeinen aus 3 bis 5% mit größer als 0,10 mm, 20 bis 30% mit 0,10 mm bis 0,062 mm, 15 bis 20% mit 0,062 bis 0,053 mm, 15 bis 20% mit 0,053 bis 0,044 mm und mindestens 35% mit kleiner als 0,044 mm. Das Stahlpulver ist mit einem Bindermaterial in einem Anteil vorzugsweise von 70/30 Gew.-% vermischt. Der Binder kann vom organischen Typ sein, wie er in der US-PS 41 58 689 aufgeführt ist.
- Für Zwecke der bevorzugten Ausführungsform wird ein Binder verwendet, der im wesentlichen aus 50 Vol.-% eines Blockpolymeren, welches ein thermoplastisches Elastomeres darstellt, 16,7% eines Blockpolymeren zur Verbesserung der Festigkeit und 33,3% Plastifizierer besteht.
- Das Gemisch wird zur Konsistenz eines Teiges verarbeitet und pelletisiert. Die Verarbeitung kann in einem Banbury-Mischer während 15 bis 30 Minuten bei einem Temperaturniveau von etwa 150 bis 158°C durchgeführt werden. Die Pelletisierung kann in einem üblichen Pelletisierer durchgeführt werden, worauf zu Schnitzel von etwa 3,2 bis 6,4 mm nach der Abkühlung zerschnitten wird. Das geschnitzelte Material wird dann zu Strängen von 3,2 mm Durchmesser extrudiert und zu Längen von 3,2 mm geschnitzelt. Dieser Arbeitsgang wird mindestens zweimal wiederholt, um eine einheitliche Vermischung sicherzustellen. Die Schnitzel mit 3,2 mm Durchmesser und 3,2 mm Länge werden dann als Vormaterial in die Form eingeführt. Die Form ist so gestaltet, daß sie eine geeignete Toleranz zum Ausgleich für die Glühschrumpfung, rasches Erhitzen, Dampfentfernung und rasche Abkühlung zur Erleichterung des Auswurfes aus der Form ergibt.
- Die zweite Stufe betreffend die teilweise Sinterung wird durchgeführt, indem auf 926 bis 1177°C in Stickstoffatmosphäre erhitzt und 15 bis 30 Minuten gehalten wird. Ein typischer Heiz- und Kühlkreislauf für diese Stufe umfaßt die folgenden Bestandteile: (a) Erhitzen von Raumtemperatur auf 150°C in 1 Stunde, (b) Erhitzen von 150°C auf 232°C für 1 Stunde, (c) Erhitzen von 232 bis 1065°C während 2 Stunden und (d) Erhitzen von 1065°C auf 1150°C während 15 Minuten. Das geformte Material wird dann rasch auf Raumtemperatur abgekühlt. Die frühen Stufen dieses Kreislaufes bewirken die Entfernung des Bindermaterials und die letzte Stufe dient zur teilweisen Sinterung des geformten Formteils. Es ist wichtig, auszuführen, daß das Erhitzen dieser Stufe Sinterungstemperaturen von 980 bis 1177°C erreicht, daß jedoch der Formteil an derartige Temperaturen während eines Zeitraums, welcher kurz ist, d. h. 10 bis 30 Minuten und vorzugsweise 10 bis 20 Minuten, ausgesetzt ist. Somit wird lediglich eine teilweise Sinterung zu einer Festigkeit von etwa 70 bis 565 · 10&sup5; Pa erzielt.
- Alternativ kann das Binderaterial in einem getrennten Heizarbeitsgang entfernt werden, falls dies vorteilhaft erscheint. In einem derartigen Fall wird die Entfernung erreicht, indem in Stickstoffatmosphäre auf etwa 815°C erhitzt wird und während mindestens ½ Stunde bei dieser Temperatur gehalten wird, worauf rasch abgekühlt wird. In vielen Fällen verlieren jedoch die geformten Teile nach einem derartigen Binderentfernungsverfahren die ausreichende Festigkeit für die Handhabung. Dies ist in Fällen erlaubt, wo keine anschließende maschinelle Bearbeitung vor der vollständigen Sinterung erforderlich ist, wie zum Beispiel dem in Fig. 1 gezeigten Kipphebel 10.
- Die dritte Stufe der Abscheidung der Teilchen wird vorzugsweise durchgeführt, indem eine verdünnte wäßrige Aufschlämmung, welche harte abnutzungsbeständige Teilchen eines Materials mit einer Härte von mindestens 55 RC, einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 6,6 × 10-6 cm/cm/°C und einem Reibungskoeffizienten von weniger als 0,1 gegen geöltes Gußeisen oder gehärteten Stahl umfaßt, aufgesprüht wird. Das Sprühen wird zur Sicherstellung einer bestimmten Dicke in dem überzogenen Oberflächenbereich ausgeführt, wobei eine Absorption erlaubt wird. Alternativ kann die Abscheidung durchgeführt werden, indem das Formstück in eine Aufschlämmung dieser Teilchen eingetaucht wird.
- Die abnutzungsbeständigen Teilchen können aus der Gruppe von Cr&sub2;O&sub3;, SiC, Al&sub2;O&sub3; gewählt werden und umfassen ein Bindermaterial bis zu 10 Gew.-% auf der Basis von Kobalt, Nickel oder anderen Lotmaterialien. Alternativ können die Teilchen aus einer Legierung bestehen, die im wesentlichen, auf das Gewicht bezogen, aus 45 bis 70% Kobalt, 28 bis 48% Molybdän, 2 bis 10% Silicium und 0,5 bis 10% Chrom bestehen. Die abnutzungsbeständigen Teilchen können eine durchschnittliche Teilchengröße von 10 µm oder weniger oder günstigerweise 3 bis 5 µm besitzen.
- Die Teilchen des Überzugs können für die Auftragung durch Kugelvermahlen unter Anwendung von Siliciumcarbid oder chromhaltigen Stahl als Mahlmedien zusammen mit etwa 0,5 g Methylcellulose auf 100 g der Teilchen in 100 ccm Wasser hergestellt werden. Das Kugelvermahlen kann während etwa 15 bis 30 Minuten ausgeführt werden, um ein einheitliches Vermahlen und Vermischen zu ergeben.
- Der Überzug kann in Anteilen abgeschieden werden mit einem ersten Anteil von etwa 12,7 µm, worauf dann getrocknet wird und die anderen Anteile wiederholt aufgebracht werden, bis etwa eine Dicke im Bereich von etwa 50 bis 510 µm, vorzugsweise 127 bis 510 µm oder andere geeignete Dicke zur Anwendung erreicht ist. Im Fall der Kipphebel wurde eine Dicke von etwa 250 µm mit 5 Gew.-% eines Nickel/Chrom-Lotbinders erhalten. Die durchschnittliche Teilchengröße dieser Aufschlämmung im frisch abgeschiedenen Zustand betrug etwa 8 µm. Unter Anwendung der als Teil der Erfindung ausgewählten Materialien zeigten diese überzogenen Oberflächen sich von ausreichend glattem Aufbau nach der Trocknung in einem Ofen, und sie besaßen eine ausreichende Festigkeit, um der Handhabungsreihenfolge, insbesondere während der anschließenden Sinterung, zu widerstehen.
- Vorteilhafterweise wird in der letzten Stufe der Sinterung im Bereich von 926 bis 1177°C die Sinterung der überzogenen Teilchen vorzugsweise in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt -56°C) durch rasches Erhitzen auf 1095°C und Halten während 15 bis 20 Minuten, und anschließender Steigerung der Temperatur des Sinterungsofens auf 1177°C und Halten während mindestens einer halben Stunde, vorzugsweise etwa 1 Stunde, durchgeführt. Die gesinterten Formteile werden dann langsam auf Raumtemperatur während eines Zeitraums von etwa 4 bis 10 Stunden abgekühlt. Ein längerer Abkühlzeitraum ist erforderlich, insbesondere im Fall von Überzugsstärken, die 127 µm übersteigen, um ein Abschülpen zu vermeiden. Für Teile mit einer Überzugsdicke von weniger als 127 µm kann die Abkühlfolge modifiziert werden, indem die Abkühlzeit auf 1 bis 2 Stunden verringert wird.
Claims (21)
1. Verfahren zur Herstellung von abnutzungsbeständigen Teilen auf Eisenbasis durch Formung eines einheitlichen Gemisches aus einem Pulver auf Eisenbasis und einem thermoplastischen Bindermaterial zu einem kompakten Formteil, Erhitzen des kompakten Formteils zur Entfernung des Bindermaterials und zur teilweisen Sinterung des Gemisches, Hinzufügen eines dritten Materials zur Tränkung und durch abschließendes Sintern, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten Sintern eine Porosität von 20 bis 40% zumindest entlang des äußeren Bereiches des Teiles eingestellt wird, daß daraufhin eine Abscheidung einer fließfähigen Suspension von abnutzungsbeständigen Pulverteilchen auf mindestens eine ausgewählte Oberflächenzone des teilweise gesinterten Formteils erfolgt, wobei die Teilchen diese Zone überziehen und in den Oberflächenbereich der Zone eindringen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver auf Eisenbasis und der Binder in einem Verhältnis von etwa 70/30 Gew.-% vermischt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als eisenhaltiges Pulver Teilchen eines Stahls, bestehend aus 0,98 bis 1,10%C, 0,25 bis 0,45% Mn, max. 0,025% P, max. 0,025% S, 0,2 bis 0,35% Si, 1,30 bis 1,60% Cr, Rest Fe, verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch mit zumindest 35%- Volumenfraktion einer Teilchengröße kleiner als 0,044 mm verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch mit einer Teilchengröße von
3 bis 5% größer als 0,10 mm
20 bis 30% 0,10 µm bis 0,062 mm
15 bis 25% 0,062 bis 0,053 mm
15 bis 20% 0,053 bis 0,044 mm
35% kleiner als 0,044 mm
verwendet wird.
20 bis 30% 0,10 µm bis 0,062 mm
15 bis 25% 0,062 bis 0,053 mm
15 bis 20% 0,053 bis 0,044 mm
35% kleiner als 0,044 mm
verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch mechanisches Vermischen des Pulvers und des thermoplastischen Bindermaterials während 15 bis 30 Minuten bei einer Temperatur von 150° bis 158°C hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch zu Pellets vorgeformt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Erhitzen im Bereich von 926° bis 1177°C während 15 bis 30 Minuten durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird, wobei der gesamte Aufheizungszeitraum etwa 2 bis 6 Stunden beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Erhitzen in Teilbeträgen mit einer ersten Erhöhung von Raumtemperatur auf 150°C während 1 Stunde, einer zweiten Erhöhung von 150°C auf 232°C während 1 Stunde, einer dritten Erhöhung von 232°C auf 925°C während 2 Stunden und einer letzten Erhöhung von 925°C auf 1177°C während einer ¼ Stunde ausgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als abnutzungsbeständige Pulverteilchen solche aus einem Material mit einem Härtewert von mindestens RC 55, einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 6,6 × 10-6 cm/cm/°C und einem Reibungskoeffizienten von weniger als 0,1 gegen geöltes Gußeisen oder gehärteten Stahl verwendet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Suspension durch Aufsprühen einer wäßrigen Aufschlämmung der abnutzungsbeständigen Teilchen durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Suspension durch Eintauchen des teilweise gesinterten Formteils in eine die abnutzungsbeständigen Teilchen enthaltende Aufschlämmung durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension in einer Überzugsdicke von 50 bis 510 µm abgeschieden wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß abnutzungsbeständige Teilchen aus der Gruppe von Cr&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3; und SiC zusammen mit einem Bindermaterial bis zu 10% auf der Basis von Nickel oder Kobalt verwendet werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung in aufeinanderfolgenden Anteilen ausgeführt wird, wobei der abschließende Anteil eine Gesamtdicke von 0,25 mm ergibt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß abnutzungsbeständige Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 µ oder weniger verwendet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abnutzungsbeständige Teilchen verwendet werden, die aus einer Legierung aus, auf das Gewicht bezogen, 45 bis 70% Kobalt, 28 bis 48% Molybdän, 2 bis 10% Si und 0,5 bis 10% Cr, bestehen.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Erhitzung durch rasches Erhitzen auf 1093°C und Halten während 15 bis 30 Minuten und anschließende Steigerung auf eine Temperatur von 1150°C während 1 Stunde durchgeführt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Erhitzen in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von -56°C durchgeführt wird.
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