DE3326548C2

DE3326548C2 - Verschleißfester Sinterstahlkörper, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung des Sinterstahlkörpers

Info

Publication number: DE3326548C2
Application number: DE3326548A
Authority: DE
Inventors: Shuji Yokohama Matsumoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1983-07-22
Publication date: 1985-08-29
Also published as: DE3326548A1; US4501613A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines (verschleißfesten) Sinterkörpers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein grüner (ungesinterter) Preßling aus 5-60 Gew.-% eines chromhaltigen Ferrolegierungspulvers, 0,2-2 Gew.-% eines Graphitpulvers und einem im wesentlichen aus Eisenpulver bestehenden Rest(anteil) hergestellt wird, der grüne Preßling zur Bildung eines Sinterkörpers gesintert wird, der Sinterkörper nitriert wird und der nitrierte Sinterkörper mit Dampf behandelt wird. Der Sinterkörper kann vor der Dampfbehandlung einer Wärmebehandlung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre unterworfen werden. Die Erfindung betrifft auch einen nach diesem Verfahren hergestellten verschleißfesten Sinterkörper.

Description

Die Erfindung betrifft einen verschleißfesten Sinterstahlkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sinterstahlkörpers und die Verwendung des Sinterstahlkörpers.

Ein Rollkolbenverdichter wir<i üblicherweise bei einer Klimaanlage einer Schaufenstervitrine und dergleichen verwendet; ein solcher Verdichter besitzt den Aufbau gemäß Fig. 1, bei wekhem ein Rollkolben 2 in einem Zylinder 1 exzentrisch und in Berührung mit einem Schieber 3 umläuft Der Schieber 3 ist ständig gegen den umlaufenden Roülkolben 2 angedrückt und schwingt in Abhängigkeit von dessen Drehung, wobei er den Innenraum des Zylinders 1 unterteilt Zu diesem Zweck muß der Schieber 3 ein«: luftdichte Abdichtung herstellen und zudem eLi hohe Verschleißfestigkeit besitzen. Von besonderer Bedeutung ist dabei im allgemeinen der Verschleiß in den mit dem RollMben 2 und dem Zylinder 1 in Berührung stehenden Bereichen des Schiebers 3.

Die Schieber von Rollkolbenverdichtern werden daher meist aus einem Werkstoff verbesserter Verschleißfestigkeit hergestellt, beispielsweise aus Schnellarbeitsstahl oder aus eutektischem Graphit-Gußeisen bzw. -Grauguß. Die JP-AS 57-9421 (veröffentlicht am 22. 2. 1982) beschreibt ein Verfahren zur Dampfbehandlung eines Sintcrkörpers aus einem Pulver auf Eisenbasis, um dem Sinterkörper verbesserte Verschleißfestigkeit und Luftdichtheit zu verleihen.

Ein bei einer Klimaanlage in den Tropen verwendeter Rollkolbenverdichter muß speziell im Hochdrehzahlbetrieb oder im Betrieb mit wechselnden Drehzahlen unter besonders schwierigen Betriebsbedingungen arbeiten, so daß der Schieber eine höhere Verschleißfestigkeit besitzen muß als übliche Schieber für den reinen Hochdrehzahlbetrieb.

Ein herkömmlicher Schieber aus einem Gußwerkstoff oder einem Sinterkörper bietet jedoch nicht die für den Betrieb unter erschwerten Betriebsbedingungen erforderliche hohe Verschleiß- bzw. Abriebsfestigkeit und kann daher für viele praktische Anwendungsfälle nicht eingesetzt werden.

Aus der DE-OS 22 22 904 ist ein abriebfestes, selbstschmierendes Gleitelement auf der Basis von Eisen-Chrom mit mindestens oberflächlich gebildeten Nitriden oder Karbonitriden bekannt, um so gerade bei hohen Temperaturen einen möglichst geringen Abrieb zu gewährleisten. Auch ist aus der Norm Sint 06 (Wärmebehandlung von Sintermetallteilen), Ausgabe 1979, allgemein bekannt, daß durch eine Nitrierung und/oder Wasserdampfbehandlung von Sintermetallteilen auf Eisenbasis diesen eine verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberfläche verliehen werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sinterstahlkörper zu schaffen, der sich durch besonders hohe Verschleißfestigkeit auszeichnet, so daß er auch unter erschwerten ode.· ungünstigsten Betriebsbedingungen in ausreichendem Maß abriebfest bleibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Sinterstahlkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2 erfindungsgemäß durch die in dessen jeweiligem kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung des Sinterstahlkörpers, der insbesondere für einen Schieber in einem Rollkolbenverdichter einer Klimaanlage verwendbar ist, sind in den Patentansprüchen 3 und 4 angegeben.

Ein Preßkörper aus z. B. 5 bis 60 Gew.-% eines chromhaltigen Ferrolegierungspulvers, 0,2 bis 2 Gew.-% Kohlenstoffpulver und 1 bis 10Gew.-% Nickel bzw. 0,7 bis 5 Gew.-% Nickel, 0,7 bis 3 Gew.-% Kupfer und 03 bis 1 Gew,-% Molybdän als Rest wird gesintert, der Sinterstahlkörper wird nitriert und in Dampf behandelt.

Nach dem Nitrieren kann der Sinterstahlkörper vor der Dampfbehandlung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht eines Rollkolbenverdichters mit einem Schieber in Form eines Sinterstahlkörpers gemäß der Erfindung und

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verschleißfestigkeitsversuchs am Sinterstahlköper.

Im folgenden ist zunächst ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterstahlkörpers beschrieben.

Zunächst wird ein Rohmaterialpulver aus einem chromhaltigen Ferrolegierungspulver, Kohlenstoffpulver und Pulver aus Nickel oder aus Nickel, Kupfer und Molybdän hergestellt.

Ein Teil des Chroms im chromhaltigen Ferrolegierungspulver geht beim Sintern eine Bindung mit Kohlenstoff ein, so daß das Karbid im Sinterkörper dispergiert wird. Der restliche Teil des Chroms wird in der Matrix in Form einer festen Lösung (Mischkristall) eingeschlossen und verbessert die Härtungswirkung. Das Kühlen des Sinterstahlkörpers mit Luft nach dem Sintern führt dabei zur Bildung eines harten Martensits und verzögert das Erweichen der Martensitmatrix berm Tempern bzw. Anlassen durch Dampfbehandlung. Beim Nitrieren verbindet sich das Chrom mit dem Stickstoff unter Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Sinterstahlkörpers. Wenn die Menge des chromhaltigen Ferrolegierungspulvers 5 Gew.-% oder weniger beträgt, verbindet sich nur ein kleiner Teil davon mit Stickstoff unter Bildung einer harten Matrixphase. Wenn dagegen die Menge an Ferrolegierungspulver mehr als 60 Gew.-°/o beträgt, entsteht eine zu harte Matrixphase, die zu einer schwachen Bindung zwischen den Teilchen und zu erhöhter Sprödheit führt. Die Menge des chromhaltigen Ferrolegierungspulvers muß daher im Bereich von 5 bis 60 Gew.-% und bevorzugt im Bereich von 10 bis 45 Gew.-% liegen. Das chromhaltige Ferrolegierungspulver enthält 10 bis 30 Gew.-% Chrom; ein Beispiel für ein solches Pulver ist ein Pulver aus rostfreiem Stahl

Während des Sintervorgangs geht ein Teil des Graphitpulvers eine Bindung mit Chrom ein, wobei ein im Gefüge des Sinterstahlkörpers dispergiertes Karbid entsteht. Der restliche Teil des Kohlenstoffpulvers ist im Matrixgefüge in Form einer festen Lösung enthalten und bildet beim anschließenden Kühlvorga-r-i Martensit Wenn der Anteil an Kohienstoffpuiver weniger ais 0.2 Gew.-% beirägi, wird die angestrebte Wkkung nicht erzielt. Wenn dagegen der Anteil an Kohlenstoffpulver 2 Gew.-°/o übersteigt, wird der Sinterstahlkörper zu spröde, und er läßt sich nicht einwandfrei zum Preßkörper formen. Demzufolge muß die Menge bzw. der Anteil an Kohlenstoffpulver im Bereich von 0,2 bis 2 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 0,6 bis 1,5 Gew.-% liegen.

Die jeweiligen Bestandteile eines Eisen-Nickel-Kupfer-Molybdän-Legierungspulvers verleihen der Matrixstruktur Festigkeit und Zähigkeit Die Mengenanteile an den einzelnen Bestandteilen müssen in den folgenden Bereichen liegen:

0,7 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 3 Gew.-% Nickel;

0,7 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-% Kupfer, und 03 bis 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 bis 0,7 Gew.-% Molybdän.

Dieses Legierungspulver ist im Matrixgefüge enthalten und verleiht dem Sinterstahlkörper zweckmäßige Festigkeit und Zähigkeit

Da das Nickelpulver bei der Nitrierbehandlung nicht nitriert wird, dient f.3 zur Herstellung einer Bindung zwischen den Teilchen des Matrixgcfüges. Wenn der Anteil des Nickelpulvers unter 1 Gew.-9/o liegt, bleibt die Nickelzugabe wirkungslos. Wenn andererseits der Anteil des Nickelpulvers 10 Gew.-% übersteigt, nehmen die weiche Phase zu und die Verschleißfestigkeit ab. Der Anteil an Nickelpulver muß daher im Bereich von 1 bh 10 Gew.-°/o, bevorzugt von 3 bis 8 Gew.-% liegen.

Das Ausgangspulver wird zur Erzeugung eines Preßkörpers einer vorbestimmten Form unter einem Druck von (4 bis 6) · 10⁸Pa verdichtet. Der Preßkörpers wird zur Herste.iung eines Sinterstahlkörpers in reduzierender Atmosphäre bei 1100 bis 1300⁰C gesintert.

Danach wird der Sinterstahlkörper nitriert. Das Nitrieren erfolgt 15 bis 120 min lang bei 500 bis 7C0°C in einer 30. bis 60 Vol-% Ammoniak enthaltenden Atmosphäre. Dabei entstehen Eisennitrid und Chromnitrid in im Matrixgefüge des Sinterstahlkörpers dispergierter Form, wodurch der Sinterstahlkörper Verschleißfestigkeit erhält.

Nach dem Nitrieren wird der Sinterstahlkörper mit Dampf behandelt, und zwar mit überhitztem Dampf eines Drucks von (0,1 bis 2) · ΙΟ⁵ Pa und einer Temperatur von 500 bis 650⁰C während einer Zeitspanne von 1 bis 4 h. Dabei entsteht in den offenen Poren des Matrixgefüges des Sinterstahlkörpers dispergiertes Eisenoxid, das die Verschleißfestigkeit des Sinterstahlkörpers verbessert und die offenen Poren verschließt. Der Anteil an offenen Poren wird dadurch auf 5% oder darunter verringert. Das Eisenoxid verbessert auch die Schmiermittel-Zurückhalteleistung. Bei der Durchführung der Dampfbehandlung wird im Matrixgefüge des Sinterstahlkörpers enthaltener Stickstoff dispergiert und in den Teilchen in Form einer f^ien Lösung (Mischkristall) eingeschlossen. Durch das Vorhandensein von Stickstoff wird der Sinterstahlkörper deutlich weniger spröde. Beim Nitrieren in die offenen Poren des Matrixgefüges des Sinterstahlkörpers eingedrungener ga. förmiger Stickstoff wirJ unter Bildung eines Nitrids an die Teilchen des Gefüges angelagert. Obgleich der an die Teilchen angelagerte Stickstoff die Härte dir Teilchen verbessert, beeinträchtigt er jedoch die Bindungskraft zwischen den Teilchen. Die Teilchen können sich daher trennen, was zu einem Abplatzen oder einer Versprödung des Sinterstahlkörpers führt. Zur Verhinderung dieser Erscheinung wird eine Dampfbehandlung durchgeführt, wobei der an die Teilchen angelagerte Stickstoff erhitzt und dann in Form einer festen Lösung in den Teilchen eingeschlossen wird. Wenn im Matrixgefüge Stickstoff dispergiert ist, besitzt der Sinterstahlkörper unabhängig von der Tiefe der Nitrierung eine gleichmäßige Härte. Infolgedessen wird eine Versprödung durch Nitrieren verhindert, vielmehr kann durch das Nitrieren eine hohe Verschleißfestigkeit erzielt werden.

Nach dem Nitrieren kann der Sinterstahlkörper vor der Dampfbehandlung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre wärmebehaiirielt werden. Die Wärmebehandlung kann 20 bis 120 min lung bei 1100 bis 1300⁰C in Wasserstoff oder Stickstoff durchgeführt werden. Dabei bilden sich Chromkarbid und -nitrid, welche die Härte und Verschleißfestigkeit dis Sinterstahlkörpers weiter erhöhen.

Der auf diese Weise hergestellte Sinterkörper besitzt ein zähes Matrixgefüge, ausgezeichnete Luftdichtheit

und geringe Sprödheit. Der Sinterstahlkörper besitzt mithin ausgezeichnete Verschleißfestigkeit für den Einsatz unter erschwerten Betriebsbedingungen. Er kann somit als Schieber eines Rollkolbenverdichters, als Flügel einer Flügelzellenpumpe, als Kipphebel bei einer Brennkraftmaschine oder dergleichen eingesetzt werden.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.

Beispiel 1

Ein Sinterstahlkörper wird wie folgt hergestellt: Es wird zunächst ein Ausgangspulver aus 40Gew.-% eines Ferrolegierungspulvers mit 13 Gew.-% Chrom (SUS 410L Pulver), 1,5 Gew.-% Kohlenstoff pulver, einem Rest

ίο aus Eisenpulver mit l,8Gew.-% Nickel, l,5Gew.-% Kupfer und 0,5Gew.-% Molybdän sowie 0,7 Gew.-% Zinkstearat als Bindemittel hergestellt. Das Pulver wird unter einem Formdruck von 6 ■ 10⁸ Pa verpreßt, wobei ein plattenförmiger Preßkörper einer Dicke von 5 cm erhalten wird. Dieser wird in Wasserstoffatmosphäre eines Taup'inkts von unter —20⁰C bei einer Temperatur von 1200⁰C gesintert und dann mit einer der Luftkühlung äquivalenten Kühlgeschwindigkeit abgekühlt. Anschließend wird der Sinterstahlkörper 30 min lang bei einer Temperatur von 600"C in einem Gemisch aus RX-Gas (CO), gasförmigen Ammoniak und gasförmigen Stickstoff nitriert. Nach dem Nitrieren wird der Sinterstahlkörper 3 h lang einer Dampfbehandlung mit überhitztem Dampf bei 5 · 10⁴ Pa und 600⁰C unterworfen; dabei wird ein erfindungsgemäßer Sinterstahlkörper 1 erhalten. Zu Vergleichszwecken wird ein Sinterstahlkörper auf dieselbe Weise (wie in Beispiel 1), jedoch ohne Nitrierung,

KcrgcSiciii.

Zum Vergleichen der Verschleißfestigkeitseigenschaften des Sinterstahlkörpers nach Beispiel I (Sinterkörper 1) und des Vergleichskörpers werden aus beiden Sinterstahlkörpern Prüflinge 4 gemäß F i g. 2 angefertigt. Eine aus eutektischem Graphit-Grauguß bestehende Drehscheibe 5 wird mit 210 U/min in Drehung versetzt und mit einem Druck von 250 N gegen jeden Prüfling 4 angedrückt, um seinen Verschleiß zu bestimmen. Zwischen jedem Prüfling 4 und der Drehscheibe 5 wird Schmiermittel vorgesehen. Wenn dabei der Verschleiß des aus dem

2Ί Vergleichskörper hergestellten Prüflings 4 mit !009-O zugrundegeleg! wird, ergibt sich beim erfindungsgemäßen Sinterstahlkörper nach Beispiel 1 ein Verschleiß von 60%. Der erfindungsgemäße Sinterstahlkörper zeigt somit einen nur geringen Verschleiß bzw. Abrieb und mithin im Vergleich zu einem nach einem bisherigen Verfahren hergestellten Sinterstahlkörper eine ausgezeichnete Verschleißfest .gkeit.

Wenn der erfindungsgemäße Sinterstahlkörper als Schieber eines unter erschwerten Betriebsbedingungen arbeitenden Rollkolbenverdichters benutzt wird, gewährleistet er eine ausgezeichnete Luftabdichtung bei nur sehr geringem Verschleiß bzw. Abrieb.

Beispiel 2

Ein Sinterstahlkörper gemäß der Erfindung wird auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß er nach dem Nitrieren und vor der Dampfbehandlung einer 30 min langen Wärmebehandlung hei 1200° C in Wasserstoff unterworfen wird. Der Sinterstahlkörper nach Beispiel 2 wird nach dem in F i g. 2 gezeigten Verfahren zusammen mit dem nach Beispiel 1 hergestellten Vergleichskörper auf Abrieb geprüft. Wenn der Verschleiß bzw. Abrieb des Vergleichssinterstahlkörpers mit 100% zugrundegelegt wird, beträgt der Verschleiß am Sinterstahlkörper nach Beispiel 2 nur 50%.

Beispiel 3

Sinterstahlkörper (Prüflinge 1 bis 5) gemäß der Erfindung und Vergleichskörper (Prüflinge 6 und T) werden auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt. Das Vorhandensein oder Fehlen von in Form einer festen Lösung eingeschlossenem Stickstoff bei jedem Prüfling wird mittels eines Elektronensonden-Mikroanalysators (EPMA) untersucht Die Messungen erfolgen bei einer Spannung von 10 kV und einem Strom von 2 χ 10~⁷ A. Die Bestrahlungsfäche des Prüflings beträgt 0,1 mm². Eine bei der Messung der Vickers-Härte der Chromkarbidphase geformte Eindrückung wird zur Messung der ΝΚΛ-Strahlung mit Röntgenstrahlung bestrahlt, um damit das Vorhandensein oder Fehlen von Stickstoff zu bestimmen. Die Ergebnisse finden sich in nachstehender Tabelle.

Tabelle ₅₅ Prüfling Nr.

60 2

3 4 5

65 6

Vickers-Härte	Rontgenstrahlungsdosis (cp
(mHV)
965	100 (deutlicher Peak)
739	26 (undeutlicher Peak)
739	10 (Peak vorhanden)
713	7 (Peak vorhanden)
666	21 (deutlicher Peak)
623	0
557	0

Wie aus obiger Tabelle hervorgeht, ist die Vickers-Härte der erfindungsgemäßen Sinterstahlkörper (Prüflinge
bis 5), bei denen Stickstoff in Form einer festen Lösung eingeschlossen ist, größer als bei den Vergleichskörpern 6 und 7, bei denen Stickstoff nicht in dieser Form eingeschlossen ist. Diese Tatsache be¹ ;r( die überlegenen
Eigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem der Sinterstahlköi per vor der Dampfbehandlung nitriert wird, hergestellten Sintcrstahlkörpers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

40 45

50 «I 55

65

Claims

Patentansprüche:

1. Verschleißfester Sinterstahlkörper mit maximal 30 Gew.-% Chrom, der durch Gasnitrieren gehärtet worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterstahlkörper neben 5 bis 60 Gew.-% Ferrolegierungspulver aus 10 bis 30 Gew.-% Chrom, 1 bis 10 Gew.-% Nickel und 0,2 bis 2% Kohlenstoff in Form von Chromkarbid und Martensit besteht

2. Verschleißfester Sinterstahlkörper mit maximal 30 Gew.-°/o Chrom, der durch Gasnitrieren gehärtet worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterstahlkörper neben 5 bis 60 Gew.-% Ferrolegierungspulver aus 13 bis 30 Gew.-% Chrom, 0,7 bis 5 Gew.-% Nickel, 0,7 bis 3 Gew.-% Kupfer, 03 bis 1 Gew.-%

ίο Molybdän und 0,2 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff in Form von Chromkarbid und Martensit besteht

3. Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten Sinterstahlkörpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nitrierte Sinterstahlkörper zusätzlich einer an sich bekannten Wasserdampfbehandlung unterzogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterstahlkörper nach dem Nitrieren, aber vor der Wasserdampfbehandlung einer Wärmebehandlung bei 1100 bis 1300⁰C in einer nichtoxidierenden Atmosphäre unterzogen wird.

5. Verwendung eines Sinterstahlkörpers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 als Schieber in einem Rollkolbenverdichter einer Klimaanlage.