DE3490361C2 - Verwendung einer verschleißfesten gesinterten Legierung auf Eisenbasis - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer verschleißfesten gesinterten Legierung auf Eisenbasis, die als Material für bewegliche Teile eines Ventilmechanismus in einer geschlossenen Verbrennungskraftmaschine.

Der Ventilmechanismus einer geschlossenen Verbrennungskraftmaschine muß einer hohen Betriebsbelastung standhalten. Insbesondere bewegliche Teile des Ventilmechanismus, wie z. B. eine Nockenwelle und ein Ventilbetätigungshebel, müssen hohen Flächendrucken standhalten. Einige Legierungen auf Eisenbasis aus gesintertem Pulver wurden als Material für bewegliche Teile getestet, nicht nur um die vorgenannten Anforderungen zu erfüllen, sondern auch um das Gewicht der Kraftmaschine zu reduzieren.

Ein solches Material, welches eine Zusammensetzung von 2,5 bis 7,5 Gew.-% Chrom, 0,1 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.-% Lithium, weniger als 3,0 Gew.-% Molybdän und der verbleibende Teil Eisen, aufweist, ist in der JP-A 56-12 353 offenbart. Die maschinelle Verarbeitbarkeit (spanabhebende Bearbeitbarkeit) ist jedoch nicht immer zufriedenstellend, da das Material mehr als 2,5 Gew.-% Chrom enthält.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verwendung einer gesinterten Eisenlegierung, deren maschinelle Bearbeitbarkeit (spanabhebenden Bearbeitbarkeit) den bekannten Materialien überlegen ist, als Material für bewegliche Teile in einer Verbrennungskraftmaschine vorzuschlagen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine verschleißfeste bzw. abriebbeständige gesinterte Eisenlegierung mit Gehalten von (jeweils in Gewichtsprozent) 1,5 bis 2,5% Kohlenstoff, 0,5 bis 3,0% Silicium und 0,2 bis 0,6% Phosphor und von mehr als 0 bis 1% Mangan verwendet wird. Gemäß verschiedener bevorzugter Ausführungsformen enthält die Legierung 1,0 bis 4,0 Gew.-% Kupfer und/oder eines oder mehrere Metalle aus der Gruppe Molybdän, Nickel und Chrom in einer Menge von weniger als 2,0 Gew.-%.

Der Grund für einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 1,5 bis 2,5 Gew.-% liegt darin, daß ein Gehalt von mehr als 2,5 Gew.-% Kohlenstoff nicht nur dazu führt, daß die Sinterkörper infolge eines Überschusses an freiem Graphit spröde werden, sondern daß auch die maschinelle Verarbeitbarkeit infolge der Bildung eines Überschusses von hochfestem eutektischem Fe-C-P-Steadit schlechter wird. Andererseits führt ein Anteil von weniger als 1,5 Gew.-% C zur Ausfällung einer unzureichenden Menge von Zementit und Steadit, welcher einen niedrigen Erstarrungspunkt hat und die Bildung einer flüssigen Phase fördert, so daß die Sinterkörper weder eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit noch eine Verbesserung der Bildung einer flüssigen Phase bei der Sinterung aufweisen. Daher ist die Menge an C auf den Bereich von 1,5 bis 2,5 Gew.-% beschränkt.

Der Grund für einen Si-Anteil im Bereich von 0,5 bis 3,0 Gew.-% liegt darin, daß ein Si-Gehalt von mehr als 3,0 Gew.-% dazu führt, daß die Legierungspulver weniger gut verpreßbar sind, daß die Sinterkörper während des Sinterns stärker deformierbar sind, und daß die Legierungsmatrix spröde wird. Silicium ist jedoch ein wichtiger Bestandteil für die Bildung einer flüssigen Phase, wenn der C- und P-Gehalt relativ gering ist, so daß der Si-Gehalt nicht unter 0,5 Gew.-% liegen sollte.

Der Grund für einen Phosphor-Gehalt in einem Bereich von 0,2 bis 0,6 Gew.-% liegt darin, daß ein Anteil von mehr als 0,6 Gew.-% P durch eine übermäßige Erzeugung von Steadit zu einer Versprödung und einer Verschlechterung der maschinellen Verarbeitbarkeit führt. Ist der Gehalt an P jedoch weniger als 0,2 Gew.-%, führt die Ausfällung einer unzureichenden Menge an Steadit dazu, daß sich nicht leicht eine flüssige Phase bei der Sinterung ergibt und damit die Bindungseigenschaft verschlechtert wird.

Der Grund dafür, daß mehr als 0 bis 1,0 Gew.-% Mangan zugegeben wird, liegt darin, daß, obwohl Mangan eine Komponente zur Erhöhung der Festigkeit der Matrix ist, ein Gehalt von mehr als 1,0 Gew.-% Mangan die Preßbarkeit der Legierungspulver und die Sintergeschwindigkeit in einem solchen Ausmaß verringert, daß große Poren in der gesinterten Legierung zurückbleiben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Legierung zusätzlich zu den zuvor genannten Materialien Kupfer zugegeben. Kupfer erhöht die Festigkeit der Matrix und damit die Zugfestigkeit der Sinterteile.

Ein Gehalt von mehr als 4,0 Gew.-% Kupfer verursacht jedoch kein Schrumpfen, sondern eine Ausdehnung der mit flüssiger Phase gesinterten Teile. Andererseits hat ein Gehalt von weniger als 1,0 Gew.-% Kupfer keine Wirkung auf die Erhöhung der Festigkeit der Matrix und der Zugfestigkeit. Daher ist die Zugabe von Kupfer auf einen Bereich von 1,0 bis 4,0 Gew.-% beschränkt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Legierung mindestens eines der Metalle Mo, Ni und/oder Cr zugegeben, da diese Metalle die Festigkeit der Matrix erhöhen. Die Menge soll weniger als 2,0 Gew.-% betragen, da sich sonst die maschinelle Verarbeitbarkeit durch überschüssige Aufällung von Carbid und erhöhten Martensit- und Bainit-Gehalt in der Matrix verschlechtern würde.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung wird für bewegliche Teile nämlich für Nockenwellen und Ventilbetätigungshebel verwendet. Sie wird bei einer solchen Sintertemperatur gesintert, bei der eine flüssige Phase auftritt. Der Grün-Preßling aus der in Pulverform vorliegenden, erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung wird auf einen Grundkörper aufgezogen und fest mit diesem durch eine Sinterung in flüssiger Phase verbunden. So werden z. B. Nockenhöcker sinterbarer Legierungspulver lose auf eine Welle aus Stahlrohr aufgebracht und anschließend bei einer Temperatur gesintert, die eine flüssige Phase ergibt, wobei der Nockenhöcker stark verdichtet und fest mit der Welle verbunden wird.

Die erfindungsgemäß verwendete gesinterte Legierung auf Eisenbasis weist ein Gefüge auf, in der Zementit und Steadit als Netzwerk in der Matrix verteilt sind, wodurch sich eine hervorragende Verschleißfestigkeit ergibt. Die Legierungspulver werden leicht geformt und fest an den Grundkörper gebunden, woraus die Rentabilität der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung resultiert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Bilder und den Beispielen erläutert.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen 200-fach vergrößerten Aufnahmen des Gefüges der erfindungsgemäß verwendeten Legierung, wobei die Bezugszeichen A, B und C eine Perlit-, Carbid- bzw. Bainit-Matrix bedeuten.

Beispiele 1-5

In den Beispielen 1-5 wurden die entsprechenden Komponenten dem Pulver der Eisenbasis zugegeben und mit Zink- Stearat vermischt. Die Mischung wurde jeweils unter einem Druck von 400 MPa bis 600 MPa verdichtet und anschließend bei einer Temperatur von 1100 bis 1200°C in einem Ofen in einer Atmosphäre aus gecracktem Ammoniak gesintert. Die Zusammensetzung der Legierungen der Beispiele 1-4 und deren Härte und Dichte sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle 1

Die gesinterten Legierungen der Beispiele 1 bis 3 sind als Mikrographie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, wobei alle ein Gefüge haben, in der Zementit und Steadit B, die weiß erscheinen, als Netzwerk über eine Perlit-Matrix A, die schwarz erscheint, verteilt sind, wobei sich eine Härte HRB von mehr als 100 und eine Dichte von mehr als 6,70 g/cm³ ergibt. Andererseits hat das Sinterteil von Beispiel 4 (mikrographisch in Fig. 5 dargestellt) eine solche Struktur, daß die weißen Carbide B als Netzwerk über die schwarze Bainit-Matrix C verteilt sind, und die Härte HRB 118 und die Dichte 7,10 g/cm³ beträgt. Aus dem vorher Gesagten geht hervor, daß in allen Beispielen 1 bis 4 sehr harte Sinterteile mit hoher Dicht und hoher Verschleißfestigkeit erhalten werden, die hinsichtlich der maschinellen Verarbeitbarkeit den bisherigen Materialien überlegen sind, da sie keine oder nur geringe Anteile, wie Cr, enthalten, die die maschinelle Verarbeitbarkeit verschlechtern.

Claims (5)

1. Verwendung einer verschleißfesten Eisenlegierung, bestehend aus (in Gew.-%) Kohlenstoff: 1,5 bis 2,5%, Silicium: 0,5 bis 3,0%, Phosphor: 0,2 bis 0,6%, Mangan: mehr als 0 bis 1,0% und Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen: Rest, als pulverförmiger Werkstoff zur Herstellung von in flüssiger Phase gesinterten, beweglichen Teilen eines Ventilmechanismus einer geschlossenen Verbrennungskraftmaschine.

2. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß die Legierung zusätzlich 1,0 bis 4,0% Kupfer enthält.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß die Legierung zusätzlich bis zu weniger als 2,0% wenigstens eines der Metalle Molybdän, Chrom oder Nickel enthält.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß die Legierung für solche Sinterteile mit einer Sinterdichte von über 6,70 g/cm³ verwendet wird.

5. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für den Zweck nach Anspruch 1 oder 4, mit der Maßgabe, daß die Legierung für Sinterteile mit einer Härte von HRB über 100 verwendet wird.