DE3490361T1

DE3490361T1 - Verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis

Info

Publication number: DE3490361T1
Application number: DE19843490361
Authority: DE
Inventors: Hirakawa Yono Saitama Osamu; Urano Omiya Saitama Shigeru
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1983-08-03
Filing date: 1984-03-23
Publication date: 1985-08-22
Also published as: GB8506986D0; JPS6033343A; DE3490361C2; JPH0379428B2; GB2155037A; WO1985000835A1; GB2155037B

Description

Verschleißfeste gesinterte Legierung Eisenbasis

Die vorliegende Erfindung betrifft eine · verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis, die als Material für bewegliche Teile eines Ventilmechanismus in einer geschlossenen Verbrennungskraftmaschine verwendet wird.

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 Ei sen, aufweist, ist in derjP-A 56-12 353 offenbart Die maschinelle Verarbeitbarkeit (spanabhebende Bearbeitbarkeit)

ist jedoch nicht imitier zufriedenstellend, da das Material mehr als 2,5 Gew.% Chrom enthält.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gesinterte Eisenlegierung zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich der maschinellen Bearbeitbarkeit (spanabhebenden Bearbeitbarkeit) und der Verwendbarkeit als Material für bewegliche Teile in einer Verbrennungskraftmaschine den bekannten Materialien überlegen ist.

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, zur Verfügung gestellt wird. Gemäß verschiedener bevorzugter Ausführungsformen enthält die Legierung 1,0 Gew.% Mangan oder weniger und/oder 1,0 bis 4,0 Gew.% Kupfer und/oder eines oder mehrere Metalle aus der Gruppe Molybdän, Nickel und Chrom in einer Menge von 2,0 Gew.% oder weniger.

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 Legierung infolge eines Überschusses an freiem Graphit spröde wird, sondern auch die maschinelle Verarbeitbarkeit infolge der Bildung eines Überschusses von hochfestem eutektischem Fe-C-P-Eteadit 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, um die Bildung einer flüssigen Phase zu fördern, so daß die Legierung weder eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit noch eine Verbesserung der Neigung zur leichten Bildung einer flüssigen Phase bei der Sinterung aufweist. Daher ist die Menge an C auf den Bereich von 1,5 bis 2,5 Gew.% beschränkt, um eine geeignete Menge an

Zementit und Steadit auszufällen, um die Bildung der flüssigen Phase bei der Sinterung zu fördern und die maschinelle Verarbeitbarkeit der Legierung zu verbessern.

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 formbar sind, daß die Legierung, wenn sie gesintert wird, stärker deformierbar ist 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 der Legierung und einer Verschlechterung der maschinellen Verarbeitbarkeit führt. Ist der Gehalt an ρ jedoch weniger als 0,2 Gew.%, führt die Ausfällung einer unzureichenden Menge an Steadit dazu, daß die Legierung nicht leicht eine flüssige Phase bei der Sinterung ergibt, und damit die Bindungseigenschaft verschlechtert wird.

Der Grund dafür, daß gemäß einer bevorzugten Ausführungsform 1,0 Gew.% Mangan zugegeben wird, liegt darin, daß, obwohl Mangan eine Kompnente. zur Erhöhung der Festigkeit der Matrix ist, ein Gehalt von mehr als 1,0 Gew.% Mangan die Formungseigenschaften der Legierungspulver und die Sintergeschwin- digkeit in einem solchen Ausmaß verringert, daß große Poren in der gesinterten Legierung zurück bleiben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Legierung zusätzlich zu den zuvor genannten Materialien Kupfer zugegeben. Kupfer ist wirksam, um die Festigkeit der M.'ii fix und ilie Zug-bzw. Zerreißfestigkeit der Legierung zu

erhöhen. Ein Gehalt von mehr als 4,0 Gew.% Kupfer verursacht jedoch kein Schrumpfen, sondern eine Ausdehnung der in der flüssigen Phase gesinterten Legierung. 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 noch 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 sollte weniger als 2,0 Gew.%

betragen, da sich sonst die maschinelle Verarbeitbarkeit der Legierung durch überschüssige Ausfällung von Carbid und erhöhten Martensife- und Banit-Gehalt in der Matrix verschlechtern würde.

Die erfindungsgemäße Legierung wird vorzugsweise für bewegliche Teile von Nockenwellen und Ventilbetätigungshebeln verwendet und wird bevorzugt bei einer solchen Sintertemperatur gesintert, bei der eine flüssige Phase vorliegt. Die Vorform des Legierungspulvers wird nach Aufbringen auf den Grundkörper auf diesen 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 erfindungsgemäße gesinterte Legierung auf Eisenbasis weist eine Struktur 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 erfindungsgemäßen Le-

gierung resultiert.

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

Die Figuren 1 bis 5 stellen 200-fach vergrößerte Fotomikrographien dar, die die MikroStruktur der erfindungsgemäßen Legierung zeigen, wobei die Bezugszeichen A, B und C eine Pearlit-, Carbid- bzw. Banit-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 Kompressionsdruck in einem Bereich von 400 MPa bis

6 00 l-Ta verdichtet und anschließend bei einer Temperatur von 1100 bis 1200 ⁰C in einem Ofen in einer Atmosphäre aus gecracktem Ammoniak gesintert. Die Zusammenset-

2Q zung der Legierungen der Beispiele 1-5 und deren Härte und Dichte sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

	Tabelle	,8	,3	1	Bsp	. 2	0	Bsp	. 3	0	Bsp	. 4	5	Bsp	. 5	0
je Komponente	Bsp. 1	,2	,79			70			85			83			10
(Gew.%)		,4	2,	0		1,	8		1,	8		2,	0
C	1	,3	0,	8	1,	2	1,	2	1,	3
Si	1	,0	0,	45	0,	4	0,	45	0,	5
P	0	-	-		0,	3	0,	2	o,	5.
30 ^Mn	0	-	-		-		-		-
Cu	2	-	-		0,	8	-		o,	8
Mo		Rest	-		-		0,	6	-
Cr		104	-		-		-		1,	0
Ni		6		Rest		Rest		Rest		Rest
35 ^Fe		102,	104,	104,	118,
Härte (HRB)*	6,	6,	6,	7,
Dichte (g/cm )

* Härte HRB = Härte nach Rockwell-Brinell

Die gesinterten Legierungen der Beispiele 1 bis 4 sind als Mikrographie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt, wobei alle Legierungen eine Struktur haben, in der Zementit- und Steadit-Carbide B, die weiß erscheinen, als Netzwerk über eine Pearlit-Matrix A, die schwarz erscheint, verteilt sind und sich eine Härte von mehr als HRB 100 und eine Dichte von mehr als 6,70 g/cm ergibt. Andererseits hat die gesinterte Legierung von Beispiel 5 (mikrographisch in Figur 5 dargestellt) eine solche Struktur, daß die weißen Carbide B als Netzwerk über die schwarze Banit-Matrix C verteilt sind, und die Härte HRB 118 und die Dichte 7,10 g/cm beträgt. Aus dem vorher Gesagten geht hervor, daß in allen Beispielen 1 bis 5 sehr harte Legierungen mit hoher Dichte 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.

°ie erfindungsgemäße verschleißfeste Legierung auf Eisenbasis ist als Material für gleitende Teile, wie Nocken in einer Nockenwelle und Ventilstößel i_n einem Ventilbetätigungshebel, für die Verwendung in einer geschlossenen Verbrennungskraftmaschine geeignet.

Claims

BARDEHLE. PAGENBERG. DOSX AiLtPNBURG fc PARTNER RECHTSANWÄLTE ^ PATENTANWÄLTE - EUROPEAN*P>TeWt>TTORNEY6 JOCHEN PAGENBERG o« JUft.u μ makvmd HEINZ BARDEHLE dip>4.-«w& BERNHARD FROHWITTER o>*.-ms WOLFGANG A. DOST cm. oin-chem GÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH cxn. -ino «fm, UDO W. ALTENBURG POSTFACH B6O620. BOOO MÜNCHEN TELEFON (089)980361 TELEX S22791 pad d CABLE: PADBÜRO MÜNCHEN BÜRO: GALILEIPLATZ 1. 6 MÜNCHEN BO Datum 3. April 1985 K 6155 D/La/lri Patentansprüche

1. Verschleißfeste, in flüssiger Phase gesinterte Eisenlegierung, gekennzeichnet durch folgende Gehalte, jeweils in Gewichtsprozent: 1,5 bis 2,5 % Kohlenstoff,
0,5 bis 3.0 % Silicium und 0,2 bis 0,5 % Phosphor.

2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt von weniger: als 1,0 % Mangan.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt von 1,0 bis 4,0 % Kupfer.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet

durch einen zusätzlichen Gehalt von weniger als 2,0 % mindestens eines der Metalle Molybdän, VJoIfram oder Nickel.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Dichte von über 6,70 g/cm

6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Rockwell-Brinell Härte von über 100.

7. Verfahren zur Herstellung einer Eisenlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungsbestandteile bei Drücken von 400 bis 600 MPa verdichtet und anschließend bei Temperaturen von 1100 bis 1200⁰C in flüssiger Phase sintert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung in einer Ammoniak-Atmosphäre durchführt..

9. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,oder wie nach einem der Ansprüche 7 und 8 erhalten, als Material für bewegliche Teile eines Ventilmechanismus'

. in einer geschlossenen Verbrennungskraftmaschine.