DE3490454T1

DE3490454T1 - Verschleißfestes gesintertes Eisenlegierungsteil

Info

Publication number: DE3490454T1
Application number: DE19843490454
Authority: DE
Inventors: Umeha Tokio/Tokyo Genkichi; Hirakawa Osamu; Urano Omiya Saitama Shigeru; Takeguchi Yono Saitama Shunsuke
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1983-09-28
Filing date: 1984-03-23
Publication date: 1985-10-03
Also published as: GB8512929D0; US4863513A; GB2156851A; JPH0369983B2; JPS6070163A; WO1985001520A1; GB2156851B

Description

Verschleißfestes, gesintertes Eisenlegierungsteil

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verschleißfestes, gesintertes Legierungsteil, welches z.B. in einer geschlossenen Verbrennungskraftmaschine verwendet werden kann, und insbesondere ein gesintertes Legierungsteil, welches als Nockenhöcker in einer zusammengesetzten Nockenwelle (Verbund-Nockenwelle), die Nockenhöcker und Lagerzapfen aus einem in flüssiger Phase gesinterten Material aufweist, verwendet werden kann.

Ein gesintertes Legierungsteil, wie ein Nockenhöcker einer Nockenwelle, unterliegt während des Betriebes einem hohen Flächendruck und muß daher eine hohe Abriebbeständigkeit aufweisen. Um die Verschleißfestigkeitseigenschaften des gesinterten Legierungsteils zu verbessern, werden z.B. B, Cu, Nb und Vanadin zugegeben, um ein festes Präzipitat, das in der Matrix des Legierungsteils fein verteilt (dispergiert) ist, herzustellen. In anderen Fällen werden z.B. Molybdän und/oder Nickel zugegeben, um die Matrix zu härten. Dies führt jedoch zu einem Problem, da das erhaltene verschleißfeste gesinterte Legierungsteil das gegenüberliegende Element bei mangelnder Schmierung in dem anfänglichen Zeitraum, in dem kein ausreichender Ölfilm gebildet

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wird, um über die gesamte gleitende Oberfläche zu reichen, leicht abnutzt. Um das gegenüberliegende Element gegen diese Abnützung zu schützen, wurde versucht, die gleitende Oberfläche des verschleißfesten gesinterten Legierungsteils mit einem phosphathaltigen Film zu bedecken.

Falls das Teil jedoch aus einem Material hergestellt ist, welches einen relativ großen Anteil von Chrom und/oder Nickel enthält, ist es sehr schwierig, einen ausreichenden Phosphatfilm auf der gleitenden oberfläche zu bilden, was dazu führt, daß die phosphatierende Behandlung beim Schutz des gegenüberliegenden Elements gegen Abnützung unwirksam ist.

Die vorliegende Erfindung löst das zuvor beschriebene Problem und stellt ein verschleißfestes gesintertes Legierungsteil zur Verfügung, dessen gleitende Oberfläche in ausreichendem Maß mit einem phosphathaltigen Film beschichtet ist, wodurch das erfindungsgemäße Teil einen besseren Abnützungsschutz mit sich bringt als die bisher bekannten Materialien.

Um das zuvor beschriebene Ziel zu erreichen, wird gemäß der Erfindung ein verschleißfestes, gesintertes Legierungsteil zur Verfügung gestellt, welches 1,5 bis 3,5 Gew.% C; 0,3 bis 1,0 Gew.% P; 0,5 bis 3,0 Gew.% Mo und/oder W (berechnet als Mo); und als Rest Eisen enthält und dessen gleitende Oberfläche mit einem phosphathaltigen Film beschichtet ist. Der Umrechnungsfaktor von Wolfram ist 0,5, d.h. pro Teil Molybdän sind zwei Teile Wolfram erforderlich. Die Gründe für die Zugabe von C, P, Mo und W und die zugegebene Menge werden nachfolgend beschrieben.

Der Kohlenstoff liegt als feste Lösung in der Matrix vor,um die Festigkeit und die Verschleißbeständigkeit der Matrix zu erhöhen. Beträgt die Menge an Kohlenstoff weniger als

1,5 Gew.%, liegt zuwenig Zementit vor, um dem Teil ein gewünschtes Maß an Verschleißfestigkeit zu verleihen, übersteigt der Kohlenstoffgehalt 3,5 Gew.%, führt dies dazu, daß das Material des Legierungsteils bei zu niedrigen Temperaturen eine flüssige Phase ergibt und Graphit ausfällt, welcher das Material spröder macht.

Phosphor wird zugegeben, damit das Material des Legierungsteils leicht eine flüssige Phase ergibt. Beträgt die Menge an Phosphor weniger als 0,3 Gew.%,ist dies zu wenig, um eine leichte Bildung einer flüssigen Phase zu erreichen. Andererseits ist ein Gehalt von mehr als 1,0 Gew.% P nicht praktikabel. Der Grund liegt darin, daß das Material aufgrund überschüssigen gebildeten Steadits versprödet und das Teil einen zu großen Schrumpfungs- oder Deformationsgrad bzw. -geschwindigkeit aufweist.

Molybdän erhöht nicht nur die Festigkeit der Matrix, sondern verbessert auch die Abriebbestandigkeit durch Bildung eines harten Carbids. Beträgt die Menge an Molybdän weniger als 0,5 Gew.%, ist es fest im Steadit gelöst und wird zur Bildung eines quaternären Eutektikums verbraucht, wodurch keine Verfestigung der Matrix mehr möglich ist. Es werden nicht mehr als 3,0 Gew.% Molybdän benötigt, um die Matrix zu festigen und ein quaternäres Eutektikum zu bilden, das bei der Verbesserung der Abriebbeständigkeit wirksam ist.

Molybdän kann ganz oder teilweise durch Wolfram ersetzt werden, welches die gleiche Wirkung hat wie Molybdän, Letzteres entspricht in seiner Wirkung jedoch nur der Hälfte von Molybdän, d.h., daß ein Teil Mo durch zwei Teile W ersetzt werden sollte.

Das Legierungsteil, welches weder Nickel noch Chrom enthält, die beide nachteilig für die phosphatierende Be-

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handlung sind, weist eine ausreichend phosphatisierte Gleitfläche auf, um eine Abnutzung in der Anfangsperiode zu verhindern. Es enthält eine ausreichende Menge an Kohlenstoff, um die Matrix zu härten und Zusätze von Molybdän und/oder Wolfram, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern, wodurch es in hohem Maße verschleißfest ist, wenn es als Nockenhöcker einer Nockenwelle verwendet wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst werden durch ein Legierungsteil, welches eine solche Menge von mindestens einem der Metalle Ni, Cu und Cr enthält, die zu gering ist, um die ausreichende Bildung eines phosphathaltigen Films zu verhindern. Die Gründe für deren Zugabe und die zugegebene Menge werden nachfolgend beschrieben.

Nickel wird zugegeben, um die Matrix durch Bildung von Banit oder Martensit zu festigen. Beträgt die Menge an Nickel weniger als 0,5 Gew.%, nimmt die Festigkeit der Matrix nicht signifikant zu. Mehr als 5 Gew.% Nickel macht die Matrix in einem solchen Maße korrosionsbeständig, daß die Gleitfläche nicht mehr ausreichend von einem phosphathaltigen Film beschichtet wird, wodurch der wirksame Schutz gegen Abnützung verschlechtert wird. Daher ist die Menge an Nickel auf den Bereich von 0,5 bis 5,0 Gew.% begrenzt.

Kupfer, welches die gleiche Wirkung wie Nickel hat, kann ganz oder teilweise das Nickel ersetzen. Kupfer ist jedoch nur halb so wirksam wie Nickel. Dies heißt, daß Kupfer in der doppelten Menge zugegeben werden muß wie Nickel.

Chrom wird zugegeben, um die Abrxebfestigkeit durch Ausfällung eines Carbids zu erhöhen. Beträgt die Menge an Cr weniger als 0,3 Gew.%, ist die Erhöhung der Abriebbeständigkeit nicht signifikant. Beträgt die Menge an Chrom jedoch

mehr als 8 Gew.%, ist die Matrix zu korrosionsbeständig, um ausreichend phosphatiert zu werden, was dazu führt, daß der unzureichende phosphathaltige Film auf der Gleitfläche einen schlechteren Schutz gegen Abnützung bietet. Eine Kombination von Chrom und Nickel führt zu einer Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Matrix, die die geeignete Bildung eines phosphathaltigen Films verhindert. Daher darf die Menge an Chrom 7,0 Gew.% nicht überschreiten, falls das Legierungsteil sowohl Nickel als auch Chrom enthält.

Die Zugabe von weniger als 2,0 Gew.% von wenigstens einem der Elemente Nb, V und B verbessert die Abriebbeständigkeit der Matrix durch Härtung der Matrix und Ausfällung eines Carbids.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Legierungsteil mindestens 1,5 Gew.% Kohlenstoff, 0,5 bis 3,5 Gew.% P und mindestens eines der Metalle Molybdän und Wolfram in einer Menge von 0,5 bis 3,0 Gew.%,

berechnet als Molybdän (Umrechnungsfaktor für Wolfram: 0,5) und weist einen Phosphatüberzug an Gleitteilabschnitten auf. Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Elementen können 0,5 bis 5,0 Gew.% Nickel und/oder Kupfer, berechnet als Nickel (Umrechnungsfaktor für Cu: 0,5), 0,3 bis 8,0 Gew.% Chrom oder eines oder beide Metalle Nickel und Kupfer in einer Menge von 0,3 bis 0,7 Gew.%, berechnet als Nickel zusammen mit 0,3 bis 0,7 Gew.% Chrom enthalten sein.

oQ Im Vergleich zu einem konventionellen Legierungsteil, welches mindestens eines der Metalle Chrom und Nickel in einer solchen Menge enthält, daß verhindert wird, daß ein phosphathaltiger Film die Gleitfläche des Legierungsteils ausreichend bedeckt, eliminiert das verschleißfeste ge-

gr sinterte Legierungsteil gemäß der Erfindung entweder diese Metalle oder enthält sie in einer solch kleinen Menge, daß die Gleitfläche des Legierungsteils ausreichend mit einem phosphathaltigen Film beschichtet ist, ohne daß dies durch Nickel und/oder Chrom behindert wird. Obwohl das erfindungs-

gemäße Legierungsteil aus einem Material hergestellt ist, das eine relativ geringe Menge an Nickel und Chrom, die eine Verbesserung der Abriebfestigkeit bewirken, enthält, ist es aufgrund eines synergetischen Effekts der im Material des Legierungsteils enthaltenen Elemente in hohem Maße abriebbeständig. Die durch die vorliegende Erfindung gebotenen Vorteile liegen hauptsächlich darin, daß die Gleitfläche des Legierungsteils wirksam gegen Abnützung geschützt ist und daß das erfindungsgemäße Legierungsteil, entweder unter vollständigem Ausschluß von Nickel und Chrom oder einem relativ kleinen Gehalt dieser Metalle,

gleichwertig oder etwas besser als ein konventionelles abriebbeständiges gesintertes Legierungsteil, das einen relativ großen Anteil an Nickel und/oder Chrom enthält, ist. 15

Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung und der Beispiele erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Figuren 1 bis 4 200-fache SUMP-Mikrophotographien,die jeweils die

Gleitfläche der einzelnen verschleißfesten gesinterten

Legierungsteile, die nach den erfindungsgemäßen Beispielen erhalten wurden, darstellen; und

Figur 5 illustriert graphisch die Menge an Abrieb zwischen dem Nockenhöcker und dem Ventilbetätigungshebel an erf indungsge-

mäßen und Vergleichsbeispielen als Ergebnis eines

Motortests.
Beispiele

Es wird ein Test zum Vergleich zwischen den erfindungsgegemäßen und konventionellen verschleißfesten gesinterten Legierungsteilen durchgeführt.

Die Beispiele I bis IV beschreiben erfindungsgemäße Nockenhocker und Beispiel V einen Nockenhöcker aus einem herkömmlichen Legierungsteil, die alle die gleiche Dichte von 7,6 g/cm aufweisen. Die Zusammensetzung und die Härte jedes Materials sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Gleitfläche

wurde in jedem Beispiel phosphatiert, um mit einem phosphate haltigen Film beschichtet zu werden.Die Behandlung mit einer Behandlungsflüssigkeit, die eine chemische Umwandlung hervorruft, und Manganphosphat (140 g/l) enthält, wurde bei 96 ⁰C 60 Minuten lang durchgeführt. Wie in der 200-fachen Vergrößerung der SUMP-Mikrophotographien der Figuren 1 bis 4 erkenntlich, wird eine ausreichende Menge von weißen Phosphaten auf der Gleitfläche gebildet.

Tabelle 1: Nockenhöcker

Beispiel

Zusammensetzung (Gew.%)

Mo

Ni Cr

I^; ..;■:..:	2,	4	ο,	8	1	I	5	2,	5	—
II	2,	5	°r	5	1	,	5			-
III	2,	2	⁰J	4	1	I	0	2,	0	⁷I⁵
IV	2,	3	o,	6	1	t	0	2,	0	4,0
V	2,	1	⁰I	5	1	I	0		16,5

Härte HPC 44 57 53 54 58

Die nach den einzelnen Beispielen erhaltenen Legierungsteile wurden auf eine gemeinsame Nockenwelle eines Benzinmotors montiert und wie folgt getestet:

Testmotor: wassergekühlter Vierzylinder-Benzinmotor des

OHC-Typs mit einem Hubraum von 1800 cm . Testbedingungen: Umdrehungszahl: 1200 min

Schmieröl: SAE #30 Laufzeit: 100 Stunden

Ventilbetätigungshebel: gehärtetes Gußeisen

mit der in Tabelle 2 aufgeführten Zusammensetzung

Tabelle 2: Ventilbetätigungshebel

Zusammensetzung (Gew.%)

C Si Mn Ni Cr

3,3

0,7

0,3

0,9

Mo 0,5

Härte HRC 58

ö '4 V ■ f

Nach einem 100-stündigen Testlauf wurde die Menge an Abrieb beider Gleitflächen zwischen gegenüberliegenden Nockenhöckern und Ventilbetätigungshebel jedes Beispiels bestimmt und in Figur 5 aufgetragen. Die graphische Darstellung zeigt, daß die Menge an Abrieb in den erfindungsgemässen Beispielen I bis IV wesentlich geringer ist als im

Vergleichsbeispiel V. Dies heißt, daß zwischen den gegenüberliegenden Gleitflächen des Beispiels V eine Abnützung

stattgefunden hat und daß zwischen den gegenüberliegenden 10

Gleitflächen in den erfindungsgemäßen Beispielen keine Abnützung auftritt. Das gegenüberliegende Gleitteil, wie z.B. ein Ventilbetätigungshebel, hat vorzugsweise die in Tabelle gezeigte Zusammensetzung.

Tabelle 3 (Gew.%)

TC 2,8-3.50

Si 1,50 - 2,50

Mn 0,50 - 1,00

P weniger als 0,30

S weiniger als 0,10

Ni/Cr 0,20 - 0,80

Cr 0,70 - 1,60

Mo 0,20 - 0,80

V weniger als 0,50

B 0,005 - 1,10

Claims

BARDEHLE. PAGFNBERGr DOST, ALTENBURG & PARTNER HECMTEANWAtTE JOCHEN PAGENBERG o« λλ.ιι μ mamvämd /}() BERNHARD FROHWITTER d·*. -we GÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH om.-ma.irH> 3490A5A PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS HEINZ BARDEHLE oi*.-mo WOLFGANG A. DOST ο*.ο* UDO W. ALTENBURG wn. ■·*>▼» POSTFACH 860620. BOOO MÜNCHEN 86 TELEFON (089)080361 TELEX 622791 pad Ö CABLE: PADBÜRO MÜNCHEN BÜRO: GALILEIPLATZ 1.8 MÜNCHEN 80 Patentansprüche datum 28. Mai 1985 K 6256 D/La/ln 20

1. Verschleißfestes gesintertes Eisenlegierungsteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenlegierungsteil eine mit einem phosphathaltigen Film beschichtete Gleitfläche besitzt und folgende Gehalte aufweist:

1,5 bis 3,5 Gew.% C,

0,3 bis 1,0 Gew.% P, und

0,5 bis 3,0 Gew.% mindestens eines der Metalle

Mo und W, berechnet als Mo (Umrechnungsfaktor für

W: 0,5).

2. Legierungsteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt von 0,5 bis 5,0 Gew.% mindestens eines der Metalle Ni und Cu, berechnet als Ni

(Umrechnungsfaktor von Cu: 0,5).

3. Legierungsteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

3 k9 O L ^U

einen zusätzlichen Gehalt von 0,3 bis 8,0 Gew. Chrom.

4. Legierungsteil nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt von 0,3 bis 7,0 Gew.% Chrom.

5. Legierungsteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt von weniger als 2,0 Gew.% von wenigstens einem der Elemente Nb, V und B.

6. Legierungsteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der phosphathaltige Film durch Behandlung des Legierungsteils mit einer Manganphosphat-haltigen Lösung erzeugt wird.

7. Verwendung des Legierungsteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Material für Nockenhöcker, Ventilbetätigungshebel oder Zapfen in einer geschlossenen Verbrennungskraftmaschine.