DE3536723A1 - Verfahren zur bildung einer gesinterten schicht auf einem kohlenstoff enthaltenden material auf eisenbasis - Google Patents

Verfahren zur bildung einer gesinterten schicht auf einem kohlenstoff enthaltenden material auf eisenbasis

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DE3536723A1 DE19853536723 DE3536723A DE3536723A1 DE 3536723 A1 DE3536723 A1 DE 3536723A1 DE 19853536723 DE19853536723 DE 19853536723 DE 3536723 A DE3536723 A DE 3536723A DE 3536723 A1 DE3536723 A1 DE 3536723A1
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sinterungsverfahren und befaßt sich insbesondere mit einem Verfahren zur Erzeugung einer gesinterten Schicht auf einem Substrat auf einem Material auf Eisenbasis. Insbesondere befaßt die Erfindung mit einem Verfahren, bei dessen Durchführung eine Bahn aus Legierungspulvern auf einer Oberfläche aus einem Substrat aus einem Material auf Eisenbasis aufgebracht und auf dem Körper unter Bildung einer gesinterten Schicht gesintert wird.
In der JA-OS 52-65111 wird beispielsweise die Erzeugung einer gesinterten Schicht auf einem Metallsubstrat in der Weise beschrieben, daß eine Bahn aus Legierungspulvern auf das Substrat aufgebracht und auf eine Sinterungstemperatur erhitzt wird. Bei diesem Verfahren werden die Legierungspulver in der Legierungsbahn wenigstens teilweise verflüssigt und bewirken nach der Verfestigung eine feste Bindung der gesinterten Schicht an dem Substrat.
Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß bei diesem herkömmlichen Verfahren Probleme auftreten, wenn das Substrat ein Kohlenstoff enthaltendes Material auf Eisenbasis ist. In dem Falle, in dem das Substrat ein Material auf Eisenbasis ist, das Kohlenstoff, wie Graphit enthält, diffundiert der Kohlenstoff durch den verflüssigten Teil in die Bahn und bewirkt eine Zunahme in dem Teil der flüssigen Phase. Als Ergebnis werden Leerstellen oder ander Defekte an der Verbindung zwischen dem Substrat und der gesinterten Schicht erzeugt. Ferner wird die gesinterte Schicht an Kohlenstoff reich und der eutektische Punkt wird vermindert, so daß die Sinterungstemperatur entsprechend abnimmt, wodurch eine grobe Matrixstruktur erzeugt wird. Dies bedingt eine Abnahme der Abriebbeständigkeit und der Festigkeit der gesinterten Schicht. Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß eine Zunahme in der flüssigen Phase eine nachteilige Wirkung auf die
-δι Festigkeit der Legierungspulverbahn ausübt, so daß die Legierungspulverbahn während des Sinterungsverfahrens deformiert werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Bildung einer gesinterten Schicht auf einem Substrat aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material auf Eisenbasis, wobei die Kohlenstoffdiffusion in die gesinterte Schicht in wirksamer Weise verhindert werden kann.
Ferner soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Bildung einer gesinterten Legierungsschicht auf einem Substrat aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material auf Eisenbasis unter Verwendung einer Bahn aus Legierungspulvern geschaffen werden, die auf das Substrat vor dem Aufheizen auf eine Sinterungstemperatur gebracht wird, wobei eine Blockierungsschicht zwischen dem Substrat und der Legierungspulverbahn vorgesehen wird zur Verhinderung einer Diffusion des Kohlenstoffs in die Legierungspulverbahn.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildung einer gesinterten Legierungsschicht auf einem Substrat auf einem Kohlenstoff enthaltenden Material auf Eisenbasis unter Verwendung einer Bahn aus Legierungspulvern, die auf das Substrat vor dem Erhitzen auf eine Sinterungstemperatur aufgebracht werden, wobei eine Schicht unterhalb der Legierungspulverbahn zur Unterdrückung einer Diffusion von Kohlenstoff in die Legierungspulverbahn beim Sinterungsverfahren gebracht wird.
Gemäß einem allgemeinen Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend gesteckten Ziele erreicht durch ein Verfahren zur Bildung einer gesinterten Schicht auf einem Substrat aus einem Kohlenstoff enthaltenden
Material auf Eisenbasis, wobei dieses Verfahren darin besteht, eine Bahn aus Legierungspulvern zu erzeugen, die Bahn auf das Substrat aufzubringen und die Bahn auf eine Sinterungstemperatur zur Erzeugung einer gesinterten Schicht durch die Bahn zu erhitzen, wobei die Legierungspulver in der Bahn eine flüssige Phase während der Erhitzungsstufe erzeugen, so daß die gesinterte Schicht fest mit dem Substrat verbunden wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Schicht unterhalb der Bahn vor der Heizstufe vorgesehen wird, wobei die dünne Schicht dazu in der Lage ist, eine Diffusion von Kohlenstoff aus dem Substrat in die Bahn während der Erhitzungsstufe zu unterdrücken.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die dünne Schicht zur Verfügung gestellt durch eine Schicht aus einer Metallplattierung oder durch eine Schicht aus einem Metalloxid, das auf dem Substrat gebildet wird. Wahlweise kann eine Zwischenbahn erzeugt werden durch ein Material, welches im wesentlichen keine oder nur eine geringe flüssige Phase unter der Sinterungstemperatür erzeugt und sich zwischen der Legierungspulverbahn und dem Substrat vor der Heizstufe befindet. Gemäß einem anderen Merkmal kann die Substratoberfläche einem Decarbonisierungsverfahren unter Bildung einer decarbonisierten dünnen Schicht unterzogen werden oder das Substrat kann mit einer dünnen Schicht gebildet werden, in welcher der Kohlenstoffgehalt entaktiviert wird durch Kombination mit Eisen unter Erzeugung von Eisencarbiden.
Die vorstehenden Merkmale sowie andere Merkmale der vor- . liegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, in welcher auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird.
Es zeigen:
Fig. 1 (a), (b), (c) und (d) Stufen eines Sinterungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 (a) und (b) Stufen eines Sinterungsverfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 (a), (b) und (c) Stufen einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 4 ein mikroskopisches Bild, das eine Struktur der gesinterten Schicht zeigt, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt worden ist; Fig. 5 ein Bild, das die gesinterte Schicht gemäß einem herkömmlichen Verfahren wiedergibt.
Wie den Zeichnungen, insbesondere der Fig. 1 (a) zu entnehmen ist, liegt ein Substrat 1 vor, das aus Gußeisen mit Lamellengraphit oder einem Gußeisen mit in Form von Einzelteilchen vorliegenden Graphit, das eine eutektische Legierung bildende Elemente, wie C, P, Mo und B enthält, hergestellt worden ist. Das Substrat 1 wird mit einer Schicht 2 aus einer Metallplattierung, wie einer Cu-, Ni- oder Cr-Plattierung, wie durch Fig. 1 (b) gezeigt, gebildet.
Dann wird, wie in Fig. 1(c) gezeigt wird, eine Legierungspulverbahn 3 mit der Metallplattierungsschicht 2 auf dem Substrat 1 verbunden. Die Legierungspulverschicht 3 besteht aus Pulvern, die feiner sind als 150 mesh, aus einer abriebbeständigen Legierung, die 0,5 bis 2,5 Gew.-% P, 1,5 bis 4,5 Gew.-% C, 2,5 bis 5,5 Gew.-% Mo, weniger als 10 Gew.-% Cr und zum Rest Eisen enthält, wobei die Legierungspulver in einer Menge von 85 bis 97 Vol.-% mit 15 bis 3 Vol.—% einer Lösung eines Acrylharzes vermischt sind. Die Mischung aus den Legierungspulvern und der Harzlösung wird verknetet und zu einer
-οι Bahn mit einer vorherbestimmten Dicke ausgewalzt und auf das Substrat in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebracht. Die Legierungspulverbahn klebt an dem Substrat sogar bei einer Temperatur von weniger als 4000C. 5
Das Substrat 1, das auf die Legierungspulverbahn 3 auf der Metallplattierungsschicht 2 aufgebracht worden ist, wird dann auf eine Temperatur oberhalb des eutektischen Punktes, der ungefähr 95O0C beträgt, erhitzt. Unter dieser Temperatur werden die Materialien an den Grenzflächen zwischen dem Substrat 1 und der Metallplattierungsschicht 2 sowie zwischen der Metallplattierungsschicht 2 und der Legierungspulverbahn 3 teilweise verflüssigt und die Legierungspulverbahn 3 wird unter Bildung einer harten gesinterten Schicht 4 gesintert, die an dem Substrat 1 über die Metallplattierungsschicht 2 anhaftet, wie aus der Fig. 1 (d) hervorgeht.
Während des Sinterungsverfahrens hindert die Metallplattierungsschicht 2 den in dem Substrat enthaltenen Kohlenstoff, der in Form von Graphit vorliegt, daran, in die Legierungspulverbahn 3 zu diffundieren. Es ist daher möglich, den Oberflächenabschnitt des Substrats daran zu hindern, in einem solchen Ausmaße zu schmelzen, daß Leerstellen und andere Defekte nach dem Abkühlen erzeugt werden. Daher ist es auch möglich, eine Bildung von groben Matrixstrukturen in der gesinterten Schicht zu verhindern. Es ist darauf hinzuweisen, daß eine ähnliche Funktion erzielt werden kann durch eine Schicht aus einem Metalloxid, wie Fe3O4, die anstelle der Metallplattierungsschicht 3 in der Weise gebildet werden kann, daß das Substrat einer Oxidationsbehandlung, wie einem Erhitzen, unterzogen wird. Es ist vorzuziehen, die Oxidationsbehandlung unter einer Temperatur zwischen 300 und 56O0C durchzuführen. Eine Temperatur von mehr als 56O0C hat die Neigung, FeO zu erzeugen, das instabiler ist als Fe3O4. Ferner wird die dünne Schicht aus dem
Metalloxid zu dick und schwächt die Bindung zwischen dem Substrat und der gesinterten Schicht. Bei einer Temperatur von weniger als 3000C ist zu viel Zeit erforderlich, um das Eisenoxid zu erzeugen, so daß das Verfahren unwirtschaftlich wird. Die Eisenoxidschicht mit einer gewünschten Dicke kann erhalten werden durch Erhitzen des Substrats auf 5600C während ungefähr 1 Stunde sowie auf 3000C während ungefähr 4 Stunden. Anstelle der Schicht aus dem Eisenoxid kann eine nitrierte Schicht gebildet werden und erfüllt eine ähnliche Funktion. Die Metallplattierungsschicht kann durch einen dünnen Film aus einem Metall ersetzt werden.
Das in Fig. 1 gezeigte Verfahren ist insofern vorteilhaft, als die Dicke der Diffusionsblockierungsschicht
2 entsprechend dem Kohlenstoffgehalt des Substrats gesteuert werden kann.
Der Fig. 2 (a) ist zu entnehmen, daß eine Zwischenbahn 2a zwischen dem Substrat 1 und der Legierungspulverbahn
3 vorliegt. Die Zwischenbahn 2a wird gebildet durch Pulver, die feiner sind als 80 mesh, aus einer Legierung, die wenigstens eines der Elemente C, P, B, Mo und Mn in einer Menge von weniger als 0,5 Gew.-% enthält, während sich der Rest im wesentlichen aus Eisen zusammensetzt, wobei die Legierungspulver in einer Menge von 85 bis 97 Vol.-% mit 15 bis 3 Vol.-% einer Lösung eines Acrylsäureharzes vermischt werden. Die Mischung wird verknetet und zu einer Bahn mit einer Dicke von 0,5 bis 4,0 mm und einer Dicke von 4,0 g/cm3 ausgewalzt. Bei einer Pulvergröße von mehr als 80 mesh existiert eine zunehmende Neigung, das Leerstellen und andere Defekte erzeugt werden. Die Legierungspulver können weniger als 10 Gew.-% Ni, Cu oder Co enthalten, welche kontinuierliehe Carbide in der Zwischenbahn während des Sinterungsverfahrens unterdrücken.
-ιοί Die Legierungspulverbahn 3 wird auf das Substrat 1 mit der zwischen dem Substrat 1 und der Legierungspulverbahn 3 liegender Zwischenbahn 2a aufgebracht. Danach wird das Sinterungsverfahren wie im Falle der vorstehenden Ausführungsform durchgeführt. Die Zwischenbahn 2a erzeugt im wesentlichen keine oder nur eine geringe flüssige Phase während des Sinterungsverfahrens, so daß es möglich ist, eine Diffusion von Kohlenstoff aus dem Substrat in die Legierungspulverbahn 3 zu blockieren. Die Zwischenbahn 2a erzeugt eine Legierung durch das Sinterungsverfahren, so daß eine starke Bindekraft zwischen dem Substrat 1 und der gesinterten Schicht, die durch die Legierungspulverbahn 3 gebildet wird, erzeugt wird. Die Zwischenbahn 2a ist in bequemer Weise zu handhaben, da sie mit dem Substrat mit einem Klebstoff verbunden werden kann, das dem gleichen Typ wie der Klebstoff entspricht, der zum Befestigen der Legierungspulverbahn verwendet worden ist.
wi-e der Fig. 3 zu entnehmen ist, wird das Substrat 1 zuerst einer Decarbonisierungsbehandlung unterzogen, um eine decarbonisierte dünne Schicht 1a auf einer Oberfläche aus dem Substrat 1 zu erzeugen, wie aus Fig. 3 (a) hervorgeht. Dann wird die vorstehend beschriebene Legierungspulverbahn 3 mit der Oberfläche des Substrats 1 verbunden, wobei die decarbonisierte dünne Schicht 1a in der in Fig. 3(b) gezeigten Weise gebildet wird. Anschließend wird das Substrat 1 mit der daran verbundenen Legierungspulverbahn 3 auf eine Sinterungstemperatur erhitzt unter Bildung einer gesinterten Schicht 3(a) auf dem Substrat 1, wie aus Fig. 3(c) hervorgeht. Anstelle der Decarbonisierung kann eine Behandlung durchgeführt werden, um den Graphit in ein Carbid zu überführen. Eine derartige Behandlung kann in der Weise durchgeführt werden, daß Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen auf die Oberfläche des Substrats einwirkengelassen werden, um eine chemische
-11-Reaktion des Graphits mit dem Eisen zu begünstigen.
Beispiele Beispiel 1
Ein Substrat wird hergestellt aus einem Gußeisen mit Lamellengraphit, das 3,5 Gew.-% C, 4,0 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% Mn, 0,05 Gew.-% P, 0,06 Gew.-% S enthält ,Q und zum Rest im wesentlichen aus Eisen besteht. Das Gußeisen wird maschinell zu einem Stück mit einer Länge von 30 mm, einer Breite von 50 mm und einer Höhe von 20 mm zur Herstellung des Substrats verarbeitet.
, ρ- Dann werden Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 150 mesh aus einer ternären eutektischen Legierung hergestellt, die 5,5 Gew.-% Mo, 2,5 Gew.-% Cr, 2,4 Gew.-? P, 3,6 Gew.-% C enthält, während sich der Rest im wesentlichen aus Eisen zusammensetzt. Außerdem werden Pulver
^n hergestellt mit einer Teilchengröße von weniger als 150 mesh aus einem korrosionsbeständigen Stahl, der dem japanischen Industriestandard (JIS) SUS 410 entspricht. Die Legierungspulver werden in einer Menge von 50 Gew.-% mit 50 Gew.-% der Pulver des korrosionsbeständigen
„ρ- Stahls vermischt. Die Mischung wird dann in einer Menge von 26 Vol.-% mit 4 Vol.-% eines Acrylbindemittels vermischt und unter Zugabe von Aceton verknetet. Die verknetete Mischung wird dann zu einer Bahn mit einer Dichte von 4,8 g/cm2 und einer Dicke von 2 mm gewalzt.
oQ Die Bahn wird dann in ein Stück von 10 qmm zerschnitten.
Das Substratstück wird einer Decarbonisierungsbehandlung durch Erhitzen in einem Ofen auf 8000C während 3 Stunden und Abkühlen in Luft unterzogen. Anschließend wird das gc Stück der Legierungsbahn mit dem Substratstück mittels eines Acrylbindemittels verbunden und in einer Wasser-
stoffatmosphäre auf 3000C mit einer Heizgeschwindigkeit von 150°C/Minute erhitzt und bei dieser Temperatur 6 0 Minuten gehalten. Dann wird das Stück aus der Legierungsbahn, das mit dem Substratstück verbunden ist, weiter auf 10900C mit einer Heizgeschwindigkeit von 150°C/Minute erhitzt und bei dieser Temperatur 20 Minuten gehalten unter Bildung einer gesinterten Schicht aus dem Substrat.
Das Substratstück und die darauf gebildete gesinterte Schicht werden mikroskopisch untersucht, wobei man feststellt, daß kein Defekt in der Struktur des Substrats vorliegt und keine Gruppenkornteilchen in der gesinterten Schicht erzeugt worden sind.
Beispiel 2
Ein Substrat wird hergestellt aus einem Gußeisen mit körnigem Graphit, das 3,6 Gew.-% C, 2,5 Gew.-% Si, 0,34 Gew.-% Mn, 0,017 Gew.-% P, 0,013 Gew.-% S, 0,043 Gew.
% Mg und zum Rest Eisen enthält. Eine Legierungspulver-
bahn wird hergestellt durch Vermischen von Pulvern mit einer Teilchengröße von weniger als 150 mesh aus einer abriebbeständigen Legierung, die 2,2 Gew.-% C, 1,2 Gew.-% P, 4,5 Gew.-% Mo, 8,5 Gew.-% Cr enthält, während sich der Rest im wesentlichen aus Eisen zusammensetzt, in einer Menge von 95 Vol.-% mit 5 Vol.-% einer Toluollösung von Acrylharz. Die Mischung wird verknetet und zu einer Bahn mit einer Dicke von 1,5 mm ausgewalzt. Die Bahn wird dann zu einem kreisförmigen Stück mit einem Durchmesser von 30 mm zerschnitten. Eine Zwischen-
bahn wird hergestellt aus Pulvern, deren Teilchen kleiner sind als 80 mesh, aus einer Legierung, die 0,8 Gew.-% C, 0,5 Gew.-% P, 1,0 Gew.-% Mo enthält, während sich der Rest im wesentlichen aus Eisen zusammensetzt. Die Pulver werden in einer Menge von 97 Vol.-% mit 3 Vol.-% einer Toluollösung eines Acrylharzes vermischt und verknetet. Dann wird die Mischung zu einer Bahn mit einer
Dicke von 0,5 mm und einer Dichte von 42 g/cm3 ausgewalzt. Die Bahn wird dann zu einem kreisförmigen Stück mit einem Durchmesser von 25,5 mm zerschnitten.
Das Stück aus der Zwischenbahn wird mit dem Substratteil verbunden und das Stück aus der Legierungspulverbahn wird mit dem Stück aus der Zwischenbahn verbunden.
Das Teststück wird dann mit einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/Minute auf 3000C erhitzt und bei dieser Temperatur 6 0 Minuten lang gehalten. Anschließend wird das Teststück weiter mit einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/Minute auf 10800C erhitzt und auf dieser Temperatur während 20 Minuten gehalten. In Fig. 4 wird ein mikroskopisches Bild eines Abschnitts des Teststücks gezeigt. Man sieht, daß eine gesinterte Schicht gebildet worden ist, die gleichmäßig verteilte Carbide enthält. Ferner stellt man fest, daß die Verbindung zwischen der gesinterten Schicht und dem Substrat frei von Defekten ist. 20
Vergleichstest
Ein ähnlicher Test wie in Beispiel 2 wird durchgeführt ohne Verwendung der Zwischenbahn. Die Fig.5 zeigt die nach diesem Test erhaltene mikroskopische Struktur.
Man stellt fest, daß die gesinterte Schicht eine grobe Matrixstruktur aufweist.

Claims (13)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bildung einer gesinterten Schicht auf einem Kohlenstoff enthaltenden Material auf Eisenbasis, wobei eine Bahn aus Legierungspulvern erzeugt wird, die Bahn auf das Substrat aufgebracht wird und die Bahn bis zu einer Sintertemperatür unter Bildung einer gesinterten Schicht durch die Bahn erhitzt wird, wobei die Legierungspulver in der Bahn eine flüssige Phase während der Erhitzungsstufe erzeugen, so daß die gesinterte Schicht fest an das Substrat angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Erhitzungsstufe unter die Bahn eine dünne Schicht gebracht wird, wobei diese Schicht dazu in der Lage ist,
Π-Snnn
DOW ob no at
eine Diffusion von Kohlenstoff aus dem Substrat in die Bahn während der Erhitzungsstufe zu unterdrücken .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht eineMetallplattierungsschicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die dünne Schicht eine Metalloxidschicht, die auf dem Substrat gebildet worden ist, ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht eine nitrierte Schicht ist, die auf dem Substrat gebildet worden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht ein dünner Film aus einem Metall ist, das mit dem Substrat verbunden ist.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht durch Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur zwischen 300 und 5600C erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht eine decarbonisierte Schicht ist, die auf dem Substrat gebildet worden ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht durch Umwandeln von Kohlenstoff in ein Carbid gebildet worden ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht gebildet wird durch Einwirkenlassen von aktiven Strahlen auf eine Oberfläche auf dem Substrat.
1Ö. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht eine Zwischenbahn ist, die im wesentlichen keine flüssige Phase unter der Sinterungstemperatur erzeugt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbahn aus Legierungspulvern erzeugt wird, die wenigstens eines der. Elemente C, P, B, Mo und Mn in einer Menge von weniger als 0,5 Gew.-% enthalten, wobei sich der Rest im wesentlichen aus Eisen zusammensetzt und die Pulver mit einer Harzlösung vermischt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver für die Zwischenbahn feiner sind als 80 mesh.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver für die Zwischenbahn wenigstens eines der Elemente Ni, Cu und Co in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% enthalten.
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