DE3536723C2

DE3536723C2 -

Info

Publication number: DE3536723C2
Application number: DE3536723A
Authority: DE
Inventors: Sigemi Osaki; Norio Yousina; Tsuyoshi Hiroshima Jp Morishita; Yasuhumi Iwakuni Yamaguchi Jp Kawado
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1984-10-15
Filing date: 1985-10-15
Publication date: 1987-12-03
Also published as: DE3536723A1; US4678633A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer gesinterten Schicht auf einem Kohlenstoff enthaltenden Substrat auf Eisenbasis, wobei eine Bahn aus Legie rungspulvern erzeugt wird, die Bahn auf das Substrat aufgebracht wird und die Bahn bis zu einer Sinterungstemperatur unter Bildung einer gesinerten Schicht durch die Bahn erhitzt wird, wobei die Legierungspul ver in der Bahn eine flüssige Phase während der Erhit zungsstufe erzeugen, so daß die gesinterte Schicht an das Substrat angepaßt wird.

In der JP-OS 52-65 111 wird beispielsweise die Erzeugung einer gesinterten Schicht auf einem Metallsubstrat in der Weise beschrieben, daß eine Bahn aus Legierungspul vern auf das Substrat aufgebracht und auf eine Sinterungs temperatur erhitzt wird. Bei diesem Verfahren werden die Legierungspulver in der Legierungsbahn wenigstens teil weise verflüssigt und bewirken nach der Verfestigung eine feste Bindung der gesinterten Schicht an dem Sub strat.

Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß bei diesem her kömmlichen Verfahren Probleme auftreten, wenn das Sub strat ein Kohlenstoff enthaltendes Material auf Eisen basis 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 andere Defekte an der Verbindung zwischen dem Substrat und der gesinterten Schicht erzeugt. Ferner wird die ge sinterte 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 Abriebbe ständigkeit und der Festigkeit der gesinterten Schicht. Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß eine Zunahme in der flüssigen Phase eine nachteilige Wirkung auf die 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 ent haltenden Material auf Eisenbasis, wobei die Kohlenstoff diffusion in die gesinterte Schicht in wirksamer Weise verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als dünne Schicht eine Metallplattierungsschicht aufgebracht, oder es wird eine Metalloxidschicht oder eine nitrier te Schicht auf dem Substrat gebildet. Man kann auch als dünne Schicht einen dünnen Film aus einem Metall, der mit dem Substrat verbunden wird, aufbringen.

Wird eine Metalloxidschicht auf dem Substrat als dünne Schicht erzeugt, so kann diese vorzugsweise durch Erhit zen des Substrats auf eine Temperatur zwischen 300 und 560°C erzeugt werden.

Die dünne Schicht kann auch aus einer auf dem Substrat gebildeten decarbonisierten Schicht bestehen oder durch Umwandeln von Kohlenstoff in ein Carbid erzeugt werden.

Ferner kann die dünne Schicht gemäß einer anderen Aus führungsform durch Einwirkenlassen von aktiven Strahlen auf eine Substratoberfläche erzeugt werden.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, als dünne Schicht eine Zwischenbahn auf das Substrat aufzubringen, die im wesentlichen keine flüssige Pha se unter der Sinterungstemperatur erzeugt, wobei diese Zwischenbahn vorzugsweise 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 zusammen setzt und die Pulver mit einer Harzlösung vermischt wer den. Dabei besitzen die Pulverteilchen vorzugsweise eine Teilchengröße von weniger als 0,16 mm. Gemäß einer be sonders bevorzugten Ausführungsform enthalten die Pulver für die Zwischenbahn wenigstens eines der Elemente Ni, Cu und Co in einer Menge von weniger als 10 Gew.-%.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1(a), (b), (c) und (d) Stufen eines Sinterungs verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2(a) und (b) Stufen eines Sinterungsverfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Er findung;

Fig. 3(a), (b) und (c) Stufen einer weiteren Ausfüh rungsform;

Fig. 4 ein mikroskopisches Bild, das eine Struktur der gesinterten Schicht zeigt, die nach einem erfindungs gemäßen 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 ent nehmen ist, liegt ein Substrat 1 vor, das aus Gußeisen mit Lamellengraphit oder einem Gußeisen mit in Form von Einzelteilchen vorliegendem Graphit, das eine eutekti sche 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 Legierungs pulverbahn 3 mit der Metallplattierungsschicht 2 auf dem Substrat 1 verbunden. Die Legierungspulverschicht 3 besteht aus Pulvern, die feiner sind als 0,09 mm, 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 Acryl harzes vermischt sind. Die Mischung aus den Legierungs pulvern und der Harzlösung wird verknetet und zu einer Bahn mit einer vorherbestimmten Dicke ausgewalzt und auf das Substrat in der vorstehend beschriebenen Weise aufge bracht. Die Legierungspulverbahn klebt an dem Substrat sogar bei einer Temperatur von weniger als 400°C.

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 950°C 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 Metall plattierungsschicht 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 Metall plattierungsschicht 3 in der Weise gebildet werden kann, daß das Substrat einer Oxidationsbehandlung, wie einem Erhitzen, unterzogen wird. Es ist vorzuziehen, die Oxi dationsbehandlung unter einer Temperatur zwischen 300 und 560°C durchzuführen. Eine Temperatur von mehr als 560°C 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 Tempera tur von weniger als 300°C ist zu viel Zeit erforderlich, um das Eisenoxid zu erzeugen, so daß das Verfahren un wirtschaftlich wird. Die Eisenoxidschicht mit einer ge wünschten Dicke kann erhalten werden durch Erhitzen des Substrats auf 560°C während ungefähr 1 Stunde sowie auf 300°C während ungefähr 4 Stunden. Anstelle der Schicht aus dem Eisenoxid kann eine nitrierte Schicht gebildet werden und erfüllt eine ähnliche Funktion. Die Metall plattierungsschicht kann durch einen dünnen Film aus einem Metall ersetzt werden.

Das in Fig. 1 gezeigte Verfahren ist insofern vorteil haft, als die Dicke der Diffusionsblockierungsschicht 2 entsprechend dem Kohlenstoffgehalt des Substrats ge steuert werden kann.

Der Fig. 2(a) ist zu entnehmen, daß eine Zwischenbahn 2 a zwischen dem Substrat 1 und der Legierungspulverbahn 3 vorliegt. Die Zwischenbahn 2 a wird gebildet durch Pulver, die feiner sind als 0,16 mm, 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 zusammen setzt, 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 ver knetet 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, daß Leerstellen und andere Defekte erzeugt werden. Die Legierungspulver können weniger als 10 Gew.-% Ni, Cu oder Co enthalten, welche kontinuierli che Carbide in der Zwischenbahn während des Sinterungs verfahrens unterdrücken.

Die Legierungspulverbahn 3 wird auf das Substrat 1 mit der zwischen dem Substrat 1 und der Legierungspulverbahn 3 liegender Zwischenbahn 2 a aufgebracht. Danach wird das Sinterungsverfahren wie im Falle der vorstehenden Aus führungsform durchgeführt. Die Zwischenbahn 2 a erzeugt im wesentlichen keine oder nur eine geringe flüssige Phase während des Sinterungsverfahrens, so daß es mög lich ist, eine Diffusion von Kohlenstoff aus dem Sub strat in die Legierungspulverbahn 3 zu blockieren. Die Zwischenbahn 2 a 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 2 a 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 Legierungs pulverbahn verwendet worden ist.

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, wird das Substrat 1 zu erst einer Decarbonierungsbehandlung unterzogen, um eine decarbonisierte dünne Schicht 1 a auf einer Ober fläche aus dem Substrat 1 zu erzeugen, wie aus Fig. 3(a) hervorgeht. Dann wird die vorstehend beschriebene Le gierungspulverbahn 3 mit der Oberfläche des Substrats 1 verbunden, wobei die decarbonisierte dünne Schicht 1 a in der in Fig. 3(b) gezeigten Weise gebildet wird. An schließend wird das Substrat 1 mit der daran verbundenen Legierungspulverbahn 3 auf eine Sinterungstemperatur er hitzt 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 derarti ge Behandlung kann in der Weise durchgeführt werden, daß Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen auf die Oberfläche des Substrats einwirkengelassen werden, um eine chemische 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 und zum Rest im wesentlichen aus Eisen besteht. Das Guß eisen 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.

Dann werden Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,09 mm 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 wesent lichen aus Eisen zusammensetzt. Außerdem werden Pulver 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 Stahls vermischt. Die Mischung wird dann in einer Menge von 26 Vol.-% mit 4 Vol.-% eines Acrylbindemittels ver mischt und unter Zugabe von Aceton verknetet. Die ver knetete Mischung wird dann zu einer Bahn mit einer Dichte von 4,8 g/cm² und einer Dicke von 2 mm gewalzt. Die Bahn wird dann in ein Stück von 10 qmm zerschnitten.

Das Substratstück wird einer Decarbosinierungsbehandlung durch Erhitzen in einem Ofen auf 800°C während 3 Stunden und Abkühlen in Luft unterzogen. Anschließend wird das Stück der Legierungsbahn mit dem Substratstück mittels eines Acrylbindemittels verbunden und in einer Wasser stoffatmosphäre auf 300°C mit einer Heizgeschwindigkeit von 150°C/Minute erhitzt und bei dieser Temperatur 60 Mi nuten gehalten. Dann wird das Stück aus der Legierungs bahn, das mit dem Substratstück verbunden ist, weiter auf 1090°C mit einer Heizgeschwindigkeit von 150°C/Minute er hitzt und bei dieser Temperatur 20 Minuten gehalten un ter 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 gesinter ten 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 Toluol lösung 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 300°C erhitzt und bei dieser Tempera tur 60 Minuten lang gehalten. Anschließend wird das Test stück weiter mit einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/Minute auf 1080°C 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.

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

1. Verfahren zur Bildung einer gesinterten Schicht auf einem Kohlenstoff enthaltenden Substrat auf Eisen basis, wobei eine Bahn aus Legierungspulvern erzeugt wird, die Bahn auf das Substrat aufgebracht wird und die Bahn bis zu einer Sintertemperatur 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 an das Substrat ange paßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Er hitzungsstufe unter die Bahn auf das Substrat eine dünne Schicht zur Unterdrückung einer Diffusion von Kohlenstoff aus dem Substrat in die Bahn während der Erhitzungsstufe gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dünne Schicht eine Metallplattierungsschicht auf gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dünne Schicht auf dem Substrat eine Metalloxid schicht gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dünne Schicht ein dünner Film, der mit dem Sub strat verbunden ist, auf dieses aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidschicht durch Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur zwischen 300 und 560°C erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dünne Schicht auf dem Substrat eine decarbonisier te Schicht gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte dünne Schicht durch Umwandeln von Kohlenstoff in ein Carbid erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht durch Einwirkenlassen von aktiven Strahlen auf eine Oberfläche auf dem Substrat gebil det wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dünne Schicht eine Zwischenbahn aufgebracht wird, die im wesentlichen keine flüssige Phase unter der Sinterungstemperatur erzeugt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, 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.-% enthal ten, wobei sich der Rest im wesentlichen aus Eisen zusammensetzt und die Pulver mit einer Harzlösung vermischt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver zur Herstellung der Zwischenbahn eine Teilchengröße von weniger als 0,16 mm besitzen.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver zur Herstellung der Zwischenbahn we nigstens eines der Elemente Ni, Cu und Co in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% enthalten.