DE3619664C2

DE3619664C2 -

Info

Publication number: DE3619664C2
Application number: DE3619664A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Omiya Saitama Jp Fujita; Satoshi Tochigi Jp Kawai
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1985-06-17
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1989-05-03
Also published as: JPS61291950A; GB8614427D0; JPH0610321B2; GB2176803A; US4696696A; DE3619664A1; GB2176803B

Description

Die Erfindung betrifft das Auffinden von geeigneten Werkstoffen zur Herstellung von Zapfen in Brennkraftmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung das Auffinden eines geeigneten Werkstoffes mit hinreichend hoher Verschleißfestigkeit als Werkstoff zum Herstellen von Zapfenteilen einer Kropfwelle.

Es besteht ein Bedürfnis nach verschleißfesten Werkstoffen für auf Gleitreibung beanspruchte Teile von Brennkraftmaschinen, wie Kröpfwellen, Kipphebeln und dgl., wobei gefordert wird, daß diese Bauteile hohen Oberflächenbeanspruchungen standhalten.

Es ist bereits versucht worden, für diesen Zweck gesinterte Legierungen zu verwenden.

Werden Molybdän, Chrom oder dgl. einem Fe-C-P-Legierungssystem, welches üblicherweise zur Herstellung von Zapfen- bzw. Lagerteilen verwendet wird, zugesetzt, so bildet sich ein Hartmetall, welches hauptsächlich (Fe, Cr)₃C, (Fe, Cr, Mo)₃C oder dgl. enthält. Wenngleich dabei die Matrix des Wekstoffes verfestigt wird, wird gleichzeitig eine martensitische Umwandlung bzw. eine Zwischenstufenumwandlung des Grundwerkstoffes gefördert. Ein solcher Werkstoff hat zwar eine verbesser te Abriebbeständigkeit, weist aber gleichzeitig eine verschlechterte Bearbeitbarkeit auf, was den Werkstoff als ungeeignet für das maschinelle Bearbeiten erscheinen läßt.

Weiterhin ist es in einem Zapfen- oder Lagerwerkstoff aus einem Fe-C-P-Legierungssystem oder aus einem Fe-C-P-Cu-Legierungssystem unmöglich, die Teilchendiffusion schnell zu beenden, wenn das Zapfen- oder Lagerteil in flüssiger Phase bei hohen Temperaturen gesintert wird, was zur Folge hat, daß eine Falte oder ein Riß im Bereich der Oberfläche des Zapfen- oder Lagerteils gebildet wird. Zur Überwindung dieses Nachteils ist bereits vorgeschlagen worden, den vorstehend genannten Systemen Chrom oder Molybdän zuzusetzen. Dadurch ließen sich die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten jedoch nicht überwinden. Wenn die Phosphormenge erhöht wird, kann die flüssige Phase jedoch so groß werden, daß ein Carbid, welches Steadit enthält, in großem Umfange gebildet wird.

Aus der DE-OS 28 31 548 sind verschleißfeste, gesinterte Legierungen bekannt, welche 0,3 bis 2% Kohlenstoff, 0 bis 6% Kupfer, 0 bis 1,2% Molybdän, 0 bis 4,5% Nickel, Mangan, Silicium, Schwefel und Phosphor in einer Menge von insgesamt nicht mehr als 2%, Rest Eisen enthalten. Nach dem Verpressen des Legierungspulvers zu einem Werkstück wird eine Sinterbehandlung bei Temperaturen von 1090 bis 1120°C durchgeführt. Die bekannte Sinterlegierung wird zur Herstellung von Kolbenringen oder Dichtungsringen von Brennkraftmaschinen verwendet.

Im Stand der Technik sind keine Legierungen bekannt, welche im Gefüge Steadit aufweisen. Unter Steadit wird eine besonders harte Faser verstanden, welche aus Zementit und Fe-C-P in eutektischer Zusammen setzung besteht. Steadit besitzt eine vergleichsweise niedrige Erstarrungs temperatur von etwa 950°C, so daß bei Sintertemperaturen von 1050 bis 1200°C beträchtliche Mengen an flüssiger Sinterphase gebildet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gesinterte Legierungen anzugeben, die zur Verwendung als Werkstoff zur Herstellung von Zapfen- oder Lagerteilen in Brennkraftmaschinen geeignet sind.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Legierungen gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt

eine Mikrophotograhie (korrodiert mit einem Nital-Ätzmittel um das 240fache vergrößert), welche die Matrix der in Beispiel 1 angegebenen Legierung darstellt.

Im folgenden werden die Gehaltsbereiche der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen näher erläutert.

Der Grund dafür, weshalb der Kohlenstoffgehalt 2,0 bis 3,5 Gew.-% beträgt, ist darin zu sehen, daß bei Kohlenstoffmengen von mehr als 3,5 Gew.-% so viel Graphit gebildet wird, daß Risse entstehen können und die Härte der erhaltenen Legierung herabgesetzt wird. Ferner wird bei derart hohen Kohlenstoffgehalten ein zu großer Anteil an Steadit gebildet, was eine Beeinträchtigung der mechanischen Bearbeitbarkeit der fertigen Sinterlegierung zur Folge hat. Beträgt demgegenüber die Kohlenstoffmenge weniger als 2,0 Gew.-%, so ist die gebildete Menge an Zementit und Steadit so gering, daß es unmöglich wird, die angestrebte Verschleiß festigkeit zu gewährleisten. Wie bereits erwähnt, besitzt Steadit einen Erstarrungspunkt im Bereich von 950°C, was bedeutet, daß hinreichende Steaditanteile vorliegen müssen, um das Sintern mit flüssiger Phase zu gewährleisten. Ist, wie bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, der Kohlenstoffgehalt auf 2,0 bis 3,5 Gew.-% begrenzt, so können mit Sicherheit hohe Abriebbeständigkeiten der Legierungen gewährleistet werden, da Zementit und Steadit in optimalen Mengenanteilen im fertigen Werkstoff vorliegen und das Sintern mit flüssiger Phase durch den hinreichenden Steaditanteil gewährleistet wird.

Der Grund dafür, warum die Phosphormenge auf 0,3 bis 0,8 Gew.-% beschränkt ist, ist folgender. Wenn die Phosphormenge 0,8 Gew.-% übersteigt, wird Steadit in großem Umfang ausgefällt, so daß die maschinelle Bearbeitbarkeit der Legierung verschlechtert wird und ihre Sprödigkeit erhöht wird. Wenn die Menge niedriger als 0,3 Gew.-% ist, wird die Menge an ausgeschiedenem Steadit so gering, daß kaum eine flüssige Phase gebildet wird. Deshalb ist die Sinter-Fähigkeit verringert.

Die Manganmenge liegt im allgemeinen bei 0,5 bis 3,0 Gew.-%, so daß das Sintervermögen der Matrix verbessert wird und die Sinter temperatur niedrig gehalten werden kann. Eine Expansion und eine Schrumpfung der Legierungsmasse bei Erhitzen und Kühlen der Matrix während des Sinterns kann dadurch verringert werden, so daß Falten und Risse nicht auftreten können. Weiterhin kann die Matrix auf geeignete Weise verfestigt werden, so daß die Abriebbeständigkeit nicht verringert wird. Wenn die Manganmenge 3,0 Gew.-% übersteigt, wird das Verdichtungsvermögen des Legierungspulvers verringert, so daß sich die Dichte des Pulverkompaktmaterials verringert. Wenn die Sauerstoffmenge erhöht wird, wird weiterhin das Sintervermögen auf ungewünschte Weise behindert, so daß die Bindungseigenschaft und die Härte verringert werden. Die Bindungseigenschaft hat eine Sinter bindungseigenschaft für die anderen mechanischen Komponenten, wie die Nockenwelle, zur Folge. In diesem Fall tritt eine Diffusions bindung an der Grenzfläche zwischen dem gesinterten Legierungsteil und der Nockenwelle auf. Wenn die Menge an Mangan niedriger als 0,5 Gew.-% ist, wird durch eine solche geringe Manganmenge keine Wirkung verursacht.

Es ist bevorzugt, dem Manganpulver Silicium hinzuzufügen unter Berücksichtigung einer Deoxida tionswirkung durch Silicium, wenn das Manganpulver zugegeben wird. Als Ergebnis kann eine Änderung der Dichte und Härte der Legierung bis zu einem gewissen Ausmaß unterbunden werden, so daß es mög lich ist, das Legierungssintervermögen zu stabilisieren. Wenn Si licium zugegeben wird, kann jedoch eine Deformierung des Pulver kompaktmaterials beim Sintern auftreten. Diese Tendenz kann nicht kompensiert werden, wenn die zugegebene Manganmenge gleich oder niedriger als 1,0 Gew.-% ist, und deshalb wird die Manganmenge auf mehr als 1,0 Gew.-% bis zu 3,0 Gew.-% festgelegt, wenn Silicium zugegeben wird.

Der Grund dafür, warum die Siliciummenge auf 0,5 bis 2,0 Gew.-% festgelegt wird, ist folgender. Wenn die Siliciummenge 2,0 Gew.-% übersteigt, wird die Sprödigkeit des Grundmaterials erhöht und das Pulververdichtungsvermögen wird verringert, so daß das erhaltene ge sinterte Produkt sehr stark deformiert ist. Silicium wirkt als Kompo nente, die die Erzeugung der flüssigen Phase erhöht, während die ent sprechenden Mengen an Kohlenstoff und Phosphor in einem niedrigen Bereich gewählt werden. Die Wirkung der zugegebenen Siliciummenge kann nicht erhalten werden, wenn die Siliciummenge niedriger als 0,5 Gew.-% ist.

Erfindungsgemäß ist es ebenfalls bevorzugt, Nickel in einem Bereich von 0,2 bis 3,0 Gew.-% zuzugeben. Nickel wird deshalb zugegeben, weil es als Element zum Festigen der Matrix wirken kann. Wenn die Nickelmenge mehr als 3,0 Gew.-% übersteigt, werden jedoch die Aus fällung an Carbid, die Martensit- und Bainitumwandlung der Matrix erhöht, so daß die maschinelle Bearbeitbarkeit der Legierung erniedrigt wird. Wenn die Nickelmenge niedriger als 0,2 Gew.-% ist, hat es keine Wirkung auf die Legierung.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3

Abriebbeständige, gesinterte Legierungen mit den in Tabelle 1 ange gebenen Zusammensetzungen wurden hergestellt. Das Herstellungsverfah ren dieser abriebbeständigen, gesinterten Legierungen war wie folgt. In den Beispielen 1 bis 3 wurde das Material nach einer Preßverdich tung bei einem Druck von 40 bis 60 kN/cm² in einen Ofen in einer At mosphäre aus zersetztem Ammoniak gegeben und bei einer Temperatur von 1050°C bis 1200°C (der Mittelwert der Tempera tur beträgt 1120°C) gesintert, und es wurden die abriebfesten, ge sinterten Legierungen erhalten.

Die gesinterten Legierungen wurden hinsichtlich ihres äußeren Ausse hens, ihrer Bindungseigenschaft, ihres Sintervermögens, ihrer maschi nellen Bearbeitbarkeit, ihrer Härte und des Zustandes der Matrix be wertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Die Figur ist eine Mikrophotographie (Nital-Ätzmittel, 240fache Vergrößerung), welche die Matrix des Beispiels 1 zeigt.

Zum Vergleich wurden bekannte gesinterte Legierungen, die üblicher weise als Materialien für Lagerteile verwendet werden, jeweils aus einem Fe-C-P-Cu-Legierungssystem (Vergleichsbeispiel 1), Fe-C-P-Mo- Legierungssystem (Vergleichsbeispiel 2) und Fe-C-P-Mo-Cr-Legierungs system (Vergleichsbeispiel 3) hergestellt. Die Zusammensetzungen und die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Wie vorstehend beschrieben, sind die erfindungsgemäß zu verwendenden ge sinterten Legierungen hinsichtlich Abriebfestigkeit, Bearbeitbarkeit, maschineller Bearbeitbarkeit usw. überlegen. Weiterhin liegen die verschiedenen Eigen schaften, wie Bindung, Sintervermögen und dgl., in wünschenswerten Bereichen, so daß die erfindungsgemäß zu verwendenden gesinterten Legie rungen als Material für Zapfen von Brennkraftma schinen besonders geeignet sind.

Claims

1. Verwendung einer gesinterten Legierung, bestehend aus
2,0 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff,
0,3 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
0,5 bis 3,0 Gew.-% Mangan,
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, die bei 1050 bis 1200°C in flüssiger Phase dichtgesintert ist und ein perlitisches Gefüge mit gleichmäßig darin verteiltem Carbid und Steadit aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Zapfen in Brennkraftmaschinen.

2. Verwendung einer gesinterten Legierung, bestehend aus
2,0 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff,
0,3 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
mehr als 1,0 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% Mangan,
0,5 bis 2,0 Gew.-% Silicium,
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, die bei 1050 bis 1200°C in flüssiger Phase dichtgesintert ist und ein perlitisches Gefüge mit gleichmäßig darin verteiltem Carbid und Steadit aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Zapfen in Brennkraftmaschinen.

3. Verwendung einer gesinterten Legierung, bestehend aus
2,0 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff,
0,3 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
0,5 bis 3,0 Gew.-% Mangan,
0,2 bis 3,0 Gew.-% Nickel,
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, die bei 1050 bis 1200°C in flüssiger Phase dichtgesintert ist und ein perlitisches Gefüge mit gleichmäßig darin verteiltem Carbid und Steadit aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Zapfen in Brennkraftmaschinen.

4. Verwendung einer gesinterten Legierung, bestehend aus
2,0 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff,
0,3 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
mehr als 1,0 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% Mangan,
0,5 bis 2,0 Gew.-% Silicium,
0,2 bis 3,0 Gew.-% Nickel,
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, die bei 1050 bis 1200°C in flüssiger Phase dichtgesintert ist und ein perlitisches Gefüge mit gleichmäßig darin verteiltem Carbid und Steadit aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Zapfen in Brennkraftmaschinen.