DE3633879C2

DE3633879C2 -

Info

Publication number: DE3633879C2
Application number: DE3633879A
Authority: DE
Inventors: Karl Rankweil At Leithner
Original assignee: SUPERVIS VADUZ LI Ets
Current assignee: SUPERVIS VADUZ LI Ets
Priority date: 1986-10-04
Filing date: 1986-10-04
Publication date: 1992-01-16
Also published as: EP0263373A3; DE3633879A1; EP0263373A2; US4909843A; EP0263373B1; ATE77846T1; DE3780114D1; ES2033761T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von hochverschleißfesten Fe-Ni-Cu-Mo-Sinterteilen ohne zusätzliche Wärmebehandlung mit den Merk malen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, hochverschleißfeste Maschinenbauteile aus Hartguß herzustellen. Hartguß ist eine Eisen-Kohlenstoffle gierung, bei der der Kohlenstoff- und Siliziumgehalt neben den übrigen Elementen Mangan, Phosphor und Schwefel sowie Nickel- und Chromgehalte so eingestellt werden, daß das Guß stück entweder durch die Abkühlung im Formsand völlig oder durch die Wirkung von Abschreckplatten nur eine Oberflächenschichte weiß erstarrt. Der Kohlenstoff wird also nicht als Graphit ausgeschieden. Das Gefüge besteht dann aus Ledeburit mit Zementit oder zerfallenem Austenit. Hartguß gehört zu den bekanntesten, verschleißbeständigsten Legierungen. Die Verschleiß beständigkeit wird meist durch Zementit seltener durch Martensit erreicht, letzteres kann durch entsprechendes Legieren oder durch Abschrecken erzielt werden. Hartguß ist praktisch nicht verformungsfähig.

Wenngleich sich dieser Werkstoff für hochverschleißfeste Maschinenbauteile bestens bewährt hat, liegt der ihm anhaftende Nachteil darin, daß sich die Herstellung von Hartgußteilen bis lang nicht automatisieren läßt, so daß die Herstellung solcher Teile sehr teuer ist, vor allem dann, wenn es sich um die Her stellung von Massenartikel handelt, die in großen Stückzahlen gefertigt werden müssen.

Für die Herstellung von Massenartikel mit qualifizierten und spezifizierten Eigenschaften hat sich die Pulvermetallurgie be währt. Zur Herstellung hochfester Werkstücke wurde dafür eine Eisen-Molybdän-Nickel-Sinterlegierung mit Phosphorzusatz ent wickelt (deutsche Patentschrift 26 13 255, österreichische Patentschrift 3 61 959), und die daraus hergestellten Gegen stände besitzen eine Zugfestigkeit von 600 N/mm² und mehr, wo bei diese Teile unter Anwendung der einfachen Sintertechnik hergestellt werden und zwar ohne zusätzliche Wärmebehandlung. Werkstücke, die aus diesen Legierungen gesintert sind, er reichen zwar die gewünschte Zugfestigkeit, nicht jedoch die Verschleißfestigkeit von Hartgußteilen.

Für Nocken von Nockenwellen, für welche eine hohe Verschleiß festigkeit zu fordern ist, wurde eine Sinterlegierung ent wickelt, welche Chrom, Molybdän, Kupfer, Phosphor und Kohlen stoff enthält (britische Offenlegungsschrift 20 73 247, Höganaes PM-Seminarbericht/März 1985). Es wurden Vergleichsteste durch geführt, wobei Hartgußnockenwellen und solche mit gesinterten Nocken aus dem genannten Werkstoff gleichen Prüfungsbedingungen unterworfen werden. Die dabei ermittelten Verschleißwerte liegen in vergleichbaren Größenbereichen. Die hier verwendete Sinterlegierung kann jedoch nicht durch ein einfaches Mischen der entsprechenden elementaren Metallpulver hergestellt werden, sondern muß aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität von Chrom als vorlegiertes Pulver eingesetzt werden. Würde Chrom elementar als Pulver beigemischt, würde sich vor der eigentlichen Sinte rung ein Oxidmantel um die Teilchen bilden, da die in der Technik verwendeten Schutzgase meistens mit Sauerstoff verun reinigt sind. Der Oxidmantel verhindert den diffusionsgesteuer ten Legierungsprozeß.

Zur Herstellung von vorlegierten Pulvern wird eine Legierung der gewünschten Zusammensetzung erschmolzen und nach dem her kömmlichem Verfahren zu Pulver verdüst. Da dieser Prozeß unter hochreinem Schutzgas verläuft, ist gewährleistet, daß sich auch das sauerstoffaffine Element Chrom in der Legierung löst. Das so gewonnene Pulver wird mit elementarem Kohlenstoff (Gra phit) gemischt, verpreßt und gesintert. Chrom bildet während des Sinterns Carbide, die die Verschleißfestigkeit erheblich verbessern. Die Zusammenwirkung von Phosphor und Kohlenstoff verursachen die Bildung einer flüssigen Phase und erhöhen damit die Sinteraktivität.

Teile, die aus diesem vorlegierten Eisenpulver hergestellt werden, besitzen eine hohe Schrumpfung, die Teilchen des Pulvers sind sehr hart und daher nur schlecht verpreßbar. Die Schrumpfung in Längsrichtung liegt im Bereich von 5%. Bei der Herstellung von Nocken für Nockenwellen ist diese Schrumpfung nicht ganz unerwünscht, weil dadurch ein fester Sitz des Nockens auf der Welle erreicht werden kann. Anderer seits jedoch können aufgrund der hohen Schrumpfung keine engen Toleranzen eingehalten werden oder nur mit großem Auf wand. Die Herstellung eines vorlegierten Pulvers ist auf wendig und damit teuer.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung hochverschleißfester Fe-Ni-Cu-Mo-Sinterteile mit Phosphorzu satz vorzuschlagen, welche mit herkömmlicher Sintertechnik und ohne zusätzliche Härtebehandlung erzeugt werden können und die hinsichtlich ihrer Verschleißeigen schaften Hartgußteilen gleichwertig sind. Sie sollen also eine Oberflächenhärte von zirka 50 Rockwell (RC) besitzen und nur eine geringe Schrumpfung, das Pulver muß also gut verpreß bar sein. Dabei soll das Werkstück den Charakter der pulvermetallurgischen Herstellung beibehalten, es soll also einen nicht unerheblichen Porenan teil besitzen, der sich erfindungsgemäß positiv auf die Not laufeigenschaften auswirkt. Erfindungsgemäß wird dies mit jenen Maßnahmen erreicht, die Inhalt und Gegenstand des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 sind.

In der Regel wird ein metallischer Werkstoff als "gut" bewertet, wenn seine Druckfestigkeit und seine Zugfestigkeit entsprechend hohe Werte auf weisen. Es ist ferner bekannt, daß ein hoher Phosphorgehalt die Zugfestig keit beeinträchtigt, weshalb des Bestreben vorherrscht, Phosphor möglichst zu vermeiden und den Kohlenstoffgehalt nicht über 1% anzusetzen. Nach der gegenständlichen Erfindung wird ein zu dieser üblichen Vorgangsweise kon trärer Weg eingeschlagen, nämlich sowohl den Kohlenstoffgehalt wie auch den Phosphorgehalt relativ hoch anzusetzen. Damit wird zwar eine Beeinträchti gung der Zugfestigkeit bewußt in Kauf genommen, es können jedoch überraschenderweise Bauteile gefertigt werden, die besonders hohe Qualitäten hinsichtlich der Druckfestigkeit und der Verschleißfestigkeit besitzen, wobei darüber hinaus die durch Sintern gewonnenen Bauteile keiner Nachbehandlung bedürfen.

Die DE-OS 28 31 548 beschreibt eine Legierung, bei der die Legierungsbereiche für Nickel, Kupfer und Molybdän diejenigen der vorlie genden Erfindung umfassen. Hinsichtlich des Kohlenstoffgehaltes liegt die Obergrenze geringfügig außerhalb des Standes der Technik. Bezüglich des Phos phosgehaltes sagt der Stand der Technik nichts weiter aus, als daß die Elemente Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor insgesamt nicht mehr als 2 Gew.-% ausmachen. Vernünftigerweise wird man davon ausgehen, daß bei dieser summarischen Angabe die vier Komponenten etwa gleich-gewichtig vorhanden sind. Unterstellt man also einen Anteil von 0,5 Gew.-% für jedes dieser vier Legie rungselemente, so macht der Stand der Technik nur zum Bruchteil vom Erfindungs gedanken Gebrauch, nämlich nur dann, wenn der Kohlenstoffgehalt oberhalb 1,5% liegt. Arbeitet also der Fachmann nach der Lehre des Standes der Technik, so ist seine Erfolgsquote bezüglich der vorliegenden Erfindung (2,0-1,5) : (2,0-0,3) also geringer als 30%. Unter dieser Voraussetzung kann man nicht mehr davon sprechen, daß der Fachmann nach dem Stand der Technik das durch die vorliegende Erfindung gewünschte Ergebnis regelmäßig erreicht. Eher han delt es sich um ein zufälliges Erreichen.

Zweckmäßigerweise wird der Kohlenstoffgehalt auf höchstens das Fünffache des Phosphorgehaltes eingestellt.

Massenteile, die nach diesem Verfahren hergestellt sind, müssen keinem Härteverfahren unterworfen werden, sie besitzen Ober flächenhärten im Bereich von zirka 50 Rockwell (RC) und nur eine geringe Schrumpfung bzw. ein geringes Wachstum. Sie weisen ferner den Charakter eines pulvermetallurgisch herge stellten Werkstückes auf, das heißt, sie besitzen einen relativ hohen Porenanteil, der die Notlaufeigenschaften begünstigt. Die die Sinterlegierung bildenden Bestandteile werden in elementarer Form mit Eisenpulver gemischt bzw. diffusionslegiert, das so erhaltene Pulver wird in einem Preßwerkzeug zum gewünschten Teil unter Druck, beispielsweise unter Drücken von 400-1000 N/mm² geformt und anschließend bei 1120°C während zirka dreißig Minuten ge sintert, wobei der Sintervorgang in an sich bekannter Weise im wesentlichen drei unmittelbar aufeinanderfolgende Zeitphasen umfaßt, nämlich das Abrauchen des Schmiermittels, das eigentliche Sintern und das Abkühlen, wobei die Vorgänge unter Schutzgas verlaufen. Die gute Verpreßbarkeit wird dadurch gewährleistet, daß beim anlegierten Pulver die Komponenten elementar vorliegen und damit die gute Verformbarkeit reiner Metalle genutzt werden kann.

Die folgenden beiden Beispiele erläutern näher die Erfindung, wobei diese Beispiele die genaue Zusammensetzung der Legierung, die erzielte Preßdichte des Rohlings, sowie die gewonnene Ober flächenhärte anzeigen, die nach genormten Meßmethoden ermittelt worden ist.

Beispiel 1

Nennanalyse:
C . . . . . . . 1,5%
Cu . . . . . . . 1,5%
Ni . . . . . . . 4%
Mo . . . . . . . 0,5%
P . . . . . . . 0,45%
Fe . . . . . . . Rest

Anlaßtemperatur: 175°C
Anlaßzeit: 60 Minuten
Nenndichte: 7,0 gr/cm³
Härte HV 5≃ 520

Fig. 1 zeigt ein Schliffbild (500fache Vergrößerung). Der Schliff wurde in herkömmlicher Weise hergestellt. Diese Legierung weist kleine abgerundete Poren auf. Die Poren befinden sich hauptsächlich auf den durch das Zementitnetz markierten Korn grenzen. An verschiedenen Stellen liegen kleinere Poren mitten im Korn.

Das Zementitnetz ist im Schliffbild als weißes Netz zu erkennen. Es umschließt fast sämtliche Körner. Seine Dicke beträgt weniger als 3 µm, an den meisten Stellen liegt die Dicke bei 1 µm. Bei den weißen Punkten, die an wenigen Stellen im Korninneren zu sehen sind, handelt es sich um Zementitkugeln.

Das Gefüge der Körner besteht aus acicularem (nadeligem) Marter sit, der in Restaustenit eingebettet ist. Der Martensit er scheint in Form dunkler Nadeln, der Restaustenit liegt hell da zwischen. Entsprechend der Fig. 1 ist bei dieser Legierung ein Volumenanteil von 40% für den Restaustenit zu erwarten. Dem gemäß finden sich mit einem Volumenanteil von 14% restaustenit reiche Gebiete (helle Flecken in Fig. 1), die stellenweise vom Zementitnetz durchschnitten werden. Die leichte Graufärbung des Restaustenits könnte auf eine teilweise Umwandlung in unterem Bainit durch die Anlaßbehandlung hinweisen.

Restaustenit kann sich ungünstig auf die Maßbeständigkeit der Bauteile auswirken. Dennoch muß das Auftreten von Restaustenit im Gefüge keinen Nachteil bezüglich des Verschleisses darstellen. Mit wachsendem Volumenanteil an Restaustenit wird der Wider stand gegen abrasiven Verschleiß erhöht. Die Umwandlung des Restaustenits in Bainit stellt einen Vorteil bei Gleitver schleißbeanspruchung dar. Bei gleicher Härte hat ein bainitisches Gefüge bessere Gleitverschleißeigenschaften als ein marten sitisches.

Die Mikrolasthärteprüfungen ergeben eine Härte von 612 ± 23 HV 0,05 für die martensitischen Körner. In Gebieten mit hohem Rest austenitanteil (bzw. unterem Bainit) liegt die Härte mit 476 ± 88 deutlich niedriger.

Beispiel 2

Nennanalyse:
C . . . . . . . 2%
Cu . . . . . . . 1,5%
Ni . . . . . . . 1,75%
Mo . . . . . . . 0,5%
P . . . . . . . 0,45%
Fe . . . . . . . Rest

Fig. 2 zeigt das Schliffbild (500fache Vergrößerung). Die Poren dieser Legierung sind größer und besser abgerundet als die der erstbesprochenen Legierung. Sie liegen vorzugsweise an Korn grenzentripelpunkten, seltener zwischen zwei Körnern und nur in wenigen Fällen im Korninneren. Die bessere Rundung weist auf eine verstärkt auftretende flüssige Phase während der Sin terung hin.

Das Zementitnetz ist stärker als bei der erstbesprochenen Le gierung. Es umschließt sämtliche Körner. Die Dicke liegt bei 1 µm bis 15 µm, wobei an Korngrenzentripelpunkten besonders breite Stellen des Zementitnetzes zu beobachten sind. Die bei der erstbesprochenen Legierung vereinzelt auftretenden Zementit körner treten hier vermehrt auf. Fast in jedem Korn sind die gut gerundeten Zementitkörner (Härte 1018 HV 0,025) zu erkennen.

Die Körner selbst bestehen wie bei der erstbesprochenen Le gierung aus acicularem Martensit mit Restaustenit. Restaustenit reiche Gebiete befinden sich meistens im Korninneren, teilweise liegen auch größere Gebiete vor, die von mehreren benachbarten Körnern gebildet werden und nur durch das Zementitnetz getrennt sind.

Die martensitischen Gebiete sind mit 680 ± 69 HV 0,05 etwas härter als die der erstbesprochenen Legierung. Dagegen sind die rest austenitreichen Gebiete mit 353 ± 36 HV 0,05 weicher. Das Zemen titnetz weist die erwartete Härte von 1035 ± 67 HV 0,05 auf.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von hochverschleißfesten Fe-Ni-Cu-Mo-Sinterteilen ohne zusätzliche Wärmebehandlung aus 1,0 bis 5,0% Ni, 1,0 bis 3,0% Cu und 0,3 bis 1,0% Molybdän (in Gew.-%) auf Eisenbasis mit herstellungsbedingten Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt von 1,0 bis 2,5% auf mindestens das Dreifache des Phosphorgehaltes von 0,3 bis 0,6% eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt auf höchstens das Fünffache des Phosphorgehaltes eingestellt wird.