DE4017030A1 - Verschleissfeste sinterlegierung, insbesondere fuer ventilsitzringe von verbrennungskraftmaschinen - Google Patents
Verschleissfeste sinterlegierung, insbesondere fuer ventilsitzringe von verbrennungskraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste
Sinterlegierung auf der Basis von Eisen als Matrix mit
eingelagerten harten Phasen, ihre Herstellung und ihre
Verwendung für insbesondere Ventilsitzringe für den
bleifreien und bleihaltigen Kraftstoffbetrieb von
Verbrennungskraftmaschinen.
Ventilsitzringe von Verbrennungskraftmaschinen sind
vor allem am Auslaßventil hohen mechanischen
Belastungen unter gleichzeitiger Einwirkung der sehr
heißen Verbrennungsgase ausgesetzt und müssen
entsprechend aus vor allem verschleißfesten und
warmfesten Werkstoffen bestehen. Sinterwerkstoffe
erfüllen diese Bedingungen am besten, so daß heute
Ventilsitzringe meistens aus speziellen
Sintermetallegierungen mit gegebenenfalls Zusätzen an
harten Phasen bestehen. Organische Bleiverbindungen
als Zusätze an bleihaltigen Kraftstoffen bilden bei
der Verbrennung im Motor Bleiverbrennungsprodukte, die
sich insbesondere auch auf den Ventilsitzringen unter
Bildung von Überzügen mit verschleißschützender und
korrosionsschützender Wirkung abscheiden.
Bei Verwendung bleifreier Kraftstoffe entfällt diese
Schutzwirkung, und man mußte daher bei der Umstellung
von bleihaltigen auf bleifreie Kraftstoffe neue
Sinterwerkstoffe mit vor allem verbesserter
Verschleißfestigkeit entwickeln. Bewährt haben sich
dabei Sinterwerkstoffe aus gesinterten
Schnellstahllegierungen mit in dieser Matrix
eingelagerten, fein verteilten Metallkarbiden.
Nach beispielsweise der US-PS 45 05 988 sind
gesinterte Ventilsitzringe für den bleifreien Betrieb
bekannt, deren Matrix aus einer hochlegierten
Stahllegierung besteht, in die 8 bis 14 Volumenprozent
harte Phasen fein verteilt eingelagert sind, die aus
einem Gemisch eines Chrom-Wolfram-Cobalt-Eisen-Karbids
mit Ferromolybdän bestehen. Die freien Poren des
Sinterwerkstoffes können dabei zusätzlich durch
Imprägnation beziehungsweise Infiltration mit Kupfer
oder Kupferlegierungen gefüllt sein.
Diese Sinterlegierungen sind durch die hohen Anteile
an Legierungsmetallen relativ teuer und aufwendig in
der Herstellung. Vor allem aber sind diese speziell
für bleifreie Kraftstoffe entwickelten
Ventilsitzringwerkstoffe im Betrieb mit bleihaltigen
Kraftstoffen nicht verschleiß- und korrosionsbeständig
genug. Ablagerungen von Bleiverbrennungsprodukten
führen bei diesen Sinterwerkstoffen zu
Bleioxidkorrosionserscheinungen, und die
Ventilsitzringe werden im Betrieb schnell durchlässig
und weisen erhöhten Verschleiß auf. Die für den
bleifreien Betrieb entwickelten Sinterwerkstoffe sind
für den Mischbetrieb bei wechselnder Verwendung in
bleihaltigen und bleifreien Kraftstoffen, wie er in
der Praxis üblich ist, noch nicht ideal geeignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, einen kostengünstigen und dadurch
wirtschaftlichen Sinterwerkstoff für insbesondere
Ventilsitzringe für Verbrennungskraftmaschinen zu
schaffen, der im Mischbetrieb mit wechselnder
Belastung durch bleifreien und durch bleihaltigen
Kraftstoff mit vor allem verbesserter
Verschleißfestigkeit, Warmfestigkeit, Warmhärte und
Korrosionsbeständigkeit eingesetzt werden kann. Die
Herstellung des Sinterwerkstoffes soll vor allem durch
formgenaue Verarbeitbarkeit einfach und kostengünstig
sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Sinterlegierung gelöst, welche aus 80 bis
95 Gewichtsprozent Matrixmetall aus martensitischer
Eisenlegierung mit 0,6 bis 1,5 Gewichtsprozent
Kohlenstoff, 0,2 bis 2 Gewichtsprozent Mangan,
herstellungsbedingten Verunreinigungen und Eisen als
Rest sowie 5 bis 20 Gewichtsprozent harten Phasen aus
intermetallischen Phasen von 20 bis 40 Gewichtsprozent
Molybdän, 5 bis 20 Gewichtsprozent Chrom, 0,5 bis
4 Gewichtsprozent Silizium und Eisen einschließlich
herstellungsbedingter Verunreinigungen als Rest
besteht.
Die bevorzugt eingesetzte intermetallische Phase
besteht dabei aus einer aus einer Eisenlegierung aus
20 bis 40 Gewichtsprozent Molybdän, 5 bis
20 Gewichtsprozent Chrom, 0,5 bis 4 Gewichtsprozent
Silizium und Eisen als Rest. Zur Verbesserung der
Warmfestigkeit kann die intermetallische Phase noch
zusätzlich 20 bis 30 Gewichtsprozent Kobalt enthalten.
Im Sinne der Erfindung kann aber auch die eingelagerte
harte Phase aus einem Gemisch binärer oder ternärer
intermetallischer Phasen aus den Metallen
Eisen, Chrom, Molybdän und Silizium bestehen, und als
bevorzugtes Gemisch wird ein Gemisch der
intermetallischen Phasen von Ferro-Molybdän,
Molybdän-Silizium und Chrom-Silizium verwendet, das zu
insgesamt 5 bis 20 Gewichtsprozent dem Matrixmetall
zugegeben ist.
Zur Herstellung des Sinterwerkstoffes werden die
intermetallischen Phasen zusammen mit dem Eisenpulver
gemischt und in der Form bei einer Preßkraft zwischen
600 und 800 MN/m2 zu Ventilsitzringen verpreßt, die
dann anschließend 30 bis 60 Minuten bei 1100 bis
1300°C unter Schutzgas oder im Vakuum fertiggesintert
werden. Zusätzlich können die Ringe bei 800 bis
900 MN/m2 nachverdichtet werden, und es kann sich eine
Vergütungsbehandlung durch einstündiges
Austenitisierungsglühen bei etwa 900°C, Abschrecken in
Öl und Anlassen über eine Stunde bei etwa 250°C zur
Ausbildung eines möglichst einheitlichen
martensitischen Gefüges anschließen.
Die erhaltenen Ventilsitzringe wurden in
Motorversuchen im Mischbetrieb in bleihaltigen und
bleifreien Kraftstoffen getestet, und es wurden nach
Laufzeiten von über 500 Stunden auch am Auslaßventil
keine nennenswerten Verschleißerscheinungen
festgestellt. Die erfindungsgemäßen Ventilsitzringe
zeigen im Mischbetrieb ein einheitlich verbessertes
Korrosionsverhalten und damit verbessertes
Verschleißverhalten bei gleichzeitig guter
Warmfestigkeit.
Das Schliffbild zeigt ein überwiegend martensitisches
Grundgefüge der Matrix, in der die angegebenen harten
intermetallischen Phasen ungelöst fein verteilt
eingelagert vorliegen. Dadurch wird das Aufreißen der
Oberfläche des Sinterwerkstoffes durch wiederholte
Schlagbeanspruchung vermieden und die mechanische
Bearbeitbarkeit des Sinterwerkstoffes nicht
beeinträchtigt.
Das Pulvergemisch als Ausgangsmaterial zum Sintern der
Ventilsitzringe besitzt gute Fließeigenschaften und
Verpreßbarkeitseigenschaften bei geringem
Ausstoßwiderstand am Preßwerkzeug. Dadurch wird die
Lebensdauer der Preßwerkzeuge erhöht, und es können
Ventilsitzringe maßgenau verpreßt werden. Dadurch ist
eine wirtschaftliche Massenfertigung ohne wesentliche
mechanische Nachbearbeitung der Ventilsitzringe
möglich.
Das als Matrixmetall verwendete Eisenpulver ist
wasserverdüstes Eisenpulver, dessen Gehalt an gelöstem
0,6 bis 1,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff für die
Ausbildung des martensitischen Gefüges sorgt. Weniger
als 0,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff im Grundgefüge
würde ein ferritisches Gefüge ergeben, und Gehalte von
über 1,5 Gewichtsprozent würden unter Zementitbildung
das Matrixmetall unerwünscht verspröden.
Zur weiteren Verbesserung der Härte, der
Verschleißfestigkeit und der Maßhaltigkeit kann dem
Sinterpulvergemisch 1 bis 5 Gewichtsprozent Nickel-
und/oder 1 bis 3 Gewichtsprozent Kupferpulver
zugegeben werden. Kleinere Mengen als
1 Gewichtsprozent sind dabei nicht wirksam genug, und
größere Mengen als 3 beziehungsweise 5 Gewichtsprozent
würden die Maßhaltigkeit und mechanische
Bearbeitbarkeit der Sinterwerkstücke verschlechtern.
Zusätzlich kann dem Sinterpulvergemisch
Molybdändisulfid und/oder Mangansulfid in Mengen von
1 bis 3 Gewichtsprozent zugegeben werden. Die Sulfide
wirken als Festschmierstoffe, wobei insbesondere das
Mangansulfid die eventuell erforderliche spanabhebende
Bearbeitung der Ventilsitzringe erleichtert.
Das fertige Sinterwerkstück kann zusätzlich zur
Verbesserung vor allem der Wärmeleitfähigkeit mit
Kupfer oder Kupferlegierungen imprägniert
beziehungsweise infiltriert werden. Entsprechend den
im Sinterwerkstoff vorliegenden freien Poren liegt
dann der Kupfer- oder Kupferlegierungsgehalt zwischen
10 und 20 Gewichtsprozent.
Durch die Erfindung ist somit ein Sinterwerkstoff
geschaffen, der sich zur Herstellung von
Ventilsitzringen für den Einsatz mit sowohl
bleihaltigen als auch bleifreien Kraftstoffen eignet.
In beiden Kraftstoffen ist die Korrosionsbeständigkeit
des Sinterwerkstoffes gleichermaßen gut, und
gleichzeitig sorgt die hohe Verschleißfestigkeit und
Warmfestigkeit für eine lange Lebensdauer des
Sinterwerkstoffes beim Einsatz als Ventilsitzring. Das
verwendete Matrixmetall ist nur schwach legiert und
dadurch preiswert, und die verwendeten
intermetallischen Phasen sind preiswert im Handel
erhältlich. Die Verarbeitbarkeit des erfindungsgemäß
zusammengesetzten Sinterpulvergemisches ist gut und
dadurch wirtschaftlich. Einmal besitzt das
Sinterpulvergemisch gute Fließ- und
Verpreßbarkeitseigenschaften, so daß sich das
Pulvergemisch bei geringem Ausstoßwiderstand und
dadurch geringem Werkzeugverschleiß auch zur
vollautomatischen Massenfertigung von Ventilsitzringen
einsetzen läßt. Zum anderen ist auch die Maßhaltigkeit
so gut, daß sich gerade Ventilsitzringe innerhalb der
geforderten maßlichen Toleranzen direkt pressen und
sintern lassen. Eine verteuernde Nachbearbeitung
entfällt oder wird auf ein Minimum reduziert.
Während der erfindungsgemäße Sinterwerkstoff bevorzugt
als Ventilsitzring für insbesondere Auslaßventile in
im Mischbetrieb arbeitenden Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt werden soll, ist es auch möglich, den
erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff für die Herstellung
ähnlich belasteter Maschinenteile vor allem in im
Mischbetrieb arbeitenden Verbrennungskraftmaschinen zu
verwenden. Insbesondere wegen der guten
Verarbeitbarkeitseigenschaften, des geringen Preises
und der ausgezeichneten technologischen Eigenschaften
können mit dem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff
gegebenenfalls auch Maschinenteile außerhalb der
Anwendung für Verbrennungskraftmaschinen vorteilhaft
hergestellt werden.
Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel näher
erläutert.
Ausgegangen wird:
- A) von einem wasserverdüstem Eisenpulver aus 0,2 bis 1,5 Gewichtsprozent Mangan sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen mit Eisen als Rest sowie 0,7 Gewichtsprozent zugemischtem Kohlenstoff
- B) von einer wasserverdüsten intermetallischen Phase in Pulverform aus 30 Gewichtsprozent Molybdän, 3 Gewichtsprozent Silizium und 10 Gewichtsprozent Chrom sowie Eisen als Rest.
90 Gewichtsteile des Pulvers A) und 10 Gewichtsteile
des Pulvers B) sowie 1,5 Gewichtsteile
Mangansulfidpulver und 1,5 Gewichtsteile
Molybdändisulfidpulver werden miteinander gemischt und
bei einem Preßdruck von 800 MN/m2 in Formen zu
Ventilsitzringen auf eine Preßdichte von 6,85 g/cm3
verpreßt.
Das angeschlossene Sintern erfolgt über 35 Minuten bei
1190°C in einer Schutzgasatmosphäre aus 80%
Stickstoff und 20% Wasserstoff. Die Sinterdichte des
Sinterwerkstoffes beträgt 6,9 g/cm3, und anschließend
erfolgt das Nachpressen auf eine Dichte von 7,25 g/cm3
bei einem Druck von 850 MN/m2.
Zur Wärmebehandlung werden die Sinterkörper eine
Stunde bei 900°C austenitisiert, in Öl abgeschreckt
und eine Stunde bei 250°C in Luft angelassen.
Das Schliffbild zeigt in 1500-facher Vergrößerung das
Gefüge der erfindungsgemäßen Sinterlegierung. Das
Matrixmetall 1 ist martensitisch und enthält neben den
ungefüllten Poren 2 die eingelagerten
intermetallischen harten Phasen 3.
Die Warmhärte des Sinterwerkstoffes beträgt
bei Raumtemperatur 330 HB
und bei 600°C 200 HB.
bei Raumtemperatur 330 HB
und bei 600°C 200 HB.
Die Ventilsitzringe wurden im Motortest über
500 Stunden entsprechend einer Laufleistung von
80 000 km im Mischbetrieb abwechselnd in bleihaltigem
Kraftstoff und in bleifreiem Kraftstoff geprüft.
Die Auslaßventilsitzringe wiesen nur geringe, nicht
störende Verschleißerscheinungen auf und waren nach
dem Test voll funktionsfähig.
Claims (9)
1. Verschleißfeste Sinterlegierung auf der Basis
von Eisen als Matrix mit eingelagerten harten
Phasen für die Herstellung von Ventilsitzringen
für den Betrieb mit bleihaltigen und bleifreien
Kraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterlegierung
aus 80 bis 95 Gewichtsprozent Matrixmetall aus
martensitischem Eisen (1) aus 0,6 bis
1,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,2 bis
2 Gewichtsprozent Mangan, herstellungsbedingten
Verunreinigungen und Eisen als Rest sowie 5 bis
20 Gewichtsprozent harten Phasen aus
intermetallischen Phasen (3) von 20 bis
40 Gewichtsprozent Molybdän, 5 bis
20 Gewichtsprozent Chrom, 0,5 bis
4 Gewichtsprozent Silizium und Eisen
einschließlich herstellungsbedingter
Verunreinigungen als Rest besteht.
2. Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die intermetallische
Phase (3) 20 bis 30 Gewichtsprozent Kobalt
enthält.
3. Verschleißfeste Sinterlegierung nach mindestens
einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die intermetallische
Phase (3) aus einer Eisenlegierung mit 20 bis
40 Gewichtsprozent Molybdän, 5 bis
20 Gewichtsprozent Chrom, 0,5 bis
4 Gewichtsprozent Silizium und Eisen als Rest
einschließlich herstellungsbedingter
Verunreinigungen besteht.
4. Verschleißfeste Sinterlegierung nach mindestens
einem der Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die intermetallische harte
Phase (3) aus einem Gemisch von Ferro-Molybdän,
Molybdän-Silizium und Chrom-Silizium besteht.
5. Verschleißfeste Sinterlegierung nach mindestens
einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sinterlegierung 1 bis
5 Gewichtsprozent Nickel und/oder 1 bis
3 Gewichtsprozent Kupfer enthält.
6. Verschleißfeste Sinterlegierung nach mindestens
einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sinterlegierung 1 bis
3 Gewichtsprozent Molybdändisulfid (MoS2)
und/oder 1 bis 3 Gewichtsprozent
Mangansulfid (MnS) enthält.
7. Verfahren zur Herstellung der Sinterlegierung
nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis
20 Gewichtsteile intermetallische Phase (3) mit
80 bis 95 Gewichtsteilen Eisenlegierung (1) und
gegebenenfalls 1 bis 5 Gewichtsteilen
Nickelpulver, 1 bis 3 Gewichtsteilen
Kupferpulver, 1 bis 3 Gewichtsteilen
Molybdändisulfid (MoS2) und/oder 1 bis
3 Gewichtsteilen Mangansulfid (MnS) homogen
vermischt wird, daß das Pulvergemisch in Formen
bei 600 bis 800 MN/m2 zu Formteilen verpreßt
wird, daß die Formteile 30 bis 60 Minuten bei
1 100 bis 1 300°C in Schutzgas gesintert werden,
und daß die Sinterformteile bei 800 bis
900 MN/m2 nachverdichtet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die fertiggesinterten
Formteile durch Austenitisierung über eine
Stunde bei 900°C, durch Abschrecken in Öl und
einstündiges Anlassen bei 250°C wärmebehandelt
werden.
9. Sinterlegierung nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die freien Poren (2) der Sinterlegierung mit
Kupfer oder einer Kupferlegierung durch
Infiltration ausgefüllt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904017030 DE4017030A1 (de) | 1989-06-09 | 1990-05-26 | Verschleissfeste sinterlegierung, insbesondere fuer ventilsitzringe von verbrennungskraftmaschinen |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3918875 | 1989-06-09 | ||
DE19904017030 DE4017030A1 (de) | 1989-06-09 | 1990-05-26 | Verschleissfeste sinterlegierung, insbesondere fuer ventilsitzringe von verbrennungskraftmaschinen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4017030A1 true DE4017030A1 (de) | 1990-12-13 |
DE4017030C2 DE4017030C2 (de) | 1992-09-03 |
Family
ID=25881762
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904017030 Granted DE4017030A1 (de) | 1989-06-09 | 1990-05-26 | Verschleissfeste sinterlegierung, insbesondere fuer ventilsitzringe von verbrennungskraftmaschinen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4017030A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19925300A1 (de) * | 1999-06-02 | 2000-12-07 | Mahle Ventiltrieb Gmbh | Gußwerkstoff mit hohen Warmhärte |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4505988A (en) * | 1982-07-28 | 1985-03-19 | Honda Piston Ring Co., Ltd. | Sintered alloy for valve seat |
-
1990
- 1990-05-26 DE DE19904017030 patent/DE4017030A1/de active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4505988A (en) * | 1982-07-28 | 1985-03-19 | Honda Piston Ring Co., Ltd. | Sintered alloy for valve seat |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19925300A1 (de) * | 1999-06-02 | 2000-12-07 | Mahle Ventiltrieb Gmbh | Gußwerkstoff mit hohen Warmhärte |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4017030C2 (de) | 1992-09-03 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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