DE4134516A1

DE4134516A1 - Sintereisenlegierungszusammensetzung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE4134516A1
Application number: DE4134516A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Ikenoue; Koichiro Hayashi; Makoto Kanou; Akira Fujiki
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1992-04-23
Also published as: GB2248850B; GB2248850A; GB9121972D0; DE4134516C2; JPH04157137A; US5326526A; JP2713658B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sinterlegierungszusammensetzung und deren Herstellungsverfahren, insbesondere eine Sintereisenlegierungszusammensetzung mit ausgezeichneter Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit unter hohem Lagerdruck, welche bevorzugt bei der Herstellung von Gleitelementen für Ventilsteuerungssysteme von Verbrennungsmotoren verwendet werden.

Herkömmlich wurden Maschinenteile, wie Gleitelemente von Ventilsteuerungssystemen für Verbrennungsmotoren unter Verwendung von Blockmaterial hergestellt. In Übereinstimmung mit jüngeren Entwicklungen, welche Hochleistungsmotoren verlangen, wurden jedoch verschiedene Sintereisenlegierungen entwickelt und in der Praxis eingesetzt. Diese Legierungen wurden zu dem Zweck zur Verfügung gestellt, die Verschleißfestigkeit und Bearbeitbarkeit zu verbessern und die Herstellungskosten von Maschinenteilen zu verringern.

Ein Beispiel von Sintereisenlegierungen mit verbesserten Eigenschaften wird in der japanischen Patentveröffentlichung (Kohkai) Nr. S51-1 19 419, eingereicht am 11. April 1975 durch Hitachi Powdered Metals Co., Ltd. et al beschrieben. Diese Sintereisenlegierung besteht aus einem Perlit-Eisen-Ausgangsstoff, zu welchem Kupfer und Zinn zur Verstärkung des Eisenausgangsstoffes hinzugefügt werden. Dieser Eisenausgangsstoff ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Eisen-Kohlenstoff-Phosphor-Dreistofflegierung in dem Perlit-Eisen-Ausgangsstoff ausgefällt wird, wobei freies Graphit in dem Eisenausgangsstoff feinverteilt wird. Diese Sintereisenlegierung wird als ein Material für Ventilführungen in Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt.

Beispiele für andere Sintereisenlegierungen werden in den japanischen Patentveröffentlichungen (Kohkai) Nr. S51-41 619, S58-1 77 435 und S61-2 43 156 vorgeschlagen. Jede der in diesen Unterlagen veröffentlichten Sintereisenlegierungen weist einen Eisenausgangsstoff auf, zu welchem Komponenten, wie Nickel, Chrom, Molybdän, Mangan, Wolfram, Vanadium, Kupfer und ähnliche, zur Verstärkung des Eisenausgangsstoffes hinzugefügt werden. Des weiteren sind in diesen Legierungen, wenn erfordert, Hartmetallteilchen in dem Eisenausgangsstoff feinverteilt und ein festes Schmiermittel, wie ein Sulfid, Blei oder Graphit, zu dem Zweck in dem Eisenausgangsstoff feinverteilt, die Verschleißfestigkeit der Sintereisenlegierung zu verbessern.

Wie oben beschrieben, ist es üblich, zusätzliche Legierungskomponente zu der Ausgangslegierung hinzuzufügen, wenn der Eisenausgangsstoff zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit bei hoher Belastung verstärkt werden soll, um so die neuesten Erfordernisse für Hochleistungsverbrennungsmotoren zu erfüllen. Obwohl dieses Verfahren, den Ausgangsstoff zu verstärken, die Verschleißfestigkeit der Sintereisenlegierung verbessert, führt es jedoch meistens zu einer verringerten Bearbeitbarkeit des Legierungsmaterials. Folglich treten, wenn eine solche Legierung als ein Material für Gleitelemente von Ventilsteuerungssystemen für Motoren eingesetzt wird, Schwierigkeiten, verbunden mit dem Zusammenbau von Verbrennungsmaschinen oder ähnlichen, auf. Bei dem Zusammenbau des Motors wird der Zylinderkopf mit den Gleitelementen, an welche Saugventile oder Auspuffventile montiert werden, versehen, bevor die Gleitelemente bearbeitet wurden. Der Bearbeitungsschritt wird mit den anderen Schritten des Motorzusammenbaus synchronisiert. Daher führt eine geringe Bearbeitbarkeit der Gleitelemente zu einer erhöhten Bearbeitungszeit, erfordert des weiteren die Verwendung von mehreren Bearbeitungswerkzeugen und behindert daher den gesamten Ablauf des Motorzusammenbaus.

Daher ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Sintereisenlegierung zur Verfügung zu stellen, welche bevorzugt bei der Herstellung von Maschinenteilen mit ausgezeichneter Bearbeitbarkeit und ausreichender Verschleißfestigkeit unter hohem Lagerdruck eingesetzt werden.

Erfindungsgemaß wird eine Sinterlegierungszusammensetzung zur Verfügung gestellt, umfassend: etwa 1,5-2,5 Gew.-% Kohlenstoff; etwa 0,5-0,9 Gew.-% Mangan; etwa 0,1 bis 0,2 Gew.-% Schwefel; etwa 1,9-2,5 Gew.-% Chrom; etwa 0,15-0,3 Gew.-% Molybdän; etwa 2-6 Gew.-% Kupfer; nicht mehr als etwa 0,3 Gew.-% eines metallischen Elements, umfassend wenigstens ein Element, gewählt aus der aus Wolfram und Vanadium bestehenden Gruppe; einen wirksamen Gehalt eines ersten festen Schmiermittelmaterials, wobei dieses feste Schmiermittelmaterial wenigstens ein aus einer Gruppe, bestehend aus Magnesiummetasilikatmineralen und Magnesiumorthosilikatmineralen ausgewähltes Mitglied umfaßt; Rest Eisen.

Die Sintereisenlegierung der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt des weiteren ein zweites festes Schmiermittelmaterial einschließen, welches wenigstens ein Mitglied, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bornitrid und Magnesiumsulfid, umfaßt.

Entsprechend dem Obenerwähnten, wird eine Verstärkung der Eisenausgangslegierung der Sinterlegierungszusammensetzung durch die Zugabe von Chrom, Mangan, Molybdän und entweder Wolfram oder Vanadium erzielt, und Anpassungsfähigkeit an andere Maschinenteile wird durch die Zugabe von Kupfer und Schwefel erzielt. Zusätzlich wird die Verschleißfestigkeit unter hohem Lagerdruck durch den Einsatz von Magnesiumsilikatmineralen, Bornitrid und Magnesiumsulfid als festes Schmiermittel verbessert. Diese festen Schmiermittelmaterialien können auch die Bearbeitbarkeit der Sintereisenlegierung verbessern.

Die Sintereisenlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Eisenausgangslegierung mit 1,9-2,5 Gew.-% Chrom, 0,15 - 0,3 Gew.-% Molybdän, höchstens 0,3 Gew.-% Wolfram oder Vanadium, 0,5-0,9 Gew.-% Mangan, 2-6 Gew.-% Kupfer, 1,5-2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1-0,2 Gew.-% Schwefel, Rest Eisen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Eisenausgangslegierung 0,5- 2 Gew.-% festes Schmiermittel verteilt sind.

Diese Legierungszusammensetzung basiert auf einer Forschung, bei welcher vielversprechende Ergebnisse für eine Legierung, welche Chrom, Molybdän, Mangan, Kupfer, Kohlenstoff, Schwefel, wenigstens entweder Wolfram oder Vanadium, Rest Eisen, in geeigneten Proportionen enthält, ermittelt wurden. Des weiteren wurde herausgefunden, daß die Bearbeitbarkeit durch die Zugabe von Magnesiumsilikatmineralen als ein festes Schmiermittel zu dieser Eisenausgangslegierung verbessert werden kann, ohne daß ein Verlust der Verschleißfestigkeit auftritt.

Im folgenden werden die Eigenschafts- und Zusammensetzungsbestandteile der erfindungsgemäßen Sintereisenlegierung beschrieben.

1. Chrom und Molybdän

Sowohl Chrom als auch Molybdän lösen sich in dem Eisenausgangsstoff durch Sintern zur Steigerung der Festigkeit der Eisenausgangslegierung. Zusätzlich bilden beide Komponenten in der Anwesenheit von Kohlenstoff ihre Carbide und verleihen so der Eisenausgangslegierung eine geeignete Härte und verbessern die Festigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen.

Die Verschleißfestigkeit der Sintereisenlegierung steht in direkter Relation zu der Menge an vorhandenem Chrom. Beträgt der Chromgehalt weniger als 1,9 Gew.-% , besitzt das Sinterlegierungserzeugnis keine ausreichende Verschleißfestigkeit. Übersteigt die Menge an Chrom jedoch 2,5 Gew.-%, verschlechtern sich die Verdichtungsfähigkeit der gemischten Rohmaterialpulver und die Bearbeitbarkeit des erhaltenen Sinterlegierungserzeugnisses. Daher ist der bevorzugte Chromgehalt etwa 0,9 bis 2,5 Gew.-%.

Die Zugabe von Molybdän, gleichzeitig mit Chrom, erhöht ebenfalls die obengenannten mechanischen Eigenschaften. Beträgt der Molybdängehalt jedoch weniger als 0,15 Gew.-%, ist die Verschleißfestigkeit des erhaltenen Sinterlegierungserzeugnisses unzureichend. Überschreitet der Molybdängehalt 0,3 Gew.-%, verschlechtert sich die Bearbeitbarkeit der Sinterlegierung.

2. Wolfram und Vanadium

Ähnlich zu den obengenannten Fällen bilden sich bei der Zugabe sowohl von Wolfram als auch Vanadium deren Carbide in der Legierung und verleihen der Sinterlegierung eine angemessene Härte und verbessern die Verschleißfestigkeit. Dabei sollte festgehalten werden, daß eine übermäßige Menge an Wolfram oder Vanadium als nicht wünschenswert angesehen wird, da es dazu führen würde, daß die Sinterlegierung ein zu hohes Maß an Härte aufweisen würde, und so die Bearbeitung des Sinterlegierungserzeugnisses erschweren würde. Daher ist es bevorzugt, den Wolfram- oder Vanadiumgehalt bei 0,3 Gew.-% oder weniger zu halten.

Des weiteren ist es zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit bevorzugt, statt eine vollständige gleichmäßige Verteilung von Chrom, Molybdän, Wolfram oder Vanadium in der Sinterlegierung zu erzielen, daß diese Komponenten ungleichmäßig in der Sintereisenlegierung verteilt sind, so daß mikroskopisch die Verteilung dieser konzentrierten und verdünnten Bereiche ein porphyritisches Gefüge in der Sintereisenlegierung bildet.

3. Mangan

Mangan ist eine Komponente, welche den Eisenausgangsstoff durch dessen Zugabe zu der Eisenausgangslegierung verstärkt. Jedoch ist weniger als etwa 0,5 Gew.-% Mangan wenig wirksam, und mehr als etwa 0,9 Gew.-% Mangan kann zu einer nicht vernachlässigbaren Oxidation während des Sinterschrittes führen. Daher wird ein Mangangehalt im des Bereich von 0,5- 0,9 Gew.-% bevorzugt.

4. Kupfer

In dem Fall, daß die Eisenausgangslegierung eine, durch das Verteilen von harten Teilchen in dieser erzielte beträchtliche Härte aufweist, verleiht z. B. die Zugabe einer Kupferkomponente dem daraus hergestellten Maschinenteil eine bessere Paßfähigkeit mit anderen Maschinenteilen. In diesem Fall wird das Kupfer in dem Eisenausgangsstoff in einem nichtdiffundierten Zustand (undiffused starre) feinverteilt, in welchem das Kupfer teilweise die Eisenkomponente und ähnliches löst. Das Kupfer wird bevorzugt in der Form von einfachem Kupferpulver hinzugefügt. Der obenbeschriebene Effekt des Kupfers wird bedeutend bei einer Menge von etwa 2 Gew.-% und bleibt in dem Bereich bis zu 8 Gew.-% ein im wesentlichen konstanter Effekt. Da jedoch die durch das Sintern bewirkte Volumenzunahme mit der Erhöhung des Kupfergehaltes auf ein hohes Maß erhöht wird, sollte der maximale Gehalt an Kupfer etwa 6 Gew.-% betragen.

5. Kohlenstoff

Eine Kohlenstoffkomponente wird in der Form von Graphitpulver hinzugefügt, um Legierungen aus den obengenannten Eisen und Carbid erzeugenden Elementen herzustellen. Ein Teil des hinzugefügten Kohlenstoffes verbleibt in der Form von freiem Graphit, dies ist jedoch nur ein geringer Anteil.

Der für die Erzeugung von Carbiden, welche der Sinterlegierung Verschleißfestigkeit verleihen, notwendige Mindestgehalt an Kohlenstoff liegt in der Nähe von 1,5 Gew.-%. Mit der Erhöhung des Kohlenstoffanteiles verschlechtert sich jedoch die Bearbeitbarkeit der Sinterlegierung, und die vermischten Rohmaterialpulver tendieren dazu, sich leicht zu trennen, obwohl die Verschleißfestigkeit verbessert wird. Unter Berücksichtigung des Obenerwähnten sollte der maximale Kohlenstoffgehalt etwa 2,5 Gew.-% betragen.

6. Schwefel

Schwefel erzeugt mit Eisen und Molybdän Sulfide und, wenn Schwefel zu der Sinterlegierung hinzugefügt wird, bewirken diese Sulfide, daß die aus dieser Sinterlegierung hergestellten Maschinenteile Paßfähigkeit mit anderen Maschinenteilen aufweisen. Der Effekt des Schwefels wird ausgeprägt, wenn der Schwefelanteil etwa 0,1 Gew.-% oder mehr beträgt. Ein Schwefelgehalt von mehr als 2 Gew.-% ist jedoch nicht bevorzugt, da das Sinterlegierungsmaterial spröde wird, obwohl die Bearbeitbarkeit verbessert wird.

7. Magnesiumsilikatminerale

Magnesiumsilikatminerale werden als ein festes Schmiermittel mit der erfindungsgemäßen Eisenausgangslegierung verbunden, um nach dem Sintern zwischen die Grenzen der Eisenausgangslegierungskörner zu treten.

Die Magnesiumsilikatminerale können gemäß ihrer Zusammensetzung in verschiedene Mineralgruppen unterteilt werden: Magnesiummetasilikatminerale, Magnesiumorthosilikatminerale, Magnesiumtrisilikatminerale, Magnesiumtetrasilikatminerale und ähnliche. Unter diesen Materialien werden Magnesiummetasilikatminerale und Magnesiumorthosilikatminerale bevorzugt in der vorliegenden Erfindung verwendet, wie im folgenden detailliert erläutert wird.

Die Gruppe der Magnesiummetasilikatminerale umfaßt aus Magnesiummetasilikat, welches im allgemeinen durch die Formel MgSiO₃ dargestellt wird, bestehende Minerale und es ist bekannt, daß sie in einige Arten gemäß ihrer unterschiedlichen Kristallstrukturen unterteilt werden. Z. B. weist Enstatit, eines der typischsten Magnesiummetasilikatminerale, eine orthorhombische Kristallstruktur auf, und Clinoenstatit, ein weiteres Magnesiummetasilikatmaterial, ist ein monoklines Material.

Des weiteren schließt diese Gruppe der Magnesiummetasilikatminerale andere Mineraltypen ein, welche durch die Veredelung von natürliches Magnesiumsilikat enthaltendes Erz gewonnen werden. Die meisten dieser veredelten Minerale werden normalerweise in der Form eines Mischkristalles aus Magnesiummetasilikat und Eisenmetasilikat oder in der Form eines Mischkristalles, in welchem der erstgenannte Mischkristall weiteres Magnesiummetasilikat löst, erhalten. Sie werden im allgemeinen durch die Formel (Mg, Fe) SiO₃ dargestellt. Beispiele dieses Typs sind Enstenit und Hypersthen.

Die Magnesiummetasilikatminerale der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Minerale, welche entweder aus einem Magensiummetasilikat bestehen oder eine, zum Beispiel obenbeschriebene Magnesiummetasilikatkomponente enthalten.

Des weiteren umfaßt die Gruppe der Magnesiumorthosilikatminerale aus Magnesiumorthosilikat bestehende Minerale, welches durch die Formel Mg₂SiO₄ dargestellt wird. Eines dieser Minerale ist das in der industriellen Welt als Forsterit bekannte Erz. Des weiteren umfaßt die Gruppe der Magnesiumorthosilikatminerale gewöhnlich solche Minerale, welche ein Mischkristall aus Magnesiumorthosilikat und Eisenorthosilikat bilden. Ein typisches Beispiel dieser Minerale ist Chrysolit.

Chrysolit ist ein Mineral, welches einen Mischkristall, bestehend aus dem obenerwähnten Forsterit (dargestellt durch die Formel Mg₂SiO₄) und Fayalit (dargestellt durch die Formel Fe₂SiO₄) oder einen Mischkristall, in welchem der zuvor genannte Mischkristall zusätzlich noch Tephroit (dargestellt durch die Formel Mn₂SiO₄) löst, bildet. Diese Minerale werden im allgemeinen durch eine Formel (Mg, Fe)₂SiO₄ oder durch eine Formel (Mg, Fe, Mn)₂SiO₄ dargestellt.

Entsprechend der obigen Beschreibung beziehen sich die Magnesiumorthosilikatminerale der vorliegenden Erfindung auf Minerale, welche entweder aus Magnesiumorthosilikat bestehen oder eine Magnesiumorthosilikatkomponente enthalten.

Eine weitere Art eines Magnesiumsilikatminerals ist eine bekannte Substanz namens Talk, dargestellt durch die Formel Mg₃Si₄O₁₁×H₂O. Talk wird jedoch in den erfindungsgemäßen Sinterlegierungen nicht bevorzugt, da bei der Verwendung von Talg die Wassermoleküle in der Kristallstruktur während des Sinterschrittes freigegeben werden und dadurch das Sintergas verunreinigen. Zusätzlich zu diesem Problem würde auch noch eine geringe Menge an Siliciumdioxid hergestellt, welches eine Tendenz hat andere Maschinenteile anzugreifen, die in Kontakt mit aus einer solchen Legierung hergestellten Teilen stehen. Daher sind Magnesiummetasilikatminerale und Magnesiumorthosilikatminerale die in der vorliegenden Erfindung als festes Schmiermittel bevorzugt verwendeten Minerale.

Im allgemeinen sind Magnesiummetasilikatminerale und Magnesiumorthosilikatminerale, welche ein spezifisches Gewicht von ca. 3,2-3,9 haben, spaltbar und können daher als feste Schmiermittel zu verbesserter Bearbeitbarkeit, Gleitbewegungseigenschaften, Paßfähigkeit und Verschleißfestigkeit des Sinterlegierungserzeugnisses führen. Des weiteren erhöht die Zugabe dieser Minerale die Eigenschaft Schmieröl oder ähnliches an Maschinenteile zu binden, welche aus diesen Sinterlegierungen hergestellt wurden, da die obengenannten Minerale lipophile Eigenschaften haben. Außerdem sind diese Minerale beträchtlich widerstandsfähig gegenüber Hitze, so daß sie sich bei den, für pulvermetallurgische Verfahren üblich verwendeten Sintertemperaturen nicht zersetzen. Die Zugabe dieser Magnesiumsilikatminerale, welche die obengenannten Eigenschaften besitzen, zu dem Metallpulverrohstoff verringert des weiteren den Reibungswiderstand zwischen dem Metallpulver und der Preßform während der Verdichtung des Pulvers, und erhöht so die Verdichtungsfähigkeit.

Beim Vergleich Magnesiumsilikatminerale mit Magnesiumorthosilikatminerale sind die letzteren härter und schwieriger zu spalten als die ersteren. Daher werden die Magnesiumorthosilikatminerale bevorzugt in Kombination mit Magnesiummetasilikatmineralen verwendet.

Hinsichtlich der Wirkung solcher fester Schmiermittel nimmt die Bearbeitbarkeit der gewonnenen Sinterlegierung in Relation zu der Zugabe des festen Schmiermittels drastisch zu, und diese Wirkung ist bei Gehalten über 0,5 Gew.-% ausgeprägt. Des weiteren verbessert sich die Verschleißfestigkeit in Relation zu der Zugabe von Magnesiumsilikatmineralen wesentlich. Übersteigt deren Anteil jedoch 2 Gew.-%, verringert sich die Festigkeit der Sinterlegierung und die Verschleißfestigkeit verschlechtert sich aufgrund der Volumenzunahme.

Zur wesentlichen Verbesserung von Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit von Sinterlegierungserzeugnissen für Gleitelemente wird die Verwendung von Bornitrid, Mangansulfid oder beiden in Kombination mit einem Magnesiummetasilikatmineral, einem Magnesiumorthosilikatmineral oder beiden gemeinsam bevorzugt.

8. Bornitrid und Mangansulfid

Bornitrid und Mangansulfid können als ein festes Schmiermittel verwendet werden, und jedes von ihnen wird bevorzugt in Form eines Pulvers zu der Rohmaterialpulvermischung hinzugefügt.

Beim Vergleich Bornitrid mit Mangansulfid ist Bornitrid Mangansulfid wesentlich überlegen im Hinblick darauf, daß es den Sinterlegierungsmaschinenteilen Bearbeitbarkeit verleiht. Auf der anderen Seite verleiht Mangansulfid eine höhere Verschleißfestigkeit als Bornitrid.

Im Hinblick auf den Gehalt an Bornitrid und Mangansulfid sollte der gesamte Anteil an festen Schmiermitteln aus Bornitrid oder Mangansulfid vermischt mit den obengenannten Magnesiumsilikatmineralen aus den gleichen Gründen, wie in dem Fall der Magnesiumsilikatmineralen beschrieben, in einem Bereich von 0,1 bis 2 Gew.-% liegen.

Das Verhältnis von Bornitrid und Mangansulfid zu dem Verhältnis von Magnesiumsilikatmineralen muß nicht notwendigerweise aus funktionellen Gründen begrenzt werden. Bornitrid und Mangansulfid sind jedoch so teuer, daß sie 10- bis 30mal soviel wie Magnesiumsilikatminerale kosten. Entsprechend soll im Hinblick auf die Herstellungskosten das Verhältnis von Bornitrid und Mangansulfid bevorzugterweise unter der Hälfte des Gesamtanteils an festem Gleitmittel gehalten werden.

Das obenbeschriebene Sintereisenlegierungserzeugnis wird unter Verwendung von üblichen Sinterverfahren hergestellt. Im Detail umfaßt der Herstellungsprozeß die folgenden Schritte:

- Vermischen der Rohstoffpulver der in der Sintereisenlegierung enthaltenen Komponenten, so daß die erhaltene Pulvermischung eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher der Gehalt jeder Komponente innerhalb des oben beschriebenen bevorzugten erfindungsgemäßen Bereiches liegt;
- Verdichten der in dem Mischungschritt gewonnenen Pulvermischung, um einen Preßling für Erzeugnisse, wie Maschinenteile, zu bilden; und
- Sintern des Preßlings.

In dem Mischschritt werden entweder einfache Pulver, Legierungspulver oder beides als ein Rohstoffpulver für die Legierungskomponenten verwendet. Dabei sollte festgehalten werden, daß in dem Mischschritt bevorzugt wenigstens zwei oder mehr Arten von Legierungspulvern mit verschiedenen Gehalten an Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium verwendet werden, so daß diese Legierungskomponenten in mikroskopischer Hinsicht etwas ungleichmäßig in der erhaltenen Sintereisenlegierung verteilt sind. Dies dient dem Zweck, daß eine Ungleichmäßigkeit dieser Komponenten zu einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Sinterlegierungserzeugnisse führt, wie schon oben im Detail hinsichtlich dieser Komponenten erwähnt wurde.

Die gewonnene Pulvermischung wird anschließend verdichtet, um während des Verdichtungsschrittes einen Preßling mit einer vorherbestimmten Form zu bilden, und dann wird der Preßling gesintert. Hinsichtlich der Sintertemperatur während des Sinterschrittes erhöht sich die scheinbare Härte des Sinterlegierungserzeugnisses in Abhängigkeit mit dem Grad der Sintertemperatur. Die Festigkeit des Materials entwickelt sich in der Nähe von einer Sintertemperatur von 1000°C drastisch und erreicht einen Maximalwert bei ungefähr 1050°C. Überschreitet die Sintertemperatur jedoch 1100°C, diffundiert das Kupfer in die Eisenausgangslegierung. Daher sollte die Sintertemperatur bevorzugt in dem Bereich von 1000-1100°C gehalten werden.

Wie oben erwähnt, wird die Eisenausgangslegierung des Sintereisenlegierungserzeugnisses durch die Zugabe von Chrom-, Mangan-, Molybdän-, Wolfram- und Vanadiumkomponenten verstärkt, und durch die Zugabe von Kupfer- und Schwefelkomponenten besitzt das Sintereisenlegierungserzeugnis eine bessere Paßfähigkeit mit anderen Maschinenteilen. Zusätzlich wird eine verbesserte Gleitverschleißfestigkeit durch das Dispergieren eines festen Schmiermittels, wie einem Magnesiummetasilikatmineral, einem Magnesiumorthosilikatmineral, Bornitrid oder Mangansulfid entweder einzeln oder in Kombinationen erzielt. Des weiteren besitzt dieses Sintereisenlegierungserzeugnis auch eine verbesserte Bearbeitbarkeit, und verlängert dadurch die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen, welche bei der Bearbeitung des Eisenlegierungserzeugnisses verwendet werden. Dies kann zu einer erhöhten Herstellungsproduktivität führen. Außerdem sind die in der erfindungsgemäßen Sintereisenlegierung verwendeten Materialien ausreichend widerstandsfähig gegenüber Hitze und unterlaufen daher keine wesentliche Zersetzung, die zu einem Freiwerden der Wassermoleküle während des Sinterns führt. Daher kann der Herstellungsprozeß durchgeführt werden, ohne daß spezielle Maßnahmen notwendig wären. Entsprechend können übliche Sinterverfahren verwendet und so die Herstellungskosten verringert werden.

Im folgenden werden einige Beispiele von erfindungsgemäßen Sinterlegierungserzeugnissen unter Verwendung der bevorzugten Anteile der Komponenten in der Eisenausgangslegierung und einige Vergleichsbeispiele beschrieben.

Beispiel 1

Die folgenden fünf Arten von Rohmaterialpulvern wurden gemischt, um eine Pulvermischung für eine Eisenausgangslegierung mit einer Endgesamtzusammensetzung von 2,2 Gew.-% Chrom, 0,2 Gew.-% Molybdän, 0,15 Gew.-% Wolfram, 0,01 Gew.-% Vanadium, 0,7 Gew.-% Mangan, 0,16 Gew.-% Schwefel, 5 Gew.-% Kupfer, 2 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, zu erhalten.

Pulver 1: 82 Gewichtsteile eines Eisenlegierungspulvers, bestehend aus 2 Gew.-% Chrom, 0,2 Gew.-% Molybdän, 0,8 Gew.-% Mangan, 0,2 Gew.-% Schwefel, Rest Eisen;
Pulver 2: 10 Gewichtsteile eines Eisenlegierungspulvers, bestehend aus 5,5 Gew.-% Chrom, 0,45 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew-% Wolfram, 0,14 Gew.-% Vanadium, Rest Eisen;
Pulver 3: 5 Gewichtsteile eines Elektrolytkupferpulvers;
Pulver 4: 2 Gewichtsteile eines Naturgraphitpulvers; und
Pulver 5: 1 Gewichtsteil eines Zinkstearatpulvers.

Dann wurden zu 998 Gewichtsteilen der gewonnenen Pulvermischung zwei Gewichtsteile Enstatitpulver als ein festes Schmiermittel entsprechend der in Tabelle 1 (welche den Gehalt an Gew.-% des festen Gleitmittelpulvers darstellt) dargestellten Zusammensetzung hinzugefügt.

Die oben erwähnte Pulvermischung wurde verdichtet, um einen Preßling mit zylindrischer Form zu bilden, und anschließend wurde dieser Preßling bei einer Temperatur von 1000°C gesintert.

Beispiele 2 bis 10

Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurden die in Beispiel 1 beschriebenen Rohmaterialpulver vermischt, um eine Pulvermischung für eine Eisenausgangslegierung zu erhalten. Anschließend wurde ein unterschiedlicher Prozentgehalt des Enstatitpulvers oder eines anderen festen Schmiermittels Forsterit oder jedes dieser festen Schmiermittel in Kombination mit den anderen festen Schmiermitteln Bornitrid und Mangansulfid zu der Pulvermischung entsprechend der für jedes Beispiel in Tabelle 1 angeführten Zusammensetzung hinzugefügt. Die Pulver für jedes Beispiel wurden verdichtet, um einen Preßling zu bilden, und dann auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gesintert.

Vergleichsbeispiel 1

Als herkömmliches Material wurde ein Sinterlegierungsmaterial mit einer Zusammensetzung von 2,5% Kohlenstoff, 3% Kupfer, 1% Zinn, 0,2% Phosphor, Rest Eisen, mit einem einen Perlitausgangsstoff aufweisenden metallurgischen Gefüge, wobei eine Steaditphase in dem Perlitausgangsstoff ausgefällt wurde und eine freie Graphitphase darin dispergierte, gemäß der vorhergenannten japanischen Patentveröffentlichung (Kohkai) Nr. S51-1 19 419 hergestellt.

Vergleichsbeispiel 2

Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurden die in Beispiel 1 beschriebenen Rohmaterialpulver vermischt, um die Pulvermischung für eine Eisenausgangslegierung herzustellen. Diese Pulvermischung wurde ohne die Zugabe eines festen Schmiermittelmaterials verdichtet, um einen Preßling zu bilden. Anschließend wurde der Preßling bei der gleichen Temperatur wie in Beispiel 1 gesintert.

Messungen der mechanischen Eigenschaften

Die Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit von jedem der in den obigen Beispielen und Vergleichsbeispielen gewonnenen Produkten wurde gemessen, und die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt. Details der Messungen sind wie folgt.

Für die Messung der Bearbeitbarkeit wurde jede der Sinterlegierungsproben mit einem Innenloch der Durchmessergröße von 6,5 mm versehen. Anschließend wurde die Probe unter Verwendung eines Ventilführungsnachschneiders mit einem Durchmesser von 7 mm aufgeweitet. Das Aufweiten wurde unter einer Last von 3,2 kg und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 500 rpm durchgeführt, wobei die Zeit, die notwendig war, mit dem Nachschneider 5 mm in der Probe vorzudringen, zur Bewertung der Bearbeitbarkeit des Probenmaterials verwendet wurde.

Auf der anderen Seite wurde jede der Sinterlegierungsproben einer Messung der Verschleißfestigkeit unter Verwendung einer Verschleißfestigkeitsprüfungsvorrichtung eines Stift-Scheibe-Typs (pin on disc) unterworfen. Für diese Messung wurde die Probe in die Prüfungsvorrichtung als ein Stift eingebaut, und mit einer Last von 20 kgf/cm² gegen eine rotierende Scheibe gepreßt, so daß der Stift mit einer Geschwindigkeit von 3,1 m/s für eine Dauer von 15 h über die Scheibe geschoben wurde. Anschließend wurde der Abriebsverlust jeder Probe gemessen und für die Bewertung der Verschleißfestigkeit verwendet.

Vergleicht man in Tabelle 1 die Ergebnisse der Vergleichsbeispiele 1 und 2, erforderte die Probe des Vergleichsbeispiels 1, welches ein herkömmliches Material ist, weniger Zeit zur Aufweitung, sie weist jedoch einen relativ hohen Abriebsverlust auf. Im Gegensatz dazu ist der Abriebsverlust der Probe des Vergleichsbeispiels 2, welche die Komponenten zur Verstärkung des Eisenausgangsstoffes enthält, weniger als eine Hälfte des Abriebsverlustes des Vergleichsbeispieles 1. Das bedeutet, daß die Probe des Vergleichsbeispieles 2 eine verbesserte Verschleißfestigkeit besitzt. Jedoch dauerte das Aufweiten der Probe des Vergleichsbeispieles 2 zweimal so lange wie das der Probe des Vergleichsbeispiels 1. Dementsprechend, wie in diesen Ergebnissen eindeutig dargestellt, erhöht die Verstärkung des Eisenausgangsstoffes die Verschleißfestigkeit, verursacht jedoch eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit.

Die Ergebnisse der Beispiele 1 bis 5 zeigen die Wirkungen der Zugabe von Enstatit, eines der erfindungsgemäßen festen Schmiermittelmaterialien, zu der als Probe des Vergleichsbeispieles 2 beschriebenen Eisenausgangslegierung. Wie in diesen Ergebnissen deutlich dargestellt, kann die Zugabe von Enstatit zu der Eisenausgangslegierung die Bearbeitbarkeit der Sinterlegierung ohne Verringerung der Verschleißfestigkeit verbessern. Insbesondere wird die für das Aufweiten der Probe notwendige Zeit in Relation zu der Menge an hinzugefügtem Entstatit drastisch verringert und erreicht bei einem Gehalt oberhalb von etwa 2 Gew.-% ein fast konstantes Niveau. Des weiteren verringert sich der Abriebsverlust deutlich in Relation zu der Menge an hinzugefügtem Enstatit. Überschreitet die Menge an Enstatit jedoch 2 Gew.-%, beginnt sich der Abriebsverlust wieder zu erhöhen. Das kann so erklärt werden, daß eine übermäßige Menge an festem Schmiermittel die Verdichtungsfähigkeit der Pulvermischung verringert und zu einer Verringerung der Dichte des Preßlings führen wird, welche schließlich in einer leichten Abnutzbarkeit der Sinterlegierung resultiert. Daher sollte der Gehalt an Enstatit bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,5-2 Gew.-% liegen.

Beim Beispiel 6 wurde Forsterit an der Stelle von Enstatit als ein festes Schmiermittel eingesetzt. Die Ergebnisse für diese Probe zeigen deutlich, daß Forsterit der Sinterlegierung ebenfalls eine ausreichend verbesserte Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit verleiht, wenn auch, verglichen mit Entstatit, etwas geringer.

Die Probe des Beispieles 7 enthält beides, Forsterit und Enstatit, und die Ergebnisse dieser Probe zeigen verbesserte Bearbeitungs- und Verschleißfestigkeitseigenschaften, wobei die Eigenschaften ungefähr einen Durchschnitt der bei der ausschließlichen Verwendung von Enstatit oder Forsterit gewonnenen Eigenschaften darstellen.

Jede der Proben der Beispiele 8 bis 10 enthalten des weiteren zusätzlich zu Enstatit oder Forsterit Bornitrid, Mangansulfid oder beides als ein festes Schmiermittel. Bei diesen Beispielen ist die Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit in Relation zu dem Gewichtsprozenten an festem Schmiermittel verbessert, verglichen mit den Beispielen, bei welchen nur ein Magnesiumsilikat als festes Schmiermittel verwendet wird.

Entsprechend der obigen Ergebnisse ist die erfindungsgemäße Sintereisenlegierungszusammensetzung sowohl hinsichtlich Verschleißfestigkeit als auch Bearbeitbarkeit hervorragend. Folglich ist die Sintereisenlegierungszusammensetzung besonders als ein Material zur Herstellung von Maschinenteilen, wie Gleitelemente von Ventilsteuerungssystemen für Verbrennungsmotoren geeignet. Mit diesen vorteilhaften Eigenschaften kann die Sinterlegierungszusammensetzung mit den jüngsten Hochleistungsmotoren erfordernden Entwicklungen übereinstimmen. Zusätzlich führt die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zu einer Verringerung des Verschleißes von Bearbeitungswerkzeugen, und erhöht so die Herstellungsproduktivität. Des weiteren sind die in der erfindungsgemäßen Sinterlegierung verwendeten Materialien beträchtlich widerstandsfähig gegenüber Hitze, und Zersetzung und Dehydrierung treten während des Sinterns nicht auf. Daher sind keine besonderen Verfahren bei der Herstellung erforderlich, und ermöglicht die Verwendung von üblichen Sinterverfahren, so daß die Herstellungskosten verringert werden.

Da es viele, scheinbar unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen gibt, welche ohne sich von dem Geist und dem Bereich der Erfindung zu entfernen, durchgeführt werden können, ist es verständlich, daß die Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungen beschränkt ist, sondern in den beigefügten Ansprüchen begrenzt ist.

Tabelle

Claims

1. Sinterlegierungszusammensetzung, umfassend:
etwa 1,5-2,5 Gew.-% Kohlenstoff;
etwa 0,5-0,9 Gew.-% Mangan;
etwa 0,1-0,2 Gew.-% Schwefel;
etwa 1,9-2,5 Gew.-% Chrom;
etwa 0,15-0,3 Gew.-% Molybdän;
etwa 2-6 Gew.-% Kupfer;
nicht mehr als etwa 0,3 Gew.-% eines metallischen Elements, umfassend wenigstens ein Element, gewählt aus der aus Wolfram und Vanadium bestehenden Gruppe;
einen wirksamen Gehalt eines ersten festen Schmiermittelmaterials, wobei das feste Schmiermittelmaterial wenigstens ein aus einer Gruppe, bestehend aus Magnesiummetasilikatmineralen und
Magnesiumorthosilikatmineralen, ausgewähltes Mitglied umfaßt; Rest Eisen.

2. Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste feste Schmiermittelmaterial in der Sinterlegierungszusammensetzung mit einem Gehalt von etwa 0,2-3 Gew.-% enthalten ist.

3. Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste feste Schmiermittelmaterial in der Sinterlegierungszusammensetzung mit einem Gehalt von etwa 0,5-2 Gew.-% enthalten ist.

4. Sinterlegierungszusammensetzung, umfassend:
etwa 2 Gew.-% Kohlenstoff;
etwa 0,7 Gew.-% Mangan;
etwa 0,16 Gew.-% Schwefel;
etwa 2,2 Gew.-% Chrom;
etwa 0,2 Gew.-% Molybdän;
etwa 5 Gew.-% Kupfer;
etwa 0,15 Gew.-% Wolfram;
etwa 0,01 Gew.-% Vanadium;
etwa 0,5 Gew.-% Magnesiummetasilikatmineral;
etwa 0,3 Gew.-% eines festen Schmiermittelmaterials, welches wenigstens ein aus einer Gruppe, bestehend aus Bornitrid und Magnesiumsulfid, ausgewähltes Mitglied umfaßt; und Rest Eisen.

5. Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste feste Schmiermittelmaterial wenigstens ein Magnesiumsilikatmineral enthält.

6. Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnesiummetasilikatmineral aus einer aus Enstatit, Clinoenstatit, Enstenit und Hyprsthen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

7. Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Schmiermittel wenigstens ein Magnesiumorthosilikatmineral enthält.

8. Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnesiumorthosilikatmineral aus einer aus Forsterit und Chrysolit bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

9. Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung zusätzlich ein zweites festes Schmiermittelmaterial enthält, wobei das zweite feste Schmiermittelmaterial wenigstens ein Mitglied, gewählt aus einer aus Bornitrid und Mangansulfid bestehenden Gruppe, umfaßt.

10. Maschinenteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenteil aus der Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1 hergestellt ist.

11. Maschinenteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenteil aus der Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 2 hergestellt ist.

12. Maschinenteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenteil aus der Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 3 hergestellt ist.

13. Gleitelement eines Ventilsteuerungssystems für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitelement aus der Sinterlegierung nach Anspruch 1 hergestellt ist.

14. Gleitelement eines Ventilsteuerungssystems, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitelement aus der Sinterlegierung nach Anspruch 3 hergestellt ist.

15. Verfahren zur Herstellung der Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Vermischen der Rohmaterialpulver, um eine Pulvermischung mit der gleichen Zusammensetzung wie der Sinterlegie rungszusammensetzung nach Anspruch 1 herzustellen, wobei die Rohmaterialpulver wenigstens zwei Arten von Legie rungspulvern enthalten, und jedes Legierungspulver eine Zusammensetzung mit voneinander unterschiedlichen Gehalten an Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium auf weist, und wobei das Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in der Pulvermischung mikroskopisch ungleich mäßig verteilt sind;
b) Verdichten der in dem Vermischungsschritt (a) erhaltenen Pulvermischung mittels Druck, um einen Preßling mit einer vorbestimmten Form zu bilden; und
c) Sintern des in dem Verdichtungsschritt (b) erhaltenen Preßlings.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling bei einer Temperatur von annähernd 1000-1050°C während des Sinterschrittes (c) gesintert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohmaterialpulver während des Vermischungsschrittes umfaßt:

- ein erstes Legierungspulver, bestehend aus Chrom, Molybdän, Mangan, Schwefel und Eisen;
- ein zweites Legierungspulver, bestehend aus Chrom, Molybdän, Wolfram, Vanadium und Eisen;
- Elektrolytkupferpulver;
- Naturgraphitpulver; und
- Zinkstearatpulver.

18. Verfahren zur Herstellung eines aus der Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1 hergestellten Maschinenteils, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Vermischen der Rohmaterialpulver, um eine Pulvermischung mit der gleichen Zusammensetzung wie der Sinterlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1 herzustellen, wobei die Rohmaterialpulver wenigstens zwei Arten von Legierungspulvern enthalten, und jedes Legierungspulver eine Zusammensetzung mit voneinander unterschiedlichen Gehalten an Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium aufweist, und wobei das Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in der Pulvermischung mikroskopisch ungleichmäßig verteilt sind;
b) Verdichten der in dem Vermischungsschritt (a) erhaltenen Pulvermischung mittels Druck, um einen Preßling mit einer vorbestimmten Form zu bilden; und
c) Sintern des in dem Verdichtungsschritt (b) erhaltenen Preßlings.