DE4215851C2

DE4215851C2 - Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturlagerlegierung

Info

Publication number: DE4215851C2
Application number: DE4215851A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Koichi Yamamoto; Kenji Sakai
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2012-05-15
Also published as: KR930002530A; JPH0517839A; DE4215851A1; GB9212519D0; KR950004776B1; JP2634103B2; US5298052A; GB2257436B; GB2257436A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturlagerlegierung zur Verwendung in einer oxidierenden Hochtemperaturatmosphäre.

Derzeit werden Materialien, bestehend aus einem Grundmetall, wie Kupfer oder Eisen, die ein festes Schmiermittel, wie Graphit, darin dispergiert oder eingebettet enthalten, als Materialien für Lager verwendet, die in einer oxidierenden Hochtemperaturatmosphäre eingesetzt werden. Diese bekannten Materialien können jedoch bei Temperaturen über 500°C oder dgl. nicht zufriedenstellend eingesetzt werden, was auf die ziemlich schlechte Hitzebeständigkeit des Grundmetalls und des Festschmiermittels zurückzuführen ist. Um den Anforde rungen von höheren Gleiteigenschaften zu genügen, sind schon Materialien vorgeschlagen worden, die dadurch hergestellt werden, daß man unter Anwendung von pulvermetallurgischen Techniken harte Teilchen einer Co-Mo-Cr-Si-Legierung in hit zebeständigen Stählen dispergiert. Wie in der JP-OS 3-24 249 beschrieben wird, sind solche Materialien als Lagermateria lien für hohe Betriebstemperaturen von bis zu 700°C oder dgl. geeignet.

In den letzten Jahren ist ein Bedarf nach Lagerlegierungen entstanden, die bei noch höheren Temperaturen von mehr als 700°C verwendet werden können, beispielsweise Lager zum Beispiel für Abgaskontrollventile, die in Benzin- oder Die selmotoren verwendet werden, Gaskontrollventile, die in Gas turbinen verwendet werden und dgl. Nachteiligerweise können die bekannten Lager diesen Anforderungen nicht völlig ent sprechen, da sie nur bei Temperaturen bis zu 700°C sicher verwendet werden können.

Es sind auch schon Versuche durchgeführt worden, um hitzebe ständige Legierungen oder Keramiken als Lagermaterialien zu verwenden. Diese Versuche haben jedoch aufgrund der hohen Reibungskoeffizienten solcher Materialtypen fehlgeschlagen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturlagerlegierung bereitzustellen, die in einer oxidierenden Atmosphäre bei hohen Temperaturen von bis zu 900°C eingesetzt werden kann und die überlegene Gleiteigenschaften besitzt.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturlagerlegierung zur Verwendung in einer oxidierenden Hochtemperaturatmosphäre, bestehend aus 9- 30 Gew.-% Cr, 5-19 Gew.-% Fe, 0,1-1,5 Gew.-% Si, 2-22 Gew.-% Co, 1,4-11,0 Gew.-% Mo und zum Rest Ni und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei die genannte Legierung eine derartige Struktur hat, daß harte Teilchen einer Co-Mo-Cr-Si-Legierung gleichförmig dispergiert sind. BN in einer Menge von nicht mehr als 5,0 Gew.-% kann der Legierung zugesetzt werden, um die Gleiteigenschaften bei hoher Temperatur zu verbessern.

Bei pulvermetallurgischen Verfahren, bei denen Ni-Cr-Fe-Le gierungspulver verwendet werden, treten Schwierigkeiten auf, die auf die hohe Härte des Legierungspulvers zurückzuführen sind. Daher werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die einzelnen Pulver gesondert hergestellt: Das heißt Pulver aus reinem Ni und der Fe-Cr-Legierung. Diese Pulver werden mit einem Co-Mo-Cr-Si-Pulver und erforderlichenfalls einem BN- Pulver gemischt. Das so erhaltene Mischpulver wird kompak tiert und zu dem Produkt gesintert. Um die Dichte des Sin termaterials sowie die Oxidationsbeständigkeit des Sinterma terials bei hohen Temperaturen weiter zu erhöhen, kann das Sintermaterial einem Heißpressen oder einem isothermischen Heißpressen unterworfen werden.

Erfindungsgemäß werden die Gehalte der jeweiligen Bestand teile aus den unten angegebenen Gründen wie folgt festge setzt.

1) Cr: 9 bis 30 Gew.-%
Chromgehalte von weniger als 9 Gew.-% können der Ma trixalloy keine zufriedenstellende Hitzebeständigkeit verleihen. Andererseits verschlechtern Cr-Gehalte von mehr als 30 Gew.-% die Sinterfähigkeit des Materials. Daher wird der Gehalt an Cr auf 9 bis 30 Gew.-% festge legt.
2) Fe: 5 bis 19 Gew.-%
Fe-Gehalte von weniger als 5 Gew.-% verschlechtern die Festigkeit bei hoher Temperatur, während umgekehrt bei Fe-Gehalten von mehr als 19 Gew.-% die Härte des Pulver materials erhöht wird, wodurch die Kompaktierbarkeit des Pulvers verringert wird. Aus diesen Gründen wird der Ge halt von Fe auf 5 bis 19 Gew.-% festgelegt.
3) Hartteilchen aus der Co-Mo-Cr-Si-Legierung
Bezogen auf die Gesamtlegierung beträgt der Gehalt die ser Hartteilchen vorzugsweise 5 bis 35 Gew.-%, da Mengen von weniger als 5 Gew.-% keinen nennenswerten Effekt hinsichtlich der Verbesserung der Gleiteigenschaften er geben. Andererseits härten Mengen von über 35 Gew.-% die Legierung zu stark, wodurch eine schlechtere Kompaktier barkeit des Pulvers hervorgerufen wird und die Gefahr besteht, daß ein paarendes bzw. zueinander passendes Gleitmaterial beschädigt wird. Die Co-Mo-Cr-Si-Hartle gierung enthält vorzugsweise 26 bis 30 Gew.-% Mo, 7,5 bis 9,5 Gew.-% Cr, 2,4 bis 2,6 Gew.-% Si und zum Rest im wesentlichen Co. Zur gleichen Zeit werden die Gehalte an Co, Mo und Si in der gesamten Legierung vorzugsweise auf 0,1 bis 1,5 Gew.-%, 2 bis 22 Gew.-% bzw. 1,4 bis 11,0 Gew.-% festgelegt, um feine, hexagonale, enggepackte Kristallteilchen zu bilden, die zu einer Verbesserung der Gleiteigenschaften beitragen.
4) Mn: 2,0 Gew.-% oder weniger
Dieses Element wird zugesetzt, um die Matrixlegierung zu verfestigen und die Struktur zu stabilisieren. Eine Zugabe dieses Elements in einer Menge von mehr als 2,0 Gew.-% bewirkt jedoch eine Versprödung der Legierung, so daß der Gehalt dieses Elements auf 2,0 Gew.-% oder weni ger festgelegt ist.
5) C: 0,15 Gew.-% oder weniger
Auch dieses Element verfestigt die Matrixlegierung. Der Gehalt dieses Elements wird jedoch auf 0,15 Gew.-% oder weniger begrenzt, da beim Übersteigen dieses Grenzwerts eine Versprödung der Legierung bewirkt wird, die auf die Bildung von Cr-Carbiden zurückzuführen ist.
6) BN: 5,0 Gew.-% oder weniger
Diese Komponente ist fakultativ und sie verbessert die Gleiteigenschaften bei hohen Temperaturen. Der Gehalt dieser Komponente sollte jedoch auf 5,0 Gew.-% oder we niger begrenzt werden, da die Festigkeit des Materials extrem erniedrigt wird, wenn dieser Gehalt über die Obergrenze hinausgeht.

Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.

Es wurden die folgenden Pulver (a) bis (d) hergestellt:
(a) reines Ni-Pulver mit Korngrößen von -250 Mesh (nicht größer als 60 µm); (b) Fe-Cr-Legierungspulver mit Korngrößen von -250 Mesh (nicht größer als 60 µm), bestehend aus 44,5 Gew.-% Cr, 17,5 Gew.-% Ni, 4,1 Gew.-% Mo, 1,5 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% Mn, 0,1 Gew.-% C und zum Rest im wesentlichen Fe; (c) Co-Mo-Cr-Si-Legierungspulver mit Korngrößen von -100 Mesh (nicht größer als 150 µm), bestehend aus 28 Gew.-% Mo, 8,5 Gew.-% Cr, 2,5 Gew.-% Si und zum Rest im wesentlichen Co; und (d) BN-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchen größe von 10 µm. Die Pulver (a) bis (d) wurden in variieren den Verhältnissen, wie in Tabelle 1 gezeigt, vermischt, wo durch Pulver mit Zusammensetzungen gemäß Tabelle 2 erhalten wurden.

Um die Verformbarkeit zu verbessern, wurde Zinkstearat in einer Menge von 1 Gew.-% zu dem Pulvergemisch zugesetzt und die Teilchen des Co-Mo-Cr-Si-Legierungspulvers wurden auf -100 Mesh (nicht größer als 150 µm) verfeinert, um eine fei ne und gleichförmige Dispergierung dieses Pulvers in der Ma trix zu ermöglichen. Das Mischpulver wurde sodann zu Probe körpern mit einem Durchmesser von 22 mm und einer Länge von 50 mm bei einem Formdruck von 6 t/cm² verformt. Die Probe körper wurden hierauf auf 480°C zur genügenden Entfernung von Zinkstearat erhitzt. Sie wurden sodann eine Stunde lang in einer (H₂+ N₂)-Atmosphäre bei 1150°C gesintert. Danach wurden die Probekörper bei 6 t/cm² und 900°C zum Erhalt ei ner höheren Dichte heißverpreßt. Die so erhaltenen stabför migen Probekörper mit einem Durchmesser von 22 mm und einer Länge von 50 mm wurden weiterverarbeitet und bei Raumtempe ratur, 500°C bzw. 900°C Zugfestigkeitsversuchen unterworfen.

Die Ergebnisse der Zugfestigkeitsuntersuchungen sind in Ta belle 3 zusammengestellt. Um die Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur zu untersuchen, wurden die stabförmigen Probekörper in die Form von Lagern mit einem Außendurchmes ser von 16 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 20 mm verarbeitet. Die so erhaltenen Lager wurden einer oxidierenden Atmosphäre von 900°C ausgesetzt, und die Gewichtszunahmen wurden 5 Stunden, 20 Stunden, 50 Stunden und 100 Stunden nach dem Beginn des Aussetzens gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle 4 zusammenge stellt. Um die Gleiteigenschaften zu untersuchen, wurden flache plattenförmige Probekörper aus den stabförmigen Pro bekörpern hergestellt. Die plattenförmigen Probekörper wur den sodann einem Reibungs-/Abriebtest bei hohen Temperaturen unterworfen, wobei eine Nadel aus einer hitzebeständigen Ni- Cr-Legierung als paarendes Gleitelement verwendet wurde. Der Test wurde in der Weise durchgeführt, daß die Nadel mit ei nem Durchmesser von 4 mm unter einer Last von 2 kp bei einer durchschnittlichen Gleitgeschwindigkeit von 1 m/min eine Stunde lang hin und her bewegt wurde. Die Reibungskoeffi zienten und das Ausmaß des Verschleißes der Platten sind in Tabelle 5 zusammengestellt.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, verwendet die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lagerlegierung eine Matrix, die aus einer Ni-Legierung gebildet ist und die eine überlegene Hitzebeständigkeit aufweist. Hierdurch wird eine auf Oxidation zurückzuführende Gewichtszunahme vermindert, wenn diese Lagerlegierung in oxidierenden Hochtemperaturatmosphären verwendet wird. Die Ergebnisse des Gleittests zeigen weiterhin, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lagerlegierung selbst bei hoher Temperatur um 900°C herum eine ausgezeichnete Reibungs-/Ver schleißbeständigkeit aufweist, was auf die Zugabe einer ge eigneten Menge der Co-Mo-Cr-Si-Legierung und/oder BN zurück zuführen ist.

Somit zeigt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lagerlegierung bei Verwendung in einer oxidierenden Hochtemperaturatmosphäre ein überlegenes Verhalten.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Zugfestigkeit MPa

Tabelle 4

Verhältnis der durch Oxidation bedingten Gewichtszunahme

Tabelle 5

Gleittest

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturlagerlegierung bestehend aus 9 bis 30 Gew.-% Cr, 5 bis 19 Gew.-% Fe, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 2 bis 22 Gew.-% Co, 1,4 bis 11,0 Gew.-% Mo und zum Rest Ni und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei in der Legierung, bezogen auf die Gesamtlegierung, 5 bis 35 Gew.-% harte Teilchen einer Co-Mo-Cr-Si-Legierung aus 26 bis 30 Gew.-% Mo, 7,5 bis 9,5 Gew.-% Cr, 2,4 bis 2,6 Gew.-% Si, Rest im wesentlichen Co, und nicht mehr als 5,0 Gew.-% harte Teilchen von BN gleichförmig dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Ni-Pulver herstellt, daß man ein Fe-Cr-Legierungspulver, das aus 40 bis 65 Gew.-% Cr, nicht mehr als 20 Gew.-% Ni, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Mo, nicht mehr als 2,0 Gew.-% Si und zum Rest Fe und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht, herstellt, daß man ein Co-Mo-Cr-Si-Legierungspulver herstellt, das aus 26 bis 30 Gew.-% Mo, 7,5 bis 9,5 Gew.-% Cr, 2,4 bis 2,6 Gew.-% Si und zum Rest Co und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht, daß man das genannte Ni-Pulver, das genannte Fe-Cr-Legierungspulver, das genannte Co-Mo-Cr-Si-Legierungspulver und ggf. ein BN-Pulver unter Bildung eines Pulvergemisches vermischt und daß man das genannte Pulvergemisch sintert.

2. Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturlagerlegierung, bestehend aus 9 bis 30 Gew.-% Cr, 5 bis 19 Gew.-% Fe, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 2 bis 22 Gew.-% Co, 1,4 bis 11,0 Gew.-% Mo, nicht mehr als 2,0 Gew.-% Mn und/oder nicht mehr als 0,2 Gew.-% C und zum Rest Ni und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei in der Legierung, bezogen auf die Gesamtlegierung, 5 bis 35 Gew.-% harte Teilchen einer Co-Mo-Cr-Si-Legierung aus 26 bis 30 Gew.-% Mo, 7,5 bis 9,5 Gew.-% Cr, 2,4 bis 2,6 Gew.-% Si, Rest im wesentlichen Co, und nicht mehr als 5,0 Gew.-% harte Teilchen von BN gleichförmig dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Ni-Pulver herstellt, daß man ein Fe-Cr-Legierungspulver, das aus 40 bis 65 Gew.-% Cr, nicht mehr als 20 Gew.-% Ni, nicht mehr als 5,0 Gew.-% Mo, nicht mehr als 2,0 Gew.-% Si und zum Rest Fe und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht, herstellt, daß man ein Co-Mo-Cr-Si-Legierungspulver herstellt, das aus 26 bis 30 Gew.-% Mo, 7,5 bis 9,5 Gew.-% Cr, 2,4 bis 2,6 Gew.-% Si und zum Rest Co und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht, daß man das genannte Ni-Pulver, das genannte Fe-Cr-Legierungspulver, das genannte Co-Mo-Cr-Si-Legierungspulver, nicht mehr als 2,0 Gew.-% eines Mn-Pulvers und/oder nicht mehr als 0,2 Gew.-% eines C-Pulvers und ggf. ein BN-Pulver unter Bildung eines Pulvergemisches vermischt und daß man das genannte Pulvergemisch sintert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin die Stufen eines nach dem Verformen und Sintern erfolgenden Heißpressens oder isothermalen Heißpressens (HIP) umfaßt.

4. Verwendung der nach Anspruch 1 oder 2 hergestellten Legierung als Lagerlegierung in einer oxidierenden Atmosphäre bei hohen Temperaturen.