DE60022971T2

DE60022971T2 - Hartstoffpartikel, verschleissfeste gesinterte Eisenbasislegierung, Verfahren zu ihrer Herstellung, Ventilsitz und Zylinderkopf

Info

Publication number: DE60022971T2
Application number: DE60022971T
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Toyota-shi Aichi-ken Ando; Akira Toyota-shi Aichi-ken Manabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: JP3596751B2; EP1108800B1; EP1108800A2; US6613120B2; JP2001181807A; US20010018852A1; EP1108800A3; DE60022971D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischung für einen Grünling, der harte Partikel umfasst, auf eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung und auf ein Verfahren zur Erzeugung der Legierung. Die Erfindung betrifft ferner einen aus der gesinterten Legierung erzeugten Ventilsitz und einen Zylinderkopf, der einen aus der gesinterten Legierung erzeugten Ventilsitz oder Ventilsitze mit einschließt. Der Ventilsitz wird zweckmäßigerweise in einem Gasmotor unter Verwendung von LPG, CNG oder einem ähnlichen Gas als Brennstoff eingesetzt.
Stand der Technik
In der anschließenden Diskussion des Standes der Technik wird auf bestimmte Strukturen und/oder Verfahren Bezug genommen. Jedoch sollen die folgenden Bezugnahmen nicht als ein Zugeständnis aufgefasst werden, das diese Strukturen und/oder Verfahren Stand der Technik bilden. Der Anmelder hält sich ausdrücklich das Recht vor, zu zeigen, dass solche Strukturen und/oder Verfahren keinen Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Erfindung bilden.
Die GB-A-2 334 725 beschreibt eine Überzugslegierung für das Beschichten von Ventilen, wobei die Legierung 20–70 Gewichts%, 0,5–3 Gewichts% C, 5–40 Gewichts% Ni, 0–20 Gewichts% Mn und 0–30 Gewichts% Co umfasst, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Ferner beschreibt dieses Dokument eine alternative Legierungszusammensetzung, die 20–60 Gewichts% Mo 0,2–3 Gewichts% C, 5–40 Gewichts% Ni, 0–15 Gewichts% Mn und 0–40 Gewichts% Co umfasst, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Die offengelegte Patentschrift (Kokai) Nr. SHO 53-112206 der japanischen Patentanmeldung (veröffentlicht 1978) offenbart als eine verschleißfeste gesinterte Legierung für den Einsatz zur Erzeugung eines Ventils oder dergleichen eine gesinterte Legierung, erhältlich durch Erzeugen eines Grünlings aus einem gemischten Pulver. Das gemischte Pulver wird durch Vermischen eines Basismaterials mit einer Zusammensetzung eines niederlegierten Stahls oder eines Edelstahls mit 5–40% eines Pulvers aus Hartpartikeln, und dann durch Sintern des Grünlings bei 1050–1250°C erhalten. Die Hartpartikel haben eine Zusammensetzung von 0,10 oder weniger Kohlenstoff (C), 0,5–10% Silicium (Si), 0,40 oder weniger Mangan (Mn) und 10–50% Molybdän (Mo) als Basiselemente und insgesamt 40% von wenigstens einem Element, ausgewählt aus Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Kobalt (Co), wobei der Rest aus Eisen (Fe) besteht.
In der vorstehend erwähnten gesinterten Legierung ist die in den Hartpartikeln enthaltene Mn-Menge relativ klein, das heißt sie liegt bei 0,40% oder geringer.
Zusätzlich ist es zur Sicherstellung der Verbesserung der Beständigkeit einer gesinterten Legierung bevorzugt, eine gesteigerte Festigkeit der Haftung zwischen den Hartpartikeln und dem Grund- oder Basismaterial sicherzustellen. Jedoch ist in der vorstehend erwähnten gesinterten Legierung die Haftfestigkeit zwischen den Hartpartikeln und der Basis nicht hinreichend hoch und kann weiter verbessert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung wurde im Lichte der vorstehend erwähnten Umstände entwickelt. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Mischung für einen Grünling, der ein Basismaterial und Hartpartikel umfasst; eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung; ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung und einen Ventilsitz bereitzustellen, wobei eine gesteigerte Haftfestigkeit zwischen den Hartpartikeln und der Basis, eine hinreichend hohe Dichte der gesinterten Legierung und eine gute feste Schmiereigenschaft aufgrund des eingesetzten Mo sichergestellt ist.
Die Mischung für einen Grünling ist in Anspruch 1 oder 2 definiert.
Die Hartpartikel haben eine Zusammensetzung aus 20 bis 70% Mo, 0,5 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 20 Mn, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind (Masse%). Das Partikel kann ebenso 40% oder weniger Co umfassen.
Alternativ kann ein Hartpartikel eine Zusammensetzung von 20 bis 60% Mo, 0,2 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 15% Mn und 0,1 bis 10% Cr aufweisen, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind (Masse%). Das Partikel kann ebenso wenigstens 40% oder weniger Co und/oder 4% oder weniger Fe umfassen.
Eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung besitzt zwei Komponenten: eine Basis und eine Vielzahl von Partikeln. Die Basis hat die Zusammensetzung von 0,2 bis 5% C, 0,1 bis 12% Mn, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen (Masseprozent der Basis) sind, und die Hartpartikel, die in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10 bis 60% dispergiert vorliegen, haben die Zusammensetzung von 20 bis 70% Mo, 0,5 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 20% Mn, und optional 40% oder weniger Co, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind (Masseprozent der Partikel). Nach dem Sintern hat die Legierung die Zusammensetzung von 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 12% Mn und optional 24% oder weniger Co, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind (Masseprozent der Legierung).
Ähnlich hat eine alternative verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung zwei Komponenten: eine Basis und mehrere Partikel. Die Basis hat die Zusammensetzung von 0,2 bis 5% C, 0,1 bis 10% Mn, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind (Masseprozent der Basis), und die Hartpartikel, die in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10 bis 60% dispergiert vorliegen, besitzen 20 bis 60% Mo, 0,2 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 15% Mn, 0,1 bis 10% Cr, optional 40% oder weniger Co und 4% oder weniger Si, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind (Masseprozent der Partikel). Nach dem Sintern besitzt die Legierung die Zusammensetzung von 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 9% Mn, 0,05 bis 5% Cr, optional 24% oder weniger Co und 2% oder weniger Si, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind (Masseprozent der Legierung).
Ein Verfahren wird vorgesehen, wodurch Pulver der Legierungen und Hartpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung vermischt werden (mit einer kleinen Menge Kohlenstoff), verdichtet werden und in verschleißfeste Legierungen gesintert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Zusammenhang mit den angehängten Zeichnungen deutlich, in welchen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente kennzeichnen:
1 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Cr-Menge in einem Pulver von Hartpartikeln und die Temperatur des Oxidationsbeginns des Hartpartikelpulvers angibt;
2 ist eine Fotographie mit einem optischen Mikroskop (Vergrößerung: 100fach), welches das Beispiel 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Fotographie mit einem optischen Mikroskop (Vergrößerung: 100fach), welche das Vergleichsbeispiel 8 zeigt;
4 ist eine Fotographie mit einem optischen Mikroskop (Vergrößerung: 100fach), welche das Vergleichsbeispiel 10 zeigt;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Geräts, mit welchem ein Beständigkeitstest durchgeführt wird;
6 ist eine Querschnittsteilansicht, welche einen Zylinderkopf zeigt, der einen aus der gesinterten Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Ventilsitz mit einschließt;
7 ist eine Querschnittsteilansicht, die in Vergrößerung den Zylinderkopf der 6 zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Als Ergebnis von intensiven Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Hartpartikel und der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierungen, in welchen Hartpartikel dispergiert vorliegen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die folgenden Erfindungen (i) und (ii) gemacht. Basierend auf diesen Erfindungen wurden Hartpartikel, eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung und ein Verfahren zur Erzeugung der gesinterten Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung entwickelt.

(i) Wenn eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung, in welcher Hartpartikel dispergiert vorliegen, in einer erwärmten Region eingesetzt wird, können die Hartpartikel leichter einen Oxidfilm ausbilden, wenn die Partikel Mo anstatt Cr enthalten. Der Mo-Oxidfilm ist darin vorteilhaft, dass er Eigenschaften zur Feststoffschmierung bei einer relativ geringen Temperatur besitzt. Insbesondere wurde neu herausgefunden, dass bei einem Einsatz der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung unter einer relativ geringen Temperaturbedingung, und wenn Hartpartikel verwendet werden, in denen Mo enthalten ist, und welche eine Zusammensetzung enthalten, wie sie nachstehend angegeben ist, in welcher der Gehalt von Cr reduziert ist oder weggelassen ist, eine gute Eigenschaft zur Feststoffschmierung aufgrund des auf der Oberfläche der Hartpartikel erzeugten Oxidfilms Günstigerweise erzielt werden kann, wobei eine gute Verschleißfestigkeit aufgrund der Härte der Hartpartikel sichergestellt wird. Somit führt der Einsatz der Hartpartikel, wie vorstehend beschrieben, zu einer weiter gesteigerten Verschleißfestigkeit der gesinterten Legierung.
(ii) Das in den Hartpartikeln enthaltene Mn kann leichter in die Basis der gesinterten Legierung als Ni oder Mo, die in den Hartpartikeln enthalten sind, diffundieren. Deshalb besitzt eine gesinterte Legierung, in welcher die Hartpartikel dispergiert vorliegen, eine steigende Menge an von den Hartpartikeln in die Basis diffundiertem Mn, wenn Hartpartikel mit einer Zusammensetzung, die Mn als ein aktives Element sowie Mo und Ni wie nachstehend beschrieben mit einschließt, verwendet werden. Das diffundierte Mn gewährleistet eine weitere Steigerung der Haftfestigkeit an der Grenzfläche zwischen den Hartpartikeln und der Basis. Somit ist der Einsatz der vorstehenden Hartpartikel zur Steigerung der Dichte und der Härte der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung vorteilhaft, welche zur Reduzierung der Menge des Verschleiß an der gesinterten Legierung verantwortlich ist.

Gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden Hartpartikel vorgesehen, welche 20–70% Mo, 0,5–3% C, 5–40% Ni, und 1–20% Mn umfassen, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigung und Fe umfasst, und wobei die Prozentangabe auf der Masse basiert. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet % Massenprozent (Massen%), außer es ist anderweitig angegeben. Die Hartpartikel gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung können ferner 40% oder weniger und bevorzugt 35% oder weniger Co enthalten. In diesem Fall kann die untere Grenze des Gehalts an Co auf 10% oder 20% eingestellt sein.
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung werden Hartpartikel vorgesehen, welche 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40 Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr enthalten, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe umfasst, und wobei die Prozentangabe auf der Masse basiert. Die Hartpartikel gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung können ferner wenigstens 40% oder weniger und bevorzugt 35% oder weniger Co, und 4% oder weniger und bevorzugt 3% oder weniger Si enthalten. In diesem Fall kann die untere Grenze des Gehalts an Co auf 10% oder 20% eingestellt sein und die untere Grenze des Gehalts an Si kann auf 0,1%, 0,5% oder 0,8% eingestellt sein.
Eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung gemäß dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung enthält 4–30% Mo, 0,2-3% C, 1–20% Ni, 0,5–12% Mn und der Rest schließt unvermeidbare Verunreinigungen und Fe ein, und zwar hinsichtlich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung als 100. Die Basis der gesinterten Legierung enthält 0,2–5% C, 0,1–12% Mn, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar hinsichtlich der Gesamtmasse der Basis als 100, und die Hartpartikel enthalten 20–70% Mo, 0,5–3% C, 5–40% Ni, 1–20% Mn, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel als 100%. Ferner werden in der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert.
Die verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung gemäß dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung als Ganzes kann ferner 24% oder weniger und bevorzugt 17% oder weniger Co als eine Komponente davon mit einschließen, und die Hartpartikel können ferner 40% oder weniger und bevorzugt 30% oder weniger Co als eine Komponente davon enthalten. In diesem Fall kann die untere Grenze der Massen% von Co bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung auf 3%, 4,5% oder 9% eingestellt werden und die untere Grenze der Massen% an Co bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel kann auf 10% oder 20% eingestellt werden.
Eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung gemäß dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung enthält 4–30% Mo, 0,2–3% C, 1–20% Ni, 0,5–9% Mn und 0,05–5% Cr, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe mit einschließt, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung als 100%. Die Basis der gesinterten Legierung enthält 0,2–5% C, 0,1–10% Mn, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe mit einschließt, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100%. Die Hartpartikel enthalten 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe mit einschließt, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel als 100%.
Ferner werden in der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert.
Die gesinterte Legierung gemäß dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung kann ferner wenigstens 24% oder weniger und bevorzugt 17% oder weniger Co und 2% oder weniger und bevorzugt 0,6% oder weniger Si mit einschließen, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Legierung, wobei die Hartpartikelzusammensetzung ferner wenigstens 40% oder weniger und bevorzugt 35% oder weniger Co und 4% oder weniger und bevorzugt 3% oder weniger Si mit einschließt, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel. In diesem Fall kann die untere Grenze der Massen% an Co bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung auf 3%, 5% oder 10% eingestellt werden, und die untere Grenze der Gesamtmasse von Si bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung kann auf 0,04% oder 0,15% eingestellt werden. Ferner kann die untere Grenze der Massen% an Co bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel auf 10% oder 20% eingestellt werden, und die untere Grenze der Massen% an Fe bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel kann auf 0,1%, 0,5% oder 0,8% eingestellt werden.
Gemäß dem ersten und dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben wurden, enthalten die Hartpartikel kein Cr als ein aktives Element und deshalb wird ein Oxidfilm aus Mo leichter auf der Oberfläche der Hartpartikel ausgebildet. Der Mo-Oxidfilm kann als Mittel zur Feststoffschmierung dienen, so dass die Hartpartikel sicher eine Eigenschaft zur Feststoffschmierung, sowie eine hinreichende Härte und Verschleißfestigkeit aufweisen.
Wie vorstehend erwähnt kann Cr leicht einen Oxidfilm ausbilden, aber der so ausgebildete Oxidfilm verbreitert sich oder weitet sich nur mit einer geringen Rate aus. Deshalb kann, wenn einmal der Oxidfilm aus Cr auf einer Oberfläche der Hartpartikel ausgebildet ist, ein weiteres Wachstum des Oxidfilms leicht unterdrückt werden.
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung und gemäß dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben wurden, enthalten die Hartpartikel Cr als ein aktives Element zusätzlich zu Mo. Das Cr kann gut einen Oxidfilm ausbilden, der ein weiteres Oxidfilmwachstum auf der Oberfläche der Hartpartikel unterdrückt. Somit leiden der Oxidfilm, der auf der Oberfläche der Hartpartikel des zweiten Gesichtspunkts der Erfindung ausgebildet ist, und die gesinterte Legierung des vierten Gesichtspunkts der Erfindung weniger an einem Ablösen aufgrund eines übermäßigen Wachstums. Daher sind die Hartpartikel des zweiten Gesichtpunkts der Erfindung und die gesinterte Legierung des vierten Gesichtspunkts der Erfindung für den Einsatz in einer Hochtemperaturumgebung zweckmäßig, in welcher eine Oxidation leicht voranschreitet.
In der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, kann der Wert α (die Mn-Menge, die in der Basis der gesinterten Legierung enthalten ist)/(die Mn-Menge, die in den Hartpartikeln enthalten ist, die in der Basis der gesinterten Legierung dispergiert vorliegen) innerhalb eines Bereichs liegen, der aus dem Bereich von 0,05–1,0, dem Bereich von 0,10–0,8 und dem Bereich von 0,12–0,7, angegeben in Masseprozent, ausgewählt ist. Hier bedeutet α die Diffusionseffizienz von Mn.
In der vorstehend beschriebenen gesinterten Legierung ist α in dem vorstehenden Bereich definiert und eine zweckmäßig eingestellte Mn-Menge diffundiert von den Hartpartikeln in die Basis der gesinterten Legierung, wobei sie eine verstärkte Haftfestigkeit zwischen den Hartpartikeln und der Basis sicherstellt und die Fähigkeit zum Zurückhalten der Hartpartikel in der Basis verbessert.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung gemäß dem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung schließt die folgenden Schritte mit ein: Herstellen einer Mischung durch Vermischen von 10–60% eines Pulvers der Hartpartikel in Übereinstimmung mit dem ersten oder zweiten Gesichtspunkt der Erfindung, 0,2-2% Kohlenstoffpulver und einem reinen Fe-Pulver oder einem niederlegierten Stahlpulver, und Formen der Mischung zur Ausbildung eines Grünlings, und Sintern des Grünlings zur Ausbildung einer gesinterten Legierung mit einer Zusammensetzung in Übereinstimmung mit dem dritten oder vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren zur Erzeugung einer gesinterten Legierung gemäß dem fünften Gesichtspunkt der Erfindung kann die Fähigkeit zum Zurückhalten der Hartpartikel in der Basis und eine verbesserte Dichte, Härte und Verschleißfestigkeit der gesinterten Legierung sicherstellen. Somit ermöglicht das Verfahren die Herstellung einer gesinterten Legierung mit einer hohen Beständigkeit.
Gemäß dem sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilsitz vorgesehen, welcher aus der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung gemäß dem dritten oder vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Ventilsitz, der aus der gesinterten Legierung mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen ausgebildet ist, weist eine hinreichend hohe Beständigkeit auf, und trägt somit zur Verbesserung der Leistung und Beständigkeit eines Gasmotors unter Verwendung eines verdichteten Naturgases oder eines verflüssigten Naturgases als einem Brennstoff bei.
Gemäß dem siebten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Zylinderkopf bereitgestellt, in welchem ein Ventilsitz oder Ventilsitze eingebaut sind, die aus der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung gemäß dem dritten oder vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist/sind.
Ferner wird gemäß einem jeden Gesichtspunkt der Erfindung eine hinreichend große Mn-Menge zur Diffusion von den Hartpartikeln in die Basis der gesinterten Legierung gebracht, und die resultierende gesinterte Legierung sieht eine verbesserte Haftfestigkeit zwischen den Hartpartikeln und der Basis vor. Dies führt zu einer verbesserten Fähigkeit der Rückhaltung der Hartpartikel in der Basis, einer gesteigerten Dichte und Härte der gesinterten Legierung und einer verbesserten Verschleißfestigkeit der gesinterten Legierung.
Hartpartikel
Die Hartpartikel gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass sie 20–70% Mo, 0,5–3% C, 5–40% Ni und 1–20% Mn in Masseprozenten enthalten, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht. Cr neigt zu einem Anstieg der Temperatur des Oxidationsbeginns der Hartpartikel. Deshalb können, wenn die Hartpartikel des erstens Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung ohne Cr als ein aktives Element zu enthalten ausgebildet werden, die Hartpartikel einen Oxidfilm an oder über einer relativ geringen Temperatur ausbilden. Somit können die Hartpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung eine hinreichende Eigenschaft zur Feststoffschmierung in relativ geringem Temperaturbereich und in mittleren Temperaturbereichen in einer erwärmten Region vorsehen.
In einer Form des ersten Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung können die Hartpartikel ferner 40 Masse% Co zusätzlich zu den vorstehend angegebenen Elementen mit einschließen, wobei die Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung berücksichtigt wird.
Die Hartpartikel gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass sie 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn und 0,1–10% Cr in Masseprozenten enthalten, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht.
Die unteren Grenzen und die oberen Grenzen, die in Zusammenhang mit der Zusammensetzung der Hartpartikel gemäß einem jeden Gesichtspunkt der Erfindung eingestellt werden, können zweckmäßigerweise aus verschiedenen Gründen verändert werden, welche später diskutiert werden, und sie können ferner in Abhängigkeit des Grads der Wichtigkeit einer jeden Charakteristik, wie etwa die erforderliche Härte, die erforderliche Eigenschaft zur Feststoffschmierung, die erforderliche Haftfestigkeit und die erforderlichen Kosten verändert werden. Somit kann die untere Grenze des Mo-Gehalts auf 22%, 23% oder 25% eingestellt werden, und die obere Grenze von Mo kann auf 40%, 45%, 50% oder 55% eingestellt werden. Bezüglich C gilt, dass die untere Grenze auf 0,3%, 0,5%, 0,6% oder 0,7% eingestellt werden kann, und dass die obere Grenze auf 1,8% oder 2,0% eingestellt werden kann. Bezüglich Ni gilt, dass die untere Grenze auf 7% oder 9% eingestellt werden kann und die obere Grenze auf 20%, 22% oder 30% eingestellt werden kann. Bezüglich Mn gilt, dass die untere Grenze auf 1,5%, 2%, 3%, 4% oder 5% eingestellt werden kann und die obere Grenze auf 10%, 12%, 15% oder 18% eingestellt werden kann.
Da das in den Hartpartikeln enthaltende Mo leicht oxidiert, kann der Oxidfilm in einem Übermaß in Abhängigkeit der Bedingungen des Einsatzes ausgebildet werden, zum Beispiel, wenn die Temperatur in der Umgebung des Einsatzes in einem Hochtemperaturbereich liegt. Wenn der Oxidfilm übermäßig wird oder redundant wird, kann sich der Oxidfilm von den Hartpartikeln ablösen. Deshalb können, wenn der Oxidfilm leicht übermäßig ausgebildet wird, Cr sowie Mo in den Hartpartikeln in einer innerhalb des vorstehend angegebenen Bereichs bezüglich des zweiten Gesichtspunkts der Erfindung zweckmäßigen Menge enthalten sein. Es wird vorgeschlagen, dass, wenn das in den Hartpartikeln enthaltene Cr einen Oxidfilm ausbildet, der Cr-Oxidfilm das Wachstum eines Oxidfilms auf den Hartpartikeln unterdrückt oder beschränkt.
Unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Punkte können die Hartpartikel in Übereinstimmung mit dem ersten oder dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung in irgendeiner Form aus (1-a) bis (1-f) wie nachstehend angegeben vorliegen:

(1-a) Hartpartikel mit einer Zusammensetzung (Masse%), die 20–70% Mo, 0,5–3% C, 5–40% Ni und 1–20% Mn mit einschließt, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht;
(1-b) Hartpartikel mit einer Zusammensetzung (Masse%), die 20–70% Mo, 0,5–3% C, 5–40% Ni, 1–20% Mn und 40% oder weniger Co mit einschließt, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht;
(1-c) Hartpartikel mit einer Zusammensetzung (Masse%), die 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn und 0,1–10% Cr mit einschließt, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht;
(1-d) Hartpartikel mit einer Zusammensetzung (Masse%), die 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr, 4% oder weniger Si und 40% oder weniger Co mit einschließt, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht;
(1-e) Hartpartikel mit einer Zusammensetzung (Masse%), die 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr und 4% oder weniger Si mit einschließt, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht;
(1-f) Hartpartikel mit einer Zusammensetzung (Masse), die 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr und 40% oder weniger Co mit einschließt, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht.

Die Hartpartikel gemäß dem ersten oder zweiten Gesichtpunkt der vorliegenden Erfindung können durch einen Atomisierungsprozess erzeugt werden, in welchem eine Schmelze versprüht wird, oder können durch mechanische Pulverisierung eines verfestigten Körpers erzeugt werden, der durch Verfestigen der Schmelze erhalten worden ist. Die vorstehend erwähnte Atomisierung kann in einer nichtoxidierenden Atmosphäre (d.h., einem Inertgas wie etwa Stickstoffgas oder Argongas oder unter Vakuum) durchgeführt werden.
Temperatur des Oxidationsbeginns der Hartpartikel
Der Graph in 1 gibt die Beziehung zwischen der Cr-Menge, die in den Hartpartikeln enthalten ist, und der Temperatur des Oxidationsbeginns der Hartpartikel an. Auf der Basis der in 1 angegebenen Charakteristik kann die Temperatur beim Oxidationsbeginn der Hartpartikel zu einer niedrigeren Temperatur hin durch Reduzierung der Cr-Menge verschoben sein. Daraus folgt, dass selbst bei Umgebungstemperatur während des Einsatzes in einem Niedertemperaturbereich oder in einem mittleren Temperaturbereich eine gesteigerte Menge eines Oxidfilms ausgebildet sein kann, so dass die gewünschte Funktion der Feststoffschmierung der Hartpartikel ausgeübt werden kann. Dies wird durch Reduzieren oder Eliminieren der in den Hartpartikeln enthaltenen Cr-Menge realisiert. Wenn die Umgebungstemperatur während des Einsatzes relativ hoch ist, und somit die Menge eines auf den Hartpartikeln ausgebildeten Oxidfilms leicht übermäßig groß wird, ist es ferner notwendig, das Wachstum des Oxidfilms zu unterdrücken oder zu beschränken, während die erforderliche Eigenschaft zur Feststoffschmierung sichergestellt wird. In diesem Fall kann eine kleine Cr-Menge (10% oder weniger oder bevorzugt 8% oder weniger) in den Hartpartikeln enthalten sein, um so das übermäßige Wachstum eines Oxidfilms zu unterdrücken oder zu beschränken.
Verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung
Eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung gemäß dem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat eine Zusammensetzung, die aus 0,2–5% C und 0,1–12% Mn bestehende Basiskomponenten mit einschließt, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der Basis als 100%. Eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung gemäß dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung besitzt eine Zusammensetzung, die Basiskomponenten mit einschließt, die aus 0,2–5% C, 0,1–10% Mn bestehen, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht, bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100%.
Die Basis der gesinterten Legierungen gemäß jedem Gesichtspunkt der Erfindung kann Mo in einer Menge von z.B. 0–5% und Ni in einer Menge von z.B. 0–5% enthalten, und zwar aufgrund der Einflüsse der von den Hartpartikeln diffundierten Elemente. Ferner kann die Basis der gesinterten Legierungen gemäß einem jeden des dritten und vierten Gesichtspunkts der Erfindung Cr in einer Menge von z.B. 0–3% enthalten.
Die Zusammensetzung der Basis der gesinterten Legierung ist wie vorstehend beschränkt oder bestimmt, so dass die gewünschte Verschleißfestigkeit der eisenbasierten gesinterten Legierung unter der gewünschten Härte der Basis der eisenbasierten gesinterten Legierung sichergestellt wird. Um die gewünschte Härte bereitzustellen, kann in der Basis der eisenbasierten gesinterten Legierung eine Struktur mit Perlit verwendet werden. Die perlithaltige Struktur kann eine Perlitstruktur, eine kombinierte Struktur aus Perlit und Austenit, eine kombinierte Struktur aus Perlit und Ferrit oder eine kombinierte Struktur aus Perlit und Zementit sein. Um die gewünschte Verschleißfestigkeit sicherzustellen, ist es bevorzugt, dass sie eine kleine Menge an Ferrit in der Basisstruktur enthält. Die Härte der Basis, welche von ihrer Zusammensetzung abhängt, kann im Allgemeinen auf ungefähr Hv 120–300 oder ungefähr Hv 150–250 eingestellt werden, aber ist nicht auf diese Bereiche beschränkt. Die Härte der Hartpartikel ist höher als die der Basis und kann im Allgemeinen auf ungefähr Hv von 350–750 oder ungefähr Hv von 450–700 eingestellt werden, aber ist nicht auf diese Bereiche beschränkt.
Das in der Basis der gesinterten Legierung enthaltene Mn scheint von den Hartpartikeln während des Sinterns zu diffundieren. Wenn keine Mn-Menge in einem reinen Fe-Pulver oder einem niederlegierten Stahlpulver, welche die Basis der gesinterten Legierung aufbauen, enthalten ist, kann der Wert von α (die Mn-Menge in der Basis der gesinterten Legierung/die Mn-Menge in den Hartpartikeln, die in der Basis dispergiert sind) auf ungefähr 0,05–1,0 oder ungefähr 0,10–0,8 oder ungefähr 0,12–0,7 in Masseprozenten eingestellt werden, obwohl α in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Hartpartikel, des Anteils der Hartpartikel in der gesinterten Legierung oder dergleichen schwankt.
In der gesinterten Legierung sind die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert. In diesem Fall kann die untere Grenze des Flächenverhältnisses der Hartpartikel auf 15% oder 20% eingestellt werden, und das obere Limit davon kann auf 55% oder 50% eingestellt werden, und zwar unter Berücksichtigung der zu erzielenden Verschleißfestigkeit.
Insbesondere kann in den verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierungen gemäß dem dritten Gesichtspunkt und dem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung irgendeine der Formen (2-a) bis (2-f) wie im Folgenden dargestellt verwendet werden:

(2-a) eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung, welche 4–30% Mo, 0,2–3% C, 1–20% Ni, 0,5–12% Mn enthält, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Legierung als 100, wobei die Basis 0,2–5% C, 0,1–12% Mn enthält, und der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100%, und die Hartpartikel 20–70% Mo, 0,5–3% C, 5–40% Ni, 1–20% Mn enthalten, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel als 100%, und wobei die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert vorliegen;
(2-b) eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung, welche 4–30% Mo, 0,2–3% C, 1–20% Ni, 0,5–12% Mn, 24% oder weniger Co enthält, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung als 100%, wobei die Basis 0,2–5% C, 0,1–12% Mn enthält, und wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100, und die Hartpartikel 20–70% Mo, 0,5–3% C, 5–40% Ni, 1–20% Mn, 40% oder weniger Co enthalten, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel als 100%, und wobei die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert vorliegen;
(2-c) eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung, welche 4–30% Mo, 0,2–3% C, 1–20% Ni, 0,5–9% Mn, 0,05–5% Cr enthält, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung als 100%, wobei die Basis 0,2–5% C, 0,1–10% Mn enthält, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100%, und die Hartpartikel 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr enthalten, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel als 100%, und wobei die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert vorliegen;
(2-d) eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung, welche 4–30% Mo, 0,2–3% C, 1–20% Ni, 0,5–9% Mn, 0,05-5% Cr, 2% oder weniger Si, 24% oder weniger Co, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierungen als 100%, wobei die Basis 0,2–5% C, 0,1–10% Mn enthält, und der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100%, und die Hartpartikel 20%–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr, 4% oder weniger Si, 40% oder weniger Co enthalten, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel als 100%, und wobei die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert vorliegen;
(2-e) eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung, welche 4–30% Mo, 0,2–3% C, 1–20% Ni, 0,5–9% Mn, 0,05–5% Cr, 2% oder weniger Si enthält, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung als 100%, wobei die Basis 0,2–5% C, 0,1–10% Mn enthält, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100% und die Hartpartikel 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr, 4% oder weniger Si enthalten, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel als 100%, und wobei die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert vorliegen;
(2-f) eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung, welche 4–30% Mo, 0,2–3% C, 1–20% Ni, 0,5–9% Mn, 0,05–5% Cr, 24% oder weniger Co enthält, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung als 100%, wobei die Basis 0,2–5% C, 0,1–10% Mn enthält, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100, und die Hartpartikel 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 1–15% Mn, 0,1–10% Cr, 40% oder weniger Co enthalten, wobei der Rest unvermeidbare Verunreinigungen und Fe sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel als 100%, und wobei die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10–60% dispergiert vorliegen.

Gründe für die Beschränkung der Zusammensetzungen der Hartpartikel
Die Gründe für die Beschränkungen bezüglich der Zusammensetzungen der Hartpartikel sind die Folgenden: Mo bildet Carbide von Mo aus und dadurch verbessert sich die Härte und die Verschleißfestigkeit der Hartpartikel. Ferner wird Mo gelöst und Carbide von Mo bilden einen Mo-Oxidfilm aus, um somit eine verbesserte Festsstoffschmiereigenschaft bereitzustellen. Wenn die enthaltene Mo-Menge geringer als die vorstehend angegebenen unteren Grenzen ist, weisen die resultierenden Hartpartikel eine ungenügende Eigenschaft zur Feststoffschmierung auf. Wenn die enthaltende Mo-Menge die vorstehend angegebenen oberen Grenzen überschreitet, wird die Mo-Menge übermäßig und die Ausbeute bei der Pulvererzeugung durch Atomisierung oder dergleichen ist reduziert. Deshalb ist die enthaltene Mo-Menge in den vorstehend angegebenen Bereichen definiert. Im Fall der Hartpartikel mit Cr ist die Mo-Menge in Übereinstimmung mit dem Cr-Gehalt reduziert, und die oberen Grenzen der Menge an Mo ist demgemäß reduziert.
C wird mit Mo kombiniert, um Mo-Carbide auszubilden, und dadurch wird die Härte und die Verschleißfestigkeit der Hartpartikel verbessert. Wenn die enthaltene C-Menge kleiner als die vorstehend angegebenen unteren Grenzen ist, wird die Verschleißfestigkeit ungenügend. Wenn die C-Menge größer als die vorstehend angegebenen Obergrenzen ist, ist die Dichte der gesinterten Legierung reduziert. Deshalb wird die enthaltene C-Menge in den vorstehend angegebenen Bereichen definiert. Im Fall der Hartpartikel mit Cr sowie Mo werden Cr-Carbide mit einer größeren Härte als Mo-Carbide ausgebildet, und deshalb wird die C-Menge etwas reduziert, das heißt die unteren Grenzen der C-Menge ist um 0,2% reduziert.
Ni steigert die Menge von Austenit in der Basis der Hartpartikel, und steigert dadurch die Menge an gelöstem Mo, wodurch eine verbesserte Verschleißfestigkeit verliehen wird. Ferner diffundiert Ni in den Hartpartikeln in die Basis der gesinterten Legierung und steigert die Menge von Austenit in der Basis, was in einer gesteigerten Menge an gelöstem Mo und einer verbesserten Verschleißfestigkeit resultiert. Da eine übermäßig große Menge an Ni kaum zu einer Sättigung der vorstehenden Effekte führt, ist die enthaltene Ni-Menge innerhalb der vorstehend gekennzeichneten Bereiche definiert.
In der vorstehend erwähnten Zusammensetzung der Hartpartikel diffundiert Mn effizient während des Sinterns von den Hartpartikeln in die Basis einer gesinterten Legierung, wodurch somit eine verbesserte Haftfestigkeit zwischen den Hartpartikeln und der Basis sichergestellt wird. Ferner wird erwartet, dass der Einsatz von Mn die Menge an Austenit in der Basis vergrößert. Da eine übermäßig große Menge an Mn kaum zu einer Sättigung der vorstehenden Effekte führt, wird die enthaltene Mn-Menge im vorstehend gekennzeichneten Bereich definiert. Im Fall der Hartpartikel mit Cr ist die enthaltene Mn-Menge in Übereinstimmung mit dem Gehalt an Cr reduziert, wobei die oberen Grenzen der Mn-Menge reduziert sind.
Co steigert die Menge an Austenit in der Basis der Hartpartikel und der Basis der gesinterten Legierung und verbessert ebenso die Härte der Hartpartikel. Da eine übermäßig große Co-Menge kaum zu einer Sättigung der vorstehenden Effekte führt, ist die enthaltene Co-Menge in den vorstehend angebebenen Bereichen definiert. Hinsichtlich der vorstehend erwähnten Umstände können ferner die unteren Grenzen der enthaltenen Co-Menge auf 10% oder 15% eingestellt werden, und die oberen Grenzen davon können auf 30% oder auf 35% eingestellt werden.
Eine übermäßig große Menge eines Oxidfilms kann auf den Hartpartikeln aufgrund einer hohen Temperatur in der Einsatzumgebung ausgebildet werden. Die übermäßig große Menge des Oxidfilms kann zu einem Ablösen des Oxidfilms von den Hartpartikeln führen. Um die Oxidation der Hartpartikel zu unterdrücken wird Cr hinzugegeben. Jedoch macht eine übermäßig große Cr-Menge es scheinbar unwahrscheinlich, einen Oxidfilm auf den Hartpartikeln auszubilden. Somit wird die enthaltene Cr-Menge in den vorstehend angegebenen Bereichen definiert. Hinsichtlich der vorstehend erwähnten Umstände können ferner die unteren Grenzen der enthaltenen Cr-Menge in den Hartpartikeln auf 2% oder 4% eingestellt werden, und die oberen Grenzen davon können auf 7% oder 8% eingestellt werden.
Si dient zur Verbesserung der Haftfestigkeit des Oxidfilms an die Hartpartikel. Jedoch kann eine übermäßig große Menge an Si zu einer unerwünschten reduzierten Dichte der gesinterten Legierung führen. Deshalb ist die enthaltene Si-Menge in den vorstehend angegebenen Bereichen definiert.
Die durchschnittliche Partikelgröße der Hartpartikel kann zweckmäßigerweise in Abhängigkeit des Einsatzes und des Typs der eisenbasierten gesinterten Legierung usw. ausgewählt sein. Als ein Beispiel kann die durchschnittliche Partikelgröße auf ungefähr 20–250 μm, ungefähr 30–200 μm oder ungefähr 40–180 μm eingestellt werden. Jedoch ist die durchschnittliche Partikelgröße der Hartpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Bereiche beschränkt.
Die Härte der Hartpartikel sollte größer als die Härte des Objekts, mit welchem die Hartpartikel eingesetzt werden, wie etwa eine Basis aus einer gesinterten Legierung, sein. Die Härte der Hartpartikel hängt von der Menge an Mo-Carbiden ab, kann aber beispielsweise im Allgemeinen auf ungefähr Hv 350–750 oder ungefähr Hv 450–700 eingestellt werden. Jedoch ist die Härte der Hartpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Bereiche beschränkt.
Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung
In einem Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Mischung durch Vermischen von 10–60 Masse% eines Pulvers aus einer der vorstehenden Formen (1-a) bis (1-f) der Hartpartikel, 0,2–2 Masse% Kohlenstoffpulver und Eisenpulver oder niederlegiertes Stahlpulver, welches den Rest darstellt, hergestellt, und die so erhaltene Mischung wird zur Erzeugung eines Grünlings geformt. Der Grünling wird dann zur Erzeugung einer gesinterten Legierung mit irgendeiner der vorstehend angegebenen Zusammensetzungen (2-a) bis (2-f) gesintert.
Die vorstehend erwähnten Hartpartikel werden in der Basis der gesinterten Legierung dispergiert, um so eine harte Phase zur Verstärkung der Verschleißfestigkeit der gesinterten Legierung bereitzustellen. Wenn die gesinterte Legierung einen kleinen Anteil der Hartpartikel besitzt, ist ihre Verschleißfestigkeit nicht genügend. Wenn der Anteil der Hartpartikel übermäßig hoch ist, kann andererseits die resultierende gesinterte Legierung stark ein Gegenstück in Mitleidenschaft ziehen, und die Fähigkeit des Haltens oder des Zurückhaltens der Hartpartikel in der gesinterten Legierung kann reduziert sein. Somit wird die Menge des zu vermischenden Hartpartikelpulvers auf 10–60 Masse% gesteuert. Typischerweise kann ein Graphitpulver als das Kohlenstoffpulver verwendet werden. C des Kohlenstoffpulvers diffundiert in die Basis der gesinterten Legierung oder der Hartpartikel, um gelöst zu werden oder um Carbide (Mo-Carbide, Cr-Carbide, usw.) auszubilden. Somit wird die Menge an zuzumischendem Kohlenstoffpulver auf 0,2–2% eingestellt.
Das Fe-Pulver oder das niederlegierte Stahlpulver bildet eine Basis der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung aus. Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht die Reduzierung der Kosten der Ausgangsmaterialien. Ferner kann der Grünling verdichtet und in eine gewünschte Gestalt gebracht werden, um eine hohe Dichte bereitzustellen, und um somit eine hohe Dichte der resultierenden gesinterten Legierung sicherzustellen.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren diffundieren die in einem der Hartpartikel und der Basis enthaltenen Legierungselemente in das andere während des Sinterungsvorgangs, um dadurch die Haftfestigkeit zwischen den Hartpartikeln und der Basis zu steigern. Insbesondere wenn die Hartpartikel mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet werden, diffundiert das in den Hartpartikeln enthaltene Mn effektiv in die Basis um dadurch die Haftfestigkeit zwischen den Hartpartikeln und der Basis zu steigern. Dies führt ebenso zu einer gesteigerten Dichte, einer gesteigerten Härte und einer verbesserten Verschleißfestigkeit der resultierenden gesinterten Legierung.
Das Fe-Pulver oder das niederlegierte Stahlpulver bildet eine Basis der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung aus, wie vorstehend erwähnt wurde. Das niederlegierte Stahlpulver kann irgendein Fe-C-basiertes Pulver sein. Zum Beispiel kann ein Pulver mit einer Zusammensetzung verwendet werden, die aus 0,2–5% C besteht, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen und Fe besteht, und zwar bezüglich der Gesamtmasse des niederlegierten Stahlpulvers als 100.
Die Sinterungstemperatur kann ungefähr 1050–1250°C oder bevorzugt ungefähr 1100–1150°C sein. Die Sinterungszeit bei einer solcher Sinterungstemperatur kann 30–120 Minuten oder bevorzugt 45–90 Minuten sein. Die Sinterungsatmosphäre ist bevorzugt eine nichtoxidierende Atmosphäre wie etwa eine Inertgasatmosphäre oder dergleichen. Beispiele der nichtoxidierten Atmosphäre schließen eine Stickstoffatmosphäre, eine Argongasatmosphäre und ein Vakuum mit ein.
In dem Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Gründe für die Beschränkungen der Zusammensetzung der Hartpartikel und die bevorzugten Bereiche der Zusammensetzung der Hartpartikel sowie die Härte und die durchschnittliche Partikelgröße der Hartpartikel grundsätzlich die gleichen wie die vorstehend Erläuterten.
Bevorzugter Einsatz
Im Allgemeinen schließen die Ventilsysteme von Gasantrieben bzw. Gasmotoren unter Verwendung von verdichtetem Naturgas (CNG) oder verflüssigtem Petroleumgas (LPG) als Brennstoff Gleitbereiche mit einer relativ schwachen Eigenschaft zur Feststoffschmierung mit ein, und zwar verglichen mit solchen von Ventilsystemen von Benzinantrieben. Ein Grund warum dies der Fall ist liegt darin, dass die Verbrennungsatmosphäre in Gasantrieben eine schwächere Oxidationskraft als in Benzinantrieben besitzt. Deshalb wird ein Oxidationsfilm mit einer Eigenschaft zur Feststoffschmierung unwahrscheinlicher in Gasantrieben als in Benzinantrieben erzeugt.
In der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung bildet das in den Hartpartikeln enthaltene Mo leichter einen günstigen Oxidfilm bei einer geringeren Temperatur als Cr aus, und der so erzeugte Oxidfilm stellt eine Eigenschaft zur Feststoffschmierung in einem geringen Bereich oder mittleren Bereich der Umgebungstemperatur während des Einsatzes sowie in einem hohen Temperaturbereich bereit. Somit haben die Hartpartikel zusätzlich zu der erforderlichen Härte eine gewünschte Eigenschaft zur Feststoffschmierung. Demgemäß wird die verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung zweckmäßigerweise als eine gesinterte Legierung für den Einsatz in einem Ventilsystem verwendet, das einen Ventilsitz, eine Ventilfläche oder andere Komponenten eines Gasmotors für ein Motorfahrzeug oder dergleichen unter Verwendung von verdichtetem Naturgas oder verflüssigtem Petroleumgas als Brennstoff mit einschließt. Selbstverständlich kann die verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung gemäß der Erfindung für einen Ventilsitz, eine Ventilfläche oder andere Komponenten eines Benzinantriebs oder eines Dieselantriebs eingesetzt werden. Es ist jedoch verständlich, dass die Anwendung der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung nicht auf die vorstehend Angegebenen beschränkt ist. Zum Beispiel kann die verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung ebenso als ein Gleitelement wie etwa eine Ventilführung oder eine Ladedruckregelventilbuchse eines Turboladers, die in einem erhitzen Bereich eingesetzt wird, eingesetzt werden.
Die 6 und die 7 zeigen einen Zylinderkopf 11 eines Motorantriebs, in welchem ein Einlass- oder Abgasventil 26 montiert ist. Der Zylinderkopf 11 schließt einen Ventilsitz 32 mit ein, an welchem eine Ventilfläche 32 des Einlass/Abgasventils 26 beim Schließen des Ventils 26 anstößt. Der Ventilsitz 32 des Zylinderkopfes 11 ist aus der verschleißfesten eisenbasierten gesinterten Legierung gemäß der Erfindung wie vorstehend beschrieben ausgebildet.
Beispiele
Beispiele, in welchen die vorliegende Erfindung ausgeführt wurde, und Vergleichsbeispiele werden basierend auf den Ergebnissen von Experimenten beschrieben.
Als erstes wurden Legierungspulver mit den als Proben A bis M in nachstehender Tabelle 1 angebenden Zusammensetzungen durch Gasatomisierung unter Verwendung eines Inertgases (Stickstoffgas) erzeugt. Die Legierungspulver wurden dann in einem Bereich von 44 μm bis 180 μm klassifiziert, um somit Hartpartikelpulver bereitzustellen. Die Hartpartikel mit der Zusammensetzung der Probe N wurden durch Pulverisierung eines verfestigten Materials (Ferromolybdän), welches durch Verfestigen einer gelösten Schmelze erhalten worden ist, hergestellt.
Tabelle 1
Die Proben A bis D sind Pulver aus Hartpartikeln innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung und sind Beispiele in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Proben E bis J sind Vergleichsbeispiele und die Proben K bis N sind bekannte Beispiele. Genauer gesagt enthält die Probe E Mo in einer relativ kleinen Menge von 15% und die Probe F enthält C in einer relativ großen Menge von 4,5%, während die Probe G kein Ni enthält. Die Probe H enthält kein Mn mit einer guten Diffusionseffizienz und die Probe I enthält Cr in einer relativ großen Menge von 18%, während die Probe J Si in einer relativ großen Menge von 5% enthält. Die Probe K ist Stellite No. 6, welches weder Mo noch Mn enthält. Die Probe L ist Triballoy T400, die kein Mn enthält. Die Probe M enthält kein Mn und hat eine Ni-Gruppe. Die Probe N ist Ferromolybdän (FeMo), das weder Ni noch Mn enthält.
Das Pulver einer jeden Probe der Hartpartikel, die den vorstehenden Proben A bis N entsprachen, wurde in der Atmosphäre erwärmt und somit oxidiert, und die Temperatur, bei welcher das Gewicht des Pulvers aufgrund der Oxidation plötzlich anstieg, wurde aufgezeichnet oder detektiert. Diese Temperatur wird als die Temperatur des Oxidationsbeginns angesehen und ist in Tabelle 1 dargestellt und in 1 gezeigt, in welcher die Horizontalachse die Cr-Menge darstellt und die Vertikalachse die Temperatur des Oxidationsbeginns darstellt.
In 1 entspricht die Cr-Menge von 0% der Probe A und entspricht die Cr-Menge von 5% der Probe C. Ferner entspricht eine Cr-Menge von 9,5% der Probe L und eine Cr-Menge von 20,5% entspricht der Probe M, und eine Cr-Menge von 29% entspricht der Probe K.
Wie aus 1 ersichtlich ist verschiebt sich die Temperatur des Oxidationsbeginns zu einer geringeren Temperatur hin, wenn die in den Hartpartikeln enthaltene Cr-Menge reduziert wird.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, lagen die Temperaturen des Oxidationsbeginns der Proben A bis D, die den erfindungsgemäßen Hartpartikeln entsprachen, im Bereich von ungefähr 610 bis 660°C, welche geringer als die der bekannten Beispiele ist, das heißt, der Probe K (eine Temperatur des Oxidationsbeginns von 930°C, Stellite No. 6,29% Cr), der Probe L (Temperatur des Oxidationsbeginns von 750°C, Triballoy T400, 9,5% Cr), usw.
Tabelle 2
Tabelle 3

a = imprägniert mit geschmolzenem Blei; b = zweimal geformt, zweimal gesintert; c = gesintert/geschmiedet

Als nächstes wurden die Mischpulver, die als Materialien für die gesinterten Legierungen eingesetzt werden sollen, durch Vermischen (mittels einer Mischmaschine) eines ausgewählten Pulvers aus den Hartpartikelpulvern, entsprechend den Proben A bis N, einem Graphitpulver und einem reinen Fe-Pulver in den in Tabelle 2 angebebenen Anteilen ausgebildet. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, lag bei den meisten Beispielen der Anteil des Hartpartikelpulvers bei 40% und der Anteil des Graphitpulvers lag bei 0,6%. In Beispiel 5 war der Anteil des Hartpartikelpulvers relativ klein, d.h. 15%. In Beispiel 6 war der Anteil des Hartpartikelpulvers relativ groß, d.h. 55%. In Beispiel 7 war der Anteil des Graphitpulvers relativ klein, d.h. 0,4%. In Beispiel 8 war der Anteil des Graphitpulvers relativ groß, d.h. 1,8%.
Unter Verwendung von Formungsdüsen wurde das Mischpulver eines jeden wie vorstehend beschrieben hergestellten Beispiels komprimiert und in ein ringförmiges Teststück mit einer Druckkraft von 78,4 × 10⁷ Pa (8 tonf/cm²) geformt, um dadurch einen Grünling auszubilden. Das Teststück war wie ein Ventilsitz ausgeformt.
Danach wurde jeder Grünling in einer inerten Atmosphäre (Stickstoffgasatmosphäre) bei 1120°C über 60 Minuten gesintert, um so eine gesinterte Legierung (Ventilsitz) entsprechend den Teststücken auszubilden.
Bezüglich der Vergleichsbeispiele 1 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 14 und 15 wurden ringförmige Teststücke durch Komprimieren ausgeformt, und die den Teststücken entsprechenden gesinterten Legierungen (Ventilsitze) wurden hergestellt.
Ferner wurden unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen die den Vergleichsbeispielen 11 bis 13 entsprechenden Teststücke ausgebildet, um gesinterte Legierungen (Ventilsitze) bereitzustellen. Wie in Tabelle 3 angegeben ist, wurde in Vergleichsbeispiel 11, Probe L (Triballoy T400) als Hartpartikel eingesetzt und ein durch Kompressionsformung eines Mischpulvers mit 15% der Probe L ausgebildeter Grünling wurde gesintert, während Poren des Grünlings mit geschmolzenem Blei imprägniert wurden, und zwar zur Steigerung der Dichte der gesinterten Legierung. In Vergleichsbeispiel 12 wurde die Probe L (Triballoy T400) als Hartpartikel eingesetzt und 40% der Probe L wurden mit anderen Elementen vermischt. Um die Dichte und die Verschleißbeständigkeit der gesinterten Legierung in Vergleichsbeispiel 12 zu steigern, wurde eine Kompressionsformung zweimal zur Ausbildung eines Grünlings durchgeführt, und der Grünling wurde zweimal gesintert. In Vergleichsbeispiel 13 wurde die Probe N (Ferromolybdän) als Hartpartikel eingesetzt und ein Grünling wurde mittels Kompression aus einem Mischpulver mit 10% der Probe N ausgebildet. Um die Dichte und die Verschleißbeständigkeit zu steigern wurde der Grünling gesintert und geschmiedet. Jede der in Tabelle 3 gezeigten Zusammensetzungen ist die Zusammensetzung der entsprechenden gesamten gesinterten Legierung.
2 zeigt eine optische mikroskopische Fotographie (Vergrößerung: 100fach) einer dem Beispiel 1 entsprechenden gesinterten Legierung. In diesem Bild ist Perlit (schwärzliche inselförmige Hartpartikel in der Gestalt von runden Partikeln) in Austenit (weiße Basis der gesinterten Legierung) dispergiert und nahezu keine Poren werden beobachtet. Der Anteil der Hartpartikel liegt annähernd bei 20–50% bezüglich des Flächenverhältnisses hinsichtlich der Gesamtfläche der gesinterten Legierung (Basis + Hartpartikel) als 100%.
3 zeigt eine optische mikroskopische Fotographie (Vergrößerung: 100fach) einer dem Vergleichsbeispiel 8 entsprechenden gesinterten Legierung. In diesem Bild ist Triballoy T400 (weiße Hartpartikel in der Gestalt von runden Partikeln) in der Basis der gesinterten Legierung dispergiert und eine beträchtliche Anzahl an Poren (schwarze Bereiche zwischen benachbarten Hartpartikeln) wird zwischen benachbarten Hartpartikeln beobachtet.
4 zeigt eine optische mikroskopische Fotographie (Vergrößerung: 100fach), die dem Vergleichsbeispiel 10 entspricht. In dem Bild ist Ferromolybdän (zahlreiche schwärzliche Hartpartikel) in der Basis der gesinterten Legierung dispergiert und eine beträchtliche Anzahl an Poren (schwarze Bereiche zwischen benachbarten Hartpartikeln) werden zwischen benachbarten Hartpartikeln beobachtet.
Zur Auswertung des Verbindungszustands, mit welchem die Hartpartikel an die Basis der gesinterten Legierung gebunden sind, wurde eine EPMA-Analyse eines jeden Teststücks zur Messung der Zusammensetzung der gesinterten Legierung als Ganzes, der Zusammensetzung der Hartpartikel und der Zusammensetzung der Basis durchgeführt und die Ergebnisse der Analyse sind in Tabelle 4 nachstehend gezeigt. In Tabelle 4 steht die gesamte Zusammensetzung für eine Zusammensetzung der gesinterten Legierung, wenn die Gesamtmasse der gesinterten Legierung als 100 Masse% ausgedrückt ist. Die Zusammensetzung der Hartpartikel steht für eine Zusammensetzung der Hartpartikel, wenn die Gesamtmasse der Hartpartikel als 100 Masse% ausgedrückt ist. Die Basiszusammensetzung steht für eine Zusammensetzung einer Basis, wenn die Gesamtmasse der Basis als 100 Masse% ausgedrückt ist.
Obwohl in jedem Beispiel das Fe-Pulver als ein Ausgangsmaterial zur Ausbildung der Basis der gesinterten Legierung kein Mn, Mo und Co enthält, enthält die analysierte Zusammensetzung der Basis der gesinterten Legierung eines jeden Beispiels Mn, Mo und Co, wie in Tabelle 4 gezeigt ist. Dies kann daran liegen, dass Mn, Mo und Co thermisch von den Hartpartikeln in die Basis während des Sinterungsvorgangs diffundieren. Insbesondere wird aus Tabelle 4 ersichtlich, dass die in der Basis enthaltene Mn-Menge beträchtlich hoch ist, d.h. in den meisten Beispielen 1% überschreitet.
Tabelle 4
Obwohl das Fe-Pulver als ein Ausgangsmaterial zur Ausbildung der Basis kein Mn enthält, war die in der Basis der gesinterten Legierung enthaltene Mn-Menge beträchtlich hoch. Genauer gesagt betrug die in der Basis der gesinterten Legierung enthaltene Mn-Menge 2,3% im Beispiel 1, 2,3% im Beispiel 2, 2,3% im Beispiel 3, 1,3% im Beispiel 4, 1,8% im Beispiel 6, 1,3% im Beispiel 7 und 1,3% im Beispiel 8. Im Beispiel 5 lag die in der Basis der gesinterten Legierung enthaltene Mn-Menge bei 0,53% aufgrund der relativ kleinen Menge (ungefähr 37% = 15/40 verglichen mit den Bespielen 1 bis 4) des hinzugegebenen Hartpartikelpulvers.
Der Anstieg der Menge der von den Hartpartikeln in die Basis diffundierten Elemente bzw. des Elements kann zu einer verbesserten Fähigkeit des Zurückhaltens der Hartpartikel in der Basis, zu einer verbesserten Dichte und Härte der gesinterten Legierung und zu einer reduzierten Menge der Abnutzung bzw. des Verschleiß der gesinterten Legierung führen. In den Beispielen der vorliegenden Erfindung überstieg jedoch weder die Ni-Menge noch die Co-Menge in der Basis der gesinterten Legierung 1%, außer in Beispiel 6, in welchem der Anteil des hinzugegebenen Hartpartikelpulvers hoch war.
Der Werte von α (die Mn-Menge in der Basis der gesinterten Legierung/die Mn-Menge in den Hartpartikeln, die in der Basis dispergiert sind) lagen bezüglich Masseprozent bei 2,3/8,5 ≈ 0,270 im Beispiel 1, 2,3/5,5 ≈ 0,418 im Beispiel 2, 2,3/8,5 ≈ 0,270 im Beispiel 3, 1,3/4 ≈ 0,325 im Beispiel 4, 0,53/3 ≈ 0,176 im Beispiel 5, 1,8/4,5 ≈ 0,4 im Beispiel 6, 1,3/4 ≈ 0,325 im Beispiel 7 und 1,3/4 ≈ 0,325 im Beispiel 8. Somit lag der Wert α innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,10 bis ungefähr 0,7 und insbesondere innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,15 bis ungefähr 0,45, was angibt, das Mn eine hohe Diffusionseffizienz zeigt.
Bezüglich der Diffusion von Molybdän lag der Wert von β (Mo-Menge, die in der Basis enthalten ist/Mo-Menge, die in den Hartpartikeln enthalten ist) bei 0,67/38 ≈ 0,017 im Beispiel 1, 0,67/39 ≈ 0,017 im Beispiel 2, 0,67/34 ≈ 0,019 im Beispiel 3, 0,67/32 ≈ 0,020 im Beispiel 4, 0,18/32 ≈ 5,6 × 10^–3 = 0,0056 im Beispiel 5, 1,2/32 ≈ 0,0375 im Beispiel 6, 0,67/32 ≈ 0,020 im Beispiel 7, und 0,67/32 ≈ 0,020 im Beispiel 8. Somit lag der Wert β, der die Diffusionseffizienz von Mo darstellt, innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,005 bis ungefähr 0,04 und war eine Größenordnung kleiner als der Wert α, der die Diffusionseffizienz von Mn darstellt. Dies zeigt klar eine hohe Diffusionseffizienz von Mangan (Mn).
Um ferner die vorstehend beschriebenen Punkte zu verifizieren wurde die Dichte und die Härte der gesinterten Legierung gemäß einem jeden Teststück gemessen und die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Die Härte der gesinterten Legierung wurde gemessen, um eine Vickers-Härte (Last: 10 kgf) zu bestimmen.
Tabelle 5
Als nächstes wurde unter Verwendung eines Testgeräts 1 wie in 5 gezeigt ein Verschleißtest zur Auswertung der Verschleißbeständigkeit des gesinterten Legierung durchgeführt. In dem Verschleißtest wurde ein Propangasbrenner 10 als eine Heizquelle zur Vorsehung einer Propangasverbrennungsatmosphäre rund um die Gleitbereiche zwischen einem ringförmigen Ventilsitz 12 und einer Ventilfläche 14 eines Ventils 13 eingesetzt. Der ringförmige Ventilsitz 12 war ein Testsstück, der aus einer vorstehend beschriebenen gesinterten Legierung ausgebildet war. Die Ventilfläche 14 wurde durch Unterziehen von SOH11 einem Weichnitridierungsprozess ausgebildet. Ein achtstündiger Verschleißtest wurde auf die folgende Art und Weise durchgeführt, während die Temperatur des Ventilsitzes 12 auf 200°C eingestellt war, wobei der Ventilsitz 12 und die Ventilfläche 14 einem Kontakt mit einer Rate von 2000 Mal pro Minute mit einer Last von 18 kgf gebracht wurden. Die Last war zum Zeitpunkt des Kontakts zwischen dem Ventilsitz 12 und der Ventilfläche 14 mittels einer Feder 16 angelegt. Ein ähnlicher Verschleißtest wurde ebenso bei einer Einstellung der Temperatur des Ventilsitzes 12 auf 300°C durchgeführt. Die Verschleißmengen eines jeden Teststücks bei den Testtemperaturen von 200°C und 300°C sind in Tabelle 5 gezeigt.
Wie in Tabelle 5 gezeigt ist, lag die Dichte der gesinterten Legierung eines jeden Beispiels 1 bis 8 bei wenigstens 7 g/cm³ oder höher. Die Härte der gesinterten Legierung eines jeden Beispiels 1 bis 8 lag bei wenigstens Hv 175 oder größer. Die Menge des Verschleiß der gesinterten Legierungen der Beispiele 1 bis 8 war klein, d.h. 0,05 mm oder weniger.
Im Gegensatz dazu hatte die gesinterte Legierung von jedem der Beispiele 1 bis 15 im Allgemeinen eine geringere Dichte und eine geringere Härte als die erfinderischen Beispiele. Zusätzlich unterlagen die Vergleichsbeispiele 1 bis 15 einer großen Menge an Verschleiß, und zwar in der Hauptzahl der Beispiele zweimal so viel Verschleiß oder mehr als die erfinderischen Beispiele. Insbesondere unterlag die gesinterte Legierung des Vergleichsbeispiels 3 großen Mengen an Verschleiß, nämlich 0,08 mm bei der Testtemperatur von 200°C und 0,07 mm bei der Testtemperatur von 300°C, obwohl sie eine hohe Dichte und eine große Härte aufwies, was die schlechte Verschleißbeständigkeit der gesinterten Legierung anzeigte.
Als nächstes wurde der Ventilsitz 12 eines jeden der Beispiele 1 und 4 in einen Motor eingebaut. Der Motor war ein Motor mit 2700cm³ Hubraum unter Verwendung von LPG als Brennstoff und wurde zur Durchführung eines 300-stündigen Beständigkeitstests eingesetzt. Ähnliche Beständigkeitstests wurden ebenso bezüglich der Ventilsitze 12 der Vergleichsbeispiele 11 bis 13 durchgeführt. Dann wurde die Menge des Überstands (mm) eines Ventils 13 und die Menge des Anstiegs der Breite des Kontakts des Ventilsitzes 12 (mm) bezüglich jedes Ventilsystems gemessen. Die Messung wurde sowohl auf der Einlassseite als auch auf der Abgasseite eines Motors durchgeführt. Die Ventilfläche auf der Einlassseite wurde durch Durchführen eines Weichnitridierungsprozesses auf SOH11 erhalten, und die Ventilfläche der Abgasseite wurde durch Abscheiden einer Mo-basierten Legierung auf SOH11 erhalten.
Die Menge des Ventilüberstands steht für die Verschiebung der Ventilposition gegenüber dem Äußeren des Motors beim Schließen des Ventils, welcher durch den Verschleiß des Ventilsitzes 12 und den Verschleiß der Ventilfläche 14 verursacht ist. Die Menge des Anstiegs der Breite des Kontakts des Ventilsitzes 12 steht für eine Menge des Anstiegs der Breite eines Kontaktbereichs des Ventilsitzes 12 mit der Ventilfläche 14 aufgrund des Verschleiß des Ventilsitzes 12, verursacht durch den Kontakt des Ventilsitzes 12 mit der Ventilfläche 14. Die Messergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.
Tabelle 6
Wie in Tabelle 6 gezeigt ist zeigten Beispiel 1 und Bespiel 2 signifikant reduzierte Mengen des Ventilüberstands und signifikant reduzierte Mengen des Anstiegs der Breite des Kontakts des Ventilsitzes sowohl auf der Einlassseite als auch auf der Abgasseite im Gegensatz zu den Vergleichsbeispielen 11 bis 13. Die Daten geben an, dass die Verschleißfestigkeit der erfindungsgemäßen Beispiele gegenüber den Vergleichsbeispielen hervorragend war.
Obwohl die vorliegende Erfindung zusammen mit deren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass Zusätze, Weglassungen, Modifikationen und Substitutionen, die nicht speziell beschrieben sind, ohne Abweichung vom Umfang der Erfindung wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
Hartpartikel werden mit 20 bis 70% Mo, 0,5 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 20% Mn, bereitgestellt, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, wobei % für Massenprozent steht, und sie ferner 40% oder weniger Co enthalten können. Eine verschleißfeste eisenbasierte gesinterte Legierung enthält 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 12% Mn, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der eisenbasierten gesinterten Legierung als 100. In der gesinterten Legierung enthält die Basis 0,2 bis 5% C, 0,1 bis 12% Mn, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Basis, und die Hartpartikel enthalten 20 bis 70% Mo, 0,5 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 20% Mn, wobei der Rest Fe und Verunreinigungen sind, und zwar bezüglich der Gesamtmasse der Hartpartikel. Die Hartpartikel sind in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10 bis 60% dispergiert. Ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten gesinterten Legierung der vorstehenden Zusammensetzung wird ebenso vorgesehen.

Claims

Eine Mischung für einen Grünling für eine verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis, die Partikel und ein damit sinterbares Basismaterial in einem Flächenverhältnis von Partikeln zu dem Basismaterial von 10 bis 60% umfasst, wobei das Basismaterial ein reines Eisenpulver oder ein niederlegiertes Stahlpulver ist, und wobei die Zusammensetzung der Teilchen in Masseprozenten das Folgende umfasst: 20 bis 70% Mo, 0,5 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 20% Mn, wahlweise 40% oder weniger Co, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei der Rest Fe ist.
Eine Mischung für einen Grünling für eine verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis, die Partikel und ein damit sinterbares Basismaterial in einem Flächenverhältnis von Partikeln zu dem Basismaterial von 10 bis 60% umfasst, wobei das Basismaterial ein reines Eisenpulver oder ein niederlegiertes Stahlpulver ist, und wobei die Zusammensetzung der Teilchen in Masseprozenten das Folgende umfasst: 20 bis 60% Mo, 0,2 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 15% Mn, 0,1 bis 10% Cr, wahlweise 40% oder weniger Co und 4% oder weniger Si, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei der Rest Fe ist.
Die Mischung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Partikel eine Vickers-Härte von 350 bis 750 Hv hat.
Eine verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis, umfassend: eine Basis; und mehrere Partikel, wobei die verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis in Masseprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung auf Eisenbasis als 100%, das Folgende mit einschließt: 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 12% Mn, wahlweise 24% oder weniger Co, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen; wobei die Basis in Massenprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100% das Folgende umfasst: 0,2 bis 5% C, 0,1 bis 12% Mn, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen; wobei die mehreren Partikel in Masseprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der mehreren Partikel als 100% das Folgende umfasst: 20 bis 70% Mo, 0,5 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 20% Mn, wahlweise 40% oder weniger Co, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen; und wobei die Partikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10 bis 60% dispergiert sind.
Die verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis wie sie in Anspruch 4 definiert ist, die ferner das Folgende umfasst: 24% oder weniger Co, und zwar in Masseprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung, und wobei die mehreren Partikel in Masseprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der mehreren Partikel als 100% ferner 40% oder weniger Co umfassen.
Eine verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis, umfassend: eine Basis; und mehrere Partikel, wobei die verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis in Masseprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung auf Eisenbasis als 100% das Folgende mit einschließt: 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 9% Mn, 0,05 bis 5% Cr, wahlweise 24% oder weniger Co und 2% oder weniger Si, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen; wobei die Basis in Massenprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der Basis als 100% das Folgende umfasst: 0,2 bis 5% C, 0,1 bis 12% Mn, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen; wobei die mehreren Partikel in Masseprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der mehreren Partikel als 100% das Folgende umfassen: 20 bis 60% Mo, 0,2 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 15% Mn, 0,1 bis 10% Cr, wahlweise 40% oder weniger Co und 4% oder weniger Si, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen; und wobei die Hartpartikel in der Basis mit einem Flächenverhältnis von 10 bis 60% dispergiert sind.
Die verschleißfeste gesinterte Legierung wie sie in Anspruch 6 definiert ist, die fernere das Folgende umfasst: wenigstens eines aus 24% oder weniger Co und 2% oder weniger Si, und zwar in Masseprozent und bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung, und wobei die mehreren Partikel in Masseprozenten und bezüglich der Gesamtmasse der mehreren Partikel als 100% ferner das Folgende umfassen: wenigstens eines aus 40% oder weniger Co und 4% oder weniger Si.
Die verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis wie sie in irgendeinem der Ansprüche 4 bis 7 definiert ist, wobei der Wert alpha, welcher das Verhältnis der in der Basis der gesinterten Legierung enthaltenen Mn-Menge zu der in den in der Basis dispergierten mehreren Partikeln enthaltenen Mn-Menge ist, innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 1,0 Massenprozenten liegt.
Ein Ventilsitz, der irgendeine der Legierungen nach den Ansprüchen 4 bis 8 umfasst.
Ein Zylinderkopf, der den Ventilsitz nach Anspruch 9 umfasst.
Eine Brennkraftvorrichtung, die den Zylinderkopf nach Anspruch 10 und eine verbrennbare Brennstoffquelle in Fluidkommunikation mit dem Zylinderkopf umfasst, wobei der Brennstoff aus der aus komprimierten Naturgas und verflüssigtem Petroleumgas bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten gesinterten Legierung, welches die folgenden Schritte umfasst: Herstellen einer Mischung durch Vermischen von reinem Eisenpulver oder einem niederlegiertem Stahlpulver, 0,2 bis 2% Kohlenstoffpulver und 10 bis 60% eines Pulvers der mehreren Partikel, und zwar in Masseprozenten, wobei die mehreren Partikel das Folgende umfassen: 20 bis 70% Mo, 0,5 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 20% Mn, wahlweise 40% oder weniger Co, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen; Formen der Mischung zur Ausbildung eines Grünlings; und Sintern des Grünlings, um so eine verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis auszubilden.
Das Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten gesinterten Legierung auf Eisenbasis wie es in Anspruch 12 definiert ist, wobei die ausgebildete gesinterte Legierung in Masseprozent und bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung auf Eisenbasis als 100% das Folgende umfasst: 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 12% Mn, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen.
Das Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten gesinterten Legierung auf Eisenbasis wie es in Anspruch 12 definiert ist, wobei die mehreren Partikel ferner 40% oder weniger Co umfassen.
Das Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten gesinterten Legierung auf Eisenbasis wie es in Anspruch 14 definiert ist, wobei die ausgebildete gesinterte Legierung in Masseprozent und bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung auf Eisenbasis als 100% das Folgende umfasst: 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 12% Mn, 24% oder weniger Co, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten gesinterten Legierung, welches die folgenden Schritte umfasst: Herstellen einer Mischung durch Vermischen von reinem Eisenpulver oder einem niederlegiertem Stahlpulver, 0,2 bis 2% Kohlenstoffpulver und 10 bis 60% eines Pulvers der mehreren Partikel, und zwar in Masseprozenten, wobei die mehreren Partikel das Folgende umfassen: 20 bis 60% Mo, 0,2 bis 3% C, 5 bis 40% Ni, 1 bis 15% Mn, 0,1 bis 10% Cr, wahlweise 40% oder weniger Co und 4% oder weniger Si, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen; Formen der Mischung zur Ausbildung eines Grünlings; Sintern des Grünlings, um so eine verschleißfeste gesinterte Legierung auf Eisenbasis auszubilden.
Das Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten gesinterten Legierung auf Eisenbasis wie es in Anspruch 16 definiert ist, wobei die ausgebildete gesinterte Legierung in Masseprozent und bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung auf Eisenbasis als 100% das Folgende umfasst: 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 9% Mn, 0,05 bis 5% Cr, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen.
Das Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten gesinterten Legierung auf Eisenbasis wie es in Anspruch 16 definiert ist, wobei die mehreren Partikel ferner 40% oder weniger Co und 4% oder weniger Si umfassen.
Das Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten gesinterten Legierung auf Eisenbasis wie es in Anspruch 18 definiert ist, wobei die ausgebildete gesinterte Legierung in Masseprozent und bezüglich der Gesamtmasse der gesinterten Legierung auf Eisenbasis als 100% das Folgende umfasst: 4 bis 30% Mo, 0,2 bis 3% C, 1 bis 20% Ni, 0,5 bis 9% Mn, 0,05 bis 5% Cr, wenigstens eines aus 24% oder weniger Co und 2% oder weniger Si, wobei der Rest Fe ist, und unvermeidbare Verunreinigungen.
Verwendung der Partikel mit einer Zusammensetzung wie in Anspruch 1 definiert zur Herstellung der gesinterten Legierung gemäß Anspruch 4 oder 5.
Verwendung der Partikel mit einer Zusammensetzung wie in Anspruch 2 definiert zur Herstellung der gesinterten Legierung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8.