DE68926758T2

DE68926758T2 - Abriebfeste gesinterte Eisenlegierung, bestehend aus einer Dispersion von harten Legierungsteilchen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE68926758T2
Application number: DE68926758T
Authority: DE
Inventors: Makoto Abe; Akira Fujiki; Akiyoshi Ishibashi; Takaaki Ito; Kimitsugu Kiso; Kazutoshi Takemura
Original assignee: Riken Corp; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Riken Corp; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1989-04-18
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2009-04-19
Also published as: US5080713A; KR900016486A; JP2957180B2; DE68926758D1; EP0339436A1; JPH01268849A; KR940008944B1; EP0339436B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Fachgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung einer abriebfesten gesinterten Eisenlegierung mit einer Dispersion von Hartlegierungsteilchen.

Stand der Technik

Auf den verschiedensten Gebieten besteht ein wachsender Bedarf an einer abriebfesteren Eisenlegierung. Zum Beispiel wird nach dem gegenwärtigen Trend bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen zu höheren Drehzahlen und einer gesteigerten Leistung eine größere Abriebfestigkeit für die Eisenlegierung benötigt welche als Werkstoff für Ventilsitze dient, die auf der Einlaß- und der Auslaßöffnung des Motors angebracht sind. Als Reaktion auf diese Nachfrage stellten die erste Offenlegung des japanischen Patents Nr. 53-81410 und die (zugelassene) zweite japanische Patentoffenlegung Nr. 57-3741 eine Eisenlegierung mit einer Hartlegierung vor, die in einer Matrix dispergiert ist.
Bekanntlich läßt sich eine Hartlegierung nur relativ schlecht sintern. Deshalb bilden sich bei der Verwendung einer Hartlegierung als Dispersionsteilchen Zwischenräume im gesinterten Körper, und es entsteht nur eine relativ schwache Verbindung mit dem Werkstoff der Grundmatrix. Dadurch können Hartlegierungsteilchen absplittern, die in der Grundmatrix dispergiert sind, und die Abriebfestigkeit der Eisenlegierung nimmt möglicherweise erheblich ab. Deshalb kann die Verwendung einer Eisenlegierung für die Herstellung von Fahrzeugmotor-Ventilsitzen zu einem Problem der Haltbarkeit führen.
Zum Schutz einer Hartlegierung vor Abrieb wurde versucht, den Sintervorgang durch Erhöhen der Sintertemperatur, Verfestigen der Legierung und durch Verhindern des Oberflächenausbruchs, indem die Zwischenräume der gesinterten Legierung mit Cu getränkt werden, zu verbessern.
Allerdings bleiben auch dabei einige Probleme bestehen. Durch Erhöhen der Sintertemperatur diffundieren die Elemente der Hartlegierung und in einigen Fällen kommt es sogar zum Verlust oder zur Verschlechterung ihrer Eigenschaft als Hartlegierung. Deshalb ist es notwendig, den Sintertemperaturbereich einzuschränken und zu steuern. Dazu müssen jedoch zusätzliche Schritte ausgeführt werden, so daß die Produktivität abnimmt und sich die Produktionskosten erhöhen. Außerdem bilden sich bei der Verwendung von Cu zum Tränken während des Erhitzens Cu- und Eisenlegierungsschichten. Diese Schritte sind zeitaufwendig und führen wiederum zu einer geringeren Produktivität und zu hohen Produktionskosten.
In Europa wird eine gesinterte Substanz aus Schnellarbeitsstahlpartikeln als Ventilsitzwerkstoff verwendet. Wenngleich dieses Material für Ventilsitze eine sehr große Abriebfestigkeit aufweist, sind dessen Herstellungskosten etwa fünf Mal so hoch wie bei der Verwendung von Partikeln eines Hartlegierungsstoffes. Hinzu kommt, daß eine gesinterte Substanz aus Schnellarbeitsstahl keine ausreichende Abriebfestigkeit für Fahrzeugmotoren mit hohen Umdrehungszahlen, wie z. B. die japanischen Kraftfahrzeuge, bietet.
Aus der Zusammenfassung des japanischen Patents, Band 11, Nr. 371, JP-A-62 146 246, ist eine Pulvermischung aus Schnellarbeitsstahlpulver und einem Pulvergemisch aus zwei oder mehr Arten von harten Werkstoffen bekannt. Bei dem entstehenden gesinterten Kompaktwerkstoff sind viele Hartmaterialkörner in der gesinterten Struktur der Schnellarbeitsstahlkörner dispergiert, wobei durch das Sintern viele Schnellarbeitsstahlkörner gebildet werden, die an den obigen dispergierten Hartmaterialkörnern gebunden werden, so daß ein kompakter gesinterter Körper entsteht. Die Hartmaterialkörner bestehen aus Titancarbid oder Titannitrid.
Aus GB-A-21 57711 ist eine Kombination aus Schnellarbeitsstahl-Pulverpartikeln und einer Austenit-Bindephase aus Nickel-Mangan- oder Nickel-Mangan- Kupfer-Legierungen bekannt. Dadurch wird eine Struktur erzeugt, bei der relativ harte Regionen teilweise oder vollständig von einer weicheren Matrix umgeben sind.
Angesichts der Nachteile nach dem Stand der Technik soll mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenlegierung mit höherer Abriebfestigkeit geschaffen werden, die sich beispielsweise für die Herstellung von Ventilsitzen für Fahrzeugmotoren einsetzen läßt.

Zusammenfassung der Erfindung

Daher besteht ein Ziel der Erfindung darin, eine gesinterte Eisenlegierung mit einer Dispersion von Hartlegierungsteilchen zu schaffen, die eine höhere Abriebfestigkeit als jene aufweist, die mit dem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden können.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum effizienten Herstellen der erfindungsgemäßen Eisenlegierung mit einer dispergierten Hartlegierung.
Die obigen Ziele werden im Hinblick auf ein Verfahren durch Anspruch 1 und im Hinblick auf eine Eisenlegierung durch Anspruch 5 erreicht.
Bei der Erfindung werden die Eigenschaften des Schnellarbeitsstahls gemäß JISG4403 ausgenutzt, der auf seiner Oberfläche bei einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 1070ºC eine flüssige Phase ausbildet und so die Sinterfähigkeit der Partikel über die Oberflächenspannung verbessert. Darüber hinaus befinden sich in Schnellarbeitsstahlpartikeln feinkörnige intermetallische Verbindungen oder Carbide, die als Hartlegierungsteilchen fungieren, und Legierungselemente von den Schnellarbeitsstahlpartikeln werden
- während des Sinterns von ihnen dispergiert, wodurch die Matrix verfestigt und die Verschleißbeständigkeit der gesinterten Eisenlegierung verbessert wird. Erfindungsgemäß werden Schnellarbeitsstahlpartikel mit Hartlegierungspartikeln vermischt, welche in Werkstoffpartikeln einer Matrix aus der abriebfesten Eisenlegierung dispergiert sind. Anschließend wird das Gemisch verdichtet und gesintert. Durch das Ausbilden der flüssigen Phase auf der Oberfläche der Schnellarbeitsstahlpartikel wird das Sintern unterstützt. Weiterhin verbessert sich dadurch die Bindung zwischen der Hartlegierung und der Matrix. Gleichzeitig führt es dazu, daß sich die Abriebfestigkeit der gesinterten Substanz durch die feinen Körner der Schnellarbeitsstahlpartikel, die darin dispergiert sind, an sich schon erhöht. Aus diesem Grund hat dieser Werkstoff große Vorteile hinsichtlich dessen Nutzung für Teile, die extremen Schlag- oder Reibvorgängen ausgesetzt sind, wie z. B. Ventilsitze für Drehmotoren mit hohen Drehzahlen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Fotografie der Mikrostruktur einer erfindungsgemäßen gesinterten Eisenlegierung;
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Fotografie der Mikrostruktur einer herkömmlichen Legierung nach dem bisherigen Stand der Technik; und
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung von Fig. 3.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Nachstehend werden die Details der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform erörtert. Die Erfindung umfaßt eine gesinterte Eisenlegierung mit einem Gemisch aus Fe, einer Matrix, einer Hartlegierung und Schnellarbeitsstahl. Schnellarbeitsstahlpartikel werden mit Hartlegierungspartikeln vermischt, die in Materialpartikeln einer Matrix der abriebfesten Eisenlegierung dispergiert sind, um so die Leerräume zwischen der Hartlegierung und der Matrix auszufüllen. Danach wird das Gemisch verdichtet und gesintert. Schnellarbeitsstahlpartikel haben die Eigenschaft, eine flüssige Phase auf ihrer Oberfläche auszubilden. Dadurch verbessert sich die Bindung zwischen der Hartlegierung und der Matrix. Gleichzeitig führt es dazu, daß sich die Abriebfestigkeit der gesinterten Substanz durch die feinen Körner der Schnellarbeitsstahlpartikel, die darin dispergiert sind, an sich schon erhöht. Somit hat dieser Werkstoff große Vorteile hinsichtlich dessen Nutzung für Teile, die extremen Schlag- oder Reibvorgängen ausgesetzt sind, wie z. B. Ventilsitze für Drehmotoren mit hohen Drehzahlen.
Zur Umsetzung der Erfindung lassen sich beliebige Schnellarbeitsstahlpartikel mit der chemischen Zusammensetzung verwenden, wie sie in JIS G 4403 beschrieben ist. Dies trifft auf verschiedene Arten von Schnellarbeitsstählen aus der Beschreibung von JIS G 4403 zu. Allerdings ist es günstiger, mehr als eine Art Mo-Schnellarbeitsstahl, der bei relativ niedrigen Temperaturen eine flüssige Phase auf seiner Oberfläche ausbildet, zu verwenden.
Die Menge an zuzufügenden Schnellarbeitsstahlpartikeln wird zwischen 2 und 20 Gew.-% festgelegt. Beträgt die Menge des beigegebenen Schnellarbeitsstahls weniger als 2 Gew.-%, kann keine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit beobachtet werden. Werden andererseits mehr als 20 Gew.-% Schnellarbeitsstahl zugegeben, so läßt sich keine weitere Verbesserung der Verschleißbeständigkeit entsprechend der Beigabemenge mehr feststellen, welche die höheren Herstellungskosten rechtfertigen würden, wenn mehr als 20 Gew.-% beigegeben werden.
Vorzugsweise beträgt die Partikelgröße weniger als 100 Maschen (mesh). Wenn die Partikel größer sind, läßt sich das Partikelgemisch leichter umlenken und das Verdichten wird schwieriger.
Die chemischen Zusammensetzungen der gesinterten Eisenlegierung sind wie folgt:
C verbindet sich mit Cr, Mo, V, W, bei denen es sich um Carbidelemente handelt. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines Carbids, welches die Verschleißbeständigkeit verbessert. Die Menge an C wird auf jeden Fall in Abhängigkeit von der Klasse und der Menge der Carbidelemente, der Hartlegierung oder des Schnellarbeitsstahls festgelegt. Bei der vorliegenden Erfindung sind es vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 Gew.-%. Günstig ist es, wenn die Menge an C nicht unter 0,5 Gew.-% liegt, da sonst die Carbidausbeute nicht ausreichend wäre, um die Ausbildung von weichen Ferriten zu verhindern, welche eine geringe Abriebfestigkeit verursachen. Andererseits sollte die Menge an C auch nicht mehr als 2 Gew.-% betragen, weil sonst das Material hart und brüchig wird.
Cr, Mo, V, W sind Carbidelemente, die sich mit C verbinden und die Abriebfestigkeit durch das Entstehen eines Carbids verbessern. Dieser Effekt tritt bei jedem der oben genannten Elemente nachweislich ein. Verwendet werden kann jedes dieser Elemente einzeln oder mehrere zusammen vermischt. Die Gesamtmenge der vorliegenden Elemente liegt am günstigsten zwischen 1 und 25 Gew.-%, einschließlich der im Schnellarbeitsstahl befindlichen Elemente. Vorzugsweise beträgt die Gesamtmenge nicht weniger als 1 Gew.-%, da die Carbidausbeute ansonsten nicht ausreichen würde, um die Ausbildung von weichen Ferriten zu verhindern, welche eine geringe Abriebfestigkeit hervorrufen. Andererseits sollte die Gesamtmenge auch nicht über 25 Gew.-% liegen, weil sonst das Material hart und brüchig wird und auch die Herstellungskosten in die Höhe gehen.
Was die anderen Bestandteile betrifft, so liegt die Menge von einem aus der Gruppe von Co, Ni, Si, Mn oder einem Gemisch aus selbigen vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 15 Gew.-% (einschließlich der Elemente aus dem Schnellarbeitsstahl), damit die Festigkeit der Matrix verbessert oder das Gemisch stabilisiert werden kann. Günstig ist es, wenn die Gesamtmenge dieser anderen Bestandteile nicht kleiner als 1 Gew.-% ist, da die Verschleißbeständigkeit sonst unzureichend wäre, und nicht größer als 15 Gew.-% ist, weil sonst keine Verbesserung der Abriebfestigkeit mehr eintritt, die der Menge und den erhöhten Produktionskosten entsprechen würde.
Desweiteren wird ein Teil der oben genannten Elemente in Form einer oder mehrerer Hartlegierungen mit einer Härte über 500 HV beigegeben. Derartige Legierungen, wie z. B. Fe-Mo, Fe-Cr-Co-Mo-C, Fe-W-Co-Cr-C, werden zugefügt, um die Verschleißbeständigkeit der gesinterten Eisenlegierung zu erhöhen. Vorzugsweise liegt die Menge der Hartlegierung zwischen 2 und 15 Gew.-%. Günstigerweise sollte diese Menge nicht unter 2 Gew.-% liegen, da sonst die Abriebfestigkeit zu gering wäre, und nicht über 15 Gew.-%, da das Material sonst hart und brüchig wird und die Produktionskosten stark ansteigen.
Einzelne Herstellungsschritte wie das Verdichten und Sintern des Gemisches werden speziell im Vergleich zum Stand der Technik nicht verändert. Beim herkömmlichen Verdichten wird den vermischten Partikeln etwa 0-5 Gew.-% Zinkstearat als Schmiermittel beigegeben. Aus diesem Grund erfolgt beim Sintern ein Vorwärmen auf etwa 650ºC zum Entwachsen. Vorzugsweise liegt die Sintertemperatur zwischen 1000 und 1200ºC. Nach dem Sintern ist ein Teil der Schnellarbeitsstahlpartikel hochlegierter Stahl.

Beispiel

Als Grundwerkstoff wurden Partikel vermischt, wobei jede Komponente die folgende Menge aufweist:
43,1 Gew.-% reines Eisen mit einer Spitzen-Partikelgröße von 150 bis 200 Maschen;
43,1 Gew.-% Fe - 2 Gew.-% Ni - 0,5 Gew.-% Mo - 0,2 Gew.-% Mn, wobei die Partikel die gleiche Größe wie das reine Fe haben,
1 Gew.-% Ni-Partikel mit einer Größe unter 325 Maschen,
1,3 Gew.-% Graphit mit der gleichen Größe wie Ni,
2 Gew.-% Fe - 55 Gew.-% Cr - 20 Gew.-% Mo - 10 Gew.-% Co - 1,2 Gew.-% C als Hartlegierung mit einer Spitzen-Partikelgröße von 150 bis 200 Maschen und 4 Gew.-% Fe - 63 Gew.-% Mo-Partikel, 5 Gew.-% Fe - 12,5 Gew.-% Cr- Partikel, 0,5 Gew.-% Zinkstearat als Schmiermittel.
Anschließend wurde ein Schnellarbeitsstahl, klassifiziert als JISSKH 53 oder 59, mit einer Größe von weniger als 100 Maschen in Anteilen gemäß den Anmerkungen aus der nachfolgenden Tabelle 1 zugegeben.
Das Gemisch aus dem Grundwerkstoff und den Schnellarbeitsstahlpartikeln wurden unter einem Druck von 7 t/cm² verdichtet, 1 Stunde bei 650ºC zum Entwachsen vorgewärmt und zum Sintern erneut für eine Stunde auf 1130ºC erhitzt. Mit diesem Verfahren entstanden die Testwerkstücke. In Tabelle 1 ist die chemische Zusammensetzung der Testwerkstoffe dargestellt.
Zum Testen wurden die Werkstoffe auf die gewünschte Größe zugeschnitten und einem Eignungstest als Werkstoff für Ventilsitze an einer einfachen Verschleißprüfmaschine unterzogen, welche einen echten Motor imitiert. Den Tests wurde die Annahme zugrundegelegt, daß eine Nutzung unter den Bedingungen eines Einlaßventilsitzes erfolgt, wie in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 1 (Gew.-%) Nr. Gesamtlegierung
Anmerkungen:
(1) Gesamtlegierung: Cr+Mo+W+V+Ni+Co
(2) Beimischmenge von Partikeln eines Schnellarbeitsstahls
Nr. 1 SKH 59 : 4%
Nr. 2 SKH59 : 2%, SKH53 : 2%
Nr. 3 SKH 53 : 4%
Nr. 4 SKH53 : 8%
Nr. 5 SKH53 : 12%
Nr. 6 SKH 53 : 16%
Nr. 7 SKH 53 : 20%
Nr. 10 SKH53 : 100%

Tabelle 2

Werkstoff des Ventilsitzes SUH-3
Oberflächentemperatur des Ventilkopfes 300ºC
Temperatur des Ventilsitzes 150ºC
Drehzahl des Nockens 2500 U/min
Prüfzeitraum 5 h Tabelle 3 Verschleiß Nr. Ventilsitz Ventil Gesamt Anmerkungen Stand der Technik Grundwerkstoff Anmerkungen: Die Nr. 1 bis 7 sind Werkstoffe, die erfindungsgemäß hergestellt und mit Partikeln eines Schnellarbeitsstahls in dem in Tabelle 1 angegebenen Verhältnis mit einem Grundwerkstoff Nr. 12 vermischt sind.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Beim Vergleich des Gesamtverschleißes des Ventilsitzes und des Ventils aus jedem Werkstoff wird deutlich, daß die Werkstoffe, auf die sich auf die vorliegende Erfindung bezieht, eine höhere Abriebfestigkeit aufweisen, und zwar trotz einer geringeren Gesamtlegierungsmenge (Gew.-%) als bei Nr. 11 nach dem bisherigen Stand der Technik, und eine weitaus größere Abriebfestigkeit haben als Nr. 12, bei dem es sich um den Grundwerkstoff handelt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Eisenlegierung, bei welchem wenigstens ein matrixbildendes erstes Grundmaterialpulver, ausgewählt aus einer aus Fe, Ni, Co, Si und Mn bestehenden Gruppe, wenigstens ein carbidbildendes zweites Grundmaterialpulver, ausgewählt aus einer aus Cr, Mo, W und V bestehenden Gruppe, und Teilchen wenigstens eines Hartlegierungspulvers mit einer Vickershärte von mehr als 500, ausgewählt aus einer aus Fe, Cr, Mo, Co, C und W bestehenden Gruppe, vermischt, verdichtet und dann gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß

vor dem Verdichten und Sintern 2 bis 20 Gew.-% Schnellarbeitsstahlpulver im Sinne der japanischen Industrienorm G 0203 Nr. 4403 den ersten und zweiten Grundmaterialpulvern und dem Hartlegierungspulver zugemischt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten bei einem Druck von 70 N/mm² (7 ton/cm²) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern bei einer Temperatur im Bereich von 1000ºC bis 1200ºC durchgeführt wird.

4. Ventilsitz, bestehend aus einer Eisenlegierung, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3.

5. Gesinterte Eisenlegierung mit einer carbidhaltigen Matrix, hergestellt durch Sintern einer Mischung aus wenigstens einem matrixbildenden ersten Grundmaterial, ausgewählt aus einer aus Fe, Ni, Co, Si und Mn bestehenden Gruppe, wenigstens einem carbidbildenden zweiten Grundmaterial, ausgewählt aus einer aus Cr, Mo, W und V bestehenden Gruppe und Teilchen wenigstens einer Hartlegierung, ausgewählt aus einer Fe, Cr, Mo, Co, C und W bestehenden Gruppe, welche in der Matrix dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenlegierung 2 bis 20 Gew.-% Schnellarbeitsstahlteilchen im Sinne der japanischen Industrienorm G 0203 Nr. 4403 aufweist, welche nach dem Sintern mit den ersten und zweiten Grundmaterialien zusammenwirken, so daß Leerräume zwischen den Hartlegierungsteilchen und der Matrix ausgefüllt oder zumindest verringert sind.

6. Eisenlegierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die folgende chemische Zusammensetzung:

0,5 bis 2,0 Gew.-% C;

1 bis 25 Gew.-% wenigstens eines Elementes, ausgewählt aus einer aus Cr, Mo, V und W bestehenden Gruppe;

1 bis 15 Gew.-% wenigstens eines aus einer aus Co, Ni, Mn und Si bestehenden Gruppe; und

Rest Fe.

7. Ventilsitz, bestehend aus einer Eisenlegierung nach einem der Ansprüche 5 und 6.