DE69914712T2

DE69914712T2 - Gleitteil und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69914712T2
Application number: DE69914712T
Authority: DE
Inventors: Christophe Durand; Claude Peytour-Chansac; Christophe Grolleron
Original assignee: Federal Mogul; Renault SAS; Federal Mogul SAS
Current assignee: Federal Mogul; Renault SAS; Federal Mogul SAS
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2019-12-04
Also published as: EP1013783A1; ES2214828T3; FR2787047A1; DE69914712D1; EP1013783B1; FR2787047B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mechanisches Reibungsteil, welches durch Sintern erhalten ist, das dafür bestimmt ist, in einem geschmierten, tribologischen System zu funktionieren bzw. betrieben zu werden, ein Vorbereitungsverfahren eines derartigen Teils sowie seine Verwendung, insbesondere als Synchronisierring von einem Getriebe.
Gewisse mechanische Teile, wie z. B. die Ringe von Synchronisierern, müssen in einer geschmierten Umgebung in Kontakt mit Stahl einer erhöhten Härte arbeiten. Die Funktion dieser Teile ist es, einen nachgiebigen und schnellen Übergang von Gängen sicherzustellen, wie auch immer die Bedingungen der Temperatur, des Kontaktsdrucks und der Reibungsgeschwindigkeit sein mögen. Hierfür ist es notwendig, einen relativ hohen und stabilen Reibungskoeffizienten zu erhalten, d. h. unabhängig von den Bedingungen der Temperatur, der Geschwindigkeit und des Druckes.
Messing, das für diese Funktion am häufigsten verwendete Material, ist zufriedenstellend für die meisten der Betriebsbedingungen, außer bei niedriger Temperatur (Gangwechsel beim Starten) und unter erhöhten Drücken (Gangwechseln beim Runterschalten (frz. rétrogradation)).
Die Verwendung von gesinterten Stählen für die Herstellung von Synchronisierringen erfordert

– entweder die Ablage eines Molybdänüberzugs auf dem Teil des beweglichen Ritzels in Kontakt mit dem Ring;
– oder die Realisierung durch Ko-Sintern einer Reibungsschicht auf der aktiven Oberfläche des Synchronisierrings.

Diese Verfahren sind jedoch kostenträchtig und führen nicht notwendigerweise zu höheren Leistungsfähigkeiten als denjenigen von Messing.
Noch ein anderer Ansatz besteht darin, gesinterte Synchronisierringe zu realisieren, welche hauptsächlich aus Kupfer und Partikeln auf Basis von Chrom gebildet sind (FR-A-2 698 808).
Die drei genannten Ansätze, nämlich die Ablage von Molybdän, die Ko-Sinterung und die Verwendung von Nuancen auf Basis von Bronze implizieren erhöhte Herstellungskosten, ohne eine verbesserte Leistung des Reibungsverhaltens für die uns interessierende Anwendung zu bieten.
DE-A-198 17 037 beschreibt die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen die Abnutzung eines gesinterten Synchronisierrings aus einer Legierung aus Eisen, enthaltend Ni, Mo, Cu und bei einer hauptsächlich martensitischen und bainitische (frz. bainitique) Struktur.
Die Anmelderin hat nun herausgefunden, dass es möglich ist, das Reibungsverhalten von mechanischen Teilen beträchtlich zu verbessern, welche in geschmierter Umgebung funktionieren, und insbesondere Teile zu erhalten, welche einen relativ erhöhten Reibungskoeffizienten aufweisen und unabhängig von Betriebsbedingungen unter einem Verwenden für die Herstellungen derartiger Teile ein gesintertes Material, welches aus einer relativ nachgiebigen Matrize auf Basis von Eisenpulvern und Partikeln von Legierungselementen, welche Matrize des Weiteren Partikel einer höheren Härte umschließt.
Die vorliegende Erfindung hat folglich ein mechanisches Reibungsteil zum Gegenstand, wie es in Anspruch 1 definiert ist, und welches durch Sintern realisiert ist, welches dafür bestimmt ist, in einer geschmierten Umgebung zu funktionie ren, welches Teil aus einer Matrize auf Basis von Eisen und Legierungselementen gebildet ist und Verstärkungsteilchen einer erhöhten Härte.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung gemäß Anspruch 10 des mechanischen, gesinterten Teils, das oben definiert ist, insbesondere als Synchronisierring eines Getriebes.
Noch ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 11, welches es ermöglicht, ein mechanisches Reibungsteil herzustellen, welches die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist.
Andere Gegenstände werden beim Lesen der Beschreibung und der nachfolgenden Beispiele offenbar.
Das Material, welches zum Herstellen der Reibungsteile der vorliegenden Erfindung dient, umfasst einerseits eine Matrize, die ausgehend von Teilchen auf Basis von Eisen und von Teilchen von Legierungselementen gebildet ist, welche aus Kupfer, Nickel und Molybdän ausgewählt sind, und andererseits Verstärkungsteilchen.
Die Pulver, die zum Bilden der Matrize verwendbar sind, sind Pulver auf Basis von Eisen, die aus Teilchen gebildet werden, welche eine mittlere Größe zwischen 20 und 100 μm, vorzugsweise zwischen 40 und 50 μm aufweisen.
Man fügt diesen Pulvern auf Basis von Eisen Pulver von Legierungselementen hinzu, die ausgewählt sind aus Kupfer, Nickel und Molybdän oder einer Kombination von diesen. Diese Elemente werden in Form von metallischen Pulvern hinzugefügt.
Die Menge des Pulvers der Legierungselemente ist zwischen 2 und 7 Gew.-% enthalten, vorzugsweise zwischen 4 und 6 Gew.-% im Verhältnis zur gesamten Matrize.
Es ist außerdem ratsam, dieser Mischung von Pulvern, welche die Matrize bilden, eine geringe Mengen Karbon hinzuzufügen, das dafür bestimmt ist, die Härte bzw. den Härtegrad der Matrize des fertiggestellten Produktes zu erhöhen. Das Karbon wird gewöhnlicherweise in Form von Graphit in Mengen hinzugefügt, die 1 Gew.-% nicht überschreiten und vorzugsweise eher bei 0,5 Gew.-% liegen, das der gesamten Matrize hinzugefügt wird.
Dieser Mischung von Pulvern, welche die Matrize bilden (Pulver auf Basis von Eisen, das einem Pulver Cu, Mo und/oder Ni und gegebenenfalls Graphit hinzugefügt wird) fügt man notwendigerweise Teilchen hinzu, die zur Verstärkung dienen, und welche eine sehr viel höhere Härte aufweisen als diejenige der Teilchen, welche die Matrize bilden. Die Vickers-Härte der Verstärkungsteilchen ist im Allgemeinen mindestens gleich zu 2000 HV.
Diese Verstärkungsteilchen werden unter den Teilchen vom Typ Oxid, vom Typ Nitrit oder vom Typ Karbid ausgewählt. Man kann beispielhaft für derartige Verstärkungsteilchen Aluminiumoxid (Al₂O₃), Niobiumkarbid (NbC) oder Titannitrit (TiN) nennen.
Man kann ebenfalls Verbund-Verstärkungsteilchen verwenden, d. h. Teilchen, die einen Überzug einer verschiedenen chemischen Beschaffenheit als derjenigen des Kerns aufweisen. Ein Beispiel für derartige Teilchen, welches eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, sind Aluminiumoxidteilchen, die mit einer Titannitritablage überzogen sind, welche im Folgenden als Al₂O₃ (TiN) bezeichnet werden.
Die Verstärkungsteilchen weisen eine mittlere Größe von der gleichen Größenordnung wie diejenige der Teilchen auf Basis von Eisen, welche den Hauptbestandteil der Matrize bilden, auf, d. h. eine Größe zwischen 20 und 100 μm und vorzugsweise zwischen 40 und 50 μm.
Man fügt diese Teilchen für 2 bis 10 Volumenanteile hinzu und vorzugsweise für 5 Volumenanteile, für 100 Volumenanteile von Teilchen, welche die Matrize bilden.
Das Material, welches die mechanischen Teile der vorliegenden Erfindung bildet, welches aus einer Matrize auf Basis von Eisenpulver, Teilchen von Legierungselementen, gegebenenfalls Karbon und aus Verstärkungsteilchen einer erhöhten Härte gebildet ist, bietet den Teilen ein exzellentes Reibungsverhalten und insbesondere einen Reibungskoeffizienten, der relativ erhöht ist, und welcher wenig variiert in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen, wie der Temperatur, des Kontaktdruckes und der Reibungsgeschwindigkeit. Dieses Material weist somit einen beträchtlichen Vorteil im Verhältnis zu Messing auf, welches herkömmlich für diese Anwendungen verwendet wird, und dessen Reibungskoeffizient stark und auf unerwünschte Art und Weise bei niedrigen Temperaturen und für beträchtliche Reibungsdrücke und -geschwindigkeiten abnimmt.
Dank ihrer oben beschriebenen mechanischen Eigenschaften eignen sich die mechanischen Teile besonders gut für eine Verwendung als Synchronisierring von Getrieben. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso die Verwendung von mechanischen Reibungsteilen als Synchronisierring in Getrieben von Kraftfahrzeugen. Bei einer derartigen Verwendung in geschmierter Umgebung mit sehr stark variierenden Betriebsbedingungen unterscheiden sie sich vorteilhafterweise von Messing, dem Material, das am meisten im Stand der Technik verwendet wird, durch ein sehr zuverlässiges Reibungsverhalten, insbesondere bei niedriger Temperatur und bei erhöhtem Druck.
Ein anderer Vorteil der Reibungsteile der vorliegenden Erfindung besteht in der Tatsache, dass sie gemäß einem herkömmlichen Kalt-Verdichtungsverfahren gemäß einer Sinterung unter gesteuerter Atmosphäre hergestellt werden können, die häufig in der Serienproduktion verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit des Weiteren ein Herstellungsverfahren von mechanischen Reibungsteilen, die insbesondere als Synchronisierring verwendbar sind. Dieses Herstellungsverfahren besteht im Mischen im Trockenzustand der verschiedenen Pulver, welche die Matrize bilden und der oder den Pulvern von Verstärkungsteilchen, mit einer Kaltverdichtung in der Mischung von Pulvern in einer Form fortzufahren, welche eine passende Form aufweist, dann die rohen Teile unter einer Atomsphäre zu sintern, welche auf eine Temperatur von der Größenordnung von 1120°C gesteuert ist.
Dieses einfache Verfahren ergibt massive Teile, die fertig zur Montage sind, welche keine zusätzliche Behandlung erfordern, und welche folglich relativ niedrige Herstellungskosten aufweisen.
Die gute Handhabbarkeit des Verfahrens einer Kaltverformung ermöglicht außerdem Produkte zu erhalten, die auf Maß fertiggestellt sind.
Das nachfolgende Beispiel ist dafür bestimmt, die Erfindung darzustellen, ohne eine beschränkende Eigenschaft aufzuweisen.
Ausführungsbeispiel
Man hat Synchronisierringe aus verschiedenen Materialen gemäß der vorliegenden Erfindung vorbereitet.
Die unten angegebene Tabelle weist die Eigenschaft und Menge von Teilchen von Legierungselementen und Verstärkungsteilchen auf welche einer Basis aus Ei senpulver hinzugefügt sind. Die dargestellten Materialien enthalten außerdem 0,5 Gew.-% Graphit, das der Matrize in Form von Pulver hinzugefügt wird. Die Pulver wurden trocken gemischt, im Kaltzustand in einer passenden Form verdichtet, dann gesintert unter einer Atmosphäre, die auf eine Temperatur von in etwa 1120°C gesteuert wird bzw. kontrolliert ist.
1 stellt ein Beispiel einer Mikrostruktur dar, die durch eine optische Mikroskopie erhalten wurde. Es handelt in der Struktur des Materials A, welches aus Eisenpulvern, Karbonpulvern, Kupferpulvern, Nickelpulvern und Molybdänpulvern gebildet ist. Man stellt hauptsächlich das Vorhandensein von Bainit und nicht-transformierten Austenit fest.
Diese Materialien wurden für tribologische Versuche benutzt, welche an einem Tribometer (bzw. Reibungsmesser) vom Typ Glotz-Scheibe ausgeführt wurden. Für unterschiedliche Temperaturen des Ölbades und eines Kontaktdruckes hat man die Reibungsgeschwindigkeiten zwischen 0,1 m/Sekunde und 2,8 m/Sekunde variieren lassen. Die Materialien A und B weisen beispielhaft in der obigen Tabelle eine Härte in der Großenordnung von 150 bis 180 HV auf und sind in Reibung gegen ein gegenwirkendes Teil aus Stahl von einer Härte größer als 600 HV.
2 zeigt die Veränderung der Reibungskoeffizienten der Materialien A und B in Abhängigkeit von der Gleitreibung zu Zwecken des Vergleichs mit Messing.
Diese Ergebnisse wurden in einer Versuchsreihe bei Niedrigtemperatur (20°C) und bei einem erhöhten Kontaktdruck (56 MPa) erhalten, Bedingungen, in welchen die Wirkungsgrade von Messing besonders unzufriedenstellend sind.
Man kann feststellen, dass bei dieser Temperatur und bei diesem Druck der Koeffizient, der beispielhaft zu der vorliegenden Erfindung angegebenen Materialien im Wesentlichen stabil bleibt, während die Geschwindigkeit ansteigt, wohingegen bei den gleichen Bedingungen derjenige von Messing auf eindrucksvolle Art und Weise abnimmt.

Claims

Mechanisches Reibungsteil, welches durch Sintern realisiert ist, welches dafür bestimmt ist, in einer geschmierten Umgebung zu funktionieren, hergestellt aus einem Material, welches gebildet wird aus (A) einer Matrize, die gebildet ist ausgehend von (i) Teilchen auf Basis von Eisen und (ii) 2 bis 7 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Matrize von Teilchen von Legierungselementen, ausgewählt aus Kupfer, Nickel und Molybdän, und (iii) gegebenenfalls Karbon (B) 2 bis 10 Volumenteile für 100 Volumenteile von Teilchen, welche die Matrize (A) bilden von Verstärkungsteilchen, welche eine mittlere Größe, enthalten zwischen 20 und 100 μm, aufweisen und eine größere Härte als diejenige der Teilchen der Matrize.
Mechanisches Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsteilchen eine Vickers-Härte von mindestens 2000 HV aufweisen.
Mechanisches Teil gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsteilchen (B) ausgewählt sind unter den Teilchen vom Typ Oxid, Nitrid oder Karbid oder einer Kombination von diesen.
Mechanisches Teil gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsteilchen ausgewählt sind aus Aluminiumoxid, Niobiumkarbid und Titannitrid oder einer Kombination von diesen.
Mechanisches Teil gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsteilchen Teilchen sind, welche einen Überzug einer chemisch unterschiedlichen Art aufweisen, wie z. B. Aluminiumteilchen (Al₂O₃), welche einen Überzug von Titannitrid (TiN) tragen.
Mechanisches Teil gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (A) 4 bis 6 Gew.-% von Legierungselementteilchen (ii) enthält.
Mechanisches Teil gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Verstärkungsteilen (B) gleich zu 5 Volumenteilen für 100 Volumenteile von Teilchen, welche die Matrize (A) bilden, ist.
Mechanisches Teil gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize des Weiteren bis zu 1 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 0,5 Gew.-% Karbon enthält, das in Form von Graphit hinzugefügt ist.
Mechanisches Teil gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenteilchen, welche die Matrize (A) bilden, und die Verstärkungsteilchen (B) eine mittlere Größe aufweisen, enthalten in dem Bereich, der von 20 bis 100 μm, vorzugsweise von 40 bis 50 μm, geht.
Verwendung eines mechanischen Teils gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche als Synchronisierring für Getriebe von Kraftfahrzeugen.
Herstellungsverfahren von mechanischen Reibungsteilen gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man trocken mischt – ein Pulver von Teilchen auf Basis von Eisen, – ein Pulver von Teilchen von Legierungselementen, ausgewählt unter Cu, Ni und Mo, – ein Pulver von Verstärkungsteilchen, welche eine mittlere Größe enthalten zwischen 20 und 100 μm, aufweisen, und – gegebenenfalls ein Graphitpulver, in passenden Verhältnissen, bis zum Erhalt einer homogenen Mischung, dadurch, dass man diese Mischung von Pulvern einer Kaltverdichtung in einer passenden Form unterzieht, und dass man das so erhaltene Teil durch Sintern verdichtet in einer Atmosphäre, die auf eine Temperatur in der Größenordnung von 1120°C gesteuert ist.