EP3007842A1 - Verfahren zur herstellung von warmbeständigen und verschleissfesten formteilen, insbesondere motorkomponenten - Google Patents

Verfahren zur herstellung von warmbeständigen und verschleissfesten formteilen, insbesondere motorkomponenten

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EP3007842A1
EP3007842A1 EP14728909.4A EP14728909A EP3007842A1 EP 3007842 A1 EP3007842 A1 EP 3007842A1 EP 14728909 A EP14728909 A EP 14728909A EP 3007842 A1 EP3007842 A1 EP 3007842A1
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EP
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max
μηη
sintered material
following composition
unavoidable impurities
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Heiko Heckendorn
Roland Ruch
Lutz Steinert
Klaus Wintrich
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Mahle International GmbH
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    • B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15—Hot isostatic pressing

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of heat-resistant and wear-resistant molded parts, in particular engine components.
  • VSR valve seat ring
  • the main stresses in the tribological system VentilA SR are high relative movement and high surface pressure on the valve seat due to high combustion pressures of 200 to 250 bar for high-duty commercial vehicle and stationary engines, high thermal stress with valve seat ring temperatures of 300 to 500 ° C and low solid lubrication when using alternative fuels and novel exhaust aftertreatment concepts. This creates an extreme tribological effect on the components valve and VSR
  • Relaxation is a thermally activated process that occurs under mechanical stress at high temperatures and causes components to release internal stress. In short, relaxation is the transformation of elastic strain into plastic creep at constant total elongation. In one with a defined excess, the so-called overlap, in the
  • VSR Cylinder head pressed VSR caused high compressive stresses. Depending on the level of stress and the relaxation resistance of the respective material, the VSR reduces these stresses by relaxation. The initially purely elastic elongation caused by the press-fitting is partially converted into plastic creep. The VSR has a lower coverage after removal. Consequently, valve seat rings must have sufficient relaxation resistance.
  • valve seat rings are subjected to corrosive application due to application.
  • the tribochemical load on VSR is exacerbated by the measures under the new emission regulations.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • Critical states do not occur at high loads, but at standstill when the engine cools down.
  • the use of corrosion-resistant VSR is required, at least on the inlet side.
  • the prior art discloses a variety of methods for producing the above-described engine components; For example, by casting techniques on the processes of centrifugal and sand casting, as well as powder metallurgy via pressing and sintering. Also special manufacturing processes, where material by a
  • WO 2005/012590 A2 discloses a method for the production of valve seat rings which are formed by thermally sprayed layers of a Co or Co / Mo base alloy and an arc wire spraying method with one or more
  • WO 2001/049437 A2 discloses a powder-metallurgically produced sintered shaped part for tribological parts in the motor vehicle industry with high temperature and wear resistance, which consists of a powder mixture with molybdenum-phosphorus-carbon steel powder and at least one further, substantially phosphorus-free steel powder in a weight ratio from 5:95 to 60:40, carbon powder and at least one solid lubricant is available.
  • Cast-formed VSR are mainly used in the commercial vehicle sector. Typical materials for medium to high loads are high-alloyed,
  • modified high-speed steels and high-alloy Fe-Cr steels are generally no longer able to meet the highest demands in heavy commercial vehicle and stationary engines and in alternative fuel operation. This requires special alloys based on Ni and Co. These are characterized by high hot compressive strength, high temperature resistance and excellent wear characteristics. In addition, these materials show sufficient resistance to
  • EP 1 536 027 B1 discloses a sintered body of a raw or granulated powder having a relative density of 97% or more. According to the invention, a powder with an average particle size of 8.5 ⁇ or less is to be provided for this purpose. Since the average grain size of the high powder for filtering according to the information in the document is comparatively small, the filtration diffusion rate is improved and the quality of the filtering increased to a great extent.
  • the invention has for its object a method for the preparation of
  • Binders, optionally solid lubricants and / or hard phases are mixed; then a cold or warm isostatic pressing of the sintered material is carried out with a pressure of 400 to 900 MPa to densities of 5 to 7 g / ccm; then the sintering of the green compacts takes place at temperatures of 1 .000 to 1 .350 ° C and finally a post-processing step.
  • the sintering material used is an iron-based alloy having the following composition in% by weight:
  • the sintering material used is an iron-based alloy having the following composition in% by weight:
  • the sintering material used is an iron-based alloy having the following composition in% by weight:
  • the sintering material used is an iron-based alloy having the following composition in% by weight:
  • the sintering material used is a cobalt-based alloy having the following composition in% by weight: max. 5.0 Fe; Max. 0.7 C; 15.0 - 25.0 Mo; 14.0 - 23.0 Cr; 0.7-1.4 Si; Rest of Co; as well as max. 3.0 unavoidable impurities.
  • the sintering material used is a cobalt-based alloy having the following composition in% by weight: max. 3.0 Fe; 2.0-2.8 C; 27.0 - 32.0 Cr; 0.5-1.5 Si; Rest of Co; as well as max. 3.0 unavoidable impurities.
  • an N 2 -H 2 atmosphere is used with a mixing ratio of about 80 - 20% or vacuum. It was found out that the
  • the powder metallurgical production process makes it possible to produce high-precision molded parts, which require fewer post-processing steps compared to the classical production by casting.
  • the microstructure of the alloys according to the invention is composed of a matrix with a particle size of 5-10 ⁇ m, in which uniformly finely divided carbides or intermetallic phases with a grain size of likewise 5-10 ⁇ m and optionally solid lubricants, such as, for example, MoS 2 , are stored.
  • the heterogeneous structure of the structure is very promising from a tribological point of view: for example, heterogeneous microstructures with hard carbides or intermetallic phases have, for example, adhesion to the wear mechanisms,
  • Corrosion resistance leads, compared to conventional sintered materials from conventional sintered powders with an initial particle size greater than 50 ⁇ .
  • Microstructural properties can not be produced using the production methods known hitherto.
  • the process is an enrichment of the state of the art both for the Fe-based Tool Steel materials and in particular for the Co and Ni-based special materials.
  • Typical powder-metallurgically produced engine component moldings are based on base iron and shellac base powders and also have a heterogeneous microstructure with embedded hard phases and solid lubricants.
  • inlet components with low to medium requirements can be produced, among other things, materials with open porosity.
  • the porosity is usually filled with Cu via an infiltration process.
  • the invention is based on the general idea of combining the advantages of powder metallurgy with the advantages of casting technology, with the aim of economically producing highly wear-resistant engine components,
  • valvetrain and turbocharger components for use in
  • the invention is based on the finding that the powder metallurgical
  • the moldings, in particular engine components, must be post-processed, in particular machined, since the green compacts shrink by 10 to 20% during the sintering process.
  • a finishing step is understood to mean turning (outside and inside), plan, round and vibratory grinding. Which or which post-processing step (s) are used depends on the respective engine component to be produced.
  • the Nachbeailleungs site is significantly reduced in the inventive method compared to the classical casting technique, whereby the economic production of high-alloy Fe and especially co-base materials is possible.
  • solid lubricants which are resistant to temperatures of 1 .100 ° C, possibly with a very high proportion, be mixed.
  • the solid lubricants and optionally hard phases are formed as a heterogeneous structure and evenly distributed in the molding.
  • MoS 2 molybdenum disulfide
  • MnS manganese sulfide
  • CaF calcium fluoride
  • the addition of solid lubricants leads on the one hand to increased wear resistance in dry environments such as those present in internal combustion engines and, on the other hand, to improved machinability during the finishing of the engine manufacturer.
  • hard materials for example intermetallic phases or ferro-molybdenum (FeMo), can be admixed.
  • the hard phases have a grain size of at least 50 to max. 500 ⁇ , preferably from 150 ⁇ to 300 ⁇ .
  • the densely sintered base materials may also contain hard, fine-grained and fine-grained carbides as well as other heterogeneously distributed carbides. This leads to increased wear resistance and relaxation resistance, since grain boundary sliding and
  • a sintered molded part produced according to the invention has increased corrosion resistance in comparison to conventional sintered materials with open or Cu-filled pores.
  • components for internal combustion engines can be produced economically from materials which are exclusively known by casting technology. This opens up wear-technological and economic advantages. To date, no manufacturing process is known with which, with equal high efficiency such material concepts can be realized.
  • the heat-resistant and wear-resistant molded parts produced by the process according to the invention have a wide field of application.
  • the main focus of application is in the area of engine components which are dense, heterogeneous and evenly distributed
  • Example 1 describes the production according to the invention of a material which is known by casting technology known as PL 510.
  • a water atomized sintered material having the following composition in wt .-%: 1, 5 - 2.0 C; 5.0 - 13.0 Mo; 5.0-10.0 Cr; 0.8-1.8 Si; Max.
  • the density of the molding obtainable by the process according to the invention is 7.51 g / cc; the hardness is 55.3 to 58.7 HRC.
  • the molding is particularly suitable for high temperature applications and has a high wear and relaxation resistance.
  • the microstructures of the two materials PL 510 and PLS 510 are shown in Figs. 1 and 2. This shows in comparison that in both micrographs, the gray hard phase is well and evenly formed, but in the PLS 510 finely divided, is present.
  • These very finely divided carbides prove to be particularly advantageous for the molding according to the invention in relation to the described high-temperature applications. In particular, from a tribological point of view, significant advantages compared to the classic material of the casting technique can be seen.
  • Example 2 describes the production according to the invention of a material which is known by casting technology known as PL 860.
  • a water atomized sintered material having the following composition in wt .-%: 0, 1 - 0.3 Fe; 2.0-2.8 C; 27.0 - 32.0 Cr; 0.5-1.5 Si; 10.0 - 14.0 W; Residue Co, with an average particle size of> 30 ⁇ was sintered according to the method of the invention to form a molding, initially a cold isostatic pressing with a pressure of 800 MPa, a debinder at 750 ° C, and finally sintering under vacuum at 1250 ° C. for 3 h took place.
  • the density of the molding obtainable by the process according to the invention is 8.47 to 8.56 g / cc; the hardness is 53.8 HRC.
  • the molding is particularly suitable for high temperature applications and has a high wear, relaxation and corrosion resistance.
  • Example 3 describes the production according to the invention of a material which is known by casting under the name PL 26 is known.
  • a water atomized sintered material having the following composition in wt .-%: 0.2 - 1, 0 C; 20.0-30.0 Cr; 14.0 - 23.0 Ni; 1, 0 -3.0 Mo; 0.5-1, 0 Mn; 1, 8-3.5 Si; 2.0 - 4.0 W; 1, 0-3.0 Nb; 0.2-1.0 S; Residual Fe, with an average particle size of> 30 ⁇ m, was sintered to form a molded part according to the method according to the invention, with at first cold isostatic pressing with a compression pressure of 800 MPa
  • the density of the molding obtainable by the process according to the invention, hereinafter referred to as PLS 26, is 7.35 g / cc; the hardness is 265 HV 10.
  • the molded part is particularly suitable for high-temperature applications and has a high resistance to wear, relaxation and corrosion.
  • Example 4 The microstructures of the two materials PL 26 and PLS 26 are shown in Figs. 5 and 6.
  • Example 4 The microstructures of the two materials PL 26 and PLS 26 are shown in Figs. 5 and 6.
  • Example 4 The microstructures of the two materials PL 26 and PLS 26 are shown in Figs. 5 and 6.
  • Example 4 The microstructures of the two materials PL 26 and PLS 26 are shown in Figs. 5 and 6.
  • Example 4 describes the production according to the invention of a co-base material which is known by casting technology under the designation PL 840.
  • a water atomized sintered material with the following composition in wt .-%: max. 5.0 Fe; Max. 1, 0 C; 15.0 - 30.0 Mo; 1 1, 0 - 25.0 Cr; 1, 0-2.5 Si; Residual Co, with an average particle size of> 30 ⁇ was sintered according to the inventive method to form a molding, wherein initially a cold isostatic pressing with a pressing pressure of 800 MPa, a debinder at 750 ° C, and finally a sintering under vacuum at 1, 250 ° C for 3 h was carried out.
  • the density of the molding obtainable by the process according to the invention is 8.62 g / cc; the hardness is 49.2 to 51, 1 HRC.
  • the molding is particularly suitable for high temperature applications and has a high wear and relaxation resistance.
  • microstructures of the two materials PL 840 and PLS 840 are shown in Figs. 7 and 8.
  • the material PLS 840 shows a heterogeneous structure with evenly distributed intermetallic phases and

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von warmbeständigen und verschleißfesten Formteilen, insbesondere Motorkomponenten, unter Verwendung eines auf Fe- oder Co-basierenden Sintermaterials. Erfindungsgemäß wird dabei ein, wasserverdüstes auf Fe- oder Co-basierendes Sintermaterial hergestellt, das eine Korngröße von > 10 µm, bevorzugt von > 30 µm und besonders bevorzugt von > 50 µm aufweist, und dieses Material gemäß den Verfahrensschritten Agglomeration des Sinterwerkstoffs, Sprühtrocknung, Verpressen, Sintern und schließlich Nachbearbeiten, behandelt.

Description

Verfahren zur Herstellung von warmbeständigen und verschleißfesten Formteilen, insbesondere Motorkomponenten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von warmbeständigen und verschleißfesten Formteilen, insbesondere Motorkomponenten.
Grundsätzlich besteht immer Interesse an warmbeständigen und verschleißfesten Formteilen. Insbesondere an Motorkomponenten, wie beispielsweise Ventiltriebs- und Turboladerkomponenten, werden höchste Anforderungen bezüglich Warmfestigkeit, Temperatur- und Verschleißbeständigkeit gestellt. Aber auch hochtemperaturbean- spruchte, rotationssymmetrische Motorkomponenten, wie Ventilführungen, Lagerbuchsen, Wellendichtringe, Ventilsitzringe (VSR) und Motorkomponenten für die Abgasrückführung (AGR-Komponenten) müssen diesen Anforderungen gerecht werden.
So muss beispielsweise ein Ventilsitzring (VSR) als tribologischer Partner zum Ventil ein sicheres Abdichten des Brennraums für eine einwandfreie Verbrennung, einen fehlerfreien Ladungswechsels, den Wärmetransport vom Ventil und dem Brennraum zum Zylinderkopf, sowie eine verlustfreie Führung des Frisch- und Abgasstroms
gewährleisten. Eine auf die jeweilige Applikationen zugeschnittene Gestaltung und der richtige Werkstoff für diese Motorkomponente, bzw. die Kombination der Komponenten VSR und Ventil sind deshalb essenziell, um einen einwandfreien Verbrennungsverlauf zu gewährleisten. Eine hohe Verschleißrate am VSR führt zum Verlust des Ventilspiels und damit zu Undichtigkeiten und Kompressionsverlusten. Die Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren und damit die Steigerung der Leistungsdichte und Reduzierung der Emissionswerte werden deshalb unter anderem durch die Funktionsfähigkeit des tribologischen Systems
VentilA/SR begrenzt.
Die Hauptbeanspruchungen im tribologischen System VentilA SR sind beispielsweise für hochbeanspruchte Nutzfahrzeug- und Stationärmotoren eine hohe Relativbewegung und hohe Flächenpressung am Ventilsitz in Folge hoher Verbrennungsdrücke von 200 bis 250 bar, eine hohe thermische Beanspruchung mit Temperaturen am Ventilsitz des Ventilsitzrings von 300 bis 500 °C und geringe Festkörperschmierung bei Verwendung von alternativen Kraftstoffen und neuartiger Abgasnachbehandlungskonzepte. Dadurch entsteht an den Komponenten Ventil und VSR eine extreme tribologische
Beanspruchung, der vor allem mit entsprechenden Werkstoffkonzepten entgegnet werden muss. Darüber hinaus werden an die Komponenten anwendungsabhängig weitere technische Anforderungen gestellt, wie zum Beispiel eine ausreichende Relaxations- und
Korrosionsbeständigkeit. Relaxation ist ein thermisch aktivierter Prozess, der unter mechanischer Belastung bei hohen Temperaturen auftritt und dazu führt, dass Bauteile innere Spannungen abbauen. Kurz gesagt, ist Relaxation die Umwandlung von elastischer Dehnung in plastische Kriechdehnung bei konstanter Gesamtdehnung. In einem mit einem definierten Übermaß, der sogenannten Überdeckung, in den
Zylinderkopf eingepressten VSR entstehen hohe Druckspannungen. Abhängig von der Höhe der Belastung und der Relaxationsbeständigkeit des jeweiligen Werkstoffs baut der VSR diese Spannungen durch Relaxation ab. Die anfänglich rein elastische Dehnung durch das Einpressen wird teilweise in plastische Kriechdehnung umgewandelt. Der VSR weist nach dem Ausbau eine geringere Überdeckung auf. Folglich müssen Ventilsitzringe eine ausreichende Relaxationsbeständigkeit aufweisen.
Weiterhin werden Ventilsitzringe anwendungsbedingt korrosiv beansprucht. Zum Beispiel ist die tribochemische Belastung an VSR durch die Maßnahmen im Zuge der neuen Abgasvorschriften verschärft. In Nutzfahrzeug-Anwendungen kann es durch Abgasrückführung (AGR) zur Verringerung der Stickoxidemissionen zu Kondensatbildung im Einlass kommen und infolgedessen zur Korrosion an den VSR. Dabei treten kritische Zustände nicht etwa bei hohen Lasten auf, sondern im Stillstand, wenn der Motor abkühlt. In vielen Nutzfahrzeug -Anwendungen ist deshalb der Einsatz korrosionsbeständiger VSR zumindest auf der Einlassseite erforderlich.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung vorstehend beschriebener Motorkomponenten bekannt; beispielsweise gießtechnisch über die Verfahren Schleuder- und Sandguss, sowie pulvermetallurgisch über Pressen und Sintern. Auch spezielle Fertigungsverfahren, bei denen Material durch einen
Auftragsschweißprozess aufgebracht wird, sind bekannt. So offenbart die WO 2005/012590 A2 ein Verfahren zur Herstellung von Ventilsitzringen die durch thermisch gespritzte Schichten aus einer Co oder Co/Mo-Basislegierung gebildet sind und ein Lichtbogendrahtspritzverfahren mit einem oder mehreren
metallischen Fülldrähten, deren Mantel den wesentlichen Anteil des abzuscheidenden Co enthält.
Ferner offenbart die WO 2001/049437 A2 ein pulvermetallurgisch hergestelltes Sinter- Formteil für tribologische Teile in der Kraftfahrzeugindustrie mit hoher Temperatur- und Verschleißfestigkeit, welches aus einer Pulvermischung mit Molybdän-Phosphor- Kohlenstoff-Stahlpulver und wenigstens einem weiteren, im wesentlichen phosphorfreien Stahlpulver im Gewichtsverhältnis von 5:95 bis 60:40, Kohlenstoffpulver sowie wenigstens einem Festschmierstoff erhältlich ist.
Gusstechnisch hergestellte VSR werden vorwiegend im Nutzfahrzeug-Bereich eingesetzt. Typische Werkstoffe für mittlere bis hohe Beanspruchungen sind hochlegierte,
modifizierte Schnellarbeitsstähle und hochlegierte Fe-Cr-Stähle. Höchsten Beanspruchungen in schweren Nutzfahrzeug- und Stationärmotoren und dem Betrieb mit alternativen Kraftstoffen genügen diese Werkstoffe aber in der Regel nicht mehr. Hierfür bedarf es Sonderlegierungen auf Ni- und Co-Basis. Diese zeichnen sich durch hohe Warmdruckfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und hervorragende Verschleißeigen- schatten aus. Zudem zeigen diese Werkstoffe ausreichende Beständigkeit gegen
Relaxation und Korrosion.
Im Zuge der steigenden Emissionsanforderungen, sowie der Leistungssteigerung und der Verlängerung der Wartungsintervalle werden für Nutzfahrzeug- und Stationärmotoren vermehrt derartige Werkstoffkonzepte erforderlich.
Bekannt sind zwei Fertigungsverfahren zur gusstechnischen Herstellung von VSR, nämlich der Schleuder- und Sandguss. Schleuderguss eignet sich insbesondere für große Stückzahlen. Aufgrund des hohen Nachbearbeitungsbedarfs bestehen jedoch technologische und wirtschaftliche Grenzen. So ist die Herstellung von hochfesten Co- oder Ni-Basis-Werkstoffen über Schleuderguss nur bedingt möglich bzw. aufgrund der schweren Zerspanbarkeit in der Regel unwirtschaftlich. Sandguss hingegen eignet sich nur für kleinere und mittlere Stückzahlen. Die einzelnen Schritte der Nachbearbeitung sind im Schleuder- und Einzelguss gleich. In beiden Fällen muss der VSR vollständig bearbeitet werden, um die Gusshaut zu entfernen.
Schließlich offenbart die EP 1 536 027 B1 einen Sinterkörper aus einem rohen oder granulierten Pulver mit einer relativen Dichte von 97 % oder mehr. Erfindungsgemäß ist hierfür ein Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 8,5 μηι oder weniger vorzusehen. Da die durchschnittliche Korngröße des hohen Pulvers für die Filterung gemäß den Angaben in der Druckschrift vergleichsweise klein ist, wird die Filterung Diffusionsgeschwindigkeit verbessert und die Qualität der Filterung in ausgeprägten Maße erhöht.
Aufgrund des hohen Gehalts an teuren Legierungselementen und der beschriebenen Problematik bei der konventionellen Herstellung, insbesondere eines derart fein gemahlenen Pulvers , bedarf es einer Bereicherung des Standes der Technik, um die Markanforderungen und die obig beschriebenen divergierenden Zielsetzung zu erfüllen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung von
warmbeständigen und verschleißfesten Formteilen, insbesondere Motorkomponenten bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile im Stand der Technik umgeht.
Insbesondere sollen Motorkomponenten für hochbeanspruchte Nutzfahrzeug- und Stationärmotor-Anwendungen geschaffen werden, die ausreichende Verschleißbeständigkeit, günstige Teilekosten, sowie eine gute Bearbeitbarkeit auf den
Fertigungsstraßen der Endkunden aufweisen. Des Weiteren sollen mit dem Verfahren hergestellte warmbeständige und verschleißfeste Formteilen angegeben werden. Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, ein, wasserverdüstes auf Fe- oder Co- basierendes Sintermaterial herzustellen, das eine Korngröße von > 10 μηι, bevorzugt von > 30 μηι und besonders bevorzugt von > 50 μηι aufweist, und dieses Material gemäß den weiteren Verfahrensschritten nach Anspruch 1 zu behandeln. Die vorliegende Erfindung wendet sich demnach ab vom Stand der Technik, der zur
Erreichung hoher Dichten insbesondere von > 97 % Korngröße für das Sinterpulver von < 8,5 μηι fordert. Erfindungsgemäß führt demnach wider dem Stand der Technik eine Erhöhung der Korngrößen auf > 10 μηι, bevorzugt auf > 30 μηι und besonders bevorzugt auf > 50 μηι in Verbindung mit einer Wasserverdusung zu vergleichbar hohen Dichten der Sinterkörper.
Erfindungsgemäß sind dabei folgende Verfahrensschritte auszuführen: Zunächst erfolgt die Herstellung eines auf Fe- oder Co-basierenden Sintermaterials mit einer mittleren Korngröße von > 10 μηη, bevorzugt von > 30 μηη und besonders bevorzugt von > 50 μηη durch Wasserverdusung, d.h. es wird Wasser unter Hochdruck zum zerschlagen des schmelzflüssigen Metallstrahls verwendet; dann erfolgt die Agglomeration des
Sinterwerkstoffs über Sprühtrocknung auf 10 bis 400 μηη mit einem organischen
Bindemittel, wobei gegebenenfalls Festschmierstoffe und/oder Hartphasen beigemischt werden; dann erfolgt ein kalt- oder warmisostatisches Verpressen des Sinterwerkstoffs mit einem Pressdruck von 400 bis 900 MPa auf Dichten von 5 bis 7 g/ccm; dann erfolgt das Sintern der Grünlinge bei Temperaturen von 1 .000 bis 1 .350 °C und schließlich ein Nachbearbeitungsschritt. Als Sintermaterial wird in einer Ausführungsform der Erfindung eine auf Eisen basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt:
1 ,5 - 2,0 C; 5,0 - 13,0 Mo; 5,0 - 10,0 Cr; 0,8 - 1 ,8 Si; max. 1 ,0 Mn; 1 ,5 - 4,0 V; 0 -10,0 Co Rest Fe; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen. Als Sintermaterial wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine auf Eisen basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt:
1 ,9 - 2,2 C; 6,5 - 8,5 Cr; 1 , 1 - 1 ,4 Si; < 0,5 Ni; 0,6 - 0,8 Mn; 2,3 - 2,7 V; 0,1 - 0,3 S; 0 - 10,0 Co; Rest Fe; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen. Als Sintermaterial wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine auf Eisen basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt:
0,2 -1 ,0 C; 20,0 -30,0 Cr; 14,0 - 23,0 Ni; 1 ,0 -3,0 Mo; < 2,0 Mn; 1 ,8 - 3,5 Si; 2,0 - 4,0 W; 1 ,0 - 3,0 Nb; 0,2 - 1 ,0 S; Rest Fe sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen. Als Sintermaterial wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine auf Eisen basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt:
0,6 - 1 ,1 C; 1 ,5 - 3,5 Mo; 21 ,0 - 28,0 Cr; 14,0 - 23,0 Ni; 2,0 - 3,3 Si; 2,0 - 3,5 W; 1 ,0 - 3,0 Nb; 1 ,0 - 3,5 Cu; Rest Fe; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen. Als Sintermaterial wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine auf Cobalt basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt: max. 5,0 Fe; max. 0,7 C; 15,0 - 25,0 Mo; 14,0 - 23,0 Cr; 0,7 - 1 ,4 Si; Rest Co; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
Als Sintermaterial wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine auf Cobalt basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt: max. 3,0 Fe; 2,0 - 2,8 C; 27,0 - 32,0 Cr; 0,5 - 1 ,5 Si; Rest Co; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
Als Schutzatmosphäre wird eine N2-H2-Atmosphäre mit einem Mischungsverhältnis von ca. 80 - 20 % oder Vakuum eingesetzt. Es wurde herausgefunden, dass die
Temperaturen während des Sinterns zwischen 1 .000 bis 1 .300 °C liegen, wobei ein Sintermaterial auf Fe-Basis im unteren Temperaturbereich, d.h. von 1 .000 bis 1 .200 °C und ein Material auf Co-Basis im oberen Temperaturbereich, d.h. 1 .100 bis 1 .300 °C gesintert werden muss. Die Herstellung des auf Fe- oder Co-basierenden Sintermaterials erfolgt durch eine sog. Wasserverdüsung.
Das pulvermetallurgische Herstellverfahren ermöglicht es, hochpräzise Formteile zu produzieren, die weniger Nachbearbeitungsschritte bedürfen im Vergleich zur klassischen Herstellung über Gießen. Darüber hinaus können Werkstoffe mit besonderen
Gefügeeigenschaften hergestellt werden. Im Rahmen der Erfindung wurde
herausgefunden, dass die hergestellten Komponenten gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Gefügestruktur und Verteilung der Hartphasen aufweisen. So setzt sich das Gefüge der erfindungsmäßigen Legierungen aus einer Matrix mit einer Partikelgröße von 5-10 μηι zusammen, in der gleichmäßig fein verteilte Karbide oder intermetallische Phasen mit einer Korngröße von ebenfalls 5-10 μηι und ggf. Festschmierstoffe, wie zum Beispiel MoS2, eingelagert sind. Der heterogene Gefügeaufbau ist aus tribologischer Sicht sehr vielversprechend: So haben sich heterogene Gefüge mit harten Karbiden oder intermetallischen Phasen etwa gegen die Verschleißmechanismen Adhäsion,
Oberflächenzerrütung und Abrasion bewährt (vgl. Sommer, Heinz, & Schöfer, 201 1 ). Darüber hinaus lassen sich dichte Gefüge herstellen, was zu einer erhöhten
Korrosionsbeständigkeit führt, im Vergleich zu klassischen Sinterwerkstoffen aus konventionellen Sinterpulvern mit einer initialen Korngröße größer 50 μηη. Diese
Gefügeeigenschaften lassen sich nicht über die bis dato bekannten Fertigungsverfahren herstellen. Somit stellt das Verfahren sowohl für die Fe- basierte Tool-Steel-Werkstoffe und inbesondere für die Co- und Ni-basierten Sonderwerkstoffe eine Bereicherung des Stands der Technik dar.
Typische pulvermetallurgisch hergestellte Formteile für Motorkomponenten basieren auf Eisen- und Schellarbeitsstahl-Grundpulvern und weisen ebenfalls ein heterogenes Gefüge mit eingelagerten Hartphasen und Festschmierstoffen auf. Erfahrungsgemäß können Einlasskomponenten mit geringen bis mittleren Anforderungen unter anderem Materialien mit offener Porosität hergestellt werden. Für höhere Anforderungen und Auslasskomponenten wird die Porosität in der Regel über einen Infiltrierprozess mit Cu gefüllt. Dadurch wird einerseits die Anfälligkeit gegen Oxidation verringert und
andererseits die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Diverse Versuche zur Herstellung der obig beschriebenen hochlegierten Fe-Basis und insbesondere Co-Basislegierungen mit zum Teil ausreichender Korrosionsbeständigkeit mittels klassischer pulvermetallurgischer Herstellverfahren sind gescheitert. So wurde herausgefunden, dass die beschriebenen Werkstoffe ausschließlich über das beschriebene Fertigungsverfahren hergestellt werden können.
Die Erfindung geht von dem allgemeinen Gedanken aus, die Vorteile der Pulvermetallurgie mit den Vorteilen der Gusstechnologie zu verbinden, mit dem Ziel der wirtschaftlichen Herstellung von höchstverschleißfesten Motorkomponenten,
insbesondere Ventiltriebs- und Turboladerkomponenten für die Anwendung in
Hochtemperaturanwendungen bzw. die pulvermetallurgische Herstellung von
hochlegierten Fe- und insbesondere Co-Basis-Werkstoffen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die pulvermetallurgische
Herstellung von Motorkomponenten, wie beispielsweise Ventilsitzringen, für
Hochtemperaturanwendungen durch einen geringen Nachbearbeitungsbedarf, hohe Kosteneffizienz und ressourcenschonende Herstellung auszeichnet. Diverse Versuche haben gezeigt, dass klassische Gusswerkstoffe mit gleichwertigem Eigenschaftsprofil ausschließlich über das beschriebene Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Dabei wurde herausgefunden, dass Werkstoffe mit sehr heterogenen Gefügen und positiven Verschleißeigenschaften hergestellt werden können
Die Formteile, insbesondere Motorkomponenten, müssen nachbearbeitet, insbesondere spanend nachbearbeitet werden, da die Grünlinge während des Sinterprozesses um 10 bis 20% schrumpfen. Unter einem Nachbearbeitungsschritt werden ein Drehen (außen und innen), ein Plan-, ein Rund- und ein Gleitschleifen verstanden. Welcher bzw. welche Nachbearbeitungsschritt(e) zum Einsatz kommen hängt von der jeweils herzustellenden Motorkomponente ab. Der Nachbearbeitungsbedarf ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zur klassischen Gusstechnik deutlich reduziert, wodurch die wirtschaftliche Herstellung von hochlegierten Fe- und insbesondere Co-Basis- Werkstoffen möglich wird.
Zudem können Festschmierstoffe, die bis zu Temperaturen von 1 .100 °C beständig sind, gegebenenfalls mit sehr hohem Anteil, beigemischt werden. Die Festschmierstoffe und gegebenenfalls Hartphasen sind als heterogenes Gefüge ausgebildet und gleichmäßig in dem Formteil verteilt. Als Festschmierstoff kann beispielsweise Molybdändisulfid (MoS2), Mangansulfid (MnS) und Calciumfluorid (CaF) eingesetzt werden. Die Beimischung der Festschmierstoffe führt einerseits zu einer erhöhten Verschleißbeständigkeit in trockenen Umgebungen wie sie im Verbrennungsmotor vorliegen und andererseits zu einer verbesserten Bearbeitbarkeit bei der Endbearbeitung des Motorenherstellers.
Ferner können Hartstoffe, zum Beispiel intermetallische Phasen oder Ferro-Molybdän (FeMo), beigemischt werden. Die Hartphasen haben eine Korngröße von zumindest 50 bis max. 500 μηη, bevorzugt von 150 μηη bis 300 μηη. Die dichtgesinterten Basis- Werkstoffe können zudem harte, feinkörnige und feinverteile Karbide sowie weitere heterogen verteilte Karbide enthalten. Dies führt zu einer erhöhten Verschleißbeständigkeit und Relaxationsbeständigkeit, da Korngrenzengleiten und
Werkstoffdeformationen behindert werden.
Auch wurde gefunden, dass ein erfindungsgemäß hergestelltes Sinterformteil eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu konventionellen Sinterwerkstoffen mit offenen oder Cu-gefüllten Poren aufweist. Insgesamt können erfindungsgemäß Komponenten für Verbrennungsmotoren aus Werkstoffen wirtschaftlich hergestellt werden, die ausschließlich gusstechnisch bekannt sind. Damit eröffnen sich verschleißtechnische und wirtschaftliche Vorteile. Bis dato ist kein Fertigungsverfahren bekannt, mit dem, mit gleich hoher Wirtschaftlichkeit derartige Werkstoffkonzepte realisiert werden können.
Die Parameter zur Weiterverarbeitung des granulierten Sintermaterials gemäß konventionellen pulvermetallurgischen Fertigungsverfahren können durch eine geringe Anzahl an Versuchen festgelegt werden, da der Fachmann mit den im Prinzip
auftretenden Effekten vertraut ist.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, warmbeständigen und verschleißfesten Formteilen, insbesondere Motorkomponenten, besitzen ein weites Anwendungsfeld. Schwerpunktmäßig liegt die Anwendung im Bereich der Motor- komponenten die ein dichtes, heterogenes Gefüge und gleichmäßig verteilte
Festschmierstoffe und Hartphasen aufweisen, und/oder im Bereich der Komponenten, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit durch ein dichtes Gefüge aufweisen. Hierunter zählen insbesondere Ventilsitzringe für hochbelastete Verbrennungskraftmaschinen,
insbesondere Nutzfahrzeug- und Stationärmotoren und Lagerbuchsen für Turbolader und andere Komponenten des Abgasstrangs, die hervorragende tribologische Eigenschaften mit geringster Festkörperschmierung haben müssen; zudem müssen sie hohen
Beanspruchungstemperaturen und Drücken von > 210 bar standhalten.
Die Erfindung wird durch nachfolgende Verfahrensbeispiele näher beschrieben.
Beispiel 1 :
Beispiel 1 beschreibt die erfindungsgemäße Herstellung eines Werkstoffes, der gusstechnisch hergestellt unter der Bezeichnung PL 510 bekannt ist. Ein wasserverdüstes Sintermaterial mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%: 1 ,5 - 2,0 C; 5,0 - 13,0 Mo; 5,0 - 10,0 Cr; 0,8 - 1 ,8 Si; max. 1 ,0 Mn; 1 ,5 - 4,0 V; 0 - 10,0 Co Rest Fe, mit einer durchschnittlichen Korngröße von > 30 μηη wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Formteil gesintert, wobei zunächst ein kaltisostatischen Pressen mit einem Pressdruck von 800 MPa, ein Entbinde bei 750 °C, und schließlich ein Sintern unter Schutzgas (H2 - N2) bei 1 135 °C für 40 min sowie eine anschließende Wärmebehandlung, nämlich ein Härten bei 920 °C und Anlassen bei 670 °C erfolgte. Die Dichte des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Formteils, nachfolgend als PLS 510 bezeichnet, liegt bei 7,51 g/ccm; die Härte beträgt 55,3 bis 58,7 HRC. Das Formteil eignet sich insbesondere für Hochtemperaturanwendungen und weist eine hohe Verschleiß- und Relaxationsbeständigkeit auf. Die Gefügeausprägungen der beiden Werkstoffe PL 510 und PLS 510 sind in den Abb. 1 und 2 dargestellt. Hierbei zeigt sich im Vergleich, dass bei beiden Schliffbildern die graue Hartphase gut und gleichmäßig ausgebildet ist, jedoch bei dem PLS 510 feinverteilter, vorliegt. Diese sehr feinverteilten Carbide erweisen sich als besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Formteil in Bezug auf die beschriebenen Hochtemperatur- anwendungen. Insbesondere aus tribologischer Sicht lassen sich erhebliche Vorteile im Vergleich zur klassischen Werkstoff der Gusstechnik erkennen.
Beispiel 2:
Beispiel 2 beschreibt die erfindungsgemäße Herstellung eines Werkstoffes, der gusstechnisch hergestellt unter der Bezeichnung PL 860 bekannt ist.
Ein wasserverdüstes Sintermaterial mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%: 0, 1 - 0,3 Fe; 2,0 - 2,8 C; 27,0 - 32,0 Cr; 0,5 - 1 ,5 Si; 10,0 - 14,0 W; Rest Co, mit einer durchschnittlichen Korngröße von > 30 μηι wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Formteil gesintert, wobei zunächst ein kaltisostatischen Pressen mit einem Pressdruck von 800 MPa, ein Entbinde bei 750 °C, und schließlich ein Sintern unter Vakuum bei 1250 °C für 3 h erfolgte.
Die Dichte des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Formteils, nachfolgend als PLS 860 bezeichnet, liegt bei 8,47 bis 8,56 g/ccm; die Härte beträgt 53,8 HRC. Das Formteil eignet sich insbesondere für Hochtemperaturanwendungen und weist eine hohe Verschleiß-, Relaxations- und Korrosionsbeständigkeit auf. Auf einem
Relaxationsprüfstand wurde nachgewiesen, dass der Werkstoff PLS 860, eine verbesserte Relaxationsbeständigkeit aufweist, im Vergleich zu dem Werkstoff PL 860. Dies wird auch durch die Gefügeausprägungen der beiden Werkstoffe deutlich, die durch die Schliffbilder der Abb. 3 und 4 dargestellt sind. Dabei zeigt sich, dass der Werkstoff ein heterogenes Gefüge mit fein verteilten Hartphasen aufweist. Dadurch wird einerseits Korngrenzengleiten verhindert. Ferner wirkt sich das Gefüge erfahrungsgemäß äußerst positiv auf die Verschleißbeständigkeit aus.
Beispiel 3:
Beispiel 3 beschreibt die erfindungsgemäße Herstellung eines Werkstoffes, der gusstechnisch hergestellt unter der Bezeichnung PL 26 bekannt ist.
Ein wasserverdüstes Sintermaterial mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%: 0,2 - 1 ,0 C; 20,0 - 30,0 Cr; 14,0 - 23,0 Ni; 1 ,0 -3,0 Mo; 0,5-1 ,0 Mn; 1 ,8 - 3,5 Si; 2,0 - 4,0 W; 1 ,0 - 3,0 Nb; 0,2 - 1 ,0 S; Rest Fe, mit einer durchschnittlichen Korngröße von > 30 μηη wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Formteil gesintert, wobei zunächst ein kaltisostatischen Pressen mit einem Pressdruck von 800 MPa, ein
Entbinde bei 750 °C, und schließlich ein Sintern unter Schutzgas (H2- N2) bei 1 .120 °C für 1 h erfolgte. Die Dichte des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Formteils, nachfolgend als PLS 26 bezeichnet, liegt bei 7,35 g/ccm; die Härte beträgt 265 HV 10. Das Formteil eignet sich insbesondere für Hochtemperaturanwendungen und weist eine hohe Verschleiß-, Relaxations- und Korrosionsbeständigkeit auf.
Die Gefügeausprägungen der beiden Werkstoffe PL 26 und PLS 26 sind in den Abb. 5 und 6 dargestellt. Beispiel 4:
Beispiel 4 beschreibt die erfindungsgemäße Herstellung eines Co-Basiswerkstoffs, der gusstechnisch hergestellt unter der Bezeichnung PL 840 bekannt ist.
Ein wasserverdüstes Sintermaterial mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%: max. 5,0 Fe; max. 1 ,0 C; 15,0 - 30,0 Mo; 1 1 ,0 - 25,0 Cr; 1 ,0 - 2,5 Si; Rest Co, mit einer durchschnittlichen Korngröße von > 30 μηη wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Formteil gesintert, wobei zunächst ein kaltisostatischen Pressen mit einem Pressdruck von 800 MPa, ein Entbinde bei 750 °C, und schließlich ein Sintern unter Vakuum bei 1 .250 °C für 3 h erfolgte.
Die Dichte des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Formteils, nachfolgend als PLS 840 bezeichnet, liegt bei 8,62 g/ccm; die Härte beträgt 49,2 bis 51 ,1 HRC. Das Formteil eignet sich insbesondere für Hochtemperaturanwendungen und weist eine hohe Verschleiß- und Relaxationsbeständigkeit auf.
Die Gefügeausprägungen der beiden Werkstoffe PL 840 und PLS 840 sind in den Abb. 7 und 8 dargestellt. Hierbei zeigt sich im Vergleich, dass der Werkstoff PLS 840 ein heterogenes Gefüge mit gleichmäßig verteilten intermetallischen Phasen und
Festschmierstoffen aufweist während der Werkstoff PL 840 große, zusammenhängende Hartphasen zeigt, was bedeutet, dass eine erhöhte Verschleiß- und
Relaxationsbeständigkeit erwarten zu erwarten ist. Ferner wurde herausgefunden, dass die Zerspanbarkeit des Werkstoffs PLS 840 im Vergleich zu PL 840 deutlich verbessert ist. So ist die Herstellung des Werkstoffs PLS 840 im Vergleich zu seinem
gusstechnischen Pendant deutlich erhöht.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von warmbeständigen und verschleißfesten Formteilen, insbesondere Motorkomponenten, unter Verwendung eines auf Fe- oder Co- basierenden Sinterwerkstoffs nach folgendem Ablauf:
- Herstellung des auf Fe- oder Co-basierenden Sintermaterials mit einer Korngröße von > 10 μηη, bevorzugt von > 30 μηη und besonders bevorzugt von > 50 μηη durch Wasserverdüsung;
Agglomeration des Sinterwerkstoffs über Sprühtrocknung auf 10 bis 400 μηη mit einem organischen Bindemittel, gegebenenfalls Beimischen von
Festschmierstoffen und/oder Hartphasen;
kalt- oder warmisostatisches Verpressen des Werkstoffs mit einem Pressdruck von 400 bis 2000 MPa auf Dichten von 5 bis 7 g/ccm;
Sintern der Grünlinge bei Temperaturen von 1 .000 bis 1 .300 °C;
Nachbearbeitung der Formteile.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial eine auf Eisen basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt wird: 1 ,5 - 2,0 C; 5,0 - 13,0 Mo; 5,0 - 10,0 Cr; 0,8 - 1 ,8 Si; max. 1 ,0 Mn; 1 ,5 - 5,0 V; 0-4,0 Ti; 0 -10,0 Co; Rest Fe; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial eine auf Eisen basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt wird: 1 ,9 - 2,6 C; 6,5 - 8,5 Cr; 1 ,1 - 1 ,8 Si; < 0,5 Ni; 0,6 - 0,8 Mn; 2,3 - 2,7 V; 0,1 - 0,3 S; 1 ,0 - 3,0 W; 7,0 - 14,0 Mo; 0 - 10,0 Co; Rest Fe; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial eine auf Eisen basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt wird: 0,2 -1 ,0 C; 20,0 -30,0 Cr; 14,0 - 23,0 Ni; 1 ,0 -3,0 Mo; < 2,0 Mn; 1 ,8
- 3,5 Si; 2,0 - 4,0 W; 1 ,0 - 3,0 Nb; 0,2 - 1 ,0 S; Rest Fe sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial eine auf Eisen basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt wird: 0,6 - 1 ,1 C; 1 ,5 - 3,5 Mo; 21 ,0 - 28,0 Cr; 14,0 - 23,0 Ni; 2,0 - 3,3 Si; 2,0 - 3,5 W; 1 ,0 - 3,0 Nb; 1 ,0 - 3,5 Cu; Rest Fe; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial eine auf Cobalt basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt wird: max. 5,0 Fe; max. 1 ,0 C; 15,0 - 30,0 Mo; 1 1 ,0 - 25,0 Cr; 1 ,0 - 2,5 Si; Rest Co; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial eine auf Cobalt basierende Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% eingesetzt wird: max. 3 Fe; 2,0 - 2,8 C; 27 - 32 Cr; 0,5 - 1 ,5 Si; 10,0 - 14,0 W; Rest Co; sowie max. 3,0 nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Hartstoffe mit einer Korngröße von zumindest 50 μηη bis max. 500 μηη, bevorzugt von 150 μηη bis 300 μηη beigemischt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Festschmierstoffe, die bis zu Temperaturen von 1 .100 °C beständig sind, beigemischt werden.
10. Formteil, insbesondere Motorkomponente, insbesondere Ventilsitzring, Ventilführung, Turboladerteil, Lagerbuchse oder Wellendichtring, erhältlich nach einem der
Ansprüche 1 bis 9.
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