AT395120B - Verfahren zum herstellen zumindest der verschleissschicht hochbelastbarer sinterteile, insbesondere fuer die ventilsteuerung einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents
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Description
AT 395 120 B
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Hastellen zumindest der Verschleißschicht hochbelasteter Sinterteile, insbesondere für die Ventilsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Kohlenstoff, Phosphor und Kupfer enthaltendePulvermischung auf der Basis von Eisenpulver, das mit Chrom als carbidbildendem Element legiert ist, zu einem Formling verpreßt und dann mit flüssiger Phase gesintert wird.
Um den hohen Anforderungen hinsichtlich der Verschleißfestigkeit und der Dauerfestigkeit von Nocken einer Nockenwelle oder anderen Teilen für die Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen zu genügen, ist es bekannt (EP-A-303 809), diese Teile aus einem Pulvergemisch zu pressen, das mit caibidbildenden Elementen da 5. und 6. Nebengruppe des Periodensystems legiertes Eisenpulver und Graphitpulver in der zu Carbidbildung benötigten Menge enthält, den Preßling bei einer Temperatur geringfügig über der Solidustemperatur zu sintern und dann den mit flüssiger Phase gesinterten Form teil bei einer Temperatur unter der Solidustemperatur durch ein heißisostatisches Pressen auf mindestens 99 % der theoretischen Dichte zu verdichten. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist vor allem, daß der Aufwand zum isostatischen Heißpressen der vorgesinterten Formteile erheblich ist, daß aber auf ein solches isostatisches Pressen nicht verzichtet werden kann, weil sonstdie gleichmäßige Carbildverteilung bei da erfordalichen Dichte nicht sichergestellt werden kann. Das Sintern bei eina Sintertemperatur geringfügig üba der Solidustemperatur erlaubt zwar eine gleichmäßige Carbidvoteilung, doch nur im Zusammenhang mit einem vergleichsweise großen Porenanteil. Außerdem ist das Zulegieren von niedriger schmelzenden Bestandteilen wegen der für das Heißpressen erforderlichen Temperaturen nicht möglich. Diese Bestandteile würden bei den Preß-temperaturen schmelzen und dann beim Verpressen durch die noch vorhandenen Poren austreten.
Außerdem ist es bekannt (DE-A-3 907 886), die Nocken einer Nockenwelle aus einer äußeren Verschleißschicht und einem Nockenkörper pulvermetallurgisch durch ein Flüssigphasensintem herzustellen, wobei dieRohpreßlinge, die ein unterschiedliches Schrumpfverhalten aufweisen, auf eine Stahlwelle aufgeschoben werden, so daß sich nach dem Sintern sowohl zwischen der Verschleißschicht und dem Nockenkörper als auch zwischen dem Nockenkörper und der Stahlwelle eine gute Verbindung ergibt Die äußere Verschleißschicht wird dabei von einer Eisen-Kohlenstoff-Nickel-Chrom-Molybdän-Legierunggebildet diejedoch hohenBelastungsanforderungennicht genügen kann, weil beispielsweise das Nickel keine Carbide bildet die für die Verschleißfestigkeit wesentlich sind, und nickelhaltige Werkstoffe zur Austenitbildung neigen, wodurch die Dauofestigkeit herabgesetzt wird.
Um Nocken, die bei Ihrem Sintern auf eine stählerne Nockenwelle aufgeschrumpft werden, mit hoher Festigkeit herstellen zu können, ist es zusätzlich bekannt (GB-PS 2104 551), ein Sinterpulva auf Eisenbasis einzusetzen, das neben Mangan, Phosphor, Silizium, Molybdän und Kohlenstoff 4,5 bis 6,5 Gew. % Chrom als carbidbildendem Element und zur Erhöhung da Härte 1,5 bis 3,0 Gew. % Kupfer enthält Zum gleichen Zweck wird auch vorgeschlagen, den Chromanteil unter Weglassen des Kupfoanteiles auf 15 bis 25 Gew. % zu ahöhoi. Nachteilig bei diesem Sinterwerkstoff ist vor allem, daß mit der Steigerung der Härte die Sprödigkeit aheblich zunimmt, was den Einsatz solcher Werkstoffe als Verschleißschicht hochbelasteter Sinterteile problematisch macht
Der ErfmdungliegtsomitdieAufgabe zugrunde,ein Verfahrenanzugeben,das die Herstellung vonhochbelastetoi Sinterteilen, insbesondere für die Ventilsteuerung einaBrennkraftmaschinedurch ein Flüssigphasensintem erlaubt, ohne eine Versprödung des Werkstoffes in Kauf nehmen zu müssen.
Ausgehend von einem Verfahrendereingangs geschilderten Artlöst dieErfindungdie gestellte Aufgabe dadurch, daß die Pulvermischung 13 bis 18 Gew. % Chrom als carbildbildenden Legierungsbestandteil des Eisenpulvers, 1,0 bis 2,5 Gew. % Zinn, 15 bis 20 Gew. % Kupfa, 1,5 bis 2,6 Gew. % Kohlenstoff sowie 0,4 bis 1,0 Gew. % Phosphor enthält und daß das Eisenpulver durch ein Verdüsen einer entsprechend legierten Eisenschmelze mit einem Gas- oder Wasserstrahl hergestellt wird, bevor es mit den übrigen Pulverbestandteilen vermischt wird.
Durch den Einsatz eines vergleichsweisehohen Kohlenstoffanteiles wird im Zusammenhang mit dem angegebenen Chromanteil eine zufriedenstellende Carbidbildung unta Ausbildung einer ausreichenden flüssigen Phase beim Sintern sichergestellt, und zwar bei einer nicht nur wegen des Kohlenstoffgehaltes, sondern auch wegen der Phosphorzugabe deutlich herabgesetzten Sintertemperatur, so daß mit einer gleichmäßigen Carbidverteilung gerechnet werden kann. Aufgrund des hohen Anteils an flüssiger Phase wird außerdem die erforderliche Dichte des Sinterkörpers erreicht, ohne ein nachträgliches Heißpressen vornehmen zu müssen. Der Zinn- und Kupfaanteil der Pulvermischung bildet darüber hinaus eine Bronzephase, die in die Eisenmatrix eingelagert wird und für eine ausreichende Zähigkeit mit einer aheblichen Verbesserung der Gleiteigenschaften des Sinterkörpers sorgt. Die im wesentlichen durch die Chromphase bestimmte Härte der Eisenmatrix reicht aus, um ein Eindrücken der für die hohe Verschleißfestigkeit auch bei einer sehr hohen Hertzschen Pressung verantwortlichen Sondercarbide in die Matrix zu verhindern, ohne befürchten zu müssen, daß aufgrund einer übermäßigen Härte diese Carbide aus der Matrix ausbrechen.
Darüber hinaus bindet das Kupfer einen Teil des Kohlenstoffes, wodurch die Gefahr einer die Dauerfestigkeit beeinträchtigenden Zementitbildung zufolge des höheren Kohlenstoffgehaltes unterbunden wird.
Voraussetzung für eine die Verschleißfestigkeit bestimmende, gleichmäßige Carbidverteilung ist zunächst, daß das carbidbildende Chrom entsprechend gleichmäßig in daPulvomischung verteilt ist Zu diesem Zweck wird ein -2-
AT 395 120 B mit dem Chrom legiertes Eisenpulver eingesetzt, das aus der Schmelze durch ein Verdiisen mit Hilfe eines Gas- oder Wasserstrahles hergestellt wird. Zur Beruhigung und zur besseren Verdüsbarkeit der Eisenschmelze kann dieser 0,7 bis 1,5 Gew. % Silicium, vorzugsweise in Form von Fenosilicium, hinzugefügt werden.
Um einerseits die Verpreßbarkeit des Eisenpulvers zu verbessern und anderseits eine für den Sintervorgang 5 vorteilhafte große Teilchenoberfläche sicherzustellen, soll das legierte Eisenpulver mit dendritischer Teilchenform einen Anteil von wenigstens 70 Gew. % an Pulverteilchen mit einem mittleren Durchmesser je Teilchen kleiner als 50 pm aufweisen, während der mittlere Durchmesser der Teilchen des restlichen Pulveranteils höchstens 100 pm beträgt Mit diesen Pulveranteilen kann im Sinne einer vorteilhaften Optimierung berücksichtigt werden, daß zwar bei besonders feinen Pulvern die Sinterbedingungen zufolge einer Vergrößerung der Berührungsflächen zwischen 10 den einzelnen Pulverteilchen und einer Verkleinerung der verbleibenden Poren verbessert werden, daß aber mit sinkender Korngröße der Herstellungsaufwand für diese Pulver steigt
Als Kohlenstoff kann ein Pulver aus Naturgraphit oder Elektrographit mit einem mittleren Durchmesser je Teilchen von höchstens 5 pm eingesetzt werden, so daß die für die Carbidbildung erforderliche feine Verteilung des Kohlenstoffes »reicht werden kann. Der zusammen mit dem Kohlenstoff für den erfindungsgemäßen Effekt IS maßgebende Phosphorzusatz kann entweder als Fcrrophosphor der Eisenschmelze beigegeben werden, um mit der
Eisenschmelze im Gas- oder Wasserstrahl verdüst zu werden, oder dem legierten Eisenpulver als Ferrophosphorpulver zugemischt werden, wobei auf einen mittleren Durchmesser derEinzelteilchen kleiner als 12 pm zu achten ist Durch das Zumischen eines Ferrophosphoipulvers wird eine raschere Diffusion des Phosphors in die Eisenmatrix erzielt und damit die Bildung größerer Sekundärporen durch den diffundierenden Phosphor verhindert. 20 Als Kupferpulver kann vorteilhaft ein Elektrolytkupfer mit dendritischer Teilchenform und einem mittleren
Durchmesser je Teilchen von höchstens 5 pm eingesetzt werden, um mit dem Zinn, das einen mittleren Durchmesser je Teilchen von höchstens 20 pm aufweisen soll, eine gleichmäßig verteilte Bronzephase zu erzielen und Seigerungen zu vermeiden.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist die gleichmäßige Verteilung der Pulverbestandteile in der Pulvermischung von 25 erheblicher Bedeutung. Zu diesem Zweck kann zunächst dem legierten Eisenpulver das Kupfer-, Zinn- und gegebenfalls das Phosphorpulver zugemischt werden, bevor diese Mischung mit dem Kohlenstoffpulver gemischt wird. Dieser Muttermischung kann dann ein übliches Gleitpulver zugemengt werden. Wird diese Mischreihenfolge eingehalten, so kann eine Entmischung vor allem des sehr feinen Kohlenstoffpulvers wirksam verhindert werden, was eine Voraussetzung für eine gleichmäßige Carbidveiteilung ist. 30 Die so erhaltene Pulvermischung wird dann gegebenenfalls nach einem Granuliervorgang unter der Anwendung von Preßdrücken zwischen 700 und 800 MPa zu Formlingen mit einer Dichte zwischen 6,5 bis 6,6 g.cm'3 verpreßt und anschließend einem Glühvorgang unterworfen, um einerseits den Formling von dem üblicherweise aus Wachs bestehend»! Gleitmittel zu befreien und anderseits eine Reduktion des Sauerstoffgehaltes auf maximal 1800 ppm zu erreichen. Dieser Glüh vorgang kann vorzugsweise durch ein die Grünfestigkeit erhöhendes Vorsintem zwischen 35 850 und 950 °C sichergestellt werden. Die Preßdichte soll dabei 6,7 g.m*3 nicht überschreiten, weil sonst das beim
Sintern entstehende Kohlenmonoxid nicht entweichen kann und zur Blasenbildung führt Eine Verringerung der Preßdichte unter 6,4 g.m*3 beeinträchtigt die erforderliche GrünfestigkeiL φ
PciSP.iS.il 40 Zur Herstellung von Nocken wurde von einem wasserverdüsten, dendritischen, mit 18,0 Gew. % Chrom legierten
Eisenpulver ausgegangen, das für eine bessere Verdüsbarkeit 0,9 bis 1,1 Gew. % Silicium enthielt Die angegebenen Gewichtsprozente beziehen sich dabei auf die Gesamtpulvermischung. Die Einzelteilchen dieses legierten Eisenpulvers wiesen einen mittleren Durchmesser von höchstens 75 pm auf, der mittlere Einzeldurchmesser von 70 % dieser Teilchen war jedoch kleiner als 50 pm. Der Sauerstoffgehalt des Eisenpulvers wurde nach einer Reduktion 45 unter einer Stickstoff-Wasserstoffatmosphäre mit 2400 ppm bestimmt
Dem legierten Eisenpulver wurden 17,0 Gew. % Elektrolytkupfer mit einem mittleren Durchmesser je Einzelteilchen kleiner 5 pm, 1,2 Gew. % Zinnpulver mit einem mittl»en Einzelteilchendurchmesser kleiner 20 pm, 2.5 Gew. % dendritisches 16%iges Ferrophosphorpulver mit einer mittleren Teilchengröße kleiner 10 pm, 2.6 Gew. % sehr feines Graphitpulver sowie 0,5 Gew. % Wachs als Preßhilfsmittel und 0,8 % Molbydänpulver zur 50 besseren Durchhärtbarkeit beigefügt. Die Mischung erfolgte stufenweise, wobei zunächst das Ferrophosphorpulver, das Kupfer- und das Zinnpulver sowie das Molybdänpulver mit dem Eisenpulver vermischt wurden, bevor das Graphitpulver und anschließend das Wachspulver zugemischt wurden. Aus dieser Pulvermischung wurden die Formteile unter einem Druck von 800 MPa gepreßt, und zwar mit einer Preßdichte von 6,6 g.cm~3. Die vorverdichteten Formteile wurden beieinerTemperaturvon950°C für eine Zeit von 2 h unter einer Schutzgasatmosphäre 55 von Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis 1:15 reduziert, wonach ein Sauerstoffgehalt von 1750 ppm und ein Kohlenstoffgehalt von 2,5 Gew. % festgestellt wurde. Die Sintertemperatur während der anschließenden Sinterung im Vakuumofen betrug 1080°C, die Sinterzeit 2 h. Der Druck im Vakuumofen betrug 4.10'^ mb. Es wäre aber auch -3-
Claims (9)
- AT 395 120 B eine Sinterung im Bandofen unter einer Schutzgasatmosphäre von Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis 3:10 möglich. Die Schrumpfung der gesinterten Teile betrug 5,5 bis 6,0 %. Die Dichte wies 97 bis 98 % der theoretischen Dichte der gesinterten Teile auf. Die Härte wurde mit HRC 39,0 + 1 gemessen. Das sehr gute Verschleißverhalten der Formteile konnte auf die kugeligen, 5 bis 10 μιη großen Chromcarbide zurückgeführt werden, die eine sehr gleichmäßige Verteilung aufwiesen. Die gleichmäßige Verteilung der aus dem Kupfer und dem Zinn gebildeten Bronzephase bewirkte ein hervorragendes Einlauf- und Gleitverhalten. Kupferseigerungen konnten nicht festgestellt werden. Die Härtung erfolgte entweder in einem Vakuumofen oder in einem Bandofen bei 1040 °C während einer Zeit von 1 h, wobei die Härte auf HRC 54 ± 1 gesteigert werden konnte. Nach einem Anlaßvorgang bei einer Temperatur von 550 °C während einer Zeit von 2 h betrug die Härte HRC 50 +1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Herstellen zumindest der Verschleißschicht hochbelasteter Sinterteile, insbesondere für die Ventilsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Kohlenstoff, Phosphor und Kupfer enthaltende Pulvermischung auf der Basis von Eisenpulver, das mit Chrom als karbidbildendem Element legiert ist, zu einem Formling verpreßt und dann mit flüssiger Phase gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung 13 bis 18 Gew. % Chrom als karbidbildenden Legierungsbestandteil des Eisenpulvers, 1,0 bis 2,5 Gew. % Zinn, 15 bis 20 Gew. % Kupfer, 1,5 bis 2,6 Gew. % Kohlenstoff sowie 0,4 bis 1,0 Gew. % Phosphor enthält und daß das Eisenpulver durch ein Verdüsen einer entsprechend legierten Eisenschmelze mit einem Gas- oder Wasserstrahl hergestellt wird, bevor es mit den übrigen Pulverbestandteilen vermischt wild.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenschmelze zum Herstellen des Eisenpulvers 0,7 bis 1,5 Gew. % Silizium beigegeben wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das legierte Eisenpulver mit dendritischer Teilchenform einen Anteil von wenigstens 70 Gew. % an Pulverteilchen mit einem mittleren Durchmesser je Teilchen kleiner als 50 pm auf weist, während der mittlere Durchmesser je Teilchen des restlichen Pulveranteiles höchstens 100 pm beträgt.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoff ein Pulver aus Naturgraphit oder Elektrographitmit einem mittleren Durchmesser je Teilchen von höchstens 5 pm eingesetzt wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phospor als Fenophosphor der Eisenschmelze zugefügt wird.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung als Phosphor ein Fenophosphorpulver mit einem mittleren Durchmesser je Teilchen kleiner als 12 pm enthält
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß als Kupferpulver einElektrolytkupfer mit dendritischer Teilchenform und einem mittleren Durchmesser je Teilchen von höchstens 5 pm eingesetzt wird.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zinnpulver einen mittleren Durchmesser je Teilchen von höchstens 20 pm aufweist
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst dem legierten Eisenpulver das Kupfer-, das Zinn- und gegebenenfalls das Phosphorpulver zugemischt wird, bevor diese Mischung mit dem Kohlenstoffpulver gemischt wird. -4-
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