DE3221884C2

DE3221884C2 - Verschleißbeständiges Bauteil zur Verwendung in Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3221884C2
Application number: DE19823221884
Authority: DE
Inventors: Yamamoto Ichikawa Chiba Kiyoshi; Urano Omiya Saitama Shigeru; Hiraoka Shiraoka Saitama Takeshi
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1981-06-09
Filing date: 1982-06-09
Publication date: 1986-01-09
Also published as: JPS57203753A; DE3221884A1

Abstract

Ein verschleißbeständiges Teil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor ist beschrieben, welches eine Grundmaterial-Schicht aus Stahl oder Gußeisen, eine durch Wärmewirkung hervorgerufene Schicht, eine Verbindungsschicht und eine Schicht aus erneut geschmolzener Legierung umfaßt. Die Struktur wird dadurch hergestellt, daß man eine gesinterte Eisenlegierung vorsieht, welche vorher am Grundmaterial geformt und gesintert wurde, und hierauf eine Wärmebehandlung ausübt, wobei die durch Wärmewirkung hervorgerufene Schicht in der Oberfläche des Grundmaterials gebildet wird, das Grundmaterial mit der gesinterten Eisenlegierung legiert wird, was die Verbindungsschicht bildet, und auch die erneut geschmolzene Legierungsschicht gebildet wird.

Description

^; 35 Mindestanforderungen entspricht

\i Für die gesinterten Eisenlegierungen ist es erforder-

^?; lieh, daß sie einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen

Die Erfindung betrifft ein verschleißbeständiges Bau- und große Mengen an carbidformenden Elementen ent-

teil zur Verwendung in Brennkraftmaschinen der im halten. Wenn beispielsweise die gesinterte Eisenlegie-

>■' Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein 40 rung einen Kohlenstoffgehalt von weniger als

• derartiges verschleißbeständiges Bauteil ist bereits aus 0,5 Gew.-% aufweist, dann ist selbsi dann, wenn carbid-

der DE-OS 29 26 879 bekannt bildende Elemente zugeführt werden, die Gesamtmen-

: Diese Vorveröffentlichung beschreibt ein Verfahren ge an den gebildeten Carbiden klein, und es kann keine

zum Beschichten der Oberfläche von Metallsubstraten ausreichende Härte erreicht werden. Obwohl anderer-

mit verschleißfestem Materialien, wobei auf die Metall- 45 seits die Carbidmenge erhöht wird, wenn die Kohlen-

substratoberfläche ein Gemisch aus einem carbidhalti- stoffmenge erhöht wird, wird, wenn der Kohlenstoffge-

gen Pulver und pulverförmigen Silicium aufgebracht halt übermäßig hoch ist, Kohlendioxid (CO₂) usw. er-

;, wird und diese Mischung mit Wärmestrahlung hoher zeugt, wenn die Legierung geschmolzen wird, was zur

.! Energiedichte so erhitzt wird, daß gleichzeitig das pul- Bildung von GasblSschen führt In manchen Fällen wer-

p_; verförmige Silicium verdampft und daß aufgebrachte la den Teile, die geschmolzen und abgekühlt wurden, sehr

i₍i Pulver schmilzt, so daß sich das Substrat mit dem darauf brüchig und unvermeidlich bilden sie Risse. Als Ergebnis

{.·: aufgebrachten Gemisch verbindet verschiedenartiger Untersuchungen hat es sich als not-

B ^{Die mit Hilfe des} bekannten Verfahrens hergestellten wendig herausgestellt, daß man den Kohlenstoffgehalt

:'ϊ verschleißfesten Bauteile haben sich jedoch den Bean- auf 0,5 bis 5,0 Gew.-% einstellt.

i ; spruchungen, wie sie bei Brennkraftmaschinen auftre- 55 Als carbidbildende Elemente werden aus der Gruppe

,j ten. nicht als gewachsen erwiesen. Insbesondere zeigt Cr, Mo, W, V, Nb, Ti und Bi, welche üblicherweise als

;'-j sich die Beschichtung nicht hinreichend fest mit der Me- carbidbildende Elemente verwendet werden, eines oder

; Ϊ tallsubstratoberfläche verbunden. mehrere Elemente in geeigneter Weise ausgewählt. Die

''J ^{Aus der} DE-Patentanmeldung P 7 487 ist ein den Gesamtmenge an verwendetem carbidbildendem Mate-

■ j technischen Entwicklungsstand der Nachkriegszeit re- 60 rial ist auf 2 bis 40% eingestellt Wenn die Menge ver-

I \ flektierendes Verfahren zur Herstellung von Kolbenrin- wendeter earbidbildftnder Substanzen kleiner ist als 2%,

14 gen aus metallischen Sinterpulvern bekannt. Bei diesem dann ist die Menge an gebildeten Carbiden unzurei-

>■■) bekannten Verfahren wird auf die äußere Mantelfläche chend, während dann, wenn sie 40% überschreitet, eine

\ eines ringförmigen Metallsubstrats ein Metallpulver sehr brüchige Oberflächenstruktur, die durch Schmel-

_i; aufgesintert, welches sich durch gute Gleitfähigkeit und 65 zen und Abkühlen gebildet ist, verursacht wird, und un-

, ' Warmhärte auszeichnet, wobei Metallpulver aus Blei, vermeidlich Risse gebildet werden.

Aluminium und Nickel ggf. unter Zusatz von Eisenphos- Der Grund, warum besonders Eisenlegierungen mit

phid und Eisensulfid zugesetzt sind. so hohem Kohlenstoffgehalt gewählt werden, welche so

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hohe Mengen an carbidbildenden Elementen aufweisen, al mit der gesinterten Legierung legiert, wobei sich eine

ist der folgende: Legierungsschicht bildet, die es der wiedergeschmolze-

Falls hochlegierte Materialien mit hohen Kohlen- nen Legierungsschicht gestattet, mit dem Grundmateristoffgehalten, wie sie oben beschrieben sind, auf her- al verbunden zu werden. Diese Schicht wird als legierte kömmliche Weise hergestellt werden, ist es selbst dann, 5 Verbindungsschicht bezeichnet Die Verbindungswenn sie geschmolzen und gegossen werden, im wesent- schicht ist somit aus einer komplexen Legierung zusamlichen unmöglich, das gewünschte Teil zu erhalten, da mengesetzt, weiche jene Elemente umfaßt, die das Graphitbildung und Erscheinungen auftreten, die den Grundmaterial wie auch die gesinterte Legierung bil-Gußvorgang unmöglich machen, wie z. B. schlechter den. Die Verbindungsschicht weist eine Abkühlungsge-Metallfluß und Seigerung. Andererseits werden bei ge- ίο schwindigkeit auf, welche höher ist als jene der wiedersinterten Legierungen die Legierungselemente entwe- aufgeschmolzenen Legierungsschicht und weist auch der als Einzelpulver oder Legierungspulver gebildet ein feineres Gefüge auf als die wiederaufgeschmoizene und da der Kohlenstoff das Grundgefüge der gesinter- Legierungsschicht, weil üblicherweise ein Grundmateriten Legierung durch Diffusion bildet, die dem Sintervor- al verwendet wird, das die Legierungselemente in geringang zugeordnet ist bildei er ein Carbid und bleibt nicht 15 geren Mengen enthält als die gesinterte Legierung. Auals Graphit zurück. Da ferner Sinterlegierungen eine ßerdem ist die Verbindungsschicht hinsichtlich der Zähervorragende Formbarkeit aufweisen, können sie in higkeit gegenüber der wiederaufgeschmolzenen Legiejede gewünschte Form eingeformt werden. rungsschicht überlegen.

Das erfindungsgemäße verschleißbeständige Teil Da ferner das Grundmaterial bei der Wärmebehandwird dadurch hergestellt daß man gesinterte Eisenlegie- 20 lung rasch von hohen Temperaturen abgekühlt wird, rangen mit den oben beschriebenen Eigenschaften an bildet es eine durch Wärmeeinwirkung hervorgerufene einem Grundmaterial aus Stahl oder Gußeisen an- Schicht. Diese durch Wärmeeinwirkung hervorgerufene schmilzt Wenn die gesinterte Legierung geschmolzen Schicht ist in der Nähe der Verbindungsochicht marten- und abgekühlt ist, dann ist eine Legierungsschicht in der sitisch, weshalb die Härte erhöht ist Die Härte der wie-Schicht aus gesinterter Legierung und dem Grandmate- 25 deraufgeschmolzenen Legierungsschicht ist höher als rial gebildet und eine wiedergeschmolzene Legierungs- jene der Verbindungsschicht bei welcher die Härte ihschicht ist an der Oberfläche der gesinterten Legie- rerseits höher ist als bei der durch Wärmeeinwirkung rungsschicht gebildet Zusätzlich ist eine durch Wärme- hervorgerufenen Schicht. Somit weist die Oberfläche wirkung hervorgerufene Schicht im Grundmaterial aus- des schließlich gebildeten, verschleißbeständigen Baugebildet 30 teils eine äußerst hohe Härte auf. Der Bereich unmittel-

Obwohl die wiedergeschmolzene Legierungsschicht bar unter der Oberfläche ist sehr hart und ferner ist die welche eine verschleißbeständige Oberfläche bildet Verbindungsfestigkeit hoch. Bei diesem verschleißbebeinahe diesselbe Zusammensetzung wie die gesinterte ständigen Teil kann eine Schicht mit hoher Härte über Eisenlegierung aufweist weist sie doch ein eutektisches einen beträchtlich großen Bereich der Dicke gebildet Ledeburitgefüge auf, das Dentrit enthält und zwar 35 werden, und es liegt ferner nicht die Gefahr schlechter durch das Verschwinden von Hohlräumen durch das Anhaftung, verringerter Zähigkeit oder unzulänglicher Wiederaufschmelzen, dem eine rasche Abkühlung ge- Festigkeit vor. Somit weisen die Teile eine hervorragenfolgt ist Die Matrix hiervon ist Martensit Das Carbid ist de Beständigkeit gegenüber dem durch Gleitbewegung ein Mischcarbid aus dem carbidbildenden Element wel- hervorgerufenen Verschleiß und Lochfraß auf, sowie ches zur gesinterten Legierung hinzugefügt wurde, und 40 ferner eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Eisen. dem durch Stoß hervorgerufenen Verschleiß. Dies kann

Somit ist die wiederaufgeschmolzene Legierungs- teü'veise der Tatsache zugeschrieben werden, daß die

schicht in Struktur und Eigenschaft vollständig unter- Härte der Oberfläche des Bereichs unmittelbar unter

schiedlich von der gesinterten Eisenlegierung vor ihrem der Oberfläche hoch ist Die verschleißbeständigen Tei-

Wiederaufschmelzen, weil in der erneut geschmolzenen 45 Ie der Erfindung besitzen feine und zähe Strukturen, und

Legierungsschicht sehr feine Mischcarbide gleichmäßig ihre Zähigkeit ist aufeinanderfolgend von der Oberflä-

und gleichförmig verteilt sind. Fenw bilden sich diese ehe zu den unteren Abschnitten hiervon erhöht Somit

Mischcarbide in der Dendritform aus und es bildet sich wird die Bildung von Rissen in der Oberflächenschicht

ein festes Gefüge ohne Hohlräume (Leerstellen). durch Stoß oder Ermüdung verhindert, im Gegensatz zu

Wie bereits erwähnt, besteht die Matrix aus Marten- 50 jenen Teilen, bei welchen lediglich eine dünne, harte sit, der durch rasche Ac kühlung gebildet wurde. Des- Schicht auf der Oberfläche dieser Teile vorliegt,
halb ist die Härte des Gefüges merklich erhöht und die Zusammenfassend weisen die verschleißbeständigen Festigkeit ^St stark verbessert. Einer der Gründe hierfür Teile der Erfindung zur Verwendung in Verbrennungsist das Verschwinden der Sinterporen, die für eine Ver- motoren eine hohe Härte, hohe Festigkeit und hohe ringerung der Gesamthärte verantwortlich sind. Der an- 55 Verbindungsfestigkeit auf, und da die Teile unter Verdere Grund liegt darin, daß Partikel, die keine Carbide Wendung einer gesinterten Legierung hergestellt sind, gebildet haben, wie Fe-Mo-Partikel, alle in Mischcarbi- können sie ferner leicht geformt und hergestellt werden, de umgewandelt sind, was die Carbidmenge und auch Es ist fur die Wärmebehandlung, die zum Wiederaufdie Härte des Mischcarbides an sich erhöht. Die Matrix schmelzen verwendet wird, erforderlich, daß sie durch wird, wenn sie wieder aufgeschmolzen und rasch abge- 60 die Verwendung 'iner Wärmequelle mit hoher Intensikühlt wird, üblicherweise in Martensit umgewandelt, je- tat durchgeführt wird, da eine rasche und selektive Erdoch in Abhängigkeit von den jeweiligen Bedingungen, wärmung erforderlich ist. Somit werden bei der Herstelunter welchen sie wieder aufgeschmolzen und rasch ab- lung der verschleißbeständigen Teile Klam.nereinrichgekühlt wird, kann sie auch in Bainit umgeformt werden. tungen, Laser, Elektronenstrahleinrichtungen usw. ver-

Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, die 65 wendet Wo die gesinterte Legierung bei der Wärmebe-

Gefügeausbildung durch eine übliche Wärmebehand- handlung der Erfinoyng wieder geschmolzen wird, kön-

lung zu steuern. nen, wenn Gas in den gesinterten Hohlräumen oder

Bei dieser Wärmebehandlung wird das Grundmateri- Gasblasen zurückbleiben, kleine Löcher usw. gebildet

werden, und wenn ferner das Wiederaufschmelzen in der Umgebungsluft durchgeführt wird, findet eine Oxidation der Oberfläche statt, wobei ein verschleißbeständiges Teil erhalten wird, das unstabil ist Somit ist es von Vorteil, die Wärmebehandlung zum erneuten Schmeizen im Vakuum durchzuführen.

Bei der Erfindung ist es besonders von Vorzug, an der gesinterten Legierung vorher einen Versiegelungsvorgang durchzuführen, um die Hohlräume oder Gasblasen in der gesinterten Legierung zu versiegeln. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn eine gesinterte Legierung mit einer verhältnismäßig hohen Dichte verwendet wird, weil in diesem Fall Gas unvermeidlich in den Hohlräumen verbleibt. Das Versiegelungsverfahren kann beispielsweise durch Infiltration durchgeführt werden. Zur Infiltration wird üblicherweise Kupfer verwendet, und zusätzlich können auch andere Materialien verwendet werden. Wo die gesinterte Legierung in einer dünnen Form vorliegt, kann der VerMcgeiungsvorgang durch Eintauchen durchgeführt werden.

Das Grundmaterial, das hier verwendet ist, ist bevorzugt Stahl, bei welchem nicht die Gefahr der Gasbildung vorliegt. In diesem Fall sind solche Arten von Stahl verwendet, die nicht beim Legierungsschritt brüchig werden. Zum Beispiel kann Schmiedestahl, Kohlenstoffstahl und Baustahl verwendet werden.

Wo Gußeisen als Grundmaterial verwendet wird, ist es möglich, die Gasbildung dadurch zu verhindern, daß man durch Dekarbonisieren oder durch chemische Behandlung das Graphit entfernt. Es kann auch Hartgußeisen bzw. abgeschrecktes Gußeisen verwendet werden.

Eine Probe eines verschleißbeständigen Teiles, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, wurde erfindungsgemäß hergestellt und geprüft

Das Grundmaterial, das bei der Herstellung der Probe verwendet wurde, war ein hitzebeständiger Stahl.

ni#» uprwpnHptp CTPQintprtp I -ρσίρπιησ u/iirHp HnHnrph

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hergestellt daß man eine Legierung wiedergeschmolzen hat die folgende Gewichtsanteile bzw. Gewichtsprozente aufwies: 1,20 C, 2,15 Ni, 6,65 Cr, MOMo, 2,40 W und 6,15 Co, wobei der Rest Fe war; die Legierung wurde mit 13,5Cu infiltriert, um eine Härte von HRC 39 zu erhalten, und zwar im Vakuum mittels Anwendung eines Elektronenstrahls und durch Härten und Glühen der wiedergeschmolzenen Legierung.

Die gesinterte Legierung war 1 mm dick. Die Figur ist eine Mikrofotografie (200fache Vergrößerung) des Bereichs nahe der Verbindungsschicht, der mit einer Marble-Flüssigkeit geätzt wurde. Es wird nun auf die Figur Bezug genommen; die Probe umfaßt einen oberen Abschnitt S aus euer wiederaufgeschmolzenen Legierungsschicht eine Verbindungsschicht 2, eine durch Wärmeeinwirkung herbeigeführte Schicht 3 und ein Grundmaterial 4. Die Probe wurde einer Oberflächenbehandlung unterzogen; nachfolgend wurde die Oberflächenhärte gemessen und betrug, wie herausgefunden wurde, HV 610. Ein Punkt 0,1 mm unter der Oberfläche wies eine Härte von HV 590 auf, die Verbindungsschicht wies eine Härte von HV 480 auf, und die durch Wärmeeinwirkung hervorgerufene Schicht hatte eine Härte von HV 405.

Hierzu i Blatt Zeichnungen

Claims

I Die Verwendung von Stahl und Gußeisen als Grund-

f\ Patentansprüche: werkstoff für Verschleißteile ist aus der DE-PS

J| 29 31 116 bekannt

|| 1. Verschleißbeständiges 3auteil zur Verwendung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ver-

Ij in Brennkraftmaschinen mit einer Grundmaterial- 5 schleißbeständiges Bauteil der im Oberbegriff des An-

$ schicht aus Stahl oder Gußeisen und einer durch eine Spruchs 1 angegebenen Gattung so zu verbessern, daß

W Wärmebehandlung darauf befestigten äußeren die Bindung zwischen der äußeren Schicht und dem

Η Schicht, wobei durch die Wärmebehandlung hervor- Grundmaterial verbessert ist, so daß das Bauteil eine

% gerufen sind eine thermisch beaufschlagte Schicht noch höhere Belastbarkeit erhält

ί des Grundmaterials und eine legierte Verbindungs- 10 Diese Aufgabe wird bei einem verschleißbeständigen

jv schicht, umfassend eine komplexe Legierung aus Bauteil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe-

i| Elementen des Grundmaterials und aus dem Materi- nen Gattung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1

V al der äußeren Schicht, dadurch gekenn- angegebenen Merkmale gelöst

ji zeichnet, daß die äußere Schicht (1) eine wieder- Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische

ft aufgeschmolzene Legierungsschicht ist, welche ge- is Fortschritt ergibt sich in erster Linie aus dem typischen

τ bildet ist aus einer zuvor geformten und gesinterten Gefügeaufbau des erfindungsgemäßen verschleißbe-

>'■ Eisenlegierung. ständigen Bauteils.

h 2. Verschleißbeständiges Bauteil nach Anspruch 1, Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindjjng sind in

■; dadurch gekennzeichnet daß die gesinterte Eisenle- den Unteransprüchen beschrieben.

% gierung besteht aus 0,5 bis 5,0% Kohlenstoff und 2 20 Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die

fc bis 40% wenigstens eines der Komponenten Chrom, Zeichnung näher beschrieben.

j Molybdän, Wolfram, Vanadium, Niob, Titan, Wis- Die einzige Figur der Zeichnung ist eine Mikrofoto- £ ^muth>^{Rest Eisen}- grafie (200fache Vergrößerung), welche das Gefüge ei- ;;i ³· Verschleißbeständiges Bauteil zur Verwendung nes erfindungsgemäßen verschleißbeständigen Bauteils in Brennkraftmaschinen mit einer Grundmaterial- 25 les darstellt

§, schicht aus Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch ge- Die gesinterten Eisenlegierungen, die hier verwendet

ffj kennzeichnet, daß die OberflEche der Grundmateri- werden, sind bevoraugt ausgewählt aus Sinterlegierun-

|w alschicht, auf der die Eisenlegierung aufgebracht gen, die üblicherweise als verschleißbeständige Teile für

|< wird, frei von Graphit ist Verbrennungsmotoren verwendet werden, beispiels-

tä 4. Verschleißbeständiges Bauteil nach Anspruch 1, 30 weise gesinterte Eisenlegierungen, wie sie in der US-PS

ä?· dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume der ge- 38 37 816, der US-PS 39 82 907 und in der DE-OS

I formten und gesinterten Eisenlegierung von der 28 46 122 sowie der JP-PS 1 64 060/80 beschrieben sind.

W Oberfläche her versiegelt sine. Bei der Erfindung kann jede gesinterte Legierung ver-

h wendet werden, so lange sie den unten beschriebenen