DE69512223T2

DE69512223T2 - Verfahren zur herstellung gesinterter teile

Info

Publication number: DE69512223T2
Application number: DE69512223T
Authority: DE
Inventors: Leslie John Farthing; David Holme; Charles Grant Purnell
Original assignee: Federal Mogul Sintered Products Ltd
Current assignee: Federal Mogul Coventry Ltd
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2015-03-17
Also published as: JP3378012B2; KR970701800A; ATE184661T1; US5784681A; JPH09511020A; GB9405946D0; WO1995026421A1; ES2135709T3; EP0752015B1; DE69512223D1; EP0752015A1; KR100315280B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Gegenstandes, insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf einen Ventilsitzeinsatz für Hochleistungsanwendungen bei Verbrennungsmotoren.
Es ist bekannt, Ventilsitzeinsätze für Anwendungen in Benzinmotoren auf pulvermetallurgischem Wege herzustellen. Häufig wird ein Eisenpulvergemisch, das ein vorlegiertes Eisenpulver und verschiedene Zusätze umfaßt, monoaxial bis zu etwa 80% seiner theoretischen Dichte gepreßt, gesintert und oft mit Kupfer infiltriert, um die verbleibende Porosität mit Kupfer zu füllen. Die eingesetzten Materialien, üblicherweise mittellegierte Stähle oder Schnellarbeitsstähle, können mit relativ hohen Anteilen an Eisenpulver verdünnt werden, um die Verdichtbarkeit zu unterstützen und Spannungen an den Preßwerkzeugen zu vermindern. Wenn eine solche Verdünnung eingesetzt wird, können Dichten von bis zu 85% der Theorie erreicht werden. Die so hergestellten Ventilsitzeinsätze werden allgemein für Anwendungen bei niedriger bis mittlerer Leistung eingesetzt.
Herkömmlicherweise wurden Ventilsitzeinsätze für Hochleistungsanwendungen, z. B. in großen Dieselmotoren, wie sie in Lastkraftwagen-, Marine-, Industrie- und Generatoren-Anwendungen eingesetzt werden, durch Gießen hergestellt. Bei den eingesetzten Legierungen handelte es sich um Materialien auf Cobalt-, Nickel- oder Eisenbasis. Bei Superhochleistungsanwendungen wurden cobaltreiche Legierungen wie Stellit (Warenzeichen) bevorzugt. Cobalt ist jedoch sowohl ein teures als auch ein operatives Material und sein Preis ist in den letzten Jahren in die Höhe gestiegen, die seine wirtschaftliche Verwendbarkeit bei Ventilsitzeinsatz-Anwendungen einschränkt.
Die Leistungsfähigkeit gegossener Ventilsitzeinsätze bezüglich Verschleiß- und Abriebfestigkeit beruht auf der Ausbildung harter Carbidphasen während des Erstarrens. Solche harten Phasen neigen jedoch dazu, von grober Gestalt zu sein und eine relativ inhomogene Verteilung aufzuweisen, wenn sie durch das Gießverfahren hergestellt werden. Dies ist ein Nachteil bei einem Bauteil mit im wesentlichen geringer Querschnittsfläche, die zu einem Mangel an Bruchfestigkeit führt. Ein weiterer Nachteil solcher Materialien, die grobe, harte Carbide aufweisen, besteht in ihrer schlechten Bearbeitbarkeit und in ihrer geringen Kompatibilität mit Ventilwerkstoffen.
Die GB-A-2 187 757 beschreibt ein gesintertes Material auf der Basis von Eisen, das, neben anderen Verwendungen, für Ventilsitze geeignet sein soll. Das beschriebene Material benutzt einen relativ hohen Borgehalt, um das Flüssigphasen-Sintern zu fördern und damit einen gewissen Verdichtungsgrad beim Sintern zu begünstigen. Die Verwendung von Bor als Verdichtungshilfsmittel macht das Material jedoch im Hinblick auf eine einheitliche Schrumpfung und Verzerrung während des Sinterns äußerst kritisch gegenüber der Sintertemperatur. Es ist bei solchen borhaltigen Materialien allgemein üblich, sie unter Vakuumbedingungen in geeigneten Öfen zu sintern, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen. Ferner bezieht sich die gesamte Lehre dieser Druckschrift, obwohl auf die Verwendung der beschriebenen Materialien als Ventilsitze Bezug genommen wird, auf die Verschleißfestigkeit von Teilen, die in gleitendem Kontakt, und nicht in Stoßkontakt miteinander stehen, wie dies bei Ventilsitzeinsätzen und mit diesen zusammenwirkenden Ventilen der Fall ist. In dieser Druckschrift ist ebenfalls angegeben, daß die beschriebenen, gesinterten Legierungen vorzugsweise ein theoretisches Dichteverhältnis von mehr als 90% aufweisen.
Auch Phosphor wird in ähnlicher Weise eingesetzt, um das Flüssigphasen-Sintem zu fördern, und er weist ähnliche Nachteile auf.
Die GB-A-1 590 953 beschreibt die Herstellung gesinterter Gegenstände aus hoch vorlegiertem Eisenpulver durch, z. B. monoaxiales Pressen und Sintern von Grünlingen des Pulvers in einem Vakuumofen bei einer Temperatur von vorzugsweise 1200-1250ºC. Bei Temperaturen von ≥ 1100ºC kann ein inertes oder reduzierendes Gas, z. B. Stickstoff, Wasserstoff, Argon oder Helium, in den Vakuumofen eingeführt werden, um den Vakuumdruck auf 1 Torr (133 Pa) zu erhöhen. Dabei wird eine relative Enddichte der Gegenstände von vorzugsweise 95-98% erreicht. Eine Zusammensetzung wie die der Erfindung ist als Beispiel angegeben, wobei jedoch ein Si-Gehalt nicht erwähnt wird. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines gesinterten Ventilsitzeinsatzes mit hoher Dichte, der für Hochleistungsanwendungen geeignet ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventilsitzeinsatzes.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Herstellung des Ventilsitzeinsatzes und die Durchführung des Verfahrens zu seiner Herstellung mit herkömmlicher Fertigungsanlagentechnik zu ermöglichen, damit die Herstellung eines solchen Ventilsitzeinsatzes kostengünstig erfolgt. Eine derartige Anlage kann herkömmliche monoaxiale Verdichtungspressen und Verdichtungswerkzeuge umfassen, die bei Drücken von bis zu etwa 770 MPa arbeiten; herkömmliche Förder- oder kontinuierliche Transfersinteröfen, wie Hubbalkenöfen, die mit Schutzgasatmosphären arbeiten, um eine reduzierende Atmosphäre oder eine mit kontrolliertem Kohlenstoffpotential aufrecht zu erhalten.
Ein weiteres Ziel besteht außerdem darin, einen gesinterten Ventilsitzeinsatz für wichtige Hochleistungsanwendungen herzustellen, der Materialien auf Eisenbasis verwendet, die weniger Cobalt enthalten, als bekannte, gegossene Ventilsitzeinsätze, z. B. Stellit (Warenzeichen), und die bisher nicht für die Massenherstellung gesinterter Ventilsitzeinsatz-Werkstoffe verfügbar waren. Es ist auch noch ein weiteres Ziel, die obigen Ziele ohne den Einsatz von Bor oder Phosphor als Sinterhilfsmittel zu erreichen.
Die Erfindung ist hinsichtlich des Verfahrens in Anspruch 1 festgelegt, und ein durch dieses Verfahren hergestellter Gegenstand ist in Anspruch 13 definiert.
Obwohl sich die vorliegende Erfindung vorwiegend mit der Herstellung von Ventilsitzeinsätzen befaßt, ist das Verfahren auch auf die Herstellung von Teilen wie Lagergehäusen, Walzen, Stößelbeilagscheiben, Kipphebelunterlagen und anderer Gegenstände, bei denen hohe Dichte, hohe Festigkeit und Verschleißbeständigkeit erforderlich sind, anwendbar. Daher ist jegliche Bezugnahme auf Ventilsitzeinsätze auch als Bezugnahme auf andere geeignete Gegenstände zu verstehen.
Das vorlegierte Pulver enthält vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-% Wolfram und besonders bevorzugt mindestens 1 Gew.-% Wolfram.
Die Zusammensetzung des vorlegierten Pulvers kann vorzugsweise in folgenden Bereichen in Gew.- % liegen: Kohlenstoff 0,7-1,6 / Chrom 3-4,25 / Cobalt 7,5-8,5 / Vanadium 1-1,3 / Wolfram 1-2 / Molybdän 9-10 / Silicium 0,3-1,5 /andere insgesamt maximal 2 / Rest Eisen.
Der bevorzugte Bereich für den Gesamtkohlenstoffgehalt des gesinterten Gegenstandes beträgt 1-2,0 Gew.-%. Daher kann ausreichend Kohlenstoffpulver, z. B. Graphit, zugegeben werden, um den gesinterten Legierungs-Ventileinsatz in diesen Bereich zu bringen.
Bevorzugt werden mindestens 0,3 Gew.-% an zusätzlichem Kohlenstoffpulver verwendet, da festgestellt wurde, daß dadurch die Sintertemperatur verringert werden kann, um die gewünschte Mindestdichte zu erzielen.
Die geeignete maximale Zugabe an freiem Kohlenstoff beträgt 0,8 Gew.-%, da sich die Bearbeitbarkeit des Gegenstandes bei Kohlenstoffzugabemengen oberhalb dieses Wertes aufgrund der Ausbildung kontinuierlicher Carbidnetzwerke in der Mikrostruktur während des Sinterns verschlechtert.
Die Zugabe von freiem Kohlenstoff zu dem Pulvergemisch bewirkt eine Erhöhung des Anteils an Carbiden in der Matrix und ermöglicht somit eine Verbesserung der Verschleißfestigkeitseigenschaften.
Der Grünling kann eine vergrößerte Vorform der endgültigen gesinterten Form sein.
Die Sintertemperatur liegt im Bereich von 1130ºC bis 1250ºC.
Die tatsächliche Temperatur und Sinterzeit hängen von der tatsächlichen Zusammensetzung und von der Sinterdichte, die erzielt werden soll, und insbesondere vom tatsächlichen Gehalt an freiem Kohlenstoff im ursprünglichen Pulvergemisch ab. Es wurde festgestellt, daß für eine bestimmte Gruppe von Parametern, zu der Variablen wie die gewünschte Sinterdichte, die Zusammensetzung des vorlegierten Pulvers, die Sinterzeit und die anfängliche Gründichte gehören, die Mindestsintertemperatur in einem umgekehrten Verhältnis zum ursprünglichen Gehalt des Pulvergemisches an freiem Kohlenstoff steht.
Ein wahlweiser Vorsinterschritt bei Temperaturen von bis zu 1120ºC kann eingesetzt werden, um beispielsweise Preßwachse zu entfernen und Verbindungen, wie gegebenenfalls vorhandenes, teilweise hydrolysiertes Mangansulfid, zu reduzieren, wobei Mangansulfidpulver als Bearbeitungshilfsmittel dem Pulvergemisch zugesetzt wird.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Teils des Kohlenstoffgehaltes durch Zugabe von freiem Kohlenstoff zu dem Pulvergemisch. Es wurde festgestellt, daß eine solche Zugabe die erforderliche Sintertemperatur verringert und den wirksamen Sintertemperaturbereich, in dem eine volle Verdichtung wirksam erzielt wird, erweitert. Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung steht, wie festgestellt wurde, ein Sintertemperaturbereich von etwa 50ºC, in dem die gewünschte Verdichtung nach dem Sintern erzielt werden kann, zur Verfügung, wodurch größere Flexibilität beim Sintervorgang ermöglicht wird und die Temperaturkontrolle im Ofen erheblich weniger kritisch ist.
Wie oben erwähnt, kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in einer herkömmlichen Produktionsanlage ausgeführt werden, ohne daß teure und verfeinerte Verfahren und Anlagen, wie z. B. Vakuumsintern, erforderlich wären. Insbesondere wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Verfahren unter ohne weiteres verfügbaren, kostengünstigen kontinuierlichen Gasatmosphären, wie z. B. Gemischen von Wasserstoff und Stickstoff, ausgeführt werden kann. Solche Gasatmosphären, die Stickstoff mit 5 bis 30 Volumen-% Wasserstoff umfassen, stellten sich bei der Herstellong von Gegenständen mit der erforderlichen hohen Qualität als voll zufriedenstellend heraus und führten, wie festgestellt wurde, in manchen Fällen sogar zu besseren Ergebnissen als dissoziierter Ammoniak, der 75 Volumen-% Wasserstoff enthält und üblicherweise auch verwendet wird, aber etwas teurer ist. Insbesondere wurde festgestellt, daß der Einsatz von Gasatmosphären, die nur 10 Volumen-% Wasserstoff enthalten, im Vergleich zu dissoziiertem Ammoniak zu einer erhöhten Dichte nach dem Sintern bei Temperaturen im Bereich von etwa 1130ºC bis etwa 1220ºC führte. Umgekehrt kann dieser vorteilhafte Effekt dazu genutzt werden, die Sintertemperatur im Bereich von 1130-1250ºC zu verringern, um jede vorgegebene Dichte von mehr als 95% der theoretischen Dichte zu erzielen und einen erweiterten Temperaturbereich zu erhalten, innerhalb dessen ein derartiges zufriedenstellendes Sintern erreicht werden kann.
Die Dichte des Grünlings nach einer anfänglichen monoaxialen Verdichtung kann auf weniger als 85% der vollen theoretischen Dichte begrenzt werden. Dadurch sind Verdichtungsdrücke möglich, die den normalerweise beim monoaxialen Pressen eingesetzten entsprechen.
Die Dichte des endgültigen gesinterten Ventilsitzeinsatzes beträgt vorzugsweise mehr als etwa 97% der vollen theoretischen Dichte. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, daß es aufgrund der Reaktionen, die zwischen den Bestandteilen während des Sinterverfahrens stattfinden, sehr schwierig ist, die volle theoretische Dichte genau vorherzusagen. Beispielsweise hat die Zugabe von Kohlenstoff als Graphitpulver nicht genau dieselbe Wirkung auf die Dichte, wie sie anhand der entsprechenden mathematischen Berechnung vorhergesagt werden kann, da die wirkliche Dichte durch die Legierung des Kohlenstoffs mit den anderen Bestandteilen des vorlegierten Pulvers, mit dem er vermischt wird, beeinflußt wird.
Ein weiterer besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß, obwohl ein hohes Maß an Schrumpfung während des Sinterschrittes erfolgt, das eine Verdichtung auf mehr als 95% der vollen theoretischen Dichte von der ursprünglichen Gründichte von weniger als 85% der Theorie verursacht, eine solche Schrumpfung, wie festgestellt wurde, in dem Sinterkörper überall im wesentlichen gleichmäßig war und im wesentlichen ohne Verzerrung erfolgte, wie diese üblicherweise bei Flüssigphasen-Sintermechanismen, wie den durch die Verwendung von Bor oder Phosphor in dem Material erzeugten, auftritt.
Der gesinterte Ventilsitzeinsatz kann nach dem Sintern wärmebehandelt werden, um zu einer vorwiegend perlitischen Struktur zu führen, die eine gleichmäßige Verteilung freier Carbide und Korngrenz-Carbide aufweist. Die Wärmebehandlung kann eine isotherme Umwandlung sein, die eine vorwiegend perlitische Mikrostruktur ergibt. Eine solche Struktur kann thermisch stabiler sein als z. B. eine Martensitmikrostruktur, um der Mikrostruktur eine erhöhte Stabilität von etwa weiteren 100ºC gegenüber hoher Temperatur zu verleihen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch den Schritt der Zugabe eines reaktiven Sinterhilfsmittels zu dem Pulvergemisch umfassen, um in dem gesinterten Material einen Bestandteil zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit auszubilden und möglicherweise das Material auch mit selbstschmierenden Eigenschaften auszustatten. Wie in der ebenfalls anhängigen internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB93/00380, auf die hiermit Bezug genommen wird, ausgeführt ist, können solche Zusätze ein oder mehrere Erdalkalimetallcarbonate und ein schwefelabgebendes Material, wie Molybdändisulfid, umfassen. Das Carbonat reagiert während des Sinterns mit dem Molybdändisulfid, um z. B. Magnesium- und/oder Calciumsulfidteilchen zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit zu bilden, während jeglicher Überschuß des Molybdändisulfids als fester Schmierstoff überall in der Struktur dispergiert bleibt. Das von dem Disulfid freigesetzte Molybdän diffundiert in die Struktur, um deren Eigenschaften zu verbessern.
Alternativ dazu kann das Pulvergemisch Zusätze von Verbindungen zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit des gesinterten Materials enthalten. Solche Zusätze können beispielsweise hochreines Mangansulfid umfassen.
Es wurde festgestellt, daß das pulvermetallurgische Verfahren im Vergleich zum Gußverfahren die Herstellung, z. B. eines Ventilsitzeinsatzes, der eine deutlich gleichmäßigere und feinere Struktur aufweist, die frei von der dem Gußverfahren innewohnenden Schrumpfungsporosität ist, und eine bessere Kontrolle der Größe und der Verteilung der Phasen ermöglicht. Ferner ist aufgrund der nahezu nicht vorhandenen Porosität, die typisch für pulvermetallurgische Teile mit niedrigerer Dichte ist, und durch die verbesserte Größe und Verteilung der harten Carbidphasen die Bearbeitbarkeit von Ventilsitzeinsätzen gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich verbessert. Die Bearbeitbarkeit kann durch Zugabe sorgfältig kontrollierter Phasen, die, wie oben ausgeführt, insbesondere zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit dienen, auch noch weiter verbessert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein gesinterter, auf Eisen basierender Legierungs-Gegenstand bereitgestellt, sofern dieser nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, wobei der Gegenstand eine Zusammensetzung aufweist, die in den folgenden Bereichen in Gew.-% liegt: Kohlenstoff 0,8-3 / Chrom 3-6 / Cobalt 5-10 / Vanadium 0,5-3 / Molybdän 6-11 / Silicium 0,3-2 / andere insgesamt maximal 2 / Rest Eisen und gegebenenfalls bis zu 3 Gew.-% Wolfram, wobei der Gegenstand eine Sinterdichte von mehr als 95% der vollen theoretischen Dichte der Legierung aufweist.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Gegenstand ein Ventilsitzeinsatz für einen Verbrennungsmotor.
Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung des gesinterten Gegenstandes mindestens 0,1 Gew.-% Wolfram.
Die Zusammensetzung des gesinterten Gegenstandes liegt bevorzugt in folgenden Bereichen in Gew.-%: Kohlenstoff 0,8-2 / Chrom 3-5 / Cobalt 6-9 / Vanadium 0,5-2,5 / Wolfram 0,5-2,5 / Molybdän 7-10 I Silicium 0,3-1,51 andere insgesamt maximal 2 / Rest Eisen.
Besonders bevorzugt weist der gesinterte Gegenstand eine Zusammensetzung auf, die in folgenden Bereichen in Gew.-% liegt: Kohlenstoff 1-2,0 / Chrom 3-4,25 / Cobalt 7,5-8,5 / Vanadium 1-1,3 / Wolfram 1-2 / Molybdän 9-10 / Silicium 0,3-1,51 andere insgesamt maximal 2 / Rest Eisen. Die Dichte des gesinterten Gegenstandes beträgt vorzugsweise mehr als 97% der vollen theoretischen Dichte.
Die Mikrostruktur des Gegenstandes kann Bainit oder Martensit umfassen, vorzugsweise jedoch kann die Mikrostruktur vorwiegend Perlit umfassen.
Die Härte des fertigen Gegenstandes kann, abhängig von der Mikrostruktur, im Bereich von 20 bis 70 HRC liegen. Vorzugsweise kann die Härte eines Ventilsitzes im Bereich von 35 bis 45 HRC liegen.
Der gesinterte Gegenstand der vorliegenden Erfindung weist im Vergleich zu gegossenen Ventilsitzstrukturen eine relativ gleichmäßige Verteilung freier Carbide auf. Die freien Carbide verfügen, verglichen mit gegossenen Ventilsitzen, außerdem über eine engere Größenverteilung. Typischerweise können die freien Carbide gesinterter Ventilsitze gemäß der vorliegenden Erfindung im Größenbereich von 1 um bis 10 um liegen. Die freien Carbide gegossener Ventilsitze liegen üblicherweise im Größenbereich von 5 um bis 40 um und haben im allgemeinen eine deutlich größere mittlere Größe.
Damit die vorliegende Erfindung noch besser verständlich wird, werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen lediglich zur Veranschaulichung dienende Beispiele beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Kurve der Mindesttemperatur zum Sintern bis zu einem Dichteniveau von mehr als 95% der Theorie für Zusammensetzungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden;
Fig. 2 eine Kurve der Sinterdichte gegenüber der Sintertemperatur für Ventilsitzzusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Histogramm der Raumtemperaturhärte von gerade gesinterten und wärmebehandelten Ventilsitzen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Kurve der Härte gegenüber der Versuchstemperatur für wärmebehandeltes Ventilsitzmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Kurve der Druckfestigkeit von wärmebehandeltem Material gegenüber der Testtemperatur;
Fig. 6 eine Kurve des Effektes der Zugabe von freiem Kohlenstoff auf die Bearbeitbarkeit; und
Fig. 7 eine Kurve des Effektes einer Sintergasatmosphäre auf die Sintertemperatur und -dichte. Ein auf Eisen basierendes Vorlegierungspulver mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.-%:
Kohlenstoff 1,1 / Chrom 3,9 / Cobalt 7,9 / Vanadium 1,2 / Wolfram 1,7 / Molybdän 9,4 / Silicium 0,7 / Rest Eisen wurde durch Zerstäuben einer Schmelze und anschließendes Glühen, um ein verdichtbares Pulver zu erhalten, hergestellt.

Beispiel 1

Ein Vorlegierungspulver der oben beschriebenen Zusammensetzung wurde mit 0,5 Gew.-% Kohlenstoff und 0,5 Gew.-% Mangansulfid vermischt.

Beispiel 2

Ein Vorlegierungspulver der oben beschriebenen Zusammensetzung wurde mit 0,5 Gew.-% Kohlenstoff und 1 Gew.-% Mangansulfid vermischt.

Beispiel 3

Ein Vorlegierungspulver der oben beschriebenen Zusammensetzung wurde mit 0,5 Gew.-% Mangansulfid als Kontrollmaterial vermischt, um den Effekt von zusätzlichem Kohlenstoffpulver in Beispiel 1 zu demonstrieren.

Beispiel 4

Ein Vorlegierungspulver der oben beschriebenen Zusammensetzung wurde mit 1 Gew.-% Mangansulfid als Kontrollmaterial, um den Effekt von zusätzlichem Kohlenstoffpulver in Beispiel 2 zu zeigen, vermischt.

Beispiel 5

Ein Vorlegierungspulver der oben beschriebenen Zusammensetzung wurde mit 0,25 Gew.-% Kohlenstoff und 0,5 Gew.-% Mangansulfid vermischt.

Beispiel 6

Ein Vorlegierungspulver der oben beschriebenen Zusammensetzung wurde mit 0,75 Gew.-% Kohlenstoff und 0,5 Gew.-% Mangansulfid, vermischt.
Die obigen Beispiele wurden alle mit 1 Gew.-% eines Schmierwachses vermischt, um das Pressen zu unterstützen. Man preßte ringförmige Proben einer nominalen Größe mit einem Außendurchmesser von 43 mm und einem Innendurchmesser von 29 mm bei verschiedenen Temperaturen unter Stickstoff/Wasserstoff-Atmosphäre in einem Ofen vom Schwingbalken-Typ. Einige gesinterte Proben wurden auch wärmebehandelt, um ihre Struktur in Perlit- oder Perlit-/Bainit-Strukturen umzuwandeln. Man führte verschiedene Versuche an den gesinterten und sowohl gesinterten als auch wärmebehandelten Proben durch, einschließlich Messungen zur Bestimmung der Dimensionskontrolle und der Dichte, der Druckfestigkeit als Funktion der Versuchstemperatur, der Härte bei Raumtemperatur und der Härte bei einer erhöhten Temperatur.
Die Ergebnisse der verschiedenen Versuche bezüglich der mechanischen und physikalischen Eigenschaften sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Zugabe von 0,5 Gew.-% Kohlenstoff die erforderliche Sintertemperatur um etwa 75ºC auf ein praktikableres Niveau von etwa 1175ºC senkt. Die Einführung eines Teils des Kohlenstoffbedarfs als getrennte Zugabe von Graphitpulver zu dem gemischten Pulver trägt außerdem zu einer verbesserten Verdichtbarkeit und zur Bildung von Carbiden in der Matrix bei.
Fig. 2 zeigt die genauen Verdichtungskurven für die gemäß den Beispielen 1, 3, 5 und 6 hergestellten Materialien. Aus Fig. 2 ist die Wirkung der Erhöhung der Zugabe an freiem Kohlenstoff von Null auf 0,75 Gew.-% auf die Sintertemperatur, um mehr als 95% der vollen theoretischen Dichte zu erzielen, ersichtlich. Aus der Kurve geht hervor, daß eine volle Verdichtung mit zunehmendem Gehalt an freiem Kohlenstoff bei niedrigeren Sintertemperaturen und über einen breiteren Sintertemperaturbereich erzielt werden kann.
Fig. 3 stellt ein Histogramm der Zimmtertemperaturhärte nach den Beispielen 1, 2, 3 und 4 im gerade gesinterten und im gesinterten und wärmebehandelten Zustand dar. Wie man sehen kann, verbessert die Zugabe von 0,5 Gew.-% Kohlenstoff die Raumtemperaturhärte des wärmebehandelten Materials erheblich, insbesondere innerhalb des für Ventilsitzeinsätze bevorzugten Härtebereichs von 35 HRC bis 45 HRC. Die Härte des Materials wird aufgrund der Ausbildung der Perlitstruktur durch die Wärmebehandlung verringert.
Fig. 4 zeigt die Warmhärte-Werte für die wärmebehandelten Beispiele 1, 3, 5 und 6 bei den angegebenen Temperaturen. Es ist ersichtlich, daß das Material mit zusätzlichem Kohlenstoff höhere Härtewerte beibehält und daß die Härte mit zunehmendem zusätzlichem Kohlenstoff von zwischen 300ºC und 500ºC bei einem höheren Wert gehalten wird.
Die Prüfdruckfestigkeiten sind in Fig. 5 dargestellt, wobei der Effekt des zusätzlichen Kohlenstoffs erneut darin besteht, daß die Materialeigenschaften besonders bei erhöhten Temperaturen verbessert werden.
Fig. 6 zeigt den Effekt von zusätzlichem Kohlenstoff auf die Bearbeitbarkeit von Materialien mit einer konstanten Zugabe von 0,5 Gew.-% Mangansulfid.
Fig. 7 stellt die Wirkung der Verdichtung während des Sinterns des Materials aus Beispiel 1 unter zwei verschiedenen Atmosphären dar, die 10 Volumen-% bzw. 75 Volumen-% Wasserstoff aufweisen. Bei niedrigeren Sintertemperaturen wird mit der Atmosphäre, die weniger Wasserstoff auweist, eine raschere Verdichtung erzielt als unter dissoziiertem Ammoniak.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Gegenstandes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Mischen eines vorlegierten Eisenpulvers mit einer Zusammensetzung in den folgenden Bereichen in Gew.-%: Kohlenstoff 0,7-2, 7 / Chrom 3-6 / Cobalt 5-10 / Vanadium 0,5-3 / Molybdän 6-11 / Silicium 0,3-2 / andere insgesamt maximal 2 / Rest Eisen und gegebenenfalls bis zu 3 Gew.-% Wolfram, mit einer Zugabe von Kohlenstoffpulver von wenigstens 0,25 Gew.-%, Verdichten des Pulvergemisches durch monoaxiales Pressen, um einen Grünling zu bilden, Fördern dieses Grünlings durch einen kontinuierlichen Sinterofen unter einer kontinuierlichen Gasatmosphäre, die ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff aufweist, wobei der Wasserstoffgehalt bis zu 30 Vol-% beträgt, bei im wesentlichen atmosphärischem Druck, wobei der Sinterofen eine Temperatur im Bereich von 1130ºC bis 1250ºC aufweist, um einen gesinterten Gegenstand mit einer Enddichte von mehr als 95% der theoretischen Dichte herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das vorlegierte Pulver mindestens 0,1 Gew.-% Wolfram enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Zusammensetzung des vorlegierten Pulvers in folgenden Bereichen in Gew.-% liegt: Kohlenstoff 0,7-1, 6 / Chrom 3-4, 25 / Cobalt 795-8,5 / Vanadium 1-1,3 / Wolfram 1-2 / Molybdän 9-10 / Silicium 0,3-1,5 / andere insgesamt maximal 2 / Rest Eisen.

4. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Gesamtkohlenstoffgehalt des gesinterten Gegenstandes 1-2,0 Gew.-% beträgt.

5. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Pulvergemisch mindestens 0,3 Gew.-% an zusätzlichem Kohlenstoffpulver enthält.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die maximale Zugabe an freiem Kohlenstoff 0,8 Gew.-% beträgt.

7. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, das weiterhin einen Vorsinter-Schritt bei Temperaturen von bis zu 1120ºC umfaßt.

8. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Gasatmosphäre 4 bis 30 Volumen-% Wasserstoff aufweist.

9. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Gründichte des Gegenstands weniger als 85% der theoretischen Dichte beträgt.

10. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Dichte des fertigen gesinterten Gegenstandes mehr als etwa 97% der vollen theoretischen Dichte beträgt.

11. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, das ferner den Schritt einer Wärmebehandlung des Gegenstandes nach dem Sintern umfaßt, um eine vorwiegend perlitische Struktur zu bilden, in der freie Carbide gleichmäßig verteilt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Wärmebehandlung eine isotherme Wärmebehandlung ist.

13. Gesinterter, auf Eisen basierender Legierungs-Gegenstand, sofern dieser nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche 1 bis 12 hergestellt ist, wobei der Gegenstand eine Zusammensetzung aufweist, die in den folgenden Bereichen in Gew.-% liegt: Kohlenstoff 0,8-3 / Chrom 3-6 / Cobalt 5-10 / Vanadium 0,5-3 / Molybdän 6-11 / Silicium 0,3-2 / andere insgesamt maximal 2 / Rest Eisen und gegebenenfalls bis zu 3 Gew.-% Wolfram, wobei der Gegenstand eine Sinterdichte von mehr als 95% der vollen theoretischen Dichte der Legierung aufweist.

14. Gesinterter Gegenstand nach Anspruch 13, der ferner mindestens 0,1 Gew.-% Wolfram umfaßt.

15. Gesinterter Gegenstand nach Anspruch 13 oder Anspruch 15, bei dem die Mikrostruktur freie Carbide in einem Größenbereich von 1 um bis 10 um enthält.

16. Gesinterter Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15 mit einer Härte von 20 HRC bis 70 HRC.

17. Gesinterter Gegenstand nach Anspruch 16 mit einer Härte von 35 HRC bis 45 HRC.

18. Gesinterter Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17, bei dem der gesinterte Gegenstand ein Ventilsitzeinsatz für einen Verbrennungsmotor ist.