DE3785746T2

DE3785746T2 - Abriebfeste, gesinterte legierung und deren herstellung.

Info

Publication number: DE3785746T2
Application number: DE87904565T
Authority: DE
Inventors: Naoki Motooka
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-07-14
Filing date: 1987-07-14
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2007-07-15
Also published as: WO1988000621A1; EP0277239A4; DE3785746D1; EP0277239A1; US4915735A; EP0277239B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine abriebsbeständige Sinterlegierung und ein Verfahren zu deren Herstellung und mehr besonders betrifft sie ein Material für Teile, die eine Wärmeresistenz und Abnutzresistenz aufweisen müssen, beispielsweise Ventilsitzeinsätze für Verbrennungskraftmaschinen.
Im allgemeinen müssen Ventilsitzeinsätze für Verbrennungskraftmaschinen eine hohe Abnutzresistenz und hohe Wärmeresistenz aufweisen. Aus diesem Grund wurden Sinterlegierungen als ein Material für die Ventilsitzeinsätze in großem Umfang verwendet, da es eine große Auswahl von Materialien gibt, und da diese Sinterlegierungen es einfach machen, Ventilsitzeinsätze mit ausgezeichneten Leistungen herzustellen. Die meisten Sinterlegierungen der Art enthalten Eisen als die Hauptkomponente und weisen eine Struktur auf, worin ein hartes Metall wie Fe-Mo Legierungen in der Perlitmatrix dispergiert ist. Bei diesen Sinterlegierungen werden die Stärke und die Wärmeresistenz durch das Matrixmetall gegeben, während die Abnutzresistenz durch die dispergierte harte Legierung gegeben wird. Wenn die Sinterlegierung höhere Eigenschaften aufweisen muß, wird die Dichte der Sinterlegierung durch Kupferinfiltration oder - schmieden vor der Verwendung erhöht.
Seit kurzem erhöht sich die Nachfrage nach einer höheren Abnutzresistenz und Wärmeresistenz der Ventilsitzeinsätze, weil die Verbrennungskraftmaschinen in Bezug auf die Leistung verbessert sind. Es ist jedoch mit den Sinterlegierungen des Standes der Technik schwierig, derartige Erfordernisse zu erfüllen.
Schnelldrehstähle werden als ein Material angesehen, das derartige Bedürfnisse erfüllen kann. Obwohl die Schnelldrehstähle ausgezeichnet im Hinblick auf die Abnutzresistenz und die Wärmeresistenz sind, gibt es einige Probleme, daß sie bei der Bearbeitung Schwierigkeiten aufweisen und daß hohe Materialkosten verursacht werden, da sie die Verwendung von teuren Elementen erfordern.
In der Patentgazette von JP-B-58-39222 oder JP-A-61-52347 wird eine Sinterlegierung mit hohem Cr-Gehalt und mit einer hohen Dichte, die durch Flüssigsintern erhöht ist, und die Cr-Carbid, das in der Matrix dispergiert ist, als eine billige abnutzbeständige Legierung im Vergleich zu den Schnellstählen beschrieben.
Die Erfinder und andere Miterfinder schlugen in den Beschreibungen der Patentanmeldungen JP-A-61-561 und JP-A-61-505 Ventilsitzeinsätze mit einer doppelschichtigen Konstruktion vor, wobei zwei Schichten eine voneinander unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Weiterhin schlugen wir einen Ventilsitzeinsatz , der mit Kupfer infiltriert ist, in den Beschreibungen der Patentanmeldungen JP-A-60-13062 und JP-A-60-13055 vor.
Die oben genannten Sinterlegierungen mit hohem Cr-Gehalt sind ausgezeichnet im Hinblick auf die Resistenz gegen die Abrollabnutzung und die Resistenz gegen den Kratzverschleiß aber ihre Funktionen sind im Hinblick auf die Resistenz gegen den Gleitverschleiß unzureichend. Somit sind sie für die Teile ungeeignet, bei denen nicht nur die Abrollabnutzung, sondern ebenfalls der Gleitverschleiß erfolgt, beispielsweise Ventilsitzeinsätze, da sie eine unzureichende Abriebbeständigkeit aufweisen.
Von den Untersuchungen im Hinblick auf den Grund, warum die Sinterlegierungen mit hohem Cr-Gehalt mit einer-ausreichenden Gleitverschleißresistenz nicht erhalten können, wurde klar, daß die Sinterlegierung mit hohem Cr-Gehalt, die C enthält, im allgemeinen in dem Bereich gesintert wird, wo eine flüssige Phase und eine feste Phase koexistieren und ein hartes Cr-Carbid bildet, von dem erwartet wird, daß es zu der Verbesserung der Abriebbeständigkeit beiträgt, aber das Cr- Carbid, das in der Fe-Cr-C-Sinterlegierung gebildet wird, weist eine kleine Teilchengröße von nicht mehr als 20 um auf, wodurch es unmöglich gemacht wird, eine ausreichend hohe Abriebbeständigkeit zu erhalten. Als ein Verfahren zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit wird daher angesehen, das Kornwachstum des zu bildenden Cr-Carbides in der Matrix durch Verwendung einer höheren Sintertemperatur oder Anwendung einer längeren Sinterzeit zu fördern. Jedoch wurde es ebenfalls klar, daß dieses Mittel dem Kornwachstum Schranken setzt und zur Verminderung der Stärke der Matrix führt.
Auf der anderen Seite beinhalten die Ventilsitzeinsätze mit einer Doppelstruktur komplexe Herstellungsschritte, durch die es unmöglich gemacht wird, die Herstellung teurer Produkte zu verhindern.
Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, die oben genannten Probleme zu lösen, die die Sinterlegierungen mit hohem Cr-Gehalt aufweisen, um dadurch eine abriebbeständige Sinterlegierung zur Verfügung zu stellen, die nicht nur eine ausgezeichnete Abroll-Verschleißresistenz, sondern ebenfalls eine ausgezeichnete Gleitverschleißresistenz aufweist und die leicht herzustellen ist.
Das oben genannte Ziel dieser Erfindung wird erzielt durch Einfügen eines Hartmetallpulvers in eine Fe-Cr-C-Sinterlegierung, das selbst in dem Temperaturbereich stabil ist, bei dem eine flüssige Phase in der Fe-Cr-C-Sinterlegierung erzeugt wird und das in der Matrix nicht schmilzt, zur Verbesserung der Gleitabriebsbeständigkeit, ohne daß die hohe Abroll-Abnutzbeständigkeit und die thermische Stärke, die die Fe-C-Sinterlegierung aufweist, erniedrigt werden.
Entsprechend dieser Erfindung wird eine abriebbeständige Sinterlegierung zur Verfügung gestellt, umfassend eine Legierungsmatrix auf Eisenbasis, bestehend aus 10 bis 20 Gew.-% Cr, 1,5 bis 3,5 Gew.-% C, wobei der Rest Eisen ist, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 3 Gew.% CaF&sub2; und 5 bis 20 Gew.-% eines Hartmetallpulvers, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, mit der Teilchengröße von 44 bis 150 um und einem Mittelwert der Vicker-Härte von 800 bis 2000 in die Legierungsmatrix auf Eisenbasis dispergiert sind.
Erfindungsgemäß wird auch eine abriebbeständige Sinterlegierung zur Verfügung gestellt, umfassend eine Legierungsmatrix auf Eisenbasis, bestehend aus 10 bis 20 Gew.% Cr, 1,5 bis 3,5 Gew.% C, 1 bis 5 Gew.% von zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co und Ni, wobei der Rest Eisen ist, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 3 Gew.% CaF&sub2; und 5 bis 20 Gew.% eines Hartmetallpulvers, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, mit einer Teilchengröße von 44 bis 150 um und einem Mittelwert der Vicker-Härte von 800 bis 2000 in die Legierungsmatrix auf Eisenbasis dispergiert sind.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine abriebbeständige Sinterlegierung zur Verfügung gestellt, umfassend eine Legierungsmatrix auf Eisenbasis, bestehend aus 10 bis 20 Gew.% Cr, 1,5 bis 3,5 Gew.% C, 1 bis 5 Gew.% von zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co und Ni, 1 bis 5 Gew.% von einem oder zwei Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mo, Nb, W und V, wobei der Rest Eisen ist, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 3 Gew.% CaF&sub2; und 5 bis 20 Gew.% eines Hartmetallpulvers, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, mit der Teilchengröße von 44 bis 150 um und einem Mittelwert der Vicker-Härte von 800 bis 2000 in der Legierungsmatrix auf Eisenbasis dispergiert sind.
Erfindungsgemäß kann die oben erwähnte abriebbeständige Sinterlegierung durch ein Verfahren hergestellt werden, umfassend die folgenden Schritte: Zugabe von 1,2 bis 2 Gew.-% Kohlenstoffpulver, 0,5 bis 3 Gew.% Kalziumfluoridpulver und 5 bis 20 Gew.% eines Hartmetallpulvers mit der Teilchengröße von 44 bis 150 um und einem Mittelwert der Vicker-Härte von 800 bis 2000, zu einem Legierungspulver auf Basis von Fe-Cr-C, umfassend 10 bis 20 Gew.% Cr und 0,8 bis 1,5 Gew.% C, vermischen dieser Komponenten, Formen des resultierenden, Vermischten Pulvers in eine gewünschte Form und anschließendes Sintern des Preßkörpers in dem Temperaturbereich von 1180 bis 1260ºC in einer nicht oxidierenden Atmosphäre.
Erfindungsgemäß bezieht sich der Ausdruck "Legierung auf Basis von Fe-Cr-C" auf eine Legierung auf Eisenbasis, bestehend aus 10 bis 20 Gew.% Cr, 1,5 bis 3,5 Gew.% C, wobei der Rest Eisen ist; und eine Legierung, die entsprechend den Bedürfnissen weiterhin 1 bis 5 Gew.% von zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co und Ni, oder 1 bis 5 Gew.% von zumindest einem Element aus der Gruppe, die sich aus Co und Ni zusammensetzt, und 1 bis 5 Gew.% von einem oder zwei Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mo, Nb, W und V, enthält, die zu der Matrix zusätzlich zu den oben genannten Komponenten zugegeben werden.
Die oben angegebenen Legierungselemente, d. h. zumindest ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co und Ni, oder zumindest ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co und Ni und zumindest ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mo, Nb, W und V, können zu der Mischung zugegeben werden, wenn die abriebbeständige Sinterlegierung erzeugt wird. Alternativ können diese Legierungselemente in die Legierung auf Eisenbasis eingefügt werden, die aus 10 bis 20 Gew.% Cr, 1,5 bis 3,5 Gew.% C, Rest Eisen, besteht, und zwar vor der Herstellung des gemischten Pulvers für die Sinterlegierung.
Die Erläuterung der Gründe, warum die abriebbeständige Sinterlegierung gemäß dieser Erfindung auf die Zusammensetzung begrenzt ist, die innerhalb des oben angegebenen Bereiches fällt, und gleichzeitig im Hinblick auf die Funktionen der jeweiligen Komponenten wird nachfolgend angegeben.

(1) Fe-Cr-C-Legierungspulver

Cr verbessert die Wärmeresistenzstärke der Metallmatrix und bildet mit C ein Carbid zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit. Wenn der Cr-Gehalt weniger als 10 Gew.-% ist, können die Abriebbeständigkeit und die Wärmeresistenz nicht zufriedenstellend verbessert werden. Wenn die Zugabemenge an Cr mehr als 20 Gew.% ausmacht, werden die Wirkungen davon zufriedenstellend und die Zugabe verursacht die Bildung einer weichen sigma-Phase von Fe-Cr. Aus diesen Gründen wurde der Bereich des Cr-Gehalten auf 10 bis 20 Gew.% beschränkt.
C ist ein Element, das nicht nur zur Verstärkung der Matrix und zur Bildung des Cr-Carbides, sondern ebenfalls zur Bildung einer flüssigen Phase erforderlich ist, die sich aus drei Elementen zusammensetzt, nämlich Fe, Cr und C, zur Erhöhung der Dichte der Sinterlegierung durch das Flüssigphasensintern. Die Menge an C, die für die Metallmatrix erforderlich ist, beträgt 1,5 bis 3,5 Gew.%. Wenn der Gehalt an C weniger als 1,5 Gew.% ist, ist dies für die Verbesserung der Stärke und der Abnutzresistenz, die aus der Bildung von Cr-Carbid resultiert, unzureichend. Wenn die zugegebene Menge an C mehr als 1,5 Gew.-% ausmacht, verursacht dies die Bildung einer beachtlichen Menge an Cr-Carbid mit einer M&sub2;C Struktur niedriger Härte, was zur Erniedrigung der Abriebbeständigkeit führt. Aus diesen Gründen wurden der Gehalt an C auf den oben erwähnten Bereich beschränkt.
Es ist bevorzugt, daß ein Teil des C-Gehaltes, d. h. 0,8 bis 1,5 Gew.% an C, in dem Legierungspulver auf Eisenbasis enthalten ist, das als ein Material für die Matrix verwendet wird, wenn die abriebbeständige Sinterlegierung erzeugt wird. Wenn das gesamte, zuzugebende C in der Form eines Pulvers verwendet wird, besteht die Gefahr der Bildung von Porösitäten in der Sinterlegierung, da die Segregation von C stattfindet. Weiterhin, wenn der Gehalt an C, der in der Fe- Cr-C-Legierung enthalten ist, weniger als 0,5 Gew.% ist, erfolgt keine Wirkung, Kohlenstoff an der Segregation zu hindern, da auch eine Menge an dem zuzugebenden C-Pulver erhöht wird. Wenn der Gehalt an C mehr als 1,5 Gew.% ausmacht, wird die Härte des Legierungspulvers auf Eisenbasis beachtlich hoch, was zur Erniedrigung der Kompressionsfähigkeit des Pulvers führt. Somit ist der Gehalt an C in der Legierung auf Eisenbasis auf 0,8 bis 1,5 Gew.% begrenzt. Die verbleibende Menge an C wird zu der Mischung der Sinterlegierung in der Form eines C-Pulvers zugegeben, so daß die Gesamtmenge in der Sinterlegierung 1,5 bis 3,5 Gew.% ausmacht.

(2) CaF&sub2; (Kalziumfluorid)

CaF&sub2; mit einer selbstschmierenden Eigenschaft trägt beachtlich zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit bei und weist eine Wirkung auf die Verbesserung der Bearbeitungseigenschaften auf. Wenn die Zugabemenge an CaF&sub2; weniger als 0,5 Gew.% ist, weist die Zugabe eine geringe Wirkung auf. Wenn die zugegebene Menge von CaF&sub2; mehr als 3 Gew.% ausmacht, wird die Stärke erniedrigt. Aus diesen Gründen wurde der Bereich des CaF&sub2;-Gehaltes auf 0,5 bis 3,0 Gew.% begrenzt. Es ist bevorzugt, daß CaF&sub2; eine Teilchengröße von weniger als 149 um aufweist, und zwar aus den folgenden Gründen. Wenn die Teilchengröße von CaF&sub2; mehr als 149 um ist, trägt seine Zugabe zur Verbesserung bei der Abriebbeständigkeit bei, aber die Stärke, insbesondere die Resistenz gegen Thermoschock wird beachtlich erniedrigt.
Co und Ni bilden beide eine feste Lösung mit der Matrix und tragen zur Verbesserung der Resistenz gegen Thermoschock und bei der Zähigkeit bei. Somit werden diese Elemente zu der Matrix zugegeben, wenn die Sinterlegierung als ein Material für Ventilsitzeinsätze verwendet werden soll, bei denen es insbesondere erforderlich ist, daß sie eine Resistenz gegen Thermoschocks aufweisen. Co und Ni können zu der Matrix alleine oder in Kombination zugegeben werden. Wenn die Zugabemenge an Co und/oder Ni weniger als 1 Gew.% ist, können ausreichende Wirkungen nicht erzielt werden. Wenn die Zugabemenge dieser Elemente mehr als 5 Gew.% ist, können weitere Verbesserungen nicht erhalten werden, da die Sättigung der Wirkungen stattfindet. Somit wurde die Zugabemenge dieser Elemente auf 1 bis 5 Gew.% vom ökonomischen Gesichtspunkt her begrenzt.
Alle Elemente Mo, Nb, W und bzw. V bilden feine Carbide und weisen eine Wirkung im Hinblick auf die Verbesserung der Härte und der Stärke bei erhöhten Temperaturen auf. Das Legierungselement, das aus der Gruppe ausgewählt werden soll, die aus Mo, Nb, W und V besteht, kann alleine oder in Kombination mit einem oder mehreren Elementen verwendet werden. Wenn die Zugabemenge dieser Elemente weniger als 1 Gew.-% ist, ist die Wirkung dieser Zugabe gering. Wenn die zugegebene Menge dieser Elemente mehr als 5 Gew.% ist, wird eine Abnahme der Bearbeitungseigenschaften und der Zähigkeit verursacht. Aus diesen Gründen wurde der Gehalt an diesen Legierungselementen auf 1 bis 5 Gew.% begrenzt.

(3) Harte Teilchen

Die harten Teilchen werden in die Matrix zur Verbesserung der Gleitverschleißresistenz eingefügt. Wenn jedoch ihre Vicker- Härte (Mittelwert) weniger als 800 ist, weisen diese eine geringe Wirkung auf die Verbesserung der Gleitverschleißresistenz auf. Wenn die Vicker-Härte mehr als 2000 ist, sichern die harten Teile die Form, wenn das Pulver gepreßt wird, was zu einer beachtlichen Erhöhung des Abriebes der Form führt. Aus diesen Gründen wurde die Vicker-Härte der harten Teilchen auf 800 bis 2000 beschränkt. Es muß bemerkt werden, daß die Vicker-Härte des harten Teilchens nicht unqualifiziert bestimmt werden kann, da die Abriebbeständigkeit der Ventilsitzeinsätze entsprechend einem gegenüberliegenden Teil bestimmt werden muß, mit dem der Ventilsitzeinsatz in Kontakt gelangt. Wenn jedoch das gegenüberliegende Teil aus einem weichen Material ist, ist es jedoch bevorzugt, harte Teilchen mit der Vicker-Härte von nicht mehr als 1500 zu verwenden. Wenn das gegenüberliegende Teil aus einem harten Material ist, ist es bevorzugt, harte Metallteilchen mit der Vicker-Härte von 1500 bis 2000 zu verwenden. In einigen Fällen können die oben genannten harten Teilchen eine Multi-Phasen-Innenstruktur aufweisen. In einem solchen Fall bedeutet die Vicker-Härte einen Mittelwert des inneren Teils der Teilchen.
Weiterhin sind die zu verwendenden Teilchen solche, die eine derartige Teilchengröße aufweisen, daß sie durch ein 100 Mesh Sieb, definiert gemäß ASTM, passen, aber daß sie nicht durch ein 325 Mesh-Sieb passen, genauer ausgedrückt solche mit einer Teilchengröße von 44 bis 150 um. Ist die Teilchengröße weniger als 44 um, weisen sie eine geringe Wirkung auf die Verbesserung der Gleitverschleißresistenz auf. Wenn das harte Teilchen eine Teilchengröße von mehr als 150 um aufweist, verursacht die Zugabe davon die Erniedrigung der Formeigenschaften und des Kompressionsvermögens des gemischten Pulvers aus Ausgangsmaterialien und führt zur Erniedrigung der Stärke und der Bearbeitungseigenschaften der Sinterlegierung. Ebenso ist es bevorzugt, die harten Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße in dem Bereich von 70 bis 120 um aus den folgenden Gründen zu verwenden. Wenn die mittlere Teilchengröße größer als 70 um ist, können vorteilhafte Ergebnisse nicht erzielt werden. Wenn die mittlere Teilchengröße mehr als 120 um ausmacht, verursacht dies eine Erniedrigung der Formcharakteristiken und der Kompressionsfähigkeit des gemischten Pulvers aus den Ausgangsmaterialien und gleichzeitig eine Erniedrigung der Stärke und der Bearbeitungseigenschaften der Sinterlegierung.
Die oben genannten harten Teilchen werden zu der Matrix in der Form eines Hartmetallpulvers zugegeben, wenn die Sinterlegierung erzeugt wird. Die wichtigsten Eigenschaften, die für das Hartmetallpulver erforderlich sind, liegen darin, daß sie in dem Temperaturbereich von 1180 bis 1260ºC stabil sind und daß sie in der Matrix nicht schmelzen.
Als das Hartmetallpulver, das derartigen Erfordernissen genügt, ist ein Pulver aus einem Fe-Cr-C Hartmetall bevorzugt, das aus 50 bis 70 Gew.% Cr, 5 bis 10 Gew.% C, nicht mehr als 1 Gew.% Si mit dem Rest Eisen besteht. Das Hartmetall in dem oben angegebenen Bereich weist eine einzelne Struktur auf und besitzt die Vicker-Härte von 800 bis 2000. Dieses Hartmetall trägt zur Verbesserung bei der Gleitverschleißresistenz bei und ist stabil, selbst bei Sintertemperaturen in dem oben angegebenen Bereich.
Es ist bevorzugt, daß die abriebbeständige Sinterlegierung entsprechend dieser Erfindung eine solche Dichte aufweist, daß ihr Dichteverhältnis nicht weniger als 95% ausmacht. Denn wenn das Dichteverhältnis weniger als 95% ist, verursacht dies eine Erniedrigung der Stärke und der Abroll- Verschleißresistenz aufgrund der Erhöhung der Porösität.
Weiterhin, wenn die oben genannte abriebbeständige Sinterlegierung erzeugt wird, sollte die Legierung vorzugsweise bei einer Temperatur in dem Bereich von 1180 bis 1260ºC aus den folgenden Gründen gesintert werden. Wenn die Sintertemperatur weniger als 1180ºC ist, kann eine hohe Stärke aufgrund der unzureichenden Sinterung nicht erzielt werden. Wenn die Sintertemperatur mehr als 1260ºC ausmacht, verursacht dies die Bildung einer beachtlichen Menge an flüssiger Phase, was es unmöglich macht, die Form des Preßlings weiter beizubehalten. Zusätzlich muß die Sinteratmosphäre eine nicht oxidierende Atmosphäre sein, da eine große Menge an Cr als eine Komponente für die Sinterlegierung enthalten ist.
Diese Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Beispiele weiter erläutert.

Beispiel 1

Als ein Ausgangsmaterialpulver für die Matrix wurden Pulver von Legierungen hergestellt, die jeweils die in Tabelle 1 gezeigte Zusammensetzung aufweisen. Alle Legierungspulver wurden durch Atomisierung hergestellt. Jedem Legierungspulver wurden CaF&sub2;-Pulver, Graphitpulver und Hartmetallpulver in den vorher bestimmten Verhältnissen zugegeben, zur Herstellung einer Sinterlegierung mit einer Zusammensetzung, die in Tabelle 2 gezeigt ist.
Zusätzlich wurden 0,8 Gew.% Zinkstearat als ein Schmiermittelmaterial zusätzlich zu der Zusammensetzung zu der resultierenden Mischung zugegeben. Das resultierende vermischte Pulver wurde zu Ringen und Vierkantmaterialien unter einem Druck von 6,87 MPa (7 t/cm²) kompressionsgeformt und dann bei einer Temperatur von 1200 bis 1250ºC für eine Dauer von 60 Minuten in einer nicht oxidierenden Atmosphäre gesintert.
Die Pulver an CaF&sub2; und das in dem Beispiel verwendete Hartmetall weisen eine mittlere Teilchengröße von nicht mehr als 149 um auf. Zugleich wurden Sinterkörper unter Verwendung von Pulvern aus CaF&sub2; und harten Legierungen mit der mittleren Teilchengröße von mehr als 149 um unter den gleichen Bedingungen hergestellt. Die Zusammensetzungen der resultierenden Sinterlegierungen sind ebenfalls in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 1

Zusammensetzung des Legierungspulvers (Gew.%)

A Fe-17%Cr-1%C
B Fe-13%Cr-1%C
C Fe-13%Cr-1%Co-1%C
D Fe-13%Cr-2%Ni-1%C
E Fe-13%Cr-2%Co-1%Mo-1%Nb-1%C
F Fe-13%Cr-1%Co-1%Ni-1%W-1%V-1%C Tabelle 2 Zusammensetzung der Matrixlegierung Hartlegierung Erfindung Ausgleich Vergleichsmaterial
Um die Stärke der resultierenden Sinterlegierungen zu bestimmen, wurde mit den Sinterkörpern des Rings eine Messung der radialen Brechstärke durchgeführt. Die Messungen wurden unter zwei Bedingungen durchgeführt, das heißt bei Raumtemperatur und bei 500ºC, um die Wärmeresistenzstärke zu bestimmen.
Auf der anderen Seite wurde unter Verwendung der Sinterkörper aus dem Vierkantmaterial die spezifische Abriebtiefe durch den Ohgoshi-Abriebstest unter den folgenden Bedingungen gemessen, um die Eigenschaften der Abriebresistenz zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Abriebversuchsbedingungen des Ohgoshi-Verfahrens
Gegenüberliegende Platte: Wärmebehandeltes Material aus S45C (Härte: HRC49)
Relative Geschwindigkeit: 3,81 m/s
Laufentfernung: 200 m
Endbeladung: 3,2 kg Tabelle 3 Radiale Brechstärke Raumtemperatur Spezifische Abriebtiefe Erfindung Vergleichsmaterial
Aus den in Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Sinterlegierungen eine hohe mechanische Stärke und eine ausgezeichnete Abriebsbeständigkeit aufweisen.
Die Probe G, die als das Vergleichsmaterial getestet wurde, enthält keine harte Legierung. Somit weist dieses Material eine hohe Stärke, aber eine geringe Abriebbeständigkeit auf. Für die Probe H, die kein CaF&sub2; enthielt, ist ersichtlich, daß sie eine hohe Stärke ebenso wie die Probe G aufweist, aber sie ist in Bezug auf die Abriebwiderstandsfähigkeit gering. Die Probe I ist die Probe, die durch die Verwendung von CaF&sub2; mit der Teilchengröße von 150 bis 250 um hergestellt ist, was außerhalb dem erfindungsgemäßen Rahmen liegt. Dieses Material weist eine gute Abriebbeständigkeit auf, aber dessen Stärke ist schlecht.

Beispiel 2

Als Ausgangsmaterialpulver wurden Fe-17%Cr-1%C Legierungspulver, Kalziumfluoridpulver, Kohlenstoffpulver und Fe-Cr-C harte Legierungspulver (Fe-66%Cr-9%C-0,5%Si) hergestellt. Die zuerst genannten drei Materialien entsprachen einem Minussieb aus einem 100 Mesh-Sieb, während die zuletzt genannten, d. h. Fe-Cr-C harte Legierungspulver, ein Minussieb aus einem 100 Mesh-Sieb, aber ein Plus Sieb aus einem 325 Mesh-Sieb waren, (entsprechend einer Teilchengröße von etwa 50 bis 150 um). Diese Ausgangsmaterialien wurden gewogen und in den Anteilen, die in Tabelle 4 gezeigt sind, vermischt, zur Herstellung von verschiedenen Arten an gemischten Pulvern. Zum Vergleich wurde ein WC-Hartmetall hergestellt (Vicker-Härte: 2000 bis 2500). Jedes der resultierenden vermischten Pulver wurde mit 0,8% Zinkstearat als ein Schmiermittelmaterial für die Form zusätzlich zu den oben genannten Ausgangsmaterialpulvern vermischt. Tabelle 4 Symbol Pulver- und Mischungsverhältnis Legierungspulver Pulver Harte Legierung Legierung Erfindung Vergleichsmaterial
Das gemischte Pulver, das in Tabelle 4 gezeigt ist, wurde durch eine Metallform zu Ringen mit einem Außendurchmesser von 40 mm, einem Innendurchmesser von 27 mm und einer Dicke von 10 mm, sowie zu Vierkantmaterialien mit 40·20·5 (mm) durch eine Metallform unter einem Druck von 6,37 MPa (6,5 t/cm² geformt. Diese Preßlinge wurden dann in N&sub2;-Gas bei 600ºC 30 Minuten lang entwachst und in einem Vakuum bei einer Temperatur von 1200 bis 1250ºC für 60 Minuten gesintert.
Jeder der resultierenden Sinterkörper wies eine Dichte mit einem Dichteverhältnis von 95 bis 99% auf.
Um die Stärke der Sinterlegierungen zu bestimmen, wurde die radiale Brechstärke für die Sinterkörper des Ringes gemessen. Die Messungen wurden unter zwei Bedingungen durchgeführt, d. h. B.T. und 500ºC, um die Wärmeresistenzstärke zu bestimmen.
Auf der anderen Seite wurde unter Verwendung der Sinterkörper aus dem Vierkantmaterial die spezifische Abriebstiefe durch das Ohgoshi-Abriebsversuchsverfahren gemessen, um die gleitverschleißresistenten Eigenschaften zu bestimmen. Die Testbedingungen waren wie folgt:
Abriebstestbedingungen des Ohgoshi-Verfahrens:
Gegenüberliegende Platte: Wärmebehandeltes Material aus S45C (Härte: HRC49)
Relative Geschwindigkeit: 3,81 m/s
Laufentfernung: 200 m
Endbeladung: 3,2 kg
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt Tabelle 5 Material Radiale Brechstärke spezifische Abriebtiefe Material der Erfindung Vergleichsmaterial
Aus den in Tabelle 5 gezeigten Ergebnissen ist zu verstehen, daß die Sinterlegierungen gemäß der Erfindung eine hohe Stärke und ausgezeichnete gleitabriebsbeständige Eigenschaften aufweisen.
Die Probe N ist die Sinterlegierung, die eine WC-Hartlegierung enthält, die anstelle der harten Legierung verwendet wird, deren abriebsbeständige Eigenschaften hoch sind, aber die Stärke ist beachtlich erniedrigt. Die Probe O ist das Material, das kein CaF&sub2; enthält. Diese Probe weist eine hohe Stärke auf, ist aber schlechten im Hinblick auf die Abriebseigenschaft in Bezug auf die Proben gemäß dieser Erfindung. Die Probe P ist das Material, bei der CaF&sub2; und die Hartlegierungen nicht enthalten sind. Dieses Material weist eine hohe Stärke auf, aber seine abriebsbeständige Eigenschaft wird im Vergleich zu den Materialien gemäß dieser Erfindung stark erniedrigt.
Die abriebsbeständige Sinterlegierung entsprechend dieser Erfindung ist im Hinblick auf die Wärmeresistenz ebenso wie im Hinblick auf die Gleitabriebsresistenz verbessert durch die Einfügung von CaF&sub2; und einer Fe-Cr-C-Hartlegierung, so daß sie als ein Material für Teile der Art nützlich ist, bei denen die Wärmeresistenz und die Abriebsbeständigkeit erforderlich sind, beispielsweise bei Ventilsitzeinsätzen für Hochleistungsverbrennungskraftmaschinen.

Claims

1. Abriebbeständige Sinterlegierung, umfassend eine Legierungsmatrix auf Eisenbasis, bestehend aus 10 bis 20 Gew.% Cr, 1,5 bis 3,5 Gew.% C, wobei der Rest Eisen ist, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 3 Gew.% CaF&sub2; und 5 bis 20 Gew.% harte Teilchen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, mit einer Teilchengröße von 44 bis 150 um und einem Mittelwert der Vicker-Härte von 800 bis 2000, in die Legierungsmatrix auf Eisenbasis dispergiert sind.

2. Abriebbeständige Sinterlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße von CaF&sub2;, das in der Legierungsmatrix auf Eisenbasis enthalten ist, nicht mehr als 149 um ausmacht.

3. Abriebbeständige Sinterlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Teilchen aus 50 bis 70 Gew.% Cr, 5 bis 10 Gew.% C, nicht mehr als 1 Gew.% Si, Rest Eisen, bestehen.

4. Abriebbeständige Sinterlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterlegierung eine Dichte aufweist, wobei das Dichteverhältnis nicht weniger als 95% ist.

5. Abriebbeständige Sinterlegierung, umfassend eine Legierungsmatrix auf Eisenbasis, bestehend aus 10 bis 20 Gew.% Cr, 1,5 bis 3,5 Gew.% C, 1 bis 5 Gew.% von zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co und Ni, wobei der Rest Eisen ist, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 3 Gew.% CaF&sub2; und 5 bis 20 Gew.% von harten Teilchen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, mit einer Teilchengröße von 44 bis 150 um und einem Mittelwert der Vicker-Härte von 800 bis 2000, in der Legierungsmatrix auf Eisenbasis dispergiert sind.

6. Abriebbeständige Sinterlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße aus CaF&sub2; ,das in der Legierungsmatrix auf Eisenbasis enthalten ist, nicht mehr als 149 um ausmacht.

7. Abriebbeständige Sinterlegierung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Teilchen aus 50 bis 70 Gew.% Cr, 5 bis 10 Gew.% C, nicht mehr als 1 Gew.% Si, Rest Eisen, bestehen.

8. Abriebbeständige Sinterlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterlegierung eine Dichte aufweist, wobei ein Dichteverhältnis nicht weniger als 95% ist.

9. Abriebbeständige Sinterlegierung, umfassend eine Legierungsmatrix auf Eisenbasis, bestehend aus 10 bis 20 Gew.% Cr, 1,5 bis 3,5 Gew.% C, 1 bis 5 Gew.% von zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co und Ni, 1 bis 5 Gew.% von zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mo, Nb, W und V, wobei der Rest Eisen ist, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 3 Gew.% CaF&sub2;, 5 bis 20 Gew.% eines Hartlegierungspulvers, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, mit der Teilchengröße von 44 bis 150 um und einem Mittelwert der Vicker-Härte von 800 bis 2000, in der Matrix auf Eisenbasis dispergiert sind.

10. Abriebbeständige Sinterlegierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße aus CaF&sub2; ,das von der Legierungsmatrix auf Eisenbasis gehalten ist, nicht mehr als 149 um ist.

11. Abriebbeständige Sinterlegierung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Teilchen aus 50 bis 70 Gew.% Cr, 5 bis 10 Gew.% C, nicht mehr als 1 Gew.% Si, und Rest Fe bestehen.

12. Abriebbeständige Sinterlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterlegierung eine Dichte aufweist, wobei ein Dichteverhältnis nicht weniger als 95% ist.

13. Verfahren zur Herstellung einer abriebbeständigen Sinterlegierung, umfassend die Schritte der Zugabe von 1,2 bis 2 Gew.% Kohlenstoffpulver, 0,5 bis 3 Gew.% Kalziumfluoridpulver und 5 bis 20 Gew.% Hartmetallpulver mit der Teilchengröße von 44 bis 150 um und einem Mittelwert der Vicker-Härte von 800 bis 2000 zu einem Legierungspulver auf Fe-Cr-C-Basis, umfassend 10 bis 20 Gew.% Cr und 0,8 bis 1,5 Gew.% C, Vermischen dieser, Formen des resultierenden vermischten Pulvers zu einer gewünschten Form und anschließendes Sintern des Preßlings in dem Temperaturbereich von 1180 bis 1260ºC in einer nicht oxidierenden Atmosphäre.

14. Verfahren zum Herstellen einer abriebbeständigen Sinterlegierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlegierungspulver bei einer Temperatur innerhalb des Bereiches von 1180 bis 1260ºC stabil ist und nicht in der Matrix der Sinterlegierung schmilzt.

15. Verfahren zur Herstellung einer abriebbeständigen Sinterlegierung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die harte Legierung Cr-Carbid mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 20 um und eine harte Legierung mit einer Teilchengröße von 44 bis 150 um enthält, wobei das Cr-Carbid und die harte Legierung gleichmäßig in der Matrix der harten Legierung legiert sind.

16. Verfahren zur Herstellung einer abriebbeständigen Sinterlegierung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlegierungsteilchen eine Zusammensetzung aufweist, bestehend aus 50 bis 70 Gew.% Cr, 5 bis 10 Gew.% C, nicht mehr als 1 Gew.% Si, Rest Eisen.