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Verschleißfeste borreiche Sinter legierung 3ie Erfindung betrifft
eine verschleißfeste borreiche Sinter legierung, insbesondere eine derartige Legierung,
die sich unter schweren Bedingungen befriedigend verhält und die als Werkstoff für
Gleitstücke in Motoren und dergleichen verwendet werden kann.
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Seit einigen Jahren werden Gleitstücke gefordert, die auch sehr schweren
Bedingungen gewachsen sind, beispielsweise wenn der Motor andauernd mit hoher Drehzahl
und unter hoher Belastung läuft und ihm nur wenig Schmiermittel zugeführt wird.
Unter diesen Bedingungen verhalten sich die bekannten Gleitstücke nicht einwandfrei,
weil an ihrer Oberfläche leicht ein Festfressen stattfindet, das zu einem sehr starken
Verschleiß führt.
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Es ist schon versucht worden, diese Nachteile zu beseitigen und eine
hohe Verschleißfestigkeit zu erzielen, indem man Dispersionen von Metallkarbiden,
wie TiC und SiC, ealloxiden, wie Al2O3 und SiO2, und Metallnitriden verwendet. Auch
die aus diesen Dispersionen hergestellten Gleitstücke haben jedoch den Nachteil,
daß sie Riefen in der Fläche bilden, auf der sie gleiten, weil die Dispersionen
im allgemeinen sehr hart sind. Daher
sind weitere Versuche gemacht
worden, in denen beispielsweise Graphit, Kohlenstoff oder Sulfide in Pulverform
verwendet wurden, so daß das Produkt selbstschmierend war.
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Ein derart verbesserter werkstoff hat aber den Nachteil, daß bei einem
hohen Berührungsdruck zwischen dem aus dem Werkstoff heryestellten Gleitstück und
seinem Gegenstück, beispielsweise bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl oder unter
hoher belastung, die.Oberflache des Gleitstückes leicht abzundert, so daß ein sehr
starker Verschleiß auftritt.
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Es ist ferner bekannt, daß eine Sinterlegierung bis zu o,45 % bor
enthalten kann, wodurch ihre Dichte und Zugfestigkeit erhöht wird. Es ist jedoch
keine Sinterlegierung bekannt, die zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit mindestens
o,5 % 30r enthält.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der Schaffung einer neuen
Sinterlegierung mit hoher Verschleißfestigkeit.
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Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Sinterlegierung,
die als Werkstoff für ein Gleitstück geeignet ist, das im zzesentlidlen frei ist
von den vorgenannten Nachteilen r erkannten Gleitstücke.
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.;eiter besteht die Auf gabe der Erfindung in der Schaffung einer
Sinterlegierung, die sich bei hoher Verschleißfestigkeit durch erhöhte HitzeSeständigkeit
und mechanische Festigkeit auszeichnet.
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Die Erfindung schafft eine verschleißfeste borreiche-Legierung, die
1,0 - 4,0 % Kohlenstoff, 0,5 - 2,0 % Bor, mindestens 84 % Eisen und gegebenenfalls
bis zu 5 % Nickel
und/oder bis zu 2 % -Iolybdän enthält. Der Gesamtgehalt
an Verunreinigungen und an andern als den obengenannten Legierungseleinenten beträgt
vorzugsweise höchstens 3 %.
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Weitere Aufgaben, t-X-lerkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes
gehen aus der nachstehenden Beschreibuny hervor.
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In der Zeichnung zeigen Fig. 1 bis 4 in Mikrofilmaufnahmen in 115facher
Vergrößerung Gefüge von erfindungsgemäßen Sinterlegierungen gemäß den Beispielen
1 bis 4.
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Die erfindungsgemäße Sinterlegierung enthält 1,0 - 4,0 % Kohlenstoff,
0,5 - 2,0 % Bor und r,lindestens 84 % Eisen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Sinterlegierung
bis zu 5 % Nickel und/oder bis zu 2 % Molybdän, einzeln oder in Kombination, wodurch
ihre itzebeständigkeit und mechanische Festigkeit erhöht wird. Eine derart verbesserte
Sinterlegierung ist auch schweren Bedingungen gewachsen, insbesondere auch bei hoher
Drehzahl oder unter hoher Belastung verwendbar.
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Wie die üblichen Sinterlegierungen kann auch die erfindungsgemäße
Sinterlegierung zusätzlich zu den vorgenannten Legierungselementen weitere Legierungselemente
enthalten, welche die Eigenschaften der Legierung verbessern oder modifizieren.
Die Sinterlegierung gemäß der Erfindung kann ferner Verunreinigungen enthalten,
die durch das Verfahren zum Erzeuyen der Legierung bedingt sind. Ein zu
hoher
Gehalt an diesen Verunreinigungen und an zusätzlich in Kohlenstoff, Bor, Eisen,
Nickel und Molybdän vorhandenen Legierungselementen würde jedoch die Eigenschaften
der Sinterlegierung beeinträchtigen. Daher liegt der Gesamtgehalt an Verunreinigungen
und solchen zusätzlichen Legierungselementen vorzugsweise unter 3 %.
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Die erfindungsgemäße Sinterlegierung kann auf übliche Weise hergestellt
werden, indem ein Pulvergemisch mit der erforderlichen Zusammensetzung gepreßt und
der Preßling in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, z. B. einem Inertgas oder einem
reduzierend wirkenden Gas oder im Vakuum gesintert wird.
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In der Grundmasse der Sinterlegierung mit der vorgenannten Zusammensetzung
bildet sich in großer Menge das ternäre Kristalleutektikum Fe-B-C, das unter einer
Belastung von 200 p eine Vickershärte von 1100 - 1300 hat, so daß ein daraus hergestelltes
Gleitstück keine Riefen in der Fläche bildet, auf der es gleitet.
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Das aus der erfindungsgemäßen Sinterlegierung hergestellte Gleitstück
braucht ferner nur schwach geschmiert zu werden, weil es nicht zum Festfressen neigt
und infolge der hohen Bindekraft zwischen den Metallteilchen in der Legierung die
Oberfläche des Gleitstücks nicht leicht abzundert.
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Die chemische Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Sinterlegierung
ist auf folgende Überlegungen zurückzuführen: Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen
1,0 % und 4,0 %, weil bei weniger als 1,0 % Kohlenstoff die Sinterlegierung an
ihrer
Oberfläche bei starker Gleitbeanspruchung zum Festfressen neigt. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß das metallische Proeutektoid in großer Menge in der Grundmasse
der Legierung bleibt. Bei einem Kohlenstoffgehalt über 4,0 % wird die so erhaltene
Sinterlegierung jedoch infolge der Ausscheidung einer relativ großen rlenge Graphit
so spröde, daß sie als Werkstoff für ein Gleitstück praktisch nicht mehr verwendet
werden kann. Der Borgehalt der Sinterlegierug soll 0,5 - 2,0 % betragen, weil bei
einem Borgehalt von unter 0-,5 % die Sinterlegierung zum Verschleißen und Festfressen
neigen würde. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das ternäre Kristalleutektikum
Fe-B-C in der Legierung nicht in der erforderlichen Menge gebildet wird. Bei einem
Borgehalt über 2,0 % ist dagegen die Sinterlegierung so brüchig, daß sie als Werkstoff
für ein Gleitstück nicht geeiynet ist.
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-4achstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Ausführungsbeispiele
erläutert, auf welche die Erfindung jeaoch nicht Deschränkt ist.
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Beispiel 1 In diesem Beispiel wurde eine verschleißfeste Sinterlegierung
hergestellt, die aus 1,24 % Kohlenstoff, 0,78 % Bor, Rest im wesentlichen Eisen
und Verunreinigungen, bestand.
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Kohlenstoffpulver mit einer solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb
von 200 mesh geht, Ferroborpulver (bestehend aus 26,43 % Bor, 1,33 % Silicium, 1,99
& Aluminium, 1,42 % Kupfer, 0,69 % Mangan, Rest im wesentlichen Eisen) in einer
solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb von 150 nesh geht, undfpulverförmiges reduziertes
Eisen in einer solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb von 180
mesh
geht, wurden zu einem Gemisch mit der genannten Zusammensetzung vermengt. Das Gemisch
wurde dann 30 min lang in einem Zwillingstrommelmischer gemischt. Mit Hilfe einer
Form, deren Innenwandung mit einem Schmiermittel überzogen war, wurde das Gemisch
unter einem 2 Druck von 3,5 Mp/cm zu einem Preßling von 12 x 12,7 x 75 mm gepreßt.
Der Preßling wurde 20 min, lang in einer exothermen Atmosphäre aus reduzierend wirkendem
Gas bei 1000 ° C gesintert und dann Iuftgekühlt. Es wurde eine Sinterlegierung der
genannten Zusammensetzung erhalten.
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In Fig. 1 stellen die grauschwarzen Flächen Fe-Fe3C und stellen die
schwarzen Flächen Poren dar, während die weißen Flächen das ternäre Kristalleutektikum
Fe-B-C darstellen. Die Sinterlegierung hatte insgesamt unter einer Belastungvon
5 kp eine Vickershärte von 280 -300. Die aus dem ternären Kristalleutektikum bestehenden
Anteile hatten unter einer Belastung von 100 p eine Vickershärte von 900 - 1100.
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Beispiel 2 In diesem Beispiel wurde eine verschleißfeste Sinterlegierung
erzeugt, die aus 4,0 % Kohlenstoff, 0,768 % Bor, Rest im wesentlichen Eisen, bestand.
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Naturgraphitpulver in einer solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb
von 325 mesh geht,und Ferroborpulver (bestehend aus 1,5 % Silicium, 0,5 % Mangan,
0,8 % Bor, einer sehr kleinen Menge Aluminium und Kupfer, Rest im wesentlichen Eisen)
in einer solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb von 150 mesh geht, wurden zu einem
-Gemisch mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung miteinander vermengt. Das
Gemisch wurde 20 min lang in; einem
Doppelkegelmischer gründlich
gemischt. Mit Hilfe einer Form, deren Innenwandung mit Schmiermittel überzogen war,
wurde das Gemisch unter einem Druck von 3 Mp/cm2 zu einem Preßling von 12 x 12,7
x 75 mm gepreßt. Der Preßling wurde 30 min lang in einer Wasserstoffgasatmosphäre
bei einer Temperatur von 1250 ° C gesintert und dann in einem Ofen gekühlt. Man
erhielt auf diese Weise eine Sinterlegierung mit der vorgenannten Zusammensetzung.
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In Fig. 2 stellen die arauen Flächen Fe-C und stellt die übrige Fläche
das ternäre Kristalleutektoid Fe-B-C dar.
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Die Sinterlegierung hatte insgesamt unter einer Belastung von 5 kp
eine Vickershärte von 580 - 620.
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Beispiel 3 In diesem Beispiel wurde eine verschleißfeste Sinterlegierung
erzeugt, die aus 2,8 % Kohlenstoff, 1,04 % Bor, Rest im wesentlichen Eisen und Verunreinigungen,
bestand.
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Naturgraphitpulver mit einer solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb
von 325 mesh geht, Ferroborpulver (bestehend aus 26,43 % ßor, 1,33 z Silicium, 1,99
% Aluminium, 1,42 % Kupfer, 0,69 % Mangan, Rest im wesentlichen Eisen) mit einer
solchen Korngroße, daß es durch ein Sieb von 150 mesh geht, und durch Zerstäuben
erzeugtes Eisenpulver mit einer solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb von 100
mesh geht, wurden zu einem Gemisch mit der genannten Zusammensetzung vermengt. Das
Gemisch wurde dann 30 min lang in einem Zwillingstrommelmischer gründlich gemischt.
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Mit Hilfe einer Form, deren Innenwandung mit Schmiermittel überzogen
war, wurde das Gemisch unter einem Druck von 3,5 Mp/cm2 zu einem Preßling von 12
x 12,7 x 75 mm
gepreßt. Der Preßling wurde in einer Aryongasatmosphäre
30 min lang bei einer Temperatur von 1250 C C gesintert und dann im Ofen gekühlt.
Man erhielt auf diese Weise eine Sinterlegierung mit der genannten Zusammensetzung.
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In Eig. 3 stellen die grauen Flächen Fe-C und stellt die übrige Fläche
das ternäre Kristalleutektikum Fe-B-C dar.
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Die Sinterlegierung hatte insgesamt unter einer Belastung von 5 kp
eine Vickershärte von 540 - 600.
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Beispiel 4 In diesem Beispiel wurde eine verschleißfeste Sinterlegierung
erzeugt, die aus 3,91 % Kohlenstoff, 1,82 % Bor, Rest im wesentlichen Eisen und
Verunreinigungen, bestand.
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Naturgraphitpulver mit einer solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb
von 325 mesh geht, Ferroborpulver (bestehend aus 26,43 % Bor, 1,33 % Silicium, 1,99
% Aluminium, 1,42 % Kupfer, 0,69 % Mangan, Rest im wesentlichen Eisen) mit einer
solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb von 150 mesh geht, und Elektrolyteisenpulver
mit einer solchen Korngröße, daß es durch ein Sieb von 80 mesh geht, wurden zu einem
Gemisch mit der vorgenannten Zusammensetzung vermengt. Das Gemisch wurde dann mit
einem Zwillingstrommelmischer eine Stunde lang gründlich gemischt. Mit Hilfe einer
Form, deren Innenwand mit Schmiermittel überzogen war, wurde das Gemisch unter einem
Druck von 4,5 2 cm zu einem Preßling von 12 x 12,7 x 75 mm gepreßt.
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Der Preßling wurde 30 min lang in einer Argongasatmosphäre bei 1250
° C gesintert und dann langsam abgekühlt. Man erhielt eine Sinterlegierung mit der
genannten Zusammensetzung.
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In Fig. 4 stellen die weißen Flächen das ternäre Kristalleutektikum
Fe-B-C dar. Die Sinter legierung hatte insgesamt unter einer Belastung von 5 kp
eine Vickershärte von 620 - 720.
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Aus der nachstehenden Tabelle gehen die Ergebnisse einer Versuchsreihe
hervor, in der die Sinterlegierungen gemäß den vorstehenden Beispielen und die bekannten
Werkstoffe auf Verschleißfestigkeit geprüft wurden. Die Prüfung wurde mit einem
Verschleißprüfgerät durchgeführt, das mit einer trockenen Scheibe versehen war.
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In der Prüfung wurde zur Bestimmung der Verschleißfestigkeit jeder
Legierung der Verschleiß eines Prüflings gemessen, der 10 min lang unter einem Druck
von 1,8 kg radial gegen den Umfang einer Scheibe gedrückt wurde, die mit einer Umfangsgeschwindigkdit
von 19,8 m/sek rotierte.
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Tabelle I Teil A Bekannte Legierungen Legierungs- Gußeisen Phosphor-
Sinter- Sinterzusammensetzung m. Nadel- reiches legierung legierung (Gew.%) graphit
Gußeisen A B Kohlenstoff 3,0 3,0 5,0 0,8 Bor Eisen Rest Rest Rest Rest andere Elemente
2,2 Si 0,6 P 5,0 Pb 16,0 Cu 0,7 Mii 2,0 Si 2,0 Cu Dichte 2,0 Ni 0,8 4n 2,0 Ni 3
0,8 Mo 0,8 Mn 0,5 Mo 7,4 g/cm 1,0 Cu Tiefe des Verschleißens von Prüflingen, die
10 min lang gegen eine rotierende, verchromte Scheibe gedrückt wurden (µm) 200-235
300-358 352-463 550-600¹) Tiefe des Verschleißens von Prüflingen, die 10 min lang
gegen eine rotierende Scheibe aus hochfrequenzabgeschrecktem Gußeisen mit Lamellengraphit
gedrückt wurden (µm) 350-400 500-600 über 600 330-350 )neigt zum Festfressen
Tabelle
I Teil B Erfindungsgemäße Legierungen Legierungs- Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel
3 Beispiel 4 zusammensetzung (Gew.%) Kohlenstoff 1,24 4,0 2,8 3,91 Bor 0,78 0,768
1,04 1,82 Eisen Rest Rest Rest Rest andere Elemente Verunrei- Verunrei- Verunrei-
Verunreinigungen nigungen nigungen nigungen Tiefe des Verschleißes von Prüflingen,
die 10 min lang gegen eine rotierende, verchromte Scheibe gedrückt wurden (/um)
193-212 110-123 115-128 86-92 Tiefe des Verschleißes von Prüf lingen, die 10 min
lang gegen eine rotierende Scheibe aus hochfrequenzabgeschrecktem Gußeisen mit Lamellengraphit
gedrückt wurden (/um) 73-92 58-75 56-63 50-55
Aus der Tabelle I
erkennt man, daß die erfindungsgemäße Sinterlegierung eine höhere Verschleißfestigkeit
hat als die bekannten Legierungen.
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Außer den vorstehenden Beispielen wurden nachstehende Sinter legierungen
erzeugt, welche dieselbe Zusammensetzung hatten wie jeweils eine der Legierungen
gemäß den vorstehenden Beispielen/ jedoch unter Zusatz von Nickel und/oder slolybdän,
einzeln oder in Kombination.
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Tabelle II Zusammensetzung von mit !Yi und/oder Mo modifizierten
Sinterlegierungen (Gew. %) C B Ni Mo est Andere Elemente (1) 1,24 0,73 2,0 - Fe
Verunreinigungen (2) 1,24 0,78 1,5 0,5 Fe Verunreinigungen (3) 2,8 1,04 2,3 - Fe
Verunreinigungen (4) 2,8 1,04 1,5 0,5 Fe Verunreinigungen (5) 3,91 1,82 1,5 0,5
Fe Verunreinigungen (6) 3,91 1,82 - 0,5 Fe Verunreinigungen Die GesaIatrr,enge der
Verunreinigungen und der zusätzlich in den erfindungsgämäß vorgesehenen Bestandteilen
Kohlenstoff, Bor, Nickel, ;olybdän und Linsen vorhandenen Legierungselemente soll
vorzugsweise 3 % nicht übersteigen, weil ein höherer Gehalt an Verunreinigungen
und solchen zusätzlichen Legierungselementen die Verschleißfestigkeit der Legierung
beeinträchtigen würde.