DE69802523T2 - Verfahren zur herstellung von sinterteilen aus einer eisenbasispulvermischung - Google Patents
Verfahren zur herstellung von sinterteilen aus einer eisenbasispulvermischungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Komponente über einen pulvermetallurgischen Weg. Obwohl die vorliegende Erfindung zum Bilden von Ventilklappeneinsätzen für Verbrennungsmotoren verwendbar ist, kann sie auch zum Bilden anderer Komponenten verwendet werden.
- Es ist wohl bekannt, Komponenten über einen pulvermetallurgischen Weg zu bilden, worin ein Pulver auf Eisen-Basis kompaktiert wird (unter Bildung eines "Grünkörpers") und anschließend gesintert wird. In vielen Fällen enthält das Pulver zusätzliche Metalle wie Chrom, Nickel, Vanadium, Molybdän, Wolfram, Kupfer und Kobalt, welche als elementare Pulver oder als Ferrolegierungen, z. B. Ferromolybdän, (Fe-Mo), Ferrovanadium (Fe-V), Ferrochrom (Fe-Cr) oder Ferrowolfram (Fe- W), zugegeben werden und mit dem Eisenpulver gemischt werden. Kohlenstoffpulver in der Form von Graphit wird häufig auch zu dem Gemisch zugegeben, wie auch Schmiermittel, um das Verdichten zu unterstützen. Es ist auch bekannt, einige oder sämtliche der zusätzlichen Metalle mit Eisen vorzulegieren, um eine einheitliche Verteilung der legierenden Element zu erhalten. Bisweilen werden auch Sinterhilfsmittel zugegeben.
- Bestimmte Pulvergemische auf Eisenbasis, welche zum Bilden von Ventilklappeneinsätzen für Verbrennungsmotoren verwendet werden, können 5 bis 11 Gew.-% Nickel, 5 bis 11 Gew.-% Kobalt, 5 bis 8 Gew.-% Molybdän, 5 bis 1,0 Gew.-% Wolfram, bis zu 0,55 Gew.-% Kohlenstoff in der Form von Graphitpulver, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, umfassen. Das Nickel und Kobalt werden zu dem Gemisch als im wesentlichen Reinelement-Pulver, d. h. als reines Nickel und reines Kobalt, zugegeben und das Molybdän und Wolfram werden als Ferro-Legierungspulver zugegeben. Dies führt zu einer netzartigen Struktur von miteinander verbundenen Bereichen von hochlegiertem Austenit, dreidimensional verknüpft durch niederlegierte Bainit-, Perlit- und Ferrit-Bereiche. Aufgrund von umweltbedingten Gefährdungen, die der Umgang mit feinen Teilchen von Nickel und Kobalt mit sich bringt, wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Vorlegieren des Nickels und Kobalts mit Eisen experimentiert, so daß das Gemisch ein erstes Pulver, welches eine atomisierte Prälegierung war, umfassend Nickel, Kobalt und Eisen, ein zweites Pulver, welches aus Ferromolybdän bestand, ein drittes Pulver, welches aus Graphit bestand, und gegebenenfalls ein viertes Pulver umfaßte, welches aus Ferrowolfram bestand. Diese Experimente resultierten jedoch in einer einheitlichen nicht-netzförmigen, austenitischen Matrix und ergaben keine zufriedenstellenden Ventilklappeneinsätze, da die erhaltene Verschleiß- und Wärmebeständigkeit unzufriedenstellend war. Es wird angenommen, daß die durch das Vorlegieren erhaltene Verteilung von Nickel und Kobalt in diesem Fall für die bezüglich eines Ventilklappeneinsatzes benötigten Eigenschaften ungünstig ist.
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bilden einer Komponente über einen pulvermetallurgischen Weg bereitzustellen, wobei das Verfahren ermöglichen soll, die Eigenschaften, die üblicherweise durch die Zugabe von Nickel und Kobalt zu dem Pulvergemisch erreicht werden, ohne das Zugeben dieser Metalle als elementare Pulver zu erreichen.
- Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Bilden einer Komponente bereit, wobei das Verfahren das Herstellen eines Pulvergemisches auf Eisenbasis und das Verdichten und Sintern des Gemisches zum Bilden der Komponente umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus einem ersten Pulver, welches 40 bis 60 Gew.-% des Gemisches bildet und welches eine atomisierte Prälegierung ist, die aus Nickel, Kobalt, Eisen und Verunreinigungen besteht, einem zweiten Pulver, welches 30 bis 50 Gew.-% des Gemisches bildet und aus Eisen und Verunreinigungen besteht, einem dritten Pulver, welches aus Ferromolybdän und Verunreinigungen besteht, einem vierten Pulver, welches aus Graphit und Verunreinigungen besteht, und gegebenenfalls einem Pulver, welches aus Ferrowolfram und Verunreinigungen besteht, und gegebenenfalls Teilchen eines Bearbeitungshilfsmittels besteht, wobei die Komponente eine Zusammensetzung aufweist, umfassend 5 bis 11 Gew.-% Nickel, 5 bis 11 Gew.-% Kobalt, 5 bis 8 Gew.-% Molybdän, 0,25 bis 0,9 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 1 Gew.-% Wolfram und einen Rest, welcher aus Eisen, Verunreinigungen und gegebenenfalls einem Bearbeitungshilfsmittel besteht.
- In einem Verfahren gemäß der Erfindung enthält das erste Pulver eine viel höhere Menge an Nickel und Kobalt als die gebildete Komponente, aber diese ist durch das unlegierte Eisen des zweiten Pulvers "verdünnt". Es wurde festgestellt, daß die durch dieses Verfahren hergestellten Komponenten ähnliche verschleiß- und wämebeständige Eigenschaften wie Komponenten, die aus einem Pulvergemisch, zu welchem Nickel und Kobalt als elementare Pulver zugegeben wurden, aufweist.
- Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Komponenten einen zusätzlichen Vorteil aufweisen. Es ist allgemeine Praxis, Ventilklappeneinsätze durch ein kryogenisches Verfahren einzubauen, z. B. durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff, und sie einzubauen, während sie sehr kalt sind und daher von verminderter Größe. Mit Einsätzen, die durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt wurden, welches die Verwendung von elementarem Nickel und Kobalt beinhaltet, zeigen die Einsätze eine erhöhte Größe, wenn sie auf Umgebungstemperatur zurückkehren. Mit Einsätzen, die durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurden, ist dieser Anstieg deutlich vermindert. Eine mögliche Erklärung dafür ist, daß diese Wirkung auftritt, da, obwohl Komponenten, die über beide Wege hergestellt wurden, perlitische und austenitische Strukturen in ihrer Mikrostruktur enthalten, bei Einsätzen gemäß dem herkömmlichen Weg diese Strukturen verlängerte Korngrenzen aufweisen, was zuläßt, daß sich während des kryogenischen Verfahrens eine hohe Volumenfraktion an Martensit bildet, wohingegen in den gemäß der Erfindung hergestellten Komponenten die Korngrenzen eng sind, so daß entlang der Übergangsgrenzen ein geringes Volumen an martensitischer Umwandlung auftritt. Die Bitdung von extensivem Martensit ist mit einer starken Größenänderung verbunden.
- Vorzugsweise bestehen die Pulver aus Teilchen, welche im wesentlichen sämtlich weniger als 150 um in der Größe betragen. Mehr bevorzugt ist ein Minimum von 80% der Teilchen weniger als 100 um in der Größe.
- Vorzugsweise beträgt der Kohlenstoffgehalt der Komponente 0,5 bis 0,7 Gew.-%. Es wurde festgestellt, daß eine erhöhte Härte in diesem Kohlenstoffbereich erhalten werden kann, wenn atomisierte vorlegierte Pulver verwendet werden.
- Für einige Komponenten, z. B. Ventilklappeneinsätze für Einlaßventile, kann die Zusammensetzung so wenig wie 5 Gew.-% an Nickel und 5 Gew.-% an Kobalt enthalten.
- Wenn die Komponenten exakteren Bedingungen standhalten sollen, z. B. Ventilklappeneinsätze für Auslaßventile, kann die Zusammensetzung so viel wie 11 Gew.-% Nickel und 11 Gew.-% Kobalt enthalten. In diesem Fall ist die optionale Zugabe von bis zu 1 Gew.-% an Wolfram vorteilhaft.
- Es ist für ein Verfahren gemäß der Erfindung möglich, auch ein Kupferinfiltrationsverfahren zu umfassen.
- Wenn ein in einem Verfahren gemäß der Erfindung verwendetes Gemisch auch Teilchen eines Bearbeitungshilfsmittels umfaßt, kann das Bearbeitungshilfsmittel Mangansulfid sein.
- Es folgen nun detaillierte Beschreibungen von zwei Beispielen, welche für die Erfindung erläuternd sind.
- In Beispiel 1 wurde ein Pulvergemisch aus Pulvern mit Teilchen gebildet, welche im wesentlichen alle kleiner als 150 um (80% kleiner als 100 um) waren. Das Gemisch wurden durch Mischen eines ersten Pulvers, welches eine atomisierte Vorlegierung bzw. Prälegierung, bestehend aus Nickel, Kobalt und Eisen (nominell 12 Gew.-% Nickel, 12 Gew.-% Kobalt und ein Rest, welcher aus Eisen und Verunreinigungen bestand) war, mit einem zweiten Pulver, welches aus Eisen bestand (ein Maximum von 1 Gew.-% an unvermeidbaren Verunreinigungen) und mit einem dritten Pulver, welches aus Ferromolybdän (70 Gew.-% Molybdän) und Verunreinigungen bestand, und mit einem vierten Pulver, welches aus Kohlenstoff in der Form von Graphit und Verunreinigungen bestand, und mit 0,75 Gew.-% eines üblichen flüchtigen Verdichtungsschmiermittel hergestellt. Das Gemisch enthielt 50 Gew.-% des ersten Pulvers, 37,95 Gew.-% des zweiten Pulvers, 10,7 Gew.-% des dritten Pulvers und 0,6 Gew.- % des vierten Pulvers.
- Das Pulvergemisch wurde in die Form eines Ventilklappeneinsatzes durch herkömmliche Druckverfahren verdichtet und in einem herkömmlichen Maschenband- Sinterverfahren in einer Atmosphäre von dissoziiertem Ammoniak unter Bildung von Ventilklappeneinsätzen gesintert. Die Einsätze wiesen eine Sinterdichte von 6,7 g/cc und eine nominale Zusammensetzung auf, umfassend 6 Gew.-% Nickel, 6 Gew.-% Kobalt, 7,5 Gew.-% Molybdän, 0,6 Gew.-% Kohlenstoff und ein Rest, welcher aus Eisen und Verunreinigungen bestand.
- Die Einsätze wurden zu einem äußeren Durchmesser von etwa 31,5 mm bearbeitet, und der äußere Durchmesser wurde anschließend akkurat gemessen. Die Einsätze wurden anschließend auf -196ºC durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff gekühlt und nach Rückkehr auf Raumtemperatur wurde wiederum deren äußerer Durchmesser genau gemessen. Es wurde festgestellt, daß der äußere Durchmesser um ein Mittel von 0,005% angestiegen war. Somit wiesen die Einsätze gute Eigenschaften bezüglich der Dimensionsrückstellung auf. Es wurde festgestellt, daß diese Einsätze geeignete Verschleiß- und Wärmebeständigkeitseigenschaften zur Verwendung als Einlaßventilklappeneinsätze von Verbrennungsmotoren zeigen.
- Für Vergleichszwecke wurde Beispiel 1 wiederholt, aber unter Verwendung eines Pulvergemisches mit der gleichen Gesamtzusammensetzung, aber hergestellt aus elementaren Pulvern (Nickel und Kobalt als elementare Zugaben). Es wurde festgestellt, daß der äußere Durchmesser der Einsätze nach Abkühlen in flüssigem Stickstoff um 0,016% angestiegen war.
- Beispiel 2 wiederholte Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß das erste Pulver eine atomisierte Vorlegierung war, umfassend nominal 18 Gew.-% Nickel, 18 Gew.-% Kobalt und ein Rest, welcher aus Eisen und Verunreinigungen bestand. Auch wurde das zweite Pulver auf 37,2 Gew.-% reduziert, um den Weg für 0,75 Gew.-% eines fünften Pulvers, bestehend aus Ferrowolfram und Verunreinigungen, freizumachen.
- Die Ventilklappeneinsätze, die gemäß Beispiel 2 hergestellt wurden, wiesen einen Durchmesser von annähernd 26,5 mm auf. Es wurde festgestellt, daß die Einsätze einen durchschnittlichen Anstieg im Durchmesser von 0,008% nach Abkühlen in flüssigem Stickstoff zeigten. Es wurde festgestellt, daß deren Verschleiß- und Wärmebeständigkeit zur Verwendung als Abgasventilklappeneinsätze eines Verbrenungsmotors geeignet sind.
- Für Vergleichszwecke wurde Beispiel 2 wiederholt, aber unter Verwendung eines Pulvergemisches mit der gleichen Gesamtzusammensetzung, aber aus elementaren Pulvern hergestellt (Nickel und Kobalt als elementare Zugaben). Es wurde festgestellt, daß der äußere Durchmesser der Einsätze nach Abkühlen in flüssigem Stickstoff um 0,037% angestiegen war.
Claims (4)
1. Verfahren zum Bilden einer Komponente, wobei das Verfahren das
Herstellen eines Pulvergemisches auf Eisenbasis und das Verdichten und Sintern
des Gemisches zum Bilden der Komponente umfaßt, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gemisch aus einem ersten Pulver, welches 40 bis 60 Gew.-%
des Gemisches bildet und welches eine atomisierte Prälegierung ist, welche
aus Nickel, Kobalt, Eisen und Verunreinigungen besteht, einem zweiten
Pulver, welches 30 bis 50 Gew.-% des Gemisches bildet und aus Eisen und
Verunreinigungen besteht, einem dritten Pulver, welches aus Ferromolybdän
und Verunreinigungen besteht, einem vierten Pulver, welches aus Graphit
und Verunreinigungen besteht, und gegebenenfalls einem Pulver, welches
aus Ferrowolfram und Verunreinigungen besteht, und gegebenenfalls
Teilchen eines Bearbeitungshilfsmittel besteht, wobei die Komponente eine
Zusammensetzung aufweist, umfassend 5 bis 11 Gew.-% Nickel, 5 bis
11 Gew.-% Kobalt, 5 bis 8 Gew.-% Molybdän, 0,25 bis 0,9 Gew.-%
Kohlenstoff, bis zu 1 Gew.-% Wolfram, und einen Rest, der aus Eisen,
Verunreinigungen und gegebenenfalls einem Bearbeitungshilfsmittel besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver aus
Teilchen bestehen, welche alle weniger als 150 um in der Größe betragen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kohlenstoffgehalt der Komponente 0,5 bis 0,7 Gew.-% beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verfahren auch ein Kupferinfiltrationsverfahren umfaßt.
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