Pulvermetallurαisch hergestelltes Sinter-Formteil
Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisch hergestelltes Sinter-Formteil mit hoher Temperatur- und Verschleißfestigkeit, das insbesondere ein Ventilsitzring für Verbrennungsmotoren ist.
Einlaß- und Auslaßventile für Verbrennungsmotoren müssen hohen Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit genügen. Ins- besondere bei hochverdichteten, modernen Motoren mit Mehrventiltechnik und elektronischer Steuerung ist es zunehmend zum Problem geworden, Materialien zu finden, die den am Auslaß herrschenden hohen Temperaturen auf Dauer gerecht werden. Ventile und Ventilteile sind entsprechend in der Fertigung immer aufwendiger geworden, was sich auf die Material- und Verarbeitungskosten nie- dergeschlagen hat.
Für die Fertigung von Ventilsitzringen werden vielfach pulvermetallurgische Verfahren eingesetzt. Gründen hierfür sind die gute Steuerbarkeit der Zusammensetzung und des Gefüges, eine hohe Fertigungsgenauigkeit mit geringen Toleranzen, die gute Einstellbarkeit der Eigenschaften und insbesondere eine hohe Standfestigkeit der Materialien bei gutem Temperaturverhalten.
Bei der Fertigung von Ventilsitzringen für Auslaßventile, bei denen es auf eine hohe Temperatur- und Verschleißfestigkeit ankommt, haben festschmierstoffhaltige Werkstoffe der COMO-Familie den Standard gesetzt. Es handelt sich dabei um MnS-haltige, pulvermetallurgisch gefertigte Kobalt- Molybdän-Eisenlegierungen mit vergleichsweise hohem Kobaltgehalt (siehe
auch DE 34 13 593 C1 ). Daraus hergestellte Ventilsitzringe haben sich vielfach bewährt, sind aber hinsichtlich Herstellung und mechanischer Bearbeitung außerordentlich kostenintensiv.
Hinzu kommt ein relativ hoher Kobaltgehalt. Kobalt ist ein verhältnismäßig teurer Rohstoff, der zudem wegen ungünstigen Verteilung der Vorkommen krisenanfällig ist.
Es besteht deshalb das Bestreben, Werkstoffe zu finden, die mit wenig oder ohne Kobalt auskommen.
Die Anforderungen der Kraftfahrzeug- und Motorhersteller insbesondere an Sitzringe für Auslaßventile ist eine kostengünstige Herstellung bei hoher Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit. Dies verlangt vor allem den Austausch der teuren Rohstoffe. Eine hohe Verschleißfestigkeit kann durch die Einlagerung von Hartphasen erreicht werden. Hohe Wärmeleitfähigkeit wird durch weitgehendes Ausschließen von Poren und gegebenenfalls durch Zumischen oder Infiltration von Kupfer erzielt. Von besonderer Bedeutung sind dabei die MikroStruktur des Werkstoffs im Ventilsitzring, seine Härte und seine Dichte. Festschmierstoffe und andere Additive können insbesondere das Ver- schieißverhalten und die mechanische Bearbeitbarkeit entscheidend verbessern.
Das Gefüge eines pulvermetallurgisch hergestellten Ventilsitzringes besteht aus einer Matrix aus Fe und/oder Cu und darin eingelagerten Hartphasen und Festschmierstoffen. Als Hartphasen kommen beispielsweise Metallcarbide oder intermetallische Hartphasen (WO-A-97/30808) in Frage. Übliche Festschmierstoffe sind MnS, CaF2, BN und insbesondere MoS2 bzw. dessen Reaktionsprodukte unter pulvermetallurgischen Sinter-Bedingungen.
Bei der Entwicklung von Ventilsitzringen ist das Anwendungsgebiet zu berücksichtigen. Während für Benzinmotoren und niedrig belastete Dieselmotoren das Temperaturverhalten weitgehend durch Maßnahmen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beherrscht werden kann, sind diese Maßnahmen bei Motoren für den Flüssiggasbetrieb (LPG), Erdgasbetrieb (CNG) und bei
Hochleistungsdieselmotoren nicht immer ausreichend. Letzteres gilt auch für thermisch hochbelastete Motoren mit Mehrventiltechnik. Bei Dieselmotoren kommen höhere Betriebsdrücke hinzu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere Ventilsitzringe mit hoher Temperatur- und Verschleißfestigkeit für moderne Hochleistungsmotoren bereitzustellen, die mit bewährten pulvermetallurgischen Verfahren zugänglich und kostengünstig herzustellen sind.
Diese Aufgabe wird mit einem Sinter-Formteil der eingangs genannten Art gelöst, daß aus einem Molybdän-Phosphor-Kohlenstoff-Stahlpulver (Mo-P-C-Pulver) und wenigstens einem weiteren, im wesentlichen phosphorfreien Stahlpulver im Gewichtsverhältnis von 5:95 bis 60:40, Kohlenstoff sowie wenigstens einem Festschmierstoff erhältlich ist.
Die erfindungsgemäßen Sinter-Formteile sind insbesondere als Ventilsitzringe einsetzbar. Sie können aber auch für andere, insbesondere tribologische Teile im Motoren- und Getriebebau eingesetzt werden.
Die Sinter-Formteile enthalten wenigstens zwei Stahlkomponenten, deren Zusammenwirken die hohe Temperatur- und Verschleißbeständigkeit ausmachen. Die beiden Stahlkomponenten werden als fertige Pulver eingesetzt. Zum einen handelt es sich um ein Mo-P-C-Stahlpulver, zum anderen um ein im wesentlichen phosphorfreies Stahlpulver. Diese beiden Komponenten bilden die Matrix mit darin eingelagerten Hartphasen aus u. a. Metallcarbiden. Die Mo-P-C-Stahlkomponente sorgt dabei für eine außerordentlich gute Maßhaltigkeit der damit hergestellten Formteile, die durch die zweite Stahlkomponente alleine nicht erreicht werden kann. Sie wirkt sich zudem positiv auf die Dichte des Formteils nach dem Sintern aus.
Die erfindungsgemäßen Sinter-Formteile sind im wesentlichen kobaltfrei. Der Begriff "im wesentlichen frei" im Zusammenhang mit Legierungsbestandteilen besagt, daß diese Bestandteile nicht willentlich zugesetzt werden und nur in den üblicherweise unvermeidbaren Mengen zugegen sind.
In den zum Einsatz kommenden Puivermischungen machen die Stahlpulver und der Kohlenstoff wenigstens 50 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 60 Gew.-% aus; der Rest kann beispielsweise aus Festschmierstoff, Eisen-Kupfer- Legierung und anderen Zuschlägen bestehen. Bei Verwendung von Kupferpulver zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit besteht der Anteil an Stahlpulver und Kohlenstoffpulver aus wenigstens 75 Gew.-% und vorzugsweise wenigsten 85 Gew.-%, bei kupferfreien Sinter-Formteilen, vorzugsweise wenigstens 85 und insbesondere wenigstens 95 Gew.-%.
Als Festschmierstoff kommen die bekannten, in erster Linie aber MoS2 in Frage, der in Mengen von höchstens 5,0 Gew.-% zugegen ist.
Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Mo-P-C-Pulver enthält vorzugsweise 0,5 bis 1 ,5 Gew.-% C, 3,0 bis 15 Gew.-% Mo, 0,2 bis 1 ,0 Gew.-% P, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen. Mo-P-C-Stahlpulver, wie es hier eingesetzt werden kann, ist beispielsweise in der WO-A-91/18123 beschrieben. Ein Teil des Molybdäns kann durch Wolfram ersetzt sein.
Vorzugsweise ist das phosphorfreie Stahlpulver ein Schnellstahlpulver. Ein solches Schnellstahlpulver enthält beispielsweise 0,5 bis 1 ,0 Gew.-% C, 5,0 bis 10 Gew.-% W, 3,0 bis 8,0 Gew.-% Mo, 1 ,0 bis 3,0 Gew.-% V, 2,0 bis 6,0 Gew.-% Cr und ggf. geringen Anteilen Cobalt. Ein in Frage kommender Schnellstahl trägt beispielsweise die Bezeichnung AISI M3/2 (DIN S-6-5-3). Mo-P-C-Pulver und Schnellstahlpulver werden zweckmäßigerweise in einem Gewichtsverhältnis von 40:60 bis 60:40 eingesetzt. Die Pulvermischung enthält dabei zweckmäßigerweise 0,1 bis 1 ,0 Gew.-% Kohlenstoff in Form von Graphit oder dergleichen und 1 ,0 bis 3,5 Gew.-% MoS2.
Ein pulvermetallurgisch aus solcher Pulvermischung hergestelltes Sinter- Formteil weist neben einer außerordentlich hohen Verschleißfestigkeit die für Hochleistungsdieselmotoren verlangte hohe Temperaturbeständigkeit und Standfestigkeit auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können erfindungsgemäß hergestellte Sinter-Formteile aus Mo-P-C-Stahlpulver und einem herkömmlichen
phosphorfreien niedrig legierten Stahlpulver mit beispielsweise 0,1 bis 2,0 Gew.-% Cr, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Mo, 0,1 bis 1 ,4 Gew.-% Mn und 0,1 bis 1 ,4 Gew.-% Ni erhalten werden. In diesem Fall beträgt das Verhältnis von Mo-P-C-Pulver zu Pulver aus phosphorfreiem Stahl zweckmäßigerweise 50:50 bis 5:95 nach Gewicht. Der Anteil an zugesetztem Kohlenstoff beträgt 0,1 bis 1 ,5 Gew.-%, der an zugesetztem Festschmierstoff 1 ,0 bis 3,5 Gew.-% MoS2.
Alle hier genannten Prozentangaben beziehen auf die gesamte Pulvermischung, sofern nicht anders angegeben.
Es versteht sich, daß zur Erzielung besonderer Effekte, insbesondere zur Aus- bildung von Hartphasen, weitere Metalle zugemischt werden können, beispielsweise Chrom, Molybdän oder Wolfram, etwa in Mengen von bis zu 2,0 Gew.-%.
Die erfindungsgemäßen Sinter-Formteile bzw. das zu seiner Herstellung verwandte Metallpulver können insgesamt etwa die folgende Zusammensetzung nach Gewicht aufweisen: 0,5 bis 2, 0 % C, 5,0 bis 16,0 % Mo, 0,2 bis 1 ,0 % P, bis zu 1 ,4 % Mn, bis zu 5,0 % Cr, bis zu 5,0 % S, bis zu 7,0 % W, bis zu 3,0 % V, bis zu 15 % Cu, weniger als 2,0 % andere Elemente und Rest Fe. Geringe Mengen Co und/oder Ni, weniger als 2,0 Gew.-%, können im Rahmen der anderen Elemente zugegen sein.
Insbesondere Sinter-Formteile aus Mo-P-C-Pulver und niedriglegiertem Stahlpulver können zur Verbesserung des thermischen Verhaltens 2,0 bis 20 Gew.-% Cu enthalten. Dabei kann dieser Kupferanteil sowohl durch Infiltration in das fertige Formteil eingebracht werden, als auch in Form von Kupferpulver oder Pulver einer Kupfereisenlegierung in der zur Herstellung verwandten Pulvermischung. Letzteres ist aus Kostengründen bevorzugt.
Es versteht sich, daß erfindungsgemäß auch Mischungen mehrerer Stahlpulver zum Einsatz kommen können. Dies betrifft sowohl das Mo-P-C-Stahlpulver, wo beispielsweise der Gehalt an Molybdän oder Phosphor variiert werden kann, wie auch den Schnellstahl oder den niedrig legierten Stahl. Als phosphorfreie Stahlkomponente ist neben M3/2 (DIN S-6-5-3) ein Stahl vom Typ SAE4701
bevorzugt. In jedem Fall handelt es sich bei den Stahlpulvern um fertiglegierte Pulver.
Der Kohlenstoff bewirkt die Ausbildung von temperaturbeständigen und verschleißmindernden Carbidphasen, die dem Werkstoff die nötige Lebensdauer verleihen. Chrom, Vanadium und Wolfram können zur Variation des Eigenschaftsspektrums hinzugesetzt werden, sind aber nicht unbedingt erforderlich. Der Mo-P-C-Stahl kann Wolfram enthalten.
Die erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Formteile können nach herkömmlichen Preß-Sinter-Verfahren hergestellt werden. Dazu gehört auch das Pulverschmieden, obwohl nicht unbedingt erforderlich. Im Allgemeinen ist für Ventilsitzringe eine Verdichtung auf 7,0 g/cm3 ausreichend, wenn auch für zahlreiche Zwecke eine höhere Dichte, insbesondere etwa 7,2 oder 7,3 g/cm3 und mehr vorteilhaft ist. Durch eine Erhöhung der Dichte, die insbesondere auch durch das Zulegieren von Kupfer erreicht wird, und die damit einhergehende Verminderung des Porenvolumens ergibt sich auch eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und damit des Temperaturverhaltens. Weiterhin wird dadurch die Standfestigkeit erhöht.
Die erfindungsgemäßen Formteile können zwar aus den entsprechenden Elementpulvern hergestellt werden, jedoch hat es sich gezeigt, daß bei Verwen- düng der fertiglegierten Stähle Produkte mit überlegenen Eigenschaften erhalten werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von durch Atomisierungsverfahren hergestellten Metallpulvern unregelmäßiger Form, die den daraus hergestellten Preßteil durch Verzahnung einen gewissen inneren Zusammenhalt verleihen können. Zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit, Verminderung des Ver- schleißes in den Pressen und zur Verbesserung des Zusammenhaltes können übliche Hilfsstoffe zugesetzt werden, beispielsweise Wachs, in einer Menge von bis zu 1 ,0 Gew.-%, bezogen auf die Legierungspulver.
Vorzugsweise werden spratzige Stahlpulver eines mittleren Durchmessers von weniger als 150 μm eingesetzt, vorzugsweise bis hinab zu 50 μm. Kohlenstoff wird zweckmäßigerweise als Graphit mit einer mittleren Korngröße von weniger
als 10 μm oder weniger zugemischt. Das Mo-P-C-Stahlpulver, wie es hier eingesetzt werden kann, ist in der WO-A-91/18123 beschrieben.
Es versteht sich, daß die erfindungsgemäßen Sinter-Formkörper auch andere Formkörper als Ventilsitzringe für Einlaß- und Auslaßventile sein können. Erfindungsgemäße Formteile können neben Ventilsitzringen insbesondere auch Nocken/Tragringe für Nockenwellen oder Kipphebelplättchen und Einsätze für Tassenstößel im Nockenfolgesystem sein oder andere auf Verschleiß unter hohen Temperaturen beanspruchte tribologische Teile.
Die erfindungsgemäßen Sinter-Formkörper werden aus dem vorgemischten Pulver wie folgt hergestellt: Zunächst wird der Rohling aus dem Pulver unter
Zuhilfe eines üblichen Wachses als Gleitmittel unter üblichen Preßdrücken zu
Formungen mit einer ausreichenden Dichte verpreßt. Der Preßdruck liegt zweckmäßigerweise zwischen 500 und 900 MPa. Nach dem Pressen wird das
Produkt zunächst unter einer Wasserstoff-Stickstoff-Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 750 °C entwachst und anschließend in einem
Ofen bei einer Temperatur von mehr als 900 °C, vorzugsweise mehr als
1000 °C und insbesondere bis zu 1150 °C gesintert. Drücke und Temperatur hängen dabei im wesentlichen von der gewünschten Dichte des Formteils und von der Zusammensetzung des Pulvers ab. Nach dem Abkühlen werden die Teile wärmebehandelt und den erforderlichen Nachbehandlungen unterworfen.
Beispiel 1 :
Für einen erfindungsgemäßen Sinterkörper wurde die folgende Pulvermischung nach Gewicht hergestellt:
50 Gew.-% Mo-P-C-Pulver 46,76 Gew.-% Schnellstahlpulver
3,0 Gew.-% MoS2
0,24 Gew.-% Kohlenstoff.
Der Molybdän-Phosphor-Kohlenstoff-Stahl hatte die Zusammensetzung 1 ,3 Gew.-% Kohlenstoff, 9,91 Gew.-% Molybdän, 0,59 Gew.-% Phosphor, Rest: Eisen. Das Schnellstahlpulver bestand aus 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, 6,66 Gew.-% Wolfram, 5,4 Gew.-% Molybdän, 1 ,5 Gew.-% Vanadium, 4,49 Gew.-% Chrom, Rest: Eisen. Andere Elemente: unvermeidbare Verunreinigung.
Die Mischung enthielt damit 1 ,26 Gew.-% Kohlenstoff, 3,11 Gew.-% Wolfram, 9,27 Gew.-% Molybdän, 0,91 Gew.-% Vanadium, 2,1 Gew.-% Chrom, 0,29 Gew.-% Phosphor und 1 ,2 Gew.-% Schwefel.
Der daraus erhaltene Sinterkörper hatte eine Dichte von 7,15 g/cm3, die Härte betrug nach dem Sintern 370 bis 420 HB. Nach der Wärmebehandlung und der Endbearbeitung zeigten die so hergestellten Ventilsitzringe ein exzellentes Temperatur- und Verschleißverhalten. Die Warmhärte des erfindungsgemäßen Materials (MS XXX) ist in der beiliegenden Abbildung für den Temperaturbereich 20 °C bis 600 °C wiedergegeben. Zum Vergleich sind die Warmhärten für einen herkömmlichen Werkstoff der COMO-Famiiie (COMO FS) und den Schnellstahl selbst wiedergegeben. MS XXX zeigt im Hochtemperaturbereich deutliche Vorteile.
Beispiel 2:
Analog zu Beispiel 1 wurde ein Formteil aus
54,8 Gew.-% Cr-Stahl
5,0 Gew.-% Mo-P-C-Stahl
1 ,0 Gew.-% MoS2
36 Gew.-% FeCu-Legierung 2,0 Gew.-% Mo
1 ,2 Gew.-% C
hergestellt. Das Mo-P-C-Stahlpulver hatte die aus Beispiel 1 bekannte Zusammensetzung. Die Eisenkupferlegierung bestand aus 80 Gewichtsteilen
Eisen und 20 Gewichtsteilen Kupfer. Der Cr-Stahl hatte bei 97 Gew.-% Eisen ein Chromanteil von 3,0 Gew.-%. Nach dem Pressen unter Zusatz von 0,25 Gew.-% Wachs, bezogen auf die Pulvermischung, und Sintern ergab sich ein Formteil einer Dichte von 7,15 g/cm2. Die Härte des Sinter-Formkörpers betrug 360 bis 390 HB, und nach dem Anlassen bei 600 °C 350 bis 360 HB.
Daraus hergestellte Ventilsitzringe waren für den Einsatz in Pkw-Benzinmotoren hervorragend geeignet.
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