DE10236015B4

DE10236015B4 - Gesinterte Legierung für einen Ventilsitz mit hervorragender Verschleißbeständigkeit und ein Verfahren zur Herstellung hierfür

Info

Publication number: DE10236015B4
Application number: DE10236015A
Authority: DE
Inventors: Jung Seok Seongnam Oh
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: DE10236015A1; KR20030021916A; US20030097904A1; US6712871B2; JP2003119553A; JP3797289B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Sinter-Legierung für Ventilsitze, mit den Schritten:
Mischen von 84 bis 86 Gew.-% Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspulver, 12,5 bis 13,5 Gew.-% Cr-W-Co-C-Legierungspulver, 0,7 bis 1,3 Gew.-% Vanadiumcarbid-Pulver und 0,6 bis 1,3 Gew.-% Bleischwärze;
Anlegen eines Oberflächendrucks Sintern bei einer Temperatur von 1160 bis 1200°C unter einer reduzierenden Atmosphäre, enthaltend Ammoniumgas;
Kupfer-Infiltrierung bei einer Temperatur von 1080 bis 1100°C und Öl-Kühlung bei einer Temperatur von 850 bis 880°C für 30 bis 45 Minuten; und
Tempern bei einer Temperatur von 590 bis 610°C.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine gesinterte Legierung (Sinter-Legierung) für einen Ventilsitz mit einer hervorragenden Verschleißbeständigkeit und ein Verfahren zur Herstellung hiervon. Insbesondere betrifft sie eine gesinterte Legierung auf Eisenbasis, umfassend Vanadiumcarbid(VC)-Teilchen, Fe-Co-Ni-Mo-Legierungsteilchen und Cr-W-Co-C-Legierungsteilchen, wobei die Zusammensetzung in einer Sorbit-Struktur fein verteilt bzw. dispergiert ist, und ein Verfahren zur Herstellung hierfür, wodurch diese zur Verwendung als Material für Ventilsitze für Automobilmotoren geeignet ist, welche eine hervorragende Verschleißfestigkeit, eine hohe Leistungsfähigkeit, eine hohe Rotationsgeschwindigkeit und einen niedrigen Brennstoffverbrauch erfordern.

Hintergrund der Erfindung

Bei einem Ventilsitz für einen Automobilmotor, welches ein Motorteil zur Erhöhung der thermischen Wirksamkeit einer Verbrennungskammer ist, ist es erforderlich, dass dieser eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei einer Temperatur von 400 bis 700°C aufweist, da er einem Kontakt, einer Reibung und dem Einfluss von Abgas während des Betriebs des internen Verbrennungsmotors ausgesetzt ist.

Verfahren zur Herstellung von Ventilsitzen von Automobilmotoren sind das Infiltrationsverfahren, das Hartmetall-Additionsverfahren, die Steuerung der Legierungszusammensetzung und ähnliches.

Die Infiltrierung ist ein Verfahren des Füllens von Poren der gesinterten Legierung mit infiltrierenden Materialien, wie beispielsweise Cu und Cu-Pd oder festen Schmiermitteln, wie beispielsweise Pb, PbO, B₂O₃, ZnO und ähnliches, und es wird so die Duktilität und Bearbeitbarkeit bei Rotation der Ventile verbessert.

Die Hartmetall-Addition ist ein Verfahren, bei dem eine gesinterte Legierung hergestellt wird, welche einen harten Fe-Mo- oder Co-Ni-W-C-Carbid-Komplex mit einer Größe von ungefähr 300 μm enthält. Bei einer gesinterten Legierung, die einen harten Carbid-Komplex enthält, wird die Verschleißfestigkeit verbessert, indem eine schwere bzw. hohe Belastung des Ventilsitzes durch die harten Carbide dispergiert wird, liegt bei Rotation der Ventile eine hervorragende Verschleißfestigkeit vor. Es gibt jedoch einige Nachteile, wie beispielsweise die schlechte Bearbeitbarkeit und die Verwendung einer großen Menge an teuerem Co, Ni, W, was die Gesamtherstellungskosten erhöht.

Die Steuerung der Legierungszusammensetzung ist ein Verfahren, bei dem Legierungsbestandteile als Elementpulver vermischt bzw. zugemischt werden. Es ist kostengünstig und leicht herzustellen, jedoch ist es schwierig, eine homogene Struktur zu erhalten. Metalle, wie beispielsweise Co, Ni, Mo, Cr, W und ähnliche werden üblicherweise verwendet, und eine große Menge an Co wird verwendet, um die thermische Stabilität zu erhöhen.

Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Legierung für einen Ventilsitz ist das Mischen jedes Bestandteils-Kompaktieren-Sintern-Kupferinfiltrieren-Hitzebehandlungs-Verfahren, welches ein typisches Herstellungsverfahren der Pulvermetallurgie ist. Bei diesem Verfahren wird ein Co-Mo-Cr-Legierungspulver oder Co-Ni-W-C-Legierungspulver zu Fe-Pulver gegeben, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die nach diesem Verfahren hergestellte gesinterte Legierung weist jedoch immer noch eine nicht zufriendenstellende Verschleißbeständigkeit für die Verwendung als Ventilsitzmaterialien von Motoren auf, welche eine hohe Leistungsfähigkeit und eine hohe Rotationsgeschwindigkeit erfordern.

Um den Abrieb des Ventilsitzes bzw. der Ventilklappe zu vermindern wird ein Brennstoff, enthaltend 0,2 bis 0,8 g/Gallon Tetraethylblei als Antiklopfmittel eingesetzt, wobei die Oktanzahl erhöht und ein Schmierfilm zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz durch Erzeugung von Bleioxid oder einer Bleiverbindung nach Verbrennung gebildet wird. Seit kurzem besteht jedoch eine zwingende Bestimmung, unverbleiten Brennstoff zu verwenden, der nicht mehr als 0,004 g/Gallon Tetraethylblei enthält, aufgrund der starken Verschmutzung, die mit Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Blei einhergeht. Es ist daher sehr wünschenswert, neue Materialien für Ventilsitze von Automobilmotoren bereitzustellen, die eine verbesserte Verschleißfestigkeit im Vergleich zu Herkömmlichen aufweisen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfinder haben eine gesinterte Legierungszusammensetzung für Ventilsitze entwickelt, welche eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist, um den Anforderungen an Motoren zu genügen, die durch eine hohen Ausgangsleistung, eine hohen Rotation und einen niedrigen Brennstoffverbrauch belastet sind.

Als ein Ergebnis wird durch die vorliegende Erfindung eine gesinterte Legierungszusammensetzung für Ventilsitze bereitgestellt, die eine hervorragende Verschleißfestigkeit, eine homogene gesinterte Strukur und eine Kosteneffektivität aufweist, in welcher Vanadiumcarbid-Teilchen, Fe-Co-Ni-Mo-Legierungsteilchen und Cr-W-Co-C-Legierungsteilchen in einer Sorbit-Struktur dispergiert bzw. fein verteilt sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine gesinterte Legierung für Ventilsitze bereit, herstellbar, indem 0,7 bis 1,3 Gew.-% Vanadiumcarbid-Pulver, 84 bis 86 Gew.-% Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspulver und 12,5 bis 13,5 Gew.-% Cr-W-Co-C-Legierungspulver und 0,6 bis 1,3 Gew.-% Graphitpulver in einer Struktur von Sorbit fein verteilt bzw. dispergiert werden.

Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der gesinterten Legierung für Ventilsitze bereit, mit den Schritten:
Mischen von 84 bis 86 Gew.-% Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspulver, 12,5 bis 13,5 Gew.-% Cr-W-Co-C-Legierungspulver, 0,7 bis 1,3 Gew.-% Vanadiumcarbid-Pulver und 0,6 bis 1,3 Gew.-% Graphitpulver;
Ausüben eines Oberflächendrucks Sintern bei einer Temperatur von 1160 bis 1200°C unter einer Ammoniumgas enthaltenden reduzierenden Atmosphäre;
Kupfer-Infiltrierung bei einer Temperatur von 1080 bis 1100°C und Öl-Quenchen bzw. Öl-Kühlung bei einer Temperatur von 850 bis 880°C für 30 bis 45 Minuten; und
Tempern bei einer Temperatur von 590 bis 610°C.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden ausführlich beschrieben. Die Sinter-Legierung der vorliegenden Erfindung wird hergestellt, indem Vanadiumcarbid-Teilchen, Fe-Co-Ni-Mo-Legierungsteilchen und Cr-W-Co-C-Legierungsteilchen in einer Sorbit-Struktur dispergiert bzw. fein verteilt werden.

Ungleich den herkömmlichen gesinterten Legierungen erfordert die Sinter-Legierung der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Legierungen, die mit Fe gemischt sind, anstelle der Verwendung von individuellen Ni-, Mo- und Co-Pulvern, um eine homogene Struktur bereitzustellen, indem eine lokale Abscheidung bzw. eine Entmischung, die bei herkömmlichen gesinterten Legierungen auftritt, vermieden wird.

Das Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspulver enthält 86 bis 93 Gew.-% Fe, 5 bis 8 Gew.-% Co, 1 bis 3 Gew.-% Ni und 1 bis 3 Gew.-% Mo. Das Cr-W-Co-C-Legierungspulver enthält 48 bis 80 Gew.-% Cr, 8 bis 25 Gew.-% W, 10 bis 25 Gew.-% Co und 1 bis 3 Gew.-% C.

In der vorliegenden Erfindung liegt das Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspulver vorzugsweise in einem Bereich von 84 bis 86 Gew.-% gegenüber der gesamten gesinterten Legierung vor. Wenn der Anteil von diesem Bereich abweicht, führt dies zu einer schlechteren Verschleißbeständigkeit. Das Cr-W-Co-C-Legierungspulver liegt vorzugsweise in einem Bereich von 12,5 bis 13,5 Gew.-% gegenüber der gesamten gesinterten Legierung vor, um die Verschleißfestigkeit durch Dispergieren in der Substratstruktur zu verbessern. Wenn der Anteil weniger als 12,5 Gew.-% beträgt führt dies zu einer schlechteren Verschleißfestigkeit. Wenn er andererseits mehr als 13,5 Gew.-% beträgt, ist dies nachteilig für die Kosten. Vanadium wird als Vanadiumcarbid-Pulver zugegeben, um die Verschleißfestigkeit durch Dispergieren in der Substratstruktur zu verbessern. Das Vanadium-Carbid-Pulver liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,7 bis 1,3 Gew.-% gegenüber der gesamten gesinterten Legierung vor. Wenn der Anteil weniger als 0,7 Gew.-% beträgt, beeinflußt er die Verbesserung der Verschleißfestigkeit nicht. Andererseits, wenn er mehr als 1,3 Gew.-% beträgt, ist dies nachteilig für die Kosten. Das Graphitpulver liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,6 bis 1,3 Gew.-% gegenüber der gesamten gesinterten Legierung vor. Wenn der Anteil weniger als 0,6 Gew.-% beträgt, hat er keinen Einfluß auf die Erhöhung der Härte. Andererseits, wenn er mehr als 1,3 Gew.-% beträgt, nimmt die Härte ab.

Demgemäß umfaßt eine Gesamtzusammensetzung der Sinter-Legierung 1,0 bis 1,5 Gew.-% C, 1 bis 3 Gew.-% Ni, 6 bis 11 Gew.-% Cr, 1 bis 3 Gew.-% Mo, 5 bis 11 Gew.-% Co, 1 bis 3 Gew.-% W, 0,5 bis 1,0 Gew.-% V und 11 bis 18 Gew.-% Cu, wobei der Rest aus Fe besteht.

Die Sinter-Legierung für Ventilsitze der vorliegenden Erfindung wird hergestellt, indem obige Zusammensetzung gemischt wird, ein Oberflächendruck angelegt wird, um eine Kompaktierdichte von 6,8 g/cm² zu haben, Sintern bei einer Temperatur von 1160 bis 1200°C für 1 Stunde unter einer reduzierenden Atmosphäre, enthaltend gekracktes Ammoniumgas, Kupfer-Infiltrierung bei einer Temperatur von 1080 bis 1100°C, Öl-Quenchen bzw. Öl-Kühlen bei einer Temperatur von 850 bis 880°C für 30 bis 45 Minuten; und Tempern bei einer Temperatur von 590 bis 610°C.

Die nachfolgenden Beispiele sind zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung bestimmt, ohne deren Umfang zu beschränken.

Beispiel 1
Eine gesinterte Legierung für einen Ventilsitz wurde hergestellt, indem Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspulver, Cr-W-Co-C-Legierungspulver, Vanadiumcarbid-Pulver und Graphit gemischt wurden, so dass eine Gesamtzusammensetzung, umfassend 1,3 Gew.-% C, 2,0 Gew.-% Ni, 8,0 Gew.-% Cr, 2,0 Gew.-% Mo, 6,5 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Cu, 2,0 Gew.-% W, 0,8 Gew.-% V und als Restbestandteil Fe wie in Tabelle 1 gezeigt, erhalten wird. Das gemischte Pulver wurde kompaktiert bzw. verdichtet und anschließend bei einer Temperatur von 1180°C unter reduzierenden Bedingungen, enthaltend gekracktes Ammoniumgas, für eine Stunde gesintert. Eine Kupfer-Infiltrierung wurde bei einer Temperatur von 1190°C für 30 Minuten und einem Quenchen bzw. Abkühlen bei 870°C für 40 Minuten, gefolgt von einem Tempern bei einer Temperatur von 600°C für 2 Stunden durchgeführt, um die gewünschte Sinter-Legierung zu erzeugen.
Beispiel 2
Eine gesinterte Legierung für einen Ventilsitz wurde hergestellt, indem Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspulver, Cr-W-Co-C-Legierungspulver, Vanadiumcarbid-Pulver und Bleischwärze gemischt werden, um eine Gesamtzusammensetzung, enthaltend 1,1 Gew.-% C, 2,0 Gew.-% Ni, 6,8 Gew.-% Cr, 2,0 Gew.-% Mo, 5,5 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Cu, 1,8 Gew.-% W, 0,6 Gew.-% V und als Restbestandteil Fe, wie in Tabelle 1 gezeigt, zu erhalten. Das gemischte Pulver wurde kompaktiert und anschließend bei einer Temperatur von 1180°C unter reduzierenden Bedingungen, enthaltend gekracktes Ammoniumgas, für eine Stunde gesintert. Eine Kupfer-Infiltrierung wurde bei einer Temperatur von 1190°C für 30 Minuten durchgeführt, sowie ein Kühlen bei 870°C für 40 Minuten, gefolgt von einem Tempern bei einer Temperatur von 600°C für 2 Stunden, um die gewünschte Sinter-Legierung herzustellen.
Vergleichsbeispiel 1
Eine gesintere Legierung für einen Ventilsitz wurde hergestellt, indem ein Co-Mo-Cr-Legierungspulver und ein Fe-Cr-W-Co-C-Legierungspulver zu Fe-Cr-Mn-Mo-Pulver gemischt wurden, um eine Gesamtzusammensetzung, enthaltend 1,3 Gew.-% C, 2,0 Gew.-% Ni, 7,5 Gew.-% Cr, 2,0 Gew.-% Mo, 6,5 Gew.-% Co, 2,0 Gew.-% W, 0,7 Gew.-% Mn, 15 Gew.-% Cu und als Restbestandteil Fe, wie in Tabelle 1 gezeigt, zu erhalten. Das gemischte Pulver wurde kompaktiert und anschließend bei einer Temperatur von 1160°C unter reduzierenden Bedingungen, enthaltend gekracktes Ammoniumgas, für eine Stunde gesintert. Es wurde eine Kupfer-Infiltrierung durchgeführt und anschließend ein Abkühlen bei 920°C für eine Stunde, gefolgt von Tempern bei ei ner Temperatur von 600°C für zwei Stunden, um die gewünschte Sinter-Legierung herzustellen.
Vergleichsbeispiel 2
Eine gesintere Legierung für einen Ventilsitz wurde hergestellt, indem ein Co-Mo-Cr-Legierungspulver und W, Co und Bleischwärze zu Fe-Cr-Mn-Mo-Pulver gemischt wurde, um eine Gesamtzusammensetzung, enthaltend 1,1 Gew.-% C, 2,0 Gew.-% Ni, 6,5 Gew.-% Cr, 2,0 Gew.-% Mo, 8,0 Gew.-% Co, 1,5 Gew.-% W, 0,7 Gew.-% Mn, 15 Gew.-% Cu und als Restbestandteil Fe, wie in Tabelle 1 gezeigt, zu erhalten. Das gemischte Pulver wurde kompaktiert und anschließend bei einer Temperatur von 1160°C unter reduzierenden Bedingungen, enthaltend gekracktes Ammoniumgas, für eine Stunde gesintert. Es wurde eine Kupfer-Infiltrierung durchgeführt und anschließend ein Abkühlen bei 920°C für eine Stunde, gefolgt von Tempern bei einer Temperatur von 600°C für zwei Stunden, um die gewünschte Sinter-Legierung herzustellen.
Vergleichsbeispiel 3
Eine Sinter-Legierung für einen Ventilsitz wurde hergestellt, indem Fe-Ni-Mo-Legierungspulver, C-Cr-Co-W-Fe-Legierungspulver, Co, Ferrovanadium (Fe-V) und Bleischwärze gemischt wurden, um eine Gesamtzusammensetzung, enthaltend 1,1 Gew.-% C, 2,0 Gew.-% Ni, 7,5 Gew.-% Cr, 2,0 Gew.-% Mo, 7,0 Gew.-% Co, 2,2 Gew.-% W, 0,8 Gew.-% V, 15 Gew.-% Cu und als Restbestandteil Fe, wie in Tabelle 1 gezeigt, zu erhalten. Das gemischte Pulver wurde kompaktiert und anschließend bei einer Temperatur von 1160°C unter reduzierenden Bedingungen, enthaltend gekracktes Ammoniumgas, für 1 Stunde gesintert. Es wurde eine Kupfer-Infiltrierung durchgeführt und anschließend ein Abkühlen bei 870°C für 1 Stunde, gefolgt durch ein Tempern bei einer Temperatur von 650°C für zwei Stunden, um die gewünschte Sinter-Legierung herzustellen.
Tabelle 1
Versuchsbeispiel: Verschleißtest
Es wurde ein "Pin-on-disc"-Verschleißtest mit der gesinterten Legierung für einen Ventilsitz, hergestellt gemäß den Beispielen und Vergleichsbeispielen, durchgeführt, unter Rotationsbedingungen, einer Gleitgeschwindigkeit von 2,5 m/sec, einer Gleitentfernung von 30 km, einer ausgeübten Belastung und einer Scheibentemperatur von 150°C. Die in den Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellten Sinter-Legierungen wurden als Stiftmaterial ("Pin") verwendet, und hitzebeständiger Stahl SUH35 wurde als Scheibenmaterial "Disc") verwendet. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 zusammengefaßt.
Tabelle 2
Im Vergleich mit den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 ist die Verschleißbeständigkeit der Sinter-Legierungen gemäß den Beispielen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung verbessert. Im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel 1 ist die Abriebmenge der Sinter-Legierung gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung um ungefähr 13 % vermindert und verglichen mit Vergleichsbeispiel 3, bei dem Fe-V verwendet wird, ist sie um ungefähr 10 % vermindert.
Wie oben beschrieben ist, weist die Sinter-Legierung für Ventilsitze der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Verschleißfestigkeit und eine homogene Struktur auf und ist daher gut als Material für Ventilsitze für Automobilmotoren geeignet, bei denen eine hervorragende Verschleißfestigkeit, eine hohe Leistung, eine hohe Rotationsgeschwindigkeit und ein geringer Brennstoffverbrauch erforderlich ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Sinter-Legierung für Ventilsitze, mit den Schritten: Mischen von 84 bis 86 Gew.-% Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspulver, 12,5 bis 13,5 Gew.-% Cr-W-Co-C-Legierungspulver, 0,7 bis 1,3 Gew.-% Vanadiumcarbid-Pulver und 0,6 bis 1,3 Gew.-% Bleischwärze; Anlegen eines Oberflächendrucks Sintern bei einer Temperatur von 1160 bis 1200°C unter einer reduzierenden Atmosphäre, enthaltend Ammoniumgas; Kupfer-Infiltrierung bei einer Temperatur von 1080 bis 1100°C und Öl-Kühlung bei einer Temperatur von 850 bis 880°C für 30 bis 45 Minuten; und Tempern bei einer Temperatur von 590 bis 610°C.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtzusammensetzung der Sinter-Legierung 1,0 bis 1,5 Gew.-% C, 1 bis 3 Gew.-% Ni, 6 bis 11 Gew.-% Cr, 1 bis 3 Gew. % Mo, 5 bis 11 Gew.-% Co, 1,3 bis 3 Gew.-% W, 0,5 bis 1,0 Gew. % V und 11 bis 18 Gew.-% Cu enthält, und der Restbestandteil aus Fe besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fe-Co-Ni-Mo-Legierungspuler 86 bis 93 Gew.-% Fe, 5 bis 8 Gew. % Co, 1 bis 3 Gew.-% Ni und 1 bis 3 Gew.-% Mo enthält; und das Cr-W-Co-C-Legierungspulver 48 bis 80 Gew.-% Cr, 8 bis 25 Gew.-% W, 10 bis 25 Gew.-% Co und 1 bis 3 Gew. % C enthält.