DE2411017A1 - Stahl-gebundene titancarbid-massen und deren herstellung sowie daraus gefertigte, gehaertete, verschleissfeste elemente - Google Patents

Stahl-gebundene titancarbid-massen und deren herstellung sowie daraus gefertigte, gehaertete, verschleissfeste elemente

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    • F01C19/00—Sealing arrangements in rotary-piston machines or engines
    • F01C19/02—Radially-movable sealings for working fluids

Description

Chromalloy American Corporation, 120 Broadway, New York, N.Y. (V.St.A.)
Stahl-gebundene Titanearbid-Massen und deren Herstellung sowie daraus gefertigte, gehärtete, verschleißfeste Elemente
Die vorliegende Erfindung betrifft gesinterte, stahlgebundene Titanearbid-Massen und ein Verfahren zur Herstellung derselben, und sie bezieht sich auch auf aus den genannten Massen gefertigte, gehärtete, verschleißbeständige Elemente, die durch eine Kombination von verbesserten Eigenschaften ausgezeichnet sind, und hierzu gehören eine verbesserte Transversal-Bruchfestigkeit, eine verbesserte Beständigkeit gegen einen Hitzeschock, eine verbesserte Schlagfestigkeit sowie verbesserte reibungsmindernde Eigenschaften und dergleichen mehr.
Die Entwicklung von Rotationskolben- bzw. Kreiskolben-Motoren ist in den Kreisen der Automobilhersteller auf ein großes technisches Interesse gestoßen, und viele An-
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zeichen sprechen dafür, daß Automobilfirmen von Weltruf beabsichtigen, in naher Zukunft Kraftfahrzeuge in den Verkehr zu bringen, die mit derartigen Motoren angetrieben werden.
Die erfolgreiche Anwendung derartiger Motoren setzt jedoch voraus, daß die einschlägige Industrie die hiermit verbundenen beträchtlichen Schwierigkeiten überwindet. So haben diesbezüglich durchgeführte umfassende Untersuchungen beispielsweise ergeben, daß es notwendig ist, verbesserte und hohen Ansprüchen genügende Dichtungsmaterialien zu entwickeln, um den strengen Anforderungen von Drehkolbenmaschinen entsprechen zu können. Eine äußerst wichtige und kritische Komponente des Motors ist die "Ap^x-Dichtung", d.h. die Abdichtung am Scheitelpunkt des Bogendreieek-Kolbens, die beim Rotationskolben die Aufgabe erfüllt, die verschiedenen Räume der trochoidischen Kammer innerhalb des Gehäuses abzudichten. Diese Dichtungen, die der Hitzeeinwirkung, der Oxydation und dem Verschleiß durch Abrieb ausgesetzt sind, müssen eine ausreichende Haltbarkeit und Verläßlichkeit für eine Betriebsstrecke von mindestens 100 000«Meilen, also rund 161 000 km, aufweisen, und sie sollten durch die notwendige Kombination von physikalischen und chemischen Eigenschaften ausgezeichnet sein, wie z.B. durch eine Beständigkeit gegen Oxydation und Korrosion bei erhöhten Temperaturen, eine hohe Transversal-Bruchfestigkeit (transverse rupture strength) eine gute Schlagfestigkeit und gute reibungsmindernde Eigenschaften (d.h. eine niedrige Gleitreibung), um die erwünschte Verschleißfestigkeit u.dgl. zu gewährleisten. Darüber hinaus muß das Dichtungsmaterial auch eine angemessene Verträglichkeit
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mit der trochoidisehen Fläche der Motorkammer aufweisen, die für gewöhnlich mit einem verschleißfesten Material, z.B. Chrom und dem unter der Handelsbezeichnung "Elnisil" bekannten Material, ausgekleidet ist. Das letztgenannte Material stellt eine Überzugsmasse dar, die aus 5 Gew.-Ji fein verteiltem Siliciumcarbid, das in einer Nickel-Elektroplattierungs-Matrix gleichmäßig dispergiert ist, besteht .
Eine gesinterte,- stahl-gebundene Titancarbid-Werkzeugstahlmasse, die als "Apex"-Dichtung in Vorschlag gebracht worden ist, ist eine solche, die etwa 45 Vol.-% primäre Titancarbid-Körner aufweist, die in einer den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse bzw. -matrix dispergiert sind, welch letztere etwa 10 Gew.-% Cr, 3 Gew.-^ Mo, 0,85 Gew.-# C und als Rest Eisen enthält. Wenn auch diese Masse recht vielversprechende Ergebnisse gezeitigt hat, so haben die weiteren Anforderungen der Entwicklungsingenieure sich mit besonderem Nachdruck auf solche Materialien gerichtet, die durch eine höhere Beständigkeit gegen den Hitzeschock, eine niedrigere Gleitreibung in der trochoidisehen Kammer und demzufolge eine größere Verschleißfestigkeit und ferner durch verbesserte physikalische Eigenschaften, wie z.B. eine höhere Schlagfestigkeit und eine höhere Transversal-Bruchfestigkeit, ausgezeichnet sind.
Die Werkzeug-Fabrikanten und die Hersteller von Werkzeugteilen sind auch ständig um die Auffindung von neuen und besseren Materialien bemüht, die starken Beanspruchungen, dem Hitzeschock, der Beanspruchung durch Schlag, Hitze und Verschleiß standzuhalten vermögen, wie sie bei gewissen Warmbearbeitungen und mit Schlagbeanspruchung verbun-
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denen Anwendungszwecken auftreten, z.B. in Kopfanstauchraatrizen, Streckgesenken, Schmiedegesenken, Druekgußwerkzeugen u. dgl. mehr. Diese Anforderungen haben gleichermaßen einen dringenden Bedarf an stahl-gebundenen Titancarbid-Materialien geweckt, welche eine einzigartige Kombination von physikalischen und chemischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen aufweisen, insbesondere eine verbesserte Schlagfestigkeit und eine verbesserte Transversal-Bruchfestigkeit in Kombination mit einer verbesserten Beständigkeit gegen den Hitzeschock.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nun gefunden, daß man die vorstehend angeführte Aufgabenstellung dadurch einer Lösung zuführen kann, daß man eine kleine aber wirksame Menge eines legierenden Bestandteils der Stahlmatrix der stahl-gebundenen Carbide zusetzt, wodurch die gewünschte Kombination von Eigenschaften signifikant verbessert wird. Die Erfindung findet ihre technische Anwendung nicht nur in Bezug auf die Verbesserung der vorerwähnten Masse, sondern sie kann auch auf einen verhältnismäßig breiten Bereich von Stahl-Grundmassen angewendet werden, wie sie zur Gewinnung von gesinterten stahl-gebundenen Titancarbid-Massen benutzt werden.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine gesinterte, stahl-gebundene Titancarbid-Masse, die durch eine verbesserte Kombination von physikalischen und chemischen Eigenschaften ausgezeichnet ist, verfügbar zu machen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, der einschlägigen Technik als Herstellungserzeugnis ein aus einer gesinterten, gehärteten, stahl-gebundenen Titan-
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carbid-Masse gebildetes, verschleißfestes Element zur Verfügung zu stellen, das durch verbesserte physikalische Eigenschaften, einschließlich einer verbesserten Verschleißbeständigkeit, ausgezeichnet ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, eine Arbeitsmethode zur Verbesserung der Eigenschaften von gesinterten, stahl-gebundenen Titancarbid-Massen zu entwickeln.
Diese und noch andere Gegenstände werden nun in der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen in allen Einzelheiten erläutert, von denen Figur 1 eine schematische Abbildung eines Reibungs- und Verschleiß-Testsystems wiedergibt, welches zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten von stahlgebundenen Titancarbid-Massen gegenüber einer bewegten, mit einer verschleißfesten Überzugsschicht versehenen Oberfläche verwendet wurde, und
Figur 2 eine Schemazeichnung einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine darstellt, bei der ein warm-bearbeitbares stahl-gebundenes Titanearbid als "Apex"-Dichtungsmaterial zur Anwendung gelangt.
In breitem Sinne betrifft die vorliegende Erfindung in einer Hinsicht eine gesinterte, stahl-gebundene Titancarbid-Masse, die durch eine verbesserte Kombination von physikalischen und reibungsmindernden bzw. Antifriktions-Eigenschaften ausgezeichnet ist und etwa 15 bis 60 Gew.-Ji primäre Titanearbidkörner enthält, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind, wobei die Stahlgrundmasse ihrerseits metallographisch
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durch ein Austenit-Zerfallsprodukt (z.B. Perlit, Bainit und Martensit) gekennzeichnet ist, und die genannte Grundmasse "Misch"-Metall in einer kleinen aber wirksamen Menge enthält, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-£ der genannten Grundmasse beläuft und ausreicht, um eine wesentliche Verbesserung der genannten Eigenschaften zu bewirken.
Die Verwendung von geringen Mengen von Cerium (O bis O,l#) zum Weichglühen bzw. Kugeligglühen von freiem Graphit in gesinterten, stahl-gebundenen Titancarbid-Massen ist an sich bekannt (hierzu wird auf die USA-Patentschrift 3 720 504 verwiesen). Es ist nun gefunden worden, daß man unerwartete Ergebnisse bei im wesentlichen nichtgraphitischen Massen erzielen kann, wenn man Mischmetall in den vorerwähnten Mengen von 0,1 bis 1,25 % verwendet.
Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist auf einen breiten Bereich von stahl-gebundenen Titancarbid-Massen anwendbar. Beispielsweise sind Titancarbid-Werkzeugstahlmassen in dem USA-Patent 2 828 202 (das der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilt wurde) offenbart worden, die in breitem Sinne aus primären Körnern hauptsächlich aus Titancarbid bestehen, die in einer warm-bearbeitbaren Stahlgrundmasse bzw. -matrix dispergiert sind. Eine bevorzugte Stahlgrundmasse ist eine solche, die - in Gew.-$6 ausgedrückt - etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 % Mo, etwa 0,3 bis 0,8 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Als typische stahl-gebundene Titancarbid-Masse ist eine solche anzuführen, die 33 Gew.-$6 TiC in Form von primären Carbidkörnern in einer im wesentlichen nicht-graphitischen Stahlgrundmasse dispergiert enthält, welch letztere 3 Gew.-Jt Cr, 3 Gew.-Ji Mo, 0,6 Gew. -fL C und als Rest im we-
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sentlichen Eisen enthält. Der Stahl wird vorzugsweise unter Anwendung von Pulvermetallurgie-Methoden hergestellt, die - breit ausgedrückt - darin bestehen, daß man gepulvertes Titancarbid (primäre Carbidkörner) mit gepulverten stahlbildenden Ingredienzien, die z.B. der vorerwähnten Zusammensetzung entsprechen, vermischt, man dann einen Preßling formt, indem man das Gemisch in einer Form unter einem Druck von z.B. 2,3 t/cm .(15 t.s.i.) verpreßt und danach den Preßling einem Flüssigphase-Sintern unter nicht-oxydierenden Bedingungen, z.B. im Vakuum, unterwirft. Der Ausdruck "primäres Carbid" soll in dem Sinne, wie er in dieser Erfindungsbeschreibung gebraucht wird, Titancarbidkörner per se umfassen, die als solche direkt beim Zubereiten der Masse zugegeben werden, und welche Körner bei der Hitzebehandlung im wesentlichen unbeeinflußt bleiben.
Zur Herstellung einer Titancarbid-Werkzeugstahlmasse nach den Angaben in dem vorangehend erwähnten Patent, die beispielsweise 33 Gew.-% TiC (das entspricht annähernd 45 Vol.-#) und als Rest im wesentlichen eine Stahlgrundmasse enthält, werden 500 g TiC (von etwa 5 bis 7 Mikron Teilchengröße) mit 1000 g stahlbildenden Bestandteilen in einer Mühle, die zur Hälfte mit Kugeln aus rostfreiem Stahl gefüllt ist, vermählen. Die pulverförmigen Bestandteile werden mit 1 g Paraffinwachs auf je 100 g Gemisch versetzt. Das Vermählen wird etwa 40 Stunden lang fortgesetzt, wobei Hexan als Anfeuchtungsmittel verwendet wird.
Nach Beendigung des Vermahlens wird das Gemisch herausgenommen und getrocknet, und es werden Preßlinge der gewünschten Form durch Verpressen unter einem Druck von etwa
2,3 t/cm (15 t.s.i.) hergestellt, und die Preßlinge werden
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dann einem Sintern in flüssiger Phase im Vakuum bei einer Temperatur von etwa 14-50° C etwa 1/2 Stunde lang unterworfen, wobei ein Vakuum von etwa 0,02 mm (20 Mikron) Quecksilbersäule oder ein noch besseres Vakuum angewendet wird. Nach Beendigung des Sinterns werden die Preßlinge abgekühlt und danach geglüht durch 2 Stunden langes Erhitzen auf etwa 9000C mit nachfolgendem Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von etwa 15°C pro Stunde bis auf etwa 1000C, und daran schließt sich eine Ofenkühlung auf Raumtemperatur an, um so eine geglühte MikroStruktur, die Perlit in Form von kugeligem Perlit bzw. Sphäroidit enthält, zu erzeugen. Die geglühte Härte beträgt ungefähr etwa 45 Rockwell C, und der kohlenstoffreiche Werkzeugstahl kann durch maschinelle Bearbeitung und bzw. oder Schleifen in jede gewünschte Werkzeugform oder in jedes gewünschte Maschinenteil vor dem Härten gebracht werden.
Die Härtebehandlung besteht in dem etwa l/4-stündigen Erhitzen des maschinell bearbeiteten Werkstückes auf eine austenit-bildende Temperatur von etwa 954°C (175O°F) mit nachfolgendem Abschrecken in öl oder Wasser, um eine Rockwell C-Härte von etwa 70 zu erreichen.
Wenn auch eine Masse der vorangehend angeführten typischen Zusammensetzung einen gewissen technischen Gebrauchswert erlangt hat, so weist sie doch bestimmte Nachteile auf. Wird sie beispielsweise als Preßwerkzeug oder Gesenk- bzw. Matrizen-Material unter Bedingungen verwendet, bei denen Hitze durch Reibung erzeugt wird oder bei denen das zu bearbeitende Metall vorerhitzt worden ist über jene Temperatur hinaus, bei der eine Neigung zum Tempern auftritt, so
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führt dies zu einem Weichwerden des Preßwerkzeugstahls. Darüber hinaus würden bei einem aus der Masse gefertigten Werkstück dann, wenn nicht Maßnahmen getroffen werden, um ein schnelles Erhitzen und Kühlen zu unterbinden, Wärmerisse auftreten. Außerdem war die Bruchfestigkeit, auoh wenn sie für die meisten Anwendungszwecke angemessen war, nicht so hoch wie erwünscht, da diese Bruchfestigkeit bzw. Transversal-Bruchfestigkeit für gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 15 800 bis 19 300 kg/cm2 (225 000 275 000 psi) liegt. Eine Masse der vorstehend angegebenen Zusammensetzung wies auch einen hohen Reibungskoeffizienten (Gleitreibung) auf.
Ein weiterer Typ von stahl-gebundenen Carbidmassen ist jener Typ, der in dem USA-Patent 3 653 9^2 (das der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilt worden ist) beschrieben wurde, und als eine typische, im Handel verfügbare Masse ist eine solche anzuführen, die etwa 3^*5 % TiC - als Gewichtsprozent ausgedrückt - als primäre Carbidkörner enthält, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind. Die Stahlgrundmasse ihrerseits enthält - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 10 # Cr, 3 % Mo, 0,85 # C und als Rest im wesentlichen Eisen. Diese stahl-gebundene Carbidmasse unterscheidet sich von der oben erwähnten Varietät mit niedrigerem Chromgehalt dadurch, daß sie bei etwa 53Ö°C angelassen werden kann und so eine ziemlich hohe Härte bei solchen Temperaturen beizubehalten vermag, insbesondere bei einer Verwendung als verschleißbeständiger "Apex"-Dichtstreifen in Rotationskolben-Brennkraftmaschinen, wie z.B. im Wankel-Motor. Die Zusammensetzung der Stahlgrundmasse kann sich belaufen auf etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 % Mo, etwa 0,6 bis 1,2 % C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 2 % V, bis zu etwa 3 % Ni, bis zu etwa 5 % Co, während der Rest im we-
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sentlichen aus Eisen besteht. Jedoch ist auch diese Masse wie die weiter oben beschriebene dem Hitzeschock ausgesetzt und zeigt für gewöhnlich eine Bruchfestigkeit von etwa 15 800 bis I9 300 kg/cm2 (225 000 - 275 000 psi). Darüber hinaus weist die Masse einen hohen Gleitreibungskoeffizienten auf.
Eine noch andere stahl-gebundene Carbidmasse ist in dem USA-Patent 3 369 89I (das der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilt worden ist) beschrieben und beansprucht. Als typische Masse ist eine solche anzuführen, die 33*2 Gew.-$£ Titancarbid und als Rest eine Stahlgrundmasse enthält, die ihrerseits l8 % Ni, 8,5 % Co, 4,75 % Mo, 1 % Ti und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Die Grundmasse wird gehärtet, indem man den Stahl zunächst einem Lösungsglühen durch Herunterkühlen an der Luft von einer Temperatur von etwa 76O bis 11000C unterwirft, um eine Mikrostruktur in der Masse zu erzeugen, die durch das Vorhandensein von Weiohmartensit gekennzeichnet ist. Danach wird die Grundmasse, welche die Carbidkörner umgibt, durch Alterungshärtung vergütet, indem man sie etwa 3 Stunden auf etwa 260 bis 65O0C erhitzt. Eine typische Temperatur für das Vergüten durch Alterungshärtung ist eine solche von 483°C.
Faßt man das vorstehend Gesagte zusammen, so kann die Grundmasse in breitem Umfang aus den Stoffgruppen ausgewählt werden, die bestehen aus
(A) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 % Mo, bis zu etwa 2 % Vanadium, bis zu etwa 3 # Kobalt, bis zu etwa 2 % Nickel, etwa. 0,3 bis 0,8 # C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält;
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(B) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 # Mo, etwa 0,6 bis 1,2 % C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 2 $ V, bis zu etwa 5 % Ni, bis zu etwa 5 # Co und als Rest im wesentlichen Eisen enthält; und
(C) einer Grundmasse, die aus einer nickelreichen Legierung besteht, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 10 bis 30 % Ni, etwa 0,2 bis 9 % Ti, bis zu etwa 5 % Al mit der Maßgabe, daß die Summe des Ti- und Al-Gehalts etwa 9 % nicht übersteigt, weniger als etwa 0,15 % C, bis zu etwa 25 # Co, bis zu etwa 10 % Mo enthält, während im wesentlichen der Rest der Grundmasse aus mindestens etwa 50 % Eisen besteht, wobei die Mengenverhältnisse der die Grundmasse ausmachenden Metalle so zu wählen sind, daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 10 bis 22 % beträgt und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 % ausmacht, die Molybdän- und Cobalt-Gehalte jeweils wenigstens etwa 2 % betragen, und daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa l8 bis 30 % beträgt und der Molybdän-Gehalt sich auf weniger als 2 $ beläuft, die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1,5 Ji übersteigt.
Es wurde nun gefunden, daß durch Zusatz einer kleinen aber wirksamen Menge von "Misch"-Metall zu den Stahlgrundmassen der vorstehend angeführten stahl-gebundenen Titancarbid-Massen die Eigenschaften signifikant verbessert werden.
Bei dem "Mischmetall" handelt es sich um eine Legierung, die von einem Gemisch der Ceriumerden, z.B. Cerium und Lanthan, stammt. Bei der Herstellung der zuzusetzenden Legierung werden die Ceriumerden durch Behandeln mit
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Salzsäure in die Chloride umgewandelt. Diese Chloride werden dann innig mit geschmolzenem Calciumchlorid vermischt und in einen Graphittiegel gefüllt. Das Gemisch wird dann einer Elektrolyse unterworfen vermittels Durchleiten eines starken Stroms durch das geschmolzene Salzbad, um die "Mischmetall" genannte Legierung zu erzeugen, die aus annähernd 50 % Ce, 45 % La und als Rest aus anderen seltenen Erdmetallen besteht. Man kann annehmen, daß die anderen seltenen Erdmetalle Äquivalente des Ceriums und bzw. oder Lanthans darstellen.
Wie oben bereits erwähnt, kann die kleine aber wirksame Menge Mischmetall in der Stahlgrundmasse etwa 0,1 bis 1,25 % ausmachen. Ein besonders bevorzugter Zugabe-Bereich liegt zwischen etwa 0,125 % und 1 %, noch besser zwischen etwa 0,2 % und 0,8 %.
Um die wichtige Bedeutung des Mischmetalls als Additiv für die Stahlgrundmasse zu veranschaulichen, werden die folgenden Beispiele angeführt.
Beispiel 1
Es wurde eine Reihe von Tests mit einer stahl-gebundenen Masse durchgeführt, die 34,5 Gew.-^ TiC und als Rest im wesentlichen eine Stahlgrundmasse enthält. Die Grundmasse enthielt 10 % Cr, 2,9 % Mo, 0,85 % C und als Rest Eisen. Diese Masse wurde einmal ohne Zusatz von Mischmetall hergestellt, und daneben wurden Massen mit Mischmetallzusätzen von 0,1 %, . 0,2 %, 0,3 Ji1 0,4 % bzw. 0,5 % hergestellt.
Zur Herstellung der stahl-gebundenen Titanearbidmasse werden etwa 690 g TiC von etwa 5 bis 7 Mikron Teilchengröße
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mit 15IO g stahl-bildenden Bestandteilen der vorgenannten Grundmassen-Zusammensetzung in einer Mühle, die zur Hälfte mit Kugeln aus rostfreiem Stahl gefüllt ist, vermischt. Die pulverförmigen Ingredienzien werden mit 1 g Paraffinwachs auf je 100 g Gemisch versetzt. Das Vermählen wird etwa 40 Stunden lang fortgesetzt, wobei Hexan als Anfeuchtungsmittel dient. Das vorstehend beschriebene Gemisch wurde in gleicher Zusammensetzung auch für die verschiedenen Zusätze von Mischmetall benutzt.
Nach Beendigung des Vermahlens wurde das Gemisch herausgenommen und getrocknet und unter einem Druck von 2,j5 t/cm (15 t.s.i.) zu Test-Angüssen verpreßt, und die Preßlinge wurden danach etwa 1/2 Stunde lang einem Plüssigphase-Sintern bei einer Temperatur von etwa 1465 C unter einem Vakuum, das etwa 0,2 mm (20 Mikron) Quecksilbersäule entsprach oder noch besser war, unterworfen. Die Preßlinge wurden nach dem Sintern einer Hitzebehandlung unterworfen durch Abschrecken in öl von 1O9J5°C (20000F) und zweimaliges Anlassen, und zwar 1 Stunde bei 525°C und 1 Stunde bei 510°C. Die Teststücke wurden auf Porosität und Bruchfestigkeit untersucht. Es wurden die nachstehend in Tabelle 1 zusammengestellten Ergebnisse erhalten.
ft Q 1 1 9 / 0 6 3 6
Tabelle 1
34,5# TiC
65,5# Grund
masse
Grundmasse		 Dichte
g/cm3		 Rockwell C - Härte zweimal je
weils 1 Std.
angelassen
bei 525 C
und 5100C		 T.R.S
0
kg/cm		 .*x 10?
**
P.S.I. *
10, O# Cr
2,9$ Mo
0,855ε c
Rest Fe		 abge
schreckt
von
1093 c		 15,8 225
Masse
bzw.
Zusammensetzung		 wie (1) mit
0,l# Misch
metall		 6,48 68,0 21,1 300
(D wie (1) +
0,2$ Misch
metall		 6,52 69,3 68,2 18,3 260
wie (1) +
0,3$ Misch
metall		 6,50 69,3 69,1 19,0 270
(2) wie (1) +
0,4# Misch
metall		 6,52 69,1 67,2 16,9 240
(3) wie (1) +
0,556 Misch-
metall		 6,49 68,5 68,1 16,9 240
(4) 6,49 69,2 68,1
(5) 69,2
(6)-
* Bruchfestigkeit (Transverse Rupture Strength) Pounds per Inch
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Das Teststück aus der Masse (l) wies eine Porösität auf, wohingegen die Teststücke aus den Massen (2) bis (6) eine merklich geringere Porösität aufwiesen. Die Verminderung der Porösität war von einer signifikanten Verbesserung der Bruchfestigkeit begleitet. Ein Zusatz von im Mindestfall etwa 0,1 % Mischmetall hatte eine Steigerung der Festigkeit um mehr als 30 % zur Folge. Vorzugsweise sollte die Stahlgrundmasse wenigstens etwa 0,125 % Misehmetall enthalten.. Sämtliche vorangehend angeführten Massen wiesen im gehärteten Zustand Martensit in der Stahlgrundmasse auf.
Die Transversal-Bruchfestigkeit wurde an einem rechteckigen Probestück bestimmt, das 5*08 - 0,254 mm (0.200"+ 0.01") dick, 6,35 - P,254 mm (0.250"+0.0l") breit und mindestens 19*05 mm (0.750") lang war. Das Probestück wird als Träger bzw. Balken auf zwei Stäben aus gesintertem, gemahlenem Wolframcarbid von einem Durchmesser von 3,175 + 0,0254 mm (O.125"+ 0.001") aufruhend gelagert, wobei die beiden Stäbe einen Abstand von 14,287 mm (9/I6") aufweisen. Dann wird auf die Mitte des aufruhend gelagerten Teststücks eine Last aufgebracht, die schwer genug ist, um den Bruch herbeizuführen, und es wird die Bruchfestigkeit mit Hilfe der Balken-Formel errechnet.
Es wurden ferner Tests mit einer Masse durchgeführt, die 50 Gew.-% TiC und als Rest eine Stahlgrundmasse mit und ohne Mischmetall enthielt. Die Zusammensetzung der Massen und die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengestellt.
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Tabelle 2
Masse
bzw.
Zusammensetzung		 Dichte
g/cnr		 Rockwell C - Härte T.R.S.2
kg/cm		 c 105
P.S.I.
(7) 50 Gew.-# TiC
Rest Grundmas
se		 abge
schreckt
von 9680C		 angelas
sen bei
: 3160C
Grundmasse
5,5 % Cr
1,2 % Mo
0,3 % Si
1^0 % C
Rest Fe		 6,08 12,3 175
(8) wie (7) +
0,3 % Misch
metall		 6,12 75,2 72,3 200
75,0 72,0
Wie aus den Ergebnissen zu ersehen ist, tendiert die Masse dank der vorhandenen größeren Titanearbidmenge zu einer höheren innewohnenden Härte. Aufgrund des hohen Gehalts an Titancarbid weist die Masse (7), die kein Mischmetall enthält, eine Bruchfestigkeit von 12,3 kg/cm2 x 10^ (175 χ 10-5 psi) auf. Andererseits wird die Bruchfestigkeit bei Zusatz von 0,3 % Mischmetall um über 14 % auf 14,1 χ 1O^ kg/cm2 (200 χ 10^ psi) erhöht.
Das aus der Masse (7) ohne Mischmetall hergestellte Teststück wies eine Porosität auf, wie an dem Vorhandensein von Gasporen erkennbar war, wohingegen das Test-
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stück aus der Masse (8) mit 0,3 Poren aufwies.
Mischmetall keine
In den nachstehenden Tabellen j5 und 4 sind Beispiele von weiteren Massen und die damit erhaltenen Ergebnisse zusammengestellt.
Tabelle
Masse
bzw.
Zusammense tzung		 Dichte
g/enr		 * 7,oi Rockwell C - Härte T.R.S.-
p
kg/cm		 P.S.I.
(9) 20 Gew.-# TiC
Rest Grund
masse		 7,01 abge
schreckt
von
1093 C		 zweimal Bei
525°C und
5100C ange
lassen
Grundmasse
4,0 % Ct?
3,5 % Mo
2,0 % Co
1,0 % Ni
0,4 % C
Rest Pe '		 22,9 325
(10) wie (9) +
0,75 % Misch-
raetall		 64,6 58,0 25,3 36O
69,6 61,0
Tabelle 4
Masse
bzw.
Zusammensetzung		 Dichte
g/cnr		 Rockwell C-Härte 3 Std.
. bei
4820C
geal
tert		 T.R.S.J
kg/cm		 c 105
P.S.I.
(11) 332Gew.-# T:
Rest Grund-
masse
Grundmasse		 .C
6,64		 abgeschreckt
von der Temp
des Lösungs
glühens
10930C		 63,8 22,5 320
18,0 % Ni
8,5 # Co
4,75* Mo
1,0 % Ti
Rest Pe		 6,63 49,2 62,5 24,6 350
(12) wie (11) +
0,3 56 Misch
metall		 49,0
Wie aus den Ergebnissen zu ersehen ist, ist bei jedem
TestBtück bzw. Probestab, der aus den in den Tabellen 3
und 4 angeführten Massen gefertigt worden ist, die Bruchfestigkeit erhöht. Das aus Masse (9) (Tabelle 3) hergestellte Teststück wies eine merkliche Porösität auf, wohingegen ein aus der Masse (10) mit 0,75 % Mischmetall
hergestelltes Teststück eine weit geringere Porösität aufwies.
-Die Masse (11), bei der ein nickelreicher Stahl als Grundmasse verwendet wird, wird von der Temperatur des Lösungs-
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glühens abgeschreckt (solution quenched), um weichen Martensit und damit eine Rockwell C-Härte von 49,2 zu erzielen, wonach eine Vergütung durch Alterungshärtung bei 482°C (90O0F) auf eine Rockwell C-Härte von 63,8 folgt. Diese Masse ohne Mischmetall wies eine gewisse Porösität auf, wie an dem Vorhandensein von stecknadelkopfartigen Poren erkennbar war, wohingegen bei Zusatz von 0,3 % Mischmetall die Porösität bemerkenswert vermindert war. In aller Regel ist die Verminderung der Porösität mit einer wesentlichen Steigerung der Bruchfestigkeit verbunden.
Es sei hinzugefügt, daß eine beträchtliche Verbesserung der Schlagfestigkeit ebenfalls festzustellen ist, wie sich aus der nachstehenden Tabelle 5 ergibt.
Tabelle 5
Masse Schlagfestigkeit
Zoll-Pfund / ZoIl^
(9) 441
(9) + 0,75 % Mischmetall 477
(7) 249
(7) + 0,3 % Mischmetall 339
Es ist mit besonderem Nachdruck auf die Masse (7) zu verweisen, die 50 Gew.-Ji Titancarbid enthält. Die Schlagfestigkeit wurde von 249 auf 339 Zoll-Pfund/Zoll2 erhöht, was einer Steigerung um 36 % entspricht.
Die Schlagfestigkeit wurde an einem Probestab bestimmt, der 5,08 mm (0.200") dick, 5,08 mm breit und 19,05 mm (O.75O") lang war. Der Probestab war an einem Ende fest
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eingespannt und bildete so einen Ausleger bzw. Freiträger, von dem etwa 7*62 mm (O.JO") der Länge von dem Einspannen erfaßt waren, während der Teil des Probestabes, der über das eingespannte Ende hinausragte, 11,43 mm (0.45") lang war. Auf das freie Ende des eingespannten Probestabes wird nun ein bestimmtes Gewicht von verschiedenen Höhen aus fallen gelassen, bis der Bruch eintritt. Die Schlagfestigkeit wird dann errechnet durch Multiplizieren der Höhe in Zoll mit dem Gewicht in Pfund, und das Produkt der Multiplikation wird durch die Querschnittsfläche des Probestabes (0.04 square inch, d.h. 0,258 cm2) dividiert, so daß die Schlagfestigkeit auf diese Weise als Zoll-Pfund/Zoll definiert wird.
Wie oben bereits erwähnt, stellt das komplexe Abdicht-System der Rotationskolben-Brennkraftmaschine hohe Anforderungen an die Qualität der Konstruktionsmaterialien, die für die Bestandteile derselben verwendet werden. Eine der wichtigsten Komponenten des Abdicht-Systems ist die 11 Apex"-Dichtung, d.h. die Abdichtung der Kanten des Bogendreieck-Kolbens.
Bei den gegenwärtigen Entwicklungstendenzen der Rotationskolben-Brennkraftmaschine wird die Verwendung eines Aluminiumgehäuses in Erwägung gezogen. Der im allgemeinen eine Dreieckform aufweisende Rotationskolben befindet sieh vermittels seiner "Apices", bzw. Dichtkanten in Kontakt mit den Innenwänden des Gehäuses, was die Verwendung eines Dichtungsmaterials zur Abdichtung der von den "Apices" umrissenen Räume erforderlich macht. Die Dichtung muß sowohl eine Verschleißfestigkeit als auch eine Schlüpfrigkeit aufweisen. Das Aluminium in dem Gehäuse ist jedoch
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im Vergleich zu den meisten anderen Konstruktionsmaterialien weich und weist nur eine geringe Verschleißfestigkeit auf und benötigt einen Überzug z.B. aus Chrom oder "Elnisil" (das weiter oben näher besehrieben wurde).
In Figur 2 ist eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine schematisch dargestellt, die aus einem Aluminiumgehäuse 20 besteht, das eine Kammer 21 aufweist, in die ein bogendreieckförmiger Drehkolben 22 in einem durch die "Apices",bzw. "Kolbenecken"24 bis 26 herbeigeführten abdichtenden Kontakt mit den Kammer-Innenwänden 23 eingebaut ist. Der■Drehkolben weist ein darauf montiertes Innengetriebe auf, welches durch das Zahnrad 28 angetrieben wird, das auf einer Welle befestigt ist, die senkrecht zum Drehkolben rotiert. Das Überzugsmaterial ist auf die Innenwand 23 aufgebracht, wie es die stark ausgezogene Linie andeutet, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit gegenüber dem Material der "Apices", die.sich in dem reibenden Kontakt mit der Innenwand befin^ den, zu gewährleisten. Das Material der "Apices" bzw. Kanten besteht aus federnd eingebauten Einsatzstückeri^^^'aus stahlgebundenem Titancarbid-Werkzeugstahl, die über die Feder in einem ständigen Dichtungskontakt mit der Innenwandung gehalten werden.
Im Betrieb werden bei der Rotation des Kolbens Kraftstoff und Luft durch die Einlaßöffnung 32 in die Einströmzone 31 eingesaugt. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird dann komprimiert und in einer KompresÄionszone 33 mittels der Zündkerze 34 gezündet, und die Verbrennungsgase werden aus der Auspuffzone 33 über den Auspuffstutzen 36 ausgestoßen.
Da die Apex-Dichtungen während des Betriebes gegen die stark scheuernde trochoid!sehe Oberfläche bei wechselnden
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Berührungswinkeln und unter verhältnismäßig hohen Spannungsbelastungen reiben, ist es wichtig, daß das Dichtungsmaterial die folgenden Eigenschaften aufweist:
1. einen niedrigen Reibungskoeffizienten;
2. ein verhältnismäßig niedriges spezifisches Gewicht, um das Aufsehlagen auf das trochoidische Gehäuse so wirkungsschwach wie möglich zu machen;
^. eine werkstoff-eigentümliche Schlüpfrigkeit, um zu ermöglichen, daß die Abdichtungen auch bei hohen Temperaturen ihre Funktion erfüllen können;
4. eine gute Festigkeit und Beständigkeit gegen Schlageinwirkung; .
5· eine gute Verschleißfestigkeit;
6. eine gute Verträglichkeit mit dem auf die trochoidische Fläche aufgebrachten Überzugsmaterial.
Die erfindungsgemäßen Erzeugnisse erfüllen die gene inten Voraussetzungen, indem sie durch eine einzigartige Kombination von Eigenschaften ausgezeichnet sind, wozu im einzelnen ein niedriger Reibungskoeffizient, ein verhältnismäßig niedriges spezifisches Gewicht, eine werkstoff-eigentümliche Schlüpfrigkeit bei erhöhten Temperaturen, eine hohe Festigkeit, eine verbesserte Beständigkeit gegen Ver- , schleiß, Korrosion, Oxydation und Hitzeeinwirkung sowie eine verbesserte Schlagfestigkeit gehören. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Erzeugnisse als Dichtungselement verträglich mit harten AuskMdungsmaterialien, wie einer "Hartchromplattierung" und "Elnisil".
Wie gefunden wurde, bewirkt der Zusatz von Mischmetall zu den stahl-gebundenen Titancarbidmassen eine signifikante
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Verbesserung der Schlüpfrigkeit, wie sie durch den niedrigen Reibungskoeffizienten, der gegenüber den vorerwähnten harten Auskleidungsmaterialien bestimmt wurde, zum Ausdruck kommt.
Der Reibungskoeffizient wird mit Hilfe des in Figur 1 schematisch dargestellten Testsystems bestimmt. Dieses weist einen Metallririg 10 auf, der auf einer rotierbaren Achse 1OA befestigt ist, wobei die äußere Oberfläche des Ringes mit einem harten Auskleidungsmaterial, wie z.B. Hartchrom, dem unter der Bezeichnung "Elnisil" im Handel vertriebenen Überzugsmaterial u.dgl., überzogen ist. Ein aus der stahl-gebundenen Titancarbidmasse bestehender Block 11 ist lose auf den Oberteil des Ringes aufgelegt, wie es in Figur 1 mit der vorgegebenen Last 12 dargestellt ist, z.B. mit einer auf den Block aufgebrachten Last von 2,99 kg (6,6 lbs). Die Achse wird dann mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von l8o Umdrehungen pro Minute rotieren gelassen, und die Reibungskraft 13 wird dann über ein geeignetes Element auf ein Reibungsbelastungs-Meßgerät 14 übertragen, welches den Meßwert für die Kraft auf die Anzeigevorrichtung eines Reibungsbelastungs-Indikators bzw. -Meßgerätes 15 überträgt. Die Meßgerät-Ablesung wird dann durch die auf den Block wirkende Last 12 dividiert, um den Reibungskoeffizienten zu erhalten. Darüber hinaus wurde auch die Größe des volumentrisehen Verschleisses gemessen.
Eine Laufzeit von etwa 40 Minuten wurde als Standard-Laufzeit angesehen. Diejenigen Materialblöcke, die ein mäßiges Verhalten zeigten, wiesen im allgemeinen eine Laufzeit von nur wenigen Minuten auf. Es wurde der Reibungskoeffizient bestimmt und nach Beendigung des Tests wurde der Verschleißgrad gemessen, und zwar in Form der Volumenmenge des weggeriebenen Materials.
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Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 6 zusammengestellt.
Tabelle 6
Blockmaterial Reibungs
koeffi
zient		 Volumenverlust
(x 10"5 cm5)		 Ring Test
dauer
Minu
ten		 Ver-
träg-
lich-
keit
(1A? ν
34,55* TiC
63,5* Grundmasse		 0,756 Block 64,0 40 gut
(10% Cr, 2,9% Mo,
0,85% C, Rest Fe)		 0,378 20,0 37,1 40 sehr
gut
(2A)
(IA) + 0,3*
Mischmetall		 O,9O8 6,2 58,8 3 sehr
schlecht
20% TiC
80% Grundmasse
(4% Cr, 3,5* Mo,
3% Co, 1% Ni,
0,4% C, Rest Fe)		 0,303 -6,8* 20,0 40 ausge
zeich
net
(10)
(9) + 0,75*
Mischmetall		 O,6O6 3,0 26,7 40 mäßig
50% TiC
50% Grundmasse		 0,106 5,0 16,5 40 ausge
zeich
net
(5,5* Cr, 1,2% Mo,
0,3* si, 0,15* v,
1,0% C, Rest Fe)		 3,2
(8)
(7) + 0,3*
Mischmetall
ein negativer Wert zeigt eine Metallaufnahme durch Festfressen an
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Bei einem Vergleich der Masse (IA) (ohne Mischmetall) mit der Masse (2A) (mit 0,5$ Mischmetall) ist zu ersehen, daß der Reibungskoeffizient der Masse (2A) auf ungefähr den halben Wert desjenigen der Masse (IA) gefallen ist. Darüber hinaus war eine signifikante Abnahme der volumetrischen Menge des Materialverschleisses bei der Masse (2A) nach einem 40 Minuten-Test festzustellen. Die vorangehend erwähnten Massen enthielten Martensit in der Matrix.
Was die Massen (9) und (10) anbelangt, so ist zu ersehen, daß der Reibungskoeffizient der Masse (10) um etwa 67 % gegenüber der Masse (9) gefallen war. Der Test mit der Masse (9) lief nur J Minuten lang, und er ergab auch eine geringe Verträglichkeit mit der Ring-Überzugssehicht. Demgegenüber lieferte die· Masse (10) ausgezeichnete Ergebnisse nach einem 40-Minuten-Test. Bei dieser Masse enthielt die Stahlmatrix bzw. -grundmasse im gehärteten Zustand Martensit.
Was nun die Massen (7) und (8) anbelangt, so wies die 0,3 % Mischmetall enthaltende Masse (8) eine sehr starke Abnahme des Reibungskoeffizienten auf, d.h. eine Abnahme von O,6o6 auf 0,106, und zugleich zeigte sie auch eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit. Die Stahlgrundmasse enthielt hier Martensit.
Der Zusatz von Mischmetall zur nickelreichen Stahlgrundmasse (z.B. Masse (12) der Tabelle K) hatte eine signifikante Abnahme des Reibungskoeffizienten bei dem "Elnisil"-Überzug zur Folge, d.h. eine Abnahme von 0,908 auf 0,45^. Der Zusatz von Mischmetall zur Grundmasse ergab auch eine ausgesprochen deutliche Abnahme des Verschleisses.
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Reibungs-Tests, die gegen eine aus einer Hartchrom-Plattierung bestehende Auskleidung durchgeführt wurden, ergaben auch eine markante Abnahme des Reibungskoeffizienten, wenn Mischmetall der Stahlgrundmasse zugesetzt worden war. Beispielsweise betrug der Reibungskoeffizient 0,151 bei einer Masse, die 40 % TiC und als Rest eine Grundmasse enthielt, welch letztere ihrerseits - in Gewichtsprozent ausgedrückt 5,5 £ Cr, 1,2 % Mo, 0,3 % Si, 0,3 £ V, 1 # C und 0,3 % Mischmetall sowie als Rest Eisen enthielt. Bei der gleichen Grundmasse mit einem TiC-Gehalt von 50 % belief sich der Reibungskoeffizient auf 0,303. Beide stahl-gebundenen Carbidmassen zeigten kein Festfressen nach 40 Stunden. Die Massen ohne Mischmetall wiesen einen höheren Reibungskoeffi · zienten auf.
Die Widerstandsfähigkeit gegen eine Wärmerißbildung wurde bei einer Masse bestimmt, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt - 20 % TiC und als Rest eine Stahlgrundmasse enthielt, die 4,0 % Cr, 3,5 # Mo, 2,0 # Co, 1,0 % Ni, 0,4 % C, 0,75 % Mischmetall und als Rest im wesentlichen Eisen enthielt. Diese Masse wies eine Öl-Abschreckhärte (von 1O93°C) von 68 Rockwell C und eine Anlaßhärte nach dem Abkühlen an der Luft von 524°C (1-stündiges Erhitzen) , von 6l Rockwell C auf. Die Bruchfestigkeit der angelassenen Masse betrug 23,9 χ 10^ kg/cm (340 χ 10-^ psi).
Die Teststücke bestanden aus geschliffenen Stäben vom Format 25,4 χ 25,4 χ 6,35 mm (l" χ Ι" χ 1/4"), die auf 8160C (15000F) erhitzt und anschließend in öl, das auf Raumtemperatur gehalten wurde, abgeschreckt wurden. Der Erhitzungs- und Abschreck-Zyklus wurde mehr als 25 mal wiederholt, ohne daß eine Bildung von Wärmerissen auftrat.
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Die gleiche, jedoch ohne Mischmetall hergestellte Masse wies Wärmerisse bereits vor Ablauf der 25 Zyklen auf.
Bei zusammenfassender Betrachtung der vorstehend angeführten Resultate ergibt sich, daß durch die vorliegende Erfindung eine gesinterte, stahl-gebundene Titancarbid-Masse zur Verfügung gestellt wird, die etwa 15 bis 6O Gew.-% Titancarbid enthält, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind, wobei die Stahlgrundmasse ihrerseits eine kleine aber wirksame Menge Misehmetall enthält, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-#, vorzugsweise auf wenigstens etwa 0,125 Gew.-^, beläuft. Vorteilhafterweise beträgt die Menge des Mischmetalls etwa 0,125 bis 1 Gew. -%, und am besten etwa 0,2 bis 0,8 Gew.-J^.
Die Erfindung ist insbesondere auf stahl-gebundene Titancarbidmassen der nachstehenden Typen anwendbar, die enthalten
(1) etwa 15 bis 25 Gew.-^ Titanearbid und als Rest eine warm-bearbeitbare Stahlgrundmasse, die Mischmetall enthält und
(2) etwa J)O bis 6o Gew.-^ Titancarbid und als Rest im wesentlichen eine warm-bearbeitbare Stahlgrundmasse.
Wie oben bereits erwähnt, wird die Stahlgrundmasse vorzugsweise ausgewählt aus den Stoffgruppen, die bestehen aus
(A) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 % Mo, bis zu etwa 2 % Vanadin, bis zu etwa J5 % Kobalt, bis zu etwa 2 % Nickel, etwa 0,5 bis 0,8 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält;
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(B) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 % Mo, etwa 0,6 bis 1,2 % C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 2 $ V, bis zu etwa 3 # Ni, bis zu etwa 5 ^ Co und als Rest im wesentlichen Eisen enthält; und
(C) einer Grundmasse, die aus einer nickelreichen Legierung besteht, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt enthält etwa 10 bis 30 % Ni, etwa 0,2 bis 9 % Ti, bis zu etwa 5 % Al mit der Maßgabe, daß die Summe der Ti- und Al-Gehalte etwa 9 % nicht übersteigt, weniger als etwa 0,15 fL C, bis zu etwa 25 % Co, bis zu etwa 10 % Mo, während der Rest der Grundmasse im wesentlichen aus wenigstens etwa 50 % Eisen besteht, und die Mengenverhältnisse der die Grundmasse ausmachenden Metalle so gewählt werden, daß dann, wenn der Nickelgehalt sich auf etwa 10 bis 22 % beläuft und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 % beträgt, die Molybdän- und Kobalt-Gehalte jeweils mindestens etwa 2 % betragen, und daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa l8 bis j50 % beträgt und der Molybdän-Gehalt sich auf weniger als 2 % beläuft, die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1,5 % übersteigt.
Die vorstehend beschriebenen Stahlgrundmassen sind im hitzebehandelten Zustand durch das Vorhandensein von Martensit gekennzeichnet. So wird, was die Stahlgrundmasse (A) anbelangt, der daraus hergestellte hitzebeständige Carbid-Werkzeugstahl in der Weise hitzebehandelt, daß man ihn auf eine Temperatur über der austenit-bildenden Temperatur, z.B. auf 954°C (17500F), erhitzt und ihn dann abschreckt, um harten Martensit zu bilden. Im Anschluß an das Abschrecken kann der Stahl angelassen werden, indem man ihn bis zu
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etwa 5 Stunden von etwa 121°C auf 288°C (250 - 55O°P) erhitzt.
Im Fall der stahl-gebundenen Titancarbidmassen, bei denen der Stahl (B) als Grundmasse verwendet wird, wird die Grundmasse in analoger Weise der Hitzebehandlung unterworfen, indem man sie abschreckt von einer oberhalb der austenit-bildenden Temperatur liegenden Temperatur im Bereich von etwa 927 bis 1121°C (1700 - 20500P) z.B. 954°C (175O°P). Das Anlassen wird jedoch bei einer höheren Temperatur, z.B. etwa 482 bis 5660C (900 - 1050°F), normalerweise bei 5380C (10000F), etwa 1 bis 2 Stunden lang durchgeführt, wodurch sekundäre Härtungseffekte dank der Bildung von sekundären Carbiden erzielt werden.
Im Falle der Stahlgrundmasse (C) werden die daraus hergestellten stahl-gebundenen Titancarbidmassen gehärtet, indem man die Masse einem Lösungsglühen unterwirft und sie von der Temperatur des Lösungsglühens von etwa 76O bis HOO0C herunterkühlt, z.B. durch Luftkühlung, um ein Mikrogefüge in der Grundmasse zu erzeugen, das durch das Vorhandensein von weichem Martensit gekennzeichnet ist. Danach wird die die Carbidkörner umgebende Grundmasse einer Alterungshartung unterworfen durch etwa 3 Stunden langes Erhitzen des hitzebeständigen Carbidstahls auf eine Temperatur von etwa 260 bis 6500C. Eine typische Temperatur für die Alterungshärtung ist eine solche von
Es ist darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäßen stahl-gebundenen Titancarbidmassen über das bisher Gesagte hinaus auch deshalb technisch vorteilhaft sind, weil sie zur Herstellung von harten Überzügen auf MetallSubstraten verwendet werden, wie sie beispielsweise mit. Hilfe des
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Plasmaspritzens erzeugt werden. In diesem Zusammenhang werden Stücke des gesinterten Materials in einer Kugelmühle zermahlen, um ein Pulver zu gewinnen, das für eine Verwendung in Pulverspritzgeräten und dergleichen geeignet ist.
Wenn auch die vorliegende Erfindung vorangehend in erster Linie in ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, so versteht es sich doch für den auf diesem Gebiet Sachkundigen von selbst, daß Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne daß hierdurch vom Prinzip der Erfindung und von deren Umfang abgewichen wird. Auch solche Modifizierungen und Variationen fallen unter das Prinzip und den Umfang der Erfindung und der beigefügten Ansprüche.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Durch eine verbesserte Kombination von physikalischen und reibungsmindernden Eigenschaften ausgezeichnete stahl-gebundene Titancarbidmassen, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 15 bis 6o Gew.-% primäre- Titancarbidkörner enthalten, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind, wobei die genannte Stahlgrundmasse metallographisch durch ein Austenit-Zerfallsprodukt gekennzeichnet ist und sie eine kleine aber wirksame Menge Mischmetall enthält, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-^ der genannten Grundmasse beläuft und ausreicht, um eine wesentliche Verbesserung der genannten Eigenschaften herbeizuführen.
    2. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa 15 bis 25 Gew.-% der Gesamtmasse ausmacht.
    3. Titancarbidmasse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa J50 bis 60 Gew. -% der Gesamtmasse ausmacht.
    4. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-% der genannten Grundmasse beträgt.
    5. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch J5* dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-% der genannten Grundmasse beträgt.
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    Durch eine verbesserte Kombination von physikalischen und reibungsmindernden bzw. Antifriktions-Eigenschaften ausgezeichnete stahl-gebundene Titancarbidmassen, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 15 bis 6O Gew.-^ primäre Titancarbidkörner enthalten, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind, wobei die genannte Stahlgrundmasse metallographisch durch ein Austenit-Zerfallsprodukt gekennzeichnet ist und sie eine kleine aber wirksame Menge Mischmetall enthält, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-% der genannten Grundmasse beläuft und ausreicht, um eine Verbesserung der genannten Eigenschaften herbeizuführen, wobei die genannte Stahlgrundmasse aus der Stoffgruppe ausgewählt ist, die ihrerseits besteht aus
    (A) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 % Mo, bis zu etwa 2 % Vanadin, bis zu etwa 3 % Kobalt, bis zu etwa 2 # Nickelt, etwa 0,3 bis 0,8 # C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält;
    (B) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 % Mo, etwa 0,6 bis 1,2 % C, bis zu etwa 5 # W, bis zu etwa 2 % V, bis zu etwa 3 % Ni, bis zu etwa 5 % Co und als Rest im wesentlichen Eisen enthält; und
    (C) einer aus einer nickelreichen Legierung bestehenden Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 10 bis 30 % Ni, etwa 0,2 bis 9 % Ti, bis zu etwa 5 % Al mit der Maßgabe, daß die Summe der Ti- und Al-Gehalte etwa 9 % nicht übersteigt, weniger als etwa 0,15 $ C, bis zu etwa 25 % Co,
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    und bis zu etwa 10 % Mo enthält, während im wesentlichen der Rest der Grundmasse aus wenigstens etwa 50 % Eisen besteht und die Mengenverhältnisse der die .Grundmasse ausmachenden Elemente so gewählt werden, daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 10 bis 22 # und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 % betragen, die Molybdän- und Kobaltgehalte jeweils wenigstens etwa 2 % betragen, und daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 18 bis 30 % und der Molybdängehalt weniger als 2 % betragen, die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1,5 % übersteigt.
    7. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge bis 25 Gew.-^ der Gesamtmasse beträgt.
    8. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa 30 bis 60 Gew.-% der Gesamtmasse beträgt.
    9. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-% der genannten Grundmasse beträgt.
    10. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse 0,125 bis 1 Gew.-% der genannten Grundmasse beträgt.
    11. Durch eine verbesserte Kombination von physikalischen und reibungsmindernden Eigenschaften ausgezeichnete
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    gehärtete, verschleißfeste, stahl-gebundene Titancarbidmassen, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 15 bis 60 Gew.-% primäre Titancarbidkörner enthalten, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden, gehärteten Stahlgrundmasse dispergiert sind, welche durch das Vorhandensein von Martensit gekennzeichnet ist, wobei die genannte Stahlgrundmasse eine kleine aber wirksame Menge Misehmetall enthält, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-^ der genannten Grundmasse beläuft und ausreicht, um eine wesentliche Verbesserung der genannten Eigenschaften herbeizuführen.
    12. Gehärtete, verschleißfeste, stahl-gebundene Masse gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa I5 bis 25 Gew.-^ der Gesamtmasse beträgt.
    13. Gehärtete, verschleißfeste, stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa 30 bis 60 Gew.-% der Gesamtmasse beträgt.
    14. Durch eine verbesserte Kombination von physikalischen und reibungsmindernden Eigenschaften ausgezeichnete, gehärtete, verschleißfeste, stahl-gebundene Titancarbidmassen, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 15 bis 60 Gew.-# primäre Titanearbidkörner enthalten, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden gehärteten Stahlgrundmasse dispergiert sind, wobei die genannte Stahlgrundmasse durch das Vorhan-
    "densein von Martensit gekennzeichnet ist und die genannte
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    Stahlgrundmasse eine kleine aber wirksame Menge Mischmetall enthält, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-^ der genannten Grundmasse beläuft und ausreicht, um eine wesentliche Verbesserung der genannten Eigenschaften herbeizuführen, wobei die genannte Stahlgrundmasse aus der Stoffgruppe ausgewählt ist, die ihrerseits besteht aus
    (A) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt -. etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 % Mo, bis zu etwa 2 % Vanadin, bis zu etwa 3 % Kobalt, bis zu etwa 2 % Nickel, etwa 0,3 bis 0,8 # C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält;
    (B) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 % Mo, etwa 0,6 bis 1,2 % C, bis zu etwa 5 # W, bis zu etwa 2 % V, bis zu etwa 3 % Ni, bis zu etwa 5 % Co und als Rest im wesentlichen Eisen enthält; und
    (C) einer aus einer nickelreichen Legierung bestehenden Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 10 bis JO % Ni, etwa 0,2 bis 9 % Ti, bis zu etwa 5 % Al mit der Maßgabe, daß die Summe der Ti- und Al-Gehalte etwa 9 % nicht übersteigt, weniger als etwa 0,15 % C, bis zu etwa 25 % Co, bis zu etwa 10 $ Mo enthält, während im wesentlichen der Rest der Grundmasse aus wenigstens etwa 50 % Eisen besteht, und die Mengenverhältnisse der die Grundmasse ausmachenden Metalle so gewählt werden, daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 10 bis 22 % und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 % betragen, die Molybdän- und Kobaltgehalte jeweils wenigstens etwa 2 % betragen, und daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 18 bis 30 % und der Molybdängehalt
    509819/0636
    weniger als 2 % betragen, die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1,5 % übersteigt.
    15· Gehärtete, verschleißfeste, stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa 15 bis 25 Gew.-% der Gesamtmasse beträgt.
    l6. Gehärtete, verschleißfeste, stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch lK, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa J5O bis 6O Gew.-% der Gesamtmasse beträgt.
    17· Gehärtete, verschleißfeste, stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-^ der genannten Grundmasse beträgt.
    18. Gehärtete, verschleißfeste, stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-^ der genannten Grundmasse beträgt.
    19· Aus einem verschleißfesten Element bestehendes Herstellungserzeugnis, das aus einer gehärteten, stahlgebundenen Titancarbidmasse gefertigt worden ist, die durch eine verbesserte Kombination von physikalischen und reibungsmindernden Eigenschaften ausgezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß es etwa 15 bis 6O Gew.-% primäre Titancarbidkörner enthält,
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    die in einer gehärteten Stahlgrundmasse dispergiert sind, die durch das Vorhandensein von Martensit gekennzeichnet ist, wobei die genannte Stahlgrundmasse ihrerseits eine kleine aber wirksame Menge Mischmetall enthält, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-^ der genannten Grundmasse beläuft und ausreicht, um eine wesentliche Verbesserung der erwähnten Eigenschaften herbeizuführen.
    20. Erzeugnis gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Element aus einer "Apex"-Dichtung besteht.
    21. Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa 15 bis 25 Gew.-% der Gesamtmasse beträgt.
    22. Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch 19* dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa J50 bis 60 Gew.-% der Gesamtmasse beträgt.
    23« Erzeugnis gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Element aus einer "Apex"-Dichtung besteht.
    24. Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-% der erwähnten Grundmasse beträgt.
    25. Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch 22, dadurch ge-
    . kennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-^ der erwähnten Grundmasse beträgt.
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    26. Erzeugnis gemäß Anspruch 25* dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Element aus einer "Apex"-Dichtung besteht..
    27. Aus einem verschleißfesten Element bestehendes Herstellungserzeugnis, das aus einer gehärteten, stahlgebundenen Titancarbidmasse gebildet worden ist, die durch eine verbesserte Kombination von physikalischen und reibungsmindernden Eigenschaften ausgezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 15 bis 6O Gew.-% primäre Titancarbidkörner enthält, die in einer gehärteten Stahlgrundmasse dispergiert sind, die durch das Vorhandensein von Martensit gekennzeichnet ist, wobei die genannte Stahlgrundmasse eine kleine aber wirksame Menge Mischmetall enthält, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-% der genannten Grundmasse beläuft und ausreicht, um eine wesentliche Verbesserung der genannten Eigenschaften herbeizuführen, wobei die genannte Stahlgrundmasse aus der Stoffgruppe ausgewählt ist, die ihrerseits besteht aus
    (A) einer Grundmasse, die - in Gew.-% ausgedrückt etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 % Mo, bis zu etwa 2 % Vanadin,bis zu etwa 3 % Kobalt, bis zu 2 # Nickel, etwa 0,j5 bis 0,8 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält;
    (B) einer Stahlgrundmasse, die - in Gew.-$ ausgedrückt etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 % Mo, etwa 0,6 bis 1,2 # C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 2 % V, bis zu etwa 3 % Ni, bis zu etwa 5 % Co und als Rest im wesentlichen Eisen enthält; und
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    (C) einer aus einer nickelreichen Legierung bestehenden Grundmasse, die - in Gew.-% ausgedrückt etwa 10 bis ^O % Ni, etwa 0,2 bis 9 % Ti, bis zu etwa 5 $ Al mit der Maßgabe, daß die Summe der Ti- und·Al-Gehalte etwa 9 % nicht übersteigt, weniger als etwa 0,15 C, bis zu etwa 25 $ Co, bis zu etwa 10 % Mo enthält, während im wesentlichen der Rest der. Grundmasse aus mindestens etwa 50 % Eisen besteht, und die Mengenverhältnisse der die Grundmasse ausmachenden Metalle so gewählt werden, daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 10 bis 22 % und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 % betragen, die Molybdän- und Kobalt-Gehalte jeweils wenigstens etwa 2 % betragen, und daß dann, wenn der Nickel-Gehalt etwa l8 bis JO % und der Molybdängehalt weniger als 2 % betragen, die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1,5 % übersteigt.
    28. Erzeugnis gemäß Anspruch 27» dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Element aus einer "Apex"-Dichtung besteht.
    29. Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch 27., dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa 15 bis Gew.-% der Gesamtmasse beträgt.
    30. Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidmenge etwa 30 bis Gew.-^ der Gesamtmasse beträgt.
    31. Erzeugnis gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Element aus einer MApex"-Dichtung besteht.
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    32. Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-^ der genannten Grundmasse beträgt.
    33· Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch JO, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge in der genannten Grundmasse etwa 0,125 bis 1 Gew.-% der genannten Grundmasse beträgt.
    Erzeugnis gemäß Anspruch 33* dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Element aus einer "Apex"-Dichtung besteht.
    35· Verfahren zur Herstellung einer gesinterten, stahl·· gebundenen Titanearbidmasse, die etwa 15 bis 60 Gew.-% primäre Titancarbidkörner enthält, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind, durch Vermischen der genannten Titanearbidkörner mit gepulverten, stahl-bildenden Bestandteilen, Verpressen der Mischung zu der gewünschten Form und Sintern des preßgeformten Gegenstandes bei einer erhöhten Flüssigphase-Sintertemperatur der genannten Grundmasse, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verbesserung der physikalischen und reibungsmindernden Eigenschaften der genannten Masse die erwähnten stahl-bildenden Bestandteile vor dem Verpressen und Sintern mit einer kleinen aber wirksamen Menge Mischmetall versetzt werden, die sich auf etwa 0,1 bis 1,25 Gew.-^ der genannten stahl-bildenden Bestandteile beläuft, um zu einem gesinterten Produkt zu gelangen, welches durch eine wesentliche Verbesserung der genannten Eigenschaften ausgezeichnet ist.
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    36. Verfahren gemäß Anspruch 35* dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenverhältnisse der Bestandteile bei der Herstellung der genannten stahl-gebundenen Titancarbidmasse so gewählt werden, daß das erzeugte gesinterte Produkt das Titancarbid in einer Menge von etwa 15 bis 25 Gew.-% der Gesamtmasse enthält.
    37· Verfahren gemäß Anspruch 35* dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenverhältnisse der Bestandteile bei der Herstellung der genannten stahl-gebundenen Titancarbidmasse so gewählt werden, daß das erzeugte gesinterte Produkt das fitancarbid in einer Menge von etwa JO bis 6o Gew.-% der Gesamtmasse enthält.
    38. Verfahren gemäß Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge, die der Grundmassen-Mischung zugesetzt wird, etwa 0,125 bis 1 Gew.-^ der genannten Grundmasse beträgt.
    39· Verfahren gemäß Anspruch 37* dadurch gekennzeichnet, daß die Mischmetallmenge, die der Grundmassen-Misohung zugesetzt wird, etwa 0,125 bis 1 Gew.-^ der genannten Grundraasse beträgt.
    4-0. Verfahren gemäß Anspruch 35* dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlgrundmasse aus der Stoffgruppe ausgewählt ist, die ihrerseits besteht aus
    (A) einer Stahlgrundmasse, die - in Gew.-% ausgedrückt etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 % Mo, bis zu etwa 2 % Vanadin, bis zu etwa 3 % Kobalt, bis zu etwa 2 % Nickel, etwa 0,3 bis 0,8 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält;
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    (B) einer Grundmasse, die - in Gew.-% ausgedrückt etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 % Mo, etwa 0,6 bis 1,2 ^ C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 2 # V, bis zu etwa 3 # Ni, bis zu etwa 5 % Co und als Rest im wesentlichen Eisen enthält; und
    (C) einer aus einer niekelreichen Legierung bestehenden Grundmasse, die-in Gew.-% ausgedrückt - etwa 10 bis 30 % Ni, etwa 0,2 bis 9 % Ti, bis zu'etwa 5 % Al mit der Maßgabe, daß die Summe der Ti- und Al-Gehalte etwa 9 % nicht übersteigt, weniger als etwa 0,15 % C, bis zu etwa 25 % Co, bis zu etwa 10 %> Mo, während im wesentlichen der Rest der Grundmasse aus wenigstens etwa 50 % Eisen besteht, und die Mengenverhältnisse der die Grundmasse ausmachenden Metalle so gewählt werden, daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 10 bis 22 % und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 % betragen, die Molybdän- und Kobalt-Gehalte jeweils wenigstens etwa 2 # betragen, und daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 18 bis 30 % und der Molybdängehalt weniger als 2 $ betragen, die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1,5 % übersteigt.
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