专利名称：具有降低的金属粘附作用的组件的制作方法
具有降低的金属粘附作用的组件本发明涉及组件，尤其是用于机动车的泵，其具有至少两个有滑动负荷的金属构件，尤其是定子和转子，它们均具有滑动面，它们在运行中彼此滑移，其中所述构件中的至少一个至少在滑动负荷的区域中由具有基于铁的基体的金属烧结材料构成，该烧结材料除了铁之外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少I重量％ ；用于制造具有降低的金属粘附作用的构件的方法，该方法通过液相烧结由基于铁的金属烧结材料构成的粉末混合物来进行，所述烧结材料除了铁之外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少I重量％ ;以及基于铁的烧结合金的用途。为了改进金属表面的可滑动性已知的是，有滑动负荷的表面覆有磷酸盐层，例如磷酸锰层。虽然这些涂层已经证明是有效的，但由此制备这类构件却成本较高。此外，还必须确保相对均匀的层厚度以及这类层的高粘附强度，由此进一步提高了制造成本。本发明的目的在于，实现这样一种可能性，以此能够降低金属构件(尤其是用于机动车的泵)之间的金属粘附性。该目的每种情况下独立地通过如下方式得以实现:上文所提到的组件，在该烧结合金中碳含量为最高10重量％并且碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于基体中；制备构件的方法，根据该方法向铁基体中以最高10重量％的份额添加碳，且碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于基体中并且在烧结期间或烧结之后析出；以及基于铁的烧结合金用于制造机动车的泵的定子和/或转子的有滑动负荷的部件中的至少一个或用于制造内燃机的曲轴或轴瓦的有滑动负荷的部件中的至少一个的用途，该烧结合金除了铁以外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少1.5重量％和最高10重量％并且其中碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于基体中。在此有利的是，通过以未化合的形式存在的碳，构件(也就是构件的滑动面)在与组件中的其它金属构件配合时具有更低的摩擦系数。由此可以摒弃磷酸盐层，使得两个构件的两个滑动面可以直接彼此滑移。在此，所述游离地存在于铁基体中的碳使得滑动面具有自润滑效果，从而使组件具有改进的摩擦学性能并且由此还可以在高负荷内燃机中使用，而无需在粉末冶金制造之后进行进一步的后处理。由于在构件的构造中存在游离的碳，该构件还具有优异的降低摩擦性能。令人惊奇地还表明，烧结材料的机械参数即使在没有后处理的情况下并且尽管碳份额高也与GJS 50或者GJV 50至少几乎相当，由此其在上文所提到的泵中或用于曲轴和轴瓦的滑动面的用途是特别有利的。令人惊奇地还在于，虽然GJS 50具有部分相当的石墨份额，该材料与所述组件的构件的烧结合金相比表现出明显更差的降低摩擦性能或者摩擦学性能。假设这是由于碳非常细微地分布一其中在所述构造中还可以零星存在贫碳的铁氧体网状组织一尽管在使用的烧结材料中进行液相烧结。通过液相烧结另一方面实现了烧结材料多孔性的降低，由此该烧结材料与未以液相烧结的烧结材料相比具有明显更佳的机械性能。如果未化合的碳的份额为基于烧结材料的总碳含量计至少80%，尤其是至少90%，则可以观察到降低摩擦性能在烧结材料的强度值没有劣化的情况下明显提高。根据优选的实施方案变体，碳份额为介于1.5重量％和8重量％之间，尤其是介于1.8重量％和2.1重量％之间。通过遵循这些范围，尤其是后面提到的范围，可以实现碳在基体中均匀的分布，由此既改进了摩擦学参数又改进了烧结合金的强度参数。尤其是采用介于I重量％或者1.5重量％和2.1重量％之间的碳份额可以改进构件精度，因为液相的份额相对低，由此可以更好地避免构件变形。来自该范围的低的碳份额还造成更高的液相烧结温度，由此可以在烧结过程期间实现更高的构件密实度。虽然在GJS 50中石墨优选以“球状石墨”的形式存在，以便由此改进其机械性能，在本发明的进程中已经证明，鉴于烧结材料所期望的性能，尤其是鉴于改进的摩擦学性能，有利的是，如果未化合的碳具有长度介于50 μ m和300 μ m之间，尤其是介于100 μ m和200 μ m之间，并且宽度介于5 μ m和70 μ m之间，尤其是介于8 μ m和18 μ m之间的粒度，其中进一步有利的是，如果碳颗粒的长度与宽度之比为至少2:1，尤其是至少5:1，优选至少10:1。与构件的一个或多个边缘层相比，碳在一个或多个核心层中可以以更圆滑且更粗大的形式存在，其中边缘层是指最高至2_的层厚度，由此可以实现核心层表现出降低的刻痕效应，而边缘层则由于蠕虫状且更细微分布的石墨具有更佳的滑动性能。在此，边缘层并不必然是指在烧结之后存在的层，而是在成品构件上(也就是例如在构件通过铣削加工以提高构件精度的最终机械加工之后)形成的层。所述铣削或者精轧后加工尤其还具有这样的优点，即由此可以改进构件的摩擦学特性。在此，平均粒径的差可以为至少10%。在此，平均粒径是指20个颗粒的直径的算术平均值，在显微照片中测得。这可以通过核心层与边缘层相比的冷却差来影响，例如通过冷却速率为至少0.5K/s的迅速冷却。此外，石墨可以通过相应的工艺流程或者后续的热处理有意地成形得更圆滑，例如通过在介于200 V和500 °C之间的范围内，尤其是在介于300 V和400 V之间的范围内的温度下在10分钟至60分钟，尤其是20分钟至40分钟期间内进行退火。由此还可以对珍珠岩:铁氧体在构件中的分布造成影响。在烧结材料的机械性能(即强度值)有利的是，如果其基体具有由珍珠岩和铁氧体组成的构造。尤其是根据实施方式的变体设计，珍珠岩与铁氧体的比例为介于95:5和50:50之间，优选介于90:10和80:20之间。尤其是通过遵循来自该范围的比例实现了构件表面的在强度和可滑动性方面恰到好处的性能组合。在此可能的是，基体的珍珠岩份额在朝向滑动面的方向上升高，使得该表面除了具有改进的摩擦学性质之外还具有改进的强度。此外，为了改进构件表面的摩擦学性质有利的是，如果有利碳的份额在朝向滑动面的方向上升高。由此还实现了构件在内部(即在核心层的区域中)具有较高的强度。优选非铁金属中的至少一种由硅形成，其中根据实施方式的变体硅份额为介于
0.5重量％和6.0重量％之间。由此可以实现在基体中的碳的绝对份额低的情况下，游离碳的相对份额与化合碳相比明显更高，因为由硅的溶解性引起在Fe-C体系中共晶体的迁移，由此可以以较高的可靠性实现改进的摩擦学性质，即使在工艺参数细微波动的情况下。由此还可以实现待压制粉末的硬度即使在高碳含量的情况下也能保持相对低，使得粉末的可压制性即使在高碳份额下也更佳。在此，尤其已经证明有利的是介于0.8重量％和1.6重量％之间的硅含量。鉴于构件的摩擦学性质出于上文所提到的原因有利的是，如果硅份额与碳份额之比选自1:1至4:1，尤其是选自2:1至3:1的范围。具有特定粗糙度的平整表面对于摩擦学性质产生特别有利的影响。典型地，对摩擦学方面要求高的表面进行打磨，由此所述在此在表面上游离存在的未化合的石墨特别有利于降低摩擦性能。在该上下关系中发现，滑动面的表面粗糙度，即根据DIN EN ISO 4287的平均粗糙度Rz，应当不超过2 μ m，尤其是1.5 μ m的最高值。由烧结材料构成的构件优选具有理论全密度(Volldichte)的至少95%的密度。换言之，所述构件具有相对低的多孔性，由此由于降低的腐蚀风险和改进的液体不可渗透性可以尤其改进其在泵中的应用。然而，特别有利的是所述构件至少在滑动面的区域中或者在靠近滑动面的区域(相应于从滑动面起测量的最高至100 μ m的深度)中，优选在整个构件中具有理论全密度的至少98%的密度。如在上文中已经提到的那样，优选的是如果滑动面不具有磷酸盐涂层。根据所述方法的实施方式变体设计，构件的烧结和/或随烧结之后进行的冷却在含碳的气氛中进行。由此可以至少在靠近表面的区域中实现渗碳，也就是提高碳份额，其中该碳份额也至少部分地以未化合的形式存在于基体中。另一方面由此又可以使在烧结期间发生的碳损耗至少部分地再次得到补偿。鉴于优选的、上文提到的基体构造有利的是，如果在烧结之后将所述构件以最高15K/s，尤其是以最高8K/s，例如以介于0.8K/s和lK/s的冷却速率进行冷却。为了更好地理解本发明，依据下文的实施例对本发明做出更详尽的阐释。为此，在简化的示意图中显示出:
图1作为用于机动车的泵的组件的构成以正视角度的剖面图；图2组件的实施方式变体下文中要领会的是，在说明书中所选择的位置表述，例如上方、下方、侧面等等是基于直接描述的以及描绘的附图并且在位置变化时按照意义迁移到新的位置。在本说明书中对于数值描述的数据表述应当这样理解，这些数据一并包括任意的且所有来自该数据的部分范围。尤其是，碳含量的范围I重量％至10重量％及其上文提到的优选的部分范围应当这样理解，在本发明的范围内还可能的是，在合金中碳含量的范围具有I重量％的下限和8重量％或4重量％的上限。同样地，碳含量的范围可以具有4重量％或8重量％的下限和10重量％的上限。类似地这种论述也适用于在本说明书中其它所描述的范围。附图1表现了简化的以泵的形式的组件I。因为这类泵的构造细节并非本发明的主题，就摒弃了对这类泵的详细描述，因为这些对于本领域技术人员本来就是熟知的。组件I具有转子形式的第一构件2和定子或壳体形式的第二构件3，其中构件2至少在周长范围内被第二构件3所包围。在第一构件2上叶片元件4在径向上可推移地这样安装在相应的凹槽5中，使得叶片元件由于通过第一元件2转动引起的离心力与在第二构件3的内表面7上的端面6紧贴。任选地，这些叶片元件4还可以以弹簧助力的方式设置在内表面7上，为此可以在凹槽5中设置弹簧元件。要提到的是，所描绘的叶片元件4的数目不应成为对本发明的限制。显然还有一种以泵的形式设计出的组件I的构造上的另一种形式也是可能的。为了阐明这些，附图2显示了泵的形式的组件I的实施方式变体，其没有叶片元件4而具有转子形式的第一构件2的其它构造形式，所述转子又设置在第二构件3的内部并且在构件3的内表面7上与表面8的一部分发生滑移,这在图1的实施方式中也是如此。构件2，3的表面7和8是滑动面，在这些滑动面上另一个构件2，3分别发生滑移。对于本发明而言至关重要的是，所述组件的构件2，3中的至少一个至少在表面7或8的范围内，但优选整体地，由具有基于铁的基体的金属烧结材料构成，其除了铁以外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少I重量％和最高10重量％，且碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于所述基体中。但也存在这样的可能，即两个构件2，3至少在彼此相互滑移的表面7，8的区域内由所述烧结材料构成。作为非铁金属使用选自如下组的金属，该组包括S1、N1、Mo、Mn、Mg、V、W或Al或由S1、N1、Mo、Mn、Mg、V、W或Al组成。鉴于基材的构造，尤其是由珍珠岩和铁氧体组成的构造组成，其中还可能出现贝氏体，有利的是，如果废铁合金中的至少一种由硅形成。尤其是硅含量为介于0.5重量％和
6.0重量％之间，优选介于0.8重量％和1.6重量％之间。如果使用额外的非铁金属，则其份额优选限制到总量最高I重量％。Ni份额可以为介于O重量％和6.0重量％之间，尤其是介于O重量％和1.2重量％之间。由此可以改进构件2，3的耐腐蚀性、强度和硬度，这尤其鉴于作为泵部件的构件2，3是有利的。Mo的份额可以为介于O重量％和1.5重量％之间，尤其是介于O重量％和0.9重量％之间，由此可以改进持久强度。Mn的份额可以为介于O重量％和2.0重量％之间，尤其是介于0.1重量％和0.3重量％之间。由此可以改进构件2，3的强度和硬度。Mg的份额可以为介于O重量％和6.0重量％之间，尤其是介于0.2重量％和0.8重量％之间，由此可以影响游离碳的结晶特征。V的份额可以为介于O重量％和2.0重量％之间，尤其是介于0.05重量％和0.15重量％之间。由此可以改进构件2，3的强度和硬度。W的份额可以为介于O重量％和1.5重量％之间，尤其是介于O重量％和0.1重量％之间。由此可以改进构件2，3的耐磨损性。A I的份额可以为介于O重量％和6.0重量％之间，尤其是介于0.05重量％和0.3重量％之间。由此可以改进构件2，3的耐磨损性。构件2或构件3或者构件2，3借助粉末冶金方法制造，这在下文中有简短描述。制造主要包括粉末混合、压制、去蜡和烧结。任选地随烧结之后进行热后处理和/或机械后处理。I)粉末混合制备具有总共最闻至10重量％ ,优选最闻7重量％的金属非铁合金兀素，最闻值10重量％的以石墨形式的碳，最高值1.5重量％的压制助剂和最高值0.5重量％的有机粘结剂的铁粉混合物。这些混合物例如通常由纯铁粉或预制合金铁粉作为基材并添加合金元素以及压制助剂而制得。或者将以高度浓缩形式的所谓母料混合物，任选地还使用热和/或溶剂，进行预混合并随后与铁粉掺混，或者通过直接添加单个组分到铁粉中进行混合。
作为粘结剂可以使用树脂、硅烷、油、聚合物或粘合剂。压制助剂尤其是蜡、硬脂酸盐、硅烷、酰胺、聚合物。预制合金元素可以是Mo、V、S1、Mn。2)压制根据上文所述方法预处理的铁粉混合物通过同轴压制法压实并成型。在此要注意的是，在制造压模时就已经考虑到在后续的工艺步骤期间产生的形状和构造变化。使用相应的脱模剂和粘结剂有助于压实。视粉末混合物的松密度和理论密度而定，为此使用400至1200MPa的压力。以这种方式获得的压制件(也称作生坯)是随后的工艺步骤的起始。代替同轴压制法还可以使用其它压制法，如在烧结记述中常用的那些，也就是例如等压压制法，等等。为了在烧结时获得可重现的性能(MaPverhalten)，要注意在压制成在构件2，3内尽可能均匀或至少良好地可重现的密度分配(Dichteaufteilung)。因为在烧结时由于提高的碳份额在所使用的温度下产生液相，在压制时选择这样的密度，在该密度下可以达到尽可能均匀的密度分布。由于碳份额高，理论上可达到的全密度非常低(约7.5g/cm3)。因此，典型的压制密度可以为6.4g/cm3 - 6.6g/cm3但也可以视粉末的化学组成和可压制性而定选择得更高。任选地需要的脱模剂可以采用常规的浸涂法或优选借助喷涂法在压制之前或压制期间施加到构件上。3)去蜡+烧结通过热处理优选在至少部分渗碳或轻微氧化的气氛的作用下对压制件进行去蜡(也就是通过烧灼至少部分脱除有机粘结剂和脱模剂)以及烧结(优选在连续运行的烧结炉中)。在此，通过使用氢份额为30体积％的氮-氢混合物来实现还原性气氛。任选地，还可以使用渗碳气体，例如甲烷、丙烷或类似物，或者通过工艺气体的轻微氧化性特征(任选地仅仅在烧结炉的部分区域内)来促进去蜡，例如通过吸热型气体、湿润的氮气，或者类似物。所述烧结但也可在真空下进行，由此可以实现在烧结时液相的稳定化。烧结时的温度视所使用的合金体系而定在介于1050°C和1350°C之间，烧结持续时间为介于约2分钟和1.5小时之间。通常在烧结时应当保持这样的烧结温度，其略高于或者沿着在“Gamma”区域和“Ga_a +熔体”区域的平衡线位于铁一碳一线图中，因为在较高的温度下在特定的组成下形成过多的熔体，由此出现极端的、不可控制的构件的变形(象脚、沙漏、...)。在此有利的是，如果烧结温度在所选择的烧结粉末的各个碳份额下在介于“Ga_a”和“Ga_a +熔体”之间的平衡线与高于相应于该碳份额的所述平衡温度最高20%，优选最高10%的范围内。在烧结中的工艺进程如此选择，尽管产生液相也得到尽可能低的构件变形。结果的可重现性通过相应的工艺控制(如气氛控制、温度调控、露点测量等等而得到促进。迅速加热到导致形成液相的温度(尤其是以lOK/s的加热速率)，并且短暂的烧结时间(尤其是介于I分钟和12分钟之间)，使得良好的尺寸控制成为可能。液相视合金组成而定在达到特定的温度时自动生成。过长时间地保持烧结温度导致构件变形并因此尽可能地要予以避免。保持时间优选来自下限为8分钟和上限为10分钟的范围。更长的保持时间(以至少几乎完全热透构件2，3为先决条件)几乎不再导致进一步的压实。但是，采用更长的保持时间构件变形的风险增大。构件2，3优选采用冷却这样的速率冷却，其选自上限为0.5K/s，尤其是lK/s和上限为20K/s，优选15K/s的范围。任选地，为了达到更高的密度还可以通过在低于1100°C的温度下在上文提到的还原性气氛下的热处理对压制件进行预烧结并选择性地进行后压制，尤其在同时进行去蜡的情况下。由此可以实现制得颗粒之间轻微的烧结粘连。由于在烧结期间至少在靠近表面区域压实到接近全密度，不仅可以实现改进的机械性能，还可以实现非常高的对于空气和液体介质的不渗透性，由此根据本发明方法制造的构件可以用于泵，例如燃料泵。4)热后处理各种由现有技术已知的热 处理均可应用。可以使用热工艺以改变铁氧体构造成分与珍珠岩构造成分的比例。此外，借助热处理可以改变游离存在的石墨的外形。5)机械处理所有已知的机械后出理或涂覆方法都是可以的。在该工艺流程之后，将下列根据表I的粉末混合物的实例加工成构件2和/或3。在此，数据均配以重量％。在此，每种情况下铁形成到100重量％的余量。表1:实施例组合物
权利要求
1.组件(I)，尤其是用于机动车的泵，其具有至少两个有滑动负荷的金属构件(2，3)，尤其是定子和转子，它们均具有滑动面，它们在运行中彼此滑移，其中构件(2，3)中的至少一个至少在滑动负荷的区域中由具有基于铁的基体的金属烧结材料构成，该烧结材料除了铁之外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少I重量％，其特征在于，碳含量为最高10重量％并且碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于基体中。
2.根据权利要求1的组件(I)，其特征在于，所述未化合的碳的份额为至少80%。
3.根据权利要求1或2的组件(I)，其特征在于，碳份额介于1.5重量％和8重量％之间。
4.根据权利要求1一 3任一项的组件(I)，其特征在于，所述未化合的碳具有长度介于50 μ m和300 μ m之间且宽度介于5 μ m和70 μ m之间的粒度。
5.根据权利要求1一 4任一项的组件(I)，其特征在于，所述基体具有由珍珠岩和铁氧体组成的构造。
6.根据权利要求5的组件(I),其特征在于,珍珠岩与铁氧体之比介于95:5和50:50之间。
7.根据权利要求5或6的组件(I)，其特征在于，所述基体的珍珠岩份额在朝向滑动面的方向上升高。
8.根据权利要求1一 7任一项的组件(I)，其特征在于，游离碳的份额在朝向滑动面的方向上升高。
9.根据权利要求1一 8任一项的组件(I)，其特征在于，所述非铁金属中的至少一种由娃形成。
10.根据权利要求9的组件(I)，其特征在于，硅份额介于0.5重量％和6重量％之间。
11.根据权利要求1一 10任一项的组件(I)，其特征在于，滑动面具有最高2.Ομπι的表面粗糙度Rz。
12.根据权利要求1一 10任一项的组件(I)，其特征在于，由烧结材料构成的构件(2，3)的密度为理论全密度的至少95%。
13.根据权利要求1一 12任一项的组件(I)，其特征在于，所述滑动面不含磷酸盐涂层。
14.用于制造具有降低的金属粘附作用的构件(2，3)的方法，该方法通过液相烧结由基于铁的金属烧结材料构成的粉末混合物来进行，所述烧结材料除了铁之外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少I重量％，其特征在于，向铁基体中以最高10重量％的份额添加碳，并且碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于所述基体中并且在烧结期间或烧结之后析出。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，在含碳的气氛中对构件(2，3)进行烧结和/或随烧结之后进行 冷却。
16.根据权利要求14或15的方法，其特征在于，在烧结之后以最高15K/s的冷却速率对构件(2，3)进行冷却。
17.基于铁的烧结合金用于制造机动车的泵的定子和/或转子的有滑动负荷的部件中的至少一个的用途，该烧结合金除了铁之外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少1.5重量％和最高10重量％，并且其中碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于基体中。
18.基于铁的烧结合金用于制造内燃机的曲轴或轴瓦的有滑动负荷的部件中的至少一个的用途，该烧结合金除了铁之外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少1.5重量％和最高10重量％，并且其中碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于基体中。
全文摘要
本发明涉及组件(1)，其具有至少两个有滑动负荷的金属构件(2,3)，它们均具有滑动面，它们在运行中彼此滑移，其中构件(2,3)中的至少一个至少在滑动负荷的区域中由具有基于铁的基体的金属烧结材料构成，该烧结材料除了铁之外还含有碳和最高至10重量％的至少一种非铁金属，其中碳份额为至少1重量％和最高10重量％，并且碳的至少一部分以颗粒状未化合的形式存在于基体中。
文档编号B22F3/10GK103180069SQ201180028402
公开日2013年6月26日 申请日期2011年6月9日 优先权日2010年6月10日
发明者G·斯特提娜, M·格拉芬格, M·雷斯内尔 申请人:米巴烧结奥地利有限公司