Einsatz hochfester umweltfreundlicher Sinterstähle für hochbelastete Bauteile

FKM 2000
Heft Nummer 252
Vorhaben Nr. 197

Kurzfassung:
In der Pulvermetallurgie der Eisenwerkstoffe zählen bisher Nickel und Kupfer aufgrund ihrer festigkeitssteigernden Eigenschaft zu den wichtigsten Legierungselementen. Wegen der Ablehnung verschrotteter kupferhaltiger Sinterteile für die schmelzmetallurgische Stahlherstellung einerseits und die Gesundheitsgefährdung durch freies Nickel andererseits sind Untersuchungen mit Cu-freien Legierungen bzw. mit gebundenem Ni zu geeigneten Wärmebehandlungsverfahren für die Herstellung hoch belasteter Bauteile in der Einfachsintertechnik aus der Sicht der Schwing- und Wälzfestigkeit erforderlich. Weiterhin soll bezüglich des Wälzfestigkeitsverhaltens ein übertragbarkeitsmodell von Proben auf Zahnräder entwickelt werden. Zwei fertiglegierten Sinterstählen, Fe-4,0%Ni-0,5%Mo (MSP4) und Fe-1,5%Mo (Astaloy Mo), wurden aus- gewählt und je nach Wärmebehandlungsverfahren 0,5% (Hochtemperatursinterung) bzw. 0,7% (aus der Sinterhitze vergütet) Kohlenstoff beigemischt. Bei der Legierung Fe-1 ,5%Mo wurde zudem eine Variante mit Zusatz von 5% Carbonyleisenpulver (CEP) hergestellt. Für die Ermittlung anwendungsreievanter Werkstoff- kennwerte mit den optimalen Werkstoffzuständen wurden Versuche zur Schwingfestigkeit an ungekerbten und gekerbten Proben bei Spannungsverhältnissen von Rund 0 sowie zur Wälzfestigkeit ohne und mit überlagerter Reibung (Schlupf von -24%) im Bereich der Zeit- und Dauerfestigkeit durchgeführt. Beim Schwingfestigkeitsverhalten zeigt die rasch abgekühlte Variante für beide Beanspruchungsverhältnisse und Kerbformen eine deutlich niedrigere Beanspruchbarkeit gegenüber den vergüteten Varianten, bei denen die Legierung (Fe-1,5%Mo) der Legierung (Fe-4%Ni-0,5%Mo) im Bereich der Dauerfestigkeit leicht überlegen ist. Für die Legierung mit Feinpulverzusatz von 5% Carbonyleisen wurde mit ungekerbten Proben bei reiner Wechselbeanspruchung die höchste ertragbare Beanspruchung ermittelt. Auffallend ist für diese Legierung allerdings eine sehr große Streuung der Versuchsergebnisse. Im gekerbten Zustand oder unter Schwellbelastung (R = 0) ist die Dauerfestigkeit jedoch niedriger als die der anderen vergüteten Varianten. Auch ist die Mittelspannungsempfindlichkeit im Vergleich zu den restlichen Legierungen deutlich höher. Im Vergleich zu den vergüteten Proben liegen die ertragbaren Schwingfestigkeiten bainitisierter Proben deutlich niedriger. Beim Wälzfestigkeitsverhalten wurden Unterschiede zwischen der Legierung (Fe-1,5%Mo)+0,5%C ohne und mit Zusatz von Carbonyleisenpulver im Rahmen der Streuung nicht festgestellt. Die Erarbeitung eines einfach zu handhabenden Modells zur übertragbarkeit von an Proben ermittelten Kennwerten der Schwing- sowie der Wälzfestigkeit auf reale Bauteile basieren auf dem Konzept des höchst- beanspruchten Werkstoffvolumens zur Berücksichtigung des Größeneinflusses. Die Berechnungen wurden mit experimentell ermittelten Ergebnissen an gesinterten Zahnrädern bei der Legierungen überprüft. Bei der Berechnung der Flankentragfähigkeit der gesinterten Zahnräder ausgehend von den an Proben ermittelten Wälzfestigkeitskennwerten lag eine gute übereinstimmung der berechneten mit der experimentell ermittelten Flankentragfähigkeit vor. Voraussetzung hierfür war die Ableitung von Kennwerten aus den bekannten Zusammenhängen der Schwingfestigkeit. Berichtsumfang:
60 S, 118 Bilder, 5 Tab., 79 Lit. Beginn der Arbeiten:
01.07.1995: Ende der Arbeiten:
30.06.1998 Zuschussgeber:
AVIF (Fördernr. A 93) Forschungsstelle: Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit LBF Bartningstr. 47, 64289 Darmstadt Leitung:
Prof. Gerd Müller Bearbeiter und Verfasser:
Dr. -Ing. Klaus Lipp Prof. Dr.-lng. Cetin Morris Sonsino Obmann des Arbeitskreises:
Dr. rer. nato Hans-Peter Koch, Robert Bosch GmbH Vorsitzender des Beirats:
Dipl.-lng. J. Rabe, Sachsenring AG