DE1942702C - Festes Schmiermittel - Google Patents

Description

Die lirlindung betrifft ein festes Schmiermittel auf HiiM.s einer selbstschmierenden Komponente innerhalb einer feuerfesten Metallcarbid-Matrix, die aus

1. 20,0 bis 97,0 Gewichtsprozent Molybdändisulfid als selbstschmierende Komponente,

2. 0,01 bis 10,0 Gewichtsprozent einer kohlenstoffhaltigen Komponente, vorliegend zu mindestens einem geringen Teil in Fcrm von Metallcarbiden,

1 2,')9 bis 80,0 Gewichtsprozent Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram oder aus einer Kombination dieser Metalle als carbidbildende Komponente sowie gegebenenfalls aus

4. 0,01 bis 5,0 Gewichtsprozent einer Borkomponente, vorliegend zu mindestens einem kleinen Teil in Form einer festen Borlösung und gege- '⁵ benenfalls aus

5. 0,1 bis 53,0 Gewichtsprozent Eisen, Nickel, Chrom, Kobalt, oder einer Kombination dieser Metalle als metallisches schmierendes Material besteht.

Selbstschmierende Stoffe mit niederer Reibung und niederen Abriebeigenschaften zeigen darüber hinaus noch verschiedene Grade elektrischer Leitfähigkeit, die sich von elektrischen Isolatoren bis zu guten elektrischen Leitern erstrecken, und zwar jeweils in Abhängigkeit von der vorliegenden Mischung. Diese selbsisehmierendcn Massen können als Hochleistungsmassen in Luft, Vakuum oder inerten Atmosphären über einen Temperaturbereich von -251 ^o bis I?. 16'(' verwendet werden.

Ks sind mehrere feste selbstschmierende Materialien bekannt, die gute Schmiereigenschaften und eine niedere i.cherfestigkeit besitzen. Typische Beispiele sind Molybdändisulfid, Molybdändiselenid, Wolframdisuliid und Graphit. Diese Materialien haben im allgemeinen ein geeignetes Anwendungsgebiet in den I -'allen, wo bei niederen Bclastungsbedinuungen niedere Reibungseigenschaften gewünscht werden. Wenn jeJoch auf das System hohe Belastungen ausyciibt werden, dann können diese bekannten Materialien den Hochbelastungsbedingungcn nicht widerstehen, und ihre unter solchen Umständen stattfindende Verwendung führt zu einem frühzeitigen Versagen des Schmiersystems. Mit der möglichen Ausnahme von Graphit besitzen diese bekannten festen selbstschmierenden Materialien eine niedere Toleranz zu hohen Temperaturen und können soiT.it in Systemen mit mehr als einigen Hundert Grad Fahrenheit nicht verwendet werden. I 'nter diesen bekannten Materialien zeigt Graphit allein eine wesentliche elektrische Leitfähigkeit, doch kann dieser Stuff hei Systemen, die im Vakuum arbeiten, nicht verwendet werden, da die Giaphilteilchcn bei V.ikuumbcdingungcn eine gewisse Schleifwirkung besitzen. ^

Während die bekannten sclbslsi hmicmulni Stoffe sonnt für einen relativ cingcsihiaiiklcn Niiwnidiumsbercich geeignet sind, können sic Iv 1 extrain. ηίι H·. triebsbedmgutigen, inshcsoiuli-ri bei ImIi. η Hclastungen, hohen Temperaturen und im Vakuum, nicht («> eingesetzt werden. Ferner sind ihre elektrischen l.citungseigenschaftcn in erster 1 inie für das jeweilige Material fixiert. Daher können die bekannten selbst schmierenden Materialien /ur Schmierung fiir Systeme, die bei extremeren Bedingungen aibeilen. (<·, nicht verwendet werden und es muli daher eine äul.lere Schmierung vorgesehen werden. I »ie Nachteile dieser äuKcicn Schmiei i/nt'cn liegen jedoch auf der Hand: Hohe Wartungskosten, Verunreinigungen, Verdampfung, ungleichmäßige Auftragung usw. Die äußere Schmierung ist besonders bei solchen Systemen schlecht anwendbar, die elektrische, elektronische und optische Elemente, welche im Vakuum betrieben werden sollen, enthalten. Obgleich man solchen extremen Betriebsbedingungen, wie sie oben genannt wurden, bei denen die bekannten Schmiermittel nicht geeignet sind, bislang nur wenig begegnete, sind sie jedoch nun für die Raumfahrttechnologie typisch. Daher ist die Notwendigkeit, Schmiermittel, welche diesen strengen Betriebsbedingungen widerstehen können, zu beschaffen, drängend geworden.

Die Hochleistungseigenschaflen der sclbstschmie-.enden Materialien der Erfindung werden in erster Linie durch die Einverleibung eines feuerfesten Metalls in die Mischung erzielt, so daß nach der Verarbeitung unter Druck und bei hohen Temperatures sich das feuerfeste Metall mit dem in den Preßlingen vorhandenen Kohlenstoff zu Carbiden umsetzt. lerner ist in den Massen Molybdändisulfid enthalten, welches die Gleitfähigkeit verleiht. Somit wird durch Kombination eines hochfesten, carbidbildenden feuerfesten Metalls mit einem selbstschmierend^ Material, das im allgemeinen durch eine niedrigfeste Niedertemperaturtoleranz charakterisiert ist, eine Endmischung erhalten, die sowohl eine ausgezeichnete Druck- als auch Biegebeständigkeit aufweist und die daneben ausgezeichnete Reibungs- und Abriebseigenschaften besitzt. Die erfindungsgemäßen Massen können entweder in ihrer Endform hergestellt werden, oder sie können in großen Ansätzen bereitet und anschließend in ihre Endform verarbeitet werden. In jedem Fall besitzen die Massen Struktureigenschaften, die sie dazu befähigen, bei hohen Belastungsbedingungen, hohen Temperaturen und im Vakuum verwendet zu werden.

Obwohl Molybdändisulhd im allgemeinen einen hohen elektrischen Widerstand zeigt, zerstört doch seine Einarbeitung in die Masse die elektrische Leitfähigkeit, die durch die feuerfesten Metalle verliehen wird, nicht. Die elektrische Leitfähigkeit der Endmasse hängt davon ab, welches feuerfeste Metall odei welche Kombination der feuerfesten Metalle für die Einverleibung ausgewählt worden ist. Durch Variation der Bestandteile kann eine Lndmasse erhalten werden, die einen weiten Bereich son elektrischen Eigenschaften besitzt, der sich von gi/tsn elektrischer isolationseigcnsch-iften bis /u guten elektrischen I eitungstigcnschaftcn erstreckt

Die Ziele der Erfindung werden durch drei Klasser von Massen erreicht, welche in verschiedenen < icvMchlsverhiillnissen folgende Komponenten besit/en

I I ii>e erste Klasse von Mischungen, besteheni aus Molybdändisulfid oiler Materialien, du Mohbdäudisiilfid enthalten, einem carbidbildui den Metall ausgewählt ;nis der Gruppe Mohh dän, Niob, Tantal. Wolfram und dessen Kombi nationeii, und einer kohlenstoffhaltigen Kompo ncnle, die entweder in Form metallischer ( arbidi oder als feste Kohlcnstofflösiing oder in I inn heider vorliegt

II. riiie zweite k. ,se von Mischungen, bestehen« aus einem selbstschmierenden Maien.il voi Molybdändisulfid oder Materialien, die Mnlyb iliindisulfid enthalten, einem carbiilbildendei

Metall, ausgewählt aus der Ciruppe Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und deren Kombinationen, einer kohlenstoffhaltigen Komponente in Form von entweder metallischen Carbiden oder einer festen Kohlenstofflösung oder in Form heider und einer Komponente von Bor, welche entweder in Form einer festen Borlösung oder in Form von freiem Bor oder in Form von beiden vorliegt.

Fine dritte Klasse von Mischungen, bestehend aus einer selbstschmierenden Komponente von Molybdändisullid oder Materialien, die Molybdändisullid enthalten; einem carbidbildenden Material, ausgewählt aus der Gruppe Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und deren Kombinationen, einer kohlenstoffhaltigen Komponente entweder in Form von Metallcarbiden oder einer festen Kohlenstofflösung oder in Form von beiden, einer Komponente von Bor in Form einer festen Borlösung, von freiem Bor oder von beiden uf.i einer Metallkomponente mit einem Schmelzpunkt, der wesentlich niedriger ist als derjenige der carbidbildenden Metalle, die aus der Gruppe F.isen, Nickel, Chrom, Kobalt ausuewählt ist. sowie deren Kombinationen.

Ausführungsformen für die oben beschriebenen Mischungen werden nachstehend angegeben:

Klasse

Mischung

lies tandteil

Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 10,0

Molybdän (Mo) 0,01 bis 80,0

Mischung 2
Bestandteil Geun.htspro/ei,i

Molybdändisulfid (MoS₂) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 10,0

Niob (Nb) 0.01 bis 80,0

Mischung 3

liestiindteil

Molybdändisullid (MoS₂).

Kohlenstoff (C)

I antal (Ta)

Mischung 4

Bestandteil

Mol>bdiindisiillid (MoS₂) . . .

Kohlenstoff (C)

Wolfram (W)

Mischung 5

Gcwithtspro/enl

20,0 bis 97,0 0.01 his 10.0 0,01 his 80.0

20,0 bis 97.0 0,01 bis 10.0 0,01 bis 80,0

Bestandteil

(icwichlspro/cni

Molybdändisulfid (MoS₂) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 10.0

Molybdän (Mo) 0.01 bis 80.0

Tantal (Ta) 0,01 bis KO.O

Mischung 6 Bestandteil Gewichi-.pioA.·»!

Molybdändisullid (MoS₁) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 10,0

Molybdän (Mo) 0,01 bis 80,0

Wolfram (W) 0,01 bis 80,0

Mischung 7

Gewichhpro/L-nl

Bestandteil

Moiybdändisulfid (MoS₁) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 10,0

Molybdän (Mo) 0,01 bis 80,0

Niob (Nb) 0,01 bis 80,0

Tantal (Ta) 0,01 bis 80,0

Wolfram (W) 0,01 bis 80,0

Klasse Il

Mischung

Bestandteil

Molybdändisulfid (MoS₁) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 10,0

Bor (B) 0,01 bis 5,0

Molybdän (Mo) 0,01 bis 80,0

Mischung 2

Bestandteil

Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 10,0

Bor (B) 0,01 bis 5,0

Niob (Nb) 0,01 bis 80,0

Mischung 3

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0.01 bis 10,0

Bor (B) 0,01 bis 5.0

Tantal (Ta) 0,01 bis 80.0

Wolfram (W) 0,01 bis 80,0

Mischung 4

Bestandteil

Molybdändisulfid (MoS₂) 20,0 bis 97,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bi 100

Bor (B) 0.01

Niob (Nb) 0.01

Tantal (Ta) 0.01

Wolfram (W) 0.01

Klasse 111

bis 10.0 bis 5.0 bis 80,0 bis 80,0 bis 80.0

Mischung

Bestandteil

Molybdändisulfid (MoS₂) 45.0 bis 90,0

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 10,0

I antal (Ta) 2,0 bis 55.0

F.ivn IFc) 0.1 bis 53.0

5 6

Mischung 2 Grund dieses Schmiermechanismus, daß das Molyb-

j . .. ·, tliindisulful eine »Gleitschmierung« oder Schmier-

licwichiKpro/Kiii übertragungseigenschaften besitzt. Darunter ist zu

Molybdändisulfid (MoSj) 45,0 bis 90,0 verstehen, daß, wenn ein Material, das Molybdiin-

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 5,0 5 disulfid enthält, mit einem MoUiH, welches diese

Tantal (Ta) 2,0 bis 55,0 Mischung nicht enthält, in Gleitkontakt gebracht

Nickel (Ni) O₁I bis 53,0 wird, die schwache Bindung zwischen den Schwefelatomen der Molybdändisulfidkristalle den größeren

Mischunc 3 Kräften, die zwischen den Schwefelatomen und den

ίο Atomen des neuen Metalls existieren, nachgibt. Auf

iestandieil Gewichtsprozent diese Weise wird etwas von dem Molybdändisulfid

Molybdändisulfid (MoS₂) 45,0 bis 90,0 verschmiert oder zu der neuen Metalloberfläche über-

Kohlenstofr (C) 0,01 bis 10,0 ^ruhrl; ^⁶³⁶" SchmicrmiUel-übertragungsmechanis-

Tantal (Ta) 2 0 bis 55 0 ^mus "ⁿ"^{el man in a}"^en Mischungen dieser hrlindung.

Chrom (Cr) 01 bis 530 '⁵ ^^r '^sl besonders bei Anwendung im Vakuum wichtig.

Schmierprobleme im Vakuum erscheinen auf den ersten Blick nicht anders zu sein als die, die an der

Mischung 4 Luft auftreten. Tatsächlich werfen Vakuumbedin-

_n . .. gungen ernstere Probleme auf, und es ist mit einem

uesianateil Gewichtsprozent ₂₀ schnelleren Abrieb auf der Zusammenstellung zu

Molybdändisulfid (MoS₂) 45,0 bis 90,0 rechnen als beim Betrieb an der Luft. Jede Zusam-

Kohlenstoff (C) 0,01 bis 5,0 menslellung, die aus Metall gebildet wird und im

Tantal (Ta) 2,0 bis 55,0 Vakuum betrieben wird, vei,<ali sich anders als die

Kobalt (Co) 01 bis 53,0 gleiche Zusammenstellung, wenii sie an der Luft in

25 Betrieb genommen wird. Es wurde festgestellt, daß

Aus der vorstehenden Tabelle, welche Mischungen die Abwesenheit eines Oxydfilms auf den Oberflächen dieser Erfindung angibt, wird ersichtlich, daß alle der Teile der Zusammenstellung die Kohäsion des Mischungen Molybdändisulfid, welches in erster Linie Metalls zwischen mehreren Teilen der Zusammenfür die selbstschmierenden Eigenschaften der End- stellung beim Betrieb im Vakuum bewirkt. Das mischungen verantwortlich ist, enthalten. Das Molyb- 30 Metall klebt an anderen metallischen Oberflächen dändisulfid in diesen Mischungen kann auch durch an oder hängt daran, wenn ein kohäsiver Kontakt andere selbstschmierende Materialien ersetzt werden. besteht, und bricht beim Betrieb mit den anderen Ein typischer Ersatz hierfür ist Wolframdisu'fid. metallischen Oberflächen. Die übertragung von Me-Jedoch ist Wolframdisulfid wesentlich teurer als lallteilchen von einer Oberfläche zu einer anderen Molybdändisulfid. Ferner haben mit Mischungen, 35 findet rasch statt, so daß nach einer kurzen Betriebsdie diesen Stoff enthalten, durchgeführte Versuche periode eine sichtbare Lochbildung auftritt. Dies gezeigt, daß die resultierenden Mischungen keine führt dazu, daß die Metalloberflächen rauh werden, Eigenschaften besitzen, die den Eigenschaften Molyb- somit den Geräuschspiegel erhöhen und auch die dändisulfid enthaltender Mischungen überlegen sind benötigte Betriebskraft erhöhen. An der Luft findet und somit die gesteigerten Kosten rechtfertigen 4° diese Kohäsion, die das Aufrauhen eir.es Lagers im wurden. Vakuum bewirkt, nicht statt, was auf die Anwesen-Die selbstschmierenden Eigenschaften des Molyb- heil eines Oxydfilms auf der Oberfläche des Metalls dändisulfids, wenn es für sich oder zusammen mit zurückzuführen ist.

anderen Materialien verwendet wird, sind bekannt. Wenn ein normales Schmiermittel auf die Ober-

Die Kristalle des Molybdändisulfids besitzen eine 45 flächen der Metallzusammenstellungen, die im Va-

Platttnstrukturbei welcher aufeinanderfolgende Plal- kuum betrieben werden, aufgebracht wird, darin

ten von Molybdänatomen mit aufeinanderfolgenden verdampft das Schmiermittel auf Grund seines hohen

Schichten von Schwefelatomen zwischen jeder Schicht Dampfdrucks. Somit ist das Schmiermittel nach

von Molybdänatomen angeordnet sind. Ein großer einer kurzen Betriebsperiode nicht mehr vorhanden.

Kristall von Molybdändisulfid ist daher als Aufein- 5° Die Verwendung eines selbstschmicrenden Materials,

anderschichtung von Lagen von Molybdän anzu- wie Molybdändisulfid, in Zusammenstellungen, die

sehen, die durch starke ionische Bindungen mit den im Vakuum betrieben werden, mindert die Pro-

ancinanderstoßcnden Lagen des Sehwefcis verbun- bleme. die durch die kohäsive Erosion tntstehen,

den sind, wobei die aufeinanderfolgenden Schwefel- Immer wenn das Molybdändisulfid mit einer auftref-

schichten dutch schwache homöopolare Bindungen 55 fendcn Metalloberfläche in Kontakt kommt, dann

zusammengehalten werden. wird eine geringe Menge des Molybdändisulfids auf

Während die Schwefelschichten bei der Bildung die berührende Metalloberfläche übergeführt, wo-

eines vollständigen Molybdändisulfidkristalls zuein- durch die kohäsive Erosion vermieden wird. Aul

ander nur eine schwache Anziehung besitzen, haben diese Weis'· übt das Molybdändisulfid bei Vakuum-

die Schwefelatome eine viel größere Affinität für &° bedingungen etwa die gleiche Funktion aus wie dei

Metalle, so daß sich die Molybdändisulfidplatten bei oxydische OberflächenrUm bei atmosphärischen Be-

bestimmlcn Bedingungen fest an Metalle anlegen. dingungen. Darüber hinaus besitzt jedoch das Molyb

Die Schwefelatome werden, da sie zueinander nur dändisulfid bessere Schmiereigenschaften als der oxy

eine schwache Affinität aufweisen, nicht durch so dische Oberflächenfilm, so daß bei Zusammenstoß

starke Kräfte gehalten, wie das Schwefel an dem ⁶5 lungen, die öti der Luft betrieben werden, die Ein

Metall gehalten wird, noch sind sie so groß wie die führung von Molybdändisulfid als Schmiermittel dei

Metall-zu-Metall-Adhäsionskräfte. Daher wirkt das Reibungskoeffizienten zwischen den in Berühruni

Sulfid als Schmiermechanismus, und man sagt auf stehenden Metallplatten stark reduziert.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß die Verwendung von Molybdändisulfid als selbstschniicrendes Material in mechanischen Zusammenstellungen, die entweder im Vakuum oder an der Luft in Betrieb sind, hoch erwünscht ist. Jedoch bringt die Verwendung dieses Schmiermittels schwerwiegende Probleme mit sich. Obgleich Molybdändisulfid über einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen eine beträchtliche Stabilität aufweist, fehlen diesem Material doch viele der metallischen Eigenschaften, die für mechanische Zwecke wesentlich sind, einschließlich der Duktilität. der Druckbeständigkeit, der Zugbeständigkeit, der Schmierbarkeit, der Stoßfestigkeit und der Vcrsprödungsfcstiekeit.

Um den Anwendungsbereich von Molybdändisulfid auszudehnen, hat man beträchtliche Anstrengungen unternommen, um eine geeignete Matrix, in welcher das Molybdändisulfid suspendiert werden soll, /u entwickeln. Diese Matrix muß. um geeignet /u sein, der Mischung die obigen mechanischen IEigenschaften verleihen und dazu gestatten, daß das M olybdändisulfid, seine Schmierfähigkeit, die Schmiermiltclübertragung und die hohe Temperaturbeständigkeit der entstehenden Mischung verleiht. Ein Beispiel für eine Matrix, welche zu diesem Zweck entwickelt wurde, ist eine, in welcher Molybdändisulfid mit Eisen kombiniert wurde, wodurch eine Mischung erhalten wurde, die die Schmiereigenschaften des Molybdündisulfids und auch viele der Struktureigensdiaften des Eisens beibehielt. Nachteiligerweise hielt jedoch das Eisen auch einige seiner unerwünschten i igenschaften in der entstehenden Mischung bei. niimhch seine Oxydationsanfälligkeit, die zur Eolge hatte, daß der Anwendungsbereich, in weichem die Mischung verwendet werden konnte, eingeschränkt wurde. Der Ersatz des Eisens durch Nickel, wie er uich in der genannten Patentschrift vorgeschlagen wurde, minderie zwar viele der mit der Verwendung von Eisen verbundenen Schwierigkeiten, doch gestattete selbst die Verwendung von Nickel es nicht, den -ollen Bereich der Eigenschaften des Molybdändisul- :;ds auszuwerten.

Es wurden umfangreiche Untersuchungen angestellt, um die maximale Temperatur ausfindig zu machen, bei welcher das Molybdändisulfid gesintert werden kann, ohne daß eine Dissoziation des Molybdändisulfids während des Sinterns auftritt. Es wurde festgestellt, daß, wenn auf das Molybdändisulfid während des Sinterns ein Druck von 352 kg/cm² ausgeübt wird, die Dissoziation dieses Materials bei Temperaturen bis zu etwa 182CT C vermieden werden kann. Dieses Ergebnis ist insofern überraschend, als das Molybdändisulfid normalerweise bei Temperaturen zwischen 1093 und 1204" C bei Atmosphärendruck dissoziiert. Nachdem diese überraschende Fähigkeit des Molybdändisulfids, hohen Sintertemperaturen zu widerstehen, entdeckt worden war, war es klar, daß die vollen Möglichkeiten dieses Materials nicht realisiert werden können, wenn man als Binder in der Matrix Eisen oder Nickel verwendet. Diese Ziele wurden durch die Massen der Erfindung erreicht, indem als Schmiermechanismus Molybdändisulfid und als Binder für die Matrix ein feuerfestes Metall verwendet wurde. Die chemischen Analysen dieser Mischungen zeigen an, daß bei Verwendung von Graphilstanzen für die Herstellung dieser ' Mischungen bei hohen Temperaturen und Drücken sich Kohlenstoff von den Stanzen mit dem feuerfesten Metall vereinigt und ein Carbid bildet. Weitere Untersuchungen haben ergeben, daß die harten Carbidlcilchen der selbstschmierenden Mischungen mit einer relativ weichen Schicht von Molybdändisulfid überzogen waren. Diese überraschende metallurgische Konfiguration scheint hauptsächlich fur die extrem niederen Abriebgeschwindigkeiten verantwortlich zu sein, welche von diesen Mischungen gezeigt werden. Zusätzlich zeigen bestimmte dieser Mischungen die ,0 Fähigkeit, Kompressionsbelastungen über 17 600 kg/ cm² zu widerstehen, während andere bei Gleit-Oberflächengeschwindigkeiten von 3657,6 m/min in Betrieb genommen werden können. Der Temperaturbereich, über den diese Materialien eingesetzt werden. ist gleichermaßen eindrucksvoll. Viele dieser Mischungen können bis zu 399 C in der Luft und bis zu 1316C im Vakuum betrieben werden. Bezüglich der Nicdertemperaturbeständigkeit ist der Betrieb in flüssigem Wasserstoff bei -251 (" demonstriert worden. Fs hat sich gezeigt, daß diese Mischungen einzigartige elektrische Eigenschaften besitzen. Mischungen, die entweder als gute Leiter für den elektrischen Strom oder als gute Isolatoren charakterisiert sind, können hergestellt werden Fs ist möglich, die clektrischen Eigenschaften zu kontrollieren, indem die Zusammensetzung der gewählten Metallmatrix variiert wird. Diese Ergebnisse können erhalten werden, obwohl das Molybdändisulfid für sich keine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und in Wirklichkeit durch einen derart hohen elektrischen Widerstandsgrad charakterisiert ist, daß es in vielen Systemen, wo die Verhinderung der elektrischen Leitfähigkeit gewünscht wird, als Isolierstoff verwendet wird. Es sollte auch beachtet werden, daß die feuerfesten Metalle, die in diesen Mischungen verwendet werden, hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit nicht besonders erwähnenswert sind und daß Kohlenstoff-Graphit, obgleich er im allgemeinen eine niedere elektrische Widerstandsfähigkeit besitzt, oft entgegengesetzte Eigenschaften hinsichtlich der elektrischen Leitbarkeit aufweist. Jedoch zeigen die Metallcarbide, die in der Matrix der Mischungen der Erfindung gebildet werden, keine entgegengesetzten Eigenschaften und besitzen das unerwartete Ergebnis, daß sie bei Kombination mit dem hochisolierenden Material Molybdändisulfid eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

In den Mischungen der zweiten Klasse dieser Erfindung wurden der Matrix kleine Me.,gen von Bor, bis zu 5 Gewichtsprozent,· zugesetzt, um die Gefügeeigenschaften weiter zu verbessern.

Man nimmt an, daß der Borbestandteil in die Matrix als feste Lösung eintritt, wobei die Möglichkeit besteht, daß etwas metallisches Borit gebildet wird. Relativ geringe Borzugaben von ungefähr 1 Gewichtsprozent steigern die endgültige Druckbeständigkeit einiger Mischungen signifikant, während Zugaben von Bor im Überschuß von 5 Gewichtsprozent zu einer abnehmenden Druckbeständigkeit geführt haben. Ferner liegen gewisse Tatsachen vor. die dafür sprechen, daß die Borkomponente während des Herstellungsnrozesses als Schmiermittel wirkt, wodurch eine Mischung mit einem größeren Verdichtungsgrad, als es sonst der Fall ist, erhalten wird. Zusätzlich zu den Bestandteilen Molybdändisulfid. Kohlenstoff und Tantal enthalten die Mischungen der Klasse III dieser Erfindung eine weitere Metallkomponcnle. ausgewählt aus der Gruppe Eisen.

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Nickel, Chrom und Kobalt. Der Hauptzweck des Zusatzes dieser Metalle zu der Matrix besteht darin, während des Herstellungsprozesses eine Schmierung vorzusehen. Diese Metalle besitzen Schmelzpunkte, die beträchtlich unterhalb derjenigen der carbidbildenden Metalle liegen. Ihre Gegenwart trägt zu den Gefügeeigenschaften der resultierenden Matrix nicht signi^kant bei. Ihre primäre funktion besteht darin, w ah read des Herstellungsprozesses als Schmiermittel zu wirken, damit eine größere Verdichtung der resultierenden Matrix erhalten werden kann. Naturgemäß können den Mischungen der Klasse III bestimmte Beschränkungen auferlegt werden, die auf den Einschluß dieser Komponenten zurückzuführen sind. Insbesondere können die Mischungen der ,, Klasse III nicht den hohen Temperaturen widerstehen wie diejenigen der Klassen I und II.

Ferner zeigen die Mischungen der Klasse III, die Nickel und Chrom enthalten, beträchtlich höhere Abriebgeschwindigkeiten als die Mischungen der Klassen I und II. Während der Herstellung der Mischungen der Klasse III liegt das Eisen, das Nickel, das Chrom oder das Kobalt im geschmolzenen Zustand vor. Es wurde festgestellt, daß auf Grund des bei der Herstellung angewendeten hohen Drucks diese Metalle zu den Außenkanten der Mischung gedrückt werden und in Kontakt mit dem Preßwerkzeug kommen. Es finden gewisse Reaktionen zwischen dem geschmolzenen Metall und dem Gr- phit-Preßwerkzeug statt, die den Abrieb auf den Preßwerkzeugen beschleunigen, darauf Beschädigungen bewirken und ihre Verwendung für mehr als drei oder vier Betriebsoperationen verbieten. Daher sollten die Mischungen der Klasse III dann nicht verwendet werden, wenn die Herstellung vieler identischer Teile gewünscht ist.

Die nachstehenden Aibeitsweisen zur Herstellung der hierin angegebenen Mischungen stellen Repräsentativmethoden für Heißpressen oder Verdichten dar. Diese Arbeitsweisen sollen stellvertretend für alle Methoden zur Herstellung der Materialien der Erfindung stehen.

Die selbstschmierende Komponente Molybdändisulfid kann in Pulverform in einem weiten Größenbereich verwendet werden, doch ist zur Herstellung dieser Mischungen ein Bereich von 7 bis 64 μ erfolgreich verwendet worden. Das die selbstschmierende Komponente bildende, pulverformige Molybdändisulfid wurde untersucht, wobei gefunden wurde, daß es zusätzlich zu dem Molybdändisulfid ein öl auf Petroleumbasis mit einem Gehalt von 0,02 bis 0,05 Gewichtsprozent enthält. Man nimmt an, daß das Petroleumöl ein Verteiler für Kohlenstoff für die Endmischungen ist. Die Metallpulver, Molybdän, Tantal, Niob und Wolfram, wie sie in Klasse I verwendet werden, sowie das in Verbindungen der Klasse II verwendete Bor und das in den Mischungen der Klasse IN verwendete Eisen, Nickel, Chrom und Kobalt werden von handelsüblichen Quellen entnommen und besitzen eine Reinheit von über 99,9%. Obgleich alle Metallpulver als 325-Maschenteilchen erhalten wurden, ist jede Teilchengröße, die gesintert werden kann, für die Herstellung dieser Mischungen geeignet.

Nach dem Einwiegen entsprechender Mengen der verwendeten Komponenten werden die Metallpulver, wenn mehr als eine metallische Komponente verwendet wird, zunächst zusammengemischt, bevor sie mit der Molybdändisulfid-Komponente vermischt werden.

Die folgenden Arbeitsweisen zum Vermischen der Metallpulver mit dem Molybdändisulfid haben zufriedenstellende Mischungen ergeben:

1. Sieben: Das Pulvergemisch wird durch ein 100-Maschensieb in Sammelpfannen übergeführt, in einen Behälter gebracht. Das Sieben wird noch zweimal wiederholt. Das Pulver wird dann in das Graphit-Preßwerkzeug überführt.

2. Automatischer Mörser: Das Pulvergemisch wird in einen Aluminiumoxydmörser gebracht und eine zur Erzielung eines frei fließenden Schlammes genügende Menge Aceton hinzugegeben. In den Mörser wird ein Aluminiumoxyd-Pistill eingeführt, und das automatische Mischen wird begonnen. Das Mischen wird 20 Minuten weitergeführt mit periodischer Zugabe von Aceton, um den Schlamm aufrechtzuerhalten. Während der letzten 5 Minuten Hes automatischen Mischens wird kein Aceton zugegeben, so daß das Gemisch in eine dicke Paste verarbeitet wird. Das pastenförmige Gemisch wird aus dem Mörser mit einem Spatel entnommen und in einem Vakuumofen 1 Stunde bei 93" C getrocknet. Das getrocknete Pulver wird hierauf durch ein 80-Maschensieb geführt und in ein Graphit-Preßwerkzeug gebracht.

Das beim Sintern verwendete Graphit-Preßwerkzeug stellt die Quelle für Kohlenstoff dar, der in die Endmischungen eintrftt und dort mit den feuerfesten Metallen Carbide bildet. Die Menge des in die Endmischung eintretenden Kohlenstoffes wird durch die Länge des Zeitraums der Heißverpressung kontrolliert.

Für die Heißverpressung wird das pülverförmige Gemisch in das Graphif-Preßwerkzeug gebracht, worauf mittels einer Induktionsbeheizung das Preßwerkzeug zunächst auf eine Temperatur von 149 C gebracht wird und dort genügend lang auf dieser Temperatur gehalten wird, um Wasserdampf, der in dem Pulver enthalten sein könnte, auszutreiben. Die Dauer dieser Trockenperiode ist nicht kritisch und dauert normalerweise etwa 5 Minuten.

Die nachstehenden Stufen sind für die Herstellung von Verbindungen der Klassen I und II anwendbar. Die Stufen für die Herstellung der Mischungen der Klasse III werden später im Detail besprochen. Nachdem das Preßwerkzeug etwa 5 Minuten auf 149^C C gehalten worden ist, um eingeschlossenen Wasserdampf auszutreiben, wird die Temperatur des Preßwerkzeugs auf 1371 bis etwa 1800⁰C erhöht, und es wird eine Belastung von etwa 70,3 bis 633 kg/cm² auf das Graphit-Preßwerkzeug ausgeübt, welches das pulverförmige Gemisch der Klasse I oder II enthält, was mittels eines hydraulischen Zylinders oder eines Hebelsystems geschieht. Der Druck wird in folgender Weise zweistufig aufgebracht: Zunächst wird die Hälfte des endgültigen Drucks aufgebracht und aufrechterhalten, bis die Temperatur der Zusammenstellung sich auf die Sintertemperatur erhöht hat. Dies nimmt gewöhnlich etwa 20 Minuten in Anspruch, wobei die genaue Zeit von der Größe des Preßwerkzeugi und der Kapazität der Induktionsbeheizung abhängt Nach dem Erreichen der Sintertemperatur wird dei gesamte Preßdruck aufgebracht und für einen Zeitraum, der 30 Minuten lang sein kann, aufrechterhalten Die Dauer der Anwendung des vollen Druckes be stimmt die Korngröße und den kohlenstoffgehalt dei Endmischung, wobei längere Zeiträume größere Korn

1

größen und höhere kohlenstoffyehalte ergeben. Gute Sinterergebnisse wurden mit einer vollen Pressenbelastung, die eine Periode von 10 Minuten lang angewandt wurde, erhalten.

Bei der Herstellung der Verbindungen der Klasse 111 wird, nachdem die Zusammenstellung ungefähr 5 Minuten auf 149 C zur Abtreibung des Wasserdampfs gehalten worden ist, auf das Pre.ßwerkzeug eine Last von 70,3 bis 4?2 kg/cm¹ aufgebriicht, was mittels eines hydraulischen Zylinders oder eines Hebesystems geschieht. Nach dem Aulbringen der Last wird die Temperatur auf 1093 bis 1482⁰C erhöht, un<< zwar innerhalb eines Zeitraums zwischen 2 und i0 Minuten, wobei der genaue Zeitraum von der verfügbaren Kraft towie von der Größe des Prel3werkzeugs abhängt. Nach dem Erreichen der Sintertemperatur wird die Temperatur 2 bis 10 Minuten aufrechterhalten.

Nachdem das Zusammensintern der Mischungen der Klassen I, II oder III beendißt ist, wird die Induktionsheizung abgeschaltet, und das Preßwerkzeug wird auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Belastung kann von den Pressen unmittelbar nach Abstellen der Kraft entfernt werden, wenn Gefahr besteht, daß ein Zerschmettern oder eine andere Zerstörung während des Kühlens stattfindet, die auf die unterschiedliche thermische Expansion der Mischungen und des Preßwerkzeu^s zurückzuführen i<t Wenn eine derartige Gefahr nicht vorliegt, dann wird die Belastung im allgemeinen nicht entfernt, bis sich die Zusammenstellung auf eine Temperatur von etwa 149°C abgekühlt hat, um ein festeres kompaktes Material zu erhalten.

In allen Fällen wird vor unc während des Heißpressensder Induktionsofen mit Argon, Stickstoff oder einem anderen Inertgas gespült, so daß eire inerte Atmosphäre um das Preßwerk.:eug herum gewährleistet wird, die die Oxydation des pulveriörmigen Gemisches und des Preßwerkzeugs selbst verhindert. Im folgenden werden spezifische beispielhafte Ansätze der Mischungen der Erfindung ζ jsammen mit einigen elektrischen und physikalischen Eigenschaften angegeben.

Beispiel 1

Es wurde das folgende Material, das typisch für eine Mischung 1, Klasse I, ist, bei einem Druck von 352 kg/cm² und einer Temperatur von etwa 1800"C verpreßt.

^Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 79,3

Kohlenstoff (C) 0,9

Molybdän (Mo) !9,8

Mit den Beispielender M ischurg I.Klasse !,durchgeführte Versuche zeigen, daß die physikalischen und elektrischen Eigenschaften dieses Materials von Variationen des Herstellungsverfahrens etwas abhängig sind, und zwar in einem Ausrraß, das für andere Mischungen dieser Erfindung nicht beobachtet wurde. Nichtsdestoweniger wurde festgestellt, daß die Mischung dieses Beispiels ausnehmend gute Abriebeigenschaften mit einem Wert von 2,54 χ lO^'cm 3Ί00 Minuten besitzt, wobei das Testmuster ursprünglich eine,i geradlinigen Kontakt mit der TentoberflMche, die mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 274,3 m/min bewegt wurde, hatte. Das Testmuster besaß eine endgültige Druckfestigkeit über 3020 kg/cm² und einen Reibungskoeffizienten von 0,07. Die elektrischen Eigenschaften dieses Musters zeigten einen elektrischen Widerstand von 1,5 χ 10~⁴ Ohm/cm. Aus diesen Messungen geht hervor, daß diese Ausführungsform der Erfindung besondere Anwendung finden kann, wo in erster Linie niedere Abriebeigenschaften von Wichtigkeit sind und Reibüngs- und elektrische Widerstandseigenschaften von geringerer Wichtigkeit sind.

' Bei spiel 2

Das folgende Material, das für eine Mischung 2, Klasse I, typisch ist, wurde unter einem Druck von 352 kg/crrr bei einer Temperatur von 1649"C heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 6-/,8

Kohlenstoff (C) 0,6

Niob (Nb) 29,6

Die mit den Ansätzen der Mischung 2, Klasse L durchgeführten Analysen zeigen, daß diejenigen Proben mit höheren prozentualen Gehalten von Molybdändisulfid höhere Kohlenstoffgehalte besitzen. Dies belegt, daß ein Teil des Molybdändisulfids während des Herstellungsprozesses in Molybdäncarbid überführt wird. Diejenigen Proben mit geringen prozentualen Gehalten von Molybdändisulfid, d. h. 30 bis 50%, zeigen einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand von 1,2 χ 10~⁴ Ohm/cm. Das hierin beschriebene besondere Beispiel zeigte eine endgültige Druckfestigkeit von etwa 9490 kg/cm² (!37OOQpsh bei einem niederen Reibungskoeffizienten von 0,045. Geeignete Verwendungszwecke für dieses Material schließen diejenigen ein, bei welchen bei hohen Belastungsbedingungen niedere Reibungseigenschaften gewünscht sind.

Beispiel 3

Das folgende Material, das für ^ine Mischung 3 Klasse I, typisch ist, wurde unter einem Druck von 352 kg/cm² auf die oben beschriebene Weise heiC verpreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 79,2

Kohlenstoff (C) 1,0

Tantal (Ta) 19,8

Es wurde gefunden, daß die endgültige Druckfestigkeit dieses Beispiels etwas von der Temperatur bei welcher das Material heiß verpreßt wurde, ab hängt. Wenn beispielsweise das Material mit einei diesem Beispiel entsprechenden Zusammensetzung bei einer Temperatur von 137TC heiß gepreßt wird wird eine relativ niedrige endgültige Druckfestigkei von 408 kg/cm² festgestellt. Eine andere Testprobe die sonst mit Ausnahme einer Verpressungstemperatui von. 1649° C identisch war, zeigte eine endgültig« Druckfestigkeit von 1690 kg/cm². Beide Testprober zeieten einen elektrischen Widerstand von eiwr 3,1 χ ΙΟ'⁴ Ohm/cm.

B e i s ρ i e 1 4

Das folgende Material, das für eine Mischung 3 Klasse I, typisch ist, wurde bei einem Druck voi 352 kg/cm² bei 1482"C heiß verpreßt.

942 702$

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 69,3

Kohlenstoff (C) 1,0

Tantal (Ta) 29,7

Dieses Beispiel ist bemerkenswert, weil es ausnehmend gute Reibungs- und Abriebeigenschaften zeigt," wenn es gegen eine Titanlegierung, die 6% Aluminium und 4% Vanadin enthält, benutzt wird. Dieses Beispiel zeigt eine endgültige Biegefestigkeit von etwa 949 kg/cm² (13 625 psi) und besitzt einen Reibungskoeffizienten zwischen 0,19 und 0,25 bei niederen Oberflächengeschwindigkeiten. Bei höheren Oberfiächengeschwindigkeiten (457,2 m/min) beträgt der Reibungskoeffizient 0,04 bis 0,08. Bei weiteren mit diesem Beispiel durchgeführten Versuchen wurde ein Kugel-Separator aus diesem Material hergestellt, um eine 20 - mm - Kugellagerzusammenstcllung herzustellen. Das Lager wurde in Luft bei Raumtemperatur mit 3450 UpM mit einer axialen Belastung von 4.53 kg betrieben. Nach 10 088 Betriebsstunden zeigte der Separator sowie die Lagerzusammenstellung einen extrem niedrigen Abrieb.

Beispiel 5

Das folgende Material, das für eine Mischung 4. Klasse 1, typisch ist, wurde unter einem Druck von 352 kg/cm* bei etwa IROO" C heiß verpreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 79,1

Kohlenstoff (C) 1.1

Wolfram (W) 19.8

Im allgemeinen zeigen Ansätze der Mischung 4, Klasse I, mit einem hohen Molybdändisulfidgehalt (etwa 80 Gewichtsprozent) den höchsten elektrischen Widerstand aller Ansätze dieser Erfindung. Somit kanrs, selbst wenn eines der Hauptziele dieser Erfindung, die Bereitstellung eines selbstschmicrcndcn Materials mit einem hohen Grad elektrischer Leitfähigkeit ist, die elektrische Leitfähigkeit durch Wählen geeigneter Ansätze modifiziert werden. Ein derartiges Vorgehen würde eine geeignete Anwendung bei der Herstellung eines elektrischen Schalters mit niedrigreibenden Olcitkontakten durch Alternierung der Ansätze der gewählten Kontakte ergeben. Somit wurden alternierende Kontakte hohe und niedrige elektrische Leitfähigkeitseigenschaften zeigen, die eine Schaltungsfunktion durch hohe und niedere elektrische Leitfähigkeitspfade ergeben würden. Das hier gegebene besondere Beispiel zeigt einen relativ hohen elektrischen Leitfähigkeitswert von mehr als 4100 χ 10~⁴ Ohm/cm, der von einem vernünftig niedrigen Reibungskoeffizienten von 0,07 begießet war. Das Material ist Tür niedrigreibende, niederclektrische Leilfähigkeitszwecke geeignet.

Beispiel 6

Da? folgende Material, das für eine Mischung 4, Klasse I, typisch ist, wurde durch Heißpressen bei einem Druck von 352 kg/cm² bei einer Temperatur von etwa 1800°C heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 19,9

Kohlenstoff (C) 0.2

Wolfram (W) 79,9

Die Mischung dieses Beispiels besitzt einen hohen metallischen Wolframgehalt, und es kann aus Jen gut bekannten, guten Hochtemperatureigenschaften von Wolfram angenommen werden, daß dieses Material auch ausgezeichnete Hochtemperatureigenschaften besitzt. Die Mischung dieses Beispiels besitzt eine endgültige Biegefestigkeit von 2040k;:/cm² und einen elektrischen Widerstand von 0,33 χ 10"⁴ Ohm/cm.

B c i s pie I 7

Das folgende Material, das für eine Mischung 5. Klasse I, typisch ist. wurde unter einem Druck von 562 kg/cm² bei 1538"C heiß gepreßt.

■ Bestandteil Gcwichtsprn/cm

Molybdändisulfid (MoS₂) 79.1

Kohlenstoff (C) 1.2

Molybdän (Mo) 14,8

Tantal (Ta) 4.9

Dieses Material besitzt ausnehmend gute Gleitrcibungseigenschaften. wenn es in Verbindung mit einer Kupferoberfläche verwendet wird. Die Fchmicrmittelübertragung oder die Gleitschmierung war äußerst gut. Auf Grund des relativ hohen Carbidanteils konnte ein Überschuß des übertragenen Schmiermittels von den Kupferoberflächen entfernt werden. Der elektrische Widerstand betrug

}o 14,9 χ 10"⁴ Ohm/cm. Demgemäß hat dieses Material einen erfolgreichen Anwendungsbereich für gleitende elektrische Kontakte oder elektrische Motorbürsten, die in Verbindung mit einem Kupfer-Kommutator verwendet werden.

Beispiel 8

Das folgende Material, das für eine Mischung 5. Klasse 1. typisch is¹, wurde unter einem Druck von 633 kg/rm bei einer Temperatur von 1454' C heiß gepreßt.

Bestandteil

Gewichtsprozent

_4S Molybdändisulfid (MoS₁) 44.7

Kohlenstoff (C) 0,7

Molybdän (Mo) 14.9

Tantal (Ta) 39,7

Dieses Beispiel zeigt ein ausgezeichnetes Verhalten als selbstschmierendes Material bei hohen Belastungen und bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten. Darüber hinaus waren relativ konstante Niederreibungseigenschaften über einen beträchtlichen Bereich von Spannungswerten ersichtlich. Ein nach diesem Ansatz hergestelltes selbstschmierendes Mittel kann erfolgreich verwendet werden, wenn es als Büchsen- odei als Kugellager benutzt wird. Diese überragender Abriebeigenschaften wurden in der Weise demon striert, daß ein Kugellager mit 1,90 cm hergestellt wurde und dieses in Luft bei 21, Γ C untersucht wurde Das Lager wurde durch einen Winkel von ±7'/₂° mi einer Geschwindigkeit von 200 Zyklen/min oszilliert wobei eine Belastung von 141 kg/cm² aufgelegt wurde

Nach Beendigung von 10 χ IfJ⁶ Zyklen betrug dci gemessene Abrieb auf dem Kugellager nur etw; 0,058 cm. Der elektrische Widerstand dieses Material: ist 1.23 χ 10~⁴ Ohm/cm.

U e i s ρ i e 1 9

Das fnlgenck- Material, das für eine Mischung 6, Klasse I, typisch ist, wurde unter einem Druck von 352 kg/cm* bei 1482 C heiß verpreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdiindisulfid (MoS₁) 49,6

Kohlenstoff (C) " 0,9

Molybdän (Mo) 39,6

Wolfram (W) 9,9

Durch Variierung des gewichtsmäßigen Anteils des Molybdändisulfids in der Mischung 6, Klasse I, wurden Ansätze von etwa 40 bis 95% hergestellt, deren elektrischer Widerstand kontinuierlich, jedoch in nichtlinearer Weise von 1,1 χ 10~⁴ bis 3,1 χ 10~⁴ Ohm/cm variiert werden kann. Auf diese Weise kann die Kontrolle über die elektrischen Widerstandseigenschaften durch Kontrolle der Zusammensetzung ausgeübt werden, und es können die selbstschmierenden Eigenschaften beibehalten werden. Der elektrische Widerstand des hier gegebenen Beispiels beträgt 1,1 χ 10~⁴ Ohm/cm. Die Abrieb-und Reibungs'-igenschaften dieses Materials waren niedrig.

Beispiel 10

Das folgende Material, das für eine Mischung 6, Klaf >e 1, typisch ist, wurde unter einem Druck von 352 kg/cm* bei etwa 1800⁰C heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 79,1

Kohlenstoff (C) 1,1

Molybdän (Mo) 13,9

Wolfram (W) 5,9

Dieses Material hat einen elektrischen Widerstand von 3,1 χ 10~⁴ Ohm/cm und stellt ein selbstschmierendes Material dar, das verhältnismäßig billig hergestellt werden kann. Somit stellt dieses Material die logische Wahl für Anwendungen mit niedrigen Kosten dar.

Beispiel 11

Das folgende Material, das für eine Mischung 7, Klasse I, tvpisch ist, wurde unter einem Druck von 352 kg/cm* bei 1510⁰C heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 39,8

Kohlenstoff (C) 0,5

Molybdän (Mo) 14,9

Niob (Nb) 14,9

Tantal (Ta) 14,9

Wolfram (W) 14,9

Die Ansätze der Mischung 5, Klasse I, zeigten im allgemeinen weite Variationen des elektrischen Widerstands mit Widerständen von 0,41 χ 10 ⁴ bis 17,0 χ 10~⁴ Ohm/cm, gemessen in bestimmten Proben. Diese Variationen des elektrischen Widerstands scheinen mit dem Gewichtsprozentsatz des in diesen Ansätzen vorhandenen Wolframs in Beziehung zu stehen, Wobei die Ansätze mit höherem Wolframgehalt die höheren elektrischen Widerstände zeigen. Das oben angegebene Beispiel besitzt einen elektrischen Widerstand von 0,41 χ ΙΟ"⁴ Ohm/cm und be

sitzt einen relativ hohen Reibungskoeffizienten von 0,14, der von einer niedrigen Abriebgeschwindigkeit begleitet ist. Diese Rcibungs- und Abriebgeschwindigkeitseigenschaften zeigen, zusammen mit einer hohen endgültigen Druckfestigkeit von etwa 1300 kg/cm² (ISKOOOpsi), daß dieses Beispiel bei Hochleistungs-Hochlernperatur-Bremsvorrichtungen verwendet werden kann.

Beispiel 12

Das folgende Material, das für e'ne Mischung 1, Klasse II, typisch ist, wurde bei einem Druck von 352 kg/cm² bei 1593 C heiß gepreßt.

Bestandteil · Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS,) 79,2

Kohlenstoff (C) * 1,0

Bor (B) 0,5

Molybdän (Mo) 19,3

Dieses Beispiel zeigte eine überaus niedrige Abriebgeschwindigkeit von 4,6 χ 10 ~⁵ cm 3/100 min, wobei das Muster ursprünglich in Linienkontakt mit einer Testoberfläche aus rostfreiem Stahl gesetzt wurde, die sich mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 274 m/ min bewegte. Dies steht im Vergleich mit einer Abriebgeschwindigkeit von 15,5 χ 10"³cm 3/100 min, wie sie bei den anderen Beispielen der Mischung 1, Klasse II, gemessen wurde.

Beispiel 13

Das folgende Material, das für eine Mischung 2, Xlasse II, typisch ist, wurde bei einem Druck von 352 kg/cm² bei 1510 C heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 29,8

Kohlenstoff (C) 0.7

Bor (B) 0,5

Niob(Nb) 69,0

Geringe Anteile von Bor, in der Gegend von ¹I₂ bis 1%, die in der Mischung 2, Klasse II, vorhanden sind, ergeben ein selbstschmierendes Material, das eine äußerst hohe endgültige Druckfestigkeit zeigt. Bei einem Beispiel der Mischung 2, Klasse II, mit 20 Gewichtsprozent Molybdändisulfid ergab die Hälfte einer Igewichtsprozentigen Zugabe von Bor einen

so Ansatz mit einer endgültigen Druckfestigkeit von über 17 600 kg/cm². Größere Zusätze von Bor senkten jedoch die endgültige Druckbeständigkeit beträchtlich: hin Beispiel mit denselben Gewichtsanteil Molybdändisulfid, aber mit 5 Gewichtsprozent Bor, ergab

eine endgültige Druckfestigkeit von 8090 kg/cm². Bei dem hierin beschriebenen Beispiel zeigten Versuche, daß dieses Material eine relativ hohe endgültige Druckfestigkeit von 17 200 kg/cm² und einen Reibungskoeffizienten von 0,042 besaß. Vermutlich ist der hohe Niobgehalt dieses Beispiels Tür die hohe endgültige Biegefestigkeit, die zu 3160 kg/cm¹ bestimmt wurde, verantwortlich. Der elektrische Widerstand dieses Beispiels betrug 0,33 χ 10"* Ohm/cm. Aus diesen Messungen geht hervor, daß dieses Material

6s besonders fur Verwendungszwecke geeignet ist, die eine Beständigkeit gegenüber sehr hohen Beanspruchungen verlangen und wo ein vernünftiger Grad von elektrischer Leitfähigkeit gewünscht wird,

I 942 702

Beispiel i4

Das folgende Material, das für eine Mischung 3, Klasse II, typisch ist, wurde bei einem Druck von 352 kg/cm² bei 1649C heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisullid (MoS₂) 90,2

Kohlenstoff (C) 0,9

Bor (B) 3,0

Tantal (Ta) 3,0

Wolfram (W) 3,0

Labormäßig durchgeführte Bewertungen dieses Beispiels zeigen an, daßdieses Material einen sehr niederen Reibungskoeffizienten von 0,025 besitzt, wodurch es zur Variation von Oberflächen, die hohen Oberflachengeschwindigkeiten unterworfen sind, geeignet ist. Der elektrische Widerstand dieses Beispiels war etwas höher als der der meisten anderen Mischungen der Erfindung und wurde zu 25,5 χ 10"* Ohm/cm bestimmt.

Beispiel 15

Das folgende Material, das für eine Mischung 4, Klasse II, typisch ist, wurde bei einem Druck von 352 k^/cm² bei 1649'C heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₂) 91.2

Kohlenstoff (C) 0,9

Bor (B) 0,5

Niob (Nb) 2,0

Tantal (Ta) 3,5

VS Dlfram (W) 2,0

Mit verschiedenen Ansätzen der Mischung 4, Klasse II, durchgeführte Reibungsmessungen zeigten, daß der Reibungskoeffizient relativ konstant blieb, obwohl die Herstellungstemperatur und der Molybdändisulfidgehalt variiert wurden. Der Reibungskoeffizient des gegebenen Beispiels beträgt 0,032. Es ist anzunehmen, daß dieser Wert über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen ziemlich stabil bleiben wird. Die Mischung dieses Beispieles besitzt einen elektrischen Widerstand von 8,1 χ 10 ⁴ Ohm/cm.

H e i s ρ i c 1 16

Das folgende Material, das für eine Mischung 4, Klasse II. typisch ist. wurde bei einem Druck von 352 kg/cm² bei 1510C heiß gepreßt.

IhM.an'Jtcil

(ieuiihhpro/cnt

Molybdändisulfid (MoS₂) 39.8

Kohlenstoff (C) 0.5

Bor (H) 4.0

Niob (Nb) 18.6

Tantal (Ta) 18.6

Wolfram (W) 18,6

Dieses Beispiel besitzt einen Reibungskoeffizienten von O₁OSO und einen elektrischen Widersland von 0,86 χ 10"* Ohm/cm. Andere Versuche deuten darauf hin, daß dieses Material in Vorrichtungen, die bei extremen Temperatur·, Druck- und anderen Umwälzbedingungen betrieben werden, eine wichtige Rolle soielt.

Heispiel 17

Das folgende Material, das für eine Mischung 1, Klasse ill, typisch ist, wurde bei einem Druck von 352 kg/cm² bei etwa I288^UC heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS-.) 90,0

Kohlenstoff (C) 0,2

ίο Tantal (Ta) 5,0

Eisen (Fe) 4.8

Beispiel 18

Das folgende Material, das für eine Mischung 1, Klasse III, typisch ist, wurde bei einem Druck von 352 kg/cm² bei etwa 1288°C heiß gepreßt.

Bestandteil Gewichtsprozent

Molybdändisulfid (MoS₁) 45,0

Kohlenstoff (C) 0,4

Tantal (Ta) 50.0

Eisen (Fe) 4,6

Bei den Beispielen 17 und 18 ist die Eisenkomponente in der Matrix nicht als Binder enthalten, sondern vielmehr als Yerarbeitungsschmiermiticl, so daß während des Heißverpressens der Mischung das Eisen geschmolzen wird und es gestattet, daß die Körner der anderen Bestandteile sich zu einer dichten Masse verdichten. Andere Schmiermittel, von denen ebenfalls festgestellt worden war, daß sie zu einer Verdichtung der Matrix beitragen, umfassen Nickel, Chrom und Kobalt. Für Mischungen, die diese Bestandteile enthalten, könnten zahlreiche andere Beispiele angeführt werden. Im allgemeinen zeigen die in den Beispielen 17 und 18 angegebenen Mischungen eine Abrirbgeschwindigkeit, die höher ist als diejenige der meisten Mischungen der Klassen I und II.

Röntgenbeugungsversuche, die mit der Mischung 3, Klasse I, durchgeführt wurden, deuten daraufhin, daß diese Molybdändisulfid-Kohlenstoff-Tantal-Mischung die Struktur eines zementierten Konglomerats hat. welches aus mindestens vier Phasen zusammengesetzt ist. Diese Phasen erscheinen in der Reihenfolge ihrer

4.S optischen Rcflekticrbarkeit, wobei eine Ätzung nicht erfolgte.

Die Phase 1 ist ein glänzendes, spitzenartiges Netzwerk, das keine Kornsiruktur zeigt. Eine Mikroprobc zeigt, daß diese Phase reich an Molybdändisulfid ist.

so Die Phase 2 ist aus leicht grauer < Flächen zusammengesetzt, die cmc nahezu ovaic Gestalt haben und die normalerweise von Material der Phase 3 umgeben sind und die irreguläre Einschlüsse von Material der Phase 4 enthalten. Die Mikroprobc zeigt an, daß die

ss Flächen der Phase 2 reich an Tantal sind und daß auch diese Phase keine Kornstruktur zeigt

Die Phase 3 ist eine dunkelgrauc Fläche in der (iesamtmischung nut einer feinen Kornstruktur Heim Polieren ergibt sich, daß diese !lachen weich sind und

'*) /wischen den Körnern leicht gebrochen werden können. Die Mikroprobe zeigt an, daß diese Flächen einen variierenden Gehalt an Molybdändisulfid aufweisen. Die Phase 4 dieser Mischung ist eine sehr dunkle

f>5 graue Fläche mit unregelmäßiger Gestalt und einer relativ kleinen Größe. Die chemische Zusammensetzung dieser Phase konnte durch die Mikroprobc nicht bestimmt werden, und zwar auf Grund der

Kleinheit und der Unregelmäßigkeit dieser Mächen. Im allgemeinen zeigt ein Querschnitt dieser Mischung eine ziemlich gleichförmige Verteilung des Molybdändisullids und des Tantals.

Rönlgenbeugungsversuche wurden auch mit den Verbindungen der Klasse III durchgeführt, die die vier Komponenten MolybdämJisulfid, Kohlenstoff, Tantal und ein weiteres Metall aus der Gruppe Eisen, Nickel, Chrom und Kobalt enthalten. Diese Mischungen zeigten eine Struktur, die aus mindestens drei Phasen besteht. Die erste ist eine hellere Fläche mit einem Netzwerk von Molybdändisulfid, welches von engen, ovalen Flächen einer zweiten tantalreichen Phase umgeben ist. Die tantalreichen Flächen zeigen eine ausgeprägte Kornausbildung, und zwar ähnlich wie ein metallisches Material. Die Verteilung d^r anderen Metalle (Eisen, Nickel, Chrom oder Kobalt) scheint den Molybdändisulfidflächen zu folgen. Die dritte Phase erscheint als eine kleine helle Fläche mit unregelmäßiger Gestalt, deren Zusammenseizungnicht exakt bestimmt werden konnte.

Die physikalischen Eigenschaften der Beispiele der erfindungsgemäßen Mischungen wurden auf die folgende Weise bestimmt:

Biegeversuche

Die Biegeversuche wurden mit Mustern mit den Abmessungen 5,08 χ 0,76 * 0,25 cm durchgeführt. Drei Versuche wurden im allgemeinen durch Mittelpunktsbelastung auf einem Barren durchgeführt, der auf Messerkanten, die 3,8 cm voneinander entfernt waren, gelahrt war. Die endgültige Biegebclastung wurde nach der folgenden Formel berechnet:

F = ³^'
² 2Wt'

Bruchbelastung in Pfund,

Spannweite zwischen den Messerkanten in cm,

Barrenbreite in cm,
Barrendicke in cm.

Komprcssionsver.suchc

Fin gebrochener Barren vom Biegetest wurde zu einem Kompressionsmusicr mit den Abmessungen 0,76 χ 0,76 χ 0,25 cm verarbeitet. Die Testmuster wurden zwischen zwei gehärtete Stahlplattcn gebracht und bis /um Bruch mit einer Geschwindigkeit von 0,13 cm/min in einer Testvorrichtung belastet.

Abriebversuche

Die Abriebversuchc wurden diircngcfiihrt. indem die enge Kante eines rechteckigen Barrenmusters mit den Abmessungen 1,8 χ 0,76 χ 0,25 cm gegen eine gehärtete Welle aus 440C rostfreiem Stahl (Rc 58) mit einem Durchmesser von 5,08 cm, die mit einer Geschwindigkeit von 1750UpM (274 m/min) in Umdrehung versetzt wurde, gepreßt. Die Abriebmuster wurden gegen die Welle mit einer Belastung von 5 Pfund gedrückt und dort in Kontakt 100 Minuten lang gelassen. Die Messungen der Breite der Abriebskerben dienten dazu, das Abriebsvolumen der Mischungen festzustellen.

W t

Reibungsversiieh«;

Die Reibungsmessungen wurden durchgeführt, indem ein Muster gegen die Peripherie einer umlaufen-

den Stahlscheibe 440C (Rc 58) gepreßt wurde. Die Messungen wurden mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 884 m/min durchgeführt. Die Reibungscharakteristiken dieser Komponenten sind eine Funktion mehrerer verschiedener Faktoren, von denen die

ίο wichtigsten die folgenden sind:

Faktor

Gewichtsprozent
MoS₂

Belastung
(Beanspruchungswert)

Oberflächengeschwindigkeit

Härte des berührenden
Materials

Oberflächenzustand
berührenden
Materials

Atmosphäre

Allgemeiner Einfluß

Bei festen Bedingungen
nimmt die Reibung mit
steigendem MoS_rGehalt ab

Der Reibungskoeffizient
nimmt mit gesteigertem
Beanspruchungswert ab

Die Reibung nimmt mit
erhöhter Oberflächengeschwindigkeit ab

Die Reibung nimmt mit
erhöhter Oberflächenhärte ab

Die Reibung nimmt mit
abnehmender Oberflächer.rauhigkeit ab

Die Reibung nimmt in
Abwesenheit von Luft ab

Die Reibungscharak'eris'iken hängen auch von den spezifischen Elementen in der Metallmatrix ab. Die Zugabe von Bor mit Anteilen von 4% oder weniger ergibt minimale Reibungswerte bei niederen MoS₂-Gehalten.

Der Abrieb der Mischungen hängt auch von den obigen Faktoren ab, die die Reibungseigenschaften beeinflussen. Eine Mischung, die einen minimalen Abrieb bei einem Satz von Betriebsparametern (Belastung, Geschwindigkeit, Härte des aufeinandertreffcnden Materials, Oberflächenstruktur und Atmosphäre) besitzt, weist den minimalen Abrieb möglicherweise nicht auf, wenn einer dieser Faktoren signifikant verändert wird. Im allgemeinen sind Mischungen mit hohem MoS₂-Gehalt (über 75%) zum Betrieb hei hohen Oberflächcngcschwindigkciten (bis 3658 m/min) und bei niederen Beanspruchungen (weniger als 352kg/eni²) am besten geeignet. Zum Betrieb bei hohen Belastungswerten (7030 kg/cm²) und niederen Oberflächengeschwindigkeitcn (3 m/min oder weniger) zeigen Mischungen mit 20 bis 50% MoS₂ minim :\n Abriebseigenschaften.

Claims (5)

Patentansprüche: I. Festes Schmiermittel auf Basis einer selbstschmierenden Komponente innerhalb einer feuerfesten Metallcarbid-Matrix, bestehend aus

1. 20,0 bit 97,0 Gewichtsprozent Molybdändisulfid als selbstschmierende Komponente,

2. 0,01 bis 10,0 Gewichtsprozent einer kohlenstoffhaltigen Komponente, vorliegend zu mindestens einem geringen Teil in Form von Metallcarbiden,

3. 2,00 bis 80,0 üewichlsprn?ent M< >lybdiin, Niob, Tantal, Wolfram oder aus einer Kombination dieser Metalle als carbidbildende Komponente sowie gegebenenfalls aus

4. 0,01 bis 5,0 Gewichtsprozent einer Darkomponente, vorliegend zu mindestens einem kleinen Teil in Form einer festen Borlösung, und gegebenenfalls aus

5. 0,1 bis 53,0 Gewichtsprozent Eisen, Nickel, Chrom, Kobalt oder einer Kombination dieser Metalle als metallisches schmierendes Material.

2. Festes Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als carbidbildende Komponente 3 eine Kombination aus 0,01 bis 80,0 Gewichtsprozent Molybdän und Tantal oder

uns 0,0' bis 80.0 Gewichtsprozent Molybdän und Wolfram oder aus 0,01 bis 80,0 (icwichtspm/enl Molybdän, Tuntul und Wolfram oder aus 0,01 bis 80,0 Gewichtsprozent Niob, Tantal und Wolfram enthalt.

3. Festes Schmiermittel nach Anspruch 1, enthüllend

1. 45,0 bis 90,0 Gewichtsprozent Molybdändisulfid als selbstschmierende Komponente,

2. 9,89 bis 55,0 Gewichtsprozent carbidbildende Metallkomponente und

3. 0,1 bis 53,0 Gewichtsprozent Eisen, Nickel, Chrom, Kobalt oder einer Kombination dieser Metalle als metallisches schmierendes Material.