DE2415035C3 - Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Gleitstücks hoher Festigkeit, insbesondere einer Scheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen - Google Patents
Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Gleitstücks hoher Festigkeit, insbesondere einer Scheiteldichtung für DrehkolbenmaschinenInfo
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Description
25
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Gleitstücks
hoher Festigkeit, insbesondere einer Scheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen, aus einem Verbundwerk- jo
stoff, der aus 20 bis 80 Vol.-% Kohlenstoffteilchen in einer Kupferlegierung aus 5 bis 20Gew.-% Titan, 3
bis 22 Gew.-% Blei, 0 bis \5 Gew.-% Zinn und Kupfer
als Rest besteht.
Durch die DE-PS 20 27 902 ist Jn Gleitwerkstoff für Trockenlauf auf der Basis einer Sinterbronze bekannt,
der 4 bis 15Gew.r% Titan, 12 bis 20Gew.-%
Festschmierstoffzusatz und Rest Kupfer oder Bronzen enthält, zu dessen Herstellung die Bestandteile in
Pulverform kalt vorgepreßt, danach bei 600 bis 800 C vorgesintert, dann nachgepreßt werden, anschließend
bei einer Temperatur von etwa 75% der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bei etwa 900 bis
1100 C fertiggesintert und abschließend auf ein Restporenvolumen
von weniger als 10% fertiggepreßt wer- ti den.
Durch die US-PS 37 82 930 ist ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Scheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen
bekannt, wobei der Werkstoff für diese eine Basis aus Gußeisen oder Stahl aufweist und w
einen Gehalt von 1 % Kupfer, einen großen Anteil von 15 bis 50% Titankarbid und 1 bis 4,5% Graphit
hat. Die in dem Eisen enthaltenen Titankarbidpartikel bedingen einen erheblichen Abrieb beim Zusammenarbeiten
derScheiteldichtung mit einem chromplattierten Gehäuse.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren so weiter auszubilden, daß
Gleitstücke mit optimalen Eigenschaften für den Einsatz als Scheiteldichtungen für Drehkolbenmaschinen m>
herzustellen sind.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.
Es wird eine metallurgische Bindung mindestens zum Teil durch eine chemische Reaktion zwischen tn
Teilen des in der Metallegierung auf Kupferbasis enthaltenen Titans mit Kohlenstoffatomen an der Oberfläche
der in der Legierung dispergieren KohlenstolT-teilchen
bewirkt Es wird hierbei Titankarbid gebildet Diese Bindung zwischen den in der Metallmatrix verteilten
Kohlenstoffteilchen und der Metallmatrix erhöht die Festigkeit des Gleitstücks, ist beim Einsatz
in Drehkolben-Brennkraftmaschincn von besonderer Haltbarkeit und ist gegenüber anderen Metallkarbiden
auch widerstandsfähig gegen heißes Wasser, das bei Brennkraftmaschinen als Abgasprodukt amallt Es ergibt
sich eine höhere Titankonzentration an oen Berührungsflächen zwischen den Kohlenstoffteilchen und
der Metallphase. Eine solche Bindung aus Titankarbid an den Berührungsflächen entsteht nur dann, wenn
sich das Metall in flüssigem Zustand befindet, das Sintern also in der Flüssigphase erfolgt
Eine flüssige Kupferlegierung mit den beanspruchten Teilen an Blei und Titan benetzt die Oberfläche der
Kohlenstoffteilchen und ermöglicht die Bildung von Titankarbid. Flüssiges Kupfer allein oder flüssiges
Kupfer und Blei, gegebenenfalls auch Zinn, benetzen dagegen die Kohlenstoffteilchen nicht ausreichend.
Ebenso können Legierungen im festen Zustand selbst bei hohen Temperaturen die Oberfläche der Kohlenstoffteilchen
nicht so verändern, um die metallurgische Bindung zu bewirken.
Während mit anderen Legierungen auf Kupferbasis und dispergierten Kohlenstoffteilchen zwar Abriebfestigkeit
und gute Festigkeit bei hohen Temperaturen erreicht werden können, weisen Gleitstücke nach der
Erfindung eine erhöhte Festigkeit in einer Umgebung auf, in der dauernde Biegebeanspruchungen, Abriebkräfte
und Feuchtigkeit herrschen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Scheiteldichtung einer Drehkolben-Brennkraftmaschine
und
Fig. 2 eine Photomikrographie in 200facher Vergrößerung,
die das Gefüge des Verbundkörpers, aus dem die Scheiteldichtung besteht, L.:igt.
Scheiteldichtungen 30 für Drehkolben-Brennkraftmaschinen der in Fig. 1 dargestellten Art werden in
Zusammenarbeit mit gußeisernen Gehäusen verwendet, deren Umfangsflächen mit Chrom plattiert ist.
Die Scheiteldichtungen bzw. Gleitstücke nach der Erfindung werden als Verbundkörper aus Metall und
Kohlenstoff gebildet und sind dauerhaft und abriebfest, wie dies unter den dynamischen Bedingungen
bei Drehkolbenmaschinen der Wankel-Bauart nachgewiesen wurde. Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsforrn
einer derartigen Scheiteldichtung besteht diese aus feinverteilten Feststoffteilchen aus Kohlenstoff,
die in einer Kupfer-Titan-Legierung, die etwas Blei enthält, dispergiert und metallurgisch gebunden sind.
Der Metallanteil und der Kohlenstoffanteii der Dichtung,
wie Abriebfestigkeit, Festigkeit und Reibbeiwert. Ein wesentlicher Faktor für die Wirksamkeit der Dichtung
ist das Binden der Titanbronzelegierung mit dem Kohlenstoff, das durch die Benetzung ermöglicht
wird, die wiederum durch das in der Legierung vorhandene Blei begünstigt wird. Die metallurgische Bindung
wird durch in den Berührungsflächen entstehendes Titankarbid unterstützt.
Die Titanbronze enthält 3 bis 22 Gew.-% Blei, wahlweise bis zu 15Gew.-% Zinn und Titan in einem
Anteil, der eine wirksame Benetzung und Bindung der Metallphase mit dem Kohlenstoff ermöglicht, ohne
im wesentlichen die Festigkeit und Zähigkeit des Verbundkörpcrs
zu vermindern, und als Rest Kupfer.
Wie bereits erwähnt, werden Titan und Blei dazu verwendet, daß die Legierung auf Kupferbasis dii;
Kohlenstoffteilchen benetzt Es müssen mindestens S Gew.-% Titan in der Legierung auf Kupferbasis vorhanden
sein. Ein Titangehalt über 20Gew.-% trägt
nicht dazu bei, die Festigkeit des Verbundwerkstoffe:» zu erhöhen, kann jedoch schädliches Sprödewerden
verursachen. Ein Bleigehali über 22 Gew.-% der Legierung
kann die aus dem Verbundwerkstoff gebildete
Dichtung zu weich machen. Zinn trägt zur Erzielung der gewünschten Reibeigenschaften des Verbundkörper»
bei. Vorzugsweise besteht die Legierung aus 9-18Gew.-% Titan, 4-10Gew.-% Blei, 4-13Gew.-%
Zinn, Rest Kupfer mit zulässigen Beimengungen.
,Gleitstücke der erwähnten Zusammensetzung werden pulvermetallurgisch hergestellt Dabei müssen der Kohlenstoff und die Legierung in feinverteilter, feinstteiliger Form vorliegen. Die Kohlenstoffteilchen sind harte abriebfeste Sorten von Kohlenstoff (amorph oder !crystallin), wie Anthrazitkohle, glasähnliche Kohle, die krysiaüincn Kohlenstoff enthalten. Für Scheiie'dichtungen können amorphe Kohlenstoff-GraphitcHischungen mit bis zu 15 bis 20Gew.-% Graphit ebenfalls verwendet werden, jedoch führt die Verwendung von. Graphit allein zu einer zu weichen Dichtung. Allerdings ist bei nicht allzu harten Abriebbedingungen auch die alleinige Verwendung von Graphit möglich.
,Gleitstücke der erwähnten Zusammensetzung werden pulvermetallurgisch hergestellt Dabei müssen der Kohlenstoff und die Legierung in feinverteilter, feinstteiliger Form vorliegen. Die Kohlenstoffteilchen sind harte abriebfeste Sorten von Kohlenstoff (amorph oder !crystallin), wie Anthrazitkohle, glasähnliche Kohle, die krysiaüincn Kohlenstoff enthalten. Für Scheiie'dichtungen können amorphe Kohlenstoff-GraphitcHischungen mit bis zu 15 bis 20Gew.-% Graphit ebenfalls verwendet werden, jedoch führt die Verwendung von. Graphit allein zu einer zu weichen Dichtung. Allerdings ist bei nicht allzu harten Abriebbedingungen auch die alleinige Verwendung von Graphit möglich.
Der Kohlenstoff hat eine Teilchengröße von weniger als 74 μΐη, besser noch unter 43 μπι. Kohlenstoffpartikel
einer Teilchengröße unter 43 μπι werden in be- jo
kannter Weise durch Mahlen gewonnen. Die verwendete Titanbronze kann in feinteiliger Form durch Versprühen
der geschmolzenen Legierung in einer Argonatmosphäre gewonnen werden. Ein Pulver der Legierung
mit weniger als 43 am Teilchengröße und hoher r,
Reinheit ist auf diese Weise herstellbar. Es ist nicht notwendig, ein vorlegiertes Pulver zu verwenden. Es
kann auch ein Pulvergemisch der einzelnen Bestandteile verwendet werden.
Die Umwandlung in den Verbundkörper kann durch Heißpressen bzw. Drucksintern erfolgen. Die gründlich
vermengte Pulvermischung wird in eine Fenn geeigneter
Gestalt aus Kohlenstoff eingebracht, wobei einzelne Scheiteldichtungen oder ein Block aus dem
Verbundkörper gebildet werden, aus dem dann die Scheiteldichtungen herausgearbeitet werden. Der
Druck wird durch die Form aus Kohlenstoff auf die, Pulvermischung in einem Autoklaven ausgeübt, aus
dem die Luft evakuiert und durch Argon oder ein anderes inertes Gas ersetzt wird. Ein Druck von 70 bar
wird auf die Pulvermischung ausgeübt, während sie von Raumtemperatur auf 982 C erwärmt wird. Danach
wird der Druck auf 422 bar erhöht, während die Temperatur von 982 C für 30 Minuten aufrechterhalten
wird. Der Verbundwerkstoff wird dann auf Raum- γΛ
temperatur abgekühlt und der Druck abgesenkt, wenn die Temperatur auf etwa 760 C gefallen ist. Bei der
hohen Temperatur und dem hohen Druck schmilzt die Legierung und benetzt die Kohlenstoffpartikel unter
Bildung einer metallurgischen Bindung. Hl
Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Verbundwerkstoff aus Partikeln 60 aus Kohlenstoff, die von der Kupferlegierung
62 umschlossen sind. Das Blei ist in Form eigener Partikel enthalten, die willkürlich in der Legierungsphase
verteilt und bei der vorgesehenen b-, 200fachen Vergrößerung nicht sichtbar sind.
Bei einer anderen Variante des isostatischen Heißpressens
wird die Pulvennischung in ein Glas- oder Metallgefäß eingebracht und einem hohen Flüssigkeitsdruck
ausgesetzt. Ferner ist auch atmosphärisches Heißpressen möglich, wobei Zusätze, wie Titanhydrid
vorgesehen sind, die zerfallen und eine Schutzgasatmosphäre bilden. Ferner sind auch Kaltpressen und
Sintern oder Kaltpressen, Vorsintern und Heißpressen oder Strangpressen zur Bildung des Verbundkörpers
anwendbar. Die Scheiteldichtungen aus dem Verbundwerkstoffkönnen
auch durch Warmverformung in einer inerten Atmosphäre gebildet werden. Eine geeignete
Mischung aus Titanbronze und Kohlenstoff in Pulverform einer Teilchengröße unter 74 μπι und beispielsweise
mit 50 : 50Vol.-% Anteil werden mit Argon gereinigt und in einer Argonatmosphäre auf 982 C
erhitzt In der Zwischenzeit werden Schmiedeformen mit entsprechender Gestalt zur Aufnahme des heißen
Pulvergemischei; auf eine Temperatur vcn 260 C aufgeheizt.
Das heiße Pulvergemisch wird dann in die Form eingebracht und einem Druck von etwa 3200 bar
während einer Minute ausgesetzt, danach wird der Druck abgesenkt und der Block aus Verbundwerkstoff
aus der Form ausgehoben. Aus diesem Block werden dann Scheiteldichtungen gemäß Fig. 1 herausgearbeitet.
Um die Formhaltigkeit von Scheiteldichtungen der erfindungsgemäßen Art bei den erhöhten Temperaturen
in Drehkolbenmaschinen zu verbessern, wird der Block aus Verbundwerkstoff, aus dem die Scheiteldichtungen
herausgearbeitet werden, vorher für eine gewisse Zeit auf eine Temperatur von 427-482 C
erhitzt, um eine. Stabilisierung der Abmessungen zu erzielen.
Einige weitere Beispiele erläutern die Erfindung näher. Ein vorlegiertes Pulver einer Teilchengröße
unter 43 μπι besteht im wesentlichen aus 9,9 Gew.-% Titan, 9,1 Gew.-% Blei, 9,2 Gew.-% Zinn und Rest
Kupfer. Dieses Legierungspulver wird innig mit Anthrazitkohle einer Teilchengröße unter 43 μ« gemischt.
Der Anteil des amorphen Kohlenstoffpulvers beträgt 20 Gew.-% der Mischung. Diese Mischung wird
im Vakuum heiß verpreßt; der Körper besteht aus etwa gleichen Volumenteilen Kohlenstoff und Legierung.
Aus dem Verbundwerkstoff werden Scheiteldichtungen für Drehkolbenrnaschinen hergestellt und in handelsübliche
Drehkolbenmaschinen eingebaut. Die epitrochoidale Umfanjisfläche des Gehäuses der Drehkolbenmaschine
hat eine hartverchromte Lauffläche für die Scheiteldichtungen. Die Drehkolbenmaschine wird
während 100 Stunden betrieben und dabei mit einem Dynamometer belastet. Nach dieser Betriebszeit wird
eine Prüfung der Dichtungen vorgenommen. Der mittlere Abrieb der drei Scheiteldichtungen jedes Drehkolbens
wird mit 0,1651mm nach lOOStunden festgestellt. Bei einem Parallelversuch mit Dichtungen
aus der gleichen Legierung, jedoch ein»;r anderen Art von Kohlenstoff wird unter gleichen Betriebsbedingungen
ein Abrieb von 0,0737 mm nach lOOStunden festgestellt. Diese Dichtungen haben zur vollsten Zufriedenheit
gearbei.et.
Zum Vergleich wurden handelsübliche Dichtungen aus Aluminiumlegierung und Kohlenstoff unter gleichen
Betriebsbedingungen untersucht. Pei /wei Probeläufen unter gleichen Bedingungen wunle der mittlere
Abrieb mit O,23<>2 bzw. 0,1880mm nach lOOStunden
ermittelt.
Andere Scheiteldichtungen werden in der beschriebenen Weise nach der Erfindung hergestellt mit der
Ausnahme, daß die Legierung aus 16.3 Gew.-% Titan.
8,8Gew.-% Blei, 7,7 Oew.-% Zinn und Rest Kupfer
besteht. Ferner werden Partikel aus amorphem Kohlenstoff in solcher Menge verwendet, daß der Kohlenstoff
65 Vol.-% des Verbundwerkstoffes bildet. Ursprünglich haben die Kohlenstoffpartikel eine Teilchengröße unter
43 am. Derartig hergestellte Scheiteldichtungen werden in einer handelsüblichen Drehkolbenmaschine
unter Antrieb eines Dynamometers während 100 Stunden geprüft. Die mittlere Abnutzung der Dichtungen
beträgt hierbei 0,2261 mm. Auch diese Dichtungen sind als zufriedenstellend anzusehen. Eine Anzahl
von anderen Dichtungen aus Kohlenstoff und Titanbronzc werden hergestellt und in der gleichen Weise
in handelsüblichen Drehkolbenmaschinen erprobt. Es wird hierbei im wesentlichen amorpher Kohlenstoff r>
einer Teilchengröße unter 43 am in einem Anteil von 50-65 Vol.-% der Legierung verwendet. Ferner
wird feinverteilte, vorlegierte Titanbronze in Pulverform der MÖChsiCueriucfi Zusammensetzung vcl wcliuei:
Legierung
Titan
Blei
Zinn
Kupfci
10,5% | 22% | 4,3 % | Rest |
16 | 3,6 | 9,7 | Rest |
15 | 5 | 10 | Rest |
14 | 13,2 | 6,6 | Rest |
1 2 3 4 Scheiteldichtungen aus Verbundwerkstoff mit den obenerwähnten Legierungen als Metallpha.se worden
alle in handelsüblichen Drehkolbenmaschineri geprüft und arbeiten im allgemeinen zufriedenstellend. Fs wird
jedoch festgestellt, daß die mit 1 bezeichnete Legierung gerade an der obersten Grenze des geeigru-ten BMigehalts liegt, da der Abrieb dieser Dichtungen verhältnismäßig größer als der der anderen Dichtungen ist
und bei der Wärmebehandlung des Verbundwerkstoffes bei einer Temperatur von 4M r etwas Blei ausgeschwitzt beobachtet wird.
100 Stunden 1OO Stunden
(in 3375 cm3- (in 1965-cm3-
Widersland gegen
Narbenbildung
23,9 <
371 (
482 (
Aluminium-Kohlenstoff
Titanbronze-Kohlenstoff
Titanbronze-Kohlenstoff
handelsüblich
0,3302
0,1397
0,1397
im Vakuum
heißverpreßt
warm verpreßt 0.2159
0,0762 ausreichend
0,0508 gut
0,0381 gut
29 400 21000 14 700 31500 26600 21700
36 400 26 600 22 400
bei Gleitstücken nach der Erfindung geringer ist als ist. Die Erfindung ermöglicht also Gleitstücke, die
bei den unmittelbar vergleichbaren Dichtungen be- wesentlich vorteilhafter für den Einsatz als Scheitel-
kannter Bauart. Zusätzlich ist festzustellen, daß der 40 dichtungen in Drehkolbenmaschinen sind.
Bruchmodul sowohl bei Raumtemperatur als auch bei
Claims (2)
1. Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen
eines Gleitstücks hoher Festigkeit, insbesondere einer Scheiteldichtung für Drehkolbenmotoren,
aus einem Verbundwerkstoff, der aus 20 bis 80 VoL-% Kohlenstoffteilchen in einer Kupferlegierung
aus 5 bis 20 Gew.-% Titan, 3 bis 22 Gew.-% Blei, 0 bis 15Gew.-% Zinn und Kupfer als Rest
besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung der pulverförmigen Legierung auf
Kupferbasis mit Kohlenstoffteilchen einer Größe von weniger als 74 μπι unter Auftreten einer
flüssigen Phase zu dem Verbundwerkstoff druckgesintert wird.
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Mischung aus 40 bis 65 Vol.-% Kohlenstoffteilchen
einer Größe von weniger als 43 μπι und einer .Kupferlegierung aus 9 bis 18 Gew.-%
Titan, 4 bis f0Gew.-% Blei, 4 bi? 13 Gew.-% Zinn
und Kupfer als Rest.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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DE2415035B2 DE2415035B2 (de) | 1978-11-02 |
DE2415035C3 true DE2415035C3 (de) | 1979-07-12 |
Family
ID=23402185
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE2415035A Expired DE2415035C3 (de) | 1973-05-02 | 1974-03-26 | Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Gleitstücks hoher Festigkeit, insbesondere einer Scheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen |
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- 1974-04-25 GB GB1814374A patent/GB1440867A/en not_active Expired
- 1974-04-29 IT IT50689/74A patent/IT1011295B/it active
- 1974-05-02 JP JP49048922A patent/JPS50123504A/ja active Pending
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