DE2833936C2 - Kohlenstoffhaltiger Körper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Description
45
Die Erfindung bezieht sich auf einen kohlenstoffhaltigen Körper der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
vorausgesetzten Gattung mit Eignung zur Bildung von Teilen, wo Beständigkeit gegenüber mechanischen und
thermischen Beanspruchungen wichtig ist, und ein ^0
Verfahren zu seiner Herstellung.
Diese Teile wurden bisher gewöhnlich aus Kohlenstoff hergestellt, der geeignet ist, eine befriedigende
mechanische Festigkeit im Betrieb aufzuweisen. Kohlenstoffkörper, die verwendet wurden, erweisen sich
jedoch als nachteilig in ihren Schmierungseigenschaften und sind daher verbesserungsbedürftig.
Aus der US-PS 40 05 163 ist ein kohlenstoffhaltiger Körper der eingangs vorausgesetzten Art für Lagerund
Dichtungszwecke bekannt, der durch Überziehen eines Graphitsubstrats mit Kohlenstoff durch Dämpfabscheidung
und Entfernen dieses Werkstoffs von einem Teil des Graphitsubstrats hergestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kohlestoffhaltigen Körper zu entwickeln,
der nicht nur mechanisch fest, sondern auch von ausgezeichneter Schmierungseigenschaft und anderen
ausgezeichneten Eigenschaften einschließlich Verschleißwiderstand und Trennbarkeit von ihn im Betrieb
berührenden Oberflächen ist und ein Herstellungsverfahren dafür zu offenbaren.
Diese Aufgabe wird bezüglich des kohlenstoffhaltigen Körpers und des Herstellungsverfahrens durch die
kennzeichenden Merkmale des Patentanspruchs ί- bzw, des Patentanspruchs 5 gelöst
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 und 6 gekennzeichnet
Der bzw. die ausgewählten Oberflächenteile dienen vorteilhaft zur Bildung einer Reibungs-, Lager- und/
oder Gesenkform- oder Formoberfläcbe.
Die Begriffe »p-Wert« und »Franklin-Ausdruck« sind in der Kohlenstofftechnik gut bekannt und beispielsweise
von Takei und Kawashima »Atarashii Kogyo Zairyo no Kagaku« A-8 »Tanso to Kokuen Seihin (Carbon &
Graphite Articles)«, Kinbara Shuppan (1967) und in R. E.
Franklin: »Proc. Roy, Soc«, 209A, 196 (1951) beschrieben.
Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden, darin zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Axialdrucklagers gemäß der Erfindung;
Fi g. 2 eine Querschnittsansicht nach der Linie H-H in der Blickrichtung des Pfeils in F i g. 1; und
Fig.3 eine schematische Schnittdarstellung zur
Veranschaulichung einer Vorrichtung zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Verbundkörpers gemäß der
Erfindung.
Das in den F i g. 1 und 2 gezeigte Axialdrucklager weist einen gemäS der Erfindung hergestellten Kohlenstoffkörper
auf, wobei der Körper einen nichtgraphitierten Basiskohlenstoffkörper la und eine Mehrzahl von
oberflächlichen Teilen \b umfaßt, die vorteilhaft nach einem elektrischen Heizverfahren graphitiert sind, das
im Zusammenhang mit F i g, 3 beschrieben wird. Gemäß F i g. 3 besteht ein homogener Kohlenstoffkörper 2 aus
einer gesinterten Kohlenstoffmasse, aus der der zusammengesetzte Körper 1 gemäß der Erfindung mit
der dargestellten Anordnung hergestellt wird. So wird der gesinterte ungraphitierte oder Kohlenstoffkörper 2
auf einer Unterlage 3 gehalten, und ein Paar von zylindrischen Graphitelektroden 4a, 46 ist darauf mittels
eines Isolierkopfs 5 unter einem Druck W gepreßt. Eine Stromquelle zum Speisen der Elektroden 4a, 4b weist
nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung einen Gleichstromzweig 6, der aus einer
Gleichstromquelle 7 und einer Wechselstromsperrdrossel 8 besteht, und vinen Wechselstromzweig 9 auf, der
aus einer Wechselstromquelle 10 und einem Gleichstromsperrkondensator 11 besteht, wobei die beiden
elektrischen Zweige parallel zueinander zwischen den Elektroden 4a und 4b über einen Schalter 12
angeschlossen sind.
Anfänglich besteht der kohlenstoffhaltige Körper völlig aus einem nichtgraphitierten Kohlenstoffmaterial
la, der gemäß üblicher Praxis nach einem bekannten Pulvermetallurgie- oder Sinterverfahren aus einem
üblichen Kohlenstoffvormaterial gefertigt sein kann, das aus Kohle, einem Petroleum- oder Pechkokssystem, das
teilweise natürliches oder künstliches Graphitpulver enthält, oder einem Rußsystem mit Kohleteer Pech
und/oder wärmehärtbarem Harzzusatz als Bindemittel abgeleitet ist. Eine solche Vormaterialmischung kann
mittels von Formprozessen, wie z. B. Kompressionsoder Fließpressen, bei Raumtemperatur oder erhöhter
Temperatur von 50 bis 1000C unter einem Druck von etwa 1500 bat gepreßt werden, wobei auf das Pressen
ein Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 1000° C oder
eine Kalzinierung zur Bildung des karbonisierten Körpers 2 gewünschter Gestalt und Größe entsprechend
F i g. 3 folgt
Kohlenstoff mit turbostratischem Gefüge ist hart und fest, jedoch von Natur aus von geringer Schmierfähigkeit,
während graphitierter Kohlenstoff von ausgezeichneten Schmiereigenschaften und Wärme- und elektrischen
Leitfähigkeiten, jedoch von geringer mechanischer Festigkeit aufgrund seines geschichteten Gefüges
ist Außerdem erfordert die Erzielung einer Graphitierung eine HochtemperatuFwärmebehandlung oder ein
sekundäres Brennen nach der Kalzinierung oder der ersten Wärmebehandlung des kohlenstoffhaltigen Materials,
wobei eine hohe Temperatur von etwa 2000 bis 3000° C und eine lange Behandlungszeitdauer benötigt
werden, so daß sich ein äußerst hoher Energieverbrauch ergibt Dies führt in Verbindung mit verkürzter
Lebensdauer der verwendeten Gesenkformen oder Formen dazu, das Produkt unerwünscht teuer und die
Volumenproduktivität unpraktisch oder unwirtschaftlich
zu machen.
Erfindungsgemäß werden die Probleme der herkömmlichen aus Kohlenstoff bestehenden mechanischen
Gegenstände dadurch überwunden, daß man anfangs einen kohlenstoffhaltigen Körper herstellt, der
im wesentlichen völlig aus Kohlenstoff besteht, indem man eine Niedrigtemperaturformung und eine Kalzinierung
vornimmt, und daß man anschließend bevorzugt vorausgewählte Oberflächenteüe des Kohlenstoffkörpers
durch lokalisierte Wärmebehandlung, vorteilhaft nach einem Verfahren unter Verwendung einer in
F i g. 3 gezeigten Anordnung, graphitiert
Bei der Anordnung nach Fig.3 wird eine gesinterte
Kohlenstoffmasse 2 auf der Unterlage 3 einer nicht gezeigten Presse angeordnet wobei sie zwischen der
Oberseite der Unterlage 3 und den unteren Enden eines Paars von Elektroden 4a, 46 eingefügt ist, die an dem
Elektrodenhalter oder Kopf 5 angebracht sind, wobei ein Druck W r.:it Hilfe einer solchen Presse einwirkt.
Die unteren Enden der Kompressions-Elektroden 4a, 46 werden in Kontakt mit der Masse 2 derart gebracht, daß
sie diametral symmetrisch zu deren Achse angeordnet sind.
Beim Betrieb leitet man nach Schließen des Schalters 12 einen elektrischen Hochamperestrcm hauptsächlich
von der Haupigleichstromquelle 7, der außerdem eine Hochfrequenzkomponente mit einer Frequenz von 1 bis
10 kHz oder mehr, jedoch nicht mehr als 10 MHz, von der Wechselstromquelle 1ΰ enthält, durch die Masse 2
zwischen den Elektroden 4a und 46, so daß eine elektrische Erhitzung zwischen den die Masse 2
bildenden Teilchen bewirkt wird. Oberflächliche Schichten der Masse 2 in der Nähe der Grenzflächen zwischen
der Masse 2 und den Elektroden 4a, 4b werden so selektiv graphitiert oder wenigstens mehr als der übrige
Teil des Kohlenstoffkörpers graphitiert, so daß die Teile \b einen p-Wert (wie er oben definiert wurde) von
höchstens 0,6 oder praktisch im Bereich von 0,3 bis 0,6 aufweisen, während die restlichen Anteile la weiterhin
einen p-Wert über 0,6 oder 0,7 behalten. Durch V/iederholen dieses Zyklus unter Änderung der
Kontaktstellung der Elektroden 4a, 46 zur Masse 2 nacheinander werden mehrere örtlich graphitierte
Zonen 16 nacheinander auf dem Körper 1 entsprechend F i g. 2 gebildet.
Da der kohlenstofftlai^e Körper 1, während er
hauDtsächlich aus turbostratischem Kohlenstoff besteht.
mit einer oder mehreren wirksamen, oberflächlichen, selektiv graphitierten oder hinsichtlich der Graphitierung
verbesserten Zonen versehen wird, erhält der Körper 1 ausgezeichnete Reibungseigenschaften, wie
sie Graphit besitzt während er gleichzeitig eine mechanische Festigkeit des ursprünglichen Kohlenstoffs
beibehält und damit die befriedigende Verwendung für Lager, Gesenkformen, Formen, Leiter u. dgL
mechanische oder Kontaktgegenstände ermöglicht
ίο Besondere Stellen der Graphitierung sowie Fläche,
Tiefe und Grad der Grapnitierung derselben auf dem Basiskohlenstoffkörper können variabel durch entsprechende
Ausgestaltung der Elektroden 4a, 46, die Stromstärke (Stromdichte) des Ausgangs der Strom-
!5 quelle, die relativen Anteile des Wechselstrombestandteils
und des Gleichstrombestandteils der Stromquelle und andere Betriebsparameter erreicht werden.
Ein kohlenstoffhaltiges Vormaterial enthält als seinen
Hauptanteil 7 Teile thermischen Petroieumruß und 3
Teile Pechkoks und als Bindemittel »0 Gew.-% Hochkohlenstoffpech. Eine Masse des Vormaterials
wird kompaktiert durch elektrisches Sintern mit einer elektrischen Leistung von 8 W.h/g, einem Druck von
450 bar und einer Sinterdauer von 90 s zur Bildung einer Probe B mit einem turbostratischen Kohlenstoffgefüge
kalziniert Ein die Probe B darstellender kompaktierter Körper wird dann örtlich mit einer grundsätzlich in
Fig.3 dargestellten Anordnung mittels einer elektrischen Leistung von 15 W.h/g (bei 7 Teilen Gleichstromkomponente
und 3 Teilen 3 kHz-Wechselstromkomponente), bei einem Druck von 350 bar und einer
Behandlungsdauer von 100 s zur Bildung einer Probe C entsprechend F i g. 2 graphitiert, wovon die graphitierten
Zonen 16 einen p-Wert von 0,33 aufweisen. Die physikalischen Eigenschaften der Probe C werden
untersucht und mit solchen der Probe B verglichen, wobei auch Meßwerte einer Probe A ermittelt werden,
die einen typischen Graphitkörper darstellt, welche Ergebrvsse in der Tabelle I angegeben sind. Der erste
Kalzinierschritt der Proben wird zweckmäßig mit der gleichen Anordnung wie beim örtlichen Graphitierschritt
durchgeführt.
| Dichte (u/cm3) | Probe A | Pwbe B | Probe C | |
| 50 | 55 Biegefestigkeit | (graphitierte | ||
| (N/mm2) | Zonen) | |||
| Druckfestigkeit | 1,84 | 1,80 | 1,80 | |
| (N/mm2) | 67 | 67 | ||
| 50 Härte (Hs) | ||||
| p-Wert | 100 | 210 | 210 | |
| b0 | 79 | 79 (50) | ||
| 0,35 | 0,75 | (0,33) |
Abriebversuche (Trockentyp) werden mit den Proben A, B und C mit einer anliegenden Oberfläche aus
»FC25«-MateriaI (Gußeisen) durchgeführt, wobei die relative Bewegungsgeschwindigkeit 8 m/s und der Kontaktdruck
50 bar betragen. Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle II angegeben.
Priiftemp.
(0C) (α)
(0C) (α)
Probe A Probe B Probe C
(Am) (μ) (Am) (μ) (Am)
| 50 | 0,17 | 1,4 | 0,24 | 5 | 0,18 | 1,0 |
| 150 | 0,29 | 130 | 0,35 | 8 | 0,30 | 15,0 |
| 250 | 0,13 | 44 | 0,51 | 11 | 0,17 | 12,6 |
| 300 | 0.14 | 22 | 0,46 | IO | 0,15 | 13,5 |
ίο
■ι: Reibungskoeffizient.
Am: Abrieb (X Ι0~" cnv'/N · m).
Man sieht, daß ein Körper, wenn er rein aus Graphit besteht, einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist,
jedoch sehr starken Antrieb in einem Temperaturbereich von 150 bis 2500C erleidet. Andererseits
erleidet ein nichtgraphitierter turbostratischer Kohlenstoffkörper nur einen relativ geringen Abrieb, doch
findet man, daß er aufgrund eines hohen Reibungskoeffiziemen zur Relativbewegung einen großen Drehmomentbetrag
erfordert. Im Gegensatz zu diesen Proben zeigen jedoch die Körper gemäß der Erfindung einen
ideal niedrigen Reibungskoeffizienten und Abrieb, so daß sie äußerst zufriedenstellend als mechanisches
Lagermaterial sind.
Damit wird erfindungsgemäß ein verbesserter kohlenstoffhaltiger Körper zur Verfügung gestellt, der
ausgezeichnet hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Schmiereigenschaft ist und sich
daher hochgradig als mechanische Oberflächenbelastungsbauteile eignet und eine Volunienproduktivität
mit verringerten Kosten ermöglicht.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Kohlenstoffhaltiger Körper, der aus einem Basisteil aus Kohlenstoff und wenigstens einem
ausgewählten Oberflächenteil besteht, der graphitiert ist; dadurch gekennzeichnet, daß der
ausgewählte Oberflachenteil mit einem p-Wert von höchstens 0,6 graphitiert ist, der durch Röntgenbeugung
aus dem Ausdruck (/=3,440—0,086 (1—p2) '°
bestimmt ist, worin d der durch ein Röntgenbeugungsdiagramm
erhaltene Durchschnittsschichtabstand des turbostratischen Kohlenstoffgefüges ist,
und der übrige Teil des Körpers außer dem ausgewählten Oberflächenteil aus im wesentlichen ts
nichtgraphitierten oder turbostratischem Kohlenstoff
bestehL
2. Kohlenstoffhaltiger Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der p-Wert in dem
ausgewählten Oberflächenteil im Bereich zwischen 03 und 0ß *jegt
3. Kohlenstoffhaltiger Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Wert im
übrigen Teil des Körpers außer dem ausgewählten Oberflächenteil über 0,7 ist.
4. Kohlenstoffhaltiger Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß. er eine Mehrzahl solcher oberflächlicher Teile hat
5. Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen
Körpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ man einen elektrischen Hochamperestrom
durch einen susgew-Thlten Oberflächenteil
einer den Körper bildenden Masse aus turbostratischem
Kohlenstoff leitet und eic·= iürch den turbostratischen
Kohlenstoff in situ graphitiert und den graphitierten Oberflächenteil bildet
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß man als elektrischen Strom einen
Gleichstrom verwendet, dem ein Hochfrequenz- *°
wechselstrom überlagert ist.
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