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Gegenstände, deren Oberfläche der Reibung ausgesetzt ist, wie Lager, Lagerschalen, Stopfbüchsen u. dgl., aus pulverförmigen, durch Druck-und Wärmebehandlung verfestigten Metall-Metalloid- gemischen und Verfahren zur Herstellung dieser Gegenstände.
Die Erfindung bezieht sich auf Gegenstände, bei welchen zumindest eine Oberfläche im Gebrauch der Reibung ausgesetzt ist. Gegenstände solcher Art erfordern einerseits angemessene Festigkeit, um der Beanspruchung zu widerstehen, der sie im Gebrauch ausgesetzt sind, anderseits muss die der Reibung ausgesetzte Oberfläche geringen Reibungswiderstand und hohe Schmierfähigkeit aufweisen.
Es ist schon bekannt, Lager u. dgl. aus niedrig schmelzenden Metallegierungen herzustellen, die als Einlagerung harter intermetallischer Verbindungen in weiche Grundmassen erscheinen. Man hat auch versucht, Gusseisen der verschiedensten Zusammensetzung für Lager zu verwenden, um eine gewisse Selbstschmierung durch die im Guss vorhandenen, meist nadeligen Graphitausscheidungen zu erzielen. Andere Vorschläge gehen dahin, poröse Metallkörper zu erzeugen, die nachträglich mit Öl oder sonst einem Schmiermittel getränkt werden. Das Öl soll stets an die Oberfläche des Lagers diffundieren und so eine automatische Schmierung bewirken. Die mechanische Festigkeit solcher Lager ist jedoch äusserst gering.
Man hat auch versucht, Lager so zu konstruieren, dass man den Lagerkörper mit feinsten Bohrungen und Kanälen durchsetzte, durch die das Schmiermittel an die Gleitfläche treten kann.
Ein anderer Vorschlag geht dahin, pulverförmige Massen aus Metallen und Graphit unter Anwendung von hohem Druck und hoher Temperatur in einem plastischen oder flüssigen Zustand zu verfestigen. Nach dieser Art und Weise können jedoch nur kleine Mengen eingebracht werden, da sonst die mechanische Festigkeit des Verbundmetalls zu stark herabgesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen Nachteil und verwendet die Vereinigung von pulverförmigen Metallen und Metallegierungen verschiedener Härte und Schmelztemperatur mit Metalloiden, wie z. B. Graphit, zu zonen-oder schichtweise aufgebauten Verbundmetallen zu dem Zwecke, dem der Reibung nicht ausgesetzten Lagerinnern hohe mechanische Festigkeit zu erteilen, während die unmittelbar dem Verschleiss ausgesetzte Zone bzw. Zonen aus einem Verbundmetall hoher Schmierfähigkeit bestehen.
Bei der Herstellung der Gegenstände gemäss der Erfindung wird zweckmässig in der Weise vorgegangen, dass zwei Gemenge aus Metallpulvern und Nichtmetall, wie z. B. Graphit, verschiedener Konzentration bereitet werden, die nachträglich durch Anwendung von hohem Druck und hoher Temperatur so vereinigt werden, dass das Innere des Warmpresslings bzw. dessen der Reibung im Gebrauch nicht ausgesetzte Zone das graphitarme Gemenge enthält, während die äussere, der Reibung auszusetzende Zone aus einer metalloid-, z. B. graphitreichen Schicht besteht. Hiebei kann der metallkeramische Aufbau des hergestellten Gegenstandes in der Weise erfolgen, dass der Gegenstand, z. B. ein Lager, aus mehreren Schichten bzw. Zonen von unterschiedlicher Konzentration mit nach aussen steigendem Graphitgehalt und nach innen steigender mechanischer Festigkeit besteht.
Man kann grundsätzlich die Abstufung des Metall-Metalloidgehaltes von Hand aus in einfacher Weise erzielen, indem man z. B. zylindrische oder halbzylindrische, ringförmige oder kugelsegmentförmige Körper aus einzelnen Schichten der gewünschten abgestuften Zusammensetzung in Matrizen formt, erforderlichenfalls unter Verwendung von Trennwänden aus Papier, Blech usw., die vor dem Verfestigen des Körpers wieder entfernt werden.
Man kann aber auch, vorzugsweise bei Herstellung von Massenartikeln, insbesondere solchen, die teilweise aus magnetischen Metallpulvern bestehen, wie im Beispiel 2 angeführt, durch Rütteln,
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Schwingen oder Schleudern im Magnetfeld die schichtenweise oder allmähliche Anreicherung des Metalls nach einer Richtung hin bewirken.
Auch in Fällen, wo keine ferromagnetischen Pulver verwendet werden und die Anwendung eines Magnetfeldes nicht unmittelbar möglich wäre, trotzdem aber auf Anwendung der Rüttel-und Zentrifugierwirkung zum Anreichern der Metallkomponente in der Massenherstellung Wert gelegt wird, kann mit Vorteil in der Weise vorgegangen werden, dass die in Betracht kommenden nicht ferromagnetischen Pulver mit einem dünnen Film aus ferromagnetischen Stoffen überzogen werden, z. B.
Kupferpulver galvanisch mit einem hauchdünnen Nickelüberzug versehen wird.
Für die Herstellung der metallischen Phase kommen vor allem in Betracht : Kupfer, Aluminium, Aluminium-Silizium-Legierungen, Magnesium oder Magnesiumlegierungen, wie Magnalium, Stähle bzw. Stahllegierungen und Hartmetalle, für die Herstellung der Metalloidphase Kohlenstoff in Form von Graphit, praphitierter Kohle und Holzkohle, ferner Silizium und Arsen.
Sollen grössere Wärmemengen aus dem hergestellten Gegenstsnd, z. B. dem Lager, abgeführt werden und soll der Gegenstand gegebenenfalls stromführend sein, so empfiehlt es sich, die metallische Komponente aus Pulvern gutleitender Metalle oder Metallegierungen, wie z. B. Kupfer, Silber, Wolfram und Kupfer-Silberlegierungen usw., herzustellen. Haben die Lager hohe mechanische Drücke auszuhalten, so verwendet man zweckmässig gepulverten Stahl oder Metallkarbide und harte, intermetallische Verbindungen enthaltende Legierungen.
Die Gewinnung solcher Pulver kann in bekannter Weise erfolgen, wie z. B. durch Feilen, Raspeln, Pulvern und Zerstampfen usw. Die Gewinnung der metallischen Komponente kann selbstverständlich auch aus Pulvern, die aus Metallverbindungen auf chemischem Wege, wie durch Reduktion, Elektrolyse, Dissoziation usw., hergestellt wurden, erfolgen.
Da die Schmierfähigkeit der Lager in hohem Masse von der feinen Verteilung der Metall-und Metalloidphase abhängt, ist es ratsam, die Zerkleinerung der Ausgangsstoffe bzw. deren Verteilung sehr weit zu treiben. Durch Wahl von Mahl Vorrichtungen mit gehärteter Oberfläche können die Metallpulver und der Graphit bis zu kolloidaler Feinheit vermahlen werden. Bei Anwendung von Flüssigkeitszusätzen werden die Ausgangsstoffe für sich oder gemengt in Form von kolloidalen Suspensionen erzeugt und aus ihnen Feststoffe durch Ausflocken oder Filtrieren gewonnen.
Als Beispiele für die Zusammensetzung von erfindungsgemäss hergestellten Gegenständen mögen die folgenden Angaben dienen :
Beispiel1 : Lagerkern : 90 Teile Messingpulver, 8 Teile Nickelpulver, 2 Teile Graphit ; die der Reibung ausgesetzte Aussenzone : 88 Teile Messingpulver, 2 Teile Nickelpulver, 10 Teile Graphit.
Beispiele : Lagerkern : 99 Teile Stahl, 1 Teil Graphit ; die der Reibung ausgesetzte Aussenzone : 80 Teile Stahl, 12 Teile Kupfer und 8 Teile Graphit.
Beispiel 3 : Lagerkern : 82 Teile Siluminpulver, 10 Teile Stahlpulver, 8 Teile Kohle ; die der Reibung ausgesetzte Aussenzone : 85 Teile Aluminium, 15 Teile Graphit.
Beispiel 4 : Lagerkern : 89 Teile Bronze, 10 Teile Silizium, 1 Teil Graphit ; die der Reibung ausgesetzte Aussenzone : 84 Teile Bronze, 10 Teile Silizium und 6 Teile Graphit.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gegenstände, deren Oberfläche der Reibung ausgesetzt ist, wie Lager, Lagerschalen, Stopfbüchsen, Schleifringe, Gleitrollen ud. dgl., aus pulverförmigen, durch Druck-und Wärmebehandlung verfestigten Metall-Metalloidgemischen, u. zw. einerseits z. B. aus Cu, AI, Mg oder deren Legierungen, Stahllegierungen, Hartmetallen und anderseits z. B. aus Graphit, graphitierter Kohle, Holzkohle, Si usw., dadurch gekennzeichnet, dass die der Reibung ausgesetzte Aussenzone des Gegenstandes einen höheren Metalloidgehalt und damit eine bessere Schmierfähigkeit aufweist als die der Reibung nicht ausgesetzte Innenzone und die letztere eine höhere Festigkeit besitzt als die erstere.
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Objects whose surface is exposed to friction, such as bearings, bearing shells, stuffing boxes and the like. Like., from powdered metal-metalloid mixtures solidified by pressure and heat treatment, and processes for the production of these objects.
The invention relates to articles in which at least one surface is exposed to friction in use. Objects of this type require, on the one hand, adequate strength to withstand the stress to which they are exposed in use, and on the other hand, the surface exposed to friction must have low frictional resistance and high lubricity.
It is already known that bearings u. Like. Manufacture from low-melting metal alloys, which appear as the inclusion of hard intermetallic compounds in soft base materials. Attempts have also been made to use cast iron of the most varied composition for bearings in order to achieve a certain self-lubrication through the mostly needle-like graphite precipitates present in the cast. Other proposals are to produce porous metal bodies that are subsequently soaked with oil or some other lubricant. The oil should always diffuse to the surface of the bearing and thus cause automatic lubrication. However, the mechanical strength of such bearings is extremely low.
Attempts have also been made to design bearings in such a way that the bearing body is interspersed with the finest bores and channels through which the lubricant can reach the sliding surface.
Another proposal is to solidify powdered masses of metals and graphite using high pressure and high temperature in a plastic or liquid state. In this way, however, only small quantities can be introduced, since otherwise the mechanical strength of the composite metal is reduced too much.
The present invention overcomes this disadvantage and uses the combination of powdered metals and metal alloys of different hardness and melting temperature with metalloids, such as. B. graphite, to composite metals built up in zones or layers for the purpose of giving the bearing interior not exposed to friction high mechanical strength, while the zone or zones directly exposed to wear consist of a composite metal of high lubricity.
In the manufacture of the objects according to the invention, the procedure is expediently such that two mixtures of metal powders and non-metal, such as. B. graphite, different concentration are prepared, which are subsequently combined by applying high pressure and high temperature so that the interior of the hot pressed part or its area not exposed to friction during use contains the graphitic mixture, while the outer one to be exposed to friction Zone of a metalloid, z. B. graphite-rich layer. Hiebei the metal-ceramic structure of the manufactured object can be done in such a way that the object, for. B. a camp, consists of several layers or zones of different concentration with outwardly increasing graphite content and inwardly increasing mechanical strength.
You can basically achieve the gradation of the metal-metalloid content by hand in a simple manner by z. B. cylindrical or semi-cylindrical, ring-shaped or spherical segment-shaped bodies from individual layers of the desired graded composition in matrices, if necessary using partitions made of paper, sheet metal, etc., which are removed again before the solidification of the body.
But you can also, preferably in the production of mass-produced articles, in particular those that partly consist of magnetic metal powders, as shown in Example 2, by shaking,
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Swinging or hurling in a magnetic field causes the metal to accumulate in layers or gradually in one direction.
Even in cases where ferromagnetic powders are not used and the application of a magnetic field would not be immediately possible, but where the use of the vibrating and centrifuging effect to enrich the metal component in mass production is important, it is advantageous to proceed in such a way that the non-ferromagnetic powders under consideration are coated with a thin film of ferromagnetic substances, e.g. B.
Copper powder is galvanically provided with an extremely thin nickel coating.
For the production of the metallic phase, the following are primarily considered: copper, aluminum, aluminum-silicon alloys, magnesium or magnesium alloys such as magnesium, steels or steel alloys and hard metals, for the production of the metalloid phase carbon in the form of graphite, praphitized carbon and Charcoal, silicon and arsenic.
Should larger amounts of heat from the manufactured item, z. B. the warehouse, and if the object should be live, it is advisable to use the metallic component from powders of highly conductive metals or metal alloys, such as. B. copper, silver, tungsten and copper-silver alloys, etc. to produce. If the bearings have to withstand high mechanical pressures, it is advisable to use powdered steel or metal carbides and hard alloys containing intermetallic compounds.
Such powders can be obtained in a known manner, such as. B. by filing, rasping, powdering and mashing, etc. The metallic components can of course also be obtained from powders that have been produced from metal compounds by chemical means such as reduction, electrolysis, dissociation, etc.
Since the lubricity of the bearings depends to a large extent on the fine distribution of the metal and metalloid phase, it is advisable to comminute the starting materials or to distribute them very far. By choosing milling devices with a hardened surface, the metal powders and graphite can be milled to a colloidal fineness. When using liquid additives, the starting materials are produced individually or mixed in the form of colloidal suspensions and solids are obtained from them by flocculation or filtration.
The following information may serve as examples for the composition of objects produced according to the invention:
Example 1: Bearing core: 90 parts brass powder, 8 parts nickel powder, 2 parts graphite; the outer zone exposed to friction: 88 parts brass powder, 2 parts nickel powder, 10 parts graphite.
Examples: bearing core: 99 parts steel, 1 part graphite; the outer zone exposed to friction: 80 parts steel, 12 parts copper and 8 parts graphite.
Example 3: Bearing core: 82 parts of silumin powder, 10 parts of steel powder, 8 parts of carbon; the outer zone exposed to friction: 85 parts aluminum, 15 parts graphite.
Example 4: Bearing core: 89 parts bronze, 10 parts silicon, 1 part graphite; the outer zone exposed to friction: 84 parts bronze, 10 parts silicon and 6 parts graphite.
PATENT CLAIMS:
1. Objects the surface of which is exposed to friction, such as bearings, bearing shells, stuffing boxes, slip rings, sliding rollers, etc. Like., from powdery, solidified by pressure and heat treatment metal-metalloid mixtures, u. between on the one hand z. B. from Cu, Al, Mg or their alloys, steel alloys, hard metals and on the other hand z. B. made of graphite, graphitized coal, charcoal, Si, etc., characterized in that the outer zone of the object exposed to friction has a higher metalloid content and thus better lubricity than the inner zone not exposed to friction and the latter has a higher strength than the the former.