Festes schmierendes Material mit einer selbstschmierenden Komponente
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein festes schmierendes Material auf Basis einer selbstschmierenden Komponente, welche innerhalb einer Grundmasse aus schwerschmelzbarem Metall und Carbid vorliegt.
Dieses Material hat im allgemeinen eine hohe Festigkeit, eine geringe Reibung und einen geringen Verschleiss.
Ausserdem weisen diese selbstschmierenden Materialien je nach der Zusammensetzung des speziellen Materials verschiedene Grade elektrischer Leitfähigkeit im Bereich von elektrischen Isolatoren bis zu guten elektrischen Leitern auf. Diese selbstschmierenden Materialien können unter hohen Beanspruchungen in Luft, im Vakuum oder in inerten Atmosphären innerhalb eines Temperaturbereiches von - 250 bis 13200 C verwendet werden.
Es sind bereits mehrere selbstschmierende feste Materialien bekannt, welche gute schmierende Eigenschaften und eine geringe Abscherfestigkeit besitzen. Typische Beispiele sind Molybdändisulfid, Molybdändiselenid, Wolframdisulfid und Graphit. Im allgemeinen sind diese Materialien für Anwendungen geeignet, bei denen unter geringen Beanspruchungen geringe Reibung erwünscht ist. Wenn das System jedoch einer hohen Belastung unterworfen wird, können diese bekannten Materialien den hohen Beanspruchungen nicht widerstehen, so dass ihre Verwendung unter solchen Umständen zu einem frühen Versagen des schmierenden Systems führt.
Möglicherweise mit Ausnahme von Graphit vertragen diese bekannten festen selbstschmierenden Materialien hohe Temperaturen schlecht und können nicht in Systemen verwendet werden, die Temperaturen von mehr als 1000 C ausgesetzt werden. Vor diesen bekannten Materialien weist nur Graphit allein eine wesentliche elektrische Leitfähigkeit auf, kann aber nicht in im Vakuum arbeitenden Systemen verwendet werden, da die Graphitpartikel unter Vakuum eine schleifende Wirkung erhalten.
Die bekannten selbstschmierenden Materialien sind also zwar für einen verhältnismässig beschränkten Anwendungsbereich geeignet, können aber unter extremeren Arbeitsbedingungen mit hohen Beanspruchungen, hohen Temperaturen und Vakuum nicht verwendet werden. Ferner sind die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften für jedes spezielle Material in erster Linie fixiert. Daher können die bekannten selbstschmierenden Materialien nicht verwendet werden, um Systeme zu schmieren, die unter extremeren Bedingungen arbeiten müssen, sondern es muss eine äussere Schmierung vorgesehen werden. Die Nachteile der äusseren Schmierung liegen auf der Hand: Hohe Unterhaltungskosten, Verunreinigung, Verdampfung, ungleichmässige Aufbringung usw.
Die Anwendung einer äusseren Schmierung ist besonders schwierig bei Systemen, welche elektrische, elektronische und optische Elemente besitzen, welche im Vakuum arbeiten müssen. Während die oben erwähnten extremen Arbeitsbedingungen, für welche die bekannten selbstschmierenden Materialien nicht geeignet sind, bisher selten auftraten, sind diese Bedingungen nun für die Raumfahrttechnologie typisch, so dass die Notwendigkeit, schmierende Materialien zur Verfügung zu stellen, welche für diese harten Arbeitsbedingungen geeignet sind, nun sehr dringend geworden ist.
Die hochfesten Eigenschaften der im festen Zustand vorliegenden selbstschmierenden Materialien gemäss der Erfindung werden in erster Linie durch die Einverleibung eines schwer schmelzbaren Metalles in das Material erzielt, so dass sich bei der Verarbeitung unter Druck und bei hohen Temperaturen das schwer schmelzbare Metall mit in den Pressformen vorhandenem Kohlenstoff unter Bildung von Carbiden vereinigt.
Ferner enthält das Material Molybdändisulfid, welches Schmierergiebigkeit verleiht. So wurde durch Kombination hochfester carbidbildender schwer schmelzbarer Metalle mit einem selbstschmierenden Material, welches im allgemeinen als ein Material mit geringer Festigkeit und geringer Temperaturbeständigkeit charakterisiert wird, als Endprodukt ein Material erhalten, das sowohl ausserordentliche Druck- und Biegefestigkeit als auch geringe Reibung und geringen Verschleiss aufweist.
Die Materialien gemäss der Erfindung können entweder in ihrer endgültigen Form erzeugt oder in grossen Stücken hergestellt und später auf ihre Endabmessungen zerspant werden.
In jedem Falle besitzen die Materialien Gefügeeigenschaften, welche ihre Verwendung unter hohen Beanspruchungen, bei hohen Temperaturen und im Vakuum ermöglichen.
Obwohl Molybdändisulfid im allgemeinen einen hohen elektrischen Widerstand zeigt, zerstört seine Einverleibung in das Material die elektrische Leitfähigkeit nicht, welche von den schwer schmelzbaren Metallen herrührt. Die elektrische Leitfähigkeit des Materialendproduktes hängt davon ab, welches schwer schmelzbare Metall oder welche Kombination von schwer schmelzbaren Metallen dem Material einverleibt worden ist. Indem man die Bestandteile variiert, kann man ein Endprodukt erhalten, welches beliebige elektrische Eigenschaften innerhalb eines weiten Bereiches von guten elektrischen Isolatoren bis guten elektrischen Leitern aufweist.
Drei Klassen von Materialien erfüllen die Ziele der Erfindung, welche die folgenden Komponenten in verschiedenen definierten Gewichtsverhältnissen enthalten:
1. Eine erste Klasse von Materialien enthält Molybdändisulfid oder molybdändisulfidhaltige Materialien, ein carbidbildendes Material, welches aus Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und Kombinationen dieser Materialien gewählt ist, sowie Kohlenstoff, von dem ein Teil in Form von Metallcarbiden vorliegt.
2. Eine zweite Klasse von Materialien enthält als selbstschmierendes Material Molybdänsulfid oder mulybdändisulfidhaltige Materialien, ein carbidbildendes Material, welches aus Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und Kombinationen dieser Materialien gewählt ist, Kohlenstoff, von dem ein Teil in Form von Metallcarbiden vorliegt, sowie zusätzlich eine Borkomponente, welche entweder in Form einer festen Lösung von Bor oder in Form von freiem Bor oder in beiden Formen vorliegt.
3. Eine dritte Klasse von Materialien enthält als selbstschmierende Komponente Molybdändisulfid oder molybdändisulfidhaltige Materialien, ein carbidbildendes Material, welches aus Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und Kombinationen dieser Materialien gewählt ist, Kohlenstoff, von dem ein Teil in Form von Metallcarbiden vorliegt, sowie zusätzlich eine Borkomponente entweder in Form einer festen Lösung von Bor oder in Form von freiem Bor oder in beiden Formen und eine Metallkomponente mit einem wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als die carbidbildenden Metalle, welche aus Eisen, Nickel, Chrom, Kobalt und Kombinationen dieser Metalle gewählt ist.
Es folgen nun Beispiele für die Zusammensetzung solcher Materialien in Gewichtsprozent: Klasse I
Material 1 Bestandteil Gewichts- /o Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0 Kohlenstoff (C)* 0,01-10,0 Molybdän (Mo) 2,99-80,0
Material 2 Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0 Kohlenstoff (C): 0,01-10,0 Niob (Nb) 2,99-80,0
Material 3 Molybdändisulfid (MoS) 20,0 -97,0 Kohlenstoff (C)* 0,01-10,0 Tantal (Ta) 2,99-80,0
Material 4 Molybdändisulfid (MoS2) 20,0-97,0 Kohlenstoff (C):
: 0,01-10,0 Wolfram (W) 2,99-80,0
Material 5 Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0 Kohlenstoff (C) 0,01-10,0 Molybdän (Mo) mindestens 0,01 Tantal (Ta) mindestens 0,01 Mo + Ta 2,99-80,0
Material 6 Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0 Kohlenstoff (C)* 0,01-10,0 Molybdän (Mo) mindestens 0,01 Wolfram (W) mindestens 0,01 Mo + W 2,99-80,0
Material 7
Bestandteil Gewichts-0/o
Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0
Kohlenstoff (C)* 0,01-10,0
Molybdän (Mo) 0,01-80,0
Niob (Nb) mindestens 0,01
Tantal (Ta) mindestens 0,01
Wolfram (W) mindestens 0,01 Mo + Nb + Ta + W 2,99-80,0
Klasse n
Material 1
Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0
Kohlenstoff <RTI
ID=2.21> (C)* 0,01-10,0
Bor (B) 0,01- 5,0
Molybdän (Mo) 2,99-80,0
Material 2
Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0
Kohlenstoff (C) 0,01-10,0
Bor (B) 0,01- 5,0
Niob (Nb) 2,99-80,0
Material 3
Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0
Kohlenstoff (C)* 0,01-10,0
Bor(B) 0,01- 5,0
Tantal (Ta) mindestens 0,01
Wolfram (W) mindestens 0,01
Ta + W 2,99-80,0 von dem mindestens ein Teil in Form von Metallcarbiden vorliegt.
Material 4
Bestandteil Gewichts-o/c
Molybdändisulfid (MoS2) 20,0 -97,0
Kohlenstoff (C) 0,01-10,0
Bor (B) 0,01- 5,0
Niob (Nb) mindestens 0,01
Tantal (Ta) mindestens 0,01
Wolfram (W) mindestens 0,01
Nb + Ta + W 2,99-80,0
Klasse III
Material 1
Molybdändisulfid (MoS2) 45,0 -90,0
Kohlenstoff (C)* 0,01-10,0
Tantal (Ta) 2,99-55,0
Eisen (Fe) 0,1 -53,0
Aus der obigen Tabelle von Materialien gemäss der Erfindung ist ersichtlich, dass alle diese Materialien lybdändisulfid enthalten, welches in erster Linie für die selbstschmierenden Eigenschaften der Endprodukte verantwortlich ist.
Anstelle von Molybdändisulfid könn- ten in diesen Materialien andere selbstschmierende Materialien verwendet werden; ein typischer Ersatz wäre Wolframdisulfid. Jedoch ist Wolframdisulfid beträchtlich teurer als Molybdändisulfid, während mit wolframdisulfidhaltigen Materialien ausgeführte Tests gezeigt haben, dass die Materialien keine besseren Eigenschaften als molybdändisulfidhaltige Materialien haben, was die erhöhten Kosten rechtfertigen könnte.
Die selbstschmierenden Eigenschaften von Molybdändisulfid, wenn es allein oder in Kombination mit anderen Materialien verwendet wird, sind dem Fachmann wohlbekannt. Die Kristalle von Molybdändisulfid zeigen eine Plattenstruktur, wobei aufeinanderfolgende Schichten von Molybdänatomen so angeordnet sind, dass sich zwei aufeinanderfolgende Schichten von Schwefelatomen zwischen je zwei Schichten von Molybdänatomen befinden. Ein grosser Kristall von Molybdändisulfid ist daher aus Schichten von Molybdän aufgebaut, die durch starke ionische Bindungen an benachbarte Schichten von Schwefel gebunden sind, während die einander benachbarten Schwefelschichten durch schwache homöopolare Bindungen zusammengehalten werden.
Während die Schwefelschichten nur eine schwache Anziehung aufeinander ausüben, um einen vollständigen Kristall von Molybdändisulfid zu bilden, haben die Schwefelatome eine viel grössere Affinität für Metalle, so dass die Molybdändisulfidplatten sich unter gewissen Bedingungen ziemlich fest an Metalle binden. Die Schwefelatome, welche eine schwache Affinität für einander haben, werden durch eine Kraft gehalten, die nicht so gross ist wie diejenige, welche den Schwefel an das Metall bindet, und sogar nicht so gross ist wie die Adhäsionskräfte von Metall zu Metall. Daher dient das vorliegende Sulfid als Schmiermittel; wegen dieses Mechanismus der Schmierung sagt man oft, dass Molybdändisulfid Schmiermittelübertragungseigenschaften hat.
Dies soll bedeuten, dass, wenn ein molybdändisulfid- haltiges Material in gleitende Berührung mit einem kein Molybdändisulfid enthaltenden Material gebracht wird, die schwache Bindung zwischen den Schwefel atomen der Molybdändisulfidkristalle gegenüber den grösseren,
Material 2
Bestandteil Gewichts- /o
Molybdändisulfid (MoS2) 45,0 -90,0
Kohlenstoff (C)* 0,01- 5,0
Tantal (Ta) 2,99-55,0
Nickel (Ni) 0,1 -53,0
Material 3
Molybdändisulfid (MoS2) 45,0 -90,0
Kohlenstoff (C)* 0,01-10,0
Tantal (Ta) 2,99-55,0
Chrom (Cr) 0,1 -53,0
Material 4
Molybdändisulfid (MoS2) 45,0 -90,0
Kohlenstoff (C)* 0,01- 5,0
Tantal (Ta)
2,99-55,0
Kobalt (Co) 0,1 -53,0 * von dem mindestens ein Teil in Form von Metallcarbiden vorliegt.
zwischen den Schwefel atomen und den Atomen des neuen Metalles vorhandenen Kräften nachgeben wird.
Nach diesem Mechanismus wird ein Teil des Molybdändisulfides auf die Oberfläche des neuen Metalles geschmiert oder übertragen. Dieser Schmiermittelübertragungsmechanismus findet sich bei allen Materialien gemäss der Erfindung und ist besonders wichtig bei Anwendung im Vakuum.
Schmierprobleme im Vakuum könnten bei einer ersten Untersuchung nicht anders erscheinen als Schmierprobleme in Luft, aber in der Tat stellen Vakuumbedingungen schwierigere Probleme und verursachen einen schnelleren Verschleiss bei jeder Vorrichtung als Arbeiten in Luft. Jede aus Metall gebildete und in einem Vakuum betriebene Vorrichtung verhält sich anders als die gleiche Vorrichtung, welche in Luft betrieben wird.
Es wurde gefunden, dass die Abwesenheit eines Oxydfilms auf den Oberflächen der Teile der Vorrichtung eine Metallkohäsion zwischen den verschiedenen Teilen der Vorrichtung verursacht, wenn sie im Vakuum betrieben wird. Das Metall zeigt Adhäsion oder Kohäsion mit anderen Metalloberflächen, wenn im Betrieb ein kohäsiver Kontakt mit den anderen Metalloberflächen hergestellt und unterbrochen wird. Die Übertragung von Metallpartikeln von einer Oberfläche zu der anderen tritt schnell ein, so dass nach kurzer Betriebsdauer ein sichtbarer Lochfrass auftritt. Dies führt dazu, dass die Metalloberflächen rauh werden, wodurch die Geräuschbildung verstärkt und auch die für den Betrieb erforderliche Energie erhöht wird.
In Luft tritt diese Kohäsion, welche die Rauhung eines Lagers in einem Vakuum verursacht, wegen des Vorhandenseins eines Oxydfilms auf der Oberfläche des Metalles nicht auf.
Wenn ein normales Schmiermittel auf die Oberflächen der in einem Vakuum betriebenen Metallvorrich- tungen aufgebracht wird, verdampft das Schmiermittel wegen seines hohen Dampfdruckes. Daher wird nach einer kurzen Betriebsdauer das Schmiermittel verschwunden sein. Die Verwendung eines selbstschmierenden Materials, wie beispielsweise Molybdändisulfid, in unter Vakuum arbeitenden Vorrichtungen vermindert die durch kohäsive Erosion hervorgerufenen Schwierigkeiten. Jedesmal, wenn das Molybdändisulfid mit einer damit ineinandergreifenden Metalloberfläche in Berührung kommt, wird eine winzige Menge des Molybdändisulfides auf die damit ineinandergreifende Metallober fläche übertragen, wodurch die kohäsive Erosion verhindert wird.
Auf diese Weise erfüllt das Molybdändisulfid unter Vakuumbedingungen etwa die gleiche Aufgabe wie der Oxydoberflächenfilm unter atmosphärischen Bedingungen. Darüber hinaus weist jedoch das Molybdändisulfid bessere Schmiereigenschaften als die Oxydoberflächenfilme auf, so dass bei in Luft betriebenen Vorrichtungen die Einverleibung von Molybdändisulfid als Schmiermittel den Reibungskoeffizienten zwischen den ineinandergreifenden Oberflächen weitgehend herabsetzt.
Aus der vorstehenden Diskussion ist ersichtlich, dass die Verwendung von Molybdändisulfid als selbstschmie- rendes Material in mechanischen Vorrichtungen, welche entweder im Vakuum oder in Luft betrieben werden, sehr erwünscht ist. Jedoch ergaben sich bei der Einführung dieses Schmiermittels schwerwiegende Schwierig- keiten. Obgleich Molybdändisulfid eine beträchtliche Beständigkeit innerhalb eines weiten Bereiches von Arbeitstemperaturen aufweist, fehlen diesem Material viele der metallischen Eigenschaften, die für mechanische Anwendungen wesentlich sind, wie Duktilität, Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Stauchbarkeit bzw. Walzbarkeit, Stoss- bzw. Schlagfestigkeit und Beständigkeit gegen Sprödversagen.
Es wurden von der Industrie beträchtliche Anstrengungen unternommen, zwecks Ausdehnung des Anwendungsbereiches von Molybdändisulfid eine geeignete Grundmasse zu entwickeln, in welcher das Molybdändisulfid suspendiert werden könnte. Damit diese Grund- masse erfolgreich verwendbar ist, muss sie dem Material die obigen mechanischen Eigenschaften verleihen und auch zulassen, dass das Molybdändisulfid seine Schmier- ergiebigkeit, seine Schmiermittelübertragungseigenschaf- ten und seine Hochtemperatureigenschaften dem resultierenden Material mitteilt.
Ein Beispiel einer Grundmasse, die zur Erreichung dieser Ziele entwickelt wurde, ist Eisen, mit welchem Molybdändisulfid kombiniert wurde, wobei sich ein Material ergab, das die Schmier- ergiebigkeitseigenschaften von Molybdändisulfid und auch viele der Struktureigenschaften des Eisens noch besass. Unglücklicherweise behielt das Eisen auch einige seiner unerwünschten Eigenschaften in dem resultieren- den Material, nämlich seine Empfindlichkeit gegen Oxydation, wodurch der Anwendungsbereich, in welchen das resultierende Material verwendet werden konnte, beschränkt wurde.
Viele der bei der Verwendung von Eisen auftretenden Schwierigkeiten konnten dadurch vermindert werden, dass Eisen durch Nickel ersetzt wurde, wie ebenfalls in diesem Patent vorgeschlagen wurde; selbst die Verwendung von Nickel erlaubte aber nicht die Ausnützung des gesamten Bereiches von Eigenschaften, welche dem Molybdändisulfid eigen sind.
Umfangreiche Untersuchungen wurden ausgeführt, um die maximale Temperatur festzustellen, bei welcher Molybdändisulfid gesintert werden könnte, ohne eine Zersetzung des Molybdändisulfides während der Sinteroperation zu verursachen. Es wurde entdeckt, dass bei Ausübung eines Druckes von 350 kg/cm2 auf das Molybdändisulfid während des Sinterns die Zersetzung des Molybdändisulfides bei Temperaturen bis zu 18150 C verhindert werden konnte. Dieses Ergebnis war insofern unerwartet, als Molybdändisulfid sich bei Atmosphärendruck normalerweise bei einer Temperatur zwischen 1090 und 12100 C zersetzt.
Nachdem man entdeckt hatte, dass Molybdändisulfid unerwarteterweise hohen Sintertemperaturen zu widerstehen vermag, war es klar, dass durch Verwendung von entweder Eisen oder Nikkel als Bindemittel in der Grundmasse nicht alle Möglichkeiten des Molybdändisulfides ausgenützt werden könnten.
Dies war möglich durch die Materialien gemäss der Erfindung, welche Molybdändisulfid als Schmiermittel und ein schwer schmelzbares Metall als Bindemittel für die Grundmasse enthalten. Chemische Analysen dieser Materialien zeigen, dass bei Verwendung von Graphitformen für die Herstellung dieser Materialien bei hohen Temperaturen und Drücken sich Kohlenstoff aus den Formen mit dem schwer schmelzbaren Metall vereinigt und ein Carbid bildet. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die harten Carbidpartikel der selbstschmierenden Materialien mit einer verhältnismässig weichen Schicht von Molybdändisulfid überzogen waren. Diese unerwartete metallurgische Anordnung scheint in erster Linie für die ausserordentlich geringen Verschleisswerte verantwortlich zu sein, welche diese Materialien zeigen.
Ausserdem vermögen gewisse dieser Materialien Druckbelastungen von über 17 600 kg/cm2 auszuhalten, während andere bei gleitenden Oberflächengeschwindigkeiten von 3660 m pro Minute betrieben werden können.
Der Temperaturbereich, innerhalb dessen diese Materialien verwendet werden können, ist ebenfalls eindrucksvoll. Viele dieser Materialien können bei bis zu 4000 C in Luft und bei bis zu 13200 C im Vakuum verwendet werden. Hinsichtlich der Verwendbarkeit bei niedriger Temperatur wurde in flüssigem Wasserstoff bei - 2500 C gearbeitet. Es wurde ferner gezeigt, dass diese Materialien einzigartige elektrische Eigenschaften besitzen. Materialien, welche entweder als gute Leiter des elektrischen Stromes oder als gute Isolatoren gekennzeichnet werden können, können hergestellt werden, wobei die Steuerung der elektrischen Eigenschaften durch Variieren der Zusammensetzung der gewählten Metallgrund- masse bewirkt werden kann.
Diese Ergebnisse können erhalten werden, obwohl Molybdändisulfid an sich keine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und in der Tat einen so hohen Grad von elektrischem Widerstand hat, dass es in vielen Systemen als Isoliermittel dient, wenn man elektrische Leitung zu verhindern wünscht. Es sollte auch festgehalten werden, dass die in diesen Materialien verwendeten schwer schmelzbaren Metalle nicht wegen ihrer elektrischen Leitfähigkeit bekannt sind; obgleich Graphitkohlenstoff im allgemeinen bekanntlich einen niedrigen elektrischen Widerstand hat, zeigt er oft eine richtungsabhängige elektrische Leitfähigkeit.
Dagegen zeigen die in der Grundmasse der Materialien gemäss der Erfindung gebildeten Metallcarbide keine richtungsabhängigen Eigenschaften, und die Kombination derselben mit dem stark isolierend wirkenden Molybdändisulfid hat das unerwartete Ergebnis, dass die Materialien eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit besitzen.
In den Materialien aus der oben erwähnten zweiten Klasse sind der Grundmasse kleine Borzusätze von bis zu 5 Gew.-O/o zugegeben worden, um ihre strukturellen Eigenschaften weiter zu verbessern. Es wird angenommen, dass der Borbestandteil in die Grundmasse in Form einer festen Lösung eintritt, wobei möglicherweise etwas Metallborid gebildet wird. Es wurde gefunden, dass verhältnismässig geringe Borzusätze von annähernd 1 Gew.-O/o die Druckfestigkeit gewisser Materialien erheblich erhöhen, während Borzusätze von mehr als 5 Gew. #O/o eine verminderte Druckfestigkeit ergaben. Ausserdem gibt es gewisse Anzeichen dafür, dass die Bor komponente während des Herstellungsprozesses als Schmiermittel dient, so dass sich ein Material mit einem grösseren Verdichtungsgrad ergibt, als er andernfalls erhältlich wäre.
Ausser den Bestandteilen Molybdändisulfid, Kohlenstoff und Tantal enthalten die Materialien aus der obigen Klasse III eine weitere Metallkomponente, die aus Eisen, Nickel, Chrom und Kobalt gewählt ist. Der Hauptzweck der Einverleibung dieser Materialien in die Grundmasse besteht darin, während des Herstellungsprozesses eine Schmierung zu erzielen. Diese Metalle besitzen erheblich niedrigere Schmelzpunkte als die carbidbildenden Metalle, und ihr Vorhandensein verbessert die strukturellen Eigenschaften der resultierenden Grundmasse nicht wesentlich. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, während des Herstellungsprozesses als ein Schmiermittel zu dienen, so dass eine grössere Verdichtung der resultierenden Grundmasse erzielt werden kann. Es muss zugegeben werden, dass die Materialien der Klasse III wegen des Zusatzes dieser Komponenten gewissen Beschränkungen unterliegen.
Insbesondere vermögen die Materialien der Klasse III nicht so hohen Anwendungstemperaturen zu widerstehen wie die Materialien der Klassen I und II. Ferner zeigten diejenigen Materialien der Klasse III, welche Nickel und Chrom enthalten, beträchtlich höhere Verschleissraten als die Materialien der Klassen I und II. Während der Herstellung der Materialien der Klasse III liegen das Eisen, Nickel, Chrom oder Kobalt in geschmolzenem Zustand vor. Es wurde entdeckt, dass wegen des während der Herstellung angewandten hohen Druckes diese geschmolzenen Metalle nach den äusseren Rändern des Materials gequetscht werden und mit den Formen in Berührung kommen.
Zwischen dem geschmolzenen Metall und den Graphitformen treten gewisse Reaktionen ein, welche den Verschleiss der Formen beschleunigen und sie beschädigen, so dass sie nicht für mehr als 3 oder 4 Herstellungsoperationen verwendet werden können. Daher sollten die Materialien der Klasse III nicht verwendet werden, wenn die Herstellung vieler gleicher Teile erwünscht ist.
Im folgenden werden verschiedene praktisch anwendbare Verfahrensweisen zur Herstellung der vorliegenden Materialien durch Heisspressen oder Verdichten des zusammengesetzten Materials beschrieben, obgleich die Materialien natürlich ohne wesentliche Beeinflussung der Eigenschaften der Endprodukte auch auf andere Weise hergestellt werden können.
Die selbstschmierende Komponente Molybdändisulfid kann in Pulverform mit den verschiedensten Partikelgrössen verwendet werden; Partikelgrössen im Bereich von 7 bis 64 Mikron haben sich mit Erfolg für die Herstellung der Materialien anwenden lassen. Das als selbstschmierende Komponente verwendete Molybdändisulfidpulver wurde analysiert und enthielt, wie gefunden wurde, ausser Molybdändisulfid ein Öl auf Petroleumbasis in einer Menge von 0,02 bis 0,05 Gew.-O/o.
Es wird angenommen, dass das Öl auf Petroleumbasis zu dem Kohlenstoffgehalt der Endprodukte beiträgt. Die Metallpulver Molybdän, Tantal, Niob und Wolfram, die in den Materialien der Klasse I verwendet werden, sowie das in den Materialien der Klasse II verwendete Bor und das in den Materialien der Klasse III verwendete Eisen, Nickel, Chrom und Kobalt wurden im Handel erhalten und hatten eine Reinheit von mehr als 99,9 /0. Obgleich alle Metallpulver mit einer Partikelgrösse von 0,044 mm verwendet wurden, kann in der Praxis jede Partikelgrösse verwendet werden, die gesintert werden kann.
Nachdem geeignete Mengen der zu verwendenden Komponenten abgewogen worden sind, werden die Metallpulver (falls mehr als eine Metallkomponente verwendet wird) zunächst miteinander gemischt, ehe sie mit der Molybdändisulfidkomponente gemischt werden.
Zum Mischen der Metallpulver mit dem Molybdändisulfid wurden die folgenden Verfahren angewandt, wobei befriedigende Materialien erhalten wurden:
1. Sieben: Das Pulvergemisch wird durch ein Sieb mit 0,149 mm lichter Maschenweite in Sammelschalen gesiebt und in einen Behälter übergeführt, worauf die Siebprozedur zwei weitere Male wiederholt wird. Das Pulver wird dann in die Graphitform übergeführt.
2. Automatischer Mörser: Das Pulvergemisch wird in einen Aluminiumoxydmörser gefüllt, worauf eine zur Herstellung einer fliessfähigen Aufschlämmung ausreichende Menge Aceton zugesetzt wird. Ein Aluminiumoxydpistill wird in den Mörser gebracht, worauf man mit dem automatischen Mischen beginnt. Das Mischen wird während 20 Minuten fortgesetzt, wobei periodisch Aceton zugesetzt wird, um eine Aufschlämmung aufrechtzuerhalten; während der letzten 5 Minuten des automatischen Mischens wird aber kein Aceton zugesetzt, so dass das Gemisch zu einer dicken Paste verarbeitet wird. Das pastenförmige Gemisch wird aus dem Mörser mit einem Spatel entfernt und in einemVakuumofen bei annähernd 735 mm Quecksilbersäule und 93 C während 1 Stunde getrocknet.
Das getrocknete Pulver wird dann durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,177 mm gesiebt und in eine Gra phitform gebracht.
Die für die Sinterungsprozedur verwendete Graphitform stellt die Quelle des Kohlenstoffs dar, welcher in das Endprodukt eingeht und mit den schwer schmelzbaren Metallen Carbide bildet. Die in das Endprodukt eintretende Menge Kohlenstoff wird durch die Dauer der Heisspressoperation gesteuert.
Für die Heisspressoperation wird das Pulvergemisch in die Graphitform gebracht, worauf die Formvorrichtung mit Hilfe einer typischen Induktionsheizspule zu Anfang auf eine Temperatur von 1490 C gebracht und während einer genügend langen Zeit, um allen Wasserdampf, der in dem Pulver enthalten sein könnte, auszutreiben, auf dieser Temperatur gehalten wird. Die Dauer des Trocknens ist nicht von entscheidender Bedeutung; normalerweise dauert das Trocknen ca. 5 Minuten.
Für die Herstellung von Materialien gemäss der Erfindung aus den Klassen I und II sind die folgenden Verfahrensstufen anwendbar, während die für die Herstellung der Materialien der Klasse III geeigneten Verfahrensstufen später im einzelnen beschrieben werden.
Nachdem die Formvorrichtung während annähernd 5 Minuten auf 1490 C gehalten worden ist, um allen etwa eingeschlossenen Wasserdampf abzutreiben, wird die Temperatur der Formvorrichtung auf 1370 bis 17600 C erhöht, und eine Pressbelastung zwischen 70 und 635 kg/cm2 wird mit Hilfe eines hydraulisch betätigten Zylinders oder eines Eigengewicht-Hebelsystems auf die Graphitform ausgeübt, welche das Pulvergemisch aus der Klasse I oder II enthält. Dieser Druck wird folgendermassen in zwei Stufen angewendet:
Zunächst wird die Hälfte der beabsichtigten Enddruckbelastung angewandt und aufrechterhalten, bis die Temperatur der Vorrichtung auf die Sintertemperatur gestiegen ist.
Dazu sind gewöhnlich ca. 20 Minuten erforderlich, wobei die genaue Dauer von der Grösse der Formen und der Energie der Indukfionsheizvorrichtung abhängt. Wenn die Sintertemperatur erreicht ist, wird die volle Pressbelastung angewandt und während einer Zeit aufrechterhalten, die bis zu 30 Minuten betragen kann. Die Dauer der Anwendung der vollen Pressbelastung bestimmt die Korngrösse und den Kohlenstoffgehalt des Materialendproduktes, wobei längere Pressdauernd grössere Korngrössen und höhere Kohlenstoffgehalte ergeben. Gute Sinterresultate wurden erhalten, wenn die volle Pressbelastung während einer Zeit von 10 Minuten angewandt wurde.
Bei der Herstellung von Materialien gemäss der Erfindung aus der Klasse III wird, nachdem die Formvorrichtung während annähernd 5 Minuten auf 1490 C gehalten worden ist, um den Wasserdampf abzutreiben, eine Last zwischen 70 und 635 kg/cm2 mit Hilfe eines hydraulisch betätigten Zylinders oder eines Eigengewicht-Hebelsystems auf die Formvorrichtung ausgeübt.
Nach Aufbringung der Last wird die Temperatur innerhalb eines Zeitraumes von 2 bis 10 Minuten auf 1090 bis 14800 C erhöht, wobei die genaue Dauer von der zur Verfügung stehenden Kraft sowie von der Grösse der Form abhängt. Wenn die Sintertemperatur erreicht ist, wird die Temperatur während 2 bis 10 Minuten aufrechterhalten.
Nachdem das Sintern der Materialien entweder aus Klasse I oder II oder aus Klasse III beendet ist, wird die Induktionsheizvorrichtung abgeschaltet, worauf man die Formvorrichtung auf Raumtemperatur abkühlen lässt. Die Last kann sofort nach dem Abschalten der Heizvorrichtung von den Formen abgenommen werden, wenn infolge des Unterschiedes zwischen der thermischen Ausdehnung der Materialien und der Form die Gefahr besteht, dass während des Abkühlens ein Splittern oder eine Zerstörung auf andere Art erfolgt. Wenn keine solche Gefahr vorhanden ist, wird die Last im allgemeinen nicht entfernt, ehe die Formvorrichtung auf eine Temperatur von annähernd 1490 C abgekühlt ist, damit man ein festeres, kompaktes Material erhält.
In allen Fällen wird der Induktionsofen vor und während der Heisspressoperation mit Argon, Stickstoff oder einem anderen Inertgas gespült, wodurch man sicherstellt, dass um die Form herum eine inerte Atmosphäre vorhanden ist, welche die Oxydation des Pulvergemisches und der Form selbst verhindert.
Es folgen nun spezifische Beispiele für die Materialien gemäss der Erfindung zusammen mit einigen physikalischen und elektrischen Eigenschaften derselben. Die Art, in der diese Eigenschaften bestimmt wurden, wird später beschrieben werden.
Beispiel 1
Das folgende Material, ein typisches Material 1 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 und bei einer Temperatur von 17600 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Bestandteil Gew. #O/o
Molybdändisulfid (MoS2) 79,3
Kohlenstoff (C) 0,9
Molybdän (Mo) 19,8
Mit Proben des Materials 1 aus Klasse I ausgeführte Tests zeigen, dass die physikalischen und elektrischen Eigenschaften dieses Materials etwas von Variationen des Herstellungsprozesses abhängen, und zwar in einem Ausmass, das für andere Materialien gemäss der Erfindung nicht beobachtet werden konnte. Trotzdem wurde gefunden, dass dieses Beispiel ein Material mit ausserordentlich guten Verschleisseigenschaften liefert, wobei ein Wert von 16 X 10-5 cm3/100 min gemessen wird, wenn die Testprobe ursprünglich einen linienförmigen Kontakt mit der Testoberfläche hatte, welch letztere sich mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 274 m/min bewegte. Die Testprobe zeigte eine Druckfestigkeit von über 3023 kg/cm2 und einen Reibungskoeffizienten von 0,07.
Was die elektrischen Eigenschaften angeht, so zeigte das Produkt dieses Beispiels einen elektrischenWiderstand von 1,5X10-4 Ohm/cm. Aus diesenMessungen ist ersichtlich, dass diese Ausführungsform des Materials gemäss der Erfindung insbesondere Anwendung finden kann, wenn ein geringer Verschleiss am wichtigsten ist, während die Reibung und die elektrische Leitfähigkeit von geringerer Bedeutung sind.
Beispiel 2
Das folgende Material, ein typisches Material 2 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 und bei einer Temperatur von 16500 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 69,8
Kohlenstoff (C) 0,6
Niob (Nb) 29,6
Eine Analyse der Zusammensetzung vieler Formulierungen von Material 2 aus Klasse I zeigt, dass die Proben mit höherem Molybdändisulfidgehalt auch höhere Kohlenstoffgehalte zeigen, was beweist, dass ein Teil des Molybdändisulfides während des Herstellungsprozesses in Molybdäncarbid übergeführt wird. Die Proben mit geringem Gehalt an Molybdändisulfid, d. h. 30 bis 50 Gew.-O/o, zeigen eine sehr geringen elektrischen Widerstand von 1,2X10-4Ohm/cm. Das in diesem speziellenBeispiel erhaltene Material zeigt eine hoheDruck- festigkeit von 9632 kg/cm2 bei einem niedrigen Reibungskoeffizienten von 0,045. Dieses Material ist für Anwendungen geeignet, bei denen geringe Reibung unter hohen Belastungsbedingungen erwünscht ist.
Beispiel 3
Das folgende Material, ein typisches Material 3 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 wie oben beschrieben heiss gepresst
Molybdändisulfid (MoS2) 79,2
Kohlenstoff (C) 1,0
Tantal (Ta) 19,8
Es wurde gefunden, dass die Druckfestigkeit des Materials dieses Beispiels etwas von der Temperatur abhängt, bei welcher das Material heiss gepresst wurde.
Wenn beispielsweise ein Material mit der Zusammensetzung gemäss diesem Beispiel bei einer Temperatur von 1370 0 C heiss gepresst wurde, wurde eine verhältnismässig geringe Druckfestigkeit von 408 kg/cm2 gemessen. Eine andere Testprobe, die mit der ersten Probe identisch war mit Ausnahme der Heisspresstemperatur, welche 16500 C betrug, zeigte eine Druckfestigkeit von
1687 kg/cm2. Beide Testproben zeigten eine elektrischen Widerstand von annähernd 3,1 x 10-4 Ohm/cm.
Beispiel 4
Das folgende Material, ein typisches Material 3 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 14800 C wie oben beschrieben heiss gepresst
Bestandteil Gew.-O/o
Molybdändisulfid (MoS2) 69,3
Kohlenstoff (C) 1,0
Tantal (Ta) 29,7
Dieses Beispiel ist bemerkenswert, weil das Material ausserordentlich gute Reibungs- und Verschleisseigenschaften hat, wenn es gegen eine Titanlegierung, welche 6 O/o Aluminium und 4 Oio Vanadium enthält, verwendet wird. Das Material dieses Beispiels zeigt eine Biegefestigkeit von 958 kg/cm2 und hat einen Reibungskoef- fizienten im Bereich zwischen 0,19 und 0,25 bei geringen Oberflächengeschwindigkeiten. Bei höheren Oberflächengeschwindigkeiten (457 m/min) beträgt der Reibungskoeffizient 0,04 bis 0,08.
Aus dem Material dieses Beispiels wurde weiter ein Kugelkäfig für ein Kugellager mit 20 mm Bohrung hergestellt. Das Lager wurde in Luft bei Raumtemperatur unter Anlegen einer Axiallast von 4,5 kg bei 3450 Umdrehungen pro Minute betrieben. Nachdem es 10 088 Stunden auf diese Weise in Betrieb gewesen war, zeigten der Kugelkäfig sowie die Lagervorrichtung ausserordentlich wenig Verschleiss.
Beispiel 5
Das folgende Material, ein typisches Material 4 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 17600 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 79,1
Kohlenstoff (C) 1,1
Wolfram (W) 19,8
Im allgemeinen weisen Formulierungen des Materials 4 aus Klasse I mit hohem Molybdändisulfidgehalt (annähernd 80 Gew.-O/o) den höchsten elektrischen Widerstand von allen Materialien gemäss der Erfindung auf. Obgleich einer der in erster Linie erwünschten Vorteile der Erfindung darin besteht, dass man selbstschmierende Materialien mit einem hohen Grad von elektrischer Leitfähigkeit herstellen kann, kann die elektrische Leitfähigkeit also durch Auswahl geeigneter Zusammensetzungen modifiziert werden. Diese Verfahrensweise würde Anwendung finden können bei der Herstellung eines elektrischen Schalters mit Gleitkon- takten mit geringer Reibung, indem man die Zur am mensetzung des für die Kontakte gewählten Materials alternierend verschieden macht.
Demgemäss würden die Kontakte abwechselnd hohe und geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, was eine Schaltfunktion über Wege mit hoher und niedriger elektrischer Leitfähigkeit ermöglicht. Das in diesem Beispiel hergestellte Material weist einen verhältnismässig hohen elektrischen Widerstand von mehr als 4100 X 10-4 Ohm/cm auf, welcher mit einem ziemlich geringen Reibungskoeffizienten von 0,07 verbunden ist. Dieses Material eignet sich für Anwendungen, bei denen geringe Reibung und geringe elektrische Leitfähigkeit erforderlich sind.
Beispiel 6
Das folgende Material, ein typisches Material 4 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei einer Temperatur von 17600 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Bestandteil Gew.-O/o
Molybdändisulfid (MoS2) 19,9
Kohlenstoff (C) 0,2
Wolfram (W) 79,9
Das Material dieses Beispiels hat einen hohen Gehalt an metallischem Wolfram, so dass auf Grund der wohlbekannten guten Eigenschaften des Wolframs bei hoher Temperatur erwartet werden kann, dass dieses Material auch hervorragende Eigenschaften bei hoher Temperatur zeigen wird. Das Material dieses Beispiels hat eine Biegefestigkeit von 2039 kg/cm2 und einen elektrischen Widerstand von 0,33 X 10-4 Ohm/cm.
Beispiel 7
Das folgende Material, ein typisches Material 5 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 562,5 kg/cm2 bei 15400 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 79,1
Kohlenstoff (C) 1,2
Molybdän (Mo) 14,8
Tantal (Ta) 4,9
Dieses Material hat aussergewöhnliche Reibungseigenschaften, wenn es in Verbindung mit einer Kupferoberfläche gleitend verwendet wird. Die Schmiermittel übertragung war ausserordentlich gut, wobei wegen des verhältnismässig hohen Carbidgehaltes der Überschuss des übertragenen Schmiermittels von der mit dem Material ineinandergreifenden Kupferoberfläche entfernt wurde. Der elektrische Widerstand des Materials beträgt 14,9 X 10-4 Ohm/cm. Dementsprechend eignet sich das Material für elektrische Gleitkontakte oder die Bürsten von Elektromotoren, die in Verbindung mit einem Kupferkommutator verwendet werden.
Beispiel 8
Das folgende Material, ein typisches Material 5 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 632,8 kg/cm2 bei 14550 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 44,7
Kohlenstoff (C) 0,7
Molybdän (Mo) 14,9
Tantal (Ta) 39,7
Das Material dieses Beispiels zeigt ein hervorragendes Verhalten als selbstschmierendes Material bei hohen Beanspruchungen und bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten. Ausserdem zeigt es verhältnismässig konstante geringe Reibung innerhalb eines grossen Bereiches von Beanspruchungswerten. Ein gemäss dieser Zusammensetzung hergestelltes selbstschmierendes Material kann mit Erfolg als Gleitlager oder als Kugelgleitlager verwendet werden. Diese hervorragenden Verschleisseigenschaften wurden bewiesen, indem man ein Kugelgleitlager mit 19 mm Durchmesser herstellte und es in Luft bei 21,10 C testete. Man liess das Lager mit einer Geschwindigkeit von 200 Schwingungen pro Minute um einen Winkel von + 7,50 schwingen, während es eine Last von 141 kg/cm2 trug.
Nach 10 X 106 Schwingungen betrug der auf dem Kugelgleitlager gemessene Verschleiss nur 0,58 mm. Der elektrische Widerstand dieses Materials beträgt 1,23 X 10 - Ohm/cm.
Beispiel 9
Das folgende Material, ein typisches Material 6 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 14800 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Bestandteil Gew.-O/o
Molybdändisulfid (MoS2) 49,6
Kohlenstoff (C) 0,9
Molybdän (Mo) 39,6
Wolfram (W) 9,9
Wenn man den Gehalt an der Molybdändisulfidkomponente bei Formulierungen des Materials 6 aus Klasse I von annähernd 40 bis 95 Gew.-0/o variiert, kann der elektrische Widerstand stufenlos, aber nicht linear von 1,1 X 10-4 Ohm/cm bis 3,1 > < X 10-4X 10-4 Ohm/cm variiert werden. Auf diese Weise können die elektrischen Widerstands eigenschaften durch Steuerung der Zusammensetzung des Materials geregelt werden, wobei die selbstschmierenden Eigenschaften erhalten bleiben.
Der elektrische Widerstand des Materials dieses Beispiels beträgt 1,1 X 10-4 Ohm/cm, und es wurde gefunden, dass der Verschleiss und die Reibung dieses Materials erfreulich gering waren.
Beispiel 10
Das folgende Material, ein typisches Material 6 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 17600 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
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 X 10-4 Ohm/cm und stellt ein verhältnismässig billig herstellbares selbstschmierendes Material dar. Daher ist es logisch, dieses Material für Zwecke anzuwenden, bei denen ein geringer Preis erwünscht ist.
Beispiel 11
Das folgende Material, ein typisches Material 7 aus Klasse I, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 15100 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 39,8
Kohlenstoff (C) 0,5
Molybdän (Mo) 14,9
Niob (Nb) 14,9
Tantal (Ta) 14,9
Wolfram (W) 14,9
Im allgemeinen weisen die Formulierungen des Materials 5 aus Klasse I einen stark variierenden Widerstand auf, wobei bei speziellen Proben Widerstände von 0,41X10-4 Ohm/cm bis 17,0X10-4 Ohm/cm gemessen wurden. Diese Variationen des elektrischen Widerstandes scheinen mit dem Wolframgehalt der vorliegenden Materialien zusammenzuhängen, wobei die Materialien mit höherem Wolframgehalt auch höhere elektrische Widerstände aufweisen. Das Material des vorliegenden Beispiels hat einen elektrischen Widerstand von 0,41 X 10-4 Ohm/cm und besitzt einen verhältnismässig hohen Reibungskoeffizienten von 0,14, der von einer sehr geringen Verschleissrate begleitet ist.
Diese Reibungs- und Verschleisseigenschaften zusammen mit einer hohen Druckfestigkeit von 13 218 kg/cm2 zeigen, dass das Material dieses Beispiels sich für die Anwendung in Bremsvorrichtungen eignet, die bei hoher Beanspruchung und hoher Temperatur arbeiten.
Beispiel 12
Das folgende Material, ein typisches Material 1 aus Klasse II, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 15950 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Bestandteil Gew.-o/o
Molybdändisulfid (MoS2) 79,2
Kohlenstoff (C) 1,0
Bor (B) 0,5
Molybdän (Mo) 19,3
Das Material dieses Beispiels zeigte eine ausserordentlich geringe Verschleissrate von 29,5 X 10-5 cm8/ 100 min, wenn die Probe ursprünglich mit einer Testoberfläche aus rostfreiem Stahl, welche sich mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 274 m pro Minute bewegte, in linienförmigen Kontakt gebracht wurde. Zu Vergleichszwecken sei angegeben, dass für andere Beispiele von Material 1 aus Klasse II Verschleissraten von 100,0 X 10-3 cm3/100 min gemessen wurden.
Beispiel 13
Das folgende Material, ein typisches Material 2 aus Klasse II, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 15100 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 29,8
Kohlenstoff (C) 0,7
Bor (B) 0,5
Niob (Nb) 69,0
Kleine Mengen Bor in der Grössenordnung von 0,5 O/o in Formulierungen des Materials 2 auf Klasse II ergeben ein selbstschmierendes Material, welches eine ausserordentlich hohe Druckfestigkeit aufweist. In einem Beispiel eines Materials 2 aus Klasse II mit 20 Gew.-0/o Molybdändisulfid ergab ein Zusatz von 0,5 Gew.-O/o Bor ein Material mit einer Druckfestigkeit von über 17 577 kg/cm2. Durch grössere Borzusätze wurde jedoch die Druckfestigkeit beträchtlich gesenkt: ein Beispiel eines solchen Materials mit dem gleichen Gehalt an Molybdändisulfid, aber mit 5 Gew.-O/o Bor, hatte eine Druckfestigkeit von 8085 kg/cm2.
Das Material des vorliegen- den Beispiels besitzt, wie Versuche zeigten, eine verhältnismässig hohe Druckfestigkeit von 17 296 kg/cm2 und einen Reibungskoeffizienten von 0,042. Der hohe Niobgehalt dieses Materials ist, wie man annimmt, für die hohe Biegefestigkeit von 3164 kg/cm2 verantwortlich.
Der elektrische Widerstand des Materials dieses Beispiels beträgt 0,33 X 10-4 Ohm/cm. Aus diesen Messwerten ist ersichtlich, dass sich das Material besonders für Anwendungen eignet, bei denen sehr hohe Beanspruchungen auftreten und ein vernünftiger Grad der elektrischen Leitfähigkeit erwünscht ist.
Beispiel 14
Das folgende Material, ein typisches Material 3 aus Klasse II, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 16500 C wie oben beschrieben heiss gepresst
Molybdändisulfid (MoS2) 90,2
Kohlenstoff (C) 0,9
Bestandteil Gew.-O/o
Bor (B) 3,0
Tantal (Ta) 3,0
Wolfram (W) 3,0
Laboratoriumsuntersuchungen zeigen, dass das Material dieses Beispiels einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten von 0,025 besitzt, so dass es sich für verschiedene Oberflächen eignet, welche hohen Oberflä- chengeschwindigkeiten ausgesetzt sind. Der elektrische Widerstand dieses Beispiels war etwas höher als bei den meisten andern Materialien gemäss der Erfindung und betrug 25,5 X 10-4 Ohm/cm.
Beispiel 15
Das folgende Material, ein typisches Material 4 aus Klasse II, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 16500 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 91,2
Kohlenstoff (C) 0,9
Bor (B) 0,5
Niob (Nb) 2,0
Tantal (Ta) 3,5
Wolfram (W) 2,0
Reibungsmessungen bei verschiedenen Formulierungen des Materials 4 aus Klasse II zeigten, dass der Reibungskoeffizient verhältnismässig konstant blieb, selbst wenn die Herstellungstemperatur und der Molybdändisulfidgehalt variiert wurden. Der Reibungskoeffizient des Materials dieses Beispiels beträgt 0,032, wobei man erwartet, dass dieser Wert innerhalb eines breiten Bereiches von Arbeitsbedingungen ziemlich beständig bleibt. Das Material dieses Beispiels hat einen elektri- schen Widerstand von 8,1 X 10-4 Ohm/cm.
Beispiel 16
Das folgende Material, ein typisches Material 4 aus Klasse II, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei 15100 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 39,8
Kohlenstoff (C) 0,5
Bor (B) 4,0
Niob (Nb) 18,6
Tantal (Ta) 18,6
Wolfram (W) 18,6
Das Material dieses Beispiels hat einen Reibungskoeffizienten von 0,050 und einen elektrischen Widerstand von 0,86 X 10-4 Ohm/cm. Andere Versuche zeigen, dass dieses Material sich besonders für Vorrichtun- gen eignet, welche unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen und extremen anderen Umgebungsbedingungen verwendet werden.
Beispiel 17
Das folgende Material, ein typisches Material 1 aus Klasse III, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei annähernd 12900 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Molybdändisulfid (MoS2) 90,0
Kohlenstoff (C) 0,2
Tantal (Ta) 5,0
Eisen (Fe) 4,8
Beispiel 18
Das folgende Material, ein typisches Material 1 aus Klasse III, wurde unter einem Druck von 351,5 kg/cm2 bei annähernd 12900 C wie oben beschrieben heiss gepresst.
Bestandteil Gew.-O/o
Molybdändisulfid (MoS2) 45,0
Kohlenstoff (C) 0,4
Tantal (Ta) 50,0
Eisen (Fe) 4,6
In den Materialien der Beispiele 17 und 18 ist die Eisenkomponente in der Grundmasse nicht als Binde- mittel, sondern als Schmiermittel für die Verarbeitung vorhanden, wobei während des Heisspressens des Materials das Eisen schmilzt und gestattet, dass die Körner der anderen Bestandteile zu einer dichten Masse verdichtet werden. Andere Schmiermittel, die, wie gefunden wurde, ebenfalls zur Dichte der Grundmasse beitragen, sind Nickel, Chrom und Kobalt; zahlreiche andere Beispiele von Materialien, welche diese Bestandteile enthalten, könnten angegeben werden. Allgemein zeigen die Materialien, die in den Beispielen 17 und 18 beschrieben wurden, eine Verschleissrate, die höher ist als bei fast allen Materialien aus den Klassen I und II.
Röntgenbeugungsuntersuchungen von Material 3 aus Klasse I zeigen, dass dieses Material aus Molybdändisulfid, Kohlenstoff und Tantal eine Struktur hat, die ein aus mindestens 4 Phasen bestehendes gesintertes Konglomerat zu sein scheint. Diese Phasen erscheinen in der Reihenfolge ihres optischen Reflexionsvermögens im ungeätzten Zustand folgendermassen:
Phase 1 hat eine blanke, spitzenartige Netzstruktur, die keine Kornstruktur zeigt, und die Mikro analyse ergibt, dass diese Phase reich an Molybdändisulfid ist.
Phase 2 ist aus hellgrauen Gebieten zusammengesetzt, die eine nahezu ovale Form haben und normalerweise von Material der Phase 3 umgeben sind und unregelmässige Einschlüsse von Material der Phase 4 enthalten. Die Mikro analyse zeigt, dass die Gebiete der Phase 2 reich an Tantal sind; diese Phase zeigt ebenfalls eine Kornstruktur.
Phase 3 ist ein dunkelgraues Gebiet in dem gesamten Material, welches eine feine Kornstruktur hat; durch Polieren lässt sich zeigen, dass diese Gebiete weich sind und innerhalb der Körner leicht brechen. Die Mikroanalyse zeigt, dass diese Gebiete einen veränderlichen Gehalt an Molybdändisulfid haben.
Phase 4 dieses Materials ist ein tief dunkelgraues Gebiet von unregelmässiger Form und verhältnismässig geringer Grösse. Die chemische Zusammensetzung dieser Phase konnte wegen der geringen Grösse und der unregelmässigen Form dieser Gebiete nicht durch Mi kroanalyse bestimmt werden. Im allgemeinen zeigt ein Querschnitt dieses Materials eine ziemlich gleichmässige Verteilung von Molybdändisulfid und Tantal.
Röntgenbeugungsuntersuchungen wurden auch mit Materialien der Klasse III ausgeführt, welche die vier Komponenten Molybdändisulfid, Kohlenstoff, Tantal und ein anderes Metall, das aus Eisen, Nickel, Chrom und Kobalt gewählt ist, enthalten. Diese Materialien zeigten eine Struktur, welche aus mindestens drei Phasen bestand, wobei die erste Phase ein helleres Gebiet mit einer Netzstruktur aus Molybdändisulfid ist, das durch schmale, ovale Gebiete einer zweiten, tantalreichen Phase umgeben ist. Die tantalreichen Gebiete zei gen eine übermässige Kornentwicklung ähnlich einem metallischen Material. Die Verteilung der anderen Metalle (Eisen, Nickel, Chrom oder Kobalt) scheint den Molybdändisulfidgebieten zu folgen. Die dritte Phase erscheint als ein kleines helles Gebiet mit unregelmässiger Form, dessen Zusammensetzung nicht genau bestimmt werden konnte.
Die physikalischen Eigenschaften der Beispiele von Materialien gemäss der Erfindung, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt wurden, wurden in der folgenden Weise gemessen:
Biegeversuche
Die Biegeversuche wurden mit stangenförmigen Proben von annähernd 50,8 X 7,6 X 2,5 mm ausgeführt. Es wurden im allgemeinen drei Tests vorgenommen, indem man eine Stange, die von Schneiden im Abstand 38,1 mm getragen wurde, in der Mitte belastete. Die Biegespannung wurde aus der folgenden Gleichung berechnet: 3 3 Pi
F8 =
2 = 2 Wt2 worin P die Bruchlast in kg, i die Stützweite zwischen den Schneiden in cm, W die Breite der Stange in cm und t die Dicke der Stange in cm darstellen.
Druckversuche
Eine gebrochene Biegeteststange wurde zu zwei Probekörpern von 7,6 X 7,6 X 2,5 mm für den Druckversuch zerspant. Die Probekörper wurden zwischen zwei gehärtete Stahlplatten gelegt und in einer Testmaschine bei 1,27 mm/min bis zum Versagen belastet.
Verschleissversuche
Die Verschleissversuche wurden ausgeführt, indem man die schmale Kante einer stangenförmigen Probe mit rechteckigem Querschnitt und den Abmessungen 17,8 X 7,6 X 2,5 mm unter Belastung gegen eine Welle mit 50,8 mm Durchmesser aus gehärtetem rostfreiem Stahl 440 C (Rc 58) drückte, welche mit 1750 Umdrehungen pro Minute (274 m/min) rotierte. Die Verschleissprobe wurde mit 2,268 kg Last gegen die Welle gedrückt und während 100 min in Berührung mit der- selben gehalten. Die Messwerte der Breite der Verschleissspur wurden verwendet, um das Verschleissvolumen des zusammengesetzten Materials zu berechnen.
Reibungsversuche
Die Messwerte der Reibung wurden erhalten, indem man eine Probe unter Belastung gegen den Umfang einer rotierenden Stahlscheibe aus Stahl 440 C (Rc 58) presste. Die Messungen wurden bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 884 mimin vorgenommen. Das Reibungsverhalten dieser Materialien ist eine Funktion mehrerer verschiedener Faktoren, deren wichtigste die folgenden sind:
: Faktor allgemeiner Einfluss Molybdändisulfidgehalt in Gew.-O/o unter festgehaltenen Bedingungen nimmt die Reibung mit zunehmendem Molybdändisulfidgehalt ab Last (Beanspruchung) der Reibungskoeffizient nimmt mit zunehmender
Beanspruchung ab Oberflächengeschwindigkeit die Reibung nimmt mit zunehmender Oberflächen geschwindigkeit ab Härte des mit dem vorliegenden Material ineinander- die Reibung nimmt mit zunehmender Oberflächengreifenden Materials härte ab Oberflächenbeschaffenheit des mit dem vorliegenden die Reibung nimmt mit abnehmender Oberflächen Material ineinandergreifenden Materials rauhigkeit ab Atmosphäre die Reibung nimmt in Abwesenheit von Luft ab
Das Reibungsverhalten hängt auch von den spezifischen Elementen in der Metallgrundmasse ab.
Durch Zugabe von Bor in Mengen von 4 Gew.-O/o oder weniger ergeben sich bei geringen Molybdändisulfidgehalten die niedrigsten Reibungswerte.
Der Verschleiss der zusammengesetzten Materialien hängt auch mit den oben genannten Faktoren zusammen, welche das Reibungsverhalten beeinflussen. Ein Material, welches bei einer Gruppe von Arbeitsparametern (Last, Geschwindigkeit, Härte und Oberflächenbeschaffenheit des mit dem vorliegenden Material ineinandergreifenden Materials und Atmosphäre) einen minimalen Verschleiss zeigt, wird wahrscheinlich keinen minimalen Verschleiss aufweisen, wenn irgendeiner dieser Faktoren in erheblichem Umfang geändert wird; im allgemeinen sind Materialien mit hohem Molybdändisulfidgehalt (über 75 /o) am besten für die Verwendung bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten (bis 3660 m/ min) und bei geringen Beanspruchungen (unter 35 kg/ cm2) geeignet.
Für die Verwendung bei hohen Beanspruchungen (700 kg/cm2) und geringen Oberflächengeschwindigkeiten (3 m/min oder weniger), eignen sich Materialien mit 20 bis 50 0/o Molybdändisulfidgehalt, welche minimalen Verschleiss zeigen.