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.
Solid lubricating material with a self-lubricating component
The present invention relates to a solid lubricating material based on a self-lubricating component which is present within a matrix of refractory metal and carbide.
This material generally has high strength, low friction and low wear.
In addition, depending on the composition of the particular material, these self-lubricating materials have various degrees of electrical conductivity ranging from electrical insulators to good electrical conductors. These self-lubricating materials can be used under high stress in air, in a vacuum or in inert atmospheres within a temperature range of - 250 to 13200 C.
Several self-lubricating solid materials are already known which have good lubricating properties and low shear strength. Typical examples are molybdenum disulfide, molybdenum diselenide, tungsten disulfide and graphite. In general, these materials are suitable for applications where low friction is desired under light stress. However, if the system is subjected to a high load, these known materials cannot withstand the high loads, so that their use under such circumstances leads to an early failure of the lubricating system.
With the possible exception of graphite, these known solid self-lubricating materials are poorly tolerant of high temperatures and cannot be used in systems that are exposed to temperatures in excess of 1000ºC. Prior to these known materials, only graphite alone has a substantial electrical conductivity, but cannot be used in systems operating in a vacuum, since the graphite particles have an abrasive effect under vacuum.
The known self-lubricating materials are therefore suitable for a relatively limited area of application, but cannot be used under more extreme working conditions with high loads, high temperatures and vacuum. Furthermore, the electrical conductivity properties are primarily fixed for each specific material. Therefore, the known self-lubricating materials cannot be used to lubricate systems that have to work under more extreme conditions, but external lubrication must be provided. The disadvantages of external lubrication are obvious: high maintenance costs, contamination, evaporation, uneven application, etc.
The use of external lubrication is particularly difficult in systems that have electrical, electronic and optical elements that have to work in a vacuum. While the above-mentioned extreme working conditions, for which the known self-lubricating materials are not suitable, have so far rarely occurred, these conditions are now typical for space technology, so that the need to provide lubricating materials which are suitable for these harsh working conditions, has now become very urgent.
The high-strength properties of the self-lubricating materials present in the solid state according to the invention are primarily achieved by incorporating a difficult-to-melt metal into the material, so that during processing under pressure and at high temperatures, the difficult-to-melt metal present in the molds Carbon combined to form carbides.
The material also contains molybdenum disulfide, which imparts lubricity. Thus, by combining high-strength, carbide-forming, difficult-to-melt metals with a self-lubricating material, which is generally characterized as a material with low strength and low temperature resistance, the end product obtained is a material that has exceptional compressive and flexural strength as well as low friction and low wear .
The materials according to the invention can either be produced in their final form or produced in large pieces and later machined to their final dimensions.
In any case, the materials have structural properties which enable them to be used under high loads, at high temperatures and in a vacuum.
Although molybdenum disulfide generally exhibits high electrical resistance, its incorporation into the material does not destroy the electrical conductivity which results from the difficult-to-melt metals. The electrical conductivity of the end product depends on which difficult-to-melt metal or which combination of difficult-to-melt metals has been incorporated into the material. By varying the ingredients, an end product can be obtained which has any electrical properties within a wide range from good electrical insulators to good electrical conductors.
Three classes of materials meet the objectives of the invention, which contain the following components in different defined weight ratios:
1. A first class of materials includes molybdenum disulfide or molybdenum disulfide-containing materials, a carbide-forming material selected from molybdenum, niobium, tantalum, tungsten and combinations of these materials, and carbon, a portion of which is in the form of metal carbides.
2. A second class of materials contains molybdenum sulfide or mulybdenum disulfide-containing materials as a self-lubricating material, a carbide-forming material which is selected from molybdenum, niobium, tantalum, tungsten and combinations of these materials, carbon, some of which is in the form of metal carbides, and additionally a boron component which is either in the form of a solid solution of boron or in the form of free boron or in both forms.
3. A third class of materials contains molybdenum disulfide or materials containing molybdenum disulfide as a self-lubricating component, a carbide-forming material which is selected from molybdenum, niobium, tantalum, tungsten and combinations of these materials, carbon, some of which is in the form of metal carbides, and additionally a boron component either in the form of a solid solution of boron or in the form of free boron or in both forms and a metal component with a substantially lower melting point than the carbide-forming metals, which is selected from iron, nickel, chromium, cobalt and combinations of these metals.
The following are examples of the composition of such materials in percent by weight: Class I
Material 1 component by weight / o molybdenum disulfide (MoS2) 20.0 -97.0 carbon (C) * 0.01-10.0 molybdenum (Mo) 2.99-80.0
Material 2 Molybdenum Disulfide (MoS2) 20.0-97.0 Carbon (C): 0.01-10.0 Niobium (Nb) 2.99-80.0
Material 3 Molybdenum Disulfide (MoS) 20.0 -97.0 Carbon (C) * 0.01-10.0 Tantalum (Ta) 2.99-80.0
Material 4 molybdenum disulfide (MoS2) 20.0-97.0 carbon (C):
: 0.01-10.0 tungsten (W) 2.99-80.0
Material 5 Molybdenum disulfide (MoS2) 20.0 -97.0 Carbon (C) 0.01-10.0 Molybdenum (Mo) at least 0.01 Tantalum (Ta) at least 0.01 Mo + Ta 2.99-80.0
Material 6 Molybdenum disulfide (MoS2) 20.0 -97.0 Carbon (C) * 0.01-10.0 Molybdenum (Mo) at least 0.01 Tungsten (W) at least 0.01 Mo + W 2.99-80, 0
Material 7
Component weight 0 / o
Molybdenum disulfide (MoS2) 20.0 -97.0
Carbon (C) * 0.01-10.0
Molybdenum (Mo) 0.01-80.0
Niobium (Nb) at least 0.01
Tantalum (Ta) at least 0.01
Tungsten (W) at least 0.01 Mo + Nb + Ta + W 2.99-80.0
Class n
Material 1
Molybdenum disulfide (MoS2) 20.0 -97.0
Carbon <RTI
ID = 2.21> (C) * 0.01-10.0
Boron (B) 0.01-5.0
Molybdenum (Mo) 2.99-80.0
Material 2
Molybdenum disulfide (MoS2) 20.0 -97.0
Carbon (C) 0.01-10.0
Boron (B) 0.01-5.0
Niobium (Nb) 2.99-80.0
Material 3
Molybdenum disulfide (MoS2) 20.0 -97.0
Carbon (C) * 0.01-10.0
Boron (B) 0.01-5.0
Tantalum (Ta) at least 0.01
Tungsten (W) at least 0.01
Ta + W 2.99-80.0 of which at least a part is in the form of metal carbides.
Material 4
Component weight o / c
Molybdenum disulfide (MoS2) 20.0 -97.0
Carbon (C) 0.01-10.0
Boron (B) 0.01-5.0
Niobium (Nb) at least 0.01
Tantalum (Ta) at least 0.01
Tungsten (W) at least 0.01
Nb + Ta + W 2.99-80.0
Class III
Material 1
Molybdenum disulfide (MoS2) 45.0 -90.0
Carbon (C) * 0.01-10.0
Tantalum (Ta) 2.99-55.0
Iron (Fe) 0.1-53.0
From the above table of materials according to the invention it can be seen that all of these materials contain lybdenum disulfide, which is primarily responsible for the self-lubricating properties of the end products.
Instead of molybdenum disulfide, other self-lubricating materials could be used in these materials; a typical replacement would be tungsten disulfide. However, tungsten disulfide is considerably more expensive than molybdenum disulfide, while tests performed with tungsten disulfide-containing materials have shown that the materials do not have better properties than molybdenum disulfide-containing materials, which could justify the increased cost.
The self-lubricating properties of molybdenum disulfide, when used alone or in combination with other materials, are well known to those skilled in the art. The crystals of molybdenum disulfide show a plate structure, with successive layers of molybdenum atoms arranged in such a way that two successive layers of sulfur atoms are between each two layers of molybdenum atoms. A large crystal of molybdenum disulfide is therefore made up of layers of molybdenum bound by strong ionic bonds to adjacent layers of sulfur, while the adjacent sulfur layers are held together by weak homeopolar bonds.
While the sulfur layers exert only a weak attraction to one another to form a complete crystal of molybdenum disulfide, the sulfur atoms have a much greater affinity for metals, so that the molybdenum disulfide plates bond fairly tightly to metals under certain conditions. The sulfur atoms, which have a weak affinity for one another, are held by a force which is not as great as that which binds the sulfur to the metal, and even not as great as the forces of adhesion between metal and metal. Therefore, the present sulfide serves as a lubricant; it is because of this mechanism of lubrication that molybdenum disulfide is often said to have lubricating properties.
This is intended to mean that when a material containing molybdenum disulphide is brought into sliding contact with a material not containing molybdenum disulphide, the weak bond between the sulfur atoms of the molybdenum disulphide crystals compared to the larger,
Material 2
Part of weight / o
Molybdenum disulfide (MoS2) 45.0 -90.0
Carbon (C) * 0.01-5.0
Tantalum (Ta) 2.99-55.0
Nickel (Ni) 0.1-53.0
Material 3
Molybdenum disulfide (MoS2) 45.0 -90.0
Carbon (C) * 0.01-10.0
Tantalum (Ta) 2.99-55.0
Chromium (Cr) 0.1 -53.0
Material 4
Molybdenum disulfide (MoS2) 45.0 -90.0
Carbon (C) * 0.01-5.0
Tantalum (Ta)
2.99-55.0
Cobalt (Co) 0.1 -53.0 * of which at least a part is in the form of metal carbides.
between the sulfur atoms and the atoms of the new metal will yield to existing forces.
According to this mechanism, part of the molybdenum disulfide is lubricated or transferred to the surface of the new metal. This lubricant transfer mechanism is found in all materials according to the invention and is particularly important when used in a vacuum.
Lubrication problems in vacuum might appear no different to lubrication problems in air on initial inspection, but in fact vacuum conditions pose more difficult problems and cause any device to wear out more quickly than working in air. Any device made of metal and operated in a vacuum behaves differently than the same device operated in air.
It has been found that the absence of an oxide film on the surfaces of the parts of the device causes metal cohesion between the various parts of the device when it is operated in a vacuum. The metal shows adhesion or cohesion with other metal surfaces if a cohesive contact with the other metal surfaces is established and broken during operation. The transfer of metal particles from one surface to the other occurs quickly, so that visible pitting occurs after a short period of operation. This causes the metal surfaces to become rough, which increases the generation of noise and also increases the energy required for operation.
In air, this cohesion, which causes the roughening of a bearing in a vacuum, does not occur because of the presence of an oxide film on the surface of the metal.
When a normal lubricant is applied to the surfaces of metal devices operated in a vacuum, the lubricant evaporates because of its high vapor pressure. Therefore, the lubricant will have disappeared after a short period of operation. The use of a self-lubricating material such as molybdenum disulfide in vacuum devices alleviates the problems caused by cohesive erosion. Every time the molybdenum disulfide comes into contact with an interlocking metal surface, a minute amount of the molybdenum disulfide is transferred to the interlocking metal surface, thereby preventing cohesive erosion.
In this way, the molybdenum disulfide performs about the same function under vacuum conditions as the oxide surface film does under atmospheric conditions. In addition, however, the molybdenum disulfide has better lubricating properties than the oxide surface films, so that in air operated devices, the incorporation of molybdenum disulfide as a lubricant greatly reduces the coefficient of friction between the interlocking surfaces.
From the discussion above, it can be seen that the use of molybdenum disulfide as a self-lubricating material in mechanical devices that operate in either a vacuum or air is very desirable. However, serious difficulties arose in introducing this lubricant. Although molybdenum disulfide has considerable resistance over a wide range of operating temperatures, this material lacks many of the metallic properties that are essential for mechanical applications, such as ductility, compressive strength, tensile strength, compressibility or rollability, impact resistance and resistance to brittle failure.
Considerable effort has been made by industry to develop a suitable matrix in which the molybdenum disulfide could be suspended in order to expand the scope of molybdenum disulfide. In order for this matrix to be usable successfully, it must impart the above mechanical properties to the material and also allow the molybdenum disulfide to impart its lubricity, lubricant transfer properties and high temperature properties to the resulting material.
An example of a matrix developed to achieve these goals is iron, with which molybdenum disulfide has been combined to produce a material that retained the lubricity properties of molybdenum disulfide as well as many of the structural properties of iron. Unfortunately, iron also retained some of its undesirable properties in the resulting material, namely, its sensitivity to oxidation, thereby limiting the scope in which the resulting material could be used.
Many of the difficulties associated with using iron have been alleviated by replacing iron with nickel, as also suggested in this patent; However, even the use of nickel did not allow the full range of properties which are inherent in molybdenum disulfide to be exploited.
Extensive research has been carried out to determine the maximum temperature at which molybdenum disulfide could be sintered without causing decomposition of the molybdenum disulfide during the sintering operation. It was discovered that by exerting a pressure of 350 kg / cm2 on the molybdenum disulfide during sintering, the decomposition of the molybdenum disulfide at temperatures up to 18,150 ° C. could be prevented. This result was unexpected in that molybdenum disulfide normally decomposes at a temperature between 1090 and 12100 C at atmospheric pressure.
After it was discovered that molybdenum disulfide could withstand unexpectedly high sintering temperatures, it was clear that by using either iron or nickel as a binder in the matrix, not all of the possibilities of molybdenum disulfide could be exploited.
This was made possible by the materials according to the invention, which contain molybdenum disulphide as a lubricant and a hard-to-melt metal as a binder for the base material. Chemical analyzes of these materials show that when graphite molds are used to produce these materials at high temperatures and pressures, carbon from the molds combines with the refractory metal and forms a carbide. Further investigations showed that the hard carbide particles of the self-lubricating materials were coated with a relatively soft layer of molybdenum disulfide. This unexpected metallurgical arrangement appears to be primarily responsible for the extremely low wear values that these materials exhibit.
In addition, certain of these materials can withstand pressure loads in excess of 17,600 kg / cm2, while others can be operated at sliding surface speeds of 3660 m per minute.
The temperature range within which these materials can be used is also impressive. Many of these materials can be used up to 4000 C in air and up to 13200 C in vacuum. In terms of usability at low temperatures, liquid hydrogen was used at -2500 C. These materials have also been shown to have unique electrical properties. Materials which can be characterized either as good conductors of electrical current or as good insulators can be produced, whereby the control of the electrical properties can be effected by varying the composition of the selected metal matrix.
These results can be obtained although molybdenum disulfide per se does not have good electrical conductivity and, in fact, has such a high degree of electrical resistance that it serves as an insulator in many systems when it is desired to prevent electrical conduction. It should also be noted that the refractory metals used in these materials are not known for their electrical conductivity; Although graphitic carbon is generally known to have low electrical resistance, it often exhibits directional electrical conductivity.
In contrast, the metal carbides formed in the matrix of the materials according to the invention do not show any direction-dependent properties, and the combination of these with the strongly insulating molybdenum disulfide has the unexpected result that the materials have excellent electrical conductivity.
In the materials from the above-mentioned second class, small additions of boron of up to 5% by weight have been added to the matrix in order to further improve their structural properties. It is believed that the boron component enters the matrix in the form of a solid solution, possibly with the formation of some metal boride. It has been found that relatively low boron additions of approximately 1% by weight increase the compressive strength of certain materials considerably, while boron additions of more than 5% by weight resulted in a reduced compressive strength. In addition, there is certain evidence that the boron component serves as a lubricant during the manufacturing process, resulting in a material with a greater degree of compression than would otherwise be available.
In addition to the components molybdenum disulphide, carbon and tantalum, the materials from Class III above contain another metal component selected from iron, nickel, chromium and cobalt. The main purpose of incorporating these materials into the matrix is to provide lubrication during the manufacturing process. These metals have melting points significantly lower than the carbide-forming metals and their presence does not significantly improve the structural properties of the resulting matrix. Their main role is to act as a lubricant during the manufacturing process so that greater compaction of the resulting matrix can be achieved. It must be admitted that the Class III materials have certain limitations due to the addition of these components.
In particular, the materials of class III are not able to withstand as high application temperatures as the materials of classes I and II. Furthermore, those materials of class III, which contain nickel and chromium, showed considerably higher wear rates than the materials of classes I and II In the manufacture of Class III materials, the iron, nickel, chromium or cobalt are in a molten state. It was discovered that because of the high pressure applied during manufacture, these molten metals are squeezed towards the outer edges of the material and come into contact with the molds.
Certain reactions occur between the molten metal and the graphite molds which accelerate the wear and tear of the molds and damage them, so that they cannot be used for more than 3 or 4 manufacturing operations. Therefore, Class III materials should not be used if it is desired to manufacture many of the same parts.
In the following, various practically applicable procedures for producing the present materials by hot pressing or compacting the composite material are described, although the materials can of course also be produced in other ways without significantly affecting the properties of the end products.
The self-lubricating component molybdenum disulfide can be used in powder form with a wide variety of particle sizes; Particle sizes in the range of 7 to 64 microns have been used with success in making the materials. The molybdenum disulfide powder used as the self-lubricating component was analyzed and found to contain, in addition to molybdenum disulfide, a petroleum-based oil in an amount of 0.02 to 0.05% by weight.
It is believed that the petroleum based oil contributes to the carbon content of the final products. The metal powders molybdenum, tantalum, niobium and tungsten used in the Class I materials, as well as the boron used in the Class II materials and the iron, nickel, chromium and cobalt used in the Class III materials were obtained commercially and had a purity of more than 99.9 / 0. Although all metal powders with a particle size of 0.044 mm have been used, in practice any particle size that can be sintered can be used.
After appropriate amounts of the components to be used have been weighed out, the metal powders (if more than one metal component is used) are first mixed together before they are mixed with the molybdenum disulfide component.
The following methods were used to mix the metal powders with the molybdenum disulfide and satisfactory materials were obtained:
1. Sieving: The powder mixture is sieved through a sieve with a mesh size of 0.149 mm into collecting trays and transferred to a container, whereupon the sieving procedure is repeated two more times. The powder is then converted into the graphite form.
2. Automatic Mortar: The powder mixture is placed in an alumina mortar and sufficient acetone is added to make a flowable slurry. An alumina pestle is placed in the mortar and automatic mixing begins. Mixing is continued for 20 minutes with periodic addition of acetone to maintain a slurry; however, no acetone is added during the last 5 minutes of automatic mixing, so that the mixture is processed into a thick paste. The pasty mixture is removed from the mortar with a spatula and dried in a vacuum oven at approximately 735 mm of mercury and 93 ° C for 1 hour.
The dried powder is then sieved through a sieve with a mesh size of 0.177 mm and brought into a graphite form.
The graphite form used for the sintering process is the source of the carbon, which goes into the end product and forms carbides with the difficult-to-melt metals. The amount of carbon entering the end product is controlled by the duration of the hot pressing operation.
For the hot-pressing operation, the powder mixture is brought into the graphite mold, after which the molding device is initially brought to a temperature of 1490 C with the help of a typical induction heating coil and for a long enough time to drive off any water vapor that could be contained in the powder this temperature is maintained. The length of time it takes to dry is not critical; it normally takes about 5 minutes to dry.
For the production of materials according to the invention from classes I and II, the following process steps are applicable, while the process steps suitable for the production of materials of class III will be described in detail later.
After the molding device has been held at 1490 C for approximately 5 minutes in order to drive off any trapped water vapor, the temperature of the molding device is increased to 1370 to 17600 C and a pressing load of between 70 and 635 kg / cm2 is achieved with the aid of a hydraulically operated cylinder or a dead weight lever system exerted on the graphite mold containing the powder mixture from Class I or II. This pressure is applied in two stages as follows:
First, half of the intended ultimate pressure load is applied and maintained until the temperature of the device has risen to the sintering temperature.
This usually takes about 20 minutes, the exact duration depending on the size of the molds and the energy of the induction heater. When the sintering temperature is reached, the full pressing load is applied and maintained for a time which can be up to 30 minutes. The duration of the application of the full pressing load determines the grain size and the carbon content of the end product, with longer pressing times producing larger grain sizes and higher carbon contents. Good sintering results were obtained when the full pressing load was applied for a period of 10 minutes.
In the manufacture of materials according to the invention from Class III, after the molding device has been held at 1490 C for approximately 5 minutes to drive off the water vapor, a load between 70 and 635 kg / cm2 with the aid of a hydraulically operated cylinder or a Dead weight lever system exerted on the molding device.
After the load has been applied, the temperature is increased to 1090 to 14800 C within a period of 2 to 10 minutes, the exact duration depending on the force available and the size of the mold. When the sintering temperature is reached, the temperature is maintained for 2 to 10 minutes.
After the sintering of either Class I or II or Class III materials is complete, the induction heater is turned off and the mold is allowed to cool to room temperature. The load can be removed from the molds immediately after switching off the heating device if, due to the difference between the thermal expansion of the materials and the mold, there is a risk of splintering or destruction in some other way during cooling. If there is no such hazard, the load will generally not be removed until the molding apparatus has cooled to a temperature of approximately 1490 ° C in order to obtain a stronger, compact material.
In all cases, the induction furnace is purged with argon, nitrogen or another inert gas before and during the hot-pressing operation, thereby ensuring that there is an inert atmosphere around the mold which prevents the powder mixture and the mold itself from oxidizing.
Specific examples of the materials according to the invention now follow, along with some physical and electrical properties thereof. The manner in which these properties were determined will be described later.
example 1
The following material, a typical material 1 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 and at a temperature of 17600 C as described above.
Ingredient wt. # O / o
Molybdenum disulfide (MoS2) 79.3
Carbon (C) 0.9
Molybdenum (Mo) 19.8
Tests carried out on samples of material 1 from class I show that the physical and electrical properties of this material are somewhat dependent on variations in the manufacturing process, to an extent that could not be observed for other materials according to the invention. Nevertheless, it was found that this example provides a material with exceptionally good wear properties, a value of 16 × 10-5 cm3 / 100 min being measured when the test sample originally had linear contact with the test surface, the latter having a surface speed of 274 m / min moved. The test sample showed a compressive strength of over 3023 kg / cm2 and a coefficient of friction of 0.07.
As for electrical properties, the product of this example showed an electrical resistance of 1.5x10-4 ohm / cm. From these measurements it can be seen that this embodiment of the material according to the invention can be used in particular when low wear is most important, while friction and electrical conductivity are of less importance.
Example 2
The following material, a typical material 2 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 and at a temperature of 16500 C as described above.
Molybdenum disulfide (MoS2) 69.8
Carbon (C) 0.6
Niobium (Nb) 29.6
An analysis of the composition of many formulations of Material 2 from Class I shows that the samples with higher molybdenum disulfide content also show higher carbon contents, which proves that some of the molybdenum disulfide is converted to molybdenum carbide during the manufacturing process. The samples with low molybdenum disulfide content, i.e. H. 30 to 50 percent by weight, show a very low electrical resistance of 1.2X10-4Ohm / cm. The material obtained in this specific example shows a high compressive strength of 9632 kg / cm2 with a low coefficient of friction of 0.045. This material is suitable for applications where low friction under high load conditions is desired.
Example 3
The following material, a typical material 3 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 as described above
Molybdenum disulfide (MoS2) 79.2
Carbon (C) 1.0
Tantalum (Ta) 19.8
It was found that the compressive strength of the material of this example depends somewhat on the temperature at which the material was hot-pressed.
If, for example, a material with the composition according to this example was hot-pressed at a temperature of 1370 ° C., a relatively low compressive strength of 408 kg / cm 2 was measured. Another test sample, which was identical to the first sample with the exception of the hot-pressing temperature, which was 16500 C, showed a compressive strength of
1687 kg / cm2. Both test samples showed an electrical resistance of approximately 3.1 x 10-4 ohms / cm.
Example 4
The following material, a typical material 3 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 14800 C as described above
Part O / o by weight
Molybdenum disulfide (MoS2) 69.3
Carbon (C) 1.0
Tantalum (Ta) 29.7
This example is remarkable because the material has extremely good friction and wear properties when used against a titanium alloy containing 6% aluminum and 40% vanadium. The material of this example shows a flexural strength of 958 kg / cm2 and has a coefficient of friction in the range between 0.19 and 0.25 at low surface speeds. At higher surface speeds (457 m / min) the coefficient of friction is 0.04 to 0.08.
A ball cage for a ball bearing with a 20 mm bore was also made from the material of this example. The bearing was operated in air at room temperature with an axial load of 4.5 kg applied at 3450 revolutions per minute. After it had been in operation for 10 088 hours, the ball cage and the bearing device showed extremely little wear.
Example 5
The following material, a typical material 4 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 17600 C as described above.
Molybdenum disulfide (MoS2) 79.1
Carbon (C) 1.1
Tungsten (W) 19.8
In general, formulations of material 4 from class I with a high molybdenum disulfide content (approximately 80% by weight) have the highest electrical resistance of all materials according to the invention. Thus, while one of the primarily desirable advantages of the invention is that one can make self-lubricating materials with a high degree of electrical conductivity, the electrical conductivity can be modified by choosing appropriate compositions. This procedure could be used in the manufacture of an electrical switch with sliding contacts with low friction, by making the composition of the material chosen for the contacts alternately different.
Accordingly, the contacts would alternately have high and low electrical conductivity, which enables a switching function via paths with high and low electrical conductivity. The material produced in this example has a relatively high electrical resistance of more than 4100 X 10-4 ohm / cm, which is associated with a rather low coefficient of friction of 0.07. This material is suitable for applications where low friction and low electrical conductivity are required.
Example 6
The following material, a typical material 4 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at a temperature of 17600 C as described above.
Part O / o by weight
Molybdenum disulfide (MoS2) 19.9
Carbon (C) 0.2
Tungsten (W) 79.9
The material of this example has a high content of metallic tungsten, so that due to the well-known good properties of tungsten at high temperature, it can be expected that this material will also exhibit excellent properties at high temperature. The material of this example has a flexural strength of 2039 kg / cm2 and an electrical resistance of 0.33 X 10-4 ohm / cm.
Example 7
The following material, a typical material 5 from class I, was hot-pressed under a pressure of 562.5 kg / cm2 at 15400 C as described above.
Molybdenum disulfide (MoS2) 79.1
Carbon (C) 1.2
Molybdenum (Mo) 14.8
Tantalum (Ta) 4.9
This material has exceptional frictional properties when used slidingly in conjunction with a copper surface. The lubricant transfer was extremely good, with the excess of the transferred lubricant being removed from the copper surface interlocking with the material because of the relatively high carbide content. The electrical resistance of the material is 14.9 X 10-4 ohm / cm. Accordingly, the material is suitable for electrical sliding contacts or the brushes of electric motors that are used in connection with a copper commutator.
Example 8
The following material, a typical material 5 from class I, was hot-pressed under a pressure of 632.8 kg / cm2 at 14550 C as described above.
Molybdenum disulfide (MoS2) 44.7
Carbon (C) 0.7
Molybdenum (Mo) 14.9
Tantalum (Ta) 39.7
The material in this example shows excellent behavior as a self-lubricating material under high loads and at high surface speeds. In addition, it shows relatively constant low friction within a wide range of stress values. A self-lubricating material produced according to this composition can be used successfully as a slide bearing or a ball slide bearing. These excellent wear properties were proven by producing a spherical plain bearing 19 mm in diameter and testing it in air at 21.10 ° C. The bearing was made to vibrate an angle of +7.50 at a rate of 200 vibrations per minute while bearing a load of 141 kg / cm2.
After 10 X 106 oscillations, the wear measured on the ball bearing was only 0.58 mm. The electrical resistance of this material is 1.23 X 10 - ohm / cm.
Example 9
The following material, a typical material 6 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 14800 C as described above.
Part O / o by weight
Molybdenum disulfide (MoS2) 49.6
Carbon (C) 0.9
Molybdenum (Mo) 39.6
Tungsten (W) 9.9
If the content of the molybdenum disulfide component in formulations of material 6 from class I is varied from approximately 40 to 95% by weight, the electrical resistance can be continuously, but not linearly, from 1.1 × 10 -4 ohm / cm to 3 , 1 x 10-4X 10-4 ohm / cm can be varied. In this way, the electrical resistance properties can be regulated by controlling the composition of the material while maintaining the self-lubricating properties.
The electrical resistance of the material of this example is 1.1 X 10-4 ohms / cm, and it was found that the wear and the friction of this material were pleasingly low.
Example 10
The following material, a typical material 6 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 17600 C as described above.
Molybdenum disulfide (MoS2) 79.1
Carbon (C) 1.1
Molybdenum (Mo) 13.9
Tungsten (W) 5.9
This material has an electrical resistance of 3.1 X 10-4 ohms / cm and is a relatively inexpensive self-lubricating material to be produced. It is therefore logical to use this material for purposes where a low price is desired.
Example 11
The following material, a typical material 7 from class I, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 15100 C as described above.
Molybdenum Disulfide (MoS2) 39.8
Carbon (C) 0.5
Molybdenum (Mo) 14.9
Niobium (Nb) 14.9
Tantalum (Ta) 14.9
Tungsten (W) 14.9
In general, the formulations of material 5 from class I have a widely varying resistance, with resistances of 0.41 × 10-4 ohm / cm to 17.0 × 10-4 ohm / cm being measured for special samples. These variations in electrical resistance appear to be related to the tungsten content of the present materials, with the higher tungsten materials also having higher electrical resistances. The material of the present example has an electrical resistance of 0.41 X 10-4 ohm / cm and has a relatively high coefficient of friction of 0.14, which is accompanied by a very low rate of wear.
These friction and wear properties together with a high compressive strength of 13 218 kg / cm2 show that the material of this example is suitable for use in braking devices that operate under high stress and high temperature.
Example 12
The following material, a typical material 1 from class II, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 15950 C as described above.
Component weight o / o
Molybdenum disulfide (MoS2) 79.2
Carbon (C) 1.0
Boron (B) 0.5
Molybdenum (Mo) 19.3
The material of this example showed an extremely low wear rate of 29.5 x 10-5 cm8 / 100 min when the sample was originally brought into linear contact with a test surface made of stainless steel, which was moving at a surface speed of 274 m per minute . For comparison purposes, it should be stated that for other examples of material 1 from class II wear rates of 100.0 × 10-3 cm3 / 100 min were measured.
Example 13
The following material, a typical material 2 from class II, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 15100 C as described above.
Molybdenum Disulfide (MoS2) 29.8
Carbon (C) 0.7
Boron (B) 0.5
Niobium (Nb) 69.0
Small amounts of boron in the order of magnitude of 0.5% in formulations of material 2 on class II result in a self-lubricating material which has an extremely high compressive strength. In an example of a material 2 from class II with 20% by weight of molybdenum disulfide, the addition of 0.5% by weight of boron resulted in a material with a compressive strength of over 17 577 kg / cm2. However, larger additions of boron reduced the compressive strength considerably: an example of such a material with the same molybdenum disulfide content, but with 5% by weight of boron, had a compressive strength of 8085 kg / cm2.
As tests have shown, the material of the present example has a relatively high compressive strength of 17,296 kg / cm2 and a coefficient of friction of 0.042. The high niobium content of this material is believed to be responsible for the high flexural strength of 3164 kg / cm2.
The electrical resistance of the material of this example is 0.33 X 10-4 ohms / cm. From these measured values it can be seen that the material is particularly suitable for applications in which very high stresses occur and a reasonable degree of electrical conductivity is desired.
Example 14
The following material, a typical material 3 from class II, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 16500 C as described above
Molybdenum disulfide (MoS2) 90.2
Carbon (C) 0.9
Part O / o by weight
Boron (B) 3.0
Tantalum (Ta) 3.0
Tungsten (W) 3.0
Laboratory tests show that the material of this example has a very low coefficient of friction of 0.025, so that it is suitable for various surfaces which are exposed to high surface speeds. The electrical resistance of this example was somewhat higher than most of the other materials according to the invention and was 25.5 X 10-4 ohms / cm.
Example 15
The following material, a typical material 4 from class II, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 16500 C as described above.
Molybdenum Disulfide (MoS2) 91.2
Carbon (C) 0.9
Boron (B) 0.5
Niobium (Nb) 2.0
Tantalum (Ta) 3.5
Tungsten (W) 2.0
Friction measurements on various formulations of material 4 from class II showed that the coefficient of friction remained relatively constant even when the production temperature and the molybdenum disulfide content were varied. The coefficient of friction of the material of this example is 0.032, which value is expected to remain fairly stable over a wide range of working conditions. The material in this example has an electrical resistance of 8.1 X 10-4 ohms / cm.
Example 16
The following material, a typical material 4 from class II, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at 15100 C as described above.
Molybdenum Disulfide (MoS2) 39.8
Carbon (C) 0.5
Boron (B) 4.0
Niobium (Nb) 18.6
Tantalum (Ta) 18.6
Tungsten (W) 18.6
The material of this example has a coefficient of friction of 0.050 and an electrical resistance of 0.86 X 10-4 ohms / cm. Other tests show that this material is particularly suitable for devices which are used under extreme temperature and pressure conditions and other extreme environmental conditions.
Example 17
The following material, a typical material 1 from class III, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at approximately 12900 C as described above.
Molybdenum Disulfide (MoS2) 90.0
Carbon (C) 0.2
Tantalum (Ta) 5.0
Iron (Fe) 4.8
Example 18
The following material, a typical material 1 from class III, was hot-pressed under a pressure of 351.5 kg / cm2 at approximately 12900 C as described above.
Part O / o by weight
Molybdenum Disulfide (MoS2) 45.0
Carbon (C) 0.4
Tantalum (Ta) 50.0
Iron (Fe) 4.6
In the materials of Examples 17 and 18, the iron component is not present in the matrix as a binding agent, but as a lubricant for processing, the iron melting during the hot-pressing of the material and allowing the grains of the other constituents to form a dense mass be compressed. Other lubricants that have also been found to add density to the matrix are nickel, chromium, and cobalt; numerous other examples of materials containing these ingredients could be given. In general, the materials described in Examples 17 and 18 show a wear rate that is higher than almost all materials from Classes I and II.
X-ray diffraction studies of Material 3 from Class I show that this molybdenum disulfide, carbon, and tantalum material has a structure that appears to be a sintered conglomerate of at least 4 phases. These phases appear in the order of their optical reflectivity in the unetched state as follows:
Phase 1 has a bare, spiky network structure that shows no grain structure, and microanalysis shows that this phase is rich in molybdenum disulfide.
Phase 2 is composed of light gray areas that are almost oval in shape and are usually surrounded by phase 3 material and contain irregular inclusions of phase 4 material. The microanalysis shows that the phase 2 areas are rich in tantalum; this phase also shows a grain structure.
Phase 3 is a dark gray area throughout the material that has a fine grain structure; polishing shows that these areas are soft and easily break within the grains. The microanalysis shows that these areas have a variable content of molybdenum disulfide.
Phase 4 of this material is a deep dark gray area of irregular shape and relatively small size. The chemical composition of this phase could not be determined by microanalysis because of the small size and the irregular shape of these areas. In general, a cross-section of this material shows a fairly even distribution of molybdenum disulfide and tantalum.
X-ray diffraction studies have also been carried out on Class III materials, which contain the four components molybdenum disulfide, carbon, tantalum and another metal selected from iron, nickel, chromium and cobalt. These materials showed a structure which consisted of at least three phases, the first phase being a lighter area with a network structure of molybdenum disulfide, which is surrounded by narrow, oval areas of a second, tantalum-rich phase. The tantalum-rich areas show an excessive grain development similar to a metallic material. The distribution of the other metals (iron, nickel, chromium or cobalt) seems to follow the molybdenum disulfide regions. The third phase appears as a small, bright area with an irregular shape, the composition of which could not be precisely determined.
The physical properties of the examples of materials according to the invention mentioned in the present specification were measured in the following manner:
Bending tests
The bending tests were carried out with rod-shaped samples of approximately 50.8 X 7.6 X 2.5 mm. In general, three tests were performed by loading the center of a rod supported by blades 38.1 mm apart. The bending stress was calculated from the following equation: 3 3 Pi
F8 =
2 = 2 Wt2 where P is the breaking load in kg, i is the span between the cutting edges in cm, W is the width of the rod in cm and t is the thickness of the rod in cm.
Printing attempts
A broken flexure test rod was machined into two test specimens measuring 7.6 X 7.6 X 2.5 mm for the compression test. The test specimens were placed between two hardened steel plates and loaded in a test machine at 1.27 mm / min until failure.
Wear tests
The wear tests were carried out by placing the narrow edge of a rod-shaped specimen with a rectangular cross-section and dimensions 17.8 X 7.6 X 2.5 mm under load against a shaft with 50.8 mm diameter made of hardened 440 C stainless steel (Rc 58), which rotated at 1750 revolutions per minute (274 m / min). The wear specimen was pressed against the shaft with a load of 2.268 kg and held in contact with it for 100 minutes. The readings of the width of the wear track were used to calculate the wear volume of the composite material.
Friction tests
The friction measurements were obtained by pressing a sample under load against the periphery of a rotating steel disk made of 440 C (Rc 58) steel. The measurements were made at a surface speed of 884 mm. The frictional behavior of these materials is a function of several different factors, the most important of which are the following:
: Factor general influence molybdenum disulphide content in wt. O / o under fixed conditions the friction decreases with increasing molybdenum disulphide content Load (stress) the coefficient of friction decreases with increasing
Stress from surface speed the friction decreases with increasing surface speed the hardness of the material interlocking with the material - the friction decreases with increasing hardness of the surface engaging material surface quality of the material interlocking with the present the friction decreases with decreasing surface material interlocking roughness atmosphere the friction decreases in absence of air
The friction behavior also depends on the specific elements in the metal matrix.
Adding boron in amounts of 4% by weight or less results in the lowest friction values at low molybdenum disulphide contents.
The wear and tear of the composite materials is also related to the factors mentioned above, which influence the friction behavior. A material that exhibits minimal wear on a set of operating parameters (load, speed, hardness, and surface finish of the material interlocking with the present material and atmosphere) is unlikely to have minimal wear if any of these factors are changed significantly; in general, materials with a high molybdenum disulfide content (above 75 / o) are best suited for use at high surface speeds (up to 3660 m / min) and with low loads (below 35 kg / cm2).
For use with high loads (700 kg / cm2) and low surface speeds (3 m / min or less), materials with a molybdenum disulphide content of 20 to 50%, which show minimal wear, are suitable.