CH635809A5

CH635809A5 - Process for making antifriction products

Info

Publication number: CH635809A5
Application number: CH849878A
Authority: CH
Inventors: Valery Ivanovich Kostikov; Alexandr Stepanovich Tarabanov; Vitaly Alexandrovich Ivanov; Anatoly Mikhailovich Zykov
Original assignee: Kostikov Valery I; Alexandr Stepanovich Tarabanov; Vitaly Alexandrovich Ivanov; Anatoly Mikhailovich Zykov
Priority date: 1977-08-10
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1983-04-29
Also published as: DE2834315C3; DE2834315B2; DE2834315A1; CA1102185A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung und Bearbeitung von Baugruppen und Elementen der Reibungssätze, und insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen, die zum Beispiel auf der Grundlage von Kohlenstoffmaterialien hergestellt und als Dichtungsringe, Drucklager, Stützzapfen, Gleitlager für elektrische Bohrungsgruppen und Apparaturen für die chemische Industrie, solche wie Zentrifugen, Pumpen zum Um-pumpen von aggressiven Flüssigkeiten, zum Beispiel von Säuren, Petroleum, Erdöl, Ölen, Alkali- und Salzlösungen sowie Flüssigkeiten, die bei erhöhten Temperaturen in Kontakt mit aggressiven Medien betrieben werden, eingesetzt werden.

Bereits bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen, bei dem ein Kohlenstoffhalbzeug (zum Beispiel aus Graphit) mit Siliziumoxiddämpfen bei einer Temperatur von 1600-2200 °C bearbeitet wird. Die Siliziumoxiddämpfe scheiden sich aus dem zerstäubten Siliziumoxid aus. Das Reduktionsmedium und die hohe Temperatur fördern die Bildung von Siliziumdämpfen und ihr Zusammenwirken mit Graphit. Hierdurch fällt Siliziumkarbid an, das beim Niederschlagen an der Graphitoberfläche eine Oberflächenschicht erzeugt (siehe beispielsweise französische Patentschrift Nr. 2 006 429 Kl. 16c).

Auf diese Weise erhält man einen Werkstoff, der sich aus Siliziumkarbid und Graphit zusammensetzt. Ein solcher Werkstoff weist jedoch eine Reihe wesentlicher Nachteile auf, die vorwiegend darauf zurückzuführen sind, dass Siliziumkarbid und Graphit unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, was bei Temperaturänderungen die Rissebildung entweder im Graphit oder im Siliziumkarbid verursacht. Deshalb sind die in diesem Verfahren hergestellten Erzeugnisse beim Einsatz in aggressiven und Druckwasserschleifmedien zur Zerstörung geneigt, weil diese Medien in Risse eindringen.

Bekannt ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen (siehe beispielsweise britische Patentschrift Nr. 1 394 106 Kl. CIA), bei dem ein Kohlenstofffüllmittel und ein Bindemittel vermischt werden, das angefallene Gemisch bei einer Temperatur von 150-180 CC bis zur Erzeugung eines Halbzeuges mit einer Dichte von 1,4 g/ cm3 verpresst wird. Hinterher wird das Halbzeug auf 800-1000 °C und dann auf 1700-2050 °C erhitzt und bei der s gleichen Temperatur mit schmelzflüssigem Silizium mit nachfolgender Abkühlung imprägniert.

Die in diesem Verfahren hergestellten Antifriktionser-zeugnisse weisen keine hohen Verschleissfestigkeitswerte, insbesondere in Druckwasserschleifmedien, sowie eine dik-io kenmässig ungleichmässige Imprägnierung des Halbzeuges auf, was letzten Endes den Anteil von brauchbaren Erzeugnissen vermindert.

Das Ziel dieser Erfindung besteht in der Beseitigung der genannten Nachteile.

15 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen zu entwickeln, bei dem die Imprägnierung eines Kohlenstoffhalbzeuges mit schmelzflüssigem Silizium so erfolgte, dass er ermöglichte, Antifriktionserzeugnisse mit ei-2oner hohen Verschleissfestigkeit unter Bedingungen der Einwirkung von aggressiven und Druckwasserschleifmedien sowie mit einer dickenmässig gleichmässigen Imprägnierung des jeweiligen Halbzeuges herzustellen, was seinerseits gestattet, den Anteil an brauchbaren Erzeugnissen zu erhöhen. 25 Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen, bestehend darin, dass man ein Kohlenstoffhalbzeug auf eine Temperatur von 1800-2200 °C im Medium von Inertgasen beziehungsweise im Vakuum erhitzt und mit schmelzflüs-30 sigem Silizium imprägniert und dann abkühlt, erfindungsge-mäss, als Kohlenstoffhalbzeug ein poröses Kohlenstoffhalbzeug genommen wird und seine Imprägnierung mit schmelzflüssigem Silizium bei einer Temperatur von 2100-2200 °C während 3-5 Minuten und dann bei einer Temperatur von 351800-2050 °C während 30-40 Minuten erfolgt.

Ein solches Verfahren zum Imprägnieren des porösen Kohlenstoffhalbzeuges, zum Beispiel eines Graphithalbzeuges, mit schmelzflüssigem Silizium ermöglicht es, sowohl grosse als auch kleine Poren des jeweiligen Halbzeuges mit 40 schmelzflüssigem Silizium auszufüllen, das hinterher bei einer Temperatur von 1800-2050 °C und Haltezeit von 30-40 Minuten in Siliziumkarbid umgesetzt wird. Hierdurch gewinnt der Werkstoff des Erzeugnisses eine dichte Graphit-Karbid-Struktur mit einer gleichmässigen Phasenverteilung. 45 Erfindungsgemäss wird das mit schmelzflüssigem Silizium imprägnierte poröse Kohlenstoffhalbzeug, das eine Temperatur von 1800-2050 °C aufweist, auf 900-800 °C mit einer Geschwindigkeit von 30-40 °C/min und dann auf 200-150 °C mit einer Geschwindigkeit von 50-100 °C/min so abgekühlt.

In diesem Fall wird ein Übersättigungseffekt der Lösung des festen Kohlenstoffs in Siliziumkarbid und die Verringerung der Ätzbarkeit der übersättigten Siliziumlösung mit Kohlenstoff im Vergleich zu reinem Silizium erreicht, wobei 55 von uns bei Versuchen festgestellt wurde, dass lediglich bei den genannten Geschwindigkeiten der Kühlung der grösste Wert der Verschleissfestigkeit von Erzeugnissen und der grösste Anteil von brauchbaren Erzeugnissen gesichert werden.

60 Zweckmässigerweise soll als poröses Kohlenstoffhalbzeug ein Halbzeug mit offener Porosität von 25-50% und der Porengrösse von 30-120 um genommen werden, was zu einem gleichmässigen Imprägnieren des Halbzeuges mit schmelzflüssigem Silizium beiträgt und dadurch auch die 65 Verschleissbeständigkeit und Festigkeit von Erzeugnissen verbessert.

Die Verwendung eines Halbzeuges mit offener Porosität unter 25% und der Porengrösse unter 30 (im kann nicht die

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Herstellung von Erzeugnissen mit den im gesamten Volumen des jeweiligen Halbzeuges gleichmässigen Eigenschaften gewährleisten, was die Ursache der Verringerung des Anteils von brauchbaren Erzeugnissen ist; die Vergrösserung der offenen Porosität führt wiederum zur Herstellung von Erzeugnissen mit niedriger Festigkeit.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand der Beschreibung eines eingehenden Beispiels für die Ausführung des Verfahrens zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen erläutert.

Als Kohlenstoffhalbzeuge zum Imprägnieren können gebrannte (bis 700-1000 °C) und graphitisierte (bis 2000-3000 °C) poröse Halbzeuge genommen werden, die auf der Grundlage verschiedenartiger kohlenstoffhaltiger Füllstoffe und Bindemittel hergestellt werden, es können beispielsweise poröse Halbzeuge auf der Grundlage folgender Füllstoffe: Erdöl- und Steinkohlenkoks, künstliche und Naturgraphite, Kohlenstoffgewebe und -fasern, Russ sowie beispielsweise auf der Grundlage folgender Bindemittel: Kohlenstoff- und Erdölpech, Phenol- und anderer duroplastischer und thermoplastischer Kunstharzen, genutzt werden. Wobei als poröse Kohlenstoffhalbzeuge mit offener Porosität von 25-50% (von dem gesamten Halbzeugvolumen) und einer Porengrösse von 30-120 (im genutzt werden.

Ein Kohlenstoffhalbzeug wird auf eine Temperatur von 1800-2200 °C im Medium von Inertgasen (Argon, Stickstoff, Helium) beziehungsweise im Vakuum, zum Beispiel 10""'-20~2 Torr, erhitzt und mit schmelzflüssigem Silizium imprägniert, wobei das Imprägnieren mit schmelzflüssigem Silizium zuerst bei einer Temperatur von 2100-2200 °C während 3-5 Minuten und dann bei einer Temperatur von 1800 °C während 30-40 Minuten erfolgt. Danach beginnt man das Halbzeug abzukühlen, wobei die Abkühlung fol-gendermassen geführt wird: das mit schmelzflüssigem Silizium imprägnierte Halbzeug mit einer Temperatur von 1800-2050 °C kühlt man zuerst auf 900-800 °C mit einer Geschwindigkeit von 30-40 °C/min und dann auf 200-250 °C mit einer Geschwindigkeit von 50-100 °C/min ab.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung werden nachstehend konkrete Beispiele ihrer Ausführung aufgeführt.

Beispiel 1

Zehn kohlenstoffhaltige, bis auf 900 °C gebrannte Halbzeuge, zum Beispiel Dichtungsringe, auf der Grundlage des durchgeglühten Koks und Steinkohlenpechs mit offener Porosität von 25% und durchschnittlicher Porengrösse von 40 Um wurden im Agronmedium auf 2200 °C erhitzt und in einer Siliziumschmelze während 5 Minuten gehalten. Dann wurde die Temperatur auf 2050 °C herabgesetzt und das Imprägnieren des Halbzeuges während 30 Minuten fortgesetzt. Hinterher wurden die imprägnierten Halbzeuge mit einer Geschwindigkeit von 30 °C/min auf 800 °C und mit einer Geschwindigkeit von 60 °C/min auf 150 °C abgekühlt. Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle nach Beispielen aufgeführt.

Beispiel 2

Fünf kohlenstoffhaltige, bis auf 1000 °C gebrannte Halbzeuge für Stützzapfen einer Bohrungspumpe zum Umpum-pen von Erdöl auf der Grundlage des durchgeglühten Koks, Graphits und Steinkohlenpechs mit offener Porosität von 30% und durchschnittlicher Porengrösse von 50 |xm wurden im Vakuum von 10-1 Torr auf 2100 °C erhitzt und in einer Siliziumschmelze während 4 Minuten gehalten. Dann wurde die Temperatur auf 1900 °C herabgesetzt und das Halbzeug während 35 Minuten dabei gehalten. Hinterher wurden die Halbzeuge auf 850 °C mit einer Geschwindigkeit von 35 °C/ min und auf 200 °C mit einer Geschwindigkeit von 70 °C/ s min abgekühlt.

Beispiel 3

Drei bis auf 2400 °C graphitisierte Halbzeuge für Gleitlager auf der Grundlage des durchgeglühten Koks, der Koh-io lenstoffaser und des Steinkohlenpechs mit offener Porosität von 35% und durchschnittlicher Porengrösse von 60 um wurden im Argonmedium auf 2150 °C erhitzt und während 3 Minuten in einer Siliziumschmelze gehalten. Dann wurde die Temperatur auf 1850 °C herabgesetzt und das Halbzeug i5 während 30 Minuten gehalten. Hinterher wurden die imprägnierten Halbzeuge auf 900 °C mit einer Geschwindigkeit von 40 °C/min und dann'auf 150 °C mit einer Geschwindigkeit von 80 °C/min abgekühlt.

20 Beispiel 4

Fünf bis auf 900 °C gebrannte Halbzeuge für Spurlager auf der Grundlage des Graphits und Phenolformaldehydharzes mit offener Porosität von 40% und durchschnittlicher Porengrösse von 100 (im wurden auf 2100 °C in Vakuum 25 von 10-2 Torr erhitzt und in einer Siliziumschmelze während 5 Minuten gehalten. Dann wurde die Temperatur auf 1800 °C herabgesetzt und das Halbzeug während 30 Minuten gehalten. Hinterher wurden die imprägnierten Halbzeuge auf 800 °C mit einer Geschwindigkeit von 40 °C/min und auf 30 200 °C mit einer Geschwindigkeit von 100 °C/min abgekühlt.

Beispiel 5

Zehn bis auf 2600 °C graphitisierte Halbzeuge für Dichtungsringe auf der Grundlage von Erdölkoks, Russ und Erd-35 ölpech mit Paraffinzusätzen mit offener Porosität von 50% und durchschnittlicher Porengrösse von 120 (im wurden auf 2200 °C im Argonmedium erhitzt und während 5 Minuten gehalten. Hinterher wurde die Temperatur auf 2000 °C herabgesetzt und das Halbzeug während 30 Minuten gehalten. 40 Dann wurden die imprägnierten Halbzeuge auf 900 °C mit einer Geschwindigkeit von 30 °C/min und auf 150 °C mit einer Geschwindigkeit von 120 °C/min abgekühlt.

In der Tabelle sind vergleichende Eigenschaften von Erzeugnissen angeführt, die im erfindungsgemässen und im be-45 kannten Verfahren hergestellt wurden.

Der Anteil an brauchbaren Erzeugnissen wurde einerseits visuell nach Vorhandensein von Rissen und nach der Gleichmässigkeit der Imprägnierung und anderseits nach dem Werkstoffverschleiss ermittelt, dessen Werte im erfor-50 derlichen Bereich liegen sollen (wie in Tabelle gezeigt).

Die Verschleissprüfungen wurden bei einer Beanspruchung bis 10 kp/cm2, bei einer Gleitgeschwindigkeit bis 15 m/sek, bei 2870 U/min und bei einer Temperatur von + 50 bis + 70 °C durchgeführt, als Schmiermittel wurde 55 Wasser mit einem Gehalt an Schleifteilchen bis 9,2 Gew.-% genutzt.

Wie aus der Tabelle zu ersehen, erlaubt die Anwendung der Erfindung:

- den Anteil von brauchbaren Erzeugnissen auf das 60 1,3-bis l,8fache zu erhöhen,

- die Verschleissfestigkeit auf das 2-4fache zu erhöhen,

- die durchschnittliche physikalisch-mechanischen Kenndaten um 20-50% zu verbessern.

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Vergleichende Eigenschaften von Erzeugnissen

Eigenschaften

Dichte g/cm3

Druckfestigkeit Biegefestigkeit Reibungszahl Verschleiss kp/cm2 kp/cm2 (im/10 ~3

Anteil an brauchbaren

Fertigerzeug-

der im erfindungsge-mässen Verfahren laut Beispielen 1-5 hergestellen

Erzeugnisse 2,3-2,9

Durchschnittlicher Wert 2,6

der im bekannten Verfahren hergestellten Erzeugnisse

(nach Prototyp) 2,2-2,8

Durchschnittlicher

Wert 2,5

3000-7000 900-1300 0,03-0,05 4-7

5000 1100 0,04 5,5

1300-4300 700-1100 0,04-003 12-23

2800 900 0,06 18

70-100 85

40-70 55

s

Claims

635 809 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnis-sen, bestehend darin, dass ein Kohlenstoffhalbzeug im Medium von Inertgasen beziehungsweise im Vakuum auf eine Temperatur von 1800-2200 °C erhitzt und mit schmelzflüssigem Silizium imprägniert und danach abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man als Kohlenstoffhalbzeug ein poröses Kohlenstoffhalbzeug nimmt und seine Imprägnierung mit schmelzflüssigem Silizium zuerst bei einer Temperatur von 2100-2200 °C während 3-5 Minuten und dann bei einer Temperatur von 1800-2050 °C während 30-40 Minuten durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit schmelzflüssigem Silizium imprägnierte poröse Kohlenstoffhalbzeug, das eine Temperatur von 1800-2050 °C aufweist, auf 900-800 °C mit einer Geschwindigkeit von 30-40 °C/min und dann auf eine Temperatur von 200-150 °C mit einer Geschwindigkeit von 50-100 °C/min abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als poröses Kohlenstoffhalbzeug ein Halbzeug mit offener Porosität von 25-50% und der Porengrösse von 30-120 um gebraucht wird.