DD136750B1

DD136750B1 - HIGH-RELIABLE MATERIAL PAIRING

Info

Publication number: DD136750B1
Application number: DD20562878A
Authority: DD
Inventors: Hans Hinrichs; Burkart Wesch
Original assignee: Hans Hinrichs; Burkart Wesch
Priority date: 1978-05-29
Filing date: 1978-05-29
Publication date: 1982-12-29
Also published as: DD136750A1

Description

Titel der Erfindung Hochbelastbare Werkstoffpaarung Title of the invention High-strength material pairing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine hoch.belastbare Werkstoffpaarung, die bei Einzel- oder kombinierter Belastung von Bauelementen angewendet wird, die durch Reibungskräfte, Strömungskräfte und Kavitationswirkungen charakterisiert ist. Solche Belastungsfälle treten insbesondere in Armaturen und Pumpen auf, in denen enge Spalte als Funktionselemente, z.B. als berührungsfreie Dichtungen, als Drosselspalte oder Entlastungselemente," eingesetzt sind, wobei die auftretenden Belastungen durch die sich ausbildenden laminaren oder turbulenten Strömungszustände bestimmt werden.The invention relates to a hoch.belastbare material pairing, which is applied to single or combined load of components, which is characterized by frictional forces, flow forces and Kavitationswirkungen. Such loading cases occur in particular in valves and pumps in which narrow gaps as functional elements, e.g. as non-contact seals, as throttle gaps or relief elements, "are used, the occurring loads are determined by the forming laminar or turbulent flow conditions.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Für den Einsatz von Bauelementen unter hoher Belastung durch Reibungskräfte, Strömungskräfte und Kavitationswirkungen, insbesondere in Armaturen und Pumpen" ist eine Vielzahl von Werkstoffpaarungen bekannt, die auf Teilgebieten brauchbare Lösungen darstellen. Characteristic of the known technical solutions For the use of components under high stress by frictional forces, flow forces and cavitation effects, in particular in valves and pumps "a multiplicity of material pairings is known, which represent useful solutions in sub-areas.

Die bekannteste ist die Werkstoffpaarung Stahl - Bronze. Dabei werden gute Gleiteigenschaften erzielt, die auf dem Einsatz von Ferrit (Martensit) mit f" -Mischkristallgefüge beruhen. Nachteilig wirkt der geringe Abnutzungswiderstand der Bronze, der den erhöhten Verschleiß des Bauelementes bedingt.The best known is the material combination steel - bronze. In this case, good sliding properties are achieved, which are based on the use of ferrite (martensite) with f " mixed crystal structure.The disadvantage is the low wear resistance of the bronze, which causes the increased wear of the component.

Desweiteren ist eine Paarung Nitrierter Stahl mit Nitriertem Stahl bekannt. Diese Werkstoffpaarung gewährleistet gute Gleiteigenschaften auch noch bei hohen Temperaturen, Jedoch zeigt sie eine hohe Kantenempfindlichkeit, ist anfällig gegen Strömungsverschleiß und Kavitation und neigt zum Kaltverschweißen. Die Anfälligkeit gegen Kavitation ist bedingt durch die relativ hohe Sprödigkeit und geringe Stärke der Nitrierschicht, die dazu führen, daß schon nach verhältnismäßig kurzer Nutzungsdauer durch Verschleiß das Grundmaterial freigelegt wird, sodaß der Nitrierstahl die gleiche Kavitationsgefährdung wie gewöhnlicher C-Stahl aufweist. Es wurde bereits eine Werkstoffpaarung Stahl mit hartverchromtem Stahl dargestellt, die gute Gleitfähigkeit und geringe Verschleißanfälligkeit aufweist, jedoch auf Grund der Herausbildung von Lokalelementen verstärkt der Korrosion unterliegt. Die passivierende Wirkung von Chrom bezogen auf die Korrosion tritt nur bei Anwesenheitvon Sauerstoff ein. Beim Einsatz dieser Paarung in Armaturen, die beispielsweise von Speisewasser, das hochgradig entgast und deionisiert ist, durchflossen werden, bildet sich in den Lokale lementen das volle Potential entsprechend der·Spannungsreihe aus.Furthermore, a pairing of nitrided steel with nitrided steel is known. This material combination ensures good sliding properties even at high temperatures. However, it has a high edge sensitivity, is susceptible to flow wear and cavitation and tends to cold welding. The susceptibility to cavitation is due to the relatively high brittleness and low strength of the nitriding, which lead to the base material is exposed by wear after a relatively short period of use, so that the nitriding steel has the same Kavitationsgefährdung as ordinary C-steel. A material pairing of steel with hard chromium-plated steel has already been shown, which has good sliding properties and low susceptibility to wear, but is increasingly subject to corrosion due to the formation of local elements. The passivating effect of chromium on corrosion occurs only in the presence of oxygen. When using this pairing in fittings, which are, for example, by feed water, which is highly degassed and deionized, flows through, in the local elements elemen- tes the full potential according to the voltage series.

Bekannt ist auch eine Werkstoffpaarung Stahl mit Stahl mit SuIfоnitrierung, bei der das Bauteil jedoch beim SuIfonitrierprozeß auf Grund der hohen Badtemperatur von ca, 1000° C seine Grundhärte verliert.Also known is a material combination of steel and steel with sulfonitriding, in which, however, the component loses its basic hardness during the sulfonitriding process due to the high bath temperature of approx. 1000 ° C.

Es wurden auch bereits fremdgeschmierte Werkstoffpaarungen dargestellt, die jedoch wegen der auftretenden hohen Betriebstemperatur und Strömungsgeschwindigkeiten in Armaturen nicht einsetzbar sind. Es treten Temperaturen bis zu 260° C auf bei einem Druckgefälle bis zu 325 kp/nm und Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 80 m/s. Unter diesen Bedingungen sind flüssige· Schmierstoffe nicht in der Lage,Already lubricated material pairings have also been shown which, however, can not be used because of the high operating temperature and flow velocities in valves. Temperatures up to 260 ° C occur at a pressure gradient up to 325 kp / nm and flow rates up to 80 m / s. Under these conditions, liquid lubricants are unable to

einen tragfähigen Schmierfilm auszubilden, da sie ständig abgewaschen werden, so daß eine dauernde Zuführung von ErsatzSchmierstoff notwendig wäre» FeststoffSchmiermittel, wie z.B. MoS₂ halten den Schmierfilm auch nur über die verhältnismäßig kurze Zeit der Einlaufperiode.To form a viable lubricating film, since they are constantly washed off, so that a permanent supply of substitute lubricant would be necessary solid lubricant, such as MoS ₂ keep the lubricating film even over the relatively short period of the break-in period.

Weiterhin ist der Einsatz von Paarungen aus einem Werkstoff mit borierter Oberfläche und Metallcarbiden bekannt. Sie weisen eine große Häite und gute GIeiteigenschaften auf, jedoch sind die borierten Oberflächen infolge ihrer geringen Schichtdicke schnell verschlissen und müssen häufig erneuert werden.Furthermore, the use of pairings of a material with a borated surface and metal carbides is known. They have a high hardness and good film properties, however, the borated surfaces are quickly worn due to their small layer thickness and must be renewed frequently.

Es wurde bereits ein Gleitpaar mit zwei sehr abriebfesten, metallischen Oberflächen dargestellt (DD-AP 107 075, O 22 с 19/02), dadurch gekennzeichnet,"daß eine dieser Oberflächen aus einer Legierung besteht, die folgende Hauptbestandteile aufweistjIt has already been shown a sliding pair with two highly abrasion-resistant, metallic surfaces (DD-AP 107 075, O 22 с 19/02), characterized in that "one of these surfaces consists of an alloy having the following main components j

Co oder Ш ~ 45,0 %Co or Ш ~ 45.0%

Cr - 17fO - 25,0 % Cr - 17fO - 25.0 %

Mo - 20,0 - 42,0 % Mo - 20.0 - 42.0 %

Si - ^ 12,0 %Si - ^ 12.0%

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Absperrörganen (DE-OS 2 248 079, Ϊ 16 K 51/00), dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungйsitz" aus nichtrostendem Stahl, Monelmetall, Bronzelegierungen, Titan, Zirkon oder Kobaltlegierungen und das Gehäuse des Absperrorganes und/oder das Verschlußteil aus Kohlenstoffstahl, Gußeisen, Schwarzkern-Temperguß, Kugelgrafitgußeisen oder nichtrostendem Stahl bestehen.Also known is a method for the production of Absperrörganen (DE-OS 2 248 079, Ϊ 16 K 51/00), characterized in that the seal й seat "made of stainless steel, Monelmetall, bronze alloys, titanium, zirconium or cobalt alloys and the housing the obturator and / or the closure member made of carbon steel, cast iron, black-core malleable cast iron, Kugelgrafitgußeisen or stainless steel.

Aim of the invention;

Ziel der Erfindung ist eine hochbelastbare Werkstoffpaarung, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüberThe aim of the invention is a high-strength material pairing, which has a high resistance to

der Einwirkung von Reibungs- und Strömungskräften sowie Kavitationswirkungen, d.h. hohen Abrasions-Widerstand, hohen Widerstand gegen Kavitation, hohe Warmfestigkeit, gute Standfestigkeit, Schneidhaltigkeit und Kantenunempfindlichkeit verbunden mit hoher Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper, guten Gleiteigenschaften Und totlaufe igenschaf ten, guter Benetzbarkeit und geringster Neigung zum Kalt sch weißen, aufweist, wobei beide Werkstoffe der Paarung einfach und kostengünstig herzustellen sind und gute Bedingungen für die Regenerierung von Bauteilen nach Verschbiß gewährleisten.the effect of friction and flow forces as well as cavitation effects, i. high abrasion resistance, high resistance to cavitation, high heat resistance, good stability, cutting resistance and edge resistance combined with high resistance to foreign bodies, good sliding properties and dead-running properties, good wettability and low tendency to cold white, both materials of mating easy and inexpensive to manufacture and ensure good conditions for the regeneration of components after Verschbiß.

Exposition of the nature of the invention;

Der Erfindung liegt die Aufgabe der Entwicklung einer hochbelastbaren Werkstoffpaarung zugrunde, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber der Einwirkung von Reibungs- . und Strömungskräften sowie Kavitationswirkungen besitzt und für den Einsatz in engen Spalten als Funktionselemente in Armaturen und Pumpen mit Dicht-, Drossel- und Gleitfunktionen geeignet ist.The invention is based on the task of developing a high-strength material pairing, which has a high resistance to the action of friction. and has flow and cavitation effects and is suitable for use in narrow gaps as functional elements in valves and pumps with sealing, throttling and sliding functions.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß jeweils ein Element der Werkstoffpaarung aus einem geschmiedeten ßtahl besteht, der anteilmäßig folgende Legierungselemente aufweist;According to the invention this is achieved in that each one element of the material pairing consists of a forged SSA, which has proportionally following alloying elements;

0 - 0,16 -0,24 % Si - max, 0,80 % Mn - max. 0,80 % Cr - 12,0 -14,0 %Fe - test 0 - 0.16 -0.24 % Si - max, 0.80 % Mn - max. 0.80 % Cr - 12.0 - 14.0 % Fe test

Um die notwendigen Eigenschaften für diesen Werkstoff zu erzielen, ist er einer speziellen Wärmebehandlung zu unterziehen. Dazu werden die Bauteile nach dem Schmiedeprozeß in einer'Zeit von 150 min. auf eine Temperatur von 780° C (+ 20° C) gebracht, diese Temperatur 120 min.In order to achieve the necessary properties for this material, it is subjected to a special heat treatment. For this purpose, the components are after the forging process in a 'time of 150 min. brought to a temperature of 780 ° C (+ 20 ° C), this temperature 120 min.

gehalten und das Teil anschließend im Ofen bis auf 200° C abgekühlt. Zum Vergüten wird das Werkstück in einer Zeit von 300 min. auf eine Temperatur von 1010° C (+ 20° C) erwärmt, diese Temperatur 60 min. gehalten und darauf im Oelbad abgekühlt. Das Anlassen des abgekühlten Bauteiles erfolgt durch Erwärmung auf Anlaßtemperatur von 600 - 650° C innerhalb von 90 min., die über eine Zeit von weiteren 90. min. gehalten wird und anschließend kühlt das Teil an der Luft ab.held and the part then cooled in the oven to 200 ° C. For tempering the workpiece is in a time of 300 min. heated to a temperature of 1010 ° C (+ 20 ° C), this temperature for 60 min. kept and then cooled in an oil bath. The tempering of the cooled component is carried out by heating to tempering temperature of 600-650 ° C within 90 min., Which over a period of a further 90 min. is held and then the part cools in the air.

Nach der mechanischen Bearbeitung wird das Werkstück zum Spannungsfreiglühen auf eine Temperatur von 550 - 580° C Sobracht, diese Temperatur 70 min. lang gehalten und anschließend wird im Ofen bis auf 200° C abgekühlt.After mechanical machining, the workpiece is subjected to stress relief annealing to a temperature of 550-580 ° C, this temperature being 70 min. kept long and then cooled in the oven to 200 ° C.

Nach dem Wärmebehandlungsprozeß weist das jeweilige Bauteil eine Brinellhärte von 280 - 320 kp/mm, einen Wärmedehnungskoeffizienten von 11,5 . 10 grd. "¹ und einen Elastizitätsmodul von 21 000 kp/mm auf.After the heat treatment process, the respective component has a Brinell hardness of 280 - 320 kp / mm, a thermal expansion coefficient of 11.5. 10 grd. " ¹ and a modulus of elasticity of 21,000 kgf / mm.

Das zweite Element der Werkstoffpaarung besteht aus einer erschmolzenen und in Formen gegossenen bzw. durch Auftragsschweißung auf einen Grundkörper aus Stahl aufgebrachten Legierung, die anteilmäßig folgende Legierungselemente aufweist:The second element of the material pairing consists of a molten alloy which has been cast in molds or applied to a base body made of steel by build-up welding and which has the following alloying elements:

O - 1,2 % O - 1.2 %

Co - 65,0 %Co - 65.0%

W - 4,5 % W - 4.5 %

Or - 27,0 % Or - 27.0 %

Diese Legierung besitzt von Hause aus eine BrinellhärteThis alloy has a Brinell hardness by itself

von 380 - 410 kp/mm , einen Wärmedehnungskoeffizientenfrom 380 - 410 kp / mm, a thermal expansion coefficient

—б —Л von 12 . 10" grd» " und einen Elastizitätsmodul von-Б -L of 12. 10 "grd""and a modulus of elasticity of

20 600 kp/mm . Die unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung der beiden Werkstoffe, ihre unterschiedliche Härte und ihr grundsätzlich verschiedener Gefügeaufbau,20 600 kp / mm. The different material composition of the two materials, their different hardness and their fundamentally different microstructure,

der Schmiedestahl besitzt ein kubisch-raumzentriertes Gitter, die Legierung dagegen ist kubisch-flächenzentriert mit eingelagerten tf~ -Mischkristallen, führen dazu, daß die Werk st of fpaarung gute GIe it eigenschaften entwickelt und keine Neigung zum Kaltschweißen zeigt. Die für beide Werkstoffe beinahe identischen Werte für den Wärmedehnungskoeffizienten und den Elastizitätsmodul bedingen einen annähernd gleich großen Verschleißwiderstand, gleiche Zähigkeit und Warmfestigkeit sowie gleiche Korrosionsbeständigkeit und Kavitationswiderstand, d.h., der Verschleiß beider Partner einer Paarung ist annähernd gleich, groß, so daß beide Elemente einer Paarung gleichzeitig gewechselt bzw. regeneriert werden können. Die Möglichkeit der Auftragsschweißung der Legierung ermöglicht die Regenerierung von Bauteilen unter geringem technischen Aufwand.the forged steel has a cubic-body-centered lattice, whereas the alloy is cubic-face-centered with embedded tf ~ mixed crystals, leading to the factory combination developing good properties and no tendency for cold welding. The values for the coefficient of thermal expansion and the modulus of elasticity which are almost identical for the two materials necessitate almost equal wear resistance, equal toughness and heat resistance as well as equal corrosion resistance and cavitation resistance, ie the wear of both partners of a pairing is approximately the same, large, so that both elements of a pairing can be changed or regenerated at the same time. The possibility of build-up welding of the alloy allows the regeneration of components with little technical effort.

Ferner zeigt eine Werkstoffpaarung gemäß der Erfindung ein gutes Einlaufverhalten, d.h. der Effekt der Glättung und Verdichtung der Oberfläche zur Erzielung einer harten Hochglanzpolitur ist besonders ausgeprägt.Furthermore, a material pairing according to the invention shows a good shrink-in behavior, i. the effect of smoothing and densifying the surface to obtain a high gloss hard polish is particularly pronounced.

embodiment

Figur 1: Schnittdarstellung einer Schiebersteuerung, für die eine erfindungsgemäße Werkst of fpaarung eingesetzt istFigure 1: sectional view of a slider control, for which a Werkst of mating invention is used

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

Figur 1 zeigt eine Schiebersteuerung, für die eine erfindungsgemäße Werkstoffpaarung eingesetzt ist. Das Gehäuse ist ein Schmiedeteü, das aus einem Schmiedestahl besteht, der anteilmäßig folgende Legierungselemente aufweist»Figure 1 shows a slider control, for which a material combination according to the invention is used. The casing is a forged tea, which consists of a forged steel, which proportionally has the following alloying elements »

σ - ο,2ο % Si - 0,60 %,„ Mn - 0,80 % Cr - 12,00 % σ - ο, 2ο % Si - 0.60%, "Mn - 0.80 % Cr - 12.00 %

ft - testft test

An dem Steuerschieber 2, der aus einem üblichen Armaturenwerkstoff besteht, befinden sich die Dichtelemente 3, die durch Auftragsschweißen einer Legierung folgender Zusammensetzung gebildet wurden:On the spool 2, which consists of a conventional fitting material, there are the sealing elements 3, which were formed by build-up welding of an alloy of the following composition:

C - 1,2 %C - 1.2%

Co - 65,0 % Co - 65.0 %

W- 4,5 % W- 4.5 %

Cr- 27,0 % Cr- 27.0 %

Das Gehäuse 1 wurde entsprechend der erfinderischen Lösung wärmebehandelt. Die Oberflächen des Gehäuses 1 und der Dichtelemente Зэ <ü^e den Spalt 4 begrenzen, sind mechanisch so bearbeitet, daß sie eine Rauhtiefe bis maximal 0,010 mm aufweisen und die minimale Spaltdicke h = 0,050 mm beträgt. Zur Regenerierung nach Verschleiß wird die spaltbegrenzende Oberfläche des Gehäuses nachgeschliffen. Die spaltbildenden Dichtelemente 3 des Steuerschiebers Serden durch Auftragsschweißung mit der erfindungsgemäßen Legierung erhöht und durch nachfolgende mechanische Bearbeitung die ursprüngliche Spaltdicke h sowie die Rauhtiefe von maximal 0,010 mm erreicht.The housing 1 was heat treated according to the inventive solution. <U ^e limit the surfaces of the housing 1 and the sealing elements Зэ the gap 4, are machined so that they have a surface roughness of up to 0.010 mm and the minimum thickness h = gap is 0.050 mm. For regeneration after wear, the gap-limiting surface of the housing is reground. The gap-forming sealing elements 3 of the control slide Serden increased by build-up welding with the alloy according to the invention and achieved by subsequent mechanical processing, the original gap thickness h and the maximum roughness of 0.010 mm.

Eine Schiebersteuerung unter Verwendung der erfindungsgemäßen, hochbelastbaren Werkstoffpaarung ist einsetzbar für flüssige Medien, Druckgefälle bis maximal 30 M Pa und Temperaturen bis zu 368° C (541° K) für Wasser.A slider control using the highly loadable material combination according to the invention can be used for liquid media, pressure drops up to a maximum of 30 M Pa and temperatures up to 368 ° C (541 ° K) for water.

Claims

invention claims

1. High-strength material pairing, especially for narrow gaps as functional elements in valves and pumps with sealing, "throttling and sliding functions, characterized in that« one of the gap-forming elements of a heavy-duty material in the form of a forged steel with kübisch-body-centered lattice structure and the second gap-forming element consists of a high-strength material in the form of an alloy cast with molten casting and cast on a base body of steel with cubic-face-centered lattice structure, the machined surface of both gap-forming elements having a maximum depth of 0.020 mm may and the minimum gap thickness should be 0.050 mm.

2, highly loadable material pairing, in particular for narrow gaps as functional elements in pumps and fittings according to item 1, characterized in that the heavy-duty material in the form of a forged steel has proportionally the following alloying elements,

C - 0.16 - 0.2A-. %
Si - max. 0.80%
Mn - max. 0.80 %

Or - 1.20 - 14.0 % Fe - solid

and after appropriate heat treatment, a Brine11-

hardness of 280 - 320 kp / mm, a coefficient of thermal expansion

6 1
cients of 11.5 x 10 "and an elite

p
has a modulus of 21,000 kp / mm.

Highly loadable material pairing, especially for narrow gaps as functional elements in valves and pumps according to item 1 and 2, characterized in that the heavy-duty material in proportion to a molten and cast in molds or applied by hard surfacing on a steel base body alloy having the following alloying elements,

Co - 65.0 %

W - 4.5 %

Or - 27.0 %

G - 1.2 JS,

a Brinell hardness of 330 - 410 kp / mm, a Wärmedellnungskoeffizionten of 12 · 10 grd. and has a modulus of elasticity of 20,600 kp / mm ·

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