DE10223836C1

DE10223836C1 - Reibung- und Verschleißarmes Festkörpergleitsystem

Info

Publication number: DE10223836C1
Application number: DE10223836A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger
Original assignee: Enginion AG
Current assignee: Amovis GmbH
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: US20060099434A1; US7399538B2; AU2003227736A1; WO2003100300A1

Abstract

Eine Festkörper-Gleitpaarung für Maschinenteile, enthaltend ein erstes Gleitelement aus einem ersten Basiswerkstoff und ein zweites Gleitelement aus einem zweiten Basiswerkstoff, ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Gleitelemente ein vor dem Einsatz als Maschinenteil in den Basiswerkstoff eingearbeitetes Gleitmittel in Form einer Hydroxid-Verbindung enthält.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Gleitpaarung für Maschinenteile, enthaltend ein erstes Gleitelement aus einem ersten Basiswerkstoff und ein zweites Gleitelement aus einem zweiten Basiswerkstoff. Derartige Festkörper-Gleitpaarungen werden ohne Schmierung eingesetzt und sind daher besonders umwelt- und wartungsfreundlich.

Bei solchen Gleitpaarungen tritt das Problem auf, daß eine möglichst harte Oberfläche vorliegen soll, welche einen geringen Verschleiß aufweist. Für solche Oberflächen werden zum Beispiel Metalloxide eingesetzt. Andererseits soll die Oberfläche weiche Komponenten aufweisen, durch welche die Reibung reduziert wird. Das sind zum Beispiel Graphit oder Blei. Weiterhin darf die Oberfläche nicht korrodieren oder dergleichen, wenn sie etwa einer wasserdampfhaltigen Atmosphäre bei hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt ist.

Stand der Technik

Aus der DE 101 28 055 A1 ist eine Festkörper-Gleitpaarung bekannt, bei welcher ein erstes Gleitelement, z. B. ein Kolben, der im wesentlichen aus nicht graphitierten Kohlenstoff- Werkstoff besteht und ein zweites Gleitelement, z. B. ein Zylinder aus einem eisenhaltigen, mit Chrom oder Nickel legierten hochwarmfesten Werkstoff besteht, der mindestens an der Gleitfläche mit einer Nitrierschicht versehen ist. In der Druckschrift ist eine Oberfläche mit einer aufgebrachten Metalloxidschicht offenbart. Weiterhin ist die Imprägnierung von Gleitflächen mit Füllstoffen und das Aufbringen von Verschleißschutzschichten aus Titannitrid-, Chromnitrid- und Chromkarbid sowie aus amorphem diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC).

Aus der nicht-vorveröffentlichten DE 101 35 477 A1 ist eine Gleitpaarung bekannt, bei der ein erstes Gleitelement auf der Basis von Kohlenstoff hergestellt ist und das zweite Gleitelement aus Zirkondioxid besteht, welches mit Zirkonhydroxid beschichtet ist. Es ist weiterhin aus der Druckschrift bekannt, die Oberflächen des ersten Gleitelementes mit Zirkonhydroxid zu beschichten. Solche Beschichtungen erfolgen gewöhnlich mittels aufwendiger Verfahren wie Dünnschicht- oder Dünnfilmverfahren, welche in Reinräumen durchgeführt werden müssen um geeignete Oberflächen zu erhalten. Dadurch werden diese Gleitpaarungen teuer.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, Gleitpaarungen der eingangs genannten Art zu finden, welche zugleich reibungs- und verschleißarm sind und welche ohne aufwendige Beschichtung der Gleitelemente arbeiten. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, solche Gleitpaarungen für von Wasserdampf mit hohem Druck- und Temperaturniveau beaufschlagte Maschinenteile zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens eines der Gleitelemente ein vor dem Einsatz als Maschinenteil in den Basiswerkstoff eingearbeitetes Gleitmittel in Form einer Hydroxid-Verbindung enthält. Die Hydroxidverbindung ist dann unabhängig von der Arbeitsatmosphäre als Gleitmittel vorhanden. Bei der Einarbeitung in den Basiswerkstoff ist die Hydroxidverbindung auch dann noch gleichmäßig an der Oberfläche vorhanden, wenn Verschleißerscheinungen auftreten. Weiterhin können gute Reibungseigenschaften bei einem geringen Verschleiß erreicht werden, ohne daß eine aufwendige Beschichtung vorgesehen werden muß. Diese Eigenschaften sind dabei quasi unabhängig vom Basiswerkstoff erreichbar.

Die Hydroxide können chemisch während des Herstellungsprozesses im Basiswerkstoff entstehen oder durch definierte Einbringung eingelagert werden. Die Hydroxide können sich zwar auch während des Prozesses zum Beispiel aus den Elementen bilden. Dies ist aber nicht bei allen Gleitpartnern möglich. Außerdem hängt es dann von der Atmosphäre ab, ob sich Hydroxide bilden. Die Einarbeitung in den Basiswerkstoff vor dem Einsatz der Maschinenteile ist daher von besonderem Vorteil.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Basiswerkstoff des ersten Gleitelements und der Basiswerkstoff des zweiten Gleitelements identisch. Beide Gleitelemente können ein in den Basiswerkstoff eingearbeitetes Gleitmittel in Form einer Hydroxid-Verbindung enthalten. Dabei können in beiden Gleitelementen das gleiche oder ein unterschiedliches Gleitmittel eingearbeitet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden als Gleitmittel Hydroxid- Verbindungen der Elemente der dritten, vierten oder fünften Hauptgruppe oder der dritten, vierten oder fünften Nebengruppe eingearbeitet. Dies sind insbesondere die Hydroxide von Antimon (Sb), Wismut (Bi), Arsen (As), Aluminium (Al), Indium (In), Blei (Pb), Zinn (Sn), Zirkonium (Zr) oder Titan (Ti). Diese Legierungs- bzw. Einlagerungsbestandteile dienen der Minimierung der Trockenreibung, wobei sich im Betrieb ein Gleitfilm selbstätig ausbildet. Die sich ausbildende Gleitschicht ist dann extrem reibungsarm.

Als Basiswerkstoffe kommen normale ferritische oder austenitische Stähle und sonstige hochtemperaturfeste und korrosionsbeständige Stähle, die auch mehr oder weniger hoch legiert sein können, in Frage. Bevorzugt wird aber als Basiswerkstoff für wenigstens ein Gleitelement Kugelgraphitguss (GGG), Temperguss (GG), Grauguss oder Stahlguss (G). Dabei kann der Guss eine Legierung mit 25-40% Nickel und/oder 3-25% Chrom sein. Der Nickel und Chromanteil bewirkt eine Minderung des Verschleißes und ist leicht korrosionsschützend. Das Gleitmittel kann dann in die Schmelze oder während eines Sintervorgangs eingearbeitet werden. Das kann durch Lösen in der Schmelze des Basiswerkstoffs und gezielte Erstarrung mit Ausbildung feinster funktionaler Partikel aus eventuell übereutektischer Schmelze erfolgen. Das Einarbeiten des Gleitmittels kann auch durch Diffunsion in den ggf. bereits bearbeiteten Basiswerkstoff aus einer geeigneten Gasphase oder Schmelze erfolgen.

Das oder die Gleitelemente können aber auch komplett aus den als Gleitmittel dienenden Hydroxiden bestehen. Dann dienen auch als Basiswerkstoffe Hydroxide. Besonders geeignet sind als Basiswerkstoffe Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Titanhydroxid, Zirkonhydroxid, Bleihydroxid und/oder Wismuthydroxid. Hierbei handelt es sich um leicht herstellbare Hydroxide. Insbesondere Zirkonium-Verbindungen sind hochbelastbare Keramikwerkstoffe, die Belastungen durch hohe Zug-, Druck- und Scherspannungen aushalten.

Alternativ kann wenigstens ein Gleitelement als Basiswerkstoff Kunststoff, insbesondere Duroplaste oder Thermoplaste aufweisen. Dann wird das Gleitmittel in die Kunststoffschmelze bei der Herstellung eingerührt. Weiterhin sind als Basiswerkstoff eine Nickel- oder Kobaltlegierung gut geeignet. In die Schmelze dieser Legierungen werden dann die Hydroxide eingebracht. Auch Buntmetall-Legierungen z. B. auf der Basis von Kupfer und Zinn, wie Messinge, Bronzen etc. können verwendet werden und bieten Schutz vor zu hohem Abtrag. Werkstoffe aus der mechanischen Mikro- oder Nanotechnologie, Ingenieurkeramiken und das sehr gut bearbeitbare Titansiliziumcarbid sind aufgrund ihrer Eigenschaften ebenfalls geeignet.

Vorzugsweise ist das erste Gleitelement mit einem Gleitmittel in Form einer Hydroxid- Verbindung eines Elements versehen und das zweite Gleitelement enthält eine Oxidverbindung des gleichen Elements. Alternativ ist das zweite Gleitelement mit der Oxidverbindung beschichtet. Solche Oxidverbindungen können die Verbindungen mit Zirkonium, Aluminium und Titan sein. Durch die Oxidverbindungen werden gute Verschleißeigenschaften erreicht, während die Hydroxidverbindungen für die guten Reibungseigenschaften sorgen. Die Oxidverbindungen können sich alternativ während des Betriebs aus den Elementen in oxidierender Atmosphäre ausbilden. Statt Oxidverbindungen können je nach Metall auch Nitrid- oder Carbidverbindungen eingesetzt werden. Auch hier können besonders harte Oberflächen erzielt werden.

Besonders gute Reibungseigenschaften werden durch zusätzlich in einem der Basiswerkstoffe enthaltenen Graphit erreicht. Dieser ist in Kugelgraphitguß zum Beispiel bereits enthalten und braucht daher nicht gesondert in das Material eingearbeitet werden.

Die genannten Werkstoffe weisen insbesondere auch in einer oxidierenden Umgebung wie Wasserdampf, überkritischem Wasser oder flüssigen Wasser bei Temperaturen 200- 800°C verbesserte Trockenreibungseigenschaften auf.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1a-d ist eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses der Gleitpartner

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Eine Kolben-Zylinder Anordnung für Dampfmotoren bildet eine Gleitpaarung. Die Anordnung ist Wasserdampf mit Temperaturen zwischen 300 und 850°C ausgesetzt. Der Kolben besteht aus massivem Zirkoniumoxid. Der Zylinder besteht aus Zirkoniumhydroxid/Metall-Verbundmatrix.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Kolben-Zylinder Anordnung für Dampfmotoren vorgesehen. Sowohl der Kolben, als auch der Zylinder bestehen aus Kugelgraphitguss (GGG), welcher Aluminiumhydroxid-Einlagerungen aufweist. Das Reibverhalten wird dabei durch den im Kugelgraphitguss enthaltenen Graphit zusätzlich unterstützt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine Kolben-Zylinderanordnung eines ölfreien Verbrennungsmotors. Der Zylinder besteht aus einer Grauguss- oder Kugelgraphitguss matrix, die Zirkonhydroxid enthält. Der Kolben ist aus Kohlenstoff gefertigt und mit Antimon imprägniert. Die Kolbenringe bestehen aus Zirkonoxid oder Stahlguß. Die Gleitpartner laufen während des Betriebes auf einem Zirkonhydroxidfilm der sich ständig erneuert. Der Prozess wird unterstützt von einem Graphitfilm aus dem Kohlenstoff des Kolbens und der Metallmatrix.

Die Herstellung der Gleitelemente erfolgt nach einem in den Fig. 1a bis 1d dargestellten Prozess. In Fig. 1a gezeigtes loses Hydroxidpulver 10 wird zu einem lose gepressten Hydroxid-Zylinder 12 verarbeitet, wie er in Fig. 1b dargestellt ist. Danach erfolgt in einem weiteren in Fig. 1c dargestellten Schritt das Umgießen des Hydroxid- Zylinders mit einem Metall, z. B. Kugelgraphitguss GGG 14. Als letztes wird dann der Zylinder z. B. spanend mit einem Werkzeug 16 fertigbearbeitet. Auf diese Weise gelingt es Bauteile aus gemischten Werkstoffen herzustellen, die normalerweise aufgrund des Auftriebs in der Schmelze oder zu heißer Schmelze etc. nicht zu mischen sind. Das Herstellungsverfahren ist auch für eine Mahle mit Siliziumcarbid und Aluminium geeignet.

Claims

1. Festkörper-Gleitpaarung für Maschinenteile, enthaltend ein erstes Gleitelement aus einem ersten Basiswerkstoff und ein zweites Gleitelement aus einem zweiten Basiswerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Gleitelemente ein vor dem Einsatz als Maschinenteil in den Basiswerkstoff eingearbeitetes Gleitmittel in Form einer Hydroxid-Verbindung enthält.

2. Gleitpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff des ersten Gleitelements und der Basiswerkstoff des zweiten Gleitelements identisch sind.

3. Gleitpaarung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Gleitelemente ein in den Basiswerkstoff eingearbeitetes Gleitmittel in Form einer Hydroxid-Verbindung enthalten.

4. Gleitpaarung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleitmittel Hydroxid-Verbindungen der Elemente der dritten, vierten oder fünften Hauptgruppe oder der dritten, vierten oder fünften Nebengruppe eingearbeitet werden.

5. Gleitpaarung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleitmittel Hydroxide von Antimon (Sb), Wismut (Bi), Arsen (As), Aluminium (Al), Indium (In), Blei (Pb), Zinn (Sn), Zirkonium (Zr) oder Titan (Ti) eingearbeitet werden.

6. Gleitpaarung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Basiswerkstoff für wenigstens ein Gleitelement Kugelgraphitguss (GGG), Temperguss (GG), Grauguss oder Stahlguss (G) verwendet werden.

7. Gleitpaarung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Guss eine Legierung mit 0-40% Nickel und/oder 3-25% Chrom ist.

8. Gleitpaarung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Guss eine Legierung mit 25-40% Nickel und/oder 12-25% Chrom ist.

9. Gleitpaarung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Gleitelement aus Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Titanhydroxid, Zirkonhydroxid, Bleihydroxid und/oder Wismuthydroxid als Basiswerkstoff besteht.

10. Gleitpaarung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Gleitelement als Basiswerkstoff Kunststoff aufweist.

11. Gleitpaarung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Gleitelement als Basiswerkstoff eine Nickel- oder Kobaltlegierung aufweist.

12. Gleitpaarung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gleitelement mit einem Gleitmittel in Form einer Hydroxid- Verbindung eines Elements versehen ist und das zweite Gleitelement eine Oxidverbindung des gleichen Elements enthält oder mit dieser beschichtet ist.

13. Gleitpaarung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidverbindungen die Verbindungen mit Zirkonium, Aluminium und Titan sind.

14. Gleitpaarung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gleitelement mit einem Gleitmittel in Form einer Hydroxid- Verbindung eines Elements versehen ist und das zweite Gleitelement eine Nitrid- oder Carbidverbindung des gleichen Elements enthält oder mit dieser beschichtet ist.

15. Gleitpaarung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Gleitelement zusätzlich zu dem Gleitmittel Graphit enthält.

16. Verfahren zur Herstellung von Hydroxid-haltigen Gleitelementen enthaltend die Schritte:

a) Pressen eines Hydroxidkörpers großer Porosität aus Hydroxidpulver,
b) Umgießen des Hydroxidkörpers mit einem Metall und
c) Bearbeiten des Hydroxidkörpers in eine gewünschte Form.