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Lager- oder Gleitmaschinenteil und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Lager- oder Gleitmaschinenteil aus Gußeisen, insbesondere
aus Sphäroguß, mit einer Gleitauflage aus einem Lagermetall, insbesondere aus einer
Eupferlegierung.
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Derartige Gleitauflagen werden in der Regel formschlüssig am Maschinenteil,
beispielsweise dem Lagergehäuse,
oder einem rotierenden oder hin-
und herbewegten Maschinenteil gehalten. In vielen Fällen ist jedoch in der Praxis
eine derartige formschlüssige Verbindung unzureichend oder schwer herstellbar. Das
gilt beispielsweise für das Gebiet der Axialkolbenpumpenzylinder, bei denen der
Steuerspiegel und die Wandung der Zylinderbohrungen gute Gleiteigenschaften aufweisen
müssen. Für Pumpen mit höheren Arbeitsdrücken hat man sich bisher so geholfen, daß
man den Zylinder selbst aus einem entsprechend qualifizierten Stahl herstellte und
die Zylinderbohrungen sowie die Spiegelfläche mit der gewünschten Gleitschicht versah,
die in der Regel aus einer Bleibronze bestand.
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Festigkeitsmäßig würde für viele Ansprüche ein Axialkolbenzylinder
aus Grauguß oder, wie dies wegen der besseren Festigkeitseigenschaften bevorzugt
wird, aus Sphäroguß, also aus Gußeisen mit Kugelgraphit, voll ausreichen.
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Insbesondere hätte die Verwendung von Sphäroguß den Vorteil, daß dieser
verhältnismäßig gute Gleiteigenschaften aufweist, so daß die Zylinderbohrungen innen
nicht mehr mit einer zusätzlichen Gleitschicht versehen werden müßten. Dennoch ist
bisher die Verwendung dieser Materialien für Axialkolbenpumpenzylinder nicht in
Frage gekommen, da Gußeisen, insbesondere Sphäroguß, sich nicht im Verbundgußverfahren
mit einer Gleitschicht versehen läßt.
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Der Sphäroguß geht mit der in der Regel aus einer Kupferlegierung
bestehenden Gleitschicht keine ausreichend feste Verbindung ein.
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Ausgehend von dieser Schwierigkeit hat sich die Erfindung die Aufgabe
gestellt, ein Lager- oder Gleitmaschinenteil aus Gußeisen, insbesondere aus Sphäroguß,
mit einer Gleitauflage aus einem Lagermetall, insbesondere aus einer Kupferlegierung,
zu schaffen, bei welchem die Gleitauflage ganzflächig metallisch fest mit dem Lagerteil
oder dem Gleitmaschinenteil zu einem Stück verbunden ist. Diese Aufgabe wird gemäß
Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Gußeisen des Lager- oder Gleitmaschinenteils
und der Lagermetallauflage eine Zwischenschicht aus einem Metallwerkstoff (also
aus einem Metall oder einer Metallegierung) angeordnet wird, welcher sowohl mit
dem Eisen des Gußeisens als auch mit dem Gleitmetall eine Adhäsionsverbindung eingehen
kann und auf das Gußeisen aufschmelzbar ist und dessen Schmelzpunkt nicht wesentlich
unter dem Schmelzpunkt des Lagermetalls liegt.
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Durch die Anordnung dieser Zwischenschicht wird eine metallisch feste
Bindung einerseits zwischen der Zwischenschicht und dem Gußeisen und andererseits
auch zwischen der Zwischenschicht und der Gleitschicht aus dem Lager= metall erreicht.
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Wenn auch der Anstoß zu der vorliegenden Erfindung durch das spezielle
Problem der Plattierung des Steuerspiegels von Axialkolbenzylindern mit einem Lagermetall
gegeben wurde, so erkennt man jedoch, daß die erfindungsgemäße Lösung dieses speziellen
Problems auch allgemein Gültigkeit für Lagermaschinenteile oder Gleitmaschinenteile
aus Gußeisen hat, welche mit einer Auflage aus einem Lagermetall versehen werden
sollen.
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Wenn auch die an die Zwischenschicht zu stellenden Anforderungen von
Fall zu Fall wechseln werden und man oft der besonders hohen Qualität in der einen
Hinsicht eine geringere Qualität in der anderen Hinsicht zugestehen werden muß,
so sollte jedoch die Zwischenschicht beispielsweise auch einigermaßen günstige Laufeigenschaften
haben, damit nicht sofort beim Verschleiß der Gleitschicht an einzelnen Stellen
durch Bloßliegen der Zwischenschicht ein Fressen eintritt. Wenn die Zwischenschicht
sehr dünn gehalten werden soll und zu diesem Zweck dieselbe mechanisch bearbeitet
werden soll, sollte sie weiterhin auch für die Bearbeitung nicht zu hart sein.
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Auch die Lage des Schmelzpunkts der Zwischenschicht ist von einer
gewissen Bedeutung. Der Schmelzpunkt sollte möglichst jeweils zumindest geringfUgig
unter dem Schmelzpunkt des verwendeten Gußeisens liegen, damit dieses beim Aufbringen
der Zwischenschicht nicht angeschmolzen wird.
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Selbstverständlich wird ein geschickter Arbeiter ein gewisses Überschreiten
des Schmelzpunktes des Gußeisens durch vorsichtiges Aufschmelzen ausgleichen können.
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Dennoch ist ein derartiger höherer Schmelzpunkt der Zwischenschicht
nicht erwünscht, Aus den gleichen Gründen sollte der Schmelzpunkt, wie bereits oben
erwähnt, auch nicht wesentlich unter dem Schmelzpunkt des Lagermetalls liegen. Auch
wird es bevorzugt, wenn das Metall oder die Legierung der Zwischenschicht beim Erwärmen
nicht schlagartig aus dem festen in den dünnflüssigen Zustand übergeht, sondern
zunächst erst zähflüssig wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Zwischenschicht
aus einer Legierung überwiegend aus mindestens einem der Metalle der Eisengruppe
(Eisen, Kobalt, Nickel). Von diesen den Hauptbestandteil der Zwischenschicht bildenden
Metallen wird wiederum Nickel bevorzugt.
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Gut bewährt hat es sich, wenn die Zwischenschicht zusätzlich Silicium
und Bor enthält. Eine geeignete Legierung hat folgende Zusammensetzung: 94 bis 9
% Ni 1,5 bis 4,5 % Si 0,5 bis 1,5 % B
Wenn auch die Dicke der Zwischenschicht
je nach den Gegebenheiten schwanken kann, so hat sich eine Dicke zwischen 0,1 und
0,5 mm in der Praxis als günstig gezeigt.
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Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Erzeugung von Werkstücken
gemäß Erfindung. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß zunächst auf die
mit der Auflage zu versehende Fläche des Trägerwerkstücks die Zwischenschicht aufgeschmolzen
wird und daß nach dem Erstarren der Zwischenschicht auf diese das Gleitmetall aufgeschmolzen
oder vorzugsweise aufgegossen wird und daß die so erzeugte Gleitauflage bearbeitet
wird. Dieses Verfahren hat sich gegenüber anderen Möglichkeiten, wie beispielsweise
dem Aufsintern oder Aufgießen der Zwischenschicht, als besonders einfach und zuverlässig
erwiesen.
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Wenn es auch beispielsweise nicht ausgeschlossen ist, die Zwischenschicht
etwa in Form eines dünnen Bleches oder eines Drahtgewebes oder von Metallpulver
auf die mit ihr zu überziehende Gußeisenfläche aufzubringen und sie dort dann niederzuschmelzen,
so wird es bevorzugt, daß die Zwischenschicht in einem Metallspritzverfahren aufgebracht
und nach dem Aufbringen bis in den schmelzflüssigen Zustand erwärmt wird. Hier hat
sich das Aufbringen in einem an sich bekannten Verfahren gut bewährt, bei welchem
das Metall oder die Legierung für die Zwischenschicht in
die Flamme
eines Autogenbrenners eingestreut und von dieser auf das Werkstück aufgeschleudert
wird. Das nachfolgende Erwärmen in den schmelzflüssigen Zustand kann beispielsweise
ebenfalls mit einem Schweißbrenner erfolgen.
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Eine andere Möglichkeit ist beispielsweise das Einsetzen der Werkstücke
in entsprechende Öfen. Hier wird man jeweils von Fall zu Fall das günstigste, dem
Fachmann geläufige Erwärmungsverfahren wählen.
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Wenn gewünscht, kann die Zwischenschicht vor dem Aufbringen der Gleitschicht
bearbeitet werden. Dies hat den Vorteil einer sehr dünnen Zwischenschicht und der
Entfernung von Oxidhäuten und dergleichen vor dem Aufbringen der Gleitschicht im
Verbundgußverfahren.
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Wenn auch eine Bearbeitung des Werkstücks in dem mit der Gleitschicht
zu versehenden Bereich vor dem Aufbringen der Zwischenschicht nicht in allen Fällen
unbedingt erforderlich ist, so wird es jedoch für die meisten Fälle der exakten
Form dieses Bereichs und der guten Verbindung der Zwischenschicht mit dem Gußeisen
des Werkstücks wegen bevorzugt, daß das Werkstück in diesem Bereich bearbeitet ist,
bevor die Zwischenschicht aufgebracht wird.
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Das Aufgeißen der Gleitschicht erfolgt vorzugsweise, wie bereits gesagt.
im an sich bekannten Verbundgußverfahren,
wie es auch bisher schon
beim Aufgießen von Gleitschichten auf Stahlwerkstücke geübt wurde.
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Wenn hier davon gesprochen wird, daß die Zwischenschicht sowphl mit
dem Eisen des Grundeisens als auch mit dem Gleitmetall oder der Gleitmetallegierung
eine Adhäsionsverbindung eingehen soll, so ist diese Definition nicht im allerstrengsten
Sinn aufzufassen. Selbstverständlich ist ein Ineinanderdiffundieren von Zwischenschicht
und Gußeisen sowie von Zwischenschicht und Gleitschicht solange zulässig, wie dadurch
derartige Diffusionsvorgänge die Gleiteigenschaften der Gleitschicht nicht beeinflußt
werden. Entscheidend ist lediglich, daß das für die Zwischenschicht ausgewählte
Metall oder die hierfür ausgewählte Legierung sich festigkeitsmäßig gut mit den
beiden anderen Metallen verbindet. So ist es beispielsweise durchaus zulässig, wenn
beim Aufschmelzen der Zwischenschicht auf das Gußeisen das Gußeisen geringfügig
aufgeschmolzen wird und wenn beim Aufgießen der Gleitschicht die Zwischenschicht
geringfügig aufgeschmolzen wird.
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Nachfolgend ist anhand der beigefügten Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung als erläuterndes Beispiel beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch im Axialschnitt einen Zylinder einer Axialkolbenmaschine.
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Fig. 2 zeigt in stark vergrößertem Maßstab einen Teil des oberen Randes
von Fig. i; Der dargestellte Zylinder l für eine Axialkolbenmaschine, wie z.B. eine
Axialkolbenpumpe, hat die Form eines Zylinders. In ihn sind, gleichmäßig über den
Umfang verteilt, 6 Zylinderbohrungen 2 eingebracht, in denen die nichtgezeigten
Kolben laufen.
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Die der Öffnung dieser Zylinderbohrungen 2 abgewandte Stirnseite
des- Zylinders 1 ist der Spiegel oder Steuerspiegel 3 des Zylinders. Der Zylinder
1 bestehe aus Sphäroguß. Mit diesem verbindet sich Bleibronze,wie sie im Ausführungsbeispiel
als Gleitmetall für den Spiegel 3 dienen soll, nicht. Erfindungsgemäß wird nun zunächst
auf die Oberfläche 4 des Zylinders l eine Zwischenschicht aus einer Legierung aufgespritzt,
welche beispielsweise 96 % Nickel, 3 % Silicium und l % Bor enthält. Das Aufspritzen
erfolgt. indem ein Pulver dieser Legierung in die Flamme eines Brenners
eingestreut
und von der Flamme auf die Oberfläche 4 geschleudert wird. Dort entsteht zunächst
eine sinterartige Schicht. Diese Schicht wird nun beispielsweise in einem Glühofen
oder mit Hilfe eines Autogenbrenners aufgeschmolzen. Nach dem Erstarren bildet sie
die Zwischenschicht 5. Die Zwischenschicht 5 kann nun, Je nach den Gegebenheiten,
auf der dem Zylinder 1 abgewandten Oberfläche bearbeitet werden oder auch unbearbeitet
bleiben. Dann wird der Zylinder 1 in für den Verbundguß üblicher Weise eingeformt
und es wird die Laufschicht 6, im Beispiel eine Bleibronzelegierung, im Verbundgußverfahren
aufgegossen. Zuletzt wird die Oberfläche 3, die den Spiegel der Zylindertrommel
bildet,bearbeitet. Die
Verbindungsb ohrungen 7 zwischen dem Steuerspiegel 3 und den Kolbenzylindern 2 können
beispielsweise während des Aufbringens der Zwischen.
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schicht 5 und der Laufschicht 6 in geeigneter Weise verschlossen werden.
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Ansprüche: