DE1932774A1 - Schmiersystem - Google Patents

Description

"Schmiersystem"

Ein Schmiermittel für den Zwischenraum zwischen relativ gegeneinander bewegten Flächen (gleitend, reibend, rollend usw*) sollte im Idealfall zur vollständigen Trennung dieser Flächen führen. Diesen Fall bezeichnet man als vollständige hydrodynamische Schmierung. Dabei,werden die beiden gleitenden Flächen durch einen relativ dicken, kontinuierlichen Film aus einem Schmiermittel, in dem sich infolge der Reibung ein. Druck aufbaut, getrennt, und es liegt also keine Berührung zwischen Metall und Metall vor. In der Technik ist dies die bevorzugte \ Schmierungsart, da sie zu dem niedrigsten Reibungskoeffizient; und zum gerirgsten Verschleiß führt.

Wenn zwei gleitende Flächen in Gegenwart eines extrem dünnen Schmiermittelfilmes reiben und dieser'Film.an beiden Flächen haftet, so bezeichnet man dies als vollständige Grenz-

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Schmierung. Wird das Schmiermittel nicht periodisch erneuert, dann kann eventuell, dieser dünne Film zerstört werden; es kommt zu einer Metall-Metallberührung, was zum Trockenlaufen, zum Reiben und Verklemmen der Metalle und schließlich sogar zum Pestfressen führt.

Eine Übergangszone, die als Mischschmierung bezeichnet werden kann, ist eine Kombination der hydrodynamischen und fc Grenzschmierung. Unter diesen Bedingungen wird ein Teil der Last, die an einer der gleitenden Metallflächen anliegt, durch einzelne lastaufnehmende Bereiche des Schmiermittels, in dem sich ein Druck aufgebaut hat, also in Form einer hydrodynamischen Schmierung, aufgenommeil, der restliche Teil von einem sehr dünnen Film als Grenzschmierung. . '

Bei reiner hydicdynamischer Schmierung ist der Koeffizient der Flüssigkeitsreibung angenähert proportional der Viskosität und Geschwindigkeit und umgekehrt proportional der Last. Bei echter Grenzschmierung ist der Reibungskoeffizient unabhängig von Viskosität und Reibungsgeschwindigkeit. Für geringe Werte von Z.N/p, wobei Z -die Viskosität der zugeführten Flüs-™ sigkeit, N die Laufgeschwindigkeit und ρ der Lagerdruck oder die Last ist, bleibt der Reibungskoeffizient im wesentlichen konstant. Zwischen der Grenzschmierung und der hydrodynamischen Schmierung befindet sich eine Zone, in der bei Verringerung des Wertes Z*N/p der Reibungskoeffizient scharf ansteigt. Dies zeigt, daß in dieser Zone eine Kombination von Flüssigkeitsreibung und Grenzreibung herrscht. Man bezeichnet diese Zone als Mischreibüng. ' , ■

' Bei geringer Geschwindigkeit (N) und Viskosität (Z) muß die Last, die auf Flächen ohne ungebührlich hohen Reibungs-

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koeffizienten und den damit hervorgerufenen katastrophalen Effekten ruht, relativ gering gehalten werden. Demzufolge ist die Anwendung niederviskoser Flüssigkeiten als Sehmiermittel auf den meisten technischen Anwendungsgebieten ausgeschlossen, da deren Anwendung zu einer wesentlichen Herabsetzung des La^staufnahmevermögens führt.

Zur Schmierung von einander zugekehrten Flächen in Dichtungen, Zahnrädern, Lagern und Kolben braucht man daher viskosere Stoffe, wie Kohlenwasserstofföle, synthetische Öle oder Fette. Diese Schmiermittel weisen, abgesehen von ihrer Nichtanwendbarkeit bei verschiedenen Schmierstellen wegen Verunreinigung des ablaufenden Verfahrens, verschiedene Nachteile auf. Werden nämlich diese Schmiermittel ununterbrochen über längere Zeit bei hohen Drucken und erhöhten Temperaturen angewandt, so neigen sie zum Abbau oder zur Zersetzung. Es bilden sich.schlammartige Produkte infolge .von Oxydationen, Polymerisationen oder dgl. Dieser Schlamm verschlechtert die Schmierqualität eines Schmiermittels und führt/aazu, daß die .sich relativ gegeneinander bewegenden Teile verkleben. Darüber hinaus kann es während der Anwendung des Sphrniermittels, offensich.tlLch infolge 'einer Oxydation des Öls bei erhöhten Temperaturen, zur Bildung von organischen Säuren kommen, die wieder zu Korrosionen führen können.

Weitere Schwierigkeiten treten in Motoren auf, bei denen ein öl mit Brennstoff gemischt wird, wie in Zweitaktmotoren und in Kreiskolbenmotoren (epitrochoidal rotary engines). Durch solche Gemische kann es zu Rauch, Störungen bei den Zündkerzen, Fressen der Kolbenringe und' Kohlenstoffablagerungen kommen

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Es wäre von großem Vorteil, wenn die Betriebsflüssigkeit, z.B. Benzin bei Verbrennungskraftmaschinen, selbst als schmierendes Medium der gleitenden Teile herangezogen werden könnte. Abgesehen von der nicht mehr erforderlichen Notwendigkeit eines Hilfsystems für die Handhabung des Schmiermittels würde die Verwendung der Betriebsflüssigkeit für die Schmierung zu einer Verbesserung hinsichtlich Leistung und Größe, Gewicht sowie Kosten für die Vorrichtung führen. Da ,diese Medien außerdem ununterbrochen während eines bestimmten Verfahrens zur Verfc fügung stehen, würde eine Verunreinigung durch diese Stoffe, etwa durch Schlammbildung, verringert werden.

Die Erfindung betrifft nun ein Schmiersystem, das Einrichtungen für Gleitlager, Dichtungen, gleitende Flügel, Kolben, Kolbenringe, Getriebe und dgl. mit relativ zueinander bewegten Flächen umfaßt, die in Gegenwart eines niederviskosen organischen Stoffes funktionsfähig sind. Das erfindungsgejnäße System ist in der Lage, in situ ein niederviskoses organisches Medium, wie Benzin als Dampf oder Flüssigkeit, das an-, sich . als Schmiermittel in unpolymerisiertem Zustand ungeeignet ist, in einen höherviskosen polymeren Stoff umzuwandeln, welcher in der Lage .ist, eine Grenzschmierung oder auch eine hydro-™ dynamische Schmierung während der Arbeitszeit aufrechtzuerhalten. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems können nun . Konstruktionselemente und Bauteile, wie Pumpen oder Motoren, hergestellt werden, bei denen die bei der Anwendung der üblichen Schmiermittel auftretenden Probleme beseitigt sind.

Das erfindungsgemäße System umfaßt eine Anordnung von mindestens zwei Bauteilen mit relativ Zueinander beweglichen Flächen, nämlich die Bauteile A und B, und ein Medium, das unter Bildung eines Schmiermittels während des Betriebes

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polymerisierbar ist (mit anderen Worten ein Vorschmiermittel) · Die gleitende oder reibende Fläche des Bauteils A kann aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, nämlich a) aus einer Legierung mit 11 bis 15 At.-$ Kohlenstoff, 1,5 bis 3 At.-# Silicium, Rest im wesentlichen Eisen, Härte mindestens 150 HV; oder b) aus einer legierung mit mindestens 80 At.-% Eisen und einer Härte von mindestens 200 HV oder cj-.aus einer legierung mit mindestens 50 At.-$ (50 bis 79 At.-#) Eisen und einer Härte von mindestens 400 HV; vorzugsweise stellt die Oberfläche von A eine Legierung der Zusammensetzung a) oder b) dar. Die Legierung b) oder c) kann auch bis T At.~$ Kohlenstoff enthalten; die Summe von Kobalt und Nickel soll unter. 6 At.-$ liegen, wobei mindestens die Hälfte der restlichen Legierungselemente eines oder mehrere der Elemente Chrom, Mangan, Molybdän und Wolfram sind und diese Legierungselemente als Carbide oder als vollständig gehärtete feste Lösung vorliegen, z.B. ' als martensitische Phase bei Eisen. Die Oberfläche des Bau^^v teils B kann aus einem Gemisch aus 10 bis .90j. vorzugsweise 25 bis 60 Vol. '-$ einer Legierung mit mindestens 6 $, vorzugsweise mindestens 12 At.-*$ Molybdän und/oder Wolfram, bestehen, wobei mindestens 10 $,. vorzugsweise 20 bis 85 Vol.-$ der Legierung als intermetallische Verbindung dieses Elements, vorzugsweise als topologisch dicht gepackte Phase vorliegt. Die Härte dieser Verbindung liegt zwischen 550 und 1800 HV,und der Koeffizient der Trockenreiburig der Flächen^on Bauteil B auf Bauteil A soll nicht größer als 0,25 sein. Dementsprechend besteht die Oberfläche von B zu 90 bis 10 (vorzugsweise 75 bis 40) Voi.-# aus einem Material mit einer Vickers-Härtezahl, die niedriger ist als diejenige der Legierung, wobei Festigkeit und Adhesiv-Eigenschaften dieses Materials dazu ausreichen, die Legierung darin festzuhalten. Bei dem flüssigen Medium soll es sich um Erdölkohlenwasserstoffe mit einem

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Siedeende nicht über 345⁰C, aliphatische Alkohole mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder aliphatische Aldehyde mit 4 bis 9 Kohlenstoffatomen handeln.

■Das Gemisch, das die dem Bauteil B entgegenstehende Fläche darstellt,_Nkann so aufgebaut sein, daß Teilchen von Molybdän oder Wolfram in eine Matrix aus weicherem Material eingebettet sind, mit der sie ein Ganzes bilden. Die Größe der Mo- oder W-rTeilchen liegt zwischen 0,42 und 0,037 mm.

Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems, die obige Eigenschaften aufweist, soll die eine relativ bewegliche Fläche eine Mischung aus Kupfer und einer Legierung mit 6 bis 85, vorzugsweise 19 bis 25 At.-<fo Molybdän, 4 bis 56, vorzugsweise 4 bis 22 At.-$ Silicium, Rest im wesentlichen 10 bis 90 At.-$ Eisen, Kobalt oder Mckel, vorzugsweise 53 bis 77 At.-$ Kobalt, sein. Die andere relativ bewegliche' Fläche soll eine Legierung von 1 bis 7 At.,-$> Kohlenstoff bis 13 At.-# Chrom, Rest im wesentlichen 80 bis 98 At.-io Eisen sein. Das flüssige Medium soll vorzugsweise Benzin sein. Wenn die erste gleitende Fläche eine Wolframlegierung ist,*kann es wegen des hohen Schmelzpunktes von WoIf- \ ram schwierig sein, mehr als 25 At.-# Wolfram in die Legierung aufzunehmen.

Es sei darauf hingewiesen, daß neben Molybdän und Wolfram in der einen und Eisen in der anderen gleitenden Fläche auch in beiden Flächen weitere Legierungselemente vorliegen können, vorausgesetzt, daß die obigen Kriterien hinsichtlich Vickershärte, intermetallische Verbindung und TrockerLreibungskoeffizient erfüllt sind. Man kann auch geringe Mengen eines feuer— ' - festen Metalloxide (US-Patentschrift 3,317,285) in die Le-. ' gierung einarbeiten. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen

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Systems für gleitende Maschinenelemente kann die Leistung weiter gesteigert werden durch Optimierung der Topographie, der Nutung und des Sp'ieles der beiden gleitenden Flächen.

Der "Trockenreibungskoeffizient" wird an der Luft wie folgt bestimmt:

Ein Prüfkörper aus der die im Bauteil B verwendete intermetallische Verbindung enthaltenden Legierung wird metallographisch poliert und mit Aceton gewaschen, damit eine glatte, reine Fläche gewährleistet ist. Eine Kugel, Durchmesser 4,76 mm (bzw« ein Gegenstand mit sphärischer Fläche, Radius 2,38 mm, in der Nähe des Berührungspunktes .mit der ebenen Fläche) aus dem Werkstoff von Bauteil A wird mit einem extrem feinen Schleifpapier (600 grit emery cloth) abgerieben. Die zu prüfende Legierungsprobe wird auf einem Schlitten montiert und an der Kugel aus dem Bauteil A mit einer Geschwindigkeit von 10 /u/sec vorbeigeführt. Auf der Kugel lastet ein Gewicht von 1 000 g. Die Reibung der Legierungsprobe mit der Kugel wird mit Hilfe eines Meßgerätes für Tangentialspannung ermittelt. Der Trockenreibungskoeffizient ist die Tangential- „ kraft, die erforderlich, ist, den Prüfkörper zu bewegen, dividiert durch die Last, in diesem Fall 1 000 g.

Aus Gründen der Einfachheit und Übersichtlichkeit soll nun die Erläuterung der kritischen Faktoren des Erfindungsgegenstandes in drei Abschnitten vorgenommen werden und zwar:

1. Die Kontaktfläche des Bauteils B, auch als Schmiermittel erzeugende Fläche bezeichnet. ' ■

2. Die Kontaktfläche des Bauteils A, auch als Paßfläche bezeichnete

3o Das umgebende Medium, auch als Verfahrensmediunis Trägermedium oder ganz einfach als Medium bezeichnet.

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-8- ν ■'■■- ΊΑ-36 510' Ι« Die Schmiermittel erzeugende Fläche.

Die Fläche /besteht aus einem relativ weichen Stoff und der Molybdän- oder Wolframlegierung.

Der relativ weiche Stoff kann einer der folgenden vier Gruppen angehören:

Gruppe (a) ι Kupfer, Nickel, Aluminium, Blei, Zinn, Cadmium, ~\ Eisen.

Gruppe (b): Legierungen der Metalle von Gruppe (a); Bleilegierungen,wie "Babbitt" (74,5 % Pb, 10 f Sn, 15 1° Sb, 0,5 % Cu); Zinnlegierungen, wie "Babbitt" (91 »2 $> Sn, 4,5 $> Cu, 4 # Sb, 0,3 $> Pb);Cadmiumlegierungen (97,5 # Cd, 1 $> Ni, 1 f» Ag, 0,5 % Cu); Kupferlegierungen, wie Zinnbronze (88 $ Cu, 10 fi Sn, 2 io Zn).; Bleizinnbronze (80 # Cu, 10 ^ Pb, - 10 j* Sn) und Kupfer-Blei (70 1° Cu., 30 ?ζ Pb); Aluminiumlegierungen (91 ^ Al» 7 $ Sn₁ X it> Cu, -A:'ii_: Si); Nickellegierungen, wie Monel (66 i» Ni, 31,5 ^ Cu, 1,3 ^Fe, 0,9 9δ Mn, 0,1 9δ C). *)

Gruppe (c): Ghrom, Molybdän

Gruppe (d): Phenolharze, insbesondere lineare Harze mit einer Übergangstemperatur zweiter Ordnung (Blegemodui gegen Temperatur) von mindestens 25O⁰C und einem Raumtemperatur-Modul von mindestens 21 100 kg/cm , z.B. Phenol-Formaldehydharze, aromatische Polyimide, aromatische Polyamide, aromatische PoIy-■" ketone, aromatische Poiythiazple und Pölybenzo- ^ triazole. "

.'*) Prozentangaben sind Gewichtsprozent

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Pur die Auswahl der Molybdän- oder Wolframlegierung gelten drei verschiedene Gesichtspunkte: die chemische Zusammensetzung, die physikalische Struktur und die physikalischen Eigenschaften. Was die chemische Zusammensetzung anbelangt, so sollte der Werkstoff mindestens 6 At.-fo Molybdän oder Wolfram enthalten. Das physikalische Gefüge sollte mindestens 10 Vol.-$ einer intermetallischen Verbindung mit Molybdän bzw. Wolfram als eine Komponente aufweisen. Die physikalischen Eigenschaften sollen derart sein, daß der Werkstoff einen Trockenreibungskoeffizient gegen die Paßfläche von nicht mehr als 0,25 besitzt. Die intermetallische Verbindung soll eine Vickershärte zwischen 550 und 1 800 aufweisen, und die Matrix oder Grundmasse aus relativ weichem Stoff, welche die intermetallische Verbindung enthält, sollte eine geringere Härte als die intermetallische Verbindung besitzen.

Erfindungsgemäß ist die oben beschriebene Legierung in der lage, ein Schmiermittel zu erzeugen, wenn sie in gleitender Bewegung in Gegenwart eines Mediums gehalten wird, welches in einen Stoff mit schmierenden Eigenschaften umgewandelt werden kann. Es ist anzunehmen, daß die weiche Matrix (Grundmasse) . es ermöglicht, daJ3 sich Teilchen der erwähnten Legierung in irgendwelche Unstimmigkeiten zwischen den gleitenden Flächen (z.B. zwischen Achse und Lager) einschieben. Bei Verwendung der Masse aus Matrix und Legierung werden also hervorragende Verträglichkeit und ausgezeichnete Resultate, erhalten. Wie der in Pig. 1 dargestellte.· Verschleißprüfer zeigt, beträgt der Verschleiß sowohl der Schmierwirkung erzeugenden als auch der Paßfläche in Form eines Bezugsringes bei 50 000 PV (Last, in p.s.i. χ Geschwindigkeit in 180 ft/min oder darüber) weniger als 0,1 mm in 100 Stunden (4 mils/100 h),■ermittelt mit Hilfe eines Mikrometers oder durch Auswiegen. Der Reibungskoeffizient liegt dann· unter 0,2. Die Prüfbedingungen wurden

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so festgelegt, daß sich während des Betriebes ein Schmierzustand unterhalb der vollständig hydrodynamischen Schmierung einstellt und es damit zu einer Wechselwirkung zwischen Metall und Metall kommt. Auf diese Weise läßt sich die Verträglichkeit und die Fähigkeit der Metallkombinationen, Schmierwirkung zu erzeugen, messen. Es wird angenommen, daß sich das Schmiermittel nicht ununterbrochen bildet und nur weiteres Schmiermittel gebildet wird, wenn das ursprünglich gebildete aufgebraucht ist.

Es ist auch zu beobachten, daß sich vorwiegend die weichere Matrix, z_eB. Kupfer, verbraucht und abgeschliffen wird, wobei sie Kratzer an der gleitenden-Fläche hinterläßt. Es ist anzunehmen, daß diese Rinnen mit der Umgebungsflüssigkeit und dem gebildeten Schmiermittel ausgefüllt werden. Im Kleinstmaßstab tritt das gleiche Phänomen innerhalb der Molybdän- bzw,' Wolframlegierung auf, d«h. der weichere Anteil der Matrix wird abgetragen und hinterläßt die harte Intermetallverbindung als Relief. Es ist anzunehmen, daß die Umgebungsflüssigkeit und das gebildete Schmiermittel sich in den Mikrorinnen ansammeln,

ein
die eng genug beyanderliegen, um an den Berührungspunkten eine Gleitwirkung zu ermöglichen_o

Fig. 1 zeigt schematiseh das hier verwendete V-erschleißprüfgerät. Es ist repräsentativ für Achsiallager und eignet sich zur Bewertung der erfindungsgemäßen Systeme. Das zu prüfende Bauteil A (12) wird mit Hilfe desGleichstrommotors 10 gedreht. Die Reibung zwischen dem Ring 11 des -Bauteils B und dem Prüfkörper bewirkt ein Drehmoment· in der Achse 13. Diese wird an einer Drehung durch den Hebelarm H in -Verbindung mit einem Spannungsmeßgerät 15 gehindert. Die Spannung wird kontinuierlich auf einem Schreiber aufgezeichnet. Sie wird nach

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entsprechender Eichnung als Gewicht abgelesen. Infolge der Konstruktion dieses Meßsystems wird die Tangentialkraft an dem Prüfkörper berechnet. Der Reibungskoeffizient entspricht der Tangentialkraft, dividiert durch die Normallast, die ein Zusammendrücken des. Prüfkörpers und des Verschleißringes 11 bewirkt. Der Verschleiß wird aus dem Gewichtsverlust und als längenabnahme mit Hilfe eines Mikrometers bestimmt. Die Untersuchungen werden mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit des Prüfkörpers entsprechend 55 m/min (180 ft/min) unter verschiedener Belastung durchgeführt. Das Produkt· P · V erhält man- durch Multiplizieren der Last in p.s.i,j bezögen auf die wahre Beruh— rungsflache mit der Geschwindigkeit in ft/min.

Die gleitenden Flächen des Prüfkörpers 12 und des Ringes 11 sind auf parallel abgeschliffen und dann händisch geläppt mit einem Schleifpapier der Körnung 37 /U; sie sind bei 100 G im Vakuum mindestens eine Stunde getrocknet und dann auf 1 mg bzw. 2,5/U -(0,0001 g bzw« 0,0001 in) gewogen und gemessen. Sie werden dann in das Prüfgerät der Fig«· 1 eingebaut ,und der Behälter 16 wird mit Benzin oder einer anderen Flüssigkeit 17 gefüllt. Der Behälter wird zur Verringerung der Verdampfung mit einer eingebauten Schlange gekühlt. Nur unter dem Gewicht der Achse 13 und des Hebelarmes 14 lief dann das Prüfgerät 1 bis 2 min mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 650 UpM,entsprechend 55 m/min. Anschließend wird die Prüflast aufgegeben und das Gerät 18 bis 20 h i-n Betrieb gehalten. Infolge der/ Verdunstung mußte alle 4 bis 6 h Flüssigkeit nachgefüllt werden. Nach dieser Prüfzeit wurden Prüfkörper 12 und Ring 11 im Vakuum getrocknet, ausgewogen und gemessen. Während des Laufes mit obiger Geschwindigkeit kann die Last'auch durch Auflage von 9,1 kg-Gewichten (20 lbs) erhöht werden. Mit jedem neuen Gewicht soll dann das Prüfgerät 30 min bis zum Auftreten von Fehlererscheinungen betrieben werden.

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Die Anwesenheit von mindestens 10 Vol.—$ bei intermetallischen Verbindungen von Molybdän bzw. Wolfram in der Kontaktflache des Bauteils Bist erfindungswesentlich. Diese intermetallischen Verbindungen treten in den meisten Fällen als Zwischen- oder sekundäre Phase innerhalb einer festen Lösung oder Matrixphase auf\ Sie schwanken nach Menge und Feinheit und können verschiedene Typen aufweisen. Menge und Art wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, z.B. durch die spezielle chemi- *"-'■- sehe Zusammensetzung bzw. die Art der Legierungsmetalle, die Länge einer speziellen Temperaturbehandlung und die Abkühlgeschwindigkeit. Die erfindungsgemäß zweckmäßigen intermetallischen Verbindungen sollen'-.als topologisch dichte Packung vorliegen. Es handelt sich also um■■ ir-._f-¹X?> M oder Lavesphasen,· ferner um Hälbcarbide des Typs MgC oder M₂^Cg sowie dee Typs MoSip. Die Anwesenheit und die Anzahl an intermetallischen Verbindungen läßt sich entweder durch Röritgenbeugungsanalyse oder metallographisch ermitteln. ■ · . .

Von tiberragendem Interesse für die Erfindung sind die intermetallischen Verbindungen mit dem Gefüge von Lavesphasen, die durch ein ternäres System gekennzeichnet sind, wie Kobalt- % Molybdän-Silicium, Nickei-Mölybdän-Silicium, Kobalt-Wolfram-Silicium oder Nickel-Wolfram-Silicium. Diese Legierungen (ÜS-Patentschrift 3,257,178) stellen die bevorzugten Werkstoffe ftir die Oberfläche des-Bauteils B, die gegen Metall gerichtet ist, dar. Nach dieser amerikanischen Patentschrift werden diese Legierungen derart charakterisiert, daß sie im wesentlichen einen beträchtlichen Anteil von mindestens einem Metall A und einen beträchtlichen Anteil von minde-stens einem Metall B und darüber hinaus silicium'-enthalten^ wobei das Metall A Molybdän oder Wolfram und das Metall B Kobalt oder Nickel ist. Die Summe der Anteile an Metall A und B soll mindeetens 60 At.-56 des Werkstoffes ausmachen. Der Anteil an Silicium und die relativen

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Mengen der Metalle A und B sollen so sein, daß 30- "bis 85 Yol~<fo dieser legierung in der la"vesphase vorliegt, Die Lavesphase ist in einer relativ weichen Grundmasse (Matrix) aus den restlichen 70 bis 15 Vol.-$ der legierung eingelagert.

2. Die Paßfläche ■■.

Die wichtigsten Gesichtspunkte für die Auswahl des Werkstoffes für die Paßfläche des Bauteils A liegen auf zwei verschiedenen Gebieten: es sind die chemische Zusammensetzung/aie physikalischen Eigenschaften. Die Werkstoffe können in drei Gruppen unterteilt werden, wobei die ersten beiden bevorzugt werden.

Die erste Gruppe umfaßt Gußeisen, das Graphijj&nthält. Es handelt sich dabei um Grauguß und schmiedbares Gußeisen. Der Kohlenstoffgehalt schwankt zwischen 11 und 15 At.-fo, der SiIiciumgehalt zwischen 1,5 und 3 At.~$, Rest Eisen mit Spuren anderer Metalle. Die Härte kann bis herunter auf 150 HV gehen. Es ist anzunehmen, daß die Anwesenheit von Kohlenstoff in Form von Graphit den Einfluß der Weichheit ausschaltet. Diese Werkstoffe eignen sich als Kolbenringe, Zylinderwände und dgl. mit geringer Schmierung.

Die. zweite Gruppe umfaßt Eisenlegierungen mit.mindestens 80 At.-$ Eisen, mindestens 1 At.-% Kohlenstoff, die eine Härte von mindestens 200 HV aufweisen. Darunter fallen weißes Gußeisen, Kohlenstoffstähle, die meisten Werkzeugstähle und die martensitischen korrosionsbeständigen Stähle in ihrem unteren Bereich. Diese Stähle sollen vorzugsweise eine Härte von über 270 HV besitzen. "*'.._

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Zur dritten Gruppe gehören Eisenlegierungen mit 50 bis 79 At.-$ Eisen, mindestens 1 At,-$ Kohlenstoff und einer Vickershärte von mindestens 400. Unerwünscht sind ferritische und die meisten austenitischen korrosionsbeständigen Stähle.Man kann jedoch verformungsgehärtete niederlegierte Nickellegierungen oder austenitischen korrosionsbeständigen Stahl ,verwenden.

Die wesentlichen Legierungselemente für die zweite und dritte Gruppe sind Chrom, Mangan, Molybdän und Wolfram. Sie sollen mindestens die Hälfte des Gewichtes, der restlichen Legierungselemente (mit Ausnahme Eisen und Kohlenstoff) ausmachen * und in erster Linie als ausgeschiedene Carbide oder/vollständig gehärteter fester Lösung vorliegen, z.B. in der martensitischen Phase des Eisens. Nickel und Kobalt sind unerwünscht, und die . Summe dieser Legierungselemente sollte daher unter 6 At,-$ betragen. ' - . ^;

5. Das umge-bende Medium

Das eindruckvollste Merkmal des erfindungsgemäßen Systems ist seine Fähigkeit, bestimmte Medien in situ zu Schmiermitteln zu polymerisieren, ohne daß dabei von außen zusätzliches Produkt zugeführt werden muß, das nicht wesentlich für das Funktionieren des Systems ist, z.B. ein schweres Erdölprodukt, wie ein Hotoröl, ein Schmiermittel oder ein Schmierfett. Au-s wirtschaftlichen Gründen sieht die Erfindung in erster Linie Systeme mit Erdölkohlenwasserstoff-Brennstoffen als umgebendes Medium vor. Erfindungsgemäß sind besonders geeignet: Benzin für Automobile, Schiffahrt und Luftfahrt; Kerosin und Düsentreibstoffe für moderne Düsenluftfahrzeuge und Dieselöle für Dieselmotoren. Diese Medien lassen sich alle unter die Klasse der Erdölkohlenwasserstoffe mit Siedeende nicht über 345 C einreihen.

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Die Stoffe können in flüssiger oder Dampfform verwendet werden. Eine Methode "zur Erzielung der erfinclungsgemäßen Ergebnisse besteht z.B. darin, daß man in die Kammer, welche die relativ zueinander beweglichen Gegenflachenenthält, Benzindampf einsprühte

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Es sei darauf hingewiesen, daß bis herunter zu 10 Gew.-# eines wirksamen flüssigen Mediums im Sinne der Erfindung in Kombination mit 90 Gew.-$ eines unwirksamen flüssigen Mediums einen vollständig zufriedenstellenden Teil des erfindungsgemäßen Systems ergeben. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße System auch in Gegenwart von üblichen Schmiermitteln (fest oder flüssig) und hydraulischen Flüssigkeiten arbeitsfähig ist und man daher in der Lage ist, geringere Quantitäten von derartigen Schmiermitteln anzuwenden. Auch läßt sich für das erfindungsgemäße System ein Gemisch oder eine -Dispersion der erwähnten Kohlenwasserstoffe, Alkohole oder Aldehyde mit Flüssigkeiten, wie Trichloräthylen, Wasser u.dgl. anwenden, die man eigentlich üblicherweise nicht als Schmiermittel bezeichnen kann. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Systems ermöglicht die Verwendung von hydraulischen Flüssigkeiten relativ geringer Viskosität. Während des Betriebes ist die -Viskosität des aus diesen Medien gebildeten Schmiermittels ausreichend hoch, um eine schmierende Funktion zu erfüllen. In der Kälte ist die Viskosität des hydraulischen Mediums ausreichend gering, so daß kein Erwärmen erforderlich ist, um die im allgemeinen bei höherviskosen Medien erforderliche Fließfähigkeit aufrechtzuerhalten.

"".""- ' · ■"■',-Verwendungsmöglichkeiten

Die erfbdungsgemäßen Einrichtungen lassen eich für die verschiedensten Maschinenarten anwenden: 2- und ^ Takt-hin- und hergehende Kolbenmaschinen; 2- und 4-Takt-Rotationskolbenmaschinen einschließlich solchen mit elliptiecher oder

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epitrochoidaler Laufbahn? Keil- und Flügelkolbenmaschinen, Freikolben-Gasmaschinen; Turbostrahltriebwerke, Strahltrieb-. werke und Gasturbinen. Bei einer 2-Taktkolbenmaschine können die Xagerflächen und Dichtungen aus einer aus Kupfer und der hier als"Bauteil B" bezeichneten Molybdän- oder Wolframlegierung zusammengesetzten Masse bestehen oder damit belegt sein, während die Gegenflachen einschließlich der Kurbelwelle, der Zylinderkolbenwand usw. aus einer Eisenlegierung entsprechend dem erfindungsgemäßen Bauteil A bestehen können.

Die Einrichtungen sind auch brauchbar für Brennstoffpumpen und BrennstoffZuführungen ο Bei den BrennstoffZuführungen kann das Gemisch für das Bauteil B in Form eines Überzuges auf dem Kolben ausgebildet sein, welcher in einer Kammer aus dem Werkstoff des Bauteils A gleitet, oder dieses Gemisch für das Bauteil B kann einen Überzug der zylindrischen Kammer darstellen, in welcher der Kolben aus dem Werkstoff des Bauteils A arbeitet oder mit diesem überzogen ist. Bei einer Brennstoffpumpe können die Flügel mit dem Mischwerkstoff des Bauteils B, der mit einer Kammer des Bauteils A in Kontakt steht, überzogen oder aus diesem hergestellt sein. Auf diese Weise kann man sehr niederviskose Brennstoffe, wie Benzin oder Kerosin,'anwenden. Dadurch erhält man die Möglichkeit, Dieselmotoren mit weniger viskosen Brennstoffen als den zur ". Zeit angewandten zu betreiben. .

Eine besonders interessante Anwendungsweise der Erfindung besteht bei den Rotations-Verbrennungskraftmaschinen nach TJS-Patent 3,359t953. Es handelt sich dabei um eine spezielle Methode zur Überwindung dei> Seitenabdichtungspro^· Heme. Ein Überzug aus dem Mischwerkstoff des Bauteils B

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nach der Erfindung wurde als Kontaktfläche der Endflächendichtung angewandt, während die Innenflächen der Stirnwände aus dem Werkstoff des Bauteils A bestanden. .

Eine weitere interessante Anwendungsmöglichkeit des Erfindungsgegenstandes liegt in der Lösung des Problems, die Lastaufnahmefähigkeit von ofeetränkten, porösen Lagerwerkstoffen, z.B. selbstschmierenden Lagern, zu erhöhen. Bei solchen Lagerwerkstoffen sind relativ weite Poren erforderlich, .um das relativ viskose Schmiermittel durchzulassen, womit sich aber die Lastaufnahme verschlechtert. Wird ein niederviskoses Vorschmiermittel verwendet, das in situ auf der Lagerfläche ein hochviskoses Schmiermittel zu bilden vermag, so können kleinere Poren im Lagermaterial vorliegen, wodurch sich wiederum die Lastaufnahmefähigkeit des Lagers erhöht. Wird nun in dem betreffenden Lager der erfindungsgemäße Mischwerkstoff für den Bauteil ΪΒ zusammen mit dem umgebenden Medium angewandt, so werfen-"Schmierfette mit höherer Viskosität als die üblichen Öle erzeugt, wodurch sich die ,Lastaufnahme erhöht.

, Zusammenfassend ist zu sagen, daß die erfindungsgemäßen Einrichtungen in zahlreichen Situationen, so bei Lagern, Getrieben, Dichtungen und Kolben, Anwendung finden können, wobei die erfindungsgemäßen Einrichtungen entweder-diese Teile bilden oder als Überzüge bzw. Beläge dafür vorhanden sind.

Die folgende Aufstellung von.Anwendungsmöglichkeiten hat keinen einschränkenden Sinn, sondern soll dem -Fachmann nur als Hinweis auf besonders zweckmäßige Anwendungen dienen. . ^f , '.-■■■-■ . :

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Aufstellung der Anwendungszwecke

I, Übliche lager

A. Quergleitlager

1. Lagerbuchsen

2. Dochtölschmierung

•· . 3. övalring-Schmierung

4. Druckölschmierung

5. Schmierung über Ringnut

6. zylindrische Lager

7. überzylindrische Lager

8. Drucklager

9. Mehrtaschenlager

10. elliptische Lager

11. Dreitaschenlager

12. Schwenkschuhlager

13. Partiallager

14. statische Drucklager

B. Längsgleitlager

1. mit ebener Laufbahn

2 ο mit konischer Lauf— -.■■'· bahn

3β Sehwenkschuhlager

4. Stufenlager

5. statische Drucklager 6 ο Taschenlager

7. Nornb-Buchsen 8.-Gelenkringe

II. Speziallager _: ρ ·

1. Brennkraftmaschinen mit hin- und hergehenden Kolben

2. Brennkraftmaschinen mit Kreiskolben (epitrochOidaler, .,""'■■ elliptischer, keilförmiger Plügel-

: ' - kolben)

3. Plüssigkeits-punipen,, Rührer und andere in der Verfah- ·'■■" renstechnik verwe'ndete Vorrichtungen

"....: 4* hydraulische Vorrichtungen . -. \

5. Vakuumpumpen ^; :

■\ 6. Turbinen/ , / _f

7· Düsenantriebe \ * '

-.8. Kältetechnische Maschinen . ' .

9. Heißluft.- (Stirling!-Maschinen :.'.'_ -

; 10* Saskompressoren _ ; ■

■- ί9 -

13B2

~ 19 « 1A-36

III. Spezielle Getriebe

1. Automobil- und Landmaschinengetriebe

2 β Präsmaschinengetriebe

3. Drehmaschinengetriebe

4. Differentialgetriebe

5. Untersetzungsgetriebe ·

6. Planetengetriebe

7. Hochgeschwindigkeits-Hohlwellenget'riebe

8. Keilverzahnungen

9. Nocken

10. Schnecken

11. Kettengetriebe

12. Hochgeschwindigkeitsläufer oder -schütten IV. Dichtungen

1. Kreiskolben für Kreiskolbenmaschineri

2. Kolbenringe für Brennstoffmaschinen

3. für chemische Pumpen

4. für Brennstoffpumpen . ·

V. Kolben

1. für Brennkraftmaschinen

2. für hydraulische Maschinen

3. für Brennstoff-ISinspritzvorrichtungen und -pumpen

4. Brennstoffpumpen der Verdrängerbauart

Es sei darauf hingewiesen, daß man bei Verwendung des Systems für Gleitelemente,' z.B. Dichtungen, Gleitlager usw., Verbesserungen erzielen kann, wenn man die Oberfläche, die Nutung und den Zwischenraum zwischen den Gegenflächen der Gleitpartner auf optimale Werte einstellt.

Die Beispiele erläutern die Erfindung näher.

- 20 -

- 20 - 1A-36 510

Beispiel 1 .

Aus einem Kupferpulver mit Teilchen von 150/U Durchmesser und einer Legierung aus 56 At.-# Kobalt, 22 At.-<fo Molybdän und 22 At.-$ Silicium mit einer Teilchengröße von 75 bis 150 /U wurde durch Vermischen gleicher Volumenteilchen ein Gemisch bereitet^, das auf eine Aluminiumunterlage aufgesprüht wurde. Der Belag wurde dann im Abriebtester nach Fig. 1 gegen Stahl 1095 (95,7 At.-# Eisen, 4,3 At.-# Kohlenstoff), der auf eine Vickershärtezahl von 510 gehärtet war, geprüft. Es wurde ein PV von HO 000 auf das Prüfstück angewandt, und das Prüfgerät wurde 6h in einer Umgebung von Gasolin laufengelassen. Das Gasolin wurde in das Prüfgerät in Form eines Sprühstrahles mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,42 ml/min eingeführt. Der Reibungskoeffizient wurde zu 0,08 gemessen. Nachdem sechsstündigen Lauf wurde das Prüfstück und die Paßflache untersucht. Es zeigte sich nicht nur äußerst wenig oder gar kein Abrieb, sondern es wurde auch das Vorhandensein eines bernsteinfarbigen fettartigen Produktes zwischen den Kontaktflächen festgestellt. Das durchschnittliche cryoskopische Molekulargewicht dieses Reaktionsproduktes wurde mit 420 festgestellt, was im Gegensatz steht zu einem durchschnittlichen

P Molekulargewicht von 107 für das ursprünglich eingeführte Gasolin. _t .·

Es wurde dann die Schmierfähigkeit des Reaktionsproduktes gemessen und mit derjenigen eines handelsüblichen Schmierfettes verglichen. Ein kleiner Anteil dss Reaktionsproduktes wurde auf.einen Prüfkörper aus 1020 kalt gewalztem Stahl (0,9 At.-# Kohlenstoff, 0,5 At.-# Mangan, 98,6 At.-# Eisen) aufgerieben. Der so vorbehandelte Prüfkörper wurde dann in den Abriebtester eingebracht und dort mit einem Referenzring " aus Stahl 1095 (Vickershärtezahl =510) in Kontakt gebracht«

'. ;".-".■ ■ ; ■'■ - 21 909881/13B2

- 21 -. 1Α-36 510

Die Kombination aus Stahl 1095 gegen Stahl 1020 würde normalerweise in Gasolin sofort festfressen«, In Anwesenheit des Reaktionsproduktes, das in den Zwischenraum zwischen den beiden Stählen eingeschmiert war, lief das Prüfgerät leicht bei einem PV von 200 000; die Abriebgeschwindigkeit war gering und der Reibungskoeffizient betrug 0,036, d_oh_e er war identisch mit demjenigen,der bei Verwendung eines handelsüblichen Schmierfettes erhalten wurde. Wurde dagegen Vaseline, ein weniger wirkungsvolles Schmiermittel, angewandt, so stieg der Reibungskoeffizient bereits bei einem PV von 55 000 auf 0,08. Die gemessene Abriebgeschwindigkeit war entsprechend hoch.

Beispiele 2 bis 8 .

Es wurden eine Reihe Eisenlegierungen als Bauteil A und Hemische aus verschiedenen Matrixmaterialien und Molybdänoder Wolframlegierungen als Bauteil B hergestellt und in dem in Mge 1 dargestellten Prüfgerät nach der in Beispiel 9 erläuterten Methode auf Abrieb getestet. Als Umgebungsmedium wurde in den Beispielen 2 bis 6 Gasolin, in Beispiel 7 n-Octan und in Beispiel 8 Hexanol verwendet.

Die Jeweils als Bauteil A verwendete Legierung und ihre Vickershärtezahl (V.H.) und das jeweils als Bauteil B verwendete Gemisch sind in Tabelle I-A aufgeführt, während die Resultate aus Tabelle I-B hervorgehen.

	Tabelle	I-A	β	60 60 75 80 65 65 65	Bauteil B Matrixmaterial
Beispiel	Bauteil A	Legierung ,		Kupfer, 20 Mckel Nickel , Polyimid Kupfer Kupfer Kupfer Kupfer - 22 «
2 3 4*) ■ 5 6 · 7 8 "	1095 Stahla »Elastuff 44" "Elastuf 44" 1095 Stahl "C 6101 1095 Stahl "Elastuf 44"	20 CM 5535b 40 CM 5535 25 GM 5535P 20 NW 454Oe 35 CM 5535 35 KW-4540 35 CM 5535
	9 0 9881	/1-362

1A-36 510

a 95i7 .At,-?! Fe, 4,3 At.-96 C (.V.H, 516) ^ b 56,4 At.-$ Co, 22,1 k±.-fo Mo, 21',*5 At.-^.Si ...... ·.. ' , c 93,6 At.^£ Fe, 2,1 At.-# C, 1,7 At.-^S, 1 At.-.jS Cr, . ; -,..

0,9 At.-# Mn, 0,4 kt.-fo Si,-Q,3 At..-56 Mo (V.H. ,43.4),. , ..■■

d.Polymer von 4,4'-Oxydianilin und Pyromellitsäuredianhydrid e 50,7 .At.-96 Ni, 14,5 At*-^ W, 34,8 At .-96 Si . _: ., ■ . f 80 At.-^ Fe,' 12 At.-Ji Cr,6,6 At.-^ 0,.1¹At.--^ V, 0,4.At,-^. •-Mo (V.H. 720)

*) Kaltgepreßt und auf 200-50O⁰C erhitzt. .

	PV χ 1000	Tabelle I-B	Verschleiß	nach 100 h
	164		in Teil A	Teil B
Beispiel	57	Reibungs koeffizient	0,0	■ 5", 1
CM	5.7	0,11	0,0	0,0
3	100	0,17	0,0	0,0
4	90	0,04	2,5	12,7
5	55	0,05	0,0	17,8
6	' 70	0,16	0,0	■10,2. :
7		0,1	0,0	0,0
8	0,07
Beispiel 9

Die Fig. 2 zeigt, eine Vorrichtung zur Prüfung der Leistungsfähigkeit verschiedener handelsüblicher lager. Tn dieser Skizze ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der die Reibung zwischen der Welle 61 und dem zu prüfenden Lager 62 eine Drehung des Aufsatzes 63 bewirkt, wenn eine Last 64: auf ihn^v einwirkt, Die Drehung des Aufsatzes überträgt-eine Kraft auf -. einen Drehmomentunisetzer 65' über einen Hebelarm 66·'Aus dem über einen nicht dargestellten Schreiber aufgezeichneten Drehmoment läßt" sich die Tangentialkraft, die auf die' Lagerwelle

■90 98 81

w 23 —

- 23 _ 1A-36 510

an der Zwischenfläche einwirkt, berechnen. Dividiert man diese Tangentialkraft durch die angelegte Last, so erhält man den Reibungskoeffizienten. Der Umsetzer wird vor jedem Versuch geeicht. Das Verfahrensmedium, in diesem Falle Benzin, wird dem Lagersystem über die Öffnung 67 zugeführt.

Bei der Durchführung des Versuches steigt der Benzihstrom auf 0,454 kg/h ohne Last, dann wird die Laufgeschwindigkeit «bei. der Welle auf den gewünschten Betrag gebracht. Die Last wird in Gewichten von jeweils etwa 9,1 kg (20 Ib) aufgelegt,und die Vorrichtung wird dann jeweils\30 min bis 1 h laufengelassen.

Durch Verpressen von Kupferpulver (150/u) mit 28 Vol.-# einer Legierung aus 56 At.-# Kolbalt, 22 At.-#Molybdän und 22 At.-io Silicium (75 bis 150 /ü) wurde ein zusammengesetzter Werkstoff bereitete Nachdem dieser in Wasserstoff auf 850⁰C erhitzt worden war, wurden daraus in Luft Stücke von einem Durchmesser von 3»2 cm geschmiedet. Uach einer 3- bis 4-atündigen Hitzebehandlung bei 850⁰C in Wasserstoff, um die Bindung zwischen dem Kupfer und der Legierung zu festigen, wurden mit Hilfe von Carbidwerkzeugen daraus Drehzapfen innerhalb einer Toleranz von*0,25 mm hergestellt, die dann auf den endgültigen Durchmesser der Zapfenlager¹'(1,9 cm) zurechtgeschliffen wurden. - - ·

Als Vergleichsstücke A wurden die Zapfenlager dadurch hergestellt, daß die oben erwähnte Kolbalt-Molybdän-Silicium-Legierung allein vergossen wurde. Als Vergleichsstücke B wurden Zapfenlager aus Bronze SAE 660*) hergestellt.

Sämtliche Lager wurden in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung getestet,.wobei als Flüssigkeit Gasolin diente und eine Welle aus gehärtetem Stähl, SAE 52100*»), verwendet wur-

-24- 1A-36 510

de, die mit 1200 Umdr./min umlief. Die Resultate bei verschiedenen Belastungen gehen aus der folgenden Tabelle hervor:

Tabelle II .

Reibungskoeffizient bei verschiedener Belastung (PV) . ^{v 1}PV (psi χ ft/min)

	10 000	25 000	50 000	75 000	100 000
Beispiel 9	'"'■ —	0,004	0,006	0,007	0,004
Vergleich A	—	0,21	0,16	0,16	0,16
Vergleich B	festge	festge	festge	festge	.festge
	fressen	fressen	fressen	fressen	fressen

*) 5Ö..At··^ Cu, 4 At.-$ Sn, 4 At.-$ Zn und At.-# Pb **.) 93,2 At.-r% Fe, 4,4 At.-jS C, 1,5 At.~# Cr, 0,6 At.-^ Si, 0,3 At.-% Mn

Beispiel 10

Ein 2-Taktmotor wurde gemäß Figo 3 abgeändert, um einen Betrieb ohne Zusatz von Öl zu dem Treibstoffsystem zu ermöglichen. Die ursprüngliche Maschine war ein 2-Taktmotor mit 2 1/2 HP Leistung, Modell D-402, Herstellerin Outboard Marine Corp., Galesburg, 111. Das Spiel nach den Abänderungen der Lager, des Kolbens und der Kolbenringe war so groß wie möglich, fiel jedoch selbstverständlich noch unter die Richt-r linien des Herstellers„ Außerdem waren die Lagerbuchsen genutet, um das Benzin zu den Innenflächen der Lager zu leiten.

Die Lagerbuchsen 21 und 22, die, als Magnetplatten-Lager (magneto platebearings) und Wellenlager'verwendet wurden, waren hergestellt aus Mischwerkstoffen aus Kupfer und 2BVoI-? der in Beispiel 1 verwendeten Legierungo (56 At.-$ Co, 22 Ai*- Mo und 22 At.-$ Si). Diese Lager waren an beiden Enden abge-

.■'■■/ ■■. ■^: ■■-. - ν /■';,-. ■.,■ '■■■' - : '; V-.25- V ~ 909881 ./.13BZ": V ·

- 25 - lA-36 510

dichtet, um zu verhindern, daß Benzin unmittelbar in das Kurbelgehäuse aus Aluminium eindringt. Ein gehärteter, niedriglegierter Stahl innerhalb der Definition für den erfindungsgemäßen Bauteil A wurde als Kurbelwelle 24 verwendet. Der Kolben 29 war beschichtet mit einem Gemisch aus Kupfer und

25 YoI.-fo der Regierung nach Beispiel 1, das durch Plasmaspruhen in einer Dicke von 0,1 bis 0,13.mm aufgebracht war. D"ie Teilchen in der Beschichtung hatten einen Durchmesser zwischen 0,075 und 0,150 mm. Die Beschichtung war in Form von Streifen auf das obere und untere Ende des Kolbens aufgebracht, obgleich man vorzugsweise "den gesamten Kolben beschichten sollte. Die Kolbenringe 28, die gegen die Zylinderwände aus Gußeisen gleiten, waren die ursprünglichen Ringe aus Gußeisen, die jedoch durch Aufsprühen mit der Legierung nach Beispiel 1 beschichtet waren. - - -

Obgleich die Brennstoffpumpe elektrisch betätigt war, kann sie auch, wie aus Pig. 3 hervorgeht, als Membran-Brennstoff pumpe der Verdrängerbauart betätigt werden» Der Weg des Brennstoffes (Benzin) ist in der Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet. Aus dem Tank 31 wird Brennstoff in die Brennstoffpumpe 30 ange'saugt. Von hier aus wird er in das Lager 22 gepumpt, das er am anderen Ende über einen Auslaß verläßt, worauf er über den Einlaß 33 und andere nicht dargestellte Eintrittsstellen in den Gußeisenzylinder 32 geleitet wird. Der- in den Einlaß 33' eintretende Brennstoff schmiert die Lager 26 und 27 auf folgende Weises der hohfe Anlenkbolzen 25·. ist am einen Ende verstopft, um zu verhindern, daß Brennstoffhindureh und zu dem Auslaß 34 ausfließt-. Wenn der Anlenkbolzen. 25 den Einlaß 33 passiert, wird Benzin hineingedrückt, das ihn voll ausfüllt. Da das eine Ende geschlossen und die Lager

26 und 27 mit Öffnungen versehen sind, fließt das Benzin in diese Lager und schmiert sie. In.Fig. 3 nicht gezeigt sind

~ 26 ~ 909881/13B2

. -26- 1A-36 510 '

die Öffnungen im Boden des Lagers 27 und am Kopf des Lagers 26, durch welche Benzindämpfe in das Kurbelgehäuse -36 gelangen können, die noch eine zusätzliche -Schmierung der- Lager 26» und 27 bewirken. - . ν .- . ,: ; . ^; :. ^r y:

Durch die Pumpe . 30 kann auch in dasL_fager 21 Brennstoff, eingepumpt werden. Er fließt dann in diesem Lager nach unten wie/der Zeichnung angedeutet, durch eine .Öffnung 35 in

das Kurbelgehäuse 24, um'das Lager 23 zu schmieren. Das letztere ist ein Wälzlager mit einer äußeren Laufbahn aus einer Legierung (77 At;-$ Co, 19 At„-$ Mo und 4 At.-$ Si). Das Kurbelgehäuse bildet ,eine innere Laufbahn,und als Wälzkörper wurden Nadeln aus Stahl 52100 (93,2 At.-$Pe, 4,4 At.-^ C, 1,5AtV-^Cr, 0,6 At.-<fi Si, 0,3 At.-^ Mn) benutzt.·

. Aus dem Lager 23 wird der Brennstoff in das Kurbelgehäuse 36 gedrückt. Auch in den Vergaser 37 wird Brennstoff eingepumpt .Das. Ventil ^;38 am Vergaser schließt sich, wenn das Kurbelgehäuse 36 unter Druck ist und öffnet sich, wenn das Kurbelgehäuse unter niedrigerem Druck steht, d,hi wenn der KoI-= ben 39 in seiner höchsten Stellung ist. Zum Einführen des Benzin-Luftgemisches in, den Verbrennungsraum"40 sind Durch-' gänge vorgesehen, die aus der Zeichnung nicht ersichtlich sind Der Durchgang des Brennstoffes durch den Vergaser 37 wird durch die Menge in den Motor angesaugter Luft bestimmt. Diese Menge an Luft wirdihrerseits wieder durch einen Regler ge- , steuert.■ ' _;

"..-■" Wie sich gezeigt'hat, ist es im Interesse eines glatten Laufes der Maschine wünschenswert, wen^Kmi/ndestens 50 $> des Brennstoffes über den normalen Verbrennungsweg laufen, d.h_o durch den Vergaser und beim Aufwärtshub des Kolbens in den Verbrennungsraumo Die'Steuerung des Durchflusses von Benzin durch -den Vergaser 37 ^un^ die'Lager 21,22 und 23 erfolgt mit Hilfe von Nadelventilen. ' /

* ' 90988 1/ 13B2 -.27 -

1A-36 510

Beim Versuchsbetrieb wurde die Pumpe 30 in Gang gesetzt, um allen Lagerflachen kurz vor dem Start der Maschine Brennstoff zuzuführen« Die Lager wurden somit nicht in trockenem" Zustand betätigt» Die Maschine wurde dann 50 h mit einem handelsüblichen Benzin „erster Qualität, das jedoch keinerlei Öl enthielt, betrieben. Der Treibstoff wurde der Maschine mit einer Geschwindigkeit von 0,953 kg/h zugeführt. Die Luftzuführung betrug 8,62 kg/h, was ein Verhältnis von Luft zu Treibstoff von etwa 9:1 ergibt. Die Maschine lief mit 2 450 Umdr./min ohne jede Belastung,, Während des Betriebes zeigte sich keinerlei Rauch im Abgas, wie dies beim Betrieb der nicht abgeänderten 2-Taktmaschine zu beobachten war, wenn sie mit dem vom Hersteller empfohlenen Öl-Treibstoffgemisch betrieben wurde. Außer einer dünnen Rußabscheidurig am Kolben und an den Zylinderwänden waren keinerlei Ablagerungen zu beobachten,, Die Dimensionen der wesentlichen, einem Abrieb unterworfenen Teile wurden vor und nach dem Versuch gemessen, um die Höhe des Verschleißes zu bestimmen. Die Resultate sind in Tabelle III aufgeführt.

Tabelle III

Abmessungen der wesentlichen, einem Abrieb unterworfenen Teile vor und nach einem Versuchslauf von 50 h

	Dimensionen	nach dem Versuch (Zoll)	Gesamt abrieb (Zoll)
Verschleißteil	vor dem Versuch (Zoll)	0,8772	Ο,ΘΟΟΟ
Magnetoplattenlager 22	0,8772	0,8771 0,8742 ..	0,0000 0,0002(
Kurbelwellenlager 21 Magnetwellenlager 22	0,8771 , 0,8744	0,8741	0,0002(
unteres Wellenlager 21	0,8743	2,3710	0,0000
Kolben 29	2,3710	2,3770.	0,0000
Zylinder 32. ;	2,3770

90 98 8 1 /T3TB.2

- 28 -

: ;■■.-;· · '■■■ . Ί 932774.

ι -28- 1Α-36 510

Wenn Maschinen derart kontruiert sind, daß öl anwesend sein muß}· um die Schmierung gewisser Flächen sicherzustellen, kann man bei .Verwendung der erfindungsgemäßen Schmierstoffer-~ zeugenden Oberflächen die zuzuführende Menge an öl wesentlich verringern. So wurde beispielsweise die oben beschriebene , . 2-Taktmasehine ohne Einführung von Brennstoff durch die Zylinderwand so betrieben, daß anstelle des reinen Benzins ein Gemisch aus einem Teil SAE 30-01 in 500 Teilen Benzin verwendet wurde. Bei den üblichen gleitenden Flächen im Verbrennungsraum muß auf 16 Teile Benzin 1 Teil Öl verwendet werden. ' _

Beim Betrieb einer völlig-unveränderten 2-Taktmasehine des gleichen Typs wie oben mit einem Benzin-Öl-Gemisch im Verhältnis 16 : 1 waren nach 32 h die Auspufföffnungen fast vollständig mit schwer^en Kohleablagerungen verstopft. Ein weiterer Betrieb dieses Motors wäre nur möglich gewesen, wenn . der Auspuff,der Kolben und der Zylinder ausgebaut und gereinigt wo-rden wären.

Beispiel 11

Eine der besonders zukunftsweisenden Anwenäungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäßen Schmiersysteme wäredie Ver.-wendung als Dichtungen bei Umlaufmotoren. Es wurde daher eine Versuchsreihe durchgeführt, um die Eignung des erfinäungsgemäJ3en Systems als Dichtung für den Wankelmotor:, Wa, beschrie-" ben in der IJS-Patentschrift 3,359>953r zu erproben. Zu diesem Zweck wurde ein Luftmotor nach Gast verwendet, der in.Figo 4 schematisch dargestellt ist* Normalerweise wäre die Antriebskraft für diese Maschine Druckluft, die beim Einlaß eingeführt wird. Ffrr die vorliegenden Versuche wurde Jedoch der Motor mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten irntersuchungseinrichtung für Lager betriebene Der Motor dieser Einrichtung war an die Drehwelle des Luftmotors angekuppelt und brachte diesen zur Rotation.

9G9 8B1/13TB 2

- 29 - 1A-36 510

Beim ersten Versuch wurden Flügel 51 aus einem Mischwerkstoff aus Kupfer und 30 Vol_o-$ der Legierung nach Beispiel 1 verglichen mit hart-verchromten Flügeln. Der Versuch wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Der Motor wurde.mit 12.000 Umdr./ min betrieben, wobei je Stunde 45*4 g handelsübliches Benzin mit Hilfe von 454 g Stickstoff hindurchgeschickt wurden. Diese geringe Benzinmenge wurde verwendet, um die- Menge an unverbranntem Treibstoff in einem Motor genauer zu simulieren. ' Innerhalb einer Laufzeit von 3 1/2 h beschädigten die chromplattierten Flügel das Gußeisengehäuse-und erzeugten so viel Abrieb, daß der Auslaß verstopft war«, Wurden dagegen Flügel verwendet, die aus dem in Beispiel 9 beschriebenen Mischwerkstoff bestanden, so ergab die Messung keinerlei Verschleiß der Flügel oder des Gehäuses. Die aus dem Mischwerkstoff bestehenden Flügel wurden dann nochmals erprobt, wobei das Gehäuse auf 150 erhitzt war, was die höchste Oberflächentemperatur bedeutet, die im Wankelmotor erreicht wird (der Wankelmotor verwendet ein Aluminiumgehäuse). Auch in diesem Falle konnte keinerlei- Verschleiß der Flügel.oder des'Gehäuses gemessen werden. Es zeigte sich, daß nach dem Versuch sämtliche Innenflächen mit einer Substanz überzogen waren, die hinsichtlich ihrer Viskosität einem handelsüblichen Öl der Qualität SAE 20-30 entsprach; dies beweist die Bildung eines Schmiermittels in situ beim fortgesetzten Kontakt mit Benzin.

Beispiel 12 .·

Zwecks Vorführung einer Benzinpumpe unter Verwendung des. erfindungsgemäßen Systems wurden die Flügel in einem Gast-Luftmotor ausgetauscht gegen Flügel aus dem in Beispiel 11 beschriebenen MischwerMoff. Der Motor wurde mit dem Untersuchungsgerät nach Figo 2 mit 1200 ümdr_o/min betrieben, so daß er als Pumpe wirkte_o Nun.wurde. 5 1/4 h lang Benzin mit einer Geschwindigkeit von 114 l/h in einer geschlossenen Schleife mit einem.3,8 1-Reservoir umgepumpt. An den Flügeln konnte keinerlei.Verschleiß gemessen werden, und der-Gewichtsverlust betrug im Durchschnitt 1 mg je Flügel.

8647 _{g 0 9 8 ff χ l} j ₃._{6 2} Patentansprüche

Claims (11)

Patentansprüche

1. Schmiersystem aus mindestens zwei Maschinenteilen A und B mit relativ zueinander beweglichen Gegenflächen und einem umgebenden flüssigen Medium, das bei Betrieb der Maschine ein Schmiermittel zu bilden vermag, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenfläche des Maschinenteils A aus einem Eisenwerkstoff besteht, der entweder a) 11 bis 15 At.-fo Kohlenstoff, 1,5 bis 3 At.-fo Silicium, Rest Eisen, Vickershärte mindestens 150, oder b) mindestens 80 At.-fo Eisen und mindestens 1Aty-$ Kohlenstoff, Vickershärte mindestens 200 oder c) 50 bis 79 kt.-io Elsen und mindestens 1 At.-$ Kohlenstoff, Vickerhärte mindestens 400, enthält, wobei in den Werkstoffen b und c die Summe Kobalt +Nickel weniger als 6 At,-^ beträgt und mindestens die HälÄe des Gewichtes der restlichen Legierungselemente aus Chrom, Molybdän, Mangan oder Wolfram· besteht, die als Garbide oder vollständig gehärteter fester. Bösung.vorliegen; sowie daß die Gegenfläche des Maschinenelementes B im wesentlichen aus einem Gemisch aus 10 bis 90 Vol.-$ einer Legierung mit mindestens 6 At. 'jfo Molybdän Und/oder Wolfram besteht, wobei mindestens 10 VoI.-^ der Legierung eine intermetallische Verbindung von Molybdän und/oder Wolfram mit einer Vickershärte" von 550 bis 1800 darstellen und wobei der Trockenreibungskoeffizient des Maschinenelementes A auf B nicht größer als 0,25 ist, sowie daß dementsprechend 90 bis 10 VoI.-^ der Gegenfläche des Maschinenelementes B aus einem Material mit einer geringeren Vickershärte als die Legierung besteht, dessen Festigkeit und Haftfähigkeit ausreicht, um die Legierung in dieser Matrix festzuhalten; und daß schließlich das umgebende flüssige Medium aus Erdöl-Kohlenwasserstoffen mit einem.Siedeende nicht über 345⁰C, aliphatischen Alkoholen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder aliphatischen Aldehyden mit 4 bis 9 Kohlenstoffatomen bestehtν ■■■■■*.■■■ - -: - ■■■ ".' .■■■-■ .' ■. ■ ■-■ ■'■■ ■ ■-■ - ■. ■'■ ■■-- 2 - - ■■■■' ■

90988Ί /T3B2 ,

■■■.-...· " - -Jt - 1A-36 510

2. Sehmiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung in dem Gemisch an der Gegen fläche des Elementes B- eine Legierung von mindestens 12 At.-$ Molybdän ist.

*3. Schmiersystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n,n ζ e i ch n. e t ^N, daß die Legierung in dem Gemisch· an der Gegen fläche des Elementes B eine Legierung von mindestens 12 At.-$ Wolfram ist.

4. Schmiersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung in dem Gemisch an der Gegenfläche des Elementes B ini wesentlichen aus 6 bis 85 At.-fi Molybdän, 4 bis 56 At.-% Silicium, Rest .Eisen, Kobalt oder Nickel, besteht.

5. Schmiersystem nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η -

ζ e i c h η .e t , daß die Legierung in dem Gemisch an der Gegen fläche des Elementes B im wesentlichen aus 19 bis 25 At.-$ Molybdän, 4 bis 22 At.-4 Silicium und 53 bis 77 At.-$ Kobalt besteht.

6, Schmiersystem nach ginem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Verbindung in der Legierung an der Gegenfläche des Elementes B 20 bis 85 Vol.-# der Iiegierung' einnimmt.

7. Schmiersystem na.eh einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e η η ζ e i g h net, $aß das unipebende Medium ein Erdöl-Kohlenwasserstuff mit einem Siedeende nicht höher als 345°C, wie Benzin, ist. . .

■ ' ■ ■' ': ' - 3 -9 09 8 8 1 / 1 3B 2 ■■

- Z - 1A-36 510

8. Schmiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das umgebende Medium zusätzlich Schmieröl enthält.

9. Schmiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e η η ζ e_vi c h η e t , daß in dem Mischwerkstoff das Material, das eine geringere Vickershärte Hat als die Legierung im "Element B aus einem der folgenden Stoffe besteht: a) Kupfer, Nickel, Aluminium, Blei, Zinn, Cadmium oder Eisen; b) Legierungen der Metalle der Gruppe a); c) Chrom und Molybdän; oder d) Polyimide, aromatische Polyamide, aromatische Polyketene, Poly« benzimidazole, aromatische Polyimine, Polybenzotriazole, aromatische Polythiazole oder Phenol-Formaldehydharze.

10. Schmiersystem nach Anspruch 9, dadurch g e k en η -

ζ e i c h η e t , daß das Material ein Polyimid von Pyromellitsäuredianhydrid und 4,4'-0xydianilin ist.· .

11. Verfahren zur Herstellung der Schmiersysteme nach An-

- * . -■ ■ . -^: ■ - .■-..-■■■ spruch 1 bis 10, dadurch ge k e η η ζ .e ic h η et , daß man die Oberflächen von mindestens zwei Bauelementen, nämlich A und B, zusammengesetzt'nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gegenständig anordnet, ein flüssiges Medium nach Anspruch 7 oder 8 derart zufügt, daß es zwischen*die sich gegenüberliegenden Flächen derBauelemente A und Beindringt und die sich gegenüberliegenden Flächen relativ zueinander bewegt, derart_t daß das flüssige Medium unter Polymerisation ein Schmiermedium bilde-t.

9 098 8 1 / 13T5 2

L e e r s e ι r e