DE2023899A1

DE2023899A1 - Maschinenelement mit aufgetragener Außenschicht

Info

Publication number: DE2023899A1
Application number: DE19702023899
Authority: DE
Inventors: Gunnar Romanowski Franz Vasteras Jakobsen (Schweden) P B22f7 04
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1969-05-22
Filing date: 1970-05-15
Publication date: 1971-02-18
Also published as: FR2043622A1

Description

ο,P_L.,NG HELMUT MISSLING ssgiessen, 14*5.1970

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DIPL.-ING. RIGHARD SOMLt.t Telefon: CoeuOTaaeo

Patentanwälte M/Sn 10.374

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, Taster äs /Schweden

Maschinenelement mit aufgetragener Außenschicht

Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement, bestehend aus einem Kern aus einem Material und einer auf Seilen dieses Kernes aufgetragenen Außenschicht, beispielsweise Zahnräder oder Schneckenräder, deren Zahnflanken mit einer Verschleißschicht belegt sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Maschinenelementen genannter Art.

Bei vielen Maschinenelementen sind die Forderungen, die an das Material der Teile gestellt werden, die beim Zusammen- μ arbeiten mit anderen Maschinenelementen mit diesen in Kontakt kommen, oftmals viel höher als die hinsichtlich des Materials der übrigen Teile des Maschinenelementes. Indem man das Maschinenelement aus zwei verschiedenen Materialien aufbaut, so daß es aus einem Kern aus einem billigen Material und an den beanspruchten Teilen des Maschinenelementes aufgetragenem zweckmäßigen Öberflächenmaterial besteht, kann man im Prinzip die Materialkosten niedrig halten. Das Problem ist jedoch, die

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Außenschicht so aufzutragen, daß man zwischen dieser und dem Kern eine gute Bindung und gleichzeitig die erwünschten Eigenschaften der Schicht hinsichtlich Reinheit, Dichte, Bearbeitung und Verschleißstärke erhält und daß man gleichzeitig die Herstellungskosten so niedrig halten kann, daß die Einsparungen an Materialkosten insgesamt wirklich eine Kostensaicung bedeuten.

Pur Zahnräder, aber besonders für Schneckenräder, sind die Beanspruchungen der Zähne und besonders der Zahnflanken entscheidend für die Materialwhl. In Schneckengetrieben kommt Gleiten zwischen Schneckenschraube und Schneckenrad vor, die Materialkombinationen mit guten Gleiteigenschaften erfordern, z.B. Stahl für die Schneckenschraube und Bronze für das Schneckenrad. Bei kleineren Dimenionen des Schneckenrades wird dieses ganz in Bronze ausgeführt, aber bei größeren Dimensionen wird das Schneckenrad mit einem Ring aus Bronze versehen, der auf einem Kern aus billigerem Material befestigt wird. Aufgrund des hohen Bronzepreises ist es jedoch wünschenswert, den Bronzeverbrauch einzuschränken und Bronze wenn möglich nur für solche Flächen zu verwenden, wo ihre Eigenschaften vollkommen ausgenutzt werden können, d.h. nur für solche Flächen, wo Gleiten mit anderen Maschinenelementen vorkommt.

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Ein Maschinenelement gemäß der Erfindung besteht aus einem durch Pressen von Pulver unter hohem Druck geformten und gesinterten Kern, der mit einer Außenschicht belegt ist, die in dem Kern durch in die Poren des Kerns eingedrungenes Material verankert ist. Der Kern besteht vorzugsweise aus Eisenpulver und hat eine Außenschicht aus Bronze. Kerne mit einer Dichte von 6,3-6,4 entsprechend ca. 80 % der theoretischen Dichte sind besonders geeignet. Normale Zinnbronze mit 5-12 % Sn und 88-95 # Cu, Phosphorbronze mit 5,0-12,0 Ji Sn, u,1-0,8 £ P und 88-95 $ Cu oder Aluminiumbronze mit 2,0-11,0 56 Al und 89-98,0 $ Cu ist für die Außenschicht besonders geeignet, die die Verschleißschicht an den Teilen des Maschinenelementes, z.B. den Zahnflanken des Schneckenrades, bilden soll, die beim Zusammenarbeiten mit anderen Maschinenelementen in gleitenden Kontakt mit diesen kommen.

Anderas geeignetes Material für die Außenschicht ist sogenanntes Monelmetall mit 0,12-3.0 # C, 0,5-1,0 % Si, 1,5-2,0 % Mn, "ZP". 63 i> W, 27-34 # Cu und 2,0-3,0 <f> Fe, legierter Stahl oder Mo, ITi oder Cu mit keinen oder unbedeutenden Zusätzen von Legierungsmetallen. Eine weitere geeignete Materialgruppe für Außenschichten sind sogenannte Pseudolegierungen, die aus einer Mischung von zwei verschiedenen Metallen oder Legierungen bestehen. Geeignete Pseudolegierungen sind hoch- oder niedriglegierter Stahl/Monelmetall, hoch- oder niedriglegierte^r

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Stahl/Phosphorbronze, Stahl/Molybdän, Stahl/Wolfram oder Stahl/Tantal. Besteht das Maschinenelement aus einem Zahnoder Schneckenrad, dessen Zahnflanken mit einer Verschleißschicht aus Bronze belegt sind, hat diese Verschleißschicht eine Dicke von mindestens 0,1 mm. Die Dicke ist vorzugsweise zwischen 0,3 und 5 nun.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahrener Herstellung von Maschinenelementen. Gemäß der Erfindung wird ein Kern, der aus zu hoher Dichte zusammengepreßten Pulver besteht, mittels thermischen Spritzen mit einer Außenschicht belegt, wonach das aus Kern und aufgetragener Außenschicht bestehende Maschinenelement gesintert und eventuell auf das richtige Maß bearbeitet wird. Bei der Herstellung von Kernen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese isostatisch zu einer Dichte von 6,3-6,4 g/cm oder höher, entsprechend 80 # einer theoretischen Dichte und mehr, zu pressen. Der Kern ist an den Teilen, die belegt werden sollen, so unterdimensioniert, daß die Außen™ schicht nach Bearbeitung die gewünschte Dicke erhält. Aus sowohl technischen wie wirtschaftlichen Gründen ist es besonders vorteilhaft, die Außenschicht auf einen ungesinterten Kern zu spritzen, aber es kann in gewissen Fällen zweckmäßig sein, den Kern vorzusintem, so daß seine Festigkeit vor dem Bespritzen gesteigert wird und die Dimensionsänderung beim Sintern nach Auftragen der Außenschicht so klein wie möglich wird. Die Dicke der Außenschicht soll 0,1 mm übersteigen. Mit

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Rücksicht auf Deformationsänderungen beim Sintern usw. sollte die Schichtdicke 0,3 mm übersteigen und kann bis zu 5 mm oder mehr sein.

Das Sintern wird in reduzierender Atmosphäre ausgeführt. Es ist besonders vorteilhaft, das Sintern in einer Atmosphäre auszuführen, die Wasserstoffgas oder eine Mischung von Wasserstoffgas und Stickstoffgas oder einem anderen inerten Gas enthält. Das Sintern in reduzierender Atmosphäre bedeutet, daß die Oxydschicht auf den Pulverkörpern des Kerns und Oxydsehichten, die sich auf den Tropfen von aufgespritztem Material beim Spritzen von gesehmoienen Metalltropfen auf den Kern bilden, in großem Ausmaß reduziert werden, so daß man ein beinahe homogenes Material erhält. Das Sintern von Zahnoder Schneckenrädern mit einem Kern aus gepreßtem Eisenpulver, dessen Zahnflanken mit Bronze belegt sind, geschieht mit Vorteil in Wasserstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 750-1100 ⁰G.

Beim Sintern von Sehneekenräadern mit einem Kern aus Eisenpulver und einer Verschleißschicht aus Bronze oder einer Pseudolegierung aus Stahl und Phosphorbronze hat das Sintern in einer Atmosphäre mit Wasserstoffgas nach 2 Stunden bei 950 °0 eine dichte, verschleißfeste Bronzeschicht und gute Bindung zwischen Verschleißschicht und Kern ergeben. Besonders

gute Sinterresultate erhält man in der Regel bei Temperaturen

zwischen 900-1000 ⁰C. Die Sinterungszeit verlängert sich

wesentlich
jedoch/bei Senkung der Temperatur, was wiederum die Kosten erhöht. Erhöhung der Temperatur senkt zwar die Sinterungszeit, führt aber Schmelz- oder große Deformationsgefahr mit sich.

Mit thermischem Spritzen meint man Flammenspritzen (Gasspritzen) unter Zufuhr von Zusatzmaterial in Form von Pulver (Pulverspritzen) oder in Form von Draht (Drahtspritzen), Lichtbogenspritzen (elektrisches Spritzen) und Plasmaspritzen unter Zufuhr von Zusatzmaterial in Form von Draht oder Pulver.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die schematisch einen Schnitt durch einen Kern aus gepreßtem Pulver und einer Außenschicht z.B. aus Bronze zeigt. Fig. 1 zeigt einen Kern mit einer aufgespritzten, ungesinterten Außenschicht und Fig. 2 dieselbe Außenschicht nach dem Sintern.

In den Figuren bezeichnet 1 einen Kern z.B. aus Eisenpulver und 2 die Poren in diesem. Diese Poren werden in stark übertriebener Skala gezeigt. Beim thermischen Spritzen wird geschmolzenes Material in Form von Metalltropfen gegen den fen geschleudert. Auf dem Weg zum Kern können diese an der Oberfläche oxydieren und abkühlen, so daß sie teilweise er-

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starren. Wenn die Tropfen mit großer Geschwindigkeit den Körper treffen, werden sie plattgedrückt und die Oxydschicht und die erstarrte äußere Schicht teilweise zerschlagen, so daß geschmolzenes Metall den Tropfen an die Unterlage bindet. Der Tropfen wird gleichzeitig so pMtgedrückt, daß eine aufgetragene Außenschicht 3, wie in Fig. 1 übertrieben gezeigt ist, ein schuppenähnliches Aussehen erhält. Zwischen den Schuppen befinden sich Oxyde und Hohlräume 4, die die Festigkeit und Dichte der Schicht veningern. Die Bindung an die Unterlage kann ebenfalls unzureichend sein. Durch Sintern von Kern und Außenschicht erhält man sowohl eine Verbesserung der Eigenschaften der Außenschicht als auch eine gute Bindung an die Unterlage sowie eine bedeutende Steigerung der Festigkeit des Kerns im Bereich nahe der Außenschicht. In Fig. 2 ist sehr schematisch gezeigt, wie Bronze beim Sintern kapillar in die Poren 2 des Kerns gesogen wird, was zu einer Armierung führt, die den Kern verstärkt. Dieses Ansaugen von Außenschiehtmaterial in den Kern bedeutet auch eine außerordentlich gute Verankerung der Außenschicht in dem Kern. Das Sintern bedeutet auch ein Abnehmen des Oxydgehalts sowohl des Kerns als auch der Außenschicht, so daß auch dadurch eine "bessere Bindung und damit eine höhere Festigkeit erreicht wird. Die Hohlräume 4 in der Außensdicht in Fig. 1 ändern beim Sintern ihre Form. In der Außenschicht 3 in Fig. 2 hat man nach dem Sintern Hohlräume 5 mit abgerundeter, oftmals sphärischer Form und oft mit kleinerem

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Volumen als die ursprünglichen scharfkantigen Hohlräume 4. Die Sinterungstemperatur und Sinterungszeit müssen dem eingehenden Material so angepaßt werden, daß man eine geeignete Struktur des Kerns und der Außenschicht' erhält.

Die Methode gemäß der Hfindung ist besonders geeignet für die Herstellung von Schneckenrädern. Es ist einfach, aus Pulver einen Kern mit Zähnen so unterdimensioniert zu formen, daß der gepreßte Kern ohne oder mit nur unbedeutender Fach- " bearbeitung auf den Planken und am Zahnboden belegt werden kann. Die Beschichtung am Zahnboden bedeutet, daß man eine Verstärkung der Zahnwurzel erhält, indem das Schichtmaterial in die Poren des Kernmaterials eindringt, so daß man eine gewisse Armierung erhält. Die sehr feste Bindung zwischen Kern und Verschleißschicht ist auch eine wesentliche Voraussetzung dafür, daß eine dünne Verschleißschicht bei der variierenden Belastung bestehen bleibt, der die Zähne ausgesetzt warden.

Daß die Erfindung einen wesentlichen technisch-wirtschaftlichen Portschritt bedeutet, geht daraus hervor, daß der Bronzeverbrauch bei der Herstellung von Schneckenrädern um mehr als 75 # reduziert werden kann im Vergleich mit den jetzigen Herstellungsmethoden.

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Claims

Patentansprüche;

1. Maschinenelement, bestehend aus einem Kern aus einem Material und einer auf gewissen Teilen dieses Kerns ausgetragenen Außenschicht, beispielsweise Zahnrädern oder Schneckenräder, deren Zahnflanken mit einer Verschleißschicht "belegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem aus Pulver geformten und gesinterten Körper besteht, der mit einer Außensehieht (Verschleißschicht) belegt ist, die in dem Kern durch das in die Poren des Kerns eingedrungene Material verankert ist.

2. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern im wesentlichen aus Eisenpulver und die Außenschieht (Verschleißschicht) aus Bronze besteht.

3. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschieht (Verschleißschicht) aus Zinnbronze mit 5,0-12,0 # Sn und 88-95 $> Gu besteht.

4. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschieht (Verschleißschicht) aus Phosphorbronze mit 5,0-12,0 ^ Sn, 0,1-0,8 $> P und 88-95 $ Ou besteht.

5. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außensehicht (Verschleißschicht) aus Aluminiumbronze mit 2,0-11,0 i> Al und 89,0-98,0 $Cu besteht.

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6. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht aus Monelmetall mit 0,12-3 # C, o,5-1,O # Si, 1,5-2,0 $> Mn, 63,0 % Ni, 27,0-34,0 # Cu und 2,0-3,0 £ Pe besteht.

7. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht aus hauptsächlich Mo, Ni oder Cu besteht.

8. Maschinenelement nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht aus legiertem Stahl besteht,

9. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht aus einer sogenannten Fseudolegierung, beispielsweise niedriglegiertem Stahl/Monelmetall, hochlegiertem Stahl/Monelmetall, niedriglegiertem Stahl/Phosphorbronze, hochlXegiertem Stahl/Phoyhorbronze, Stahl/Molybdän, Stahl/Wolfram,

oder Stahl/Tantal besteht.

10. Maschinenelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenelement aus einem Zahn- oder Schneckenrad besteht, dessen Zahnflanken mit einer Verschleißschicht aus Bronze mit einer Dicke von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 5 mm, versehen sind.

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11. Verfahren zur Herstellung von Maschinenelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Pulver geformter und zu hoher Dichte gepreßter Körper mit zu kleinen Abmessungen mittels thermischen Aufspritzens mit einer Außenschicht belegt wird, wonach das aus Kern und Außenschicht bestehende Maschinenelement gesintert und eventuell auf das richtige Maß bearbeitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in reduzierender Atmosphäre ausgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in einer Wasserstoffgas enthaltenden Atmosphäre geschieht.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zahn- oder Schneckenrad mit einem Kern aus gepreßten Bisenpulver, dessen Zahnflanken mit Bronze belegt sind, in einer Wasserstoff gas enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 750-1100 ⁰C, vorzugsweise 900-1000 ⁰C, gesintert wird.

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