DE2132812B2

DE2132812B2 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers

Info

Publication number: DE2132812B2
Application number: DE19712132812
Authority: DE
Inventors: Henry M.T. Meadville Pa. Harris; Hugo R. Ridgewood N.J. Larson; Jacob Maple Heights Ohio Nitz
Original assignee: Abex Corp
Current assignee: PepsiAmericas Inc
Priority date: 1971-07-01
Filing date: 1971-07-01
Publication date: 1974-07-18
Also published as: DE2132812A1; DE2132812C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus einem in eine metallische Matrix eingebetteten, selbsttragenden Vorformkörper aus durch verbrennbares Bindemittel verbundenen nichtmetallischen Teilchen, wobei die Metall- bzw. Legierungsschmelze in eine den Vorformkörper mit Platzüberschuß aufnehmende Gießform derart eingegossen wird, daß der gebildete Verbundkörper eine ganz aus Metall bestehende Abstützung von erheblicher Dicke hat.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art ist vorgesehen, daß pulverförmige oder körnige Verschleißwerkstoffe in vollständig verbrennbare, vergasbare, sinternde oder schmelzbare Bindemittel eingelagert werden und damit als vorgefertigte Vorformkörper in eine Gießform eingebracht werden, und zwar lediglich als Wandauskleidung od. dgl. Wenn dann die Gießform mit einer Metallschmelze ausgegossen wird, entsteht also ein Verbundkörper, der einen ganz aus Metall bestehenden Grundkörper und Verschleißauflagen hat. Dabei ist vorgesehen, daß der Binder während und nach dem Gießen verbrennt bzw. vergast, sintert oder schmilzt und das flüssige Gießmetall durch die Wirkung des metallostatischen Druckes bis zur Formwand vordringt und die verschleißfesten Werkstoffe in Form einer Randzone des Gußteiles einlagert.

Eine Schwierigkeit bei einem derartigen Verfahren besteht darin, daß das beim Eingießen des Metalls noch unverbrannte Bindemittel einen Teil des Raumes des Vorformkörpers ausfüllt und somit das Eindringen des flüssigen Metalls verhindert. Durch vorzeitige Abkühlung des Metalls können sich bereits auf diese Weise Leerstellen, Gefügeunregelmäßigkeiten u. dgl. ergeben. Eine weitere Behinderung einer vollständigen Durchdringung des Vorformkörpers mit dem geschmolzenen Metall ergibt sich dann durch die beim Eindringen des heißen Metalls erfolgende Verbrennung oder Vergasung des Bindemittels. Der auftretende Gasdruck bringt die Gefahr weiterer Gefügeunregelmäßigkeiten mit sich.

Für eine vollständigere Durchdringung poröser Kohlenstoff- oder Graphit-Körper, die in einem Tiegel untergebracht sind, mit geschmolzenem Metall ist es aus dem U.S. Patent 1 053 880 auch schon bekannt, das Metall in die Zwischenräume innerhalb des Körpers hineinzupressen. Selbst eine derartige Druckanwendung könnte aber die vorbeschriebenen Mangel nicht beseitigen und erfordert überdies einen unerwünschten apparativen Aufwand.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei einem Verfahren der eingangs als bekannt vorausgesetzten Art Vorkehrungen zu treffen, um eine einwandfreie Durchdringung des Vorformkörpers mit dem Gießmetall zu gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 herausgestellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der Erfindung lassen sich verhältnismäßig kompliziert geformte Verschleiß-Beschichtungen erzeugen, die beispielsweise aus Graphit bestehen und ein gut von einem Matrix-Metall durchdrungenes Gefüge aufweisen, wobei die Beschichtung vollkommen einheitlich mit einem nur aus dem Metall bestehenden Stützkörper verbunden ist. Auf Grund der guten Durchdringung besteht auch im Falle von Krümmungen und Wölbungen nicht die Gefahr eines Abplatzens der Verschleiß-Beschichtung von dem tragenden Metall-Stützkörper.

Von besonderem Vorteil ist die Erfindung, wenn das nichtmetallische Material Graphit ist und das Tränkmetall und das Metall des Stützteils aus Gußeisen bestehen. Auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein einwandfreies Eindringen des Gußeisens in die zu tränkende Verschleiß-Beschichtung gewährleistet, so daß man die Vorteile des Gußeisens auch an dem ganz aus Metall gebildeten Stützteil nutzen kann. Das Gußeisen-Teilchen verhältnismäßig glatt und brüchig sind, hat man bisher Schwierigkeiten gehabt, sie miteinander zu verbinden und insbesondere während des Pressens und Sinterns an glattflächige, nichtmetallische Teile anzulegen. Auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich demgegenüber auch Gußeisen mit Vorteil für Verbundkörper der in Rede stehenden Art verwenden.

Ausführungsformen der Erfindung sind an Hand der Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 ist eine Perspektivansicht eines porösen Vorformkörpers für ein Lager;

F i g. 1A ist eine stark vergrößerte Ansicht des porösen inneren Gefüges des Li F i g. 1 dargestellten Körpers;

F i g. 2 ist ein Schnitt durch eine den Vorformkörper gemäß F i g. 1 enthaltenden Gießform;

F i g. 3 ist ein Schnitt durch eine mit Hilfe der Form gemäß F i g. 2 gefertigte Lagerschale;

F i g. 4 ist ein Schnitt durch eine andere Form eines Vorformkörpers;

F i g. 5 ist ein Schnitt durch eine den Vorformkörper gemäß F i g. 4 enthaltende Gießform; und

F i g. 6 ist eine teilweise im Schnitt wiedergegebene Ansicht des mit Hilfe der Form gemäß F i g. 5 gefertigten Verbundkörpers.

In Fig. 3 der Zeichnungen ist im Schnitt eine Lagerschale 20 dargestellt, welche aus einem aus ao Bronze gefertigten Stüizteil 21 und aus einem Belag 22 geringer Reibung besteht. Die Lagerschale ist in der Zeichnung in ihrer Form vereinfacht und in den Proportionen übertrieben dargestellt. Darüber hinaus stellt die Lagerschale nur ein Beispiel für eine ganze Klasse von erfindungsgemäß herzustellenden Teilen (Lagerkörper) dar. Nach der Erfindung besteht der zum Auskleiden der Lagerbohrung dienende, reibungsarme ßelag 22 aus in einer Matrix eingebetteten Graphitteilchen. Die Matrix besteht aus dem gleichen Metall wie der Stützteil 21.

Um diesen Aufbau zu erzielen, wird der Belag 22 gemäß F i g. 1 der Zeichnungen zunächst als verhältnismäßig dicker Vorformkörper gefertigt; dieser ist widerstandsfähig genug, um in der Gießform 25 gemäß F i g. 2 eingelegt werden zu können. Bei der Fertigung des Vorformkörpers wird teilchenförmiges Graphit zunächst mit einem Harzbindemittel im Verhältnis von 3,63 kp Graphit zu 0,726 kp Harzbinder gemischt. Das Harzbindemittel besteht vorzugsweise aus einem warmaushärtenden Harz mit einem guten Karbonisierungswert, so beispielsweise aus einem geraden Phenolformaldehydharz, aus einem Furfurolalkohol, aus Furfurol aldehyden, Phenol-Furfurolen oder Gemischen derselben in Form eines Pulvers der »B«-Stufe (unvollständig ausgehärtet). Vorzugsweise wird ein Phenol-Furfurolharz benutzt.

Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, das teilchenförmige Material mit einem Harz in flüssiger Form zu mischen. Nachfolgend werden die auf diese Weise beschichteten Teilchen getrocknet, so daß jedes Teilchen vom Bindemittel umhüllt ist.

Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß anorganische Bindemittel, wie Silikone, Silikate, metaltische Phosphate usw., auch verwendet werden können. Wesentlich ist, daß das Bindemittel thermisch zersetzbar ist, um mittels Pyrolyse eine Verbindung zwischen den Teilchen zu erreichen. Im Falle organischer Harze oder Kunststoffmassen besteht die Verbindung aus einer Kohlenstoff-Bindung, d. h., daß zwischen den Teilchen Bindungen von Kohlenstoff zu Kohlenstoff bestehen. Im Falle anorganischer Bindemittel, so im Falle von Natriumsilikat, entsteht eine Kieselsäurebindung infolge der Pyrolyse.

In jedem Fall werden die Graphitteilchen 26 (Fig. 1 und 1 A) in Anwesenheit eines Phenolfurfurolharzes 27 gemischt. Wenn das Gemisch in nachfolgend beschriebener Weise erhitzt wird, ist das dabei entstehende Gefäge gemäß Fig. IA porös und durch Bindungen 28 von Kohlenstoff zu Kohlenstoff gekennzeichnet. Die Poren 27 (Fig. 1 A) sind miteinander verbunden, so daß sie das volle Eindringen des Tränkmetalls gestatten.

Ein Gemisch von Graphit- und Harzteilchen im obengenannten Mengenverhältnis wird innerhalb einer geeigneten Form so gepreßt, daß der grüne Vorformkörper für das Luger entsteht. Der Körper wird dann in einen Ofen überführt, wo er etwa 2 Stunden lang einer Temperatur von etwa 232° C ausgesetzt wird. Dabei wird das Harz teilweise ausgehärtet, wodurch ein selbsttragender Körper gemäß Fig. 1 resultiert. Er hat jetzt eine verhältnismäßig große Dichte. Nun wird er in nichtoxidierender Atmosphäre 1 Stunde lang auf etwa 97U~C erhitzt. Die nichtoxidierende Atmosphäre kann durch Stickstoff oder innerhalb einer Hülle aus nichtrostendem Stahl erreicht werden.

Nach der 1 Stunde dauernden Karbonisierung des Bindemittels bei 970° C wird der Vorformkörper bis wenigstens 148⁰C ofengekühlt, bevor eine Luftkühlung vorgenommen werden kann. Der Vorformkörper wird daraufhin in eine in F i g. 2 dargestellte Gießform 25 gebracht. Die Gießform 25 weist eine obere Kastenhälfte 31 und eine untere Kastenhälfte

32 auf. Die Kastenhälfte 32 ist mit einem Vorsprung

33 ausgestattet, welcher den Umfang des karbonisierten porösen Vorformkörpers 35 bestimmt, wenn diese gemäß F i g. 2 in die Gießform eingebracht ist.

Die obere Kastenhälfte 31 der Gießform ist mit einer Ausnehmung 40 für das Gießen des Stützteils 21 der Lagerschale 20, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, ausgestattet. Die Oberseite der oberen Kastenhälfte ist in üblicher Weise mit einer öffnung 41 versehen, durch welche Metallschmelze in die Ausnehmung 40 eingegossen wird. Das Metall besteht im Falle der Fertigung der Lagerschale 20 aus einer geeigneten Lager-Bronze. Um ein schnelles und wirksames Eindringen der Metallschmelze in die Poren der Vorform 35 zu ermöglichen, wird zweckmäßig ein Vakuum innerhalb der Form erzeugt.

Die Erfindung kann zur Herstellung von Friktionselementen 50 gemäß F i g. 6 verwendet werden. Die Friktions- bzw. Reibungselemente bestehen aus einer Reibfläche 51 und einem Stützteil 52, welcher mit der Reibfläche verbunden ist.

Die Herstellung des Verbundkörpers 50 geschieht auch in der in F i g. 5 dargestellten Gießform, wie im Falle des Verbundkörpers 20. Für die Herstellung von Friktionselementen kann das nichtmetallische Pulver auch Metallpulver enthalten, so Kupfer oder Zinn als Zusatz zu Graphit, Siliciumkarbid und Molybdänsulfid, um zur Erzielung ausgezeichneter Brems- oder Kupplungsleistung verschiedene Reibwerte herbeiführen zu können.

Die Pulver werden intensiv gemischt und in Vorformen gefüllt. Das Pulvergemisch wird schließlich leichi verdichtet. Die gefüllte Form wird bei einer Temperatur von etwa 232° C eine halbe Stunde lang erhitzt, um das Harz aushärten zu lassen. Anschließend wird der dichte Vorformkörper 52A (Fig. 4) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei etwa 972° C etwa eine Stunde lang erhitzt; danach sind sowohl metallische als auch nichtmetallische Pulver durch eine Bindung von Kohlenstoff zu Kohlenstoff infolge Karbonisierung miteinander verbunden.

Die Porosität des Vorformkörpers ist wegen der Entstehung von Gasen während der Zersetzung des temporären Bindemittels kontinuierlich verlaufend. Die Teilchengröße der Bestandteile ist nicht kritisch und kann auf der Basis bekannter !Combinations gewählt werden.

Beispiele des Pulvergemisches für Vorformkörpi für Friktionselemente sind im folgenden aufgefüllt

	Kupfer	Graphit	Tabelle	1	SiC	Zinn	MoS₂	Phenol- furfurolharz
Beispiel	Vo	Vo	Aluminium	Vo	Vo	°/o	Vo
		36,4	%	36,4		7,2	20,0
1		40,0		—		—	20,0
2		26,7	40,0	—	26,6		20,0
3	40,0	20,0	26,7	—	—	—	20,0
4	32,0	16,0	20,0	—	16,0	—	20,0
5	40,0	20,0	16,0	—	—	—	20,0
6		20,0

Tabelle 2
Analyse gebrannter Vorformkörper

Beispiel	Cu	Total C	Al₂O₃	SiC	Sn	MoS₂	Gewicht	Volumen	Dichte	Porositä
	Vo	Vo	Vo	Vo	Vo	Vo	g	cm^a	g/cm³	Vo
1		54,50		40,67		6,75	164,4	159,1	1,03	56,3
2		50,00	46,90		—		202,2	163,7	1,24	45,3
3		35,00	30,87	—	28,81	—	199,8	152,0	1,30	42,6
4	43,09	28,150	24,57	—	—	—	281,0	150,3	1,87	43,4
5	30,46	30,40	20,10	—	13,47	—	166,2	75,5	2,20	37,0

Nach einer leichten Scllileifbehandlung der Flächen des Vorformkörpers, um offene Poren zu erzeugen, wird dieser unter Vakuum innerhalb der Form mit Metallschmelze gefüllt und gleichzeitig der Stützteil 52 angegossen. Das Tränkmetall im Beispiel 1 ist Gußeisen; in Beispiel 2, 4 und 6 wird ein Gemisch von 93°/o Kupfer und 6,5 ⁰Zo Zinn gewählt; in den Beispielen 3 und 5 findet Kupfer allein Verwendung.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Teile weisen unübliche physikalische Eigenschaften auf. Dies kann durch einen Vergleich mit herkömmlichen pulvermerallurgischen Techniken bei Fertigung gleicher Teile festgestellt werden. Der in Betracht kommende Teil bildet eine Trockenkupplungsfläche für Lastwagen und Zugmaschinen.

Der in der nachfolgenden Tabelle 3 dargestellte Teil A, eine Scheibe bzw. ein Flächenkörper für Trockenkupplungen, wurde mit dem erfindungsgemäßen Vorform-Verfahren aus einem Gemisch aus 71⁰Zo Gußeisen. 19⁰Zo Graphit und 10⁰Zo gemahlenem Mineral aus Aluminiumoxid-Siliciumoxid hergestellt. Der Teil B stellt fast denselben Kupplungskörper dar. sowohl was die Abmessungen als auch Zusammensetzung betrifft, mit der Ausnahme, daß er aus 71°o Schwammeisen, 19Vo Graphit und 10"Zo gemahlenem Mineral besteht und nach der üblichen pulvermetallurgischen Technik hergestellt wurde.

Tabelle 3

35

Härte (Rockwell) ..
Querbruch (kp/cm²)
Reibungskoeffizient.
Verschleiß (mm) ...

87 541 0,456 0,028

50bis8C 281 0,437 0,050

Durch das Verfahren nach der Erfindung können härtere und festere Gefüge hergestellt werden als dies bislang unter Verwendung normaler pulvermetallurgischer Verfahren möglich war.

Obwohl die Erfindung vor allem unter Anwendung auf besondere Teile beschrieben wurde, bei welchen die Reibung eine Rolle spielt, ist die Erfindung nicht darauf begrenzt; Abnutzung, Härte oder Zähigkeit können auch Kriterien für die erfindungsgemäß gefertigten Teile darstellen. Die Erfindung wurde auch verwendet, um Mittelplatten und Reibplatten herzustellen, deren einer Abschnitt aus Manganbronze und ein weiterer Abschnitt aus durch Manganbronze durchsetztem Graphit besteht. Die Erfindung ist auch anwendbar auf die Herstellung von Druckscheiben und Lagerkörpern, welche gewöhnlich eine flache Gleitlagerfläche bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus einem in eine metallische Matrix eingebetteten, selbsttragenden Vorformkörper aus S durch verbrennbares Bindemittel verbundenen nichtmetallischen Teilchen, wobei die Metallbzw. Legierungsschmelze in eine den Vorformkörper mit Platzüberschuß aufnehmende Gießform derart eingegossen wird, daß der gebildete Verbundkörper eine ganz aus Metall bestehende Abstützung von erheblicher Dicke hat, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmetallischen Teilchen zunächst außerhalb der Gießform mit dem die Teilchen durch Pyrolyse bindenden, temporär wirkenden Bindemittel erhitzt werden, bis sich das Bindemittel zwischen den nichtmetallischen Teilchen unter Bildung derselben und Erhöhung der Porosität des selbsttragenden Vorformkörpers zersetzt. »o

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nichtmetallische Teilchen aus Graphit samt Bindemittel vor dem Erhitzen in die Gestalt einer Auskleidung für ein Lager oder ein Friktionselement gepreßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtmetallischer poröser Vorformkörper aus Graphit in einem Formkasten mit einer diesem Vorformkörper entsprechenden Unterlage mit Gußeisen getränkt und dabei mit einem angegossenen Stützteil versehen wird.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf nichtmetallische Teilchen aus Graphit, Siliciumkarbid, Molybdändisulfid, Aluminiumoxid oder aus einem Aluminiumoxid-Silikat-Mineral und auf Bronze, Aluminium, Kupfer, Gußeisen oder Legierungen derselben als Tränkmetall und Metall für den angegossenen Stützteil.

5. Anwendung nach Anspruch 4 auf nichtmetallische Teilchen aus Graphit und auf Bronze als Tränkmetall und Metall für den angegossenen Stützteil.