DE2139738C3 - Dichtelement - Google Patents

Description

als Bindemetall und aus Metallkarbid, insbesondere Titankarbid, als Hartstoffanteil besteht, mit der Maßgabe, daß die eine Lage 35 bis 80% und die andere 5 bis 30% Metal'karbid enthält.

2. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung folgende Zusammensetzung besitzt:

Kohlenstoff 0,25 bis 1,5

Mangan 0,5 bis 1,0

Chrom 1,5 bis 17,5

Molybdän 1,0 bis 5,0

Kupfer 0,5 bis 2,5

Niob 0 bis 0,8

Aluminium 0 bis 1,0

Kobalt 0 bis 2,0

Titan 0 bis 1,0

Vanadium 0 bis 0,8

Bor 0,001 bis 0,025

Eisen Rest.

Die Erfindung betriff ein Dichtelement, das auf Reibverschleiß und Biegung beansprucht ist.

Dichtelemente in Form von Leisten oder Ringen, ζ B. zur Abdichtung des Kolbens von Rotationskolben-Brennkraftmaschinen gegenüber dem Zylindergehäuse oder für Pumpen aller Art als Dicht- und Gleitteil, werden in hohem Maß auf Reibverschleiß und auch auf Biegung beansprucht. Von Werkstoffen für Dichtelemente werden daher neben hoher Härte und Verschleißfestigkeit auch hohe Festigkeit und insbesondere Zähigkeit erwartet, um der auftretenden Biegebeanspruchung standzuhalten. Nun sind diese beiden Forderungen jedoch nur schwer miteinander in Einklang zu bringen, denn normalerweise haben harte Werkstoffe geringe Zähigkeit und umgekehrt. Als Werkstoff für solche Dichtelemente wird z. B. Kohle verwendet, die sich auf Grund der guten Schmiereigenschaft als Dichtwerkstoff eignet. Für höhere Beanspruchung hinsichtlich Härte, Verschleißfestigkeit und Festigkeit sowie Zähigkeit kommt jedoch Kohle nicht in Betracht. Für hohe und höchste Verschleißbeanspruchung hat man bisher Hartmetalle und stahlgebundene Karbidhartlegierungen verwendet. Letztere sind z. B. bekannt aus der deutschen Patentschrift 1 608 131 und setzen sich aus 25 bis 75% eines Metallkarbids, vorzugsweise Titankarbid, und als Matrix aus

ίο 25 bis 75% eines härtbaren Stahls zusammen. Diese bekannten stahlgebundenen Karbidhartlegierungen haben gegenüber Hartmetall, das naturhart ist, den Vorteil eines geringeren spezifischen Gewichts, was insbesondere für umlaufende Teile von Bedeutung ist, und können im lösungsgeglühten Zustand, wo sie verhältnismäßig weich sind, spanabhebend bearbeitet und anschließend durch eine Härtungsbehandlung auf höhere Härte gebracht werden. Auch hinsichtlich dieser stahlgebundenen Karbidhartlegierungcn gilt aber der oben

"o schon erwähnte Zusammenhang zwischen Härte und Verschleißfestigkeit einerseits und Festigkeit und Zähigkeit andererseits. Karbidhartlegierungen mit sehr hoher Härte haben eine geringere Zähigkeit, während solche mit höherer Zähigkeit wiederum eine geringere Härte

»5 besitzen. Für einen Werkstoff, der beide Anforderungen in optimaler Weise erfüllen soll, muß daher ein Kompromiß in der Weise geschlossen werden, daß bei noch ausreichender Härte und Verschleißfestigkeit eine genügende Festigkeit und Zähigkeit erreicht wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung eines Dichtelements, das sowohl hinsichtlich der Härte und Verschleißfestigkeit einerseits als auch der Festigkeit und Zähigkeit andererseits höchste Ansprüche erfüllt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein auf Reibverschleiß und Biegung beanspruchtes Dichtelement vorgeschlagen, das durch gemeinsames Pressen von zwei Lagen unterschiedlich zusammengesetzter Legierungspu'ver und anschließendes Sintern des Preßlings hergestellt ist und dadurch gekennzeichnet ist, daß jede Lage aus einer stahlgebundenen Haristofflegierung aus einer Stahllegierung der Zusammensetzung

Kohlenstoff 0 bis 1,5

Silizium 0 bis 1,5

Mangan 0,5 bis 12,5

Chrom 1,5 bis 20,0

Molybdän 1,0 bis 16,0

Nickel 0 bis 38,0

Kupfer 0,5 bis 2,5

Niob : 0 bis 1,5

Aluminium 0 bis 1,8

Kobalt 0 bis 10,0

Titan 0 bis 3,0

Vanadium 0 bis 1,5

Bor 0 bis 0,05

Eisen Rest

als Bindemittel und aus Metallkarbid, insbesondere Titankarbid, als Hartstoffanteil besteht, mit der Maßgäbe, daß die eine Lage 35 bis 80 % und die andere 5 bis 30% Metallkarbid enthält. Das Dichtelement gemäß der Erfindung ist also aufgebaut aus einer hinsichtlich Ausdehnungskoeffizienten und Härtbarkeitsverhalten artgleicher Stahlmatrix, wobei sich die beiden das Dichtelement bildenden Lagen nur in einem unterschiedlichen Metallkarbidgehalt unterscheiden. Für den oder die Abschnitte des Dichtelements, die dem höchsten Reibverschleiß ausgesetzt sind, wird dabei der

höhere Metallkarbidgehalt vorgesehen, während der oder die Abschnitte des Dichtelements, die stärker auf Biegung beansprucht werden, den geringeren Metallkarbidgehalt aufweisen.

Aus dem angegebenen Bereich müssen für beide Lagen des-Dichtelements solche Stahlzusammensetzungen gewählt werden, die bei der Sinterung gleiche Schwindung zeigen, gleiche Sintertemperatur und den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, damit weder bei der Sinterung noch bei einer etwaigen Härtungsbehandlung ein Verzug oder Reißer, des Dichtelements auftritt.

Stahlgebundene Hartstofflegierungen mit 1,2 bis 15 % Mangan in der Stahlmatrix waren aus der deutschen Auslegeschrift i 608 131 bekannt. Darüber hinaus war die Stahlzusammensetzung des erfindungsgemäßen Dichtelements in weitem Umfang aus der deutschen Auslegeschrift 1 927 461 bekannt. Ferner war es aus der österreichischen Patentschrift 152 806 bekannt, auf Reibverschleiß beanspruchte Teile, gegebenenfalls in mehreren Schichten, aus Hartmetall-Metalloidgemischen derart aufzubauen, daß die der Reibung ausgesetzte Zone des Gegenstands einen höheren Metalloidgehalt und damit eine bessere Schmierfähigkeit aufweist. Von der letztgenannten Druckschrift unterscheidet sich die Erfindung darin, daß ein erfindungsgemäßes Dichtelement keine Metalloide enthält, sondern daß vielmehr der Metallkarbidgehalt des verwandten Hartmctalles in den Lagen des Dichtelementes unterschiedlich ist.

Aus dem vorgenannten Bereich für die Stahlmatrix hat sich eine Legierung folgender Zusammensetzung als vorteilhaft erwiesen:

Beispiel I

Lage 1: 70% TiC, 30% Stahl mit

Kohlenstoff 0,55

Mangan 1,0

Chrom 10,0

Molybdän 3,0

Kupfer 0,8

Vanadium 0,5

ίο Eisen ... Rest.

Auf Grund des hohen Karbidgehalts ist eine spanabhebende Bearbeitung auch im geglühten Zustand, in dem die Legierung eine Härte von 72 HR_C besitzt, nicht möglich. Nach der Härtung, Abkühlen von 1080³C an Luft, wird eine Härtesteigerung auf 78 bis 80 HR_C erreicht.

Lage 2: 30% TiC, 70% Stahl gleicher Zusammensetzung wie Lage 1.

Die Härte der Legierung für die Lage 2 hat nach dem Glühen einen Wert von 40 HR_C, die nach dem Härten, Abkühlen von 1080⁰C an Luft, auf 60 HR_e ansteigt.

Beispiel 2 Lage 1: 70% TiC, 30% Stahl mit

Chrom 17

Nickel 11,7

Kupfer 2,4

Niob 1,05

Molybdän 3,15

Mangan 0,8

Eisen Rest.

Kohlenstoff 0,25 bis 1,5

Mangan 0,5 bis 1.0

Chrom 1,5 bis 17.5

Molybdän 1,0 bis 5,0

Kupfer 0,5 bis 2,5

Niob 0 bis 0,8

Aluminium 0 bis 1,0

Kobalt 0 bis 2,0

Titan 0 bis 1,0

Vanadium 0 bis 0,8

Bor 0,001 bis 0,025

Eisen Rest.

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Als Mctallkarbid können insbesondere die Karbide der Metalle Chrom, Vanadium, Tantal, Molybdän, Wolfram, vorzugsweise Titan, einzeln oder als Mischkarbide 111 Betracht kommen.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Dichtelements erfolgt in der Weise, daß die Werkstoffe für die beiden Lagen des Elements getrennt aus ihren Ausgangsstoffen oder einer bereits fertigen Legierung zu Pulver mit einer Korngröße von etwa 1 bis 5 μπι gemahlen und dann in die Matrize einer Presse eingefüllt werden. Dabei können die Pulver für die beiden Lagen neben- und/oder übereinander eingefüllt werden. Die beiden Lagen aus den unterschiedlichen Legierungspulvern werden dann gemeinsam mit einem Druck von 1 bis 3 t/cm² zu einem Preßling verdichtet und anschließend bei einer Temperatur von 1250 bis !400⁰C gesintert und erforderlichenfalls überschliffen.

Nachfolgend werden einige Beispiele für Werkstoffpaarungen angegeben, wobei die dem Reibverschleiß ausgesetzten Abschnitte mit »Lage I« und die stärker auf Biegung ' nspruchten Abschnitte mit »Lage 2« bezeichnet sinu.

Lage 2: 20% TiC, 80% Stahl gleicher Zusammensetzung wie Lage I.

Die Stahlmatrix der Lagen 1 und 2 ist austenitisch. Die Lage 1 besitzt im abgeschreckten Zustand eine Härte von 68 bis 70 HR_C, die sich nach einer Auslagerungsbehandlung bei 700" C auf 76 bis 78 HRc erhöht. Die Legierung für die Lage 2 hat demgegenüber nach der Auslagerungsbehandlung eine Härte von 40HR_c.

Beispiel 3 Lage 1: 36% TiC, 64% Stahl mit

Nickel 12

Kobalt 9

Molybdän 6

Chrom 4

Kupfer 0,8

Aluminium 0,75

Bor 0,02

Mangan 0,8

Titan 0,6

Eisen Rest.

Lage 2: 5% TiC, 95% Stahl gleicher Zusammensetzung wie lage 1.

Nach dem Lösungsglühen, 8 Stunden bei 84O°C und Abkühlen an Luft hat die Lage 1 eine Härte von 48 bis 52 HRc und die Lage 2 eine Härte von 30 bis 32 HRc- In diesem Zustand ist das Teil einwandfrei spanabhebend zu bearbeiten.

Durch eine nach der Bearbeitung vorgenommene Auslagerung, f bis 8 Stunden bei 480°C und Abkühleu an Luft, erhöht sich die Härte von Lage 1 auf 68 bis 70 HRc und von Lage 2 auf 48 bis 50 HR_C.

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Beispiel 4 einen Dichtring, jeweils bestehend aus zwei Lagen I Lage 1: 55V TiC, 45% Stahl mit u™* 2 unterschiedlicher Legierungszusammensetzung, Kohlenstoff ' 0 5 wobei die Lage 1, also die dem erhöhten Reibver- Manmn ^: 0*8 schleiß ausgesetzte Lage aus einer Legierung mit

r-i, _„ ->n'n ⁵ höherem Metallkarbidgehalt und die Lage 2, also die

M 1 Man 10 Biegebeanspruchung unterworfene Lage, aus einer Kunfer 10 Legierung mit niedrigerem Metallkarbidgehalt besteht,

„ ° q'q2 wobei als Rest jeweils eine Stahllegierung der oben-

cj "' H_cst genannten Zusammensetzung verwendet wird.

ίο Die erfindungsgemäßen Dichtelemente weisen ge-

Lage 2: 10% TiC, 90% Stahl gleicher Zusammen- genüber bekannten erhebliche Vorteile auf. Sie Versetzung wie Lage 1. binden hohe Härte und Verschleißfestigkeit mit hoher Nach dem Lösungsglühen, 1 Stunde bei 840° C und Festigkeit, insbesondere Biegefestigkeit, und Zähigkeit, 4 Stunden bei 720° C hat die Lage 1 eine Härte von und zwar jeweils an den Abschnitten, die der ent-50 bis 54 HRe und die Lage 2 eine Härte von 25 bis 15 sprechenden Beanspruchung unterworfen sind. Weiter-30 HR_e. Eine spanabhebende Bearbeitung ist möglich. hin sind die erfindungsgemäßen Dichtelemente im Eine nach der Bearbeitung vorgenommene Wärme- geglühten Zustand zum Teil gut bearbeitbar und könbehandlung durch Erhitzen auf 1080° C und Abkühlung nen durch eine nachfolgende Wärmebehandlung auf an Luft steigert die Härte von Lage 1 auf 72 bis höhere i-Mrte gebracht werden. Dabei sind die Her-74 HRc und die von Lage 2 auf 50 bis 55 HR_C. »0 Stellungskosten nicht höher als für gesinterte Dichtin der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele leisten, wie sie bisher Verwendung fanden. Die Lebensfür Dichtelemente gemäß der Erfindung dargestellt. dauer eines erfindungsgemäßen Dichtelements ist etwa Die Fig. 1 und 2 zeigen Dichtleisten und die Fig. 3 doppelt so hoch wie die eines bisher bekannten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Auf Reibverschleiß und Biegung beanspruchtes Dichtelement, das durch gemeinsames Pressen von zwei Lagen unterschiedlich zusammengesetzter Legierungspulver und anschließendes Sintern des Preßlings hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lage aus einer stahlgebundenen Hartstofflegierung aus einer Stahllegierung der Zusammensetzung

Kohleastoff 0 bis 1,5

Silizium 0 bis 1,5

Mangan 0,5 bis 12,5

Chrom 1,5 bis 20,0

Molybdän 1,0 bis 16,0

Nickel 0 bis 38,0

Kupfer 0,5 bis 2,5

Niob 0 bis 1,5

Aluminium 0 bis 1,8

Kobalt 0 bis 10,0

Titan 0 bis 3,0

Vanadium 0 bis 1,5

Bor 0 bis 0,05

Eisen Rest