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ANTRIFRIKTIONSSTOFF UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG Die Erfidnung
betrifft Antifriktionsstoffe und deren Herstellungsverfahren.
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Die erwähnten Stoffe werden verwendet für die Herstellung von Elementen
von Reibungspaaren, zum Beispiel von Dichtungsringen, Spurlagern, Stützzapfen, Gleitlagern
und Bohrlochelektropumpen, von Apparaten der chemischen Industrie, beispielsweise
von Zentrifugen, Pumpen zum Umpumpen von aggressiven Flüssigkeiten, wie z.B. von
Säuren, Petroleum, Erdöl, Ül, Laugen- und Salzlösungen sonie Flüssgkeiten, die bei
erhöhten Temperaturen in Berührung mit aggressiven Flüssigkeiten kommen.
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Es ist bereits ein Antifraktionsstoff bekannt, enthaltend Siliziumkarbid
und Kohlenstoff, welcher bei der Verwendung von Kohlenstoffmaterialien als Ausgangskomponeneten
erhalten wird (franzüsische Patentschrift Nr. 2006429, Klasse 16c, angemeldet am
16.IV.1969m, bekanntgemacht am 26.XII:69).
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Als Ausgangskomponente bei der Herstellung des bereits bekannten
Stoffes wird eine Graphitrohling verwedet, der durch Siliziummonooxid-Dämpfe bei
einer Temperatur von 1600-2000°C behandelt wird. Die Siliziummonoxid-Dämpfe werden
aus zerstäubtem Siliziumonooxid im Wasserstoffstrom ausgeschieden. Die Reduktionsatmosphäre
und die hohe Temperatur begünstigen die Bildung von Siliziumdämpfen und deren Zusammenwirken
mit Graphit. Im Re@@@l@@t wird Siliziumkarbid gebildet, welches beim Niederschalgen
auf der Graphitoberfläche die Oberschicht bildet.
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Auf diese Weise wird ein Stoff erilaltent der aus eiliziumkarbid
und Graphit besteht. Jedoch weist dieser Stoff eine Reihe von wesentlichen Nachteilen
auf. 'Jor allem sind es verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten für Graphit und
Siliziumkarbid, was beim Wärmewechsel zu Rissen entweder im Graphit oder im Siliziumkarbid
führt. Deshalb hat dieser Stoff in getrieb urter Einwirkung von aggressiven und
oxydierenden Medien bei Temperaturen von 300-600°C die Tendenz zerstört zu werden,
da dieses Medium im Risse eindringt, den Graphit
welcher sich unterhalb
der Siliziumschicht befindet, zerstört und dadurch die Antifriktionseigenschaften
des gesamten Stoffes herabsetzt.
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Außerdem vergrößert das gänzliche Fehlen in der Stoffoberschicht
von Graphit, welcher Schmiereigenschaften besitzt, den Reibungskoeffizienten, was
ebenfalls die Antifirktionseigenschaften des herzustellenden Stoffes verschlechtert.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der genannten
Nachteile. Der Erfidnung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antifriktionsstoff von
einer Zusammensetzung zu schaffen, die es erlaubt, seine Stabilität beim Wärmewechsel
zu erhöhen, wodurch demselben gute Antifriktionseigenschaften unter Einwirkung aggressiver
und oxidie render Medien bei hohen Temperauren verliehen werden und auch ein Verfahren
zur Herstellung desselben zu entwickeln.
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Die gestellte Aufgabe wird durch einen Antifraktionsstoff gelöst,
der Siliziumkarbid und Kohlenstoff enthält und der erfindungsgemäß außer den genannten
Komponenten, deren Gewichtsverhältnisse zum Gesamtgewicht (in Gew.%) für Siliziumkarbid
20-65, für Kohlenstoff 75-10 ausmachen, noch Silizieren in einer Menge von 5 bis
25 Gew.% enthält.
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Un eine bessere Imprägnierung des Graphits mit Silizium zu erzielen,
ist es zweckmäßig, das der Antifriktionsstoff bis 3 Gew.% Eisen enthält.
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Zur Herstellung eines gasdichten Materials ist es
zweckmäßig,
daß der Antifriktionsstoff bis 3 Gew.% Aluminiun entha'lt.
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Die Herstellung des vorgeschlagenen Stoffes wird durch ein Verfahren
erreicht, bei welchem als Ausgangskomponente Kohlenstoffmaterialien verwendet werden,
wobei erfindungsgemäß Kohlenstoffmaterialien aus der Gruppe Pulvergraphit, Ruß,
Kohlenstof-Fasern insgesamt oder einzeln genommen und mit einem duroplastischen
Harz als Bindemittel vermischt werden, wonach die erhalten Komposition bei einer
Temperatur von 150-180°C bis zum Erhalten eines Halbzeugs mit einem Raumgewicht
von 1-1,4 g/cm³ gepreßt und weiter bei einer Temperatur von 90000 behandelt wird.
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Um eine größere Vollständigkeit der Gasentfernung aus den Poren des
herzustellenden Stoffes zu erzielen, ist es zweckmäßig, die Imprägnierung mit Silizium
im Vakuum durchzuführen.
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Zur Erhöhung der Plastizität des herzustellenden Stofffes Bann die
Imprägnierung mit Silizium in Gegenwart von Metallen aus der Gruppe Nickel, Kobalt,
Zirkonium, Niob, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal und Chrom, die man inssesamt oder
einzeln verwendet, durchgeführt werden.
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Es ist zweckmäßig, daß beir Vermischen von Kohlenstoffmateiralien
m,it Bindemittel Eisen und Aluminium als Zusätze einzeln oder insgesamt eingeführt
werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines konkreten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Der vorgeschlagene Antifriktionsstoff enthält 20-65
Gew.%,
Siliziumkarbid, 10-75 Gew.% Kohlenstoff und 5-25 Gew.% Silizium. Dieser Stoff wird
aus Kohlenstoffmaterialien als Ausgangskomponeneten erhalten, welche aus einer Gruppe,
bestehend aus Graphitpulver, Ruß, Kohlenstoff-Fasern, ;;ewahlt worden sind. Die
genannten Stoffe können sowohl einzeln als auc insgesamt miteinander verwendet werden.
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Durch die Anwendung von Graphitpulver erhält dabei der Stoff Antifriktionseigenschaften;
durch Rußanwendung ird im herzustellenden Stoff der Gehalt an Siliziumkarbid vergrößert,
was seine Verschleißfestikeit erhöht, und durch Einführung von Kohlenstoff-Fasern
wird die Schlagzähigkeit vergrößert.
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Die Kohlenstoff-Ausgangskomponenten werden mit einem aus der Gruppe
vom Duroplastharzen gewählten Bindemittel, beispielsweise von Phenolformaldehydharzen,
vermischt, welche die Eigenschalft aufweisen bei Erwärmung über 100°C zu erweichen
und die Kohlenstoffteilchen zu benotzen, wodurch der gesamten Komposition die erforderliche
Plastisitzt verliehen wird.
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Daraufhin wird die erweichtc plastifizierte Komposition bis zur Dichte
von 1,0-1,45 g/cm3 gepreßt, Im Resultat wird ein poröses Kohlenstoffmaterial erhalten,
dessen Poren späterhin mit Silizium, unter der Bildung von Siliziumkarbid ausgefüllt
werden, was zur Steigerung der Haltbarkeit und der Verschließfestigkeit beiträgt.
Die Änderung der Dichte unter 1,0 g/cm³ führt
zur Bildung eines
zum Silizieren nichtbeständigen Kohlenstoff-Ausgangsmaterials.
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Die Anderung der Diclitc über 1,45 g/cm³ führt zur Verkleinerung
der Porenzahl, was eine unvollständige Imprägnierung des Materials mit Silizium
zur Folie hat.
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Das hergestellte Halbzeug mit der obengenannten Dichte wird wärmebehandelt,
und zwar vorerst in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur von 800-1000°C
durcllgeglüht und dann bei einer Temperatur von 1700-2050°C mit geschmolzenem Silizium
imprägniert.
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s Das Imprägnieren des Kohlenstoff-Halbzeug/ erfolgt im Vakuum. Dabei
erfolgt die Gasausscheidung aus den Poren und die Imprägnierung des hergestellten
Materials findet mit einer größeren Intensität statt.
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Jedoch kann das Silizieren des Kohlenstoff-Halbzeugs auch in eincr
inerten Atmosphäre durchgeführt werden; in dicsem Fall wird ein Stoff mit etwas
kleinerem Gehalt an Siliziumkarbid erhalten.
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Beim Zusammenmischen der Kohlenstoffmaterialien werden Eisen- und
Aluminiumpulver heinzugefügt, deren Gehalt im hergestellten Stoff bis 3 Gew.% ausmachen
muß.
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Eisen ergibt eine größere Vollständigkeit der Imprägnierung des porösen
Graphites und Aluminium eine Vcrdichtun; der Karbid-Phase für das Erhalten eines
r:asdichten Stoffes.
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Die genannten Zusätze können zusammen und gesondert hinzugefügt werden.
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Zur Erhöhung der Plastizitätseigenschaften des herzustellendenStoffes
wird das Silizieren in Gegenwart von Metallen durchgeführt, die aus der Gruppe von
Nickel, Kobalt, Zirkonium, Niob, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal und Chrom gewillt
und einzeln oder insgesamt verwenden können.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden weiter
konkrete Ausführungsbeispiele angeführt: Beispiel 1.
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Kunstgraphitpulver mit einer Korngröße von 0-1,25mm wird mit Phenolformaldehydharz
im Verhältnis von Graphitpulver und 15% Phenolformaldehydharz vermischt.
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Aus dem erhaltenen Gemisch wird unter Erwärmung bis 1500 c und Druck
von 120 kp/cm2 ein Halbzeug mit einer Dichte bis 1,25 kr/cm3 gepreßt, dann in einer
inerten Atmosphäre bei 800°C durchgeglüht. Das geglühte Halbzeug wird bei 20500C
im geschmolzenen Silizium einer Hochtemperaturbehandlung unterworfen. Der hergestellte
Stoff hat folgende Zusammensetzung: Siliziumkarbid - 25%, Graphit - 50%, Freies
Silizium - 25%.
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Dabei wurden die folgenden Eigenschaften festgestellt:
Dichte
- 2,25 g/cm³ Druckfestigkeit -1300 kp/cm2 Biegefestigkeit - 700 kp/cm2 Reibungskoeffizient
- 0,05 Schlagzähigkeit - 2 kp.cm/cm² Beispiel 2.
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Graphitpulver mit einer KorngröBe von 0-0,2 mm wird mit einem Phenolformaldehydharz
im Verhältnis von 85% Graphitpulver und 15% Phenolformaldehydharz vermischt.
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Aus dem erhaltenen Gemisch wird bei 1000C ein Halbzeug mit der Dichte
von 1,20 g/cm gepreßt, in einer inerten Atmosphäre bei 9000C durchgeglüht, im geschmolzenen
Silizium bei 27500C behandelt. Der erhaltene Stoff hat folgende Zusammensetzung:
Siliziumkarbid - 65%, Graphit - 28, Freies Silizium - 7%.
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und weist die folgenden Eigenschaften auf: Dichte - 2,55 g/cm³ Druckfestigkeit
~ 3000 kp/cm2 Biegefestigkeit ~ 900 kpjcm2 Reibungskoeffizient - 0,05 Schlagzähigkeit
- 2,8 kp. cm/cm2 Beispiel 3.
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Aus eincr Komposition, erhalten durch Vermischen von
Graphitpulver
mit einer Korngröße von 0-0,5 mm mit Phenolformaldehydharz im Verhältnis von 85%
Graphit und 15% Harz,
wir bei
170°C@200 kp/cm² Druck ein H-albzeug mit der Dichte von 1,3 g/cm³ gepreßt und in
einer inerten Atmosphäre bei 900°C durchgeglüht. Das erhaltene Halbzeug wird im
geschmolzenen Silizium bei 18000C behandelt.
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Der erhaltene Stoff hat folgende Zusammensetzung: Siliziumkarbid
- 47%, Graphit - 48%, Freies Silizium -und weist die folgenden Eigenschaften auf:
Dichte - 2,40 g/cm³, Druckfestigkeit - 3200 kp/cm³, Biegefestigkeit - 900 kp/cm?,
Reibungskoeffizient - 0,05 Schlagzähigkeit - 2,8 kp.cm/cm2 Beisriol 4.
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Graphitpulver mit einer Korngröße von 0-0,5 mm, Eisenpulver mit einer
Korngröße von 0-0,05 mm und Phenolformaldehydharz werden in entsprechenden Verhältnis
von und und 15% sorgfältig vermischt. Aus der erhaltenen Mischung wird bei 15000
und 150 kp/cm2 Druck ein Halbzeug mit der Dichte von 1,4 g/cm² gepreßt, das daraufhin
in einer inerten Atmosphäre bei 90000 durchgeglüht wird.
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Weiterhin wird das Halbzeug im geschmolzenen Silizium
bei
1700°C behandelt. Der erhaltene Stoff hat folgende Zusammensetzung: Siliziumkarbid
Graphit - 24%, Freiess Silizium - 8,5%.
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und weist die folgenden Eigenschaften auf: Dichte - 2,70 g/cm³, Druckfestigkeit
- 4200 kp/cm², Biegefestigkeit - 1000 kp/cm², Reibungskoeffizient- 0,05 Schlagzähigkeit
- 3,2 kp/cm/cm² Beispiel 5.
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Graphitpulver mit einer Korngröße von 0,-0,5 mm und Alumniniumpulver
mit einer Korngröße von 0-0,05 mm werden * im Verhältnis von 82%, 3% und 15% vermischt.
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Aus der erhaltenen Mischung wird bei 150°C und 200 kp/cm² Druck ein
Halbzeug gepreßt, das in einer inerten Atmosphäre bnei 900°C durchgeglüht wird.
Daraufhin wird das Halbzeug in geschmolzenen Silizium bei 2050°C behandelt.
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Der erhaltene Stoff hat folgende Zusammensezung: Siliziumkarbid
Graphit -Freies Silizium -
und weist die folgenden Eigenschaften uaf: * mit Phenolformaldehydharz
Dichte
- 2,70 g/cm³, Druckfestigkeit - 4500 kp/cm², Biegefestigkeit - 1200 kp/cm², Reibungskoeffiezient
0,04 Schlagzähigkeit - 4 kp.cm/cm² Beispiel 6.
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Graphitpulver mit einer Korngröße von 0-0,5 mm wird mit Ruß und Phenolformaldehydharz
im verhältnis von 75% Graphit, 10% Ruß und 15% Phenolformaldehydharz vermischt.
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Aus der erhaltenen Mischung wird bei 150°C und 300 kp/cm² Druck ein
Halbzeug gepreßt, welches in einer inerten Atmosphäre bei 900°C durchgeglüht wird.
Aus dem Halbzeug werden zylindrischen Proben gezogen, die bei 2050°C siliziert werden.
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Der erhaltene Stoff hat folgende Zusammensetzung: Siliziumkarbid
- 61,3% Graphit - 32,8% Frcies Silizium -und eist die folgenden Eigenschaften auf:
Dichte - 2,70 g/cm³, Duckfestigkeit - 4300 kp/cm², Biegefestigkeit - 1100 kp/cm²,
Reibungskoeffiezient - 0,04
Beispiel 7.
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Kunstgraphitpulver mit einer Korngröße von 0-0,315 mm, Kohlenstoff-Fasern
und Phenolformaldehydharz werden im Verhältnis von 80% Graphit, 5% Kohlenstoff-Fasern
und 15% Harz sogfältig vermischt. Aus der erhaltenen Mischung werden bei 150°C und
100 kp/cm² Druck 120 m, lange Proben mit quadratischen Querschnitt 10x10 mm gepreßt.
Die gepreßten Proben wurden bi 900°C durchegeglüht und dann bei 2050°C siliziert.
Die Proben wurden auf Schlagzähigkeit geprüft. Das Vorhandensein von Fasern in den
Proben hat die Schlagzähigkeit um das 3fache gegenüber den aus dem bereits bekannten
Stoff erhaltenen Proben erhöht. Dabei wurden folgenden Eigenschaften festgestellt:
Dichte - 2,45, Druckfestigkeit - 400 kp/cm² Biegefestigkeit - 100 kp/cm² Reibungskoeffizient
0,05 Schlagzähigkeit - 10 kp. cm/cm² Beispiel 8.
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Graphitpulver mit einer Korngröße von 0-0,315 mm. Kohlenstoff-Fasernm
Phenolformaldehydharz werden im Verhältnis von 70% Graphit, 15% Kohlenstoff-Fasern,
15% Harz sorgfältig vermischt. Aus der erhaltenen Mischung werden bei 180°C und
50 kp/cm² Druck 120 mm lange Proben mit quandratischen Querschnitt 10x10 mm gepreßt.
Die gepreßten
Proben werden bei 900°C durchgeglüht und dann in
einer Lagierung von 75% Silizium und 25% Nickel imprägniert.
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Die Proben wurden auf Schlagzähigkeit geprüft.
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Die Schlagzähigkeit machte 12 kp.cm/cm² aus.