DE2261803B2

DE2261803B2 - Abriebfaehige dichtungen oder gleitund reibwerkstoffe

Info

Publication number: DE2261803B2
Application number: DE19722261803
Authority: DE
Inventors: Raymond John Middleburg Heights; Farrier Ernest Gilbert Parma; Ohio Elbert (V.StA.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1972-12-16
Publication date: 1977-12-01
Also published as: CA964497A; DE2261803A1; JPS4869754A; BE793005A; JPS5347784B2; FR2164685A1; FR2164685B1; GB1378030A; US3831258A

Description

In der US-PS 28 88 742 sind Verbundschichten beschrieben, die aus einer gesinterten, porösen Metall- oder Legierungsschicht und einer metallischen Trägerschicht mit unter einem Winkel in die gesinterte Schicht hineinragenden Teilen bestehen. Die Trägerschicht kann z. B. aus Kupfer, Nickel, Stahl, Silber oder aus einer lötfähigen Silberlegierung bestehen. Die gesinterte Schicht wird durch Aufpressen eines Gemisches von pulverförmigem Silber im Gemisch mit einem hitzebeständigen Oxyd und anschließendes Erhitzen bis zur Sintertemperatur hergestellt. Diese Verbundschichten sollen als elektrische Kontakte verwendet werden, die sich leicht mit einer Stützschicht verbinden lassen.

Aufgabe der Erfindung sind abriebfähige Dichtungen oder Gleit- und Reibwerkzeuge mit einer Schicht aus gesintertem Metallpulver, bei welchen auch bei starker Beanspruchung, z. B. durch Reibung und bei Belastung durch thermische Zyklen, kein Abblättern oder Abreißen der gesinterten Metallschicht auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß so gelöst, daß derartige Dichtungen oder Werkzeuge aus einer an sich bekannten gesinterten, porösen Metall- oder Legierungsschicht und einer metallischen Trägerschicht mit unter einem Winkel von 45 bis 90° in die gesinterte Schicht hineinragenden Teilen bestehenden Verbundschicht verwendet werden.

Vorzugsweise beträgt die auf die Fläche der Trägerschicht projizierte Fläche der in die gesinterte Schicht hineinragenden Teile mindestens 5% der Gesamtfläche der Trägerschicht.

Um eine bessere Verankerung der in die gesinterte Schicht hineinragenden Teile zu gewährleisten, sollten diese gleichmäßig über die Trägerschicht verteilt sein.

Eine einfachere Herstellung der Trägerschicht wird dadurch erreicht, daß die in die gesinterte Schicht hineinragenden Teile durch I lerausklappen aus der Trägerschicht oder Verformen derselben gebildet w erde η.

Die Sinterschichi sollte so dick sein, daü sie die hineinragenden Teile der Tragerschicht vollständig überdeckt.

Bei der Berührung mit sich bewegenden Teilen und bei teilweisem Abrieb der Sinterschicht werden die in die Sinterschicht hineinragenden Teile der Trägerschicht gebogen oder verformt, und verankern dadurch die Trägerschicht noch fester in der Sinterschicht. Gewünschtenfalls kann die Trägerschicht vor oder nach der Bildung der Sinterschicht an einer Unterlage angelötet, angeschweißt oder angeheftet werden.

Die Trägerschicht kann aus verschiedenen Metallen oder Legierungen bestehen, z. B. aus Kupfer, rostfreiem Stahl, Nickel-, Kobalt-, Nickel-Chrom-Legierungen und dergleichen. Eine Dicke der Trägerschicht von mindestens 25μηι wird empfohlen, damit sie nicht beim Betrieb oder z. B. durch Oxydation geschwächt wird.

Die in die Sinterschicht hineinragenden Teile können beliebige geometrische Formen haben. Sie können auch reihenförmige Kanten einer welligen Trägerschicht sein.

Die Sinterschicht kann aus Pulvern, Flocken oder Fasern von Metallen oder Legierungen hergestellt sein, z. B. aus Nickel, Kupfer, Kobalt, Eisen, Wolfram, Silber, rostfreiem Stahl, Nickel- und Kobalt-Legierungen. Die Teilchengröße dieser Pulver ist nicht kritisch, bevorzugt werden aber Teilchen mit Durchmessern von 1 bis 100 μπι. Das Metallpulver kann auch nichtsinternde Bestandteile enthalten, z. B. Pulver aus Kohlenstoff oder Raney-Nickel.

Die Zeichnungen erläutern einige Ausführungsformen der Erfindung.

Es zeigt

F i g. 1 eine Trägerschicht mit herausragenden Teilen,

Fig.2 eine Trägerschicht nach Fig. 1 mit einer porösen Sinterschicht,

F i g. 3A eine Trägerschicht mit herausragenden trapezförmigen Teilen,

Fig. 3B eine Trägerschicht mit herausragenden halbkreisförmigen Teilen,

Fig.3C eine Trägerschicht mit herausragenden dreieckigen Teilen,

Fig.3D eine Trägerschicht mit herausragenden kegelstumpfförmigen Teilen,

Fig.3E eine Trägerschicht mit herausragenden kegelstumpfförmigen Teilen mit öffnungen an der Spitze,

F i g. 3F eine Trägerschicht mit herausragenden halbkreisförmigen Teilen mit öffnungen darin,

F i g. 4A eine gitterförmige Trägerschicht,

Fig.4B eine Trägerschicht nach Fig.4A in welliger Form,

Fig.4C eine Trägerschicht nach Fig.4B mit einer Sinterschicht.

Teilchen eines Metallpulvers können nach herkömmlichen Verfahren auf die mitherausragenden Teilen versehene Trägerschicht bis zu einer Höhe aufgebracht werden, die ausreicht, um diese Teile abzudecken. Danach kann die Trägerschicht mit dem abgelagerten Pulver auf eine Temperatur erhitzt werden, um die Teilchen des Metallpulvers zu sintern und so eine poröse Metallschicht zu bilden. Die Sintertemperatur für die verschiedenen Metallpulver ist bekannt und kann von jedem Fachmann der Pulvermetallurgie bestimmt werden. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist eine

1 rageischicht 2 um halbkreisförmig herausragendeii Teilen 1 in einer porösen Sinterschicht verankert. Die Teile I sind sicher in der porösen Sinterschiclu 3 eingebettet und liefern damit dieser innere Festigkeit. Wenn die Verbundschicht der F i g. 2 als eine abriebfahlge Dichtung verwendet wird, wird sie nur minimale Fehler durch Abschälen, Abreiße.ι und Abblättern aufweisen, da die ein/einen he.'rasragenden Teile die poröse Sinterschicht verstärken und besser an der Trägerschicht 1 befestigen. Während des Betriebszustandes der Verbundschiene kann das AbrL-bteil, wie ■/.. B. die Spitze eines Turbinenflügels, in die poröse Sintersdiicht 3 sich hineinreiben, und beim Berühren der Teile 1 wird das abreibende Teil entweder sich durch das herausragende Teil 1 hindurchschneiden oder es entlang der Biegeka.ite 4 biegen. Vorzugsweise sind die herausragenden Teile 1 in einem Winkel angeordnet und in einer solchen Beziehung zu dem abreibenden Teil angeordnet, daß eine minimale Kraft des Abriebteiles dazu neigen wird, das herausragende Teil zurückzubiegen und damit im wesentlichen ungewünschte Schnitte und Beulen zu vermeiden, infolgedessen sollten die herausragenden Teile in einem Winkel zu der Oberfläche der Trägerschicht liegen, der zwischen ungefähr 45° und ungefähr 90° und vorzugsweise bei 60° liegt.

Die Anzahl der herausragenden Teile, die notwendig sind, um eine ausreichende Verstärkung für die poröse Sinterschicht zu geben, ist veränderlich und hängt von der Anwendung ab. Für besondere Anwendungen mag es wünschenswert sein, die herausragenden Teile in verschiedenen Winkeln an der gleichen Trägerschicht anzuordnen. Die Trägerschicht 2 der F i g. 1 und 2 kann an einer Unterlage vor oder nach der Sinterung des porösen Metallpulvers auf der Schicht 2 befestigt werden.

Die erfindungsgemäß verwendete Trägerschicht kann auch aus einer gitter- oder siebartigen Schicht 30 bestehen, die öffnungen 31 aufweist, wie in Fig.4A gezeigt ist. Das Maschensieb kann gewellt werden, die herausragende Kanten 33 besitzt, die sich von der Oberfläche der Schicht 32 erstrecken, wie in Fig.4B gezeigt ist. Wiederum können Teilchen eines porösen Metallpulvers in geeigneter Weise auf einer gewellten Schicht aufgebracht und danach gesintert werden. Wie in Fig.4C gezeigt ist, ist eine gewellte Schicht 34, die Kanten 35 aufweist, an einer porösen Sinterschicht 37 befestigt. Diese Verbundschicht wird gewöhnlich an einer Unterlage 36 mittels herkömmlicher Verfahren, wie z. B. Anheften, Schweißen oder Löten oder dergleichen, befestigt. Wenn diese verstärkte poröse Metallstruktur als eine abriebfähige Dichtung verwendet werden soll, wird das Abriebteil beim Einreiben in das poröse Metallmaterial beim Berühren der Kanten 35 diese schneiden oder entlang der Biegekanten 38 verbiegen. Wiederum können die herausragenden Kanten in einem Winkel zu der Oberfläche der Schicht angeordnet werden, wie oben beschrieben. Die zusätzliche innere Stütze, die von dieser Struktur gegeben wird, vermindert stark das Abschälen, Abreißen oder Abblättern der porösen Sinterschicht von der Trägerschicht und vermindert einen Abrieb des Abriebteils. Ein vorzugsweises Verfahren für die Herstellung einer siebförmigen oder gitterartigen Schicht liegt darin, Schnitte oder Schlitze oder dergleichen in ein nichtdurchbrochenes Metallblech einzubringen und danach dieses Blech zu strecken, um so eine gitterartige Struktur zu erzeugen. Diese gitterartige Struktur kann

dann zu einer gewellten konfiguration gulormi werden, wie oben beschrieben und in I i g. 4H gezeigt.

Die Anzahl der Kanton auf der Trägerschicht ist veränderlich und abhängig von der Anwendung.

Die folgenden Beispiele erläutern Ausführungsformen der Erfindung.

Beispiel I

Drei Bleche der Legierung Inconel büO mit einer Breite von 38 mm, einer Lange von 15 cm und einer Dicke von 0,2 mm, wurden mit einem Werkzeug gestanzt und geformt, um Projektionen zu bilden, die von der Oberfläche ausgehen. Fünf Reihen von 30 Projektionen je Reihe wurden aus jedem Blech ausgestanzt mit einer Dichte von etwa 25 Projektionen je cm*. Die einzelnen herausragenden Teile waren im wesentlichen halbkreisförmig mit einem Durchmesser von 3,2 mm, die in einem Winkel von 60" angeordnet waren, wobei sich zusammen mit der Trägerschicht eine herausragende Höhe von etwa 1,5mm ergab (Fig. 1). jede Schicht wurde dann mittels Widerstandsschweißens an einer Unterlage aus Inconel 600 von 5 cm χ 15 cm χ 1,5 mm mit einem Durchmesser von 17,8 cm befestigt. Teilchen aus sorgfältig gesiebtem Nickel-Chrom-Pulver (80% Nickel, 20% Chrom) mit Teilchendurchmessern von 0,1 mm bis 0,05 mm wurden auf die Trägerschicht aufgebracht, bis eine Gesamtdicke von ungefähr 5 mm erhalten wurde. Zu dieser Zeit war die Oberfläche der abgelagerten Pulverschichl nicht gleichförmig, da der Aufbau von Pulverschicht an den Gebieten höher war, die direkt oberhalb der herausragenden Teile lagen. Zusätzlich war die direkt unterhalb der herausragenden Teile liegende Fläche nicht ausreichend mit dem Metallpulver gefüllt. Dies wurde absichtlich getan, damit die herausragenden Teile eine verringerte Widerstandskraft gegenüber Deformation erhalten. Das Ganze wurde in einem Durchlaufofen in Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von 1125°C aufgeheizt, um so die Partikel des Metallpulver zu sintern. Die Aufenthaltsdauer der Anordnung bei 1125° C in dem Ofen betrug ungefähr 2 Stunden. Danach waren die Pulverteilchen gut miteinander und mit der Trägerschicht versintert.

Eine zweite Gruppe von drei gleichen Blechen wurde in der gleichen Weise wie oben behandelt, mit der Ausnahme, daß die Anzahl der Reihen auf 7 und die Anzahl der Projektionen je Reihe auf 40 erhöht wurde, wodurch eine Dichte von ungefähr 5 Projektionen je cm² erhalten wurde.

Eine dritte Gruppe von drei gleichen Blechen wurde in genau der gleichen Weise behandelt, mit der Ausnahme, daß die Anzahl der Reihen auf 9 und die Anzahl der Projektionen je Reihe von 50 erhöht wurde, um eine Dichte von ungefähr 7,5 Projektionen je cm² zu erhalten.

Eine vierte Gruppe von Unterlagen mit darauf abgelagertem porösem Metall wurde ohne die Verwendung einer Trägerschicht erzeugt, aber wurde in der gleichen Weise wie oben gesintert. Im folgenden werden diese Unterlagen als Kontrollproben bezeichnet.

Alle Proben wurden dann an der Oberfläche bearbeitet, um eine im wesentzlichen gleichförmige poröse Schicht mit einer Dicke von 3,5 ±0,5 mm zu erzeugen. Ein abriebfähiges Testrad, das einen Durchmesser von 19 cm besaß und eine Messerkante von 0,25 mm aufwies, abgeflacht um einen eingeschlossenen Winkel von 20°, drehte sich mit einer Geschwindigkeit

von 30 m/sec und war so eingestellt, daß es mit einer Geschwindigkeit von 0,025 mm/sec eindrang. Die Leistung, die benötigt wurde, um in dem abreibbaren Dichtungsmaterial der Kontrollproben einen Eindruck zu erzeugen, betrug weniger als 0,1 PS. Die Kraft von 0,1 PS war ausreichend, um einen Abrieb im wesentlichen durch die Sinterschicht von allen Proben zu erzeugen. Jedoch benötigen die Verbundschichten eine Kraft bis zu 0,85 PS, wenn die Messerkanten des Rades die hervorragenden Teile berührte. Eine Untersuchung der Muster nach dem Abreibtest ergab, daß die hervorragenden Teile nicht geschnitten, sondern nur deformiert waren, indem sie entlang ihrer Biegekanten zurück auf die Ebene der Oberfläche gefaltet waren. Daher gab es keine Übertragung von Kräften zu den angrenzenden hervorragenden Teilen von den Teilen, die tatsächlich von der Messerkante berührt worden waren.

Die Muster wurden danach bei 870° C in ruhender Luft für eine Dauer von 500 Stunden oxydiert. Eine Untersuchung der Muster nach diesem Oxydationstest zeigte, daß die Verbundschichten im wesentlichen noch unverändert waren, wobei die Sinterschicht fest an der Trägerschicht haftete. Bei den Kontrollproben war die poröse Sinterschicht von der Unterlage getrennt oder abgeschält, wodurch sie unbrauchbar geworden waren.

Wie diese Versuche zeigen, tritt bei erfindungsgemäß verwendeten Verbundschichten kein starkes Abschälen, Reißen und Abblättern der Sinterschicht auf. Sie sind daher besonders geeignet als abriebfähige Dichtungen, Lagerungen und Lageraufnehmer sowie als Bremsbeläge-

Beispiel 2

Sechs gestreckte Bleche von 1,25 χ 30,5 cm aus der Legierung 5 Inconel 600 8 4/0 wurden so gefaltet, wie

·-. die F i g. 4B es zeigt. Die Kanten hatten Abstände von 2,5 mm und Höhen von 15 mm. Die gefalteten Streifen wurden dann auf Unterlagen nach Beispiel 1 geschweißt. Die Falten hatten einen Abstand von 0,5 mm bis 0,75 mm. Da die gefalteten Streifen nur 12,5 mm breit

ίο waren, wurden zwei Streifen Seite an Seite auf der Unterlage aufgeschweißt. Das Metallpulver wurde aufgebracht, gesintert und nach Beispiel 1 bearbeitet. Das Testen dieser Proben wurde dann nach Beispiel 1 vorgenommen. Die Oxydationsbedingungen, die das

r> massive Versagen der Kontrollproben bewirkten, brachten keine sichtbare Trennung bei den erfindungsgemäß verwendeten Verbundschichten; lediglich eine Leistung von 0,1 PS wurde benötigt, um einen Abriebschnitt von 1,8 mm Tiefe zu erzeugen. Die Abriebschnitte wurden senkrecht zu den Stützfaltungen erzeugt, um zu zeigen, diiß Abrieb in jeder Richtung erfolgen kann, wenn es gewünscht wird.

Der Vorteil dieser Art von Verbundschichten liegt darin, daß die Abstände der Kanten sich entweder

2') ausdehnen oder zusammenfallen können aufgrund der senkrechten und der tangentialen Kräfte, die von den Abricbtei'on aufgebracht werden, infolgedessen wird sich die Verbundschicht unter einer minimalen Kontaktkraft deformieren, während gleichzeitig die notwendige

«ι innere Stütze für die poröse Sinterschicht gegeben wird wobei im wesentlichen Abschälen, Abreißen und Abblättern der porösen Sinterschicht vermieden wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer aus einer gesinterten, porösen Metall- oder Legierungsscnieht und einer ■ metallischen Trägerschicht mit unter einem Winkel von 45 bis 90" in die gesinterte Schicht hineinragenden Teilen bestehenden Verbundschk ..·, abriebfähige Dichtungen oder Gleit- und Reii . ι kstoffe.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch ,u gekennzeichnet, daß die auf die Fläche der Trägerschicht projiozierte Fläche der in die gesintert: Schicht hineinragenden Teile mindestens 5% der Gesamtfläche der Trägerschicht beträgt.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch r> gekennzeichnet, daß die in die gesinterte Schicht hineinragenden Teile gleichmäßig über die Trägerschicht verteilt sind.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in die gesinterte .?n Schicht hineinragenden Teile durch Herausklappen aus der Trägerschicht oder Verformen derselben gebildet sind.