DE2335112C3

DE2335112C3 - Formkörper mit gegen mechanischen Abrieb hoch verschleißfester Oberflache

Info

Publication number: DE2335112C3
Application number: DE2335112A
Authority: DE
Inventors: Peter Croton Gortsema; Henri White Plains Hatwell; Peshotan Sohrab Hartsdale Kotval
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1972-07-10
Filing date: 1973-07-10
Publication date: 1980-06-26
Also published as: US3929427A; CH583629A5; FR2191996B1; FR2191996A1; JPS548201B2; DE2335112B2; IT991760B; JPS4953203A; CA973762A; DE2335112A1; GB1436768A; SE410200B

Description

30

Es ist bekannt, verschleißfeste Werkzeuge, insbesondere Schneidwerkzeuge, unter Einsparung von teuren Ausgangsmaterialien dadurch herzustellen, daß man für v, den entsprechenden Formgrundkörper üblichen Stahl verwendet und für die Oberfläche einen Überzug aus z. B. Wolfram- oder Molybdäncarbid. Das die Oberfläche bildende Überzugsmaterial besteht aus möglichst feinteiligem Pulver, das mittels üblicher Gießereib'nde- ·)0 mittell, wie wäßrige Silikatlösung, verkittet wird und sich dann beim Gießen des Grundmetalls mit diesem · verbindet.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß sich eine solche Oberflächenschicht leicht ablöst bz'v. daß die Pulverkörnchen abgeschmirgelt werden, wodurch das weiche Grundmetall freigelegt und dem weiteren Abrieb und Verschleiß ungeschützt ausgesetzt ist.

Auch die üblichen Methoden des Aufbringens einer harten Oxidschicht auf z. B. Aluminium und seine ω Legierungen durch anodische Oxidation bzw. Flammplattierungen haben nicht voll befriedigen können, auch weil die mechanische Präzision der Formkörper unter solchen nachträglich angewendeten Beschichtungsverfahren leidet.

Dieses technische Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Oberflächenschicht aus Tantalcarbidfasern vorgesehen ist, die aber nicht die ganze Oberfläche des Formkörpers abzudecken braucht.

Der erfindungsgemäße Formkörper aus einem Grundmaterial mit geringer Verschleißfestigkeit und mit gegen mechanischen Abrieb hoch verschleißfester Oberfläche in Form von Metallcarbid ist dadurch gekennzeichnet, daß nur die Oberfläche des Formkörpers eine Schicht aus Tantalcarbidfasern mit einem Faserdurchmesser von 2 bis 15 μιη aufweist, welche als Gruppen unterschiedlicher Orientierung in die Oberfläche eingebettet sind und mindestens 50 sowie höchstens 90% der Fornikörper-Oberflache bedecken.

Die Tantalcarbidfasern können insbesondere auch in Form von Geweben, Gewebestreifen und Filz oder als Stapelfasern verwendet werden.

Die Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß nicht die gesamte Oberfläche des Formkörpers von den Carbidfasern bedeckt zu werden braucht, sondern daß in vielen Fällen 75 bis 80% an Bedeckungsgrad genügen.

Außerdem wird sichergestellt, daß der Abriebschutz dadurch erhalten bleibt und auch unter harter Verschleißbeanspruchung keine Gefahr besteht, daß größere Flächen des weichen Grundmaterials des Formkörpers freigelegt werden. Insbesondere lassen sich auf diese Weise Formkörper aus Aluminium, Aluminiumlegierungen und aus Kunststoffen, wie aus Epoxyharzen und Phenolharzen, wirksam schützen. In dieser Literaturstelle (US-PS 30 98 723) wird außerdem erwähnt, daß eine solche Fasereinsetzung auch von Vorteil sein kann, wenn eine hitzebeständige Schutzschicht erwünscht ist. Auch ein solcher thermischer Schutz, z. B. von Stahl gegenüber einer Zunderbildung hat jedoch nichts mit dem Problem der Verschleißfestigkeit gegenüber Abrieb zu tun.

Es ist an sich bekannt, die mechanische Festigkeit und insbesondere die Zerreißfestigkeit von Formkörpern dadurch zu verbessern, daß man verstärkende Fasern in Form eines Gewebes in entsprechender Orientierung in das zu verfestigende Matrixmaterial einbettet, so daß die Faserrichtung mit den Hauptbeanspruchungsrichtungen übereinstimmt und aufgrund bekannter Kraftübertragungsmechanismen die Festigkeit der Einzelfasern, vor allem von Whiskern, auf diese Weise voll zur Geltung kommt. Diese Verstärkungsfasern, welche sich in Form eines raumstabilisierten Gerüstes durch die Matrix hindurch erstrecken, haben also die Aufgabe, Kräfte aufzunehmen und die mechanische Festigkeit des Fonnkörpers an sich zu erhöhen. Das Problem der Verschleißverminderung ist dadurch aber nicht angesprochen oder gelöst worden.

Es ist weiterhin empfohlen worden, duktile Grundstoffe, wie Stahl, dadurch in bezug auf ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern, daß man Mikrofasern in Richtung der Hauptbeanspruchung in die Matrix des Grundstoffes einlagert, wobei die Dichteverteilung zweckmäßig so variiert wird, daß die Faserkonzentration nach der Oberfläche des Formkörpers zu bis auf Null abnimmt, um dort ein problemloses Gleiten zu ermöglichen. Auch diese Ausführungsform erhöht nicht die Verschleißfestigkeit der Formkörper-Oberfläche.

Die im Rahmen der Erfindung eingesetzten Tantalcarbidfasern werden zweckmäßig nach dem in der US-PS 34 03 008 beschriebenen Verfahren hergestellt.

Die Möglichkeit zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper mit außerordentlich verbesserter Verschleißfestigkeit geht auf die Beobachtung zurück, daß die Tantalcarbidfasern bei der Kontaktierung mit geschmolzenen Metallen, wie Aluminium und seinen Legierungen, sehr schnell durch das geschmolzene Metall benetzt werden. Diese Benetzungsreaktion führt zur Bildung von intermetallischen Phasen an den Grenzflächen zwischen den Tantalcarbidfasern und dem metallischen Grundmaterial, die eine feste Verbindung zwischen dem Grundmaterial und den Carbidfasern gewährleisten.

In der Praxis kann ein erfindungsgemäßer Formkörper bequem mittels einer Vielzahl von Verfahren

hergestellt werden. Die leichte Benetzbarkeit von Geweben der Tantalcarbidfasern durch z. B. Aluminium und seine Legierungen bietet sich z. B. für ein Gießverfahren an. Die Gießform kann z. B. mit den Tantalcarbidfasern ausgekleidet und das übliche Gießverfahren durchgeführt werden. Wie vorstehend erläutert, können die Fasern in einer Vielzahl von Anwendungsformen eingesetzt werden. Die Anwendungsform der Fasern bestimmt sich zum Teil auch aus der Gestaltung der betreffenden Gießform.

In vielen Fällen wurde beobachtet, daß sich die Fasern in Form von Streifen zum Auskleiden der Innenwände von Gießformen eignen. Die Dicke des Streifens ist nicht notwendigerweise kritisch, solange die Tantalcarbidfasern in genügender Menge vorhanden sind, um die Verschleißfestigkeit der Oberfläche zu verbessern.

Wie vorstehend erläutert, lassen sich mittels der vorliegenden Erfindung mechanisch präzise Gußstücke herstellen, die eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen. Da die Gießform vor der Einbringung des Grundmaterials mit den Tantalcarbidfasern ausgekleidet wird, weist das Gußstück insgesamt die gleiche Formgebung und die gleichen Abmessungen auf, die es ohne die in der Oberfläche eingebetteten Carbidfasem haben würde.

Die erfindungsgemäß verwendeten Tantalcarbidfasern eignen sich auch zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Formkörpern, die durch Heißpressen von pulverförmigen Grundmaterialien hergestellt werden. Es können z. B. Streifen, Filze, Gewebe oder Stapeifa- so sern des Tantalcarbids auf eine oder mehrere Oberflächen einer Preßform aufgebracht, das pulverförmige Grundmaterial zugesetzt und das Ganze heiß zu dem gewünschten Formkörper gepreßt werden.

Die Beispiele erläutern die Erfindung. J5

Beispiel 1

Ein Streifen eines Satingewebes aus Tantalcarbid, das gemäß dem in der US-Patentschrift 34 03 008 beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist, wird zur Erzeugung einer Mehrkomponenten-Oberfläche auf 6061-Aluminiumlegierung verwendet. Die Fasern, aus denen sich der Gewebestreifen zusammensetzt, weisen einen Durchmesser vor 5 μΐη auf.

Das Molekulargewicht des Tantalcarbids wird mit 191,4 bestimmt, was darauf hinweist, daß das Gewebematerial aus stöchiometrisch nahezu idealem Tantalcarbid (Molekulargewicht 192,96) besteht Ein Streifen mit einer Breite von 1,27 und einer Länge von 7,62 cm wird in einem Aluminiumoxid-Tiegel angebracht und ein Barren von 6061-Aluminiumlegierung auf den Streifen gestellt Der Tiegel und sein Inhalt werden in einem Ofen unter einer Argon-Atmosphäre 5 Minuten auf 700⁰C erhitzt Nach dem Abkühlen findet man den vorgenannten Streifen vollständig in die untere Oberfläche des im gegossenen Zustand vorliegenden 6061-Legierungsbarrens eingebettet, der somit eine Mehrkomponentenoberfläche aufweist Unter Verwendung eines Teils der auf vorstehende Weise hergestellten Probe werden mittels des Üünnschicht-Durchstrahlungselektronenmikroskopischen Verfahrens elektronisehe Beugungsbilder der Grenzstellen zwischen den Tantalcarbid-Fasern und dem 6061-Legierungs-Grundmaterial hergestellt. Aus den Beugungsbildern geht hervor, daß außer den flächenzentrierteii kubischen Kristallen des 6G61-Grundmaterials und den flächenzentrierten kubischen Kristallen der Tantalcarbid-Fasern eine intermetallische Phase aus tetragonalen AbTa-Kristallen an der Grenzfläche zwischen den Fasern und dem Grundmaterial gebildet worden ist, was die Bildung einer guten Verbindung zwischen dem Grundmaterial und dem Gewebestreifen beweist.

Aus der Probe der 6061-Legierung mit der aus dem Grundmaterial und den Tantalcarbidfasern bestehenden Oberfläche werden 6,35 mm breite, 15,88 mm lange und 9,53 mm hohe Blöcke herausgeschnitten. Die Mehrkomponentenoberfläche wird unter verschiedenen Belastungen auf ihre Verschleißfestigkeit geprüft Bei diesem Versuch wird die zu prüfende Oberfläche gegen einen auf eine Härte von R_c = 58 bis 63 gehärteten 4620-Stahlring geschliffen. Der relative Verschleißparameter des Versuchsmaterials wird durch Messen des Verschleißvolumens der beim Verschleißversuch ausgeschliffenen Fläche auf der Oberfläche der zu prüfenden Probe bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I zusammengefaßt:

Tabelle I

Formkörper

Schmiermittel Belastung Vcrschleißvolumen

Gegossene 6061-Legierung mit
75 Flächenprozent TnC-Fasern

Aluminiumlegierung mit nichlbchiindcltcr Oberfläche

hydraulische Flüssigkeit 13,61 kp

hydraulische Flüssigkeit 81,65 kp

hydraulische Flüssigkeit 13,61 kp

hydraulische Flüssigkeit 81,65 kp

2372X10 ⁶cin³

5W8X10 "cm'
nicht mehr meßbar, da zu groß

In Tabelle I werden die Verschleißvolumina der erfindungsgemäßen Mehrkomponentenoberflächen mit den Verschleißvolumina einer typischen Aluminiumlegierung verglichen. Aus den erhaltenen Werten geht hervor, daß die erfindungsgemäße Mehrkomponentenoberfläche Verschleißeigenschaften aufweist, die eine lOOOfache Verbesserung gegenüber den Verschleißeigenschaften der Oberflächen von herkömmlichen Aluminiumlegierungen darstellen.

Beispiel 2

Ein Streifen des hauptsächlich aus Tantalcarbid bestehenden Satingewebes wird am Boden einer Gießform angebracht, in die ein Epoxyharz gegossen

wird. Nach dem Aushärten weist der Epoxyblock eine Oberfläche mit einer Zweikomponenten-Mikrostruktur auf, die zu ~75 Flächenprozent aus Tantalcarbid in Epoxyharz-Grundmaterial besteht Aus diesen Epoxyblöcken werden 6,35 mm breite, 15,38 mm lange und 9,53 mm hohe Blöcke mit aus Epoxy-Grundmaterial plus Tantalcarbid-Faser bestehender Oberfläche geschnitten. Die Zweikomponentenoberfläche wird unter verschiedenen Belastungen auf ihre Verschleißfestigkeit geprüft Bei diesem Versuch werden die zu prüfenden Oberflächen gegen einen auf eine Härte von Rc=58 bis 63 gehärteten 4620-Stahlring geschliffen. Die relativen Verschleißparameter der Zweikomponentenoberfläche aus einem Epoxy-Grundmaterial und verschieden großen Flächen der faserigen Tantalcarbid-Phase werden in Tabelle II mit den Verschleißparametern der Oberflächen von unbehandelten Epoxyblöcken verglichen.

Tabelle II

Formkörper

Schmiermittel

Belastung

Verschleißvolumen

Epoxyharz mit 75 Flächenprozent
TaC-Streifen

Epoxyharz mit 60 Flächenprozent
TaC-Streifen

Unbchandeltes Epoxyharz

hydraulische Flüssigkeit hydraulische Flüssigkeit hydraulische Flüssigkeit

13,61 kp
13,61 kp
13,61 kp

105Xl(T⁶Cm³
162XKT⁶cm³
1798X10 ⁶cm³

Beispiel 3

Mittels Standard-Verschleißversuchen werden die Verschleißfestigkeiten von erfindungsgemäßen Materialien mit Zweikomponentenoberfläche und bekannten Materialien verglichen.

Alle Prüfversuche werden gemäß dem ASTM-Prüfverfahren D 2714-68 mit stationären, rechteckigen Prüfblöcken (6,35 mm Breite, 15,88 mm Länge und 9,53 mm Höhe), die mit verschiedenen vorbestimmten Belastungen gegen einen rotierenden Ring gepreßt werden, durchgeführt. Es werden folgende Verschleißeigenschaften gemessen: (i) Verschleißvolumen der zu prüfenden Oberfläche des zu prüfenden Materialblocks: (ii) Gewichtsveränderung des Anpreßrings; und (iii) die in bestimmten Abständen während des Prüfversuchs gemessenen Reibungskräfte. Die in Tabelle III zusammengefaßten Verschleißwerte werden unter den nachstehenden Prüfbedingungen erhalten:

Anpreßring:

Schmiermittel:
Belastung:
Rotationsgeschwindigkeit
des Anpreßrings:

Umdrehungen insgesamt:

4620 Stahl; Rc = 58-62;
Oberflächenfinish
20,32 . lO-'bis
30,48 · 10-⁵mm
Mobil 5606-A Flüssigkeit
13,61 kg

180 U.p.M. (Ringdurchmesser = 34,9885 mm)

5400 U.

Wie aus Tabelle III hervorgeht, weist eine Zweikomponentenoberfläche mit 75 Flächenprozent Tantalcarbid-Phase in einem 6061-Legierungs-Grundmaterial gegenüber der nichtbeha~delten 6061-Legierung, gemessen am Verschleifavolumen, bis zu lOOOfach bessere gemessene Werte auf. Sogar gegenüber der Verschleißfestigkeit der hyper-eutektischen Al/Si-Legierung (18 Gewichtsprozent Silicium) weist die Zweikomponentenfläche eine um das 10- bis 30fache verbesserte Verschleißfestigkeit auf.

Bei der Messung des Verschleißverhaltens ist es erforderlich, den Verschleiß des gesamten Systems zu berücksichtigen, d. h. sowohl den Verschleiß auf dem zu prüfenden Block sowie den Verschleiß des angepreßten rotierenden Körpers. Es ist deshalb wichtig, die dem derzeitigen Stand der Technik entsprechenden verschleißfesten Materialien mit den erfindungsgemäßen Materialien mit verschleißfester Zweikomponentenoberfläche zu vergleichen. In Tabelle 111 sind zwei dieser dem derzeitigen Stand der Technik entsprechende, mittels herkömmlicher pulver-metallurgischer Verfahren hergestellte, vollständig aus mehreren Komponenten bestehende Materialien aufgeführt, nämlich »Ferro-Titancarbid« und das Aluminium + Graphit-Zweikomponentenmaterial, das für verschleißfeste Rotor-Dichtungsleisten für den Drehkolbenmotor entwickelt worden ist. Das »Ferro-Titancarbid«-Material weist eine gute Verschleißfestigkeit auf, reibt jedoch den angepreßten Ring außerordentlich stark ab. Die

•!5 Gewichtsverlust-Werte des angepreßten Rings bei der Prüfung des Ferro-Titancarbids sind um den Faktor zwei höher als die vergleichbaren Werte für die erfindungsgemäßen Materialien mit einer Zweikomponentenoberfläche in 6061- und 2024-Legierungen als Grundmaterial. Das Aluminium+ Graphit-Zweikomponentenmaterial weist sowohl für den Gewichtsverlust des Rings wie für das Verschleißvolumen gegenüber dem erfindungsgemäßen Material mit der Zweikomponentenoberfläche höhere Werte auf, wodurch die überlegenen Verschleißeigenschaften der erfindungsgemäßen Materialien deutlich gezeigt werden.

Außer den überlegenen Verschleißeigenschaften weisen die erfindungsgemäßen Materialien mit Zweikomponentenoberfläche gegenüber den herkömmlichen Materialien noch den Vorteil auf, daß sie weder in technologischer noch in wirtschaftlicher Hinsicht größere Abänderungen gegenüber den derzeitigen Gießverfahren für Aluminiumlegierungen erfordern.

Im Gegensatz dazu müssen die vorgenannten, den derzeitigen Stand' der Technik entsprechenden verschleißfesten Zweikomponentenmaterialien durch verhältnismäßig teuerere, z. B. Sintern und Heißpressen einschließende Verfahren, hergestellt werden.

Tabeile III

Geprüfte Formkörper

Verschleißvolumen (X ICT⁶ cm³)

Gewichtsverlust
des Anpreßrings

(mg)

Reibungskoeffizient

(nach 540Ü Umdrehungen)

1. Formkörper mit Zweikomponentenoberfläche (75 Flächenprozent TaC-Satingewebe in 6061-Aluminiumlegierung als Grundmaterial)

2. Formkörper mit Zweikomponentenoberfläche (75 Flächenpro7.ent schräg gewebte TaC-Gewebestreifen in
6061-Aluminiumlegierung als Grundmaterial)

3. Formkörper mit Zweikomponentenoberfläche (75 Flächenprozent TaC-Satingewebe in 2024-Aluminiumlegierung als Grundmaterial)

4. Formkörper mit Zweikomponentenoberfläche (75 Flächenprozent TaC-Satingewebe in einer Chrom-Nickel-Legierung als Grundmaterial)

6 bis 40

32

8 bis 30

0,16-0,7

0,15

0,12-0,25

0,12-0,15

0,11

0,12-0,15

0,12

6,5 X10"" cm

Claims

Patentansprüche:

1. Formkörper aus einem Grundmaterial mit geringer Verschleißfestigkeit und mit gegen mechanischen Abrieb hoch verschleißfester Oberfläche in Form von Metallcarbid, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Oberfläche des Formkörpers eine Schicht aus Tantalcarbidfasern mit einem Faserdurchmesser von 2 bis 15 μηι aufweist, welche als Gruppen unterschiedlicher Orientierung in die Oberfläche eingebettet sind und mindestens 50 sowie höchstens 90 Prozent der Formkörperoberfläche bedecken.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tantalcarbidfasern in Form eines Gewebes oder Gewebestreifens, als Filz oder Stapelfasern in die Form-Oberfläche eingebettet sind.

3. Formkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial des Formkörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere einer hypereutektischen Al-Si-Legierung besteht.

4. Formkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial des Formkörpers aus einem in der Wärme aushärtenden Epoxyharz oder Phenolharz besteht.