DE2348702B2

DE2348702B2 - Verwendung einer Kobalt- oder Nickellegierung als Werkstoff für Gleitpaare

Info

Publication number: DE2348702B2
Application number: DE19732348702
Authority: DE
Inventors: Carl Wiern Hockessin Arley; Salvadore Joseph Troy N.Y. Calabrese; Joseph John Demo Jun.; Donald Platt Feriss
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1972-10-19
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1979-11-15
Also published as: AU6154673A; FR2204250A5; CH580764A5; ATA889273A; DE2348702A1; AT333519B; HU169042B; JPS5641688B2; LU68651A1; AR201840A1; NO134705B; AR202667A1; DD107075A5; JPS49133215A; DE2348702C3

Description

^r)0

Die Gleitflächen von Gleitpaaren unterliegen, insbesondere in Abwesenheit von Schmiermitteln oder in Gegenwart eines nicht oder schlecht schmierenden r, Mittels, Beschädigungen und Verschleiß. Die sich gleitend berührenden Metalloberflächen neigen insbesondere bei hohen Temperaturen zum Fressen. Solche Bedingungen sind beispielsweise in Turbinen-Düsentriebwerken anzutreffen, wo sich Teile in Monta- mi geuntergruppen gleitend berühren (wie in Turbinenwellen, in denen Wellen in Achslagern rotieren, Ventilen, in denen Ventilkörper bei ihren öffnungs- und Schließbewegungen an ihnen entsprechenden Oberflächen gleiten, und Nachbrennersektoren, welche sich auf hi zylindrischen Lagern, die um Wellen herum gleiten, oder auf Wellen drehen, die innerhalb zylindrischer Lager rotieren). Hochtemperaturbedingungen können auch versehentlich in Rollenlagern auftreten, wenn diese Schmiermittel verlieren und einem Fressen ausgesetzt werden.

Weitere Beispiele für Gleitpaare mit Verschleißproblemen sind diejenigen, bei denen eine Welle axial durch ein zylindrisches Lager oder eine Dichtung gleitet oder sich gegen das Lager oder die Dichtung dreht, und diejenigen Systeme, bei denen Rollen von Wälzlagern in gleitender Berührung mit einer belasteten Oberfläche stehen. Bei vielen dieser Systeme stehen die sich berührenden Flächen der Gleitpaare in Berührung mit einer großen Vielfalt von fließfähigen Medien der Umgebung, von denen viele, beispielsweise Wasser, nasser Dampf und organische Flüssigkeiten (wie Silikonöle, organische Phosphate und Kohlenwasserstoffe), verhältnismäßig schlechte Schmiermittel sind.

Es ist eine bekannte Faustregel, iür die sich berührenden Oberflächen von Gleitpaaren ungleiche Metalle zu verwenden, da bei Verwendung gleicher Metalle Bedingungen vorherrschen., die zu starken adhäsiven Bindungen, bedingt durch Metallübergang, führen. Die gleichen metallischen Oberflächen verschweißen miteinander und werden durch die Gleitung wieder getrennt, so daß die gleitenden Oberflächen rasch absplittern und verschlissen werden. Dieser Grundsatz, für Gleitpaare ungleiche metallische Oberflächen zu verwenden, läßt sich aus zahlreichen Literaturstellen entnehmen, beispielsweise dem Aufsatz von E. Rabinowizc »Friction and Wear of Metals«, Metals Engineering Quarterly, Band 7, Nr. 2 (1967), Seiten 4 bis 8, insbesondere Seite 4, rechte Spalte, Abs. 3, oder dem Buch von F. D. Bowden und D. Tabor, Friction and Lubrication, Methuen and Co„ London (1956), Seite 29.

Es ist bekannt, daß Legierungen, welche in weiteren Mairixphasen dispergierte Laves-Phasen enthalten, in bestimmten Fällen für die Bereitstellung von einer von zwei Oberflächen, die miteinander in gleitender Berührung stehen, nützlich sind. In anderen Fällen führen solche Legierungen jedoch zu unannehmbaren Schaden an der Gegenoberfläche, die einen unausweichlichen Verschleiß der Legierungen zur Folge haben.

Aus der US-PS 34 10 732 ist z.B. eine Legierung bekannt, die aus mindestens 50% Kobalt, 14 bis 30% Molybdän, 6 bis 12% Chrom und 0,5 bis 4% Silizium besteht und 30 bis 60 Vol.-% einer harten Laves-Phase sowie 40 bis 70 Vol-% einer weicheren Matrixphase aufweist. Die Legierungen werden in der US-PS auch für gut gleitende Oberflächen in Gegenwart von Schmiermitteln empfohlen. Die US-PS enthält jedoch Keinerlei Hinweis, daß die darin beschriebene Legierung auch für beide Teile eines Gleitpaares geeignet sein könnte. Der Chromanteil wird in der US-PS im Hinblick auf den Verschleiß als außerordentlich kritisch angesehen (Spalte 9, Zeilen 33 bis 39).

Es wurde nun gefunden, daß, wenn beide Oberflächen eines Gleitpaares aus einer Legierung des nachstehend definierten Typs bestehen, die Oberflächen überraschenderweise selbst bei hohen Temperaturen und ohne Schmiermittel oder in Gegenwart eines nicht-schmierenden Mittels nur einen geringen Abrieb erleiden.

Die Erfindung betrifft somit die Verwendung einer Legierung, die aus

(a) mindestens 45 Gew.-% Kobalt oder Nickel;

(b) 20 bis 42 Gew.-% Molybdän;

(c) 17 bis 25 Gew.-% Chrom, wenn (a) Kobalt ist, und 8 bis 22 Gew.-% Chrom, wenn (a) Nickel ist;

(d) genügend viel Silizium, jedoch nicht mehr als 12 Gew.-%, damit (I) die Legierungsmikrostruktur aus 10 bis 100 VoI,-% einer harten Phase, die überwiegend Laves-Phase ist, und 0 bis 90 Vol.-% einer relativ weichen Matrixphase besteht und (2) die Legierungsmikrostruktur aus mindestens 10 Vol-% einer Laves-Phase besteht, und

(e) gegebenenfalls bis 0,6 Gew.-% Mangan, bis 2 Gew.-% Eisen, bis 0,5 Gew.-% Nickel, wenn (a) Kobalt ist, oder bis 0,5 Gew.-% Kobalt, wenn (a) Nickel ist, insgesamt jedoch nicht mehr als 3 Gew.-%,

besteht, als Werkstoff für Gleitpaare, deren Oberflächen dieselbe Legierungszusammensetzung aufweisen und die ohne Schmiermittel oder Li Gegenwart eines nicht-schmierenden Mittels funktionsfähig sind.

Die Reibungskoeffizienten der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen gegen sich selbst sind überraschend niedrig und oft geringer als gegen herkömmliche Lagermaterialien. Weiterhin sind die von den definierten Legierungen Gebrauch machenden Gleitpaare bei Temperaturen bis zu 1093° C betriebsfähig, ohne daß eine bedeutende Oberflächenbeschädigung erfolgt.

Bevorzugt verwendete Legierungen sind diejenigen, in denen die harte Phase 20 bis 75 VoI.-% ausmacht und welche 45 bis 59 Gew.-% Kobalt, 22 bis 36 Gew.-% Molybdän, 17 bis 25 Gew.-% Chrom und 1,5 bis 5 Gew.-% Silizium oder 50 bis 55 Gew.-% Kobalt, 22 bis 29 Gew. % Molybdän, 17 bis 22 Gew.-% Chrom und 1,5 bis 4 Gew.-°/o Silizium er.thaltei Besonders bevorzugt verwendete Legierungen enthalten 53 Gew.-% Kobalt, 28 Gew.-% Molybdän, 17 Ge\> °/o Chrom und 2 Gew.-% Silizium oder 51 Gew.-% Kobalt, 25 Gew.-% Molybdän, 22 Gew.-°/o Chrom und 2 Gew.-°/o Silizium. Weitere bevorzugt verwendete Legierungen sind diejenigen, in denen die harte Phase 20 bis 75 Vol.-% ausmacht und die 48 bis 63 Gew.-% Nickel, 22 bis 36 Gew.-% Molybdän, 8 bis 22 Gew.-% Chrom und 1,5 bis 5 Gew.-% Silizium oder 48 bis 63 Gew.-% Nickel, 24 bis 36 Gew.-°/o Molybdän, 8 bis 16 Gew.-% Chrom und 2 bis 5 Gew.-% Silizium enthalten. Besonders bevorzugt verwendete Legierungen enthalten 62 Gew.-% Nickel, 28 Gew.-°/o Molybdän, 8 Gew.-°/o Chrom und 2 Gew.-% Silizium oder 50 Gew.-°/o Nickel, 32 Gew.-% Molybdän, 15 Gew.-% Chrom und 3 Gew.-% Silizium oder 53 Gew.-% Nickel, 35 Gew.-% Molybdän, 9 Gew.-% Chrom und 3 Gew.-% Silizium.

Wesentlich ist, daß die erfindungsgemäß verwendete Legierung eine harte Phase umfaßt, die eine größere Menge einer Laves-Phase enthält. In den meisten Legierungen, welche eine harte Phase und eine weiche Phase umfassen, ist die harte Phase praktisch vollständig Laves-Phase. In einigen Legierungen enthält die harte Phase eine größeren Bruchteil (das heißt mehr als 50 Vol.-%) an Laves-Phase und einen kleineren Bruchteil (weniger als 50 Vol.-%) an einer anderen harten Phase, welche die Laves-Phase begleitet, wobei sie sie oft umgibt. Beispielsweise ist in gewissen Legierungen, die im wesentlichen aus Co, Mo, Si und Cr bestehen, die Laves-Phase von einer anderen harten Phase umgeben. Die umgebende Phase liegt als kleinerer Bruchteil vor, der üblicherweise weniger als 25 Vol.-% der harten Phase ausmacht. Eine Laves-Phase enthält einen oder mehrere metallographische Bestandteile, welche die Cit(hexagonal)-, Ci5(kubisch)- oder Css(hexagonal)-Kristallstruktur aufweisen, wie in »International Tables for X-Ray Crystallography«, Symmetriegruppen, N, F. M. Henry und K. Lonsdale, International Union of Crystallography, Kynoch Press, Birmingham, England (1952) beschrieben ist Prototypen der Laves-Phasen-

Kristallstrukturen sind MgZn₂, MgCu₂ und MgNi₂. Derartige Phasenstrukturen stellen einzigartige Kristallstrukturen dar, welche die vollständigste Raumbesetzung durch Scharen von zv/ei Kugelgrößen erlauben. Die Laves-Phase kann grundsätzlich durch die Formel AB₂ dargestellt werden, wobei das große Atom A bestimmte Sätze von kristallographischen Stellen einnimmt und die kleinen Atome B andere Stellen einnehmen; in der Formel liegt das Verhältnis der Atomradien A:B im Bereich von 1,05 bis 1,68.

Laves-Phasen treten als Zwischenphasen in zahlreichen Legierungssystemen auf. Im allgemeinen weisen Laves-Phasen einen Homogenitätsbereich auf, d. h. sie können irgendeine Zusammensetzung aus dem Bereich von Elementzusammensetzungen aufweisen und dabei ihre charakteristische Kristallstruktur beibehalten. Das Atomverhältnis B: A kann möglicherweise infolge einiger Leerstellen in der Kristallstruktur von geringfügig weniger als bis geringfügig mehr als 2 variieren. Auch kann mehr als eine Atomart die großen Atomstellen, die kleinen Atomstellen oder beide besetzen. Solche L?. <;es-Phasen können stöchiometrisch durch die Formel

(A₁ -,C₁)(B₁ -,Oy)₂

dargestellt werdeA, in der C die Atome von einer oder mehreren Arten, welche die großen Atome ersetzen, und D die Atome von einer oder mehreren Arten, welche die kleineren Atome der binären Laves-Formel AB₂ ersetzen, bedeuten, und χ und y Werte im Bereich

j3 von 0 bis 1 haben.

Bei den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen ist das Metall A Molybdän und das Metall B Kobalt oder Nickel, wobei die Menge an Si und die relativen Mengen der Metalle A und B derart bemessen sind, daß

4n sichergestellt ist, daß 10 bis 100 Vol-% der Legierung aus der harten Phase bestehen, die in der verhältnismäßig weichen Matrix aus den übrigen 0 bis 90 Vol.-% der Legierung verteilt ist. Mehr bevorzugt sind 20 bis 85 Vol.-% der harten Phase (die mindestens 75 Vol-% Laves-Phase enthält und vorzugsweise praktisch vollständig aus Laves-Phase besteht), in 15 bis 80 Vol.-% des Matrixmaterials verteilt. Die Summe der Mengen der Metalle A und B beträgt vorzugsweise mindestens 60 Atom-% der Legierung. Die Matrix kann aus demselben

-,o Legierungssystem wie die harte Phase bestehen; sie kann ein einzelnes Metall, eine feste Lösung, eine oder mehrere andere intermetallische Verbindungen als Laves-Phase oder eine Mischung aus fester Lösung und den genannten intermetallischen Verbindungen sein.

r> Suizide der Legierungsmetallbeslandteile können ebenfalls in der Matrix vorhanden sein. Die Matrix muß weicher als die harte Phase sein und sollte im allgemeinen nicht mehr als etwa 50% der der Knoop-Härte der harten Phase aufweisen. Bevorzugte

μ Metallmatrixphasen zeigen eine Knoop-Härte von 350 bis 750.

Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen können neben Co oder Ni. Mo, Cr und Si bis 0,6 Gew.-% Mn und bis 2 Gew.-% Fe enthalten. Kobaltlegierungen

hi können ferner bis 0,5 Gew.-% Ni, Nickellegierungen bis 0,5 Gew.-% Co aufweisen. Bis insgesamt 3 Gew.-% an den vorgenannten fakultativen Elementen können in der Legierung vorliegen. Die Gewichtsprozente der vier

obligatorischen Elemente sind nur auf die Gewichte dieser vier Elemente in der Legierung bezogen.

Bei einer speziellen erfindungsgemäß verwendbaren Legierung stellt die harte Phase ausschließlich Laves-Phase bei einem Chromgehalt von etwa 8 Gew.-°/o dar. Bei Chromgehalten von 12 bis 25 Gew.-% kann eine zusätzliche Phase in Erscheinung treten. Die zusätzliche Phase kann Laves-Phasenteilchen umgeben und kann einen bedeutenden, obgleich geringeren, Teil der harten Phase darstellen. Dieser zusätzliche Hartphasen-Bestandteil ist normalerweise härter als die dispergierende Matrixphase und kann bis zu 10 Vol-% der Legierung

ausmachen. In einer Legierung, deren Laves-Phase von einer zusätzlichen Nicht-Matrix-Phase umgeben ist, macht die Laves-Phase mindestens 50 Vol-% (üblicherweise mehr als 75 Vol.-%) der harten Phase aus. Die Legierung weist in allen Fällen mindestens 10 Vol.-% Laves-Phase auf.

In der Tabelle I sind metallographische Daten repräsentativer erfindungsgemäß verwendbarer Legierungen zusammengestellt. Die Tabelle zeigt die Volumenprozente der vorhandenen Phasen, die Rockwell C-Härte in der Masse und die Mikrohärtewerte der harten und der Matrixphase.

Tabelle I

Legierungsbestandteile (Gew.-%)	Ni	Mo	Cr	Si	Härte in	1170	Harte	Phase	Matrixphase	VHN**;
	_	28	17	2	der Masse	370				446
Co	-	25	22	2	Rc*)	Vol.-»/	. VHN**)	Vo!.-%	-
53	62	28	8	2	53	54	1285	46	201
51	53	35	9	3	-	-	-	-	288
-	50	32	15	3	36	20	> 800	80	229
-	53	35	9	3	43	56	1855	44	-²)
-	Rc = Rockwell	C-Härte		') Knoop-Härte	30	62	1246	38
-		VHN = Vickers-Härte Nr.		²) Knoop-Härte	-	55	-^!)	45
*)
**)

Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen können hergestellt werden, indem man eine Mischung der elementaren Bestandteile oder Unterkombinationen der Elemente bei einer ausreichenden Temperatur (beispielsweise 1250 bis 1850⁰C) schmilzt und die Schmelze erstarren läßt. Dabei erhält man eine Legie. ung aus Nickel oder Kobalt, Molybdän, Chrom und Silizium in den oben vorgeschriebenen Mengenverhältnissen, die im wesentlichen aus einer Matrix auf Kobalt- oder Nickelbasis besteht, welche durch die Bildung von intermetallischen Verbindungen und durch die Legierungsbildung der Matrix verstärkt ist. Die Legierung kennzeichnet sici, dadurch, daß sie zwei Hauptphasen aufweist, die durch metallographische, chemische und Röntgenstrahlenbeugupgsmeihoden nachweisbar sind. Speziell enthält die Legierung mindestens 10 Vol.-% einer harten Phase, welche mindestens 10 Vol.-% einer Laves-Phase bereitstellt, und bis zu 90 Vol.-% einer verhältnismäßig weichen Matrixphase.

Aus den Legierungen können Gegenstände hergestellt werden, indem die Legierungen mit Hilfe herkömmlicher Öfen, Formen und Methoden aufgeschmolzen und gegossen werden. Die Legierung kann vorher erzeugt werden, oder sie kann aus nicht-legierten Mischungen der notwendigen Bestandteile hergestellt werden. Im letzteren Falle werden herkömmliche Methoden derart angewendet, daß die Legierung in situ entsteht. Die vorher hergestellte Legierung kann physikalisch bis zu Teilchengrößen zerkleinert werden, die der Herstellung von Gegenständen nach pulvermetallurgischen Arbeitsweisen angepaßt sind. Bei derartigen Arbeitsweisen werden Pulverteilchen der vorher hergestellten Legierung in eine Form gebracht und nachfolgend unter erhöhten Drücken und Temperaluren verdichtet, um sie teilweise aufzuschmelzen, bis ein vollständiger Legierungskörper (ein Pulvermetallurgieteil) erhalten wird, welcher danach abgekühlt wird. Solche Teile sind abriebs- und korrosionsfest.

Überzüge aus der Legierung auf verschiedenen Substraten können ebenfalls in bekannter Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Überziehen von Metallsubstraten mit Schmelzen der in Stabform bereitgestellten Legierung oder durch Plasmaaufspriihen von Überzügen aus teilweise aufgeschmolzenen Teilchen der Legierung auf Metaiisubstrate und nachfolgendes Abkühlen der Überzüge. Die vorgenannten Stäbe können aus einer festen, vorher hergestellten Legierung, die eine zusammenhängende Struktur aufweist, oder aus einer zusammenhängenden Metaühülle bestehen, die mit den notwendigen Bestandteilen gefüllt ist, so daß die Legierung sich während des Aufschmelzen in situ bildet. Die Überzüge benötigen zuweilen eine die Abmessungen beeinflussende Oberflächenbehandlung. Derartige Überzüge sind abriebs- und korrosionsfest.

Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen eignen sich gut für Gleitflachen, welche korrodierenden Flüssigkeiten ausgesetzt sind. Typische Gleitflächenanwendungen sind beispielsweise sich drehende und axial bewegliche "/eilen, die innerhalb zylindrischer Buchsen und gegen Absperrendflächen gleiten, wie Drucklager. Lager und Dichtungen, die mit Oberflächen aus der erfindungsgemäß verwendeten Lcg'erung bereitgestellt werden, widerstehen einer Korrosion durch oxidierende Flüssigkeiten, wie Eisen(III)-chlorid- und Salpetersäurelösungen, und reduzierende Flüssigkeiten, wie wäßrige Chlorwasserstoff-, Ameisen- und Schwefelsäure.

Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen eignen sich als Werkstoffe für die verschiedensten

Gleitpaare, welche zwei oder mehr Teile aufweisen, die während des Betriebs auch in Abwesenheit eines Schmiermittels oder in Anwesenheit eines nicht-schmierenden, fließfähigen Mediums in gleitender Berührung stehen. Eine Abwesenheit des Schmiermittels kann auch bei den sogenannten Grenzschmierbedingungen vorliegen, wenn die Gleitgeschwindigkeit so niedrig und die Berührungsdrücke so hoch sind, daß die Existenz von !ragenden hydrodynamischen Schmierunterlagen physikalisch unmöglich ist.

Die beiden Oberflächen der Gleitpaare können beweglich oder an ihrem Platz fest angeordnet sein. vorausgesetzt, daß mindestens eine Oberfläche beweglich ist, d. h. sich in gleitender Berührung mit der anderen Oberfläche /u bewegen vermag. Gleitpaare können in Rollen tragenden Montagegruppen zwischen tragenden Rollen und der sie unterstützenden Oberfläche, über weiche sie hinwcgrolicn. in Zahnrad-Ilüssigkcitspumpen. in denen ein Gleiten und Rollen zwischen den Zähnen benachbarter, ineinandergreifender und nicht-ineinandergreifender Zahnräder erfolgt, oder in einem hydraulisch betriebenen, mechanischen Kolben-Zylindcr-System vorliegen. Die Bewegung zwischen den Oberflächen kann in verschiedenster Weise bewirkt werden. Eingeschlossen sind solche Mittel, die für eine zeitlich abgemessene, unterbrochene, gleitende Berührung zwischen Oberflächen von zwei sich bewegenden, zusammenwirkenden Teilen, für eine oszillierende oder hin- und hergehende, gleitende Berührung zwischen zwei Teilen, von denen nur eines sich zu bewegen braucht, und die für gleitende Berührung zwischen einer Oberfläche in einer wiederholten, kreisförmigen Gleitbewegung entlang der anderen Oberfläche sorgen können.

Die Legicrungsoberfläche oder -oberflächen des Gleitpaares kann (können) in beliebiger bekannter und zweckmäßiger Weise bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine solche Oberfläche die Oberfläche eines Teils sein, das ganz aus der Legierung besteht, oder sie kann eine gesondert vorher hergestellte Legierungsschicht sein, die nach bekannten Methoden mechanisch an einer darunter liegenden Oberfläche befestigt oder an sie gebunden wird. Eine solche Oberfläche kann auch durch thermische Diffusion der Legierung auf das Grundteil nach bekannten Methoden erhalten werden.

Zu i'iOCli di'iucicii ucrtdtuiicii VenanicM /.Ui erzielung der Legierungsoberfläche gehören das Überziehen durch Schweißen, Plasmabogensprühen, die Pulvermetallurgie und das Gießen. Die Oberfläche aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung soll tief genug sein, daß der Abrieb berücksichtigt wird, welcher für das betreffende Gleitpaar annehmbar ist. Je nach der Größe des Gleitpaares beträgt diese Dicke bei einem Oberzug üblicherweise 0,00254 bis 1,016 cm, vorzugsweise 0,00508 bis 0,0762 cm. Oberzüge, die durch Schweißen oder mechanische Befestigung verankert worden sind, sind üblicherweise mindestens 0,3175 cm dick.

Für ein gegebenes nicht-schmierendes, fließfähiges Medium können erfindungsgemäß geeignete Legierungen so ausgewählt werden, daß man zufriedenstellende Ergebnisse erhält. In vielen Fällen können die von den erfindungsgemäß geeigneten Legierungen Gebrauch machenden Gleitpaare in Abwesenheit eines Schmiermittels arbeiten, d. h. sie sind selbstschmierend. Die Selbstschmierung ist in Systemen wertvoll, die Schmiermittel zwischen den gleitenden Teilen verlieren können, beispielsweise in Getrieben und Nockenanordnungen

bei langem Stehenlassen, sowie in Systemen, die für eine wirksame Schmierung zu heiß werden, wie an den Zapfen der Ränder in der Iris einer Nachbrenner-Montagegruppe eines Turbinen-Düsentriebwerks.

Das Gleitpaar kann in Form eines langgestreckten Kontaktes quer zur Gleitrichtung vorliegen, wobei der Kontakt zwei Körper von fließfähigen Medien trennt. Ein solcher Kontakt besteht zwischen einem Zylinder und einem eingeschlossenen Kolben oder Kolbenring, die so ausgelegt sind, daß sie auf einer gemeinsamen Achse gleiten. Er findet sich auch in Rotationspumpe?! des Blatt-. 2-Flügel- und 3-Flügel-Typs zwischen dem Inneren der gekrümmten Gehäuse und den dichtenden Kontaktarmen auf den sich drehenden Teilen. Zu derartigen Pumpen gehören drehbare Gleitblatt-Montagegruppen und Montagegruppen mit zwei oder drei gegenläufigen Flügeln. Die Gleitpaare können in luft und llüssigkeitsgetriebenen Rotationsvorrichtungen zum Umwandeln von fließender Energie in mechanische Energie verwendet werden. Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich. Pumpenkonstruktionen zu vereinfachen, die Möglichkeiten bei der Wahl von nützlichen Materialien, insbesondere leichteren Materialien, zu erweitern und die Baukosten herabzusetzen.

Die die erfindungsgomäß geeigneten Legierungen enthaltenden Gleitpaare sind, wie erwähnt, auch in Gegenwart von nicht-schmierenden fließfähigen Medien, wie Wasser, nassem Dampf, hydraulischen Flüssigkeiten, Silikonölen und anderen fließfähigen Medien, denen das Gleitpaar ausgesetzt werden kann, brauchbar. Beispiele sind Rotationspumpen zum Pumpen von heißem Wasser oder einer hydraulischen Flüssigkeit und ein System, das von dem Gleitkontakt eines Spindelventilschaftes entlang einer den Schaft umschließenden Führung Gebrauch macht. Die vorliegende Erfindung findet praktische Verwertung in Gleitkontakten in hydraulisch ansprechenden Mechanismen, in denen ein Kolben oder Kolbenring den ihn umschließenden Zylinder gleitend berührt, in bei chemischen Verfahren verwendeten Ventilen des Schieber-, Kegel- oder Kugeltyps, in denen der Schieber, der Kegel oder die Kugel an der Einfassung gleitet, wenn das Ventil in eine »Ein«- oder »Aus«-Stellung gedreht wird, und in Flüssigkeitspumpen vom Getriebetyp, in denen ein Gleiten und Rollen zwischen den Zähnen benachbarter ineinandergreifender und nicht-ineinandergreifender Zahnräder erfolgt, in denen zwischen den Spitzen der Zahnräder und den Pumpengehäusen eine gleitende Berührung stattfindet und in denen eine rotierende, gleitende Berührung zwischen den radialen Stirnflächen der Zahnräder und ihren Verankerungsstirnflächen erfolgt.

Die die erfindungsgemäß geeigneten Legierungen benutzenden Gleitpaare sind gut wirksam bei Temperaturen von 204 bis 1093° C und bei gleitender Berührung unter Drücken von 35,1 bis 210,9 kg/cm². Solange die Legierungen als ausgeprägte, feste Phasen, d.h. unterhalb ihrer Verschmelzungspunkte, gehalten werden, läßt sich bei Temperaturen von über 1093⁰C arbeiten. Die Gleitpaare können funktionieren, ohne daß Schmiermittel zwischen die gleitenden Oberflächen eingebracht werden; es wird angenommen, daß sie ihr eigenes Schmiermittel in Form von Oxiden bereitstellen, die sich aus der Berührung mit der Umgebungsluft ergeben. Änderungen der Oberflächenrauhigkeit sind unter solchen Bedingungen eher einer Oxidation als einer Oberflächenbeschädigimg zuzuschreiben.

Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindune.

IO

In den Beispielen sind die Prozentangaben, soweit nicht anders angegeben, auf Gewicht bezogen.

Die in Hen Beispielen verwendeten Legierungen weisen die unten angegebenen Zusammensetzungen einschließlich der angegebenen Phasenvolumina auf. Die jedem Element einer Legierungszusammensetzung •■orausgehende Zahl sind die Gewichtsprozente. Die Valumina der harten Phase werden als Legierungsprozente ausgedrückt und, wie in der metallurgischen Technik bekannt ist. durch relative Flächen unter Intensitätskurvenbildern bestimmt, die durch Röntgen· Strahlenbeugungsanalysen von charakteristischen Legierungsphasen erzeugt werden. Die Legierungen Λ bis E werden hergestellt, indem die Elemente in den vorgeschriebenen Gewichtsverhaltnissen vermischt werden, jede Mischung in Luft, bis sie vollständig aufgeschmolzen ist, erhitzt. Schaum, der sich auf der Oberfläche bildet, abgegossen und die Schmelze auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wird. Die Legierungen Λ bis E sind erfindungsgemäß verwendbare Legierungen: die Legierungen F bis H sind handelsübliche bekannte Legierungen.

A - 53 Co/28 Mo/2 Si/17 Cr mit 54% harter Phase.
B - 51 Co/25 Mo/2 Si/22 Cr mit 50% harter Phase.
C - 53 Ni/35 Mo/3 Si/ 9 Cr mit 56% harter Phase.
D - 50 Ni/32 Mo/3 Si/15 Cr mit 50% harter Phase.
E - 50 Ni/25 Mo/3 Si/22 Cr mit 50% harter Phase.

Die harte Phase in jeder der obenstehenden Legierungen enthält mindestens 75% Laves-Phase.

F — rostfreier Stahl (316) der Zusammensetzung 12 Ni/2,5 Mo/17 Cr/Rest Fe, der keine Laves-Phase aufweist und als korrosionsfest bekannt ist.

-'η

G — Hastelloy C, eine Nickel-Superlegierung der Zusammensetzung 54 Ni/16 Mo/16 Cr/I Si/5 Fe/4 W, die keine Laves-Phase aufweist und als korrosionsfest bekannt ist.

H — Stellite 6B, eine bekannte Legierung der Zusammensetzung 29 Cr/1,5 (höchstens) Mo/2 Si/3 Fe/4,5 W/0,9 bis 1,4 C/Rest Co, die keine Laves-Phase aufweist und als abriebfest bekannt ist.

Beispiele 1 bis 5
und Vergleichsbeispiele I bis 4

Die nachfolgend beschriebene, bekannte Reiter- und Trommel-Prüfmethode wird angewandt, um Korrosion und Abrieb an Gleitpaaren, für die erfindungsgemäß geeignete und bekannte korrosions- und abriebfeste Legierungen verwendet werden, zu vergleichen. Ein flacher Reiter aus Prüfmaterial (2,54 cm χ 0,714 cm χ 0,873 cm) wird gegen eine rotierende Trommel mit einem Durchmesser von 8,89 cm, die eine periphere Oberfläche aus gleichem oder andersartigem Material bereitstellt, gedrückt. Der Reiter erstreckt sich in der Berührungslinie entlang einer 0,714 cm χ 2,54 cm großen Stirnfläche. Vor der Prüfung werden die Oberflächen sowohl des Reiters als auch der Trommel bis zu einer Bearbeitung von 0,000254 mm poliert. Für die Prüfung wird die Trommel mit ihren untersten 2,54 cm in 5%iger wäßriger HCI bei 25°C mit einer Umfangsgeschwindigkeit der Oberfläche von 121,92 m/Minute gedreht, während der Reiter unter einer Last von 6,81 kg steht. Nach 1 Stunde werden die Gewichtsänderungen des Reiters und der Trommel bestimmt. Die Oberfläche jedes geprüften Elements wird gemäß der nachstehenden Skala bewertet:

Gewichtsverlust Aussehen

keine sichtbaren Ritzungen bei lOfacher Vergrößerung, keine Oberfiächenbeschädigung, kein Fressen

einige wenige bei lOfacher Vergrößerung sichtbare Ritzungen, keine Oberflächenbeschädigung, kein Fressen

durchlaufende Riefung, Grübchen oder andere Anzeichen beginnender Korrosion, kein Fressen

Anzeichen von Fressen oder Mikroquerrissen. starke Korrosion.

Dia Tabelle !! zeigt die Gewichtsverluste der Reiter und Trommeln und die Oberflächenbewertungen der verschlissenen Reiter und Trommeln aus Legierungen, die zusammen gerieben wurden.

Tabelle II

Gleichzeitige Wirkungen von Abrieb und Korrosion

ausgezeichnet (e)	<10	mg
gut (g)	<100	mg
befriedigend (0	<100	mg
schlecht (p)	>100	mg

Beispiel	Reiter-	Trommel-	Gewichtsverluste	(mg)	Oberflächenbewertungen	Trommel
(Vergleichs	Legierung	Legierung				g
beispiel)			Reiter	Trommel	Reiter	g
1	A	A	87	8	g	g
2	B	B	13	23	g	f
3	C	C	44	79	g	f
4	D	D	78	22	f	P
5	E	E	106	25	f	P
(D	H	H	82	93	P	P
(2)	*)	H	1718	285	P	P
(3)	H	G	156	(Zunahme)	P
(4)	H	F	317	(Zunahme)	P

*) Chromplattierter Stahl.

11 12

Es ist ersichtlich, daß die den erfindungsgemäßen loy C (Vergleich.'beispiel 3) überlegen sind, wobei die

Bedingungen entsprechenden Gleitpaare (Beispiele I Gleitpaare mit Legierungen auf Kobaltbasis (Beispiele I

bis 5) Stellite 6B (an sich selbst gerieben; Vergleichsbei- und 2) den Gleitpaaren mit Legierungen auf Nickelbasis

spiel 1), chromplattiertem Stahl (Vergleichsbeispiel 2), (Beispiele 3 bis 5) unter diesen Bedingungen etwas

rostfreiem Stahl 316 (Vergleichsbeispiel 4) und Hastel- 5 überlegen sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Legierung, bestehend aus

(a) mindestens 45 Gew.-% (Cobalt oder Nickel;

(b) 20 bis 42 Gew.-% Molybdän;

(d) genügend viel Silizium, jedoch nicht mehr als 12 Gew.-%, damit (1) die Legierungsmikrostruktur aus 10 bis 100 VoL-% einer harten Phase, die überwiegend Lavesphase ist, und 0 bis 90 VoL-% einer relativ weichen Matrixphase besteht und (2) die Legierungsmikrostruktur aus mindestens 10 Vol.-% einer Lavesphase besteht, und

(e) gegebenenfalls bis 0,6 Gew.-% Mangan, bis 2 Gew.-% Eisen, bis 0,5 Gew.-°/o Nickel, wenn (a) Kobalt ist, oder bis 0,5 Gew.-% Kobalt, wenn (a) Nickel ist, insgesamt jedoch nicht mehr als 3 "~ Gew.-%,

als Werkstoff für Gleitpaare, deren Oberflächen dieselbe Legierungszusammensetzung aufweisen und die ohne Schmiermittel oder in Gegenwart eines nicht-schmierenden Mittels funktionsfähig sind.

2. Verwendung einer Legierung der in Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, deren harte Phase 20 bis 75 Vol.-% ausmacht und die 45 bis 59 Gew.-% Kobalt, 22 bis 36 Gew.-% Molybdän, 17 bis 25 jo Gew-% Chrom und 1,5 bis 5 Gew.-% Silizium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung der in Anspruch 2 angegebenen Zusammensetzung, die 50 bis 55 Gew.-% Kobalt, 22 bis 29 Gew.-% Molybdän, 17 bis « 22 Gew.-% Chrom und 1,5 bis 4 Gew.-°/o Silizium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Legierung der in Anspruch I angegebenen Zusammensetzung, die 48 bis 63 Gew.-% Nickel, 22 bis 36 Gew.-% Molybdän, 8 bis 22 Gew.-% Chrom und 1,5 bis 5 Gew.-% Silizium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Legierung der in Anspruch 4 angegebenen Zusammensetzung, die 48 bis 63 Gew.-% Nickel, 24 bis 36 Gew.-% Molybdän, 8 bis 16 v, Gew.-°/o Chrom und 2 bis 5 Gew.-% Silizium enthält, für den Zweck nach Anspruch I.