DE2406070A1

DE2406070A1 - Gleitdichtung fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2406070A1
Application number: DE19742406070
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Morishita
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1974-02-08
Publication date: 1974-08-29
Also published as: JPS5215242B2; DE2406070B2; JPS49104809A; US3983615A; DE2406070C3

Description

19721

TOYO KOGYO GO₄,, LTD.

Aki-gun, Hiroshima-ken (Japan)

Glextdichtungfür Verbrennungsmotoren

Die Erfindung betrifft eine Gleitdichttmg für Verbrennungsmotoren, insbesondere eine aus einer gesinterten Legierung bestehende Gleitdichtung, die einen gepreßten Körper aus Teilchen aus einer eutektischen Dreistofflegierung Pe-P-C besitzt, wobei zwischen diesen Teilchen ein aus einer Metalllegierung bestehendes Bindemittel vorhanden ist.

Für die Verwendung in Verbrennungsmotoren sind schon verschiedene Arten von metallischen Gleitdichtungen vorgeschlagen worden,. Die bekannten Gleitdichtungen sind hinsichtlich ihrer Festigkeit und der bei ihrer Herstellung erzielbaren Produktivität befriedigend. Sie haben jedoch den Nachteil, daß bei ihrer Verwendung in Anlage an Metallflächen oft ein Fressen zwischen den Gleitdxchtungen und den Metallflächen auftritt, auf denen die Gleitdichtungen gleiten. Eine auf einer Metallfläche gleitende Gleitdichtung besteht daher vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Werkstoff.

Es ist schon vorgeschlagen worden, gesinterte nichtmetallische Körper zu verwenden, die vorwiegend aus TiG-, WC- und/oder SiC-Teilchen und einem geeigneten Bindemittel bestehen. Diese gesinterten Körper haben ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Verschleiß- und sonstigen Festigkeitj der Verformbarkeit und der geringen Freßneigung, sind aber sehr hart, so daß sie die Flächen, auf denen sie gleiten, oft zerkratzen.

Eine verchromte Fläche, eine Fläche aus nitriergehärtetem Gußeisen und eine Fläche aus induktionsgehärtetem Gußeisen besitzen gewöhnlich eine Härte von HV 700 bis 1500_c Die Die Gleitdichtung soll vorzugsweise dieselbe oder eine etwas geringere Härte besitzen als die Fläche, auf der sie gleitet, damit die Gleitdichtung einerseits nicht zu stark verschleißt und andererseits die Fläche, auf der sie gleitet, nicht beschädigt.

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Ba die vorgenannten gesinterten Werkstoffe auf der Grundlage von TiC, WG und SiC eine Oberflächenhärte von HV 3200, HY 1800 "bzw. HV 3000 besitzen, erzeugen sie oft Kratzer in der Fläche, auf der sie gleiten.

Die eutektische Legierung Fe-P-C hat ein eutektisches nichtmetallisches Gefüge mit einer Härte von HT 700 bis HV 750. Daher ist diese Legierung für Gleitdichtungen für "Verbrennungsmotoren sehr gut geeignet. Im allgemeinen ist aber die Schwierigkeit vorhanden, daß eine eutektische Legierung oder eine intermetallische Verbindung hart und spräde ist, so daß sie im Gußzustand außer durch Schleifen nur sehr schwer spanend bearbeitet werden kann und daß sich beim Abkühlen des Gußstücks Hisse bilden. Ferner haben die bekannten eutektischen Legierunggen nicht die für Gleitdichtungen in Verbrennungsmotoren erforderliche Festigkeit.

Bie Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung einer neuartigen Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Gleitdichtung, welche die zur Erfüllung ihrer Aufgabe erforderliche Festigkeit hat und leicht herstellbar ist.

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Gleitdichtung.

Die erfindungsgemäße Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren besitzt einen gepreßten Körper aus Teilchen aus einer eutektischen Legierung, die aus 4»0-6,0 Gewichtsprozent Phosphor, 1,0-5,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Best Eisen, besteht, wobei der gepreßte Körper mit einem Bindemittel, in einer Menge von IO-3O Prozent des Volumens der Dichtung getränkt ist.

Erfindungsgemäß kann man die Dichtung in der Weise herstellen, daß man die Teilchen aus der eutektischen Legierung zu dem gewünschten Formkörper verpreßt und diesen dann mit dem Bindemittel tränkt. TSn die mechanische Festigkeit zu erhöhen, kann man vor dem Pressen der Teilchen aus der eutektischen Legierung eine bestimmte Menge des Bindemitmlls mit den Teilchen vermischen.

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Ein im Rahmen der Erfindung verwendbares Bindemetall muß einen niedrigexen Schmelzpunkt haben als die Legierungsteilchen und muß diese benetzen können. Ferner darf das Bindemitall mit den Teilchen aus der eutektischen Legierung weder reagieren noch eine Legierung mit ihnen bilden. Beispielsweise kann man im Rahmen der Erfindung Legierungen von Typ Ou-Sn, Mh-Zn mit hohem Mangangehalt und M-P verwenden. Das Bindemittel für die Kupfer-Zinn-Legierung enthält vorzugsweise 10-50 Gewichtsprozent Zinn, Rest Kupfer. Bei einem Zinngebalt unter 10 $ hat die Gu-SN-Legierung einen Schmelzpunkt über 1000° C, so daß es schwierig ist, den gepreßten Körper mit der Legierung zu tränken. Bei einem Zinngehai t über 50 % kann die Legierung die Teilehen aus der eutektischen Legierung in dem gepreßten Körper nicht mehr benetzen und wird die Legierung spröde.

Die Mangan-Zirik-Legierung mit hohem Mangangehalt enthält vorzugsweise 25 Gewichtsprozent Mangan, 1,5 Gewichtsprozent Kupfer, 1 Gewichtsprozent Silber, Rest Zink. Die im Rahmen der Ecfindung als Bindemetall verwendbare Nickel-Phosphor-Legierung enthält 8-12 Gewichtsprozent Phosphor. Man kann das Bindemetall entweder in Form eines aus Teilchen gepreßten Blockes oder eines gegossenen Blockes verwenden, der erforderlichenfalls durch spanende Bearbeitung die gewünschte Form erhalten kann.

Ecfindungsgemäß kann man die verschleißfeste Sinterlegierung dadurch herstellen, daß man eine eutektische Fe-P-C-Legierung mit 4,0-6,0 Gewichtsprozent Phosphor, 1,0-5,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Eisen, zu Teilchen zerkleinert und diese dann unter Zugabe eines Schmiermittels gründlich mischt und zu dem'gewünschten Formkörper preßt, der danach mit schmelzflüssigem Bindemittel getränkt wird. Zum Tränken kann man den gegossenen oder gepreßten Blook aus demdii*iae^i:ile'^fca11 auf den gepreßten Formkörper aus den Teilchen aus der eutektischen Legierung legen, dann beide Teile in ei-

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nea auf einer geeigneten 55eeperaiatr befindlichen Ofen auf eine Temperatur iron etwa 600° G vorerhitzen und schließlich das Bindemetall aufschmelzen, so daß es in die Poren des gepreßten ibratkörpers fließen, kam.

Im Halmen der Erfindung ist es sehr wichtig, daß die Fe-P-C-Dreistofflegierang 4,0-6,0 Gewichtsprozent Phosphor und 1,0-5,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff enüiäLt. ¥enn der Phosphor- xind der Kohlenstoffgehalt xmter den genannten Bereichen liegen, nimet die Menge des eutektisehen oder nichtmetallischen Gefüges entsprechend ab, so daß die daraus hergestellte Gleitdichtung oft an einer Fläche frißt, auf der sie gleiten soll. Ferner wird dadurch die Härte der Legierung auf HY 5^0 herabgesetzt, so daß die Verschleißfestigkeit Terringert wixd. Wenn der Phosphor- und der Kohlenstoffgehalt über den genannten Bereichen liegen, erhält man in Gußblöcken zu viele Gasblasen. Ferner ist dann das Vergießen der Legierung erschwert, weil die Legierungsschmelze nur eine geringe !Fließfähigkeit besitzt, wenn der Phosphor- und der Kohlenstoffgehalt über den vorgenannten Bereichen liegen.

Wenn der Phosphor- und der Kohlenstoffgehalt in den vorgenannten Bereichen liegen, besitzt die Legierung ein eutektisches Gefüge in einer Menge von 60-100 Volumenprozent. Der gepreßte Formkörper hat einen Feststoff-Volumenanteil von 60-80 $, d.h. ein Porenvolumen von 40-20 $. Ba nicht immer alle Poren miteinander verbunden sind, kann es vorkommen, daß manche Poren nicht mit dem Bindemetall gefüllt werden. In einem praktischen Versuch hat es sich gezeigt, daß 80 $ des Porenvolumens mit dem Bindemetall ausgefüllt sind, so daß der gesinterte Körper gewöhnlich 30 Volumenprozent Bindemetall enthält. Damit die Gleitdichtung eine genügende Festigkeit besitzt, soll der gesinterte Körper mindestens 10 Volumenprozent Bindemetall enthalten. Es hat sich ferner gezeigt, daß hinsichtlich der Freßneigung ein Bindemetallgehalt über 3° Volumen Prozent nicht zu bevorzugen ist. Daher empfiehlt der Erfinder einen Bindemetallgehalt von 10-30 Volumenprozent.

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¥enn der gepreßte Körper aus der eutektischen Dreistofflegierung ein geringeres Porenvolumen hat, so daß es schwierig ist, ihn in einem einfachen Tränkvorgang mit mehr als 10 Volumenprozent Bindemetall zu tränken, ist es ratsam, Teilchen des Bindemetalls mit den Teilchen der eutektischen Breistofflegierung zu vermischen, ehe diese Teilchen gepreßt werden, Bei dieser Arbeitsweise kann ein größeres Porenvolumen mit dem Bindemetall gefüllt werden, so daß eine höhere mechanische Festigkeit erzielt wird.

Die Erfindung schafft daher eine für Verbrennungsmotoren bestimmte Gleitdichtung, die aus einem gesinterten Material besteht, das von einem gepreßten Körper aus Teilchen aus einer eutektischen Legierung gebildet wird, die aus 4,0-6,0 Gewichtsprozent Phosphor, 1,0-5,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Eisen, besteht, wobei der gepreßte Körper mit einem geeigneten Bindemetall in einem Anteil von 10-30 Volumenprozent der Dichtung getränkt ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Beispiel 1

Es wurden folgende Werkstoffe hergestellt:

Eutektische Fe-P-C-Dreistofflegierung mit 5,6 Gewichtsprozent Phosphor, 1,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,2 Gewichtsprozent Verunreinigungen, Rest Eisen.

Bindemetall mit 20 Gewichtsprozent Zinn und 80 Gewichtsprozent Kupfer.

Die eutektische Fe-P-C-Dreistofflegierung mit der vorgenannten Zusammensetzung wurde geschmolzen und zu feinen Legierungsteilchen unter I50 mesh zerkleinert. Nach dem Zusatz von 1,0 Gewichtsprozent Zinkstearat wurden die feinverteilten Teilchen etwa 20 Minuten lang in einem Doppelkonusmischer bewegt. Das Gemisch wurde dann unter einem Druck von 3 t/cm zu einem Formkörper gepreßt, der eine Breite von 12 mm, eine Dicke von ¹J mm und eine Länge von 65 mm hatte.

Das Bindemetall mit der vorgenannten Zusammensetzung wurde ebenfalls aufgeschmolzen und zerteilt, so daß

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feine Teilchen aus dem Metall erhalten wurden» Hach dem Zusatz von 1,0 Gewichtsprozent Zinkstearat wurden diese leuchen 20 Minuten lang in einem Zwillingstronmelmischer bewegt. Das Gemisch wurde dann unter einem Druck von 3 t/cm zu einem Formkörper gepreßt, der eine Breite von 10 mm, eine Dicke von 6 mm und eine Länge von 30 heu hatte.

Der aus Bindemetall gepreßte Formkörper wurde auf den gepreßten Formkörper aus der eutektischen Brei— stofflegierung gesetzt und in einer Argonatmosphäre auf 600 C vorerhitzt. Danach wurden die gestapelten Formkörper 15 Minuten lang auf 950 C erhitzt, wobei der gepreßte Formkörper aus den Teilchen aus der- eutektischen Dreistofflegierung mit dem Bindemetall getränkt wurde, das in einer Menge von 23 Volumenprozent in die Poren des ForJBr körpers aus der eutektischen Dreistofflegierung eindrang.

Nach dem Abkühlen hatte der Sinterkörper eine Dichte von 7,2-7,4 g/cnr und eine Härte von SG 35 Ms Ein Prüfling mit einer Breite von 12,5 um, einer Dicke von 6,35 nun tmd einer Länge von 31 »75 um wurde einem Biegeversuch unterworfen, wobei die Stützweite 25,4 ma betrug. Auf Grund der Gleichung

2 t W
in der

P die Zeitstand-Biegelast
1 die Stützweite
t die Dicke des Prüflings und
W dessen Breite

bedeutet, wurde die Zeitstand-Biegefestigkeit S mit 50-55 kg/nm bestimmt.

Eine Gleitdichtung für einen Verbrennungsmotor maß gewöhnlich eine Zeitstand-Biegefestigkeit von mindestens 30 kg/mm haben. Man erkennt, daß die gesinterte Legierung diese Forderung erfüllt.

In den Figuren 1 und 2 ist die Feinstruktur der gesinterten Legierung dargestellt. Dabei ist die Pig. I eine photographische Aufnahme mit 115-facher Vergrößerung und die

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3üg. 2 eine Aufnahme mit 460-facher Vergrößerung. In den Aufnahmen sind die Poren schwarz, das Bindemetall grau und die eutektische Hreistofflegierung durch die anderen ZLächen dargestellt.
Beispiel 2 und 5

Unter Verwendung einer eutektischen Fe-P-C-Breistofflegierung der im Beispiel 1 verwendeten Zusammensetzung wurden wie im Beispiel 1 verschleiSfeste gesinterte Legierungen hergestellt, wobei jedoch Bindemetalle verwendet wurden, die in ihrer Zusammensetzung von dem im Beispiel 1 verwendeten Bindemetall abwichen. Die Zusammensetzung der in den Beispielen 2 und 3 hergestellten gesinterten Legierungen sind in der Tabelle angegeben, ferner zum Vergleich auch die Zusaifflsensetzung von Gußeisen mit Nadelgefüge und die von hoch—phosphorhaltigem Gußeisen.

Die gemäß den Beispielen 1,2 und 3 hergestellten gesinterten legierungen sowie das Gußeisen mit Nadelgefüge und aas hoehphosphorhaltige Gußeisen wurden Verschleißversuchen. -unterworfen. In federn Versehleißversuch wurde der Prüfling ohne Verwendung von Sehmiermittel unter einer Belastung von 1,8 kp gegen eine Scheibe gedruckt, die zehn Minuten lang mit einer Geschwindigkeit von 19f8 m/sek gedreht wurde. In der Sig. 3 ist das Verschleißmaß angegeben.

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Beispiel 2 Tabelle

Grundlegieruns¹	Bindemetall
5,6$ P, 1,6$ C, 0,2$	10$ Sn
Verunreinigungen, Rest	90$ Cu
Eisen

Beispiel 5

Gußeisen mit
Nadelgefüge

Hochpho spnorhaltiges Gußeisen

5,6$ P, 1,6$ C, 0,2$ VeranreiDigangen, Best Eisen
y£f* "¹J "J (7° -"Ω.» dj\Jft> ill,

0,3$ Mo, 1,0$ Cu, 3,0$ Mo, 1,0$ Cu, 3,0$ C, Sest Eisen

2,0$ Si, 0,8$ Mn, 0,6$ P, 3,0$ C, Sest Eisen

5Ο5έ Ca

Aus der lüg. 3 geht hervor, daß die erfindungsgemäß hergestellten gesinterten Legierungen eine viel höhere Verschleißfestigkeit halten als die bekannten Werkstoffe, die für Gleitdichtungen für Verbrennungsmotoren verwendet worden sind. Die erfindungsgemäße Gleitdichtung hat ein hartes Grundgefüge, das von Teilchen aus einer eutektischen Fe-P-C-Dreistofflegierung besteht, und ein zwischen den Teilchen aus der eutektischen Legierung angeordnetes Gefüge aus einem relativ weichen Bindemetall. Auf das Grundgefüge ist die ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und auf das Bindemetall die hohe Zähigkeit der Gleitdichtung zurückzuführen. Die in einem Sinterverfahren hergestellte Dichtung kann ohne beträchtliche spanende Bearbeitung verwendet werden.

Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, ist aber in keiner Weise auf die in diesen angegebenen Materialien und Zusammensetzungen eingeschränkt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Gleitdiehtung für Verbrennungsmotoren., gekennzeichnet durch einen gepreßten Körper aus Teilchen aus einer eutektisehen Legierung, die aus 4»O-6,O Gewichtsprozent Phosphor, 1,0-5»0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Eisen Gesteht, wobei der gepreßte Körper mit einem Bindemittel in einer Menge -von 10-30$ des Volumens der Gl ext dichtung getränkt ist.

2. Gleitdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus 10-50 Gewichtsprozent Zinn, Rest Kupfer,besteht.

3. Gleitdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus 25 Gewichtsprozent Mangan, 1,5 Gewichtsprozent Kupfer, 1 Gewichtsprozent Silber, Rest Zink, besteht.

4. Gleitdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus 8-12 Gewichtsprozent Phosphor, Rest Nickel, besteht.

5. Verfahren zur Herstellung einer Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß_ein gepreßter Körper hergestellt wird, der aus Teilchen einer eutektisehen Legierung besteht, die aus 4»O-6,O Gewichtsprozent Phosphor, 1,0-5,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Eisen besteht, daß ein Block aus Bindemetall hergestellt und auf den gepreßten Körper gelegt wird und daß der Block und der Körper erhitzt werden, bis das Bindemetall aufgeschmolzen und in den gepreßten Körper eingedrungen ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine eutektische Fe-P-C-Dreistofflegierung, die aus 4»0-6,0 Gewichtsprozent Phosphor, 1,0-5,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Eisen, beir steht, geschmolzen und die schmelzflüssige Legierung fein verteilt wird, so daß feine Teilchen aus der Legierung gebildet werden, daß diese Teilchen unter Zusatz eines Schmiermittels bewegt und danach zu einem Körper von der erwünschten Form gepreßt werden, und daß auf den gepreßten Körper aus den Legierungsteilchen ein Block aus einem Bindemetall gestapelt und der Stapel erhitzt wirdj bis das Bindemetall aufgeschmolzen und in den

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gepreßten Körper eingedrungen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen des Blocks aus dem Bindemetall dieses aufgeschmolzen und das schmelzflüssige Metall feinverteilt wird, so daß feine Teilchen des Bindemetalls erhalten werden, die dann in die gewünschte Form gepreßt werden.»

8. Verfahren zur Herstellung einer Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß Teilchen aus einer eutektischen Fe-P-C-Dreistofflegierung hergestellt werden, die aus 4,0-6,0 Gewichtsprozent Phosphor, 1,0-5,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Eisen besteht, daß den !Teilchen aus der eutektischen Legierung Teilchen aus Bindemetall zugesetzt werden, daß durch Pressen des aus den Teilchen bestehenden Gemisches ein gepreßter Körper hergestellt wird, und daß auf den gepreßten Körper ein Block aus Bindemetall gestapelt und der Stapel erhitzt wird, bis das Bindemetall aufgeschmolzen und in den gepreßten Körper eingedrungen ist_o

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