DE2406070B2

DE2406070B2 - Gleitdichtung fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2406070B2
Application number: DE19742406070
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Hiroshima Morishita (Japan)
Original assignee: Toyo Kogyo Co. Ltd, Hiroshima (Japan)
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1974-02-08
Publication date: 1977-12-01
Also published as: JPS5215242B2; DE2406070A1; US3983615A; DE2406070C3; JPS49104809A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren.

Für Verbrennungsmotoren sind verschiedene Arten metallischer Gleitdichtungen bekannt, die hinsichtlich ihrer Festigkeit befriedigend sind und sich auf wirtschaftliche Weise herstellen lassen. Sie weisen ~^:l -•■^r ''"^{ri K}"i ihrer Verwendung ein

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fthehe Weise herstellen Ki_3n.,. ^.^ .. _ jedoch den Nachteil auf. daß bei ihrer Verwendung ein Fressen zwischen den Gleitdichtungen und ücu Metallflächen auftreten kann, auf denen die Gleitdichtungen gleiten. Eine auf einer Metallfläche gleitenden Gleitdichtung besteht daher vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Werkstoff.

Fs ist schon vorgeschlagen worden, gesinterte, He Fläche, eine Fläche aus nitriergehär- ^„npisen oder eine Fläche aus induktionsgehär- ;^ee^l _t ^eemGußei"en besitzt üblicherweise eine Härte von HV 700 bis 1500. Die Gleitd.chtung soll vorzugsweise λ IhP oder aber eine etwas geringere Härte besitzen ^d!^eHi Fläche auf der sie gleitet, damit die Gleitdichtung ^Pits nicht zu stark verschleißt und andererseits die ei ZIlder sie gleitet, nicht beschädigt. Da die Flache auf der s«g Werkstoffe auf der

vorstehend geji_annten_cg_und ^ ^ _Oberf,_ächenh§ne

I HV 1800 bzw. HV 3000 besitzen, erzeu-' er in der Fläche, auf der sie gleiten. ° _D;_e eutektische Legierung Fe-P-C hat ein eutektische* nichtmetallisches Gefüge mit e.ner Harte η HV 700 bis HV 750. Daher .st eine derartige J°"ier_Ung für Gleitdichtungen fur Verbrennungsmoto- «hr gut geeignet. Im allgeme.nen ist aber die sThwTengkei vorhanden, daß eine eutektische Legie-S eine intermetallische Verbindung hart und '""öde st so daß sie im Gußzustand außer durch Seifen nur sehr schwer spanend bearbeitet werden kann und sich beim Abkühlen des Gußstückes Risse Sen Ferner haben die bekannten eutektischen Leerungen nicht die für Gle.td.chtungen m Verbrennungsmotoren erforderliche Fest.gke.t

Sabe der Erfindung ist es, e.ne leicht herstellbare rSrhtune für Verbrennungsmotoren zu schaffen, ^Sehende Härte sowie einen hinreichenden Abnutzungswiderstand aufweisen und be. denen die Gefchr des Verkratzens der Gleitfläche und des Festfressens nicht besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß gelost durch

' eine gepreßfe Matrix einer eutektischen Leg.erung

K«%hend aus 4 0 bis 6,0 Gew.-% Phosphor, 1,0 bis 5,0

cÄ Kohlenstoff, Rest Eisen, und 10 bis 30 VoL-J

ein« Bindemetalls, bestehend aus 10 bis 50 Gew,%

- Zmn Rest Kupfer. Ein im Rahmen der Erfindung ' verwendbares Bindemetall muß e.nen niedrigeren

Schmelzpunkt haben als die Leg.erungste.lchen und muß diese benetzen können. Ferner darf das B.ndemetall mit den Teilchen aus der eutektische«! Leg.erung weder reagieren noch eine Legierung mit .hnen b.lden. ·" B i^d:[nem^gZinngeha.t unter 10% hat die> Cu-Sn-Leg,* rung einen Schmelzpunkt über 1000 C. so daß es schwierig ist, den gepreßten Körper m.t der Leg.erung zu tränken. Bei einem Zinngehalt über 50% kann die

- Legierung die Teilchen aus der eutekt.schen Leg.erung ^ri in dem gepreßten Körper nicht mehr benetzten, und die

1 eeierung wird spröde. .

Aus der DT-OS 21 50 155 ist eine Leg.erung bekannt,

die insbesondere zur Herstellung von Vent.ls.tzr.ngen

für Brennkraftmaschinen geeignet ist. Diese Legierung ^h" £ steht Jrimär aus einer binären Fe-C-Leg.erung m«

Zusätzen einer dritten Komponente w.c W. V.l., Ta, P, co"!,!-, Cu Daher ist bei der bekannten Legierung P nur'ein Beispiel für die verschiedenen Zusätze, t.n Hinweis eine ternäre eutektische Legierung aus Fe-pü'c ζ bilden, enthält die DT-OS 21 50 155 nicht. Zuden ist in dieser ausgeführt worden, daß d.e Zugabe Jon mehr als 1% Kohlenstoff zu einer Ausfällung von

Zementit führt, der die Legierung'brüchig macht und *uch die Bearbeitbarkeit beeinträchtig;. Zur Erreichung _ner Schmierwirkung ist ein Zusi'z von Phosphor von 0 2 bis 2% vorgesehen. Da jedoch die Zugabe von Phosphor von mehr als 2% die Legierungen spröde -, mache wird bei der bekannten Legierung eiu Gehalt von weniger als 2% bevorzugt.

Die er.'indungsgemäße Gleitdichung zeichnet sich bei hohem Abnutzungswiderstand durch gute Gleiteigenschaften aus. Nachteilige Poren und eine ungleichmäßi- n

Verteilung der Schichten einer ternären eutektischen Legierung vom Typ Fe-P-C, die deren Eignung für Gleitmittel beeinträchtigen, werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß diese zur Beseitigung der eingeschlossenen Poren und zur VergleichmäBigung ι zerkleinert und anschließend die erhaltenen Teilchen mittels eines Bindemittels wieder zusammengefügt werden, wobei das Bindemittel aus Cu-Sn mit 10 bis 50 Gew.-^c/o Sn besteht. Die erfindungsgemäße Gleitdichtung besteht daher aus unabhängigen und einheitlich :< verteilten Teilchen der eutektischen Legierung, die mittels eines Bindemittels zusammengehalten sind. Durch die Beseitigung der in der eutektischen Legierung eingeschlossenen Poren wird eine unerwünschte'ßrüchigkeit der Legierung vermieden. Da die : Legierungsteilchen einheitlich verteilt sind, besteht zwischen dem Gleitmittel und der Gleitfläche ein Gleitkontakt mit einheitlichem Druck über die gesamte Berührungsfläche. Dies hat zur Folge, daß ein Zerkratzen der Gleitfläche weitgehend verhindert wird, s Das Bindemittel ist in der erfindungsgemäßen Legierung in einer derartigen Menge vorhanden, daß einerseits eine gute Einbindung der Teilchen erreicht und andererseits die Gefahr des Festfressens des Gleitkörpers vermieden wird.

Aus der Veröffentlichung »Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik«, K. Dies, 1967, Seiten 554 und 607 ist bekannt, daß Cu-Sn-Legierungen allein für Maschinenteile Verwendung finden können, sie beinhaltet aber keine Cu-Sn-Legierung, die als Bindemittel für Teilchen aus einer ternären eutektischen Legierung aus Fe-P-C dient.

Nach einem weiteren Lösungsvorschlag wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine gepreßte Matrix einer eutektischen Legierung, bestehend aus 4,0 bis 6,0 Gew.-% Phosphor, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, und 10 bis 30 Vol.-% eines Bindemetalls, bestehend aus 25 Gew.-% Mangan, 1,5 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% Silber, Rest Zink.

Nach einem dritten Lösungsvorschlag wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine gepreßte Matrix einer eutektischen Legierung, bestehend aus 4,0 bis 6,0 Gew.-°/o Phosphor, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, und 10 bis 30 Vol.-% eines Bindemetalls, bestehend aus 8 bis 12 Gew.-% Phosphor, Rest Nickel. Man kann das Bindemetall entweder in Form eines aus Teilchen gepreßten Blockes oder eines gegossenen Blockes verwenden, der erforderlichenfalls durch spanende Verarbeitung die gewünschte Form erhalten kann.

Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren zeichnet

■ , ,r-.-i, t-,-«!—*n A^Atiff^U 'nie Α'λ(\ rltr» Matriv aiK

SICH Cl nilULlH£5gcriiau uuUuivn uUj, ^v.-. «.-

dem vorlegierten Pulver gepreßt, auf den Preßling ein Block des Bindemetalls mit einer Zusammensetzung nach einem der vorstehenden Lösungsvorschläge gelegt und Block und Preßling auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Bindemetalls erhitzt vird.

Das vorgelegte Matrixpulver kann durch Schmelzen und Zerstäuben der Schmelze hergestellt werden.

Der Block des Bindemetalls läßt sich durch Pressen eines vorlegierten Pulvers herstellen.

Zweckmäßigerweise wird das Matrixpulver mit einem Teil des Bindemetailpuivers vermischt und gepreßt, der Rest des Bindemittels als Block auf diesen Preßling gelegt, und Preßling und Block werden zusammen bis auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Bindemetalls erhitzt.

Die verschleißfeste Sinterlegierung kann dadurch hergestellt werden, daß die eutektische Fe-P-C-Legierung zu Teilchen verkleinert wird und diese dann unter Zugabe eines Schmiermittels gründlich gemischt und zu dem gewünschten Formkörper gepreßt werden, der anschließend mit schmelzflüssigem Bindemittel getränk! wird. Zum Tränken kann man den gegossenen oder gepreßten Block aus dem Bindemetall auf den gepreßten Formkörper aus den Teilchen aus der eutektischen Legierung legen, dann beide Teile in einem auf einer geeigneten Temperatur befindlichen Ofen auf eine Temperatur von etwa 600⁰C vorerhitzen und schließlich das Bindemetall aufschmelzen, so daß es in die Poren des gepreßten Formkörpers fließen kann.

Im Rahmen der Erfindung ist es sehr wichtig, daß die Fe-P-C-Dreistofflegierung 4,0 — 6,0 Gewichtsprozent Phosphor und 1,5 — 5,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält. Wenn der Phosphor- und der Kohlenstoffgehalt unter den genannten Bereichen liegen, nimmt die Menge des eutektischen 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 HV 500 herabgesetzt, so daß die ) Verschleißfestigkeit verringert wird. 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 Legie-Ί rung 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%. Da nicht immer alle Poren miteinander verbunden sind, kann es vorkommen, -,o 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 V) enthält. Damit die Gleitdichung 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 30 Volumenprozent nicht zu ho bevorzugen ist. Daher empfiehlt der Erfinder einen Bindemetallgehalt von 10— 30Volumenpro/ent.

Wenn der gepreßte Körper aus der eutcktischcn Dreistofflegierung ein geringeres Porenvolumen hat, so daß es schwierig ist, ihn in einem einfachen Tränkvorh5 gang mit mehr als 10 Volumenprozent Bindemetall zu tränken, ist es ratsam, Teilchen des Bindemetalls mit den Teilchen der eutektischen Dreistofflegierung 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 Ausfühningsbeispielen 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 150 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/cm² zu einem Formkörper gepreßt, der eine Breite von 12 mm, eine Dicke von 7 mm und eine Länge von 65 mm hatte.

Das Bindemetall mit der vorgenannten Zusammensetzung wurde ebenfalls aufgeschmolzen und zerteilt, so daß feine Teilchen aus dem Metall erhalten wurden. Nach dem Zusatz von 1,0 Gewichtsprozent Zinkstearat wurden diese Teilchen 20 Minuten lang in einem Zwillingstrommelmischer bewegt. Das Gemisch wurde dann unter einem Druck von 3 t/cm·' zu einem Formkörper gepreßt, der eine Breite von lOrnm, eine Dicke von 6 mm und eine Länge von 30 mm hatte.

Der aus Bindemetall gepreßte Formkörper wurde auf den gepreßten Formkörper aus der eutektischen Dreistofflegierung gesetzt und in einer Argonatmosphäre auf 600⁰C vorerhitzt. Danach wurden die gestapelten Formkörper 15 Minuten lang auf 950°C erhitzt, wobei der gepreßte Formkörper aus den Teilchen aus der eutektischen Dreisiofflegierung mit dem Bindemetall getränkt wurde, das in einer Menge von 23 Volumenprozent in die Poren des Formkörpers aus der eutektischen Dreistofflegierung eindrang.

Nach dem Abkühlen hatte der Sinterkörper eine Dichte von 7,2-7,4 g/cm¹ und eine Härte von RC 35 bis 40. Ein Prüfling mit einer Breite von 12,5 mm, einer Dicke von 6,35 mm und einer Länge von 31,75 mm wurde einem Biegeversuch unterworfen, wobei die Stützweite 25,4 mm betrug. Auf Grund der Gleichung

^s - 17 w

in der

P die Zeitstand-Biegelast
1 die Stützweite
t die Dicke des Prüflingsund
' ' W dessen Breite

bedeutet, wurde die Zeitstand-Biegefestigkeit .V mit 50—55 kg/mm² bestimmt.
Eine Gleitdichtung für einen Verbrennungsmotor

:<> muß gewöhnlich eine Zeitstand-Biegefestigkeit von mindestens 30 kg/mm² haben. Man erkennt, daß die gesinterte Legierung diese Forderung erfüllt.

In den Fig. 1 und 2 ist die Feinstruktur der gesinterten Legierung dargestellt. Dabei ist die F i g. 1

.'-> eine photographische Aufnahme mit 115facher Vergrößerung und die Fig. 2 eine Aufnahme mit 460facher Vergrößerung. In den Aufnahmen sind die Poren schwarz, das Bindemetall grau und die eutektische Dreistoffliegerung durch die anderen Flächen darge-

!Ii stellt.

Beispiele 2 und 3

Unter Verwendung einer eutektischen Ie-P-C

S) Dreistofflegierung der im Beispiel 1 verwendeten Zusammensetzung wurden wie im Beispiel 1 verschieiofeste gestinterte Legierungen hergestellt, wobei jedoch Bindemetalle verwendet wurden, die in ihrer Zusammensetzung von dem im Beispiel 1 verwendeten

in Bindemetall abwichen. Die Zusammensetzung der in den Beispielen 2 und 3 hergestellten gesinterten Legierungen sind in der Tabelle angegeben, ferner zum Vergleich auch die Zusammensetzung von Gußeisen mit Nadelgefüge und die von hoch-phosphorthaltigem

.Γι Gußeisen.

Die gemäß den Beispielen 1, 2 und 3 hergestellten gesinterten Legierungen sowie das Gußeisen mit Nadelgefüge und das hochsphosphorhaltige Gußeisen wurden Verschleißversuchen unterworfen. In jedem

mi Verschleißversuch wurde der Prüfling ohne Verwendung von Schmiermittel unter einer Belastung von 1,8 kp gegen eine Scheibe gedruckt, die zehn Minini-n lang mit einer Geschwindigkeit von 19,8 πι/sek s/edrcht wurde. In der F i g. 3 ist das Vcrschleißmaß angegeben.

(ίππηΙΙι,'ΐ-'ίυπιημ

mn N;uleh.'elm:e

ι iiil.U'isi-n

·%<'"" I'· I-''"" C, 0,2% Veriinicini.minuen. Rest I iscn
\<>"m I'. !,(>'"'■ C. II..¹"/,, Yeiimreiniiuiniieii, Rest l'isen
2.2",' Si, 0.7% Mn, 2.1.1% Ni, (1
1.0".. Cu. .1.
Rest I iscn
2.0",. Si. D,S
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% Mo.
Mn. 1,0¹Vo Cu. λΟ',, C.

Mn o.d'v I'. 3.0",. ( ,

10% Sn

wo¹¹.;. Cu

>0% Sn

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Aus der F i g. 3 geht hervor, daß die erfindungsgemäli hergestellten gesinterten Legierungen eine viel höhere Verschleißfestigkeit haben 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunucn

Claims

Patentansprüche:

1. Gleitdichtung für Verbrennungsmol .cn, ge kennzeichnet durch eine gepreßte Matrix ^r, einer eutektischen Legierung, bestehend aus 4,0 bis 6,0 Gew.-% Phosphor, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, und 10 bis 30 Vol.-% eines Bindemetalls, bestehend aus 10 bis 50 Gew.-% Zinn, Rest Kupfer. w

2. Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch eine gepreßte Matrix einer eutektischen Legierung, bestehend aus 4,0 bis 6,0 Cew.-% Phosphor, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, und 10 bis 30 Vol.-% eines Bindemetalls, ρ bestehend aus 25 Gew.-% Mangan, 1,5 Gew.-°/o Kupfer, 1 Gew.-% Silber, Rest Zink.

3. Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch eine gepreßte Matrix einer eutektischen Legierung, bestehend aus 4,0 bis 6,0 :i Gew.-% Phosphor, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, und 10 bis 30 Vol.-% eines Bindemetalls, bestehend aus 8 bis 12 Gew.-% Phosphor, Rest

Nickel.

4. Verfahren zur Herstellung einer Gleiidichtung : für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus dem vorlegierten Pulver gepreßt, auf den Preßling ein Block des Bindemetalls mit einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gelegt und Block und Preßling auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Bindemittels

erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorlegierte Matrixpulver durch Schmelzen und Zerstäuben der Schmelze hergestellt

wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Block des Bindemetalls durch Pressen eines vorlegierten Pulvers hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixpulver mit einem Teil des Bindemetallpulvers vermischt und gepreßt, der Rest des Bindemittels als Block auf diesen Preßling gelegt wird und daß Preßling und Block zusammen bis auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Bindemetalls erhitzt werden.

, iiicrhe Körper zu verwenden, die vorwiegend "^lch"T WC und/oder SiC-Teilchen und einem ^aUS· ,p'n Bindemittel bestehen. Diese gesinterten geeigneten bina Eigenschaften hinsichtlich

KÄS sonstigen Festigkeit, der VerW t kek und ihrer geringe,, FreBneigung. S.e smd aber hart, so daß sie die Flächen, auf denen sie gleiten,