DE2406070C3

DE2406070C3 - Gleitdichtung fur Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2406070C3
Application number: DE2406070A
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Hiroshima Morishita (Japan)
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1974-02-08
Publication date: 1978-07-20
Also published as: JPS5215242B2; US3983615A; DE2406070A1; JPS49104809A; DE2406070B2

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

Es ist schon vorgeschlagen worden, gesinterte, nichtmetallische Körper zu verwenden, die vorwiegend aus TiC-, WC- und/oder SiC-Teilchen und einem geeigneten Bindemittel bestehen. Diese gesinterten Körper haben ausgzeichnete Eigenschaften hinsichtlich ·-. der Verschleiß- und sonstigen Festigkeit, der Verformbarkeit und ihrer geringen Freßneigung. Sie sind aber sehr hart, so daß sie die Flächen, auf denen sie gleiten, häufig verkratzen.
Eine verchromte Fläche, eine Fläche aus nitriergehär-

in tetem Gußeisen oder eine Fläche aus induktionsgehartetem Gußeisen besitzt üblicherweise eine Härte von HV 700 bis 1500. Die Gleitdichtung soll vorzugsweise dieselbe oder aber eine etwas geringere Härte besitzen als die Räche, auf der sie gleitet, damit die Gleitdichtung

ι -, einerseits nicht zu stark verschleißt und andererseits die Fläcke, auf der sie gleitet, nicht beschädigt. Da die vorstehend genannten gesinterten Werkstoffe auf der Grundlage von TiC, WC und SiC eine Oberllächenhärte von HV 3200, HV 1800 bzw. HV 3000 besitzen, en.eu-

JO gen sie oft Kratzer in der Fläche, auf der sie gleiten.

Die eutektische Legierung Fe-P-C hat ein eute'ictisches nichtrnctaüisches Gefüge mit einer Härte von HV 700 bis HV 750. Daher ist eine derartige Legierung für Gleitdichtungen für Verbrennungsmoto-

2^r, ren sehr gut geeignet Im allgemeinen ist aber die Schwierigkeit vorhanden, daß eine eutektische Legierung oder eine intermetallische Verbindung hart und spröde ist, so daß sie im Gußzustand außer durch Schleifen nur sehr schwer spanend bearbeitet werden

«ι kann und sich beim Abkühlen des Gußstückes Risse bilden. Ferner haben die bekannten eutektischen Legierungen nicht die für Gleitdichtungen in Verbrennungsmotoren erforderliche Festigkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine leicht herstellbare

;-, Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren zu schaffen, die eine ausreichende Härte sowie einen hinreichenden Abnutzungswiderstand aufweisen und bei denen die Gefahr des Verkratzens der Gleitfläche und de·; Festfressens nicht besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäC 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 10 bis 50 Gew.-%

.(-, Zinn, Rest Kupfer. Ein im Rahmen der Erfindung verwendbares Bindemetall muß einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als die Legierungsteilchen und muß diese benetzen können. Ferner darf das Bindemetall mit den Teilchen aus der eutektischen Legierung

■so weder reagieren noch eine Legierung mit ihnen bilden. Bei einem Zinngehalt unter 10% hat die Cu-Sn-Legierung einen Schmelzpunkt über 1000°C, so daß es schwierig ist, den gepreßten Körper mit der Legierung zu tränken. Bei einem Zinngchalt über 50% kann die

■-,-, Legierung die Teilchen aus der eutektischen Legierung in dem gepreßten Körper nicht mehr benetzten, und die Legierung wird spröde.

Aus der DT-OS 21 50 155 ist eine Legierung bekannt, die insbesondere zur Herstellung von Ventilsitzringen

ho für Brennkraftmaschinen geeignet ist. Diese Legierung besteht primär aus einer binären Fe-C-Legierung mit Zusätzen einer dritten Komponente wie W, V, Ti, Ta, P, S, B, Ni oder Cu. Daher ist bei der bekannten Legierung P nur ein Beispiel für die verschiedenen Zusätze. Ein

_h-, Hinweis, eine ternäre eutektische Legierung aus Fe-P-C zu bilden, enthält die DT-OS 21 50 155 nicht. Zudem ist in dieser ausgeführt worden, daß die Zugabe von mehr als 1% Kohlenstoff zu einer Ausfällung von

Zementit führt, der die Legierung brüchig macht und auch die Bearbeitbarkeit beeinträchtigt. Zur Erreichung einer Schmierwirkung ist ein Zusatz 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 ein Gehalt von weniger als 2% bevorzugt.

Die erfindungsgemäße Gleitdichung zeichnet sich bei hohem Abnutzungswiderstand d'jrch gute Gleiteigenschaften aus. Nachtetiige Poren und eine ungleichmäßige 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 Vergleichmäßigung zerkleinert und anschließend die erhaltenen Teilchen mittels eines Bindemittels wieder zusammengefügt werden, wobei das Bindemittel aus Cu-Sn mit 10 bis 50 Gew.-% 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 eutekti'-;hen Legierung eingeschlossenen Poren wird eine unerwünschte Brüchigkeit 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. 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 eine- ternären eutektischen Legierung aus Fe-P-Cdient.

Nach einem weiteren 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 25 Gew.-% Mangan, 1,5 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% Silber, Rest Zink.

Nach einem dritten Lösungsvorschlag wird die Aufgabe erfindungsgemäß ge!öst 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 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 sich erfindungsgemäO dadurch aus, daß die Matrix aus 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 SchmelztemDcratur des Pndemetalls erhitzt wird.

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

Der Block des Bindemetall läßt sich durch Pressen eines vorlegierten Pulvers herstellen,

Zweckmäßigerweise wird das Matrixpulver mit einem Teil des Bindemetallpulvers 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 getränkt wird. Zum Tränken kann man den gegossenen oder gepreßten Block aus dem Bindemetall auf den gepreßten Formkörper aus den Teilchen cus 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 d\? 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 liepen.

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 Fcrmkörpjr 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, 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 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 bevorzugen ist. Daher empfiehlt der Erfinder einen Bindemetallgehalt von 10—30 Volumenprozent.

Wenn 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, Tei'ehen des Bindemetalls mit den Tpjlchen 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 Ausfiihrungsbeispiclen weiter erläutert.

Beispiel I

Es wurden folgende Werkstoffe hergestellt:

Eutektische Fe-P-C-Dreistofflegicrung mit 5,6 Gewichtsprozent Phosphor, 1.6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,2 Gewichtsprozent Verunreinigungen, Rest Eisen.

Bindemetall mit 20 Gewichtsprozent /inn 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 b5 mm hatte.

Das Bindemetall mit der vorgenannten Zusammen Setzung 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/cm² zu einem Formkörper gepreßt, der eine Breite von 10 mm, 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 Dreistofflegierung 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/cm' 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 =

Ii¹W

in der

/' die Zeitstand-Biegelast
1 die Stützweite
ι die Dicke des Prüflings und
W dessen Breite

bedeutet, wurde die Zeitstand-Biegefestigkeit .V mit 50—55 kg/mm² bestimmt.

Eine Gleitdichtung für einen Verbrennungsmotor muß gewöhnlich eine Zcitstand-Biegcfestigkcit von mindestens 30 kg/mm² haben. Man erkennt, daß die gesinterte Legierung diese Forderung erfüllt.

In den Fig. I und 2 ist die Feinstruktur der gesinterten Legierung dargestellt. Dabei ist die Fig. I eine photographische Aufnahme mit 115facher Vergrö ßerung und die Fig. 2 eine Aufnahme mit 460fachcr Vergrößerung. In den Aufnahmen sind die Poren schwarz, das Bindemetall grau und die eutektische Dreistoffliegerung durch die anderen Flächen dargestellt.

Beispiele 2 und 3

Unter Verwendung einer eutektischen Fc-P-C Dreistofflegierung der im Beispiel 1 verwendeten Zusammensetzung wurden wie im Beispiel 1 verschleißfeste gestinterte 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 Zusammensetzung von Gußeisen mit Nadelgefüge und die von hoch-phosphorthaltigem 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 Verschleißversuch wurde der Prüfling ohne Verwendung von Schmiermittel unter einer Belastung ^υοη 1,8 kp gegen eine Scheibe gedrückt, die zehn Minuten lang mit einer Geschwindigkeit von 19,8 m/sek gedreht wurde. In der F i g. 3 ist das Verschleißmaß angegeben.

	(irundlcpicrung	Hind	emetall
Beispiel 2	5.6% P. 1.6% C. 0.2% Verun	10%	Sn
	reinigungen, Rest Eisen	90%	Cu
Beispiel 3	5.6%'P. 1.6% C. 0.2% Verun	50%	Sn
	reinigungen. Rest Eisen	50%	Cu
Gußeisen mit Nadcluelugi:	2.2%\si.O.7% Mn, 2.0% Ni. 0.3% Mo.
	1.0% Cu. 3.0% Mo. 1.0% Cu. 3.0% C.
	ReM I isen
1 lochphosphorhalliees Gußeisen	2.0% Si. 0.8% Mn. 0,6% P. 3.0% C.
	Rest Eisen

Aus der F i g. 3 geht hervor, daß die erfindungsgemäß 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 bestefit, 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 IJIaIt Zeichnungen

809629/193

Claims

Patentansprüche;

1. Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet 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 10 bis 50 Gew.-% Zinn, Rest Kupfer.

2. Gleitdichtung für Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet 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 VoI.-% eines Bindemetalls, bestehend aus 25 Gew.-% Mangan, 1,5 Gew.-% 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 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 Gleitdichtung 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 Matr<*pulver 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.