DE2411584A1 - Kohlenstoff-metall-verbundmaterial, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendung - Google Patents

Kohlenstoff-metall-verbundmaterial, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendung

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Description

Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial für mechanisch gleitende Teile und insbesondere ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial für mechanisch gleitende Teile, das ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Abriebbeständigkeit selbst bei hohen Temperaturen von nicht weniger als 400 C besitzt und sich aus einem Kohlenstoffsubstrat und wenigstens einem damit kombinierten hochschmelzenden Metall zusammensetzt, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials und seine Verwendung.
Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterialien für gleitende Teile, die ausgezeichnete selbstschmierende Eigenschaften des Kohlenstoffs und hohe mechanische Festigkeitseigenschaften eines Metalls besitzen, wurden in der Praxis als ein Material für Ka-nbendich-
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Bankkonten: H Atfhäuser, München 173533 · Deuisdie Bau.1;, Μλ..-.ehe« I-i 25078 ■ PosisrherMop'i» München 4i212
tungen (apex seals) für Drehkolbenmaschine]!, Flügel, Blätter oder Schaufeln für verschiedene Kompressoren und Pumpen und Lager für drehbare mechanische Teile verwendet.
Andererseits bestand in jüngerer Zeit die Neigung, ein mechanisches Paßstück, insbesondere eine Drehkolbenmaschine, mit der das gleitende Teil in gleitender Berührung steht, bei höheren Temperaturen als zuvor zu betreiben, um die Leistungsfähigkeit oder Wirksamkeit zu steigern. Aber nicht nur Verbundmaterialien, die aus Kohlenstoff und einem Metall wie Blei, Zinn und Zink und ihren Legierungen hergestellt wurden und die derzeit für gleitende Teile in üblichen Maschinen verwendet werden, sondern auch sogar Verbundmaterialien, die aus Kohlenstoff und einem Metall wie Antimon und Aluminium und ihren Legierungen bestehen und unter härteren Bedingungen verwendet werden, sind für die Verwen-
3OO—/ π
dung bei Temperaturen .übeir 4-00 C nicht anzupassen, da sie insofern von Nachteil sind, dass sie an mechanischer Festigkeit, Abriebbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit verlieren und bei so hoher Temperatur zum Schmelzen neigen oder sich festfressen.
Daher wurden nun Versuche unternommen, ein Material für gleitende Teile zu finden, das erfolgreich in eine Atmosphäre mit so hoher Temperatur, wie zuvor erwähnt, zu verwenden ist, und es wurde nun gefunden, dass ein zufriedenstellendes, wärmefestes Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial für gleitende Teile ein Material ist, das ein Kohlenstoffsubstrat umfasst, imprägniert mit einer Kupfer, Nickel oder eine Kupfer-Nickel-Legierung enthaltenden Legierung als Basismetall und wenigstens einem der Elemente Titan, Zirkon und Silicium als Netzmittel für den Kohlenstoff. Bei einer Ausführungsform enthält die Legierung weiterhin wenigstens eine dritte Komponente, wie z.B. Zinn, Antimon, Zink, Mangan, Eisen,Chrom, Blei, Magnesium und Phosphor. Insbesondere besteht ein solches Material aus 40 bis 90 Vol.-% Kohlenstoff und 10 bis 50 Vol.-% einer in den Kohlenstoff impräg-
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nierten Legier mg, die 0,5 bis 25 Gew.-% wenigstens eines der Elemente Titan, Zirkon und Silicium, 3 "bis 4-5 Gew.-% wenigstens eines der Metalle Zinn, Mangan, Antimon und Zink, und nicht weniger als 4-0 Gew.-% wenigstens eines der Metall? Tupfer, Nickel und Kupfer-Nickel-Legierungen enthält.
Im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung eines solchen Materials für mechanisch gleitende Teile wird ein Kohlenstoff substrat mit einer Kupfer?, Nickel oder eine Kupfer-Nickel-Legierung enthaltenden Legierung als Basismetall und wenigstens einem der Elemente Titan, Zirkon und Silicium als Netzmittel für den Kohlenstoff imprägniert. Bei einer weiteren Ausführungsform dieses Verfahrens wird eine Legierung verwendet, die darüber hinaus wenigstens eine dritte Komponente, wie z.B. Zinn, Antimon, Zink, Mangan, Eisen, Chrom, Blei, Magnesium und Phosphor, enthält. So wird nach dem erfindungsgemässen Verfahren Kupfer oder Nickel als Basismetall mit Titan, Zirkon oder Silicium als Netzmittel und darüberhinaus mit Zinn, Antimon, Mangan, Magnesium, Zink, Phosphor oder dergl. unter Bildung einer Legierung mit einem Schmelzpunkt von 600 bis 14-OQ0C nach ihrem Schmelzen durch Imprägnieren des KohlenstoffSubstrats, z.B. eines nichtgraphitischen oder graphitischen Kohlenstoffsubstrats in Block- oder Pulverform, eingebracht.
Das wichtigste erfindungsgemässe Merkmal ist die Verwendung wenigstens eines der Elemente Zinn, Zink und Silicium als Netzmittel, was die Festigkeit einer zwischen dem Kohlenstoffsubstrat und dem damit imprägnierten Metall bewirkten Bindung erhöht. Nichtgraphitisches und graphitisches Kohlenstoffmaterial (diese Materialien 'werden nachfolgend zusammen einfach als "Kohlenstoff" bezeichnet) ist schwer mit einem Metall zu benetzen, und deshalb ist es bislang als Material für Schmelz- und Giessformen verwendet worden, in denen ein Metall zum Giessen geschmolzen wurde. Selbst wenn ein Kohlenstoffsubstrat mit Kupfer, Nickel
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oder ihren Legierungen imprägniert wird, weil diese Metalle eine "befriedigende Wärmebeständigkeit haben, besitzt das so erhaltene Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial keine ausreichende Festigkeit, und zwar aufgrund unbefriedigender Benetzung des Kohlenstoffs durch das Metall.
Wird andererseits Aluminium, das Kohlenstoff ausreichend benetzt, bei hohen Temperaturen in ein Kohlenstoffsubstrat schmelzimprägniert, entstehen merkliche Mengen an Aluminiumcarbid, das chemisch aktiv ist, wodurch das sich ergebende Kchlenstoff-Metall-Verbundmaterial in nachteiliger Weise der Einwirkung von Feuchtigkeit und dergl. unterworfen ist und daher an Korrosionsbeständigkeit verliert. Eisen und seine Legierungen mit hoher Schmelztemperatur bilden nur sehr schwer oder praktisch überhaupt nicht Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterialien in industriellem Maßstab unter Verwendung eines Druck-SchmelzimprägnierVerfahrens.
In ein Kupfer- oder Nickel-Basismetall eingebrachtes Titan, Zirkon oder Silicium wirkt nicht nur als Netzmittel für Kohlenstoff, sondern bildet ein entsprechendes .Carbid mit dem Kohlenstoff in der Zwischenschicht zwischen dem eingebrachten Netzmittelmetall und dem teilchenförmigen Kohlenstoff, wenn ersteres in letzteres bei hohen Temperaturen von nicht weniger als etwa 7000C hineinimprägniert wird, wodurch ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit gesteigerter Hochtemperaturfestigkeit zusammen mit verbesserter Abriebfestigkeit entsteht. Anders als das Carbid Al^C, jedoch sind die Carbide TiC, ZrC und SiC chemisch stabil, weshalb das sich ergebende Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial überhaupt keine Verschlechterung seiner Korrosionsbeständigkeit erfährt.
Nichtsdestoweniger können Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterialien, die einfach durch Druckschmelzimprägnieren einer Kupfer- oder Nickellegierung, die Titan, Zirkon oder Silicium als Netzmittel für den Kohlenstoff enthält, in Kohlenstoffblöcke oder -pulver hergestellt worden sind, sehr oft aus den Oberflächen- (oder
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Aussen-) und Innenteilen unterschiedlicher Zusammensetzung und Eigenschaften /bestehen. Der Grund dafür ist, daß wenn die Legierung in geschmolzenem Zustand in den Kohlenstoff in Block- oder Pulverform imprägniert wird, das Netzmittel, wie z.B. das Titan, Zirkon oder Silicium, bevorzugt den Kohlenstoff benetzt und sich mit ihm verbindet, itfährend ein Teil des mit dem Kohlenstoff verbundenen Netzmittels bei einer Temperatur nicht unter 7OQ0C in das entsprechende Carbid umgewandelt wird, wodurch es vor dem Eindringen in den inneren Teil des Kohlenstoffs vollständig verbraucht wir5, und so der innnere Teil nur mit dem von Netzmittel freien Metall imprägniert wird. Der innere Teil des Kohlenstoffs ist demzufolge von geringer mechanischer Festigkeit bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen und löst leicht Unregelmässigkeiten der Imprägnierung aufgrund unbefriedigender Auffüllung mit imprägnierendem KetalI aus.
Daher wurde im Hahmen der vorliegenden Erfindung versucht, ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit befriedigenden Eigenschaften zu erhalten, ohne dass eine solche Heterogenität, wie sie oben beschrieben wurde, in dem Verbundmaterial verursacht wird, was zu den folgenden notwendigen Bedingungen führte.
Die Menge des Titans, Zirkons oder Siliciums, das als Netzmittel in den Legierungen enthalten ist, die erfindungsgemäss zu verwenden sind, variiert in Abhängigkeit von der Zusammensetzung anderer metallischer Elemente als dem Netzmittel in den Legierungen, und sie liegt im Bereich von etwa 0,5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 5 "bis 16 Gew.-%, bezogen auf die Legierung. Die Verwendung von Netzmittel in Mengen von weniger als Q,5 Gew.-% führt .zu keiner praktischen Wirkung gemäss der Erfindung und verursacht eine beachtliche Heterogenität in einem herzustellenden Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial, während seine Verwendung in Mengen von mehr als 25 Gew.-% zur Abscheidung von Titan, Zirkon oder
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Silicium führt, wodurch die Homogenität eines so erhaltenen Produkts verscHlechtert wird, obgleich das Ausmass der verursachten Heterogenität umso geringer ist, je grosser die Menge an verwendetem Netzmittel ist. Im letzteren Falle muss auch eine dritte Komponente, wie z.B. Zinn, Antimon, Zink oder Mangan in grossen Mengen zugesetzt werden, um zu vermeiden, dass das erhaltene Produkt einen unangemessen hohen Schmelzpunkt hat, was es brüchig macht.
Die Zusammensetzungen der Legierungen sowie die anderen Bedingungen, die bei der Herstellung eines erfindungsgemässen Verbundmateriais angewandt werden, sind wie folgt:
Netzmittel
Basismetall
Wenn notwendig,
eine dritte Komponente
Wenn darüberhinaus notwendig,
Schmelzpunkt der Legierung Imprägnierungstemperatur: Imprägnierungsdauer:
Ti, Zr oder Si: 0,5 - 25 Gew.-#, bevorzugt 5 - 16 Gew.-% Als Einzelmetall oder Legierung mit ausgezeichneter Wärme- und Korrosionsbeständigkeit Cu, Ni oder Cu-Ni: nicht weniger als 40 Gew.-%, bevorzugt nicht weniger als 50 Gew.-%.
Wenigstens eines der Metalle Sn,Sb,Zn und Mn: 3 - 4-5 Gew.-%, bevorzugt 5 ■- 35 Gew.-%.
wenigstens eines der Elemente Fe, Cr, Pb, Mg und P: 1 - 15 Gew.-%.
600 - 12000C, bevorzugt 700 - 10000C.
700 - 14000C
1-60 min. bevorzugt 3-30 min.
Das Imprägnieren des KohlenstoffSubstrats mit der Legierung wird in einem hochdruckfesten Behälter unter Anwendung eines üblichen Verfahrens durchgeführt. Die Imprägniertemperatur sollte
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bevorzugt etwa 50 - 200 C über dem Schmelzpunkt der verwendeten Legierung liegen. Doch führt die Anwendung einer höheren Imprägniert emp er atur bei der Imprägnierung des Kohlenstoffs insbesondere in Blockform zu einer deutlicheren Heterogenität oder Abscheidung im entstehenden Produkt, und deshalb ist für solche Kohlenstoffblöcke eine Imprägniertemperatur von 700 bis 9000C vorzuziehen. Der Druckbehälter wurde mit dem Kohlenstoffsubstrat und der Legierung so beschickt, dass sie getrennt voneinander im Behälter angeordnet waren, darauf wurde dieser mit einem Inertgas, wie z.B. Stickstoff, Helium oder Argon gespült und die Temperatur sodann so gesteigert, dass das Innere des Behälters die gewünschte Imprägniertemperatur erreicht. Dann wird der Behälterdruck, wie erforderlich, gesenkt. Insbesondere im Falle der Verwendung von Kohlenstoffblöcken für die Imprägnierung ist ein verminderter Druck erforderlich, und ein verminderter Druck von nicht mehr als 1 mm Hg ist bevorzugt. Das Kohlenstoffsubstrat wird in die Legierung im geschmolzenen Zustand eingetaucht und dann unter einem Druck von wenigstens 20 kg/cm , vorzugsweise 50 bis 200 kg/cm eines eingeführten Inertgases für 1 bis 60 min., bevorzugt 3 bis JO min., eingetaucht gehalten, worauf das so imprägnierte Kohlenstoffsubstrat aus der geschmolzenen Legierung, herausgezogen, gekühlt und dann aus dem Behälter genommen wurde.
Für die Auswahl des Basismetalls oder Metallsubstrats werdaifür das Basismetallsubstrat ein Schmelzpunkt im vorgenannten Bereich und zufriedenstellende Schmiereigenschaften gefordert. Zudem hat der Zusatz der dritten Komponente die folgenden Wirkungen: Senkung des Schmelzpunkts - Sn, Sb, Zn, Mn, Mg, P Steigerung der Hochtemperaturfestigkeit - Sn, Fe, Cr Erhöhung der Abriebfestigkeit - Sn, Mn, Fe, Cr Verbesserung der Schmiereigenschaften - Sn, Pb Reinigung des Metalls - Zn, Mg, P
Die Garbidbildung des vorgenannten Netzmittels bewirkt die Erzielung eines Produkts mit erhöhter Hochtemperaturfestigkeit und Abriebbeständigkeit.
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Im Verlauf der Imprägnierung unter den genannten Imprägnierbedingungen verbindet sich das Netzmittel mit dem Kohlenstoffsubstrat, und etwa 10 bis 60 Gew.-% des Netzmittels bilden ein entsprechendes Carbid mit dem Kohlenstoffsubstrat. Die Menge des gebildeten Carbids kann durch vorherige Auswahl des Kohlenstoff Substrats, der Zusammensetzung einer Legierung und der Imprägnierbedingungen gesteuert werden. Die am meisten bevorzugten Mengen an gebildetem Carbid werden durch Umsetzen von 25 bis 50 Gew.-% des Netzmittels mit dem Kohlenstoffsubstrat zur Bildung des entsprechenden Carbids erzielt.
Kohlenstoffmaterialien für erfindungsgemäss zu verwendende Kohlenstoff substrate umfassen Kohle, Pechkoks, künstlichen Graphit, Euss, thermisch gecrackten Graphit und glasartige Kohle, von denen Kohle und Pechkoks zu einem ausgezeichneten Produkt hoher Abriebfestigkeit führen. Kohlenstoffblöcke werden gewöhnlich durch Formen pulverisierten Kohlenstoffmaterials in die gewünschten Formen hergestellt, wenn gewünscht, nach Einbringen eines carbonisierbaren Binders, worauf die geformten Kohlekörper bei Temperaturen von nicht weniger als 10000C, bevorzugt 1200 bis 14000C, verbacken werden. Das Kohlenstoffmaterial kann 15 bis 105 Mikron, , vorzugsweise nicht über 74- Mikron Teilchengrösse aufweisen, und die in einem zu erzielenden Produkt erhaltene Heterogenität fällt mit dem Anstieg der minimalen Teilchengrösse des Kohlenstoff materials umso weniger ins Gewicht.
In Fällen, in denen Kohlenstoffblöcke oder verbackene Kohlenstoffkörper als Ausgangskohlenstoffsubstrat zur Imprägnierung bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet werden, sollten' dieser eine Porosität von 10 bis 60 %, bevorzugt 25 bis 45 %, haben. Je höher die Porosität ist, umso geringer ist die Heterogenität im erhaltenen Produkt.
Wenn Kohlenstoffblöcke oder -pulver, in welchen Titan, Zirkon oder Siliciumpulver zuvor inkorporiert und verteilt ist, als Ausgangskohlenstoffsubstrat bei dem erfindungsgemässen Imprägnier-
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verfahren verwendet werden, ergibt sich in dem zu·erhaltenden Produkt keine Heterogenität, und zudem erlaubt das Kohlenstoff·- substrat mit dem eingebrachten Netzmittel die Verwendung einer Kupfer- oder Nickellegierung als Netzmittel, das das Netzmittel in nur kleinen Mengen enthält. Es ist wünschenswert, dass das Netzmittel zuvor in die Kohlenstoffblöcke oder das Kohlenstoffpulver in Mengen von 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den Kohlenstoff, eingebracht wird. Die Verwendung des Netzmittels in Mengen, von weniger als 5 Gew.-% führt zur Entstehung von Heterogenität in dem zu erhaltenden Produkt, während die Verwendung in Mengen von mehr als 30 Gew.-% das anfallende Produkt in seinen Gleiteigenschaften verschlechtert. Das einzubringende Netzmittel sollte bevorzugt eine Teilchengrösse von 74 Mikron oder darunter besitzen.
Bei einem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Materials für gleitende Teile wird die Imprägnierlegierung in Mengen von 10 bis 60 Vol-%, bevorzugt 25 bis 45 Vol.-%, verwendet, wobei der Rest (90 bis 40 Vol.-%) auf das Ausgangskohlenstoffsubstrat entfällt. Die Verwendung der Legierung in Mengen von weniger als 10 Vol.- % ergibt kein Produkt mit befriedigender Festigkeit, während die Verwendung in Mengen von mehr als 60 Vol.~% zu einem Produkt mit verschlechterter Abriebbeständigkeit und verschlechterten Gleiteigenschaften, wie z.B. einem erhöhten Reibungsko effi zi ent en, führt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, in welchen alle Teile und Prozentsätze auf das Gewicht bezogen ' sind, sofern nicht anders angegeben.
Beispiel 1
100 Teile Pechkohlenkoks, auf Teilchengrössen von 7ziyU oder darunter pulverisiert, wurden mit 30 Teilen Kohlepech als Binder versetzt, um. ein Gemisch zu bilden, das bei etwa 1500C 1 Std. ge-
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knetet, gekühlt und wieder zu Teilchen einer Teilchengrösse
von 105/ü odei darunter pulverisiert wurde. Die so erhaltenen
Teilchen wurden unter einem Druck von 1 t/cm zu Formen von jeweils 100 χ 100 χ 30 mm gepresst, die dann mit einer Temperatursteigerungsrate von 100C pro Std. in einem Backofen auf 13000C erhitzt wurden, um so Kohlenstoffsubstrate zu erhalten.
Hiervon getrennt wurde eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von 7000C hergestellt, die 4- % Ti, 2 % Mn, 20 % Sb, Rest Cu und zufällige Verunreinigungen, enthielt.
Das so erhaltene Kohlenstoffsubstrat und die so hergestellte Imprägnierlegierung wurden in einen Autoklaven gebracht, wo das Kohlenstoffsubstrat von der in den Poren vorhandenen Luft unter einem Vakuum von 0,1 mm Hg befreit, darauf in die Legierung in geschmolzenem Zustand bei 800 C eingetaucht und dann mit der geschmolzenen Legierung in einer Atmosphäre von unter einem Druck von 100 kg/cm stehenden Argongas I5 min. imprägniert wurde, um so ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit der in Tabelle 1 angegebenen Festigkeit, Härte, Abriebbeständigkeit und dergl. zu erhalten. Das in dem Produkt gebildete Carbid enthielt 27 Gew.-% des verwendeten Titans.
Beispiel 2
Das gleiche Kohlenstoffsubstrat, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde, wurde mit einer Legierung in geschmolzenem Zustand bei
ο druck-
95O C in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 imprägniert, um ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial zu erhalten. Die erwähnte Legierung besass ursprünglich einen Schmelzpunkt von 720°C und enthielt 1 % Ti, 8 % P, 5 % Sn, Rest Cu und zufällige Verunreinigungen. Die Eigenschaften des so erhaltenen Verbundmaterials sind in Tabelle 1 angegeben. Das in dem Produkt gebildete Carbid enthielt 35 % des verwendeten Titans.
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Beispiel 3
Eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von 95O0G, die 16 % Ti, 20 % Sn, !Rest Cu und zufällige Verunreinigungen enthielt, wurde im geschmolzenen Zustand bei 100O0C in das gleiche Kohlenstoff substrat, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde, imprägniert, um ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial zu erhalten, das dann auf seine.Eigenschaften hin untersucht wurde. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Das in dem Produkt gebildete Carbid enthielt 50 % des verwendeten Titans.
Beispiel A-'
Bituminöse Kohle mit 42 % flüchtigen Anteilen, 1 % Feuchtigkeit, 5 % Asche, Rest feste Kohle, wurde pulverisiert, um Teilchen nicht grosser als 74/u im Durchmesser zu ergeben, die dann unter einem Druck von 3 t/cm komprimiert wurden, um einen Formkörper mit· einer Abmessung von 100 χ 100 χ 30 mm zu ergeben. Der so gebildete Formkörper wurde auf 135O°C bei einer Temperatursteigerungsrate von 5°C/h unter einem Stickstoffgasstrom in einem Ofen erhitzt, um so ein Kohlenstoffsubstrat zu erhalten, das .dann unter Druck mit einer Legierung (Schmelzpunkt 12000C), welche 9 % Zr, 8 % Sn, 5 % Mn, Rest Ni enthielt, in geschmolzenem Zustand bei 13000C imprägniert wurde, um so ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit den in Tabelle 1 angegebenen Eigenschaften zu erhalten.
Beispiel 5
Kokspulver mit 74 yu grossen oder feineren Teilchen, hergestellt durch Calcinieren bei 12000C, wurde in eine Blechbüchse von 100 χ 100 χ 50 mm gebracht und dann in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mit einer geschmolzenen Legierung (Schmelzpunkt 8500C) bei 100O0C druckimprägniert, welche 7 % Ti, 15 % Zn, 13 % Sb, Rest Cu enthielt, um so ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit den in Tabelle 1 gezeigten Eigenschaften zu erhalten.
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Beispiel 6
Das gleiche Konienstoffsubstrat, wie es in Beispiel 1 hergestellt wurde, wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mit einer Legierung (Schmelzpunkt 8000C) in geschmolzenem Zustand bei 10000C druckimpragnie-rt, welche 15 % Si, 10 % Sn, Rest Cu, enthielt, um so ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial zu erhalten. Die Eigenschaften sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Beispiel 7
Bituminöse Kohle mit 42 % flüchtigen Anteilen, 1 % Feuchtigkeit, 5 % Asche, Rest fecte Kohle, wurde auf 12000C erhitzt, um Kohlekoks herzustellen, der zu Teilchen einer Grosse nicht über 74yU pulverisiert wurde.
Das Kohlekokspulver wurde in eine Blechbüchse von 100 χ 100 χ 50 mm Abmessung gebracht und dann in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mit einer Legierung (Schmelzpunkt 850°C) mit 7 % Ti, 30 % Sn, Rest Cu, im geschmolzenen Zustand bei 9000C druckimprägniert, um so ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial zu erhalten. Seine Eigenschaften sind in Tabelle 1 beschrieben.
Beispiel 8
Das gleiche Kohlenstoffsubstrat, wie es in Beispiel 1 hergestellt wurde, wurde mit einer Legierung (Schmelzpunkt 900 C) mit 10 % Ti, 20 % Sn, 30 % Ni und 40#Cu in geschmolzenem Zustand bei 10000C druckimprägniert, um so ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit den in Tabelle 1 gezeigten Eigenschaften zu erhalten.
Beispiel 9
In durch Calcinieren bei 13000C erhaltenes Anthrazitpulver mit einer Teilchengrösse nicht über 44 Ai wurden 5 Gew.-% Ti Pulver mit einer Teilchengrösse nicht über 44- ,u eingebracht, und die gesamte Masse wurde unter Verwendung einer Kugelmühle zusammengemischt, um das Ti-PuIver gleichförmig im Anthrazitpulver zu dispergieren. Das sich ergebende Gemisch wurde in eine Blech-
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büchse gebracht und dann mit einer Legierung mit 5 % Ti, 15 % Sn, Rest Cu, (Schmelzpunkt 9500C) in geschmolzenem Zustand bei 10000C druckimprägniert, um ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit den in Tabelle 1 gezeigten Eigenschaften zu erhalten.
Beispiel 10
Das gleiche Gemisch aus Anthrazit- und Ti-Pulver, wie es in Beispiel 9 verwendet wurde, wurde mit einer Legierung mit 0,5 % Ti, 15 % Sn, Rest Cu, (Schmelzpunkt 95O0C) in geschmolzenem Zustand bei 10000C druckimprägniert, um ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit den in Tabelle 1 gezeigten Eigenschaften zu erhalten.
Beispiel 11
Kohlepechkokspulver mit einer Teilchengrösse nicht über 7^/U wurde mit 10 Gew.-% Ti-Pulver gemischt, und dann wurde die ganze Masse unter Verwendung einer Kugelmühle zur Bildung eines gleichförmigen Gemischs vermischt. In 100 Teile des so erhaltenen gleichförmigen Gemischs wurden 30 Teile Kohlepech als Binder eingebracht, um ein Gemisch zu bilden, das bei 1500C 1 Std. geknetet, gekühlt und dann pulverisiert xirurde, um ein Pulver mit einer Teilchengrösse nicht über 105 /U herzustellen. Das so hergestellte Pulver vrurde bei einem Druck von 1 t/cm zu einer Form mit Abmessungen von 100 χ 100 χ JO mm geformt, die auf 11000C bei einer Temperatursteigerungsrate von 10°C/h in reduzierender Atmosphäre in einem,Ofen erhitzt wurde, um so ein verbackenes Kohlenstoff-Titan-Substrat zu erhalten. Das so erhaltene verbackene Substrat wurde mit einer Legierung mit 3 % Ti, 5 % Mn, 17 % Sn, Rest Cu, (Schmelzpunkt 92O0C) in geschmolzenem Zustand druckimprägniert, um so ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial mit den in Tabelle 1 angegebenen Eigenschaften zu erhalten.
Um weiterhin die Eigenschaften der erfindungsgemässen Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterialien klarzustellen, sind nachfolgend Ver-
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gleichs- und herkömmliche Beispiele angegeben.
Vergleichsbeispiel 1
Das Vorgehen des Beispiels 2 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass als' Imprägniermittel eine Legierung mit 8 % P, 5 % Sn, Rest Cu, (Schmelzpunkt 7200C) jedoch ohne Ti, verwendet wurde.
Vergleichsbeispiel 2
Beispiel 3 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass eine Legierung mit 20 % Sn, 27 % Ti, Rest Cu, (Schmelzpunkt 9000C) in geschmolzenem Zustand bei 1350 C verwendet wurde, um so ein Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial zu erhalten, das eindeutig eine gefleckte, unebene (mottled) Oberfläche aufwies.
Herkömmliches Beispiel 1
Das gleiche Kohlenstoffsubstrat, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde, wurde mit einer Legierung mit 12 % Si, 2 % Ni, Rest Al1 (Schmelzpunkt 5800C) in geschmolzenem Zustand bei 7000C imprägniert.
Herkömmliches Beispiel 2
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wurde das gleiche Kohlenstof fsubstrat, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde, mit einer Legierung mit 10 % Pb, Rest Cu, (Schmelzpunkt 95O°C) in geschmolzenem Zustand bei 1050 C imprägniert.
Die Eigenschaften der Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterialien, die in den vorgenannten Vergleichs- und herkömmlichen Beispielen erhalten wurden, sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Was die Untersuchung der Eigenschaften dieser Verbundmaterialien betrifft, so wurde die Biegefestigkeit bei 4500C in einer Stick-
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stoffgasatmosphäre "unter Verwendung des mit den Zusatzeinheiten zur Messung von Hochtemperaturfestigkeit ausgestatteten Autographen IS-5000 der Shimazu Seisakusho Co., Ltd., Japan' und die Gleiteigenschaften unter Verwendung eines Abriebtesters mit konstanter Geschwindigkeit unter den Bedingungen gemessen, dass die Proben mit einer Abmessung von 10 χ 20 χ 5 mm bei einer Last von 1,5 kg/cm mit einer rotierenden Scheibe FC-25 mit einer Umfangsrotationsgeschwindigkeit von 76 km/h in gleitende Berührung gebracht wurden, während 10 V -■ 80 W Motoröl den gleitenden Teilen mit einer Zuführgeschwindigkeit von 1 ml/h zugetropft wurde, wobei der Abriebtest ohne Unterbrechung für 8 Std. durchgeführt wurde, um den Abriebverlust der Proben in Richtung ihrer Höhe herauszufinden.
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Schüttdichte
des Ausgangs-Kohlenstoff Substrats
Tabelle 1
Eigenschaften von Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial
Volumenverhältnis Metall/Koh lenstoff Schutt- Shoredichte härte
Biegefestigkeit beiRauKtempe-bei hoher Tempe (kg/cm )ratuvratur (kg/cmd)
Abriebverlust ( Ai)
Beispiel 1
2
» 4
5
" 6
7
8
10
11
herkömmliches Beisp. 1
Vergleichsbeispiel
1
2
1,65
1,75
1,55
1,10
1,45
1,55
1,68
1,55
1,4-5
1,55
1,65
20/80 15/85 25/75 50/70 40/60 50/70 55/65 25/75 57/63
37/63 30/70
25/75 30/70
25/75 20/80 3,6
3,3
3,6
3,5
3,4
3,5
4,0
3,6
4,2
4,3
3,8
2,1
3,8
3,6
3,2
101 103 102 105 100 100 102 103 100 98 100
95 100
103
110
2100 2250 2700 2950 2300 2200 2800 2400 3000 2200 2500
1900 1200
1350 1200
1400 15ΟΟ 2100 23ΟΟ 1600 I5OO 2200 1900 2400 1800 2100
1000 5OO
750 1000

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterial, enthaltend ein Kohlenstoffsubstrat, das mit einer Legierung imprägniert ist, welche Kupfer, Nickel oder eine Kupfer-Nickel-Legierung als Basismetall und wenigstens eines der Elemente Titan, Zirkon und Silicium als Netzmittel für den Kohlenstoff enthält.
    2. Material nach Anspruch 1, in welchem die Legierung zusätzlich wenigstens eine der Komponenten Zinn, Antimon, Zink, Mangan, Eisen, Chrom," Blei, Magnesium und Phosphor enthält.
    5. Material nach Anspruch 2, bestehend aus 4-0 - 90 Vol.-% Kohlenstoff und 10 - 60 Vol.-% einer in den Kohlenstoff imprägnierten Legierung mit 0,5 - 25 Gew.-% wenigstens eines der Elemente Titan, Zirkon und Silicium, 3-4-5 Gew.-% wenigstens eines der Metalle Zinn, Mangan, Antimon und Zink und nicht weniger als A-O Gew.-% wenigstens eines der Metalle Kupfer, Nickel und Kupfer-Nickel-Legierungen.
    4. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass Kohlenstoff mit einer Legierung imprägniert wird, die eines der Metalle Kupfer, Nickel und Kupfer-Nickel-Legierung als Basismetall und wenigstens eines der Elemente Titan, Zirkon und Silicium als Netzmittel für den Kohlenstoff enthält.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoff ein durch Formen von Kohlenstoffpulver zusammen mit einem Binder für dieses Pulver zu einer gewünschten Form, die dann bei Temperaturen von nicht weniger als 10000C verbacken wird, hergestellter Kohlenstoffblock verwendet wird.
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    6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , dass als Kohlenstoff Kokspulver oder Kohlepulver verwendet wird.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet , dass eine Legierung, die weiter wenigstens eines der Metalle Zinn, Mangan, Antimon und Zink als dritte Komponente enthält, verwendet wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung, die noch zusätzlich wenigstens eines der Elemente Eisen, Chrom, Blei, Magnesium und Phosphor als zusätzliche dritte Komponente enthält, verwendet wird.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 "bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Legierung in Mengen von
    10 Ms 60 Vol.-% und der Kohlenstoff in Mengen von 90 bis 40 Vol.-% verwendet wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9» dadurch gekennzeichnet , dass eine Legierung mit0,5 bis 25Gew.~^ wenigstens eines Netzmittels verwendet wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 7 t dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung mit einem Gehalt an wenigstens einer dritten Komponente in Mengen von J bis 45 Gew.-% verwendet wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung mit einem Gehalt an wenigstens einer zusätzlichen dritten Komponente in Mengen von 1 bis 15 Gew.-% verwendet wird.
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    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4- bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von 600 bis 120O0C verwendet wird.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche A- bis 13, dadurch gekennzeichnet , dass als Kohlenstoff ein Kohlenstoffpulver mit einer Teilchengrösse von 15 bis 105/U verwendet wird.
    1.5· Verfahren nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff-Formen mit einer Porosität von 10 bis 60 % -verwendet werden.
    16. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet , dass das Imprägnieren bei nicht weniger als 7000C durchgeführt wird.
    17. Verfahren nach einem der Ansprüche 4- bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass eine Imprägnierzeit zwischen
    1 und 60 min. angewandt wird.
    18. Verfahren nach einem der Ansprüche 4- bis 17, dadurch gekennzeichnet , dass das Netzmittel in Mengen von 5 bis 30 Gew.- % des Kohlenstoffs zuvor in den Kohlenstoff eingebracht wird.
    19· Verwendung des Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterials für gleitende Teile.
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