DE2415035A1

DE2415035A1 - Gleitstueck aus in einer metallzusammensetzung despergierten und mit dieser metallurgisch verbundenen feststoffteilchen aus kohlenstoff

Info

Publication number: DE2415035A1
Application number: DE2415035A
Authority: DE
Inventors: David Millison Lindsey
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1973-05-02
Filing date: 1974-03-26
Publication date: 1974-11-14
Also published as: IT1011295B; FR2228155B1; CA1018965A; DE2415035B2; FR2228155A1; US3869259A; JPS50123504A; GB1440867A; DE2415035C3; AU6731774A

Description

W/Vh-3051 General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Gleitstück aus in einer Metallzusammensetzung dispergierten und mit dieser metallurgisch verbundenen Feststoffteilchen aus Kohlenstoff

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleitstück aus in einer Metallzusammensetzung dispergierten und mit dieser metallurgisch verbundenen Feststoffteilchen aus Kohlenstoff, ι Im besonderen ist ein derartiges Gleitstück für Kantendich- ^; tungen von Drehkolben-Brennkraftmaschinen geeignet.

! Drehkolbenmaschinen sind als Brennkraftmaschinen,

i Pumpen oder Verdichter bekannt und für verschiedene Anwendungs-

! zwecks entwickelt. Im allgemeinen enthalten derartigen Drehkolben-

maschinen eine aussere Umfangswand, die zusammen mit zwei zueinander parallelen Stirnwänden einen Hohlraum begrenzen, wobei die Umfangsfläche im grundsätzlichen nach einer Epitrochoide j

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geformt ist. Innerhalb des Hohlraumes ist drehbar ein Drehkolben angeordnet, der an seiner Aussenflache mehrere über den Umfang verteilte Kanten aufweist, in deren Bereich radiale Kantendichtungen angeordnet sind, die gegen die Umfangsflache des Hohlraumes abdichtend anliegen. Auf diese Weise werden zwischen dem Drehkolben und der Umfangswand und den Stirnwänden Arbeitsrs.ume gebildet, die bei einer Relativdrehung des Drehkolbens zum Gehäuse ihr "Volumen ändern. Es ist eine Einlassöffnung zu dem Hohlraum vorgesehen, durch die im Falle einer Brennkraftmaschine ein Brennstoff-Luftgemisch zugespeist wird, um in der Verbrennungszone der Maschine verbrannt zu werden. Ferner ist eine Auslassöffnung vorgesehen, durch die das Arbeitsmittel, im Falle einer Brennkraftmaschine die Abgase, nach aussen abgeführt werden. Bei einer Brennkraftmaschine kann eine Zündeinrichtung zum Zünden des Gemisches vorgesehen werden, so dass während eines Umlaufes des Drehkolbens vier Takte, nämlich

I Ansaug&en, Verdichtung, Expansion und Auspuff ablaufen.

'■ Um einen einwandfreien Betrieb derartiger Drehkolben-

imaschinen zu ermöglichen, ist eine wirksame Abdichtung im ! Bereich der Kanten des Brehkolbens durch die Kantendichtungen erforderlich, die eine ausreichende Widerstandsfähigkeit für

die erwartete Lebenszeit der Maschine gewährleistet. Tatsächlich hängt der Wirkungsgrad derartiger Maschinen wesentlich davon ab,

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dass nur eine geringe oder gar keine Leckage zwischen der Kantendichtung und der Umfangswand des Hohlraumes eintritt, also die einzelnen Arbeitsräume einwandfrei voneinander getrennt gehalten werden. Bei der Entwicklung von Drehkolbaimaschinen wurden unterschiedlichste Werkstoffe für die Herstellung der Kantendichtungen wie auch der Gehäuse in Erwägung gezogen. S-o ist b eispielsweise für eine in der Praxis eingeführte Drehkolbenmaschine das Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung gewählt worden, weil hierdurch ein geringes Gewicht und eine gute Wärmeleitfähigkeit erreicht werden. Eine Zwischenschicht aus Eisen wurde auf der inneren Umfangswand des Leichtmetallgehäuses vorgesehen. Eisen verbindet sich gut mit der Aluminiumlegierung und bewirkt eine verhältnismässig harte Oberfläche. Diese Zwischenschicht ist verhältnismässig dünn, beispielsweise zwischen 0,635 und 1,270 mm,ausgebildet, so dass keine wesentlichen Wärmespannungen auftreten. Nach dem Aufbringen der Eisenschicht auf das Gehäuse wurde eine verhältnismässig dünne innere Schicht aus Hartchrom aufgebracht, beispielsweise durch Elektroplattie- ,

ren. Die Chromschicht ist die Abriebfläche der Umfangswand des ! Gehäuses, die mit der Kantendichtung des Drehkolbens zusammen- · arbeitet.

Für die Herstellung der Kantendichtungen wurden

verschiedenartigste Werkstoffzusammensetzungen verwendet, darunter auch solohe, die mit einer hart verchromten Oberfläche zusammen-

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arbeiten können. Beispielsweise "wurden verschiedene Arten von Kohlenstoff und Mischungen von Kohlenstoff mit Zinn, Blei, Zink, Antimon und Aluminium in Erwägung gezogen. Von diesen sind Dichtungen aus Aluminiumlegierung und Kohlenstoff, wie sie beispielsweise in der GB-PS 1 234 634 oder der DT-OS 2 034 896 beschrieben sind., praktisch zum Einsatz gekommen. Diese aus Aluminiumlegierung und Kohlenstoff bestehenden DichH-tungen wurden in verh"ältnismässig kleinen Maschinen oder Haschinen kleiner Leistung eingesetzt ( 1965 und 2295 cm Hubvolumen mit 2 Drehkolben). Diese Dichtungen versagten aber

- bei grösseren Maschinen beispielsweise von 3275 und 4355 cm Hubvolumen mit 2 Lrehkolben, bei denen die Kantendichtung länger auszubilden ist und daher stärkeren Biegungen unterliegt. Ferner befriedigten diese Dichtungen auch nicht bei Hochleistungsmaschinen, bei denen die Dichtungen starken Kräften und hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Um optimale Verhältnisse in einer Drehkolbenmaschine zu erzielen, wurde erkannt, dass der Werkstoff der Kantendichtung und der Werkstoff der mit dieser zusammenarbeitenden Fläche des Gehäuses aufeinander abgestimmt werden müssen. Beispielsweise kann ein sehr hartes Material für die Dichtung gewählt werden, das jedoch einen übermässigen Abrieb am Gehäuse verursacht. Andererseits kann eine harte Gehäuseoberfläche ge- , wählt werden, so dass eine ubermässige Abnutzung der Kanten- '

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¹ dichtung bis zu ihrem Ausfall eintritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gleitstücke der eingangs erwähnten Art mit verbesserten Eigen-. SCHaften zu schaffen.

j Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine

j Legierung auf Kupferbasis aus Kupfer, Titan und gegebenenfalls ι Zinn in solchen Anteilen verwendet wird, die die metallurgische ■ Verbindung mit dem Kohlenstoff ermöglichen und dass die Le-

gierung zusätzlich 3 bis 2-2 Gewy;> iSlei enthält, das das Benetzen

] des Kohlenstoffs durch die titanhaltige Legierung auf Kupxer-

: basis und die metallurgische Verbindung begünstigt. Sine derartige Ausbildung des GleitstUci:es ist besonders vorteilhaft,.

für die Kantendichtungen von Drehkolbenmaschinen, die eine grosse Festigkeit bei hohen Betriebstemperaturen aufweisen und/ oder in grossen Maschinen verwendet werden, wobei eine geringe Abnutzung der Kantendichtung wie auch der mit ihr zusammenarbeitenden Gehäusewand angestrebt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Legierung auf Kupferbasis aus 5-20 Gew?-o Titan, 3 bis 22 Gew^ dlei, 0-15 Gew% Zinn und Rest Kupfer besteht und dass die Feststoffteilchen aus Kohlenstoff einen Volumenanteil von 20 - 80;i des Verbundkörpers bilden.

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Bine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Peststoffteilchen aus Kohlenstoff anfänglich eine Korngrusse unter 0,043 rnm aufweisen, dass der Volunienanteil des Kohlenstoffs 40 - 63% des Verbundkörpers bildet und die Legierung auf Kupierbasis aus 9-18 Gew/j Titan, 4 bis 10 Geiv>> Blei, 4 - 13 GeW, J Zinn und Rest Kupfer besteht.

Da die Legierung auf Kupferbasis sowohl Titan als auch Blei in beträchtlichen Anteilen enthält, kann sie als eine Titsnbronze bezeichnet v/erden. Die als Verbundkörper aus Ivohlenstoff und Titanbronze bestehenden Gleitstücke gemäss der IZrfindung können in verschiedenen bekannten Techniken hergestellt werden, wobei die Feststoffteilchen aus Kohlenstoff und die Kupferlegierung im wesentlichen gleichförmig dispergiert sind und an den Berührungsflächen zwischen den Kohlenstoffteilchen und der Hetallphase eine metallurgische Verbindung besteht. Der Kohlenstoff kann 20 - 80 Vol?« des Verbundkörpers bilden, jedoch ist ein Volumenateil von 40 - 65 % für die Kohlenstoffteile vorzuziehen, während der Rest auf die Hetallphase entfällt,, Die Zusammensetzung gemäss der Erfindung ergibt eine hohe Biegefestigkeit selbst bei so hohen Temperaturen wie 482°C. Sie ist ferner in einer heissen wasserhaltigen Umgebung, wie sie in Brennkraftmaschinen auftritt, chemisch stabil. Die erfindungsgemäss verwendete I

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Legierung auf Kupferbasis ergibt eine gute Benetzung der Feststoffteilchen aus Kohlenstoff, wodurch sich eine höhere Festigkeit der Dichtungen ergibt und eine weniger aufwendige Herstellung trotz der verbesserten Benetzung möglich ist.

Die Erfindung wird im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch eine Drehkolben-

Brennkraftmaschine mit Kantendichtungen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Kantendichtung und
Fig. 3 eine Photomiicrographie in 200-facher Ver-

grcüserung, die die struktur des Verbundkertiers, aus der die Kantendichtungen bestehen, zeigt.

Die in Fig. 1 dargestellte Drehkolben-Ürennkraft-Eiaschine hat ein äusseres Gehäuse 10 mit einer Umfangswand 12, : das an beiden Stirnseiten durch Deckel 14 verschlossen ist, ; um einen Hohlraum 16 zur Aufnahme eines Drehkolbens zu bilden. Die innere Fläche 13 der Umfangswand 12 ist nach einer zweiflügeligen Epitrochoide oder einer zu dieser parallelen Kurve ausgebildet, deren Mittelpunkt 20 in der Achse einer Ausgangs- ; welle 22 liegt, die drehbar in den Deckeln 14 durch nicht dar- I

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gestellte Lager abgestützt angeordnet ist und somit parallel zur Umfangswand 12 liegt. Die AusgangswelLe 22 hat innerhalb des Hohlraumes 16 einen Exzenter 24, auf dem drehbar ein Drehkolben 2b gelagert ist, der drei über den Umfang verteilte Kanten 28 aufweist. In jeder Kante 28 ist eine durch eine Feder nach aussei! belastete Kantendichtung 30 vorgesehen, die sich (Fig. 2) über die volle Breite des Hohlraumes 16 zwischen den beiden Deckeln 14 erstreckt.

Ein aussen verzahntes Ringrad 32 ist exzentrisch zur Ausgangswelle 22 mit dem einen Deckel 14 starr verbunden, und kämmt mit einem innenverzahnten Rad 34, das konzentrisch zum Drehkolben 26 an dessen einer Seite befestigt ist. Das Zahnrad 34 hat 1,5 mal mehr Zähne als das Zahnrad 32, so dass eine fest zyklische Beziehung zwischen dem Drehkolben und der Äusgaiigswelle besteht, die nämlich 3 Tille Umdrehungen bei jeder vollen Umdrehung des Drehkolbens ausführt. Die zwischen den Kanten liegenden Flächen 36 des Drehkolbens arbeiten mit der Umfangswand 12 und den Deckeln 14 zusammen und begrenzen drei /rbeitsräume 44 veränderlichen Volumens, die mit dem Drehkolben umlaufen.

In jeder Seitenfläche 40 des Drehkolbens sind Seitendichtungen 38 vorgesehen, die mit Eckdichtungen 42 ; zusammenarbeiten, die neben den Kantendichtungen 30 liegen.

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Es ist damit eine allseitige Abdichtung der Arbeiter. Vune 44 geschaffen.

In dem Deckel 14 ist eine Einlassöffnung 46 ' gebildet, durch die Luft oder Brennstoff-Luftgeiaisch in die Brennzone der Drehkolbenmaschine eingeleitet wird, während

■ die Abgase durch eine Auslassöffnung 48 in der Umfangswand abgeleitet werden. Zur Zündung des Gemisches ist eine Zündeinrichtung 50 vorgesehen, die entbehrlich ist, wenn die Drehkolbenmaschine im Dieselbetrieb betrieben wird.

In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausbildung der Kantendichtungen nach der Erfindung ist das Gehäuse , 10 vorzugsweise aus einer Leichtmetall-Legierung 52, wie ' Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Magnesium oder eine Iv'agne- ! siumlegierung, hergestellt und die innere E'läche 13 der Umfangswand ist mit einer Schicht 54 zur Erhöhung der Abrieb- : festigkeit der Umfangsfläche wie auch der Ilantendichtungen versehen. Auf das Leichtmetall des Geh-l-uces ist eine Zwischenschicht 56 aufgebracht, die aus Molybdän, Eisen oder .Stahl oder einer Kombination dieser Werkstoffe besteht. Diese "werkstoffe verbinden sich gut mit dem Leichtmetallgehiiui-e und . bilden eine verhältnismässig harte Oberfläche. In bekannter

j Weise kann die Zwischenschicht durch das bekannte Transplan-

tationsgiessverfahren gebildet werden. Bei diesem Verfahren

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' wird ein Kern gebildet, dessen aussere Fläche im wesentlichen die Form des Hohlraumes des Gehäuses wiedergibt. Auf die Oberfläche des Kerns wird eine geeignete trennende Verbindung aufgebracht und sodann der Werkstoff der Zwischenschicht auf den Kern aufgespritzt, und zwar in einer Dicke von 0,635 bis 1,2?Ό rnm. Danach wird das Leichtmetallgehäuse um den die Zwischenschicht tragenden Kern herumgegossen, wobei sich die Zwischenschicht 56 fest mit dem Metall des Gehäuses verbindet.

Nach dem Aufbringen der Zwischenschicht 56 auf das Metall des Qfehäuses wird eine verhältnismässig dünne Schicht 5S aus einem hochabriebfesten Metall, vorzugsweise

. Chrom oder einer Chromlegierung, aufgebracht, um eine harte glatte abriebfeste und einen verhältnismässig niedrigen Reibbeiwert auf v/eis ende Fläche zur Zusammenarbeit mit den Kantendichtuhgen zu schaffen. Die Chromschicht kann elektrisch nieder-

. geschlagen werden und ict nach dem Polieren sehr dünn, bei-

^: spielsweise 0,051 bis 0,254 mm stark.

Kantendichtungen nach der Erfindung wurden auch

• in Zusammenarbeit mit gusseisernen Gehäusen verwendet, deren

; Umfangsflache mit Chrom plattiert war.

; Die Dichtungen bzw. Gleitstücke nach der Erfindung

i
werden als Verbundkörper aus Metall und Kohlenstoff gebildet

j und sind dauerhaft und abriebfest, wie d.ies unter den dynami-

j sehen Bedingungen als Kantendichtung bei Drehkolbenmaschinen

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' der Wankel-Bauart nachgeiwfesen wurde... Bei einver bevorzugten Ausfü-hrungsform einer derartigen Kantendichtung besteht diese aus feinverteilten Feststoffteilchen aus Kohlenstoff, die in einer Kupfer-Titan-Legierung, die etwas Blei enth3.lt, dispergiert und metallurgisch gebunden sind. Der Metallanteil und der Kohlenstoffanteil der Dichtung ergänzen sich bezüglich der Eigenschaften der Dichtung wie Abriebfestigkeit, Festig-

j keit und Reibbeiwert. Es wird vermutet, dass ein wesentlicher Faktor für die Wirksamkeit der Dichtung das Binden der Titan-

■ bronzelegierung mit dem Kohlenstoff ist, das durch die Benetzung unterstatzt wird, die durch das in der Legierung

■ vorhandene Blei begünstigt A^ird. Die metallurgische Bildung

'■■ wird durch in den Berührungsflächen entstehendes Titankarbid unterstützt.

Die Titanbronze enthält 3 bis 22 Gew# Blei, wahl- : weise bis zu 15 Gew?o Zinn und Titan in einem Anteil, der eine v/irksame Benetzung und Bindung der Met alphas e mit dem Kohlenstoff ermöglicht, ohne im wesentlichen die Festigkeit und Zähfestigkeit des Verblindkörpers zu vermindern, und als Rest Kupfer. Wie bereits erwähnt, werden Titan und Blei dazu verwendet, dass die Legierung auf iCupferbasis die Kohlenstoffteilchen benetzt. Es ist vorzuziehen, mindestens 5 Gew>0 Titan j in der Legierung auf Kupferbasis zu verwenden. Ein Titangehiat

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i.iber 20 Gew/ό der Legierung tr-i'.gt nicht weiter dazu bei, die Festigkeit des Verbundwerkstoffes zu erhöhen, kann jedoch schädliches Sprödewerden verursachen. Ein Bleiöehalt über 22 GeW/ü der Legierung kann die aus dem Verbundstoff gebildete Dichtung zu weich machen. Zinn trägt zur Erzielung der gewünschten Reibeigenschaften des Verbundkörjers bei. Vorzugsweiße besteht die Legierung aus 9 - 18 Qe\-f,i Titan, 4-13 Gew;u Blei, 4-10 Gew% Zinn und Rest Kupfer und Verunreinigungen. Gleitet-'Icke der erwähnten Zusammensetzung können durch pulvermetallurgische Verfahren gebildet werden. In diesem Falle müssen der Kohlenstoff und die Legierung auf Kupferbasis natürlich in feinverteilter, feinstkorniger Form vorliegen. Die Kohlenstoffteilchen sind harte abriebfeste Sorten von Kohlenstoff (Amorph oder !Crystallin) wie Antrazitkohle, glasähnliche Kohle, die krystallinen Kohlenstoff enthalten. E¹Ur Kantendichtungen können 4]?Ei3phe Kohlenstoff-Grahhitmischungen mit bis zu 15 bis 20 % Graphit ebenfalls verwendet werden, jedoch fübrt die Verwendung von Graphit allein zu einer zu weichen Dichtung. Allerdings ist bei nicht allzu harten Abriebbedingungen auch die alleinige Vervrendung von Graphit möglich.

Der Kohlenstoff hat vorteilhaft eine Korngrösse unter 0,043 mm, obwohl etwas grössere Partikel in der Grössen-' Ordnung von 0,074 - 0,043 mm eingesetzt wurden. Es wi/rde indessen.

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festgestellt , dass die Neigung zur Narbenbildung des Verbundstoff es grosser ist, wenn die Kohlenstoffpartikel eine Korn- ;grösse über 0,043 mm aufweisen. Kohlenstoffpartikel in einer Korngrösse unter 0,043 mm werden in bekannter leise durch Mahlvorgänge gewonnen. In dem Verbundkörper nach der Erfindung 'ist der Volumenanteil des Kohlenstoffs 20 bis SO '■/.., Die verwendete Titanbronze kann in feinkörniger Form durch Versprühen der geschmolzenen Legierung in einer Argonatmosphäre gewonnen !werden. Ein Pulver der Legierung einer Korngrösse unter 0,043 mm und hoher Reinheit ist auf diese Weise herstellbar. Es ist ■nicht notwendig, ein vorlegiertes Pulver zu verwenden. Es kann .auch ein pulvriges Gemisch der einzelnen Bestandteile verwendet werden.

Das Pulver aus Kohlenstoff einer Korngrösse von ;unter 0,043 mm und des Pulvers aus der Legierung auf Kupfer- :basis einer Korngrösse unter 0,043 mm werden durch Gewichtsoder Volumenbestimmung in den gewünschten Anteilen abgemessen. :Sie werden gründlich miteinander gemischt und dann in dLan . Verbundkör;.?er umgewandelt.

' Dies kann: bei einer Verfahrensführung durch Heissipressen im Vakuum erfolgen. Die Pulvermischung wird in eine !Form geeigneter Gestalt aus Kohlenstoff eingebracht, wobei ein-■zelne Kantendichtungen oder ein Block aus dem Verbundkörper

!gebildet wird, aus dem dann die Kantendichtungen herausgearbeitet

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werden. Der Druci: wird durch die Form aus Kohlenstoff auf die iulvrermischung in einem Ger'-t auegeübt, in dem die Luft rund um die Pul Vermischung; voll evakuiert werden kann und durch Argon oder ein anderes inertes Gas ersetzt wird. Ein Druck von 70 kg/ein"' wird auf die i-iil Vermischung ausgeübt, während sie von Raumtemperatur auf 932 C erwärmt wird. Danach wird der Druck auf 422 kg/cm erhöht, während die Temperatur von 982 C für 30 Minuten aufrechterhalten wird. Der Verbundstoff wird dann auf Raumtemperatur abgekühlt und der Druck abgesenkt, wenn die Temperatur auf etwa 760 C gefallen ist. Bei der hohen Temperatur und dem hohen Druck schmilzt die Legierung auf Kupferbasis und benetzt die Kohlenstoffpartikel unter Bildung einer metallurgischen Verbindung. Das Benetzen wird durch die Anwesenheit von Blei und Titan in der Legierung unterstützt und die metallurgische Bindung durch die Bildung von Titankarbid bewirkt.

Wie Fig. 3 zeigt, bestehen der Verbundstoff aus Partikeln 60 aus Kohlenstoff, die von der metallischen Kupferlegierungsphase 62 umschlossen sind. Die Kupferlegierungs-■.phase ist durch die Anwesenheit von Zinn und Titan verstärkt. Das Blei ist in Form eigener Partikel enthalten, die willkürlich in der Metallphase verteilt sind und bei der vorgesehenen 2GÜ-fachen Vergrüsserung nicht sichtbar sind. Es besteht eine metallurgische Verbindung zwischen der Metallphase und dem j

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Kohlenstoff. Das Titan aus der metallischen Phase reagiert mit dem Kohlenstoff und bildet Titankarbid. Dies kann dadurch nachgewiesen werden, dass ein X-ütrahlen-otrahlungstest und eine elektronische Microprobe für Titan vorgenommen wird. Das gebildete Titankarbid bewirkt die metallurgische Bindung zwischen dem metallischen Tragkörper und den eingeschlossenen Kohlenstoffpartikein.

Die Kohlenstoff-Titanbronzemischunr·: kann auch in einen Verbundkörper durch andere bekannte pulvermetallurgische Verfahren umgewandelt werden, beispielsweise durch isostatisches Heisspressen, wobei die Pulvormischung in ein Glas- od.er Metallgefi.ss eingebracht wird und einem hohen Flüssigkeitsdruck ausgesetzt ward. Earner ist auchntmosphärisches Heisspressen möglich, wobei Zus-litze wie Titanhydrid vorgesehen sind, die zerfallen und eine Schutzgasatmosphäre "bilden. Ferner ist auch Kaltpressen und Sintern; Kaltpressen, Vorsintern und Heisspressen; oder Strangpressen zur Bildung des Verbundkörpers anwendbar. Die Kantendichtungen aus Verbundstoff können auch durch Warmverformung in einer inerten Atmosphäre gebildet werden. Eine geeignete Mischung aus Titanbronzelegierung und Kohlenstoff in Pulverform einer Korngrösse unter 0,034 mm und beispielsweise mit 50:50 Vol'/s Anteil werden mit Argon gereinigt und in einer Argonatmosphäre auf 982 C

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erhitzt. In der Zwischenzeit werden Schmieöeformen mit entsprechender Gestalt zur Aufnahme des heissen Pulvergemisches
; auf eine Temperatur von 260°C aufgeheizt. Das vorgewärmte

^: Pulvergemisch wird dann in die Form eingebracht und ein D^Tick j

2
] von etwa 3200 kg/cm für eine Minute ausgeübt. Danach wird

der Druck abgesenkt und der gebildete Block aus Verbundstoff
aus der Form ausgehoben. Aus diesem Block werden dann Kanten-

I ■ j

! dichtungen gemäss Fig. 2 herausgearbeitet. ι

; Um die Formhaltigkeit von Kantendichtungen der j

I erfindungsgemässen Art bei den erhöhten Temperaturen in Dreh- i

! kolbenmaschinen zu verbessern, wird der Block aus Verbund-

I stoff, aus dem die Kantendichtungen herausgearbeitet werden,

• für eine gewisse Zeit vor der Bearbeitung auf eine Temperatur

¹ ο

von 427 - 482 C erhitzt, um eine Stabilisierung der Abmessungen¹

zu erzielen.
: Einige weitere besondere Beispiele erläutern die

■ Erfindung näher. Ein vorlegiertes Pulver einer Korngrösse unter 0,043 mm (mit AJl-I bezeichnet), besteht im wesentlichen aus

j 9,9 Gew$ Titan, 9.1 Qe\i% Blei, 9,2 Gew% Zinn und Rest Kupfer.

j Dieses Metallegierunfespulver wurde innig mit Antrazitkohle

! in Pulverform einer Korngrösse unter 0,043 mm gemischt. Der ; Anteil des aa?morphen Kohl ens tof f pulver s betrug 20 Gew?u der j

i Mischung. Diese Mischung wurde im Vakuum heiss verpresst, um |

einen Verbundkörper zu bilden, der aus etwa gleichen Volumen-

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teilen Kohlenstoff partikeln und Legierung auf Kupferbasis besteht. Aus dem Verbundstoff wurden Kantendichtungen für Drehkolbenmaschinen hergestellt und in handeli-sübliche Drehkolbenmaschinen eingebaut. Die epitrochoidale Umfangsfläche des Gehäuses der Drehkolbenmaschine hatte eine hartverchromte Lauffläche für die Kantendichtungen. Die Drehkolbenmaschine wurde für 100 Stunden betrieben und war mit einem Dynamometer belastet. Nach dieser Betriebszeit wurde die Maschine aufgedeckt und eine Prüfung der Dichtungen vorgenommen. Der mittlere Abrieb der drei Kantendichtungen jedes Drehkolbens wurde mit 0,1651 mm nach 100 Stunden festgestellt. Bei einem Parallel-

versuch mit Dichtungen aus der gleichen Legierung, jedoch einer anderen Art von Kohlenstoff, nämlich einem Kohlenstoffpulver der U.S. Graphite Co. - das unter dein Warenzeichen Graphitar gehandelt wird - wurde unter gleichen Betriebsbedingungen

ein Abrieb von 0,0737 nun zu 100 Stunden festgestellt. Diese

Dichtungen hatten zur vollsten Zufriedenheit gearbeitet. Zum Vergleich wurden handelsübliche Dichtungen aus

t Aluminiumlegierung und Kohlenstoff unter gleichen Betriebsbe-

] dingungen untersucht. Bei zwei Probeläufen unter gleichen

\ Bedingungen wurde der mittlere Abrieb mit 0,2362 bzw. 0,1880

mm für 100 Stunden bei den bekannten Dichtungen ermittelt.

; -ia-

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Andere Kantendichtungen wurden in der beschriebener iveise nach der Erfindung hergestellt mit der Ausnahme, dass die Legierung auf Kupferbasis (mit der Bezeichnung J) im v/es entlichen aus 16,3 Gew% Titan, 8,8 Gew% Blei, 7,7 Gew?o Zinn und Rest Ku-pfer bestand. Ferner wurden Partikel aus amorphem

• Kohlenstoff in solcher Menge verwendet, dass der Kohlenstoff 65 Vol£> des Verbundstoffes bildete. Ursprünglich hatten die Kohlenstoffpartikel eine Korngrösse unter 0,043 mm. Derartig

. hergestellte Kantendichtungen wurden in einer handelsüblichen Drehkolbenmaschine unter Antrieb eines Dynamometers für 100 ^: Stunden geprüft. Die mittlere Abnutzung der Dichtungen betrug hierbei 0,2261 mm. Auch diese Dichtungen sind als zufriedenstellend anzusehen. Eine Anzahl von anderen Dichtungen aus

• Kohlenstoff und Titanbronzelegierung wurden hergestellt und

; in der gleichen V-eise in handelsübliche Drehkolbenmaschinen : er^-probt. Es wurde hierbei im wesentlichen amorpher Kohlenstoff !

einer Korngrösse unter 0,043 mm in einem Volumenanteil von j

■ 50 - 65 VolJ'u der Legierung verwendet. Ferner wurde feinverteilte* vorlegierte Titanbronze in Pulverform der nachstehenden · ' Zusammensetzung verwendet:

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Legierung	Titan	Blei	Zinn	Kupfer
m-2	10.5 %	22 %	4,3 %	i Rest '.
D	16	3,6	9,7	Rest
E	15	5	10	Rest
L	14	13,2	6,6	Rest

Kantendichtungen aus Verbundstoff, bei denen die oben erwähnten Legierungen als Metallphase verwendet waren, wurden alle in handelsüblichen Drehkolbenmaschinen eingesetzt geprüft und arbeiteten im allgemeinen zufriedenstellend. Es wurde jedoch festgestellt, dass die mit AM-2 bezeichnete Legierung gerade an der obersten Grenze des geeigneten Bleigehalts liegt, da der Abrieb dieser Dichtungen verhältnismässig grosser als der der anderen Dichtungen war und etwas Blei ausgeschwitzt bei der Wärmebehandlung des Verbundwerkstoffes mit einer Temperatur von 454 C beobachtet wurde. . . .

Bei einem anderen Einsatz von Kantendichtungen der erfindungsgemässen Art wurde ein TitanbronzeLegiernngspulver einer Korngrüsse unter 0,043 mm verwendet, das folgende Zusammensetzung hatte: 71 Gew% Kupfer, 15 Gew/i Titan, 4,5 Gew?a Blei, 9,5 GewSo Zinn. Antrazitkohle in Pulverform einer Korn-

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■ -20-

grüsse unter 0.045 duq wurde mit dem Metallegierungspulver innig gemischt, wobei die Kohlenstoff partikel aus 20 Gew% kalziniertem Äntrazit und 80 Gew% Titaribronze-Legierung bestand. Diese ?ulvermischung wurde zu einer Anzahl von Kantendichtungen gemäss Fig. 2 durch Heisspressen im Vakuum weiterverarbeitet. Es

en
ergab7sich Kantendichtungen mit etwa 50 VoI^ metallischer Phase ■ und 50 Voli·» Äntrazit. Diese Dichtungen wurden in eine Drehkolben** maschine eines Hubvolumens von 3575 cm eingebaut, wobei die mit den Dichtungen zusammenarbeitende Fläche mit Hartchrom . plattiert war. Ein Teil dieser Dichtungen wurde auch in eine ; Drehkolbenmaschine eines Hubvoluments von 1965 cm eingebaut, : wobei die Gegenfläche ebenfalls mit Hartchrom plattiert war. Ferner wurden bekannte Dichtungen aus Aluminiumlegierung und

^: Kohlenstoff in beide Maschinen eingebaut. Titanbronze-Kohlen- ; stoffdichtungen der oben angegebenen Zusammensetzung wurden durch Warmpressen gebildet und auch in diese Haschinen eingebaut. Alle in die Haschine von 5575 cm eingebauten Dichtungen wurden für eine längere Zeit einem vorgegebenen Messprogramm unterzogen, um die Standfestigkeit zu prüfen. Gleiches erfolgte ;

•χ auch für die in die Maschine von 1965 cm eingebauten Dich- \ tungen. Nach Durchführung der Probeläufe wurden die Maschinen _; ; aufgedeckt und sämtliche Dichtungen überprüft. Die hierbei festgestellten Messungen ergeben sich aus der nachstehenden Tafel:

Werkstoff
j der
! Dichtung

Ursprung

Abnutzung in mm/100 Stunden in 3375 cm3-Maschine i.mm

Aluminium-Kohlenstoff

■ Titanbronze-
* Kohlenstoff

Titanbronze
Kohlenstoff

handelsüblich

im Vakuum heissverprefit

warm verpresst

0,3302 0,1397

0,2159

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Abnutzung in Widerstand

mm/100 Stunden gegen Nar-

in 1965 cm-²- benbildung
Maschine i.mm

0.0762
0,0508

0,0381

ausreichend

gut

23,9⁰C

2940

3150

3640

Bruchmodul in kg/cm j

bei 371°C

2100

2660

482¹

1470

2170

2240

Aus diesen Werten ergibt sich, dass der Abrieb bei SLeitstüclcen nach der Erfindung geringer ist als bei den unmittelbar vergleichbaren Dichtungen bekannter Bauart. Zusätzlich ist festzustellen, dass der Bruchmodul sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Temperaturen von 371 und 482 C beträchtlich grosser ist. Die Erfindung ermöglicht also Gleitstücke, die wesentlich vorteilhafter für den Einsatz als Kantendichtungen bei Drehkolbenmaschinen sind,

Es wurde erkannt, dass im allgemeinen Verbundstoffe aus Metallegierungen und Kohlenstoff im wesentlichen nach dem Verfahren entsprechend den US-PSn 3 235 346 und 3 348 967 herstellbar sind. Es wird dort ein durchlässiges Rahmenwerk aus Kohlenstoff gebildet und dieses mit einer geeigneten geschmolzenen Metallegierung getränkt. Abhängig von , der Zusammensetzung dieser Legierung und den 'Voraussetzungen, unter denen das Tränken erfolgt sowie der nachfolgenden Behandlung, kann eine metallurgische Bindung zwischen dem Rahmenwerk aus Kohlenstoff und der Legierung eintreten. In dieser Weise hergestellte Kantendichtungen haben jedoch gezeigt, dass ein Ausbrechen häufig eintritt und dieses ist bei Kantendichtungen ^! von Drehkolbenmaschinen eine äusserst unerwünschte Eigenschaft, da damit die Wirksamkeit der Dichtung sehr beein- ■

i trächtigt wird und der Wirkungsgrad der damit ausgerüsteten

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TBTUTTICT

j Drehkolbenmaschine beträchtlich absinkt. Die erfindungsgemässe ! Art der Herstellung der Kantendichtungen führt zu einer ein-

: wandfreien metallurgischen Bindung zwischen der Legierung auf

j Kupferbasis und den Kohlenstoffpartikeln, wodurch ein Aus-I brechen durch den innigen Zusammenhalt aller Bestandteile j des Verbundstoffes verhindert wird.

j \Ίθώά die Erfindung im Ausführungsbeispiel auch im

j v/es entlichen unter Hinweis auf Kantendichtungen von Drehkolben-

j maschinen erläutert wurde, so ist die Anwendung der Erfindung

ι auf dieses Gebiet keineswegs beschränkt.

Τ0984ΒΓ070ϋ

Claims

Patentansprüche

1. Gleitstück aus in einer Metallzusammensetzung dispergierten und mit dieser metallurgisch verbundenen j Feststoffteilchen aus Kohlenstoff, da; durch gekenn-jzeichnet, dass die Metallzusammensetzung eine Legierung auf Kupferbasis aus Kupfer, Titan und gegebenenfalls Zinn in solchen Anteilen ist, die die metallurgische Verbindung mit dem Kohlenstoff ermöglichen und dass die Legierung zusätzlich 3 bis 22 Gew?a Blei enthält, das das Benetzen des Kohlenstoffs durch die titanhaltige Legierung auf Kupferbasis und die metallurgische Verbindung begünstigt.

2. Gleitstück mit hoher Festigkeit und HaItj barkeit bei hohen Temperaturen in einer wasserhaltigen, in Brennkammern von Drehkolben-Brennkraftmaschinen gebildeten Umgebung, das aus einem Verbundstoff gebildet ist, der aus in einer Metallzusammensetzung dispergierten und mit dieser metallurgisch verbundenen Feststoffteilchen aus Kohlenstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallzusammensetzung eine Legierung auf Eupferbasis aus Kupfer, Titan, Blei und gegebenenfalls Zinn in solchen Anteilen ist, dass die geschmolzene Legierung die Feststoffteilchen aus Kohlenstoff benetzt

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und eine aus Titankarbid bestehende metallurgische Verbindung zwischen der Legierung und den Feststoffteilchen aus Kohlenstoff gebildet wird.

3. Gleitstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung auf Kupferbasis aus 5 -20 Gew% Titan, 3 bis 22 Gev$ Blei, 0 bis 15 Gew% Zinn und Rest Kupfer besteht und dass die Feststoffteilchen aus Kohlenstoff einen Volumenanteil von 20 - 80 % des Verbundkörpers bilden.

4. Gleitstück nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffteilchen aus Kohlenstoff anfänglich eine Korngrösse unter 0,074 mm aufweisen.

5. G¥leitstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffteilchen aus Kohlenstoff anfänglich eine Korngrösse unter 0,043 mm aufweisen, dass der Volumenanteil des Kohlenstoffs 40 - 65 % des Verbundköroers

j bildet, und dass die Legierung auf Kupferbasis aus 9-18 Titan, 4-10 Gew$& Blei, 4 - 13Gew% Zinn und Rest Kupfer besteht.

40984JS/070Q