DE2415688A1

DE2415688A1 - Stahl-gebundene titancarbid-massen und deren herstellung sowie daraus gefertigte, gehaertete, verschleissfeste elemente

Info

Publication number: DE2415688A1
Application number: DE2415688A
Authority: DE
Inventors: M Kumar Mal; Stuart E Tarkan
Original assignee: Chromalloy American Corp
Current assignee: Alloy Technology International Inc
Priority date: 1973-11-06
Filing date: 1974-04-01
Publication date: 1975-05-15
Also published as: US3966423A; JPS5075512A; GB1447459A; DE2415688C2

Description

Bir' /·; .

'Oiiialloy American Corporation, 1P.0 Broadway, T-J γ (\τ o-t- λ ·\

Stahl-gebundene Titancarbid-Massen und deren Herstellung sowie daraus gefertigte, gehärtete, verschleißfeste Elemente

Die vorliegende Erfindung betrifft gesinterte, stahlgebundene Titanearbid-Massen und ein Verfahren zur Herstellung derselben, und sie umfaßt auch aus den genannten Massen gefertigte, gehärtete, verschleißfeste Elemente, die durch eine verbesserte Kombination von mechanischen Eigenschaften einschließlich verbesserter reibungsmindernder Eigenschaften u.dgl. ausgezeichnet sind.

Bei der Herstellung von stahl-gebundenen Titancarbid-Massen durch ein Flüssigphase-Sintern wird im allgemeinen eine Makrostruktur erzeugt, in der die Titancarbid-Körner eine durchschnittliche Größe von über 5 Mikron aufweisen. Bei der Herstellung eines Massenteiles werden die Titancarbid-Körner (deren Größe z.B. 5 bis 8 Mikron beträgt) mit gepulverten, stahl-bildenden

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Bestandteilen zwecks Bildung der Grundmasse bzw. Matrix vermischt, das Gemisch wird dann zur gewünschten Form kompaktiert und das Formstück bei einer Temperatur gesintert,, die über dem äehmelzpunkt der Grundmasse liegt, und zwar beispielsweise um bis zu 120⁰C über dem Schmelzpunkt der genannten Grundmasse liegt. Wegen der dem Flüssigphase-Sintern zugrundeliegenden komplexen Mechanismen, die während des Fabrikationsprozesses ablaufen, neigen die Titancarbidkörner dazu, zu verhältnismäßig gröbe.ren Korngrößen zu wachsen. Eine gröbere Korngröße muß jedoch verhindert werden, da die Anwesenheit solcher vergröberter Körner sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Masse auswirkt, beispielsweise auf die Transversal-Bruchfestigkeit bzw. Bruchfestigkeit (transverse rupture strength), Schlagfestigkeit u.dgl. Im allgemeinen weisen solche Massen auch einen verhältnismäßig hohen Reibungskoeffizienten auf, wenn sie als eine gegen Verschleiß durch Gleitreibung

in beständige Dichtungskomponente, z.B._ARotationskolben-Brennkraftmaschinen, wie dem Wankel-Motor, verwendet werden.

Die Entwicklung von Rotationskolben- bzw. Drehkolben-Brennkraftmaschinen ist in den Kreisen der AutomobilhersfeLler auf ein großes technisches Interesse gestoßen, und es sprechen viele Anzeichen dafür, daß Automobilfirmen von Weltruf beabsichtigen, in naher Zukunft Kraftfahrzeuge in den Verkehr zu bringen, die von solchen Brennkraftmaschinen angetrieben werden.

Die einschlägige Industrie sieht sich jedoch mit zahlreichen Problemen konfrontiert, die gelöst werden müssen,

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um eine erfolgreiche Anwendung solcher Motoren durchsetzen zu können. So haben diesbezüglich durchgeführte umfassende Untersuchungen gezeigt, daß es notwendig ist, .verbesserte und hohen Ansprüchen genügende Dichtungsmaterialien zu entwickeln, um den strengen Anforderungen der Drehkolbenmotoren entsprechen zu können. Eine sehr wichtige und kritische Komponente solcher Brennkraftmaschinen ist die "Apex-Dichtung", also die Abdichtung an den Kanten bzw. Scheitelpunkten des Bogendreieck-Kolbens, die beim Rotationskolben der Aufgabe dient, die verschiedenen Räume der trochoidisehen Kammer innerhalb des Gehäuses, abzudichten. Diese Dichtungen, die der Hitze, der Oxydation und dem Verschleiß durch Abrieb ausgesetzt sind, müssen eine ausreichende Haltbarkeit und Verläßlichkeit für eine Betriebsstrecke von wenigstens 100 000 Meilen, also annähernd l6l 000 km, aufweisen, und sie sollen durch die erforderliche Kombination von physikalischen und chemischen Eigenschaften ausgezeichnet sein, beispielsweise durch eine Beständigkeit gegen Oxydation und Korrosion bei erhöhten Temperaturen, eine hohe Bruchfestigkeit, eine gute Schlagfestigkeit und gute reibungsmindernde bzw. Antifriktions-Eigenschaften (d.h. eine niedrige Gleitreibung) um die erwünschte Verschleißfestigkeit u.dgl. zu gewährleisten. Darüber hinaus muß das Dichtungsmaterial auch eine adäquate Verträglichkeit mit der trochoidischen Fläche der Brennkammer aufweisen, die für gewöhnlich mit einem verschleißbeständigen Material, wie Chrom und dem unter der Handelsbezeichnung "Elnisil" bekannten Material, ausgekleidet ist. Das letztgenannte Material stellt eine Überzugsmasse dar, die 5 Gew.-% fein verteiltes Siliciumcarbid enthält, das in einer Nickel-Elektroplattierungs-Matrix gleichmäßig dispergiert ist.

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einschließlich einer verbesserten Schlagfestigkeit in Kombination mit einer verbesserten Bruchfestigkeit.

Es ist nun gefunden worden, daß man durch Zusatz einer wirksamen Menge eines Kornwachstum-Inhibitors zu der Masse die vorerwähnten Ziele erreichen und stahl-gebundene Titancarbidmassen verfügbar machen kann, die eine verfeinerte (refined) Korngröße von weniger als 5 Mikron im Durchschnitt aufweisen.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, der Fachwelt gesinterte, stahl-gebundene Titancarbid-Massen zur Verfügung zu stellen, die durch eine verfeinerte Kornstruktur und eine verbesserte Kombination von mechanischen Eigenschaften ausgezeichnet sind.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, der einschlägigen Technik als Herstellungserzeugnis ein aus einer gesinterten, gehärteten, stahl-gebundenen Titancarbid-Masse geformtes, verschleißfestes Element zur Verfügung zu stellen, das metallographisch durch eine verfeinerte Kornstruktur und verbesserte mechanische Eigenschaften gekennzeichnet ist.

Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verfeinern der Korngröße von gesinterten, stahl-gebundenen Titancarbid-Massen zu entwickeln.

Diese und noch andere Gegenstände werden nun in der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen eingehend erläutert, von denen

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Eine gesinterte, stahl-gebundene Titancarbid-Werkzeugstahlmasse, die als "Apex"-Dichtung vorgeschlagen wurde, ist eine solche, die etwa 45 Vol.-$ (entsprechend etwa 33 Gew.-^) primäre Titancarbidkörner aufweist, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind, welch letztere - in Gew.-^ ausgedrückt - etwa 10 % Cr, 3 % Mo, 0,85 % C und als Rest Eisen enthält. Wenn auch diese Masse vielversprechende Ergebnisse geliefert hat, so haben sich doch die weiteren Forderungen der Entwicklungsingenieure mit besonderem Nachdruck auf solche Materialien gerichtet, die_AeIne größere Beständigkeit gegen den Hitzeschock, eine niedrigere Gleitreibung in der trochoid!sehen Kammer und demzufolge eine größere Verschleißfestigkeit und ferner durch verbesserte mechanische Eigenschaften, wie eine höhere Schlagfestigkeit und eine höhere Bruchfestigkeit, ausgezeichnet sind.

Zusätzlich sei darauf hingewiesen, daß die Werkzeugmacher und die Hersteller von Werkzeugteilen sich gleichfalls laufend um die Auffindung von neuen und besseren Materialien bemühen, die starken Beanspruchungen, dem Hitzeschook, der Beanspruchung durch Schlag, Hitze und Verschleiß standzuhalten vermögen, wie sie bei bestimmten Warmbearbeitungen und mit Schlagbeanspruchung verbundenen Anwendungszwecken auftreten, wie z.B. in Kopfanstauchmatrizen, Streckgesenken, Schmiedegesenken, Druckgußwerkzeugen u.dgl. Diese Anforderungen haben gleichfalls einen dringenden Bedarf an stahl-gebundenen Titancarbid-Materialien geweckt, die eine einzigartige Kombination von physikalischen und mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen aufweisen,

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Figur 1 eine schematische Abbildung eines Reibungs- und Verschleiß-Testsystems wiedergibt, welches zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten von stahlgebundenen Titancarbid-Massen gegenüber einer - bewegten, mit einer verschleißfesten Überzugsschiehtversehenen Oberfläche verwendet wurde, und

Figur 2 eine Schemazeichnung einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine darstellt, bei der eine warm-bearbeitbare, stahl-gebundene Titanearbic^afs "Apex"-Dichtungsmaterial zur Anwendung gelangt.

In breitem Sinne betrifft die vorliegende Erfindung in einer Hinsicht stahl-gebundene Titancarbid-Massen, die durch eine verfeinerte Kornstruktur und eine verbesserte Kombination von mechanischen Eigenschaften einschließlichverbesserter reibungsmindernder Eigenschaften ausgezeichnet sind, wobei die Massen primäre Titancarbidkörner (vorzugsweise 15 bis 60 Gew.-%) enthalten, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind, wobei die genannte Stahlgrundmasse metallographisch durch ein Austenit-Zerfallsprodukt, z.B. Perlit, Bainit und Martensit, charakterisiert ist und die genannte stahl-gebundene Masse eine wirksame, nämlich etwa 0,25 % bis 2 % betragende Menge eines Kornwachstum-Inhibitors aus der Gruppe der Carbide der Niob-Reihe, beispielsweise Niobcarbid, Tantalcarbid und dergleichen, enthält.

Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist auf einen breiten Bareich von stahl-gebundenen Titancarbid-Massen anwendbar. Beispielsweise sind Titancarbid-Werkzeugstahlmassen in dem USA-Patent 2 828 202 (das der Anmelderin der vorlie-

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genden Erfindung erteilt wurde) offenbart worden, die - in breitem Umfang beansprucht - primäre Körner aus im wesentlichen Titancarbid enthalten, welche in einer warmbearbeitbaren Stahlgrundmasse dispergiert sind. Eine bevorzugte Stahlgrundmasse ist eine solche, die - in Gew.-^ ausgedrückt - etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 $ Mo, etwa 0,3 bis 0,8 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Als typische stahl-gebundene Titancarbidmasse ist eine solche anzuführen, die 33 Gew.-^ TiC in Form von primären Carbidkörnern enthält, die in einer Stahlgrundmasse dispergiert sind, wobei die Stahlgrundmasse 3 Gew.-J^ Cr, 3 Gew.-% Mo, 0,6 Gew.-% C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Der Stahl wird vorzugsweise unter Anwendung von Pulvermetallurgie-Methoden hergestellt, die - breit ausgedrückt - darin bestehen, daß man gepulvertes Titancarbid (primäre Titancarbidkörner) mit pulverförmigen stahl-bildenden Bestandteilen beispielsweise der vorerwähnten Zusammensetzung vermischt, man dann einen Preßling formt durch Verpressen des Gemisches in einer Form und den Preßling danach einem Flüssigphase-Sintern unter nichtoxydierenden Bedingungen, z.B. im Vakuum, unterwirft. Der in dieser Erfiridungsbeschreibung verwendete Ausdruck "primäres Carbid" soll Titancarbidkörner per se umfassen, die als solche direkt der Masse zugesetzt werden und die bei der Hitzebehandlung im wesentlichen unbeeinflußt bleiben. .

Zur Herstellung einer Titancarbid-Werkzeugstahlmasse gemäß den Angaben in dem vorerwähnten Patent, die z.B. 33 Gew.-^ TiC (entsprechend ungefähr 45 Vol.-#) und als Rest im wesentlichen eine Stahlgrundmasse enthält, werden 500 g TiC (von etwa 5 bis 7 Mikron Teilchengröße) mit 1000 g stahlbildenden Bestandteilen in einer Mühle vermählen, die zur Hälfte mit Kugeln aus rostfreiem Stahl gefüllt

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ist. Die pulverförmigen Bestancteile werden mit 1 g Paraffinwachs auf je 100 g Gemisch versetzt. Das Vermählen wird etwa 40 Stunden lang durchgeführt, wobei Hexan als Anfeuehtungsmittel verwendet wird.

Nachdem das Vermählen beendet ist, wird das Gemisch herausgenommen und getrocknet, und es werden Preßlinge der gewünschten Form durch Verpressen unter einem Druck von etwa 2,3 t/em ( 15 t.s.i.) hergestellt, und die Preßlinge werden danach etwa 1/2 Stunde lang einem Flüssigphase-Sintern bei einer Temperatur von etwa l450°C unter einem Vakuum von 0,02 mm (20 Mikron) Quecksilbersäule oder einem noch besseren Vakuum unterworfen. Nach Beendigung des Sinterns werden die Preßlinge abgekühlt und dann angelassen durch etwa 2 Stunden langes Erhitzen auf 900°C mit nachfolgendem Abkühlen bis auf etwa 100⁰C mit einer Geschwindigkeit von etwa 15°C pro Stunde, und danach folgt eine Ofenkühlung auf Raumtemperatur, um so eine geglühte (angelassene) Mikrostruktur zu erzeugen, die Perlit in Form von kugeligem Perlit bzw. Sphäroidifc (Austenit-Zerfallsprodukt) aufweist. Die geglühte Härte liegt nahe bei etwa 45 Rockwell C, und der kohlenstoffreiche Stahl kann durch maschinelle Bearbeitung und bzw. oder Schleifen in jede gewünschte Werkzeugform oder jedes gewünschte Maschinenelement vor dem Härten gebracht werden. Diese Masse weist im allgemeinen eine durchschnittliche Carbidkorngröße von über 5 Mikron, beispielsweise eine Größe von bis zu 8 und 10 Mikron, auf.

Die Härte-Behandlung besteht in dem etwa 1/4-stündigen Erhitzen des maschinell bearbeiteten Werkstücks auf eine austenit-bildende Temperatur von etwa 954°C (175O°F) mit anschließendem Abschrecken in öl oder Wasser, um

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so eine Rockwell C-Härte von annähernd 70 zu erreichen. Das Austenit-Zerfallsprodukt besteht aus Martensit.

Ein anderer Typ von stahl-gebundenen Carbiden ist jener Typ, der in dem USA-Patent 3 653 982 (das gleichfalls der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilt worden ist) beschrieben wurde, und als eine typische, im Handel erhältliehe Masse ist eine solche zu nennen, die etwa 3^,5 Gew.-% TiC in Form von primären Carbidkörnern enthält, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind. Die Stahlgrundmasse enthält - in Gew.-% ausgedrückt und auf die Masse selbst bezogen - etwa 10 % Cr, 3 % Mo, 0,85 % C und als Rest im wesentlichen Eisen. Dieses stahl-gebundene Carbid unterscheidet sich von der oben angeführten Varietät mit niedrigerem Chromgehalt dadurch, daß es bei etwa 538⁰C angelassen werden kann und so eine ziemlich hohe Härte bei derartigen Temperaturen beizubehalten vermag, vor allem bei einer Verwendung als verschleißbeständiger "Apex"-Dichtstreifen in Drehkolben-Brennkraftmaschinen, wie dem Wankel-Motor. Jedoch zeigt auch diese Masse eine Neigung zur Bildung von gröberen Korngrößen. Die Zusammensetzung der Stahlgrundmasse kann sich größenordnungsmäßig belaufen auf etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 % Mo, etwa 0,6 bis 1,2 % C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 2 % V, bis zu etwa 3 % Ni und bis zu etwa 5 $ Co, während der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht.

Eine noch andere stahl-gebundene Carbidmasse wird in dem USA-Patent 3 369 89I (das ebenfalls der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilt worden ist) offenbart. Als typische Masse ist eine solche zu erwähnen, die 33*2 Gew.-^ Titancarbid und als Rest eine Stahlgrundmasse enthält, die

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ihrerseits l8 % Ni, 8,5 % Co, 4,75 % Mo, 1 # Ti und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Die Grundmasse wird in der Weise gehärtet, daß man den Stahl zunächst einem Lösungsglühen durch Herunterkühlen an der Luft von einer Temperatur von etwa 76O bis 1100⁰C urferwirft, um eine Mikrostruktur in der Masse zu erzeugen, die durch das Vorhandensein von Martensit gekennzeichnet ist, und zwar von weichem Martensit. Danach wird die Grundmasse, welche die Carbidkörner umgibt, durch Alterungshärtung vergütet, indem man sie etwa 3 Stunden auf 260 bis 65O⁰C erhitzt. Eine typische Temperatur für das Vergüten durch Alterungshärtung ist eine solche von 48j5°C.

Als Ergebnis einer Zusammenfassung der vorangehenden Ausführungen läßt sich sagen, daß die Stahlgrundmasse in breitem Umfang aus den Stoffgruppen ausgewählt' werden kann, die bestehen aus

(A) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 1 bis 6 % Cr, bis zu etwa 6 % Mo; bis zu etwa 2 % Vanadium, bis zu etwa 3 % Kobalt, bis zu etwa 2 % Nickel, etwa 0,3 bis 0,8 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält;

(B) einer Grundmasse, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 6 bis 12 % Cr, etwa 0,5 bis 5 % Mo, etwa 0,6 bis 1,2 % C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 2 % V, bis zu etwa 3 % Ni, bis zu etwa 5 $ Co und als Rest im wesentlichen Eisen enthält; und

(C) einer Grundmasse, die aus einer nickelreichen Legierung besteht, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 10 bis 30 % Ni, etwa 0,2 bis 9 % Ti, bis zu etwa 5 % Al mit der Maßgabe, daß die Summe des Ti- und Al-Gehalts etwa 9 % nicht übersteigt, weniger als etwa 0,15 % C, bis zu etwa 25 % Co, bis zu etwa 10 % Mo

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enthält, während im wesentlichen der Rest der Grundmasse aus mindestens etwa 50 $ Eisen besteht, wobei die Mengenverhältnisse der die Grundmasse ausmachenden Metalle so zu wählen sind, daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 10 bis 22 % beträgt und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 $ ausmacht, die Molybdän- und Kobalt-Gehalte jeweils wenigstens etwa 2 $'betragen, und daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa l8 bis JO % beträgt und der Molybdän-Gehalt sich auf weniger als 2 ^ beläuft, die Summe der Al- und Ti-Gehalte.1,5 % übersteigt.

Es wurde nun gefunden, daß durch Zusatz einer wirksamen Menge eines Kornwachstum-Inhibitors (wie z.B. TaC) zu der stahl-gebundenen Titancarbidmasse die Korngröße verfeinert wird und die Eigenschaften signifikant verbessert werden.

Wie oben bereits bemerkt, kann die wirksame Menge des Kornwachstums-Inhibitors (ein Carbid eines Metalles aus der Niob-Reihe) in der Masse größenordnungsmäßig etwa 0,25 bis 2 % betragen. Eine bevorzugt in Frage kommende Menge des Kornwachstum-Inhibitors ist eine solche, die zwischen 0,25 und 1 % liegt.

Zur näheren Erläuterung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden die nachstehenden Beispiele angeführt.

Beispiel 1

Es wurden Tests mit einer stahl-gebundenen Titancarbidmasse durchgeführt, die unter der Handelsbezeichnung

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"Ferro-TiC C" bekanntgeworden ist, welche Masse aus 33 Gew.-^ TiC und der Stahlgrundmasse als Rest besteht. Die Stahlgrundmasse enthält 3 % Cr, 3 % Mo, 0,6 % C und als Rest im wesentlichen Eisen. Diese Masse wurde durch Sintern eines kompaktierten Gemisches bei etwa l465°C hergestellt.

Zu einer gleich zusammengesetzten Masse in gepulverter Eorm wurden 0,5 Gew.-% TaC zugegeben. Das TaC wurde als eine aus 90 % TiC und 10 ^TaC zusammengesetzte "Vormischung zugegeben, um ein gutes, gleichmäßiges Gemisch zu gewährleisten, welches dann zu einem Preßling verformt und in der oben angegebenen Weise gesintert wurde. Die Eigenschaften der jeweils erhaltenen Massen sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Masse bzw. Zusammensetzung	Dich te g/cm-⁵	954°C 30 Min. Abschrek- kung in Öl	Tem pern 1 Std. bei 191°C + Abkühlen a.d. Luft	T.R.S. kg/cm (PSI)*	Korn größe
(1) Ferro-TiC C *	6,60	69,8 R_c	69 R_c	21 100 (300 000)	TiC zwi schen 4 u.8 Mi kron; im Durchschnitt 6 Mikron
(2) Ferro-TiC C * + 0,5$ TaC	6,61	71,5 R₀	69,3 R₀	23 900 (3¹I-O 000)	TiC zwi schen 1 u. 5 Mi kron; im Durc hschnitt 3 Mikron

eingetragenes Warenzeichen

Bruchfestigkeit (transverse rupture strength)

pounds per square inch

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Die Bruchfestigkeit bzw. Transversal-Bruchfestigkeit wurde an einem rechteckigen Probestück bestimmt, das 5,08 + 0,254 mm (0.200" - 0.01") dick und 6,35 - 0,254 mm (0.250" — O.Ol") breit war und eine Mindestlänge von 19,05 mm (O.75O") aufwies. Das Probestück wird als Balken auf zwei Stäben aus geäntertem gemahlenem Wolframcarbid von einem Durchmesser von 3,175 — 0,0254 mm (O.125" £ 0.001") aufruhend gelagert, wobei die beiden Stäbe in einem Abstand von 14,287 mm (9/16") angeordnet sind. Auf die Mitte des aufruhend gelagerten Probestückes wird eine Last aufgebracht, die schwer genug ist, um den Bruch herbeizuführen, und es wird- die Bruchfestigkeit nach der Balken-Formel errechnet.

Aus Tabelle 1 kann entnommen werden, daß der Zusatz von 0,5 % TaC zur Masse sich in einer Erhöhung der Abschreckhärte, in einer signifikanten Erhöhung der Bruchfestigkeit und einer deutlich erkennbaren Verkleinerung der Korngröße auswirkte.

Beispiel 2

Eine stahl-gebundene Titancarbidmasse, wie sie unter dem Warenzeichen "Ferro-TiC CM" im Handel vertrieben wird, wurde in analoger Weise mit und ohne TaC-Zusatz getestet, wobei die Masse 34,5 Gew.-^ TiC und als Rest eine Stahlgrundmasse folgender Zusammensetzung enthielt: 10 % Chrom, 3 % Molybdän, 0,8 $ C und als Rest im wesentlichen Eisen. Die Massen waren bei einer Temperatur von über 1465°C gesintert worden.

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Tabelle 2

Masse bzw. Zusammense tzung	Dich te g/cnr	1093 C 30 Min. Ab schreckung in öl	524°c 1 Std. Luft kühlung ■ (doppelt)	T.R.S. kg/cm (PSI)	Korn größe des TiC
(3) Ferro-TiC CM⁺	6,45	69 R_c	67,6 R_c	18 300 (260 000)	'TiC zwi schen 4 u.8 Mi kron; im nachschnitt 6 Mikron
(4) Ferro-TiC CM⁺ + 0,3% TaC	6,51	71,3 R_c	68,0 R_c	19 000 (270 000)	TiC zwi schen 1 u. 5 Mi kron; im nachschnitt 3 Mikron
(5) Ferro-TiC CM⁺ + 0,75$ TaC	6,52	70,9 R_c	67,4 R_c ·	19 000 (270 000)	TiC zwi schen 1 u. 5 Mi kron; im Durchschnitt 3 Mikron

eingetragenes Warenzeichen

Aus Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß sich der Zusatz von 0,5 % und 0,75 % TaC zu der vorangehend angeführten Masse in einer signifikanten Verfeinerung der Korngröße und einer Erhöhung der Bruchfestigkeit und der Abschreckhärte auswirkt.

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Die Schlagfestigkeiten, die bei der Masse (3) (ohne TaC-Zusatz) und der Masse (4) (Zusatz von 0,5 % TaC) gemessen wurden, lassen erkennen, daß durch den Zusatz von TaC zur Masse eine deutliche Verbesserung eingetreten war. So wies beispielsweise die Masse (3) im abgeschreckten und getemperten Zustand eine Schlagfestigkeit von 241 Zoll-Pfund/Zoll auf, wohingegen die Masse (4) (mit 0,5 ^ TaC-Zusatz) die sehr viel höhere Schlagfestigkeit von 323 Zoll-Pfund/Zoll² aufwies, alsobei ihr im Vergleich zur Masse (3) eine Steigerung um 34 % eingetreten war.

Die Schlagfestigkeit wurde an einem Probestab bestimmt, der 5,08 mm (0.200") dick, 5,08 mm breit und 19,05 mm (O.75O") lang war. Der Probestab wird an einem Ende fest eingespannt, um so einen Ausleger zu bilden, von dem etwa 7*62 mm (0.30") der Länge von dem Einspannen erfaßt sind, während der Teil, der über das eingespannte Ende hinausragt, 11,43 ^m (0.45") lang ist. Es wird ein bestimmtes Gewicht auf das freie Ende des freiträgerartig eingespannten Probestabes von verschiedenen Höhen aus fallengelassen, bis der Bruch eintritt. Die Schlagfestigkeit wird dann bestimmt durch Multiplizieren der Höhe in Zoll mit dem Gewicht in Pfund, und das Produkt der Multiplikation wird durch die Querschnittsfläche des

ο Probestabes (0.04 square inch, also 0,258 cm ) dividiert,

wodurch die Sehlagfestigkeit in Zoll-Pfund/Zoll² erhalten wird.

Die Tests zur Ermittlung des Reibungskoeffizienten und zur Prüfung der Verschleißfestigkeit lassen eine signifikante Verbesserung bei den Massen erkennen, denen TaC zugesetzt worden war.

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Der Reibungskoeffizient wird mittels des in Figur 1 schematisch dargestellten Systems bestimmt. Dieses System weist einen Metallring 10 (z.B. aus Aluminium) auf, der auf einer rotierbaren Achse 1OA befestigt ist, wobei die äußere Oberfläche des Ringes mit dem harten Auskleidungsmaterxal , beispielsweise Hartchrom oder dem unter der Handelsbezeichnung "Elnisil" bekannten Überzugsmaterial oder einem ähnlichen Material überzogen ist. Ein aus der stahl-gebundenen Titancarbidmasse bestehender Block 11 ist lose auf den Ring-Oberteil aufgelegt, wie es in Figur 1 mit der vorgegebenen Last 12 dargestellt ist, z.B. mit einer auf den Block aufgebrachten Last von 2,99 kg (6.6 lbs). Die Achse wird mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von l8o Umdrehungen pro Minute rotieren gelassen, und die Reibungskraft 13 wird dann über ein geeignetes Element auf ein Reibungsbelastungs-Meßgerät 14 zur Einwirkung gebracht, welches den Meßwert für die Kraft auf die Anzeigevorrichtung eines Reibungsbelastungs-Indikators bzw. -Meßgerätes 15 überträgt. Die Meßgerät-Ablesung wird durch die auf den Block wirkende Last 12 dividiert, um den Reibungskoeffizienten zu erhalten. Darüber hinaus wurde auch die Größe volumetrisehen Verschleisses gemessen. Es wurden die in der nachstehenden Tabelle J5 zusammengestellten Ergebnisse erhalten.

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Tabelle

Ring: "Elnisil"-Überzug auf Aluminium

Block- Material	Last kg	Rei bung s- koeffi- z lent	Volumenverlust crrr	Ring	Verträglichkeit	(3) Ferro-TiC CM*	2,99	0,305	57xio~⁵	12,6xl0"⁵	geringes Festfressen
(3) Ferro-TiC CM*	2,99	0,756	Block	64xl0~⁵	Festfressen und Neigung zur Aus bildung von' Sclmeiß- Verklebungen er kennbar	(5) Ferro-TiC CM* + 0,75$ TaC	2,99	0,151	3,ixio"⁵	l,4xlO~⁵	kein Festfressen
W Ferro-TiC CM* + 0,5$ TaC	2,99	0,228	20xl0~⁵	19,8x10"'	kein Festfressen
(5) Ferro-TiC CM* + 0,75$ TaC	2,99	0,151	3,lxl0~⁵	10,1X10"-	kein Festfressen
3,lxl0~⁵	Ring: Hartchromplattierung auf Aluminium

eingetragenes Warenzeichen

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Die Tests wurden bei Ι^μηΛβιηρβ^^Γ und einer Ring-Geschwindigkeit von l80 Umdrehungen pro Minute 40 Minuten lang durchgeführt. Die in der Tabelle 5 angeführten Block-Materialien wurden in dem gehärteten und getemperten Zustand getestet. Für die Masse (3), die keinen TaC-Zusatz enthielt, wurde der verhältnismäßig hohe Reibungskoeffizient von 0,756 ermittelt, der bei Zusatz von 0,5 % TaC /"Masse (4)_J7 auf 0,228 absank und sogar auf den noch niedrigeren Wert von 0,151 absank, wenn 0,75 % TaC /"Masse (5)_7 zugesetzt worden waren und das Blockmaterial gegen "Elnisil" getestet wurde. Auch die Große des Versehleisses war signifikant niedriger bei den Massen mit Zusätzen von 0,5 % und 0,75 # TaC. Es ist auch zu beachten, daß bei den ohne TaC-Zusatz hergestellten Massen eine Neigung zum Festfressen und zur Ausbildung von Schweiß-Verklebungen erkennbar war.

In eine ähnliche Richtung wiesen auch die Ergebnisse, die bei dem gegenüber einer Hartchromplattierung durchgeführten Test erhalten wurden und die in Tabelle 5 gleichfalls angeführt sind. Sowohl der Reibungskoeffizient als auch die Größe des Versehleisses waren deutlich erkennbar herabgesetzt.

Die unter der Handelsbezeichnung ^MFerro-TiC CM" bekannte Masse (34,5 % TiC und als Rest eine Stahlgrundmasse, die 10 % Cr, 5 $ Mo, 0,8 ^ C und als Rest Fe enthält) wurde durch Zusatz von 0,75 Gew.-^ NbC zur pulverförmigen Zusammensetzung vor dem Sintern modifiziert. Die Korngröße des TiC belief sich nach dem Sintern auf 1 bis 4 Mikron mit einem Durchschnittswert von etwa 2,5 Mikron. NbC zeigt also in seiner Funktion als Kornwachstum-Inhibitor ein ähnliches Verhalten wie TaC.

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Der das Kornwachstum inhibierende Effekt des TaC und bzw. oder NbC tritt ein, solange die Menge des verwendeten Kornwachstum-Inhibitors bis zu etwa 2 Gew.-% der stahlgebundenen Titancarbidmasse beträgt. So hat beispielsweise bei einer Masse, die 10 % Cr, 3 % Mo, 0,8 % C und als Rest Eisen enthält, ein Zusatz von 3 % TaC - sofern überhaupt - einen im"wesentlichen nur geringen kornwaehstum-inhibierenden Effekt zur Folge und die endgültige Korngröße liegt zwischen etwa j5 und 7 Mikron, wobei die Durchschnittsgröße etwa 5 Mikron beträgt.

Wie oben bereits bemerkt, stellt das komplexe Abdicht-System einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine strenge Anforderungen an die Qualität der Konstruktionsmaterialien, die für die Bestandteile derselben verwendet werden. Eine der wichtigsten Komponenten des Abdicht-Systems ist die sogenannte "Apex"-Dichtung,d.h. die Abdichtung der Kanten des Bogendreieck-Kolbens.

Die gegenwärtigen Entwicklungsrichtungen der Rotationskolben-Brennkraftmaschinen streben die Verwendung eines Aluminiumgehäuses an. Der im allgemeinen eine Dreieckform aufweisende Rotationskolben befindet sich vermittels seiner "Apices" bzw. Dichtkanten im Kontakt mit den Innenwänden des Gehäuses, was die Verwendung eines Dichtungsmaterials zur Abdichtung der von den "Apices" umschriebenen Räume erforderlich macht. Die Dichtung muß sowohl eine Verschleißfestigkeit als auch eine Schlüpfrigkeit aufweisen. Jedoch ist das Aluminium in dem Gehäuse im allgemeinen weich, wenn man es vergleichend gegenüber den meisten anderen Konstruktionsmaterialien betrachtet, und es weist nur eine geringe Verschleißfestigkeit auf und benötigt einen Überzug

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Chromalloy American Corporation - ^File2¥1^CQQ

cius z.B. Ciiror. oder "Elnisil" (das weiter oben beschrieben wurde}.

In Figur ? ist eine Rotationskolben-Brennkraftmaschire sehematisch dargestellt, die aus einem Aluminiumgehäuse mit einer Kammer 21 besteht, in die ein bögendreieckförmiger Rotationskolben 22 in einem durch die "Apices" bzw. Kolbenecken 24 bis 26 herbeigeführten abdichtenden Kontakt mit der Innenwand 23 der Kammer eingebaut ist. Der Rotationskolben weist ein darauf montiertes Innengetriebe auf, das durch das Zahnrad 28 angetrieben wird, welches seinerseits auf einer Welle, die senkrecht zum Rotationskolben rotiert, befestigt ist. Das Uberzugsmaterial ist auf die Innenwand 23 aufgebracht, wie es durch die stark ausgezogene Linie angedeutet wird, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit gegenüber dem Material der "Apices", die sich in einem reibenden Kontakt mit der Innenwand befinden, zu gewährleisten. Das Material der "Apices" bzw. Dichtkanten besteht aus federnd eingebauten Einsatzstücken 24, 25 und 26 aus stahl-gebundenem Titancarbid-Werkzeugstahl, die über die Feder 30 in einem ständigen Dichtungskontakt mit der Innenwand gehalten werden.

Im Betrieb werden durch die Rotation des Kolbens Kraftstoff und Luft durch die Einlaßöffnung 32 in die Einströmzone 31 eingesaugt.'Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird dann komprimiert und in einer Kompressioriszone 33 mittels der Zündkaze 34 gezündet, und die Verbrennungsgase werden aus der Auspuffzone 35 über den Auspuffstutzen 36 ausgestoßen.

Da die Aüex-Dichtungen während des Betriebes gegen die stark scheuernde trochoidische Oberfläche bei weehsein-

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den Berührungswinkeln unter verhältnismäßig hohen Spannungsbelastungen reiben, ist es wichtig, daß das Dichtungsmaterial die nachstehenden Eigenschaften aufweist:

1. einen niedrigen Reibungskoeffizienten;

2. ein verhältnismäßig niedriges spezifisches Gewicht, um das Aufschlagen auf das trochoid!sehe Gehäuse so wirkungsschwach wie möglich zu machen;

3. eine inhärente, also werkstoff-eigentümliche Schlüpfrigkeit, um zu ermöglichen, daß die Dichtungen bei hohen Temperaturen betriebsfähig sind;

4. eine hohe Festigkeit und Beständigkeit gegen Schlageinwirkung;

5. eine hohe Verschleißfestigkeit und

6. eine Verträglichkeit mit dem auf die trochoidische Fläche aufgebrachten Überzugsmaterial.

Die Produkte der vorliegenden Erfindung genügen diesen Anforderungen, indem sie durch eine einzigartige Kombination von Eigenschaften ausgezeichnet sind, wozu im einzelnen ein niedriger Reibungskoeffizient, ein verhältnismäßig niedriges spezifisches Gewicht, eine inhärente Schlüpfrigkeit bei erhöhten Temperaturen, eine hohe Festigkeit, eine verbesserte Verschleißfestigkeit, eine verbesserte Schlagfestigkeit u.dgl. gehören. Darüber hinaus sind die Erzeugnisse der vorliegenden Erfindung als Dichtungselement verträglich mit harten Auskleidungsmaterialien, wie einer "Hartchromplattierung" und "Elnisil"

Es ist zu beachten, daß die stahl-gebundenen Titancarbidmassen der vorliegenden Erfindung über das bisher Gesagte hinaus auch deshalb technisch vorteilhaft sind, weil sie zur Herstellung von harten Überzügen auf MetallSubstraten

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verwendet werden können, wie sie beispielsweise mit Hilfe des Plasmaspritzens erzeugt werden. Zu diesem Zweck werden Stücke des gesinterten Material in einer Kugelmühle zermahlen, um ein Pulver zu erzeugen, das für eine Verwendung in Pulverspritzgeräten und dergleichen Vorrichtungen geeignet ist.

Wenngleich die vorliegende Erfindung vorangehend hauptsächlich in ihren bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, so versteht es sich doch für den Fachmann von selbst, daß Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne daß hierdurch vom Prinzip der Erfindung und von deren Umfang abgewichen wird. Auch solche Modifizierungen und Variationen fallen unter die Lehre und den Umfang der Erfindung und der nachfolgenden Ansprüche.

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Claims

Patentansprüche

1. Stahl-gebundene Titancarbidmassen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus primären Titancarbidkornern

• mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 5 Mikron,. dispergiert in einer durch ein Austenit-Zerfallsprodukt gekennzeichneten Stahlgrundmasse, gebildet sind, wobei die genannte Masse eine wirksame, sich auf etwa 0,25 bis 2 Gew.-^ belaufende Menge eines Carbids eines Metalles der Niob-Gruppe als Kornwachstum-Inhibitor enthält.

2. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbid-Menge in der genannten Masse sich auf etwa 15 bis 6o Gew.-% beläuft und der genannte Kornwachstum-Inhibitor aus einem Vertreter der Stoffgruppe Niobcarbid und Tantalcarbid ausgewählt ist.

3« Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Menge des Kornwachstum-Inhibitors etwa 0,25 bis 1 Gew.-% beträgt.

4. Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kornwachstum-Inhibitor aus Tantalcarbid besteht.

5- Stahl-gebundene Titancarbidmasse gemäß Anspruch'2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kornwachstum-Inhibitor aus Niobcarbid besteht.

6. Aus einem gehärteten, verschleißfesten Element bestehendes Herstellungserzeugnis, das aus einer stahl-gebundenen

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Titancarbidmasse gefertigt worden ist, die ihrerseits aus primären Titancarbidkörnern mit einer Teilchengröße von weniger als 5 Mikron, dispergiert in einer durch das Vorhandensein von Martensit gekennzeichneten Stahlgrundmasse, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Masse eine wirksame, sich auf etwa 0,25 bis 2 Gew.-% belaufende Menge . eines Carbids eines Metalls der Niob-Gruppe als Kornwachstum-Inhibitor enthält.

7. Gehärtetes, verschleißfestes Element gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbid-Menge in der genannten Masse etwa 15 bis 60 Gew.-^ beträgt und der genannte Kornwachstum-Inhibitor aus einem Vertreter der Stoffgruppe Niobcarbid und Tantalcarbid ausgewählt ist.

8. Gehärtetes, verschleißfestes Element gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Menge des Kornwachstum-Inhibitors etwa 0,25 bis 1 Gew.-^ beträgt .

9- Gehärtetes, verschleißfestes Element gemäß Anspruch "J₃ dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kornwachstum-Irihibitor aus Tantalcarbid besteht.

10- Gehärtetes, verschleißfestes Element gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kornwachstum-Inhibitor aus Niobcarbid besteht.

11. Herstellungserzeugnis gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Element aus einer "Apex"-Dichtung für Rotationskolben-Brennkraftmaschinen besteht.

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12. Verfahren zur Verhinderung des Kornwachstums von Titancarbidkörnern im Zuge der Herstellung einer gesinterten, stahl-gebundenen Titancarbidmasse, die primäre Titancarbidkörner in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert enthält, durch Vermischen der genannten Titancarbidkörner mit gepulverten, stahl-bildenden Bestandteilen, Kompaktieren des Gemisches zur gewünschten Form und Sintern des preßgeformten Gegenstandes bei einer erhöhten Flüssigphase-Sintertemperatur der genannten Grundmasse, dadurch gekennzeichnet, daß der genannten Masse, bevor sie kompaktiert und gesintert wird, eine wirksame, sich auf etwa 0,25 bis 2 Gew.-% belaufende Menge eines Carbids eines Metalles der Niob-Gruppe als Kornwachstum-Inhibitor zugesetzt und hierdurch erreicht wird, daß die Titancarbidkörner in dem entstandenen gesinterten Produkt durch eine durchschnittliche Korngröße von weniger als 5 Mikron ausgezeichnet sind.

13.· Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenverhältnisse der Bestandteile bei der Herstellung der genannten stahl-gebundenen Titancarbidmasse so gewählt werden, daß das erzeugte Produkt etwa 15 bis 60 Gew.-^ Titancarbid, bezogen auf die Gesamtmasse, enthält und der genannte Kornwachstum-Inhibitor aus der Stoffgruppe, die aus Niobcarbid und Tantalcarbid besteht, ausgewählt wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13 _s dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des der genannten Masse zugesetzten Kornwachstum-Inhibitors etwa 0,25 bis 1 Gew.-^ beträgt.

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15- Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der der Masse zugesetzte Kornwachstum-Inhibitor aus Tantalcarbid besteht.

l6. Verfahren gemäß Anspruch 13* dadurch gekennzeichnet, daß der der Masse zugesetzte Kornwachstum-Inhibitor aus Niobcarbid besteht.

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