DE2502356C3

DE2502356C3 - Baueinheit, z.B. für einen Rotationskompressor

Info

Publication number: DE2502356C3
Application number: DE2502356A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ageo Hiroaka; Shigeru Ohmiya Urano
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1974-01-31
Filing date: 1975-01-22
Publication date: 1978-09-28
Also published as: JPS50116303A; DE2502356A1; DE2502356B2; JPS5548584B2; US3930902A; GB1456811A

Description

Die Erfindung betrifft eine Baueinheit, bestehend aus einem ersten und einem, relativ zum ersten Bauteil gleitfähigen zweiten Bauteil.

Solche Bauteile sind einem beachtlichen Verschleiß ausgesetzt. Zwar ist es bekannt, für den ersten Bauteil, z. B. die Flügel, die Flanschen, Schaufeln und Lamellen und andererseits für das zweite Bauteil eines Rotationskompressors, einer Schaufelradpumpe u. dgl., Stahl, Gußeisen und Sinterniaterial zu verwenden, die jedoch verbesserungsbedürftig sind, vielfach einen niedrigen Verschleißwiderstand haben oder schwierig zu bearbeiten sind bzw. dann, wenn die eine Eigenschaft zwar verbessert wird, die andere Eigenschaft des Werkstoffes sich aber verschlechtert.

Bei Walzgerüsten ist es bekannt, für Walzen ein Gußeisen zu verwenden, welches 1,7 bis 3,8% Kohlenstoff, 0,01 bis 2,5% Silicium, 0,01 bis I % Mangan und insgesamt bis zu 0,2% an weiteren Elementen wie Phosphor, Schwelel und Kupfer, sowie 0,01 bis 2% Molybdän enthalten kann. Allerdings ist hierdurch nur ein Gußeisen mit der Zusammensetzung des zweiten Bauteiles bekannt geworden. Weitere Vorschläge für eine Eisenlegierung, die in diesem Zusammenhang als Vorbild für die Zusammensetzung des ersten Bauteiles dienen könnten, werden nicht nahegelegt. Denn diese anderen Vorschläge für eine Eisenlegierung enthalten regelmäßig einen zu niedrigen Kupferanteil von zum Beispiel 0,118% und/oder einen zu hohen Anteil an Kohlenstoff bzw. einen zu niedrigen Anteil an Molybdän, oder es wird überhaupt kein Kupfer verwendet, bzw. es sind das Verhalten des Werkstoffes ganz anders beeinflußende Legierungsbestandteile wie Mangan und Chrom zusätzlich vorhanden. Auch sind die Eigenschaften die an den bekannten Bauteil vornehmlich gestellt werden, unterschiedlich, zum Beispiel hohe Rißfestigkeit bei hohen Temperaturen bzw. das Gefüge des bekannten Bauteiles soll einen hohen Anteil an fein verteiltem Zementit aufweisen (britische Patentschrift 1117 025). Ein ähnlich zusammengesetztes Gußeisen wird auch für Zylinderlaufbüchsen verwendet (R. S. A r c h e r: »Molybdän, Stähle, Gußeisen, Legierungen«, 1951, S. 342/343).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden und für eine Baueinheit, die aus einem ersten und einem zweiten, relativ zum ersten Bauteil gleitfähigen Bauteil besteht, eine solche Materialpaarung anzugeben, bei der die Verschleißfestigkeit wesentlich erhöht, aber ebenfalls seine Bearbeitung, insbesondere das Schleifen, erleichtert wird und somit die Kosten verringert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das erste Bauteil aus einer gesinterten Eisenlegierung mit 0,90 bis 2% Kohlenstoff, 2 bis 6% Kupfer, 0,40 bis 0,80% Molybdän, Rest Eisen, sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen bis zu einer Höchstgrenze

ίο von weniger als 1 %, das in Gas nitriert ist, besteht, und daß das zweite Bauteil aus einem an sich bekannten legierten Gußeisen mit 2 bis 3,5% Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5% Silicium, 0,30 bis I % Mangan, weniger als 0,30% Phosphor, weniger als 0,12% Schwefel, 0,20 bis 1 % Kupfer und 0,20 bis 1 % Molybdän, Rest Eisen besteht.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Nitrierschicht etwa 1 mm dick auszubilden. Die Erfindung besteht also in der besonderen Werkstoffpaarung dieser nitrierten, gesinterten Legierung einerseits und einem legierten Gußeisen andererseits.

Es lag nicht auf der Hand, diese besondere Zusammensetzung von der Mehrzahl möglicher Zusammensetzungen auszuwählen. Weitgehend unabhängig von

»5 Versuchsergebnissen sind hierbei folgende Überlegungen aufgezeigt, die zur vollständigen erfinderischen Lehre geführt haben. Bei dem ersten Bauteil, den Schaufeln od. dgl. eines Kompressors, ist erkannt worden, daß man 0,90 bis 2% Kohlenstoff nehmen muß, denn wenn man eine Grenze von 0,90% unterschreitet, bildet sich ein dichtes Perlitgefüge aus, und es ergibt sich ein relativ steiler Abfall der Verschleißfestigkeit. Wenn aber mehr als 2% C verwendet wird, bildet sich ein Zementitgefüge aus, und es ergibt sich ein steiler Anstieg der Sprödigkeit und ein starker Abfall der Schlagfestigkeit.

Es wurde eine besondere Überlegung angestellt, Kupfer zuzusetzen, unter Berücksichtigung dessen, daß hierdurch der Widerstand gegen Korrosion erhöht wird, während andererseits die Wärmeleitfähigkeit sich vergrößert. Wenn man aber weniger als 2% Cu nimmt, ergibt sich in überraschender Weise, daß die Anforderungen an den Werkstoff nicht mehr genügen. Überschreitet man jedoch die Grenze von 6%, ist die Stabilität der Abmessungen des Sintermaterials in Frage gestellt.

Es wird vorgeschlagen, das Molybdän in Form von Ferro-Molybdän hinzuzufügen, dessen harte Partikelchen außerordentlich den Verschleißwiderstand erhöhen. Die Grenzen dieses Zustandes müssen aber beschränkt werden, weil sonst die Eigenschaften hinsichtlich Härte und Festigkeit nicht erfüllt werden können. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, hier kdiglich in der Grenze von 0,40 bis 0,80% zu arbeiten.

Restliche Zusätze von I % sind herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Die Art der Anwendung der Gasnitrierung für die Sinterlegierung kann durch Nitrieren in einem Ofen in einer Gasatmosphäre erfolgen. Die Tiefe der Nitrierschicht soll vorzugsweise etwa 1 mm betragen. In diesem Fall wird die Härte auf etwa 30 bis 50 Rockwell C erhöht, was zusätzlich zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit beiträgt.

Für den zweiten Bauteil müssen verschiedene Gren-7en der Zusätze berücksichtigt werden, wenn auch dieser Werkstoff an sich bekannt isi. Bei Kohlenstoff ist zu berücksichtigen, daß man einen hinreichenden Anteil an A-Flockengriphit gemäß Vorschrift erreichen

muß. Deshalb wird ein Kohlenstoffgehalt von weniger als 2% verwendet; hält man diese Grenze nicht ein, kann man den Flockengraphit nicht erreichen. Ferner muß vermieden werden, daß das Graphitkorn sich in nachteiliger Weise vergrößert. Deshalb wird vorgeschlagen, nicht mehr als 3,50% Kohlenstoff zu verwenden; hält man diese Bedingung nicht ein, vergrößert sich das Graphitgefüge.

Beim unrichtigen Zusatz von Silicium bildet sich das Flockengraphit nicht aus. Es wird deshalb vorgeschlagen, nicht weniger als 1,50% Silicium zu verwenden. Andererseits muß beachtet werden, daß das Material nicht unzulässig spröde wird. Deshalb wird vorgeschlagen, nicht mehr als 2,5% Silicium zu verwenden, um diesen Nachteil auszuschließen.

Beim Zusatz von Mangan muß man beachten, daß dieser den Perlit stabilisieren soll. Deshalb wird vorgeschlagen, mehr als 0,30% Mangan zu verwenden. Dieser Manganwert darf jedoch 1,0% nicht übersteigen.

Kupfer dient zur Stabilisierung des Perlits. Zur Vermeidung der Instabilität wird vorgeschlagen, nicht weniger als 0,20% Kupfer zu verwenden. Der Kupfergehalt darf jedoch 1,0% nicht überschreiten.

Bei diesem Bauteil dient das Molybdän dazu, das »5 Grundgefüge zu festigen, aber auch die Härte zu erhöhen. Dies kann nicht erfüllt werden, wenn zuwenig bzw. zuviel Molybdän verwendet wird.

Hier wird vorgeschlagen, nicht weniger als 0,20% und nicht mehr als 1,0% Molybdän zu verwenden. Wird z. B. die Grenze von 1,0% überschritten, bildet sich in nachteiliger Weise Bainit im Gcfügc.

Im Gußzustand ist das legierte Gußeisen ein Perlitgrundgefüge, in dem A-förmigcr Graphit verteilt ist und eine bessere maschinelle Bearbeitung sichergestellt wird.

Ferner eignet sich dieser Werkstoff ausgezeichnet fürs Härten und Anlassen, um ein Martensitgefüge zu bilden und eine Härte von 43 bis 53 Rockwell C zu erreichen, wodurch der Verschleißwiderstand wesentlieh verbessert wird.

Folgendes Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung: Als Material für die Schaufellamellen od. dgl. mischt man Kupferpulver, Ferro-Molybdänpulver und Graphitpulver, fügt 0,8% Zinkstearat zu, danach wird der Werkstoff bei 1150 C 60 min lang in einer Atmosphäre von gekracktem Ammoniumgas gesintert, so daß eine gesinterte Legierung gewonnen wird, welche 1,20% Kohlenstoff, 4% Kupfer, 0,60% Molybdän und Rest-Eisen, aufweist. In diesem Zeitpunkt beträgt die Härte HRB 88,5, die Dichte 6,75 g/cm³. Dann wird dieser Werkstoff weiter gasnitriert, um eine Schicht von 1 mm Tiefe auf dem Bauteil zu erhalten. Die Härte wurde mit 38 bis 40 HRC bestimmt.

Für den zweiten Bauteil benutzt man 3,22% Kohlenstoff, 0,44% Molybdän, 2,10% Silicium, 0,52% Mangan, 0,40% Kupfer, Rest-Eisen. Der sich hieraus ergebende Werkstoff wurde bei 860⁰C 60 min lang gehärtet, dann in Öl gekühlt, und in Luft bei 320 C 60 min lang angelassen. Der Werkstoff hatte eine Härte von 47,0 HRC.

Dann wurde aus einem dieser Materialien eine Versuchsprobe von 40 mm Außendurchmesser, 16 mm Innendurchmesser und jeweils 10 mm Dicke gebildet. Diese Probe wurde einer Verschleißfestigkeitsprüfung unterworfen unter Verwendung einer Amsler-Festigkeitsprüfmaschine, wobei das den Schaufeln od. dgl. entsprechende Material des ersten Bauteils als oberes feststehendes Bauteil eingesetzt wurde, der Werkstoff des rotierenden Bauteils als unteres, im Versuch rotierendes Bauteil.

Einzelne Versuchsbedingungen

Rotationsgeschwindigkeit 185 U/min

Last 100 kg

Schmieröl: Kerosen 60%

-f-SAE-ÖINr. 3 40%

ölmenge 0,5 I/min

Laufzeit 24 h.

Um die relativ gleitende Werkstoffpaarung dieser Bauteile richtig vergleichen zu können, wurde der Versuch unter gleichen Bedingungen wie vorstehend durch eine an sich bekannte Werkstoffpaarung ausgeführt, wobei der rotierende Bauteil aus eutektischem, Graphit enthaltendem Gußeisen und die Schaufeln od. dgl. aus Stahl bestanden, und diese Werkstoffe miteinander kombiniert wurden. Die chemische Zusammensetzung des eutektischen, Graphit aufweisenden Gußeisens bzw. des Stahls ist:

1. Eutektisches, Graphit enthaltendes Gußeisen, chemische Zusätze in %

C 2,71

Si 3,52

Mn 0,50

Ni 0,09

Cr 0,12

Mo 0,11

2. Stahl gemäß handelsüblicher Vorschrift SUP 9 (JIS).

Die Versuchsergebnisse sind die folgenden:
Für die erfindungsgemäße Werkstoffpaarung ergab sich ein Verschleiß von lediglich 2,0 mmg, wenn der Werkstoff für den ersten Bauteil, die Schaufeln od. dgl. eingesetzt wurde und lediglich 5,0 mmg für den Werkstoff des rotierenden Bauteils, bei einer Laufzeit von 24 h. Bei der Werkstoffpaarung der bekannten Art ergab sich unter den gleichen Bedingungen sowohl für den Werkstoff der Schaufeln als auch für den Werkstoff des rotierenden Bauteils ein Anfressen schon bald nach Versuchsbeginn, so daß der Versuch wegen Unergiebigkeit abgebrochen werden mußte.

Claims

Patentansprüche:

1. Baueinheit, bestehend aus einem ersten und einem, relativ zum ersten Bauteil gleitfähigen zweiten Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil aus einer gesinterten Eisenlegierung mit 0,90 bis 2⁰^ Kohlenstoff, 2 bis 6% Kupfer, 0,40 bis 0,80% Molybdän, Rest Eisen, sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen bis zu einer Höchstgrenze von weniger als 1 %, das in Gas nitriert ist, besteht, und daß das zweite Bauteil aus einem an sich bekanntem legierten Gußeisen mit 2 bis 3,5 % Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5% Silicium, 0,30 bis 1 % Mangan, weniger als 0,30% Phosphor, weniger als 0,12% Schwefel, 0,20 bis 1% Kupfer und 0,20 bis 1 % Molybdän, Rest Eisen besteht.

2. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrierschicht auf der Oberfläche des ersten Bauteiles etwa 1 mm dick ist.