DE2537338A1

DE2537338A1 - Verfahren zum herstellen eines eine selbstschmierende oberflaeche aufweisenden teils, insbesondere eines lagers oder einer dichtung

Info

Publication number: DE2537338A1
Application number: DE19752537338
Authority: DE
Inventors: Jack Chester Bokros
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1974-08-23
Filing date: 1975-08-21
Publication date: 1976-03-04
Also published as: ES440375A1; US4005163A; JPS5154603A; FR2282570A1; FR2282570B1; GB1526415A; CA1029429A; IT1041592B

Description

Patentanwälte Dipl. -Ing. F. Veickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

General Atomic Company, 10955 John Jay Hopkins Road, San Diego, California, V. St. v. A.

Verfahren zum Herstellen eines eine selbstschmierende Oberfläche aufweisenden Teils, insbesondere eines Lagers

oder einer Dichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines eine selbstschmierende Oberfläche aufweisenden Teils, insbesondere eines Lagers oder einer Dichtung, und zwar einer selbstschmierenden Lagerung oder Dichtung oder eines sonstigen selbstschmierenden Teils, das unter Verwendung von Graphit hergestellt wird.

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Die meisten kohlenstoffhaltigen Lager, die derzeit verfügbar sind, sind aus einem Gemenge von hartem, nichtgraphitischem Kohlenstoff plus weichem, schmierendem Graphit hergestellt. Diese Lager werden allgemein so hergestellt, daß man geeignete Pulver zusammen mit geeigneten Bindemitteln vermischt und dann während einer Zeitdauer sintert, die ausreicht, ein hartes, strukturell festes Produkt zu erhalten.

Jedoch sind Lager, die mittels einer solchen Purvertechnologie hergestellt worden sind, relativ schwach und haben oft nicht genügend Festigkeit, wie sie für die Benutzung in vielen Anwendungsfällen erforderlich ist.

Mit der Erfindung werden Teile, die eine selbstschmierende Oberfläche aufweisen, insbesondere Lager und Dichtungen, zur Verfügung gestellt, die verbesserte physikalische Eigenschaften besitzen.

Das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung von eine selbstschmierende Oberfläche aufweisenden Teilen, insbesondere von Lagern oder Dichtungen, umfaßt die Verfahrensschritte des Beschichtens von Graphitunterlagematerial mit Kohlenstoff durch Ablagerung mittels Dampf, und die selektive bzw. ausgewählte Entfernung des mittels Dampf abgelagerten Kohlenstoffes von einem Teil der beschichteten Unterlage, so daß der darunterliegende Graphit freigelegt wird, wodurch eine feste, selbstschmierende Oberfläche erzeugt wird, die zur Berührung mit einem relativ beweglichen Objekt bzw. Gegenstand geeignet ist.

Die Erfindung ermöglicht es also, feste, selbstschmierende zusammengesetzte Teile bzw. Verbundteile, insbesondere Ver-

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bundlager und -dichtungen, zu erzeugen, die genaue Abmessungen haben bzw. beibehalten, und zwar als Ergebnis der Eigenschaften des nichtgraphitischen Kohlenstoffteils des Verbundteils, das eine lange Gebrauchsdauer besitzt und für Anwendungsfälle geeignet ist, die eine wesentliche strukturelle Festigkeit erfordern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Figuren der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Verbundbuchse, die gemäß der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Aufeinanderfolge von Verfahrensschritten, die bei der Herstellung der Buchse der Figur 1 angewandt werden können;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer anderen Buchse nach der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Ansicht, die eine Aufeinanderfolge von Verfahrensschritten veranschaulicht, welche bei der Ausbildung der Buchse der Figur 3 angewandt werden können;

Fig. 5 eine Stirnansicht eines Drucklagers nach der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht allgemein längs der Linie 6-6 der Figur 5;

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Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer einfachen Dichtung nach der Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Ansicht, die eine andere Aufeinanderfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung eines Sockels gemäß der Erfindung veranschaulicht; und

Fig. 9 eine Ansicht, die einen Teil der Kontaktoberfläche der Einrichtung nach Figur 8 in etwa 50-fächer Vergrößerung darstellt.

Es wurde gefunden, daß Teile, insbesondere Lager oder Dichtungen, von ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften dadurch erzeugt werden können, daß man durch Dampf Kohlenstoff auf Unterlagen von Graphit ablagert, der schmierende Eigenschaften hat. Es kann eine Graphitunterlage verwendet werden, die so bemessen bzw. proportioniert ist, daß die beschichtete Unterlage nach Vollendung des BeSchichtungsvorgangs bearbeitet werden kann, um die selbstschmierende Oberfläche, insbesondere die Lager- oder Dichtungsoberfläche, der gewünschten Form auszubilden. Alternativ können pyrokohlenstoffbeschichtete Graphitteilchen verwendet werden, um eine Matrix zu füllen, welche das selbstschmierende Teil bzw. die selbstschmierende Einrichtung, insbesondere die Lager- oder Dichtungseinrichtung, formt bzw. ausbildet. Eine geeignete Menge der Graphitunterlage wird im Bearbeitungsvorgang freigelegt, so daß die selbstschmierende Oberfläche, insbesondere die selbstschmierende Berührurigs- oder Lageroberfläche, erzeugt wird. Das Verbundteil bzw. die Verbundeinrichtung, insbesondere die Verbundlager- oder -dichtungseinrichtung, das bzw. die erzeugt worden ist, vereinigt die

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wesentliche bzw. beträchtliche strukturelle Festigkeit, Zähfestigkeit, Widerstandsfähigkeit, die durch den durch Dampf abgelagerten Kohlenstoff hervorgebracht wird, mit den selbstschmierenden Eigenschaften, die durch den freigelegten Oberflächenbereich der Graphituhterlage hervorgebracht werden, so daß sich ein hervorragendes Endprodukt ergibt.

Allgemein können Teile, die eine selbstschmierende Oberfläche aufweisen, insbesondere Lager oder Dichtungen, die in Kontakt mit relativ beweglichen Oberflächen verwendet werden sollen, in jeder gewünschten Abmessung und Form hergestellt werden, und zwar in Übereinstimmung mit den verfügbaren Apparaturen zur Aufbringung von mittels Ablagerung durch Dampf hergestellten Kohlenstoffbeschichtungen. Solche Beschichtungen werden vorzugsweise in einer Fließbettbeschichtungsapparatur aufgebracht, obwohl auch andere Dampfablagerungsbeschichtungsverfahren, die an sich bekannt sind, verwendet werden können. Die US-Patentschrift 3 399 969 beschreibt beispielsweise ein geeignetes Verfahren zum Aufbringen von mittels Dampf abgelagerten pyrolytischen Kohlenstoffschichten auf Graphitunterlagen. Obwohl eine pyrolytische Dampfablagerung allgemein bevorzugt wird, können auch andere Dampfablagerung s verfahr en benutzt werden; so ist es beispielsweise möglich, Kohlenstoff in geeigneter Weise, z.B. durch Elektronenstrahlerhitzung, in einem Hochvakuum zu verdampfen.

Im allgemeinen wird künstlicher Graphit angewandt, weil er einfach verfügbar und leichter formbar ist als natürlicher Graphit. Der künstliche Graphit sollte eine Dichte von wenigstens ungefähr 1,5 g/cnr haben, damit die gewünschte lange Lebensdauer des Verbundprodukts sichergestellt ist.

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Um die gewünschte Schmierung zu erzielen, ist Graphit an der Berührungsoberfläche des erfindungsgemäßen Teils, insbesondere des Lagers oder der Dichtung, vorgesehen, und es wird davon ausgegangen, daß Graphit ein Minimum von ungefähr Λ% des Oberflächenbereichs der Kontakt- bzw. Berührungsfläche bilden sollte. Im allgemeinen wird das die selbstschmierende Oberfläche aufweisende Teil, insbesondere das Lager oder die Dichtung, so ausgelegt, daß die freiliegende Graphitunterlage zwischen etwa 10 und ungefähr 50% des Gesamtoberflächenbereichs der Kontakt- bzw. Berührungsfläche bildet.

Der pyrolytische Kohlenstoffteil bzw. -bereich des erfindungsgemäßen Produkts, insbesondere des Lagers oder der Dichtung, trägt zur strukturellen Festigkeit des Verbundprodukts bei, insbesondere in den Ausführungsbeispielen, welche in den Figuren 1,3, 6 und 7 gezeigt sind. Die Gesamtauslegung ist allgemein so, daß der Teil bzw. Bereich aus pyrolytischem Kohlenstoff im wesentlichen die Graphitunterlage umgibt oder einhüllt, und zwar mit Ausnahme der freigelegten Teile an der Kontakt- bzw. Berührungsoberfläche. Auf diese Weise erzielt man den Vorteil der hervorragenden strukturellen Eigenschaften des mittels Dampf abgelagerten pyrolytischen Kohlenstoffs zum Halten bzw. Stützen des innig damit verbundenen Graphits.

Um den vollen Vorteil der Festigkeit des pyrolytischen Kohlenstoffs auszunutzen, der aus einer Dampfatmosphäre bei einer Temperatur oberhalb von 1000⁰C abgelagert wird, sollte die Wärmeausdehnungszahl der Graphitunterlage diejenige des pyrolytisohen Kohlenstoffs ergänzen bzw. komplementär zur Wärmeausdehnungszahl des pyrolytischen Kohlenstoffs sein. In dieser Beziehung ist es zu bevorzugen, daß die Wärmeaus-

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dehnungszahl der Graphitunterlage diejenige des mittels Dampf abgelagerten pyrolytischen Kohlenstoffes leicht übersteigt, so daß die Graphitunterlage den umhüllenden Kohlenstoff beim Abkühlen auf Umgebungstemperatur einwärts zieht, wenn sie sich zusammenzieht, so daß der Kohlenstoff teilweise unter Druck gesetzt und seine physikalische strukturelle Festigkeit erhöht wird. Natürlich sind nicht alle Formen von erfindungsgemäßen Teilen, insbesondere von Lagern und Dichtungen, für eine solche Erzeugung von Druckbelastung im pyrolytischen Kohlenstoff geeignet, und diese Belastung ist nicht von großer Bedeutung, wenn Teilchen benutzt werden, wie in den Figuren 8 und 9 veranschaulicht ist. Jedoch kann man als allgemeine Regel sagen, daß die Erzeugung einer solchen Belastung, wenn möglich, zu bevorzugen ist. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen wird ein Graphit gewählt, der eine Dichte von mehr als ungefähr 1,5 und eine Wärmeausdehnungszahl zwischen 4 und 9 x 10" /⁰C besitzt, da die Wärmeausdehnungszahl von pyrolytischem Kohlenstoff- im Bereich des primären Interesses ungefähr 3 bis 6 χ 10 /⁰C betragt. Spezielle Graphite, welche diese physikalischen Eigenschaften besitzen und zusätzlich nahezu perfekt isotropisch sind, werden in den USA beispielsweise durch die Firmen Poco Graphite Company und Great Lakes Carbon Company vertrieben.

Vom Standpunkt der Abstimmung der Wärmeausdehnungszahlen des Graphits und des pyrolytischen Kohlenstoffs werden allgemein isotropischer Graphit und isotropischer pyrolytischer Kohlenstoff gewählt. Jedoch kann es möglich sein, laminaren (aus dünnen parallelen Schichten bestehenden) pyrolytischen Kohlenstoff zu verwenden, wenn nichtisotropischer Graphit für die Unterlage verwendet wird. Die Dicke des

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pyrolytisehen Kohlenstoffs sollte wenigstens ungefähr 25 Mikron sein und kann bis zu mehreren mm betragen. Obwohl eine größere Dicke angewandt werden kann, ist zu beachten, daß die Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff aus einer Dampfatmosphäre eine wesentliche Produktionszeit erfordert, und infolgedessen werden Dicken, die größer als notwendig sind, normalerweise nicht angewandt.

Der pyrolytische Kohlenstoff sollte eine hohe strukturelle Festigkeit und auch eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung ergeben. Der pyrolytische Kohlenstoff sollte weiterhin eine Dichte von wenigstens ungefähr 1,5 g/cm , und zwar vorzugsweise von wenigstens etwa 1,7 g/cm , haben, und er sollte außerdem vorzugsweise eine Härte von wenigstens ungefähr 200 DPH (Diamant-Pyramiden-Härte) besitzen, gemessen unter Verwendung einer 50-g-Last (das ist der Standard-DPH-Test). Da isotropischer pyrolytischer Kohlenstoff in allen Richtungen die gleiche Wärmeausdehnungszähl hat, wird er bevorzugt, und im allgemeinen hat der verwendete isotropische Kohlenstoff eine BAF-Zahl (Bacon-Anisotropie-Faktor) von 1,3 oder weniger. Die BAF-Zahl ist ein angenommenes Maß der bevorzugten Orientierung der Schichtebenen in der kristallinen Kohlenstoffstruktur. Die Technik der Messung und eine vollständige Erläuterung der Meßskala ist beispielsweise einem Aufsatz von G.E. Bacon zu entnehmen, der (in deutscher Übersetzung) den Titel "Ein Verfahren zum Bestimmen desxGrades der Orientierung von Graphit" hat und in der Zeitschrift "Journal of Applied Chemistry", Band 6, Seite 477 (1956) erschienen ist. Zu Zwecken der Erläuterung sei darauf hingewiesen, daß die Zahl 1,0 (der niedrigste Punkt der Bacon-Skala) perfekt isotropischen Kohlenstoff kennzeichnet. Darüber hinaus wird vom Standpunkt der

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strukturellen Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung pyrolytischer Kohlenstoff bevorzugt, der relativ kleine Kristallitabmessungen hat, d.h. eine Kristallitabmessung von weniger als ungefähr 100 S; besonders bevorzugt wird Kohlenstoff, dessen Kristallitabmessung weniger als 50 2. beträgt*

Isotropischer pyrolytischer Kohlenstoff, der diese Eigenschaften hat, kann aus einer Atmosphäre abgelagert werden, die ein inertes Verdünnungsmittel, wie beispielsweise Argon oder Helium, und einen Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Propan, Propylen oder Butan, bei Temperaturen enthält, die allgemein im Bereich von ungefähr 1200° bis etwa 1500⁰C liegen (selbstverständlich können auch Mischungen der vorerwähnten Materialien verwendet werden). Vom Gesichtspunkt der Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung ist es vorteilhaft, den pyrolytischen Kohlenstoff mit geringen Mengen von Silizium, Zirkon oder einem anderen carbidbildenden Zusatz zu legieren, der die gewünschten Eigenschaften des isotropischen pyrolytischen Kohlenstoffes nicht beeinträchtigt und gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung und die strukturelle Gesamtfestigkeit verbessert. Silizium kann in einer Menge bis zu etwa 50 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht von Silizium plus Kohlenstoff, zugefügt werden, und es können auch gleiche bzw. ähnliche Mengen von Zirkon oder anderen carbidbildenden Zusätzen benutzt werden. Allgemein wird der Zusatz in einer Menge zwischen etwa 10 und 30 Gew.-% angewandt. Andere Beispiele von carbidbildenden Zusätzen sind Wolfram, Tantal, Titan, Niob, Vanadium, Molybdän, Bor und/oder Hafnium. Wie beschrieben, wird beispielsweise nach der US-Patentschrift 3 685 059 der carbidbildende

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Zusatz zusammen mit dem pyrolytischen Kohlenstoff abgelagert, indem man eine flüchtige Verbindung des in Frage stehenden Elements wählt und diese Verbindung dem Bereich zuführt, in welchem die Ablagerung aus dem Dampf erfolgt. Im allgemeinen wird der Inertgasstrom, der bei dem pyrolytischen Dampfablagerungsvorgang angewandt wird, vorteilhafterweise dazu benutzt, um die flüchtige Verbindung zu dem Ablagerungsbereich zu bringen.

In Figur 1 ist eine Laufbuchse 9 dargestellt, die dazu bestimmt ist, eine rotierende Welle aufzunehmen und infolgedessen eine mittige zylindrische Oberfläche 11 hat, über die der Kontakt zwischen der Welle und der Laufbuchse stattfindet. Die Laufbuchse 9 hat allgemein die Form einer Hülse, die einen zentralen graphitischen Teil 13 aufweist, der vollkommen durch einen äußeren Pyrokohlenstoffteil umgeben ist, jedoch mit Ausnahme eines Bereiches, der einen Teil der zylindrischen Kontaktoberfläche 11 bildet.

Die Figur 2 veranschaulicht ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Laufbuchse 9, wonach ein Graphitkern 13a (die Begriffe "Unterlage" und "Kern" werderi im Rahmen der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet und können gegeneinander ausgetauscht werden) anfänglich vorgesehen ist, der die gewünschten Dimensionen hat. Der Kern 13a hat die Form eines kreisförmigen Ringes 17, der eine radiale Rippe 19 besitzt, die auf dessen innerer Oberfläche ausgebildet ist. Der Graphitkern 13a kann aus isotropischem künstlichen Graphit 15 ausgebildet werden, der beispielsweise von der Firma Poco Graphite Company, USA, erhältlich ist und eine Dichte von etwa 1,8 g/cm sowie eine Wärmeausdehnungszahl von ungefähr 8 χ 10" /⁰C hat.

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Nach einem Ausführungsbeispiel eines möglichen Beschichtungsvorganges wird ein derartiger Kern in eine Fließbett-"beschichtungseinrichtung eingebracht, die ein vertikales Graphitrohr aufweist, das einen inneren Durchmesser von etwa 9,0 cm hat, und der Kern wird in einem aufwärts fließenden Strom von Helium in der Schwebe gehalten und auf eine Temperatur von etwa 1350 C erhitzt. Eine ergänzende Beladung von ungefähr 100 g Zirkondioxidteilchen (zur Erzielung eines zusätzlich verfügbaren Ablagerungsoberflächenbereiches), die eine mittlere Teilchenabmessung von ungefähr 300 Mikron haben, werden in das Reaktionsrohr zugefügt. Wenn die Beschichtung beginnen kann, dann wird dem Helium Propangas zugemischt, und zwar so, daß sich ein Partialdruck an Propan von etwa 0,4 Atmosphären (Gesamtdruck von 1 Atmosphäre) ergibt. Der Gesamtstrom des Gases wird auf einer Menge von 18000 cm /min gehalten, und das gesamte Helium wird in Blasen durch ein Methyltrichlorsilanbad hindurchgeleitet. Das Propan und das Methyltrichlorsilan pyrolysieren und lagern eine Mischung von isotropischem Kohlenstoff und Siliziumcarbid auf dem Kern ab. Die Ablagerung wird fortgesetzt, bis eine Beschichtung 15a von etwa 0,5 mm Dicke erzielt worden ist, wozu eine Zeitdauer von ungefähr 80 min benötigt wird.

Nach dem Abkühlen zeigt eine Untersuchung, daß die Kohlenstoff schicht 15a isotropisch ist und eine BAF-Zahl von etwa 1,1 besitzt, und daß weiterhin die scheinbare bzw. tatsächliche Kristallitabmessung der pyrolytischen Kohlenstoff kr istalle etwa 35 S ist. Die Dichte der mit Siliziumcarbid legierten isotropischen Kohlenstoffbeschichtung ist etwa 2 g/cm , und die Wärmeausdehnungszahl beträgt ungefähr 6 χ 10" /⁰C. Als Ergebnis der Zusammenziehung, die

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während der Abkühlung von der Ablagerungstemperatur von etwa 1350?C auf Umgebungstemperatur auftritt, ergibt sich eine wesentliche, in Umfangsrichtung verlaufende Druckbelastung in der Beschichtung, und der erhaltene beschichtete Graphitkern weist eine ausgezeichnete strukturelle. Festigkeit auf und kann wiederholt fallen gelassen werden, ohne daß es zu einem Bruch kommt.

Wie in Figur 2 auf der rechten Seite veranschaulicht ist, wird der mittige Teil des beschichteten Kerns 13a dann weggeschliffen, so daß die gesamte pyrolytische Kohlenstoffschicht 15a im Inneren des Bereichs der radialen Rippe 19 und auch der innerste Teil der Rippe selbst entfernt wird. Durch das Schleifen erhält man die zylindrische Berührungsoberfläche 11, die aus einem mittigen Band besteht, das von dem Graphitkern 13 herrührt und etwa 3O?6 des Oberflächenbereichs bildet und das weiterhin auf beiden Seiten durch etwas breitere Bänder von pyrolytischem Kohlenstoff flankiert ist.

Zur Erleichterung der Anbringung der Laufbuchse in deren betriebsmäßiger Umgebung kann die äußere Oberfläche .des beschichteten Kerns leicht geschliffen werden, so daß er von einem äußeren Metallrohr 21 (Figur 1) von vorbestimmter Abmessung aufgenommen werden kann, dessen Ränder 23 danach über dem pyrolytisehen Kohlenstoffteil verformt oder übergewalzt bzw. über die Kante des pyrolytischen Kohlenstoffteils gestemmt bzw. umgebördelt werden, so daß sich eine Schutzumhüllung ergibt, die ein Zerspanen der äußeren Oberfläche der Laufbuchse während deren Verwendung verhindert. Darüber hinaus kann, wenn eine zusätzliche Verstärkung erwünscht ist, das Metall erhitzt und dann durch Schrumpf-

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passung auf den beschichteten Kern aufgebracht werden, so daß es dazu beiträgt, den pyrolytischen Kohlenstoff unter Druck zu halten. Laufbuchsen 9, die auf diese Weise hergestellt worden sind, weisen eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung auf und benötigen keine Schmierung, weil eine Schmierung inhärent durch den Graphitteil der Kontaktoberfläche 11 erfolgt.

Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen eine Laufbuchse 31, die besonders dazu geeignet ist, um auf einer Gleitwelle vorgesehen zu werden, wobei diese Laufbuchse im Vergleich mit der in Figur 1 gezeigten Laufbuchse als langgestreckt charakterisiert werden kann. Die Laufbuchse 31 besitzt eine zentrale zylindrische Kontaktoberfläche 33, die ein Spiralgraphitband 35 aufweist, das sich über die gesamte Länge der Laufbuchse erstreckt, wobei der Rest 37 der Oberfläche isotropischer pyrolytischer Kohlenstoff ist. Die Laufbuchse 31 ist aus einem Kern bzw. einer Unterlage 35a ausgebildet, welche die Form einer Graphitstange mit einem Außengewinde hat.

Die Stange 35a wird unter den gleichen Bedingungen beschichtet, wie sie oben bezüglich des Graphitkerns mit der ringförmigen Rippe beschrieben worden sind, so daß eine Beschichtung 37 von ungefähr 0,5 mm Dicke die gesamte Oberfläche bedeckt. Danach wird die gesamte Mitte der beschichteten Stange 35a ausgebohrt, so daß nur die.ursprünglichen Gewindegänge überbleiben, und die Enden der beschichteten, mit Gewinde versehenen Stange werden vorzugsweise flach bzw. eben geschliffen. Als Ergebnis wird eine Kontaktoberfläche 33 erzeugt, in welcher der Teil, der ursprünglich das Graphitgewinde war, als. Spiralband 35 erscheint, das

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durch ein breiteres Spiralband von pyrolytischem Kohlenstoff getrennt ist. Der beschichtete, ausgebohrte und geschliffene Kern wird dann in gleicher bzw. ähnlicher Weise innerhalb einer Umhüllung 39 angeordnet, so daß sowohl ein Schutz als auch eine Oberfläche erreicht wird, die frei von inhärenten Wellungen ist, welche sich infolge des mittels Dampf vorgenommenen Ablagerungsvorgangs ergeben (siehe beispielsweise die Wellungen am äußeren Umfang der Schicht 37 in Figur 3).

Die Laufbuchse 31 hat ein Graphitspiralband, das gleichmäßig über deren gesamte Länge an Kontaktoberfläche verteilt ist. Diese Laufbuchse, in der das Graphitspiralband 35 ungefähr 25% des Kontaktoberflächenbereichs bildet, ergibt eine ausgezeichnete Lageroberfläche für eine Gleitwelle; und sie kann auch als Laufbuchse für eine rotierende Welle angewandt werden.

In den Figuren 5 und 6 ist ein Drucklager 41 dargestellt, das aus einem Verbundkörper von Graphit und pyrolytischem Kohlenstoff besteht. Die kreisförmige Lagerkontaktoberfläche 43 wird von einer Mehrzahl von abwechselnden Graphitstreifen 45 und pyrolytischem Kohlenstoff 47 gebildet.

Das Drucklager 41 kann in der Weise hergestellt werden, daß man zunächst eine kreisförmige Scheibe von künstlichem Graphit nimmt und darin eine Mehrzahl von parallelen Nuten herausarbeitet, so daß eine Mehrzahl von parallelen Rippen bzw. Kämmen übrigbleibt (die dem gleichen Zweck wie die auf recht stehenden Gewindegänge auf der Graphitstange 35a der Figur 4 dienen). Die mit Nuten versehene Scheibe wird mit isotropischem pyrolytischem Kohlenstoff

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beschichtet, und der Kohlenstoff füllt die Nuten. Die Beschichtung wird fortgesetzt, bis eine Ablagerung der gewünschten Dicke erreicht ist. Danach wird eine Bearbeitung des beschichteten Kerns ausgeführt, durch welche der kreisförmige Vorsprung 49 geschliffen wird, wie er in Figur 6 gezeigt ist, indem das gesamte Material der als Kern dienenden Graphitscheibe mit Ausnahme der Rippen bzw. Kämme entfernt wird, die in dem Endprodukt als parallele Streifen 45 von Graphit erscheinen. Der Rest der pyrolytisehen KohlenstoffOberfläche wird dann in geeigneter Weise bearbeitet und mit einer Metallumhüllung 51 verkleidet bzw. plattiert. Ein Drucklager kann auch leistungsfähig dadurch hergestellt werden, daß man das in Figur 8 veranschaulichte und weiter unten beschriebene Verfahren benutzt.

In Figur 7 ist ein Beispiel einer einfachen Dichtung 55 gezeigt, die aus einem Verbundkörper von Graphit und pyrolytischem Kohlenstoff hergestellt ist bzw. besteht. Die Dichtung 55 besitzt eine Mittelschicht 57 von künstlichem Graphit, die zwischen einem parallel dazu verlaufenden Paar äußerer Schichten 59 von pyrolytischem Kohlenstoff liegt. Die Dichtung 55 kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß man eine flache Graphitplatte der gewünschten Proportionen mit pyrolytischem Kohlenstoff bis zu der gewünschten Dicke der flankierenden Schichten 59 beschichtet. Nachdem die Beschichtung vollendet ist, werden die Ränder in geeigneter Weise bearbeitet, damit man die gewünschte Kontaktoberflächenkonfiguration erhält, bei der die mittige Graphitschicht 57 im wesentlichen durch die flankierenden Pyrokohlenstoffschichten 59 umgeben ist. Die gezeigte Dichtung 55 ist so ausgebildet, daß sie längs der oberen

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lind, der beiden Seitenoberflächen dichtet (wie in Figur 7 veranschaulicht); jedoch ist ohne weiteres erkennbar, daß Dichtungen jeder Form hergestellt werden können und die gewünschten Selbstschmierqualitäten haben. Die Dichtungen selbst können von einem sich bewegenden oder rotierenden Gegenstand getragen werden, oder sie können von einem stationären Gegenstand getragen werden und sich gegen einen bewegbaren Gegenstand abstützen. Dichtungen können auch unter Verwendung des unmittelbar nachstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt werden.

In Figur 8 ist schematisch ein alternatives Verfahren zur Herstellung von eine selbstschmierende Oberfläche aufweisenden Teilen, insbesondere von Lager- oder Dichtungseinrichtungen, dargestellt, die verschiedene Merkmale bzw. Vorteile der Erfindung haben. Allgemein werden in diesem Verfahren kleine Graphitteilchen benutzt, die irgendeine Form haben können, beispielsweise können die Graphitteilchen kugelig oder unregelmäßig in ihrer Form sein. Die Graphitteilchen werden mit dauerhaftem bzw. festem pyrolytisehen Kohlenstoff beschichtet, wozu irgendein bekanntes Verfahren benutzt wird, beispielsweise kann die Beschichtung in einem Fließbettbeschichter erfolgen. Die Teilchen werden dann relativ gleichmäßig in einem form- bzw. gießbaren Matrixmaterial verteilt, beispielsweise in einem geschmolzenen Metall oder in einem Polymermaterial, das zu einem starren, dimensioneil beständigen Produkt aushärtet oder sich zu einem solchen Produkt verfestigt. Dann wird eine Bearbeitung, wie etwa durch Schleifen, ausgeführt, um die Lagerkontaktoberfläche zu erzeugen, welche die genaue Dimension hat. Während des Bearbeitungsschrittes werden die pyrolytisehen Kohlen-

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stoffbeschichtungen von vielen Teilchen zu einem solchen Ausmaß entfernt, daß die Graphitkerne freigelegt werden.

In Figur 9 ist ein auf diese Weise hergestelltes Produkt in etwa 50-facher Vergrößerung veranschaulicht. Die Zeichnung zeigt Teilchen 73, die innere Kerne 75 haben, welche mit pyrolytischem Kohlenstoff 77 beschichtet und relativ gleichmäßig innerhalb einer umgebenden Matrix 79 vorgesehen sind. Wie gezeigt, führt das Schleifen einer äußeren Schicht des Produkts zum Zwecke der Erzeugung der Kontaktoberfläche dazu, daß variierende Grade bzw. Anteile an pyrolytischen Kohlenstoffschichten 77 der Teilchen entfernt werden. In Abhängigkeit von der Menge der angewandten Teilchen 73 kann das Ausmaß des Bereiches der Graphitkerne, welcher freigelegt wird, auf statistische Weise berechnet werden. Als Ergebnis erhält man durch Veränderung der relativen Menge an verwendeten Teilchen 73 den gewünschten Prozentsatz an Graphit, der die Eigenschaften der Selbstschmierung ergibt; im allgemeinen ist wenigstens etwa 10% des Oberflächenbereiches Graphit.

In Figur 8 ist schematisch die Herstellung eines Sockels für eine Kugelverbindung ο.dgl. gezeigt, wonach ein Einsatz 81 zunächst in einer Gießform 83 angeordnet wird. Der Einsatz 81 hat einen mittigen Hohlraum 85, der dann mit Graphitteilchen 73, die mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet sind, über einen geeigneten Zuführtrichter 87 gefüllt wird. Danach wird von einer geeigneten Quelle 89 das Matrixmaterial 79 in flüssigem Zustand in den mit Teilchen gefüllten Hohlraum 85 zugegeben, und man läßt das Matrixmaterial härten oder sich verfestigen. Es kann jedes geeigne-

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te flüssige härtbare Material angewandt werden, beispielsweise ein geschmolzenes Metall, wie etwa Aluminium. Alternativ kann ein Folymermaterial, wie beispielsweise ein erhitztes thermoplastisches Material, z.B. Polyäthylen, oder ein wärmehärtbares Material, z.B. eine Mischung von Epoxyharz plus einem Härter, verwendet werden. In Abhängigkeit von der Viskosität des verwendeten Matrixmaterials und dem Prozentsatz der zugefügten Teilchen kann es zu bevorzugen sein, eine Vakuumimprägnierungstechnik zu benutzen oder zuerst die Teilchen 73 mit dem flüssigen Matrixmaterial 79 zu mischen und dann den Hohlraum im Einsatz mit der Teilchen-Matrix-Mischung zu füllen.

Die Gestaltung des Einsatzes 81 ist vorzugsweise so, daß nach dem Härten und Entfernen aus der Gießform 83 das Teilchen-Matrix-Material sicher am Einsatz gebunden bzw. mit dem Einsatz verbunden und an demselben befestigt ist, was z.B. durch Vorsehen von hinterschnittenen Bereichen o.dgl. geschehen kann. Eine nachfolgende Bearbeitung, beispielsweise mittels Schleifen, wird ausgeführt, um eine allgemein halbkugelförmige Ausnehmung 91 in dem durch die Matrix (mit den beschichteten Teilchen) ausgefüllten Einsatz 81 zu erzeugen. Der halbkugelförmige Sockel hat eine Lageroberfläche für eine Kugel in einer Kugel- und -Sockel-Verbindungsanordnung.

Das vorbeschriebene Verfahren kann dazu angewandt werden, um selbstschmierende Oberflächen, insbesondere Lager- und Dichtungsoberflächen, von im wesentlichen Jeder Gestaltung zu erzeugen, über die der Graphit in einem zufälligen bzw. statistischen Muster über die gesamte Berührungsoberfläche

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verteilt ist. Die einzelnen verwendeten Graphitteilchen sind allgemein kleiner als 1 mm, und sie sind im allgemeinen zwischen etwa 100 und ungefähr 500 Mikron. Die Teilchenschichten 77 von pyrolytischem Kohlenstoff, die etwa 25 bis ungefähr 200 Mikron dick sein können und eine Dichte von im allgemeinen wenigstens etwa 1,5 g/cm haben, umhüllen die strukturell schwächeren Kerne 75 aus schmierendem Graphit und ermöglichen auf diese Weise einen beträchtlichen Spielraum in der Auswahl des Graphitkernmaterials, weil die Beschichtungen die Unverletzlichkeit der eingeschlpssenen Graphitkerne aufrechterhalten.

Die Festigkeit des Endprodukts hängt allgemein von dem Matrixmaterial 79» von der Abmessung der Teilchen und von deren Konzentration ab. Das Matrixmaterial wird so gewählt, daß es der speziellen Anwendung, für die das Produkt vorgesehen ist, angepaßt ist. Beispielsweise kann ein Epoxymaterial gewählt werden, wenn eine feste, selbstschmierende Lagereinrichtung gewünscht wird. Andere weichere Polymermaterialien oder geschmolzenes Metall, wie beispielsweise Aluminium, können angewandt werden, wenn weicheres Material erwünscht ist, beispielsweise im Falle einiger Dichtungseinrichtungen. -

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Claims

Patentansprüche

1J Verfahren zum Herstellen eines eine selbstschmierende Oberfläche aufweisenden Teils, insbesondere eines Lagers oder einer Dichtung, dadurch gekennzeichnet , daß ein Graphitsubstratmaterial, beispielsweise ein Graphitunterlage- bzw. -kernmaterial, mit Kohlenstoff durch Ablagerung mittels Dampf beschichtet wird, und daß der mittels Dampf abgelagerte Kohlenstoff selektiv von einem Teil des beschichteten Substrats entfernt wird, so daß das darunterliegende Graphit freigelegt und auf diese Weise eine feste, selbstschmierende Oberfläche erzeugt wird, die zum Kontakt mit einem relativ beweglichen Gegenstand geeignet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Graphitsubstrat die Form eines kreisförmigen Ringes hat, der eine radiale Rippe besitzt, die auf seiner inneren Oberfläche ausgebildet ist..
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Graphitsubstrst die Form einer mit Außengewinde versehenen Stange hat, und daß der innere Bereich bzw. Teil der mit Kohlenstoff beschichteten Stange nach auswärts bis zu den Gewindegängen entfernt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Graphitsubstrat eine Wärmeausdehnungszahl zwischen 4 und 9 x 10" /⁰C hat und daß der Kohlenstoff durch pyrolytische Zersetzung abgelagert wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Graphitsubstrat die Form einer Mehrzahl kleiner Teilchen hat, wobei die mit. Kohlenstoff beschichteten Teilchen in einem Material eingebettet werden, das sich verfestigen kann und das man sich verfestigen läßt, und wobei ferner ein ausreichender Teil der die Teilchen enthaltenden verfestigten Matrix, welcher Teile der einzelnen durch Ablagerung mittels Dampf erzeugten Kohlenstoffschichten aufweist, entfernt wird, so daß man eine Kontaktoberfläche erhält, die teilweise durch die einzelnen beschichteten Teilchensubstrate gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Graphitsubstrat die Form einer Scheibe hat, die in einer ihrer Oberflächen eine Mehrzahl von Nuten besitzt, die zwischen sich eine Mehrzahl von Rippen bzw. Kämmen aus Graphit erzeugen, und daß der Hauptteil der mit Kohlenstoff beschichteten Scheibe zusammen mit der selektiven Entfernung von Kohlenstoff entfernt wird, so daß die Rippen bzw. Kämme im Endprodukt verbleiben.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der pyrolytische Kohlenstoff eine Kristallitabmessung von nicht mehr als 100 S hat.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1'bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Graphit isotropischer Graphit ist und der pyrolytische Kohlenötoff einen Bacon-Anisotropiefaktor von nicht mehr als 1,3 hat.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff py^r°-

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Iy ti scher Kohlenstoff ist, der zwischen 1 und 50 Ge\f.-% an carbidbildendem Element enthält, das als Legierung bzw. Legierungsanteil gleichmäßig in dem pyrolytischen Kohlenstoff dispergiert bzw. verteilt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Kohlenstoff eine Härte von wenigstens 200 DPH hat, gemessen durch den Standard-Diamant-Pyramiden-Härtetest unter Verwendung einer 50-g-Belastung.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß eine Metallhülse vorgesehen ist, welche sich kreisförmig um das mit Kohlenstoff beschichtete Graphitsubstrat erstreckt.
12. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form erst mit den beschichteten Teilchen gefüllt und dann zu den beschichteten Teilchen innerhalb der Form das Matrixmaterial, das sich verfestigen kann, zugefügt wird.

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