DE2800758A1

DE2800758A1 - Verfahren zum ueberziehen der innenoberflaeche eines stahlrohrkoerpers mit einer reibungsvermindernden legierung

Info

Publication number: DE2800758A1
Application number: DE19782800758
Authority: DE
Inventors: Michel Laffin
Original assignee: COUSSINETS STE INDLE
Current assignee: COUSSINETS STE INDLE
Priority date: 1977-01-10
Filing date: 1978-01-09
Publication date: 1978-07-13
Also published as: IT1091835B; IT7819107A0; GB1569506A; FR2376975A1; DE2800758C3; DE2800758B2; FR2376975B1

Description

SOCIETE INDUSTRIELLE DES COUSSINETS, Paris, Frankreich

Verfahren zum Überziehen der Innenoberfläche eines Stahlrohrkörpers mit einer reibungsvermindernden

Legierung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überziehen der Innenoberlläche eines rohrförmigen Körpers aus gewöhnlichem oder legiertem Stahl mit einer reibungsvermindernden Metallegie rung.

Bei der Herstellung von Motoren und Pumpen von hydraulischen Gruppen, wo in den Zylindern Kolben gleiten, ist es erforderlich, daß die Inneribohrung der Zylinder gute Kontakteigenschaften aufweist, um die hin- und hergehende Gleitbewegung des Kolbens im Zylinder zu erleichtern. Um dies zu erreichen, kann der Zylinder aus einem massiven Material bestehen, das· gleichzeitig gute reibungsνermindernde Eigenschaften und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, wie es beispielsweise bei einer Kupferlegierung der Fall ist. Jedoch ergibt sich diese Lösung aus einem Kompromiß zwischen zwei verschiedenen und häufig widersprüchlichen Erfordernissen, was zu einem wenig befriedigenden Ergebnis führt. Man kann einen Körper

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aus Stahl verwenden, der durch Gießen mit einer reibungsvermindernden Legierung überzogen ist, doch hat dies allgemein einen erhöhten Preis zur Folge. Man kann ebenfalls mit Zwang einen zylindrischen Ring mit reibungsvermindernden Eigenschaften in das Innere des Stahlzylinders einschrumpfen. Um das Spiel zwischen den beiden Teilen, die Deformationen, die sich daraus ergeben könnten, und die Fluss igke its leckverluste unter Druck zwischenjiem Ring und seinem Sitz zu vermeiden, muß der Klemmdruck des Ringes im Zylinder über dem Stauchdruck liegen. Jedoch können die Beanspruchungen, denen der Ring aufgrund des starken Einklemmens unterworfen wird, zum Auftreten brüchiger Zonen im Ring führen, die seinen Bruch verursachen können.

Daher hat man bereits beschrieben, anstelle einer einfachen mechanischen Verbindung eine Bindung metallurgischer Art zwischen dem Zylinder und dem Ring zu erzeugen, so beschreibt die PR-PS 1 457 620 ein Verbindungsverfahren, gemäß dem man nach sorgfältigem Polieren und Reinigen der zu vereinenden Oberflächen in den Stahlzylinder einen Ring aus einer reibungsvermindernden Legierung mit wenigstens zwei Bestandteilen einschrumpft und das Ganze auf eine Temperatur zwischen den Schmelzpunkten der beiden Bestandteile derart erhitzt, um eine Diffusion des Bestandteils mit niedrigem Schmelzpunkt in den Stahl des Zylinders hervorzurufen. Mit einem Ring aus Bleibronze (8o % Cu - 10 # Sn - 10 % Pb) und einem Klemmdruck von etwa 140 kg/cm erhitzt man während wenigstens 1 1/2 h auf eine Temperatur im Bereich von 843 und 885 ⁰C, um so eine Diffusion des Kupfers im zeitweise flüssigen Zustand nahe der Grenzfläche in den Stahl des Zylinders bis in eine Tiefe von einigen /um zu bewirken.

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Für Zylinder von hydraulischen Hochdruckpumpen weist dieses Verfahren eine gewisse Zahl von Nachteilen auf. Einerseits ist es, damit die Diffusion des Kupfers erfolgt, stets notwendig, einen Klemmdruck zwischen dem Ring und dem Zylinder mit den Gefahren der Deformation und des Bruchs, die damit verbunden sind, anzuwenden. Andererseits hat der Ring infolge des teilweisen Schmelzens des Kupfers in der der Grenzfläche nahen Zone die Neigung, sich zu deformieren und porös zu werden, was seine mechanische Festigkeit beeinträchtigen kann.

Schließlich funktioniert dieses Verfahren mit Phosphorbronze (P > 0,05 %) nicht in befriedigender Weise, da sich dabei an der Grenzfläche eine Verbindung von sehr brüchigem Eisenphosphid bildet, und man muß daher kostspieligere Spezialbronzen wählen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese verschiedenen Nachteile auszuschalten und die Erzeugung einer metallurgischen Verbindung durch Diffusion zwischen einem Stahlzylinder und einem zylindrischen Ring aus reibungsverminderndem metallischen Material unter Verwendung unterschiedlicher und geläufiger reibungsvermindernder Materialien derart zu ermöglichen, daß die Reibungsqualitäten und die mechanische Festigkeit des Ringes nicht beeinträchtigt werden und man gegebenenfalls einen rundgebogenen, nicht geschweißten Ring verwenden kann.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zum Überziehen der zylindrischen Innenoberfläche eines rohrförmigen Körpers aus gewöhnlichem oder IegLertem Stahl mit einer reibungsvermindernden Metallegierung durch Einsetzen eines zylindrischen Ringes und Erhitzen zum Erzeugen einer metallurgischen Bindung zwischen einer bleihaltigen Kupferlegierung des Ringes und der Innenoberfläche,

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mit dem Kennzeichen, daß man a) den zylindrischen Ring aus der reibungsvermindernden Metallegierung mit etwas kleinerem Außendurchmesser als dem Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers herstellt, b) auf der Außenoberfläche des Ringes eine dünne und kompakte Bindeschicht aus einer phosphorfreien, 5 - 20 % Blei enthaltenden Kupferlegierung abscheidet, c) den mit Überzug versehenen Ring in das Innere des rohrförmigen Körpers mit einem Spiel unter 0,005 D einführt und d) die Einheit auf eine Temperatur im Bereich von 750 bis 840 ⁰C in wasserstoffreicher Atmosphäre wenigstens 15 min erhitzt.

Der zylindrische Ring kann aus irgendeinem reibungsvermindernden metallischen Material hergestellt werden, das die Abscheidung der Bindeschicht und den Durchgang im Ofen bei der Behandlungstemperatur ohne Schaden aushalten kann,

aus
beispielsweise/Bronzen mit oder ohne Blei einschließlich der eine gewisse Phosphormenge enthaltendenBronzen. Der Ring kann vielschichtig, z. B. aus Stahl mit einer Innenschicht aus reibungsverminderndem Metall sein. Dieser Ring kann durch Schleuderguß oder Strangguß erhalten und an seinem Innen- sowie Außendurchmesser bearbeitet werden. Man kann jedoch auch Ringe mit aneinanderstoßenden Rändern verwenden, die durch Zusammenbiegen eines aus einem Blech oder einem Band ausgeschnittenen BlechrohstUcks in der Presse erhalten werden. Diese Technik ermöglicht eine Verringerung der Herstellungskosten und eine Vermeidung der Rohstoffverluste bei gleichzeitiger Sicherung einer ausgezeichneten Abmessungsgenauigkeit.

Die Bindeschicht kann durch jede geeignete Maßnahme, beispielsweise durch Metallspritzen oder auf elektrolytischem Wege aufgebracht werden.

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Im Fall eines zusammengebogenen Ringes mit aneinanderstoßenden Kanten kann man die Bindeschicht auf dem Band abscheiden und den Ring aus diesem rniit Überzug versehenen Band herstellen, wobei sich der Überzug auf der Außenoberfläche befindet. Ein bequemes Verfahren zum Überziehen des Bandes besteht darin,auf diesem ein metallisches Pulver aus einer Bleilegierung aufzubringen und diese Schicht zu sintern.

Die für diese Bindeschicht verwendete Legierung ist eine Kupferlegierung mit einem Maximalgehalt an Phosphor unter 0,05 %, um die Bildung von brüchigem Eisenphosphid an der Grenzfläche mit dem Stahlzylinder bei der Diffusion zu vermeiden. Der Bleigehalt muß wenigstens 5 % betragen, damit die Diffusion ablaufen kann, und darf 20 % nicht übersteigen, da jenseits dieses Wertes die mechanische Festigkeit der Bindezone unzureichend sein könnte. Die abgeschiedene Schicht muß über 90 % der theoretischen Dichte kompakt sein, um eine Porosität zu vermeiden, die die Bindung schwächen würde.

Der Außendurchmesser des mit Überzug versehenen Ringes muß etwas geringer als der Innendurchmesser des Stahlzylinders sein, um ein Spiel von einigen hundertstel mm zu haben. Dieses Spiel muß das Einführen des überzogenen Ringes in das Innere des Zylinders zulassen, jedoch so gering, z. B. unter 0,005 D> bleiben, um den DiffusionsVorgang zuzulassen.

Man führt den Ring in den rohrförmigen zylindrischen Körper ein, dessen Innenoberfläche vorab genau bearbeitet und sorgfältig gereinigt ist. Man bringt das Ganze in einemBurehlaufofen auf eine Temperatur zwischen 75Ο und 840 ⁰C, vorzugsweise 800 bis 820 ⁰C, während wenigstens I5 Minuten in einer

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Wasserstoffatmosphäreoder einer einen erheblichen Wasserstoffanteil enthaltenden Atmosphäre. Die Rolle des Wasserstoffs ist die Begünstigung der Benetzbarkeit der Stahloberfläche durch das Blei im flüssigen Zustand.

Falls beispielsweise die Bindeschicht aus einer Bleibronze mit etwa 80 % Kupfer, 10 % Zinn und .10 % Blei besteht, hat man ab 320 ⁰C die Bildung einer flüssigen Bleiphase. Dagegen bleibt, solange eine Temperatur unter 840 ⁰C eingehalten wird, das Kupfer im festen Zustand, und es gibt keine Bildung der sogenannten " «C + Flüssig"-Phase, wie es im bekannten Verfahren nach der FR-PS 1 457 620 der Fall ist. Beispielsweise ist bei 820 ⁰C ein Anteil von 4 % Kupfer im flüssigen Blei löslich. Durch die Wirkung von Kapillarkräften gibt es ein Eindringen der Schmelze zwischen den Oberflächen des Stahlzylinders und der Bindeschicht, was eine Diffusion von im flüssigen Blei aufgelöstem Kupfer bis in eine Tiefe von einigen /um in der Oberfläche des Stahlzylinders ermöglicht. Dagegen ist das Blei im Kupfer nicht löslich, und die Menge an flüssigem Blei bleibt daher während der gesamten Dauer der Wärmebehandlung konstant. Nach einem Aufenthalt im Ofen von etwa 50 Minuten hat man im Stahl eine ausreichende Diffusion des Kupfers zur Sicherung einer geeigneten metallurgischen Bindung zwischen dem überzogenen Ring und dem Zylinder.

Beispiel:

Man stellt einen Überzug auf der Innenoberfläche eines Zylinders aus Stahl "CC 35" nach der Norm ¹¹AFNOR A 35-551" folgender Zusammensetzung her:

C = 0,35 £

Mn = 0,60 %

Si = 0,25 %

P χ 0,04 %

S -^ 0,04 %

Fe Rest,

dessen Bohrung einen Durchmesser von 20 + 0,005 mm aufweist.

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Man stellt einen zusammengebogenen zylindrischen Ring mit aneinanderstoßenden Kanten aus einem Zweischieht-Blechrohstück mit einem Träger aus Bronze und einer durch Aufsintern aufgetragenen Bindeschicht her.

Der Träger ist aus der Bronze "UE9P" nach der Norm "AFNOR A 53-012". folgender Zusammensetzung:

Cu	= 91
Sn	= 8,8
P	= 0,2.

Die Bindeschicht hat folgende Zusammensetzung:

Sn = 10,2 %

Pb = 10 %

P ^C 0 O3 et

Cu Rest.

Der mittlere Außendurchmesser des mit Überzug versehenen Ringes ist 19,96 + 0,03 mm, womit das Spiel so im Bereich von 0,01 und 0,08 mm einschließlich der Ovalisierungsfehler des Ringes liegt. Die Bindeschicht hat eine Dicke im Bereich von 0,15 bis 0,20 mm.

Man setzt den überzogenen Ring in das Innere des Zylinders ein und bringt das Ganze während 30 min in einer Atmosphäre von gekracktem Ammoniak (75 % H₂ - 25 % N₂) mit einem Durchsatz von 5 nr/h auf 820 ⁰C.

Man kühlt mit 100 ⁰C/h bis auf 400 °C ab.

Die mikroskopische Untersuchung läßt eine Diffusionszone mit einer gegenseitigen Durchdringung der Bestanflteile in einer Dicke von 2 yum erkennen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Überziehen der zylindrischen Innenoberfläche eines rohrförmigen Körpers aus gewöhnlichem oder legiertem Stahl mit einer reibungsvermindernden Metallegierung durch Einsetzen eines zylindrischen Ringes und Erhitzen zum Erzeugen einer metallurgischen Bindung zwischen einer bleihaltigen Kupferlegierung des Ringes und der ünenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) den zylindrischen Ring aus der reibungsvermindernden Metallegierung mit etwas kleinerem Außendurchmesser als dem Innendurchmesser (D) des rohrförmigen Körpers herstellt,

b) auf der Außenoberfläche des Ringes eine dünne und kompakte Bindeschicht aus einer phosphorfreien, 5 - 20 % Blei enthaltenden Kupferlegierung abscheidet,

c) den mit Überzug versehenen Ring in das Innere des rohrförmigen Körpers mit einem Spiel unter 0,005 D einführt und

d) die Einheit auf eine Temperatur im Bereich von 750 bis

840 ⁰C in wasserstoffreicher Atmosphäre wenigstens 15 min erhitzt.

2·. Verfahren·nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der reibungsvermindernde Ring aus einem von einem Blech oder Band ausgeschnittenen Rohstück mit aneinanderstoßenden Kanten gebogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bindeschicht auf den Ring durch Metallisieren mit einer Spritzpistole aufbringt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bindeschicht auf den Ring auf elektrolytischem Wege aufbringt.

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5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bindeschicht auf den Ring durch Aufsintern eines Metallpulvers aufbringt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß man den Ring aus Bronze herstellt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß man den Ring aus innen mit einer Schicht aus reibungsvermindernder Metallegierung überzogenem Stahl herstellt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet,daß man als Bindeschicht eine Schicht aus Bleibronze, vorzugsweise einer Zusammensetzung aus etwa 80 % Kupfer, 10 J^ Zinn und 10 % Blei herstellt.

9. Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 8 überzogenen Stahlrohrkörpers für Zylinder von hydraulischen Hochdruckpumpen.

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