DE2800758C3

DE2800758C3 - Verfahren zum Überziehen der Innenoberfläche eines Stahlrohrkörpers mit einer reibungsvermindernden Metallegierung

Info

Publication number: DE2800758C3
Application number: DE2800758A
Authority: DE
Inventors: Michel Annecy Laffin
Original assignee: INDUSTRIELLE DES COUSSINETS PARIS FR Ste
Current assignee: INDUSTRIELLE DES COUSSINETS PARIS FR Ste
Priority date: 1977-01-10
Filing date: 1978-01-09
Publication date: 1982-04-22
Also published as: FR2376975A1; IT7819107A0; DE2800758B2; FR2376975B1; DE2800758A1; IT1091835B; GB1569506A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überziehen der zylindrischen innenobrirfiäche 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 Innenoberfläche.

Bei der Herstellung von Motoren und Pumpen von hydraulischen Gruppen, wo in den Zylindern Kolben gleiten, ist es erforderlich, daß die Innenbohrung der

ίο 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 reibungsvermindernde Eigenschaften und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, wie es beispielsweise bei einer Kupferlegierung der Fall isL Jedoch ergibt sich diese Lösung aus einem Kompromiß zwischen zwei verschiedenen ι ..id häufig widersprüchlichen Erfordernissen, was zu einem wenig befriedigenden Ergebnis führt. Man kann einen Körper 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 Flüssigkeitsleckverluste unter Druck zwischen dem Ring und seinem Sitz zu

JO 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

J5 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 FR-PS 14 57 620 ein

ίο 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

⁴^ 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 (80 Gew.-% Cu-10 Gew-% Sn-10 Gew-% Pb) und einem Klemmdtick von etwa HOkg/crr.·' erhitzt man während wenigstens l'/?h auf ein^ Temperatur im Bereich von 843 und 885°C. um so eine Duffusior des Kupfers im zeitweise flüssigen Zustand nahf. der Grenzfläche in den Stahl des

^ Zylinders bis in eine Tiefe von einigen μπι zu bewirken.

Fur Zylinder von hydraulischen Hochdruckpumpen weist dieses Verfahren eine gewisse Zahl von Nachteilen auf Einerseils ist es, damit die Diffusion des Kupfers erfolgt, stets notwendig, einen Klemmdruck

so zwischen dem Ring und dem Zylinder mit den Gefahren der Deformation und des Bruchs, die damit verbunden sind, anzuwenden. Andererseils 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 Phos· phorbfönze (P > 0,05 Gew.-%) nicht in befriedigender

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Weise, da sich dabei an der Grenzfläche eine Verbindung von sehr brüchigem Eisenphosphid bildet, und man muß daher kostspieligere Spezialbronzen wählen.

Ähnlich dem Verfahren nach der FR-PS 14 57 620 beschreibt auch die DE-OS 15 27 596 ein Verfahren, bei dem ein Zylinder mit Bronze unter direkter Diffusion des Kupfers des Bronzeringes in den Stahlkörper ausgekleidet wird. Die Wärmebehandlung besteht aus einer Vorwärmung zwischen 677 und 732° C, einer Erwärmung von mindestens anderthalb Stunden zwischen 843 und 885° C und einer Kühlung von ungefähr zwei Stunden zwischen 649 und 732° C. Dabei treten die gleichen Nachteile wie nach der FR-PS 14 57 620 auf.

Andererseits ist aus der DE-PS 8 13 839 ein Verfahren zur Diffusionsverbindung eines Oberzugs aus einer Kupfer-Nickel-Legierung mit einem z. B. aus Stahl bestehenden Träger mittels einer Zwischenschicht aus Kupfer bekannt Dabei liegt die V erbindungs-Wärmebehandlungstemperatur zwischen den Schmelzpunkten des Kupfers und der Kupfer-Nickel-Legierung, d.h. über iG35^oC. Von reibungsvermindernden Legierungen ist in dieser DE-PS keine Rede, vielmehr geht es darin nur um die Korrosionsfestigkeit

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß die metallurgische Verbindung dur-h Diffusion zwischen dem Stahlzylinder und einem Ring aus der reibungsvermindernden Metallegierung unter Verwendung unterschiedlicher und geläufiger reibungsvermindernder Legierungen derart erreicht wird, daß die Reibungsqualiti'en und die mechanische Festigkeit des Ringes nicht beeinträrhtigt werden und man gegebenenfalls einen rundgebogenen, nicht geschweißten Ring verwenden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemätS dadurch gelöst, daß man

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

b) auf der Außenoberfläche des Ringes eine dünne und kompakte Bindeschicht aus einer weniger als 0,05 Gew.% Phosphor und 5-20 Gew.-% 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° C in wasserstoffreicher Atmosphäre wenigstens 15 min erhitzt.

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Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den I Inieransprüchen gekennzeichet.

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, beispielsweise aus Bronzen mit oder ohne Blei einschließlich der eine gewisse Phösphormenge enthaltenden Bföiizett, Der Ring kann vielschichtig, z. B, aus Stahl mit einer Jnnenschichl 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 Blechrohstücks 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.

Im Fall eines zusammengebogenen Ringes mit aneinanderstoßenden Kanten kann man die Bindeschicht auf dem Band abscheiden und den Ring aus diesem mit Oberzug versehenen Band herstellen, wobei sich der Überzug auf der Außenoberfläche befindet Ein beinernes 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 Gew.-%, urn die Büdung von brüchtigem Eisenphosphid an der Grenzfläche mit dem Stahlzylinder bei der Diffusion zu vermeiden. Der Bleigehalt muß wenigstens 5 Gew.-% betragen, damit die Diffusion ablaufen kann, und darf 20 Gew.-°/o nicht übersteigen, da jenseits dieses Wertes die mechanische Festigkeit der Bindezo-ie 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, d. h. unter 0,005 D, bleiben, um den Diffusionsvorgang zuzulassen.

Man führt den Ring in den rohrförmigen zylindrischen Körper ein, dessen InnenoberfW^e vorab genau bearbeiiei und sorgfältig gereinigt ist. Man bringt das Ganze in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur zwischen 750 und 840⁰C. vorzugsweise 800 bis 820⁰C. während wenigstens 15 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre oder 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 Gew.-% Kupfer, 10 Gew.% Zinn und 10 Gew.% Blei besteht, hat man ab 320"C die Bildung einer flüssigen Bleiphase. Dagegen bleibt, sola.ige eine Temperatur unter 840⁰C eingehalten wird, das Kupfer im festen Zustand, und es gibt keine Bildung der sogenannten »λ + Flüssig«Phase, wie es im bekannten Verfahren nach der FR PS 14 57 620 der Fall ist. Beispielsweise ist bei 820⁰C ein Anteil von 4 Gew.% Kupfer im flüssigen Blei !öslich. 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 μπι 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 30 Minuten hat man im Stahl eine ausreichende Diffusion des Kupfers zur

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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« her. Letzterer hat nach der Norm »AFNOR A 35-551« folgende Zusammensetzung:

C = Q,35Gew.-⁰/o
Mn = 0,60 Gew.-%

Si =

P <

S <

Fe

0,25 Gew.-%
0,04 Gevv.-%
0,04 Gew.-%
Rest, und die

Cu
Sn
P

91 Gew.-%
8,8 Gew.%
0,2 Gew.-%

Die Bindeschicht hat folgende Zusammensetzung:

Sn = 10,2Gew.-%
Pb = 10Gew.-%
P < 0,03 Gew.-%
Cu Rest

Bohrung des Zylinders weist einen Durchmesser von 20±0,005mmauf.

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

Der Träger ist aus der Bronze »UEtfP« nach der Norm »AFNOR A 53-012« folgender Zusammensetzung:

Der mittlere Außendurchmesser des mit Oberzug

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 VoL% H₂-25 VoL°/o N₂) mit einem Durchsatz von 5m³/hauf820°C.

Man kühlt mit 100°C/'h bis auf 4&0°C ab. Die mikroskopische Untersuchung läßt eine Diffusionszone mit einer gegenseitigen Durchdringung der Bestandteile in einer Dicke von 2 μπι erkennen.

Claims

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Patentansprüche:

t. 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 Innenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) den zylindrischen Ring, der zumindest teilweise aus der reibungsvermindernden Metallegierung besteht, 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 weniger als 0.05 Gew.-% Phosphor und 5-20 Gew.-°/o 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 840⁰C in wasserstoff reicher 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.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bindeschicht auf den Ring durch Aufsintern eines Metallpulvers aufbringt.
ti. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß man den Ring aus Bronze herstellt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dacurch gekennzeichnet, daß man den Ring aus innen mit einer Schicht aus reibungsvermindcrnder Meallegierung 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 Gew-% Kupfer. 10 Gew.% Zinn und lOGew % Blei herstellt.
9. Verwendung des nach einem der Ansprüche I bis 8 hergestellten überzogenen Stahlrohrkörpers für Zylinder von hydraulischen Hochdruckpumpen.