DE2833936A1 - Kohlenstoffhaltiger koerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Kohlenstoffhaltiger koerper und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Kanagawaken
Japan
Kohlenstoffhaltiger Körper und Verfahren zu seiner
Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf kohlenstoffhaltige Körper
und insbesondere auf ein mechanisches Kohlenstoffrnaterial,
das sich zur Bildung von Lagern, Gesenkformen, Formen und elektrischen Leitern oder Bürsten o. dgl.
Teilen eignet, wo Beständigkeit gegenüber mechanischen
und thermischen Beanspruchungen wichtig ist.
Diese Teile wurden bisher gewöhnlich aus Kohlenstoff hergestellt 3 der geeignet ist, eine befriedigende mechanische
Festigkeit im Betrieb aufzuweisen. Kohlenstoffkörper,
die verwendet wurden, erweisen sich jedoch als nachteilig in ihren Schmierungseigenschaften und sind daher verbesserungsbedürftig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kohlenstoffhaltigen Körper zu entwickeln, der
nicht nur mechanisch fests sondern auch von ausgezeichneter
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Sohmierungseigenschaft und anderen ausgezeichneten
Eigenschaften einschließlich Verschleißwiderstand und Trennbarkeit von ihn im Betrieb berührenden Oberflächen
Gegenstand der Erfindung, worrit diese Aufgabe gelost
wird j ist ein kohlenstoffhaltiger Körper, mit dem Kennzeichen,
daß er aus einem Basisteil aus Kohlenstoff und wenigstens einem ausgewählten Oberflächenteil, der
iiiohr als der übrige Körper graphitiert ist, besteht.
Dieser oberflächliche Teil bzw. diese oberflächlichen Teile dienen zur Bildung einer Reibungs-, Lager- und/oder
Gesenkform- oder Formoberfläche.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl solcher oberflächlicher
Teile vorgesehen, die zur Bildung solcher Oberflächen eines Basiskörpers dienen, der im wesentlichen aus nichtgraphitiertem
oder turbostratischem Kohlenstoff besteht.
die
Der bzw./mehr graphitierten Teile sollten entsprechend einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung einen p-Wert im Bereich unter 0,6 und praktisch im Bereich zxvischen 0,3 und 0,6 aufweisen, der durch Röntgenbeugungsanalyse bestimmt und durch den Franklin-Ausdruck: d = 33hh0 - 0,086
Der bzw./mehr graphitierten Teile sollten entsprechend einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung einen p-Wert im Bereich unter 0,6 und praktisch im Bereich zxvischen 0,3 und 0,6 aufweisen, der durch Röntgenbeugungsanalyse bestimmt und durch den Franklin-Ausdruck: d = 33hh0 - 0,086
ο
(1 - ρ ) definiert ist, worin d der durch ein Röntgenbeugungsdiagramm erhaltene Durchschnittsschichtabstand des turbostratischen Kohlenstoffgefüges ist. Die Begriffe "p-Wert" und "Franklin-Ausdruck" sind in der Kohlenstofftechnik gut bekannt und beispielsweise von Takei und Kawashima "Atarashii Kogyo Zairyo no Kagaku" A-8 "Tansο to Kokuen Seihin (Carbon & Graphite Articles)"3 Kinbara Shuppan (1967) und in R. E. Franklin: Proc. Roy, "Soc", 2O9A, 196 (1951) beschrieben.
(1 - ρ ) definiert ist, worin d der durch ein Röntgenbeugungsdiagramm erhaltene Durchschnittsschichtabstand des turbostratischen Kohlenstoffgefüges ist. Die Begriffe "p-Wert" und "Franklin-Ausdruck" sind in der Kohlenstofftechnik gut bekannt und beispielsweise von Takei und Kawashima "Atarashii Kogyo Zairyo no Kagaku" A-8 "Tansο to Kokuen Seihin (Carbon & Graphite Articles)"3 Kinbara Shuppan (1967) und in R. E. Franklin: Proc. Roy, "Soc", 2O9A, 196 (1951) beschrieben.
909808/081$
Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden, darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Axialdrucklagers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht nach der Linie II-II
in der Blickrichtung des Pfeils in Fig. 1; und
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung einer Vorrichtung zur Herstellung
eines kohlenstoffhaltigen Verbundkörpers gemäß der Erfindung.
Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Axialdrucklager weist einen gemäß der Erfindung hergestellten Kohlenstoffkörper
auf, wobei der Körper einen nichtgraphitierten Basiskohlenstoffkörper la und eine Mehrzahl von oberflächlichen
Teilen Ib umfaßt, die vorteilhaft nach einem elektrischen Heizverfahren graphitiert sind, das im Zusammenhang mit
Fig. 3 beschrieben wird. Gemäß Fig. 3 besteht ein homogener Kohlenstoffkörper 2 aus einer gesinterten Kohlenstoffmasse,
aus der der zusammengesetzte Körper 1 gemäß der Erfindung mit der dargestellten Anordnung hergestellt wird. So
wird der gesinterte ungraphitierte oder Kohlenstoffkörper
auf einer Unterlage 3 gehalten, und ein Paar von zylindrischen Graphitelektroden 4a, 4b ist darauf mittels eines Isolierkopfs
5 unter einem Druck W gepreßt. Eine Stromquelle zum Speisen der Elektroden 4a, 4b weist nach einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung einen Gleichstromzweig 6, der aus einer Gleichstromquelle 7 und
einer Wechselstromsperrdrossel 8 besteht, und einen
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Wechselstromzweig 9 auf, der aus einer Wechselstromquelle
und einem Gleichstromsperrkondensator 11 besteht, wobei die beiden elektrischen Zweige parallel zueinander zwischen
den Elektroden 4a und 4b über einen Schalter 12 angeschlossen sind.
Anfänglich besteht der kohlenstoffhaltige Körper völlig aus einem nichtgraphitierten Kohlenstoffmaterial la, der
gemäß üblicher Praxis nach einem bekannten Pulvermetallurgie- oder Sinterverfahren aus einem üblichen
Kohlenstoffvormaterxal gefertigt sein dann, das aus Kohle, einem Petroleum- oder Pechkokssystem, das teilweise natürliches
oder künstliches Graphitpulver enthält, oder einem Rußssystem mit Kohleteer, Pech und/oder wärmehärtbarem
Harzzusatz als Bindemittel abgeleitet ist. Eine solche Vormaterialmischung kann mittels von Pormprozessen, wie
z. B. Kompressions- oder Fließpressen, bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur von 50 bis 100 0C unter einem
ρ
Druck von etwa 1500 kg/cm gepreßt werden, wobei auf das Pressen ein Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 1000 0C oder eine Kalzinierung zur Bildung des karbonisierten Körpers 2 gewünschter Gestalt und Größe entsprechend Fig. folgt.
Druck von etwa 1500 kg/cm gepreßt werden, wobei auf das Pressen ein Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 1000 0C oder eine Kalzinierung zur Bildung des karbonisierten Körpers 2 gewünschter Gestalt und Größe entsprechend Fig. folgt.
Kohlenstoff mit turbostratischem Gefüge ist hart
und fest, jedoch von Natur aus von geringer Schmierfähigkeit,
während graphitierter Kohlenstoff von ausgezeichneten Schmxereigenschaften und Wärme- und elektrischen Leitfähigkeiten,
jedoch von geringer mechanischer Festigkeit aufgrund seines geschichteten Gefüges ist. Außerdem erfordert
die Erzielung einer Graphitierung eine Hochtemperatur-
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-s-
wärmebehandlung oder ein sekundäres Brennen nach der Kalzinierung oder der ersten Wärmebehandlung des kohlenstoffhaltigen
Materials, wobei eine hohe Temperatur von etwa 2000 bis 3000 C und eine lange Behandlungszeitdauer
benötigt werden, so daß sich ein äußerst hoher Energieverbrauch ergibt. Dies führt in Verbindung mit verkürzter
Lebensdauer der verwendeten Gesenkformen oder Formen dazu, das Produkt unerwünscht teuer und die Volumenproduktivität
unpraktisch oder unwirtschaftlich zu machen.
Erfindungsgemäß werden die Probleme der herkömmlichen
aus Kohlenstoff bestehenden mechanischen Gegenstände dadurch überwunden, daß man anfangs einen kohlenstoffhaltigen
Körper herstellt, der im wesentlichen völlig aus Kohlenstoff besteht, indem man eine Niedrigtemperaturformung und
eine Kalzinierung vornimmt, und daß man anschließend bevorzugt vorausgewählte Oberflächenteile des Kohlenstoffkörpers
durch lokalisierte Wärmebehandlung, vorteilhaft nach einem Verfahren unter Verwendung einer in Fig. 3
gezeigten Anordnung, graphitiert.
Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird eine gesinterte Kohlenstoffmasse 2 auf der Unterlage 3 einer nicht gezeigten
Presse angeordnet, wobei sie zwischen der Oberseite der Unterlage 3 und den unteren Enden eines Paars
von Elektroden 4a, 4b eingefügt ist, die an dem Elektrodenhalter
oder Kopf 5 angebracht sind, wobei ein Druck W mit Hilfe einer solchen Presse einwirkt. Die unteren Enden
der Kompressions-Elektroden 4a, 4b werden in Kontakt mit der Masse 2 derart gebracht, daß sie diametral symmetrisch
zu deren Achse angeordnet sind.
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Beim Betrieb leitet man nach Schließen des Schalters
einen elektrischen Hochamperestrom hauptsächlich von der Hauptgleichstromquelle 7S der außerdem eine Hoehfrequenzkomponente
mit einer Frequenz von 1 bis 10 kHz oder mehr, jedoch nicht mehr als 10 MHz, von der Wechselstromquelle
enthält, durch die Masse 2 zwischen den Elektroden 4a und 4b, so daß eine elektrische Erhitzung zifischen den
die Masse 2 bildenden Teilchen bewirkt wird. Oberflächliche
Schichten der Masse 2 in der Nähe der Grenzflächen zwischen
der Masse 2 und den Elektroden 4a3 4b werden so selektiv
graphitiert oder wenigstens mehr als der übrige Teil des Kohlenstoffkörpers graphitiert, so daß die Teile Ib einen
p-Wert (wie er oben definiert x\rurde) von weniger als
0,6 oder praktisch im Bereich von 0,3 bis 0,6 aufweisen, während die restlichen Anteile la weiterhin einen p-Wert
über 0,6 oder 0,7 behalten. Durch Wiederholen dieses Zyklus unter Änderung der Kontaktellung.ider Elektroden 4a,
4b zur Masse 2 nacheinander werden mehrere örtlich graphitierte Zonen Ib nacheinander auf dem Körper 1 entsprechend
Fig.2 gebildet.
Da der kohlenstoffhaltige Körper 1, während er hauptsächlich aus turbostratischem Kohlenstoff besteht, mit
einer oder mehreren wirksamen, oberflächliche^selektiv
graphitierten oder hinsichtlich der Graphitierung verbesserten
Zonen versehen wird, erhält der Körper 1 ausgezeichnete Reibungseigensehaften, wie sie Graphit besitzt,
während er gleichzeitig eine mechanische Festigkeit des ursprünglichen Kohlenstoffs beibehält und damit die
befriedigende Verwendung für Lager, Gesenkformen, Formen, Leiter u.dgl. mechanische oder Kontaktgegenstände
ermöglicht.
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Besondere Stellen der Graphitierung sowie Fläche, Tiefe und Grad der Graphitierung derselben auf dem
Basiskohlenstoffkörper können variabel durch entsprechende Ausgestaltung der Elektroden 4a, ^b3 die
Stromatärke(Stromdichte) des Ausgangs der Stromquelle,
die relativen Anteile des Wechselstrcnbestandteils und des Gleichstrombestandteils der Stromquelle und andere
Betriebsparametex1 erreicht werden.
Ein kohlenstoffhaltiges Vormaterial enthältlals
seinen Hauptanteil 7 Teile thermischen Petroleumruß und 3 Teile Pechkoks und als Bindemittel 10 Gew. % Hochkohlenstoff
pech. Eine Hasse des Vornaterials wird kompaktiert, durch elektrisches Sintern mit einer elektrischen
Leistung von 8 W.h/g, einem Druck von <i50 kg/cm und einer
Sinterdauer von 90 s zur Bildung einer Probe B mit einem turbostratischen Kohlenstoffgefüge kalziniert. Ein
die Probe B darstellender kompaktierter Körper wird dann örtlich mit einer grundsätzlich in Fig. 3 dargestellten
Anordnung mittels einer elektrischen Leistung von 15 W.h/g (bei 7 Teilen Gleichstromkomponente und 3 Teilen
3 kHz-Wechselstromkomponente),/einem Druck von 350 kg/cm
und einer Behandlungsdauer von 100 s zur Bildung einer Probe C entsprechend Fig. 2 graphitiert, wovon die graphitierten
Zonen Ib einen p-Wert von 0,33 aufweisen. Die physikalischen Eigenschaften der Probe C werden untersucht
und mit solchen der Probe B verglichen, wobei auch Meßwerte einer Probe A ermittelt werden, die einen typischen
Graphitkörper darstellt, welche Ergebnisse in der Tabelle I
angegeben sind. Der erste Kalzinierschritt der Proben wird zweckmäßig mit der gleichen Anordnung wie beim örtlichen
Graphitierschritt durchgeführt,
| (kg/cm2) | Probe | A | Probe | B | Probe C i£ r ic (graphitäVbigo Zonen) |
80 | (50) | |
| Dichte (g/cm ) | 2 (kg/cm ) |
1, | 84 | 1, | 80 | 1. | (0,33) | |
| Biegefestigkeit | " 450 | 670 | 670 | |||||
| Druckfestigkeit | 1000 | 2100 | 2100 | |||||
| Härte (Hs) | 60 | 79 | 79 | |||||
| p-Wert | o, | 35 | 0, | 75 | ||||
Abriebversuche (Trockentyp) werden mit den Proben A, B und C mit einer anliegenden Oberfläche aus "FC25"-Material
(Gußeisen) durchgeführt, wobei die relative Bewegungsgeschwindigkeit 8m/s und der Kontaktdruck 5 kg/cm betragen,
Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle II angegeben.
| Prüf- teiiip. (0C) |
0 | Probe | A | Probe | U | k | B | 0 | Probe | C | so |
| 0 | /u | /Vm | I | ,24 | ^m | 0 | /u | Am | ,0 | ||
| 50 | 0 | ,17 | 1,4 | 0 | ,35 | 5 | 0 | ,18 | 1 | ,6 | |
| 150 | 0 | ,29 | 130 | 0 | ,51 | 8 | 0 | ,30 | 15 | ,5 | |
| 250 | ,13 | 44 | 0 | ,46 | 11 | ,17 | 12 | ||||
| 300 | ,14 | 22 | 0 | 10 | ,15 | •13 | |||||
,u: Reibungskoeffizient
4 m: AbriebU 10 7 cm3/kg>m)
4 m: AbriebU 10 7 cm3/kg>m)
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Man sieht, daß ein Körper, wenn er rein aus Graphit besteht, einen niedrigen Reibungskoeffizient aufweist, jedoch
sehr starken Abrieb in einem Temperaturbereich von 150 bis 250 0C erleidet. Andererseits erleidet ein nichtgraphitierter
turbostratischer Kohlenstoffkörper nur einen relativ geringen Abrieb, doch findet man, daß er aufgrund
eines hohen Reibungskoeffizienten zur Relativbewegung
einen großen Drehmomentbetrag erfordert. Im Gegensatz
zu diesen Proben zeigen jedoch die Körper gemäß der Erfindung einen ideal niedrigen Reibungskoeffizient
und Abrieb, so daß sie äußerst zufriedenstellend als mechanisches Lagermaterial sind.
Damit wird erfindungsgemäß ein verbesserter kohlenstoffhaltiger Körper zur Verfügung gestellt, der ausgezeichnet
hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Schmiereigenschaft ist und sich daher
hochgradig als mechanische Oberflächenbelastungsbauteile eignen und eine Volumenproduktivität mit verringerten
Kosten ermöglichen.
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Leerseite
Claims (1)
- Ansprüche■1. Kohlenstoffhaltiger Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Basisteil (la) aus Kohlenstoff und wenigstens einem ausgewählten Oberflächenteil (Ib), der mehr als der übrige Piörper graphitiert ist, besteht.2. Körper nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl solcher oberflächlicher Teile (Ib) vorgesehenist. -3' Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die mehr graphitierten Teile (Ib) einen p-Wert im Bereich von 033 bis 0,6 aufweisen,, der durch Röntgehbeugung bestimmt und im Ausdruck d = 3,440 - O,.O86 (1 - ρ ) definiert ist, worin d der durch ein Röntgenbeugungsdiagramm erhaltene Durchschnittsschichtabstand des turbostratischen Kohlenstoffgefüges ist.4. Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man(a) einen turbostratischen Kohlenstoffkörper herstellt und(b) einen elektrischen Hochamperestrom mindestens durchden bzw. die ausgewählten Teile zur bevorzugten Bewirkung dessen bzw. deren Graphitierung leitet.5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als elektrischen Strom einen Gleichstrom verwendet^ dem ein Hochfrequenzwechselstrom überlagert ist.58l-(A6ll)-TF109808/0816ORIGINAL INSPECTED
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
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| IT (1) | IT1106882B (de) |
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