DE2834315A1

DE2834315A1 - Verfahren zur herstellung von antifriktionserzeugnissen

Info

Publication number: DE2834315A1
Application number: DE19782834315
Authority: DE
Inventors: Valerij Ivanovitsch Kostikov
Original assignee: IVANOV VITALIJ ALEKSANDROVITSCH; TARABANOV ALEKSANDR STEPANOVITSCH; ZYKOV ANATOLIJ MICHAJLOVITSCH
Current assignee: IVANOV VITALIJ ALEKSANDROVITSCH; TARABANOV ALEKSANDR STEPANOVITSCH; ZYKOV ANATOLIJ MICHAJLOVITSCH
Priority date: 1977-08-10
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1979-03-22
Also published as: CH635809A5; CA1102185A; DE2834315C3; DE2834315B2

Description

Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON ANTIFRIKTIONSERZEUGNISSEN Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung und Bearbeitung von Baugruppen und Elementen von Reibung sätzen und insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen, die zum Beispiel auf der Grundlage von Kohlenstoffmaterialien hergestellt und als Dichtungsringe, Drucklager, Stützzapfen, Gleitlager für elektrische Bohrungspumpen und Apparaturen für die chemische Industrie, wie Zentrifugen, Pumpen zum Umpumpen von aggressiven Flüssigkeiten, zum Beispiel von Säuren, Petroleum, Erdöl, Ölen, Alkali- und Salzlösungen sowie Flüssigkeiten, die bei erhöhten Temperaturen in Kontakt mit aggressiven Medien betrieben werden, eingesetzt werden.
BereitS bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von ntifriktions erzeugnis sen, bei dem ein Kohlenstoffhalbzeug (zum Beispiel aus Graphit) mit Siliziumexiddämpfen bei einer Temperatur von 1600-200°C bearbeitet wird. Die Siliziumoxiddämpfe scheiden sich aus dem zerstäubten Siliziumoxid aus.
Das Reduktionsmedium und die hohe Temperatur fordern die Bildung von Siliziumdämpfen und ihr Zusammenwirken mit Graphit.
Hierdurch fällt Siliziumkarbid an, das beim Niederschlagen an der Graphitoberfläche eine Oberflächenschicht erzeugt (siehe biespielsweise französische POatentschrift Nr. 2006429).
Auf diese Weise erhält man einen Werkstoff, der sich aus Siliziumkarbid und Graphit zusammensetzt. Ein so leber YWerk stoff weist Jedoch eine fteihe wesentlicher Nachtoile auf, die vorwiegend darauf zurückzuführen sind, das Siliziumkarbid und Graphit unterschiedliche thermische Ausdehungskoeffizienten besitzen, was bei Temperaturänderungen die Rissebildung entweder im Graphit oder im Siliziumkarbid verursacht.
Deshalb neiqen die nach diesem Verfahren herqestellten Erzeugnisse beim Einsatz in aggressiven und Druckwasserschleifmedien zur Zerstörung , weil diese Medien in kisse eindrinSen.
Bekannt ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen (siehe beispielsweise die britische Patentschrift NrO 1394106). bei dem ein Kohlenstofffüllmittel und ein Bindemittel vermischt werden und das angefallene Gemisch bei einer Temperatur von 150-180°C bis zur Erzeugung eines Halbzeuges mit einer Dichte von 194 g/cm3 verpreßt wird. Hinterher wird des Hulbzeug auf 800-1000°C und dann auf 1700-2050oC erhitzt und bei der gleichen Temperatur mit schmelzflüssigem Silizium mit nachfolgender abkühlung imprägniert.
Die in diesem Verfahren hergestellten Antifrikdtionser zeugnisse weisen keine hohe Verschleißfestigkeitswerte. insbesondere in Druckwasserschleifmedien, sowie eine dickenmäßig ungleichmäßige Imprägnierung des Halbzeuges auf, was letzten Endes den Anteil ln brauchbaren Erzeugnissen vermindert.
Das Ziel dieser erfindung besteht in der Beseitigung der genannten Nachteile.
Der vorliegenden Erfindung liegt die rufgabe zugrunde, in Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen zu entwickeln, bei dem die Imprägnierung eines Kohlenstoffhalbzeuges mit schmelzflüssigem Silizium so erfolgt daß es möglich ist Kntifriktionserzeugnisse mit einer hohen Verschleißfestigkeit unter Bedingungen der Einwirkung von aggressiven und Druckwasserschl-ifmedien sowie mit einer dickenmäßig gleichmäßigen Imprägnierung des jeweiligen Halbes zeuges herzustellen, wasBseinerseits gestattet, den Anteil an brauchbaren Erzeugnissen zu erhöhen Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen, bestehend darin, daß man ein Kohlenstoffhalbzeug auf eine Temperatur von 1800-2200 C im Medium von Inertgasen beziehungsweise im Vakuum erhitzt und mit schmelzflüssigem Silizium imprägniert und dann abkühlt, erfindungsgemäß, als Koblenstoffhalbzeug ein poröses Kohlenstoffhalbzeug genommen wird und seine Im-Prägnierung mit schmelzflüssigem Silizium bei einer Tempeo ratur von 2100-2200 C während 3-5 Minuten und dann bei einer Temperatur von 1800-2050 C während 30-40 Minuten erfolgt.
bin solch s Verfahren zuIn Imprägnieren von porösem Kohlenstoffhalbzeug, zum Beispiel eines Graphithalbzeuges, mit schmelzflüssigem Silizium ermöglicht es, sowohl große als auch kleine Poren des jeweiligen Halbzeuges mit schmelzflüssigem Silizium auszufüllen, das hinterher bie einer Temperatur von 1800-2050°C und einer Haltezeit von 30-40 Minuten in Siliziumkarbid umgesetzt wird. Hierdurch gewinnt der Werkstoff des Erzeugnisses eine dichte Graphit-Karb id-Struktur mit einer gleichmäßigen Fhasenverteilung.
Erfindungsgemäß wird das mit schmelzflüssigem Silizium imprägnierte poröse Kohlenstoffhalbzeug, das eine Temperatur von 1800-2050°C aufweist, auf 900-800°C mit einer Geschwindigkeit von 30-40°C/min und dann auf 200-150°C mit einer Geschwindigkeit von 50-100°C/min abgekühlt.
In diesem Fall wird ein Übrsättigungseffekt der Lösung des festen Kohlenstoffs in Siliziumkarbid und die Der ringerung der Ätzbarkeit der übersättigten Siliziumlösung mit Kohlenstoff im Vergleich zu reinem Silizium erreicht, wobei bei Versuchen festgestellt wurde, daß lediglich bei den genannten Geschwindigkeiten der Kühlung der größte Wert der Verschleißfestigkeit von Erzeugnissen und der größte snteil von brauchbaren Erzeugnissen gesichert werden.
Vorzugsweise soll atts poröses Kohlenstoffhalbzeug ein Halbzeug mit offener Porosität von 25-50% und einer Porengröße von 30-120 µm genommen werden1 was zu einem gleichmäßigen Imprägnieren.des Halbzeuges mit schmelzflüssigem Silizium beiträgt und dadurch auch die Verschleißbestädigkeit und Festigkeit von Erzeugnissen verbessert.
Die Verw ndung eines Halbzeuges mit offener Porösität einer unter 25% und # Porengröße unter 30 µm kann nicht die Herstellung von Erzeugnissen mit im gesamten Volumen des jeweiligen Halbzeuges gleichmäßigen Eigenschaften gewährleisten, was die Ursache der Verringerung des Anteils an brauchbaren Erzeugnissen ist die Vergrößerun6 der offenen Porosität führt wiederum zur Herstellung von Erzeugnissen mit niedriger Festigkeit.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand der Beschreibung eines eingehenden Beispiels für die Ausführung des Verfahrens zur Herstellung von Antifriktionserzeugnissen erläutert.
Als Kohlenstoffhalbzeuge zum Imprägnieren können gebrante (bis 700-1000°C) und graphitisierte (bis 2000-3000°C) poröse Halbzeuge genommen werden, die auf der Grundlage ver schiedenartiger kohlenstoffhaltiger Füllstoffe und Bindemittel hergestellt werden, es können beispielsweise poröse Halbzeug auf der Grundlage folgender Füllstoffe: Erdöl und Steinkohlenkokss künstliche und iiaturgraphite oblenstoffgewebe und -fasern, Ruß sowie beispielsweise auf der Grundlage folgender Bindemittel: Kohlenstoff- und Erdölpech, Phenolw und andere duroplastische und thermoplastische Kunstharze genutzt werden. Wobei als poröse Kohlenstoffhalbzeuge Halbzeuge mit offener Porosität von 25-50% (von dem gesamten Halbzeusvolumen) und einer 2oreagröBe von 30-120 µm genutzt werden.
Ein Kohlenstoffhalbzeug wird auf eine Temperatur von 1800-2200°C im Medium von Inertgasen (Argon, Stickstoff, Helium) beziehungsweise im Vakuum, zum Beispiel 10 1 - 10-2 Torr, erhitzt und mit schmelzflüssiem Silizium imprägniert, wobei das Imprägnieren mit schmelzflüssigem Silizium zuerst bei einer Temperatur von 2100-22000C wahrend 3-5 Minuten und dann bei einer Temperatur von 1800-2050°c während 30-40 Minuten erfolgt. Danach beginnt man das Halbzeug abzukühlen, wobei die Abkühlung folgendermaßen geführt wird: das mit schmelzflüssigem Silizium imprägnierte Halbzeug mit einer Temperatur von 1800-2050 C kühlt man zuerst auf 900-800° C mit einer Geschwindigkeit von 30-40°C/min und dann auf 200-150°C mit einer Geschwindigkeit von 50-100 00/min ab.
Zur besseren Erläuterung der Erfindung werden nachstehend konkrete Beispiele ihrer Ausführung aufgeführt.
Beispiel 1.
Zehn kohlenstoffhaltige bis auf 900°C gebrannte Halbauge, zum Beispiel Dichtungsrings, auf der Grundlage von durchgeglühtem Koks und Steinkohlenpech mit offener Porosität von 25% und durchschnittlicher Porengröße von 40 0 wurden im Argonmedium auf 2200 C erhitzt und in einer Siliziumschmelze während 5 Minuten gehalten. Dann wurde die Tem-0 peratur auf 2050 C herabgesetzt und das Imprägnieren des Halbzeuges während 30 Minuten fortgesetzt. Hinterher wurden die imprägnierten Halbzeug mit einer Geschwindigkeit von 0 0 30 0/min auf 800 C und mit einer Geschwindigkeit von 60°C/min auf 15000 abgekühlt. Die Versuchsergebnisse sind den in der Tabelle nach/Beispielen aufgeführtO Beispiel 2 Fünf kohleiis soi fhaltige bis auf 1000 C gebrannte Halbzeuge für Stützzapfen einer Bohrungspumpe zum Umpumpen von Erdöl auf der Grundlage von durchgeglühtem Koks, Graphit und Steinkohlenpech mit offener Porösität von 30 und durchschnittlicher Porengröße von 50 µm wurden in Vakuum von 10-1 Torr auf 2100°C erhitzt und in einer Siliziumschmelze während 4 Minuten gehalten.Dann wurde die Temperatur auf 1900°C herabgesetzt und das Halbzeug während 35 Minuten dabei gehalten. ifinterher wurde das Halbzeug auf 850°C mit einer Geschwindigkeit von 3500/min und auf 20000 mit einer Geschwindigkeit von 700C/min abgekühlte Beispiel 3 Drei bis auf 2400°C graphitisierte Halbzeug für Gleitlager auf der Grundlage von durchglühtem Koks, Kohlenstofffasern und Steinkohlenpech mit offener Porösität von 35% und durchschnittlicher Porengröße von 60 µm wurden im Argonmedium auf 2150°C erhitzt und wahrtnd 3 Minuten in einer Siliziumschmelze gehalten. Dann wurde die Temperatur auf 1850°C herabgesetzt und das Halbzeug während 30 Minuten gehalten. Hinterer wurden die imprägnierten Halbzeug auf 900°C mit einer Geschwindigkeit von 40°C/min und dann auf 150°C mit einer Geschwindigkeit von 80°C/min abgekühlt.
Beispiel 4 Fünf bis auf 9000C gebrannte Halbzeug für Spurlager auf der Grundlage von Graphit und fhenolformaldehydharz mit offener Porösität von 40% und durchschnittlicher Porengröße voin 100 µm wurden auf 2100°C in Vakuum von 10-2 Torr erhitzt und in einer Siliziumschmelze während 5 Minuten gehalten. Dann wurde die Temperatur auf 1800°C herabgesetzt und das Halbzeug wahrend 30 minuten ge}alten. Hinterer wurden die imprägnierten Halbzeuge auf 8000C mit einer Geschwindigkeit 40°C/min und auf 200°C mit einer Geschwindigkeit von 100°C/min abgekühlt.
Beispiel 5 Zehn bis auf 2600°C graphitisierte Halbzeug für Dichtunbsringe auf der Grundlage von Erdölkoks, Ruß und Srdölpech mit Paraffinzusätzen mit offener Porösität von 50', und durchschnittlicher Porengröße von 120 µm wurden auf 2200°C im Argonmedium erhitzt und während 5 Minuten gehalten. Hinterher wurde die Temperatur auf 2000°C herabgesetzt und das Halbzeug während 30 Minuten gehalten. Dann wurden die imprägnierten Halbzeuge auf 9000C mit einer Geschwindigkeit von 3000/min und auf 1500C mit einer Geschwindigkeit von 1200C/min abgekUhlt.
In der Tabelle sind vergleichende Sigenschaften von Erzeugnissen angeführt, die nach dem erfindunqsqemäßen und dem bekannten Verfahren. hervestellt wurden.
Der anteil an brauchbaren Erzugnissen wurden einerseits visuell nach Vorhandensein von Kissen und nach der Gleich mäßigkeit der Imprägnierung und, andererseits, nach dem Werkstoffverschleiß ermittelt, (-lt, dessen Werte im erforderlichen der Bereich liegen sollen (wie in/Tabelle gezeigt).
Die Verschleißprüfungen wurden bei einer Beanspruchung 2 bis 10 kp/cm , bei einer Gleitgeschwindiskeit bis 15 m/sek, bei 2870 U/min, und bei einer Temperatur von +50 bis +700C durchgeführt, als Schmiermittel wurde Wasser mit einem Gehalt an Schleifteilchen bis 9,2 Gew.% genutzt.
Wie aus der Tabelle zu ersehen, erlaubt die anwendung der Erfindung: - denAnteil von brauchbaren Erzeugnissen auf das 1,3-1,8fache zu erhöhen, - die Verschleißfestigkeit auf das 2-4fache zu erhöhen, - die durchschnittlichen physikalisch-mechanischen Kenndaten um 20-50% zu verbessern, Vergleichende Eigenschaften von Erzeugnissen Tabelle Eigenschaften Dichte Druckfestig- Biegefestig- Reibungs- Verschleiß Antiel an g/cm³ keit keit zahl µm/h 10-3 brauchbaren kp/cm² kp/cm² Fertigerzeug nissen der nach erfindungsgemaßen Verfahren laut Beispiel 1-5 hergestellten ERzeugnisse 2,3-2,9 3000-7000 900-1300 0,03-0,05 4-7 70-100 Durchschnittlicher Wert 2,6 5000 1100 0,04 5,5 85 ## der nach bekannten Ver fahren hergestellten Erzeugnisse (nach Prototyp) 2,2-2,8 1300-4300 700-1100 0,04-0,08 12-23 40-70 Durchschnittlicher Wert 2,5 2800 900 0,06 18 55

Claims

PATENTANSPRUCHE 1. Verfahren zur Herstellung von Antifriktionserzeug nissen, bestehend darin, daß ein Kohlenstoffhalbzeug im Medium von Inertgasen beziehungsweise im Vakuum auf eine Temperatur von 1800-2200°C erhitzt und mit schmelzflüssigem Silizium imprägniert und danach abgekühlt wird, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Kohlenstoffhalbzeug ein poröses Kohlenstoffhalbzeug nimmt und seine Imprägnierung mit schmelzflüssigem Silizium zuerst bei einer '£emperatur von 2100-2200°C während 3-5 Minuten und dann bei einer Temperatur von 1800-2050°C während 30-40 Minuten durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das mit schmelzflüssigem Silizium imprägnierte poröse Kohlensto£fhalbzeug, das eine 'Pemperatur von 1800-2050°C aufweist, auf 900-800°C mit einer Geschwindigkeit von 30-40°C/min und dann auf eine Temperatur von 200-150°C mit einer Geschwindigkeit von 50-100°C/min abgekuhlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als poröses Kohlenstoffhalbzeug ein Halbzeug mit offener Porosität von 25-50% und einer Porengröße von 30-120ym verwendet wird.