DE2949931C3

DE2949931C3 - Gleit- und Reibpaarung für Maschinenteile in der chemischen und Nahrungsmittel-Industrie sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE2949931C3
Application number: DE2949931A
Authority: DE
Inventors: Philip J. Cleveland Heights Ohio Andersen
Original assignee: Abex Corp
Current assignee: PepsiAmericas Inc
Priority date: 1978-12-13
Filing date: 1979-12-12
Publication date: 1981-12-03
Also published as: NL7906217A; DE2949931A1; NL174435B; GB2037325A; IT1128741B; US4216270A; JPS5579806A; IT7950506A0; FR2443895B1; CA1118616A; DE2949931B2; GB2037325B; BE879127A; JPS5752401B2; NL174435C; FR2443895A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleit- und Reibpaarung für Maschinenteile in der chemischen und Nahrungsmittel-Industrie aus wismuthaltigen Nickel-Chrom-Legierungen.

Bei der Herstellung von Maschinen für die chemische und Nahrungsmittel-Industrie ist es für miteinander in Gleit- oder Reibkontakt stehende Maschinenteile erforderlich, Materialzusammensetzungen anzuwenden, die zum einen gegenüber der Umgebung korrosionsfest sind und zum anderen verschleißfeste und insbesondere reibverschleißfeste Eigenschaften aufweisen. Von besonderer Wichtigkeit sind Maschinenteile, wie z. B. Pumpenlaufräder, Kolben, Buchsen oder Lagerschalen, bei welchen Teile.i außer der Reibung auch unzureichende Schmierungsverhältnisse bv ,tehen können und welche Teile sich in unmittelbarem Kontakt mit korrosiven Medien befinden, d. h. ei sm säurehaltigen Produkt, das gepumpt, gemischt, gefördert oder auf andere Weise gehandhabt wird. Diese Teile können sich auch in Kontakt mit einer Reinigungslösung oder einer anderen schädlichen Substanz befinden. Zusätzlich ist bei vielen sanitären Ausrüstungen, wie sie z. B. in der Meiereiindustrie anzutreffen sind, die Verwendung von Kupfer als Legierungselement nicht erlaubt. Die aufgezählten Forderungen begrenzen drastisch die verfügbare Materialauswahl für die fraglichen sanitären Anwendungen hinsichtlich der Korrosions- und Verschleißerscheinungen.

In der Praxis ist es allgemein üblich, für wenigstens ein Element in jeder Metallpaarung der vorgenannten Art eine austenitische rostfreie Stahllegierung zu verwenden, und zwar hinsichtlich der in großem Umfang vorhandenen Widerstandsfähigkeit dieser Legierung in bezug auf korrosive and sanitäre Erfordernisse und hinsichtlich der wirtschaftlichen Fertigung. Jedoch neigen austenitische rostfreie Stähle, wenn sie aneinander reiben oder gleiten, zu Reibverschleiß.

Zu der vorstehend angedeuteten Problemlage offenbart die US-PS 27 43 176 eine Wismut enthaltende Gußlegierung auf Nickelbasis, die jedoch einige Nachteile hinsichtlich der Gießfähigkeit aufgrund des weiten Erstarrungsbereiches und der Verdampfungstendenz des Wismuts aufweist. Andererseits erstarrt der Wismutzusatz, obwohl inhomogen, in Form einer komplexen Netzstruktur aus elementarem Wismut zusammen mit mehreren intermetallischen Phasen über eine peritektische Reaktion in dem Legierungssystem auf Nickelbasis. Dadurch wird eine außergewöhnliche Reibfestigkeit geschaffen, wenn die Legierung mit einem austenitischen rostfreien Stahl gepaart wird.

Aus einer Literaturstelle (Technische Mitteilungen, 60, März 1967, Seite 136) ist es bekannt, bei der Herstellung von Sinterwerkstoffen für Gleitlager und Formteile aus einer Chrom-Nickel-Legierung eine Dichte von 7,0 bis 7,2 g/cm³ zu erzielen. Aus einer anderen Literaturstelle (F. Eisenkclb, Die neuere Entwicklung der Pulvermetallurgie, 1955, Seiten 444 und 445) ist es bekannt, Sinterlegierungen zwecks Verbesserung der mechanischen Materialeigenschaf te a zu tränken, indem der Sinterkörper in die Tränkschmelze, evtl. unter Vakuumanwendung, eingetaucht wird. Aus diesen Fundstellen ergeben sich jedoch keine Anwendungshinweise der fraglichen Materialien in der chemischen und Nahrungsmittel-Industrie.

Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Gleit- und Reibpaarung aus wismuthaltigen Chrom-Nickel-Legierungen für Maschinenteile in der chemischen und Nahrungsmittel-Industrie, wobei die Legierungen korrosionsfest sind, sich giftneutral verhalten sowie insbesondere bezüglich der Reibung eine erhöhte Verschleißfestigkeit aufweisen.

Die Lösung der Aufgabe ist in dem Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Paarung sind die wünschenswerten Eigenschaften von rostfreiem Stahl mit verbesserten Oberflächenpaarungseigenschaften vereinigt. Eine solche Paarung ist korrosionsfest, verhält sich gegenüber aggressiven Medien völlig neutral und

jo weist eine erhöhte Verschleißfestigkeit auf, insbesondere hinsichtlich der Reibung. Das Paarungsmaterial weist einen großen Betrag an Wismut und wismutreicher Phasen in einer Matrix auf Eisenbasis auf, was bisher durch Gieß- oder Knetverfahren nicht erreicht wurde,

α und zwar wegen der begrenzten Wismutlöslichkeit sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand und der völlig unbefriedigenden Auswirkungen der mechanischen Eigenschaften. Die Basis aus rostfreiem Stahl ist nicht nur wirtschaftlich, sondern vermeidet auch

-to gegenseitige Löslichkeit mit Wismut. Demgemäß ist es möglich, die untereinander verbundene Porosität mit im wesentlichen reinem Wismut (oder einem Wismut-Zinn-Eutektikum) von wenigstens 5 Gew.-% auszufüllen, wodurch ein größerer Gehalt an Wismut erreicht wird

■»; und ohne daß eine Wismutsteigerung feststellbar ist.

Die erfindungsgemäße Gleit- und Reibpaarung kann vorzugsweise für Teile einer Rotationspumpe verwendet werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. I ein Schaubild zur Darstellung des Verschleißes über einer Teststrecke,

F i g. 2 eine Perspektivansicht von Pumpenteilen, bei

v. denen die Erfindung verwirklicht werden kann.

Beispiel I

Pulver aus rostfreiem Stahl vom austenitischen Typl8Cr-8Ni wurde gepreßt und anschließend bei

ho 1145⁰C während einer Zeit von 45 Minuten in einer dissoziierten Ammoniakatmosphäre gesintert mit dem Resultat einer Sinterdichte von 6,69 glcmK Das Material wurde dann unter Vakiiumdruck unter Anwendung der »nassen« Methode mit kommerziell reinem elementa-

h'i rem Wismut getränkt, el. h., daß ein Vakuum nach dem Eintauchen des gesinterten Materials in flüssiges Wismut gezogen, wurde, daß das Vakuum nach einer Zeitdauer aufgehoben und ein Druck während einer

zusätzlichen Dauer angewendet wurde, Zu Beginn des Vakuumzyklus befand sich das Wismutbad auf einer Temperatur von 593°C und wurde auf annähernd 316° C nach dem Druckzyklus abgekühlt, bevor das gesinterte Material entnommen wurde. Das Vakuum betrug 948 mbar für 20 Minuten, und der Oberdruck betrug 12,25 bar für 5 Minuten.

Beispiel 2

Es wurden Proben gemäß dem Beispiel 1 präpariert mit der Ausnahme, daß die Sinterdichte des rostfreien bzw. rostsicheren Stahlmaterials 6,88 g/cm³ betrug.

Beispiel 3

Es wurden Proben gemäß dem Beispiel 1 vorbereitet mit der Ausnahme, daß die Proben durch die nasse Methode mit einer eutektischen Wismut-Zinn-Zusammensetzung (58% Wismut, 42% Zinn) mittels Vakuumdruck getränkt wurden.

Beispiel 4

Es wurden Proben gemäß dem Beispiel 1 vorbereitet mit der Ausnahme, daß die Sinterdichte 6,67 g/cm³ betrug und daß die Sinterkörper auf nahezu Endabmessungen bearbeitet wurden, und zwar für einen zweiflügeligen Rotor einer sanitären Rotationsverdrängerpumpe, und ferner elektropoliert wurden, um von ihrer Oberfläche Glatt- oder Glanzeffekte aufgrund der vorangegangenen Bearbeitung zu entfernen. Es erfolgte dann die Tränkung nach der »nassen« Methode mit handelsüblichem reinem elementarem Wismut gemäß den Verfahrensparametern nach Beispiel 1. Schließlich wurden die Teile auf ihre Endabmessungen bearbeitet.

Beispiel 5

Es wurden Proben gemäß dem Beispiel 4 vorbereitet mit der Ausnahme, daß die Dichte der Sinterkörper 6,88 g/cm³ betrug, wie beim Beispiel 2.

Beispiel 6

Pulver aus rostfreiem Stahl vom austenitischen Typ 18 Cr-8 Ni wurde gepreßt und anschließend bei 1177° C für 45 Minuten im Vakuum gesintert mit dem Resultat einer Sinterdichte von 6,69 g/cm³. Das Material wurde dann mittels der »trockenen« Methode mit handelsüblichem reinem elementarem Wismut unter Vakuumdruck getränkt, d. h„ daß ein Vakuum auf das Material gezogen und dann flüssiges Wismut eingeführt wurde, daß das Teil getaucht wurde, während das Vakuum erhalten blieb, und daß schließlich das Vakuum aufgehoben und ein Druck aufgebaut wurde. Das Wismutbad wurde auf einer nahezu konstanten Temperatur von 454" C mittels Beheizung des Autoklaven gehalten. Das Vakuum betrug 948 mbar vor dem Einführen von Wismut und wurde sofort nach dem vollständigen Eintauchen des gesinterten Materials aufgehoben, wonach ein Oberdruck von 12,25 bar für 5 Minuten aufgebaut wurde.

Beispiel 7

Es wurden Probenteile gemäß dem Beispiel 6 vorbereitet mit der Ausnahme, daß die Sinterkörper auf nahezu Endabmessungen bearbeitet wurden, und zwar für einen zweiflügeligen Rotor einer sanitären Rotationsverdrängerpumpe. Die Körper wurden dann elektropoliert, um Glätteffekte aufgrund der vorangegangenen Bearbeitung von der Oberfläche αϊ entfernen, und ferner mit der »trockenen« Methode mit handelsüblichem reinem elementarem Wismut gemäß den Verfahrensparametern nach Beispiel 6 getränkt. Die Teile wurden dann auf Fertigabmessungen endbearbeitet.

Beispiel 8

Es wurden Proben gemäß dem Beispiel 5 präpariert, wonach die getränkten Teile auf Endabmessungen fertigbearbeitet wurden, und zwar für einen Flügelrotor für eine sanitäre Rotationsverdrängerpumpe.

Beispiel 9

Rotormuttern für eine sanitäre Rotationsverdrängerpumpe wurden gemäß dem Beispiel 7 präpariert.

_w B e i s ρ i e I 10

Rotormuttern für eine sanitäre Rotationsverdrängerpumpe wurden gemäß dem Beispiel 8 präpariert.

Der Imprägnierungsgrad bzw. -umfang für alle Beispiele ist in der folgenden Tabelle I zusammengefaßt.

Tabelle I	Probe	Tränk-Methode	Dichte	*Totale Porosität)**	Gefüllte Porosität
Beispiel		(»naß« oder »trocken«)	(g/cmV)	(Vol.%)	(% von total)
	Testmetall	naß	6,69	13,7	51
I	Testmetall	naß	6,8<>	11,2	39
2	Testmetall	naß	6,66	1*, I	54
3	Pumpenrotor	naß nach Grobbearbeitung und Elektropolieren	6,67	13,9	43
4	Pumpenrotor	naß nach Grobbearbeitung und Elektropolieren	6,88	l',2	26
5	Testmetall	trocken	6,69	13,0	86
6	Pumpenrotor	trocken nach Grob bearbeitung und Elektropolieren	6,76 (6,70)	12,8 (13,5)	66
7	Pumpenrot'jr	trocken, bearbeitet nach Tränkung	6,76	12,8	99
8

Fortsetzung

Beispiel Probe

Trank-Methode Dichte

(»naß« oder »trocken«) (g/cm¹)*)

Totale Porosität*) (Vol.·/,)

Gefüllte Porosität (% von total)

Rotormuttern trocken nach Grob- 6,79

bearbeitung und (6,70)

Elektropolieren

Rotormuttern trocken, bearbeitet 6,79

nach Tränkung 12,4
(13,5)

12,4

73

93

*) Zahlen in Klammern bedeuten Werte nach dem Elektropolieren.

% Porosität, die in diesen Beispielen ausgefüllt ist. basier! auf elcktropolierter Porosität und Dichte.

Die in der vorstehenden Tabelle enthaltenen Prozentwerte für die Porosität zeigen definitiv die erhöhten Tränkungspegel an unter Verwendung der trockenen Methode. Jedoch ist die Eindringtiefe von der Oberfläche schnell gesteuert durch die nasse Methode,

der Vakuumzykluszeiten. Die untereinander verbundene Oberflächenporosität ist durch beide Methoden in dieser Erfindung vollständig aufgefüllt, wodurch Dichte, porositätsfreie Teile für sanitäre Anwendungen vorhanden sind. Da der »nasse« Prozeß die Tränkung nur bis zu einer gewissen Tiefe von der Oberfläche erlaubt, kann dies zum Vorteil bei der Materialkonservierung angewendet werden, wenn die getränkten Teile sich in einer Gestalt befinden, die nahezu der endgültigen Form entspricht. Der »trockene« Prozeß andererseits wird mehr und schneller dazu dienen, den Sinterkörper über seinen gesamten Querschnitt zu tränken, wobei es jedoch möglich ist. daß das Verfahren durch Wählen der Vakuum- und Druckpegel sowie der Druckzyklusdauer geändert w erden kann, um die Eindringtiefe zu steuern.

Die Beispiele 7 bis IO offenbaren die an der Oberfläche auftretenden Glanz- oder Glätteffekte beim Bearbeiten poröser Oberflächen vor dem Tränken, weiche den Tränkungspegel der Wismutlegierung reduzieren, sogar wenn der Arbeitsgang des Elektropolieren angewendet worden ist. Tatsächlich zeigen nicht elektropolierte Proben keinerlei Eindringung im Bereich der Verfahrensparameter, auf die in den Beispielen Bezug genommen ist. Die wünschenswerteste Form der Tränkung entsteht in einem Sinterteil, obgleich eine gewisse verringerte Tränkwirkung entlang vertikaler Formwanderoberflächen entstehen kann, die während des mechanischen Pressens durch Eintritt des Preß- und Gesenkwerkzeuges geglättet sind. Ein Teil, das nahezu auf Endabmessungen gepreßt, im gesinterten Zustand getränkt und anschließend, falls erforderlich, mechanisch bearbeitet wird, um die geforderten Toleranzen zu erhalten, wie in den Beispielen 8 und 10 angedeutet. bilden eine bevorzugte Ausführungsform. Ein zusätzlicher Nutzen dieses Vorschlages, der durch diese bevorzugte Ausführungsform vollständig realisiert ist. besteht darin, daß die imprägnierung mit Wismutlegierungen die Bearbeitbarkeit, insbesondere die Maschinenbearbeitbarkeit. der Teile in starkem Umfang verbessert.

Aus der Tabelle 1 geht ebenfalls die Wirkung der Sinterdichte auf die gefüllte Porosität hervor. Bei zunehmender Dichte nimmt die Gesamtporosität in den Sinterteiien selbstverständlich ab: wichtig ist. daß der Prozentsatz der Gesamtporosität, die mit der Oberfläche verbunden ist. bei zunehmender isolierter Porositä; abnimmt. Der Prozentsatz der isolierten Porosität nimmt für die meisten handelsüblich verwendeten Pulver rostfreien Stahls und bei Erstverdichtungsdrükken. die für Dichten über etwa 95% der theoretisch möglichen Dichte (etwa 7,4 g/cm³) angewendet werden, stark zu. Somit verwendet die Erfindung in erster Linie Dichten von 95% oder weniger (5 bis 20% untereinanuCr VCruÜMuCriCr ι GrOSiiai uCi L/iCniCH VOn u.A uis 7.4 g/cm³), um die nicht mit der Oberfläche verbundene Porosität zu minimieren.

Das Schaubild nach Fig. 1 offenbart, wie der Dichtewert die Verschleißfestigkeit dieses Materials beeinflußt, wenn es in Reibkontakt mit austenitischen rostfreien Stählen steht. Die Schaubilddaten schlagen ein Material vor, in welchem die Sinterdichte an einem Punkt maximiert ist, wo die isolierte Porosität zuzunehmen beginnt. Die Verschleißdaten bei den Beispielen, in welchen die »nasse« Tränkmethode verwendet wurde, gelten für vollständig getränkte Bereiche des Testmetalls, d. h. r.icht fur Bereiche, die außerhalb der Eindringtiefe liegen.

In dem Schaubild sind ebenfalls Vergleichsdaten für andere Legierungen gezeigt, die für denselben Verwendungszweck gedacht sind, wobei klar hervorgeht, daß das vorgeschlagene Material eine deutliche Überlegenheit aufweist.

Die in dem Schaubild dargestellten Daten wurden dadurch erhalten, daß ein Laufstift bzw. eine Nadel in der Spur einer Platte aus rostfreiem Stahl vom 18 Cr-8 Ni-Typ gezogen wurde, wobei die Platte mit 100 Umdrehuneen Dro Minute in Wasser bei Raumtemperatur rotierte. Die Platte hatte einen Verschleißweg von 197 mm im Durchmesser, was einer Geschwindigkeit von 20 m pro Minute äquivalent war. Die auf den Stift bzw. die Nadel angewendete Kraft betrag 26 N.

Die Zusammensetzung und die Dictrie der Teststifte (Laufstift) entsprachen den Beispielen 1.2. 3 und 6.

Der Teststift CW 88 entsprach eiern US-Patent 27 43 176. Der Teststift AN 60 entsprach einer weiteren handelsüblichen Gußlegierung, die für den hier g^r.annten Verwendungszweck gedacht ist. Diese Teststifte setzen sich aus den folgenden Bestandteilen zusammen:

CW 88

AN 60

60 Mn Si Cr Mo Bi

65 Sn N Fe Ni 0.01
0,78
0.19
13,20
2.38
339
3,95

0,54
Rest

0.074 8.11 3.90 16.98

Rest

Die Rotoren und Rotormuttern, hergestellt nach den Beispielen 4, 5. 8. 9 und 10, wurden in Rotationsverdrängerpumpen dem Test in der Praxis unterworfen, und alle Testgegenst-inde zeigten eine zufriedenstellende Leistung, d. h.. es traten keine sichtbaren Zeichen von Reibverschleiß beim Reibkontakt mit anderen Pumpenteilen aus austenitischem rostfreiem Stahl auf. Der nach d^pm Beispiel 4 hergestellte Rotor arbeitete in einer Pumpe mit kleinen Toleranzen unter Testbedingungen bei maximal zulässigem Betriebsdruck während mehr als 94 Mill. Zyklen.

Mine typische Ausführungsform für die Paarung ist in [" i g. 2 gezeigt, in der eine Rotationsverdrängcrpumpe 10 für die Nahrungsmittelherstellung abgebildet ist. Der Stator 12 und die Deckelplattc 13 sind mis einem standardmäßigen rostfreien Stahl gegossen, die ihnen gegenüberliegenden Rotoren 14 und 16 sind gemäß Beispiel 8 oder anderen Beispielen zusammengesetzt.

Die Stiftschrauben 18 bestehen aus standardmäßigem rostfreiem Stahl, während die Flügelmuttern 20 zum Befestigen der Deckelplatte am Stator aus Sinterteilen gemäß der vorgeschlagenen Art bestehen. Der jeweilige Partner aus rostfreiem Stahl kann in einigen Fällen auch geschmiedet sein.

Der rostfreie Stahl muß nicht unbedingt vom Typ 18 Cr-8 Ni sein; andere Arten rostfreien Stahles können verwendet werden. Die Legierung kann mehr oder

in weniger Nickel enthalten, speziell für den Nahrungsmittel-Maschinenbau. Jedoch ist rostfreier Stahl besonders wirtschaftlich und hat sich in der Nahrungsmittelindustrie bewährt. Das einzutränkende Wismut kann mit einem anderen F.lcment legiert sein (insbesondere Zinn).

ί um die Trjnktemperaiiir über die eutektische Herabsetzung des Schmelzpunktes zu verringern und die Benetzbarkeit zu verbessern.

ICl. U 2 HIlItI

Claims

Patentansprüche:

1, Gleit- und Reibpaarung für Maschinenteile in der chemischen und Nahrungsmittel-Industrie aus wismuthaltigen Nickel-Chrom-Legierungen, d a durch gekennzeichnet, daß beide Teile aus rostfreiem Chrom-Nickel-Stahl bestehen, wobei ein Teil aus einem mit mindestens fünf Gew.-% Wismut oder einer wismutreichen Legierung getränkten und bearbeiteten Sinterstahl und der andere Teil aus Chrom-Nickel-Stahl im Gußzustand oder im gekneteten Zustand hergestellt ist.
2. Verwendung-der Gleit- und Reibpaarung nach Anspruch 1 für Teile einer Rotationspumpe.