DE3050427C2

DE3050427C2 -

Info

Publication number: DE3050427C2
Application number: DE3050427A
Authority: DE
Inventors: Valerij Ivanovic Moskau/Moskva Su Kostikov; Jurij Ivanovic Ljubertsij Moskovskaja Oblast' Su Koselev; Vasilij Dmitrievic Ljubercy Moskovskaja Oblast' Su Telegin; Aleksandr Afanas'evic Chomenko; Evgenij Fedorovic Moskau/Moskva Su Filimonov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-09
Filing date: 1980-06-09
Publication date: 1989-03-02
Also published as: DE3050427A1; FR2489450A1; WO1981003452A1; FR2489450B1; US4420539A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorbehandlung von Werkstücken auf Kohlenstoffgrundlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bekannt ist ein Verfahren zur Vorbehandlung von Antifrik tionsmaterial durch Tränken einer Kohlenstoffgrundlage mit geschmolzenem Kupfer und geschmolzenem Silber. Das Ver fahren besteht darin, daß man die Kohlenstoffgrundlage und Metalle in festem Zustand in eine elektrisch leitende Hülle einbringt und mittels Strom auf Schmelzpunkttemperatur der Metalle erhitzt (FR-PS 13 68 129).

Bei der Anwendung dieses Verfahrens ist es nicht immer mög lich, ein Antifriktionsmaterial mit einer gleichmäßigeren Durch tränkung der Kohlenstoffgrundlage zu erhalten, was sehr be deutende Unterschiede in seinen Eigenschaften nach dem Volumen mit sich bringt.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Vorbehandlung von Anti friktionsmaterialien durch Tränkung der Kohlenstoffgrundlage mit einer Dichte von 1,68 bis 1,79 g/cm³ mit Metallen oder de ren Legierungen mit Schmelzpunkten von 200 bis 1000°C in einem Autoklav unter dem Druck eines Inertgases (US-PS 36 19 430).

Die so erhaltenen Antifriktionsmaterialien weisen eine un genügend hohe Verschleißfestigkeit (Verschleißgeschwindigkeit 0,8 bis 1,0 µm/h) und Festigkeit (Druckfestigkeit 226 N/cm²) auf. Deshalb ist es nicht möglich, diese Mate rialien in Reibungsbaugruppen zu verwenden, die in flüssigen Medien mit Schleifbeimengungen sowie im Medium von Schütt gütern betrieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Ver fahren zur Vorbehandlung von Antifriktionsmaterialien, eine Kohlenstoffgrundlage und solche Bedingungen ihrer Behandlung bereit zu stellen, die Antifriktionsmaterialien mit erhöhten Festigkeitskennwerten und einer niedri gen Verschleißgeschwindigkeit zu erhalten gestatten.

Diese Aufgabe wird wie aus dem Patentanspruch er sichtlich gelöst.

Das Verfahren ermöglicht es, Antifrik tionsmaterialien mit erhöhten Festigkeitskennwerten (die Druckfestigkeit erreicht 422 N/cm²) und einer hohen Ver schleißfestigkeit (die Verschleißgeschwindigkeit beträgt 0,3 µm/h), zu erhalten, was es seinerseits gestattet, Anti friktionsmaterialien in Reibungsbaugruppen anzuwenden, die in flüssigen Medien mit Schleifbeimengungen und im Medium von Schüttgütern betrieben werden. Das Verfahren ist in technologischer und apparativer Gestaltung einfach, ist ex plosionssicher und hochleistungsfähig.

Alle technologischen Parameter lassen sich bei der Herstel lung der Antifriktionsmaterialien ohne weiteres und zuver lässig prüfen.

Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt.

Man verwendet als eingesetzte Kohlenstoffgrundlage zum Trän ken mit Metallen oder deren Legierungen silizierten Graphit. Zur Herstellung des silizierten Graphits können porige Koh lenstoffwerkstücke, gebrannt (höchstens 700 bis 1000°C) oder graphitiert (höchstens 2000 bis 3000°C), erhalten auf der Basis verschiedenartiger Kohlenstoffüllmittel und Bindemittel, in Frage kommen. Man kann beispielsweise porige Kohlenstoff werkstücke auf der Basis folgender Kohlenstoffüllmittel wie Erdöl- und Steinkohlenkoks, Kunst- und Naturgraphit, Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffaser, sowie auf der Basis beispielsweise folgender Bindemittel wie Stein kohlen- und Erdölpech, Phenolharze und andere duroplasti sche Kunstharze verwenden. Man verwendet als porige Kohlen stoffwerkstücke Werkstücke mit einem offenporigen Gefüge von 25 bis 50%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Werk stückes, und einer Porengröße von 30 bis 120 µm.

Die Herstellung der Kohlenstoffgrundlage, des silizierten Graphits, wird in bekannter Weise durch Erhitzen der Kohlenstoffwerkstücke mit einer Dichte von 0,80 bis 1,70 g/cm³ in einem Elektroofen im Medium von Inertgasen (Argon, Stickstoff, Helium) oder im Vakuum von 13,33 mbar bis 1,33 · 10^-1 mbar auf eine Temperatur von 1800 bis 2100°C und Tränken der erhitzten Kohlenstoffwerkstücke mit einer Siliziumschmelze innerhalb von 15 bis 30 Minuten durchge führt. Die mit Silizium durchtränkten Kohlenstoffwerkstücke (silizierter Graphit) entfernt man aus dem Ofen bei einer Temperatur von höchstens 800°C.

Die so erhaltene Kohlenstoffgrundlage unterwirft man einer thermischen Behandlung in elektrischen Vakuumöfen (Vakuum 1,33 · 10^-1 bis 1,33 · 10^-3 mbar) bei einer Temperatur von 1500 bis 2000°C innerhalb von 15 bis 60 Minuten.

Nach der thermischen Behandlung unterwirft man die Kohlen stoffgrundlage (silizierten Graphit) einer Tränkung mit Metallen oder deren Legierungen nach der bekannten Technologie im Vakuum oder im Medium von Inertgasen unter Druck. Man kann als Metalle beispielsweise Kupfer, Silber, Gold, Platin, Blei, Zinn, Zink, Antimon, Wismut und Indium ver wenden. Von den Legierungen verwendet man beispielsweise eine Legierung aus Antimon und Wismut, eine Legierung aus Eisen und Antimon, eine Legierung aus Blei und Zinn, Zinn- bzw. Bleilagermetalle, verschiedenartige Antifriktionsbronzen, beispielsweise auf der Basis von Kupfer und Blei, auf der Basis von Kupfer, Blei und Nickel.

Nach der Tränkung der Kohlenstoffgrundlage (des silizier ten Graphits) mit Metallen oder deren Legierungen wird die Kohlenstoffgrundlage mechanisch bearbeitet, wobei man ein Erzeugnis vorgegebener Größe erhält.

In allen Beispielen nimmt man eine Kohlenstoffgrundlage (silizierten Graphit) in Form eines Ringes mit folgenden Ab messungen:

⌀ äußerer= 60 mm, ⌀ innerer = 40 mm, h = 20 mm.

Die Festigkeits- und Verschleißfestigkeitsangaben der Anti friktionsmaterialien, erhalten gemäß den Beispielen und der US-PS 36 19 430, sind in der nach den Beispielen angeführten Tabelle aufgeführt.

Beispiel 1

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 5 Gew.-% aus Silizium, zu 55 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 40 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, erhitzt man auf 1500°C mit einer Geschwindigkeit von 50°C/min in einem Elektroofen unter Vakuum von 1,33 · 10^-1 mbar und läßt bei der genannten Temperatur innerhalb von 15 Minuten stehen. Dann bringt man in den Ofen einen Graphittiegel ein, in den der Ring und Kupfer eingebracht werden, erhitzt auf 1100°C unter Vakuum von 1,33 · 10^-1 mbar und läßt den Ring in der Kupfer schmelze bei der genannten Temperatur im Verlaufe von 5 Minuten stehen. Sodann senkt man die Temperatur auf 600°C und bringt den Ring aus dem Ofen aus.

Beispiel 2

Ein Antifriktionsmaterial erhält man analog dem Beispiel 1. Der Unterschied besteht darin, daß man einen Ring aus siliziertem Graphit folgender Zusammen setzung: Silizium 25 Gew.-%, Siliziumkarbid 25 Gew.-%, Kohlenstoff 50 Gew.-% verwendet. Die thermische Behand lung des Ringes führt man unter Vakuum von 1,33 · 10^-2 mbar bei 1800°C im Verlaufe von 35 Minuten durch.

Beispiel 3

Ein Antifriktionsmaterial erhält man analog dem Beispiel 1. Der Unterschied besteht darin, daß man einen Ring aus siliziertem Graphit folgender Zusammen setzung: Silizium 15 Gew.-%, Siliziumkarbid 42 Gew.-%, Kohlenstoff 43 Gew.-% verwendet. Die thermische Behand lung des Ringes führt man unter Vakuum von 1,33 · 10^-3 mbar bei 2000°C im Verlaufe von 60 Mi nuten durch.

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 10 Gew.-% aus Silizium, zu 48 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 52 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer thermischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-2 mbar bei 1700°C innerhalb von 40 Minuten, dann durchtränkt man mit Antifriktions bronze folgender Zusammensetzung: Blei 27-33 Gew.-%, Rest Kupfer. Die Tränkung wird analog dem Bei spiel 1 durchgeführt.

Beispiel 5

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 17 Gew.-% aus Silizium, zu 39 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 44 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer thermischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-1 mbar bei 1600°C innerhalb von 20 Minuten. Dann durchtränkt man den Ring mit einer Schmelze von Antimon mit Eisen (das Gewichtsverhältnis von Antimon zu Eisen beträgt 85 : 15) analog dem Beispiel 1.

Beispiel 6

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 23 Gew.-% aus Silizium, zu 29 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 48 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer thermischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-1 mbar bei 1900°C innerhalb von 25 Minuten. Dann durchtränkt man den Ring mit Babbittmetall folgender Zusammensetzung: Antimon 10 bis 12 Gew.-%, Kupfer 5,6 bis 6,5 Gew.-%, Zinn Rest. Die Durchtränkung führt man bei 500°C in Stickstoff medium unter Druck von 20 bar innerhalb von 15 Minuten durch. Nach dem Abkühlen des Ofens wird der Ring ausgeladen.

Beispiel 7

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 12 Gew.-% aus Silizium, zu 46 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 42 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer thermischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-2 mbar bei 1800°C innerhalb von 30 Minuten. Dann durchtränkt man den Ring mit einer Schmelze von Blei mit Zinn (das Gewichtsverhältnis von Blei zu Zinn beträgt 95 : 5) analog dem Beispiel 6.

Beispiel 8

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 21 Gew.-% aus Silizium, zu 38 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 46 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer thermischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-3 mbar bei 1800°C innerhalb von 30 Minuten. Dann durchtränkt man den Ring mit Antifriktions bronze folgender Zusammensetzung: Blei 57 bis 63 Gew.-%, Nickel 1,0 bis 6,6 Gew.-%, Kupfer Rest. Die Tränkung wird analog dem Beispiel 1 durchgeführt.

Beispiel 9

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 15 Gew.-% aus Silizium, zu 41 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 44 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer thermischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-1 mbar bei 2000°C innerhalb von 17 Minuten.

Dann durchtränkt man den Ring mit einer Silberschmelze bei 1100°C im Argonmedium unter einem Druck von 10 bar im Verlaufe von 15 Minuten.

Beispiel 10

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 7 Gew.-% aus Silizium, zu 49 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 44 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer thermischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-3 mbar bei 1500°C innerhalb von 40 Minuten. Dann durchtränkt man den Ring mit einer Goldschmelze analog dem Beispiel 9.

Beispiel 11

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 24 Gew.-% aus Silizium, zu 27 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 49 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer ther mischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-3 mbar bei 1750°C innerhalb von 50 Minuten. Dann durchtränkt man den Ring mit einer Aluminiumschmelze bei 700°C im Argonmedium unter einem Druck von 10 bar im Verlaufe von 15 Minuten.

Beispiel 12

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 15 Gew.-% aus Silizium, zu 42 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 43 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer ther mischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-2 mbar bei 1800°C innerhalb von 35 Minuten. Dann durchtränkt man den Ring mit einer Schmelze von Antimon mit Wismut (das Gewichtsverhältnis von Antimon zu Wismut beträgt 1 : 1) analog dem Beispiel 11.

Beispiel 13

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 18 Gew.-% aus Silizium, zu 37 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 45 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer ther mischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-1 mbar bei 1950°C innerhalb von 55 Minuten. Die anschließende Tränkung des Ringes mit einer Platinschmelze führt man bei 1600°C im Argon medium unter einem Druck von 10 bar im Verlaufe von 15 Minuten durch.

Beispiel 14

Einen Ring aus siliziertem Graphit, der zu 8 Gew.-% aus Silizium, zu 51 Gew.-% aus Siliziumkarbid und zu 41 Gew.-% aus Kohlenstoff besteht, unterwirft man einer thermischen Behandlung unter Vakuum von 1,33 · 10^-1 mbar bei 1550°C innerhalb von 27 Minuten. Dann durchtränkt man den Ring mit einer Indiumschmelze bei 350°C im Argonmedium unter einem Druck von 10 bar im Verlaufe von 15 Minuten.

Antifriktionsmaterialien, erhalten gemäß den Beispielen 1 bis 14 und nach der US-PS 36 19 430, wurden auf Verschleißfestigkeit und Druckfestigkeit geprüft. Die Prüfung auf Verschleißfestigkeit wurde bei einer Beanspruchung von 0,98 N/cm² mit einer Gleitgeschwindig keit an Stahl (HRC = 50 bis 55) von 0,5 m/s in Wasser, ent haltend Sand mit einer Teilchengröße von 40 bis 100 µm bei einer Konzentration desselben in Wasser von 50 g/l, durchgeführt. Die Temperatur der Prüfung betrug 50 bis 70°C. Die Verschleißfestigkeit wurde nach der Verschleißge schwindigkeit und dem Zustand der Arbeitsflächen der Kontaktierenden Reibungspaare bewertet.

Wie aus der nachstehend angeführten Tabelle hervor geht, läßt sich durch das vorgenannte Verfahren die Druckfestigkeit der Antifriktionsmaterialien um das 1,2 bis 2,0fache erhöhen und die Verschleißge schwindigkeit um das 1,6 bis 2,0fache gegenüber den ana logen Kennwerten eines Antifriktionsmaterials, erhalten nach dem Verfahren gemäß der US-PS 36 19 430, senken.

Darüber hinaus haben zusätzliche Prüfungen ergeben, daß das Antifriktionsmaterial, erhalten nach dem vorgenannten Verfahren, eine normale Ar beit eines Reibungspaars ohne Mitnahme und steile Stei gerung der Temperatur auch unter Bedingungen von Trocken- und Mischreibung, d. h. unter den Bedingungen bei der Inbetrieb setzung und Außerbetriebsetzung der Ausrüstungen, zuläßt. Auf den Arbeitsflächen des Antifriktionsmaterials, erhalten gemäß der US-PS 36 19 430, wird unter diesen Bedingungen eine Bildung tiefer Riefen und Grate nachgewiesen.

Tabelle

Claims

Verfahren zur Vorbehandlung von Werkstücken auf Kohlen stoffgrundlage, die nach Tränkung mit Metallen oder de ren Legierungen als Antifriktionserzeugnisse eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstücke aus siliziertem Graphit, der zu 5 bis 25 Gew.-% aus Silizium, zu 25 bis 55 Gew.-% aus Siliziumkarbid, Rest Kohlenstoff besteht, verwendet und diese vor der Trän kung einer thermischen Behandlung im Vakuum bei einem Druck von 1,33 · 10^-1 bis 1,33 · 10^-3 mbar und einer Tem peratur von 1500 bis 2000°C innerhalb eines Zeitraums von 15 bis 60 Minuten unterworfen werden.