DE3100113A1 - Abriebbestaendiger metallgegenstand und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abriebbestaendiger metallgegenstand und verfahren zu seiner herstellung

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DE3100113A1 DE19813100113 DE3100113A DE3100113A1 DE 3100113 A1 DE3100113 A1 DE 3100113A1 DE 19813100113 DE19813100113 DE 19813100113 DE 3100113 A DE3100113 A DE 3100113A DE 3100113 A1 DE3100113 A1 DE 3100113A1
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Description

Albert-Rqeeheupter-Straeee 65_D 8000 Mönchen 70_Telefon (089) 7Θ05520 Telex 05-21228t palad Telegramme Knrnpatent Münc.hon
GOULD INC., 5. Januar 1981
10 Gould Center, GD-44
Rolling Meadows, Illinois 50008,
U. S. A.
Abriebbeständiger Metallgegenstand und Verfahren zu seiner
Herstellung
Beschreibung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen, erhöhte Abriebbeständigkeit aufweisenden Metallgegenstand. Insbesondere betrifft die Erfindung einen abriebbeständigen Metallgegenstand, an dessen Oberfläche abriebbeständipes Material gebunden ist, das eine Mischung aus Nickelaluminid in einer Kupfer-Basismatrix einschließt, ierner umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metallgegenstandes.
Es sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden, um die
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— O —
Abriebbeständigkeit von Metallgegenständen zu steigern. Zu solchen Maßnahmen gehören die Oberflächenhärtung des Metalls, etwa durch eine Nitrierhärtung; andere Vorschläge betreffen die Abscheidung eines Materials auf der Metalloberfläche, welches Material seinerseits eine höhere Abriebbeständigkeit aufweist. Für den letzteren Vorschlag sind wegen ihrer außergewöhnlichen Härte verschiedene Carbide und Nitride empfohlen worden.
Ein Material, das wegen seiner Härte und seines Kristallgefüges einen idealen Kandidaten für die Anbindung an einem Metallgegenstand zur Steigerung von dessen Abriebbeständigkeit darstellt, ist Nickelaluminid (NipAl-,). Beim Versuch, Nickelaluminid an metallische Unterlagen anzubinden, treten Jedoch zahlreiche Schwierigkeiten auf. Wenn das Aluminium aus dem Nickelaluminid in Kontakt mit Sauerstoff gelangt, dann bildet sich an der Oberfläche der betroffenen Teilchen eine inerte Schicht aus Aluminiumoxid, welche die .Anbindung dieser Teilchen an die Unterlage beeinträchtigt.
Die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Metallgegenstand bereitzustellen, an dessen Oberfläche ein abriebbeständiges Material, das Nickelaluminid einschließt, fest und dauerhaft gebunden ist.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallgegenstandes anzugeben,
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der eine Oberfläche mit abriebbeständigem Material aufweist, welches Material Nickelaluminid einschließt.
Weitere Aufgaben, Ziele und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und Ziele ist ein abriebbeständiger Metallgegenstand mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metallgegenstandes mit den in Anspruch 9 angegebenen Maßnahmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Unterlage, an welche eine abriebbeständige Schicht gebunden ist, welche Schicht Nickelaluminid in einer Kupfer-Basismatrix enthält; dieses Verfahren weist die nachstehenden Verfahrensschritte auf:
a) es wird eine metallische Unterlage bereitgestellt;
b) an einer Oberfläche dieser metallischen Unterlage wird eine Grenzschicht aus einem Metall befestigt, das seinerseits aus der Nickel, Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen umfassenden Gruppe ausgewählt wird ;
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c) auf der Oberfläche dieser Grenzschicht wird eine Schicht aus abriebbeständigem Material aufgebracht, das seinerseits eine Mischung aus Nickelaluminid und einer Kupfer-Basislegierung einschließt;
d) das so aufgebrachte abriebbeständige Material wird bei einer ausreichend hohen Temperatur gesintert, damit eine Bindung dieses abriebbeständigen Materials an die Unterlage auftritt;
e) der gesinterte Gegenstand wird ausreichend verdichtet, damit er nahezu seine theoretische Dichte annimmt; und
f) der Gegenstand wird erneut bei einer ausreichend hohen Temperatur gesintert, damit das abriebbeständige Material untereinander sowie an die Unterlage gebunden wird.
Nach dnem anderen Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung einen abriebbeständigen Metallgegenstand, welcher die nachstehenden Merkmale aufweist:
a) eine metallische Unterlage;
b) eine an einerOberfläche der metallischen Unterlage befestigte Grenzschicht aus einem Metall, nämlich Nickel, Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen ; und
c) eine, an die Oberfläche der Grenzschicht gebundene Schicht aus abriebbeständigem Material, das eine
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Mischung aus Nickelaluminid und einer Kupfer-Basislegierung einschließt.
Nachstehend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert.
Der erfindungsgemäße abriebbeständige Metallgegenstand kann in zahlreichen verschiedenen Formen vorliegen. Dieser Metallgegenstand kann beispielsweise als Vorprodukt oder als Fertigprodukt bestimmt sein; beispielhafte Fertigprodukte sind etwa tragende oder abgestützte Teile von Pumpen, wie etwa deren Kolben-Laufbuchsen, Abrieb- und Abstützplatten sowie andere bewegliche Teile. Der erfindungsgemäße abriebbeständige Metallgegenstand ist für solche Anwendungen beabsichtigt, wo ein Metall-Metall-Kontakt auftritt, und wo die üblichen Lagerlegierungen einem schnellen und außerordentlich starken Abrieb unterliegen. r
Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Metallgegenstandes dienende Unterlage besteht aus eisenhaltigem Metall, vorzugsweise aus Stahl. Diese Unterlage kann im wesentlichen in Jeder gewünschten Gestalt hergestellt werden.
Das Material der Grenzschicht kann irgendein Metall aus der nachstehenden Gruppe sein, die Nickel, Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen umfaßt. Sofern für die Grenzschicht Nickel oder eine Nickellegierung vorgesehen ist,
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wird dieses Material vorzugsweise an der Unterlage mittels einer üblichen galvanischen Abscheidung aufgebracht. In diesem Falle soll die Mindestschichtdicke der Schicht aus Nickel oder Nickellegierung wenigstens ungefähr 0,0127 mm betragen, damit eine gute Grenzschicht (barrier layer) erhalten wird. Sofern als Material für C e Grenzschicht Kupfer oder eine Kupferlegierung vorgesehen ist, werden diese an der Unterlage vorzugsweise durch Sinterung angebracht. In diesem Falle soll die Mindestschichtdicke der Grenzschicht ungefähr 0,05 mm betragen.
Das abriebbeständige Material ist vorzugsweise eine Mischung aus Nickelaluminid (NipAl,,)und einemKupfer-Basismetall bzw. einerKupfer-Basislegierung. In diesem Falle ist es wünschenswert, daß das Kupfer-Basismetall bzw. die Kupfer-Basislegierung zumindest mehr als 65 Gew.-% Kupfer enthält, während der Rest irgendein anderes Metall wie etwa Zinn und Zink sein kann, welches die Anbindung des abriebbeständigen Materials an die Unterlage über die Grenzschicht nicht beeinträchtigt. In der Praxis hat es sich als zweckmäßig erwiesen, der Mischung aus Nickelaluminid und dem Material der-Kupfer-Basislegierung Blei zuzusetzen, um eine Oberflächenschicht zu bilden, die sich leichter bearbeiten läßt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Anwesenheit von Blei lediglich wünschenswert ist, ohne für die Durchführung der vorliegenden Erfindung notwendig zu sein.
Bei der praktischen Erprobung der vorliegenden Erfindung
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ist festgestellt worden, daß ausgezeichnete Ergebnisse dann erhalten werden, wenn das zur Bildung des abriebbeständigen Materials bestimmte Nickelaluminid-Pulver vor der Sinterung eine Härte von ungefähr 820 bis 1030 DPH-Einheiten aufweist.
Das ebriebbeständige Material schließt vorzugsweise un-/--gefahr 2 bis ungefähr 20 Vol.-% Nickelaluminid ein, während der Rest aus der Kupfer-Basislegierung gebildet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das abriebbeständige Material aus ungefähr 2 bis ungefähr 20 Vol.-% Nickelaluminid, während der Rest aus einer bleihaltigen Bronze gebildet wird. In dieser Hinsicht hat sich ein bleihaltiges Bronzematerial als besonders zweckmäßig erwiesen, das aus ungefähr 89,5 Gew.-% Kupfer, ungefähr 8,5 Gew.-96 Zinn und ungefähr 2 Gew.-% Blei besteht. Sofern Bronze als Kupfer-Basismatrix-Material verwendet wird, soll vorzugsweise ein Material verwendet werden, das ungefähr 87 bis 98 Gew.-% Kupfer und ungefähr 2 bis 11 Gew.-% Zinn enthält.
Die nachstehenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung, ohne diese einzuschränken.
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Beispiel 1:
Es wurde ein Stahlband mit den Abmessungen 1,778 x 127 x 152 mm bereitgestellt. Auf der Oberfläche dieses Stahlbandes wurde eine 0,381 mm dicke Schicht aus Bronze (90% Kupfer, 10% Zinn) in i'orm eines vorlegierten Pulvers aufgebracht. Das Band wurde daraufhin unter einer reduzierenden .Atmosphäre ungefähr 2 bis 5 min lang bei einer Temperatur von ungefähr 8600C gesintert. Das auf diese Weiee gesinterte Band wurde daraufhin aus dem Ofen entnommen, abgekühlt und im erforderlichen Ausmaß gewalzt, um die Bronzeschicht bis nahezu an ihre theoretische Dichte zu verdichten. Daraufhin wurde auf dieser, auf der Stahlunterlage gebildeten Grenzschicht eine Schicht aus abriebbeständigem Material aufgebracht; dieses abriebbeständige Material bestand aus 5 Vol.-% Nickelaluminid, Rest eine bleihaltige Bronze der angenäherten Zusammensetzung 89,5% Kupfer, 8,2% Zinn und 2% Blei. Der danach erhaltene Aufbau wurde ungefähr 2 bis 5 min lang unter reduzierender Atmosphäre bei etwa 75O0C gesintert. Das Band wurde daraufhin unter reduzierender Atmosphäre abgekühlt und daraufhin im erförderlichen Ausmaß gewalzt, um die gesinterte Schicht bis nahtzu an ihre theoretische Dichte zu verdichten. Nach dem Walzen wurde der Gegenstand erneut ungefähr 6 bis 20 min lang unter einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 75O0C gesintert. Die Dauer dieser Sinterung wurde dahingehend festgelegt, daß sich das abriebbeständige Material
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untereinander verband, sowie über die Grenzschicht an die Unterlage gebunden wurde.
Beispiel 2:
Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 1 wiederholt; abweichend wurde das erhaltene Produkt erneut verdichtet und daraufhin ungefähr 15 bis 25 min lang unter einer reduzierenden Atmosphäre einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 73O0C ausgesetzt.
Beispiel 3:
Es wurde eine Stahlunterlage mit den Abmessungen 2,54- χ 127 χ 152 mm bereitgestellt. Auf einer Oberfläche dieses Stahlbandes wurde mittels üblicher galvanischer Abscheidung eine 0,0254- mm dicke Nickelschicht aufgebracht, um die Grenzschicht an dem Stahlband bzw. an der Unterlage zu bilden. Auf dieser Grenzschicht wurde daraufhin abriebbeständiges Material aufgebracht, das seinerseits aus 5 Vol.-% Nickelaluminid und als Rest einer bleihaltigen Bronze bestand, welche Bronze die angenäherte Zusammensetzung 89^5% Kupfer, 8,2% Zinn und 2% Blei aufwies. Der danach erhaltene Aufbau wurde ungefähr 2 bis 5 min lang unter einer reduzierenden Atmosphäre bei etwa 73O0C gesintert. Das Band wurde darauf-
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hin unter der reduzierenden Atmosphäre abgekühlt und daraufhin im ausreichenden Ausmaß gewalzt, um die Sinterschicht bis nahe an ihre theoretische Dichte zu verdichten. Nach dem Walzvorgang wurde der Gegenstand erneut ungefähr 15 bis 20 min lang unter einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 73O0C gesintert. Die Dauer dieser Sinterung wurde dahingehend festgelegt, daß sich das abriebbeständige Material untereinander verband, sowie über die Grenzschicht an das Substrat gebunden wurde.
Beispiel 4:
Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 3 wiederholt } abweichend wurde das erhaltene Produkt erneut verdichtet und daraufhin einer etwa 15 bis 25 min langen Wärmebehandlung unter einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 73O0C ausgesetzt.
Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten abriebbeständigen Metallgegenstände können zugeschnitten werden und mittels üblicher Maßnahmen in die Form des gewünschten Endproduktes gebracht werden. Um die Brauchbarkeit der erfindungsgemäßen Metallgegenstände zu demonstrieren, und den an einer Hydraulikpumpe bei hohem Druck auftretenden Metall-Metall-Kontakt zu simulieren, wurde eine übliche Abrieb-Prüfvorrichtung (das von der Seville LeVaIIy Corporation unter
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der Bezeichnung LWF-1 vertriebene Gerät) benutzt, und die Abriebbeständigkeit verschiedener erfindungsgemäß hergestellter Proben und anderer bekannter Proben (mit einer Mangan-Bronze-Oberfläche) verglichen. Das benutzte Prüfgerät schleift die Testproben gegen einen Ring aus hartem Stahl, wobei sich die Probe und der Stahlring in Hydrauliköl befinden. Bei diesen Untersuchungen wurden die nachstehenden Ergebnisse erhalten:
Material
mittlere Abrieb- Reibungsschrammenbreite nach koeffizient 5000 Durchgängen
Mangan-Bronze
CDA-673
5 YoI.-% Al3Ni2 in
bleihaltiger Bronze
10 Vol.-% Al5Ni2 in bleihaltiger Bronze
15 Vol.-% Al5Ni2 in bleihaltiger Bronze
2,514 mm
2,921 mm
2,74-3 mm
2,667 mm
0,133
0,136
0,113
0,113
Aus obigen Ergebnissen geht hervor, daß mit der vorliegenden Erfindung ein überlegener abriebbeständiger Gegenstand bereitgestellt worden ist, welcher in der Form verschiedener abriebbeständiger Gegenstände eingesetzt werden kann.
Wie dargelegt, ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert worden, Für Fachleute ist jedoch er-
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sichtlich, daß an diesen beschriebenen AuRführungsformen verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen, wie er mit dem Gegenstand der Patentansprüche und deren Äquivalente umrissen ist. Derartige Abweichungen und Modifizierungen sollen daher ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein.
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Claims (10)

TISCHER · KERN & BREHM Albert-Rosshauptor-StresBO 65 D 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 Telex 05-2^2284 pated Telegramme Kornpatent München GOULD INC., 5. Januar 1981 10 Gould Center, GD-44 Rolling Meadows, Illinois 60008, U. S. A. Abriebbeständiger Metallgegenstand und* Verfahren zu seiner Herstellung Patentansprüche:
1. Abriebbeständiger Metallgegenstand gekennzeichnet durch
a) eine metallische Unterlage;
b) eine an eine Oberfläche der Unterlage gebundene Grenzschicht aus Metall, nämlich aus Nickel, Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen; und
c) eine an die Oberfläche der Grenzschicht gebundene Schicht aus abriebbeständigem Material, das eine Mischung aus
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Nickelaluminid und einer Kupfer-Basislegierung einschließt.
2. Metallgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die metallische Unterlage aus Stahl besteht.
3. Metallgegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Grenzschicht aus Nickel und/oder Nickellegierungen besteht und eine Dicke größer als ungefähr 0,0127 nun aufweist.
4. Metallgegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Grenzschicht aus Kupfer und/oder Kupferlegierungen besteht und eine Dicke größer als ungefähr 0,05 nun aufweist.
5· Metallgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß
dos abriebbeständige Material ungefähr 2 bis 20 Vol.-% Nickelaluminid enthält und den restlichen Bestandteil die Kupfer-Basislegierung bildet.
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6. Metallgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß
die Kupfer-Basislegierung wenigstens 65% Kupfer enthält.
7. Metallgegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kupfer-Basislegierung eine Kupferbronze ist, vorzugsweise mit etwa 87 bis 98% Kupfer und etwa 2 bis 11% Zinn.
8. Metallgegenstand nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß
die Kupfer-Basislegierung zusätzlich eine kleine Menge Blei enthält und/oder gemeinsam mit Blei vorliegt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Metallgegenetandes nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet durch die Verfahiensschritte:
a) es wird eine metallische Unterlage bereitgestellt;
b) an einer Oberfläche der metallischen Unterlage wird
eine Grenzschicht aus einem Metall befestigt, das seinerseits aus der Nickel, Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen umfassenden Gruppe ausgewählt wird;
c) auf der Oberfläche der Grenzschicht wird eine Schicht aus abriebbeständigem Material aufgebracht, das eine Mischung aus Nickelaluminid und einer Kupfer-Basislegierung einschließt;
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d) es wird eine Sinterbehandlung bei einer ausreichend hohen Temperatur durchgeführt, damit das aufgebrachte abriebbeständige Material an die Unterlage gebunden wird;
e) die Sinterschicht wird bis nahe an ihre theoretische Dichte verdichtet; und
f) es wird eine erneute Finterung des Gegenstandes bei einer ausreichend hohen Temperatur durchgeführt, um das abriebbeständige Material untereinander zu binden sowie an die Unterlage zu binden.
10. Verfahren nach Anspruch 9i
dadurch Rekennzeichnet, daß
die Sinterung (Verfahrensschritt (d)) sowie die erneute Sinterung (Verfahrensschritt (f)) unter einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden.
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