DE3787645T2 - Gleitvorrichtung und Ventilanordnung. - Google Patents

Gleitvorrichtung und Ventilanordnung.

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DE3787645T2 DE87311367T DE3787645T DE3787645T2 DE 3787645 T2 DE3787645 T2 DE 3787645T2 DE 87311367 T DE87311367 T DE 87311367T DE 3787645 T DE3787645 T DE 3787645T DE 3787645 T2 DE3787645 T2 DE 3787645T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Gleitvorrichtungen und Ventilanordnungen, bei denen Keramikelemente verwendet werden, und metallische Gleitelemente zur Verwendung darin.
  • Da Gleitelemente, insbesondere Gleitelemente, die in Motoren und ähnlichen verwendet werden, auf hohe Temperaturen erwärmt werden und Reibung unter Hochgeschwindigkeitsdrehung standhalten müssen, sind metallische Materialien, die hohen Temperaturen standhalten, beispielsweise hitzebestandige Legierungen usw., früher unter Einsatz eines flüssigen Schmiermittels wie Öl als ein Zwischenstoff verwendet worden.
  • Jedoch sind die für Gleitelemente erforderlichen Einsatzbedingungen Jahr Tür fahr härter geworden, und es besteht ein bedarf zum Betrieb derartiger Gleitelemente ohne die Verwendung eines flüssigen Schmiermittels. Metallische Materialien haben insofern einen Nachteil, als sie den Einsatztemperaturen der der Reibung möglicherweise nicht standhalten und in einem kurzen Zyklus ausgetauscht werden müssen.
  • Unter diesen Umständen ist es in Betracht gezogen worden, Keramikmaterialien als Gleitelemente zu verwenden. Keramikmaterialien halten zwar hohen Temperaturen stand und weisen hohe Verschleißfestigkeit auf, sind aber ungünstig spröde. Es können aber nicht alle Keramikmaterialien für diesen Zweck eingesetzt werden. Die Reibungskoeffizienten zwischen Keramikmaterialien und metallischen Materialien in einer trockenen Atmosphäre bei hoher Temperatur liegen im allgemeinen in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,6, was im Vergleich zu einem Reibungskoeffizienten von 0,1 bis 0,2, der für in Motoren usw. verwendete Gleitelemente erforderlich ist, wesentlich höher ist.
  • Um das genannte Problem auszuschalten, offenbart NGK Insulators, Ltd. in der japanischen Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 62-13.820 (= EP-A-0208554) eine Gleitanordnung, die ein Keramikelement und ein metallisches Element umfaßt, bei dem eine Gleitfläche mit einer Mischung aus LiF und Cu beschichtet ist.
  • Jedoch kann die in der Japanischen Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 62-13,820 geoffenbarte Gleitanordnung zwar hervorragende Gleitleistung erreichen, ihr Reibungskoeffizient liegt aber um 0,4. Des weiteren ist der Verschleiß eines Berührungselements während des Gleitens hoch. Daher bietet eine derartige Gleitanordnung keine ausreichende Gleitleistung wie in Motoren oder ähnlichem. Die grundlegende DE-A-2131509 offenbart eine Gleitanordnung, die ein metallisches Element und ein Keramikelement umfaßt. Die Gleitfläche des metallischen Elements ist mit einer Mischung aus einem Schmiermittel und einem Metall beschichtet, das bei Arbeitstemperatur oxidiert. Dieser Überzug kann bei hohen Temperaturen verwendet werden. Die Schmiermittel sind CaF&sub2;, BaF&sub2;, LiF, NaF, MoS&sub2; und Wolframselenid. Die Metalle sind Ni, Cu und Co.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Probleme auszuschalten und eine Gleitanordnung zu schaffen, die zur Verwendung in Motoren oder ähnlichem geeignet ist, wobei die genannte Gleitanordnung einen niedrigen Reibungskoeffizienten und ein geringeres Verschleißausmaß aufweist.
  • Die Gleitanordnung gemäß vorliegender Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt. Die Erfindung schafft auch ein metallisches Gleitelement wie in Anspruch 8 dargelegt. Die Erfindung schafft weiters eine Ventilanordnung wie in Anspruch 7 dargelegt. Der Gehalt an festem Schmiermittel in der Mischung beträgt wünschenswert 25 75 Gew.-%.
  • Um die Mischung aus dem festen Schmiermittel und dem Bindemittel auf die Gleitfläche des metallischen Elements aufzutragen, kann geeigneterweise z. B. Flammspritzen, einschließlich Plasmaspritzen, eingesetzt werden.
  • Um die Erfindung besser verstehen zu können, wird auf die bei liegenden Zeichnungen bezuggenommen, worin:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Testgeräts ist, das zum Messen der Gleitleistungen der Gleitanordnungen gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird; und
  • die Fig. 2 bis 6 schematische Ansichten spezieller Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, d. h. die Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 ein Ventilstößel-eine Nocke, einen Kipphebel-eine Nocke, ein Ventilelement- ein Ventilsitz, eine Zylinderbüchse-einen Kolbenring bzw. ein Kugel- bzw. Wälzlager darstellen.
  • In Anbetracht der Tatsache, daß ein Keramikelement einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen muß und ein Verschleißausmaß während des Gleitens zwischen dem Keramikelement und einem metallischen Element, das mit einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel beschichtet ist, gering sein muß, können als Keramikmaterial, aus dem das Keramikelement besteht, vorzugsweise z. B. Siliziumnitrid, Sialon, Mullit, teilweise stabilisierte Zirkonerde oder Siliziumkarbid verwendet werden.
  • Andererseits ist mit dem in vorliegender Beschreibung verwendeten Begriff "festes Schmiermittel" (Festschmierstoff) eine Substanz gemeint, die im festen Zustand Schmierwirkung aufweist, und umfaßt LiF und PbO. Des weiteren bezeichnet das Bindemittel eine Substanz, die das feste Schmiermittel an der Gleitfläche des zumindest die Gleitfläche umfassenden metallischen Elements fixieren kann, und umfaßt MoO&sub3; und Cu, sowie Ni-Cr-Mo-Si und Co-Mo-Cr-Si wie definiert.
  • Die obengenannten Keramikmaterialien weisen hohe Festigkeit, Wärmeschockbeständigkeit und hohe Oxidationsbeständigkeit auf und besitzen bevorzugte Eigenschaften als Gleitelement zur Verwendung in einer trockenen Atmosphäre bei hoher Temperatur. In den DE-A-2131509 und 2041282 wird ein Teil der Kombinationen aus den hierin geoffenbarten festen Schmiermitteln und Bindemitteln als ein Dichtmaterial an einer Gleitgrenzfläche zwischen einem Keramikregenerator und einem metallischen Element in einer Gasturbine beschrieben. Während es notwendig ist, daß die als Regeneratoren verwendeten Keramikmaterialien einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist keine so hohe Festigkeit erforderlich. Daher werden im allgemeinen poröse Keramikmaterialien wie Kordierit verwendet. In dieser Hinsicht unterscheiden sich die obigen DE-A-Veröffentlichungen von der vorliegenden Erfindung bezüglich dem Ziel und der Arten von verwendeten Keramikmaterialien.
  • Die vorliegende Erfindung ist wie oben erwähnt definiert und basiert auf einer neuen Entdeckung, daß, wenn das Keramikmaterial aus bereits bekanntem Siliziumnitrid, Sialon, teilweise stabilisierter Zirkonerde, Siliziumkarbid oder ähnlichem gegenüber einem metallischen Element gleitet, das eine Gleitfläche aufweist, die mit einer Mischung aus einem bestimmten festen Schmiermittel und einem bestimmten Bindemittel beschichtet ist, der Reibungskoeffizient niedrig ist und das Verschleißausmaß gering ist. Als das metallische Element kann ein geeignetes Metall für das gewünschte Gleitelement verwendet werden.
  • Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen erklärt.
  • Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Testgerät darstellt, das zum Messen von Gleitleistungen wie Verschleiß von Gleitanordnungen gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird. Eines der Teststücke, ein Keramikelement, wurde als eine Walze mit einem Durchmesser von 50 mm in das Testgerät gegeben. Die Keramikwalze 1 wurde mit 1.000 UpM durch eine nicht gezeigte Antriebseinheit gedreht. Andererseits wurde ein Gegen-Gleitelement 2 als das andere Teststück, das aus einem Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl oder ähnlichem bestand, in eine Form von 40 mm · 6,33 mm · 3 mm gebracht und wurde auf einen Arm 3 aufgesetzt, so daß es die Walze 1 wie in Fig. 1 gezeigt berührte. Ein Ende des Arms 3 war über ein Lager 5 und eine Feder 6 an einem Stützelement 4 befestigt. Das Stützelement 4 war so konstruiert, daß es an einem Angelzapfenbefestigungselement 7 gelenkig aufgehängt war. Innerhalb des Stützelements 4 berührt die Spitze des Arms 3 eine Nocke 9, die mit einer Antriebseinheit 8 verbunden ist, die sich mit einer Geschwindigkeit von 3 UpM dreht. Der Arm wird von der Nocke in Zusammenarbeit mit dem Lager 5 und der Feder 6 dreimal pro Minute mit einem Hub von 12 mm hin- und herbewegt. Eine Kraft von 20 N wurde nach unten auf das andere Ende des Arms 3 ausgeübt, so daß die Keramikwalze 1 und das Gegenelement 2 einander unter einer konstanten Belastung berühren. Die Keramikwalze 1 und das Gegenelement 2 wurden in einen Heizofen 10 eingeschlossen, der Testen bei hoher Temperatur ermöglichte.
  • Eine Reibungskraft während des Gleitens wurde durch einen (nicht gezeigten) Drehmomentmesser gemessen, der an der (nicht gezeigten) Welle befestigt war, die an der Walze 1 angebracht war, und ein Reibungskoeffizient wurde aufgrund der Reibungskraft und der Belastung bestimmt. Eine Veränderung des Gewichts der Walze vor und nach dem Testen wurde mit einer Waage mit einer Präzision von 0,0001 g gemessen. Eine Veränderung der Dicke des Gegenelements am Gleitabschnitt vor und nach dem Testen wurde als die Verschleißtiefe des Gegenelements mit einer Präzision von 1 um unter Verwendung eines Mikrometers gemessen.
  • Im folgenden werden Beispiele der Gleitanordnungen gemäß vorliegender Erfindung erklärt. Diese Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und sollten nicht als deren Schutzumfang einschränkend interpretiert werden.
    • Beispiel 1:
  • Unter Verwendung des obengenannten Testgeräts wurden Gleittests zwischen einer Walze aus Siliziumnitrid und einem metallischen Element durchgeführt, das mit einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel beschichtet war, während die Arten des festen Schmiermittels und des Bindemittels variiert wurden. Ein Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl wurde als das Gegen-Gleitelement verwendet, und Ausnehmungen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 380 um und einer durchschnittlichen Tiefe von 75 um wurden durch Atzen auf der gesamten zu beschichtenden Oberfläche des Gegen-Gleitelements gebildet.
  • Nachdem das in Tabelle 1 gezeigte feste Schmiermittel und Bindemittel durch Flammspritzen auf das Gegen-Gleitelement aufgetragen worden waren, wurde die aufgetragene Schicht auf eine Dicke von 25 um geschliffen und poliert.
  • Der Gleittest wurde bei einer Temperatur von 540ºC in trockenem Zustand durchgeführt. Als ein herkömmliches Beispiel wurde ein Gleittest unter den gleichen Bedingungen unter Verwendung eines in der japanischen Patentanmeldung
  • Offenlegungs-Nr. 62-13,820 geoffenbarten, mit Cu-LiF beschichteten Gegen-Gleitelements durchgeführt. Die Ergebnisse werden in Tabelle l gezeigt. In Tabelle 1 gibt ein positiver Wert der "Veränderung des Walzengewichts" an, daß eine Schmierschicht auf der Walze durch das darauf übertragene Metall ausgebildet wurde und daß ein Reibungskoeffizient niedrig war. Im Gegensatz dazu geben negative Werte an, daß die Walze in einem größeren Ausmaß als der metallübertragenen Menge abgenutzt wurde. Tabelle 1 Nr. festes Schmiermittel Bindemittel Mischungsverhältnis zwischen festem Schmiermittel und Bindemittel Verschleißtiefe beim Gegenelement Veränderung des Walzengewichts Reibungskoeffizient Herkömmliches Beispiel vorliegende Erfindung Vergleichsbeispiel
  • Aus den Testergebnissen ist zu ersehen, daß die Gleitanordnungen gemäß vorliegender Erfindung im Vergleich zu mit dem mit Cu+LiF beschichteten metallischen Element niedrigere Reibungskoeffizienten und geringere Verschleißausmaße aufwiesen. Im Gegensatz dazu wiesen die nicht zur vorliegenden Erfindung gehörenden Gleitanordnungen höhere Reibungskoeffizienten und größere Verschleißausmaße auf.
  • Im allgemeinen wird das Metall, wenn ein metallisches Element an einem keramischen Element in trockenem Zustand gleitet, auf das Keramikelement übertragen, um eine schmierende Schicht auf einer Gleitfläche des Keramikelements zu bilden. So wird der Reibungskoeffizient niedrig. Gemäß vorliegender Erfindung werden geringe Reibung und weniger Verschleiß durch eine synergistische Wirkung einer schmierenden Schicht, die gebildet wird, wenn das Metall oder das Metalloxid, das als Bindemittel verwendet wird, auf das Keramikelement übertragen wird, und des festen Schmiermittels erreicht.
    • Beispiel 2
  • Unter Verwendung einer Kombination aus festem Schmiermittel und Bindemittel aus LiF+MoO&sub3;, die in Beispiel 1 hervorragende Gleitleistungen zeigte, wurden Gleittests bezogen auf Keramikwalzen aus Siliziumkarbid, Zirkonerde, Sialon und Mullit unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Nr. Walzenmaterial Verschleißtiefe in M2-Stahl Veränderung des Walzengewichts Reibungskoeffizient Siliziumnitrid Siliziumkarbid Zirkonerde Sialon Mullit
  • Aus Tabelle 2 ist zu ersehen, daß jede getestete Keramikwalze einen äquivalenten Reibungskoeffizienten und Verschleiß aufwies und daher die Kombinationen aus den festen Schmiermitteln und Bindemitteln gemäß vorliegender Erfindung alle für Keramikmaterialien wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Zirkonerde, Sialon, Mullit und ähnlichem wirksam sind.
  • Die Fig. 2 bis 6 zeigen spezielle Ausführungsformen der Gleitanordnungen gemäß vorliegender Erfindung.
  • In Fig. 2 sind die Bezugszeichen 11, 12 und 13 eine Metallnocke, ein Überzug aus einem besten Schmiermittel und ein Bindemittel auf der Oberfläche der Metallnocke bzw. ein Keramikventilstößel. In Fig. 3 sind die Bezugszeichen 17 und 14 eine Ventilstößelstange bzw. eine Metallnocke. Bezugszeichen 16 ist eine Keramikventilstößelstangenspitze, die auf einen Nocken-anliegenden Endabschnitt des Kipphebels 17 aufgebracht ist, und Bezugszeichen 15 ist ein Überzug aus einer Mischung aus einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel auf der Oberfläche der Metallnocke. In Fig. 4 sind die Bezugszeichen 18 und 19 ein Keramikventilelement bzw. ein Metallventilsitz, und Bezugszeichen 20 ist ein Überzug aus einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel auf einer am Ventil-angreifenden Oberfläche des Ventilsitzes. In Fig. 5 sind die Bezugszeichen 21 und 22 eine Keramikzylinderbüchse bzw. ein Kolbenkörper, und die Bezugszeichen 23 und 24 sind ein Metallkolbenring bzw. ein Überzug aus einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel auf der äußeren peripheren Oberfläche des Metallkolbenrings. In Fig. 6 sind die Bezugszeichen 25, 26 und 27 eine Keramikkugel, eine Metallunterlegscheibe bzw. eine Metallummantelung. Bezugszeichen 28 ist ein Überzug aus einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel auf einer Kugel-berührenden Oberfläche sowohl der Ummantelung als auch der Metallunterlegscheibe. Da die Funktion und Wirkungen, die mit den obigen Ausführungsformen gemäß vorliegender Erfindung erreicht werden, die gleichen oder ähnlichen den zuvor genannten sind, wird es unterlassen, sie zu erklären.
  • Wie aus der obigen Erklärung deutlich wird, können mit den Gleitanordnungen gemäß vorliegender Erfindung auch bei hoher Temperatur in trockenem Zustand, in den Motoren (Fig. 2 5) oder Hochtemperaturlager (Fig. 6) usw. verwendet werden, hervorragende Verschleißbeständigkeits- und Reibungswiderstandsleistungen erzielt werden, indem die Gleitflächen der metallischen Elemente mit der Mischung aus bestimmten festen Schmiermitteln und Bindemitteln beschichtet werden.

Claims (9)

1. Gleitanordnung, die ein metallisches Element (11, 14, 23, 26, 27) und ein Keramikelement (13, 16, 21, 25) umfaßt, worin zumindest eine Gleitfläche (12, 15, 24, 28) des metallischen Elements mit einer Mischung beschichtet ist, die im wesentlichen aus einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus dem festen Schmiermittel und dem Bindemittel eine aus der Gruppe ausgewählte Kombination ist, die aus LiF-MoO&sub3;, PbO+Cu, LiF+Ni-15 Cr-32 Mo-3 Si und LIF+Co-17,5 Cr-28,5 Mo-3,4 Si besteht.
2. Gleitanordnung nach Anspruch 1, worin das Keramikelement (13, 16, 21, 25) aus einem Keramikmaterial besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliziumnitrid, Sialon, Mullit, teilweise stabilisierter Zirkonerde und Siliziumkarbid besteht.
3. Gleitanordnung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Gleitanordnung ein Motorteil ist.
4. Gleitanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine aus der Gruppe ausgewählte Kombination ist, die aus (i) Ventilstößel (13) und Nocke (11) und (ii) Kipphebel (17) und Nocke (14) besteht.
5. Gleitanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine Kombination aus einer Zylinderlaufbüchse (21) und einem Kolbenring (23) ist.
6. Gleitanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ein Kugel- bzw. Wälzlager (25, 26, 27) ist.
7. Ventilanordnung, die ein Ventilelement (18) und einen Ventilsitz (19) umfaßt, von denen eines ein metallisches Element und das andere ein Keramikelement ist, worin eine Oberfläche des metallischen Elements, die vom keramischen Element berührt wird, mit einer Mischung beschichtet ist, die im wesentlichen aus einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel besteht, und die Mischung aus dem festen Schmiermittel und dem Bindemittel eine aus der Gruppe ausgewählte Kombination ist, die aus LiF+MoO&sub3;, PbO+Cu, LiF+Ni-15 Cr-32 Mo-3 Si und LIF+ Co-17,5 Cr-28,5 Mo-3,4 Si besteht.
8. Metallisches Gleitelement, das einen metallischen Basiskörper (11, 14, 23, 26, 27) und eine Schicht (12, 15, 20, 24, 28) aus einer Mischung umfaßt, die auf eine Gleitfläche des metallischen Basiskörpers aufgetragen ist, wobei die genannte Mischung im wesentlichen aus einem festen Schmiermittel und einem Bindemittel besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus dem festen Schmiermittel und dem Bindemittel eine aus der Gruppe ausgewählte Kombination ist, die aus LiF+MoO&sub3;, PbO+Cu, LiF+Ni-15 Cr-32 Mo-3 Si und LIF+Co-17,5 Cr-28,5 Mo-3,4 Si besteht.
9. Verwendung einer Gleitanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, einer Ventilanordnung nach Anspruch 7 oder einer metallischen Gleitelements nach Anspruch 8 bei einer hohen Temperatur, wie 540ºC.
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