DE3855544T2 - Keramische Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Keramische Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung desselben

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Gleitmaterial für eine Dichtung mit einem keramischen Verbundmaterial.
  • BESCHREIBUNG DER EINSCHLÄGIGEN TECHNIK
  • In jüngerer Zeit wurde gefordert, daß Keramiken hohe Hochtemperaturfestigkeit, hohe Zähigkeit, hohe Wärmeschockbeständigkeit und hohe Abmessungsgenauigkeit aufweisen. Als derartige Keramiken sind anorganische Verbindungen wie Carbide, Nitride, Oxide, Boride, Silicide und Oxinitride bekannt, z. B. Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid. Jedes dieser Keramikmaterialien wird kaum alleine verwendet, um so hervorragende Eigenschaften zu erzielen, wie es oben angegeben ist. Daher erfolgten viele Vorschläge, derartige Eigenschaften dadurch zu erzielen, daß Kombinationen der Keramikmaterialien ausgewählt werden und das Aufbaudesign geändert wird.
  • Im allgemeinen sind SiC, Si&sub3;N&sub4; oder dergleichen als Konstruktionskeramik bekannt, wie sie als Konstruktionsmaterial für Motoren oder Turbinen geeignet ist. Diese Keramiken haben hervorragende Wärmebeständigkeit, und sie werden durch druckloses Sintern, Drucksintern oder Reaktionssintern gesintert. Beim drucklosen Sintern und beim Drucksintern beträgt das Ausmaß der Dimensionsänderung vor und nach dem Sintern 15 bis 20 %. Demgemäß führen diese Sintertechniken zu Verformung und schlechter Abmessungsgenauigkeit. Dagegen ist es bekannt, daß die Reaktionssintertechnik zu einem kleineren Ausmaß von Dimensionsänderung als die anderen Sintertechniken führt, aber dennoch hat das Ausmaß eine Höhe von ungefähr 1 bis 1,5 %, wie es in der Veröffentlichung "Kokai" (Offenlegung) Nr. 58-140375 eines japanischen Patents dargelegt ist.
  • Als Material mit geringem Ausmaß der Dimensionsänderung ist ein verbundenes Si&sub3;N&sub4;-Erzeugnis bekannt, das als hochschmelzendes Material verwendet wurde. Ein derartiges Material hat eine mechanische Festigkeit von nur ungefähr 50 MN/m², wie es in der Veröffentlichung "Kokai" (Offenlegung) Nr. 58- 88 169 eines japanischen Patents dargelegt ist, und es ist als Konstruktionsmaterial nicht geeignet.
  • Ferner offenbart die Veröffentlichung "Kokai" (Offenlegung) Nr. 61-201662 eines japanischen Patents, das von der vorliegenden Anmelderin eingereicht wurde, daß ein völlig zufriedenstellendes Ausmaß an Dimensionsänderung beim Sintern erzielt wird, jedoch wegen schlechter Fließbarkeit einer Ausgangsmischung nur schwer ein Körper mit komplizierter Form erhältlich ist, und ferner, daß der sich ergebende Sinterkörper unzureichende mechanische Festigkeit aufweist.
  • Es ist nicht zuviel gesagt, wenn ausgeführt wird, daß nie irgendein praxisgerechter Prozeß zum Herstellen eines Keramikmaterials mit hoher Festigkeit, geringem Ausmaß der Dimensionsänderung und hoher Dimensionsgenauigkeit bestand.
  • Andererseits wurde ein Keramikmaterial als Gleitmaterial für Abdichtungszwecke verwendet, mit ausgezeichneter Beständigkeit gegen Wärmeschocks.
  • Im allgemeinen geht mit dem Arbeiten einer Maschine immer eine Gleitbewegung einher. Verringerung von Reibung und Abnutzung führt zu Energieeinsparung und langer Lebensdauer eines Gleitmaterials. Z. B. wurde als Dichtungseinrichtung für Autos oder Baumaschinen eine schwimmende Dichtung aus einem O-Ring 4 und Dichtungselementen 5 und 6, wie in Fig. 7 dargestellt, verwendet. Bei dieser Einrichtung ist eines der Dichtungselemente unbeweglich, und das andere dreht sich, wobei es an der Gleitfläche 7 in Kontakt mit dem unbeweglichen Element steht, und es ist über ein Schmiermittel 8 in bezug auf eine Achse 9 in einen schwimmenden Zustand versetzt, um dadurch die Dichtungseigenschaften der Einrichtung aufrechtzuerhalten. Daher ist diese Einrichtung zum Abdichten oder Schützen gegen Erde und Sand höchst geeignet und wurde vielfach verwendet. Jedoch hat diese schwimmende Dichtung den Mangel, daß sie schlechte Wärmebeständigkeit und Abnutzungsbeständigkeit hat, da sie aus Gußeisenmaterial besteht. Es ist eine andere Dichtungseinrichtung bekannt, bei der eines, 10, aus Cr-Gußeisen und das andere, 11, durch Spritzgießen hergestellt wird. Diese Dichtungseinrichtung hat denselben Mangel, wie er oben angegeben ist.
  • Andererseits wurde kürzlich eine aus Keramik bestehende Gleiteinrichtung geschaffen. Zu typischen Beispielen für Keramiken für die Gleiteinrichtung gehören SiC, Si&sub3;N&sub4;&sub7; Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2;, jedoch ist es in der Praxis erforderlich, daß die folgenden Eigenschaften für ein Gleitmaterial vorliegen (siehe "Kogyo Zairyo", Vol. 31, Nr. 12, S. 139 - 146, insbesondere 140):
  • (1) hohe Härte und hervorragende Beständigkeit gegen Abnutzung und Fressen;
  • (2) gute Verträglichkeit gegenüber einem Gleitpartner (niedriger Reibungskoeffizient und kleines Ausmaß der Abnutzung des Partners);
  • (3) gute Korrosionsbeständigkeit;
  • (4) hohe Festigkeit, Zähigkeit und Wärmeschockbeständigkeit;
  • (5) kleines Verformungsausmaß unter Belastung undioder Wärme an Gleitflächen, um an diesen einen guten Schmierungszustand aufrechtzuerhalten (d. h. hoher Young-Modul und kleiner Wärmeausdehungskoeffizient);
  • (6) hohe Wärmeleitfähigkeit (eine Zunahme des Reibungskoeffizienten und der Wärmeverformung an den Gleitflächen werden dadurch verhindert, daß die Wärmeschockbeständigkeit erhöht wird und die Ansammlung von Reibungswärme verhindert wird);
  • (7) kleines spezifisches Gewicht (Zentrifugalkraftbelastungen sind verringert).
  • Diese erforderlichen Eigenschaften werden durch bekannte Materialien nicht alle erfüllt. Z. B. sind metallischematerialien hinsichtlich der Freßbeständigkeit fraglich. Al&sub2;O&sub3; selbst hat geringe Wärmeschockbeständigkeit, und es kann durch Wärme an seinen Gleitflächen leicht verformtwerden, da es einen hohen Wärmeexpansionskoeffizienten hat. ZrO&sub2; selbst hat geringe Wärmeschockbeständigkeit und einenhohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Si&sub3;N&sub4;selbst hat geringe Wärmeleitfähigkeit. SiC alleine hathohe Härte und hohe Wärmeleitfähigkeit, jedoch schlechtewärmeschockbeständigkeit. Es wurde ein Gleitmaterial mitsowohl hervorragender Abnutzungsbeständigkeit als auchkorrosionsbeständigkeit und auffällig verbesserter Wärmeschockbeständigkeit gefordert.
  • Unter diesen Gleitmaterialien wird SiC in großem Umfang in gesinterter Form verwendet. Z. B. offenbart die Veröffentlichung "Kokai" (Offenlegung) Nr. 61-163174 eines japanischen Patents ein "Gleitmaterial aus einem porösen SiC-Sinterkörper -mit hervorragenden Gleiteigenschaften im nassen Zustand", und die Veröffentlichung "Kokai" (Offenlegung) Nr. 55-100421 zu einem japanischen Patent offenbart eine "Gleiteinrichtung mit einem feststehenden Teil und einem rotierenden Teil, -wobei eines der Teile aus Si&sub3;N&sub4; und das andere aus SiC besteht".
  • Jedoch berücksichtigen diese Veröffentlichungen "Kokai" zu japanischen Patenten in keiner Weise die Wärmeschockbeständigkeit und einseitigen Kontakt.
  • Demgemäß besteht bei den bekannten Materialien keine Kombination aus guter Abnutzungsbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit, und ferner bestehen derartige Nachteile, daß Risse aufgrund schneller Temperaturänderungen erzeugt werden, und sie ermöglichen es, daß ihre Partner abgenutzt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Gleitelement für eine Dichtung mit guter Abnutzungsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit sowie verringertem Abnutzungsausmaß einesgleitpartners zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch das Gleitelement von Fig. 1 gelöst.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Ausmaß der Dimensionsänderung beim Sintern und Mischungsverhältnissen von Ausgangsmaterialien zeigt.
  • Fig. 2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der volumetrischen Teilchenpackungsdichte geformter Körper und der Biegefestigkeit zeigt.
  • Fig. 3 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der spezifischen Oberfläche von Ausgangsmaterialpulver und der Menge an Formungsbindemittel zeigt.
  • Fig. 4 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der scheinbaren Viskosität einer Ausgangsmaterialzusammensetzung, gemessen durch eine Fließtesteinrichtung, und der volumetrischen Teilchenpackungsdichte zeigt.
  • Fig. 5 ist eine Mikroskop-Photographie der Gleitfläche einer Keramikzusammensetzung bei einem Beispiel der Erfindung.
  • Fig. 6 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Oberflächendruck und dem Reibungskoeffizienten bei der Erfindung zeigt.
  • Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines Beispiels einer herkömmlichen schwimmenden Dichtung.
  • Fig. 8 ist ebenfalls ein Querschnitt eines anderen Beispiels einer schwimmenden Dichtung.
  • DETAILLIIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die Erfindung betrifft ein Gleitelement zu Abdichtungszwekken, wobei eine der Gleitflächen eine aus SiC und Si&sub3;N&sub4; als Verbundmaterial bestehende Keramik aufweist und wobei in diesem Verbundmaterial Si&sub3;N&sub4; aus Teilchen undjoder Whiskern besteht und die Keramik über Hohlräume verfügt, und wobei außerdem eine andere der Gleitflächen eine geringere Härte als das Verbundmaterial der genannten Fläche hat.
  • Bei der Erfindung sind Teilchen oder Whisker aus Si&sub3;N&sub4; zum Binden von SiC vorzugsweise solche, wie sie durch eine Wärmebehandlung von metallischem Si hergestellt werden. Sie verbinden Teilchen und verringern den Freiraum zwischen den Teilchen. Demgemäß kann ein Sinterkörper mit offenen Hohlräumen mit einem Hohlraumanteil von 2 - 30 % und einem Durchmesser von 100 µm oder weniger erhalten werden.
  • Bei der Erfindung ist es bevorzugt, daß die mittlere Teilchengröße der SiC-Teilchen 100 µm oder weniger beträgt, das mittlere Seitenverhältnis der SiC-Whisker 200 oder weniger beträgt und die mittlere Länge der SiC-Whisker 200 µm oder weniger beträgt. Außerhalb dieser Bereiche ist das Vermischen von Ausgangsmaterialien schwierig, und die Verteilung ist nicht gleichmäßig, was zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit führt.
  • Der Grund, weswegen eine Fläche des Dichtungs-Gleitelements bei der Erfindung aus einem Verbundmaterial aus SiC und Si&sub3;N&sub4; besteht, ist der, daß ein Gleitmaterial erhalten werden kann, das die Eigenschaften von sowohl SiC als auch Si&sub3;N&sub4; aufweist, und es kann unerwartet hervorragende Wärmeschockbeständigkeit dadurch erhalten werden, daß SiC mit überlegener Abriebbeständigkeit, Härte und Wärmeleitfähigkeit mit Si&sub3;N&sub4; verbunden wird, das niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient hat. Der Grund, weswegen eine andere Fläche aus einer Zusammensetzung mit einer Härte besteht, die niedriger als der der SiC-Teilchen und der Si&sub3;N&sub4;-Teilchen der anderen Gleitfläche ist, ist der, daß dann, wenn sie härter wäre als die- SiC und Si&sub3;N&sub4; sowie Hohlräume enthaltende Gleitfläche, SiC und Si&sub3;N&sub4; durch die härteren Teilchen der anderen Fläche abgenutzt würden und zwischen den Gleitflächen abfallen würden, was Abnutzung durch Kratzer hervorrufen würde. Wenn Materialien aus Zusammensetzungen mit Teilchen derselben Härte kombiniert würden und aneinander gleiten würden, könnten sich Spuren auf der Gleitfläche ausbilden. Dies, weil selbst dann, wenn die Gleitfläche spiegelpoliert wäre, der Kontakt mikroskopisch ein Punkt- oder Linienkontakt ist und sich die Flächen in einem Zustand einseitigen Kontakts befinden, was natürlich Gleitspuren ausbildet. Andererseits besteht die andere Fläche gemäß der Erfindung aus einem Material mit geringerer Härte als der der SiC- und Si&sub3;N&sub4;-Teilchen, weswegen ,an einer Fläche im wesentlichen kein Abrieb hervorgerufen wird, und es kann ein Gleitmaterial mit hervorragender Abnutzungsbeständigkeit erzielt werden. Durch Verwenden eines Materials für eine Gleitfläche, das weicher als die andere Gleitfläche ist, wird, selbst wenn einseitiger Kontakt auftritt, die Fläche mit niedrigerer Härte durch die härtere Fläche durch den Gleitkontakt spiegelpoliert, und so ist die Zeitspanne des Zustands einseitigen Kontakts kurz, und es kann ein Gleitmaterial mit hervorragender Dichtungseigenschaft erhalten werden.
  • Der-Grund, weswegen eine Fläche der Dichtungs-Gleitflächen aus einem keramischen Sinterkörper mit offenen Hohlräumen mit einem Hohlraumanteil von 2 - 30 % besteht, ist der, daß offene Hohlräume Wärmeschockbelastungen entspannen, wodurch ein Gleitmaterial mit unerwartet hervorragender Wärmeschockbeständigkeit geschaffen ist. Wenn die Durchmesser der Hohlräume mehr als 100 µm betragen und der Hohlraumanteil größer als 30 % ist, nimmt die mechanische Festigkeit ab, und außerdem nimmt die Verbindungsfestigkeit zwischen SiC und der erzeugten Si&sub3;N&sub4;-Phase ab, was zu beträchtlichem Abfallen von SiC- und Si&sub3;N&sub4;-Teilchen während eines Gleitvorgangs führt. Ferner tritt aufgrund dieser offenen Hohlräume keine Unterbrechung des Schmierölfilms auf, wodurch kein Anhaften und Ansengen hervorgerufen werden. Dies, da Schmieröl in die offenen Hohlräume eindringt und an der Gleitfläche aussikkert, um zu den obigen Effekten zu führen. Daher kann, insoweit eine Fläche aus den erfindungsgemäßen Keramiken besteht, eine andere Fläche aus Metall, Keramik, Kohlenstoff oder Kunstharzen bestehen, die geringere Härte als die Teilchen der einen Fläche aufweisen. Durch Versuche wurde klargestellt, daß insbesondere dann, wenn 0xidkeramiken als Partnermaterial (anderes Material) verwendet werden, die Gleiteigenschaften verbessert sind. Dies, da SiC und Si&sub3;N&sub4; eine starke kovalente Bindung aufweisen und Anhaften auftreten kann, wenn die Menge an Adsorbaten auf der Fläche abnimmt. Wenn jedoch die Partnerfläche aus Oxid besteht, werden an der Gleitfläche Sauerstoffionen erzeugt, was Oberflächenadsorbate erzeugt, die das Anhaften verhindern.
  • Bei der Erfindung hat das Material bessere Abriebbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit, wenn das in aus SiC, Si&sub3;N&sub4; und Hohlräumen bestehenden Keramiken enthaltene SiC mehr ist als die Teilchen oder Whisker an Si&sub3;N&sub4; oder dergleichen, wie aus metallischen Si-Pulvern hergestellt. Insbesondere ist wegen der Verbundkeramiken die Wärmeschockbeständigkeit derjenigen anderer Keramiken mit demselben Hohlraumanteil überlegen.
  • Die Eigenschaften sind weiter verbessert, wenn ein festes Schmiermittel oder ein Harz wie Furanharz in den Hohlräumen des Sinterkörpers enthalten ist.
  • Gemäß der Erfindung besteht eine der Gleitflächen des Gleitelements zu Dichtungszwecken aus Keramiken aus Teilchen und/oder Whiskern von SiC und Si&sub3;N&sub4; und Hohlräumen, und die andere Fläche (Partnerfläche) besteht aus einem Material mit einer Härte, die kleiner ist als die der Teilchen oder Whisker aus Si&sub3;N&sub4; der einen Fläche, wodurch ausgezeichnete Abriebbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit erzielt werden können und der Abrieb des Partnermaterials verringert werden kann und demgemäß das Funktionsvermögen verschiedener Dichtungen merklich verbessert werden kann.
  • Wie vorstehend erläutert, verfügen die Gleitelemente gemäß der Erfindung über extrem hervorragerüde Gleiteigenschaften wie Abriebbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit, weswegen Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit einer Abdichtung merklich verbessert werden können. Dies ist für verschiedene Gleitmechanismen, wie mechanische Abdichtungen, schwimmende Abdichtungen, Gleitlager und dergleichen, wirkungsvoll.
  • Beispiele 65 - 70
  • Zu 500 g eines Pulvergemischs aus SiC-Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 16 µm und metallischem Si mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm, mit dem in der Tabelle 1 angegebenen Verhältnis, wurden 8 - 12 Gewichtsteile eines Formungsbindemittels aus 21 % Polyethylen (Schmelzindex 1,5), 43 % Polyethylenwachs (PE-520, hergestellt von Hoechst, Japan), 21 % Mischwachs (D-556, hergestellt von Chukyo Yushi Co.) und 15 % Stearinsäure gemischt, und das Gemisch wurde in einem Druckkneter für 5 Stunden bei 160ºC geknetet. Das geknetete Erzeugnis wurde zerstampft, um ein Test-Ausgangsmaterial zu erhalten. Dieses Ausgangsmaterial wurde durch eine mechanische Presse bei 160ºC mit einem Formungsdruck von 1000 kgf/cm² zu einem Formkörper mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 20 mm geformt. Die volumetrische Packungsdichte der Teilchen des sich ergebenden Formkörpers betrug mindestens 70 Vol.-%. Dieser Formkörper, von dem das Formungsbindemittel entfernt wurde, wurde mit einer Rate von 4ºC/Std. in Stickstoffatmosphäre von 1100ºC auf 1350ºC aufgeheizt, wodurch ein Sinterkörper mit Whisker/Teilchen aus Si&sub3;N&sub4; von 119 erhalten wurde. Das Mischungsverhältnis von Whiskern/Teilchen kann durch Ändern der Heizrate und der Verweilzeit eingestellt werden. Das Verhältnis Whisker/Teilchen kann dadurch ermittelt werden, daß der Sinterkörper unter einem Rasterelektronenmikroskop und einem Transmissionselektronenmikroskop betrachtet wird.
  • Eigenschaften der so -erhaltenen Sinterkörper sind in der Täbelle dargestellt. Die Bruchzähigkeit wurde durch ein Kerbstabverfahren unter Verwendung eines Teststücks von 3 x 4 x 40 mm mit einer durch ein Diamantrad hergestellte Kerbe von 0,5 mm gemessen. Hinsichtlich des Wärmeschocks wurde der Sinterkörper für 30 Minuten bei 1250ºC aufbewahrt und dann in Wasser gegeben, um ihn abzuschrecken. Dies wurde wiederholt, bis Risse auftraten, und die Wärmeschockbeständigkeit wurde mittels der Anzahl von Wiederholungen bewertet.
  • Anschließend wurden Pulvergemische mit den in den Vergleichsbeispielen 65 - 70 der Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzungen hergestellt. Diese Pulvergemische enthielten Y&sub2;O&sub3; als Sinterhilfe. Dies wurde auf dieselbe Weise wie oben angegeben geformt und bei 1700ºC für 5 Stunden gesintert, um einen Sinterkörper zu erhalten. Eigenschaften des erhaltenen Sinterkörpers sind in der Tabelle 2 angegeben.
  • Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Gehalt an SiC und der Rate der Dimensionsänderung beim Sintern. Das Produkt (A) gemäß der Erfindung ist ein ausgeprägt hervorragender Sinterkörper mit einer sehr kleinen Rate der Dimensionsänderung, im Vergleich mit dem Produkt (B), das Si&sub3;N&sub4;-Pulver und SiC-Pulver enthält, zu dem Y&sub2;O&sub3; als Sinterhilfe hinzugegeben war. Tabelle 1 Tabelle 2
  • Beispiele 114 - 117
  • Sinterkörper wurden auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 69 mit der Ausnahme hergestellt, daß in der Tabelle 3 angegebene SiC-Whisker anstelle von SiC-Pulver verwendet wurden. Die Eigenschaften der sich ergebenden Sinterkörper sind in der Tabelle 3 angegeben. Die Rate der Dimensionsänderung beim Sintern betrug für alle derselben weniger als 0,13 %. Aus den Ergebnissen ist es ersichtlich, daß das bevorzugte - Seitenverhältnis der Ausgangsmaterialwhisker 200 oder weniger beträgt und daß die bevorzugte mittlere Länge 200 µm oder weniger beträgt. Tabelle 3
  • Beispiele 118 - 124
  • Formerzeugnisse wurden auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 65 - 70 hergestellt und dann in Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei die Heiztemperatur schrittweise bis 1400ºC geändert wurde, um dadurch die Menge erzeugter Si&sub3;N&sub4;-Whisker einzustellen. Testergebnisse für die sich ergebenden Sinterkörper sind in der Tabelle 4 angegeben. Aus den Ergebnissen ist es ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Erzeugnisse, bei denen 1 - 70 Vol.-% Si&sub3;N&sub4;-Whisker auf 100 Vol.-% der erzeugten Si&sub3;N&sub4;-Phase vorhanden waren, hinsichtlich der Zähigkeit besonders hervorragend waren. Tabelle 4
  • Beispiele 125 - 129
  • Die Tabelle 5 zeigt Eigenschaften von Sinterkörpern, die gemäß dem Beispiel 65 unter Verwendung von 55 Vol.-% Si und 45 Vol.-% SiC und mit einem Formungsbindemittel mit Mengen hergestellt wurden, die im Bereich von 5 - 13 Gewichtsteilen geändert wurde, wodurch die volumetrische Teilchenpackungsdichte der Formerzeugnisse geändert wurde. Die Beziehung zwischen der volumetrischen Teilchenpackungsdichte der Formerzeugnisse und der Biegefestigkeit ist in der Fig. 2 dargestellt. Aus diesen Ergebnissen ist es ersichtlich, daß es bevorzugt ist, daß die Formerzeugnisse eine volumetrische Teilchenpackungsdichte von mindestens 70 Vol.-% aufweisen. Tabelle 5
  • Beispiele 130 - 144
  • Die Tabelle 6 zeigt die volumetrische Teilchenpackungsdichte von- Formkörpern, die auf dieselbe Weise wie beim Bespiel 65 hergestellt wurden, wobei das Mischungsverhältnis von Ausgangsmaterialien und die Menge an Formungsbindemittel geänder wurden.
  • Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der spezifischen Oberfläche der Ausgangsmaterialien und der geeigneten Bindemittelmenge. Wenn die Beziehung im schraffierten Bereich liegt, kann die volumetrische Teilchenpackungsdichte der Formkörper mindestens 70 Vol.-% betragen. Tabelle 6
  • Beispiel 145
  • Die scheinbare Viskosität der gekneteten Erzeugnisse aus den Ausgangsmaterialien und dem Formungsbindemittel bei den Beispielen 130 - 144 wurde durch eine Fließtesteinrichtung gemessen.
  • Die Beziehung zwischen der scheinbaren Viskosität und der volumetrischen Teilchenpackungsdichte der Formkörper ist in Fig. 4 dargestellt. Ein kleinerer Wert der scheinbaren Viskosität kennzeichnet besseres Fließvermögen, d. h. hervorragende Formbarkeit.
  • Die scheinbare Viskosität wurde mittels einer Fließtesteinrichtung mit einer Düse von 6 mm Durchmesser und einer Länge von 6,8 mm bei 150ºC und bei einem Druck von 39 MN/m² gemessen.
  • Fig. 4 zeigt, daß die Formerzeugnisse eine volumetrische Teilchenpackungsdichte-von mindestens 70 Vol.-% aufweisen können, wenn eine Zusammensetzung mit einer scheinbaren Viskosität im Bereich von (3 - 90) x 10&sup4; N s/m² verwendet wird. Die scheinbare Viskosität in diesem Bereich ist relativ niedrig, und demgemäß können Formerzeugnisse mit komplizierter Form einfach erzeugt werden.
  • Beispiel 146
  • 60 Gewichtsteile eines metallischen Si-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 11m und 40 Gewichtsteile eines α-SiC-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 16 µm wurden zusammen mit Methanol in einer Trogmühle vermischt und getrocknet. Dann wurden hierzu 9 Gewichtsteile Polyethylenwachs gegeben, und die Mischung wurde durch einen Druckkneter für 5 Stunden bei 150ºC geknetet. Dann wurde die Mischung pulverisiert und bei 150ºC und bei 1000 kg/cm² (100 MPa) zu einem Ring mit einem Außendurchmesser von 60 mm und einem Innendurchmesser von 40 mm geformt. Nach dem Entfernen des Wachs es wurde der Formkörper über eine lange Zeitspanne in Stickstoffatmosphäre einer schrittweisen Wärmebehandlung bis auf 1380ºC unterzogen, um einen Sinterkörper zu erhalten. Die Dimensionsänderung zwischen dem Formkörper und dem Sinterkörper war klein, nämlich 0,15 %, und der Sinterkörper hatte hervorragende Dimensionsgenauigkeit. Der Hohlraumanteil im Sinterkörper betrug 15 % und der Hohlraumdurchmesser betrug 20 µm oder weniger.
  • Eine Gleitfläche wurde durch Polieren hergestellt, und sie wurde einem Gleittest unter Verwendung von Al&sub2;O&sub3; (relative Dichte: 98 %) als Partnermaterial unterzogen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 7 angegeben. Als Vergleichsbeispiel sind in der Tabelle 7 auch die Ergebnisse für einen Test zwischen Gußeisenerzeugnissen aus FC-20 angegeben.
  • Fig. 5 zeigt ein Mikroskopphoto der Gleitfläche des bei diesem Beispiel erhaltenen Sinterkörpers. In der Fig. 5 kennzeichnet 1 eine Matrixphase, 2 kennzeichnet Si&sub3;N&sub4;-Teilchen, und 3 kennzeichnet Hohlräume.
  • Aus der Tabelle 7 ist es ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Erzeugnis einen kleinen Reibungskoeffizienten und hervorragende Abnutzungsbeständigkeit aufweist.
  • Die Beziehung zwischendem Oberflächendruck und dem Reibungskoeffizienten für den Fall, daß der Oberflächendruck geändert wurde, während die Gleitgeschwindigkeit konstant auf 3 m/s gehalten wurde, ist durch eine Kurve A in der Fig. 6 dargestellt. Durch eine Kurve B in der Fig. 6 ist auch das Ergebnis für das Vergleichsbeispiel 11 dargestellt. Es ist erkennbar, daß das erfindungsgemäße Erzeugnis überlegene Gleiteigenschaften hat. Tabelle 7
  • Gleitbedingungen: In Maschinenöl bei einem Oberflächendruck von 10 kgf/cm² (1 MPa) und einer Gleitgeschwindigkeit von 3 m/s.
  • Beispiele 147 - 204
  • Der Gleittest wurde auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 146 ausgeführt, mit der Ausnahme, daß Al&sub2;O&sub3; als Partnermaterial durch andere Materialien ersetzt wurde. Die Ergebnissen sind in der Tabelle 8 angegeben. Ergebnisse für Vergleichsbeispiele sind in der Tabelle 9 angegeben. Die Gleitbedingungen waren die folgenden: Oberflächendruck 2 kgf/cm² (0,2 MPA) und Gleitgeschwindigkeit 2 m/s.
  • Aus den Ergebnissen ist es erkennbar, daß die erfindungsgemäßen Erzeugnisse einen kleinen Reibungskoeffizienten und hervorragende Wärmeschockbeständigkeit aufweisen. Dies, weil die erfindungsgemäßen Erzeugnisse offene Hohlräume aufweisen und sie aus Verbundmaterial bestehen. Wenn der Test unter Verwendung von SiC, Si&sub3;N&sub4; mit derselben Teilchenhärte wie der des Partnermaterials ausgeführt wurde, fielen Teilchen von den erfindungsgemäßen Erzeugnissen ab, die große Gleitspuren hinterließen. Die Wärmeschockbeständigkeit wurde wie folgt abgeschätzt: Ein Sinterkörper wurde für 30 Minuten auf 1200ºC gehalten und dann in Wasser abgeschreckt. Dies wurde wiederholt, bis Risse auftraten, und die Anzahl von Wiederholungen wurde zur Auswertung verwendet. Tabelle 8 Tabelle 8 (Forts.) Tabelle 8 (Forts.) Tabelle 8 (Forts.) Tabelle 8 (Forts.) Tabelle 8 (Forts.)
  • Gleitbedingungen: In Maschinenöl bei einem Oberflächendruck von 2 kg/cm² (0,2 MPa) und einer Gleitgeschwindigkeit von 2 m/s. Tabelle 9 Tabelle 9 (Forts.) Tabelle 9 (Forts.) Tabelle 9 (Forts.) Tabelle 9 (Forts.)
  • Gleitbedingungen: In Maschinenöl bei einem Oberflächendruck von 2 kg/cm² (0,2 MPa) und einer Gleitgeschwindigkeit von 2 m/s.
  • Beispiele 205 - 210
  • Derselbe Test wie beim Beispiel 146 wurde mit Sinterkörpern mit anderem Hohlraumgehalt und Durchmesser ausgeführt, die auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 146 erhalten wurden, wobei jedoch die Bindemittelmenge geändert wurde. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 10 angegeben.
  • Die Gleitbedingungen waren die folgenden: Oberflächendruck 20 kgf/cm² (1 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 1 m/s.
  • Aus den Ergebnissen ist es ersichtlich, daß dann, wenn der Hohlraumanteil 30 % übersteigt, die Abriebsabnutzung plötzlich zunimmt, und dann, wenn der Hohlraumdurchmesser größer als 100 µm ist, auch die Abriebsabnutzung zunimmt, und die erfindungsgemäßen Erzeugnisse haben hervorragende Gleiteigenschaft. Tabelle 10 Tabelle 10 (Forts.)
  • Gleitbedingungen: In Maschinenöl bei einem Oberflächendruck von 10 kg/cm² (1 MPa) und einer Gleitgeschwindigkeit von 2 m/s.
  • Beispiele 211 - 217
  • Sinterkörper wurden auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 146 hergestellt, wobei die mittlere Teilchengröße des SiC-Pulvers geändert wurde, und ein Gleittest wurde unter Verwendung von Al&sub2;O&sub3; als Partnermaterial ausgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 11 dargestellt. Wenn die SiC-Teilchen groß sind, tritt Hemmung aufgrund abgefallener SiC-Teilchen auf. Die erfindungsgemäßen Erzeugnisse sind hinsichtlich der Abnutzungsbeständigkeit überlegen. Hervorragende Gleiteigenschaften zeigten sich auch dann, wenn zwei oder mehr SiC- Teilchen mit verschiedener mittlerer Teilchengröße vermischt wurden. Tabelle 11
  • Gleitbedingungen: Oberflächendruck 10 kgf/cm² (1 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 5 m/s in Öl SUNISO 4GS (hergestellt von Nippon Sun Sekyu K.K.)
  • Beispiele 218 - 220
  • 60 Gewichtsteile metallischen Si-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 1 µm und 40 Gewichtsteile β-SiC-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 8 11m wurden zusammen mit einem organischen Siliconhochpolymer und Xylol als Bindemittel in einer Trogmühle vermischt und getrocknet. Das Gemisch wurde zu einem Ring mit einemaußendurchmesser von 150 mm und einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Dicke von 20 mm bei 100ºC und unter 2000 kgf/cm² ( 200 MPa) geformt. Der Formkörper wurde über einelange Zeitspanne in einer Mischatmosphäre aus Stickstoffund Ammoniak schrittweise auf 1400ºC erwärmt. Der Hohlraumanteil der Sinterkörper betrug 10 %, und der Hohlraumdurchmesser betrug 10 µm oder weniger. Gleittests wurden auf dieselbeweise wie beim Beispiel 146 ausgeführt, und die Ergebnissesind in der Tabelle 12 angegeben. Aus den Ergebnissen istes erkennbar, daß die erfindungsgemäßen Erzeugnisse hinsichtlich der Gleiteigenschaften überlegen sind. Tabelle 12
  • Gleitbedingungen: Oberflächendruck 10 kgf/cm² (1 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 5 m/s im Öl SUNISO 4GS.
  • Beispiele 221 - 229
  • Sinterkörper wurden auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 146 hergestellt, wobei das Ausgangsmaterialverhältnis von metallischem Si und SiC geändert wurde, um das Verhältnis der Si&sub3;N&sub4;-Phase und der SiC-Phase in den Sinterkörpern zu ändem. Die Ergebnisse zu Gleittests an diesen Sinterkörpern sind in der Tabelle 13 angegeben. Die Gleitbedingungen waren dieselben wie beim Beispiel 210.
  • Aus den Ergebnissen ist es erkennbar, daß mit einer Zunahme der Menge an SiC-Teilchen die mechanische Festigkeit abnimmt, was zu einer Erhöhung der Abriebsfestigkeit führt. Daher ist es bevorzugt, daß die Menge an SiC-Teilchen 70 Vol.-% oder weniger beträgt. Wenn die Wärmeschockbeständigkeit betrachtet wird, sind SiC-Teilchen vorzugsweise mit einer Menge von mindestens 20 Vol.-% enthalten.
  • Daher ist es erkennbar, daß das durch Reaktion verbundene Material gemäß der Erfindung, bei dem SiC-Teilchen mit Si&sub3;N&sub4;-Teilchen verbunden sind, einem Material, das nur Si&sub3;N&sub4; oder SiC enthält, hinsichtlich der Wärmeschockbeständigkeit überlegen ist.
  • Hinsichtlich Vergleichsbeispielen wurden dieselben Tests an einem porösen, reaktionsgesinterten Si&sub3;N&sub4;-Körper und einem SiC-Körper ausgeführt, und die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 13 angegeben. Tabelle 13 Tabelle 13 (Forts.)
  • Gleitbedingungen: Oberflächendruck 12 kgf/cm² (1,2 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 5 m/s im Öl SUNISO 4GS.
  • Beispiel 230
  • 13 Gewichtsteile eines Gemischs aus Polyethylen, Stearinsäure und einem synthetischen Wachs wurden zu 60 Gewichtsteilen metallischen SiC-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm und 40 Gewichtsteilen eines SiC-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 10 µm gegeben, und das Gemisch wurde geknetet. Dieses Ausgangsmaterial wurde zu einer schwimmenden Dichtung spritzgegossen, wie sie durch die Bezugszahl 7 in der Fig. 8 gekennzeichnet ist. Nach dem Entfernen des Wachses aus dem Formkörper wurde dieser in Stickstoffatmosphäre mit 6ºC/Std. von 1100ºC auf 1400ºC erwärmt. Die Dimensionsänderung der schwimmenden Dichtung war beim Sintern klein, nämlich 0,13 %, und sie konnte nach lediglich einer Endbearbeitung einer Gleitfläche verwendet werden. Daher wird angenommen, daß eine Dimensionsänderung von Körpern verhindert werden kann und daß die Bearbeitungskosten halbiert werden können. Demgemäß sind die Körper für Massenherstellung geeignet. Ergebnisse zu Gleittests sind in der Tabelle 14 angegeben. Tabelle 14
  • Gleitbedingungen: Oberflächendruck 8 kgf/cm² (0,8 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 3 m/s im Öl SUNISO 4GS.
  • Beispiel 231
  • Der beim Beispiel 146 erhaltene Sinterkörper wurde einer HIP-Behandlung bei 2000ºC für 4 Stunden bei 80 atm (8 MPa) in Stickstoffatmosphäre unterzogen. Testergebnisse für den sich ergebenden Sinterkörper sind in der Tabelle 15 angegeben. Tabelle 15
  • Gleitbedingungen: Oberflächendruck 10 kgf/cm² (1 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 7 m/s im Öl SUNISO 4GS.
  • Beispiel 232
  • Ein Furanharz wurde durch einen Autoklav in die Hohlräume des beim Beispiel 146 erhaltenen Sinterkörpers imprägniert, um den Anteil an offenen Hohlräumen zu verringern. Testergebnisse zum sich ergebenden Sinterkörper sind in der Tabelle 16 angegeben. Tabelle 16
  • Gleitbedingungen: Oberflächendruck 10 kgf/cm² (1 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 7 m/s im Öl SUNISO 4GS.
  • Beispiele 233 - 240
  • Sinterkörper wurden auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 146 hergestellt, mit der Ausnahme, daß SiC-Whisker, wie in der Tabelle 17 angegeben, anstelle von α-SiC-Teilchen verwendet wurden. Gleittestergebnisse zu den sich ergebenden Sinterkörpern sind in der Tabelle 17 angegeben, wobei das mittlere Seitenverhältnis der Whisker mit A und die mittlere Länge mit L angegeben sind. Tabelle 17 Tabelle 17 (Forts.)
  • Gleitbedingungen: Oberflächendruck 10 kgf/cm² (1 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 7 m/s im Öl SUNISO 4GS.
  • Beispiel 241
  • Das beim Beispiel 146 erhaltene Ausgangsmaterial wurde zu einer schwimmenden Dichtung, wie in Fig. 8 dargestellt, spritzgegossen, und dieser Formkörper wurde mit einem Furanharz unter Verwendung eines Autoklavs auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 232 imprägniert. Als Partnermaterial wurde eine schwimmende Dichtung, wie in Fig. 8 dargestellt, durch Spritzgießen von Al&sub2;O&sub3; (relative Dichte 98 %) hergestellt. Sie wurden in das Laufrad einer Raupendrehachse einer Baumaschine eingebaut, und es wurde ein tatsächlicher Arbeitstest ausgeführt. Nach 500 Stunden Test wurde eine Überholung ausgeführt, bei der sich kein hydraulisches Leck und keine Gleitflecke herausstellten.

Claims (2)

1. Gleitelement für eine Dichtung, wobei eine der Gleitflächen eine Keramik aus SiC und Si&sub3;N&sub4; als Verbundmaterial mit Si&sub3;N&sub4;-Teilchen und/oder Si&sub3;N&sub4;-Whisker und mit einer Menge an Hohlräumen von 2 bis 30 Vol.% und einer Hohlraumgröße von maximal 100 µm aufweist und eine andere der Gleitflächen eine geringere Härte als das Verbundmaterial der genannten einen Fläche hat.
2. Gleitelenent nach Anspruch 1, wobei die genannte andere Fläche eine Oxidkeramik oder ein Metall beinhaltet.
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