HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Gleitmaterial für eine Dichtung
mit einem keramischen Verbundmaterial.
BESCHREIBUNG DER EINSCHLÄGIGEN TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Andererseits wurde ein Keramikmaterial als Gleitmaterial für
Abdichtungszwecke verwendet, mit ausgezeichneter
Beständigkeit gegen Wärmeschocks.
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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.
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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):
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(1) hohe Härte und hervorragende Beständigkeit gegen
Abnutzung und Fressen;
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(2) gute Verträglichkeit gegenüber einem Gleitpartner
(niedriger Reibungskoeffizient und kleines Ausmaß der Abnutzung
des Partners);
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(3) gute Korrosionsbeständigkeit;
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(4) hohe Festigkeit, Zähigkeit und Wärmeschockbeständigkeit;
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(5) kleines Verformungsausmaß unter Belastung undioder Wärme
an Gleitflächen, um an diesen einen guten Schmierungszustand
aufrechtzuerhalten (d. h. hoher Young-Modul und kleiner
Wärmeausdehungskoeffizient);
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(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);
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(7) kleines spezifisches Gewicht
(Zentrifugalkraftbelastungen sind verringert).
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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.
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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".
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Jedoch berücksichtigen diese Veröffentlichungen "Kokai" zu
japanischen Patenten in keiner Weise die
Wärmeschockbeständigkeit und einseitigen Kontakt.
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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
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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
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Fig. 1 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem
Ausmaß der Dimensionsänderung beim Sintern und
Mischungsverhältnissen von Ausgangsmaterialien zeigt.
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Fig. 2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der
volumetrischen Teilchenpackungsdichte geformter Körper und
der Biegefestigkeit zeigt.
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Fig. 3 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der
spezifischen Oberfläche von Ausgangsmaterialpulver und der
Menge an Formungsbindemittel zeigt.
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Fig. 4 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der
scheinbaren Viskosität einer
Ausgangsmaterialzusammensetzung, gemessen durch eine Fließtesteinrichtung, und der
volumetrischen Teilchenpackungsdichte zeigt.
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Fig. 5 ist eine Mikroskop-Photographie der Gleitfläche einer
Keramikzusammensetzung bei einem Beispiel der Erfindung.
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Fig. 6 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem
Oberflächendruck und dem Reibungskoeffizienten bei der
Erfindung zeigt.
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Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines Beispiels einer
herkömmlichen schwimmenden Dichtung.
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Fig. 8 ist ebenfalls ein Querschnitt eines anderen Beispiels
einer schwimmenden Dichtung.
DETAILLIIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Eigenschaften sind weiter verbessert, wenn ein festes
Schmiermittel oder ein Harz wie Furanharz in den Hohlräumen
des Sinterkörpers enthalten ist.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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Die scheinbare Viskosität der gekneteten Erzeugnisse aus den
Ausgangsmaterialien und dem Formungsbindemittel bei den
Beispielen 130 - 144 wurde durch eine Fließtesteinrichtung
gemessen.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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Aus der Tabelle 7 ist es ersichtlich, daß das
erfindungsgemäße Erzeugnis einen kleinen Reibungskoeffizienten und
hervorragende Abnutzungsbeständigkeit aufweist.
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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
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Gleitbedingungen: In Maschinenöl bei einem Oberflächendruck
von 10 kgf/cm² (1 MPa) und einer
Gleitgeschwindigkeit von 3 m/s.
Beispiele 147 - 204
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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.
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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.)
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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.)
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Gleitbedingungen: In Maschinenöl bei einem Oberflächendruck von
2 kg/cm² (0,2 MPa) und einer Gleitgeschwindigkeit
von 2 m/s.
Beispiele 205 - 210
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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.
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Die Gleitbedingungen waren die folgenden: Oberflächendruck
20 kgf/cm² (1 MPa) und Gleitgeschwindigkeit 1 m/s.
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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.)
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Gleitbedingungen: In Maschinenöl bei einem Oberflächendruck von
10 kg/cm² (1 MPa) und einer Gleitgeschwindigkeit
von 2 m/s.
Beispiele 211 - 217
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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
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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
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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
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Gleitbedingungen: Oberflächendruck 10 kgf/cm² (1 MPa) und
Gleitgeschwindigkeit 5 m/s im Öl SUNISO 4GS.
Beispiele 221 - 229
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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.
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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.
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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.)
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Gleitbedingungen: Oberflächendruck 12 kgf/cm² (1,2 MPa) und
Gleitgeschwindigkeit 5 m/s im Öl SUNISO 4GS.
Beispiel 230
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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
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Gleitbedingungen: Oberflächendruck 8 kgf/cm² (0,8 MPa) und
Gleitgeschwindigkeit 3 m/s im Öl SUNISO 4GS.
Beispiel 231
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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
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Gleitbedingungen: Oberflächendruck 10 kgf/cm² (1 MPa) und
Gleitgeschwindigkeit 7 m/s im Öl SUNISO 4GS.
Beispiel 232
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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
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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.)
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Gleitbedingungen: Oberflächendruck 10 kgf/cm² (1 MPa) und
Gleitgeschwindigkeit 7 m/s im Öl SUNISO 4GS.
Beispiel 241
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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.