HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kombination
von Gleitteilen, die aus eisenhaltigem Material hergestellt sind
und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen.
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In dem Fall, in dem zwei Teile miteinander in Gleitkontakt
kommen, muß ein Gleitverschleiß berücksichtigt werden.
Gleitverschleiß nimmt in Abhängigkeit von der Kombination von
Materialien der jeweiligen Gleitteile, dem Oberflächenzustand, der
Verschleißbedingung und dgl. verschiedene Formen an, und er wird
allgemein in Abhängigkeit vom Mechanismus der Erzeung des
Verschleisses in Haftverschleiß, Schleifverschleiß und
Korrosionsverschleiß eingeteilt.
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Haftverschleiß ist die Form der Abnutzung, die in dem Fall
auftritt, in dem Metalle, die keinen signifikanten Unterschied
in ihren mechanischen Eigenschaften aufweisen, (einschließlich
identischer Materialien) miteinander in Reibungskontakt treten.
Falls die festen Oberflächen selbst miteinander in
Reibungskontakt kommen, tritt ein echter Kontakt nur an vorspringenden
Abschnitten auf, die nur sehr kleine Teile der Oberflächen
einnehmen, und da der Druck an diesen Abschnitten sehr hoch wird und
eine Verformung an den echten Kontaktabschnitten auftritt,
würden Oberflächenverunreinigungen, wie adsorbierte Schichten
von Gasmolekülen, Oxidfilme und Ölfilme an diesen Abschnitten
entfernt werden, und es käme zu einer Haftung zwischen den
jeweiligen festen Oberflächen. Folglich würde das Material mit der
niedrigeren mechanischen Festigkeit von der Gleitflächenschicht
entfernt werden.
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Schleifverschleiß würde in dem Fall entstehen, wenn die
Härte einer der Kontaktflächen erheblich höher wäre als jene der
anderen Kontaktfläche, wobei dann vorspringende Abschnitte der
Oberfläche mit der höheren Härte auf Grund des Kontaktdrucks in
das weichere Material gepreßt werden, daher würde das weichere
Material als Folge der Gleitbewegung ausgekratzt werden, und es
entstünde Schleifpulver.
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Die Reibungsverschleißphänomene (die Phänomene, bei denen
die Haftung zwischen Reibungsflächen selbst erheblich ist und
hauptsächlich das Material mit der niedrigeren mechanischen
Festigkeit von der Oberflächenschicht des Teils dieses Material
entfernt wird), die im Zusammenhang mit einem Gleitkontakt,
beispielsweise zwischen einer Nockenwelle und einem Schwingarm,
zwischen einem Zylinder und einem Kolbenring oder dgl. in einem
Verbrennungsmotor, ein Problem werden, sind in Wirklichkeit die
durch Haftverschleiß verursachten Phänomene, und die vorliegende
Erfindung ist hauptsächlich auf das technische Problem der
Unterdrückung der Reibungsverschleißphänomene gerichtet.
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US-A-3 909 252 offenbart eine Kombination von Gleitteilen
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, beispielsweise ein
spezielles Gußeisen mit hoher Verschleißfestigkeit, bei dem
spezifische granuläre Carbide eine erste Gleitfläche des Gußeisens
bilden und das als Material für gegossene Kolbenringe für einen
Gleitkontakt mit einer elektroplattierten Verbundschicht, die in
einer Matrixphase dispergierte Carbide aufweist, geeignet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kombination eines
ersten Gleitteils und eines zweiten Gleitteils vorgesehen, die
in Gleitkontakt miteinander zu halten sind, welche Kombination
einen ersten Gleitteil aus eisenhaltigem Material, bei dem
zumindest eine Gleitflächenschicht hiervon eine metallurgische
Struktur hat, die in einer Matrixphase dispergierte granuläre
Carbide aufweist, und einen zweiten Gleitteil aus eisenhaltigem
Material umfaßt, bei dem zumindest eine Gleitflächenschicht
hiervon eine metallurgische Struktur hat, die in einer
Matrixphase dispergierte Carbide aufweist, wobei die Carbide in der
Gleitflächenschicht des zweiten Gleitteils in einer netzartigen
Weise dispergiert sind und die Matrixphase eine
Martensitmatrixphase ist.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Unterdrückung
abnormaler Abnutzung auf Grund der Erzeugung von
Reibungsverschleiß zwischen zwei miteinander in Gleitkontakt tretenden
Gleitteilen oder dgl. und dadurch die Verbesserung der
Verschleißfestigkeit der Gleitteile.
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Die Erfindung wird mit Bezugnahme auf die beigeschlossenen
Zeichnungen in Verbindung mit der Beschreibung am besten
verständlich, in denen:
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Fig.1 eine Schnittansicht ist, die eine Gleitflächenschicht
eines ersten Gleitteils aus eisenhaltigem Material zeigt, in der
grobe granuläre Carbide in einer Matrixphase dispergiert sind;
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Fig.2 eine Schnittansicht ist, die eine Gleitflächenschicht
eines zweiten Gleitteils aus eisenhaltigem Material zeigt, in
der Carbide auf netzartige Weise in einer Matrixphase
dispergiert sind; und
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Fig.3 eine Darstellung eines Verfahrens zur Messung eines
von Carbiden eingenommenen Flächenanteils ist.
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Das Dispergieren granulärer Carbide, die harte Teilchen in
einer Matrixphase in der Oberflächenschicht eines Gleitteils
bilden, ist zur Verhütung von Haftverschleiß wirksam, da die
granulären Carbide mit dem gegenüberliegenden Gleitteil in
Kontakt kommen und dadurch Haftverschleiß unterdrückt werden kann.
In dem Fall, in dem granuläre Carbide in einer Matrixphase
äußerst fein dispergiert sind, können jedoch so große Wirkungen
nicht erwartet werden, da feine granuläre Carbide gemeinsam mit
der Matrixphase während des Zeitraums entfernt werden, in dem
der Gleitteil in Gleitkontakt mit dem gegenüberliegenden
Gleitteil gehalten wird. Fig.1 zeigt den Zustand, in dem grobe
Carbidteilchen 2 in einer Matrixphase 1 in der
Oberflächenschicht eines Gleitteils aus eisenhaltigem Material dispergiert
sind, und in diesem Zustand kämen die Carbidteilchen 2 mit dem
gegenüberliegenden Teil in Kontakt, und dadurch kann die
Matrixphase 1 geschützt werden.
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Das Dispergieren harter netzartiger Carbide 4 in einer
Matrixphase 3 in der Oberflächenschicht eines Gleitteils aus
eisenhaltigem Material, wie in Fig.2 gezeigt, ist auch zur
Unterdrückung von Haftverschleiß wirksam, und je mehr Carbide
die Oberflächenschicht enthält, desto wirksamer können das
Auftreten und die Ausbreitung von Reibungsverschleiß unterdrückt
werden. Während Fig.2 einen Schnitt rechtwinkelig zu einer
Gleitfläche 5 zeigt, nehmen die Carbide 4 auch in einem Schnitt
längs der Gleitfläche 5 eine netzartige Konfiguration ein. Da
die netzartigen Carbide 4 die Matrixphase 3 fein zerteilen,
würde, sogar wenn ein Reibungsverschleißphänomen in einem Teil
der Matrixphase auftreten sollte, eine Ausbreitung des
Reibungsverschleißphänomens durch die netzartigen Carbide 4 verhindert
werden, und daher kann, wie auch durch die Tatsache unterstützt
wird, daß hauptsächlich die netzartigen Carbide 4 mit dem
gegenüberliegenden Gleitteil in Kontakt kommen würden, eine
ausgezeichnete Verschleißfestigkeit des Gleitteils festgestellt
werden.
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Da eine Aus- oder Verbreitung des in einer Matrixphase
erzeugten Reibungsverschleisses durch die Carbide verhindert
werden, wird die Anti-Reibungsverschleiß-Eigenschaft (die
Eigenschaft zur Verhütung der Ausbreitung von Reibungsverschleiß)
des Gleitteils durch eine Distanz zwischen den Carbiden
bestimmt, und wenn eine mittlere Distanz zwischen Carbiden groß
ist, ist die Anti-Reibungsverschleiß-Eigenschaft niedrig,
während die Anti-Reibungsverschleiß-Eigenschaft hoch ist, wenn eine
mittlere Distanz zwischen Carbiden klein ist. Unter der Annahme,
daß die von Carbiden eingenommenen Flächenanteile in zwei
Gleitteilen, die netzähnliche Carbide bzw. granuläre Carbide
aufweisen, als zueinander gleich ausgewählt wurden, würde die mittlere
Distanz zwischen Carbiden eines Gleitteils mit netzartigen
Carbiden kleiner als die mittlere Distanz zwischen Carbiden
eines anderen Gleitteils mit granulären Carbiden werden, wobei
davon ausgegangen wird, daß die Grobkörnigkeit der Carbide in
beiden Strukturen ungefähr gleich ist. Demgemäß kann der
Gleitteil mit einer metallurgischen Struktur, in der netzartige
Carbide dispergiert sind, eine hohe Anti-Reibungsverschleiß-
Eigenschaft zeigen, sogar wenn er einen kleineren von Carbiden
eingenommenen Flächenanteil aufweist als im Vergleich zu dem
Gleitteil mit einer metallurigischen Struktur, in der granuläre
Carbide dispergiert sind.
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Andererseits konzentrieren sich in der Struktur mit
dispergierten Carbiden, wenn die mechanische Festigkeit der
Matrixphase nicht ausreichend groß ist, die während des Gleitkontakts mit
dem gegenüberliegenden Gleitteil wiederholt auftretenden
Beanspruchungen an der Carbidstruktur, daher wird ein Ermüdungsriß
der Carbide gefördert (Pitting-Phänomen). Demgemäß ist im
Gleitteil, der wiederholter Belastung auszusetzen ist, um die
Matrixphase zu bilden, in der die netzartigen Carbide dispergiert
sind, eine Martensitstruktur für den Zweck der Verstärkung einer
Ermüdungsfestigkeit wirksam, und eine ausgezeichnete
Pitting-Unterdrückungswirkung kann durch Dispergieren der auf die
netzartigen Carbide wirkenden Belastung durch die
Martensitmatrixphase mit einer hohen Ermüdungsfestigkeit erhalten werden, um
die Beanspruchungskonzentration an den netzartigen Carbiden zu
vermeiden. Da der Abbau einer Ermüdungsfestigkeit jedoch durch
eine Abnahme der Matrixphase bewirkt werden würde, wenn ein von
Carbiden eingenommener Flächenanteil an der Gleitfläche groß
wird, sollte der eingenommene Flächenbereich vorzugsweise auf
50 % oder weniger beschränkt sein.
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Wie oben beschrieben, können durch Dispergieren netzartiger
Carbide in einer Martensitmatrixphase Wirkungen gegen das
Auftreten
und die Ausbreitung von Reibungsverachleiß und Pitting
erhalten werden. Wenn jedoch Gleitteile, die beide eine
metallurgische Struktur aufweisen, in der netzartige Carbide
dispergiert sind, miteinander kombiniert werden, würden die Chancen,
daß die Matrixphasen beider Gleitteile miteinander in Kontakt
treten, größer werden, und ein Reibungsverschleiß wird
wahrscheinlich auftreten. Daher schlägt die Erfindung die
Kombination einer metallurgischen Struktur, bei der netzartige Carbide
in einer Martensitmatrixphase dispergiert sind, und einer
metallurgischen Struktur, die in einer Matrixphase dispergierte
granuläre Carbide aufweist, als erwünschte Kombination von
Gleitteilen vor, um abnormale Abnutzung auf Grund des Auftretens
von Reibungsverschleiß und dgl. zu unterdrücken und die Anti-
Verschleißeigenschaft zu verbessern.
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Es sei bemerkt, daß, wenn eine geeignete Menge an MnS
zusammen mit den netzartigen Carbiden dispergiert wird, das
zusammen mit den netzartigen Carbiden dispergierte MnS bei
schneidearbeiten als Quelle der Erzeugung oder Verbreitung von Rissen
dient, wenn Schneidespäne anfallen und dadurch die maschinelle
Bearbeitbarkeit verbessert werden kann, während ein Abbau der
Festigkeit der Matrixphase unterdrückt wird.
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Bei der Kombination der eisenhaltigen Gleitteile, die in
ihren Matrixphasen dispergierte Carbide aufweisen, ist es
bekannt, daß es zur Verhütung der Erzeugung von Reibungsverschleiß
wirksam ist, die von Carbiden eingenommenen Flächenanteile auf
den Gleitflächen der jeweiligen Gleitteile derart auszuwählen,
daß sie voneinander verschieden sind. Da der von den netzartigen
Carbiden eingenommene Flächenanteil kleiner gewählt wird als
jener der granulären Carbide, kann die
Anti-Verschleißeigenschaft der Kombination von Gleitteilen vom standpunkt des
Reibungsverschleisses sowie Pittings verbessert werden.
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Der von Carbiden eingenommene Flächenanteil kann
beispielsweise durch das folgende Verfahren gemessen werden. Die
Schnittfläche des Querschnitts einer Probe wird geschliffen und
poliert, dann korrodiert, und die korrodierte Oberfläche wird
durch das Mikroskop photographiert. Dann wird ein von Carbiden
eingenommener Flächenanteil durch ein Liniensegmentverfahren
berechnet, wie in Fig.3 gezeigt. Ein rechteckiges Feld mit einer
vorherbestimmten Fläche wird auf der mikroskopischen Aufnahme
ausgewählt, dann werden parallele Rasterlinien 6 mit einer
vorherbestimmten
Intervallänge (d&sub0;) gezogen. Die längen der die
jeweiligen Carbidkörner 7 überlappenden Liniensegmente sind mit
l&sub1;, l&sub2;, ... ln und die Länge der Rasterlinie 6 mit L bezeichnet.
Dann wird der von Carbiden eingenommene Flächenanteil mit der
folgenden Formel berechnet:
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(l&sub1; + l&sub2; + ... + ln) x d&sub0; / L x d&sub0; x (m+1)
= (Gesamtfläche der Carbide) / (Fläche des Feldes)
= eingenommener Flächenanteil
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(wobei m die Anzahl von Rasterlinien darstellt).
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Es sei bemerkt, daß diese Technik auch unter Verwendung
eines Musteranalysators ausgeführt werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:
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Ein bevorzugtes Material zur Verwendung als erster
Gleitteil ist beispielsweise 18Cr Gußstahl, und ein bevorzugtes
Material zur Verwendung als zweiter Gleitteil wird beispielsweise
durch die folgende Zusammensetzung dargestellt. Nachdem ein
Material mit der folgenden Zusammensetzung gegossen wurde, wird
eine Hochfrequenz-Abschreckhärtungsbehandlung der
Oberflächenschicht durchgeführt, um sie zum zweiten Gleitteil zu machen:
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C 0,8 bis 0,2 %, Si 0,4 bis 2,0 %
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Mn 0,3 bis 1,5 %, Cr 6,0 bis 20,0 %
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Mo 0,3 bis 5,0 %, S 0,05 bis 0,3 %
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Fe Rest
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(die Zahlenwerte sind in Gew.% angegeben).
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Gründe für den Zusatz der jeweiligen Komponenten:
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(1) C (Kohlenstoff): zugesetzt, um eine Carbidstruktur zu
erhalten. Wenn der Gehalt weniger als 0,8 % beträgt, kann keine
Carbidstruktur erhalten werden, während die Carbidmenge zu hoch
wird, wenn er 2,0 % überschreitet, und so die maschinelle
Bearbeitbarkeit herabgesetzt wird.
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(2) Si: zugesetzt zur Verbesserung der Gießbarkeit. Wenn der
Gehalt weniger als 0,5 % beträgt, ist die Gießbarkeit schlecht,
während eine Sprödigkeit des Materials erhalten wird, wenn er
2,0 % übersteigt.
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(3) Mn: zugesetzt, um die Matrixphase zu stärken. Wenn S dem
Material zugesetzt wird, wird MnS erzeugt, was zur Verbesserung
der maschinellen Bearbeitbarkeit des Materials führt. Wenn der
Gehalt weniger als 0,3 % beträgt, kann die Matrixphase nicht
verstärkt werden, während sich bei Hochfrequenz-Abschreckhärten
verbleibender Austenit erhöht, wenn der Gehalt mehr als 1,5 %
beträgt, was zu einer Verminderung der Härte führt, und die
Stabilität von Größen wird herabgesetzt.
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(4) Cr: zugesetzt zur Bildung von Carbiden, Stabilisierung von
Zementit, zum Mikrofeinen von Perlit und dadurch Erhöhen der
Härte, Verschleißfestigkeit und Wärmebeständigkeit des
Materials. Wenn der Gehalt weniger als 6,0 % beträgt, kristallisiert
Carbid (Chromcarbid) nicht, während die maschinelle
Bearbeitbarkeit verschlechtert wird, wenn er mehr als 15,0 % beträgt, bis
zur Obergrenze von 20,0 % kann die Verschlechterung jedoch durch
geeignete Auswahl von Werkzeugen zugelassen werden.
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(5) Mo: zugesetzt, um die Matrixphase zu stärken und eine
Tempererweichung nach dem Hochfrequenz-Abschreckhärten zu
verhindern. Wenn der Gehalt weniger als 0,3 % beträgt, kann die
Wirkung der Beständigkeit gegenüber Tempererweichung nicht
erhalten werden, während die Wirkung nicht merklich höher wird,
wenn er mehr als 5,0 % beträgt.
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(6) S: zugesetzt, falls eine Verbesserung der maschinellen
Bearbeitbarkeit des Materials vorgesehen wird. Wenn der Gehalt
weniger als 0,05 % beträgt, kann keine Dispersion von Sulfiden
durchgeführt werden, während die Verbesserungswirkung für die
maschinelle Bearbeitbarkeit gering ist und die Zähigkeit
abgebaut werden würde, wenn er mehr als 0,3 % beträgt.
Testbeispiele
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(1) Ein aus 18Cr Gußstahl gebildeter Teil (40 mmφ x 40 mm) wurde
als Testteil A hergestellt. Der von granulären Carbiden
eingenommene Flächenanteil auf seiner Gleitfläche betrug 40 %. Die
Matrixphase bestand aus Martensitstruktur.
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(2) Ein Teil, der durch Gießen eines Materials mit einer
Zusammensetzung bestehend aus C 1,4 %, Si 1,2 %, Mn 0,7 %, Cr 13 %,
Mo 0,7 %, S 0,15 % (wobei jeder Zahlenwert in Gew.% angegeben
ist) und dem Rest aus Fe (wobei der von netzartigen Carbiden
eingenommene Flächenanteil 13 % betrug) und danach Unterwerfen
des Gußstücks einer Hochfrequenz-Abschreckhärtung (HRC 55), um
eine Martensitmatrixphase zu erhalten, gebildet wurde, wurde
einer Oberflächenbehandlung zum Zweck der Verbesserung der
anfänglichen Einlaufeigenschaft ausgesetzt, und dadurch wurde ein
Teststück B (40 mmφ x 40 mm) hergestellt. Diese
Oberflächenbehandlung ist eine Behandlung zur Bildung eines
Fe&sub3;O&sub4;-Überzugsfilms auf der Oberfläche des Teils, indem der Teil der
Abschreckhärtungsbehandlung bei einer Temperatur von 500 bis 600ºC
während 30 bis 90 min in gesättigtem Dampf gehalten wird. Es sei
bemerkt, daß als weiteres Oberflächenbehandlungsverfahren eine
MoS&sub2;-Backbehandlung bekannt ist, die aus dem Schritt
(Säurebeizen) + (Strahlverfahren) + (Bildung eines Manganphosphat-
Überzugsfilms) + (MoS&sub2;-Sprühen) + (Backen (Temperatur 180ºC;
Zeit 60 min)) besteht, und diese Oberflächenbehandlung könnte
angewendet werden.
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(3) Ein aus Hartgußeisen gebildeter Teil (wobei der von Carbid
eingenommene Flächenanteil 60 % beträgt) wurde einer
Flüssigkarburier- und Nitridierbehandlung unterworfen, ferner wurde er
der Behandlung zur Verbesserung der anfänglichen
Einlaufeigenschaft ausgesetzt (siehe vorhergehender Absatz (2)), und dadurch
wurde ein Teststück C (40 mmφ x 40 mm) hergestellt.
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(4) ein aus Chromgußeisen gebildeter Teil (wobei der von Carbid
eingenommene Flächenanteil 20 % beträgt) wurde einer
Flüssigkarburier- und Nitridierbehandlung unterworfen, ferner wurde er
der Behandlung zur Verbesserung der anfänglichen
Einlaufeigenschaft ausgesetzt (siehe vorhergehender Absatz (2)), und dadurch
wurde ein Teststück D (40 mmφ x 40 mm) hergestellt.
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(5) Der Testteil A und der Testteil B, der Testteil A und der
Testteil C bzw. der Testteil A und der Testteil D wurden über
ihre Außenumfangsflächen miteinander in Kontakt gebracht (wobei
der Oberflächendruck 784 N/mm2 (80 kg/mm²) betrug), dann wurde,
während Schmieröl auf die Gleitflächen getropft wurde, der
Testteil A bei 2000 UpM gedreht, während die Testteile B, C bzw. D
bei 2500 UpM gedreht wurden, und nach dem Verstreichen von 150 h
wurden die Oberflächenbedingungen der jeweiligen Testteile
untersucht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle
angegeben.
Kombination
Testteile
Carbid-Flächenanteil (%)
Zustand des Carbids
abnormale Abnutzung auf Grund von Reibungsverschleiß oder Pitting Ja-oder Nein?
granulär
netz
Auswertung der Ergebnisse
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Der von Carbid eingenommene Flächenanteil der netzartigen
Carbide im Testteil B beträgt 13 %, während der von Carbid
eingenommene Flächenanteil im Teststück A, das mit dem Teststück B
in Gleitkontakt tritt, 40 % ausmacht, es kommt jedoch in keinem
der beiden zu einer Erzeugung abnormaler Abnutzung trotz eines
hohen Oberflächendrucks von 784 N/mm² (80 kg/mm²). So ist es
ersichtlich, daß der Testteil B mit einer metallurgischen
Struktur, in der netzartige Carbide in einer Martensitmatrixphase
dispergiert sind, eine ausgezeichnete Anti-Verschleißeigenschaft
ungeachtet der Tatsache aufweist, daß der von Carbid
eingenommene Flächenbereich darin klein ist.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, wurde eine
Kombination eines ersten Gleitteils aus eisenhaltigem Material,
bei dem zumindest eine Gleitflächenschicht hiervon eine
metallurgische Struktur hat, die in einer Matrixphase dispergierte
granuläre Carbide aufweist, und eines zweiten Gleitteils aus
eisenhaltigem Material, bei dem zumindest eine
Gleitflächenschicht hiervon eine metallurgische Struktur hat, die in einer
Martensitmatrixphase dispergierte netzartige Carbide aufweist,
vorgeschlagen.
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Bei dieser Kombination kann eine abnormale Abnutzung der
jeweiligen Gleitteile durch die Kombination der Struktur mit
dispergierten granulären Carbiden des ersten Gleitteils und der
Struktur mit in der Martensitmatrixphase dispergierten
netzartigen Carbiden des zweiten Gleitteils wirksam unterdrückt werden.
Insbesondere indem der von granulären Carbiden eingenommene
Flächenanteil auf der Gleitfläche des ersten Gleitteils größer
gewählt wird als der von netzartigen Carbiden eingenommene
Flächenanteil im zweiten Gleitteil kann eine ausgezeichnete Anti-
Verschleißeigenschaft von den Standpunkten des
Reibungsverschleisses und Pittings erhalten werden. Ferner kann durch
Dispergieren einer geeigneten Menge an MnS zusammen mit den
netzartigen Carbiden im zweiten Gleitteil die maschinelle
Bearbeitbarkeit des zweiten Gleitteils verbessert werden.