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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Taumelscheibe eines Taumelscheibenkompressors, insbesondere
eine Taumelscheibe mit einer Oberflächengleitfläche, für die eine Aluminiumlegierung
mit hohem Si-Gehalt mit verbesserten Gleiteigenschaften verwendet
ist.
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2. Stand der
Technik
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Beim Taumelscheibenkompressor ist
die Taumelscheibe 2 starr schief an einer Drehachse 1 befestigt, wie
in 1 gezeigt. Alternativ
dazu ist die Taumelscheibe auf eine weise schief an einer Drehachse
befestigt, daß ihr
Kippwinkel veränderbar
ist. Die Verdichtung und Ausdehnung werden mittels Drehens der Taumelscheibe
ausgeführt,
was das Volumen eines Verteilungsraums in einem Kompressor abhängig von
der Drehung der Drehachse erhöht
oder verringert. Es wird bewirkt, daß eine solche Taumelscheibe 2 auf
einem Schutzglied 3 gleitet, das als Schuh 3 bezeichnet
wird. Gasdichte Versiegelung zwischen der Taumelscheibe 2 und
dem Schuh 3 ermöglicht
die Verdichtung und Ausdehnung des Kühlmediums in dem genannten
Raum. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Kugel.
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Ein bemerkenswerter Punkt bei den
Gleitbedingungen einer Taumelscheibe ist, daß während des anfänglichen
Betriebszeitraums eines Kompressors das Kühlmedium das Gleitteil erreicht,
bevor das Schmieröl das
Gleitteil zwischen der Taumelscheibe und dem Schuh erreicht; daher
weist das Kühlmedium
eine Spülauswirkung
auf das Schmieröl
auf, das auf dem Gleitteil verbleibt, mit dem Ergebnis, daß die Gleitbedingung
eine trockene, von Schmieröl
freie Bedingung ist. Die Gleitbedingungsvoraussetzungen der Taumelscheibe
sind daher sehr hart.
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Die Gleiteigenschaften, die für eine Taumelscheibe
erforderlich sind, welche unter den oben beschriebenen Bedingungen
verwendet ist, sind Freßverschleißfestigkeit,
Abriebfestigkeit und dergleichen. Es wurden daher Vorschläge vorgebracht,
dem Aluminiummaterial zum Steigern der Abriebfestigkeit Hartstoffe
zuzusetzen, um das Material der Taumelscheibe zu verbessern, und
die Taumelscheibe auf Eisengrundlage einer Wärmebehandlung zum Steigern
der Härte
und daher der Abriebfestigkeit zu unterziehen. Außerdem werden
die folgenden Oberflächenbehandlungsverfahren
ebenfalls vorgeschlagen.
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Einer der vorliegenden Anmelder schlug
in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung Nr. Sho51-36611 vor, im Falle einer
Taumelscheibe auf Eisengrundlage gesintertes Cu-Material auf dem
Schuh zu binden. Das heißt,
daß eine
Taumelscheibe auf Eisengrundlage hierfür einer Härtebehandlung unterzogen wurde.
Wenn das Material des gegenüberliegenden
Glieds, d. h. des Schuhs, jedoch ein Material auf Eisengrundlage
ist, erfolgt das Gleiten auf zwei identischen Materialarten, wodurch
ein Problem möglichen
Fressens aufgeworfen wird. Eine gesinterte Kupferlegierung wird
für das
gegenüberliegende
Material (den Schuh) verwendet, das einer Taumelscheibe auf Eisengrundlage
gegenüberliegt,
um das oben genannte Problem zu vermeiden.
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Außerdem wurde auch vorgeschlagen,
eine Verzinnung auf die Taumelscheibe auf Eisengrundlage aufzubringen,
um das Gleiten zwischen identischen Materialarten zu vermeiden und
dadurch die Freßverschleißfestigkeit
zu steigern. Da die Verzinnung, die auf der Taumelscheibe auf Eisengrundlage
aufgebracht ist, weich ist, ist ein Problem, das sich stellt, unzureichende
Abriebfestigkeit.
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Bei Material auf Bronzegrundlage
bewirkt Blei Kompatibilitäts-
und Schmiereffekte. Eine verbesserte Gleitleistung kann daher mittels
Flammspritzen der mit Blei angereicherten Bronze erzielt werden
(vgl. europäische
Patentschrift Nr. EP 0713972A1). Der Trend zum Gebrauch bleifreier
Materialien hat jedoch in letzter Zeit zugenommen, und daher ist
es dringend erforderlich, Gleitmaterial zu entwickeln, das die mit
Blei angereicherte Bronze ersetzt.
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Frühere Vorschläge zur Oberflächenbehandlung
einer Taumelscheibe eines Taumelscheibenkompressors können keine
Eigenschaften erreichen, die denen überlegen sind, die durch die
mit Blei angereicherte Bronze erreicht sind. In dieser Hinsicht
haben die vorliegenden Erfinder ihre Aufmerksamkeit dem Flammspritzen
von Aluminiummaterialien, insbesondere Al-Si-Legierung zugewandt.
Das Si der Al-Si-Legierung kristallisiert als erstes Kristall oder
Eutektikum, mit dem Ergebnis, daß die Abriebfestigkeit leicht
gesteigert werden kann. Es ist allerdings schwierig, in den Aluminiummaterialien
jegliche Komponente(n) zu finden, die die Freßverschleißfestigkeit hervorragend steigern
kann (können).
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WO 9950556 A offenbart eine Taumelscheibe
mit einer zweischichtig flammgespritzten Lagerschicht, wobei in
der vorliegenden Erfindung eine Dispersion verwendet ist.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Taumelscheibe eines Taumelscheibenkompressors bereitzustellen,
die die Probleme löst,
die der Stand der Technik beinhaltet.
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Soweit den vorliegenden Erfindern
bewußt
ist, wurden keine Betrachtungen dahingehend angestellt, gleichzeitig
die Al-Si-Legierung
in den eutektischen oder übereutektischen
Bereich und ein tribologisches Material wie Graphit oder MoS2 flammzuspritzen. Eine Spritztemperatur
von 700°C
oder höher
ist zum Flammspritzen der Aluminiumlegierungen notwendig, während eine
aktive Reaktion zwischen dem Graphit und dem Sauerstoff bei einer
Temperatur von 500°C
oder höher
erfolgt. Es besteht daher eine Gefahr, daß das Graphit nicht in die
flammgespritzte Schicht eingegliedert werden kann, wenn auch nur
ein kleiner Sauerstoffanteil in der Spritzflamme anwesend ist. Die
vorliegenden Erfinder stießen
daher auf Bedenken hinsichtlich der Verbrennung und dem Verlust
von Graphit sowie der Zersetzung und dem Verlust von MoS2 in dem Flammspritzgas bei der Anwesenheit
von Sauerstoff in solchem Gas. Unerwarteterweise entdeckten die
vorliegenden Erfinder, daß tribologische
Materialien in den Aluminiummaterialien dispergiert sein können.
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Gemäß den Aufgaben der Erfindung
ist eine Taumelscheibe eines Taumelscheibenkompressors bereitgestellt,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
flammgespritzte Schicht, die auf dem Substrat abgeschieden ist,
(a) Aluminiumlegierung, welche von 12 bis 60 Gewichtsprozent Si
und körnige
Si-Partikel enthält, die
in der Matrix davon dispergiert sind, und (b) zumindest eine Dispergierphase,
welche in der Aluminiumlegierung (a) dispergiert ist, die Graphitkohlenstoff,
Aktivkohle, Kohlenstoff, der einen Kristallisationsgrad zwischen
dem von Graphitkohlenstoff und Aktivkohle aufweist, und MoS2 umfaßt,
und optional (c) zumindest eines der folgenden umfaßt: Hartstoff
wie FeB, Fe3P, Al2O3, SiO2, SiC und
Si3N4; 8,0 Gewichtsprozent
oder weniger Cu; 3,0 Gewichtsprozent oder weniger Mg; 3,0 Gewichtsprozent
oder weniger Mn; 1,5 Gewichtsprozent oder weniger Fe und 8,0 Gewichtsprozent
oder weniger Ni.
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Die vorliegende Erfindung wird im
folgenden detailliert beschrieben. Solange nicht anderweitig festgelegt,
ist der Prozentgehalt in Gewichtsprozent ausgedrückt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegenden Erfinder haben energisch
Experimente durchgeführt
und entdeckt, daß die
flammgespritzten Aluminiumlegierungen auf Al-Si-Grundlage in einem
eutektischen oder übereutektischen
Bereich verbesserte Haftung an einem Substrat aufweisen; und daß die Si-Partikel
geläutert
sind.
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In der flammgespritzten Legierung
auf Al-Si-Grundlage der vorliegenden Erfindung ist Si in körniger Form
fein und in großer
Menge in der Aluminiummatrix dispergiert. Daher steigert eine große Menge
von körnigem
Si, das fein in der Aluminiummatrix dispergiert ist, die Härte und
damit die Abriebfestigkeit der Legierung. Außerdem dispergieren die körnigen Si-Partikel
fein in einer großen
Menge und unterdrücken
die Haftung zwischen der Aluminiummatrix und dem Schuh und daher
den Freßverschleiß aufgrund
solcher Haftung.
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EP 0713972A1, von den vorliegenden
Anmeldern eingereicht, sieht eine detaillierte Erklärung der flammgespritzten
Kupferlegierung durch Bezugnahme auf ein Beispiel einer Cu-Pb-Legierung vor.
Das schnelle Abkühlen
und die schnelle Verfestigung von geschmolzenen Partikeln ist dem
Al-Legierungsbeispiel gemeinsam. Ein Merkmal der flammgespritzten
Al-Si-Legierung ist, daß ein
Zusatzelement (Si) einen höheren Schmelzpunkt
als das Matrixelement (Al) aufweist. Infolgedessen ist Si in körniger Form
in der Aluminiummatrix fein und in einer großen Menge dispergiert. Daher
ist der Effekt erreicht, daß Si
die Härte
und damit die Abriebfestigkeit der Legierung steigert.
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Bei der vorliegenden Erfindung weisen
die körnigen
Si-Partikel nicht
dieselbe Form wie im primären
Si der herkömmlichen
geschmolzenen Legierung den Si-Partikeln der gewalzten Legierung
gesehen auf. Sie weisen eine längs
in einer Richtung liegende Eigenschaft auf. Andererseits weisen
die Si-Partikel der vorliegenden Erfindung rundliche, knollige,
polygonale, inselförmige
mit Hohlräumen
oder unregelmäßige Formen
auf, die nicht wie die vorherigen Formen eingeteilt sind, und sie
weisen dieselbe. Größe in jeder
Richtung auf. Genauer gesagt beträgt das Verhältnis des längsten zum kürzesten
Durchmesser im Durchschnitt 3 : 1 oder weniger. Außerdem verschwindet
die ausgeprägte
Unterscheidung zwischen dem primären
Si und dem eutektischen Si, die bei den herkömmlichen geschmolzenen Legierungen
ersichtlich ist, im Fall der vorliegenden Erfindung.
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Wenn der Si-Gehalt der Aluminiumlegierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weniger als 12% ist, sind die Abriebfestigkeitssteigerungseffekte
gering. Wenn andererseits der Si-Gehalt 60% übersteigt,
ist es schwierig, das Legierungspulver, das flammgespritzt werden
soll, herzustellen. Ein bevorzugter Si-Gehalt liegt zwischen 15
und 50%. Wenn die Größe der Si-Partikel
50 μm übersteigt,
ist es wahrscheinlich, daß eine
Trennung der Si-Partikel auftritt. Eine bevorzugte Größe liegt
zwischen 1 und 40 μm.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann
eine Legierung auf Grundlage von Al-Si-Sn, die verbesserte Abrieb-
und Freßverschleißfestigkeit
aufweist, als die Matrix der flammgespritzten Schicht verwendet
sein. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist Sn einheitlich in der Aluminiummatrix dispergiert
und überträgt die Schmiereigenschaft
und Kompatibilität.
Sn haftet vorzugsweise am Schuh und verhindert das Gleiten von Materialien
derselben Art, d. h. Al einer Taumelscheibe und Al, das an dem Al
des Schuhs haftet, mit dem Ergebnis, daß die Freßverschleißfestigkeit gesteigert ist.
Wenn der Sn-Gehalt weniger als 0,1% beträgt, ist er zum Steigern der
Schmiereigenschaft und dergleichen nicht wirksam. Wenn andererseits
der Sn-Gehalt 30% überschreitet,
ist die Festigkeit der Legierung verringert. Ein bevorzugter Sn-Gehalt
liegt zwischen 5 und 25%. Die Morphologie der Sn-Phase in der Schicht
ist langgestreckt plättchenförmig. Diese
Morphologie scheint im Licht der Schmiereigenschaft vorzuziehen
zu sein.
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Die Aluminiumlegierung der vorliegenden
Erfindung kann die folgenden optionalen Elemente enthalten: Cu:
Cu wird bei Übersättigung
im Feststoff in die Aluminiummatrix gelöst und steigert daher ihre
Festigkeit. Cu unterdrückt
daher Aluminiumhaftabrieb aufgrund der Trennung von Si-Partikeln.
Außerdem
bildet ein Teil des Cu mit Sn eine intermetallische Sn-Cu-Verbindung
und steigert. daher die Abriebfestigkeit. Wenn der Cu-Gehalt jedoch
80% übersteigt,
ist die Legierung übermäßig gehärtet, so
daß das
geeignete Gleitmaterial nicht bereitgestellt ist. Ein bevorzugter
Cu-Gehalt liegt zwischen 0,5 und 5%.
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Mg: Mg wird mit einem Teil des Si
kombiniert und bildet eine intermetallische Mg-Si-Verbindung. Mg steigert
daher die Abriebfestigkeit. Wenn der Mg-Gehalt jedoch 3,0% übersteigt,
beeinträchtigt
die grobe Mg-Phase die Gleiteigenschaften.
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Mn: Mn wird bei Übersättigung im Feststoff in die
Aluminiummatrix gelöst
und steigert daher ihre Festigkeit. Die Effekte, die durch Mn erzielt
sind, sind dieselben wie bei Cu. Wenn der Mn-Gehalt jedoch 3,0% übersteigt,
ist die Legierung übermäßig gehärtet, so
daß das
geeignete Gleitmaterial nicht bereitgestellt ist. Ein bevorzugter
Mn-Gehalt liegt
zwischen 0,1 und 1%.
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Fe: Fe wird bei Übersättigung im Feststoff in die
Aluminiummatrix gelöst
und steigert daher ihre Festigkeit. Die Effekte, die durch Fe erzielt
sind, sind dieselben wie bei Cu. Wenn der Fe-Gehalt jedoch 1,5% übersteigt,
ist die Legierung übermäßig gehärtet, so
daß das
geeignete Gleitmaterial nicht bereitgestellt ist. Ein bevorzugter
Fe-Gehalt liegt
zwischen 0,1 und 1%.
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Ni: Ni wird bei Übersättigung im Feststoff in die
Aluminiummatrix gelöst
und steigert daher ihre Festigkeit. Die Effekte, die durch Ni erzielt
sind, sind dieselben wie bei Cu. Wenn der Ni-Gehalt jedoch 8,0% übersteigt,
ist die Legierung übermäßig gehärtet, so
daß das
geeignete Gleitmaterial nicht bereitgestellt ist. Ein bevorzugter
Ni-Gehalt beträgt 1,5 oder
weniger.
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Das Flammspritzen (Spritzen) stützt sich
auf die Definition im Glossary Dictionary of JIS Industrial Terms,
4. Ausgabe, Seite 1946, und bezeichnet, daß „Material durch eine Hitzequelle
in geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand umgewandelt und
zur Ausbildung eines Films auf ein Substrat geblasen wird". Das „Material"
ist Aluminiumlegierung oder ihr Ausgangsmaterial, z. B. Al- und
Si-Pulver. Die oben angegebene Definition ist jedoch in dem Sinne
modifiziert, daß das
kohlenstoffhaltige Material und/oder MoS2 zusammen mit
dem oben. angegebenen Material geblasen, aber nicht im wesentlichen
geschmolzen wird. Der halbgeschmolzene Zustand bezeichnet einen
solchen Zustand von Material auf Grundlage von Aluminium, daß ein koexistierender
fest-flüssiger
Zustand wie in einer Al-Si-Legierung mit hohem Si-Gehalt verwirklicht
ist, d. h. ein Material mit hohem Schmelzpunkt. Der halbgeschmolzene
Zustand bezeichnet, daß ein
Teil des Pulvers nicht schmilzt, wie weiter unten erläutert. Bei
der vorliegenden Erfindung können
verschiedene Flammspritzverfahren eingesetzt werden, die in 2 von Tribologist, Jahrgang
41, Nr. 11, Seite 20, 2 aufgeführt sind. Unter
diesen kann das High-Velocity-Oxy-Fuel-Flammspritzverfahren (HVOF,
High Velocity Oxy Fuel) vorzugsweise eingesetzt werden. Es hat den
Anschein, daß die
charakteristische Morphologie der Si- und Sn-Phasen durch dieses
Verfahren erzielt werden kann, da es die Merkmale aufweist, die
auf Seite 20, linksseitige Spalte, Zeile 4 bis 13 von Tribologist,
ebenda, beschrieben sind.
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Flammgespritztes Al kühlt und
verfestigt sich so schnell, daß eine
große
Menge Si im Feststoff zum Härten
des Al gelöst
wird. Es weist daher das Merkmal des Haltens der Si-Partikel auf starker
Festigkeit auf. Eine Trennung von Si-Partikeln und der Abrieb aufgrund solcher
Trennung kann daher unterdrückt
werden.
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Ein verdüstes Pulver von Legierungen
wie Al-Si-Legierung, Al-Si-Sn-Legierungen und dergleichen kann als
das Flammspritzpulver verwendet werden. Diese verdüsten Pulver
können
vollständig
auf dem Substrat geschmolzen und dann verfestigt werden. Alternativ
dazu kann ein teilweise ungeschmolzenes, verdüstes Pulver auf dem Substrat.
aufgetragen werden, so daß die
ungeschmolzene Struktur des Pulvers übrigbleibt.
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Die Flammspritzbedingungen sind vorzugsweise:
0,9 bis 1,2 MPa Sauerstoffdruck; 0,6 bis 0,9 MPa Brennstoffdruck;
und 50 bis 250 mm Flammspritzabstand. Eine bevorzugte Dicke der
flammgespritzten Schicht beträgt
zwischen 10 und 500 μm,
insbesondere zwischen 10 und 300 μm.
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Die Härte der flammgespritzten Legierung
befindet sich in einem Bereich von Hv100 bis 400. Da die Härte der
herkömmlichen
Legierung mit 12%-igem Si-Anteil Hv50 bis 150 ist, kann von der
flammgespritzten Schicht der vorliegenden Erfindung gesagt werden,
daß sie
sehr hart ist.
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Als nächstes wird die Dispergierphase
der flammgespritzten Schicht, d. h. die Phase, die in die Aluminiumlegierungsmatrix
dispergiert wird, beschrieben.
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Das Material der Dispergierphase
wird zusammen mit dem Aluminiumlegierungspulver oder dem Ausgangsmaterialpulver
der Aluminiumlegierung flammgespritzt. Das tribologische Material
macht weder eine nennenswerte Verbrennung noch Zersetzung in der
Spritzflamme des High-Speed-Oxy-Fuel- Flammspritzens oder dergleichen durch
und wird in die Flammspritzschicht eingegliedert.
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Das kohlenstoffhaltige Material ist
Aktivkohle, Graphitkohlenstoff oder Kohlenstoff, der einen Kristallisationsgrad
zwischen dem der zwei vorhergehenden Kohlenstoffe aufweist, oder
dergleichen. Graphit könnte natürliches
oder synthetisiertes Graphit sein. Die starke Spaltungseigenschaft
des Graphits kann zum Verbessern der Gleiteigenschaften verwendet
werden. Das kohlenstoffhaltige Material mit einer ausgeprägten Graphitstruktur
zeigt gute Gleiteffekte aufgrund der Spaltung. Wenn indessen die
zweidimensionale Struktur des kohlenstoffhaltigen Materials weniger
ausgeprägt
und, wird ihr Effekt zur Verbesserung der Abriebfestigkeit ausgeprägter, mit
dem Ergebnis, daß die
Gleiteigenschaften ebenso verbessert werden. Da das kohlenstoffheltige
Material während
dem Flammspritzen nicht geschmolzen wird, bleibt die Form des Ausgangsmaterialpulvers
verhältnismäßig erhalten,
so daß das
kohlenstoffhaltige Material, das in der flammgespritzten Schicht dispergiert
ist, die Form des Ausgangsmaterialpulvers bewahrt.
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MoS2, die
andere Dispergierphase, ist ein allgemein bekanntes tribologisches
Material. Es verbessert die Gleiteigenschaften der flammgespritzten
Schicht unter harten Gleitbedingungen nur leicht. MoS2 verbessert
solche Gleiteigenschaften unter gemäßigten Gleitbedingungen, jedoch
nicht auf die hervorragende weise wie Graphit.
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Das oben angeführte tribologische Material
weist vorzugsweise zwischen 2 und 40 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt
zwischen 5 und 25 Gewichtsprozent auf Grundlage der flammgespritzten
Schicht auf. Das tribologische Material weist vorzugsweise zwischen
10 und 50 μm,
stärker
bevorzugt zwischen 20 und 40 μm Durchschnittspartikeldurchmesser
vor dem Flammspritzen auf.
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Außer den oben beschriebenen
Aluminiumlegierung, kohlenstoffhaltigen Material und/oder MoS2 kann der flammgespritzten Schicht Hartstoff
wie Feb, Fe3P, Al2O3, SiO2, SiC und
Si3N4 zugesetzt
werden, um die Abriebfestigkeit zu steigern. Der Hartstoff wird
während
des Flammspritzens nicht geschmolzen und in der flammgespritzten
Legierung dispergiert. Vorzugsweise ist der zugesetzte Hartstoff
auf 20 Gewichtsprozent oder weniger auf Grundlage der gesamten flammgespritzten
Schicht beschränkt.
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Verschiedene Metallsubstrate wie
Eisen, Kupfer, Aluminium und dergleichen können als Substrat zum Ausbilden
der flammgespritzten Schicht darauf verwendet werden. Wenn die Oberfläche eines
Substrats durch Abstrahlen und dergleichen auf vorzugsweise Rz 10
bis 60 μm
Oberflächenrauhheit
aufgerauht wird, kann die Haftfestigkeit des Films verbessert werden.
Genauer gesagt hat die Haftfestigkeitsmessung eines Films durch ein
Scherbruchtestverfahren aufgezeigt, daß die Haftfestigkeit eines
flammgespritzten Ni-Films auf dem abgestrahlten Stahlsubstrat 30
bis 50 MPa betrug; während
die Haftfestigkeit des Films gemäß der vorliegenden Erfindung
30 bis 60 MPa betrug. Das ist fast dieselbe wie die des flammgespritzten
Ni-Films, der vordem angeblich gute Haftfähigkeit aufwies.
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Die flammgespritzte Schicht kann
einer Wärmebehandlung
unterzogen werden, um die Härte
anzupassen.
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Im Falle des Gebrauchs der flammgespritzten
Schicht ohne Auftragen einer Überdeckung,
wird die flammgespritzte Schicht vorzugsweise auf Rz 3,2 μm oder weniger
fertiggestellt.
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Im Falle des Gebrauchs der Überdeckung
können
verschiedene weiche Beschichtungen, die ausgezeichnete Kompatibilität aufweisen,
wie ein Weichmetall, z. B. Sn, Pb-Sn, ein Fest schmierstoff, z. B.
MoS2, Graphit und MoS2+Graphit,
und eine Mischung aus dem Festschmierstoff und Harz, verwendet werden.
Die Freßverschleißfestigkeit
kann herausragend durch eine Kombination der flammgespritzten Schicht
und der weichen Beschichtung in solchem Ausmaß verbessert werden, daß sie der
durch das Material auf Bronzegrundlage erzielten überlegen
ist. Wie im vorstehenden beschrieben, ist MoS2 der
flammgespritzten Schicht unter der harten Bedingung ohne das Verbrennungsmotoröl nur geringfügig effektiv.
Im Gegensatz dazu weist MoS2 der Überdeckung
herausragende Effekte auf.
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Der Taumelscheibenkompressor an sich
ist zum Beispiel in US-Patent Nr. 5228379, das einem der Anmelder übertragen
ist, bekannt.
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Der Schuh, der in Gleitkontakt mit
einer Taumelscheibe gebracht wird, an sich ist bekannt. Er ist zum Beispiel
in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung Nr. 51-36611 gezeigt, die von den Anmeldern
eingereicht wurde. Jegliches Material, dessen Hauptkomponente Eisen
ist, kann als das Material mit Eisengrundlage verwendet werden.
Lagerstahl ist jedoch bevorzugt. Außerdem ist das Herstellungsverfahren
eines Schuhs keineswegs beschränkt.
Solche Techniken wie Walzen, Schmieden, Pulvermetallurgie, Oberflächenhärten können optional
eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird durch
Beispiele beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Zeichnung, die eine Taumelscheibe zeigt.
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2 ist
ein Foto, das die mikroskopische Struktur der flammgespritzten Schicht
gemäß Beispiel
1 zeigt (400-fach vergrößert).
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3 stellt
die Form von Graphitpulver (30 μm
Durchschnittspartikeldurchmesser) dar, das in der flammgespritzten
Schicht verwendet ist, die in 2 gezeigt
ist.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Es wurde eine Mischung aus 70% des
Aluminiumlegierungspulvers mit 75 μm Durchschnittspartikeldurchmesser
und 30 des Graphitpulvers mit 30 μm
Durchschnittspartikeldurchmesser hergestellt. Die Aluminiumlegierung
hatte eine Zusammensetzung von 40% Si-haltiger Al-Legierung (A2024).
Es ist zu beachten, daß der
Si-Gehalt die Aluminiumlegierung betrifft, während der Graphitgehalt das
Spritzausgangsmaterial betrifft, d. h. das Aluminiumlegierungspulver
und das Graphitpulver. Nach dem Flammspritzen war die Oberflächenzusammensetzung
der Gleitschicht zu 85% 40 Si-haltige Al-Legierung (A2024) und zu
15% Graphit.
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Währenddessen
wurden im Handel erhältliche
Walzbleche aus reinem Aluminium einem Abstrahlen durch Stahlkies
(0,7 mm Größe) unterzogen,
um die Oberfläche
auf Rz 45 μm
aufzurauhen.
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Unter Verwendung einer HVOF-Flammspritzmaschine
(DJ, Erzeugnis von Sulzer Meteco Co., Ltd.) wurde das Flammspritzen
unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
| Sauerstoffdruck: | 1,0
MPa |
| Brennstoffdruck: | 0,7
MPa |
| Flammspritzabstand: | 180
mm |
| Dicke
der flammgespritzten Schicht: | 200 μm |
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Die resultierende flammgespritzte
Schicht wies eine Härte
von Hv0,3 = 166 und eine Durchschnittsgröße der körnigen Si- Partikel von 5 μm auf. Das
Mikroskopstrukturfoto ist in 2 gezeigt.
Das vergrößerte Foto des
Graphits vor dem Flammspritzen ist in 3 gezeigt.
Die Si-Partikel sind körnig,
wie in 2 gezeigt. Es ist
aus 2 und 3 klar ersichtlich, daß der Großteil des
Graphitpulvers die Spritzflamme passiert, auf das Substrat auftrifft
und durch die Aluminiumlegierungsmatrix festgehalten wird, die das
Graphitpulver nach dem Verfestigen umgibt. Das Graphitpulver fällt nach
dem Auftreffen auf das Substrat zusammen. Die Betrachtung von C-Kα-Bild
und Mikroskopfoto zeigten, daß C
in dem C-Kα-Bild
an einer Aluminiumkorngrenze erkannt wurde. Diese Grenze stimmt
mit großer
Wahrscheinlichkeit mit der Stelle überein, an der Graphit auf
dem Mikroskopfoto erkannt wurde.
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Die Oberfläche der flammgespritzten Schicht
wurde auf Rz 1,2 μm
fertiggestellt. Der Abriebtest wurde dann unter folgenden Bedingungen
unter Verwendung einer Stahlplatte (das abgeschreckte SUJ2 als das
gegenüberliegende
Material) durchgeführt.
Das Material, das mit der flammgespritzten Schicht versehen war, wurde
als Taumelscheibe eines Taumelscheibenkompressors gefertigt und
in einer tatsächlichen
Maschine angebracht. Es wurde dann eine Bewertung unter Flüssigkeitskompression
durchgeführt.
Das Testergebnis ist zusammen mit den Testergebnissen der Vergleichsbeispiele
1 und 2 sowie Bezugsbeispiel 1 in Tabelle 1 gezeigt. Das Fressen
trat in den Zyklen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, nicht auf.
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Vergleichsbeispiel 1
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Die flammgespritzte Schicht wurde
durch dieselbe Zusammensetzung wie in Beispiel 1, abgesehen von
dem ausgelassenen Graphit, unter denselben Bedingungen wie in Beispiel
1 ausgebildet. Die resultierende flammgespritzte Schicht wies eine
Härte von
Hv0,3 = 183 und eine Durchschnittsgröße der körnigen Si-Partikel
von 6 μm
auf.
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Beispiel 1A
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Die flammgespritzte Schicht wurde
durch dieselbe Zusammensetzung wie in Beispiel 1, abgesehen davon,
daß das
Graphit durch 14% MoS2 ersetzt wurde, unter
denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 ausgebildet.
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Bezugsbeispiel 1
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Eine 5 μm dicke Überdeckung (die durch Polyimid
gebundene MoS2-Beschichtung) wurde auf der flammgespritzten
Schicht von Vergleichsbeispiel 1 ausgebildet.
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Der Flüssigkeitskompressionstest wurde
unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
| Testmaschine: | ein
Taumelscheibenkompressor |
| Drehzahl: | 6500
U/min |
| Testzeit: | 5
Minuten (ein Zyklus) |
| Testtemperatur: | –10°C |
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Bei dem Flüssigkeitskompressionstest setzt
das Kühlmedium
die Gleitabschnitte einer härteren
Bedingung aus, als es das tatsächliche
Kühlmedium
tut, wobei die Beschädigung
der Gleitabschnitte bewertet wird. Tabelle
1
wie in Tabelle 1 gezeigt, ist die Anzahl der Zyklen
von Beispiel 1, in dem das Graphit in der flammgespritzten Aluminiumlegierung
dispergiert ist, 20 mal so hoch wie die von Vergleichsbeispiel 1.
Die Anzahl der Zyklen von Vergleichsbeispiel 2, bei dem das MoS
2 in der flammgespritzten Aluminiumlegierung
dispergiert ist, ist im Vergleich mit der von Beispiel 1 nicht sehr
hoch. Wie in diesen Ergebnissen gezeigt, ist die Auswirkung auf
die Gleiteigenschaften abhängig
von den einzelnen Materialien unter den tribologischen Materialien
unterschiedlich.
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Die Gleiteigenschaften des Bezugsbeispiels
(MoS2-Überdeckung
1) ist das hervorragendste unter den in Tabelle gegebenen Beispielen.
Dies bezeichnet die Unterschiede in den Gleiteigenschaften zwischen
MoS2, das in der flammgespritzten Schicht vorhanden ist (Vergleichsbeispiel
2) und MoS2, das in der Überdeckung vorhanden
ist (Bezugsbeispiel 1), die sich auf das ungefähr 10-fache belaufen.
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Beispiel 2
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Die Probe, die in Beispiel 1 hergestellt
wurde, wurde dem folgenden Test unter sukzessive zunehmender Belastung
zum Bewerten der Freßverschleißfestigkeit
unterzogen. Das Testergebnis ist zusammen mit dem Testergebnis von
Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 3 in Tabelle 2 gezeigt.
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Beispiel 3
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Die flammgespritzte Schicht wurde
durch das Verfahren von Beispiel 1 hergestellt, abgesehen davon, daß das Graphit
durch 14% MoS2 ersetzt und der Aluminiumlegierung
ferner zusätzlich
10% Sn zugesetzt wurde. Die hergestellte flammgespritzte Schicht
wurde dem Test unter sukzessive zunehmender Belastung unterzogen.
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Vergleichsbeispiel 3
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Die flammgespritzte Schicht wurde
durch das Verfahren von Beispiel 1 hergestellt, abgesehen davon, daß das Graphit ausgelassen
und der Aluminiumlegierung ferner zusätzlich 20 Mo zugesetzt wurde.
Die hergestellte flammgespritzte Schicht wurde dem Test unter sukzessive
zunehmender Belastung unterzogen.
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Der Test unter sukzessive zunehmender
Belastung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
| Testmaschine: | ein
Hochdruckgasmediumtester |
| Belastung: | sukzessive
Erhöhung um
20 kgf/30 Minuten |
| Drehzahl: | 7200
U/min |
| Schmierung: | Öl-/Kühlmediumumlauf |
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Die Freßverschleißfestigkeit von Vergleichsbeispiel
3 ist dürftig,
ungeachtet dessen, daß die
Abriebfestigkeit und die Freßverschleißfestigkeit
durch Zusetzen einer Großen
Menge Mo gesteigert sind. Die Freßverschleißfestigkeit von Beispiel 2,
bei dem das Graphit zugesetzt ist, und von Beispiel 3, bei dem MoS2
zugesetzt ist, ist zwei oder mehr Mal höher als die von Vergleichsbeispiel
3.
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Wie im vorstehenden beschrieben,
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung das kohlenstoffhaltige Material wie das Graphit, oder
MoS2 und die Al-Si-Legierung mit hohem Si-Gehalt gleichzeitig
flammgespritzt. Die flammgespritzte Schicht einer Taumelscheibe
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist frei von Blei und der herkömmlichen Taumelscheibe, auf
welche die Bronze flammgespritzt ist, überlegen.
