SE503343C2 - Mekanisk tätning utnyttjande porinnehållande material och porinnehållande hårdmetall samt metod för framställning därav - Google Patents

Description

503 343 10 15 20 25 30 35 2 dum, som spelar rollen av smörjmedel under drift, till glidsektionen med hjälp av en kileffekt baserad på visko- siteten för fluidet; eller så tillhandahålles en termo- hydrodynamisk tätning eller liknande. Dessa kan användas vid ett högre PV-värde än konventionella tätningar för att reducera friktionskoefficienten.

För att uppnå den effekten måste man emellertid med denna typ av hydrostatisk tätning, hydrodynamisk tätning eller termohydrodynamisk tätning och liknande utföra en komplicerad bearbetning av hårdmetallen och med tanke på svårigheten att bearbeta hårdmetall är processtiden ext- remt lång i jämförelse med för den konventionella tät- ningen. Vidare finns den ytterligare nackdelen att då for- men på hårdmetallen är komplicerad uppnås lätt en spän- ningskoncentration och ett brott kan lätt ske. Således kan denna typ av tätning endast användas vid begränsade appli- kationer för närvarande. Därför erfordras ett nytt mate- rial, för vilket denna typ av bearbetning är onödig.

För en glidyta, vilken måste uppfylla denna sorts krav, har föreslagits en mekanisk tätning med starkt smör- jande egenskaper vid glidytan, varvid, efter det att en läppningsprocess, process med blästring med stålkulor el- ler etsningsprocess utförts, en polerande process utföres på glidytan så att ett flertal små hål bildas. Vid denna typ av struktur, eftersom hålen är mycket små och endast finns vid glidytan, försvinner emellertid hålen allt eftersom glidytan utsättes för nötning, varför nackdelen är att det förbättrade smörjresultatet inte kan upprätt- hållas under en längre tidsperiod.

Dessutom har en mekanisk tätning föreslagits för vilken själva tätningsringen är utformad av ett poröst material. I detta fall reduceras hållfastheten för tät- ningsringen så att ett högt PV-värde inte kan erhållas, och dessutom uppstår ett annat problem, varvid läckage från hålen inte kan försummas om storleken och volymen av hålen är tillräckligt stor. 10 15 20 25 30 35 503 343 3 Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att, med tanke på nackdelarna med sådana konventionella anord- ningar, tillhandahålla en mekanisk tätning, vilken åtmins- tone vid tätningsytan och dess närhet är utformad av ett porinnehàllande material (eng. pore-dispersed material), i vilket porerna är generellt spridda och varvid smörjegen- skaperna kan förbättras och hållfastheten upprätthållas genom strikt bestämning av storlek, form och volym för porerna.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en porinnehållande hårdmetall, som är tillfredsställande för användning som tätningsring och liknande, och en framställningsmetod för denna porinnehål- lande hårdmetall.

Kort beskrivning av ritningarna Dessa och andra ändamål, drag och fördelar med före- liggande uppfinning kommer att framgå av den följande be- skrivningen och de föredragna utföringsformerna tagna tillsammans med de medföljande ritningarna, där: Fig l och 2 är delsnittvyer som visar ett utförande av en mekanisk tätning enligt föreliggande uppfinning.

Fig 3 är två kurvor som visar förhållandet mellan pordiametern och läckvolymen, samt pordiametern och nöt- ningsstorleken.

Fig 4, 5 och 6 är fotografier (förstorade 50 ggr) av mikrostrukturen hos hårdmetallerna 2, 6 och 8 enligt före- liggande uppfinning.

Fig 7 är en kurva, som visar resultatet av mätningen av tätningsytans grovhet.

Fig 8 är en kurva, som visar förhållandet mellan läckvolym och driftstid.

Fig 9 är en förklarande ritning över ett test avseende tätningsstyrkan. 503 343 10 15 20 25 30 35 4 Detaljerad beskrivning av föredragna utföringgformer Med hänvisning till fig 1 bildas en tätningsyta S mellan en roterande tätningsring 1 och en icke-roterande tätningsring 2. Den roterande tätningsringen 1 är förspänd med hjälp av en fjäder 4 monterad på en stoppare 3. I den- na utföringsform av föreliggande uppfinning är den rote- rande tätningsringen 1 gjord av ett porinnehållande mate- rial. Den icke-roterande tätningsringen 2 kan emellertid vara av ett porinnehållande material eller också kan bägge vara gjorda av ett porinnehållande material.

Begränsningarna för porerna i det porinnehållande ma- terialet, som användes som material för den roterande tät- ningsringen 1 vid föreliggande uppfinning, ges senare.

Med hänvisning till materialen, såsom ett keramiskt material eller en hårdmetall, vilken kan användas som por- innehållande material, har de keramiska materialen lägre hållfasthet i jämförelse med hårdmetallerna och har bris- tande beständighet mot värmechock, varför de är olämpliga att användas vid höga PV-värden. Hårdmetallerna, även med porer spridda i hela materialet, är starkare än de kera- miska materialen utan porer och är överlägsna att användas vid höga PV-värden.

Vid föreliggande uppfinning är också sammansättningen av hårdmetallen föremål för strikta begränsningar, vilket kommer att anges nedan.

Form och storlek på porerna Fluidet hålles kvar i porerna i glidytan. Dessutom tillföres fluidet insidan av glidytan och verkar för att upprätthålla en fluidumfilm på glidytan. Således kan varje form vara tillfredsställande för denna verkan. Då emeller- tid påkänningskoncentration framkallas vid en förvriden form av poren, speciellt en form med skarpa, vinklade hör- nor, går en sintrad kropp lätt sönder. Därför göres formen nästan sfärisk eller nästan cylindrisk.

Då å andra sidan porerna är alltför små blir effekten att upprätthålla en fluidumfilm alltför liten och smörj- förmågan kan inte upprätthållas. För både de sfäriska och 10 15 20 25 30 35 5 503 343 de cylindriska formerna gäller således att medeldiametern måste vara 3 pm eller större. För en cylindrisk form måste längden vara åtminstone lika med medeldiametern. Då porer- na är stora bibehålles fluidumfilmeffekten, men då porerna blir mycket stora blir läckaget från porerna alltför kraf- tigt och nötningen på mottätningen blir väsentlig eftersom materialets hållfasthet reduceras alltför kraftigt. Av denna anledning måste de sfäriska porerna ha en medeldia- meter av 20 pm eller mindre och de cylindriska porerna måste ha en medeldiameter av 20 pm eller mindre och en me- dellängd av 300 pm eller mindre. I de fall där hållfasthe- ten är speciellt viktig är det vidare önskvärt att medel- diametern är 16 pm eller mindre.

Fig 3 visar förhållandet mellan medelpordiametern och läckvolymen, samt mellan medelpordiametern och nötningens storlek. Dessa kurvor är baserade på hårdmetall 3 enligt föreliggande uppfinning, såsom anges i tabell 1, vilken bildar en mekanisk tätning omfattande en tätningsring med 60 mm diameter och en koltätring, i vilken ett stort antal pordiametrar finns inneslutna. Resultaten till kurvorna erhölls genom kontinuerlig drift under 100 h vid 3600 rpm, varvid en turbinolja utnyttjades som tätande vätska vid ett tryck av 4 kg/cmz och en temperatur av 40-50°C.

Såsom framgår av dessa kurvor blir såväl läckvolymen som storleken av nötningen stor om medelpordiametern över- skrider 20 pm, vilket går utanför det praktiska driftsom- rådet. Således begränsas diametrarna till ovannämnda om- råde.

Porernas volymetriska förhållande Porvolymen måste vara stor för att bibehålla fluidum- filmeffekten. Därför är den minsta pormängden 0,5 volym%.

Om å andra sidan porerna överstiger 20 volym% är det lätt för individuella porer att förbindas med varandra och hållfastheten för materialet reduceras. Således är den övre gränsen 20 volym%. Ett önskvärt område är 10-15 volym%. 503 343 10 15 20 25 30 35 Porbindning Dà porerna kopplas samman i en láng rad så att de sammanbundna porerna sträcker sig genom den sintrade krop- pen, passerar tätningsfluidet genom dessa porer och läcker ut så att den sintrade kroppen inte längre är användbar som tätningsringdel. Av denna anledning får inte porerna vara förbundna med varandra till en längd som är lika med eller överstiger 2 mm.

Vid tätningsringen l, vilken är formad av porinnehàl- lande material enligt ovan, ansamlas en tätningsvätska el- ler liknande i porerna, och vid start sväller vätskan, p g a värmet som alstras genom tätningsringens glidning, och sipprar ut på ytan S av tätningen så att en film bil- das på filmytan S, varvid smörjningsförmágan upprätthål- les. Dessutom blir porerna större och djupare än de som produceras med hjälp av en konventionell poleringsprocess och de är inte endast placerade vid ytan av tätningsytan S, utan är också spridda 1 den inre delen av materialet, så att även om tätningsytan S av tätningsringen l utsättes för nötning uppträder nya porer på ytan och det effektiva upprätthàllandet av smörjkapaciteten gàr inte förlorat.

Det är inte nödvändigt att det porinnehàllande mate- rialet användes för hela tätningsringen. Sásom framgår av fig 2 kan endast en ändsektion 10 av tätningsringen 1' vara gjort av porinnehàllande material. Tjockleken av änd- sektionen 10 av tätningsringen l', tillverkad av porinne- hàllande material, kan bestämmas pà lämpligt vis. Pa detta sätt, då endast ändsektionen 10 av tätningsringen 1' är gjord av ett porinnehàllande material, kan hàllfastheten för tätningsringen 1' ökas. Om t ex stommen av tätnings- ringen 1' är gjord av normal hárdmetall och den tätande ändsektionen 10 är gjord av ett porinnehàllande material av hàrdmetall, vilket beskrives senare, kan en större hàllfasthet erhållas än om hela tätningsringen vore gjord av porinnehàllande hárdmetall. Metoden för att forma endast ändsektionen 10 av porinnehàllande material kommer att beskrivas senare. 10 15 20 25 30 35 503 343 7 Sammansättning av hårdmetallen Hårdmetallen enligt föreliggande uppfinning är be- gränsad på följande sätt.

Hårdmetallen omfattar en sintrad kropp bestående av åtminstone ett ämne valt ur gruppen av karbider, nitrider och borider av övergångsmetallerna från grupperna IV, V och VI av periodiska systemet och en fast lösning av dessa karbider, samt tillfälliga förore- ningar, varvid porerna utgöres av en mängd av 0,5-20 nitrider och borider, volym%, där porerna är utformade i åtminstone en form vald ur gruppen en huvudsakligen sfärisk form och en huvudsak- ligen cylindrisk form, där porerna med den huvudsakligen sfäriska formen har en medeldiameter av 3-20 um, porerna med den huvudsakliga cylindriska formen har en medeldia- meter av 3-20 pm och en medellängd inom området från me- deldiametern upp till 300 pm, samt där porerna förhindras att kopplas samman till en längd som överstiger 2 mm.

Vid föreliggande uppfinning, såsom nämnts ovan, väl- jes materialet ur gruppen karbider, nitrider eller borider av övergångsmetaller från grupperna IV, V och VI av perio- diska systemet, varvid mer vikt lägges på korrosionsbe- ständighet än hàllfasthet. Vidare är föroreningar, för- knippade med råmaterialpulver och tillverkningsprocessen för dessa material, inblandade, men dess mängd är begrän- sad till som mest 0,5 mass%.

Vid en tillämpning där hållfastheten är viktigare än korrosionsbeständigheten är det å andra sidan önskvärt att innefatta åtminstone ett ämne valt bland järnmetallerna för att förbättra segheten. Detta ämne är inte effektivt i en mängd som understiger 0,1 mass%. Å andra sidan om det överstiger 30 mass% äventyras segheten genom en lägre hårdhetsgrad och dess nötningsbeständighet kommer att för- sämras. Således måste området begränsas till 0,1-30_mass%.

Vidare kan, enligt önskemål, vid dessa två typer av hårdmetaller, det åtminstone ena ämnet valt ur gruppen av karbider, nitrider och borider av övergångsmetaller från grupperna IV, V och VI ur periodiska systemet och en fast 503 343 10 15 20 25 30 35 8 lösning av karbiderna, nitriderna och boriderna, ersättas av åtminstone ett ämne valt ur gruppen av övergångsmetal- ler från grupperna IV, V och VI från periodiska systemet med en mängd av 0,1-5 mass%. Detta är effektivt för att förbättra korrosionsbeständigheten, speciellt i det fall då en hårdmetall innehåller en järnmetall. Genom att er- sätta och tillsätta 0,1-5 mass% av åtminstone ett ämne av övergångsmetallerna från grupperna IV, V och VI från pe- riodiska systemet, såsom krom eller molybden, erhålles en ökning av korrosionsbeständigheten.

Orsaken till att begränsa diametern, formen och por- volymen är såsom tidigare angivits.

Nedan kommer metoden för att framställa den porinne- hållande hårdmetallen enligt föreliggande uppfinning att förklaras.

Vid föreliggande uppfinning omfattar förfarandet för att framställa materialet enligt föreliggande uppfinning ett steg A, varvid ovannämnda material beredas. I ett fall består ett pulver speciellt av åtminstone ett ämne valt ur gruppen karbider, nitrider och borider av övergångsmetal- ler från grupperna IV, V och VI av periodiska systemet och en fast lösning av karbider, nitrider och borider, samt tillfälliga föroreningar; i ett annat fall består ett pul- ver av åtminstone ett ämne valt ur gruppen av karbider, nitrider och borider av övergångsmetaller från grupperna IV, V och VI av periodiska systemet och en fast lösning av karbiderna, nitriderna och boriderna i en mängd av 70-99,9 mass%, varvid åtminstone ett ämne är valt ur gruppen av järnmetaller i en mängd av 0,1-30 mass% och tillfälliga föroreningar; i ytterligare ett fall består ett pulver av de pulver som nämnts ovan, varvid det åtminstone ena ämnet som valts ur gruppen av karbider, nitrider och borider från övergångsmetallerna från grupperna IV, V och VI av periodiska systemet, och en fast lösning av karbiderna, nitriderna och boriderna, ersattes med åtminstone ett ämne från övergångsmetallerna ur grupperna IV, V och VI från periodiska systemet i en mängd av 0,1-5 mass%. 10 15 20 25 30 35 9 sus 343' Till pulvret sättes ett porbildande material i en mängd av 0,5-50 mass%, vilket är fast vid rumstemperatur och innehåller ett organiskt material, av vilket 90% eller mera förángas eller sönderdelas och indunstas vid en tem- peratur som understiger den temperatur som krävs för sint- ring av ovannämnda pulver. Det porbildande materialet är huvudsakligen sfäriskt med en medeldiameter av 3-30 um och/eller huvudsakligen cylindrisk med en medeldiameter av 3-30 pm och en medellängd som är lika med eller större än medeldiametern och lika med eller mindre än 370 pm.

Förfarandet för framställning av materialet enligt föreliggande uppfinning omfattar vidare ett steg B, vid vilket det blandade pulvret som erhållits från steg A formas till valfri form genom komprimering eller liknande; ett steg C, vid vilket ett material, som erhållits vid steg B, försintras i en icke-oxiderande atmosfär vid en lämplig temperatur för förángning eller sönderdelning och avdunstning av 90% eller mera av det organiska, porbil- dande materialet: och ett steg D vid vilket den försint- rade kroppen, som erhállits vid steg C, sintras i en icke-oxiderande atmosfär vid en för sintring erfordrad temperatur och erfordrad tid.

Vidare är det möjligt att utföra stegen C och D efter varandra inom samma ugn. Dessutom är det möjligt att mel- lan stegen C och D införa en process, varvid den försint- rade kroppen, som erhállits vid steg C, formas valfritt genom skärning eller slipning.

Nedan förklaras orsakerna till begränsningarna av tillverkningsmetoden enligt föreliggande uppfinning.

Det organiska materialets egenskaper Eftersom de spar som blir kvar efter det att det organiska materialet har drivits bort blir till porer tillsättes och blandas detta organiska material innan den valfria formen skapas genom kompression eller liknande.

Således är det nödvändigt att formen endast med svårighet kollapsar under blandningen och/eller kompressionen. Där- för är det nödvändigt att det organiska materialet är ett 503 343 10 15 20 25 30 35 10 fastämne vid rumstemperatur.

Efter det att pulvret formats med hjälp av kompres- sion eller liknande måste, å andra sidan, den större delen av det organiska materialet kunna förångas eller sönder- delas och avdunstas vid en temperatur som understiger sintringstemperaturen för att undvika påverkan på sint- ringen.

Således måste det organiska materialet vara ett fast- ämne vid rumstemperatur och 90% eller mera måste förångas eller sönderdelas och avdunstas vid en temperatur som understiger sintringstemperaturen.

Form och storlek på det organiska materialet Den linjära kontraktionskoefficienten för hårdmetal- len är ca 20% även om den förändras med några % beroende på dess sammansättning. Således krymper hålrummen som läm- nas efter förångningen eller sönderdelningen och avdunst- ningen av det organiska materialet med ca 20% för att bil- da porerna. Emellertid varierar kontraktionsförhållandet för porerna beroende på diametern och sintringstemperatu- ren för det organiska materialet. Således är formen av det organiska materialet samma som motsvarande för de avsedda porerna och dimensionerna är huvudsakligen 20% större än dimensionerna för de avsedda porerna. Av det ovanstående begränsas föreliggande uppfinning till ett huvudsakligen sfäriskt, organiskt material med en medeldiameter av 3-30 um eller ett huvudsakligen cylindriskt material med en medeldiameter av 3-30 um och en medellängd som är lika med eller större än medeldiametern och lika med eller mindre än 370 um.

Volymetriskt förhållande Hålrummen, vilka blir kvar efter förångningen eller sönderdelningen och indunstningen av det organiska mate- rialet krymper med ca 20% för att bilda porerna, såsom nämnts ovan. Då dessa dimensioner är små är det också möjligt för porerna att fullständigt krympa under sint- ringsprocessen så att inga porer blir kvar. Således till- sättes mängden organiskt material inom området av 0,5-50 10 15 20 25 30 35 503 343 11 volym%.

Försintring och sintringsomgivning Hárdmetaller är legeringar i ett icke-oxidsystem.

Eftersom de oxideras vid höga temperaturer är de försint- rade och sintrade atmosfärerna icke-oxiderande. Andra fak- torer som temperatur och tid kan överensstämma med stan- dardmetoder för framställning av hàrdmetaller. Beroende pà typ och mängd av organiskt material kan emellertid föràng- ningen eller sönderdelningen och indunstningen kräva läng tid. Således kan vissa hårdmetaller uppleva sprickor eller otillräcklig föràngning, sönderdelning eller indunstning under försintringen. Vid denna typ av fall är det nödvän- digt att t ex halla temperaturökningshastigheten liten under försintringen. Genom att på lämpligt vis kontrollera sintringstemperaturen och tiden kan vidare det volymetris- ka förhållandet för porerna kontrolleras från några % till ca 20%.

Nedan kommer den tillverkningsprocess att förklaras vid vilken endast en ändsektion 10 göres av porinnehal- lande material och de andra delarna tillverkas av normala material som inte innehåller porer.

Det finns tvà typer av processer. Vid den ena pressas först det pulver, som erhållits med hjälp av ovannämnda steg A. Denna pressade kropp placeras i en pressform och pressas samman med ett normalt rámaterialpulver av härd- metall, vilket inte innehåller porbildande harts, för att ge en formad kropp i ett stycke. Denna göres till en sint- rad kropp med hjälp av ovannämnda steg B-D. Med hjälp av denna process är det lätt att bereda ett sintrat material, i vilket en del är av ett porinnehällande material (härd- metall) och återstoden är ett normalt material (hàrdme- tall) som inte innehåller porer. I detta fall är det vi- dare acceptabelt att sammansättningen för de tva hàrdme- tallerna inte är samma, men sintringstemperaturerna för bägge härdmetallerna måste ligga nära varandra (en skill- nad inom 50°C). Om så inte är fallet kan de pressade krop- parna bli onormalt deformerade under sintringen och i ext- 503 343 10 15 20 25 30 35 12 rema fall brista.

Dessutom kan pressföljden för de två typerna av pul- ver vara omvänd och olika former kan användas istället för samma form, såsom angivits ovan. T ex kan pulvret, vilket erhållits från steg A, pressas i en form, det kan därefter överföras från den första formen till en större form och pressas tillsammans med ett normalt hårdmetallpulver, vil- ket inte innehåller ett harts, för att ge en formad kropp i ett stycke. Den sintrade kroppen erhålles därefter med hjälp av samma förfaranden som angivits ovan. Då detta är gjort omges den del som är den porinnehållande hårdmetal- len på tre sidor av den hårdmetall, som inte innehåller porer, vilket gör det möjligt att erhålla en starkare tät- ningsring.

Den andra metoden är enligt följande. Först göres ett porinnehållande material (hårdmetall) och därefter göres ett normalt material (hårdmetall), som inte innehåller po- rer, separat. Dessa två kroppar formas därefter till en kropp i ett stycke genom lödning eller med hjälp av en diffusionsbindning eller liknande. Därvid erhålles, på samma sätt som tidigare, en tätningsring i vilken en del är en porinnehållande hårdmetall och återstoden är en nor- mal hårdmetall, som inte innehåller porer. I detta fall kan bägge sammansättningarna väljas fritt så att om det senare tillverkas som en speciellt höghållfast hårdmetall, så är själva tätningsringen starkare.

Detaljer över lödningen och diffusionsbindningspro- cesserna är enligt följande.

Lödningsprocessen kommer först att beskrivas. Ytan av hårdmetallerna, vilken skall lödas slipas först med en diamantslipsten eller liknande och en yta erhålles med ett R-max av ca 10 pm eller mindre. Dessa ytor rengöres med ett lämpligt lösningsmedel och en lämplig mängd lod i form av en stav eller platta införes mellan dem. Lodet upphet- tas till en lämplig temperatur och lödningsprocessen utfö- res. Lod som gärna kan användas är Ni-lod och Ag-lod. Det förra föredrages emellertid då tyngdpunkten lägges på kor- 10 15 20 25 30 35 503 343 13 rosionsbeständigheten.

Nedan kommer diffusionsbindningsprocessen att beskri- vas. Ytan för diffusionsbindning genomgår en liknande pro- cess tills en liknande grovhet erhållits som vid lödnings- processen, och rengöringen göres pà samma sätt. Därefter bringas de två ytorna som skall förenas samman och upp- hettas till nästan sintringstemperatur (ca 50” under sint- ringstemperaturen) i en icke-oxiderande atmosfär och denna temperatur upprätthålles under ca 10-30 min. På detta sätt bindes de två ytorna lätt samman genom diffusionsbindning.

Det faktum att bindning genom en lödnings- eller dif- fusionsbindningsprocess lätt uppnås är en inneboende för- del vid användning av hàrdmetaller istället för keramiska material.

Föreliggande upfinning kommer nu att förklaras med hänvisning till speciella utföringsformer.

Utföringsform 1 Såsom råmaterial blandades ett WC-pulver med en me- delpartikeldiameter av 1,3 pm och ett Co-pulver med en me- delpartikeldiameter av 1,3 pm för att ge en sammansättning av NC-6,5 mass% Co, och detta blandades i en vátprocess under metanol under 3 dagar i en kulkvarn. Detta blandade pulver torkades och paraffin upplöst i trikloretan till- sattes för blandning för att ge 2 mass% med avseende pá pulvret, och detta torkades återigen för att ge ett bas- pulver. Ett organiskt pulver av den typ, form, med de di- mensioner och mängder med avseende på baspulver som ges i tabell l satsades som porbildande material i en bland- ningsmaskin och blandades för att ge de olika typerna av ràmaterialpulver. I detta fall justeras dessutom mängden kol i ràmaterialpulvret efter vad som erfordras så att varken kol eller n-fas bildas i den sintrade kroppen.

Dessa pulver pressades vid ett tryck av 1 ton/cmz för att bilda en osintrad presskropp om 5,5 x 10 x 30 mm.

Denna osintrade presskropp upphettades till 800°C under 10 h vid vakuum (ca 0,1 torr) för att ge ett försintrat material. Materialet sintrades därefter under ett vakuum 503 10 15 20 25 30 35 343 14 av 0,1-0,3 torr vid 1370°C under 1 h för att ge hàrdme- tallerna 1-13 enligt föreliggande uppfinning och de jäm- förande hårdmetallerna 1-4 som referenser, förutom att, p g a sprickor som producerades i hårdmetallerna 3, 4, 7 och 13 enligt föreliggande uppfinning och den jämförande hårdmetallen 2 som referens i det försintrade tillståndet fördubblades upphettningstiden gentemot 10 h-perioden.

Hàrdmetallerna 1-13 enligt föreliggande uppfinning och de jämförande hårdmetallerna 1-4, som erhållits på detta sätt, slipades först med en diamantskiva varefter fyra testprover om 4 x 8 x 24 mm bereddes för JIS-böjtes- tet för vardera av hårdmetallerna. Densiteten och hård- heten (HRA) uppmättes för vart och ett av dessa testprover och dessutom uppmättes böjstyrkan vid en trepunktsböjning med en spännvidd av 20 mm. Volymförhàllandet för porerna beräknades ur densiteten.

Dessa resultat ges också i tabell l.

Volymförhållandena för porerna av hàrdmetallerna 1-13, vilka beretts med metoden enligt föreliggande upp- finning, är 0,5-18,7 volym% och anses tillfredsställa det begränsande området av 0,5-20 volym%. Emellertid har den jämförande hårdmetallen 1 inga porer och uppfyller inte begränsningarna. För den jämförande hårdmetallen 2 är storleken och volymförhållandet alltför stora och vid jäm- förande hårdmetall 3 är storleken på porerna alltför stor så att böjstyrkan är 40 kg/mmz eller lägre för dessa jäm- förande hàrdmetaller. De bedömdes således olämpliga för praktisk användning. Böjstyrkan för den jämförande hård- metallen 4 är relativt stor, men p g a att porstorleken är stor är läckvolymen alltför stor, såsom visas av fig 8, varför detta material inte har någon praktisk användning.

En studie av strukturen av dessa testprover visar att, i samtliga fall, porstorleken är ca 80% av partikel- storleken för det organiska materialet. Som bekräftelse visas resp mikrostrukturfotografier av fig 4-6 för hårdme- tallerna 2, 6 och 8 enligt föreliggande uppfinning. Av dessa fotografier kan man dra slutsatsen att som mest 10 15 20 25 30 35 503 343 15 endast 6 porer är sammanbundna. Detta stämmer också för de andra hårdmetallerna enligt föreliggande uppfinning. Så- ledes uppskattas att porbindningen maximalt är 0,3 mm x 6 = 1,8 mm och detta anses tillfredsställa begränsningsområ- det.

Av det ovanstående kan sägas att endast de hårdmetal- ler som framställts med hjälp av metoden enligt före- liggande uppfinning uppfyller detta begränsningsområde.

Utföringsform 2 Ett WC-pulver med en medelpartikeldiameter av 1,0-5,0 um och det pulver som visas i tabell 2 (medel- partikeldiameter 1,0-3,0 um) utnyttjades som råmaterial.

Dessa pulver blandades till den sammansättning som visas i tabell 2, som därefter blandades, torkades, blandades med paraffin och återtorkades under samma förhållanden som under utföringsform 1. Därefter tillsattes en högdensi- tetspolyeten med en medeldiameter av 19 um i den mängd som visas i tabell 2 och blandades in på samma sätt som för utföringsform l. Dessa pulver pressades och den resulte- rande, osintrade presskroppen försintrades på samma sätt som för utföringsform 1; Därefter sintrades det försint- rade materialet under 1 h vid vakuum (0,1-0,3 torr) vid den temperatur som visas i tabell 2, för att ge hårdmetal- lerna 14-27 enligt föreliggande uppfinning och de jämfö- rande hårdmetallerna 5-9.

De resulterande hårdmetallerna bearbetades och deras egenskaper, vilka mätts på samma sätt som för utförings- form 1, visas i tabell 2.

Sammansättningen HC/TiC/TaC i tabell 2 avser en fast lösning omfattande 50 mass% WC, 30 mass% TiC och 20 mass% TaC, medan kompositionen TiC/TiN avser en fast lösning om- fattande 50 mass% TiC och 50 mass% TiN.

Hårdmetallerna 14-27 enligt föreliggande uppfinning och den jämförande hårdmetallen 5, som referens, har samt- liga ett volymförhållande inom området av 0,5-20 volym%, medan de jämförande hårdmetallerna 6-9, som referens, be- stämdes ligga utanför detta område. Den jämförande hård- 503 343 10 15 20 25 30 35 16 metallen 5, såsom tidigare angivits, uppfyller kraven av- seende porvolymförhàllande vid ytan, men den har extremt låg hårdhet och saknar nötningsbeständighet. Fotografierna har uteslutits, men medelpordiametern för hàrdmetallerna 14-27 enligt föreliggande uppfinning är samtliga ca 15 pm och endast några av dessa porer är sammanbundna. Det kan således sägas att endast hárdmetallerna 14-27, vilka till- verkats med hjälp av metoden enligt föreliggande uppfin- ning, faller inom det begränsade området.

Utföringsform 3 Utföringsformerna 1 och 2 belyser metoden enligt föreliggande uppfinning och vissa hárdmetaller utvärderas med avseende pà uppförande då de användes i en tätnings- ring.

Speciellt bereddes en testring med en glidyta, som hade en inre diameter av 41 mm och en yttre diameter av 56 mm, med utnyttjande av metoderna frán utföringsformerna 1 och 2. En spegelfinish gavs glidytan genom läppning.

Därefter bereddes kolringar med en innerdiameter av 43 mm och en ytterdiameter av 52 mm som motglidytor och dessa glidytor gavs också en spegelfinish genom läppning. Dessa försöksdelar monterades i en testmaskin för mekaniska tät- ningar. Driftsbetingelserna för den mekaniska tätningen var följande. Tätande fluidum: kranvatten; tätande flui- dumtryck: 15 kg/cm2; rotationshastighet: 410 rpm. Den er- fordrade medeleffekten bestämdes under 1 h alldeles under driftstart. Dä den erfordrade effekten var stor var också friktionskoefficienten stor så att gliduppförandet utvär- deras lämpligen ur storleken på den erfordrade effekten.

Med hjälp av ovannämnda metod mättes först den erfordrade medeleffekten för hàrdmetallerna 1, 3 och 13 enligt föreliggande uppfinning och de jämförande härdme- tallerna 1 och 4, såsom visas i tabell 1. För att under- lätta en jämförelse av resultaten sattes den erfordrade effekten för den jämförande hárdmetallen 1 till 1 och för- hállandena därtill beräknades för att ge effektförhàllan- dena enligt tabell 1. Liknande effektförhàllanden erhölls 10 15 20 25 30 35 503 343 12 som resultat under testbetingelser med 60 mm diameter, 5 kg/cmz, turbinolja och 3600 rpm.

Dessa resultat visar att samtliga hárdmetaller enligt föreliggande uppfinning har lägre effektförhàllande än den jämförande hàrdmetallen 1 sà att uppförandet för dessa hárdmetaller enligt föreliggande uppfinning kan sägas vara överlägsna den jämförande hàrdmetallen 1. Effektförhàllan- det för den jämförande hàrdmetallen 4 är litet, men porer- na är alldeles för stora, så att den volym som läcker är hög, sásom framgår av fig 8. Detta material anses således inte ha någon praktisk användning.

Pa samma sätt mättes den erfordrade medeleffekten för hàrdmetallerna 14, 18, 22 och 23 enligt föreliggande upp- finning och motsvarande porfria hàrdmetaller, jämförande hárdmetallerna 6, 7, 8 och 9, med de resultaten som ges i tabell 2. I samtliga fall var effektförhàllandet för hàrd- metallerna enligt föreliggande uppfinning 0,7-0,8 med hän- visning till de jämförande hárdmetallerna. Speciellt är de porinnehàllande hárdmetallerna enligt föreliggande uppfin- ning överlägsna vid jämförelse med konventionella hàrdme- taller vad beträffar glidegenskaper.

Utföringsform 4 Roterande tätningsringar med en innerdiameter av 60 mm tillverkades av hàrdmetallerna 1 och 3 fràn tabell 1. Liknande, roterande tätningsringar formades också med utnyttjande av de jämförande hàrdmetallerna 1 och 4.

Tätningsytan för tätningsringarna tillverkade av härdmetallerna l och 3 enligt föreliggande uppfinning och de av jämförande hårdmetall 4 finslipades genom läppning, En poleringsprocess utfördes pà tätningsytan av tätnings- ringen tillverkad av jämförande hàrdmetall 1 efter det att läppningsprocessen utförts. En anordning för mätning av ytgrovheten av kontaktnàl-typ användes för att mäta tät- ningsytan av tätringen av hàrdmetall 3 enligt föreliggande uppfinning och tätningsringen av jämförande hárdmetall 1.

Resultaten visas i fig 7. (A) representerar hàrdmetall 3 enligt föreliggande uppfinning och (B) jämförande hàrd- 503 343 10 15 20 25 30 35 18 metall 1. Såsom klart framgår av fig 7 är hålen i tät- ningsytan av hårdmetall 3 enligt föreliggande uppfinning djupare och endast grunda hål bildades genom poleringen.

En obalanserad typ av mekanisk tätning (den tätning som visas i fig 1) tillverkades med hjälp av roterande tätningsringar av hårdmetallerna l och 3 enligt före- liggande uppfinning och av de jämförande hårdmetallerna 1 och 4, vilka gjorts med samma dimensioner som utförings- form 3, och ett läcktest genomfördes. De icke-roterande tätningsringarna var alla av kol. Testet utfördes under hårda betingelser, vid vilka blåsor lätt bildas, utnytt- jande en enhet med ett tätande fluidum med en viskositet av 1000-1500 cps, en fluidumtemperatur av 13-23°C och ett fluidumtryck av 5 kg/cmz. Rotationshastigheten var 3600 rpm och läckagemängden per tidsenhet mättes. Resul- taten ges i fig 8.

Initiellt var läckagemängden liten för den jämförande hårdmetallen 1, eftersom hålen var små och grunda som ett resultat av läppningsprocessen, men allt eftersom tiden gick översvämmades hålen och det var omöjligt att upprätt- hålla smörjkapaciteten hos tätningsytan. Efter 10 h drift blev läckagevolymen stor med utveckling av blåsor. Å andra sidan var volymförhållandet för porerna i hårdmetallen 1 enligt föreliggande uppfinning jämförelse- vis liten, så att även om blåsor uppstod efter 20 h drift, erhölls den dubbla, effektiva livslängden gentemot jämfö- rande hårdmetall 1. Med hårdmetall 3 enligt föreliggande uppfinning, vilken hade stort porvolymförhållande obser- verades en anmärkningsvärd effekt, genom att läckagemäng- den inte ökade även efter mer än 40 h drift. Med den jäm- förande hårdmetallen 4, utvecklades inte blåsor, men läckagevolymen överskred det praktiska området redan från början av driften, vilket gjorde denna hårdmetall oprak- tisk för den aktuella användningen som tätningsring. 10 15 20 25 30 35 503 343 19 Utföringsform 5 Denna utföringsform skiljer sig frán utföringsformer- na 3 och 4 genom att enbart glidytorna av tätningsringarna var tillverkade av porinnehàllande hárdmetall.

Ett pulver som erhållits med hjälp av ovannämnda steg A pressades först, varefter ett pulver som inte innehöll porbildande harts pressades för att ge en pressad kropp i ett stycke av båda pulvren. En sintrad kropp erhölls ur denna hela kropp med hjälp av stegen B-D och den bearbeta- des vidare med hjälp av en diamantskiva eller liknande för att ge en tätningsring med ett R-max - 10 pm, en innerdia- meter av 60 mm, en ytterdiameter av 70 mm och en tjocklek av 5 mm. Den porinnehàllande hárdmetallen av tätningsytan var här samma som hàrdmetall 3 enligt föreliggande uppfin- ning. Den hàrdmetall till vilken detta material i ett stycke förenades var en WC-6,5% Co-komposition, samma som hárdmetall 3 enligt föreliggande uppfinning. Dessutom hade den porinnehållande härdmetallen 3 i glidytan två nivåer - 0,5 mm och l mm tjocklek. För att jämföra hàllfastheterna tillverkades också tätningsringar helt av den porinnehál- lande hárdmetallen. Fem prover av varje ring tillverkades.

Tre användes vid hàllfasthetstesten och två utnyttjades för läckagetesten med hjälp av samma metod som i ut- föringsform 4. I detta fall applicerades en läppningsbe- handlad spegelyta åt glidytan av ringarna, som användes vid läckagetesten.

Hàllfasthetstestet utfördes enligt JIS Z.2507-1960 tryckringtest. Fig 9 är en ritning över en typisk uppsätt- ning för denna metod. Såsom visas av ritningen applicera- des en belastning W, vilken verkade i vertikal riktning pá ringen och den maximala draghàllfastheten erhölls vid punkt A i diagrammet. Detta värde betecknades 0 och ges genom följande ekvation: 0 = [(1/R-6/(h-h2/(2R)HM-WIU/(flbh) där h: ringbredden b: ringtjockleken R: ringradien 503 343 10 15 20 25 30 35 20 R - (innerdiametern + ytterdiametern) / 4 Med hjälp av denna metod erhölls belastningen och draghàllfastheten vid det ögonblick ringen bröts sönder under denna belastning för resp ring. Medelvårdena ges i tabell 3.

Dessa siffror visar att hàllfastheten för tätnings- ringarna 1 och 2 enligt föreliggande uppfinning, för vilka enbart glidytan är gjord av porinnehállande hárdmetall, är ca 50% högre än hállfastheten för tätningsringen 3 enligt föreliggande uppfinning, för vilken hela tätningsringen är gjord av porinnehàllande hárdmetall.

Resultaten av läckagetestet bekräftar att tätninga- ringarna l och 2 enligt föreliggande uppfinning är_mycket överlägsna, vilket är förenligt med de resultat som anges i utföringsform 4. Det är möjligt att erhålla exakt samma kännetecken som i det fall då hela tätningsringen är gjord av hàrdmetall 3 enligt föreliggande uppfinning, såsom visas av fig 8. Således framgår det klart att tätnings- egenskaperna är ekvivalenta med motsvarande för tätnings- ringen med enbart glidytan gjord av porinnehàllande hård- metall och att hàllfastheten är större. Således är detta material lämpligt som högbelastad tätning (högt PV-värde). 503 343 .Ä faæw -. ä -É .ß W 1 Sñënßšåfiomv wfimšüå Ä» OO wwwflE m~©|g HW SWMGHHUUNE ÜUNHÜCMW HQU HÛM GUUCÉUWWÉW å. . . .šæ .umwm .Hmmm .Mmmm Éæ_.:.\...@_ .______ä ïæ X2. ._.____.,..

.En X3. ._,._.:>H._ šxflm.._i.w_.._._>w_ ...âw .få .š ä Éa.- .HEW . ..|||||||||i II|II\I|> w .wmwW.- ÉE! k? ---Éš u- ä -- !.m@_!- im. _: 2 mcficcfiwmms wwcmmmfimumw uøficw uwwmëb .ßmcmuo WCUHÜWQH :Um HHBQÜHWS wmflwmhmwuuflwh.

Efiäümm: wuæäflwuww äfiâ :Såå .. ...NF ...ä f.. _. ._ .få - - . _. f: 4%- .. °....=... ._ m; å? .. .>.............,M. :.$°n_ .hmmm .von .HWHW u § H a H< -, -. í w-.........ww.«ef<.,_..»_..

Q n N Q ..==.,šâ..._...__ å. e.=.,@$....w..h.._.-_ ä . MÉ wåw ._ ä. .e~°._.,^....\..°.~....__..,_.__@ M Éšz. .ÉQ .

. Q êwxscw .._____.._à .. cwm:H .. , .. cuïflmmwmwwmm ... . . .cufiwmoumxwwm cmšmwnmwwom _ ”_ N- I .cwwwmonmwfiom o- - <22Q âöšmmwwwwwmwummmm cwwwšommiuwmwwwwmmww m I P l I šbgfi cowuxwmmwuwuwmcummmm .å flåm.. ...wmmflwuxwf. øwwfiwm . .. wflwfiæmwu. $_~ _» : .Hmmm cwuwæfiomwuwufimrwvmwfl cwuwæflommuwufimcmøwwu. cwuwæfiommuwuflmcwvmmq I »n I lrflw 1 P mcficxumE:< FIN wncmfi flmcnmw uxwwwm 2262? Lwæšñš E1 uwcoflwcmsflw :oo Eupm uwuom nwcoflmcmëww zoo Euom nå.

H AANm .m .wflhüflg Uvfiw HCÜUHO .mama wwcmmmfimuww vmficw uwwmëö ummcmu: wwumä H ._ u.. Ãsumnwmzwummcfinucflwu .Gå zHfi\uHe n** u«a\ufl@\uz H. we>Ho> .fimfluwpms »xwfi=wm~o ømcmz H a Nššv. .äfiwmfifififiwmf i Sßëaä; wwäumäflh. H m wašš .wuæäfihwäaflåom H .__ .mås wwâmwfiwpww .Em Sßëewå H < mcäüfië _ mmm A , N_@æ . O _ .xwyv ..°_@_; AA 4A@W@~ WA A, . . Aï. , . 4 ê , ¿@ _ % ; ,. , : A .. . °._@. .O ~.. ,_ .š Qßarfivá.,fi_\_.bfi_. i ._ ._ _ ; :_ W . _, f :få s o ,sA QQN fi @;_.s2 Mí©:L@ °2 A%fi_ A,-ï;.<. ;A %@.æA 22 ä* m? »ON 192. .S21 ef. , ï WC. .g -..wF fo, :-:|-..., rïímwwm-. .à w :Nfiæ % å :_ ä: % i _. 1 _ , ...ä a m @w»Hfi!wflmUwwa:1::ï;;:.: fí ;%%äí 7; ftw¶ w-w»m-@w :.@@ E Ofš! -.@M.,.._:%,....-_ï....@n\ å A -i s, æ ñxvwßim- mwïí 4% gw.. fwww w- . z AflW+ïMM1ï%W4¶ -M%,~A«= Wwwwww å- imïmNnl l,m-w_|ßf^.ëm»_. , i..- -omm _ o _ o n c w c m E om Nm .f E :_ :_ .Eflf :KN âfi , v š g g < @1:Bw,2_|§r:§,a:@@mz-!w ~ MA @w~@ám!M%,wwmwMw1fiw 2 2 ä ßæ; E 1-2 -, smffoa _ .š s æ @F1|@uæ|@www|@wwm_@m_11|,::% ...... ,@mwwmmwmw@.w@~mmwízm~ _|:. www æ@w.sß. m. 2 ...s S. m; ä: i: ...ä s, z nuuwm Åmcwo wmwmE .Zmflumumc uxmfiñmno uwmmuflmfišv wcfibuwmcåëmmflmuüëš >m å 503 343 N Aflmmørfi 23 503 343 A _. . Ucflccfiä O P === c r Mi EN Wo a... o; N ubflfiflw wcflu å. SN I. å. Wo _ :wmfifiwe A~___=_,¿3: c :EK š cmmcficumu H :mmm-annan Zmušumz mmšmflwcmccfluom mcwummcfic .xfipæwmwfiwwwwww -Bfiowmfiwww wgåflmâüom Ewä ä »wåß än äíuofia -än ä å m .Hflmmdä

Claims (8)

503 343 24 PATENTKRAV

1. Mekanisk tätning innefattande en icke-roterande tätningsring (2) och en roterande tätningsring (1), k ä n n e t e c k n a d av att hela eller åtminstone en del av minst en av tätningsringarna (1, 2) är gjord av ett porinnehállande material, varvid det porinnehállande mate- rialet innehåller 0,5-20 vol% porer, och porerna har an- tingen en huvudsakligen sfärisk eller en huvudsakligen cylindrisk form, varvid porerna med den huvudsakligen sfäriska formen har en medeldiameter av 3-20 pm, och porerna med den huvudsakligen cylindriska formen har en medeldiameter av 3-20 um och en medellängd inom området från medeldiametern upp till 300 um, och varvid porerna är förhindrade från att kopplas samman med varandra och ge en längd som är större än 2 mm.

2. Mekanisk tätning enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a d av att minst en av den icke-roterande tät- ningsringen (2) och den roterande tätningsringen (1), har en tätningsyta (S) och en till tätningsytan (S) angränsan- de del (10) gjord av det porinnehållande materialet, var- vid de andra delarna år av ett normalt material utan spridda porer.

3. Porinnehallande hárdmetall omfattande en sintrad kropp av åtminstone ett ämne valt ur gruppen av karbider, nitrider och borider av övergàngsmetaller i grupperna IV, V och VI i det periodiska systemet och en fast lösning av minst tva av karbiderna, nitriderna och boriderna, och eventuella föroreningar, k ä n n e t e c k n a d av att den sintrade kroppen innehåller 0,5-20 vol% porer, varvid porerna har antingen en huvudsakligen sfärisk eller en huvudsakligen cylindrisk form, och porerna med den huvud- sakligen sfäriska formen har en medeldiameter av 3-20 pm, porerna med den huvudsakligen cylindriska formen har en medeldiameter av 3-20 um och en medellängd inom området från medeldiametern upp till 300 um och porerna är för- 503 343 25 hindrade från att kopplas samman med varandra och ge en längd som är större än 2 mm.

4. Porinnehállande hárdmetall enligt krav 3, k ä n - n e t e c k n a d av att den sintrade kroppen omfattar 70-99,9 mass% av nämnda åtminstone ena ämne utvalt från gruppen av karbider, nitrider och borider av övergángsme- taller i grupperna IV, V och VI i det periodiska systemet och en fast lösning av minst två av karbiderna, nitriderna och boriderna, 0,1-30 mass% av minst ett ämne utvalt från järnmetallerna, och eventuella föroreningar.

5. Porinnehàllande hårdmetall enligt krav 3 eller 4, varvid åtminstone ett ämne utvalt från gruppen av karbi- der, nitrider och borider av övergángsmetaller i grupperna IV, V och VI i det periodiska systemet och en fast lösning av minst tvâ av karbiderna, nitriderna och boriderna är ersatt med en mängd av 0,1-5 mass% av minst ett ämne ut- valt från gruppen av övergángsmetaller i grupperna IV, V och VI i det periodiska systemet. 3

6. Förfarande för framställning av en porinnehállande hårdmetall, k ä n n e t e c k n a t av: ett steg A för beredning av ett pulver bestående av minst ett ämne valt ur gruppen av karbider, nitrider och borider av övergángsmetaller i grupperna IV, V och VI i det periodiska systemet och en fast lösning av minst två av karbiderna, nitriderna och boriderna, och eventuella föroreningar; beredning av ett porbildande material, vil- ket är ett fastämne vid rumstemperatur och består av ett organiskt material, varav åtminstone 90% förángas eller sönderdelas och indunstas vid en temperatur, som under- stiger den erfordrade sintringstemperaturen för pulvret; varvid det porbildande materialet har antingen en huvud- sakligen sfärisk form eller en huvudsakligen cylindrisk form, och det porbildande materialet i den huvudsakligen sfäriska formen har en medeldiameter av 3-30 um, det por- bildande materialet i den huvudsakligen cylindriska formen har en medeldiameter av 3-30 um och en medellängd inom om- rådet från medeldiametern upp till 370 um, och för till- 503 343 26 sats av det porbildande materialet till pulvret i en mängd av 0,5-50 vol% för blandning och dispergering och för att bilda en pulverblandning: ett steg B för att bilda pulverblandningen från steg A i valfri form genom pressning eller liknande för bild- ning av en osintrad presskropp; ett steg C för försintring av den osintrade press- kroppen från steg B i en icke-oxiderande atmosfär vid en lämplig temperatur för att föránga eller sönderdela och indunsta åtminstone 90% av det organiska materialet för porbildningen; och ett steg D för att hålla den försintrade kroppen från steg C i en icke-oxiderande atmosfär vid en för sintring erfordrad temperatur och erfordrad tid.

7. Förfarande enligt krav 6, k 8 n n e t e c k - n a t av att steg A omfattar beredning av ett pulver be- stående av minst ett ämne, i en mängd av 70-99,9 mass%, utvalt fran gruppen av karbider, nitrider och borider av övergángsmetaller i grupperna IV, V och VI i det perio- diska systemet och en fast lösning av minst två av karbi- derna, nitriderna och boriderna, och minst ett ämne, i en mängd av 0,1-30 mass%, utvalt från järnmetallerna, och eventuella föroreningar.

8. Förfarande enligt krav 6 eller 7, varvid det åt- minstone ena ämnet utvalt från gruppen av övergángsmetal- ler i grupperna IV, V och VI i det periodiska systemet er- satts med en mängd av 0,1-5 mass% av minst ett ämne utvalt från gruppen av övergángsmetaller i grupperna IV, V och VI i det periodiska systemet.