DE1300460B

DE1300460B - Verschleissfestes Gleitelement fuer Lagerkonstruktionen

Info

Publication number: DE1300460B
Application number: DEM63004A
Authority: DE
Inventors: Campbell Charles
Original assignee: Morganite Research and Development Ltd
Current assignee: Morganite Research and Development Ltd
Priority date: 1963-11-06
Filing date: 1964-11-05
Publication date: 1969-07-31
Also published as: GB1108354A; US3370006A; SE306901B

Description

Die Erfindung betrifft ein verschleißfestes Gleitelement für Lagerkonstruktionen mit einer verschleißfesten Zusammensetzung auf einer Unterlage, wobei die Zusammensetzung Nickeloxid und/oder Kobaltoxid und einen Zusatz, der gegebenenfalls Calciumfluorid sein kann, enthält.
Die Verwendung von Nickeloxid und/oder Kobaltoxid in Lagerflächen zur Verbesserung der Gleiteigenschaften und Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen ist bekannt. Bei Temperaturen unter etwa 600°C erleiden jedoch aus ungeklärten Gründen das Nickel-oder Kobaltoxid einen übermäßigen Verschleiß, was einen erheblichen Nachteil darstellt, da dieser Temperaturbereich - selbst wenn die Temperaturen im Dauerbetrieb höher liegen - zwangläuflg beim Anfahren durchlaufen werden muß.
So ist ein für Gleitlager bei sehr hohen Temperaturen geeignetes Material aus etwa 25 °% Kobaltoxid und 75 % Calciumfluorid bekannt, wobei gesintertes Calciumfluorid als Gleitmittel verwendet und - wegen der schlechten Haftung an der Unterlage - mit Kobaltoxid als Bindemittel versetzt ist. Die Gleitmittelwirkung wird dem Calciumfluorid zugeschrieben.
Es wäre nun zu erwarten, daß bei Erniedrigung der Menge an Calciumfluorid eine Verschlechterung der Lagereigenschaften resultieren würde.
Überraschenderweise hat sich aber gezeigt, daß es einen recht engen Bereich gibt, in dem gewisse Zusätze die Verschleißeigenschaften von Nickeloxid und/oder Kobaltoxid gerade bei Temperaturen unter 600°C in erstaunlicher Weise erhöhen.
Das verschleißfeste Gleitelement für Lagerkonstruktionen mit einer verschleißfesten Zusammensetzung auf einer Unterlage, wobei die Zusammensetzung Nickeloxid und/oder Kobaltoxid und einen Zusatz, der gegebenenfalls Calciumfluorid sein kann, enthält, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein Fluorid, Phosphat oder Borat eines Metalls der Gruppe Ha des Periodischen Systems oder Bleimonoxid ist, und in einer Menge von 5 bis 25 Gewichtsprozent der Zusammensetzung vorliegt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus Magnesium- oder Calciumpyrophosphat, Calciumpyroborat oder Magnesium- oder Bariumfluorid besteht, der Zusatz in einer Menge von 8 bis 15 Gewicbtsprozent der Zusammensetzung vorliegt, die verschleißfeste Zusammensetzung zusätzlich ein Oxid enthält, das mit dem Nickel- und/oder Kobaltoxid eine eutektische Mischung bilden kann, das zusätzliche Oxid aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Stannioxid oder Titandioxid oder einem Gemisch davon besteht und daß die verschleißfeste Zusammensetzung durch Flammspritzen auf die Unterlagen aufgetragen ist.
Das verschleißfeste Material kann gemäß einer zweckmäßigen Arbeitsweise auch auf die Unterlage aufgesintert sein. Weiterhin ist die Bindung des Materials auf der Unterlage in einer Emaille möglich. Diese Arbeitsweisen sind dem Fachmann an sich bekannt.
Der Schmelzpunkt der erfindungsgemäß vorliegenden und oben gezeigten Zusätze liegt über 700°C. Calciumfluorid wird besonders bevorzugt. Es wirkt bis zu Temperaturen von 900°C als gutes Gleitmittel und ist im Bereich von 200 bis 600°C besonders wirksam.
Die erfindungsgemäßen verschleißfesten Gleitelemente erniedrigen - wie eingangs schon ausgeführt -den Verschleiß bei Temperaturen unter 600'C in besonders starker Weise. So erniedrigen 10 % Calciumfluorid zusammen mit 90 % Nickeloxid den Abrieb bei 400°C auf ein Drittel des Abriebs, der mit reinem Nickeloxid, und auf ein Sechstel des Wertes, der mit 35 °/o Calciumfluorid erhalten wird.
Gemäß einer Modifikation kann das Nickeloxid und/oder Kobaltoxid bei Einsatz des Gleitelements in oxydierender Atmosphäre teilweise durch das entsprechende Metall ersetzt werden, da das Metall allmählich in situ oxydiert wird. Es muß jedoch schon zu Anfang eine Oxidmenge vorliegen, die sicherstellt, daß das Element sofort bei Erreichen der hohen Temperatur die für Nickeloxid und/oder Kobaltoxid charakteristischen Gleiteigenschaften hat. Diese Oxidmenge beträgt im allgemeinen wenigstens 30 °/o der Lagerfläche. Die Oxydation des Metalls in situ muß ausreichen, um die Oxydschicht kontinuierlich in dem Maße zu ersetzen, wie sie abgerieben wird.
Der für manche Zwecke wünschenswerte Zusatz weiterer Oxide, wofür als bevorzugte Beispiele Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Stannioxid oder Titandioxid oder Gemische davon gezeigt wurden, bewirkt durch Eutektikumsbildung mit dem gesamten Nickeloxid und/oder Kobaltoxid oder einem Teil davon eine Herabsetzung der Temperatur, die für die Sinterung oder andere Beschichtungsarbeitsweisen erforderlich ist.
Zur Herstellung einer Mischung der verschiedenen Komponenten des Materials für die verschleißfesten Gleitelemente hat sich sowohl das Vermahlen in der Kugelmühle als auch das trockene Vermischen als geeignet erwiesen.
Das Ausgangsmaterial kann in üblicher Weise zu verschleißfesten Gleitelementen für Lagerkonstruktionen geformt werden, wobei insbesondere das Flammspritzen, aber auch das Aufsintern oder Aufbringen in Form einer Emaille bevorzugt wird. Die Lagerflächen können direkt auf die Unterlagen aufgebracht werden, es kann jedoch auch eine Zwischenschicht unterlegt werden, wenn dies gewünscht wird.
Die für die Lager verwendeten Unterlagen können so ausgewählt werden, daß die optimalen mechanischen und sonstigen Eigenschaften erreicht werden. Soweit wie möglich sollte man dafür sorgen, daß der Ausdehnungskoeffizient der Unterlage und der der Lagerfläche im wesentlichen gleich sind.
Es wurde gefunden, daß erfindungsgemäße Gleitelemente für Lagerkonstruktionen über den ganzen Temperaturbereich von 20 bis 1000°C fast gleichmäßig wirksam sind.
Die erfindungsgemäßen verschleißfesten Gleitelemente für Lagerkonstruktionen können vielfältige Anwendung finden, beispielsweise in den bekannten Cercor-Waben-Keramik-Wärmeaustauschern und in Drehkolben-Verbrennungs-Motoren des Wankel-Typs.
Die Erfindung ist in den nachfolgenden Beispielen erläutert.
Beispiel 1 Es wird eine Mischung hergestellt aus:

Grünem Nickeloxid ............... 900 g

Calciumfluorid ................... 100 g

Diese Mengen wurden ausgewogen und trocken 6 Stunden in einer mit Kautschuk ausgekleideten Kugelmühle von 25 cm Durchmesser bei 60 U/min mit 1 kg Mahlkörpern aus Tonerde von 2,5 cm gemahlen. Das gemahlene Material wurde dann durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 152 Mikron gegeben und in einen Mischer mit Z-förmigem Blatt übergeführt. Dann wurden etwa 200 g eines Bindemittels eingemischt, um eine verpreßbare Masse zu erzeugen. Als Bindemittel wurde das Handelsprodukt Cellofas verwendet. Dieses bindet während der Formgebung und Handhabung die Materialteilchen aneinander, zersetzt sich aber während des Brennens, so daß nur die ursprünglichen Komponenten verbleiben.
Aus der wie oben hergestellten Zusammensetzung wurden Stäbe stranggepreßt, und diese wurden durch Brennen bei 1440°C an der Luft gesintert.
Überzüge des Materials wurden dann auf eine Unterlage aus rostfreiem Stahl mit einer Unterschicht aus einer Nickel-Chrom-Legierung durch Flammspritzen nach der aus der USA: Patentschrift 2 707 691 bekannten Arbeitsweise aufgebracht.
Nach diesem Verfahren erhaltene Lager wurden in einen Cercor-Wärmeaustauscher eingesetzt. Bei 600°C, 30,5 m/min, 4,5 kg Belastung wurden Verschleißgeschwindigkeiten von 0,76 Mikron pro Stunde gemessen.
Beispiel 2 Eine Mischung wurde hergestellt aus:

Grünem Nickeloxid ............... 750 g

(Maschenweite 76 Mikron)

Caleiumfluorid ................... 250 g

(Maschenweite 53 Mikron)

Die Pulver wurden durch trocknes Vermischen innig ineinandergearbeitet und dann auf eine in der normalen Weise gearbeitete Unterlage durch Flammspritzen aufgetragen.
Anstatt die Pulver nach dem Vermischen direkt durch Flammspritzen aufzutragen, können sie auch zu Blöcken gepreßt und bei 1250°C gesintert werden. Im Anschluß an das Sintern werden sie zerkleinert und durch Siebe einer Maschenweite von 76 bis 53 Mikron gesiebt und anschließend wie oben durch Flammspritzen verarbeitet.
Beispiel 3 Eine weitere Mischung wurde hergestellt aus:

Grünem Nickeloxid ............... 950 g

(Maschenweite 76 Mikron)

Bleioxid (Pb0) ................... 50 g

(Maschenweite 53 Mikron)

Die Pulver wurden trocken vermischt und wie im Beispiel 2 durch Flammspritzen auf eine Unterlage aufgebracht. In diesem Fall wurde die Sinterung bei 1500'C durchgeführt.
Lagerflächen aus dieser Mischung hatten über einen weiten Temperaturbereich gute Laufeigenschaften. Es zeigte sich ferner, daß sie einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten haben als die Mischung vom Beispiel 2.

Beispiel 4 Die Abriebgeschwindigkeit von erfindungsgemäßen Lagern wurde gemessen, indem ein Kissen des Lagermaterials von 9,5 mm Durchmesser hergestellt und mit der unten beschriebenen stellitüberzogenen Oberfläche einer um eine vertikale Achse rotierenden Gegenfläche in Gleitkontakt gehalten wurde. Die Abriebgeschwindigkeit wurde bestimmt, indem beobachtet wurde, welchen Gewichtsverlust das Lagermaterial pro Stunde erleidet, und dieser Wert in die mittlere Dicke einer Materialschicht mit dem gleichen Gewicht umgerechnet wurde. Die Versuche wurden mit einem vorgegebenen Druck zwischen dem Lagermaterialkissen und der Gegenfläche durchgeführt, d. h. einer vorherbestimmten Lagerbelastung, und der Apparat wurde in einer Heizkammer gehalten. Die Ergebnisse dieser Versuche sind im nachstehenden zu einer Tabelle zusammengefaßt. Die Versuchstemperatur betrug 400°C, die Lagerbelastung 4,2 kg/cm2 und die Oberflächengeschwindigkeit 7,62 m/min.

Beispiele 5 bis 9 Man ließ Lager der folgenden Zusammensetzung bei 700°C auf einer Welle aus rostfreiem Stahl EN54 bei einer Belastung von 14 kg/cm2 und einer linearen Geschwindigkeit von 1,5 m/min 20 Stunden laufen. Nach dieser Zeit ergab sich, daß in keinem Fall an dem Lager oder an der Welle ein wesentlicher Abrieb festzustellen war. Alle Prozentangaben in diesen Beispielen verstehen sich als Gewichtsprozent.

Beispiel s

NiO ............................. 50°/o

Co0 ............................. 40°/o

CaF2 ............................. 100/,

Beispiel 6

NiO ............................. 90°/o

Mg2P207 ......................... 10°/o

Beispiel ?

Co0 ............................. 85°/o

Pb0 ............................. 15°/o

Beispiel 8

Ni0 ............................. 90°/o

CaB407 .......................... 10°/o

Beispiel 9

Co0 ............................. 85°/o

CaF2 ............................. 15°/o

Claims

Patentansprüche: 1. Verschleißfestes Gleitelement für Lagerkonstruktionen mit einer verschleißfesten Zusammensetzung auf einer Unterlage, wobei die Zusammensetzung Nickeloxid und/oder Kobaltoxid und einen Zusatz, der gegebenenfalls Calciumfluorid sein kann, enthält, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß der Zusatz ein Fluorid, Phosphat oder Borat eines Metalls der Gruppe Il a des Periodischen Systems oder Bleimonoxid ist und in einer Menge von 5 bis 25 Gewichtsprozent der Zusammensetzung vorliegt.
2. Verschleißfestes Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus Magnesium- oder Calciumpyrophosphat, Calciumpyroborat oder Magnesium- oder Bariumfluorid besteht.
3. Verschleißfestes Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz in einer Menge von 8 bis 15 Gewichtsprozent der Zusammensetzung vorliegt.
4. Verschleißfestes Gleitelemen ,nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Zusammensetzung zusätzlich ein Oxid enthält, das mit dem Nickel- und/oder Kobaltoxid eine eutektische Mischung bilden kann.
5. Verschleißfestes Gleitelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Oxid aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Stannioxid oder Titandioxid oder einem Gemisch davon besteht.
6. Verschleißfestes Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Zusammensetzung durch Flammspritzen auf die Unterlage aufgetragen ist.