DE19643922A1

DE19643922A1 - Verschleißfester Werkstoff und Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkstoffes

Info

Publication number: DE19643922A1
Application number: DE19643922A
Authority: DE
Inventors: Byung Jin Ryu; Kang Hyung Kim; Seung Ho Yang
Original assignee: Samsung Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: Volvo Construction Equipment Korea Co Ltd
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 1997-05-07
Also published as: JPH09202978A; KR970020283A; GB9622567D0; GB2306584A; US5869798A; CN1157378A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verschleißfesten Werk stoff mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und ein Ver fahren zum Herstellen des Werkstoffes und, mehr im besonderen, einen verschleißfesten Werkstoff mit ausgezeichneter Ver schleißfestigkeit, der aus mehreren Schichten besteht, von denen eine eine Schicht festen Schmierstoffes ist, die für die Schmierung von einer festen Lagerinnenseite oder einer bewegten Kontaktseite eines Bolzen/Buchsen-Gelenks sorgt, wo es schwie rig ist, den Schmierstoff nachzufüllen oder die bewegte Kon taktseite zum Ölen anzuhalten, wie das bei einer Lebensmittel maschine, einem Schiff und einem Flugzeug der Fall ist sowie ein Verfahren zum Herstellen des Werkstoffes.

Im allgemeinen hat ein verschleißfester Werkstoff, der in dem Gelenkteil einer Maschine verwendet wird, eine Festigkeit gegen Reibverschleiß unter hoher Belastung und geringer Geschwindig keit, weil seine Härte durch Oberflächenhärtemethoden wie Einsatzhärten, Induktionshärten und Nitrierhärten verbessert worden ist. Jedoch ist die Schmierung des Werkstoffes so schlecht, daß sein Reibungskoeffizient hoch ist, wenn der ent sprechende Reibwerkstoff Eisen ist, da eine harte Verbund schicht auf dem Werkstoff gebildet wird, und zwar auf dem Ei sensubstrat durch die Einsatzhärteschicht die Nitrierschicht oder die Induktionshärteschicht oder eine durch martensitische Umwandlung mit schnellem Erhitzen und Abkühlen gehärtete Schicht gemäß dem US-Patent Nr. 5 217 544.

Um das Problem zu lösen, ist ein Schmierfilm durch Versorgen der bewegten Kontaktseite mit Schmiermittel gebildet worden. Wird jedoch niedrigviskoses Schmieröl als Schmiermittel verwen det, so wird der Film sogleich reißen, so daß es zu einer Me tall-Metall-Reibung kommt. Zusätzlich ist eine Vorrichtung mit hoher Leistung zur Leckverhinderung nötig, um eine konstante Schmierung aufrechtzuerhalten. In Anbetracht dieser Probleme ermöglicht die Verwendung von hochviskosem Schmieröl das Auf rechterhalten des Ölfilms und geringes Öllecken. Aber es beste hen einige Probleme dadurch, daß der Schmierstoff, der während der Kontaktbewegung verdrängt worden ist, nicht wieder ersetzt werden kann und daß das Fett durch die Reibungshitze zersetzt wird. Um wieder hochviskoses Schmiermittel wie Schmierfett auf zubringen, wird ein bestimmter Druck verwendet, um das Schmier mittel für das Öl auf dem Reibungssubstrat nachfüllen zu kön nen. Auf dem Reibungssubstrat wird eine Nut als Durchgang zum aktiven Füllen des Schmiermittels gebildet.

Um die Schmierwirkung aufrechtzuerhalten, sollte das Schmier mittel regelmäßig eingefüllt werden, und viele Einfüllstellen sind erforderlich, da das kurzfristige Einfüllen zeitraubend ist. Wenn außerdem die Einfüllstelle hoch oder inmitten aufwen diger Einheiten angeordnet ist, wird es schwierig, die Maschine zu schmieren oder zu überprüfen. Daher sollten diese Bedingun gen berücksichtigt werden. Ansonsten wird es zu einer Schädi gung durch einschneidende und verschleißende Reibung kommen, wobei die Beschädigung dann zum Fressen führt, was zur Abnut zung führt, oder die Maschine in ihrer Funktion beeinträchtigt.

Um dieses Problem zu verhindern, ist in den US-Patenten Nr. 5 271 679, 5 332 422, 5 222 816, 5 207 513, und 5 271 619 ein Verfahren zum Aufbringen von festem MoS₂- und PTFE-Schmierstoff beschrieben. Diese Beschichtung mit festem Schmierstoff führt nicht nur zu einem geringen Reibungskoeffizienten, sondern auch zur Verringerung ihrer Oberflächenbelastbarkeit (Druckfestigkeit). Bei durch Reibung verursachter Scherkraft kann die Schmiermittelschicht leicht von der Oberfläche, die Schmierung benötigt, entfernt werden und ihre Funktion früher verlieren.

Zusätzlich führt eine harte Chrombeschichtung nach dem US-Pa tent Nr. 5 277 785 nicht nur zu einer hohen Härte und einer ho hen Eisenaffinität, sondern zu einschneidendem Reibverschleiß, indem die Beschichtung da deren Dicke 20-39 µm beträgt, während der Reibung abgeschält wird. Es gibt weitere Beschich tungsverfahren zum Oberflächenhärten auf der Basis von Plasma spritzen von harten Werkstoffen wie beispielsweise Alumi niumoxid in dem US-Patent Nr. 5 305 726, hochschmelzendes und sehr hartes Chromatoxid in dem US-Patent Nr. 5 230 750, Wolf ramcarbid in dem US-Patent No. 5 201 917, eine Borverbindung in den US-Patenten Nr. 5 194 304, 5 313 919 und 5 332 422, und Ti tannitrat in dem US-Patent 5 213 848. Diese Werkstoffe haben jedoch eine geringe Adhäsion an Stahlsubstrat, und ihre physi kalische Eigenschaft wie der thermische Ausdehnungskoeffizient weicht von der des letztgenannten ab. Außerdem begrenzt ihre geringe Biege- und Schlagfestigkeit ihre Anwendung bei Ver schleißwerkstoff für bloße Gleitvorgänge.

Gegenstand der Erfindung ist somit die Schaffung von ver schleißfesten Werkstoffen mit ausgezeichneter Verchleißfestig keit, die Nasen auf dem Substrat haben und eine Schicht festen Schmierstoffes auf den Nasen haben, und von Verfahren zum Her stellen der Werkstoffe. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein verschleißfester Werkstoff, der bei einem Gelenkteil verwendet werden kann, das sich unter hoher Last und mit nied riger Geschwindigkeit bewegt; ein anderer Gegenstand der Erfin dung betrifft die Schaffung von verschleißfesten Werkstoffen, die eine lange Standzeit und Lebensdauer haben und bei denen der Zeitaufwand zum Nachversorgen mit Schmierstoff gering ist.

Der Gegenstand der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Her stellen der verschleißfesten Werkstoffe durch einen Prozeß zur Bildung der Nasen auf dem Substrat durch Elektrodenfunken schweißen unter Verwendung einer Schweißvorrichtung mit einem Vibrator und durch einen Prozeß zum Herstellen der Schicht fe sten Schmierstoffes auf den Nasen durch Beschichtung mit dem festen Schmierstoff mit Verschleißfestigkeit.

Vorzugsweise ist der Werkstoff der Nasen eine Kupferlegierung, eine Molybdänlegierung, eine Kobaltlegierung, eine Legierung aus Eisen und anderen Metallen.

Vorzugsweise ist weiter der feste Schmierstoff MoS₂ oder PTFE (Polytetrafluorethylen).

Es ist weiter möglich, daß der feste Schmierstoff Pb, Sn, Bi, Zn und Legierungen derselben sein kann.

Der Gegenstand der Erfindung beinhaltet außerdem einen ver schleißfesten Werkstoff mit einem Substrat, eine Nasenschicht auf dem Substrat, die durch Elektrodenfunkenschweißen gebildet worden ist, und eine Schicht festen Schmierstoffes, die auf die Nasen aufgetragen worden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Skizze, die das Schweißverfahren zum Herstellen der Nasen auf der Substratoberfläche beschreibt,

Fig. 2 eine Querschnittzeichnung, die die Nasen zeigt, wel che durch die vorliegende Erfindung hergestellt wer den,

Fig. 3 eine Querschnittzeichnung, die zeigt, wie ein fester Schmierstoff gemäß der vorliegenden Erfindung auf die Nasen aufgebracht wird,

Fig. 4 eine lichtmikroskopische Photographie (×100), die die Oberflächenschichten der vorliegenden Erfindung zeigt, und

Fig. 5 ein einfaches Diagramm eines Schweißprozesses.

Wie in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigt, wird der verschleißfeste Werkstoff hergestellt, indem die Nasen 2 auf das Substrat 1 aus Stahl (SM45C) durch Elektrofunkenschweißen unter Verwendung ei ner Schweißvorrichtung, die einen Vibrator hat, gebildet werden und indem dann die Schicht 3 festen Schmierstoffes aufgetragen wird, die auf den Nasen 2 für Schmierung sorgt.

Das Verfahren zur Herstellung dieses Werkstoffes wird folgen dermaßen näher beschrieben: Reinigen der Reiboberfläche des SM45C-Substrates 1 durch Dampf oder organisches Lösungsmittel wie Alkohol und Aceton und trocknen der Reiboberfläche. Her stellen der Nasen 2 auf der Oberfläche des Substrates durch Funkenschweißen unter Verwendung einer Verbrauchselektrode 4. Schnelles Bewegen der Elektrode 4 unter Vibrationen (vgl. Fig. 1) während des Funkenschweißens. Es ist erwünscht, einen ver schleißfesten Werkstoff wie eine Kupferlegierung, eine Molyb dänlegierung, eine Kobaltlegierung, eine Legierung aus Eisen und anderen Metallen als Werkstoff für die Nasen zu verwenden. Die Nasen verbessern die Druckfestigkeit (Belastbarkeit) und die Verschleißfestigkeit des Substrats.

Bei dem Beschichten der Nasen 2 mit der Schicht festen Schmier stoffes 3 wird vorzugsweise MoS₂ oder PTFE oder weiches Metall wie Pb, Sn, Zn und Bi oder Legierungen derselben als Werkstoff für die Schicht 3 festen Werkstoffs verwendet. Dadurch lassen sich reibungsbedingtes Verformen und Scherfließen der Schicht auf der Substratoberfläche vermeiden und die Schmierung auf der Reiboberfläche läßt sich konstant halten.

Wenn der verschleißfeste Werkstoff mit einer Mehrfachschicht den Nasen 2 und die Schicht 3 festen Schmierstoffes bei der La gerbuchse eines Gelenkteils verwendet wird, lassen sich deshalb der Freßwiderstand, die Verschleißfestigkeit, die Schmierung und die Nachversorgungsperiode des Schmierstoffes wesentlich verbessern.

Zusammengefaßt hat der verschleißfeste Werkstoff mit einer Mehrfachschicht, bei der der feste Schmierstoff auf die durch Elektrofunkenbildung hergestellten Nasen aufgetragen ist, einen hervorragenden Freßwiderstand und hervorragende Verschleißfe stigkeit, Druckfestigkeit und Schmierung. Dies ist deswegen der Fall, weil die Nasen dem verschleißfesten Werkstoff aufgrund der Härte des Schweißwerkstoffes Belastbarkeit verleihen und weil der feste Schmierstoff die Fähigkeit gibt, reibungsbe dingtes Verformen und Scherfließen auf der Substratoberfläche zu verhindern, um so die Schmierung auf der Reiboberfläche kon stant aufrechtzuerhalten.

Die Höhe, die Breite und der Abstand der durch das Elektrofun kenschweißen hergestellten Nasen sind gemäß dem Arbeitszustand des Gelenkteils wie aktive Belastung und Gleitgeschwindigkeit einstellbar. Und es ist möglich, diese Werkstoffe bei Gelenk teilen zu verwenden, wo es schwierig ist, das Schmiermittel nachzuliefern, wie bei denen von Schwermaschinen, Flugzeugen, Schiffen und U-Booten, und zwar ohne Kontrolle über lange Zeit.

Gemäß Fig. 5 wird das Elektrofunkenschweißen durch die Verwen dung einer Schweißvorrichtung 15 ausgeführt, die einen Vibrator 14 und einen Elektrodenhalter 13 hat, nachdem das Werkstück 12 in einem Futter 11 eingespannt worden ist. Der Werkstoff nach der Erfindung hat die Schichten gemäß Fig. 4

Beispiel

Der Erfinder hat die Verschleißfestigkeit einer Scheibe gemäß der Erfindung und einer Scheibe, die lediglich eine MoS₂-Be schichtung hatte, verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.

Verfahren zum Bestimmen der Verschleißfestigkeit: Ring-auf-Scheibe-Reibverschleißprüfung
Prüfungsbedingung: Last 800 kp (800 kgf)
Druck 400 kp/mm² (4 kgf/mm²)
Gleitgeschwindigkeit 300 mm/s trockener Zustand
Probe: SM45C-Stahl in Ringform, induktionsgehär tet, Oberflächenhärte HRC 58-62
SM45C-Stahl in Scheibenform, abgeschreckt und angelassen,
Härte HRC20, oberflächengeschweißt gemäß der Erfindung
Schweißbedingung
Elektrode-Kupferlegierungselektrode (2,3% Mn, 0,0087% Cr, 0,16% Fe 0,015% Al, 0,32% Ni, 0,005% Si, Rest Cu)
Frequenz des Vibrators - 120 Hz
Spannung - 740 V
Leistung - 88 Watt
Schweißrate: 3,2 cm²/min

Der feste Schmierstoff MoS₂, vermischt mit Polymerharz wird verwendet. Das Verhältnis der Zusammensetzung ist Stand der Technik.

Tabelle 1

In Tabelle 1 sind die Vergleichsbeispiele 1 und 2 die Werk stoffe, auf die nur der feste Schmierstoff nach dem Stand der Technik aufgetragen ist, wohingegen die Beispiele 1, 2 und 3 die Werkstoffe nach der Erfindung sind, die auf der Oberfläche unter Verwendung eines Vibrators geschweißt und dann mit dem Schmierstoff versehen worden sind.

Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, haben die Werkstoffe nach dem Stand der Technik eine viel geringere Freßübergangszeit als die gemäß der Erfindung. Üblicherweise ist bekannt, daß der Werk stoff mit einem geringen Reibungskoeffizienten einen geringen Verschleiß hat. Aber es kann passieren, daß das Fressen zuerst durch die Reibungshitze eintritt und daß die Maschine nicht mehr arbeiten kann, trotz des geringen Verschleißes. Um dies zu verhindern, wird ein fester Schmierstoff wie PTFE und MoS₂ auf getragen, was ermöglicht das Fressen und den Reibungskoeffizi schleiß wegen des Mangels an Druckwiderstand. Die Erfindung er gibt einen wesentlich besseren Freßwiderstand und eine längere Standzeit als der Stand der Technik.

Wie oben erwähnt, kann die Erfindung im Falle des Gelenkteils das Prüfintervall zum Nachliefern des Schmierstoffes verlän gern, da sie für Schmierung sorgt, die bei dem Werkstoff, der durch das Oberflächenhärteverfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde, nicht vorhanden ist. Sie ermöglicht auch das Erzielen des lebensdauerverlängernden Effekts bei den Gelenken, indem sie die Probleme wie vorzeitiges Austauschen oder Lärmentwicklung durch reibungsbedingte Zerstörung durch erhöh ten Freßwiderstand und erhöhte Verschleißfestigkeit löst.

Die Wahl von Hartmetallen als Schweißwerkstoffe führt zu einer hervorragenden Belastbarkeit der erfindungsgemäß verbesserten Oberfläche, zum Ausbilden einer auch unter trockener Bedingung verfügbaren Mehrfachschicht, zum Auftragen der Schicht auf die Reiboberfläche des Substrats und zum Erhöhen des Freßwider stands, der Verschleißfestigkeit, der Druckfestigkeit und be sonders der Nachlieferungsintervalle der Schmierstoffe. Somit sind die verschleißfesten Werkstoffe gemäß der Erfindung unter trockener Bedingung verfügbar und können in Maschinen, die hohe Last, geringe Geschwindigkeit und hohe Scherkraft verlangen, verwendet werden, bei denen der Stand der Technik nicht einge setzt werden könnte.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines verschleißfesten Werkstoffes mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, gekennzeichnet durch einen Prozeß zum Herstellen von Nasen auf einer Substratober fläche durch Elektrodenfunkenschweißen unter Verwendung einer Schweißvorrichtung (15) und durch einen Prozeß zum Auftragen einer festen Schmierstoffschicht (3), die eine Verschleißfe stigkeit hat, auf die Nasen (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Werkstoff der Nasen (2) Kupferlegierungen, Molybdänlegierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen und andere Metalle bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Schmierstoff MoS₂ oder PTFE ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Schmierstoff Pb, Sn, Bi, Zn oder eine Legierung ist.

5. Verschleißfester Werkstoff mit ausgezeichneter Verschleißfe stigkeit, gekennzeichnet durch ein Substrat (1), durch Nasen (2) auf dem Substrat (1), die durch Elektrofunkenschweißung ge bildet sind, und durch eine Schicht (3) festen Schmierstoffes, die auf die Nasen (2) aufgetragen ist.