DE2415035B2

DE2415035B2 - Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Gleitstücks hoher Festigkeit, insbesondere einer Scheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen

Info

Publication number: DE2415035B2
Application number: DE2415035A
Authority: DE
Inventors: David Millison Taylor Mich. Lindsey (V.St.A.)
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1973-05-02
Filing date: 1974-03-26
Publication date: 1978-11-02
Also published as: CA1018965A; FR2228155A1; DE2415035A1; FR2228155B1; JPS50123504A; AU6731774A; DE2415035C3; IT1011295B; GB1440867A; US3869259A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Gleitstücks hoher Festigkeit, insbesondere einer Scheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen, aus einem Verbundwerk- jo stoff, der aus 20 bis 80 Vol.-% Kohlenstoffteilchen in einer Kupferlegierung aus 5 bis 20 Gew.-% Titan, 3 bis 22Gew.-% Blei, 0 bis 15Gew.-% Zinn und Kupfer als Rest besteht.

Durch die DE-PS 20 27 902 ist ein Gleitwerkstoff r> Tür Trockenlauf auf der Basis einer Sinterbronze bekannt, der 4 bis 15 Gew.-% Titan, 12 bis 20Gew.-% Festschmierstoffzusatz und Rest Kupfer oder Bronzen enthält, zu dessen Herstellung die Bestandteile in Pulverform kalt vorgepreßt, danach bei 600 bis 800 C 4< > vorgesintert, dann nachgepreßt werden, anschließend bei einer Temperatur von etwa 75% der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bei etwa 900 bis 1100 C fertiggesintert und abschließend auf ein Restporenvolumen von weniger als 10% fertiggepreßt werden.

Durch die US-PS 37 82 930 ist ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Scheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen bekannt, wobei der Werkstoff für diese eine Basis aus Gußeisen oder Stahl aufweist und ->o einen Gehalt von 1 % Kupfer, einen großen Anteil von 15 bis 50% Titankarbid und 1 bis 4,5% Graphit hat. Die in dem Eisen enthaltenen Titankarbidpartikel bedingen einen erheblichen Abrieb beim Zusammenarbeiten der Scheiteldichtung mit einem chromplattierten Gehäuse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren so weiter auszubilden, daß Gleitstücke mit optimalen Eigenschaften für den Einsatz als Scheiteldichtungen für Drehkolbenmaschinen t>o herzustellen sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.

Es wird eine metallurgische Bindung mindestens zum Teil durch eine chemische Reaktion zwischen b^r> Teilen des in der Metallegierung auf Kupferbasis enthaltenen Titans mit Kohlenstoffatomen an der Oberfläche der in der Legierung dispergierten Kohlenstoffteilchen bewirkt. Es wird hierbei Titankarbid gebildet. Diese Bindung zwischen den in der Metallmatrix verteilten Kohlenstoffteilchen und der Metallmatrix erhöht die Festigkeit des Gleitstücks, ist beim Einsatz in Drehkolben-Brennkraftmaschinen von besonderer Haltbarkeit und ist gegenüber anderen Metallkarbiden auch widerstandsfähig gegen heißes Wasser, das bei Brennkraftmaschinen als Abgasprodukt anfällt. Es ergibt sich eine höhere Titankonzentration an den Berührungsflächen zwischen den Kohlenstoffteilchen und der Metallphase. Eine solche Bindung aus Titankarbid an den Berührungsflächen entsteht nur dann, wenn sich das Metall in flüssigem Zustand befindet, das Sintern also in der Flüssigphase erfolgt.

Eine flüssige Kupferlegierung mit den beanspruchten Teilen an Blei und Titan benetzt die Oberfläche der Kohlenstoffteilchen und ermöglicht die Bildung von Titankarbid. Flüssiges Kupfer allein oder flüssiges Kupfer und Blei, gegebenenfalls auch Zinn, benetzen dagegen die Kohlenstoffteilchen nicht ausreichend. Ebenso können Legierungen im festen Zustand selbst bei hohen Temperaturen die Oberfläche der Kohfenstoffteilchen nicht so verändern, um die metallurgische Bindung zu bewirken.

Während mit anderen Legierungen auf Kupferbasis und dispergierten Kohlenstoffteilchen zwar Abriebfestigkeit und gute Festigkeit bei hohen Temperaturen erreicht werden können, weisen Gleitstück? nach der Erfindung eine erhöhte Festigkeit in einer Umgebung auf, in der dauernde Biegebeanspruchungen, Abriebkräfte und Feuchtigkeit herrschen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Scheiteldichtung einer Drehkolben-Brennkraftmaschine und

Fig. 2 eine Photomikrographie in 200facher Vergrößerung, die das Gefüge des Verbundkörpers, aus dem die Scheiteldichtung besteht, zeigt.

Scheiteldichtungen 30 für Drehkolben-Brennkraftmaschinen der in Fig. 1 dargestellten Art werden in Zusammenarbeit mit gußeisernen Gehäusen verwendet, deren Umfangsflächen mit Chrom plattiert ist.

Die Scheiteldichtungen bzw. Gleitstücke nach der Erfindung werden als Verbundkörper aus Metall und Kohlenstoff gebildet und sind dauerhaft und abriebfest, wie dies unter den dynamischen Bedingungen bei Drehkolbenmaschinen der Wankel-Bauart nachgewiesen wurde. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform einer derartigen Scheiteldichtung besteht diese aus feinverteilten Feststoffteilchen aus Kohlenstoff, die in einer Kupfer-Titan-Legierung, die etwas Blei enthält, dispergiert und metallurgisch gebunden sind. Der Metallanteil und der Kohlenstoffanteil der Dichtung, wie Abriebfestigkeit, Festigkeit und Reibbeiwert. Ein wesentlicher Faktor für die Wirksamkeit der Dichtung ist das Binden der Titanbronzelegierung mit dem Kohlenstoff, das durch die Benetzung ermöglicht wird,' die wiederum durch das in der Legierung vorhandene Blei begünstigt wird. Die metallurgische Bindung wird durch in den Berührungsflächen entstehendes Titankarbid unterstützt.

Die Titanbronze enthält 3 bis 22 Gew.-% Blei, wahlweise bis zu 15Gew.-% Zinn und Titan in einem Anteil, der eine wirksame Benetzung und Bindung der Metallphase mit dem Kohlenstoff ermöglicht, ohne im wesentlichen die Festigkeit und Zähigkeit des Verbundkörpers zu vermindern, und als Rest Kupfer.

Wie bereits erwähnt, werden Titan und Blei dazu verwendet, daß die Legierung auf Kupferbasis die Kohlenstoffteilchen benetzt. Es müssen mindestens 5 Gew.-% Titan in der Legierung auf Kupferbasis vorhanden sein. Ein Titangehalt über 20 Gew.-% trägt nicht dazu bei, die Festigkeit des Verbundwerkstoffes zu erhöhen, kann jedoch schädliches Sprödewerden verursachen. Ein Bleigehalt über 22Gew.-% der Legierung kann die aus dem Verbundwerkstoff gebildete Dichtung zu weich machen. Zinn trägt zur Erzielung der gewünschten Reibeigenschaften des Verbundkörpers bei. Vorzugsweise besteht die Legierung aus 9-18Gew.-% Titan, 4-10Gew.-% Blei, 4-13Gew.-% Zinn, Rest Kupfer mit zulässigen Beimengungen.

Gleitstücke der erwähnten Zusammensetzung wer- r, den pulvermetallurgisch hergestellt. Dabei müssen der Kohlenstoff und die Legierung in feinverteilter, feinstteiliger Form vorliegen. Die Kohlenstoffteilchen sind harte abriebfeste Sorten von Kohlenstoff (amorph oder krystallin), wie Anthrazitkohle, glasähnliche Kohle, die >» krystallinen Kohlenstoff enthalten. Für Scheiteldichtungen können amorphe Kohlenstoff-Graphitmischungen mit bis zu 15 bis 20Gew.-% Graphit ebenfalls verwendet werden, jedoch führt die Verwendung von Graphit allein zu einer zu weichen Dichtung. Aller- _>■-, dings ist bei nicht allzu harten Abriebbedingungen auch die alleinige Verwendung von Graphit möglich.

Der Kohlenstoifhat eine Teilchengröße von weniger als 74 μπι, besser noch unter 43 μη\. Kohlenstoffpartikel einer Teilchengröße unter 43 μηι werden in be- J₁₁ kannter Weise durch Mahlen gewonnen. Die verwendete Titanbronze kann in feinteiliger Form durch Versprühen der geschmolzenen Legierung in einer Argonatmosphäre gewonnen werden. Ein Pulver der Legierung mit weniger als 43 μΐη Teilchengröße und hoher j-, Reinheit ist auf diese Weise herstellbar. Es ist nicht notwendig, ein vorlegiertes Pulver zu verwenden. Es kann auch ein Pulvergemisch der einzelnen Bestandteile verwendet werden.

Die Umwandlung in den Verbundkörper kann durch w Heißpressen bzw. Drucksintern erfolgen. Die gründlich vermengte Pulvermischung wird in eine Form geeigneter Gestalt aus Kohlenstoff eingebracht, wobei einzelne Scheiteldichtungen oder ein Elock aus dem Verbundkörper gebildet werden, aus dem dann die 4--, Scheiteldichtungen herausgearbeitet werden. Der Druck wird durch die Form aus Kohlenstoff auf die Pulvermischung in einem Autoklaven ausgeübt, aus dem die Luft evakuiert und durch Argon oder ein anderes inertes Gas ersetzt wird. Ein Druck von 70 bar -,o wird auf die Pulvermischung ausgeübt, während sie von Raumtemperatur auf 982 C erwärmt wird. Danach wird der Druck auf 422 bar erhöht, während die Temperatur von 982 C für 30 Minuten aufrechterhalten wird. Der Verbundwerkstoff wird dann auf Raum- -,-, temperatur abgekühlt und der Druck abgesenkt, wenn die Temperatur auf etwa 760 C gefallen ist. Bei der hohen Temperatur und dem hohen Druck schmilzt die Legierung und benetzt die Kohlenstoffpaitikel unter Bildung einer metallurgischen Bindung. _b0

Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Verbundwerkstoff aus Partikeln 60 aus Kohlenstoff, die von der Kupferlegierung 62 umschlossen sind. Das Blei ist in Form eigener Partikel enthalten, die willkürlich in der Legierungsphase verteilt und bei der vorgesehenen _h-, 200fachen Vergrößerung nicht sichtbar sind.

Bei einer anderen Variante des isostatischen Heißpressens wird die Pulvermischung in ein Glas- oder

Metallgefäß eingebracht und einem hohen Flüssigkeitsdruck ausgesetzt. Ferner ist auch atmosphärisches Heißpressen möglich, wobei Zusätze, wie Titanhydrid vorgesehen sind, die zerfallen und eine Schutzgasatmosphäre bilden. Ferner sind auch Kaltpressen und Sintern oder Kaltpressen, Vorsintern und Heißpressen oder Strangpressen zur Bildung des Verbundkörpers anwendbar. Die Scheiteldichtungen aus dem Verbundwerkstoffkönnen auch durch Warmverformung in einer inerten Atmosphäre gebildet werden. Eine geeignete Mischung aus Titanbronze und Kohlenstoff in Pulverform einer Teilchengröße unter 74 {im und beispielsweise mit 50 : 50Vol.-% Anteil werden mit Argon gereinigt und in einer Argonatmosphäre auf 982 t erhitzt. In der Zwischenzeit werden Schmiedeformen mit entsprechender Gestalt zur Aufnahme des heißen Pulvergemisches auf eine Temperatur von 260 C aufgeheizt. Das heiße Pulvergemisch wird dann in die Form eingebracht und einem Druck von etwa 3200 bar während einer Minute ausgesetzt. Danach wird der Druck abgesenkt und der Block aus Verbundwerkstoff aus der Form ausgehoben. Aus diesem Block werden dann Scheiteldichtungen gemäß Fig. 1 herausgearbeitet.

Um die Formhaltigkeit von Scheiteldichtungen der erfindungsgemäßen Art bei den erhöhten Temperaluren in Drehliolbenmaschinen zu verbessern, wird der Block aus Verbundwerkstoff, aus dem die Scheiteldichtungen herausgearbeitet werden, vorher für eine gewisse Zeit auf eine Temperatur von 427-482 C erhitzt, um eine Stabilisierung der Abmessungen zu erzielen.

Einige weitere Beispiele erläutern die Erfindung näher. Ein vorlegiertes Pulver einer Teilchengröße unter 43 um besteht im wesentlichen aus 9,9 Gew.-% Titan, 9,1 Gew.-% Blei, 9,2 Gew.-% Zinn und Rest Kupfer. Dieses Legierungspulver wird innig mit Anthrazitkohle einer Teilchengröße unter 43 ,um gemischt. Der Anteil des amorphen Kohlenstoffpulvers beträgt 20 Gew.-% der Mischung. Diese Mischung wird im Vakuum heiß verpreßt; der Körper besteht aus etwa gleichen Volumenteilen Kohlenstoff und Legierung. Aus dem Verbundwerkstoff werden Scheiteldichtungen für Drehkolbenmaschinen hergestellt und in handelsübliche Drehkolbenmaschinen eingebaut. Die epitrochoidale Umfangsfläche des Gehäuses der Drehkolbenmaschine hat eine hartverchromte Lauffläche für die Scheiteldichtungen. Die Drehkolbenmaschine wird während 100 Stunden betrieben und dabei mit einem Dynamometer belastet. Nach dieser Betriebszeit wird eine Prüfung der Dichtungen vorgenommen. Der mittlere Abrieb der drei Scheiteldichtungen jedes Drehkolbens wird mit 0,1651 mm nach 100 Stunden festgestellt. Bei einem Parallelversuch mit Dichtungen aus der gleichen Legierung, jedoch einer anderen Art von Kohlenstoff wird unter gleichen Betriebsbedingungen ein Abrieb von 0,0737 mm nach 100 Stunden festgestellt. Diese Dichtungen haben zur vollsten Zufriedenheit gearbeitet.

Zum Vergleich wurden handelsübliche Dichtungen aus Aluminiumlegierung und Kohlenstoff unter gleichen Betriebsbedingungen untersucht. Bei zwei Probeläufen unter gleichen Bedingungen wurde der mittlere Abrieb mit 0,2362 bzw. 0,1880 mm nach 100Stunden ermittelt.

Andere Scheiteldichtungen werden in der beschriebenen Weise nach der Erfindung hergestellt mit der Ausnahme, daß die Legierung aus 16.3 Gew-% Titan

8,8Gew.-% Blei, 7,7 Gew.-% Zinn und Rest Kupier besteht. Ferner werden Partikel aus amorphem Kohlenstoff* in solcher Menjje verwendet, daß der Kohlenstoff 65 Vol.-% des Verbundwerkstoffes bildet. Ursprünglich haben die KohlenstolTpartikel eine Teilchengröße unter 43 μτη. Derartig hergestellte Scheiteldichtungen werden in einer handelsüblichen Drehkolbenmaschine unter Antrieb eines Dynamometers während 100 Stunden geprüft. Die miltlere Abnutzung der Dichtungen beträgt hierbei 0,2261 mm. Auch diese Dichtungen sind als zufriedenstellend anzusehen. Eine Anzahl von anderen Dichtungen aus Kohlenstoff und Titanbronze werden hergestellt und in der gleichen Weise in handelsüblichen Drehkolbenmaschinen erprobt. Es wird hierbei im wesentlichen amorpher Kohlenstoff einer Teilchengröße unter 43 μιη in einem Anteil von 50-65 Vol.-% der Legierung verwendet. Ferner wird feinverteilte, voriegierte Titanbronze in Pulverform der nachstehenden Zusammensetzung verwendet:

Vergleichsprüfung

Legierung

Titan

Blei

Zinn

10,5%
16
15
14

22%
3,6
5

13,2

4,3 %	Rest
9,7	Rest
10	Rest
6,6	Rest

Scheiteldichtungen aus Verbundwerkstoff mit der obenerwähnten Legierungen als Metallphase werder alle in handelsüblichen Drehkolbenmaschinen geprüfi und arbeiten im allgemeinen zufriedenstellend. Es wire jedoch festgestellt, daß die mit 1 bezeichnete Legierung gerade an der obersten Grenze des geeigneten Bleigehalts liegt, da der Abrieb dieser Dichtungen verhält nismäßig größer als der der anderen Dichtungen isi und bei der Wärmebehandlung des Verbundwerkstoffes bei einer Temperatur von 454 C etwas Blei ausge schwitzt beobachtet wird.

Werkstoff der Herstellung Abnutzung Abnutzung

Dichtung in mm/ in mm/

100 Stunden 100 Stunden

(in 3375 cm³- (in 1965-cm³-

Maschine) Maschine)

Widerstand gegen
Narbenbildung

Bruchmodul in N/cm' bei

23,9 C

371 C

482 C

Aluminium-Kohlenstoff

Titanbronze-Kohlenstoff

handelsüblich

im Vakuum

heißverpreßt

warmverpreßt

0,3302 0,0762

0,1397 0,0508

0,2159 0,0381

ausreichend 29400 21000 14 700

gut 31500 26 600 21700

gut 36 400 26 600 22 400

Aus diesen Werten ergibt sich, daß der Abrieb Temperaturen von 371 und 482 C beträchtlich größei

bei Gleitstücken nach der Erfindung geringer ist als ist. Die Erfindung ermöglicht also Gleitstücke, die

bei den unmittelbar vergleichbaren Dichtungen be- wesentlich vorteilhafter für den Einsatz als Scheitel-

kannter Bauart. Zusätzlich ist festzustellen, daß der 40 dichtungen in Drehkolbenmaschinen sind.
Bruchmodul sowohl bei Raumtemperatur als auch bei

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines Gleitstücks hoher Festigkeit, insbesondere einer Scheiteldichtung Tür Drehkolbenmotoren, aus einem Verbundwerkstoff, der aus 20 bis 80 Vol.-% Kohlenstoffteilchen in einer Kupferlegierung aus 5 bis 20 Gew.-% Titan, 3 bis 22 Gew.-% Blei, 0 bis 15Gew.-% Zinn und Kupfer als Rest besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung der pulverförmigen Legierung auf Kupferbasis mit Kohlenstoffteilchen einer Größe von weniger als 74 μΐη unter Auftreten einer flüssigen Phase zu dem Verbundwerkstoff druckgesintert wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Mischung aus 40 bis 65 Vol.-% Kohlenstoffteilchen einer Größe von weniger als 43 μπι und einer Kupferlegierung aus 9 bis 18 Gew.-% Titan, 4 bis 10 Gew.-% Blei, 4 bis 13 Gew.-% Zinn und Kupfer als Rest.