DE4409377A1 - Wärmebeständiges, verschleißfestes Material und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein wärmebeständiges, verschleißfestes Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten enthaltend Siliziumkarbid und Kohlenstoff, für die Herstellung von Bauteilen wie Bremsscheiben, Führungen, Lagerschalen, Endmaßen oder Lehrdornen sowie ein Verfahren zur Herstellung des Materials bzw. der Bauteile.

Bekannte Materialien verfügen meist nur über eine oder zwei der drei genannten physikalischen Eigenschaften in technisch ausreichendem Maß. So kommen je nach Verwendungszweck unterschiedlichste Materialien zum Einsatz. Lagerschalen bestehen z. B. aus Kupfer, Edelstählen oder anderen meist Metall-Legierungen, je nachdem welche der genannten Eigenschaften es am Besten zu erfüllen gilt. Darüberhinaus sind entsprechend dem verwendeten Material unterschiedliche Oberflächen-Bearbeitungsmaßnahmen vorzusehen, um aus einem Rohling oder einem Halbzeug ein maßgenaues Bauteil herzustellen.

So stellen sich für einen Betrieb bei einer breiten Produktpalette bezüglich der eingangs genannten Bauteile nicht nur Lagerhaltungsprobleme hinsichtlich zu verwendender Materialien, sondern auch noch solche im Bereich der Endbearbeitung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Material zur Verfügung zu stellen, das gleicherweise höchsten technischen Ansprüchen an die eingangs erwähnten drei physikalischen Eigenschaften genügt, sowie ein Verfahren zur Herstellung solchen Materials und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung maßgenauer Bauteile aus diesem Material anzugeben.

Erfindungsgemäß wird der erste Teil dieser Aufgabestellung durch ein Material gelöst, daß
25-60 Gewichtsprozent Siliziumkarbid,
0,2-2,0 Gewichtsprozent Eisensilizide,
0,2-2,0 Gewichtsprozent Mangansilizide,
0,2-4,0 Gewichtsprozent Eisenkarbide,
0,2-4,0 Gewichtsprozent Mangankarbide,
0,1-0,8 Gewichtsprozent einer festen Lösung von Kupfer in Mangan,
5-20 Gewichtsprozent Kupfer und auf
100 Gewichtsprozent ergänzend Kohlenstoff,
jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Bauteils, enthält.

Bevorzugt liegt dabei der Kupferanteil unter 15 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials. Wie Versuche gezeigt haben, genügt dieses Material in vorteilhafter Weise den genannten Anforderungen.

Ein Kupferanteil von mehr als 5% führt zunächst zu einer Verbesserung der Wärmespeicherfähigkeit. Insbesondere wird durch den Kupferzusatz eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit gegenüber einem Siliziumkarbid um das 1,4 bis 1,6fache erreicht, wodurch sich Gegenstände aus diesem Material nur langsam erwärmen. Auch verbessert der Kupferanteil die Abriebsfestigkeit des Materials erheblich, wodurch es z. B. für die Herstellung von Bremsscheiben oder Lagerschalen besonders geeignet ist. Höhere Kupferanteile beeinträchtigen die Herstellung des Materials, wie später ausgeführt wird.

Die übrigen Silizide, Karbide und Metalle verbessern ebenfalls die mechanischen Eigenschaften, insbesondere auch die Abriebsfestigkeit eines üblichen Siliziumkarbids.

Darüberhinaus erfüllen sie wichtige Funktionen bei dem Herstellungsverfahren eines wärmebeständigen, verschleißfesten Materials mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, enthaltend Siliziumkarbid und Kohlenstoff, für die Herstellung von Bauteilen wie Bremsscheiben, Führungen, Lagerschalen, Endmaßen oder Lehrdornen, bei dem Graphit mit einer offenen Porosität von 20 bis 55% bei einer Temperatur von 1500-2000°C getränkt wird in einer Lösung bzw. Schmelze, die
5-10 Gewichtsprozent FeMn-Anteile,
5-20 Gewichtsprozent Cu-Anteile und auf
100 Gewichtsprozent ergänzend Si-Anteile
enthält.

Der Graphit kann natürlicher oder synthetischer Herkunft sein. Wesentlich ist seine offene Porosität von 20-55%, wobei eine Obergrenze der offenen Porosität von 50% bevorzugt ist. Bei weniger als 20% offener Porosität verbleibt nach dem Tränken im Material viel ungebundener Kohlenstoff, der den gewünschten Eigenschaften des Materials entgegensteht. Die Obergrenze der offenen Porosität bei Graphit beträgt 55%.

Bei einer Temperatur zwischen 1500-2000°C erfolgt die Tränkung, d. h. ein Inkontaktbringen des Graphits mit der Schmelze bzw. der Lösung, in der der Siliziumanteil bzw. die übrigen Metalle teilweise oder ganz in geschmolzenem Zustand vorliegen. Der Siliziumanteil erfüllt bei dieser Tränkung zwei Funktionen. Er bildet zusammen mit dem Kohlenstoff des Graphits das Siliziumkarbit. Ferner ermöglicht er, entsprechend seiner bekannten Desoxydationseigensschaften bei Eisen, eine gute Benetzung des Kohlenstoffes mit den weiteren Metallen der Schmelze/Lösung bzw. in den Poren eine Anlagerung derselben. Der Mangan-Anteil des FeMn erhöht die Festigkeit des Materials gegenüber Abrieb. Vorteilhaft ist die Verwendung von FeMn deshalb, da reines Mangan die Benetzbarkeit des Kohlenstoffes erheblich herabsetzt. Durch die Verwendung von FeMn wird jedoch die bessere Benetzbarkeit des Kohlenstoffes durch Eisen genutzt, wodurch auch das Mangan sich überraschenderweise an dem Kohlenstoffleichter anlagern kann.

Bei einem höheren Kupferanteil als 20% verschlechtert sich die Benetzbarkeit des Siliziums und ein Teil der Poren bliebe unbenetzt, was eine erhebliche Verschlechterung der Abriebsfestigkeit zur Folge hätte.

Vorteilhafterweise wird die Tränkung bei einer Temperatur zwischen 1650-1950°C durchgeführt. Silizium beginnt bei Temperaturen jenseits von 2000°C zu verdampfen und geht damit für das Verfahren verloren. Außerdem beginnt bei dieser Temperatur die Zersetzung des Siliziumkarbids. Bei Temperaturen unter 1500°C wird der Graphit schlecht benetzt und die Lösung/Schmelze dringt nicht in ausreichendem Maße in den Graphit ein mit der Folge, daß dann ein hoher Anteil an ungebundenem Kohlenstoff verbleibt.

Erfolgt bei diesem Verfahren die Tränkung in einem technischen Vakuum, ist eine gleichmäßige Benetzung bei höchster Reinheit möglich. Das technische Vakuum kann in einem Bereich von 25 bis 400 N/m² liegen.

Als besonderer Vorteil bietet sich nun die Möglichkeit, daß in einem Vakuumofen maßgerechte Rohlinge aus Graphit mit einer offenen Porosität von 20 bis 55% durch Abstandhalter aus hochdichtem Graphit voneinander beabstandet gehalten sind, daß über den Bauteilen ein Graphittiegel, der aus einem gewöhnliche Graphit mit einer offenen Porosität von 10 bis 20% zur Aufnahme einer Mischung aus
5-10 Gewichtsprozent FeMn-Anteilen,
5-20 Gewichtsprozent Cu-Anteilen und auf
100 Gewichtsprozent ergänzend Si-Anteilen
angeordnet ist, daß in dem Vakuumofen unter technischem Vakuum die gesamte Anordnung auf eine Temperatur zwischen 1630 und 1950°C erhitzt wird, wobei die Mischung teils als Schmelze teils als Lösung den Graphit des Tiegels derartig intensiv benetzt, daß die Schmelze bzw. Lösung durch die offenen Poren im Boden des Gefäßes frei hindurchtritt und feinverteilt auf das Graphitmaterial der Rohlinge gelangt und diese tränkt. Mit wenig technischem Aufwand können so z. B. auch außerhalb des verwendenden Betriebes hergestellte Rohlinge-Chargen gleichzeitig siliziert, wonach sie den hohen vorstehend erläuterten physikalischen Anforderungen genügen. Die Verwendung von Abstandshaltern aus hochdichtem Graphit hat dabei den Vorteil, daß diese Abstandshalter kaum Anteile der Schmelze binden und damit dem Herstellungsprozeß entziehen. Andererseits ist das Abstandshalter-Material geeignet, den auftretenden Temperaturen weitgehend maßhaltig und mechanisch stabil zu widerstehen.

Mit dem über den Rohlingen angeordnete Tiegel aus Graphit mit einer offenen Porosität von 10-20%, bevorzugt 12-18%, und der darin vorhandenen Mischung wird im Vakuumofen die gesamte Anordnung auf den angegebenen Temperaturbereich unter technischem Vakuum erhitzt, wobei die Schmelze entsteht und in beschriebener Weise die Bauteile benetzt. Der Tiegel kann dabei mehrfach für die Silizierung von Bauteilen verwendet werden.

Vorteilhafterweise kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, daß die Tränkung aufgeteilt in einem ersten Temperaturschritt bei einer Temperatur zwischen 1630 und 1670°C stattfindet, bei dem im wesentlichen zunächst das Silizium geschmolzen wird und in einem zweiten Temperaturschritt bei einer Temperatur zwischen 1750 und 1950°C, bei dem das Eindringen des Siliziums in die Poren des Graphits durch die Entstehung erster Siliziumdämpfe noch verbessert wird, da diese Dämpfe bereits in Poren einer lichten Weite von weniger als 0,1 mm eindringen können.

Bei dem Verfahren kann weiter vorgesehen sein, daß das Mengenverhältnis zwischen der Mischung im Tiegel und der zu tränkenden Materialmenge aller Bauteile zwischen 0,66 und 0,99 liegt. Diese Menge stellt eine ausreichende Silizierung des Graphitmaterials sicher. Kontrolliert werden kann das Maß der Silizierung durch eine bei der Tränkung erfolgende Gewichtszunahme. So kann nach einer Gewichtszunahme von 35 bis 40% der zu tränkenden Graphitmenge resp. Bauteile der Silizierungsvorgang beendet werden.

In vorteilhafter Weise kann bei einem Material resp. Bauteil nach der Erfindung die Oberfläche z. B. gegenüber einem Abrieb durch ein Verfahren zur Oberflächenhärtung weiter verbessert werden, bei dem die Oberfläche des Materials bzw. Bauteils mit einer borhaltigen Suspension getränkt wird und anschließend 0,5 bis 3,5 Stunden lang auf eine Temperatur zwischen 1000 und 1500°C erhitzt wird. Bei dieser Behandlung wird noch freies Silizium zu Karbid und freier Kohlenstoff zu Borkarbid gebunden. Bevorzugt wird dabei die Tränkung mit der borhaltigen Suspension nach einem Massenzuwachs von 0,05 bis 5,0% des Materials bzw. des Bauteils beendet. Nach der Tränkung in der borhaltigen Suspension bei einer Temperatur z. B. zwischen 90 und 100°C wird die Behandlung durch eine Wärmebehandlung zwischen 1000 und 1500°C abgeschlossen, durch die nochmals ungebundenes Silizium zu Karbid gebunden wird.

Bevorzugt wird eine borhaltige Suspension angewendet, die 10-30 Gewichtsprozent Borpulver einer Korngröße kleiner gleich 0,125 mm oder Borsäure, 100 Gewichtsprozent ergänzend eine 3-5%ige wässerige Lösung eines Klebemittels oder eines synthetischen Bindemittels. Das synthetische Bindemittel besteht aus einem Gemisch aus siliziumorganischen Harz (92-98%) und pulverisiertem Graphit der Marke PG-50 (8-2%), einer Korngröße kleiner 60 µ. Als Klebemittel kann dabei Wasserglas oder ein anderer wasserlöslicher Kleber genutzt werden.

Bei der beschriebenen Silizierung und Borierung des Graphits ist neben dem Massenzuwachs auch eine Volumenvergrößerung der Gegenstände feststellbar. Diese äußert sich in einer Oberflächenausdehnung des Materials in einer Größenordnung von etwa 0,01 mm. Nach einer mechanischen Bearbeitung dieser Gegenstände, z. B. nach einem Schliff mit einer Diamantschleifscheibe, erhält man Bauteile höchster Oberflächengüte und Maßhaltigkeit, weitestgehend unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen, die insbesondere auch für die Verwendung als hochpräzise Meßlehren wie Endmaße und Lehrdorne verwendbar sind.

Insbesondere bei Anwendungen des synthetischen Bindemittels ist zu beachten, daß Graphitpulver einer Korngröße kleiner 60 µ zu verwenden ist. Eine Erhöhung der Korngröße verschlechtert die Oberflächenqualität des Materials. Wird Graphitpulver der Marke PG-50 weniger als 2% verwendet verbleibt nach der Wärmebehandlung freies Silizium in der Oberfläche des Materials, was zu einer Verschlechterung der Abriebfestigkeit führt. Wird Graphitpulver mehr als 8% verwendet verbleibt nach der Wärmebehandlung noch Graphit in der Oberfläche des Materials, was zu einer unerwünschten Schmiereigenschaft des Materials führt.

Die Anwendung eines synthetischen Bindemittels führt zu einer sauberen Oberfläche der Gegenstände.

Claims (12)

1. Wärmebeständiges, verschleißfestes Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, enthaltend Siliziumkarbid und Kohlenstoff, für die Herstellung von Bauteilen wie Bremsscheiben, Führungen, Lagerschalen, Endmaßen oder Lehrdornen, dadurch gekennzeichnet, daß das Material
25-60 Gewichtsprozent Siliziumkarbid,
0,2-2,0 Gewichtsprozent Eisensilizide,
0,2-2,0 Gewichtsprozent Mangansilizide,
0,2-4,0 Gewichtsprozent Eisenkarbide,
0,2-4,0 Gewichtsprozent Mangankarbide,
0,1-0,8 Gewichtsprozent einer festen Lösung von Kupfer in Mangan,
5-20 Gewichtsprozent Kupfer und auf
100 Gewichtsprozent ergänzend Kohlenstoff,
jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Bauteils, enthält.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Kupferanteil unter 15 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials, beträgt.

3. Verfahren zur Herstellung eines wärmebeständigen, verschleißfesten Materials mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, enthaltend Siliziumkarbid und Kohlenstoff, für die Herstellung von Bauteilen wie Bremsscheiben, Führungen, Lagerschalen, Endmaßen oder Lehrdornen, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit mit einer offenen Porosität von 20 bis 55% bei einer Temperatur von 1500-2000°C getränkt wird in einer Lösung bzw. Schmelze, die
5-10 Gewichtsprozent FeMn-Anteile,
5-20 Gewichtsprozent Cu-Anteile und auf
100 Gewichtsprozent ergänzend Si-Anteile
enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Tränkung die Temperatur zwischen 1650-1950°C beträgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkung in einem technischen Vakuum stattfindet.

6. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen wie Bremsscheiben, Lagerschalen, Führungen, Endmaßen oder Lehrdornen aus einem wärmebeständigen, verschleißfesten Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, enthaltend Siliziumkarbid und Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Vakuumofen maßgerechte Rohlinge der Bauteile aus Graphit mit einer offenen Porosität von 20 bis 55% durch Abstandhalter aus hochdichtem Graphit voneinander beabstandet gehalten sind, daß über den Bauteilen ein Graphittiegel, der aus einem gewöhnliche Graphit mit einer offenen Porosität von 10 bis 20% zur Aufnahme einer Mischung aus
5-10 Gewichtsprozent FeMn-Anteilen,
5-20 Gewichtsprozent Cu-Anteilen und auf
100 Gewichtsprozent ergänzend Si-Anteilen
angeordnet ist, daß in dem Vakuumofen unter technischem Vakuum die gesamte Anordnung auf eine Temperatur zwischen 1630 und 1950°C erhitzt wird, wobei die Mischung teils als Schmelze teils als Lösung den Graphit des Tiegels derartig intensiv benetzt, daß die Schmelze bzw. Lösung durch die offenen Poren im Boden des Gefäßes frei hindurchtritt und feinverteilt auf das Graphitmaterial der Rohlinge gelangt und die Rohlinge tränkt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis zwischen der Mischung im Tiegel und der zu tränkenden Materialmenge aller Bauteile zwischen 0,66 und 0,99 liegt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkung nach einer Gewichtszunahme von 35 bis 40% der zu tränkenden Graphitmenge beendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkung in einem ersten Temperaturschritt bei einer Temperatur zwischen 1630 und 1670°C und in einem zweiten Temperaturschritt zwischen 1750 und 1950°C erfolgt.

10. Verfahren zur Oberflächenhärtung eines Materials nach Anspruch 1 oder eines nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8 hergestellten Materials oder Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Materials bzw. Bauteils mit einer borhaltigen Suspension getränkt wird und anschließend 0,5 bis 3,5 Stunden lang auf eine Temperatur zwischen 1000 und 1500°C erhitzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkung mit der borhaltigen Suspension nach einem Massenzuwachs von 0,05 bis 5,0% des Materials bzw. des Bauteils beendet wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension
10-30 Gewichtsprozent Borpulver einer Korngröße kleiner gleich 0,125 mm oder Borsäure und
auf 100 Gewichtsprozent ergänzend eine 3-5%ige wäßrige Lösung eines Klebemittels oder eines synthetischen Bindemittels enthält.