[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

WO2006032068A1 - Selbstschmierender bronze-matrix-verbundwerkstoff - Google Patents

Selbstschmierender bronze-matrix-verbundwerkstoff Download PDF

Info

Publication number
WO2006032068A1
WO2006032068A1 PCT/AT2005/000368 AT2005000368W WO2006032068A1 WO 2006032068 A1 WO2006032068 A1 WO 2006032068A1 AT 2005000368 W AT2005000368 W AT 2005000368W WO 2006032068 A1 WO2006032068 A1 WO 2006032068A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
volume
mos
powder
coated
carbon fibers
Prior art date
Application number
PCT/AT2005/000368
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Laurent Pambaguian
Andreas Merstallinger
Erich Neubauer
Vincent Calard
Original Assignee
Arc Seibersdorf Research Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arc Seibersdorf Research Gmbh filed Critical Arc Seibersdorf Research Gmbh
Publication of WO2006032068A1 publication Critical patent/WO2006032068A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0089—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with other, not previously mentioned inorganic compounds as the main non-metallic constituent, e.g. sulfides, glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/09—Mixtures of metallic powders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/12—Metallic powder containing non-metallic particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing
    • F16C33/121—Use of special materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/16—Sliding surface consisting mainly of graphite
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/46—Cages for rollers or needles
    • F16C33/56—Selection of substances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2204/00—Metallic materials; Alloys
    • F16C2204/10—Alloys based on copper
    • F16C2204/12—Alloys based on copper with tin as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a novel self-lubricating metal-matrix composite material according to the preamble of claim 1 and to such a material according to the preamble of claim 16.
  • bearing cages serve to maintain the distance between the balls
  • Lubrication is these bearing cages, which are often made of porous plastics or metals, soaked with oils or greases. In some environments, lubrication with fats or oils is not possible, undesirable or even prohibited. Examples are in the
  • Millimeters are made in melt metallurgically produced bushes and these holes are filled with solid lubricant containing pastes or resins. Disadvantage is, among other things, a restriction of movement, only large movements are allowed.
  • micro-depots As an alternative apply composites, where the solid lubricant is introduced as a powder usually 5-500 microns ("micro-depots").
  • Composites are materials that consist of several components with the aim of combining their separate properties. In the sliding friction range or
  • Sliding bearing area are self-lubricating materials of interest. It is in one
  • Base material the matrix, another material, in particular a powder, fibers, etc., introduced, which serves for lubrication.
  • MMC bronze metal-matrix composites (MMC) bronze is known as a sliding bearing material, wherein powdery graphite is introduced to reduce the friction as a solid lubricant. Due to its layered structure, graphite lubricates perfectly.
  • a relatively low friction value under vacuum in particular ⁇ 0.1, in a temperature range of -100 to at least 300 ° C.
  • the lowest possible coefficient of friction should be aimed for under air, in particular below 0.3, since all applications are first subjected to test runs in air.
  • Solid lubricants can also be used as coatings.
  • MoS 2 -PVD Physical Vapor Deposition
  • the disadvantage of any coating is its finite life. Therefore, additional lubrication is already in progress, for example in bearing bearings the bearing rings are MoS 2 -coated and in addition a cage is used, which is made of composite material and contains MoS 2 .
  • the polymer composites used are only suitable for room temperature. In addition, there is a risk of decomposition by radiation in polymers.
  • Such composite materials is usually done by powder metallurgy. After mixing the metal powder, for example Cu and Sn, with the solid lubricant powder (s), eg graphite or MoS 2 , a bronze-like composite material is obtained by sintering, in particular under high pressure and high temperature of usually above 800 ° C.
  • the material lubricates itself by its solid lubricant by always releasing some solid lubricant during movement and distributing itself on the running surface of the bearing.
  • a lubricant content of not more than 20% is obtained. Clumping of the powder does not produce a homogeneous metal matrix, the material is brittle and in the worst case can easily disintegrate.
  • Electroless plating with graphite as a solid lubricant, high solid lubricant contents of more than 50% by volume are possible.
  • the powdered graphite is first encased or coated with Cu and only then mixed with the desired metal powders forming the alloy. Subsequently, the sintering takes place.
  • a major problem with the currently used solid lubricant composites is to find a material that is both durable and wear-resistant, but on the other hand good and long-lasting lubricating properties, ie low friction has.
  • the object of the invention is to provide a composite material of the type mentioned, which in particular under space conditions, i. Under vacuum and under changing and sometimes very high temperature load, can be used in plain bearings and avoids the above-mentioned problems as possible.
  • the reinforcing materials are readily available and effectively effective, also meet in particular carbon fibers, especially in air, certain lubrication tasks that reduce friction and thus positively influence the operation of a bearing. Due to the features of claim 17, there is the advantage that the material is not embrittled and that enough solid lubricant is present in the material.
  • the proposed measures in particular by the low sintering temperatures, it is possible to obtain a material that is virtually free of interfering copper sulfide compounds.
  • the MoS 2 solid lubricant By preventing the MoS 2 solid lubricant from reacting with copper, the material is less brittle or brittle. It also makes it possible at the same time to introduce relatively large amounts of solid lubricant into the material without losses of solid lubricants.
  • the material has improved wear properties and increased abrasion resistance compared to known bearings due to the reinforcing materials used. The reinforcements are easily available, inexpensive and effective.
  • the carbon fibers also have certain
  • Lubricating properties especially in the air, cause above all the lubricating effect.
  • the desired goal was also achieved of integrating the reinforcing substances firmly into the metal matrix. This is achieved in particular by the tin powder used, which embeds or envelops the reinforcing materials during its liquefaction and simultaneously alloys with the copper.
  • the starting materials used are commercially available powders, in particular tin powder, MoS 2 powder, optionally copper powder and reinforcing materials.
  • tin powder in particular tin powder, MoS 2 powder, optionally copper powder and reinforcing materials.
  • copper powder having a particle size of less than 40 microns
  • tin powder having a particle size of less than 63 // m or copper-coated MoS 2 powder having a particle size of less than 50 microns.
  • oxides such as aluminum oxide Al 2 O 3 , silicon dioxide SiO 2 , zirconium dioxide ZrO 2 should be mentioned here.
  • carbides such as silicon carbide SiC or nitrides, such as silicon nitride Si 3 N 4 .
  • quasicrystals such as Al 60 Cu 2S Fe 12 B 3 can be used.
  • the grain size is ideally between 25 and 63 microns. It is also advantageous if the particles are spherical or octahedral.
  • Particularly suitable reinforcing materials are carbon-based fibers, in particular carbon and / or graphite.
  • pitch type carbon fibers or carbon fibers produced by the pitch process are used here. Their length is about 300 to 600 ⁇ m. It is possible to use no reinforcing materials (FIGS. 1 and 2).
  • the MoS 2 powder is coated in a first step by means of a per se known method, eg the Electroless Plating method, with copper.
  • the thickness of the copper layer on the particles can be calculated in view of the final composition of the composite and is usually about 1 ⁇ m on all particles. This should slow down or prevent a later reaction of Cu with S. It is advantageous if the MoS 2 powder is coated with 58 to 98% by mass, preferably 60, 82 or 96% by mass of copper, the mass% being based on the total mass of the Cu-coated MoS 2 powder.
  • the reinforcing agents may be added to the mixture either as reinforcing agents per se.
  • the reinforcing materials e.g. the carbon fibers are also coated with copper.
  • the material matrix is more homogeneous and the quality of the alloy or material improved.
  • Electroless plating are performed, wherein the carbon fibers with 80 to 98% by mass, preferably 90.5% by mass, of copper, the mass% are based on the total mass of the Cu-coated reinforcing materials or fibers, coated.
  • copper-coated carbon fibers of the pitch type are used here, which have a length of about 500 to 600 ⁇ m.
  • the starting materials that is, the tin powder, the copper-coated MoS 2 powder, the copper-coated reinforcing materials, in particular carbon fibers, and optionally the copper powder are mixed so that in the later material a final composition of the metal alloy or the bronze of Cu5Sn to Cu15Sn, in particular Cu9Sn to Cu13.5Sn, preferably from Cu11 Sn to Cu13Sn is achieved.
  • the copper later forming the bronze alloy is derived exclusively from the Cu-coated MoS 2 powder and / or the Cu-coated reinforcing materials and that it is not necessary to add Cu powder. Whether an addition is necessary depends on the desired composition of the target alloy and on the proportion of Cu present in the coating. If, for example, the MoS 2 powder is only coated with 60% by weight of Cu and an alloy with a low Sn content is to be obtained, it will be necessary to add Cu.
  • the composition of the alloy can be well controlled by the additional addition of copper powder.
  • the person skilled in the art can calculate the quantities of the powders to be mixed in advance.
  • the powders or granules are intensively mixed under a liquid which as far as possible prevents the former reactions or changes in the starting materials, in particular isopropanol, in particular for at least two hours.
  • the mixture is dried and then further dry-blended, especially for about 1 hour.
  • the powder mixture is then filled into a graphite mold. If several plates are to be produced at the same time, the beds can be separated by graphite plates. A separation of the compacts and the mold by graphite foils is advantageous.
  • the pressure is usually 6.5mm high and has a diameter of 50mm.
  • the target temperature In order to avoid the formation of copper sulfides or the chemical reaction of copper with sulfur during this step, the target temperature must be at the Hot sintering below 720 0 C lie. However, if the temperatures are too low embrittlement of the material matrix occurs and the properties of the material deteriorate drastically. As a result, a range of the target temperature of 420 ° to 720 °, preferably from 500 to 600 °, in particular from 535 to 565 °, in particular about 550 °, advantageously apply to achieve an optimal result.
  • a vacuum is produced in the hot press, then hydrogen is supplied and the sample is kept under a reducing hydrogen atmosphere at about 10 to 100 mbar.
  • slow heating takes place, preferably over a period of about two hours to the selected target temperature.
  • This target temperature is held for about 45 minutes before the pressing pressure of 20 to 40 MPa, preferably 25 to 35 MPa, begins.
  • the pressing is held at the target temperature and under the pressing pressure for about 75 minutes or until no more movement or compression occurs.
  • slow cooling which can extend over a period of about 3 hours, while maintaining the pressing pressure.
  • the pressing pressure is finally reduced, and the sample is further cooled.
  • the porosity is calculated as the difference between the measured and the theoretical density or as vol% of the trapped air or the pores in the material.
  • MMC metal-matrix composite material
  • the material has a high strength. It is advantageous that there are no alloying elements with a high vapor pressure, such as, for example, zinc, lead or the like, because these alloying elements can sublime in a vacuum. Embedded in the material or in the metal matrix is unbound, original
  • MoS 2 wherein the MoS 2 particles are distributed substantially uniformly in the crack-free metal matrix.
  • the MoS 2 acts as a solid lubricant and is responsible for the low friction under vacuum.
  • the material are 10 to 50% by volume, in particular 15 to 27% by volume, preferably 23 to 26% by volume, MoS 2 , wherein the volume percent - as otherwise
  • the process avoids as far as possible the formation of copper-sulfur compounds.
  • the material contains less than 3% by volume, in particular less than 1% by volume, preferably less than 0.2% by volume, of compounds between copper or tin with molybdenum and / or sulfur and / or MoS 2 .
  • Undesirable compounds would be, for example, CuS, Cu 2 S or CuMo 2 S 3 .
  • the volume percentages again refer to the volume of the compact material without air pockets. That no reaction has taken place is confirmed by X-ray diffraction analysis.
  • Carbon fibers in an amount of 5 to 30% by volume, in particular 10 to
  • the carbon fibers in particular the pitch cohesive fibers, in addition to the abrasion and / or strength-increasing properties, also have certain lubricating properties or also act as solid lubricants, in particular under air. They complement the effect of the MoS 2 , which lubricates well, especially under vacuum. Thus, a synergistic effect is achieved which gives the material good lubricating properties both under air and under vacuum.
  • the porosity of the material is less than 5% by volume, in particular less than 3% by volume, based on the total material volume, including air inclusions.
  • the MoS 2 particles I are deformed by the compaction.
  • the MoS 2 particles are aligned essentially along the axial pressing direction, they are compacted or stretched MoS 2 particles, respectively, and the MoS 2 particles are strung together to form elongate MoS 2 particle regions. This is well visible in Figs. 1 and 2.
  • Fig. 1 shows a light-optical micrograph of a section through a material in the axial direction, that is, along or approximately parallel to the axial pressing direction in the hot sintering, so to speak, a view from above of the pressure.
  • the MoS 2 particles are clearly visible, which are distributed uniformly and without significant deformation in the crack-free bronze matrix.
  • FIG. 2 shows a photomicrograph of a radial section through the material, that is, one looks perpendicular to the axial pressing direction or the pressure is viewed from the side.
  • the deformed MoS 2 particles or the MoS 2 particle regions are aligned along or approximately parallel to this axial pressing direction, which extends in FIG. 2 from left to right, ie parallel to the image plane are. This orientation can be seen in the smaller MoS 2 particles or MoS 2 particle regions as well as in the larger ones.
  • FIGS. 5a, b and c show schematic views of a cylindrical compact.
  • Fig. 5a shows the pressure before sintering in side view
  • Fig. 5b shows the pressure after sintering in cross section
  • Fig. 5c shows the pressure after sintering in plan view.
  • the powders or fibers are distinguishable by different shades.
  • Fig. 3 is a light micrograph of the material along or from the perspective of the axial pressing axis or pressing direction is shown. It can be seen that the MoS 2 particles are uniformly distributed and not deformed and are present in the matrix without recognizable longitudinal extensions. However, the elongated carbon fibers are aligned substantially parallel to the radial plane, that is, normal to the axial pressing direction.
  • the carbon fibers lie in the image plane and perpendicular to the pressing direction, the MoS 2 regions are substantially normal to the image plane and parallel to the pressing direction
  • FIG. 4 shows a light micrograph of a section through the material in the radial direction perpendicular to the axial pressing direction. It can clearly be seen here that, analogously to FIG. 2, the MoS 2 particles or the MoS 2 particle regions are also along or approximately parallel to the axial pressing direction, which in FIG. 4 is from left to right, ie extends horizontally to the image plane, deformed or aligned. This is also illustrated schematically in FIG. 5b.
  • the pressing direction comes from above.
  • the carbon fibers lie horizontally to the image plane, the MoS 2 areas vertically.
  • Copper powder (size ⁇ 40 ⁇ m, density 8.94 g / cm 3 ), tin powder (size ⁇ 63 ⁇ m, density 7.28 g / cm 3 ), copper-coated MoS 2 powder (size ⁇ 50 ⁇ m, density 5.0 g / cm 3) ) coated with 82.17 weight% (calculated from the total weight of coated MoS 2 powder) of copper (Platingtech) and copper-coated pitch carbon fibers (length 550 ⁇ m, density 2.15 g / cm 3 ) (K13A10, Mitsubishi), which are coated with 90.5% by weight (calculated on the total weight of the coated carbon fibers) of copper, are mixed together so that in the later material a final composition of the metal alloy or the bronze of Cu12Sn is achieved.
  • the material contains 25 vol% MoS 2 , based on the volume of the compact material without air inclusions, and 15% by volume of carbon fibers, based on the volume of the compact material without air inclusions.
  • the skilled person can easily calculate the amounts of the powder to be mixed in advance and mix accordingly.
  • the powders or granules are mixed intensively in a first step under isopropanol for two hours. After this wet mixing process, the mixture is dried and then further mixed dry for 1 hour. To produce semifinished product, the powder mixture is then filled into a graphite mold.
  • a vacuum is produced in the hot press, then hydrogen is supplied and the sample is kept under a reducing hydrogen atmosphere at 50 mbar.
  • slow heating takes place over a period of two hours up to the selected target temperature of 550 ° C. This target temperature is held for 45 minutes before the pressing pressure of 30 MPa begins.
  • the pressing is held at the target temperature and under the pressing pressure for 75 minutes or until no more movement or compression occurs.
  • slow cooling takes place over a period of 3 hours while maintaining the pressing pressure.
  • the pressing pressure is finally reduced, and the sample is further cooled.
  • MMC metal-matrix composite
  • the wear rate [mm 3 / Nm] of the material is very low. Under air and at 25 ° C, the material has a mean friction coefficient of 0.18 and a wear rate of 5 * 10 '6 mm 3 / Nm. Under vacuum and at 25 0 C, the material has an average coefficient of friction of 0.07 and a wear rate of 4 * 10 '5 mm 3 / Nm. Under vacuum and at 300 0 C, the material has an average coefficient of friction of 0.2 and a wear rate of 3 * 10 '6 mm 3 / Nm. The modulus of elasticity of this material is about 50 GPa, the yield strength at about 250 Mpa.
  • Example 1 38.36g tin powder, 162.9g 82.17 weight% copper coated MoS 2 powder (Platingtech) (based on the total weight of the coated MoS 2 powder) and 162.9g 90.5 weight% copper coated pitch carbon fibers (K13A10, Mitsubishi) (based on the total weight of the coated carbon fibers) are mixed together as in Example 1 and sintered according to the method described in Example 1 at 445 to 455 0 C.
  • MMC metal-matrix composite
  • the material Under air and at 25 ° C, the material has an average coefficient of friction of 0.29 and a wear rate of 2 * 10 '6 mm 3 / Nm. Under vacuum and at 25 ° C the material has an average coefficient of friction of 0.41 and a wear rate of 5 * 10 "4 mm 3 / Nm Under vacuum and at 300 0 C, the material has an average coefficient of friction of 0.34 and a wear rate of 8 * 10 6 mm 3 / Nm.
  • the modulus of this material at room temperature is at about 71 GPa and at 300 0 C for about 59 GPa
  • the tensile modulus at room temperature is at about 342 MPa and at 300 0 C at about 235 Mpa.
  • Example 3 8.2 g of tin powder, 40 g of 60% by weight copper-coated MoS 2 powder (Platingtech) (based on the total weight of the coated MoS 2 powder), 40 g of 90% by weight copper-coated pitch carbon fibers (K13A10, Mitsubishi) (based on the total weight of the coated carbon fibers) are mixed together.
  • a final composition of the metal alloy or the bronze of Cu12Sn is achieved in the later material.
  • the material contains 25 vol% MoS 2 , based on the volume of the compact material without air inclusions, and 15% by volume of carbon fibers, based on the volume of the compact material without air inclusions.
  • the powders or granules are mixed intensively in a first step under isopropanol for two hours. After this wet mixing process, the mixture is dried and then further mixed dry for 1 hour. To produce semifinished product, the powder mixture is then filled into a graphite mold.
  • a vacuum is produced in the hot press, then hydrogen is supplied and the sample is kept under a reducing hydrogen atmosphere at 70 mbar. Now be made slow heating, over a period of two hours up to the selected target temperature of 54O 0 C. These target temperature is maintained for 40 min before the press pressure of 40 MPa are used. Subsequently, the pressure is maintained at the target temperature and under the pressure for 60 minutes or until no movement or compression occurs. This is followed by slow cooling over a period of 2.5 h while maintaining the pressing pressure. The pressing pressure is finally reduced, and the sample is further cooled.
  • MMC metal matrix composite material
  • the porosity is below 3% in all cases.
  • the com sizes and densities of the powders or fibers used in Example 1 also apply to Examples 2 and 3.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines neuen selbstschmierenden Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes, wobei in einem Mischungsschritt - Sn-Pulver - Cu-beschichtetes MoS2-Pulver - und gegebenenfalls Cu-Pulver gemischt und bei höheren Temperaturen kompaktiert werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor der Kompaktierung Verstärkungsstoffe, vorzugsweise kristall- bzw. pulverförmige Carbide, Nitride, Boride, Oxide und/oder Fasern auf Kohlenstoffbasis, insbesondere Kohlefasern, insbesondere Pitch-Typ-Kohlefasern bzw. nach dem Pitch-Verfahren hergestellte Kohlefasern, zugesetzt bzw. zugemischt werden und dass die Kompaktierung bzw. Sinterung bei einer Zieltemperatur im Bereich von 420° bis 720°, vorzugsweise von 500° bis 600°, insbesondere von 535° bis 565°, insbesondere bei etwa 550°, vorgenommen wird.

Description

Selbstschmierender Bronze-Matrix- Verbundwerkstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines neuen selbstschmierenden Metall-Matrix-Verbundwerkstoffs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen derartigen Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Antriebssysteme jeder Art erfordern niedrige Reibung. In Kugellagern dienen beispielsweise „Lagerkäfige" zur Haltung der Distanz zwischen den Kugeln. Zur
Schmierung sind diese Lagerkäfige, die oft aus porösen Kunststoffen oder Metallen sind, mit Ölen oder Fetten getränkt. In manchen Umgebungen ist eine Schmierung mit Fetten oder Ölen nicht möglich, unerwünscht oder sogar verboten. Beispiele dafür sind in der
Medizintechnik, der Lebensmittelproduktion oder der Raumfahrt zu finden. Ähnliche
Bedingungen gelten auch für Gleitlager, welche im Falle niedriger Geschwindigkeiten eingesetzt werden.
In der Gleitlagertechnik sind grundsätzlich zwei Formen von feststoffgeschmierten Gleitkörpern bekannt. Dabei wird anhand der Größe der „Depots" des Festschmierstoffes unterschieden.
Bei der ersten Form werden Löcher mit einem Durchmesser von einigen
Millimetern in schmelzmetallurgisch hergestellte Buchsen gebohrt und diese Löcher werden mit Festschmierstoff beinhaltenden Pasten bzw. Harzen gefüllt. Nachteil ist unter anderem eine Einschränkungen der Bewegung, es sind nur große Bewegungen erlaubt.
Vorteil ist die volle mechanische Festigkeit des Metalls.
Als Alternative gelten Verbundwerkstoffe, wo der Festschmierstoff als Pulver mit üblicherweise 5-500 μm eingebracht wird („Mikro-Depots").
Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, die aus mehreren Komponenten bestehen, mit dem Ziel, deren separate Eigenschaften zu verbinden. Im Gleitreibungsbereich bzw.
Gleitlagerbereich sind selbstschmierende Werkstoffe von Interesse. Dabei wird in einen
Basiswerkstoff, die Matrix, ein weiterer Werkstoff, insbesondere ein Pulver, Fasern etc., eingebracht, der zur Schmierung dient.
Als Beispiel für Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) ist Bronze als Gleitlagerwerkstoff bekannt, wobei zur Reduktion der Reibung als Festschmierstoff pulverförmiges Grafit eingebracht wird. Auf Grund seiner geschichteten Struktur schmiert Grafit ausgezeichnet.
Weitere Beispiele sind etwa Bronze mit „Makro-Depots" aus Epoxy/Grafit. Im Bereich Verbundwerkstoffe (Mikro-Depots) sind ebenfalls Bronze/Grafit oder Bronze/WS2 bekannt. Letzterer ist aber wegen des hohen WS2-Gehalts spröde und die Vakuum- Reibwerte von WS2 sind höher als jene von MoS2. Derartige Verbundwerkstoffe sind jedoch für bestimmte Anforderungen vor allem im Vakuum- und Raumfahrtbereich nicht oder nur bedingt geeignet. Gleitlager im Weltraum kommen vor allem für langsame und reversierende Bewegungen in Frage. Das Reibungsverhalten im Weltraum unterscheidet sich grundlegend vom Reibungsverhalten unter irdischen Bedingungen. Aufgrund des fehlenden Sauerstoffs werden unter Vakuum schützende Oxidschichten final weggeschabt bzw. weggekratzt und können sich nicht mehr neu bilden. Das hat eine Vergrößerung der Verschleißrate und der Reibung zur Folge, da Metall direkt auf Metall reibt. Bei Gleitlagern für den Gebrauch im Weltraum sind ausgezeichnete tribologische Eigenschaften der Oberflächen nötig, die ohne Wartung während der gesamten Aufenthaltszeit im Weltall aufrechterhalten werden müssen.
Besonders wichtig ist auch ein relativ niedriger Reibungswert unter Vakuum, insbesondere <0,1 , in einem Temperaturbereich von -100 bis mindestens 300°C. Bei einer gleichzeitigen Verschleißrate von unter 10"5 mrrWNm (Verschleißvolumen pro Last und zurückgelegter Gleitstrecke). Zusätzlich ist auch unter Luft ein möglichst kleiner Reibwert anzustreben, von insbesondere unter 0,3, da alle Anwendungen zuerst Probeläufen an der Luft unterzogen werden.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass Öl/Fettschmierung unter Vakuum möglichst vermieden wird, weil diese zumeist flüchtige Komponenten enthalten, die wegen des fehlenden Luftdruckes verdampfen. Weltraum-qualifizierte Öle und Fette existieren, sind aber wiederum für höhere Temperaturen nicht geeignet.
Der Einsatz von Werkstoffen unter Thermalvakuum stellt noch weitere Anforderungen. So kann es wegen des fehlenden Luftdruckes bei steigender Temperatur zum „Sublimieren" von Legierungskomponenten kommen, z.B.: Zink, Magnesium sublimeren bereits unter 3000C. Vor allem Zink ist oft in Lagerbronzen enthalten und muss in jedem Fall vermieden werden.
Bei Verbundwerkstoffen mit Festschmierstoffen werden somit beispielsweise Graphit, Teflon oder MoS2 als Festschmierstoffe in die Matrix eingebunden. Grafit kann nur unter, insbesondere feuchter, Umgebungsluft eingesetzt werden. Teflon scheitert an den Temperaturanforderungen, außerdem sind dessen viskoelastische Eigenschaften, dessen Heterogenität und dessen temperaturabhängige Mikrostruktur störend. MoS2 wiederum zeigt unter Vakuum niedrige Reibung, jedoch reagiert MoS2 mit Feuchtigkeit bzw. Wasser und schmiert nur bei trockenen Bedingungen gut. Oft sind auch die mechanischen Druck/Zug-Eigenschaften der zur Zeit eingesetzten Verbundwerkstoffe schlecht, da für gute Schmierung ein hoher Festschmierstoffanteil enthalten sein muss, welcher jedoch zu .einer Versprödung der Metallmatrix führt.
Festschmierstoffe können auch als Beschichtungen angewendet werden. In der Raumfahrt sind MoS2-PVD-Coating (Physical Vapour Deposition) auf Grund von Reibwerten unter 0,05 weit verbreitet. Der Nachteil jeder Beschichtung ist aber deren endliche Lebensdauer. Daher wird bereits jetzt zusatzgeschmiert, z.B. werden in Kugellagern die Lagerringe MoS2-beschichtet und zusätzlich wird ein Käfig eingesetzt, welcher aus Verbundwerkstoff ist und MoS2 enthält. Die eingesetzten Polymer- Verbundwerkstoffe sind aber nur für Raumtemperatur geeignet. Zudem besteht bei Polymeren die Gefahr der Zersetzung durch Strahlung.
Die Herstellung derartiger Verbundwerkstoffe erfolgt zumeist auf pulvermetallurgischem Weg. Nach Mischung der Metallpulver, z.B. Cu und Sn, mit dem/den Festschmierstoffpulver(n), z.B. Grafit oder MoS2, erhält man durch Sintern, insbesondere unter hohem Druck und hoher Temperatur von üblicherweise über 8000C, einen bronzeartigen Verbundwerkstoff. Der Vorteil ist, dass sich der Werkstoff durch seinen Festschmierstoff selbst schmiert, indem bei Bewegung immer etwas Festschmierstoff freigesetzt wird und sich auf der Lauffläche des Lagers verteilt.
Üblicherweise erhält man einen Schmierstoffanteil von nicht mehr als 20%. Durch Verklumpen des Pulvers entsteht keine homogene Metallmatrix, der Werkstoff ist spröde und kann im schlimmsten Fall einfach zerfallen.
Außerdem reagiert während des Sintervorgangs bei Temperaturen von über
8000C, MoS2 mit Kupfer zu Kupfersulfid-Verbindungen, insbesondere zu CuMo2S3, wodurch der Festschmierstoff verloren geht. Auch besitzen diese unerwünschten Begleitprodukte nicht die gewünschten Schmiereigenschaften und die Eigenschaften des
Verbundwerkstoffes verschlechtern sich z.B. durch Versprödung.
Mit Hilfe eines speziellen an sich bekannten Beschichtungsverfahrens, z.B.
Electroless Plating, sind bei Grafit als Festschmierstoff hohe Festschmierstoffanteile bis über 50 Vol% möglich. Dabei wird das pulverförmige Grafit zuerst mit Cu ummantelt bzw. beschichtet und erst dann mit den gewünschten, die Legierung bildenden Metallpulvern vermischt. Anschließend erfolgt die Sinterung.
Eine Herstellung eines qualitativ guten Bronze-MoS2-Verbundwerkstoffes mit hohem Festschmierstoffanteil war daher bislang aus oben erwähnten Gründen, nämlich der chemischen Reaktion zwischen Cu und S, nicht gut realisierbar.
Ein wesentliches Problem bei den derzeit eingesetzten feststoffgeschmierten Verbundwerkstoffen ist es, einen Werkstoff zu finden, der einerseits langlebig und verschleiß-resistent ist, der jedoch andererseits gute und langanhaltende Schmiereigenschaften, d.h. geringe Reibwerte, aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoff der eingangs erwähnten Art zu erstellen, der insbesondere unter Weltraumbedingungen, d.h. unter Vakuum sowie unter wechselnder und teilweise sehr hoher Temperaturbelastung, in Gleitlagern eingesetzt werden kann und der die oben erwähnten Probleme möglichst vermeidet.
Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 16 erreicht. Durch die Verstärkungsstoffe kann die Festigkeit des Werkstoffes gesteigert werden, ohne dass die Reibungseigenschaften wesentlich beeinträchtigt werden.
Die Verstärkungsstoffe sind leicht erhältlich und effektiv wirksam, außerdem erfüllen insbesondere Kohlefasern, insbesondere unter Luft, gewisse Schmieraufgaben, die die Reibung herabsetzen und damit die Funktionsweise eines Lagers positiv beeinflussen. Durch die Merkmale des Anspruchs 17 ergibt sich der Vorteil, dass der Werkstoff nicht versprödet und dass genug Festschmierstoff im Werkstoff vorhanden ist.
Für ein gutes Schmierverhalten ist es vorteilhaft, wenn die Merkmale des Anspruchs 18 vorgesehen sind. Außerdem ergeben sich durch diese Merkmale gute Werkstoffeigenschaften, da der Festschmierstoff gleichmäßig und dosiert abgegeben wird.
Durch die Merkmale des Anspruchs 19 ergibt sich der Vorteil, dass der Werkstoff möglichst kompakt und fest und gut einsetzbar ist.
Zur Verbesserung der Schmierwirkung ist es vorteilhaft, wenn die Merkmale des Anspruchs 20 ausgebildet sind. Dadurch ist eine optimale Verteilung des Festschmierstoffs auf den Lagerflächen gewährleistet.
Für eine optimale Festigkeit bei gleichzeitiger Schmierwirkung ist es vorteilhaft, wenn die Merkmale des Anspruchs 21 ausgebildet sind.
Die Merkmale des Anspruchs 22 stellen sicher, dass die Verschleißrate gering gehalten werden kann und dass die Schmierwirkung hoch bleibt. Eine vorteilhafte Verwendung ist in Anspruch 23 angeführt.
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art insbesondere zur Herstellung eines derartigen Werkstoffes vorzusehen das die oben angesprochenen Probleme möglichst vermeidet. Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 erreicht. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen, insbesondere durch die niedrigen Sintertemperaturen, wird es ermöglicht, einen Werkstoff zu erhalten, der nahezu frei von störenden Kupfersulfidverbindungen ist. Dadurch dass verhindert wird, dass der Festschmierstoff MoS2 mit Kupfer reagieren kann, ist der Werkstoff weniger spröde bzw. brüchig. Außerdem ist es dadurch gleichzeitig möglich, relativ große Mengen an Festschmierstoff in den Werkstoff ohne Verluste an Festschmierstoffen einzubringen. Weiters hat der Werkstoff durch die eingesetzten Verstärkungsstoffe verbesserte Verschleißeigenschaften bzw. erhöhte Abriebsfestigkeit gegenüber bekannten Lagern. Die Verstärkungsstoffe sind einfach erhältlich, preiswert und wirkungsvoll.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Merkmale des Anspruchs 2 vorgesehen sind, da dadurch eine optimale Ausbildung der Matrix des Werkstoffes bzw. der Legierung erzielt werden kann.
Die Merkmale des Anspruchs 3 stellen sicher, dass die Pulver möglichst intensiv und ohne chemische Veränderungen zu erleiden, gemischt werden.
Um die Mischung weiter zu intensivieren ist es vorteilhaft, wenn die Merkmale des Anspruchs 4 ausgebildet sind. In Anspruch 5 wird ein vorteilhafter Vorbehandlungsschritt der Pulvermischung dargestellt, der eine verbesserte Kompaktierung bzw. Sinterung bewirkt.
Um einen brauchbaren Werkstoff zu erhalten ist es vorteilhaft, wenn die Merkmale des Anspruchs 6 ausgebildet sind.
Eine vorteilhaft Merkmale und Parameter des Heiß-Kompaktierungsvorganges werden in den Ansprüchen 7 bis 12 dargestellt.
Um eine möglichst kompakte, wenig poröse Matrix zu erhalten und die Legierung möglichst gut auszubilden, ist es vorteilhaft, wenn die Merkmale der Ansprüche 13 bzw. 14 vorgesehen sind.
Besonders vorteilhaft für die Materialeigenschaften ist es, als Verstärkungsstoffe Fasern, insbesondere Grafit- oder Kohlefasern, insbesondere Kohlefasern gemäß den
Merkmalen des Anspruchs 15, einzusetzen. Die Kohlefasern haben auch gewisse
Schmiereigenschaften, insbesondere unter Luft bewirken Sie vor allem den Schmiereffekt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorgangsweise wurde auch das angestrebte Ziel erreicht, die Verstärkungsstoffe fest in die Metallmatrix einzubinden. Dies wird insbesondere durch das eingesetzte Zinnpulver erreicht, das bei seiner Verflüssigung die Verstärkungsstoffe einbettet bzw. umhüllt und gleichzeitig mit dem Kupfer legiert.
Im Nachfolgenden soll nun der Herstellungsprozess bzw. der Werkstoff näher beschrieben werden.
Als Ausgangsstoffe dienen kommerziell erhältliche Pulver, insbesondere Zinnpulver, MoS2-Pulver, gegebenenfalls Kupferpulver sowie Verstärkungsstoffe. Geeignet sind insbesondere Kupferpulver mit einer Partikelgröße von weniger als 40μm, Zinnpulver mit einer Partikelgröße von weniger als 63//m bzw. kupferbeschichtetes MoS2-Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als 50μm.
Als Verstärkungsstoffe können festigkeitssteigernde Partikel aller Art zugefügt werden. Hier wären grundsätzlich Oxide, wie z.B. Aluminiumoxid AI2O3, Siliziumdioxid SiO2, Zirkondioxid ZrO2, zu nennen. Weiters Carbide, wie Siliziumkarbid SiC oder Nitride, wie Siliziumnitrid Si3N4. Auch können Quasikristalle, wie z.B. AI60Cu2SFe12B3 zum Einsatz kommen. Die Korngröße liegt idealer Weise zwischen 25 und 63 μm. Vorteilhaft ist auch, wenn die Partikel kugelförmig bzw. oktaedrisch sind.
Insbesondere geeignet als Verstärkungsstoffe sind Fasern auf Kohlenstoffbasis, insbesondere aus Kohle und/oder Grafit. Hier kommen insbesondere Pitch-Typ Kohlefasem bzw. nach dem Pitch-Verfahren hergestellte Kohlefasern zum Einsatz. Ihre Länge liegt bei ca. 300 bis 600μm. Es besteht aus die Möglichkeit keine Verstärkungsstoffe einzusetzen (Fig. 1 und 2).
Wie bereits erwähnt, wird das MoS2-Pulver in einem ersten Schritt mit Hilfe eines an sich bekannten Verfahrens, z.B. dem Electroless-Plating-Verfahren, mit Kupfer beschichtet. Die Dicke der Kupferschicht auf den Partikeln kann in Hinblick auf die Endzusammensetzung des Verbundwerkstoffes berechnet werden und beträgt üblicherweise in etwa 1μm auf allen Partikeln. Dies soll eine spätere Reaktion von Cu mit S verlangsamen bzw. verhindern. Vorteilhaft ist es, wenn das MoS2-Pulver mit 58 bis 98 Masse%, vorzugsweise 60, 82 oder 96 Masse% Kupfer, wobei die Masse% auf die Gesamtmasse des Cu-beschichteten MoS2-Pulvers bezogen sind, beschichtet ist.
Die Verstärkungsstoffe können zur Mischung entweder als Verstärkungsstoffe per se zugesetzt werden. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Verstärkungsstoffe, z.B. die Kohlefasern ebenfalls mit Kupfer beschichtet werden. Dadurch wird die Werkstoffmatrix homogener und die Legierung bzw. der Werkstoff qualitativ verbessert. Dies kann ebenso durch das an sich bekannte Verfahren, z.B. Electroless-Plating durchgeführt werden, wobei die Kohlefasern mit 80 bis 98 Masse%, vorzugsweise 90,5 Masse%, Kupfer, wobei die Masse% auf die Gesamtmasse der Cu-beschichteten Verstärkungsstoffe bzw. Fasern bezogen sind, beschichtet werden.
Vorteilhafterweise werden hier mit Cu beschichtete Kohlefasern vom Pitch-Typ eingesetzt, die eine Länge von ca. 500 bis 600μm aufweisen.
Die Ausgangsmaterialien, das heißt, das Zinnpulver, das kupferbeschichtete MoS2-Pulver, die kupferbeschichteten Verstärkungsstoffe, insbesondere Kohlefasern, und gegebenenfalls das Kupferpulver werden so gemischt, dass im späteren Werkstoff eine Endzusammensetzung der Metalllegierung bzw. der Bronze von Cu5Sn bis Cu15Sn, insbesondere von Cu9Sn bis Cu13,5Sn, vorzugsweise von Cu11 Sn bis Cu13Sn erreicht wird. Es ist möglich, dass das später mit dem Sn die Bronze-Legierung bildende Kupfer ausschließlich aus dem Cu-beschichteten MoS2-Pulver und/oder aus den Cu- beschichteten Verstärkungsstoffen stammt und dass es nicht nötig ist Cu-Pulver zuzugeben. Ob eine Zugabe notwendig ist, ist abhängig von der gewünschten Zusammensetzung der Ziellegierung sowie vom Anteil an Cu, das in der Beschichtung vorliegt. Ist das MoS2-Pulver beispielsweise nur mit 60 Gew% Cu beschichtet und soll eine Legierung mit geringem Sn-Gehalt erzielt werden, so wird eine Zugabe von Cu erforderlich sein.
Die Zusammensetzung der Legierung kann durch die zusätzliche Zugabe von Kupferpulver gut gesteuert werden. Außerdem soll im Werkstoff 10 bis 50 Vol%, insbesondere 15 bis 27 Vol%, vorzugsweise 23 bis 26 Vol%, MoS2, bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, sowie 5 bis 30 Vol%, insbesondere 10 bis 20 Vol%, vorzugsweise 14 bis 16 Vol%, Verstärkungsstoffe, bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, enthalten sein. Der Fachmann kann die Mengen der zusammenzumischenden Pulver vorab berechnen.
Anschließend werden die Pulver bzw. Granulate in einem ersten Schritt intensiv unter einer Flüssigkeit, die ehem. Reaktionen oder Veränderungen der Ausgangsmaterialien möglichst verhindert, insbesondere Isopropanol, insbesondere für mindestens zwei Stunden, gemischt. Nach diesem nassen Mischungsvorgang wird die Mischung getrocknet und anschließend, insbesondere für ca. 1 Stunde, trocken weitergemischt. Um Halbzeug herzustellen, wird die Pulvermischung anschließend in eine Graphitpressform gefüllt. Wenn mehrere Platten gleichzeitig hergestellt werden sollen, können die Schüttungen durch Graphitplatten getrennt werden. Vorteilhaft ist eine Trennung der Presslinge und der Pressform durch Graphitfolien. Der Pressung ist üblicherweise 6,5mm hoch und weist einen Durchmesser von 50mm auf.
Anschließend wird eine Kaltpressung bzw. Kaltsinterung bzw. -kompaktierung, insbesondere bei einem Pressdruck von 20MPa bei Raumtemperatur vollzogen. Nach dieser Kaltpressung erfolgt die eigentliche Kompaktierung unter Temperatur und Druck, z.B. mittels uniaxialer Heißpresse.
Um bei diesem Schritt die Bildung von Kupfersulfiden bzw. die chemische Reaktion von Kupfer mit Schwefel zu vermeiden, muss die Zieltemperatur bei der Heißsinterung unter 7200C liegen. Bei zu geringen Temperaturen kommt es jedoch zu einer Versprödung der Werkstoffmatrix und die Eigenschaften des Werkstoffs verschlechtern sich drastisch. Dadurch ist ein Bereich der Zieltemperatur von 420° bis 720°, vorzugsweise von 500 bis 600°, insbesondere von 535 bis 565°, insbesondere etwa 550°, vorteilhaft anzuwenden, um ein optimales Resultat zu erzielen.
Ein beispielhaftes vorteilhaftes Sinterverfahren wird nun im Detail geschildert: In einem ersten Schritt wird in der Heißpresse ein Vakuum hergestellt, anschließend wird Wasserstoff zugeführt und die Probe unter einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre bei ca. 10 bis 100 mbar gehalten. Nun erfolgt langsames Aufheizen, vorzugsweise über einen Zeitraum von ca. zwei Stunden bis zur gewählten Zieltemperatur. Diese Zieltemperatur wird für etwa 45 Minuten gehalten, bevor der Pressdruck von 20 bis 40 MPa, vorzugsweise 25 bis 35 MPa, einsetzt. Anschließend wird der Pressung bei der Zieltemperatur und unter dem Pressdruck für etwa 75 Minuten gehalten bzw. so lange, bis keine Bewegung bzw. Kompression mehr erfolgt. Anschließend erfolgt langsames Abkühlen, das sich über einen Zeitraum von ca. 3 Stunden erstrecken kann, unter gleichzeitiger Beibehaltung des Pressdruckes. Der Pressdruck wird schließlich reduziert, und die Probe wird weiter abgekühlt.
Durch diese Kompaktierung werden Porositäten von bis zu unter 3 % erreicht. Die Porosität wird als Differenz zwischen der gemessenen und der theoretischen Dichte berechnet bzw. als Vol% der eingeschlossenen Luft bzw. der Poren im Werkstoff.
Es ergibt sich ein im Wesentlichen selbstschmierender Metall-Matrix- Verbundwerkstoff (MMC), mit einer Zusammensetzung der Metalllegierung bzw. der Bronze als Metall-Matrix aus Kupfer mit einem Gehalt von 5 bis 15 Masse%, insbesondere 9 bis 13,5 Masse%, vorzugsweise 11 bis 13 Masse% Zinn.
Der Werkstoff weist eine hohe Festigkeit auf. Vorteilhaft ist, dass keine Legierungselemente mit hohem Dampfdruck vorliegen, wie beispielsweise Zink, Blei od. dgl., da diese Legierungselemente im Vakuum sublimieren können. Im Werkstoff bzw. in der Metallmatrix eingebettet liegt ungebundenes, originäres
MoS2 vor, wobei die MoS2-Partikel in der rissfreien Metallmatrix im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind.
Das MoS2 wirkt als Festschmierstoff und ist für die niedrige Reibung unter Vakuum verantwortlich. Im Werkstoff liegen 10 bis 50 Vol%, insbesondere 15 bis 27 Vol%, vorzugsweise 23 bis 26 Vol%, MoS2 vor, wobei sich die Volumsprozente - wie auch sonst
- auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse d.h. auf das theoretische Volumen eines kompakten volldichten Werkstoffes ohne Porositäten bzw. auf eine Schmelze desselben beziehen.
Wie bereits beschrieben, wird durch das Verfahren eine Bildung von Kupfer- Schwefel-Verbindungen möglichst vermieden. Der Werkstoff enthält dementsprechend weniger als 3 Vol%, insbesondere weniger als 1 Vol%, vorzugsweise weniger als 0,2 Vol%, an Verbindungen zwischen Kupfer oder Zinn mit Molybdän und/oder Schwefel und/oder MoS2. Unerwünschte Verbindungen wären beispielsweise CuS, Cu2S bzw. CuMo2S3. Die Volumsprozente beziehen sich wiederum auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse. Dass keine Reaktion stattgefunden hat, wird mittels Röntgenbeugungsanalyse bestätigt.
Im Werkstoff können nun auch Verstärkungsstoffe, insbesondere Kohlefasern, insbesondere Pitch-Typ-Kohlefasem bzw. nach dem Pitch-Verfahren hergestellte
Kohlefasern, vorliegen, und zwar in einer Menge von 5 bis 30 Vol%, insbesondere 10 bis
20 Vol%, vorzugsweise 14 bis 16 Vol%. Diese Voi%-Werte beziehen sich auch hier auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse.
Die Kohlefasern, insbesondere die Pitch-Kohiefasern haben neben den abriebs- bzw. festigkeitssteigemden Eigenschaften auch gewisse Schmiereigenschaften bzw. wirken auch als Festschmierstoffe, insbesondere unter Luft. Damit ergänzen sie die Wirkung des MoS2, das vor allem unter Vakuum gut schmiert. Somit wird ein synergistischer Effekt erzielt, der dem Werkstoff sowohl unter Luft als auch unter Vakuum gute schmierende Eigenschaften verleiht.
Die Porosität des Werkstoffes beträgt weniger als 5 Vol%, insbesondere weniger als 3 Vol%, bezogen auf das gesamte Werkstoffvolumen, inklusive Lufteinschlüsse.
Ein vorteilhafter Effekt ergibt sich dadurch, dass bei der Heißsinterung bzw. - kompaktierung, insbesondere in Kombination mit Aufheiz-, Temperaturhalte- und Abkühlschritten, in der Werkstoffmatrix verschiedene Effekte auftreten. Die MoS2-PartikeI werden durch die Kompaktierung deformiert. So sind die MoS2-PartikeI im wesentlichen entlang der axialen Pressrichtung ausgerichtet, verdichtet bzw. liegen als länglich verformte bzw. als gestreckte MoS2-Partikel vor bzw. die MoS2-Partikel sind zu länglichen MoS2-Partikel-Bereichen aneinandergereiht. Dies ist gut in den Fig. 1 und 2 ersichtlich.
Fig. 1 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Schnittes durch einen Werkstoff in axialer Richtung, das heißt, entlang der bzw. etwa parallel zur axialen Pressrichtung bei der Heißsinterung, sozusagen ein Blick von oben auf den Pressung. Dabei sind die MoS2-Partikel gut erkennbar, die gleichmäßig und ohne wesentliche Verformung in der rissfreien Bronzematrix verteilt sind. In Fig. 2 sieht man eine lichtmikroskopische Aufnahme eines radialen Schnittes durch den Werkstoff, das heißt man blickt senkrecht zur axialen Pressrichtung bzw. man betrachtet den Pressung von der Seite. Hier ist gut erkennbar, dass die deformierten MoS2-Partikel bzw. die MoS2-Partikel-Bereiche entlang bzw.. etwa parallel zu dieser axialen Pressrichtung, die sich in Fig. 2 von links nach rechts, also parallel zur Bildebene erstreckt, ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung ist sowohl bei den kleineren MoS2- Partikeln bzw. MoS2-Partikel-Bereichen als auch bei den größeren erkennbar.
Anders ist die Situation für den Fall, dass Kohlefasern zugesetzt werden, wie in den Fig. 3 und 4 erkennbar ist. In den Fig. 5a, b und c, die schematische Ansichten eines zylinderförmigen Presslings zeigen, wird dies verdeutlicht. Fig. 5a zeigt den Pressung vor der Sinterung in Seitenansicht, Fig. 5b zeigt den Pressung nach der Sinterung in Querschnitt und Fig. 5c zeigt den Pressung nach der Sinterung in Draufsicht. Die Pulver bzw. Fasern sind durch unterschiedliche Schattierungen unterscheidbar. In Fig. 3 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme des Werkstoffs entlang bzw. aus der Perspektive der axialen Pressachse bzw. Pressrichtung dargestellt. Man erkennt, dass die MoS2-Partikel gleichmäßig verteilt und nicht deformiert sind und ohne erkennbare Längserstreckungen in der Matrix vorliegen. Die länglichen Kohlefasern sind jedoch im Wesentlichen parallel zur radialen Ebene, das heißt, normal zur axialen Pressrichtung, ausgerichtet.
Dies ist auch in Fig. 5c schematisch verdeutlicht. Die Kohlefasern liegen in der Bildebene und senkrecht zur Pressrichtung, die MoS2-Bereiche stehen im wesentlichen normal zur Bildebene und parallel zur Pressrichtung
In Fig. 4 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Schnittes durch den Werkstoff in radialer Richtung senkrecht zur axialen Pressrichtung dargestellt. Darauf ist deutlich erkennbar, dass auch hier analog zur Fig. 2 die MoS2-Partikel bzw. die MoS2- Partikel-Bereiche entlang bzw. im etwa parallel zu der axialen Pressrichtung, die sich in Fig. 4 von links nach rechts, also horizontal zur Bildebene erstreckt, verformt bzw. ausgerichtet sind. Dies ist auch in Fig. 5b schematisch verdeutlicht. Die Pressrichtung kommt von oben. Die Kohlefasern liegen horizontal zur Bildebene, die MoS2-Bereiche vertikal.
Ebenfalls gut ersichtlich ist, dass die Kohlefasern fast ausschließlich nur im Querschnitt erkennbar sind und somit etwa senkrecht zur axialen Pressrichtung ausgerichtet sind. Somit sind die Kohlefasern im wesentlichen senkrecht zu den verformten MoS2-
Partikeln bzw. den MoS2-Partikel-Bereichen ausgerichtet. Diese interessanten Materialeigenschaften führen zu einer Verbesserung der Schmierwirkung bei gleichzeitiger Verbesserung der Schmiereigenschaften.
Die nun folgenden Beispiele erläutern die Erfindung: Beispiel 1 :
Kupferpulver (Grosse <40μm, Dichte 8,94 g/cm3), Zinnpulver (Grosse <63μm, Dichte 7,28 g/cm3), kupferbeschichtetes MoS2-Pulver (Grosse <50μm, Dichte 5,0 g/cm3), das mit 82,17 Gewichts% (berechnet vom Gesamtgewicht des beschichteten MoS2-Pulvers) Kupfer (Platingtech) beschichtet ist und kupferbeschichtete Pitch-Kohlefasem ( Länge 550μm, Dichte 2,15 g/cm3) (K13A10, Mitsubishi), die mit 90,5 Gewichts% (berechnet vom Gesamtgewicht der beschichteten Kohlefasern) Kupfer beschichtet sind, werden so zusammengemischt, dass im späteren Werkstoff eine Endzusammensetzung der Metalllegierung bzw. der Bronze von Cu12Sn erreicht wird. Außerdem sind im Werkstoff 25 Vol% MoS2, bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, sowie 15 Vol% Kohlefasern, bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, enthalten. Der Fachmann kann die Mengen der zusammenzumischenden Pulver vorab leicht berechnen und entsprechend abmischen.
Anschließend werden die Pulver bzw. Granulate in einem ersten Schritt intensiv unter Isopropanol für zwei Stunden gemischt. Nach diesem nassen Mischungsvorgang wird die Mischung getrocknet und anschließend für 1 Stunde trocken weitergemischt. Um Halbzeug herzustellen, wird die Pulvermischung anschließend in eine Graphitpressform gefüllt.
Anschließend wird eine Kaltpressung bzw. Kaltsinterung bzw. -kompaktierung, insbesondere bei einem Pressdruck von 20MPa bei Raumtemperatur vollzogen. Nach dieser Kaltpressung erfolgt die eigentliche Kompaktierung unter Temperatur und Druck in einer uniaxialen Heißpresse.
In einem ersten Schritt wird in der Heißpresse ein Vakuum hergestellt, anschließend wird Wasserstoff zugeführt und die Probe unter einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre bei 50 mbar gehalten. Nun erfolgt langsames Aufheizen, über einen Zeitraum von zwei Stunden bis zur gewählten Zieltemperatur von 550°C. Diese Zieltemperatur wird für 45 min gehalten, bevor der Pressdruck von 30 MPa einsetzt. Anschließend wird der Pressung bei der Zieltemperatur und unter dem Pressdruck für 75 min gehalten bzw. so lange, bis keine Bewegung bzw. Kompression mehr erfolgt. Anschließend erfolgt langsames Abkühlen über einen Zeitraum von 3 Stunden unter gleichzeitiger Beibehaltung des Pressdruckes. Der Pressdruck wird schließlich reduziert, und die Probe wird weiter abgekühlt. Es ergibt sich ein im Wesentlichen selbstschmierender Metall-Matrix- Verbundwerkstoff (MMC), mit einer Zusammensetzung der Metalllegierung bzw. der Bronze als Metall-Matrix aus Kupfer mit einem Gehalt von 12 Masse% Zinn sowie 25 Vol% MoS2 und 15 Vol% Kohlefasern. Die mechanischen Eigenschaften des neuen Werkstoffes sind an Hand von
Druckversuchen an zylindrischen Proben gemäß DIN 50106 ermittelbar.
Dabei zeigt sich, dass der Werkstoff Cu12Sn mit 25 Vol% MoS2 und 15 Vol% Pitch-Kohlefasem die an ihn zu stellenden Anforderungen in besonders hohem Maße erfüllt. So hat dieser Werkstoff ausgezeichnete Gleit-Reibungseigenschaften bzw. niedrige Reibungskoeffizienten von unter 0,2 sowohl unter Luft als auch im Vakuum, sogar bei dem für dem Weltraumeinsatz besonders wichtigen Kriterium von höheren Temperaturen von ca. 3000C. Unter Luft bewirken vor allem die Kohlefasern den Schmiereffekt. Durch das angegebene Verhältnis von MoS2 und Kohlefasern wird sowohl unter Luft als auch unter Vakuum eine optimale Schmierwirkung erzielt.
Außerdem ist die Verschleißrate [mm3/Nm] des Werkstoffes sehr niedrig. Unter Luft und bei 25°C weist der Werkstoff einen mittleren Reibungskoeffizienten von 0,18 und eine Verschleißrate von 5*10'6 mm3/Nm auf. Unter Vakuum und bei 250C weist der Werkstoff einen mittleren Reibungskoeffizienten von 0,07 und eine Verschleißrate von 4*10'5 mm3/Nm auf. Unter Vakuum und bei 3000C weist der Werkstoff einen mittleren Reibungskoeffizienten von 0,2 und eine Verschleißrate von 3*10'6 mm3/Nm auf. Das E-Modul dieses Werkstoffs liegt bei ca. 50 GPa, die Dehngrenze bei ca. 250 Mpa.
Beispiel 2:
38,36g Zinnpulver, 162,9g mit 82,17 Gewichts% Kupfer beschichtetes MoS2- Pulver (Platingtech) (bezogen auf das Gesamtgewicht des beschichteten MoS2-Pulvers) und 162,9g mit 90,5 Gewichts% Kupfer beschichtete Pitch-Kohlefasern (K13A10, Mitsubishi) (bezogen auf das Gesamtgewicht der beschichteten Kohlefasern), werden wie in Beispiel 1 zusammengemischt und nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren bei 445 bis 4550C gesintert.
Es ergibt sich ein im Wesentlichen selbstschmierender Metall-Matrix- Verbundwerkstoff (MMC), mit einer Zusammensetzung der Metalllegierung bzw. der Bronze als Metall-Matrix aus Kupfer mit einem Gehalt von 12 Masse% Zinn sowie 12 Vol% MoS2 und 15 Vol% Kohlefasern.
Unter Luft und bei 25°C weist der Werkstoff einen mittleren Reibungskoeffizienten von 0,29 und eine Verschleißrate von 2*10'6 mm3/Nm auf. Unter Vakuum und bei 25°C weist der Werkstoff einen mittleren Reibungskoeffizienten von 0,41 und eine Verschleißrate von 5*10"4 mm3/Nm auf. Unter Vakuum und bei 3000C weist der Werkstoff einen mittleren Reibungskoeffizienten von 0,34 und eine Verschleißrate von 8*106 mm3/Nm auf. Das E-Modul dieses Werkstoffs liegt bei Raumtemperatur bei ca. 71 GPa und bei 3000C bei ca. 59 GPa, die Dehngrenze liegt bei Raumtemperatur bei ca. 342 MPa und bei 3000C bei ca. 235 Mpa.
Beispiel 3: 8,2g Zinnpulver, 40g mit 60 Gewichts% Kupfer beschichtetes MoS2-Pulver (Platingtech) (bezogen auf das Gesamtgewicht des beschichteten MoS2-Pulvers), 40g mit 90 Gewichts% Kupfer beschichtete Pitch-Kohlefasem (K13A10, Mitsubishi) (bezogen auf das Gesamtgewicht der beschichteten Kohlefasern) werden zusammengemischt. Damit wird im späteren Werkstoff eine Endzusammensetzung der Metalllegierung bzw. der Bronze von Cu12Sn erreicht wird. Außerdem sind im Werkstoff 25 Vol% MoS2, bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, sowie 15 Vol% Kohlefasern, bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, enthalten.
Anschließend werden die Pulver bzw. Granulate in einem ersten Schritt intensiv unter Isopropanol für zwei Stunden gemischt. Nach diesem nassen Mischungsvorgang wird die Mischung getrocknet und anschließend für 1 Stunde trocken weitergemischt. Um Halbzeug herzustellen, wird die Pulvermischung anschließend in eine Graphitpressform gefüllt.
Anschließend wird eine Kaltpressung bzw. Kaltsinterung bzw. -kompaktierung, insbesondere bei einem Pressdruck von 20MPa bei Raumtemperatur vollzogen. Nach dieser Kaltpressung erfolgt die eigentliche Kompaktierung unter Temperatur und Druck in einer uniaxialen Heißpresse.
In einem ersten Schritt wird in der Heißpresse ein Vakuum hergestellt, anschließend wird Wasserstoff zugeführt und die Probe unter einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre bei 70 mbar gehalten. Nun erfolgt langsames Aufheizen, über einen Zeitraum von zwei Stunden bis zur gewählten Zieltemperatur von 54O0C. Diese Zieltemperatur wird für 40 min gehalten, bevor der Pressdruck von 40 MPa einsetzt. Anschließend wird der Pressung bei der Zieltemperatur und unter dem Pressdruck für 60 min gehalten bzw. so lange, bis keine Bewegung bzw. Kompression mehr erfolgt. Anschließend erfolgt langsames Abkühlen über einen Zeitraum von 2,5 h unter gleichzeitiger Beibehaltung des Pressdruckes. Der Pressdruck wird schließlich reduziert, und die Probe wird weiter abgekühlt. Es ergibt sich ein im Wesentlichen selbstschmierender Metall-Matrix- Verbundwerkstoff (MMC), mit einer Zusammensetzung der Metalllegierung bzw. der Bronze als Metall-Matrix aus Kupfer mit einem Gehalt von 12 Masse% Zinn sowie 25 Vol% MoS2 und 15 Vol% Kohlefasern.
Die Porosität liegt in allen Fällen unter 3%. Die im Beispiel 1 angegebenen Komgrössen und Dichten der eingesetzten Pulver bzw. Fasern gelten auch für die Beispiele 2 und 3.
Anwendungen dieses Werkstoffs finden sich insbesondere als Buchsen für
Gleitlager oder allgemeine Gleitelemente für bewegte Teile im Weltraum unter Vakuum oder als Käfige von Wälzlagern, weiters, z.B. bei Beschichtungsanlagen, in der Halbleiterindsutrie für Vakuumanlagen etc..

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines neuen selbstschmierenden Metall-Matrix- Verbundwerkstoffes, wobei in einem Mischungsschritt - Sn-Pulver
- Cu-beschichtetes MoS2-Pulver
- und gegebenenfalls Cu-Pulver gemischt und bei höheren Temperaturen kompaktiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass, vor der Kompaktierung Verstärkungsstoffe, vorzugsweise kristall- bzw. pulverförmige Carbide, Nitride, Boride, Oxide und/oder Fasern auf Kohlenstoff basis, insbesondere Kohlefasern, insbesondere Pitch-Typ-Kohlefasern bzw. nach dem Pitch- Verfahren hergestellte Kohlefasern, zugesetzt bzw. zugemischt werden und dass die Kompaktierung bzw. Sinterung bei einer Zieltemperatur im Bereich von 420° bis 720°, vorzugsweise von 500° bis 600°, insbesondere von 535° bis 565°, insbesondere bei etwa 550°, vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sn-Pulver, das Cu- beschichtete MoS2-Pulver, gegebenenfalls das Cu-Pulver, und die Verstärkungsstoffe so gemischt werden, dass ein Werkstoff mit einer Zusammensetzung der Metalllegierung bzw. der Bronze zwischen Cu5Sn und Cu15Sn, insbesondere zwischen Cu9Sn und Cu13,5Sn, vorzugsweise zwischen Cu11Sn und Cu13Sn gebildet wird, bzw. dass die Bronze einen Gehalt von 5 bis 15 Masse%, insbesondere 9 bis 13,5 Masse%, vorzugsweise 11 bis 13 Masse% Sn, Rest Cu, aufweist, wobei der Werkstoff 10 bis 50 Vol%, insbesondere 15 bis 27 Vol%, vorzugsweise 23 bis 26 Vol%, MoS2, jeweils bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, sowie 5 bis 30 Vol%, insbesondere 10 bis 20 Vol%, vorzugsweise 14 bis 16 Vol%, Verstärkungsstoffe, jeweils bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sn-Pulver, das Cu-beschichtete MoS2-Pulver, das gegebenenfalls zugesetzte Cu-Pulver und die Verstärkungsstoffe in einem Nass-Mischungsschritt, insbesondere unter Isopropanol od. dgl., insbesondere für eine Dauer von mindestens 2 Stunden, gemischt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Nass-Mischungsschritt die Mischung getrocknet und anschließend erneut, insbesondere für eine Dauer von ca. 1 Stunde, trocken gemischt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung nach erfolgtem Mischvorgang zuerst bei Umgebungstemperatur einer Kaltpressung bzw. Kaltkompaktierung, insbesondere bei einem Pressdruck von 10 bis 60, vorzugsweise 15 bis 40, insbesondere 20, MPa, unterzogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Kaltpressung die Heißpressung bzw. Heißsinterung, vorzugsweise im Vakuum oder unter Schutzgas- oder reduzierender Atmosphäre, insbesondere in H2-Atmosphäre, gegebenenfalls in einer uniaxialen Heißpresse, vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Heißpressung in einem ersten Aufheizungsschritt für 0,5 bis 5 h, vorzugsweise 1 ,5 bis 3,5 h, bis zur Zieltemperatur ohne Pressdruck aufgeheizt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem Aufheizungsschritt folgenden Halteschritt die Zieltemperatur für 20 bis 90 min, insbesondere für 35 bis 55 min, ohne Pressdruck gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem an den Aufheizungsschritt anschließenden Pressschritt der Pressdruck von 20 bis 40 MPa, insbesondere von 25 bis 35 MPa, angelegt wird und die Probe konnpaktiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem Pressschritt folgenden Druckhalteschritt der Pressdruck für 40 bis 200 min, vorzugsweise 65 bis 90 min, insbesondere so lange, bis im Pressung keine Kompression bzw. Volumsverminderung mehr erfolgt, gehalten wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Druckhalteschritt unter Beibehaltung des Pressdrucks für 1 bis 5 h, insbesondere 2,5 bis 3,5 h, eine erste Abkühlung bis zu einer Temperatur von unter 700C, insbesondere auf Raumtemperatur, erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter erster Abkühlung der Pressdruck reduziert wird und weiter bis auf
Raumtemperatur, vorzugsweise innerhalb von 2 bis 15 min, gekühlt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Cu- Pulver mit einer Partikelgröße von <40μm, Sn-Pulver mit einer Partikelgröße von <63μm, Cu-beschichtete MoS2-Pulver mit einer Partikelgröße von <50//m und gegebenenfalls Kohlefasern bzw. Cu-beschichtete Kohlefasern mit einer Partikellänge von 400 bis 600μm eingesetzt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Cu-beschichtete MoS2-Pulver nach einem an sich bekannten Verfahren, beispielsweise Electroless-Plating, hergestellt wird, indem MoS2-Pulver mit, insbesondere 80 bis 98 Masse%, vorzugsweise 82 oder 96 Masse%, Cu, bezogen auf die Gesamtmasse des beschichteten MoS2-Pulvers, beschichtet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstoffe Cu-beschichtete bzw. mit einer Cu-Schicht überzogene Verstärkungsstoffe, insbesondere Kohlefasern, eingesetzt werden, die nach einem an sich bekannten Verfahren, beispielsweise Electroless-Plating, hergestellt werden, indem die Verstärkungsstoffe mit, insbesondere 80 bis 98 Masse%, vorzugsweise 90,5 Masse%, Cu, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der beschichteten Verstärkungsstoffe, beschichtet werden.
16. Selbstschmierender Metall-Matrix- Verbundwerkstoff (MMC), insbesondere für Gleit- und Wälzlager im Weltraum oder Vakuumanlagen, insbesondere erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Metalllegierung aus Bronze mit einem Gehalt von 5 bis 15 Masse%, insbesondere 9 bis 13,5 Masse%, vorzugsweise 11 bis 13 Masse% Sn, Rest Cu, umfasst, wobei in demselben weiters 10 bis 50 Vol%, insbesondere 15 bis 27 Vol%, vorzugsweise 23 bis 26 Vol%, MoS2, jeweils bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, sowie 5 bis 30 Vol%, insbesondere 10 bis 20 Vol%, vorzugsweise 14 bis 16 Vol%, Verstärkungsstoffe, jeweils bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, vorzugsweise kristall- bzw. pulverförmige Carbide, Nitride, Boride, Oxide und/oder Fasern auf Kohlenstoffbasis, insbesondere Kohlefasern, insbesondere Pitch-Typ-Kohlefasem bzw. nach dem Pitch-Verfahren hergestellte Kohlefasern, enthalten sind.
17. Verbundwerkstoff nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass er weniger als 3 Vol%, insbesondere weniger als 1 Vol%, vorzugsweise weniger als 0,2 Vol%, jeweils bezogen auf das Volumen des kompakten Werkstoffs ohne Lufteinschlüsse, an Verbindungen von Cu und/oder Sn mit Mo, S und/oder MoS2, insbesondere CuS, Cu2S und/oder CuMo2S3, enthält.
18. Verbundwerkstoff nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Werkstoff ungebundenes, originäres MoS2 vorliegt, wobei die MoS2-Partikel in der
Metallmatrix im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind.
19. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Porosität von weniger als 5 Vol%, insbesondere weniger als 3 Vol%, jeweils bezogen auf das gesamte Werkstoffvolumen inklusive Lufteinschlüsse, aufweist.
20. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die MoS2-Partikel entlang bzw. etwa parallel zu einer axialen Pressrichtung ausgerichtet, verdichtet, länglich verformt bzw. aneinandergereiht vorliegen bzw. dass entlang bzw. etwa parallel zu der axialen Pressrichtung länglich deformierte MoS2-Partikel bzw. gestreckte MoS2-Partikel-Bereiche ausgebildet sind.
21. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefasern eine Länge zwischen 300 und 600μm, insbesondere 400 und
500μm, aufweisen.
22. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefasern im wesentlichen senkrecht bzw. quer zur axialen Pressrichtung bzw. senkrecht zu den MoS2-Partikeln bzw. den MoS2-Partikel-Bereichen ausgerichtet sind.
23. Verwendung des Verbundwerkstoffes gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22 zur Fertigung von Gleit- bzw. Wälzlagern, insbesondere für den Einsatz derselben im Weltraum oder Vakuumanlagen.
PCT/AT2005/000368 2004-09-23 2005-09-14 Selbstschmierender bronze-matrix-verbundwerkstoff WO2006032068A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT16002004 2004-09-23
ATA1600/2004 2004-09-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006032068A1 true WO2006032068A1 (de) 2006-03-30

Family

ID=35335659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/AT2005/000368 WO2006032068A1 (de) 2004-09-23 2005-09-14 Selbstschmierender bronze-matrix-verbundwerkstoff

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2006032068A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113183565A (zh) * 2021-06-03 2021-07-30 河南工业大学 一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法
CN113235021A (zh) * 2021-04-27 2021-08-10 西峡县泰祥实业有限公司 一种铜基耐磨减磨材料及其制备工艺

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55164050A (en) * 1979-06-08 1980-12-20 Nippon Funmatsu Gokin Kk Sliding frictional material
JPH11158568A (ja) * 1997-11-28 1999-06-15 Nisshin Steel Co Ltd 耐摩耗性および摺動特性に優れる銅合金およびその製造方法
EP1391620A2 (de) * 2002-08-23 2004-02-25 Senju Metal Industry Co., Ltd. Mehrschichtige Gleitlagerbeschichtung und Herstellungsverfahren

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55164050A (en) * 1979-06-08 1980-12-20 Nippon Funmatsu Gokin Kk Sliding frictional material
JPH11158568A (ja) * 1997-11-28 1999-06-15 Nisshin Steel Co Ltd 耐摩耗性および摺動特性に優れる銅合金およびその製造方法
EP1391620A2 (de) * 2002-08-23 2004-02-25 Senju Metal Industry Co., Ltd. Mehrschichtige Gleitlagerbeschichtung und Herstellungsverfahren

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 005, no. 041 (C - 047) 18 March 1981 (1981-03-18) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 11 30 September 1999 (1999-09-30) *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113235021A (zh) * 2021-04-27 2021-08-10 西峡县泰祥实业有限公司 一种铜基耐磨减磨材料及其制备工艺
CN113183565A (zh) * 2021-06-03 2021-07-30 河南工业大学 一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69619553T2 (de) Selbstschmierendes gesintertes gleitmaterial und verfahren zu dessen herstellung
DE4105657C2 (de) Gleit- bzw. Schiebematerial und Verfahren zu seiner Herstellung
DE60125147T2 (de) Hohle fulleren-artige nanopartikel als feste schmiermittel in verbundmetallmatrizen
EP3087283B1 (de) Gleitlagerwerkstoff und gleitlager-verbundwerkstoff mit zinksulfid und bariumsulfat
AT410358B (de) Gleitlagerschale und verfahren zu ihrer herstellung
EP2563590B1 (de) Gleitlagerverbundwerkstoff und hieraus hergestelltes gleitlager
DE3687057T2 (de) Stuetzgegenstaende aus graphiteinlagerungsverbindungen.
EP2427665B1 (de) Gleitlagermaterial
DE4106001C2 (de) Gleit- bzw. Schiebematerial und Verfahren zu seiner Herstellung
DE69308047T2 (de) Gleitkörper, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Anwendungen
DE3128412C2 (de) Selbstschmiermittel
EP2171109B1 (de) Bleifreier gesinterter gleitlagerwerkstoff und sinterpulver zur herstellung desselben
EP1926563A1 (de) Gleitlagerverbundwerkstoff
DE3534242A1 (de) Wartungsfreier mehrschicht-gleitlagerwerkstoff
AT520560A4 (de) Mehrschichtgleitlagerelement
DE962561C (de) Gleitlager aus mindestens an der Oberflaeche poroesem Metall, das eine reibungsvermindernde Substanz enthaelt
EP1412112B1 (de) Vollmateriallager und verfahren zu seiner herstellung
DE102010004398B4 (de) Gleitelement
EP2748476A1 (de) VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES GLEITLAGERS MIT EINER CuNi2Si-, CuFe2P- oder CuSnX-VERBINDUNG
AT517721B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagerelementes
WO2006032068A1 (de) Selbstschmierender bronze-matrix-verbundwerkstoff
DE3703964A1 (de) Gleitlager-schichtwerkstoff bzw. gleitlagerelement sowie verfahren zu seiner herstellung
DE10226264A1 (de) Gleitlagerverbundwerkstoff
DD238510A3 (de) Verfahren zur herstellung eines verbundgleitlager-materials
DE10225783A1 (de) Gleitlagerverbundwerkstoff

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KM KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase