01 Druckschrift 30.24 dt.

611480 Druckschrift 30.24 deutsch / S. 1 / Cyan- / Magenta- / Gelb- / Schwarz-Form
Technologien
in
Kohlenstoff
und
Ingenieurkeramik
Tribologie von Gleitpaarungen
hart – weich
30.24 /1997
Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Schunk Ingenieurkeramik GmbH
611480 Druckschrift 30.24 deutsch / S. 2 / Cyan- / Schwarz-Form
Bei der Beschreibung von
Gleitvorgängen werden
Systeme mit und ohne
Flüssigkeitsschmierung
unterschieden.
In der Anwendung von
Lagern und Gleitringen treten
je nach Einsatzbedingungen
beide Gleitmechanismen im
Bereich der Mischreibung
nebeneinander auf.
Geeignete Werkstoffe bzw.
Werkstoffkombinationen
müssen folglich neben guten
Trockenlaufeigenschaften ein
günstiges hydrodynamisches
Verhalten bei Flüssigschmierung aufweisen.
Voraussetzung für eine günstige Hydrodynamik ist die
definierte Geometrie des
flüssigkeitsgefüllten Spaltes
zwischen den Reibpartnern,
woraus sich die Forderung
nach einem hohen E-Modul
ergibt, der unerwünschte
Verformungen verhindert.
Reibungswärme kann die
Schmiereigenschaften der
Flüssigkeiten verschlechtern
und ist möglichst schnell
durch wenigstens einen
Gleitpartner mit hoher thermischer Leitfähigkeit aus
dem Spalt abzuführen.
Für den direkten Materialkontakt bei Trockenlauf werden ein niedriger Reibungskoeffizient und niedrige
Verschleißraten gefordert.
Bei sogenannten Hart-weichPaarungen soll die Oberfläche des härteren Werkstoffes durch angepaßte
Rauhtiefe möglichst wenig
abrasiv auf den weicheren
Werkstoff wirken und durch
ihre hohe Härte diese
Eigenschaft möglichst lange
behalten. Der Abtrag, der bei
dem geringen Verschleiß des
weicheren Partners entsteht,
soll darüber hinaus als Festschmierstoff reibungsmindernd wirken.
Anforderungsprofil
E-Modul ↑
„Harter Laufpartner“
Wärmeleitfähigkeit ↑
Härte ↑
Verschleißfestigkeit ↑
v
Reibung ↓
v
Notlaufeigenschaften ↑
„Weicher Laufpartner“
(Härte/Verschleißfestigkeit ↑)
E-Modul ↑
2
Reibwärme ↓
Von einer Vielzahl der möglichen metallischen und nichtmetallischen Werkstoffe in
Hart-weich-Kombinationen
haben sich bei genannten
kritischen Einsatzfällen
Kohlenstoff-SiC-Paarungen
bewährt.
611480 Druckschrift 30.24 deutsch / S. 3 / Cyan- / Magenta- / Gelb- / Schwarz-Form
Einige für den Konstrukteur
wichtige Eigenschaften sind
in den folgenden Grafiken
dargestellt.
E-Modul
800
700
600
[GPa]
500
400
SiC-Werkstoffe:
300
● CarSIK-ST: drucklos ge-
200
sintertes SiC mit definierter, geschlossener Porosität
und universeller chemischer Beständigkeit bei
gleichzeitig verbesserter
Tribologie
100
Si
W
C3
ol
0
fra
m
ca
rb
id
FE
67
9
Q
A
82
Z
FH
82
FH
T
IK
-C
Ca
rS
rS
Ca
Ca
rS
IK
-S
IK
-N
T
T
0
● CarSIK-NT: reaktionsge-
bundenes SiC mit hervorragenden tribologischen
Eigenschaften
Härte
● CarSIK-CT: reaktionsge-
bundenes SiC mit eingelagertem freiem Kohlenstoff
und daraus resultierenden
guten Notlaufeigenschaften.
Kohlewerkstoffe:
HV
20
10
HB
100
150
30
50
CarSIK-ST
FH82Z
CarSIK-NT
FH82A
CarSIK-CT
FE679Q
Wolframcarbid
SiC30
● FH /FS: Kohlenstoff-
Graphite oder Hartkohlen
● FE: Elektrographit
(bspw. FE679QP für reinen
Trockenlauf)
20
30
HV [kN/mm2]
10
Eine Mittelstellung nimmt
SiC30 ein (C-SiC-Composite-Werkstoff mit je ca.
50 Vol.-% Elektrographit und
Siliziumcarbid).
120
80
60
40
20
d
bi
fra
m
ca
r
C3
0
Si
W
ol
FE
67
9
Q
A
82
FH
82
Z
FH
KCT
rS
I
Ca
Ca
rS
IK
-N
T
0
IK
-S
T
[W/mK]
100
rS
Kunstharz „Z“
und
Antimon „A“
Wärmeleitfähigkeit
140
Ca
Als Imprägniermedien, welche für die nötige Abdichtung
sorgen, zur Erhöhung der
Verschleißfestigkeit beitragen
und das tribologische
Verhalten des KohlenstoffGraphits optimieren, seien als
wichtigste genannt:
150 100 50
HB [2.5/62.5][5/62.5]
3
611480 Druckschrift 30.24 deutsch / S. 4 / Cyan- / Magenta- / Gelb- / Schwarz-Form
Über die Materialeigenschaften läßt sich das Laufverhalten einer Paarung
einstellen. Da auch die
Wechselwirkung zwischen
den Gleitpartnern, die durch
unterschiedliche Werkstoff-
Trockenlaufversuche
Stift-Scheibe-Prüfstand
Flächenlast: 0,1 Mpa
Gleitgeschwindigkeit:
6 m /sec
Temperatur und relative
Luftfeuchte = konstant
F
v
µF
4
gefüge und Inhaltsstoffe
gekennzeichnet ist, über die
Eignung entscheidet, ist eine
isolierte Betrachtung allerdings nicht ausreichend.
Vielmehr ist die Paarung als
System zu optimieren, wobei
die abschließende Beurteilung
der Eignung für Trockenlauf
und Mischreibung erst durch
anwendungstechnische Versuche möglich ist.
611480 Druckschrift 30.24 deutsch / S. 5 / Cyan- / Magenta- / Gelb- / Schwarz-Form
Reibungskoeffizienten/Trockenlauf
0,4
0,35
Reibwert µ
0,3
0,25
0,2
Die Reibungskoeffizienten
gegen Stahl sind immer höher
als gegen Siliziumcarbid.
0,15
0,1
0,05
0
FH82A
FH82Z
FS10Z
Gegenlaufwerkstoff CarSIK-NT
FE679Q
Gegenlaufwerkstoff Stahl
Verschleißrate/Trockenlauf
2,5
Viel unkritischer verhält sich
hier die FS10 sowie der
Elektrographit, welche auch
gegen relativ weiche Stähle
trocken laufen.
2
[µm/h]
Der Unterschied ist am größten für den Werkstoff FH82,
da er die höchsten
Anforderungen an die Härte
des Gegenlaufpartners stellt.
Der Reibwert wird sichtlich
erhöht, wenn es bei weichem
Stahl zu Riefenbildung
kommt. In Folge steigt auch
der Verschleiß.
1,5
1
0,5
0
FH82Z
FH82A
FS10Z
Gegenlaufwerkstoff CarSIK-NT
FE679QP
Gegenlaufwerkstoff Stahl
Vergleich der Gegenlaufwerkstoffe erfolgte mit FH82Z,
da dieser Werkstoff unter den
untersuchten die höchsten
Anforderungen an den
Gegenlaufpartner stellt.
Einfluß Gegenlaufwerkstoff am Beispiel FH82Z
0,35
2,5
0,3
Verschleiß [µm/h]
0,2
1,5
0,15
1
0,1
Reibwert [µ]
0,25
2
Sehr gut verhalten sich alle
SiC-Werkstoffe.
0,05
0,5
0
0
Stahl
CarSIK-ST
CarSIK-NT CarSIK-CT
SiC30
Gegenlaufwerkstoff
5
611480 Druckschrift 30.24 deutsch / S. 6 / Cyan- / Magenta- / Gelb- / Schwarz-Form
Naßlaufversuche
Hochdruck-Gleitringdichtungsprüfstand
Medium:
Deionisiertes Wasser
Temperatur: 60 °C
Druck: bis 130 bar max.
Gleitgeschwindigkeit:
9 m /sec
Entlastete Gleitringdichtung
Einfluß Gegenlaufwerkstoff am Beispiel FH82Z5
Verschleißrate FH82Z5 [µm/h]
10
Gleitringdichtungsprüfstand
Wolframcarbid
1
CarSIK-ST
0,1
CarSIK-CT
CarSIK-NT
0,01
0,001
50
SiC30
70
90
110
130
Druck p [bar]
Fazit:
Reibung und Verschleiß im
Trockenlauf werden durch
harte SiC-Gegenlaufflächen
begünstigt, verglichen mit
weichen Stählen. Der Einfluß
6
ist am größten im Falle von
Kohlenstoff-Graphiten, welche ihrerseits hohe Härte und
zum Teil abrasiv wirkende
Bestandteile besitzen.
Im Naßlauf in Wasser überlagern sich abhängig vom
Druck verschiedene Effekte
und beeinflussen gemeinsam
das Verschleißverhalten der
611480 Druckschrift 30.24 deutsch / S. 7 / Cyan- / Schwarz-Form
Kohle, hervorgerufen durch
direkten Materialkontakt. Zu
nennen seien hydrodynamische Effekte der Gefüge und
Oberflächenstruktur sowie
das Trockenlaufverhalten,
insbesondere in Bereichen
niedrigen Mediumdruckes
und bei Mischreibungsanteilen.
Bei hohen Drucken kommt
es teilweise zu Deformation,
vorwiegend der „weichen“
Kohleringe. Hierdurch kann
die Dichtspaltgeometrie
beeinflußt werden, also auch
die Hydrodynamik.
Die Versuche zeigen, daß
eine deutliche Abhängigkeit
des Laufverhaltens von der
Werkstoffauswahl besteht.
Dies ist hier gezeigt für unterschiedliche, harte Gegenlaufpartner am Beispiel
FH82Z5.
Es konnte gezeigt werden,
daß die untersuchten SchunkWerkstoffe die Anforderungen in der Lager- und Dichtungstechnik selbst bei
extremen Betriebsbedingungen in hervorragender Weise
erfüllen.
In Wasser bei 60 °C verschleißen die SiC-Varianten
den Kohlering deutlich
weniger. Wie die Grafik
zeigt, liegen die Verschleißraten gegen SiC um ein bis
zwei Größenordnungen unter
denen gegen Wolframcarbid.
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