CZ20004902A3 - Kompozitní vrstvený materiál pro kluzná ložiska - Google Patents

Description

Kompozitní vrstvený materiál pro kluzná ložiska

Oblast techniky

Vynález se týká kompozitního vrstveného materiálu pro kluzná ložiska s nosnou vrstvou, vrstvou ložiskového kovu, první mezivrstvou z niklu a druhou mezivrstvou z cínu a niklu, jakož i s kluznou vrstvou sestávající z mědi a cínu.

Dosavadní stav techniky

Kompozitní vrstvené materiály se strukturou ocelový hřbet / olověný bronz / kluzná vrstva z olova, cínu a mědi, se osvědčily z důvodu vysoké spolehlivosti a mechanické zatížitelnosti. Takové kompozitní vrstvené materiály jsou kupříkladu popsány v Glyco-Ingenieurberichten 1/91.

Zejména galvanická kluzná vrstva je multifúnkčním materiálem, který mezi jiným přebírá následující úkoly:

- schopnost ukládání pro cizí částice

- zaběhnutí, popřípadě přizpůsobení kluzných partnerů

- ochrana proti korozi pro olověný bronz

- vlastnosti pro nouzový běh v případě nedostatku oleje.

Ložiskový kov obsahuje rovněž určité rezervy pro nouzový běh pro případ, že je kluzná vrstva zcela odnesena. Tyto již desetiletí osvědčené koncepty ložisek obsahují ale dnes ještě olověné podíly, hlavně v kluzné vrstvě. Běžná slitina sestává kupříkladu z PbSnlOCu2, přičemž mezi ložiskovým kovem a kluznou vrstvou je uspořádána niklová mezi vrstva jako zábrana pro difúzi.

·· ···· ··

Tyto známé vrstvy mají nízké tvrdosti kolem 12-15 HV, mají proto dobrou schopnost pohlcovat drobné nečistoty, a nemají sklon k zadření. Jsou však také ze stejného důvodu jen omezeně zatížitelné, a pro zatížení nově vyvíjených motorů, zejména v oblasti dieselmotorů, již často nejsou vhodné. Na základě důležitosti těžkého kovu olova z hlediska životního prostředí jsou vrstvy neuspokojivé.

Také se stále více používají ve vysoce zatížených ložiskách tvrdé vrstvy, jako jsou kupříkladu vrstvy s hliníkem a cínem, vyloučené způsobem PVD, o tvrdostech kolem 80 HV, které však jsou podmíněně použitým způsobem podstatně dražší. Ložiska jsou však velmi odolná proti opotřebení, mají však velmi malou schopnost pohlcování drobných nečistot, a jsou proto většinou jako protipánve kombinovány s měkkými, olovo obsahujícími vrstvami.

Čistý cín není jako kluzná vrstva vhodný, protože s tvrdostí okolo 10 HV je ještě měkčí než konvenční olověné slitiny, a tak zátěže, které vznikají v hlavních a ojničních ložiskách, nemůže zachytit. Proto již byly navrženy, aby se cínové vrstvy staly zvýšením tvrdosti odolnějšími, slitiny s mědí.

Spis DE 197 28 777 Al se zabývá výrobou bezolovnatého ložiska s kluznou vrstvou z SnCu, přičemž obsah mědi se mění mezi 3 - 20 hmotnostními %. Pomocí elektrolytu z metylsulfonové kyseliny s jemnozmnými příměsemi se vytvoří vrstva, která má alespoň vlastnosti obvyklých temámích standardních vrstev na olovnaté bázi. Aby vzniklo další zlepšení v odolnosti proti opotřebení, tak se mají do vrstvy zapracovat v lázni dispergované částice z tvrdé látky.

Ve spisu DE 197 54 221 Al se navrhuje spolu s cínem a mědí doplňkově vylučovat kobalt, aby se dosáhlo dalšího zvýšení mechanické zatížitelnosti a aby se zabránilo zkřehnutí vazební vrstvy mezi kluznou vrstvou a zádrží pro difúzi niklu, protože kobaltem se difuzní sklon cínu k niklu zmenší. Toto legování kobaltu však představuje komplikaci vylučovacího procesu, která může snížit bezpečnost procesu.

·· «···

• ··	··	··
·· · ·	•	•	•	•
• ·	•	•	•
• ·	9 ·	•	•	•
• ·	•	•	•	•
··· «···	··		··

Proto je úkolem tohoto vynálezu vytvořit kompozitní vrstvený materiál s kluznou vrstvou na bázi cínu a mědi, který současně

- má vyšší specifickou zatížitelnost a nižší opotřebení než obvyklé vrstvy na olovnaté bázi, -je schopný přizpůsobení a může pohlcovat znečisťující částice,

- nevyžaduje současné vylučování dalších složek nebo dispersoidů,

- a je levněji vyrobitelný než materiály zhotovené pomocí způsobu PVD.

Podstata vynálezu

Tento úkol se řeší kompozitním vrstveným materiálem, jehož kluznou vrstvou je cínová základní fáze, do které se ukládají částice cínu s mědí, které sestávají z 39 až 55 hmotnostních % mědi a zbytek z cínu.

Pokusy ukázaly, že se ložisko při této struktuře vrstev po zaběhnutí v provozu ohřátím samo stabilizuje na nejdříve ještě měkké vrstvě, a vytvoří trvalý povrch.

U částic se jedná o intermetalické fáze, na které se dosud u kluzných vrstev pohlíželo jako na nevýhodné, a kvůli tomu se jim zabraňovalo. Avšak ukázalo se, že tyto částice cínu s mědí znatelně snižují na základě své tvrdosti opotřebení, přičemž se překvapivě ukázalo, že při teplotách od přibližně 120 °C dochází k zesílené difúzi cínu do vespod ležící vrstvy z cínu a niklu. Vlivem odcházení cínu z kluzné vrstvy dochází k přibývající koncentraci částic cínu s mědí. Takovýmto způsobem se měnící kluzná plocha je velmi zatížitelná a odolná proti opotřebení.

Ukázalo se, že při vysokých teplotách, po velmi dlouhých provozních dobách, kupříkladu po 1000 h, se podíl cínu tak silně zmenší, že podíl částic cínu s mědí v kluzné vrstvě převáží.

• · ···· · ······· ·

Výhodně je plošný podíl částic, vztaženo na libovolnou řeznou plochu, 5 až 48 %. Tento podíl s přibývající provozní dobou vlivem odcházení cínu narůstá, a může při provozní době více než 1000 h činit až k 95 %. Leží - li podíl částic pod 5 %, tak se vlastnosti kluzné části určují jen cínem, který samotný však nemá postačující výkonnost. Přes 48 % se již nedá zabránit vytváření větších slepenců částic, které nakonec přebírají roli základní fáze, která již potom na základě velké tvrdosti v záběhové fázi nemá postačující pohlcovací a přizpůsobovací schopnost.

Průměr částic činí výhodně 0,5 až 3 pm. Příliš velké částice se středním průměrem přes 3 pm vedou k nehomogenním vlastnostem vrstev, které zejména v záběhové fázi ovlivňují vlastnosti kluzného ložiska vyrobeného z materiálu pro vrstvy. Příliš jemné částice se středním průměrem pod 0,5 pm zvyšují příliš silně výchozí tvrdost, zabraňují přivádění cínu do vrstvy cínu a niklu, a tím další stabilizaci ložiska, a mají sníženou odolnost proti korozi oproti horkému motorovému oleji.

Dále se ukázalo, že druhá mezi vrstva by měla být jak s ohledem na tloušťku vrstev, tak i s ohledem na podíl cínu nastavena takovým způsobem, aby mohla zachycovat cín odcházející z kluzné vrstvy. Rychlost odcházení cínu a tím nastavení odolnosti proti opotřebení, a zatížitelnost kluzné vrstvy v závislosti na čase, se dá nastavit pomocí tloušťky a podílu cínu druhé mezivrstvy.

Výhodně obsahuje druhá mezivTStva 30 až 40 objemových % niklu a zbytek cín, což přibližně odpovídá poměru atomů 1:1. Čím tlustší je vytvořena vrstva cínu a niklu, tím více cínu se může z kluzné vrstvy zachycovat. Odolnosti proti opotřebení kluzné vrstvy v tomto případě relativně rychle přibývá.

Jako výhodný poměr tloušťky kluzné vrstvy k tloušťce druhé mezivrstvy se ukázal poměr 2 až 4.

• · · · ♦ ·

Tloušťka kluzné vrstvy činí výhodně 5 až 25 pm. Kluzná vrstva se může vylučovat galvanicky.

Tloušťka vrstvy druhé mezivrstvy leží výhodně mezi 2 a 7 pm.

Tloušťka první mezivrstvy z čistého niklu leží výhodně v rozmezí 1 až 4 pm. Niklová vrstva rovněž přispívá k rovnovážnému nárůstu vrstvy cínu a niklu tím, že tato se zásobuje nejen z nad ní ležící kluzné vrstvy cínem, nýbrž také z první mezivrstvy niklem. Tím zůstává poměr cínu vůči niklu 1 : 1 ve vrstvě cínů a niklu zachován.

Ložiskový kov může být zvolen libovolně. Ukázalo se, že vrstva ložiskového kovu nemá žádný bezprostřední vliv na odcházení cínu z kluzné vrstvy a tedy i žádný vliv na růst koncentrace částic cínu s mědí. Vrstva ložiskového kovu může kupříkladu sestávat z ’ měděné slitiny s podílem mědi 50 až 95 hmotnostních %, nebo hliníkové slitiny s podílem hliníku 50 až 95 hmotnostních %. Jako ložiskové kovy mohou přijít v úvahu slitiny mědi s hliníkem, mědi s cínem, mědi se zinkem a olovem, mědi se zinkem, mědi se zinkem a křemíkem, mědi se zinkem a hliníkem, nebo mědi s hliníkem a železem.

Za účelem výroby kompozitního vrstveného materiálu podle vynálezu se může postupovat následujícím způsobem.

Na předem zhotovená kluzná ložiska, zejména ložiskové pánve, z kompozitního materiálu z oceli a ložiskového kovu, se v první vrstvě chemicky nebo elektrochemicky nanesou obě mezivrstvy z niklu a cínu a niklu. Potom se galvanicky vyloučí kluzná vrstva. Přitom se použije binární galvanizační lázeň s kyselinou alkylsulfonovou, a zjemňovač zrn za přidání neiontových smáčecích látek, volné alkylsulfonové kyseliny a glykolesteru mastné kyseliny. Hrubé vyloučení částic cínu s mědí vzniká z toho důvodu, že se nepoužije žádného prostředku ke zjemňování zrn, tak jak se používá k dosažení jemnozrnné struktury co nejvíce požadované podle stavu techniky.

• · ·· · • · · · • ♦ · t • · · · · ά · · · ·· ··

Přehled obrázků na výkrese

Vynález je dále blíže popsán a objasněn na příkladech jeho provedení podle připojených výkresů, které znázorňují:

na obr. 1 řez kompozitním vrstveným materiálem, a na obr. 2 až obr. 4 řezy kompozitním vrstveným materiálem po tepelném zpracování po 250 h, 750 h a 1000 h

Příklady provedení vynálezu

Příkladný kompozitní vrstvený materiál byl zhotoven podle následujícího způsobu:

Na ocelovou nosnou vrstvu byla nejdříve nanesena vrstva ložiskového kovu z

CuPb22Sn. V následujícím kroku byla po obvyklém předchozím zpracování na vrstvu ložiskového kovu nanesena první mezivrstva z niklu z Wattova niklového elektrolytu.

Na tuto první mezivrstvu se galvanizuje druhá mezivrstva sestávající z niklu a cínu. K tomu se používá modifikovaný chloridový / fluoridový elektrolyt.

Na takto vytvořenou mezivrstvu z niklu a cínu se potom galvanizuje kluzná vrstva na cínové bázi. Pro nanesení kluzné vrstvy se může použít následujícího systému

elektrolytu na vodní bázi:
Sn2+ jako metansulfonan cínu	30 - 45 g/1
Cu2+ jako metansulfonan mědi	. 2 - 8 g/1
metansulfonová kyselina	80- 140 g/1
přísada elektrolytu N-HMB	30 - 45 ml/1
resorcin	1,5-4 g/1

U elektrolytické přísady N-HMB se jedná o smáčecí látku na bázi alkylarylpolyglykoleteru od firmy Enthone OMI.

Ke stabilizaci podílu mědi se mohou doplňkově použít polyglykoletery s dlouhým řetězcem.

Kvalita použité vody musí odpovídat kvalitě čisté deionizované vody. Pro stabilní podmínky vylučování je nutně potřebné elektrolyt alespoň jednou za hodinu zcela recirkulovat přes filtrační zařízení. Tím se odstraní část vznikajícího Sn4+ Příliš vysoké obohacení elektrolytu s Sn^+ vede k narušené struktuře vrstev se změnami fází a nerovnoměrným růstem vrstev až k úplnému znehodnocení elektrolytu.

Jako anodového materiálu se používá elektrolytického čistého cínu. Vylučování kluzné vrstvy se provádí v teplotním rozmezí 20 °C až 40 °C, výhodně při 25 °C až 30 °C.

Struktura této kluzné vrstvy se trvale ovlivňuje použitými intenzitami proudů. Vyšší proudové hustoty vedou k hrubším částicím mědi s cínem. Příliš nízké proudové hustoty vedou k nekontrolovanému posunutí podílu měděné fáze. Jako výhodný se proto prokázal rozsah proudové hustoty 1,5 až 3,0 A/dm^.

Vzdálenost mezi anodou a katodou by neměla přesahovat 350 mm, protože změnami vnitřního elektrolytického odporu dochází podél ložiskových sloupků k nerovnoměrnému rozdělení proudové hustoty. Poměr povrchů anoda - katoda musí být přitom cca 1:1(+10%).

Na obr. 1 je znázorněn řez tímto kompozitním vrstveným materiálem v 2500 násobném zvětšení, který má na zde neznázoměné nosné vrstvě vrstvu 1 z ložiskového kovu z CuPb22Sn, první mezivrstvu 2 z niklu, druhou mezivrstvu 3 z niklu a cínu, a kluznou vrstvu 4. Tato kluzná vrstva 4 sestává z cínové základní fáze 5, do které jsou vloženy částice 6 z cínu s mědí. Tyto vměstky jsou rozděleny přes celou kluznou vrstvu 4 a částečně složeny do pevného shluku částic.

K simulaci provozních podmínek kluzného ložiska ve spalovacím motoru byl proveden na tomto vrstveném kompozitním materiálu test vařením v oleji při 150 °C. Po 250 h, 750 h a 1000 h byly zkušební vzorky odebrány a mikroskopicky vyšetřeny řezy, aby se analyzovaly změny ve struktuře vrstev.

Přitom mohlo být zjištěno, že tloušťky kluzné vrstvy 4 s přibývající dobou zpracování vlivem odcházení cínu ubývá, což se děje s růstem koncentrace částic 6 cínu s mědí. Současně také roste tloušťka vrstvy 3 niklu a cínu a ubývá vrstva 2 niklu, kterou lze na obr. 4 k poznat jen ještě jako úzký lem. Nárůst vrstvy 3 cínu a nikluje způsoben nejen difundováním cínu z kluzné vrstvy 4, nýbrž také pronikáním niklu z pod ní ležící niklové vrstvy 2. Růstem koncentrace částic 6 cínu s mědí v kluzné vrstvě 4 se stává podíl měkké fáze menším, a tvrdost vrstvy s přibývající dobou provozu roste.

Claims (9)

1. Kompozitní vrstvený materiál pro kluzná ložiska s nosnou vrstvou, vrstvou ložiskového kovu, první mezivrstvou z niklu, druhou mezivrstvou z cínu a niklu, jakož i s kluznou vrstvou sestávající z mědi a cínu, vyznačující se tím, že kluzná vrstva (4) má cínovou základní fázi (5), do které jsou vloženy částice (6) cínu s mědí, které sestávají z 39 až 55 hmotnostních % mědi a zbytek z cínu.

2. Kompozitní vrstvený materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že plošný podíl částic (6), vztaženo na libovolnou řeznou plochu je 5 až 48 %.

3. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že průměr částic (6) je 0,5 až 3 pm.

4. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že druhá mezivrstva (3) je jak s ohledem na tloušťku vrstvy, tak i s ohledem na podíl cínu nastavena takovým způsobem, že zachycuje cín odcházející z kluzné vrstvy (4).

5. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že druhá mezivrstva (3) obsahuje 30 až 40 objemových % niklu.

6. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že poměr tloušťky kluzné vrstvy (4) k tloušťce druhé mezi vrstvy (3) je 2 až 4.

7. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že tloušťka kluzné vrstvy (4) je 5 až 25 pm.

8. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že tloušťka druhé mezi vrstvy (3) je 2 až 7 pm.

9. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že tloušťka první mezi vrstvy (2) je 1 až 4 pm.