CZ296307B6

CZ296307B6 - Kompozitní vrstvený materiál pro kluzné soucásti a zpusob jeho výroby

Info

Publication number: CZ296307B6
Application number: CZ20011682A
Authority: CZ
Inventors: Staschko@Klaus; Gruenthaler@Karl-Heinz
Original assignee: Federal-Mogul Wiesbaden Gmbh & Co. Kg
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2006-02-15
Also published as: DE19852481C2; CZ20011682A3; BR9915256A; US6537683B1; SK6412001A3; DE59902232D1; JP2002530530A; HU224251B1; EP1133588A2; JP4473452B2; AT410224B; SK286396B6; HUP0104692A2; ES2181495T3; EP1133588B1; PL192367B1; DE19852481A1; ATE221584T1; WO2000029647A2; KR20010080395A

Abstract

Kompozitní vrstvený materiál má nosnou vrstvu, vrstvu loziskového kovu, mezivrstvu, a galvanicky nanesenou kluznou vrstvu, která má od svého povrchu ve smeru k loziskovému kovu plynule narustající tvrdost. Jako kluzná vrstva se galvanicky vylucuje slitina neobsahující olovo, s alespon jednou tvrdoua jednou mekkou slozkou, pricemz se proudová hustota behem vylucovacího procesu mení v rozmezí od 0,3 do 20 A/dm.sup.2.n. a/nebo se teplota galvanické lázne mení v rozmezí od 15 do 80 .degree.C. Kluzná vrstva muze sestávat z binární slitiny CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi nebo SnAg.

Description

(57) Anotace:

Kompozitní vrstvený materiál má nosnou vrstvu, vrstvu ložiskového kovu, mezivrstvu, a galvanicky nanesenou kluznou vrstvu, která má od svého povrchu ve směru k ložiskovému kovu plynule narůstající tvrdost. Jako kluzná vrstva se galvanicky vylučuje slitina neobsahující olovo, s alespoň jednou tvrdou a jednou měkkou složkou, přičemž se proudová hustota během vylučovacího procesu mění v rozmezí od 0,3 do 20 A/dm² a/nebo se teplota galvanické lázně mění v rozmezí od 15 do 80 °C. Kluzná vrstva může sestávat z binární slitiny CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi nebo SnAg.

Kompozitní vrstvený materiál pro kluzné součásti a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby kompozitního vrstveného materiálu pro kluzné součásti, při kterém se na nosnou vrstvu nanáší vrstva ložiskového kovu, jakož i mezivrstva, a na mezivrstvě se galvanicky vylučuje kluzná vrstva. Vynález se také vztahuje na příslušný kompozitní vrstvený materiál pro kluzné součásti.

Dosavadní stav techniky

Známé kompozitní vrstvené materiály sestávají ze stabilní nosné vrstvy, zpravidla z oceli, s vrstvou ložiskového kovu vytvořenou pomocí lití, spékání nebo naválcování, která se zpravidla zhotovuje na bázi mědi nebo hliníku, a na ní vyloučenou kluznou vrstvou, kupříkladu ze slitiny olovo - zinek - měď. Většinou je mezi kluznou vrstvou a ložiskovým kovem uspořádána difúzní izolační vrstva, kupříkladu z niklu. Takovéto kompozitní vrstvené materiály jsou kupříkladu známy ze spisu DE-PS 830 269.

Kluzná vrstva přebírá multifunkční úkol. Může u tvrdých, abrazivně působících částic omezovat jejich zalitím škodlivost, a během náběhové fáze slouží pro přizpůsobování hřídeli. Přebírá pro ložiskový kov funkci jisté ochrany proti korozi, a má vlastnosti vhodné pro nouzový chod vlivem nedostatku oleje.

Cyklus životnosti kluzné vrstvy sestává znásledujících fází:

- náběhová fáze s vyšším opotřebením

- fáze trvalého chodu s konstantní nižší mírou opotřebení

- fáze po dosažení totálního opotřebení vrstvy se zvýšenou citlivostí proti zadření.

Tvrdost obvyklých kluzných vrstev je kompromisem mezi schopností zalití, popřípadě chováním při nouzovém chodu, to znamená malou tvrdostí vrstvy, a odolností proti opotřebení, to znamená vyšší tvrdostí vrstvy.

Za účelem optimalizace výkonnosti kluzných vrstev se kupříkladu vyvinula speciální struktura, která je vytvořena ze střídajících se vrstev měkčího materiálu s vrstvami tvrdšího materiálu. Taková kluzná vrstva je kupříkladu známa ze spisu DE 39 36 498 Al. V galvanické lázni se nastavuje elektrický proud o hustotě 0 až 80 A/dm² a napětí v rozsahu -1,5 až +0,5 V. Z lázně olovo - zinek - měď se vylučují střídající se vrstvy z CuSnPb, tedy měkké vrstvy, a Cu nebo CuSn, tedy tvrdé vrstvy. Vylučování se realizuje změnou parametrů vylučování z jediné lázně obsahující fluoroboritan.

Toto uspořádání vrstev, které může zahrnovat až více než 100 vrstev, přičemž jednotlivé vrstvy mají tloušťku jen několika pm, má přitěžující nevýhodu v tom, že dochází k interdifúzi mědi a cínu, takže vznikají křehké intermetalické fáze, které mají nepříznivé tribologické vlastnosti, a kromě toho mají sklon ke křehkému lomu.

Ze spisu DE 41 03 117 C2 je znám způsob výroby kluzných prvků s kluznou vrstvou z temámí nebo binární slitiny z cínového ložiskového kovu, který spočívá na difúzním žíhání. Tento způsobu však má tu nevýhodu, že se koncentrace měkkých složek, popřípadě tvrdých složek nemůže libovolně přes tloušťku vrstvy střídat, protože se na základě difúzního zákona vždy nastaví rozdělení koncentrace odpovídající e - funkci. Zejména při strmě klesající e - funkci již v níže ležící

-1 CZ 296307 B6 oblasti kluzné vrstvy nedojde k vůbec žádné změně tvrdosti. Další nevýhoda spočívá vtom, že po galvanickém vylučování kluzné vrstvy je potřebný další způsobový krok pro nastavení gradientu koncentrace.

Úkolem vynálezu je poskytnout způsob, se kterým je možné vytvořit kompozitní vrstvený materiál, který má během své celkové životnosti optimální vlastnosti.

Podstata vynálezu

Vynález vychází z poznatku, že optimální vlastnosti se vyskytují zejména tehdy, jestliže má kluzná vrstva během životnosti kluzného prvku, vyrobeného z kompozitního vrstveného materiálu, vždy optimální tvrdost. Toho se dosáhne tím, že u kompozitního vrstveného materiálu podle vynálezu má kluzná vrstva tvrdost, která od jejího povrchu ve směru k ložiskovému kovu plynule narůstá.

Kluzná vrstva a tedy kompozitní vrstvený materiál podle vynálezu mají tvrdost vrstvy, která je přizpůsobena příslušné provozní fázi: malou tvrdost během náběhové fáze a vzrůstající tvrdost během fáze trvalého chodu, takže se tím může celkově značně zvýšit životnost. V protikladu k obvyklým kluzným vrstvám mohla být životnost zvýšena o faktor 1,5 až 2.

Takováto kluzná vrstva vyžaduje způsob, kterým může být tvrdost přes kluznou vrstvu cíleně nastavována.

Úkol se pomocí způsobu řeší tím, že jako kluzná vrstva se vylučuje bezolovnatá slitina s alespoň jednou tvrdou a jednou měkkou složkou, přičemž proudová hustota se během vylučovacího procesu mění v rozmezí 0,3 až 20 A/dm², a/nebo se mění teplota galvanické lázně v rozmezí 15 až 80 °C.

Způsob podle vynálezu zahrnuje více alternativ.

Podle první způsobové varianty se pracuje s konstantní teplotou a během vylučovacího procesu se mění proudová hustota, výhodně se zvyšuje. To má za následek, že s narůstající proudovou hustotou se upřednostňuje vylučování měkké složky, což vede ke zvětšenému podílu měkké složky v kluzné vrstvě.

Podle druhé způsobové varianty se proudová hustota nastaví na předem danou hodnotu a mění se teplota. Ukázalo se, že korelace mezi teplotou a vylučovacím chováním tvrdé a měkké složky spočívá ve způsobu, že se s narůstající teplotou napomáhá vylučování tvrdé složky. Aby se nastavily požadované gradienty tvrdosti, je podle prvního příkladu provedení této druhé způsobové varianty žádoucí během vylučování teplotu od vysoké hodnoty snižovat. To znamená, že se galvanická lázeň musí ochlazovat.

Protože je z technického hlediska ohřívání galvanické lázně proveditelné jednodušeji, proto se podle druhého příkladu provedení této druhé způsobové varianty do galvanické lázně přidává polarizátor. Ukázalo se, že k tomu účelu je vhodná přísada na bázi nenasycené karboxylové kyseliny. Výhodně obsahuje polarizátor cca 30 % hmotn. karboxylové kyseliny a až jednu třetinu arylpolyglykoletheru a/nebo alkylpolyglykoletheru, přičemž zbytek sestává z vody. Tato přísada se výhodně přidává v množstvích až 10 % hmotn., vztaženo na celkové množství galvanické lázně.

Tato přísada, označovaná jako polarizátor, způsobuje změnu potenciálu tvrdší složky s důsledkem, že s přibývající teplotou se vylučování tvrdší složky zmenšuje.

-2CZ 296307 B6

Varianty způsobů mohou být spolu také kombinovány, tím, že se jak proudová hustota, tak i teplota během vylučovacího procesu mění.

Způsob poskytuje výhodu, že vytváření vrstvy s příslušnými kluznými vlastnostmi je možné pomocí galvanického vylučování z jediné lázně. Použití více galvanických lázní, kupříkladu o různé teplotě, není vyloučeno.

Proudová hustota a/nebo teplota se mohou měnit stupňovitě, takže se struktura vrstvy nastavuje během galvanicky vylučované kluzné vrstvy. Ukázalo se však, že vzhledem na kluzné vlastnosti nejsou skokové změny v tvrdosti vždy výhodou. Přednost se proto dává plynulé změně tvrdosti, to znamená gradientu tvrdosti. Podle toho se proudová hustota a/nebo teplota výhodně mění plynule.

Výhodně se proudová hustota zvyšuje rychlostí od 0,1 až do 0,5 A/(dm² min).

Teplota se výhodně mění rychlostí od 1 až do 5 °C/min.

Rozsah proudové hustoty, který se během vylučování prochází, se řídí podle použité slitiny. Jestliže se vylučuje binární slitina z cínu a mědi, tak se proudová hustota výhodně mění v rozsahu 0,5 až 10 A/dm². Jako binární slitiny přicházejí v úvahu zejména CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi nebo SnAg.

Vylučování se výhodně realizuje z galvanizační lázně neobsahující fluoroboritan.

Pomocí způsobu podle vynálezu je možné vzrůstově nastavovat tvrdost kluzné vrstvy v rozsahu od 10 HV až do 150 HV.

Složení lázně je zvoleno tak, aby mohly být vylučovány slitiny o větší nebo menší tvrdosti.

Podíl tvrdé složky výhodně narůstá od povrchu kluzné vrstvy ve směru k vrstvě ložiskového kovu z 1 % hmotn. na 20 % hmotn. Slitina kluzné vrstvy může doplňkově obsahovat ještě 0,1 % hmotn. až 5 % hmotn. niklu a/nebo kobaltu. Tato přísada působí v binárním systému ke stabilizaci difúze.

Mezivrstva slouží jako bariéra pro difúzi, jako zprostředkovatel přilnavosti, a ke zlepšení odolnosti proti opotřebení a únavě. Sestává výhodně z niklu, SnNi, Ni + SnNi, tedy dvou vrstev, Co nebo Fe. Podíl cínu ve vrstvě slitiny SnNi činí výhodně 65 až 75 % hmotn.

Mezivrstva může být rovněž vylučována galvanicky nebo bez přítomnosti proudu, tak zvaně autokatalyticky. Vrstva ložiskového kovu může být vytvořena spékáním nebo litím.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1: Kluzná vrstva SnCu

Byly vytvořeny kluzné vrstvy na substrátu z olověného bronzu s mezivrstvou z niklu.

Složení mohlo být nastavováno v oblasti cínu s podíly mědi od 1 do 20 %. Podíl mědi plynule narůstal od povrchu vrstvy až k ložiskovému kovu. Průběh tvrdosti odpovídal tomuto průběhu koncentrace Cu a poskytl 10 HV na povrchu kluzné vrstvy a až 80 HV v blízkosti ložiskového kovu.

Vrstva byla vylučována z lázně kyseliny metansulfonové s metansulfonátem cínu a mědi, jakož i s přísadami organických smáčecích a leštících prostředků. Tloušťka kluzné vrstvy mohla být nastavována v rozsahu mezi 8 až 50 pm.

Vytváření profilu koncentrace mědi se dařilo vlivem vylučování při proudových hustotách od 3 do 5 A/dm², s doplňkovou změnou teploty lázně v rozsahu od 20 do 60 °C.

Příklad 2: Kluzná vrstva SnAg

Vylučování na ložiskovém kovu CuSn s mezivrstvou z Ni.

Kluzná vrstva byla vylučována z lázně cín - stříbro kyseliny metansulfonové, s podíly stříbra od 1 do 20 % hmotn.

Gradient koncentrace stříbra od povrchu kluzné vrstvy k ložiskovému kovu mohl být vytvářen změnou proudové hustoty od 0,3 do 10 A/dm². Tvrdost kluzné vrstvy ležela mezi 10 HV pro povrch bohatý na cín, a až 150 HV pro fázi bohatou na stříbro.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby kompozitního vrstveného materiálu pro kluzné součásti, při kterém se na nosnou vrstvu nanáší vrstva ložiskového kovu, jakož i mezivrstva, a na mezivrstvě se galvanicky vylučuje kluzná vrstva, vyznačující se t í m , že jako kluzná vrstva se vylučuje slitina neobsahující olovo, s alespoň jednou tvrdou a jednou měkkou složkou, přičemž se proudová hustota během vylučovacího procesu mění v rozmezí od 0,3 do 20 A/dm², a/nebo se teplota galvanické lázně mění v rozmezí od 15 do 80 °C.
2. Způsob podle nároku 1, vy z n a č uj í c í se t í m , že se nemění teplota a že se zvyšuje proudová hustota.
3. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že se nemění proudová hustota a že se snižuje teplota.
4. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že se do galvanické lázně přidává polarizátor, že se nemění proudová hustota a že se zvyšuje teplota.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že se přidává polarizátor na bázi nenasycené karboxylové kyseliny.
6. Způsob podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že se polarizátor přidává v množství až do 10 % hmotn.
7. Způsob podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že se proudová hustota a/nebo teplota plynule mění.
8. Způsob podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že se zvyšuje proudová hustota rychlostí 0,1 až 0,5 A/(dm² min).
9. Způsob podle některého z nároků 1 až 8, vyznač u j í cí se tí m , že se teploty mění rychlostí 1 až 5 °C/min.

-4CZ 296307 B6
10. Způsob podle některého z nároků 1 až 9, vyznačující se t í m , že se vylučuje binární slitina z cínu a mědi, přičemž se proudová hustota zvyšuje v rozsahu od 0,5 do 10 A/dm².
11. Způsob podle některého z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že se vylučuje binární slitina z CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi nebo SnAg.
12. Způsob podle některého z nároků 1 až 11,vyznačující se tím, že se používá galvanizační lázeň neobsahující fluoroboritan.
13. Kompozitní vrstvený materiál pro kluzné součásti s nosnou vrstvou, vrstvou ložiskového kovu, mezivrstvou, a galvanicky nanesenou kluznou vrstvou, vyznačující se tím, že kluzná vrstva má tvrdost, plynule narůstající od jejího povrchu ve směru k vrstvě ložiskového kovu.
14. Kompozitní vrstvený materiál podle nároku 13, vyznačující se tím, že mezivrstva sestává z Ni, Ni + SnNi, Co nebo Fe, přičemž slitina SnNi obsahuje 65 až 75 % hmotn. Sn.
15. Kompozitní vrstvený materiál podle nároku 13 nebo 14, vyznačující se tím, že tvrdost se zvyšuje v rozsahu od 10 HV na 150 HV.
16. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 13 až 15, vyznačující se tím, že kluzná vrstva sestává z binární slitiny neobsahující olovo, s měkkou a tvrdou složkou, jako je CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi nebo SnAg.
17. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 13 až 16, vyznačující se t í m, že se podíl tvrdé složky zvyšuje od povrchu kluzné vrstvy ve směru k vrstvě ložiskového kovu od 1 % hmotn. na 20 % hmotn.
18. Kompozitní vrstvený materiál podle některého z nároků 13 až 17, vyznačující se t í m, že slitina obsahuje 0,1 % hmotn. až 5 % hmotn. niklu a/nebo kobaltu.