DE102004025560B4

DE102004025560B4 - Gleitteil

Info

Publication number: DE102004025560B4
Application number: DE102004025560A
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Inuyama Kawachi; Hideo Inuyama Ishikawa; Masaaki Inuyama Sakamoto
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: GB2402135A; GB0411396D0; GB2402135B; JP3693256B2; JP2004353042A; DE102004025560A1; US7128981B2; US20040241489A1

Abstract

Gleitteil, welches eine Lagerlegierungsschicht (2) und eine Auflageschicht (3), welche auf der Lagerschicht ausgebildet ist, umfasst, wobei:
die Auflageschicht (3) aus einer Bi basierten Legierung hergestellt ist, welche Cu mit 0,1 bis 10 Gewichtprozent und mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus der Gruppe Sn und In, mit insgesamt 0,5 bis 10 Gewichtprozent umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitteil, welches eine Auflageschicht umfasst, die aus einer Bi basierten Legierung hergestellt ist.

Ein Gleitlager, in welchem eine aus einer Cu-Legierung oder einer Al-Legierung hergestellte Lagerlegierungsschicht auf einer Stahlrückschicht geschichtet ist, wird oft bei Verbrennungsmotoren von Automobilen oder ähnlichem eingesetzt. Um das Formanpassungsvermögen solch eines Lagers mit einer Anschlusswelle zu verbessern, ist eine Auflageschicht auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht mit oder ohne eine Zwischenschicht ausgebildet.

Herkömmlich ist die Auflageschicht aus einer weichen Pb-Legierung, gelegentlich aus einer Sn-Legierung, hergestellt. Die Zwischenschicht ist oft aus einer Ni-Legierung, einer Ag-Legierung usw. hergestellt.

Jedoch ist es unerwünscht, Pb zu verwenden, da es sich um einen Schadstoff für die Umwelt handelt. Um das Pb-Problem zu lösen, sind verschiedene Forschungen durchgeführt worden, wobei beispielsweise vorgeschlagen worden ist, Bi als eine Alternative zu Pb zu verwenden. Jedoch ist Bi hart und unzulänglich bezüglich des Formanpassungsvermögens. Um dieses Problem zu lösen, ist als Idee vorgeschlagen worden, die Auflageschicht mit einer Bi-Legierung herzustellen, welche ein oder mehrere Zusatzelemente enthält, welche aus der Gruppe Sn, In und Ag ausgewählt sind (siehe zum Beispiel die JP-A-11-50296).

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Wenn eine Bi basierte Legierung, welche Sn, In und/oder Ag enthält, für eine Auflageschicht verwendet wird, diffundieren Sn und/oder In in der Auflageschicht in eine Zwischenschicht einer Ni-Legierung oder einer Co-Legierung. Für den Fall dass eine Lagerlegierungsschicht aus einer Cu-Legierung besteht und ohne eine Zwischenschicht benachbart zu der Auflageschicht angeordnet ist, diffundieren Sn und/oder In in der Auflageschicht außerdem in die Cu-Legierung. Wenn die Diffusion von Sn und/oder In in die Zwischenschicht oder die Lagerlegierungsschicht einmal gesättigt ist, kann eine Grenzschicht, welche eine große Menge an Sn und/oder In enthält, zwischen der Auflageschicht und der benachbart zu der Auflageschicht angeordneten Zwischenschicht oder zwischen der Auflageschicht und der neben der Auflageschicht angeordneten Lagerlegierungsschicht erzeugt werden. Da der Schmelzpunkt von solch einer Grenzschicht sehr tief liegt, tritt das Phänomen einer Abblätterung der Auflageschicht auf Grund einer thermalen Ermüdung der Grenzschicht auf, was zu einer schlechten Dauerfestigkeit führt.

Dementsprechend kann sich eine Auflageschicht mit einer minderwertigen Dauerfestigkeit ergeben.

Die vorliegende Erfindung ist im Licht des vorab erwähnten technischen Hintergrunds vorgeschlagen worden.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gleitteil bereitzustellen, welches eine Auflageschicht umfasst, die aus einer Bi basierten Legierung hergestellt ist, wobei eine Sprödigkeitseigenschaft von Bi verbessert ist, um ein gutes Formanpassungsvermögen der Auflageschicht zu erzielen, ohne die Auflageschicht bezüglich der Dauerfestigkeit zu verschlechtern.

Erfindungsgemäß ist die Auflageschicht aus einer Bi basierten Legierung ausgebildet, welche als unabdingbares Element Cu und mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus der Gruppe Sn und In, enthält, wobei die Bi basierte Legierung Cu mit 0,1 bis 10 Gewichtprozent und das mindestens eine Element, welches aus der Gruppe Sn und In ausgewählt ist, mit insgesamt 0,5 bis 10 Gewichtprozent enthält. Erfindungsgemäß kann eine Lagerlegierung eine Cu-Legierung oder eine Al-Legierung sein.

Wenn Sn und/oder In zu einer Bi-Cu-Legierung hinzugefügt werden, fällt der Schmelzpunkt einer Bi-Cu-Legierungsmatrix, wodurch die Bi-Cu-Legierung bei einer gewöhnlichen Arbeitstemperatur eines Gleitteils weicher wird, was zu einem guten Formanpassungsvermögen der Bi-Cu-Legierung führt. Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt der Auflageschicht nicht tiefer als 225°C, besser nicht tiefer als 250°C.

Wie vorab beschrieben ist, senken die zugefügten Elemente Sn und In den Schmelzpunkt der Auflageschicht ab, was das Formanpassungsvermögen verbessert. Wenn die zugesetzte Menge an Sn und/oder In geringer als 0,1 Gewichtprozent ist, tritt ein solcher weich machender Effekt nicht auf, so dass eine Verbesserung des Formanpassungsvermögens unzureichend ist. Auf der anderen Seite fällt für den Fall von Sn und/oder In mit mehr als 10 Gewichtprozent der Schmelzpunkt extrem, was eine Antifresseigenschaft der Auflageschicht negativ beeinflusst.

Cu bildet eine Legierung mit Bi und macht die Kristallstruktur von Bi fein, wodurch die Härte- und Sprödigkeitseigenschaften von Bi verbessert werden, so dass die Auflageschicht bezüglich Dauerfestigkeit verbessert wird. Außerdem verhindert Kupfer, wegen einer hohen Affinität von Kupfer mit Sn und In, dass Sn und In in eine Zwischenschicht oder die Lagerlegierungsschicht unter Hitze diffundieren. Somit unterliegt die Auflageschicht über der Zeit nur einer geringen Alterung, so dass die anfänglich ausgezeichneten Gleiteigenschaften über einen langen Zeitraum erhalten bleiben können. Wenn die Cu-Menge in der Auflageschicht weniger als 0,1 Gewichtprozent beträgt, können die vorab genannten Effekte nicht erzielt werden, welche die Bi-Kristallstruktur fein machen und eine Diffusion von Sn und In verhindern. Auf der anderen Seite wird die Bi-Matrix der Auflageschicht zu hart, wenn die Cu-Menge 10 Gewichtprozent übersteigt.

Vorzugsweise kann die Auflageschicht Sb mit 0,1 bis 20 Gewichtprozent enthalten, wodurch ein übermäßiger Abfall des Schmelzpunktes der Auflageschicht verhindert wird, welcher durch die zugefügten Sn und In verursacht wird, wodurch das Formanpassungsvermögen der Auflageschicht erhalten bleibt. Wenn die Sb-Menge weniger als 0,1 Gewichtprozent beträgt, können die vorab genannten Vorteile nicht erzielt werden. Wenn die Sb-Menge 20 Gewichtprozent übersteigt, wird die Bi-Matrix zu hart.

Vorzugsweise wird die Auflageschicht auf der Lagerlegierungsschicht mittels einer Zwischenschicht gebildet, welche aus irgendeinem Metall, welches ausgewählt ist aus der Gruppe Ni, Ni-Legierung, Cu, einer Cu-Legierung, Ag, einer Ag-Legierung, Co und einer Co-Legierung hergestellt ist, um eine Hafteigenschaft der Auflageschicht bezüglich der Lagerlegierungsschicht zu erhöhen. Cu und Ag kombinieren sich mit einem atomaren Bi in der Auflageschicht, um die vorab genannte Hafteigenschaft zu verstärken, wodurch ein Abblätterungsproblem der Auflageschicht unter einer hohen Belastung selten auftritt, so dass die Auflageschicht bezüglich der Dauerfestigkeit verbessert ist. Gemäß einem von den Erfindern durchgeführten Experiment sind die Ergebnisse auch für den Fall, dass die Zwischenschicht aus Ni, Co oder einer Legierung davon hergestellt ist, im Wesentlichen identisch zu denjenigen bei der Zwischenschicht, welche aus Cu, Ag oder einer Legierung davon hergestellt ist.

Kurze Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen

1 ist eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; und

2 ist eine Querschnittsansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsformen beschrieben.
1 stellt ein Gleitlager dar, welches aus einer Stahlrückschicht 1, einer Lagerlegierungsschicht 2, welche aus einer Cu-Legierung oder einer Al-Legierung hergestellt ist, die auf der Stahlrückschicht 1 ausgebildet ist, und einer Auflageschicht 3, welche auf der Lagerlegierungsschicht 2 ausgebildet ist, besteht.
Eine alternative Ausführungsform eines Gleitlagers ist in 2 dargestellt, welches im Allgemeinen dieselbe Struktur aufweist, außer dass eine Zwischenschicht 4 zwischen der Lagerlegierungsschicht 2 und der Auflageschicht 3 angeordnet ist.
Es wurde ein Experiment durchgeführt, um eine Antifresseigenschaft des Gleitlagers zu bestätigen, welches derartige in 1 und 2 dargestellte mehrschichtige Strukturen aufweist.
Erste und zweite Mustertypen wurden angefertigt, wobei der erste Typ in 1 und der zweite Typ in 2 dargestellt ist. Die Muster des ersten Typs waren die Erfindungsmuster mit den Nummern 1, 2, 6 und 7 und die Vergleichsmuster mit den Nummern 2 und 3. Die Muster des zweiten Typs waren die Erfindungsmuster mit den Nummern 3 bis 5 und die Vergleichsmuster mit den Nummern 1 und 4. Details von all diesen Mustern, welche chemische Zusammensetzungen der Auflageschichten der Muster enthalten, sind in Tabelle 1 dargestellt. Die entsprechende Auflageschicht besaß vorzugsweise eine Dicke von 3 bis 15μm.
Sowohl die Auflageschicht 3 als auch die Zwischenschicht 4 wurden durch Elektroplattieren ausgebildet. Im Folgenden sind die Plattierungsbedingungen zum Ausbilden der aus einer Bi-Cu-Legierung hergestellten Auflageschichten dargestellt.

(1) Zusammensetzung des Plattierungsbades Bismutoxid: 10 bis 70 gr/Liter Basisches Kupferkarbonat: 0,5 bis 5 gr/Liter Methansulfonsäure: 30 bis 150 ml/Liter HS-220S (Produktname; bereitgestellt von Ebara-Udylite Co., Ltd., Japan): 20 bis 60 ml/Liter
(2) Temperatur des Plattierungsbades: 25 bis 40°C
(3) Stromdichte: 1 bis 6A/dm²

Um zu steuern, dass die Rautiefe einer Plattierung einer Bi-Cu-Legierung fein ist, wird das PRE-Verfahren (wiederholtes Umkehrelektroplattieren) empfohlen. Gemäß dem PRE wird ein Katodenstrom periodisch in einen Anodenstrom verändert, wobei im Allgemeinen ein Zeitverhältnis einer Anodestromflusszeit zu einer Katodenstromflusszeit ungefähr 10 bis 20% beträgt. Je länger die Anodenstromflusszeit ist, desto höher wird der Einebnungseffekt für die Plattierungsoberfläche, während die Plattierungsrate abnimmt.
Während es möglich ist, einen Legierungsplattierungsprozess für den Fall einer Bi-Cu-Legierung, welche Sn, In und/oder Sb enthält, durchzuführen, wurden die Erfindungsmuster erstellt, indem zuerst eine Bi-Cu-Legierungsbelagschicht auf die Lagerlegierungsschicht aufgebracht wurde und nachfolgend mindestens eine Belagschicht, welche ausgewählt ist aus der Gruppe Sn, In und Sb auf die Bi-Cu-Legierungsbelagschicht ausgebildet wurde, wodurch eine Mehrzahl von Belagschichten erhalten wurde. Eine Sn-Schicht wurde unter Verwendung einer Zinnsulfat-Plattierungslösung, In unter Verwendung einer Indiumamidosulfat-Plattierungslösung, und Sb unter Verwendung einer Antimonborfluorid-Plattierungslösung plattiert.
Es wurde für jedes der vorab genannten in Tabelle 1 dargestellten Muster ein Festfresstest gemäß den in Tabelle 2 dargestellten Testbedingungen durchgeführt. Ein Schmelzpunkt einer Matrix der entsprechenden Auflageschicht wurde auf Basis einer differenziellen Temperaturkurve bestimmt. Die Ergebnisse des Festfresstests und gemessene Werte des Schmelzpunkts sind in der vorab stehenden Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 2 Bedingungen des Festfresstests
Es folgen Diskussionen über die in Tabelle 1 dargestellten Testergebnisse.
Ein vorteilhafter Effekt von der Bi-Auflageschicht zugefügtem Sn kann gut durch einen Vergleich zwischen den Vergleichsmus tern mit den Nrn. 1 und 2 erklärt werden. Während der Schmelzpunkt von Bi bei ungefähr 270°C lag, wurde der Schmelzpunkt von der Sn enthaltenden Bi-Auflageschicht (Vergleichsmuster mit der Nr. 1) tiefer abgesenkt als derjenige von reinem Bi. Im Gegensatz dazu wanderte der Schmelzpunkt von der Bi-Cu-Auflageschicht, wenn Cu hinzugefügt wurde (Vergleichsmuster mit der Nr. 2), deutlich nach oben. Das Vergleichsmuster mit der Nr. 1, welches den abgesenkten Schmelzpunkt aufwies, zeigte eine höhere maximale spezifische Belastung ohne ein Festfressen als das Vergleichsmuster mit der Nr. 2. Dieses Testergebnis beweist, dass das Vergleichsmuster mit der Nr. 1 eine bessere Antifestfresseigenschaft aufweist.
Ein Grund für solche Testergebnisse ist, dass, wenn der Schmelzpunkt der Auflageschicht auf Grund des Hinzufügens von Sn abgesenkt wird, die Auflageschicht bei einer Schmiermitteltemperatur von 100°C weicher wurde, was zu einem guten Formanpassungsvermögen mit einer Anschlusswelle führte und eine verbesserte Antifestfresseigenschaft ergab. Wenn jedoch Cu hinzugefügt wurde, stieg der Schmelzpunkt der Bi-Auflageschicht stattdessen und es trat kein Erweichen bei der Schmiermitteltemperatur von 100°C bei dem Festfresstest auf. Da außerdem Effekte eines Festigkeitsanstiegs überwogen, welche durch das Hinzufügen von Cu auftraten, wies die Auflageschicht ein minderwertiges Formanpassungsvermögen auf, was zu einer verschlechterten Antifestfresseigenschaft führte.
Mit Bezug auf die Tatsache, dass die Dauerfestigkeitseigenschaft durch ein Verbessern der mechanische Festigkeit eines Metallmaterials erhöht wird, weist das Vergleichsmuster mit der Nr. 2 auf Grund des hinzugefügten Cu eine verbesserte Festigkeit auf, was im Vergleich zu dem Vergleichsmuster mit der Nr. 1, welches Sn in der Bi-Auflageschicht enthält, eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit zeigt, was schon durch ein anderes Experiment bestätigt worden ist.
Durch die vorab geführte Diskussion ist klar geworden, dass das hinzugefügte Cu die Festigkeit der Auflageschicht erhöht, um die Dauerfestigkeit zu verbessern, und dass das hinzugefügte Sn den Schmelzpunkt der Auflageschicht abgesenkt, um das Formanpassungsvermögen und die Antifestfresseigenschaft zu verbessern.
Die Erfindungsmuster mit den Nrn. 1 bis 7 wurden durch Hinzufügen von Cu als wesentliches Element und auch von mindestens einem Element, welches ausgewählt ist aus der Gruppe Sn und In, zu der Bi-Auflageschicht erstellt, was zu den vorab beschriebenen Effekten führt, was im Vergleich zu Vergleichsmustern mit den Nrn. 1 und 2, welche durch Hinzufügen von nur Cu oder Sn zu der Bi-Auflageschicht erstellt wurden, eine ausgezeichnete Antifresseigenschaft zeigte.
Außerdem zeigten die Vergleichsmuster mit den Nummern 1 bis 7 eine befriedigendere Antifresseigenschaft als das Vergleichsmuster mit der Nr. 3, welches durch Hinzufügen von Cu, Sn und In zu der Bi-Auflageschicht erstellt wurde, sowie als das Vergleichsmuster mit der Nr. 4, welches durch Hinzufügen von Cu und Sn zu der Bi-Auflageschicht erstellt wurde.
Es wird angenommen, dass die minderwertige Antifresseigenschaft des Vergleichsmusters mit der Nr. 3 dadurch verursacht worden ist, dass wegen seiner hohen Anteile an Sn und/oder In, genauer insgesamt 18 Gewichtprozent an Sn und In bei dem Vergleichsmuster mit der Nr. 3 und Sn mit 15 Gewichtprozent bei dem Vergleichsmuster mit der Nr. 4, der Schmelzpunkt der Auflageschicht zu stark abgesenkt wurde und die übermäßige Absenkung die Ursache für die verschlechterte Antifresseigenschaft war.
Wenn auf der anderen Seite wie bei den Vergleichsmustern mit den Nrn. 1 bis 7 der Anteil an Sn und In derart gesteuert wurde, dass er nicht über 10 Gewichtprozent kam, fiel der Schmelzpunkt der Auflageschicht auf ein angemessenes Niveau und die Auflageschicht zeigte eine verbesserte Antifresseigenschaft.
Dabei wurde für die Auflageschicht des Vergleichsmusters mit der Nr. 5, welche durch Hinzufügen von Cu mit 5 Gewichtprozent, In mit 2 Gewichtprozent und Sb mit 6 Gewichtprozent zu der Bi-Auflageschicht erstellt worden ist, ein relativ hoher Schmelzpunkt von 300°C und eine gute Antifresseigenschaft festgehalten. Die Begründung für diese Verbesserung ist, dass das hinzugefügte Sb eine übermäßige Absenkung des Schmelzpunktes auf Grund des hinzugefügten In verhinderte und das Formanpassungsvermögen aufrechterhielt.

Claims

Gleitteil, welches eine Lagerlegierungsschicht (2) und eine Auflageschicht (3), welche auf der Lagerschicht ausgebildet ist, umfasst, wobei: die Auflageschicht (3) aus einer Bi basierten Legierung hergestellt ist, welche Cu mit 0,1 bis 10 Gewichtprozent und mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus der Gruppe Sn und In, mit insgesamt 0,5 bis 10 Gewichtprozent umfasst.
Gleitteil nach Anspruch 1, wobei die Bi basierte Legierung der Auflageschicht (3) weiter Sb mit 0,1 bis 20 Gewichtprozent umfasst.
Gleitteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bi basierte Legierung einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 225°C aufweist.
Gleitteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auflageschicht (3) auf der Lagerlegierungsschicht (2) mittels einer Zwischenschicht (4) ausgebildet ist, welche aus einer Substanz hergestellt ist, welche aus Cu, eine Cu-Legierung, Ag, eine Ag-Legierung, Ni, eine Ni-Legierung, Co und eine Co-Legierung umfassenden Gruppe ausgewählt ist.