DE102011012086B4

DE102011012086B4 - Gleitmaterial auf Kupferbasis

Info

Publication number: DE102011012086B4
Application number: DE102011012086A
Authority: DE
Inventors: Takuo Imai; Kouji Zusi; Kentaro Tujimoto
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: GB2478069B; DE102011012086A1; GB2478069A; US8871354B2; US20110206939A1; JP2011174118A; GB201103070D0; JP5058276B2; KR20110097653A; KR101292253B1

Abstract

Gleitmaterial auf Kupferbasis, umfassend eine Stahlstützschicht (1) und eine Cu-Legierungsschicht (2), wobei die Cu-Legierungsschicht (2) in Masse-% besteht aus 10 bis 30% Bi, 0,5 bis 5% einer anorganischen Verbindung (5), optional 0,5 bis 5% Sn, optional mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Fe, P und Ag in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 10% und wobei der Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei die anorganische Verbindung (5) eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 bis 5 μm und ein spezifisches Gewicht von 90 bis 110%, bezogen auf das spezifische Gewicht von Bi, hat und wobei eine Bi-Phase (3) in der Cu-Legierungsschicht (2) gebildet ist mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 bis 15 μm und die Bi-Phase (3) in der Cu-Legierungsschicht (2) verteilt und isotrop ist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitmaterial auf Kupferbasis mit hervorragender Ermüdungsbeständigkeit und insbesondere ein Gleitmaterial auf Kupferbasis, das zur Verwendung als Gleitlagermaterial in Verbrennungsmotoren geeignet ist.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmlicherweise werden Gleitmaterialien auf Kupferbasis zur Verwendung als Gleitlager in Verbrennungsmotoren im allgemeinen nach einem kontinuierlichen Sinterverfahren hergestellt. Bei dem kontinuierlichen Sinterverfahren wird ein Cu-Legierungspulver kontinuierlich auf einen Stahlstreifen gestreut und anschließend aufeinanderfolgend gesintert und gewalzt. Aufgrund umweltrechtlicher Bestimmungen müssen Gleitmaterialien auf Kupferbasis für Gleitlager frei von Blei (Pb) sein. Deshalb ist eine gesinterte Cu-Legierung vorgeschlagen worden, die Bismuth (Bi) anstelle von Pb enthält (siehe zum Beispiel JP-B2-3421724 , JP-A-2005-200703 , JP-A-04-28836 und JP-A-05-263166 ).
Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren rotieren im allgemeinen mit hoher Geschwindigkeit. Deshalb ist ein Gleitlager erforderlich, das gute Beständigkeit gegenüber dem Festfressen bzw. der Reibverschweißung aufweist. Wenn die oben genannte, Bi enthaltende gesinterte Cu-Legierung als Gleitmaterial auf Kupferbasis für ein Gleitlager verwendet wird, enthält die gesinterte Cu-Legierung Bi bevorzugt in einer Menge von nicht weniger als 10 Masse-%, um die hohe Beständigkeit gegenüber Festfressen zu erzielen.
Das Gewicht von Verbrennungsmotoren ist in der letzten Zeit verringert worden. Deshalb ist auch das Gewicht des Motorblocks und der Pleuelstangen verringert worden und die Steifigkeit des Lagergehäuses von zylindrischen Gleitlagern hat sich verringert. Ein solches Lagergehäuse verformt sich während des Betriebs des Verbrennungsmotors. Das in dem Lagergehäuse angebrachte Gleitlager ist einer dynamischen Belastung unterworfen, die von der Kurbelwelle vertikal auf die Gleitfläche des Gleitlagers einwirkt. Des weiteren wirken in der Umlaufrichtung wiederholt Zug- und Schubbelastungen auf das Lager ein. Deshalb muss das Lager auch in der Umlaufrichtung eine hohe Festigkeit aufweisen.
Die JP-B2-3421724 und JP-A-2005-200703 beschreiben, dass eine Bi enthaltende Cu-Legierung in einem kontinuierlichen Sinterverfahren gesintert wird. Ob die gesinterte Cu-Legierung eine hohe Festigkeit aufweist oder nicht hängt jedoch stark von dem Bi-Gehalt ab. Wie in den 7A und A' gezeigt ist, sind in der Cu-Legierungspulverschicht 2 zahlreiche Hohlräume vorhanden, wenn ein Cu-Legierungspulver 4 auf einen Stahlstreifen aufgestreut wird. Wenn in einem ersten Sinterschritt anschließend die Temperatur erhöht wird schmilzt das Bi bei etwa 270°C zu einer flüssigen Phase 3' und fließt aus den Cu-Legierungspulverteilchen 4 heraus in die Hohlräume zwischen den Pulverteilchen 4, wie dies in den 7B und B' gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt sind die Cu-Legierungspulverteilchen 4 nicht ausreichend gesintert und nicht ausreichend stark verbunden. Deshalb verteilt sich das Bi in den Hohlräumen zwischen den Cu-Pulverteilchen 4 über die Oberflächen der Cu-Legierungspulverteilchen 4, wie dies in der 7C gezeigt ist. Das hat zur Folge, dass die Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 grob wird, wie dies in 6 gezeigt ist. Das ist dann signifikant, wenn das Bi in der Cu-Legierungsschicht 2 in einer Menge von nicht weniger als 10 Masse-% enthalten ist. Da die Bi-Phase 3 kaum in der Cu-Phase löslich ist, liegt sie als solche in der Cu-Legierungsschicht 2 vor. Außerdem ist die Festigkeit der Bi-Phase 3 signifikant geringer als diejenige der Cu-Phase. Da auf das Lager eine dynamische Belastung einwirkt, kann sich, ausgehend von der groben Bi-Phase 3 oder der Korngrenze zwischen der Bi-Phase 3 und der Cu-Phase, leicht ein Riss bilden, der möglicherweise zu einem Ermüdungsversagen der Cu-Legierungsschicht 2 führt.
Andererseits beschreibt die JP-A-04-28836 , dass ein Gleitmaterial auf Kupferbasis mit feiner Bi-Phase erhalten werden kann, wenn ein Bi enthaltendes Cu-Legierungspulver nach einem mechanischen Legierungsverfahren hergestellt und bei relativ niedriger Temperatur (400 bis 800°C, mehr bevorzugt 400 bis 700°C) gesintert wird. Wenn das Sintern bei einer Temperatur von nicht mehr als 800°C in einem kontinuierlichen Sinterverfahren durchgeführt wird, können eine Stahlstützschicht und eine Cu-Legierungsschicht jedoch nicht ausreichend stark miteinander verbunden werden. Dadurch vermindert sich die Ermüdungsbeständigkeit. Wenn das Sintern andererseits bei einer Temperatur oberhalb von 800°C durchgeführt wird, wird das Cu-Legierungspulver zu stark gesintert, obwohl die Cu-Legierungsschicht und die Stahlstützschicht ausreichend stark miteinander verbunden werden. Deshalb wird die Bi-Phase in der Cu-Legierungsschicht grob, wie dies in der JP-A-05-263166 beschrieben ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben genannten Tatsachen gemacht. Aufgabe der Erfindung ist es, die Vergröberung der Bi-Phase in einer Cu-Legierungsschicht zu unterdrücken, die nach einem kontinuierlichen Sinterverfahren hergestellt worden ist, und ein Gleitmaterial auf Puferbasis bereitzustellen, das eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Gleitmaterial auf Kupferbasis bereitgestellt, das eine Stahlstützschicht und eine Cu-Legierungsschicht umfasst. Die Cu-Legierungsschicht besteht aus: 10 bis 30 Masse-% Bi; 0,5 bis 5 Masse-% einer anorganischen Verbindung; optional 0,5 bis 5 Masse-% Sn; optional mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Fe, P und Ag in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 10 Masse-%; und wobei der Rest aus Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht. Die anorganische Verbindung hat eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 bis 5 μm und ein spezifisches Gewicht von 90 bis 110%, bezogen auf das spezifische Gewicht von Bi. In der Cu-Legierungsschicht ist eine Bi-Phase gebildet und diese hat eine durchschnittliche Teilchengröße von 2 bis 15 μm, und die Bi-Phase ist in der Cu-Legierungsschicht verteilt und die Bi-Phase ist isotrop.
Die anorganische Verbindung ist bevorzugt ein Carbid, Nitrid oder Silicid eines Metalls.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung, die die Struktur einer Cu-Legierungsschicht, die eine anorganische Verbindung enthält, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2A ist eine schematische Darstellung, die eine Stufe des Pulverbestreuens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, um den Vergröberungsmechanismus der Bi-Phase bei einer Stufe der Herstellung einer Cu-Legierungsschicht, die eine anorganische Verbindung enthält, zu erläutern;
2B ist eine schematische Darstellung, die eine primäre Sinterstufe bei 300 bis 700°C gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, um den Vergröberungsmechanismus der Bi-Phase in einer Stufe der Herstellung einer Cu-Legierungsschicht, die eine anorganische Verbindung enthält, zu erläutern;
2C ist eine schematische Darstellung, die eine primäre Sinterstufe bei 800°C gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, um den Vergröberungsmechanismus der Bi-Phase in einer Stufe der Herstellung einer Cu-Legierungsschicht, die eine anorganische Verbindung enthält, zu erläutern;
2D ist eine vergrößerte schematische Darstellung des in 2A gezeigten eingerahmten Bereichs;
2A' ist eine vergrößerte schematische Darstellung der 2A;
2B' ist eine vergrößerte schematische Darstellung der 2B;
3 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand einer anorganischen Verbindung mit geringem spezifischen Gewicht an der Oberfläche eines Cu-Legierungspulvers bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
4 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand einer anorganischen Verbindung mit hohem spezifischen Gewicht an der Oberfläche eines Cu-Legierungspulvers bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
5A ist eine Draufsicht auf eine Gleitlagerhälfte;
5B ist eine Querschnittsansicht der Gleitlagerhälfte der 5A in der Umlaufrichtung;
5C ist eine vergrößerte Ansicht des eingerahmten Bereichs der 5B zur Erläuterung der Isotropie (x/y) einer Bi-Phase in einer Cu-Legierungsschicht;
6 ist eine schematische Darstellung, die die Struktur einer Cu-Legierungsschicht ohne anorganische Verbindung gemäß dem Stand der Technik zeigt; und
7A ist eine schematische Darstellung, die eine Stufe des Pulverbestreuens gemäß dem Stand der Technik zeigt, um die Vergröberung der Bi-Phase in einer Stufe der Herstellung einer Cu-Legierungsschicht ohne anorganische Verbindung zu erläutern;
7B ist eine schematische Darstellung, die eine primäre Sinterstufe bei 300 bis 700°C gemäß dem Stand der Technik zeigt, um die Vergröberung der Bi-Phase in einer Stufe der Herstellung der Cu-Legierungsschicht ohne anorganische Verbindung zu erläutern;
7C ist eine schematische Darstellung, die eine primäre Sinterstufe bei 800°C gemäß dem Stand der Technik zeigt, um die Vergröberung der Bi-Phase in einer Stufe der Herstellung der Cu-Legierungsschicht ohne anorganische Verbindung zu erläutern.
7D ist eine vergrößerte Darstellung des eingerahmten Bereichs in der 7A;
7A' ist eine vergrößerte schematische Darstellung der 7A;
7B' ist eine vergrößerte schematische Darstellung der 7B.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Gleitmaterial auf Kupferbasis besitzt hervorragende Gleiteigenschaften, da die Cu-Legierungsschicht 10 bis 30 Masse-% Bi enthält. Wenn der Bi-Gehalt weniger als 10 Masse-% beträgt, kann eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen nicht erzielt werden. Wenn der Bi-Gehalt andererseits größer als 30 Masse-% ist, nimmt die Festigkeit der Cu-Legierungsschicht ab.
Die Cu-Legierungsschicht enthält eine anorganische Verbindung mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 bis 5 μm, wodurch die Vergröberung der Bi-Phase in der Cu-Legierungsschicht unterdrückt werden kann. Die Gründe hierfür werden wie folgt angenommen. Wie in der vergrößerten Ansicht der 2A' gezeigt ist, ist eine Bi-Phase 3 mit einer größeren Größe als die erfindungsgemäße Teilchengröße der anorganischen Verbindung 5 im Rahmen der Erfindung auf der Oberfläche des Cu-Legierungspulvers 4 vorhanden, das nach einem Atomisierungsverfahren hergestellt worden ist. Die Herstellung des Pulvers umfasst eine Stufe des Vermischens eines Cu-Legierungspulvers und einer anorganischen Verbindung. Während der Stufe des Vermischens werden die 1 bis 5 μm großen Teilchen der anorganischen Verbindung 5 in die weiche Bi-Phase 3 eingelagert. Darüber hinaus entstehen, wie in den 2A und 2A' gezeigt ist, in der Cu-Legierungspulverschicht 2 zahlreiche Hohlräume, wenn das Cu-Legierungspulver 4 wie oben beschrieben auf einen Stahlstreifen aufgestreut wird. Wenn die anorganische Verbindung 5 nicht in die Bi-Phase 3 an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen 4 eingelagert wird, schmilzt Bi bei etwa 270°C zu einer flüssigen Phase 3', wenn die Temperatur während einer primären Sinterstufe erhöht wird, und fließt dann aus den Cu-Legierungspulverteilchen 4 heraus in die Hohlräume zwischen den Teilchen 4. Zu diesem Zeitpunkt sind die Cu-Legierungspulverteilchen 4 nicht ausreichend stark gesintert und nicht ausreichend stark gebunden. Deshalb fließt das Bi in die Hohlräume hinein und verteilt sich über die Oberflächen der Cu-Legierungspulverteilchen 4. Dadurch wird die Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 grob. Wenn jedoch die anorganische Verbindung 5 in die Bi-Phase 3 an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen 4 eingelagert wird, kann die flüssige Bi-Phase 3' in den Cu-Legierungspulverteilchen 4 gehalten werden, bis zu der Temperatur, bei der die Cu-Legierungspulverteilchen 4 ausreichend gesintert sind, so wie dies in den 2B und 2B' gezeigt ist. Dadurch verteilt sich die flüssige Bi-Phase 3' nicht mehr wie in 2C gezeigt ist, und anschließend wird wiederholt gewalzt und gesintert, um eine Cu-Legierungsschicht 2 zu erhalten, in der die Bi-Phasen 3 fein verteilt sind, wie dies in 1 gezeigt ist.
Wenn die durchschnittliche Teilchengröße der anorganischen Verbindung 5 dabei größer als 5 μm ist, ist es schwierig die anorganische Verbindung 5 in die Bi-Phase 3 an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen 4 einzulagern, wodurch die Größe der Bi-Phase 3 nicht vermindert werden kann. Außerdem ist eine geringe durchschnittliche Teilchengröße der anorganischen Verbindung 5 im Hinblick auf die Bildung der feinen Bi-Phase 3 mehr bevorzugt. Allerdings ist eine anorganische Verbindung 5 mit einer Teilchengröße von weniger als 1 μm teuer und erhöht somit den Preis des Gleitmaterials auf Kupferbasis.
Des weiteren hat die in der Cu-Legierungsschicht 2 enthaltene anorganische Verbindung 5 ein spezifisches Gewicht von 70 bis 130% relativ zu dem spezifischen Gewicht von Bi, wodurch die Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 fein verteilt wird. Die Gründe hierfür werden wie folgt angenommen. In der Stufe des Sinterns schmilzt das Bi in den Cu-Legierungspulverteilchen 4 zu einer flüssigen Phase. Wie oben beschrieben wurde, liegt die flüssige Bi-Phase zusammen mit der anorganischen Verbindung 5 vor. Wenn dabei eine anorganische Verbindung 5 mit einem spezifischen Gewicht gewählt wird, das nahe bei dem spezifischen Gewicht von Bi liegt, wird die anorganische Verbindung 5 ohne Aggregation in der flüssigen Bi-Phase verteilt. Dadurch kann die flüssige Bi-Phase in den Cu-Legierungspulverteilchen 4 gehalten werden. Aufgrund dieses Mechanismus kann das Bi in der Cu-Legierungsschicht 2 eine verringerte Teilchengröße aufweisen. Auf diese Weise kann eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit erzielt werden.
Die anorganische Verbindung 5 kann ein Carbid, ein Nitrid, ein Silicid und ein Borid enthalten. Das Carbid kann NbC, Mo₂C, WC-TiC und WC-TiC-TaC enthalten. Das Nitrid kann ZrN, Mo₂N und NbN enthalten. Das Silicid kann TaSi₂ und WSi₂ enthalten. Das Borid kann MoB und TaB₂ etc. enthalten.
Wenn das spezifische Gewicht der anorganischen Verbindung 5 weniger als 70%, bezogen auf das spezifische Gewicht von Bi, beträgt, sammelt sich die anorganische Verbindung 5 im oberen Teil der flüssigen Bi-Phase an, wie dies in 3 gezeigt ist. Wenn das spezifische Gewicht der anorganischen Verbindung 5 andererseits oberhalb von 130%, bezogen auf das spezifische Gewicht von Bi, liegt, fällt die anorganische Verbindung 5 aus der flüssigen Bi-Phase aus und sammelt sich im unteren Bereich der Cu-Legierungsschicht 2 an, wie dies in 4 gezeigt ist. Dadurch wird die Wirkung der Unterdrückung der Vergröberung der Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 gering und die Ermüdungsbeständigkeit verringert sich.
Die anorganische Verbindung 5 ist in der Cu-Legierungsschicht 2 in einer Menge im Bereich von 0,5 bis 5 Masse-% enthalten, um das Gleichgewicht zwischen der Menge der Bi-Phasen 3 und der Menge der anorganischen Verbindung 5 in der Cu-Legierungsschicht 2 zu verbessern. Deshalb wird die Wirkung der Unterdrückung der Vergröberung der Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 erhalten. Mehr bevorzugt beträgt das Mengenverhältnis Bi/anorganische Verbindung 4 bis 10, wodurch die Vergröberung der Bi-Phase 3 wirksamer unterdrückt werden kann.
Wenn der Gehalt der anorganischen Verbindung 5 weniger als 0,5 Masse-% beträgt, ist die Wirkung der Unterdrückung der Vergröberung der Bi-Phase 3 gering, und eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit kann nicht erzielt werden. Wenn der Gehalt der anorganischen Verbindung 5 andererseits mehr als 5 Masse-% beträgt, aggregiert sich die anorganische Verbindung 5 lokal in der Cu-Legierungsschicht 2 und die Ermüdungsbeständigkeit verringert sich.
Demnach sind feine Bi-Phasen 3 mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 bis 15 μm in der Cu-Legierungsschicht 2 verteilt, wobei nicht weniger als 10 Masse-% Bi enthalten sind, wodurch eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit erzielt wird.
Es wird angenommen, dass eine kleinere durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phase 3 bevorzugt ist. Anhand von Experimenten wurde festgestellt, dass eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit erzielt werden kann, wenn die durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phase 3 nicht weniger als 2 μm beträgt. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phase 3 mehr als 15 μm beträgt, verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit jedoch.
Wenn die Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 isotrop ist, wird die Ermüdungsbeständigkeit verbessert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Isotropie wie folgt definiert. Die Y-Achse wird in der Dickenrichtung der Lagerlegierung (der Cu-Legierungsschicht 2) festgelegt, und die X-Achse wird in der dazu senkrechten Richtung festgelegt. Die Bi-Phase 3 wird als isotrop definiert, wenn der Durchschnittswert von x/y 1 bis 2 beträgt, wobei die durchschnittliche Länge in der Richtung der X-Achse der Bi-Phase als x definiert wird und die durchschnittliche Länge in der Richtung der Y-Achse als y definiert wird, wie dies in der 5C gezeigt ist.
Wie voranstehend ausgeführt ist, schmilzt Bi während der Stufe des Sinterns zu einer flüssigen Phase. Die flüssige Bi-Phase fließt entlang der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen 4 heraus, bevor die Cu-Legierungspulverteilchen 4 ausreichend stark gesintert sind. Die flüssige Bi-Phase fließt durch ihr eigenes Gewicht durch die Hohlräume zu dem unteren Bereich der Cu-Legierungsschicht 2 und die einzelnen flüssigen Bi-Phasenströme vereinigen sich anschließend. Folglich neigt die Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 dazu, eine in der Richtung der Y-Achse ausgedehnte Form zu bilden. Da jedoch die anorganische Verbindung 5 in der Bi-Phase 3 an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen 4 eingelagert ist, kann die flüssige Bi-Phase durch den beschriebenen Mechanismus in den Cu-Legierungspulverteilchen 4 gehalten werden, bis die Cu-Legierungspulverteilchen 4 ausreichend gesintert sind. Somit fließt die flüssige Bi-Phase nicht zu dem unteren Bereich der Cu-Legierungsschicht und die Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 ist isotrop. Da die Bi-Phase 3 isotrop ist, kann die Entstehung von Rissen, ausgehend von der Bi-Phase 3 unterdrückt werden, und die Ermüdungsbeständigkeit wird somit verbessert. Da die Isotropie im Bereich von 1 bis 2 liegt, ist die Längsrichtung der Bi-Phase 3 übereinstimmend mit der Richtung, in der die wiederholte Zug- und Schubbelastung in der Umlaufrichtung auf das Lager einwirkt. Somit kann eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit in der Umlaufrichtung des Lagers erzielt werden.
Wenn der Durchschnitt von x/y der Bi-Phase 3 weniger als 1 beträgt, liegt die Richtung der Längsachse der Bi-Phase 3 senkrecht zur Umlaufrichtung des Lagers, in der die wiederholten Zug- und Schubbelastungen einwirken. Somit verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit in der Umlaufrichtung des Lagers. Wenn der Durchschnitt von x/y der Bi-Phase 3 größer als 2 ist, bilden sich ausgehend von der Bi-Phase 3 leicht Risse, wenn eine Last vertikal einwirkt. Dadurch verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit.
Die in der Cu-Legierungsschicht 2 enthaltene anorganische Verbindung 5 des Gleitmaterials auf Kupferbasis hat ein spezifisches Gewicht von 90 bis 110%, bezogen auf das spezifische Gewicht von Bi. Dadurch wird die Wirkung der feinen Verteilung der Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 verstärkt. Der Grund hierfür dürfte darin liegen, dass die anorganische Verbindung 5 gleichförmiger in der flüssigen Bi-Phase verteilt wird und die flüssige Bi-Phase dadurch besser in dem Cu-Legierungspulver gehalten werden kann.
Die anorganische Verbindung 5 kann ein Carbid, ein Nitrid und ein Silicid enthalten. Das Carbid kann Mo₂C und WC-TiC-TaC enthalten. Das Nitrid kann Mo₂N enthalten. Das Silicid kann TaSi₂ und WSi₂ etc. enthalten.
Die Cu-Legierungsschicht kann des weiteren 0,5 bis 5 Masse-% Sn enthalten, um der Cu-Legierungsschicht hohe Festigkeit zu verleihen. Wenn die Cu-Legierungsschicht weniger als 0,5 Masse-% Sn enthält, ist die Wirkung der Festigung der Cu-Legierungsschicht 2 ungenügend. Wenn mehr als 5 Masse-% Sn zu der Cu-Legierungsschicht 2 zugegeben wird, wird die Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 grob. Wenn das Sn enthaltende Cu-Legierungspulver gesintert wird, wird auf der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen 4 teilweise eine flüssige Cu-Sn-Phase gebildet. Wenn jedoch mehr als 5 Masse-% Sn enthalten sind, wird die Menge der flüssigen Cu-Sn-Phase zu groß und die flüssige Cu-Sn-Phase fließt entlang der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen 4. Dadurch wird die an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen 4 in die Bi-Phase 3 eingelagerte anorganische Verbindung 5 mit der flüssigen Cu-Sn-Phase herausgespült. Die Wirkung der Unterdrückung der Vergröberung der Bi-Phase 3 in der Cu-Legierungsschicht 2 verringert sich dadurch.
Die Cu-Legierungsschicht 2 kann mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Fe, P und Ag in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 10 Masse-% enthalten, um eine hohe Festigkeit zu erhalten. Wenn die Gesamtmenge des Elements oder der Elemente weniger als 0,1 Masse-% beträgt, ist die Wirkung der Festigung der Cu-Legierungsschicht 2 ungenügend. Wenn die Gesamtmenge des Elements oder der Elemente dem gegenüber mehr als 10 Masse-% beträgt, wird die Cu-Legierungsschicht brüchig und die Ermüdungsbeständigkeit verringert sich somit.
Beispiele
Die erfindungsgemäßen Beispiele 8 und 12 bis 15 einer Bi enthaltenden Cu-Legierung und die Vergleichsbeispiele 1 bis 7, 9 bis 11, 16, 17 und 21 bis 30 wurden hinsichtlich der durchschnittlichen Teilchengröße der Bi-Phase untersucht und einem Lagerermüdungstest unterzogen. Die Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen für die Beispiele 8 und 12 bis 15 und die Vergleichsbeispiele 1 bis 7, 9 bis 11, 16, 17 und 21 bis 30. Bei den Beispielen bzw. Vergleichsbeispielen 1 bis 18 wurde ein Cu-Legierungspulver, hergestellt nach einem Atomisierungsverfahren und unter Verwendung eines üblichen Mischers, mit einer anorganischen Verbindung vermischt. Auf diese Weise wurde die anorganische Verbindung an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen in die Bi-Phase eingelagert, so dass sich die in Tabelle 1 angegebenen Mengenverhältnisse der Komponenten ergaben. Das Pulvergemisch wurde anschließend auf einen Stahlstreifen aufgestreut und wiederholtem Sintern und Walzen unterworfen, um ein Gleitmaterial herzustellen. Das Sintern wurde bei einer Temperatur von 850°C durchgeführt. Das Gleitmaterial wurde in eine halbzylindrische Form gebracht, um ein Gleitlager herzustellen.
Für die Vergleichsbeispiele 21 und 22 wurde ein Cu-Legierungspulver hergestellt nach einem mechanischen Legierungsverfahren, um die in Tabelle 1 angegebenen Mengenverhältnisse der Komponenten zu erhalten. Das so hergestellte Pulver wurde auf einen Stahlstreifen gestreut und wiederholtem Sintern und Walzen unterworfen, um ein Gleitmaterial herzustellen. Das Sintern wurde bei einer Temperatur von 700°C für Vergleichsbeispiel 21 und 850°C für Vergleichsbeispiel 22 durchgeführt. Das Gleitmaterial wurde in eine halbzylindrische Form gebracht, um ein Gleitlager herzustellen.
Für die Vergleichsbeispiele 23 bis 26 und 28 bis 30 wurden Gleitlager auf die gleiche Weise wie bei den voranstehenden Beispielen hergestellt, um die in Tabelle 1 angegebenen Mengenverhältnisse der Komponenten zu ergeben. Für Vergleichsbeispiel 27 wurde ein Cu-Legierungspulver hergestellt nach einem Atomisierungsverfahren, um das in Tabelle 1 angegebene Mengenverhältnis der Komponenten zu ergeben und ein Gleitlager wurde auf gleiche Weise wie bei den voranstehenden Beispielen hergestellt.
Anschließend wurden die so hergestellten Gleitlager untersucht, um die durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phasen zu bestimmen, und zwar durch Aufnahme von Zusammensetzungsbildern eines Querschnitts des Lagers in der Umlaufrichtung bei 200-facher Vergrößerung mit einem Elektronenmikroskop. Die durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phase wurde erhalten durch Ausmessen der Flächen der einzelnen Bi-Phasen nach einem gebräuchlichen Bildanalyseverfahren (Analysesoftware Image-ProPlus (Version 4.5), hergestellt von Planetron, Inc.) und Umrechnen der Flächen in durchschnittliche Durchmesser unter der Annahme, dass die einzelnen Bi-Phasen jeweils kreisförmig sind. Des weiteren wurde der Isotropieindex der Bi-Phase anhand der genannten Zusammensetzungsbilder und unter Verwendung der gleichen Analysesoftware wie folgt erhalten. Die Dickenrichtung des Querschnitts in der Umlaufrichtung des Lagers wird als Y-Achse definiert, während die zu der Y-Achse senkrechte Richtung als X-Achse definiert wird. Die Länge y jeder Bi-Phase entlang der Y-Achse und die Länge x entlang der X-Achse wurden gemessen und das Verhältnis x/y der durchschnittlichen Länge x zu der durchschnittlichen Länge y wurde berechnet.

Tabelle 2 zeigt die Testbedingungen, unter denen der Ermüdungstest der Lager durchgeführt wurde. Die Beispiele 8 und 12 bis 15 und die Vergleichsbeispiele 1 bis 7, 9 bis 11, 16, 17 und 21 bis 30 wurden einem Ermüdungstest in einer Lagertestvorrichtung unterworfen, wobei eine dynamische Belastung senkrecht zu der Gleitoberfläche des Lagers und in der Umlaufrichtung wiederholt Zug- und Druckbelastungen ausgeübt wurden. Tabelle 2

Parameter	Wert
Testdauer	30 Std
Geschwindigkeit	18 m/min
Schmieröl	SAE#30
Ölzufuhrtemperatur	120°C
Material der Welle	S55C abgeschreckt
Rauhigkeit der Welle	Rz nicht größer als 1,0 μm

Die Beispiele 8 und 12 bis 15 zeigten alle eine höhere Ermüdungsbeständigkeit als die Vergleichsbeispiele. Aufgrund der Zugabe der anorganischen Verbindung verbleibt die flüssige Bi-Phase während der Stufe des Sinterns in den Cu-Legierungspulverteilchen bis die Cu-Legierungspulverteilchen ausreichend stark gesintert sind, wodurch verhindert wird, dass die Bi-Phase aufgrund ihres eigenen Gewichts entlang der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen zu dem unteren Bereich der Cu-Legierungsschicht fließt, so wie dies voranstehend beschrieben wurde. Dadurch wird die durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phasen der Cu-Legierungsschicht fein und die Bi-Phasen werden isotrop.
Die Beispiele 12 bis 14 weisen Bi-Phasen in der Cu-Legierungsschicht auf, die eine feinere durchschnittliche Teilchengröße als die Vergleichsbeispiele 1, 10 und 11 haben, da das spezifische Gewicht der anorganischen Verbindung näher bei dem spezifischen Gewicht von Bi liegt, während der Gehalt der Cu-Legierung und die Menge der anorganischen Verbindung gleich sind. Dadurch wird die Ermüdungsbeständigkeit verbessert.
Beispiel 15 und Vergleichsbeispiel 16 und 17 weisen eine Cu-Legierungsschicht mit höherer Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit als Beispiel 1 auf, infolge der Zugabe von Sn zu der Cu-Legierungsschicht, während die durchschnittliche Teilchengröße und der Isotropieindex der Bi-Phase fast die gleichen wie bei Beispiel 1 sind. Durch Vergleichsbeispiel 17 wurde jedoch bestätigt, dass 5 Masse-% Sn, die zu der Cu-Legierungsschicht zugegeben werden, die durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phase erhöhen und den Isotropieindex aufgrund des voranstehend beschriebenen Mechanismus verringern. Aufgrund dieser Ergebnisse wird davon ausgegangen, dass ein Sn-Gehalt von 5 Masse-% das Maximum darstellt.
Vergleichsbeispiel 18 weist eine Cu-Legierungsschicht auf, mit einer höheren Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit als bei Beispiel 1, aufgrund der Zugabe von Ni, Fe, Ag und P zu der Cu-Legierungsschicht, während die durchschnittliche Teilchengröße und der Isotropieindex der Bi-Phase fast die gleichen wie bei Beispiel 1 sind.
Vergleichsbeispiel 21 weist im Vergleich mit Beispiel 1 eine schlechtere Ermüdungsbeständigkeit auf, obwohl die durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phase klein ist. Der Grund hierfür ist, dass die Bindungsstärke zwischen der Cu-Legierungsschicht und dem Stahlstreifen nicht ausreichend ist wegen der geringen Sintertemperatur von 700°C. Weiterer Grund hierfür ist, dass eine ausreichende Festigkeit gegenüber senkrecht einwirkenden Belastungen nicht erhalten werden kann, da das Bi bei Vergleichsbeispiel 21 in Schuppenform vorliegt und nicht isotrop ist, und die schuppenförmigen Bi-Phasen derart angeordnet sind, dass die Längsachsen davon parallel zur Gleitfläche liegen. Vergleichsbeispiel 22 weist im Vergleich mit Beispiel 1 eine große durchschnittliche Teilchengröße der Bi-Phasen von 19,67 μm auf. Grund hierfür ist, dass die Sintertemperatur mit 850°C hoch ist und die Cu-Legierungspulverteilchen übermäßig stark gesintert werden, sodass die Wirkung des mechanischen Legierungspulvers der Verringerung der Größe der Bi-Phasen nicht eintritt.
Da Vergleichsbeispiel 23 eine anorganische Verbindung mit großer durchschnittlicher Teilchengröße enthält, wird weniger anorganische Verbindung in die Bi-Phase an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen während der Stufe des Pulvermischens eingelagert. Daher kann in der nachfolgenden Stufe des Sinterns die flüssige Bi-Phase nicht in ausreichendem Maß an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen gehalten werden, bis die Cu-Legierungspulverteilchen ausreichend stark gesintert sind. Die flüssige Bi-Phase fließt dabei aufgrund ihres eigenen Gewichts entlang der Hohlräume zwischen den Cu-Legierungspulverteilchen hin zu dem unteren Bereich der Cu-Legierungsschicht. Da sich die Bi-Ströme miteinander vereinigen, wird die Bi-Phase in der Cu-Legierungsschicht grob und weist eine langgestreckte Form in der Y-Richtung auf und ist nicht isotrop. Dadurch verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit.
Da bei Vergleichsbeispiel 24 eine große Menge Bi enthalten ist, weist die Bi-Phase eine große durchschnittliche Teilchengröße auf und ist nicht isotrop. Dadurch verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit.
Da bei Vergleichsbeispiel 25 die Menge der anorganischen Verbindung nicht ausreichend ist, wird die Vergröberung der Bi-Phase in der Cu-Legierungsschicht nicht in ausreichendem Maße unterdrückt und die Bi-Phase wird grob. Dadurch verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit.
Da bei Vergleichsbeispiel 26 eine große Menge der anorganischen Verbindung enthalten ist, sammelt sich die anorganische Verbindung in der Cu-Legierungsschicht lokal an. Dadurch verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit, obwohl die Teilchengröße der Bi-Phase in der Cu-Legierungsschicht klein ist und die Bi-Phase isotrop ist.
Da bei Vergleichsbeispiel 27 keine anorganische Verbindung enthalten ist, kann die flüssige Bi-Phase in der Stufe des Sinterns nicht in den Cu-Legierungspulverteilchen gehalten werden. Dadurch fließt die flüssige Bi-Phase aus der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen heraus, bevor die Cu-Legierungspulverteilchen ausreichend stark gesintert sind. Dabei fließt die Bi-Phase durch ihr eigenes Gewicht entlang der Hohlräume zwischen den Cu-Legierungspulverteilchen hin zu dem unteren Bereich der Cu-Legierungsschicht und anschließend vereinigen sich die Bi-Ströme. Folglich vergröbert sich die Bi-Phase in der Cu-Legierungsschicht und ihre Form wird entlang der Y-Achse langgestreckt und ist nicht isotrop. Dadurch verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit.
Bei Vergleichsbeispiel 28 ist eine anorganische Verbindung mit geringem spezifischem Gewicht, verglichen mit Bi, enthalten. Bei Vergleichsbeispiel 29 ist eine anorganische Verbindung mit einem größeren spezifischen Gewicht verglichen mit dem von Bi enthalten. Deshalb ist die Wirkung der Unterdrückung der Vergröberung der Bi-Phase in der Cu-Legierungsschicht ungenügend und die Bi-Phase vergröbert sich dadurch. Dadurch verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit.
Bei Vergleichsbeispiel 30 wird eine anorganische Verbindung verwendet, deren durchschnittliche Teilchengröße etwas oberhalb des erfindungsgemäßen Bereichs liegt und des weiteren ist Sn enthalten, um die Festigkeit der Cu-Phase zu erhöhen. Deshalb wird in der Stufe des Vermischens weniger anorganische Verbindung in die Bi-Phase an der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen eingelagert und in der nachfolgenden Stufe des Sinterns wird die flüssige Bi-Phase nicht in ausreichendem Maß in den Cu-Legierungspulverteilchen gehalten. Da Sn enthalten ist, wird darüber hinaus eine große Menge an flüssiger Cu-Sn-Phase gebildet, sodass das Cu-Legierungspulver leicht fließt. Dadurch fließt die flüssige Bi-Phase aus der Oberfläche der Cu-Legierungspulverteilchen heraus, bevor die Cu-Legierungspulverteilchen ausreichend stark gesintert sind. Dabei fließt die flüssige Bi-Phase aufgrund ihres eigenen Gewichts entlang der Hohlräume zwischen den Cu-Legierungspulverteilchen hin zu dem unteren Bereich der Cu-Legierungsschicht und anschließend vereinigen sich die Bi-Ströme miteinander. Folglich vergröbert sich die Bi-Phase der Cu-Legierungsschicht. Ihre Form ist in der Richtung der Y-Achse langgestreckt und nicht isotrop. Dadurch verringert sich die Ermüdungsbeständigkeit.
Erfindungsgemäße Gleitmaterialien auf Kupferbasis können nicht nur für Gleitlager in Verbrennungsmotoren verwendet werden, sondern auch als Materialien für Gleitlager zur Verwendung in verschiedenen anderen Maschinen. Des weiteren können erfindungsgemäß Gleitmaterialien auf Kupferbasis auch verwendet werden als mehrschichtige Lager mit einer Überzugsschicht auf der Cu-Legierungsschicht.

Claims

Gleitmaterial auf Kupferbasis, umfassend eine Stahlstützschicht (1) und eine Cu-Legierungsschicht (2), wobei die Cu-Legierungsschicht (2) in Masse-% besteht aus 10 bis 30% Bi, 0,5 bis 5% einer anorganischen Verbindung (5), optional 0,5 bis 5% Sn, optional mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Fe, P und Ag in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 10% und wobei der Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei die anorganische Verbindung (5) eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 bis 5 μm und ein spezifisches Gewicht von 90 bis 110%, bezogen auf das spezifische Gewicht von Bi, hat und wobei eine Bi-Phase (3) in der Cu-Legierungsschicht (2) gebildet ist mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 bis 15 μm und die Bi-Phase (3) in der Cu-Legierungsschicht (2) verteilt und isotrop ist.
Gleitmaterial auf Kupferbasis nach Anspruch 1, wobei die anorganische Verbindung (5) ein Carbid, Nitrid oder Silicid eines Metalls ist.