DE102011113451A1

DE102011113451A1 - Gleitelement

Info

Publication number: DE102011113451A1
Application number: DE102011113451A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Takayanagi; Yi Zhang; Hiroyuki Asakura; Yukihiko Kagohara
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2012-04-26
Also published as: GB2483790A; US20120064365A1; KR20120028841A; GB201115975D0; JP2012062942A

Abstract

Es wird ein Gleitelement offenbart. Das Gleitelement umfasst eine Lagerlegierungsschicht, eine Ni-basierte Zwischenschicht, die über der Lagerlegierungsschicht bereitgestellt ist, und einen Sn-basierten Überzug, der über der Ni-basierten Zwischenschicht bereitgestellt ist. Der Sn-basierte Überzug umfasst wenigstens eine Schicht, wobei der Sn-basierte Überzug eine erste Schicht oder erste Region mit einer Gleitoberfläche und eine zweite Schicht oder Region, die in Kontakt mit der Ni-basierten Zwischenschicht angeordnet ist, umfasst. Die erste Schicht oder Region enthält Sn und 3 Massen-% oder mehr Cu, und die zweite Schicht/Region enthält Sn und 8 Massen-% oder weniger Cu.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, das mit einem Sn-basierten Überzug versehen ist, der über einer Lagerlegierungsschicht durch eine Ni-basierte Zwischenschicht bereitgestellt wird.
Hintergrund
Ein Gleitelement, das eine Lagerlegierungsschicht, eine Zwischenschicht und einen Sn-basierten Überzug umfasst, die in der aufgeführten Abfolge laminiert sind, weist herausragende Ermüdungsschutzeigenschaften auf und wird in Anwendungen, wie etwa Gleitlagern für Verbrennungsmotoren von Autos verwendet. Derartige Gleitelemente sind zum Beispiel in JP 2001-247995 A und JP 2007-501898 A offenbart.
Das in JP 2001-247995 A offenbarte Gleitelement ist aus einem Laminat aus einer Lagerlegierungsschicht und einem Sn-basierten Überzug mit einer dazwischen eingefügten doppelschichtigen Zwischenschicht gefertigt. Insbesondere ist das Gleitlager gefertigt aus einer Lagerlegierungsschicht, einer ersten Ni-basierten Zwischenschicht, die Ni enthält, die über der Lagerlegierungsschicht bereitgestellt ist, einer zweiten Ni-basierten Zwischenschicht, die Sn und Ni enthält, die über der ersten Ni-basierten Zwischenschicht bereitgestellt ist, und einem Sn-basierten Überzug, der über der zweiten Ni-basierten Zwischenschicht bereitgestellt ist. Der Sn-basierte Überzug enthält 39 bis 55 Massen-% Cu. JP 2001-247995 A erreicht eine Verbesserung in den Ermüdungsschutzeigenschaften des Gleitelements, indem die Cu-Konzentration in dem Sn-basierten Überzug durch die Diffusion von Sn aus dem Sn-basierten Überzug in die Zwischenschicht erhöht wird.
Das in JP 2007-501898 A offenbarte Gleitelement ist mit einer Ni-basierten Zwischenschicht versehen, die mit einem Sn-basierten Überzug überzogen ist, der 0,5 bis 20 Massen-% Cu enthält. Das Gleitelement ist derart aufgebaut, dass Ni in dem Ni-basierten Überzug eine Verbindung mit Sn in dem Sn-basierten Überzug bildet, um eine Sn-Ni-Systemverbindung mit herausragenden Festfressschutzeigenschaften zu bilden, wenn es in Hochtemperaturanwendungen, wie etwa Verbrennungsmotoren, erhitzt wird. JP 2007-501898 A erreicht durch den vorstehend beschriebenen Aufbau verbesserte Festfressschutzeigenschaften.
JP 2001-247995 A offenbart ein Gleitelement, das mit einer Ni-basierten Zwischenschicht versehen ist, die aus Sn und Ni besteht, die über die darunterliegende Struktur galvanisiert ist. Eine derartige Ni-basierte Zwischenschicht ist schwierig auszubilden und somit unergiebig, da ihre Zutaten anfällig dafür sind, eine ungleichmäßige Verteilung aufzuweisen und ihre Oberfläche häufig vergröbert ist.
Das in JP 2007-501898 A offenbarte Gleitelement bildet, wie früher erwähnt, wenn es im Betrieb erhitzt wird, eine Sn-Ni-Systemverbindung mit herausragenden Festfressschutzeigenschaften. Jedoch lässt die Hitze auch die Bildung einer Schicht aus einer Sn-Ni-Cu-Verbindung zu, die im Sinne der Festfressschutzeigenschaften nachteilig ist, und somit kann das in JP 2007-501898 A offenbarte Gleitelement unter strengen Bedingungen, die von neueren Anwendungen auferlegt werden, keine ausreichenden Festfressschutzeigenschaften bereitstellen.
Zusammenfassung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gleitelement mit herausragenden Ermüdungsschutz- und Festfressschutzeigenschaften, das mit verbesserter Produktivität herstellbar ist, bereitzustellen.
Ein Gleitelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lagerlegierungsschicht, eine Ni-basierte Zwischenschicht, die über der Lagerlegierungsschicht bereitgestellt ist, und einen Sn-basierten Überzug, der über der Ni-basierten Zwischenschicht bereitgestellt ist. Der Sn-basierte Überzug ist aus wenigstens einer Schicht gefertigt. Falls der Sn-basierte Überzug aus einer Schicht besteht, umfasst die Schicht eine erste Region mit einer Gleitoberfläche und eine zweite Region, die in Kontakt mit der Ni-basierten Zwischenregion angeordnet ist. Falls der Sn-basierte Überzug aus mehr als einer Schicht besteht, umfassen die eine oder mehreren Schichten eine erste Schicht mit einer Gleitoberfläche und eine zweite Schicht, die in Kontakt mit der Ni-basierten Zwischenschicht angeordnet ist. Die erste Schicht/Region enthält Sn und 3 Massen-% oder mehr Cu, und die zweite Schicht/Region enthält Sn und 8 Massen-% oder weniger Cu.
Die Lagerlegierungsschicht kann zum Beispiel eine Cu-basierte Lagerlegierungsschicht oder eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht umfassen. Die Cu-basierte Lagerlegierungsschicht kann aus Cu oder einer Cu-Legierung, die Nicht-Cu-Elemente enthält, bestehen. Beispiele für eine derartige Cu-Legierung umfassen Cu-Sn-Legierung, Cu-Sn-Bi-Legierung und Cu-Sn-Pb-Legierung. Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht kann aus Al oder einer Al-Legierung, die Nicht-Al-Elemente enthält, bestehen. Beispiele für derartige Al-Legierung umfassen Al-Sn-Legierung, Al-Sn-Si-Legierung und Al-Zn-Si-Legierung.
Die Lagerlegierungsschicht kann über einer Unterlage, die aus Metall, wie etwa Eisen, besteht, bereitgestellt werden.
Die Ni-basierte Zwischenschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient als eine Haftschicht, die die Verbindung der Lagerlegierungsschicht und des Sn-basierten Überzugs erleichtert. Die Ni-basierte Zwischenschicht dient auch als eine Diffusionssperrschicht, die die Bildung von spröden Verbindungen im Wesentlichen verhindert, indem die Diffusion von Sn innerhalb des Sn-basierten Überzugs in die Lagerlegierungsschicht unterdrückt wird. Die Ni-basierte Zwischenschicht besteht aus Ni oder einer Ni-Legierung. Beispiele für Ni-Legierungen umfassen Ni-Cr-Legierung, Ni-Fe-Legierung und Ni-Co-Legierung.
Die Ni-basierte Zwischenschicht kann ein Laminat sein. In einem derartigen Fall besteht jede Schicht aus Ni oder irgendeiner der vorstehend beschriebenen Ni-Legierungen.
Der Sn-basierte Überzug enthält Cu in der Sn-Matrix und andere Elemente nach Bedarf. Sn in dem Sn-basierten Überzug verbessert die Belastbarkeit des Sn-basierten Überzugs und verbessert folglich seine Ermüdungsschutzeigenschaften. Der Cu-Gehalt in dem Sn-basierten Überzug erhöht die Festigkeit des Sn-basierten Überzugs.
Der Cu-Gehalt in dem Sn-basierten Überzug riskiert jedoch die Möglichkeit der Ausbildung der Sn-Ni-Cu-Systemverbindung, der relativ anfällig für Festfressen ist, durch die Bindung von Ni, das ursprünglich in der Ni-basierten Zwischenschicht enthalten ist, und Sn und Cu in dem Sn-basierten Überzug. Wenn jedoch das Gleitelement in einer Hochtemperaturanwendung, wie etwa Verbrennungsmotoren, geheizt wird, erleichtert die Wärme die Diffusion von Sn in dem Sn-basierten Überzug in Richtung der Ni-basierten Zwischenschicht und fördert die Bildung einer Schicht der Sn-Ni-Systemverbindung, wie etwa N₃Sn₄ an der Grenzschicht des Sn-basierten Überzugs und der Ni-basierten Zwischenschicht durch die Bindung von Ni, das ursprünglich in der Ni-basierten Zwischenschicht enthalten ist, und Sn, das in dem Sn-basierten Überzug enthalten ist. Die herausragenden Festfressschutzeigenschaften der Sn-Ni-Systemverbindung verbessern die Festfressschutzeigenschaften des Gleitelements. Die Anwendung des vorstehend beschriebenen Gleitelements erlaubt die Verbesserung der Festfressschutzeigenschaften des Gleitelements, ohne zur Zeit der Herstellung eine Ni-basierte Zwischenschicht, die Sn und Ni enthält, ausbilden zu müssen.
Der Sn-basierte Überzug besteht aus wenigstens einer Schicht. Falls der Sn-basierte Überzug ein Laminat ist, wird auf die oberste Schicht, die im Betrieb in Kontakt mit einem Gegenelement angeordnet wird, als eine Sn-basierte Gleitschicht Bezug genommen, und auf die unterste Schicht, die in Kontakt mit der Ni-basierten Zwischenschicht angeordnet ist, wird als Sn-basierte unterste Schicht Bezug genommen.
Falls der Sn-basierte Überzug eine Doppelschicht ist, ist die Sn-basierte Gleitschicht über der Sn-basierten untersten Schicht bereitgestellt.
Falls der Sn-basierte Überzug eine einzelne Schicht ist, fallen die Sn-basierte Gleitschicht und die Sn-basierte unterste Schicht in der gleichen Schicht zusammen. Wenn unter der Annahme eines einzigen Sn-basierten Überzugs der Sn-basierte Überzug dicker als 2 μm ist und einen Zusammensetzungskonzentrationsgradienten in der Dickenrichtung besitzt, wird auf 2 μm des Sn-basierten Überzugs, gemessen von der Grenzfläche zu der Ni-basierten Zwischenschicht, als die Sn-basierte unterste Region Bezug genommen, und auf den Rest des Sn-basierten Überzugs wird als die Sn-basierte Gleitregion Bezug genommen.
Die vorstehend erwähnte Dickenrichtung gibt die Richtung senkrecht zu der Gleitoberfläche des Sn-basierten Überzugs unter der Annahme an, dass die Gleitoberfläche eine horizontale Oberfläche ist.
Falls der Sn-basierte Überzug aus drei oder mehr Schichten besteht, umfasst der Sn-basierte Überzug eine Sn-basierte Gleitoberfläche, eine Sn-basierte unterste Oberfläche und eine oder mehrere Schichten aus zwischen ihnen eingefügten Sn-basierten Mittelschichten. Jede Schicht enthält andere Elemente als Sn in der Sn-Matrix.
Die Sn-basierte Gleitschicht/Region des Sn-basierten Überzugs enthält 3 Massen-% oder mehr Cu. Der Cu-Gehalt von 3 Massen-% oder mehr ermöglicht, dass die Sn-basierte Gleitschicht/Region und folglich der Sn-basierte Überzug herausragende Ermüdungsschutzeigenschaften zur Geltung bringt. Der Cu-Gehalt ist vorzugsweise 12 Massen-% oder weniger. Der Cu-Gehalt von 12 Massen-% oder weniger in der Sn-basierten Gleitschicht/Region trägt zu der Belastbarkeit des Sn-basierten Überzugs bei, ohne übermäßig hart zu werden, um eine gute Beschränkung für die Verschlechterung von Ermüdungsschutzeigenschaften des Sn-basierten Überzugs bereitzustellen.
Die Sn-basierte unterste Schicht/Region des. Sn-basierten Überzugs enthält 8 Massen-% oder weniger Cu. Ein Cu-Gehalt von 8 Massen-% oder weniger verringert relativ die Menge der Bildung der Sn-Ni-Cu-Systemverbindung und minimiert folglich die Ausbildung einer Schicht der Sn-Ni-Cu-Systemverbindung an der Grenzfläche des Sn-basierten Überzugs und der Ni-basierten Zwischenschicht durch die Bindung von Ni, das ursprünglich in der Ni-basierten Zwischenschicht enthalten ist, und Sn und Cu in dem Sn-basierten Überzug. Da die Sn-Ni-Cu-Systemverbindung relativ anfällig für Festfressen ist, zeigt das vorstehend beschriebene Gleitelement durch die verringerte Bildung der Sn-Ni-Cu-Verbindung herausragende Festfressschutzeigenschaften.
Die Sn-basierte unterste Schicht/Region enthält bevorzugt 5 Massen-% oder weniger Cu. Der Cu-Gehalt von 5 Massen-% oder weniger verringert die Menge der Bildung der Sn-Ni-Cu-Systemverbindung weiter und minimiert folglich die Bildung einer Schicht aus der Sn-Ni-Cu-Systemverbindung und stellt somit ein Gleitelement mit weiter verbesserten Festfressschutzeigenschaften bereit. Falls der Sn-basierte Überzug aus zwei oder mehr Schichten besteht, braucht die Sn-basierte unterste Schicht kein Cu enthalten.
Unter den Schichten des Sn-basierten Überzugs ist die Sn-basierte unterste Schicht/Region, die in Kontakt mit der Ni-basierten Zwischenschicht angeordnet ist, vorzugsweise 0,5 μm oder dicker. Die Sn-basierte unterste Schicht/Region mit einer Dicke von 0,5 μm oder dicker macht es schwierig, Cu innerhalb der Sn-basierten Gleitoberfläche in die Ni-basierte Zwischenschicht zu transportieren. Dies verringert die Menge der Bildung der Sn-Si-Cu-Systemverbindung durch das Binden von Ni, das ursprünglich in der Ni-basierten Zwischenschicht enthalten ist, und Sn und Cu, die in dem Sn-basierten Überzug enthalten sind, was den Anteil der Sn-Ni-Verbindungsausbildung relativ erhöht, wodurch die Festfressschutzeigenschaften des Gleitelements weiter verbessert werden. Die Sn-basierte unterste Schicht/Region ist unter dem Gesichtspunkt der Ermüdungsschutzeigenschaften vorzugsweise 15 μm oder dünner.
Der Querschnitt der Zwischenschicht wird typischerweise durch Beobachtungsinstrumente oder Verfahren, wie etwa FIB-SIM (fokussiertes Ionenstrahl-Rasterbildmikroskop), SEM (Rasterelektronenmikroskop); TEM (Transmissionselektronenmikroskop), EDS/EDX (energiedispersive Röntgenstrahlungsanalyse) und WDX (wellenlängendispersive Spektroskopie) beobachtet und gemessen. Die Dicke der Sn-basierten untersten Schicht/Region und der Sn-basierten Gleitschicht/Region ist durch die maximale Dicke gegeben, die innerhalb des Beobachtungsfelds der vorstehend beispielhaft erläuterten Beobachtungsinstrumente oder Verfahren vorgegeben ist.
Die Ni-basierte Zwischenschicht enthält bevorzugt 0,01 Massen-% oder mehr und 3 Massen-% oder weniger Fe. Der Fe-Gehalt innerhalb der Ni-basierten Zwischenschicht erlaubt die Bildung von FeNi₃ aus der Bindung von Ni und Fe in der Ni-basierten Zwischenschicht. Das Vorhandensein von FeNi₃ in der Ni-basierten Zwischenschicht erhöht den Anteil von Ni mit defektem Gitter in der Ni-basierten Zwischenschicht. Das Vorhandensein des fehlerhaften. Gitters erleichtert den Diffusionstransport von Sn, das von dem Sn-basierten Überzug in die Ni-basierte Zwischenschicht transportiert wird, und den Diffusionstransport von Ni innerhalb der Zwischenschicht, wodurch die Bindung von Sn und Ni erleichtert wird. Dies bedeutet, dass die Bildung von Sn-Ni-Systemverbindungen, wie etwa Ni₃Sn₄, erleichtert wird, um die Festfressschutzeigenschaften des Gleitelements zu verbessern. Der Fe-Gehalt von 0,01 Massen-% oder höher in der Ni-basierten Zwischenschicht verstärkt die vorstehend beschriebenen dem Fe zurechenbaren Vorteile. Der Fe-Gehalt von 3 Massen-% oder weniger innerhalb der Ni-basierten Zwischenschicht optimiert andererseits die Höhe von Spannungen innerhalb von Ni der Ni-basierten Zwischenschicht, um zu verhindern, dass die Ni-basierte Zwischenschicht zu spröde ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittansicht eines Gleitelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen doppelschichtigen Sn-basierten Überzug darstellt;
2 ist eine Querschnittansicht eines Gleitelements mit einem einschichtigen Sn-basierten Überzug;
3 ist eine Querschnittansicht eines Gleitelements mit einem mehrschichtigen Sn-basierten Überzug; und
4A und 4B stellen zusammen genommen eine Aufstellung bereit, welche die Ergebnisse des Experiments angibt;
5 ist eine Aufstellung, welche die Bedingungen angibt, die in dem Ermüdungsschutztest angewendet werden; und
6 ist ein Diagramm, das die Bedingungen angibt, die in dem Festfressschutztest angewendet werden.
Beschreibung
Ein Gleitelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 bis 3 als Gleitelement 11 dargestellt. Das Gleitelement 11 besteht aus einer Lagerlegierungsschicht 13, die über der Metallunterlage 12 bereitgestellt ist; einer Ni-basierten Zwischenschicht 14, die über der Lagerlegierungsschicht 13 bereitgestellt ist und einem Sn-basierten Überzug 15, der über der Ni-basierten Zwischenschicht 14 bereitgestellt ist. In einer Ausführungsform ist die Lagerlegierungsschicht beispielhaft als Cu-basierte Legierungsschicht gezeigt.
Der Sn-basierte Überzug 15 des in 1 gezeigten Gleitelements 11 ist als eine Doppelschicht aufgebaut, die aus der Sn-basierten Gleitschicht 15a und der Sn-basierten untersten Schicht 15b besteht.
Der Sn-basierte Überzug 15 des in 2 gezeigten Gleitelements 11 ist als eine einzelne Schicht, die aus der Sn-basierten Gleitregion 15a, die sich auf der Oberseite des Gleitelements 11 befindet und eine Gleitoberfläche umfasst, die im Betrieb das Gegenelement berührt, und der Sn-basierten untersten Region 15b, die sich über der Ni-basierten Zwischenschicht 14 befindet, aufgebaut.
Der Sn-basierte Überzug 15 des in 3 gezeigten Gleitelements 11 ist als eine Mehrfachschicht aufgebaut, die aus der Sn-basierten Gleitschicht 15a, der Sn-basierten untersten Schicht 15b und wenigstens einer dazwischen eingefügten Sn-basierten Mittelschicht 15c besteht.
Als nächstes wird eine Beschreibung der Vorteile der verbesserten Ermüdungsschutz- und Festfressschutzeigenschaften des Gleitelements 11 gegeben, die durch ein Experiment gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachgewiesen werden.
Die Beschreibung beginnt mit einer Erklärung davon, wie in dem Experiment verwendete Proben hergestellt wurden. Proben, die als Beispiele 1 bis 16 und Vergleichsbeispiele 1 bis 4 identifiziert werden, wurden hergestellt, um in der Struktur ähnlich dem Gleitelement 11 zu sein.
Die Herstellung der Proben beginnt mit der Beschichtung einer pulverbasierten Cu-Lagerlegierung über einer Metallunterlage, die typischerweise aus Eisen gefertigt ist. Die beschichtete Metallunterlagenschicht wurde danach gesintert und gewalzt, um die Cu-basierte Lagerlegierungsschicht über der Metallunterlagenschicht zu bilden. Die Metallunterlagenschicht und die Cu-basierte Lagerlegierungsschicht bilden zusammen genommen ein Bimetall. Das Bimetall wurde danach gepresst, um eine Lagerschale zu erhalten. Dann wurde über der Innenumfangsoberfläche der Lagerschale durch Galvanisieren eine Ni-basierte Zwischenschicht mit Zusammensetzungen, die in 4B angegeben sind, ausgebildet. Die Oberfläche der Ni-basierten Zwischenschicht wurde weiter galvanisiert, um einen Sn-basierten Überzug mit in 4A angegebenen Zusammensetzungen zu erhalten. Die in 4A und 4B aufgeführten Proben wurden, wie vorstehend beschrieben, hergestellt.
Die Beispiele 1 bis 6 haben jeweils einen einschichtigen Sn-basierten Überzug, und somit sind die Zusammensetzung ebenso wie die Dicke der Sn-basierten untersten Region die gleichen wie die der Sn-basierten Gleitregion. Folglich sind die Zusammensetzung und die Dicke der Sn-basierten Gleitregion nicht unter der Spalte mit der Bezeichnung „Sn-basierte Gleitschicht” in 4A angegeben, sondern sind durch die unter der Spalte „Sn-basierte unterste Schicht” angegebenen Daten in 4A dargestellt.
Die Beispiele 7 bis 16 haben jeweils einen doppelschichtigen Sn-basierten Überzug, der aus einer Sn-basierten untersten Schicht, die über der Ni-basierten Zwischenschicht ausgebildet ist, und einer Sn-basierten Gleitschicht, die über der Sn-basierten untersten Schicht ausgebildet ist, besteht.
Die Ni-basierten Zwischenschichten der Beispiele 1 bis 16 wurden in einem Sulfaminsäurebad, das Nickelchlorid, Borsäure und Nickelsulfamat enthielt, ausgebildet. Das für die Beispiele 1, 3 bis 5 und 11–16 verwendete Sulfaminsäurebad enthält Fe. Die Dicke der Ni-basierten Zwischenschichten der Beispiele 1 bis 16 wurde gleichmäßig mit 3,5 μm hergestellt.
Die Sn-basierten Überzüge der Beispiele 1 bis 16 wurden in einer leicht erhältlichen Sulfonsäure ausgebildet.
Die Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden, abgesehen von kleinen Unterschieden, um verschiedene Zusammensetzungen und Dicken in der Ni-basierten Zwischenschicht und dem Sn-basierten Überzug zu erhalten, im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Beispiele 1 bis 16 ausgebildet.
Die Sn-basierten Überzüge der Vergleichsbeispiele 1, 2 und 4 sind einschichtig, und somit sind die Zusammensetzung und die Dicke der Sn-basierten Gleitregion nicht unter der Spalte mit der Bezeichnung „Sn-basierte Gleitschicht” in 4A angegeben, sondern werden durch die Daten dargestellt, die in der Spalte „Sn-basierte unterste Schicht” in 4A angegeben ist.
In der Dicke der Sn-basierten untersten Schicht und der Sn-basierten Gleitschicht der Proben wurden Anpassungen vorgenommen, indem die Stromdichte und die Dauer des Galvanisierens variiert wurden. Zum Beispiel wurde die Sn-basierte unterste Schicht des Beispiels 9 1 Minute lang galvanisiert, während die Sn-basierte unterste Schicht des Beispiels 10 3 Minuten lang galvanisiert wurde. Ebenso wurde die Sn-basierte Gleitschicht des Beispiels 9 15 Minuten lang galvanisiert, während das Beispiel 10 10 Minuten lang galvanisiert wurde.
Die vorstehend erwähnten Beobachtungsinstrumente, wie etwa FIB-SIM, SEM, TEM und EPMA wurden verwendet, um die Querschnitte des Sn-basierten Überzugs und der Ni-basierten Zwischenschicht zu beobachten.
In dem Experiment wurde die Konzentrationsanalyse unter Verwendung von EPMA oder SEM-EDX/WDX durchgeführt, als die Zielschicht 2 μm oder dicker war. Die Konzentrationsanalyse wurde innerhalb einer rechteckigen Region ausgeführt, die durch ein Paar erster Seiten und ein Paar zweiter Seiten definiert war. Die erste Seite wurde entlang der Dickenrichtung der Zielschicht genommen und war derart dimensioniert, dass sie 80% der Dicke der Zielschicht einnahm, und war derart angeordnet, dass die Mitte der ersten Seite mit der Mitte der Länge der Zielschicht, entlang der Dickenrichtung genommen, zusammenfiel. Die zweite Seite war derart dimensioniert, dass sie sich relativ zu der Dickenrichtung 20 μm senkrecht erstreckte.
Die Konzentrationsanalyse wurde unter Verwendung von TEM-EDX/WDX durchgeführt, als die Zielschicht 2 μm oder dünner war. Ähnlich wurde die Konzentrationsanalyse innerhalb einer rechteckigen Region, die durch ein Paar erster Seien und ein Paar zweiter Seiten definiert war, ausgeführt. Die erste Seite wurde entlang der Dickenrichtung der Zielschicht genommen und war derart dimensioniert, dass sie 80% der Dicke der Zielschicht einnahm, und war derart angeordnet, dass die Mitte der ersten Seite mit der Mitte der Länge der Zielschicht, entlang der Dickenrichtung genommen, zusammenfiel. Die zweite Seite war derart dimensioniert, dass sie sich relativ zu der Dickenrichtung 2 μm senkrecht erstreckte.
Zum Beispiel wurde in dem Beispiel 7 die Dicke der Sn-basierten Gleitschicht unter Verwendung von SEM mit der Vergrößerung von 2000x gemessen, während die Dicke der Sn-basierten untersten Schicht unter Verwendung der TEM mit der Vergrößerung von 10.000x gemessen wurde. Der Cu-Gehalt innerhalb der Sn-basierten Gleitschicht wurde unter Verwendung von SEM-EDX gemessen, während der Cu-Gehalt innerhalb der Sn-basierten untersten Schicht wurde unter Verwendung von TEM-EDX gemessen wurde.
In dem Beispiel 10 wurde die Dicke der Sn-basierten Gleitschicht ebenso wie der Sn-basierten untersten Schicht unter Verwendung von SEM mit der Vergrößerung von 2000x gemessen. Aufgenommene Bilder wurden analysiert, um den Cu-Gehalt jeweils innerhalb der Sn-basierten Gleitschicht und der Sn-basierten untersten Schicht zu quantifizieren.
In dem Beispiel 3 wurde eine ICP-(induktiv gekoppeltes Plasma)Analyse verwendet, um den Fe-Gehalt in der Ni-basierten Zwischenschicht zu quantifizieren. Da die ICP-Analyse von ihrem Wesen her durch die Zutaten des Sn-basierten Überzugs und der Lagerlegierung beeinflusst wird, wurde der Fe-Gehalt erhalten, indem die Messung des Inhalts derartiger Zutaten ausgenommen wurde.
Der Fe-Gehalt innerhalb der Ni-basierten Zwischenschicht war auch durch eine GDS-(Gasentladungsspektrometrie)Analysevorrichtung zu erhalten.
Die mit „Ni-Systemverbindung” bezeichnete Spalte gibt die Ni-Systemverbindung an, die die größte Fläche innerhalb einer gewissen Querschnittfläche einnahm, die in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Ni-basierten Zwischenschicht und dem Sn-basierten Überzug der Probe genommen wurde, die 500 Stunden lang auf 150 Grad Celsius geheizt wurde. Die Fläche jeder Ni-Systemkomponente wurde erhalten, indem die von den vorstehend beschriebenen Beobachtungsinstrumenten und Verfahren aufgenommenen Bilder analysiert wurden. Die Proben wurden unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen geheizt, um die Ermüdungsschutz- und die Festfressschutzeigenschaften des Gleitelements in einer Umgebung, die der Betriebsumgebung des Produkts stark ähnelt, zu bewerten.
Die wie vorstehend beschrieben erhaltenen Beispiele 1–16 wurden unter den in 5 angegebenen Bedingungen auf ihrer Ermüdungsschutzeigenschaften getestet und unter den in 6 angegebenen Bedingungen auf ihre Festfressschutzeigenschaften getestet. Die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurden unter den in 6 angegebenen Bedingungen auf ihre Festfressschutzeigenschaften getestet. Das Vergleichsbeispiel 4 wurde unter den in 5 angegebenen Bedingungen auf seine Ermüdungsschutzeigenschaften getestet.
Die Testergebnisse sind in 4B angegeben. Nachstehend ist eine Analyse der Ermüdungsschutz- und Festfressschutzeigenschafts-Testergebnisse.
Es kann aus dem Vergleich der Beispiele 1 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 angenommen werden, dass die Beispiele 1 bis 16 in einer Pseudobetriebsumgebung Festfressschutzeigenschaften aufwiesen, die den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 überlegen sind, weil die „Ni-Systemverbindungszusammensetzung” der Beispiele 1 bis 16 Sn-Ni-Verbindungen waren.
Ferner kann aus dem Vergleich des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 4 nachvollzogen werden, dass das Beispiel 1 dem Vergleichsbeispiel 4 überlegene Ermüdungsschutzeigenschaften aufweist, weil die Sn-basierte Gleitregion innerhalb des Sn-basierten Überzugs 3 Massen-% oder mehr Cu enthält.
Aus dem Vergleich des Beispiels 6 und des Vergleichsbeispiels 1 kann nachvollzogen werden, dass das Beispiel 6 dem Vergleichsbeispiel 1 überlegene Festfressschutzeigenschaften aufweist, weil die Sn-basierte unterste Region des Beispiels 6 8 Massen-% oder weniger Cu enthält.
Ferner kann aus dem Vergleich der Beispiele 10 und 13 verstanden werden, dass das Beispiel 10 dem Beispiel 13 überlegene Ermüdungsschutzeigenschaften aufweist, weil die Sn-basierte Gleitschicht in dem Sn-basierten Überzug 12 Massen-% oder weniger Cu enthält.
Es kann aus dem Vergleich der Beispiele 3 und 4 nachvollzogen werden, dass das Beispiel 3 dem Beispiel 4 überlegene Festfressschutzeigenschaften aufweist, weil die Sn-basierte Gleitregion innerhalb des Sn-basierten Überzugs weniger als 5 Massen-% Cu enthält.
Ferner kann aus dem Vergleich der Beispiele 7 und 8 nachvollzogen werden, dass das Beispiel 8 dem Beispiel 7 überlegene Festfressschutzeigenschaften aufweist, weil die Sn-basierte unterste Schicht 0,5 μm oder dicker ist.
Es kann aus dem Vergleich der Beispiele 2 und 11 ebenso wie der Beispiele 6 und 15 nachvollzogen werden, dass die Beispiele 11 und 15 den Beispielen 2 und 16 überlegene Festfressschutzeigenschaften aufweisen, weil die Ni-basierte Zwischenschicht 0,1 Massen-% μ oder mehr Cu enthält.
Wenngleich nicht gezeigt, wiesen Experimente, die auf Proben mit einer Zwischenschicht, die Ni-Legierung anstelle von Ni enthielt, basieren, im Wesentlichen die gleichen Ermüdungsschutz- und Festfressschutzeigenschaften wie die der Ni-basierten Zwischenschicht auf.
Experimente, die auf Proben mit einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht anstelle der Cu-basierten Lagerlegierungsschicht basierten, wiesen im Wesentlichen die gleichen Ermüdungsschutz- und Festfressschutzeigenschaften wie die der Cu-basierten Lagerlegierungsschicht auf. Die Proben mit einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht wurden erhalten, indem eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht nach allgemeiner Praxis ausgebildet wurde und eine Ni-basierte Zwischenschicht und ein Sn-basierter Überzug in der aufgeführten Reihenfolge über der Al-basierten Lagerlegierungsschicht ausgebildet wurden. Die vorstehend beschriebene Fertigung eines Gleitelements wird in dem folgenden Verfahrensablauf ausgearbeitet.
Das Verfahren beginnt mit dem Schmelzen einer Al-Legierung, welche die Al-basierte Lagerlegierungsschicht gestaltet, und Hinzufügen anderer Zutaten nach Bedarf. Dann wird die Al-Lagerlegierung kontinuierlich gegossen, um eine Lage aus einer Al-basierten Lagerlegierung zu erhalten, die mit einer dünnen Al-Lage pressgeschweißt wird. Die Lage aus der Al-Lagerlegierung wird danach durch die Al-Lage mit einer Metallunterlage pressgeschweißt, um ein Bimetall zu erhalten. Das Bimetall wird zu einer Lagerschale verarbeitet, wie es in der Cu-basierten Lagerlegierungsschicht der Fall war, woraufhin in der aufgeführten Abfolge eine Ni-basierte Zwischenschicht und ein Sn-basierter Überzug auf der Innenumfangsoberfläche der Lagerschale bereitgestellt wurden, um ein Gleitelement mit einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht zu erhalten.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann wie folgt nach Bedarf modifiziert werden.
Die Lagerlegierungsschicht, die Ni-basierte Zwischenschicht, der Sn-basierte Überzug und die Metallunterlage können unvermeidliche Unreinheiten enthalten. Ferner kann jede der vorstehend beschriebenen Schichten harte Partikel, wie etwa Oxide und Karbide, ebenso wie feste Schmiermittel, wie etwa Sulfide und Graphit, enthalten.
Die vorangehende Beschreibung und die Zeichnungen sind lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung und sollen in keinem einschränkenden Sinne ausgelegt werden. Vielfältige Änderungen und Modifikationen werden für Leute mit gewöhnlichen Kenntnissen der Technik offensichtlich. Alle derartigen Änderungen und Modifikationen sind als in den Bereich der Erfindung fallend zu sehen, wie er durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001-247995 A [0002, 0003, 0003, 0005]
JP 2007-501898 A [0002, 0004, 0004, 0006, 0006]

Claims

Gleitelement, das umfasst: eine Lagerlegierungsschicht; eine Ni-basierte Zwischenschicht, die über der Lagerlegierungsschicht bereitgestellt ist; und einen Sn-basierten Überzug, der über der Ni-basierten Zwischenschicht bereitgestellt ist; wobei der Sn-basierte Überzug wenigstens eine Schicht umfasst, wobei der Sn-basierte Überzug eine erste Schicht oder Region mit einer Gleitoberfläche und eine zweite Schicht oder Region, die in Kontakt mit der Ni-basierten Zwischenschicht angeordnet ist, umfasst, und wobei die erste Schicht oder Region Sn und 3 Massen-% oder mehr Cu enthält, und die zweite Schicht oder Region Sn und 8 Massen-% oder weniger Cu enthält.
Gleitelement gemäß Anspruch 1, wobei der Cu-Gehalt in der ersten Schicht oder Region 12 Massen-% oder weniger ist.
Gleitelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Cu-Gehalt in der zweiten Schicht oder Region weniger als 5 Massen-% ist.
Gleitelement gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Schicht oder Region 0,5 μm oder dicker ist.
Gleitelement gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ni-basierte Zwischenschicht 0,01 Massen-% oder mehr und 3 Massen-% oder weniger Fe enthält.