DE102016114549B4

DE102016114549B4 - Abriebfeste kupfer-basierte legierung, plattierschicht, und ventilsystemelement und gleitelement für eine verbrennungsmaschine

Info

Publication number: DE102016114549B4
Application number: DE102016114549.1A
Authority: DE
Inventors: Minoru Kawasaki; Nobuyuki Shinohara; Takehisa Fujita; Hironori Aoyama; Yasuhiro Yamamoto; Tadashi Oshima; Hajime Kato; Kouji Tanaka; Takashi Saito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2021-12-16
Anticipated expiration: 2036-08-06
Also published as: CN106435247A; US10167533B2; JP6396865B2; CN106435247B; DE102016114549A1; JP2017036470A; US20170037495A1

Abstract

Abriebfeste Kupfer-basierte Legierung, wobei die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung bezogen auf Gew.-% beinhaltet:Nickel: 5,0% bis 30,0%;Silicium: 0,5% bis 5,0%;Eisen: 3,0% bis 20,0%;Chrom: weniger als 1,0%;Niobcarbid: 0,01% bis 5,0%;Kobalt: weniger als 2,0%;zumindest eines, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdän, Wolfram und Vanadium besteht: 3,0% bis 20,0%;eine Matrix und in der Matrix dispergierte Hartteilchen,wobei die Hartteilchen Niobcarbid und um das Niobcarbid herum zumindest eines beinhalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nb-C-Mo, Nb-C-W und Nb-C-V besteht;Kupfer als Rest; undunvermeidbare Verunreinigungen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine abriebfeste Kupfer-basierte Legierung, eine Plattierlegierung, eine Plattierschicht, und ein Ventilsystemelement und ein Gleitelement für eine Verbrennungsmaschine.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Um ein Problem der Adhäsion zu vermeiden, wird eine Kupfer-basierte Legierung einer bestimmten Oberflächenbehandlung, wie etwa das Bilden eines Oxidfilms auf der Oberfläche eines Metalls, unterworfen. Beispielsweise gibt es unter Reibung und Verschleiß- bzw. Abriebbedingungen bei einer großen Temperatur von größer als 200°C eine große Wahrscheinlichkeit des Auftretens von adhäsivem Verschleiß bzw. Abriebs aufgrund des Kontakts zwischen Metallen, welche aus Materialien mit besonders niedrigen Schmelzpunkten gebildet sind. Jedoch wird eine derartige Oberflächenbehandlung im Allgemeinen in einem typischen Wärmebehandlungsprozess durchgeführt und dabei existiert insofern ein Problem, als Zeit und Herstellungskosten benötigt werden.
Insbesondere in dem Fall, in dem eine Kupfer-basierte Legierung als ein Plattiermaterial eines Abgasventilsitzes für einen Ethanolenthaltenden Brennstoff, wie etwa Benzin, verwendet wird, wird die Kupfer-basierte Legierung in einer reduzierenden Atmosphäre platziert, in welcher eine reduzierende Wirkung von Wasserstoff stark wirkt. Deshalb wird die Bildung eines Oxidfilms, der aus einem aus Molybdän, Wolfram und Vanadium, welche zur Abriebfestigkeit beitragen, Niobcarbid und dergleichen gebildet ist, nicht unterstützt, und adhäsiver Abrieb tritt einfach aufgrund des Kontakts zwischen Metallen auf. Wenn die Abriebfestigkeit, wie oben beschrieben abnimmt, kann es einen Fall geben, in dem Abrieb zu einem Ausmaß jenseits der Grenze, dass der Ventilsitz funktioniert, auftritt.
Im Fall der Zugabe von Chrom zum Zweck des Verbesserns des Korrosionswiderstands (bzw. - beständigkeit) wird ein Chrompassivoxidfilm auf der Oberfläche eines Kupfer-basierten Legierungsmaterials gebildet und deshalb wird der Korrosionswiderstand verbessert. Jedoch wird es weniger wahrscheinlich, dass ein Oxidfilm, der aus Niobcarbid und Molybdän und dergleichen gebildet ist, auf der Oberfläche des Metalls gebildet wird und es existiert insofern ein Problem, dass die Abriebfestigkeit abnimmt.
Beispielsweise offenbart die Japanische Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnr. 8-225868 ( JP 8-225868 A ) eine abriebfeste Kupfer-basierte Legierung, welche 1,0% bis 10,0% an Chrom enthält, und das Japanische Patent mit Nr. 4114922 offenbart eine abriebfeste Kupfer-basierte Legierung, die 1,0% bis 15,0% an Chrom enthält. Bei einer abriebfesten Kupferlegierung, die in der Japanischen Patentanmeldung mit Publikationsnr. 4-297536 ( JP 4-297536 A ) offenbart ist, wird angenommen, dass, in einem Fall des Enthaltens an Chrom, es bevorzugt ist Chrom in einem Verhältnis von 1,0% bis 10,0% zu beinhalten, um dessen Wirkung bzw. Effekt zu erhalten. In gleicher Weise wird, bei einer abriebfesten Kupferlegierung, die in Japanischer Patentanmeldung mit Publikationsnr. 10-96037 ( JP 10-96037 A ) offenbart ist, im Fall des Beinhaltens von Chrom, angenommen, dass es bevorzugt ist Chrom in einem Verhältnis von 1,0% bis 10,0% zu beinhalten, um die Abriebfestigkeit zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wie bei den abriebfesten Kupferlegierungen, die in JP 4-297536 A und JP 10-96037 A offenbart sind, bilden, in einem Fall, in dem Nb als ein einzelnes Element zugegeben wird, Hartteilchen eine Laves-Phase als MoFe-Silicid oder NbFe-Silicid und weisen Härte vor. Deshalb wird Silicium (Si) im Grundbestandteil zu gering und es ist zu befürchten, dass der Adhäsionswiderstand abnehmen könnte. Wie oben beschrieben, wird in Anbetracht der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und dergleichen eine vorbestimmte Menge an Chrom oder mehr zu der Kupfer-basierten Legierung gegeben. Dementsprechend verschlechtert sich die Formbarkeit des Oxidfilms, der aus Niobcarbid und Molybdän und dergleichen gebildet ist, dies führt zu einer ungenügenden Abriebfestigkeit und ungenügender Gleitfähigkeit.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Kupfer-basierte Legierung mit exzellenter Abriebfestigkeit bereit.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch das Beinhalten von Niobcarbid und zumindest einem ausgewählt aus der Gruppe, die aus Molybdän, Wolfram und Vanadium besteht, als wesentliche Elemente in einer Kupfer-basierten Legierung und das Verursachen der Chrommenge weniger als 1,0% zu sein, einfach ein Oxidfilm auf der Oberfläche eines Metalls gebildet wird, und durch das Verleihen gewünschter Oxidationseigenschaften daran, die Abriebfestigkeit verbessert werden kann.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine abriebfeste Kupfer-basierte Legierung bereitgestellt, die beinhaltet: zumindest eines ausgewählt aus der Gruppe, die aus Molybdän, Wolfram, und Vanadium besteht, und Niobcarbid; Chrom in einer Menge von weniger als 1,0% bezogen auf Gew.-% ; und eine Matrix und in der Matrix dispergierte Hartteilchen, in welcher die Hartteilchen Niobcarbid und um das Niobcarbid herum zumindest eines beinhalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nb-C-Mo, Nb-C-W und Nb-C-V besteht.
In der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung gemäß des ersten Aspekts wird jedes der Elemente in einer spezifischen Form verteilt, dadurch werden die gewünschten Oxidationseigenschaften und die exzellente Abriebfestigkeit erzielt. Es wurde herausgefunden, dass die Formbarkeit eines Oxidfilms aus Nb-C-Mo, Nb-C-W und Nb-C-V, welche um NbC herum vorhanden sind, signifikant durch die Anwesenheit von Chrom beeinflusst wird. Deshalb wird durch das Verursachen, dass die Menge an Chrom weniger als 1.0% bezogen auf Gew.-% ist, einfach ein Oxidfilm auf der Oberfläche eines Metalls gebildet und exzellente Abriebfestigkeit kann erhalten werden.
Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung beinhaltet, bezogen auf Gew.-%: Nickel: 5,0% bis 30,0%; Silicium: 0,5% bis 5,0%; Eisen: 3,0% bis 20,0%; Chrom: weniger als 1,0%; Niobcarbid: 0,01% bis 5,0%; Kobalt (Co): weniger als 2,0%; zumindest eines ausgewählt aus der Gruppe, die aus Molybdän, Wolfram und Vanadium besteht: 3,0% bis 20,0%; Kupfer als Rest; und unvermeidbare
Verunreinigungen. Der Grund für das Beschränken jeder der Komponenten wird später beschrieben werden. Jedoch wird Chrom unter den Komponenten am Einfachsten oxidiert. Deshalb kann durch das Verursachen, dass die Menge an Chrom weniger als 1,0% bezogen auf Gew.-% ist, bessere Abriebfestigkeit erhalten werden.
Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung kann kein Chrom beinhalten. Dementsprechend wird die Inhibierung der Erzeugung eines Oxidfilms, der aus Niobcarbid und Molybdän und dergleichen gebildet ist, aufgrund von Chrom unterdrückt und exzellente Abriebfestigkeit kann erhalten werden.
In der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung kann die Menge an Chrom mehr als 0% und weniger als 1,0% sein. Dementsprechend wird durch die Bildung eines Chrompassivoxidfilms Korrosionsbeständigkeit sichergestellt und die Inhibierung der Erzeugung eines Oxidfilms, der aus Niobcarbid und Molybdän und dergleichen gebildet ist, aufgrund von Chrom wird unterdrückt, dadurch wird exzellente Abriebfestigkeit erhalten.
In der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung ist eine Menge an Kobalt weniger als 2,0%. Durch das Verursachen, dass die Menge an Kobalt weniger als 2,0% ist, kann eine Abnahme in der Rissbeständigkeit verhindert werden.
In einem Fall, in dem die Menge an Kobalt weniger als 2,0% ist und die Menge an Molybdän 10% oder weniger ist, kann eine Abnahme in der Rissbeständigkeit verhindert werden.
Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung kann als eine Plattierlegierung verwendet werden. Durch Verwenden der Kupfer-basierten Legierung der vorliegenden Erfindung zum Plattieren kann eine Plattierlegierung mit exzellenter Abriebfestigkeit erhalten werden.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Plattierschicht bereitgestellt, welche aus der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung gemäß des ersten Aspekts gemacht ist. Durch Bilden der Plattierschicht unter Verwendung der Kupfer-basierten Legierung nach dem ersten Aspekt kann eine Plattierschicht mit exzellenter Abriebfestigkeit erhalten werden.
Gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilsystemelement oder Gleitelement für eine Verbrennungsmaschine bereitgestellt, welches aus der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung gemäß des ersten Aspekts gemacht ist. Durch Bilden des Ventilsystemelements oder Gleitelements unter Verwendung der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung gemäß des ersten Aspekts kann ein Ventilsystemelement oder Gleitelement mit exzellenter Abriebfestigkeit bzw. -beständigkeit erhalten werden.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen gleiche Zahlen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:

1A eine Ansicht ist, die die Elementzuordnungsresultate mittels Elektronensonden-Mikro-Analysier (engl. electron probe micro-analyzer) (EPMA)-Analyse in einer Ausführungsform einer Kupfer-basierten Legierung zeigt, und ist eine Ansicht, die die Zuordnungsresultate von Nb zeigt;
1B ist eine Ansicht, die die Elementzuordnungsresultate mittels Elektronensonden-Mikro-Analysier (EPMA)-Analyse in einer Ausführungsform einer Kupfer-basierten Legierung zeigt, und ist eine Ansicht, die die Zuordnungsresultate an Mo zeigt;
1C ist eine Ansicht, die die Elementzuordnungsresultate mittels Elektronensonden-Mikro-Analysier (EPMA)-Analyse in einer Ausführungsform einer Kupfer-basierten Legierung zeigt, und ist eine Ansicht, die die Zuordnungsresultate an C zeigt;
1D ist eine Ansicht, die die Elementzuordnungsresultate mittels Elektronensonden-Mikro-Analysier (EPMA)-Analyse in einer Ausführungsform einer Kupfer-basierten Legierung zeigt, und ist eine Ansicht, die die Zuordnungsresultate an Si zeigt;
1E ist eine Ansicht, die die Elementzuordnungsresultate mittels Elektronensonden-Mikro-Analysier (EPMA)-Analyse in einer Ausführungsform einer Kupfer-basierten Legierung zeigt, und ist eine Ansicht, die die Zuordnungsresultate an Cu zeigt;
1F ist eine Ansicht, die die Elementzuordnungsresultate mittels Elektronensonden-Mikro-Analysier (EPMA)-Analyse in einer Ausführungsform einer Kupfer-basierten Legierung zeigt, und ist eine Ansicht, die die Zuordnungsresultate an Ni zeigt;
2 ist eine Ansicht, die die Elementzuordnungsresultate mittels EPMA-Analyse in der Ausführungsform der Kupfer-basierten Legierung zeigt;
3 ist eine Graphik, die den Zusammenhang zwischen der Menge an zugegebenem Chrom und der Anstiegsrate im Gewicht in einem Oxidationstest zeigt;
4 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Mikrophotographie einer Plattierschicht, die durch das Verwenden einer Kupfer-basierten Legierung vom Vergleichsbeispiel 8 gebildet ist, zeigt;
5 ist eine Ansicht, die schematisch einen Zustand illustriert, in welchem ein Abriebfestigkeitstest an einem Teststück mit einer Plattierschicht durchgeführt wird;
6 ist eine Graphik, die einen Vergleich (Testtemperatur 600°C) in der Abriebmenge (bzw. Verschleißmenge) zwischen den Kupfer-basierten Legierungen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispielen 8 bis 10 zeigt; und
7 ist eine Graphik, die einen Vergleich (Testtemperatur: 230°C an einer Kontaktoberfläche) in der Verschleißmenge zwischen den Kupfer-basierten Legierungen vom Beispiel 1 und Vergleichsbeispielen 8 bis 10 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Kupfer-basierte Legierung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet als wesentliche Elemente Niobcarbid und zumindest eines, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdän, Wolfram und Vanadium (nachfolgend als Molybdän und dergleichen bezeichnet) besteht, und beinhaltet Chrom in einer Menge von weniger als 1,0% bezogen auf Gew.-%, wobei jedes der Elemente in einer spezifischen Form verteilt ist, dadurch werden die gewünschten Oxidationseigenschaften und exzellente Abriebfestigkeit erzielt. Die Formbarkeit eines Oxidfilms aus Nb-C-Mo, Nb-C-W und Nb-C-V, welche um NbC herum vorhanden sind, wird signifikant durch die Anwesenheit von Chrom beeinflusst. Dadurch wird einfach durch das Verursachen, dass die Menge an Chrom weniger als 1,0% bezogen auf Gew.-% ist, ein Oxidfilm auf der Oberfläche eines Metalls gebildet und kann exzellente Abriebfestigkeit erhalten werden.
Vom Gesichtspunkt des Erhaltens gewünschter Eigenschaften, welche später beschrieben werden, beinhaltet die Kupfer-basierte Legierung der Ausführungsform bezogen auf Gew.-%: Nickel (Ni): 5,0% bis 30,0%; Silicium (Si): 0,5% bis 5,0%; Eisen (Fe): 3,0% bis 20,0%; Chrom (Cr): weniger als 1,0%; Niobcarbid (NbC): 0,01% bis 5,0%; Kobalt (Co): weniger als 2,0%; zumindest eines ausgewählt aus der Gruppe, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W) und Vanadium (V) besteht: 3,0% bis 20,0%; Kupfer (Cu) als Rest; und unvermeidbare Verunreinigung.
Die Kupfer-basierte Legierung der Ausführungsform wird mit Bezug auf 1A bis 1F beschrieben. 1A bis 1F zeigen die Elementzuordnungsresultate in der Ausführungsform der Kupfer-basierten Legierung. In der Ausführungsform der Kupfer-basierten Legierung ist Molybdän in einem großen Verhältnis (bzw. Anteil) in einem Abschnitt von Niobcarbid (NbC) (1A) mit einer Wirkung des Erzeugens von Kernen in Hartteilchen vorhanden. Insbesondere ist Molybdän in der Form eines Komplexcarbids aus Nb und Mo, Nb-C-Mo (siehe 1B und 2) vorhanden. Um NbC herum ist kein Silicium vorhanden (1D) und Kohlenstoff ist in dem Abschnitt (1C) vorhanden. In einem Kupfer-basierten Material bilden Si und Ni eine netzähnliche Nickelsilicidstruktur (1D,1E und 1F).
Der Grund für das Beschränken von jeder der Komponenten, die zu der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehören, wird beschrieben.
. Nickel: 5,0% bis 30,0%
Ein Teil an Nickel wird in Kupfer in Lösung gebracht und verbessert die Zähigkeit einer Kupfer-basierten Matrix, und der andere Teil wird dispergiert, um ein hartes Silicid, das Nickel als eine primäre Komponente beinhaltet, zu bilden und erhöht die Abriebbeständigkeit. Nickel bildet eine netzähnliche Nickelsilicid-Verstärkungsschicht in einem Kupfer-basierten Material mit Silicium, welches aus einem Bereich, in dem ein Kohlenstoffbereich um NbC herum in den Hartteilchen gebildet ist, ausgeschlossen ist, und verbessert die Adhäsionsbeständigkeit des Basismaterials. Zusätzlich bildet Nickel eine harte Phase aus den Hartteilchen zusammen mit Eisen, Molybdän und dergleichen. Aufgrund eines Rests mit Silicium, das aus dem Kohlenstoffbereich in dem Hartteilchen ausgeschlossen ist, wird die obere Grenze der Nickelmenge auf 30,0% gesetzt, kann ebenfalls als 25,0% oder 20,0% veranschaulicht werden und ist nicht darauf beschränkt. Vom Gesichtspunkt des Sicherstellens der Eigenschaften einer Kupfer-Nickel-basierten Legierung, insbesondere von guter Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Abriebfestigkeit, des Sicherstellens der Zähigkeit durch ausreichende Erzeugung von Hartteilchen, des Unterdrückens der Erzeugung von Rissen, wenn eine Plattierschicht gebildet wird, und des Beibehaltens der Plattiereigenschaften hinsichtlich eines Objekts, in einem Fall des weiteren Durchführens von Plattieren, wird die untere Grenze der Nickelmenge auf 5,0% eingestellt, kann als 10,0% oder 15,0% veranschaulicht werden und ist nicht darauf beschränkt. In Anbetracht der oben beschriebenen Umstände wird die Nickelmenge in der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform auf 5,0% bis 30,0%, bevorzugt 10% bis 25% und mehr bevorzugt 15% bis 20% eingestellt.
. Silicium: 0,5% bis 5,0%
Silicium ist ein Element, das ein Silicid bildet, und bildet ein Silicid, das Nickel als eine Primärkomponente beinhaltet, oder ein Silicid, das Molybdän (Wolfram oder Vanadium) als eine Primärkomponente beinhaltet, dadurch trägt es zur Verstärkung der Kupfer-basierten Matrix bei. In einem Fall, in dem die Menge des Nickelsilicids niedrig ist, nimmt die Adhäsionsbeständigkeit des Basismaterials ab. Zusätzlich weist das Silicid, das Molybdän (Wolfram oder Vanadium) als eine primäre Komponente beinhaltet, eine Wirkung des Beibehaltens von Hochtemperaturgleitfähigkeit der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform auf. Vom Gesichtspunkt des Sicherstellens der Zähigkeit durch ausreichende Erzeugung von Hartteilchen, des Unterdrückens der Erzeugung von Rissen, wenn eine Plattierschicht gebildet wird, und des Beibehaltens der Plattiereigenschaften hinsichtlich eines Objekts, in einem Fall des weiteren Durchführens von Plattieren, wird die obere Grenze der Siliciummenge auf 5,0% eingestellt, kann als 4,5% oder 3,5% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. Vom Gesichtspunkt des ausreichenden Erhaltens der oben beschriebenen Effekte wird die untere Grenze der Siliciummenge auf 0,5% eingestellt, kann als 1,5% oder 2,5% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. In Anbetracht der oben beschriebenen Umstände wird die Siliciummenge in der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf 0,5% bis 5,0%, bevorzugt 1,5% bis 4,5% und mehr bevorzugt 2,5% bis 3,5% eingestellt.
. Eisen: 3,0% bis 20,0%
Eisen wird kaum in der Kupfer-basierten Matrix in Lösung gebracht und ist in einem Teil außerhalb des umgebenden Teils von NbC in den Hartteilchen hauptsächlich als ein Fe-Mo-basiertes -, Fe-W-basiertes - oder Fe-V-basiertes Silicid vorhanden. Das Fe-Mo-basierte -, Fe-W-basierte - oder Fe-V-basierte Silicid weist niedrigere Härte und gering höhere Zähigkeit als diejenige eines Co-Mo-basierten Silicids auf. Vom Gesichtspunkt des Erhaltens von Abriebfestigkeit durch ausreichendes Erzeugen von Hartteilchen wird die obere Grenze der Eisenmenge auf 20,0% eingestellt, kann als 15,0% oder 10.0% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. Vom Gesichtspunkt des Erhaltens von Abriebfestigkeit durch ausreichendes Erzeugen von Hartteilen wird die untere Grenze der Eisenmenge auf 3,0% eingestellt, kann als 5,0% oder 7,0% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. In Anbetracht der oben beschriebenen Umstände wird die Eisenmenge in der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform auf 3,0% bis 20,0%, bevorzugt 5,0% bis 15,0% und mehr bevorzugt 7,0% bis 10,0% eingestellt.
. Chrom: weniger als 1,0%
Unter den Komponenten, die in der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform enthalten sein können, wird, aus einem Ellingham-Diagramm (beispielsweise wird auf http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/interactive.php verwiesen), das die Leichtigkeit der Oxidation zeigt, Chrom am einfachsten oxidiert. NbCMo, welches um NbC herum vorhanden ist, weist einen größeren Grad des Inhibierens der Bildung eines Oxidfilms aufgrund der Anwesenheit von Chrom als FeMoSi auf. Wenn die Menge an Chrom groß ist, wird eine kleine Menge an Sauerstoff durch Chrom verbraucht, welches die Oxidation von Molybdän und dergleichen inhibiert, und die Bildung eines Oxidfilms aus Molybdän und dergleichen inhibiert. Die Abriebfestigkeit wird durch einen Oxidfilm aus Molybdän und dergleichen auf der Oberfläche der Hartteilchen sichergestellt. Deshalb nimmt, wenn die Menge an Chrom groß ist, die Abriebfestigkeit ab. Deshalb wird die Chrommenge auf weniger als 1,0% eingestellt und die obere Grenze der Menge davon kann als 0,8%, 0,6%, 0,4%, 0,1% oder 0,001% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. Vom oben beschriebenen Gesichtspunkt ist es bevorzugt, dass die Kupfer-basierte Legierung der Ausführungsform kein Chrom enthält.
. Niobcarbid: 0,01% bis 5,0%
Niobcarbid weist eine Wirkung des Erzeugens von Kernen in Hartteilchen auf, erzielt die Verfeinerung der Hartteilchen und trägt deshalb zu der Vereinbarkeit zwischen der Rissbeständigkeit und der Abriebfestigkeit bei. Niobcarbid bildet einen Kohlenstoffbereich in den Hartteilchen, und dadurch wird Silicium aus dem Bereich ausgeschlossen. Deshalb wird die Menge der netzähnlichen Nickelsilicid-Verstärkungsschicht in dem Kupfer-basierten Material erhöht, und dadurch wird die Adhäsionsbeständigkeit des Basismaterials verbessert. Im Gegenteil hierzu bildet sich, in einem Fall, in dem Niob in der Form eines einzelnen Elements, nicht Niobcarbid, zugegeben wird, wobei Niob die gleichen Effekte wie diejenigen von Molybdän und dergleichen vorweist, eine Laves-Phase aus MoFe-Silicid oder NbFe-Silicid in den Hartteilchen, und zeigt dadurch unterschiedliche Wirkungen von denjenigen von Niob und in der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform. Um die Inhibierung der Rissbeständigkeit zu vermeiden, wird die obere Grenze der Niobcarbidmenge auf 5,0% eingestellt, kann als 4,0%, 3,0%, 2,0% oder 1,0% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. Vom Gesichtspunkt des Erhaltens eines Verbesserungseffekts der Verfeinerung der Hartteilchen durch die Zugabe von Niobcarbid wird die untere Grenze der Niobcarbidmenge auf 0,01% eingestellt, kann als 0,1%, 0,3%, 0,6% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. In Anbetracht der oben beschriebenen Umstände kann die Niobcarbidmenge in der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform auf 0,01% bis 5,0%, bevorzugt 0,1% bis 2,0% und mehr bevorzugt 0,6% bis 1,0% eingestellt werden.
. Zumindest eines, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Molybdän, Wolfram und Vanadium besteht: 3,0% bis 20,0%
Molybdän ist wie NbCMo um NbC herum vorhanden. NbCMo weist einen höheren Grad der Inhibierung der Formbarkeit eines Oxidfilms aufgrund der Anwesenheit von Chrom als FeMoSi auf. Deshalb ist, in der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform, in welcher Chrom in dem oben beschriebenen Bereich beinhaltet ist, der Grad der Inhibierung der Bildung eines Oxidfilms, welcher zur Abriebfestigkeit beiträgt, signifikant reduziert, und der Oxidfilm wird einfach gebildet. Deshalb werden die gewünschten Oxidationseigenschaften bereitgestellt. Insbesondere bedeckt dieses Oxid die Oberfläche der Kupfer-basierten Matrix während der Verwendung und ist nützlich, um direkten Kontakt zwischen einem Gegenmaterial und der Matrix zu vermeiden. Dementsprechend wird die eigene (bzw. selbst-) Gleitfähigkeit sichergestellt. Wolfram und Vanadium weisen im Wesentlichen die gleichen Wirkungen wie die von Molybdän auf. Zusätzlich wird Molybdän an Silicium gebunden und bildet ein Silicid (ein Fe-Mo-basiertes Silicid mit Zähigkeit außerhalb des umgebenden Teils von NbC) in den Hartteilchen, dadurch wird die Abriebfestigkeit und Gleitfähigkeit bei hohen Temperaturen erhöht. Das Silicid weist geringere Härte und höhere Zähigkeit als diejenigen des Co-Mo-basierten Silicids auf. Das Silicid wird in den Hartteilchen erzeugt und erhöht die Abriebfestigkeit und Gleitfähigkeit bei hohen Temperaturen. Um einen exzessiven Anstieg in der Menge der Hartteilchen zu vermeiden, eine Abnahme in der Zähigkeit und Rissbeständigkeit und der Leichtigkeit der Erzeugung von Rissen wird die obere Grenze der Menge an Molybdän und dergleichen auf 20,0% eingestellt, kann als 15,0%, 10,0% oder 8,0% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. Vom Gesichtspunkt des Sicherstellens der Abriebfestigkeit durch ausreichende Erzeugung von Hartteilchen wird die untere Grenze der Menge an Molybdän und dergleichen auf 3,0% eingestellt, kann als 4,0%, 5,0% oder 6,0% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. In Anbetracht der oben beschriebenen Umstände kann die Menge an Molybdän und dergleichen in der Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform auf 3,0% bis 20,0%, bevorzugt 4,0% bis 10,0% und mehr bevorzugt 5,0% bis 8,0% eingestellt werden. Wie später beschrieben wird, ist in einem Fall, in dem die Kupfer-basierte Legierung der Ausführungsform Kobalt enthält, Kobalt in einer Menge von bevorzugt weniger als 2,0% und mehr bevorzugt weniger als 0,01% enthalten. Es ist insbesondere bevorzugt, dass kein Kobalt enthalten ist. In diesem Fall ist es bevorzugt die Zähigkeit durch Erhöhen der Menge an Molybdän und dergleichen, die zugegeben werden, sicherzustellen. In diesen Fall, vom Gesichtspunkt des Vermeidens einer Abnahme in der Rissbeständigkeit wird die obere Grenze der Menge an Molybdän und dergleichen auf 10% eingestellt.
. Kobalt: weniger als 2,0%
Kobalt in einer Menge von bis zu 2,00% bildet einen Mischkristall mit Nickel, Eisen, Chrom und dergleichen und verbessert die Zähigkeit. In einem Fall, in dem die Menge an Kobalt groß ist, wird Kobalt in die Nickelsilicidstruktur inkorporiert, dies führt zu einer Abnahme in der Rissbeständigkeit (4). Deshalb wird vom Gesichtspunkt dies zu vermeiden die Menge an Kobalt auf weniger als 2,0%, bevorzugt weniger als 0,01% eingestellt und die obere Grenze davon kann als 1,5%, 1,0% oder 0,5% veranschaulicht werden und ist nicht darauf limitiert. Von diesem Gesichtspunkt ist es insbesondere bevorzugt, dass die Kupfer-basierte Legierung der Ausführungsform kein Kobalt enthält.
Ein Beispiel der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung gemäß der Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben werden.
Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung gemäß der Ausführungsform kann als eine Plattierlegierung für das Plattieren eines Objekts verwendet werden. Als ein Plattierverfahren kann ein Verfahren des Durchführens von Plattieren durch Abscheidung unter Verwendung einer Wärmequelle mit großer Energiedichte, wie etwa eines Laserstrahls, Elektronenstrahls oder Bogens, verwendet werden. In einem Fall des Plattierens wird die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung gemäß der Ausführungsform zu einem Pulver gebildet (bzw. geformt), um als ein Plattiermaterial verwendet zu werden, und in einem Zustand, in welchem das Pulver zu einem Abschnitt, der zu Plattieren ist, zugeführt wird, kann das Plattieren durch Abscheiden unter Verwendung der Wärmequelle mit großer Energiedichte, wie etwa einem Laserstrahl, Elektronenstrahl oder Bogens, durchgeführt werden. Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung ist nicht auf die Form eines Pulvers limitiert und kann in der Form eines drahtgeformten oder stabgeformten Plattiermaterials verwendet werden. Beispiele des Laserstrahls beinhalten Laserstrahlen mit einer großen Energiedichte, wie etwa ein Kohlenstoffdioxidlaserstrahl und ein YAG-Laserstrahl. Beispiele des Materials des Objekts, das zu Plattieren ist, beinhalten Aluminium, Aluminium-basierte Legierungen, Eisen, eine Eisen-basierte Legierung, Kupfer und eine Kupfer-basierte Legierung. Beispiele der Grundzusammensetzung einer Aluminiumlegierung, die in dem Objekt enthalten ist, beinhalten Gussaluminiumlegierungen, wie etwa Al-Si-basierte -, Al-Cu-basierte -, Al-Mgbasierte - und AI-Zn-basierte Legierungen. Beispiele der Objekte beinhalten eine Maschine, wie etwa eine (interne) Verbrennungsmaschine. Im Fall einer Verbrennungsmaschine wird ein Ventilsystemmaterial veranschaulicht. In dem Fall kann die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung auf einen Ventilsitz, der in einer Abgasöffnung beinhaltet ist, oder einen Ventilsitz, der in einer Ansaugöffnung beinhaltet ist, aufgebracht werden. In diesem Fall kann der Ventilsitz selber aus der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform gebildet werden, oder der Ventilsitz kann mit der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung der Ausführungsform plattiert werden. Jedoch ist die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung gemäß der Ausführungsform nicht auf ein Ventilsystemmaterial einer Maschine, wie etwa einer Verbrennungsmaschine, limitiert und kann ebenfalls für ein Gleitelement eines weiteren Systems, in welchem Abriebfestigkeit benötigt wird, einem Gleitelement oder einem gesintertem Produkt verwendet werden. Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung gemäß der Ausführungsform enthält kein Zink oder Zinn als ein aktives Element und kann deshalb die Erzeugung von Rauch sogar in einem Fall des Plattierens unterdrücken. Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung gemäß der Ausführungsform enthält kein Aluminium als ein aktives Element und kann deshalb die Erzeugung einer Verbindung aus Cu und AI so unterdrücken, dass die Duktilität beibehalten werden kann.
In einem Fall, in dem die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung gemäß der Ausführungsform zum Plattieren verwendet wird, kann die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung eine Plattierschicht nach dem Plattieren bilden oder kann als eine Plattierlegierung vor dem Plattieren verwendet werden.
Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung gemäß der Ausführungsform kann auf beispielsweise einem Kupfer-basierten Gleitelement oder Gleitabschnitt aufgebracht werden. Insbesondere kann die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung ebenfalls auf einem abriebfesten Kupfer-basierten Ventilsystemmaterial, das in einer Verbrennungsmaschine montiert ist, aufgebracht werden. Die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung gemäß der Ausführungsform kann zum Plattieren, Gießen und Sintern verwendet werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen beschrieben werden, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Umfang der Beispiele limitiert.
Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 bis 7 und 8 bis 10
Die Zusammensetzungen (Mischungszusammensetzungen) der abriebfesten Kupfer-basierten Legierungen der Beispiele 1 bis 3 und der Kupfer-basierten Legierungen der Vergleichsbeispiele 1 bis 7 sind in Tabelle 1 gezeigt.

Vergleichsbeispiel 8 korrespondiert zu der in JP 4-297536 A offenbarten Kupfer-basierten Legierung. Vergleichsbeispiel 9 korrespondiert zu der in JP 8-225868 A offenbarten Kupfer-basierten Legierung. Vergleichsbeispiel 10 korrespondiert zu der im japanischen Patent mit Nr. 4114922 offenbarten Kupfer-basierten Legierung. Die Komponenten der abriebfesten Kupfer-basierten Legierungen der Beispiele 1 bis 3 und der Kupfer-basierten Legierungen der Vergleichsbeispiele 1 bis 7 sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

	Komponente (Gew.-%)
	Cr	Cu	Ni	Si	Mo	Fe	Nb	C
Beispiel 1	0,00	62,649	17,800	2,960	6,060	9,550	0,790	0,070
Beispiel 2	0,25	62,492	17,756	2,953	6,045	9,526	0,788	0,070
Beispiel 3	0,75	62,179	17,667	2,938	6,015	9,478	0,784	0,069
Vergleichsbeispiel 1	1,00	62,023	17,622	2,930	5,999	9,455	0,782	0,069
Vergleichsbeispiel 2	1,50	61,709	17,533	2,916	5,969	9,407	0,778	0,069
Vergleichsbeispiel 3	2,00	61,396	17,444	2,901	5,939	9,359	0,774	0,069
Vergleichsbeispiel 4	2,50	61,083	17,355	2,886	5,909	9,311	0,770	0,068
Vergleichsbeispiel 5	3,00	60,770	17,266	2,871	5,878	9,264	0,766	0,068
Vergleichsbeispiel 6	5,00	59,517	16,910	2,812	5,757	9,073	0,751	0,067
Vergleichsbeispiel 7	10,00	56,384	16,020	2,664	5,454	8,595	0,711	0,063

Die abriebfesten Kupfer-basierten Legierungen der Beispiele 1 bis 3 und der Kupfer-basierten Legierungen der Vergleichsbeispiele 1 bis 7 und 8 bis 10 waren Pulver, die durch Mischen der Komponenten in den entsprechenden Zusammensetzungen und Durchführen einer Gasatomisierungsbehandlung (bzw. Gaszerstäubungsbehandlung) an geschmolzenen Legierungen, die in einem Hochvakuum geschmolzen wurden, hergestellt. Die Teilchengröße der Pulver war 5 |jm bis 300 |jm. Die Gasatomisierungsbehandlung wurde durch das sich Durchdrängen von geschmolzenem Metall bei einer hohen Temperatur durch eine Düse in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre (Argongas- oder Stickstoffgasatmosphäre) durchgeführt. Da das Pulver durch die Gasatomisierungsbehandlung gebildet wird, weist das Pulver eine große Komponentengleichförmigkeit auf.
Die Plattierschicht wurde auf die gleiche Art und Weise wie die in dem Verfahren, das im Japanischen Patent mit Nr. 4114922 beschrieben ist, gebildet.
Ein Substrat, das aus einer Aluminiumlegierung (Material: AC2C) gebildet ist, wurde als ein Plattierobjekt verwendet, und in einem Zustand, in welchem die Probe auf einem in dem Substrat zu plattierenden Abschnitt platziert wurde und eine Pulverschicht bildete, wurde ein Laserstrahl eines Kohlenstoffdioxidlasers durch einen Strahloszillator oszilliert. Zusätzlich wurde durch relatives Bewegen des Laserstrahls und des Substrats die Pulverschicht mit dem Laserstrahl bestrahlt. Die Pulverschicht wurde dann geschmolzen und so verfestigt, dass eine Plattierschicht (Plattierdicke: 2,0 mm und Plattierbreite: 6,0 mm) auf dem zu plattierenden Abschnitt in dem Substrat gebildet wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde ein abschirmendes Gas (Argongas) in Richtung auf den Plattierpunkt aus einem Gaszufuhrrohr geblasen. Während des Bestrahlungsprozesses wurde der Laserstrahl in der Breitenrichtung der Pulverschicht durch den Strahloszillator oszilliert. Während des Bestrahlungsprozesses war die Laserleistung des Kohlenstoffdioxidlasers auf 4,5 kW eingestellt, war der Punktdurchmesser des Laserstrahls auf der Pulverschicht auf 2,0 mm eingestellt, war die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zu dem Substrat auf 15,0 mm/sek eingestellt und war die Flussrate des abschirmenden Gas auf 10 l/min eingestellt.
<Oxidationstest>
(1) Probenzubereitung
Für jede der Kupfer-basierten Legierungen wurde eine Probe, die zu einer rechteckigen Quaderform (bzw. Parallelepipedonform) mit einer Probenform von 10 mm in der Länge ×10 mm in der Breite ×1 mm in der Dicke verarbeitet wurde, zubereitet.
(2) Gewichtsmessung
Das anfängliche Gewicht der Probe wurde gemessen.
(3) Erwärmung
Die Probe wurde in einem elektrischen Ofen, der auf 500°C erwärmt wurde, für 100 Stunden gehalten (bzw. beibehalten).
(4) Gewichtsmessung
Das Gewicht der Probe nach dem Erwärmen wurde gemessen.
(5) Berechnung der Anstiegsrate im Gewicht
Die Anstiegsrate im Gewicht wurde aus dem folgenden Ausdruck berechnet unter Verwendung der Messergebnisse von (2) und (4): Anstiegsrate im Gewicht = (Gewicht nach dem Erwärmen - anfänglichem Gewicht)/anfänglichem Gewicht x 100 (%).
Die Testergebnisse der abriebfesten Kupfer-basierten Legierungen der Beispiele 1 bis 3 und der Kupfer-basierten Legierungen der Vergleichsbeispiele 1 bis 7 sind in 3 gezeigt. Es kann aus 3 erkannt werden, dass die Oxidationseigenschaften in einem Fall, in dem die Chromenge weniger als 1,0% bezogen auf Gew.-% ist, verbessert sind.
<Abriebtest>
Die Abriebfestigkeit wurde unter Verwendung eines Adhäsiv-Abriebtesters vom Typ des wiederholten Hammers, der in 5 illustriert ist, gemessen. Der Tester war von einem Typ, in welchem, in Anbetracht eines Betriebs zwischen einem Ventil und einem Ventilsitz, ein Hochtemperatur-Inertgas in Richtung auf eine Teststück-Kontaktoberfläche so geblasen wurde, um erwärmt zu werden und in der Zwischenzeit wurde die Oberfläche wiederholt mit der Spitze eines säulenförmigen Gegenelements behämmert. Das Gegenelement wurde mit ungefähr 1 U/min rotiert. In dem Tester wurde eine Heizung zum Heizen des geblasenen Gases durch ein Thermoelement, das an dem Endabschnitt des Teststücks so angeheftet ist, dass die Temperatur der Kontaktoberfläche kontrolliert wurde, kontrolliert. Die Adhäsionsbeständigkeit wurde durch das Gewicht eines Sitzmaterials, das an das Gegenelement angehaftet war, gemessen. Die spezifischen Testbedingungen waren wie folgt. [Tabelle 2]

Maximale Last (MPa) 9,8

Schlagfrequenz (Hz) 16,7

Zeit (ks) 3,6

Gegenelement SUH35^*
^*Fe-21Cr-9Mn-4N i-0,5C
Die Testergebnisse der abriebfesten Kupfer-basierten Legierungen des Beispiels 1 als die Plattierschicht und der Kupfer-basierten Legierungen der Vergleichsbeispiele 8 bis 10 sind in 6 (Testtemperatur: 600°C) und 7 (Testtemperatur: 230 °C an der Kontaktfläche) gezeigt. Bei jeder der Testtemperaturen, die in 6 und 7 gezeigt sind, war die Abriebmenge der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung des Beispiels 1 niedriger als diejenigen der Kupfer-basierten Legierungen der Vergleichsbeispiele 8 bis 10.
<Morphologie der Kupfer-basierten Legierung>
Die Erfinder untersuchten die Struktur der Plattierschicht des Beispiels 1 unter Verwendung eines EPMA-Analysierers. NbCMo wurde um NbC gebildet. Die Matrix, die die Plattierschicht bildet, wurde durch Beinhalten, als ein Primärelement, eines Cu-Ni-basierten Mischkristalls und eines netzähnlichen Silicids, das Nickel als Primärkomponenten beinhaltet, gebildet. Es wurde bestätigt, dass ein Komplexcarbid aus Nb und Mo in den Hartteilchen in der Struktur der Plattierschicht des Beispiels 1 (2) gebildet wurde. Die Struktur der Plattierschicht des Beispiels 1 wurde unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers inspiziert und es wurde bestätigt, dass die Matrix, die die Plattierschicht bildet, durch Beinhalten, als ein Primärelement, eines Cu-Ni-basierten Mischkristalls und eines netzähnlichen Silicids, das Nickel als Primärkomponenten beinhaltet, gebildet wurde.
Die Kupfer-basierte Legierung der Ausführungsform kann auf eine Kupfer-basierte Legierung aufgebracht werden, die einen Gleitabschnitt eines Gleitelements bildet, das durch ein Ventilsystemelement, wie etwa ein Ventilsitz oder ein Ventil in einer Verbrennungsmaschine, dargestellt ist.

Claims

Abriebfeste Kupfer-basierte Legierung, wobei die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung bezogen auf Gew.-% beinhaltet: Nickel: 5,0% bis 30,0%; Silicium: 0,5% bis 5,0%; Eisen: 3,0% bis 20,0%; Chrom: weniger als 1,0%; Niobcarbid: 0,01% bis 5,0%; Kobalt: weniger als 2,0%; zumindest eines, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdän, Wolfram und Vanadium besteht: 3,0% bis 20,0%; eine Matrix und in der Matrix dispergierte Hartteilchen, wobei die Hartteilchen Niobcarbid und um das Niobcarbid herum zumindest eines beinhalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nb-C-Mo, Nb-C-W und Nb-C-V besteht; Kupfer als Rest; und unvermeidbare Verunreinigungen.
Abriebfeste Kupfer-basierte Legierung nach Anspruch 1, wobei die abriebfeste Kupfer-basierte Legierung kein Chrom beinhaltet.
Abriebfeste Kupfer-basierte Legierung nach Anspruch 1, wobei die Menge an Chrom mehr als 0% und weniger als 1,0% ist.
Abriebfeste Kupfer-basierte Legierung nach Anspruch 1, wobei eine Menge an Molybdän 10% oder weniger ist.
Verwendung der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als eine Plattierlegierung.
Plattierschicht, welche aus der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gemacht ist.
Ventilsystemelement für eine Verbrennungsmaschine, welches aus der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gemacht ist.
Gleitelement für eine Verbrennungsmaschine, welches aus der abriebfesten Kupfer-basierten Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gemacht ist.