DE102020107188A1

DE102020107188A1 - Lagerlegierung, gleitstück, verbrennungsmotor und motorfahrzeug

Info

Publication number: DE102020107188A1
Application number: DE102020107188.4A
Authority: DE
Inventors: Hayato Kodama
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-09-24
Also published as: CN111720444B; JP2020152980A; CN111720444A; JP7376998B2; US20200299807A1

Abstract

Eine Lagerlegierung gemäß einer der Ausführungsformen enthält 5,5 bis 10 Massen-% Sn; 2 bis 7 Massen-% Ni; 1 bis 5 Massen-% Bi; 0 bis 0,3 Massen-% Ag; und der Rest besteht im Wesentlichen aus Cu und unvermeidlichen Verunreinigungen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagerlegierung, ein Gleitstück, einen Verbrennungsmotor und ein Motorfahrzeug.
VERWANDTE TECHNIK
Patentdokument 1 beschreibt eine Cu-basierte Lagerlegierung, in der eine primäre Ag-Phase in einer Bi-Phase aufgelöst ist, um die Fressbeständigkeit zu verbessern. Patentdokument 2 offenbart eine Cu-basierte Lagerlegierung mit einer Struktur, in der eine intermetallische Verbindung in Kontakt mit der Pb-Phase und/oder der Bi-Phase um die Pb-Phase und/oder der Bi-Phase ist, um die Fressbeständigkeit und den Ermüdungswiderstand zu verbessern, während der Pb-Gehalt reduziert wird.
STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: Veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2014-196524
Patentdokument 2: Japanisches Patent Nr. 3507388

ZUS AMMENFAS SUNG
ZU LÖSENDES PROBLEM
Bei der im Patentdokument 1 beschriebenen Lagerlegierung gibt es Raum für eine Verbesserung des Ermüdungswiderstands und der Fressbeständigkeit. Darüber hinaus enthält die im Patentdokument 2 beschriebene Lagerlegierung Pb, und es besteht die Sorge, dass die Lagerlegierung die Umwelt nachteilig beeinflussen könnte.
Im Gegensatz dazu stellt die vorliegende Erfindung ein Gleitstück, das ein Pb-freies Material verwendet und eine verbesserte Fressbeständigkeit aufweist, sowie eine Legierung für das Gleitstück bereit.
LÖSUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine Legierung für ein Gleitstück vor, umfassend 5,5 bis 10 Massen-% Sn; 2 bis 7 Massen-% Ni; 1 bis 5 Massen-% Bi; 0 bis 0,3 Massen-% Ag, wobei der Rest im Wesentlichen aus Cu und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
Der Flächenanteil der intermetallischen Verbindung Ni-Sn im Querschnitt kann 0,4 % oder mehr betragen.
In einem Querschnitt können Bi-Körner mit einer Fläche von größer gleich 30 µm² und Bi-Körner mit einer Fläche kleiner gleich 5 µm² koexistieren.
Das Verhältnis der Anzahl von Bi-Körnern mit der Fläche von 5 µm² oder weniger zur Gesamtanzahl von im Querschnitt beobachteten Bi-Körnern kann 50 % oder mehr betragen.
In dem Querschnitt kann in einem Bereich mit einem Radius von 25 µm von der Mitte der Bi-Körner mit einer Fläche von 30 µm² oder mehr, das Verhältnis der Anzahl von Bi-Körnern mit einer Fläche von 5 µm² oder weniger zu der Gesamtanzahl von Bi-Körnern in dem Bereich 50 % oder mehr betragen.
Die vorliegende Erfindung sieht außerdem ein Gleitstück mit einer Verkleidungsschicht aus der Legierung für ein Gleitstück gemäß einer der oben genannten und mit einer auf der Verkleidungsschicht gebildeten Harzüberzugsschicht oder Metallplattierschicht vor.
Darüber hinaus sieht die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor mit dem oben erwähnten Gleitstück vor.
Die vorliegende Erfindung sieht außerdem ein Motorfahrzeug mit dem oben erwähnten Verbrennungsmotor vor.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch die Verwendung eines Pb-freien Materials ein Gleitstück mit verbesserter Fressbeständigkeit, während eine Abnahme des Ermüdungswiderstands unterdrückt wird, sowie eine Legierung für das Gleitstück vorzusehen.
Figurenliste

1 zeigt ein äußeres Erscheinungsbild eines Druckgleitstücks gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein Beispiel eines Fotos des Querschnitts einer Legierung für ein Gleitstück gemäß einer Ausführungsform.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Querschnittsstruktur einer Legierung für ein Gleitstück.
4 zeigt die Wirkungen von Sn und Ni auf die Eigenschaften der Legierung.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitstücks gemäß einer Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Flächenanteil der Ni-Sn-Phase und der Abtragtiefe zeigt.
7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Flächenanteil der Ni-Sn-Phase und dem Reibungskoeffizienten zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zusammensetzung
1 zeigt ein äußeres Erscheinungsbild eines Gleitstücks gemäß einer Ausführungsform. Hier ist ein Halblager als Beispiel für ein Gleitstück dargestellt. Das Gleitstück enthält eine Schicht aus einer Legierung für das Gleitstück gemäß einer Ausführungsform. Die Legierung für das Gleitstück ist eine Cu-basierte Legierung (Kupferlegierung). Die Cu-basierte Legierung ist eine sogenannte Cu-Sn-Ni-Bi-Ag-Legierung und enthält (A) Sn, (B) Ni, (C) Bi und (D) Ag. Der Rest besteht aus Cu und unvermeidlichen Verunreinigungen. Die unvermeidlichen Verunreinigungen enthalten zum Beispiel mindestens eines von Al, Fe, Mg, Ti, B, Pb und Cr. Die unvermeidlichen Verunreinigungen sind zum Beispiel in Schmelze oder Altmetall enthalten. Der Gesamtgehalt von unvermeidlichen Verunreinigungen beträgt zum Beispiel 1,0 Massen-% oder weniger.
2 ist ein Beispiel eines Fotos des Querschnitts einer Legierung für ein Gleitstück gemäß einer Ausführungsform. Diese Bilder sind 500-fach vergrößerte Bilder, die mit SEM-EDX (unter Verwendung des JSM-6610A von Nippon Electronics Co., Ltd.) aufgenommen wurden. Das Bild auf der linken Seite der Figur ist ein Sekundärelektronenbild (SEI), und die Verteilung der Elemente Cu, Sn, Ni, Bi und Ag ist in dieser Reihenfolge von links nach rechts gezeigt. In diesen Figuren ist zu sehen, dass Sn und Ni in eine feste Lösung in Cu und eine intermetallische Verbindung von Ni-Sn unterteilt sind. Die Zusammensetzung der Probe in diesem Foto lautet wie folgt. Weitere Komponenten sind nicht enthalten oder sind unvermeidliche Verunreinigungen. Tabelle 1

Cu Sn Ni Bi Ag

Probe 1 Rest 8,5 3,0 4,2 0,19

Probe 2 Rest 6,6 4,6 3,1 0,11

Probe 3 Rest 5,4 6 2,1 0,02

in Massen-%
Der Gehalt jeder Komponente ist vorzugsweise wie folgt:

(A) Sn: 5 bis 10 Massen-%. Mehr bevorzugt beträgt der Gehalt 5 bis 8,5 Massen-%.
(B) Ni: 2 bis 7 Massen-%. Mehr bevorzugt beträgt der Gehalt 3 bis 6 Massen-%.
(C) Bi: 1 bis 5 Massen-%. Mehr bevorzugt beträgt der Gehalt 2 bis 4,5 Massen-%.
(D) Ag: 0 bis 0,3 Massen-%. Mehr bevorzugt beträgt der Gehalt 0,01 bis 0,2 Massen-%.

3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Querschnittsstruktur einer Legierung für ein Gleitstück. In der Querschnittsstruktur der Legierung für ein Gleitstück koexistieren relativ große Bi-Körner (insbesondere mit einer Fläche von 30 µm² oder mehr) und relativ kleine Bi-Körner (insbesondere mit einer Fläche von 5 µm² oder weniger) (oder sind gemischt). Insbesondere beträgt das Verhältnis der Anzahl von kleinen Bi-Körnern zur Gesamtanzahl von Bi-Körnern, die auf der Beobachtungsfläche (150 µm lang × 250 µm breit) beobachtet wurden, 50 % oder mehr, und vorzugsweise 60 % oder mehr.

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Messung des Anteils der Anzahl von kleinen Bi-Körnern für die Proben 1 bis 3. Für die Messung wurde dieselbe Vorrichtung verwendet wie für die Bildanalyse in dem nachstehend beschriebenen Versuchsbeispiel. Probe 4 ist ein Vergleichsbeispiel, dessen Zusammensetzung Cu-4Sn-6,5Bi ist. Tabelle 2

	Anteil (%) von kleinen Bi-Körnern (weniger als 5 µm²)	Anteil (%) von mittleren Bi-Körnern (5 bis 30 µm²)	Anteil (%) von großen Bi-Körnern (mehr als 30 µm²)
Probe 1	62,3	22,3	15,3
Probe 2	85,0	10,0	5,0
Probe 3	68,6	21,1	10,3
Probe 4	38,5	22,2	39,3

Wie die Ergebnisse zeigen, war in jeder der Proben 1 bis 3 der Anteil von kleinen Bi-Körnern größer, 40 % oder mehr und im Detail 60 % oder mehr, als der in Probe 4, die ein Vergleichsbeispiel ist. Der Anteil von großen Bi-Körnern betrug 30 % oder weniger, insbesondere 20 % oder weniger und sogar 16 % oder weniger. Die Fläche der Bi-Körner in dieser Messung wurde durch eine Bildanalysesoftware berechnet, wobei diese Berechnung später beschrieben wird.
Darüber hinaus sind die kleinen Bi-Körner aus einer anderen Sicht in vielen Bereichen um die großen Bi-Körner herum verteilt. Insbesondere in einem Bereich mit einem Radius von 25 µm von der Mitte der großen Bi-Körner beträgt der Anteil der kleinen Bi-Körner im Durchschnitt 50 % oder mehr, vorzugsweise 60 % oder mehr.

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Messung des Anteils der Anzahl von Bi-Körnern in einem Bereich mit einem Radius von 25 µm von der Mitte der großen Bi-Körner für die Proben 1 bis 4. Für die Messung wurde dieselbe Vorrichtung verwendet wie für die Bildanalyse in dem nachstehend beschriebenen Versuchsbeispiel. Obwohl es im Beobachtungsbereich eine Vielzahl großer Bi-Körner gibt, wurde für jedes der großen Bi-Körner ein Bereich mit einem Radius von 25 µm festgelegt, und die Ergebnisse wurden für alle großen Bi-Körner gemittelt, nachdem die Bi-Körner in dem Bereich gemessen wurden. Tabelle 3

	Anteil (%) von kleinen Bi-Körnern (weniger als 5 µm²) in dem Bereich	Anteil (%) von mittleren Bi-Körnern (5 bis 30 µm²) in dem Bereich	Anteil (%) von großen Bi-Körnern (mehr als 30 µm²) in dem Bereich
Probe 1	69,3	13,1	17,6
Probe 2	84,7	7,3	8,0
Probe 3	68,1	18,7	13,3
Probe 4	31,3	24,7	44,0

Wie die Ergebnisse zeigen, war in jeder der Proben 1 bis 3 der Anteil von kleinen Bi-Körnern größer, 40 % oder mehr und insbesondere 60 % oder mehr, als der in Probe 4, die ein Vergleichsbeispiel ist. Der Anteil von großen Bi-Körnern betrug 30 % oder weniger, insbesondere 20 % oder weniger und ferner 18 % oder weniger. Ferner ist im Gegensatz zu den in Tabelle 2 dargestellten Ergebnissen der Anteil der Anzahl der mittleren Bi-Körner in dem Bereich kleiner als der Anteil der Anzahl der mittleren Bi-Körner im gesamten Beobachtungsbereich. Umgekehrt ist der Anteil der Anzahl der großen Bi-Körner in dem Bereich größer als der Anteil der Anzahl der großen Bi-Körner im gesamten Beobachtungsbereich.
Bi ist ein weiches und selbstschmierendes Material. Die Verteilung von Bi-Körnern mit kleinem Durchmesser sowie von Bi-Körnern mit großem Durchmesser erweitert den Kontaktbereich mit Bi-Körnern auf der gegenüberliegenden Welle, was zu einer geringeren Reibung im Vergleich zu einem Fall führt, in dem nur Bi-Körner mit großem Durchmesser vorhanden sind. Die geringe Reibung führt zu einer verbesserten Fressbeständigkeit und einer verbesserten Verschleißfestigkeit. Da Bi weich ist, kann die Festigkeit des gesamten Materials verringert sein. Im Vergleich zu dem Beispiel, in dem nur großes körniges Bi verteilt ist, ist jedoch die Verringerung der Festigkeit des gesamten Materials geringer, wenn großes körniges Bi und kleines körniges Bi gemischt werden. Wenn dieses Material für einen Gleitkörper, z. B. ein Lager, verwendet wird, kann ein Effekt der Unterdrückung der Verringerung des Ermüdungswiderstands erreicht werden.
4 ist ein Diagramm, das den Einfluss von Sn und Ni auf die Eigenschaften der Legierung zeigt. Hier betrug der Sn-Gehalt 0 Massen-% oder 4,5 Massen-% und der Ni-Gehalt betrug 0 Massen-% oder 7 Massen-%. Andere Zusammensetzungen als Sn und Ni waren 3 Massen-% Bi, 0,07 % Ag und der Rest war Cu. Hinsichtlich des Reibungskoeffizienten, der Verschleißmenge, der Korrosionsmenge und der Rockwell-Härte waren die Eigenschaften in dem Beispiel mit mindestens einem von Sn und Ni im Vergleich zu dem Beispiel ohne Sn oder Ni verbessert. Insbesondere Beispiele, die sowohl Sn als auch Ni enthielten, zeigten eine weitere Verbesserung der Eigenschaften im Vergleich zu den Beispielen, die nur Sn oder nur Ni enthielten. Hinsichtlich des Reibungskoeffizienten, der Verschleißmenge, der Korrosionsmenge und der Härte war die Verbesserung in dem Beispiel, das nur Sn enthielt, größer als in dem Beispiel, das nur Ni enthielt.
Herstellungsverfahren
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitstücks unter Verwendung einer Legierung für ein Gleitstück gemäß einer Ausführungsform zeigt. In Schritt S1 wird ein Rohmaterialpulver aus einer Kupferlegierung hergestellt. In dieser Ausführungsform wird ein Cu-Sn-Ni-Bi-Ag-Legierungspulver verwendet. Zusätzlich oder stattdessen kann eine Mischung elementarer Metallpulver verwendet werden. In Schritt S2 wird das Rohmaterialpulver auf das Grundmetall gesprüht. In Schritt 3 wird ein primäres Sintern durchgeführt. Das primäre Sintern erfolgt unter Bedingungen einer Temperatur von 850 °C und einer Verweilzeit von 10 Minuten in einer wasserstoffreduzierten Atmosphäre. Nach dem primären Sintern erfolgt das Walzen (Schritt S4), gefolgt von einem sekundären Sintern (Schritt S5). Das sekundäre Sintern erfolgt unter denselben Bedingungen wie das primäre Sintern. Das Werkstück nach dem sekundären Sintern ist riemenförmig und wird zum Beispiel auf eine Walze aufgewickelt oder dem nächsten Schritt unterzogen. In Schritt S6 wird das Legierungsmaterial zu einer gewünschten Form verarbeitet, um ein Gleitstück zu erhalten.
Das so erhaltene Gleitstück ist zum Beispiel ein Halblager. Dieses Halblager wird zum Beispiel als ein sogenanntes Hauptlager in einem Verbrennungsmotor eines Motorfahrzeugs verwendet. Darüber hinaus gibt es in der verwandten Technik ein Beispiel, bei dem eine Cu-basierte Legierung mit In als Legierung für ein Gleitstück verwendet wird, wobei In jedoch relativ hohe Kosten verursacht, und es hat Fälle gegeben, in denen die Kosten zu einem Problem geworden sind. Da die Legierung für ein Gleitstück gemäß der vorliegenden Ausführungsform jedoch kein In im Bauteil enthält (In-frei), können die Kosten im Vergleich zu dem Beispiel, in dem In enthalten ist, niedrig gehalten werden.
Ausführungsform

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung stellten Probestücke von Gleitstücken unter verschiedenen Bedingungen her und bewerteten die Verschleißfestigkeit und den Reibungskoeffizienten dieser Probestücke. Die Zusammensetzungen der Legierungen, die in den hergestellten Probestücken verwendet wurden, und der Flächenanteil der Ni-Sn-Phase (Phase der intermetallischen Verbindung Ni-Sn) in der Querschnittsstruktur sind wie in Tabelle 4 dargestellt. Der Flächenanteil der Ni-Sn-Phase in der Querschnittsstruktur wurde mit den folgenden Methoden gemessen. Zunächst wurde ein Querschnitt mit SEM-EDX (unter Verwendung von JSM-6610A der Firma Nippon Electronics Corporation) bei einer 300-fachen optischen Vergrößerung fotografiert, und es wurden Bilddaten eines beobachteten Bildes erhalten. Diese Bilddaten wurden in einen Bildanalysator (LUZEX_AP von Nireko Corporation) eingegeben, und die Fläche der im beobachteten Bild vorhandenen Phase wurde gemessen. Wie in 2 gezeigt, sind in der Querschnittsstruktur der Legierungen für einen Gleitkörper die relativ dünnfarbigen Schichten im Verhältnis zu den Matrizen Ni-Sn-Phasen. Tabelle 4

	Cu	Sn	Ni	Bi	Ag	Ni-Sn Flächenanteil (%)	Abtragtiefe (mm)	Reibungskoeffizient
Versuchsbeispiel 1	Rest	5,1	6,0	1,8	< 0,01	0,3	9,7	0,113
Versuchsbeispiel 1	Rest	9,0	3,1	3,8	0,14	0,7	8,6	0,092
Versuchsbeispiel 1	Rest	8,9	6,2	4,0	0,14	1,9	8,0	0,098
Versuchsbeispiel 1	Rest	8,1	6,0	1,9	< 0,01	0,9	7,5	0,11
Versuchsbeispiel 1	Rest	5,8	1,1	2,7	0,09	0,1	11,5	0,163
Versuchsbeispiel 1	Rest	10,0	6,1	2,1	0,29	1,5	8,0	0,1
Versuchsbeispiel 1	Rest	8,0	5,3	1,6	0,21	0,4	8,7	0,125

6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Flächenanteil der Ni-Sn-Phase und der Abtragtiefe zeigt. Die Bedingungen des Abtragtests lauten wie folgt.
Test: Block-auf-Ring
Belastung: 90 N
Drehzahl: 0,5 m/s
Zeit: 30 Minuten
Öltyp: Paraffinöl
Öltemperatur: Raumtemperatur
Gemäß den experimentellen Ergebnissen ist der Verschleiß groß, wenn der Flächenanteil der Ni-Sn-Phase niedrig ist, wobei der Verschleiß mit zunehmendem Flächenanteil der Ni-Sn-Phase abnimmt und sich der Flächenanteil auf niedrigem Niveau von etwa 0,8 % oder mehr stabilisiert. Aus diesem Ergebnis ergibt sich, dass der Flächenanteil der intermetallischen Ni-Sn-Verbindung im Querschnitt vorzugsweise 0,4 % oder mehr, und mehr bevorzugt 0,8 % oder mehr beträgt.
7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Flächenanteil der Ni-Sn-Phase und dem Reibungskoeffizienten zeigt. Gemäß den experimentellen Ergebnissen ist der Reibungskoeffizient groß, wenn der Flächenanteil der Ni-Sn-Phase niedrig ist, wobei der Reibungskoeffizient mit zunehmendem Flächenanteil der Ni-Sn-Phase abnimmt und sich der Flächenanteil auf Niveaus von unter etwa 1,5 % stabilisiert. Aus diesem Ergebnis ergibt sich, dass der Flächenanteil der intermetallischen Ni-Sn-Verbindung im Querschnitt vorzugsweise 0,4 % oder mehr, und mehr bevorzugt 1,5% oder mehr beträgt. Durch die Verringerung des Reibungskoeffizienten auf diese Weise können bei der Verwendung dieses Materials für ein Gleitstück, z. B. ein Lager, die Auswirkungen eines unterdrückten Temperaturanstiegs bei hoher Belastung und eine verbesserte Fressbeständigkeit erzielt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2014196524 [0002]
JP 3507388 [0002]

Claims

Legierung für ein Gleitstück, wobei die Legierung Folgendes umfasst: 5,5 bis 10 Massen-% Sn; 2 bis 7 Massen-% Ni; 1 bis 5 Massen-% Bi; 0 bis 0,3 Massen-% Ag; und der Rest besteht im Wesentlichen aus Cu und unvermeidlichen Verunreinigungen.
Legierung für ein Gleitstück nach Anspruch 1, wobei der Flächenanteil der intermetallischen Verbindung Ni-Sn im Querschnitt 0,4 % oder mehr beträgt.
Legierung für ein Gleitstück nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Querschnitt Bi-Körner mit einer Fläche von 30 µm² oder mehr und Bi-Körner mit einer Fläche von 5 µm² oder weniger koexistieren.
Legierung für ein Gleitstück nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis der Anzahl von Bi-Körnern mit der Fläche von 5 µm² oder weniger zur Gesamtanzahl von im Querschnitt beobachteten Bi-Körnern 50 % oder mehr beträgt.
Legierung für ein Gleitstück nach Anspruch 3, wobei in einem Bereich mit einem Radius von 25 µm, dessen Mitte sich in der Mitte der Bi-Körner mit einer Fläche von 30 µm² oder mehr befindet, das Verhältnis von bestimmten Bi-Körnern zu der Gesamtanzahl von Bi-Körnern 50 % oder mehr beträgt, wobei die bestimmten Bi-Körner Bi-Körner mit einer Fläche von 5 µm² oder weniger sind.
Gleitstück, umfassend: eine Verkleidungsschicht aus einer Legierung für ein Gleitstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und eine auf der Verkleidungsschicht gebildete Harzüberzugsschicht oder Metallplattierschicht.
Verbrennungsmotor, umfassend das Gleitstück nach Anspruch 6.
Motorfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 7.