DE102020212054A1

DE102020212054A1 - Gleitelement

Info

Publication number: DE102020212054A1
Application number: DE102020212054.4A
Authority: DE
Inventors: Ryo Hanai
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2021-04-01
Also published as: GB2589723B; GB2589723A; JP2021050398A; GB202015223D0; KR102389751B1; US20210095719A1; KR20210036831A; US11333198B2; CN112555284A; JP7389600B2; CN112555284B

Abstract

Ein Gleitelement (1) umfasst eine Stützmetallschicht (2) und eine Gleitschicht (3) aus einer Kupferlegierung (4). Die Stützmetallschicht ist hergestellt aus einem untereutektoiden Stahl mit 0,07 bis 0,35 Masse-% Kohlenstoff und hat eine Struktur mit einer Ferritphase (6) und Perlit (7). Die Stützmetallschicht umfasst einen porenhaltigen Bereich (5) mit einer Vielzahl von geschlossenen Poren (51), die nicht zu einer Bindungsoberfläche (21) hin offen sind, wenn man einen Querschnitt senkrecht zu einer Gleitfläche (31) betrachtet. Die geschlossenen Poren haben eine durchschnittliche Größe von 5 bis 15 µm. Der porenhaltige Bereich erstreckt sich von der Bindungsoberfläche zu einem inneren Teil der Stützmetallschicht und hat eine Dicke von 10 bis 60 µm. Das Verhältnis des porenhaltigen Bereichs (V2/V1) des Gesamtvolumens V2 der geschlossenen Poren zu einem Volumen V1 des porenhaltigen Bereichs beträgt 0,05 bis 0,1.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gleitelement für ein Lager, das z.B. in Verbrennungsmotoren oder Automatikgetrieben verwendet wird, oder ein Lager, das in verschiedenen Maschinen verwendet wird. Konkret bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Gleitelement mit einer Gleitschicht auf einer Stützmetallschicht.
Stand der Technik
Ein Gleitelement wie z.B. ein Gleitlager wurde für eine Lagervorrichtung eines Verbrennungsmotors, eines Automatikgetriebes oder ähnliches verwendet. Ein solches Gleitlager ist in einer zylindrischen oder halbzylindrischen Form aus einem Gleitwerkstoff mit einer Gleitschicht aus Kupferlegierung auf einer Stahl-Stützmetallschicht gebildet. Beispielsweise beschreiben JP 6-322462 A und JP 2002-220631 A ein Gleitelement mit einer Gleitschicht aus einer Kupfer-Blei-Lagerlegierung oder Phosphorbronze. Bei einem solchen Gleitelement erreicht die Gleitschicht aus einer Kupferlegierung Fresssicherheit und Verschleißbeständigkeit sowie Gleiteigenschaften, während die Stützmetallschicht als Träger der Kupferlegierung fungiert und dem Gleitelement Festigkeit verleiht.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors oder des Automatikgetriebes trägt das Gleitelement eine dynamische Belastung von einem Gegenwellenelement auf der Gleitfläche der Gleitschicht. Beispielsweise ist ein Gleitlager in einer zylindrischen Lageraufnahmebohrung eines Lagergehäuses des Verbrennungsmotors oder des Automatikgetriebes montiert und trägt eine dynamische Last von einem rotierenden Gegenwellenelement. In den letzten Jahren haben der Verbrennungsmotor und das Automatikgetriebe ein geringeres Gewicht, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, was zu einer geringeren Steifigkeit des Lagergehäuses als bei einem herkömmlichen Lagergehäuse führt. Bei der Lagervorrichtung des Verbrennungsmotors und des mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Automatikgetriebes ist es daher wahrscheinlicher, dass sich das Lagergehäuse während des Betriebs des Verbrennungsmotors durch eine dynamische Belastung durch das Gegenwellenelement elastisch verformt. Das an der Lageraufnahmebohrung des Lagergehäuses montierte Gleitelement (Gleitlager) wird durch die Verformung des Lagergehäuses in Umfangsrichtung elastisch verformt. Bei einem herkömmlichen Gleitelement führt ein Unterschied in der Größe der elastischen Verformung zwischen der Gleitschicht aus der Kupferlegierung und der Stahl-Stützmetallschicht bei einer variierenden Umfangskraft auf das Gleitlager in einigen Fällen zu einem Scherversagen an einer Grenzfläche zwischen der Gleitschicht und der Stützmetallschicht, was zum Bruch des Gleitelements führt.
JP 2006-22896 A hat zum Ziel, die Haftfestigkeit zwischen einer Lagerlegierungsschicht und einer Stahl-Stützmetallschicht zu verbessern. In JP 2006-22896 A wird eine Legierung auf Cu-Sn-Fe-Basis als Kupferlegierung verwendet, und eine Sn-Fe-Verbindung wird durch Wärmebehandlung ausgeschieden, um zu bewirken, dass die Kupferlegierung feinere Körner aufweist, wodurch die Haftfestigkeit zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Stahl-Stützmetallschicht verbessert wird.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die in JP 2006-22896 A beschriebene Methode kann die Haftfestigkeit zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Stahl-Stützmetallschicht verbessern. Die Methode reicht jedoch nicht aus, um das Auftreten von Scherversagen zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Stahl-Stützmetallschicht zu verhindern, wenn eine dynamische Belastung aufgebracht wird. Daher besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, ein Gleitelement bereitzustellen, das eine bessere Verbindung zwischen einer Gleitschicht und einer Stützmetallschicht aufweist als bei einem herkömmlichen Gleitelement.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gleitelement bereit gestellt, das Folgendes umfasst: eine Stützmetallschicht mit einer Rückseitenfläche und einer Bindungsoberfläche; und eine Gleitschicht, die aus einer Kupferlegierung besteht und auf der Bindungsoberfläche der Stützmetallschicht aufgebracht ist. Die Gleitschicht hat eine Gleitfläche. Die Kupferlegierung enthält 0,5 bis 12 Massen-% Sn, 0,5 bis 15 Massen-% Ni, 0,06 bis 0,2 Massen-% P und als Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen. Die Stützmetallschicht besteht aus einem untereutektoiden Stahl mit 0,07 bis 0,35 Massen-% Kohlenstoff und hat eine Struktur mit einer Ferritphase und Perlit. Die Stützmetallschicht hat einen porenhaltigen Bereich, der sich von der Bindungsoberfläche zu einem inneren Teil der Stützmetallschicht erstreckt. Im Querschnitt senkrecht zur Gleitfläche hat der porenhaltige Bereich eine Vielzahl von geschlossenen Poren, die nicht zur Bindungsoberfläche hin offen sind und eine durchschnittliche Größe von 5 bis 15 µm haben, und der porenhaltige Bereich hat eine Dicke von 10 bis 60 µm. Ein Verhältnis (V2/V1) eines Gesamtvolumens V2 der geschlossenen Poren zu einem Volumen V1 des porenhaltigen Bereichs beträgt 0,05 bis 0,1.
Das erfindungsgemäße Gleitelement hat den porenhaltigen Bereich auf der Bindungsoberfläche der Stützmetallschicht, der als Grenzfläche mit der Gleitschicht dient. Aufgrund der Vielzahl von geschlossenen Poren des porenhaltigen Bereichs ist es wahrscheinlicher, dass der porenhaltige Bereich elastisch verformt wird, und der Unterschied in der elastischen Verformung zwischen der Kupferlegierung der Gleitschicht und dem porenhaltigen Bereich ist gering. Wenn also eine äußere Kraft auf das Gleitelement ausgeübt wird, ist der Unterschied in der elastischen Verformung zwischen der Kupferlegierung der Gleitschicht und dem porenhaltigen Bereich der Stützmetallschicht gering, und es ist weniger wahrscheinlich, dass ein Scherversagen zwischen der Kupferlegierung der Gleitschicht und der Stützmetallschicht auftritt.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt ein mittlerer Abstand zwischen den geschlossenen Poren und der Bindungsoberfläche vorzugsweise 5 bis 15 µm in Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten der geschlossenen Poren in einer Richtung parallel zur Bindungsoberfläche vorzugsweise 5 bis 15 µm in Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt ein mittleres Seitenverhältnis der geschlossenen Poren in der Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche vorzugsweise nicht mehr als 2,5.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfüllen ein Volumenverhältnis Pc von Perlit in einer Struktur eines Mittelteils in Dickenrichtung der Stützmetallschicht und ein Volumenverhältnis Ps von Perlit in dem porenhaltigen Bereich vorzugsweise die folgende Beziehung: $Ps/Pc \leq 0,5.$
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Bereich der Stützmetallschicht, der den porenhaltigen Bereich ausschließt, vorzugsweise 0,07 bis 0,35 Massen-% C, nicht mehr als 0,4 Massen-% Si, nicht mehr als 1 Massen-% Mn, nicht mehr als 0,04 Massen-% P, nicht mehr als 0,05 Massen-% S und den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Kupferlegierung vorzugsweise weiterhin ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus 0,01 bis 10 Masse-% Fe, 0,01 bis 5 Masse-% Al, 0,01 bis 5 Masse-% Si, 0,1 bis 5 Masse-% Mn, 0,1 bis 30 Masse-% Zn, 0,1 bis 5 Masse-% Sb, 0,1 bis 5 Masse-% In, 0,1 bis 5 Masse-% Ag, 0,5 bis 25 Masse-% Pb und 0,5 bis 20 Masse-% Bi.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der nicht einschränkenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts senkrecht zu einer Gleitfläche eines Beispiels eines Gleitelements nach der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung einer Querschnittsstruktur in der Nähe eines porenhaltigen Bereichs einer Stützmetallschicht, die in 1 dargestellt ist.
2A ist eine schematische Darstellung der Querschnittsstruktur eines Mittelteils in Dickenrichtung der in 1 gezeigten Stützmetallschicht.
3 ist eine Darstellung, die einen Abstand L1 zwischen einer geschlossenen Pore und einer Bindungsoberfläche und einen Abstand L2 zwischen geschlossenen Poren zeigt.
4 ist eine Darstellung, die ein Seitenverhältnis A1 der geschlossenen Pore zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung einer Querschnittsstruktur in der Nähe eines porenhaltigen Bereichs einer Stützmetallschicht eines anderen Beispiels des Gleitelements nach der vorliegenden Erfindung
6 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts senkrecht zu einer Gleitfläche eines konventionellen Gleitelements.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
6 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines konventionellen Gleitelements 11. Das Gleitelement 11 enthält eine Gleitschicht 13 mit einer Kupferlegierung 14 auf einer Oberfläche einer Stützmetallschicht 12. Die Stützmetallschicht 12 enthält einen untereutektoiden Stahl mit 0,07 bis 0,35 Masse-% Kohlenstoff und hat die Struktur eines typischen untereutektoiden Stahls. Das heißt, dass die Struktur der Stützmetallschicht 12 hauptsächlich eine Ferritphase 6 enthält und körniger Perlit 7 in einer Matrix der Ferritphase dispergiert ist (siehe 2A). Die Struktur ist über die gesamte Dickenrichtung der Stützmetallschicht 12 gleichförmig ausgebildet. Somit hat die Stützmetallschicht 12 einen annähernd gleichmäßigen Verformungswiderstand gegen eine äußere Kraft über die gesamte Dickenrichtung der Stützmetallschicht 12.
Wie oben beschrieben, ist es wahrscheinlicher, dass ein Lagergehäuse durch eine dynamische Belastung von einem Gegenwellenelement während des Betriebs einer Lagervorrichtung elastisch verformt wird. So wird im Falle des konventionellen Gleitelements 11 aufgrund der Verformung eines Lagergehäuses eine variierende Umfangskraft auf das an einer Lageraufnahmebohrung des Lagergehäuses montierte Gleitelement (Gleitlager) ausgeübt, was zu einer elastischen Verformung des Gleitelements führt. Bei dem herkömmlichen Gleitelement 11 hat die Stützmetallschicht 12 eine Struktur eines typischen untereutektoiden Stahls und weist im Vergleich zur Kupferlegierung 14 der Gleitschicht 13 eine hohe Festigkeit und einen hohen Verformungswiderstand auf. Daher ist der Unterschied in der elastischen Verformung zwischen der Stützmetallschicht 12 und der Kupferlegierung 14 der Gleitschicht 13 an einer Grenzfläche zwischen der Stützmetallschicht 12 und der Gleitschicht 13 groß. Daher ist ein Scherversagen zwischen der Stützmetallschicht 12 und der Gleitschicht 13 wahrscheinlicher.
Eine Ausführungsform eines Gleitelements 1 nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 2A beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Gleitelements 1 mit einer Gleitschicht 3 aus einer Kupferlegierung 4 auf einer Stützmetallschicht 2. Die Gleitschicht 3 hat eine Gleitfläche 31 auf einer Seite, die der Stützmetallschicht 2 gegenüberliegt. Die Stützmetallschicht 2 hat eine Oberfläche (Bindungsoberfläche 21), auf der die Gleitschicht 3 gebildet wird, und eine Rückseitenfläche 22 auf einer der Bindungsoberfläche 21 gegenüberliegenden Seite. Auf der Bindungsoberfläche 21 der Stützmetallschicht 2, die als Grenzfläche zwischen der Stützmetallschicht 2 und der Kupferlegierungsschicht 4 dient, wird ein porenhaltiger Bereich 5 (unten beschrieben) gebildet.
Das erfindungsgemäße Gleitelement kann optional auf der Oberfläche der Gleitschicht und/oder der Oberfläche der Stützmetallschicht eine Überzugsschicht aus Sn, Bi oder Pb oder einer Legierung auf der Basis dieser Metalle oder eine Überzugsschicht aus einem Kunstharz oder einer Beschichtung auf der Basis eines Kunstharzes enthalten. In diesem Fall wird die Oberfläche der Gleitschicht 3 hier als „Gleitfläche 31“ bezeichnet.
2 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Struktur in der Nähe der Bindungsoberfläche 21 der Stützmetallschicht 2 zeigt. Die Stützmetallschicht 2 hat einen porenhaltigen Bereich, der sich über eine gewisse Distanz von der Bindungsoberfläche 21 in Richtung eines inneren Teils der Stützmetallschicht 2 erstreckt und eine große Anzahl geschlossener Poren aufweist. Auf der anderen Seite ist 2A eine vergrößerte Ansicht, die die Struktur eines Mittelteils in Dickenrichtung der Stützmetallschicht 2 zeigt (im folgenden einfach als „Mittelteil der Stützmetallschicht 2“ bezeichnet). In 2 und 2A sind die Ferritphase 6 und der Perlit 7 in der Struktur zum besseren Verständnis übertrieben dargestellt.
Die Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 hat eine Zusammensetzung, die 0,5 bis 12 Massen-% Sn, 0,5 bis 15 Massen-% Ni, 0,06 bis 0,2 Massen-% P und als Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Sn, Ni und P, die in der Kupferlegierung enthalten sind, sind Elemente, die die Festigkeit der Kupferlegierung erhöhen. Wenn die Menge dieser Elemente unter dem unteren Grenzwert liegt, ist die Wirkung der Elemente unzureichend, und wenn die Menge der Elemente über dem oberen Grenzwert liegt, ist die Kupferlegierung spröde. Während des Sinterns (später beschrieben) diffundieren Ni und P in der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 in die Nähe der Bindungsoberfläche der Stützmetallschicht 2, die als Grenzfläche zur Kupferlegierungsschicht 4 dient. Es bezieht sich auf die Bildung des porenhaltigen Bereichs 5 der Stützmetallschicht 2 (später beschrieben).
In einigen Fällen diffundieren Elemente, die in der Stützmetallschicht 2 enthalten sind, während des Sinterns in einen Teil der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 in der Nähe der Bindungsoberfläche der Stützmetallschicht 2. Ein solcher Fall fällt ebenfalls in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung.
Die Kupferlegierung 4 kann eine Zusammensetzung haben, die z.B. 0,5 bis 12 Massen-% Sn, 0,5 bis 15 Massen-% Ni und 0,06 bis 0,2 Massen-% P und optional ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus 0,01 bis 10 Massen-% Fe, 0.01 bis 5 Massen-% Al, 0,01 bis 5 Massen-% Si, 0,1 bis 5 Massen-% Mn, 0,1 bis 30 Massen-% Zn, 0,1 bis 5 Massen-% Sb, 0,1 bis 5 Massen-% In, 0,1 bis 5 Massen-% Ag, 0,5 bis 25 Massen-% Pb und 0,5 bis 20 Massen-% Bi enthält. Fe, Al, Si, Mn, Zn, Sb, In und Ag erhöhen die Festigkeit der Kupferlegierung 4. Wenn die Menge dieser Elemente unter dem unteren Grenzwert liegt, ist die Wirkung dieser Elemente unzureichend, und wenn die Menge dieser Elemente über dem oberen Grenzwert liegt, ist die Kupferlegierung 4 spröde. Pb und Bi erhöhen die Schmiereigenschaften der Kupferlegierung 4. Wenn die Menge an Pb und Bi unter dem unteren Grenzwert liegt, ist die Wirkung von Pb und Bi unzureichend, und wenn die Menge an Pb und Bi über dem oberen Grenzwert liegt, ist die Kupferlegierung 4 spröde. Wenn die Kupferlegierung 4 zwei oder mehr dieser ausgewählten Elemente enthält, beträgt die Gesamtmenge der Elemente vorzugsweise nicht mehr als 40 Massen-%.
Die Gleitschicht 3 kann optional zusätzlich 0,1 bis 10 Volumen-% eines oder mehrerer Typen von harten Teilchen enthalten, die aus Al₂O₃, SiO₂, AlN, MO₂C, WC, Fe₂P und Fe₃P ausgewählt sind. Die harten Teilchen sind in einer Matrix aus der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 dispergiert und erhöhen die Verschleißbeständigkeit der Gleitschicht 3. Wenn die Menge der in der Kupferlegierung 4 eingeschlossenen harten Teilchen kleiner als die Untergrenze ist, ist die Wirkung der harten Teilchen unzureichend, und wenn die Menge der in der Kupferlegierung 4 eingeschlossenen harten Teilchen größer als die Obergrenze ist, ist die Gleitschicht 3 spröde.
Die Gleitschicht 3 kann optional zusätzlich 0,1 bis 10 Volumen-% eines oder mehrerer Festschmierstoffe, ausgewählt aus MoS₂, WS₂, Graphit und h-BN, enthalten. Der Festschmierstoff ist in der Matrix der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 dispergiert und erhöht die Schmiereigenschaften der Gleitschicht 3. Wenn die Menge des in der Kupferlegierung 4 enthaltenen Festschmierstoffs geringer als die Untergrenze ist, ist die Wirkung des Festschmierstoffs unzureichend, und wenn die Menge des in der Kupferlegierung 4 enthaltenen Festschmierstoffs größer als die Obergrenze ist, ist die Gleitschicht 3 spröde.
Die Stützmetallschicht 2 enthält einen untereutektoiden Stahl mit 0,07 bis 0,35 Massen-% Kohlenstoff. Wie in 2A dargestellt, hat die Stützmetallschicht 2 eine Struktur, die die Ferritphase 6 und den Perlit 7 enthält. Wenn die Stützmetallschicht 2 einen untereutektoiden Stahl mit weniger als 0,07 Massen-% Kohlenstoff enthält, hat die Stützmetallschicht 2 eine geringe Festigkeit, was zu einer unzureichenden Festigkeit des Gleitelements 1 führt. Wenn andererseits die Stützmetallschicht 2 einen untereutektoiden Stahl mit mehr als 0,35 Massen-% Kohlenstoff enthält, ist die Stützmetallschicht 2 spröde.
Wie oben beschrieben, diffundieren Ni und P in der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 während des Sinterns in einen Teil (den porenhaltigen Bereich 5) in der Nähe der Bindungsoberfläche der Stützmetallschicht 2, die als Grenzfläche mit der Kupferlegierungsschicht 4 dient. Somit enthält der porenhaltige Bereich 5 eine größere Menge an Ni und P als ein Bereich (im folgenden als „Hauptbereich“ bezeichnet) der Stützmetallschicht 2 ohne den porenhaltigen Bereich. Der Hauptbereich der Stützmetallschicht 2 kann eine Zusammensetzung aufweisen, die 0,07 bis 0,35 Massen-% Kohlenstoff und ein oder mehrere Elemente mit nicht mehr als 0,4 Massen-% Si, nicht mehr als 1 Massen-% Mn, nicht mehr als 0,04 Massen-% P und nicht mehr als 0,05 Massen-% S und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Die Struktur der Stützmetallschicht 2 umfasst die Ferritphase 6 und den Perlit 7. Es ist zu beachten, dass dies nicht ausschließt, dass die Struktur der Stützmetallschicht 2 feine Ausscheidungen enthält (die durch Beobachtung der Struktur bei einer 1000fachen Vergrößerung unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops nicht erkannt werden können).
Die Ferritphase 6 der Stützmetallschicht 2 enthält maximal nur 0,02 Massen-% Kohlenstoff und hat eine Zusammensetzung, die der von reinem Eisen nahe kommt. Auf der anderen Seite hat der Perlit 7 der Stützmetallschicht 2 eine lamellare Struktur, in der eine Ferritphase und eine Zementitphase (Fe₃C), die ein Eisencarbid ist, abwechselnd angeordnet sind, um eine dünne Platte zu bilden, und hat eine höhere Festigkeit als die Ferritphase 6.
In einer in 2 gezeigten Querschnittsstruktur ist das Volumenverhältnis zwischen der Ferritphase 6 und dem Perlit 7 zwischen dem porenhaltigen Bereich 5 (mit Ausnahme der geschlossenen Poren 51) und dem Hauptbereich der Stützmetallschicht 2 ungefähr gleich.
Der porenhaltige Bereich 5 hat die Vielzahl von geschlossenen Poren 51. Die geschlossenen Poren 51 werden in Körnern oder zwischen Körnern der Ferritphase 6 nahe der Bindungsoberfläche 21 gebildet und sind nicht in Kontakt mit der Bindungsoberfläche 21, d.h. sie sind nicht offen zur Bindungsoberfläche 21. In einer Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche 31 (d.h. senkrecht zur Bindungsoberfläche 21 der Stützmetallschicht 2) sind viele der Vielzahl geschlossener Poren 51 in etwa gleichem Abstand von der Bindungsoberfläche 21 angeordnet, und viele der Vielzahl geschlossener Poren 51 sind in etwa gleichem Abstand auch in einer Richtung parallel zur Bindungsoberfläche 21 angeordnet (siehe 2).
Der porenhaltige Bereich 5 ist ein Bereich, der so definiert ist, dass er die geschlossenen Poren 51 einschließt und eine konstante Dicke T1 von der Bindungsoberfläche 21 zum inneren Teil der Stützmetallschicht 2 in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche 31 aufweist. Die Dicke T1 des porenhaltigen Bereichs 5 beträgt 10 bis 60 µm. Die Dicke T1 beträgt vorzugsweise 15 bis 45 µm. Insbesondere, wenn eine imaginäre Linie L (gepunktete Linie L in 2) in Kontakt mit einer Kontur der geschlossenen Pore 51 gezogen wird, die in der Querschnittsstruktur am weitesten von der Bindungsoberfläche 21 entfernt ist (auf einer Innenseite der Stützmetallschicht 2) und parallel zur Bindungsoberfläche 21 in Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche 31 verläuft, ist der porenhaltige Bereich 5 ein Bereich, der sich von der Bindungsoberfläche 21 bis zur imaginären Linie L erstreckt. Die geschlossenen Poren 51 werden in der Struktur der Stützmetallschicht mit Ausnahme des porenhaltigen Bereichs 5 nicht beobachtet. In einigen Fällen können Hohlräume oder kleine Löcher wie z.B. winzige Fehlstellen mit einer Größe von weniger als 0,5 µm beobachtet werden, aber solche Hohlräume oder kleinen Löcher werden nicht als die geschlossenen Poren 51 betrachtet.
Bei einem typischen Gleitelement hat die Stützmetallschicht 2 eine Dicke von mindestens 0,7 mm. Wenn die Dicke T1 des porenhaltigen Bereichs 5 im Bereich von 10 bis 60 liegt µm, hat der porenhaltige Bereich 5 wenig Einfluss auf die Festigkeit der Stützmetallschicht 2. Außerdem ist ein Verhältnis X1 der Dicke T1 des porenhaltigen Bereichs 5 zu einer Dicke T der Stützmetallschicht vorzugsweise nicht mehr als 0,07.
Während des Sinterns diffundieren Ni und P in der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 in die Ferritphase 6 in dem porenhaltigen Bereich 5 der Stützmetallschicht 2 und lösen sich dort im festen Zustand auf. Der porenhaltige Bereich 5 (mit Ausnahme der geschlossenen Poren 51) enthält etwa 0,5 bis 5 Massen-% Ni und etwa 0,02 bis 0,25 Massen-% P.
Die Diffusion von Ni und P der Kupferlegierung 4 in die Nähe der Bindungsoberfläche 21 der Stützmetallschicht 2 kann durch Zusammensetzungsmessung einer Mehrzahl von Abschnitten (z.B. 5 Abschnitten) einer Querschnittsstruktur senkrecht zur Gleitfläche 31 des Gleitelements unter Verwendung eines EPMA (Elektronensonden-Mikroanalysators; engl. electron probe microanalyzer) beobachtet werden.
In einigen Fällen diffundieren Cu, Sn oder die oben beschriebenen ausgewählten Elemente, die in der Kupferlegierung enthalten sind, zusätzlich zu Ni und P in die Nähe der Bindungsoberfläche 21 der Stützmetallschicht 2, die als Grenzfläche zur Gleitschicht 3 dient, (d.h. in der Nähe des porenhaltigen Bereichs 5) während des Sinterns (später beschrieben), und ein solcher Fall fällt ebenfalls in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung.
Das Verhältnis eines Gesamtvolumens V2 der geschlossenen Poren 51 zu einem Volumen V1 des porenhaltigen Bereichs 5 beträgt 5 bis 10% (V2/V1 = 0,05 bis 0,1). Wenn das Verhältnis V2/V1 weniger als 5% beträgt, hat der porenhaltige Bereich 5 einen zu hohen Verformungswiderstand, was zu einem unzureichenden Effekt führt, um einen kleinen Unterschied im Verformungswiderstand zwischen dem porenhaltigen Bereich 5 und der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 (d.h. Unterschied in der elastischen Verformung, wenn eine äußere Kraft auf das Gleitelement ausgeübt wird) zu erreichen. Wenn das Verhältnis V2/V1 mehr als 10 % beträgt, hat der porenhaltige Bereich 5 der Stützmetallschicht 2 einen zu geringen Verformungswiderstand, so dass bei Einwirkung einer äußeren Kraft auf das Gleitelement in einigen Fällen ein Ausbeulen (plastische Verformung) in der Stützmetallschicht 2 (Ferritphase 6) um die geschlossenen Poren 51 herum auftritt.
Die geschlossenen Poren 51 haben eine durchschnittliche Größe von 5 bis 15 µm. Wenn die durchschnittliche Größe der geschlossenen Poren 51 weniger als 5 µm beträgt, liegt das Verhältnis V2/V1 mit größerer Wahrscheinlichkeit unter 5%, was nicht wünschenswert ist. Wenn die durchschnittliche Größe der geschlossenen Poren 51 mehr als 15 µm beträgt, liegt das Verhältnis V2/V1 mit größerer Wahrscheinlichkeit bei mehr als 10%, was nicht wünschenswert ist.
Offensichtlich ist ein maximaler Durchmesser der geschlossenen Poren 51 kleiner als die Dicke T1 des porenhaltigen Bereichs 5.
Das Verhältnis V2/V1 des Gesamtvolumens V2 der geschlossenen Poren 51 zum Volumen V1 des porenhaltigen Bereichs 5 wird auf folgende Weise ermittelt. Zunächst wird eine Querschnittsstruktur (die geschnitten, poliert und mit einer Nitallösung, die eine Mischlösung aus Ethanol und 3%iger Salpetersäure ist, geätzt wurde) an einer Vielzahl von Abschnitten (z.B. 5 Abschnitten), die in einer Richtung parallel zu einer Dickenrichtung des Gleitelements 1 (d.h. einer Richtung senkrecht zur Gleitfläche 31) geschnitten wurden, hergestellt. Als nächstes werden mit Hilfe eines Elektronenmikroskops elektronische Bilder eines Abschnitts in der Nähe der Bindungsoberfläche 21 der Stützmetallschicht 2 der Querschnittsstruktur bei einer 500-fachen Vergrößerung aufgenommen. Dann wird der porenhaltige Bereich 5 in den Bildern wie oben beschrieben mit Hilfe einer allgemeinen Bildanalysemethode bestimmt (Analysesoftware: Image-Pro Plus (Version 4.5), hergestellt von Planetron, Inc.). Anschließend wird eine Dicke des porenhaltigen Bereichs 5 von der Bindungsoberfläche 21 aus gemessen, und dann wird ein Flächenverhältnis der geschlossenen Poren 51 in der Struktur des porenhaltigen Bereichs 5 gemessen. Ein Wert des Flächenverhältnisses entspricht dem Verhältnis des Gesamtvolumens V2 der geschlossenen Poren 51 zum Gesamtvolumen V1 des porenhaltigen Bereichs 5. Die Vergrößerung der elektronischen Bilder ist nicht auf das 500-fache begrenzt und kann auf andere Vergrößerungen umgestellt werden.
Um die durchschnittliche Größe der geschlossenen Poren 51 zu erhalten, werden die elektronischen Bilder des Querschnitts mit Hilfe der obigen Methode erstellt, und eine Fläche jeder der geschlossenen Poren 51 in den elektronischen Bildern wird mit Hilfe der Bildanalysemethode gemessen, und dann wird ein Durchmesser eines Kreises mit einer Fläche gleich der Fläche jeder der geschlossenen Poren 51 (äquivalenter Kreisdurchmesser) berechnet. Wie oben beschrieben, werden Poren mit einer Größe von weniger als 0,5 µm nicht als die geschlossenen Poren 51 betrachtet.
Ein durchschnittlicher Abstand L1 der geschlossenen Poren 51 von der Bindungsoberfläche 21 beträgt vorzugsweise 2,5 bis 25 µm, und noch bevorzugter 5 bis 15 µm. Der mittlere Abstand L1 von der Bindungsoberfläche 21 ist ein Abstand in einer Richtung senkrecht zur Bindungsoberfläche 21 in der Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche 31 (siehe 3). Der mittlere Abstand L1 wird unter Verwendung der elektronischen Bilder, die mit Hilfe der obigen Methode erhalten wurden, ermittelt. Eine Länge von einem Teil jeder der geschlossenen Poren 51 (d.h. eine Kontur jeder der geschlossenen Poren), der der Bindungsoberfläche 21 am nächsten liegt, bis zur Bindungsoberfläche 21 wird in den elektronischen Bildern unter Verwendung der Bildanalysemethode gemessen, und dann werden die gemessenen Längen gemittelt.
Wenn der mittlere Abstand L1 weniger als 2,5 µm beträgt, hat ein Stahlwerkstoff zwischen der Bindungsoberfläche 21 und den geschlossenen Poren 51 (d.h. ein Matrixanteil in dem porenhaltigen Bereich 5) der Stützmetallschicht 2 eine zu geringe Dicke. Wenn also eine äußere Kraft auf das Gleitelement ausgeübt wird, kommt es in einigen Fällen zum Ausbeulen (plastischer Verformung) zwischen der Bindungsoberfläche 21 und den geschlossenen Poren 51. Wenn der mittlere Abstand L1 mehr als 25 µm beträgt, hat der Stahlwerkstoff zwischen der Bindungsoberfläche 21 und den geschlossenen Poren 51 (d.h. der Matrixanteil in dem porenhaltigen Bereich 5) eine zu große Dicke, was zu einem unzureichenden Effekt führt, um einen kleinen Unterschied im Verformungswiderstand zwischen dem porenhaltigen Bereich 5 und der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 (d.h. Unterschied in der elastischen Verformung, wenn eine äußere Kraft auf das Gleitelement ausgeübt wird) zu erreichen.
Ein durchschnittlicher Abstand L2 zwischen benachbarten geschlossenen Poren 51 beträgt vorzugsweise 2,5 bis 25 µm, und noch bevorzugter 5 bis 15 µm. Der mittlere Abstand L2 zwischen benachbarten geschlossenen Poren 51 ist definiert als ein Abstand in einer Richtung parallel zur Bindungsoberfläche 21 in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche 31 (siehe 3). Der mittlere Abstand L2 wird unter Verwendung der elektronischen Bilder unter Verwendung der obigen Methode ermittelt, und eine Länge in einer Richtung parallel zur Bindungsoberfläche 21 zwischen einer ersten geschlossenen Pore 51 und einer zweiten geschlossenen Pore 51, die der ersten geschlossenen Pore 51 am nächsten liegt (d.h. eine Länge zwischen den Konturen (Konturlinien) der geschlossenen Poren 51), wird in den elektronischen Bildern unter Verwendung der Bildanalysemethode gemessen, und dann werden die gemessenen Längen gemittelt.
Wenn der mittlere Abstand L2 kleiner als 2,5 µm ist, weist der Stahlwerkstoff zwischen den geschlossenen Poren 51 (d.h. der Matrixanteil in dem porenhaltigen Bereich 5) eine zu geringe Dicke (Länge) auf, und daher kommt es bei Einwirkung einer äußeren Kraft auf das Gleitelement in einigen Fällen zum Ausbeulen (plastischer Verformung) der Stützmetallschicht 2 zwischen den geschlossenen Poren 51. Der mittlere Abstand L2 von mehr als 25 µm führt zu einem unzureichenden Effekt, um einen kleinen Unterschied im Verformungswiderstand zwischen dem porenhaltigen Bereich 5 und der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 (d.h. Unterschied in der elastischen Verformung, wenn eine äußere Kraft auf das Gleitelement ausgeübt wird) zu erreichen.
Ein durchschnittliches Seitenverhältnis A1 der geschlossenen Poren 51 beträgt vorzugsweise nicht mehr als 3, und noch bevorzugter nicht mehr als 2,5. Das mittlere Seitenverhältnis A1 der geschlossenen Poren 51 wird durch einen Mittelwert der Verhältnisse zwischen einer Hauptachse und einer Nebenachse der geschlossenen Poren 51 in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche 31 dargestellt. In einem Fall, in dem die geschlossenen Poren 51 im wesentlichen kugelförmig sind, ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Verformung der geschlossenen Poren 51 (Verformung des Matrixteils in dem porenhaltigen Bereich 5 um die geschlossenen Poren 51 herum) auftritt, wenn eine äußere Kraft auf das Gleitelement ausgeübt wird. Die geschlossenen Poren 51 sind vorzugsweise so angeordnet, dass die Hauptachsen vieler der geschlossenen Poren 51 in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Bindungsoberfläche 21 ausgerichtet sind.
Das Seitenverhältnis A1 der geschlossenen Poren 51 wird unter Verwendung der elektronischen Bilder erhalten, die unter Verwendung der obigen Methode erhalten wurden, und ein Mittelwert der Verhältnisse zwischen einer Hauptachsenlänge L3 und einer Nebenachsenlänge S1 (Hauptachsenlänge L3/Nebenachsenlänge S1) der geschlossenen Poren 51 in den elektronischen Bildern wird unter Verwendung der Bildanalysemethode gemessen (siehe 4). Die Hauptachsenlänge L3 der geschlossenen Pore gibt eine Länge der geschlossenen Pore an einer Position an, an der die geschlossene Pore in den elektronischen Bildern eine maximale Länge aufweist. Die Nebenachsenlänge S1 der geschlossenen Pore gibt eine Länge der geschlossenen Pore an einer Position an, an der die geschlossene Pore eine maximale Länge in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Hauptachsenlänge L3 aufweist.
5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Gleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2 gezeigten dadurch, dass eine Struktur in dem porenhaltigen Bereich 5 der Stützmetallschicht 2 einen geringeren Anteil an Perlit 7 aufweist. Andere Konfigurationen in 5 sind mit denen der Ausführungsform in 2 identisch und werden daher nicht beschrieben.
5 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Struktur des porenhaltigen Bereichs 5 in der Nähe der Bindungsoberfläche 21 der Stützmetallschicht 2 zeigt. In 5 sind zum besseren Verständnis die Ferritphase 6 und der Perlit 7 in der Struktur übertrieben dargestellt. Die Struktur eines Mittelteils in Dickenrichtung der Stützmetallschicht 2 (im folgenden einfach als „Mittelteil der Stützmetallschicht 2“ bezeichnet) ist dieselbe wie die in 2A gezeigte Struktur.
Ein Volumenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur des porenhaltigen Bereichs 5 ist um nicht weniger als 50% niedriger als ein Volumenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur des Mittelteils der Stützmetallschicht 2. Das heißt, ein Volumenverhältnis Pc des Perlit in der Struktur des Mittelteils der Stützmetallschicht 2 und ein Volumenverhältnis Ps des Perlit in dem porenhaltigen Bereich 5 erfüllen Ps/Pc ≤ 0,5.
Ein Flächenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur erhält man auf folgende Weise. Zunächst wird eine Querschnittsstruktur an einer Vielzahl von Abschnitten (z.B. 5 Abschnitten), die in einer Richtung parallel zu einer Dickenrichtung des Gleitelements 1 (d.h. in einer Richtung senkrecht zur Gleitfläche 31) geschnitten werden, hergestellt. Als nächstes werden unter Verwendung eines Elektronenmikroskops elektronische Bilder von jedem des Mittelteils der Stützmetallschicht 2 und dem porenhaltigen Bereich 5 der Stützmetallschicht 2 der Querschnittsstruktur bei einer 500-fachen Vergrößerung aufgenommen. Dann wird das Flächenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur in den Bildern unter Verwendung einer allgemeinen Bildanalysemethode gemessen (Analysesoftware: Image-Pro Plus (Version 4.5), hergestellt von Planetron, Inc.). Auf diese Weise kann bestätigt werden, dass das Flächenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur in dem porenhaltigen Bereich 5 (mit Ausnahme der geschlossenen Poren 51), um nicht weniger als 50% niedriger ist als das Flächenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur des Mittelteils der Stützmetallschicht 2.
Der Mittelteil der Stützmetallschicht 2 muss nicht unbedingt an einer zentralen Position in Dickenrichtung der Stützmetallschicht 2 liegen. Dies liegt daran, dass eine Struktur zwischen der Rückseitenfläche 22 und einem Teil in der Nähe des porenhaltigen Bereichs 5 der Stützmetallschicht 2 im wesentlichen die gleiche Struktur aufweist (das Flächenverhältnis von Ferritphase 6/Perlit 7 ist ungefähr gleich). Daher umfasst der „Mittelteil der Stützmetallschicht 2“ hierin den Teil, der sich in der Mittelposition in Dickenrichtung der Stützmetallschicht 2 befindet, sowie einen Teil in der Nähe der Mittelposition. In der obigen Betrachtung wird das Volumenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur als das Flächenverhältnis im Querschnitt gemessen, und der Wert des Flächenverhältnisses entspricht einem Volumenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur.
Die Stützmetallschicht 2 hat einen Teil (perlitarmer Bereich) 23, in dem das Volumenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur um nicht weniger als 50% niedriger ist als das Volumenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur des Mittelteils der Stützmetallschicht 2. Der perlitarme Bereich 23 erstreckt sich von der Bindungsoberfläche 21 und durchquert den porenhaltigen Bereich 5 und befindet sich auch auf einer Innenseite in Dickenrichtung der Stützmetallschicht (siehe 5).
Eine Dicke T2 (Dicke von der Bindungsoberfläche 21) des perlitarmen Bereichs 23 ist vorzugsweise das 1,1- bis 1,5-fache der Dicke T1 des porenhaltigen Bereichs 5 (T2/T1= 1,1 bis 1,5) im Querschnitt senkrecht zur Gleitfläche 31.
Die Stützmetallschicht 2 enthält einen untereutektoiden Stahl mit 0,07 bis 0,35 Massen-% Kohlenstoff. Der untereutektoide Stahl hat eine Struktur, die die Ferritphase 6 und den Perlit 7 einschließt. Der Anteil des Perlit 7 im untereutektoiden Stahl richtet sich nach der Menge des im Stahl enthaltenen Kohlenstoffs und beträgt typischerweise nicht mehr als 30 Volumen-%. Der Mittelteil der Stützmetallschicht 2 weist eine für untereutektoiden Stahl typische Struktur auf.
Das Volumenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur des porenhaltigen Bereichs 5 auf der Bindungsoberfläche 21 der Stützmetallschicht 2, die als Grenzfläche mit der Gleitschicht 3 dient, ist jedoch um nicht weniger als 50 % niedriger als das Volumenverhältnis des Perlit 7 in der Struktur des Mittelteils der Stützmetallschicht 2. Ein Unterschied in der elastischen Verformung zwischen der Ferritphase 6 und der Kupferlegierung ist kleiner als ein Unterschied in der elastischen Verformung zwischen dem Perlit 7 und der Kupferlegierung. Dementsprechend ist, wenn eine äußere Kraft auf das Gleitelement ausgeübt wird, ein Unterschied in der elastischen Verformung an einer Grenzfläche zwischen der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 und dem porenhaltigen Bereich 5 der Stützmetallschicht 2 gering, so dass ein Scherversagen an der Grenzfläche weniger wahrscheinlich ist, was zu einer stärkeren Bindung zwischen der Kupferlegierung 4 der Gleitschicht 3 und der Stützmetallschicht 2 führt.
Auf der anderen Seite hat die Stützmetallschicht 2, mit Ausnahme des perlitarmen Bereichs 23, eine Struktur eines untereutektoiden Stahls mit einem typischen Anteil an Perlit, und weist daher die hohe Festigkeit auf, die für die Stützmetallschicht 2 erforderlich ist. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass das Gleitelement 1 durch Umfangsspannung, die beim Einbau des Gleitelements in das Lagergehäuse ausgeübt wird, oder durch Umfangskraft, die während des Betriebs der Lagervorrichtung auf das Gleitelement ausgeübt wird, plastisch verformt wird.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Zunächst wird ein Kupferlegierungspulver mit der oben beschriebenen Zusammensetzung für eine Gleitschicht hergestellt. Bei der Herstellung einer Gleitschicht, die die harten Teilchen und/oder den Festschmierstoff enthält, wird ein Mischpulver aus dem Kupferlegierungspulver und den harten Teilchen und/oder den Festschmierstoffteilchen hergestellt.
Das vorbereitete Kupferlegierungspulver oder -mischpulver wird auf eine Stahlplatte (untereutektoider Stahl) mit der oben beschriebenen Zusammensetzung gestreut und dann zuerst in einem Sinterofen in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 800 bis 950°C gesintert, ohne Druck auf das gestreute Pulver auszuüben, um eine poröse Kupferlegierungsschicht auf der Stahlplatte zu bilden, gefolgt von einer Abkühlung auf Raumtemperatur.
Als nächstes wird ein erstes Walzen durchgeführt, um die poröse Kupferlegierungsschicht dicht zu machen und einen Teil in der Nähe einer Oberfläche der Stahlplatte, die mit der porösen Kupferlegierungsschicht in Kontakt steht, zu aktivieren. Bei der herkömmlichen Herstellung eines Gleitelements wurde das erste Walzen mit dem Ziel durchgeführt, die Poren einer porösen Kupferlegierungsschicht zu reduzieren, um die poröse Kupferlegierungsschicht dicht zu machen, und eine Stahlplatte wurde kaum gewalzt. Bei der Herstellung eines Gleitelements nach der vorliegenden Erfindung ist jedoch das Walzverhältnis bei der ersten Walzung höher als bei der herkömmlichen Herstellung, und das Walzen wird auch nach der Verdichtung der porösen Kupferlegierungsschicht fortgesetzt. Vor dem ersten Walzen hat die poröse Kupferlegierungsschicht eine geringere Härte als die Stahlplatte. Solange jedoch die Poren der porösen Kupferlegierungsschicht nicht reduziert sind, um die poröse Kupferlegierungsschicht durch das erste Walzen dicht zu machen, wird nur die poröse Kupferlegierungsschicht plastisch verformt und somit ausreichend kaltverfestigt. Wenn die verdichtete und kaltverfestigte poröse Kupferlegierungsschicht weiter gewalzt wird, kehrt sich das Härteverhältnis um und die poröse Kupferlegierungsschicht hat eine höhere Härte als die Stahlplatte (z.B. hat eine Oberfläche der verdichteten Kupferlegierungsschicht des gewalzten Teils nach dem ersten Walzen eine um etwa 15 Hv höhere Vickers-Härte als die Vickers-Härte einer Rückseitenfläche der Stahlplatte), und die Stahlplatte beginnt gewalzt zu werden. Somit wird durch das erste Walzen der Abschnitt in der Nähe der Oberfläche der Stahlplatte, der in Kontakt mit der Kupferlegierungsschicht mit erhöhter Härte steht, aufgrund einer größeren Menge an Kristallverzerrung aktiviert, die in den Abschnitt in der Nähe der Oberfläche der Stahlplatte eingeführt wird, als in einen inneren Teil der Stahlplatte.
Als nächstes wird das gewalzte Element einer Erholungsbehandlung bei einer Temperatur von nicht weniger als 650°C, aber niedriger als eine Rekristallisationstemperatur des Stahlstützmetalls (z.B. weniger als 700°C) für eine Haltezeit von 2 bis 10 Minuten in einer reduzierenden Atmosphäre in einem Sinterofen unterzogen. Dann wird das gewalzte Element einer zweiten Sinterung in einer reduzierenden Atmosphäre von 800 bis 950°C unterzogen, um die Kupferlegierungsschicht zu sintern, und auf Raumtemperatur abgekühlt. Zu diesem Zeitpunkt wird auf einer Oberfläche einer Stützmetallschicht, die als Grenzfläche mit der Kupferlegierungsschicht dient, ein porenhaltiger Bereich gebildet.
Ein Mechanismus zur Bildung des porenhaltigen Bereichs wird wie folgt vermutet.
Bei der oben genannten Erholungsbehandlung tritt ein Erholungsphänomen in der Stahlplatte auf. Das Erholungsphänomen ist ein derartiges Phänomen, dass, wenn eine Stahlplatte auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Stahlplatte erwärmt wird, ein Teil der Kristallverzerrung (atomarer Leerraum), der durch das erste Walzen (Kaltverformung) in eine Fe-Atomanordnung eingebracht wurde, sich zu einer Oberfläche (Bindungsoberfläche) der Stahlplatte hin bewegt (diffundiert) und beseitigt wird.
Der Teil der Kristallverzerrung (atomarer Leerraum), der in den Teil in der Nähe der Oberfläche der Stahlplatte eingeführt wird, der mit der durch das erste Walzen verdichteten Kupferlegierungsschicht in Kontakt steht, wird durch den Erholungsprozess in Richtung der Oberflächenseite der Stahlplatte bewegt, die mit der Kupferlegierungsschicht in Kontakt steht. Während des Erholungsprozesses diffundieren gleichzeitig Ni und P, die in der Kupferlegierung enthalten sind, in die Nähe der Bindungsoberfläche der Stahlplatte, die durch den atomaren Leerraum ersetzt werden soll. Diffundiertes Ni und P dienen als Widerstand gegen die Diffusion (Bewegung), so dass die Kristallverzerrung (atomarer Leerraum), die an einem Teil der Innenseite der Stahlplatte existiert, der größer ist als der Bereich, in dem Ni und P diffundiert sind, daran gehindert wird, sich in Richtung der Bindungsoberfläche zu bewegen. So wird vermutlich der größte Teil der Kristallverzerrung (atomarer Leerraum) in dem Teil der Stahlplatte, der weiter innen liegt als der Bereich, in dem Ni und P diffundieren, teilweise aggregiert, um geschlossene Poren in der Nähe einer Grenze zwischen dem Bereich, in dem Ni und P diffundieren, und dem Bereich, in dem Ni und P nicht diffundieren, zu bilden.
Wenn die Kupferlegierung jedoch weniger als 0,06 Massen-% P enthält, ist es unwahrscheinlicher, dass Ni in der Kupferlegierung in die Nähe der Oberfläche der Stahlplatte diffundiert und somit weniger wahrscheinlich, dass sich ein porenhaltiger Bereich bildet. Obwohl die Einzelheiten unklar sind, wird vermutlich, wenn die Kupferlegierung eine große Menge P (nicht weniger als 0,06 Massen-%) enthält, während des Erholungsprozesses eine große Menge an flüssiger Phase auf Cu-P-Basis in der Kupferlegierung erzeugt, wodurch eine Diffusion von Ni und P in der Nähe der Oberfläche der Stahlplatte ausgelöst wird.
Beim ersten Walzen, wenn die Oberfläche der verdichteten Kupferlegierungsschicht des gewalzten Elements eine Vickers-Härte aufweist, die um nicht weniger als etwa 20 Hv höher ist als die Vickers-Härte der Rückseitenfläche der Stahlplatte, wird der perlitarme Bereich 23 auf der Oberfläche der Stützmetallschicht gebildet, die als Grenzfläche mit der Kupferlegierungsschicht dient.
Ein Mechanismus zur Bildung der perlitarmen Region 23 wird wie folgt vermutet.
Bevor eine Temperatur während des Temperaturanstiegs im zweiten Sinterprozess einen Umwandlungspunkt A1 (727°C) erreicht, tritt in der Stützmetallschicht (Stahlplatte) des gewalzten Elements ein Rekristallisationsphänomen auf, und zwar früher in der Nähe der Bindungsoberfläche, die als Grenzfläche mit der Kupferlegierungsschicht dient, die aktiviert wird, im Vergleich zum inneren Teil. Unmittelbar bevor die Temperatur den Umwandlungspunkt A1 erreicht, ist das Verhältnis zwischen der Ferritphase und dem Perlit in der Struktur in der Nähe der Bindungsoberfläche der Stützmetallschicht und in der Struktur des inneren Teils der Stützmetallschicht somit gleich, aber die Ferritphase weist in der Nähe der Oberfläche größere Körner auf als im inneren Teil.
Wenn die Temperatur den Umwandlungspunkt A1 erreicht, wandelt sich das Perlit der Stützmetallschicht in eine austenitische Phase um, und die Stützmetallschicht wird zu einer Struktur, die aus der Ferritphase und der austenitischen Phase besteht. (Unmittelbar nachdem die Temperatur den Umwandlungspunkt A1 erreicht hat, unterscheiden sich das Verhältnis der austenitischen Phase und die Konzentration des in der austenitischen Phase fest gelösten Kohlenstoffs in der Struktur der Stützmetallschicht nicht zwischen dem Teil in der Nähe der Bindungsoberfläche und dem inneren Teil der Stützmetallschicht.) Danach, während des Temperaturanstiegs, bis die Temperatur den Umwandlungspunkt A1 überschreitet und einen Umwandlungspunkt A3 erreicht (eine Temperatur, bei der die Struktur zu einer Struktur der austenitischen Einzelphase wird), wird die Ferritphase in der Struktur allmählich in die austenitische Phase in der Stützmetallschicht umgewandelt, was zu einer Verringerung des Verhältnisses der Ferritphase in der Struktur führt.
Die Ferritphase in der Struktur in der Nähe der Bindungsoberfläche der Stützmetallschicht hat eine größere Korngröße und ist stabiler als die Ferritphase in der Struktur des inneren Teils der Stützmetallschicht und wird daher weniger wahrscheinlich in eine austenitische Phase umgewandelt. Während des gesamten Temperaturanstiegs ist das Verhältnis der austenitischen Phase in der Struktur in der Nähe der Oberfläche der Stützmetallschicht geringer als das Verhältnis der austenitischen Phase in der Struktur des inneren Teils der Stützmetallschicht.
Kohlenstoffatome sind in der Ferritphase in der Struktur kaum fest gelöst (maximal etwa 0,02 Massen-%), und daher sind Kohlenstoffatome, die im Perlit eingeschlossen sind, in der austenitischen Phase in der Nähe der Oberfläche der Stützmetallschicht fest gelöst. Die Menge der Kohlenstoffatome, die in der austenitischen Phase in der Nähe der Oberfläche der Stützmetallschicht fest gelöst sind, ist jedoch kleiner (im Volumen) als die Menge der Kohlenstoffatome, die in der austenitischen Phase im inneren Teil der Stützmetallschicht fest gelöst sind. Daher unterscheidet sich die Kohlenstoffkonzentration zwischen der austenitischen Phase in der Nähe der Oberfläche der Stützmetallschicht und der austenitischen Phase im inneren Teil der Stützmetallschicht. Um den Konzentrationsunterschied zu beseitigen, diffundieren die Kohlenstoffatome, die in der austenitischen Phase in der Nähe der Oberfläche eingeschlossen sind, in die austenitische Phase im inneren Teil, und somit wird die Menge des Kohlenstoffs, die in der Struktur in der Nähe der Oberfläche eingeschlossen ist, kleiner als die Menge des Kohlenstoffs, die in der Struktur des inneren Teils eingeschlossen ist.
Bei der anschließenden Abkühlung, wenn die Temperatur den Umwandlungspunkt A1 erreicht, wird die Stützmetallschicht zu einer Struktur, die sich aus der Ferritphase und dem Perlit zusammensetzt. Nach dem Abkühlen wird jedoch das Volumenverhältnis des Perlit in der Struktur in der Nähe der Oberfläche vermutlich aus folgenden Gründen niedriger als das Volumenverhältnis des Perlit in der Struktur des inneren Teiles während des oben beschriebenen Temperaturanstiegs:

(i) die Menge an Kohlenstoff, die in der Struktur in der Nähe der Bindungsoberfläche, die als Grenzfläche mit der Kupferlegierungsschicht dient, enthalten ist, ist kleiner als die Menge an Kohlenstoff, die in der Struktur des inneren Teils enthalten ist; und
(ii) Das Volumenverhältnis der in der Struktur verbleibenden Ferritphase unterscheidet sich zwischen der Struktur in der Nähe der Oberfläche und der Struktur des inneren Teils während des Temperaturanstiegs.

Bei der konventionellen Herstellung eines Gleitelements wird zunächst nur so weit gewalzt, dass eine poröse Kupferlegierungsschicht verdichtet und somit eine Stützmetallschicht nicht gewalzt wird. Durch dieses Walzen wird ein Teil in der Nähe einer Grenzfläche zwischen der Stützmetallschicht (Stahlplatte) und der verdichteten Kupferlegierungsschicht nicht aktiviert, so dass in der Nähe der Grenzfläche eine größere Menge an Kristallverzerrung entsteht als in einem inneren Teil der Stützmetallschicht. Daher bildet sich selbst dann, wenn ein Erholungsprozess unter den gleichen oben beschriebenen Bedingungen durchgeführt wird, nach dem anschließenden zweiten Sinterprozess kein porenhaltiger Bereich in der Struktur der Stützmetallschicht, und das Volumenverhältnis von Perlit unterscheidet sich nicht zwischen der Struktur in der Nähe der Oberfläche und der Struktur des inneren Teils.
Selbst wenn ein Element mit einer Kupferlegierungsschicht und einer Stützmetallschicht, das einem Walzen zur Verdichtung und anschließend einem zweiten Sintern unterzogen wurde (wie in JP 2006-22896A ), des weiteren einem zweiten Walzen unterzogen wird, um sowohl die Kupferlegierungsschicht als auch die Stützmetallschicht zu walzen, bewirkt, da die Kupferlegierung durch die Wärmebehandlung beim zweiten Sintern bereits eine geringere Härte als die Stützmetallschicht aufweist und die Kupferlegierungsschicht bereits verdichtet ist, das zweite Walzen nicht nur eine plastische Verformung (Kaltverfestigung) der Kupferlegierungsschicht. So führt das zweite Walzen nicht dazu, dass die Kupferlegierungsschicht stärker kaltverfestigt wird, um eine ausreichende Härte zu haben, als das Rückseitenmetall, wodurch die Aktivierung nur eines Teils in der Nähe einer Grenzfläche mit der Kupferlegierungsschicht verhindert wird, um einen größeren Betrag an Kristallverzerrung in den Teil in der Nähe der Grenzfläche als in den inneren Teil der Stützmetallschicht einzuführen. Daher wird selbst dann, wenn das gewalzte Element einem Erholungsprozess unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben und einer dritten Sinterung unter den gleichen Bedingungen wie den Sinterbedingungen der zweiten Sinterung unterzogen wird, kein porenhaltiger Bereich gebildet, und das Verhältnis von Perlit unterscheidet sich nicht zwischen der Struktur in der Nähe der Oberfläche und dem inneren Teil der Stützmetallschicht.
Das Gleitelement der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Anwendung auf ein Lager beschränkt, das in einem Verbrennungsmotor oder einem Automatikgetriebe verwendet wird, und kann auf ein Lager anwendbar sein, das in verschiedenen Maschinen verwendet wird. Darüber hinaus ist die Form des Lagers nicht auf eine zylindrische Form oder eine halbzylindrische Form beschränkt. Das Gleitelement dieser Erfindung ist z.B. anwendbar auf ein ringförmiges oder halbringförmiges Axiallager, das die Axiallast eines Wellenelements trägt, auf eine ringförmige Endplatte mit im wesentlichen U-förmigem Querschnitt, die in einer Kupplung (Einwegkupplung) eines automatischen Getriebes verwendet wird, und dergleichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6322462 A [0002]
JP 2002220631 A [0002]
JP 2006022896 A [0004, 0005, 0073]

Claims

Gleitelement (1) umfassend: eine Stützmetallschicht (2) mit einer Rückseitenfläche (22) und einer Bindungsoberfläche (21); und eine Gleitschicht (3) auf der Bindungsoberfläche (21) der Stützmetallschicht (2), wobei die Gleitschicht aus einer Kupferlegierung (4) hergestellt ist und eine Gleitfläche (31) aufweist, wobei die Kupferlegierung (4) umfasst: 0,5 bis 12 Massen-% Sn; 0,5 bis 15 Massen-% Ni; 0,06 bis 0,2 Massen-% P; optional eines oder mehrere, ausgewählt aus 0,01 bis 10 Massen-% Fe, 0,01 bis 5 Massen-% Al, 0,01 bis 5 Massen-% Si, 0,1 bis 5 Massen-% Mn, 0,1 bis 30 Massen-% Zn, 0,1 bis 5 Massen-% Sb, 0,1 bis 5 Massen-% In, 0,1 bis 5 Massen-% Ag, 0,5 bis 25 Massen-% Pb und 0,5 bis 20 Massen-% Bi; und als Rest Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die Stützmetallschicht (2) aus einem untereutektoiden Stahl hergestellt ist, der 0,07 bis 0,35 Massen-% Kohlenstoff umfasst und eine Struktur aufweist, die eine Ferritphase (6) und Perlit (7) umfasst, wobei die Stützmetallschicht (2) einen porenhaltigen Bereich (5) umfasst, wobei der porenhaltige Bereich (5) eine Vielzahl von geschlossenen Poren (51) umfasst, die nicht zu der Bindungsoberfläche (21) hin offen sind, wenn man einen Querschnitt senkrecht zu der Gleitfläche (31) betrachtet, wobei die geschlossenen Poren eine durchschnittliche Größe von 5 bis 15 µm haben, wobei sich der porenhaltige Bereich von der Bindungsoberfläche (21) zu einem inneren Teil der Stützmetallschicht (2) erstreckt und eine Dicke von 10 bis 60 µm hat, wobei ein Verhältnis (V2/V1) eines Gesamtvolumens V2 der geschlossenen Poren (51) zu einem Volumen V1 des porenhaltigen Bereichs (5) 0,05 bis 0,1 beträgt.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei ein mittlerer Abstand (L1) zwischen den geschlossenen Poren (51) und der Bindungsoberfläche (21) 5 bis 15 µm beträgt, und zwar in der Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche (31).
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein mittlerer Abstand (L2) zwischen benachbarten der geschlossenen Poren (51) in einer Richtung parallel zur Bindungsoberfläche (21) 5 bis 15 µm beträgt, und zwar in der Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche (31).
Gleitelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein mittleres Seitenverhältnis (A1) der geschlossenen Poren (51) nicht mehr als 2,5 beträgt, und zwar in der Querschnittsansicht senkrecht zur Gleitfläche (31).
Gleitelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Volumenverhältnis Pc von Perlit (7) in einer Struktur eines Mittelteils in einer Dickenrichtung der Stützmetallschicht (2) und ein Volumenverhältnis Ps von Perlit (7) in dem porenhaltigen Bereich (5) die folgende Beziehung erfüllen: $Ps/Pc \leq 0,5.$
Gleitelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Bereich der Stützmetallschicht (2) mit Ausnahme des porenhaltigen Bereichs (5) eine Zusammensetzung aufweist, die 0,07 bis 0,35 Massen-% C, nicht mehr als 0,4 Massen-% Si, nicht mehr als 1 Massen-% Mn, nicht mehr als 0,04 Massen-% P, nicht mehr als 0,05 Massen-% S und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.