DE10251457A1 - Gleitelement mit Verbundplattierungsfilm - Google Patents

Gleitelement mit Verbundplattierungsfilm

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Abstract

Beschrieben wird ein Gleitelement mit einer Lagerlegierungsschicht 2 und einem Verbundplattierungsfilm 4, der auf der Lagerlegierungsschicht 2 angeordnet ist. Der Verbundplattierungsfilm 4 ist aus einer Bleilegierung, enthaltend insgesamt 0,1 bis 10 Massenprozent Kupfer und insgesamt 0,3 bis 25 Volumenprozent co-abgeschiedene anorganische Teilchen, hergestellt. Die äußerste Oberflächenschicht 4b des Verbundplattierungsfilms 4, deren Dicke 10 bis 40% der Gesamtdicke des Verbundplattierungsfilms beträgt, enthält keine anorganischen Teilchen und kein Kupfer. Die untere Schicht 4a des Verbundplattierungsfilms 4 enthält Cu und anorganische Teilchen wie darin dispergiertes Si¶3¶N¶4¶.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, das für Lager von Automobilen, Schiffen, Flugzeugen oder allgemeinen technischen Maschinen verwendet wird.
  • Es sind schon Gleitelemente bekannt, die eine Stahlstütze, eine Lagerlegierungsschicht, beispielsweise aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung, die auf der Stahlstütze angeordnet ist, und einen Plattierungsfilm aus einer Bleilegierung, gebildet auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht mittels einer Zwischenplattierungsschicht, umfassen.
  • Bei neueren Motoren von Kraftfahrzeugen werden unter dem Druck der Kosten Wellen aus Gusseisen, wie Gusseisen mit knotenförmigem Graphit, mehr und mehr verwendet. Solche Gusseisenwellen sind aber mit dem Problem behaftet, dass die Oberflächenschicht der Lager, die die Welle tragen, zu einem frühzeitigen Verschleiß neigen, was auf Pressgrate bzw. Schweißnähte zurückzuführen ist, die um die Graphitkörner auf der Wellenoberfläche vorliegen. Dies führt dazu, dass die Zwischenplattierungsschicht oder die Lagerlegierungsschicht für einen raschen fressenden Verschleiß freigelegt wird.
  • Im Falle der üblicherweise verwendeten Stahlwellen werden diese häufig unter Bedingungen einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last eingesetzt, so dass das gleiche Problem wie oben erwähnt eines frühzeitigen Verschleißes der Oberflächenschicht der Lager auftritt.
  • Um solche Probleme zu überwinden haben die benannten Erfinder bereits gemäß der JP-A-2-49132 vorgeschlagen, einen Verbundplattierungsfilm als Deckschicht des Gleitelements zu verwenden. Die zugrundeliegende Erfindung betrifft die Bildung eines Verbundplattierungsfilms auf einer Lagerlegierungsschicht, wobei der Verbundplattierungsfilm aus einer Bleilegierung, enthaltend insgesamt 2 bis 30 Massenprozent mindestens eines Elements, ausgewählt aus Sn, In, Sb und Cu, und 0,3 bis 25 Volumenprozent gemeinsam abgeschiedene anorganische Teilchen, und wobei die Bleimatrix durch eine relativ harte anorganische Substanz in dem Verbundplattierungsfilm geschützt ist, wodurch ein Verschleiß der Oberflächenschicht des Gleitelements verhindert wird.
  • Der Verbundplattierungsfilm ist aber mit dem Problem behaftet, dass er eine rauhe Oberfläche hat, die auf die Anwesenheit von anorganischen Teilchen zurückzuführen ist, wodurch eine Erhöhung des Verschleißes der paarenden Welle bewirkt wird, obgleich die Verschleißbeständigkeitseigenschaften des Gleitelements verbessert werden.
  • Die benannten Erfinder haben das Problem studiert und sie sind zu einem Konzept gekommen, dass es möglich ist, die Konformabilität zwischen dem Gleitelement und der paarenden Welle in einer Anfangsstufe beim Einlaufen zu verbessern, indem die Menge der Dispersion der anorganischen Teilchen in der Oberflächenschicht des Verbundplattierungsfilms aus der Bleilegierung verringert wird und die Menge der Dispersion der anorganischen Teilchen allmählich oder kontinuierlich im Verhältnis zu der Tiefe des Verbundplattierungsfilms erhöht wird, wodurch eine dadurch erhaltene Verschleißbeständigkeit des Gleitelements gewährleistet wird. Diese Idee ist in der JP-A-3-97090 beschrieben.
  • Gemäß der JP-A-3-97090 enthält der Verbundplattierungsfilm aus der Bleilegierung Kupfer, um dem Anstieg des Lageroberflächendrucks Rechnung zu tragen, um Hochleistungsmotoren zu entwickeln. Wenn aber Kupfer zu dem Verbundplattierungsfilm aus der Bleilegierung gegeben wird, dann tritt das mögliche Problem des Auftretens eines plötzlichen fressenden Verschleißes auf, das auf die schlechtere Konformabilität des Verbundplattierungsfilms aufgrund des harten Kupfers zurückzuführen ist, obgleich die mechanische Festigkeit des Verbundplattierungsfilms verbessert werden kann.
  • Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, ein Gleitelement bereitzustellen, das einen Verbundplattierungsfilm, hergestellt aus einer Bleilegierung, enthaltend Kupfer und anorganische Teilchen, die in der Bleilegierung dispergiert sind, aufweist. Das Gleitelement soll keinen fressenden Verschleiß in einem frühen Stadium erleiden, es soll dazu imstande sein, seinen eigenen Verschleiß und denjenigen des paarenden Elements zu minimieren und es soll ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften selbst bei Motorbetriebsbedingungen von hoher Geschwindigkeit und hoher Last haben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gleitelement, umfassend eine Lagerlegierungsschicht und einen auf der Lagerlegierungsschicht angeordneten Verbundplattierungsfilm, wobei der Verbundplattierungsfilm aus einer Bleilegierung, enthaltend insgesamt 0,1 bis 10 Massenprozent Kupfer und insgesamt 0,3 bis 25 Volumenprozent gemeinsam abgeschiedene anorganische Teilchen, hergestellt ist und wobei die äußerste Oberflächenschicht des Verbundplattierungsfilms, deren Dicke 10 bis 40% der Gesamtdicke des Verbundplattierungsfilms beträgt, keine anorganischen Teilchen und Kupfer enthält, gelöst.
  • Da die äußerste Oberflächenschicht des Bleilegierungs-Verbundplattierungsfilm keine anorganischen Teilchen enthält, ist es möglich, den Reibungskoeffizienten in der Einlaufstufe oder in der Anfangsverschleißstufe zu erniedrigen, wodurch es ermöglicht wird, den Verschleiß nicht nur des paarenden Elements, sondern auch denjenigen des Gleitelements selbst zu verringern. Da weiterhin die äußerste Oberflächenschicht des Verbundplattierungsfilms kein Kupfer oder wenn überhaupt nur Spurenmengen von Kupfer enthält, ist es möglich, die Anfangskonformabilität in der Einlaufstufe des Verbundplattierungsfilms zu verbessern, wodurch das Problem eines plötzlichen fressenden Verschleißes des Plattierungsfilms gelöst werden kann.
  • Gewöhnlich hat der Bleilegierungs-Verbundplattierungsfilm eine Dicke von 10 bis 30 µm im Falle, dass das Gleitelement eine Komponente eines Fahrzeugmotors ist. Die Dicke ist jedoch keiner Beschränkung unterworfen, beträgt aber beispielsweise im Falle von Gleitelementen für Schiffsmotoren 50 bis 100 µm.
  • Wenn das Gleitelement und das paarende Element sich in der Stufe eines normalen Verschleißes befinden, nachdem sie in der Anfangsstufe des Betriebs gut aneinander angepasst worden sind, wird, weil die Unterschicht, enthaltend anorganische Teilchen und Kupfer unterhalb der äußersten Oberflächenschicht, freigelegt worden ist, verhindert, dass das Gleitelement verschleißt. Es tritt auch kaum eine Ermüdung auf.
  • Wenn die Dicke der äußersten Oberflächenschicht, die weder anorganische Teilchen noch Kupfer enthält, weniger als 10% der Dicke des Verbundplattierungsfilms ist, dann ist die Anfangskonformabilität des Verbundplattierungsfilms schlechter. Weiterhin, wenn die Dicke der äußersten Oberflächenschicht, die weder anorganische Teilchen noch Kupfer enthält, größer als 40% der Dicke des Verbundplattierungsfilms ist, dann kann der Effekt der Verbesserung der Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit des Verbundplattierungsfilms nicht erwartet werden.
  • Die Bleilegierung des Verbundplattierungsfilms enthält vorzugsweise insgesamt 2 bis 30 Massenprozent mindestens eines der Elemente Sn und In. Sn und In verbessern die äußerste Oberflächenschicht des Verbundplattierungsfilms hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schmierölen. Wenn der Gesamtgehalt der Elemente weniger als 2 Massenprozent beträgt, dann hat der Verbundplattierungsfilm eine niedrige mechanische Festigkeit und eine niedrige Korrosionsbeständigkeit über einen langen Zeitraum. Wenn andererseits der Gehalt über 30 Massenprozent hinausgeht, dann wird die mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur des Verbundplattierungsfilms extrem stark verschlechtert. Daher sollte der Gehalt der obigen Elemente 2 bis 30 Massenprozent, vorzugsweise 3 bis 25 Massenprozent betragen.
  • Das erfindungsgemäße Gleitelement ist eine Mehrschichtstruktur bzw. ein mehrschichtiges Lager, umfassend eine Stahlstütze, eine Lagerlegierungsschicht auf Kupferbasis oder Aluminiumbasis und eine Deckschicht aus einem Verbundplattierungsfilm, hergestellt aus einer Bleilegierung. Vorzugsweise wird eine Zwischenplattierungsschicht zwischen dem Verbundplattierungsfilm und der Lagerlegierungsschicht auf Kupferbasis oder Aluminiumbasis zwischengelegt angeordnet.
  • Die Zwischenplattierungsschicht besteht aus einem beliebigen Metall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Ag, Cu und Co und einer Legierung, die eines dieser Metalle als Hauptkomponente enthält. Ni und Co dienen dazu, dass verhindert wird, dass Sn und/oder In in dem Verbundplattierungsfilm als Oberflächenschicht in die Grundlegierung (d. h. die Lagerlegierung) hinein diffundieren, wodurch eine Verschlechterung der Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit der Matrix der Grundlegierung verhindert wird. Was Cu und Ag betrifft, so bewirken sie vorteilhafterweise eine Diffusionslegierung zusammen mit dem in dem Verbundplattierungsfilm enthaltenem In im Hinblick auf die Gleiteigenschaften. Weiterhin ist von Vorteil, dass es möglich ist, die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß durch Aufplattieren von Cu und/oder Ag auf die Aluminiumlegierung zu verbessern.
  • Die Erfindung wird in Zeichnungen erläutert. Es zeigen
  • Fig. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Gleitelements und
  • Fig. 2 ein Diagramm, das die Ergebnisse des Tests auf fressenden Verschleiß zeigt.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand der erfindungsgemäßen Beispiele und der Vorteile der Erfindung im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen erläutert.
  • Die Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Gleitelements. In dem Gleitelement ist eine Lagerlegierungsschicht 2 auf einer Seite der Stahlstütze 1 gebildet. Ein Bleilegierungs-Verbundplattierungsfilm 4 ist auf der Lagerlegierungsschicht 2 auf dem Wege bzw. über eine Zwischenplattierungsschicht 3 vorgesehen. Der Verbundplattierungsfilm 4 besteht aus zwei Schichten, nämlich einer oberen und einer unteren Schicht 4a und 4b, hergestellt aus einer Bleilegierung als Hauptmaterial, die Sn und/oder In enthält. Die untere Schicht 4a enthält Cu und darin dispergierte anorganische Teilchen wie Si3N4. Die obere Schicht 4b, die die äußerste Oberflächenschicht ist, enthält weder Cu noch dispergierte anorganische Teilchen. Die Gesamtdicke des Verbundplattierungsfilms 4 für Fahrzeugmotoren liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 µm und die Dicke der äußersten Oberflächenschicht 4b beträgt vorzugsweise 10 bis 40% der Gesamtdicke des Verbundplattierungsfilms 4.
  • Das Gleitelement kann auf folgende Weise hergestellt werden. Zuerst wird eine pulverförmige Kupferlegierung (z. B. Cu-2Pb-3.5Sn) auf einer Seite der Stahlstütze 1 ausgebreitet und dann damit versintert. Man kann auch so vorgehen, dass ein Blech aus einer Aluminiumlagerlegierung (z. B. Al-6Sn-1Cu-1Ni) auf die Stahlstütze 1 aufgelegt und damit integral verwalzt wird, um eine Lagerlegierungsschicht 2 zu bilden. Das so erhaltene Produkt wird dann geschnitten und mechanisch bearbeitet, um Lager herzustellen.
  • Die Lager werden üblichen Vorbehandlungen unterworfen, z. B. einem Entfetten mit Lösungsmitteln, einem elektrolytischen Entfetten und einem Beizen in dieser Reihenfolge. Danach wird eine Zwischenplattierungsschicht 3 auf der Lagerlegierungsschicht 2 gebildet, wobei die Zwischenplattierungsschicht 3 eine Dicke von 1,5 µm hat und aus einem beliebigen Element, ausgewählt aus der Gruppe Ni, Cu, Ag, Co und Legierungen davon, besteht. Danach werden die Lager einer Co-Abscheidungsplattierungsbehandlung bei einer Badtemperatur von 25°C und einer Kathodenstromdichte von 3 bis 5 A/dm2 unterworfen, wobei ein Fluorborat-Plattierungsbad für die Pb-Legierung verwendet wird, in dem ein Si3N4-Pulver (Teilchengröße: nicht größer als 1 µm) als anorganische Teilchen in einer Menge von 15 bis 25 g/l dispergiert ist, wodurch eine Pb-Sn-Cu- Legierungsschicht, die dispergierte anorganische Teilchen enthält, auf der Zwischenplattierungsschicht 3 gebildet wird. Danach wird eine In-Plattierung auf der Bleilegierungsschicht angeordnet.
  • Schließlich werden die Lager einer Wärmebehandlung unterworfen, wodurch Pb und Sn in der Bleilegierungsschicht in die In-Schicht hinein diffundieren (das Cu diffundiert nicht), während das In in der In-Schicht in die darunter liegende Bleilegierungsschicht hinein diffundiert. Folglich wird ein Verbundplattierungsfilm 4, hergestellt aus einer Bleilegierung, gebildet, bei dem die untere Schicht 4a Cu und anorganische Teilchen enthält, während die äußerste Oberflächenschicht 4b weder Cu noch anorganische Teilchen enthält.
  • Um die Effekte der Erfindung zu bestätigen, wurden Probekörper der Beispiele 1 bis 8 und Probekörper der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei die Bleilegierungszusammensetzungen in Tabelle 1 zusammengestellt sind. Damit wurden Tests des fressenden Verschleißes und der Ermüdung durchgeführt.
  • In der Spalte "Lagerlegierung" in Tabelle 1 werden nur Cu und Al angegeben, was eine Cu-Legierung bzw. eine Al-Legierung angibt. In der Spalte "Pb-Legierung" werden die üblichen Komponenten, ausgenommen Cu und anorganische Teilchen, in der unteren Schicht und in der äußersten Oberflächenschicht angegeben. In der Spalte "Verhältnis der äußersten Oberflächenschicht" werden die Dickeverhältnisse, nämlich das Verhältnis der Dicke der äußersten Oberflächenschicht zu der Gesamtdicke des Verbundplattierungsfilms angegeben.
  • Der erfindungsgemäße Plattierungsfilm des Beispiels 2 enthält kein Sn. Im Vergleichsbeispiel 1 ist eine einzige Schicht einer Bleilegierung, die keine anorganischen Teilchen enthält, auf die Lagerlegierungsschicht aufplattiert worden, so dass es im Falle des Vergleichsbeispiels 1 nicht angebracht ist, die Plattierung als Verbundplattierungsfilm zu bezeichnen. Stattdessen wird sie als Deckschicht bezeichnet. Die Bleilegierung der Vergleichsbeispiele 1 und 3 enthält kein In. Die Bleilegierung des Vergleichsbeispiels 2 enthält kein Cu.




  • Der Test auf fressenden Verschleiß und der Ermüdungstest wurden bei den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen durchgeführt. Dabei wurde jeder Lagerprobekörper in ein Testgerät mit einem Abstand von 2 mm von der Gehäusemitte eingesetzt. Beim Test auf fressenden Verschleiß wurde die Testlast durch eine Methode der Akkumulierung der Last, bei der die Last in 10-minütigen Teilschritten von 10 MPa erhöht wurde und die maximale Last ohne fressenden Verschleiß als Testergebnis angesehen wurde, erhöht. Beim Ermüdungstest wurde das Testgerät 20 Stunden lang unter einer Testlast betrieben. Wenn Risse durch visuelle Beobachtungen festgestellt werden konnten, dann wurde der Probekörper als ermüdet angesehen. Wenn keine Risse festgestellt wurden, dann wurde der Probekörper als nicht ermüdet angesehen. Die Ergebnisse des Tests auf fressenden Verschleiß sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Die Ergebnisse des Ermüdungstests sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Tabelle 2

    Tabelle 3

  • Aus den Testergebnissen wird ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Probekörper ausgezeichnete Anfangskonformabilitätseigenschaften und ausgezeichnete Beständigkeitseigenschaften gegenüber fressendem Verschleiß sowie eine hohe Ermüdungsbeständigkeit zeigen. Demgegenüber hat der Probekörper des Vergleichsbeispiels 1, obgleich er eine hohe Ermüdungsbeständigkeit aufweist, da Cu in der Deckschicht enthalten ist, eine niedrige Anfangskonformabilität. Er hat auch schlechte Beständigkeitseigenschaften gegenüber fressendem Verschleiß, da Cu auch in der äußersten Oberflächenschicht, d. h. der Deckschicht enthalten ist. Der Probekörper des Vergleichsbeispiels 2, der kein Cu in der äußersten Oberflächenschicht des Verbundplattierungsfilms und genauso gut nicht in seiner unteren Schicht enthält, zeigt zwar eine Verbesserung der Beständigkeitseigenschaften gegenüber fressendem Verschleiß, hat aber eine niedrige Ermüdungsbeständigkeit. Der Probekörper des Vergleichsbeispiels 3 hat eine schlechte Ermüdungsbeständigkeit, da die Schicht, die Cu und anorganische Teilchen enthält, selbst dann, wenn die normale Verschleißstufe nach dem Durchlauf der anfänglichen Einlaufstufe erreicht wird, wegen der zu großen Dicke der äußersten Oberflächenschicht, die weder Cu noch anorganische Teilchen enthält, nicht freigelegt wird.
  • Die untere Schicht des Verbundplattierungsfilms kann durch eine Verbundplattierung einer Pb-Sn-Cu-Legierung und anorganischer Teilchen gebildet werden, und die äußerste Oberflächenschicht kann durch Plattierung einer Pb-Sn-In-Legierung gebildet werden.
  • Die untere Schicht des Verbundplattierungsfilms kann aus einer Mehrzahl von Unterschichten bestehen und sie kann auch so strukturiert sein, dass je größer die Tiefe der Unterschicht ist, desto der Gehalt von Cu und anorganischen Teilchen ist. Auch kann die untere Schicht eine einzige Schicht sein und sie kann so ausgestaltet sein, dass sie einen kontinuierlich ansteigenden Gehalt von Cu und von anorganischen Teilchen entlang der Dicke hat.

Claims (3)

1. Gleitelement umfassend eine Lagerlegierungsschicht (2) und einen auf der Lagerlegierungsschicht (2) angeordneten Verbundplattierungsfilm (4),
wobei der Verbundplattierungsfilm (4) aus einer Bleilegierung, enthaltend insgesamt 0,1 bis 10 Massenprozent Kupfer und insgesamt 0,3 bis 25 Volumenprozent gemeinsam abgeschiedene anorganische Teilchen, besteht und wobei die äußerste Oberflächenschicht (4b) des Verbundplattierungsfilms (4), deren Dicke 10 bis 40% der Gesamtdicke des Verbundplattierungsfilms (4) beträgt, keine anorganischen Teilchen und Kupfer enthält.
2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleilegierung des Verbundplattierungsfilms (4) insgesamt 2 bis 30 Massenprozent mindestens eines der Elemente Sn und In enthält.
3. Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lagerlegierungsschicht (2) und dem Verbundplattierungsfilm (4) eine Zwischenplattierungsschicht (3) vorgesehen ist, die aus einem beliebigen Material, ausgewählt aus der Gruppe Ni, Ag, Cu, Co und einer Legierung davon, besteht.
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