DE112010003120T5

DE112010003120T5 - Gleitlager

Info

Publication number: DE112010003120T5
Application number: DE112010003120T
Authority: DE
Inventors: Yukihiko Kagohara; Takeshi Hoshina; Tomoyuki NIRASAWA
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2013-01-10
Also published as: JP2011027241A; GB201203585D0; KR101336053B1; US20120128285A1; GB2485719A; KR20120025608A; WO2011013526A1

Abstract

Ein Gleitlager, das eine Metallverstärkung; eine Al-basierte Zwischenschicht; und eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht umfasst, wird offenbart. Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht umfasst einen oder mehrere Typen von intermetallischen Verbindungen, die Al und die zwei oder mehr andere Elementtypen enthält, wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 8 oder mehr Körner intermetalischer Verbindungen pro μm2 mit einem Korndurchmesser von weniger als 0,5 μm enthält. Wenn die Elemente, welche die intermetallische Verbindung bilden, als X1, X2, ..., Xn dargestellt werden (n ist eine positive ganze Zahl), erfüllt eine relative Häufigkeit der Elemente X1 ≥ X2 ≥ ... ≥ Xn. Ein Häufigkeitsverhältnis X1/X2 des Elements X1 zu dem Element X2 reicht von 1 bis 10. Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht hat eine Vickershärte im Bereich von 50 bis 80.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlager, das mit einer Metallverstärkung, einer Al-basierten Zwischenschicht und einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht versehen ist.
Hintergrund
Ein Gleitlager mit einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht, die auf seine Innenfläche beschichtet ist, wird im Allgemeinen auf einem Bimetall aufgebaut, in dem die Al-basierte Lagerlegierungsschicht und die Metallverstärkung durch eine Al-basierte Zwischenschicht verbunden sind. Das Bimetall wir weiter maschinell bearbeitet, um das Gleitlager herzustellen.
Ein derartiges Gleitlager weist eine gute anfängliche Formanpassungsfähigkeit und herausragende Ermüdungsschutz- und Abnutzungsschutzeigenschaften gegen einen hohen Oberflächendruck auf. Folglich wird ein derartiges Gleitlager im Allgemeinen auf Automobile und Hochleistungsmotoren für Industriemaschinen angewendet.
Jedoch erfordern jüngere Verbesserungen in dem Motorleisung höhere Ermüdungsschutzeigenschaften gegen einen hohen Oberflächendruck.
JP 2000-17363 A offenbart ein Beispiel für ein Gleitlager mit verbesserten Ermüdungsschutzeigenschaften. Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht des offenbarten Gleitlagers umfasst eine Al-Sn-Si-Systemlagerlegierungsschicht. Die Al-basierte Lagerlegierungsschicht enthält ferner Zusätze von Cr und Zr. JP 2000-17363 A lehrt, dass Cr- und Zr-Zusätze zu der Al-basierten Lagerlegierungsschicht das Aushärten einer binären intermetallischen Verbindung, die Al-Cr in der Al-Kristallkorngrenze der Al-basierten Lagerlegierungsschicht umfasst, ebenso wie das Aushärten einer binären intermetallischen Verbindung, die Al-Zr in der Subkorngrenze in dem Al-Kristallkorn umfasst. JP 2000-17363 A lehrt ferner, dass das Aushärten derartiger intermetallischer Verbindungen die Verbesserung von Ermüdungsschutzeigenschaften des Gleitlagers erleichtert.
Zusammenfassung der Erfindung
Problem, das gelöst werden soll
Bei dem Versuch, leichtere Motoren zu konstruieren, werden Gehäuse, wie etwa Verbindungsstangen, welche die Gleitlager aufnehmen, immer dünner. Gehäuse werden auf Kosten verringerter Festigkeit dünner gemacht und werden folglich verformungsanfällig. Gehäuse werden auf diese Weise leicht von Kräften, wie etwa der dynamischen Last der Gegenwelle, typischerweise einer Kurbelwelle, die von dem Gleitlager gehalten wird, verformt, wodurch das Gleitlager selbst verformungsanfällig gemacht wird. Als ein Ergebnis wird das Gleitlager wiederholten Biegebeanspruchungen ausgesetzt und wird ermüdungsanfällig gemacht. Gleitlager, die derartigen wiederholten Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind, müssen hoch widerstandsfähig gegen biegungsinduzierte Ermüdung sein. Während JP 2000-17363 eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht lehrt, die stark und flexibel ist, ist sie empfindlich für plastische Verformung, wenn sie wiederholter Biegebeanspruchung ausgesetzt ist, und ermüdet vorzeitig.
Wenn das Gleitlager selbst sich durch die Verformung des Gehäuses verformt, kann ein lokalisierter Kontakt zwischen dem Gleitlager und der Gegenwelle auftreten. In derartigen Fällen wird ein Gleitlager mit geringer Formanpassungsfähigkeit Festfressen ausgesetzt.
Die vorliegende Erfindung wurde erdacht, um die vorstehend beschriebenen Problems zu behandeln, und ihre Aufgabe ist, ein Gleitlager bereitzustellen, das herausragende Ermüdungsschutzeigenschaften gegen hohen Oberflächendruck ebenso wie eine hervorragende Formanpassungsfähigkeit zeigt.
Mittel, das Problem zu lösen
In der Al-basieren Lagerlegierungsschicht, die in JP 2000-17363 A gelehrt wird, wurde die Aushärtung einer intermetallischen Al-Cr-Verbindung an der Korngrenze der Matrix ebenso wie eine Aushärtung der intermetallischen Al-Zr-Verbindung an der Subkorngrenze innerhalb des Kristallkorns beobachtet, was die Matrix stärkte und die Ermüdungsschutzeigenschaften verbesserte. Jedoch enthüllten sorgfältige Experimente durch die Erfinder, dass, wenn die Al-basierte Lagerlegierungsschicht wiederholter Biegebeanspruchung ausgesetzt wurde, intermetallische Verbindungen aus Al-Cr und Al-Zr aus der Matrix gelöst wurden, wodurch es aufgrund der Abwesenheit der intermetallischen Verbindung nicht gelingt, die plastische Verformung zu verhindern, und was zu Ermüdung führt.
Die Erfinder nahmen an, dass das Lösen von intermetallischen Al-Cr- und Al-Zr-Verbindungen aus der Matrix der schwachen Bindung zwischen den intermetallischen Verbindungen und der Matrix zuzuschreiben war. Die Erfinder nahmen ferner an, dass eine starke Bindung das Lösen von intermetallischen Verbindungen verhindern und die Widerstandsfähigkeit gegen biegungsinduzierte Ermüdung verbessern würde. Basierend auf diesen Annahmen fanden die Erfinder heraus, dass, wenn ein oder mehrere Typen von Elementen zu der Al-basierten Lagerlegierungsschicht hinzugefügt wurden, um eine intermetallische Mehrelementverbindung zwischen Al und den zwei oder mehr Elementtypen zu bilden, die intermetallische Mehrelementverbindung eine starke Bindung mit der Matrix bildete, um die Lösung der Verbindungen schwer zu machen. Die Erfinder haben auch herausgefunden, dass Kristallkörner mit einem kleinen Durchmesser, die mit einer gewissen Dichte oder mehr verteilt sind, notwendig waren, um eine starke Bindung mit der Matrix zu bilden und die plastische Verformung zu verhindern.
Die Erfinder haben ferner herausgefunden, dass die Steuerung der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht, die eine intermetallische Mehrelementverbindung enthält, die Al und zwei oder mehr Typen metallischer Elemente enthält, der Al-basierten Lagerlegierungsschicht gute Ermüdungsschutzeigenschaften ebenso wie eine herausragende Formanpassungsfähigkeit verleihen.
Ein Gleitlager gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung umfasst eine Metallverstärkung, eine Al-basierte Zwischenschicht und eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht, wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht einen oder mehrere Typen von intermetallischen Verbindungen umfasst, die Al und zwei oder mehr andere Elementtypen enthalten, wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 8 oder mehr Körner intermetalischer Verbindungen pro μm² mit einem Korndurchmesser von weniger als 0,5 μm enthält, und wenn die Elemente, welche die intermetallische Verbindung bilden, als X1, X2, ..., Xn dargestellt werden (n ist eine positive ganze Zahl), erfüllt eine relative Häufigkeit der Elemente X1 ≥ X2 ≥ ... ≥ Xn, und ein Häufigkeitsverhältnis X1/X2 des Elements X1 zu dem Element X2 reicht von 1 bis 10, und die Al-basierte Lagerlegierungsschicht hat eine Vickershärte im Bereich von 50 bis 80.
Die Elemente X1, X2, ..., Xn enthalten kein Al. Die relative Häufigkeit wird in der vorliegenden Erfindung verwendet, um das Massenverhältnis jedes der Elemente X1, X2, ..., Xn innerhalb jeder intermetallischen Verbindung anzugeben. Falls zwei oder mehr Typen intermetallischer Verbindungen erzeugt werden, umfasst eine erste intermetallische Verbindung die Elemente X1(1), X2(1), ..., Xn(1), wobei die relative Häufigkeit der Elemente X1(1) ≥ X2(1) ≥ ... ≥ Xn(1) erfüllt und ein Häufigkeitsverhältnis x1(1)/X2(1) des Elements X1(1) zu dem Element X2(1) von 1 bis 10 reicht; und eine zweite intermetallische Verbindung umfasst die Elemente X1(2), X2(2), ..., Xn(2), wobei die relative Häufigkeit der Elemente X1(2) ≥ X2(2) ≥ ... ≥ Xn(2) erfüllt und ein Häufigkeitsverhältnis x1(2)/X2(2) des Elements X1(2) zu dem Element X2(2) von 1 bis 10 reicht. Das heißt, im Fall der Erzeugung von m (m ist eine ganze Zahl) Typen intermetallischer Verbindungen umfasst die m-te intermetallische Verbindung die Elemente X1(m), X2(m), ..., Xn(m), wobei die relative Häufigkeit der Elemente X1(m) ≥ X2(m) ≥ ... ≥ Xn(m) erfüllt und ein Häufigkeitsverhältnis x1(m)/X2(m) des Elements X1(m) zu dem Element X2(m) von 1 bis 10 reicht. Die Elemente können derart ausgewählt werden, dass X1(1) und X1(m) gleich oder verschieden sind. Jedoch sind X1(1) und Xn(1) zum Beispiel verschiedene Elemente. Bezeichnungen, wie etwa (m) können hier nachstehend weggelassen werden.
Der grundlegende Aufbau eines Gleitlagers der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Das in 1 gezeigte Gleitlager umfasst eine Dreischichtstruktur mit einer Metallverstärkung 2, die zum Beispiel aus Stahl gefertigt ist, und einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht 4, die mittels der Al-basierten Zwischenschicht 3 mit der Metallverstärkung 2 verbunden ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zwei oder mehr Elementtypen zu der Al-basierten Lagerlegierungsschicht hinzugefügt, um eine intermetallische Mehrelementverbindung mit Al zu formulieren und um durch eine feste Lösung in die Al-Matrix eingebaut zu werden. Da die Matrix zwei oder mehr Typen von Verbindungselementen der intermetallischen Mehrelementverbindungen außer Al enthält, verstärkt die intermetallische Mehrelementverbindung ihre Bindung mit der Matrix. Selbst wenn das Gleitlager wiederholter Beigebeanspruchung ausgesetzt wird, wird folglich die intermetallische Mehrelementverbindung nicht leicht von der Matrix gelöst, wodurch die plastische Verformung schwierig gemacht wird und die Widerstandsfähigkeit des Gleitlagers gegenüber biegungsinduzierter Ermüdung verbessert wird.
Beispiele für Elemente, die mit Al binden, um eine intermetallische Verbindung zu bilden, sind metallische Elemente, wie etwa Mn, Cr, Ni, V, Zr, Ti, Mo, Fe, Co, W und Si. Wenn zum Beispiel Mn und V aus den metallischen Elementen ausgewählt werden, formulieren diese Elemente eine intermetallische Mehrelementverbindung aus Al-Mn-V, die auch als eine ternäre intermetallische Verbindung beschrieben werden kann, ebenso wie sie die feste Lösung von Mn und V in der Matrix zulässt. Falls Cr, Si und Fe ausgewählt werden, formulieren diese Elements eine intermetallische Mehrelementverbindung aus Al-Cr(X1(1)-Si(X2(1))-Fe(X3(1)), die auch als eine quaternäre intermetallische Verbindung beschrieben werden kann, ebenso wie sie die feste Lösung von Cr, Si und Fe in der Matrix zulässt.
Ternäre intermetallische Verbindungen, wie etwa Al-Cr(X1(2))-Si(X2(2), Al-Cr(X1(3))-Fe(X2(3)) und Al-Si(X1(4))-Fe(X2(4)) können ebenfalls formuliert werden. Fall die Massenverhältnisse von Cr, Si und Fe gleich sind, kann jedes des Cr, Si und Fe als X1(1), X2(1) und X3(1) bezeichnet werden. Das gleiche gilt, wenn Ni, Zr, Ti und Mo oder andere Kombinationen ausgewählt werden.
Durch Steuern des Häufigkeitsverhältnisses X1/X2 des Elements X1 zu dem Element X2, welche die intermetallische Verbindung bilden, auf den Bereich von 1 bis 10, kann eine starke Bindung zwischen der intermetallischen Mehrelementverbindung und der Matrix hergestellt werden, wenn die relative Häufigkeit der Elemente X1 ≥ X2 ≥ ... ≥ Xn ist. Das Häufigkeitsverhältnis X1/X2 ist vorzugsweise 8 oder kleiner. Die plastische Verformung wird wirkungsvoll verhindert, wenn die intermetallische Mehrelementverbindung kleiner als 0,5 μm ist und in der Dichte von 8 oder mehr pro 1 μm² verteilt ist. Die in diesem Bereich gesteuerte intermetallische Mehrelementverbindung kann gestärkt werden, ohne die Flexibilität der Matrix zu verlieren. Die Verteilungsdichte reicht vorzugsweise von 15 bis 70 pro μm².
Ferner kann die Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht modifiziert werden, indem ihre Zusammensetzung variiert wird, zum Beispiel indem das Zusammensetzungsverhältnis der intermetallischen Mehrelementverbindung variiert wird. Durch Steuern der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht auf eine Vickershärte von 50 oder mehr wird die Al-basierte Lagerlegierungssicht nicht leicht ermüden, selbst wenn sie einer schweren Last in Hochleistungsmotoranwendungen ausgesetzt wird. Ferner wird das Steuern der Vickershärte auf 80 oder weniger der Al-basierten Lagerlegierungsschicht eine gute Formanpassungsfähigkeit verleihen. Es wird angesichts der Ermüdungsschutzeigenschaften und der Formanpassungsfähigkeit bevorzugt, die Vickershärte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht auf einen Bereich von 60 bis 70 zu steuern.
Das wie vorstehend beschrieben aufgebaute Gleitlager erzielt herausragende Ermüdungsschutzeigenschaften und auch eine Formanpassungsfähigkeit, wenn es einem hohen Oberflächendruck ausgesetzt ist.
Das Gleitlager der vorliegenden Erfindung wird durch einen Gießschritt, einen Walzschritt, einen Pressschritt, einen Wärmebehandlungsschritt (Glühen) und einen maschinellen Bearbeitungsschritt hergestellt. Insbesondere schmilzt der Gießschritt die Al-basierte Lagerlegierung (die Al-basierte Lagerlegierungsschicht) und gießt sie in ein Blech. Das gegossene Bleche einer Al-basierten Lagerlegierung wird in dem Walzschritt gewalzt und danach in dem Pressschritt mit einem Stahlblech (Metallverstärkung) über einem dünnen Blech aus Al-basierter Legierungsschicht (Al-basierte Zwischenschicht) zusammen gepresst, um ein lagerbildendes Blech zu erhalten. Dann wird das lagerbildende Blech geglüht und schließlich maschinell in ein halbzylindrisches oder ein zylindrisches Lager verarbeitet. Die vorstehend beschriebenen Herstellungsschritte erlauben, dass durch das Verfahren des Walzens einer gegossenen Al-basierten Lagerlegierung und Glühen der lagerbildenden Schicht eine kleine intermetallische Verbindung mit weniger als 0,5 μm Durchmesser ausgehärtet wird.
Der Begriff Korndurchmesser wird hier verwendet, um die maximale Länge pro Kristall der intermetallischen Verbindung zu bezeichnen, die durch eine mikroskopische Analyse erhalten wird.
Ein Gleitlager gemäß Anspruch 2 der vorliegenden Erfindung umfasst eine Al-basierte Zwischenschicht mit einer Härte im Bereich von 70% bis 90% der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht.
Durch Steuern der Härte der Al-basierten Zwischenschicht auf 70% oder mehr der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht kann einer schweren Last, die durch die Al-basierte Lagerlegierungsschicht aufgenommen wird, zuverlässiger Stand gehalten werden, während verhindert wird, dass die Al-basierte Zwischenschicht über den Rand in der Breitenrichtung des Gleitlagers heraus steht, um die Ermüdungsschutzeigenschaften des Gleitlagers im Allgemeinen zu verbessern. Ferner kann die Al-basierte Zwischenschicht durch Steuern der Härte der Al-basierten Zwischenschicht auf 90% oder weniger der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht als ein Polster wirken, um die Schwankung der auf die Al-basierte Lagerlegierungsschicht angewendeten Last aufzufangen und die Formanpassungsfähigkeit der Al-basierten Lagerlegierungsschicht weiter zu verbessern.
Gemäß der Gleitlager von Anspruch 3 der vorliegenden Erfindung enthalten die Al-basierte Zwischenschicht und die Al-basierte Lagerlegierungsschicht Fe, und der Fe-Gehalt in der Al-basierten Zwischenschicht reicht von 0,5 Massen-% bis 1,5 Massen-% und beträgt mehr als das Zweifache des Fe-Gehalts in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht.
Durch Verleihen der gesteuerten Menge des Fe-Gehalts an die Al-basierte Zwischenschicht und die Al-basierte Lagerlegierungsschicht, wird die Wärmewiderstandsfähigkeit der Al-basierten Zwischenschicht und der Al-basieren Lagerlegierungsschicht verbessert. Das Verleihen der gesteuerten Menge des Fe-Gehalts an die Al-basierte Zwischenschicht und die Al-basierte Lagerlegierungsschicht lässt die Al-basierte Zwischenschicht und die Al-basierte Lagerlegierungsschicht ferner sich schwer verfestigen. Als ein Ergebnis wird die Formanpassungsfähigkeit der Al-basierten Lagerlegierungsschicht verbessert, um die Ansammlung metallischer Ermüdung in der Al-basierten Zwischenschicht und der Al-basierten Lagerlegierungsschicht zu unterbinden.
Durch Steuern des Fe-Gehalts in der Al-basierten Zwischenschicht auf 0,5 Massen-% oder mehr können die Wärmewiderstandsfähigkeit ebenso wie die Ermüdungsschutzeigenschaften verbessert werden. Das Steuern des Fe-Gehalts in der Al-basierten Zwischenschicht auf 1,5 Massen-% oder weniger erleichtert die Steuerung der Vickershärte der Al-basierten Zwischenschicht auf 75 oder weniger, wodurch die Formanpassungsfähigkeit weiter verbessert wird.
Gleitwärme, die an der Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht aufgrund des Gleitkontakts zwischen dem Gegenelement und der Al-basierten Lagerlegierungsschicht auftritt, wird von der Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht in Richtung der Metallverstärkung übertragen. Folglich kann einem Gleitlager, bei dem die Härte seiner Al-basierten Zwischenschicht auf einen Bereich von 70% bis 90% der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht gesteuert wird, die Festigkeit der Al-basierten Zwischenschicht fehlen, insbesondere, wenn die Temperatur der Al-basierten Zwischenschicht durch die Gleitwärme erhöht ist. Folglich ist die vorliegende Erfindung aufgebaut, um den Fe-Gehalt in der Al-basierten Zwischenschicht auf mehr als den zweifachen Fe-Gehalt in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht zu steuern. Als ein Ergebnis wird die Al-basierte Zwischenschicht, selbst wenn sie einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, schwer erweichbar gemacht, wodurch die Festigkeit der Al-basierten Zwischenschicht aufrecht erhalten wird.
Gemäß dem Gleitlager von Anspruch 4 der vorliegenden Erfindung enthält die Al-basierte Lagerlegierungsschicht ein Si-Korn mit einem Korndurchmesser, der größer als 0,5 μm ist.
Indem den Si-Körnern ein Korndurchmesser von mehr als 0,5 μm in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht verliehen wird, kann die Gegenwelle durch die Si-Körner poliert werden. Folglich werden die Festfresseigenschaften des Gleitlagers verbessert. Wenngleich Si auch eine intermetallische Verbindung bilden kann, wird es im Allgemeinen durch eine feste Lösung in die Matrix eingebaut oder kristallisiert als hartes Si-Korn. Folglich kann die Al-basierte Lagerlegierungsschicht verstärkt werden, indem Si in die Al-basierte Lagerlegierungsschicht gegeben wird. Als ein Ergebnis werden die Festfressschutzeigenschaften des Gleitlagers verbessert.
Gemäß dem Gleitlager von Anspruch 5 der vorliegenden Erfindung umfasst die Al-basierte Lagerlegierungsschicht 3 bis 20 Massen-% Sn; 1,5 bis 8 Massen-% Si; wenigstens einen oder mehrere Typen metallischer Elemente, die aus der Gruppe aus Cu, Zn und Mg ausgewählt sind, deren Gesamtmenge von 0,1 bis 7 Massen-% reicht; und Elemente X1, X2, ..., Xn (n ist eine positive ganze Zahl), die eine intermetallische Verbindung mit Al formulieren; und ein Gleichgewicht von Al und unvermeidbaren Verunreinigungen; und das Element X1 wird aus der Gruppe aus Mn, Cr, Ni, V, Zr und Si ausgewählt, und wenn es aus Mn, Cr, Ni, V und Zr ausgewählt ist, reicht seine Gesamtmenge von 0,01 bis 2 Massen-%, und das Element X2, das sich von dem Element X1 unterscheidet, wird aus der Gruppe aus V, Ti, Zr, Mo, Fe, Co, W, Mn und Si ausgewählt, und wenn es aus V, Ti, Zr, Mo, Fe, Co, W und Mn ausgewählt ist, reicht seine Gesamtmenge von 0,01 bis 2 Massen-%. Die vorstehend beschriebenen Mengen geben die Massen-% in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht an.
Das Verleihen von Sn mit 3 Massen-% oder mehr an die Al-basierte Lagerlegierungsschicht stellt eine gute Formanpassungsfähigkeit, Festfressschutzeigenschaften und eine gute Einbettbarkeit in die Lagerlegierung bereit, und die Steuerung des Sn-Gehalts in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht auf 20 Massen-% oder weniger stellt gute Ermüdungsschutzeigenschaften bereit.
Das Verleihen von Si mit 1,5 Massen-% oder mehr an die Al-basierte Lagerlegierungsschicht bietet die vorangehenden Vorteile von Si auf, und die Steuerung des Si-Gehalts auf 8 Massen-% oder weniger stellt gute Ermüdungsschutzeigenschaften bereit. Es wird bevorzugt, den Si-Gehalt auf mehr als 2 Massen-% zu steuern, um die Vorteile des Si-Korns noch wirkungsvoller aufzubieten.
Cu, Zn und Mg-Elemente werden durch feste Lösung die Matrix eingebaut. Dies erlaubt die Verstärkung der Matrix. Ferner können durch Steuerung der Gesamtmenge eines oder mehrerer Elementtypen, die aus der Gruppe aus Cu, Zn und Mg ausgewählt werden, auf 0,1 Massen-% die vorhergehenden Betriebe ausreichend ausgeübt werden, und die Steuerung der Gesamtmenge auf 7 Massen-% oder weniger stellt eine gute Formanpassungsfähigkeit bereit.
Wenn das Element X1 aus der Gruppe aus Mn, Cr, Ni, V, Zr und Si ausgewählt wird und das Element X2, das sich von dem Element X1 unterscheidet, aus der Gruppe aus V, Ti, Zr, Mo, Fe, Co, W, Mn und Si ausgewählt wird, bilden die Elemente X1 und X2 eine Bindung mit Al, um eine oder mehrere Typen intermetallischer Verbindungen zu formulieren, die aus drei Elementen (oder mehr als drei Elementen) bestehen. Durch Steuerung der Menge des Elements X1, wenn es aus der Gruppe aus Mn, Cr, Ni, V und Zr ausgewählt ist, und der Menge des Elements X2, wenn es aus V, Ti, Zr, Mo, Fe, Co, W und Mn ausgewählt ist, auf 0,01 Massen-% oder mehr, kann eine relativ größere Menge der vorstehend beschriebenen intermetallischen Verbindung formuliert werden, und durch Steuerung derselben auf 2 Massen-% oder weniger können gute Ermüdungsschutzeigenschaften erreicht werden. An den Glühparametern, wie etwa der Temperatur und der Dauer, können Einstellungen vorgenommen werden, um die Menge an Si, das die intermetallische Verbindung als Element X1 formuliert, die Menge an Si, das durch feste Lösung eingebaut wird, und die Menge an Si, die als Si-Körner kristallisiert, zu steuern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittansicht eines Gleitlagers.
2 ist eine Darstellung eines Halblagers, das an einer Testmaschine zum Testen der Formanpassungsfähigkeit angebracht ist.
3A und 3B sind Aufstellungen, welche die Zusammensetzungen der Al-basierten Lagerlegierungsschicht und der Al-basierten Zwischenschicht angeben.
4 ist eine Aufstellung, welche die Testbedingungen angibt.
Ausführungsformen der Erfindung
Um die Wirkung der vorliegenden Erfindung zu verifizieren, wurden Proben von Gleitlagern (Beispiele 1 bis 4) der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht und Al-basierten Zwischenschicht hergestellt, die durch Zusammensetzungen aufgebaut waren, die in der Aufstellung in 3A und 3B angegeben sind, ebenso wie Proben von Gleitlagern (Vergleichsbeispiele 1 bis 4), die einen herkömmlichen Aufbau verwenden, um einen Test der Ermüdungsschutzeigenschaften (biegungsinduzierter Ermüdungstest) und einen Formanpassungsfähigkeitstest auszuführen.
Ein Verfahren zur Herstellung der Beispiele 1 bis 4 ist wie nachstehend dargelegt. Zuerst wurde ein Blech aus Al-basierter Lagerlegierungsschicht, das durch eine in der Aufstellung von 3A und 3B gezeigte Zusammensetzung aufgebaut wurde, zum Beispiel durch eine Bandgießvorrichtung mit herausragender Massenproduktivität erhalten. Dann wurde ein dünnes Blech, das die Al-basierte Zwischensicht, die durch eine in der Aufstellung von 3A und 3B gezeigte Zusammensetzung aufgebaut war, gegen die gegossene Al-basierte Lagerlegierung gepresst, um ein Bleich aus mehrschichtiger Aluminiumlegierung zu erhalten, und dann wurde das Blech aus der mehrschichtigen Aluminiumlegierung gegen ein Stahlblech gepresst, das die Metallverstärkung bildete, um die lagerbildende Schicht (d. h. ein Bimetall) zu erhalten. Dann, wurde die lagerbildende Schicht 1 bis 10 Stunden lang auf 450 Grad oder weniger geglüht, die nach Bedarf abhängig von der Zusammensetzung gesteuert wurden.
Das Glühen der lagerbildenden Schicht bewirkt das Aushärten von intermetallischen Verbindungen in der Matrix der Al-basierten Lagerlegierungsschicht. Die mikroskopische Analyse der Größe der ausgehärteten intermetallischen Verbindung basierend auf den fotografischen Bildern der Mikrostruktur ergaben, dass intermetallische Verbindungen mit einem Korndurchmesser von weniger als 0,5 μm in der in der Aufstellung von 3A und 3B angegebenen Zählung pro 1 μm² vorhanden waren.
Das Verfahren zur Herstellung der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 unterscheidet sich andererseits von dem Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Beispiele 1 bis 4 darin, dass das lagerbildende Blech bei der herkömmlichen Temperatur im Bereich von 300°C bis 350°C geglüht wurde.
Die Häufigkeit der intermetallischen Verbindungen innerhalb der auf diese Weise erhaltenen Al-basierten Lagerlegierungsschicht war, wie in der Aufstellung von 3A und 3B gezeigt, sehr gering.
Die vorstehend beschriebenen Beispiele 1 bis 4 und Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden, wie nachstehend dargelegt, auf ihre Ermüdungsschutzeigenschaften (biegungsinduzierte Ermüdung) und Formanpassungsfähigkeit getestet.
(1) Ermüdungsschutzeigenschaftentest (biegungsinduzierter Ermüdungstest)
Das geglühte lagerbildende Blech wurde maschinell verarbeitet, um Probenstücke (Beispiele 1 bis 4, Vergleichsbeispiele 1 bis 4) zu erhalten, die einem biegungsinduzierten Ermüdungstest unterzogen wurden, um ihre Ermüdungsschutzeigenschaften zu verifizieren. Die Probenstücke haben jeweils eine Dicke von 1,5 mm, wobei die Metallverstärkung 1,3 mm dick ist und die Al-basierte Lagerlegierungsschicht und die Al-basierte Zwischenschicht zu zusammen genommen 0,3 mm dick sind. Der Test wurde ausgeführt, indem die Proben wiederholt wechselseitig derart gebogen wurden, dass die Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht ein konstantes Biegeniveau zeigte, bis sich ein Riss auf der Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht bildete. Die wiederholte Zählung der wechselseitigen Biegung, bis die Rissbildung auf der Oberfläche der Al-basierten Lagerlegierungsschicht der Proben des Tests der Ermüdungsschutzeigenschaften (biegungsinduzierter Ermüdungstest) beobachtet wurde, ist in der Aufstellung von 3A und 3B angegeben.
(2) Formanpassungsfähigkeitstest
Das geglühte lagerbildende Blech wurde maschinell bearbeitet, um Gleitlager zu erhalten, die als Beispiele 1 bis 4 bezeichnet wurden, Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden einem Formanpassungsfähigkeitstest unterzogen, um ihre Formanpassungsfähigkeit zu verifizieren. Der Formanpassungsfähigkeitstest wurde ausgeführt, indem zwei Probenstücke, die zu einem Halblager, wie in 2 gezeigt, ausgebildet waren, derart gepaart wurden, dass die Stücke um ΔL diametral versetzt waren, was in diesem Test auf 30 μm festgelegt ist, und die Proben wurden in diesem Zustand auf die Drehbelastungstestvorrichtung montiert, um den Formanpassungsfähigkeitstest unter den in der Aufstellung von 4 angegebenen Bedingungen auszuführen. Der Test wurde ausgeführt, indem die Drehlast durch die Zentrifugalkraft einer Welle unter Verwendung der Drehbelastungstestvorrichtung auf die Innenumfangsfläche des Gleitlagers angewendet wurde.
Durch Montieren des verschobenen Gleitlagers kann die Formanpassungsfähigkeit des Gleitlagers durch die Last der Welle, die auf die Umfangsenden des Gleitlagers angewendet wird, verifiziert werden. Eine in diesem Test verifizierte gute Formanpassungsfähigkeit wird sicherstellen, dass Beeinträchtigungen durch einen lokalisierten Kontakt wirksam vermieden werden und dass Festfressen und ermüdungsinduzierte Schäden über einen langen Zeitraum verhindert werden. Die Last wurde allmählich auf die Testlast von 30 MPa erhöht, und die Zeit, die benötigt wird, um das Gleitlager nach dem Erreichen der Testlast zu beschädigen, wurde gemessen.
Unter der Annahme, dass die intermetallische Verbindung mehrere Elemente einschließlich Al umfasst, gibt der „TYP X1/X2” in der Aufstellung von 3A und 3B die zwei Elementtypen (Element X1 und Element X2) mit der größten relativen Häufigkeit in der intermetallischen Verbindung außer Al an. Bei Vorhandensein mehrerer intermetallischer Verbindungstypen sind mehrere Einträge für „TYP X1/X2” angegeben.
Die Bezeichnung „Verhältnis X1/X2” gibt das Häufigkeitsverhältnis X1/X2 an, das der Quotient des Elements X1, geteilt durch das Element X2 ist, wenn das Element X1 und das Element X2 durch ihre Massenverhältnisse in der intermetallischen Verbindung dargestellt sind.
Die Bezeichnung „Härteverhältnis” gibt eine Prozentsatzdarstellung des Quotienten an, der gegeben ist, indem die für die Al-basierte Zwischenschicht (b) erhaltene Vickershärte durch die Vickershärte dividiert wird, die für die Al-basierte Lagerlegierungsschicht (a) erhalten wird.
Als nächstes wird eine Analyse der Testergebnisse gegeben.
Es kann aus der Verifizierung der Ergebnisse des Ermüdungsschutztests verstanden werden, dass die Beispiele 1 bis 4 herausragende Ermüdungsschutzeigenschaften zeigten, indem sie für einen im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 langen Zeitraum eine hervorragende Widerstandfähigkeit gegen biegungsinduzierte Ermüdung aufrecht erhalten.
Es kann aus dem Vergleich der Beispiele 1 bis 4 mit den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 verstanden werden, dass diese intermetallischen Verbindungen, wenn das Häufigkeitsverhältnis X1/X2 von 1 bis 10 reicht und acht oder mehr intermetallische Verbindungen mit einem Korndurchmesser von weniger als 0,5 μm pro 1 μm² vorhanden sind, den Transfer oder die Verlagerung innerhalb der Matrix unterbinden, um die Widerstandsfähigkeit gegen biegungsinduzierte Ermüdung zu verbessern, und die Steuerung der Vickershärte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht auf 50 oder mehr außerordentlich herausragende Ermüdungsschutzeigenschaften ergibt.
Es kann aus dem Vergleich der Beispiele 1 bis 3 mit dem Beispiel 4 verstanden werden, dass, da der Fe-Gehalt in der Al-basierten Zwischenschicht in den Beispielen 1 bis 3 mehr als das Zweifache des Fe-Gehalts der Al-basierten Lagerlegierungsschicht ist, die Al-basierte Zwischenschicht nicht leicht erweicht wird, selbst wenn in der Al-basierten Zwischenschicht Wärme durch das wiederholte wechselseitige Biegen erzeugt wird, wodurch außerordentlich gute Ermüdungsschutzeigenschaften erhalten werden.
Es kann aus der Verifizierung der Ergebnisse des Formanpassungsfähigkeitstests verstanden werden, dass der lokalisierte Kontakt zwischen dem Gegenelement und den Proben wirksam vermieden wird, weil die Vickershärte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht auf 80 oder weniger gesteuert wird, wodurch eine gute Formanpassungsfähigkeit erreicht wird. Die wie vorstehend aufgebauten Beispiele 1 bis 4 zeigten eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung, während sie eine gute Formanpassungsfähigkeit besitzen.
Es kann aus dem Vergleich der Beispiele 1, 2 und 4 mit dem Beispiel 3 verstanden werden, dass die Beispiele 1, 2 und 4 eine außerordentlich herausragende Formanpassungsfähigkeit zeigen, weil die Härte der Al-basierten Zwischenschicht auf 90% oder weniger der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht gesteuert wird.
Modifizierte Ausführungsformen werden als in den Bereich der Erfindung fallend betrachtet, solange sie nicht von dem erfinderischen Konzept abweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2000-17363 A [0005, 0009]
JP 2000-17363 [0006]

Claims

Gleitlager, das umfasst: eine Metallverstärkung; eine Al-basierte Zwischenschicht; und eine Al-basierte Lagerlegierungsschicht, wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht einen oder mehrere Typen von intermetallischen Verbindungen umfasst, die Al und zwei oder mehr andere Elementtypen enthalten, wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht acht oder mehr Körner intermetalischer Verbindungen pro μm² mit einem Korndurchmesser von weniger als 0,5 μm enthält, und wobei, wenn die Elemente, welche die intermetallische Verbindung bilden, als X1, X2, ..., Xn dargestellt werden (n ist eine positive ganze Zahl), eine relative Häufigkeit der Elemente X1 ≥ X2 ≥ ... ≥ Xn erfüllt und ein Häufigkeitsverhältnis X1/X2 des Elements X1 zu dem Element X2 von 1 bis 10 reicht, und die Al-basierte Lagerlegierungsschicht eine Vickershärte im Bereich von 50 bis 80 hat.
Gleitlager gemäß Anspruch 1, wobei die Al-basierte Zwischenschicht eine Härte im Bereich von 70% bis 90% der Härte der Al-basierten Lagerlegierungsschicht hat.
Gleitlager gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Al-basierte Zwischenschicht und die Al-basierte Lagerlegierungsschicht Fe enthalten, und der Fe-Gehalt in der Al-basierten Zwischenschicht von 0,5 Massen-% bis 1,5 Massen-% reicht und mehr als des Zweifache des Fe-Gehalts in der Al-basierten Lagerlegierungsschicht beträgt.
Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht ein Si-Korn mit einem Korndurchmesser enthält, der größer als 0,5 μm ist.
Gleitlager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Al-basierte Lagerlegierungsschicht ferner umfasst: 3 bis 20 Massen-% Sn; 1,5 bis 8 Massen-% Si; wenigstens einen oder mehrere Typen metallischer Elemente, die aus der Gruppe aus Cu, Zn und Mg ausgewählt sind, deren Gesamtmenge von 0,1 bis 7 Massen-% reicht; und Elemente X1, X2, ..., Xn (n ist eine positive ganze Zahl), die eine intermetallische Verbindung mit Al formulieren; und ein Gleichgewicht von Al und unvermeidbaren Verunreinigungen; und wobei das Element X1 aus der Gruppe aus Mn, Cr, Ni, V, Zr und Si ausgewählt wird, und wobei, wenn es aus Mn, Cr, Ni, V und Zr ausgewählt ist, seine Gesamtmenge von 0,01 bis 2 Massen-% reicht, und wobei das Element X2, das sich von dem Element X1 unterscheidet, aus der Gruppe aus V, Ti, Zr, Mo, Fe, Co, W, Mn und Si ausgewählt wird, und wobei, wenn es aus V, Ti, Zr, Mo, Fe, Co, W und Mn ausgewählt ist, seine Gesamtmenge von 0,01 bis 2 Massen-% reicht.