DE112011100455T5

DE112011100455T5 - Gleitelement

Info

Publication number: DE112011100455T5
Application number: DE112011100455T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Takayanagi; Hiroyuki Asakura; Mikihito YASUI
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2031-02-05
Also published as: DE112011100455B4; GB201213851D0; JP5243467B2; JP2011163381A; GB2492492A; KR20120112692A; KR101398616B1; WO2011096523A1; US20120282481A1

Abstract

Es wird ein Gleitelement (1) beschrieben, welches ein Basisteil (12) und eine auf dem Basisteil (12) angebrachte Deckschicht (13) aufweist. Die Basis der Deckschicht (13) besteht aus Bi oder einer Bi-Legierung und enthält Sn oder eine Sn-Legierung. Die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis (15), die in der Deckschicht (13) verteilt sind, beträgt nicht weniger als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis (14), die innerhalb der Deckschicht (13) verteilt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einer Deckschicht, die gebildet ist durch Zugeben von Sn oder einer Sn-Legierung zu Bi oder einer Bi-Legierung.
STAND DER TECHNIK
Gleitlager, die typische Beispiele für Gleitlagerelemente sind, und in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen oder dergleichen verwendet werden, sind Strukturen, bei denen eine Lagerlegierungsschicht, bestehend aus einer Cu-Legierung oder einer Al-Legierung, auf einer Stützmetallschicht zum Beispiel aus Stahl aufgebracht ist. Auf der Gleitoberfläche von Gleitlagern wird üblicherweise eine Deckschicht angebracht, um die Konformabilität und die Beständigkeit gegenüber Festfressen zu verbessern.
Solche Deckschichten werden herkömmlicherweise aus einer weichen Pb-Legierung gebildet. In neuerer Zeit ist vorgeschlagen worden, Bi als Ersatz für Pb zu verwenden, das stark umweltbelastend ist. Da Bi jedoch spröde ist, sind die Konformabilität und die Beständigkeit gegenüber Festfressen von Gleitlagern mit Deckschichten aus Bi im Allgemeinen geringer als von Gleitlagern mit Deckschichten aus einer Pb-Legierung. Deshalb wird, wie zum Beispiel in Patentdokument 1 beschrieben, eine Deckschicht gebildet durch Zugeben von einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus Sn, In und Ag zu Bi, wodurch die Konformabilität und die Beständigkeit gegenüber Festfressen der Deckschicht verbessert werden.
LISTE DER ZITIERTEN DOKUMENTE
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: JP-A-11-50296

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Wenn eine Deckschicht gebildet wird durch Zugeben von Sn oder einer Sn-Legierung zu Bi oder einer Bi-Legierung, weist die Deckschicht 1 eine Struktur auf, bei der Teilchen auf Bi-Basis 2 und Teilchen auf Sn-Basis 3 koexistieren, so wie dies in 5 gezeigt ist. Das Teilchen auf Bi-Basis 2 ist ein aus Bi oder einer Bi-Legierung gebildetes Kristallkorn und das Teilchen auf Sn-Basis 3 ist ein aus Sn oder einer Sn-Legierung gebildetes Kristallkorn. Das Teilchen auf Sn-Basis 3 liegt innerhalb des Teilchens auf Bi-Basis 2 und an der Korngrenze des Teilchens auf Bi-Basis 2 vor. Dabei hat Sn einen Schmelzpunkt, der niedriger ist als der von Bi, und deshalb wird das Teilchen auf Sn-Basis 3 im Vergleich zu dem Teilchen auf Bi-Basis 2 leicht zum Schmelzen gebracht durch Reibungshitze, die entsteht, wenn ein korrespondierendes Gleitelement, wie zum Beispiel eine Kurbelwelle, in Kontakt mit der Gleitoberfläche des Gleitlagers gleitet. Deshalb wird die Erhöhung der Temperatur des Gleitlagers durch das Schmelzen der Teilchen auf Sn-Basis 3 unterdrückt. Genauer gesagt wird dadurch ein latenter Wärmeeffekt erzielt, dass die Reibungshitze durch das Schmelzen der Teilchen auf Sn-Basis absorbiert wird, und die Beständigkeit des Gleitlagers gegenüber Festfressen kann verbessert werden.
Wenn die Teilchen auf Sn-Basis 3 schmelzen und wegfließen, entstehen an den Stellen, an denen sich die Teilchen auf Sn-Basis 3 befanden, Vertiefungen. Je größer die Teilchen auf Sn-Basis 3 sind, umso größer werden die Vertiefungen auf der Gleitoberfläche. Im Allgemeinen befindet sich während des Gleitens ein Schmierstoff, wie zum Beispiel Schmieröl, zwischen der Gleitoberfläche und dem korrespondierenden Gleitelement. Wenn sich in der Gleitoberfläche jedoch eine große Vertiefung befindet, kann der Schmierstofffilm leicht reißen. Es besteht deshalb die Gefahr, dass das korrespondierende Element mit der Gleitoberfläche des Gleitlagers in Kontakt kommt, ohne dass sich dazwischen der Schmierstoff befindet, was zum Festfressen führt.
In der Vergangenheit wurde der Größe der Teilchen auf Sn-Basis in der Deckschicht keine Beachtung geschenkt und es ist keine Literatur ersichtlich, in der diese Größe beschrieben wird. Die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis in Gleitelementen beträgt tatsächlich etwa 0,15 μm.
Die vorliegende Erfindung wurde vor dem oben beschriebenen technischen Hintergrund gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gleitelement bereitzustellen, dass eine Deckschicht aufweist, die gebildet wird durch Zugeben von Sn oder einer Sn-Legierung zu Bi oder einer Bi-Legierung und die hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen aufweist.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Der Erfinder ist davon ausgegangen, dass die Beständigkeit gegenüber Festfressen verbessert werden kann durch Verkleinerung der Vertiefungen, die durch das Schmelzen der Teilchen auf Sn-Basis entstehen. Der Erfinder konzentrierte sich auf die Größe der Teilchen auf Sn-Basis innerhalb der Deckschicht und führte wiederholt diverse Tests durch. Als Ergebnis davon fand der Erfinder heraus, dass ein Gleitelement mit sehr vorteilhafter Beständigkeit gegenüber Festfressen erhalten werden kann, wenn die Größe der Teilchen auf Sn-Basis innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, und zwar auch dann, wenn der Gehalt an Sn in der Deckschicht, in der Sn oder eine Sn-Legierung in Bi oder einer Bi-Legierung enthalten ist, gleich bleibt.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnis wurde die vorliegende Erfindung gemacht.
Ein erfindungsgemäßes Gleitelement umfasst ein Basisteil und eine auf dem Basisteil angebrachte Deckschicht, die gebildet ist durch Zugeben von Sn oder einer Sn-Legierung zu Bi oder einer Bi-Legierung, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht eine Basis umfasst, bestehend aus Teilchen auf Bi-Basis, die aus Bi oder einer Bi-Legierung bestehen, und Teilchen auf Sn-Basis, die in der Basis verteilt sind und aus Sn oder einer Sn-Legierung bestehen, und dass die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen aus Sn-Basis, die in der Deckschicht verteilt sind nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis, die in der Deckschicht verteilt sind, beträgt.
Der hier verwendete Begriff „Basisteil” bezeichnet eine Struktur, die auf der Seite angeordnet ist, auf der die Deckschicht angebracht ist. Wenn zum Beispiel eine Lagerlegierungsschicht angebracht ist auf der Stützmetallschicht und eine Zwischenschicht als Adhäsionsschicht angebracht ist zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Deckschicht, dann entsprechen die Stützmetallschicht, die Lagerlegierungsschicht und die Zwischenschicht dem Basisteil. Wenn die Lagerlegierungsschicht angebracht ist auf der Stützmetallschicht und die Deckschicht angebracht ist auf der Lagerlegierungsschicht, dann entsprechen die Stützmetallschicht und die Lagerlegierungsschicht dem Basisteil. Wenn die Deckschicht auf der Stützmetallschicht angebracht ist, dann entspricht die Stützmetallschicht dem Basisteil. Die genannte Lagerlegierungsschicht kann hergestellt werden aus einer Lagerlegierung auf Al-Basis, einer Lagerlegierung auf Cu-Basis oder einer Lagerlegierung mit einem anderen Metall als Hauptbestandteil. Die genannte Zwischenschicht ist gebildet aus einem Material, welches sich leicht verbindet sowohl mit den Bestandteilen der Lagerlegierungsschicht als auch den Bestandteilen der Deckschicht, zum Beispiel, Ag, einer Ag-Legierung, Co, einer Co-Legierung, Cu, einer Cu-Legierung oder dergleichen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleitelements genügt der Gehalt in Masse-% des in der Deckschicht enthaltenen Sn, X, der Beziehung 0 < X ≤ 10, mehr bevorzugt 0,1 < X ≤ 7.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, dass die Deckschicht Sn enthält. Wenn der Gehalt an Sn in der Deckschicht nicht mehr als 10 Masse-% beträgt, sind die Teilchen auf Sn-Basis in der Deckschicht leicht zu verteilen. Insbesondere ist es bei der vorliegenden Erfindung möglich, zu verhindern, dass die Teilchen auf Sn-Basis in der Deckschicht groß werden und Teilchen auf Sn-Basis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 5% in der Deckschicht können in zuverlässiger Weise erhalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleitelements ist in der Deckschicht Cu enthalten und der Gehalt in Masse-% des in der Deckschicht enthaltenen Cu, Y, genügt der Beziehung 0 < Y ≤ 5, mehr bevorzugt 0,1 < Y ≤ 2.
Cu verbindet sich mit Sn, um eine relativ harte Sn-Cu-Verbindung zu bilden. Die Sn-Cu-Verbindung bewirkt, dass an dem korrespondierenden Element anhaftendes Material abgekratzt wird und die Beständigkeit gegenüber Festfressen des Gleitelements dadurch stark verbessert wird.
Wenn in der Deckschicht Cu enthalten ist, wird die genannte Wirkung erhalten. Wenn der Gehalt an Cu in der Deckschicht nicht mehr als 5 Massen-% beträgt, wird die Deckschicht nicht zu hart und es wird eine vorteilhafte Beständigkeit gegenüber Festfressen erhalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleitelements ist die Anzahl der in der Deckschicht enthaltenen Teilchen auf Sn-Basis nicht weniger als fünfmal so groß wie die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Bi-Basis.
Selbst wenn der Gehalt der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis gleich bleibt, kann, wenn die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis erhöht wird, das Volumen pro Teilchen auf Sn-Basis kleiner gemacht werden. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis nicht weniger als fünfmal so groß wie die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Bi-Basis. Dadurch wird die durchschnittliche Teilchengröße der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis in zuverlässigerer Weise nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis und die Teilchen auf Sn-Basis sind homogen in der Deckschicht verteilt.
Aufgrund des voranstehend beschriebenen Aufbaus sind die Teilchen auf Sn-Basis homogen in der Gleitoberfläche der Deckschicht verteilt, wodurch die Teilchen auf Sn-Basis leicht noch feiner verteilt werden und die nach dem Schmelzen der Teilchen auf Sn-Basis gebildeten Vertiefungen klein werden. Demgemäß kann ein Schmierstofffilm leichter auf der Deckschicht aufrecht erhalten werden. Als Ergebnis davon weist das Gleitelement hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen auf. Darüber hinaus kann, selbst wenn die Deckschicht verschlissen wird, ein ähnlicher Schmelzeffekt der Teilchen auf Sn-Basis ausgeübt werden. Dadurch wird die Erhöhung der Temperatur des Gleitelements in zuverlässiger Weise unterdrückt und das Gleitelement weist hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen auf.
Die Deckschicht ist ein Legierungsmaterial, das gebildet ist durch Zugeben von Sn oder einer Sn-Legierung zu Bi oder einer Bi-Legierung. Die Deckschicht ist gebildet aus einer Basis bestehend aus Teilchen auf Bi-Basis, die aus Bi oder einer Bi-Legierung bestehen, und Teilchen auf Sn-Basis, die in der Basis verteilt sind und aus Sn oder einer Sn-Legierung bestehen. Die Teilchen auf Bi-Basis sind Kristallkörner, die gebildet sind aus Bi oder einer Bi-Legierung, und die Teilchen auf Sn-Basis sind Kristallkörner, die gebildet sind aus Sn oder einer Sn-Legierung.
Die Komponenten des Basisteils und der Deckschicht können andere als die voranstehend beschriebenen Komponenten umfassen und können unvermeidliche Verunreinigungen enthalten.
Aufgrund des voranstehend beschriebenen Aufbaus sind die Teilchen auf Sn-Basis überwiegend gebildet aus Sn mit einem Schmelzpunkt, der niedriger ist als der von Bi, und sie schmelzen deshalb leichter als die Teilchen auf Bi-Basis. Deshalb schmelzen die Teilchen auf Sn-Basis leichter als die Teilchen auf Bi-Basis durch die Reibungswärme, die entsteht, wenn das Gegengleitelement als Gleitpartner, wie zum Beispiel eine Kurbelwelle, auf der Gleitoberfläche des Gleitelements gleitet. Als Ergebnis davon wird eine Erhöhung der Temperatur des Gleitelements unterdrückt durch das Schmelzen der Teilchen auf Sn-Basis.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die Teilchen auf Sn-Basis, die in der Deckschicht verteilt sind, sehr fein. Genauer gesagt beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Teilchengröße” den Durchmesser des kleinsten umschreibenden Kreises, der im Kontakt mit der Außenkante des Kristallkorns ist. Darüber hinaus bedeutet der Begriff „durchschnittliche Teilchengröße” im Rahmen der vorliegenden Erfindung den Durchschnittswert der Teilchengrößen der über eine bestimmte Fläche, zum Beispiel 25 μm², des Querschnitts der Deckschicht verteilten Teilchen. Die „Teilchengröße” und die „durchschnittliche Teilchengröße” werden jeweils bezüglich der Teilchen auf Bi-Basis und der Teilchen auf Sn-Basis erhalten.
Zum Beispiel sind gemäß der vorliegenden Erfindung in der Deckschicht Teilchen auf Bi-Basis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 μm und Teilchen auf Sn-Basis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,01 μm verteilt. In diesem Fall beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis 1% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis.
Aufgrund des voranstehend beschriebenen Aufbaus werden, wenn die in der Gleitoberfläche der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis schmelzen und die Teilchen auf Sn-Basis wegfließen, Vertiefungen gebildet, und zwar in der gleichen Form wie die Teilchen auf Sn-Basis vor dem Schmelzen und an den Stellen, an denen sich die Teilchen auf Sn-Basis befanden.
Bei der vorliegenden Erfindung beträgt die Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis. Deshalb sind die Formen der Vertiefungen identisch mit der äußeren Form der Teilchen auf Sn-Basis vor dem Schmelzen und sind ebenfalls sehr fein. Deshalb füllt ein Schmierstoff, wie zum Beispiel ein Schmieröl, der der Gleitschicht zugeführt wird, leicht die Vertiefungen und der Film des Schmierstoffs (nachfolgend als Schmierstofffilm bezeichnet), der auf der Deckschicht gebildet ist, wird leicht aufrecht erhalten. Als Ergebnis davon wird verhindert, dass das Gegenelement in Kontakt kommt mit dem Gleitelement, ohne dass sich dazwischen ein Schmierstoff befindet, und das Gleitelement weist hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen auf. Die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis beträgt bevorzugt nicht weniger als 0,2% und nicht mehr 4,3% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis.
Der Erfinder hat festgestellt, dass, wenn die Deckschicht, in der Sn oder eine Sn-Legierung in Bi oder einer Bi-Legierung enthalten ist, auf dem Basisteil angebracht wird durch Bi-Galvanisierung, enthaltend Sn, die in der Deckschicht enthaltenen Teilchen auf Sn-Basis sehr fein werden durch Ausführen der Bi-Galvanisierung unter Erzeugung sehr kleiner Grobheit und Feinheit der Stromdichte an der Oberfläche des Basisteils. Genauer gesagt hat der Erfinder festgestellt, dass sehr feine Teilchen auf Sn-Basis, wie voranstehend beschrieben, in der Deckschicht verteilt werden können durch Erzeugen von Mikronanoblasen, die sehr kleine Luftblasen sind, an der Oberfläche des Basisteils und durch Erzeugen von sehr kleiner Grobheit und Feinheit der Stromdichte an der Oberfläche des Basisteils bei Durchführung der Bi-Galvanisierung zur Anbringung der Deckschicht auf dem Basisteil. Der Durchmesser der Mikronanoblasen beträgt bevorzugt 100 nm bis 500 nm. Als Erzeugungsverfahren für die Mikronanoblasen kann ein Verfahren vom Ejektionstyp, Kavitationstyp, Rührtyp, Druckauflösungstyp, Ultraschall-verwendenen-Typ, Mikroporentyp und dergleichen angewandt werden. Das Verfahren zur Erzeugung der sehr feinen der Teilchen auf Sn-Basis ist nicht auf die voranstehend beschriebenen Verfahren beschränkt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Deckschicht in einem erfindungsgemäßen Gleitelement zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Gleitlagers gemäß einem erfindungsgemäßen Beispiel.
3 ist eine Ansicht, die eine Teilchenform in der Deckschicht zeigt.
4 ist eine 2 entsprechende Ansicht, nachdem die Teilchen auf Sn-Basis an der Gleitoberfläche der Deckschicht geschmolzen und weggeflossen sind.
5 ist eine Ansicht, die ein herkömmliches Beispiel zeigt und 1 entspricht.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFOMREN
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Grundstruktur eines Gleitelements, wie zum Beispiel eines Gleitlagers, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das in 2 gezeigte Gleitelement 11 weist eine Struktur auf, bei der eine Deckschicht 13 auf dem Basisteil 12 angebracht ist.
Das „Basisteil” wird unter Bezugnahme auf die zu Erläuterungszwecken gezeigte 2 beschrieben. Wenn eine Lagerlegierungsschicht 12b auf einer Stützmetallschicht 12a angebracht ist und eine Zwischenschicht 12c als Adhäsionsschicht zwischen der Lagerlegierungsschicht 12b und der Deckschicht 13 angebracht ist, dann entsprechen die Stützmetallschicht 12a, die Lagerlegierungsschicht 12b und die Zwischenschicht 12c dem Basisteil 12. Wenn die Lagerlegierungsschicht 12b auf der Stützmetallschicht 12a angebracht ist und die Deckschicht 13 auf der Lagerlegierungsschicht 12b angebracht ist, dann entsprechen die Stützmetallschicht 12a und die Lagerlegierungsschicht 12b dem Basisteil 12. Wenn die Deckschicht 13 auf der Stützmetallschicht 12a angebracht ist, dann entspricht die Stützmetallschicht 12a dem Basisteil 12.
Die Lagerlegierungsschicht 12b ist eine Lagerlegierungsschicht, enthaltend eine Lagerlegierung auf Al-Basis, eine Lagerlegierung auf Cu-Basis oder ein anderes Metall als Hauptbestandteil.
Die Zwischenschicht 12b ist gebildet aus einem Material, das sich leicht sowohl mit den Bestandteilen der Lagerlegierungsschicht 12b als auch den Bestandteilen der Deckschicht 13 verbindet, zum Beispiel aus Ag, einer Ag-Legierung, Co, einer Co-Legierung, Cu, einer Cu-Legierung oder dergleichen.
Die Deckschicht 13 ist ein Legierungsmaterial, das gebildet ist durch Zugeben von Sn oder einer Sn-Legierung zu Bi oder einer Bi-Legierung. Die Deckschicht 13 ist gebildet aus einer Basis, bestehend aus Teilchen auf Bi-Basis, die aus Bi oder einer Bi-Legierung bestehen, und Teilchen auf Sn-Basis, die aus Sn oder einer Sn-Legierung bestehen, die in der Basis verteilt sind, so wie dies in 1 gezeigt ist. In 1 ist die Oberseite die Seite der Gleitoberfläche. Ein Teilchen auf Bi-Basis 14 ist ein Kristallkorn, das gebildet ist aus Bi oder einer Bi-Legierung, und ein Teilchen auf Sn-Basis 15 ist ein Kristallkorn, das gebildet ist aus Sn oder einer Sn-Legierung.
Die Bestandteile des Basisteils 12 und der Deckschicht 13 können andere als die voranstehend beschriebenen Bestandteile umfassen und können unvermeidlich Verunreinigungen enthalten.
Aufgrund des voranstehend beschriebenen Aufbaus ist das Teilchen auf Sn-Basis 15 hauptsächlich gebildet aus Sn mit einem Schmelzpunkt, der niedriger ist als der von Bi, und deshalb schmilzt es leichter als das Teilchen auf Bi-Basis 14. Demgemäß werden die Teilchen auf Sn-Basis 15 leichter geschmolzen als die Teilchen auf Bi-Basis 14 durch die Reibungswärme, die entsteht, wenn ein Gegenelement als Gleitpartner, wie zum, Beispiel eine Kurbelwelle, auf der Gleitoberfläche des Gleitelements 11 gleitet. Dadurch kann eine Erhöhung der Temperatur des Gleitelements 11 durch das Schmelzen der Teilchen auf Sn-Basis 15 unterdrückt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die in der Deckschicht 13 verteilten Teilchen auf Sn-Basis 15 sehr fein. Genauer gesagt, beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis 15 nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis 14.
Der Begriff „Teilchengröße” bedeutet im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung den Durchmesser R eines kleinsten umschreibenden Kreises, der im Kontakt ist mit der äußeren Kante eines Kristallkorns, wie dies in 3 gezeigt ist. Der Begriff „durchschnittliche Teilchengröße” bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung den Durchschnittswert der Teilchengröße der Teilchen, die über eine bestimmte Fläche, zum Beispiel 25 μm², in dem Querschnitt der Deckschicht 13 verteilt sind. Die „Teilchengröße” und die „durchschnittliche Teilchengröße” werden jeweils bezüglich der Teilchen auf Bi-Basis 14 und der Teilchen auf Sn-Basis 15 erhalten.
Zum Beispiel sind bei der vorliegenden Erfindung Teilchen auf Bi-Basis 14 mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 5 μm und Teilchen auf Sn-Basis 15 mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,01 μm in der Deckschicht 13 verteilt. In diesem Fall beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis 15 1% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis 14.
Aufgrund des voranstehend beschriebenen Aufbaus werden, wenn die in der Gleitoberfläche der Deckschicht 13 verteilten Teilchen auf Sn-Basis 15 schmelzen und die Teilchen auf Sn-Basis 15 wegfließen, Vertiefungen 16 gebildet und zwar in den gleichen Formen, wie die Teilchen auf Sn-Basis 15 vor dem Schmelzen und an den Stellen, an denen sich die Teilchen auf Sn-Basis 15 befanden, so wie dies in 4 gezeigt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis 15 nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis 14. Deshalb ist die Form der Vertiefung 16 die gleiche wie die äußere Form der Teilchen auf Sn-Basis 15 vor dem Schmelzen und ist ebenfalls sehr fein. Demgemäß füllt ein Schmierstoff, wie zum Beispiel ein Schmieröl, der der Gleitoberfläche der Deckschicht 13 zugeführt wird, leicht die Vertiefungen 16 und ein Schmierstofffilm, der auf der Deckschicht 13 gebildet ist, wird leicht aufrecht erhalten. Als Ergebnis davon wird verhindert, dass ein Gegenelement mit dem Gleitelement 11 in Kontakt kommt, ohne dass sich dazwischen ein Schmierstoff befindet, und das Gleitelement 11 weist hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen auf. Die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis 15 beträgt bevorzugt nicht weniger als 0,2% und nicht mehr als 4,3% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis 14.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, dass in der Deckschicht 13 Sn enthalten ist. Wenn der Sn-Gehalt in der Deckschicht 13 nicht mehr als 10 Masse-% beträgt, sind die Teilchen auf Sn-Basis 15 in der Deckschicht 13 leicht zu verteilen. Insbesondere kann gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert werden, dass die Teilchen auf Sn-Basis in der Deckschicht 13 eine große Teilchengröße aufweisen, und es können in zuverlässiger Weise Teilchen auf Sn-Basis 15 mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 5% in der Deckschicht 13 erhalten werden.
Cu verbindet sich mit Sn, um eine relativ harte Sn-Cu-Verbindung zu bilden. Die Sn-Cu-Verbindung bewirkt, dass an dem korrespondierenden Element anhaftendes Material abgekratzt wird und die Beständigkeit gegenüber Festfressen des Gleitelements 11 dadurch stark verbessert wird.
Wenn in der Deckschicht 13 Cu enthalten ist, wird die genannte Wirkung erhalten. Wenn der Gehalt an Cu in der Deckschicht 13 nicht mehr als 5 Massen-% beträgt, wird die Deckschicht 13 nicht zu hart und es wird eine vorteilhafte Beständigkeit gegenüber Festfressen erhalten.
Selbst wenn der Gehalt der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis gleich bleibt, kann, wenn die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis erhöht wird, das Volumen pro Teilchen auf Sn-Basis kleiner gemacht werden. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der in der Deckschicht 13 verteilten Teilchen auf Sn-Basis 15 nicht weniger als fünfmal so groß wie die Anzahl der in der Deckschicht 13 verteilten Teilchen auf Bi-Basis 14. Dadurch wird die durchschnittliche Teilchengröße der in der Deckschicht 13 verteilten Teilchen auf Sn-Basis 15 in zuverlässigerer Weise nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis 14, und die Teilchen auf Sn-Basis 15 sind homogen in der Deckschicht 13 verteilt.
Aufgrund des voranstehend beschriebenen Aufbaus sind die Teilchen auf Sn-Basis 15 homogen in der Gleitoberfläche der Deckschicht 13 verteilt, wodurch die Teilchen auf Sn-Basis 15 leicht noch feiner verteilt werden und die nach dem Schmelzen der Teilchen auf Sn-Basis 15 gebildeten Vertiefungen 16 klein werden. Demgemäß kann der Schmierstofffilm leichter auf der Deckschicht 13 aufrecht erhalten werden. Als Ergebnis davon weist das Gleitelement 11 hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen auf. Darüber hinaus kann, selbst wenn die Deckschicht 13 verschlissen wird, ein ähnlicher Schmelzeffekt der Teilchen auf Sn-Basis 15 erzielt werden. Dadurch wird die Erhöhung der Temperatur des Gleitelements 11 in zuverlässiger Weise unterdrückt und das Gleitelement 11 weist hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen auf.
Die Erfinder haben festgestellt, dass, wenn die Deckschicht 13, in der Sn oder eine Sn-Legierung in Bi oder einer Bi-Legierung enthalten ist, auf dem Basisteil 12 angebracht wird durch Bi-Galvanisierung, enthaltend Sn, die in der Deckschicht 13 enthaltenen Teilchen auf Sn-Basis 15 sehr fein werden durch Ausführen der Bi-Galvanisierung unter Erzeugung sehr kleiner Grobheit und Feinheit der Stromdichte an der Oberfläche des Basisteils 12. Genauer gesagt hat der Erfinder festegestellt, dass sehr feine Teilchen auf Sn-Basis 15 wie voranstehend beschrieben in der Deckschicht 13 verteilt werden können durch Erzeugen von Mikronanoblasen, die sehr kleine Luftblasen sind, an der Oberfläche des Basisteils 12 und durch Erzeugen von sehr kleiner Grobheit und Feinheit der Stromdichte an der Oberfläche 13 des Basisteils 12 bei Durchführung der Bi-Galvanisierung zur Anbringung der Deckschicht 13 auf dem Basisteil 12. Der Durchmesser der Mikronanoblasen beträgt bevorzugt 100 nm bis 500 nm. Als Erzeugungsverfahren für die Mikronanoblasen kann ein Verfahren vom Ejektionstyp, Kavitationstyp, Rührtyp, Druckauflösungstyp, Ultraschall-verwendenen-Typ, Mikroporentyp und dergleichen angewandt werden. Das Verfahren zur Erzeugung der sehr feinen der Teilchen auf Sn-Basis 15 ist nicht auf die voranstehend beschriebenen Verfahren beschränkt.
Nachfolgend wird ein Testbeispiel für ein erfindungsgemäßes Gleitelement beschrieben.
Im Allgemeinen wird ein Gleitlager, das ein Gleitelement ist, erhalten durch Anbringen einer Deckschicht auf einem Basisteil, welches gebildet ist durch Anbringen einer Lagerlegierungsschicht, bestehend aus einer Cu-Legierung oder einer Al-Legierung, auf einer Stützmetallschicht aus Stahl und, je nach Bedarf, Anbringen einer Zwischenschicht auf der Lagerlegierungsschicht. Das Gleitlager, das ein erfindungsgemäßes Gleitelement ist, wird wie folgt erhalten.

Um die Wirkungen des erfindungsgemäßen Gleitlagers zu bestätigen, wurden die in Tabelle 1 angegebenen Proben (die erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 12 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3 in Tabelle 1) hergestellt. Tabelle 1

Probe Nr.		Durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis (%)	Deckschicht			Zwischenschicht	Festfressbeständigkeit (MPa)
Probe Nr.			Bi (Masse-%)	Sn (Masse-%)	Cu (Masse-%)	Zwischenschicht	Festfressbeständigkeit (MPa)
Erfindungsgemäße Beispiele	1	0.5	REST	1			80
	2	0.3	REST	1	5.0		80
	3	1.7	REST	3			80
	4	4.5	REST	3			75
	5	1.5	REST	3	1.0	Ag	85
	6	2.3	REST	5	1.5		85
	7	2.8	REST	5		Cu	80
	8	4.0	REST	8			80
	9	3.8	REST	8	1.2		85
	10	4.0	REST	10		Ag-Sn	80
	11	3.9	REST	10	0.8		85
	12	3.7	REST	13			80
Vergleichsbeispiele	1	6.2	REST	7			65
	2	10.3	REST	5			60
	3	15.1	REST	15			50

Zunächst wurde die Kupferlegierungslagerlegierungsschicht 12b auf die Stahlstützmetallschicht 12a aufgebracht, um ein Bimetall herzustellen. Sodann wurde das Bimetall in eine halbzylindrische Form oder eine zylindrische Form gebracht, um ein geformtes Produkt herzustellen. Sodann wurde die Oberfläche der Lagerlegierungsschicht 12b des geformten Produkts durch Bohren bearbeitet und die Oberfläche wurde durch elektrolytisches Entfetten und mit Säure gereinigt. Des Weiteren wurde, je nach Bedarf, die Zwischenschicht 12b aus Ag, Co oder einer Ag-Sn-Legierung auf der Oberfläche des geformten Produkts aufgebracht und es wurde die Deckschicht 13 auf dem geformten Produkt oder der Zwischenschicht 12c durch Bi-Galvanisierung aufgebracht. Die Bedingungen, unter denen die Bi-Galvanisierung durchgeführt wurde, sind in Tabelle 2 gezeigt. Bezüglich der Zugabe von Cu ist die Verwendung von 0,5 bis 5 g/Liter von basischem Kupfercarbonat bevorzugt.

Bei den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 12 wurden während der Bi-Galvanisierung in der Galvanisierungslösung Mikronanoblasen erzeugt mittels einer Mikronanoblasenvorrichtung (nicht dargestellt), und die Mikronanoblasen wurden der Oberfläche des geformten Produkts (Zwischenschichten) zugeführt. Tabelle 2

Zusammensetzung der Galvanisierungslösung	Bi-Konzentration	20–40 g/Liter
	Sn-Konzentration	0.5–3 g/Liter
	Cu-Konzentration	0–5 g/Liter
	Organische Sulfonsäure	30–70 g/Liter
Stromdichte		3–5 A/dm²
Galvanisierbadtemperatur		20–40°C
Mittel zur Erzeugung von Grobheit und Feinheit der Stromdichte		Verwendung einer Mikronanoblasenerzeugungsvorrichtung

Durch Zuführen von Mikronanoblasen wurde eine sehr kleine Grobheit und Feinheit der Stromdichte an der Oberfläche des geformten Produkts (Zwischenschicht) erzeugt und es wurden um die Teilchen auf Bi-Basis herum sehr kleine Teilchen auf Sn-Basis abgeschieden. Als Vorrichtung zur Erzeugung von Mikronanoblasen wurde eine Vorrichtung verwendet, die hohen Druck auf den Spiralflussdurchgang ausübt, um die Galvanisierlösung zu scheren und sehr fein miteinander zu vermischen. In dem Kreislauf der Galvanisierlösung (Galvanisiertank, Pumpe, Filter, Galvanisiertank) wurde die Vorrichtung zur Erzeugung von Mikronanoblasen zwischen dem Filter und dem Galvanisiertank angeordnet.
Die Durchmesser der Mikronanoblasen in der Galvanisierlösung wurden gemessen unter Verwendung einer Nanoteilchengrößenverteilungsvorrichtung „SALD-7100”, hergestellt von der Shimadzu Corporation. Als Ergebnis der Messung wiesen nicht weniger als 80% der Luftblasen, die in den Galvanisierlösungen zur Bildung der Deckschichten vorhanden sind, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 12 verwendet wurden, Durchmesser von 100 nm bis 500 nm auf.
Gemäß dem voranstehend beschriebenen Herstellungsverfahren wurden die erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 21 erhalten. Bei den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 12 ist der Unterschied in den Größen der Teilchen auf Sn-Basis bedingt durch das Ausmaß der Grobheit und Feinheit der Stromdichten, d. h. die Menge und Größe der zugeführten Mirkonanoblasen.
Die Vergleichsbeispiels 1 bis 3 wurden erhalten gemäß einem ähnlichen Herstellungsverfahren wie dem erfindungsgemäßen, mit der Ausnahme, dass keine sehr kleine Grobheit und Feinheit der Stromdichte an der Oberfläche des geformten Produkts erzeugt wurde.
Die Größen der Teilchen auf Sn-Basis wurden gemessen durch Beobachten des Querschnitts der Deckschicht mit einem Elektronenmikroskop oder einem Ionenmikroskop. Die Anzahl und die Teilchengrößen jeweils der Teilchen auf Bi-Basis und der Teilchen auf Sn-Basis, die in einem Bereich von 25 μm² verteilt waren, wurden erhalten und es wurde jeweils die durchschnittliche Teilchengröße berechnet. Die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis wurde durch die durchschnittliche Größe der Teilchen auf Bi-Basis dividiert und der resultierende Wert ist in Tabelle 1 als Prozentsatz ausgedrückt.

Ein Festfresstest wurde unter den in der folgenden Tabelle 3 gezeigten Bedingungen bezüglich der oben genannten Proben durchgeführt. Tabelle 3

Testmaschine	Festfresstestmaschine
Anzahl der Umdrehungen	7200 U/min
Umfangsgeschwindigkeit	20 m/Sekunde
Testlast	Erhöhunq um 5 Mpa alle 10 Minuten
Schmiertemperatur	100°C
Schmiermittelmenge	150 ml/min
Material der Welle	JIS S55C
Auswertungsverfahren	Spezifische Last bei Überschreiten der Lagerstütztemperatur von 200°C oder beim Durchrutschen des Kurbelantriebsriemens aufgrund von Drehmomentveränderung wird als Festfressbelastung betrachtet

Nachfolgend werden die Ergebnisse des Festfresstests analysiert.
Aus dem Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 12 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 ergibt sich, dass bei jedem der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 12 die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen auf Sn-Basis nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der Teilchen auf Bi-Basis beträgt und die erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 12 deshalb eine bessere Beständigkeit gegenüber Festfressen als die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 aufweisen.
Aus dem Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 11 und dem erfindungsgemäßen Beispiel 12 ergibt sich, dass, wenn der Gehalt an Sn in der Deckschicht nicht mehr als 10 Masse-% beträgt, die Beständigkeit gegenüber Festfressen viel stärker verbessert wird.
Aus dem Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele 5, 6, 9 und 11 und der erfindungsgemäßen Beispiele 3, 7, 8 und 10 ergibt sich, dass, wenn die Deckschicht nicht mehr als 5 Masse-% Cu enthält, die Beständigkeit gegenüber Festfressen viel stärker verbessert wird.
Außerdem wurde der Querschnitt der Deckschicht bei jeder der Proben mit einem Elektronenmikroskop oder einem Ionenmikroskop beobachtet, und die Anzahl jeweils der Teilchen auf Bi-Basis und der Teilchen auf Sn-Basis, die in einem Bereich von 25 μm² verteilt waren, wurde bestimmt. Bei den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 3 und 5 bis 12 war die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis nicht weniger als fünfmal so groß wie die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Bi-Basis, was in Tabelle 1 nicht angegeben ist. Bei den erfindungsgemäßen Beispielen 6, 9 und 11 war die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis nicht weniger als zehnmal so groß wie die Anzahl der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Bi-Basis.
GEWREBLICHE ANWENDBARKEIT
Das erfindungsgemäße Gleitelement ist in Gleitlagern einsetzbar, die in Verbrennungsmotoren und dergleichen verwendet werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
In den Zeichnungen bezeichnet 11 ein Gleitelement, 12 ein Basisteil, 12a eine Stützmetallschicht (Basisteil), 12b eine Lagerlegierungsschicht (Basisteil), 12c eine Zwischenschicht (Basisteil), 13 eine Deckschicht, 14 ein Teilchen auf Bi-Basis und 15 ein Teilchen auf Sn-Basis.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 11-50296 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS S55C [0063]

Claims

Gleitelement, umfassend ein Basisteil und eine Deckschicht, die auf dem Basisteil angebracht ist und gebildet ist durch Zugeben von Sn oder einer Sn-Legierung zu Bi oder Bi-Legierung, wobei die Deckschicht eine Basis umfasst, die besteht aus Teilchen auf Bi-Basis, bestehend aus Bi oder einer Bi-Legierung, und Teilchen auf Sn-Basis, die in der Basis verteilt sind und aus Sn oder einer Sn-Legierung bestehen, und wobei die durchschnittliche Teilchengröße der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Sn-Basis nicht mehr als 5% der durchschnittlichen Teilchengröße der in der Deckschicht verteilten Teilchen auf Bi-Basis beträgt.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei der Gehalt in Masse-% des in der Deckschicht enthaltenen Sn, X, der Beziehung genügt: 0 < X ≤ 10.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei die Deckschicht Cu umfasst und der Gehalt in Masse-% des Cu in der Deckschicht, Y, der Beziehung genügt: 0 < Y ≤ 5.
Gleitelement nach Anspruch 2, wobei die Deckschicht Cu umfasst und der Gehalt in Masse-% des Cu in der Deckschicht, Y, der Beziehung genügt: 0 < Y ≤ 5.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anzahl der Teilchen auf Sn-Basis, die in der Deckschicht verteilt sind, nicht weniger als fünfmal so groß ist wie die Anzahl der Teilchen auf Bi-Basis, die in der Deckschicht verteilt sind.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei das Basisteil eine Stützmetallschicht und eine auf der Stützmetallschicht angebrachte Lagerlegierungsschicht umfasst.
Gleitelement nach Anspruch 6, wobei die Lagerlegierungsschicht gebildet ist aus einer Lagerlegierung auf Al-Basis oder einer Lagerlegierung auf Cu-Basis.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei eine Zwischenschicht angebracht ist zwischen der Stützmetallschicht und der Lagerlegierungsschicht.
Gleitelement nach Anspruch 8, wobei die Zwischenschicht ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ag, einer Ag-Legierung, Co, einer Co-Legierung, Cu und einer Cu-Legierung.