DE202013012215U1

DE202013012215U1 - Gleitelement

Info

Publication number: DE202013012215U1
Application number: DE202013012215.3U
Authority: DE
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: WO2013108741A1; JP2013148137A; GB2528483A; KR20140112518A; US20150291904A1; DE112013000605T5

Abstract

Gleitelement, umfassend: eine Basis; und eine Überzugsschicht auf Ag-Basis, die auf der gleitseitigen Oberfläche der Basis aufgebracht ist und Al umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement.
STAND DER TECHNIK
Üblicherweise umfasst ein Gleitelement eines Gleitlagers für einen Verbrennungsmotor etc. eine Überzugsschicht auf der gleitseitigen Oberfläche einer Basis, wie zum Beispiel einer Stahlstützplatte. Als solche Überzugsschicht ist eine Überzugsschicht vorgeschlagen worden, die Ag als Hauptkomponente umfasst und zu der In, Sn, Bi oder dergleichen zugegeben ist, um Gleiteigenschaften im gleichen Ausmaß zu erhalten wie bei Gleitelementen, die Pb enthalten, während die Verwendung von Pb vermieden wird (Patentdokument 1).
Obwohl In, Sn und Bi weicher als Ag sind, sind ihre Wärmeleitfähigkeiten jedoch wesentlich geringer als die von Ag. Deshalb kann eine Überzugsschicht, die Ag als Hauptkomponente enthält und zu der In, Sn oder Bi zugegeben ist, die in dem gleitenden Teil mit dem gegenstückigen Element erzeugte Wärme nicht leicht zu der Basisseite hin verteilen. Als Ergebnis davon steigt die Temperatur einer Überzugsschicht dieses Typs unter harscheren Bedingungen leicht an, was eine Verringerung der Festigkeit und der Härte verursacht, was ein Problem verursacht, das leicht zu einem Festfressen führt.
LISTE DER ZITIERTEN LITERATUR
PATENTLITERATUR

PATENTDOKUMENT 1: JP-A-11-257355

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Gleitelement bereitzustellen, das eine hohe Beständigkeit gegenüber Festfressen aufweist, selbst wenn eine Überzugsschicht auf Ag-Basis verwendet wird.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Das Gleitelement nach Anspruch 1 umfasst: eine Basis; eine Überzugsschicht auf Ag-Basis, die auf der gleitseitigen Oberfläche der Basis aufgebracht ist und Al umfasst.
Des Weiteren umfasst das Gleitelement nach Anspruch 2: eine Basis; eine Überzugsschicht auf Ag-Basis, die auf der gleitseitigen Oberfläche der Basis aufgebracht ist und Al umfasst, wobei die Überzugsschicht des Weiteren mindestens eines von Sn und Zn umfasst.
Die Überzugsschicht auf Ag-Basis ist relativ weich. Deshalb kann die Überzugsschicht auf Ag-Basis eine hohe Beständigkeit gegenüber Festfressen sicherstellen, selbst wenn die Verwendung von Pb vermieden wird. Darüberhinaus weist die Überzugsschicht, die Ag umfasst, eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf. Deshalb wird die in dem gleitenden Teil erzeugte Reibungswärme schnell zu der Basisseite hin verteilt. Die benannten Erfinder haben festgestellt, dass die Zugabe von Al zu einer Überzugsschicht auf Ag-Basis keine signifikante Verringerung der thermischen Leitfähigkeit der Überzugsschicht verursacht. Das heißt, die Zugabe von In, Sn, Bi oder dergleichen zu einer Überzugsschicht auf Ag-Basis ist im Stand der Technik bekannt. In, Sn und Bi als Additivelemente weisen jedoch eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, und sie bedingen das Problem der Behinderung einer schnellen Verteilung der in dem gleitenden Teil mit dem gegenstückigen Element erzeugten Wärme zu der Basisseite hin. Andererseits weist Al bei der vorliegenden Erfindung eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf, und erleichtert die Funktion einer Überzugsschicht auf Ag-Basis, d. h. die schnelle Wärmeverteilung zu der Basisseite hin, durch die hohe Wärmeleitfähigkeit. Deshalb kann das erfindungsgemäße Gleitelement eine hohe Beständigkeit gegenüber Festfressen erzielen, selbst wenn eine Überzugsschicht auf Ag-Basis verwendet wird, und es ist beständig, selbst wenn es unter harscheren Bedingungen verwendet wird.
Darüberhinaus kann die erfindungsgemäße Überzugsschicht auf Ag-Basis nicht nur Al, sondern auch mindestens eines von Sn und Zn als Additivelement umfassen. Das Wesen der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß darin, dass eine Überzugsschicht auf Ag-Basis bereitgestellt wird, die Al umfasst. Deshalb schließt die vorliegende Erfindung nicht aus, dass ein anderes Additivelement als Al und unvermeidliche Verunreinigungen in der Überzugsschicht enthalten sind.
Bei dem Gleitelement nach Anspruch 3 umfasst die Überzugsschicht 0,1 Masse-% bis 15 Masse-% Al. Bei der Überzugsschicht auf Ag-Basis zeigt sich die ursprüngliche Wärmeleitfähigkeit von Ag, während der Anteil an Ag zunimmt, und die Wärmeverteilung von der Überzugsschicht zu der Basisseite hin wird erleichtert. Während andererseits der Gehalt an in der Überzugsschicht enthaltenem Al zunimmt, nähert sich die Wärmeleitfähigkeit der Überzugsschicht von der ursprünglichen Wärmeleitfähigkeit von Ag zu der Wärmeleitfähigkeit von Al an. Deshalb ist die Obergrenze für Al bei der vorliegenden Erfindung, wenn Al zu der Überzugsschicht zugegeben wird, 15 Masse-%.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gleitelements gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine schematische Darstellung, die die Testergebnisse eines Gleitelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung, die die Bedingungen des Festfressbeständigkeitstests eines Gleitelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine Probe eines Gleitelements gemäß einer Ausführungsform zeigt, die für den Festfressbeständigkeitstest verwendet wurde.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird eine spezielle Ausführungsform eines Gleitelements beschrieben.
Zunächst werden die Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements zur Verwendung als Probe in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Gleitelement 10 eine Basis 11 und eine Überzugsschicht 12. Die Basis 11 weist eine Stützplattenschicht 13 und eine Lagerlegierungsschicht auf Cu-Basis oder Al-Basis 14 auf. Die Stützplattenschicht 13 ist aus Stahl gebildet. Die Basis 11 ist somit ein sogenanntes Bimetall, das die Stahlstützplattenschicht 13 und die Lagerlegierungsschicht auf Cu-Basis oder Al-Basis 14 umfasst. Die Basis 11, die aus der Stützplattenschicht 13 und der Lagerlegierungsschicht 14 gebildet ist, ist zu einer halbzylindrischen oder zylindrischen Form geformt. Die Oberfläche der geformten Basis 11 auf der Seite der Lagerlegierungsschicht 14 wird einer Oberflächenbearbeitung, wie zum Beispiel durch Bohren, unterworfen. Die Oberfläche der oberflächenbearbeiteten Basis 11 wird durch elektrolytisches Entfetten und mit Säure gewaschen. Nachdem die Oberfläche der Basis 11 gewaschen worden ist, wird darauf somit eine Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis aus einer Ag-Al-Legierung durch Sputtern oder dergleichen gebildet. Statt durch Sputtern kann die Überzugsschicht 12 auch gebildet werden durch Abscheiden von Ag auf einer Schicht aus Al und durch Bilden einer Ag-Al-Legierung, die Ag als Hauptkomponente umfasst, unter Verwendung von Diffusion. In diesem Fall kann die Diffusionskapazität und Verteilung von Al in der Überzugsschicht 12 durch die Temperatur und Zeit kontrolliert werden. Des Weiteren können eine oder zwei oder mehr (nicht gezeigte) Zwischenschichten zwischen der Basis 11 und der Überzugsschicht 12 vorgesehen werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Überzugsschicht 12 durch Sputtern unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Magnetron-Sputtersystems gebildet. Ein spezielles Beispiel für die Bildung der Überzugsschicht 12 wird unter Verwendung des Gleitelements 10 der Probe 1 beschrieben, welches das in 2 gezeigte Beispiel ist. Im Fall der Probe 1 wird eine Basis 11, die aus Bimetall besteht, nach dem Waschen in einem Basisbefestigungsteil eines Magnetron-Sputtersystems befestigt. Des Weiteren werden Ag und Al, die als die Materialien für die Überzugsschicht 12 dienen, an einem Target-Befestigungsteil des Magnetron-Sputtersystems als Targets befestigt.
Nachdem die Basis 11 und Ag und Al, die die Targets sind, befestigt worden sind, wird die Kammer des Magnetron-Sputtersystems auf 1,0 × 10^–6 Torr evakuiert und durch Zufuhr von Ar-Gas auf 2,0 × 10^–3 Torr eingestellt. Nachdem der Druck der Kammer eingestellt worden ist, wird die Oberfläche der Basis 11 mit Ar-Gas gereinigt. In diesem Fall wird eine Vorspannung von 1000 V an die Oberfläche der Basis 11 angelegt. Dies erzeugt ein Ar-Plasma zwischen der Basis 11 und Ag und Al, die als Targets dienen, und es wird 15 Minuten lang ein Umkehr-Sputtern ausgeführt. Nachdem das Reinigen mit Ar-Plasma durchgeführt worden ist, wird an jedes Target eine Spannung angelegt, sodass ein Strom von 8 A bis 14 A in das Ag als ein Target und ein Strom von 0,5 A bis 6 A in das Al als ein Target fließen kann. Zu dieser Zeit wird die Vorspannung zwischen der Basis 11 und den Targets auf zwischen 100 V und 200 V eingestellt. Gemäß diesen Verfahren werden Ag und Al, die als Targets dienen, durch Kollision von Ar-Ionen gesputtert und bilden einen Film an der Oberfläche auf der Seite der Lagerlegierungsschicht 14 der Basis 11.
Wenn eine fertige Probe entsprechend Probe 1 der EPMA (Electron Probe Micro Analysis) unterworfen wurde, wurde festgestellt, dass Al gleichförmig in der Überzugsschicht 12 verteilt war, wobei Ag als Matrix verwendet wurde. Die Menge an Al, die zu der Überzugsschicht auf Ag-Basis 12 hinzugefügt wird, kann kontrolliert werden durch Einstellen des Massenverhältnisses von Ag und Al, die an dem Targetbefestigungsteil als die Sputter-Targets befestigt werden, und des Stroms, der durch das als die Targets dienende Ag und Al fließt.
Gemäß den oben genannten Verfahren wurden Gleitelemente 10 der Proben 1 bis 16 als Beispiele und Gleitelemente 10 der Proben 17 bis 20 als Vergleichsbeispiele, wie in 2 gezeigt, hergestellt.
(Festfressbeständigkeitstest)
Die resultierenden Gleitelemente 10 der Proben 1 bis 16 als Beispiele und die Proben 17 bis 20 als Vergleichsbeispiele wurden hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Festfressen durch einen Festfresstest mit Unterlegstücken untersucht.
Die Testbedingungen des Festfresstests mit Unterlegstücken sind in 3 gezeigt. Bei dem Festfresstest mit Unterlegstücken wird eine Testprobe hergestellt durch Anbringen eines Metallunterlegstücks 15 mit einer Größe von 2 mm × 2 mm × t an der äußeren Umlaufoberfläche von jedem der Gleitelemente 10 der Proben 1 bis 16 als Beispiele und der Proben 17 bis 20 als Vergleichsbeispiele, so wie dies in 4 gezeigt ist. Bei dem Test wird die Dicke t des Unterlegstücks 15 auf 10 μm eingestellt. Die Dicke t des Unterlegstücks 15 kann von etwa 10 μm bis etwa 30 μm eingestellt werden, in Abhängigkeit von den Testbedingungen. Die Testprobe des Gleitelements 10 wird in einem Rotationslasttester installiert, der ein Festfresstester ist (nicht gezeigt). Das Unterlegstück 15 wird an der Testprobe des Gleitelements 10 befestigt. Wenn die Testprobe des Gleitelements 10 in dem Festfresstester installiert wird, tritt somit der Bereich, der dem Unterlegstück 15 an der Testprobe des Gleitelements 10 entspricht, in Abhängigkeit von der Dicke des Unterlegstücks 15 an der inneren Umlaufseite hervor. Dieser hervortretende Bereich erzeugt Wärme durch Kontakt mit der Testwelle des Festfresstesters. Deshalb erhöht sich die Menge der durch den Kontakt der Testprobe des Gleitelements 10 mit der Testwelle erzeugten Wärme durch Erhöhung der auf die Testprobe des Gleitelements 10 in Kontakt mit der Testwelle ausgeübten Last. Im Ergebnis tritt ein Festfressen an der Überzugsschicht 12 in einem frühen Stadium umso leichter auf, je niedriger die Wärmeleitfähigkeit der Überzugsschicht 12 in der Testprobe des Gleitelements 10 ist. Bei dem Test der vorliegenden Ausführungsform wird die auf die Testprobe des Gleitelements 10 ausgeübte Last alle 10 Minuten um 5 MPa erhöht. Sodann wird das Auftreten eines Festfressens bei der Testprobe des Gleitelements 10 festgestellt, wenn die rückseitige Temperatur der Testprobe des Gleitelements 10 200°C übersteigt oder wenn ein Durchrutschen des Antriebsriemens des Festfresstesters durch die Veränderung des auf den Festfresstester einwirkenden Drehmoments auftritt.
Nachfolgend werden bezüglich der Beständigkeit gegenüber Festfressen die Testergebnisse auf der Grundlage der 2 unter dem Gesichtspunkt der maximalen spezifischen Last ohne Festfressen (MPa) untersucht.
Die Proben 1 bis 16 sind Beispiele, bei denen Al zu der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis zugegeben ist. Die Beständigkeiten gegenüber Festfressen dieser Beispiele sind, verglichen mit den Beispielen 17 bis 20 als Vergleichsbeispiele, verbessert. Das heißt, die Proben 1 bis 16 als Beispiele weisen eine bessere Beständigkeit gegenüber Festfressen auf, durch die Zugabe von Al zu der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis, als Probe 17, bei der die Überzugsschicht 12 nur Ag umfasst. Dies ist wahrscheinlich dadurch bedingt, dass die Konformabilität durch Zugabe von Al, das weicher als Ag ist, verbessert wird, wodurch die Beständigkeit gegenüber Festfressen verbessert wird. In ähnlicher Weise weisen die Proben 1 bis 16 als Beispiele eine bessere Beständigkeit gegenüber Festfressen auf als Probe 18, bei der Sn zu der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis zugegeben ist, ohne dass Al zugegeben wird, gegenüber Probe 19, bei der In in ähnlicher Weise zugegeben ist, und gegenüber Probe 20, bei der in ähnlicher Weise Bi zugegeben ist. Die Beständigkeiten gegenüber Festfressen der Proben 1 bis 16 sind wahrscheinlich verbessert worden, weil die Wärmeleitfähigkeit der Überzugsschicht davon größer ist als diejenige der Proben 18, 19 und 20.
Andererseits sind die Beständigkeiten gegenüber Festfressen der Proben 15 und 16 als Beispiele höher als die von Probe 17 als Vergleichsbeispiel, obwohl sie geringer sind als diejenige der Probe 14 als Beispiel. Dies zeigt, dass bei der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis eine Erhöhung der Menge an zugegebenem Al dazu neigt, die Beständigkeit gegenüber Festfressen zu verringern. Das heißt, wenn die Menge an zu der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis zugegebenem Al zu hoch wird, nähert sich die Wärmeleitfähigkeit der Überzugsschicht 12 näher an diejenige von Al als von Ag an. Deshalb wird davon ausgegangen, dass die Proben 15 und 16, bei denen die Menge an zugegebenem Al höher ist, eine geringere Beständigkeit gegenüber Festfressen aufweisen als Probe 14. Folglich ist festgestellt worden, dass die Zugabe von Al zu der Überzugsschicht 12 eine Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Festfressen bewirkt, und die Zugabe einer vorbestimmten Menge an Al trägt zur Erzielung einer hervorragenden Beständigkeit gegenüber Festfressen bei.
Des Weiteren ist die Beständigkeit gegenüber Festfressen der Probe 5 als Beispiel besser als diejenige der Probe 4, und die Beständigkeit gegenüber Festfressen der Probe 8 ist besser als diejenige der Probe 9. In ähnlicher Weise ist die Beständigkeit gegenüber Festfressen der Probe 11 besser als diejenigen der Proben 12 und 13. Dies zeigt, dass, in dem Fall, dass die Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis Al umfasst, wenn der Gehalt an Al näherungsweise der gleiche ist, die Beständigkeit gegenüber Festfressen stärker verbessert werden kann, indem nicht Sn, Cu, Zn oder Bi zugegeben wird. Das heißt, wenn ein Element mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Al zu der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis zugegeben wird, wird die Wärmeleitfähigkeit der Überzugsschicht 12 geringer sein als in dem Fall, bei dem nur Al zugegeben wird. Deshalb wird davon ausgegangen, dass die Proben 4, 9, 12 und 13, bei denen ein anderes Element als Al zu der Überzugsschicht 12 zugegeben ist, eine geringere Beständigkeit gegenüber Festfressen aufweisen als eine Probe, bei der im Wesentlichen nur Al zugegeben ist und der Gehalt an Al in der Überzugsschicht 12 in etwa gleich ist. Demzufolge ist festgestellt worden, dass, obwohl die Beständigkeit gegenüber Festfressen sichergestellt werden kann, selbst wenn ein anderes Element als Al zu der Überzugsschicht 12 zugegeben wird, die Zugabe eines anderen Elements als Al nicht vorteilhaft hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Festfressen ist.
Des Weiteren ist festgestellt worden, dass, auf der Grundlage der Proben 1 bis 16 als Beispiele, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Zwischenschicht, die Art der Zwischenschicht und die Art der Lagerlegierungsschicht 14 nur einen geringen Einfluss auf die Beständigkeit gegenüber Festfressen haben. Des Weiteren ist, obwohl dies nicht im Einzelnen gezeigt ist, festgestellt worden, dass, selbst wenn Al zu der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis zugegeben worden ist und zusätzlich harte Teilchen und andere Metallelemente als die in den Beispielen gezeigten dazu zugegeben worden sind, eine höhere Beständigkeit gegenüber Festfressen erreicht werden kann als diejenige der Überzugsschicht 12, die nur Ag umfasst. Demgemäß kann, wenn Al zu der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis zugegeben wird, eine Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Festfressen erzielt werden, und zwar unabhängig von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von anderen Additivkomponenten oder der Art der Additivkomponenten, sofern die Menge an zugegebenem Al nicht zu hoch ist.
Darüberhinaus können bei dem Gleitelement 10 andere Schichten, wie zum Beispiel eine Anpassungsschicht an der gleitseitigen Oberfläche der Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis, vorgesehen sein. Eine weitere Schicht, wie zum Beispiel eine Anpassungsschicht, ist bevorzugt eine Schicht, umfassend, zum Beispiel, Bi oder eine Bi-Legierung. Obgleich dies nicht im Einzelnen gezeigt ist, weist ein Gleitelement gemäß einer Ausführungsform, bei der eine Anpassungsschicht vorgesehen ist, ebenfalls eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Festfressen auf und besitzt insbesondere eine hervorragende anfängliche Anpassbarkeit. Demgemäß war ein Gleitelement 10 einer Ausführungsform, bei der eine Anpassungsschicht vorgesehen war, natürlich in der Lage, eine hohe Beständigkeit gegenüber Festfressen aufzuweisen, selbst nachdem die Anpassungsschicht abgenutzt war, um die Überzugsschicht 12 auf Ag-Basis freizulegen.
Die voranstehend beschriebene vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Ausführungsformen angewandt werden, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Gleitelement
11: Basis
12: Überzugsschicht
13: Stützplattenschicht
14: Lagerlegierungsschicht

Claims

Gleitelement, umfassend: eine Basis; und eine Überzugsschicht auf Ag-Basis, die auf der gleitseitigen Oberfläche der Basis aufgebracht ist und Al umfasst.
Gleitelement, umfassend: eine Basis; und eine Überzugsschicht auf Ag-Basis, die auf der gleitseitigen Oberfläche der Basis aufgebracht ist und Al umfasst, wobei die Überzugsschicht des Weiteren mindestens eines von Sn und Zn umfasst.
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Überzugsschicht 0,1 Masse-% bis 15 Masse-% Al umfasst.