DE2328048A1 - Verschleissfestes mechanisches teil sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

DR.-ING. RICHARD GLAWE
MÖNCHEN

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. KLAUS DELFS HAMBURG

DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL MÜNCHEN

8 MDNCHE N POSTFACH 37 LIEBHERRSTR. 20 Ta. (0811) 22 65 48 TELEX 52 25 05 spez

2 HAMBURG WAITZSTR. TEL. (0411) 89 22 TELEX 21 29 21 spez

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MÖNCHEN

BETRIFFT:

Toyo Kogyo Co., Ltd.

in Hiroshima, Japan

Verschleißfestes mechanisches Teil sowie^ Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung "betrifft ein verschleiß- bzw. abriebfestes Teil bzw. Werkstück mit einer liickel-Plattierungsschicht, das eine hervorragende Abriebfestigkeit und überlegene Schmiereigenschaften aufweist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein verschleißfestes Teil oder Werkstück mit zusammengesetzten Kiekel-plattierten Schichten, die pulverförmige keramische Materialien, wie Metallcarbide, Oxide, Nitride oder dgl. als

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verschleißfeste Elemente enthalten, wobei das Teil einen maschen- bzw. siebartig ausgebildeten·porösen Bereich zur Retention von Schmieröl aufweist. Die Erfindung -betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ausbildung der zusammengesetzten Nickel-Plattierungsschicht, d.h. der pulverförmige keramische Materialien enthaltenden Nickel-Plattierungsschicht, mit dem maschen- bzw. siebartigen porösen Bereiche

Als Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten mechanischen Teilen ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 514 389 eine zusammengesetzte Nickel-Plattierung bekannt. Diese wird mit verschleißfesten Eigenschaften versehen, indem man keramische Pulver aus Siliciumcarbid (SiO) ocler dgl. mit einem Nickel-Plattierungsbad mischt, wobei die keramischen Pulver in der Nickel-Plattierungsschicht, die auf dem mechanik sehen Teil galvanisch abgeschieden wird, eingeschlossen werden können. Obwohl diese herkömmlichen Nickel-Plattierungsschichten überlegene Eigenschaften bezüglich der Verschleißfestigkeit aufweisen, sind sie jedoch bezüglich ihrer, Ölretentions- und Schmiereigenschaften minderwertig.

Die -Erfindung ist im wesentlichen darauf gerichtet, eine zusammengesetzte Nickel-Plattierungsschicht mit üblicher Verschleißfestigkeit .mit verbesserten Eigenschaften bezüglich der Schmierölretention auszustatten.

Erfindungsgemäß wird ein verschleißfestes mechanisches Teil

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bcreiinestellt," uas mit einer, ein darin enthaltenes keramisches Pulver aimi&isBBäen ,missiira^^ ,

schicht mit- .netz— bzw«, masohenartig ausgebildeten porösen ■ ■ .. Bereichen ausgerüstet ist,-in denen vo.r.zug.swe±:B-B z-aiilreich© _ -.-.-EinBclmit't'e hz\,% EiniiBrlDiimgen -.rait .eirte-r -ür.eii;e· von 0;01 bis 0,5 mm -in -Äbsi;andäe^:n ^roh etwa 0,5-^;-bis 9 mm_ artig angeordnet sind... ■ ". - - -^: · ,- -..■:--. ■■·.■:

üriindtnigsgemäß" AcLrd "veiteaäiin. ein Tbt£alireaa ■ zurV der zusamnienge.'setzten. IMiekel—.ELattierung¹ sscliiclat -bereitgestellt., ^emäJj defii -man ein Mittel z.ur ..'Yerstariiung. bzw., - Besclileuni-gung .-von iügbeansprucnungen in einer i-enge ^onO., 5 bis 3 g/l sowie, ein .Mittel zur verstärkung bzw_;,- Beschleunigung vom .Druckbean- . sprucliun^en in einer Keaage γοη Ü,l bis 10 g/l elneiii 'pulTer-- _. förmige keramische- naterialien in einer -.menge. /ν©ή 5Q-.bis 50;0 g/l entiialtendieri iHiGiiel-JFliaTttiejriingsbHd. zusetzt-,-riam öamit die. ■jSlektropLattierung durclizuiuliren v;-pb.ei .sich- aui dem Teil eine-sich' nicht abschälende .■zusammengese^tzte.,iNilckel—Elattierung. mit •von- der Zugbeanspruchung.vea^ursachten Rissen-.und "bei einer. _;, anschließenden Umkehr- bzw» Rückelek-trolyse in- einem, Riipkeleiitrolyse-üad unter Itühren zahlreiche Einschnitte bzw«. Einkerbungen mit einer ο Breite von etwa 0,01 bis -0^.5_; np in, maspkenartiger imordiiun;_b in Abständen von etwa. 0^5 tois 9 mm ausbilden·.

Die Erfindung betriiit -somit ein Ver

i'eil mit einer zus"amme.ngesetzten ΐίi.ckel-IFl·a"ttierⁱlMigsschißht EUj. iseiner--Oberilljäche,, .welche unter, ,Verwendung;..eines- liickel-

Elektroplattierungs-oades elektrolytisch gebildet wird, hierzu vrerden dem NicKel-Elektroplattierungsbad außer einem keramischen Pulver ein Mittel zur Verstärkung der Zugbeanspruchung und ein Mittel zur Verstärkung der Druckbelastung zugesetzt..Das mit der galvanischen Abscheidung versehene Teil wird anschließend einer Umkehr- bzw. Rückelektrolyse unterworfen, um einen porösen Bereich in der zusammengesetzten Elei-ctroplattierungsschicht auszubilden, welcher eine ausgezeichnete Ölretention und Verschleißfestigkeit aulweist.

Weitere Vorteile der Erfindung sowie bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den- Unteransprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Hikrofotographie in 2.0-tacher Vergrößerung der Üben lache, einer zusammengesetzten Nicke1-Flattierungsschicht mit maschenartigen porösen Bereichen gemäß der Erfindung,

5'ig. 2 eine Mikrofotographie in 115-facher Vergrößerung mit einem vergrößerten Teilausschnitt der Fig. 1,

Fig. 3 in grafischer Darstellung die zum Festfressen erforderliche Zeit gemäß der Erfindung bzw. gemäß dem Stand der Technik in einem Festfressungsversuch und

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Fig. 4 in grafischer Darstellung das Ausmaß des Abriebs gemäß der Erfindung bzw. gemäß dem Stand der Technik in einem Abrieb-Versuch.

üemäß der Krfindung .kann irgendein gewöhnliches Gljavanisierungsbad (watt type b'ath), Chloridbad und Sul-faminsäure-bad als liicxel-Plattierungsbad verwendet v/erden.

Als pulverlörmige keramische Materialien, die als verschleißfeste Materialien zugesetzt werden sollen, können Metalloxide, wie Aluminiumoxid oder dgl., Metallcarbide, wie Siliciumcarbid, Titanearbid oder dgl., Metallnitride, wie Bornitrid, Titannitrid oder dgl., oder Mischungen derselben verwendet werden. Vorzugsweise v/erden keramische Materialien mit einer Teilchengröße von 0,5 bis 9 ju verwendet. Die erforderliche Menge des zuzusetzenden Keramikmaterials beträgt 50 bis 500 g/l in r>ezug aux das Nickel-Plattierungsbad. Dies bedeutet, daß die verschleißfeste Plattierungsschicht nicht erhalten werden kann, wenn die Menge des zugesetzten Keramikmaterials 50 g/l oder weniger beträgt. Andererseits verbessert sich die Ver-_> Schleißfestigkeit der Plattierungsschicht nicht proportional, wenn die zugesetzte Menge 500 g/l oder mehr beträgt, vielmehr werden dabei schlechtere Plattieruiigsbedingungen erhalten.

V/eiterhin werden erfindungsgemäß die Mittel zur Verstärkung bzw. zur Beschleunigung der Zugbeanspruchungen bzw. Druckbeanspruchungen für die Plattierungsschicht dem Plattierungsbad

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in Mengen im Bereich von 0,05 bis 5 g/l bzw. 0,1 bis 10 g/l in Bezug au± das Plattierungsbad zugesetzt. Die Proportionen können innerhalb dieser Bereiche unter Berücksichtigung der !■!enge der keramischen Pulver und der Art des verwendeten Plattierungsbades variiert v/erden.

- Im allgemeinen bilden sich bei der ■Kickel-Plattierunr nasse in der Plattierungsschicht nicht so leicht aus, und zwar inxolge der Eigenschaften uer iiickel-Plattierungo Weiterhin bewirken die keramischen Pulver in dieser enthaltenden zusammengesetzten Nicke1-Plattierungsschichten, daß -Konzentrationen bzw. Häufungen von Zugbeanspruchungen,, die in der Plattierungsschient entstehen, entlastet werden. Demgemäß wird weiterhin verhindert, daß sich Risse auf der zusammengesetzten liickel-Plattierungsscnicht ausbilden. Sri indunes gemäß wird .jedoch eine Zupbeansprucrruii: (tensile pressure) auf der Plattierungsschicht konzentriert, indem man unter Zugabe des Mittels zur Verstärkung der Zugbeanspruchung, das-einer i-ienge zugesetzt wird die ausreicht, um die Wirkung des zur Verhinderung des Abschälens der Plattierungsschicht zugegebenen, die Druckbeanspruchung (compression pressure) verstärkenden ϊ-iittels zu überwinden, die galvanische Abscheidung durchführt, wobei sich die netzartigen Risse ausbilcer. können. Die I^enre des zugesetzten Kittels zur Verstärkung der Zugbeanspruchung beträgt 0,5 bis 5 g/l, da die Zugbeanspruchung· bei einer Zugabe von 0,05 g/l oder weniger kleiner wird und ; .---.-

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sich keine Risse auf der Plattierungsschicht ausbilden, wobei jedoch bei einer Zugabemenge von 5 g/l oder mehr die innere Spannung in der Plattierungsschicht groß wird und somit gleichzeitig die Rißbildung und das Abschälen der Plattierungsschicht verursacht. Das die Druckbeanspruchung beschleunigende Mittel ist erforderlich, um .die Nickel-Plattierungsschicht auf galvanischem Wege in fest anhaftender Form abzuscheiden, ohne daß diese später von dem Teil abgeschält werden kann. Als Menge des die Druckbeanspruchung verstärkenden zuzusetzenden Mittels wird jedoch ein'Bereich von 0,1 bis 10 g/l ausgewählt, da der Ausgleichseffekt zwischen dem die Zugbeanspruchung und dem die Zugbeanspruchung verstärkenden Mittel verschwindet^ wenn diese 0,1 g/l oder weniger beträgt. Die Plattierungsschicht wird dann lediglich durch das die Zugbeanspruchung verstärkende Mittel beeinflußt und es kommt zu Abschälungen. Andererseits wird die von dem die Zugbeanspruchung verstärkenden Mittel verursachte Rißbildung übermäßig stark, wenn die Zugabemenge 10 g/l oder mehr beträgt. Demgemäß ist eine größere M_enge des Mittels zur Verstärkung der Zugbeanspruchung erforderlich, wodurch die Plattierungsbedingungen in dem Mckel-Plattierungsbad selbst schlechter werden.

Wie vorstehend beschrieben, können verschiedene Püattierungsbäder verwendet werden. Ein Chloridbad hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da die auf der elektroplattierten Schicht bewirkte Zugbeanspruchung im Vergleich zu anderen Plattierungs-

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bädern'natürlich größer wird. Demgemäß kann bei der Verwendung des Chioridbades die Menge des zuzusetzenden die Zugbeanspruchung verstärkenden Mittels vergleichsweise kleiner sein. Die Menge des zuzusetzenden die Druckbeanspruchung verstärkenden Mittels kann daher ebenfalls kleiner sein. Dies bedeutet, daß bei der Verwendung des Chloridbades die zuzusetzenden Mengen sowohl des die Zugbeanspruchung als auch des die Druckbeanspruchung verstärkenden Mittels 0,05 bis 20 g/l bzw. 0,1 bis 5 g/l sein können..

Für die Ausführung der Erfindung haben sich 2-Butin-l,4-diol als die Zugbeanspruchung verstärkendes Mittel und Saccharin als die Druckbeanspruchung verstärkendes Mittel als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei der Verwendung des obengenannten Plattierungsbades wird die Elektroplattierung bei einer Badtemperatur von 40 bis 75 C, einer Stromdichte von 2 bis 50 A/dm* und bei einem pH-Wert von 3,5 bis 5,3 durchgeführt. Diese Bedingungen sind im wesentlichen die gleichen wie bei einer herkömmlichen zusammengesetzten Plattierung. Bei der Durchführung der galvanischen Abscheidung unter den obengenannten Bedingungen wird auf dem behandelten Teil eine zusammengesetzte Nickel-Plattierungsschicht mit netzartigen und feinen Rissen erhalten, die die pulveriörmigen keramischen Materialien enthält.

Anschließend wird die zusammengesetzte Plattierungsschicht, ~ in der sahireiche Einschnitte mit einer Breite von etwa 0,01

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bis 0,5 mm netzartig in Abständen von etwa 0,5 bis 9 mm angeordnet sind, erhalten, indem das Werkstück einer Rückelektrolyse, vorzugsweise unter Rühren, unterworfen wird, umdie feinen Risse zu vergrößern. ■ " _ -

Für die Rückelektrolyse können entweder anorganische oder organische Säurebäder verwendet werden. Ein Chromsäurebad hat sich optimal erwiesen, obwohl der Grund hierfür nicht bekannt ist. Die Konzentration des Rückelektrolysebades ist die gleiche wie bei der Rückelektrolyse beim herkömmlichen Plattieren, beispielsweise beim Chrom-Plattieren» Man kann in einem Bereich von etwa 1 bis 50% arbeiten. Die Temperatur, die Stromdichte und die Dauer der Rückelektrolyse in dem Rückelektrolysebad können in geeigneter Weise unter Berücksichtigung der gewünschten Breite einer jeden Einkerbung der resultierenden zusammengesetzten Nickel-Flattierungsschicht ausgewählt werden.

Weiterhin wird eine Breite von 0,01 bis 0,5 mm für die Breite eines jeden Einschnitts des maschenartigen porösen Bereiches auf der zusammengesetzten Nickel-Plattierungsschicht ausgewählt, da keine Schmieröltention erwartet werden kann, wepn die Breite 0,01 mm oder weniger ist, während der poröse Bereich vergrößert wird, wenn die Breite 0,5 mm oder mehr ist, wodurch die Abriebfestigkeit der zusammengesetzten Nickel-Plattierungsschicht vermindert wird. PUr die Abstände zwischen den Ein^ schnitten werden 0,5 bis 9 mm gewählt» da der netsartige poröse

Bereich übermäßig iein unterteilt wird, wenn die Abstände 0,5 μ oder weniger betragen, wodurch die Festigkeit der Plattierungsschicht selbst verringert wird. Wenn dagegen die Abstände 9 mm oder mehr betragen, wird das Verhältnis des porösen Bereichs in Bezug auf die gesamte Plattierungsschicht kleiner, wodurch die Schmierölretention verringert wird·

Im Folgenden wird anhand eines Beispiels eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert»

BEISPIEL I

Zusammensetzung bei der NieMelektrolyse:

Ni (SCyNH₂) _2<,4Η₂0 444 g/l

NiC I₂. 6H₂O... i 10 g/l

H₃BO₄... . 35 g/l

Sac char in. 1,5 g/l

2-Butin-T,4-diol...... 0,5,g/l

SiC... ...i...... 100 g/l

Elektrolysebedingungen!

Temperatur. 6ö°C

pH-Wert 4,9

Stromdichte 20 A/dm²

Abscheidungsdauer. 2 Std. mit

Luftrührung

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Zusammensetzung bei der Rückelektro^rse (Chromsäurebad):

S CrO₃ (Chromtrioxid) 250 g/l

H₂SO^ ......2,5 g/l

(Watriumhexafluorsilikat) 1 g/l

Rückelektrolysebedingungen:

Temperatur ...... 40°C

Stromdichte 20 A/dm^Z

Dauer der Umkehrabscheidung ..„ 10 Min.

Unter den oben genannten Bedingungen wird ein in den Fig. und 2 gezeigter netzartiger poröser Bereich erhalten..

Im Folgenden wird ein Festfres'sungstest sowie ein Verschleißtest für die in der oben erläuterten Weise hergestellte zusammengesetzte Plattierungsscliicht erläutert.

1. Festfressungstest

Es wird eine trommeiförmige Testvorrichtung mit innerer Berührung verwendet. Die Vorrichtung ist so ausgebildet, daß die Festfreß- und Verschleißbedingungen der inneren peripheren Oberflächen von Probestücken und rotierenden Teilen getestet \-ierden können, indem ein rotierendes Teil mit einer gegebenen Form gedreht wird, während es gegen die innere periphere Oberfläche des zylindrisch ausgebildeten Probestücks gedrückt wird.

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Testbedingungen:

Einbaute la stung.. _o 1,5 kg

Gleitgeschwindigkeit _o 25 m/sec

Exzentrizität ·. O

Das verwendete rotierende Teil besteht aus einem besonderen Gußeisen und weist eine Länge von 60 mm, eine Höhe von 8,5 mm und eine Breite von 6 mm auf, wobei der Gleitkontakt sich auf einer gewölbten Oberfläche mit einem Radius von 4 mm ausbildete Das trommelartige Pröbenstück weist einen Durchmesser von 180 mm auf. Seine innere periphere Oberfläche ist mit einer erfindungsgemäßen Hickel-Plattierung versehene Das trommeiförmige Probestück wird in Motorenöl für eine bestimmte Zeitdauer eingetaucht, nachdem es auf eine bestimmte Temperatur erwärmt worden ist. Danach wird das auf der Oberfläche anhaftende Öl abgewischt«

Das Ergebnis dieses Versuchs zeigt eine Schmierwirkung, die zwei- oder viermal so groß ist wie bei einem herkömmlichen Probestück ohne porösen Bereich, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.

2» Verschleißtest;

Es wird die trommeiförmige Testvorrichtung mit innerer Berührung" verwendet.

Yersuehsbedingungen:

Einbaubelastung ....._o 1,5 kg

Gleitgeschwindigkeit..... » „ _o 25 m/sec

.'. .... _; _ _; . 31)9850/1 146

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Claims (4)

Exzentrizität des trommeiförmigen Probenstücks .. 0,3 mm (maximal .. 0,6 mm) Das verwendete rotierende Teil und das trommeiförmige Probestück sind den in dem Festfressungstest verwendeten ^xeich. Versuchszeit ....» 50 Std. Schmiermittel (10W-30) .........*... 20 - 30 cc/Std. Die Ergebnisse zeigen einen erheblich verringerten Verschleiß und eine überlegene Verschleißfestigkeit im Vergleich zu den entsprechenden Eigenschaften eines herkömmlichen Probestücks ohne poröse" Bereiche, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. - 13 - Patentansprüche

1. Verschleißfestes mechanisches Teil, gekennzeichnet durch eine zusammengesetzte Nickel-elektroplattierte Schicht auf seiner Oberfläche, wobei die Schicht einen sieb— -bzw* maschenartig ausgebildeten, ein keramisches Pulver als verschleißfestes Element enthaltenden porösen Bereich aufweist, und der poröse Bereich zum Erreichen von Olreten-fcions« eigenschaften aus Einschnitten bzw. Einkerbungen- zusammengesetzt ist, welche eine Breite von etwa 0,01 bis 0,5 mm. aufweisen und in Abständen von etwa 0,5 bis 9 mm angeordnet sind»

2» Verfahren zur Herstellung des verschleißfesten mechanischen Teils nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte, daß man ein Werkstück in einem ETickel-Plattierungsbady welches ein keramisches Pulver in einer Menge von 50 bis 500 g/l enthält, mit einem galvanischen Überzug versieht, wobei das Bad weiterhin ein Mittel zur Verstärkung bzw. Beschleunigung einer Dehnungs- bzw« Zugbeanspruchung in einer Menge von 0,05 bis 5 g/l in Bezug auf das Gesamtvolumen des Bades sowie ein Mittel zur Verstärkung bzw« Beschleunigung einer Druckbeanspruchung bzw. -belastung in einer Menge von 0_fi bis 10 g/l in Bezug auf das Gesamtvolumen des Bades enthält und die Menge des Mittels zur Verstärkung der Druckbeanspruchung ausreichend bemessen ist,

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so daß die Wirkung des Mittels zur Verstärkung der Zugbeanspruchung die Wirkung des erstereh Mittels überwinden kann, wodurch die galvanisierte Nickelschicht mit feinen Rissen bzw. Sprüngen, die sich in sieb- bzw. maschenartiger Form ausbilden und durch die Gegenwart des Mittels zur Verstärkung der Zugbeanspruchung verursacht werden, ausgebildet wird, und daß man das so erhaltene Teil einer Umkehr- bzw, Rückelektrolyse unterwirft, um die einzelnen Einschnitte mit ihren besonderen bzw. genauen Abmessungen auf die zusammengesetzte-Elckel-elektroplattierte Schicht zu übertragen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ,man als Mittel zur.Verstärkung der Zugbeanspruchung 2-Butyl-1,4-diol und als Mittel zur Verstärkung der Druckbeanspruchung Saccharin verwendete

4. Verfahren nach Anspruch 3j -dadurch gekennzeichnet, daß

man die Rückelektrolyse unter Verwendung eines 1 bis 50$igen Chromsäurebades durchführt.

5β Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nickel-Elektroplattierungsbad ein Chloridbad umfaßt und die Menge des Mittels zur Verstärkung der Zugbeanspruchung im Bereich von 0>1 bis 5 g/l liegt.

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