DE3346553C2 - Verbundmaterial für ein Gleitelement - Google Patents

Verbundmaterial für ein Gleitelement

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Abstract

Es wird ein Verbundmaterial für ein Gleitelement beschrieben, das aus einer Metallunterlage und einer an die Metallunterlage grenzenden bzw. gebundenen gesinterten Schicht aus Phorsphorbronze, die Graphit enthält, besteht. Die gesinterte Schicht aus Graphit enthaltender Phosphorbronze besteht im wesentlichen aus 0,03 bis 1 Gw.-% Phosphor, 7,5 bis 16 Gew.-% Zinn, 1 bis 8 Gew.-% Graphit und als Rest Kupfer und besteht aus Phosphorbronzepulver, welches durch ein 200-mesh-Sieb hindurchgeht, und Graphitpulver, welches durch ein 350-mesh-Sieb hindurchgeht. Es wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Verbundmaterials für ein Gleitelement beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial für ein Gleitelement bzw. Gleitmaterial gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit einer gesinterten Schicht aws Graphit enthaltender Phosphorbronze (welches im folgenden als »Gleitmaterial« bezeichnet wird), das als Material für Buchsen und Dichtungen bzw. Dichtungsringe, die für Lager verwendet werden, und als Material für Zylinderauskleidungen, Kolben, Kolbenringe, ölabdichtungen
bzw. ölsiegel, ölpumpenseitenplatten, Bolzen, Kollektoren usw. in Kraftfahrzeugen, Industriemaschinen und landwirtschaftlichen Maschinen verwendet werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung dieses Verbundmaterials als Lagermaterial.
Typische bekannte Verbundmaterialien für Gleitelemente bestehen aus einer Metallunterlage, insbesondere einem Stahlstreifen, der mit Kupfer oder einer Legierung auf Kupfergrundlage plattiert sein kann, und einer gesinterten Schicht aus Graphit enthaltender Phosphorbronze, die mit der Metallunterlage verbunden ist Sie enthalten grobes Phosphorbronzelegierungspulver, welches durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,122 mm (120-mesh-Sieb) hindurchgeht (und welches einfacher als »—120 mesh« bezeichnet wird), und grobes Graphitpulver, welches durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,105 mm (105-mesh-Sieb) hindurchgeht (und welches der Einfachheit halber im folgenden als »—150 mesh« bezeichnet wird), wie es in den JA-OS 11 281/1981 und 12 288/1981 beschrieben wird. Das bekannte Material kann zum Beispiel im wesentlichen aus 0,03 bis Gew.-% Phosphor, 7,5 bis 16 Gew.-% Zinn, 1 bis 8 Gew.-% Graphit und als Rest Kupfer bestehen. Es besitzt, bedingt durch die Grobkörnigkeit, die folgenden Nachteile:
(a) Die Phosphorbronzelegierung, die auf einer Stahlplatte aufgestrichen wird, erhält unvermeidlich eine große Dicke, und die Kompaktheit der Legierung an den Endteilen am Ende der Stahlplatte ist ungenügend. Die Ausbeute an entstehendem Verbundmaterial ist extrem niedrig.
(b) Die Bindungsfestigkeit zwischen der Stahlplatte und der Phosphorbronzelegierung ist gering.
(c) Da die Bindungsfestigkeit unter den Pulverteilchen gering ist sind die Biegeeigenschaften und die Zähigkeit der Legierung schlecht, und die Bindungsfestigkeit zwischen der Legierung und der Stahlplatte ist unzureichend. Wird das Material zu einem seiwizirkularen oder zylindrischen (tubularen Buchsen-) Lager verformt, wird beispielsweise die Legierung Risse bilden, und die Legierung blättert sich von der Stahlunterlage ab, was nachteilig ist
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbundgleitmaterial aus Graphit enthaltender Phosphorbronze zur Verfügung zu stellen, welches bei der Herstellung von Gleitelementen, wie Lagern, eine hohe Ausbeute ergibt und leicht hergestellt werden kann und welches ausgezeichnete Biegeeigenschaften und mechanische Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Härte der Legierungsschicht wie auch Verschleißfestigkeit bzw. Beständigkeit gegenüber dem Anfressen, zeigt, alles Eigenschaften, die bei Gleitmaterialien wesentlich sind. Weiterhin sollen mit dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial die Nachteile der bekannten Materialien vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundmaterial für ein Gleitelement mit einer Metallunterlage, insbesondere einem Stahlstreifen, der mit Kupfer oder einer Legierung auf Kupfergrundlage plattiert sein kann, und einer gesinterten Schicht aus Graphit enthaltender Phosphorbronze, die mit der Metallunterlage verbunden ist und die im wesentlichen 0,03 bis 1 Gew.-% Phosphor, 7,5 bis 16 Gew.-% Zinn, 1 bis 8 Gew.-% Graphit und als Rest Kupfer enthält und aus Phosphorbronzepulver, welches durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm (200-mesh-Sieb) hindurchgeht, und Graphitpulver, welches durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,042 mm (350-mesh-Sieb) hindurchgeht, besteht
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann hergestellt werden, indem man aus einem Phosphorbronzelegierungspulver geeigneter Zusammensetzung, welches durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm (200-mesh-Sieb) hindurchgeht, und einem Graphitpulver, welches durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,042 mm (350-mesh-Sieb) hindurchgeht, durch Vermischen eine Pulvermischung mit einer Zusammensetzung von im wesentlichen 0,03 bis 1 Gew.-% Phosphor, 7,5 bis 16 Gew.-% Zinn, 1 bis 8 Gew.-% Graphit und als Rest Kupfer herstellt, die Pulvermischung auf der Metallunterlage ausbreitet bzw. ausstreicht und dann die Pulvermischung unter Bildung einer Verbundschicht sintert und die Verbundschicht, die aus der Schicht aus gesintertem Pulvergemisch und der Metallunterlage besteht, unter Bildung eines Verbundmaterials für ein Gleitelement mit einer vorbestimmten Dicke walzt.
Im folgenden werden die Gründe für die Begrenzung der Bereiche von jedem der Bestandteile in der Pulvermischung, die aus dem Phosphorbronze-Legierungspulver und dem Graphitpulver besteht und die bei der
vorliegenden Erfindung verwendet wird, sowie die Begrenzung der Teilchengrößen für jedes der Pulver angegeben.
(a) Fhosphor (P): 0,03 bis 1 Gew.-%
Ein Phosphorgehalt unter 0,03 Gew.-°/o reicht nicht aus, um eine zufriedenstellende Festigkeit zu erhalten. Wenn andererseits der Phosphorgehalt 1 Gew.-% übersteigt, so findet eine Segregation statt, wenn das Pulver gebildet wird, und die mechanischen Eigenschaften verschlechtern sich, insbesondere die Zähigkeit Der Phosphorgehalt liegt daher bevorzugt im Bereich zwischen 0,05 und 0,5 Gew.-°/o.
(b) Zinn (Sn): 7,5 bis 16 Gew.-%
Bei einem Zinngehalt unter 7,5 Gew.-°/o erniedrigt sich die Festigkeit, und die Abnutzungsbeständigkeit verschlechtert sich. Bei einem Zinngehalt über 16 Gew.-% wird die Legierung spröde. Der Zinngehalt liegt bevorzugt im Bereich zwischen 9 und 13 Gew.-%.
(c)Graphit(Gr): 1 bis 8 Gew.-o/o
Ein Graphitgehalt unter 1 Gew.-°/o reich*, nicht aus, um eine zufriedenstellende Schmierwirkung zu erhalten. Wenn andererseits der Graphitgehalt über 8 Gew.-°/o liegt, wird die Legierungsfestigkeit stark verschlechtert, und die Biegeeigenschaften der Legierung verschlechtern sich. Bevorzugt liegt der Graphitgehalt zwischen 1,5 und5Gew.-%.
(d) Die Teilchengröße des Phosphorbronze-Legierungspulvers
Wenn die Teilchengröße des Phosphorbronze-Legierungspulvers gröber ist als —200 mesh, sind die Biegeeigenschaften der Legierung schlechter, und die Zugfestigkeit der Phosphorbronzelegierung und die Biegefestigkeit zwischen der Metallunterlage und der Legierungsschicht werden verschlechtert.
(e) Die Teilchengröße des Graphitpulvers
Wenn die Teilchengröße des Graphitpulvers gröber ist als —350 mesh, kann bedingt durch eine uneinheitliche Verteilung die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht gelöst werden.
Der Ausdruck »—200 mesh« bedeutet bei der vorliegenden Erfindung, daß mindestens 95% der gesamten Teilchen durch ein 200-mesh-Sieb hindurchgehen. Der Ausdruck »—350 mesh« bedeutet, daß mindestens 95% der gesamten Teilchen durch ein 350-mesh-Sieb hindurchgehen.
In der einzigen Zeichnung sind die Anwendungsbedingungen bei einem Festfreßtest bzw. Anfreßtest, welcher mit dem erfindur.gsgemäßen Gleitmaterial durchgeführt wurde, dargestellt. Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1
Ein Phosphorbronze-Legierungspulver von —200 mesh und ein Graphitpulver von —350 mesh werden unter Herstellung eines Pulvergemisches (Zusammensetzung: 0,25 Gew.-% P — 10,6 Gew.-% Sn — 4 Gew.-% Graphit — Rest Cu) vermischt. Das Pulvergemisch wird in einer Dicke von 1,0 mm auf ein unlegiertes Baustahlblech, 1,36 mm dick, welches mit Kupfer mit einer Dicke von 8 Mikron durch ein übliches Elektroplattierungsverfahren beschichtet ist, aufgetragen und dann in einem Ofen unter Wasserstoff (unter Gasströmung), d. h. in einer reduzierenden Atmosphäre, bei 700 bis 9000C während 10 bis 30 min gesintert Danach wird das gesinterte Verbundmaterial durch Walzen geleitet, um es mit einer Reduktionsrate von 5 bis 20% zu walzen, so daß das gesinterte Pulvergemisch und das Stahlblech durch Druck fest miteinander verbunden sind, wobei man ein Verbundgleitmaterial aus Graphit enthaltender Phosphorbronze mit einer Gesamtdicke von 1,6 mm erhält. Es besitzt eine bimetallähnliche Form, und die Legierungsschicht aus Graphit enthaltender Phosphorbronze ist 0,4 mm dick. Diese wurde duch Sintern der Pulvermischung aus Phosphorbronze und Graphit erzeugt. Die Biegeeigenschaften und die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Biegefestigkeit zwischen der Metallunterlage und der gesinterten Legierung aus Graphit enthaltender Phosphorbronze und die Härte der Legierung) des so erhaltenen Gleitmaterials sind in Tabelle I angegeben. Weiterhin sind die Ergebnisse des Festfreßtests (seizure test) in Tabelle II aufgeführt, der als Test für die Wirkungsweise eines Lagers durchgeführt wurde. Die Versuchsbedingungen für den Festfreßtest sind in Tabelle III angegeben. Es ist selbstverständlich möglich, die Stufen des oben erwähnten Sinterns und Walzens je nach Bedarf beliebig oft zu wiederholen. Weiterhin kann man als Material für die durch Plattieren gebildete Schicht Nickel oder Zink verwenden.
Zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Gleitmaterial wird ein bekanntes Gleitmaterial gemäß dem Stand der Technik hergestellt und wie folgt geprüft.
B e i s ρ i e 1 2
Ein bekanntes Phosphorbronze-Legierungspulver mit —120 mesh und ein Graphitpulver mit —150 mesh werden zusammen unter Bildung einer Pulvermischung (Zusammensetzung: 0,25 Gew.-% P - 7 Gew.-%Sin —
4 Gew.-% Graphit — Rest Cu) vermischt. Gemäß den im Beispiel 1 beschriebenen Herstellungsbedingungen wird dann ein Gieitmaterial gemäß dem Stand der Technik aus Graphit enthaltender Phosphorbronze hergestellt. Die Biegeeigenschaften und die mechanischen Eigenschaften des bekannten Gleitmaterials sind in Tabelle I aufgeführt, und die Ergebnisse des Festfreßtests sind in Tabelle II angegeben.
Der Test für die Biegeeigenschaften wird wie folgt durchgeführt: Das bimetallartige Gleitmaterial, welches aus der Stahlunterlage und der gesinterten Phosphorbronze-Legierungsschicht besteht, wird um 180° gebogen, so daß beide halben Teile der Oberfläche der Stahlunterlage in Kontakt miteinander sind, und, wenn die Rißbildung, die in der Legierungsschicht durch das Biegen auftritt, groß ist, wird das Material so bewertet, daß seine Biegeeigenschaft schlecht ist. Wenn die Rißbildung des Materials gering ist, wird die Biegeeigenschaft als gut angesehen.
Mit jedem der Teststücke wird ein Festfreßtest wie folgt durchgeführt: Die Oberfläche der Legierungsschicht aus bimetallartigem Blechmaterial, erhalten gemäß jedem Beispiel, wird einem Diamanten-Einschnittsverfahren (ein Verfahren, bei dem eine diamantenförmige Ausbuchtung erzeugt wird) unterworfen, wobei eine diamantenförmige Ausbuchtung mit einer Tiefe von 0,4 mm und zwei diagonalen Längen von 3 und 5 mm erzeugt wird. Das is Blechmaterial wird dann zu einer röhrenförmigen Lagerbüchse mit einem Außendurchmesser von 23 mm, einer Breite von 20 mm und einer Wanddicke von 1,5 mm verarbeitet Jedes Teststück, welches zu einer Lagerbüchse verarbeitet wurde, wird dreimal dem Festfreßtest bei den in Tabelle III aufgeführten Bedingungen unterworfen. Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle II angegeben.
Es wird bemerkt, daß bei den obigen Testbedingungen die Form der Ausbuchtung (diamantenförmige Ausbuchtung), die auf der Oberfläche der Legierung der röhrenförmigen Lagerbüchse gebildet wird, nicht auf die Diamantform begrenzt, sondern daß andere Formen ebenfalls verwendet werden können, beispielsweise eine kugelförmige Ausbuchtung (eine hemisphärische Ausbuchtung). Wird ein Schmiermittel in den ausgebuchteten Teil eingefüllt, z. B. ein viskoses semifestes Schmiermittel, wie Schmierfett, wie im Falle der obigen Beispiele, so ist dies ebenfalls keine Begrenzung, und ein festes Schmiermittel, wie Graphit und M0S2, kann verwendet werden. Obgleich in den Beispielen die Ausbuchtung auf der Oberseite der Legierungsschicht des Lagers erzeugt wurde, muß die Ausbuchtung nicht notwendigerweise entsprechend der Verwendung erfolgen.
Der Test für die Biegefestigkeit zwischen der Metallunterlage und der Schicht aus Phosphorbronzelegierung wird, wie im folgenden beschrieben, durchgeführt: Aus dem gemäß jedem Beispiel hergestellten Gleitmaterial wird ein Gleitverbundblech aus der Legierung (bimetallartiges Blech) einer Breite von B (mm) hergestellt. Zwei parallele Rillen werden in einem bestimmten Abstand in das Gleitlegierungsblech eingeschnitten, wobei sich die eine von der Außenoberfläche der Gleitlegierungsseite zu der Biegungsgrenzfläche davon erstreckt und die andere sich von der Außenoberfläche der Metallunterlage zu ihrer Biegungsgrenzfläche erstreckt Der Abstand zwischen den beiden auseinanderliegenden Rillen beträgt L (mm).
Es werden dann beide Enden der Teststücke genommen und in entgegengesetzte Richtungen gezogen, und eine Zugbelastung (kg) wird gemessen, wenn die Metallunterlage und der Gleitlegierungsteil voneinander brechen und durch die verbundene Fläche getrennt sind, BxL (mm2). In den Beispielen beträgt B3 mm und L 3 mm.
Aus den Tabellen I und II folgt, daß das erfindungsgemäße Material ausgezeichnete Biegeeigenschaften aufweist und wesentlich besser ist hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit der Biegefestigkeit zwischen der Legierung und der Stahlunterlage und der Härte der Legierung, wie auch bei den Ergebnissen des Festfreßtests (d. h. der Festfreßbeständigkeit) als das bekannte Material. Die Ergebnisse des Festfreß-Beständigkeitstests sind in Tabelle II aufgeführt Das erfindungsgemäße Gleitmaterial verursacht kein Festfressen bei einem Oberflächendruck von etwa 120 kg/cm2, während das bekannte Gleitmaterial ein Festfressen bei einem Oberflächendruck von 70 oder 100 kg/cm2 ergibt
Wie beschrieben wurde, wird bei einem erfindungsemäßen Verbundgleitmaterial aus Graphit enhaltender Phosphorbronze Pulver aus Teilchen verwendet, die wesentlich kleiner sind als die Teilchen des Graphitpulvers und des Phosphorbronze-Legierungspulvers, welche bei dem bekannten Verfahren verwendet werden. Daher ist die Dicke der Schicht des Pulvermaterials, welches auf das Stahlblech aufgebracht wird, nicht groß, und die Legierung kann an ihren Endteilen auf dem Stahlblech ausreichend verdichtet werden, so daß man das Material in erhöhter Ausbeute herstellen kann. Das Material besitzt weiterhin eine überraschend gute Biegebeständigkeit selbst wenn das Material zu semikreisförmigen oder zylindrischen (röhrenförmigen) Lagerbüchsen verarbeitet wird. Es besteht keine Gefahr der Rißbildung, und es besteht keine Gefahr, daß zwischen Legierungsschicht und der Stahiunterlage eine Abtrennung bzw. Abblätterung erfolgt. Das Material besitzt somit wesentlich verbesserte mechanische Eigenschaften, wie Zugfestigkeit Biegefestigkeit zwischen der Legierungsschicht und der Stahlunterlage und Härte der Legierungsschicht, wie auch Festfreßbeständigkeit
Tabelle I
Verwendetes Pulver Biege Mechanische Eigenschaften Form des Biege Härte der Produktes
(Teilchengröße: mesh) festigkeit Zug festigkeit Legierungs
festigkeit zwischen schicht
der Stahl
unterlage
und der
Legierungs
schicht
(kg/mm2) (Hv)
(kg/mm2)
P-Sn-Cu+ Graphit
Bekanntes Material
Erfindungsgemäßes Material
0,25% P-7%Sn-4% Graphit
RestCu P-Sn-Cu+ Graphit
die
ist stark
0,25% P-10,6%Sn-4% Graphit eine 7,8 6,1
RestCu 55,0
Rißbildung bimetallartiges Blech
bimetallartiges Blech
Tabelle II
Röhrenförmige Lagerbüches, die man erhält, indem man das bimetallartige Blech zu einer zylindrischen Form verformt Maximaler Festfreßdruck (kg/mm2) 50 70 100 120 150 1 1 1 1 1
Bekanntes Material
P-Sn-Cu
Graphit 1 l·-
Erfindungsgemäßes P-Sn-Cu Material
(-120 mesh) ' (-150 mesh)
Zusammensetzung: 2 h
0,25% P - 7% Sn - 4% Graphit 3 μ
Graphit 1 r-
(-200 mesh) (-350 mesh)
Zusammensetzung:
0,25% P-10,6% Sn-4% Graphit 3 h -\ (Auftreten
von einem Festfressen)
(Auftreten von einem Festfressen)
(Auftreten
von einem Festfressen)
H (kein Festfressen)
H (kein Festfressen)
-i (kein Festfressen)
Tabelle III
Zahl der Umdrehungen pro Schaft 478 Upm Schaftgeschwindigkeit 0,5 m/s
5 Schmiermittel es wird im Aufbau Schmierfett verwendet
Atmosphärentemperatur Raumtemperatur
Schaftmaterial JIS s55c (entsprechend AISI 1055) unlegierter Baustahl
Belastung kumulatives Belastungsverfahren (die Belastung wird im Verlauf der Zeit,
wie aus der Zeichnung hervorgeht, erhöht)
ίο Festfreßbewertungsverfahren die Belastung wird gemessen, wenn die Temperatur der Lagerunterseite
2000C überschreitet
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
15

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verbundmaterial für ein Gleitelement mit einer Metallunterlage, insbesondere einem Stahlstreifen, der mit Kupfer oder einer Legierung auf Kupfergrundlage plattiert sein kann, und einer gesinterten Schicht aus Graphit enthaltender Phosphorbronze, die mit der Metallunterlage verbunden ist und die im wesentlichen 0,03 bis 1 Gew.-°/o Phosphor, 7,5 bis 16 Gew.-% Zinn, 1 bis 8 Gew.-% Graphit und als Rest Kupfer enthält und aus Phosphorbronzepulver und Graphitpulver gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das für die gesinterte Schicht verwendete Phosphorbronzepulver durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm (200-mesh-Sieb) und das Graphitpulver durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,042 mm (350-mesh-Sieb) hindurchgeht
2. Verwendung des Verbundmaterial» nach Anspruch 1 als Lagermaterial.
DE3346553A 1983-03-25 1983-12-22 Verbundmaterial für ein Gleitelement Expired DE3346553C2 (de)

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