DE3503859A1 - Gleitflaeche eines verbund-vernickelten beweglichen bzw. verschiebbaren bauteils - Google Patents

Gleitflaeche eines verbund-vernickelten beweglichen bzw. verschiebbaren bauteils

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DE3503859A1 DE19853503859 DE3503859A DE3503859A1 DE 3503859 A1 DE3503859 A1 DE 3503859A1 DE 19853503859 DE19853503859 DE 19853503859 DE 3503859 A DE3503859 A DE 3503859A DE 3503859 A1 DE3503859 A1 DE 3503859A1
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Description

Gleitfläche eines verbund-vernickelten beweglichen bzw. verschiebbaren Bauteils
Die Erfindung betrifft eine Gleitfläche eines beweglichen bzw. verschiebbaren Bauteils wie z. B. eines in einem Motor verwendeten Kolbens, auf der ein Verbund-Plattierungsfilm gebildet worden ist und die eine verbesserte Verschleißfestigkeit und eine verbesserte Beständigkeit gegen Festfressen hat.
Plattierte Gleitflächen von beweglichen bzw. verschiebbaren Bauteilen bzw. Gleitkörpern, auf denen Verbund-Plattierungsfilme ausgebildet sind, sind z. B. aus der JA-OS 55-154600 (1980) und der JA-OS 57-71812 (1982) bekannt.
In der JA-OS 55-154600 wird eine vernickelte Gleitfläche
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beschrieben. Bei diesem Verfahren wird auf einer Oberfläche eines Grundmaterial, die eine dreidimensionale Makrostruktur hat, ein Verbund-Vernickelungsüberzug, der ein festes Schmiermittel enthält, gebildet, um auf der Oberfläche des Grundmaterials einen Verbund-Vernickelungsfilm mit einer dreidimensionalen Struktur herzustellen. In der JÄ-OS 57-71812 wird ein Verbund-Vernickelungsverfahren beschrieben, bei dem äußerst reines Siliciumcarbid-Feinpul-
2Q ver mit hervorragender Dispergierbarkeit verwendet wird. Zusätzlich zu diesen Verfahren ist ein Härtungsverfahren bekannt, bei dem ein Nickel-Phosphor-Plattierungsfilm verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird auf einem Produkt ein Vernickelungsfilm mit einer Phosphorkonzentration von 5 bis 12% gebildet. Dann wird das Produkt in einem Wärmeofen auf eine Temperatur in dem Bereich von 270 bis 4000C erhitzt und 0,5 bis 4 h lang bei dieser Temperatur gehalten .
2Q Diese bekannten Verfahren haben jedoch gewisse Nachteile. Bei dem aus der JA-OS 55-154600 bekannten Verfahren zur Bildung der vernickelten Gleitfläche durch Bildung eines Verbund-Vernickelungsfilms auf der Gleitfläche wird als Verbundmaterial Bornitrid, das als festes Schmiermittel
ok dient, in dem Vernickelungsfilm dispergiert, um die Schmiereigenschaften der Gleitfläche zu verbessern. Diese Gleitfläche hat jedoch eine ungenügende Verschleißfestigkeit und eine ungenügende Beständigkeit gegen Festfressen. Bei dem aus der JA-OS 57-71812 bekannten Verfahren zur Bildung
OQ des Verbund-Vernickelungsfilms unter Verwendung eines Siliciumcarbid-Feinpulvers dienen feine Siliciumcarbidteilchen mit einer mittleren Korngröße von 1 μπι oder weniger, die in einem Vernickelungsbad dispergiert sind, zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit. Die Schmiereigenschaf-
or ten der Gleitfläche sind jedoch ungenügend. Ferner wirken
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Siliciumcarbidteilchen, die sich von der Gleitfläche abgetrennt haben, als Schleifmittel, das bei einem im Eingriff stehenden Bauteil bzw. Gegen-Bauteil einen Verschleiß bzw. Abrieb hervorruft.
Wenn bei dem Verfahren zur Härtung eines Vernickelungsfilms mit einer Phosphorkonzentration von 5 bis 12% das bewegliche bzw. verschiebbare Bauteil aus Al oder einer Al-Legierung besteht, führt eine zur Härtung des Films durchgeführte Hitzebehandlung zu einer Verschlechterung der Festigkeit des Filmmaterials und zu einer Veränderung der Abmessungen des Bauteils.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei der Bildung eines Verbund-Vernickelungsfilms auf einer Oberfläche eines Grundmaterials einen Verbund-Vernickelungsfilm zu erhalten, der einer Gleitfläche eine hervorragende Verschleißfestigkeit und hervorragende Schmiereigenschaften verleiht und der gehärtet wird, ohne daß er einer Hitzebehandlung unterzogen wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gleitfläche gelöst, die durch die Bildung eines Nickellegierungs-Plat-^ tierungsfilms auf der Oberfläche des Grundmaterials in einem Nickelsulfat oder Nickelchlorid enthaltenden Vernickelungsbad für stromlose Vernickelung erhalten wird, wobei das Vernickelungsbad eine Phosphorkonzentration von 0,5 bis 12% hat und wobei in dem Vernickelungsbad feine Teil-
gO chen eines kubischen Materials mit hoher Härte und hoher Abriebbeständigkeit wie z. B. Siliciumcarbid (SiC), Titancarbid (TiC), Wolframcarbid (WC), Borcarbid (B4C), Titannitrid (TiN) oder Aluminiumoxid (Al3O3), die eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 1,0 μπι haben, und feine Teilchen eines weichen Materials mit Selbstschmiereigenschaf-
" 6 " DE 4566
ten wie ζ.. B. Bornitrid (BN), Molybdändisulf id (MoS2) oder Teflon, die eine mittlere Korngröße von 1 bis 10 μπι haben, suspendiert sind.
Eine Gleitfläche, die einen Nickellegierungs-Plattierungsfilm aufweist, in dem beispielsweise kubisches Siliciumcarbid und Bornitrid dispergiert sind, hat die folgenden Vorteile:
(1) Die Gleitfläche hat die Verschleißfestigkeit von Siliciumcarbid und die Schmiereigenschaften von Bornitrid. Die Gleitfläche des Grundmaterials verursacht auch unter einer hohen Belastung kein Festfressen.
(2) Wenn kubisches Siliciumcarbid verwendet wird, haben alle feinen kubischen Teilchen, deren mittlere Korngröße 0,1 μπι bis einige μΐη beträgt, weniger Ecken bzw. Kanten als Teilchen von hexagonalem Siliciumcarbid. Ferner tritt nur
2Q ein geringer Verschleiß bzw. Abrieb ein, da die Teilchen eine fast sphärische Gestalt haben. Infolgedessen ist der Betrag des Verschleißes bzw. Abriebs eines im Eingriff stehenden Bauteils etwa 0,5mal so groß wie der Abrieb, der im Fall der Anwendung einer Gleitfläche eintritt,
ok in der hexagonales Siliciumcarbid verwendet wird.
(3) Wenn keine Hitzebehandlung durchgeführt wird und der Plattierungsfilm eine Phosphorkonzentration von 5 bis 12% hat, hat der Film eine Härte von etwa 600 mHV. Wenn die
oQ Phosphorkonzentration jedoch auf 0,5 bis 5% vermindert wird, steigt die Härte bis zu einem Wert von etwa 700 mHV an.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden besonderen Vorteile auf:
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(1.) Wenn feine Teilchen von Siliciumcarbid mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1,0 μπι verwendet werden, wird der Verschleiß bzw. Abrieb eines im Eingriff befindlichen
Bauteils in bedeutendem Maße vermindert. Wenn die mittlere 5
Korngröße 1,0 μπι überschreitet, steigt der Verschleiß eines im Eingriff stehenden Bauteils an. Ferner wird die Verschleißfestigkeit der Gleitfläche nicht verbessert, wenn die mittlere Korngröße 0,1 μπι oder weniger beträgt. Wenn die Korngröße der Bornitridteilchen auf 10 μπι oder mehr ansteigt, ist der Film brüchig, und die Verschleißfestigkeit wird beeinträchtigt.
(2) Wenn ein Kolben aus einer Al-Legierung gegen einen Zylinder aus einer Al-Legierung gleitet, wird der auf Schleif-
wirkung beruhende Verschleiß bzw. Abrieb (die Bildung von Schleifspuren auf dem Zylinder und von Schrammen bzw. Kratzern auf dem Kolben) um 50% vermindert, wenn der Kolben einen erfindungsgemäßen Verbund-Vernickelungsfilm aufweist.
(3) Da keine Hitzebehandlung für die Härtung des Films
durchgeführt wird, ist eine Nachbehandlung wie z. B. ein Schleifen oder Polieren für eine Einstellung der Abmessungen nach dem Härten des Films nicht notwendig.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und der Stand der Technik werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer mit ei-30
nem Verbundmaterialfilm plattierten Gleitfläche gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung, und
Figur 2 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Härte eines Nickel-Phosphor-Legie-
" 8 " DE 4566
rungsT-Plattierungsfilms und der Hitzebehandlungstemperatur zeigt.
Beispiel 1
Al-Probekörper (6,35 mm χ 10,1 mm χ 15,6 mm; 5 mm χ 30 mm χ 30 mm) wurden in einem Vernickelungsbad, in dem BN
(Schmiermittelteilchen) und SiC (abriebbeständige Teilchen) jQ dispergiert waren, einer Verbund-Vernickelung unterzogen, und auf den Probekörpern wurden vernickelte Gleitflächen gebildet.
Zusammensetzung des Bades
Nickelsulfat 25 g/l
r- Hypophosphit 25 g/l
Natriumpropionat 3 g/l
Benetzungsmittel 1 ml/1
SiC (mittlere Korngröße: 0,45 μΐη) 2 g/l BN 2 g/l
on Plattierungsbedingungen
Temperatur des Bades: (86 +_ 1)°C; pH: 5,0 +_ 0,2
Die unter den vorstehend angegebenen Bedingungen behandelten Gleitflächen wurden durch Prüfvorrichtungen (Suzuki und LFW-No. 1) hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegen Festfressen, ihrer Verschleißfestigkeit und ihrer Schmiereigenschaften bewertet. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse, die unter den vorstehend erwähnten Bedingungen erhalten wurden, mit Ergebnissen, die mit einem Vernicke^
_ lungsbad zur Verbund-Vernickelung, das als dispergiertes du
Material nur BN enthielt, bzw. mit einem Vernickelungsbad zur Verbund-Vernickelung, das als dispergiertes Material nur SiC enthielt, erhalten wurden.
DE 4566
Tabelle 1
SiC + BN Belastung beim
Festfressen		 Reibungsko
effizient		 Filmrei
bungsbreite
1 nur BN 1,0 0,024 1/0
2 nur SiC 0,86 0,019 3,0
3 1,29 0,057 0,69
(Anmerkung)
Die Belastung beim Festfressen und die Filmreibungsbreite sind relative Werte.
Die Verschleißfestigkeit des Plattierungsfilms konnte durch gleichzeitiges Dispergieren von SiC-Teilchen verbessert werden, ohne daß die Schmiereigenschaften beeinträchtigt wurden.
Beispiel 2
Unter Verwendung von BN und SiC als dispergierten Materialien wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 eine Verbund-Vernickelung durchgeführt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse, die in dem Fall, daß das SiC eine kubische Kristallstruktur hatte, und in dem Fall, daß das SiC eine hexagonale Struktur hatte, erhalten wurden.
Tabelle 2
hexagonal Belastung beim
Festfressen		 Filmrei
bungsbreite		 Betrag des
Verschlei
ßes eines im
Eingriff ste
henden Bau
teils
1 kubisch 1/0 1,0 1,0
2 0,79 0,85 0,53
- 1° - DE 4566
(Anmerkung)
Die Werte sind relative Werte.
Als kubisches SiC mit einer mittleren Korngröße von 0,45 μπι verwendet wurde, wurde im Vergleich zu hexagonalem SiC mit derselben mittleren Korngröße die Verschleißfestigkeit des Vernickelungsfilms verbessert und der Betrag des Verschlei ßes eines im Eingriff stehenden Bauteils vermindert (diese Vorteile konnten im allgemeinen nicht gleichzeitig erzielt werden).
Beispiel 3
Ein Kolben (Al-Legierungsmaterial) eines Viertaktmotors
wurde unter den folgenden Bedingungen behandelt. Der Kollo
ben wurde in einem Betriebsversuch in einen Motor, bei dem eine Zylinderbuchse aus einem Material mit hohem Siliciumgehalt (17% Si) verwendet wurde, eingebaut, und sein Betriebsverhalten wurde geprüft.
Zusammensetzung des Bades
Nickelchlorid 12 g/l
Hypophosphit 4 g/l
Glycin 15 g/l
SiC (kubisch; mittlere Korn- 2 g/l größe: 0,45 μπι)
BN 2 g/l
Plattierungsbedingungen
Temperatur des Bades: (90 +_ 1)°C; pH: 6,0 +_ 1
Als unter den vorstehenden Bedingungen eine stromlose Plat·*- 30
tierung bzw. Vernickelung durchgeführt wurde, wurde ein Verbund-Vernickelungsfilm erhalten, der eine Phosphorkonzentration von 1,2 bis 1,5 % und eine Härte von 700 mHV hatte.
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Als der Kolben, der der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung unterzogen worden war/ 100 h lang arbeiten gelassen wurde, traten weder ein Pestfressen noch ein Verschleiß durch Schleifwirkung ein.
Als jedoch mit einem Bad, das eine Phosphorkonzentration von 7% hatte, eine übliche Verbund-Plattierung durchgeführt wurde, traten ein Festfressen und ein Verschleiß durch Schleifwirkung ein. Figur 1 ist eine vergrößerte Ansicht einer durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhaltenen Gleitfläche. Figur 1 zeigt ein Grundmaterial 1 aus einer Al-Legierung, einen Nickel-Phosphor-Plattierungsfilm 2, feine BN-Teilchen 3 und feine SiC-Teilchen 4.
Figur 2 ist eine grafische Darstellung, die Änderungen der Härte des Nickel-Phosphor-Plattierungsfilms in Abhängigkeit von Änderungen der Hitzebehandlungstemperatur zeigt. Die Härte H ist auf der Ordinatenachse abgetragen, während die Hitzebehandlungstemperatur T auf der Abszissenachse abgetragen ist. Die Kurven A, B und C entsprechen Phosphorkonzentrationen von 0,5 bis 5%, 5 bis 12% bzw. 0%.
Im Fall der Verwendung eines Vernickelungsbades, in dem ab'·
riebbeständige Teilchen wie z. B. Borcarbid-, Titannitrid-25
und/oder Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1,0 μπι und feine Teilchen mit guten Schmiereigenschaften wie z. B. Molybdändisulfid- und/oder Teflonteilchen mit einer mittleren Korngröße von 1 bis 10
μπι dispergiert waren, wurde die Verschleißfestigkeit des 30
erhaltenen Plattierungsfilms verbessert, und der Betrag des Verschleißes eines im Eingriff stehenden Bauteils wurde bis zu einem Grade, der in den vorstehenden Beispielen gezeigt wird, vermindert (diese beiden Vorteile
konnten im allgemeinen nicht gleichzeitig erzielt werden). 35
- Ji*
- Leerseite

Claims (4)

Patentansprüche
1. Verbund-plattierte Gleitfläche eines beweglichen bzw. verschiebbaren Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Gleitfläche unter Verwendung eines Vernickelungsbades mit einer Phosphorkonzentration von 0,5 bis 12% ein Nickellegierungsfilm, in dem dispergierte abriebbeständige Teilchen und Schmiermittelteilchen enthalten sind, gebildet worden ist, wobei die abriebbeständigen Teilchen eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 1,0 μπι haben und aus mindestens einem aus Siliciumcarbid, Titancarbid, Wolframcarbid, Borcarbid, Titannitrid und Aluminiumoxid ausgewählten Material bestehen und die Schmiermittelteilchen eine mittlere Korngröße von 1 bis 10 μπι haben und aus mindestens einem aus Bornitrid, Molybdändisulfid und Teflon ausgewählten Material bestehen.
2. Gleitfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebbeständigen Teilchen Siliciumcarbidteilchen mit einer kubischen Kristallstruktur und die Schmiermittelteilchen Bornitridteilchen sind.
B/18
- 2 - DE 4566
3. Gleitfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix des Nickellegierungsfilms eine Phosphorkonzentration von 0,5 bis 5% hat.
4. Verfahren zur Durchführung einer Verbund-Vernickelung auf einer Gleitfläche eines beweglichen bzw. verschiebbaren Bauteils, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Dispergieren von abriebbeständigen Teilchen und Schmierig mittelteilchen in einem Vernickelungsbad, dessen Phosphorkonzentration auf 0,5 bis 12% eingestellt ist, wobei die abriebbeständigen Teilchen eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 1,0 μπι haben und aus mindestens einem aus Siliciumcarbid, Titancarbid, Wolframcarbid, Borcarbid, Titanni-1^ trid und Aluminiumoxid ausgewählten Material bestehen und die Schmiermittelteilchen eine mittlere Korngröße von 1 bis 10 μπι haben und aus mindestens einem aus Bornitrid, Molybdändisulfid und Teflon ausgewählten Material bestehen , und
20
Bildung eines die abriebbeständigen Teilchen und die Schmiermittelteilchen enthaltenden Nickellegierungsfilms auf der Gleitfläche des beweglichen bzw. verschiebbaren
Bauteils durch stromloses Plattieren. 25
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