DE3503859C2

DE3503859C2 - Verbundbeschichtete Gleitfläche eines verschiebbaren Bauteils

Info

Publication number: DE3503859C2
Application number: DE3503859A
Authority: DE
Inventors: Hideo Yano; Keiichi Kano; Hitoshi Ozawa; Shinji Kato; Yoshio Takagi
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 1984-03-19
Filing date: 1985-02-05
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2005-02-06
Also published as: JPH0583636B2; JPS60197880A; US4666786A; DE3503859A1

Description

Die Erfindung betrifft eine verbundbeschichtete Gleitfläche eines verschiebbaren Bauteils wie z. B. eines in einem Motor verwendeten Kolbens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Druckschrift DE-OS 10 01 869 ist eine verbundbeschichtete Gleitfläche bekannt, die durch ein Verfahren zur stromlosen Abscheidung einer Nickel- Verbundschicht erzeugt wird. Bei diesem Verfahren werden als nichtmetallische Fremdstoffpartikel Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumcarbid (SiC) und Borcarbid (BC) im Vernickelungsbad dispergiert und während des Palattierungsvorgangs abgeschieden. Die besten Verschleißwerte und Notaufeigenschaften der so erzeugten Gleitflächen werden bei einem Metallisierungsbad mit einem dispergierten feinkörnigen Metalloxid und einem gleichzeitig darin dispergierten fein- sowie grobkörnigen Metallkarbid erzielt.

In der Druckschrift US-PS 3 617 363 ist eine verbundbeschichtete Gleitfläche sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung im Wege einer stromlosen Metallisierung von Bauteilen in einem Metallisierungsbad beschrieben worden. Zur Erzeugung der Verbundschicht wird neben der Verwendung von harten Siliciumcarbid-Teilchen auch die Beimengung von Molybdänsulfid (MoS₂) als Schmiermittel- Teilchen mit einer Korngröße von ca. 50 µ empfohlen. Nach der Abscheidung der Verbundschicht wird diese anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen.

Nach dem in der Druckschrift FR-OS 2 110 271 dargelegten Verfahren werden dem Metallisierungsbad zur stromlosen chemischen Nickel-Abscheidung außer Siliciumcarbid auch Schmiermittelteilchen aus Molybdänsulfid, Talk oder Polytetrafluorethylen beigemischt und darin dispergiert. Eine abschließende Wärmebehandlung der abgeschiedenen Dispersionsschicht wird auch hier empfohlen.

Aus der Druckschrift US-PS 3 753 667 ist eine verbundbeschichtete Gleitfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, die eine phosphorhaltige Nickel- Verbundschicht aufweist. Diese Legierungsschicht hat als abriebbeständige Teilchen Siliciumcarbid-Teilchen mit einer mittleren Korngröße von 0,01 bis 100 µ sowie als Schmiermittelteilchen Molybdänsulfid-Teilchen mit einer mittleren Korngröße von 0,01 bis 10 µ. Nach Beschichtung erfolgt eine Wärmebehandlung des mit der Verbundschicht versehenen Bauteils, um seine Härte und Verschleißeigenschaften zu verbessern. Die auf dieser Weise erzeugte verbundbeschichtete Gleitfläche hat keine zufriedenstellende Verschleißfestigkeit und Schmiereigenschaften, wobei selbst durch die anschließende Wärmebehandlung die Gefahr eines Verzugs entsteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbundbeschichtete Gleitfläche eines verschiebbaren Bauteils zu schaffen, die besonders gute Schmiereigenschaften und gleichzeitig hohe Verschleißfestigkeit aufweist, und bei der ein Verzug weitgehend unterbleibt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß diesen Merkmalen bestehen die abriebbeständigen Teilchen aus kubischem Siliciumcarbid mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1,0 µ und die Schmiermittelteilchen bestehen aus Bornitrid, Molybdänsulfid und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE), wobei die Nickel-Legierungsschicht einen Phosphorgehalt von 0,5 bis 5% aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 definiert.

Eine erfindungsgemäße Gleitfläche, die eine Nickel-Legierungsschicht aufweist, in der 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) Weil kubisches Siliciumcarbid verwendet wird, haben alle feinen kubischen Teilchen, deren mittlere Korngröße 0,1 µm bis einige µm beträgt, weniger Ecken bzw. Kanten als Teilchen von hexagonalem Siliciumcarbid. Ferner tritt nur 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, 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 Phosphorkonzentration jedoch auf 0,5 bis 5% vermindert wird, steigt die Härte bis zu einem Wert von etwa 700 mHV an.

Das mit der erfindungsgemäßen Gleitfläche versehene Bauteil weist folgende besondere Vorteile auf:

1) Weil feine Teilchen von Siliciumcarbid mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1,0 µm verwendet werden, wird der Verschleiß bzw. Abrieb eines im Eingriff befindlichen Bauteils in bedeutendem Maße vermindert. Wenn die mittlere Korngröße 1,0 µm überschreitet, steigt der Verschleiß eines im Eingriff stehenden Bauteils an. Ferner wird die Verschleißfestigkeit der Gleitfläche nicht verbessert, wenn die mittlere Korngröße 0,1 µm oder weniger beträgt. Wenn die Korngröße der Bornitridteilchen auf 10 µm 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 Schleifwirkung 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 eine erfindungsgemäße Nickel-Legierungsschicht aufweist.
3) Da keine Hitzebehandlung für die Härtung der Nickel-Legierungsschicht durchgeführt wird, ist eine Nachbehandlung wie z. B. ein Schleifen oder Polieren für eine Einstellung der Abmessungen nach dem Härten nicht notwendig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittansicht einer verbundbeschichteten Gleitfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Härte einer phosphorhaltigen Legierungsschicht und der Hitzebehandlungstemperatur zeigt.

Beispiel 1

Al-Probekörper (6,35 mm×10,1 mm×15,6 mm; 5 mm×30 mm ×30 mm) wurden in einem Nickelbad, in dem BN (Schmiermittelteilchen) und SiC (abtriebbeständige Teilchen) dispergiert waren, einer Verbundbeschichtung unterzogen, und auf den Probekörpern wurden vernickelte Gleitflächen gebildet.

Zusammensetzung des Bades
Nickelsulfat
25 g//l
Hypophosphit	25 g/l
Natriumpropionat	3 g/l
Benetzungsmittel	1 ml/l
SiC (mittlere Korngröße: 0,45 µm)	2 g/l
BN	2 g/l

Beschichtungsbedingungen
Temperatur des Bades
(86±1)°C
pH	5,0±0,2

Die unter den vorstehend angegebenen Bedingungen erzeugten 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 Nickelbad zur Verbundbeschichtung, das als dispergiertes Matzerial nur BN enthielt, bzw. mit einem Nickelbad zur Verbundbeschichtung, das als dispergiertes Material nur SiC enthielt, erhalten wurden.

Tabelle 1

Die Verschleißfestigkeit der Nickel-Legierungsschicht 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 Verbundbeschichtung 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

Als kubisches SiC mit einer mittleren Korngröße von 0,45 µm verwendet wurde, wurde im Vergleich zu hexagonalem SiC mit derselben mittleren Korngröße die Verschleißfestigkeit der Nickel-Legierungsschicht verbessert und der Betrag des Verschleißes 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 Kolben 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
Nickelsulfat
12 g//l
Hypophosphit	4 g/l
Glycin	15 g/l
SiC (kubisch; mittlere Korngröße: 0,45 µm)	2 g/l
BN	2 g/l

Beschichtungsbedingungen
Temperatur des Bades
(90±1)°C
pH	6,0±1

Als unter den vorstehenden Bedingungen eine stromlose Vernickelung durchgeführt wurde, wurde eine Nickel-Legierungsschicht erhalten, der eine Phosphorkonzentration von 1,2 bis 1,5% und eine Härte von 700 mHV hatte.

Als der Kolben, an dem die erfindungsgemäße Gleitfläche erzeugt wurde, 100 h lang arbeiten gelassen wurde, traten weder ein Festfressen noch ein Verschleiß durch Schleifwirkung ein.

Als jedoch mit einem Bad, das eine Phosphorkonzentration von 7% hatte, eine übliche Verbundbeschichtung durchgeführt wurde, traten ein Festfressen und ein Verschleiß durch Schleifwirkung ein. Fig. 1 ist eine vergrößerte Ansicht einer durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhaltenen Gleitfläche. Fig. 1 zeigt ein Grundmaterial 1 aus einer Al-Legierung, eine phosphorhaltige Nickel-Legierungsschicht 2, feine BN-Teilchen 3 und feine SiC-Teilchen 4.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die Änderungen der Härte der Nickel-Legierungsschicht 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 Nickelbades, in dem abriebbeständige Teilchen wie z. B. Borcarbid-, Titannitrid- und/oder Aluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1,0 µm und feine Teilchen mit guten Schmiereigenschaften wie z. B. Molybdändisulfid- und/oder Teflonteilchen mit einer mittleren Korngröße von 1 bis 10 µm dispergiert waren, wurde die Verschleißfestigkeit der erhaltenen Nickel-Legierungsschicht 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).

Claims

1. Verbundbeschichtete Gleitfläche eines verschiebbaren Bauteils mit einer stromlos abgeschiedenen Nickel- Legierungsschicht und darin dispergierten abriebbeständigen sowie Schmiermittel-Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebbeständigen Teilchen aus kubischem Siliziumcarbid mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1,0 µm und die Schmiermittel-Teilchen aus Bornitrid, Molybdänsulfid und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen und die Nickel-Legierungsschicht einen Phosphorgehalt von 0,5 bis 5% aufweist.

2. Verbundbeschichtete Gleitfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermittelteilchen eine mittlere Korngröße von a bis 10 µm aufweisen.

3. Verbundbeschichtete Gleitfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermittelteilchen aus Bornitrid bestehen.