DE3742126C2

DE3742126C2 - Verbundstruktur für Gleitlagerteile

Info

Publication number: DE3742126C2
Application number: DE3742126A
Authority: DE
Inventors: Takashi Muto
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1987-12-11
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2007-12-12
Also published as: US4877696A; JPS63149140A; GB2201690B; DE3742126A1; JPH049665B2; GB8729240D0; GB2201690A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundstruktur bzw. Compo sitstruktur für Gleitlagerteile von Automobilen, Schiffen, verschiedenen Arten von elek trischen Maschinen, Büroautomationseinrichtungen, land wirtschaftlichen Maschinen, Maschinenwerkzeugen, Nah rungsmittel-Verarbeitungsmaschinen und andere Industrie maschinen.

Es ist bereits eine Verbund-Gleitstruktur vorgeschlagen worden, die aus drei Schichten, nämlich einer Oberflächen schicht, einer Zwischenschicht und einer Rückschicht, be steht. So ist z. B. die Oberflächenschicht aus einer Pb- Legierung, die 4% oder mehr Sn enthält, hergestellt wor den. Die Zwischenschicht ist aus einer Cu-Legierung und die Rückschicht aus Stahl hergestellt worden. Weiterhin ist schon eine vierschichtige Struktur mit einer Ober flächenschicht, einer Bindungsschicht, einer Zwischen schicht und einer Rückschicht vorgeschlagen worden. So be steht z. B. die Oberflächenschicht aus einer Pb-Legierung, die 4% oder mehr Sn enthält, die Bindungsschicht aus Ni oder einer Ni-Legierung, die Zwischenschicht aus einer Al-Legierung und die Rückschicht aus Stahl.

Alternativ ist weiterhin eine vierschichtige Verbund- Gleitstruktur vorgeschlagen worden, die entweder in der Oberflächenschicht oder der Zwischenschicht 4% oder mehr Sn enthält.

Wenn solche Lager in Verbrennungs-Kraftmaschinen verwen det werden, dann kann es bei hohen Temperaturen oder der gleichen vorkommen, daß das Sn der Pb-Legierung der Ober flächenschicht in die Zwischenschicht aus der Cu-Lager legierung oder in die Bindungsschicht aus Cu oder der Cu- Legierung oder in die Bindungsschicht aus Ni oder der Ni-Legierung hineindiffundiert, wodurch eine brüchige zwischenmetallische Verbindung aus Cu-Sn oder Sn-Ni gebil det wird, die zu einer Verminderung der Ermüdungsfestig keit führt. Weiterhin kann es vorkommen, daß das Sn in der Zwischenschicht aus der Al-Legierung in die Bindungs schicht aus dem Cu oder der Cu-Legierung hineindiffundiert, wodurch eine brüchige Sn-Cu-Zwischenmetallverbindung ge bildet wird, was ebenfalls zu einer Verminderung der Er müdungsfestigkeit der Gleitstruktur führt.

Aus der deutschen Patentschrift 8 44 507 ist eine Ver bundstruktur für Gleitlagerteile bekannt, die eine als Überzugsschicht bezeichnete Oberflächenschicht, eine an der Oberflächenschicht gebundene, als Cu-Überzug be zeichnete Bindungsschicht, eine an die Bindungsschicht gebundene, als Al-Schicht bezeichnete Zwischenschicht und eine an die Zwischenschicht gebundene, als Stahl stütz-Unterlage bezeichnete Rückschicht aufweist. Diese Struktur kann aus folgenden Verbundmaterialien gebildet sein: Die Oberflächenschicht aus bis zu 7% In und zum Rest Pb, die Bindungsschicht aus einem Cu-Überzug, die Zwischenschicht aus bis zu 15% Si und zum Rest Al sowie als Additiv bis zu 5% Cd und die Rückschicht aus Stahl. Jedoch ist die Dauerhaftigkeit und die Dauerfestigkeit einer solchen Verbund-Gleitstruktur ungenügend.

Aus der britischen Patentanmeldung 2 175 603 A ist eine Verbundstruktur für Gleitlagerteile bekannt, mit einer Oberflächenschicht, einer daran gebundenen Bindungs schicht, einer daran gebundenen Zwischenschicht und einer daran gebundenen Rückschicht. Zur Beseitigung des Problems der Diffusion von Sn in eine Unterschicht und zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Ober flächenschicht wird für diese Schicht eine Legierung aus 0,1 bis 6 Gew.-% Cu, 1 bis 10 Gew.-% In und zum Rest aus Pb vorgeschlagen. Bei dieser Struktur kann weiterhin ei ne Bindungsschicht aus Ni, eine Zwischenschicht aus ei ner Al-Si-Legierung oder einer Al-Sn-Legierung und eine Rückschicht aus Metall vorgesehen sein. Jedoch weist auch diese Struktur den Nachteil auf, daß ihre Dauer haftigkeit und Dauerfestigkeit ungenügend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, Legierungen zur Bildung der Bindungsschicht und Legierungen zur Bildung der Zwischenschicht zur Verfügung zu stellen, die für die Oberflächenschicht geeignet sind, um die Dauerhaftigkeit und die Dauerfestigkeit der Verbundstruktur bei Verwen dung einer Oberflächenschicht aus Pb-Cu-In-Legierungen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Kombi nation der im Patentanspruch für die einzelnen Schichten der Verbundstruktur angegebenen Legierungsbestandteile und -anteile gelöst.

Was die Zusammensetzung der Legierung betrifft, die die Oberflächenschicht bildet, so tritt bei Cu-Mengen von weniger als 0,1% der Effekt der Zugabe von Cu nicht auf. Wenn ande rerseits der Anteil von Cu über 6,0% hinausgeht, dann wird die Oberflächenschicht in nachteiliger Weise brüchig. Der Gehalt an Cu ist daher auf 0,1 bis 6,0%, vorzugsweise 3,2 bis 5,5%, eingeschränkt. Bei Mengen von In von weniger als 0,5% tritt kein Effekt der Zugabe auf, während andererseits, wenn der In-Gehalt über 16% hinausgeht, zwar keine nachteiligen Effekte auftreten, jedoch die Produktionskosten ansteigen. Der Gehalt an In ist daher auf 0,5 bis 16,0%, bevorzugt 5,0 bis 14,0%, beschränkt.

Was die Zusammensetzung der Legierung betrifft, die die Bindungsschicht bildet, so ist bei Mengen von Zn von weni ger als 0,5% der Gehalt zur Bildung von Kristallkörnern der Legierung, die die Bindungsschicht bildet, während des Plattierungsprozesses von Cu nicht verfügbar. Wenn anderer seits die Menge von Zn über 20% hinausgeht, dann ist ein solcher Gehalt für die Verbesserung der Bindung oder der Beständigkeit gegenüber einem Festfressen nicht verfügbar. Aus diesen Gründen ist der Gehalt von Zn auf 0,5 bis 20% eingeschränkt. Der Gehalt an Sn ist aus den gleichen Grün den auf 0,5 bis 4,0% eingeschränkt.

Was die Zusammensetzung der Legierung betrifft, die die Zwischenschicht bildet, so dient das Si dazu, die mecha nischen Eigenschaften der Zwischenschicht zu verbessern. Wenn jedoch die Menge an Si weniger als 1,5% ist, dann tritt dessen Effekt nicht auf, während andererseits bei Mengen von Si oberhalb 13% die Zwischenschicht gehärtet wird. Der Gehalt an Si ist daher auf 1,5 bis 13% einge schränkt. Zn dient ebenfalls dazu, die mechanischen Eigen schaften der Zwischenschicht zu verbessern. Wenn jedoch der Gehalt an Zn weniger als 1,5% ist, dann tritt dessen Effekt nicht auf, während umgekehrt bei Mengen über 6,0% die Eigenschaften der Zwischenschicht verschlechtert wer den (die Zwischenschicht wird gegenüber einer Korrosion anfällig). Somit ist Zn auf 1,5 bis 6,0% eingeschränkt.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Verbund struktur in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der verstrichenen Zeit und dem Verminderungsverhältnis der Bindungskraft zwischen der Oberflächenschicht und der Bindungsoberfläche angibt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wurde eine dünne Platte aus der Aluminium-Legierung mit einer Dicke von 0,25 bis 0,35 mm und einer Zusammensetzung ge mäß Tabelle I mit einem Reduktionsgrad von 40 bis 48% bei Raumtemperatur mit einer Rückschicht druckverbunden. Diese bestand aus üblichem Konstruktionsstahl mit niedrigem Kohlegehalt und hatte eine Dicke von 1,3 mm. Weiterhin wurde auf der Legierungsschicht durch elektrische Plattie rung eine Cu-Schicht gebildet. Eine Oberflächenschicht aus einer Legierung, bestehend aus 5% In, 2% Cu und zum Rest Pb, wurde auf der Cu-Schicht durch elektrisches Plattieren gebildet. Auf diese Weise wurde eine Verbund-Gleitstruk tur gemäß Fig. 1 erhalten. Die Dicke der Zwischenschicht betrug 0,3 mm, die Dicke der Bindungsschicht betrug 1,5 µm, und die Dicke der Oberflächenschicht betrug 20 µm. Die Bedingungen der elektrischen Plattierungen waren wie folgt.

Bedingungen der elektrischen Plattierung von Pb-Cu

Elektrisches Plattierungsbad	Fluoronat-Bad, enthaltend 100 g/l Bleifluoronat, 2 g/l Kupferfluoronat, 60 g/l Flußsäure und 3 g/l Resorcin
Badtemperatur	30°C
Stromdichte	3,0 A/dm²
Plattierungszeit	14 Minuten

Bedingungen der elektrischen Plattierung von Indium

Elektrisches Platttierungsbad	Bad, enthaltend 30 g/l Indiumsulfamat, 80 g/l Natriumsulfaminsäure und 30 g/l freie Sulfaminsäure
Badtemperatur	30°C
Stromdichte	2,0 A/dm²
Plattierungszeit	3,5 Minuten

Bei der oben angegebenen Verbund-Gleitstruktur wurde die Bindungsfestigkeit zwischen der Cu-Bindungsschicht und der Zwischenschicht aus der Al-Legierung innerhalb einer Woche gemessen. Dies erfolgte nach der in der JP-OS 180931/1973 angegebenen Versuchsmethode. Die Ergebnisse sind in Ta belle II zusammengestellt.

TABELLE II

Aus den Ergebnissen der Tabelle II wird ersichtlich, daß in der Verbundstruktur die Bindungsfestigkeit zwischen der Bindungsschicht und der Zwischenschicht im Ver gleich zu den Vergleichs-Probekörpern erheblich besser war. Die Tabelle III zeigt die Beziehung zwischen der Bindungsfestigkeit zwischen den Bindungsschichten und den Zwischenschichten und dem Gehalt an Sn in den Zwi schenschichten der Probekörper Nrn. 1 bis 9.

Die Fig. 2 zeigt die Ergebnisse der Messung des Verminde rungsverhältnisses der Klebkraft zwischen der Oberflä chenschicht und der Bindungsschicht. Dieses Verhältnis steht mit der Gebrauchszeit nach der Anwendung der Ver bund-Gleitstruktur im Zusammenhang. Aus Fig. 2 wird er sichtlich, daß die Verminderung der Bindungskraft zwischen der Oberflächenschicht und der Bindungsschicht, die von der Zeit abhängig ist, in der Verbund- Gleitstruktur verbessert wurde. Die Größe der Bindungs kraft zwischen der Oberflächenschicht und der Bindungs schicht (oder der Zwischenschicht) stand in starker Korre lation zu der Größenordnung der Ermüdungsfestigkeit bzw. Dauerfestigkeit. Die erhöhte Bindungskraft bedeutet eine erhöhte Dauerfestigkeit.

Claims

Verbundstruktur für Gleitlagerteile mit einer Oberflächen schicht, einer an die Oberflächenschicht gebundenen Bin dungsschicht, einer an die Bindungsschicht gebundenen Zwi schenschicht und einer an die Zwischenschicht gebundenen Rückschicht, bei der diese Schichten aus folgenden Bestand teilen bestehen:
die Oberflächenschicht aus 0,1 bis 6,0% Cu, 0,5 bis 16,0% In und zum Rest aus Pb;
die Bindungsschicht aus 0,5 bis 20,0% Zn und zum Rest aus Cu oder aus 0,1 bis 4,0% Sn und zum Rest aus Cu;
die Zwischenschicht aus 1,5 bis 13,0% Si, 1,5 bis 6,0% Zn und zum Rest aus Al, wobei diese Legierung als Additiv ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cu, Mn, Cr, Zr, V, Pb und Sb in Mengen von 4,0% oder weniger enthält; aus 1,5 bis 13,0% Si, 0,3 bis 1,5% Cu und zum Rest aus Al oder 2,5 bis 3,5% Sn, 0,3 bis 0,7% Cu, 1,3 bis 3,0% Si, 9,5 bis 15,5% Pb und zum Rest aus Al; und
die Rückschicht aus einem harten Trägermaterial, bei spielsweise Stahl.