DE4119727A1

DE4119727A1 - Gleitelement

Info

Publication number: DE4119727A1
Application number: DE19914119727
Authority: DE
Inventors: Takeji Tsuchiya; Motonobu Onoda; Katsuaki Ogawa
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1991-06-14
Publication date: 1992-01-23
Also published as: GB9106557D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einer Gleitflä che, die mit einer Verbund-Nickelplattierung beschichtet ist.

Gleitelemente, wie Kolbenringe und dgl., die in Verbren nungsmotoren eingesetzt werden, unterliegen im Betrieb einer hohen Belastung bei hohen Temperaturen, so daß sie zur Ver besserung ihrer Abriebfestigkeit meist mit einer harten Chromplattierung überzogen werden. Das Aufbringen einer Chromplattierung ist jedoch kostspielig, weil dafür eine lange Behandlungszeit erforderlich ist und die Abwasserrei nigungskosten hoch sind. Außerdem wird eine Chromplattierung bei Einsatz in Verbrennungsmotoren, die mit stark bleihal tigem Benzin betrieben werden, rasch durch Abrieb, Fressen und Korrosion abgebaut.

Um die vorerwähnten Schwierigkeiten zu überwinden, wird in JP-B-56-18 080 eine Verbundplattierung vorgeschlagen, bei der in einer Nickel-Phosphor-Legierungsmatrix harte Nitrid-, Car bid- und Oxidteilchen dispergiert sind. Diese Verbund plattierung erweist sich in bezug auf die Beständigkeit gegen Abrieb, Fressen und Korrosion als günstig, wenn die Teilchen in Bezug auf ihre Art, Größe und Menge entsprechend gewählt werden. Eine derartige Verbundplattierung eignet sich bei spielsweise zur Beschichtung von Gleitflächen von Zylinder büchsen und Kolbenringen.

Jedoch wird die vorstehend beschriebene Verbundplattierung in gewissem Umfang spröde, wenn sie einer hohen Belastung unter hohen Temperaturen, die in Verbrennungsmotoren bei hohen Drehzahlen herrschen, ausgesetzt werden. Somit erweist sich ein Gleitelement, das mit der vorstehend beschriebenen Ver bundplattierung beschichtet ist, in bezug auf die Bestän digkeit gegen Abrieb, Fressen und Korrosion bei der Verwen dung in Hochgeschwindigkeitsmotoren als unzureichend.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gleitelement bereitzustel len, das mit einer verbesserten Verbundplattierung beschich tet ist. Diese Plattierung soll sich in bezug auf die Be ständigkeit gegen Abrieb, Fressen und Korrosion für die Ver wendung in Hochgeschwindigkeitsmotoren, in denen drastische Bedingungen herrschen, eignen.

Das erfindungsgemäße Gleitelement weist eine Metallfläche auf, die mit einer Verbundplattierung beschichtet ist, die aus einer Nickel-Legierungsmatrix mit einem Gehalt an 0,1 bis 10 Gew.-% Bor und 5 bis 30 Vol-% an harten und/oder als Fest stoffschmiermittel wirkenden Teilchen, die in der Matrix dispergiert sind, zusammengesetzt ist. Die Teilchen werden so gewählt, daß sie einen Durchmesser von weniger als 10 µm auf weisen.

Das in der Nickel-Legierungsmatrix enthaltene Bor bewirkt eine Steigerung der Härte der Plattierung und eine Verbesse rung in Bezug auf die Beständigkeit gegen Abrieb, Fressen und Korrosion. Es wird in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% zuge setzt. Ausschlaggebend für diesen Mengenanteil ist, daß ein Anteil von weniger als 0,1% Bor keine Wirkung besitzt und ein Anteil von mehr als 10% Bor die Plattierung spröde macht und Verringerung der Schlagfestigkeit und Haftung des Gleit elements bewirkt.

Die Art der zugesetzten Borverbindung, um das Bor zur Verfügung zu stellen, ist nicht besonders kritisch, vorausgesetzt es werden keine störenden Bestandteile in die Plattierung des Gleitelements eingebracht. Bevorzugt sind Aminborane der allgemeinen Formel R₃N × BH₃, wobei die Substituenten R entweder gleich oder verschieden sind und Wasserstoffatome oder Alkylreste mit 1 bis 10 C Atomen, vorzugsweise mit 1 bis 4 C Atomen, bedeuten, oder das Amin R₃N ein cyclisches Amin, wie Pyridin, Morpholin oder Piperidin, ist. Beispiele für spezielle Verbindungen sind Trimethylaminboran, Triethylaminboran, Dimethylaminboran, Diethylaminboran, tert-Butylaminboran, Pyridinboran und Morpholinboran, wobei das Trimethylaminboran besonders bevorzugt ist.

Bei den in der Nickel-Legierungsmatrix dispergierten harten Teilchen handelt es sich um einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe Si₃N₄, SiC, WC, Al₂O₃, ZrO₂, Cr₂O₃ und der gleichen. Bei den Teilchen, die als Feststoffschmiermittel wirken, handelt es sich um einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe Sulfide, Boride und selbstschmierende Kunst harze. Bornitrid, BN, ist ein Beispiel für einen Stoff, der je nach Modifikation in Form harter Teilchen oder Teilchen mit Schmiermitteleigenschaften vorliegen kann. Vorzugsweise weisen die Teilchen einen Durchmesser von 0,1 bis 10 µm auf und sind in der Matrix in einer Menge von 5 bis 30 Vol.-% dispergiert. Weisen die Teilchen einen Durchmesser von weniger als 0,1 µm auf oder sind sie in der Matrix in einer Menge von weniger als 5 Vol.-% dispergiert, so bewirken sie keine Verbesserung der Abriebbeständigkeit der Plattierung. Weisen die Teilchen einen Durchmesser von mehr als 10 µm auf oder sind sie in der Matrix in einer Menge von mehr als 30 Vol.-% dispergiert, so ergibt sich eine Beeinträchtigung der Festigkeit der Plattierung und es kommt zum Abrieb beim Kontakt mit dem zweiten Gleitelement.

Die erfindungsgemäß erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß die plattierten Gleitelemente sich sowohl in bezug auf Abriebbeständigkeit als auch in bezug auf Verschleißbestän digkeit als überlegen erweisen und daß sie sich zur Verwen dung in Hochgeschwindigkeitsverbrennungsmotoren, in denen sehr drastische Bedingungen herrschen, eignen. Die erfin dungsgemäßen Gleitelemente tragen zu einer Kostensenkung bei, da sie entweder ohne Wärmebehandlung oder mit einer Wärmebe handlung bei relativ niederen Temperaturen hergestellt werden können.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Härte tests vor und nach der Wärmebehandlung erläutert;

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Abrieb tests erläutert; und

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Ver schleißtests erläutert.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen für Gleitelemente näher erläutert. Das dabei verwendete Trime thylamin-boran wird mit "TMAB" abgekürzt.

(1) Plattierungsbedingungen
Temperatur:\|55°C
pH-Wert:	3,5
Elektrische Stromdichte:	5 A/dm²

(2) Badzusammensetzung
Vergleichsbeispiel 1
Nickelsulfat
240 g/Liter
Nickelchlorid	45 g/Liter
Borsäure	30 g/Liter
Siliciumnitrid (Si₃N₄, durchschnittlicher Durchmesser 0,7 µm)	100 g/Liter

Vergleichsbeispiel 2

Hypophosphorige Säure, zugesetzt zur Zusammensetzung von Vergleichsbeispiel 1

3,0 g/Liter

Beispiel 1

TMAB, zugesetzt zur Zusammensetzung von Vergleichsbeispiel 1

6,0 g/Liter

Beispiel 2
Nickelsulfat
240 g/Liter
Nickelchlorid	45 g/Liter
Borsäure	30 g/Liter
Bornitrid (BN, durchschnittlicher Teilchendurchmesser 2 µm)	100 g/Liter
TMAB	6,0 g/Liter

Beispiel 3
TMAB
6,6 g/Liter
Molybdänbisulfid (MoS₂, durchschnittlicher Durchmesser 0,1 µm), zugesetzt zur Zusammensetzung von Vergleichsbeispiel 1	100 g/Liter

Aus den Bädern der Vergleichsbeispiele und Beispiele werden jeweils Verbundplattierungen abgeschieden. Eine Plattierung gleicher Härte läßt sich aus dem Bad, das durch Zugabe von TMAB zur Zusammensetzung von Vergleichsbeispiel 1, aber unter Weglassen von Borsäure hergestellt worden ist, erhalten. Je doch ist die Anwesenheit von Borsäure im Bad wünschenswert, um dessen Lebensdauer und Stabilität aufrechtzuerhalten.

Härtetests

Die aus den vorstehend erwähnten fünf Bädern erhaltenen ein zelnen Plattierungen werden vor und nach einer einstündigen Wärmebehandlung bei ausgewählten Temperaturen einem Härtetest mit dem Micro Vickers-Härtetestgerät unterworfen. Die Tester gebnisse sind in Fig. 1 aufgetragen.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Plattierungen der Ver gleichsbeispiele 1 und 2, bei denen kein Boradditiv enthalten ist, ohne Wärmebehandlung eine unzureichende Härte aufweisen und daß die Plattierung von Vergleichsbeispiel 1 eine be trächtliche Verminderung ihrer Härte erfährt, wenn eine Wär mebehandlung bei Temperaturen von mehr als 300°C durchgeführt wird. Auf der anderen Seite weist eine Plattierung mit einem Boradditiv ohne Wärmebehandlung eine ausreichende Härte auf und behält diese Härte auch nach einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 300 bis 350°C. Dies bedeutet, daß durch die Zugabe der Borverbindungen die Wärmebeständigkeit der Plat tierung verbessert wird.

Die Plattierung von Vergleichsbeispiel 2 mit einem Gehalt an Phosphoradditiven erweist sich im Vergleich zu Ver gleichsbeispiel 1 ohne Phosphoradditive als günstiger. Jedoch zeigt sie eine geringere Härte als die Plattierung des Bei spiels vor der Wärmebehandlung. Dies bedeutet, daß das Bad mit einem Gehalt an Boradditiven im Vergleich zu dem Bad mit einem Gehalt an Phosphoradditiven sich als vorteilhafter bei der Abscheidung einer Verbundplattierung auf dem Gleitelement erweist. Das gemäß den Vergleichsbeispielen plattierte Gleit element läßt sich ohne Wärmebehandlung bei Temperaturen von 350 bis 380°C nicht unter drastischen Bedingungen einsetzen. Das gemäß den Beispielen plattierte erfindungsgemäße Element läßt sich ohne eine Wärmebehandlung oder nach einer Wärmebe handlung bei einer Temperatur von 300°C oder weniger unter drastischen Bedingungen einsetzen, was den Vorteil verringer ter Plattierungskosten mit sich bringt.

Abriebtest

Die gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 und gemäß dem Bei spiel plattierten Gleitelemente werden gemäß den Angaben von Tabelle I einem Abriebtest unterworfen. Das Teststück (18 mm × 12 mm × 6 mm) wird in einem Amsler-Testgerät befestigt, wo bei das rotierende Kontaktstück einen Außendurchmesser von 40 mm, einen Innendurchmesser von 16 mm und eine Dicke von 10 mm aufweist. Es wird dafür gesorgt, daß die Plattierung am Test stück sich im Kontakt mit der Plattierung des rotierenden Stückes befindet. Die Testergebnisse sind in Fig. 2 aufgetra gen.

Bedingungen des Abriebtests
Testgerät:
Amsler-Abriebtestgerät
Verfahren:	rotierendes Kontaktstück, halb in Öl eingetaucht und belastet
rotierendes Kontaktstück:	FC25 (HRB 98)
Schmieröl:	10W30
Öltemperatur:	Raumtemperatur
Umfangsgeschwindigkeit:	0,89 m/sec (500 U/min)
Belastung:	60 kg
Testzeit:	3 Stunden
Abriebmenge:	Niveauunterschied (µm), gemessen durch ein Kontaktprofilmeßgerät

Verschleißtest (Fressen)

Die gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 und dem Beispiel erhaltenen Gleitelemente werden unter den in Tabelle II an gegebenen Verschleißbedingungen einem Verschleißtest (Fres sen) unterworfen. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 zusammenge stellt. Es zeigt sich, daß die aus dem erfindungsgemäßen Bad mit einem Gehalt an Ni-B-Si₃N₄ erhaltene Plattierung sich beim Verschleißtest im Vergleich zu den Plattierungen, die aus den Bädern der Vergleichsbeispiele 1 und 2 mit einem Ge halt an Ni-Si₃N₄ und Ni-P-Si₃N₄ erhalten worden sind, als überlegen erweist.

Bedingungen des Verschleißtests
Testgerät:
Hochgeschwindigkeits-Reibungstestgerät
Typ:	Drehscheiben, ebener Kontakt, Gleitreibung
Verfahren:	Suspendieren der Zufuhr an Schmieröl nach 20minütigem Einlaufen bei 25 kg/cm² planarem Druck, Testbeginn mit 30 kg/cm², Erhöhung des Drucks um 10 kg/cm² alle 2 Minuten, bis es zum Fressen kommt, wobei der endgültige planare Druck als Grenzwert bestimmt wird
Drehscheibe:	Aus FC-Material
Gegenstück:	FC25 (HRB 98)
Schmieröl:	SAE30 (50%) und weißes Kerosin (50%)
Ölmenge:	0,02 Liter/min
Öltemperatur:	50°C (innerhalb des Behälters)
Umfangsgeschwindigkeit:	3,75 m/sec (300 U/min)

Die Gleitoberfläche des erfindungsgemäßen Gleitelements weist eine Verbundplattierung auf, die aus einer Nickel-Bor-Legie rungsmatrix und in der Matrix dispergierten harten Teilchen und/oder festen Schmiermittelteilchen besteht Die Verbund plattierung wird auch bei hoher Belastung bei hohen Tempera turen nicht spröde, während unter diesen Bedingungen die die herkömmliche Plattierung mit einer Nickel-Phosphor-Legie rungsmatrix spröde wird. Somit sind erfindungsgemäße Gleit elemente, z. B. Kolbenringe und Zylinderbüchsen aus Gußeisen oder Stahl, die mit der Nickel-Bor-Verbundplattierung be schichtet sind, im bezug auf Beständigkeit gegen Abrieb und Fressen (Verschleiß) überlegen und eignen sich in vorteilhaf ter Weise zum Einsatz in Hochgeschwindigkeits-Ver brennungsmotoren, in denen drastische Bedingungen herrschen.

Claims

1. Gleitelement mit einer Gleitfläche, die mit einer Ver bundplattierung beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattierung aus einer Nickel-Legierungsmatrix mit einem Gehalt an 0,1 bis 10 Gew.-% Bor und 5 bis 30 Vol-% festen, in der Matrix dispergierten Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 10 µm besteht.

2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen einen Durchmesser von 0,1 bis 10 µm aufweisen.

3. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen harte Teilchen umfassen.

4. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen feste Schmiermittelteilchen umfassen.

5. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen harte Teilchen und feste Schmiermittel teilchen umfassen.