DE4139021A1 - Gleitelement - Google Patents

Gleitelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verbund-Gleitelement, das vor­ zugsweise für Büchsen und Dichtungsscheiben in Automobilen, technischen Maschinen, landwirtschaftlichen Maschinen und dergleichen verwendet wird. Die Erfindung betrifft insbe­ sondere ein Verbund-Gleitelement, das im Grenz-Schmierungs­ zustand bei schweren Schmierungsbedingungen eine größere Verschleißbeständigkeit besitzt.
In Büchsen, Dichtungsringen und dergleichen, wie sie oben beschrieben worden sind, sind bislang hauptsächlich gesin­ terte Kupferlegierungen, wie Bronze, Bleibronze und gra­ phithaltige Bronze, verwendet worden. Diese Legierungen zeigen ein gutes Gleitverhalten, wenn Schmieröle vorhanden sind. Solche Legierungen haben aber eine schlechte Ver­ schleißbeständigkeit im Grenz-Schmierungsbereich, so daß nicht immer ein zufriedenstellendes Gleitverhalten erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung geht von dem obigen Stand der Technik aus und stellt sich die Aufgabe, ein Gleitelement mit einer Schicht aus einer gesinterten Kupferlegierung be­ reitzustellen, das im Grenz-Schmierungszustand eine verbes­ serte Verschleißbeständigkeit besitzt.
Erfindungsgemäß wird zu der gesinterten Kupferlegierung eine harte Ni-B-Verbindung zugesetzt. Die einzelnen Ausfüh­ rungsformen der erfindungsgemäßen Gleitelemente sind wie folgt:
a. Ein Gleitelement mit einer Stahlunterlage bzw. einem Stützstahl und einer integral auf eine Oberfläche der Metallunterlage bzw. des Stützmetalls aufgebrachten Schicht aus einer gesinterten Kupferlegierung, wobei die gesinterte Kupferlegierung auf das Gewicht bezogen 1 bis 15% Sn, 1 bis 20% Ni-B-Verbindung, 1% oder weniger P und zum Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält.
b. Ein Gleitelement mit einer Stahlunterlage bzw. einem Stützstahl und einer integral auf eine Oberfläche der Metallunterlage bzw. des Stützmetalls aufgebrachten Schicht aus einer gesinterten Kupferlegierung, wobei die gesinterte Kupferlegierung auf das Gewicht bezogen 1 bis 15% Sn, 1 bis 20% Ni-B-Verbindung, 1 bis 30% Pb, 1% oder weniger P und zum Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen ent­ hält.
c. Ein Gleitelement mit einer Stahlunterlage bzw. einem Stützstahl und einer integral auf eine Oberfläche der Metallunterlage bzw. des Stützmetalls aufgebrachten Schicht aus einer gesinterten Kupferlegierung, wobei die gesinterte Kupferlegierung auf das Gewicht bezogen 1 bis 15% Sn, 1 bis 20% Ni-B-Verbindung, 0,5 bis 8% Graphit, 1% oder weniger P und zum Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält.
d. Ein Gleitelement mit einer Stahlunterlage bzw. einem Stützstahl und einer integral auf eine Oberfläche der Metallunterlage bzw. des Stützmetalls aufgebrachten Schicht aus einer gesinterten Kupferlegierung, wobei die gesinterte Kupferlegierung auf das Gewicht bezogen 1 bis 15% Sn, 1 bis 20% Ni-B-Verbindung, 1 bis 30% Pb, 0,5 bis 8% Graphit, 1% oder weniger P und zum Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält.
Es wird bevorzugt, eine Ni-B-Verbindung zu verwenden, deren chemische Zusammensetzung 7 bis 15 Gew.-% B und zum Rest Ni und Verunreinigungen ist, wobei als die plattenförmige Stahlunterlage eine solche ohne Oberflächenbehandlung oder eine Stahlplatte mit einer Kupferplattierung oder mit einer Kupferlegierungsplattierung verwendet werden kann.
Nachstehend werden die Gründe für die gewählten Gehaltsbe­ reiche der einzelnen Legierungselemente in den gesinterten Kupferlegierungen erläutert.
Sn (1 bis 15%): Zinn löst sich in Kupfer auf, so daß eine feste Lösung erzeugt wird und die Matrix verfestigt wird. Bei einem Zinngehalt von weniger als 1% hat die Le­ gierung eine nicht zufriedenstellende Festigkeit und eine schlechte Verschleißfestigkeit. Bei einem Zinngehalt von oberhalb 15% wird die Legierung brüchig.
Graphit (0,5 bis 8%): Graphit zeigt eine Schmierungs­ funktion als Komponente mit selbstschmierenden Eigenschaf­ ten im Metall/Metall-Kontakt, wo kein Schmiermittelfilm ge­ bildet wird. Bei einem Graphitgehalt von weniger als 0,5% ist die Schmierungswirkung nicht ausreichend, während ande­ rerseits bei einem Gehalt von mehr als 8% die Festigkeit der Legierung extrem verschlechtert wird.
Ni-B-Verbindung (1 bis 20%): Vorzugsweise wird eine Ni- B-Verbindung verwendet, die aus 7 bis 15% B und zum Rest Nickel und Verunreinigungen besteht. Die Härte liegt ober­ halb HV 1000 oder mehr. Die Ni-B-Verbindung dispergiert sich in der Kupferlegierung, und sie verbessert die Ver­ schleißfestigkeit. Bei einem Borgehalt von 7% oder weniger in der Verbindung liegt neben der Ni-B-Verbindung auch ele­ mentares Nickel in Koexistenz vor, was für ein verschleiß­ festes Material ungeeignet ist. Bei einem Borgehalt von mehr als 15% liegt neben der Ni-B-Verbindung elementares Bor in Koexistenz vor, was die Sinterungseigenschaften der Kupferlegierung verschlechtert. Wenn der Gehalt der Ni-B- Verbindung weniger als 1% beträgt, dann wird ein geringerer Effekt hinsichtlich der Verbesserung der Verschleißfestig­ keit erhalten. Bei einem Gehalt von mehr als 20% wird die Legierung brüchig, und es tritt auch ein abreibender Ver­ schleiß bei einem paarenden Gleitelement auf.
P (1% oder weniger): Phosphor wird in einer Menge von 1% oder weniger zu der Legierung zugesetzt, um die Verschleiß­ festigkeit und die Sintereigenschaften zu verbessern. Bei einem Phosphorgehalt von oberhalb 1% wird unter den mecha­ nischen Eigenschaften die Zähigkeit verschlechtert.
Pb (1 bis 30%): Blei zeigt eine gute Schmierungswirkung als weiche Komponente. In dem Falle, daß ein Schmieröl vor­ handen ist, zeigt das Blei auch eine Schmierfunktion als Komponente mit guter Affinität gegenüber Öl. Bei einem Bleigehalt von weniger als 1% ist die Schmierungswirkung nicht genügend. Bei einem Gehalt von mehr als 30% wird die Legierungsfestigkeit verschlechtert, so daß die Legierung als Gleitelement ungeeignet ist.
Beispiel 1
Die Legierungspulver gemäß Probekörpern 1 bis 12 gemäß Tabelle 1 wurden jeweils auf eine Stahlplatte aufgelegt, auf deren Oberfläche zuvor eine Kupferplattierungsschicht aufplattiert worden war. Sodann wurde das Ganze auf eine Temperatur von 700 bis 900°C in einem Ofen unter Wasser­ stoffatmosphäre 10 bis 30 Minuten lang erhitzt, um das Pul­ ver auf die Stahlplatte aufzusintern. Eine Walz- und eine Resinterungsbehandlung wurden nacheinander mit dem Verbund­ element, das durch die erste Sinterungsbehandlung erhalten worden war, durchgeführt. Das Walzen wurde durchgeführt, um die Schicht aus der gesinterten Kupferlegierung zu einer hohen Dichte zu verpressen, so daß ein Verbundelement mit vorgewählter Dicke erhalten wurde. Die Bezeichnung "Resin­ terungsbehandlung" bedeutet eine Verfestigungsbehandlung einer zuvor gesinterten Kupferlegierungsschicht durch 10- bis 30minütiges Erhitzen in einem Ofen unter Wasserstoff­ atmosphäre auf eine Temperatur von 700 bis 900°C. Die ein­ zelnen so erhaltenen Verbund-Gleitelemente hatten eine Gesamtdicke von 2,2 mm, wobei die Dicke der Schicht aus der gesinterten Kupferlegierung 0,6 mm betrug, und eine Breite von 100 mm.
Die Probekörper 1 bis 8 sind erfindungsgemäße Verbund- Gleitelemente. Die Probekörper 9 bis 12 sind herkömmliche Verbund-Gleitelemente. Die Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung der als Rohmaterialien verwendeten Pulver.
Es wurden die mechanischen Eigenschaften (Härte, Zugfestig­ keit und Bindefestigkeit der Stahlunterlage mit der Schicht aus der gesinterten Legierung) und das Verschleißverhalten der einzelnen Gleitelemente untersucht. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 3 zusammengestellt. Die Tabelle 4 zeigt die Bedingungen des Verschleißtests.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Ergebnisse des Verschleißtests
Tabelle 4
Bewertung der Testergebnisse
Aus dem Vergleich der Ergebnisse des Verschleißtests gemäß Tabelle 3 der herkömmlichen Legierung Nr. 10 und der erfin­ dungsgemäßen Legierung Nr. 1, wobei beide ähnliche Zusam­ mensetzungen haben, wird ersichtlich, daß der Verschleiß­ verlust der letzteren (Nr. 1), die 5,5 Gew.-% Ni-B-Verbin­ dung enthält, etwa 1/30 im Vergleich zu demjenigen der erstgenannten (Nr. 10) ist.
Aus dem Vergleich der herkömmlichen Legierung Nr. 11 und der erfindungsgemäßen Legierung Nr. 7 wird ersichtlich, daß der Verschleißverlust der letzteren (Nr. 7), die 3 Gew.-% Ni-B-Verbindung enthält, etwa 1/7 im Vergleich zu demjeni­ gen der erstgenannten Legierung (Nr. 11) ist. Dies zeigt, daß durch die Zugabe der Ni-B-Verbindung die Verschleißbe­ ständigkeit erheblich verbessert wird.
Aus alledem wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Gleitelemente mit einer Schicht aus einer gesinterten Kup­ ferlegierung ein gutes Verschleißverhalten im Vergleich zu Elementen aus herkömmlicher Bronze, Bleibronze, graphithal­ tiger Bronze und dergleichen eine gute Verschleißfestigkeit haben. Diese ist auf den Gehalt der Ni-B-Verbindung in der Kupferlegierungsschicht zurückzuführen.

Claims (6)

1. Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stahlunterlage und eine Schicht aus einer ge­ sinterten Kupferlegierung, die integral auf eine Oberfläche der Stahlunterlage montiert ist, umfaßt, wobei die gesin­ terte Kupferlegierung auf das Gewicht bezogen 1 bis 15% Sn, 1 bis 20% Ni-B-Verbindung, 1% oder weniger Phosphor und zum Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält.
2. Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stahlunterlage und eine Schicht aus einer ge­ sinterten Kupferlegierung, die integral auf eine Oberfläche der Stahlunterlage montiert ist, umfaßt, wobei die gesin­ terte Kupferlegierung auf das Gewicht bezogen 1 bis 15% Sn, 1 bis 20% Ni-B-Verbindung, 1 bis 30% Pb, 1% oder weniger Phosphor und zum Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verun­ reinigungen enthält.
3. Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stahlunterlage und eine Schicht aus einer ge­ sinterten Kupferlegierung, die integral auf eine Oberfläche der Stahlunterlage montiert ist, umfaßt, wobei die gesin­ terte Kupferlegierung auf das Gewicht bezogen 1 bis 15% Sn, 1 bis 20% Ni-B-Verbindung, 0,5 bis 8% Graphit, 1% oder weniger Phosphor und zum Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält.
4. Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stahlunterlage und eine Schicht aus einer ge­ sinterten Kupferlegierung, die integral auf eine Oberfläche der Stahlunterlage montiert ist, umfaßt, wobei die gesin­ terte Kupferlegierung auf das Gewicht bezogen 1 bis 15% Sn, 1 bis 20% Ni-B-Verbindung, 1 bis 30% Pb, 1% oder weniger Phosphor und zum Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verun­ reinigungen enthält.
5. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ni-B-Verbindung aus 7 bis 15 Gew.-% B und zum Rest Ni und Verunreinigungen be­ steht.
6. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens eine Oberfläche der Stahlunterlage, auf der die Schicht aus der gesinterten Kupferlegierung gebildet werden soll, zuvor eine Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufplat­ tiert worden ist.
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