DE4219144C2

DE4219144C2 - Gleitelement

Info

Publication number: DE4219144C2
Application number: DE4219144A
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Fujisawa; Makoto Tsuji; Takeshi Narishige; Takahiro Gunji; Kazuhisa Okamoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2012-06-12
Also published as: CA2070932C; FR2678693B1; US5342698A; GB2256903A; GB9212387D0; DE4219144A1; CA2070932A1; FR2678693A1; GB2256903B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitmittel mit einem Gleitflächenaufbau auf einem Grundelement und ins besondere ein Gleitelement mit einer eine Gleitfläche für ein Gegenelement aufweisenden Oberflächenschicht.

Es sind Gleitlager als Gleitelement von Maschinenteilen, beispielsweise einer Nockenwelle bekannt, welche eine Ober flächenschicht auf einer Außenumfangsfläche eines Lagerteils besitzen.

Aus der nachveröffentlichten Druckschrift DE 41 01 386 A1 ist ein Gleitstück mit einer Oberflächenbeschichtung aus einer Pb-Legierung bekannt, die ferner Sn in einem Anteil von 3-20 Gew.% enthält. Die Kristallform der Pb- Legierung ist dabei derart ausgebildet, daß der Orientierungsindex in der Kristallebene mit den Miller-Indizes (h00) in einem Bereich von 50 bis 100% liegt.

Aus der GB-A-20 60 692 ist bekannt, Lagerteile von Brennkraftmaschinen zur Verbesserung der Abnutzungs-, Korrosions- und Ermüdungseigenschaften mit Legierungsschichten zu überziehen. Es wird dabei derart vorgegangen, daß zunächst auf einer Basis eine Indium oder Thallium enthaltende Schicht abgelagert wird und darauf eine weitere Schicht abgelagert wird, die Blei, Zinn und wenigstens eines der Elemente Antimon, Mangan, Wismuth, Nickel, Kupfer, Kalzium und Barium enthält. Nachfolgend werden diese Schichten erhitzt, so daß eine Diffusion zwischen diesen Schichten auftritt. Alle diese bekannten Gleitelemente weisen das Problem einer relativ geringen Abschälfestigkeit ihrer Gleitschichten auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement mit einem Gleitflächenaufbau auf einem Grundelement vorzusehen, wobei der Gleitflächenaufbau eine Gleitfläche mit pyramidenförmigen Metallkristallen aufweist, bei welchem die Abschälfestigkeit der Gleit fläche vom Grundelement erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im Patentanspruch angegebene Gleitelement gelöst.

Sowohl pyramidenförmige Kristalle als auch körniges Material als Gleitschichten sind jeweils bekannt. Die vorliegende Erfindung beruht darauf, daß das Gemenge der die Basisschicht bildenden körnigen Kristal le dicht ist, so daß die Basisschicht fest am Grundelement haftet. Andererseits haftet die Gleitschicht gut an der Basisschicht, weil sie aus dem gleichen Material wie die Basisschicht hergestellt ist. Damit wird es möglich, eine verbesserte Abschälfestigkeit des Gleitflächenaufbaus auf dem Grundelement zu realisieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Gleitelement;

Fig. 2 eine eine Kristallstruktur einer Pb-Legierung im Längsschnitt eines Gleitflächenaufbaus zeigende Mikrophotographie;

Fig. 3 eine eine Kristallstruktur einer Pb-Legierung in einer Oberfläche einer Basischicht zeigende Mikro photographie;

Fig. 4 ein Diagramm einer Röntgenstrahlenbeugung für einen Pb-Legierungskristall in einer Gleitschicht;

Fig. 5 ein Diagramm einer Röntgenstrahlenbeugung für einen Pb-Legierungskristall in einer Basisschicht; und

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung eines Abschälte stes für einen Gleitflächenaufbau.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Gleitlagers gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine elektronische Mikrophotographie (2.000-fache Vergrößerung) einer Pb-Legierungskristallstruk tur in einem Längsschintt eines Gleitflächenaufbaus 11. Die ser Gleitflächenaufbau 11 ist aus einer 8 Gew.-% Sn und 2 Gew.-% Cu enthaltenden Pb-Legierung hergestellt und auf einer aus einer Cu-Legierung hergestellten Auskleidungs schicht 13 ausgebildet.

Gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt der Gleitflächenaufbau 11 eine auf der Auskleidungsschicht 13 abgeschiedene Basis schicht 18 sowie eine auf dieser Basisschicht 18 abgeschie dene Gleitschicht 19.

Fig. 3 zeigt eine elektronische Mikrophotographie (10.000- fache Vergrößerung) einer Pb-Legierungskristallstruktur in einer Oberfläche der Basisschicht 18. Aus Fig. 3 ist er sichtlich, daß die Basisschicht 18 ein dichtes Gemenge von körnigen Kristallen aufweist. Im dargestellten Ausführungs beispiel wird die Basisschicht 18 lediglich durch körnige Kristalle gebildet.

Die Gleitschicht 19 besitzt eine Vielzahl von von der Basisschicht 18 ausgehenden Pb-Legierungsstengelkri stallen, d. h. erste orientierte Kristalle 14 ₁. Im darge stellten Ausführungsbeispiel wird die Gleit schicht 19 lediglich durch erste orientierte Kristalle 14 ₁ gebildet.

Bei der Bildung eines derartigen Gleitflächenaufbaus 11 kommt ein Verfahren zur Anwendung, bei dem zunächst elektrolytisch bei einer Kathodenstromdichte von 2 A/dm² auf einer Ausklei dungsschicht 13 eine Basisschicht 18 abgeschieden und ausge bildet wird und sodann galvanisch bei einer Kathodenstrom dichte von 8 A/dm²eine Gleitschicht 19 auf der Basisschicht 18 abgeschieden wird.

Das die Basisschicht 18 bildende Gemenge von körnigen Kri stallen ist aufgrund der kleinen Kathodenstromdichte bei der Abscheidung dicht. Daher haftet die Basisschicht 18 fest an der Auskleidungsschicht 13. Andererseits haftet die Gleit schicht 19 gut an der Basisschicht 18, weil sie aus dem gleichen Material wie die Basisschicht 18 herge stellt ist. Dies führt zu einer erhöhten Abschälfestigkeit des Gleitflächenaufbaus 11 auf der Auskleidungsschicht 13.

Die Gleitschicht 19 besitzt eine ausreichen de Ölspeicherfähigkeit und zeigt ein gutes Anfangsformanpas sungsvermögen. Sie weist vierseitige pyramidenförmige Kristalle 15 mit vorzugsweise abgetragener Spitze a₁auf.

Bei einer Röntgenstrahlbeugung für die Gleit schicht 19 wird ein der Fig. 4 entnehmbares Ergebnis er zielt. In einem Rasterdiagramm der Röntgenstrahlenbeugung werden daher lediglich Beugungsspitzen für Ebenen mit den Miller-Indizes (200) und (400) beobachtet.

Der die Orientierungscharakteristik der Kristallfläche an gebende Orientierungsindex Oe ist durch folgende Formel ge geben:

OE = Ihkl/ΣIhkl × 100 (%)

worin hkl einen Miller-Index; Ihkl die integrierte Signalstärke einer (hkl)-Ebene; und ΣIhkl die Summe von Ihkl bedeu ten. Je näher der Orientierungsindex Oe in einer bestimmten (hkl)-Ebene bei 100% liegt, um so größer ist die Anzahl von Kristallflächen, die in einer Richtung senkrecht zur (hkl)- Ebene orientiert sind.

Die integrierte Signalstärke Ihkl und der Orientierungsindex Oe in der (200)- und (400)-Ebene des Pb-Legierungskristalls sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Tabelle 2 zeigt, daß der Orientierungsindex Oe in einer (h00)-Ebene des Pb-Legierungskristalls 100% beträgt und daß daher der Pb-Legierungskristall eine in den Richtungen der kristallographischen Achsen a, b und c orientierte Kristall fläche, d. h. eine (h00)-Ebene besitzt.

Ist die Kristallfläche auf diese Weise in Richtung senkrecht zur (h00)-Ebene orientiert, so ist die Atomdichte in der Orientierungsrichtung groß, weil die Kristallstruktur der Pb-Legierung eine flächenzentrierte kubische Struktur ist. Die Gleitschicht 19 besitzt daher eine ver größerte Härte, wodurch sich eine verbesserte Belegungs- bzw. Festfress- und Abnutzungsfestigkeit ergibt.

Fig. 5 zeigt ein Rasterdiagramm einer Röntgenstrahlbeugung für den Pb-Legierungskristall in der Basisschicht 18. In Fig. 5 ist eine Orientierung einer speziellen Kristallflä che zu beobachten. Die integrierten Signalstärken und Orien tierungsindizes in verschiedenen (hkl)-Ebenen sind in Tabel le 3 angegeben.

Tabelle 3

Aus den Fig. 3 und 5 sowie aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß die Pb-Legierungskristallform in der Basisschicht 18 eine unregelmäßige Form mit willkürlich orientierten Kri stallflächen ist.

Tabelle 4 zeigt einen Vergleich des erfindungsgemäßen Aus führungsbeispiels mit einem vergleichbaren Ausführungsbei spiel (1) hinsichtlich der Abschälfestigkeit des Gleitflächenaufbaus Der Gleitflächenaufbau im vergleichbaren Bei spiel 1 wird aus einem Gemenge von Stengelkristallen einer Pb-Legierung gebildet, wie dies auch für die Gleit schicht 19 im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Die Abschälfestigkeit wurde durch Messung der Abschälbreite bestimmt. Die Messung der Abschälbreite wurde durch folgende Operationen ausgeführt: Es wurden Kreuzschnitte f₁in dem Gleitflächenaufbau 11 hergestellt; der resultierende Gleitflächenaufbau 11 wurde für sechs Stunden auf eine Tempe ratur von 180°C aufgeheizt und dann abgekühlt; ein die vorgenannten Schritte umfassender Zyklus wurde fünf Mal wiederholt; der Gleitflächenaufbau 11 wurde einer Ultra schallhohlraumbildung unterzogen. Bei Abschälung eines den Schnitt f₁ in dem Gleitflächenaufbau 11 umgebenden Teils f₂ von der Auskleidungsschicht 13 wurde ein Abstand vom Schnitt f₁ zu einem anhaftenden Teil f₃ gemessen und der maximale Abstand als Abschälabstand f₄ bestimmt.

Tabelle 4


Abschälbreite in Oberflächenschicht (µ)
Erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel	3
Vergleichsausführungsbeispiel (1)	27

Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, daß beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Abschälfestigkeit des Gleitflächenaufbaus 11 durch Vorhandensein der durch ein körniges Kri stallgemenge gebildeten Basisschicht 18 vergrößert werden kann.

Tabelle 5 zeigt ein Ergebnis eines Belegungstestes für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel und für ein bekanntes vergleichbares Ausführungsbeispiel (2). Beim vergleichbaren Ausführungsbeispiel (2) ist die Pb-Legierungskristallform in dem Gleitflächenaufbau mit willkürlich orien tierten Kristallflächen, wie dies auch in der Basisschicht 18 in erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Der Belegungstest wurde dadurch ausgeführt, daß die Gleitla ger mit einer rotierenden Welle in Kontakt gebracht wurden und die auf sie wirkende Last graduell erhöht wurde. Tabelle 5 zeigt den Oberflächendruck bei Belegungserzeugung Festfressen in dem Gleitflächenaufbau des Gleitlagers.

Die Testbedingungen sind die folgenden: Das für die rotie rende Welle verwendete Material war ein nitriertes JIS S48C- Material; die Drehzahl der rotierenden Welle betrug 6.000 Umdrehungen; die Ölzufuhrtemperatur betrug 120°C; der Ölzu fuhrdruck betrug 3 kg/cm²; und die Laständerung betrug 1 kg/s.

Tabelle 5


Oberflächendruck des Gleitflächenaufbaus bei Belegungserzeugung (kg/cm²)
Erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel	420
Vergleichsausführungsbeispiel (2)	190

Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel im Vergleich zum Vergleichsausfüh rungsbeispiel (2) eine ausgezeichnete Belegungsfestigkeit besitzt. Der Grund dafür liegt darin, daß die Spitze a₁der die Gleitfläche 11a bildenden vierseitigen pyramidenförmi gen Kristalle 15 zur Realisierung eines verbesserten An fangsformanpassungsvermögens des Gleitflächenaufbaus 11 vor zugsweise abgetragen ist und daß der Oberflächenbereich der Gleitfläche 11a aufgrund der vierseitigen pyramidenförmigen Kristalle 15 vergrößert ist, so daß der Gleitflächenaufbau 11 eine ausreichende Ölspeicherfähigkeit besitzt. In diesem Fall ist bei bevorzugter Abtragung der Spitze a₁ am Beginn der Gleitbewegung zur Bildung einer ebenen Oberfläche (welche einer oberen Basisfläche einer stumpfen vierseitigen Pyramide entspricht) zwischen dieser ebenen Fläche und einen Gegenelement immer ein Ölfilm vorhanden, so daß die Gleit fläche 11a extrem langsam abgenutzt wird.

Claims

1. Gleitelement mit einem Gleitflächenaufbau (11) auf einem Grundelement (9),

1. - wobei der Gleitflächenaufbau (11) eine auf dem Grund element (9) abgeschiedene Basisschicht (18) und eine auf dieser Basisschicht (18) abgeschiedene, die Gleitfläche bildende Gleitschicht (19) umfaßt, welche beide aus der gleichen Legierung gebildet sind, nämlich einer Sn als weitere Komponente enthaltenden Pb-Legierung, wobei der Sn-Gehalt im Bereich Sn-Gehalt ≦ 17 Gew.-% Sn liegt,
2. - wobei sowohl die Basisschicht (18) als auch die Gleit schicht (19) aus dieser Pb-Legierung gebildete Metallkri stalle mit kubischer Struktur aufweisen,
3. - wobei die Basisschicht (18) aus einem dichten Aggregat von Kristallkörnern gebildet ist und die Gleitschicht (19) pyrami denförmige Metallkristalle (6) aufweist,
4. - wobei die pyramidenförmigen Metallkristalle (6, 17) der (19) mit einer durch die Miller-Indizes "(h00)" bezeichneten Ebene in der oder parallel zu der Gleitfläche liegen und einen Flächenan teil (A) der gesamten Gleitoberfläche von mindestens 50% einnehmen.