DE4243880C2

DE4243880C2 - Verbundlager aus einer Kupfer-Blei-Legierung

Info

Publication number: DE4243880C2
Application number: DE4243880A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Koichi Yamamoto; Kenji Sakai
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: GB2263950A; US5334460A; DE4243880A1; GB2263950B; KR930016677A; JP2532790B2; GB9226677D0; KR960000990B1; JPH05202938A

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Verbundlager für das, bedingt durch die Steigerung der Leistung von Verbren nungsmotoren, ein steigender Bedarf besteht.

Das bekannte Kupfer-Blei-Tragschichtmaterial, das im allge meinen für Verbundlager für Verbrennungsmotoren verwendet wird, stellt eine Cu-Pb-Legierung oder eine Cu-Sn-Pb-Legie rung dar. Diese Tragschicht ist mit einer Gleitschicht (Oberflächenschicht) versehen, die aus einer Pb-Sn-Legie rung, einer Pb-Sn-Cu-Legierung, einer Pb-Sn-In-Legierung oder einer ähnlichen Legierung besteht. Insbesondere weist ein solches Verbundlager oft eine Zwischenschicht (Grenz schicht) auf, die aus Nickel oder einem ähnlichen Material besteht und zwischen der Tragschicht und der Gleitschicht liegt, damit die Diffusion von Zinn oder Indium, das in der Gleitschicht enthalten ist, in die Tragschicht vermieden wird. In der japanischen Patentanmeldung Nr. 2-333283, die der vorliegenden Anmeldung entspricht, wird ein Gleitele ment beschrieben, das eine gesinterte Schicht aus einer Kupferlegierung aufweist, zu der 1 bis 20 Gew.-% Ni-B-Ver bindung zugegeben wurden, um die Abnutzungsbeständigkeit einer zylindrischen Buchse bzw. Lagerschale ohne Gleit schicht zu verbessern.

Zur Vermeidung der Diffusion von Zinn, Indium oder einem ähnlichen Metall in die Kupfer-Blei-Legierung der Lager schicht wird im allgemeinen zwischen der Tragschicht und der Gleitschicht eine Trennschicht aus einer Nickelschicht (Antidiffusionsschicht) vorgesehen. Wenn jedoch eine Nic kelgrenzschicht vorhanden ist, besteht die Schwierigkeit, daß die Gleitschicht während des Gleitkontakts mit einem Schaft aus dem passenden Gleitelement abgenutzt wird und die Nickelgrenzschicht, die eine schlechte Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß besitzt, wird freigesetzt und verursacht ein Festfressen mit dem entsprechenden Gleitelement. Zusätzlich werden die Herstellungskosten erhöht, wenn eine Grenzschicht vorgesehen ist. Wenn ande rerseits die Nickelgrenzschicht fehlt, besteht die Schwie rigkeit, daß Zinn, Indium oder ein ähnliches Metall, das in der Gleitschicht vorhanden ist, in die Tragschicht diffun diert und eine Erniedrigung der Festigkeit der Gleitschicht und eine Verschlechterung in der Korrosionsbeständigkeit ergibt.

Mit der steigenden Erhöhung der Leistung von Motoren be steht ein zunehmender Bedarf für ein Material für die Trag schicht, das eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit und Abnutzungsbeständigkeit aufweist, und eine höhere Festig keit besitzt als die bekannten Cu-Sn-Pb-Legierungen.

Zur Verbesserung der Festigkeit und der Ermüdungsbeständig keit von Blei-Bronze-Legierungen, von denen bekannt ist, daß sie ein Material für die Tragschicht von Verbundlagern für Motoren sind, wurde der Zinngehalt erhöht, während der Bleigehalt erniedrigt wurde. Obgleich dies die Diffusion des Zinns, das in der Gleitschicht vorhanden ist, in die Blei-Bronze-Legierung verhindert, verursacht dieser Weg Schwierigkeiten, da die Wärmeleitfähigkeit der Blei-Bronze- Legierung signifikant durch die Erhöhung in dem Zinngehalt verschlechtert wird. Außerdem werden die Beständigkeit ge genüber fressendem Verschleiß und die Einbettungsfähigkeit von Fremdsubstanzen (im folgenden als "Einbettungsfähig keit" bezeichnet) durch die Abnahme des Bleigehalts ver schlechtert.

Aus der DE-OS 16 25 511 ist bereits ein aus drei Schichten zusammengesetztes Verbundgleitlager bekannt, das eine Stützschicht aus Stahl, eine darauf aufgebrachte Trag schicht aus einer Kupfer-Blei-Legierung und eine auf die Tragschicht aufgebrachte Gleitschicht aus einer Zinn ent haltenden Blei-Legierung aufweist.

Aus der US-PS 5 041 339 ist weiter bekannt, daß die Trag schicht durch Sintern eines Legierungspulvers gebildet wer den kann.

Schließlich beschreibt die DE-PS 27 47 545 die Aufbringung einer Plattierungsschicht auf die Oberflächen der Gleit schicht und der Stützschicht.

Gegenüber dem vorstehenden Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Mängel der bekannten Verbundlager der oben beschriebenen Art zu über winden und ein Verbundlager bereitzustellen, das ausge zeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Ermüdungsbestän digkeit, der Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und der Einbettungsfähigkeit besitzt, wobei selbst im Falle, daß keine Nickelzwischenschicht zwischen der Trag schicht und der Gleitschicht vorgesehen ist, verhindert werden soll, daß Zinn- oder Indiumverbindungen oder ähnli che Verbindungen, die in der Gleitschicht vorliegen, in die Tragschicht hineindiffundieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundlager mit den in den Ansprüchen definierten Merkmalen gelöst.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Zusatz von 0,05 bis 1,0% Bor zu der Legierung der Tragschicht dient hauptsächlich dazu, ein Eindiffundieren des in der Gleitschicht enthal tenen Zinns in die Tragschicht zu verhindern.

Gegenüber den aus der DE-OS 16 25 511 bekannten Drei schichtgleitlagern unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Verbundlager dadurch, daß die für die Tragschicht verwen dete Legierung zusätzlich 0,05 bis 1,0% Bor sowie 0,2% oder weniger Phosphor enthält und daß die Tragschicht eine Härte über HV 80 besitzt.

Somit wird erfindungsgemäß einer Zinndiffusion aus der Gleitschicht in die Tragschicht dadurch entgegengewirkt, daß die Legierung der Tragschicht Bor und Phosphor enthält. Für diese Maßnahme finden sich in der DE-OS 16 25 511 keinerlei Hinweise.

Beispiele für Zinn-Blei-Legierungen, die bevorzugt für die Bildung der Gleitschicht verwendet werden können, sind Le gierungen, die aus 3 bis 18% Zinn, Rest Blei und erschmel zungsbedingten Verunreinigungen bestehen sowie Legierungen, die aus 3 bis 18% Zinn, 15% oder weniger Indium, 5% oder weniger Kupfer, Rest Blei und erschmelzungsbedingten Verun reinigungen bestehen.

Stahlplatten oder mit Kupfer plattierte Stahlplatten werden als Stützschicht verwendet. Auf dieser wird die Tragschicht gebildet.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Struktur eines Lagers mit einem semikreisförmigen Querschnitt gemäß einer erfindungs gemäßen Ausführungsform, die Struktur umfaßt drei Schich ten, nämlich eine Stützschicht, eine Tragschicht und eine Gleitschicht;

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Lager dargestellt, wo bei beide Oberflächen des in Fig. 1 dargestellten Lagers einer Plattierung der äußersten Oberflächen unterworfen wurden;

Fig. 3 ist eine Tabelle, in der die Ergebnisse der Ermü dungstests, die in den Beispielen durchgeführt wurden, dar gestellt sind; und

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung und zeigt den Dif fusionszustand von Zinn in der Gleitschicht.

Die Gründe, weshalb die Zusammensetzungen der erfindungsge mäßen Kupfer-Blei-Lagerlegierung definiert wurden, werden im folgenden beschrieben.

Legierung für die Tragschicht (1) Nickel: 2 bis 10 Gew.-%

Bei einem Nickelgehalt von weniger als 2 Gew.-% ist die Fe stigkeit. der Legierung ungenügend, und es ist unmöglich, die Diffusion von Zinn, das in der Gleitschicht enthalten ist, in die Kupferlegierung ausreichend zu verhindern. Bei einem Nickelgehalt über 10 Gew.-% wird die Legierung übermäßig hart, und die Anpassung des Lagers an einen Schaft, der als passendes Element wirkt, verschlechtert sich.

(2) Bor: 0,05 bis 1,0 Gew.-%

Bor ist als Verbindung mit Nickel vorhanden und verbessert die Sintereigenschaft und trägt zur Verbesserung in der Ab nutzungsbeständigkeit bei. Bei einem Borgehalt von weniger als 0,05% ist die Menge an Ni-B-Verbindung gering. Bei ei nem Borgehalt über 1,0% ist die Ni-B-Verbindung in großer Menge vorhanden und trägt zu der obigen Wirkung nicht bei. Zusätzlich erhöht sich die Härte der Legierung übermäßig, die Zähigkeit verschlechtert sich und die Produktionskosten erhöhen sich.

(3) Zinn: 0,5 bis 8 Gew.-%

Bei einem Zinngehalt von weniger als 0,5% ist die Festig keit der Legierung ungenügend. Bei einem Zinngehalt über 8 Gew.-% wird die Legierung übermäßig fest und die Wärmeleit fähigkeit und die Antifestfreßeigenschaft verschlechtert sich.

(4) Blei: 15 bis 30 Gew.-%

Bei einem Bleigehalt von weniger als 15% verschlechtern sich die Lagereigenschaften, wie die Beständigkeit gegenüber fressendem Ver schleiß und die Einbettungsfähigkeit. Bei einem Bleigehalt über 30% verschlechtert sich die Festigkeit der Legierung.

(5) Phosphor: 0,2 Gew.-% oder weniger

Bei einem Phosphorgehalt über 0,2% wird die Legierung über mäßig hart und die Verträglichkeit mit einem Schaft, eine Eigenschaft, die ein Lager besitzen muß, verschlechtert sich.

(6) Härte der Kupfer-Blei-Legierung für die Tragschicht:

Die Kupfer-Blei-Legierung muß eine Vickers- Härte (HV) von 80 oder darüber besitzen. Bei einer Härte von weniger als HV80 sind die Festigkeit und die Härte der Legierung ungenügend und die Ermüdungsbeständigkeit und die Abnutzungsbeständigkeit verschlechtern sich.

Gleitschicht (7) Zinn: 3 bis 18 Gew.-%

Bei einem Zinngehalt von weniger als 3% ist die Festigkeit der Gleitschicht ungenügend und die Korrosionsbeständigkeit ver schlechtert sich. Bei einem Zinngehalt über 18% nimmt der Schmelzpunkt der Gleitschicht ab, wodurch leicht ein "Abstreif phänomen" (Schmelzflußphänomen) auftritt.

(8) Indium: 15 Gew.-% oder weniger

Bei einem Indiumgehalt über 15% nimmt der Schmelzpunkt der Gleitschicht extrem ab.

(9) Kupfer: 5 Gew.-% oder weniger

Bei einem Kupfergehalt über 5% wird die Gleitschicht hart und spröde.

(10) Rest Blei und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen

(11) Auf den äußersten Oberflächen des Verbundlagers kann eine Plattierungsschicht mit einer Dicke von 3 µm oder we niger vorgesehen sein. Diese ist vorgesehen, um eine Korro sion der Oberfläche der Stützschicht zu verhindern und die Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche der Tragschicht zu verbessern. Wenn die Dicke der Schicht 3 µm übersteigt, wird keine Steigerung der Wirkung erreicht und die Produktionskosten erhöhen sich.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei Beispiele von Strukturen des erfindungsgemäßen Lagers dargestellt. Das in Fig. 1 dargestellte Lager umfaßt eine Stützschicht aus Stahl 1, eine Tragschicht 2 aus einer Kupfer-Blei-Legierung, die in tegral auf der Oberfläche der Stützschicht gebildet ist, sowie eine Gleitschicht 3, die integral auf der Tragschicht 2 gebildet ist. Das in Fig. 2 dargestellte Lager umfaßt weiterhin einen Plattierungsfilm 4 aus Zinn, Blei oder einer Legierung davon, der auf beiden Oberflächen des in Fig. 1 dargestellten Lagers vorgesehen ist.

Die folgenden Versuche erläutern die Erfindung.

Versuch 1:

Ein Pulver aus einer Kupfer-Blei-Legierung für die Tragschicht mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen wird auf eine Stahlplatte mit eine kupferplattierten Oberfläche verteilt. Die Platte wird dann in einen Ofen mit reduzierender Atmosphäre zur Durchführung einer Sinterbehandlung bei einer Temperatur von 700 bis 900°c während 10 bis 30 Minuten gegeben.

Nach dem Sintern wird die Verbundplatte gewalzt und dann erneut gesintert und gewalzt, wodurch ein gesintertes Bime tall (Dimensionen: 1,58 mm dickes Bimetall, 1,23 mm dicke Metallunterlage, 130 mm Breite) erhalten wird. Das Sintern und Walzen kann nach Bedarf mehrere Male wiederholt werden.

Das so erhaltene Bimetall wird in ein Lager mit semikreis förmiger Querschnittsform durch Pressen und Maschinenbear beitung überführt, wobei erfindungsgemäße Probekörper (Nrn. 1 bis 4) und Vergleichsprobekörper (Nrn. 5 bis 8) erhalten werden. Die Ergebnisse der Messung der Härte und der Zugfe stigkeit der Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Obgleich das erfindungsgemäße Lager eine Gleitschicht besitzt, erfolgte die Messung ohne die Gleitschicht.

Versuch 2:

Eine Gleitschicht (20 µm dick) mit der Zusammensetzung Pb-9%Sn- 9%In wurde auf der Tragschicht gebildet, die nach dem gleichen Verfahren, wie oben nach Versuch 1 beschrieben, hergestellt wurde. Es wurde ein Elektroplattierverfahren verwendet und es wurden erfindungsgemäße Probekörper (Nrn. 1A und 2A) und Vergleichsprobekörper (5A und 6A) (Die Nummern entspre chend den Nummern die in Tabelle 1 angegeben sind) hergestellt. Die Ergebnisse der Ermüdungstests der Probekörper sind in Fig. 3 angegeben, und die Testbedingungen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Versuch 3:

Eine Nickelschicht (1,5 µm dick) wurde durch Elektroplat tieren auf der Tragschicht gebildet, die nach dem glei chen Verfahren, wie es beim obigen Versuch 1 beschrieben wurde, hergestellt worden war. Eine Gleitschicht (20 µm dick) mit der Zusammensetzung Pb-9%Sn-9%In wurde dann auf der Nickelschicht durch Elektroplattierung hergestellt, wobei der Vergleichsprobekörper(Nr. 5B) erhalten wurde.

Jeder der erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 1A und die Ver gleichsprobekörper Nr. 5A und 5B wurden einem Wärmebehandlungs- Diffusionstest bei einer Temperatur von 165°C während einer Zeit, die auf 150, 300 und 1000 Stunden eingestellt wurde, unterworfen. Die Menge an Zinn, die durch Diffusion in die Tragschicht aus der Kupfer-Blei-Legierung eindrang, wurde gemessen, indem die Menge an Zinn, die in der Gleitschicht verblieb, nach jeder der angegebenen Zeiten bestimmt wurde. Die Ergebnisse der Messung sind in Fig. 4 dargestellt. In Tabelle 3 sind nur die Arten der Probekörper, die bei dem Diffusionstest verwendet wurden, angegeben.

Die Ergebnisse des Tests zeigen, daß die direkte Bildung einer Zinn enthaltenden Gleitschicht auf einer Tragschicht aus einer Kupfer-Blei-Legierung, die Ni-B enthält, wirksam die Zinndiffusion ver hindert. Der erfindungsgemäße Probekörper kann daher bevorzugt als Motorenlager mit semikreisförmigem Querschnitt verwen det werden. Die Zugabe von Ni-B zu der Kupferlegierungsma trix erniedrigt die Affinität der Kupferlegierung für das Zinn, das in der Gleitschicht vorhanden ist, und verhindert da durch die Zinndiffusion. Diese Wirkung bewirkt, daß das Zinn in der Gleitschicht darin während langer Zeit verbleibt, selbst wenn keine Nickelgrenzschicht an der Grenze zwischen der Kupferlegierung und der Auflage vorhanden ist. Weiterhin verteilt sich das Ni-B einheitlich in der Kupferlegierungs matrix und hat somit die Wirkung, daß die Matrix verstärkt wird und daß die Lagereigenschaften, wie die Ermüdungsbe ständigkeit und die Abnutzungsbeständigkeit, erhöht werden.

Aus dem obigen folgt, daß es durch die vorliegende Erfin dung möglich ist, eine Nickelgrenzschicht, durch die die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß verschlech tert wird, wegzulassen, indem die Diffusion von Zinn, das in der Gleitschicht enthalten ist, in die Kupferlegierung vermieden wird.

Tabelle 2

Tabelle 3

Claims

1. Verbundlager mit drei Schichten, einer Stützschicht aus Stahl, einer darauf aufgebrachten Tragschicht aus einer Nickel enthaltenden Kupfer-Blei-Legierung und einer Gleit schicht aus einer Zinn enthaltenden Blei-Legierungsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschicht, bezogen auf das Gewicht, aus 0,5 bis 8% Zinn, 15 bis 30% Blei, 0,2% oder weniger Phosphor, 2 bis 10% Nickel und 0,05 bis 1% Bor, Rest Kupfer und erschmelzungsbedingten Verunreinigun gen besteht, und die Tragschicht eine Härte über HV 80 be sitzt.

2. Verbundlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht, auf der die Tragschicht gebildet wird, mit Kupfer als Unterschicht plattiert ist.

3. Verbundlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tragschicht durch Sintern eines Legie rungspulvers gebildet wird.

4. Verbundlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht eine Legierung ist, die, auf das Gewicht bezogen, aus 3 bis 18% Zinn und als Rest Blei und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen be steht.

5. Verbundlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht eine Legierung ist, die, auf das Gewicht bezogen, aus 3 bis 18% Zinn, minde stens einem Bestandteil von 15% oder weniger Indium und 5% oder weniger Kupfer und als Rest Blei und erschmelzungsbe dingten Verunreinigungen besteht.

6. Verbundlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Plattierungsschicht aus Zinn, Blei oder einer Legierung davon mit einer Dicke von 3 µm oder weniger sowohl auf den Innen- und Außenoberflächen, d. h. den Oberflächen der Gleitschicht und der Stützschicht, ge bildet ist.