DE4329654A1

DE4329654A1 - Mehrschichtiges Gleitlager, das ausgezeichnete Anti-Abnutzungseigenschaften, insbesondere Anti-Reibverschleißeigenschaften, hat

Info

Publication number: DE4329654A1
Application number: DE4329654A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Koichi Yamamoto; Tohru Kato; Mitsuru Sugita
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1994-03-17
Also published as: US5545489A; JPH0694036A; GB2270721A; GB9318892D0; GB2270721B

Description

Diese Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Gleitlager, und zwar insbesondere ein Gleitlager, welches ausgezeichnete Lager eigenschaften selbst unter harten Bedingungen des Gebrauchs aufweist, insbesondere des Gebrauchs bei einer neueren Brenn kraftmaschine im Hochgeschwindigkeits-, Hochtemperatur- und Hochlastbereich, welche Bedingungen von einer kompakten und leichtgewichtigen Ausbildung der Brennkraftmaschine zum Zwecke des Einsparens von Kraftstoff und von einer Hochleistungsaus bildung der Brennkraftmaschine herrühren.

In einem konventionellen Gleitlager ist eine Lagerlegierungs schicht aus einer Al-Sn-Legierung, einer Al-Si-Sn-Legierung, einer Cu-Pb-Legierung oder einer Cu-Pb-Sn-Legierung auf einer Oberfläche eines Rückseiten- oder Trägermetalls aus Stahl aus gebildet. In einem anderen konventionellen Gleitlager ist eine Überzugsschicht auf einer Rückseitenoberfläche eines Rücksei ten- oder Trägermetalls ausgebildet, um Abnutzung, insbesondere Reibverschleiß, gewachsen zu sein.

Bei einer kompakten und leichtgewichtigen Ausbildung von neue ren Brennkraftmaschinen, wie sie für Zwecke der Kraftstoffein sparung vorgesehen ist, und auch bei einer Ausbildung derselben für hohe Ausgangsleistung wird die Brennkraftmaschine bei einer hohen Temperatur, einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Belastung verwendet. Daher fehlt es daran, daß ein enger Kon takt des Lagerteils mit dem zugeordneten Gehäuse aufrechterhal ten wird, so daß eine Beschädigung des Lagers, wie eine Ermü dung und/oder ein Fressen, Anfressen, Festfressen aufgrund von Abnutzung, insbesondere Reibverschleiß (womit eine Oberflächen beschädigung gemeint ist, die sich entwickelt, wenn eine leich te Relativbewegung zwischen zwei Kontaktoberflächen periodisch wiederholt wird), häufig auftritt. Insbesondere bei einer Ver bindungsstange, wie beispielsweise einer Pleuelstange, kann nicht nur das Lager, sondern auch die Verbindungsstange selbst, wie beispielsweise die erwähnte Pleuelstange, einem Ermüdungs defekt oder -ausfall unterworfen sein. Daher ist die Frage, ob die konventionellen Gleitlager eine Antireibverschleißeigen schaft oder eine hohe Abnutzungsbeständigkeit haben, zu einem Hauptproblem geworden.

Um diese vorstehenden Probleme zu überwinden, ist vorgeschlagen worden, die Steifigkeit des Gehäuses zu verbessern oder ein bzw. das Übermaß zu erhöhen, um es dem Lager zu ermöglichen, der Deformation des Gehäuses zu folgen, wenn der Lagerteil mon tiert wird, oder einen Film aus Cu, Ni, Al oder einer Legierung hiervon, oder ein Kunstharz, wie Polytetrafluorethylen, Poly amid und/oder Polyethylen, auf einer Rückseitenoberfläche eines Rückseiten- oder Trägermetalls des Lagers auszubilden, um so dessen Kompatibilität mit einem Zusammenbaumaterial oder mit dem mit ihm in Eingriff stehenden Material zu verbessern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, ein neuartiges mehrschichtiges Gleitlager zur Verfügung zu stellen, welches in der Abnutzungsfestigkeit, insbesondere in der Anti reibverschleißeigenschaft, so ausgezeichnet ist, daß es die Be dingungen bei der Verwendung in einem Hochgeschwindigkeits-, Hochtemperatur- und Hochlastbereich erfüllt, wie sie typischer weise in einer Brennkraftmaschine hoher Leistungsfähigkeit oder einer Hochleistungsbrennkraftmaschine auftreten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein mehrschichtiges Gleitlager zur Verfügung gestellt, das eine ausgezeichnete Ab nutzungsbeständigkeit, insbesondere eine ausgezeichnete Anti reibverschleißeigenschaft, hat, umfassend eine Rückseiten- oder Trägerstahlschicht und eine auf der Rückseiten- oder Träger stahlschicht ausgebildete Lagerlegierungsschicht, wobei die Rückseiten- oder Trägerstahlschicht einen Film von oder aus Phosphat hat, der auf der Rückseitenoberfläche derselben ausge bildet ist, und wobei der Phosphatfilm eine Dicke von 0,1∼15 µm hat.

Die Lagerlegierungsschicht kann aus einer Aluminiumlegierung zusammengesetzt sein oder bestehen, welche eine Al-Sn-Legie rung, eine Al-Si-Sn-Legierung, eine Al-Pb-Legierung, eine Al- Si-Pb-Legierung, eine Al-Zn-Legierung oder eine Al-Si-Zn-Legie rung ist.

Die Lagerlegierungsschicht kann aus einer Kupferlegierung zu sammengesetzt sein oder bestehen, welche eine Cu-Pb-Legierung oder eine Cu-Pb-Sn-Legierung ist.

Auf einer oder der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht kann eine Auflage- oder Überzugsschicht ausgebildet sein. Die Auf lage- oder Überzugsschicht ist aus einer Bleilegierung zusam mengesetzt oder besteht aus einer Bleilegierung, welche wenig stens eine Art von 2∼30 Gew.-% insgesamt enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Sn, In, Cu und Sb besteht bzw. welche Bleilegierung 2∼30 Gew.-% insgesamt eines oder mehrere Elemente enthält, das bzw. die aus der Gruppe ausge wählt ist bzw. sind, welche aus Sn, In, Cu und Sb besteht. Al ternativ kann die Auflage- oder Überzugsschicht aus einer Alu miniumlegierung zusammengesetzt sein oder bestehen, die wenig stens eine Art von 2∼60 Gew.-% insgesamt enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Sn, Pb, Cu, Sb und Si be steht, bzw. welche Aluminiumlegierung 2∼60 Gew.-% insgesamt eines oder mehrerer Elemente enthält, das bzw. die aus der Gruppe ausgewählt ist bzw. sind, welche aus Sn, Pb, Cu, Sb und Si besteht.

Der Phosphatfilm ist z. B. aus Zinkphosphat, Calcium-Zink-Phos phat, Manganphosphat oder Eisenphosphat zusammengesetzt oder besteht aus einem oder mehreren der vorgenannten Phosphate.

Mit dem Phosphatfilm werden insbesondere die folgenden beson ders vorteilhaften Wirkungen erzielt:

1) Dieser Film verhindert einen Metall-zu-Metall-Kontakt und weist eine ausgezeichnete Abnutzungsbeständigkeit gegenüber feinen Vibrationen auf.
2) Da dieser Film eine geeignete Porosität hat, dient er da zu, Schmieröl darin zurückzuhalten, und dämpft daher den Kon takt zwischen dem Gehäuse und dem Lagerteil, so daß dadurch das Abnutzungsphänomen, insbesondere das Reibverschleißphänomen, unterdrückt wird.
3) Dieser Film vermindert den Reibungskoeffizienten zwischen den beiden Oberflächen, so daß dadurch ein Temperaturanstieg, insbesondere ein starker Temperaturanstieg, gehemmt bzw. ver hindert wird.

Wenn die Dicke des obigen Phosphatfilms geringer als 0,1 µm ist, wird keine zufriedenstellende Wirkung erzielt. Wenn im Ge gensatz hierzu diese Dicke mehr als 15 µm ist, wird der Film brüchig, und abgesehen hiervon werden die Kosten relativ hoch.

Die Reibung zwischen den beiden Kontaktoberflächen ist ein Phä nomen, das aus allen der folgenden Eigenschaften resultiert: Paßfähigkeit, Freß- bzw. Abnutzungseigenschaft und Haftfähig keit zwischen diesen beiden Oberflächen. Daher bedeutet eine solche Beziehung oder Angabe, wonach der Reibungskoeffizient niedrig ist, daß die Paßfähigkeit zwischen den beiden Oberflä chen gut ist, daß die Freß- bzw. Abnutzungseigenschaft und die Haftfähigkeit gering sind, und daß der Betrag an Wärme, welcher erzeugt wird, klein ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfin dung haben hieraus gefunden, daß die Tatsache, ob die Abnut zungsbeständigkeit, insbesondere die Antireibverschleißeigen schaft, gut ist oder nicht, durch den Wert des Reibungskoeffi zienten bestimmt werden kann.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfin dung seien nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen und von Beispielen der Erfindung näher beschrieben und erläu tert; es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, welches Ergebnisse eines Abnutzungs tests von Produkten der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche Ergebnisse ei nes Aktivierungs-Abnutzungstests veranschaulicht;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die Ergebnisse eines Abnutzungs- bzw. Reibverschleißsimulationstests veranschau licht; und

Fig. 4A bis 4D Darstellungen, welche Bedingungen des Abnutzungs- bzw. Reibverschleißsimulationstests wie auch die Art und Weise des Durchführens dieses Tests veranschaulichen.

Die vorliegende Erfindung sei nun spezieller mittels der fol genden Beispiele und Ausführungsformen beschrieben und erläu tert:

Beispiel 1

Um die Beziehung zwischen einer bzw. der Belastung und dem Rei bungskoeffizienten zu vergleichen, wurden Testteile aus einem kaltgewalzten Stahlblech (JIS G 3141 SPCC) (SPCC bedeutet im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und Zeichnungen "kaltge walztes Stahlblech, das nicht mehr als 0,20% Kohlenstoff ent hält") hergestellt, das üblicherweise in weitem Umfang als eine Rückseiten- oder Trägermetallschicht eines Lagers verwendet wird. Die Oberflächen der Testteile wurden mit jeweiligen Phos phaten behandelt, um Proben oder Testteile vorzusehen bzw. zu erhalten.

Die Tests wurden unter Verwendung der Reibungsabnutzungstest einrichtung von Suzuki ausgeführt (die von der Art ist, in wel cher ein Testteil befestigt oder fixiert ist, wohingegen ein Zusammenbaumaterial oder damit in Eingriff stehendes Material rotiert wird). Ein induktionsgehärtetes Material (JIS S55C) wurde als ein Zusammenbaumaterial für das Testteil oder als ein mit dem Testteil in Eingriff stehendes Material verwendet. 0,1 cm³ bzw. cc Öl wurde auf das Zusammenbaumaterial oder mit dem Testteil in Eingriff stehende Material aufgetragen, und ein Ab nutzungstest, der vier Stunden dauerte, wie auch ein Beginn- oder Startreibungstest wurden ausgeführt. Die Bedingungen der Tests sind in Tabelle 2 veranschaulicht, und die Ergebnisse der Tests sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Wie aus den Fig. 1 und 2 klar hervorgeht, waren alle Pro dukte der vorliegenden Erfindung im Reibungskoeffizienten nied riger, und weiterhin waren alle Produkte der vorliegenden Er findung in der Abnutzungsbeständigkeit, verglichen mit SPCC (= kaltgewalztes Stahlblech, das nicht mehr als 0,20% Kohlenstoff enthält), überragend und überlegen.

Beispiel 2

a) Pulver einer Kupfer-Blei-Legierung und Pulver einer Kup fer-Blei-Zinn-Legierung wurde auf Oberflächen von jeweiligen Stahlstreifen, die auf ihrer Oberfläche mit Kupfer überzogen oder galvanisiert waren, ausgebreitet bzw. gesprüht. Dann wur den die jeweils auf den Stahlstreifen abgelagerten Pulver schichten in einer reduzierenden Atmosphäre bei Temperaturen von 700∼900°C während 10∼30 Minuten gesintert. Dann wurde jedes dieser gesinterten Verbundmaterialien zwischen Walzen hindurchgeführt, so daß es gewalzt wurde, und dann wurde es wieder gesintert und zur Ausbildung eines Bimetalls gewalzt.
b) Eine Al-Sn-Lagerlegierung und eine Al-Zn-Si-Lagerlegierung wurden durch kontinuierliches Gießen hergestellt, und jede der gegossenen Legierungen wurde dann an ihren Oberflächen ge schliffen und wurde dann wiederholt gewalzt und enthärtet, um sie zu einem Legierungsstreifen von vorbestimmten Abmessung fertigzubearbeiten. Dann wurde jeder Legierungsstreifen direkt oder durch eine Al-Zwischenschicht an einen Rückseiten- oder Trägerstahlstreifen druckgebunden, um ein Bimetallmaterial vor zusehen bzw. zu erhalten.
c) Jedes der in den obigen Verfahrensschritten a) und b) hergestellten Bimetalle wurde zu einem halbkreisförmigen Lager teil mit einer Breite von 17 mm gepreßt und bearbeitet bzw. ma terialabtragend bearbeitet, bei welchem der Innendurchmesser des Lagers 42 mm war und die Dicke der Lagerlegierung 0,3 mm betrug.
d) Auf jedes der in dem obigen Verfahrensschritt c) herge stellte Lagerteil wurde eine chemische Behandlung angewandt, und es wurde ein Film von einer jeweiligen Art aus verschie denen Arten von Phosphaten auf der Rückseitenoberfläche (der Rückseiten- oder Trägermetallseite) des Lagers ausgebildet, welcher eine Dicke von 2∼8 µm hatte.

Weiter wurde, um Testlager vorzusehen, die eine Auflage oder einen Überzug auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht ha ben, eine Oberflächenschicht (Auflage oder Überzug) aus einer Pb-Legierung durch galvanisches Aufbringen auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht von einigen der Lager ausgebildet. Auch wurde eine Oberflächenschicht (Auflage oder Überzug) aus einer Al-Legierung durch Sputtern oder Zerstäubung auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht von einigen der Lager ausgebildet. Jede Auflage oder jeder Überzug hatte eine Dicke von 20 µm. Die verschiedenen Arten der Testlager sind in Ta belle 1 angegeben.

Um die Wirkung (Abnutzungsbeständigkeit, insbesondere Antireib verschleißeigenschaft) des Phosphatfilms zu bestätigen, wurde ein Vergleichstest unter Verwendung einer elektrisch-hydrauli schen Ermüdungstesteinrichtung ausgeführt.

In dem Test war das Lager an einer Verbindungsstange 1 (welche mittels Schmiedestahl ausgebildet war und deren innere Umfangs oberfläche eine Oberflächenrauhigkeit von 6,3 µm hat) ange bracht, die auf einem ortsfesten Schaft oder einer ortsfesten Welle 3 montiert war, und eine dynamische Zugbelastung (W), die durch Öldruck angewandt wurde, wurde wiederholt angewandt, um einen Abnutzungs- bzw. Reibverschleißsimulationstest auszufüh ren, und der Betrag der Änderung der Rauhigkeit der Rückseiten oberfläche des Lagers 2 aufgrund der Abnutzung bzw. des Reib verschleißes wurde zu Vergleichszwecken beobachtet. Der Zustand der Rückseitenoberfläche ist in Tabelle 1 angegeben. Die Bedin gungen dieses Tests sind in den Fig. 4A bis 4D veranschau licht, und die Ergebnisse dieses Tests sind in Fig. 3 gezeigt. Hier bedeutet eine solche Beziehung oder Angabe, wonach der Be trag der Änderung der Rauhigkeit der Rückseitenoberfläche des Rückseiten- bzw. Trägermetalls klein ist, daß der Betrag der Abnutzung klein ist, und daher bedeutet dieses, daß das Lager bzw. die Rückseitenoberfläche eine ausgezeichnete Abnutzungsbe ständigkeit, insbesondere eine ausgezeichnete Antireibver schleißeigenschaft, hat.

Aus Fig. 3 ist deutlich zu erkennen, daß alle Produkte der vorliegenden Erfindung einen kleineren Betrag der Änderung der Rauhigkeit als das konventionelle Produkt haben, und daß daher alle Produkte der vorliegenden Erfindung in der Abnutzungsbe ständigkeit, insbesondere in der Antireibverschleißeigenschaft und der Antioberflächenzerbröckelungseigenschaft sowie der An tifreßeigenschaft ausgezeichnet sind.

Wie aus den Testergebnissen, die in der Tabelle 1 und in den Fig. 1 bis 3 enthalten sind, deutlich hervorgeht, sind alle Gleitlager der vorliegenden Erfindung in der Abnutzungsbestän digkeit, insbesondere in der Antireibverschleißeigenschaft und der Antioberflächenzerbröckelungseigenschaft sowie der Anti freßeigenschaft überragend gegenüber den konventionellen Produk ten, und alle Gleitlager der vorliegenden Erfindung weisen eine ausgezeichnete Lagerleistungsfähigkeit ohne Beschädigung auf grund der Abnutzung, des Reibverschleißes, des Zerbröckelns der Oberfläche, des Abscheuerns und des Fressens selbst unter har ten Bedingungen der Verwendung bei hoher Geschwindigkeit, hoher Drehgeschwindigkeit, hoher Belastung usw. auf, wie sie typi scherweise bei neueren Hochleistungsmotoren bzw. Hochleistungs brennkraftmaschinen auftreten.

Mit der Erfindung wird ein mehrschichtiges Gleitlager zur Ver fügung gestellt, das eine ausgezeichnete Antiabnutzungseigen schaft, Antireibverschleißeigenschaft, Antifreßeigenschaft und Antioberflächenzerbröckelungseigenschaft sowie Antischeuerei genschaft hat. Dieses mehrschichtige Gleitlager umfaßt eine Rückseiten- oder Unterlagsstahlschicht und eine auf der Rück seiten- oder Unterlagsstrahlschicht ausgebildete Lagerlegie rungsschicht. Auf einer oder der Rückseitenoberfläche der Rück seiten- oder Unterlagsstrahlschicht ist ein Film aus Phosphat ausgebildet, der eine Dicke von 0,1∼15 µm hat, wodurch die Antiabnutzungseigenschaft, die Antiverschleißeigenschaft, die Antifreßeigenschaft und die Antioberflächenzerbröckelungseigen schaft sowie die Antischeuereigenschaft wesentlich verbessert wird. Das Vorsehen des Phosphatfilms, der gut verträglich oder kompatibel mit einem Zusammenbaumaterial oder einem damit in Eingriff stehenden Material ist, überwindet eine Beschädigung des Lagers aufgrund von Abnutzung, Reibverschleiß, Fressen, Scheuern und Zerbröckeln der Oberfläche in einem Hochgeschwin digkeitsbereich. Daher weist das erfindungsgemäße Lager eine volle und ausgezeichnete Lagerleistungsfähigkeit selbst unter harten Bedingungen des Gebrauchs in einem Hochgeschwindig keits-, Hochtemperatur- und Hochlastbereich auf, wie sie typi scherweise in Hochleistungsmotoren bzw. Hochleistungsbrenn kraftmaschinen auftreten.

Claims

1. Mehrschichtiges Gleitlager, das eine ausgezeichnete Antiabnutzungs-, Antireibverschleiß-, Antifreß- sowie Anti scheuer- und Antioberflächenzerbröckelungseigenschaft hat, um fassend eine Rückseiten- oder Trägerstahlschicht und eine auf der Rückseiten- oder Trägerstahlschicht ausgebildete Lagerle gierungsschicht, wobei auf einer oder der Rückseitenoberfläche der Rückseiten- oder Trägerstahlschicht ein Film aus Phosphat ausgebildet ist, und der Phosphatfilm eine Dicke von 0,1∼15 µm hat.

2. Mehrschichtiges Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlegierungsschicht aus einer Aluminiumlegierung zusammengesetzt ist oder besteht, welche eine Al-Sn-Legierung, eine Al-Si-Sn-Legierung, eine Al- Pb-Legierung, eine Al-Si-Pb-Legierung, eine Al-Zn-Legierung oder eine Al-Si-Zn-Legierung ist.

3. Mehrschichtiges Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlegierungsschicht aus einer Kupferlegierung zusammengesetzt ist oder besteht, welche eine Cu-Pb-Legierung oder eine Cu-Pb-Sn-Legierung ist.

4. Mehrschichtiges Gleitlager nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auflage oder Überzugsschicht auf einer oder der Oberfläche der Lagerlegie rungsschicht ausgebildet ist, wobei die Auflage oder Überzugs schicht aus einer Bleilegierung zusammengesetzt ist oder be steht, welche wenigstens eine Art von 2∼30 Gew.-% insgesamt enthält, die aus der aus Sn, In, Cu und Sb bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Mehrschichtiges Gleitlager nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auflage oder Überzugsschicht auf einer oder der Oberfläche der Lagerlegie rungsschicht ausgebildet ist, wobei die Auflage oder Überzugs schicht aus einer Aluminiumlegierung zusammengesetzt ist oder besteht, welche wenigstens eine Art von 2∼60 Gew.-% insgesamt enthält, die aus der aus Sn, Pb, Cu, Sb und Si bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Mehrschichtiges Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phos phatfilm aus Zinkphosphat, Calcium-Zink-Phosphat, Manganphos phat oder Eisenphosphat zusammengesetzt ist oder besteht.