DE4341287A1

DE4341287A1 - Gleitflächenaufbau

Info

Publication number: DE4341287A1
Application number: DE4341287A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Gunji; Yoshikazu Fujisawa; Kazuhisa Okamoto; Masamune Tabata
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1994-06-09
Also published as: CA2110547A1; US5376194A; FR2698925A1; CA2110547C; FR2698925B1; JP2572000B2; JPH06174051A

Description

Die Erfindung betrifft einen eine Gleitfläche für ein Gegen element bildenden Gleitflächenaufbau.

Ein Beispiel eines derartigen herkömmlich bekannten Gleitflä chenaufbaus ist eine Ni-plattierte Schicht, die um die Außen umfangsfläche eines Lagerzapfenabschnitts aus einem Basis material bei einer Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine herum gebildet ist, um die Freß- und Abnutzungsbeständigkeit zu verbessern.

Unter den bestehenden Umständen, bei denen Drehzahl- und Aus gangsleistung der Brennkraftmaschine zuzunehmen neigen, lei den die Gleitflächenaufbaue des Standes der Technik jedoch daran, daß sie unzureichende Ölrückhalteeigenschaft, d. h. Ölrückhaltevermögen, und mäßiges Anfangsformanpassungsver mögen aufweisen, was zu mäßiger Freßbeständigkeit führt, und sie leiden ferner an dem Problem erhöhter Abnutzungsmenge des das Gegenelement bildenden Lagerelements.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleitflä chenaufbau der vorstehend genannten Art bereitzustellen, der durch Spezifizieren der Kristallstruktur ein Ölrückhaltever mögen und Anfangsformanpassungsvermögen aufweist, die für eine Verbesserung der Freßbeständigkeit erforderlich sind, und der ferner Abnutzungsbeständigkeit aufweist und sicher stellt, daß die Abnutzung eines Gegenelements unterdrückt werden kann.

Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Gleitflächenaufbau bereitgestellt, der aus einem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch flächenzentrierter Struktur ge bildet ist, wobei das Aggregat (3hhh)-orientierte Metallkri stalle umfaßt, deren (3hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zu einer Gleitfläche hin orientiert sind, wobei ein Gehalt S der (3hhh)-orientierten Metallkristalle in einem durch S 40% dargestellten Bereich liegt.

In dem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch flächenzen trierter Struktur sind die (3hhh)-orientierten Metallkristal le, deren (3hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zur Gleitfläche hin orientiert sind, in Säulenform gewachsen und liegen in Ge stalt von Pyramiden oder von Pyramidenstumpfen vor. Falls der Gehalt S an (3hhh)-orientierten Metallkristallen in dem vorstehend genannten Bereich festgesetzt ist, greifen demzu folge benachbarte (3hhh)-orientierte Metallkristalle wechsel weise ineinander und infolgedessen nimmt die Gleitfläche eine komplizierte Morphologie an, welche eine große Anzahl Gipfel, eine große Anzahl zwischen den Gipfeln gebildeter Täler und eine große Anzahl durch das wechselweise Ineinandergreifen der Gipfel gebildeter Sümpfe umfaßt. Daher weist der Gleit flächenaufbau verbessertes Ölrückhaltevermögen auf. Zusätz lich wird das Anfangsformanpassungsvermögen des Gleitflächen aufbaus durch die vorzugsweise Abnutzung der Spitzenenden der (3hhh)-orientierten Metallkristalle verbessert. Die Freßbe ständigkeit des Gleitflächenaufbaus wird durch dieses Ölrück haltevermögen und Anfangsformanpassungsvermögen verbessert. Darüber hinaus weist der Gleitflächenaufbau Abnutzungsbestän digkeit und die Eigenschaft auf, sicherzustellen, daß die Ab nutzung des Gegenelements unterdrückt wird. Falls der Gehalt S an (3hhh)-orientierten Metallkristallen jedoch kleiner als 40% ist, neigt die Morphologie der Gleitfläche dazu, mit einer Abnahme des Gehalts an (3hhh)-orientierten Metallkri stallen vereinfacht zu werden, was zu verschlechterten Ölrückhaltevermögen und Anfangsformanpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus führt.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden. Es stellt dar:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils einer Nockenwelle;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines Lagerzapfenabschnitts der Nockenwelle;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die eine kubisch flächenzentrierte Struktur und ihre (3hhh)-Ebene darstellt;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils, die ein Beispiel eines Gleitflächenaufbaus darstellt;

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Neigung der (3hhh)- Ebene in der kubisch flächenzentrierten Struktur;

Fig. 7 ein Röntgenbeugungsdiagramm für ein Beispiel des Gleitflächenaufbaus;

Fig. 8 ein Mikrobild, das die Kristallstruktur einer Gleit fläche bei einem Beispiel des Gleitflächenaufbaus darstellt;

Fig. 9 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Gehalt S an {311}-orientierten Ni-Kristallen und der Fres sen erzeugenden Last darstellt;

Fig. 10 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Gehalt S an {311}-orientierten Ni-Kristallen und der Härte darstellt;

Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Gehalt S an {311}-orientierten Ni-Kristallen und der Abnut zungsmenge eines Chips und einer Scheibe darstellt;

Fig. 12 eine Draufsicht, die die auf Schrägen angeordneten Kristallebenen bei einem Beispiel eines Spitzenen denabschnitts in Gestalt einer Vierecks-Pyramide darstellt; und

Fig. 13 eine Draufsicht, die die auf Schrägen angeordneten Kristallebenen bei einem weiteren Beispiel eines Spitzenendenabschnitts in Gestalt einer Vierecks- Pyramide darstellt.

Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 umfaßt eine Nockenwelle 1 für eine Brennkraftmaschine ein Basismaterial 2 aus Gußeisen. Die Nockenwelle 1 weist auf einer Außenumfangsfläche eines Lager zapfenabschnitts 3 einen durch Plattieren gebildeten lamella ren Gleitflächenaufbau 4 auf.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist der Gleitflächenaufbau 4 aus einem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch flächenzen trierter Struktur (fcc-Struktur = face-centered cubic struc ture) gebildet. Das Aggregat umfaßt (3hhh)-orientierte Me tallkristalle, deren (3hhh)-Ebene zu einer Gleitfläche 4a für ein Lagerelement 5 hin orientiert ist. Der Gehalt S an (3hhh)-orentierten Metallkristallen ist in einem durch S 40% dargestellten Bereich festgesetzt.

Wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, sind die (3hhh)-orien tierten Metallkristalle auf dem Basismaterial 2 in Säulenform gewachsen und liegen auf der Gleitfläche 4a in Gestalt von Pyramiden oder von Pyramidenstumpfen vor (in der dargestell ten Ausführungsform in Gestalt von Vierecks-Pyramiden).

Falls der Gehalt S an (3hhh)-orientierten Metallkristallen in dem vorstehend genannten Bereich festgesetzt ist, greifen demzufolge benachbarte (3hhh)-orientierte Metallkristalle ineinander und somit nimmt die Gleitfläche 4a eine kompli zierte Morphologie an, welche eine große Anzahl Gipfel 7, Täler 8 zwischen den Gipfeln 7 und eine große Anzahl durch das wechselweise Ineinandergreifen der Gipfel 7 vorgesehener Sümpfe 9 umfaßt. Dies führt zu gutem Ölrückhaltevermögen des Gleitflächenaufbaus 4. Vorzugsweise werden die Spitzenenden der in Gestalt von Vierecks-Pyramiden vorliegenden (3hhh)- orientierten Metallkristalle 6 abgenutzt, wodurch ein verbes sertes Anfangsformanpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus 4 bereitgestellt wird.

Die Härte Hv des Gleitflächenaufbaus 4 liegt vom Gesichts punkt der Sicherstellung einer Abnutzungsbeständigkeit des Gleitflächenaufbaus selbst und der Unterdrückung der Abnut zung eines Gegenelements her geeigneterweise in einem durch Hv 230 dargestellten Bereich. Falls Hv < 230 gilt, wird die Abnutzungsmenge erhöht, die das Gegenelement erfährt. Der un tere Grenzwert der Härte Hv variiert in Abhängigkeit von dem Material des Gegenelements. Falls das Gegenelement bspw. aus Aluminiumlegierung gebildet ist, ist etwa 145 ein geeigneter unterer Grenzwert der Härte Hv.

Wie in Fig. 6 dargestellt, erscheint eine Neigung der (3hhh)-Ebene relativ zu einer Phantomebene 10 längs der Gleitfläche 4a in Form einer Vierecks-Pyramide und beeinflußt somit das Ölrückhaltevermögen und das Anfangsformanpassungs vermögen des Gleitflächenaufbaus 4. Demzufolge wird der von der (3hhh)-Ebene relativ zur Phantomebene 10 gebildete Nei gungswinkel R in einem durch 0° R 15° dargestellten Be reich festgesetzt. In diesem Fall ist die Richtung der Nei gung der (3hhh)-Ebene nicht beschränkt. Falls der Neigungs winkel mehr als 15° beträgt, weist der Gleitflächenaufbau 4 vermindertes Ölrückhaltevermögen und vermindertes Anfangs formanpassungsvermögen auf.

Die Metalle mit fcc-Struktur umfassen jene einfachen Metalle, wie bspw. Pb, Ni, Cu, Pt, Al, Ag, Au etc. und deren Legierun gen. Bei der Plattierbehandlung zur Bildung des erfindungsge mäßen Gleitflächenaufbaus sind die Grundbedingungen für die elektrolytische Abscheidung der Ni-Plattierung wie in Tabel len 1 und 2 angegeben.

Tabelle 1

Tabelle 2

Bei der elektrolytischen Abscheidung der Ni-Plattierung unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen werden die Ablage rung (precipitation) und der Gehalt an (3hhh)-orientierten Ni-Kristallen durch die Kathodenstromdichte, den pH-Wert des Plattierbads und dgl. gesteuert.

Zusätzlich zum elektrolytischen Plattieren sind Gasphasen- Plattierverfahren, wie bspw. PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition), CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition), Sputter-Verfahren, Ionen-Plattieren und dgl., Beispiele für andere Plattierbehandlungen. Bedingungen für Pt- oder Al- Plattieren durch ein Sputter-Verfahren sind bspw. ein Ar- Druck von 0,8 bis 1 Pa; eine Ar-Beschleunigungsleistung von 200 bis 1000 Watt Gleichspannung, und eine Basismaterialtem peratur von 80 bis 300°C. Ein Beispiel für Bedingungen zum Al-Plattieren durch ein CVD-Verfahren ist das folgende: Aus gangsmaterial Al(CH₃)₃, Gasflußrate von 1 bis 10 cm³/min, Druck innerhalb einer Kammer von 50 bis 300 Pa, und Basis materialtemperatur von 300 bis 600°C.

Nachfolgend werden bestimmte Beispiele beschrieben.

Eine Mehrzahl Nockenwellen 1 für Brennkraftmaschinen wurde hergestellt, indem eine Außenumfangsfläche eines Lagerzapfen abschnitts 3 aus einem Basismaterial 2 aus Gußeisen zur Bil dung eines ein Aggregat von Ni-Kristallen umfassenden Gleit flächenaufbaus 4 einem elektrolytischen Ni-Plattierverfahren unterzogen wurde.

Tabellen 3 und 4 zeigen Bedingungen für das elektrolytische Ni-Plattierverfahren für Beispiele 1 bis 6 von Gleitflächen aufbauen 4.

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5 zeigt die Kristallform der Gleitfläche 4a, die Korngröße der Ni-Kristalle, den Gehalt S an orientierten Ni- Kristallen und die Härte.

Tabelle 5

Der Gehalt S wurde für die Beispiele 1 bis 6 in folgender Weise auf Grundlage von Röntgenbeugungsdiagrammen bestimmt (wobei die Gleitfläche 4a in einer hierzu orthogonalen Rich tung mit Röntgenstrahlung bestrahlt wurde). Nachfolgend wird Beispiel 2. Fig. 7 zeigt ein Röntgenbeugungsdiagramm für Beispiel 2. Die Gehalte S für jeden der orientierten Ni- Kristalle wurden aus den folgenden Ausdrücken bestimmt:

{111}-orientierte Ni-Kristalle: S₁₁₁ = {(I₁₁₁/IA₁₁₁)/T} · 100
{200}-orientierte Ni-Kristalle: S₂₀₀ = {(I₂₀₀/IA₂₀₀)/T} · 100
{220}-orientierte Ni-Kristalle: S₂₂₀ = {(I₂₂₀/IA₂₂₀)/T} · 100
{311}-orientierte Ni-Kristalle: S₃₁₁ = {(I₃₁₁/IA₃₁₁)/T} · 100

wobei I₁₁₁, I₂₀₀, I₂₂₀ und I₃₁₁ jeweils Meßwerte (Impulse pro Sekunde = Impulse/sec) der Intensität von jeder Kristallebene reflektierter Röntgenstrahlung ist; IA₁₁₁, IA₂₀₀, IA₂₂₀ und IA₃₁₁ jeweils ein Intensitätsverhältnis von durch jede Kri stallebene in einer ASTM-Karte reflektierter Röntgenstrahlung ist (ASTM = American Society for Testing Materials). Ferner gilt IA₁₁₁ = 100, IA₂₀₀ = 42, IA₂₂₀ = 21 und IA₃₁₁ = 20; und T = (I₁₁₁/IA₁₁₁) + (I₂₀₀/IA₂₀₀) + (I₂₂₀/IA₂₂₀) + (I₃₁₁/IA₃₁₁) Fig. 8 ist ein Mikrobild, das die Kristallstruktur der Gleitfläche 4a bei Beispiel 2 darstellt. In Fig. 8 erkennt man eine große Anzahl (3hhh)-orientierter Ni-Kristalle in Gestalt von Vierecks-Pyramiden. Die (3hhh)-orientierten Ni- Kristalle sind {311}-orientierte Ni-Kristalle, deren (3hhh)- Ebenen, d. h. {311}-Ebenen, zur Gleitfläche 4a hin orientiert sind. Der Gehalt S an {311}-orientierten Ni-Kristallen be trägt 64,8%, wie in Tabelle 5 und Fig. 7 dargestellt.

Im Laborversuch (Chip auf Scheibe) wurde für die Beispiele 1 bis 6 ein Freßtest mit Schmieren durchgeführt, um die Bezie hung zwischen dem Gehalt S an {311}-orientierten Ni-Kristal len und der Fressen erzeugenden Last zu bestimmen und hier durch die in Tabelle 6 und Fig. 9 dargestellten Ergebnisse bereitzustellen. Die Bedingungen für den Test waren die fol genden: Das Material der Scheibe war eine Al-Legierung mit 10 Gew.-% Si; die Drehgeschwindigkeit der Scheibe betrug 15 m/sec; die zugeführte Ölmenge betrug 0,3 ml/min; und der Flächeninhalt der Gleitfläche des aus dem Gleitflächenaufbau gefertigten Chips betrug 1 cm².

Beispiel Nr.
Fressen erzeugende Last (N)
1
650
2	680
3	650
4	550
5	250
6	200

Fig. 9 ist ein Tabelle 6 entnommenes Diagramm, in welchem die Punkte (1) bis (6) jeweils den Beispielen 1 bis 6 ent sprechen. Wie aus Tabelle 6 und Fig. 9 zu ersehen ist, weist die Gleitfläche 4a bei jedem der Beispiele 1 bis 4, deren Gehalt S an {311}-orientierten Ni-Kristallen in einem durch S 40% dargestellten Bereich liegt, verbessertes Ölrückhal tevermögen und verbessertes Anfangsformanpassungsvermögen auf und somit ist die Fressen erzeugende Last im Vergleich zu den Beispielen 5 und 6 wesentlich erhöht.

Fig. 10 ist ein Tabelle 5 entnommenes Diagramm und stellt für die Beispiele 1 bis 6 die Beziehung zwischen dem Gehalt S an {311}-orientierten Ni-Kristallen und der Härte dar. In Fig. 10 entsprechen die Punkte (1) bis (6) jeweils den Bei spielen 1 bis 6. Aus Fig. 10 ist zu ersehen, daß die Härte des Gleitflächenaufbaus abnimmt, wenn der Gehalt S an {311}- orientierten Ni-Kristallen zunimmt.

Für die Beispiele 1 bis 6 wurde im Laborversuch (Chip auf Scheibe) ein Abnutzungstest mit Schmieren durchgeführt, um die Beziehung zwischen dem Gehalt S an {311}-orientierten Ni- Kristallen und der abgenutzten Menge an Chip und Scheibe (nachfolgend als Abnutzungsmenge bezeichnet) zu bestimmen und hierdurch die in Tabelle 7 und Fig. 11 dargestellten Ergeb nisse bereitzustellen. Die Bedingungen für den Test waren die folgenden: Das Material der Scheibe war eine Al-Legierung mit 10 Gew.-% Si; die Drehgeschwindigkeit der Scheibe betrug 5 m/sec; die zugeführte Ölmenge betrug 0,3 ml/min; die Last betrug 100 N; die Gleitstrecke betrug 10 km; und der Flächen inhalt der Gleitfläche des aus dem Gleitflächenaufbau gefer tigten Chips betrug 1 cm². Jede der aufgenommenen Abnutzungs mengen ist eine Abnahme (mg) pro 1 cm² Fläche der Scheibe und des Chips.


Abnutzungsmenge (mg)
Beispiel 1)
Chip	0,4
Scheibe	0,8
Beispiel 2) @	Chip	0,4
Scheibe	0,8
Beispiel 3) @	Chip	0,4
Scheibe	0,8
Beispiel 4) @	Chip	0,35
Scheibe	0,9
Beispiel 5) @	Chip	0,3
Scheibe	1,1
Beispiel 6) @	Chip	0,3
Scheibe	1,2

Fig. 11 ist ein Tabelle 7 entnommenes Diagramm, in welchem die Punkte (1) bis (6) jeweils den Chips der Beispiele 1 bis 6 entsprechen.

Wie aus Tabelle 7 und Fig. 11 zu ersehen ist, wurden die Chips der Beispiele 1 bis 4, deren Gehalt S an {311}-orien tierten Ni-Kristallen in einem durch S 40% dargestellten Bereich liegt, in etwas größerem Maße abgenutzt als die Chips der Beispiele 5 und 6. Sie weisen jedoch noch eine relativ gute Abnutzungsbeständigkeit und darüber hinaus die Eigen schaft auf, daß die Abnutzung der das Gegenelement bildenden Scheibe deutlich unterdrückt war.

Der Abnutzungstest wurde mit Schmieren durchgeführt, aber selbst bei einem Abnutzungstest ohne Schmieren wurde im we sentlichen die gleiche Tendenz beobachtet wie bei dem Ab nutzungstest mit Schmieren. Die Bedingungen für den Abnut zungstest ohne Schmieren waren die folgenden: Das Material der Scheibe war eine Al-Legierung mit 10 Gew.-% Si; die Drehgeschwindigkeit der Scheibe betrug 0,5 m/sec; die Last betrug 100 N; die Gleitstrecke betrug 1 km; und der Flächen inhalt der Gleitfläche des aus dem Gleitflächenaufbau gefer tigten Chips betrug 1 cm². Die Abnutzungsmenge war wie vor stehend beschrieben.

In Tabelle 8 sind für die Metallkristalle mit kubisch flä chenzentrierter Struktur die Kristallform auf der Gleitflä che, die auf Schrägen angeordneten Kristallebenen und dgl. für die orientierten Metallkristalle dargestellt.

Tabelle 8

Festzuhalten ist, daß hinsichtlich der Benetzbarkeit der auf Schrägen angeordneten Kristallebenen für Öl oder dgl. die (hhh)-Ebene der (h00)-Ebene überlegen ist.

Der erfindungsgemäße Gleitflächenaufbau kann bei einem Gleit abschnitt jedes der folgenden Teile für Brennkraftmaschinen angewendet werden: Kolben (Schürzenabschnitte, Stegabschnitte und Ringnuten), Kolbenringe, Kolbenzapfen, Pleuel, Kurbelwel len, Lagermetalle, Ölpumpenrotoren, Ölpumpenrotorgehäuse, Federn (Endflächen), Federsitze, Federsicherungselemente, Splinte, Kipphebel, Rollenlager-Außengehäuse, Rollenlager- Innengehäuse, Ventilschafte, Ventilflächen, Hydraulikmitneh mer, Wasserpumpenrotorwellen, Riemenscheiben, Zahnräder, Ge triebewellenabschnitte, Kupplungsplatten, Beilegscheiben und Bolzen (Lagerflächen und Gewindeabschnitte).

Ein Gleitflächenaufbau ist aus einem Aggregat von Ni-Kristal len mit kubisch flächenzentrierter Struktur gebildet. Das Aggregat umfaßt {311}-orientierte Ni-Kristalle, deren {311}- Ebenen in Miller-Indizes zu einer Gleitfläche hin orientiert sind. Ein Gehalt S der {311}-orientierten Ni-Kristalle ist in einem durch S 40% dargestellten Bereich festgesetzt. Die {311}-orientierten Ni-Kristalle liegen auf der Gleitfläche in Gestalt von Vierecks-Pyramiden vor und stellen gutes Ölrück haltevermögen des Gleitflächenaufbau bereit. Somit zeigt der Gleitflächenaufbau ausgezeichnete Freßbeständigkeit.

Claims

1. Gleitflächenaufbau (4), der aus einem Aggregat von Metallkristallen (6) mit kubisch flächenzentrierter Struktur gebildet ist, wobei das Aggregat (3hhh)-orien tierte Metallkristalle (6) umfaßt, deren (3hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zu einer Gleitfläche (4a) hin orien tiert sind, wobei der Gehalt S an (3hhh)-orientierten Metallkristallen (6) in einem durch S 40% darge stellten Bereich liegt.

2. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkristall (6) ein Ni-Kristall ist, wobei die (3hhh)-Ebene eine {311}-Ebene ist, und wobei diese {311}-orientierten Ni-Kristalle (6) auf der Gleitfläche (4a) in Gestalt einer Vierecks-Pyramide vorliegen.

3. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Härte Hv in einem durch Hv 230 darge stellten Bereich aufweist.

4. Gleitflächenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel R der (3hhh)-Ebene in einem durch 0° R 15° dargestellten Bereich festgesetzt ist.