DE4341287A1 - Gleitflächenaufbau - Google Patents
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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.
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 5 zeigt die Kristallform der Gleitfläche 4a, die
Korngröße der Ni-Kristalle, den Gehalt S an orientierten Ni-
Kristallen und die Härte.
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
{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.
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 (4)
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.
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