DE4342072A1

DE4342072A1 - Gleitflächenaufbau

Info

Publication number: DE4342072A1
Application number: DE4342072A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Gunji; Yoshikazu Fujisawa; Masamune Tabata; Kazuhisa Okamoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-12-10
Filing date: 1993-12-09
Publication date: 1994-06-16
Also published as: JP2621009B2; JPH06174053A; FR2699240A1; FR2699240B1; CA2111023A1; US5597657A

Description

Die Erfindung betrifft einen eine Gleitfläche für ein Ge genelement bildenden Gleitflächenaufbau.

Ein Beispiel eines derartigen herkömmlich bekannten Gleit flächenaufbaus ist eine Ni-plattierte Schicht, die um einen äußeren Lagerzapfenabschnitt aus einem Basismaterial herum bspw. bei einer Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine vorgesehen ist, um die Freßbeständigkeit der Nockenwelle zu verbessern.

Unter den bestehenden Umständen, bei denen hohe Drehzahl und hohe Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine erwünscht sind, leidet der Gleitflächenaufbau des Standes der Technik jedoch daran, daß er unzureichende Ölrückhalteeigenschaft, d. h. Ölrückhaltevermögen, und mäßiges Anfangsformanpas sungsvermögen und mäßige Freßbeständigkeit aufweist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gleitflächenaufbau der vorstehend genannten Art bereitzustellen, der durch Spezi fizieren der Kristallstruktur ausreichendes Ölrückhaltever mögen und gutes Anfangsformanpassungsvermögen aufweist, und hierdurch seine Freßbeständigkeit verbessert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Gleit flächenaufbau bereitgestellt, der aus einem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch flächenzentrierter Struktur gebildet ist, wobei das Aggregat (hh0)-orientierte Metall kristalle aufweist, deren (hh0)-Ebenen (in Miller-Indizes) zu einer Gleitfläche hin orientiert sind, wobei ein Gehalt S an (hh0)-orientierten Metallkristallen in einem durch S < 25% dargestellten Bereich liegt.

Falls der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metallkristallen, deren (hh0)-Ebenen (in Miller-indizes) zu der Gleitfläche hin orientiert sind, in dem vorstehend angegebenen Bereich festgesetzt ist, wird bei dem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch flächenzentrierter Struktur eine große Anzahl von Metallkristallen in Gestalt von Pyramiden (und/oder in Gestalt von Pyramidenstumpfen) auf der Gleitfläche wechsel weise ineinandergreifend abgelagert. 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 aufgrund des wechselweisen Ineinandergreifens der Gipfel gebildeter Sümpfe umfaßt. Daher weist der Gleitflächenaufbau gutes Öl rückhaltevermögen auf. Zusätzlich wird das Anfangsforman passungsvermögen des Gleitflächenaufbaus durch die vorzugs weise Abnutzung der Spitzenenden der pyramidenförmigen Me tallkristalle verbessert. Die Freßbeständigkeit des Gleit flächenaufbaus kann durch dieses Ölrückhaltevermögen und Anfangsformanpassungsvermögen verbessert werden. Falls der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metallkristallen jedoch größer oder gleich 25% ist, neigt die Morphologie der Gleitfläche dazu, mit einem Anstieg des Gehalts an (hh0) orientierten Metallkristallen vereinfacht zu werden, und daher werden das Ölrückhaltevermögen und das Anfangsform anpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus herabgesetzt.

Die vorstehenden und anderen Aufgaben, Merkmale und Vor teile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung ersichtlich. Es stellt dar:

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

Fig. 2 einen Schnitt eines wesentlichen Teils eines La gerzapfenabschnitts der Nockenwelle;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, welche eine kubisch flächenzentrierte Struktur und deren (hh0)-Ebene darstellt;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils eines Beispiels eines Gleitflächenaufbaus;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Figur 4;

Fig. 6 ein Röntgenbeugungsdiagramm für ein Beispiel des Gleitflächenaufbaus;

Fig. 7 ein Mikrobild, das die Kristallstruktur der Gleit fläche bei einem Beispiel des Gleitflächenaufbaus zeigt;

Fig. 8 ein Röntgenbeugungsdiagramm für ein weiteres Bei spiel des Gleitflächenaufbaus;

Fig. 9A ein Mikrobild, das die Kristallstruktur einer Gleitfläche bei dem weiteren Beispiel des Gleit flächenaufbaus zeigt;

Fig. 9B ein Fig. 9A entnommenes vergrößertes Mikrobild;

Fig. 10 ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Freßtests darstellt;

Fig. 11 eine Draufsicht, die die auf jeder Schräge ange ordnete Kristallebene bei einem Beispiel eines Spitzenendenabschnitts in Gestalt einer Vierecks- Pyramide zeigt; und

Fig. 12 eine Draufsicht, die die auf jeder Schrägen ange ordnete Kristallebene 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. Um die Außenumfangsfläche eines Lagerzapfenabschnitts 3 des Basismaterials 2 ist durch Plattieren ein lamellarer Gleit flächenaufbau 4 gebildet.

Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, ist der Gleitflächenaufbau 4 aus einem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch flä chenzentrierter Struktur (fcc-Struktur = face-centered cubic structure) gebildet. Das Aggregat umfaßt (hh0)-orien tierte Metallkristalle, deren (hh0)-Ebenen (in Miller-lndi zes) zu einer Gleitfläche 4a für ein Lagerelement 5 hin orientiert sind. Der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metall kristallen ist in einem durch S < 25% dargestellten Bereich festgesetzt.

Falls der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metallkristallen 6 in dem vorstehend angegebenen Bereich festgesetzt ist, wird eine große Anzahl Metallkristalle 6 in Gestalt von Pyrami den (und/oder in Gestalt von Pyramidenstumpfen), bspw. in Gestalt von Vierecks-Pyramiden (in der dargestellten Aus führungsform) auf der Gleitfläche 4a wechselweise ineinan dergreifend abgelagert. Somit nimmt die Gleitfläche 4a eine komplizierte Morphologie an, die eine große Anzahl Gipfel 7, zwischen den Gipfeln 7 gebildete Täler 8 und eine große Anzahl aufgrund des wechselweisen Ineinandergreifens der Gipfel 7 gebildeter Sümpfe 9 umfaßt. Daher weist der Gleit flächenaufbau 4 gutes Ölrückhaltevermögen auf. Zusätzlich werden vorzugsweise die Spitzenenden der viereckspyramiden förmigen Metallkristalle 6 abgenutzt, wodurch verbessertes Formanpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus 4 bereitge stellt wird.

Beispiele von Metallen mit fcc-Struktur sind jene einfachen Metalle, wie bspw. Pb, Ni, Cu, Pt, Al, Ag, Au usw. und de ren Legierungen.

Grundbedingungen für die elektrolytische Abscheidung der Ni-Plattierung bei der Plattierbehandlung zur Bildung des erfindungsgemäßen Gleitflächenaufbaus 4 sind wie in Tabel len 1 und 2 angegeben.

Tabelle 1

Tabelle 2

Bei der elektrolytischen Abscheidung der Ni-Plattierung un ter den vorstehend angegebenen Bedingungen werden die Abla gerung (precipitation) und der Gehalt an (hh0)-orientierten Ni-Kristallen durch die Kathodenstromdichte, den pH-Wert des Plattierbads und dgl. gesteuert.

Zusätzlich zum elektrolytischen Plattierverfahren sind Gas phasenverfahren wie PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposi tion), CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition), Sputter- Verfahren, Ionenplattieren und dgl. Beispiele anderer Plat tierbehandlungen, die verwendet werden können. Bedingungen für das Pt- oder Al-Plattieren durch ein Sputter-Verfahren sind bspw. ein Ar-Druck von 0,8 bis 1 Pa; eine Ar-Beschleu nigungsleistung von 200 bis 1000 W Gleichspannung; und eine Basismaterialtemperatur von 80 bis 300°C. Bedingungen für Al-Plattieren durch ein CVD-Verfahren sind bspw. Verwenden von Al(CH₃)₃ als Ausgangsmaterial; eine Gasflußrate von 1 bis 10 cm³/min; ein Druck von 50 bis 300 Pa innerhalb der Kammer; und eine Basismaterialtemperatur von 300 bis 600°C.

Nachfolgend werden bestimmte Beispiele beschrieben.

Eine Mehrzahl Nockenwellen 1 für Brennkraftmaschinen wurde hergestellt, indem die Außenumfangsfläche eines Lagerzap fenabschnitts 3 aus einem Basismaterial aus Gußeisen einem elektrolytischen Ni-Plattierverfahren unterzogen wurde, um einen ein Aggregat von Ni-Kristallen umfassenden Gleitflä chenaufbau 4 zu bilden.

Tabellen 3 und 4 zeigen die zur elektrolytische Abscheidung der Ni-Plattierung verwendeten Bedingungen bei Beispielen 1 bis 11 des Gleitflächenaufbaus 4.

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabellen 5 und 6 zeigen die Kristallform der Gleitfläche 4a, die Korngröße der Ni-Kristalle, den Gehalt S an orien tierten Ni-Kristallen und die Härte für die Beispiele 1 bis 11.

Tabelle 5

Tabelle 6

Der Gehalt S wurde in der folgenden Weise auf Grundlage von Röntgenbeugungsdiagrammen für die Beispiele 1 bis 11 be stimmt (wobei die Gleitfläche 4a in einer zu ihr orthogona len Richtung mit Röntgenstrahlung bestrahlt wurde). Nach folgend wird Beispiel 2 beschrieben. Fig. 6 ist ein Rönt genbeugungsdiagramm für Beispiel 2. Der Gehalt S an Ni-Kri stallen jeder Orientierung wurde aus jedem der folgenden Ausdrücke bestimmt. Hierbei bezeichnet bspw. der Ausdruck "{111}-orientierter Ni-Kristall" einen orientierten Ni-Kri stall, dessen {111}-Ebene zu der Gleitfläche 4a hin orien tiert ist.

{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 Kri stallebene reflektierter Röntgenstrahlung ist; IA₁₁₁, IA₂₀₀, IA₂₂₀ und IA₃₁₁ jeweils ein Intensitätsverhältnis von durch jede Kristallebene in einer ASTM-Karte reflek tierter 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. 7 ist ein Mikrobild, das die Kristallstruktur der Gleitfläche 4a bei Beispiel 2 darstellt. In Fig. 7 erkennt man eine große Anzahl wechselweise ineinandergreifender Ni- Kristalle in Gestalt von Vierecks-Pyramiden. Wie in Tabelle 5 und Fig. 6 dargestellt, ist der Gehalt S an (hh0)-orien tierten Ni-Kristallen, d. h. an {220}-orientierten Ni-Kri stallen, bei Beispiel 2 gleich 3,2%.

Fig. 8 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm für Beispiel 5. Fig. 9A und 9B sind jeweils Mikrobilder, die die Kristall struktur der Gleitfläche 4a bei Beispiel 5 zeigen. Fig. 9B ist ein Fig. 9A entnommenes vergrößertes Mikrobild. In Fig. 9A und 9B erkennt man eine große Anzahl Ni-Kristalle in Gestalt verformter Vierecks-Pyramiden. In diesem Fall ist der Gehalt S an {220}-orientierten Ni-Kristallen gleich 7,2%, wie in Tabelle 5 und Fig. 8 dargestellt.

Für die Beispiele 1 bis 11 wurde im Laborversuch (Chip auf Scheibe) ein Freßtest durchgeführt, um die Beziehung zwi schen dem Gehalt S an {220}-orientierten Ni-Kristallen und der Fressen erzeugenden Last zu bestimmen und hierdurch die in Tabelle 7 und Fig. 10 dargestellten Ergebnisse bereit zustellen. Die Bedingungen für den Test waren wie folgt: Das Scheibenmaterial 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 Flächen inhalt der Gleitfläche des aus dem Gleitflächenaufbau ge fertigten Chips betrug 1 cm².

Beispiel Nr.
Fressen erzeugende Last (N)
1
650
2	680
3	650
4	550
5	650
6	500
7	400
8	300
9	250
10	200
11	700

Fig. 10 ist ein Tabelle 7 entnommenes Diagramm, in welchem die Punkte (1) bis (11) jeweils den Beispielen 1 bis 11 entsprechen.

Wie aus Tabelle 7 und Fig. 10 zu ersehen ist, sind bei den Beispielen 1 bis 7, deren Gehalt S an {220}-orientierten Ni-Kristallen in einem durch S < 25% dargestellten Bereich liegt, das Ölrückhaltevermögen und Anfangsformanpassungs vermögen der Gleitfläche 4a verbessert, und somit ist fer ner die Fressen erzeugende Last im Vergleich mit den Bei spielen 8, 9 und 10 deutlich erhöht.

Bei Beispiel 11 ist der Gehalt S an {220}-orientierten Ni- Kristallen gleich 0%. Durch Festsetzen des Gehalts S auf 0% werden die Ni-Kristalle in Gestalt von Vierecks-Pyramiden mit der größten Konzentration abgelagert, was zur besten Freßbeständigkeit führt.

Für die Metallkristalle mit kubisch flächenzentrierter Struktur sind die Kristallform auf der Gleitfläche, die auf Schrägen angeordneten Kristallebenen und dgl. für die orientierten Metallkristalle in Tabelle 8 dargestellt.

Tabelle 8

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

Der erfindungsgemäße Gleitflächenaufbau ist bspw. auf den Gleitabschnitt jedes der folgenden Teile einer Brennkraft maschine anwendbar: Kolben (Stegabschnitte, Schürzenab schnitte und Ringnuten), Kolbenringe, Kolbenzapfen, Pleuel, Kurbelwellen, Lagermetalle, Ölpumpenrotoren, Ölpumpenrotor gehäuse, Federn (Endflächen), Federsitze, Federsicherungs elemente, Splinte, Kipphebel, Rollenlager-Außengehäuse, Rollenlager- Innengehäuse, Nadellager-Außengehäuse, Nadel lager-Innengehäuse, Ventilschafte, Ventilflächen, Hydrau likmitnehmer, Wasserpumpen, Rotorwellen, Riemenscheiben, Zahnräder, Getriebewellenabschnitte, Kupplungsplatten, Bei legscheiben, Bolzen (Lagerflächen und Gewindeabschnitte), Ketten, Metallriemen, Zylinder, Nockenwellenlager.

Ein Gleitflächenaufbau ist aus einem Aggregat von Ni-Kri stallen mit kubisch flächenzentrierter Struktur gebildet. Das Aggregat umfaßt {220}-orientierte Ni-Kristalle, deren {220}-Ebenen (in Miller-Indizes) zu einer Gleitfläche hin orientiert sind und einen Gehalt S in einem durch S < 25% dargestellten Bereich aufweisen. Falls der Gehalt S an {220}-orientierten Ni-Kristallen in diesem Bereich festge setzt ist, wird eine große Anzahl viereckiger Ni-Kristalle auf der Gleitfläche abgelagert, so daß das Ölrückhaltever mögen und das Anfangsformanpassungsvermögen durch die Ni- Kristalle verbessert wird. Somit zeigt der Gleitflächen aufbau ausgezeichnete Freßbeständigkeit.

Claims

1. Gleitflächenaufbau (4), der aus einem Aggregat von Me tallkristallen (6) mit kubisch flächenzentrierter Struk tur gebildet ist, wobei das Aggregat (hh0)-orientierte Metallkristalle (6) umfaßt, deren (hh0)-Ebenen (in Miller-Indizes) zu einer Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, wobei der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metall kristallen (6) in einem durch S < 25% dargestellten Bereich liegt.

2. Gleitflächenaufbau (4), der aus einem Aggregat von Me tallkristallen (6) mit kubisch flächenzentrierter Struk tur gebildet ist, wobei der Gehalt S an (hh0)-orientier ten Metallkristallen (6), deren (hh0)-Ebenen (in Miller- Indizes) zu einer Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, in dem Aggregat gleich 0% ist.

3. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkristalle (6) Ni-Kristalle sind, die (hh0)-Ebenen {220}-Ebenen sind, und, wenn der Gehalt S an {220}-orientierten Ni-Kristallen (6) in einem durch 0% S < 25% dargestellten Bereich festge setzt ist, auf der Gleitfläche (4a) wenigstens eine Kri stallform abgelagert ist, die aus einer Gruppe ausge wählt ist, die zum einen eine große Anzahl Ni-Kristalle (6) in Gestalt von Pyramiden und zum anderen eine große Anzahl Ni-Kristalle (6) in Gestalt von Pyramidenstumpfen umfaßt.