DE4443375A1

DE4443375A1 - Kupfer-Blei-Legierungs-Lager

Info

Publication number: DE4443375A1
Application number: DE4443375A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Koichi Yamamoto; Tsukimitsu Higuchi
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1994-12-06
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2014-12-07
Also published as: GB2285060A; GB2285060B; JP2733735B2; DE4443375C2; JPH07179963A; US5665480A; GB9425264D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kupfer-Blei-Legierungs-La ger, und insbesondere ein Kupfer-Blei-Legierungs-Lager, das eine ausgezeichnete Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit hat.

Ein Kupfer-Blei-Legierungs-Lager mit verbesserter Korrosionswider standsfähigkeit bzw. -beständigkeit ist in JP-A-57-185 944 offen bart. Diese Legierung ist als ein Bimetall ausgebildet, indem ein Legierungspulver, das aus 2 bis 10 Gew.-% Ni, 8 bis 27 Gew.-% Pb, 0,5 bis 10 Gew.-% Sn und Rest aus Cu besteht, auf einem aus Stahl bestehenden Stütz- bzw. Unterlagemetall gesintert wird. Wenn die ses Legierungspulver auf dem Stütz- bzw. Unterlagemetall gesintert wird, wird verhindert, daß die Pb-Phase agglomeriert wird, so daß die Pb-Phase in Feingröße bzw. -verteilung vorliegt und so daß eine diskrete und gleichförmige Verteilung der Pb-Phase erhalten wird, und zwar mit dem Ergebnis, daß nach den Angaben in der vor genannten Druckschrift eine Säurekorrosion von Pb in einem Schmiermittel verhindert wird und die Korrosionswiderstandsfähig keit bzw. -beständigkeit des Lagers verbessert ist.

In den letzten Jahren jedoch wurde versucht, durch Verwendung von solchen Maschinenölen, welche Zusätze mit einem großen Betrag bzw. Anteil an Schwefel haben, die Reibung weiter zu vermindern. Diese Verhältnisse machen es notwendig, daß die Lager auch in dem Fall, in welchem ein Schmiermittel verwendet wird, das einen großen Betrag bzw. Anteil an Schwefel enthält, eine ausgezeichnete Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit haben. Das bedeutet, daß bei Verwendung eines Schmiermittels mit einem hohen Schwefelgehalt konventionelle Kupfer-Blei-Legierungs-Lager oft hinsichtlich der Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständig keit ungenügend sind, da die Cu-Phase, welche die Matrix der Legierung ist, bevorzugt durch den Schwefel korrodiert wird. Außerdem sind einige Kupfer-Blei-Legierungs-Lager, welche gegen über Schmiermitteln mit einem hohen Schwefelgehalt eine verbesser te Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit haben, in ihrer Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit gegenüber verschlechterten, abgebauten und/oder zersetzten Schmiermitteln minderwertig bzw. ungenügend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, ein Kup fer-Blei-Legierungs-Lager zur Verfügung zu stellen, welches sowohl eine verbesserte Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständig keit, insbesondere gegenüber Schwefel, selbst unter Bedingungen hat, bei denen Schmiermittel mit einem hohen Schwefelgehalt ver wendet werden, als auch eine ausgezeichnete Korrosionswiderstands fähigkeit bzw. -beständigkeit gegenüber verschlechterten, abgebau ten und/oder zersetzten korrosiven Schmiermitteln mit einem nied rigen Schwefelgehalt besitzt.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrschichtlager zur Verfügung gestellt, umfassend ein Stütz- bzw. Unterlagemetall und eine daran gebundene Kupfer-Blei-Legie rungsschicht, die aus mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-% Ni, 0,5 bis 8 Gew.-% Sn, 8 bis 30 Gew.-% Pb, nicht weniger als 0,005 Gew.-%, aber nicht mehr als 0,2 Gew.-% Pb und dem Rest Cu sowie damit verbundenen, beiläufigen und/oder erschmelzungs bedingten Verunreinigungen besteht.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrschichtlager zur Verfügung gestellt, das eine Dreischicht struktur hat, umfassend ein Stütz- bzw. Unterlagemetall, eine Kup fer-Blei-Lagerlegierungsschicht, die daran gebunden ist, und eine Auflage bzw. einen Überzug, wobei die genannte Legierung aus mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-% Ni, 0,5 bis 8 Gew.-% Sn, 8 bis 30 Gew.-% Pb, nicht mehr als 0,2 Gew.-% P, und dem Rest Cu sowie damit verbundenen, beiläufigen und/oder erschmelzungs bedingten Verunreinigungen besteht.

Es seien nachstehend die Funktionen von jeder Zusammensetzung der Lagerlegierungsschicht und der Auflage bzw. des Überzugs gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert:

(1) Kupfer-Blei-Lagerlegierungsschicht 1. Ni: Mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-%

Der Ni-Gehalt ist in dem Bereich von mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-%, weil dann, wenn der Ni-Gehalt 10 Gew.-% oder weniger ist, die Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit gegen Schwefel ungenügend wird, und weil dann, wenn der Ni-Gehalt mehr als 20 Gew.-% beträgt, die Paß fähigkeit des Lagers, welche Paßfähigkeit für die Welle not wendig ist, die ein Gleitgegenstück ist, verschlechtert bzw. signifikant verschlechtert wird. Vorzugsweise beträgt der Ni- Gehalt 10,5 bis 18 Gew.-%, und am meisten bevorzugt ist der Ni-Gehalt 10,5 bis 15 Gew.-%.

2. Sn: 0,5 Gew.-% bis 8 Gew.-%

Der Sn-Gehalt ist 0,5 bis 8 Gew.-%, weil dann, wenn der Sn-Ge halt weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, die mechanische Festig keit der Legierungsschicht ungenügend ist, und weil dann, wenn der Sn-Gehalt mehr als 8 Gew.-% beträgt, die Legierung über mäßig hart und brüchig bzw. spröde wird, und die Wärmeleit fähigkeit vermindert bzw. signifikant vermindert wird, was zu einer verschlechterten bzw. signifikant verschlechterten Antianfressungs-, -festfressungs- und/oder -blockierungsei genschaft führt. Der bevorzugte Bereich des Sn-Gehalts ist 0,5 bis 5 Gew.-%.

3. Pb: 8 Gew.-% bis 30 Gew.-%

Der Pb-Gehalt ist 8 bis 30 Gew.-%, weil dann, wenn der Pb- Gehalt geringer als 8 Gew.-% ist, die Antianfressungs-, -fest fressungs- und/oder -blockierungseigenschaft verschlechtert bzw. signifikant verschlechtert wird, und weil dann, wenn der Pb-Gehalt 30 Gew.-% überschreitet, die mechanische Festigkeit vermindert bzw. signifikant vermindert wird. Der bevorzugte Bereich des Pb-Gehalts ist 10 bis 26 Gew.-%.

4. P: Nicht weniger als 0,005 Gew.-%, aber nicht mehr als 0,2 Gew.-%

Der P-Gehalt ist nicht weniger als 0,005 Gew.-%, aber nicht mehr als 0,2 Gew.-%, weil dann, wenn der P-Gehalt 0,2 Gew.-% übersteigt, die Legierung übermäßig hart wird und die Paß fähigkeit für die Welle verschlechtert bzw. signifikant ver schlechtert wird, und weil dann, wenn der P-Gehalt weniger als 0,005 Gew.-% ist, die mechanische Festigkeit der Legierung ungenügend wird. Der bevorzugte Bereich des P-Gehalts ist 0,01 bis 0,10 Gew.-%.

Das Bimetall kann bevorzugt mittels eines der folgenden Verfahren hergestellt werden: Mittels eines Sinterverfahrens, in welchem ein Legierungspulver oder ein Mischmetallpulver als das Kupfer-Blei- Pulver auf einer Stahlplatte ausgebreitet wird, und dann wird es gesintert und gewalzt; oder mittels eines kontinuierlichen Strei fengießverfahrens, in welchem eine geschmolzene Lagerlegierung auf einen vorerhitzten Stahlstreifen als ein Belag gegossen wird, und dann wird sie gekühlt; oder mittels eines Zentrifugalgießverfah rens, in welchem eine geschmolzene Lagerlegierung auf die Innen wand eines vorerhitzten Stahlrohrs als ein Belag mittels Zentri fugalkraft gegossen wird, und dann wird sie abgeschreckt bzw. ab gekühlt.

(2) Auflage bzw. Überzug

In der Auflage bzw. dem Überzug ist wenigstens eines der folgenden Elemente Sn, In und Cu in dem aus Pb und beiläufigen, damit verbundenen und/oder erschmelzungsbedingten Verunreinigungen be stehenden Rest enthalten.

1. Sn: 3 Gew.-% bis 18 Gew.-%

Der Sn-Gehalt ist 3 bis 18 Gew.-%, weil dann, wenn der Sn-Ge halt weniger als 3 Gew.-% ist, die mechanische Festigkeit der Auflage bzw. des Überzugs ungenügend wird und die Korrosions widerstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit verschlechtert bzw. signifikant verschlechtert wird, und weil dann, wenn der Sn- Gehalt 18 Gew.-% übersteigt, der Schmelzpunkt der Auflage bzw. des Überzugs vermindert bzw. signifikant vermindert wird, so daß es zu einem Wisch- bzw. Lötphänomen (Schmelzen und Fließen) kommt.

2. In: 15 Gew.-% oder weniger

Der In-Gehalt ist 15 Gew.-% oder weniger, weil dann, wenn der In-Gehalt 15 Gew.-% übersteigt, der Schmelzpunkt der Auflage bzw. des Überzugs vermindert bzw. signifikant vermindert wird, so daß es zu einem Wisch- bzw. Lötphänomen kommt.

3. Cu: 5 Gew.-% oder weniger

Der Cu-Gehalt ist 5 Gew.-% oder weniger, weil dann, wenn der Cu-Gehalt 5 Gew.-% übersteigt, die Auflage bzw. der Überzug übermäßig hart und brüchig bzw. spröde wird.

Das Mehrschichtlager gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Stütz- bzw. Unterlagemetall und eine daran gebundene, auf Kupfer- Blei basierende Lagerlegierungsschicht, und die auf Kupfer-Blei basierende Lagerlegierung besteht aus mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-% Ni, 0,5 bis 8 Gew.-% Sn, 8 bis 30 Gew.-% Pb, nicht weniger als 0,005, aber nicht mehr als 0,2 Gew.-% P und dem Rest Cu sowie beiläufigen, damit verbundenen und/oder er schmelzungsbedingten Verunreinigungen, mit dem Ergebnis, daß die Kupfer-Blei-Lagerlegierung eine hohe Korrosionswiderstandsfähig keit bzw. -beständigkeit, insbesondere gegenüber Schwefel, ohne irgendeine Verschlechterung ihrer Dauerfestigkeit und ihres Ermüdungswiderstands bzw. ihrer Ermüdungsbeständigkeit hat.

Es seien nun nachstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung beschrieben und erläutert:

Nachfolgend werden die unter Verwendung des Sinterverfahrens her gestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in näheren Einzelheiten zusammen mit Vergleichsbeispielen beschrieben und er läutert.

Kupfer-Blei-Basis-Legierungspulver bzw. auf Kupfer-Blei basie rendes Legierungspulver (mittlere Teilchengröße: 250 µm oder weniger) von jeder Zusammensetzung der in Tabelle 1 angegebenen Ausführungsformen (Ausführungsformen 1 bis 7) wurden auf Stahl stütz- bzw. Unterlagemetallen, von denen jedes eine Dicke von 1,3 mm hatte und mit Kupfer in einer Dicke von 8 µm plattiert bzw. galvanisch beschichtet war, so ausgebreitet, daß sie eine Dicke von 0,7 mm hatten. Jedes der Pulver auf den Stütz- bzw. Unterlage metallen wurde in einen Ofen mit einer reduzierenden Atmosphäre eingefügt und während 10 bis 30 Minuten bei 700 bis 900°C gesin tert. Nach diesem Sintern wurden, um die Dichte der Legierungs schicht zu erhöhen und die gewünschte mechanische Festigkeit zu erreichen, sowohl die gesinterte Schicht als auch die Stütz- bzw. Unterlagemetalle gewalzt, gesintert, und wieder gewalzt, um Bi metallproben auszubilden. Die Bimetallproben von Vergleichsbei spielen (Nr. 8 bis 12) wurden auch in der gleichen Art und Weise, wie es das obige Verfahren angibt, hergestellt. Die Gesamtdicke der demgemäß ausgebildeten Bimetallproben war 1,60 mm, und die Dicke der Kupfer-Blei-Lagerlegierungsschicht war 0,35 mm. Die Härte und Bruch- bzw. Dehnfestigkeit der Lagerlegierungsschichten auf bzw. in jedem Bimetall sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Als nächstes wurden diese Bimetallproben in Stücke geschnitten, die eine Breite von 25 mm und eine Länge von 50 mm hatten, die Le gierungsschichtoberflächen wurden poliert, und die Kupferplattie rung bzw. -beschichtung auf der Rückseite der Stücke wurde ent fernt, um dadurch Testproben für den Korrosionstest auszubilden.

Der Korrosionstest wurde unter Verwendung dieser Testproben durch geführt. Der Korrosionstest wurde in zwei Arten von Schmiermitteln durchgeführt, nämlich einem Schmiermittel mit einem niedrigen Schwefelgehalt und einem Schmiermittel mit einem hohen Schwefelge halt. Das Schmiermittel mit dem hohen Schwefelgehalt wurde zum Testen der Ausführungsformen 3 und 6 sowie der Vergleichsbeispiele 8 und 9 verwendet. In dem Fall des Schmiermittels mit niedrigem Schwefelgehalt wurde ein Schmiermittel in einem Taxi bis zu einer Fahrstrecke von 10 000 km verwendet, und der Schwefelgehalt dieses Schmiermittels war 0,38%. Dieses Schmiermittel mit einem niedrigen Schwefelgehalt wurde verschlechtert, abgebaut und/oder zersetzt (oxidiert), so daß es dazu neigt, die Säurekorrosion der Legierung zu fördern. Als das Schmiermittel mit einem hohen Schwefelgehalt wurde ein Schmiermittel gewählt, das einen Schwefelgehalt von 3,29% hatte.

Jede Testprobe wurde in das Schmiermittel mit dem niedrigen Schwefelgehalt oder das Schmiermittel mit dem hohen Schwefelge halt eingetaucht, um den Betrag der Korrosion nach dem Eintauchen in dem Schmiermittel während 1000 Stunden bei 130°C zu prüfen. Als Betrag der Korrosion wurde der Wert genommen, der durch Teilen der Differenz des Gewichts der Testproben vor und nach dem Test durch den Oberflächenbereich erhalten wurde. Die Ergebnisse sind in Ta belle 2 angegeben.

Tabelle 2

Die in der Tabelle 2 aufgelisteten Testergebnisse lassen erkennen, daß alle Ausführungsformen gemäß der Erfindung eine wesentlich bessere Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit als die Vergleichsbeispiele bezüglich des verschlechterten bzw. zersetzten Schmiermittel mit dem niedrigen Schwefelgehalt hatten, was die Wirkung der Hinzufügung von Nickel um mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-% zeigt.

Die Testergebnisse in dem Schmiermittel mit dem hohen Schwefelge halt zeigen, daß die Beträge der Korrosion in den Ausführungsfor men 3 und 6 der Erfindung sehr klein sind, nämlich 6 und 8 mg/cm² betragen, wohingegen die Beträge der Korrosion in den Vergleichs beispielen 8 und 9 sehr hoch sind, nämlich 59 und 29 mg/cm² betra gen, was die äußerst vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Erfin dung deutlich zeigt.

Aus jeder Testprobe gemäß den Ausführungsformen 4 und 5 der Erfin dung und gemäß den Vergleichsbeispielen 9 und 10 wurden halbkreis förmige bzw. im Querschnitt halbkreisförmige, lagerförmige Teile durch Pressen und Bearbeiten hergestellt. Auf die Teile wurden dann Auflagen bzw. Überzüge aufgebracht, deren Zusammensetzung aus 9 Gew.-% In, 9 Gew.-% Sn, 1 Gew.-% Cu und dem Rest aus Pb bestand, wobei die jeweilige Auflage bzw. der jeweilige Überzug eine Dicke von 20 µm hatte und durch Elektroplattieren bzw. Elektrogalva nisieren ausgebildet worden war, und diese Teile wurden als Testlager für den Dauerfestigkeits- bzw. Ermüdungswiderstands fähigkeitstest benutzt. Die Testbedingungen des Dauerfestigkeits bzw. Ermüdungswiderstandsfähigkeitstests sind in Tabelle 3 angegeben, und die Testergebnisse sind in Tabelle 4 wiedergegeben.

Tabelle 3

Tabelle 4

Die Testergebnisse zeigen, daß die Dauerfestigkeiten bzw. Ermü dungswiderstandsfähigkeiten der Ausführungsformen 4 und 5 gemäß der Erfindung ein wenig höher als die Dauerfestigkeiten bzw. Er müdungswiderstandsfähigkeiten der Vergleichsbeispiele 9 und 10 sind, und daß in den Testlagern der vorliegenden Erfindung die Dauerfestigkeit bzw. die Ermüdungswiderstandsfähigkeit der Lager nicht beeinträchtigt wurde.

Die obigen Testergebenisse zeigen weiter, daß die Kupfer-Blei-La gerlegierungen der Ausführungsformen 1 bis 7 der Erfindung, zu denen Ni hinzugefügt ist, ausgezeichnete Ergebnisse erbringen, was die Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit sowohl gegenüber Schmiermitteln mit einem hohen Schwefelgehalt als auch gegenüber korrosiven, verschlechterten, abgebauten und/oder zer setzten Schmiermitteln mit einem niedrigen Schwefelgehalt anbe trifft, und zwar ohne daß die Dauerfestigkeit bzw. die Ermüdungs widerstandsfähigkeit, verglichen mit konventionellen Kupfer-Blei- Lagerlegierungen, verschlechtert wird.

Mit der Erfindung wird ein Kupfer-Blei-Legierungs-Lager zur Ver fügung gestellt, das eine hohe Korrosionswiderstandsfähigkeit bzw. -beständigkeit hat, insbesondere eine hohe Korrosionswider standsfähigkeit bzw. -beständigkeit gegen Schwefel, und dieses er findungsgemäße Kupfer-Blei-Legierungs-Lager umfaßt ein Stütz- bzw. Unterlagemetall und eine daran gebundene, auf Kupfer-Blei basie rende Lagerlegierung bzw. eine daran gebundene Kupfer-Blei-Basis- Lagerlegierung. Die auf Kupfer-Blei basierende Lagerlegierung bzw. die Kupfer-Blei-Basis-Lagerlegierung besteht aus mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-% Ni, 0,5 bis 8 Gew.-% Sn, 8 bis 30 Gew.-% Pb, nicht weniger als 0,005 Gew.-%, aber nicht mehr als 0,2 Gew.-% P, und der Rest sind Cu und beiläufige, damit verbundene, übliche und/oder erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Claims

1. Korrosionsbeständiges Kupfer-Blei-Legierungs-Mehrschichtla ger, umfassend ein Stütz- oder Unterlagemetall und eine Kupfer- Blei-Basis-Lagerlegierungsschicht, die daran gebunden ist, wobei die Kupfer-Blei-Basis-Lagerlegierungsschicht aus mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-% Ni, 0,5 bis 8 Gew.-% Sn, 8 bis 30 Gew.-% Pb, nicht weniger als 0,005 Gew.-%, aber nicht mehr als 0,2 Gew.-% P und dem Rest aus Cu und beiläufigen, damit verbundenen, üblichen und/oder erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.

2. Kupfer-Blei-Legierungs-Lager nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ni-Gehalt der Kupfer-Blei- Basis-Legierungsschicht 10,5 bis 18 Gew.-% ist.

3. Kupfer-Blei-Legierungs-Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stütz- oder Unterlagemetall ein Stahl oder ein eine Plattierungs- oder Galvanisierungsschicht aus Kupfer oder eine Kupferlegierungsschicht mit einer Dicke von 10 µm oder weniger auf der Seite der Kupfer-Blei-Basis-Lagerlegie rungsschicht aufweisender Stahl ist.

4. Korrosionsbeständiges Kupfer-Blei-Legierungs-Mehrschichtla ger, umfassend ein Stütz- oder Unterlagemetall, eine Kupfer-Blei- Basis-Lagerlegierungsschicht, die daran gebunden ist, und eine Auflage oder einen Überzug, wobei die Kupfer-Blei-Basis-Lager-Le gierung aus mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-% Ni, 0,5 bis 8 Gew.-% Sn, 8 bis 30 Gew.-% Pb, nicht weniger als 0,005 Gew.-%, aber nicht mehr als 0,2 Gew.-% P, und der Rest aus Cu und beiläufigen, damit verbundenen, üblichen und/oder erschmelzungsbe dingten Verunreinigungen besteht.

5. Kupfer-Blei-Legierungs-Lager nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ni-Gehalt der Kupfer-Blei- Basis-Legierungsschicht 10,5 bis 18 Gew.-% beträgt.

6. Kupfer-Blei-Legierungs-Lager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stütz- oder Unterlagemetall ein Stahl ist, oder ein Stahl, der eine Plattierungs- oder Galva nisierungsschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung von einer Dicke von 10 mm oder weniger auf der Seite der Kupfer-Blei-Basis- Lagerlegierungsschicht hat.

7. Kupfer-Blei-Legierungs-Lager nach Anspruch 4, 5 oder 6, da durch gekennzeichnet, daß die Auflage oder der Überzug, die bzw. der auf der Kupfer-Blei-Basis-Lagerlegierungs schicht ausgebildet ist, aus folgendem besteht: wenigstens ein Be standteil, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus 3 bis 18 Gew.-% Sn, nicht mehr als 15 Gew.-% In, nicht mehr als 5 Gew.-% Cu besteht, wobei der Rest Pb und beiläufige, damit verbundene, übliche und/oder erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind.