DE602004011631T2

DE602004011631T2 - Verschleissfeste legierung auf kupferbasis

Info

Publication number: DE602004011631T2
Application number: DE602004011631T
Authority: DE
Inventors: Minoru Toyota-shi Kawasaki; Tadashi Aichi-gun OSHIMA; Takao Aichi-gun KOBAYASHI; Kazuyuki Aichi-gun NAKANISHI; Hideo Aichi-gun TACHIKAWA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2024-12-11
Also published as: US7507305B2; JP4472979B2; EP1694876B1; JP2005179715A; US20070125458A1; WO2005059190A1; CN100519794C; CN1894429A; DE602004011631D1; EP1694876A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis. Die vorliegende Erfindung kann z. B. für Materialien für Gleitelemente eingesetzt werden.
Herkömmlich sind als verschleißfeste Legierungen auf Kupferbasis Kupferlegierungen, zu denen Beryllium zugesetzt ist, als Corson-Legierungen bekannte Kupfer-Nickel-Silicium-Legierungen sowie dispersionsverstärkte Legierungen bekannt, in denen harte Oxidteilchen wie etwa SiO₂-, Cr₂O₃- und BeO-Teilchen in einer Matrix auf Kupferbasis dispergiert sind. Diese Legierungen weisen allerdings ein Problem hinsichtlich der Haftung auf und haben nicht immer eine ausreichende Verschleißfestigkeit.
In diesem Zusammenhang haben die Anmelder eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis entwickelt, welche Zink und/oder Zinn enthält, die leichter oxidiert werden als Kupfer. Diese Legierung auf Kupferbasis weist eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Anhaften auf, da Zink- und/oder Zinnoxide erzeugt werden, und hat dementsprechend eine verbesserte Verschleißfestigkeit. Da allerdings Zink und Zinn deutlich niedrigere Schmelzpunkte als Kupfer aufweisen, ist diese Legierung nicht immer zufriedenstellend. Insbesondere wenn eine Plattierungs- bzw. Verkleidungsschicht aus der vorstehend erwähnten Legierung auf Kupferbasis ausgebildet wird, indem solch eine hochdichte Wärmeenergiequelle wie etwa ein Laserstrahl eingesetzt wird, verdampfen Zink und/oder Zinn leicht aufgrund des Plattierungsvorgangs, und es ist nicht einfach, die Zielkonzentrationen der Legierungselemente beizubehalten. In diesem Zusammenhang haben die Anmelder der vorliegenden Erfindung kürzlich verschleißfeste Legierungen auf Kupferbasis mit einer Zusammensetzung entwickelt, welche 10,0 bis 30,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,0 bis 15,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 10,0 Gew.-% Chrom, 2,0 bis 15,0 Gew.-% Cobalt und 2,0 bis 15,0 Gew.-% von einem oder mehreren von Molybdän, Wolfram, Niob und Vanadium umfassst (Patentdokument Nr. 1: ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. H08-225,868 und Patentdokument Nr. 2: geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. H07-17,978 ). Diese Legierungen umfassen hauptsächlich harte Teilchen einschließlich eines Co-Mo-Silicids sowie eine Matrix auf Cu-Ni-Basis. Diese verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis gewährleisten ihre Verschleißfestigkeit vornehmlich durch die harten Teilchen einschließlich des Co-Mo-Silicids, während diese verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis ihre Rissfestigkeit vornehmlich durch die Matrix auf Cu-Ni-Basis gewährleisten. Diese Legierungen zeigen eine hohe Verschleißfestigkeit, selbst wenn sie unter scharfen Bedingungen eingesetzt werden. Da darüber hinaus weder Zink noch Zinn als ein positives Element eingesetzt werden, gibt es, selbst wenn diese Legierungen zum Plattieren eingesetzt werden, nur wenige durch Verdampfen der Legierungselemente hervorgerufene Unzulänglichkeiten und Dämpfe werden in geringerer Menge erzeugt. Infolgedessen sind dieses Legierungen insbesondere geeignet zur Ausbildung einer Plattierungsschicht unter Einsatz einer hochdichten Wärmeenergiequelle wie etwa eines Laserstrahls.
Wie vorstehend erwähnt zeigen die Legierungen gemäß Patentdokument Nr. 3 (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. H08-225,868 ) und gemäß Patentdokument Nr. 4 (geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. H07-17,978 ) eine hervorragende Verschleißfestigkeit, selbst wenn sie unter scharfen Bedingungen eingesetzt werden. Insbesondere in einer oxidierenden Atmosphäre oder an der Luft zeigen diese Legierungen eine hervorragende Verschleißfestigkeit, da ein Oxid erzeugt wird, welches eine vorteilhafte feste Schmierung ergibt.
Obwohl es die Wirkung der Verbesserung der Verschleißfestigkeit hat, ist das vorstehende Co-Mo-Silicid so hart und brüchig, dass, wenn die Zusammensetzung dieser Legierungen eingeregelt wird, um den Flächenanteil der harten Teilchen zu vergrößern, sich die Rissfestigkeit der verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis verschlechtert. Insbesondere wenn diese verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis zum Plattieren eingesetzt werden, reißt die Plattierungsschicht manchmal und das Ausmaß der Plattierung verschlechtert sich. Im Gegensatz dazu verschlechtert sich die Verschleißfestigkeit der verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis, wenn die Zusammensetzung dieser Legierungen so eingeregelt wird, dass der Flächenanteil der harten Teilchen in den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis verringert wird.
In den letzten Jahren sind die vorstehenden verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt worden, und ihre Betriebsbedingungen werden schärfer. Daher sind verschleißfeste Legierungen auf Kupferbasis angefordert worden, welche in verschiedenen Umgebungen eine hervorragende Verschleißfestigkeit zeigen können. In der Industrie gibt es eine Nachfrage nach einer Legierung, welche eine gute Verschleißfestigkeit, Rissfestigkeit und Verarbeitbarkeit in ausgeglichener Weise aufweist, verglichen mit jenen der Legierungen gemäß der vorstehenden Veröffentlichungen.

[Patentdokument Nr. 1] ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. H08-225,868
[Patentdokument Nr. 2] geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. H07-17,978
[Patentdokument Nr. 3] ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. H08-225,868
[Patentdokument Nr. 4] geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. H07-17,978

EP-A-0727501 offenbart eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis einschließlich 10,0 bis 30,0 Gew.-% Ni, 2,0 bis 15,0 Gew.-% Fe, 2,0 bis 15,0 Gew.-% Co, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Si, 1,0 bis 10,0 Gew.-% Cr, 2,0 bis 15,0 Gew.-% wenigstens eines ersten optionalen Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mo, Ti, Zr, Nb und V, wenigstens ein zweites optionales Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C und O sowie im Ausgleich Cu und unvermeidbare Verunreinigungen. Die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis ermöglicht eine Verbesserung der Festigkeit einer Schweißperle und ein wirksames Verhindern des Brechens der Schweißperle beim Verfestigungsschritt eines Aufbauvorgangs.
EP-A-1361288 offenbart eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis, welche nicht nur die Verschleißfestigkeit im Bereich hoher Temperatur verbessern kann, sondern zudem die Rissfestigkeit und die Verarbeitbarkeit verbessern kann und welche insbesondere zur Ausbildung einer Schweißperlenschicht geeignet ist. Die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis besteht aus 5,0 bis 20,0 Gew.-%, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 3,0 bis 20,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,001 bis 2,00 Gew.-% Cobalt und 3,0 bis 20,0 Gew.-% eines oder mehrerer von Molybdän, Wolfram und Vanadium, wobei Kupfer mit unvermeidbaren Verunreinigungen den Ausgleich bildet. Sie enthält bevorzugt 0,001 bis 5,0 Gew.-% Niobcarbid.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Umstände gemacht worden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis bereitzustellen, welche nicht nur hinsichtlich der Verbesserung der Verschleißfestigkeit im Bereich hoher Temperatur, sondern zudem hinsichtlich der Verbesserung der Rissfestigkeit und der Verarbeitbarkeit vorteilhaft ist, welche insbesondere zur Ausbildung einer Plattierungsschicht geeignet ist und welche eine gute Verschleißfestigkeit, Rissfestigkeit und Verarbeitbarkeit in ausgeglichener Weise aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmalskombination gelöst, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ernsthafte Studien hinsichtlich der vorstehend erwähnten Aufgabe durchgeführt und haben ihre Aufmerksamkeit auf die Tatsache fokussiert, dass Co-Mo-Silicid, welches eine Hauptkomponente harter Teilchen ist, hart und brüchig ist (im Allgemeinen etwa Hv 1200) und leicht den Ausgangspunkt von Rissen bildet. Dann haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass das harte und brüchige Co-Mo-Silicid verringert oder weggelassen und der Anteil eines Fe-Mo-Silicids, welches eine geringere Härte und eine geringfügig größere Zähigkeit als das Co-Mo-Silicid aufweist, vergrößert werden kann, indem der Cobaltgehalt verringert und anstelle dessen der Molybdängehalt vergrößert wird. Im Ergebnis haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung kürzlich eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis entwickelt, welche nicht nur die Verschleißfestigkeit im Bereich hoher Temperatur verbessern kann, sondern zudem die Rissfestigkeit und die Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise verbessert. Daneben haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass der Einschluss von Niobcarbid in diese Legierung zu einer Veredelung der harten Teilchen beiträgt und nicht nur zu einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit im Bereich hoher Temperatur, sondern zudem zu der Verbesserung der Rissfestigkeit und der Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise beiträgt, und haben kürzlich eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis entwickelt, welche Niobcarbid enthält.
Die vorliegende Erfindung ist als ein Teil der vorstehenden Forschung und Entwicklung gemacht worden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, dass hartes und brüchiges Co-Mo-Silicid verringert oder weggelassen und der Anteil eines Silicids, welches eine geringere Härte und eine geringfügig größere Zähigkeit als jene des Co-Mo-Silicids aufweist, vergrößert werden kann, indem der Cobaltgehalt abgesenkt und eines oder mehrere von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium anstelle von Molybdän eingefügt werden, und dass dadurch eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis bereitgestellt werden kann, welche nicht nur die Verschleißfestigkeit im Bereich hoher Temperatur verbessern kann, sondern zudem die Rissfestigkeit und die Verarbeitbarkeit auf eine besser ausgeglichene Weise verbessern kann.
Auf der Grundlage dieser Befunde haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung entwickelt, welche nicht nur die Verschleißfestigkeit im Bereich hoher Temperatur verbessern kann, sondern zudem die Rissfestigkeit und die Verarbeitbarkeit auf eine ausgeglichene Weise verbessern kann, indem der Cobaltgehalt und der Nickelgehalt verringert wird und indem eines oder mehrere von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium in die vorstehend erwähnte Legierungszusammensetzung gemäß der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. H08-225,868 und der geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. H07-17,978 eingebaut werden.
Als ein Hauptgrund, warum die vorstehend erwähnten Wirkungen erzielt werden können, wird angenommen, dass Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium eine Laves-Phase und eine harte Carbidphase in harten Teilchen ausbilden können und dementsprechend den Anteil des Silicids in den harten Teilchen vergrößern können, welches eine geringere Härte und ein geringfügig größere Zähigkeit als jene des Co-Mo-Silicids aufweist.
Das heißt, die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst charakteristischer Weise 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 1,97 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% von einem oder mehreren von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium sowie als Ausgleich Kupfer mit unvermeidbaren Verunreinigungen.
Es ist anzumerken, dass in dieser Beschreibung Gew.-% bedeutet, solange es nicht anderweitig angegeben ist.
Die verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis gemäß der Erfindung sind nicht nur hinsichtlich einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit im Bereich hoher Temperatur, sondern zudem hinsichtlich der Verbesserung von Rissfestigkeit und Verarbeitbarkeit vorteilhaft und können dementsprechend die Anforderungen an Verschleißfestigkeit, Rissfestigkeit und Verarbeitbarkeit in ausgeglichener Weise erfüllen. Insbesondere können diese Legierungen die Rissfestigkeit verbessern, wie es durch die Daten in den folgenden Beispielen der vorliegenden Erfindung demonstriert wird.
Wenn sie zum Plattieren eingesetzt werden, können diese verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis nicht nur die Anforderungen hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Rissfestigkeit und Verarbeitbarkeit, sondern zudem hinsichtlich Funktionsfähigkeit in ausgeglichener Weise erfüllen.
[1] Diese ist eine perspektivische Ansicht, welche schematisch zeigt, dass eine Plattierungsschicht erzeugt wird, indem ein Laserstrahl auf eine Probenschicht eingestrahlt wird, welche aus einer verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis besteht.
[2] Diese ist eine Konfigurationsansicht, welche schematisch zeigt, dass ein Verschleißfestigkeitstest auf einem Teststück mit einer Plattierungsschicht durchgeführt wird.
[6] Diese ist eine diagrammatische Ansicht, welche schematisch ein Verfahren zur Ausbildung von Ventilsitzen aus einer verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis auf Öffnungen eines Verbrennungsmotors durch Plattieren gemäß einem Anwendungsbeispiel zeigt.
[7] Diese ist eine perspektivische Ansicht der relevanten Teile, welche das Verfahren zur Ausbildung der Ventilsitze aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis auf den Öffnungen des Verbrennungsmotors gemäß dem Anwendungsbeispiel zeigen.
Die verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis gemäß der Erfindung können im Allgemeinen eine Struktur aufweisen, bei der harte Teilchen mit einer harten Phase in einer Matrix dispergiert sind. Eine typische Matrix der verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis kann hauptsächlich eine feste Lösung auf Cu-Ni-Basis und ein Silicid aufweisen, welches Nickel als eine Hauptkomponente einschließt.
Die harten Teilchen weisen eine größere durchschnittliche Härte als jene der Matrix auf. Im Allgemeinen können die harten Teilchen Silicid einschließen. Zusätzlich zu den harten Teilchen kann die Matrix Silicid einschließen.
Hierbei können die harten Teilchen Silicid einschließen, welches hauptsächlich eines oder mehrere von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium umfasst. Darüber hinaus können die harten Teilchen Silicid einschließen, welches hauptsächlich eines oder mehrere von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium umfasst.
Bei der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis der vorliegenden Erfindung kann die Matrix, in welcher die harten Teilchen dispergiert sind, im Allgemeinen eine durchschnittliche Mikro-Vickers-Härte von etwa Hv 130 bis 250 und insbesondere Hv 150 bis 200 aufweisen. Die harten Teilchen können eine durchschnittliche Härte von etwa Hv 250 bis 700 und insbesondere Hv 300 bis 500 aufweisen, welche größer als jene der Matrix ist. Der Volumenanteil der harten Teilchen kann zweckmäßig ausgewählt sein und kann z. B. etwa 5 bis 70 Vol.-%, 10 bis 60 Vol.-% oder 12 bis 55 Vol.-% ausmachen, wenn das Volumen der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis als 100% genommen wird. Der Teilchendurchmesser der harten Teilchen hängt von der Zusammensetzung der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis, der Verfestigungsgeschwindigkeit der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis usw. ab. Im Allgemeinen kann der Teilchendurchmesser 5 bis 3000 μm, 10 bis 2000 μm oder 40 bis 600 μm betragen und kann spezieller 50 bis 500 μm oder 50 bis 200 μm betragen, ist aber nicht diese Bereiche beschränkt.
Es wird erläutert, warum die Zusammensetzung der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelt worden ist.
Nickel: 4,7 bis 22,0%, insbesondere 5,0 bis 20,0% Ein Teil des Nickels löst sich in festem Kupfer, was die Zähigkeit der Matrix auf Kupferbasis vergrößert. Ein anderer Teil des Nickels bildet ein hartes Silicid, welches hauptsächlich Nickel umfasst und die Verschleißfestigkeit aufgrund der Verstärkung durch die Siliciddispersion vergrößert. Es wird zudem erwartet, dass Nickel zusammen mit Cobalt, Eisen, etc. eine harte Phase der harten Teilchen bildet. Unterhalb der unteren Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts zeigen sich die Eigenschaften von Legierungen auf Kupfer-Nickel-Basis, insbesondere vorteilhafte Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit, kaum, und die harten Teilchen nehmen ab und die vorstehend erwähnten Wirkungen können nicht in ausreichender Weise erzielt werden. Darüber hinaus nehmen die Mengen an zuzusetzendem Cobalt und/oder Eisen ab. Oberhalb der oberen Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts liegen übermäßig viele harte Teilchen vor, was zu einer Verringerung der Zähigkeit, leichter Rissbildung, wenn die resultierende Legierung zu einer Plattierungsschicht ausgebildet wird, und einer schlechten Plattierungsfunktion führt, wenn die resultierende Legierung auf eine Zielobjekt aufgetragen wird. Unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Umstände ist der Nickelgehalt im Bereich von 4,7 bis 22,0% und insbesondere 5,0 bis 20,0% eingestellt. Zum Beispiel kann der Nickelgehalt 5,3 bis 18% und speziell 5,5 bis 17,0% betragen. In Übereinstimmung mit dem Grad der Wichtigkeit der verschiedenen Eigenschaften, welche für die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung erwünscht sind, können Beispiele für die untere Grenze des vorstehend erwähnten Bereichs des Nickelgehalts 5,2%, 5,5%, 6,0%, 6,5% und 7,0% sein, und Beispiele für die oberen Grenzen, welche diesen unteren Grenzen entsprechen, können 19,5%, 19,0%, 18,5% und 18,0% sein, aber der Nickelgehalt ist nicht innerhalb dieser Grenzen beschränkt.
Silicium: 0,5 bis 5,0%
Silicium ist ein Element, welches ein Silicid ausbildet. Silicium bildet Silicid aus, welches hauptsächlich Nickel umfasst, oder Silicid, welches hauptsächlich Tantal, Titan, Zirkonium und/oder Hafnium umfasst, und trägt zu der Verstärkung der Matrix auf Kupferbasis bei.
Unterhalb der unteren Grenze des vorstehend erwähnten Siliciumgehalts können die vorstehend erwähnten Wirkungen nicht in ausreichender Weise erzielt werden. Oberhalb der oberen Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts verschlechtert sich die Zähigkeit der resultierenden verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis, eine Rissbildung tritt leichter auf, wenn die Legierung zu einer Plattierungsschicht ausgebildet wird, und die Plattierungsfunktion auf einem Zielobjekt verschlechtert sich. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Umstände ist der Siliciumgehalt im Bereich von 0,5 bis 5,0% eingestellt. Zum Beispiel kann der Siliciumgehalt 1,0 bis 4,0% und insbesondere 1,5 bis 3,0% betragen. In Übereinstimmung mit dem Grad der Wichtigkeit der verschiedenen Eigenschaften, welche für die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung erwünscht sind, können Beispiele für die untere Grenze des vorstehend erwähnten Bereichs des Siliciumgehalts 0,55%, 0,6%, 0,65% und 0,7% sein, und Beispiele für die oberen Grenzen, welche diesen unteren Grenzen entsprechen, können 4,5%, 4,0%, 3,8% und 3,0% sein, aber der Siliciumgehalt ist nicht innerhalb dieser Grenzen beschränkt.
Cobalt: 0,01 bis 1,97%
Cobalt löst sich kaum in festem Kupfer und bildet zusammen mit Tantal, Titan, Zirkonium und/oder Hafnium ein Silicid und dient dazu, das Silicid zu stabilisieren. Cobalt in einer Menge von bis zu 1,97% bildet eine feste Lösung mit Nickel, Eisen, Chrom oder dergleichen und zeigt die Tendenz zur Verbesserung der Zähigkeit. Cobalt vergrößert zudem die Tendenz, dass im geschmolzenen Zustand eine Flüssigphasentrennung erfolgt. Es wird angenommen, dass hauptsächlich eine flüssige Phase, welche von einem flüssigen Phasenanteil, welcher zur Matrix wird, abgetrennt worden ist, die harten Teilchen bildet. Unterhalb der unteren Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts gibt es eine große Möglichkeit, dass die vorstehend erwähnten Wirkungen nicht in ausreichender Weise erzielt werden können. Wenn der Cobaltgehalt 0% beträgt, ist die Rissempfindlichkeit groß.
Oberhalb der oberen Grenze des vorstehend erwähnten Cobaltgehalts nimmt die Grobheit der harten Phase scharf zu, was zu einer Vergrößerung der Aggressivität gegenüber einem Gegenelement, einer schlechten Zähigkeit der resultierenden verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis und einer leichten Rissbildung führt, wenn die resultierende Legierung auf ein Zielobjekt plattiert wird. Unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Umstände ist der Cobaltgehalt im Bereich von 0,01 bis 1,97%, bevorzugt 0,01 bis 1,94%, mehr bevorzugt 0,20 bis 1,90% und insbesondere 0,40 bis 1,85% eingestellt. In Übereinstimmung mit dem Grad der Wichtigkeit der verschiedenen Eigenschaften, welche für die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung erwünscht sind, können Beispiele für die obere Grenze des vorstehend erwähnten Bereichs des Cobaltgehalts 1,90%, 1,80%, 1,60% und 1,50% sein, und Beispiele für die unteren Grenzen, welche diesen oberen Grenzen entsprechen, können 0,02%, 0,03% und 0,05% sein, aber der Cobaltgehalt ist nicht innerhalb dieser Grenzen beschränkt.
Eisen: 2,7 bis 22,0%, insbesondere 3,0 bis 20,0%
Eisen wirkt ähnlich zu Cobalt und kann teures Cobalt ersetzen. Eisen löst sich kaum in einer Matrix auf Kupferbasis und neigt dazu, hauptsächlich in den harten Teilchen als Silicid vorzuliegen, welches wenigstens eines von Eisen, Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium einschließt. Der Eisengehalt ist im Bereich von 2,7 bis 22,0% und insbesondere 3,0 bis 20,0% eingestellt, um eine große Menge des vorstehend erwähnten Silicids zu erzeugen. Unterhalb der unteren Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts werden die harten Teilchen weniger, die Verschleißfestigkeit verschlechtert sich und die vorstehend erwähnten Wirkungen können nicht in ausreichender Weise erzielt werden. Oberhalb der oberen Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts nimmt die Grobheit der harten Phase in den harten Teilchen scharf zu, was zu einer schlechten Rissfestigkeit der resultierenden verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis und zu einer Zunahme der Aggressivität gegenüber einem Gegenelement führt. Unter Berücksichtung der vorstehend erwähnten Umstände ist der Eisenghalt im Bereich von 2,7 bis 22,0% und insbesondere 3,0 bis 20,0% eingestellt, wie es vorstehend erwähnt wurde. Zum Beispiel kann der Eisengehalt 3,1 bis 19,0% und insbesondere 3,5 bis 18,0% betragen. In Überstimmung mit dem Grad der Wichtigkeit der verschiedenen Eigenschaften, welche für die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung erwünscht sind, können Beispiele für die obere Grenze des vorstehend erwähnten Bereichs des Eisengehalts 21,0%, 19,0%, 18,0% und 16,0% sein, und Beispiele für die unteren Grenzen des Eisengehalts, welche diesen oberen Grenzen entsprechen, können 3,0% und 3,3% sein, aber der Eisengehalt ist nicht innerhalb dieser Grenzen beschränkt.
Chrom: 1,0 bis 15,0%
Grundsätzlich erfüllt Chrom ähnliche Funktionen wie jene des Eisens und des Cobalts. Chrom löst sich kaum in einer festen Matrix auf Kupferbasis und bildet zusammen mit einem Teil des Nickels und/oder einem Teil des Cobalts eine Legierung, so dass die Oxidationsbeständigkeit verbessert wird. Darüber hinaus liegt Chrom in einer harten Phase vor und vergrößert die Tendenz, dass im geschmolzenen Zustand eine Flüssigphasentrennung erfolgt. Unterhalb der unteren Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts können die vorstehend erwähnten Wirkungen nicht in ausreichender Weise erzielt werden. Oberhalb der oberen Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts nimmt die Grobheit der harten Phase scharf zu, was zu einer Vergrößerung der Aggressivität gegenüber einem Gegenelement führt. Unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Umstände ist der Chromgehalt im Bereich von 1,0 bis 15,0% eingestellt. Zum Beispiel kann der Chromgehalt 1,0 bis 10,0% und insbesondere 1,1 bis 8,0% betragen. In Übereinstimmung mit dem Grad der Wichtigkeit der verschiedenen Eigenschaften, welche für die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung erwünscht sind, können Beispiele für die untere Grenze des vorstehend erwähnten Bereichs des Chromgehalts 1,1% und 1,2% sein, und Beispiele für die oberen Grenzen, welche diesen unteren Grenzen entsprechend, können 7,0%, 6,0%, 4,0 und 3,0% sein, aber der Chromgehalt ist nicht innerhalb dieser Grenzen beschränkt.
Eines oder mehrere von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium: 2,7 bis 22,0% und insbesondere 3,0 bis 20,0% Tantal, Titan, Zirkonium und/oder Hafnium vereinigen sich mit Silicium, so dass in den harten Teilchen ein Silicid (im Allgemeinen ein zähes Silicid) erzeugt wird, und verbessern die Verschleißfestigkeit und die Schmierung bei hohen Temperaturen. Dieses Silicid weist eine geringere Härte und eine größere Zähigkeit als jene des Co-Mo-Silicids auf. Dementsprechend verbessert dieses Silicid, welches in den harten Teilchen erzeugt ist, die Verschleißfestigkeit und die Schmierung bei hohen Temperaturen. Es wird angenommen, dass Tantal, Titan, Zirkonium und/oder Hafnium in den harten Teilchen sowohl eine Laves-Phase als auch ein Carbid ausbilden können. Das vorstehende Silicid, welches hauptsächlich Tantal, Titan, Zirkonium und/oder Hafnium umfasst, erzeugt leicht ein Oxid mit hervorragender fester Schmierung selbst in einem vergleichweise tiefen Temperaturbereich von etwa 500 bis 700°C und selbst bei einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck. Bei der Verwendung bedeckt dieses Oxid eine Oberfläche der Matrix auf Kupferbasis und vermeidet in vorteilhafter Weise einen direkten Kontakt zwischen einem Gegenelement und der Matrix. Dies gewährleistet die Selbstschmierung.
Wenn das eine oder die mehreren von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium unterhalb der unteren Grenze des vorstehend erwähnten Gehalts enthalten ist bzw. sind, verschlechtert sich die Verschleißfestigkeit und die verbessernden Wirkungen können sich nicht in ausreichender Weise zeigen. Oberhalb der oberen Grenze liegen zu viele harte Teilchen vor, was zu einer schlechten Zähigkeit, einer Verschlechterung der Rissfestigkeit und einer leichten Rissbildung führt. Unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Umstände ist der Gehalt im Bereich von 2,7 bis 22,0% und insbesondere 3,0 bis 20,0% eingestellt. Zum Beispiel kann der Gehalt 3,0 bis 19,0% und insbesondere 3,0 bis 18,0% betragen. In Übereinstimmung mit dem Grad der Wichtigkeit der verschiedenen Eigenschaften, welche für die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung erwünscht sind, können Beispiele für die untere Grenze des vorstehend erwähnten Bereichs des Gehalts des einen oder mehreren von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium 3,2% und 4,0% sein, und Beispiele für die oberen Grenzen, welche diesen unteren Grenzen entsprechen, können 18,0%, 17,0% und 16,0% sein, aber der Gehalt ist nicht innerhalb dieser Grenzen beschränkt.
Es ist möglich, eines oder mehrere von Molybdän, Wolfram und Vanadium zusammen mit dem einen oder mehreren von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium einzubauen. In diesem Fall können im Wesentlichen gleiche Wirkungen erzielt werden.
Hierbei kann der Gesamtgehalt des einen oder mehreren von Molybdän, Wolfram und Vanadium und des einen oder mehreren von Tantal, Titan, Zirkonium und Hafnium 2,7 bis 22,0% betragen.
Die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung kann in wenigstens einer der folgenden Ausführungen eingesetzt werden, um die vorliegende Erfindung auszuführen.
Die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. als eine Legierung eingesetzt werden, um ein Zielobjekt zu plattieren. Ein Beispiel für Plattierungsverfahren besteht darin, die Legierung zu einer Plattierungsschicht zu schmelzen, indem solch eine hochdichte Wärmeenergiequelle wie etwa ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl und ein Lichtbogen eingesetzt wird. Zum Plattieren kann die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung als Plattierungsmaterial als Pulver oder als ein grober Körper ausgebildet werden, und während es bzw. er auf einem zu plattierenden Abschnitt abgeschieden wird, kann das Pulver oder der grobe Körper durch Einsatz einer Wärmequelle, typischerweise die vorstehend erwähnte hochdichte Wärmeenergiequelle wie etwa ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl und ein Lichtbogen, zu einer Plattierungsschicht geschmolzen werden. Die vorstehend erwähnte verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis kann als Plattierungsmaterial nicht nur in der Form eines Pulvers oder eines groben Körpers, sondern zudem in der Form von Drähten oder Stangen hergestellt werden. Beispiele für den Laserstrahl können ein Kohlendioxidgas-Laserstrahl und ein YAG-Laserstrahl sein, welche eine hohe Energiedichte aufweisen. Beispiele für das Material des Zielobjekts, welches zu plattieren ist, können Aluminium, Legierungen auf Aluminiumbasis, Eisen, Legierungen auf Eisenbasis, Kupfer und Legierungen auf Kupferbasis sein. Ein Beispiel für die Grundzusammensetzung der Aluminiumlegierung, welche ein Zielobjekt bildet, ist eine Aluminiumlegierung zum Gießen, z. B. eine Legierung auf Al-Si-Basis, eine Legierung auf Al-Cu-Basis, eine Legierung auf Al-Mg-Basis und eine Legierung auf Al-Zn-Basis. Beispiele für das Zielobjekt schließen einen Motor wie etwa einen inneren Verbrennungsmotor und einen äußeren Verbrennungsmotor ein. Im Fall des inneren Verbrennungsmotors können z. B. Ventiltriebkomponenten das Zielobjekt sein. In diesem Fall kann die Legierung für Ventilsitze eingesetzt werden, welche Abgasöffnungen bilden, oder Ventilsitze, welche Einlassöffnungen bilden. In diesem Fall kann die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung den gesamten Teil der Ventilsitze ausmachen oder kann auf die Ventilsitze plattiert sein. Allerdings ist anzumerken, dass die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf Materialien für Ventiltriebkomponenten für solch einen Motor wie etwa einen inneren Verbrennungsmotor beschränkt ist und dass sie für Gleitmaterialien, Gleitelemente und Sinterelemente anderer Systeme eingesetzt werden kann, welche Verschleißfestigkeit erfordern.
Wenn sie zum Plattieren eingesetzt wird, kann die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Plattierungsvorgang eine Plattierungsschicht bilden oder kann eine Legierung zum Plattieren vor dem Plattierungsvorgang bilden.
Die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. für Gleitelemente oder Gleitabschnitte auf Kupferbasis eingesetzt werden und kann konkreter für Materialien für Ventiltriebkomponenten auf Kupferbasis eingesetzt werden, welche an einen inneren Verbrennungsmotor anzubringen sind. Die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung kann für die Zwecke des Plattierens, des Gießen und des Sinterns eingesetzt werden.
(Beispiel 1)
Hiernach wird das Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung konkret zusammen mit Bezugsbeispielen beschrieben. Die Zusammensetzung (analytische Zusammensetzung) der Proben der Serie A (*A meint, dass Tantal enthalten ist) der in Beispiel 1 eingesetzten verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis ist in Tabelle 1 angegeben. Die analytische Zusammensetzung ist im Wesentlichen konsistent mit der Zusammensetzung der Mischung. Die Zusammensetzung des Beispiels 1 weist einen Cobaltgehalt von nicht mehr als 2% auf, schließt Tantal ein und ist so eingestellt, dass sie 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 2,00 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Tantal und im Ausgleich Kupfer umfasst, wie es in Tabelle 1 gezeigt ist. Die Probe i, die Probe a, die Probe c, die Probe e, die Probe g und die Probe x, welche in Tabelle 1 angegeben sind, liegen außerhalb des Zusammensetzungsbereichs des Anspruchs 1 und geben Bezugsbeispiele an, da diese Proben Molybdän einschließen, sie aber nicht Tantal, Titan, Zirkonium oder Hafnium einschließen.
Die jeweiligen vorstehend erwähnten Proben sind Pulver, welche durch Gaszerstäubung von geschmolzenem Metall im Hochvakuum hergestellt werden. Die Pulver weisen eine Korngröße von etwa 5 μm bis 300 μm auf. Die Gaszerstäubung wurde durchgeführt, indem geschmolzenes Metall mit hoher Temperatur unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre (eine Argongasatmosphäre oder eine Stickstoffgasatmosphäre) von einer Düse versprüht wurde. Aufgrund der Herstellung durch Gaszerstäubung weisen die vorstehend erwähnten Pulver eine große Komponentengleichmäßigkeit auf.
Wie es in 1 gezeigt ist, wurde ein aus einer Aluminiumlegierung (Material: AC2C) gebildetes Substrat 50 als zu plattierendes Zielobjekt eingesetzt. Bei einer Probenschicht 53, welche gebildet wurde, indem jede der vorstehend erwähnten pulverförmigen Proben auf einen Abschnitt 51 des zu plattierenden Substrats 50 gegeben wurde, wurde ein Laserstrahl 55 eines Kohlendioxidgaslasers durch einen Strahloszillator 57 oszilliert und gleichzeitig wurden der Laserstrahl 55 und das Substrat 50 relativ zueinander bewegt, wodurch der Laserstrahl 55 auf die Probenschicht 53 eingestrahlt wurde. Somit wurde die Probenschicht 53 geschmolzen und dann verfestigt, so dass eine Plattierungsschicht 60 (Plattierungsdicke: 2,0 mm, Plattierungsbreite: 6,0 mm) auf dem zu plattierenden Abschnitt 51 des Substrats 50 ausgebildet wurde.
Dieser Plattierungsvorgang wurde durchgeführt, während ein abschirmendes Gas (Argongas) von einem Gas zuführenden Rohr 65 in einen zu plattierenden Bereich eingeblasen wurde. Bei der vorstehend erwähnten Bestrahlung wurde der Laserstrahl 55 in der Breitenrichtung (der Richtung des Pfeils W) der Probenschicht 53 durch den Strahloszillator 57 oszilliert. Bei der vorstehenden Bestrahlung wies der Kohlendioxidlaser eine Energie von 4,5 kW auf, der Punktdurchmesser des Laserstrahls 55 auf der Probenschicht 53 betrug 2,0 mm, die relative Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 55 und des Substrats 50 betrug 15,0 mm/s und die Strömungsgeschwindigkeit des abschirmenden Gases betrug 10 Liter/min. In gleicher Weise wurden Plattierungsschichten jeweils aus den anderen Proben ausgebildet.
Eine Untersuchung der aus den jeweiligen Proben ausgebildeten Plattierungsschichten zeigte, dass harte Teilchen mit einer harten Phase in den Matrices der Plattierungsschichten dispergiert waren. Der Volumenanteil der harten Teilchen in jeder der verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis fiel in den Bereich von etwa 5 bis 60%, wenn die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis als 100% genommen wurde. Die durchschnittliche Härte der Matrix, die durchschnittliche Härte der harten Teilchen und der Durchmesser der harten Teilchen lagen in den vorstehend erwähnten Bereichen.
Rissanteile während der Plattierungsvorgänge wurden auf den Plattierungsschichten untersucht, welche unter Verwendung der jeweiligen Proben ausgebildet wurden. Zudem wurde ein Abriebtest durchgeführt, um den Gewichtsverlust durch Abrieb der Plattierungsschichten zu messen, welche unter Verwendung der jeweiligen Proben ausgebildet waren. Wie es in 2 gezeigt ist, wurde der Abriebtest wie folgt durchgeführt: ein Teststück 100 mit einer Plattierungsschicht 101 wurde von einer ersten Halterung 102 gehalten. Andererseits wurde ein zylindrisches Gegenelement 106 mit einer um sein Äußeres gewickelten Induktionsspule 104 von einer zweiten Halterung 108 gehalten und durch Hochfrequenzinduktionsheizen durch die Induktionsspule 104 aufgeheizt, und gleichzeitig wurde das Gegenelement 106 gedreht und eine axiale Endoberfläche des Gegenelements 106 wurde gegen die Plattierungsschicht 101 des Teststücks 100 gedrückt. Hinsichtlich der Testbedingungen betrug die Last 2,0 MPa, die Gleitgeschwindigkeit betrug 0,3 m/s, die Testdauer betrug 1,2 ks und die Oberflächentemperatur des Teststücks 100 betrug 323 bis 523 K. Das verwendete Gegenelement 106 war ein JIS-SUH35-Äquivalent, dessen Oberfläche mit einer verschleißfesten Stellit-Legierung bedeckt war. Darüber hinaus wurde ein Schneidtest durchgeführt, um die Verarbeitbarkeit der Plattierungsschichten zu untersuchen, welche unter Verwendung der jeweiligen Proben ausgebildet waren. Der Schneidtest wurde durch die Anzahl an Zylinderköpfen mit den Plattierungsschichten darauf bewertet, welche mit einem einzigen Schneidwerkzeug geschnitten wurden.
Die Tabelle 1 gibt nicht nur die Zusammensetzung der jeweiligen Proben, sondern zudem die Rissanteile (%) der Plattierungsschichten während des Plattierungsvorgangs, den Gewichtsverlust (mg) durch Abrieb der Plattierungsschichten in dem Abriebtest sowie die Testergebnisse hinsichtlich der Verarbeitbarkeit der Plattierungsschichten (die Anzahl an geschnittenen Köpfen) in dem Schneidtest an. Hierbei bedeutet ein kleinerer Rissanteil eine bessere Rissfestigkeit. Ein kleinerer Gewichtsverlust durch Abrieb bedeutet eine bessere Verschleißfestigkeit. Eine größere Anzahl an geschnittenen Köpfen bedeutet eine bessere Verarbeitbarkeit.
Die Probe i, die Probe a, die Probe c, die Probe e, die Probe g und die Probe x der Bezugsbeispiele konnten die Verschleißfestigkeit im Bereich hoher Temperatur, die Rissfestigkeit und die Verarbeitbarkeit in einer ausgeglichenen Weise verbessern, da die Beschränkung des Cobaltgehalts auf nicht mehr als 2% hartes und brüchiges Co-Mo-Silicid verringern oder beseitigen und den Anteil an Silicid, welches eine geringere Härte und eine geringfügig größere Zähigkeit als jenes des Co-Mo-Silicids aufweist, vergrößern konnte.
Allerdings gab es in letzter Zeit schwerwiegendere Anforderungen an die Eigenschaften, und es ist gefordert worden, die Verschleißfestigkeit, die Rissfestigkeit und die Verarbeitbarkeit in ausgeglichener Weise weitergehend zu verbessern. Wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, wies die Probe i der Bezugsbeispiele einen geringen Gewichtsverlust durch Abrieb und eine gute Verarbeitbarkeit auf, hatte aber keine ausreichende Rissfestigkeit. Die Probe a der Bezugsbeispiele wies einen geringen Gewichtsverlust durch Abrieb auf, hatte aber keine ausreichende Rissfestigkeit oder Verarbeitbarkeit. Die Probe c und die Probe g der Bezugsbeispiele wiesen eine gute Rissfestigkeit und Verarbeitbarkeit auf, hatten aber große Gewichtsverluste durch Abrieb.
Im Gegensatz zu diesen Proben wiesen die aus den jeweiligen Proben gemäß Beispiel 1 erzeugten Plattierungsschichten niedrige Rissanteile von 0% auf und zeigten eine vorteilhafte Rissfestigkeit. Unabhängig von der Veränderung im Tantalgehalt verblieben die Rissanteile bei 0%, d. h. die Rissfestigkeit war vorteilhaft.
Hinsichtlich des Gewichtsverlusts durch Abrieb zeigten die aus der Probe c und der Probe g der Bezugsbeispiele erzeugten Plattierungsschichten etwas Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Verschleißfestigkeit, zeigten aber keine ausreichende Verschleißfestigkeit, wie es durch die immer noch großen Gewichtsverluste durch Abrieb von größer 10 mg angezeigt wird. Im Gegensatz zu diesen wiesen die aus den Proben gemäß Beispiel 1 erzeugten Plattierungsschichten eine hervorragende Wirkung der Verbesserung der Verschleißfestigkeit auf, wie es sich durch einen geringen Gewichtsverlust durch Abrieb von nicht mehr als 10 mg zeigt. Insbesondere wiesen die aus der Probe A2 und der Probe A7 erzeugten Plattierungsschichten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb auf.
Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit hatte die aus der Probe a der Bezugsbeispiele erzeugte Plattierungsschicht eine kleine Anzahl an geschnittenen Zylinderköpfen, d. h. eine unzureichende Verarbeitbarkeit. Die aus den Proben des Beispiels 1 erzeugten Plattierungsschichten wiesen allerdings geringe Gewichtsverluste durch Abrieb auf, d. h. eine vorteilhafte Verschleißfestigkeit. Dementsprechend wird aus den in Tabelle 1 angegebenen Testergebnissen verstanden, dass die aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis der jeweiligen Proben des Beispiels 1 erzeugten Plattierungsschichten Rissfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise erzielen konnten und dass diese Plattierungsschichten eine besonders vorteilhafte Rissfestigkeit aufwiesen.
(Beispiel 2)
Hiernach wird das Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung konkret beschrieben. Im Beispiel 2 wurden Plattierungsschichten im Wesentlichen unter den gleichen Bedingungen wie jener des Beispiels 1 erzeugt. Die Zusammensetzung der Proben der Serie T (*T bedeutet, dass Titan enthalten ist) der in Beispiel 2 eingesetzten verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis sind in Tabelle 1 angegeben. Die Zusammensetzung des Beispiels 2 weist einen Cobaltgehalt von nicht mehr als 2% auf, schließt Titan ein und ist so eingestellt, dass sie 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 2,00 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Titan sowie im Ausgleich Kupfer umfasst, wie es in Tabelle 1 angegeben ist.
Eine Untersuchung der aus den jeweiligen Proben erzeugten Plattierungsschichten zeigte, dass harte Teilchen mit einer harten Phase in den Matrices der Plattierungsschichten dispergiert waren. Der Volumenanteil der harten Teilchen in jeder der verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis fiel in den Bereich von etwa 5 bis 60%, wobei die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis als 100% genommen wurde. Die durchschnittliche Härte der Matrix, die durchschnittliche Härte der harten Teilchen und der Durchmesser der harten Teilchen lagen in den vorstehend erwähnten Bereichen.
Wie es in Tabelle 2 gezeigt ist, wiesen die aus den Proben des Beispiels 2 erzeugten Plattierungsschichten hinsichtlich der Rissanteile niedrige Rissanteile von 0% auf. Unabhängig von einer Veränderung im Titangehalt verblieben die Rissanteile bei 0%.
Hinsichtlich des Gewichtsverlusts durch Abrieb hatten die aus den Proben des Beispiels 2 erzeugten Plattierungsschichten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb von 8 mg oder weniger. Insbesondere die aus der Probe T2 und der Probe T7 erzeugten Plattierungsschichten wiesen geringe Gewichtsverluste durch Abrieb auf. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit wiesen die Plattierungsschichten eine große Anzahl an geschnitten Zylinderköpfen auf, d. h. eine ausreichende Verarbeitbarkeit. Dementsprechend wird aus den in Tabelle 2 angegebenen Testergebnissen verstanden, dass die aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis der jeweiligen Proben des Beispiels 2 erzeugten Plattierungsschichten Rissfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise erzielen konnten und dass diese Plattierungsschichten eine besonders vorteilhafte Rissfestigkeit erzielen konnten.
(Beispiel 3)
Hiernach wird das Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung konkret beschrieben. Im Beispiel 3 wurden Plattierungsschichten unter im Wesentlichen den gleichen Bedingungen wie jenen des Beispiels 1 erzeugt. Die Zusammensetzung der Proben der Serie Z (*Z bedeutet, dass Zirkonium enthalten ist) der verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis, welche im Beispiel 3 eingesetzt wurden, sind in Tabelle 3 angegeben. Die Zusammensetzung des Beispiels 3 hat einen Cobaltgehalt von nicht mehr als 2%, schließt Zirkonium ein und ist so eingestellt, dass sie 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 2,00 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Zirkonium sowie als Ausgleich Kupfer umfasst, wie es in Tabelle 3 angegeben ist.
Wie es in Tabelle 3 angegeben ist, wiesen die aus den Proben des Beispiels 3 erzeugten Plattierungsschichten hinsichtlich der Rissanteile niedrige Rissanteile von 0% auf. Unabhängig von einer Veränderung im Zirkoniumgehalt verblieben die Rissanteile bei 0%. Hinsichtlich des Gewichtsverlusts durch Abrieb hatten die aus den Proben des Beispiels 3 erzeugten Plattierungsschichten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb von 9 mg oder weniger. Insbesondere die aus der Probe Z2 und der Probe Z7 erzeugten Plattierungsschichten hatten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit wiesen die Plattierungsschichten eine große Anzahl an geschnittenen Zylinderköpfen auf, d. h. eine ausreichende Verarbeitbarkeit. Dementsprechend wird aus den in Tabelle 3 angegebenen Testergebnissen verstanden, dass die aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis der jeweiligen Proben des Beispiels 3 erzeugten Plattierungsschichten Rissfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit in ausgeglichener Weise erzielen konnten, und dass diese Plattierungsschichten eine besonders vorteilhafte Rissfestigkeit erzielen konnten.
(Beispiele 4)
Hiernach wird das Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung konkret beschrieben. Im Beispiel 4 wurden Plattierungsschichten unter im Wesentlichen den gleichen Bedingungen wie jenen des Beispiels 1 erzeugt. Die Zusammensetzung der Proben der Serie H (*H bedeutet, dass Hafnium enthalten ist) der im Beispiel 4 verwendeten verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis ist in Tabelle 4 angegeben. Die Zusammensetzung des Beispiels 4 hat einen Cobaltgehalt von nicht mehr als 2%, schließt Hafnium ein und ist so eingestellt, dass sie 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 2,00 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Hafnium sowie im Ausgleich Kupfer umfasst, wie es in Tabelle 4 angegeben ist.
Wie es in Tabelle 4 angegeben ist, wiesen die aus den Proben des Beispiels 4 erzeugten Plattierungsschichten hinsichtlich der Rissanteile niedrige Rissanteile von 0% auf. Unabhängig von einer Veränderung im Hafniumgehalt verblieben die Rissanteile bei 0%. Hinsichtlich des Gewichtsverlusts durch Abrieb hatten die aus den Proben des Beispiels 4 erzeugten Plattierungsschichten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb von 7 mg oder weniger. Insbesondere die aus der Probe H2, der Probe H6 und der Probe H7 erzeugten Plattierungsschichten wiesen geringe Gewichtsverluste durch Abrieb auf. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit hatten die Plattierungsschichten eine große Anzahl an geschnittenen Zylinderköpfen, d. h. eine ausreichende Verarbeitbarkeit. Dementsprechend wird aus den in Tabelle 4 angegebenen Testergebnissen verstanden, dass die aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis der jeweiligen Proben des Beispiels 4 erzeugten Plattierungsschichten Rissfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise erzielen konnten und dass diese Plattierungsschichten eine besonders vorteilhafte Rissfestigkeit erzielen konnten.
(Beispiel 5)
Hiernach wird das Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung konkret beschrieben. Im Beispiel 5 wurden Plattierungsschichten unter im Wesentlichen den gleichen Bedingungen wie jenen in Beispiel 1 erzeugt. Die Zusammensetzung der Proben der Serie AC (*AC bedeutet, dass Tantalcarbid enthalten ist) der im Beispiel 5 verwendeten verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis ist in Tabelle 5 angegeben. Die Zusammensetzung des Beispiels 5 weist einen Cobaltgehalt von nicht mehr als 2% auf, schließt Tantal und Tantalcarbid ein und ist so eingestellt, dass sie 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 2,00 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Tantal, 0,01 bis 5,0 Gew.-% (1,2 Gew.-%) Tantalcarbid und im Ausgleich Kupfer umfasst, wie es in Tabelle 5 angegeben ist.
Wie es in Tabelle 5 angegeben ist, wiesen die aus den Proben des Beispiels 5 erzeugten Plattierungsschichten hinsichtlich der Rissanteile niedrige Rissanteile von 0% auf. Unabhängig von einer Veränderung im Tantalgehalt und im Tantalcarbidgehalt verblieben die Rissanteile bei 0%. Hinsichtlich des Gewichtsverlusts durch Abrieb wiesen die aus den Proben des Beispiels 5 erzeugten Plattierungsschichten kleine Gewichtsverluste durch Abrieb von 8 mg oder weniger auf. Insbesondere die aus der Probe AC2 und der Probe AC7 gebildeten Plattierungsschichten hatten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit wiesen die Plattierungsschichten eine große Anzahl von geschnittenen Zylinderköpfen auf, d. h. eine ausreichende Verarbeitbarkeit. Dementsprechend wird aus den in Tabelle 5 angegebenen Testergebnissen verstanden, dass die aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis der jeweiligen Proben des Beispiels 5 erzeugten Plattierungsschichten Rissfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise erzielen konnten und dass diese Plattierungsschichten eine besonders vorteilhafte Rissfestigkeit erzielen konnten.
(Beispiel 6)
Hiernach wird das Beispiel 6 der vorliegenden Erfindung konkret beschrieben. Im Beispiel 6 wurden Plattierungsschichten unter im Wesentlichen den gleichen Bedingungen wie jenen in Beispiel 1 erzeugt. Die Zusammensetzung der Proben der Serie TC (*TC bedeutet, dass Titancarbid enthalten ist) der im Beispiel 6 verwendeten verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis ist in Tabelle 6 angegeben. Die Zusammensetzung des Beispiels 6 weist einen Cobaltgehalt von nicht mehr als 2% auf, schließt Titan und Titancarbid ein und ist so eingestellt, dass sie 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 2,00 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Titan, 0,01 bis 5,0 Gew.-% (1,2 Gew.-%) Titancarbid und im Ausgleich Kupfer umfasst, wie es in Tabelle 6 angegeben ist.
Wie es in Tabelle 6 angegeben ist, wiesen die aus den Proben des Beispiels 6 erzeugten Plattierungsschichten hinsichtlich der Rissanteile niedrige Rissanteile von 0% auf. Unabhängig von einer Veränderung im Titangehalt und im Titancarbidgehalt verblieben die Rissanteile bei 0%. Hinsichtlich des Gewichtsverlusts durch Abrieb wiesen die aus den Proben des Beispiels 6 erzeugten Plattierungsschichten kleine Gewichtsverluste durch Abrieb von 10 mg oder weniger auf. Insbesondere die aus der Probe TC2 und der Probe TC7 gebildeten Plattierungsschichten hatten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit wiesen die Plattierungsschichten eine große Anzahl von geschnittenen Zylinderköpfen auf, d. h. eine ausreichende Verarbeitbarkeit. Dementsprechend wird aus den in Tabelle 6 angegebenen Testergebnissen verstanden, dass die aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis der jeweiligen Proben des Beispiels 6 erzeugten Plattierungsschichten Rissfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise erzielen konnten und dass diese Plattierungsschichten eine besonders vorteilhafte Rissfestigkeit erzielen konnten.
(Beispiel 7)
Hiernach wird das Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung konkret beschrieben. Im Beispiel 7 wurden Plattierungsschichten unter im Wesentlichen den gleichen Bedingungen wie jenen in Beispiel 1 erzeugt. Die Zusammensetzung der Proben der Serie ZC (*ZC bedeutet, dass Zirkoniumcarbid enthalten ist) der im Beispiel 7 verwendeten verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis ist in Tabelle 7 angegeben. Die Zusammensetzung des Beispiels 7 weist einen Cobaltgehalt von nicht mehr als 2% auf, schließt Zirkonium und Zirkoniumcarbid ein und ist so eingestellt, dass sie 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 2,00 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Zirkonium, 0,01 bis 5,0 Gew.-% (1,2 Gew.-%) Zirkoniumcarbid und im Ausgleich Kupfer umfasst, wie es in Tabelle 7 angegeben ist.
Wie es in Tabelle 7 angegeben ist, wiesen die aus den Proben des Beispiels 7 erzeugten Plattierungsschichten hinsichtlich der Rissanteile niedrige Rissanteile von 0% auf. Unabhängig von einer Veränderung im Zirkoniumgehalt und im Zirkoniumcarbidgehalt verblieben die Rissanteile bei 0%. Hinsichtlich des Gewichtsverlusts durch Abrieb wiesen die aus den Proben des Beispiels 7 erzeugten Plattierungsschichten kleine Gewichtsverluste durch Abrieb von 10 mg oder weniger auf. Insbesondere die aus der Probe ZC2 und der Probe ZC7 gebildeten Plattierungsschichten hatten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit wiesen die Plattierungsschichten eine große Anzahl von geschnittenen Zylinderköpfen auf, d. h. eine ausreichende Verarbeitbarkeit. Dementsprechend wird aus den in Tabelle 7 angegebenen Testergebnissen verstanden, dass die aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis der jeweiligen Proben des Beispiels 7 erzeugten Plattierungsschichten Rissfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise erzielen konnten und dass diese Plattierungsschichten eine besonders vorteilhafte Rissfestigkeit erzielen konnten.
(Beispiel 8)
Hiernach wird das Beispiel 8 der vorliegenden Erfindung konkret beschrieben. Im Beispiel 8 wurden Plattierungsschichten unter im Wesentlichen den gleichen Bedingungen wie jenen in Beispiel 1 erzeugt. Die Zusammensetzung der Proben der Serie HC (*HC bedeutet, dass Hafniumcarbid enthalten ist) der im Beispiel 8 verwendeten verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis ist in Tabelle 8 angegeben. Die Zusammensetzung des Beispiels 8 weist einen Cobaltgehalt von nicht mehr als 2% auf, schließt Hafnium und Hafniumcarbid ein und ist so eingestellt, dass sie 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 2,00 Gew.-% Cobalt, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Hafnium, 0,01 bis 5,0 Gew.-% (1,2 Gew.-%) Hafniumcarbid und im Ausgleich Kupfer umfasst, wie es in Tabelle 8 angegeben ist.
Wie es in Tabelle 8 angegeben ist, wiesen die aus den Proben des Beispiels 8 erzeugten Plattierungsschichten hinsichtlich der Rissanteile niedrige Rissanteile von 0% auf. Unabhängig von einer Veränderung im Hafniumgehalt und im Hafniumcarbidgehalt verblieben die Rissanteile bei 0%. Hinsichtlich des Gewichtsverlusts durch Abrieb wiesen die aus den Proben des Beispiels 8 erzeugten Plattierungsschichten kleine Gewichtsverluste durch Abrieb von 10 mg oder weniger auf. Insbesondere die aus der Probe HC2 und der Probe HC7 gebildeten Plattierungsschichten hatten geringe Gewichtsverluste durch Abrieb. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit wiesen die Plattierungsschichten eine große Anzahl von geschnittenen Zylinderköpfen auf, d. h. eine ausreichende Verarbeitbarkeit. Dementsprechend wird aus den in Tabelle 8 angegebenen Testergebnissen verstanden, dass die aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis der jeweiligen Proben des Beispiels 8 erzeugten Plattierungsschichten Rissfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit auf ausgeglichene Weise erzielen konnten und dass diese Plattierungsschichten eine besonders vorteilhafte Rissfestigkeit erzielen konnten.
Eine mikroskopische Betrachtung der Struktur der aus der vorstehend erwähnten Probe A5 als einem erfindungsgemäßen Material gebildeten Plattierungsschicht ergab, dass eine große Anzahl harter Teilchen mit einer harten Phase in der gesamten Matrix der Plattierungsschicht dispergiert war. Die harten Teilchen wiesen einen Teilchendurchmesser von etwa 10 bis 100 μm auf. Eine Betrachtung der vorstehenden Struktur unter Verwendung eines Elektronenstrahlmikrosonden(EPMA)-Analysators zeigt, dass die harten Teilchen hauptsächlich Silicid aufwiesen, welches Eisen und Tantal als Hauptkomponenten einschloss, sowie eine feste Lösung auf Ni-Fe-Cr-Basis. Die Matrix, welche die Plattierungsschicht bildet, weist hauptsächlich eine feste Lösung auf Cu-Ni-Basis sowie ein netzartiges Silicid auf, welches Nickel als eine Hauptkomponente einschließt. Die Matrix der Plattierungsschicht weist eine Mikro-Vickers-Härte von etwa Hv 150 bis 200 auf. Die harten Teilchen hatten eine durchschnittliche Härte von etwa Hv 300 bis 500, welche größer war als diejenige der Matrix. Der Volumenanteil der harten Teilchen fiel in den Bereich von etwa 5 bis 60%, wobei die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis als 100% genommen wurde.
Es wird angenommen, dass jede der verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung im geschmolzenen Zustand eine hohe Tendenz zur Flüssigphasentrennung aufweist, in einfacher Weise zahlreiche Arten von flüssigen Phasen erzeugt, welche sich kaum miteinander vermischen, und die Tendenz aufweist, dass sich die getrennten flüssigen Phasen aufgrund eines Unterschieds im Gewicht, der Wärmeübertragungseigenschaften, etc. vertikal voneinander trennen. In diesem Fall wird angenommen, dass, wenn sich die flüssige Phase im granularen Zustand schnell verfestigt, die flüssige Phase im granularen Zustand harte Teilchen im granularen Zustand erzeugt.
Eine mikroskopische Betrachtung der Struktur der aus der Legierung auf Kupferbasis mit der Zusammensetzung der Probe AC5, welche das vorstehende Carbid (Tantalcarbid (TaC)) einschließt, erzeugten Plattierungsschicht ergab, dass eine große Anzahl harter Teilchen mit einer harten Phase in der gesamten Matrix dispergiert war. Die harten Teilchen wiesen einen Teilchendurchmesser von etwa 10 bis 100 μm auf. Eine Untersuchung der vorstehenden Struktur unter Verwendung des EPMA-Analysators zeigte, dass ähnlich zu oben die harten Teilchen hauptsächlich Silicid, welches Eisen und Tantal als Hauptkomponenten einschloss, und eine feste Lösung auf Ni-Fe-Cr-Basis aufwies. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben unter Verwendung eines Röntgenstrahldiffraktionsanalysators bestätigt, dass das vorstehend erwähnte Silicid, welches die harten Teilchen bildet, eine Laves-Phase aufwies.
Das Bezugsbeispiel A basierte auf einer Plattierungsschicht, welche aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung der Probe i durch Laserstrahlplattieren ausgebildet war. Das Bezugsbeispiel B basierte auf einer Plattierungsschicht, welche aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis der Probe x mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung, welche 1,2% NbC einschloss, durch Laserstrahlplattieren ausgebildet war. Wie vorstehend erwähnt meint % in dieser Beschreibung Gew.-%, solange es nicht anderweitig angegeben ist.
Als ein herkömmliches Cobalt-reiches Material (Typ: CuLS50) wurde mit einem Laserstrahl eine Plattierungsschicht aus einer Legierung ausgebildet, welche 15% Ni, 2,9% Si, 7% Co, 6,3% Mo, 4,5% Fe, 1,5% Cr sowie im Ausgleich im Wesentlichen Cu umfasste, und wurde in gleicher Weise einem Abriebtest unterzogen.
Als ein weiteres Vergleichsbeispiel wurde ein Teststück aus einem gesinterten Element auf Eisenbasis (Zusammensetzung: Fe als Ausgleich, 0,25 bis 0,55% C, 5,0 bis 6,5% Ni, 5,0 bis 8,0% Mo, 5,0 bis 6,5% Cr) ausgebildet und in gleicher Weise einem Abriebtest unterzogen.
Die Bezugsbeispiele A und B wiesen selber einen geringen Gewichtsverlust durch Abrieb auf, d. h. der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis (des Ventilsitzes), und zudem einen geringen Gewichtsverlust durch Abrieb durch das Gegenelement (das Ventil). Im Gegensatz dazu wiesen das herkömmliche Material und das gesinterte Material auf Eisenbasis selber große Gewichtsverluste durch Abrieb (des Ventilsitzes) und zudem große Gewichtsverluste durch Abrieb durch das Gegenelement (das Ventil) auf.
Plattierungsschichten, welche als Ventilsitze dienen sollen, wurden einzeln ausgebildet, indem Legierungen eingesetzt wurden, deren Zusammensetzungen so eingeregelt waren, dass sich eine hochgradig verschleißfeste Zusammensetzung und eine wenig verschleißfeste Zusammensetzung ergaben, indem das vorstehend erwähnte herkömmliche Material (Typ: CuLS50) eingestellt wurde und indem auf die aus diesen Legierungen ausgebildeten Probenschichten ein Laserstrahl eingestrahlt wurde. Dann wurden diese Plattierungsschichten hinsichtlich ihrer Rissanteile untersucht. Hierbei bedeutet die hochgradig verschleißfeste Zusammensetzung eine Zusammensetzung, die auf eine Vergrößerung des Anteils einer harten Phase in den harten Teilchen ausgerichtet ist, welche während des Plattierungsvorgangs erzeugt werden. Die wenig verschleißfeste Zusammensetzung meint eine Zusammensetzung, welche auf ein Verringern des Anteils der harten Phase in den harten Teilchen abzielt, welche während des Plattierungsvorgangs erzeugt werden. In gleicher Weise wurden Plattierungsschichten einzeln ausgebildet, indem Legierungen, deren Zusammensetzungen so eingestellt waren, dass sich eine hochgradig verschleißfeste Zusammensetzung und eine wenig verschleißfeste Zusammensetzung ergaben, indem die Bezugsbeispiele 1 und 2 eingestellt wurden, eingesetzt wurden, und sie wurden hinsichtlich ihrer Rissanteile untersucht. In gleicher Weise wurden Plattierungsschichten einzeln durch Verwendung von Legierungen, deren Zusammensetzungen so eingeregelt waren, dass sich eine hochgradig verschleißfeste Zusammensetzung und eine wenig verschleißfeste Zusammensetzung ergaben, indem das erfindungsgemäße Material eingestellt wurde, ausgebildet und wurden hinsichtlich ihrer Rissanteile untersucht.
Hierbei umfasste die hochgradig verschleißfeste Zusammensetzung aus dem herkömmlichen Material im Ausgleich Cu, 20,0% Ni, 2,90% Si, 9,30% Mo, 5,00% Fe, 1,50% Cr und 6,30% Co. Die wenig verschleißfeste Zusammensetzung aus dem herkömmlichen Material umfasste im Ausgleich Cu, 16,0% Ni, 2,95% Si, 6,00% Mo, 5,00% Fe, 1,50% Cr und 7,50% Co. Die hochgradig verschleißfeste Zusammensetzung des Bezugsbeispiels 1 umfasste im Ausgleich Cu, 17,5% Ni, 2,3% Si 17,5% Mo, 17,5% Fe, 1,5% Cr und 1,0% Co. Die wenig verschleißfeste Zusammensetzung des Bezugsbeispiels 1 umfasste im Ausgleich Cu, 5,5% Ni, 2,3% Si, 5,5% Mo, 4,5% Fe, 1,5% Cr und 1,0% Co.
Die hochgradig verschleißfeste Zusammensetzung des Bezugsbeispiels 2 umfasste 17,5% Ni, 2,3% Si, 17,5% Mo, 17,5% Fe, 1,5% Cr, 1,0% Co und 1,2% NbC. Die wenig verschleißfeste Zusammensetzung des Bezugsbeispiels 2 umfasste 5,5% Ni, 2,3% Si, 5,5% Mo, 4,5% Fe, 1,5% Cr, 1,0% Mo und 1,23% NbC.
Der Rissanteil war auf dem Teststück aus der hochgradig verschleißfesten Zusammensetzung aus dem herkömmlichen Material extrem groß. Andererseits waren die Rissanteile auf den Plattierungsschichten aus der hochgradig verschleißfesten Zusammensetzung und der wenig verschleißfesten Zusammensetzung des Bezugsbeispiels 1 mit 0% extrem niedrig. Die Rissanteile waren auf den Plattierungsschichten aus der hochgradig verschleißfesten Zusammensetzung und der wenig verschleißfesten Zusammensetzung des Beispiels 2 mit 0% ebenfalls extrem niedrig.
Darüber hinaus wurden Plattierungsschichten, welche als Ventilsitze dienen sollen, einzeln auf Zylinderköpfen ausgebildet, indem Legierungen eingesetzt wurden, deren Zusammensetzungen jeweils durch Einstellen des vorstehend erwähnten herkömmlichen Materials, der Bezugsbeispiele 1 und 2 sowie des erfindungsgemäßen Materials so eingestellt wurden, dass sich eine hochgradig verschleißfesten Zusammensetzung und eine wenig verschleißfesten Zusammensetzung ergaben, und indem ein Laserstrahl auf aus den Legierungen erzeugte Probenschichten eingestrahlt wurde. Dann wurden die Plattierungsschichten mit einem Schneidwerkzeug (einem Carbidschneidwerkzeug) geschnitten und die Anzahl an mit einem einzelnen Schneidwerkzeug geschnittenen Zylinderköpfen wurde gezählt.
Das Teststück aus dem herkömmlichen Material mit der hochgradig verschleißfesten Zusammensetzung und jenes aus dem herkömmlichen Material mit der wenig verschleißfesten Zusammensetzung wiesen eine geringe Anzahl an mit einem einzelnen Schneidwerkzeug geschnittenen Zylinderköpfen auf, d. h. eine schlechte Verarbeitbarkeit.
Andererseits wiesen das Teststück des Bezugsbeispiels 1 mit der hochgradig verschleißfesten Zusammensetzung, jenes des Bezugsbeispiels 1 mit der wenig verschleißfesten Zusammensetzung, jenes des Bezugsbeispiels 2 mit der hochgradig verschleißfesten Zusammensetzung und jenes des Bezugsbeispiels 2 mit der wenig verschleißfesten Zusammensetzung beträchtlich große Anzahlen an von einem einzelnen Schneidwerkzeug geschnitten Zylinderköpfen auf, d. h. eine vorteilhafte Verarbeitbarkeit.
Das Teststück aus dem vorliegenden erfindungsgemäßen Material mit der hochgradig verschleißfesten Zusammensetzung und jenes aus dem erfindungsgemäßen Material mit der wenig verschleißfesten Zusammensetzung ebenso wie jene der Bezugsbeispiele 1 und 2 wiesen beträchtlich große Anzahlen an mit einem einzelnen Schneidwerkzeug geschnitten Zylinderköpfen auf, d. h. eine vorteilhafte Verarbeitbarkeit. Das vorstehend erwähnte gesinterte Element auf Eisenbasis wurde auf gleiche Weise hinsichtlich der Verarbeitbarkeit untersucht, und die Anzahl an mit einem einzelnen Schneidwerkzeug geschnittenen Zylinderköpfen war so niedrig wie etwa 180, d. h. die Verarbeitbarkeit war schlecht.
Die Gesamtbewertung der vorstehend erwähnten Testergebnisse zeigt, dass, wenn die Ventilsitze insgesamt, welche Komponenten eines Ventiltriebs für einen inneren Verbrennungsmotor sind, durch Plattierungsschichten aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen, oder Ventilsitze durch Plattierungsschichten aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung überzogen sind, die Verschleißfestigkeit der Ventilsitze verbessert werden kann und darüber hinaus die Aggressivität gegenüber Gegenelementen unterdrückt werden kann sowie ein Gewichtsverlust durch Abrieb der Ventile als Gegenelemente unterdrückt werden kann. Des Weiteren ist dieses vorteilhaft hinsichtlich einer Verbesserung der Rissfestigkeit und der Verarbeitbarkeit und insbesondere vorteilhaft bei der Erzeugung einer Plattierungsschicht.
(Anwendungsbeispiel)
Die 6 und die 7 zeigen ein Anwendungsbeispiel. In diesem Fall werden Ventilsitze erzeugt, indem eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis auf Öffnungen 13 plattiert wird, welche mit einer Verbrennungskammer eines inneren Fahrzeugverbrennungsmotors 11 in Verbindung stehen. In diesem Fall sind an den inneren peripheren Abschnitten der Vielzahl an Öffnungen 13, welche aus einer Aluminiumlegierung bestehen und mit der Verbrennungskammer des innernen Verbrennungsmotors 11 in Verbindung stehen, ringförmige periphere Oberflächen 10 ausgebildet. Indem eine Sprühvorrichtung 100X nahe einer der peripheren Oberflächen 10 gehalten wird, wird eine pulverartige Schicht ausgebildet, indem Pulver 100a aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung auf einer der peripheren Oberflächen 10 abgeschieden wird, und gleichzeitig wird ein Laserstrahl 41, welcher von einem Laseremitter 40 emittiert und durch einen Strahloszillator 58 oszillierend gehalten wird, auf die pulverartige Schicht eingestrahlt. Somit wird auf der einen der peripheren Oberflächen 10 eine Plattierungsschicht 15 ausgebildet. Diese Plattierungsschicht 15 wird als Ventilsitz fungieren. Bei dem Plattierungsvorgang wird ein abschirmendes Gas (im Allgemeinen Argongas) von einer Gaszufuhreinheit 102 zu einem zu plattierenden Bereich zugeführt, um den zu plattierenden Bereich abzuschirmen.
(Weiteres)
In den vorstehend erwähnten Beispielen wurden die Pulver aus den verschleißfesten Legierungen auf Kupferbasis durch Gaszerstäubung ausgebildet, aber das Verfahren zur Pulvererzeugung ist nicht darauf beschränkt: Pulver aus verschleißfester Legierung auf Kupferbasis zum Plattieren kann durch mechanische Zerstäubung, bei welcher geschmolzenes Metall gegen einen sich drehenden Körper geschleudert wird, um es in ein Pulver zu überführen, oder durch mechanisches Pulverisieren unter Verwendung eines Pulverisators hergestellt werden.
In den vorstehend erwähnten Beispielen wurde die vorliegende Erfindung für Ventilsitze eingesetzt, welche einen Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor bilden, aber die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht darauf beschränkt: in einigen Fällen kann die vorliegende Erfindung für ein Material für Ventile, welche als Gegenelemente von Ventilsitzen wirken, oder für ein Material eingesetzt werden, welches auf Ventile aufzuplattieren ist. Der Verbrennungsmotor kann ein Benzinmotor oder ein Dieselmotor sein. In den vorstehend erwähnten Beispielen wurde die vorliegende Erfindung für eine Plattierung eingesetzt, aber die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht darauf beschränkt: in einigen Fällen kann die vorliegende Erfindung für barrenartige Produkte oder gesinterte Produkte eingesetzt werden.
Daneben ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen und in den Figuren gezeigten Beispiele beschränkt. Eine zweckmäßig Modifikation kann an der Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die in den Ausführungsformen der Erfindung und in den Beispielen angegebenen Worte und Begriffe können in jedem Anspruch, selbst teilweise, verwendet werden. Die Werte des Gehalts einer jeden Komponente, die in den Tabellen 1 bis 8 beschrieben sind, können dafür verwendet werden, einen oberen Grenzwert oder einen unteren Grenzwert einer jeden der in den Ansprüchen oder Anfügungen beschriebenen Komponenten zu definieren.
Dass die vorliegende Erfindung zudem für die folgenden technischen Konzepte verwendet werden kann, kann ebenfalls aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.

(Anfügung 1) Eine aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß jedem Anspruch erzeugte Plattierungsschicht.
(Anfügung 2) Ein aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß jedem Anspruch gebildetes plattiertes Gleitelement.
(Anfügung 3) Eine Plattierungsschicht oder ein plattiertes Gleitelement gemäß Anfügung 1 oder Anfügung 2, die bzw. das unter Verwendung einer hochdichten Wärmeenergiequelle ausgewählt aus einem Laserstrahl, einem Elektronenstrahl und einem Lichtbogen erzeugt ist.
(Anfügung 4) Ventiltriebkomponenten (z. B. Ventilsitze) für einen Verbrennungsmotor mit einer aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß einem jeden Anspruch erzeugten Plattierungsschicht.
(Anfügung 5) Ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, welches in charakteristischer Weise die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß einem jeden Anspruch einsetzt und ein Substrat mit der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis plattiert.
(Anfügung 6) Ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, welches in charakteristischer Weise eine pulvrige Schicht ausbildet, indem ein pulverartiges Material aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß einem jeden Anspruch eingesetzt wird, und indem das pulverartige Material auf einem Substrat abgeschieden, die pulverartige Schicht geschmolzen und dann die geschmolzene Schicht verfestigt wird, wodurch eine Plattierungsschicht mit hervorragender Verschleißfestigkeit ausgebildet wird.
(Anfügung 7) Ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements nach Anfügung 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattierungsschicht durch schnelles Aufheizen und schnelles Abkühlen ausgebildet wird.
(Anfügung 8) Ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anfügung 6, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverartige Schicht durch eine hochdichte Wärmeenergiequelle ausgewählt aus einem Laserstrahl, einem Elektronenstrahl und einem Lichtbogen geschmolzen wird.
(Anfügung 9) Ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements nach Anfügung 5 oder Anfügung 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
(Anfügung 10) Ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements nach Anfügung 5 oder Anfügung 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Komponente oder ein Abschnitt (z. B. ein Ventilsitz) eines Ventiltriebs für einen Verbrennungsmotor ist.
(Anfügung 11) Eine Ventilsitzlegierung, bestehend aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß einem jeden Anspruch.
(Anfügung 12) Eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß einem jeden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass harte Teilchen in einer Matrix dispergiert sind, die harten Teilchen hauptsächlich Silicid und eine feste Lösung auf Ni-Fe-Cr-Basis umfassen und die Matrix hauptsächlich eine feste Lösung auf Cu-Ni-Basis sowie Silicid umfasst, welches Nickel als eine Hauptkomponente einschließt.
(Anfügung 13) Ein pulverartiges Material, bestehend aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß einem jeden Anspruch.
(Anfügung 14) Ein pulverartiges Material zum Plattieren, bestehend aus der verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis gemäß einem jeden Anspruch.
(Anfügung 15) Ein Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat mit einer Plattierungsschicht bestehend aus der in einem jeden Anspruch angegebenen verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis beschichtet ist.
(Anfügung 16) Ein Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als einem Grundmaterial bestehendes Substrat mit einer Plattierungsschicht bestehend aus der in jedem Anspruch angegebenen verschleißfesten Legierung auf Kupferbasis überlagert ist.

Wie vorstehend erwähnt kann die verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung z. B. für eine Legierung auf Kupferbasis eingesetzt werden, welche Gleitabschnitte von Gleitelementen bildet, für die Ventiltriebkomponenten wie etwa Ventilsitze und Ventile für einen Verbrennungsmotor typische Beispiele sind.

Claims

Verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis, welche 4,7 bis 22,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 5,0 Gew.-% Silicium, 2,7 bis 22,0 Gew.-% Eisen, 1,0 bis 15,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 1,97 Gew.-% Cobalt und 2,7 bis 22,0 Gew.-% Tantal und/oder Hafnium umfasst, wobei Kupfer mit unvermeidbaren Verunreinigungen den Ausgleich bildet, wobei darin Silicid dispergiert ist.
Verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis nach Anspruch 1, welche des Weiteren eine Matrix und in der Matrix dispergierte harte Teilchen umfasst, wobei die Matrix eine durchschnittliche Härte von Hv 130 bis 250 aufweist und die harten Teilchen eine durchschnittliche Härte haben, die größer als jene der Matrix ist.
Verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis nach Anspruch 2, wobei die harten Teilchen einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 bis 3000 μm aufweisen.
Verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche zum Plattieren eingesetzt wird.
Verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche zum Plattieren eingesetzt wird, indem sie durch einen hochdichten Energiestrahl geschmolzen und dann verfestigt wird.
Verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche eine Plattierungsschicht bildet, mit welcher ein Substrat zu plattieren ist.
Verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche für ein Gleitelement eingesetzt wird.
Verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche für Ventiltriebkomponenten für einen Verbrennungsmotor eingesetzt wird.