DE69114536T2

DE69114536T2 - Mehrschichter, gesinterter Gleitteil.

Info

Publication number: DE69114536T2
Application number: DE69114536T
Authority: DE
Inventors: Mitsuaki Andoh; Hideyuki Morioka; Hideo Ozawa; Yasuhiro Shirasaka; Shinji Yamada
Original assignee: Oiles Industry Co Ltd
Current assignee: Oiles Industry Co Ltd
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1991-02-06
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: EP0441624A1; JP3024153B2; EP0441624B1; DE69114536D1; US5126212A; JPH03232905A

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement mit einem Stützmetall aus einer Stahlplatte und einer gesinterten Legierungsschicht, die einstückig mit dem Stützmetall ausgebildet und an der Oberfläche desselben befestigt ist.
Bisher offenbart z.B. die Offenlegungsschrift (KOKAI) 50-150656 zu einer Japanischen Patentanmeldung als mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement ein derartiges mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement, das dadurch hergestellt wird, daß eine gesinterte Kupferlegierungsschicht mit einem aus einer Stahlplatte bestehenden Stützmetall verbunden wird, wobei die Sinterlegierung und das Stützmetall fest miteinander verbunden werden, ohne daß die Oberfläche des Stützmetalls oxidiert wird, und zwar durch Einmischen eines Elements oder einer Verbindung mit größerer Standardenergie hinsichtlich einer Oxidationsreaktion als sie Eisen als Bestandteil der Sinterlegierung aufweist, z.B. Zink, Cadmium, Silicium, Magnesium, Aluminium oder Calciumsilicid.
Auf ähnliche Weise offenbart das Dokument FR-A-2164685, auf dem die Oberbegriffe der beigefügten Ansprüche 1, 8 und 10 beruhen, eine Stützlage mit einer Beschichtung aus einem Sintermetall oder einem Legierungspulver, wobei jedoch vorstehende Segmente auf der Stützlage ausgebildet sind. Die Japanische Patentveröffentlichung 56-12288 offenbart ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement, das dadurch einstückig ausgebildet ist, daß eine dünne Stahlplatte, die einstückig mit einer gesinterten Kupferlegierungsschicht verbunden ist, die in ihr verteilt mindestens 3 Gewichts-% Graphit als Schmiermittel enthält, mittels einer dünnen Platte aus einer Phosphorbronzelegierung mit einer dicken Stahlplatte verbunden ist.
Da jedoch das mehrschichtige, gesinterte Gleitelement gemäß der Offenlegungsschrift (KOKAI) 50-150656 zu einer Japanischen Patentanmeldung metallische Elemente wie Zink, Cadmium und Silicium in der Sinterlegierung enthält, ist der Anwendungsbereich des Gleitelements in unvermeidlicher Weise beschränkt, und insbesondere bei einem Anwendungsgebrauch, bei dem eine große Belastung und eine Stoßbelastung intermittierend ausgeübt werden, z.B. bei Gleitbereichen einer Preßmaschine oder eines Preßstempels oder bei Bodenplatten zum gleitenden Tragen von Zungenweichenschienen in Weichenbereichen von Eisenbahngeleisen, führt eine derartige Belastung zu einer plastischen Verformung der Sinterlegierungsschicht, und im Ergebnis tritt die Schwierigkeit auf, daß das Teil beim vorstehend genannten Anwendungsgebrauch nicht verwendet werden kann.
Andererseits besteht die Schwierigkeit, obwohl das mehrschichtige, gesinterte Gleitelement gemäß der Japanischen Patentveröffentlichung 56-12288 hinsichtlich der Belastungsfestigkeit und der Stoßfestigkeit beträchtlich im Vergleich zum Gleitelement gemäß der Offenlegungsschrift (KOKAI) 50-150656 einer Japanischen Patentanmeldung verbessert ist, daß plastische Verformung beim vorstehend genannten Anwendungsgebrauch in der Sinterschicht auftritt, und ein wirtschaftliches Problem dahingehend, daß der Herstellprozeß kompliziert ist, was die Kosten erhöht.
Es bestand Nachfrage nach einem Gleitelement, das bei strengen Bedingungen verwendet werden kann, bei denen schwere Belastungen und/oder Stoßbelastungen intermittierend ausgeübt werden, und das durch einen einfachen Herstellprozeß mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
Gemäß der Erfindung ist ein Gleitelement geschaffen, das eine Stützplatte aufweist, die aus Stahl besteht und einen oder mehrere Vorsprünge auf einer ihrer Oberflächen aufweist und das außerdem eine auf diese Oberfläche der Stützplatte aufgesinterte Legierungsschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Teil oder jeder Teil dieser gesinterten Legierungsschicht, der den Vorsprung bzw. die Vorsprünge bedeckt, eine erste Dichte aufweist und der verbleibende Anteil der gesinterten Legierungsschicht eine zweite Dichte aufweist, wobei die erste Dichte höher ist als die zweite Dichte.
Es hat sich herausgestellt, daß durch Befestigen einer Sinterlegierungsschicht an der Oberfläche eines aus einer Stahlplatte mit Vorsprüngen an der Oberfläche bestehenden Stützmetalls, wobei die Sinterlegierungsschicht aus einem Legierungsbereich niedriger Dichte und einem Legierungsbereich hoher Dichte besteht, das erhaltene mehrschichtige, gesinterte Gleitelement auf gleitende Weise höhere Belastungen und Stoßbelastungen abstützen kann als andere bekannte Gleitelemente, ohne daß durch derartige Belastungen plastische Verformungen hervorgerufen werden.
Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung besser zu verstehen sein, die nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht ist, die ein Stützmetall veranschaulicht;
Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht für einen Teil von Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 ist;
Fig. 4 ein Querschnitt ist, der ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement veranschaulicht;
Fig. 5 eine Draufsicht ist, die ein anderes Ausführungsbeispiel des Stützmetalls veranschaulicht;
Fig. 6 ein Querschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 ist;
Fig. 7 ein Querschnitt ist, der ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement veranschaulicht;
Fig. 8 eine Draufsicht ist, die ein anderes Ausführungsbeispiel des Stützmetalls veranschaulicht;
Fig. 9 ein Querschnitt entlang der Linie IX-IX in Fig. 8 ist;
Fig. 10 ein Querschnitt ist, der ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement veranschaulicht;
Fig. 11 eine Draufsicht ist, die ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stützmetalls veranschaulicht;
Fig. 12 ein Querschnitt entlang der Linie XII-XII in Fig. 11 ist;
Fig. 13 ein Querschnitt ist, der ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement veranschaulicht;
Fig. 14 eine Draufsicht ist, die ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stützmetalls veranschaulicht;
Fig. 15 ein Querschnitt entlang der Linie XV-XV in Fig. 14 ist; und
Fig. 16 ein Querschnitt ist, der ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement veranschaulicht.
Als mehrere unabhängige Vorsprünge können beispielhaft als geeignet rechteckige Vorsprünge 2 mit ebener Form genannt werden, die an der Oberfläche la des aus einer rechteckigen Stahlplatte bestehenden Stützmetalls 1 ausgebildet sind, wobei benachbarte Vorsprünge 2 in zueinander rechtwinkligen Richtungen angeordnet sind, wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt; und es können kreisförmige Vorsprünge 3 mit ebener Form genannt werden, die an der Oberfläche 1a eines aus einer rechteckigen Stahlplatte bestehenden Stützmetalls 1 ausgebildet sind, wie in den Fig. 5 bis 6 dargestellt. Die Vorsprünge 2 oder 3 verfügen über eine ebene Oberfläche, und ihr Umfangsbereich besteht aus einer schrägen Fläche 2a oder 3a mit einer nach unten gehenden Flanke von der jeweiligen ebenen Fläche zur Fläche 1a des Stützmetalls.
Ferner können hinsichtlich der Verwendung kontinuierlicher Vorsprünge beispielhaft die folgenden genannt werden: streifenförmige Vorsprünge 4, die parallel zueinander und mit Schnittpunkten an der Oberfläche la eines aus einer rechteckigen Stahlplatte bestehenden Stützmetalls 1 ausgebildet sind, wobei mehrere unabhängige rhombische Vertiefungen 5 mit ebener Form durch die Vorsprünge 4 auf der Oberfläche 1a des Stützmetalls festgelegt sind, wie in den Fig. 8 bis 9 dargestellt; Vorsprünge 6, die mit Abständen an der Oberfläche 1a eines aus einer rechteckigen Stahlplatte bestehenden Stützmetalls 1 ausgebildet sind, wobei mehrere unabhängige hexagonale Vertiefungen 7 durch die Vorsprünge 6 an der Oberfläche 1a des Stützmetalls festgelegt sind, wie in Fig. 11 bis Fig. 12 dargestellt; und mehrere unabhängige kreisförmige Vertiefungen 9 mit ebener Form, die dadurch ausgebildet sind, daß kontinuierliche, streifenförmige Vorsprünge 8 an der Oberfläche 1a des aus einer rechteckigen Stahlplatte bestehenden Stützmetalls zurückgelassen sind, wie in Fig. 14 bis Fig. 15 dargestellt. Jeder der Vorsprünge 4, 6 und 8 verfügt über eine ebene Oberfläche, und der Umfangsbereich jeder der Vertiefungen 5, 7 und 9, wie er durch derartige Vorsprünge festgelegt ist, ist als schräge Fläche 5a, 7a bzw. 9a festgelegt, mit einer nach unten gehenden Flanke von der ebenen Fläche der Oberfläche 1a des Stützmetalls.
Eine gesinterte Kupferlegierung 10, die einstückig durch Anbringen an der Oberfläche der Vorsprünge, die unabhängig oder kontinuierlich an der Oberfläche la des Stützmetalls 1 ausgebildet sind, ausgebildet ist, kann 4 bis 10 Gew.-% Zinn, 10 bis 40 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 4 Gew.-% Phosphor, nicht mehr als 50 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 25 Gew.-% Mangan, 3 bis 10 Gew.-% Graphit und Kupfer als Rest enthalten.
Zinn, ein Bestandteil der gesinterten Legierungsschicht, bildet bei Legierungsbildung mit Kupfer als Hauptbestandteil Bronze, wodurch es zur Verbesserung der Belastbarkeit, der Zähigkeit, der mechanischen Festigkeit und Abriebfestigkeit der Matrix der gesinterten Legierungsschicht beiträgt.
Ferner hat es die Wirkung, daß es die Porosität der gesinterten Legierungsschicht in Zusammenwirkung mit Nickel erhöht, was später beschrieben wird. Wenn das Mischungsverhältnis von Zinn kleiner als 4 Gewichts-% ist, kann die vorstehend genannte Wirkung nicht ausreichend erzielt werden. Wenn Zinn mit über 10 Gewichts-% zugemischt wird, führt es zu einer unerwünschten Auswirkung auf die Sinterfähigkeit. Demgemäß beträgt das Mischungsverhältnis von Zinn geeigneterweise 4 bis 10 Gewichts-%, vorzugsweise 5 bis 8 Gewichts-%
Nickel diffundiert in das Kupfer als Hauptbestandteil und trägt dadurch zur Verbesserung der Abriebfestigkeit und der Belastbarkeit der Matrix bei. Nickel diffundiert an der Oberfläche des Stützmetalls und der Oberfläche der an der Oberfläche des Stützmetalls ausgebildeten Vorsprünge, um an der Grenze hierzu beim Sintern eine Legierung zu bilden, was die Verbindungsfestigkeit zwischen der gesinterten Legierungsschicht und der Oberfläche des Stüzmetalls oder der Oberfläche der an der Oberfläche des Stützmetalls ausgebildeten Vorsprünge erhöht. Ferner bildet es teilweise eine Legierung mit Phosphor, was später beschrieben wird, wodurch an der Grenze zwischen der gesinterten Legierungsschicht und der Oberfläche des Stützmetalls oder der Oberfläche der an der Oberfläche des Stützmetalls ausgebildeten Vorsprünge eine Nickel-Phosphor-Legierung vorhanden ist, wodurch die Wirkung erzielt wird, daß die gesinterte Legierungsschicht einstückig fest mit der Oberfläche des Stützmetalls oder der Oberfläche der Vorsprünge an der Grenze verbunden ist, zusammenwirkend mit der Legierungsbildung aufgrund der Diffusion von Nickel. Ferner hat Nickel die Wirkung einer Ausbildung von Lücken in der gesinterten Legierungsschicht, wenn es beim Sintern in Kupfer diffundiert, wodurch die Porosität verbessert wird. Die vorstehend genannte Wirkung kann dann nicht ausreichend erzielt werden, wenn das Mischungsverhältnis von Nickel kleiner als 10 Gewichts-% ist, und es wird keine merkliche Differenz hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Wirkung erzielt, wenn es mit über 40 Gewichts-% zugemischt wird. Demgemäß beträgt das Mischungsverhältnis von Nickel geeigneterweise 10 bis 40 Gewichts-%, vorzugswweise 20 bis 30 Gewichts-%.
Phosphor bildet teilweise eine Legierung mit Kupfer als Hauptbestandteil sowie Nickel, wie oben beschrieben, wodurch die Belastbarkeit der Matrix verbessert ist und zur Verbesserung der Abriebfestigkeit beigetragen ist. Da Phosphor starke Reduktionswirkung hat, hat es die Wirkungen einer Reinigung der Oberfläche des Stützmetalls und der Oberfläche der an der Oberfläche des Stützmetalls ausgebildeten Vorsprünge aufgrund seiner Reduzierwirkung, sowie des Förderns der Legierungsbildung von Nickel aufgrund der Diffusion an der Oberfläche des Stützmetalls und der Oberfläche der an der Oberfläche des Stützmetalls ausgebildeten Vorsprünge. Die Wirkung der Nickel-Phosphor-Legierung ist die, wie sie oben beschrieben wurde. Das Mischungsverhältnis von Phosphor beträgt geeigneterweise 0,1 bis 4 Gewichts-%, vorzugsweise 1 bis 2 Gewichts-%.
Graphit muß mit einem Verhältnis von zumindest nicht weniger als 3 Gewichts-% zugemischt werden, um für Selbstschmierung zu sorgen, wenn jedoch das Mischungsverhältnis von Graphit erhöht wird und es z.B. mit über 10 Gewichts-% zugemischt wird, führt dies zu einer Schwierigkeit hinsichtlich der Sinterfähigkeit und der Verbindungsfestigkeit mit dem Stützmetall und der Oberfläche der an der Oberfläche des Stützmetalls ausgebildeten Vorsprünge. Demgemäß beträgt das Mischungsverhältnis von Graphit geeigneterweise 3 bis 10 Gewichts-%, vorzugsweise 5 bis 8 Gewichts-%.
Eisen verfügt über eine kleinere Feststoff-Löslichkeitsgrenze gegenüber Kupfer, hat jedoch die Wirkung, daß es in der Legierung dispergiert, und es hat insbesondere die Wirkung einer Verbesserung der Belastbarkeit der Matrix und einer Erhöhung der Porosität der gesinterten Legierungsschicht, wenn Kupfer beim Sintern in Eisen diffundiert. Ferner hat Eisen allgemein die Tendenz, mit Phosphor eine Legierung zu bilden, um beim Vorliegen von Phosphor eine harte Eisen- Phosphor-Legierung zu bilden, jedoch hat Nickel in den Bestandteilen die Wirkung einer Unterdrückung der Legierungsbildung bei der Erfindung, und demgemäß kann eine relativ große Menge an Eisen mit bis zu ungefghr 50 Gewichts-%, vorzugsweise 30 bis 40 Gewichts-% zugemischt werden.
Mangan wird in Kupfer oder Kupfer und Eisen als Hauptbestandteil (Hauptbestandteile) eindiffundiert, um die Abriebfestigkeit zu verbessern, und es trägt zu einer Verbesserung der Belastbarkeit der Matrix bei. Ferner weitet Mangan die gesinterte Legierungsschicht auf, wodurch die gesinterte Legierungsschicht im Verlauf des schnellen Eindiffundierens in das Kupfer und Nickel und der Legierungsbildung mit diesen während des Sintervorgangs porös gemacht wird. Da jedoch Mangan den Effekt zeigt, daß es mit einer Phosphor-Nickel-Legierung (Ni&sub3;P) in einer flüssigen Phase reagiert, was den Schmelzpunkt der flüssigen Phase erhöht, verhindert demgemäß das Zumischen einer großen Menge desselben die Ausbildung einer gesinterten Legierungsschicht mit erhöhter Dichte. Demgemäß beträgt das Mischungsverhältnis von Mangan zweckmäßigerweise nicht mehr als 25 Gewichts-%, vorzugsweise 5 bis 10 Gewichts-%.
Es erfolgt eine Erläuterung zum Herstellverfahren eines mehrschichtigen, gesinterten Gleitelements.

(Erster Schritt)

Als Stützmetall wird eine rechteckige Stahlplatte mit mehreren unabhängigen Vorsprüngen an ihrer Oberfläche hergestellt, wobei eine schräge Fläche im Umfangsbereich der Vorsprünge vorliegt, wie oben beschrieben, oder es wird eine rechteckige Stahlplatte mit kontinuierlichen Vorsprüngen an der Oberfläche bereitgestellt, bei der mehrere unabhängige Vertiefungen innerhalb der Vorsprünge ausgebildet sind und im Umfangsbereich der Vertiefungen eine geneigte Fläche ausgebildet ist. Nach dem Entfetten und Reinigen des Stützmetalls werden das Stützmetall und die Oberfläche der an der Oberfläche des Stützmetalls ausgebildeten Vorsprünge aufgerauht, z.B. durch Sandstrahlen.

(Zweiter Schritt)

Ein homogen vermischtes Pulver mit 4 bis 10 Gew.-% Zinn, 10 bis 40 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 4 Gew.-% Phosphor, nicht mehr als 50 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 25 Gew.-% Mangan, 3 bis 10 Gew.-% Graphit und Kupfer als Rest wird hergestellt.

(Dritter Schritt)

Das gemischte Pulver wird gleichmäßig über die Oberfläche des Stützmetalls und die Oberfläche der auf der Oberfläche des Stützmetalls vorhandenen Vorsprünge gestreut.

(Vierter Schritt)

Das Stützmetall mit dem gleichmäßig auf seine Oberfläche gestreuten gemischten Pulver wird in einem Heizofen angeordnet, der mit reduzierender Atmosphäre betrieben wird, und es wird bei einer Temperatur von 870 bis 920ºC für 10 bis 20 Min. (Primärsinterung) gesintert, um ein Sintern des gemischten Pulvers auszuführen und um eine Diffusionsbindung zum Stützmetall zu erzielen, wodurch die vorgesinterte Legierungsschicht einstückig mit der Oberfläche des Stützmetalls verbunden ist.

(Fünter Schritt)

Anschließend wird das Stützmetall mit der einstückig mit ihm verbundenen vorgesinterten Legierungsschicht dadurch gewalzt, daß es 3 bis 4 mal zwischen einem Paar Walzen hindurchgeführt wird, wodurch die Dichte der vorgesinterten Legierungsschicht erhöht wird.

(Sechster Schritt)

Das Stützmetall mit der einstückig an seiner Oberfläche ausgebildeten vorgesinterten Legierungsschicht wird im oben genannten Heizofen angeordnet und bei einer Temperatur von 920 bis 1000ºC für 10 bis 20 Min. gesintert (Sekundärsinterung), um den Sintervorgang der vorgesinterten Legierungsschicht weiterzuführen und um die Verbindungsfestigkeit zum Stützmetall zu erhöhen. Anschließend wird es dadurch gewalzt, daß es einmal durch die Walzen hindurchgeführt wird, wodurch ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement mit eingeebneter Oberfläche erhalten wird, bei dem die Dichte der gesinterten Legierungsschicht weiter erhöht ist (Fig. 4, Fig. 7, Fig. 10 und Fig. 13).
In der gesinterten Legierungsschicht des durch das Verfahren mit diesen Schritten erhaltenen mehrschichtigen, gesinterten Gleitelements sind ein Legierungsbereich hoher Dichte an der Oberfläche der Vorsprünge (Bezugszahl a in der Zeichnung) und ein Legierungsbereich niedriger Dichte an der Oberfläche des Stützmetalls (Bezugszahl b in der Zeichnung) ausgebildet.

(Siebter Schritt)

Das sich ergebende mehrschichtige, gesinterte Gleitelement wird einer Ölimprägnierbehandlung unterzogen, um ein ölimprägniertes, mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement mit einer hohen Ölimprägnierrate im Legierungsbereich mit niedriger Dichte und eine niedrige Ölimprägnierrate im Legierungsbereich mit hoher Dichte der gesinterten Legierungsschicht zu erzielen.
Als anderes Verfahren betreffend das vorstehend beschriebene Herstellverfahren kann ein Pulverwalzverfahren verwendet werden, und nun erfolgt eine Erläuterung zu einem Herstellverfahren für das mehrschichtige, gesinterte Gleitelement unter Verwendung eines Pulverwalzverfahrens.

(Schritt A)

Dieser Schritt ist derselbe wie der erste Schritt beim vorstehend beschriebenen Herstellverfahren.

(Schritt B)

Zu einem Mischpulver mit 4 bis 10 Gew.-% Zinn, 10 bis 40 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 4 Gew.-% Phosphor, nicht mehr als 50 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 25 Gew.-% Mangan, 3 bis 10 Gew.-% Graphit und Kupfer als Rest wird eine wässrige Lösung, die 1 bis 15 Gewichts-% eines pulverförmigen Binders enthält, der aus Hydroxypropylzellulose (HPC), Polyvinylalkohol (PVA), Carboxymethylzellulose (CMC), Hydroxyethylzellulose (HEC), Methylzellulose (MC), Gelatine, Gummiarabicum, Stärke und einer Mischung hieraus ausgewählt ist, mit einer Menge von 0,1 bis 5 Gewichts-% zugegeben und gleichmäßig vermischt, um dadurch ein Ausgangspulver zu erhalten.

(Schritt C)

Das Ausgangspulver wird einer Preßwalze zugeführt und zu einer gewalzten Lage geformt, die dann in geeignete Form geschnitten wird.

(Schritt D)

Die gewalzte Lage wird auf das im Schritt A hergestellte Stützmetall gelegt und in einem Heizofen, der mit reduzierender Atmosphäre oder Vakuum betrieben wird, bei einer Temperatur von 870 bis 1000ºC bei einem Druck von 0,1 bis 5,0 kgf/cm² für 20 bis 60 Min. gesintert, um den Sintervorgang der gewalzten Lage und die Diffusionsverbindungsherstellung zum Stützmetall auszuführen, um dadurch ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement zu erhalten, bei dem die gesinterte. Legierungsschicht einstückig mit der Oberfläche des Stützmetalls verbunden ist.
Ein Legierungsbereich hoher Dichte an der Oberfläche der Vorsprünge und ein Legierungsbereich niedriger Dichte an der Rückseite des Stützmetalls sind in der Sinterschicht des mehrschichtigen, gesinterten Gleitelements ausgebildet, das durch die vorstehend genannten Schritte erhalten wurde.

(Schritt E)

Dieser Schritt ist derselbe wie der siebte Schritt beim vorigen Herstellverfahren.
Bei diesem Herstellverfahren können die Dichte und die Dicke der gewalzten Lage aus dem Ausgangspulver mittels der Walzbelastung eingestellt werden, wobei diese Walzbelastung von der Walzgeschwindigkeit und dem Walzenabstand abhängt.
Demgemäß können die Dichte und die Dicke der gewalzten Lage geeignet durch Verändern der Walzgeschwindigkeit und des Walzenabstands eingestellt werden.
Bei jedem der vorstehend beschriebenen Herstellverfahren kann, da der Umfangsbereich mehrerer unabhängiger Vorsprünge oder kontinuierlicher Vorsprünge, die an der Oberfläche des Stützmetalls mit schrägen Flächen ausgebildet sind, eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen den Vorsprüngen und der gesinterten Legierungsschicht erhalten werden, die durch Befestigen an der Oberfläche der Vorsprünge einstückig ausgebildet wurde. In der Sinterschicht des so hergestellten mehrschichtigen, gesinterten Gleitelements sind ein gesinterter Legierungsbereich mit niedriger Dichte (5 - 6 g/cm³), vorzugsweise mit niedriger Dichte (5 - 6 g/cm³) und hoher Ölimprägnierrate (25 bis 30 Vol.-%) sowie ein gesinterter Legierungsbereich mit hoher Dichte (7 - 8 g/cm³), vorzugsweise mit hoher Dichte (7 - 8 g/cm³) und niedriger Ölimprägnierrate (11 - 14 Vol.-%) ausgebildet.
Das Verformungsausmaß (µm) der Dicke bei einer Stoßbelastung von 3000 kgf/cm² beträgt nicht mehr als 47 µm bei einer Dauer von 100000 Zyklen, vorzugsweise nicht mehr als 45 µm bei einer Dauer von 100000 Zyklen. Der Reibungskoeffizient des mehrschichtigen, gesinterten Gleitelements gemäß der Erfindung beträgt 0,15 bis 0,3, vorzugsweise 0,15 bis 0,23; der Reibungskoeffizient zur Gleitfläche im Zustand bei verteiltem Wasser und Staub beträgt nicht mehr als 0,42, vorzugsweise 0,18 bis 0,40, und der Abriebwert beträgt nicht mehr als 20 µm, vorzugsweise 16,0 bis 18,5 µm.
Im mehrschichtigen, gesinterten Gleitelement gemäß der Erfindung kann, da der Legierungsbereich niedriger Dichte und der Legierungsbereich hoher Dichte zusammen in der gesinterten Leqierungsschicht vorhanden sind, die Druckfestigkeit der gesinterten Legierungsschicht erhöht werden, um eine hohe Last und eine Schlaglast gleitend abzustützen, ohne daß bei derartigen Belastungen eine plastische Verformung oder dergleichen der gesinterten Legierungsschicht hervorgerufen wird.
Ferner können durch den Legierungsbereich mit hoher Ölimprägnierung und den Legierungsbereich mit niedriger Ölimprägnierung in der gesinterten Legierungsschicht die Geschwindigkeitscharakteristik (Reibungskoeffizient) und die Abriebfestigkeit als Gleitelement merklich verbessert werden.
Demgemäß kann das mehrschichtige, gesinterte Gleitelement gemäß der Erfindung auf derartige Anwendungen oder Gebrauchszwecke angewandt werden, bei denen eine hohe Belastung und eine Schlagbelastung intermittierend ausgeübt werden, wie bei Bodenplatten zum gleitenden Tragen von Zungenweichenschienen an einem Eisenbahngeleis.
Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen detaillierter erläutert; jedoch ist zu beachten, daß der Schutzbereich der Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.

Beispiel 1

(Erster Schritt)

Eine rechteckige Stahlplatte (gewalzte Stahlplatte SS41), die als Stützmetall 1 verwendet wurde, wies eine Mehrzahl unabhängiger, rechteckiger Vorsprünge 2 mit ebener Form auf, die in zueinander rechtwinkligen Richtungen auf einer Oberfläche la angeordnet waren, wobei die Oberfläche eines Vorsprungs 2 als ebene Fläche und der Umfangsbereich eines Vorsprungs 2 als schräge Fläche 2a ausgebildet war, mit einer nach unten gehenden Flanke von der Oberfläche des Vorsprungs zur Oberfläche la des Stützmetalls (150 mm Länge, 260 mm Breite, 8 mm Dicke bis zur Oberfläche des Stützmetalls und 1,695 mm Höhe für den Vorsprung) [Fig. 1 bis Fig. 3]. Das Verhältnis der Fläche der ebenen Oberfläche der an der Oberfläche la des Stützmetalls ausgebildeten Vorsprünge 2 zur gesamten Oberfläche war 14%. Nach dem Entfetten und Reinigen der Oberfläche la des Stützmetalls 1 und der Oberfläche der Vorsprünge 2 erfolgte ein Aufbauen derselben durch Sandstrahlen.

(Zweiter Schritt)

8 Gewichts-% eines Zinnpulvers, das durch Hindurchführen durch ein Sieb mit der Weite 250 in feiner Form erhalten wurde, 28 Gewichts-% eines Pulvers aus elektrolytischem Nickel, das durch ein Sieb mit der Weite 250 geleitet wurde, 7 Gewichts-% eines Pulvers aus einer Phosphor-Kupfer-Legierung (Phosphorgehalt: 15%), das durch ein Sieb mit der Weite 120 geleitet wurde, 5 Gewichts-% eines Graphitpulvers, das durch ein Sieb mit der Weite 150 geleitet wurde, und ein Pulver aus Elektrolytkupfer, das durch ein Sieb mit der Weite 150 geleitet wurde, als Rest, wurden für 10 Min. durch einen Mischer vermischt, um ein Pulvergemisch zu erhalten (Cu: 58 Gew.-%, Zinn: 8 Gew.-%, Nickel: 28 Gew.-%, Phosphor: 1 Gew.-% und Graphit: 5 Gew.-%).

(Dritter Schritt)

Das Pulvergemisch wurde gleichmäßig über die Oberfläche 1a des Stützmetalls und die Oberfläche der Vorsprünge 2 an der Oberfläche des Stützmetalls verstreut, um dadurch eine Pulvergemischschicht mit einer Dicke von 3,5 mm auf der Oberfläche eines Vorsprungs und einer Dicke von 5,2 mm auf der Oberfläche 1a des Stützmetalls auszubilden.

(Vierter Schritt)

Das Stützmetall 1 mit der gleichmäßig auf seiner Oberfläche verstreuten Pulvergemischschicht wurde in einem Heizofen angeordnet, der mit reduzierender Atmosphäre betrieben wurde, und es wurde für 10 Min. bei einer Temperatur von 920ºC gesintert (Primärsinterung), um eine Sinterung des Pulvergemischs und eine Diffusionsverbindung mit dem Stützmetall auszuführen, um dadurch die gesinterte Legierungsschicht einstückig mit dem Stützmetall zu verbinden.

(Fünfter Schritt)

Anschließend wurde das Stützmetall mit der einstückig mit ihm verbundenen, gesinterten Legierungsschicht dadurch gewalzt, daß ein dreimaliges Hindurchleiten zwischen einem Paar Walzen erfolgte, um dadurch die Dichte der vorgesinterten Legierungsschicht zu erhöhen. Nach dem Walzen betrug die Dicke der vorgesinterten Legierungsschicht in der gesinterten Legierungsschicht auf den Vorsprüngen 2 an der Oberfläche des Stützmetalls 1,5 mm, und sie betrug 3 mm in der gesinterten Legierungsschicht an der Oberfläche 1a des Stützmetalls.

(Sechster Schritt)

Das Stützmetall mit der einstückig mit ihm verbundenen vorgesinterten Legierungsschicht wurde im oben genannten Heizofen angeordnet und bei einer Temperatur von 950ºC für 10 Min. gesintert (Sekundärsinterung), um den Sintervorgang der vorgesinterten Legierungsschicht weiterzuführen und die Verbindungsfestigkeit zum Stützmetall zu erhöhen. Anschließend wurde das Stützmetall dadurch gewalzt, daß es einmal zwischen dem oben beschriebenen Paar Walzen hindurchgeführt wurde, um ein mehrschichtiges, gesintertes Glaselement zu erhalten, in dem die Dichte der gesinterten Legierungsschicht erhöht war, und dessen Oberfläche mit guter Genauigkeit eingeebnet war.
Die gesinterte Legierungsschicht des so erhaltenen mehrschichtigen, gesinterten Gleitelements war mit einer Dicke von 1,2 mm an der Oberfläche der Vorsprünge 2 und mit einer Dicke von 2,3 mm an der Oberfläche la des Stützmetalls ausgebildet, und die Dichte der gesinterten Legierungsschicht an der Oberfläche eines Vorsprungs 2 betrug 7,4 g/cm³, und die Dichte der gesinterten Legierungsschicht an der Oberfläche des Stützmetalls betrug 5,3 g/cm³.

(Siebter Schritt)

Auf das mehrschichtige, gesinterte Gleitelement wurde eine Ölimprägnierbehandlung angewandt, um ein ölimprägniertes, mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement mit einer Ölimprägnierrate von 13 Vol.-% im gesinterten Legierungsbereich hoher Dichte an der Oberfläche der Vorsprünge sowie von 29 Vol.-% im gesinterten Legierungsbereich mit niedriger Dichte an der Oberfläche des Stützmetalls zu erhalten.

Beispiel 2

(Erster Schritt)

Eine als Stützmetall 1 verwendete rechteckige Stahllage (gewalzte Stahlplatte SS41) wies parallel zueinander und mit Schnittpunkten an der Oberfläche 1a ausgebildete, kontinuierliche, streifenförmige Vorsprünge 4 und eine Mehrzahl rhombischer Vertiefungen 5 in der durch die Vorsprünge 4 an der Oberfläche la definierten Ebene auf, wobei die Oberfläche der Vorsprünge 4 als ebene Oberfläche ausgebildet war und ihr Umfangsbereich als schräge Fläche 5a ausgebildet war, mit einer nach unten gehenden Flanke von der Oberfläche eines Vorsprungs zur Oberfläche des Stützmetalls (150 mm Länge, 260 mm Breite, 8 mm Dicke bis zur Oberfläche des Stützmetalls und 1,695 mm Höhe für einen Vorsprung) [siehe Fig. 8 und Fig. 9]. Das Flächenverhältnis der ebenen Fläche der streifenförmigen Vorsprünge 4, die kontinuierlich an der Oberfläche 1a des Stützmetalls ausgebildet waren, zur gesamten Oberfläche betrug 28%. Nach dem Entfetten und Reinigen der Oberfläche la des Stützmetalls 1 und der Oberfläche der Vorsprünge 4 wurden diese durch Sandstrahlen aufgerauht.

(Zweiter Schritt)

5 Gewichts-% eines Zinnpulvers, das durch Hindurchleiten durch ein Sieb mit der Weite 250 in feiner Form erhalten wurde, 20 Gewichts-% eines Pulvers aus Elektrolytnickel, das durch ein Sieb mit der Weite 250 geführt wurde, 1,5 Gewichts-% eines Phosphorpulvers, das durch ein Sieb mit der Weite 120 geleitet wurde, 32 Gewichts-% eines Pulvers aus reduziertem Eisen, das durch ein Sieb mit der Weite 300 geleitet wurde, 5 Gewichts-% eines Graphitpulvers, das durch ein Sieb mit der Weite 150 geleitet wurde, und Pulver aus Elektrolytkupfer, das durch ein Sieb mit der Weite 150 geleitet wurde, als Rest, wurden für 10 Min. durch einen Mischer vermischt, um ein Pulvergemisch zu erhalten (Cu: 36,5 Gew.-%, Zinn: 5 Gew.-%, Nickel: 20 Gew.-%, Phosphor: 1,5 Gew.-%, Eisen: 32 Gew.-% und Graphit: 5 Gew.- %).

(Dritter Schritt)

Das Pulvergemisch wurde gleichmäßig auf die Oberfläche 1a des Stützmetalls und die Oberfläche der Vorsprünge 4 an der Oberfläche des Stützmetalls gestreut, um dadurch eine Pulvergemischschicht mit einer Dicke von 3,5 mm auf der Oberfläche der Vorsprünge 4 und einer Dicke von 5,2 mm auf der Oberfläche la des Stützmetalls auszubilden.

(Vierter Schritt)

Das Stützmetall 1 mit der gleichmäßig auf seine Oberfläche gestreuten Pulvergemischschicht wurde in einem Heizofen angeordnet, der mit reduzierender Atmosphäre betrieben wurde, und es wurde bei einer Temperatur von 920ºC für 10 Min. gesintert (Primärsinterung), um einen Sintervorgang des Pulvergemischs und einen Diffusionsverbindungsvorgang zum Stützmetall auszuführen, wodurch die vorgesinterte Legierungsschicht einstückig mit dem Stützmetall verbunden wurde.

(Fünfter Schritt)

Anschließend wurde das Stützmetall mit der einstückig mit ihm verbundenen vorgesinterten Legierungsschicht dadurch gewalzt, daß es dreimal zwischen ein Paar Walzen hindurchgeführt wurde, um dadurch die Dichte der vorgesinterten Legierungsschicht zu erhöhen. Nach dem Walzen betrug die Dicke der vorgesinterten Legierungsschicht in der gesinterten Legierungsschicht auf den Vorsprüngen 4 an der Oberfläche des Stützmetalls 1,5 mm, und sie betrug 3 mm in der gesinterten Legierungsschicht an der Oberfläche 1a des Stützmetalls.

(Sechster Schritt)

Das Stützmetall mit der einstückig mit ihm verbundenen vorgesinterten Legierungsschicht wurde im oben genannten Heizofen angeordnet und bei einer Temperatur von 950ºC für 10 Min. gesintert (Sekundärsinterung), um den Sintervorgang der vorgesinterten Legierungsschicht weiterzuführen und die Verbindungsfestigkeit zum Stützmetall zu erhöhen. Anschließend wurde das Stützmetall dadurch gewalzt, daß es einmal zwischen dem Paar oben genannter Walzen hindurchgeführt wurde, um ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement zu erhalten, bei dem die Dichte der gesinterten Legierungsschicht erhöht war und die Oberfläche mit guter Genauigkeit eingeebnet war.
Die gesinterte Legierungsschicht des so erhaltenen mehrschichtigen, gesinterten Gleitelements war mit einer Dicke von 1,2 mm an der Oberfläche der Vorsprünge 4 und mit einer Dicke von 2,3 mm an der Oberfläche 1a des Stützmetalls ausgebildet, und die Dichte der gesinterten Legierungsschicht an der Oberfläche eines Vorsprungs 4 betrug 7,4 g/cm³, und die Dicke der gesinterten Legierungsschicht an der Oberfläche des Stützmetalls betrug 5,8 g/cm³.

(Siebter Schritt)

Auf das mehrschichtige, gesinterte Gleitelement wurde eine Ölimprägnierbehandlung angewandt, um ein ölimprägniertes, mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement mit einer Ölimprägnierrate von 11 Vol.-% im Legierungsbereich mit hoher Dichte an der Oberfläche eines Vorsprungs und mit 29 Vol.-% im Legierungsbereich mit niedriger Dichte an der Oberfläche des Stützmetalls zu erhalten.
Anschließend wurden die bei den vorstehend beschriebenen Beispielen erhaltenen mehrschichtigen&sub1; gesinterten Gleitelemente bei Bodenplatten zum gleitenden Tragen von Zungenweichenschienen an Eisenbahngeleispunkten angewandt, und es werden nun die Testergebnisse hinsichtlich der Schlagfestigkeit und der Reibungseigenschaften bei verschiedenen Einzelbedingungen der Gleitelemente erläutert.

(Prüfverfahren für die Schlagfestigkeit)

Eine Querschwelle wurde auf der Preßmatrize einer Preßmaschine befestigt und eine Belastungszelle wurde mittels einer Senkkopfschraube sicher an der Querschwelle angebracht. Eine Testprobe (mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement) wurde an der Lastzelle befestigt, und ein Gegenstück wurde an einem Preßschieber der Preßmaschine befestigt. Dann wurde der Schieber vertikal verstellt, um eine Schlagbelastung auf die Testprobe auszuüben, und es wurde das Ausmaß (mµ) der Verformung hinsichtlich der Dicke der Testprobe gemessen.

(Testbedingungen)

Verstellgeschwindigkeit des Preßschiebers: 80 cpm (die Vertikalverstellung des Schiebers ging über einen Zyklus)
Last: 3000 kgf/cm²
Beschleunigung: ungefähr 20 g
Dauer der Zyklen: 100000 Zyklen
Gegenstück: schwarz getemperter S50C
Die Ergebnisse des durch das Testverfahren und bei den Testbedingungen, wie sie oben beschrieben sind, ausgeführten Tests sind in der Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Schlagbelastung Anzahl der Zyklen Zyklen Beispiel Stand der Technik Vorhandenes Erzeugnis Testprobe Gegenstück
In der Tabelle ist der Stand der Technik ein mehrschichtiges, gesintertes Gleitelement&sub1; wie es in der oben beschriebenen Japanischen Patentveröffentlichung 56-12288 offenbart ist, und das vorhandene Erzeugnis ist ein Gleitelement, bei dem ein Schmiermittel ölig auf eine gewalzte Stahllage (SS41) aufgetragen ist.
Gemäß dem Testergebnis können die mehrschichtigen, gesinterten Gleitelemente des Beispiels 1 und des Beispiels 2 die Schlagbeständigkeit im Vergleich zu der beim bekannten mehrschichtigen, gesinterten Gleitelement beachtlich verbessern, und sie können ein Funktionsvermögen zeigen, das mit dem des Gleitelements des vorhandenen Erzeugnisses mit Ölzuführung vergleichbar oder ihm überlegen ist.
Die Reibeigenschaften wurden durch das folgende Testverfahren und die folgenden Testbedingungen geprüft.

(Testverfahren)

Eine Testprobe wurde auf einem Träger befestigt und eine Gleisweichenschiene wurde auf der Testprobe angeordnet, und eine Gleisweichenschiene wurde an der Kolbenstange eines an der Seite des Trägers befestigten Luftzylinders befestigt. Auf der Zungenweichenschiene wurde eine Last angebracht und der Zylinder wurde hin und her bewegt, während die Zungenweichenschiene gleitend auf der Testprobe getragen wurde, und es wurde der Reibungskoeffizient zwischen diesen beiden gemessen.

(Testbedingung)

Last: 250 kgf
Geschwindigkeit: 200 mm/Sek.
Hub: 200 mm
Hubzyklus: 5000 Zyklen bei jeweiligen Einzelbedingungen
Einzelbedingungen: (1) Normaler Zustand, (2) Zustand mit dem Aufspritzen von Wasser auf die Gleitfläche, (3) Zustand mit dem Aufstreuen von Staub auf die Gleitfläche, (4) Zustand mit dem Verteilen von Wasser und Staub auf der Gleitfläche.
Die Ergebnisse des durch das Testverfahren bei den vorstehend beschriebenen Testbedingungen ausgeführten Tests sind die, die in der Tabelle 2 dargestellt sind.
Das Verteilen von Wasser, das Auf streuen von Staub und das Verteilen von Wasser und Staub bei (2), (3) und (4) wurden für jeweils 1000 Hubzyklen ausgeführt. Tabelle 2 Reibungskoeffizient bei verschiedenen Einzelbedingungen Abriebausmaß (µm) Beisp.
In der Tabelle sind die oberen Grenzwerte für den Reibungskoeffizient bei (1), (2) und (3) die Werte beim Verteilen von Wasser, beim Auf streuen von Staub bzw. beim Verteilen von Wasser und Staub auf der Gleitfläche.
Gemäß dem Testergebnis zeigen die mehrschichtigen, gesinterten Gleitelemente gemäß dem Beispiel 1 und dem Beispiel 2 einen stabilen Reibungskoeffizient bei verschiedenen Einzelbedingungen ohne jede Ölzufuhr nach Testbeginn. Der Reibungskoeffizient und das Abriebausmaß zeigen ein Funktionsvermögen, das dem beim vorhandenen Erzeugnis vergleichbar ist, bei dem ein Schmiermittel einer gewalzten Stahllage (SS41) zugeführt wird.
Angesichts der vorhandenen Situation, bei der eine gewalzte Stahllage (SS51) als Bodenplatte zum verschiebbaren Tragen einer Zungenweichenschiene verwendet wird und Abreibung, Anschmoren usw. durch Zuführen von Schmiermittel zur Lage verhindert werden, kann das mehrschichtige, gesinterte Gleitelement gemäß der Erfindung die Wirkung zeigen, daß ein von Hand ausgeführter Schmiervorgang für Schmiermittel eingespart werden kann.
Ferner kann im Vergleich mit dem in der Japanischen Patentveröffentlichung 56-12288 offenbarten Verfahren das Herstellverfahren vereinfacht werden und die Herstellkosten können verringert werden.

Claims

1. Gleitelement, das eine Stützplatte (1) aufweist, die aus Stahl besteht und einen oder mehrere Vorsprünge (2,3,4,6,8) auf einer ihrer Oberflächen aufweist und das außerdem eine auf diese Oberfläche der Stützplatte (1) aufgesinterte Legierungsschicht (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil oder jeder Teil dieser gesinterten Legierungsschicht (10), der den Vorsprung bzw. die Vorsprünge bedeckt, eine erste Dichte aufweist und der verbleibende Anteil der gesinterten Legierungsschicht eine zweite Dichte aufweist, wobei die erste Dichte höher ist als die zweite Dichte.

2. Gleitelement nach Anspruch 1, in dem zahlreiche Vorsprünge (2,3) vorhanden sind, die voneinander getrennt sind.

3. Gleitelement nach Anspruch 1, in welchem ein zusammenhängender Vorsprung (4,6,8) vorhanden ist, der zahlreiche nichtzusammenhängende Vertiefungen (5,7,9) begrenzt.

4. Gleitelement nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der Vorsprung oder jeder der Vorsprünge (2,3,4,6,8) eine flache Oberfläche aufweist, die mit einer nach unten in Richtung der Oberfläche der Stützplatte geneigten Oberfläche (2a,3a,5a,7a,9a) verbunden ist.

5. Gleitelement nach irgendeinem vorhergehenden Patentanspruch, wobei die gesinterte Legierungsschicht (10) 4 bis 10 Gew.-% Zinn, 10 bis 40 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 4 Gew.-% Phosphor, 3 bis 10 Gew.-% Graphit und Rest Kupfer enthält.

6. Gleitelement nach Anspruch 5, wobei die gesinterte Legierungsschicht (10) außerdem nicht mehr als 50 Gew.-% Eisen und nicht mehr als 25 Gew.-% Mangan enthält.

7. Gleitelement nach irgendeinem vorhergehenden Patentanspruch, wobei die gesinterte Legierungsschicht (10) mit Öl imprägniert ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Elements, bei dem eine Legierung (10) gleichförmig auf einer Stützplatte (1) verteilt wird und bis zur Bindung an diese Stützplatte (10) vorgesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Gleitelement nach irgendeinem vorhergehenden Patentanspruch ist und daß nach der Vorsinterung die Legierung im wesentlichen flachgewalzt, vollständig gesintert und erneut gewalzt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Mehrschicht- Gleitelements nach Anspruch 8, wobei die Legierung (10) in Form eines Pulvers verteilt wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines Elements, bei dem eine Legierung (10) auf einer Stützplatte (1) gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein gesintertes Mehrschicht-Gleitelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 ist und die Legierung (10) zu einer gewalzten Platte vorgeformt wird und die gewalzte Platte vor der Sinterung auf die Stützplatte gelegt wird.