DE69518636T2

DE69518636T2 - Gleitlager

Info

Publication number: DE69518636T2
Application number: DE69518636T
Authority: DE
Inventors: Soji Kamiya; Yoshio Kumada; Yuji Yokota
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 1995-03-01
Filing date: 1995-03-01
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2015-03-02
Also published as: WO1996027088A1; EP0758721B1; EP0758721A4; US5817397A; DE69518636D1; EP0758721A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlager gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, das in einem Verbrennungsmotor verwendet wird.

Hintergrund der Erfindung

Ein Gleitlager der obigen Art ist aus der JP-A-20142921 bekannt. Auf dem Gebiet der Erfindung sind auch Lager mit einem Verkleidungselement bekannt, das eine Vielzahl unebener Oberflächen an seiner Oberfläche aufweist, wobei die gesamte Oberfläche des Verkleidungselements einschließlich der unebenen Oberflächen mit einer Zwischenschicht überzogen ist und die gesamte Oberfläche des Verkleidungselements, das mit der Zwischenschicht überzogen ist, zusätzlich mit einer Deckschicht überzogen ist, worin Ausnehmungen innerhalb der unebenene Oberflächen durch die Deckschicht gefüllt sind, sodass beim Abreiben der Deckschicht und der Zwischenschicht die freiliegende Oberfläche das freiliegende Verkleidungselement, die freiliegende Zwischenschicht, welche die innerhalb der unebenen Oberflächen liegenden Ausnehmungen abdeckt, und die freiliegende Deckschicht umfasst, die auf die in den unebenen Oberflächen befindlichen Ausnehmungen aufgebracht ist (siehe beispielsweise die JP-A-38.714/90).
Die JP-A-62283216 offenbart ein Lager, das eine Zwischenschicht mit einer Dicke zwischen 0,01 und 2 um umfasst.
Wenn im oben beschriebenen herkömmlichen Gleitlager die Deckschicht Sn und die Zwischenschicht Ni enthalten, reagieren beispielsweise beim Erhitzen des Gleitlagers durch die Motorhitze Sn in der Deckschicht und Ni in der Zwischenschicht chemisch miteinander, um eine Ni-Sn-Verbindung zu erzeugen. Im herkömmlichen Gleitlager wurde der Beziehung zwischen der Dicke der Zwischenschicht und der Rauigkeit der unebenen Oberflächen keine Aufmerksamkeit geschenkt. Nach der Bildung der Ni-Sn- Verbindung liegt diese demnach - während die Deckschicht an der Oberflächenseite all mählich abgerieben wird - über die gesamte Gleitfläche des Gleitlagers nach und nach frei, sodass das Problem entsteht, dass die Festfressbeständigkeit des Gleitlagers rasch abnimmt.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Studie der Anmelder über die Beziehung zwischen der Dicke der Zwischenschicht und der Rauigkeit der unebenen Oberflächen ergab, dass im oben angeführten Beispiel eine Verbindung, wie z. B. Sn-Ni, die vorliegt, wenn das Gleitlager erhitzt wird, eine Dicke besitzt, die etwa das Zwei- bis Dreifache der Dicke der Zwischenschicht beträgt. Gemäß der Erfindung wird daher die Rauigkeit (Tiefe) der unebenen Oberflächen so gewählt, dass sie das Dreifache oder mehr der Dicke der Zwischenschicht beträgt, so dass bei der Bildung der Ni-Sn-Verbindung, wie oben beschrieben, das Freiliegen der Ni-Sn- Verbindung über die gesamte Gleitfläche verhindert werden kann.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Gleitlager, dessen Oberfläche mit mehreren unebenen Oberflächen ausgebildet ist, wobei die gesamte Oberfläche des Verkleidungselements einschließlich der unebenen Oberflächen mit einer Zwischenschicht beschichtet ist und die gesamte Oberfläche des Verkleidungselements, die mit der Zwischenschicht beschichtet ist, zusätzlich mit einer Deckschicht beschichtet ist. Ausnehmungen innerhalb der unebenen Oberflächen werden mit der Deckschicht gefüllt, so dass beim Abreiben der Deckschicht und der Zwischenschicht die freiliegende Oberfläche das freiliegende Verkleidungselement, die freiliegende Zwischenschicht, welche die Ausnehmungen innerhalb der unebenene Flächen abdeckt, und die freiliegende Deckschicht, die innerhalb der Ausnehmungen in den unebenen Oberflächen vorliegt, umfasst. Gemäß der Erfindung umfasst die Deckschicht 0,02 bis 0,5 Gew.-% C, und die Dicke der Zwischenschicht wird so gewählt, dass sie in einem Bereich von 0,01 bis 0,6 um liegt, wodurch bei bekannten Lagern die Oberflächenrauigkeit des Verkleidungselements, die aus der Ausbildung der unebenen Oberflächen resultiert, so gewählt wird, dass sie in einem Bereich von 2 bis 8 umRz liegt.
Wenn bei dieser Konstruktion die Ni-Sn-Verbindung oder die jeweilige Verbindung der definierten Elemente infolge der Erhitzung der Zwischenschicht und der Deckschicht gebildet wird, beträgt die Rauigkeit (Tiefe) der unebenen Oberflächen das Dreifache der Dicke der Zwischenschicht oder mehr, weshalb mit zunehmendem Abrieb der Deckschicht diese innerhalb der sich in den unebenen Oberflächen befindlichen Ausnehmungen verbleibt, wodurch ein Freiliegen der Ni-Sn-Verbindung über die gesamte Gleitfläche wirksam verhindert wird. Außerdem wird Diffusion des in der Deckschicht enthaltenen Sn in die Zwischenschicht unterdrückt, wodurch aufgrund der Unterdrückung der Bildung der resultierenden Ni-Sn-Verbindung die Wirkung der Erfindung gesteigert wird. Um die Diffusion von in der Deckschicht enthaltenem Sn in die Zwischenschicht zu unterdrücken, enthält die Sn enthaltende Deckschicht auch 0,02 bis 0,5 Gew.-% C. In der Folge verbessert sich die Festfressbeständigkeit des Gleitlagers gegenüber dem Stand der Technik.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Teils eines Gleitlagers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung des Ergebnisses eines Versuchs, der unternommen wurde, um die Beziehung zwischen der Oberflächenrauigkeit der Verkleidungselemente 3 und dem Oberflächen-Festfressdruck zu veranschaulichen.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung eines Versuchs, der unternommen wurde, um die Beziehung zwischen der Zwischenschicht 4 und dem Oberflächen-Festfressdruck zu veranschaulichen.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung eines Versuchs, welche die Unterschiede des Oberflächen-Festfressdrucks veranschaulicht, die auftreten, wenn die Sn-Ni-Verbindung gebildet wird und wenn diese nicht gebildet wird.
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung eines weiteren Versuchs, die den Unterschied des Oberflächen-Festfressdrucks veranschaulicht, der in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorliegt.
Fig. 6 ist eine Darstellung des Detektierens und Messens der C-Menge.
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Oberflächen-Festfressdruck und der C-Menge.
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung der eindiffundierten Dicke von Ni innerhalb der Sn- Deckschicht, wobei die C-Menge als Parameter herangezogen wird.

Beste Durchführungsart der Erfindung

Bezug nehmend auf die Abbildungen folgt nun eine Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. Bezug nehmend auf Fig. 1 umfasst ein Gleitlager 1 ein Verkleidungselement 3, das aus einer Al-Legierung besteht, die an der Oberfäche einer Versteifung 2 vorgesehen ist. Das Verkleidungselement 3 kann gegossen, gegossen und gewalzt, gesintert, stranggeprestt oder nach einem beliebigen anderen geeigneten Verfahren hergestellt werden. Die Al-Legierung, die das Verkleidungselement 3 bildet, kann Al-Sn-, Al-Sn-Cu-, Al-Sn-Si-, Al-Sn-Cr-, Al-Sn-Cr-Si- und Al-Pb-Legierungen umfassen. Eine solche Legierung kann im Bedarfsfall auch eine Vielzahl von Additiven aufweisen. Beispielsweise wird eine Zusammensetzung bevorzugt, die 12 Gew.-% Sn, 1,5 Gew.-% Pb, 2,8 Gew.-% Si, 1 Gew.-% Cu und 0,2 Gew.-% Cr und ansonsten Al umfasst. Man beachte, dass das Verkleidungselement 3 ebenso aus Cu-Legierung bestehen kann.
Die Oberfläche des Verkleidungselements 3 wird unter Einsatz einer Base, einer Säure, eines elektrolytischen Ätzverfahrens oder eines mechanischen Verfahrens, wie etwa durch mechanisches Entzundern, mit einer Vielzahl unebener Oberflächen 3a versehen. Das mechanische Verfahren kann einen Bohrvorgang vorsehen, um nutförmige unebene Oberflächen zu bilden. Alternativ dazu kann das mechanische Verfahren einen Bohrvorgang in Kombination mit einem Ätzvorgang umfassen, um nutförmige unebene Oberflächen mit einer Vielzahl unebener Oberflächen 3a darauf auszubilden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Höhenunterschied der unebenen Oberflächen 3a in der Oberfläche des Verkleidungselements 3 bzw. die Oberflächenrauigkeit t&sub1; des Verkleidungselements 3 so gewählt, dass sie in einem Bereich von 2 bis 8 umRz liegt. Die Breite W einer Ausnehmung, welche die unebene Oberfläche 3a bildet, beträgt an ihrer Öffnung das Hundertfache der tatsächlichen Rauigkeit t&sub1;, wobei zu beachten ist, dass die Breite W der einzelnen unebenen Oberflächen 3a und die Rauigkeit t&sub1; übertrieben dargestellt sind, um Fig. 1 übersichtlicher zu gestalten.
Eine Ni umfassende Zwischenschicht 4 wird über die gesamte Oberfläche des Verkleidungselements 3 einschließlich der einzelnen unebenen Oberflächen 3a durch ein Nassplattierungsverfahren wie etwa stromloses oder elektrolytisches Plattieren oder durch ein Trockenplattierungsverfahren wie etwa Sputtern, Ionenplattieren oder dergleichen ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform besitzt die Zwischenschicht 4 eine Dicke t&sub2;, die so gewählt ist, dass sie im Bereich von 0,01 bis 0,6 um liegt.
Während die gesamte Oberfläche des Verkleidungselements 3 einschließlich der einzelnen unebenen Oberflächen 3a vollständig von der Zwischenschicht abgedeckt ist, ist die Oberfläche der Letzteren in Entsprechung der Oberflächen des Verkleidungselements 3 und der unebenen Oberflächen 3a uneben. Das Material für die Zwischenschicht 4 kann zusätzlich zum oben erwähnten Ni auch Cu, Cr, Fe oder dergleichen entweder alleine oder als Legierung umfassen.
Die gesamte Oberfläche der Zwischenschicht 4 ist zusätzlich von einer Deckschicht 5 überzogen, und Ausnehmungen innerhalb der unebenen Oberflächen, die auf der Oberfläche der Zwischenschicht 4 ausgebildet sind, sind durch die Deckschicht 5 abgedeckt. Die Deckschicht 5 umfasst Pb-Legierung, die durch ein Nassplattierungsverfahren wie etwa elektrolytisches Plattieren oder ein Trockenplattierungsverfahren wie etwa Sputtern, Ionenplattieren oder dergleichen aufgebracht werden kann.
Beispielsweise kann eine Pb-Legierung, die zur Bildung der Deckschicht 5 herangezogen wird, eine oder mehrere der folgenden Substanzen umfassen: 15 Gew.-% oder weniger Sn, 15 Gew.-% oder weniger In, 5 Gew.-% oder weniger Cu und 5 Gew.-% oder weniger Sb. Es können z. B. die folgenden Zusammensetzungen verwendet werden:
8 bis 15 Gew.-% Sn - 1 bis 3 Gew.-% Cu-Pb
5 bis 10 Gew.-% Sn - 10 Gew.-% oder weniger In-Pb
1 bis 10 Gew.-% Sn - 1 bis 7 Gew.-% In - 1 Gew.-% oder weniger Cu-Pb
5 bis 10 Gew.-% Sn - 1 bis 10 Gew.-% In - 1 bis 4 Gew.-% Cu-Pb
5 bis 10 Gew.-% Sn - 10 bis 15 Gew.-% In - 1 Gew.-% oder weniger Cu-Pb
Die Dicke der Deckschicht 5 liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 25 um, noch bevorzugter im Bereich von 2 bis 10 um, insbesondere im Bereich von 3 bis 8 um.
Es ist wünschenswert, dass das Material für die Deckschicht 5 Sn oder In enthält. Anstelle der Pb-Legierung kann Sn selbst oder eine Sn-Legierung mit zugesetztem Sb verwendet werden. Beispielswesie eignet sich eine Deckschicht, die industriell reines Sn (mit einer Reinheit von 99,5% Sn oder mehr) umfasst, oder eine Deckschicht mit 10 Gew.- % oder weniger an zugesetztem Sb.
Wie erwähnt liegt in der vorliegenden Ausführungsform die Oberflächenrauigkeit t&sub1; des Verkleidungselements, das durch die unebenen Oberflächen 3a gebildet wird, im Bereich von 2 bis 8 umRz, während die Dicke t&sub2; der Zwischenschicht 4 im Bereich von 0,01 bis 0,6 um liegt.
Die Dicke t&sub2; der Zwischenschicht und die Rauigkeit t&sub1; der unebenen Oberflächen werden aus den folgenden Gründen so gewählt: Die Anmelder haben in einer Studie festgestellt, dass, wenn die Deckschicht 5 Sn-Legierung umfasst, die Zwischenschicht 4 Ni umfasst und das erfindungsgemäße Gleitlager 1 während seiner Herstellung durch die Motorhitze erhitzt wird, die Sn-Legierung in der Deckschicht 5 und Ni in der Zwischenschicht 4 chemisch miteinander reagieren, um die Sn-Ni-Verbindung 6 zu bilden, wie in Fig. 1 durch Phantomlinien dargestellt. Es stellte sich heraus, dass die Dicke der resultierenden Sn-Ni-Verbindung 6 in der Größenordnung des etwa Zweifachen bis Dreifachen der Dicke des Ni in der Zwischenschicht 4 liegt. Demzufolge wird die Dicke t&sub2; der Zwischenschicht so gewählt, dass sie zumindest das Dreifache der Rauigkeit t&sub1; der unebenen Oberflächen der Erfindung beträgt.
Wenn das so konstruierte Gleitlager 1 der vorliegenden Ausführungsform durch die Hitze aus dem Verbrennungsmotor erhitzt wird, reagieren die Sn-Legierung in der Deckschicht 5 und Ni in der Zwischenschicht 4 chemisch miteinander, um die Sn-Ni-Verbindung 6 zu bilden (durch Phantomlinien in Fig. 1 dargestellt). Wenn die Deckschicht 5 nach der Bildung der Sn-Ni-Verbindung 6 allmählich abgerieben wird, setzt sich der Abrieb der Deckschicht 5 bis zu einem Punkt fort, an dem der äußerste Abschnitt der Sn- Ni-Verbindung 6 freiliegt. Man beachte jedoch, dass dabei die Deckschicht 5 innerhalb der sich in den einzelnen unebenen Oberflächen 3a befindlichen Ausnehmungen verbleibt. An Positionen angrenzend an die Sn-Ni-Verbindung 6, die auf der Gleitkontaktoberfläche freiliegt, bleibt somit die Deckschicht 5 innerhalb der einzelnen unebenen Oberflächen 3a dispergiert. Auf diese Weise kann das Freiliegen der Sn-Ni-Verbindung 6 über dem gesamten Bereich der Gleitkontaktfläche des Gleitlagers 1 verhindert werden, wenn sich der allmähliche Abrieb der Deckschicht 5 nach der Bildung der Sn-Ni- Verbindung fortsetzt, wodurch die Festfressbeständigkeit des Gleitlagers 1 verbessert wird.
Man beachte, dass eine Sn-Cu-Verbindung oder eine Sn-Fe-Verbindung gebildet wird, wenn die Zwischenschicht Cu oder Fe umfasst. Wenn die Deckschicht In enthält, wird eine In-Ni-Verbindung oder In-Cu-Verbindung gebildet. Die Wirkung der Erfindung ist signifikant, wenn die Deckkomponente wie etwa Sn und In sowie die Zwischenschicht eine intermetallische Verbindung erzeugen. Die Wirkung ist auch signifikant, wenn die Zwischenschicht Ni oder Cu umfasst. Die Wirkung der Erfindung ist am stärksten, wenn die Ni-Sn-Verbindung gebildet wird.
Im Gegensatz dazu wurde gemäß dem Stand der Technik der Beziehung zwischen der Dicke t&sub2; der Zwischenschicht 4 und der Rauigkeit t&sub1; der unebenen Oberflächen 3a keine Aufmerksamkeit geschenkt. Wenn beim Gleitlager des Stands der Technik die Deckschicht 5 nach der Bildung der Sn-Ni-Verbindung 6 langsam abgerieben wird, wird diese über den gesamten Bereich der Gleitkontaktfläche des Gleitlagers 1 freigelegt, woraufhin die Festfressbeständigkeit rasch abnimmt.
Es folgt eine Beschreibung der Wirkung des erfindungsgemäßen Gleitlagers in Bezug auf Versuchsergebnisse. Die in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Versuchsergebnisse werden durch Bestimmung der Festfressbeständigkeit des Produkts der Erfindung und von Vergleichsprodukten unter den nachstehend beschriebenen Versuchsbedingungen und unter Einsatz des nachstehend beschriebenen Verfahrens bestimmt.

Versuchsbedingungen:

Testgerät: Festfressbeständigkeits-Testgerät vom Lagertyp
Umfangsgeschwindigkeit: 2,77 m/s
Wellendurchmesser: 42 mm
Oberflächendruck: 10 MPa/45 min. inkrementell erhöht
Schmiermittel: 7.5 W-30 Motoröl der SE-Klasse
Schmiermitteltemperatur: 140 ± 1ºC
Ölfuge: 25 ± 5 um
Wellenmaterial: S45C mit oder ohne Härtung
Wellenhärte: 550 ± 50 HV1
Wellenoberflächenrauigkeit: 0,5 ± 0,1 umRz
Das Versuchsverfahren umfasst das anfängliche einstündige Laufenlassen des Testgeräts unter einem Oberflächendruck von 5 MPa als Shakedown und das anschließende Erhöhen des Oberflächendrucks auf 10 MPa. Danach wird der Oberflächendruck schrittweise in Intervallen von 45 Minuten um 10 MPa erhöht, während das Reibungsdrehmoment und die Lagerrückflächen-Temperatur aufgezeichnet werden. Festfressen tritt ein, wenn eine rasche Zunahme des Reibungsdrehmoments erfolgt, und ein Oberflächendruck bei einem Reibungsdrehmoment von über 10,8 N.m ist als Oberflächen-Festfressdruck definiert. Wenn Festfressen während der Erhöhung der Last erfolgt, wird der Mittelwert vor und nach dem Eintreten des Festfressens als Oberflächen-Festfressdruck herangezogen. Man beachte, dass die Schmierung durch ein Ölbad erfolgt und das Testgerät vollständig in das Ölbad eintaucht. Die Temperatur des Schmieröls wird durch eine getrennte Ölzufuhr gesteuert, die Öl mit einer Rate von 1 dm³/min durch Zirkulation ins Bad einleitet; die Badtemepratur wird bei 140ºC gehalten.
Das im Versuch verwendete erfindungsgemäße Produkt, das die in Fig. 2 gezeigten Versuchsergebnisse liefert, besitzt eine Oberflächenrauigkeit des Verkleidungselements 3 im Bereich von 2 bis 8 umRz. Im Gegensatz dazu besitzt der verwendete Vergleich eine Oberflächenrauigkeit des Verkleidungselements 3 von entweder weniger als 2 umRz oder mehr als 8 umRz. Sowohl im erfindungsgemäßen Produkt als auch im Vergleich umfasst die Deckschicht 5 Sn und besitzt eine Dicke von 5 ± 1 um. Sowohl im Produkt der Erfindung als auch im Vergleich umfasst die Zwischenschicht 4 Ni-Plattierung und besitzt eine Dicke von 0,3 ± 0,05 um. Fig. 2 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Oberflächen-Festfressdruck und der Oberflächenrauigkeit t&sub1; des Verkleidungselements 3. Es ist aus Fig. 3 ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Produkt einen höheren Oberflächen-Festfressdruck zeigt als der Vergleich und somit verbesserte Festfressbeständigkeit besitzt.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Oberflächen-Festfressdruck und der Dicke t&sub2; der Zwischenschicht 4 (Ni). Beim erfindungsgemäßen Produkt, in dem die Dicke der Zwischenschicht 4 von 0,05 bis 0,6 um reicht, ist der Oberflächendruck höher als jener des Vergleichs, was ein Anzeichen für verbesserte Festfressbeständigkeit ist.
Fig. 4 zeigt das Ergebnis des Simulierens des Abriebs der Deckschicht 5, wenn das Gleitlager 1 einer thermischen Belastung ausgesetzt wird, die mit jener eines tatsächlichen Motors vergleichbar ist.
Wenn im wie oben konstruierten Gleitlager 1 der Erfindung die Deckschicht 5 abgerieben wird, bilden die abgeriebene Deckschicht 5 und Ni in der Zwischenschicht 4 eine Sn-Ni-Verbindung, wobei diese Abbildung den Oberflächen-Festfressdruck vergleicht, wenn eine solche Verbindung gebildet bzw. nicht gebildet wird.
Es ist aus Fig. 4 ersichtlich, dass im erfindungsgemäßen Produkt die Schwankungen des Oberflächen-Festfressdrucks (gebildete und nicht gebildete Sn-Ni-Verbindung) gering sind, doch die Schwankungen im Oberflächen-Festfressdruck zwischen Vorliegen und Fehlen der Sn-Ni-Verbindung sind im Vergleich viel größer, wo die Dicke t der Zwischenschicht 4 (Ni) so gewählt ist, dass sie 0,8 um beträgt. Unter Bedingungen, die der tatsächlichen Situation des Ausübens hoher thermischer Belastung sehr ähneln, zeigt das Produkt der Erfindung viel bessere Festfressbeständigkeit als der Vergleich.
Fig. 5 veranschaulicht die Bestimmung der Festfressbeständigkeit unter ähnlichen Versuchsbedingungen wie oben für eine andere Ausführungsform, worin die vollen schwarzen Kreise den Tests der Fig. 2 und 3 entsprechen, während die weißen Kreise den Tests unter einer ähnlichen thermischen Belastung wie in Fig. 4 entsprechen. Es ist aus Fig. 5 ersichtlich, dass die Festfressbeständigkeit, welche die Wirkung der Erfindung veranschaulicht, auch dann gegenüber dem Vergleich aus Fig. 4 verbessert ist, wenn die Deckschicht Pb-Material und die Zwischenschicht Cu umfasst. Beim Ausüben der thermischen Belastung ist die Festfressbeständigkeit höher als jener des Vergleichs.
Es ergibt sich aus der obigen Beschreibung, dass die Festfressbeständigkeit gemäß der Erfindung verbessert wird, indem verhindert wird, dass jegliche erzeugte Ni-Sn-Verbindung über den gesamten Bereich der Gleitkontaktfläche des Gleitlagers freiliegt. Außerdem enthält - wie oben erwähnt - die Deckschicht C, der die Diffusion von Sn unterdrückt. Dieser Aspekt wird nachstehend näher beschrieben.
Die gemäß dem Stand der Technik verwendete Deckschicht umfasst ein Metallelement wie etwa Pb, Sn, Cu, In, Sb, Mn, Ni, Fe, Zr, Tl oder dergleichen, und ein Nicht-Metallelement wie etwa C ist lediglich als unvermeidbare Verunreinigung enthalten. Ein solche C-Verunreinigung bildet keine Legierung mit einem Hauptmetall in der Deckschicht, weshalb man davon ausgeht, dass es aus organischen Komponenten im Plattierungsbad stammt. Der C-Gehalt wurde gemäß dem Stand der Technik nicht analysiert, doch die von den Anmeldern durchgeführte Analyse der Deckschichten in massenproduzierten Lagern ergab, dass die Gegenwart organischer Komponenten, berechnet als C, nur in Spurenmengen von weit unter 0,001 Gew.-% nachweisbar ist.
Es folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zum Detekieren und Analysieren von C unter Bezugnahme auf Fig. 6. Fig. 6 zeigt einen C-Peak, der erhalten wird, wenn gekohlter Stahl mit 0,45% C mittels EPMA (Elektronensonden-Mikroanalysator), Modell JCMA 773, ein Produkt von Nippon Denshi, unter den nachstehend angeführten Bedingungen bestimmt wird. Die Zählung beim L-Wert des Analysators betrug 308 cps. Unter Verwendung dieses Werts als Indexwert wird die Zahl für 1% C anhand von Proportionalrechnung ermittelt und beträgt 817 cps. Eine Zahl wird mittels EPMA erhalten, indem Ck α-Strahlen (unter Erfüllung der Bedingung eines L-Werts von 124,6 mm) aus charakteristischen Röntgenstrahlen gezählt werden, die aus einer Probe als Sekundäremission erzeugt werden, wenn die Probe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird.
Bedingungen der C-Bestimmung mittels EPMA
Spannung: 10 kV
Strom: 3,7 · 10&supmin;&sup7; A
L-Wert: 124,6 mm
Spektroskopiekristall: Stearit (üblicherweise als STE bezeichnet)
Die Anmelder stellten fest, dass beim Vergleichen des Diffusionsgrads von Sn zwischen einer üblichen Deckschicht und einer unterschiedlichen Deckschicht, in der die Menge organischer Komponenten im herkömmlichen Plattierungsbad absichtlich höher ist, die Diffusion von Sn in letzterer deutlich unterdrückt wird. Um eine solche Wirkung zu erzielen, muss die Deckschicht 0,02 Gew.-% oder mehr C enthalten. Wenn jedoch die Menge an C 0,5 Gew.-% überschreitet, stellt C eine grobe nicht-metallische Einlagerung im plattierten Film dar, an welcher der Abblätterungsbruch eingeleitet wird, wodurch sich die Lagereigenschaften verschlechtern. Die Menge an C muss also 0,5 Gew.-% oder weniger betragen. Eine bevorzugte Menge an C liegt im Bereich von 0,1 bis 0,5 Gew.-%, noch bevorzugter von 0,2 bis 0,4 Gew.-%.
Das Plattierungsbad zur Herstellung der Bleilegierung für die Deckschicht ist z. B. in der JP-A-41.695/85 geoffenbart und enthält Bleiborfluorid, Pb(BF&sub4;)&sub2;, Fluorborsäure, HBF Hydrochinon, Pepton, Gelatine und β-Naphthol. Die organischen Komponenten, die als Plattierungskomponenten zugesetzt werden, wirken folgendermaßen: Hydrochinon dient als Reduktionsmittel während der Elektrolyse, Pepton und Gelatine dienen als Dendrit-Fällungsinhibitor, und β-Naphthol dient als feinteilige Kristallkörner, wobei man davon ausgeht, dass die Komponenten auf diese Weise zur Stabilisierung der Plattierungsqualität beitragen. Gemäß der obigen Patentanmeldung enthält die Zusammensetzung des Plattierungsbads Bleifluoroborat, Pb(BF&sub4;)&sub2;, in einer Menge von 40 bis 200 g/l,, Fluoroborsäure, HBF, in einer Menge von 30 bis 120 g/l,, Hydrochinon in einer Menge von 0,5 bis 3 g/l, Pepton in einer Menge von 0,1 bis 3 g/l, Gelatine in einer Menge von 0,1 bis 3 g/l, und β-Naphthol in einer Menge von 0,1 bis 3 g/l,. Ein Plattierungsbad, mit dem eine Pb-Sn-Legierungs-Deckschicht aufplattiert wird, enthält zusätzlich Zinnfluor borat, Sn(BF&sub4;)&sub2;, und ein Plattierungsbad, mit dem eine Pb-Cu-Legierung aufplattiert wird, enthält zusätzlich Kupferfluorborat, Cu(BF&sub4;)&sub2;.
Beim Aufplattieren der Pb-In-Legierungs-Deckschicht wird ein Sulfaminsäureindium- Plattierungsbad verwendet (siehe Patent Nr. 41.695/85). Die Badzusammensetzung enthält Sulfaminsäureindium in einer Menge von 40 bis 210 g/l,, Sulfaminsäure in einer Menge von 10 bis 60 g/l,, Salz in einer Menge von 15 bis 100 g/l,, Glucose in einer Menge von 2 bis 25 g/l,, Triethanolamin in einer Menge von 1 bis 5 g/l, und Sulfaminsäurenatrium in einer Menge von 70 bis 320 g/l,. Die zugesetzten organischen Komponenten wirken folgendermaßen: Sulfaminsäure dient als Ionisierer für In oder als Antioxidans, Glucose dient als Dendrit-Fällungsinhibitor, und Sulfaminsäurenatrium und Triethanolamin dienen als Stabilisator des Plattierungsbads. Indem sie in Erwartung ihrer Wirkungsweise dem Bad beigemengt werden, tragen sie zur Stabilisierung der Plattierungsqualität bei.
Die C enthaltende Deckschicht kann gebildet werden, indem ein neutrales Bad verwendet wird, das auf dem Gebiet der Erfindung zur Glanzplattierung herangezogen wird (zusätzlich zur Verwendung des herkömmlicheren Fluorborat- oder Sulfidbads). Wenn die Deckschicht eine Legierung umfasst, kann die Legierung dieser Metallkomponenten durch Legierungsplattieren gebildet werden. Alternativ dazu können diese Metalle alleine aufplattiert und dann gemeinsam durch Diffusion legiert werden. Wenn das Einzelmetallplattieren mehrmals durchgeführt wird, kann eine dieser Schichten gebildet werden, indem ein Plattiervorgang unter Bedingungen erfolgt, die ermöglichen, C aus einer organischen Komponente einzuführen.
Eine höhere Menge an C kann in die Deckschicht eingebracht werden, indem die Menge an Komponenten wie Hydrochinon, Pepton, Gelatine, β-Naphthol, Kresolsulfat oder Formalin, die im herkömmlichen Fluorborat-Plattierungsbad zum Einsatz kommen und im Bad vorhanden sind, erhöht wird. Organische Komponenten, die in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, unterliegen keinerlei Einschränkungen, sofern sie die Einarbeitung in das Plattierungsbad in einer oben angeführten Menge ermöglichen.
Beispiele für bevorzugte organische Komponenten sind Polycarbonsäuren oder ihre Esterverbindungen (siehe JP-A-48.874/83) zur Verwendung als Glanzplattierungs-Additive für Metalle oder wasserlösliche Polymere, die durch Polymerisation von organischen Polycarbonsäurehalogenid-Verbindungen und Polyaminen erhalten werden. Genauer gesagt umfassen die Polycarbonsäuren aliphatische Polycarbonsäuren (beispielsweise Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutaminsäure, Adipinsäure, Salicylsäure, Pimelinsäure, Suberinsäure, Azalainsäure, Sebacinsäure, Ameisensäure, Itakonsäure, Nitroessigsäure, Ethylendiamintetraessigsäure und dergleichen) oder aromatische Polycarbonsäuren (beispielsweise Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Diphenylcarbonsäure, Trimellithsäure, m-Phenylendiamin-tetraacetat).
Ein weiteres Beispiel für bevorzugte organische Verbindungen ist aliphatische oder aromatische Aldehyde (als Sn- und Sn-Legierungs-Plattierungsadditiv in der JP-A-48.874/83 geoffenbart). Beispiele für aliphatische Aldehyde sind Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, Glyoxalaldehyd, Bernsteinsäurealdehyd, Capronaldehyd und Aldolaldehyde. Beispiele für aromatische Aldehyd sind Benzaldehyd, p-Tolualdehyd, Salicylaldehyd, Veratraldehyd, Anisaldehyd, Piperonal und Vanillin.
Ein weiteres Beispiel für bevorzugte organische Komponenten sind Hydroxycarbonsäuren mit Ausnahme von Citronensäure oder deren Salzen (nachstehend als "Hydroxycarbonsäuren" bezeichnet) oder Salze davon und/oder zweibasige Carbonsäuren ohne ungesättigte Bindung (nachstehend als "zweibasige Carbonsäure bezeichnet) oder Salze davon (als stabilisierendes Additiv für Sn- oder Sn-Legierungs-Plattierungsbäder in der JP-A-15.716/85 geoffenbart). Beispiele für Hydroxycarbonsäuren sind insbesondere Weinsäure, Äpfelsäure, Glykolsäure, Glycerinsäure, Milchsäure, β-Hydroxypropionsäure und dergleichen. Beispiele für zweibasige Carbonsäuren sind Oxalsäure, Malon säure, Bernsteinsäure, Weinsäure, Adipinsäure und dergleichen. Besonders bevorzugte organische Verbindungen sind Carbonsäure und Äpfelsäure.
Aus einer Vielzahl von Glanzbildnern, die einem neutralen Plattierungsbad mit einem pH-Wert im Bereich von 4 bis 9 zugegeben werden, stammender C kann die Diffusion von Ni, das die Zwischenschicht bildet, und Sn in der Deckschicht, das besonders gut diffundierbar ist, wirksam verhindern, sodass er der Deckschicht höhere Festfressbeständigkeit verleiht, obwohl seine Menge die gleiche Größenordnung aufweist wie die Menge an C aus Hydrochinon, Pepton, Gelatine, β-Naphthol, Kresolsulfonat und Formalin, die in herkömmlichen Plattierungsbädern verwendet werden.
Der Deckschicht in der vorliegenden Ausführungsform zugesetzter C erhöht die Festfressbeständigkeit (siehe Fig. 7). Fig. 7 veranschaulicht das Ergebnis des Superhochdrucktests eines Lagers unter den nachstehend angeführten Bedingungen, welches Lager gebildet wird, indem ein Verkleidungselement mit der Zusammensetzung einer Al- Legierung mit 11% Sn, 1,5% Pb, 2,8% Si, 1% Cu und 0,2 0/0 Zr bereitgestellt wird, auf das eine 0,5 um dicke plattierte Ni-Zwischenschicht aufgebracht wird und auf dem eine Sn-Deckschicht mit einer Dicke von 5 ± 2 um gemäß der nachstehend angeführten Beschreibung unter den in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Bedingungen ausgebildet wird:
Fluorboratbad Nr. 1 bis 5, Grundzusammensetzungen
Badzusammensetzung: Zinnfluorborat - dient als Quelle von Sn²&spplus;-Ionen, 18 g/l, Fluorborsäure, 120 g/l,
Gelatine, nicht vorhanden
β-Naphthol, nicht vorhanden
Fluorboratzusammensetzung Nr. 0
Badzusammensetzung: Zinnfluorborat - dient als Quelle von Sn²&spplus;-Ionen, 18 g/l, Fluorborsäure, 120 g/l,
Gelatine, nicht vorhanden
β-Naphthol, 2 g/l
Neutrales Sn-Bad, Nr. 1 bis 6, Grundzusammensetzungen (Vergleiche)
Zinnsulfat, 28 g/l, berechnet als metallisches Sn
anorganisches Ammoniumsalz
(Leitungshilfe und Antioxidans), 100 g/l,
organische Carbonsäure, 20 g/l, (TABELLE 1) NEUTRALES BAD TABELLE 2 FLUORBORATBAD
Bedingungen des Superhochdrucktests:
Anzahl an Umdrehungen: 1300 U/min
Öltyp / -temperatur: 7,5 W - 30/140ºC
Wellentyp: S45C
Dicke der Deckschicht: 5 ± 2 um
Wärmebehandlung: nicht durchgeführt
Ni-Plattierung: 0,5 um
Bezug nehmend auf Fig. 7 besteht das Fluorboratbad aus Komponenten, die zur Bildung der herkömmlichen Deckschicht durch Plattieren herangezogen werden. Die 0- (Null-) Markierung entspricht der Konzentration einer herkömmlichen Plattierungskomponente, und die eingekreisten 1- bis 5-Markierungen stellen höhere Konzentrationen an Gelatine und β-Naphthol als zuvor dar. Ein neutrales Bad wird erhalten, indem als Glanzbildner wirkende organische Carbonsäure mit geänderter Konzentration einem basischem Plattierungsbad von Zinnsulfat zugegeben wird, dessen pH-Wert auf etwa 6 bis 7 eingestellt wird. Man erkennt, dass in jedem Bad der Oberflächen-Festfressdruck mit zunehmender C-Menge ansteigt. Der Oberflächen-Festfressdruck für die Deckschicht, deren C aus dem Glanzbildner stammt, ist allerdings höher als der Oberflächen-Festfressdruck für die Deckschicht, deren C aus Gelatine und β-Naphthol stammt.
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, aus der das Ergebnis der Messung des Einflusses der C-Menge in der Deckschicht auf die Dicke von Ni, das in der Sn-Deckschicht diffundiert ist, für ein Gleitlager ersichtlich ist, das ein Legierungs-Verkleidungselement mit der Zusammensetzung Al, 11% Sn, 1,5% Pb, 2,8% Si, 1% Cu, 0,2% Zr enthält, auf das eine Ni-plattierte Zwischenschicht mit einer Dicke von 0,3 um (bei C = 0,001% oder weniger wird jedoch die Dicke auf 1 um erhöht) aufgebracht und auf dem eine Sn- Deckschicht mit einer Dicke von 5 ± 2 um ausgebildet ist; das Gleitlager wird einer Wärmebehandlung bei 155ºC unterzogen. Man beachte, dass die Deckschicht für C = 0,001% und 0,04% mit dem Fluorboratbad und die Deckschicht für C = 0,20% mit dem neutralen Bad ausgebildet wird (beide durch Plattieren). Es ist aus Fig. 8 ersichtlich, dass der in der Deckschicht vorhandene C die Diffusionsrate von Sn verlangsamt, wodurch die Dicke von Ni, das in die Sn-Deckschicht diffundiert, niedrig gehalten wird.
Der Grund, weshalb C die Diffusionsrate verlangsamt, ist nicht bekannt, doch man geht davon aus, dass die Diffusion gehemmt wird, da C vor allem in einem Kristalldefekten vorliegt, die Wege für das Sn-Atom schaffen, wenn Diffusion erfolgt. Wenn die Diffusion von Sn unterdrückt wird, wird auch der Schwund von Sn innerhalb der Deckschicht unterdrückt. In dieser Hinsicht wird die Wirkung der Deckschicht als Korrosionshemmer und Festfressbeständigkeitsschicht während der Lebensdauer des Gleitlagers stabil aufrechterhalten.
Außerdem kann C die Festfressbeständigkeit der Deckschicht selbst verbessern. Der Grund dafür ist zwar nicht bekannt, doch man nimmt an, dass der Scherfestigkeit aufgrund der Reibung mit dem Passelement durch C verringert wird, der innerhalb der Deckschicht dispergiert ist. Wenn die Scherfestigkeit geringer ist, wird die Deckschicht allmählich durch die eingepasste Welle abgetragen, was verhindert, dass mehr Unebenheiten entstehen, was wahrscheinlich zum Festfressen mit dem Passelement oder zu einer raschen Zunahme des Reibungskoeffizienten führen würde; dies hat zur Folge, dass das Phänomen, welches das Festfressen bewirkt, unterdrückt wird.

Claims

1. Gleitlager (1), umfassend ein Verkleidungselement (3), dessen Oberfläche mit mehreren unebenen Oberflächen (3a) ausgebildet ist, um dem Verkleidungselement eine Oberflächenrauhigkeit im Bereich von 2 bis 8 umRz zu verleihen, wobei die gesamte Oberfläche des Verkleidungselements einschließlich der unebenen Oberflächen mit einer Zwischenschicht (4) beschichtet ist, die Ni, Cu, Cr oder Fe oder eine Legierung davon umfasst, und die gesamte Oberfläche des Verkleidungselements, die mit der Zwischenschicht (4) beschichtet ist, außerdem mit einer Deckschicht (5) aus einer Pb- Legierung, die Sn oder In umfasst, oder aus einer Sn- oder In-Legierung oder aus Sn beschichtet ist, wobei Ausnehmungen, die sich innerhalb der unebenen Oberflächen befinden, durch die Deckschicht gefüllt sind, so dass, wenn die Deckschicht (5) und die Zwischenschicht (4) abgerieben werden, die freiliegende Oberfläche das freiliegende Verkleidungselement (3), die freiliegende Zwischenschicht (4), die innerhalb der unebenen Oberflächen befindliche Ausnehmungen abdeckt, und die freiliegenden Deckschichten (5) umfasst, die sich innerhalb der in den unebenen Oberflächen befindlichen Ausnehmungen befinden; dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) eine Dicke aufweist, die so gewählt ist, dass sie im Bereich von 0,01 bis 0,6 um liegt, und die Deckschicht (5) 0,02 bis 0,5 Gew.-% C umfasst.

2. Gleitlager nach Anspruch 1, bei dem die Dicke der Deckschicht (5) im Bereich von 2 bis 25 um liegt.

3. Gleitlager nach Anspruch 2, bei dem die Dicke der Deckschicht (5) im Bereich von 2 bis 10 um liegt.

4. Gleitlager nach Anspruch 2, bei dem die Dicke der Deckschicht (5) im Bereich von 3 bis 8 um liegt.

5. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Deckschicht (5) 0,1 bis 0,5 Gew.-% C enthält.

6. Gleitlager nach Anspruch 5, bei dem die Deckschicht (5) 0,2 bis 0,4 Gew.-% C enthält.