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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein unter hoher Belastung verwendetes
Gleitelement, das in einseitigen Kontakt gebracht wird und an das
eine lokale Last angelegt wird, wie z.B. die Schaufel eines Rotationsverdichters,
ein Differential, eine Getriebescheibe und dergleichen. Im Besonderen
betrifft die vorliegende Erfindung ein Gleitelement, bei dem die
als sein Material verwendete Aluminiumlegierung einer Oberflächenbehandlung
zum Zweck des Verbesserns der Gleitcharakteristik unterzogen wurde.
Außerdem
betrifft die vorliegende Erfindung das Verfahren zur Oberflächenbehandlung
einer Aluminiumlegierung.
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Stand der Technik
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Um
das Gewicht des oben beschriebenen Verdichters oder dergleichen
zu verringern, sind meistens sowohl das Gleitelement als auch das
Gegenelement aus Aluminium. In diesem Fall werden, da die Aluminiumelemente
miteinander gleiten, die folgenden Oberflächenbehandlungen auf die Schaufeln
angewendet, die ein Gleitelement sind.
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Gemäß einer
Oberflächenbehandlung
wird eine außenstromlose
Ni-P-Abscheidung oder eine außenstromlose
Ni-B-Abscheidung, die eine gute Verschleißbeständigkeit aufweist, an der Oberfläche der
Schaufeln aufgebracht. Gemäß einer
weiteren Oberflächenbehandlung
sind harte Zusatzstoffe, ein Festschmierstoff und dergleichen in
der außenstromlosen
Ni-P-Abscheidungsbeschichtung dispergiert, um die Gleitcharakteristik
zu verbessern. Die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit wird auch durch Erhitzen
der außenstromlosen Ni-P-Abscheidungsbeschichtung
auf 300°C
oder weniger und dadurch Härten
der Beschichtung erreicht.
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Die
für die
Oberflächenbehandlung
des Gleitelements verwendete außenstromlose
Ni-P-Abscheidung hat gewöhnlich
einen P-Anteil von 6 bis 10 % und ist somit mittelhoch oder hoch
P-haltig. Die Verbesserung der Gleitcharakteristik wird durch Härten erzielt,
d.h. durch Erhöhen
einer Härte
von 450–500
Hv nach dem Überziehen
durch das Erhitzen auf eine Temperatur von 300° oder weniger auf eine äußerst hohe
Härte von 700–800 Hv.
Beispielsweise wird die außenstromlose
Ni-P-Abscheidungsbeschichtung
mit 8 bis 10 % P gemäß der ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung
(kokai) Nr. 64-32087 auf Schaufeln gebildet und ihre Härte durch
Wärmebehandlung
auf etwa 700–800
Hv erhöht.
Da die Temperatur der Wärmebehandlung
zum Erhalten der Beschichtungshärtung
bis auf 700–800
Hv aber hoch ist, wird die Materialfestigkeit der Aluminiumlegierung
gesenkt. Die Temperatur der Wärmebehandlung
ist daher begrenzt. Die erzielte Beschichtungshärte beträgt eigentlich nur von ca. 500
bis 600 Hv.
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Nach
der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung
(kokai) Nr. 8-158,058 ist ein Gleitelement vorgesehen, das ein Aluminiumlegierungssubstrat
und eine außenstromlose
Abscheidung auf Ni-P-B-Basis ist, die von 0,5 bis 3,0 Gew.-% P und
von 0,05 bis 2,0 Gew.-% B enthält
und auf das Substrat abgeschieden ist. Ein Merkmal der Beschichtung
durch außenstromlose
Abscheidung ist, dass sie durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur,
die nicht zu einer nennenswerten Verringerung der Härte der
Aluminiumlegierung führt, auf
eine äußerst hohe
Härte von
800 Hv oder mehr gehärtet
wird.
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Außerdem hat
die für
die Oberflächenbehandlung
des Gleitelements verwendete außenstromlose Ni-B-Abscheidung
einen B-Anteil von 0,3 bis 0,8 Gewichts-%. Die Härte der außenstromlosen Ni-B-Abscheidungsbeschichtung
wird zwar durch Wärmebehandlung
auf etwa 800 Hv verbessert, durch die Wärmebehandlung werden aber leicht
Blasendefekte auf der Abscheidungsschicht verursacht. Es kann daher
unter besonders schweren Prüfbedingungen
ein abnormaler Verschleiß der
Abscheidungsschicht stattfinden.
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Bisher
wurde die mittelhoch oder hoch P-haltige Ni-P-Abscheidungsschicht auf die Oberfläche eines Gleitelements
aufgebracht, da durch Wärmebehandlung
eine hohe Härte
erreicht wird. Der erwartete Grad an Verschleißbeständigkeit der verwendeten Ni-P-Abscheidungsbeschichtung
wird aber nicht erreicht. Insbesondere trat ein abnormaler Verschleiß der hoch
P-haltigen außenstromlosen
Abscheidungsbeschichtung auf, wenn die Al-Si-Legierung eines Rotors
oder Gehäuses,
d.h. das Gegenmaterial der Schaufeln, grobe primäre Si-Kristalle von 50 μm oder mehr und/oder zahlreiche
Si-Teilchenzahl
von mehr als 300/mm2 hatte. Außerdem trat
der abnormale Verschleiß auf,
wenn die Last vergrößert wurde,
um den Oberflächendruck
von Schaufeln zu vergrößern.
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Außerdem hat
die bekannte außenstromlose
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
gewöhnlich
einen geringeren P-Gehalt
als die der bekannten außenstromlosen
Ni-P-Abscheidungsbeschichtung.
Da die Kristallinität
der außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung aber beträchtliche Störungen aufweist, gab es Probleme
bezüglich
der Gleitcharakteristik. Es wurde festgestellt, dass diese Probleme
dem zuzuschreiben sind, dass schon eine kleine Menge B Störungen der
Kristallinität
von Ni verursacht.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine außenstromlose
Abscheidungsbeschichtung auf Ni-Basis mit hervorragender Gleitcharakteristik
auf ein Gleitelement auf Aluminiumbasis aufzubringen und ein Gleitelement
auf Aluminiumbasis bereitzustellen, das unter hoher Belastung verwendet
werden kann.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Oberflächenbehandlungsverfahren
bereitzustellen, das die Gleitcharakteristik der gering P-haltigen
außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
verbessern kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung führten intensive Forschung zur
Verbesserung der Gleitcharakteristik eines Materials durch, das
aus einer Aluminiumlegierung und der darauf aufgebrachten außenstromlosen
Ni-P- und Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung besteht. Unerwartet wurde
entdeckt, dass Kristallinitätsstörungen vernachlässigbar
gering sind und große
Härte bei
einer niedrigen Wärmebehandlungstemperatur
erreicht wird, wenn die außenstromlose
Abscheidungsbeschichtung eine gering P-haltige außenstromlose Abscheidung mit
einem kleinen Zusatz von B ist.
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Das
Gleitelement der durch die obige Entdeckung vervollständigten
vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass das Material aus einer
Aluminiumlegierung besteht und ferner eine außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung,
die von 0,05 bis 5 Gewichts-% P und von 0,01 bis 0,05 Gewichts-%
B enthält,
auf einer Gleitfläche
des Materials gebildet wurde.
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Das
erste Verfahren für
die Oberflächenbehandlung
des Gleitelements gemäß der vorliegenden
Erfindung beruht darauf, dass die Trommelpolierbehandlung auf eine
außenstromlose
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung angewendet wird, die von 0,05 bis
5 Gewichts-% P und von 0,01 bis 0,05 Gewichts-% B enthält und auf
der Gleitfläche
des Materials eines Gleitelements gebildet ist, das aus einer Aluminiumlegierung
besteht.
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Das
zweite Verfahren für
die Oberflächenbehandlung
des Gleitelements gemäß der vorliegenden
Erfindung beruht darauf, dass die Strahlbehandlung auf eine außenstromlose
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung angewendet wird, die von 0,05 bis
5 Gewichts-% P und von 0,01 bis 0,04 Gewichts-% B enthält und auf der
Gleitfläche
des Materials eines Gleitelements gebildet ist, das aus einer Aluminiumlegierung
besteht.
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Das
dritte Verfahren für
die Oberflächenbehandlung
des Gleitelements gemäß der vorliegenden
Erfindung beruht darauf, dass eine außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung,
die von 0,05 bis 5 Gewichts-% P und von 0,01 bis 0,04 Gewichts-%
B enthält
und auf der Gleitfläche
des Materials eines Gleitelements gebildet ist, das aus einer Aluminiumlegierung
besteht, mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.
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Das
vierte Verfahren für
die Oberflächenbehandlung
des Gleitelements gemäß der vorliegenden
Erfindung beruht darauf, eine Hochfrequenz-Induktionswärmebehandlung
auf eine außenstromlose
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung anzuwenden, die von 0,05 bis 5 Gewichts-%
P und von 0,01 bis 0,04 Gewichts-% B enthält und auf der Gleitfläche des
Materials eines Gleitelements gebildet ist, das aus einer Aluminiumlegierung
besteht.
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Die
oben erwähnte
Ni-P-B-Abscheidungsschicht kann des Weiteren von 0,1 bis 1,0 Gewichts-%
Co und/oder von 0,5 bis 1,0 Gewichts-% W enthalten, die in den Ni-Kristallen eingebunden
sind und somit die Härte
der Beschichtung verbessern.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
ein Röntgenbeugungsdiagramm
der Ni-P-B-Abscheidungsschicht,
die in dem erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereich
liegt.
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2 ist
ein Röntgenbeugungsdiagramm
der Ni-P-B-Abscheidungsschicht
mit P- und B-Mengen, die größer als
der erfindungsgemäße Zusammensetzungsbereich
sind.
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3 ist
ein Foto (1000-fache Vergrößerung)
der Betrachtung mithilfe eines Elektronenmikroskops der Struktur
einer gering P- und gering B-haltigen außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung.
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4 ist
ein Foto (1000-fache Vergrößerung)
der Betrachtung mithilfe eines Elektronenmikroskops der Struktur
einer gering P- und gering B-haltigen außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung
nach dem Strahlen.
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5 ist
ein Foto (1000-fache Vergrößerung)
der Betrachtung mithilfe eines Elektronenmikroskops der Struktur
einer gering P- und gering B-haltigen außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung
nach dem Trommelpolieren.
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6 ist
ein Foto (1000-fache Vergrößerung)
der hoch P- und hoch B-haltigen außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung.
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7 ist
ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Oberflächenhärte der
außenstromlosen
Abscheidungsbeschichtung mit einem P-Anteil von 2 Gewichts-% und
0,02 Gewichts-% B und der Wärmebehandlungstemperatur
zeigt.
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8 ist
ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Härte des Aluminiumlegierungssubstrats
und der Wärmebehandlungstemperatur
zeigt.
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9 ist
ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Oberflächenhärte der
außenstromlosen
Abscheidungsbeschichtung mit einem P-Anteil von 2,8 Gewichts-% und
0,02 Gewichts-% B und der Wärmebehandlungstemperatur
zeigt.
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10 ist
eine Zeichnung zur Veranschaulichung der Verschleißprüfung.
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Beste Ausführungsart
der Erfindung
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Die
gering P-haltige außenstromlose
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
mit einem P-Anteil von 0,05 bis 5 Gewichts-% gemäß der vorliegenden Erfindung
hat einen niedrigen P-Anteil, so dass die Ni-Kristallgitter der
Abscheidungsschicht gering beansprucht werden und die Abscheidungsschicht
daher eine vorzügliche Kristallinität hat. Der
B-Anteil liegt in dem Bereich von 0,01 bis 0,04 Gewichts-%, weil
die Verträglichkeit
bei einem B-Anteil von weniger als 0,01 Gewichts-% nicht zufrieden
stellend ist und sich des Weiteren die Abscheidungsschicht gegen äußere Krafteinwirkung
leicht uneinheitlich verformt, was Risse und Ermüdung zur Folge haben kann,
wenn der B-Anteil
mehr als 0,04 Gewichts-% beträgt.
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Die
Härte und
somit die Verschleißbeständigkeit
der außenstromlosen
Ni-Abscheidungsbeschichtung, bei der P und B innerhalb der oben
erwähnten
Bereiche zugesetzt sind, werden mithilfe einer Wärmebehandlung verbessert.
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Wenn
der P-Anteil innerhalb des oben erwähnten Bereichs liegt, treten
außerdem
Erscheinungen wie Ablösen,
Rissbildung oder Verringerung der Dauerfestigkeit, die auf Grund
der inneren Zugbeanspruchung an der außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung
stattfinden können,
nicht auf (die innere Zugbeanspruchung beträgt im Fall einer 10–30 μm dicken
Ni-P-Abscheidungsschicht 1–5
kg/mm2). Da in einer Spurenmenge innerhalb
des oben genannten Bereichs zugesetztes B eine Druckbeanspruchung
erzeugt (0,1 bis 1,5 kg/mm2 im Fall einer
10–30 μm dicken
Ni-B-Schicht), mildert B außerdem
die Zugbeanspruchung der außenstromlosen Ni-P-Abscheidungsbeschichtung,
wodurch die Entwicklung der Risse und Ermüdung auf Grund der Zugbeanspruchung
erschwert wird.
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Wenn
die Trommelpolierbehandlung, die Strahlbehandlung, die Laserstrahlbehandlung
und die Hochfrequenz-Wärmebehandlung
auf die oben erwähnte
Schicht außenstromloser
Ni-P-B-Abscheidungsschicht angewendet werden, findet die Verformung
ohne eine große
Beanspruchung von Kristallen einheitlich statt und Schmelzen findet
einheitlich statt, sodass man solche Oberflächenbedingungen erhält, dass
eine Kristallstruktur als Gleitcharakteristik vorzuziehen ist und
die Beschichtungshärte
groß ist.
Speziell werden Kristallkörner auf
der Beschichtungsoberfläche
nach der Abscheidung zwar festgestellt, die Kristallkörner werden
in der Nähe
der Oberfläche
aber geringer und ein glätterer
und härterer
Zustand wird realisiert, während
die Oberfläche
zum Beispiel durch Trommelpolieren und Strahlen gedrückt wird.
Wenn der P-Anteil der außenstromlosen Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
kleiner als 0,05 % ist, wird die Abscheidung an sich schwierig und
die Gleitcharakteristik ist hinsichtlich des Fresswiderstands schlecht.
Andererseits wird die Struktur, wenn der P-Anteil 5 Gewichts-% übersteigt,
leicht zu einer komplexen Ni-P-B-Verbindung mit amorpher Struktur.
Da es in der Struktur eine Anzahl von Stellen wie Ausscheidungsgrenzflächen der
Ni-P-B-Verbindungen und Korngrenzen gibt, die leicht verformbar
sind, findet bei einer äußeren Krafteinwirkung
leicht eine nicht einheitliche Verformung statt. Da zwischen dem
Liquidus und dem Solidus der Schmelze ein großer Unterschied besteht, wird
die Seigerung nach dem Erstarren groß, wenn durch Laserstrahl ein
hochdichter Energiestrahl angewendet wird. Darüber hinaus fließt die Schmelze
so stark, dass die Kristallbeanspruchungen größer sind. Ein bevorzugter P-Anteil
beträgt
von 1,5 bis 2,5 Gewichts-%.
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Die
Dicke der außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
beträgt
allgemein von 5 bis 40 μm, vorzugsweise
von 10 bis 20 μm.
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Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die
Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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1 zeigt
ein Röntgenbeugungsdiagramm
der außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung (a), die 2,0 Gewichts-% P und 0,02
Gewichts-% B enthält. 2 zeigt
ein Röntgenbeugungsdiagramm
der außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsschicht
(b), die 8 Gewichts-% P und 3 Gewichts-% B enthält. In diesen Zeichnungen liegen
der P- und B-Anteil
bei der Beschichtung (a) von 1 innerhalb
der erfindungsgemäßen Bereiche,
während
diese Anteile bei der Beschichtung (b) von 2 außerhalb
der erfindungsgemäßen Bereiche
liegen. Durch den Vergleich dieser Zeichnungen ist aber zu erkennen,
dass die Erstere schärfere
(111) Spitzen als die Letztere aufweist.
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Die
Aluminiumlegierungen, auf die die zwei oben erwähnten Arten von außenstromloser
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
aufgetragen wurden, wurden 5 Stunden lang einer Pendelgleitprüfung unter
der Bedingung einer Last von 1470 N und einer Geschwindigkeit von
0,12 m/s unterzogen. Der spezifische Verschleißbetrag (10-9 mm2/kg) war wie folgt.
Beschichtung (a):
0,5
Beschichtung (b): 5,0
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Um
weiter zu untersuchen, wie der P- und der B-Anteil der außenstromlosen Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
die Gleitcharakteristik beeinflussen, wurde die erstere Beschichtung
(a) 3 Stunden lang bei 200°C wärmebehandelt,
um die gleiche Härte
nach der Abscheidung wie die der letzteren Schicht (b) zu erhalten,
d.h. Hv0,1 = 850. Die Proben mit diesen
beiden Schichtarten wurden einer Flachscheibenrotationsverschleißprüfung unter
der Bedingung von 9,8 N unterzogen. Die Verschleißbeträge (mg/1000
Umdrehungen) waren wie folgt.
Beschichtung (a): 0,2
Beschichtung
(b): 0,8
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Aus
den obigen Ergebnissen ist zu erkennen, dass die Ausrichtung der
außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
durch Verringern der P- und B-Mengen
verbessert wird, und dass die Verschleißbeständigkeit entsprechend der Ausrichtungsverbesserung
verbessert wird. Im Gegensatz dazu hat die außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
(b) höhere
P- und B-Anteile und die gleiche Härte wie die Beschichtung (a)
und hat eine geringere Ausrichtung als die Beschichtung (a). Die
Ausrichtung der Beschichtung (b) unterscheidet sich von der des
(111) Kristalls. Infolgedessen ist der Oberflächenbereich der Korngrenzen groß und des
weiteren ist der Anteil von Kristallen, in denen es zu Gitterversatz
kommt, größer. Dies
scheint ein Grund dafür
zu sein, dass leicht Verschleiß stattfindet.
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Das
im ersten Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzte Trommelpolieren ist eine Behandlung, bei der
die Schaufeln, ein Material auf Polyesterbasis als Poliermittel,
Trommeleinlegematerial und Wasser in einen Rotationsbehälter gegeben
und rotiert oder vibriert werden, wodurch die Oberfläche der
Abscheidungsschicht geglättet
und gehärtet
wird. Vorzugsweise eingesetzte Polierbedingungen sind 240 Umdrehungen
pro Minute und eine Dauer von 5 Minuten.
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Die
P-arme, B-arme außenstromlose
Ni-Abscheidungsbeschichtung
wurde trommelpoliert und die Struktur nach dem Trommelpolieren durch
ein Rasterelektronenmikroskop betrachtet. Die Struktur der P-armen, B-armen außenstromlosen
Ni-Abscheidungsbeschichtung
nach dem Trommelpolieren wies eine völlig andere Einheitlichkeit
als die der hoch P-haltigen
außenstromlosen
Ni-Abscheidungsbeschichtung ohne Zusatz von B auf.
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Das
im zweiten Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzte Strahlen
ist eine Behandlung, bei der Teilchen, z.B. aus Stahl, mit hoher
Geschwindigkeit auf die Oberfläche
der außenstromlosen
Abscheidung aufprallen, um auf der Oberfläche eine Druckbeanspruchung
zu erzeugen. Eine bevorzugtere Bedingung ist so, dass die Temperatur
der außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
auf die Rekristallisationstemperatur oder höher erhöht wird und ferner an der Oberfläche der
Abscheidungsschicht etwas bleibende. Verformung erzeugt wird; daher
wird eine feine und andere Kristallmorphologie erzeugt als die unmittelbar nach
der Abscheidung erhaltene.
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Da
die stark ausgerichtete Abscheidungsstruktur in der Ausrichtung
der Rekristallisationsstruktur beträchtlich widergespiegelt wird,
ist die Dichte der Struktur auf Grund der Ausrichtung und Veredelung
weiter verbessert. Im Besonderen sind die verwendeten Strahlteilchen
harte Kugeln, z.B. aus Stahl oder Al2O3 mit einer Härte von 600 Hv oder mehr oder
Kohlenstoff oder dergleichen. Die Teilchengröße liegt in einem Bereich von
0,03 bis 0,4 μm.
Die Strahlgeschwindigkeit beträgt
80 m/s oder mehr.
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In 3 ist
ein Foto (1000-fache Vergrößerung)
der Betrachtung der gering P-, gering B-haltigen außenstromlosen
Abscheidungsbeschichtung abgebildet. In 6 ist ein
Foto (1000-fache Vergrößerung)
der Betrachtung der hoch P-, B-haltigen außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung
abgebildet. Aus dem Vergleich dieser Zeichnungen erkennt man, dass
die Struktur der gering P- und gering B-haltigen außenstromlosen
Abscheidungsbeschichtung fein und dicht wurde. Außerdem ist
in 4 ein Foto (1000-fache Vergrößerung) der Betrachtung des
Zustands nach dem Strahlen gezeigt, während in 5 ein
Foto (1000-fache Vergrößerung)
der Betrachtung des Zustands nach dem Trommelpolieren abgebildet
ist. Es versteht sich, dass diese Behandlungen die Struktur darüber hinaus
verfeinern und verdichten.
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Die
im dritten Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzte Laserbestrahlung
ist eine Behandlung, bei der die außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
sofort und lokal geschmolzen wird; infolgedessen wird die Wärme der
Schmelze dem umgebenden Ni-P-B und Substrat entzogen und die Schmelze erstarrt.
Weil das Schmelzen lokal stattfindet, ist in diesem Fall der Betrag
des Wärmeentzugs
aus der Schmelze sehr groß,
sodass die Erstarrung schnell eintritt. Infolgedessen werden P und
B zwangsweise in den Ni-Kristallen aufgelöst, um sie zu härten und
die Kristallkörner
zu verfeinern. Der Typ des Lasers ist nicht begrenzt. Vorzugsweise
können
YAG-Pulslaser mit
einer Leistung von etwa 100 bis 400 W/cm2 (Strahlfläche) verwendet werden.
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Bei
dem Vorgang der Laserbestrahlung wird eine geeignete Vorrichtung
verwendet, um ein Lasersystem und ein Gleitelement relativ so zu
verschieben, dass Punkte auf den Gleitabschnitten des Letzteren
nacheinander bestrahlt werden.
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Als
Nächstes
wird ein Beispiel für
das Härten
einer außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung mittels Laserbestrahlung gezeigt.
Die Laserbestrahlungsbedingungen waren wie folgt.
Lasertyp:
YAG-Pulslaser
Laserleistung: 100–400 W/cm2
Durchmesser
des Laserstrahls: 2 cm
Abtastgeschwindigkeit des Lasers: 10
cm/s
Außenstromlose
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung: 20 μm Dicke
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Aus
Tabelle 1 geht hervor, dass umfassendes Härten in einem Bereich von P
= 1,5 – 3,6
% und B = 0,02 – 0,03
stattfindet.
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Die
im vierten Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzte Hochfrequenz-Wärmebehandlung dient
zum Durchführen
der oben erwähnten
Zwangslösung
von P und B mithilfe der Hochfrequenz-Induktionserwärmung. Bei
der Hochfrequenz-Induktionserwärmung
ist es notwendig, dass die Temperatur des Aluminiumlegierungsmaterials
auf vorzugsweise 200° oder
darunter gehalten wird, und ferner die Temperatur der Abscheidungsschicht
den Curiepunkt von Ni (631 K) nicht übersteigt, um den Wirbelstrom
nicht in der Abscheidungsschicht zu konzentrieren, sondern den Wirbelstrom
so weit wie möglich
in den Materialien fließen
zu lassen. Die Frequenz der Hochfrequenz beträgt vorzugsweise 70 kHz oder
mehr.
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Als
Nächstes
wird ein Beispiel dafür
gezeigt, dass eine außenstromlose
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung mittels Hochfrequenzwärmebehandlung
gehärtet
wird. Die Bedingungen der Hochfrequenzwärmebehandlung sind wie folgt.
Aus Tabelle 2 geht hervor, dass umfassendes Härten in einem Bereich von P
= 1,5 – 3,6
% und B = 0,02 – 0,03
stattfindet.
Frequenz: 100 kHz
Hochfrequenzleistung: 80
kW
Außenstromlose
Ni-P-Abscheidungsbeschichtung: 0,02 mm Dicke
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Damit
die außenstromlose
Ni-Abscheidungsbeschichtung mit wenig P- und wenig B-Zusatz, auf
die die oben erwähnte
erste bis vierte Behandlung angewendet werden, eine bessere Haftfestigkeit
am Substratmaterial haben kann, kann als die Untergrundbeschichtung
eine mittelhoch oder hoch P-haltige außenstromlose Ni-P-Abscheidungsbeschichtung
aufgebracht werden.
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Die
Ausrichtung der außenstromlosen
Ni-P-Abscheidungsbeschichtung
vom hoch P-haltigen Typ ist aber niedrig und die relative (111)
Intensität
beträgt
maximal etwa 60 %. Die Ausrichtung der außenstromlosen Ni-Abscheidungsbeschichtung
des gering P-haltigen, gering B-haltigen
Typs, die in Kontakt mit der Untergrundbeschichtung gebildet wird,
ist unter dem Einfluss von Letzterem etwas verringert. Die mittelhoch
oder hoch P-haltige Beschichtung wird daher in einem Fall, in dem
die Ausrichtung geopfert werden kann, aber die Haftfestigkeit verbessert
sein sollte, als die Untergrundbeschichtung der außenstromlosen
Ni-Abscheidungsbeschichtung
des gering P-/gering B-haltigen Typs verwendet.
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Der
P-Anteil der hoch P-haltigen außenstromlosen
Ni-P-Abscheidungsbeschichtung
beträgt
vorzugsweise von 0,5 bis 15 Gewichts-%, vorzugsweise von 5 bis 8
Gewichts-%. 0,1 bis 1,0 Gewichts-% Co kann zugesetzt werden.
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Die
außenstromlose
Ni-Abscheidungsbeschichtung des gering P- und gering B-haltigen
Typs, auf die das erste bis vierte Behandlungsverfahren der Erfindung
angewendet werden, kann somit auch zur Oberflächenhärtung und zur Verbesserung
der Verschleißbeständigkeit
wärmebehandelt
werden.
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7 ist
ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Wärmebehandlungstemperatur (1
Stunde Haltezeit) und der Oberflächenhärte einer
außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung,
die 2,8 Gewichts-% P und 0,02 Gewichts-% B enthält.
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8 ist
ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Härte des Aluminiumlegierungssubstrats
und der Wärmebehandlungstemperatur
zeigt. Hier wurde die Oberflächenhärte mithilfe
eines Vickers-Härteprüfers (0,1
kg Belastung) ermittelt und die Härte wurde mithilfe eines Rockwell-B-Härteprüfers ermittelt.
Die Härte wurde
durch Messen der Oberflächenhärte der
jeweiligen Proben ermittelt. Das heißt, die Tatsache, dass die Eindrucktiefe
je nach der Messlast verschieden ist, wird zum Unterscheiden der
Messtiefe genutzt. Außerdem zeigen
die Symbole Δ,
o, • in 7 und 8 drei
Proben an. Anhand dieser Zeichnungen ist zu erkennen, dass die Oberflächenhärte zwar
durch die Wärmebehandlung
etwas vergrößert wird,
die Härte
des Aluminiumlegierungssubstrats sich bei der Wärmebehandlungstemperatur von
220°C oder
weniger aber praktisch nicht ändert.
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9 ist
ein Schaubild, das die Beziehung zwischen den P- und B-Anteilen
und der Oberflächenhärte der
außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung, die 2,8 bis 12 Gewichts-% P und
0,02 Gewichts-% B enthält,
und der Wärmebehandlungszeit
bei 200°C
zeigt. Anhand dieser Zeichnung kann man erkennen, dass, wenn der
P-Anteil der außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung nur 2,8 Gewichts-% beträgt, ihre
Oberflächenhärte bei
längerer
Haltezeit von 20 Stunden oder mehr auf etwa 1000 Hv erhöht wird.
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Als
die Aluminiumlegierung können
verschiedene Knet- und
Gussaluminiumlegierungsmaterialien verwendet werden. Es ist auch
möglich,
eutektisches Al-Si-Pulver zu verwenden, dem eine große Menge
Schwermetalle, wie Fe, Ni, Mo und dergleichen zugesetzt ist und
das durch das pulvermetallurgische Verfahren geformt wird. Ein solches
pulvermetallurgisch geformtes Material wird unter dem Handelsnamen
SHORIK (Showa Denko K.K.) und Sumialtaco (Sumitomo Electric Co.,
Ltd.) verkauft.
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Die
meisten Arten von Knetaluminiumlegierungsmaterialien werden einer Übervergütung durch
Wärmebehandlung
bei 200°C
für 20
Stunden oder mehr unterzogen. Unter der Serie 2000 ist die geeignete
Vergütungszeit
der Legierung 2218 lang. Als das Material sollte deshalb die Legierung
2218 ausgewählt
werden. Übrigens
durchlaufen die meisten der wämebehandlungsfähigen Aluminiumlegierungen
einschließlich
hochfesten Aluminiumlegierungen wie 2214 keine Übervergütung, wenn die Wärmebehandlungszeit
kürzer
als 10 Stunden ist.
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Vorzugsweise
werden die Vorbehandlungen, für
die unten Beispiele gezeigt werden, nacheinander durchgeführt, um
die Haftfestigkeit von außenstromlosen
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtungen auf dem Aluminiumlegierungsmaterial
zu verbessern.
Alkali-Entfetten (50 °C × 5 Minuten unter Verwendung
eines alkalischen Entfettungsmittels)
Alkali-Ätzen (50 °C × 40 Sekunden,
NaOH-Bad)
Schmutzentfernung (27 °C × 40 Sekunden , Detergensbad,
hauptsächlich aus
Salpetersäure
zusammengesetzt)
Nachverzinkungsbehandlung (1) (27 °C × 25 Sekunden,
Zinkatbad)
Ablösen
von Zink (270 °C × 60 Sekunden,
50 Salpetersäure)
Nachverzinkungsbehandlung
(2) (27 °C × 25 Sekunden,
Zinkatbad)
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Nach
den Oberflächenbehandlungen,
wie dem Strahlen, der Trommelbehandlung, der Bestrahlung mit Laserstrahl
und dergleichen, kann die so behandelte Oberfläche als Gleitfläche verwendet
werden. Im Fall der Hochfrequenz-Wärmebehandlung
können
die Polierbehandlung und dergleichen durchgeführt werden.
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Die
wie oben behandelten Materialien können als Schaufeln eines Rotationsverdichters,
als Radialgleitlager, als Axialgleitlager und dergleichen verwendet
werden.
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Die
mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelten Aluminiumlegierungsmaterialien
wurden unter Bedingungen geprüft,
die einen lokalen Kontakt mit hoher Belastung reproduzierten. Als
Nächstes werden
die Prüfergebnisse
beschrieben.
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Beispiel 1
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10 ist
eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung der Prüfverfahren
bei den vorliegenden Beispielen. In der Zeichnung ist 10 ein Aluminiumlegierungsmaterial
(AHS-3-T7), das mit den erfindungsgemäßen Verfahren
und den Vergleichsverfahren behandelt wurde, und 11 ist
ein Block (Aluminiumlegierung A 390, und der durchschnittliche Teilchendurchmesser
von 30 μm
von primären
Si-Kristallen). Das Material 10 hat eine Größe von 35 × 14 × 3 mm.
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Außerdem war
in 10 der Winkel θ =
1°, die
Last P betrug 150 kgf (15,3 N), die Prüfdauer betrug 5 Stunden, die
Pendelgleitfrequenz betrug 10 Hz, der Hub betrug 6 mm und die Ölzuführung war
30 ml/h.
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Die
Materialien (P von Tabelle 3) wurden den oben beschriebenen Oberflächenvorbehandlungen
nicht unterzogen oder den Oberflächenvorbehandlungen
unterzogen, gefolgt von dem Bilden einer 15 μm dicken außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung
auf der gesamten Oberfläche,
die einen P-Anteil von 2,8 Gewichts-% und einen B-Anteil von 0,02
Gewichts-% hatte. Die Bestandteile des Beschichtungsbads waren Nickelsulfat,
Phosphinsäure,
Natriumhydroxid, Kobaltsulfat und dergleichen. Der pH-Wert und die Temperatur des
Beschichtungsbades betrugen 6,5 bzw. 80°C. Die Oberflächenhärte nach
der Abscheidung betrug 710 Hv.
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Die
für die
Prüfung
verwendeten Oberflächenbehandlungen
waren wie folgt.
- 1. Trommelpolierbehandlung
Art
der Poliermittel: Polyesterharz und Zirkon
Poliermittelmenge:
1,5 kg
Flüssigkeitsmenge:
1,0 kg (Wasser)
Zahl der Materialien: 20
Volumen des Rotationsbehälters: 0,01
m3
Drehzahl des Rotationsbehälters: 200
U/min
Behandlungszeit: 5 Minuten
- 2. Strahlbehandlung
Strahlkugelmaterial: Al2O3, Härte
1000 Hv
Strahlkugeldurchmesser: durchschnittlich 200 μm
Strahlgeschwindigkeit
der Kugeln: 150 m/Sekunde
Strahlmenge: 50 kg/m2/s
- 3. Laserbestrahlungsbehandlung
Lasertyp: YAG-Pulslaser
(Produkt von Toshiba)
Laserleistung: 10 kW
Leistung pro
Strahldurchmesser: 100–400
W/m2
- 4. Wärmebehandlung
Die
Wärmebehandlung
wurde 60 Minuten lang bei 200°C
durchgeführt.
Dann wurde Behandlung 1 durchgeführt.
- 5. Wärmebehandlung
Die
Wärmebehandlung
wurde 60 Minuten lang bei 200°C
durchgeführt.
Dann wurde Behandlung 2 durchgeführt.
- 6. Wärmebehandlung
Die
Wärmebehandlung
wurde 60 Minuten lang bei 200°C
durchgeführt.
Dann wurde Behandlung 3 durchgeführt.
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Eine
15 μm dicke
außenstromlose
Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung,
deren Zusammensetzung den Zusatz von 0,5 Gewichts-% Co und 0,1 Gewichts-%
W zu der oben beschriebenen außenstromlosen Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
aufwies, wurde auf der 2 μm
dicken Zwischenabscheidungsschicht gebildet. Diese Beschichtung
wurde mit Hilfe einer von Okuno Seiyaku Industries (Handelsname
TOPNICKORON TOM) hergestellten Beschichtungsflüssigkeit mit einem P-Anteil
von 6 Gewichts-% abgeschieden. Dann wurden die folgenden Oberflächenbehandlungen
durchgeführt.
- 7. Behandlung 1
- 8. Behandlung 2
- 9. Behandlung 3
- 10. Behandlung 4
- 11. Behandlung 5
- 12. Behandlung 6
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Als
Vergleichsbeispiele wurden auch die folgenden Behandlungen durchgeführt.
- (a) die oben beschriebene außenstromlose
Abscheidung mit geringem P- und B-Anteil
- (b) die außenstromlose
Abscheidung mit hohem P- und B-Anteil (P-Anteil = 8 Gewichts-% und
B-Anteil = 1,2 Gewichts-%)
- (c) die oben beschriebene Wärmenachbehandlung
(b)
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
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Wie
in Tabelle 3 gezeigt wird, ist der Verschleiß der Proben und des Blocks
im vorliegenden Fall kleiner als der der Vergleichsbeispiele.
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Beispiel 2
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Anstelle
von A390 als Block 11 in Beispiel 1 wurde das extrudierte
Material aus Al - 17 % Si - 5 % Fe - 4 Cu - 1,2 % Mg und 0,5 % Mn
verwendet (T6-Behandlung: HRB 94).
Die Behandlungen 1 bis 12 wurden durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse
waren die, dass sich die Zahlenwerte von denen in Tabelle 1 praktisch nicht
unterschieden.
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Beispiel 3
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Die
in den Beispielen 1 und 2 behandelten Materialien (Behandlung 1)
wurden als Schaufeln in einem tatsächlichen Verdichter montiert
und die Verschleißprüfung wurde
unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
Prüfmaschine: | Rotationsverdichter
(als Prüfgerät wurde
tatsächlicher
Verdichter verwendet) |
Drehzahl: | 800
U/min |
Auslassdruck/Saugdruck
(kg/cm2): | 28/4,0 |
Auslasstemperatur/Ansaugtemperatur
(°C): | 127/24 |
Zeit: | 100
Stunden |
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Die
Verschleißmenge
der Schaufeln infolge der Prüfung
betrug 1–2 μm und war
sehr geringfügig.
Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
im Vorangehenden beschrieben wird, kann, da die von der vorliegenden
Erfindung bereitgestellte Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung
des gering P-haltigen Typs eine der konventionellen Beschichtung
der gleichen Art überlegene
Gleiteigenschaft hat, die erstere Beschichtung die Gleitleistung
der Gleitteile verbessern, die wahrscheinlich in einseitigem Kontakt
sein werden und unter hoher lokaler Belastung verwendet werden. Die
Zuverlässigkeit
verschiedener Maschinen und Vorrichtungen wie z.B. eines Verdichters
kann daher verbessert werden.