DE69830381T2

DE69830381T2 - Gleitteil, verfahren zur oberflächenbehandlung des gleitteils und drehkolbenverdichterschaufel

Info

Publication number: DE69830381T2
Application number: DE69830381T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Toyota-shi OKAMOTO; Yasushi Toyota-shi YAMAGUCHI; Yoshiaki Toyota-shi KITAGAWA; Kenichi Toyota-shi KONDO
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1998-01-20
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2018-01-21
Also published as: US6146774A; WO1998031849A1; DE69830381D1; EP0927776A1; KR20000064641A; EP0927776B1; EP0927776A4; KR100504205B1; JP3231336B2

Description

Technischer Bereich
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.
Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm der Ni-P-B-Abscheidungsschicht, die in dem erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereich liegt.
2 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm der Ni-P-B-Abscheidungsschicht mit P- und B-Mengen, die größer als der erfindungsgemäße Zusammensetzungsbereich sind.
3 ist ein Foto (1000-fache Vergrößerung) der Betrachtung mithilfe eines Elektronenmikroskops der Struktur einer gering P- und gering B-haltigen außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung.
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.
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.
6 ist ein Foto (1000-fache Vergrößerung) der hoch P- und hoch B-haltigen außenstromlosen Abscheidungsbeschichtung.
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.
8 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Härte des Aluminiumlegierungssubstrats und der Wärmebehandlungstemperatur zeigt.
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.
10 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung der Verschleißprüfung.
Beste Ausführungsart der Erfindung
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.
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.
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.
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-%.
Die Dicke der außenstromlosen Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung beträgt allgemein von 5 bis 40 μm, vorzugsweise von 10 bis 20 μm.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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.
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
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. Hv_0,1 = 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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
Aus Tabelle 1 geht hervor, dass umfassendes Härten in einem Bereich von P = 1,5 – 3,6 % und B = 0,02 – 0,03 stattfindet.
Tabelle 1
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.
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
Tabelle 2
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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)
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.
Die wie oben behandelten Materialien können als Schaufeln eines Rotationsverdichters, als Radialgleitlager, als Axialgleitlager und dergleichen verwendet werden.
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.
Beispiel 1
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.
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.
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.
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.

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

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)

Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3
Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, ist der Verschleiß der Proben und des Blocks im vorliegenden Fall kleiner als der der Vergleichsbeispiele.
Beispiel 2
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: HR_B 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.
Beispiel 3

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

Die Verschleißmenge der Schaufeln infolge der Prüfung betrug 1–2 μm und war sehr geringfügig. Industrielle Anwendbarkeit
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.

Claims

Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, 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, auf der Gleitfläche des aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Materials gebildet wurde.
Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Aluminiumlegierung mindestens eines von 0,1 bis 1,0 Gewichts-% Co und 0,05 bis 1,0 Gewichts-% W enthält.
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Untergrundschicht der genannten außenstromlosen Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung eine außenstromlose Untergrund-Ni-P-Abscheidungsbeschichtung mit einem P-Anteil von mehr als 5 Gewichts-% und einem P-Anteil von mehr als 15 Gewichts-% aufgebracht wird.
Oberflächenbehandlungsverfahren für ein Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trommelpolierbehandlung auf eine auf dem Material bestehend aus einer Aluminiumlegierung gebildete außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung, die von 0,05 bis 5 Gewichts-% P und von 0,01 bis 0,04 Gewichts-% B enthält, angewendet wird.
Oberflächenbehandlungsverfahren für ein Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlbehandlung auf eine auf dem Material bestehend aus einer Aluminiumlegierung gebildete außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung, die von 0,05 bis 5 Gewichts-% P und von 0,01 bis 0,04 Gewichts-% B enthält, angewendet wird.
Oberflächenbehandlungsverfahren für ein Gleitelement nach Anspruch 4, bei dem die genannte Strahlbehandlung durch Aufstrahlen von Körnern, die etwa die gleiche Härte wie oder eine höhere Härte als die der genannten außenstromlosen Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung haben, mit einer Geschwindigkeit von 80 m/s oder mehr durchgeführt wird.
Oberflächenbehandlungsverfahren für ein Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf dem Material bestehend aus einer Aluminiumlegierung gebildete außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung, die von 0,05 bis 5 Gewichts-% P und von 0,01 bis 0,04 Gewichts-% B enthält, mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.
Oberflächenbehandlungsverfahren für ein Gleitelement, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochfrequenz-Induktionserwärmung auf eine auf dem Material bestehend aus Aluminiumlegierung gebildete außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung, die von 0,05 bis 5 Gewichts-% P und von 0,01 bis 0,04 Gewichts-% B enthält, angewendet wird.
Oberflächenbehandlung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung von 0,1 bis 1,0 Gewichts-% Co und/oder von 0,05 bis 1,0 Gewichts-% W enthält.
Oberflächenbehandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Untergrundschicht der genannten außenstromlosen Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung eine außenstromlose Untergrund-Ni-P-Abscheidungsbeschichtung mit einem P-Anteil von mehr als 5 Gewichts-% und einem P-Anteil von mehr als 15 Gewichts-% aufgebracht wird.
Oberflächenbehandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf die genannte außenstromlose Ni-P-B-Abscheidungsbeschichtung eine Wärmebehandlung von 100–200°C angewendet wird.
Schaufel eines Rotationsverdichters, bei der das durch eines der Verfahren 3 bis 11 behandelte Gleitelement als Schaufel verwendet wird.