DE69909964T2

DE69909964T2 - Mehrschichtenmaterial für Gleitelemente und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69909964T2
Application number: DE69909964T
Authority: DE
Inventors: George Pratt
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: EP1048753A1; PL339831A1; DE69909964D1; BR0002064A; ATE246271T1; US6337145B1; EP1048753B1; ES2205629T3; PL192439B1; JP2000345389A; KR20000071748A

Description

Die Erfindung betrifft einen Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Mehrschichtmaterial gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
Unter Gleitelementen sind alle Arten von Lagerschalen, sowie, unter anderem, Kolben und Kolbenringe zu verstehen. Deckschichten aus Mehrschichtmaterialien für Gleitelemente werden im Allgemeinen durch Elektroplattieren in geeigneten Elektrolysebädern erzeugt. Im Allgemeinen wurden zu diesem Zweck bisher fluorborathaltige Bäder verwendet, welche jedoch zahlreiche Nachteile aufweisen.
Überzüge aus fluorborsäurebasierten Bädern sind bei der Temperatur, bei welcher Kurbelwellenlager in Verbrennungsmotoren arbeiten, unbeständig. Das Hauptlegierungselement in der bleibasierten Deckschicht, welches Zinn oder Indium sein kann, diffundiert bei Motortemperatur in die darunter liegende Kupfer-Blei-Verkleidung, was zu einem Verlust von Zinn oder Indium aus der Deckschicht und einer entsprechenden Reduktion der Beständigkeit der Deckschicht gegen Verschleiß, Ermüdungsriss und Korrosion führt. Die Diffusion in die Kupfer-Blei-Verkleidung kann durch die Einfügung eines elektrolytisch aufgebrachten Nickel-„Damms" zwischen der Kupfer-Blei-Verleidung und der Deckschicht verhindert werden, aber die Diffusion zum Nickel findet immer noch statt und führt zum Wachstum einer Nickel-Zinn-Verbindung, wie beispielsweise NiSn, auf der Oberfläche des Nickeldamms. Ein Grad von Verlust des Legierungselements aus der Deckschicht findet daher trotz der Gegenwart des Nickeldamms statt, woraus eine bedeutende Verschlechterung der Lagerleistung der Deckschicht resultiert. Das Ausmaß der Verschlechterung ist jedoch nicht so groß, wenn ein Nickeldamm vorhanden ist, als wenn er es nicht ist, und aus diesem Grund wird im Allgemeinen ein Nickeldamm in deckschichtplattierten Kupfer-Blei-Kurbelwellen eingefügt.
Die bedeutende Entdeckung, welche in DE 195 45 427 A1 offenbart wird, ist, dass bleibasierte Deckschichten aus einem Alkylsulfonbad aufgetragen werden können, welche dasselbe qualtitätsmindernde Diffusionsverhalten, wie zuvor beschrieben, in einem viel geringeren Ausmaß als Deckschichten aus einem Fluorborsäurebad aufweisen. Die Reduktion der Diffusion ist derart, dass der Nickeldamm weggelassen werden kann, was zu einer Vereinfachung des Plattierungsverfahrens führt, während gleichzeitig eine Verbesserung der Lagerleistung der Deckschicht erhalten wird. Vor allem wird die Beständigkeit der Deckschicht gegen Korrosion verbessert, und der Verschleiß, welcher während des Motorbetriebs entsteht, wird reduziert. Die Versuchsergebnisse, welche diese Vorteile beweisen, wurden in „New Bath Formulation for Electrodeposition of Improved Corrosion and Wear Resistant Sliding Layers for Engine Bearings" von Günthaler, Huhn, Müller, Staschko und Toth, SAE Paper 960964, Feb. 26–29, 1996, beschrieben.
Obwohl die Härte im Vergleich zu herkömmlichen Gleitschichten um 20% verbessert wurde, war die Verschleißfestigkeit noch nicht zufriedenstellend.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, das Verfahren, welches aus DE 195 45 427 bekannt ist, zu ergänzen, um die Verschleißfestigkeit der Gleitschicht weiter zu verbessern. Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Schichtverbundmaterial zu schaffen.
Das Problem wird durch ein Verfahren gelöst, bei welchem nach dem Auftragen der galvanischen Laufschicht eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 150°C bis 200°C für einen Zeitraum von 1 bis 100 Stunden ausgeführt wird.
Es hat sich herausgestellt, dass die Wärmebehandlung zur Diffusion und zum Zusammenkommen der Kupfer- und Zinnkomponenten führt, so dass die Partikel der intermetallischen Phase Cu6Sn5 erzeugt werden. Infolge dieser Cu6Sn5-Partikel wird der Verschleiß der Gleitschicht um ungefähr 50% reduziert.
Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise in Luft durchgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Wärmebehandlung auch in Öl durchgeführt werden, wobei Paraffinöl und Siliconöl besonders geeignet sind.
Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 170 bis 185°C ausgeführt.
Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise für einen Zeitraum von 4 bis 12 Stunden ausgeführt.
Das Verfahren, welches aus DE 195 45 427 bekannt ist, ist besonders gut geeignet, um sowohl Zinn als auch Kupfer in hohen Konzentrationen zu erzeugen. Es hat sich herausgestellt, dass der Gehalt an Cu6Sn5-Partikeln umso größer ist, je höher die Zinn- und Kupfergehalte sind. Um die Verschleißfestigkeit weiter zu verbessern, wird vorzugsweise eine Laufschicht aus 12 bis 16 Gewichts-% Zinn, 7 bis 11 Gewichts-% Kupfer und dem Rest Blei aufgetragen.
Das Schichtmaterial für Gleitelemente weist 15 bis 25 Gewichts-% Cu6Sn5-Partikel in der Gleitschicht auf.
Eine Blei-Bronze-Schicht und eine Nickel-Schicht werden vorzugsweise zwischen der Gleitschicht und der Trägerschicht bereitgestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Anschluss unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erörtert.
Die Figuren stellen dar:
1a einen Mikroschnitt des Schichtmaterials, welches gemäß DE 195 45 427 A1 erzeugt wurde.
1b und 1c Detailansichten der Gleitschicht mit der Hervorhebung von Kupfer und Zinn.
2a bis 2c Darstellungen des Materials, welches 1a bis 1c entspricht, nach 8 Stunden Wärmebehandlung bei 177°C.
1 zeigt einen Mikroschnitt einer Probe vor der Wärmebehandlung. Eine Blei-Bronze-Schicht 1 und eine Nickelschicht 2, sowie eine Gleitschicht 3 sind durch das Verfahren gemäß DE 195 45 427 A1 auf ein Trägermaterial (nicht dargestellt) aufgetragen, wobei die Gleitschicht aus 7,8 Gewichts-% Cu, 15,5 Gewichts-% Sn und dem Rest Kupfer besteht. 1b und 1c zeigen Vergrößerungen der Gleitschicht 3, wobei die Verteilung der einzelnen Komponenten Kupfer und Zinn jeweils in Elementarabbildungen, welche auf einem Elektronenmikroskop erhalten wurden, dargestellt ist. 1b weist überhaupt keine Kupferpartikel auf, wogegen 1c bedeutende Zinnanhäufungen zeigt. Nach der Wärmebehandlung für 8 Stunden bei 177°C änderte sich die Struktur in der Gleitschicht 3 (2a). Die Zinnanhäufungen beziehungsweise Zinnpartikel 4 nahmen zu (2c), und es sind nun zusätzliche Kupferpartikel 5 vorhanden, welche in 2b sichtbar sind. Die Gegenwart von gleichzeitigen Konzentrationen von Kupfer und Zinn zeigt, dass Partikel, welche aus der intermetallischen Phase Cu6Sn5 bestehen, gegenwärtig sein müssen.
Das Auftreten von intermetallischen Partikeln in der Deckschicht, welche härter als die umgebende Matrix sind, würde erwarten lassen, dass sich die Verschleißfestigkeit erhöht, was während der Motortests auch bewiesen wurde.
Die Tabelle zeigt die Vergleichsergebnisse von wärmebehandelten und nichtwärmebehandelten Lagern, welche gemäß DE 195 45 427 plattiert waren, nachdem sie in einem Caterpillar-Hochleistungsmotor 3126 eingesetzt wurden. Die Deckschichtzusammensetzung bestand aus 7,8% Kupfer, 15,5% Zinn und dem Rest Blei, und die Wärmebehandlung erfolgte 8 Stunden lang bei 177°C.
Der Verschleiß der wärmebehandelten Lager betrug 45% des Verschleißes der nicht wärmebehandelten Lager.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Gleitelementen, bei welchem eine Deckschicht von Blei-Zinn-Kupfer durch Elektroplattieren auf das vorgefertigte Halbfertigprodukt aufgetragen wird und bei welchem ein ternäres fluorboratfreies Elektroplattierungsbad ohne Glanzbildner und mit dem Zusatz von nichtionischen Benetzungsmitteln und freier Alkylsulfonsäure verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftragen der galvanischen Deckschicht eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 150°C bis 200°C für zwischen 1 und 100 Stunden ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in Luft ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in Öl ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in Paraffinöl oder Siliconöl ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung zwischen 170 und 185°C ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung für zwischen 4 und 12 Stunden ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Deckschicht, welche 12 bis 16 Gew.-% Zinn und 7 bis 11 Gew.-% Kupfer umfasst, wobei der Rest Blei ist, durch Elektroplattieren aufgetragen wird.
Mehrschichtenmaterial für Gleitelemente, welches wenigstens eine Trägerschicht und eine Deckschicht von 12 bis 16 Gew.-%Zinn und 7 bis 11 Gew.-% Kupfer, wobei der Rest Blei ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht 15 bis 25 Gew.-% Partikeln von intermetallischer Verbindung Cu6Sn5 umfasst.