PL195754B1

PL195754B1 - Zespolony materiał wielowarstwowy do łożysk ślizgowych

Info

Publication number: PL195754B1
Application number: PL344826A
Authority: PL
Inventors: Hans-Ulrich Huhn; Dietmar Wiebach; Fritz Niegel; Peter Spahn; Achim Adam
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden Gmbh
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2007-10-31
Also published as: KR100751103B1; EP1113180A2; ATA21492000A; JP2001247995A; SK19592000A3; JP4961073B2; TR200400312T3; US6492039B2; SK286001B6; KR20010062800A; CZ20004902A3; AT412813B; ES2225006T3; EP1113180B1; RU2247658C2; ATE271197T1; DE19963385C1; DE50007063D1; BR0006302A; US20010016267A1

Abstract

1. Zespolony material wielowarstwowy do lozysk slizgowych, zawierajacy warstwe podlo- za, warstwe stopu lozyskowego, pierwsza war- stwe posrednia z niklu, druga warstwe posred- nia z cyny z niklem razem z powloka zawieraja- ca miedz i cyne, znamienny tym, ze powloka (4) zawiera osnowe (5), do której wprowadzone sa cynowo-miedziowe czastki (6) skladajace sie z od 39 do 55% wagowo miedzi, reszte stanowi cyna. PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest zespolony materiał wielowarstwowy do łożysk ślizgowych, zawierający warstwę podłoża, warstwę stopu łożyskowego, pierwszą warstwę pośrednią z niklu i drugą warstwę pośrednią z powłoką zawierającą miedź i cynę.

Zespolone materiały wielowarstwowe ze strukturą zawierającą podłoże stalowe/ołowiowo-brązowe/powłokę ołowiową, cynę i miedź są niezawodne i posiadają dużą nośność. Takie zespolone materiały wielowarstwowe są na przykład opisane w Glyco-lngenieurberichte 1/91.

W szczególności powłoką osadzaną galwanicznie jest materiał wielofunkcyjny, który między innymi spełnia następujące zadania:

- wchłanianie obcych cząstek twardych

- docieranie lub zdolność dostosowania kształtu części ślizgowych

- ochrona ołowio-brązu przed korozją

- zdolność do awaryjnej pracy w warunkach niedostatecznego smarowania.

Stop łożyskowy posiada również odpowiednią rezerwę awaryjną na wypadek całkowitego starcia powłoki. Przez dziesiątki lat stosowane rozwiązania łożysk wciąż jednak zawierają znaczące ilości ołowiu, szczególnie w powłoce. Popularny stop składa się na przykład z PbSn10Cu2, gdzie niklowa warstwa pośrednia pomiędzy materiałem łożyska i powłoką stanowi przegrodę dyfuzyjną.

Te znane powłoki wykazują niską twardość około 12 -15 HV i dlatego posiadają wysoką zdolność wchłaniania twardych cząstek i są niepodatne na powstawanie wżerów. Jednak z tego samego powodu posiadają ograniczoną nośność i stają się często nieprzydatne dla obciążeń występujących w silnikach Diesla. Wadą tych powłok z punktu widzenia środowiska jest znaczna ilość ciężkiego metalu - ołowiu.

Stosowane są również twarde warstwy w stale zwiększającej się ilości ułożyskowań dla dużych obciążeń, takie jak na przykład warstwy aluminiowo-cynowe o twardości około 80 HV, osadzanej metodami PVD. Metody te jednak są bardzo kosztowne. Łożyska takie są wysoce odporne na ścieranie, ale posiadają niewielką zdolność pochłaniania twardych cząstek i dlatego na ogół są zaopatrzone w dodatkowe miękkie warstwy zawierające ołów.

Czysta cyna nie jest odpowiednim materiałem na warstwę, ponieważ z twardością około 10 HV jest nawet bardziej miękka niż tradycyjny stop ołowiu i dlatego nie nadaje się do obciążeń, które powstają w łożyskach głównych i korbowodowych. Stopy zawierające miedź były już stosowane w celu zwiększenia wytrzymałości warstwy za pomocą zwiększenia twardości.

Publikacja DE 197 28 777 A1 opisuje produkcję łożysk niezawierających ołowiu z powłoką SnCu, gdzie zawartość miedzi wynosi 3 - 20% wagowo. Za pomocą elektrolitu kwasu metylo-sulfonowego z dodatkami hamującymi rozrost ziarna wytwarzana jest warstwa, która posiada co najmniej właściwości trójskładnikowych standardowych warstw opartych na ołowiu. Wcelu dalszego poprawienia odporności na ścieranie należy do warstwy wprowadzić twarde cząstki z kąpieli, w której są rozproszone.

W publikacji DE 197 54 221 A1 proponuje się dodatkowe osadzanie kobaltu do cyny i miedzi wcelu dalszego polepszenia nośności oraz zapobiegania wzrostowi kruchości w warstwie łączącej pomiędzy powłoką i przegrodą dyfuzyjną niklową, ponieważ kobalt zmniejsza skłonność cyny do dyfuzji do niklu. Jednakże ten dodatek kobaltu w stopie komplikuje proces osadzania się, co może zmniejszyć jego bezpieczeństwo.

Dlatego przedmiotem wynalazku jest dostarczenie zespolonego materiału wielowarstwowego z powłoką opartą na cynie z miedzią, który jednocześnie

- posiada wyższą specyficzną nośność i niższą ścieralność od tradycyjnych warstw opartych na ołowiu

-jest wygodny i pozwala na osadzanie się cząstek brudu

-nie wymaga wspólnego osadzania się dalszych komponentów lub osadów

-oraz jest bardziej ekonomiczny w produkcji od materiałów produkowanych metodami PVD.

Cel ten został osiągnięty przy pomocy zespolonego materiału wielowarstwowego do łożysk ślizgowych, zawierającego warstwę podłoża, warstwę stopu łożyskowego, pierwszą warstwę pośrednią z niklu, drugą warstwę pośrednią z cyny z niklem razem z powłoką zawierającą miedź i cynę, charakteryzującego się tym, że powłoka zawiera osnowę, do której wprowadzone są cynowo-miedziowe cząstki składające się z od 39 do 55% wagowo miedzi, resztę stanowi cyna.

PL 195 754 B1

Korzystnie zawartość cząstek cynowo-miedziowych w jednostce powierzchni w odniesieniu do powierzchni przekroju poprzecznego wynosi 5 do 48% a ich średnica wynosi 0,5 do 3 mm.

Korzystnie druga warstwa pośrednia jest tak dobrana z uwagi na grubość obydwu warstw i zawartości cyny, że absorbuje cynę migrującą z powłoki.

Korzystnie druga warstwa pośrednia zawiera 30 do 40% objętościowo niklu.

Najkorzystniej stosunek grubości powłoki do grubości drugiej warstwy pośredniej wynosi 2 do 4.

Korzystnie grubość powłoki wynosi 5 do 25 mm.

Korzystnie grubość drugiej warstwy pośredniej wynosi 2 do 7 mm.

Korzystnie grubość pierwszej warstwy pośredniej wynosi 1 do 4 mm.

Badania wykazały, że z taką strukturą warstwy, łożysko stabilizuje się po dotarciu przez ogrzanie podczas pracy na początkowo wciąż miękkiej warstwie i tworzy powierzchnię z dobrą wytrzymałością zmęczeniową.

Cząstki są fazą międzymetaliczną, którą wcześniej poczytywano za wadę w powłoce i konsekwentnie unikano. Jednakże wykazano, że te cynowo-miedziowe cząstki znacznie obniżają ścieralność z powodu ich twardości. Nieoczekiwanie okazało się, że w temperaturach około 120°C ma miejsce zwiększona dyfuzja cyny w poniższą warstwę cynowo-niklową. Przez migrację cyny z powłoki, zwiększa się koncentracja cząstek cynowo-miedziowych. Tak zmieniająca się warstwa posiada wysoką nośność i dużą odporność na ścieranie.

Okazało się, że w wyższych temperaturach i po długim czasie pracy, na przykład po 1000 godzinach zawartość cyny jest tak znacznie zmniejszona, że w powłoce dominuje frakcja cząstek cynowo-miedziowych.

Zawartość cząstek na jednostkę powierzchni, w odniesieniu do powierzchni przekroju wynosi korzystnie 5 do 48%. Zawartość ta zwiększa się wraz z czasem eksploatacji jako rezultat migracji cyny i może wynosić aż do 95% po czasie eksploatacji większym niż 1000 godzin. Jeżeli zawartość cząstek wynosi poniżej 5%, właściwości powłoki są zdeterminowane wyłącznie przez cynę i okazują się niewystarczające. Powyżej 48% nie można uniknąć tworzenia się stosunkowo wielkich konglomeratów cząstek i one przejmują rolę osnowy, która z powodu wysokiej twardości nie posiada już wystarczającej zdolności wchłaniania cząstek twardych i dostosowywania się w fazie docierania.

Średnica cząstek korzystnie wynosi 0,5 do 3 mm. Cząstki zbyt wielkie, o średniej średnicy ponad 3 m m powodują niejednorodne właściwości warstwy, co wpływa na właściwości łożyska ślizgowego zrobionego z materiału warstwowego, szczególnie w fazie docierania. Cząstki, które są zbyt małe posiadając średnią średnicę poniżej 0,5 mm zbytnio zwiększają swą początkową twardość powstrzymując wnikanie cyny do warstwy cynowo-miedziowej i przez to dalszą stabilizację łożyska. Warstwa ta wykazuje zmniejszoną odporność na korozję od gorącego oleju silnikowego.

Okazało się poza tym, że druga warstwa pośrednia powinna być tak dobrana, z uwagi na grubość obydwu warstw i zawartości cyny, aby była zdolna do zaabsorbowania cyny migrującej z powłoki. Szybkość migracji cyny i przez to szybkość modyfikacji odporności na ścieranie oraz szybkość zmiany nośności powłoki może być regulowana grubością drugiej warstwy pośredniej i zawartością w niej cyny.

Druga warstwa pośrednia zawiera od 30 do 40% objętościowo niklu, reszta jest cyną, co odpowiada stosunkowi zawartości atomów 1:1. Im grubsza jest warstwa cynowo-niklowa, tym więcej cyny może zostać zaabsorbowane z powłoki. W przykładzie tym odporność na ścieranie powłoki wzrasta stosunkowo gwałtownie.

Okazuje się, że najbardziej korzystny stosunek grubości powłoki do grubości drugiej warstwy pośredniej wynosi 2 do 4. Powłoka może być nanoszona metodą galwaniczną.

Grubość pierwszej warstwy pośredniej z czystego niklu wynosi korzystnie od 1 do 4 mm. Warstwa niklowa również przyczynia się do wynikającego z warunków równowagi wzrostu warstwy niklowo-cynowej, w ten sposób, że jest ona nie tylko zasilana cyną z powłoki ponad nią, ale również niklem z pierwszej warstwy pośredniej. W ten sposób stosunek cyny do niklu 1:1 w warstwie cynowo-miedziowej jest zachowany.

Materiał łożyska może być dobrany wedle uznania. Okazuje się, że warstwa stopu łożyskowego nie ma bezpośredniego wpływu na migrację z powłoki i dlatego nie wpływa na koncentrację cząstek cynowo-miedziowych. Warstwa stopu łożyskowego może składać się, na przykład, ze stopu miedzi z zawartością miedzi od 50 do 95% wagowo albo ze stopu aluminium z zawartością aluminium od 50 do 95% wagowo. Jako metal łożyskowy mogą być użyte stopy miedź-aluminium, miedź-cyna, miedź-cyna-ołów, miedź-cynk, miedź-cynk-krzem, miedź-cynk-aluminium albo miedź-aluminium-żelazo.

PL 195 754 B1

Wytwarzanie zespolonego materiału wielowarstwowego według wynalazku może przebiegać w następujący sposób.

W pierwszym etapie na prefabrykacie łożyska ślizgowego, szczególnie osłony łożyska z powierzchnią przyczepną zawierającą stal i stop łożyskowy, nanosi się metodą chemiczną lub elektrochemiczną dwie warstwy pośrednie z niklu i cyny z niklem. Warstwa ślizgowa jest więc naniesiona galwanicznie. Stosuje się do tego celu dwuskładnikową kąpiel galwaniczną z kwasu alkilosulfonowego bez wybłyszczacza i rozdrabniacza ziarna z dodatkiem niejonizujących się środków zapobiegających pienieniu, wolnego kwasu alkilosulfonowego oraz tłustego kwaśnego estru glikolowego. Gruboziarniste osadzanie się cząstek cynowo-miedziowych wynika z tego, że nie jest użyty żaden środek wpływający na rozdrobnienie struktury, tak jak, w celu osiągnięcia jak najdrobniejszych ziaren, jest to stosowane zgodnie ze stanem techniki.

Przykłady wykonania wynalazku są wyjaśnione poniżej z odniesieniem do rysunków, w których:

Figura 1 przedstawia zespolony materiał wielowarstwowy w przekroju.

Figury 2 do 4 przedstawiają zespolony materiał wielowarstwowy w przekroju po obróbce cieplnej po 250 godzinach, 750 godzinach i 1000 godzinach.

Przykładowo zespolony materiał wielowarstwowy wytwarzany jest jak następuje:

Na warstwę stalowego podłoża nanosi się wstępnie warstwę metalu łożyskowego z CuPb22Sn.

W następnym etapie na warstwę metalu łożyskowego według tradycyjnego procesu wstępnego, nanosi się w niklowym elektrolicie Watfa pierwszą warstwę pośrednią z niklu.

Tę pierwszą warstwę pośrednią z niklu powleka się galwanicznie drugą warstwą pośrednią z niklu i cyny. Do tego celu stosuje się zmodyfikowanyelektrolit chlorowo/fluorowy.

Tak utworzoną niklowo-cynową warstwę pośrednią powleka się galwanicznie powłoką opartą na cynie. Na powłokę mogą być zastosowane następujące systemy elektrolityczne:

Sn²⁺jako metanosulfonian cyny	30 -	45 g/l
Cu²⁺jako metanosulfonian miedzi	2 -	8 g/l
Kwas metanosulfonowy	80 -	140 g/l
Dodatek elektrolityczny N-HMB	30 -	45 ml/l
Rezorcyna	1,5-	4 g/l
Dodatek elektrolityczny N-HMB jest środkiem zwilżającym opartym na alkilarylo poliglikolu eteru

zrobionym z Enthonu OMI.

W celu stabilizacji frakcji miedzi mogą być użyte długołańcuchowe poliglikole eteru.

Jakość użytej wody musi odpowiadać jakości czystej wody dejonizowanej. W celu uzyskania stabilnych warunków osadzania, konieczne jest całkowite mieszanie elekrolitu za pomocą instalacji filtracyjnej, co najmniej raz na godzinę. W ten sposób usuwane są niektóre z pojawiających się w elektrolicie Sn⁴⁺. Zbyt wielka ilość Sn⁴⁺ w elektrolicie może powodować niekorzystną strukturę warstwy z niejednorodnością fazy i nierównomiernym wzrostem warstwy aż do wyczerpania elektrolitu.

Na materiał anody używana jest elektrolitycznie czysta cyna. Osadzanie powłoki przeprowadzane jest w temperaturze w zakresie od 20°C do 40°C, korzystnie 25°C do 30°C.

Struktura tej powłoki zależy od natężenia prądu, zastosowanego podczas procesu. Stosunkowo duża gęstość prądu powoduje stosunkowo gruboziarniste cząstki miedziano-cynowe. Zbyt niskie gęstości prądu powodują niekontrolowane przemieszczenie frakcji fazy miedzi. Korzystna okazała się gęstość prądu w granicach 1,5 do 3,0 A/dm².

Odległość anody od katody nie powinna przekraczać 350 mm, ponieważ wahania wewnętrznej oporności elektrolitu prowadzą do nierównomiernego rozkładu gęstości prądu wzdłuż kolumny łożyska. Stosunek powierzchni anoda-katoda powinien wynosić około 1:1 (±10%).

Figura1 przedstawia zespolony materiał wielowarstwowy w przekroju, powiększony 2500 razy. Naniepokazanej warstwie podłoża znajduje się warstwa (1) z metalu łożyskowego z CuPb22Sn, pierwsza warstwa pośrednia (2) z niklu, druga warstwa pośrednia (3) niklowo-cynowa i powłoka (4). Ta ostatnia zawiera cynową powłokę (5), do której wprowadzone są miedziano-cynowe cząstki (6). Te wprowadzone cząstki są rozmieszczone w całej powłoce (4) i częściowo amalgamowane tworzą aglomeraty.

Celem przeprowadzenia symulacji warunków pracy łożyska ślizgowego w silniku spalinowym wewnętrznego spalania, zespolony materiał wielowarstwowy poddano testowi we wrzącym oleju wtemperaturze 150°C. Aby przeanalizować zmiany zaszłe w strukturze warstw, pobrano próbki i przekroje badano pod mikroskopem po 250 godzinach, 750 godzinach i 1000 godzinach.

PL 195 754 B1

Badanie to wykazało, że grubość powłoki (4) zmniejsza się wraz z czasem trwania obróbki jako rezultat migracji cyny, co ma miejsce wraz z koncentracją cynowo-miedziowych cząstek (6). Jednocześnie grubość niklowej warstwy (3) również wzrasta, a grubość niklowej warstwy (2) zmniejsza się, co uwidocznione jest na Fig. 4 jako zaledwie wąskie obrzeże. Wzrost cynowo-niklowej warstwy (3) spowodowany jest nie tylko dyfuzją do niej cyny z powłoki (4), ale również wnikaniem niklu z poniższej warstwy niklowej (2). Koncentracja cząstek w powłoce (4) powoduje zmniejszenie części miękkiej fazy i wzrost twardości wraz z długością eksploatacji.

Claims

1. Zespolony materiał wielowarstwowy do łożysk ślizgowych, zawierający warstwę podłoża, warstwę stopu łożyskowego, pierwszą warstwę pośrednią z niklu, drugą warstwę pośrednią z cyny z niklem razem z powłoką zawierającą miedź i cynę, znamienny tym, że powłoka (4) zawiera osnowę (5), do której wprowadzone są cynowo-miedziowe cząstki (6) składające się z od 39 do 55% wagowo miedzi, resztę stanowi cyna.

2. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość cząstek (6) w jednostce powierzchni w odniesieniu do powierzchni przekroju poprzecznego wynosi korzystnie 5 do 48%.

3. Materiał według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że średnica cząstek (6) wynosi 0,5 do

3 mm.

4. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że druga warstwa pośrednia (3) jest tak dobrana z uwagi na grubość obydwu warstw i zawartości cyny, że absorbuje cynę migrującą z powłoki (4).

5. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że druga warstwa pośrednia (3) zawiera 30 do 40% objętościowo niklu.

6. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek grubości powłoki (4) do grubości drugiej warstwy pośredniej (3) wynosi 2 do 4.

7. Materiał według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że grubość powłoki (4) wynosi 5 do 25 mm.

8. Materiał według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że grubość drugiej warstwy pośredniej (3) wynosi 2 do 7 mm.

9. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość pierwszej warstwy pośredniej (2) wynosi 1 do 4 mm.