DE102014103844A1

DE102014103844A1 - Gleitelement und Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements

Info

Publication number: DE102014103844A1
Application number: DE102014103844.4A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Asakura; Mikihito YASUI; Shigeya Haneda
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2034-03-21
Also published as: DE102014103844B4; KR20140116791A; FR3003616A1; US20140287253A1; GB2514889A; US9206844B2; GB201405198D0; JP2014185378A; KR101558466B1; FR3003616B1; JP6087684B2; GB2514889B

Abstract

Ein Gleitelement, welches mit einer Deckschicht versehen ist, die aus einem Bi-basierten Material zusammengesetzt ist. Ein Gleitelement enthält ein Substrat; und eine Deckschicht, welche Bi oder Bi-Legierung enthält, die über einem Substrat vorgesehen ist. Ein Oberflächenabschnitt (äußerster Oberflächenabschnitt) der Deckschicht enthält eine Oxidschicht, in welcher ein Bismuthoxid verteilt ist. Der Anteil des Bismuthoxids in der Oxidschicht, repräsentiert durch den Sauerstoffgehalt, ist gleich oder größer als 0,5 Massen-% und gleich oder kleiner als 8,0 Massen-%. Das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der Hauptorientierungsebene von Bi- oder Bi-Legierungs-Kristallen in der Deckschicht ist 50% oder größer. Die Hauptorientierungsebene der Bismuthoxid-Kristalle in der Oxidschicht ist die (220)-Ebene oder die (201)-Ebene.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gleitelement mit einer Bi-basierten Deckschicht, welche über einem Substrat vorgesehen ist und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitelements.
HINTERGRUND
Ein Gleitelement, wie ein Gleitlager, welche beispielsweise für einen Fahrzeugmotor verwendet wird, wird mit einer Deckschicht zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit und Fressbeständigkeit versehen. Die Deckschicht ist über einer Lagerlegierungsschicht vorgesehen, welche zum Beispiel aus Materialien wie Kupferlegierung hergestellt ist, welche wiederum über einem Metallrücken vorgesehen ist. Eine weiche Pb-Legierung wurde üblicherweise als die Deckschicht verwendet. Hierdurch wurde infolge hoher Umweltbelastung die Ersetzung von Pb mit Bi oder Bi-Legierung in den vergangenen Jahren vorgeschlagen. Da Bi relativ brüchig bzw. spröde ist, wurden vielfältige Gegenmaßnahmen erdacht, um solche Sprödigkeit zu überwinden.
Zum Beispiel offenbart JP H11-50296 A eine Verbesserung der Gleiteigenschaften durch Zufügen von einer oder mehreren Arten von Elementen von Sn, In und Ag zu einer Deckschicht, welche aus Bi zusammengesetzt ist. JP 2003-156046 A offenbart eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit durch Hinzufügen von harten Partikeln wie Boriden, Siliziden, Oxiden, Nitriden, etc. von Metallen zu einer Deckschicht, welche Bi oder Bi-Legierung anwendet. JP 2001-20955 A und JP 2004-2308883 A offenbaren Verbesserungen der Gleiteigenschaften durch Kontrollieren der Kristallebene von Bi, welches die Deckschicht bildet, auf eine spezifische Orientierung. Ferner offenbart JP 2003-156045 A eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit durch Kontrollieren der Dichte ausgeschiedener Partikel von die Deckschicht bildendem Bi.
Wie vorstehend beschrieben, wurden vielfältige Ideen zur Verbesserung der Gleiteigenschaften von Gleitelementen erdacht, in welchen in der Deckschicht verwendetes Pb durch Bi-basierte (Bi oder Bi-Legierung) Materialien ersetzt ist. Versuche zur weiteren Verbesserung der Motorleistungsfähigkeit unterziehen Gleitelemente, die mit Komponenten wie Verbindungsstangen bzw. Kurbelstangen bzw. Pleuel zusammengefügt sind, weiterer harter bzw. härterer Arbeitsumgebung. Somit ist weitere Verbesserung der Gleitelement-Leistungsfähigkeit, insbesondere der Fressbeständigkeit, erforderlich.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleitelement mit einer Bi-basieren Deckschicht mit weiter verbesserter Fressbeständigkeit bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements bereitzustellen, welches zur Herstellung eines Gleitelements mit außergewöhnlicher Fressbeständigkeit geeignet ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten sorgfältige Forschung durch, um die Gleiteigenschaften, Fressbeständigkeit insbesondere eines Gleitelements mit einer Deckschicht, die aus Bi-basiertem Material zusammengesetzt ist, zu verbessern. Als ein Ergebnis haben die Erfinder die vorliegende Erfindung erdacht, indem sie herausgefunden haben, dass Fressbeständigkeit durch Vorsehen von Oxiden, einem Bismuthoxid insbesondere, in einer vereinzelten bzw. verstreuten Weise in einem Oberflächenabschnitt einer aus Bi zusammengesetzten Deckschicht verbessert werden kann.
Das Gleitelement der vorliegenden Erfindung enthält ein Substrat, und eine Deckschicht, enthaltend Bi oder Bi-Legierung, die über dem Substrat vorgesehen ist, wobei ein Oberflächenabschnitt der Deckschicht eine Oxidschicht enthält, die Bismuthoxid enthält, und wobei der Gehalt des Bismuthoxids in der Oxidschicht, repräsentiert durch den Sauerstoffgehalt, gleich oder größer als 0,5 Massen-% und gleich oder geringer als 8,0 Massen-% ist (Erfindung von Anspruch 1).
Es ist möglich Wärme zu unterdrücken, welche von Reibung mit dem Gegenelement in den frühen Stadien der Benutzung des Gleitelements verursacht wird, in dem eine Oxidschicht, enthaltend nicht-metallische Oxide, Bismuthoxide insbesondere, in dem Oberflächenabschnitt der Deckschicht vorgesehen wird, welche als die Gleitoberfläche des Gleitelements dient. Es wird davon ausgegangen, dass dies die Verbesserung der Fressbeständigkeit ermöglicht hat. Es ist wichtig, dass das Bismuthoxid nur in dem Oberflächenabschnitt (äußersten Oberflächenabschnitt) der Deckschicht vorliegt. Die Ermüdungsbeständigkeit des Gleitelements kann durch das Vorliegen von einem harten Oxid in dem Inneren des Hauptteils bezüglich der Dickenrichtung der Deckschicht verringert werden. Dies liegt daran, dass der Bruch von dem Oxid aus fortschreitet. Eine solche Möglichkeit der Verminderung der Ermüdungsbeständigkeit kann durch Anordnen des Oxids dahingehend, sich nur in dem Oberflächenabschnitt (äußersten Oberflächenabschnitt) der Deckschicht 13 zu befinden, beseitigt werden.
Oxide sind hart und somit kann ein übermäßiger Oxidgehalt das Gleitelement nachteilig beeinflussen. Deshalb ist der Bismuthoxid-Gehalt in der Oxidschicht auf ein zweckmäßiges Ausmaß zu kontrollieren. Gute Fressbeständigkeit wurde durch Kontrollieren des Bismuth-Anteils in einem Bereich von 0,5 Massen-% bis 8,0 Massen-%, repräsentiert durch Sauerstoffkonzentration, erzielt. Die Formanpassungsfähigkeit wird verringert, wenn der Bismuthoxid-Gehalt größer als 8,0 Massen-% ist und somit tritt die sogenannte Deckschicht-Ermüdung zum Beispiel durch lokalen Kontakt mit dem Gegenelement auf. Guter Ölfilm kann unter solchen Bedingungen nicht ausgebildet werden und führt dadurch zur Verminderung der Fressbeständigkeit. Es ist nicht möglich, Reibungswärme in den frühen Stadien der Benutzung des Gleitelements niedrig zu halten bzw. zu vermeiden, wenn der Bismuthoxid-Gehalt niedriger als 0,5 Massen-% ist. Ein noch bevorzugterer Gehalt von Bismuthoxid liegt im Bereich von 2,0 Massen-% bis 6,0 Massen-%, repräsentiert durch Sauerstoffkonzentration.
In der vorliegenden Erfindung wird 95 Flächen-% oder mehr des Oxids vorzugsweise durch Bi₂O₃ innerhalb des Beobachtungsfelds belegt, welches an der Oberfläche der Deckschicht genommen wird. Das Bismuthoxid neigt dazu, gekörnt bzw. granulär in dem Oberflächenabschnitt der Deckschicht verteilt zu werden, wenn der Bismuth-Anteil kleiner wird. Das Bismuthoxid neigt dazu, eine Filmstruktur anzunehmen, wenn der Bismuth-Anteil größer wird. In der vorliegenden Erfindung kann die Konzentration von Sauerstoff durch Erfassen der Elementkonzentration von Sauerstoff als ein Bild von der Oberfläche der Deckschicht unter Benutzung von EPMA (Electron Probe Micro-Analyzer bzw. Elektronenproben-Mikroanalysator) erhalten werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Substrat eine Struktur zur Bereitstellung der Deckschicht. Zum Beispiel kann ein Laminat eines Metallrückens und einer Lagerlegierungsschicht als ein Substrat verwendet werden, in welchem Fall die Deckschicht über der Lagerlegierungsschicht vorgesehen ist. Eine Zwischenschicht, die als eine Anhaftschicht dient, kann zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Deckschicht vorgesehen werden. In einem solchen Fall wird die Zwischenschicht auch als ein Substrat zusammen mit dem Metallrücken und der Lagerlegierungsschicht betrachtet. Ferner kann die Deckschicht direkt über dem Metallrückensubstrat vorgesehen sein. Materialien wie Al, Al-Legierung, Cu und Cu-Legierung können als die Lagerlegierungsschicht verwendet werden. Materialien wie Ag, Ag-Legierung, Ni, Ni-Legierung, Co, Co-Legierung, Cu und Cu-Legierung können als die Zwischenschicht verwendet werden.
Die Deckschicht kann aus purem Bi oder Bi-Legierung ausgebildet sein. In der vorliegenden Erfindung ist die Zusammensetzung der Deckschicht, die primär aus Bi oder Bi-Legierung zusammengesetzt ist, im Wesentlichen gleichförmig durch die gesamte Deckschicht hindurch, mit der Ausnahme der Oberflächenoxidschicht. Beispiele der Bi-Legierung enthalten eine Bi-Cu-Legierung, eine Bi-Sn-Legierung und eine Bi-Sn-Cu-Legierung.
In der vorliegenden Erfindung kann das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der Hauptorientierungsebene von Bi- oder Bi-Legierungs-Kristallen in der Deckschicht 50% oder größer sein (Erfindung von Anspruch 2).
Die Kristallebenen von Bi oder Bi-Legierung können durch Miller-Indices (h, k. l) repräsentiert werden. Das ”h”, ”k” und ”l” repräsentieren ganze Zahlen. Zum Beispiel kann, wenn die Röntgenstrahl-Beugungsintensität einer Kristallebene als R_{h, k, l)} identifiziert wird, das Orientierungs-Intensitätsverhältnis durch ”Orientierungs-Intensitätsverhältnis (%) = {R_h,k,l)} ÷ ΣR_(h,k,l)} × 100(%)” gegeben sein. In der Gleichung bezeichnet der Zähler R_(h,k,l) die Röntgenstrahl-Beugungsintensität der Oberfläche, für welche das Orientierungs-Intensitätsverhältnis erhalten wird, und der Nenner ΣR_(h,k,l) bezeichnet die Summe der Röntgenstrahl-Beugungsintensitäten jeder Ebene. Die Hauptorientierungsebene bezeichnet die Ebene, welche das größte Orientierungs-Intensitätsverhältnis aufweist.
Wenn die Oxidschicht der vorliegenden Erfindung in dem Oberflächenabschnitt der Deckschicht vorgesehen wird, verbleiben die Oxide in dem Oberflächenabschnitt nicht nur während der frühen Stadien der Benutzung des Gleitelements, sondern auch nachdem der Verschleiß der Deckschicht fortschreitet. Dies liegt daran, dass das in dem Oberflächenabschnitt vorliegende Bismuthoxid in der Dickenrichtung der Deckschicht absinkt. Somit kann die Verbesserung hinsichtlich der Fressbeständigkeit, welche durch die Oxide verursacht wird, mit Fortbestand erhalten werden. Das vorstehend beschriebene Phänomen neigt dazu aufzutreten, sowie das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der Hauptorientierungsebene von Bi oder Bi-Legierung ansteigt. Das Orientierungs-Intensitätsverhältnis von 50% oder mehr stellt außergewöhnlichen Fortbestand einer guten Fressbeständigkeit bereit. Es wird davon ausgegangen, dass die Kristalle besseren Fortbestand zeigen, wenn das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der Hauptorientierungsebene der Kristalle, welche die Deckschicht bilden, ansteigt. Demzufolge wird es für die an der Korngrenze vorliegenden Oxide einfacher, entlang der Korngrenze mit dem Fortschreiten von Verschleiß abzusinken. Somit werden die Oxide nicht einfach bzw. leicht von der Deckschicht entfernt.
Ferner können in der vorliegenden Erfindung Gleiteigenschaften sogar wirksamer verbessert werden, wenn die Hauptorientierungsebene der Bismuthoxid-Kristalle in der Oxidschicht entweder die (220)-Ebene oder die (201)-Ebene ist (Erfindung von Anspruch 3).
Gemäß den Experimenten und Forschungen, welche durch die Erfinder durchgeführt wurden, stellten Bismuthoxid-Kristalle, in welchen die Hauptorientierungsebene die (220)-Ebene oder die (201)-Ebene war, bessere Gleiteigenschaften im Vergleich dazu bereit, wenn andere Ebenen die Hauptorientierungsebene waren. Der Mechanismus hinter der Verbesserung hinsichtlich der Gleiteigenschaften ist derzeit nicht hinreichend erkannt. Jedoch sind die Transformationskapazität, welche durch die Gleitebenen und Zwillingsebenen gegeben sind, und Kontinuität bzw. Fortbestand mit der Deckschicht einige Faktoren, welche zu der Verbesserung hinsichtlich der Gleiteigenschaften beitragen. Weitere Forschung ist erforderlich, um den Mechanismus vollständig zu erklären.
Das Verfahren zur Herstellung des Gleitelements der vorliegenden Erfindung, welches in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 genannt ist, enthält Beschichten von Bi oder Bi-Legierung über das Substrat, um die Deckschicht auszubilden; und Oxidieren der Deckschicht durch: Auftragen eines wasserlöslichen Öls auf eine Oberfläche der Deckschicht und Trocknen der Oberfläche der Deckschicht, welche das wasserlösliche Öl trägt, und thermisches Bearbeiten der Deckschicht bei einer Temperatur, welche im Bereich von 90 bis 130 Grad Celsius liegt, für eine Dauer, die in einem Bereich von 30 Minuten bis 2 Stunden liegt, um ein Bismuthoxid in einem Oberflächenabschnitt der Deckschicht auszubilden (Erfindung von Anspruch 4).
Gemäß dem Verfahren wird Bismuthoxid in dem Oxidationsschritt hergestellt, in welchem der Oberflächenabschnitt der Deckschicht oxidiert wird. Der Gehalt von Oxid, welches in dem Oberflächenabschnitt hergestellt wird, kann durch Auftragen eines wasserlöslichen Öls auf die Oberfläche der Deckschicht und thermisches Bearbeiten der Oberfläche der Deckschicht kontrolliert werden. Somit kann das vorstehend beschriebene Gleitelement der vorliegenden Erfindung mit herausragender Fressbeständigkeit einfach hergestellt werden. Es wird schwierig, ein Gleitelement mit herausragender Fressbeständigkeit auszubilden, wenn das thermische Verfahren ohne Auftragen des wasserlöslichen Öls ausgeführt wird. Dies liegt daran, dass die Geschwindigkeit der Oxid-Ausbildung übermäßig beschleunigt wird und der Ziel-Oxidgehalt leicht bzw. einfach überschritten wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar und ist eine Querschnittsansicht, welche den Aufbau eines Gleitelements schematisch darstellt.
2 ist eine Aufstellung, welche die Konfiguration der Testproben und die Ergebnisse des Fressbeständigkeitstests darstellt.
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen durch ein Ausführungsbeispiel einer Gleitlageranwendung beschrieben, welche zum Beispiel in einer Kurbelwelle eines Fahrzeugmotors verwendet wird. BEISPIELE 1 bis 8, die in der begleitenden 2 gezeigt sind, sind Gleitelemente (Gleitlager) gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, umfassend die Elemente, welche in den ANSPRÜCHEN (Anspruch 1) genannt sind. Ferner sind die Gleitelemente von BEISPIELEN 1 bis 8 durch das Herstellungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels hergestellt, welches in den ANSPRÜCHEN (Anspruch 4) genannt ist.
1 stellt schematisch den Aufbau eines Gleitelements (Gleitlager) 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels dar. Das Gleitelement 11 ist mit einer Deckschicht 13 versehen, welche aus Bi oder Bi-Legierung über einem Substrat 12 gebildet ist. Das Substrat 12 enthält einen Metallrücken 14, welcher beispielsweise aus Stahl hergestellt ist und eine Lagerlegierungsschicht 15, welche über der oberen Oberfläche (Gleitflächenseite) des Metallrückens 14 vorgesehen ist. Die Lagerlegierungsschicht 15 ist beispielsweise aus Al, Al-Legierung, Cu, Cu-Legierung oder dergleichen zusammengesetzt. Eine Zwischenschicht kann zwischen der Lagerlegierungsschicht 15 und der Deckschicht 13 vorgesehen sein, um die Verbindung der Lagerlegierungsschicht 15 und der Deckschicht 13 zu verbessern und/oder die Diffusion von Atomen zwischen den Schichten wirksamer zu vermeiden. Ag oder Cu-5 Massen-% Zn kann als die Zwischenschicht eingesetzt werden.
In dem Oberflächenabschnitt (äußerster Oberflächenabschnitt) der Deckschicht 13 ist eine Oxidschicht 16 vorgesehen, welche verstreute bzw. vereinzelte Bismuthoxide enthält. Der Bismuthoxid-Gehalt in der Oxidschicht 16, repräsentiert durch den Sauerstoffgehalt, liegt im Bereich von 0,5 Massen-% bis 8,0 Massen-%. Die Oxidschicht 16 der Deckschicht 13 dient als die Gleitoberfläche, mit bzw. auf welcher das Gegenelement, wie die Kurbelwelle, gleitet. Das Bismuthoxid ist in der Gleitoberfläche verteilt, sodass sich diese nicht an spezifischen Abschnitten in der Gleitoberfläche, insbesondere an Abschnitten konzentrieren, welche hohe Last aufnehmen.
Die Oxidkonzentration kann durch EPMA gemessen werden. Genauer kann die Sauerstoffkonzentration der Oxidschicht 16 durch Lesen der Konzentration des Sauerstoffelements als ein Bild von der Oberfläche der Deckschicht 13 unter Verwendung von EPMA erhalten werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird EPMA ausgeführt unter: Spannungsbeschleunigung von 15,0 kV, Bestrahlungsstrom von 3 × 10^–8 A, Kristallit von LEDI und Spitzen- bzw. Peaklage von 110,083 mm und unter Verwendung von Modell JEOL-JXA8530F.
Mit Ausnahme des BEISPIELS 5, welches später beschrieben wird, weist die Hauptorientierungsebene von Kristallen von Bi oder Bi-Legierung, welche die Deckschicht 13 des vorliegenden Ausführungsbeispiels bilden, ein Orientierungs-Intensitätsverhältnis von 50% oder mehr auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die (202)-Ebene und die (012)-Ebene die Hauptorientierungsebenen.
Ferner ist mit der Ausnahme von BEISPIEL 8, welches später beschrieben wird, die Hauptorientierungsebene von Kristallen von Bismuthoxid innerhalb der Oxidschicht 16 des vorliegenden Ausführungsbeispiels entweder die (220)-Ebene oder die (201)-Ebene. Die Hauptorientierungsebene und das Orientierungs-Intensitätsverhältnis kann durch Messen der Röntgenstrahlbeugungs-Intensität von der Oberfläche der Deckschicht 13 unter Verwendung von XRD (X-ray diffraction apparatus bzw. Röntgenstrahlbeugungs-Vorrichtung) erhalten werden.
Das Gleitelement 11, welches vorstehend beschrieben ist, wird durch den nachfolgenden Verarbeitungsablauf hergestellt. Zuerst wird ein Substrat 12, welches aus dem sogenannten Bimetall hergestellt ist, durch Beschichten mittels einer Cu-basierten oder einer Al-basierten Lagerlegierungsschicht 15 über den Metallrücken 14, welcher aus Stahl hergestellt ist, ausgebildet. Das aus dem Metallrücken 14 und der Lagerlegierungsschicht 15 ausgebildete Substrat 12 wird in halbzylindrischer oder zylindrischer Form geformt bzw. gegossen. Das geformte Substrat 12 wird oberflächen(end)bearbeitet durch zum Beispiel Bohren oder Räumen der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht 15. Das oberflächenbearbeitete Substrat 12 wird durch elektrolytisches Entfetten und Säurebeizen gereinigt.
Dann wird ein Beschichtungsverfahren ausgeführt, in welchem die Deckschicht 13 über dem Substrat 12 (Lagerlegierungsschicht 15) durch Beschichten von Bi oder Bi-Legierung in der Dicke von beispielsweise 5 μm ausgebildet wird.
Dann wird ein Oxidationsverfahren ausgeführt, in welchem Bismuthoxid in dem Oberflächenabschnitt der Deckschicht 13 hergestellt wird. Das Oxidationsverfahren beginnt mit einem Durchnässen bzw. Tränken der Deckschicht 13 in einem wasserlöslichen Öl, um das wasserlösliche Öl auf der Oberfläche der Deckschicht 13 anzulagern. Die Deckschicht 13 wird anschließend getrocknet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein wasserlösliches Schneidöl ”UNISOLUBLE EM” von JX Nippon Oil & Energy Corporation als wasserlösliches Öl verwendet.
Dann wird die Oberfläche der Deckschicht 13 thermisch bearbeitet, dies zum Beispiel bei 110 Grad Celsius für 1 Stunde. Die Temperatur des thermischen Verfahrens kann im Bereich von 90 bis 130 Grad Celsius liegen und die Dauer des thermischen Verfahrens kann im Bereich von 30 Minuten bis 2 Stunden liegen. Als ein Ergebnis wird Bismuthoxid in der Oberfläche der Deckschicht 13 ausgebildet, um eine Oxidschicht 16 herzustellen. Die Temperatur und die Bedingungen, welche in dem thermischen Verfahren angewandt werden, sind in Abhängigkeit vom Material, Konzentration oder dergleichen des wasserlöslichen Öls zu variieren. Die Menge von Oxid (Oxidkonzentration) steigt, sowie die Temperatur des thermischen Verfahrens höher wird und die Dauer des thermischen Verfahrens länger wird.
Das Gleitelement 11 der BEISPIELE, welche vorstehend beschrieben sind, weist die Deckschicht 13 auf, welche mit der Oxidschicht 16 in ihrem Oberflächenabschnitt versehen ist. Die Oxidschicht 16 enthält ein Bismuthoxid, welches ein nichtmetallisches Material ist. Demzufolge ist es möglich, Wärme, welche von Reibung mit dem Gegenelement in den frühen Stadien der Benutzung des Gleitelements stammt, niedrig zu halten bzw. zu unterdrücken, was wiederum Verbesserung der Fressbeständigkeit ermöglicht. Gute Fressbeständigkeit kann insbesondere durch Kontrollieren des Bismuthoxid-Gehalts in der Oxidschicht 16 auf 0,5 Massen-% oder mehr und 8,0 Massen-% oder weniger in der Sauerstoffkonzentration erhalten werden. Ermüdungsbeständigkeit des Gleitelements kann sich durch das Vorliegen des Bismuthoxids im Inneren des Bulk- bzw. Hauptteils bezüglich der Dickenrichtung der Deckschicht 13 vermindern. Eine solche Möglichkeit von Verminderung der Ermüdungsbeständigkeit kann beseitigt werden, indem das Bismuthoxid dahingehend angeordnet wird, sich nur in der Oxidschicht 16 zu befinden, welche in der äußersten Oberflächenschicht der Deckschicht 13 angeordnet ist.
Die Erfinder führten einen Fresstest zur Bestätigung der Fressbeständigkeit des Gleitelements 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch. Wie in 2 gezeigt, wurden 10 Arten von Proben, enthaltend BEISPIELE 1 bis 8 und VERGLEICHSBEISPIELE 9 und 10, für den Fresstest vorbereitet. BEISPIELE 1 bis 8 sind Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und VERGLEICHSBEISPIELE 9 und 10 wurden zum Vergleich vorbereitet. Die Proben sind auf einen Innendurchmesser von φ 48 mm und eine Breite von 18 mm bemessen. 2 zeigt, zusammen mit den Testergebnissen, die Konfiguration von BEISPIELEN 1 bis 8 und VERGLEICHSBEISPIELEN 9 und 10, wie die Sauerstoffkonzentration und die Hauptorientierungsebene des Bismuthoxidkristalls in der Oxidschicht, und die Zusammensetzung, die Hauptorientierungsebene und das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der Hauptorientierungsebene der Deckschicht.
In BEISPIELEN 1 bis 8 liegt die Sauerstoffkonzentration der Oxidschicht im Bereich von 0,5 Massen-% bis 8,0 Massen-%. Die Dauer des thermischen Verfahrens für die VERGLEICHSBEISPIELE 9 und 10 sind derart verkürzt oder verlängert, dass deren Sauerstoffkonzentrationen nicht in den vorstehend beschriebenen Bereich fallen. Genauer zeigt die Sauerstoffkonzentration von VERGLEICHSBISPIEL 9 0,3 Massen-%, was niedriger als der vorstehend beschriebene Bereich ist, und die Sauerstoffkonzentration von VERGLEICHSBEISPIEL 10 zeigt 8,5 Massen-%, was höher als der vorstehend beschriebene Bereich ist. Die Sauerstoffkonzentration von Proben, welche nicht dem thermischen Verfahren unterzogen wurde, zeigten 0,2 Massen-%. In BEISPIELEN 1 bis 6 (und VERGLEICHSBEISPIELEN 9 und 10) war die Hauptorientierungsebene des Bismuthoxidkristalls die (220)-Ebene. In BEISPIELEN 7 und 8 waren die Hauptorientierungsebenen des Bismuthoxids jeweils die (201)-Ebene und die (222)-Ebene.
Mit Blick auf die Deckschicht ist BEISPIEL 4 aus Bi-3 Massen-% Sn-Legierung zusammengesetzt und BEISPIEL 7 ist aus Bi-3 Massen-% In-Legierung zusammengesetzt. Der Rest der BEISPIELE und VERGLEICHSBEISPIELE 9 und 10 sind aus purem Bi zusammengesetzt. Die Dicke der Deckschicht ist 5 μm bei allen Proben. Ferner war die Hauptorientierungsebene der Deckschicht die (012)-Ebene in BEISPIELEN 1, 6 und VERGLEICHSBEISPIEL 10. Die Hauptorientierungsebene der Deckschicht war die (202)-Ebene in dem Rest der BEISPIELE und in VERGLEICHSBEISPIEL 9. Des Weiteren ist das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der Hauptorientierungsebene nur in BEISPIEL 5 relativ niedrig bei 38%, wohingegen in dem Rest der BEISPIELE und VERGLEICHSBEISPIELE 9 und 10 das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der Hauptorientierungsebene 50% oder mehr war.
Der Fresstest wurde beispielsweise unter Verwendung eines Lager-Leistungstesters durchgeführt. Der Test wurde unter Verwendung von S55C als das Gegenmaterial bei der Geschwindigkeit von 20 m/s mit 150 ccm Schmiermittel und mit der spezifischen Last durchgeführt, welche um 0,5 MPa alle 10 Minuten erhöht wurde. Die Testergebnisse sind in 2 gezeigt. Die spezifische Last, bei welcher die hinteren bzw. rückseitigen Oberflächentemperaturen der Proben 200 Grad Celsius überschritten oder bei welcher der Antriebsriemen der Welle durch plötzlichen Drehmomentanstieg Schlupf zeigten, wurde als die maximale Last ohne Fressen angenommen.
Die Testergebnisse zeigen klar, dass die Gleitelemente von BEISPIELEN 1 bis 8 außerordentliche Fressbeständigkeit zeigen. Die Gleitelemente von BEISPIELEN 1 bis 8 sind alle mit einer Oxidschicht in dem Oberflächenabschnitt der Deckschicht versehen und die Sauerstoffkonzentration der Oxidschicht ist dahingehend kontrolliert, gleich oder größer als 0,5 Massen-% und gleich oder niedriger als 8,0 Massen-% zu sein. Die Gleitelemente von BEISPIELEN 1 bis 8 zeigten einen deutlichen Unterschied hinsichtlich der Fressbeständigkeit im Vergleich zu VERGLEICHSBEISPIELEN 9 und 10, in welchen die Sauerstoffkonzentration nicht in dem vorstehend beschriebenen Bereich fällt. Es wird davon ausgegangen, dass dies aus dem fehlenden Unterdrücken von anfänglicher Hitzeentwicklung verursacht wird, wenn der Bismuthoxid-Gehalt kleiner als 0,5 Massen-% ist, dies repräsentiert durch die Sauerstoffkonzentration (VERGLEICHSBEISPIEL 9). Andererseits wird die Formanpassungsfähigkeit vermindert, wenn der Bismuthoxid-Gehalt größer als 8,0 Massen-% ist, dies repräsentiert durch die Sauerstoffkonzentration (VERGLEICHSBEISPIEL 10) und somit tritt die sogenannte Deckschicht-Ermüdung zum Beispiel durch örtlichen Kontakt mit dem Gegenelement auf. Ein guter Ölfilm kann unter solchen Bedingungen nicht ausgebildet werden und daher wird davon ausgegangen, dass diese zur Verminderung der Fressbeständigkeit führen.
Weitere Betrachtung der BEISPIELE zeigt, dass BEISPIELE 4 und 7, in welchen die Deckschicht aus Bi-Legierung zusammengesetzt ist, geringfügig geringere Fressbeständigkeit im Vergleich zu BEISPIELEN 1, 2, 3, 5, 6 und 8 aufweisen, in welchen die Deckschicht aus purem Bi zusammengesetzt ist. Es wird daher davon ausgegangen, dass eine Deckschicht, welche aus purem Bi zusammengesetzt ist, hinsichtlich der Fressbeständigkeit zu bevorzugen ist. Es kann ferner gesehen werden, dass in BEISPIELEN 2, 3, 4, 5, 7 und 8, in welchen die (202)-Ebene die Hauptorientierungsebene des Deckschichtkristalls war, dazu neigen, größere Fressbeständigkeit im Vergleich zu BEISPIELEN 1 und 6 aufzuweisen, in welchen die (012)-Ebene die Hauptorientierungsebene war. Das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der Hauptebene der Kristalle der Deckschicht ist vorzugsweise 50% oder größer. Jedoch erreichte BEISPIEL 5, in welchem das Orientierungs-Intensitätsverhältnis 38% war, gute Fressbeständigkeit.
Die Hauptorientierungsebene des Bismuthoxidkristalls der Oxidschicht ist vorzugsweise die (220)-Ebene oder die (201)-Ebene, wie es in BEISPIELEN 1 bis 7 der Fall war. Jedoch erzielte auch BEISPIEL 8, in welchem die Hauptorientierungsebene die (222)-Ebene war, gute Fressbeständigkeit. Unter den BEISPIELEN 1 bis 8 zeigte die Zusammensetzung von BEISPIEL 3 die besten Ergebnisse. Wie gezeigt ist, war die Sauerstoffkonzentration der Oxidschicht in BEISPIEL 3 2,0 Massen-% und die Hauptorientierungsebene des Bismuthoxidkristalls war die (220)-Ebene. Die Deckschicht von BEISPIEL 3 war aus purem Bi zusammengesetzt und die Hauptorientierungsebene des puren Bi-Kristalls war die (202)-Ebene. Das Orientierungs-Intensitätsverhältnis der (202)-Ebene war 59%.
Obwohl dies nicht in 2 gezeigt ist, führten die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen ähnlichen Test auf der Grundlage von zwei weiteren Arten von Proben zusätzlich zu den BEISPIELEN 1 bis 8 durch. Die zusätzlichen Proben wurden auf der Grundlage des Aufbaus von BEISPIEL 3 vorbereitet und sind alle mit einer Zwischenschicht zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Deckschicht versehen. Zwei unterschiedliche Arten von Zwischenschichten wurden vorbereitet, von denen eine aus Ag zusammengesetzt ist und die andere aus Cu-5 Massen-% Zn zusammengesetzt ist. Beide Zwischenschichten wurden in der Dicke von 5 μm ausgebildet. Die zwei zusätzlichen mit der Zwischenschicht versehenen Proben erreichten ebenfalls gute Testergebnisse, ähnlich zu BEISPIEL 3. Die Erfinder führten ferner einen ähnlichen Test auf der Grundlage von zwei weiteren Arten von Proben durch. Die zusätzlichen Proben wurden auf der Grundlage des Aufbaus von BEISPIEL 3 vorbereitet und sind alle mit einer dickeren Deckschicht im Vergleich zu BEISPIEL 3 versehen, wobei die Dicken 10 μm bzw. 20 μm waren. Diese zwei zusätzlichen Proben erzielten ebenfalls gute Testergebnisse ähnlich zu BEISPIEL 3. Zusammengefasst, variiert die Fressbeständigkeit kaum durch das Vorliegen/Nicht-Vorliegen der Zwischenschicht und die Differenz in der Dicke der Deckschicht.
Das Gleitelement der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele (BEISPIELE) beschränkt, welche vorstehend beschrieben sind. Vielfältige Aspekte der vorliegenden Erfindung können modifiziert werden, wie das Material und/oder die Dicke des Metallrückens und/oder der Lagerlegierungsschicht, das Verfahren zum Ausbilden der Oxidschicht oder dergleichen. Jede der Komponenten des Gleitelements können unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Das Gleitelement ist nicht auf eine Gleitlageranwendung für Fahrzeugmotoren beschränkt, sondern kann in vielfältigen anderen Anwendungen verwendet werden.
Die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen sind lediglich für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung erläuternd und sind nicht in einschränkendem Sinn auszulegen. Vielfältige Änderungen und Modifikationen werden für gewöhnliche Fachleute ersichtlich. Alle derartigen Änderungen und Modifikationen werden dahingehend betrachtet, in den Bereich der Erfindung zu fallen, wie sie durch die anliegenden Ansprüche angegeben wird.
BESCHREIBUNG DER BEZUGSZEICHEN
In den Zeichnungen repräsentiert 11 ein Gleitelement, 12 ein Substrat, 13 eine Deckschicht und 16 eine Oxidschicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11-50296 A [0003]
JP 2003-156046 A [0003]
JP 2001-20955 A [0003]
JP 2004-2308883 A [0003]
JP 2003-156045 A [0003]

Claims

Gleitelement, umfassend: ein Substrat; und eine Deckschicht, welche Bi oder Bi-Legierung enthält, die über dem Substrat vorgesehen ist, wobei ein Oberflächenabschnitt der Deckschicht eine Oxidschicht enthält, die Bismuthoxid enthält, und wobei ein Anteil des Bismuthoxids in der Oxidschicht, repräsentiert durch den Sauerstoffgehalt, gleich oder größer als 0,5 Massen-% und gleich oder geringer als 8,0 Massen-% ist.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei ein Orientierungs-Intensitätsverhältnis einer Hauptorientierungsebene von Bi- oder Bi-Legierungs-Kristallen in der Deckschicht 50% oder größer ist.
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Hauptorientierungsebene von Bismuthoxid-Kristallen in der Oxidschicht entweder eine (220)-Ebene oder einen (201)-Ebene ist.
Verfahren zur Herstellung des Gleitelements nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Beschichten von Bi oder Bi-Legierung über dem Substrat, um die Deckschicht auszubilden; und Oxidieren der Deckschicht durch: Auftragen eines wasserlöslichen Öls auf eine Oberfläche der Deckschicht und Trocknen der Oberfläche der Deckschicht, welche das wasserlösliche Öl trägt, und thermisches Bearbeiten der Deckschicht bei einer Temperatur in einem Bereich von 90 bis 130 Grad Celsius für eine Dauer in einem Bereich von 30 Minuten bis 2 Stunden, um ein Bismuthoxid in einem Oberflächenabschnitt der Deckschicht auszubilden.