DE3742126A1 - Verbund-gleitstruktur - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verbund-Gleitstruktur bzw.
Composit-Gleitstruktur, die für Lagerteile oder Gleitteile
von Automobilen, Schiffen, verschiedenen Arten von elektrischen
Maschinen, Büroautomationseinrichtungen, landwirt
schaftlichen Maschinen, Maschinenwerkzeugen, Nahrungs
mittel-Verarbeitungsmaschinen und andere Industrie
maschinen geeignet ist.
Es ist bereits eine Verbund-Gleitstruktur vorgeschlagen
worden, die aus drei Schichten, nämlich einer Oberflächenschicht,
einer Zwischenschicht und einer Rückschicht, besteht.
So ist z. B. die Oberflächenschicht aus einer Pb-
Legierung, die 4% mehr Sn enthält, hergestellt worden.
Die Zwischenschicht ist aus einer Cu-Legierung und
die Rückschicht aus Stahl hergestellt worden. Weiterhin
ist schon eine vierschichtige Struktur mit einer Oberflächen
schicht, einer Bindungsschicht, einer Zwischen
schicht und einer Rückschicht vorgeschlagen worden. So
besteht z. B. die Oberflächenschicht aus einer Pb-Legierung,
die 4% oder mehr Sn enthält, die Bindungsschicht aus Ni
oder einer Ni-Legierung, die Zwischenschicht aus einer
Al-Legierung und die Rückschicht aus Stahl.
Alternativ ist weiterhin eine vierschichtige Verbund-
Gleitstruktur vorgeschlagen worden, die entweder in der
Oberflächenschicht oder der Zwischenschicht 4% oder mehr
Sn enthält.
Wenn solche Lager in Verbrennungs-Kraftmaschinen verwendet
werden, dann kann es bei hohen Temperaturen oder der
gleichen vorkommen, daß das Sn der Pb-Legierung der Ober
flächenschicht in die Zwischenschicht aus der Cu-Lager
legierung oder in die Bindungsschicht aus Cu oder der Cu-
Legierung oder in die Bindungsschicht aus Ni oder der
Ni-Legierung hineindiffundiert, wodurch eine brüchige
zwischenmetallische Verbindung aus Cu-Sn oder Sn-Ni gebildet
wird, die zu einer Verminderung der Ermüdungsfestigkeit
führt. Weiterhin kann es vorkommen, daß das Sn in der
Zwischenschicht aus der Al-Legierung in die Bindungs
schicht aus dem Cu oder der Cu-Legierung hineindiffundiert,
wodurch eine brüchige Sn-Cu-Zwischenmetallverbindung gebildet
wird, was ebenfalls zu einer Verminderung der Ermüdungsfestigkeit
der Gleitstruktur führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme, die mit einem
hohen Gehalt von Sn, der das Auftreten von brüchigen intermetallischen
Verbindungen bewirkt, einhergehen, zu lösen,
um die Dauerhaftigkeit und die Ermüdungsbeständigkeit
bzw. die Dauerfestigkeit der zusammengesetzten Gleit
struktur zu verbessern.
Weiterhin soll gemäß der Erfindung eine Legierung zur Bildung
einer Bindungsschicht und/oder eine Legierung zur
Bildung einer Zwischenschicht zur Verfügung gestellt werden,
die für die Oberflächenschicht geeignet ist, um die
Dauerhaftigkeit und die Dauerfestigkeit einer Verbund-
Gleitstruktur in dem Falle zu verbessern, daß die Oberflächen
schicht aus einer Legierung, ausgewählt aus Pb-Cu-
Legierungen, Pb-Cu-In-Legierungen, Pb-In-Legierungen, wobei
jede dieser Legierungen nicht mehr als 4% Sn enthält,
zu verbessern.
Durch die Erfindung wird daher eine Verbund-Gleitstruktur
zur Verfügung gestellt, die aus einer Oberflächenschicht,
einer Bindungsschicht, die an die Oberflächenschicht gebunden
ist, einer Zwischenschicht, die an die Bindungs
schicht gebunden ist, und einer Rückschicht, die an die
Zwischenschicht gebunden ist, besteht. Die Verbund-Gleit
struktur ist dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen
schicht aus einer Legierung, ausgewählt aus Legierungen,
bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu und zum
Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1
bis 6,0% Cu, 0,5 bis 16,0% In und zum Rest Pb, Legierungen,
bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 16% In und zum
Rest Pb, und solche Legierungen, die nicht mehr als 4%
Sn enthalten, hergestellt ist; die Bindungsschicht aus
einem Material, ausgewählt aus der Gruppe Kupfer als Einzel
material, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus
0,5 bis 20,0% Zn und zum Rest Cu, Legierungen, bestehend
im wesentlichen aus 0,1 bis 4,0% Sn und zum Rest Cu,
Nickel als Einzelmaterial, Legierungen, bestehend im
wesentlichen aus 0,5 bis 20,0% Zn und zum Rest Ni, und
Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 4,0% Sn
und zum Rest Ni, hergestellt ist; die Zwischenschicht aus
einem Material, ausgewählt aus der Gruppe Al als Einzel
material, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 1,0
bis 13,0% Si, 1,5 bis 6,0% Zn und zum Rest Al, Legierungen,
bestehend im wesentlichen aus 1,5 bis 13,0% Si und
zum Rest Al, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus
0,1 bis 4,0% Sn und zum Rest Al, wobei eine dieser Legierungen
als Additiv ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe
Cu, Mn, Cr, Zr, V, Pb und Sb in Mengen von 4,0% oder weniger
enthält, hergestellt ist; und die Rückschicht aus
einem harten Trägermaterial, wie Stahl, hergestellt ist.
Durch die Erfindung wird weiterhin eine Verbund-Gleitstruktur
zur Verfügung gestellt, die aus einer Oberflächen
schicht, einer an die Oberflächenschicht gebundenen Zwischen
schicht und einer an die Zwischenschicht gebundenen
Rückschicht besteht. Die Verbund-Gleitstruktur ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus einer Legierung,
ausgewählt aus der Gruppe Legierungen, bestehend
im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu und zum Rest Pb, Legierungen,
bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu,
0,5 bis 16,0% In und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend
im wesentlichen aus 0,5 bis 16% In und zum Rest Pb, wobei
irgendeine dieser Legierungen Sn in einer Menge von nicht
mehr als 4% enthält, hergestellt ist; die Zwischenschicht
aus Cu als Einzelmaterial oder einer Cu-Legierung, die
als Additiv ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der
Gruppe Pb in einer Menge von nicht mehr als 42,5%, Ni in
einer Menge von nicht mehr als 2,0%, Ag in einer Menge
von nicht mehr als 2,0%, Zn in einer Menge von nicht mehr
als 17,0%, Sb in einer Menge von nicht mehr als 0,8%, P
in einer Menge von nicht mehr als 0,6%, O in einer Menge
von nicht mehr als 0,6% und Sn in einer Menge von
0,1 bis 4,0%, enthält, hergestellt ist; und
die Rückschicht aus einem harten Trägermaterial, wie Stahl,
hergestellt ist.
Was die Zusammensetzung der Legierung betrifft, die die
Oberflächenschicht bildet, so tritt bei Cu-Mengen von weniger
als 0,1% der Effekt der Zugabe von Cu nicht auf.
Wenn andererseits der Anteil von Cu über 6,0% hinausgeht,
dann wird die Oberflächenschicht in nachteiliger Weise
brüchig. Der Gehalt an Cu ist daher auf 0,1 bis 6,0%,
vorzugsweise 3,2 bis 5,5%, eingeschränkt. Bei Mengen von
In von weniger als 0,5% tritt kein Effekt der Zugabe auf,
während andererseits, wenn der In-Gehalt über 16% hinaus
geht, zwar keine nachteilige Effekte auftreten, jedoch
die Produktionskosten ansteigen. Der Gehalt an In ist daher
auf 0,5 bis 16,00%, bevorzugt 5,0 bis 14,0% beschränkt.
Wenn das Sn in Mengen von weniger als 0,5% vorliegt, dann
tritt kein Effekt der Zugabe auf, während andererseits,
wenn das Sn über 4,0% hinausgeht, die Bindungskraft zwischen
der Oberflächenschicht und der Bindungsschicht oder
der Zwischenschicht in nachteiliger Weise vermindert wird.
Daher ist das Sn auf einen Bereich von 0,5 bis 4,0%
eingeschränkt.
Was die Zusammensetzung der Legierung betrifft, die die
Bindungsschicht bildet, so ist bei Mengen von Zn von weniger
als 0,5% der Gehalt zur Bildung von Kristallkörnern
der Legierung, die die Bindungsschicht bildet, während des
Plattierungsprozesses von Cu nicht verfügbar. Wenn andererseits
die Menge von Zn über 20% hinausgeht, dann ist ein
solcher Gehalt für die Verbesserung der Bindung oder der
Beständigkeit gegenüber einem Festfressen nicht verfügbar.
Aus diesen Gründen ist der Gehalt von Zn auf 0,5 bis 20%
eingeschränkt. Der Gehalt an Sn ist aus den gleichen Gründen
auf 0,5 bis 4,0% eingeschränkt, wie der Gehalt von Sn
auf 0,5 bis 4,0% für die Legierung, die die Oberflächen
schicht bildet, eingeschränkt ist.
Was die Zusammensetzung der Legierung betrifft, die die
Zwischenschicht bildet, so dient das Si dazu, die mechanischen
Eigenschaften der Zwischenschicht zu verbessern.
Wenn jedoch die Menge an Si weniger als 1,5% ist, dann
tritt dessen Effekt nicht auf, während andererseits bei
Mengen von Si oberhalb 13% die Zwischenschicht gehärtet
wird. Der Gehalt an Si ist daher auf 1,5 bis 13% einge
schränkt. Zn dient ebenfalls dazu, die mechanischen Eigen
schaften der Zwischenschicht zu verbessern. Wenn jedoch
der Gehalt an Zn weniger als 1,5% ist, dann tritt dessen
Effekt nicht auf, während umgekehrt bei Mengen über 6,0%
die Eigenschaften der Zwischenschicht verschlechtert werden
(die Zwischenschicht wird gegenüber einer Korrosion
anfällig). Somit ist Zn auf 1,5 bis 6,0% eingeschränkt.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Verbund-
Gleitstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
der verstrichenen Zeit und dem Verminderungsverhältnis
der Bindungskraft zwischen der Oberflächenschicht und der
Bindungsoberfläche angibt,
Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
dem Sn-Gehalt (%) der Zwischenschicht und der Cu-Bindungs
schicht bezüglich der Bindungsfestigkeit angibt, und
Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die eine Verbund-
Gleitstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wurde
eine dünne Platte aus der Aluminium-Legierung mit einer
Dicke von 0,25 bis 0,35 mm und einer Zusammensetzung gemäß
Tabelle I mit einem Reduktionsgrad von 40 bis 48% bei
Raumtemperatur mit einer Rückschicht druckverbunden. Diese
bestand aus üblichem Konstruktionsstahl mit niedrigem
Kohlegehalt und hatte eine Dicke von 1,3 mm. Weiterhin
wurde auf der Legierungsschicht durch elektrische Plattie
rung eine Cu-Schicht gebildet. Eine Oberflächenschicht aus
einer Legierung, bestehend aus 5% In, 2% Cu und zum Rest
Pb, wurde auf der Cu-Schicht durch elektrisches Plattieren
gebildet. Auf diese Weise wurde eine Verbund-Gleitstruktur
gemäß Fig. 1 erhalten. Die Dicke der Zwischenschicht
betrug 0,3 mm, die Dicke der Bindungsschicht betrug
1,5 µm, und die Dicke der Oberflächenschicht betrug 20 µm.
Die Bedingungen der elektrischen Plattierungen waren wie
folgt.
Elektrisches PlattierungsbadFluoronat-Bad, enthaltend
100 g/l Bleifluoronat, 2 g/l
Kupferfluoronat, 60 g/l Fluß
säure und 3 g/l Resorcin
Badtemperatur30°C
Stromdichte3,0 A/dm²
Plattierungszeit14 Minuten
Elektrisches PlattierungsbadBad, enthaltend 30 g/l Indium
sulfamat, 80 g/l Natriumsulfa
minsäure und 30 g/l freie
Sulfaminsäure
Badtemperatur30°C
Stromdichte2,0 A/dm²
Plattierungszeit3,5 Minuten
Bei der oben angegebenen Verbund-Gleitstruktur wurde die
Bindungsfestigkeit zwischen der Cu-Bindungsschicht und der
Zwischenschicht aus der Al-Legierung innerhalb einer Woche
gemessen. Dies erfolgte nach der in der JP-OS 18 09 31/1973
angegebenen Versuchsmethode. Die Ergebnisse sind in
Tabelle II zusammengestellt.
Aus den Ergebnissen der Tabelle II wird ersichtlich, daß
in der erfindungsgemäßen Verbund-Gleitstruktur die Bindungs
festigkeit zwischen der Bindungsschicht und der Zwischen
schicht im Vergleich zu den Vergleichs-Probekörpern
erheblich besser war. Die Tabelle III zeigt die Beziehung
zwischen der Bindungsfestigkeit zwischen den Bindungs
schichten und den Zwischenschichten und dem Gehalt an Sn
in den Zwischenschichten der Probekörper Nrn. 1 bis 9.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wurde
eine weitere Verbund-Gleitstruktur mit einer Bindungs
schicht, einer Zwischenschicht und einer Rückschicht aus
Metall gemäß Tabelle III nach dem gleichen Verfahren wie
bei der ersten Ausführungsform hergestellt.
Die Fig. 2 zeigt die Ergebnisse der Messung des Verminderungs
verhältnisses der Klebkraft zwischen der Oberflächen
schicht und der Bindungsschicht. Dieses Verhältnis
steht mit der Gebrauchszeit nach der Verwendung der Verbund-
Gleitstruktur im Zusammenhang. Aus Fig. 2 wird ersichtlich,
daß die Verminderung der Bindungskraft zwischen
der Oberflächenschicht und der Bindungsschicht, die von
der Zeit abhängig ist, in der erfindungsgemäßen Verbund-
Gleitstruktur verbessert wurde. Die Größe der Bindungs
kraft zwischen der Oberflächenschicht und der Bindungs
schicht (oder der Zwischenschicht) stand in starker Korre
lation zu der Größenordnung der Ermüdungsfestigkeit bzw.
Dauerfestigkeit. Die erhöhte Bindungskraft bedeutet eine
erhöhte Dauerfestigkeit.
Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung
beschrieben. Eine pulverförmige Cu-Legierung wurde auf
eine Rückschicht aus Metall, hergestellt aus üblichem
Konstruktionsstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, aufgebracht.
Die Zusammensetzung ist in Tabelle IV angegeben.
Die Legierung wurde zu einer Dicke von 0,25 bis 0,35 mm
aufgebracht und 7 bis 12 Minuten bei einer Temperatur von
810 bis 870°C gesintert. Auf die so erhaltene gesinterte
Zwischenschicht wurde durch elektrisches Plattieren bei
den gleichen Bedingungen wie bei der ersten Ausführungsform
eine Oberflächenschicht aus einer Legierung aus 5%
In, 2% Cu und zum Rest Pb aufgebracht. Auf diese Weise wurde
eine Verbund-Gleitstruktur gebildet. Die Dicke der
Zwischenschicht, der Oberflächenschicht und der Metall-
Rückschicht war die gleiche wie bei der ersten Ausführungs
form.
Bei dieser Verbund-Gleitstruktur wurde die Bindungsfestig
keit zwischen der Oberflächenschicht und der Zwischen
schicht aus der Cu-Legierung nach 8 bis 20 Monaten gemessen.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle V zusammen
gestellt.
Aus den Ergebnissen der Fig. 5 wird ersichtlich, daß auch
in der Verbund-Gleitstruktur gemäß der zweiten Ausführungs
form die Bindungsfestigkeit zwischen der Oberflächen
schicht und der Zwischenschicht im Vergleich zu derjenigen
des Vergleichsmaterials erheblich besser war.
Gemäß der Erfindung besteht die Oberflächenschicht, die
Bindungsschicht und die Zwischenschicht aus einem speziellen
Material, das 4% oder weniger Sn oder kein Sn enthält,
wodurch die Verschlechterung der Bindungsfestigkeit zwischen
den angrenzenden Schichten, die im Verlauf der Zeit
erfolgt, auf einem möglichen minimalen Niveau gehalten
werden kann. Auf diese Weise wird eine Verbund-Gleitstruktur
mit ausgezeichneter Dauerhaftigkeit und Dauerfestigkeit
erhalten.
Claims (2)
1. Verbund-Gleitstruktur mit einer Oberflächenschicht,
einer an die Oberflächenschicht gebundenen Bindungsschicht,
einer an die Bindungsschicht gebundenen Zwischenschicht
und einer an die Zwischenschicht gebundenen Rück
schicht, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenschicht aus einer Legierung, ausgewählt aus Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu, 0,5 bis 16,0% In und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 16% In und zum Rest Pb, und solchen Legierungen, die nicht mehr als 4% Sn enthalten, hergestellt ist;
die Bindungsschicht aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe Kupfer als Einzelmaterial, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 20,0% Zn und zum Rest Cu, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 4,0% Sn und zum Rest Cu, Nickel als Einzelmaterial, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 20,0% Zn und zum Rest Ni, und Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 4% Sn und zum Rest Ni, hergestellt ist;
die Zwischenschicht aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe Al als Einzelmaterial, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 1,0 bis 13,0% Si, 1,5 bis 6,0% Zn und zum Rest Al, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 1,5 bis 13,0% Si und zum Rest Al, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 4,0% Sn und zum Rest Al, wobei eine dieser Legierungen als Additiv ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cu, Mn, Cr, Zr, V, Pb und Sb in Mengen von 4,0% oder weniger enthält, herge stellt ist; und
die Rückschicht aus einem harten Trägermaterial, wie Stahl, hergestellt ist.
die Oberflächenschicht aus einer Legierung, ausgewählt aus Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu, 0,5 bis 16,0% In und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 16% In und zum Rest Pb, und solchen Legierungen, die nicht mehr als 4% Sn enthalten, hergestellt ist;
die Bindungsschicht aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe Kupfer als Einzelmaterial, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 20,0% Zn und zum Rest Cu, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 4,0% Sn und zum Rest Cu, Nickel als Einzelmaterial, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 20,0% Zn und zum Rest Ni, und Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 4% Sn und zum Rest Ni, hergestellt ist;
die Zwischenschicht aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe Al als Einzelmaterial, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 1,0 bis 13,0% Si, 1,5 bis 6,0% Zn und zum Rest Al, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 1,5 bis 13,0% Si und zum Rest Al, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 4,0% Sn und zum Rest Al, wobei eine dieser Legierungen als Additiv ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cu, Mn, Cr, Zr, V, Pb und Sb in Mengen von 4,0% oder weniger enthält, herge stellt ist; und
die Rückschicht aus einem harten Trägermaterial, wie Stahl, hergestellt ist.
2. Verbund-Gleitstruktur mit einer Oberflächenschicht,
einer an die Oberflächenschicht gebundenen Zwischenschicht
und einer an die Zwischenschicht gebundenen Rück
schicht, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenschicht aus einer Legierung, ausgewählt aus der Gruppe Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu, 0,5 bis 16,0% In und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 16% In und zum Rest Pb, wobei irgendeine dieser Legierungen Sn in einer Menge von nicht mehr als 4% enthält, hergestellt ist;
die Zwischenschicht aus Cu als Einzelmaterial oder einer Cu-Legierung, die als Additiv ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Gruppe Pb in einer Menge von nicht mehr als 42,5%, Ni in einer Menge von nicht mehr als 2,0%, Ag in einer Menge von nicht mehr als 2,0%, Zn in einer Menge von nicht mehr als 17,0%, Sb in einer Menge von nicht mehr als 0,8%, P in einer Menge von nicht mehr als 0,6% O in einer Menge von nicht mehr als 0,6% und Sn in einer Menge von nicht mehr als 0,1 bis 4,0%, enthält, hergestellt ist; und
die Rückschicht aus einem harten Trägermaterial, wie Stahl, hergestellt ist.
die Oberflächenschicht aus einer Legierung, ausgewählt aus der Gruppe Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,1 bis 6,0% Cu, 0,5 bis 16,0% In und zum Rest Pb, Legierungen, bestehend im wesentlichen aus 0,5 bis 16% In und zum Rest Pb, wobei irgendeine dieser Legierungen Sn in einer Menge von nicht mehr als 4% enthält, hergestellt ist;
die Zwischenschicht aus Cu als Einzelmaterial oder einer Cu-Legierung, die als Additiv ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Gruppe Pb in einer Menge von nicht mehr als 42,5%, Ni in einer Menge von nicht mehr als 2,0%, Ag in einer Menge von nicht mehr als 2,0%, Zn in einer Menge von nicht mehr als 17,0%, Sb in einer Menge von nicht mehr als 0,8%, P in einer Menge von nicht mehr als 0,6% O in einer Menge von nicht mehr als 0,6% und Sn in einer Menge von nicht mehr als 0,1 bis 4,0%, enthält, hergestellt ist; und
die Rückschicht aus einem harten Trägermaterial, wie Stahl, hergestellt ist.
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