DE3742126A1

DE3742126A1 - Verbund-gleitstruktur

Info

Publication number: DE3742126A1
Application number: DE19873742126
Authority: DE
Inventors: Takashi Muto
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1987-12-11
Publication date: 1988-06-23
Anticipated expiration: 2007-12-12
Also published as: GB2201690B; DE3742126C2; JPS63149140A; GB8729240D0; GB2201690A; JPH049665B2; US4877696A

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.

Bedingungen der elektrischen Plattierung von Pb-Cu

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

Bedingungen der elektrischen Plattierung von Indium

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

Tabelle I

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.

Tabelle II

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.

Tabelle III

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.

Tabelle IV

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.

Tabelle V

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

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.

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.