DE4243880A1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Lagermaterial, für
das ein steigender Bedarf besteht, bedingt durch die Stei
gerung in der Leistung von Verbrennungsmotoren.
Das bekannte Kupfer-Blei-Lagerlegierungsmaterial, das im
allgemeinen für Verbrennungsmotoren verwendet wird, besteht
aus einem Cu-Pb-Legierungs- oder Cu-Sn-Pb-Legierungssystem.
Diese Legierung besitzt einen Belag (Oberflächenschicht),
der auf der Oberfläche davon vorgesehen ist und aus einer
Pb-Sn-Legierung, einer Pb-Sn-Cu-Legierung, einer Pb-Sn-In-
Legierung oder einer ähnlichen Legierung besteht. Insbeson
dere weist ein solches Kupfer-Blei-Lagerlegierungsmaterial
oft eine Zwischenschicht (Grenzschicht) auf, die aus Nickel
oder einem ähnlichen Material besteht und zwischen der Le
gierung und der Auflage liegt, damit die Diffusion von Zinn
oder Indium, das in der Auflage enthalten ist, in die Le
gierung vermieden wird. In der japanischen Patentanmeldung
Serial Nr. 2-3 33 283, die zum Anmeldezeitpunkt der paral
lelen japanischen Patentanmeldung, die der vorliegenden An
meldung entspricht, noch nicht publiziert war, wird ein
Gleit- bzw. Schiebeelement beschrieben, das eine gesinterte
Schicht aus einer Kupferlegierung aufweist, zu der 1 bis 20
Gew.-% Ni-B-Verbindung zugegeben wurden, um die Abnutzungs
beständigkeit einer zylindrischen Buchse bzw. Lagerschale
ohne Auflage zu verbessern.
Zur Vermeidung der Diffusion von Zinn, Indium oder einem
ähnlichen Metall in die Kupfer-Blei-Lagerlegierung, die in
einer Auflage, die auf der Oberfläche einer Kupfer-Blei-La
gerlegierung vorhanden ist, wird im allgemeinen zwischen
der Kupfer-Blei-Lagerlegierung und der Auflage eine Trenn
schicht aus einer Nickelschicht (Antidiffusionsschicht)
zwischengelegt. Wenn jedoch eine Nickelgrenzschicht vorhan
den ist, besteht die Schwierigkeit, daß die Auflage während
des Gleitkontakts mit einem Schaft aus dem passenden Gleit-
bzw. Schiebeelement abgenutzt wird und die Nickelgrenz
schicht, die eine schlechte Antifestfreßeigenschaft be
sitzt, wird freigesetzt und verursacht ein Festfressen mit
dem entsprechenden Gleit- bzw. Schiebeelement. Zusätzlich
werden die Herstellungskosten erhöht, wenn eine Grenz
schicht vorgesehen ist. Wenn andererseits die Nickelgrenz
schicht fehlt, besteht die Schwierigkeit, daß Zinn, Indium
oder ein ähnliches Metall, das in der Auflage vorhanden
ist, in die Kupfer-Blei-Legierung diffundiert und eine Er
niedrigung in der Festigkeit der Auflage und eine Ver
schlechterung in der Korrosionsbeständigkeit ergibt.
Mit der steigenden Erhöhung in der Leistung und Wirksamkeit
von Motoren besteht ein zunehmender Bedarf für ein Lager-
Legierungsmaterial, das ausgezeichnete Ermüdungsbeständig
keit, Abnutzungsbeständigkeit aufweist und eine höhere Fe
stigkeit besitzt als die bekannten Cu-Sn-Pb-Legierungsmate
rialien.
Zur Verbesserung der Festigkeit und der Ermüdungsbeständig
keit von Blei-Bronze-Legierung, von der bekannt ist, daß
sie ein Lagermaterial für Motoren ist, wurde der Zinngehalt
erhöht, während der Bleigehalt erniedrigt wurde. Obgleich
dies die Diffusion des Zinns, das in der Auflage vorhanden
ist, in die Blei-Bronze-Legierung verhindert, verursacht
dieser Weg Schwierigkeiten, da die Wärmeleitfähigkeit der
Blei-Bronze-Legierung signifikant durch die Erhöhung in dem
Zinngehalt verschlechtert wird. Außerdem werden die Anti
festfreßeigenschaft und die Einbettungsfähigkeit von Fremd
substanzen (im folgenden als "Einbettungsfähigkeit" be
zeichnet) durch die Abnahme in dem Bleigehalt verschlech
tert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
obigen Schwierigkeiten der bekannten Lagerlegierungen zu
beseitigen und ein Kupfer-Blei-Lagerlegierungmaterial als
Gleit- bzw. Schiebematerial zur Verfügung zu stellen, das
eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit, Antifestfreßei
genschaft und Einbettungsfähigkeit besitzt und das verhin
dert, daß solche Verbindungen wie Zinn, Indium oder ähnli
che, die in der Auflage vorhanden sind, leicht diffundieren
und in die Kupfer-Blei-Legierung eintreten, selbst wenn
eine Nickelzwischenschicht, die die Antifestfreßeigenschaft
verschlechtert, zwischen der Kupfer-Blei-Legierung und der
Auflage fehlt.
Zur Lösung dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfin
dung gemäß einer Ausführungsform die folgende Kupfer-Blei-
Lagerlegierung:
Ein Verbundlager, das drei Schichten einschließlich einer
Stütz- bzw. Unterschicht, eine Lagerschicht aus einem Kup
fer-Blei-Legierungssystem auf der Unterschicht und eine
Zinn-enthaltende Blei-Legierungsauflage, die auf der Lager
legierungsschicht gebildet ist, umfaßt, wobei die Kupfer-
Blei-Lagerlegierung in Gew.-% enthält: 2 bis 10% Nickel und
0,5 bis 1% Bor (B). Die Verwendung eines Kupfer-Blei-Legie
rungssystems als Lager der obigen Zusammensetzung verhin
dert wirksam, daß Zinn, das in der Auflagen-Bleilegierung
vorhanden ist, in das Lager aus Kupfer-Blei-Legierung dif
fundiert. In diesem Fall muß die Kupfer-Blei-Legierung für
das Lager eine Härte über HV80 aufweisen.
Ein bevorzugtes Beispiel einer Kupfer-Blei-Legierung für
das Lager besteht aus ausgedrückt durch das Gewicht, 0,f
bis 8% Zinn 15 bis 30% Blei 0,2% oder weniger Phosphor, 2
bis 10% Nickel, 0,05 bis 1,0% Bor und als Rest Kupfer und
nichtvermeidbare Verunreinigungen.
Beispiele von Zinn-enthaltenden Bleilegierungen, die bevor
zugt für die Bildung der Auflage bzw. der Deckschicht ver
wendet werden, umfassen eine Legierung, die, ausgedrückt
durch das Gewicht, besteht aus: 3 bis 18% Zinn und als Rest
Blei und nichtvermeidbare Verunreinigungen und eine Legie
rung, die besteht aus, ausgedrückt durch das Gewicht, 3 bis
18% Zinn, mindestens 15% oder weniger Indium und 5% oder
weniger Kupfer und als Rest Blei und nichtvermeidbare Ver
unreinigungen.
Eine Stahlplatte oder eine andere Stahlplatte, die mit Kup
fer plattiert ist und auf der Schicht aus Lagerlegierung
gebildet wird, wird als Unterseitenmetall bzw. Stützmetall
verwendet.
Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Lagers ist
es wirksam, sowohl die Außen- als auch die Innenoberflächen
des Lagers aus Kupfer-Blei-Legierung zu plattieren, d. h.
die Oberflächen der Auflage und des Unterseitenmetalls, wo
bei dazu Zinn, Blei oder eine Legierung davon verwendet
wird. Es ist empfehlenswert, daß jede der plattierten
Schichten 3 µm oder weniger dick ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung betrifft
die Erfindung eine Kupfer-Blei-Lagerlegierung, die zusammen
mit einer Zinn-enthaltenden Bleilegierungsauflage verwendet
werden kann und die, ausgedrückt durch das Gewicht, aus 0,5
bis 8% Zinn, 15 bis 30% Blei, 0,2% oder weniger Phosphor, 2
bis 10% Nickel, 0,05 bis 1% Bor und als Rest Kupfer und un
vermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Struktur eines Lagers mit
einem semikreisförmigen Querschnitt gemäß einer erfindungs
gemäßen Ausführungsform, die Struktur umfaßt drei Schichten
einschließlich einer Stützschicht, einer Lagerschicht aus
Legierung und einer Auflage;
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Lager dargestellt, wo
bei beide Oberflächen des in Fig. 1 dargestellten Lagers
einer Plattierung der äußersten Oberflächen unterworfen
wurden;
Fig. 3 ist eine Tabelle, in der die Ergebnisse der Ermü
dungstests, die in den Beispielen durchgeführt wurden, dar
gestellt sind; und
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung und zeigt den Dif
fusionszustand von Zinn in der Auflage.
Die Gründe, weshalb die Zusammensetzungen der erfindungsge
mäßen Kupfer-Blei-Lagerlegierung definiert wurden, werden
im folgenden beschrieben.
Bei einem Nickelgehalt von weniger als 2 Gew.-% ist die Fe
stigkeit der Legierung ungenügend, und es ist unmöglich,
die Diffusion von Zinn, das in der Auflage enthalten ist,
in die Kupferlegierung ausreichend zu verhindern. Bei einem
Nickelgehalt über 10 Gew.-% wird die Legierung übermäßig
hart, und die Anpassung des Lagers an einen Schaft, der als
passendes Element wirkt, verschlechtert sich.
Bor ist als Verbindung mit Nickel vorhanden und verbessert
die Sintereigenschaft und trägt zur Verbesserung in der Ab
nutzungsbeständigkeit bei. Bei einem Borgehalt von weniger
als 0,05% ist die Menge an Ni-B-Verbindung gering. Bei ei
nem Borgehalt über 1,0% ist die Ni-B-Verbindung in großer
Menge vorhanden und trägt zu der obigen Wirkung nicht bei.
Zusätzlich erhöht sich die Härte der Legierung übermäßig,
die Zähigkeit verschlechtert sich und die Produktionskosten
erhöhen sich.
Bei einem Zinngehalt von weniger als 0,05% ist die Festig
keit der Legierung ungenügend. Bei einem Zinngehalt über 8
Gew.-% wird die Legierung übermäßig fest und die Wärmeleit
fähigkeit und die Antifestfreßeigenschaft verschlechtert
sich.
Bei einem Bleigehalt von weniger als 15% verschlechtern
sich die Lagereigenschaften, wie die Antifestfreßeigen
schaft und die Einbettungsfähigkeit. Bei einem Bleigehalt
über 30% verschlechtert sich die Festigkeit der Legierung.
Bei einem Phosphorgehalt über 0,2% wird die Legierung über
mäßig hart und die Verträglichkeit mit einem Schaft, eine
Eigenschaft, die ein Lager besitzen muß, verschlechtert
sich.
Die Kupfer-Blei-Legierung für ein Lager muß eine Vickers-
Härte (HV) von 80 oder darüber besitzen. Bei einer Härte
von weniger als HV80 sind die Festigkeit und die Härte der
Legierung ungenügend und die Ermüdungsbeständigkeit und die
Abnutzungsbeständigkeit verschlechtern sich.
Eine plattierte Schicht auf die äußerste Oberfläche ist
vorgesehen, um eine Korrosion der Oberfläche des Unterla
genmaterials zu verhindern und die Korrosionsbeständigkeit
der Oberfläche der Lagerlegierung zu verbessern. Selbst
wenn die Dicke der Schicht 3 µm übersteigt, sind die Wir
kungen gleich und die Produktionskosten erhöhen sich.
Bei einem Zinngehalt von weniger als 3% ist die Festigkeit
der Auflage ungenügend und die Korrosionsbeständigkeit ver
schlechtert sich. Bei einem Zinngehalt über 18% nimmt der
Schmelzpunkt der Auflage ab, wodurch leicht ein "Abstreif
phänomen" (Schmelzflußphänomen) auftritt.
Bei einem Indiumgehalt über 15% nimmt der Schmelzpunkt der
Auflage extrem ab.
Bei einem Kupfergehalt über 5% wird die Auflage hart und
spröde.
In den Fig. 1 und 2 sind zwei Beispiele von Strukturen
des erfindungsgemäßen Lagers dargestellt. Das in Fig. 1
dargestellte Lager umfaßt ein Unterseitenmetall bzw. Stütz
metall aus Stahl 1, eine Lagerschicht aus einer Kupfer-
Blei-Legierung 2, die integral auf der Oberfläche des Un
terseitenmetalls gebildet ist und eine Auflagenschicht 3,
die integral auf der Legierungsschicht für das Lager 2 ge
bildet ist. Das in Fig. 2 dargestellte Lager umfaßt einen
plattierten Film 4, der aus Zinn, Blei oder einer Legierung
davon besteht und auf beiden Oberflächen des in Fig. 1
dargestellten Lagers gebildet wurde.
Die folgenden Versuche erläutern die Erfindung.
Ein Pulver, das aus einer Kupfer-Blei-Legierung für ein La
ger besteht und jeweils die in Tabelle 1 angegebenen Zusam
mensetzungen besitzt, wird auf eine Stahlplatte mit einer
kupferplattierten Oberfläche verteilt. Die Platte wird dann
in einen Ofen mit reduzierender Atmosphäre zur Durchführung
einer Sinterbehandlung bei einer Temperatur von 700 bis
900°C während 10 bis 30 Minuten gegeben.
Nach dem Sintern wird die Verbundplatte gewalzt und dann
erneut gesintert und gewalzt, wobei ein gesintertes Bime
tall (Dimensionen: 1,58 mm dickes Bimetall, 1,23 mm dicke
Metallunterlage, 130 mm Breite) erhalten wird. Das Sintern
und Walzen kann natürlich mehrere Male, je nach Bedarf,
wiederholt werden.
Das so erhaltene Bimetall wird in ein Lager mit semikreis
förmiger Querschnittsform durch Pressen und Maschinenbear
beitung überführt, wobei die erfindungsgemäßen Proben (Nrn. 1
bis 4) und die Vergleichsproben (Nrn. 5 bis 8) erhalten
werden. Die Ergebnisse der Messung der Härte und der Zugfe
stigkeit der Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Obgleich das erfindungsgemäße Lager eine Auflage besitzt,
erfolgte die Messung ohne die Auflage.
Eine Auflage (20 µm dick) mit der Zusammensetzung Pb-9%Sn-
9%In wurde auf dem Lager gebildet, das nach dem gleichen
Verfahren, wie oben nach Versuch 1 beschrieben, hergestellt
wurde. Es wurde ein Elektroplattierverfahren verwendet und
es wurden die erfindungsgemäßen Proben (Nrn. 1A und 2A) und
die Vergleichsproben (5A und 6A) (Probennummern entspre
chend den Probennummern, die in Tabelle 1 angegeben sind)
hergestellt. Die Ergebnisse der Ermüdungstests der Proben
sind in Fig. 3 angegeben, und die Testbedingungen sind in
Tabelle 2 aufgeführt.
Eine Nickelschicht (1,5 µm dick) wurde durch Elektroplat
tieren auf dem Lagermaterial gebildet, das nach dem glei
chen Verfahren, wie es beim obigen Versuch 1 beschrieben
wurde, hergestellt worden war. Eine Auflage (20 µm dick)
mit der Zusammensetzung Pb-9%Sn-9%In wurde dann auf der
Nickelschicht durch Elektroplattierung hergestellt, wobei
eine Vergleichsprobe (Nr. 5B) erhalten wurde.
Jede der erfindungsgemäßen Proben Nr. 1A und die Ver
gleichsproben Nr. 5A und 5B wurden einem Wärmebehandlungs-
Diffusionstest bei einer Temperatur von 165°C während einer
Zeit die auf 150, 300 und 1000 Stunden eingestellt wurde,
unterworfen. Die Menge an Zinn, die durch Diffusion in das
Kupfer-Blei-Legierungslager eindrang, wurde gemessen, indem
die Menge an Zinn, die in der Auflage verblieb, nach jeder
der angegebenen Zeiten bestimmt wurde. Die Ergebnisse der
Messung sind in Fig. 4 dargestellt. In Tabelle 3 sind nur
die Arten der Proben, die bei dem Diffusionstest verwendet
wurden, angegeben.
Aus den Ergebnissen des in Fig. 4 dargestellten Diffusi
onstests geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Proben, die
jeweils unter Verwendung einer Kupfer-Blei-Legierung, die
Nickel und Bor enthielt, hergestellt waren, keine Diffusion
des Zinns in die Auflage der Lagerlegierung zeigten. Diese
Wirkung ist gleich oder besser als die Wirkung, die bei ei
nem Material mit einer Nickelgrenzschicht, die an der
Grenze zwischen der Auflage und der Lagerlegierung gebildet
wurde, erhalten wird. Aus den Ergebnissen des Ermüdungs
tests der Lagerlegierung wurde ebenfalls gefunden, daß die
Festigkeit der erfindungsgemäßen Proben durch Zugabe von
Nickel und Bor zu ihnen erhöht wird und daß die erfindungs
gemäßen Proben eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit
aufweisen.
Die Ergebnisse des Tests zeigen, daß die direkte Bildung
einer Zinn-enthaltenden Auflage auf einer Kupfer-Blei-Le
gierung, die Ni-B enthält, wirksam die Zinndiffusion ver
hindert. Die erfindungsgemäße Probe kann daher bevorzugt
als Motorenlager mit semikreisförmigem Querschnitt verwen
det werden. Die Zugabe von Ni-B zu der Kupferlegierungsma
trix erniedrigt die Affinität der Kupferlegierung für das
Zinn, das in der Auflage vorhanden ist, und verhindert da
durch die Zinndiffusion. Diese Wirkung bewirkt, daß das
Zinn in der Auflage darin während langer Zeit verbleibt,
selbst wenn die Nickelgrenzschicht an der Grenze zwischen
der Kupferlegierung und der Auflage abwesend ist. Weiterhin
verteilt sich das Ni-B einheitlich in der Kupferlegierungs
matrix und hat somit die Wirkung, daß die Matrix verstärkt
wird und daß die Lagereigenschaften, wie die Ermüdungsbe
ständigkeit und die Abnutzungsbeständigkeit, erhöht werden.
Aus dem obigen folgt, daß es durch die vorliegende Erfin
dung möglich ist, eine Nickelgrenzschicht, durch die die
Antifestfreßeigenschaft verschlechtert wird, wegzulassen,
indem die Diffusion von Zinn, das in der Auflage enthalten
ist, in die Kupferlegierung vermieden wird. Erfindungsgemäß
wird weiterhin eine Verbesserung in der Ermüdungsbeständig
keit und in der Antifestfreßeigenschaft eines Kupfer-Blei-
Legierungsmaterials für ein Lager durch Zugabe von Ni-B er
zielt.
Claims (6)
1. Verbundlager aus einer Cu-Pb-Legierung mit einer
Auflage dadurch gekennzeichnet, daß es
drei Schichten einschließlich eines Unterlagenmetalls,
eine Kupfer-Blei-Legierungsschicht für das Lager, die auf
dem Unterseitenmetall gebildet ist, und eine Zinn-enthal
tende Blei-Legierungsauflagenschicht, die auf der Lager-
Legierungsschicht gebildet ist, umfaßt, wobei die Kupfer-
Blei-Legierungsschicht für das Lager, ausgedrückt durch
das Gewicht, 2 bis 10% Nickel und 0,5 bis 1,0% Bor zur
Verhinderung, daß das in der Blei-Legierungsauflage ent
haltene Zinn in die Kupfer-Blei-Legierungsschicht für das
Lager diffundiert, enthält und die Kupfer-Blei-Legierungs
schicht für das Lager eine Härte über HV80 besitzt.
2. Verbundlager aus einer Cu-Pb-Legierung mit einer
Auflage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Unterseitenmetall ein Stahlmaterial oder
ein Stahlmaterial, welches zuvor mit Kupfer als Unter
schicht plattiert worden ist und auf dem die Kupfer-Blei-
Legierungsschicht als Lager gebildet werden soll, ist.
3. Verbundlager aus einer Cu-Pb-Legierung mit einer
Auflage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kupfer-Blei-Lagerlegierung,
ausgedrückt durch das Gewicht, enthält: 0,5 bis 8% Zinn,
15 bis 30% Blei, 0,2% oder weniger Phosphor, 2 bis 10%
Nickel und 0,05 bis 1,0% Bor und daß die Lager-Legierungs
schicht durch Sintern eines Legierungspulvers gebildet
worden ist.
4. Verbundlager aus einer Cu-Pb-Legierung mit einer
Auflage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zinn-enthaltende Blei
legierung, die die Auflage bildet, eine Legierung ist,
die, ausgedrückt durch das Gewicht, aus 3 bis 18% Zinn und
als Rest Blei und nichtvermeidbaren Verunreinigungen be
steht.
5. Verbundlager aus einer Cu-Pb-Legierung mit einer
Auflage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zinn-enthaltende Blei
legierung, die auf der Auflage gebildet wird, eine Legie
rung ist, die, ausgedrückt durch das Gewicht, aus 3 bis
18% Zinn, mindestens einem von 15% oder weniger Indium und
5% oder weniger Kupfer und als Rest Blei und nichtvermeid
baren Verunreinigungen besteht.
6. Verbundlager aus einer Cu-Pb-Legierung mit einer
Auflage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Plattierungsschicht
aus Zinn, Blei oder einer Legierung davon mit einer Dicke
von 3 µm oder weniger sowohl auf den Innen- und Außenober
flächen davon, d. h. den Oberflächen der Auflage und des
Unterseitenmetalls, gebildet worden ist.
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