DE4243880A1

DE4243880A1 -

Info

Publication number: DE4243880A1
Application number: DE4243880A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Koichi Yamamoto; Kenji Sakai
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: KR960000990B1; US5334460A; GB2263950B; GB9226677D0; DE4243880C2; JPH05202938A; JP2532790B2; GB2263950A; KR930016677A

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.

Kupfer-Blei-Lagerlegierung 1) Nickel: 2 bis 10 Gew.-%

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.

2) Bor: 0,05 bis 1,0 Gew.-%

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.

3) Zinn: 0,05 bis 8 Gew.-%

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.

4) Blei: 15 bis 30 Gew.-%

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.

5) Phosphor: 0,2 Gew.-% oder weniger

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.

6) Härte der Kupfer-Blei-Legierung für ein Lager

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.

Auflage 7) Auf die äußerste Oberfläche plattierte Schicht: 3 µm oder weniger

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.

8) Zinn: 3 bis 18 Gew.-%

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.

9) Indium: 15 Gew.-% oder weniger

Bei einem Indiumgehalt über 15% nimmt der Schmelzpunkt der Auflage extrem ab.

10) Kupfer: 5 Gew.-% oder weniger

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.

Versuch 1

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.

Versuch 2

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.

Versuch 3

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.

Tabelle 2

Tabelle 3

Claims

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.