DE4308371C2

DE4308371C2 - Verschleißbeständige Legierung eines Gleitmaterials

Info

Publication number: DE4308371C2
Application number: DE4308371A
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: 1992-03-31
Filing date: 1993-03-16
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2013-03-17
Also published as: GB2265632A; US5346668A; DE4308371A1; JPH08941B2; GB2265632B; JPH05279772A; GB9306495D0

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißbeständige Legierung zur Verwendung als Gleitwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements aus dieser Legierung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine verschleiß beständige Legierung, die als Werkstoff für verschiedene Gleit- bzw. Schiebeteile oder -elemente, die unter scharfen Gleitbedingungen in Automobilen, Schiffen, Flugzeugen und üb lichen technischen Maschinen, wie in freibeweglichen Lagern von Turboladern und Druckkugellagern verwendeten Buchsen bzw. Lagerschalen und Unterlegscheiben bzw. Dichtungsscheiben, ge eignet sind. Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Ver fahren zur Herstellung eines derartigen Gleit- bzw. Schiebe teils oder -elements.

Bislang sind Legierungen des Blei-Bronze-Legierungssystems (JIS H5115) oder frei schneidbare Messing-Legierungssysteme (JIS H3250) als Materialien für Buchsen bzw. Lagerschalen und Unterlegscheiben bzw. Dichtungsscheiben des oben beschriebe nen Typs verwendet worden.

Aus GB 5 36 980 ist eine Kupferlegierung aus 0,1 bis 50% Zink, 0,001 bis 1% Bor, bis 35% Nickel, bis 10% Blei und Kupfer als Rest bekannt, die bevorzugt zum Schweißen und Löten sowie als Werkstoff für elektrische Kontakte verwendet werden kann.

In den letzten Jahren müssen Gleitteile oder -elemente des oben beschriebenen Typs erheblich strengeren Bedingungen standhalten, die beispielsweise auf eine Erhöhung der Ge schwindigkeit und der Betriebstemperatur der Motoren zurück zuführen sind. Als Ergebnis müssen Legierungen des Blei- Bronze-Legierungssystems eine größere Beständigkeit gegenüber zersetzten Ölen haben, während Legierungen vom frei schneid baren Messing-Legierungssystem den Anforderungen hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber sowohl fressendem Verschleiß als auch Verschleiß nicht gut genügen können.

Insbesondere müssen freibewegliche Lager von Turboladern und Drucklager, die auf einen Verbrennungsmotor montiert sind, infolge der Erhöhung der Wärmeübertragungsrate von der Tur bine bei höheren Temperaturen arbeiten.

Wenn eine Legierung des Blei-Bronze-Legierungssystems als Ma terial für ein solches Lager verwendet wird, dann setzt sich der Schwefelgehalt des Schmieröls mit dem Kupfer in der La gerlegierung unter Bildung von Kupfersulfid um. Dies führt zu dem Wachstum einer schwarz gefärbten Schicht auf der Lager oberfläche, die hauptsächlich aus Kupfersulfid besteht, was während des Betriebs zu Verschleiß und zu einem Abblättern der Oberflächenschicht führt.

Legierungen vom frei schneidbaren Bronze-Legierungssystem sind von dem Problem des Wachstums einer schwarz gefärbten Schicht frei, neigen aber während des Betriebs bei Grenz schmierbedingungen zu einem fressenden Verschleiß, was teil weise auf einen kleinen Bleigehalt, der selbst schmierende Eigenschaften zeigt, zurückzuführen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Legierung bereitzustellen, die zur Verwendung als Material für ein Gleitelement geeignet ist, und die selbst bei Verwendung bei scharfen Betriebsbe dingungen, wie einer erhöhten Betriebsgeschwindigkeit und -temperatur, wie sie typischerweise in Turboladern vorkommt, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber fressendem Ver schleiß, Verschleiß und Korrosion besitzt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Legierung, die eine Matrix besitzt, die aus einer Cu-Zn-Legierung gebildet worden ist, die eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Schwärzungs korrosion hat. In dieser Matrix ist Blei dispergiert, das ausgezeichnete selbst-schmierende Eigenschaften hat. Der Bleigehalt der Legierung ist erheblich größer als der Bleige halt der üblichen frei schneidbaren bzw. frei Span-abhebend verwendbaren Messinglegierungen. Die Legierung enthält wei terhin eine Ni-B-Verbindung mit ausgezeichneter Verschleißbe ständigkeit.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine ver schleißbeständige Legierung zur Verwendung als Gleitwerkstoff bereitgestellt, die aus 10 bis 35 Gew.-% Zink, 2 bis 20 Gew.-% Blei, 1 bis 10 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 1 Gew -%Bor, 0,5 bis 10 Gew.-% Zinn und Kupfer als Rest mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen be steht.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Verwendung einer Legierung als Werkstoff für Gleitelemente angegeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung einer Legierung für ein verschleißbeständiges Gleitelement mit Laminatstruktur angegeben, das eine Stützmetallschicht bzw. Metallunterlageschicht aus einer Stahlplatte, deren Oberfläche gegebenenfalls mit Kupfer plattiert ist, und eine Gleitschicht, die aus der oben genannten Legierung hergestellt ist, aufweist.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständi gen Gleitelements aus der obigen Legierung bereitgestellt, das durch folgende Stufen gekennzeichnet ist: Vermischen von Bleipulver und Pulver einer Ni-B-Legierung mit einem Pulver einer Cu-Zn-Legierung oder einem Pulver einer Cu-Zn-Sn-Legie rung; Verdichten des Pulvergemisches zu einem grünen verdich teten Körper mit vorbestimmter Gestalt; Sintern des ver dichteten Körpers und Wiederverdichten des Körpers. Alternativ kann das Gleitelement nach ei nem gleichen Verfahren wie oben in der Weise hergestellt werden, daß man ein Pulver aus einer Ni-B-Legierung mit einem Pulver aus einer Cu-Zn-Pb-Legierung oder einem Pulver aus ei ner Cu-Zn-Sn-Pb-Legierung zusammenmischt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des Herstellungsver fahrens wird ein zusammengesetztes bzw. Verbundgleitelement durch folgende Stufen gebildet: Vermischen von Bleipulver und Pulver einer Ni-B-Legierung mit einem Pulver einer Cu-Zn-Le gierung oder einem Pulver einer Cu-Zn-Sn-Legierung; Aufbrin gen des Pulvergemisches als Schicht auf die Oberfläche einer Stahlstützplatte, deren Oberfläche gegebenenfalls mit Kupfer plattiert ist; Erhitzen der genannten Pulverschicht zusammen mit der genannten Stahlstützplatte, um die genannte Pulver schicht unter Integrieren der Schicht mit der Stahlstütz platte zu sintern; Walzen der gesinterten Pulverschicht auf der Stahlstützplatte und erneutes Sintern. Alternativ kann dieses zusammengesetzte bzw. Verbundgleitelement nach dem gleichen Verfahren wie oben in der Weise hergestellt werden, daß man das Pulver aus der Ni-B-Legierung mit dem Pulver aus der Cu-Zn-Pb-Legierung oder dem Pulver aus der Cu-Zn-Sn-Pb-Legierung zusammenmischt.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse des Tests auf fressenden Verschleiß wiedergibt; und

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse eines Korrosionstests wiedergibt.

Die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung wird aus folgenden Gründen wie folgt ausgewählt:

1. Zn: 10 bis 35%
Zink und Kupfer bilden unter Verfestigung der Matrix eine feste Lösung, wodurch die Verschleißbeständigkeit der Le gierung verbessert wird. Zink verbessert auch die Korro sionsbeständigkeit gegenüber zersetztem Öl. Diese Effekte sind jedoch nicht nennenswert, wenn der Zinkgehalt unter halb 10% liegt. Andererseits bewirkt ein Zinkgehalt von mehr als 35%, daß die Legierung brüchig wird, und daß die Neigung zur Ausseigerung von Blei erhöht wird.
2. Pb: 2 bis 20%
Blei ist eine erweichende Komponente und es zeigt selbst schmierende Eigenschaften. Es ergibt eine gute Affinität der Legierung für Öl, wodurch eine Beständigkeit gegen über einem fressenden Verschleiß bewirkt wird. Dieser Ef fekt kann jedoch bei Bleigehalten unterhalb 2% nicht voll erhalten werden. Andererseits bewirken Bleigehalte über 20% eine Verminderung der Festigkeit der Legierung und eine Behinderung der gleichförmigen Verteilung von Blei durch die Legierungsstruktur hindurch.
3. Ni: 1 bis 10%
Der größte Teil der Nickelkomponente in der Legierung bildet durch Umsetzung mit Bor eine Verbindung. Die Ni-B- Verbindung zeigt eine Vicker-Härte (Hr) von nicht kleiner als 1000, und sie ist in der Legierung dispergiert, wo durch die Verschleißbeständigkeit verbessert wird. Dieser Effekt ist nicht nennenswert, wenn der Ni-Gehalt unter halb 1% liegt. Andererseits bewirkt ein Ni-Gehalt von mehr als 10% eine Versprödung der Legierung und eine Be schleunigung des Verschleißes von aufeinandertreffenden Legierungselementen.
4. B: 0,1 bis 1%
Bor ist ein Element, das sich mit Ni unter Bildung einer Ni-B-Verbindung umsetzt, wodurch, wie oben ausgeführt, die Verschleißbeständigkeit verbessert wird. Der Borge halt wird daher in Beziehung zu dem Nickelgehalt be stimmt. Die effektive Ni-B-Verbindung wird gebildet, wenn das Gewichtsverhältnis von Borgehalt zu Nickelgehalt etwa 0,1 : 1 (B/Ni = 0,1/1) beträgt. Im Hinblick auf den oben genannten bevorzugten Bereich des Nickelgehalts ist der Effekt der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit nicht ausreichend, wenn der Borgehalt unterhalb 0,1% liegt. Andererseits bewirkt eine Erhöhung des Borgehalts über 1% hinaus lediglich eine Erhöhung des Gehalts an freiem Bor, und es wird keine weitere Verbesserung der Ver schleißeigenschaften der Legierung erzielt.
5. Sn: 0,5 bis 10%
Zinn setzt sich, zusammen mit Zink, unter Bildung einer festen Lösung mit Kupfer um, wodurch die Matrix verfe stigt wird, so daß zu einer Verbesserung der Verschleiß beständigkeit der Legierung beigetragen wird. Dieser Ef fekt ist nicht nennenswert, wenn der Zinngehalt unterhalb 0,5% liegt. Andererseits bewirkt die Zugabe von Zinn in einer Menge von über 10% hinaus die Erzeugung einer δ- Phase zusätzlich zu der α-Phase, was zu einer Versprödung der Legierung sowie zu einer ungleichförmigen Verteilung des Bleis führt.

Beispiel 1

Pulvergemische wurden mit den Zusammensetzungen der Tabelle 1 in der Weise hergestellt, daß ein Pulver aus einer Cu-Zn-Le gierung oder ein Pulver aus einer Cu-Zn-Sn-Legierung mit Bleipulver und Ni-B-Pulver vermischt wurde. Jedes Pulver wurde in einem Preßgesenk unter einem Druck von 3.924 bar zu einem säulenförmigen zylindrischen grünen Kompressionskör per mit einem Außendurchmesser von 30 mm verpreßt. Danach wurde der grüne Kompressionskörper in einer Wasserstoffatmo sphäre bei 800°C bis 900°C 30 Minuten lang gesintert, und der so gesinterte Körper wurde einer Wiederverdichtung unterwor fen, die in einem Preßgesenk bei einem Druck von 3.924 bar durchgeführt wurde, um den Körper weiter zu verdichten und zu verformen. Auf diese Weise wurden die Proben 1 bis 5 des le gierten Elements aus der erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß zu ver wendenden Legierung hergestellt. Bei den Proben 1, 3, 5 und 6 betrug der Zinkgehalt der Cu-Zn-Legierung jeweils 20%, während er bei der Probe Nr. 4 12,5% betrug. Bei der Probe Nr. 2 betrug der Zinkgehalt der Cu-Zn-Sn- Legierung 13% und der Zinngehalt 10,7%.

Nach dem gleichen Verfahren, wie oben beschrieben, wurden Vergleichsproben 9 und 10 unter Verwendung von Pulvern herge stellt, die sich von den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen unterschieden. Bei den Proben 9 und 10 betrug der Zinkgehalt der verwendeten Cu-Zn-Legierung 20%.

Die so erhaltenen Materialien sind in Tabelle 1 als "gesinterter Feststoff" bezeichnet.

Beispiel 2

Pulvergemische mit den gleichen Zusammensetzungen wie im Bei spiel 1 wurden gleichförmig durch Aufsprühen auf die Oberflä chen von Kupfer-plattierten Stahlplatten bzw. Blechen aufge bracht. Sie wurden 10 bis 30 Minuten in einer Wasserstoffat mosphäre bei 800°C bis 900°C gesintert. Die so erhaltenen Verbund-Sinterelemente wurden durch Walzen so bearbeitet, daß die Sinterschicht jedes Elements verdichtet wurde. Danach wurde eine Sekundär-Sinterbehandlung mit den Elementen bei den gleichen Bedingungen wie der oben genannten Primärsin terung durchgeführt. Auf diese Weise wurden eine Probe Nr. 6 gemäß der Erfindung und eine Vergleichsprobe Nr. 11 herge stellt. Die so erhaltenen Verbundelemente hatten eine Gesamt dicke von 2,2 mm, wobei die Dicke der Sinterlegierungsschicht 0,6 mm betrug. Die nach dem beschriebenen Verfahren erhalte nen Elemente sind in Tabelle 1 als "gesintertes Bimetall" an gegeben.

Somit sind die Proben 1 bis 6 verschleißbeständige Legie rungs-Gleitelemente als Beispiele der vorliegenden Erfindung, während die Proben Nr. 7 bis 11 Vergleichselemente sind. Un ter diesen Vergleichselementen sind die Proben Nr. 7 und 8 herkömmliche verschleißbeständige Gußelemente, die in Tabelle 1 als "Gußfeststoff" bezeichnet sind.

Die Elemente der Proben 1 bis 11 wurden zu Probekörpern span abhebend bearbeitet, die jeweils einen Drucklagerteil mit ei nem Außendurchmesser von 25 mm und einem Innendurchmesser von 21,7 mm hatten. Die Probekörper wurden in einem Suzuki-Test apparat einem Test auf fressenden Verschleiß unterworfen. Die Testbedingungen sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Die Last wurde in kumulierender und abgestufter Weise mit einer Ge schwindigkeit von 49 bar in 30 Minuten-Intervallen bis zu 490,5 bar erhöht. Die Testergebnisse sind in Fig. 1 als Oberflächendruck, bei dem ein fressender Verschleiß festge stellt wurde, zusammengestellt. Aus Fig. 1 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Probekörper einem höheren Oberflä chendruck standhalten können als die Vergleichsprobekörper, ohne daß das Risiko eines fressenden Verschleißes besteht.

Mit den Probekörpern wurde auch ein Korrosionstest durchge führt. Die Probekörper Nr. 1 bis 5 gemäß der Erfindung und die Vergleichsprobekörper Nr. 7 und 8 wurden 1000 Stunden in ein SAE 15W-40-Öl bei 130°C eingetaucht. Danach wurde das Ge wicht gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 zusammenge stellt. Es wird ersichtlich, daß die Probekörper gemäß der Erfindung im allgemeinen im Vergleich zu dem Vergleichspro bekörper Nr. 8 (Blei-Bronze-Legierung) eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit haben. Die erfindungsgemäßen Pro bekörper vergleichen sich sehr gut mit dem Vergleichspro bekörper Nr. 7 (aus einer frei schneidbaren Messinglegie rung), der inhärent eine überlegene Korrosionsbeständigkeit hat.

Aus dem obigen wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen eine hohe Beständigkeit sowohl gegenüber fressen dem Verschleiß als auch gegenüber Korrosion durch eine Di spersion von geeigneten Mengen von Blei und einer Ni-B-Ver bindung in der Messingmatrix besitzen. Es wird erwartet, daß die Legierung verbreitete Anwendung als Gleitmaterial für scharfe Bedingungen einer erhöhten Geschwindigkeit und Be triebstemperatur typischerweise als Material für drei beweg liche Lager von Turboladern und als Drucklager finden wird.

Bedingungen des Tests auf fressenden Verschleiß
Testinstrument
Suzuki-Tester
Lagergröße
25 × 21 mm (Außendurchmesser × Innendurchmesser)
Geschwindigkeit	1055 UpM
Umfangsgeschwindigkeit	1,29 m/s
Schmieröl	SAE30
Schmiermethode	Ölbad
Schmierungstemperatur	Raumtemperatur
Material der Welle	JIS S45C
Rauhigkeit der Welle	Rmax 0,3 µm
Härte der Welle	Hv(10) 500 bis 600

Claims

1. Verschleißbeständige Legierung zur Verwendung als Gleitwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 10 bis 35 Gew.-% Zink, 2 bis 20 Gew.-% Blei, 1 bis 10 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 1 Gew.-% Bor, 0,5 bis 10 Gew.-% Zinn und Kupfer als Rest mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.

2. Verwendung einer verschleißbeständigen Legierung, die aus 10 bis 35 Gew.-% Zink, 2 bis 20 Gew.-% Blei, 1 bis 10 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 1 Gew.-% Bor und Kupfer als Rest mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht, als Werkstoff für Gleitelemente.

3. Verwendung einer Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2 als Gleitschicht für ein Gleitelement, mit einer Stahlplatte als Stützschicht, deren Oberfläche gegebenenfalls mit Kupfer plattiert ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständigen Gleitelements, das aus der Legierung nach Anspruch 1 oder 2 gebildet ist, gekennzeichnet durch die Stu fen: Vermischen von Bleipulver und Pulver einer Ni-B-Legie rung mit einem Pulver einer Cu-Zn-Legierung oder einem Pulver einer Cu-Zn-Sn-Legierung; Verdichten des Pulvergemisches zu einem grünen verdichteten Körper mit vorbestimmter Gestalt; Sintern des verdichteten Körpers und Wiederverdichten des Körpers.

5. Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständigen Gleitelements, das aus der Legierung nach Anspruch 1 oder 2 gebildet ist, gekennzeichnet durch die Stu fen: Vermischen eines Pulvers aus einer Ni-B-Legierung mit einem Pulver einer Cu-Zn-Pb-Legierung oder einem Pulver einer Cu-Zn-Sn-Pb-Legierung; Verdichten des Pulvergemisches zu ei nem grünen verdichteten Körper mit vorbestimmter Gestalt; Sintern des verdichteten Körpers und Wiederverdichten des Körpers.

6. Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständigen Gleitelements, das aus der Legierung nach Anspruch 1 oder 2 gebildet ist, gekennzeichnet durch die Stufen: Vermi schen von Bleipulver und Pulver einer Ni-B-Legierung mit ei nem Pulver einer Cu-Zn-Legierung oder einem Pulver einer Cu- Zn-Sn-Legierung; Aufbringen des Pulvergemisches als Schicht auf die Oberfläche einer Stahlstützplatte, deren Oberfläche gegebenenfalls mit Kupfer plattiert ist; Erhitzen der genann ten Pulverschicht zusammen mit der genannten Stahlstütz platte, um die genannte Pulverschicht unter Integrierung der Pulverschicht mit der Stahlstützplatte zu sintern; Walzen der gesinterten Pulverschicht auf der Stahlstützplatte und erneutes Sintern.

7. Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständigen Gleitelements, das aus einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2 gebil det ist, gekennzeichnet durch die Stufen: Vermischen eines Pulvers einer Ni-B-Legierung mit einem Pul ver einer Cu-Zn-Pb-Legierung oder einem Pulver einer Cu-Zn- Sn-Pb-Legierung; Aufbringen des Pulvergemisches als Schicht auf die Oberfläche einer Stahlstützplatte, deren Oberfläche gegebenenfalls mit Kupfer plattiert ist; Erhitzen der genann ten Pulverschicht zusammen mit der genannten Stahlstütz platte, um die genannte Pulverschicht unter Integrierung der Pulverschicht mit der Stahlstützplatte zu sintern; Walzen der gesinterten Pulverschicht auf der Stahlstützplatte und erneutes Sintern.