PL192367B1

PL192367B1 - Warstwowy materiał kompozytowy na elementy ślizgowe

Info

Publication number: PL192367B1
Application number: PL347588A
Authority: PL
Inventors: Klaus Staschko; Karl-Heinz Gruenthaler
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden Gmbh
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2006-10-31
Also published as: SK286396B6; DE19852481C2; PL347588A1; HUP0104692A2; CZ20011682A3; HUP0104692A3; ATA911399A; EP1133588B1; KR100696010B1; BR9915256A; HU224251B1; CZ296307B6; ES2181495T3; AT410224B; JP2002530530A; KR20010080395A; JP4473452B2; WO2000029647A3; EP1133588A2; DE19852481A1

Abstract

1. Warstwowy material kompozytowy na elementy slizgowe z warstwa nosna podloza, war- stwa stopu lozyskowego, warstwa posrednia i galwanicznie nalozona warstwa slizgowa, zawieraja- ca twarde i miekkie skladniki, znamienny tym, ze warstwa slizgowa, nalozona na warstwe posre- dnia, ma twardosc rosnaca w sposób ciagly od jej powierzchni w kierunku do warstwy stopu lozy- skowego, przy czym ta warstwa slizgowa zlozona jest z bezolowiowego stopu dwuskladnikowego zawierajacego skladniki miekkie i twarde, wybrane z grupy obejmujacej CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi lub SnAg, zas zawartosc twardych skladników rosnie od powierzchni warstwy slizgowej w kie- runku do warstwy stopu lozyskowego od 1% do 20% wagowych. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest warstwowy materiał kompozytowy na elementy ślizgowe.

Znane warstwowe materiały kompozytowe złożone są ze stabilnej warstwy nośnej podłoża, z reguły ze stali, z nalaną, nałożoną przez spieczenie lub nawalcowaną warstwą stopu łożyskowego, który z reguły wykonany jest na bazie miedzi lub aluminium, jak również z osadzonej na niej warstwy ślizgowej, np. stopu ołów-cyna-miedź. Przeważnie pomiędzy warstwą ślizgową a stopem łożyskowym usytuowana jest warstwa bariery dyfuzyjnej, np. z niklu. Takie warstwowe materiały kompozytowe są przykładowo znane z patentu DE PS 830 269.

Warstwa ślizgowa spełnia wiele zadań. Może ona unieszkodliwiać twarde, działające ściernie cząstki przez wchłonięcie ich i podczas fazy docierania zapewnia dopasowanie do wału. Zapewnia ona pewną ochronę stopu łożyskowego przed korozją i ma właściwości umożliwiające pracę przy braku oleju.

Cykl działania warstwy ślizgowej złożony jest z następujących faz:

•faza docierania przy zwiększonym zużyciu;

• faza pracy ciągłej przy stałej mniejszej prędkości zużycia;

• faza po osiągnięciu całkowitego zużycia warstwy ze zwiększoną wrażliwością na zatarcie.

Twardość zwykłych warstw ślizgowych jest kompromisem pomiędzy możliwością osadzania a pracą bezawaryjną, tzn. małą twardością warstwy, a odpornością na ścieranie, to znaczy dużą twardością warstwy.

Aby zoptymalizować sprawność warstw ślizgowych, opracowano specjalną strukturę, która zbudowana jest z usytuowanych naprzemiennie warstw miękkiego materiału z warstwami twardego materiału. Taka warstwa ślizgowa znana jest przykładowo z opisu patentowego DE 39 36 498 A1. W kąpieli galwanicznej ustawia się prąd o gęstości 0-80 A/dm² przy napięciu od -1,5 V do +0,5 V. Osadza się na przemian warstwy z CuSnPb (miękka warstwa) oraz Cu lub CuSn (twarda warstwa). Osadzanie przeprowadza się przez zmienianie parametrów osadzania z jednej kąpieli fluoroboranowej.

Z opisów patentowych DE 103 37 029 i DE 103 37 030 znane jest uzyskiwanie warstw z twardymi i miękkimi składnikami przy zastosowaniu kąpieli galwanicznych kwasu metasulfonowego z metalami i/lub metasulfonianami metali.

Taki układ warstw, który może zawierać do kilkuset warstw, przy czym poszczególne warstwy mają grubość tylko kilku mikrometrów, ma tę istotną wadę, że występuje wewnętrzna dyfuzja miedzi i cyny, tak, że powstają kruche fazy międzymetaliczne, które mają niekorzystne właściwości trybologiczne, a ponadto mają skłonność do pękania.

Z opisu patentowego DE 41 03 117 C2 znany jest sposób wytwarzania elementów ślizgowych z jedną warstwą ślizgową z trzyskładnikowego lub dwuskładnikowego stopu łożyskowego na bazie cyny lub ołowiu. Sposób ten ma jednak tę wadę, że stężenia składników miękkich lub składników twardych nie można dowolnie zmieniać poprzez gęstość warstwy, ponieważ zgodnie z prawem dyfuzji rozkład stężeń zawsze przebiega według funkcji wykładniczej. Zwłaszcza przy stromo opadającej funkcji wykładniczej w niżej usytuowanym obszarze warstwy ślizgowej w ogóle nie uzyskuje się już zmiany twardości. Dalsza wada polega na tym, że potrzebny jest dodatkowy etap procesu w celu ustawienia gradientów stężenia po galwanicznym osadzeniu warstwy ślizgowej.

Z opisu patentowego US 5976712 znany jest wielowarstwowy materiał ślizgowy zawierający 8-18,5% cyny, 2-16% miedzi i resztę do 100% ołowiu, przy czym w warstwie ołowiu, cyna jest równomiernie rozprowadzona w formie krystalicznej. Opisano sposób wytwarzania tego kompozytu z roztworu kąpieli galwanicznych o różnych składach zawierających ołów, cynę i miedź w postaci metanosulfonianów w różnych ilościach od 2 do 100 g/l, od 30-200 g/l wolnego kwasu metanosulfononowego, 5-125 ml/l niejonizującego środka sieciującego oraz 5-25 ml/l ziarnistego środka ulepszającego (wygładzającego) oraz 0,01-1 g/l estru glikolowego kwasów tłuszczowych.

Zadaniem wynalazku jest uzyskanie warstwowego materiału kompozytowego, który ma optymalne właściwości podczas całego okresu użytkowania.

Wynalazek wynika ze spostrzeżenia, że optymalne właściwości występują zwłaszcza wtedy, gdy warstwa ślizgowa podczas okresu użytkowania elementu ślizgowego wykonanego z warstwowego materiału kompozytowego ma zawsze optymalną twardość. Uzyskuje się to dzięki temu, że w warstwowym materiale kompozytowym według wynalazku warstwa ślizgowa ma twardość rosnącą ciągle od jej powierzchni w kierunku warstwy stopu łożyskowego.

PL 192 367 B1

Warstwa ślizgowa i przez to warstwowy materiał kompozytowy według wynalazku mają twardość dostosowaną do danej fazy eksploatacji; małą twardość w trakcie docierania, rosnącą twardość w fazie pracy ciągłej tak, że dzięki temu znacznie zwiększa się trwałość. W przeciwieństwie do dotychczasowych warstw ślizgowych czas użytkowania można zwiększyć 1,5-2-krotnie.

Taka warstwa ślizgowa wymagała także opracowania sposobu, pozwalającego na celowe ustawianie twardości w miarę głębokości czy grubości warstwy.

Według wynalazku warstwowy materiał kompozytowy na elementy ślizgowe z warstwą nośną podłoża, warstwą stopu łożyskowego, warstwą pośrednią i galwanicznie nałożoną warstwą ślizgową zawierającą twarde i miękkie składniki, charakteryzuje tym, że warstwa ślizgowa, nałożona na warstwę pośrednią, ma twardość rosnącą w sposób ciągły od jej powierzchni w kierunku do warstwy stopu łożyskowego, przy czym ta warstwa ślizgowa złożona jest z bezołowiowego stopu dwuskładnikowego zawierającego składniki miękkie i twarde, wybrane z grupy obejmującej CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi lub SnAg, zaś zawartość twardych składników rośnie od powierzchni warstwy ślizgowej w kierunku do warstwy stopu łożyskowego od 1% do 20% wagowych.

Korzystnie warstwa pośrednia złożona jest z Ni, Ni + SnNi, Co lub Fe, przy czym stop SnNi zawiera 65-75% Sn.

Twardość warstwowego materiału kompozytowego wzrasta korzystnie w zakresie 10-150 HV.

Stop warstwy ślizgowej zawiera korzystnie 0,1-5% wag. niklu i/lub kobaltu.

Do kąpieli galwanicznej korzystnie dodaje się polaryzatora, gęstości prądu nie zmienia się, a temperaturę podwyższa się.

Jako polaryzator stosuje się nienasycony kwas karboksylowy, najkorzystniej w ilości do 10%.

Korzystne jest, gdy gęstość prądu i/lub temperaturę zmienia się w sposób ciągły, a najkorzystniej gęstość prądu zwiększa się z prędkością 0,1-0,5 A/(dm'min), a temperaturę zmienia się z prędkością 1-5°C/min.

Korzystnie osadza się stop dwuskładnikowy z cyny i miedzi, przy czym gęstość prądu zwiększa się w zakresie 0,5-10 A/dm².

Korzystniej stosuje się kąpiel galwaniczną bez fluoroboranu.

Najkorzystniej stosuje się kąpiel kwasu metanosulfonowego z metanosulfonianem cyny i miedzi z dodatkami organicznych środków sieciujących i wygładzających albo kąpiel kwasu metanosulfonowego z cyną i srebrem o zawartości srebra 1-20%.

Istnieje kilka możliwości realizacji sposobu.

Według pierwszej realizacji sposobu pracuje się ze stałą temperaturą, a gęstość prądu zmienia się podczas osadzania, korzystnie zwiększa się. Rosnąca gęstość prądu sprzyja osadzaniu miękkich składników, co powoduje zwiększenie zawartości miękkich składników w warstwie ślizgowej.

Według drugiej realizacji sposobu gęstość prądu ustawia się na określoną wartość, a zmienia się temperaturę. Okazało się, że istnieje korelacja pomiędzy temperaturą a przebiegiem osadzania twardych i miękkich składników, tak, że wzrost temperatury sprzyja osadzaniu twardych składników. Aby ustawić żądany gradient twardości, trzeba według pierwszej wersji drugiej realizacji sposobu obniżać podczas osadzania temperaturę od wysokiej wartości. Oznacza to, że kąpiel galwaniczną trzeba chłodzić.

Ponieważ technicznie łatwiejsze jest ogrzewanie kąpieli galwanicznej, według drugiej wersji drugiej realizacji sposobu do kąpieli galwanicznej korzystnie dodaje się polaryzator. Okazało się, że do tego celu nadaje się dodatek na bazie nienasyconego kwasu karboksylowego. Korzystnie polaryzator zawiera około 30% kwasu karboksylowego i do jednej trzeciej poliglikolowego eteru arylowego i/lub poliglikolowego eteru alkilowego, przy czym resztę stanowi woda. Dodatek ten dodaje się korzystnie w ilościach do 10% w stosunku do całej ilości kąpieli galwanicznej.

Dodatek ten, nazywany polaryzatorem, powoduje zmianę potencjału twardszych składników, co powoduje, że ze wzrostem temperatury zmniejsza się osadzanie twardszych składników.

Różne realizacje sposobu można również łączyć ze sobą i wtedy podczas procesu osadzania zmieniana jest zarówno gęstość prądu jak i temperatura.

Zaletą sposobu jest to, że wytwarzanie warstwy o danych właściwościach eksploatacyjnych możliwe jest przez osadzanie galwaniczne z jednej kąpieli. Nie jest jednak wykluczone stosowanie wielu kąpieli galwanicznych, np. o różnej temperaturze.

Gęstość prądu i/lub temperaturę można zmieniać skokowo, tak, że w galwanicznie osadzanej warstwie ślizgowej powstaje struktura warstwowa. Okazało się jednak, że jeśli chodzi o właściwości eksploatacyjne skokowe zmiany twardości nie zawsze są korzystne. Zaletą jest, zatem ciągła zmiana

PL 192 367B1 twardości, to znaczy pewien gradient twardości. Aby to osiągnąć gęstość prądu i/lub temperaturę korzystnie zmienia się w sposób ciągły.

₂

Jak podano wyżej korzystnie gęstość prądu zwiększa się z prędkością 0,1-0,5 A/(dm •min), a temperaturę zmienia się z prędkością 1-5°C/min.

Zakres gęstości prądu podczas osadzania, zależny jest od stosowanego stopu. Kiedy osadzany jest dwuskładnikowy stop cyny i miedzi, gęstość prądu korzystnie zmienia się w zakresie 0,5-10 A/dm². Jako stopy dwuskładnikowe w grę wchodzą zwłaszcza CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi lub SnAg.

Przedstawiony powyżej sposób umożliwia uzyskanie zwiększonej twardości warstwy ślizgowej w zakresie 10-150 HV.

Skład kąpieli jest tak wybrany, że można osadzać stopy o dużej i małej twardości.

Jak podano powyżej, zawartość twardych składników wzrasta korzystnie od powierzchni warstwy ślizgowej w kierunku warstwy stopu łożyskowego z 1% do 20% wagowych. Stop warstwy ślizgowej może dodatkowo zawierać jeszcze 0,1-5% wagowych niklu i/lub kobaltu. Dodatek ten stabilizuje dyfuzję w systemach dwuskładnikowych.

Warstwa pośrednia służy jako bariera dyfuzyjna, jako środek zwiększający przyczepność i do polepszania odporności na ścieranie i zmęczenie. Jest ona złożona korzystnie z niklu, SnNi, Ni + SnNi (dwie warstwy), Co lub Fe. Zawartość cyny w warstwie stopu SnNi wynosi korzystnie 65-75%.

Warstwę pośrednią można również osadzać galwanicznie lub bezprądowo (autokatalitycznie). Warstwę stopu łożyskowego można spiekać lub nalewać.

Poniżej przedstawiono przykładowo wytwarzanie warstwowego materiału kompozytowego według wynalazku.

Przykład 1

Warstwa ślizgowa SnCu

Wytworzono warstwy galwaniczne na podłożu z brązu ołowiowego z niklową warstwą pośrednią.

Skład warstwy ślizgowej (cyna z zawartością miedzi) można było ustawić w zakresie 1-20% zawartości miedzi. Zawartość miedzi wzrastała w sposób ciągły od powierzchni warstwy do stopu łożyskowego. Przebieg twardości odpowiadał temu przebiegowi stężenia Cu i wynosił od 10 HV (powierzchnia warstwy ślizgowej) aż do 80 HV (blisko stopu łożyskowego).

Warstwę ślizgową osadzano z kąpieli kwasu metanosulfonowego z metanosulfonianem cyny i miedzi oraz z dodatkami znanych organicznych środków sieciujących i wygładzających (jak podano w opisie US 5976712). Grubość warstwy ślizgowej można było ustawiać w zakresie 8-50 μm.

₂

Utworzenie profilu stężenia miedzi odbywało się przez osadzanie z gęstościami prądu 3-5 A/dm²z dodatkowym zmienianiem temperatury kąpieli w zakresie 20-60°C.

Przykład 2

Warstwa ślizgowa SnAg

Osadzanie na stopie łożyskowym CuSn z warstwą pośrednią z Ni.

Warstwę ślizgową osadzano z kąpieli kwasu metanosulfonowego z cyną i srebrem o zawartości srebra od 1-20% wagowych.

Gradient stężenia srebra od powierzchni warstwy ślizgowej do stopu łożyskowego można było tworzyć przez zmienianie gęstości prądu w zakresie 0,3-10 A/dm². Twardość warstwy ślizgowej wynosiła od 10 HV (powierzchnia bogata w cynę) do 150 HV (faza bogata w srebro).

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Warstwowy materiał kompozytowy na elementy ślizgowe z warstwą nośną podłoża, warstwą stopu łożyskowego, warstwą pośrednią i galwanicznie nałożoną warstwą ślizgową, zawierającą twarde i miękkie składniki, znamienny tym, że warstwa ślizgowa, nałożona na warstwę pośrednią, ma twardość rosnącą w sposób ciągły od jej powierzchni w kierunku do warstwy stopu łożyskowego, przy czym ta warstwa ślizgowa złożona jest z bezołowiowego stopu dwuskładnikowego zawierającego składniki miękkie i twarde, wybrane z grupy obejmującej CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi lub SnAg, zaś zawartość twardych składników rośnie od powierzchni warstwy ślizgowej w kierunku do warstwy stopu łożyskowego od 1% do 20% wagowych.

PL 192 367 B1

2. Warstwowy materiał kompozytowy według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa pośrednia złożona jest z Ni, Ni + SnNi, Co lub Fe, przy czym stop SnNi zawiera 65-75% Sn.

3. Warstwowy materiał kompozytowy według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa ślizgowa posiada zwiększoną twardość w zakresie 10-150 HV.

4. Warstwowy materiał kompozytowy według zastrz. 1albo 3, znamienny tym, że stop warstwy ślizgowej zawiera 0,1-5% wagowych niklu i/lub kobaltu.