PL192439B1

PL192439B1 - Sposób wytwarzania elementów ślizgowych i wielowarstwowy materiał na elementy ślizgowe

Info

Publication number: PL192439B1
Application number: PL339831A
Authority: PL
Inventors: George Pratt
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden Gmbh
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2006-10-31
Also published as: DE69909964T2; US6337145B1; EP1048753A1; PL339831A1; ES2205629T3; ATE246271T1; BR0002064A; KR20000071748A; EP1048753B1; JP2000345389A; DE69909964D1

Abstract

1. Sposób wytwarzania elementów slizgowych, w którym powloke ze stopu olów-cyna-miedz naklada sie galwanicznie na prefabrykowany, polowicznie wykonczony wyrób, przy czym stosuje sie trójskladnikowa kapiel galwaniczna pozbawiona fluoroboranu bez rozjasniaczy i z dodatkiem niejonowych czynników zwilzajacych oraz kwasu sulfonowego z wolnym rodnikiem alkilowym, znamienny tym, ze po osadzeniu powloki galwanicznej przeprowadza sie obróbke cieplna w za- kresie temperatury 150-200°C przez czas wiekszy niz 1 h do 100 h. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementów ślizgowych i wielowarstwowy materiał na elementy ślizgowe. W sposobie powłokę ze stopu ołów-cyna-miedź nakłada się galwanicznie na prefabrykowany, połowicznie wykończony wyrób, przy czym stosuje się trójskładnikową kąpiel galwaniczną pozbawioną fluoroboranu bez rozjaśniaczy i z dodatkiem niejonowych czynników zwilżających oraz kwasu sulfonowego z wolnym rodnikiem alkilowym oraz wielowarstwowy materiał na elementy ślizgowe, zawierający co najmniej podłoże i powłokę z 12-16% wag. cyny i 7-11% wag. miedzi, przy czym resztę stanowi ołów.

Przez elementy ślizgowe rozumiane są wszystkie rodzaje panewek łożyskowych i między innymi tłoki i pierścienie tłokowe. Powłoki z materiałów wielowarstwowych na elementy ślizgowe są zwykle wytwarzane galwanicznie w odpowiednich kąpielach elektrolitycznych. Dotychczas zwykle stosowano do tego celu kąpiele zawierające fluoroboran, które mają jednak wiele wad.

Warstwy osadzane z kąpieli na bazie kwasu fluoroborowego są niestabilne w temperaturze, przy której działają łożyska wału korbowego w silniku spalinowym. Główny składnik stopowy w powłoce na bazie ołowiu, którym może być cyna lub ind, dyfunduje w temperaturze silnika w usytuowaną pod spodem warstwę ołów-miedź, na skutek czego z powłoki traci się cynę lub ind i odpowiednio zmniejsza się odporność powłoki na ścieranie, pękanie zmęczeniowe i korozję. Dyfuzji w warstwę miedź-ołów można uniknąć przez zastosowanie osadzonej galwanicznie bariery niklowej pomiędzy warstwą miedź-ołów a powłoką, ale dyfuzja do niklu nadal istnieje, powodując powstawanie związku niklu z cyną, takiego jak NiSn, na powierzchni bariery niklowej. Pewien stopień strat pierwiastka stopowego z powłoki występuje zatem pomimo obecności bariery niklowej i powoduje znaczne pogorszenie łożyskującego działania powłoki. Jednakże ten stopień pogorszenia nie jest tak duży, kiedy istnieje bariera niklowa, jak przy jej braku i z tego powodu zwykle bariera niklowa jest stosowana w łożyskach wału korbowego z powłoką miedź-ołów.

Ważnym rozwiązaniem opisanym w DE 195 45427 jest to, że powłoki na bazie ołowiu można osadzać z kąpieli alkilosulfonowej, która szkodliwą dyfuzję opisaną powyżej wykazuje w znacznie słabszym stopniu niż powłoki z kąpieli z kwasem fluoroborowym. Zmniejszenie dyfuzji jest takie, że barierę niklową można pominąć, uzyskując w wyniku uproszczenie procesu powlekania galwanicznego z równoczesnym polepszeniem działania łożyskującego otrzymanej powłoki.

Zwłaszcza polepszona jest odporność powłoki na korozję i zmniejszone jest zużycie podczas działania silnika. Wyniki doświadczeń demonstrujące te zalety opisano w New Bath Formulation for

Electrodeposition of lmproved Corrosion and Wear Resistant Sliding Layers for Engine Bearings,

Grijnthaler, Huhn, M^ler, Staschko i Toth, SAE Paper 960964, 26-29 lutego 1996.

Chociaż twardość została polepszona o 20% w porównaniu z konwencjonalnymi warstwami ślizgowymi, odporność na ścieranie nie była jeszcze zadowalająca.

Sposób znany z DE 195 45 427 jest szczególnie dostosowany do wytwarzania zarównopowłok z cyny jak i miedzi w dużych stężeniach. Stwierdzono, że zawartość cząstek Cu6Sn5 jest tym większa, im większe są zawartości cyny i miedzi. W celu dalszego podniesienia odporności na ścieranie korzystnie nakłada się warstwę ślizgową 12-16% wag. cyny i 7-11% wag. miedzi, przy czym resztę stanowi ołów.

Celem wynalazku jest udoskonalenie sposobu znanego z DE 195 45 427 tak, aby polepszyć odporność warstwy ślizgowej na ścieranie. Celem wynalazku jest również wytworzenie ulepszonego materiału wielowarstwowego.

Problem rozwiązuje sposób wytwarzania elementów ślizgowych, w którym powłokę ze stopu ołów-cyna-miedź nakłada się galwanicznie na prefabrykowany, połowicznie wykończony wyrób, przy czym stosuje się trójskładnikową kąpiel galwaniczną pozbawioną fluoroboranu bez rozjaśniaczy i z dodatkiem niejonowych czynników zwilżających oraz kwasu sulfonowego z wolnym rodnikiem alkilowym, charakteryzujący się tym, że po osadzeniu powłoki galwanicznej przeprowadza się, obróbkę cieplną w zakresie temperatury 150-200°C przez czas większy niż 1h do 100h.

Obróbkę cieplną przeprowadza się korzystnie w powietrzu, korzystniej w oleju, najkorzystniej obróbkę cieplną przeprowadza się w oleju parafinowym lub oleju silikonowym.

Obróbkę cieplną przeprowadza się w korzystnie temperaturze 170-185°C.

Obróbkę cieplną przeprowadza się korzystnie przez 4-12 h.

Powłokę zawierającą 12-16% wag. cyny, 7-11% wag. miedzi i resztę ołowiu korzystnie osadza się galwanicznie.

PL 192 439 B1

Wielowarstwowy materiał na elementy ślizgowe, zawierający co najmniej podłoże i powłokę z 12-16% wag. cyny i 7-11% wag. miedzi, przy czym resztę stanowi ołów, charakteryzuje się tym, że powłoka zawiera 15-25% wag. cząstek związku międzymetalicznego Cu6Sn5.

Stwierdzono, że obróbka cieplna powoduje dyfuzję i łączenie się ze sobą składników, miedzi i cyny, tak że powstaje faza międzymetaliczna Cu6Sn5. Dzięki tym cząstkom Cu6Sn5 ścieranie warstwy ślizgowej jest zmniejszone w przybliżeniu o 50%.

Materiał wielowarstwowy na człony ślizgowe wykazuje 15-25% wag. cząstek Cu6Sn5 w warstwie ślizgowej.

Pomiędzy warstwą ślizgową a warstwą podłoża, korzystnie stosuje się warstwę brązu ołowiowego i warstwę niklu.

Wynalazek jest dokładniej opisany na podstawie rysunku, na którym dla porównania fig. 1a przedstawia mikrofotografię przekroju materiału wielowarstwowego wytworzonego według DE 195 45 427 A1, fig. 1b i c - szczegóły warstwy ślizgowej z uwypukleniem miedzi i cyny, a fig. 2a-c przedstawiają materiał według fig. 1a-c po 8 godzinach obróbki cieplnej w temperaturze 177°C według wynalazku.

Figura 1a przedstawia mikrofotografię przekroju próbki przed obróbką cieplną. Warstwa brązu ołowiowego 1oraz warstwa niklu 2 jak również warstwa ślizgowa 3 są nałożone na materiał nośny (nie pokazany) w procesie opisanym w DE 195 45 427 przy czym warstwa ślizgowa zawiera 7,8% wag. Cu, 15,5% wag. Sn oraz resztę miedzi. Figury 1b oraz 1c przedstawiają powiększenia warstwy ślizgowej 3, przy czym rozkład poszczególnych składników, miedzi i cyny jest odpowiednio przedstawiony na mapach pierwiastkowych uzyskanych z mikroskopu elektronowego. Figura 1b przedstawia całkowity brak cząstek miedzi, natomiast fig. 1c przedstawia znaczne nagromadzenia cyny. Po obróbce cieplnej prowadzonej przez 8 h przy 177°C struktura wewnątrz warstwy ślizgowej zmieniła się (fig. 2a). Nagromadzenia cyny lub cząstki 4 cyny zwiększyły się (fig. 2c) i teraz są dodatkowe cząstki miedzi 5, które są widoczne na fig. 2b. Obecność równocześnie występujących nagromadzeń miedzi i cyny pokazuje, że muszą być obecne cząstki zawierające fazę międzymetaliczną Cu6Sn5.

Wygląd cząstek międzymetalicznych w powłoce, twardszych niż otaczająca osnowa, powinien według oczekiwań zwiększyć odporność na ścieranie i zostało to zademonstrowane podczas badań silnika.

Poniżej przedstawiono w tabeli porównanie łożysk po obróbce cieplnej i bez obróbki cieplnej, powleczonych według DE 195 45 427, po eksploatacji w silniku do pracy w trudnych warunkach Caterpillar 3126. Skład powłoki był następujący: 7,8% miedzi, 15,5% cyny, resztę stanowił ołów, a obróbka cieplna przeprowadzona byław temperaturze 177°C przez 8 godzin.

Grubość powłoki mm	Łożyska poddane obróbki cieplnej 23	Łożyska bez obróbki cieplnej 23
Czas badania h	75	75
Średnie zużycie powłoki mm	5,9	13,2
Średnia utrata masy mg	68,2	100,5
Zużycie łożysk poddanych obróbce cieplnej wynosiło 45% zużycia łożysk nie poddanych obrób-

ce cieplnej.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania elementów ślizgowych, w którym powłokę ze stopu ołów-cyna-miedź nakłada się galwanicznie na prefabrykowany, połowicznie wykończony wyrób, przy czym stosuje się trójskładnikową kąpiel galwaniczną pozbawioną fluoroboranu bez rozjaśniaczy i z dodatkiem niejonowych czynników zwilżających oraz kwasu sulfonowego z wolnym rodnikiem alkilowym, znamienny tym, że po osadzeniu powłoki galwanicznej przeprowadza się obróbkę cieplną w zakresie temperatury 150-200°C przez czas większy niż 1 h do 100 h.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę cieplną przeprowadza się w powietrzu.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę cieplną przeprowadza się w oleju.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że obróbkę cieplną przeprowadza się w oleju parafinowym lub oleju silikonowym.

PL 192 439B1
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę cieplną przeprowadza się w temperaturze 170-185°C.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę cieplną przeprowadza się przez 4-12 h.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powłokę zawierającą 12-16% wag. cyny,

7-11% wag. miedzi i resztę ołowiu osadza się galwanicznie.
8. Wielowarstwowy materiał na elementy ślizgowe, zawierający co najmniej podłoże i powłokę z 12-16% wag. cyny i 7-11% wag. miedzi, przy czym resztę stanowi ołów, znamienny tym, że powłoka zawiera 15-25% wag. cząstek związku międzymetalicznego Cu6Sn5.