DE102006031043A1

DE102006031043A1 - Mit Lagermaterial beschichtetes Gleitelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006031043A1
Application number: DE102006031043A
Authority: DE
Inventors: Noritaka Toyota Miyamoto; Masaki Toyota Hirano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2007-02-08
Also published as: US7964239B2; US20070009756A1; JP2007016288A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein mit einem Lagermaterial beschichtetes Gleitelement bereit, das durch Aufbringung eines Lagermaterials auf eine Gleitfläche eines Gleitelements hergestellt wird, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei das Lagermaterial aus einem Sn-haltigen Legierungspulver besteht und unter Druck gegen die Gleitfläche prallen gelassen wird, während es in einer Festphase gehalten wird, um dadurch eine Lagermaterial-Überzugsschicht zu bilden.

Description

Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-200378 einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche, der Zeichnung und der Zusammenfassung, ist hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements und das mit einem Lagermaterial beschichtete Gleitelement, und genauer ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements, wobei ein Lagermaterial auf eine Gleitfläche eines Gleitelements aufgebracht wird, und das anhand dieses Verfahrens hergestellte mit einem Lagermaterial beschichtete Gleitelement.

Eine Gleitfläche eines Gleitelements, wie eines Pleuels, das für einen Fahrzeugmotor verwendet wird, ist mit einem Lager, wie einem Ringlager, ausgestattet, um die Reibung zwischen der Gleitfläche und einer Welle, die als Drehachse dient, zu verringern, wodurch die Schlüpfrigkeit verstärkt wird, um die Gleitfähigkeit der Gleitfläche zu verbessern. Als Lagermaterial, der zur Ausbildung eines Lagers verwendet wird, wird ein so genanntes Weißmetall, wie eine Sn/Sb/Cu-Legierung oder eine Pb/Sn/Sb-Legierung, eine Cu/Pb-Legierung, eine Zinnbronze, eine Bleibronze, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen verwendet. Da die Legierungen in der Regel weiche Materialien sind, zeigen die Legierungen Eigenschaften wie Festfressbeständigkeit, Anpassung an die Welle und dergleichen. Solche Lager werden in der Regel durch Gießen oder Sintern einer oder mehrerer der oben genannten Legierungen hergestellt und werden in einem Zustand verwendet, in dem die Lager in die Gleitfläche des Gleitelements eingepasst sind.

11 zeigt schematisch eine metallographische Struktur eines Lagers, das aus einer Al/Sn/Si-Legierung besteht, wobei es sich um ein Beispiel für Aluminiumlegierungen handelt, die durch Gießen und anschließendes Walzen eines Materials hergestellt werden. Die metallographische Struktur der Al/Sn/Si-Legierung zeigt eine Organisierung, bei der Sn fein in einem Al-Grundmaterial verteilt ist. Eine solch feine Verteilung von Sn sorgt für eine Beständigkeit des Lagers gegen ein Festfressen und für andere Eigenschaften. Darüber hinaus zeigt die metallographische Struktur der Al/Sn/Si-Legierung eine gleichmäßige Ausfällung von Si. Das gleichmäßig ausgefallene Si schleift eine Welle ab, bei der es sich um einen Gegenstand handelt, an den eine Anpassung vorgenommen werden soll, was eine Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit des Lagers liefert, während die Eigenschaft, mit der verhindert wird, dass das Lager sich an der Welle festfrisst, verstärkt wird.

Zusätzlich zu dem oben genannten Gießen und Sintern werden Verfahren zur direkten Ausbildung einer Beschichtung zur Verwendung als Lager auf einer Gleitfläche eines Gleitelements für die Herstellung eines Lagers verwendet. Verfahren zur direkten Herstellung des Lagers auf einer Gleitfläche des Gleitelements schließen physikalische Dampfbeschichtung (PVD), thermische Spritzbeschichtung und andere ein. PVD ist ein Verfahren zur Verdampfung eines metallischen Materials, eines keramischen Materials oder dergleichen, um das verdampfte metallische Material auf einem Grundmaterial aufzubringen, und das Verfahren schließt Ionenplattierung, Sputtering und Vakuumverdampfung ein. PVD ist dahingehend vorteilhaft, dass es eine sorgfältige Beschichtung auf einer Gleitfläche eines Gleitelements liefert, hat aber den Nachteil, dass seine Produktivität aufgrund der langsamen Anlagerungsrate bei der Bildung der Beschichtung relativ niedrig ist. Daher eignet sich PVD nicht für die Massenproduktion. Da eine durch PVD gebildete Beschichtung in der Regel hart ist, kann die Verwendung der Be schichtung wegen der Härte der Beschichtung zu einer Verschlechterung der Festfressbeständigkeit führen.

Thermisches Spritzen ist ein Verfahren, in dem ein Material zum thermischen Spritzen, wie ein metallischer Material oder ein keramischer Material, geschmolzen und mittels eines Hochdruckgases auf ein keramisches Material gespritzt wird, um eine Beschichtung zu bilden. Thermisches Spritzen schließt Sauerstoff-Brennstoff-Spritzen, wie Flammspritzen, ein, bei dem ein Material zum thermischen Spritzen, das in einem Hochtemperatur-Verbrennungsgas geschmolzen ist, verspritzt wird, sowie elektrisches Spritzen, wie Plasmaspritzen, bei dem der Material zum thermischen Spritzen, das in einem Plasmastrahl geschmolzen ist, verspritzt wird. Da beim thermischen Spritzen ein metallisches Material, ein keramisches Material oder dergleichen geschmolzen wird, um ein Lager auf einer Gleitfläche eines Gleitelements auszubilden, ist die Anlagerungsrate bei der Bildung der Beschichtung durch thermisches Spritzen vorteilhaft schneller als bei der Anwendung eines PVD-Verfahrens. Somit wird in der Regel thermisches Spritzen angewendet, wenn das Lager direkt auf der Gleitfläche des Gleitelements ausgebildet wird.

12 zeigt schematisch eine metallographische Struktur eines Al/Sn/Si-Legierungspulvers, bei dem es sich um ein aus einer Al/Sn/Si-Legierung bestehendes Material zum thermischen Spritzen handelt, das zur Herstellung eines Lagers aus Al/Sn/Si-Legierung durch thermisches Spritzen verwendet wird. Si zeigt eine Struktur, die in Al gelöst ist, während Sn eine Struktur zeigt, die fein in einer Al/Si-Festlösung verteilt ist, da Sn in Al kaum löslich ist. 13 zeigt schematisch eine metallographische Struktur einer Beschichtung zur Verwendung in einem Lager aus der Al/Sn/Si-Legierung, das unter Verwendung eines Al/Sn/Si-Legierungspulvers durch thermisches Spritzen gebildet wurde. In 13 sind Sn-Seigerungsbereiche zu sehen, die sich aus der thermischen Verspritzung des geschmolzenen Al/Sn/Si-Legierungspulvers ergeben. Ferner finden sich auch Oxide, die durch Oxidation des Al/Sn/Si-Legierungspulvers erzeugt werden, in der Struktur. Eine solche Oxiderzeugung findet statt, weil thermisches Spritzen üblicherweise durchgeführt wird, während die Oberfläche der Luft ausgesetzt ist.

Bei der Bildung einer Lagerbeschichtung mittels thermischen Spritzens wie oben beschrieben, kommt es aufgrund dessen, dass das Legierungspulver, aus dem das Material zum thermischen Spritzen besteht, geschmolzen wird, um eine Beschichtung auf der Gleitfläche des Gleitelements zu bilden, zu einer Seigerung von niedrigschmelzenden Komponenten wie Sn oder Pb, die vor dem thermischen Spritzen im Legierungspulver fein verteilt waren, während während der Erstarrung des geschmolzenen Legierungspulvers, das auf der Gleitoberfläche abgeschieden wurde, eine kontinuierliche Struktur gebildet wird. Die Seigerungsstruktur weist wegen der Komponenten aus weichen Metallen, wie Sn oder Pb, eine relativ niedrige mechanische Beständigkeit auf, die wiederum die Beständigkeit als Lager herabsetzt, insbesondere eine Verschlechterung der Ermüdungsbeständigkeit bewirkt, wenn sie wiederholt Belastungen ausgesetzt wird. Da das thermische Spritzen ferner in einer normalen Atmosphäre durchgeführt wird, wie oben angegeben, kann das Material zum thermischen Spritzen eine Oxidation durchlaufen, was zur Entstehung von Oxiden führt. Wenn Oxide vorhanden sind, die aufgrund einer Oxidation aus dem Material zum thermischen Spritzen entstehen, kann es sehr leicht sein, dass ein Bereich, der die Oxide einschließt, den Ausgangspunkt für ein Ermüdungsversagen aufgrund der Härteeigenschaften der Oxide bildet, was das Problem aufwirft, dass die Ermüdungsbeständigkeit des Lagers verschlechtert ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher werden in der vorliegenden Erfindung Komponenten, die zur Verbesserung der Festfressbeständigkeit verwendet werden, wie Sn oder Pb, auf einer Lagerbeschichtung, die als Lager ausgebildet ist, vorteilhafterweise verteilt.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements, wobei das Lagermaterial auf einer Gleitfläche eines Gleitelements aufgetragen wird. Das Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements umfasst einen Lagermaterial-Aufbringungsschritt, bei dem das Lagermaterial unter Druck und in dem Zustand, dass der Lagermaterial sich in einer Festphase befindet, gegen eine Gleitfläche prallen gelassen wird, um eine Lagermaterial-Überzugsschicht zu bilden, und wobei das Lagermaterial ein Sn-haltiges Legierungspulver umfasst. Mit diesem Verfahren kann Sn in der Lagermaterial-Überzugsschicht verteilt werden, um dadurch eine Beständigkeit der Gleitfläche gegen Festfressen zu verbessern.

In dem Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich bei dem Sn-haltigen Legierungspulver vorzugsweise um ein Al-Legierungspulver handeln, das 4 Gew.-% bis 16 Gew.-% Sn enthält, oder um ein Cu-Legierungspulver, das 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% Sn enthält. Stärker bevorzugt kann es sich bei dem Sn-haltigen Legierungspulver um ein Al-Legierungspulver handeln, das 8 Gew.-% bis 16 Gew.-% Sn enthält, oder ein Cu-Legierungspulver, das 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Sn enthält. Die Verwendung des Sn-haltigen Al-Legierungspulvers oder Cu-Legierungspulvers mit der oben beschriebenen Zusammensetzung kann eine weitere Verbesserung der Festfressbeständigkeit der Gleitfläche liefern.

In dem Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass das Lagermaterial ein vorgegebenes hartes Material enthält. Die Einbeziehung des vorgegebenen harten Materials in das Lagermaterial kann auch eine Verbesserung der Eigenschaften der Gleitfläche, wie der Festfressbeständigkeit oder der Verschleißbeständigkeit liefern. Ferner ist es bevorzugt, dass das vorgegebene harte Material mindestens ein Material ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe aus Al₂O₃, SiC, AlN, Fe/C, Mo₂C, Ni/B, Fe/Mo und Fe/P, und ein bevorzugter Gehalt an dem vorgegebenen harten Material liegt bei 2 Gew.-% bis 10 Gew.-%.

In dem mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung, das durch Aufbringung eines Lagermaterials auf eine Gleitfläche eines Gleitelements hergestellt wird, wird bewirkt, dass das Lagermaterial in der Festphase gegen die Gleitfläche prallt, um eine Lagermaterial-Überzugsschicht zu bilden, und es wird so hergestellt, dass es ein Legierungspulver einschließt, das Sn enthält. Da Sn in der Lagermaterial-Überzugsschicht verteilt werden kann, können die Festfressbeständigkeit und andere Eigenschaften verbessert werden.

Ferner kann es sich in dem mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung bei dem Sn-haltigen Legierungspulver vorzugsweise um ein Al-Legierungspulver handeln, das 4 Gew.-% bis 16 Gew.-% Sn enthält, oder um ein Cu-Legierungspulver, das 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% Sn enthält. Stärker bevorzugt kann es sich bei dem Sn-haltigen Legierungspulver um ein Al-Legierungspulver handeln, das 8 Gew.-% bis 16 Gew.-% Sn enthält, oder ein Cu-Legierungspulver, das 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Sn enthält. Die Verwendung des Sn-haltigen Al-Legierungspulvers oder Cu-Legierungspulvers mit der oben beschriebenen Zusammensetzung kann eine weitere Verbesserung der Festfressbeständigkeit der Gleitfläche liefern.

In dem mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass das Lagermaterial ein vorgegebenes hartes Material enthält. Die Einbeziehung des vorgegebenen harten Materials in das Lagermaterial kann auch eine Verbesserung der Eigenschaften der Gleitfläche, wie der Festfressbeständigkeit oder der Verschleißbeständigkeit liefern. Ferner ist es bevorzugt, dass das vorgegebene harte Material mindestens ein Material ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiC, AlN, Fe/C, Mo₂C, Ni/B, Fe/Mo und Fe/P, und ein bevorzugter Gehalt an dem vorgegebenen harten Material liegt bei 2 Gew.-% bis 10 Gew.-%.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ausführlich mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, worin:

1 Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 eine Lagermaterial-Aufbringungsvorrichtung skizziert, die ein dynamisches Kaltgas-Spritzverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;

3 eine weitere Lagermaterial-Aufbringungsvorrichtung skizziert, die ein Detonations-Spritzverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;

4 schematisch die Struktur einer Lagermaterial-Überzugsschicht zeigt, die aus einer Al/Sn-Legierung besteht, die anhand des Verfahrens zur Herstellung eines mit Lagermaterial beschichteten Gleitelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;

5 ein Testverfahren in einem Ermüdungstest gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung skizziert, der eine dynamische Last verwendet;

6 die Ergebnisse eines Ermüdungstest unter Anwendung einer dynamischen Last zeigt, der wie in 5 skizziert durchgeführt wurde;

7A eine schematische Darstellung einer Form einer Flachprobe ist, die für einen Festfressungstest verwendet wird, der gemäß einem von einem Mechaniktestlabor spezifizierten Testverfahren durchgeführt wird;

7B eine schematische Darstellung einer Form einer Ringprobe ist, die für einen Festfressungstest verwendet wird, der gemäß einem von einem Mechaniktestlabor spezifizierten Testverfahren durchgeführt wird;

7C eine schematische Darstellung ist, die den Festfressungstest skizziert, der gemäß dem Verfahren durchgeführt wurde, das von dem Mechaniktestlabor spezifiziert wird.

7D eine schematische Darstellung eines Lastanwendungsverfahrens ist, das im Zusammenhang mit dem Festfressungstest angewendet wird, der gemäß einem von einem Mechaniktestlabor spezifizierten Testverfahren durchgeführt wird;

7E eine Skizze ist, die Testbedingungen für einen Festfressungstest zeigt, der gemäß dem Verfahren durchgeführt wurde, das von dem Mechaniktestlabor spezifiziert wird.

8 eine Skizze ist, die Ergebnisse eines Festfressungstests zeigt, der gemäß dem Verfahren durchgeführt wurde, das von dem Mechaniktestlabor spezifiziert wird.

9 eine Beziehung zwischen dem Al₂O₃-Gehalt und der Ermüdungsbeständigkeit von Testmaterialien zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;

10 eine Beziehung zwischen dem Al₂O₃-Gehalt und dem Grad des Lagerverschleißes von Testmaterialien zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;

11 ein Schema ist, das eine metallographische Struktur eines Lagers zeigt, das aus einer Al/Sn/Si-Legierung als ein Beispiel für eine Aluminiumlegierung besteht, die durch Gießen und Walzen eines metallischen Materials hergestellt wurde;

12 ein Schema ist, das eine metallographische Struktur eines Al/Sn/Si-Legierungspulver-Spritzmaterials ist, das zur Herstellung eines Lagers, das aus der Al/Sn/Si-Legierung besteht, mittels des thermischen Spritzens verwendet wird; und

13 ein Schema ist, das eine metallographische Struktur einer Lagerbeschichtung zeigt, die aus einer Al/Sn/Si-Legierung besteht, die durch thermisches Spritzen unter Verwendung des in 12 dargestellten Al/Sn/Si-Legierungspulvers hergestellt wurde.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachstehend werden nun mit Bezug auf die Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.

1 ist ein Schema, das Verfahrensschritte in einem Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelement zeigt.

In einem Lagermaterial-Herstellungsschritt (S 10) wird ein Metallpulver, das als Lagermaterial verwendet werden soll, hergestellt. Als dieses Metallpulver aus Lagermaterial wird ein Legierungspulver verwendet, das zumindest eine Legierungskomponente enthält wie Sn, Pb oder Bi, die vorgesehen ist, um für Gleitfähigkeit zu sorgen, damit das Auftreten eines Festfressens zwischen einem Lager und einer Welle verhindert wird. Die Legierungskomponenten wie Sn, Pb und Bi sind metallische Materialien, die weich sind und die in der Lage sind, die Passung zwischen dem Lager und der Welle, die Ermüdungsbeständigkeit oder andere Eigenschaften zu verbessern.

Für die Herstellung des Legierungspulvers wird ein Gaszerstäubungsverfahren verwendet. Legierungspulver, die durch Gaszerstäubung hergestellt werden, sind dafür bekannt, dass sie einen niedrigen Oxidgehalt im Legierungspulver aufweisen. Gaszerstäubung ist ein Verfahren zur Verspritzung eines geschmolzenen Metalls mittels eines Gases, das von einer Düse eingespritzt wird, um dadurch ein Legierungspulver herzustellen. Hierbei kann als Gas, das aus der Düse eingespritzt werden soll, ein Stickstoffgas, Luft oder ein Edelgas, wie Helium oder Argon, verwendet werden. Der Fachmann weiß, dass das Verfahren zur Herstellung eines Legierungspulvers nicht auf Gaszerstäubung begrenzt ist, und dass das Legierungspulver mittels eines mechanischen Herstellungsverfahrens, wie Pulverisierung, eines Elektrolyse-Herstellungsverfahrens, eines chemischen Herstellungsverfahrens, das eine chemische Reaktion nutzt, wie die Reduzierung von Oxid oder die Pyrolyse, oder ein Wasser-Zerstäubungsverfahren zur Herstellung eines Legierungspulvers aus einem geschmolzenen Metall mittels der Einspritzung von unter hohem Druck stehendem Wasser, hergestellt werden kann.

Von den Legierungspulvern, die mindestens eine Legierungskomponente wie Sn, Pb oder Bi enthalten, kann ein Sn-haltiges Legierungspulver ein Al-Legierungspulver sein, dass Sn enthält, oder ein Cu-Legierungspulver, das Sn enthält. Al und Cu-Legierungspulver sind für ihre bevorzugte Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Man beachte, dass das Sn-haltige Legierungspulver zusätzlich Zn, Cr, Ag, Al (für ein Cu-Lager), Cu (für ein Al-Lager) oder dergleichen in einer durch JIS (Japanese Industrial Standards) oder SAE (Society of Automotive Engineers) definierten Legierung enthalten kann, und dass das Sn-haltige Legierungspulver nicht auf die oben aufgeführten beschränkt ist. Der Sn-Gehalt im Sn-haltigen Al-Legierungspulver oder im Sn-haltigen Cu-Legierungspulver kann entsprechend der Filmabscheidungsleistung bei der Auftragung des Lagermaterials auf einer Gleitfläche des Gleitelements oder einer Fähigkeit, das Auftreten eines Festfressens auf einer Welle zu verhindern, bestimmt werden. Vorzugsweise liegt der Sn-Gehalt des Sn-haltigen Al-Legierungspulvers bei 4 Gew.-% bis 16 Gew.-% und stärker bevorzugt bei 8 Gew.-% bis 16 Gew.-%. Wenn der Sn-Gehalt unter 4 Gew.-% liegt, kann keine ausreichende Festfressbeständigkeitswirkung erreicht werden. Wenn dagegen der Sn-Gehalt 16 Gew.-% übersteigt, leidet die Festfressbeständigkeit.

In dem Sn-haltigen Cu-Legierungspulver liegt ein bevorzugter Sn-Gehalt bei 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% und stärker bevorzugt bei 5 Gew.-% bis 10 Gew.-%. Ein Sn-Gehalt von unter 2 Gew.-% kann keine ausreichende Festfressbeständigkeitswirkung liefern, während ein Sn-Gehalt von über 10 Gew.-% zu einer Verschlechterung der Festfressbeständigkeit führt.

Die Partikelgröße des Sn-haltigen Legierungspulvers ist vorzugsweise 53 μm oder kleiner. Die Aufbringung des Legierungspulvers, bei dem es sich um den Lagermaterial handelt, auf der Gleitfläche des Gleitelements ist schwierig, wenn das Sn-haltige Legierungspulver eine größere Partikelgröße aufweist. Die Partikelgröße des Sn-haltigen Legierungspulvers ist jedoch nicht auf den oben angegebenen Bereich beschränkt und kann je nach den Bedingungen auf eine andere Größe festgelegt werden.

Ein Pb-haltiges Legierungspulver kann ein Al-Legierungspulver oder ein Cu-Legierungspulver, das Pb enthält, sein, aber ist nicht auf diese Legierungspulver beschränkt. Der Pb-Gehalt im Pb-haltigen Al-Legierungspulver oder im Pb-haltigen Cu-Legierungspulver kann entsprechend der Filmabscheidungsleistung bei der Auftragung des Legierungspulvers usw., aus denen das Lagermaterial besteht, auf einer Gleitfläche des Gleitelements oder einer Fähigkeit, das Auftreten eines Festfressens auf einer Welle zu verhindern, bestimmt werden. Ein bevorzugter Pb-Gehalt im Pb-haltigen Al-Legierungspulver ist 4 Gew.-% oder weniger und stärker bevorzugt 2 Gew.-% oder weniger. Der Pb-Gehalt ist somit auf 4 Gew.-% oder weniger festgelegt, da ein Pb-Gehalt von über 4 Gew.-% zu einer Verschlechterung der Festfressbeständigkeit führt.

Der Pb-Gehalt im Pb-haltigen Cu-Legierungspulver ist vorzugsweise 25 Gew.-% oder weniger und stärker bevorzugt 15 Gew.-% oder weniger. Da ein Pb-Gehalt von über 25 Gew.-% zu einer Verschlechterung der Festfressbeständigkeit führt, ist der Pb-Gehalt auf 25 Gew.-% oder weniger festgelegt.

Das Pb-haltige Legierungspulver weist vorzugsweise eine Partikelgröße von 53 μm oder weniger auf. Falls die Partikelgröße größer ist, wird die Auftragung des Lagermaterials auf der Gleitfläche des Gleitelements schwierig. Die Partikelgröße des Pb-haltigen Legierungspulvers ist jedoch nicht auf den oben angegebenen Bereich beschränkt und kann je nach den Bedingungen auf eine andere Größe festgelegt werden.

Ferner kann ein Material, das härter ist als das Sn- oder Pb-haltige Legierungspulver, dem Legierungspulver, das für das Lagermaterial verwendet wird, als vorgegebenes hartes Material zugesetzt werden, um die Ermüdungsbeständigkeit, Eigenschaften, die mit der Verhinderung eines Festfressens auf der Welle im Zusammenhang stehen, oder die Verschleißbeständigkeit des Lagers zu verbessern. Als hartes Material kann ein Pulver aus Al₂O₃, SiC, AlN, Fe/C, Mo₂C, Ni/B, Fe/Mo oder Fe/P verwendet werden. Man beachte, dass das harte Material nicht auf die oben aufgeführten beschränkt ist, und dass ein keramisches Material, wie ein Oxid, ein Carbid, ein Borid oder ein Nitrid, oder ein metallisches Material, wie eine intermetallische Verbindung oder eine gequenchte Fe-Legierung, als hartes Material verwendet werden kann. Ein Pulver aus dem oben beschriebenen keramischen Material kann anhand eines Gasphasen-Syntheseverfahrens, in dem das Pulver in einer Gasphase synthetisiert wird, beispielsweise einer chemischen Gasphasenreaktion, eines Flüssigphasen-Syntheseverfahrens, wie einer Fällung, oder eines Festphasen-Syntheseverfahrens, wie Pyrolyse, hergestellt werden. Ein Pulver aus der intermetallischen Verbindung kann dagegen durch Gaszerstäubung hergestellt werden wie oben beschrieben. Die Partikelgröße des harten Materials liegt vorzugsweise bei 2 μm bis 30 μm, ist jedoch nicht auf diesen Bereich beschränkt. Eine andere Partikelgröße als die oben beschriebene kann unter Berücksichtigung anderer Bedingungen verwendet werden.

Eine Zugabemenge des harten Materials im Legierungspulver, das für das Lagermaterial verwendet wird, kann unter Berücksichtigung der gewünschten Ermüdungsbeständigkeit, Eigenschaften, die mit der Verhinderung eines Festfressens auf der Welle im Zusammenhang stehen, oder der Verschleißbeständigkeit des Lagers bestimmt werden. Als Zugabemenge des harten Materials sind Mengen von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% bevorzugt. Da die Ermüdungsbeständigkeit, Eigenschaften, die mit der Verhinderung eines Festfressens auf der Welle im Zusammenhang stehen, und die Verschleißbeständigkeit des Lagers nicht ausreichen, wenn die Menge des harten Materials bei unter 2 Gew.-% liegt, sollte die Zugabemenge des harten Materials bei 2 Gew.-% oder mehr liegen. Dagegen kann eine Zugabemenge von über 10 Gew.-% bewirken, dass das harte Material agglomeriert, und ein Bereich, in dem das harte Material agglomeriert, kann leicht reißen. Da eine solche Rissbildung zu einer Verschlechterung der Ermüdungsbeständigkeit führt, sollte die Zugabemenge bei 10 Gew.-% oder weniger gehalten werden. Wenn eine größere Menge an hartem Material zugegeben wird, wird der Verschleiß in dem Lager, der von der Welle, bei der es sich um das anzupassende Objekt handelt, verursacht wird, stärker, was zur Erzeugung von Abriebpulver führt, das das Lager selbst verschleißt. Infolgedessen wird die Verschleißbeständigkeit des Lagers herabgesetzt.

Dann wird in einem Oberflächenbehandlungsschritt (S12) die Gleitfläche des Gleitelements aufgeraut, um für einen innigeren Kontakt zwischen der Lagerbeschichtung und der Gleitfläche zu sorgen. Als solche Oberflächenbehandlung kann beispielsweise ein Strahlen angewendet werden. Strahlen ist eine Art der Bearbeitung, die das Verspritzen von Strahlgut, das aus einem metallischen Material oder einem nichtmetallischen Material besteht, auf die Gleitfläche, um die Oberfläche aufzurauen, beinhaltet. Hierbei kann beispielsweise ein metallisches Material, wie Stahl, oder ein nicht-metallisches Material, wie Aluminium oder Siliciumcarbid, als Strahlgut verwendet werden, aber das Strahlgut ist nicht auf diese Materialien beschränkt. Beispielsweise kann das oben beschriebene harte Material als Strahlgut verwendet werden. Zusätzlich zur Aufrauung der Gleitfläche kann eine Entfernung von Substanzen, die an der Gleitfläche haften, durch das Strahlen durchgeführt werden. Strahlverfahren schließen beispielsweise Luftstrahlen, Schrotstrahlen oder dergleichen ein.

Dann wird in einem Lagermaterial-Aufbringungsschritt (S14) das Lagermaterial unter Druck und auf die Gleitfläche prallen gelassen, während es in der Festphase gehalten wird, um eine Lagermaterial-Überzugsschicht zu bilden. Hierbei wird das Lagermaterial aus dem Sn-haltigen Legierungspulver oder dem Pb-haltigen Legierungspulver in dem Zustand der Festphase aufgebracht, da eine Seigerung und andere Reaktionen, die aufgrund der Wiederausfällung der Legierungskomponenten aus Sn oder Pb, die in dem Legierungspulver enthalten sind, auftreten, durch Zuführen und Aufbringen des ungeschmolzenen Legierungspulvers in der Festphase verhindert werden. Ferner kann eine Aufbringung des Festphasen-Legierungspulvers aus dem Lagermaterial bei einer Temperatur unter derjenigen, die zur Aufbringung des Legierungspulvers im geschmolzenen Zustand erforderlich ist, durchgeführt werden, wodurch die Wirkung erhalten wird, dass eine Oxiderzeugung aufgrund einer Oxidation des Legierungspulvers unterdrückt werden kann.

Um die Gleitfläche zu beschichten, wird das Lagermaterial mit dem Ziel, das Legierungspulver aus dem Lagermaterial aufgrund der Aufprallenergie, die durch die Hochgeschwindigkeitskollision des Lagermaterials mit der Gleitfläche erhalten wird, zu verformen und dadurch den innigen Kontakt zwischen der Gleitfläche und dem Lagermaterial zur Beschichtung zu verbessern, gegen die Gleitfläche geschleudert. Hierbei liegt im Hinblick auf die Verbesserung des Kontakts zwischen dem Lagermaterial und der Gleitfläche eine bevorzugte Kollisionsgeschwindigkeit des Legierungspulvers aus dem Lagermaterial mit der Gleitfläche bei etwa 1,5 Mach bis etwa 3,0 Mach (500 m/s bis 1050 m/s), obwohl der Fachmann natürlich weiß, dass die Kollisionsgeschwindigkeit des Legierungspulvers aus dem Lagermaterial mit der Gleitfläche nicht speziell auf diesen Bereich beschränkt ist.

Ein Lagermaterial-Aufbringungsverfahren wie beschrieben kann beispielsweise durch dynamisches Kaltgasspritzen verwirklicht werden, wobei ein unter hohem Druck stehendes Gas, wie Stickstoffgas, mittels einer Heizeinrichtung erwärmt wird, und das Legierungspulver und andere Pulver des Lagermaterials, die von einer Pulverzufuhreinrichtung zugeführt werden, werden mittels des erhitzten Hochdruckgases gegen die Gleitfläche geschleudert, um die Gleitfläche zu beschichten. Als Beschichtungsverfahren kann beispielsweise das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2001-115248 offenbarte Verfahren verwendet werden.

2 zeigt schematisch eine Lagermaterial-Aufbringungsvorrichtung, die dynamisches Kaltgasspritzen nutzt. Die Lagermaterial-Aufbringungsvorrichtung, die dynamisches Kaltgasspritzen nutzt, weist eine Gaszufuhreinheit zur Zuführung von unter hohem Druck stehendem Gas, eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des unter hohem Druck stehenden Gases, eine Hochleistungs-Zufuhreinrichtung zur Zuführung des Legierungspulvers aus dem Lagermaterial und eine Düse zum Spritzen des erwärmten Legierungspulvers auf die Gleitfläche auf. Bei dem verwendeten Gas kann es sich beispielsweise um Stickstoffgas handeln. Ferner kann ein Edelgas, wie Helium oder Argon, ein Wasserstoffgas, Luft oder dergleichen ebenfalls als das Gas verwendet werden. Der Gasdruck wird vorzugsweise auf einen Wert festgelegt, bei dem das Legierungspulver bei einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 Mach bis etwa 3,0 Mach (500 m/s bis 1050 m/s) gegen die Gleitfläche prallen kann, und kann beispielsweise auf 0,5 MPa festgelegt sein. Es bestehen jedoch keine speziellen Beschränkungen für den Gasdruck.

Die Gaserwärmungstemperatur, die beispielsweise 400 °C sein kann, ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, solange das Legierungspulver aus dem Lagermaterial bei dieser Temperatur nicht schmilzt. Das Legierungspulvermaterial wird von der Hochleistungs-Zuführungseinrichtung wie oben beschrieben zugeführt. Wenn ein Legierungspulver, das einen Zusatz aus hartem Material enthält, als das Lagermaterial verwendet wird, können ein Mischpulver aus dem harten Material und dem Legierungspulver, die zuvor in einem üblicherweise verwendeten Universalmischer oder dergleichen gemischt wurden, aus der Hochleistungs-Zufuhreinrichtung zugeführt werden, oder das Legierungspulver und das harte Material können einzeln aus separaten Pulver-Zuführeinrichtungen zugeführt und dann vor dem Auftragungsverfahren bei einem vorgegebenen Mischungsverhältnis gemischt werden. Dann werden, wie in 2 dargestellt, beispielsweise zwölf Pleuelstangen einem dynamischen Kaltgasspritzen unter Verwendung eines Stickstoffgases, das auf einen Druck von 0,5 Mpa verdichtet und auf eine Temperatur von 400 °C erhitzt wurde, unterzogen.

Das Lagermaterial kann durch ein anderes Beschichtungsverfahren auf die Gleitfläche aufgetragen werden, beispielsweise durch ein Detonationsspritzverfahren unter Anwendung eines Detonationsflammspritzens. 3 zeigt schematisch eine andere Lagermaterial-Autragungsvorrichtung, die das Detonationsspritzverfahren nutzt. Die Lagermaterial-Auftragungsvorrichtung, die das Detonationsspritzverfahren nutzt, wird durch Installieren eines Kolbens, der zur Beschleunigung des Legierungspulvers aus dem Lagermaterial dient, in eine herkömmliche Vorrichtung zum Detonationsflammspritzen verwirklicht. Der Kolben wird durch Zünden eines Verbrennungsgases, das beispielsweise aus einem Sauerstoffgas und einem Acetylengas besteht, mittels einer Zündkerze angeschoben. Dann werden das Legierungspulver usw., aus denen das Lagermaterial besteht, durch die Kraft des Kolbens auf eine Geschwindigkeit von etwa 2,2 Mach (760 m/s) beschleunigt, so dass die Partikel mit hoher Geschwindigkeit mit der Gleitfläche kollidieren. Da das Legierungspulver in einen Bereich eingeführt wird, der sich an der Seite des Kolbens gegenüber dem Volumen befindet, in das das Brenngas eingeführt wird, wird die vom Verbrennungsgas erzeugte Wärme vom Kolben blockiert, wodurch das Legierungspulver aus dem Lagermaterial im Festphasenzustand auf die Gleitfläche aufgebracht werden kann. Selbstverständlich ist das Lagermaterial-Aufbringungsverfahren nicht auf das dynamische Kaltgasspritzen und das Detonationsspritzen beschränkt, und es kann jedes Verfahren angewendet werden, um das Lagermaterial aufzubringen, so lange in dem Verfahren das Lagermaterial auf die Gleitfläche aufgebracht werden kann, während es im Festphasenzustand mit der Gleitfläche kollidieren kann. Die Dicke der Lagermaterial-Überzugsschicht liegt vorzugsweise bei 0,4 mm, ist aber nicht speziell auf diesen Wert beschränkt.

Wie in 1 dargestellt, ist ein maschineller Bearbeitungsschritt (S16) ein Verfahren zur maschinellen Bearbeitung der Gleitfläche, auf der das Legierungspulver aus dem Lagermaterial im Lagermaterial-Aufbringungsschritt (S 14) aufgebracht wurde, um eine vorgegebene Dicke der Lagermaterial-Überzugsschicht auszubilden. Die maschinelle Bearbeitung kann mittels einer üblicherweise zur maschinellen Bearbeitung verwendeten Vorrichtung durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die Lagermaterial-Überzugsschicht so ausgebildet, dass sie nach der maschinellen Bearbeitung eine Dicke von 0,3 mm aufweist. Jedoch ist die Lagermaterial-Überzugsschicht nicht auf diese Dicke beschränkt. Insbesondere wenn die Lagermaterial-Überzugsschicht durch Verfestigung oder dergleichen gehärtet wird, kann eine Wärmebehandlung, wie ein Glühen, an der Lagermaterial-Überzugsschicht vorgenommen werden.

4 zeigt schematisch den Aufbau einer Lagermaterial-Überzugsschicht, die aus einer Al/Sn-Legierung besteht, die anhand des Verfahrens zur Herstellung eines mit Lagermaterial beschichteten Gleitelements gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Da in der dargestellten Struktur ein Al/Sn-Legierungspulver aus dem Lagermaterial in einem Zustand, in dem es in der Festphase gehalten wird, auf der Gleitfläche aufgebracht wird, ohne zu schmelzen, wird die Beschichtung ausgebildet, während eine Seigerung von Sn, bei dem es sich um eine Legierungskomponente handelt, vermieden wird. Ferner ist in dieser Struktur das harte Material, das dem Al/Si-Legierungspulver zugegeben wird, in der Beschichtung verteilt. Da das Sn der Legierungspulverkomponente, die verwendet wird, um die Festfressbeständigkeit zu verleihen, sogar nach der Bildung der Lagematerial-Überzugsschicht verteilt wurde, wird die Festfressbeständigkeit, die der Beschichtung verliehen wird, geeignet aufrechterhalten. Ferner trägt nicht-geseigertes Sn zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit des Lagers bei. Außerdem ist das harte Material auch durch die ganze Beschichtung verteilt, wodurch eine weitere Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit, der Eigenschaft, die verhindert, dass es zu einem Festfressen an der Welle kommt, oder der Verschleißbeständigkeit des Lagers geliefert wird. Da die Lagermaterial-Überzugsschicht bei einer Temperatur unterhalb derer ausgebildet werden kann, die für das thermische Spritzen verwendet wird, kann die Erzeugung von Oxiden, die leicht den Ausgangspunkt für ein Ermüdungsversagen bilden können, verhindert werden.

Wie oben beschrieben trägt die direkte Ausbildung des Lagers aus der Lagermaterial-Überzugsschicht auf der Gleitoberfläche des Gleitelements beispielsweise zur Verringerung der Zahl der Komponenten bei, die in einem Fahrzeug benötigt werden, wodurch wiederum der Hersteller Maßnahmen ergreifen kann, um die Zahl der Fertigungsschritte beim Zusammenbau des Lagers zu verringern. Da das Lager direkt auf der Gleitfläche des Gleitelements ausgebildet werden kann, ist es außerdem möglich, das Gewicht der Komponenten zu verringern. Was beispielsweise eine Pleuelstange für ein Fahrzeug betrifft, so kann die Dicke des Lagers am großen Ende der Pleuelstange von etwa 1,5 mm auf etwa 0,3 mm verringert werden, wodurch das Gewicht der Pleuelstange verringert werden kann.

Beispiel 1
Ein Sn-haltiges Cu-Legierungspulver und ein Fe/P-Pulver, das als hartes Material verwendet wird, wurden im Lagermaterial-Herstellungsschritt (S 10) hergestellt. Genauer wurde ein Cu/Sn/Ag-Legierungspulver, das 8 Gew.-% Sn und 1 Gew.-% Ag enthält, als das Sn-haltige Cu-Legierungspulver verwendet. Das Cu/Sn/Ag-Legierungspulver wurde anhand des Gaszerstäubungsverfahrens unter Verwendung eines Stickstoffgases hergestellt und auf eine Korngröße von 10 μm bis 45 μm eingestellt. Das Fe/P-Pulver wurde auf eine Korngröße von 5 μm bis 20 μm eingestellt. Dann wurden 95 Gew.-% Cu/Sn/Ag-Legierungspulver und 5 Gew.-% Fe/P-Pulver gemischt, und die resultierende Mischung wurde als Lagermaterial verwendet.
Eine geformte Pleuelstange mit einem Innendurchmesser von 48 mm an ihrem großen Ende wurde als Gleitelement verwendet. In dem Lagermaterial-Aufbringungsschritt (S14) wurde das Lagermaterial mittels des oben beschriebenen dynamischen Kaltgasspritzens auf die Gleitoberfläche aufgebracht, während 12 geformte Pleuelstangen, die übereinander gelegt waren, gedreht wurden. Das dynamische Kaltgasspritzen wurde unter der Bedingung der Verwendung eines Stickstoffgases, das auf einen Gasdruck von 0,5 Mpa verdichtet war, als Hochdruckgas durchgeführt. Ferner wurde die Gaserwärmungstemperatur auf 400 °C in einer Heizvorrichtung eingestellt. In dem Schritt der maschinellen Bearbeitung (S 16) wurde die Lagermaterial-Überzugsschicht mit einer Dicke von 0,4 mm vor der maschinellen Bearbeitung auf eine Dicke von 0,3 mm verdünnt. Die Vickers-Härte der maschinell bearbeiteten Überzugsschicht war HV 100.
Beispiel 2
Ein Sn-haltiges Al-Legierungspulver und ein Al₂O₃-Pulver, das als hartes Material verwendet wurde, wurden im Lagermaterial-Herstellungsschritt (S 10) hergestellt. Genauer wurde ein Al/Sn-Legierungspulver, das 12 Gew.-% Sn enthält, als das Sn-haltige Al-Legierungspulver verwendet. Das Al/Sn-Legierungspulver wurde anhand des Gaszerstäubungsverfahrens unter Verwendung eines Stickstoffgases hergestellt und auf eine Korngröße von 10 μm bis 45 μm eingestellt. Das Al₂O₃-Pulver wurde auf eine Korngröße von 2 μm bis 5 μm eingestellt. Dann wurden 95 Gew.-% Al/Sn-Legierungspulver und 5 Gew.-% Al₂O₃-Pulver gemischt, und die resultierende Mischung wurde als Lagermaterial verwendet.
Eine geformte Pleuelstange mit einem Innendurchmesser von 48 mm an ihrem großen Ende wurde als Gleitelement verwendet. In dem Lagermaterial-Aufbringungsschritt (S14) wurde das Lagermaterial mittels des oben beschriebenen dynamischen Kaltgasspritzens auf die Gleitoberfläche aufgebracht, während 12 geformte Pleuelstangen, die übereinander gelegt waren, gedreht wurden. Das dynamische Kaltgasspritzen wurde unter der Bedingung der Verwendung eines Stickstoffgases, das auf einen Gasdruck von 0,5 Mpa verdichtet wurde, als Hochdruckgas durchgeführt. Ferner wurde die Gaserwärmungstemperatur auf 400 °C in einer Heizvorrichtung eingestellt. In dem Schritt der maschinellen Bearbeitung (S16) wurde die Lagermaterial-Überzugsschicht mit einer Dicke von 0,4 mm vor der maschinellen Bearbeitung auf eine Dicke von 0,3 mm verdünnt. Die Vickers-Härte der maschinell bearbeiteten Überzugsschicht war HV 80.
Beispiel 3
Ein Ermüdungstest unter Verwendung einer dynamischen Last wurde unter Verwendung einer Test-Pleuelstange durchgeführt, um das Ermüdungsverhalten eines Lagerabschnitts in den in den Beispielen 1 und 2 experimentell hergestellten geformten Pleuelstangen zu bewerten. 5 skizziert ein Verfahren für den Ermüdungstest unter Verwendung einer dynamischen Last. In dem Ermüdungstest wurde eine Welle, bei der es sich um das Objekt handelt, an das eine Anpassung vorgenommen werden soll, in die Test-Pleuelstange eingeführt und wurde bei einer Drehzahl von 3000 UpM gedreht. Die Test-Pleuelstange, bei der es sich um die geformte Pleuelstange handelte, wurde auf und ab bewegt, während die Welle gedreht wurde, um dadurch eine vorgegebene Lagerbelastung an den Lagerabschnitt anzulegen. Eine Drehung der Welle wurde als eine Wiederholung definiert. Eine Last zur vertikalen Bewegung der Test-Pleuelstange war 5 × 10⁴ N ∼ 7 × 10⁴ N, und die Dicke der Test-Pleuelstange war 17 mm. Ein Material für die Welle, bei der es sich um das Objekt handelt, an das eine Anpassung vorgenommen werden sollt, war gequenchter S55C-Kohlenstoffstahl für Maschinenbauzwecke und die Welle war so ausgebildet, dass sie einen Durchmesser von 42 mm aufwies. Ferner wurde der Ermüdungstest in einem Öl bei einer Öltemperatur von 160 °C unter Verwendung von 10W-30CD als Öl durchgeführt. Ein anderes Lager wurde durch Plasmaspritzen in einer anderen geformten Pleuelstange ausgebildet, um einen Vergleich zwischen den in den Beispielen 1 und 2 gebildeten Pleuelstangen und diesem zusätz lichen, durch Plasmaspritzen gebildeten Lager zu ermöglichen. Legierungspulver, die verwendet wurden, um das Lager durch Plasmaspritzen auszubilden, waren ein Cu/Sn/Ag-Legierungspulver, das 8 Gew.-% Sn und 1 Gew.-% Ag enthielt, und ein Al/Sn/Si-Legierungspulver, das 12 Gew.-% Sn und 3 Gew.-% Si enthielt.
6 zeigt das Ergebnis des Ermüdungstests unter Verwendung einer dynamischen Last. In 6 sind in dem Ermüdungstest angelegte Lagerbelastungen in der Ordinate eingetragen, und die Zahl der Wiederholungen ist in der Abszisse eingetragen, um die Zahl der Wiederholungen, die durchgeführt wurden, bis es zu einem Ermüdungsbruch aufgrund einer Belastung mit einer vorgegebenen Lagerbelastung kommt, anzuzeigen. Ferner stellen schwarze Ringe Werte dar, die für die Plasmaverspritzung des Cu/Sn/Ag-Legierungspulvers erhalten wurden, weiße Ringe stellen Werte dar, die für die Plasmaverspritzung des Al/Sn/Si-Legierungspulvers erhalten wurden, schwarze Dreiecke stellen Werte für Beispiel 1 dar, schwarze Quadrate stellen Werte für Beispiel 2 dar, und eine durchbrochene Linie stellte gewünschte Werte für das Ermüdungsverhalten dar. Die Lager, die experimentell in den geformten Pleuelstangen in den Beispielen 1 und 2 hergestellt wurden, zeigen ein Ermüdungsverhalten, das dem der Lager in den geformten Pleuelstangen, die durch Auftragen der Lagermaterialien mittels Plasmaspritzen erhalten wurden, überlegen ist. Darüber hinaus übertrafen beide Lager in den geformten Pleuelstangen, die experimentell in den Beispielen 1 und 2 hergestellt wurden, die gewünschten Werte.
Beispiel 4
Ein Festfressungstest wurde hinsichtlich des Sn-haltigen Cu-Legierungspulvers und des Sn-haltigen Al-Legierungspulvers durchgeführt, während der Anteil des Sn als einer Legierungskomponente variiert wurde, um die Festfressbeständigkeit zu bewerten. Ein Legierungspulver, das 1 Gew.-% Ag enthielt, wurde als das Sn-haltige Cu-Legierungspulver verwendet, während ein Pulver, das 5 Gew.-% Al₂O₃ als hartes Material enthielt, als das Sn-haltige Al-Legierungspulver verwendet wurde. Die Legierungspulver, bei denen es sich um das Lagermaterial handelte, wurden mittels des oben be schriebenen dynamischen Kaltgasspritzens entsprechend dem Lagermaterial-Aufbringungsschritt (S14) aufgebracht, um eine Beschichtung aus dem Lagermaterial zu bilden.
Der Festfressungstest wurde entsprechend einem Verfahren durchgeführt, das von einem Mechaniktestlabor definiert ist. 7A bis 7E sind schematische Darstellungen, die den Festfressungstest skizzieren, der gemäß dem Verfahren durchgeführt wurde, das von dem Mechaniktestlabor spezifiziert wurde. Eine Flachprobe, die in 7A dargestellt ist, besteht aus S45C-Kohlenstoffstahl für Maschinenbauzwecke und ist auf einer Oberfläche mit dem Legierungspulver aus dem Lagermaterial beschichtet. Die Flachprobe weist Abmessungen von 30 mm × 30 mm Länge mal Breite und 5 mm Dicke auf. Eine Fläche mit einem Durchmesser von 11 mm, auf der kein Legierungspulver aus dem Lagermaterial aufgebracht worden war, wurde etwa in der Mitte der Flachprobe bereitgestellt. Eine Ringprobe, die in 7B dargestellt ist, besteht aus einem induktionsgequenchten Material aus SVdh45. Die Ringprobe weist Abmessungen von 25,6 mm Außendurchmesser, 20 mm Innendurchmesser und 15 mm Höhe auf. Der Festfressungstest von der Art wie sie in Mechaniktestlaboren durchgeführt werden, wurde in einem Zustand durchgeführt, in dem die mit dem Lagermaterial beschichtete Oberfläche der Flachprobe physisch mit der Ringprobe in Öl in Kontakt gebracht wurde, wie in 7C dargestellt. Dann wurde, wie in 7D dargestellt, alle zwei Minuten eine Last von 250 N angelegt, während die Ringprobe bei einer Drehzahl von 1000 UpM gedreht wurde, um eine Festfressungslast zu messen, die ein Festfressen zwischen der Ringprobe und der Flachprobe bewirkt. Hierbei wurde der Festfressungstest von der Art, wie sie in Mechaniktestlaboren durchgeführt werden, unter den in 7E dargestellten Testbedingungen durchgeführt.
8 zeigt die Ergebnisse des Festfressungstests, der gemäß dem Verfahren durchgeführt wurde, das von dem Mechaniktestlabor spezifiziert wurde. In 8 sind Festfressungslasten auf der Ordinate aufgetragen, und der Sn-Gehalt des Legierungspulvers ist auf der Abszisse aufgetragen, um die Festfressungslasten darzustellen, die gegen den Gehalt an Sn, bei dem es sich um eine Legierungskomponente handelt, gemessen wurden. Ferner stellen schwarze Dreiecke in 8 das Cu/Sn/1Ag-Pulver dar, stellen weiße Kreise Al/Sn/5Al₂O₃-Pulver dar und eine durchbrochene Linie stellt gewünschte Werte für die Festfressbeständigkeit dar. Unter den getesteten Sn-haltigen Cu-Legierungspulvern wurde die gewünschte Festfressbeständigkeit erhalten, wenn der Sn-Gehalt in einem Bereich von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% lag. Wenn der Sn-Gehalt im Bereich von 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% lag, wurde eine überlegene Festfressbeständigkeit erhalten. Was dagegen das Sn-haltige Al-Legierungspulver betrifft, so wurde die gewünschte Festfressbeständigkeit erhalten, wenn der Sn-Gehalt im Bereich von 4 Gew.-% bis 16 Gew.-% lag, und eine überlegene Festfressbeständigkeit wurde erhalten, wenn der Sn-Gehalt im Bereich von 8 Gew.-% bis 16 Gew.-% lag. Man beachte, dass, wenn der Sn-Gehalt 16 Gew.-% übertraf, es auch mit einer kleineren Festfressungslast zu einem Festfressen kam.
Beispiel 5
Lagermaterial-Beschichtungen wurden hergestellt, während die Menge des zugesetzten Al₂O₃-Pulvers, das als hartes Material verwendet wurde, variiert wurde, um Ermüdungstests unter Verwendung einer dynamischen Last auf den Lagermaterialen durchzuführen, wobei ein Al₂O₃-Pulver als hartes Material der Sn-haltigen Al-Pulverlegierung zugesetzt wurde. Der Ermüdungstest wurde unter Verwendung von geformten Pleuelstangen auf eine Weise durchgeführt, die der im oben beschriebenen ersten Ermüdungstest angewendeten, in dem eine dynamische Last verwendet wurde, ähnelte. Als Lagerbelastungen, die in dem Ermüdungstest angelegt wurden, wurden Lagerbelastungen, die bei 10⁷ Wiederholungen angelegt wurden, aus einer S/N-Kurve des Ermüdungstests unter Verwendung einer dynamischen Last erhalten.
9 zeigt die Beziehung zwischen den Zugabemengen des Al₂O₃-Pulvers und den Ermüdungsbeständigkeiten. In 9 werden die Lagerbelastungen, die bei 10⁷ Wiederholungen in dem Ermüdungstest angelegt werden, auf der Ordinate aufgetragen, und die Zugabemengen des Al₂O₃-Pulvers werden auf der Abszisse aufgetragen, um Ermüdungsbeständigkeiten gegen die bei 10⁷ Wiederholungen in dem Ermüdungstest angelegten Lagerbelastungen in Bezug auf variierende Zugabemengen des Al₂O₃-Pul vers darzustellen. Die Testergebnisse zeigten, dass die Ermüdungsbeständigkeit durch Zugebe von Al₂O₃-Pulver in einem Bereich von 2 Gew.-% bis 15 Gew.-% verbessert wurde. Wenn die Menge des zugesetzten Al₂O₃-Pulvers im Bereich von 3 Gew.-% bis 7 Gew.-% lag, wurde außerdem eine überlegene Ermüdungsbeständigkeit erhalten. Da das Al₂O₃-Pulver eher zur Agglomerierung neigt, wenn die Zugabemenge des Al₂O₃-Pulvers zunimmt, bewirkt eine zu hohe Zugabe des Al₂O₃-Pulvers, dass die Beschichtung leicht reißt, was zu einer Verschlechterung der Ermüdungsbeständigkeit führt.
Beispiel 6
Ein Test zur Bewertung des Einflusses auf den Grad des Verschleißes wurde für das Sn-haltige Al-Legierungspulver durchgeführt, während die Zugabemenge des Al₂O₃-Pulvers variiert wurde. Der Test wurde entsprechend dem oben beschriebenen Festfressungstest durchgeführt, der entsprechend dem Verfahren durchgeführt wurde, das von dem Mechaniktestlabor spezifiziert wurde und das in 7A bis 7E dargestellt ist. Der Grad des Lagerverschleißes wurde aus den Gewichten der Flachproben, die mit dem Legierungspulver usw., aus denen das Lagermaterial besteht, beschichtet sind, berechnet, wobei die Gewichte vor und nach dem Festfressungstest gemessen wurden. Daher ist der Grad des Lagerverschleißes ein Indikator für Änderungen des Lagerverschleißes, der im Festfressungstest zunahm.
10 zeigt die Beziehung zwischen den Zugabemengen des Al₂O₃-Pulvers und dem Grad des Lagerverschleißes. In 10 wurde der Grad des Lagerverschleißes auf der Ordinate aufgetragen, und die Zugabemengen des Al₂O₃-Pulvers wurden auf der Abszisse aufgetragen, um den Grad des Lagerverschleißes relativ zu den variierenden Zugabemengen für Al₂O₃-Pulver anzuzeigen. Der Grad des Lagerverschleißes nimmt ab, wenn die Zugabemenge des Al₂O₃-Pulvers im Bereich von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% liegt. Wenn dagegen die Zugabemenge des Al₂O₃-Pulvers 10 Gew.-% überschreitet, beginnt sogar die Welle, bei der es sich um das Gegenstück handelt, zu verschleißen, was wiederum aufgrund von Partikeln, die durch die Schleifwirkung der verschlissenen Welle entstehen, zu einem weiteren Verschleiß des Lagers führt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements, wobei das Lagermaterial auf einer Gleitfläche eines Gleitelements aufgetragen wird, das folgendes umfasst: einen Lagermaterial-Aufbringungsschritt, mit dem das Lagermaterial in einem Zustand, in dem das Lagermaterial in der Festphase gehalten wird, unter Druck gegen die Gleitfläche prallen gelassen wird, um eine Lagermaterial-Überzugsschicht zu bilden, wobei das Lagermaterial ein Sn-haltiges Legierungspulver einschließt.
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements nach Anspruch 1, wobei das Sn-haltige Legierungspulver ein Al-Legierungspulver ist, das 4 Gew.-% bis 16 Gew.-% Sn enthält, oder ein Cu-Legierungspulver, das 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% Sn enthält.
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements nach Anspruch 2, wobei das Sn-haltige Legierungspulver ein Al-Legierungspulver ist, das 8 Gew.-% bis 16 Gew.-% Sn enthält, oder ein Cu-Legierungspulver, das 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Sn enthält.
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lagermaterial ein vorgegebenes hartes Material einschließt.
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements nach Anspruch 4, wobei das vorgegebene harte Material aus mindestens einem Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die Al₂O₃, SiC, AlN, Fe/C, Mo₂C, Ni/B, Fe/Mo und Fe/P einschließt.
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements nach Anspruch 5, wobei das vorgegebene harte Material Al₂O₃ ist.
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements nach Anspruch 6, wobei der Gehalt an Al₂O₃ bei 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% liegt.
Mit einem Lagermaterial beschichtetes Gleitelement, das durch Aufbringen eines Lagermaterials auf einer Gleitfläche eines Gleitelements hergestellt wird, wobei ein mit einem Lagermaterial beschichtetes Gleitelement anhand des Verfahrens zur Herstellung eines mit einem Lagermaterial beschichteten Gleitelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wird.