SK286396B6 - Kompozitný vrstvený materiál na klzné súčasti a spôsob jeho výroby - Google Patents

Abstract

Opisuje sa spôsob výroby kompozitných vrstvených materiálov, ktoré majú počas svojej celkovej životnosti optimálne vlastnosti. Kompozitný vrstvený materiál má nosnú vrstvu, vrstvu ložiskového kovu, medzivrstvu a galvanicky nanesenú klznú vrstvu, ktorá má od svojho povrchu v smere k ložiskovému kovuplynule narastajúcu tvrdosť. Spôsob predpokladá, že ako klzná vrstva sa vylučuje zliatina neobsahujúca olovo aspoň s jednou tvrdou a jednou mäkkou zložkou, pričom sa prúdová hustota počas vylučovacieho procesu mení v rozmedzí od 0,3 do 20 A/dm2 a/alebo sa teplota galvanického kúpeľa mení v rozmedzíod 15 °C do 80 °C.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu výroby kompozitného vrstveného materiálu na klzné súčasti, pri ktorom sa na nosnú vrstvu nanáša vrstva ložiskového kovu, ako aj medzivrstva, a na medzivrstve sa galvanický vylučuje klzná vrstva. Vynález sa tiež vzťahuje na príslušný kompozitný vrstvený materiál na klzné súčasti.

Doterajší stav techniky

Známe kompozitné vrstvené materiály pozostávajú zo stabilnej nosnej vrstvy, spravidla z ocele, s vrstvou ložiskového kovu vytvorenou pomocou liatia, spekania alebo navalcovania, ktorá sa spravidla zhotovuje na báze medi alebo hliníka, a z klznej vrstvy, napríklad zo zliatiny olovo - zinok - meď, ktorá je na nej vylúčená. Väčšinou je medzi klznou vrstvou a ložiskovým kovom usporiadaná difúzna izolačná vrstva, napríklad z niklu. Takéto kompozitné vrstvené materiály sú napríklad známe zo spisu DE-PS 830 269.

Klzná vrstva preberá multifunkčnú úlohu. Môže škodlivosť tvrdých, abrazívne pôsobiacich častíc obmedzovať ich zaliatím, a počas nábehovej fázy slúži na prispôsobovanie hriadeľa. Preberá pre ložiskový kov funkciu istej ochrany proti korózii, a má vlastnosti vhodné na núdzový chod vplyvom nedostatku oleja.

Cyklus životnosti klznej vrstvy pozostáva z nasledujúcich fáz:

- nábehová fáza s vyšším opotrebením,

- fáza trvalého chodu s konštantnou nižšou mierou opotrebenia,

- fáza po dosiahnutí totálneho opotrebenia vrstvy so zvýšenou citlivosťou proti zadreniu.

Tvrdosť obvyklých klzných vrstiev je kompromisom medzi schopnosťou zaliatia, prípadne správaním sa pri núdzovom chode, to znamená malou tvrdosťou vrstvy, a odolnosťou proti opotrebeniu, to znamená vyššou tvrdosťou vrstvy.

S cieľom optimalizovať výkonnosť klzných vrstiev sa napríklad vyvinula špeciálna štruktúra, ktorá je vytvorená zo striedajúcich sa vrstiev mäkšieho materiálu s vrstvami tvrdšieho materiálu. Taká klzná vrstva je napríklad známa zo spisu DE 39 36 498 Al. V galvanickom kúpeli sa nastavuje elektrický prúd s hustotou 0-80 A/dm² a napätie v rozsahu -1,5 až +0,5 V. Z kúpeľa olovo -zinok - meď sa vylučujú striedajúce sa vrstvy z CuSnPb, teda mäkké vrstvy, a Cu alebo CuSn, teda tvrdé vrstvy. Vylučovanie sa realizuje zmenou parametrov vylučovania z jediného kúpeľa obsahujúceho fluoroboritan.

Toto usporiadanie vrstiev, ktoré môže zahrnovať až viac než 100 vrstiev, pričom jednotlivé vrstvy majú hrúbku len niekoľkých pm, má priťažujúcu nevýhodu v tom, že dochádza k interdifúzii medi a cínu, takže vznikajú krehké intermetalické fázy, ktoré majú nepriaznivé tribologické vlastnosti, a okrem toho majú sklon ku krehkému lomu.

Zo spisu DE 41 03 117 C2 je známy spôsob výroby klzných prvkov s klznou vrstvou z temámej alebo binárnej zliatiny z cínového ložiskového kovu, ktorý spočíva na difúznom žíhaní. Tento spôsob však má tú nevýhodu, že sa koncentrácia mäkkých zložiek, prípadne tvrdých zložiek, nemôže ľubovoľne cez hrúbku vrstvy striedať, pretože sa na základe difúzneho zákona vždy nastaví rozdelenie koncentrácie zodpovedajúce e -

- funkcii. Najmä pri strmo klesajúcej e - funkcii už v nižšie ležiacej oblasti klznej vrstvy nedôjde k vôbec žiadnej zmene tvrdosti. Ďalšia nevýhoda spočíva v tom, že po galvanickom vylučovaní klznej vrstvy je potrebný ďalší spôsobový krok na nastavenie gradientu koncentrácie.

Úlohou vynálezu je poskytnúť spôsob, s ktorým je možné vytvoriť kompozitný vrstvený materiál, ktorý má počas svojej celkovej životnosti optimálne vlastnosti.

Podstata vy nálezu

Vynález vychádza z poznatku, že optimálne vlastnosti sa vyskytujú najmä vtedy, ak má klzná vrstva počas životnosti klzného prvku, vyrobeného z kompozitného vrstveného materiálu, vždy optimálnu tvrdosť. Toto sa dosiahne tým, že pri kompozitnom vrstvenom materiáli podľa vynálezu má klzná vrstva tvrdosť, ktorá od jej povrchu v smere k ložiskovému kovu plynulé narastá.

Klzná vrstva a teda kompozitný vrstvený materiál podľa vynálezu majú tvrdosť vrstvy, ktorá je prispôsobená príslušnej prevádzkovej fáze: malú tvrdosť počas nábehovej fázy a vzrastajúcu tvrdosť počas fázy trvalého chodu, takže sa tým môže celkove značne zvýšiť životnosť. V protiklade k obvyklým klzným vrstvám mohla byť životnosť zvýšená o faktor 1,5 až 2.

Takáto klzná vrstva vyžaduje spôsob, ktorým môže byť tvrdosť cez klznú vrstvu cielene nastavovaná.

Úloha sa pomocou spôsobu rieši tým, že ako klzná vrstva sa vylučuje bezolovnatá zliatina aspoň s jednou tvrdou a jednou mäkkou zložkou, pričom prúdová hustota sa počas vylučovacieho procesu mení v rozmedzí 0,3 - 20 A/dm² a/alebo sa mení teplota galvanického kúpeľa v rozmedzí 15 °C až 80 °C.

Spôsob podľa vynálezu zahrnuje viac alternatív.

Podľa prvého spôsobového variantu sa pracuje s konštantnou teplotou a počas vylučovacieho procesu sa mení prúdová hustota, výhodne sa zvyšuje. To má za následok, že s narastajúcou prúdovou hustotou sa uprednostňuje vylučovanie mäkkej zložky, čo vedie k zväčšenému podielu mäkkej zložky v klznej vrstve.

Podľa druhého spôsobového variantu sa prúdová hustota nastaví na vopred danú hodnotu a mení sa teplota. Ukázalo sa, že korelácia medzi teplotou a vylučovacím správaním sa tvrdej a mäkkej zložky spočíva v spôsobe, že sa s narastajúcou teplotou napomáha vylučovaniu tvrdej zložky. Aby sa nastavili požadované gradienty tvrdosti, je podľa prvého príkladu uskutočnenia tohto druhého spôsobového variantu žiaduce počas vylučovania teplotu znižovať z vysokej hodnoty. To znamená, že sa galvanický kúpeľ musí ochladzovať.

Pretože je z technického hľadiska ohrievanie galvanického kúpeľa jednoduchšie uskutočniteľné, podľa druhého príkladu uskutočnenia tohto druhého spôsobového variantu sa do galvanického kúpeľa výhodne pridáva polarizátor. Ukázalo sa, že na tento účel je vhodná prísada na báze nenasýtenej karboxylovej kyseliny. Výhodne obsahuje polarizátor cca 30 % karboxylovej kyseliny a až jednu tretinu arylpolyglykoléteru a/alebo alkylpolyglykoléteru, pričom zvyšok pozostáva z vody. Táto prísada sa výhodne pridáva v množstvách až 10 %, vztiahnuté na celkové množstvo galvanického kúpeľa.

Táto prísada, označovaná ako polarizátor, spôsobuje zmenu potenciálu tvrdšej zložky s dôsledkom, že s pribúdajúcou teplotou sa vylučovanie tvrdšej zložky zmenšuje.

Varianty spôsobov môžu byť spolu tiež kombinované tým, že sa tak prúdová hustota, ako aj teplota počas vylučovacieho procesu mení.

Spôsob poskytuje výhodu, že vytváranie vrstvy s príslušnými klznými vlastnosťami je možné pomocou galvanického vylučovania z jediného kúpeľa. Použitie viacerých galvanických kúpeľov, napríklad s rôznou teplotou, nie je vylúčené.

Prúdová hustota a/alebo teplota sa môžu meniť stupňovité, takže sa štruktúra vrstvy nastavuje počas galvanický vylučovanej klznej vrstvy. Ukázalo sa však, že vzhľadom na klzné vlastnosti nie sú skokové zmeny v tvrdosti vždy výhodou. Prednosť sa preto dáva plynulej zmene tvrdosti, to znamená gradientu tvrdosti. Podľa toho sa prúdová hustota a/alebo teplota výhodne mení plynulé.

Výhodne sa prúdová hustota zvyšuje s rýchlosťou zmeny od 0,1 až do 0,5 A/(dm² min.).

Teplota sa výhodne mení s rýchlosťou od 1 až do 5 °C/min.

Rozsah prúdovej hustoty, ktorým sa počas vylučovania prechádza, sa riadi podľa použitej zliatiny. Ak sa vylučuje binárna zliatina z cínu a medi, tak sa prúdová hustota výhodne mení v rozsahu 0,5 -10 A/dm². Ako binárne zliatiny prichádzajú do úvahy predovšetkým CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi alebo SnAg.

Vylučovanie sa výhodne realizuje z galvanizačného kúpeľa neobsahujúceho fluoroboritan.

Pomocou spôsobu podľa vynálezu je možné vzrastovo nastavovať tvrdosť klznej vrstvy v rozsahu od 10 HV až do 150 HV.

Zloženie kúpeľa je zvolené tak, aby mohli byť vylučované zliatiny s väčšou alebo menšou tvrdosťou.

Podiel tvrdej zložky výhodne narastá od povrchu klznej vrstvy v smere k vrstve ložiskového kovu z 1 hmotnostného % na 20 hmotnostných %. Zliatina klznej vrstvy môže doplnkovo obsahovať ešte 0,1 hmotnostných % až 5 hmotnostných % niklu a/alebo kobaltu. Táto prísada pôsobí v binárnom systéme na stabilizáciu difúzie.

Medzivrstva slúži ako bariéra pre difúziu, ako sprostredkovateľ priľnavosti, a na zlepšenie odolnosti proti opotrebeniu a únave. Pozostáva výhodne z niklu, SnNi, Ni + SnNi, teda dvoch vrstiev, Co alebo Fe. Podiel cínu vo vrstve zliatiny SnNi je výhodne 65 až 75 %.

Medzivrstva môže byť tiež vylučovaná galvanický alebo bez prítomnosti prúdu, takzvane autokatalyticky. Vrstva ložiskového kovu môže byť vytvorená spekaním alebo liatím.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1: Klzná vrstva SnCu

Boli galvanický vytvorené klzné vrstvy na substráte z oloveného bronzu s medzivrstvou z niklu.

Zloženie mohlo byť nastavované v oblasti cínu s podielmi medi od 1 do 20 %. Podiel medi plynulé narastal od povrchu vrstvy až k ložiskovému kovu. Priebeh tvrdosti zodpovedal tomuto priebehu koncentrácie Cu a poskytol 10 HV na povrchu klznej vrstvy a až 80 HV v blízkosti ložiskového kovu.

Vrstva bola vylučovaná z kúpeľa kyseliny metánsulfónovej s metánsulfonátom cínu a medi, ako aj s prísadami organických zmáčacích a leštiacich prostriedkov. Hrúbka klznej vrstvy mohla byť nastavovaná v rozsahu medzi 8 a 50 μπι.

Vytváranie profilu koncentrácie medi sa darilo vplyvom vylučovania pri prúdových hustotách od 3 do 5 A/dm², s doplnkovou zmenou teploty kúpeľa v rozsahu od 20 °C do 60 °C.

Príklad 2: Klzná vrstva SnAg Vylučovanie na ložiskovom kove CuSn s medzivrstvou z Ni.

Klzná vrstva bola vylučovaná z kúpeľa cín - striebro kyseliny metánsulfónovej, s podielmi striebra od 1 do 20 %.

Gradient koncentrácie striebra od povrchu klznej vrstvy k ložiskovému kovu mohol byť vytváraný zmenou prúdovej hustoty od 0,3 do 10 A/dm². Tvrdosť klznej vrstvy ležala medzi 10 HV pre povrch bohatý na cín, a až 150 HV pre fázu bohatú na striebro.

Claims (18)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob výroby kompozitného vrstveného materiálu na klzné súčasti, pri ktorom sa na nosnú vrstvu nanáša vrstva ložiskového kovu, ako aj medzivrstva, a na medzivrstve sa galvanický vylučuje klzná vrstva, vyznačujúci sa tým, že ako klzná vrstva sa vylučuje zliatina neobsahujúca olovo, aspoň s jednou tvrdou a jednou mäkkou zložkou, pričom sa prúdová hustota počas vylučovacieho procesu mení v rozmedzí od 0,3 do 20 A/dm² a/alebo sa teplota galvanického kúpeľa mení v rozmedzí od 15 °C do 80 °C.

   a
2. 2. Spôsob podľa nároku 1, dová hustota.
3. 3. Spôsob podľa nároku 1, žuje teplota.
4. 4. Spôsob podľa nároku 1, vyzn vyzn čujú tým, tým, tým, larizátor, že sa nemení prúdová hustota a že sa zvyšuje teplota.
5. 5. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým tenej karboxylovej kyseliny.
6. 6. Spôsob podľa nároku 4 alebo 5, vyznačujúci sa štve až do 10 %.

   že sa nemení teplota a že sa zvyšuje prúže sa nemení prúdová hustota a že sa zniže sa do galvanického kúpeľa pridáva pože sa pridáva polarizátor na báze nenasýtým, že sa polarizátor pridáva v množ-
7. 7. Spôsob podľa niektorého z nárokov laž 6, vyznačujúci sa tým, že sa prúdová hustota a/alebo teplota plynulé mení.
8. 8. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že sa zvyšuje prúdová hustota s rýchlosťou zmeny 0,1 až 0,5 A/(dm² min.).
9. 9. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 8, vyznačujúci sa tým, že sa teploty menia s rýchlosťou 1 °C až 5 °C/min.
10. 10. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 9, vyznačujúci sa tým, že sa vylučuje binárna zliatina z cínu a medi, pričom sa prúdová hustota zvyšuje v rozsahu od 0,5 do 10 A/dm².
11. 11. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 10, v y z n a č u j ú c i sa tým, že sa vylučuje binárna zliatina z CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi alebo SnAg.
12. 12. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 11, vyznačujúci sa tým, že sa používa galvanizačný kúpeľ neobsahujúci fluoroboritan.
13. 13. Kompozitný vrstvený materiál na klzné súčasti s nosnou vrstvou, vrstvou ložiskového kovu, medzivrstvou a galvanický nanesenou klznou vrstvou, vyznačujúci sa tým, že klzná vrstva má tvrdosť plynulo narastajúcu od jej povrchu v smere k vrstve ložiskového kovu.
14. 14. Kompozitný vrstvený materiál podľa nároku 13, vyznačujúci sa tým, že medzivrstva pozostáva z Ni, Ni + SnNi, Co alebo Fe, pričom zliatina SnNi obsahuje 65 až 75 % Sn.
15. 15. Kompozitný vrstvený materiál podľa nároku 13 alebo 14, vyznačujúci sa tým, že tvrdosť sa zvyšuje v rozsahu od 10 H V na 150 H V.
16. 16. Kompozitný vrstvený materiál podľa niektorého z nárokov 13 až 15, vyznačujúci sa tým, že klzná vrstva pozostáva z binárnej zliatiny neobsahujúcej olovo, s mäkkou a tvrdou zložkou, ako je CuAg, AgCu, SnCu, CuSn, SnBi alebo SnAg.
17. 17. Kompozitný vrstvený materiál podľa niektorého z nárokov 13 až 16, vyznačujúci sa tým, že sa podiel tvrdej zložky zvyšuje od povrchu klznej vrstvy v smere k vrstve ložiskového kovu od 1 hmotnostného % na 20 hmotnostných %.
18. 18. Kompozitný vrstvený materiál podľa niektorého z nárokov 13 až 17, vyznačujúci sa tým, že zliatina obsahuje 0,1 hmotnostných % až 5 hmotnostných % niklu a/alebo kobaltu.

    Koniec dokumentu