CN101001966A - 烧结的滑动轴承材料、滑动轴承复合材料及其用途 - Google Patents

烧结的滑动轴承材料、滑动轴承复合材料及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种由铜合金组成的烧结滑动轴承材料，其特征为含锡10～15wt.％，含铋0.5～10wt.％，含石墨5～12wt.％，余量为铜。所述滑动轴承材料也可以被覆加在由钢和/或青铜构成的支撑材料上。所述滑动轴承材料用于径向滑动轴承、轴向滑动轴承，滑动轴承块、滑动板、关节轴承和/或轴承衬。

Description

烧结的滑动轴承材料、滑动轴承复合材料及其用途
本发明涉及由铜合金组成的烧结滑动轴承材料。本发明还涉及滑动轴承复合材料，以及该滑动轴承材料、或者更准确的说滑动轴承复合材料的用途。
在制造滑动轴承中，依照要求情况，除了其它材料，还要用到具有适当附加组分的铝合金或铜合金。为了提高嵌入性能，加入铅作为软化组分。
在滑动速度较小的无润滑运转情形下，使用含有石墨组分的铜-锡-铅合金。由于铅的毒性特点，需要在不丧失滑动轴承材料现有优点的情况下寻找其代用材料。
为了解决这个问题，对于内燃机的油润滑轴承套情形，EP0224619A1中建议，在铜合金中降低铅的含量，或者完全不用铅而使用铋来代替。在铅和铋体积含量相当的铜-铅轴承和铜-铋轴承的负载试验中，测定结果表明，铜-铋合金有利于改善性能。
因此EP0224619A1中提到，在尤其要改善耐腐蚀性能时，铋含量可为5～25wt％，另外，可以含有最多10wt％的锡，最多1wt％的铅，以及银、锑、锌、磷或者镍。
如果合金中铋含量为12-18wt％，锡含量为1～3wt％，铅含量为0.5wt％，则烧结到钢背(Stahlrücken)上的这些合金可以被浇铸或者轧制，并显示出最好的特性。如果不使用铅，铋的含量范围为12～20wt.％，锡含量为1～2wt.％。
鉴于高含量的铋和由此带来的高成本，因此人们希望在维持优异性能的条件下寻找到便宜的滑动轴承材料。
因此，本发明的目的是提供一种便宜的、烧结的铜锡铋基滑动轴承材料。
通过一种烧结的滑动轴承材料实现了这个目的，该材料的特征在于含有10～15wt.％的锡，0.5～10wt.％的铋，5～12wt.％的石墨以及余量的铜。
本发明的解决方案是基于这样一个令人惊奇的发现，即如果加入石墨组分，并且增加锡组分含量，则铋含量可以显著降低。由于锡和石墨比铋便宜，根据本发明的技术方案，滑动轴承材料的生产成本就可以显著降低。此外，也可以不使用铅，根据现有技术至少在低含量的铋组分的情况下铅是必须的。由此，得到一种较为便宜的无铅材料，该材料具有明显改善的摩擦性能。
通过降低铋组分含量和增加锡组分以及石墨组分的含量，基体含量即铜含量尽可能保持不变，这样可以带来的好处是，与已知的具有高含量铋的滑动轴承材料相比，强度保持不变。此处，锡组分的含量始终高于铋组分。
优选地，将铋组分含量控制在低于5％，即0.8wt.％至＜5wt.％。
另一优选的铋含量范围为8～10wt.％。
锡组分的含量优选为＞10wt.％至13wt.％，尤其优选为11～13wt.％。
事实表明，加入石墨后的好处在于耐摩性能仍可以因此进一步提高。
优选地，石墨组分为天然石墨。也可以使用人造石墨。
石墨优选为颗粒状，其中99％的石墨具有＜40μm的颗粒尺寸。这种石墨被称为f-石墨，其特别有利于具有该滑动轴承材料的轴瓦处于微移动时的情况。
如果处于较大范围的滑移运动时，优选使用所谓的p-石墨，其颗粒尺寸为100～600μm。优选的颗粒尺寸为100～300pm。这种石墨被称为pf-石墨。
该滑动轴承材料可以制成整体材料(Vollmaterial)。在这种情形下，该滑动轴承材料如果另外还具有助烧结剂时则比较有利。使用1～3wt.％MoS2和/或0.5～2wt.％CuP作为助烧结剂较为合适并且也是优选的。
该滑动轴承材料还可以例如被覆加于由钢或者青铜构成的支撑材料上。这种情形下涉及一种滑动轴承复合材料，其中，该滑动轴承材料在支撑材料上烧结而成。该过程中不需要在滑动轴承材料中加入助烧结剂。
优选地，该滑动轴承材料或者滑动轴承复合材料用于无润滑轴承。另外还优选应用于径向滑动轴承、轴向滑动轴承、滑动轴承块、滑动板、关节轴承和/或轴承衬。
另外优选的应用领域为海洋(off-shore)技术、能源工业、能量转化装置、水力发电、风力发电、造船、支输设备、钢铁工业(例如铸铁制造、轧制装置)、塑料加工机械、钢铁/水利工程结构、汽车工业、橡胶加工、传送技术、窑炉结构、焙烧炉结构。
以下将根据附图以举例的方式对实施方案进行描述。
其中，图1～3为耐压强度和硬度的图表，
图4～11为氧化行为的图表，
图12～15为摩擦系数、磨领度以及磨损率的图表，
图16～19为磨损度的图表。
下表1中给出了滑动轴承材料的优选组成。
表1
(所有数据均以wt％表示)。
  实施例编号   Cu   Sn   Bi   MoS2   CuP     石墨     总量
  1   77,36   12,26   1,89   2,83   0,00     5,66     100,00
  2   75,93   12,04   1,85   2,78   0,00     7,41     100,00
  3   74,55   11,82   1,82   2,73   0,00     9,09     100,00
  4   73,21   11,61   1,79   2,68   0,00     10,71     100,00
  5   78,30   12,26   1,89   1,89   0,00     5,66     100,00
  6   76,85   12,04   1,85   1,85   0,00     7,41     100,00
  7   75,45   11,82   1,82   1,82   0,00     9,09     100,00
  8   74,11   11,61   1,79   1,79   0,00     10,71     100,00
  9   78,30   12,26   2,83   0,00   0,94     5,66     100,00
  10   76,85   12,04   2,78   0,00   0,93     7,41     100,00
  11   75,45   11,82   2,73   0,00   0,91     9,09     100,00
  12   74,11   11,61   2,68   0,00   0,89     10,71     100,00
  13   79,25   12,26   1,89   0,00   0,94     5,66     100,00
  14   77,78   12,04   1,85   0,00   0,93     7,41     100,00
  15   76,36   11,82   1,82   0,00   0,91     9,09     100,00
  18   75,00   11,61   1,79   0,00   0,89     10.71     100,00
  17   79,25   12,26   0,94   0,00   1,89     5,66     100,00
  18   77,78   12,04   0,93   0,00   1,85     7,41     100,00
    19   76,36   11,82   0,91     0,00     1,82     9,09     100,00
    20   75,00   11,61   0,89     0,00     1,79     10,71     100,00
    21   71,70   12,26   8,49     1,89     0,00     5,66     100,00
    22   70,37   12,04   8,33     1,85     0,00     7,41     100,00
    23   69,09   11,82   8,18     1,82     0,00     9,09     100,00
    24   67,86   11,61   8,04     1,79     0,00     10,71     100,00
    25   71,70   12,26   9,43     0,00     0,94     5,66     100,00
    26   70,37   12,04   9,26     0,00     0,93     7,41     100,00
    27   69,09   11,82   9,09     0,00     0,91     9,09     100,00
    28   67,86   11,61   8,93     0,00     0,89     10,71     100,00
    29   77,36   12,26   4,72     0,00     0,00     5,66     100,00
    30   75,93   12,04   4,63     0,00     0,00     7,41     100,00
    31   74,55   11,82   4,55     0,00     0,00     9,09     100,00
    32   73,21   11,61   4,46     0,00     0,00     10,71     100,00
    33   80,19   12,26   0,94     0,00     0,94     5,66     100,00
    34   78,70   12,04   0,93     0,00     0,93     7,41     100,00
    35   77,78   12,04   0,93     1,85     0,00     7,41     100,00
    36   75,45   11,82   0,91     2,73     0,00     9,09     100,00
下表2中给出了具有铅的材料作为对比材料。
表2
(所有数据均以wt％表示)。
  实施例编号   Cu   Sn   Pb   MoS2   CuP     石墨     总量
  37   78,30   12,26   2,83   0,00   0,94     5,66     100,00
  38   77,78   12,04   1,85   0,00   0,93     7,41     100,00
  39   76,85   12,04   1,85   1,85   0,00     7,41     100,00
  40   74,55   11,82   1,82   2,73   0,00     9,09     100,00
对所选择的实施例进行了对比试验。
摩擦和磨损的对比试验
摆动旋转运动的摩擦学试验条件
参数：
单位载荷  10MPa
滑动速度  0.008m/s
对触材料(Gegenwerks toff)材料编号为1.2080的钢
角位移    ±17.5(每个70°周期的总角度)
测试样品  圆筒形轴套
          内径为100mm
          外径为130mm，
          长度为50mm。
磨损试验
旋转运动的摩擦学试验条件
载荷  2000N
滑动速度  0.05m/s
对触材料材料编号为C45的钢
旋转位移  360°
测试样品圆柱销  直径为20mm，
                长度为40mm。
图1～3显示了含铅合金和本发明中的合金的耐压强度和硬度。本发明中的合金的编号列在表中。对于本发明的合金各进行了四次试验。从中可清楚看出，耐压强度和硬度与含铅材料的预定值相比有所增加。
图4～11显示了两种本发明的滑动轴承材料与一种含铅滑动轴承材料的对比的氧化行为。氧化行为以长度上的变化来表征，这反之对于工作时尺寸精确度非常重要。可以看出测试材料的氧化行为相互间基本上没有差别。
图12～15为本发明中的两种滑动轴承材料与作对比的含铅材料的摩擦系数、磨损度以及磨损率。可以明显看出，以铋代替铅时材料的摩擦值稍有下降，而磨损值基本上无区别。降低铋含量时，摩擦值和磨损度均增加。
图16～19显示了磨损试验，该试验以本发明的两种滑动轴承材料中的每一种与含铅滑动轴承材料的重量损失和磨损率作对比。可以看出，在以铋代替铅时的部分情况下，试验结果表明材料显示出明显更好的摩擦值。也可以看出，铋含量降低，磨损值增加。从摩擦学的角度来看，优选的铋含量应意味为一个最佳值。

Claims (17)

1.由铜合金组成的烧结滑动轴承材料，其特征在于含有10～15wt.％的锡、0.5～10wt.％的铋、5～12wt.％的石墨以及余量为铜。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承材料，其特征在于铋组分含量为0.8wt.％到＜5wt.％。
3.根据权利要求1所述的滑动轴承材料，其特征在于铋组分的含量为8～10wt.％。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的滑动轴承材料，其特征在于锡组分的含量为＞10wt.％到13wt.％。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的滑动轴承材料，其特征在于锡组分的含量为11～13wt.％。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的滑动轴承材料，其特征在于石墨组分的含量为5.66～10.71wt.％。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的滑动轴承材料，其特征在于石墨为天然石墨。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的滑动轴承材料，其特征在于石墨为人造石墨。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的滑动轴承材料，其特征在于占99％的石墨的颗粒尺寸为＜40μm。
10.根据权利要求1～8中任一项所述的滑动轴承材料，其特征在于石墨的颗粒尺寸为100～600μm。
11.根据权利要求10所述的滑动轴承材料，其特征在于石墨的颗粒尺寸为100～300μm。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的滑动轴承材料，其特征在于其另外加有助烧结剂。
13.根据权利要求12所述的滑动轴承材料，其特征在于其含有1～3wt.％的MoS2和/或0.5～2wt.％的CuP作为助烧结剂。
14.滑动轴承复合材料，其特征在于具有由钢和/或青铜构成的支撑材料，在该支撑材料上烧结根据权利要求1～13中任一项所述的滑动轴承材料。
15.由10～15wt.％的锡、0.5～10wt.％的铋、5～12wt.％的石墨以及余量为铜组成的烧结滑动轴承材料在无润滑轴承中的应用。
16.滑动轴承复合材料在无润滑轴承中的应用，其中，在由钢和/或青铜构成的支撑材料上烧结由10～15wt.％的锡、0.5～10wt.％的铋、5～12wt.％的石墨以及余量为铜组成的滑动轴承材料。
17.根据权利要求15或16所述的应用，该应用为用于径向滑动轴承、轴向滑动轴承、滑动轴承块、滑动板、关节轴承和/或轴承衬。
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