CN101421526A - 滑动轴承，制造方法以及这种滑动轴承的用途 - Google Patents
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Abstract
在一种滑动轴承的情况下，该滑动轴承包括一个轴承套(24)的至少一个由一种含铁的基础材料构成的支撑部分(25)，该轴承套在滚道侧设有由涂覆材料构成的涂层(8，26)，该涂层作为熔融的层构造和与基础材料通过一个含有FeSn2的连接区(9)冶金地连接，通过使含有FeSn2的连接区(9)的厚度最大为10μm而实现高的寿命。
Description
按照一个第一发明构思，本发明涉及一种滑动轴承，它包括由一种含铁的基础材料构成的支撑部分/轴承套，该支撑部分在滚道侧设有一种至少由涂覆材料构成的涂层，该涂层与基础材料通过一个含有FeSn2的连接区冶金地连接。
另一个发明构思涉及这种滑动轴承的一种制造方法，其中一个由一种含铁的基础材料构成的支撑部分/构成的轴承套在滚道侧设有一个具有至少一层的、至少部分地由轴承合金构成的涂层，其中至少与支撑部分/轴承套相邻的层由一种含有Sn的材料，优选巴氏合金(Weiβmetall)构成，要涂层的表面在固定的形状下供给和熔在基础材料上。
另一个发明构思包含这种滑动轴承的一种优选的用途。
由WO00/23718已知一种开头所述类型的滑动轴承以及一种方法。按照该已知的建议，由巴氏合金构成的涂层被合金结合到由一种钢铁材料(黑色金属)构成的支撑部分/轴承套上。合金的形成需要液体合金组分的存在。为此必须相应地在涂覆过程中释放如此多的热量，使得不仅巴氏合金熔化，而且在支撑部分的滚道侧的上侧面上产生一个由熔融的基础材料构成的熔融金属。这样产生的巴氏合金和钢铁材料的熔液可以相互一起制成合金，其中在大的范围中形成FeSn2。在情况下相应地形成一个比较厚的连接区，它主要由FeSn2构成。该连接区虽然产生一种在基础材料和涂层之间的良好的冶金的连接。但是FeSn2是一种非常脆的材料，从而当公知的轴承装置受到较小的负载下就已经可能形成裂缝和产生脆性断裂。此外在不利的冷却情况下可以发生接近涂层的钢铁材料转变成马氏体，它也是非常脆的，由此前述缺陷被进一步加重。在公知的装置中，由于在一个比较厚的中间区域中的高的脆性和低的延伸能力而产生一个比较短的寿命。
还已知将由巴氏合金构成的涂层按照离心铸造法涂覆到支撑部分/轴套上。此时虽然不形成由熔融的基础材料构成的熔融金属。但是在按照离心铸造法涂覆的巴氏合金的凝固期间可以产生合金组分的分离，其中首先是由Cu6Sn5构成的、针状晶体和然后是由SbSn构成的立方体形的晶体析出和最后剩余的、富含锡的基层凝固。Cu6Sn5的密度大于较长的液态基层的密度，SbSn的密度小于较长的液态基层的密度。Cu6Sn5晶体相应地沿径向向外迁移和由此弱化，将巴氏合金涂层连接到基础材料上的那个区域，这会对寿命产生不利影响。由此在外部的区域中形成分布不均匀的浓度。
由此出发，因此本发明的任务是在避免已知装置的缺陷的条件下对开头所述类型的滑动轴承进行改进从而到达一个高的寿命。
本发明的其它任务在于提供一种用于制造按照本发明的滑动轴承的简单的和成本有利的方法以及在于提供一种按照本发明的滑动轴承的优选的用途。
涉及滑动轴承的任务将结合这种类型的滑动轴承由此解决，即含有FeSn2的连接区的厚度最大为10μm(微米)。
由于由FeSn2构成的连接区没有被完全地抑制，而是在一个很小的范围上是允许的，因此以有利的方式形成涂层在支撑部分/轴承套的含铁的基础材料上的一种良好的冶金的连接和由此得到一种高的粘附强度。另一方面由于由脆的FeSn2构成的连接区的厚度很小而保证了按照本发明的滑动轴承的可变形能量总体上不会由此受到值得注意的负面影响，从而保证了抗脆断和形成裂纹的足够高的强度。
涉及方法的任务将结合这种类型的方法由此解决，即用于熔融涂层的至少第一层而对要被涂层的表面和对向该表面供给的涂覆材料进行的能量传递，例如热量如激光或等离子转移弧(PTA)或通过冷气体喷射是这样地进行控制的，使得只有供给的涂覆材料被完全地熔化，但是基础材料完全保持凝固状态。
这些措施以有利的方式产生一种至基础材料中的如此小的热量输入，使得在要被涂层的表面上不形成由熔融的基础材料构成的熔融金属，而是涂覆材料熔融在一个固态的金属下层上，其中由于存在的热量而开始进行一种扩散，该扩散保证涂层在基础材料上的希望的冶金的连接。与基础材料的加热相关的扩散深度此时可以以简单的方式如此地控制，使得在此作为扩散的结果获得的连接区位于希望的最大为10μm，优选为0.5至5μm的极限值之内。同时可以避免在基础材料的区域中形成马氏体以及不均匀的晶体分布和在涂层的区域中的粗糙的晶体化结构。按照本发明的方法的另一个优点在于，在此有毒的轴承合金，如例如镉，可以通过环境可以承受的元素替代，如例如银(Ag)，锌(Zn)或类似物。由于以有利的方式不需要添加物，因此可以使用尤其是简单的巴氏合金来形成涂层，它仅仅含有锡，锑和铜和因此可以成本有利地获得。
这种滑动轴承的一种用途是在冶金技术/冶金工业中，例如在轧机机座，压力机等等情况下，特别是在轧辊如工作轧辊，中间轧辊，支撑轧辊的支承装置情况下，用于加工金属的和非金属的带材、板材和型材的轧机机座的轴承中，因为在此长的寿命尤其节省高的费用。其中该轴承或多个轴承例如作为封闭的结构型式的金属滑动轴承，流体动力的滑动轴承，例如轧辊轴承，或流体静力的轴承进行构造。
一种扩展方案规定，将粉末或线材供给到轴承的内周面上的预定的不同的区上，用于产生具有不同的特性的轴承面。由此实现，最小的蠕变，污物的嵌入和边缘负荷的避免。优选对不同地区使用不同的轴承合金以便获得不同的特性。
这些上位的措施的有利的实施例和符合目的的扩展方案在从属权利要求中给出。
有利地，基础材料的要被涂层的表面可以在涂覆之前进行清洁处理和/或打毛。由此有利于希望的扩散和与此相应地有利于形成通过扩散获得的连接区。此外打毛处理防止光束或辐射的反射，其方便了对基础材料中的能量输入的控制。
另一个符合目的的措施可以在于将多个层涂覆材料相互上下地熔融在一起。由此保证需要的能量流保持尽可能得小，但是可以到达一种较大的涂层厚度。这些层可以由相同的或不同的材料构成，其使得轴承特性可以与特殊情况的条件相匹配。
此外符合目的是涂覆多个由涂覆材料构成的具有不同的轴承合金的层，以获得不同的特性。
另一个有利的实施例规定，对涂覆材料预定一种这样的厚度，使得由于轴承负荷产生的剪切应力的最大值位于连接区之外和位于涂层之内。由此达到在本性上脆的连接层中避免剪切应力的最大值。
符合目的地，涂覆材料以相互相接的履带的形式涂覆到基础材料上，这有利于对能量输入的简单的控制。由此可以简单地借助于另一次能量输入弄平产生的不平度，这方便了机械的再加工。
上位的措施的其它有利的实施例和和符合目的的扩展方案在其余的从属权利要求中给出和可以由对照附图1至3的以下的示例描述中更详细地获得。
在以下描述的附图中示出：
图1是一个轧机机座的轧辊的轧辊轴承的剖面图；
图2是通过一个滑动轴承的具有双层的轴承合金涂层的支撑部分/轴承套的示意剖面图；和
图3是一种用于对滑动轴承的支撑部分/轴承套涂覆轴承合金的装置。
本发明的主要应用领域是用于在冶金工业或轧钢业中的轧机机座的轧辊的轴承或也包括压力机的轴承。这种装置的结构和工作方式本身是已知的。
在图1中示出了一个用于轧制金属板材，带材和型材的轧机机座的轧辊21的滑动轴承20的剖面图。此时轧辊21的轧辊轴颈22借助于轴承套24设置在安装件23中。轴承套24的支撑部分25设有涂层26。涂层26由轴承合金，尤其是巴氏合金构成，它具有良好的自润滑性能。
轴承套24在滚道侧，即在径向内部的表面上，具有一个一层或多层的涂层26。轴承套24由一种含铁的材料构成，一般地由钢构成。涂层26至少在径向外部的，与轴承套24相邻的区域中由构成一种含Sn的、与轴承套24形成良好连接的材料构成和至少径向向内地由一种具有良好的自润滑性能的材料构成。巴氏合金适合于这两种材料。在实际中锡合金被称为巴氏合金。
在此处应用于形成涂层8，26的巴氏合金可以涉及简单的巴氏合金，它仅仅含有锡(Sn)，锑(Sb)和铜(Cu)和不含有毒的添加物，如镉，其可以通过可以使环境持续发展的元素如例如银(Ag)，锌(Zn)或类似物替代。
形成涂层8，26的材料以一层或多层的形式熔融在轴承套24的由钢构成的支撑部分25的径向内部的表面上。此时在轴承套24的支撑部分25的含铁的基础材料和涂层26的材料之间的边界区域中形成一个在图2中通过虚线表示的连接区9，它基本上由FeSn2构成，其中铁源自于基础材料和锡源自于涂覆材料。为此当涂层至少在其径向外部的、与支撑部分25相邻的区域中由含锡的材料构成时就足够了。
FeSn2证明是非常脆的材料，其可能不利地影响轴承套24的寿命。但是另一方面需要连接区9，以便获得涂覆材料在含铁的基础材料上的可靠的冶金的连接。
通过广泛的试验确定，在由FeSn2构成的连接区9的厚度为最大10μm(10微米)时不仅可以实现一种涂覆材料在含铁的基础材料上的良好的冶金的连接，而且也可以实现被涂层的轴承套24的一种足够的可变形能量和因此达到一种可以接受的寿命。试验还表明，连接区9的厚度为0.5至5μm(0.5至5微米)时就已经达到一种足够的冶金的连接，其中可变形能量特别地好。
因此涂覆材料的熔融这样地进行，使得连接区9不厚于10μm，优选不厚于0.5至5μm。为此熔融过程这样地实施，使得连接区9不通过将参与的金属制成合金而形成，而是通过一种扩散过程。该扩散过程通过合适的施热被这样地控制，使得扩散深度最大为10μm，优选最大为0.5至5μm。
为此，用于在轴承套24的支撑部分25的含铁的基础材料上熔融涂覆材料的能量被这样地控制，使得在轴承套24的支撑部分25的要被涂层的表面上不产生由熔融的基础材料构成的熔融金属，而是基础材料完全地保持在凝固状态和只有涂覆材料被熔融。
在含铁的基础材料上熔融涂覆材料优选使用基于图3的装置。该装置包括加热装置10和供给组件11。加热装置10产生激光束12，它大致垂直于轴承套24的支撑部分25的要被涂层的表面地定向。供给组件11相对于激光束12的轴线倾斜。倾斜角可以优选为30°。借助于供给组件11涂覆材料固态下这样地供给到要被涂层的表面上，使得它被激光束12击中。
要被供给的涂覆材料可以为粉末的形式或为圆形的或角形的线材的形式。在所示的示例中，涂覆材料以线材13的形式供给。供给组件11与此相应地构造成进给组件。在使用涂覆材料粉末的情况下供给组件11构造成风嘴，它产生一种粉末流。符合目的地，涂覆材料在直到凝固之前被施加保护气体，如图3中通过流动箭头14所示。有利地，保护气体可以通过供给组件11供给，供给组件配有合适的供给接头15。
加热装置10和供给组件11在所示的示例中安装在一个公共的工作头16上。该工作头这样地设置，使得为了实施涂覆过程可以在工作头16和轴承套24的要被涂层的支撑部分25之间产生一个通过箭头17表示的相对运动。此时在工作头16和要被涂层的支撑部分25之间的相对速度以及由供给组件11实现的涂覆材料供给量以及由激光束12实现的、对要被涂层的表面供给的涂覆材料中以及对轴承套24的支撑部分25的要被涂层的表面中的能量输入是这样地相互相对地进行调准，使得涂覆材料完全地熔化，但是在要被涂层的表面上不存在由熔融的基础材料构成的熔融金属，而是以希望的扩散深度开始进行一个扩散过程。
符合目的地，在工作头16和要被涂层的表面之间的相对运动这样地进行，使得要被涂层的表面由工作头16成行形式地驶过。在所示的示例中，工作头16为此安装在一个可以相应地运动的臂上18。由于成行形式的运动，涂覆材料被以平行的履带的形式涂覆到要被涂层的表面上。由此形成的波浪形的上侧面可以通过一个在图3中通过虚线表示的第二激光束19弄平。为此需要的加热装置10也可以安装在工作头16上。但是也可以设想，为了产生激光束12和19设置一个公共的加热装置。同样可以设想，取消第二激光束和所述弄平在一个第二行程中在不供给涂覆材料下借助于激光束12来实现。作为激光源尤其优选这样的可以很好地控制的激光源，如YAG、CO2或二极管激光器，尤其是纤维耦合的二极管激光器。激光源的容易的可控制性便于精确地定量配给对支撑部分7，25的能量输入，CO2和二极管激光器在此证明是特别合适的。
符合目的地，涂覆材料以薄的层的形式进行涂覆，这便于控制对热量的输入。但是为了实现涂层的较大的总厚度，可以相互相继地涂覆多个层，如图2中通过相互上下涂覆的层8a，8b所表示的那样。此时可以此时相互交叉的履带。在每种情况下最上面的层被按照前述方式弄平，其便于随后的机械的再加工。层8a和8b可以由相同的材料或不同的材料构成。在每种情况下，下面的层，亦即径向外部的层由含锡的材料如巴氏合金构成，用于形成FeSn2区。
在涂覆过程开始之前，对轴承套的要被涂层的表面进行清洁和优选同时进行打毛。这种打毛防止激光束12产生值得注意的反射，其也便于控制能量输入。
由于借助于能量输入仅仅进行小面积的热量施加，熔融的涂覆材料比较快速地冷却。因此在涂层熔液冷却时形成的、具有不同的密度的晶体不会开始进行形式为Cu6Sn5晶体和SbSn晶体的重力分离。相应地，在涂层8，26之内实现该晶体的一种在整个厚度上均匀的分布和相对地一种非常均匀的材料结构。优选此时这样地构造该晶体，使得它们小于或等于5μm和优选是球状构造的。被涂层的支撑部分7，25的冷却可以这样地进行，即在轴承套24的支撑部分7，25的含铁的基础材料中不进行马氏体转变，从而基础材料在它的接纳涂层的表面区域中也没有马氏体。
除了在图3所示的实施例中作为加热装置使用的激光源外，当然也可以采用其它的产生热斑的加热装置。一种优选的实施例可以在于设置一种感应线圈以形成加热装置，对该感应线圈施加可以相对简单地控制的电流。此时因此可以对输入支撑部分的基础材料中的热量进行精确配量。
另一种方法规定，涂覆材料借助于冷气体喷射进行涂覆。这种方法的优点是，粉末形状的和由此作为粉末颗粒呈现的涂覆材料在冷气体喷射情况下在气体射流中被加速到高的速度，其中粉末颗粒在气体射流中不被熔化。只有在碰到支撑部分的基础材料上时，才以高的动能形成涂层。
Claims (32)
1.滑动轴承，包括至少一个由一种含铁的基础材料构成的轴承套(24)，该轴承套在滚道侧设有由涂覆材料构成的涂层(8，26)，该涂层与基础材料通过一个含有FeSn2的连接区(9)冶金地连接，其特征在于，含有FeSn2的连接区(9)的厚度最大为10μm。
2.按照权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，含有FeSn2的连接区(9)的厚度最大为0.5至5μm。
3.按照权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，连接区(9)的厚度对应于一个熔融在含铁的基础材料上的含有Sn的层，优选巴氏合金层的扩散深度。
4.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，轴承套(24)的基础材料至少在它的接纳涂层(26)的区域中没有马氏体。
5.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，涂层(8，26)在其厚度上具有一种均匀的结构，尤其是一种细小的晶体化结构以及Cu6Sn5晶体和SbSn晶体的均匀的分布。
6.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，包含在涂层(8，26)中的晶体小于或等于5μm和优选是球状构造的。
7.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，形成涂层(8，26)的轴承合金，尤其是巴氏合金，不含有毒的元素，如镉或类似物，。
8.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，涂层(8，26)包含多个相互上下设置的层(8a，8b)。
9.按照权利要求8所述的滑动轴承，其特征在于，涂层(8，26)的这些层(8a，8b)至少部分地由不同的材料构成。
10.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，形成涂层的轴承合金只含有锡(Sn)，锑(Sb)，和铜(Cu)。
11.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承1至10，其特征在于，形成涂层的轴承合金，尤其是巴氏合金，此外含有无毒的元素如银(Ag)，锌(Zn)或类似物。
12.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，支撑部分(25)由钢构成。
13.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，轴承套(24)在其径向内部的一侧上具有由轴承合金，尤其是巴氏合金，构成的涂层(26)。
14.按照权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，该滑动轴承作为流体动力的滑动轴承构造。
15.按照权利要求中之一所述的滑动轴承，其特征在于，滑动轴承作为流体静力的滑动轴承构造。
16.用于制造按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承的方法，其中至少一个由一种含铁的基础材料构成的轴承套(24)在滚道侧设置具有至少一个层(8a，8b)的、至少部分地由轴承合金构成的涂层(26)，其中至少与轴承套(24)相邻的层(8a)与由含有Sn的材料，优选巴氏合金构成，该材料以固态的形式供给到要被涂层的表面上和熔融在含铁的基础材料上，其特征在于，为了熔融涂层(26)的至少第一层(8a)而对要被涂层的表面和对向该表面供给的涂覆材料所实施的能量的传递是这样地进行控制的，使得只有涂覆材料完全地熔化而含铁的基础材料完全地保持在凝固状态。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，借助于一种扩散过程在涂层(8，26)和基础材料之间的边界区域中产生含有FeSn2的连接区(9)。
18.按照前述权利要求16或17中之一所述的方法，其特征在于，基础材料的要被涂层的表面在涂覆之前进行清洁处理和/或打毛。
19.按照前述权利要求16至18中之一所述的方法，其特征在于，轴承合金，尤其是巴氏合金，作为粉末和/或作为圆形的或角形的线材和/或作为圆形的或角形的带材向要被涂层的表面进行供给。
20.按照前述权利要求16至19中之一所述的方法，其特征在于，对涂覆材料设定一种厚度，使得由于轴承负载产生的剪切应力的最大值处于连接区(9)之外和涂层(8，26)之内。
21.按照前述权利要求16至20中之一所述的方法，其特征在于，粉末或线材在轴承的内周面上在由相同的或由不同的轴承合金构成的、预定的、不同的区上供给，以产生具有不同的特性的面轴承。
22.按照前述权利要求16至21中之一所述的方法，其特征在于，涂覆材料是这样地供给到要被涂层的表面上的，使得该涂覆材料被激光束(12)击中。
23.按照前述权利要求16至22中之一所述的方法，其特征在于，涂覆材料以平行的相互相接的履带的形式施加到基础材料上。
24.按照权利要求16至23中之一所述的方法，其特征在于，为了z熔融涂层(26)的至少第一层(8a)，优选所有的层(8a，8b)，使用一种产生一个热斑的、可以相对于轴承套(24)进行相对运动的加热装置，优选至少一个激光束(12)和/或至少一个感应线圈。
24.按照权利要求23所述的方法，其特征在于，涂覆材料分别在能量传递时产生的热斑中供给到要被涂层的表面。
25.按照前述权利要求16至24中之一所述的方法，
其特征在于，必要时具有不同的特性和/或由不同的材料制成的多个涂覆材料层相互上下地熔融在一起。
26.按照前述权利要求16至25中之一所述的方法，其特征在于，至少最后熔融在基础材料上的层(8b)，优选所有的层(8a，8b)的上侧面通过能量供给被均匀化。
27.按照前述权利要求16至26中之一所述的方法，其特征在于，熔融的涂覆材料分别直到在凝固之前用保护气体加载。
28.按照前述权利要求16至27中之一所述的方法，其特征在于，为了形成激光束(12)使用YAG激光器，CO2激光器，二极管激光，纤维耦合二极管激光器或类似物。
29.按照前述权利要求16至27中之一所述的方法，其特征在于，涂覆材料借助于冷气体喷射进行施加。
30.按照前述权利要求中之一所述的滑动轴承的用途，其应用于冶金技术中例如在轧机机座，压力机或类似物中。
31.按照权利要求30所述的滑动轴承的用途，其用于支承轧制金属的和非金属的带材、板材和型材的轧机机座中的轧辊。
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