CN102168721A - 滑动层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由锡基合金构成的滑动层(4),所述锡基合金除了锡之外,还含有选自锑和铜的至少一种其他元素,任选地还含有铅和/或铋,以及任选地含有选自锆、硅、锌、镍和银的至少一种元素,其中锑含量为最多20重量%,铜含量为最多10重量%,铅和铋的总含量为最多1.5重量%,铜和锑的总含量至少为2重量%和锆、硅、锌、镍和银的总含量为最多3重量%,且其中锡以金属间相形式键合并且以含有β-锡晶粒的锡相形式游离存在。具有β-锡结构的锡晶粒具有单位为μm的平均尺寸,该尺寸根据公式K=A/(S+3*C+O)计算得到,并且锡基合金中具有β-锡结构的锡晶粒的平均晶粒尺寸在任何情况下为至少2.5μm。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于多层滑动轴承的由锡基合金构成的滑动层,所述锡基合金除了含有锡作为主要合金元素之外,还含有选自锑和铜的至少一种其他元素,任选地还含有铅和/或者铋,以及任选地含有选自锆、硅、锌、镍和银的至少一种元素,并且含有来自元素制备的不可避免的杂质,其中锑含量为最多20重量%,铜含量为最多10重量%,铅和铋的总含量为最多1.5重量%,铜和锑的总含量至少为2重量%和锆、硅、锌、镍和银的总含量为最多3重量%,且其中锡以金属间相形式键合并且以含有β-锡晶粒的锡相形式游离存在;本发明还涉及一种多层滑动轴承,其包括至少一个支撑金属层、滑动层和任选地包括布置于滑动层和支撑金属层之间的轴承合金层;以及本发明还涉及一种制备所述滑动层的方法。
现有技术
将锡基合金用于多层滑动轴承的滑动层是现有技术中已知的。
例如DE 82 06 353U1就记载了一种滑动轴承瓦,其由钢支撑瓦、承载层、必要时的一个或多个结合层和/或阻挡层、以及由锡基巴氏合金-轴承合金(Weiβmetall-Lagerlegierung)构成的经电镀沉积的滑动层构成,所述巴氏轴承合金含有最多为2重量%的Cu、2~18重量%的Sb、0~最大0.6重量%的As、0~最大0.5重量%的Ni和0~最大1.5重量%的Cd。
DE 20 2007 018 616U1描述了一种滑动元件,其同样也具有一个以电镀方式施加在承载层上的由锡基合金构成的滑动层,且锡基合金含有5~20重量%的Sb、0.5~25重量%的Cu以及最多0.7重量%的Pb。其它成分的总含量小于0.5重量%。在此重要的是锡晶体基本上呈球形。
尽管在第一个提及的DE 82 06 353U1中阐述了,较高的铜含量不利于滑动层的摩擦特性,但是在DE 20 2007 018 616U1中则明确支持了相反的教导。
为了避免减少滑动层中的铜含量,GB 2 375 801A描述了一种具有两层滑动层的多层轴承,其中外侧分层由一种含有0.5~10重量%的Cu和任选地不超过5重量%的Zn、In、Sb或Ag的锡基合金构成,而位于其下方的第二分层则由一种含有5~20重量%的Cu的锡基合金构成。
DE 10 2007 030 017B4公开了一种用于所谓的有槽滑动轴承(Rillenlager)的具有锡基合金的滑动层,其中所述锡基合金嵌入在滑动层的沟槽之中并且含有不超过20重量%的Cu以及任选地直至10重量%的Ag或者直至15重量%的Sb。
DE 100 54 461A1也描述了一种多层滑动轴承,其具有一个三层的锡基滑动层,以由此提高对腐蚀磨损的耐受力。这种锡基合金以不超过30重量%的比例含有选自Cu、Sb、Ag、In、Zn、Ni、Co和Fe的至少一种金属。此外还可以含有比例为至多25体积%的氮化物或碳化物形式的硬颗粒。在滑动层的中间层中含有比上分层或下分层中更高比例的这些添加物质。
DE 197 28 777A1公开了一种用于多层滑动轴承的滑动层,其除了锡之外,还可以含有3~20重量%的Cu和必要时分别不超过20重量%的Bi、Ag或Ni。
过去也经常使用铅层作为滑动层,因为铅相对于锡具有明显优点。但是铅在环境相容性方面被认为是有问题的。
发明内容
本发明的任务在于提供一种具有很少铅含量或者不含铅的滑动层。
分别独立地通过开头所述的滑动层解决了这一任务,其中具有β-锡结构的锡晶粒具有至少有着单位为μm的数值的平均尺寸,该数值可根据公式K=A/(S+3*C+O)计算得到,式中K表示单位为μm的平均晶粒尺寸,A表示系数,S表示以重量%计的锑的合金比例,C表示铜、银、镍的总的合金比例,和O表示以重量%计的铅、铋、锌、其它合金元素和非金属颗粒的总的合金比例。系数A的值为50、尤其为70、优选为100,并且锡基合金中具有β-锡结构的锡晶粒在每种情况下具有至少为2.5μm的平均晶粒尺寸,这通过上述具有本发明滑动层的多层滑动轴承以及通过制备所述滑动层的方法实现,所述方法中使用一种电解液,该电解液具有的锡的浓度在0.1~1mol/l之间,锑和/或铜的浓度每种情况下为最多0.3mol/l,且任选地铅和/或铋的浓度每种情况下为最多0.1mol/l,且任选地具有的选自锆、硅、锌、镍和银的至少一种元素的浓度每种情况下为0.3mol/l,并且在至少为1.2A/dm2的电流密度下进行沉积。
按照本发明设计,具有β-锡结构的锡晶粒尽可能大,但任何情况下均大于没有按照本发明方法制备的、具有相同细成的锡合金中的锡晶粒。由于较大的锡晶粒,减少了沿着晶粒边界的扩散过程和因此也减少与此相联系的滑动轴承的失效机制,例如晶粒边界蠕变或者铜含量下降,从而使得根据本发明的滑动轴承可以更长久运行。应指出的是,申请人的这一理论对于本发明并没有限制性特征,而是仅仅尝试解释经改善的滑动层特性。但是,在根据本发明的滑动层的试验过程中已经多次验证了这一假说。
为了进一步改善耐磨强度,也就是为了赋予滑动层更高的硬度,有利的是将选自锆、硅、锌、镍和银的至少一种元素,以总共最多3重量%的含量作为合金元素加入到锡基合金之中。这里,锆的含量也可以最多为1.5重量%,硅的含量可以最多为1.2重量%。
上述浓度均涉及金属离子或者可能情况下涉及金属本身,如果它们以单质或者合金颗粒的形式存在。
在此应注意,锡晶粒通常具有不规则的外形。譬如锡晶粒一方面可以近似于球状,另一方面也可以呈杆状,即沿一个方向延伸。在此也可以是这两种极端情况之间的所有过渡形态。本发明范畴内,术语“最大维度(Abmes sung)”指的是在其数值方面最大的那个维度,亦即在杆状的锡晶粒方案中就是纵向延伸的维度。换言之,此术语定义了将一个锡晶粒恰好包围的包络圆或包络球的直径。
通过该公式考虑到,添加到锡基合金之中的合金元素(也就是例如铜、锑、铅或者铋)对β-锡晶粒起到晶粒细化作用,并因此随着这些其他合金元素的合金含量提高,例如由滑动层热处理引起的粗晶粒分离或者晶粒粗大化变得比较困难。
本发明范畴内,平均晶粒尺寸指的是由对于每个晶粒作为该晶粒的最大和最小维度(如横断面磨片中可以辨别出的那些)的几何平均值而计算出的数值得到的算术平均值,其中为求平均值从横断面磨片中可以辨别的最大晶粒直至较小的晶粒进行,直至用来求平均值的晶粒的横断面面积之和达到所有β-锡晶粒的全部横断面面积的80%。
该方法考虑到了,在横断面磨片制备过程中也会切割角点(Eckpunkten)附近的晶粒,并且减小其对测量结果的影响。
如此确定的晶粒尺寸通常与少数代表性晶粒上测定的典型晶粒尺寸非常一致。
例如可以使用化学或物理蚀刻法或者电子束衍射法(EBSD)来区别β-锡晶粒与金属间化合物的颗粒。
优选,锡基合金中具有β-锡结构的锡晶粒的平均晶粒尺寸为至少5μm,尤其至少7μm,最优选至少9μm。
按照一种实施方案设计,β-锡晶粒具有在2.5μm~40μm范围内的平均晶粒尺寸。在低于2.5μm的晶粒尺寸下,能观察到不充分程度的所述效应。但令人感兴趣的,如果β-锡晶粒的平均晶粒尺寸超过40μm,也发现了耐磨性变差。推测是现有结构的进一步粗化导致了过度磨损。
在本发明范畴内优选的滑动层实施方式中,β-锡晶粒的平均晶粒尺寸在5μm~40μm范围内,尤其在10μm~40μm范围内。
当滑动层的层厚小于41μm时,发现如果β-锡晶粒具有的平均晶粒尺寸超过滑动层层厚的八分之一、优选超过四分之一,则有利于该滑动层的耐磨性。在这种情况下,即使在由于磨损而部分磨蚀滑动层的情况下,也能在较长时间内保持作用。
在本发明范畴内优选锑的含量在5~15重量%之间,或者铜的含量在0.5~5重量%之间。因此就能制备除了具有良好嵌入性而且也具有更好耐磨强度的滑动层,其中尽管如此β-锡晶粒仍然具有所期望的有益大小。
锑的含量尤其可以在7~12重量%之间,或者铜的含量可以在1~3.75重量%之间。
尽管原则上要寻找无铅的滑动层,但在本发明范围内,可以允许铅含量为最多0.1重量%,尤其最多0.05重量%,按照欧盟报废汽车指令(Directive2000/53/EC″ELV-Directive″),本发明的这些实施方式可视作是无铅的。
但是对于某些应用而言证实有利的是,锡基合金具有较高的铅含量和/或铋含量,但即使在这些情况下,铅和/或铋的含量也限制在0.2~0.5重量%之间,尤其在0.2~0.35重量%之间的值。推测,铅会积聚在晶粒界面上并提高其强度。铋具有显然相同的作用并且可以在无铅合金中替代铅。
将铅和/或铋的含量提高到1.5重量%以上导致合金层的耐热性大幅下降,因此不是有利的。
在一个实施方案中,存在着锆或硅并非以单质或者金属间相形式存在而是锡基合金也含有氧和/或碳的可能,从而使得由ZrO2或者SiC构成的硬颗粒分散存在于锡基合金之中,由此同样也能改善滑动层的强度。
在此有利的是,这些ZrO2或者SiC颗粒的平均晶粒尺寸在0.01μm~1μm之间,以便获得所期望的β-锡晶粒的晶粒尺寸。
按照多层滑动轴承的一个实施方案设计,在轴承合金层和滑动层之间布置一个中间层,该中间层由一个或多个分层构成,这些分层用电镀沉积或者通过扩散法形成,并且每一个分层或中间层本身包含选自铬、镍、铁、钴、铜和锡的一种或多种元素。由此,就能赋予多层滑动轴承更好的结构强度,尤其是对于比较软的滑动层锡基合金。
在此有利的是,所述中间层的硬度比滑动层的硬度至少大出三倍,并且也大于其上设置有中间层的基底材料的硬度,由此滑动层能更好地支撑于基底上并因此使得滑动层具有更好的摩擦特性或者更软。
在此有利的是,所述中间层的硬度比滑动层的硬度至少大出五倍。
为了增大β-锡晶粒,按照该方法的一种实施方式设计,在电镀沉积之后,在选自130~220℃之间的温度下对滑动层进行0.5~100小时时间的热处理。
为了更好地理解本发明,将根据以下附图对其进行详细阐述。
附图说明
相关简化示意图如下:
图1显示滑动轴承半瓦形式的多层滑动轴承;
图1显示滑动轴承半瓦形式的多层滑动轴承1的横断面。图中显示了多层滑动轴承1的一种三层方案,其由支撑金属层2、轴承合金层3和滑动层4组成。轴承合金层3布置在滑动层4和支撑金属层2之间。
例如在机动车中使用的那些的这类三层轴承的原理结构是现有技术中已知的,从而在此不再赘述。但更提及的是,还可以布置其他的层,亦即例如在滑动层4和轴承合金层3之间布置附着促进剂层和/或扩散阻挡层,同样也可以在轴承合金层3和支撑金属层2之间布置附着剂层。
在本发明范畴内,也可以将多层滑动轴承1设计成其它形式,例如作为轴承套,如图1中虚线所示。同样也可以是诸如止推环、轴向推进滑块(laufendeGleitschuhe)或类似的形式。
除此之外,在本发明范畴内,还可以放弃轴承合金层3,从而可以或者直接地或者在中间设置附着促进剂和/或扩散阻挡层的情况下将滑动层4施加于支撑金属层2上。在本发明范畴内,同样也可以是例如连杆孔的直接涂层,从而使得支撑金属层2并非一定要设计成层状。
支撑金属层2通常由钢或者能够将所需结构强度赋予多层滑动轴承1的材料构成。这类材料是现有技术中已知的。
可以使用例如对于滑动轴承元件而言常规的那些的各种合金作为轴承合金层3。为此的实例是铝基轴承合金,例如AlSn6CuNi、AlSn20Cu、AlSi4Cd、AlCd3CuNi、AlSi11Cu、AlSn6Cu、AlSn40、AlSn25CuMn、AlSi11CuMgNi、AlZn4Si;或者铜基轴承合金,例如CuSn10、CuA110Fe5Ni5、CuZn31Si、CuPb24Sn2、CuSn8Bi10、CuSn4Zn。
当然也可以使用不同于所述轴承合金的其他轴承合金。
根据本发明,滑动层4由一种锡基合金构成,所述锡基合金含有选自锑和铜以及任选地铅和/或者铋的至少一种元素。锑的含量为最多20重量%,尤其在5~15重量%之间,铜的含量为最多10重量%,尤其在0.5~5重量%之间。铅和/或铋的总含量为最多1.5重量%,尤其在0.2~0.5重量%之间。如果既含有锑也含有铜,则这些元素的总含量为至少2重量%、特别在2~22重量%之间。对于本发明范畴中的无铅的锡基合金而言,铅含量限制在最多0.1重量%,优选最多0.05重量%。
为了补强锡基质,也存在着锡基合金含有选自锆、硅、锌、镍和银的至少一种元素且这些元素的总含量限制在最多3重量%的可能性。这里,锆或硅可以并非以金属间相形式存在,而是以ZrO2或SiC颗粒形式存在。在这种情况下有利的是将这些颗粒的平均直径限制在0.01μm~1μm,尤其是0.05μm~0.75μm。
滑动层4的层厚可以在10μm~2000μm之间。在此,如果直接涂覆在支撑金属层1上,则使用500μm~2000μm之间的层厚;如果使用滑动层4例如替代青铜基铸造巴氏合金,则层厚优选在100μm~400μm之间;如果使用滑动层4例如作为三元合金轴承(Dreistofflagern)中的摩擦层(Laufschicht),则层厚优选在15μm~40μm之间。
如前所述,也可以在多层滑动轴承1中布置一些中间层。这些中间层或者由单层,或者由多个分层构成。这些中间层尤其由选自铬、镍、铁、铜或者锡的一种元素构成,并且也可以是混合方案,亦即例如使用包含这些元素中至少两种的中间层,例如由铬和镍或者由铁和锡构成的。对于由多个分层构成的中间层而言,各个分层中的含量可以不同,例如硬化性的合金元素铬、镍、铁、铜的含量可以从滑动层4下面的最外分层开始沿着朝向轴承合金层3或支撑金属层2的方向从一个分层到(各自)下一个分层增大,例如也可以呈梯度形式增大。
在附着促进方面已经证实有利的是,使用锡层或者锡基合金构成的层作为用于本发明的多层滑动轴承1的中间层。
代替所述的优选中间层,也可以使用其它符合现有技术的中间层。
中间层或者分层的总和可以具有在0.5μm~10μm之间、优选在1μm~4μm之间的层厚度。特别有利的是,所述中间层总体或者至少一个分层的硬度比滑动层4大三倍,且优选硬度大于基底材料。例如滑动层4可以具有在10~50之间的维氏硬度,使得中间层或者至少一个分层可以具有HV 80至HV 300的硬度。在此,测试力的大小已知取决于待测层的层厚度。对于不超过40μm的层厚度使用1~3Pond之间的测试力,对于80μm~300μm之间的层厚度使用不超过10Pond的测试力。
优选以电镀法制备滑动层4。为此,预先制备由钢支撑层和轴承合金层3构成的双金属条,并且必要时对其进行成型和/或切削加工。例如在下列条件下将根据本发明的滑动层4沉积在轴承合金层3上:
用于SnSb6Cu的电解液和沉积参数
Sn.........60g/l(四氟硼酸锡(II)形式)
Sb.........3g/l(三氟化锑形式)
Cu.........0.5g/l(四氟硼酸铜(II)形式)
稳定剂或基础电解液,导电盐或络合剂
氧化抑制剂
添加剂1和/或2
电流密度.....3A/dm2
温度.........30℃
用于SnSb11Cu4Pb的电解液和沉积参数
Sn.........50g/l(四氟硼酸锡(II)形式)
Sb.........6g/l(三氟化锑形式)
Cu.........4g/l(四氟硼酸铜(II)形式)
Bi.........0.2g/l(四氟硼酸铅(III)形式)
稳定剂或基础电解液,导电盐或络合剂
氧化抑制剂
添加剂1和/或2
电流密度....5A/dm2
温度.........15℃
用于SnSb4Cu4B i的电解液和沉积参数
Sn.........50g/l(甲磺酸锡(II)形式)
Sb.........5g/l(三氟化锑形式)
Cu.........4g/l(甲磺酸铜(II)形式)
Bi.........0.2g/l(甲磺酸铋(III)形式)
稳定剂或基础电解液,导电盐或络合剂
氧化抑制剂
添加剂1和/或2
电流密度.....1.5A/dm2
温度.........22℃
在此,可以使用四氟硼酸锡(II)、甲磺酸锡(II)、硫酸锡(II)、焦磷酸锡(II)形式的锡。电解液中的锡浓度通常可以在0.1mol/l~1mol/l之间。
可以使用四氟硼酸锑(III)、三氟化锑、氧化锑(III)、酒石酸锑钾形式的锑。电解液中的锑浓度通常可以为不超过0.3mol/l。
可以使用四氟硼酸铜(II)、甲磺酸铜(II)、硫酸铜(II)、焦磷酸铜(II)形式的铜。电解液中的铜浓度通常可以为不超过0.3mol/l。
可以使用四氟硼酸铅(II)、甲磺酸铅(II)、焦磷酸铅(II)、醋酸铅形式的铅。电解液中的铅浓度通常可以为不超过0.01mol/l。
可以使用三氟化铋、甲磺酸铋(III)、硫酸铋(III)、焦磷酸铋(III)形式的铋。电解液中的铋浓度通常可以为不超过0.01mol/l。
可以使用四氟硼酸银、甲磺酸银、焦磷酸银、硫酸银形式的银。电解液中的银浓度通常可以为不超过0.3mol/l。
可以使用四氟硼酸锌(II)、甲磺酸锌(II)、硫酸锌(II)、焦磷酸锌(II)形式的锌。电解液中的锌浓度通常可以为不超过0.3mol/l。
可以使用四氟硼酸镍(II)、甲磺酸镍(II)、硫酸镍(II)、焦磷酸镍(II)形式的镍。电解液中的镍浓度通常可以为不超过0.3mol/l。
可能的稳定剂或基础电解液、导电盐或络合剂是:四氟硼酸、氢氟酸、甲磺酸、酒石酸及其碱金属盐和铵盐,柠檬酸及其碱金属盐和铵盐,焦磷酸铵和碱金属焦磷酸盐,膦酸及其碱金属盐和铵盐,2,2-亚乙基二硫代二乙醇,苯酚磺酸和甲酚磺酸,总浓度在0.2~2mol/l之间。
可能的氧化抑制剂是:间苯二酚,氢醌,焦儿茶酚,焦棓酚,甲醛,甲醇,总浓度在0.03~0.3mol/l之间。
可能的添加剂1是:酚酞,硫脲及其衍生物,α-萘酚或β-萘酚及其乙氧基化物,α-萘酚磺酸和β-萘酚磺酸及其乙氧基化物,邻-甲苯胺,羟基喹啉,木质素磺酸盐,丁炔二醇,总浓度在0.0005~0.05mol/l之间,优选在0.002~0.02mol/l之间。
可能的添加剂2是:明胶,胶合剂,非离子表面活性剂,聚乙二醇及其官能化衍生物,胨,甘氨酸,总浓度在0~20g/l之间。
每种情况下也可以使用由上述电解液成分组成的混合物,亦即例如一种或各个金属的至少两种盐和/或至少两种稳定剂和/或至少两种氧化抑制剂和/或至少两种添加剂1和/或至少两种添加剂2。
可以将锆或者硅以具有上述晶粒尺寸的ZrO2或SiC颗粒形式分散于浴中。
可以将锌、镍、铅、铋、银和其它合金元素以上述可溶性化合物或者络合物的形式添加到一种相应的电解液之中,然后从中将其共沉积出来。同样也可以通过将这些元素扩散到层中,或者使悬浮于电解液中的颗粒共沉积而形成合金。
但是,如果在沉积状态下不能实现足够的晶粒尺寸,也可以使滑动层4至少进行一次热处理,尤其是在130~220℃、特别是在150~215℃、优选在165~190℃之间的温度下,也就是在合金的初始熔化温度以下进行热处理,处理时间在0.5~100小时之间、尤其在1~10小时之间、优选在1.5~4小时之间,以实现初次沉积出的锡晶粒的粗化。
这种在锡的绝对熔融温度(505K)的80~98%之间、优选在87~92%之间的温度下进行非典型高温热处理的目的就是实现持续的晶粒生长,同时减少晶粒数量。
热处理温度也高于所预期的正常运行过程中轴承位置的温度。
对于包含铜、镍、锌和银总含量高于3.3重量%或者铋和铅总含量高于0.9重量%的层,则有利的是热处理温度不超过200℃,优选不超过180℃。由此就能防止例如集中于晶粒界面上的合金元素形成共晶体并且熔融。
这样制备的滑动层具有显著的β-锡相,其中存在与各个其他合金成分一起的以及/或在其它合金成分之间形成的金属间相。
按照本发明设计,锡基合金中具有β-锡结构的锡晶粒在任何情况下均具有至少2.5μm的平均晶粒尺寸,或者按照上述公式计算出来的平均晶粒尺寸。
具有β-锡结构的锡晶粒通常以不同的晶粒尺寸存在于锡基合金之中。这里,特定晶粒尺寸的出现频率至少近似遵循正态分布,因为满足若干彼此独立的随机变量偏离于平均值(中值)。
对于根据本发明的锡基合金,有利的是,其与现有技术的合金相比具有尽可能大的平均颗粒尺寸。尤其是,相对于横断面磨片中可辨别的总横断面面积比例计,至少70%、优选至少90%比例的锡晶粒可具有至少为5μm的平均直径。在此有利的是,颗粒的最大晶粒尺寸遵循窄的正态分布,即各个晶粒尺寸与中值的偏差最多为±1.5μm。
由于添加在锡中的合金元素对具有β-锡结构的锡晶粒起到晶粒细化作用,因此在本发明范畴内根据一个实施方案在其晶粒尺寸方面设计,具有β-锡结构的锡晶粒具有根据公式K=A/(S+3*C+O)算出的平均晶粒尺寸,式中K表示单位为μm的平均晶粒尺寸,A表示系数,S表示以重量%计的锑的合金含量,C表示铜、银、镍的总合金含量,O表示以重量%计的铅、铋、锌、其它合金元素与非金属颗粒的总合金含量,且系数A的值为50、尤其为70、优选为100。例如由此对于合金SnSb6Cu1可以得出平均晶粒尺寸为至少5.56μm(=50/9)或7.8μm(=70/9)或11.1μm(=100/9),对于合金SnSb11Cu4平均晶粒尺寸为至少3.0μm(=70/23)或4.3μm(=100/23)。就最后提到的合金而言,系数A的值为50不起作用,因为由此得出的平均晶粒尺寸小于锡晶粒的最大维度的最小值2.5μm。
在滑动层4的试验过程中制备了以下根据本发明的示例性合金组合物。下表1和2中关于组成的所有数据均理解为重量%。补足至100重量%的余量的均为锡。在此,晶粒尺寸数据均理解为平均晶粒尺寸。
表1
应注意:在实施例15中在115℃下的热处理并非本发明范畴内用来使锡晶粒粗化的热处理,而是进行的用于另一个目的的热处理。
出于比较目的,制备了根据表2的合金组合物,其中以电镀方式按照现有技术进行沉积。
表2:根据现有技术的滑动层
实施例 | Sb | Cu | Pb | 其它 | β-锡晶粒尺寸[μm] | 磨损量[μm] | 目视评价 |
I | 6 | 1 | 1 | 4.0 | 7 | 3.5 | |
II | 5 | 0.6 | 0.2 | ZrO2:0.4 | 5.0 | 4 | 2.5 |
III | 6 | Zn:0.8 | 2.0 | 5 | 4.0 | ||
IV | 4 | 3.5 | 8 | 3.5 | |||
V | 3 | 0.3 | Ni:0.5 | 4.0 | 7 | 3.0 | |
VI | 6 | <0.05 | 2.0 | 6 | 4.0 | ||
VII | 5 | 0.5 | <0.05 | 7.0 | 9 | 3.5 | |
VIII | 10 | 4 | 0.4 | 1.5 | 4 | 4.0 | |
IX | 15 | 2 | 0.1 | 2.0 | 12 | 5.0 | |
X | 5 | Ag:2 | 2.0 | 3 | 3.5 | ||
XI | 8 | 2 | Bi:0.5 | 3.0 | 5 | 4.0 |
表1和2中也反映了实施例1~17以及I~XI的测试结果。
在根据图1的由钢支撑层2和铅青铜轴承合金层3与层厚为25~35μm的滑动层4构成的滑动轴承半瓦上进行测试。以梯度变化的(schwellender)负荷和60MPa的比负荷幅值,在12m/s的滑动速度下对轴承瓦进行3百万次负荷循环试验。
试验之后测量半瓦并由此测定滑动层4的磨损量。对滑动层4的疲劳强度进行目视评价。
目视评价1~5表示状态非常好(1:摩擦痕(Laufspuren))直至非常差(5:大面积强烈的疲劳断裂)。
根据光学显微镜拍摄的显微照片测量晶粒尺寸,其中如上所述进行评价。为此拍摄了分别两个相互正交平面的显微照片。
显而易见,与现有技术的实施例相比,根据本发明的滑动层在磨损量和疲劳强度方面具有更好的值,尤其与相同或类似化学组成的层直接相比较时。
由所收集的、在此并不能反映全部的试验结果已经表明,如果β-锡晶粒具有最小晶粒尺寸或者在至少一个方向上超过显著维度的特定值,就能获得耐磨性和腐蚀倾向方面有利的滑动层4。
按照本发明的另一个实施方式可以设计,β-锡晶粒的平均晶粒尺寸比滑动层4的金属间相的平均晶粒尺寸大至少50%、优选至少100%、尤其至少200%,其中关于措词“平均”应用与此相应的前述说明。由此,同样也改善以上所述的效果。
推测,如果在滑动层4中含有朝向至少一个晶向择优取向的β-锡晶粒,就能实现进一步改善滑动层4的摩擦特性。
这些实施例显示了滑动层4或者多层滑动轴承1的可能的实施方案,在此应注意,本发明并非限于特定图示的实施方案本身。特别的,表1中所反映的滑动层4的组成可以构成各个独立发明的主题。
附图标记列表
1 多层滑动轴承
2 支撑金属层
3 轴承合金层
4 滑动层
Claims (14)
1.用于多层滑动轴承(1)的由锡基合金构成的滑动层(4),所述锡基合金除了含有锡作为主要合金元素之外,还含有选自锑和铜的至少一种其他元素,任选地还含有铅和/或铋,以及任选地含有选自锆、硅、锌、镍和银的至少一种元素,并且含有来自元素制备的不可避免的杂质,其中锑含量为最多20重量%,铜含量为最多10重量%,铅和铋的总含量为最多1.5重量%,铜和锑的总含量至少为2重量%和锆、硅、锌、镍和银的总含量为最多3重量%,且其中锡以金属间相形式键合并且以含有β-锡晶粒的锡相形式游离存在,其特征在于,具有β-锡结构的锡晶粒具有至少有着单位为μm的数值的平均尺寸,该数值根据公式K=A/(S+3*C+O)计算得到,式中K表示单位为μm的平均晶粒尺寸,A表示系数,S表示以重量%计的锑的合金比例,C表示铜、银、镍的总的合金比例,和O表示以重量%计的铅、铋、锌、其它合金元素和非金属颗粒的总的合金比例,并且系数A的值为50、尤其为70、优选为100;其中平均晶粒尺寸指的是由对于每个晶粒作为该晶粒的最大和最小维度,如横断面磨片中可以辨别出的那些的几何平均值而计算出的数值得到的算术平均值,其中为求平均值从横断面磨片中可以辨别的最大晶粒到较小的晶粒进行,直至用来求平均值的晶粒的横断面面积之和达到所有β-锡晶粒的全部横断面面积的80%;并且锡基合金中具有β-锡结构的锡晶粒的平均晶粒尺寸在任何情况下为至少2.5μm。
2.根据权利要求1所述的滑动层(4),其特征在于,具有β-锡结构的锡晶粒的平均晶粒尺寸在2.5μm~40μm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的滑动层(4),其特征在于,如果滑动层的层厚小于41μm,则具有β-锡结构的锡晶粒的平均晶粒尺寸超过该层厚的八分之一,所述平均晶粒尺寸是对于锡晶粒最大维度的至少五个单一值的算术平均值。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的滑动层(4),其特征在于,锑的含量在5~15重量%之间。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的滑动层(4),其特征在于,铜的含量在0.5~5重量%之间。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的滑动层(4),其特征在于,铅和/或铋的含量在0.2~0.5重量%之间。
7.根据权利要求1~5中任一项所述的滑动层(4),其特征在于,铅的含量最多为0.1重量%。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的滑动层(4),其特征在于,锆和/或硅以ZrO2和/或SiC颗粒形式存在于锡基合金之中。
9.根据权利要求8所述的滑动层(4),其特征在于,ZrO2和/或SiC颗粒的平均尺寸在0.01μm~1μm之间。
10.多层滑动轴承(1),其包括至少一个支撑金属层(2)、滑动层(4),和任选地布置在滑动层(4)和支撑金属层(2)之间的轴承合金层(3),其特征在于,所述滑动层(4)按照上述权利要求中任一项形成。
11.根据权利要求10所述的多层滑动轴承(1),其特征在于,在轴承合金层(3)和滑动层(4)之间布置由一个或多个分层构成的中间层,这些分层通过电镀沉积或者通过扩散而形成,且每一个分层含有选自铬、镍、铁、钴、铜和锡的一种或多种元素。
12.根据权利要求11所述的多层滑动轴承(1),其特征在于,所述中间层的硬度比滑动层(4)的硬度大至少三倍,并且优选也大于基底材料的硬度。
13.用于多层滑动轴承(1)的由锡基合金构成的滑动层(4)的制备方法,所述锡基合金除了含有锡作为主要合金元素之外,还含有选自锑和铜的至少一种其它元素,任选地还含有铅和/或铋,以及任选地还含有选自锆、硅、锌、镍和银的至少一种元素,并且含有来自元素制备的不可避免的杂质,其中锑的含量为最多20重量%,铜的含量为最多10重量%,铅和铋的总含量为最多1.5重量%,铜和锑的总含量为至少2重量%,和锆、硅、锌、镍和银的总含量为最多3重量%,且其中锡以金属间相形式键合并且以含有β-锡晶粒的锡相形式游离存在,其中从一种电解液电镀沉积所述滑动层(4),其特征在于,使用一种电解液,该电解液具有的锡的浓度在0.1~1mol/l之间,锑和/或铜的浓度每种情况下为最多0.3mol/l,且任选地铅和/或铋的浓度每种情况下为最多0.1mol/l,且其任选地具有的选自锆、硅、锌、镍和银的至少一种元素的浓度每种情况下为0.3mol/l,并且在至少1.2A/dm2的电流密度下进行沉积。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,经过电镀沉积之后,在选自130~220℃范围的温度下对滑动层进行0.5~100小时时间的热处理。
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