CN102369366B - 滑动轴承复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滑动轴承复合材料(1)，其具有至少一个载体层(2)和一个烧结的轴承合金层(10)。所烧结的轴承合金层(10)至少在一个层区段中构造为梯度层。

Description

滑动轴承复合材料
技术领域
本发明涉及一种滑动轴承复合材料。
背景技术
DE19963385C1描述了一种滑动轴承复合材料，该复合材料具有一载体层、一轴承合金层、一由镍构成的第一中间层和由锡和镍构成的第二中间层以及由铜和锡构成的滑动层。随着运行持续时间的增长，滑动层的厚度由于锡的迁移而减小，这是与锡-铜-颗粒的浓缩一起发生的。同时，镍-锡-层的厚度也增长，并且镍层减小。扩散效应在运行条件下才出现，并且在位于轴承合金层上的层构造中生成性能梯度。
由US6,787,100B2已知了一种用于制造滑动轴承的方法，该滑动轴承在钢背上具有多层系统。传统的轴承材料例如由基本无铅的双层系统所代替，其中首先将由铜基的金属粉末构成的第一层(该层没有被压实)涂覆在钢背上，并且将具有其它组分的铜基的金属粉末涂覆在该层上。这两个层都经受第一烧结步骤、被冷却、被压实，并且然后经受第二步烧结步骤。两个层的金属粉末通过添加其它组分以适应于其特殊目的。第一层烧结层可相应地由Cu-Sn-粉末构成，并且第二层由Cu-Sn-Bi-粉末构成，其中，第一层构造得比第二层更厚。通过这个措施应代替例如含铅的青铜。
两个层彼此之间有明确的界限，并且必要时还在两个层之间的界面区域内构造了一个薄的过渡区。关于粉末的颗粒尺寸则没有述及。
发明内容
本发明的目的在于，创造一种滑动轴承复合材料，该材料具有良好的滑动性能、尽可能高的导热性以及良好的形状适用性或者嵌入性。
该目的通过具有以下特征的滑动轴承复合材料得以实现，即：滑动轴承复合材料具有至少一个构造为钢背的载体层和一个烧结的轴承合金层，其中，所述烧结的轴承合金层至少在一个层区段中构造为梯度层，所述轴承合金层至少包括两个依次涂覆的烧结层，其中，第一烧结层以第一种粉末材料涂覆在所述载体层上，并且第二烧结层以第二种粉末材料涂覆在所述第一烧结层上，并且，各层的粉末材料渗透而构成梯度。该滑动轴承复合材料的特征在于，所烧结的轴承合金层至少在一个层区段中构造为梯度层。
所说梯度层指的是这样一种覆层，其材料特性在垂直于载体层的方向上连续变化。
在所述烧结的轴承合金层中构造梯度，可实现承载性层和功能性层之间均匀的过渡。承载性层就是载体层，该载体层例如可由钢背构成。
功能性层是处于轴承合金层上的滑动层，其中，所述烧结的轴承合金层的梯度构造还开辟了以下的可能性：轴承合金层随着到载体层间距的增大如此设计，使得该轴承合金层具有非常好的滑动性能，从而可免除传统的附加的滑动层。
梯度层在整个轴承合金层中所占的份额优选为轴承合金层厚度的至少30％。特别优选为50％，并且根据一个特别的实施方式，整个轴承合金层是构造为梯度层。
轴承合金层优选由无铅材料构成。采用粉末材料例如金属、合金和/或陶瓷材料。不采用塑料材料。
轴承合金层优选包括两个依次涂覆的烧结层，其中，第一烧结层以第一种粉末材料涂覆在载体层上，并且第二烧结层以第二种粉末材料涂覆在第一烧结层上，并且其中，各层的粉末材料渗透而构成梯度。
所涂覆的层数优选为2至10层，其中特别优选2至4层。
各个层的粉末材料被分别铺撒上去，其中，至少两个层的粉末材料被依次相继铺撒上去，并且被烧结。当涂覆多于两层时，其它的粉末材料接着被依次涂覆，并且被分别烧结。制造这些部分的工序结束时，所有涂覆的层被一起压实。
每层的最小铺撒厚度为0.05mm，并且制作完成的轴承覆层的厚度优选为0.2至3mm。当例如钢背的载体层的厚度为0.4至4mm时，滑动轴承复合材料的总厚度为0.6至7mm。
所涂覆的各个层的粉末材料的渗透优选由颗粒尺寸来控制。这样，例如小颗粒能够侵入到处于下部的层的大颗粒之间的间隙中。根据颗粒尺寸的设计可以调整渗透区域的厚度。
在最简单的两个层的情况中，在一层上铺撒粗粒子材料，即具有大颗粒的粉末材料，在第二层上铺撒细粒子材料，即具有小颗粒的粉末材料，该具有小颗粒的粉末材料能完全容纳于第一层的材料之中。
除了机械地侵入间隙，烧结过程中的扩散效应也有助于材料的渗透。
以这种方式构成了基本均质的轴承合金层，其中，所铺撒的由不同粉末材料构成的层在制造工序结束时不再能被区分。这里的粉末材料因此指的就是铺撒的材料。
各个层的渗透或混合可以完全实现，或者在构造层区段的情况下只是部分地实现，其中，与互相叠置之各层的边界效应所实现的情况相比，该层区段具有更大的厚度。粉末材料的重量份额对于一种粉末材料来说，可以在轴承合金层的整个厚度上在0和100重量％(重量百分比)之间连续变化，或者对于处在第一种粉末材料中的另一种粉末材料来说，可以在轴承合金层的整个厚度上从100至0重量％连续变化。
这一点不仅总体上适用于粉末材料，而且适用于粉末材料的各个单独的粉末成分。
通过构造梯度层，可以保证在承载性层和功能性层之间有尽可能均匀的过渡。
在轴承合金层和载体层之间，例如为了更好地连接轴承合金层，可以在载体层上设置缓冲层，该缓冲层优选由粉末材料构成，该粉末材料在轴承合金层中构成最大的重量份额。
每个烧结层的粉末材料优选具有至少一个由基质材料构成的第一粉末成分。基质材料特别是指那种至少占相应涂覆的层的粉末材料的50重量％的材料。
尽管应用基质材料的概念涉及到至少一种其它的材料，覆层的粉末材料也可只由这种基质材料构成，即，占粉末材料的100重量％。
每个烧结层的粉末材料优选仅由基质材料构成，其中，各基质材料由同样的材料构成，并且各基质材料在粒子尺寸上加以区分。梯度的构造只通过第一层和第二层中两种粉末材料的粒子尺寸的区别来调定。
优选地，第一粉末成分由具有大的粒子尺寸的颗粒构成，或者由具有小的粒子尺寸的颗粒构成。
优选地，小的粒子尺寸在轴承合金层中的份额随着与载体材料间距的增大而增加。
关于基质材料，大的粒子尺寸包括平均粒子尺寸在≥50μm至≤200μm范围内的范围。当说到小粒子尺寸时，指的是在基质材料的粉末材料中，平均粒子尺寸小于50μm的范围。
至少一个烧结层的粉末材料优选具有由至少一种添加材料构成的第二粉末成分。通过添加至少一种第二粉末成分来转变所要求的特性分布，其中，还可以构造特定的表面性能或者界面性能，以便例如将滑动轴承复合材料的良好的滑动特性(摩擦特性)与良好的加工性能结合起来。
在由该滑动轴承复合材料制造滑动元件时，可免除必须通过其它方法涂覆的别的层，例如电镀层。
所有层中由基质材料构成的第一粉末成分优选由相同的基质材料构成，从而阻止在烧结过程中，例如在不同的烧结条件下形成裂纹。
第一烧结层的第一粉末成分和/或第二烧结层的第一粉末成分优选由大的颗粒构成。
根据另外一个实施方式，第一烧结层的第一粉末成分和/或第二烧结层的第一粉末成分由小的颗粒构成。
根据另外一种实施方式，第一烧结层的第二粉末成分和/或第二烧结层的第二粉末成分由大的颗粒构成。第二粉末成分的大的颗粒优选具有从70至90μm的平均粒子尺寸。
此外还优选的是，第一烧结层的第二粉末成分和/或第二烧结层的第二粉末成分由小的颗粒构成。
第二粉末成分颗粒的另外一个区别点在于其硬度。
第一烧结层的第二粉末成分和/或第二烧结层的第二粉末成分优选由软的颗粒构成。
以下设计也是可行的：第一烧结层的第二粉末成分和/或第二烧结层的第二粉末成分由硬的颗粒构成。
这些诸如由h-BN或C构成的颗粒属于软的颗粒。特别是这些由c-BN、Al2O3、Fe3P、MoSi2、SiO2、金属氮化物、金属氧化物或金属硅化物构成的颗粒适合作为硬的颗粒。
第二粉末成分的软的、大的颗粒具有优选从6至8μm的平均粒子尺寸。
第二粉末成分的硬的、小的颗粒具有优选4至6μm范围内的平均粒子尺寸。
构成基质材料的第一粉末成分优选由CuNiXSiX、CuSiXNiX、Cu、CuSnX和/或CuFeXPX构成。占位符x可以取1至3的数值。
优选在轴承合金层上涂覆一层薄的元素层。该元素层可由元素Cu、Sn、Bi、Ag、Au、Ni、In、Si或它们的合金构成。
通过往金属层上涂覆一层薄的元素粉末层，而能够在烧结过程中促使元素向轴承合金层内扩散，例如锡向具有铜基质的轴承合金层内扩散。由此实现了分层次的表面的针对性功能化。材料能够完美地匹配相应的要求特性分布。
优选由滑动轴承复合材料制造滑动轴承元件。
例如在表1中举例概括了两个层的不同组合可能性。在多于两个层的情况下适用相应的简图。
表1
在大量的可能方案中，特别优选根据表2的24种组合。
表2
G＝大  K＝小  x＝存在  W＝软  H＝硬
对于第一个示例，第一层是硬的，这可以通过弥散硬化来实现。第二层由于大的软的添加物而具有良好的减震性。
在第二个示例中，第一层符合第一个示例中的第一层，其中，第二层通过细小粒子的软的添加物而具有良好的润滑性能。
在第三个示例中，第一层具有良好的减震性，而第二层构造为硬的。
第四个示例在第一层和第二层中只包括基质材料。这里不设置其它的添加物。两种粉末材料的区分通过粒子尺寸分布来实现。
第五个示例具有不带添加物的第一层和硬的第二层。
示例6至10涉及到不带添加物的第一层，其中第二层具有良好的润滑性能和/或具有良好的减震性能(示例7和8)。
第九个示例具有第二层的非常好的润滑性和第二层的大的硬度。
在示例11中，第一层的特点是有良好的减震性，并且没有添加物的第二层的特点是有较高或较低的导热性。
在第十二个示例中，第一层同样具有良好的减震性，而第二层具有较高的硬度。
对于第一粉末成分，采用相对立的粒子尺寸会导致各层之间的化学梯度。在第一粉末成分的粒子尺寸分布相同的情况下，梯度是可通过第二粉末成分的化学性能进行调节的。
优选的是，在所有的层中只采用硬的小颗粒的添加物。
使用大的硬添加颗粒虽然是可能的，但通常不是适宜的，因为由此基质材料可能会被强烈地削减。
在使用大的软的添加颗粒时，整个滑动轴承复合材料的减震效应被改善。
在靠下的层中使用小的软的添加颗粒是无意义的，因为固态润滑剂效应并不能在那里得到发挥。
附图说明
下面参阅附图来详细地解释本发明的示例性实施方式
附图示出：
图1根据第一个实施方式的滑动轴承复合材料的示意性剖视图，
图2+3根据第二个和第三个实施方式的滑动轴承复合材料的剖视图。
具体实施方式
在图1中示出了一种滑动轴承复合材料1，该复合材料具有钢背2，轴承合金层10涂覆在该钢背2上，此轴承合金层10整个都构造为梯度层。这个轴承合金层10由三个单独的烧结层12、14和16构成。因为这些单独的层在制造工序结束时不再能被区分，各层之间的分界线只是用虚线示出。
图2中示出了另外一种实施方式，其中，轴承合金层10仅由两个层12和14构成，其中，在轴承合金层10和载体材料2之间设置有缓冲层4。当轴承合金层10的基质材料例如由CuSn8Ni构成，并且具有固态润滑剂作为第二粉末成分时，优选的是，使缓冲层4由这种基质材料CuSn8Ni构成，以改善在钢背2上的接合。
在图3中示出了另外一种实施方式，在该实施方式中同样采用两个层用以构成轴承合金层10。在靠上的第二层的表面上涂覆了元素层6，该元素层6在烧结工序中能够侵入层14的上面部分。由此在靠上的层中便构成了该元素的附加梯度，其中，基于不同的粉末成分，层12和14同样也具有梯度。
附图标记
1  滑动轴承复合材料
2  载体层
4  缓冲层
6  元素层
10 轴承合金层
12 第一烧结层
14 第二烧结层
16 第三烧结层

Claims (31)

1.滑动轴承复合材料，其具有至少一个构造为钢背的载体层(2)和一个烧结的轴承合金层(10)，其中，所述烧结的轴承合金层(10)至少在一个层区段中构造为梯度层，其特征在于，所述轴承合金层(10)至少包括两个依次涂覆的烧结层(12、14、16)，其中，第一烧结层以第一种粉末材料涂覆在所述载体层(2)上，并且第二烧结层以第二种粉末材料涂覆在所述第一烧结层上，并且，各层的粉末材料渗透而构成梯度。
2.按照权利要求1所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述梯度层的份额为所述轴承合金层(10)厚度的至少30％。
3.按照权利要求1所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述梯度层的份额为所述轴承合金层(10)厚度的至少50％。
4.按照权利要求1所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述轴承合金层(10)整个都构造为梯度层。
5.按照权利要求1所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述轴承合金层(10)由无铅的材料构成。
6.按照权利要求1所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，每个烧结层的粉末材料都具有至少一个由基质材料构成的第一粉末成分。
7.按照权利要求1所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，每个烧结层的粉末材料只由基质材料构成，
各基质材料由相同的材料构成，
各基质材料通过其粒子尺寸来区分。
8.按照权利要求6所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一粉末成分由具有大的粒子尺寸的颗粒构成，所述大的粒子尺寸包括平均粒子尺寸从≥50μm至≤200μm的范围；或者所述第一粉末成分由具有小的粒子尺寸的颗粒构成，所述小的粒子尺寸包括平均粒子尺寸＜50μm的范围。
9.按照权利要求8所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，在轴承合金层(10)中所述小的粒子尺寸的份额随着到载体层(2)间距的增大而增加。
10.按照权利要求8所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，至少一个烧结层的所述粉末材料具有至少一个由至少一种添加材料构成的第二粉末成分。
11.按照权利要求10所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第一粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第一粉末成分由具有大的粒子尺寸的颗粒构成。
12.按照权利要求10所述滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第一粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第一粉末成分由具有小的粒子尺寸的颗粒构成。
13.按照权利要求11所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由大的颗粒构成，所述第二粉末成分的大的颗粒具有从70至90μm的平均粒子尺寸。
14.按照权利要求12所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由大的颗粒构成，所述第二粉末成分的大的颗粒具有从70至90μm的平均粒子尺寸。
15.按照权利要求11所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由小的颗粒构成，所述第二粉末成分的小的颗粒的粒子尺寸小于所述第二粉末成分的大的颗粒的粒子尺寸。
16.按照权利要求12所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由小的颗粒构成，所述第二粉末成分的小的颗粒的粒子尺寸小于所述第二粉末成分的大的颗粒的粒子尺寸。
17.按照权利要求13所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由软的颗粒构成，所述软的颗粒由h-BN或C构成。
18.按照权利要求14所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由软的颗粒构成，所述软的颗粒由h-BN或C构成。
19.按照权利要求15所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由软的颗粒构成，所述软的颗粒由h-BN或C构成。
20.按照权利要求16所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由软的颗粒构成，所述软的颗粒由h-BN或C构成。
21.按照权利要求13所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由硬的颗粒构成，所述硬的颗粒由c-BN、Fe3P、SiO2、金属氮化物、金属氧化物或金属硅化物构成。
22.按照权利要求14所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由硬的颗粒构成，所述硬的颗粒由c-BN、Fe3P、SiO2、金属氮化物、金属氧化物或金属硅化物构成。
23.按照权利要求15所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由硬的颗粒构成，所述硬的颗粒由c-BN、Fe3P、SiO2、金属氮化物、金属氧化物或金属硅化物构成。
24.按照权利要求16所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一烧结层(12)的第二粉末成分和/或所述第二烧结层(14)的第二粉末成分由硬的颗粒构成，所述硬的颗粒由c-BN、Fe3P、SiO2、金属氮化物、金属氧化物或金属硅化物构成。
25.按照权利要求21至24中任一项所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述硬的颗粒由Al2O3或MoSi2构成。
26.按照权利要求17或18所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，第二粉末成分的软的、大的颗粒具有从6至8μm的平均粒子尺寸。
27.按照权利要求23或24所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第二粉末成分的硬的、小的颗粒具有从4至6μm的平均粒子尺寸。
28.按照权利要求6所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述第一粉末成分由CuNiXSiX、CuSiXNiX、Cu、CuSnX和/或CuFeXPX构成，其中X可以取1至3的数值。
29.按照权利要求1至7中任一项所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，在所述轴承合金层(10)上涂覆一薄的元素层(6)。
30.按照权利要求29所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述元素层(6)由元素Cu、Sn、Bi、Ag、Au、Ni、In、Si或其合金构成。
31.由根据权利要求1所述的滑动轴承复合材料构成的滑动轴承元件。
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