CN102878204B - 多层轴瓦 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括一个作为层结构的支承元件的背面金属层(3)以及至少一个与背面金属层(3)相连的其他轴承层的多层轴瓦(2)，其中所述背面金属层(3)由青铜构成。背面金属层(3)除了构成青铜基体的铜外，还包含含量选定为在下限1.25重量％与上限12重量％之间范围的锡、含量选定为在下限0.25重量％与上限6重量％之间范围的锌以及含量选定为在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间范围的磷。

Description

多层轴瓦
技术领域
本发明涉及一种包括作为层结构的支承元件的背面金属层以及至少一个与所述背面金属层相连的另外的轴承层的多层轴瓦，其中，背面金属层由青铜构成；还涉及一种用于制造包括根据连铸方法(Stranggieβverfahren)制成的由青铜构成的背面金属层的多层轴承元件的方法。
背景技术
应用于各种形式的发动机的滑动轴承如今通常是由一个至少为两层的结构构成，其中，特别是对于较高载荷的发动机甚至会使用具有三层和更多层的轴瓦，由此这可以满足对其所提出的要求。通常所述滑动轴承具有钢制的、构成整个结构的支承层的背面金属层。有时也已经提到可能的用于背面金属层的替代材料，例如在AT502546A1中的铜合金，如黄铜或青铜。
所述背面金属层在装入滑动轴半瓦后与轴承座直接接触。其中，特别是在高载荷的连杆轴承中，由于在轴承与轴承座之间的接触面上组件相互之间的周期性的、意外的并且振幅很小的相对运动，可能会带来摩擦焊接或摩擦腐蚀，也即带来局部损伤，进而导致滑动轴承在轴承壳套中“卡住”。这一损伤机制通常称为微动磨损(Fretting)。这种损伤在处于载荷下的钢体接触、例如在钢滑动轴承背面与钢或铁铸轴承壳套的接触中尤其突出。摩擦腐蚀因而也基本由材料配伍(-paarung)的情况而确定。硬质材料或者具有硬质表层的组件与软质材料相比更容易由于摩擦腐蚀受到损伤，软质材料则更容易卡住。尽管在后一种情况中相对运动被抑止，然而也会带来损伤。在表面损伤极高的情况下，通常会由于摩擦腐蚀而形成摩擦疲劳断裂，即轴瓦裂开。
为了解决这个问题，在现有技术中已经建议了用来制造滑动轴承背面涂层的各种材料以构成所谓的抗微动磨损层。例如专利文献AT506641A1介绍了一种用于此的银合金。由AT399544B已知一种由锡合金构成的防腐蚀层。由GB2315301A1已知用于抗微动磨损层的Ni、Cr或Co合金。根据W002/48563A1使用一种锡青铜作为抗微动磨损层。一种作为抗微动磨损层在钢上电镀沉积的、具有10％至15％锡含量的铜锡合金由GB556248A或GB554355A公开。在背面金属层的背面上设置抗微动磨损层会带来极高的制造成本。某些情况下甚至必须施加粘结层以确保在背面金属层与抗微动磨损层之间具有足够的连接强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有改善的抗微动磨损特性的多层轴瓦。
本发明的上述目的通过开头所述多层轴瓦得以实现，其中，背面金属层除了构成青铜基体的铜外，还包含含量选定在下限1.25重量％与上限12重量％之间范围的锡、含量选定在下限0.25重量％与上限6重量％之间范围的锌以及含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的磷。此外，上述目的还通过开头所述方法得以解决，该方法中根据本发明来构造多层轴承元件，并且该方法中在连铸方法后通过滚轧实现进行硬化，其中在多个步骤中进行滚轧并且任选地在至少两个步骤之间可以进行中间退火，从而使背面金属层具有存合各个要求，例如最大30μm的合金的粒度。
令人惊奇的是已经确定，用这种组成的锡青铜不仅能够解决微动磨损问题，从而无须在背面金属层上再沉积单独的抗微动磨损层，因而与轴承座的材料接触的背面无涂层，而且该锡青铜还具有了足够的机械特性如交变弯曲强度，以便能够被用作多层轴瓦的层结构的支承材料。这是令人惊奇的，因为虽然这中锡青铜已经被用于滑动轴承领域，但是是用作为钢背上的轴承合金。尤其是已经发现，不仅是静态的振动疲劳强度、还有动态的振动疲劳强度与通常在滑动轴承领域被用作背面金属的钢相比至少能近以达到钢的水平，并且抗微动磨损特性比基于镍青铜、铝青铜或含铁的青铜的抗微动磨损层更佳。所述锡青铜即使在展开部(Aufspreizung)和凸出部损耗方面也都具有不错的值，从而能够保持展开部和凸出部损耗较长的时间。此外，由于避免了抗微动磨损层，还避免了通常所用的氰化工艺以沉积该层，从而可以在工作场所安全性与环境方面获得优点，还能实现成本的优化。
其中，“展开部”理解为：为了达到稳定的状态以避免微动磨损以及为了实现轴承的需要的轮廓，相对于轴承座如此设计轴承的周长，使得通过压入工序构建足够高的应力。这在几何形状方面通过位于轴承座上的展开部并尤其是借助所谓的轴承凸出部来实现。该应力由于滑动轴承的载荷越来越大而升高，并且由于现代发动机中的热膨胀与动态轴载荷而叠加。因此，对于通常所用的钢瓦套材料，但还对于轴承金属或对于滑动层的合金，会出现塑性效果和伪弹性效果，其最终本身导致轴瓦的几何形状改变。这种几何形状改变归根结底一方面是由于展开部的损耗，另一方面是由于轴承凸出部的减少。结果是轴承不再稳定，从而使得微运动成为可能，这又导致微动磨损或者甚至引起滑动轴半瓦或轴承的一同转动。
锡用作主合金元素，并且通过混合晶体硬化.导致铜基体的基本强度。但是在锡含量超过12重量％时，形成脆性的金属间相位的危险以及偏析倾向强烈增加，由此织构(Gefüge-)质量和因此背面金属层的特性受到不利影响。若小于1.25重量％，则无法或者不能以所希望的程度达到所希望的锡青铜特性。
在此通常要注意，后面的关于范围下限值的说明也适用于在本说明书中所有提及的单个元素的范围下限值。
锌可被看作锡的替代物。特别是当锌含量最多到2重量％时，可以直至1∶2的比例用锌代替锡。锌在保持锡青铜的韧性的条件下增加强度，从而合金能够被良好地热成型与冷成型。此外，锌还导致熔体更好地脱氧，这又积极影响熔体质量以及铸造材料的质量。锌含量限定为最大至6重量％，因为形成与铜的金属间相的风险随着锌含量的增加而变大。
磷主要用作熔体的脱氧剂。此外，通过添加磷还可观察到锡青铜的抗拉伸强度以及硬度略微提高，其中膨胀保持几乎不受影响。然而，在磷的含量超过0.5重量％情况下，锡青铜的可铸造性能劣化。
为了进一步改进这种效果，优选选择锡含量在下限3重量％与上限8重量％之间的范围和/或锌含量在下限1重量％与上限4重量％之间的范围和/或磷含量在下限0.25重量％与上限0.4重量％之间的范围。
根据多层轴瓦的一个实施方案设计使得锡和锌的总含量最大为15重量％。通过将锡和锌的总含量限定在这一数值来进一步减少形成金属间相的风险以及偏析风险。此外还改善了熔体的可铸造性，因为锡和锌的总含量超过15重量％的熔体具有很大的凝固区间。另外也优化了铸造材料的可成型性，这尤其利于将平整的、条形的半成品制品成型为瓦型。
为了进一步改进这种效果，优选将锡和锌的总含量限制为最大13重量％或者将锡和锌的总含量选定在下限6重量％与上限12重量％之间的范围。
最大7重量％、特别是最大6重量％范围内的一部分铜可被至少一种选自钴、锆、锰、钛、镁、硼、铌、钒、铁、铬、钪和碳元素代替。
其中，可通过钴或者硼实现铸造合金的更细的颗粒结构。可以通过一起添加钴和硼超预期地强化这种特性，因此估计锡青铜的熔体中钴和硼之间发生相互作用。
可通过锰借助混合晶体硬化改进锡青铜的冷强度和温热强度。此外还可提高再结晶温度。
可通过向锡青铜中加入钛借助析出硬化达到锡青铜的固化。特别是与碳结合还可实现颗粒细化作用，因为碳化物起到晶核的作用。
通过加入镁同样可以通过Cu2Mg实现析出硬化，并由此实现锡青铜的强度提高。
由于Cu3Zr的析出相，因此这一点同样适用于锆的添加，其中锆也可被添加来提高之前已经过冷作硬化的锡青铜的再结晶阈值。通过碳化物形成由于晶核的形成而使锆也可起到颗粒细化的作用。
可添加铌或钒以将铸造织构颗粒细化，其中若同时加入硼，则在此还可实现这种效果的提升。
铁也起到铸造织构的颗粒细化作用，其中观察到通过磷或者同时加入镍使得效果得到提升。
通过向锡青铜加入铬可使其通过热固化而硬化，其中元素铬在时效处理(Auslagerung)后析出。在Cu与Cr之间不形成金属间的连接，从而使得不会由于向锡青铜加入铬而确认到明显的膨胀损耗，尽管在时效退火时强度增加。
敏用于提高在先前冷成型之后的重结晶阈值。
可加入镍与磷以增加强度，而在很少量结合磷的情况下用于颗粒细化。
可以包含一定含量的钴，其含量选定在下限0.01重量％与上限2.0重量％之间的范围，和/或一定量的锰，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的范围，其中元素钴、锆和锰的总含量可选定在下限0.02重量％与上限2.1重量％之间的范围。
钴含量被限定为最大2.0重量％，以避免在熔体冷却时分离(Entmischung)，由此通过该过程中析出的相而劣化背面金属层的特性。
通过所选定的锰含量的范围，一方面可将锰仅用来脱氧(采用在0.01重量％至0.02重量％之间的范围)或者从0.02重量％的含量起也能有助于锡青铜强度的增加。若含量超过0.5重量％，则锡青铜的强度过大。
锆含量可在0.01重量％至0.3重量％之间，其中仅很少的量(至多至约0.1重量％)就可利于非均相织构的形成，并因而也有助于固化。在0.2重量％至0.3重量％的范围内，能观察到先前经冷作硬化的样品的再结晶阈值的最大提高。然而，即使在0.02重量％至0.03重量％范围内的很少量的锆也可与碳一起具有颗粒细化作用，因为以碳形成的碳化物起到晶核的作用。
钴、锆和锰的总含量限定在2.1重量％，因为这些元素超出所述限定范围的部分不会具有任何额外的积极特性，而更多的是例如由于所述的分离现象而给熔体的加工增加难度。
优选将钴含量选定在下限0.05重量％与上限1.5重量％之间的范围和/或将锰含量选定在下限0.1重量％与上限0.4重量％之间的范围和/或将元素钴、锆和锰的总含量选定在下限0.02重量％与上限1.8重量％之间的范围。
可以包含一定含量的钛，其含量选定在下限0.05重量％与上限0.5重量％之间的范围，和/或一定量的镁，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.2重量％之间的范围，其中元素钛和镁的总含量可以选定在下限0.05重量％与上限0.5重量％之间的范围。
这些元素仅以很少量来合金化，以便特别是在用金属的氧化物掺杂熔体以及熔体的烧损(Abbrand)方面简化熔融金属冶金处理。
由于所含的钛元素可能导致不同的时效处理工艺。在很少含量的情况下形成连续析出，在较高含量的情况下则是形成非连续的析出。钛含量限定为最大0.5重量％，以避免反向的锭偏析(Blockseigerungen)(构成Ti浓度梯度)和因此避免在铸件中出现不均一的特性。
镁含量限定为最大0.2重量％，以不劣化锡青铜的形状变化能力。
钛和镁的总含量限定为最大0.5重量％，以此锡青铜不会变得过硬遭受可成型性下降。
优选钛含量选定在下限0.1重量％与上限0.2重量％之间的范围和/或镁含量选定在下限0.05重量％与上限0.14重量％之间的范围和/或元素钛和镁的总含量选定在下限0.1重量％与上限0.4重量％之间的范围。
可以包含一定量的铌，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的范围，和/或一定量的钒，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.25重量％之间的范围，和/或一定量的铁，其含量选定在下限0.1重量％与上限2.0重量％之间的范围，其中铌元素、钒元素和铁元素的总含量可以选定在下限0.01重量％与上限2.0重量％之间的范围。
对于同样起颗粒细化作用的铌和钒而言，是据此来选定上限值的，即更高的含量不再显示出额外的效果或者不会在如按照所述范围的量添加时那样的程度上实现额外的效果。
铁含量限定为最大2重量％，因为若锌含量更高，则可能形成给锡青铜的可成型性带来不利影响的铁-锌-相，由此使锡青铜变脆。
出于该理由，这些元素的总含量限定为最大2重量％，因为可能会由于铌和/或钒的同时存在而强化更高量的铁所带来的不利影响。
然而观察到，因为锡青铜中磷的存在，铁可能会由于磷化物的形成(该磷化物本身又形成了晶核)而也起到颗粒细化的作用。
优选铌含量选定在下限0.1重量％与上限0.30重量％之间的范围，和/或钒含量选定在下限0.05重量％与上限0.16重量％之间的范围，和/或铁含量选定在下限0.5重量％与上限1.3重量％之间的范围，和/或钛元素与镁元素的总含量选定在下限0.1重量％与上限1.5重量％之间的范围。
可以含有一定量的铬，其含量选定在下限0.01重量％、特别是0.1重量％与上限1.6重量％、特别是1.2重量％之间的范围。
最大1.6重量％的上限值是出于在熔体中可能形成铬氧化物的考虑而选定的，铬氧化物会像钛和镁一样由于熔体的杂质以及熔体的烧损而给熔融金属冶金制造带来不利影响。
钪含量可以最大0.3重量％，因为钪同样起颗粒细化的作用，更高的含量没有显示任何额外的作用。
硼含量可以选定在下限0.08重量％与上限0.15重量％之间的范围，碳含量选定在下限0.05重量％与上限0.15重量％之间的范围。因为如上已经论述的，加入这些元素用来强化所述元素的颗粒细化作用，所以在考虑到其颗粒细化作用被增强的元素的份额情况下这些元素的更高含量没有额外的作用。
硼含量优选选定在下限0.1重量％与上限0.12重量％之间的范围和/或碳含量选定在下限0.07重量％与上限0.12重量％之间的范围。
一部分铜可由含量最大2重量％、特别是最大1.5重量％的镍代替，因为可能会像铁的情况一样生成起到晶核作用并因此起到颗粒细化作用的磷化物。当磷含量最大0.25重量％时，尤其会这样。
然而，在多层轴瓦的优选实施方案中，青铜不合镍和/或不含铝。微动磨损试验非常令人感兴趣地显示了，尤其是较高的镍添加量(如同在现有技术中已知的经旋节(Spinodal)硬化的铜-镍-锡合金中出现那样，这对于显著的强度提高本应是必要的，例如超过2重量％)会给微动磨损特性带来很不利的作用。对于铝而言，试验已经表明，即便是在锡青铜中很少的量也会导致青铜的熔融金属冶金制造中提高的烧损。
如上所述，青铜可以具有例如最大30μm的优选的平均粒度，以便实现背面金属层更好地设置在轴承座的表面上。其中，平均粒度意味着线性平均粒度(mittlere lineare)，其也被称作海恩斯(Heynsche)粒度。通过显微照片的光学评价并根据今天已成为现有技术的量化织构分析规程来进行这一织构特征值的测定。
附图说明
借助下面的附图进一步说明以更好理解本发明。
其中分别以示意简图示出：
图1为多层轴瓦形式的滑动轴承的侧视图；
图2为CuSn5Zn1P0，1CoMn与钢的交变弯曲强度的比较；
图3为CuSn5Zn1P0，1CoMn和CuSn5Zn1Ni4A12与钢的微动磨损测试结果的比较。
具体实施方式
首先要确定，在所述的不同的实施方式中对于相同的部件设置以相同的附图标记或者说相同的组件名称，其中整个说明书中所包含的公开内容可合理地应用于具有相同附图标记或相同的组件名称的相同部件。说明书中所选的位置说明如上面、下面、侧面等也相对于直接所述的以及所示的附图计，并且若位置变化，就会合理地转为新的位置。
这样来理解在内容说明中有关取值范围的所有说明，即其连同包含了其中的任意某个分区以及所有分区，例如这样来理解数据1至10，即连同包含了来自下限1与上限10的所有分区，也就是说，所有分区由下限1或更大起始并且终结于上限10或更小，例如1至1.7或者3.2至8.1或者5.5至10。
图1示出了多层轴瓦2形式的滑动轴承元件1，其被实施为所谓的二元材料(zweistoff-)轴承并且由一个背面金属层3与一个滑动层4组成，其中所述的背面金属层构成滑动轴承元件1的支持元件或支持套以使其自支撑。滑动层4因此直接布置在背面金属层3的表面上，并与其相连。
但是滑动轴承元件1也可以具有超过两个的层，例如为3层、4层、5层等。因而例如能够在背面金属层3与滑动层4之间布置一个轴承金属层5，如图1中的虚线所示，从而使滑动轴承元件1构造为由三层构成的所谓的三元材料轴承。
此外还存在这种可能，即直接在滑动层4上或者取代滑动层4地布置一个润滑漆层。
也可以，如现有技术中所已知的那样，在各单个层或者至少各单个涂层(Schicht)之间、即例如在背面金属层3与滑动层4或者轴承合金层5之间和/或在轴承合金层5与滑动层4之间以粘结层或渗透阻挡层的形式设置至少一个中间层，以抑止各单个组成成分由于滑动轴承元件1的热载荷而由一个层向另一个层扩散，并因此抑制该元件上的层的耗损，或者说以改善各单个层相互之间的粘附强度。其中，也可以根据需要在各单个层之间既布置粘结层又布置渗透阻挡层。然而在此要注意的是，在本发明的范畴内可以是无需中间设置其他层地直接涂覆背面金属层3在轴承合金镀层5或滑动层4上。
此外，可在滑动层4上布置一个所谓的磨合层，特别是在多层轴瓦2的承受摩擦的区域内。
原则上可将所有适于此的、由现有技术中已知的材料用于滑动层4、轴承金属层5、滑动漆层、粘结层以及扩散阻挡层。
因此，轴承金属层5例如可由以下构成：
铝基轴承金属(部分根据德国工业标准IS04381或4383)：
AlSn6CuNi，AlSn20Cu，AlSi4Cd，AlCd3CuNi，AlSillCu，AlSn6Cu，AlSn40，AlSn25CuMn，AlSillCuMgNi，AlZn4.5；
铜基轴承金属(部分根据德国工业标准IS04383)：
CuSnl0，CuAl10Fe5Ni5，CuZn31Si，CuSn8Bi10，CuSn2.5-11Zn0.5-5，例如CuSn4.5Zn；
铅基轴承金属：
PbSb10Sn6，PbSb15Sn10，PbSb15SnAs，PbSb14Sn9CuAs，PbSn10Cu2，PbSn18Cu2，PbSn10Ti02，PbSn9Cd，PbSn10；
锡基轴承金属：
SnSb8Cu4，SnSb12Cu6Pb。
可考虑例如将由纯铝或铝合金例如AlSc3构成的或者由Mn、Ni、Fe、Cr、Co、Cu、Ag、Mo、Pd及其合金以及NiSn合金或CuSn合金等构成的层作为粘结层。
扩散阻挡层同样可以是例如铝层或铝合金层或镍层，或者由Mn、Fe、Cr、Co、Cu、Ag、Mo、Pd及其合金等构成的层。
例如可以将铝基合金如AlSn20Cu、AlSn40Cu、AlBi15Mo2、AlBillCu0.5Ni0.5、AlBi25Cu，锡基合金如SnSb15Cu5、SnSb4Cul，铜基合金如CuBi20、CuZn3lSil，铋基合金，银基合金，Bi，Ag，Sn，白色金属合金(Wei βmetalllegierungen)，镍合金等用于滑动层4。
润滑漆层可例如由含石墨以及作为固体润滑剂的MoS2的基于聚酰胺亚胺的润滑漆构成。
要注意的是，前述列举项仅为示例性的。总之要注意，滑动轴承元件1的各个涂层或层由金属或者金属合金组成(即除了润滑涂层外)，而不是由塑料构成。此外，这些层优选并不是由烧结材料而是由致密材料构成。
滑动轴承元件1的各个层可根据现有技术中相应的方法布置或者析出在背面金属层1或每种情况下布置在其上的层上。例如可通过辊涂、电镀沉积、通过借助PVD的沉积、特别是溅射方法、CVD方法、激光涂覆方法以及电子束蒸镀方法等沉积出轴承金属层5和/或滑动层4和/或扩散阻挡层和/或粘结层。润滑漆层通常是喷涂的，然而也可用涂漆技术中的其他方法来施加。其中，通常可在沉积单个层、特别是轴承合金镀层5和/或滑动层4之前使背面金属层3仍平面状存在，从而使得即便在沉积至少单个的层后也能实现成型为多层轴瓦2，只要这些层容许成型。
如图1所示，背面金属层3以与径向内滑动面6相对布置的表面7紧靠在轴承座9的表面8上。背面金属层3在滑动轴承元件1的这个外表面7上优选构造为完全没有涂层的，因而就无论如何不具有抗微动磨损层。
图1中所示的滑动轴承元件1在内置状态下具有滑动轴承半瓦的形状。这就是说，轴承座9外部的滑动轴承元件1的几何尺寸——从侧面来看——不同于或者可以不同于半圆形状，因而由于展开部和尤其是通过轴承凸出部来实现更好的轴承位置。半瓦因此可包括也是略小于180°的角度范围、例如小最多5°的角度范围，从而使半瓦适配入轴承位置同时形成180°的角度范围以及在轴承位置中构成应力，也即保持轴承座9。与此相应，“半瓦”可具有展开部，以便实现由于压入操作而构成的足够高的应力或挤压力。但是后者还可以由此实现，即通过使多层轴瓦2具有所谓的轴承凸出部，也就是在圆周方向上具有大于沿同一方向上的相应轴承座9的长度的长度。多层轴瓦2在由于展开部或轴承凸出部构成的应力方面具有非常好的特征值。
除了采用至少180°的重叠角度范围的半瓦实施方案外，未闭合的多层轴瓦2还可具有与此不同的其他的重叠角度范围，例如至少接近120°或至少接近90°，从而使多层轴瓦2也可构造为尤其是二冲程柴油发动机的第三轴瓦或者构造为第四轴瓦，它们与轴承座9中的相应其他轴瓦组合，其中根据本发明，多层轴瓦2优选内置在轴承座9的高载荷区域内。
背面金属层3由锡青铜构成，所述锡青铜在最简单情况中除了铜作为基体元素外由含量选定在下限1.25重量％与上限12重量％之间的锡、含量选定在下限0.25重量％与上限6重量％之间的锌以及含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的磷组成。所述背面金属层3特别是由CuSn3-10Znl-4P0.05-0.2，如CuSn5ZnlP0.1、CuSn8ZnlP0.1、CuSnl0Zn3P0.1、CuSn8Zn4P0.1或CuSn3Zn3P0.1组成。该组成的锡青铜在发动机的试运行中表明，其与轴承座9的钢直接接触，有极少的摩擦焊接或微动磨损的倾向，也就是说层有对于摩擦腐蚀的耐受性。锡青铜的这种特性不仅优于钢的相应特性，而且也比含镍、含铝和含铁的青铜的微动磨损倾向更佳。这就意味着，所述青铜具有比后面要进一步所说明的明显更高含量的这些元素，因为锡青铜中的这些元素可以很少量存在于其中。
此外，所述锡青铜不仅具有与钢相当的静态强度，同时还具有与钢相当的动态强度，由此用锡青铜代替钢作为背面金属层8不会给轴承结构带来任何额外的变化。
还重要的是，该锡青铜可以连铸、特别是以水平连铸进行加工。其可被冷成型而没有损伤，并且地具有足够的残余成型能力，从而无需采取额外的措施就可以压入轴瓦。另外，所述锡青铜还可经辊轧。锡青铜可无铅地被用作背面金属层3在环境方面也十分重要。
对于锡青铜的各元素的优选范围及其在锡青铜中的作用为避免赘述，一般性地参见上述说明，从而下面仅对锡青铜的可能组成作简要的说明。
优选锡与锌的总含量最大为15重量％。
除锡青铜的该基本组成外，所述锡青铜还可含有至少一种其他的合金元素以便在锡青铜中构成微合金体系或者以便颗粒细化。为此，最多7重量％的一部分铜可被选自钴、锆、锰、钛、镁、硼、铌、钒、铁、铬、钪以及碳的至少一种元素代替。由此可以出现不同的织构状态(微合金体系、良好可成型性与高强度的颗粒细化以及耐高温强度、通过嵌入金属间相作为间隔体影响摩擦)。
此外，一般还可以含有最大0.1重量％、特别是最大0.05重量％的稀土。
其中，可以含有一定量的钴，其含量选定在下限0.01重量％与上限2.0重量％之间的范围，和/或含有一定量的锰，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的范围，其中钴元素、锆元素和锰元素的总含量优选选定在下限0.02重量％与2.1重量％之间的范围。因此可以用该总含量减去钴和/或锰的含量得出可能的含锆量。
可以含有一定量的钛，其含量可选定在下限0.05重量％与上限0.5重量％之间的范围，和/或含有一定量的镁，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.2重量％之间的范围，其中钛元素与镁元素的总含量优选选定在下限0.05重量％与上限0.5重量％之间的范围。
可以含有一定量的铌，其含量可选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的范围，和/或含有一定量的钒，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.25重量％之间的范围，和/或含有一定量的铁，其含量选定在下限0.1重量％与上限2.0重量％之间的范围，其中铌元素、钒元素与铁元素的总含量优选选定在下限0.01重量％与上限2.0重量％之间的范围。
可以含有一定量的铬，其含量可选定在下限0.01重量％与上限1.6重量％之间的范围。
可以将最大0.3重量％的含量的钪加入合金。
可以将选定在下限0.08重量％与上限0.15重量％之间范围的含量的硼加入合金。
碳含量可选定在下限0.05重量％与上限0.15重量％之间的范围。
此外还可以用最大2重量％含量的镍代替一部分铜，在这种情况下，锡青铜中的磷含量为最大0.25重量％。
然而，在锡青铜的优选实施方案中，由于上述原因而不含镍和/或不合铝。
在背面金属层3的可能的、例示性组成的测试试验中制备以下如表1所列的合金。所有数据的单位为重量％。每种情况下其余部分为铜。
表1：锡青铜的可能的组成
对于所有这些组成再详细给出测试结果将可能使本说明书内容过多。为此下文将限于一种组成。这特别也是因为所进行的有关抗微动磨损倾向以及交变弯曲试验的测试分别给出了可对比的结果，其中通过添加可替代的合金元素达到比基础组成更好的值。
对于以下描述的测试，分别描述具有由CuSn5ZnlP0.12Co0.05Mn0.05构成的背面金属层3、其上的由组成为AlSn20Cul的溅射层构成的滑动层4以及其上的具有如EP1717469A2中所述的组成的润滑漆层结构的轴承半瓦，其在这方面同样属于本说明书的内容。使用所述轴承半瓦作为下半瓦。上半瓦则具有由CuSn5ZnlP0.12Co0.05Mn0.05构成的背面金属层3，和其上的具有如EP1717469A2中所述组成的润滑漆层结构。
按照这种结构来制造轴承以便比较，然而其中背面金属层3并不由锡青铜、而是由C10钢构成。
在图2中示出了作为在室温下按照DIN50142的滑动轴承疲劳强度测试的交变弯曲试验的试验结果。其中，在纵坐标上为以MPa为单位的弯曲交变强度(应力)，在横坐标上为对数尺度的载荷变化数值。其中，曲线10显示了根据本发明的具有由锡青铜构成的背面金属层3的滑动轴承，曲线11为具有钢背金属层的滑动轴承。
可以看出根据本发明的合金的弯曲交变强度所达到的强度值与“钢轴承”的相当，其中在较长的滑动轴承运行时间下，根据本发明的轴承(曲线10)所获取的效果要好于根据现有技术的滑动轴承(曲线11)。
在图3中以图表示出了微动磨损测试(摩擦腐蚀倾向)的结果。其中，曲线12和曲线13显示了按照用于得出如图2的交变弯曲强度的结构(曲线12＝CuSn5ZnlP0.12Co0.05Mn0.05的背面金属层3，曲线13＝C10钢的背面金属层)的滑动轴承的结果。对于曲线14则又使用了相同的下半瓦和上半瓦的结构，其中将组成CuSn5ZnlNi4A12的锡青铜用作背面金属层。在此在图3中的纵坐相上为对钢(轴承座9)的摩擦系数。横坐标则为对数尺度的载荷变化数值。在表面压力恒定为7MPa、频率为30Hz和振幅为70μm的条件下进行测试。
如图3明确所示，刚开始时两种锡青铜在微动磨损倾向方面比钢更好。然而，在更长的运行时间下图发生变化。锡青铜CuSn5ZnlP0.12Co0.05Mn0.05在摩擦腐蚀方面始终比钢更好，而组成CuSn5ZnlNi4Al2的锡青铜则明显更差，甚至不如“钢轴承”。这也是为什么背面金属层3的锡青铜优选不合镍和/或不含铝的原因所在。
表2给出了为说明图2而用到的轴承的静态强度值(根据DIN ENISO6892-1的拉伸试验)以完善图表。
表2：根据DIN EN ISO 6892-1的拉伸试验
图2表明了，根据本发明的由锡青铜构成的背面金属层3提供与具有钢背面金属层的相当的强度值。表2还表明，将锡青铜的最大粒度限定在一个最大值内可能是有利的。其中，测试已经表明，最大粒度——关于最大粒度的定义参见上述说明——应不超过30μm、特别是20μm的值。下面说明相关原因。
在采用CuSn5ZnlP0.12CoMn合金的最初的系列试验中，在工艺链期间不关注粒度，而要达到初始材料(Vormaterials)(带材)所要求的机械特征值，因为可从变形硬化中获得绝大部分强度，然而有着粗大织构的情况。然后，在接下来的成型为半瓦的工艺中会在轴承背上出现所谓的“橙皮”。这在局部是微米级的凹陷，其一方面是外观上的问题，因为轴承背不再均匀平滑，另一方面这些细小的凹陷还会导致轴承背不能最佳地或不均匀地背面贴靠(Rückenanlage)在轴承座9中。这可能根据各个使用条件下而不利地影响轴承性能，因为轴瓦的位置不佳。
由于不同取向的颗粒中的流线在成型为轴瓦(压制)期间会生成大量的橙皮，前提是材料通过前面的成型工艺而具有高硬度。一旦橙皮一次生成，就再也不能借助热机械工艺进行后续的去除。
一种用于减少橙皮的措施是调整获得较小的粒度。因此可变化制造过程，从而使得在带材成品中得到细粒的织构。这通过在一定的、特别是50％的成型度后中断铸造材料的辊轧过程并且插入再结晶的中间退火来实现。其中，进行中间退火的温度选定在下限400℃与上限600℃之间的范围，特别是选定在下限500℃与上限550℃之间的范围。通过所引入的冷成型以及后续的再结晶形成细粒的、但经软化(entfestigtes)的织构。通过进一步冷轧使材料再次固化(成型硬化)。通过这种方法方式可实现背面金属层3在轴承座9上的贴靠面为至少75％、尤其至少85％。
例如最大平均粒度为30μm的细粒织构的优点在于，锡青铜具有均一的特性，与粗粒相比更大的断裂拉长(见表2)、均匀的背面贴靠以及改善的背表面。然而也会因此带来不足，即固化程度(通过成型固化)不会完全像粗粒(平均粒度为数百μm)发互得那么高，因为采用中间退火的过程，随后的辊轧度就比没有中间退火的要低。
这种工艺过程的替代方法或除此之外是，也可通过添加颗粒细化剂如上所述地实现在上述内容中所提到的最大平均粒度30μm的细颗粒织构。
作为在前述段落中提到的工艺过程的替代方法或除此之外是，还可进行后续的机械加工或材料磨蚀加工，以解决橙皮问题。作为可能的加工方法提及现有技术中已知的方法，如表面的打磨或精密车削。
上述工艺过程显示了多种可能的方案，以应对背面金属层3中的橙皮问题。根据本发明的多层轴瓦2的各个应用情况来决定使用哪种所述的方案。
根据本发明的背面金属层3优选通过(水平)连铸制备作为带状初始材料。在经过辊轧后，接着施加其他层，其中可按照现有技术的方法将这些层析出。因此制成多层轴瓦的成品，其不会断裂分开而构成轴瓦。
背面金属层3的锡青铜与钢背金属层相比还具有其他优点，即可以为了改善轴瓦端面上的轴瓦位置而引入所谓的狭缝凸轮(Spaltnocke)，如描述在AT412812B中的，因此其内容也属于本发明内容。
根据本发明的背面金属层3尤其可用来制造船舶柴油发动机中、所谓的高速运行器(Laeufern)中、载重汽车发动机中、高压压缩机中或甚至在风力发电机的轴承支承架中的滑动元件。
所述实施例显示背面金属层3的可能的实施方案，其中在此要注意，也可以是各个实施方案彼此的不同细合，并且这坐方案相据通过本发明的技术操作的教导在从事该技术领域的专业人员的能力内。因此，通过细合所示与所述的实施方案的各个细节而可能的实施方案，也连同包括在权利要求的保护范围内。
为缜密起见最后还要说明，为了更好理解滑动轴承元件1的结构，其或其组件有些情况下以不成比例的和/或放大和/或缩小的方式示出。
附图标记列表
1. 滑动轴承元件
2. 多层轴瓦
3. 背面金属层
4. 滑动层
5. 轴承金属层
6. 滑动面
7. 表面
8. 表面
9. 轴承座
10. 曲线
11. 曲线
12. 曲线
13. 曲线
14. 曲线

Claims (15)

1.包括一个作为层结构的支承元件的背面金属层(3)以及至少一个与背面金属层(3)相连的其他轴承层的多层轴瓦(2)，其中背面金属层(3)在装入滑动轴半瓦后与轴承座直接接触并且由青铜构成，其特征在于，除构成青铜基体的铜外，所述背面金属层(3)由含量选定在下限3重量％与上限12重量％之间范围的锡、含量选定在下限0.25重量％与上限6重量％之间范围的锌以及含量选定在下限值0.01重量％与上限值0.5重量％之间范围的磷组成。
2.根据权利要求1所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，锡与锌的总含量为最大15重量％。
3.根据权利要求1或2所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，最多7重量％的一部分铜被至少一种选自钴、锆、锰、钛、镁、硼、铌、钒、铁、铬、钪以及碳的元素代替。
4.根据权利要求3所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，含有一定量的钴，其含量选定在下限0.01重量％与上限2.0重量％之间的范围，和/或一定量的锰，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的范围，和/或一定量的锆，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.3重量％之间的范围，其中钴、锆和锰元素的总含量选定在下限0.02重量％与上限2.1重量％之间的范围。
5.根据权利要求3所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，含有一定量的钛，其含量选定在下限0.05重量％与上限0.5重量％之间的范围，和/或一定含量的镁，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.2重量％之间的范围，其中钛和镁元素的总含量选定在下限0.05重量％与上限0.5重量％之间的范围。
6.根据权利要求3所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，含有一定量的铌，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的范围，和/或一定量的钒，其含量选定在下限0.01重量％与上限0.25重量％之间的范围，和/或一定量的铁，其含量选定在下限0.1重量％与上限2.0重量％之间的范围，其中铌、钒和铁元素的总含量选定在下限0.01重量％与上限2.0重量％之间的范围。
7.根据权利要求3所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，含有一定量的铬，其含量选定在下限0.01重量％与上限1.6重量％之间的范围。
8.根据权利要求3所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，钪的含量为最大0.3重量％。
9.根据权利要求3所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，硼的含量选定在下限0.08重量％与上限0.15重量％之间的范围。
10.根据权利要求3所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，碳的含量选定在下限0.05重量％与上限0.15重量％之间的范围。
11.根据权利要求3所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，一部分铜被最大2重量％的量的镍代替。
12.根据权利要求11所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，青铜包含镍和磷，其中磷的含量为最大0.25重量％。
13.根据权利要求1或2所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，青铜不含镍和/或不含铝。
14.根据权利要求1或2所述的多层轴瓦(2)，其特征在于，青铜具有30μm的最大平均粒度。
15.包括一个作为层结构的支承元件的背面金属层(3)以及至少一个与背面金属层(3)相连的其他轴承层的多层轴瓦(2)，其中背面金属层(3)在装入滑动轴半瓦后与轴承座直接接触并且由青铜构成，其特征在于，除构成青铜基体的铜外，所述背面金属层(3)由含量选定在下限3重量％与上限12重量％之间范围的锡、含量选定在下限0.25重量％与上限6重量％之间范围的锌以及含量选定在下限值0.01重量％与上限值0.5重量％之间范围的磷组成；并且
最多7重量％的一部分铜被至少一种选自钴、锆、锰、钛、镁、硼、铌、钒、铁、铬、钪、以及碳的元素代替，其中
钴的含量选定在下限0.01重量％与上限2.0重量％之间的范围，
锆的含量选定在下限0.01重量％与上限0.3重量％之间的范围，
锰的含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的范围，
钛的含量选定在下限0.05重量％与上限0.5重量％之间的范围，
硼的含量选定在下限0.08重量％与上限0.15重量％之间的范围，
铌的含量选定在下限0.01重量％与上限0.5重量％之间的范围，
钒的含量选定在下限0.01重量％与上限0.25重量％之间的范围，
铁的含量选定在下限0.1重量％与上限2.0重量％之间的范围，
铬的含量选定在下限0.01重量％与上限1.6重量％之间的范围，
钪的含量是最大0.3重量％，
碳的含量选定在下限0.05重量％与上限0.15重量％之间的范围，和
此外，稀土元素的含量为最大0.1重量％。
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