CN103362954B - 一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦及其生产方法。轴瓦是发动机中最易失效，也是最重要的承力部件之一，而双层轴承普遍存在抗疲劳强度过低、三层轴承耐磨性差的问题。本发明的轴瓦包括依次设备的钢背层、轴承合金层、镍栅层和减摩镀层，减摩镀层由铝、锡、碳复合材料构成，按重量百分含量计算，复合镀层中各元素的配比是：Sn：11.5-19.5%；C：3.0-6.0%；Cu:0.75-1.25%；其余为Al。本发明采用磁控溅射轴瓦镀层的方式，所生产的轴瓦镀层的致密性好；几乎对所有的材料都可以通过磁控溅射的方法获得一层薄膜；镀层本身不含铅等有毒元素，因而轴瓦具有很好的环保性能。

Description

一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦及其生产方法

技术领域

本发明属于内燃机滑动轴承技术领域，具体涉及一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦及其生产方法。

背景技术

轴瓦是发动机中最易失效，也是最重要的承力部件之一。随着汽车工业的发展，人们对发动机的功率和转速指标要求越来越高，因而对轴瓦、衬套等耐磨零件的服役条件进一步恶化，性能要求也越来越苛刻。轴瓦服役，发动机工作时，轴瓦需承受高达700MPa的负荷，远高于合金衬层和钢背的屈服极限（100~300MPa），易导致轴瓦弹张量消失，并最终导致轴瓦抱轴；在交变应力作用下，轴瓦会出现涂层、合金衬层开裂和剥落，因而也易导致轴瓦咬合失效。特别是在发动机突然启动或瞬时加速时，润滑油膜不能及时形成，曲轴和轴瓦之间处于干摩擦状态，轴瓦和曲轴极易损坏。国外不断从改善润滑条件、优化结构、提高材料性能等方面努力，以提高轴瓦的使用寿命。对于国产高功率密度发动机的开发也急需性能优异的耐磨及自润滑轴瓦防护涂层制备技术，以期提高轴瓦的工作稳定性和使用寿命。

轴瓦(滑动轴承)的结构形式有:整体铜合金、整体铝合金、钢背+减摩合金层、钢背+减摩合金层+镀层。目前世界各国采用后两种的居多，其中又把主要精力集中在减摩层和镀层的选材上，因为它们直接决定了轴瓦的工作稳定性和使用寿命。在任何情况下，都需要有钢背以保证轴承与轴承座的压配。双层轴承所使用的轴承材料如巴氏合金等，在结构上是多相的，基本上是由软、硬两种组分所构成。在混合摩擦状态下，软组分可以获得良好的运行性能，如磨合性、顺应性以及尽可能小的咬合倾向，且不易为外来杂质所损伤:硬组分则具有耐磨性和抗疲劳强度。为了进一步改善其摩擦学特性，有时还要增加一层软的覆层，同时需要一层镍中间层以促进结合、防止扩散，这就形成了传统的三层轴瓦，但这种传统的三层轴承的缺点是其软覆层耐磨性不足，而且覆层一旦被损伤，硬的镍栅层就会导致轴承很快失去应急运行能力。

要解决双层轴承抗疲劳强度过低、三层轴承耐磨性差的问题，而又不牺牲它们良好的摩擦学特性，存在两种途径:

(1)几何形状设计。正如细槽轴承，将轴承表面上的软、硬两种组分适当分开;

(2)材料工艺技术。创造一种微观结构优良的轴承材料，即尽可能地使软、硬组分晶粒细化且均匀分布的晶相组织，使轴承表面快速磨合，提高轴承的嵌入性、顺应性和抗咬合性，软的表面镀层通过使所承受的载荷均匀分布而提高轴承的疲劳强度和承载能力。ISO4383中规定的常用轴承表面镀层材料有

PbSn10、PbSn10Cu2和PbIn7.这三种镀层材料又具有良好的耐蚀性，在紧急润滑状态下都具有较好的性能。在耐磨性方面，以PbSn10Cu2为最好；在疲劳强度方面，以PbSn10Cu2和PbIn7镀层较好。在英、美等国的部分产品中应用最多的是PbSn10Cu2。

为进一步提高镀层材料的性能，近年来国外部分知名公司在镀层材料方面进行了一系列的研究工作，并取得了较大进展。日本大同金属工业研究所为改进镀层的成分进行了大量研究，研究出了新的Pb-Sn-In镀覆层材料，试验得出的结论是，在锡加入5%时，镀覆合金层的硬度和抗拉强度最高，而当锡添加量少于3%，铟加量少于4%时，耐蚀性明显不足。另外，锡与铟同时添加与锡、铟分别单独添加相比，前者具有更好的耐蚀性。

奥地利美巴公司的在PbSn18Cu20镀层材料（强度和耐磨性高于PbSn10Cu2镀层材料）之后，研制了性能更优异的AlSn20镀层（含锡14%~20%、铜2%~4%，其余为铝），采用溅镀工艺在AlZn4.5Mg和CuPb22Sn上沉积AlSn20镀层，获得了满意的特性。德国格理柯公司在铜铅轴瓦上溅镀AlSn20表面镀层，也获得了良好的效果。英国汪德尔够公司在铅铟合金中添加一定数量的锡，即可使镀层的耐磨性调高一个数量级，同时耐蚀性和疲劳强度都超过了铅铟镀层。T&N技术公司采用溅镀工艺进行不同材料的实验研究，根据疲劳强度和抗咬合性能相结合的原则，开发出了据称是迄今最具发展前途的AlSn40涂层。

为了满足未来柴油机高速发展的需要，要求具有负荷极限明显超过油膜峰值压力的轴承，为此，要求镀层的机械性能和摩擦学特性有很大的改进，这就要求采用一种能够同时具有软电镀层和硬的铸造或轧制粘结层功能的材料。对此，奥地利Miba公司对镀覆工艺做了选择，以便能够在一种较硬的极细晶粒的基体中形成最细的软夹层。结果发现，采用PVD物理气相沉积可以达到这种结晶学特性，而磁控溅射则是所有已知PVD工艺中最佳的，且大多数材料都能采用此方法进行沉积，并获得极佳的综合效果。

实践证明，采用阴极溅镀工艺沉积的AlSn20溅镀层可以获得较高的疲劳强度和较大的对临界边缘压力损坏的抗力。沉积有这种涂层的新型柴油机轴承兼有较理想的摩擦学特性、较高的耐磨性和较高的疲劳强度。这些令人满意的特点已在柴油机试验和应用中得到了证实。但是新型材料涂层的轴瓦属于滑动轴承的第四代产品，目前国际上只有英国、德国、奥地利等少数几个国家生产，因而卖价非常昂贵，这种涂层轴瓦目前在我国尚属空白。

国内对高负荷内燃机轴瓦普遍采用铜铅合金与钢双金属带轴瓦，由于制造工艺问题，在性能上与国外有较大的差距。国内目前发动机轴瓦主要是进口奥地利Miba公司轴瓦，也引进日本轴瓦带材再电镀二元、三元覆盖层，所镀覆的轴瓦疲劳性能不足，特别是抗咬合性能差。59研究所曾进行了大功率发动机网纹轴瓦的研究，以改善涂层的镶嵌性，但因采用电镀的方法镀覆涂层，其镀层结合状况差，镀层易含夹杂，疲劳强度随笔二元镀有所提高，但仍只达到45MPa,比国外50~70MPa的疲劳强度有较大的差距。466厂的离心铸造三层轴瓦所采用离心铸造方法，合金层结合力差，组织偏析严重、易产生夹渣、裂纹气孔、疏松等缺陷，因此性能不稳定，难以在高速发动机上应用。目前，国内外轴瓦涂层材料与制造技术比较如表1所示。可见，我国的轴瓦镀层技术研究落后于国外，需进一步加强研究。

表1国内外轴瓦涂层材料与制造技术比较

真空溅镀AlSn20镀层，属于硬质基体上分布软质点类型的合金镀层，运行时硬基体凸出，使轴和轴瓦接触面积减少，从而保护轴的正常运行，软质点受磨损而凹陷，储存润滑油，降低摩擦系数，但是，一方面，AlSn20镀层呈粗大柱状晶结构，随高速发动机的发展，要求轴瓦负荷极限远高于400N/mm²，疲劳强度>75MPa，已不能满足使用要求，易出现裂纹而失效，因此需探索制备工艺，制备等轴晶镀层，利用多晶粒变形的相互协调，且内部大量的晶界一方面可以提高变形抗力，同时又可以阻断裂纹的扩展；另一方面，AlSn20金属镀层摩擦系数较高，为0.4左右，在使用中须使用液体润滑剂才能使轴瓦正常运行，但是，使用润滑剂同时存在诸多问题：

(1)苛刻的工况环境下润滑液将起不到润滑作用

在一些苛刻的工况条件下，比如随着机械构件之间装配精度等级的提高，润滑液在构件的装配间隙中很难形成连续的润滑膜而失去润滑效果；在相对高速运动的摩擦副之间，摩擦致使接触面温度很高，高温下润滑液的润滑效果也会大大降低；

(2)环境污染使用的润滑废液会造成严重的环境污染

目前，欧美等发达的工业国家都相继制定了严格的工业排放标准，以控制润滑液对环境的破坏，这大大限制了润滑液的使用。解决这一问题最有效的也是唯一的办法就是少用、甚至不用润滑液；

(3)增加成本

润滑液经过一段时间使用，其润滑性能会大大衰减，在高温条件下，其润滑性能衰减的更快。为了保持润滑液的润滑效果，要定期更换润滑液。

发明内容

本发明的目的是提供一种致密性好、抗疲劳强度高、耐磨性优良和环保的一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦及其生产方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦，包括依次设备的钢背层、轴承合金层、镍栅层和减摩镀层，其特征在于：

所述减摩镀层由铝、锡、碳复合材料构成，按重量百分含量计算，复合镀层中各元素的配比是：

Sn：11.5-19.5%；

C：3.0-6.0%；

Cu:0.75-1.25%；

其余为Al。

所述复合镀层中各元素配比的优选方案是：

Sn：11.5%；

C：6.0%；

Cu:0.75%；

其余为铝。

所述减摩镀层的厚度为15μm。

一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦的生产方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：将轴瓦基体安装到磁控溅射设备内的工装上，对溅镀设备内部抽真空到10^-3Pa以下的设定值；

步骤二：在真空条件达到步骤1的设定值后，采用氩离子对轴瓦表面进行离子清洗；

步骤三：在轴瓦基体和靶材之间建立水平正交电磁场，其中电场由一直流电源提供电能，脉冲偏压电源从50-1000V可调。

步骤四：对轴瓦基体的内圆面溅镀镍栅层，轴瓦基体为通过浇注或烧结到钢背上的铝基轴承合金，靶材纯度为99.9%的镍靶，对水平正交电磁场加上电源，水平的正交电磁场对靶材进行轰击，靶材离子被击出后沉积到轴瓦内圆表面，形成一层镍栅层；

步骤五：在步骤四完成后在镍栅层上溅镀复合镀层，靶材为是纯度为99.9%的铝铜靶、99.9%锡靶、99.9%碳靶。对水平正交磁场施加电源，电磁场对靶材进行轰击，靶材离子和中性粒子被击出后沉积到轴瓦内表面镍栅层之上，形成一层膜层，即Cp/AlSn复合镀层；其具体工艺参数为：铝铜靶电流为1.0A-3.0A,锡靶电流为0.10-0.25A,碳靶电流为0.2-1.5A,工艺参数的特殊性在于基体负偏压的添加，必须保持在-60V~-180V,通过偏压改变复合镀层的晶体生长方式，使其由柱状晶向等轴晶改变，增加镀层的抗裂纹扩展能力。

步骤六：经随炉保温冷却后取出轴瓦。

步骤四和步骤五中，水平正交电磁场内加入惰性气体，所述惰性气体为纯度为99.99%以上的氩气或氦气。

步骤四和步骤五中，以水冷方式对靶材及磁场中的永磁体进行冷却处理。

本发明具有以下优点：

（1）采用磁控溅射轴瓦镀层的方式，所生产的轴瓦镀层的致密性好，在金相显微镜或扫描电镜下观察或通过对比试验分析，其致密度大大高于传统的电镀减摩层；抗疲劳强度很高，通过试验台测试，其抗疲劳强度在110-140MPa，大大优于传统镀层；轴瓦的耐磨性优良，是铅锡铜合金的两倍以上；硬度较高，是水镀生产出来的镀层硬度的2-3倍。

（2）环保。镀层本身不含铅等有毒元素，因而轴瓦具有很好的环保性能；镀层的沉积过程也是环保的，沉积过程不是在水中进行，而是在高真空环境下进行，整个过程只需加入媒介气体氩气或氦气，不会对环境造成破坏；对人的身体健康也是环保的，整个过程只是在装瓦及下瓦的过程中需要人工进行，其它所有工序均可采用自动智能化控制。

（3）采用本发明生产具有磁控溅射复合镀层的轴瓦的方法，几乎对所有的材料都可以通过磁控溅射的方法获得一层薄膜，突破了电镀的局限性，因为电镀受到多种因素的影响，特别是金属的化学性质限制了很多材料无法通过电镀的方式形成镀层。

（4）在步骤4）和步骤5）中的水平正交电磁场内加入惰性气体，如纯度99.99%以上的氩气或氦气，惰性气体的加入，增加了正交电磁场中的各离子、电子碰撞的时间和几率，有利于溅镀顺利进行和溅镀的效果。

（5）根据文献可知，石墨是碳的同素异形体，为六方晶体，呈现明显的层状结构，各层内的碳原子之间以牢固的共价键相连。各层之间的距离较大，其碳原子以微弱的范德华键相连，因此各层之间容易被剪切而发生滑动。石墨有脂肪质的手感，较滑腻，在垂直于六面层的方向能承受很大的压力，具有较强的减震能力和自润滑作用，在较高的温度下也具有较好的减摩作用。且在潮湿的大气环境中，由于能吸附空气中的水蒸气（吸收率为7%-13%），使各个微晶边缘上的表面力达到饱和，降低了相邻各微晶的黏着力，从而显著地降低摩擦系数（0.05-0.19），以致在很小的切向力作用下就可使其发生相对滑动，因此碳膜是优良的自润滑镀层材料。

本专利利用磁控溅射离子镀技术易于实现多组元掺杂的优点，借助碳膜的自润滑特性，在AlSn20镀层中掺杂适量碳元素，既保留铝锡镀层组织分布特点和弹性模量大小，又具有较低摩擦系数和较高强度，最终实现无油或少油润滑。

（6）适用范围广：可广泛应用于钢背+轴承合金层+镍栅层+镀层的轴瓦。

附图说明

图1是磁控溅射复合镀层的轴瓦的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

如图1所示，本发明包括钢背层和铜基合金制成的基底层2，基底层2设置在钢背层1上，在基底层2上磁控溅射一层镍栅层3，镍栅层3的厚度为1-3μm,在镍栅层3上磁控溅射一层减摩镀层4.减摩镀层4的材料是铝、锡、碳形成的复合材料，即Cp/AlSn，其按重量百分含量计算其成分比为：Sn：11.5-19.5%，C：3.0-6.0%，Cu:3.0-5.0%，其余为Al，其厚度为10-20μm。铝基合金基底层2可通过浇铸或烧结到钢背层1上。减摩镀层4的抗疲劳强度可达110-140MPa。

实施例1：Cp/AlSn元素的配比是：Sn：13.5%，C：5.0%，Cu:0.98%，不可避免的杂质元素含量<0.5%，其余为Al，其厚度为15μm；

本实施例之减摩层材料的抗疲劳强度达到130MPa。

实施例二：Cp/AlSn元素的配比是：Sn：11.5%，C：6.0%，Cu:0.75-1.25%，不可避免的杂质元素含量<0.5%，其余为Al，其厚度为15μm；

本实施例之减摩层材料的抗疲劳强度达到140MPa。

表2本发明与比较例的性能比较

通过采用“磨损试验机”对比测试，可知，本实施例之减摩层材料的抗疲劳强度达到140（MPa）,镀层的致密度好，整个轴瓦的抗疲劳强度高、耐磨损性优良。

实施例三：Cp/AlSn元素的配比是：Sn：19.5%，C：3.0%，Cu:0.75-1.25%，不可避免的杂质元素含量<0.5%，其余为Al，其厚度为15μm；

本实施例之减摩层材料的抗疲劳强度达到113MPa。

实施例四：Cp/AlSn元素的配比是Sn：15.0%，C：4.0%，Cu:0.75-1.25%，其余为Al，其厚度为15μm；

本实施例之减摩层材料的抗疲劳强度达到120MPa。

一种制造上述具有磁控溅射复合镀层的轴瓦的方法，包括以下步骤：

1）将轴瓦基体进行预处理后安装到磁控溅射设备内的工装上，对溅镀设备内部抽真空到10^-3Pa以下的设定值；

2）在真空条件达到步骤1的设定值后，采用氩离子对轴瓦表面进行离子清洗；

3）在轴瓦基体和靶材之间建立水平正交电磁场，其中电场由一直流电源提供电能，脉冲偏压电源从50-1000V可调。

4）对轴瓦基体的内圆面溅镀镍栅层，轴瓦基体为通过浇注或烧结到钢背上的铝基轴承合金，靶材纯度为99.9%的镍靶，在电磁场内加入惰性气体，纯度为99.99%以上的氩气。对水平正交电磁场加上电源，水平的正交电磁场对靶材进行轰击，靶材离子被击出后沉积到轴瓦内圆表面，形成一层镍栅层；

5）在步骤4）完成后在镍栅层上溅镀复合镀层，靶材为纯度为99.9%的铝铜靶、99.9%锡靶、99.9%碳靶，在电磁场内加入惰性气体，纯度为99.99%以上的氩气。对水平正交磁场施加电源，电磁场对靶材进行轰击，靶材离子和中性粒子被击出后沉积到轴瓦内表面镍栅层之上，形成一层膜层，及Cp/AlSn复合镀层；

6）经随炉保温冷却后取出轴瓦。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦，包括依次设置的钢背层、轴承合金层、镍栅层和减摩镀层，其特征在于：

所述减摩镀层是由铝、锡、碳和铜四种元素构成的复合材料，结构为等轴晶，按重量百分含量计算，减摩镀层中各元素的配比是：

Sn：11.5-19.5％；

C：3.0-6.0％；

Cu:0.75-1.25％；

其余为Al。

2.根据权利要求1所述的一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦，其特征在于：

所述减摩镀层中各元素配比是：

Sn：11.5％；

C：6.0％；

Cu:0.75％；

其余为铝。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦，其特征在于：

所述减摩镀层的厚度为15μm。

4.一种权利要求1～3中任意一项所述具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦的生产方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：将轴瓦基体安装到磁控溅射设备内的工装上，对溅镀设备内部抽真空到10^-3Pa以下的设定值；

步骤二：在真空条件达到步骤一的设定值后，采用氩离子对轴瓦表面进行离子清洗；

步骤三：在轴瓦基体和靶材之间建立水平正交电磁场，其中电场由一直流电源提供电能，脉冲偏压电源从50-1000V可调；

步骤四：对轴瓦基体的内圆面溅镀镍栅层，轴瓦基体为通过浇注或烧结到钢背上的铝基轴承合金，靶材纯度为99.9％的镍靶，对水平正交电磁场加上电源，水平的正交电磁场对靶材进行轰击，靶材离子被击出后沉积到轴瓦内圆表面，形成一层镍栅层；

步骤五：在步骤四完成后在镍栅层上溅镀减摩镀层，靶材为是纯度为99.9％的铝铜靶、99.9％锡靶、99.9％碳靶；

对水平正交电磁场施加电源，水平正交电磁场对靶材进行轰击，靶材离子和中性粒子被击出后沉积到轴瓦内表面镍栅层之上，形成一层膜层，即Cp/AlSn复合镀层；其具体工艺参数为：铝铜靶电流为1.0A-3.0A，锡靶电流为0.10-0.25A，碳靶电流为0.2-1.5A，基体负偏压为-60V～-180V，通过偏压改变复合镀层的晶体生长方式，使其由柱状晶向等轴晶改变，增加镀层的抗裂纹扩展能力；

步骤六：经随炉保温冷却后取出轴瓦。

5.根据权利要求4所述的一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦的生产方法，其特征在于：

步骤四和步骤五中，水平正交电磁场内加入惰性气体，所述惰性气体为纯度为99.99％以上的氩气或氦气。

6.根据权利要求4或5所述的一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦的生产方法，其特征在于：

步骤四和步骤五中，以水冷方式对靶材及磁场中的永磁体进行冷却处理。