CN103443306A - 滑动轴承复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及滑动轴承复合材料，所述滑动轴承复合材料具有钢制基材层，设置在所述基材层上的中间层和设置在所述中间层上的除了杂质之外不含铅的铝合金制轴承金属层，其中所述铝合金包含10.5-14重量%的锡，2-3.5重量%的硅，0.4-0.6重量%的铜，0.15-0.25重量%的铬，0.01-0.08重量%的锶，和0.05-0.25重量%的钛。硅以分布在所述外壳的所述轴承金属层中的颗粒形式存在，以所述轴承金属层的面积计，所述面积中的直径为4μm至8μm的可见硅颗粒的面积份额为至少2.5%，优选至少2.75%。

Description

滑动轴承复合材料
本发明涉及滑动轴承复合材料，所述滑动轴承复合材料具有钢制基材层，设置在所述基材层上的中间层和设置在所述中间层上的除了杂质之外不含铅的铝合金制轴承金属层。
这种滑动轴承复合材料被开发特别用于机动车辆的内燃机中所使用的轴承外壳或轴承套。除了这种具有铝合金制轴承金属层的复合材料之外，为此还使用铜基或铜-锡基轴承金属合金，参见DE 10 2005 023 308A1。尽管人们长期认为铜基合金关于适应能力、疲劳强度和咬粘性质而胜过铝合金，最近进行进一步的努力，使得铝基轴承金属材料也适应现代内燃机的提高的要求。铝材料的优点在于节省重量并且相对低成本，因此在相同的效能下优选铝材料。
具有铝基轴承金属层的滑动轴承复合材料例如通过专利文献DE102 46 848 B4、DE 43 23 448 C5或通过公开文献GB 2 243 418 A、WO 02/40883 A1和DE 10 2010 029 158 A1已知。
在两篇文献DE 43 23 448 C5和WO 02/40883 A1中，必要的是铅作为固体润滑剂降低咬粘趋势。但是出于环境原因应避免含铅合金。通过文献DE 102 46 848 B4和DE 10 2010 029 158 A1已知的材料不含铅，其中在DE 10 2010 029 158 A1中仅概括性地提及未详细说明的铝合金。DE 102 46 848 B4对此更为详细并且因此构成关于本发明而言的背景技术。
通过该文献已知的铝轴承合金包含1.5至8重量%的Si，3至40重量%的Sn，总量为0.1至6重量%的一种或多种选自Cu、Zn和Mg的元素，总量为0.01至3重量%的任选一种或多种选自Mn、V、Mo、Cr、Ni、Co和B的元素和余量的铝。该文献中的研究难点在于完成的铝轴承合金产物中包含的Si-颗粒的粒径分布，所述Si-颗粒应以一定且极宽的分布形式包含一定份额的粒径小于4μm的较小Si-颗粒以及粒径为4至20μm的较大Si-颗粒。通过给定的分布可以减少材料与滑动偶件粘住的趋势（咬合趋势）并且改进颗粒在材料中的结合。为了达到所需的粒径分布，根据该文献的教导采取的顺序为在350℃至450℃的温度下在8至24小时的时间内的退火步骤和随后的轧制步骤。
与此相比，本发明致力于关于低成本的材料选择而优化铝基轴承金属层的化学组成，同时优化机械性能强度、耐磨性、可变形性和摩擦阻力。关于由制备决定的在轧制滑动轴承复合材料时高变形程度，应优化可变形性。现代发动机由于更高的比功率而要求在尽可能低的材料耗费的情况下同时更大的强度，特别是高温强度。在此，耐磨性也不断力求优化并且不应牺牲升高的功率要求，因为随着增加的磨损，除了潜在的失效风险之外，发动机的效率和节省性也面临着下降。同样地，关于发动机的节省性，在现代内燃机的轴承中不断提高的混合摩擦条件占据主导地位，混合摩擦条件一方面取决于具有低粘度的机油的使用，另一方面取决于对起-止（Start-Stopp）应用的不断增加的需求程度。换言之，现代轴承应在最小转速下已经具有尽可能小的摩擦系数。不应忽视的是，粒径分布在该方面是决定性的影响因素。
在该背景下，本发明的目的是以尽可能低的材料成本提供滑动轴承复合材料，所述滑动轴承复合材料关于高程度可变形性同时高温强度的升高和高耐磨性，特别是在起-止应用下占据主导地位的混合摩擦条件下，在尽可能低的材料耗费下，具有改进的组成。
通过具有权利要求1的特征的滑动轴承复合材料实现该目的。
根据本发明的滑动轴承复合材料具有钢制基材层和除了杂质之外不含铅的铝合金制轴承金属层，其中所述铝合金包含
10.5-14重量%的锡，
2-3.5重量%的硅，
0.4-0.6重量%的铜，
0.15-0.25重量%的铬，
0.01-0.08重量%的锶，和
0.05-0.25重量%的钛。
本发明人发现，恰恰是在起-止操作的混合摩擦条件的范围内，即当未进行轴承的（液动）机油润滑时，更大程度地取决于轴承金属合金的精确组成。在此，即使元素的比例是以极低份额添加的，也起决定性作用。
无论滑动轴承复合材料的制备时的合适的温度控制和合适的变形程度，添加Ti都改进铸造方法中的基质材料的晶粒细化。通过精确维持0.05-0.25重量%，优选0.05-0.15重量%的Ti-含量，可以在关于Si-粒径分布所致力的铸造方法的低冷却速度下调整Al-基质材料的足够细化的粒径，其保证基质材料的高强度和良好的延伸性能。另一方面，基质材料的粒径分布不仅对Si-颗粒的分布产生影响（因为Si溶于Al-基质），还对软质相（即沿着晶界的未溶Sn）的储存产生影响。因此Ti-含量需要与Si和Sn的份额尽可能精确地协调。
根据本发明后者（Sn）的含量在10.5重量%至14重量%，优选11重量%至13重量%的范围内。正是在该范围内，合金体系具有出色的滑动性能，使得有可能在混合摩擦条件下使用，而不会损害其强度。
根据本发明，通过3.5重量%，优选2.75重量%的上限设定低Si-含量，从而提供关于轧制步骤的高变形程度所需的延展性。另一方面，Si-颗粒的最小含量2重量%，优选2.25重量%是必要的，从而能够调整轴承金属材料的足够的耐磨性。
对于耐磨性，除了Si-份额之外Si的粒径分布也是决定性的，Si的粒径分布又受化学组成的影响。本发明人发现，在上述Si-含量下，有目的地添加0.03至0.08重量%范围内的少量Sr有利于粒径分布的可调整性。关于磨损最小化，Sr与铸造方法之后的<75K/秒，优选<50K/秒的低冷却速度共同保证优化的粒径分布。Sr同时影响Si-颗粒的形式，由于Sr-含量，Si-颗粒在铸造之后平均具有相比于未添加Sr所观察到的细化的外观。通过这种方式，关于后续加工步骤热处理和轧制，基质材料的可变形性基本上不因添加Si而劣化。就此而言，Sr-含量与Si-含量精确协调。
Cr-含量必须与Cu-含量结合考虑。关于材料的高温强度，这两种元素在铝基质中被证明是特别重要的。在高负荷应用中始终需要它们。0.15至0.25重量%的Cr-含量在同时合金化0.4至0.6重量%含量的Cu的情况下被证明是有利的，从而在基质中形成足够升高强度的析出物。另一方面不应超过0.25重量%的Cr含量和0.6重量%的Cu含量，从而不再负面影响可变形性。最后，Cr和Cu的组合也产生如下积极作用，所使用的Cu的0.6重量%的上限降低成本并且提高材料的循环利用能力。
在本文献的范围内，“除了杂质之外不含铅”被理解为任选由于各个合金元素的杂质而可能存在的铅份额在任何情况下不允许超过0.1重量%的份额。
根据本发明的一个有利的实施方案，轴承金属层的铝合金具有至少一种另外的选自V和Zr的元素，其中其份额总共为0.05至0.7重量%。
这两种元素用于升高高温强度。在此，V防止基质材料再结晶，其与Ti相互作用从而允许调整与软质相和Si协调的粒径。
在轴承金属层和基材层之间设置根据本发明的中间层。
中间层造成轴承金属层在钢制基材层上的更高的结合强度，因为中间层可以特别关于结合强度性能进行优化并且不必具有轴承金属层的性能。为此优选使用纯铝或铝合金。优选地，中间层和轴承金属层以一种轧制方法预压平然后以另一轧制方法将复合层施加在钢制基材层上。
有利地，特别是在内燃机的特别高应力的轴承应用中，在轴承金属层上设置聚合物基覆盖层。
特别是在高负荷下，聚合物层造成整个轴承宽度上的均匀的负荷分布。通过聚合物层的弹性和塑性适应能力，可以由此进一步提高整个轴承的操作安全性。
优选地，硅以颗粒形式以这样的分布存在于轴承金属层中，使得以轴承金属层的面积计，所述面积中的直径为4μm至8μm的可见硅颗粒的面积份额为至少2.5%，优选至少2.75%。
这种粒径分布被证明是特别有利的，因为Si-硬质粒子足够大，从而作为硬质支撑晶体保证材料的耐磨性，另一方面又不大至使得特别是在动态应力下造成基质强度的降低。本发明人在特别开发的试验台上进行对比试验，其中对比具有根据本发明的滑动轴承复合材料和两种对比轴承材料的曲轴轴承。为了进行对比，使用不含Si的AlSnCuMn-轴承金属材料和AlSnSiCuCrMn-轴承金属材料。前者在<75K/s的优选冷却速度下铸造，后者不添加Sr在>400K/s的相对高的冷却速度下铸造，结果具有明显细化的Si-颗粒。正如预期的，不含Si的轴承金属材料在试验台的15000次起-止循环中的磨损高达158μm。相反出人意料地，即使是AlSnSiCuCrMn-轴承金属材料（尽管相对高的Si-份额）仍然遭受不可接受的86μm的高磨损，而根据本发明的滑动轴承的轴承金属层受磨损影响仅去除9μm。
为了确定粒径分布，在优选500倍放大的显微镜下观察一定尺寸的轴承金属层的表面截面。在此，可以在任何平面中观察轴承金属层，因为假设Si-颗粒在层中基本均匀分布，或者至少假设有意或无意不均匀（即例如在一个方向上逐渐增加或减少）的分布，在任何情况下都不离开所要求的界限。为此，优选制造这样的轴承金属层，首先制得平面区（Schliff）。这样测量表面截面中的可见Si-颗粒，确定其最长可见维度。具有相应直径的圆的面积记为颗粒的面积当量。最后使表面截面中的直径在4μm和8μm之间的所有Si-颗粒的面积相加并且相对于所研究的表面截面的总面积进行标准化。也可以首先根据其直径划分Si-颗粒的等级，将各个等级中的Si-颗粒的数量乘以属于该等级的平均面积，然后使平面截面中的直径在4μm和8μm之间的所有等级的Si-颗粒的乘积相加。在足够统计的情况下结果不会有明显偏差。
下文借助于实施例和附图解释本发明的其他特征和优点。附图显示：
图1显示了根据本发明的滑动轴承复合材料的第一个实施例的基本层构造；
图2显示了根据本发明的滑动轴承复合材料的第二个实施例的基本层构造；
图3显示了确定Si-粒径分布的图解，和
图4显示了Si-颗粒在滑动轴承复合材料的轴承金属层中的粒径分布的图表。
图1示意性地显示了根据本发明的第一个实施例的滑动轴承复合材料的横截面。其总共具有3个层。作为最上方的层，在图1中绘示了轴承金属层10，其具有根据权利要求的Al-基组成。轴承金属层10施加在钢制支持层或基材层14上的中间层12上。中间层充当轴承金属层10和钢制层之间的增附剂。其通常由纯铝或铝合金组成。
图1中还象征性地绘示了表面截面20，其经放大具有图3中所示的内部结构。为了获取这种表面截面的图像，优选在轴承金属层的合适位置处制造平面区。不同于图1中的图示，也可以例如平行于滑动表面观察表面截面。
在根据本发明的滑动轴承复合材料中，中间层的层厚度为优选30μm至120μm，特别优选40μm至100μm。
根据图2的第二个实施例具有如下不同的层构造，在轴承金属层10上施加聚合物涂层16，所述聚合物涂层16特别是在特别高应力的轴承应用中是特别有利的。
本发明不限于这两个所示的实施方案。也很有可能提供具有其他功能层的多层布置。也不排除梯度层。原则上，层的数量和形式基本上不受限制。然而，主要是出于上文所述的节约成本的原因，优选具有如安全操作所允许那样的少量层的滑动轴承复合材料。
下文根据图3解释用于确定Si粒径分布的方法。在首先制造轴承金属层的平面表面区（例如延伸至滑动表面）之后，在例如500倍放大的显微镜下选择和标记具有一定边长和宽度的轴承金属层的表面截面20。其例如为边长500μm和800μm的矩形，即总测量面积为400,000μm2。在该表面截面中可见大量Si-颗粒22，其根据经验由于一定的灰值范围或色值范围而在光学上不同于其他夹杂物（特别是软质相）和杂质颗粒，其他夹杂物（特别是软质相）和杂质颗粒在此未示出。优选在电子图像识别系统中自动识别Si-颗粒。这样测量Si-颗粒22的轮廓，无论其形状如何，确定其最长可见维度。该维度被称为直径。根据其直径相应地划分Si-颗粒的等级，例如2-4μm、4-6μm等。属于各个等级的Si-颗粒的数量乘以属于该等级的平均面积（此处为π*(3/2μm)2、π*(5/2μm)2等），在表面截面中这样识别的直径为4μm至8μm的所有相关等级的Si-颗粒的乘积相加并且相对于所研究的表面截面的总面积进行标准化。
对根据本发明的轴承金属的实例应用的该方法得到下表所示的结果：
Figure BDA00003635761100071
图4的图表中显示了相应的分布。对于有利的材料性能决定性的是直径为4μm至8μm的Si-颗粒的份额，其根据本发明占据轴承金属表面的不小于2.5%，优选不小于2.75%，在所示实施例中甚至大于3%。这种粒径分布被证明是特别有利的，因为Si-硬质粒子足够大，从而作为硬质支撑晶体保证材料的高耐磨性，另一方面又不大至使得特别是在动态应力下造成基质强度的降低。
附图标记列表
10 轴承金属层
12 中间层
14 钢制基材层
16 聚合物涂层
20 表面截面
22 Si-颗粒

Claims (10)

1.滑动轴承复合材料，所述滑动轴承复合材料具有钢制基材层，设置在所述基材层上的中间层和设置在所述中间层上的除了杂质之外不含铅的铝合金制轴承金属层，其中所述铝合金包含
10.5-14重量%的锡，
2-3.5重量%的硅，
0.4-0.6重量%的铜，
0.15-0.25重量%的铬，
0.01-0.08重量%的锶，和
0.05-0.25重量%的钛。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承复合材料，其特征在于，所述轴承金属层的所述铝合金具有至少一种另外的选自V和Zr的元素，其中微合金元素的份额总共为0.05-0.7重量%。
3.根据权利要求1或2所述的滑动轴承外壳，其特征在于，所述中间层由纯铝或由铝合金组成。
4.根据前述权利要求任一项所述的滑动轴承外壳，其特征在于，
所述轴承金属层的铝合金中的锡的份额为11-13重量%。
5.根据前述权利要求任一项所述的滑动轴承外壳，其特征在于，
所述轴承金属层的铝合金中的硅的份额为2.25-2.75重量%。
6.根据前述权利要求任一项所述的滑动轴承外壳，其特征在于，
所述轴承金属层的铝合金中的钛的份额为0.05-0.15重量%。
7.根据前述权利要求任一项所述的滑动轴承外壳，其特征在于，
所述轴承金属层的铝合金中的锶的份额为0.01-0.05重量%。
8.根据前述权利要求任一项所述的滑动轴承外壳，其特征在于，
在所述轴承金属层上设置有聚合物基覆盖层。
9.根据前述权利要求任一项所述的滑动轴承外壳，其特征在于，
硅以颗粒形式以这样的分布存在于所述轴承金属层中，使得以所述轴承金属层的面积计，所述面积中的直径为4μm至8μm的可见硅颗粒的面积份额为至少2.5%，优选至少2.75%。
10.根据权利要求9所述的滑动轴承外壳，其特征在于，
在铸造方法之后通过小于75K/s，优选小于50K/s的冷却速度调整所述硅颗粒的尺寸分布。
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