CN105874105A

CN105874105A - 滑动发动机部件

Info

Publication number: CN105874105A
Application number: CN201580003597.8A
Authority: CN
Inventors: 罗杰·戈杰斯; 约翰·卡赖; 阿尼尔·拉托德
Original assignee: Mahle International GmbH; Mahle Engine Systems UK Ltd
Current assignee: Mahle International GmbH; Mahle Engine Systems UK Ltd
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2016-08-17
Also published as: GB2522035B; GB201400395D0; DE112015000365T5; GB2522035A; WO2015104329A1; US10202702B2; US20160333489A1

Abstract

一种滑动发动机部件，其包括具有涂覆有第一和第二电镀金属层的基质，所述第一金属层设置在所述基质与所述第二金属层之间，其中所述第一和第二金属层具有颗粒结构，每个所述颗粒结构具有垂直于基质表面的平均颗粒尺寸与平行于基质表面的平均颗粒尺寸之间的长宽比，并且其中所述第二金属层的长宽比小于所述第一金属层的所述长宽比；以及一种制造滑动发动机部件的方法。

Description

滑动发动机部件

技术领域

本发明涉及一种具有电镀轴承层的滑动发动机部件，尤其涉及用于滑动轴承组件的滑动发动机部件，所述滑动轴承组件例如包括：轴承衬套壳、轴套、曲柄轴的轴承表面、凸轮轴的轴承表面、连接杆的轴承表面、止推垫圈、凸缘、轴承块的轴承表面、轴承盖的轴承表面，以及例如活塞圈、活塞裙、气缸壁以及气缸衬套的活塞组件部件。

背景技术

在内燃机中，轴承组件通常均包括保持曲柄轴(绕轴线可旋转)的一对半轴承。每个半轴承为中空大致半柱形轴承壳，并且通常至少一个是凸缘半轴承，其中轴承壳设置有在每个轴向端部向外(沿径向)延伸的大致半环形止推垫圈。在其他轴承组件中还公知的是使用环形或者圆形止推垫圈。

轴承壳和止推垫圈的轴承表面通常具有分层结构，其中在使用中，强背衬材料涂覆有一个或多个具有优选摩擦性能的层以提供面对协同移动部件(曲柄轴体轴颈)的轴承表面。已知的轴承壳具有包括背衬的基质，所述背衬涂覆有覆盖层，并且通常插入衬层。

强背衬材料可以为具有大约1mm或更多的厚度的钢。已知的衬层可以为铜基材料(例如，铜锡青铜)或者铝基材料(例如，铝或铝锡合金)，其黏附至基质(或者直接黏附至背衬或者黏附至可选的中间层)。衬层的厚度通常在从大约0.05至0.5mm的范围中(例如，300μm，具有8％wtSn的铜合金，1％wt的Ni，以及余量Cu，除了附带杂质)。

覆盖层可以为6至25μm的塑料聚合物基复合层或者金属合金层(例如，锡基合金覆盖)，其可以通过喷洒、溅镀或者电镀而沉积。

通过针对“停止-起动”运转的车辆发动机的燃料节约配置提供了针对轴承衬层和/或覆盖层的性能的挑战，相比于传统的发动机运转，其中在车辆的整个旅程中发动机保持运行，在所述“停止-起动”操作中，发动机被停止并且每次车辆停止时需要再次起动。针对停止-起动运转而构造的发动机可以比贯穿每次车辆旅程持续运行的传统构造的发动机再次起动大约频繁100倍。虽然在使用期间发动机轴承被传统地水动力地润滑，但当发动机起动时通常对轴承提供很少的润滑或者不提供润滑。因此，依据轴承的性能，发动机的停滞-起动运转能够处于增加需求的状态。

发明内容

根据第一方案，提供有滑动发动机部件，其包括具有涂覆有第一和第二电镀金属层的基质，所述第一金属层设置在所述基质与所述第二金属层之间，其中所述第一和第二金属层具有颗粒结构，每个所述颗粒结构具有垂直于基质表面的平均颗粒尺寸与平行于基质表面的平均颗粒尺寸之间的长宽比，并且其中所述第二金属层的长宽比小于所述第一金属层的所述长宽比。

根据第二方案，提供有发动机，其包括根据第一方案的滑动发动机部件。

根据第三方案，提供有制造滑动发动机部件的方法，所述滑动发动机部件包括具有表面涂覆有第一和第二电镀金属层的基质，所述第一金属层设置在所述基质和所述第二金属层之间，其中所述第一和第二金属层为颗粒结构，每个所述颗粒结构具有垂直于基质表面的平均颗粒尺寸与平行于基质表面的平均颗粒尺寸之间的长宽比，并且其中所述第二金属层的长宽比小于所述第一金属层的所述长宽比，所述方法包括：将所述基质设置为包括金属离子的电解液中的阴极，通过或者将偏压脉冲的第一重复循环以第一重复频率使用第一工作循环施加至所述基质或者将直流施加至所述基质的第一电镀阶段对所述第一金属层进行沉积，并且通过将偏压脉冲的第二重复循环以第二重复频率使用小于100％的第二工作循环施加至基质的第二电镀阶段对所述第二金属层进行沉积，其中如果第一电镀阶段包括施加偏压脉冲的第一重复循环，则第二工作循环比所述第一工作循环更低，和/或所述第二重复频率比所述第一重复频率更高。

所述第一金属层可以具有至少2:1的长宽比。

所述第一金属层可以具有至少4:1的长宽比。

所述第一金属层可以具有达到30:1的长宽比。

所述第一金属层可以具有大致圆柱状的颗粒结构。

所述第二金属层可以具有小于1.5:1的长宽比。

所述第二金属层可以具有至少0.5:1的长宽比。

所述第二金属层可以具有大致各方等大的颗粒结构。

所述滑动发动机部件可以包括设置在所述第一金属层和所述第二金属层之间的第三电镀金属层，其中第三电镀金属层具有颗粒结构，所述颗粒结构具有垂直于基质表面的平均颗粒尺寸与平行于基质表面的平均颗粒尺寸之间的长宽比，并且其中所述第三金属层的长宽比小于所述第一金属层的长宽比并且大于所述第二金属层的长宽比。

所述第三金属层的所述长宽比可以小于所述第一金属层的所述长宽比并且大于所述第二金属层的所述长宽比。

金属层可以包括锡。

除了附带的杂质，金属层可以包括纯锡。

金属层可以为包括分布在金属基体中的硬颗粒的复合层。

所述第二工作循环可以比所述第一工作循环更低。

所述第一工作循环可以为70至100％。

所述第二工作循环可以为10至30％。

所述第二重复频率可以比所述第一重复频率更高。

所述第一重复频率可以为0至10Hz。

所述第二重复频率可以为50至500Hz。

附图说明

下面参照附图进一步描述本发明的实施例，其中：

图1A示意性地图示出作为根据本发明的滑动发动机部件的实施例的轴承壳，其在基质上具有电镀金属层；

图1B示出了穿过图1A的轴承壳的部分的截面图；

图1C和图1D示出了图1A的轴承壳的电镀金属层的部分的扫描电子显微镜图像；

图2A和图2B示出了具有各自的第一和第二重复频率和工作循环的偏压脉冲的重复循环；以及

图3和图4示出了穿过根据本发明的替换的轴承壳的部分的截面图。

具体实施方式

在所描述的实施例中，相同的特征已经使用相同的数字标示，虽然在一些情况下具有一个或多个：100的整数倍的增加。例如，在不同的附图中，100、200以及300已经用于标示轴承壳。

图1A示意性地图示出呈中空半圆柱形轴承衬套壳的形式(通常称为“半轴承”)的轴承壳100(例如滑动发动机部件)。半轴承100具有基质102、和所述基质上的下电镀金属层(第一电镀金属层)和上电镀金属层104Z(第二电镀金属层)，所述下电镀金属层和上电镀金属层分别提供下覆盖层和上覆盖层。可以在基质102与下电镀金属层104A之间(例如，可选功能层，例如，衬层和/或扩散屏层)，和/或在电镀金属层104A和104Z之间(例如，进一步的电镀金属层)设置进一步的层(未示出在图1A中)。

例如当在主轴承外壳内组装或者在发动机的连接杆大端内组装时，基质102提供半轴承100的强度以及抗变形性。

图1B示出了穿过图1A的半轴承100的部分的截面图，其示意性地示出了下电镀金属层104A与上电镀金属层104Z的颗粒结构，为了清楚的目的，图1B已经被扩大。图1C和图1D分别示出了来自根据本发明制造的轴承壳100的下电镀金属层104A与上电镀金属层104Z的扫描电子显微镜的截面显微图，其图示出示例性轴承壳的覆盖层中的示例性颗粒结构。

上电镀金属层104Z在轴承组件中面对配合的移动部件，例如，轴承壳在组装后的轴承中通过润滑油的介入薄膜接纳相互配合的轴颈。上电镀金属层104Z构造为在包含轴承壳的车辆的整个使用寿命中为轴承壳100提供运转表面(即，滑动表面)，并且是比更硬的下电镀金属层104A更软且更可塑的。上电镀金属层104Z能够适应轴承表面与配合的移动部件之间的小的偏移(即，具有好的整合性)，并且能够将在润滑油供给中循环的脏颗粒接纳和嵌入，以便防止由碎片导致的对轴颈表面的刻痕或破坏(即，具有好的污垢可嵌入性)。而且，相对于下电镀金属层的颗粒结构，上电镀金属层的颗粒结构可以择优地中断来自轴承表面的疲劳裂痕的传播。

如果上电镀金属层104Z将整体将变得磨损，则下电镀金属层104A提供合适的轴承运转特性，并且提供高耐磨性和负荷承载能力。而且，下电镀金属层104A的材料比上电镀金属层104Z的材料更硬。因此，由于基质(例如，钢背衬或者任何衬层)比电镀金属层具有更低的咬合性和相容性，所以下电镀金属层104A更好地抵抗磨损，这能够导致轴颈与下面的基质102之间的破坏接触。

下电镀金属层104A与上电镀金属层104Z中的颗粒分别具有由颗粒的在垂直于基质102的表面的方向(即，在电镀期间的生产方向上)上的颗粒长度相对于颗粒的在平行于基质的表面的方向上的宽度限定的长宽比。如在图1B至图1D中示出的，下电镀金属层104A中的颗粒具有比上电镀金属层104Z中的颗粒更高的长宽比。不同的颗粒结构提供了下电镀金属层104A与上电镀金属层104Z的不同的性能。特别地，下电镀金属层104A的颗粒结构通常为圆柱的(具有远离基质102延伸的柱状颗粒)，而上电镀金属层104Z中的颗粒结构通常为各方等大的。下电镀金属层104A的颗粒具有2:1至30:1的范围中、并且优选至少4:1的长宽比。在下电镀金属层104A通过直流阴极电流沉积的情况下，已经发现颗粒可以具有大约10:1的长宽比。上电镀金属层104Z的颗粒具有小于1.5:1的长宽比，并且优选近似各方等大的(即，具有大约1:1的长宽比)。有益地，具有更小的长宽比(例如，具有近似相等的轴向长度的侧边)的颗粒比具有更高长宽比的颗粒具有更多的滑落的颗粒边界，并且因此具有更高的延展性，同时具有更高的长宽比的颗粒(例如，圆柱状颗粒)具有更高的强度、更小的延展性以及更高的负荷承载能力。

电镀金属层104A和104Z通过在包含电解液和阳极的淋浴中提供作为阴极的基质，并且应用阴极偏压(即，相对于阳极施加至阴极的负偏压)而沉积在基质102上。阴极偏压创造出阴极电流(即，相对于阳极的负电流)，所述阴极电流将向正极充电的金属离子朝向阴极驱动，并且将所述金属离子沉积在阴极表面上。阳极优选地由相当于待沉积的金属层的材料形成。例如，当沉积纯锡(除了附带的杂质)的电镀金属层时，如在图示出的轴承壳100中，优选使用高纯度锡阳极。

电解液包括待沉积至阴极上的离子(例如，锡离子)，并且可以额外地包括性能增强添加剂，例如，增亮剂和防沫剂。在由从电解液消耗的化学物质的补充而进行的沉积期间，维持了电解液的化学成分和pH。电解液可以维持在20至30℃的温度。

第一示例性电解液为无铅的、甲基磺酸锡(MSA)电解液(甲基磺酸中的锡离子)，其包括如下溶液：

·30至60g/l的锡，虽然可以使用15至80g/l的浓度；

·100至200g/l的甲基磺酸；

·3至6ml/l的增亮剂(35至50％重量的乙二醇异丙醚(2-isopropoxyethanol)，以及5至10％重量的α-苯丁烯-γ-酮(4-phenylbut-3-en-2-one)；

·40-80ml/l的启动剂(starter)(20至25％重量的2-萘酚聚乙二醇醚(2-naptholpolyglycolether)，1至2.5％重量的1,2-二羟基苯(1,2-dihydroxybenzene)，以及1至2.5％重量的甲基丙烯酸(methacrylic acid)；以及

·其余为1l的去离子水。

第二示例性电解液为无铅的、硫酸锡电解液(硫酸中的锡离子)，其包括如下溶液：

·10至50g/l的锡；

·10至45g/l的硫酸；

·2至6ml/l的增亮剂；

·2至6ml/l的启动剂；以及

·其余为1l的去离子水。

下电镀金属层104A与上电镀金属层104Z分别通过使用脉冲负极偏压的电镀沉积，不同的脉冲阴极偏压用于具有不同颗粒结构的电镀层，其中颗粒具有不同的长宽比。脉冲阴极偏压的使用中断了颗粒的生产，促进新颗粒的结晶，以及使邻近阴极基质的沉积表面的电解液的边界区域用增加的金属离子的浓度补充(阴极偏压期间边界区域成为耗尽的)。可替换地，下电镀金属层104A可以通过直流(DC)电镀沉积。

在电镀脉冲循环期间，平均阴极电流密度为1和10A/dm²之间，频率为0至100Hz，并且工作循环(即，每个循环的比例，在所述循环期间施加阴极偏压)从10至100％(即，直流电镀具有0Hz的频率和100％的工作循环)。然而，上电镀金属层104Z的脉冲循环具有比下电镀金属层104A的脉冲循环(或者直流电流)更高的频率和/或更低的阴极工作循环，这在上电镀金属层的颗粒结构中产生比下电镀金属层的颗粒结构更低的长宽比。

图2A和图2B示意性地图示出在轴承壳100的下电镀金属层104A与上电镀金属层104Z的沉积期间施加的阴极偏压脉冲循环，其具有高阴极偏压V_H脉冲部t₁和t_1’以及零阴极偏压V₀部t₂和t_2’。下电镀金属层104A使用0至10Hz的频率(即，1/{t₁+t₂})以及70至100％的工作循环(即，t₁/{t₁+t₂})沉积，这产生了圆柱状的颗粒结构。上电镀金属层104Z使用50至500Hz的频率(即，1/{t_1’+t_2’})以及10至30％的工作循环(即，t_1’/{t_1’+t_2’})沉积，这产生了近似各方等大的颗粒结构。

图1A和图1B示出了具有两个电镀金属层的轴承壳。然而，而且，如在图3中示意性地示出的，中间电镀金属层304B可以额外地设置在下电镀金属层304A与上电镀金属层304Z之间，所述中间电镀金属层304B具有带有介于下电镀金属层与上电镀金属层的长宽比之间的长宽比的颗粒尺寸。中间层304B使用介于下电镀金属层304A和上电镀金属层304Z的脉冲循环和/或阴极工作循环之间的脉冲循环和/或阴极工作循环沉积。有益地，具有带有中间长宽比的颗粒结构的电镀金属层在机械性能属性方面有层次的过渡，并且可以减少不匹配的颗粒的连续层之间产生的内应力。

如在图4中示出的，基质可以包括设置在电镀金属层404A、404B和404Z以及背衬402之间的进一步的层，例如，如果电镀金属层将变为磨损的则提供进一步的轴承表面的主衬层406，以及提供扩散屏障以防止主衬层和电镀金属层之间的移动离子的迁移的镍夹层408。

在图2A和图2B中示出的偏压脉冲循环只具有使用非偏压(偏离)时期点缀的恒定的偏压阴极脉冲。然而，可替换地，阴极脉冲可以在偏压中逐渐地或者步进地上升。而且，脉冲循环可以包括双极脉冲循环，其中可以额外地设置阳极偏压脉冲部(即，相对于阴极偏压的反向偏压)。在阳极脉冲部期间，在于连续的阴极脉冲部期间发生的沉积之间，一些在阴极上沉积的离子被从阴极除去镀层，进一步增强了颗粒成长中的中断，并且促进了接下来的再生长期间的新颗粒的结晶。

诸如具有小于7μm的颗粒尺寸的碳化硼、氧化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、碳化铌、氮化钛或者碳氮化钛的硬颗粒可以与金属离子共同沉积，这形成了金属基体，其中分布有硬颗粒。硬颗粒可以以大约20g/l的浓度悬浮在电解液中(操作已经被证明具有10至200g/l的硬微粒，并且优选10至30g/l)。沉积期间超声的和/或机械的搅拌搅动被用于以悬浮体的方式保持硬微粒。

在恒定的阴极电流下金属基体沉积的速率受限于金属离子(例如锡离子)的离子迁移率，这是由于在电解质中在阴极表面上耗尽区的存在。虽然来自悬浮体的硬微粒粘附到表面上，但在恒定的阴极电流下发生的金属离子的缓慢沉积在把表面微粒结合到沉积层内方面是低效的，随着金属基体层生长，微粒反而留在表面上。相反地，在零阴极偏压部分期间(以及类似地在较低的阴极偏压部分期间或在阳极偏压部分期间)，靠近阴极表面的金属离子的浓度能够增加，导致在高阴极偏压部分期间发生的基体沉积快速爆发，在这期间存在增强的硬颗粒向层的沉积金属基体中结合的效率。

当共同沉积硬颗粒时，阳极脉冲部的使用可以被有益地使用。这样的阳极偏压脉冲从沉积层去除金属离子，提供接近阴极表面的离子的高浓度，在高阴极偏压脉冲部期间进一步增加了随后的沉积率，并且进一步增强了硬颗粒向金属基体的沉积层中的结合。

虽然在与半轴承壳有关的附图中进行了图示，但是本发明等同地应用于包括半环形、环形或者圆形止推垫圈以及轴套的其他滑动发动机部件，以及包括这样的滑动发动机部件的发动机。

除了图1C和图1D中的显微图，本文提供的附图为示意性的并非符合比例的。

在整个说明书以及该说明的权利要求中，词语“包括”和“包含”以及它们的变型意味着“包括但不限于”，它们不旨在(并且不会)排除其他部分、添加元件、部件、整数或者步骤。在整个说明书以及该说明的权利要求中，单数包含多个，除非内容以其他方式要求。尤其，使用不定冠词时，说明书还应理解为包含复数和单数，除非内容另有规定。

结合本发明特定方案、实施例或者例子描述的特征、整数、特性、化合物，化学部分或者组合应理解为能够应用于此处描述的任何其他方案、实施例或者例子，除非不兼容。该说明书(包括任何附随权利要求，摘要以及附图)中公开的所有特征和/或公开的任何方法或者处理的所有这些步骤可以以任何组合结合，除了至少一些这种特征和/或步骤相互排斥的组合之外。本发明不限制至任何前述实施例的细节。本发明延伸至该说明书(包括任何附随权利要求，摘要以及附图)中公开的任何新颖的一个特征或者特征的任何新颖组合，或者公开的任何方法或者处理的任何新颖步骤或布置的任何新颖组合。

读者的注意集中于结合本申请的说明书同时申请或之前申请且公开于公众的所有文件以及文献，所有这种文件以及文献的内容通过参考并入此处。

Claims

1.一种滑动发动机部件，其包括具有表面涂覆有第一和第二电镀金属层的基质，所述第一金属层设置在所述基质与所述第二金属层之间，

其中所述第一和第二金属层具有颗粒结构，每个所述颗粒结构具有垂直于基质表面的平均颗粒尺寸与平行于基质表面的平均颗粒尺寸之间的长宽比，并且

其中所述第二金属层的长宽比小于所述第一金属层的所述长宽比。

2.根据权利要求1所述的滑动发动机部件，其中所述第一金属层具有至少2:1的长宽比。

3.根据权利要求1或2所述的滑动发动机部件，其中所述第一金属层具有至少4:1的长宽比。

4.根据权利要求1、2或3所述的滑动发动机部件，其中所述第一金属层具有达到30:1的长宽比。

5.根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件，其中所述第一金属层具有大致圆柱状的颗粒结构。

6.根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件，其中所述第二金属层具有小于1.5:1的长宽比。

7.根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件，其中所述第二金属层具有大致各方等大的颗粒结构。

8.根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件，其包括设置在所述第一金属层和所述第二金属层之间的第三电镀金属层，

其中第三金属层具有颗粒结构，所述颗粒结构具有垂直于基质表面的平均颗粒尺寸与平行于基质表面的平均颗粒尺寸之间的长宽比，并且

其中所述第三金属层的所述长宽比小于所述第一金属层的所述长宽比并且大于所述第二金属层的所述长宽比。

9.根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件，其中所述第三金属层的所述长宽比小于所述第一金属层的所述长宽比并且大于所述第二金属层的所述长宽比。

10.根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件，其中金属层包括锡。

11.根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件，其中除了附带的杂质，金属层为纯锡。

12.根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件，其中金属层为包括分布在金属基体中的硬颗粒的复合层。

13.一种发动机，其包括根据前面任一项权利要求所述的滑动发动机部件。

14.一种制造滑动发动机部件的方法，所述滑动发动机部件包括具有表面涂覆有第一和第二电镀金属层的基质，所述第一金属层设置在所述基质和所述第二金属层之间，

其中所述第一和第二金属层为颗粒结构，每个所述颗粒结构具有垂直于基质表面的平均颗粒尺寸与平行于基质表面的平均颗粒尺寸之间的长宽比，并且

其中所述第二金属层的长宽比小于所述第一金属层的所述长宽比，

所述方法包括：

将所述基质设置为包括金属离子的电解液中的阴极，

通过或者将偏压脉冲的第一重复循环以第一重复频率使用第一工作循环施加至所述基质或者将直流施加至所述基质的第一电镀阶段对所述第一金属层进行沉积，并且

通过将偏压脉冲的第二重复循环以第二重复频率使用小于100％的第二工作循环施加至基质的第二电镀阶段对所述第二金属层进行沉积，

其中如果第一电镀阶段包括施加偏压脉冲的第一重复循环，则第二工作循环比所述第一工作循环更低，和/或所述第二重复频率比所述第一重复频率更高。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二工作循环比所述第一工作循环更低。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述第一工作循环为70至100％。

17.根据权利要求14、15或16中任一项所述的方法，其中所述第二工作循环为10至30％。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中所述第二重复频率比所述第一重复频率更高。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中所述第一重复频率为0至10Hz。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述第二重复频率可以为50至500Hz。

21.一种滑动发动机部件，其基本上如本文参照附图所描述的。

22.一种发动机，其包括基本上如本文参照附图所描述的滑动发动机部件。

23.一种制造滑动发动机部件的方法，所述滑动发动机部件基本上如本文参照附图所描述的。