CN106163705A - 具有切削剂的无铅的CuFe2P‑滑动轴承材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及滑动轴承材料，其具有基体材料，所述基体材料包含2.1‑2.6重量％的铁、0.05‑0.2重量％的锌、0.015‑0.15重量％的磷、≤0.03重量％的铅、≤0.2重量％的熔体冶金相关的杂质和余量的铜、任选地具有至少一种硬质材料和任选地具有至少一种固体润滑材料，并且具有至少一种选自碲、硫、铬和锆的添加剂。此外，本发明还涉及具有承载层、轴承金属层和具有在轴承金属层上施加的滑动层的滑动轴承复合材料，其中所述轴承金属层由此种滑动轴承材料组成，以及由此种滑动轴承复合材料组成的滑动元件或滑动轴承。

Description

具有切削剂的无铅的CuFe2P-滑动轴承材料
本发明涉及滑动轴承材料,其具有基体材料,所述基体材料由2.1-2.6重量％的铁、0.05-0.2重量％的锌、0.015-0.15重量％的磷、≤0.03重量％的铅、≤0.2重量％的熔体冶金相关的杂质和余量的铜组成。此外，本发明还涉及具有承载层、轴承金属层和具有在轴承金属层上施加的滑动层的滑动轴承复合材料，以及滑动元件，特别是衬套或轴承套形式的径向滑动轴承。
无铅的基于铜-铁-磷的材料，之后也被称为CuFe2P-合金，已长时间普遍公知并且也在一定时间前已经作为滑动轴承材料，特别是作为用于衬套或轴承套的滑动轴承复合材料使用。例如参见来自申请人的家族的文件DE 10 2009 002 894 A1和DE 10 2011 007362 A1，其中描述了具有引言处所述的组合物的材料。
所述铜-铁-磷合金可以用铸造技术以及烧结技术处理，或者通过扎制包层法(Walzplattieren)施加在承载层上。其特征在于，高的可延展性、基础强度和基础硬度。这些参数可以通过热机械处理在宽范围内适应不同的要求，使得所述材料在其硬度、强度和其抱死行为方面达到由于缺乏环境永续性而要被代替的铅青铜的水平。但是此外，所述材料由于其高的基础强度和硬度,相比于铅青铜是可切削性明显更差的。所述差的可切削性导致更短的工具耐用时间或快速降低的加工精度和表面质量。
此外，德国铜研究院(Das Deutshe Kupferinstitut)系统地研究了铜材料的可切削性，并且以所谓的信息出版物的形式公开了结果。以下取自2010年收录的信息出版物第18版(i.18)。其中铜材料的可切削性划分为三个不同的主群组。在此，将可切削性类似的材料概括入一个主群组。主要按照形成的切屑形状和工具的磨损，对铜材料进行划分。
切削主群组I含有具有非常好可切削性的铜材料，并且包括具有均相或多相结构的铅、碲或硫合金的铜材料。在切削时，其形成短的碎切屑。工具磨损被定级为低。切削主群组II含有具有中等至好的可切削性的铜材料。相比于切削主群组I的材料，所述材料的加工导致更长的切屑，通常是中等长度的螺旋切屑。在加工此种材料时，工具磨损被描述为“中等”。在切削主群组III中，概括了相比于群组I和II更难切削的铜材料。在对其加工时，形成长的螺旋、杂乱或带状的切屑。工具的磨损高。
为了实现在标准化的材料的经验性数据的主群组范围内在其可切削性方面进一步的区分，还引入了可切削性指数。对于第一主群组的材料此指数在100至70之间，对于第二主群组的材料在60至40之间，对于第三主群组的材料在30至20之间。
在德国铜研究院的信息出版物i.18中没有提及CuFe2P-合金。
本发明的任务是提供滑动轴承材料，其具有与已知的CuFe2P-合金相似的好的摩擦和机械性能，但具有更好的可切削性，以及由于更长的工具耐用时间而具有的更高的加工精度和表面质量。本发明的其他的任务是提供相比于已知的材料具有特别是在缺乏润滑的情况下更加降低的抱死倾向的材料。
通过根据权利要求1的滑动轴承材料达到这些目的。
根据本发明的滑动轴承材料具有基体材料，所述基体材料由2.1-2.6重量％的铁、0.05-0.2重量％的锌、0.015-0.15重量％的磷、≤0.03重量％的铅、≤0.2重量％的熔体冶金相关的杂质和余量的铜与任选地至少一种硬质材料和任选地至少一种固体润滑材料构成，并且特征在于具有至少一种选自碲、硫、铬和锆的添加剂。
可以确定，通过添加碲、硫、铬和/或锆作为切削元素，使得此种基体合金的切屑形状和因此的可切削性得到改进。加入Te、S、Cr和/或Zr导致材料的断裂拉伸下降。没有此种添加剂的CuFe2P-合金具有约15％的断裂拉伸，而其可以通过加入碲和/或硫降低至2％。因此，切屑不再形成长的带状或条状切屑，而是切削成为细小、针状的碎屑，与长的切屑相反，这不阻碍材料的加工。特别出人意料地确定的是，加入碲、硫、铬和/或锆额外地明显降低了滑动轴承材料的抱死倾向。
根据有利的实施方式，添加剂以基于滑动轴承材料的总共0.01至0.2重量％的含量在基体材料内分散。优选地，所述添加剂以总共0.05至1.0重量％的含量，特别优选0.1至0.3重量％的含量在基体材料内分散。
期望断裂拉伸的下降效应只到达某一程度，因为过低的断裂拉伸在铸造后只容许有限的CuFe2P-材料变形，但是这在制造轴承时是必需的。因此，断裂拉伸绝对不应当低于1％。在超过2重量％含量的情况下，不再确保此点并且可以影响重要的基体材料性质，如强度、可变形性等。在低于0.01重量％的过低含量的情况下，切削效应没有足够地表现出来。特别是在添加剂量是0.1至0.3重量％的情况下，切削效应已经很好地表现出来，而重要的基体材料的性质没有明显地劣化，使得此种量的范围是非常好的折中。
添加剂碲、硫、铬和/或锆在CuFe2P-基体内是不溶解的，并由此作为分离的相存在。此种相大多数出现在基体材料的晶界处，此处在强烈的局部机械负荷时如在切屑加工时会导致基体结构中的裂缝偏转，并因此最终在继续的负荷时促进切屑的断裂。优选地，在基体材料中90％的可测量颗粒具有30μm的最大膨胀，特别优选15μm。“可测量”表示所有具有500nm的最小尺寸的颗粒。所述最小尺寸明确地只作为证明和因此的参数唯一性的“划界”。
如果所述添加剂在此种尺寸级别形成颗粒，那么此种添加剂在CuFe2P-基体中分散，使得其明显地提高了滑动轴承材料的可切削性，同时不影响或只非常小地影响基体材料的其他机械和摩擦性能，或者在抱死倾向情况下甚至出人意料地产生正面的影响。这归因于，颗粒的更细微的分布导致对基体结构的晶界的更大面积的干扰，并因此使切屑更容易断裂。因此，为了不导致过高的强度损失，切削添加剂的含量必须保持在上述范围。反之，如果颗粒大于15μm并因此在含量是2重量％或更低的情况下只单独地在结构中局部出现，那么在整个材料中就不存在足够的切削效应。
至少一种添加剂在基体中分散的结果是，滑动轴承材料有利地具有100-70的可切削性指数。通过100至70的可切削性指数将滑动轴承材料归入切削主群组I。在切削加工过程中形成短的碎切屑，其不妨碍材料的加工因为可以有效地由加工区域移出。这提高了表面质量、加工精度并且降低了工具的磨损。
在其他有利的实施方式中，滑动轴承材料在720MPa·m/s的负载和滑动速度的极限值以下，优选在800MPa·m/s以下，不发生粘附磨损。
最大负载和滑动速度的测量值在抱死测试中确定，例如其在下文中参考附图2描述的。720MPa·m/s，优选800MPa·m/s的极限值或最大值出人意料地明显高于已知的CuFe2P-材料。因此，在给出范围内的碲、硫、铬和/或锆添加剂不只具有切削效果，其还同时具有减少磨损或润滑的效果。在根据本发明的轴承材料的情况下，通过抱死的材料受损直到在滑动伙伴的更高的负载和/或相对速度的情况下才出现，使得负载的滑动轴承材料在缺乏润滑的情况下能够坚持更长时间。
优选地，所述滑动轴承材料还具有至少一种选自硅化物、氧化物、碳化物和氮化物的硬质材料，特别是AlN、Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、Mo2C、MoSi2、SiC、B4C、Si3N4和c-BN。
此外有利的是，所述滑动轴承材料具有至少一种选自h-BN和石墨的固体润滑材料。
上述滑动轴承材料可以作为滑动轴承元件中的大型材料，例如衬套或轴承套使用。大型材料表示，所述材料具有足够的强度，并因此是自承重的。同时所述材料承担轴承金属的功能。
此外，本发明的主题还有具有承载层、轴承金属层和具有在轴承金属层上施加的滑动层的滑动轴承复合材料。所述轴承金属层由上述种类的滑动轴承材料组成。
特别是变形为轴承套的滑动轴承元件的形式的滑动轴承复合材料，在最后的加工步骤中通过钻孔校准至最终尺寸。因为轴承套作为大批量制品也通常必须低成本地制造，所以正好在此加工步骤中存在优化需求。例如将许多相同的轴承套彼此前后夹紧，并在一个加工步骤中钻孔。对此要求高的切割和走刀速度。工具耐用时间必须是高的，由此使得换工具和随后安装损失的时间尽量短。特别是湿切削切除，因为冷却剂和润滑剂的残余必须从轴承套表面费力地清除。因此，可切削性刚好在此种应用的情况下具有更大的重要性。
优选地，在滑动轴承复合材料中的承载层是钢层。
基于其刚性，所谓的钢背保证了必需的压配合，使得轴承材料的构造结构可以与强度要求不相关地调整。因此，所需要的铜合金可以如此构造其构造结构，使得其强度和硬度方面以及摩擦性能例如抱死行为方面处于与传统的铅青铜可比的范围内。总的来说，滑动轴承复合材料的应用范围从根本上被拓宽了。鉴于其在具有钢外壳的使用情况中的热膨胀系数，具有钢背的复合材料也具有优点。
下文中描述的制造方法的目标是，在示范性地描述了碲相的最终产物中，添加剂的相以定义的大小存在，其本身已被证明对于抱死行为是有利的。同样取消了最后的交换热处理，对其重要的不是如前所述的滑动性能的优化，而是强度或导电性能的提高。
根据有利的实施方式，所述轴承金属层是烧结层。
所述烧结层以粉末形式施加在钢背上。一种或多种添加剂可以包含在准备好的基体材料中并且与其共同粉末化，或者其作为单独的粉末加入基体材料的烧结粉末中。如果CuFe2P-基体和添加剂单独地以粉末形式存在，那么此种粉末可以以相应的重量分布混合，之后在承载层上烧结。将在钢背上施加的烧结粉末在保护气体氛围下加热至800℃至1000℃的烧结温度10-30分钟，轧制，再次在同样的温度和类似的时间烧结，并且根据硬度要求进行再一次的轧制道次。特别地，争取达到尽可能低或没有剩余孔隙。其他方法步骤不是必须的。特别地，可以取消退火步骤，因为退火某种程度上被合并入烧结步骤中。具体地，烧结步骤如下进行：将烧结粉末以定义的厚度施加在钢载体上；之后在800℃至1000℃的温度下进行第一烧结步骤。在可比的温度下进行第二烧结步骤之前，通过轧制程序在形变时将烧结层压紧10-30％，并由此压缩。最后是最终轧制步骤，通过其调整期望的双金属带的强度和厚度宽容度。在两个烧结步骤中，如此调节冷却条件，使得单独存在的碲颗粒不超过30μm，优选15μm的最大膨胀。
根据替代性的实施方式，在轴承金属层和承载层之间，任选地通过中间层存在轧制包层连接。
首先，制备带状材料形式的轴承金属，任选地预包层中间层，之后将轴承金属轧制到承载层上(具有或没有中间层)。在此，轴承金属的形变是35％-70％，这使得之后需要热机械处理以使轴承金属的机械性能调整至期望的程度。这包括复合物的在550℃至700℃下2至5小时的第一次退火，至少一次复合物的第一次轧制，其中达到20至30％的形变，至少一次在500℃-600℃下>1小时的第二次退火，任选的复合物的第二次轧制，其中达到最大30％的形变，以及之后的在>500℃下至少1小时的第三次退火。如此选择退火温度和在此温度下保持的时间，使得在此碲相也在前述的大小范围内形成。不进行交换热处理，由此通常会使强度和导电性升高。因为上述的第三次退火在冷轧之前进行，所以此种退火除了调节碲相的大小外，还作用于基体材料的重结晶。
可以将铜或铜合金例如铜锌合金或铜锡合金用于中间层。
在另一替代性的实施方式中，所述轴承金属层是铸造层。通常在1000℃至1250℃的温度下进行承载层的铸造。在此也包括来自轧制和退火步骤的热机械处理以调整到期望的材料性质，特别是例如碲尺寸分布和由此更好的防抱死能力。在钢带的铸造后，使所述复合材料在>650℃温度下经历数小时(>4小时)的均匀化退火。随后的在多个轧制道次中35至70％之间的复合物的变形，还包括最终退火，其除了调整碲相的大小外，还影响基体材料的重结晶。在此，还使用在>1小时时间下的>500℃的温度。
除了滑动轴承材料和滑动轴承复合材料外，本发明还包括滑动元件，特别是滑动轴承，其由上述类型的滑动轴承材料组成。
根据纵向分割将板坯从如前述制备的大型或滑动轴承复合材料分离用于制备滑动轴承元件，并且将所述板坯通过已知的变形步骤变形成为滑动轴承元件(例如轴承套或衬套)。作为最后的程序，进行切削加工以制备尺寸稳定的轴承孔和任选地施加滑动层。
根据本发明的滑动轴承材料的其他特性和特征通过下列附图说明。展示的是：
附图1用于描绘测定滑动轴承的磨损的测试程序的图示，和
附图2测定的根据本发明的和不同的其他铜合金的磨损值的图示。
根据附图1中描绘的程序，使根据本发明的材料和对比材料经历磨损测试。在其上进行测量的测试台类似地设置有具有原活塞、连杆、曲柄和滑动轴承的内燃机。在测试时，曲柄的转速由1900转每分钟逐步提高至最大8000转每分钟。后者的值对应19.7m/s的曲柄销表面和滑动轴承表面之间的最大相对速度。在此，连杆的大连杆孔中的以两个轴承套的形式两部分形成的滑动轴承被以正弦形式的负载撞击。随着转数增加的同时，负载也由于出现的离心力而逐步增加。在所述图示中，y-轴上是负载(以MPa)和相对速度(以m/s)的乘积。所述轴承开始时以500ml/min的恒定的油流动速率用油润滑。250分钟的时间后，但仍在达到最大负载之前，将油流动速率逐步降低，同时将负载或转数逐步继续提高。每个轴承材料在同样的条件下在至少三次实验中测量最大负载和滑动速度，其中轴承在此条件下抱死，并且在根据附图2的图示中填入平均值。
在附图2中，如此测定的最大负载和滑动速度的测量值是作为用于对比两种不同的CuFe2P-结构变型的柱状图中的抱死行为的指示。第一个柱10表示具有2.4重量％的Fe、0.15重量％的P、0.05重量％的Zn、余量是铜，没有添加剂的基体材料作为对比材料。第二个柱12表示具有1重量％碲的添加剂的相同的基体材料并且因此表示根据本发明的滑动轴承材料。
在纯的基体材料10的情况下，测得723MPa·m/s的平均负载极限值。根据本发明的具有碲的材料得到800MPa·m/s的明显更高的没有抱死的平均负载极限值。
因此，根据本发明的滑动轴承材料除了相比于已知的没有添加剂的滑动轴承材料具有更好的可切削性之外，其还以出人意料的方式具有明显更低的抱死趋势。因此，其甚至在没有固体润滑材料的情况下以特殊的方式适合在缺少润滑的条件下应用。

Claims (12)

1.滑动轴承材料，其具有由2.1-2.6重量％的铁、0.05-0.2重量％的锌、0.015-0.15重量％的磷、≤0.03重量％的铅、≤0.2重量％的熔体冶金相关的杂质和余量的铜组成的基体材料，其任选地具有至少一种硬质材料和任选地具有至少一种固体润滑材料，其特征在于，
其具有至少一种选自碲、硫、铬和锆的添加剂。
2.根据权利要求1的滑动轴承材料，其特征在于，
所述添加剂以0.01至2.0重量％的总量在基体材料内分散。
3.根据前述权利要求任一项的滑动轴承材料，其特征在于，
所述添加剂以基体材料中的颗粒形式存在，其中90％的可测量颗粒具有30μm，优选15μm的最大膨胀。
4.根据前述权利要求任一项的滑动轴承材料，其特征在于，
在720MPa·m/s的极限值以下，优选在800MPa·m/s以下，不发生粘附磨损。
5.根据前述权利要求任一项的滑动轴承材料，其特征在于，
具有至少一种硬质材料，其选自硅化物、氧化物、碳化物和氮化物，特别是AlN、Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、Mo2C、MoSi2、SiC、B4C、Si3N4和c-BN。
6.根据前述权利要求任一项的滑动轴承材料，其特征在于，
具有至少一种选自h-BN和石墨的固体润滑材料。
7.具有承载层、轴承金属层和具有在轴承金属层上施加的滑动层的滑动轴承复合材料，其特征在于，
所述轴承金属层由根据权利要求1至6任一项的滑动轴承材料组成。
8.根据权利要求7的滑动轴承复合材料，其特征在于，
所述轴承金属层是烧结层。
9.根据权利要求7的滑动轴承复合材料，其特征在于，
在轴承金属层和承载层之间，轧制包层连接任选地通过中间层存在。
10.根据权利要求7的滑动轴承复合材料，其特征在于，
所述轴承金属层是铸造层。
11.具有根据权利要求1至6任一项的滑动轴承材料的滑动元件或滑动轴承。
12.由根据权利要求7至9任一项的滑动轴承复合材料制成的滑动元件或滑动轴承。
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