CN106574659A - 滑动轴承复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造滑动轴承复合材料(10)的方法，该滑动轴承复合材料具有特别是由钢制成的支承层(14)，具有由无铅、含镁的铝基合金制成的轴承金属层(18)，并且具有摩擦层(22)，其中铝基合金最后包括0.5‑5.5重量百分比的镁，必要时还包括由锌、铜、硅、铁、锰、铬、钛、锆、钒、镍、钴、铈和取决于杂质的合金成分构成的组中的一种或者多种合金成分，其中取决于杂质的合金成分在总和上不超过1重量百分比，并且剩余是铝，其中铝基合金是无铜的或者包括最高3重量百分比的铜，并且其中锌、铜和镍的总含量在总和上不超过8重量百分比，并且所有的合金成分的总含量在总和上不超过12重量百分比，其中轴承金属层(18)或者直接轧制到支承层(14)上，或者先前利用由铝合金或者由技术上的纯铝构成的中间层(38)进行滚压包层，并且然后在中间布置该中间层(38)的情况下如下地轧制到支承层(14)上，即使得中间层(38)随后是最高100μm厚、特别是最高50μm厚，其中因此获得的、由支承层(14)和轴承金属层(18)构成的复合结构在280℃和350℃之间的温度时软化退火2至10小时，从而使得该复合结构的轴承金属层具有50‑80HB 1/5/30的布氏硬度，并且其中随后将摩擦层(22)电镀地或者通过PVD方法施加到轴承金属层(18)上。

Description

滑动轴承复合材料
技术领域
本发明涉及一种用于制造滑动轴承复合材料的方法，该滑动轴承复合材料具有特别是由钢制成的支承层，具有由含镁的铝基合金制成的轴承金属层，并且具有摩擦层(Laufschicht)。此外，本发明还涉及一种这样的滑动轴承复合材料和由此制成的滑动轴承件。
背景技术
这种类型的滑动轴承复合材料是已知的。典型的应用是在机动车技术领域中，典型地在内燃机周边领域中，例如在制造曲轴轴承轴瓦(Kurbelwellenlagerschalen)和/或连杆轴承轴瓦时(Pleuellagerschalen)。
典型的滑动轴承复合材料具有由钢制成的支承层，其确保滑动轴承复合材料的机械稳定性和形状保持能力。在支承层上典型地设置有轴承金属层，其尤其烧结、电镀或者浇注在支承层上。在轴承金属层上常常布置有摩擦层。在滑动轴承应用中，由滑动轴承复合材料构成的并且在弯曲辊工艺(Biegerollverfahren)中变形的滑动轴承件的摩擦层与滑动副偶件(Gleitpartner)接触。
WO 2010/125026 A1公开了一种开头所述类型的滑动轴承复合材料。其提出，为了形成轴承金属层而使用具有3.5至4.5重量百分比的相对高的铜含量和0.1至1.5重量百分比的镁的、能硬化的铝基合金，以便实现优选70至110HV 0.01的硬度(维氏硬度)。这能通过高的铜含量并且以待接受的方式在高温时通过固溶退火和随后的淬火实现。不仅轴承金属层还有在其上施加的摩擦层进行滚压包层(walzplattiert)并且相应地变厚。
EP 0672840 A1公开的是，通过滚压包层将对滑动副偶件暴露的、在铝锡基上的摩擦层施加到轴承金属层上，其中涉及AlZn4SiPb、AlZn4.5Mg、AlSi11CuMgNi和AlMgSi1。因此获得的滚压包层复合结构在另外的滚压包层步骤中被轧制到由钢制成的支承层上。在该滑动轴承复合材料中，其中能硬化的铝合金具有60HV0.5的硬度，需要考虑的问题是，该层在较强的负载时从轴承位置上被轴向地压出。前述的WO 2010/125026A1利用通过添加更多铜量的进一步硬化来对此做出反应。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于制造滑动轴承件的滑动轴承复合材料，其应该具有良好的滑动特性和良好的机械稳定性以及持久的高负载能力。这些特性尤其在现代机动车技术中的应用方面是至关重要的，尤其是在具有启停自动控制装置的机动车中。
根据本发明，该目的通过一种用于制造开头所述类型的滑动轴承复合材料的方法实现，其中，铝基合金最后包括0.5-5.5重量百分比的镁，必要时还包括由锌、铜、硅、铁、锰、铬、钛、锆、钒、镍、钴、铈和取决于杂质的合金成分构成的组中的一种或者多种合金成分，其中，取决于杂质的合金成分在总和上不超过1重量百分比，并且剩余是铝，其中，铝基合金是无铜的或者包括最高3重量百分比的铜，并且其中锌、铜和镍的总含量在总和上不超过8重量百分比，并且所有的合金成分的总含量在总和上不超过12重量百分比，其中，轴承金属层或者直接轧制到支承层上，或者先前利用由铝合金或者由技术上的纯铝构成的中间层进行滚压包层，并且然后在中间布置该中间层的情况下如下地轧制到支承层上，即使得中间层随后是最高100μm厚，特别是最高50μm厚，其中，因此获得的、由支承层和轴承金属层构成的复合结构在280℃和350℃之间的温度时软化退火2至10小时，从而使得该复合结构的轴承金属层具有50-80HB 1-5-30、特别是60-80HB 1-5-30的布氏硬度并且其中，随后将摩擦层电镀地或者通过PVD(物理气化沉积)方法施加到轴承金属层上。
有利的是，轴承金属层具有典型的、0.2mm至0.8mm的层厚度。支承层典型地设计具有0.5mm至4mm的层厚度。金属的摩擦层的厚度最高为30μm，尤其最高为25μm，尤其最高为20μm，并且至少为5μm，尤其至少为10μm，尤其为10-20μm。
在根据本发明制造的滑动轴承复合材料中以令人惊讶的方式确定的是，轴承金属层利用根据本发明的成分和处理而具有特别高的持久负载能力。因此，轴承金属层的合金成分对于在滑动轴承复合材料中的应用来说是有利的。结合电镀地或者以PVD方法施加的、薄的摩擦层，轴承金属层的、通过本发明确保的更合适的硬度使得滑动轴承复合材料抗疲劳且抗咬，并因此适合于在现代机动车技术中的内燃机周边的应用，尤其适合于制造曲轴轴承轴瓦和连杆轴承轴瓦。
根据本发明认知的是，轴承金属层的通过添加铜进行的强烈的硬化会导致脆化，其会损害疲劳强度。此外，当在滑动副偶件侧已经轧制了更软的摩擦层时，在滚压包层时使用能硬化的铝基合金被证明是有问题的。在使用根据本发明的方法的情况下，首先将轴承金属层轧制到支承层上。在此之后不执行在高温时的固溶退火和随后的淬火以及硬化，而是对这样获得的复合结构在280℃和350℃之间、尤其是在300℃和350℃之间的温度时进行软化退火。在此，形成相对大的沉淀(Ausscheidung)，典型地在1-10μm的范围中，并且实现仅仅在要求的范围中的、合适的硬度。还显示出的是，以这样的方式软化退火的材料复合结构保持持久的稳定和高负荷能力，并且通过仅仅合适的硬度而具有对于在油流中的污垢颗粒的、小的敏感性。
铝基合金的镁含量有利地为1.5-5.5重量百分比，特别为2.0-5.5重量百分比。镁至少部分地保持溶解在晶格中并且部分地形成沉淀。通过由此实现的张力来实现适当的硬化和强度提升，但是其在软化退火的状态中是持久稳定的。因为在如此获得和处理的复合结构上电镀地或者通过PVD方法以及此外以相对于滚压包层方法更小的厚度来施加金属摩擦层，因此通过根据本发明的方法获得的构造不会进一步受到损害，而是保持其以根据本发明的方式设定的特性。在此示出的是，在根据本发明制造的轴承金属层上电镀地或者通过PVD方法、尤其是溅射方法(Sputter-Verfahren)施加的、在锡基或者铝基上的薄的摩擦层也具有高的负载能力和耐久性。如此生产的轴承金属层因此形成用于摩擦层的、非常好的基础。压碎或者压出、也就是在轴向方向上的流动也在根据本发明制造的滑动轴承复合材料的高负载的情况下不被观察到。
在本发明的一个改进方案中能够证明有利的是，铝基合金包括0.05-7.5重量百分比的锌、直至3重量百分比的铜、特别是直至2重量百分比的铜、特别是直至1重量百分比的铜、0.05-6重量百分比的硅、0.05-0.5重量百分比的铁、0.05-1重量百分比的锰、0.05-1重量百分比的铬、0.05-0.5重量百分比的钛、0.05-0.5重量百分比的锆、0.05-0.5重量百分比的钒、0.1-3重量百分比的镍、0.1-1重量百分比的钴和/或0.05-0.5重量百分比的铈。在所述的含量说明范围中添加上述成分中的一种或者多种可以在对根据本发明的滑动轴承复合材料的强度和耐磨性进行期望的设定方面证明是有利的。
在滑动轴承复合材料的一个有利的设计方案中，铝基合金是AlMg(2-3)合金或者AlMg(3-4)合金或者AlMg(4-5)合金，必要时具有0.15-0.35重量百分比的铬和/或0.2-0.5重量百分比的锰，必要时具有在总和上不超过1重量百分比的另外的合金成分。铝基合金的给出的组成成分对于根据本发明的滑动轴承复合材料的强度和耐磨性以及颗粒兼容性而言证明是非常有利的。镁含量越高，强度和耐磨性就越高；镁含量越低，颗粒兼容性就越高。
通过PVD方法施加的摩擦层有利地同样形成在铝基上，并且包括5-40重量百分比的锡，并且必要时还包括0.1-5重量百分比的铜、0.1-6重量百分比的硅、0.05-1重量百分比的锰、0.05-1重量百分比的铬、0.05-0.5重量百分比的钛、0.05-0.5重量百分比的锆、0.05-0.5重量百分比的钒、0.1-3重量百分比的镍、0.1-1重量百分比的钴和/或0.05-0.5重量百分比的铈。通过PVD方法施加的并且尤其具有前述的成分的摩擦层结合根据本发明制造的轴承金属层被证明是特别抗负载的并且对于磨损不敏感。
滑动轴承复合材料被证明是特别有利的，其中，摩擦层由AlSn(18-27)Cu(0.5-3)合金、特别由AlSn(20)Cu(1)合金或者由AlSn(25)Cu(2.5)合金形成，并且通过PVD方法施加。这样的摩擦层由于其高的锡含量而具有有利的摩擦学上的特性。通过根据本发明的铜含量实现了摩擦层的高强度。在与根据本发明的滑动轴承复合材料共同作用时，由此实现了滑动轴承复合材料的高负荷能力。
在本发明的范畴中同样有意义的是，在摩擦层和轴承金属层之间布置有通过PVD方法施加的、由铝基合金或者铜基合金、钴基合金或者镍基合金构成的另外的层。该另外的层能够作为扩撒障碍使用，并且由此提高了根据本发明的滑动轴承复合材料在使用中的寿命。
在本发明的范畴中同样有意义的是，摩擦层是电镀沉积的层，该层由铋或者铋合金构成，或者由锡或者锡铜合金构成，尤其是由SnCu(4-8)合金构成，尤其是由SnCu(6)合金构成。这样的摩擦层在具有高强度和长寿命的同时还具有良好的滑动特性。此外，电镀的层能够成本低廉且自动化地实现。
在本发明的范畴中同样有意义的是，在这样所描述的、电镀沉积的摩擦层和轴承金属层之间布置有在镍基或者铜基或者钴基上的第一中间层。
在本发明的范畴中同样有意义的是，在根据本发明的、电镀沉积的摩擦层和第一中间层之间布置有在锡镍基或者锡铜基或者锡钴基上的第二中间层。这样的第二中间层能够作为扩散障碍层起作用，并因此提高了滑动轴承复合材料的寿命。
能够分别在轴承金属层和以PVD方法施加的或者电镀沉积的摩擦层之间布置的第二中间层典型地具有在1和4μm之间的层厚度。其同样是PVD方法或者电镀地施加。
还要说明的是，技术上的纯铝被理解为如下的材料，其由直到99.5重量百分比的铝构成，并且仅仅包含最多0.5重量百分比的取决于杂质的成分。
薄的摩擦层优选具有的厚度最高为30μm，尤其最高为25μm，尤其最高为20μm，并且至少为5μm，尤其至少为10μm，并且还尤其为10-20μm。
本发明的内容还有滑动轴承复合材料，其具有权利要求12的特征，其根据本发明的方法来制造。还要求对滑动轴承复合材料的保护，其中，在权利要求12中提及的成分的轴承金属层被轧制到支承层上，并且具有50-80HB 1/5/30的布氏硬度、尤其是60-80HB 1/5/30的布氏硬度，其中，在该复合结构上，厚度最高为30μm的金属摩擦层电镀地或者通过PVD方法要么直接施加到轴承金属层上，要么施加在一个或者多个厚度为1至4μm的、非常薄的中间层上。
在本发明的范畴中同样还有滑动轴承件，特别是滑动轴承轴瓦，特别是曲轴轴承轴瓦或者连杆轴承轴瓦，其特征在于，滑动轴承件包括根据本发明的滑动轴承复合材料或者由其制成。这种滑动轴承件的应用尤其用于在现代机动车技术中的内燃机相关的滑动支承任务。在此，尤其是在具有启停自动控制装置的现代高功率发动机的应用情况中，其对所使用的滑动轴承件的摩擦学的和机械的特性提出了高的要求。这些要求可以通过使用基于根据本发明的滑动轴承复合材料的、根据本发明的滑动轴承件来满足。
附图说明
本发明的另外的特性、细节和优点由从属权利要求、附图、对根据本发明的滑动轴承复合材料的以及根据本发明的滑动轴承件的多个优选实施方案的以下说明给出。
图中示出：
图1是根据本发明的滑动轴承复合材料的、未按照比例尺的示意性的截面图；以及
图2是根据本发明的滑动轴承复合材料的另一个实施方式的、未按照比例尺的示意性的截面图；以及
图3是根据本发明的滑动轴承复合材料的另一个实施方式的、未按照比例尺的示意性的截面图；以及
图4是包括根据本发明的滑动轴承复合材料的连杆轴承轴瓦的、未按照比例尺的示意性的截面图。
具体实施方式
图1示出了用于以弯曲工艺制造滑动轴承件、尤其是滑动轴承轴瓦的、根据本发明的滑动轴承复合材料10的示意性放大的未按比例尺的截面图。该滑动轴承复合材料10包括优选由钢制成的支承层14。在支承层14的面向滑动副偶件的侧上轧制，也就是以滚压包层方法施加具有在发明内容部分中所述的成分的轴承金属层18。在轴承金属层18上电镀地或者以PVD方法施加具有在发明内容部分中所述的成分和厚度的摩擦层22。
图2示出了根据本发明的滑动轴承复合材料10的、示意性放大的未按比例尺的截面图。在图2中示出的实施例中，摩擦层22设计成电镀沉积的层。在该实施例中，在轴承金属层18和摩擦层22之间布置有具有在发明内容部分中描述的成分的第一中间层26。在第一中间层26和摩擦层22之间布置有具有在发明内容部分中描述的成分的第二中间层30。两个中间层电镀地施加并且具有优选仅仅1-4μm的小的厚度。
图3示出了根据本发明的滑动轴承复合材料10的、示意性示出的并且未按比例尺放大的截面图。在图3中示出的实施例中，摩擦层22设计成以PVD方法施加的、典型地溅射的层，其具有在发明内容部分中所述的成分。在摩擦层22和轴承金属层18之间布置有通过PVD方法施加的另外的层34，其具有在发明内容部分中所述的成分。
在轴承金属层18和支承层14之间布置有中间层38。该中间层38在本实施例中设计成铝合金的形式，然而在本发明的范畴中同样可以由纯铝实施。在本发明的范畴中同样有意义的是一种如下的层构造，其不具有中间层38。为了进行制造，轴承金属层18和中间层38彼此进行滚压包层。随后，由轴承金属层18和中间层38构成的复合结构被电镀到支承层14上，这是无问题地实现的，因为中间层38比轴承金属层18更软。
在图1至3中示出的实施例中，轴承金属层18利用其根据本发明的组分分别形成具有仅仅用于摩擦层22的适当的硬度的、固定的基底。这种复合结构允许摩擦层22的高的负荷，同时实现了滑动轴承复合材料10的长的寿命。
在图4中示出了根据本发明的滑动轴承轴瓦42的、示意性示出的并且未按比例尺放大的截面图。这样的滑动轴承轴瓦可以由根据本发明的滑动轴承复合材料10例如通过滚动弯曲进行制造。

Claims (13)

1.一种用于制造滑动轴承复合材料(10)的方法，所述滑动轴承复合材料具有特别是由钢制成的支承层(14)，具有由无铅、含镁的铝基合金制成的轴承金属层(18)，并且具有摩擦层(22)，其中，所述铝基合金最后包括0.5-5.5重量百分比的镁，必要时还包括由锌、铜、硅、铁、锰、铬、钛、锆、钒、镍、钴、铈和取决于杂质的合金成分构成的组中的一种或者多种合金成分，其中，取决于杂质的合金成分在总和上不超过1重量百分比，并且剩余是铝，其中，所述铝基合金是无铜的或者包括最高3重量百分比的铜，并且其中锌、铜和镍的总含量在总和上不超过8重量百分比，并且所有的合金成分的总含量在总和上不超过12重量百分比，其中，所述轴承金属层(18)或者直接轧制到所述支承层(14)上，或者先前利用由铝合金或者由技术上的纯铝构成的中间层(38)进行滚压包层，并且然后在中间布置所述中间层(38)的情况下如下地轧制到所述支承层(14)上，即使得所述中间层(38)随后是最高100μm厚、特别是最高50μm厚，其中，因此获得的、由所述支承层(14)和所述轴承金属层(18)构成的复合结构在280℃和350℃之间的温度时软化退火2至10小时，从而使得所述复合结构的所述轴承金属层具有50-80HB 1/5/30的布氏硬度，并且其中，随后将所述摩擦层(22)电镀地或者通过PVD方法施加到所述轴承金属层(18)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝基合金具有如下的合金成分中的一种或者多种，所述合金成分包括0.05-7.5重量百分比的锌、直至3重量百分比的铜、0.05-6重量百分比的硅、0.05-0.5重量百分比的铁、0.05-1重量百分比的锰、0.05-1重量百分比的铬、0.05-0.5重量百分比的钛、0.05-0.5重量百分比的锆、0.05-0.5重量百分比的钒、0.1-3重量百分比的镍、0.1-1重量百分比的钴和/或0.05-0.5重量百分比的铈。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述铝基合金包括1.5-5.5重量百分比、特别是2.0-5.5重量百分比的镁。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述铝基合金是AlMg(2-3)合金或者AlMg(3-4)合金或者AlMg(4-5)合金，必要时具有0.15-0.35重量百分比的铬和/或0.2-0.5重量百分比的锰，必要时具有在总和上不超过1重量百分比的另外的合金成分。
5.根据权利要求1至4中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述摩擦层(22)是通过PVD方法施加的层，该层利用5-40重量百分比的锡形成在铝基上，并且必要时还包括0.1-5重量百分比的铜、0.1-6重量百分比的硅、0.05-1重量百分比的锰、0.05-1重量百分比的铬、0.05-0.5重量百分比的钛、0.05-0.5重量百分比的锆、0.05-0.5重量百分比的钒、0.1-3重量百分比的镍、0.1-1重量百分比的钴和/或0.05-0.5重量百分比的铈。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述摩擦层(22)由AlSn(18-27)Cu(0.5-3)合金、特别由AlSn(20)Cu(1)合金或者由AlSn(25)Cu(2.5)合金形成。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述摩擦层(22)和所述轴承金属层(18)之间布置有通过PVD方法施加的、由铝基合金或者铜基合金、钴基合金或者镍基合金构成的另外的层(34)。
8.根据权利要求1至4中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述摩擦层(22)是电镀沉积的、由铋或者铋合金构成的或者由锡或者锡铜合金构成的、特别是由SnCu(4-8)合金构成的、特别是由SnCu(6)合金构成的层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述摩擦层(22)和所述轴承金属层(18)之间布置有在镍基或者铜基或者钴基上的第一中间层(26)。
10.根据权利要求9所述的滑动轴承复合材料(10)，其特征在于，在所述摩擦层(22)和所述第一中间层(26)之间布置有在锡镍基或者锡铜基或者锡钴基上的第二中间层(30)。
11.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述摩擦层(22)的厚度最高为30μm，尤其最高为25μm，尤其最高为20μm，并且至少为5μm，尤其至少为10μm，尤其为10-20μm。
12.一种根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法制造的滑动轴承复合材料(10)，所述滑动轴承复合材料具有特别是由钢制成的支承层(14)，具有由无铅、含镁的铝基合金制成的轴承金属层(18)，并且具有摩擦层(22)，其中，所述铝基合金包括0.5-5.5重量百分比的镁，必要时还包括由锌、铜、硅、铁、锰、铬、钛、锆、钒、镍、钴、铈和取决于杂质的合金成分构成的组中的一种或者多种合金成分，其中，取决于杂质的合金成分在总和上不超过1重量百分比，其中，所述铝基合金是无铜的或者包括最高3重量百分比的铜，并且其中锌、铜和镍的总含量在总和上不超过8重量百分比，并且所有的合金成分的总含量在总和上不超过12重量百分比，其中，所述轴承金属层(18)或者直接轧制，或者在中间布置最高100μm厚、特别是最高50μm厚的、由铝合金或者由技术上的纯铝构成的中间层(38)的情况下轧制到所述支承层(14)上，其中，因此获得的、由所述支承层(14)和所述轴承金属层(18)构成的复合结构在280℃和350℃之间的温度时软化退火2至10小时，从而使得所述复合结构的所述轴承金属层具有50-80HB 1/5/30的布氏硬度，并且其中，随后将所述摩擦层(22)电镀地或者通过PVD方法施加到所述轴承金属层(18)上。
13.一种滑动轴承件(42)，特别是滑动轴承轴瓦，特别是曲轴轴承轴瓦或者连杆轴承轴瓦，其特征在于，所述滑动轴承件包括根据权利要求13所述的滑动轴承复合材料(10)。
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