CN1072334C - 凹曲滑动件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，一个多层体系被涂覆于一个基体(1)上，中间层(2)被扩散阻挡层(3)覆盖，扩散阻挡层(3)被滑动层(4)覆盖。至少滑动层是采用电子束气相沉积来涂覆，在相对于基体的弧顶处至少±70°的角度范围内，层厚变化小于15%。这些滑动件被作为重载轴承或轴瓦优先用于内燃机中。
Description
本发明涉及一种凹曲滑动件，该滑动件的特别地在真空中涂覆于基体上的多层体系包含至少一层金属扩散合金滑动层(Gleitschicht)。这种滑动件具有重大价值，例如可在内燃机中作为高负荷轴承或轴瓦。本发明还涉及这种滑动件，也被称为径向轴承的制造方法。
对径向轴承来说，最大应力，即磨损负荷，一般出现在轴瓦的弧顶区。相反，在局部表面附近，即远离弧顶区，磨损负荷和动态负荷显著减小。已经尝试通过预先的机械加工改变几何形状，例如改变弧形，来保证形成一层最佳润滑膜及抗杂粒嵌入的性能。
如果在多层体系的形成过程中，弧顶区和局部表面区的厚度出现差异，滑动面将偏离理想的弧形。预先对基体进行机械加工，可以对此作些补偿。但是，这种方法使得预先的机械加工相当困难并且费用相当昂贵。
壁厚均匀的轴瓦也可用于V型发动机及具有斜分活塞杆的发动机。其主载荷区位于弧顶区之外。
就高负荷滑动件来说，可采用真空镀膜来形成滑动层。这时采用雾化(溅射)Al-Sn-Cu的方法在基层上形成滑动层(DE2853724C3；DE2940376A1；DE3729414A1)。
同样也可在层面上喷射整体塑料颗粒(DE2914618C2)。
此外，用于雾化法制造滑动轴承的一种专门与轴瓦涂层几何形状相符的雾化设备以及一种用于夹紧基体的设备已为人们所知。一般地，在真空中通过雾化法涂覆上述材料可得到高负荷滑动层(AT-PS392291B；EP0452647A1)。但是，由于其工作机理，雾化法是一种价格昂贵的方法，这是因为高于一定的极限值，沉积速率就不能再增加。因此雾化方法具有狭窄的应用范围。另一方面，雾化具有即使在弯曲的部件，例如滑动轴承上也能得到均匀涂层的优点。
从条形半成品制造滑动轴承，其中采用真空气相沉积来形成条形半成品上滑动层的方法也为人们所知(DE3606529C2；DE2935417)。这种已知方法的目的是更为经济地制造滑动轴承。DE3606525C2描述了一种生产层状材料的方法，通过电子束气相沉积(Elektronenstrahlbedampfung)将滑动层沉积于带状材料之上。被沉积的滑动层由金属扩散合金组成。沉积时速率约为0.3μm/s。但是，用这种方法涂覆的长条来进而加工成滑动轴承的努力没有得到可用的结果，这是因为变形程度大从而导致多层复合体损坏或开裂。
本发明的目的是构造高负荷滑动件或滑动轴承的多层体系的各层使滑动件和滑动轴承满足所有工作条件下的负荷对它们提出的要求，同时减小制造成本。将得到一最佳滑动层，该层对滑动件的使用寿命具有决定作用。本发明的方法将减少环境污染，即至少将部分废除电镀方法，并且提高生产率。
本发明的目的是由以下说明的本发明的特征实现的。下面描述了制造滑动件的方法和改进的滑动件结构及制造方法。
按照本发明的一个方面，提供了一种凹曲滑动件，包括：一个金属基体，其具有预成型的基本上呈半圆形的滑动轴承的形状，凹曲内表面有一个弧顶区；至少一个中间层，其涂覆在所述内表面上，具有基本上呈半圆形的形状；一个覆层，其由至少含有铝、镉、锡、锌、镍和铜中的一种金属的金属扩散合金构成，覆层是采用电子束气相沉积方法涂覆到所述中间层上的，以使其在沉积以后在所述基体上呈基本上半圆形的形状，并且在以基体的弧顶区为基准的至少±70°的角度范围内该层厚度是均匀的，厚度偏差小于15％，所述覆层中基本上不存在弯曲导致的应力，如果先在所述基体上涂覆所述覆层，然后再将所述基体和所述覆层一起弯曲成所述半圆形，则所述应力将存在于所述覆层中。
按照本发明的另一方面，提供了一种制造滑动件的方法，包括步骤：将一个金属基体变形成基本上呈半圆形的形状，其凹曲内表面有一个弧顶区；将至少一个中间层涂覆到所述基体的内表面上，使中间层亦呈凹曲形；通过电子束气相沉积方法在凹曲的中间层上涂覆一个由金属扩散合金构成的覆层，覆层具有基本上均匀的厚度，厚度偏差在以弧顶区为基准的±70°的角度范围内小于15％，并且选择所述金属扩散合金，使其包括由铝、镉、锡、锌、镍和铜组成的组中的至少一种金属。
本发明使得对于成形件，例如滑动轴承轴瓦仅保留一道预加工工序及采用一种经济的，更为高效的覆层沉积方法成为可能，迄今为止这种沉积方法的使用既不能得到必要的覆层均匀性，也不能得到满足要求的覆层性能。意想不到的是根据本发明制造的滑动件的性能优于以前的技术制造的滑动件的性能，并且更为经济。特别地，这样得到的覆层的疲劳极限比电镀得到的覆层更高。试验表明：如果覆层是采用电子束气相沉积制得，在额定负荷下使用寿命得到明显的改善。下面是其决定性的原因：
由于高沉积速率气相沉积中的能量条件，扩散进来的各成份极其均匀地分布在扩散合金基体中。这样形成的层的结构保证了高承载负荷能力且承载能力随着层厚度的增加而增加。在轴瓦的一个大区域(±70°)内覆层厚度的高均匀性以及电子束气相沉积所得到的层结构和内部结构保证了滑动件具有高的质量。它对于润滑膜的形成及抗杂粒嵌入的能力和磨损具有决定性的作用。
已经证实为滑动件，例如径向轴承在基体和覆层之间提供一层扩散阻挡层是特别有利的。该层的厚度在基于弧顶的±70°角度范围内变化最大为±15％。
含有Al、Pb、Cd、Sn、Zn、Ni和Cu中至少一种金属的金属扩散合金已被证实特别适合于基于本发明的滑动件。扩散合金最好含有1 5～36重量百分率的Sn和0.1～30重量百分率的Cu和Al。
本发明还提供一种制造包含多层体系，其中至少一层是在真空中形成的滑动件的方法。经过已有方法的预处理后，至少滑动层通过蒸发器产生的电子束气相沉积被沉积到基体上。本方法的特征在于覆层的沉积是在严格限制的涂层几何条件及规定沉积速率下进行的。已经证明，借助于这些方法特征，可形成具有最佳层结构的滑动层，并使基体上各成份非常均匀地分布。和迄今所知方法制得的滑动层相比，本发明得到的滑动层表现出高的承载能力及良好的摩损性能。除了沉积速率外，气相沉积时入射角度也是决定所述滑动层微观结构的形成并进而决定其性能的因素。
本发明的方法还具有以下优点滑动层的扩散合金可从一个蒸发器气相沉积得到，扩散合金的至少两个组分也可从彼此靠近的各个蒸发坩埚中气相沉积得到。
通过供给活性气体和/或等离子体活化，气相沉积涂敷滑动层和/或扩散阻挡层的过程能被活化。该方法基本上根据气相沉积材料的选择来选用。
以下借助于附图所示实施例来详细说明本发明，其中：
图1为轴瓦的立体图。
图2为轴瓦气相沉积设备的示意图。
图1表示了一个轴瓦，它包含钢的基体1，在基体1上涂覆的铅青铜中间层2，Ni-Cr扩散阻挡层3和Al-Sn-Cu滑动层4。它们形成一个多层体系。多层体系主要是扩散阻挡层3和滑动层4的分布，即厚度关系如下：在以弧顶区5为基准的±70°角度范围内，层厚偏差低于弧顶区处的最大层厚的15％。基体1和中间层的厚度也是连续的。局部表面6形成轴瓦的侧面。
图2说明了制造轴瓦的方法。该方法按如下步骤进行。
以一种已知的方法将铅青铜中间层2和镍扩散阻挡层3电镀在基体1上，或者如果扩散阻挡层为Ni-Cr，那么就通过溅射将其镀上。涂覆后的基体1随后进行表面除油和清洗。
将经过预处理的基体1送入真空气相沉积装置中，在真空气相沉积装置抽成真空，真空度为0.01Pa后，进行溅射和酸洗。在气相沉积前首先用一块可控制的屏蔽物(图中未示出)将基体1保护起来。
至少一个基体1在和蒸发器中熔融金属表面平行的平面上沿着箭头方向经过蒸发器8。安排基体1使其轴线方向和移动方向成适当的角度。控制基体直线移动的速度使其进入和离开气相云区的速度大于经过气化物形成的射束中心时的速度。速度分布V(α)连续并符合下述等式：
V(α)=Vmax-V0cos(2α)
α是蒸发器8中心的法线9和弧顶区5之间的夹角。角度α的最佳范围为-45°到+45°。
Vmax是进入和离开气化物射束时的最大速度，其值约为1m/min。
V0为标准值，其变化范围为0.5～0.7m/min。
蒸发坩埚8和基体1的弧顶区5的平面7之间的距离设定为200mm。蒸发坩埚中充满用于形成滑动层的合金材料AlSn20Cu0.25。蒸发坩埚被轴向电子枪的电子束加热(图中未示出)。采用的是一种已知的蒸发过程，它可保证气化物成分和覆层材料成分广泛对应一致。基体1的弧顶区5的平面7上的沉积速率调整为300nm/s。
一个15mm粗的电加热棒10被布置在蒸发坩埚8和弧顶区5的平面7之间，它距离蒸发坩埚8的表面150mm。被加热的棒10作为气化物的屏蔽物，其表面温度高于气化物的熔点。这样，可避免气化物在棒10上显著凝固。
开启屏蔽并移动基体1使其进入气相沉积区(α=-45度)，气相沉积开始。进入气相沉积区后，基体1按照上述的速度分布经过蒸发坩埚8上方。80秒后关闭屏蔽，气相沉积中断。通过上述涂覆参数的设定，对于曲率半径为25mm的基体1在弧顶区5得到厚度为18±1μm的覆层，在局部表面6得到17±1μm的层厚。
层厚分布于是和前面提到的要求相一致。在所给出的条件下电子束气相沉积形成的覆层4可达到最高的质量要求。
为了提高本方法的生产率，以一种已知的方法采用直线状的蒸发器，一批滑动件沿轴线方向彼此相邻地同时被布置在蒸发器上方。
Claims (23)
1．一种凹曲滑动件，包括：
一个金属基体(1)，其具有预成型的基本上呈半圆形的滑动轴承的形状，凹曲内表面有一个弧顶区(5)；
至少一个中间层(2,3)，其涂覆在所述内表面上，具有基本上呈半圆形的形状；
一个覆层(4)，其由至少含有铝、镉、锡、锌、镍和铜中的一种金属的金属扩散合金构成，覆层(4)是采用电子束气相沉积方法涂覆到所述中间层(2,3)上的，以使其在沉积以后在所述基体(1)上呈基本上半圆形的形状，并且在以基体(1)的弧顶区(5)为基准的至少±70°的角度范围内该层厚度是均匀的，厚度偏差小于15％，所述覆层(4)中基本上不存在弯曲导致的应力，如果先在所述基体(1)上涂覆所述覆层(4)，然后再将所述基体(1)和所述覆层(4)一起弯曲成所述半圆形，则所述应力将存在于所述覆层(4)中。
2．如权利要求1所述的滑动件，其特征在于，所述中间层之一包括扩散阻挡层(3)。
3．如权利要求2所述的滑动件，其特征在于，扩散阻挡层(3)是采用电子束气相沉积涂覆的，并且在以基体(1)的弧顶区(5)为基准的至少±70°的角度范围内该层厚度偏差小于15％。
4．如权利要求1所述的滑动件，其特征在于，扩散合金含有15～35重量百分率的Sn及0.1～3重量百分率的Cu和Al。
5．如权利要求1所述的滑动件，其特征在于，扩散合金包括一个金属基体及选自氧化物、氮化物或碳化物的一种扩散物。
6．如权利要求1所述的滑动件，其特征在于扩散阻挡层(3)至少含有镍、镍/锡、镍/铜、镍/铬、钛或氮化钛之一。
7．一种制造滑动件的方法，包括步骤：
将一个金属基体(1)变形成基本上呈半圆形的形状，其凹曲内表面有一个弧顶区(5)；
将至少一个中间层(2,3)涂覆到所述基体(1)的内表面上，使中间层亦呈凹曲形；
通过电子束气相沉积方法在凹曲的中间层上涂覆一个由金属扩散合金构成的覆层(4)，覆层(4)具有基本上均匀的厚度，厚度偏差在以弧顶区(5)为基准的±70°的角度范围内小于15％，并且选择所述金属扩散合金，使其包括由铝、镉、锡、锌、镍和铜组成的组中的至少一种金属。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，基体(1)有线性地相对的端部，所述沉积金属扩散合金的步骤包括沿所述端部之间的直线路径相对于一个蒸发器(8)移动基体(1)，以在凹曲的基体(1)上形成基本上均匀厚度的覆层材料。
9．如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述移动蒸发器(8)并改变其相对速度的步骤包括当基体(1)接近蒸发器(8)时减小其速度，当基体(1)远离蒸发器(8)时增大其速度。
10．如权利要求8所述的方法，其特征在于，形成所述覆层(4)的步骤包括以至少80nm/s的速度在弧顶区(5)附近凝聚扩散合金。
11．如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在所述直线路径和基体(1)之间放置一个屏蔽物(10)的步骤。
12．如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述屏蔽物(10)包括一个面向蒸发器(8)的侧面，所述方法还包括将该侧面的温度维持在高于扩散合金的熔点。
13．如权利要求8所述的方法，其特征在于，扩散合金包括至少两个成分，所述形成覆层(4)的步骤包括从彼此靠近的各自的电子束蒸发器(8)蒸发所述两个成分。
14．如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成覆层(4)的步骤包括使用一个蒸发坩埚(8)蒸发扩散合金。
15．如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成覆层(4)的步骤包括在没有活性气体的真空中进行气相沉积。
16．如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述涂覆中间层(2,3)的步骤包括在没有活性气体的真空中进行气相沉积。
17．如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成覆层(4)的步骤包括通过供给活性气体和等离子体活化中的至少之一进行活性涂覆。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述活性涂覆包括氧、氮和碳氢化合物中至少之一。
19．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述涂覆中间层(2,3)的步骤包括通过供给活性气体和等离子体活化中至少之一进行活性涂覆。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述活性涂覆包括氧、氮和碳氢化合物中至少之一。
21．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述涂覆中间层(2,3)的步骤包括在所述形成覆层(4)之前采用雾化方法沉积一个扩散阻挡层(3)，所述形成覆层(4)的步骤包括在电子束蒸发器(8)周围建立真空周期。
22．如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括将蒸发器和弧顶区(5)之间的距离保持在约150至350mm。
23．如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括控制相对速度V(α)，使其满足V(α)=Vmax-V0cos(2α)，其中α是蒸发器(8)的中心法线(9)和弧顶区(5)与蒸发器(8)之间的一条线间的夹角，Vmax是基体进入和离开有效气相束区的最大速度，V0为标准值，其变化范围为0.5～0.7m/min。
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