CN108026632B - 滑动轴承元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及滑动轴承元件(1)，所述滑动轴承元件(1)包括支撑层(2)和滑动层(3)，其中滑动层(3)由银组成或者由银和最大含量为5重量％的其它金属组成，所述其它金属选自Cu、Sb、Mo、Co，其中滑动层(3)具有包括粒子(6、7)的微结构并且具有滑动层厚度(12)，其中在滑动层厚度(12)上的微结构从滑动层(3)的接近支撑层(2)的第二表面(9)的区域中的粒子(7)的球形形貌转变成滑动层(3)的远离支撑层(2)的第一表面(8)的区域中的粒子(7)的具有纵向伸长(10)的至少接近柱形形貌。

Description

滑动轴承元件
本发明涉及滑动轴承元件，所述滑动轴承元件包括支撑层和滑动层，其中滑动层由银组成或者由银和最大含量为5重量％的其它金属组成，所述其它金属选自Cu、Sb、Mo、Co，其中滑动层具有包括粒子的微结构并且具有滑动层厚度。
本发明还涉及滑动轴承元件的制备方法，所述滑动轴承元件包括支撑层和具有包括粒子的微结构的滑动层，其中具有滑动层厚度的滑动层由银制成或者由银和最大含量为5重量％的其它金属制成。
在开发马达和传动装置时，升高功率密度的趋势对耐磨运动层的开发提出越来越大的挑战。耐磨性通常与高灰尘相容性和良好磨合行为的需求相关联。材料开发和方法开发中的另一种趋势是摒除危害环境的材料或过程，但是需要保留或超越现有常规滑动轴承材料的摩擦性能和机械性能。
为了紧跟这种开发，在滑动轴承技术中将滑动轴承的所需性能分配给多个层。因此可以优化单个层的性能情况。
然而还已知具有所谓梯度层的滑动轴承。其中性能(特别是层的硬度)在层厚度上变化。通常通过形成合金成分的浓度梯度来实现。因此可以例如在滑动轴承的层厚度上实现不同混合相或金属间化合物的沉积，这又造成滑动层内不同的硬度。但是其缺点主要在于，金属间化合物通常较脆，因此存在滑动层断裂的风险。
本发明所基于的任务在于提供满足上述对马达或传动装置的更高功率密度的要求的滑动轴承元件及其制备方法。
通过前文所述的滑动轴承元件以如下方式实现本发明的目的：在滑动层厚度上的微结构从滑动层的接近支撑层的第二表面的区域中的粒子的球形形貌转变成滑动层的远离支撑层的第一表面的区域中的粒子的具有纵向伸长的至少接近柱形形貌。
还通过前文所述的方法以如下方式实现本发明的目的：在制备滑动层的过程中改变温度，由此使得在滑动层厚度上的微结构从滑动层的接近支撑层的第二表面的区域中的粒子的球形形貌转变成滑动层的远离支撑层的第一表面的区域中的粒子的具有纵向伸长的至少接近柱形形貌。
在此有利地，滑动层可以相对简单地仅由单种金属(至多1重量％的其它金属为银的常见杂质)制成，尽管如此该滑动层仍然显示出良好的磨合行为。滑动层因此不仅可以在滑动轴承开始运行时充当运动层，而且可以在磨合阶段之后在正常滑动轴承运行过程中充当滑动层。仅由一种金属组成的结构消除了金属间相的形成。由于滑动层具有“运动层”的额外功能，不需要出于该目的额外施加的层，因此滑动轴承元件的结构相对简单，因此滑动轴承元件的制备方法可以更简单地设计。另一方面，滑动层由于球形粒子也相应较硬，由此可以满足对马达或传动装置的耐磨性的高要求。换言之，滑动层在一个表面区域中具有相应的灰尘颗粒嵌入性，并且在另一个表面上具有所需的疲劳强度，无论其仅由单种金属组成还是由具有至多5重量％的至少一种其它金属的合金组成。
根据一个实施方案变体，滑动层可以具有介于10μm和100μm之间的滑动层厚度。低于10μm，难以充分保证滑动层的双功能性。另一方面，当滑动层厚度进一步增加超过100μm时，不再造成长期稳定性的明显改进。
根据滑动轴承元件的另一个实施方案变体可以提出的是，滑动层的第一表面的柱形微结构达到滑动层的至少10％并且至多95％的深度。因此能够实现滑动轴承元件在相对长的时间内保持其滑动性和灰尘颗粒嵌入性的性能。当粒子的球形部分具有小于10％的层厚度时，其上形成的由柱形粒子组成的软质层不再能够得到充分支撑。另一方面，当粒子的球形部分具有大于95％的层厚度时，滑动层已经相对较硬，因此在磨合阶段之后在较短时间内上述性能就已经降低。
还可以提出的是，滑动层直接设置在金属支撑层上并且与其结合，因此可以通过紧邻金属支撑层的球形粒子改进对于柱形粒子的支撑作用。因此可以通过具有柱形形貌的粒子的更厚的子层赋予更长的寿命。此外将滑动层直接设置在支撑层上还可以通过减少用于形成滑动轴承元件的层结构的方法步骤实现方法简化。
为了进一步改进与滑动层的正常运行中的磨合行为和运行行为相关的上述效果，有利的是，具有柱形形貌的粒子的纵向伸长至少几乎垂直于滑动层的第一表面定向或者粒子的纵轴与所述垂直定向偏离至多30°。
当具有柱形微结构的粒子的纵向伸长至少为具有柱形微结构的粒子的横向伸长的两倍时，也可以观察到与滑动层的正常运行中的磨合行为和运行行为相关的上述效果的改进。通过这种设计，具有柱形形貌的粒子可以在滑动轴承元件的周向方向和轴向方向上更好地相互支撑。
为了形成支撑层和滑动层之间或者滑动层和滑动轴承元件的设置在滑动层下方的层之间的改进的结合区域，可以提出的是，具有球形形貌的粒子的平均直径为具有柱形形貌的粒子的纵向伸长的长度的至多20％。通过更小的粒子还可以使具有球形粒子的滑动层区域具有更高的硬度，因此在强度和耐磨性方面具有更好的长期行为。
根据所述方法的一个实施方案变体可以提出的是，在制备滑动层的过程中升高温度。因此可以更容易地形成希望的结构。
为了更好地理解本发明，将借助下述附图详细解释本发明。
附图在简化示意图中分别显示了：
图1显示了滑动轴承半壳形式的滑动轴承元件的侧视图；
图2显示了滑动层在其层厚度上的微结构变化的示意图。
首先应理解，在所描述的不同实施方案中，相同部件用相同附图标记或相同元件符号表示，其中在整个说明书中包含的公开可以按照含义转用至具有相同附图标记或相同元件符号的相同部件。在本说明书中选择的位置说明，例如上方、下方、侧面等基于直接描述和描绘的图，并且在位置变化时所述位置说明按照含义而转用至新位置。
图1显示了滑动轴承半壳形式的多层滑动轴承元件1(多层滑动轴承)的侧视图。显示的是滑动轴承元件1的优选的两层实施方案，所述滑动轴承元件1由金属支撑层2和直接设置在支撑层2上的滑动层3形成。滑动层3是待安置构件在其上滑动的层。
应注意的是，可以设置其它层，例如介于滑动层3和支撑层2之间的轴承金属层4，如图1以三层变体用虚线所示，其中轴承金属层4直接设置在支撑层2上并且滑动层3直接设置在轴承金属层4上。同样可以在滑动层3和轴承金属层4之间和/或在支撑层2和滑动层3或轴承金属层4之间设置粘合剂层和/或扩散阻挡层或者在滑动层3上设置运动层。还可以在支撑层2的反面上设置耐磨层。
滑动轴承元件1还可以以不同于图1所示的方式实施，例如以轴瓦的形式实施。例如止推环、轴向移动滑瓦等的实施方案也是可能的。覆盖不同于180°的角度范围的滑动轴承元件1也是可能的。支撑层2也可以任选是孔被滑动层3直接涂布的连杆。通常地，为了形成滑动轴承元件1，可以将滑动层3直接施加在构件上，例如直接施加在飞机传动装置的齿轮上。因此滑动轴承元件1不是狭义上的常规滑动轴承(例如滑动轴承半壳)。相反，滑动轴承元件1被理解为具有滑动层3的元件。在直接涂布的情况下，元件本身变成支撑层2。
支撑层2由赋予滑动轴承元件1所需结构强度的材料组成。然而在优选的实施方案变体中，滑动轴承元件1由钢组成。
当设置轴承金属层4时，可以使用所述技术领域已知的各种合金。然而轴承金属层4优选由青铜特别是铅青铜组成。
可以通过滑动轴承技术中常规已知的方法将轴承金属层4沉积或设置在支撑层2上。例如可以通过轧制轴承金属层3从而制备支撑层2和轴承金属层3的双金属材料。同样可以在支撑层2上浇铸轴承金属层4。任选对双金属材料进行变形和/或切削加工。
如果存在粘合剂层或扩散阻挡层，其可以由常规已知材料组成。
滑动层3由100重量％的银组成或者由任选具有至多5重量％(特别是介于0.01重量％至5重量％之间)的至少一种其它金属和任选常见杂质的银组成。除了杂质之外，滑动层3由单种金属(即纯银或高纯银)组成或者由银合金组成。作为其它金属，可以考虑选自Cu、Sb、Mo、Co的至少一种金属。
如同每种金属，滑动层3的银也具有通过预处理方式或沉积方法方式而形成的微结构5。滑动层3的微结构5在图2中示意性显示。
在所述微结构5中形成第一粒子6和第二粒子7，所述第一粒子6和第二粒子7通过粒子边界彼此邻接。
然后在滑动层3的第一表面8上设置或形成第一粒子6。然后在滑动层3的第二表面9上设置或形成第二粒子7。第二表面9是滑动层3靠近支撑层2的表面。在滑动轴承元件1的优选实施方案变体中，滑动层3通过第二表面9设置在支撑层2上。因此第一表面9是滑动轴承元件1的两个表面中的更远离支撑层2的表面。待安置构件特别在第二表面9上滑动。因此在半壳或轴瓦形式的滑动轴承元件1的实施方案中，第二表面9是滑动层3的径向内表面而第一表面8是滑动层3的径向外表面。
第一粒子6具有柱形形貌。所述柱形形貌也可以被称为至少接近圆柱形的形貌。
在本发明的意义内，当粒子6的纵向伸长10至少为粒子6的横向伸长11的1.5倍时，粒子6具有柱形形貌。
不同于第一粒子6，第二粒子7具有球形形貌。
在本发明的意义内，当粒子7的纵向伸长10小于粒子7的横向伸长11的1.5倍特别是小于1.3倍时，粒子7具有球形形貌。球形粒子7也可以至少接近球形。
滑动层3具有从第一表面8至第二表面9的总滑动层厚度12。在优选的实施方案变体中，滑动层厚度12选自下限为10μm(特别是15μm)并且上限为100μm的范围。
第一粒子6从第一表面8朝向滑动层的第二表面9以滑动层9的第一深度13形成或设置，而第二粒子7从第二表面9朝向滑动层9的第一表面8以滑动层9的第二深度14形成或设置。第一深度13和第二深度14的总和等于总滑动层厚度12。因此在滑动层3内，第一粒子6的柱形形貌不同于第二粒子7的球形形貌。
此处需要注意的是，尽管优选的是第一粒子6只具有柱形形貌并且第二粒子7只具有球形形貌。但是第一粒子6主要具有柱形形貌并且第二粒子7主要具有球形形貌的滑动层3的实施方案也是可能的。表述“主要”在此表示：基于滑动层3的由第一表面8和滑动层厚度12的第一深度13限定的体积中的第一粒子6的总量，至少80％、特别是至少90％的份数的第一粒子6具有柱形形貌，并且基于滑动层3的由第一表面8和滑动层厚度12的第二深度13限定的体积中的第二粒子7的总量，至少80％、特别是至少90％的份数的第二粒子7具有球形形貌。
可以通过在制备或沉积滑动层3的过程中改变温度从而在滑动层3的微结构中形成这种转变。滑动层3优选借助PVD方法(特别是通过阴极溅射)制得或者沉积在位于滑动层3下方的层(特别是支撑层)上。还优选的是，在制备或沉积滑动层3的过程中升高温度。特别可以将温度升高选自10℃至50℃范围的值。
根据滑动轴承元件1的一个实施方案变体可以提出的是，滑动层3的第一表面8的滑动层3的柱形微结构达到滑动层3的至少10％(特别是至少20％)并且至多95％(特别是至多75％)的深度13。这可以通过相应的温度控制(特别是在给定的温度变化范围内)而实现。
还优选的是，具有柱形形貌的第一粒子6的纵向伸长10至少几乎垂直于滑动层3的第一表面8定向，如图2左部所示，或者第一粒子6的纵轴15与所述垂直定向偏离至多30°，特别是至多20°，优选至多10°的角度16。这也可以通过相应的温度控制(特别是在给定的温度变化范围内)而实现。
如上所述，柱形第一粒子6被理解为纵向伸长10至少为横向伸长11的1.5倍的粒子。然而优选的是这样的滑动轴承元件1的实施方案变体：柱形第一粒子6的纵向伸长10至少为横向伸长的两倍，特别是至少三倍，优选至少四倍。所述滑动轴承元件1的实施方案变体也可以通过相应的温度控制(特别是在给定的温度变化范围内)而实现。
具有球形形貌的第二粒子7的平均直径优选为具有柱形形貌的第一粒子6的纵向伸长10的长度的至多20％。这也可以在开始沉积滑动层时通过相应地选择温度而实现。柱形粒子6的长度可以例如介于4μm和80μm之间。
需要注意的是，第一粒子6的纵向伸长10被理解为每个第一粒子具有其最大长度的方向。相应地，横向伸长11被理解为垂直于纵向伸长10的方向。其被认为是每个粒子在该方向上的最大尺寸。
当在上文中提到第一粒子6的纵向伸长10时，表示的是由二十个具有柱形形貌的单粒子的纵向伸长10(即长度)的算术平均计算的平均纵向伸长。
具有球形形貌的第二粒子7的平均直径被理解为正好完全包围所考虑的各个粒子7的球的直径的二十个单值的算术平均。
滑动层3的微结构的球形形貌和柱形形貌之间的过渡可以突然形成。因此滑动层3的硬度也从第二表面9的较硬的硬度突然变成第一表面8的相对较软的硬度。然而优选地，在滑动层厚度12的方向上的截面上观察，形成硬度梯度，其中第一粒子6的形貌以梯度形式改变成第二粒子7的形貌。在此可以提出的是，在第二表面7的范围内，在开始沉积滑动层3时沉积具有最小直径的第二粒子7。通过在沉积滑动层3的过程中升高温度可以使得在首先沉积的粒子7上沉积或形成的第二粒子7以相对更大的直径沉积或形成。随着滑动层3的沉积方法的进行，通过进一步升高温度使得第二粒子7变得更大，直至其转换成第一粒子6的柱形形貌。通过进一步升高温度，沉积或形成具有越来越大纵向伸长10的第一粒子6，直至其在第一表面上达到其最大纵向伸长。图2的右部示意性地显示所述方法的结果。
需要注意的是，在所述方法的范围内，例如可能在具有最大纵向伸长的第一粒子6的下方也存在少数具有相对较小纵向伸长10的第一粒子6。然而这在所述方法的范围内是偶发的，只要在滑动层厚度12的截面上形成硬度梯度，特别是连续降低的硬度。
为了评价滑动轴承元件，特别制备如下实施例。在下述条件下分别通过DC磁控管溅射在待变形成半壳的钢制支撑层2上沉积由纯银制成的滑动层3。
实施例 A B C
涂布开始时的基材温度 ℃ 210 230 165
涂布结束时的基材温度 ℃ 220 260 200
平均涂布速度 μm/min 1.65 0.48 1.97
工艺气体 - Ar Kr Ar
工艺气体压力 Pa 0.7 2.3 6.0
基材的张力 V -40 -50 0
目标的张力 V -532 -440 -580
表面的涂层硬度 HV0,005 116 104 133
结合区域的涂层硬度 HV0,005 132 162 154
球形区域的厚度 μm 42 12 8
柱形区域的厚度 μm 38 23 70
当制备银合金(所述银合金具有至多5重量％份数的至少一种元素Cu、Sb、Mo、Co)代替纯银时，表面和结合区域的硬度值的关系得到相似结果。因此省略复述这些结果。
工艺气体压力通常选自0.3Pa至10Pa的范围。通常还有可能的是，通过在沉积过程中改变工艺气体压力特别是连同温度改变从而改变滑动层的粒子的形貌。
优选使用氩气或氪气的至少一种作为工艺气体。然而也可以使用其它气体，特别是惰性气体。
实施例显示或描述了滑动轴承元件1的可能的实施方案变体，其中此处需要注意的是，单个实施方案变体彼此的各种组合也是可能的。
最后需要指出的是，为了更好地理解滑动轴承元件1的构造，所述滑动轴承元件1或其构件部分不成比例地和/或放大地和/或缩小地绘制。
附图标记列表
1 滑动轴承元件
2 支撑层
3 滑动层
4 轴承金属层
5 微结构
6 粒子
7 粒子
8 表面
9 表面
10 纵向伸长
11 横向伸长
12 滑动层厚度
13 深度
14 深度
15 纵轴
16 角度

Claims (8)

1.滑动轴承元件(1)，所述滑动轴承元件(1)包括支撑层(2)和滑动层(3)，其中滑动层(3)由银组成或者由银和最大含量为5重量％的其它金属组成，所述其它金属选自Cu、Sb、Mo、Co，其中滑动层(3)具有包括粒子(6、7)的微结构并且具有滑动层厚度(12)，其特征在于，在滑动层厚度(12)上的微结构从滑动层(3)的接近支撑层(2)的第二表面(9)的区域中的粒子(7)的球形形貌转变成滑动层(3)的远离支撑层(2)的第一表面(8)的区域中的粒子(7)的具有纵向伸长(10)的至少接近柱形形貌。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承元件，其特征在于，滑动层(3)具有介于10μm和100μm之间的滑动层厚度(12)。
3.根据权利要求1或2所述的滑动轴承元件(1)，其特征在于，滑动层(3)的第一表面(8)的柱形微结构达到总滑动层厚度(12)的至少10％并且至多95％的滑动层(3)的深度(13)。
4.根据权利要求1或2所述的滑动轴承元件(1)，其特征在于，滑动层(3)直接设置在支撑层(2)上并且与其结合。
5.根据权利要求1或2所述的滑动轴承元件(1)，其特征在于，具有柱形形貌的粒子(6)的纵向伸长(10)至少几乎垂直于滑动层(3)的第一表面(8)定向或者粒子(6)的纵轴(15)与所述垂直定向偏离至多30°。
6.根据权利要求1或2所述的滑动轴承元件(1)，其特征在于，具有柱形微结构的粒子(6)的纵向伸长(10)至少相当于具有柱形微结构的粒子(6)的横向伸长(11)的两倍。
7.根据权利要求1或2所述的滑动轴承元件(1)，其特征在于，具有球形形貌的粒子(7)的平均直径为具有柱形形貌的粒子(6)的纵向伸长(10)的长度的至多20％。
8.滑动轴承元件(1)的制备方法，所述滑动轴承元件(1)包括支撑层(2)和具有包括粒子(6、7)的微结构的滑动层(3)，其中滑动层(3)具有滑动层厚度(12)并且借助PVD方法由银制成或者由银和最大含量为5重量％的其它金属制成，所述其它金属选自Cu、Sb、Mo、Co，其特征在于，在制备滑动层(3)的过程中将温度升高选自10℃至50℃范围的值，由此使得在滑动层厚度(12)上的微结构从滑动层(3)的接近支撑层(2)的第二表面(9)的区域中的粒子(7)的球形形貌转变成滑动层(3)的远离支撑层(2)的第一表面(8)的区域中的粒子(6)的具有纵向伸长(10)的至少接近柱形形貌。
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