CN108506331A - 铜合金构成的滑动元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由铜合金构成的滑动元件,其包含以下成分(以重量%计):2.0%至3.0%的Ni;0.45%至1.0%的Si;最多1.5%的Ti和/或Cr;其中,Ni含量[Ni]和Ti含量[Ti]的总和:[Ni]+[Ti]≥0.2%;任选地0.05%至1.5%的Co;任选地在每种情况下0.05%至0.1%的Mg,Al,Fe;任选地0.01%至0.1%的Pb,任选地0.002%至0.01%的P,剩余部分为Cu和不可避免的杂质;其特征在于,Ni含量[Ni],Ti含量[Ti]和Cr含量[Cr]的总和与Si含量[Si]的比率为:4.3≤([Ni]+[Ti]+[Cr])/[Si]≤6.5。

Description

铜合金构成的滑动元件
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的由铜合金构成的滑动元件。
背景技术
例如,在内燃机中的连杆或曲轴的轴承中使用由铜合金构成的滑动元件。随着现代发动机的发展,滑动元件的材料必须满足的技术要求也越来越高。法律规定还要求将材料中的铅含量降到最低。同时,降低滑动元件成本的压力也在增加。
已知的用于滑动元件的铜锌合金是CuZn31Si1。为了提高材料的切削加工性,合金中可以添加高达0.8重量%的铅。这种合金中铜的比例高,使得滑动元件昂贵。此外,该合金中耐磨微结构组分的接触面积百分比太低,以至于不能承受现代发动机中普遍存在的应力。
文件EP2128282A1公开了一种用于电气和电子部件的具有优异强度和成形性的铜合金。铜合金含有1.5重量%至4.5重量%的镍(Ni)和0.3重量%至1.0重量%的硅(Si)。其任选还包含一种或两种以下物质:0.01重量%至1.3重量%的锡(Sn)和0.005重量%至0.2重量%的镁(Mg),0.01重量%至5重量%的的锌(Zn);一种或两种以下物质:0.01重量%至0.5重量%的锰(Mn)和0.001重量%至0.1重量%的铬(Cr);总计0.1重量%或更少的选自由B,C,P,S,Ca,V,Ga,Ge,Nb,Mo,Hf,Ta,Bi和Pb组成的第一组元素中的至少一种组分,在每种情况下,重量为0.0001重量%至0.1重量%;和总计1重量%或更少的选自由Be,Al,Ti,Fe,Co,Zr,Ag,Cd,In,Sb,Te和Au组成的第二组元素中的至少一种组分,在每种情况下,重量为0.001重量%至1重量%;其中第一组元素和第二组元素的总量为1重量%或更少,其余为铜和不可避免的杂质。
此外,文件EP2463393A1公开了一种铜合金,其含有1.5重量%至3.6重量%的Ni和0.3重量%至1.0重量%的Si,余量由铜和不可避免的杂质组成。另外,铜合金可以任选含有总量为0.01重量%至3.0重量%的选自Fe,Mn,Mg,Co,Ti,Cr和Zr中的一种或更多种元素。
铜合金具有平均晶粒尺寸为5μm至30μm的晶粒。具有不小于平均晶粒尺寸两倍的晶粒的面积比不小于3%;具有立方取向的晶粒的面积与晶粒尺寸不小于平均晶粒尺寸两倍的晶粒的区域的面积比不小于50%。
另外,文件WO2009/082695A1公开了一种铜基合金,其具有电子应用的屈服点和电导率的改进组合。铜合金基本上由1.0重量%至6.0重量%的Ni,至多约3.0重量%的Co,0.5重量%至2.0重量%的Si,0.01重量%至0.5重量%的Mg,至多1.0重量%的Cr,至多1.0重量%的Sn和至多1.0重量%的Mn构成,余量为铜和杂质。对合金进行处理,使其屈服点至少约为945MPa,电导率至少为约25%国际退火软铜标准(IACS)。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗钢铁摩擦磨损的滑动元件,并进一步开发一种铜合金。
本发明由权利要求1的特征限定。另外的从属权利要求涉及本发明的有利实施方式和进一步的发展。
本发明包括由铜合金构成的滑动元件,其包含以下成分(以重量%计):
2.0%至3.0%的Ni,
0.45%到1.0%的Si,
最多1.5%的Ti和/或Cr,其中,Ni含量[Ni]和Ti含量[Ti]的总和:[Ni]+[Ti]≥0.2%,
任选地0.05至1.5%的Co,
任选地在每种情况下0.05至0.1%的Mg,Al,Fe,
任选地0.01至0.8%的Pb,
任选地0.002-0.01%的P,
剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
其特征在于,Ni含量[Ni],Ti含量[Ti]和Cr含量[Cr]的总和与Si含量[Si]的比率为:
4.3≤([Ni]+[Ti]+[Cr])/[Si]≤6.5。
铜合金优选含有至少0.2重量%的Ti和/或Cr。
本发明滑动元件的合金含有嵌入合金基质中的硬质相。这种硬质相在摩擦配对中产生大百分比的接触面积。也可能形成粒径不同的多个硬质相的部分。
由于所形成的硬质相的结果,上述至少一部分的沉淀物提供占摩擦配对的面积的比例高达约3%的接触面积百分比。高达5%的面积比例提供仍然特别优选的接触面积百分比。由此也导致摩擦系数或滑动摩擦系数的显著降低。
任选引入的元素镁,铝和铁进一步改善了机械性能和抗腐蚀性影响。
该合金的铅含量原则上可以高达0.8重量%。如果法律规定允许,如果需要,可以将高达0.25重量%的铅添加到合金中作为断屑槽。铅含量优选不超过0.1重量%。但是,该合金特别优选具有在不可避免的杂质范围内的铅含量。根据本发明的滑动元件的功能不受没有铅的影响。
也可以任选地将高达0.08重量%的磷加入滑动元素合金中。磷用于使熔体脱氧,并与镍一起形成同样有助于耐磨性的磷化镍。
滑动元件的特定形式是滑动轴承衬套。在滑动轴承衬套中,由于不同的生产方法,轧制衬套和翻转(turned)衬套之间是有区别的。
轧制衬套由本发明的铜合金构成的带状半成品部件制成,通过将适当尺寸的条带部分成形为中空圆柱体,并连接邻接的条带边缘。优选使用来自带材和板材铸造的材料。这里,在薄带连铸(strip casting)的情况下,将相对较薄的带材铸造成铸造形状。与薄铸造带相比,铸造板坯(cast slab)热成形。来自热成形阶段的冷却本身可以导致形成含Cr,Ti和Si的颗粒。为了影响最终强度的冷成形和热处理的以下工艺步骤,快速地从热成形阶段进行冷却。
翻转衬套是由本发明的铜合金构成的棒状或管状半成品部件切削加工而成的。为了制造半成品部件,铸造圆柱形铸造形状,并且由此通过热压操作压制成压制管或杆。通过一系列拉延操作,从相应的压制产品获得制造滑动轴承衬套的半成品部件。对于这种生产路线,所使用的合金必须能够容易地热和冷成形。而且,合金必须能够进行切削加工。
与市场上使用的替代解决方案相比,由本发明的铜合金制成的滑动元件的特定优点是低摩擦系数。此外,本发明的滑动元件表现出良好的抗应力松弛性和相关的稳定沉降行为,例如在轴承衬套的情况下[H.-A.Kuhn,M.Knab,R.Koch:Thermal Stability ofLead-free Wrought Cu-Based Alloys for Automotive Bushings,World ofMetallurgy–ERZMETALL(汽车衬套用无铅锻造Cu基合金的热稳定性,冶金世界-ERZMETALL60)(2007),199]。本发明的滑动元件的同样高的导热性导致在材料中发生热诱导应力的低趋势。总体而言,根据本发明的解决方案是滑动元件,其由具有高热导率的耐磨延性材料形式的铜合金构成,适合于良好的沉降行为和改进的与油润滑的摩擦系数,特别是与钢制摩擦副一起。总体而言,滑动轴承所基于的且具有硬质相沉淀物的摩擦学系统具有进一步有利的性质,因为其允许污物颗粒被嵌入在摩擦表面上。耐磨的沉淀物显著增加了摩擦表面的接触面积百分比。
([Ni]+[Ti]+[Cr])/[Si]的比例可以有利地为5.1≤([Ni]+[Ti]+[Cr])/[Si]≤6.2。在所示范围内的元素比例下,硬质相的分散体在合金的基质中形成,并且摩擦配对中的这些硬质相的接触面积百分比导致特别低的发生磨损的趋势。颗粒的数量和尺寸在这里是特别优选的范围。
在本发明的优选实施方式中,可以存在2.3-2.7%的Ni和/或0.45-0.65%的Si。镍和硅元素的选定范围与其他钛和/或铬元素一起表示对颗粒大小和分布的特别合适的选择。
在本发明的一个优选实施方式中,存在至少一部分沉淀物,其中体积当量球直径为至少1.0μm的沉淀物具有5000至20000个颗粒/mm2的密度。沉淀物可以是圆形的或椭圆形延伸的具有化学计量组成的颗粒,或者是体系为Cr-Ni-Si,TiSi或Cr-Si的非化学计量的沉淀物。此外,沉淀物可以是圆形或椭圆形延伸的具有化学计量组成的颗粒,或者是体系为Ti-Ni-Si的非化学计量的沉淀物。在此,Ni含量可以有利地大于或等于Ti含量。具有锯齿状或角状外观的非圆颗粒同样可以嵌入合金的基质中。
在该实施方式中,本发明的滑动元件的合金还可以包含多个沉淀物群体。例如,它可以包括具有相对小的沉淀物的第一群体和具有相对大的沉淀物的至少一个第二群体。大的沉淀物起着特别的耐磨接触面积百分比的作用。其在显微组织中的体积比例可以比较小,并且在1%至2%的范围内。由于第二群体的密度低,这些沉淀物之间留下相对较大的间隙。这些间隙由具有较小沉淀物的第一群体稳定。由于第一群体使间隙中的基质稳定,这些沉淀物防止第二群体的大的沉淀物爆发。
沉淀物是嵌入合金基质中的硬质相,并且在摩擦配对中可以产生显著的接触面积百分比。
在另一个有利的实施方式中,可以存在至少一部分沉淀物,其中体积当量球直径为至少1.0μm的沉淀物具有10000至20000个颗粒/mm2的密度。决定正滑动特性的硬质相的比例由高粒子密度确保。
存在这样至少一部分这样的沉淀物是有利的,其中体积当量球直径为至少1.0μm且不超过3.0μm的沉淀物具有10000至18000个颗粒/mm2的密度。在这里,沉淀物的临界分数范围为1.0μm至3.0μm。这里几乎不会存在较大的沉淀物。
在本发明的优选实施方式中,沉淀物可以是含Cr和/或含Ti的硅化物。沉淀物可以是组成为(Cr,Ni)2Si,(Cr,Ni)3Si,Cr3Si的圆形的或椭圆形延伸的颗粒,或者是体系为Cr-Ni-Si或Cr-Si的非化学计量的沉淀物。此外,沉淀物可以是组成为(Ti,Ni)2Si,(Ti,Ni)3Si,Ti5Si3的圆形或椭圆形延伸的颗粒,或者是体系为Ti-Ni-Si的非化学计量的沉淀物。在此,Ni含量可以有利地大于或等于Ti含量。
在本发明的优选实施方式中,Ti含量和/或Cr含量可以超过1.0重量%。在另一个有利的实施方式中,Ti含量和/或Cr含量可以为至少0.45重量%且不超过0.95重量%。结果,嵌入合金基质中的硬质相在摩擦配对中产生特别有利的接触面积百分比。此外,这导致良好的抗应力松弛性和相关的良好材料沉降行为。因此,提供了一种滑动元件,该滑动元件包括由耐磨延性材料形式的铜合金,其具有高热导率,在油润滑的情况下适合良好的沉降行为和改进的摩擦系数。
在300℃至600℃范围内的热处理之后的电导率可以有利地为至少25MS/m。另外,最终的热处理可以优选在400℃至500℃的温度范围内。在这里,热处理可以是最后的终止热处理步骤。电导率与热导率直接相关。通过上述热处理,例如1至3小时的时间内,合金的优选机械性能也被最终设定。
在本发明的一个优选实施方式中,在20℃至300℃的温度范围内的热膨胀率α与室温下的热导率λ的比率α/λ可以为0.09至0.20μm/W。热导率λ也与高达29.5MS/m的较高电导率有关。该电导率明显高于不含Cr和Ti的对比样品。
在本发明的一个优选实施方式中,在300℃至600℃范围内的最终热处理之后的硬度可以是至少150HBW 2.5/62.5。更优选地,最终的热处理可以在400℃至500℃的温度范围内。
附图说明
图1:摩擦系数μ(样品1和4与对比样品)。
图2:磨损(样品1和4与对比样品)。
图1中的摩擦系数μ和图2中样品1和4以及对比合金样品的磨损度在长期运行期间通过摩擦计测定。摩擦配对由合金的平板和由钢100Cr6构成的环形段组成。钢材在铜材料片上以1米/秒的滑动速度旋转。
摩擦副用商用发动机油在120℃的温度下润滑。在两个阶段的磨合阶段之后,施加600N的恒定负荷5.5小时。这里,每单位面积施加的力是9N/mm2。与目前使用的铜基轴承材料相比,本发明的合金显示出较低的平均摩擦系数。实施例1和实施例4都比锡镍青铜和具有混合硅化物的经过试验和测试的含铁特种黄铜磨损得低得多。
具体实施方式
将借助于实例来说明本发明。
滑动元件铜合金的各种样品被熔化并铸造型材。研磨掉铸件表皮后,样品的厚度d约为20mm。随后进行轧制至8mm的热轧过程,伴随着通过水淬火。然后通过冷轧将样品轧制到2mm。最终的老化步骤在300-600℃的温度下进行约2小时。表1以举例的方式显示了在450℃下老化的各个样品的组成。
表1:合金变体的组成[重量%]:
样品1和4具有特别优选的适用于根据本发明的滑动轴承的特性。
滑动元件,特别是衬套在发动机运行期间受到热应力和变形。这种热致变形取决于平均热膨胀系数α和热导率λ的材料特定比率。由于相对较低的热膨胀系数α和明显较高的热导率λ(表2中的数字与室温RT有关),轴承衬套中的热致变形(特别是在表2所列样品1和4的低合金铜材料的情况下)是有利地低的。
表2:进行最终热处理后样品1和4和其它对比样品的物理性质:
例如,由于滑动轴承衬套通常插入高强度的连杆材料中,因此热致变形会导致额外的机械应力。因此较低的热致变形对于抵抗不希望的应力松弛也是有利的。这也导致滑动轴承特别是衬套的有利的温度和时间依赖性的沉降行为。
根据本发明的滑动元件的耐磨性借助于合适的实验来确定,并与由已知材料构成的滑动元件的耐磨性相比较。磨损测试显示,特别是在表2中所示的样品1和4的情况下,没有显著的磨合阶段。

Claims (12)

1.一种由铜合金构成的滑动元件,其包含以下成分(以重量%计):
2.0%至3.0%的Ni,
0.45%至1.0%的Si,
最多1.5%的Ti和/或Cr,其中,Ni含量[Ni]和Ti含量[Ti]的总和:[Ni]+[Ti]≥0.2%,
任选地0.05至1.5%的Co,
任选地在每种情况下0.05至0.1%的Mg,Al,Fe,
任选地0.01至0.1%的Pb,
任选地0.002-0.01%的P,
剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
其特征在于,Ni含量[Ni],Ti含量[Ti]和Cr含量[Cr]的总和与Si含量[Si]的比率为:
4.3≤([Ni]+[Ti]+[Cr])/[Si]≤6.5。
2.根据权利要求1所述的滑动元件,其特征在于,所述比率为:
5.1≤([Ni]+[Ti]+[Cr])/[Si]≤6.2。
3.根据权利要求1或2所述的滑动元件,其特征在于:
2.3%至2.7%的Ni,和/或
0.45%至0.65%的Si。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动元件,其特征在于,存在至少一部分沉淀物,其中体积当量球直径为至少1.0μm的沉淀物具有5000至20000个颗粒/mm2的密度。
5.根据权利要求4所述的滑动元件,其特征在于,存在至少一部分沉淀物,其中体积当量球直径为至少1.0μm的沉淀物具有10000至20000个颗粒/mm2的密度。
6.根据权利要求5所述的滑动元件,其特征在于,存在至少一部分沉淀物,其中体积当量球直径为至少1.0μm且不大于0.3μm的沉淀物具有10000至18000个颗粒/mm2的密度。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的滑动元件,其特征在于,所述沉淀物是含Cr和/或含Ti的硅化物。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的滑动元件,其特征在于,Ti含量和/或Cr含量不大于1.0重量%。
9.根据权利要求8所述的滑动元件,其特征在于,Ti含量和/或Cr含量为至少0.45重量%且不超过0.95重量%。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的滑动元件,其特征在于,在300℃至600℃范围内的热处理后的电导率至少为25MS/m。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的滑动元件,其特征在于,在20℃至300℃的温度范围内的热膨胀系数α与室温下的热导率λ的比率α/λ为0.09至0.20μm/W。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的滑动元件,其特征在于,在300℃至600℃范围内的最终热处理之后的硬度为至少150HBW 2.5/62.5。
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