CN1094079C - 用于滑动件的多层复合材料及其生产方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种多层复合材料及其生产方法，该材料适用于承受混合摩擦的支撑点处，所述材料可耐腐蚀和冷成形，并能承受极高的负荷。按此法，将基础材料预热至1000-1100℃的温度，以1000-1250℃的温度，将非均质地形成的，无铅的Cu-Zn-或Cu-Al-基的轴承合金铸于其上，然后将该多层复合材料于2-4分钟内从该轴承合金的铸造温度冷至100℃。在轴承合金(3)和基础材料(1)之间存有冶金学结合区(2)，该冶金学结合区(2)含80-95%的Fe及常规杂质，其余为铜，并以立方相状态结晶。

Description

用于滑动件的多层复合材料及其生产方法

技术领域

本发明涉及生产用于滑动件，如轴承壳或轴承套的多层复合材料的方法，在该法中借助于连续带铸-包覆工艺将轴承材施加在基础材料，特别是钢的基础材料上。本发明还涉及具有钢质基础材料及铸于其上的轴承合金的、用于滑动件，如轴承壳或轴承套的多层复合材料。

背景技术

轴承系统一般用于吸收和传送彼此相对移动的部件之间的轴向及径向的力。这意味着，实际上轴承都需作圆周转动或绕轴运动。因此在所有机器和组件中轴承是不可缺少的部件，在内燃机中尤为如此。

对现代内燃机中的最重要的支撑部位(主轴承、连接棒轴承、小型端部轴承套、凸轮轴套等)的研究提供了轴承材料必需具有的，经常相互矛盾的性能的复杂性的良好的概述。

依据轴承的类型及所涉及的内燃机，不仅必需考虑不同的结构状况，而且还要全盘考虑不同类型的负荷(气体力、惯性力、滑动速度)。在一段时间中，具有多层结构的复合材料已证明特别适于满足综合的，变化着的要求(高的疲劳强度、良好的耐磨性、低的划伤敏感性、高的耐蚀性、高的耐空穴腐蚀性等)。因此2和3层的复合材料目前已构成了现有技术的一部分。在此情况下，钢的基础材料的普通轴承提供了必要的机械强度，及提供了在轴承座中的精确的压配合。用辊压结合、带铸包覆或烧结法施加轴承金属提供了上述性能，一个附加的表层(通常是用电镀法施加的)，而且还有一个起着扩散阻挡层作用的中间层从而完成了该复合系统。

与未来的柴油发动机相关的发展趋势表明了2种主要的决定性要求：将燃料消耗减至最少和降低污染物的产生。

与常规的柴油机比较起来，这是靠直接喷射，即增加燃烧压力和靠涡轮机增压达到的。因而在新几代的内燃机中特别急需轴承材料。这种趋势很清楚地是朝向更高的荷载能力的，在连接棒轴承的场合下，这种趋势已导致新的多层复合材料。因此溅射轴承(由借助阴极溅射法所施加的滑动层构成的表层)已成为工业上常用的装置。采用这种类型的轴承可以无困难地承载极高的负荷。

然而，在其它领域，如小型端部轴承中，对轴承材料的需求还升高到这样的程度：该需求只能利用传统上用于此领域中的钢/铅-青铜轴套材料，通过增加该小型端部轴承的直径来满足，但这又导致了单位负荷的下降。然而这种发展是一种沿着错误方向进行的行动，因为这导致振动质量的增加，因而导致内燃机的结构高度的增加，这与减轻重量的普遍愿望是背道而驰的。使用铅-青铜合金的其它问题是此合金缺乏耐腐蚀性。

由此可知，比如，在轴套材料领域中，未来的市场需求只能靠开发新的复合材料体系来实现。现在的技术和经济上的需求将是：该复合材料必须能够承受最高等级的负荷、它必须有在高达200℃的温度下，在恶劣环境(由于长时间间隔的维修检查的结果，材料处于油料添加剂、油中的燃烧残留物和油的严重污染的压力之下)中的高度的耐腐蚀能力，而且它必须以有效的成本生产。

在EP 0 681 114中述及一种多层复合材料，它由钢和普遍的Cu-Zn合金的轴承材料构成，它用于轴承套和止推垫圈。这种复合材料的生产靠轴压结合完成。辊压结合之后的热处理作为后续的扩散工艺提高了钢和轴承金属间的结合强度。

与本申请中所要保护的方法不同，生产这种复合体系必然伴有辊压结合过程。辊压的力通过表面结合产生了2种材料间的粘合。虽然后续的均化处理加强了这种结合，但它并未象通过铸造进行包覆，即通过液相和固相进行接触时那样，能导致积极的结合或甚至导致冶金学上的结合。

此外，应注意的是，EP 0 681 114中所述的工艺实施起来比用铸造进行的包覆要昂贵得多，这是因在用辊压法生产该复合材料之前，必须以其自己的铸造过程生产CuZn31Si带材。只有在另一阶段用辊压结合法才能生产此复合材料。然而，可在单一阶段，通过铸造此复合材料产生带有覆层的钢。

DE-OS 25 48 941述及一种生产绞股状的金属产品的方法，按该法，施加了若干相同金属的层。因此产生若干包覆管。分别形成于该带材上的包覆点处的层被连续拉拔和冷却。为此在带材下方设置适宜的冷却装置。

从DE-PS 10 63 343中得到一种铸造铅-青铜带材的方法，按该法，将钢带加热至约1100℃的温度，以防该带变形。预先用弯折刃口缘将此带形成U形的外形。在铸造-包覆和冷却之后(但，这从未述及)该带经碾磨至所需厚度，然后冷却。

从DE 44 37 565 A1中得知一种生产钢的复合铸造材料的方法。该法不是连续带铸-包覆法，而是垂直或离心铸造法，按此法，已成形的轴承壳被包覆。这种铜基轴承合金含给定比例的Ni和Si，以便抑制结合区中的脆的硅化铁相。将待被包覆的滑动件预热，预热温度作为该钢的厚度的函数进行选择。这种方法仅适合大的轴承，因而适合昂贵的部件。在轴承尺寸较小，需要钢的厚度在10mm以下的情况下，这种公知方法不能用于大批量生产。

发明内容

以DE-OS 25 48 941为基础，本发明的目的在于提供一种方法和适用于承受混合摩擦的支撑点处的多层复合材料，所述材料是耐腐蚀的，可冷成形及能承受极高的负荷的。

用以下的方法达到此目的：将基础材料预热至1000℃-1100℃的温度，再将非均质地形成的无铅的Cu-Zn或Cu-Al基轴承合金在1000-2500℃的温度下浇铸于其上，然后使其中的多层复合材料在2-4分钟的时间内从该轴承合金的铸造温度冷却到100℃以下。

最好在第一个30秒内将该多层复合材料从该轴承合金的铸造温度冷却到其凝固温度。

已表明用高强度铜合金可满足多层复合材料的这些要求。这些铜合金包括黄铜或铝青铜，它们除有高的承载能力之外，还具有从环保观点看来的优点：不含铅。这组材料原则上以两种不同的组织形态为基础：均匀凝固的合金系统(如，CuAl8或CuZn31Si)和形成非均质组织的合金系统(如CuAl10Fe或CuZn40Al)。

这种“均匀”的材料包含α-混合晶体，而且，除良好的滑动特性外，还有良好的冷成形性。相反，“非均质”的合金的多组织的组成可增进相当高的耐磨性，但却导致差的冷成形性。

迄今为止，只能以离心铸造法，用Cu-Zn-或Cu-Al-基轴承合金生产复合材料。至今尚不能采用连续带铸-包覆法，因为在通过铸造于基体材料上进行包覆时，在结合区中形成了脆性相，这意味着该复合材料不能成形为一定形状。但，比如，若普通轴承或轴承套欲以可行的成本生产，那么这种成形就是不可避免的。被令人惊异地注意到的是：当，比如，遵守本发明的工艺参数时，就可形成这些复合材料，而这些铸成的轴承材料就不会与基础材料脱离。控制铸钢-包覆工艺就能生产一种复合材料，该材料总的来说至少能成形25％。

在与钢交界面处的结合区具有适宜的延展性，即防止了在钢/轴承金属界面处形成脆性相。因此，就能用成形方法，如辊压或卷边法来满足进一步处理带状多层复合材料以生产例如轴承套的预定要求。

若轴承合金是Cu-Al合金，则最好在施加了该轴承合金后及冷却过程之后进行600-750℃，4-10小时的退火。在Cu-Zn合金的情况下，对该多层复合材料进行400-550℃、4-10小时的退火是有益的。

该轴承合金最好铸至厚度D_L，这个与轴承基材厚度D_T相关的厚度显示出D_L/D_T＝1-2的比值。该厚度比会影响结合区的形成。

该用于轴承壳或轴承套的多层复合材料的特征是，该轴承合金是无铅的，并是以Cu-Zn或Cu-Al为基的合金，它具有非均质的组织成份，其中，冶金学结合区存在于轴承合金和基础材料之间，该冶金学结合区含80-95％的Fe及常见的杂质，其余是Cu，而且以立方相形式结晶。

结合层中的合金组份借助于扫描电镜以能量散射X-射线分析(EDX)确定是有益的。冶金学结合区是这样的结合区，它因，比如，该铸成的合金中的元素扩散到固体的基础材料中而形成可明确辨认的中间层。通常这种结合区由此两种材料的混合晶粒或金属间相构成。

高的铁含量来源于钢的基础材料，而铜含量是由轴承合金提供的。除去这2种确定该冶金学结合区中的组织的组份外，还可存有少量的其它合金组份。这种冶金学结合区确保高的粘合强度及整体多层复合材料的高承载能力。

结合区的厚度最好为5-50μm。

从冷成形的观点看，轴承合金的非均质的组织可能是不利的。但，令人惊异地发现：当α和β相之间有正确的比例时，这种非匀质的组织就不是不利的了。

β相在高温出现，而且，为保证良好的冷成形性，尤其必须转成α相。另一方面，为保持组织的非均质的特性，也必须存有足够比例的β相，因为这对耐磨性有好的影响。

β相的转变可受铸后的冷却的控制，但，出于经济上的观点，尽可能快速的冷却是符合需要的。现已发现：在2-4分钟内冷至100℃是适于确立1.5-3.0的α相与β相之比的。具有这样的α相与β相之比的多层复合材料兼有摩擦学方面的各种性能、良好的成形性、良好的耐腐蚀性及高度的承载能力。

通过后续的退火过程可将α相与β相之比提高到6，这对于成形特性具有有益的影响。

最好将该多层复合材料用于滑动件，如基础材料厚度小于10mm的普通轴承或轴承套。

所述Cu-Zn合金，比如，可有以下组成：

Cu            55-63％

Al            1.5-2.5％

Fe            0.5-0.8％

Mn            1.8-2.2％

Ni            0.7-1％

Sn            0-0.1％

Zn            余量

所述Cu-Al合金，比如，可有如下组成：

Al            7.5-11％

Fe            0.5-3％

Mn             0.5-2％

Ni             1-3.5％

Zn             0-0.5％

Cu             余量

该多层复合材料另外还可包括，比如，PbSnCu的三元层，或锡的薄镀层，它们起着磨合层的作用。

附图说明

下面借助附图详述示例性的实施方案，该附图中：

图1是铸在钢质基础材料上的CuAl9Ni3Fe轴承合金的照片；

图2a及2b是2张具有铸造的CuZn40Al轴承合金的多层复合材料的照片；

图3是柱状统计表，它包含铸在钢上的CuAl9NiFe2和CuZn40Al2的粘接强度及热处理后的粘接强度，以及常规复合材料的粘接强度。

具体实施方式

实施例1

CuAl9Ni3Fe

-1.6mm的钢带

-通过铸造包覆钢带              基础材料预热至1100℃

                               轴承合金的熔点为1200℃，

-冷却                          30秒内冷至凝固温度，再以2.5

                               分至100℃。

-碾磨轴承合金表面              轴承合金厚度的5-15％

-热处理                        650℃，保温6小时

-成形工艺                      25％

在图1中可见这种铸态的多层复合材料的照片。在钢质基础材料1上存有薄的结合区2，它含88％的Fe和6％的Cu，其余为其它合金组份。

轴承合金3位于结合区2之上，而且它包括非均质的，枝晶组织，其中浅色区代表α相。α和β相以2.6的比例存在于轴承合金3中。

实施例2

CuZn40Al2

-1.6mm的钢带

-通过铸造包覆钢带               基础材料预热至1000℃

                                轴承合金熔点为1020℃，

-冷却                           以30秒内冷至凝固温度，再以2.5

                                分至100℃。

-碾磨轴承合金表面               轴承合金厚度的5-15％

-热处理                         500℃，保温4小时

-成形工艺                       25％

图2a和2b是带有铸态的轴承合金CuZn40Al2的多层复合材料的照片。在钢质基础层1’和轴承材料3’之间也有结合层2’，它含81％的Fe和8％的Cu，其余是其它合金组份。

这种材料也有非均质的组织。图3展示了与常规的多层复合材料对比的，按示例性实施方案1或2生产的多层复合材料的结合强度(N/mm²)。灰色区域为测量值的对照值。对CuAl9NiFe2和CuZn40Al2作了铸态及退火态的检测。这2种新的复合材料在粘接强度方面明显优于已知的钢复合材料，如CuAl8或CuPb10Sn10是显而易见的。为建立合乎后续的成形所需的组织成份而进行的热处理对粘接强度无负面影响(在将CuZn40Al2施加于钢的情况下，粘接强度甚至有所改善)。

Claims (13)

1.生产用于滑动件，如轴承壳或轴承套的多层复合材料的方法，按该法，借助于连续带铸-包覆法将轴承合金施于基础材料，特别是钢上，其特征在于：

将该基础材料预热至1000-1100℃，

以1000-1250℃的温度，将非均质地形成的、无铅的Cu-Zn-或Cu-Al-基轴承合金铸于其上，

在2-4分钟内将该多层复合材料从轴承材料的铸造温度冷至100℃。

2.权利要求1的方法，其特征在于：该多层复合材料在第一个30秒内从该轴承合金的铸造温度冷至该轴承合金的凝固温度。

3.权利要求1或2的方法，其特征在于：在施加Cu-Al合金及该冷却过程后，对该多层复合材料进行温度为600℃-750℃，时间为4-10小时的退火。

4.权利要求3的方法，其特征为，在施加Cu-Zn合金及冷却过程后，对该多层复合材料进行温度为400℃-550℃，时间为4-10小时的退火。

5.权利要求1的方法，其特征在于，将该轴承合金铸至厚度D_L，它相对于基础材料的厚度D_T有1-2的D_L/D_T比。

6.具有钢质基础材料及铸于其上的轴承合金的、用于滑动件，如轴承壳或轴承套的多层复合材料，其特征在于，该轴承合金是无铅的，并且以Cu-Zn或Cu-Al为基的合金，并具有非均质的组织成分，其中，在轴承合金(3，3’)和基础材料(1，1’)之间存有冶金学结合区(2，2’)，该冶金学结合区(2，2’)含80-95％的Fe及常规杂质，其余是Cu，而且该区以立方相形态结晶。

7.权利要求6的多层复合材料，其特征为该非均质组织含α和β相。

8.权利要求6或7的多层复合材料，其特征为，在冷却后和热处理之前的铸态时，α和β相以1.5-3.0的比率存在。

9.权利要求8的多层复合材料，其特征为，在退火过程之后，α相和β相之比上升至6。

10.权利要求6的多层复合材料，其特征为，该结合层厚度为5-50μm。

11.权利要求6的多层复合材料，其特征为，该轴承合金有如下组成：

Cu            55-63％

Al            1.5-2.5％

Fe            0.5-0.8％

Mn            1.8-2.2％

Ni            0.7-1％

Sn            0-0.1％

Zn            余量。

12.权利要求6的多层复合材料，其特征为，该合金具有如下组成：

Al            7.5-11％

Fe            0.5-3％

Mn            0.5-2％

Ni            1-3.5％

Zn            0-0.5％

Cu            余量。

13.权利要求6的多层复合材料，其特征为，将三元层或锡的薄镀层作为磨合层施于该铸成的轴承合金上。

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