CN1111656C - 轴瓦及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种轴瓦，它具有一支承件和至少一个金属表层，该表层用电子束气相沉积法加以涂覆并且包含至少一个在基体材料内精细弥散的组分，该组分的原子量大于基体材料的，其中精细弥散的组分(7)的浓度由轴瓦(1)的顶部区域(8)连续地向侧表面区域(9)增加。该方法的特征在于，在涂覆过程中，在轴瓦的顶部区域内惰性气体的压力设定为0.1至5Pa。

Description

轴瓦及其制造方法
技术领域
本发明涉及轴瓦，它包括一支承件和至少一个金属表层，该表层借助电子束气相沉积加以涂覆并包含至少一种在基体材料内精细弥散的组分，该组分的原子量大于基体材料的。本发明还涉及制造具有至少一个金属合金表层的轴瓦的方法。
背景技术
通常，这类用途的滑动件包括下列结构的多层复合层系：用作支承材料的钢支承件，Cu、Al或白金属合金的轴承金属层和所谓滑动层或第三层或表层，该表层的涂覆可采用电镀法(E.Roemer：GLYCO的三元合金轴承；GLYCO工程报告8/67)或采用阴极溅射法如EP 0 256226 B1中所述。电镀涂覆层一般是以Pb或Sn为基础，其缺点是耐腐蚀性常常不足和耐磨性低。并且电镀本身由环境观点看是不利的。
采用溅射法涂覆表层，由于其可达到的低的沉积率和需要的设备的高度技术复杂性对整个滑动件带来相当大的成本指数。
GB2270 927描述了铝合金，其中整个层的含Sn量可以恒定并在10％与80％之间。由该申请的第10和11页的表1可以看出，随着含锡量的增加，在轴承呈现腐蚀倾向以前其可能的极限载荷升高，但另一方面，从某一定含锡量起其承载能力又急剧地降低。该说明书并没有包含为改善磨合性能的任何建议。在该申请中叙述了作为涂覆表层的制造方法的溅射法。
EP 0 376 368 B1描述一种很复杂的制造轴承的方法，其特点是轴承具有良好的应急运转和磨合性能。该申请也涉及借助溅射法涂覆的铝-锡合金。该申请的核心是轴承合金的金属基体材料内所含诸粒子就其直径来说服从标准随机分布的规律，并且在表层中含有达1.0％重量的氧，表层的显微硬度在热处理以后降低。以这种方法，嵌入性、应急运转性能和腐蚀钝性都得到了改善。
描述了一种轴承，其表层由基体材料(例如铝)与精细地弥散在其中的第二相(例如锡)构成。其中也采用溅射法。借助该发明制造的轴承的表层结构是这样的，即表层内第二相(例如锡)的含量随表层的厚度连续从底层内的0％增至顶层内的100％，这是一方面通过采用不同的组合物的若干目标或通过在涂覆过程中采用变化的溅射参数实现的。以这种方法制造的表层就它们的耐磨性和抗疲劳性来说具有很好的性能，但是用很复杂的方法达到的。
由DE 195 14 835 A1和195 14 836 A1已知借助电子束气相沉积在凹曲面滑动件上沉积表层，其中在两说明书中形成特殊层厚的外形是优先考虑的事。为了为轴瓦达到均匀的层厚，按照DE 195 14 835 A1其蒸发装置和支承件在气化涂覆的过程中以不同的速度相互相对直线移动。为此，在涂覆室内部需要适当的调节装置。另一方面，DE 195 14 836 A1的目的是制造不均匀的层厚。滑动件的层厚在其顶部区域为最大并连续向侧表面减小。为了实现这一点，该方法规定：在蒸发装置与轴瓦的顶部区域之间设定一距离150～350mm，在层的气化涂覆过程中蒸发装置和支承件处于相互固定的位置以及将为在顶部区域内沉积的凝固率设定为至少80nm/S。
由DE 36 06 529 A1已知通过将至少一种金属材料气相沉积到一金属基底上制造多层材料或多层工件的方法，同样采用电子束气相沉积法涂覆表层。该方法在压力从10-2～10-3mbar范围下的残余气体气氛中进行，其中材料随着气相沉积同时被弥散硬化或弥散强化。涂覆率设定在约0.3μm/S。在气相沉积过程中，基底保持在200℃与800℃之间的温度。对铝合金的气相沉积基底的温度为200℃～300℃，对铜——铅合金的气相沉积基底的温度在500℃至700℃的范围内。按这种方法制造的层的承载能力显著好于由粉末冶金法制造的层的承载能力。该申请的优先考虑在于通过弥散强化，例如通过气相沉积时产生的氧化物在表层中产生一确定的硬相含量。
这三个涉及电子束气相沉积的说明书并没有给出关于如何实现合金组分的不同分布的任何指示。承载能力或磨合性能对某些申请是不足的。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴瓦，其特点是特别在其很大的承载区域内的良好的应急运转和磨合性能与轴承腐蚀出现前的高极限载荷相结合。本发明另一目的是为制造这样的轴瓦提供一种基于电子束气相沉积的经济方法，该方法还以简单的方式确保沿轴瓦的整个圆周的均匀的层厚。
为实现上述目的，在本发明的装置方面，提供了这样一种轴瓦，它包括一支承件和至少一个金属表层，该金属表层借助电子束气相沉积加以涂覆并包含至少一种在基体材料内精细弥散的组分，该组分的原子量大于基体材料的，其特征在于精细弥散的组分的浓度由轴瓦的顶部区域连续地向侧表面区域减小。
以这种方式构造的表层具有的优点在于，其最大的承载区域，即顶部区域，对应急运转和磨合性能具有决定性有利影响的合金组分以最大的浓度出现。另一优点在于较昂贵的精细弥散的组分只在那些区域以相当高的浓度出现，即这些区域对应急运转和磨合性能是主要需要的。
由于最大承载区域的滑动性能影响整个滑动轴承的使用寿命，使用寿命的提高也由增加在顶部区域内精细弥散的合金组分的浓度来确保。
在顶部区域内精细弥散的组分的浓度优选比侧表面区域内的高，为侧表面区域的1.2～1.8倍，优选为1.3～1.6倍。
按照第一实施方案，精细弥散的组分的浓度沿整个表层厚度是恒定的。
这样的沿圆周方向的浓度分布也可以按照第二实施方案与沿层厚的不同浓度相组合，其中精细弥散的组分的浓度优选由下面即靠近支承件的一面连续地向表层的上部区域增加。该表层实施方案在轴瓦的对偶件具有大的表面粗糙度时选用，如例如在铸造轴的情况下选用。
精细弥散的组分的浓度在表层的上部区域内优选达到在下部区域内的2倍。
精细弥散的组分的浓度在顶部区域有利地在10％与70％重量之间。
基体优选由铝构成，其中精细弥散的组分可以由锡、铅、铋和/或锑构成。作为其他的合金组分，表层可以包含单独的或以达到5％重量的比例的组合形式的铜、锌、硅、锰和/或镍。
支承件可以包括钢背瓦，或可以由钢/CuPbSn复合材料或钢/铝或钢/白金属复合材料构成。构成表层的优选合金系为AlSnCu、AlSnPb和AlSnSi。在表层由锡合金构成的情况下，表层内的含锡量由滑动件的顶部向侧表面减少，即该表层包括高和低含锡量的区域。这使其首次可能利用在表层内同时具有高和低含锡量的优点。与高含锡量的区域保证滑动件的良好磨合性能的同时，低含锡量的区域保证滑动件具有高的承载能力。
表层的厚度优选沿整个圆周是均匀的。
为实现上述目的，在本发明的方法方面，提供了这样一种对包括至少一个金属合金表层的轴瓦的制造方法，该表层在涂覆室内借助电子束气相沉积涂覆到支承件上并且包含在基体材料内精细弥散的组分，该组分的原子量大于基体材料的，其特征在于：在气相沉积进行的过程中气体压力是连续变化的；在轴瓦的顶部区域内进行气相沉积的过程中采用的气体压力为0.1至5Pa。
蒸发器坩埚与待涂覆的表面之间的气体分子影响合金组分在气相沉积过程中的不同的扩散。
扩散角或扩散度因动力原因取决于各个气化的合金元素的相对密度。其结果是重元素，例如锡比较轻的元素，例如铝的扩散度较弱。这些扩散过程的结果是重元素以比在侧表面区域内较高的浓度沉积在轴瓦的顶部区域内。这样借助气体分子的扩散使其能够依靠进行电子束气相沉积的压力范围在宽的限度内改变表层的组合物。
与专家圈所持的意见相反，用气体扩散制造的层是惊人的坚固并且在它们的耐磨性和承载能力方面优于用传统方法或无辅助措施的电子束气相沉积法制造的滑动件。
并且惊人地显示出，除了获得不同的浓度外，还同时有可能获得均匀的层厚，因此可以省去例如由195 14 835 A1已知的辅助措施。
因此制造过程被大大简化了。
气体压力在涂覆进行过程中可优选保持在±0.05Pa。
如果将气体压力作为气相沉积时间的函数加以改变，则除了沿圆周方向的表层的分级结构外，还可实现沿层厚的组合物的变化。
气体压力优选由气相沉积过程开始时的0.1Pa连续增至其终止时的1Pa。气体压力增加的作用是具有低原子量的合金组分比重合金元素越来越以更大程度的扩散，从而增大了在过程的进程中顶部区域与侧表面区域之间的浓度差。以这种方法，合金组分的浓度沿层厚也改变。
采用的惰性气体优选为氩、氦或氖。
轴瓦与蒸发器坩埚之间的垂直距离必须设定为轴瓦直径的2到7倍并且在顶部区域的涂覆率必须设定为至少20nm/S。
附图说明
以下借助示例性实施方案和附图更详细地描述本发明，其中：
图1为轴瓦的透视图，
图2为示出在顶部区域内表层的合金组合物图，
图3为示出在侧表面区域内表层的合金组合物图，以及
图4为示出对具有按本发明制造的表层的轴瓦在Underwood试验中可达到的极限载荷与具有传统的三元和二元合金的轴承的比较图。
具体实施方式
图1示出具有支承件2和表层6的轴瓦1。支承件2由钢瓦背3、用铸造或烧结法贴附到其上的CuPbSn合金4以及扩散阻挡层5。钢的含碳量在0.03％与0.3％之间。
在本来已知的各种退火和成形工艺以后，由一带通过冲压出规定长度的带段来制造轴瓦。用钻孔或滚压对这些轴承进行表面加工以后，通过电镀或物理气相沉积法(PVD)给轴瓦设置镍或镍合金扩散阻挡层5。接着将支承件脱脂并放入真空蒸发装置。在该装置中通过溅射和侵蚀方法进行进一步的清洁或活化。
在涂覆室抽成真空以后，压力设定为约1Pa，涂覆室内充以氩气。接着将支承件2由蒸发器坩埚借助轴向电子枪用电子束气相沉积法涂覆AlSn20Cu。沉积的AlSn20Cu表层的厚度约为(16±4)μm。
在气相沉积过程中，氩气压力保持在1Pa不变，支承件的温度为190℃～200℃并且电子枪的功率为从40至60kW。沉积率为至少20nm/S。
在顶部区域8，表层6锡的浓度显著高于在侧表面区域9的。锡粒子用小点7表示。在顶部区域内较高的小点密度表示较高的浓度。
图2和3示出在顶部区域内(图2)和在侧表面区域内(图3)的合金组合物。含锡量利用EDX采用扫描电子显微技术对气相沉积的AlSn20Cu层的特定区域来确定。顶部区域8内的锡浓度为侧表面区域内的锡浓度的1.4倍，该值是由锡峰点的集合确定的。
图4直接比较了用按本发明以分级表层制造的轴瓦在Underwood试验台上可得到的极限载荷与传统的三元和二元合金轴承的极限载荷。一具有AlSn20Cu表层的铝二元合金轴承(条A)被选为这些试验的基础(取作100％)。AlSn基二元合金轴承(条B)提供较大的承载能力，其基体由合金元素镍和锰被强化。具有钢/铅青铜/电镀层(PbSn10Cu5)结构的三元轴承(条C)的承载能力位于上述两种二元合金轴承之间。如图4所示，按本发明气化涂覆的滑动轴承(条D)在承载能力方面优于传统的轴承系。
               附图标记
1轴瓦                     7锡粒子
2支承件                   8顶部区域
3钢背瓦                   9侧表面区域
4CuPbSn层
5扩散阻挡层
6表层

Claims (14)

1.轴瓦，它包括一支承件和至少一个金属表层(6)，该金属表层(6)借助电子束气相沉积加以涂覆并包含至少一种在基体材料内精细弥散的组分，该组分的原子量大于基体材料的，其特征在于精细弥散的组分(7)的浓度由轴瓦的顶部区域(8)连续地向侧表面区域(9)减小。
2.按照权利要求1的轴瓦，其特征在于精细弥散的组分(7)的浓度在顶部区域(8)内为在侧表面区域(9)内的1.2～1.8倍。
3.按照权利要求1或2的轴瓦，其特征在于精细弥散的组分(7)的浓度沿表层(6)的厚度是恒定的。
4.按照权利要求1或2的轴瓦，其特征在于精细弥散的组分(7)的浓度由表层(6)的下部区域连续地向上部区域增加。
5.按照权利要求1的轴瓦，其特征在于在顶部区域(8)的精细弥散的组分(7)的浓度在10％与70％重量之间。
6.按照权利要求4的轴瓦，其特征在于精细弥散的组分(7)的浓度在表层(6)的上部区域内达到在下部区域内的2倍。
7.按照权利要求1的轴瓦，其特征在于基体材料由铝构成并且精细弥散的组分(7)由锡、铅、铋和/或锑构成。
8.按照权利要求1的轴瓦，其特征在于作为其他的合金组分，表层(6)包含单独的或以达到5％重量的比例的组合形式的铜、锌、硅、锰和/或镍。
9.按照权利要求1的轴瓦，其特征在于表层(6)的厚度沿整个圆周是均匀的。
10.对包括至少一个金属合金表层的轴瓦的制造方法，该表层在涂覆室内借助电子束气相沉积涂覆到支承件上并且包含在基体材料内精细弥散的组分，该组分的原子量大于基体材料的，其特征在于：在气相沉积进行的过程中气体压力是连续变化的；在轴瓦的顶部区域内进行气相沉积的过程中采用的气体压力为0.1至5Pa。
11.按照权利要求10的方法，其特征在于所述气体压力由气相沉积过程开始时的0.1Pa连续地增至气相沉积终止时的1Pa。
12.按照权利要求10或11的方法，其特征在于采用的气体为惰性气体。
13.按照权利要求10的方法，其特征在于轴瓦与蒸发器坩埚之间的垂直距离设定为轴瓦直径的2至7倍。
14.按照权利要求10的方法，其特征在于在顶部区域的涂覆率设定为至少20nm/S。
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