CN112673184B

CN112673184B - 枢轴承

Info

Publication number: CN112673184B
Application number: CN201980060045.9A
Authority: CN
Inventors: 泽格·库尔萨韦; 托马斯·魏特坎普; 弗兰克·博尔特; 托马斯·柯尼希; 尼古拉·波德盖尼
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: EP3891409B1; US20220025926A1; JP7192125B2; WO2020114538A1; JP2022511521A; DE102018131021A1; EP3891409A1; CN112673184A; US11719279B2

Abstract

本发明涉及一种枢轴承(1)，所述枢轴承包括：由钢制成的金属第一轴承元件(2)，所述金属第一轴承元件至少部分地借助涂层(5)涂覆；由钢制成的金属第二轴承元件(3)，所述金属第二轴承元件涂覆有含PTFE的滑动衬里(6)，其中所述涂层(5)和所述滑动衬里(6)滑动接触，并且其中所述涂层(5)包括借助PVD、CVD或PECVD方法沉积在所述第一轴承元件(2)上的至少一个第一层(9)，其中所述涂层(5)还包括至少一个另外的层，所述至少一个另外的层布置在所述至少一个第一层(9)上并且背向所述第一轴承元件(2)。

Description

枢轴承

技术领域

本发明涉及一种枢轴承，该枢轴承包括：由钢制成的金属第一轴承元件，该金属第一轴承元件至少部分地借助涂层涂覆；以及由钢制成的金属第二轴承元件，该金属第二轴承元件至少部分地涂覆有含PTFE的滑动衬里。

背景技术

具有上述结构的枢轴承形式的滑动轴承是众所周知的。在大多数情况下，将硬铬层作为涂层施加到具有球面的内环，以便增加内环和外环之间的滑动接触区域的磨损防护并提供腐蚀防护。通常使用含铬(VI)电解液浴来生产此类硬铬层，从环境角度来看，这些硬铬层现在被认为是有问题的，并且其使用越来越受到立法限制。

因此，需要用能够以更环保的方式生产的涂层来取代硬铬层。

DE 10 2013 225 860 A1已公开一种滑动轴承，具体地是枢轴承，其中通过对由钢制成的内环(诸如100Cr6)进行氮碳共渗来取代硬铬层。氮碳共渗的表面因此形成第一滑动表面。

DE 10 2014 107 036 A1公开了一种具有带涂层的钛球的枢轴承。该枢轴承包括内环，该内环可旋转地布置在衬套中，并且可设置有DLC涂层。可在内环和衬套之间布置膜形式的润滑剂。

根据DE 69 330 10 U，已知一种枢轴承，该枢轴承具有外环，套筒浮动地安装在该外环中。该套筒的一侧(即，背向外环的内表面)涂覆有聚四氟乙烯(PTFE)。

US 2007/0 223 850 A1描述了一种枢轴承，其中轴承元件由钛合金形成，该钛合金具有由TiN制成的PVD涂层。另一个轴承元件具有含PTFE的润滑涂层。

DE 10 2015 105 520 A1公开了一种变速器和一种用于制造或操作变速器的方法。提供了一种带涂层的止推垫圈，其中该涂层可包括非晶碳层，例如DLC(类金刚石碳)层、铬层、借助PVD涂层施加的层、结晶碳层和/或金刚石涂层。借助PVD涂覆施加的层可包含TiN、CrN、TiAlN、TiCN、TiSiN、ZrN和/或AlTiN。

AT 412 284 B描述了一种用于由锻铝合金制成的轴承元件的载体层。此外，描述了一种轴承元件，具体地是用于滑动轴承或止推环的轴承元件，该轴承元件具有支承壳体、运行层和布置在它们之间的载体层。该运行层设计为铅、锡、铋、铟或铜基合金、塑料层(具体地是含有固体润滑剂的塑料层)或润滑清漆。

发明内容

本发明的目的是提供一种枢轴承，该枢轴承相对于所提及的现有技术已进一步发展，提供了合理的、环境友好的制造选择。

根据本发明，这一目的通过枢轴承来实现。该枢轴承包括：由钢制成的金属第一轴承元件，该金属第一轴承元件至少部分地借助涂层涂覆；以及由钢制成的金属第二轴承元件，该金属第二轴承元件至少部分地涂覆有含PTFE(聚四氟乙烯)的滑动衬里，其中涂层和滑动衬里滑动接触，并且其中涂层包括借助PVD、CVD或PECVD工艺沉积在第一轴承元件上的至少一个第一层。

在第一实施例中，至少一个第一层设计为氧化、氮化、氮氧化或碳化硬质材料层，并且含有元素钛、铝、铬、钨和钼中的至少一种。硬质材料层优选地由来自包含TiN、TiCN、Al₂O₃、TiAlN、CrN、AlCrN、MoN、WC的组中的至少一种材料形成。这些材料的混合形式(任选地掺杂)也适合作为第一层。

在另一个优选实施例中，至少一个第一层设计为非晶碳层或金刚石层。非晶碳层(根据VDI2840，2012年6月的命名)可由无氢非晶碳ta-C或a-C形成。另选地，非晶碳层可由含氢非晶碳a-C:H形成。在此也可提供金属或非金属掺杂。掺杂所用的金属为例如钨、钛、硅或钽。含氢掺钨非晶碳层(a-C:H:W)或含氢掺硅非晶碳层(a-C:H:Si)是优选的。含非金属的非晶碳层称为a-C:H:X，其中X代表非金属，诸如氮。

在另一个优选实施例中，至少一个第一层是由包括铬、黄铜、青铜、白金属、铜、锌或锡的一种或多种金属形成的金属层。

仅第一层或者两个、三个或更多个第一层的组合可布置在第一轴承元件上。

因此，枢轴承的各部分包括第一轴承元件和第二轴承元件，该第一轴承元件是带涂层的(具体地在多个层中)，该第二轴承元件具有含PTFE的滑动衬里。

滑动衬里具体地胶粘到金属第二轴承元件，并用PTFE纤维增强。纺织材料，诸如机织织物、针织织物、钩编织物等通常用作用于增强滑动衬里的纤维。除PTFE纤维之外，还可提供具体地由另一种塑料、金属、玻璃、碳或陶瓷制成的支撑纤维，其中这些支撑纤维可单独存在或以彼此的任意组合存在。在优选的实施例中，滑动衬里在树脂基体中含有PTFE织物。

另选地，滑动衬里具有烧结青铜层，其设置有PTFE层，使得在滑动接触区域中存在金属-聚合物复合材料。

第一轴承元件可以是枢轴承的内环或外环。因此，内环优选具有涂层，而外环优选具有滑动衬里。然而，相反的布置也是可能的。

所使用的沉积工艺(诸如PVD(物理气相沉积)工艺、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)工艺和CVD(化学气相沉积)工艺)的共同点在于，与大多数情况下优先使用的硬镀铬相比，此处避免在轴承元件上使用含铬(VI)物质。

根据本发明，涂层进一步包括至少一个另外的层，该至少一个另外的层布置在至少一个第一层上并且背向第一轴承元件。至少一个另外的层具有与紧邻的第一层不同的组成。

已证明有用的是，涂层包括正好一个第一层和正好一个另外的层。然而，涂层也可有利地包括两个或三个第一层和正好一个另外的层。

已证明有利的是，邻接至少一个第一层的至少一个另外的层形成第二层，该至少一个第一层背向第一轴承元件布置，该第二层在其组成上不同于邻接的第一层并且借助PVD、CVD或PACVD工艺形成和/或由包含PTFE的润滑清漆形成。

至少一个另外的层优选地借助PVD、CVD或PACVD工艺形成并且设计为

-氧化、氮化、氮氧化或碳化硬质材料层或

-非晶碳层或金刚石层，或

-由铬、黄铜、青铜、白金属、铜、锌或锡制成的金属层。

氧化、氮化、氮氧化或碳化硬质材料层形式的另一个层具体地含有元素钛、铝、铬、钨和钼中的至少一种。硬质材料层优选地由来自包含TiN、TiCN、Al2O3、TiAlN、CrN、AlCrN、MoN、WC的组中的至少一种材料形成。这些材料的混合形式，任选地掺杂，也适合作为另外的层。

另一层，其为非晶碳层的形式(根据VDI2840，2012年6月的命名)具体地由无氢非晶碳ta-C或a-C形成。另选地，非晶碳层可由含氢非晶碳a-C:H形成。在此也可提供金属或非金属掺杂。掺杂所用的金属为例如钨、钛、硅或钽。含氢掺钨非晶碳层(a-C:H:W)或含氢掺硅非晶碳层(a-C:H:Si)是优选的。含非金属的非晶碳层称为a-C:H:X，其中X代表非金属，诸如氮。

涂层优选地具有至少一个第一层、第二层以及其上的层序列，该层序列具有交替的第三层和第四层，第三层的组成对应于邻接第二层的第一层的组成，并且第四层的组成对应于第二层的组成。因此，可形成结合良好润滑性能和良好耐磨性的特别耐用的涂层。

具体地，枢轴承已被证明是有用的，其中邻接第二层的第一层由氮化钼制成并且第二层由铜制成。具体地，还提供了若干由氮化钼制成的第三层和若干由铜制成的第四层，它们以交替方式布置并且形成层序列。铜形成润滑膜，而氮化钼减少了磨料磨损。

此外，其中第一层由铬形成并且第二层由氮化铬形成的枢轴承已被证明是成功的。

枢轴承，其具有由铬制成的第一层、由碳化钨制成的另外的第一层和由a-C:H:W型含氢掺钨非晶碳层制成的第二层也被证明是非常耐磨的。

此外，枢轴承是优选的，其中第一层为a-C:H:Si型掺硅非晶碳层，并且第二层为a-C:H型非晶碳层。具体地，还提供了若干第三a-C:H:Si型层和若干第四a-C:H型层，这些层以交替方式布置并且形成层序列。

此外，枢轴承是优选的，其中第一层为a-C:H:Si型掺硅非晶碳层，并且第二层为具有不同硅掺杂的a-C:H型非晶碳层。

也可在至少一个第一层上布置润滑清漆(具体地，PTFE浸渍层形式的润滑清漆)作为第二层。PTFE浸渍层是由PTFE(聚四氟乙烯)单独形成或至少98％，特别是至少99％形成的层。尽管PTFE浸渍层可能单独损坏，但由PTFE形成的滑动表面在枢轴承的操作期间基本保持完整，其中在PTFE浸渍层内也提供自修复效果。PTFE浸渍层提供了吸收在滑动轴承操作期间出现的颗粒(特别是由于磨损引起的颗粒)的可能性。

在所有情况下，无论使用何种测量方法，至少一个第一层的硬度都远大于布置在金属第二轴承元件上的滑动衬里的硬度。

下面列出了用于由钢制成的金属第一轴承元件涂层的一些优选的示例性实施例。在由钢制成的第一轴承元件或基材上的层序列按指定顺序实施。

实例1：实例2：

钢基材钢基材

第一层：铬第一层：铬

第二层：氮化铬另外的第一层：碳化钨(WC)

第二层：a-C:H:W

实例3：实例4：

钢基材钢基材

第一层：a-C:H:Si 第一层：TiN or TiAlN或CrAlN

第二层：a-C:H 第二层：含PTFE的润滑清漆

实例5：

钢基材

第一层：铬钼

另外的第一层：氮化钼(MoN)

第二层：铜

第三层：氮化钼(MoN)

第四层：铜

实例6：

钢基材

第一层：a-C:H:Si

第二层：a-C:H:Si，其中第二层中的硅含量仅相当于第一层中硅掺杂的20％-25％

附图说明

下文借助附图更详细地说明了本发明的示例性实施例。在附图中：

图1示出了根据本发明的枢轴承的示意性剖视图，

图2示出了图1的滑动接触区域的放大图示，并且

图3示出了类似于图2的具有不同涂层的放大图示。

具体实施方式

在所有附图中，彼此对应或具有基本相同效果的部分均标有相同的附图标记。

图1的剖视图中所示的枢轴承(其总体上由附图标记1表示)由钢制的金属第一轴承元件2(此处为内环)和钢制的金属第二轴承元件3(此处为外环)形成。第一轴承元件2具有中心开口4，以连接到连接部件(未示出)。涂层5被施加到第一轴承元件2的凸形外表面7。PTFE纤维增强的滑动衬里6被胶粘到第二轴承元件3的凹形内表面7上。第一轴承元件2的涂层5与滑动衬里6滑动接触。

图2示出了图1的滑动接触区域的放大图示。由TiN或TiAlN或CrAlN制成的第一层9制成的涂层5借助气相沉积(PVD、CVD、PECVD)沉积在由钢制成的第一轴承元件2的金属基材上。第一层9具有基本上均匀的厚度。因此，第一层9的表面适于给定的凸形外表面7。此外，PTFE浸渍层形式的润滑清漆(未单独示出)被施加在第一层9上作为第二层10。第一层9中可能存在的任何不平整都通过PTFE浸渍层来整平，使得在当前情况下，第一轴承元件2的外表面平滑，呈球形。

图3示出类似于图2的图示，但在第一轴承元件2上具有不同类型的涂层5。第一层9被直接施加到由钢制成的第一轴承元件2的凸形外表面7，并且由氮化钼形成。另选地，可在第一轴承元件2和第一层9之间布置至少一个另外的第一层，具体地是由铬和/或钼制成的第一层。提供第二层10，其由铜形成。由氮化钼制成的第三层11和由铜制成的第四层12邻接第二层10。在交替布置的第三层11和第四层12上设置有层序列(此处未详细示出)。

此处，第二轴承元件3的凹形内表面7也与滑动衬里6胶粘在一起。滑动衬里6由嵌入树脂基体中的PTFE织物形成，或者具有含有烧结青铜和PTFE的金属-聚合物复合材料。第一轴承元件2的多层涂层5与滑动衬里6滑动接触。

附图标记说明

1 枢轴承

2 轴承元件

3 轴承元件

4 开口

5 涂层

6 滑动衬里

7 凹形内表面

8 凸形外表面

9 第一层

10 第二层

11 第三层

12 第四层

Claims

1.一种枢轴承(1)，其包括

由钢制成的金属第一轴承元件(2)，所述金属第一轴承元件至少部分地借助涂层(5)涂覆，以及

由钢制成的金属第二轴承元件(3)，所述金属第二轴承元件涂覆有含PTFE的滑动衬里(6)，

其中所述涂层(5)和所述滑动衬里(6)滑动接触，并且其中所述涂层(5)包括借助PVD、CVD或PECVD方法沉积在所述第一轴承元件(2)上的至少一个第一层(9)，其中所述至少一个第一层

设计为包含来自由钛、铝、铬、钨和钼组成的组中的至少一种元素的氧化、氮化、氮氧化或碳化硬质材料层，

和/或其中所述至少一个第一层(9)设计为非晶碳层或金刚石层，

和/或其中所述至少一个第一层(9)为由包含铬、黄铜、青铜、白金属、铜、锌或锡的组中的一种或多种金属形成的金属层，

其中所述涂层(5)进一步包括至少一个另外的层，所述至少一个另外的层布置在所述至少一个第一层(9)上并且背向所述第一轴承元件(2)，

其中邻接所述至少一个第一层(9)的所述至少一个另外的层形成第二层(10)，所述至少一个第一层背向所述第一轴承元件(2)布置，所述第二层在其组成上不同于所述邻接的第一层(9)并且借助PVD、CVD或PECVD方法形成和/或由包含PTFE的润滑清漆形成，其中，

a)邻接所述第二层(10)的所述第一层(9)由氮化钼形成，并且所述第二层(10)由铜形成；或者

b)所述第一层(9)由铬形成，并且所述第二层(10)由氮化铬形成；或者

c)第一层(9)由铬制成，另外的第一层(9)由碳化钨制成，并且所述第二层(10)为a-C:H:W型含氢掺钨非晶碳层；或者

d)所述第一层(9)为a-C:H:Si型掺硅非晶碳层，并且所述第二层(10)为具有不同硅掺杂的a-C:H:Si型非晶碳层。

2.根据权利要求1所述的枢轴承，其中所述涂层(5)包括正好一个第一层(9)和正好一个另外的层。

3.根据权利要求1所述的枢轴承，其中所述涂层(5)包括两个或三个第一层(9)和正好一个另外的层。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的枢轴承(1)，其中所述涂层(5)包括所述至少一个第一层(9)、所述第二层(10)以及其上的层序列，其中所述层序列具有交替的第三层(11)和第四层(12)，其中所述第三层(11)的组成对应于邻接所述第二层(10)的所述第一层(9)的组成，并且所述第四层(12)的组成对应于所述第二层(10)的组成。