具有切削劑的無鉛的CuFe2P?滑動軸承材料的制作方法
無鉛的基于銅-鐵-磷的材料，之后也被稱為CuFe2P-合金，已長時間普遍公知并且也在一定時間前已經作為滑動軸承材料，特別是作為用于襯套或軸承套的滑動軸承復合材料使用。例如參見來自申請人的家族的文件DE 10 2009 002 894 A1和DE 10 2011 007 362 A1，其中描述了具有引言處所述的組合物的材料。
所述銅-鐵-磷合金可以用鑄造技術以及燒結技術處理，或者通過扎制包層法(Walzplattieren)施加在承載層上。其特征在于，高的可延展性、基礎強度和基礎硬度。這些參數可以通過熱機械處理在寬范圍內適應不同的要求，使得所述材料在其硬度、強度和其抱死行為方面達到由于缺乏環境永續性而要被代替的鉛青銅的水平。但是此外，所述材料由于其高的基礎強度和硬度,相比于鉛青銅是可切削性明顯更差的。所述差的可切削性導致更短的工具耐用時間或快速降低的加工精度和表面質量。
此外，德國銅研究院(Das Deutshe Kupferinstitut)系統地研究了銅材料的可切削性，并且以所謂的信息出版物的形式公開了結果。以下取自2010年收錄的信息出版物第18版(i.18)。其中銅材料的可切削性劃分為三個不同的主群組。在此，將可切削性類似的材料概括入一個主群組。主要按照形成的切屑形狀和工具的磨損，對銅材料進行劃分。
切削主群組I含有具有非常好可切削性的銅材料，并且包括具有均相或多相結構的鉛、碲或硫合金的銅材料。在切削時，其形成短的碎切屑。工具磨損被定級為低。切削主群組II含有具有中等至好的可切削性的銅材料。相比于切削主群組I的材料，所述材料的加工導致更長的切屑，通常是中等長度的螺旋切屑。在加工此種材料時，工具磨損被描述為“中等”。在切削主群組III中，概括了相比于群組I和II更難切削的銅材料。在對其加工時，形成長的螺旋、雜亂或帶狀的切屑。工具的磨損高。
為了實現在標準化的材料的經驗性數據的主群組范圍內在其可切削性方面進一步的區分，還引入了可切削性指數。對于第一主群組的材料此指數在100至70之間，對于第二主群組的材料在60至40之間，對于第三主群組的材料在30至20之間。
在德國銅研究院的信息出版物i.18中沒有提及CuFe2P-合金。
本發明的任務是提供滑動軸承材料，其具有與已知的CuFe2P-合金相似的好的摩擦和機械性能，但具有更好的可切削性，以及由于更長的工具耐用時間而具有的更高的加工精度和表面質量。本發明的其他的任務是提供相比于已知的材料具有特別是在缺乏潤滑的情況下更加降低的抱死傾向的材料。
通過根據權利要求1的滑動軸承材料達到這些目的。
根據本發明的滑動軸承材料具有基體材料，所述基體材料由2.1-2.6重量％的鐵、0.05-0.2重量％的鋅、0.015-0.15重量％的磷、≤0.03重量％的鉛、≤0.2重量％的熔體冶金相關的雜質和余量的銅與任選地至少一種硬質材料和任選地至少一種固體潤滑材料構成，并且特征在于具有至少一種選自碲、硫、鉻和鋯的添加劑。
可以確定，通過添加碲、硫、鉻和/或鋯作為切削元素，使得此種基體合金的切屑形狀和因此的可切削性得到改進。加入Te、S、Cr和/或Zr導致材料的斷裂拉伸下降。沒有此種添加劑的CuFe2P-合金具有約15％的斷裂拉伸，而其可以通過加入碲和/或硫降低至2％。因此，切屑不再形成長的帶狀或條狀切屑，而是切削成為細小、針狀的碎屑，與長的切屑相反，這不阻礙材料的加工。特別出人意料地確定的是，加入碲、硫、鉻和/或鋯額外地明顯降低了滑動軸承材料的抱死傾向。
根據有利的實施方式，添加劑以基于滑動軸承材料的總共0.01至0.2重量％的含量在基體材料內分散。優選地，所述添加劑以總共0.05至1.0重量％的含量，特別優選0.1至0.3重量％的含量在基體材料內分散。
期望斷裂拉伸的下降效應只到達某一程度，因為過低的斷裂拉伸在鑄造后只容許有限的CuFe2P-材料變形，但是這在制造軸承時是必需的。因此，斷裂拉伸絕對不應當低于1％。在超過2重量％含量的情況下，不再確保此點并且可以影響重要的基體材料性質，如強度、可變形性等。在低于0.01重量％的過低含量的情況下，切削效應沒有足夠地表現出來。特別是在添加劑量是0.1至0.3重量％的情況下，切削效應已經很好地表現出來，而重要的基體材料的性質沒有明顯地劣化，使得此種量的范圍是非常好的折中。
添加劑碲、硫、鉻和/或鋯在CuFe2P-基體內是不溶解的，并由此作為分離的相存在。此種相大多數出現在基體材料的晶界處，此處在強烈的局部機械負荷時如在切屑加工時會導致基體結構中的裂縫偏轉，并因此最終在繼續的負荷時促進切屑的斷裂。優選地，在基體材料中90％的可測量顆粒具有30μm的最大膨脹，特別優選15μm。“可測量”表示所有具有500nm的最小尺寸的顆粒。所述最小尺寸明確地只作為證明和因此的參數唯一性的“劃界”。
如果所述添加劑在此種尺寸級別形成顆粒，那么此種添加劑在CuFe2P-基體中分散，使得其明顯地提高了滑動軸承材料的可切削性，同時不影響或只非常小地影響基體材料的其他機械和摩擦性能，或者在抱死傾向情況下甚至出人意料地產生正面的影響。這歸因于，顆粒的更細微的分布導致對基體結構的晶界的更大面積的干擾，并因此使切屑更容易斷裂。因此，為了不導致過高的強度損失，切削添加劑的含量必須保持在上述范圍。反之，如果顆粒大于15μm并因此在含量是2重量％或更低的情況下只單獨地在結構中局部出現，那么在整個材料中就不存在足夠的切削效應。
至少一種添加劑在基體中分散的結果是，滑動軸承材料有利地具有100-70的可切削性指數。通過100至70的可切削性指數將滑動軸承材料歸入切削主群組I。在切削加工過程中形成短的碎切屑，其不妨礙材料的加工因為可以有效地由加工區域移出。這提高了表面質量、加工精度并且降低了工具的磨損。
在其他有利的實施方式中，滑動軸承材料在720MPa·m/s的負載和滑動速度的極限值以下，優選在800MPa·m/s以下，不發生粘附磨損。
最大負載和滑動速度的測量值在抱死測試中確定，例如其在下文中參考附圖2描述的。720MPa·m/s，優選800MPa·m/s的極限值或最大值出人意料地明顯高于已知的CuFe2P-材料。因此，在給出范圍內的碲、硫、鉻和/或鋯添加劑不只具有切削效果，其還同時具有減少磨損或潤滑的效果。在根據本發明的軸承材料的情況下，通過抱死的材料受損直到在滑動伙伴的更高的負載和/或相對速度的情況下才出現，使得負載的滑動軸承材料在缺乏潤滑的情況下能夠堅持更長時間。
優選地，所述滑動軸承材料還具有至少一種選自硅化物、氧化物、碳化物和氮化物的硬質材料，特別是AlN、Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、Mo2C、MoSi2、SiC、B4C、Si3N4和c-BN。
此外有利的是，所述滑動軸承材料具有至少一種選自h-BN和石墨的固體潤滑材料。
上述滑動軸承材料可以作為滑動軸承元件中的大型材料，例如襯套或軸承套使用。大型材料表示，所述材料具有足夠的強度，并因此是自承重的。同時所述材料承擔軸承金屬的功能。
此外，本發明的主題還有具有承載層、軸承金屬層和具有在軸承金屬層上施加的滑動層的滑動軸承復合材料。所述軸承金屬層由上述種類的滑動軸承材料組成。
特別是變形為軸承套的滑動軸承元件的形式的滑動軸承復合材料，在最后的加工步驟中通過鉆孔校準至最終尺寸。因為軸承套作為大批量制品也通常必須低成本地制造，所以正好在此加工步驟中存在優化需求。例如將許多相同的軸承套彼此前后夾緊，并在一個加工步驟中鉆孔。對此要求高的切割和走刀速度。工具耐用時間必須是高的，由此使得換工具和隨后安裝損失的時間盡量短。特別是濕切削切除，因為冷卻劑和潤滑劑的殘余必須從軸承套表面費力地清除。因此，可切削性剛好在此種應用的情況下具有更大的重要性。
優選地，在滑動軸承復合材料中的承載層是鋼層。
基于其剛性，所謂的鋼背保證了必需的壓配合，使得軸承材料的構造結構可以與強度要求不相關地調整。因此，所需要的銅合金可以如此構造其構造結構，使得其強度和硬度方面以及摩擦性能例如抱死行為方面處于與傳統的鉛青銅可比的范圍內。總的來說，滑動軸承復合材料的應用范圍從根本上被拓寬了。鑒于其在具有鋼外殼的使用情況中的熱膨脹系數，具有鋼背的復合材料也具有優點。
下文中描述的制造方法的目標是，在示范性地描述了碲相的最終產物中，添加劑的相以定義的大小存在，其本身已被證明對于抱死行為是有利的。同樣取消了最后的交換熱處理，對其重要的不是如前所述的滑動性能的優化，而是強度或導電性能的提高。
根據有利的實施方式，所述軸承金屬層是燒結層。
所述燒結層以粉末形式施加在鋼背上。一種或多種添加劑可以包含在準備好的基體材料中并且與其共同粉末化，或者其作為單獨的粉末加入基體材料的燒結粉末中。如果CuFe2P-基體和添加劑單獨地以粉末形式存在，那么此種粉末可以以相應的重量分布混合，之后在承載層上燒結。將在鋼背上施加的燒結粉末在保護氣體氛圍下加熱至800℃至1000℃的燒結溫度10-30分鐘，軋制，再次在同樣的溫度和類似的時間燒結，并且根據硬度要求進行再一次的軋制道次。特別地，爭取達到盡可能低或沒有剩余孔隙。其他方法步驟不是必須的。特別地，可以取消退火步驟，因為退火某種程度上被合并入燒結步驟中。具體地，燒結步驟如下進行：將燒結粉末以定義的厚度施加在鋼載體上；之后在800℃至1000℃的溫度下進行第一燒結步驟。在可比的溫度下進行第二燒結步驟之前，通過軋制程序在形變時將燒結層壓緊10-30％，并由此壓縮。最后是最終軋制步驟，通過其調整期望的雙金屬帶的強度和厚度寬容度。在兩個燒結步驟中，如此調節冷卻條件，使得單獨存在的碲顆粒不超過30μm，優選15μm的最大膨脹。
根據替代性的實施方式，在軸承金屬層和承載層之間，任選地通過中間層存在軋制包層連接。
首先，制備帶狀材料形式的軸承金屬，任選地預包層中間層，之后將軸承金屬軋制到承載層上(具有或沒有中間層)。在此，軸承金屬的形變是35％-70％，這使得之后需要熱機械處理以使軸承金屬的機械性能調整至期望的程度。這包括復合物的在550℃至700℃下2至5小時的第一次退火，至少一次復合物的第一次軋制，其中達到20至30％的形變，至少一次在500℃-600℃下>1小時的第二次退火，任選的復合物的第二次軋制，其中達到最大30％的形變，以及之后的在>500℃下至少1小時的第三次退火。如此選擇退火溫度和在此溫度下保持的時間，使得在此碲相也在前述的大小范圍內形成。不進行交換熱處理，由此通常會使強度和導電性升高。因為上述的第三次退火在冷軋之前進行，所以此種退火除了調節碲相的大小外，還作用于基體材料的重結晶。
可以將銅或銅合金例如銅鋅合金或銅錫合金用于中間層。
在另一替代性的實施方式中，所述軸承金屬層是鑄造層。通常在1000℃至1250℃的溫度下進行承載層的鑄造。在此也包括來自軋制和退火步驟的熱機械處理以調整到期望的材料性質，特別是例如碲尺寸分布和由此更好的防抱死能力。在鋼帶的鑄造后，使所述復合材料在>650℃溫度下經歷數小時(>4小時)的均勻化退火。隨后的在多個軋制道次中35至70％之間的復合物的變形，還包括最終退火，其除了調整碲相的大小外，還影響基體材料的重結晶。在此，還使用在>1小時時間下的>500℃的溫度。
除了滑動軸承材料和滑動軸承復合材料外，本發明還包括滑動元件，特別是滑動軸承，其由上述類型的滑動軸承材料組成。
根據縱向分割將板坯從如前述制備的大型或滑動軸承復合材料分離用于制備滑動軸承元件，并且將所述板坯通過已知的變形步驟變形成為滑動軸承元件(例如軸承套或襯套)。作為最后的程序，進行切削加工以制備尺寸穩定的軸承孔和任選地施加滑動層。
根據本發明的滑動軸承材料的其他特性和特征通過下列附圖說明。展示的是：
附圖1用于描繪測定滑動軸承的磨損的測試程序的圖示，和
附圖2測定的根據本發明的和不同的其他銅合金的磨損值的圖示。
根據附圖1中描繪的程序，使根據本發明的材料和對比材料經歷磨損測試。在其上進行測量的測試臺類似地設置有具有原活塞、連桿、曲柄和滑動軸承的內燃機。在測試時，曲柄的轉速由1900轉每分鐘逐步提高至最大8000轉每分鐘。后者的值對應19.7m/s的曲柄銷表面和滑動軸承表面之間的最大相對速度。在此，連桿的大連桿孔中的以兩個軸承套的形式兩部分形成的滑動軸承被以正弦形式的負載撞擊。隨著轉數增加的同時，負載也由于出現的離心力而逐步增加。在所述圖示中，y-軸上是負載(以MPa)和相對速度(以m/s)的乘積。所述軸承開始時以500ml/min的恒定的油流動速率用油潤滑。250分鐘的時間后，但仍在達到最大負載之前，將油流動速率逐步降低，同時將負載或轉數逐步繼續提高。每個軸承材料在同樣的條件下在至少三次實驗中測量最大負載和滑動速度，其中軸承在此條件下抱死，并且在根據附圖2的圖示中填入平均值。
在附圖2中，如此測定的最大負載和滑動速度的測量值是作為用于對比兩種不同的CuFe2P-結構變型的柱狀圖中的抱死行為的指示。第一個柱10表示具有2.4重量％的Fe、0.15重量％的P、0.05重量％的Zn、余量是銅，沒有添加劑的基體材料作為對比材料。第二個柱12表示具有1重量％碲的添加劑的相同的基體材料并且因此表示根據本發明的滑動軸承材料。
在純的基體材料10的情況下，測得723MPa·m/s的平均負載極限值。根據本發明的具有碲的材料得到800MPa·m/s的明顯更高的沒有抱死的平均負載極限值。
因此，根據本發明的滑動軸承材料除了相比于已知的沒有添加劑的滑動軸承材料具有更好的可切削性之外，其還以出人意料的方式具有明顯更低的抱死趨勢。因此，其甚至在沒有固體潤滑材料的情況下以特殊的方式適合在缺少潤滑的條件下應用。
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