具有鋁軸承金屬層的滑動軸承復合材料的制作方法
【專利說明】具有鋁軸承金屬層的滑動軸承復合材料
[0001] 本發明涉及滑動軸承復合材料，所述滑動軸承復合材料具有鋼制基材層，設置在 基材層上的鋁制，優選除了雜質之外不含鉛的鋁合金制中間層，和設置在中間層上的除了 雜質之外不含鉛的鋁合金制軸承金屬層。
[0002] 這種滑動軸承復合材料被開發特別用于機動車輛的內燃機中所使用的軸承外殼 或軸承套或止推片。其為多篇文獻的主題。例如文獻EP1 334 285A1、DE10 2011 003 797B3、DE102 46 848B4或EP2 105 518A2研究了軸承金屬組合物的改進。通過最后 一篇文獻已知的鋁軸承合金包含1. 5至8重量％的Si，3至40重量％的Sn，總量為0. 1至 6重量％的一種或多種選自Cu、Zn和Mg的元素，總量為0. 01至3重量％的任選一種或多 種選自Mn、V、Mo、Cr、Ni、Co和B的元素和另外的鋁。該文獻中的研究難點在于完成的鋁軸 承合金產物中包含的Si-顆粒的粒徑分布，所述Si-顆粒應以一定且極寬的分布形式包含 一定含量的粒徑小于4ym的較小Si-顆粒以及粒徑為4至20ym的較大Si-顆粒。通過 給定的分布可以減少材料與滑動偶件粘住的趨勢（咬粘趨勢）并且改進顆粒在材料中的結 合。為了達到所需的粒徑分布，根據該文獻的教導采取的順序為在350°C至450°C的溫度下 在8至24小時的時間內的退火步驟和隨后的乳制步驟。
[0003] 通過DE10 2011 003 797B3已知滑動軸承復合材料，所述滑動軸承復合材料具 有鋼制基材層，設置在所述基材層上的中間層和設置在所述中間層上的除了雜質之外不含 鉛的鋁合金制軸承金屬層。軸承金屬層的鋁合金包含10. 5-14重量％的錫、2-3. 5重量％ 的硅、0? 4-0. 6重量％的銅、0? 15-0. 25重量％的鉻、0? 01-0. 08重量％的鍶和0? 05-0. 25重 量％的鈦。硅以顆粒形式以這樣的輪廓分布存在于軸承金屬層中，使得以軸承金屬層的面 積計，所述面積中的直徑為4ym至8ym的可見硅顆粒的面積比例為至少2. 5%。在此關于 高的耐磨性改進了化學組成和硬質粒子。
[0004] 對于在啟停應用中占主導的混合摩擦條件來說，耐磨性一直是重要因素，因此始 終存在優化需要。此外，發明人還具有同時升高軸承材料的疲勞強度的目的。
[0005] 根據本發明通過具有權利要求1的特征的滑動軸承復合材料實現該目的。
[0006] 在上述類型的滑動軸承復合材料中，本發明設計為軸承金屬層的鋁合金包含 6. 0-10. 0重量％的錫，2. 0-4. 0重量％的硅，0. 7-1. 2重量％的銅，0. 15-0. 25重量％的鉻， 0. 02-0. 20重量％的鈦，0. 1-0. 3重量％的釩，和任選小于0. 5重量％的其它元素，余量為 錯。
[0007] 在本文的范圍內，"除了雜質之外不含鉛"被理解為任選由于各個合金元素的雜質 而存在的鉛比例在任何情況下可以小于〇. 1重量％。
[0008] 本發明人發現，特別是在使用延展性中間層時，相比于現有技術中常見的情況，通 過特定選擇錫含量結合適應的微合金元素可以明確地在升高的疲勞強度的方向上設計軸 承金屬層。因此軸承不僅適用于主軸承領域而且適用于連桿軸承材料，在主軸承領域中在 啟停操作中出現越來越多的混合摩擦條件，在所述混合摩擦條件下不提供軸承的（水力） 機油潤滑。
[0009] 無論滑動軸承復合材料的制備時的合適的溫度控制和合適的成形程度，加入Ti 改進了鑄造方法中的基質材料的晶粒細化。通過精確維持0. 02 - 0. 2重量％，優選0. 04 -0. 1重量％的Ti-含量，可以在鑒于Si-粒徑分布所致力的鑄造方法的低冷卻速度下調整A1-基質材料的足夠細化的粒徑，其保證基質材料的高強度和良好的延伸性能。另一方面， 基質材料的粒徑分布不僅對Si-顆粒的分布產生影響（因為Si溶于A1-基質），還對軟質 相（即沿著晶界的未溶Sn)的儲存產生影響。因此Ti-含量需要與Si和Sn的含量盡可能 精確地協調。
[0010] 根據本發明Sn的含量在6.0重量％至10. 0重量％，優選8.0重量％至10. 0重 量％的范圍內。正是在該范圍內，軸承金屬層的合金體系具有出色的滑動性能并且由于 作為軟質相的相當低的錫含量而具有針對更高負載的必要強度，使得能夠用于混合摩擦條 件。
[0011] 根據本發明，通過4重量％，優選3重量％的上限設定低Si-含量，從而提供鑒于 乳制步驟的高成形程度所需的軸承金屬層的延展性。另一方面，Si-顆粒的2.0重量％的 最小含量是必要的，用以能夠調整軸承金屬材料的足夠的耐磨性。通過提供Si或Si-顆粒 及其受熱處理控制的尺寸，可以明顯降低咬粘趨勢，這在混合摩擦條件下是再次有利的。在 此，不同于純A1中間層的情況，Si-含量對于擴散過程和脆相形成不是關鍵的。
[0012] Cr-含量必須與Cu-含量結合考慮。鑒于材料的高溫強度，這兩種元素在鋁基質中 被證明是特別重要的。在高負荷應用中始終需要它們。0. 15至0. 25重量％的Cr-含量同 時合金化0. 7至1. 2重量％含量的Cu被證明是有利的，從而在基質中形成足夠的升高強度 的沉淀物。另一方面不應超過0. 25重量％的Cr含量和1. 2重量％的Cu含量，從而不再負 面影響可成形性。最后，Cr和Cu的組合也產生如下積極作用，所使用的Cu的1. 2重量％ 的上限降低成本并且提高材料的循環利用能力。
[0013] 最后，軸承金屬層的鋁合金具有0.1至0.3重量％的釩。釩抑制基質材料的再結 晶，因為其升高基質材料的再結晶溫度。因此釩用于提高高溫強度，其連同Ti允許無問題 地調節適應軟質相和Si的粒徑。
[0014] 優選地，軸承金屬層的鋁合金具有大于9010^的0.2%屈服極限1^。. 2和大于 145MPa的抗拉強度匕，其中材料參數在室溫下在根據DINENISO6892-1的拉伸試驗中確 定。
[0015] 出人意料地證明，釩的加入首先協同6至10重量％的相對低的錫含量造成顯著的 強度升高，特別是0. 2%屈服極限Rp，a2的大于60%的升高和抗拉強度L的大于15%的升 高。令人驚訝的是，在0.2%的低的釩含量和錫含量從12%至8重量％的略微減少（從通 過DE10 201 1003 797B3已知的材料出發）的情況下，即在小的活動空間內已經發生該 明顯變化。
[0016] 優選地，軸承金屬層的鋁合金具有至少一種選自0.01 -0.08重量％的鍶、0.1-0. 2%的鋯和0. 1 - 0. 2的鈧的金屬。
[0017] 對于耐磨性，除了Si-含量之外軸承金屬層中的Si的粒徑分布也是決定性的，Si 的粒徑分布又受化學組成的影響。本發明人發現，在上述Si-含量下，有目的地加入0. 03 至0. 08重量％范圍內的少量Sr有利于粒徑分布的可調整性。鑒于磨損最小化，Sr與鑄造 方法之后的〈75K/秒，優選〈50K/秒的低冷卻速度共同保證優化的粒徑分布。Sr同時影響 Si-顆粒的形式，由于Sr-含量，Si-顆粒在鑄造之后在中部具有相比于未加入Sr所觀察到 的細化和變圓的外觀。通過這種方式，鑒于后續工作步驟熱處理和乳制，基質材料的可成形 性基本上不因加入Si而劣化。Sr-含量與Si-含量精確協調。
[0018] 優選地，以最終尺寸乳制的滑動軸承元件的中間層具有25ym至70ym，優選 25ym至50ym的厚度d2〇
[0019] 中間層優選具有40HV0? 01至90HV0? 01的顯微硬度。
[0020] 維氏硬度測試根據歐洲標準EN6507-1在完成的（未成形的）滑動軸承元件上進 行。測試探針（壓頭）在此在中間層的平面方向上在滑動軸承元件的準備的切割邊緣的范 圍內壓入。優選通過研磨準備切割邊緣。
[0021] 優選地，軸承金屬層中的硅以顆粒形式分布存在于軸承金屬層中，使得在0. 04mm2 的面積上存在30-70個>5ym的顆粒。所述粒徑分布被證明是特別有利的，因為>5ym的 Si-硬質粒子足夠大，從而作為硬質載晶保證材料的耐磨性。
[0022] 為了確定粒徑分布，在優選500倍放大的顯微鏡下觀察一定尺寸的軸承金屬層的 表面截面。在此，可以在任何平面中觀察軸承金屬層，因為假設層中的Si-顆粒基本均勻分 布或者至少假設有意或無意不均勻（即例如在一個方向上逐漸增加或減少）的分布在任何 情況下都不離開所要求的界限。為此，優選制造這樣輪廓的軸承金屬層，使得首先制得平面 磨片。測量表面截面中的可見Si-顆粒的輪廓，確定其最長可見維數并且等同于直徑。然 后使表面截面中直徑>5ym的所有Si-顆粒相加，其在所研究的整個測量面積中的數目以 標準面積計。也可以確定落入所述等級（>5iim)的所有Si-顆粒的直徑并且相加并且由此 計算平均值。
[0023] 特別優選地，>5ym的所有測量的Si-顆粒的平均Si-粒徑為6-8ym。6至8ym 的直徑保證了顆粒不會過大以至于造成基質的強度特別是在動態應力下降低。
[0024] 如上所述，硅顆粒的尺寸分布優選在鑄造方法之后通過小于75K/s，特別優選小于 50K/s的冷卻速度進行調節。
[0025] 此外出人意料地被證明有利的是，軸承金屬層中的錫以顆粒的形式或基質中的夾 雜物的形式分布存在，使得在1. 42mm2的測量面積上存在不大于50個面積大于100ym2的 顆粒。
[0026] 在此如上所述進行用于測量錫分布的軸承金屬層的準備。借助于EDX-分析識別 在平面截面中用電子掃描顯微鏡可見的Sn-顆粒，其中根據屬于錫的灰度值范圍在平面截 面中進行尋找。然后確定單個錫顆粒的面積比例。為此計數電子掃描顯微鏡照片的落入屬 于錫的灰度值范圍的連續的像點。在平面截面的已知尺寸和照片的已知分辨率的情況下， 使用電子掃描顯微鏡也已知單個像點的尺寸。通過連續的像點的數目和像點尺寸可以確定 錫顆粒的面積。最后將在平面截面上確定的錫顆粒劃分成例如〈100ym2和>100ym2的尺 寸等級或其他層次的尺寸等級。
[0027] 在根據本發明的情況下，如果所研究的平面截面不與測量面積相符，那么使平面 截面中的面積>100ym2的所有Sn-顆粒相加并且在1. 42mm2的標準測量面積上對其數目進 行標準化。
[0028] 優選地，特別是在內燃機的特別高受力的軸承應用中，在軸承金屬層上設置聚合 物基覆蓋層。
[0029] 特別是在高負荷下，聚合物層造成整個軸承寬度上的均勻的負荷分布。通過聚合 物層的彈性和塑性適應能力，可以由此進一步升高整個軸承的操作安全性。
[0030]圖1顯示了根據本發明的滑動軸承復合材料的第一個實施例的基本層構造；
[0031]圖2顯示了根據本發明的滑動軸承復合材料的第二個實施例的基本層構造；