具有铝轴承金属层的滑动轴承复合材料的制作方法
【专利说明】具有铝轴承金属层的滑动轴承复合材料
[0001] 本发明涉及滑动轴承复合材料，所述滑动轴承复合材料具有钢制基材层，设置在 基材层上的铝制，优选除了杂质之外不含铅的铝合金制中间层，和设置在中间层上的除了 杂质之外不含铅的铝合金制轴承金属层。
[0002] 这种滑动轴承复合材料被开发特别用于机动车辆的内燃机中所使用的轴承外壳 或轴承套或止推片。其为多篇文献的主题。例如文献EP1 334 285A1、DE10 2011 003 797B3、DE102 46 848B4或EP2 105 518A2研究了轴承金属组合物的改进。通过最后 一篇文献已知的铝轴承合金包含1. 5至8重量％的Si，3至40重量％的Sn，总量为0. 1至 6重量％的一种或多种选自Cu、Zn和Mg的元素，总量为0. 01至3重量％的任选一种或多 种选自Mn、V、Mo、Cr、Ni、Co和B的元素和另外的铝。该文献中的研究难点在于完成的铝轴 承合金产物中包含的Si-颗粒的粒径分布，所述Si-颗粒应以一定且极宽的分布形式包含 一定含量的粒径小于4ym的较小Si-颗粒以及粒径为4至20ym的较大Si-颗粒。通过 给定的分布可以减少材料与滑动偶件粘住的趋势（咬粘趋势）并且改进颗粒在材料中的结 合。为了达到所需的粒径分布，根据该文献的教导采取的顺序为在350°C至450°C的温度下 在8至24小时的时间内的退火步骤和随后的乳制步骤。
[0003] 通过DE10 2011 003 797B3已知滑动轴承复合材料，所述滑动轴承复合材料具 有钢制基材层，设置在所述基材层上的中间层和设置在所述中间层上的除了杂质之外不含 铅的铝合金制轴承金属层。轴承金属层的铝合金包含10. 5-14重量％的锡、2-3. 5重量％ 的硅、0? 4-0. 6重量％的铜、0? 15-0. 25重量％的铬、0? 01-0. 08重量％的锶和0? 05-0. 25重 量％的钛。硅以颗粒形式以这样的轮廓分布存在于轴承金属层中，使得以轴承金属层的面 积计，所述面积中的直径为4ym至8ym的可见硅颗粒的面积比例为至少2. 5%。在此关于 高的耐磨性改进了化学组成和硬质粒子。
[0004] 对于在启停应用中占主导的混合摩擦条件来说，耐磨性一直是重要因素，因此始 终存在优化需要。此外，发明人还具有同时升高轴承材料的疲劳强度的目的。
[0005] 根据本发明通过具有权利要求1的特征的滑动轴承复合材料实现该目的。
[0006] 在上述类型的滑动轴承复合材料中，本发明设计为轴承金属层的铝合金包含 6. 0-10. 0重量％的锡，2. 0-4. 0重量％的硅，0. 7-1. 2重量％的铜，0. 15-0. 25重量％的铬， 0. 02-0. 20重量％的钛，0. 1-0. 3重量％的钒，和任选小于0. 5重量％的其它元素，余量为 错。
[0007] 在本文的范围内，"除了杂质之外不含铅"被理解为任选由于各个合金元素的杂质 而存在的铅比例在任何情况下可以小于〇. 1重量％。
[0008] 本发明人发现，特别是在使用延展性中间层时，相比于现有技术中常见的情况，通 过特定选择锡含量结合适应的微合金元素可以明确地在升高的疲劳强度的方向上设计轴 承金属层。因此轴承不仅适用于主轴承领域而且适用于连杆轴承材料，在主轴承领域中在 启停操作中出现越来越多的混合摩擦条件，在所述混合摩擦条件下不提供轴承的（水力） 机油润滑。
[0009] 无论滑动轴承复合材料的制备时的合适的温度控制和合适的成形程度，加入Ti 改进了铸造方法中的基质材料的晶粒细化。通过精确维持0. 02 - 0. 2重量％，优选0. 04 -0. 1重量％的Ti-含量，可以在鉴于Si-粒径分布所致力的铸造方法的低冷却速度下调整A1-基质材料的足够细化的粒径，其保证基质材料的高强度和良好的延伸性能。另一方面， 基质材料的粒径分布不仅对Si-颗粒的分布产生影响（因为Si溶于A1-基质），还对软质 相（即沿着晶界的未溶Sn)的储存产生影响。因此Ti-含量需要与Si和Sn的含量尽可能 精确地协调。
[0010] 根据本发明Sn的含量在6.0重量％至10. 0重量％，优选8.0重量％至10. 0重 量％的范围内。正是在该范围内，轴承金属层的合金体系具有出色的滑动性能并且由于 作为软质相的相当低的锡含量而具有针对更高负载的必要强度，使得能够用于混合摩擦条 件。
[0011] 根据本发明，通过4重量％，优选3重量％的上限设定低Si-含量，从而提供鉴于 乳制步骤的高成形程度所需的轴承金属层的延展性。另一方面，Si-颗粒的2.0重量％的 最小含量是必要的，用以能够调整轴承金属材料的足够的耐磨性。通过提供Si或Si-颗粒 及其受热处理控制的尺寸，可以明显降低咬粘趋势，这在混合摩擦条件下是再次有利的。在 此，不同于纯A1中间层的情况，Si-含量对于扩散过程和脆相形成不是关键的。
[0012] Cr-含量必须与Cu-含量结合考虑。鉴于材料的高温强度，这两种元素在铝基质中 被证明是特别重要的。在高负荷应用中始终需要它们。0. 15至0. 25重量％的Cr-含量同 时合金化0. 7至1. 2重量％含量的Cu被证明是有利的，从而在基质中形成足够的升高强度 的沉淀物。另一方面不应超过0. 25重量％的Cr含量和1. 2重量％的Cu含量，从而不再负 面影响可成形性。最后，Cr和Cu的组合也产生如下积极作用，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环利用能力。
[0013] 最后，轴承金属层的铝合金具有0.1至0.3重量％的钒。钒抑制基质材料的再结 晶，因为其升高基质材料的再结晶温度。因此钒用于提高高温强度，其连同Ti允许无问题 地调节适应软质相和Si的粒径。
[0014] 优选地，轴承金属层的铝合金具有大于9010^的0.2%屈服极限1^。. 2和大于 145MPa的抗拉强度匕，其中材料参数在室温下在根据DINENISO6892-1的拉伸试验中确 定。
[0015] 出人意料地证明，钒的加入首先协同6至10重量％的相对低的锡含量造成显著的 强度升高，特别是0. 2%屈服极限Rp，a2的大于60%的升高和抗拉强度L的大于15%的升 高。令人惊讶的是，在0.2%的低的钒含量和锡含量从12%至8重量％的略微减少（从通 过DE10 201 1003 797B3已知的材料出发）的情况下，即在小的活动空间内已经发生该 明显变化。
[0016] 优选地，轴承金属层的铝合金具有至少一种选自0.01 -0.08重量％的锶、0.1-0. 2%的锆和0. 1 - 0. 2的钪的金属。
[0017] 对于耐磨性，除了Si-含量之外轴承金属层中的Si的粒径分布也是决定性的，Si 的粒径分布又受化学组成的影响。本发明人发现，在上述Si-含量下，有目的地加入0. 03 至0. 08重量％范围内的少量Sr有利于粒径分布的可调整性。鉴于磨损最小化，Sr与铸造 方法之后的〈75K/秒，优选〈50K/秒的低冷却速度共同保证优化的粒径分布。Sr同时影响 Si-颗粒的形式，由于Sr-含量，Si-颗粒在铸造之后在中部具有相比于未加入Sr所观察到 的细化和变圆的外观。通过这种方式，鉴于后续工作步骤热处理和乳制，基质材料的可成形 性基本上不因加入Si而劣化。Sr-含量与Si-含量精确协调。
[0018] 优选地，以最终尺寸乳制的滑动轴承元件的中间层具有25ym至70ym，优选 25ym至50ym的厚度d2〇
[0019] 中间层优选具有40HV0? 01至90HV0? 01的显微硬度。
[0020] 维氏硬度测试根据欧洲标准EN6507-1在完成的（未成形的）滑动轴承元件上进 行。测试探针（压头）在此在中间层的平面方向上在滑动轴承元件的准备的切割边缘的范 围内压入。优选通过研磨准备切割边缘。
[0021] 优选地，轴承金属层中的硅以颗粒形式分布存在于轴承金属层中，使得在0. 04mm2 的面积上存在30-70个>5ym的颗粒。所述粒径分布被证明是特别有利的，因为>5ym的 Si-硬质粒子足够大，从而作为硬质载晶保证材料的耐磨性。
[0022] 为了确定粒径分布，在优选500倍放大的显微镜下观察一定尺寸的轴承金属层的 表面截面。在此，可以在任何平面中观察轴承金属层，因为假设层中的Si-颗粒基本均匀分 布或者至少假设有意或无意不均匀（即例如在一个方向上逐渐增加或减少）的分布在任何 情况下都不离开所要求的界限。为此，优选制造这样轮廓的轴承金属层，使得首先制得平面 磨片。测量表面截面中的可见Si-颗粒的轮廓，确定其最长可见维数并且等同于直径。然 后使表面截面中直径>5ym的所有Si-颗粒相加，其在所研究的整个测量面积中的数目以 标准面积计。也可以确定落入所述等级（>5iim)的所有Si-颗粒的直径并且相加并且由此 计算平均值。
[0023] 特别优选地，>5ym的所有测量的Si-颗粒的平均Si-粒径为6-8ym。6至8ym 的直径保证了颗粒不会过大以至于造成基质的强度特别是在动态应力下降低。
[0024] 如上所述，硅颗粒的尺寸分布优选在铸造方法之后通过小于75K/s，特别优选小于 50K/s的冷却速度进行调节。
[0025] 此外出人意料地被证明有利的是，轴承金属层中的锡以颗粒的形式或基质中的夹 杂物的形式分布存在，使得在1. 42mm2的测量面积上存在不大于50个面积大于100ym2的 颗粒。
[0026] 在此如上所述进行用于测量锡分布的轴承金属层的准备。借助于EDX-分析识别 在平面截面中用电子扫描显微镜可见的Sn-颗粒，其中根据属于锡的灰度值范围在平面截 面中进行寻找。然后确定单个锡颗粒的面积比例。为此计数电子扫描显微镜照片的落入属 于锡的灰度值范围的连续的像点。在平面截面的已知尺寸和照片的已知分辨率的情况下， 使用电子扫描显微镜也已知单个像点的尺寸。通过连续的像点的数目和像点尺寸可以确定 锡颗粒的面积。最后将在平面截面上确定的锡颗粒划分成例如〈100ym2和>100ym2的尺 寸等级或其他层次的尺寸等级。
[0027] 在根据本发明的情况下，如果所研究的平面截面不与测量面积相符，那么使平面 截面中的面积>100ym2的所有Sn-颗粒相加并且在1. 42mm2的标准测量面积上对其数目进 行标准化。
[0028] 优选地，特别是在内燃机的特别高受力的轴承应用中，在轴承金属层上设置聚合 物基覆盖层。
[0029] 特别是在高负荷下，聚合物层造成整个轴承宽度上的均匀的负荷分布。通过聚合 物层的弹性和塑性适应能力，可以由此进一步升高整个轴承的操作安全性。
[0030]图1显示了根据本发明的滑动轴承复合材料的第一个实施例的基本层构造；
[0031]图2显示了根据本发明的滑动轴承复合材料的第二个实施例的基本层构造；