滑动轴承和方法与流程

本发明涉及滑动轴承及滑动轴承的制造方法。

背景技术：

滑动轴承用于许多应用中，例如用于内燃机中的曲轴轴颈轴承。滑动轴承通常为两个半柱形轴承壳的形式，通常具有分层结构。分层结构经常包括；由诸如钢的强背衬材料制成的背衬，其厚度在约1mm或更大的区域；粘附到背衬上的第一轴承材料的衬套，厚度通常在约0.1至0.5mm的范围内；以及由该衬套支撑并且具有小于约40μm的厚度的覆盖层(或滑动层或运行层)。覆盖层的表面通过配合的轴颈表面形成运行或滑动表面。

背衬在例如安装在主轴承壳体或连杆大端中时提供轴承壳的强度和抗变形性。

轴承衬套的目的是提供合适的轴承运行性能，以防止由于任何原因覆盖层被磨损，并防止轴颈表面与强背衬材料接触。衬套通常可以是铝基合金或铜合金。铜合金(例如青铜或黄铜)通常用于更高负载的轴承中以为覆盖层提供额外的支撑。

覆盖层通常由诸如铅或铅锡合金的相对软的金属层形成。使用相对软的覆盖层以提供一致性(轴承能够适应轴承表面和轴颈之间的小的不对准性的能力)和嵌入性(通过使这样的碎屑嵌入轴承表面中来防止在润滑油中循环的碎屑或污垢颗粒划伤或破坏轴颈表面的能力)。

许多传统的覆盖层材料是基于铅的合金。铅是一种有毒金属，其在内燃机中的应用是不可取的，其使用受到世界各地政府立法的阻碍。

可提供无铅覆盖层材料，通常基于锡或铋合金。然而，当锡或铋用于覆盖层并沉积在包含铜合金的轴承衬套时，产生的问题是，在发动机工作条件的升高温度下，锡或铋不利地趋向于扩散出覆盖层而进入衬套合金，和/或与衬套中的铜形成金属间化合物。

这个问题通常是通过这样来解决的：用镍中间层涂覆衬套表面高达约3μm厚度，然后在中间层上形成覆盖层。

有时被称为阻挡层或镍坝的镍中间层，其在覆盖层和衬套之间提供扩散阻挡层。然而，使用镍中间层会导致新的问题。

如上所述，在具有铅覆盖层的常规轴承中，如果覆盖层由于任何原因而被磨损，衬套的重要功能是提供合适的轴承运行性能。但是，如果在镍中间层上形成覆盖层，在使用期间覆盖层被穿透以暴露镍，则镍不能提供合适的轴承运行特性。

在实践中，在包括铅覆盖层和铜衬套的轴承中，如果轴承的一部分中的覆盖层被穿透以暴露衬套，则轴承可以继续操作，即使轴承性能降低。例如，轴承摩擦力可能升高，但轴承可能不会卡住，从而允许有时间更换轴承。(覆盖层的穿透和下面层的暴露有时称为磨损事件。)

相比之下，在包含无铅覆盖层、镍中间层和铜衬套的轴承中，如果覆盖层穿透并且镍暴露，则轴承更易于快速卡住。卡住例如引起对内燃机造成严重破坏。

这是高负载轴承应用中的一个特殊问题，其中指定和使用滑动轴承的设计人员和工程师更倾向于使用带铅基的覆盖层的轴承，尽管铅污染问题，对可替代的无铅轴承有长期需求。

技术实现要素：

本发明的目的是解决这个问题。

本发明提供了一种滑动轴承和用于制造滑动轴承的方法，如现在参考的所附独立权利要求中限定的。本发明的优选或有利的特征在从属权利要求中列出。

因此，在一个优选的方面，本发明可以提供一种滑动轴承，其包含轴承基底、轴承覆盖层和在轴承基底和轴承覆盖层之间的中间层，所述中间层包括六方氮化硼(h-bn)。h-bn优选为颗粒形式，例如嵌入或并入中间层。颗粒的直径小于中间层的厚度，因此它们嵌入在中间层材料的厚度内(尽管颗粒的一部分可在中间层的表面)。中间层优选包含镍，例如电沉积的镍，其结合有h-bn颗粒。

中间层的厚度优选为2μm或3μm或4μm，和/或小于8μm或7μm或6μm的厚度。优选地，中间层厚度为约5μm。h-bn颗粒优选直径小于6μm或5μm或3μm或2μm或1μm，和/或大于0.1μm或0.2μm。

覆盖层优选是无铅覆盖层。合适的覆盖材料可以包括锡、锡合金、铋和铋合金。合适的锡合金可以是锡-铜合金、锡-锌合金和锡-镍合金。覆盖层可以以已知的方式并入硬颗粒以减少磨损，特别是如果使用柔软的覆盖层材料。合适的硬颗粒可包括碳化物、氮化物和氧化物。用于硬颗粒的特别合适的材料是碳化硼。硬颗粒可以例如在0.5至5重量百分比之间。

覆盖层厚度可以大于6μm或8μm或10μm，和/或小于25μm或20μm或15μm。

发明人已经进行了将本发明的轴承与含有常规镍中间层的轴承进行比较的试验。测试表明，如果覆盖层穿透，则实施本发明的滑动轴承的卡咬负荷明显高于包含纯镍中间层的现有技术轴承的卡咬负荷。或者，在恒定负荷下，与具有纯镍中间层的常规轴承相比，实施本发明的轴承的寿命大大增加。这些测试结果表明，实施本发明的轴承可以有利地使无铅覆盖层材料在覆盖层失效或磨损的情况下显着更宽容，例如从而在卡咬引起更大损害之前给予机会来替换无铅滑动轴承。为了减少铅污染，这种无铅覆盖层材料的使用是非常期望的。

换句话说，实施本发明的滑动轴承可以比从具有纯镍中间层的常规轴承更能够从磨损事件中恢复。

本发明的另一方面可以有利地提供用于形成包含h-bn的轴承中间层的方法，所述方法包括从包含h-bn颗粒的电解质电解沉积所述中间层。

有利的是，可以使用具有镍盐、如niso4或nicl2(瓦特镍浴)的常规电解质。为了实现本发明的这个方面，h-bn颗粒可以与电解质混合，例如以悬浮液或分散体的形式混合。

出现的问题在于，为了优化轴承性能，需要非常小的颗粒尺寸以结合到轴承中间层中。然而，本发明人已经发现，如果将宽范围分布的h-bn颗粒分散在电解质中，则通过控制电沉积工艺，仅将来自电解质的小的h-bn颗粒并入到中间层中。因此，即使h-bn颗粒源包含不期望的大颗粒尺寸，也可以形成实施本发明的高性能中间层。

附图说明

现在将参考附图通过示例来描述本发明的实施例，其中：

图1是实施本发明的滑动轴承的一部分的横截面；

图2是实施本发明的轴承的冶金显微切片；

图3是在实施本发明的轴承的试验期间的轴承温度和施加的负荷与时间的曲线图；和

图4是在三种类型的轴承的测试期间轴承温度对时间的曲线图，轴向负载线性增加。

具体实施方式

图1是实施本发明的轴承在垂直于轴承的行进表面2的截面的示意性剖视图。运行表面由轴承覆盖层4形成，轴承覆盖层4通过中间层8与轴承基底6分离。该基底包括结合到轴承背衬套12的轴承衬套10。

背衬可以是由钢制成的半柱形轴承壳的形式。衬套是青铜，符合背衬的形状。中间层是含有h-bn颗粒的镍，它们通过如下所述的电沉积形成在中间层上。覆盖层为锡，可选地含有0.5至5重量百分比的硬颗粒。

图2是本发明实施例的由本发明人制造的用于测试的冶金部分。在本实施例中，锡覆盖层4和中间层8均为10μm左右。中间层粘合到青铜衬套10。轴承背衬不出现在该冶金部分中。

在优选的实施方案中，中间层厚度为3至7μm，优选为约5μm。因此，图2所示的中间层比优选的情况下稍厚，但是可以如下进一步描述的那样控制中间层的厚度。

在本发明的实施方案中，所述中间层包含具有h-bn颗粒的镍。中间层可以通过从适当的电解质的电沉积形成。在一个实施方案中，电解质包括：

500g/l的niso4*7h2o；

50g/l的硼酸；

1g/l的糖精；

5-30g/l的h-bn；

分散剂；和

表面活性剂。

电解质的ph值在2至3之间，温度在60℃和70℃之间。电解沉积以1-10a/dm²的电流密度进行。

将h-bn以下列颗粒尺寸范围的粉末分散体加入到电解质中：

直径10％：0.36μm

直径50％：1.65μm

直径90％：7.50μm

换句话说，10％的粒子直径为0.36μm以下，50％为直径1.65μm以下，90％为直径7.50μm以下。

控制电解沉积的持续时间和电流密度以在青铜衬套上达到预定的中间层厚度。

作为替代方案，可以在瓦特镍浴中使用nicl2电解质，具有加入到与电解质中的相同的h-bn粉末或颗粒，如上述niso4电解质中那样。

在图2的显微切片中，可以看出镍中间层内的h-bn颗粒的存在。该层中的h-bn颗粒的尺寸通常为1μm以下。本发明人已经发现，通过使用上述电沉积条件控制电解沉积工艺，相比较大的h-bn颗粒，较小的h-bn颗粒可以并入中间层。较大的颗粒保留在电解质中。这提高了中间层和轴承的性能。

为了优化轴承的性能，本发明人进行了实施本发明的不同轴承的试验。这些实验使用试验台进行，其中控制负载施加到联接到旋转轴的滑动轴承。负载垂直于该轴的旋转轴线施加，并且轴承联接到该轴的偏心部分以产生动态负载。油以常规方式提供给滑动轴承，但是偏心旋转轴颈形成有几何缺陷(轴向凹槽)，以连续地破坏弹性流体动力学油膜，从而导致轴承和轴之间的接触，导致轴承过载。

在试验中使用直径为53mm、宽度为19mm、轴承间隙53μm的轴承，由两个半柱形轴承壳形成。两个热电偶位于轴承两侧的加载半部，监测轴承温度以记录磨损和咬合事件。

图3示出了实施本发明的轴承的典型测试。图3是曲线图，示出了在轴承试验期间测量的轴承温度、施加到轴承的负荷和由驱动该轴的电动机引起的电流的迹线。所有这些参数都按时间绘制。

随着测试的进行，垂直于偏心轴轴线的轴承施加目标负荷或施加的负荷。负载随着时间的推移线性增加，直到轴承出现故障，给出了允许比较不同轴承的轴承性能测量。

轴承温度监控轴承的退化。如图3所示，在大约2分30秒后，当覆盖层的一部分穿透时，轴承温度升高(标记为图3中的“第一事件”)，因为磨损事件发生。然而，重要的是，在磨损事件之后温度下降，使得即使中间层的一部分可能被暴露，轴承也可以继续操作。随着施加的负荷继续增加，在约3分36秒后，轴承会卡咬(图3中标有“卡咬开始”)。

在轴承的实际应用中，初始磨损事件和轴承咬合之间的延迟可以有利地允许在造成显著损坏之前进行修理。

本发明人已经进行了测试来评估实施本发明的轴承的性能优点。这些测试使用与上述参考图3所述相同的测试程序，随着时间的推移，轴承负载随轴承故障而增加。首先，测试了在青铜衬套上包含常规镍中间层的六个轴承作为参考。然后测试根据本发明的第一实施例的六个轴承。这些被称为“变型a”，包含从上述含有10g/l的h-bn的niso4电解质电沉积(在青铜衬套上)而成的镍中间层。变型a的平均咬合负荷比参考轴承高约50％。按照与变型a相同的方式制备根据第二实施方案的称为“变型b”的六个轴承，但是变型b中的中间层由含有20g/l的h-bn的电解质沉积而成。变型b的平均咬合负荷比参考轴承高约90％。

在这些测试中的每个轴承中，镍基层的厚度与下面的轴承基底相同。

图4是轴承温度对轴承试验时间的曲线图。该图显示了三个轨迹。实线显示六个参考轴承的平均测量温度。虚线显示六种变型a轴承的平均测量温度。点划线显示六种变型b轴承的平均测量温度。所施加的轴承负载随时间线性增加，如图4中图形的横轴所示。

如图4所示，在约160℃的温度下，参考轴承在约22秒之后失效，对应于约13mpa的施加负荷。相反，变型a轴承在大约50秒之后失效，对应于大于20mpa的施加负荷，直到195℃之前无轴承故障的存活。在约190℃的温度下，变型b轴承在超过1分钟后失效，对应于约25mpa的施加负荷。

值得注意的是，变型a和变型b的轴承不仅实现了更高的故障负载，而且以与参考轴承不同的方式发生故障。在参考轴承的六次测试中，测试被结束是因为驱动电机驱动偏心轴产生了过载电流。这意味着由轴承卡咬引起不可接受的高水平的轴承摩擦。

相比之下，在变型a轴承的六个测试和变型b轴承的六个测试中，所有测试被结束是由于轴承温度的过度上升。虽然这表示轴承故障，但也表示轴承摩擦力未达到像参考轴承故障时发生的过高水平。

这可能表明比起变型a和变型b轴承所显示的增加的运行温度，在参考轴承故障时由于微焊接水平增加引起的卡咬是更为有害的故障模式。