专利名称：可锻铝合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种软相和硬颗粒结合的铝基可锻合金，所述软相是一种来自由锡、锑、铟和铋组成的第一元素组的元素，硬颗粒是钪和/或锆和至少一种来自由铜、锰、钴、铬、锌、镁、硅和铁组成的第二元素组的元素以及钪和/或锆或钪、锆与铝或铝与第二元素组元素的金属间化合物相，一个由其制成的轴承部件(bearing element)的基底层，其可布置在该轴承部件的保护壳和工作层(running layer)之间，以及一种带有保护壳、工作层和位于保护壳和工作层之间的基底层的轴承部件。
背景技术：
在发动机制造业许多其他发展趋势并重的今天，可以挑选出两个主要方面。首先，发动机动力变得日益强劲，其次，这些发动机日益变轻。在各种媒体上以有规律的间隔宣传的所谓的“三升汽车”是这种趋势的一个例子。汽车工业所推行的这些规范在供应配件的各种工业上具有冲击(knock-on)作用，例如轴承部件的制造厂商。结果，轴承例如滑动轴承在近几年因此而得到发展。起点最初是单层轴承，为了满足各种需要如承受载荷的能力、润滑性能等等，目前的多层轴承从其上发展而来。该种轴承一般由一个设计用来吸收机械应力的保护壳(通常由钢制成)、在其上施加上一层相应的轴承合金组成。其它的薄涂层也就是已知的“覆盖层”(overlay)通常布置在轴承合金的上面，例如其可由电镀产生。这种其他的非常薄的层通常包含一个很高比例的所谓软相，如铅或锡，其给予该层适应和嵌入来自安装的部件如轴的耐磨材料的能力。由于该覆盖层优良的厚度，该层也能够机械地承受足够程度的应力和用作所谓的工作层。该轴承下层的金属层确保，即使工作层被大量磨损，轴承也能保持可用，为此目的该轴承金属层也包含一适当比例的所谓软相。为了防止软相从工作层迁移到轴承金属层，从而防止脆性的发生，可在工作层和轴承金属层之间设置一个阻挡层例如锡以防止迁移。该扩散阻挡层可由镍制成。
将一个所谓的粘结膜施加在所述保护壳和轴承金属之间也是常规做法，其是为了补偿这两层材料特定的性能，即使当受到大量的应力时也能获得足够的轴承附着力。这种粘结膜例如可由铝制成。
这种类型的轴承可从WO98/17833专利说明中获知。该WO-A专利具体描述了一种用于特别是滑动轴承层的铝合金，其除了熔炼过程中所导致的杂质外没有硅，以及除锡之外，作为主要的合金元素，含有至少一种元素一方面其来自由铅和铋组成的元素组，另一方面其来自由锰和锌组成的元素组。锡的最小重量比例是16％。合金中所有其他元素限制到最大重量百分比11％的总量。参照总锡量，来自除铅和铋之外也包含锑和铟的组的各自元素的比例在各自元素最大溶解度的10％和75％之间。
背景技术：
中，例如WO97/22725A专利说明书建议，为了改善摩擦性能，为了在基质的边界区域产生金属间化合物相例如铝化物，包含作为主要合金元素的锡的用于滑动轴承的铝合金应该含有一种附加的硬物质，其为选自由铁、锰、镍、铬、钴、铜、铂、镁和锑组成的元素组的至少一种元素，在该情况下为了增加几乎是球形或立方形的铝化物，来自由锰、锑、铬、钨、铌、钒、钴、银、钼和锆组成的第二元素组的另一种元素应该作为来自第一元素组的至少一种硬物质一部分的替代物加入。这减小了这些硬颗粒的刻痕(nicking)作用，所以铝合金能够含有较高的软相比例，其也特别地改善了耐磨损性能。
轴承金属能够达到的性能总是表现折中的方案。一方面，期望通过增加如上所述的软材料如锡或铅改善这种轴承金属或轴承金属合金的耐磨损性，但是此仅能通过牺牲耐机械应力的特性来达到。为了改善耐机械应力特性，现有技术中建议在其它材料中将硅加入合金中。这种类型的合金可从DE19730549A1专利说明书中获知。该DE-A1专利描述了一种铝合金，其含有重量百分比10％至25％的锡以及附加的铜、镍和锰，其可分别以重量百分比0.2％至2.0％的数量加入合金中。这种铝合金也包含重量百分比0.2％至2.0％数量的硅，规定铜的重量百分比比例与镍的重量百分比比例的比率，以及锰的重量百分比比例与硅的重量百分比比例的比率应该在0.6和1.5之间。硅增加了硬度和减小了腐蚀磨损的敏感性，防止了粗化的铝-铜-锰相的形成，而是形成了优选的镍-铜-铝化物和锰-硅-铝化物。在250度热处理之后，这些铝化物也精细地分布。
一种含有7％至20％锡的铝-锡合金可从DE4332433A1专利说明书中获知。该轴承合金另外包含最高达4％的硅，以及其它合金元素如锰、镁、钒、镍、铬、锆、铜、锑或钛。因此，硅导致基质变硬的机制据说是由于下面的事实，即其在铝基质之外以硅颗粒的形式结晶，从而增加了轴承合金整体的强度。因为硅颗粒分布遍及整个结构，仅仅表面的软铝基质磨损，这样所述表面微观上变得不平坦。结果，作为凸起颗粒留下的硅颗粒能够承受高负荷，而同时保持没有粘结的特性。凹入部分保持润滑油以便给轴承合金提供一层薄润滑油膜，使其能承受高负荷，以及金属与金属的接触。精细分布的硅颗粒实现的另一功能是，其磨损了所配合轴上细小的不规则地方和毛刺，从而改善了耐腐蚀磨损性能。
已经用过渡金属如钪进行试验，以判断当其加入铝合金时是否会产生较硬的基质。在WO96/10099A专利说明书中对铸造合金建议，钪的含量可在重量百分比0.01％至10％之间。
钪也已经被建议作为一种在可锻合金情况下产生较硬基质的不同的手段(例如见WO96/10099A)，WO00/06787A为轴承金属合金提出了该建议，而WO00/06788A关于粘结层采用了相同的方法。在上述两个文献中描述的合金可包含例如0.15％至1.0％重量百分比的钪、重量百分比3％总量的选自锰、铜或锆元素之一的元素、重量百分比4％总量的选自铬、铁或钴元素之一的元素以及最高达6.5％重量百分比的锡。硬化作用基于钪与铝形成了所谓的A3M相，且这些A3M相的精细分散分布给予了这些合金高的延伸性，其仍然显示不显著的硬化特性。尽管由于热处理的生产过程而减小了凝固作用，但是这些合金具有高的机械强度值。DE3640698A1披露了一种铝基轴承合金，其为了形成软相的目的包含至少一种元素，该元素选自由铅、锡、铟、锑或铋组成的组中，以及作为硬化元素的硅和其它增强元素，该增强元素选自由铜、铬、镁、锰、镍、锌和铁组成的组中，以及选自由钛、硼、锆、钒、镓、钪、钇组成的组的细化元素，和选自原子数57至71的稀土元素。
DE4319867A披露了一种多层滑动轴承，除了钢保护壳和含有聚四氟乙烯的覆盖层之外，其还包含体积比5％至30％的金属填料和体积比5％至40％的聚偏二氟乙烯，并具有一个位于上述保护壳和覆盖层之间的例如锡青铜或锡铅青铜的青铜轴承层。
从EP0005560A中获知一种可比的多层轴承，在其金属支撑层之上，烧结有一个多孔基底层，其包含重量百分比5％至25％的铅、重量百分比5％至15％的锡，其余为铜，聚四氟乙烯沉积在多孔基底层上。
发明内容
本发明的一个目的是建议一种简化结构的多层滑动轴承，且至少其具有与普通的多层滑动轴承相同的耐用和摩擦特性。
独立地每一个情况下，本发明通过上述类型的铝合金实现了该目的，其中所使用的第一元素组的一个元素或多个元素的最大重量百分比总量为4.5％，所使用的第二元素组的一个元素或多个元素的最大重量百分比总量为8.5％，最好为3.5％，钪和锆的最大重量百分比总量为0.8％，其余为铝和在熔炼期间所形成的常见杂质，本发明还通过由该铝合金形成的一个基底层和一个采用由本发明建议的铝合金制成的基底层的轴承部件实现了该目的。本发明所建议的铝合金成分的最终优势是这样的，即所述覆盖层可以直接施加到所述基底层上，其布置在例如由钢制成的所述保护壳上，这意味着可以省略传统上使用的粘结层和镍阻挡层。该成分也消除了用作高性能轴承标准的铅青铜的需要，使得材料和金属的使用在其毒性和重复使用的适应性方面尽可能无害。特别地，能够免于使用铅合金。最终结合的强度和特别是动态强度能够产生比目前用标准的三层轴承和使用常见的钢/AlZn4，5粘结的结果较高的值。摩擦性能也比得上AlSn6CuNi。另一个优点是和重油接触和在用于气体带动的发动机期间的高耐腐蚀性能，其耐空蚀能力也比得上AlZn4，5。不需要附着传递中间层也能产生与钢的粘结。基底层也可用于溅射(sputter)轴承。又一个优点是，这些类型轴承部件的制造成本也可与相同质量的现有标准多层轴承相比。本发明所建议的铝合金由于其塑变性能力而具有所必需的耐磨损性能，使其能适应几何缺陷和变化，也就是，即使由于应力使故障发生在覆盖层上，轴承部件也依然能够继续工作。适当的基体韧性是通过现有技术已知的钪和锆与铝的A3M相获得的。
由于铝合金中软相的比例至少为0.1％重量百分比和来自第二元素组的一种元素或多种元素的比例重量百分比总量至少为0.1％，且钪和锆重量百分比总量至少0.05％的比例，特别是0.1％重量百分比，而锆的比例在重量百分比0.01％和0.5％范围内，特别是在0.05％和0.23％重量百分比范围内，钪的比例在重量百分比0.05％和0.5％范围内，特别是在0.05％至0.25％范围内，进一步改善了这些性能。
在一个轴承部件的有利实施例中，该基底层直接布置在保护壳上，因此简化了结构。
也可能使用一种基于铅、锡、铋、铟或铜的合金用于覆盖层，或覆盖层也可为一个塑料层，该塑料特别是选自由聚酰胺6、聚酰胺66、POM、硅树脂、PEK、PI、TPI、PEEK、PPS、PVDF、PTFE及其混合物组成的组中，使得本发明建议的该铝合金和含有该铝合金的轴承部件适应全范围的不同应用。
如果塑料层含有固体润滑剂如MoS2、石墨或类似物是特别有利的，在这种情况下，将进一步提高该塑料层的轴承特性，使得轴承部件可在没有任何或仅有最小量润滑剂如润滑油或润滑脂的情况下使用。
最后，覆盖层也可以润滑漆(lubricating varnish)的形式提供。
为了提供较清楚的理解，本发明将参照附图所示的例子进行更详细的说明。简化示意图如下
图1示出了一个滑动轴承半壳形式的轴承部件；图2是一个展示本发明建议的各种铝合金的表格；图3是一个各种铝合金拉伸应力-延伸率值的比较曲线图。
具体实施例方式
首先应当指出的是，不同实施例中所描述的相同部件由相同的参考数字和相同部件名称表示，并且整个说明书的描述可以根据相同部件轴承相同参考数字或相同部件名称调整顺序。此外，选择用于说明目的的位置如顶部、底部、侧边等与具体描述的附图有关，在描述其它位置时可以根据新位置的含义进行调整。所示和所述不同实施例的单独特征和组合特征可以以其自己的权利描述成独立发明方案或本发明所建议的方案。
图1示出了本发明所建议的滑动轴承半壳形式的轴承部件1。
应当指出的是，目前本发明并非限制于滑动轴承半壳形式的轴承部件，也可用于用铝合金制成的该形式的其它轴承部件1，如止推环。而且，轴承部件不仅可生产成半壳型而且可以生产成全壳型的。
图1中所示的轴承部件1由保护壳2、本发明建议的基底层3和工作层4组成。保护壳2通常由钢制成，但是当然也可用其它类似材料制成，所述材料能完成相同或类似功能，也就是说提供轴承部件1所需要的机械强度。作为整体，轴承1的机械强度将取决于各种的应用，在此情况下，可以使用铜合金的全部种类，例如黄铜、青铜。保护壳2也给予一定程度的尺寸稳定性。
基底层3由本发明所建议的铝合金制成。其由结合至少一个软相以及硬颗粒的铝基体组成。该至少一种软相是从一个元素组中选择的至少一种元素，该元素组由锡、锑、铟和铋组成。硬颗粒是选自第二元素组的至少一种元素或元素钪和/或锆，该第二元素组由铜、锰、钴、铬和铁组成。这些硬颗粒也可以金属间化合物相的形式提供，其包含后面的元素或来自该第二元素组的元素与铝或包含所说元素的金属间化合物相。
一方面软相给予基底层3形成一个与位于上面的工作层4足够强粘接的能力，另一方面给予轴承1必要的抗擦伤能力，如果故障发生在工作层4上而轴承1正在运行，从而使得基底层3几乎直接与被支撑的部件如轴接触。轴承部件1也能够嵌入当轴承部件1在使用中由于磨损而凸出的任何硬颗粒。硬颗粒给予了该铝合金必要的机械强度。
用于工作层4的适当合金是那些锡、铋、铟或铝基和可选的铅基合金或一种CuPb基且具有高铅含量合金。带有高锡含量的锡合金提供了特别的优点。
可使用的铅基轴承金属包括例如PbSb10Sn6、PbSb15Sn10、PbSb15SnAs、PbSb14Sn9CuAs、PbSn10Cu2、PbSn18Cu2、PbSn10TiO2、PbSn9Cd、PbSn10。
锡基轴承金属例如包括SnSb8Cu4和SnSb12Cu6Pb。
另一方面工作层4也可由一个塑料涂层制成。特别有利的实例是聚酰胺6、聚酰胺66、聚甲醛(POM)、各种硅树脂、聚芳醚酮(PEK)、聚酰亚胺(PI)、TPI、聚芳醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)和它们的各种混合物。
如果只是塑料的滑动性能不够好，那么将固体润滑剂如二硫化钼(MoS2)、石墨或类似物加入各种塑料中是有利的。也可加入大量的各种硅树脂。
为了增加塑料层的机械强度，也可使用其它添加剂，如纤维基、芳族聚酰胺纤维、或硬物质如碳化物、氧化物、氮化物。
该塑料层也可以所谓润滑漆的形式提供。
所述塑料使工作层4获得良好的滑动和防擦伤性能，其也可以干式使用。由于其低的维护要求使它们非常出色。其能够仅用小数量的润滑剂或根本没有润滑剂而工作。为了润滑可随意地使用水，如果本发明建议的轴承部件1例如用于泵，其特别有利。除提供相应的重量减小之外，也已经发现其刻痕敏感性低。
除了这里描述的应用之外，本发明所建议的轴承部件1也可用于其它应用的全部范围，特别地能够用作汽车工业中的滑动轴承或止推环。
为了本发明的目的，本发明建议的铝合金包含选自第一元素组重量百分比总量最大为4.5％的一种元素或多种元素、选自第二元素组重量百分比总量最大为3.5％的一种元素或多种元素、最大重量百分比总量最大为0.8％的钪和锆、其余是铝和熔炼所导致的常见杂质。如果软相的比例，换句话说，选自第一元素组的元素，至少为0.1％重量百分比的话是有利的。类似地，已经发现如果选自第二元素组的元素的比例至少总量为0.1％重量百分比是有利的。如果钪和锆的比例也至少总量为0.1％重量百分比的话，也是有利的。锆的比例可在0.05％和0.5％重量百分比范围内，特别是在0.05％和0.23％重量百分比范围内，钪的比例可在0.05％和0.5％重量百分比范围内，特别是在0.05％和0.25％重量百分比范围内。
所给出的具体范围的所述数字应该理解成是指各自范围的下限和上限，其也包括锆0.23％至0.5％重量百分比和钪0.25％至0.5％重量百分比的各自外围范围。
铜被吸收在铝中成为固溶体，结果导致富铝混合晶，产生可硬化的复合合金，其可变形并易于轧制。由于混合晶的硬化，铜也有增强基体强度的作用，从而Al2Cu和Al3Zr相互独立地形成，最好由Al和Zr形成，这样最终的形核是不均匀的。这些微晶同时开始或多或少地分离。使用铜增加铝合金的疲劳抗性，由于含油物质的腐蚀作用，也改善了铝合金的抗腐蚀性。
为了改善硬度特性，将铁加入铝合金中是有利的。如上所述，如同钪一样，锆也与铝形成所谓的Al3M相，通过金属间化合物硬相使其固化。可以省略硅的加入，结果有利的是，由较高的硅含量导致的刻痕作用可以至少减轻或减小。由于三铝化物的形成，这两个元素也有助于产生更细的晶粒。
锰的加入有助于硬化和改善抗腐蚀性。这也使得再结晶温度上升。其也防止了尖长、易碎的Al3Fe针状物的形成，尤其是如果铁含量低，因为铁被优先形成的AlMn晶体吸收。
加入钴和铬也能够有助于硬化铝合金。
单独元素的作用在原理上从现有技术如上述文献中是已知的。对于铝合金，特别是对于所述数量范围的可锻铝合金，尤其是对布置在保护壳2和工作层4之间的基底层3，和结合所述特性例如防擦伤特性、粘附、防腐蚀特性，使用这些元素有利地提供了省略各种其他层的可能性，这些层在已有的多层轴承中作为标准提供，如防止迁移的阻挡层，这些作用目前为止还没有描述。
在铝合金的另一实施例中，其成分在图2的表2中列出，并测量它们的性能。
应当指出的是，表中所列的合金成分不应当解释为将本发明范围的限制在仅仅给出的所选实例，并且本领域技术人员能够从这里所公开的教导中在指定的范围内制成其它化合物，这些化合物并不排除在本发明的保护范围之外。
在所列的实例中，发现铝合金的机械性能在特殊的频带(bandwidth)内基本上保持常数。频带是指有可能采用适合于特殊目的的特性，例如通过以较大或较小的比例加入一种或多种元素。如在实例9中通过加入较大比例的铜，由于混合晶的硬化，能够获得较高的韧性。
通过改变钪或锆含量，能够优化一般所说的韧性性能和铝合金的特性以符合成本的要求。
关于加入形成软相的元素，因为适应特殊领域应用的混合物能够根据元素的延伸性生产，除所期望的抗擦伤性能外，其一定程度上也具有较高的机械强度，虽然不能与硬颗粒达到相同的程度，也能优化铝合金的特性。
基于一种成分也生产了一种铝合金，该成分包含AlSn1，3Sc0，2Zr0，26Fe0，1，测量了其拉伸应力-延伸率性能和示出了与AlSn25CuMn和AlZn4SiPb的对比。其结果在图3中示出，其中延伸率ε在X轴上示出，标称拉应力σz(N/mm2)在Y轴上示出。测量在根据UN EN1002-1制备的带材上使用DIN 50 120指定的拉伸试样E3×8×30进行。
从图3上明显示出，本发明建议的铝合金(最上面的曲线)与AlZn4SiPb(最下面的曲线)相比具有0.1％的延伸率，比AlSn25CuMn(中间的曲线)显著较高，有效延伸率0.05％。换句话说，为了获得相同的延伸率，本发明所建议的合金必须受到显著较高的力或应力，也就是所述铝合金比其所比较的铝合金具有相应较高的强度。
数值241N/mm2与AlZn4SiPb的数值181N/mm2比较，也发现本发明建议合金的最后断裂强度显著较高，191N/mm2的弹性极限与AlZn4SiPb的85N/mm2弹性极限相比一样。
AlSn25CuMn相应的最后断裂强度数值是174N/mm2，弹性极限是59N/mm2。
简而言之，因此可以说通过使用本发明建议的铝合金能够改善机械性能，同时防止至少相当的防擦伤性能，如轴承部件1特别是滑动轴承所需要的防擦伤性能。
铝合金和由其制成的轴承部件1可以利用现有技术中已知的方法生产。纯元素或较高纯度的元素用作原始材料。铝合金通过轧制、镀层如电镀应用于保护壳。工作层4可以通过所述方法或可选地通过喷射的电镀工艺(galvanic process)等布置在该结合物上。
除轧制之外，塑料层也可通过喷射、浸渍或胶印涂覆。也可使用电镀工艺。
虽然各种辅助中间层对于本发明建议的轴承部件1并不绝对必要，根据需要，它们自然也可设置在单独的功能层之间，如扩散阻挡层、纯铝层、镍绝缘层等。
为了良好状态的缘故，最后应当指出的是，为了提供轴承部件1结构较清楚的理解，该轴承部件和其构成部分在一定程度上没有按比例和/或放大比例尺寸和/或缩小比例尺寸示出。
本发明所达到的各个目的可在说明书中发现。
附图参考数字列表1.轴承部件2.保护壳3.基底层4.工作层
权利要求
1.一种可锻铝合金，该合金具有铝基体，并结合有至少一种软相和硬颗粒，其中所述软相是选自第一元素组的至少一种元素，该第一元素组由锡、锑、铟和铋组成，该硬颗粒是钪和/或锆，和选自第二元素组的至少一种元素，该第二元素组由铜、锰、钴、铬、锌、镁、硅和铁组成，以及钪、锆与铝或铝与选自第二元素组的所述元素的金属间化合物相，其特征在于，第一元素组的一种元素或多种元素的总数量最大为4.5％重量百分比，第二元素组的一种元素或多种元素的总数量最大为8.5％重量百分比，最好为3.5％重量百分比，钪和/或锆的总数量最大为0.8％重量百分比，其余为铝，其带有熔炼时所含有的常见杂质。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，软相的比例至少为0.1％重量百分比。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，第二元素组的一种或多种元素的比例至少总量为0.1％重量百分比。
4.根据任一前述权利要求所述的铝合金，其特征在于，钪和/或锆的比例至少总量为0.05％重量百分比，特别地至少为0.1％重量百分比。
5.根据任一前述权利要求所述的铝合金，其特征在于，锆的比例在0.01％和0.5％重量百分比范围内，特别地在0.05％和0.23％重量百分比范围内。
6.根据任一前述权利要求所述的铝合金，其特征在于，钪的比例在0.05％和0.5％重量百分比范围内，特别地在0.05％和0.25％重量百分比范围内。
7.用于轴承部件由铝合金制成的基底层，其可布置在该轴承部件的保护壳和工作层之间，其特征在于，所述铝合金是如权利要求1至6之一所述的铝合金。
8.轴承部件，特别是滑动轴承或止推环，其带有一个保护壳、一个工作层和一个布置在上述保护壳和工作层之间的基底层，其特征在于，所述基底层由权利要求1至6之一所述的铝合金制成。
9.根据权利要求8所述的轴承部件，其特征在于，所述基底层直接布置在所述保护壳上。
10.根据权利要求8或9所述的轴承部件，其特征在于，所述工作层由铅、锡、铋、铟或铜基合金制成。
11.根据权利要求8或9所述的轴承部件，其特征在于，所述工作层是一个塑料层。
12.根据权利要求11所述的轴承部件，其特征在于，所述塑料层选自由聚酰胺6、聚酰胺66、POM、硅树脂、PEK、PI、TPI、PEEK、PPS、PVDF以及它们的混合物组成的组。
13.根据权利要求11或12所述的轴承部件，其特征在于，所述塑料层包含一种固体润滑剂，如MoS2、石墨。
14.根据权利要求8或9所述的轴承部件，其特征在于，所述工作层是一种润滑漆。
全文摘要
本发明涉及一种铝基可锻铝合金，其包括至少一种软相和硬颗粒，其中所述软相是选自第一元素组的至少一种元素，该第一元素组由锡、锑、铟和铋组成，硬颗粒是钪和/或锆，和选自第二元素组的至少一种元素，该第二元素组由铜、锰、钴、铬、锌、镁、硅和铁组成，和钪、锆与铝或铝与选自第二元素组的元素的金属间化合物相。第一元素组的一种元素或多种元素的总数量最大为4.5％重量百分比，第二元素组的一种元素或多种元素的总数量最大为8.5％重量百分比，钪和/或锆的总数量最大为0.8％重量百分比。
文档编号F16C33/12GK1532299SQ20041002847
公开日2004年9月29日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月14日
发明者R·默根, M·曼纳, R 默根 申请人:米巴·格来特来格有限公司, 米巴 格来特来格有限公司