一种由铜锌合金制成的滑动元件的制作方法

文档序号:15735218发布日期:2018-10-23 21:22阅读:182来源:国知局
由铜-锌合金构成的滑动元件,例如可用在内燃机中连杆的两个轴承位置。随着现代发动机的发展,对滑动元件的材料的技术要求变得越来越高。法律要件还要求将材料中铅的比例降至最低。同时,降低滑动元件成本的压力正在增加。已知的用于滑动元件的铜锌合金是CuZn31Si1。可以向合金中加入高达0.8%重量的铅,以改善材料的切削加工性。该合金中高含量的铜使滑动元件价格昂贵。此外,当该合金在以后承受现代发动机中普遍存在的应力的情况下,则耐磨微观结构组分的接触面积比太低。从文献EP1158062B1中获知一种无铅铜锌铝锻造材料,其对于滑动元件具有非常有利的机械性能。然而,其低导热性妨碍了连续铸造的速度经济性。此外,文献DE102007029991B4公开了一种用于高应力滑动元件的铜锌合金。该材料具有耐磨微观结构,该微观结构具有由α相组成的基质,其中嵌入岛状β相和硬质混合硅化物。该材料具有优异的组合性能,但其复杂的微观结构需要复杂和谨慎的工艺条件。特定形式的滑动元件是滑动轴承衬套。在滑动轴承衬套中,基于不同的生产路线区分轧制衬套和车削衬套。通过适当尺寸的条带形成空心圆柱体并连接邻接的条带边缘,轧制衬套由带状半成品部件制成。初始材料优选通过带铸法生产。这里,相对薄的条带以铸造的形式被铸成。在没有热成型的情况下通过几个冷成型步骤将其轧制成最终尺寸,如果需要,可以进行中间热处理。因此使用的合金必须易于浇铸并且能够非常容易地冷成形。此外,它必须能因冷成形而快速硬化,由此才能使用很少的冷成形获得足够的强度和硬度。通过从杆状或管状半成品切削加工来生产车削衬套。为了制造半成品部件,铸造出销状铸造样式,并且通过热压操作从其挤压压制管或杆。半成品部件通过一系列拉伸操作从相应的压制产品获得,并且滑动轴承衬套由该半成品部件制成。对于这种生产途径,所用的合金必须易于热成型和冷成形。此外,合金必须能够容易地进行切削加工。本发明的一个目的是提供一种滑动元件,该滑动元件与钢摩擦能够耐磨损,并且比现有技术中已知的滑动元件便宜。成本的降低应主要通过廉价生产制造滑动轴承的半成品部件来产生。在轧制滑动轴承衬套和车削滑动轴承衬套的生产中都应该能够实现成本优势。滑动元件必须满足技术和法律要件。本发明由权利要求1的特征限定。其他从属权利要求涉及本发明的有利实施方式和进一步的改进。本发明包括一种由铜锌合金制成的滑动元件,其中铜锌合金包含以下成分(以重量百分比计):60.0%至64.0%的Cu,0.2%至0.5%的Si,0.6%至1.2%的Fe,可选地,最多1.5%的Sn,可选地,最多0.25%的Pb,可选地,最多0.08%的P,余量为锌和不可避免的杂质,铜锌合金具有含有α相和β相的微观结构,并且α相的体积比例至少为90%,其中铁硅化物嵌入微观结构中。由铜锌合金组成的轴承材料通常具有小于90%体积比例的α相,因为α相具有粘附趋势并因此比β相遭受更大的磨损。另一方面,高比例的α相使材料具有延展性。本发明基于以下认识:将铁和硅添加到铜含量为60-64%重量的铜锌合金中致使形成锻造材料,该锻造材料具有非常好的延展性并且同时非常耐磨。合金中硅的重量比例为至少0.2%且不大于0.5%,并且铁的重量比例为至少0.6%且不大于1.2%。该合金可选地含有至多1.5%重量的锡,至多0.25%重量的铅和至多0.08%重量的磷。取决于合金的精确组成,合金中锌的重量比例可以为32.5%至38.5%,优选33.5%至38%,特别优选34%至37.5%。由含该成分的铜锌锻造合金制成的材料具有含有α相和β相的微观结构,并且α相的体积比例至少为90%。铁硅化物以1.5%-4.5%的体积比例嵌入该微观结构中。因此β相的体积比例低于9%,通常低于5%,优选低于3%体积。通常,微观结构中存在至少0.3%体积含量的β相。作为硬质相,铁硅化物是材料良好耐磨性的原因。在硅重量含量低于0.2%时,将形成太少的铁硅化物。硅的重量比例大于0.5%会导致β相的形成增加,从而降低延展性。硅的重量比例特别优选为最大0.47%。当铁含量低于0.6%重量时,将形成太少的铁硅化物。铁的重量比例特别优选为至少0.8%。超过1.2%重量的铁的比例在熔化时不会溶解在合金中。然后在材料中形成纯铁颗粒,但这些是不希望的,因为它们是柔软的并且还可以容易地从材料中分离出来。铁硅化物形成具有球形的硬相,没有尖锐的边缘。因此抑制了会在锋利边缘硬相形成的情况下在微观结构中产生内部缺口或中空的现象发生。可借助于金相学抛光切片确定铜锌合金微观结构的各个成分的体积比例。研究表明,在抛光切片上确定的微观结构的各个成分的面积比例与样品中抛光切片面积的取向无关。因此,各相的分布可以被认为是各向同性的,并且在抛光切片上确定的面积比例可以作为微观结构的各个成分的体积比例。可选地将高达1.5%重量的锡添加到合金中。锡通过混晶硬化提高材料的耐磨性。另一方面,锡降低了材料的延展性,因为它具有的锌当量为2,因此有利于以α相为代价形成β相。已发现有利的锡的上限重量比例为1.5%。原则上,合金的铅重量比例可高达0.8%。如果法律要件允许,根据需要,可以在合金中添加高达0.25%重量的铅作为断屑器。铅的重量比例优选不超过0.1%。但是,该合金特别优选具有在不可避免的杂质范围内的铅含量。铜锌合金中缺少铅不会损害本发明的滑动元件的功能。可选地向合金中加入至多0.08%重量的磷。磷用于使熔体脱氧,从而在锡存在下避免锡氧化物生成。本发明的滑动元件,其由半成品部件制成,该半成品部件由上述铜锌锻造合金制成。半成品部件通过一种方法生产,该方法包括按照特定顺序的合金熔化、铸造和成型的步骤。这里,成形步骤可以是专门的冷成形步骤,或者可以在铸造模式的铸造和第一冷成形步骤之间进行热成形步骤。如果需要,可以在两个成形步骤之间进行热处理。上述铜锌锻造合金具有能够廉价地生产适合于滑动元件的半成品部件的性能。合金的导热系数很高,以至于铸造速度处于传统特殊黄铜的铸造速度水平。铸造微观结构中β相的含量足够高,以便通过热成型经济地生产半成品成为可能。特别的优点在于材料良好的冷成形性。在没有中间热处理的情况下,可以实现高达80%的变形度。此处,变形程度定义为成型期间的横截面积的减小。因此,半成品部件的最终尺寸可以在很少的工艺步骤中实现,特别是使用很少的中间热处理步骤。此外,在冷成形过程中材料的强度非常快地增加,因此需要很少的冷成形步骤以获得实现典型轴承材料的半成品部件尺寸所需的材料强度。在最后的冷成形步骤之后,该材料可以在200至350℃的温度下进行热处理2至4小时。这增加了延展性,但同时也降低了强度。材料的屈服点Rp0.2比拉伸强度Rm更大地降低。因此,Rm与Rp0.2的比率由于热处理而改变。因此,Rm与Rp0.2的比率可用作热处理强度的度量。在用作本发明的滑动元件的材料的情况下,在最终热处理之前Rm与Rp0.2的比率通常在1.05至1.1的范围内。在热处理之后,比率Rm/Rp0.2可以达到高于1.5的值。由于热处理,延展性和断裂伸长率A5因此增加。热处理越强烈,断裂伸长率增加的越大。热处理后达到的断裂伸长率与Rm/Rp0.2的比率相关。在用作本发明的滑动元件的材料的情况下,断裂伸长率A5(以%表示)与比率Rm/Rp0.2之间的相关性通常适用为如下:A5≥41%·(Rm/Rp0.2)–38%在最终状态下,材料具有足够的延展性,以便能够生产轧制滑动轴承衬套。此外,可以毫无问题地完成精加工完的滑动轴承衬套的校准。本发明滑动元件的耐磨性可通过合适的试验确定,并且可计算其与由已知材料制成的滑动元件的耐磨性的比率。在摩擦计测试中,其中磨损被确定为在与钢体摩擦时测试样品的质量减少,发现在本发明制成的滑动元件的情况下,其质量的减少大约最多是在由CuZn31Si材料制成的滑动元件的质量减少的一半。所有材料的摩擦系数大致相等。这种令人惊讶的结果证明了当用作滑动元件的材料时所述铜锌合金的优异性能。由于基础材料主要由面心立方α相组成,因此通过高延展性确保了硬质污垢颗粒的嵌入。Fe的比例与Si的比例的比率至少为1.5并且不大于3.8是有利的。在这种情况下,对铁硅化物FeSi、Fe5Si3和Fe2Si的形成占有特别有利的优势。而未结合在铁硅化物中的过量的铁或硅非常低。未结合在铁硅化物中的过量硅存在于合金基质中。它的锌当量为10,因此就如同增加了合金中锌的比例。大量过量硅的后果将使混合晶体硬化增加,这将降低材料的延展性,并且微观结构中β相的比例不合需要地增加。Fe的比例与Si的比例的比率特别优选为至少2.2且不大于3.0。如果Fe的比例和Si的比例以这种方式彼此匹配,则铁硅化物的种群类型数量增加。然后可以形成许多粒级的在粒度方面不同的铁硅化物。在本发明的优选实施方式中,滑动元件的铜锌合金存在至少两种粒级的铁硅化物。在此情况下,第一种铁硅化物的直径至少0.2μm且不大于0.3μm,密度为每1000μm2含有200至400颗粒,第二种铁硅化物的直径至少为1μm且不超过15μm,密度为每100000μm2含有20至50颗粒。此处,铁硅化物颗粒的直径定义为与颗粒体积相等的球体体积的直径。在该实施方案中,本发明的滑动元件的合金因此具有第一种群相对小的铁硅化物和第二种群相对大的铁硅化物。第二种铁硅化物作为特别耐磨的接触区域。它们在微观结构中的体积比例可以在1%至2%的范围内。由于第二种铁硅化物的密度低,在它们间保留相对大的间隙。这些间隙由第一种铁硅化物维持稳定。在没有第一种铁硅化物的情况下,材料的基质将通过第二种铁硅化物间隙中的磨损而快速除去。这会形成凹陷。结果,第二种铁硅化物将以类似岛状的方式从基质中突出,然后很容易地从材料中分离出来。由于第一种铁硅化物稳定了空隙中的基质,它们防止第二铁硅化物分离。因此,第一和第二种铁硅化物的组合对于材料的特定耐磨性是必不可少的。在本发明的一个优选实施方案中,铜锌合金中Sn的重量比例可以至少为0.5%。锡对强度和硬度具有有利影响,因此对合金的耐磨性具有有利影响。当锡的重量比例低于0.5%时,这种影响很小。合金中锡的重量比例特别优选为至少0.8%。另一方面,高比例的锡阻碍了在热处理的情况下材料的延展性的增加。因此,特别有利的是,合金中锡的重量比例不大于1.2%。此外,在本发明的该实施方式中,通过热处理可以获得即使拉伸强度和硬度保持在高水平也能显著降低材料的屈服点的最终状态。这种特殊的性质有利于生产车削衬套,该车削衬套必须在成形加工之后进行校准,并且还有利于滑动元件应对硬质污垢颗粒的能力。当热处理后获得的硬度HB与本发明的该优选实施方式材料的拉伸强度Rm与屈服点Rp0.2的比率相关时,获得以下关系:HB≥350–140·(Rm/Rp0.2)在本发明特别优选的实施方式中,其中铜锌合金具有至少0.5%比例的锡含量,β相的体积比例可以不大于5%并且富锡相可以存在于α相和β相的交界处。β相的体积比例可以通过合金的实际Zn含量和合适的热处理工艺条件来设定。如果β相的体积比例不大于5%,则该材料非常易于冷成形。富锡相被配置为像在相界处具有1至3μm宽度的接缝。富锡相含有7-13%重量的锡、34-38%重量的锌和铜作为余量。它不含任何Fe,也不含任何Si。除了铁硅化物之外,富锡相还作为主要由α相组成的微观结构中的耐磨接触区域起作用。因此,本发明的滑动轴承的这个特别优选的实施方式具有非常易于冷成形的材料,该材料同时非常耐磨。在本发明的滑动元件的另一可替代的有利实施方式中,铜锌合金的Sn重量含量可以不大于0.09%。这种低锡合金显示出特别高的延展性。因此,可以通过少量冷成形步骤和中间热处理使合金达到最终尺寸。这使得本发明的滑动轴承的生产成本保持较低。对于材料的最终状态,有利的是即使在低强度的热处理即低热处理温度和/或短热处理时间下也能获得高延展性。结果,热处理后材料的屈服点保持在较高水平。对于本发明的滑动元件的该有利实施方式的材料,断裂伸长率A5(以%表示)和比率Rm/Rp0.2具有以下相关性:A5≥46%·(Rm/Rp0.2)–38%最终状态下材料的高延展性有利于轧制滑动轴承的生产。另一方面,由于材料的高屈服点,这种滑动轴承在操作期间具有高的塑性变形抗性。在本发明的可替代的有利实施方式中,低锡铜锌合金中β相的体积比例优选不大于4%,特别优选不大于3%。β相的体积比例可以通过合金的实际Zn含量和合适的热处理工艺条件来设定。β相的体积比例的限制对材料的延展性具有积极影响。因此,本发明滑动轴承的这个特别优选的实施式具有在高强度下显示出特别高的延展性的材料。借助于工作实施例来示例本发明。不同种类的铜锌合金样品熔化并铸造。表1显示了各个样品的组分。在倒数第二列中,记载了铁与硅的比率。最后一栏显示了各种合金相应于目标中定义的目的的合适程度。此处,合金在生产半成品部件方面的适用性以及它在用作滑动元件方面的适用性都进行了评估。表1:样品的重量百分比组分样品1至样品6具有约1%重量的锡比例,而样品11至样品16含有最多0.013%重量的锡。适合于制造滑动元件的半成品部件通过每种合金铸造后经两种不同的工艺路线生产。在铸造之后,第一工艺路线包括以下步骤:1.挤压2.冷成型3.500℃/3小时的中间热处理4.冷成型5.在300℃下进行热处理该工艺路线对应于用于车削滑动轴承衬套的半成品部件的生产。在铸造之后,第二工艺路线包括以下步骤:1.冷成型(轧制)2.500℃/3小时的中间热处理3.冷成型(轧制)4.在300℃下进行热处理该工艺路线对应于轧制滑动轴承衬套的半成品部件的生产。对样品6(含锡)和样品11(低锡)作了更详细的检测。此处,变化了最终热处理的温度和时间。对于样品6,实现了表2中所示的机械性能。对于样品11,实现了表3中所示的机械性能。表2:样品6在热处理后的机械性能表3:样品11在热处理后的机械性能对于两种样品,通过选择适当的温度和热处理的持续时间,可以使断裂伸长率A5至少增加15%。而硬度可在170HB至180HB的范围内,并且拉伸强度在550MPa至600MPa的范围内。样品11的屈服点处于比样品6的情况稍高的水平。如果以使断裂伸长率A5增加至少20%的方式进行热处理,则材料的拉伸强度至少为520MPa,硬度至少为150HB。通过盘环式摩擦计测量本发明的滑动元件的摩擦和磨损特性。由盘来表示本发明的滑动元件,该盘根据样品6和样品11的材料制成。由钢制成的环作为反作用的元件。由材料CuZn31Si1制成的滑动元件用作比较对象。用作每种情况研究的测试试样,由在最终热处理后具有约15%断裂伸长率A5的材料形成。以已知方式定义和确定摩擦系数。在特定的试验持续时间之后,测试试样的质量减少用作材料磨损的度量。减少的质量除以比较对象减少的质量,被称为质量的相对减少。表4显示了这些研究结果。CuZn31Si1样品6样品11摩擦系数μ[-]0.0930.1030.084质量的相对减少100%47.8%46.7%表4:磨损特性研究结果样品6的摩擦系数比由CuZn31Si1形成的样品的摩擦系数高11%,样品11的摩擦系数比由CuZn31Si1形成的样品低10%。本发明的滑动元件的质量减少小于由CuZn31Si1形成的对比物所确定的质量减少的一半。因此,本发明的滑动元件的材料明显比CuZn31Si1更耐磨。当前第1页1 2 3 
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