滑动轴承的制作方法
【专利摘要】一种具有复合层的滑动轴承以及通过电镀制造这样的滑动轴承的方法，所述滑动轴承包含掺入金属基体(5)内的碳纳米结构(6)。
【专利说明】滑动轴承
[0001]本发明涉及具有锡层或锡基合金层的滑动轴承，并且更特别地但不排他地涉及轴承壳和止推垫圈。
[0002]背景
[0003]用于轴颈发动机轴承(journaled engine bearings)的轴承壳通常包含强力钢背衬层、衬套层、以及任选的扩散屏障层、以及提供用于轴颈轴的运行表面的覆盖层，例如中空的通常半圆柱形的钢背衬层、铜基合金衬套层、以及覆盖在内表面上的锡或锡基合金。在被装配到发动机的轴承内之前，通常半环形的止推凸缘被提供在轴承壳的每个轴端处。
[0004]提供轴承衬套中的层特别是覆盖层的增加的耐磨损性和改善轴承衬套中的层特别是覆盖层的疲劳强度是期望的。对轴承衬套层和/或覆盖层性能的挑战通过车辆发动机的构造来实现，以通过使用停止-启动运行节省燃油，其中每次车辆停止，发动机会停止，这与其中在车辆的全部行程中发动机被保持运行的常规的发动机运行相反。与在全部的每个车辆行程中连续地运行的常规配置的发动机比较，被配置用于停止-启动运行的发动机可以更频繁地约100倍地重新启动其发动机。被配置用于停止-启动运行的发动机所呈现的独有的问题产生，因为发动机轴承通常是流体动力学润滑的，当发动机启动时最初几乎没有或没有润滑被提供到轴承，这在启动阶段期间导致特别明显的磨损。
[0005]已经提出通过使硬的无机微粒掺入到轴承衬套内以增加发动机轴承的耐磨损性，所述硬的无机微粒实质上不溶于电镀电解液。例示性的材料为使氧化铝硬微粒、氮化硅硬微粒、碳化硅硬微粒或碳化硼硬微粒掺入到锡基合金基体内。然而，通过常规的电镀技术生产有用的带有以足够高的浓度的硬微粒的复合层是困难的，特别是在锡基合金基体中(例如至少50%重量的锡)，并且最特别的是在纯的锡基体(例如>50%重量的锡)的情况下。此外，这样的材料通常经受低的抗张强度和耐久性以及颗粒开裂。
[0006]公开内容概述
[0007]根据第一方面，提供了具有复合层的滑动轴承，所述滑动轴承包括掺入金属基体内的碳纳米结构。
[0008]根据第二方面，提供了通过电镀制造滑动轴承的方法，所述方法包括在电解液中提供滑动轴承基材作为阴极，碳纳米结构悬浮在所述电解液内；以及通过向所述基材应用阴极偏压来沉积被嵌入金属基体中的碳纳米结构的复合层。
[0009]碳纳米结构描述了选自包括以下的组的部件:碳纳米管、碳纳米球体、碳纳米椭圆体、功能化的碳纳米管、功能化的碳纳米球体以及功能化的碳纳米椭圆体(即碳纳米管以及类似结构)。
[0010]碳纳米结构可以包括碳纳米管。纳米管直径可以是0.5nm至30nm。纳米管可以是Ιμπι至40μπι长。纳米管可以构成复合层的0.1%体积至10%体积。纳米管可以比其直径至少长100倍，并且任选地比其直径至少长1000倍。
[0011]碳纳米结构可以包括球形碳纳米结构。
[0012]碳纳米结构可以包括椭圆体碳纳米结构。
[0013]碳纳米结构可以是功能化的碳纳米结构。
[0014]复合层可以是覆盖层。
[0015]滑动轴承可以包含背衬层。滑动轴承可以在复合层和背衬层之间设置有扩散屏障层。
[0016]金属基体可以是除去附带杂质的纯金属。金属基体可以是除去附带杂质的纯Sn。
[0017]金属基体可以是除去附带杂质的金属合金。金属基体可以选自包括以下的组:除去附带杂质的Sn基合金、除去附带杂质的Cu基合金、除去附带杂质的Bi基合金、除去附带杂质的Pb基合金、以及除去附带杂质的In基合金。
[0018]滑动轴承可以是轴承壳或止推垫圈。
[0019]复合层可以是电镀的复合层。
[0020]所述方法可以还包括搅动电解液以便以悬浮体的方式保持碳纳米结构。
[0021]阴极偏压可以在阴极产生0.5A/dm2至ΙΟΑ/dm2的电流密度。
[0022]悬浮体可以包含每升电解液0.1g至30g的碳纳米结构。
[0023]电解液可以是锡甲磺酸电解液。
[0024]电解液可以包含15g/l至80g/l的Sn。
[0025]电解液可以包含光亮剂。
[0026]附图的简要说明
[0027]本发明的实施方案在下文中根据附图进一步被描述，其中:
[0028].图1示出轴承壳的示意图；并且
[0029].图2示出经过图1的部分轴承壳的横截面示意图。
[0030]详细描述
[0031]图1示出中空的、通常半圆柱形的轴承壳1，所述轴承壳I具有钢背衬层2、铜基的(例如青铜)合金衬套层3、镍扩散屏障4 (以防止锡从覆盖层扩散到衬套层内)、以及被掺入到硬锡基体内的碳纳米管6的复合覆盖层5，这在图2中进一步地被示出。
[0032]覆盖层是滑动轴承构件的暴露层，并且被配置以接触轴承组件中的移动构件。例如，对于轴承壳，覆盖层是面向轴颈轴比如曲轴的最内层。
[0033]碳纳米结构是以中空球体、椭圆体、或具有亚微米直径的管的形式的任何全部由碳构成的碳的同素异形体。使碳纳米结构掺入到金属基体内增加了复合覆盖层的强度、硬度以及耐磨损性，同时允许在润滑轴承的油中所携带的任何微粒的良好的嵌入性。当轴颈轴接触轴承覆盖层时例如当发动机启动时并且在润滑油已经升至全压力之前，所暴露的碳纳米结构还增强自由表面的光滑性质，减少金属基体的摩擦力。此外，碳纳米结构可以比目前已知的掺入到金属基体内以形成复合层的微颗粒更有弹性并且具有更高的抗张强度，与已知的微粒相比，所述碳纳米结构可以提供减少的颗粒开裂。
[0034]碳纳米结构还加强金属基体。此外，在碳纳米管的情况下，由于碳纳米管比其直径长得多(例如具有比管的直径长数百倍或数千倍的长度)，当以足够的浓度被提供时，纳米管在复合层中变得彼此纠缠，这进一步加强金属基体。此外，在碳纳米管的情况下，其可以增强通过层的热损耗，例如远离覆盖层的自由表面。
[0035]碳纳米结构在轴承覆盖层的自由表面上的暴露也可以导致增强的油分子的捕获，改善这样的轴承的润滑。
[0036]可选择地，碳纳米结构可以是功能化的碳纳米结构，比如功能化的单壁纳米管(SffNT)或多壁纳米管(MWNT)。例如碳纳米结构可以用酸侧链、酰基侧链、胺/酰胺侧链、氟化的侧链或氧化的侧链来功能化。这样的结构的某些实施例为用酸封端基团功能化的单壁纳米管(SWNT)(例如SWNT- (CH2CH2COOH) x)、用酰氯封端基团功能化的单壁纳米管(例如SWNT- (CH2CH2COCl) x)、或用胺-酰胺封端基团功能化的单壁纳米管(例如SffNT-(CH2CH2CONHCH2CH2NH2)x)。在纳米管的情况下，功能化可以是侧壁功能化的或端盖功能化的。
[0037]这样的功能化可以改善碳纳米结构在电解液内保持悬浮的能力和/或增强在轴承的暴露表面上困油的性能的能力。碳纳米结构的官能度也可以在电镀过程期间增强纳米结构在金属基体内的掺入。
[0038]可形成所示出的复合层所凭借的电镀方法被描述。
[0039]复合层被沉积到其上的轴承壳被提供在镀槽中作为阴极，所述镀槽包含电镀电解液中的碳纳米管的悬浮体，具有由与金属基体相对应的材料所形成的阳极，例如高纯度锡阳极。
[0040]电解液是无铅的、锡甲磺酸(MSA) (tin methanesulfonic acid)电解液(锡离子在甲磺酸中)，所述锡甲磺酸电解液可以包含增强覆盖质量和性能的添加剂，比如光亮剂和消泡剂。例如电解液可以为从Sc.lll0tter? Galvanotechnik得到的Bright Tin GBF30酸性电解体系，并且该酸性电解体系使用具有由以下组成的SchliiUer成分的配方:13.0升锡浓缩体 FS20(Tin Concentrate FS20)(其含有 310g/l 锡(II))、6.0 升 GBF31Starter (20%重量至25%重量的2-萘酚聚乙二醇醚、I %重量至2.5重量的1，2-二羟基苯、以及1%重量至2.5%重量的甲基丙酸烯)、0.4升GBR32光亮剂(35%重量至50%重量的2-异丙氧基乙醇、以及5%重量至10%重量的4-苯基丁 -3-烯-2-酮)、11.0升GBF33补充浓缩体(Make Up Concentrate)(其为45%重量的MSA)、以及补足余量的去离子水至100升。这样形成30g/l至60g/l锡的溶液,然而15g/l至80g/l的浓度可以被使用。悬浮体被保持在20°C至30°C的温度。化学组成和pH在沉积期间通过补充所消耗的化学物质来保持。
[0041]碳纳米管以大约0.lg/Ι至30g/l的浓度被悬浮在溶液中。碳纳米管具有大约
0.5nm至30nm的直径范围，并且具有大约I μ m至40 μ m的长度范围。超声的和/或机械的搅拌搅动被使用以便以悬浮体的方式保持纳米管。
[0042]阴极偏压把带正电荷的锡离子驱向滑动轴承的阴极，并且使锡离子沉积到阴极表面上。随着锡沉积，其连结附近的碳纳米管到生长表面上，并且导致在锡基体内所包含的碳纳米管的复合层的形成。所应用的阴极电流密度在0.5A/dm2和ΙΟΑ/dm2之间。
[0043]虽然所示出的实施方案涉及其中碳纳米管被包含到锡或锡基合金的金属基体内的复合层，但其它类型的碳纳米结构可以可选择地或另外地被包含，比如中空的球体(例如 C52、C60, C70, C76, C84 等)或椭圆体。
[0044]虽然所示出的实施方案涉及实质上纯的锡基体的使用，但锡基合金(比如锡-铜合金)(其中术语X-基合金表不> 50%重量的金属兀素X)或其它金属或金属合金可以被使用。例如，基体可以是具有选自包括以下的组的元素的二元的或三元的锡基合金:铜、铅、锑、锌、铋、铟、镍、铁、钴以及银。可选择地，例如，金属基体可以是选自包括以下的组的合金:铜基合金(例如带有锡的铜基合金)、铋基合金、铅基合金、以及铟基合金。
[0045]滑动轴承可以是轴承衬套或止推垫圈，其被插入到发动机的轴承组件内，比如汽车发动机。
[0046]纵观本说明的描述和权利要求书，词“包括”和“包含”以及其变型意指“包括但不限于”，并且其并不意图(并且不能)排除其它的部分、添加剂、组分、整数或步骤。纵观本说明的描述和权利要求书，除非上下文另有要求，否则单数形式包含复数形式。特别地，当使用不定冠词时，除非上下文另有要求，否则本说明应被理解为考虑到复数以及单数。
[0047]除非与之不相容，否则与本发明的特定的方面、实施方案或实施例相结合描述的特征、整数、特性、化合物、化学部分或基团应被理解为适用于本文所描述的任何的其它方面、实施方案或实施例。在本说明(包括任何所附的权利要求书、摘要以及附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合来结合，除了其中至少某些这样的特征和/或步骤是互相排斥的组合之外。本发明不限于任何前述实施方案的细节。本发明延伸至在本说明(包括任何所附的权利要求、摘要以及附图)中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合、或延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。
[0048]读者的注意力被引导到与本说明同时或在本说明之前提交的与本申请有关的所有的文件和文档，并且所述文件和文档开放以供公众查阅本说明，并且所有的这样的文件和文档的内容通过引用被并入本文。
【权利要求】
1.一种滑动轴承，其具有复合层，所述滑动轴承包括掺入金属基体内的碳纳米结构。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承，其中所述碳纳米结构包括碳纳米管。
3.根据权利要求2所述的滑动轴承，其中所述纳米管的直径为0.5nm至30nm。
4.根据权利要求2或3所述的滑动轴承，其中所述纳米管为Ιμπι至40μ m长。
5.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中所述纳米管构成所述复合层的0.1%体积至10%体积。
6.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中所述纳米管比其直径至少长100倍，并且任选地比其直径至少长1000倍。
7.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中所述碳纳米结构包括球形的碳纳米结构。
8.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中所述碳纳米结构包括椭圆体碳纳米结构。
9.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中所述碳纳米结构为功能化的碳纳米结构。
10.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中所述复合层为覆盖层。
11.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，还包含背衬层，并且设置有在所述复合层和所述背衬层之间的扩散屏障层。
12.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中所述金属基体为除去附带杂质的纯金属。
13.根据权利要求12所述的滑动轴承，其中所述金属基体为除去附带杂质的纯Sn。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的滑动轴承，其中所述金属基体为除去附带杂质的金属合金。
15.根据权利要求14所述的滑动轴承，其中所述金属基体选自由以下组成的组:除去附带杂质的Sn基合金、除去附带杂质的Cu基合金、除去附带杂质的Bi基合金、除去附带杂质的Pb基合金、以及除去附带杂质的In基合金。
16.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中根据任一前述权利要求，其中所述滑动轴承为轴承壳或止推垫圈。
17.根据任一前述权利要求所述的滑动轴承，其中所述复合层为电镀的复合层。
18.—种通过电镀制造滑动轴承的方法，所述方法包括: 在电解液中提供滑动轴承基材作为阴极，碳纳米结构悬浮在所述电解液内；以及 通过向所述基材应用阴极偏压来沉积嵌入金属基体中的碳纳米结构的复合层。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括搅动所述电解液以便以悬浮体的方式保持所述碳纳米结构。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中阴极偏压在所述阴极产生0.5A/dm2至ΙΟΑ/dm2的电流密度。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述悬浮体包含每升电解液0.1g至30g的碳纳米结构。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其中所述金属基体为除去附带杂质的纯金属。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述金属基体为除去附带杂质的纯Sn。
24.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其中所述金属基体为除去附带杂质的金属合金。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述金属基体为除去附带杂质的Sn基合金。
26.根据权利要求18至25中任一项所述的方法，其中所述电解液为锡甲磺酸电解液。
27.根据权利要求18至26中任一项所述的方法，其中所述电解液包含15g/l至80g/l的锡。
28.根据权利要求18至27中任一项所述的方法，其中所述电解液包含光亮剂。
29.根据权利要求18至28中任一项所述的方法，其中所述滑动轴承为轴承壳或止推垫圈。
30.一种制造滑动轴承的方法，其实质上如上文参照所附说明书和任一附图所描述。
31.一种滑动轴承，其通过实质上如上文参照所附说明书和任一附图所描述的方法来制造。
32.—种发动机，其包括通过实质上如上文参照所附说明书描述的方法来制造的滑动轴承。
【文档编号】F16C33/12GK104136792SQ201280060358
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2012年12月6日 优先权日:2011年12月8日
【发明者】罗霍拉·T·卡舒桑吉 申请人:马勒国际有限公司, 马勒发动机系统英国有限公司