具有两个铝层的三材料辊轧包覆滑动轴承的制作方法

铝基轴承金属材料大多数情况下作为实心铝带进行铸造并且在变形步骤和热处理步骤之后通过包覆(大多数情况下为辊轧包覆)与钢带相连。铝基的轴承金属相对于铜基轴承金属提供了更好的嵌入性，这理解为材料的接纳和嵌入(例如由于磨损或杂质导致的)轴承空隙中的外来颗粒的能力。另外，铝轴承金属的滑动性能或在任何情况下的应急性能通常更好，尤其当所述铝轴承金属具有较高的锡比例时。因此，可以在没有或带有滑动层的情况下使用这种材料。在第一种情况下所提及的是二材料体系或轴承，在第二种情况下所提及的是三材料体系或轴承。为了在钢质背面与轴承金属层之间的更好的粘附性，两层和三层体系可以已知方式另外具有薄的中间层。然后轴承金属层通常首先通过辊轧包覆与中间层一起预包覆成层复合物，随后将层复合物同样通过辊轧包覆与钢带相连。在复合物中所述中间层一般不承担除粘附助剂之外的功能、很少为纯铝层并且因此在分类时不计入两层和三层体系中。具有聚合物型涂层(滑动清漆)作为磨合镀层(einlaufschicht)的两层和三层体系也是已知的。因而，此类非金属层在分类时也不计入两层和三层体系中。由铝二材料体系形成的滑动轴承元件例如从文件de10246848a1、de10343618b3、de102005023541a1、de102009002700b3、de102011003797、de102011087880b3和ep1522750b9已知。在这些文件中提及铝基轴承金属，其耐磨损强度、耐热强度和耐疲劳强度应通过分别加入多种元素中的多项而得以改善，所述元素选自sn、pb、in、bi、si、zn、cu、mg、mn、ni、ti、co、v和/或cr。术语“强度”一般性描述了材料抵抗分离或塑性变形的机械阻力。材料的强度基本上完全取决于晶格结构(包括位移)。取决于负载的种类和方式给出不同种类的强度。所谓的“耐久性”或“耐疲劳强度”为动态强度，描述了材料相对于随时间变化的负载的机械阻力。大多数情况下，以相对简单的拉伸实验测定“抗拉强度”，随后从其中可以反推出耐久性或耐疲劳强度。“耐磨损强度”理解为材料相对于机械磨损的阻力。磨损进而可以具有不同原因。一方面存在侵蚀磨损，其中两种材料在摩擦热的作用下在形状方面彼此焊接，这导致材料磨削。另一方面由于摩擦配对的不同硬度而发生磨损或磨削。因此，耐磨损强度的一种度量是材料的硬度，硬度理解为材料抵抗另一个物体的机械侵入的阻力并且同样可以相对简单地在大量已知的硬度测试之一中测定。即，鉴于上述的合金组成部分，通常可以区分出两种作用。所谓的软相，例如pb、sn或bi，作为固体润滑材料，甚至在混合摩擦状况下尽可能降低了侵蚀磨损和磨损。硬质的或硬质化的组成部分，例如si或由al与mn、cu、mn、zn形成的金属间相，取决于其大小和分布，具有提高强度的作用并且由于其硬度也有助于降低磨损。文件de102009002700b3另外涉及作为中间层的铝铜合金，其厚度和硬度与轴承金属层的性能相匹配，以便总体上实现滑动轴承壳的充分的塑性可弯曲性和形状匹配能力。双层体系的缺点一般是，在一个层中一方面软相的作用和另一方面硬质化组成部分的作用部分彼此抵消。因此，在此使用的轴承金属总是形成在耐磨损强度的性能和/或耐热强度和耐疲劳强度的性能方面的折中。已知的由铝三材料体系形成的滑动轴承元件(例如在文件wo2016/023790中公开的)具有作为支撑层的钢质背面、至少一个轴承金属层和借助于电镀或溅射施加到轴承金属层上的滑动层。由此可以在其强度方面且以嵌入性和耐磨损强度为代价来优化轴承金属层的铝合金，例如用于在内燃发动机中的高要求的应用。经如此优化的滑动层主要负责后一种性能。于是轴承金属层在任何情况下必须具有应急性能。对于滑动层而言可以考虑化学或电化学(电镀)方法或借助于pvd方法(尤其溅射)施加的薄金属层，参见de102005063324b4或de102005063325b4，其中在此将含锡的铝合金作为溅射层施加到由铜合金形成的基底上。这样的滑动层由于制造原因是非常薄的，这因此在理论上是有利的，因为它们不具有高强度。滑动层越薄，整个轴承的耐久性就越多地由位于其下的轴承金属层或基底层的强度决定。在滑动轴承制造中将上述涂层施加到处理完成的滑动轴承上。因此，施加滑动层使得这种滑动轴承的制造明显更昂贵。另外，在许多情况下，在轴承金属层与滑动层之间设置有中间层或阻挡层作为扩散屏障，所述中间层或阻挡层同样在大多数情况下电镀地沉积并且再次使得制造过程更昂贵。因此本发明的目的是提供一种轴承元件，尤其一种滑动轴承壳，该轴承元件能以类似于两材料轴承的成本低廉的方式制造并且在此尽可能具有耐磨损强度和嵌入性并同时具有如三材料轴承的耐热强度和耐疲劳强度。这个目的通过根据权利要求1所述的滑动轴承元件实现，所述滑动轴承元件包括：由钢制成的支撑层，施加在所述支撑层上的2层复合物，所述复合物由以下项组成：具有0.2至0.4mm的层厚度的铝基基底层以及具有0.005至0.1mm的层厚度的铝基滑动层，其中所述基底层和所述滑动层通过辊轧包覆接合并且为无铅的。本发明的滑动轴承元件基于下述：不如同在上述两层轴承中那样在一层之内在磨损强度与耐久性之间进行协调，而是如已知的三层轴承中那样将这两种材料性能分别分配给一个单独的层。在如此设定在本发明的滑动轴承元件中的基底层使得该基底层确保好耐久性的同时，在优化的嵌入性下滑动层还具有非常高的耐磨损强度。但是，与已知的三材料体系不同，滑动层和轴承金属层通过辊轧包覆来接合。这明显简化了制造过程。尤其可以首先将从滑动层材料和轴承金属层材料形成的两组分复合物预制成带，然后将所述带施加到钢支撑层上。通过借助于辊轧包覆将单独的层接合，在没有对单独的、已经变形的滑动轴承进行昂贵的涂覆方法的情况下，可以进行连续的带制造。由此使滑动轴承的制造更简单且成本更低廉。因为过程可靠的辊轧包覆一般要求比试图获得的0.005-0.1mm的滑动层厚度更大的材料厚度，所以与例如在电镀沉积或溅射中不同，在施加滑动层之后可能需要切削式的后续加工。在平坦的滑动轴承元件的情况下，这可以非常高效地在所述带上进行，这没有明显提高生产成本。在径向轴承元件(如轴承壳或轴套)的情况下，对变形的工件的后续加工通过钻孔/型材钻孔或拉削来进行。这个过程总是必需的并且在已知的三材料轴承中也进行，所以在此方面也不造成更多成本。然而在其中，在用滑动层材料涂覆之前，切削式加工所述轴承金属层。有意义的是，在对偏心型材进行型材钻孔的情况下，切削式后续加工使得滑动层具有变化的壁厚度曲线，而基底层具有恒定的厚度。在已知的径向轴承的情况下，情况正好相反。在此类具有可变壁厚度分布的轴承中，此处给出的0.005-0.1mm的滑动层厚度涉及滑动层的相应的最薄位置，其中型材厚度差可以为最多25μm。由此，在其他位置处，厚度也可以超过0.1mm。在优选的实施方案中，滑动轴承元件的基底层由第一铝合金组成，所述第一铝合金除了不可避免的杂质之外由以下组分中的一种或多种-0.1-8.0重量％的铜，-0.1-2.0重量％的锰-0.2-5重量％的镍，-1.0-8.0重量％的锌，-0.1-5.0重量％的镁，-0.1-2.0重量％的硅，-0.05-1.0重量％的铬，-0.05-1.0重量％的钒以及余量的铝组成。在本发明的滑动轴承元件中，基底层以本身已知的方式如下地保证高耐久性：选择性地将元素cu、mn、ni、zn、mg和si中的一种或多种作为提高强度的元素加入合金中。在一个有利的实施方式中，所述第一铝合金组合地具有-0.4-6.0重量％的铜以及-0.3-2.0重量％的锰。铜和铝一起构成金属间沉积物或者如下的相：所述相阻挡晶格中的位移并且因此在没有降低基底层对钢质背面的结合强度的情况下提高材料的强度。已经显示出，在0.4-6.0重量％的铜比例和对应的退火处理的情况下，恰好在大小、形状和分布方面最优地形成与强度实质相干的沉积物。锰和铝一起同样形成金属间沉积物或如下的相：所述相在铝合金中产生韧性的提高以及晶间裂纹倾向的降低。此外将其用作分散体形成剂。优选地，锰含量为0.3-2.0重量％，此时锰起到抑制重结晶的作用并且因此主要负责显著改进热稳定性和耐热强度。由此，所述层自身在铜的存在下相对于温度影响(如尤其在现代内燃发动机工作时占主导的)的敏感度较低。此外，提高的重结晶温度在制造过程中一般对沉积物的大小和形状有益。相反，过高的mn比例有助于形成呈脆性的al6mn晶体形式的所谓的非相干沉积物，所述晶体负面地影响材料强度。优选所述第一铝合金另外具有0.5-3重量％的镍和0.05-1.0重量％的钒或者0.2-2.5重量％的镁和0.1-2.0重量％的硅。在一种情况下，镍通过在晶体中占据晶格位置而在给定的区域中产生了另外的混合晶体硬化。在此可以选择更低的铜含量。在另一种情况下，镁通过相干沉积物产生了更好的冷硬化作用，其中尤其cu/mg之比具有重要意义。此外，本发明的这两种实施变体已经被证明是优选的，因为它们在适当的热处理的情况下具有对钢支撑层的非常好的结合强度并且因此另外用作对滑动层的良好的粘附助剂。优选地，所述滑动层由第二铝合金组成，所述第二铝合金除了不可避免的杂质之外由以下组分中的一种或多种-1.0-10.0重量％的硅，-5.0-30.0重量％的锡，-0.1-5.0重量％的铜-0.1-3.0重量％的锰-0.05-1.0重量％的钒，-0.05-1.0重量％的铬，以及余量的铝组成。优选所述第二铝合金组合地具有其中的-1.0-6.0重量％的硅，-5.0-25.0重量％的锡和-0.3-2.5重量％的铜。如上文已经详述的，滑动层主要承担非常良好的耐磨损强度和嵌入性的功能。对此首先由在铝合金中以5.0-30.0重量％提供的锡含量负责，该锡含量与双层体系的铝合金相比大幅度降低并且因此显著提高了滑动层的嵌入性和干燥运行能力。为此至少需要5重量％，但是优选至少10重量％。只有在超过30重量％的上限时，滑动层的强度才大幅度下降，使得所述层就其自身考虑不再能承受高应力。在保持25重量％的上限值时获得了更高的可靠性，特别优选21.5重量％为上限。高锡比例有益于暂时在混合摩擦状况下运行的滑动轴承元件，例如在具有启动-停止操作的内燃发动机中的轴承，也就是说在所述轴承处不以逐相位的方式确保流体力学上的油润滑。另外，由于锡，所述合金可以更容易切削，由此在滑动轴承元件的后加工中例如在钻孔时可以提高准确度。此外，提高了用于后加工的工具的使用寿命。同时通过调适在基底层组成中的滑动层，可以省去提高耐磨损强度和降低耐疲劳强度的合金元素。如关于基底层所提出的，由于形成金属间沉积物，铜提高了合金的强度，使得滑动层在受限的程度上有助于负载能力提高。通过提供si颗粒及其通过热处理控制的大小和分布，可以将侵蚀磨损倾向或者借助于沉积物硬化来显著改进耐磨损强度，但是这在“标准”流体力学运行中也是有利的。优选地，硅以如下方式分布，使得在0.04mm2的面积上找到35-70个>5μm的si颗粒。特别优选地，最大粒径为35μm。这种粒径分布已经被证实为特别有利的，因为>5μm的si硬质颗粒是足够大的，足以作为硬质载体晶体保证材料的高耐磨损强度。为了测定粒径分布，在显微镜下(优选在500倍放大下)观察一定尺寸的轴承金属层的表面截面。在此可以在任意平面中观察滑动层，因为假定所述层中的si颗粒分布是基本上均匀的或者至少所希望的或不希望的非均匀(即例如在一个方向上逐渐增大或减小)分布在任何情况下都不偏离所要求保护的范围。为此优选以如下形状制备滑动层，使得首先制成平坦的磨样。测量在平面截面中可见的si颗粒的形状，从而测定其最长的可辨认的尺度并且将其等价为直径。最后将在平面截面中的所有具有>5μm的直径的si颗粒相加，并且将其数量在所研究的整个测量表面上对面积归一化。还可以测定所有落入这一类别(>5μm)的si颗粒的直径并且加和，且从中计算平均值。优选所述第二铝合金另外具有0.1-1.5重量％的锰或者0.05-1.0重量％的钒和0.05-1.0重量％的铬。在一种情况下，也如在基底层中一样，锰在滑动层中用于提高韧性、降低晶间裂纹倾向并且作为分散体形成剂起作用以及起到抑制重结晶的作用并且因此主要负责改进的热稳定性或耐热强度。在另一种情况下，铬部分承担这种功能。与铝基质中的铜含量配合地，铬含量负责材料耐热强度，所述耐热强度在高负载应用中对于滑动层也总是需要的。在同时向合金中加入0.3-2.5重量％的铜情况下，0.05至1.0重量％的铬含量已经被证明是有利的，以便在滑动层基质中形成充分增加强度的沉积物。另一方面，不应超过1.0重量％的含量，以免进而负面影响可变形性。最后，轴承金属层的后一种铝合金具有0.05至1.0重量％的钒，钒在这种情况下起到抑制基质材料的重结晶的作用，因为它提高了其重结晶温度。由此，结果钒同样提高了耐热强度。在一个有利的实施方式中，滑动轴承元件的基底层在成品状态下具有50-100hbw1/5/30的布氏硬度和/或200-300mpa的抗拉强度。在滑动轴承元件的另一个有利的实施方案中，滑动层在成品状态下具有25-60hbw1/5/30的布氏硬度和/或100-200mpa的抗拉强度。如开篇已经阐述的，从抗拉强度可以推导出材料的耐久性或耐疲劳强度。同样，硬度是耐磨损强度的一个指标。从硬度和抗拉强度可以另外反推出材料的可加工性。现在已经显示出，在给出的硬度和抗拉强度下，如此设定滑动层和基底层的材料性能，使得即使在最高的热应力、最高的负载峰值和暂时缺少润滑的情况下，轴承元件也不显示出显著的或至少小于已知两材料轴承的失效。如果基底层的强度低于下限，则塑性材料变形的风险过度提高，从而整个轴承的耐久性遭受影响并且这在长期情况下导致失效。如果超过上限，则材料变脆。滑动层的行为类似：如果滑动层的硬度低于给定的下限值，则这个层还可以弹性变形，这并不直接导致失效，但是以不可接受的方式缩短了滑动层的使用寿命。如果超过上限值，则伴随有明显降低的嵌入性。另外，本发明涉及一种滑动轴承壳作为上述滑动轴承元件的实施方案并且尤其为具有<100mm、优选<80mm标称直径的滑动轴承壳。“标称直径”是指由两个滑动轴承壳(其中至少一个滑动轴承壳是根据本发明形成的)组合成的滑动轴承的内径。这样的滑动轴承优选被视为内燃发动机中的曲柄轴主轴承或连杆轴承。在此，一般存在较高负载的轴承侧和较低负载的轴承侧。本发明的滑动轴承的实施方案能够实现将两个不同的滑动轴承壳这样组合在此类轴承位置之内，使得较高负载的滑动轴承壳具有根据本发明的薄的滑动层，而在相同的总轴承厚度下，相同滑动轴承的较低负载的配对壳具有更厚的滑动层。理论上，较薄的滑动层在实现高耐疲劳强度之处是有利的，而较厚的滑动层具有更好的嵌入行为，以便由此降低整个滑动轴承的污物敏感性。因此可以再次精准地对具体的应用情形来定制滑动轴承壳的相应性能。将借助附图和实施例来详细阐释本发明的滑动轴承元件。附图中：图1示出本发明的滑动轴承元件的原理性的层结构。图1示意性示出根据本发明的呈滑动轴承壳形式的滑动轴承元件的透视截面图。滑动轴承壳总共具有三个层。由钢形成的支撑层或载体层10设置为最下层。在载体层10上施加基底层12。在基底层12上进而布置滑动层14。基底层12和滑动层14分别具有上文讨论的铝基的组合物。滑动层具有0.005至0.1mm的厚度hg。在此适用的是：滑动层越薄，较厚的基底层对耐久性的贡献就越大。基底层具有0.2至0.4mm的厚度hs。下面在表1中详述基底层的铝合金的两个实施例并且在表2中详述滑动层的铝合金的两个实施例。表1：基底层的示例性组成(以重量％计的比例)表2：滑动层的示例性组成(以重量％计的比例)alsncusicrvmng1余量21.51.04.0--0.35g2余量10.00.82.40.20.2-上面详述的实施例的抗拉强度和硬度展示在下表3中。表3：在制备过程的不同时间点基底层(s1和s2)以及滑动层(g1和g2)的硬度和抗拉强度rm根据标准dineniso6506和dinen10002进行硬度和抗拉强度的测定。下面将详述本发明轴承元件的制造以及尤其对基底层和滑动层的铝合金的材料性能的设定。通过在制造单独的层时独立地微调组成和处理流程，依据所计划的应用的要求特征在承载能力、耐疲劳强度和/或滑动性能的参数范围内设定这些参数之间的性能重点。提供了由第一铝合金形成的带材料(其在稍后的复合材料中形成基底层)和由第二铝合金形成的带材料(在稍后的复合材料中构成滑动层)。如从表3中可以得知的，这些材料首先在硬度和抗拉强度方面具有类似的性能。在带材料的铸造之后接着是在介于400与550℃之间的温度下的退火处理，目的为均匀化。在此，易溶元素的沉积物溶解在合金中，如铜、镁、硅和锌，并且均匀分布。因此材料性能整体上是均匀的。难溶元素如锰的沉积物变粗糙并且去掉其棱角形状(成型)。带材料例如可以在原地铸造并且随后在交替的退火步骤和变形步骤(辊轧)中以所希望的厚度(例如分别1.4至2mm)辊轧成带。随后将这两种带材料借助于冷轧包覆接合。在第一次辊轧包覆之后，经接合的层的厚度分别为约0.7至1mm，这对应于约50％的变形度。然后是在介于200与400℃的温度下一次或多次退火处理，目的是重结晶，持续8至15小时。借助于重整和形成新的颗粒结构，这分解了由于变形出现的位移的内部能量，其中冷变形越大且退火时间越长，在越低的温度下开始重结晶。此外，这总体上造成单独层的抗拉强度和硬度下降(参见表3)。细颗粒的且在理想情况下完全重结晶的结构具有最佳的变形特性。如此产生的两层复合物随后同样通过冷轧包覆施加到钢带上，即接合成三层复合物，其中基底层布置在钢层上。随后是任选的另外的辊轧步骤，其中基底层和滑动层的厚度进一步降低到(基底层的)所希望的最终尺度。在此实现了至少50％的变形度，其中适用的是，高变形度伴随着双层复合物对钢质背面的更好的结合。基底厚度和滑动层厚度于是分别为约0.2至0.4mm。在辊轧包覆和单独的另外的辊轧步骤之后，可以在需要时分别再次进行重结晶退火。在变形结束时，无论是在辊轧包覆到钢带上之后还是在这个或这些另外的辊轧道次之后，随后在任何情况下都有在介于150与450℃之间、优选介于200与350℃之间的温度下封闭退火4至12小时，其中借助于扩散在钢带与基底材料之间形成结合区，这产生了这些层之间的结合的改进。另外，封闭退火用于设定上文所要求的在硬度和抗拉强度方面的材料性能。由于不同的化学组成，封闭退火的温度可以被选择为超过或者低于这两个层之一的重结晶阈值，使得选择性地同时还在对应的层中进行重结晶。优选如此选择温度，使得基底层在没有显著的抗拉强度损失和硬度损失的情况下承受住封闭退火，而滑动层的硬度有所损失。最终从3层复合材料来成型所述轴承元件，其方式为例如将板材分离、在下一个处理步骤中变形成滑动轴承壳或轴套并且最后切削后加工滑动轴承壳或轴套，其中实现0.005至0.1mm的滑动层厚度的最终尺度。附图标记清单10钢质背面12基底层14滑动层16滑动面hg滑动层的厚度hs基底层的厚度当前第1页12