具有中间层的滑动元件的制作方法

本发明涉及一种轴承元件以及一种包括轴承元件的发动机。更具体地，本发明涉及一种轴承元件，该轴承元件包括处于金属基材与轴承层之间的中间层。体现本发明的轴承元件适用于汽车环境，包含用于支撑可旋转或可滑动的发动机部件以及用作其它可旋转或滑动的发动机部件或用作其它可旋转或滑动的发动机部件的一部分。这种滑动发动机部件可以包含轴承衬壳、衬套、曲轴的轴承表面、凸轮轴的轴承表面、连杆的轴承表面、止推垫圈、轴承座的轴承表面、轴承盖的轴承表面以及活塞组件部件，诸如，活塞环、活塞裙、气缸壁和气缸套。体现本发明的轴承元件特别适合用作滑动轴承。

背景技术：

1、在内燃机中，主轴承组件通常各自包括一对半轴承，该对半轴承保持可围绕一条轴线旋转的曲轴。每个半轴承是大致半圆柱形的轴承壳，并且通常至少一个是凸缘半轴承，该凸缘半轴承在每个轴向端部处设有向外(径向)延伸的半环形止推垫圈。

2、轴承壳的轴承表面通常具有分层结构，其中包括坚固背衬材料的基材涂布有一个或多个层，所述一个或多个层具有优选的摩擦学性能，以提供在使用中面向合作的运动部件(诸如，曲轴轴颈)的轴承表面。通常，在坚固的金属基材上设置金属的运行表面或轴承表面。金属轴承层可以包括铝合金，该铝合金可以进一步包括锡或硅。包括铝锡合金的轴承层可以展现出提高的抗咬合性和顺应性，但是由于包含软质锡溶质，可能具有降低的疲劳强度。金属轴承层可以包括青铜或黄铜合金，其具有或不具有软相。包括青铜的轴承层可以由于其较高的负荷承载能力而较适合于较高负荷的应用。然而，这种轴承层可能展现出较低的抗咬合性和较低的顺应性。由于铜的高成本，包括青铜的轴承层也可能比包括铝锡合金的轴承层昂贵得多。

3、在已知的轴承元件中，可以在金属基材与轴承层之间铺设一层结合箔。也称为夹层或中间层的结合箔通常具有几十微米的厚度，并用于促进轴承层与金属基材的有效结合。通常，中间层通过带式铸造或连铸形成，以形成带材，该带材随后被辊压结合到金属基材。已知的中间层可以包括纯铝或高强度铝铜合金。已知的中间层的厚度通常比轴承层的厚度小得多。

4、然而，包括纯铝或铝铜合金的中间层的设置可能是昂贵的。此外，虽然已知的轴承元件通常展现出高抗咬合性和顺应性，但许多轴承元件展现出低劣抗疲劳性。疲劳是材料由于在低于材料的极限强度的应力下反复加载和卸载而失效的过程。轴承元件和其它滑动部件需要能够使用大量循环，而不会由于疲劳而失效。因此，轴承元件需要高抗疲劳性。

技术实现思路

1、因此，需要提供一种既展现出高抗咬合性又展现出高抗疲劳性的轴承元件。

2、此外，需要提供一种生产成本较低的轴承元件。

3、根据本发明的第一方面，提供了一种轴承元件，其包括：金属基材、设置在金属基材上的中间层以及设置在中间层上的轴承层，其中，中间层包括第一铝合金，该第一铝合金包括：0.8重量％与1.4重量％之间的锰，以及0.8重量％与1.3重量％之间的镁。

4、包括锰和镁的中间层的设置可以比包括铝铜合金的可比中间层成本低。此外，本发明人发现，包括具有本发明的重量百分比的锰和镁的铝合金的中间层的设置可以有利地且令人惊讶地提高轴承元件的抗疲劳性，同时保持由轴承层提供的良好抗咬合性。

5、不希望受到理论的束缚地，轴承元件的抗疲劳性的提高被认为是由于使用了与现有技术的中间层相比具有提高的硬度的中间层。如下文更详细地阐述，例如当使用维氏硬度测试时，在现有技术的轴承元件中，铝金属或铝铜合金中间层的硬度低于轴承层的材料的硬度。相反，本发明的铝锰合金的硬度大于轴承层的材料的硬度。例如，本发明的中间层的铝锰合金的硬度可以是轴承层的材料的硬度的约1.1倍。

6、中间层包括第一铝合金，该第一铝合金包括0.8重量％与1.4重量％之间的锰。例如，第一铝合金可以包括1.0重量％与1.4重量％之间的锰。

7、中间层包括第一铝合金，该第一铝合金包括0.8重量％与1.3重量％之间的镁。例如，第一铝合金可以包括0.8重量％与1.3重量％之间的镁。

8、中间层的铝合金可以具有对应于国际名称a3004或a3104的组成。

9、如本文所使用，参考本发明，轴承元件中所使用的材料中的组分的相对量以重量百分比给出。这是指每种组分的干重百分比。本领域技术人员应理解，这是任何固化或热处理步骤之后的最终轴承材料的每种组分以重量给出的比例。

10、如本文所使用，参考本发明，“轴承层”是指轴承元件的层，该层直接邻近于中间层，在中间层的与金属基材相反的表面上。轴承层可以是直接与合作的运动部件(诸如，曲轴轴颈)接触的层。替代地，轴承元件可以进一步包括设置在轴承层上的附加层，诸如下文更详细描述的聚合物覆盖层。

11、金属基材可以包括任何金属。金属基材可以包括钢。金属基材可以具有任何厚度。例如，金属基材的厚度可以介于0.25毫米与5毫米之间、0.5毫米与3毫米之间或者1毫米与2毫米之间。

12、可以通过使用带式铸造机或连铸机铸造第一铝合金的相对薄的带材来形成中间层。第一铝合金的薄带材的表面可以使用磨刷来粗糙化，以实现2微米与6微米之间的表面粗糙度(ra)。可以进行这种表面粗糙化以促进中间层与金属基材的结合。可以使用辊压结合将轴承层和中间层铺设到金属基材。轴承元件可以经历热处理过程以提高轴承元件的机械性能。如下文更详细地阐述，热处理可以有利地促进中间层与轴承层的改进的结合。

13、第一铝合金可以进一步包括铜。第一铝合金可以进一步包括0.01重量％与0.6重量％之间的铜。例如，第一铝合金可以进一步包括0.05重量％与0.25重量％之间的铜，或者0.10重量％与0.25重量％之间的铜。替代地，第一铝合金可以包括约0.6重量％的铜。

14、第一铝合金可以进一步包括硅。第一铝合金可以进一步包括0.1重量％与1.0重量％之间的硅。例如，第一铝合金可以进一步包括0.3重量％与0.7重量％之间的硅。第一铝合金可以包括约0.6重量％、约0.3重量％、约0.4重量％的硅、约0.6重量％或约0.7重量％的硅。

15、第一铝合金可以进一步包括铁。第一铝合金可以进一步包括0.5重量％与1.0重量％之间的铁。例如，第一铝合金可以进一步包括约0.7重量％或约0.8重量％的铁。

16、第一铝合金可以进一步包括约0.6重量％的硅，以及约0.8重量％的铁。

17、轴承层可以包括第二铝合金。第二铝合金可以是任何铝合金。第二铝合金可以进一步包括镍。第二铝合金可以进一步包括不超过2.0重量％的镍。第二铝合金可以包括0.01重量％与2.0重量％之间的镍。

18、第二铝合金可以进一步包括钒。第二铝合金可以进一步包括不超过0.5重量％的钒。第二铝合金可以包括0.01重量％与0.5重量％之间的钒。

19、第二铝合金可以进一步包括锰。第二铝合金可以进一步包括0.01重量％与0.5重量％之间的锰。第二铝合金可以包括0.2重量％与0.3重量％之间的锰。

20、第二铝合金可以包括0.01重量％与2.0重量％之间的镍、0.01重量％与0.5重量％之间的钒以及0.2重量％与0.3重量％之间的锰。

21、已令人惊讶地发现，包括具有这种组成的第二铝合金的轴承层的设置可以提高中间层与轴承层之间的结合强度。特别地，包括锰的第二铝合金与具有也包括锰的第一铝合金的中间层相结合的设置可以提高中间层与轴承层之间的结合强度，这是因为锰在中间层与轴承层之间扩散而降低了中间层与轴承层之间的锰浓度梯度。在一些实施例中，一旦轴承层已铺设到中间层，轴承元件便可以经历热处理。此过程可以促进锰在中间层与轴承层之间的扩散，而该扩散又可以提高中间层与轴承层之间的结合强度。

22、中间层的厚度可以占中间层和轴承层的总厚度的任何比例。中间层的厚度可以占中间层和轴承层的总厚度的至少5％。例如，中间层的厚度可以占中间层和轴承层的总厚度的至少10％、至少15％或至少20％。

23、如本文所使用，关于本发明，术语“厚度”意指轴承元件的在轴承元件的运行表面处的层(例如，轴承层或中间层)的厚度。换句话说，“厚度”意指层在其中轴承元件接触合作的运动部件(诸如，曲轴轴颈)的点处的厚度。例如，在轴承元件是圆柱形半壳轴承的情况下，层的厚度是此层在径向方向上的尺寸。

24、中间层的厚度可以占中间层和轴承层的总厚度的至少25％。例如，中间层的厚度可以占中间层和轴承层的总厚度的至少30％、至少35％或至少40％。

25、中间层的厚度可以占中间层和轴承层的总厚度的不超过50％。中间层的厚度可以占中间层和轴承层的总厚度的约50％。

26、已令人惊讶地发现，厚度大于现有技术的中间层的设置可以有利地提高轴承元件的负荷承载能力。这可以有利地提高轴承元件的抗疲劳性。

27、中间层的厚度可以介于20微米与150微米之间。例如，中间层的厚度可以介于50微米与100微米之间或60微米与80微米之间。中间层的厚度可以介于20微米与50微米之间。

28、然而，中间层可以具有较大厚度。例如，中间层的厚度可以介于50微米与150微米之间。设置具有此范围内的较大厚度的中间层可以有利地提高轴承元件的抗疲劳性。

29、轴承层可以具有任何厚度。轴承层的厚度可以介于150微米与280微米之间。例如，轴承层的厚度可以介于200微米与250微米之间。

30、中间层和轴承层的组合厚度可以介于200微米与300微米之间。中间层和轴承层的组合厚度可以介于225微米与325微米之间。中间层和轴承层的组合厚度可以是约250微米。

31、虽然本发明的轴承元件可以包含厚度比现有技术的中间层大的中间层，但是可以是有利的是，轴承元件的总体尺寸保持与现有技术的轴承元件大致一致，因为尺寸可能需要符合工业标准或者可与现有技术的轴承元件互换。虽然中间层较厚，但是通过设置厚度相比现有技术的轴承元件通常具有的厚度较小的轴承层，轴承元件的总体尺寸可以保持与现有技术的相同。

32、在一些实施例中，轴承元件可以是止推垫圈。在这种情况下，本发明的中间层可以设置在金属基材的第一表面上。牺牲层可以设置在金属基材的第二表面上，其中金属基材的第一表面与金属基材的第二表面相反。牺牲层可以由与中间层相同的材料形成。牺牲层可以由第一铝合金形成。

33、在现有技术的止推垫圈中，常见的是，中间层和牺牲层具有基本相同的厚度。在本发明中，中间层的厚度可以比牺牲层大。

34、轴承元件可以进一步包括设置在轴承层上的聚合物覆盖层。

35、在现代内燃机的剧烈条件下，停止-启动操作需要典型的发动机经历数量大幅增加的停止-启动操作。每次发动机重新启动时，全流体动力润滑可能并不到位，并且因此轴承(诸如，曲轴轴承)需要能够经受得住数量增加的非流体动力润滑的启动操作。

36、聚合物覆盖层可以有利地提高轴承元件在这些剧烈的停止-启动条件下的耐磨性。聚合物覆盖层的设置还可以提高轴承元件的抗疲劳性，因为由于聚合物覆盖层的固有弹性，施加到轴承元件的负荷可以较均匀地分布。

37、聚合物覆盖层的功能还在于提供相对软的适形层，该适形层可以适应较硬的钢制曲轴轴颈与轴承元件之间的任何小的不对准，并且接纳并嵌入可能在供油系统中循环并进入轴承的灰尘颗粒，以便防止轴颈损坏或擦伤。换句话说，聚合物覆盖层的设置可以提高轴承元件的顺应性和可嵌入性。

38、聚合物覆盖层可以包括含有聚酰胺-酰亚胺的聚合物基质。

39、聚酰胺-酰亚胺(pai)聚合物材料的聚合物基质的设置有利地为聚合物覆盖层提供了坚固且有效的基底。

40、具有合适填料的基于pai的轴承材料在现代内燃机特有的剧烈的停止-启动条件下，表现出优于其它聚合物材料的性能。因此，在本发明的轴承材料中使用聚酰胺-酰亚胺聚合物材料可以有利地提供具有良好性能(包含顺应性和可嵌入性)的轴承元件。

41、聚合物覆盖层可以进一步包括金属颗粒。

42、本发明人已经进一步发现，金属颗粒的设置可以提高轴承材料的顺应性和导热性。这可以有利地改进整个聚合物基质的热分布。此外，金属颗粒的设置可以提高轴承材料的抗疲劳性。然而，已发现，金属颗粒的设置、特别是高重量百分比的金属颗粒的设置可能降低轴承材料的耐磨性。

43、金属颗粒可以包括任何金属。例如，金属颗粒可以包括铝、铝合金、铜、铜合金、银、钨、锡和不锈钢中的至少一种。本发明的发明人已发现铝颗粒在抗疲劳性方面提供了最大的提高。

44、金属颗粒可以是任何金属颗粒，但优选包括金属薄片。颗粒的薄片状性质通常导致金属颗粒的最大面积暴露于合作的轴颈，这是因为薄片的平面通常平行于轴承表面定向。通常平行于轴承表面的薄片在基于聚合物的覆盖层内的设置可以通过基于聚合物的覆盖层的喷射沉积来设置。

45、金属颗粒的片状薄片形态的又一优点是，由于每个单独薄片的表面积相对大，薄片较牢固地结合到基于聚合物的基质，并且因此防止金属薄片在发动机操作期间从基于聚合物的基质脱落。

46、优选地，金属颗粒包括铝薄片。

47、优选地，金属颗粒具有沿着最大尺寸介于约5μm与约30μm之间的d50大小。更优选地，沿着最大尺寸介于约10μm与约20μm之间的d50大小。已发现这提供了一种特别合适的金属颗粒添加形式。d50是金属颗粒的粒度分布的中值直径。

48、聚合物覆盖层可以包括任何量的金属颗粒。聚合物覆盖层可以包括10重量％与40重量％之间的金属颗粒。例如，聚合物覆盖层可以包括15重量％与35重量％之间或20重量％与30重量％之间的金属颗粒。

49、聚合物覆盖层可以进一步包括固体润滑剂。

50、固体润滑剂的设置可以提高轴承元件的耐磨性。

51、固体润滑剂可以是任何固体润滑剂。固体润滑剂可以包括ptfe、氰尿酸三聚氰胺、二硫化钨、二硫化钼、石墨和六方氮化硼中的至少一种。

52、氰脲酸三聚氰胺作为固体润滑剂可以是特别有利的，因为氰脲酸三聚氰胺除了它的高热稳定性和低腐蚀性之外，由于它的氢键网络和低摩擦系数，可以在轴承材料中导致优异的抗疲劳性和抗咬合性。

53、聚合物覆盖层可以包括任何量的固体润滑剂。聚合物覆盖层可以包括5重量％与15重量％之间的固体润滑剂。例如，聚合物覆盖层可以包括8重量％与12重量％之间的固体润滑剂。

54、聚合物覆盖层可以进一步包括磨损抑制剂。磨损抑制剂可以包括金属氧化物颗粒，诸如，过渡金属氧化物颗粒。

55、磨损抑制剂(诸如，金属氧化物)可以有利地提高轴承材料的耐磨性。在耐磨抑制剂具有高硬度的情况下特别如此。

56、磨损抑制剂可以是任何金属氧化物。优选地，金属氧化物颗粒包括氧化铈、氧化锡、二氧化钛和二氧化锆中的一种或多种。优选地，金属氧化物可以是ceo2、sno、sno2、tio2、zro2或fe2o3中的一种或多种。

57、在特别优选的实施方案中，金属氧化物包括氧化铈或ceo2。

58、在覆盖层中使用氧化铈或ceo2可以允许用户通过测量发动机的油中积累的铈来监测覆盖层磨损。与铁或其它金属不同，氧化铈不太可能用于发动机系统的其它地方。因此，油中的铈只能来自涂层的磨损。因此，氧化铈在覆盖层中的存在可以有利地用于测量轴承磨损，而不需要目视检查和发动机的重新组装。还发现氧化铈在提高轴承元件的耐磨性方面特别有效。

59、聚合物覆盖层可以包括任何量的磨损抑制剂。聚合物覆盖层可以包括不超过约5重量％的磨损抑制剂。例如，聚合物覆盖层可以包括不超过约3重量％的磨损抑制剂。当聚合物覆盖层包括磨损抑制剂时，聚合物覆盖层可以包括至少0.1重量％的磨损抑制剂。例如，聚合物覆盖层可以包括0.1重量％与5重量％之间或0.1重量％与3重量％之间的磨损抑制剂。

60、聚合物覆盖层可以进一步包括颜料。

61、可以选择颜料的颜色，以给基于聚合物的覆盖层提供与下面的轴承层的颜色不同的颜色。这可以有利地允许简单地通过查看轴承表面和观察颜色来容易地确定聚合物覆盖层的存在。

62、例如，颜料可以是蓝色或黑色，以产生聚合物覆盖层存在的清晰视觉指示。蓝色颜料可以是铜酞菁粉末。

63、聚合物覆盖层可以包括任何量的颜料。聚合物覆盖层可以包括不超过约10重量％的颜料。例如，聚合物覆盖层可以包括不超过约8重量％的颜料。当聚合物覆盖层包括颜料时，聚合物覆盖层可以包括至少0.1重量％的颜料。例如，聚合物覆盖层可以包括0.1重量％与10重量％之间或0.1重量％与8重量％之间的颜料。

64、聚合物覆盖层可以包括：20重量％与30重量％之间的铝薄片、8重量％与12重量％之间的固体润滑剂、小于3重量％的磨损抑制剂，和小于8重量％的颜料。

65、聚合物覆盖层可以具有任何厚度。聚合物覆盖层的厚度可以介于2微米与20微米之间。例如，聚合物覆盖层的厚度可以介于5微米与15微米之间。

66、第一铝合金可以进一步包括：0.05重量％与0.25重量％之间的铜、约0.6重量％的硅、约0.8重量％的铁、约0.25重量％的锌、约0.1重量％的钛、约0.05重量％的镓和约0.05重量％的钒，其中轴承层包括第二铝合金，该第二铝合金包括：5.0重量％与23重量％之间的锡、0.01重量％与6.5重量％之间的硅、0.7重量％与1.3重量％之间的铜、0.01重量％与2.0重量％之间的镍、0.01重量％与0.5重量％之间的钒、0.2重量％与0.3重量之间％的锰、0.01重量％与0.7重量％之间的铁以及0.01重量％与0.1重量％之间的铅。

67、第一铝合金的剩余部分可以除了最多达约0.15重量％的杂质之外包括铝。第二铝合金的剩余部分可以除了最多达约0.5重量％的杂质之外包括铝。

68、根据本发明的第二实施例，进一步提供了一种包括根据本发明的第一方面的轴承元件的发动机。

69、应了解，本发明的一个方面中的任何特征可以以任何适当的组合应用于本发明的其它方面。特别地，方法方面可以应用于设备方面，反之亦然。此外，一个方面中的任何、一些和/或所有特征可以以任何适当的组合应用于任何其它方面中的任何、一些和/或所有特征。

70、还应了解，在本发明的任何方面中描述且定义的各种特征的特定组合可以被独立地实施和/或供应和/或使用。