多层滑动轴承的制作方法
【专利说明】多层滑动轴承
[0001] 本发明涉及多层滑动轴承，其具有支承层和滑动层以及任选设置在所述支承层上 的轴承金属层，和任选至少一个中间层，所述中间层设置在所述滑动层与所述支承层之间， 尤其是设置在所述轴承金属层上，其中所述滑动层由具有锡基体的锡基合金组成，所述锡 合金除锡以外还包含锑、铜和任选至少一种选自由硅、铬、钛、锌、银和铁组成的第一组的元 素，其中锑的份额为介于1重量％和8重量％之间，铜的份额为介于8重量％和20重量％ 之间，元素硅、铬、钛、锌、银、铁的每一种的份额为介于0. 1重量％和2重量％之间，且其中 全部合金元素的总含量为最多30重量％，并且锡与制备过程带来的杂质构成余量，其中至 少一部分铜与锡构成富含铜的硬质相，所述硬质相作为析出物存在于所述锡基体中。
[0002] 大型发动机的在未来可预见的点火压力的提高需要滑动轴承解决方案，其具有比 由目前使用的材料所构成的已知的滑动轴承更低的疲劳倾向。同时应当改进疲劳强度，降 低相对于重质燃料操作的耐腐蚀性和磨损倾向。同样需要滑动层相对于污物颗粒和用来平 衡轴的制造公差的相应的适应性。
[0003] 锡基合金用于滑动轴承的滑动层的用途已经描述于现有技术中。
[0004] 例如WO 2009/108975 Al描述了除不可避免的杂质以外不含镉、铅、砷和铬的由基 于锡的巴氏合金构成的铸造滑动轴承合金，所述巴氏合金包含4至30重量％的锑作为主合 金元素和1至10重量％的铜，并具有至少一种选自包括钴、猛、钪和锗的元素组的元素，基 于该组的使用的元素计的总浓度为介于0. 2和2. 6重量％之间，以及至少一种选自包括镁、 镍、锆和钛的元素组的元素，基于该组的使用的元素计的总浓度为介于0. 05和1. 7重量％ 之间，其中在锑含量相当于铜含量的至少三倍情况下，锑和铜的总份额为最多35重量％。 所述巴氏合金可具有0. 05至2. 5重量％的铝份额。
[0005] EP 2 333 129 Al描述了一种多层滑动轴承，其包括至少一个支承金属层、滑动层 和任选设置于所述滑动层和支承金属层之间的轴承金属层。在所述轴承金属层和所述滑 动层之间可以设置中间层，所述中间层由一个或多个子层组成，电镀沉积或通过扩散形成 所述子层，其中各子层包含选自铬、镍、铁、钴、铜和锡的组的一种或多种元素。电镀沉积的 滑动层由锡基合金组成，所述锡基合金除作为主合金元素的锡以外还包含至少一种选自锑 和铜、任选铅和/或铋的其它元素，以及任选至少一种选自包括锆、硅、锌、镍和银的组的元 素，和来源于所述元素的制造的不可避免的杂质，其中锑份额为最多20重量％，铜份额为 最多10重量％，铅和铋的总份额为最多1. 5重量％，铜和锑的总份额为至少2重量％，和 锆、硅、锌、镍和银的总份额为最多3重量％，且其中锡以金属间相形式结合并且以作为具 有e-锡晶粒的锡相游离存在，所述具有e-锡晶粒具有至少以Um计的值的平均尺寸，所 述尺寸根据公式K = AAS+3*C+0)计算得到，其中K表示以ym计的平均晶粒尺寸，A表示 系数，S表示以重量％计的锑的合金份额，C表示铜、银、镍的总合金份额，和O表示以重量％ 计的铅、铋、锌、其它合金元素和非金属颗粒的总合金份额，并且系数A具有50、尤其为70、 优选为100的值；和其中平均晶粒尺寸指的是由对于每个晶粒作为该晶粒的最大和最小维 度，如横断面磨片中可以辨别出的那些的几何平均值而计算出的值而得到的算术平均值， 其中为求平均值从横断面磨片中可以辨别的最大晶粒到较小的晶粒进行，直至用来求平均 值的晶粒的横断面面积之和达到所有e -锡晶粒的全部横断面面积的80% ;其中锡基合金 中具有(6-锡结构的锡晶粒在任何情况下具有至少2.5 ym的平均晶粒尺寸。所述轴承金 属层可以尤其为铜-锡合金。作为用于支承金属层的材料，描述了钢。
[0006] 本发明的任务在于为用于重质燃料运行的快速运行的和中速运行的（大型）发动 机，尤其是四冲程柴油发动机开发滑动轴承。
[0007] 在这点上应当注意的是，所述大型发动机被理解为具有直径为至少200mm的滑动 轴承的发动机。通常的尺寸为例如在介于200mm和400mm之间的范围的直径。
[0008] 在四冲程柴油发动机的情况下，术语"快速运行的"或者"中速运行的"被理解为 典型的750-1000U/min或者500-750U/min的转数范围。
[0009] 术语"重型燃料运行"被理解为采用重油作为发动机燃料运行的发动机。
[0010] 本发明的任务采用开篇提及的多层滑动轴承得以解决，其中富含铜的硬质相以具 有50nm的最大粒度的纳米颗粒形式存在和/或其中所述锡基合金除锡锑和铜以及任选至 少一种第一组元素以外还包含选自由铝、铋和镍组成的第二组的至少一种其它元素，其中 所述至少一种其它元素的份额对于元素铝、铋和镍的每一种为介于〇. 1重量％和5重量％ 之间，且其中包含第二元素组的至少一种所述元素的滑动层（5)采用PVD法沉积，如果纳米 颗粒的粒度大于50nm的话。
[0011] 在此有利的是，锡基体中富含铜的锡相的硬纳米颗粒起抑制扩散的作用并且阻碍 晶粒尺寸增加。此外使裂纹的伸展变得困难，这提高了软锡基的硬度和稳定性，由此在保证 可延展的材料性质的同时达到高的疲劳强度。
[0012] 可替代地或另外地，通过添加铝、铋和镍的至少一种其他元素可以实现晶粒细化， 沉积方法本身不应独自产生期望的晶粒尺寸。由此实现了在滑动轴承运行期间不出现或基 本上不出现滑动层的硬度损失。由此可以改进滑动层的承载能力。
[0013] 有利的是，将富含铜的纳米硬颗粒和铝和/或铋和/或镍掺入滑动层。然而如果 所述滑动层中存在富含铜的纳米硬颗粒或铝和/或铋和/或镍，则也可以更好地满足开篇 提及的对用于所述（大型）发动机的滑动轴承的要求。
[0014] 根据一种实施方案变型设计为，除锡以外的全部合金元素的总含量为介于10重 量％和25重量％之间。借此可以进一步改进滑动层的上述性质。
[0015] 优选地，所述轴承金属层由青铜组成，其中根据一种优选的实施方案变型，所述 青铜由 CuPb4Sn4Zn4、CuPb5Sn5Zn5、CuPb7Sn7Zn4、CuPb9Sn5、CuPblOSnKK CuPbl5Sn7、 CuPb22Sn2、CuPb20Sn4、CuPb22Sn8、CuPb24Sn2、CuPb24Sn、CuPb24Sn4、CuSn5Zn、CuAlIONi、 CuSnlO组成。（对于所有所提及的合金变型的组成而言，适用最多至5个百分点的公差范 围，例如CuPb4±2. 5% Sn4±2. 5% Zn4±2. 5% )。尤其是采用由青铜或由这些青铜构成的 轴承金属层可以在具有根据本发明的滑动层的多元滑动轴承中实现滑动层对于污物颗粒 改进的适应性，其中这种类型的轴承金属层也具有相应良好的自润滑性能。
[0016] 优选地，在具有轴承金属层的多元滑动轴承中所述滑动层具有在IOym至60 ym 范围内的层厚度，或者在没有轴承金属层的多元滑动轴承中，所述滑动层具有在150 y m至 1000 ym范围内的层厚度。借此实现了所述滑动层具有在使用时可能出现的污物颗粒的良 好的可嵌入性，而在此不易受疲劳断裂的影响。
[0017] 鉴于滑动层的自适应性质有利的是，所述滑动层具有介于15HV(0.001)和 70HV(0.001)之间的维氏硬度。由此可以在避免自发失效（Spontanversagen)的同时实现 所述滑动层对于污物颗粒的改进的嵌入性。
[0018] 优选地，所述中间层和/或所述滑动层由气相沉积在轴承金属层上。借此可以通 过延缓或抑制颗粒扩散来减少或抑制析出物的凝固并因此产生远离热力学平衡的结构。
[0019] 为了更好地理解本发明，借助以下附图进一步阐释本发明。
[0020] 图1在图解的简化附图中以侧视图显示了半轴瓦形式的多层滑动轴承。
[0021] 作为介绍要注意的是，在说明书中所选择的位置表述，例如上、下、侧面等基于直 接描述的以及描绘的附图，并且在在位置变化时相应转移至新的位置。
[0022] 图1以滑动轴承半轴瓦的侧视图的形式显示了多层滑动轴承1。示出的是所述多 层滑动轴承1的优选实施方案，即由支承层2、直接在所述支承层2上设置的轴承金属层3、 直接在所述轴承金属层3上设置的中间层4和直接在所述中间层4上设置的滑动层5组成 的四层变型。
[0023] 这种类型的四层轴承的该原则上的构造，例如在机动车中使用的那些，由现有技 术是已知的，从而对此的另外的实施方案是多余的。然而应当提到的是可以设置其它的层， 因此例如在所述轴承金属层3和所述支承金属层2之间的附着剂层或在所述滑动层5上的 磨合层。同样可以在所述支承层2的背侧设置抗微动磨损层（Antifrettingschicht)。
[0024] 在本发明的范围内，也可以另