本发明是基于以下目的:设计一种在前面描述的滑动轴承,其有与高 抗磨损性紧密联系的良好摩擦性。
本发明通过含有1-49重量%的铋作为附加的合金元素的锌基运行层实 现了所述的目的。
令人惊奇地发现,通过添加铋,尽管是锌基,但与锌相比可以确保运 行层有良好的摩擦性能,且具有较低的磨损倾向。另外,得到了易延展的 运行层,尽管人们认为铋本质上为脆性。这对于滑动轴承的磨合特性和污 渍埋藏性是明显重要的,尤其是因为提高了疲劳强度。1重量%的铋含量已 经显示对运行层的
摩擦学性能具有显著的影响。尤其是铋含量高于4重量 %,更优选是高于10重量%时具有特别有益的影响。然而,铋的比例必须 有上限,以限制铋对运行层的脆性的影响。尽管铋的比例对特定的应用可 高达49重量%,但是通常铋的比例不能超过40重量%,最好不超过30重 量%。
原则上,添加有铅或镉的锌合金同样能用于滑动轴承的运行层,但是, 这些合金添加物的毒性限制了上述应用。具有锡或铟作为主要合金添加物 的锌合金也有足够的摩擦性能,但是耐温性有限。基于含有
银作为主要合 金添加物的锌的运行层有很好的运行性能,但是,银与锌会形成硬质金属 间相。
可以通过其他合金元素调节运行层的硬度和作为其功能的
耐磨性或耐 蚀性。为此,除铋之外,锌基体可包含选自铁、钴、铜、锰、镍、银、锡、 锑、
钛、铬、钼和钨中的至少一种合金元素,这些合金元素的单独比例为 0.01-15重量%,但总比例最多为20重量%。为了不危及运行层的锌-铋 合金的摩擦特性,附加合金元素的使用必须限于总的比例,附加合金元素 含量的具体下限对于要考虑的特定性能能产生相应的影响是必要的。这些 合金元素的单独比例在0.1-10重量%为宜,优选0.3-5重量%。
在这组合金元素中,由铁、钴和铜组成的小组更宜于加强锌基,除铜 之外,抗
腐蚀性也提高。该小组合金元素占总比例的0.2-3重量%,合金 元素的单独比例在0.02-3重量%之间。铁比例为0.3-1重量%时抗腐蚀 性得到显著的提高。铁成分的增加能增高硬度,但是铁含量为6-15重量 %的运行层仍然有足够的可
变形性。钴含量一般为0.5-2重量%,最重要 的是增加抗二
氧化硫的腐蚀性。铜溶于锌基最多约1重量%而不形成沉淀。 在该铜含量范围内可观察到拉伸强度的增加而可变形性基本不变。铜含量 高于1重量%时产生沉淀,这与可变形性降低和同时硬度增加有关。
除了这些合金元素之外,其它特定元素同样能用来影响特性。因而溶 于锌的锰显著提高了运行层的机械性能。由于最多约0.3重量%的锰溶于锌, 为此,可提供0.01-0.3重量%比例的锰。更高的锰含量,能增加抗腐蚀性 的特性。然而,锰含量在12-17重量%会形成铋-锰相,并由此降低软相 成分。
镍既与锌也与铋形成金属间相。因为与锌的金属间相比与铋的金属间 相更稳定,然而,更高的镍含量同样确保使运行层具有充分的展延性,高 的镍含量将提高抗腐蚀性。当镍含量低于0.05重量%时,在锌基中形成很 细的沉淀,这将提高运行层的强度。
为了降低粉化趋势,银可以合金化,最多2.5重量%的银能溶于锌基中。 为此目的,优选提供0.1-1重量%的含量。银含量超过2.5重量%时会产生 沉淀,这种沉淀将提高硬度和抗磨损性。游离锡与锌形成的合金具有很低 的熔点。锡在锌中的
溶解度最高为0.02重量%,在0.01-0.02重量%的比例 范围内能提高运行层的抗腐蚀性。锑通过与铋形成相从而提高锌基的强度, 特别是在高含量的附加合金元素时,例如铁、钴或铜。为此,锑的比例需 要在0.05-5重量%之间。0.1-0.5重量%含量的钛可用于提高锌基的抗磨 损性。最高0.02重量%含量的铬也可用于提高运行层的强度。铬在锌基中 的溶解度最高为此含量。更高的铬比例能提高抗腐蚀性,保持充分展延性 的锌基铬含量至多为10重量%。钼与铬在锌基中具有相似的效果,但是还 抑制锌
电解液中氢的形成,以致于由氢引起脆变的危险可有效的抵消。钨 既不溶于锌也不溶于铋,且在沉淀硬化期间起第三相作用。尤其是在含量 约1重量%时,抗磨损性能可获得显著提高。
众所周知,凭借运行层合金的成分在运行层合金的厚度上变化,可以 在磨合阶段(break-in phase)期间获得良好的污渍埋藏能力和抗磨损性能,该 抗磨损性能随着磨损的提高而逐渐增加。为此,对于运行相仅须保证增加 软相的比例,但是对于轴承金属层则应提高硬质相的比例。为了得到特别 有利的磨合条件,运行层可以由铋构成的磨合层(break-in layer)
覆盖,该磨 合层在磨合阶段期间磨损,因此,在磨合阶段之后低磨损的运行层开始生 效,其中,污渍埋藏能力不再起决定作用。在本文中不再需要强调,通过 在运行层的锌基中另外插入硬质颗粒可以使滑动轴承的性能适应特定需 要。该硬的颗粒由氧化钛或锌-铜相制成,例如,
晶界积聚,以致于防止 晶界扩散和晶粒粗化,这将导致滑动轴承的摩擦性能在其整个使用寿命期 间保持一致。氧化铝、氧化锆或氧化
硅,
碳化硅或碳化
硼,氮化铝和混合 氧化物可用作硬质的颗粒,优选直径为50-500nm。这些颗粒的体积比优 选为0.1-2%。在锌基中掺入硬质颗粒可大大降低磨损率,甚至几乎不改变 硬度。这可能归因于安置在物体上的硬颗粒的
抛光作用。具有晶粒尺寸小 于100nm的更硬的颗粒,另外还提供分散硬化的作用。
如果
铝合金用作轴承金属层,运行层能直接施加于具有粘附促进层的 铝合金,该促进层由锌酸盐熔池施加。推荐向铝合金中添加相应的锌以降 低锌向铝合金中的扩散。基于
铜合金的轴承合金层通常需要一个中间层来 抑制锌迁移进轴承金属层。例如,基于锌-镍、锌-铁、锡-镍、铜-锡、 铜-锌、铜-锌-锡、锌-钴、锡-钴、钨-镍、钼-镍和钯-镍的合金 适合作为中间层,中间层的厚度优选为1-3μm。然而,例如由银、金、铂、 锑、钯或铬制成的中间层同样可以应用。
实施例1:
在具有钢制支撑壳和由
黄铜合金制成的轴承金属层的滑动轴承中,施 加了多层运行层,在轴承金属侧上的运行层具有10重量%的铋,3重量% 的铁,1重量%的钴和余量的锌,和不可避免的杂质。运行层面的硬度为 130HV,厚度为5μm。在铁的比例为1.2重量%,钴的比例为0.8重量%时, 铋的比例在中间运行层面增加到20重量%,硬度降低到70HV。最后,最 上层的铋的比例为30重量%,铁的比例为0.5重量%,钴的比例为0.3重量 %,硬度为40HV。该层由铋制成的磨合层覆盖,该磨合层的厚度为3μm, 硬度为18HV。
实施例2:
施加于铝合金的运行层具有铋的比例为30重量%,铜为0.5重量%和 余量的锌以及不可避免的杂质,0.8重量%的附加氧化钛颗粒插入锌基,其 硬度达到35HV。氧化钛颗粒的平均晶粒尺寸为0.2μm。
实施例3:
在另一个具有代表性的实施方式中,将硬度为180HV的铜-锡-锌合 金用作轴承金属层,将由含镍12重量%的锌-镍合金构成的中间层以2μm 厚度(硬度为550HV)施加于轴承金属层作为扩散阻挡层。该运行层的沉积厚 度为15μm并包含30重量%的铋,和3重量%的钴以及0.2重量%的镍,和 余量的锌以及不可避免的杂质。运行层的硬度为50HV。提供3μm厚的由 铋制成的磨合层以提高磨合性能。
为检测磨损行为,一方面对根据本发明的实施例1-3的滑动轴承,另 一方面对已知的滑动轴承进行相应的测试,在运行速度为13.2m/s(6000rpm) 时变化的动力荷载逐步提高到80Mpa,然后保持超过25小时。提供的润滑 油5W-40SE的
温度为130℃。
测量卡住极限负荷(seizing limit load),即滑动轴承的运行层与轴之间发 生卡住时的负荷,以及以摩擦层厚度的形式发生的磨损。另外,在
金相学 横断面的运行层的硬度使用Vickers显微硬度测试仪确定。该硬度和污渍埋 藏能力非常相关,污渍埋藏能力随着硬度的增加而降低。可以确定耐温性 本质上与(共晶)熔点温度相应,该熔点温度可以通过
相图得到。检测值总结 在下表,根据实施例1-3的轴承的结果记录在1-3行。第4行涉及具有 由含铅
青铜制成的轴承金属层的滑动轴承,其运行层基于沉积在镍中间层 上的铅。第5行的值是来自具有基于黄铜的轴承金属层的滑动轴承,该滑 动轴承具有基于锡的运行层和由镍构成的中间层。对于具有基于黄铜的轴 承金属层、由银制成的中间层以及由铋制成的运行层的轴承,其试验结果 总结在第6行。最后,对于具有基于黄铜的轴承金属层、由镍-锌合金制成 的中间层以及由锌制成的运行层的滑动轴承的结果记录在第7行。
运行层 卡住极限负荷 (MPa) 磨损 (μm) 硬度 (HV) 温度 (℃) 1 ZnBiFeCo,多层 磨合层Bi >80 8 40-130 18 255 2 ZnBi30Cu0,5TiO2 >80 2 35 255 3 ZnBi30Co3Ni0.2 磨合层Bi >80 5 50 18 255 4 PbSn15Cu3 >80 18 16 280 5 SnCu5 >80 16 23 227 6 Bi >80 19 18 271 7 Zn 10 - 45 419