[0001] 本
发明涉及无锌热喷涂粉末，由该喷涂粉末制备的含铜表
面层，尤其是在
轴承装置的轴承部件上的表面层，以及按照各类独立
权利要求的前序部分施加 此表面层的方法。
[0002] 所有类型的轴承装置，例如，
滑动轴承和
滚动轴承(rolling element bearing)， 占据了在本领域中所使用的轴承的主要部分。术语轴承或轴承装置在下文应理 解为限定轴承功能的部件，其在支承
接触中进行配合，例如彼此间滚压(rolling off)或滑动，或彼此相互支承。
[0003] 在支承接触中配合的轴承面处产生的摩擦，通常与尤其是在轴承面处的磨 损现象相关。在这方面，在机械工程中几乎不可胜数的实施方案中使用滑动轴 承。例如，滑动轴承用作往复
活塞式
内燃机中的
曲轴轴承，用作
连杆轴承，用 作压缩轴承(compression bearing)，用作十字头轴承，用作螺旋桨轴轴承，或用 于许多其它的应用。
[0004] 例如，在WO 00/23718中公开了滑动轴承及滑动轴承的制备方法，其中由 白色金属构成的涂层被
合金化至由
铁材料构成的轴承上。然而，形成合金需要 存在液体合金成分，以便在涂布过程中相应地释放出相应量的热，由此，不仅 使白色金属
熔化，而且在轴承部件上侧的接触面上产生由熔融基体材料(base material)构成的金属浴。由此产生的白色金属和铁材料的熔体可以彼此合金化， 伴随大量的FeSn2形成。相应地，在此方面，形成了很大程度上包含FeSn2的较 厚的连接区域。此连接区域实际上的确在基体材料和所述涂层之间产生良好的
冶金连接；但是FeSn2代表非常脆的材料，因此对于已知的轴承构造的小负载已 可发生裂纹和脆性断裂形成。此外，在不适当冷却的情况下，会发生靠近涂层 的铁材料至
马氏体的转变，其同样是非常脆的，从而进一步加剧上述的
缺陷。
[0005] 后果是，由于基体材料的
钢和白色金属轴承层之间较厚的中间区域内的高脆 性和小的延展性，导致对于初始所述类型的轴承产生相应短的使用寿命。
[0006] 为避免该结果，还已知可通过离心浇铸，将由
轴承金属例如白色金属构成 的涂层施加至轴承。在这方面，实际上的确不会发生由熔融的基体材料构成的 金属浴的形成。然而，在离心浇铸过程中施加的白色金属
凝固过程中，可以发 生合金成分的分离，其中由Cu6Sn5构成的针状晶体的首先形成，然后是由SbSn 构成的立方晶体形成，最后剩余的富
锡基质凝固。
[0007] Cu6Sn5的
密度较大，SbSn的密度小于液态时间更长的基质的密度。Cu6Sn5晶体相应地径向向外移动，在此方面削弱白色金属涂层连接基体材料的区域， 这同样会对使用寿命产生不良影响。
[0008] 为避免这些问题以及相关问题，WO2007/131742A1中提出了滑动轴承和滑 动轴承的制造方法，其中至多10μm厚的相对薄的包含FeSn2的连接区域在纯的 白色金属层与含铁的基体材料之间形成。
[0009] 然而这种解决办法，仅代表一种折衷，因为FeSn2层实际上相对薄，但还存 在，以致脆性断裂和裂纹形成的问题仍然未被最终解决。尤其对于暴露于巨大 高负荷的滑动轴承例如内燃机的曲轴轴承，脆性断裂和裂纹形成问题持续存在， 因为根据WO2007/131742A1的滑动轴承的形变能
力远远不足。
[0010] 为从根本上避免这些问题和防止在轴承面处磨损的情况中而更换整个轴承， 轴承壳(bearing shell)也尤其用于滑动轴承中，所述轴承壳安装在轴承中并且 可在其磨损后被更换，即使用带有轴承壳的所谓剖分式滑动轴承(divided plain bearing)。在某种程度上，在滑动轴承和滚动轴承中也部分地使用结合储存 (combined storage)。轴通常由
锻造钢或包含球状
石墨的
铸铁构成，相应部件也 可由回火钢制造，或
烧结，或有时由可锻铸铁制造。轴承壳通常被认为是所谓 的两层轴承或三层轴承。
[0011] 然而，在这方面，滑动轴承的构造设计是显著复杂的，且另外随着轴承壳的 更换，成本密集的维护过程变得必要。另外，这种轴承壳的制造较复杂和昂贵。 对于机器的高运行性能，轴承壳过早地磨损如此多以致更换轴承壳变得必要， 其中如上述，在此类机器中更换轴承壳涉及高成本。
[0012] 然而，轴承部件的过早磨损，这是指，例如
滚珠轴承的滚珠、由滚珠轴承支 承的轴、滚珠轴承的滚珠的保持器(cage)或其它轴承部件的磨损，是对于其它 类型轴承例如滚珠轴承的一个基本问题，该问题导致用于修理和维护的大量精 力并最终涉及大量成本。
[0013] 为解决这些及其它问题，EP1637623B1中提出利用热涂布法的用于在轴承部 件上制造轴承层(bearing layer)的喷涂粉末，所述喷涂粉末包含至多30％锌， 至多10％锡，至多3％
硅，至多7％
铝，至多2％铁，至多4％(锰)，至多3％ 钴，至100％的剩余差的铜。在这方面所有数值均为重量百分比。
[0014] 因此EP1637623B1提供喷涂粉末，采用该粉末利用热涂布法将含铜的表面 层施加至轴承部件，使得关于例如通过离心浇铸施加的白色金属涂层的问题如 同关于具有轴承壳的复杂剖分式轴承的问题同样地避免。
[0015] 依据EP1637623B1的喷涂粉末的主要成分，在这点上一方面是铁、钴、锰 和硅，它们在冷却时以硬质相的形式作为金属间相或连接区域(connections)沉 积在该喷涂层中，从而在所述层中产生隔离区域，其形成空间上隔离的金属间 相的硬质相或形成铁、钴、锰和硅的连接区域。该硬质相形成相对的硬质区域， 即具有高硬度的区域，另外含Cu的相对软质基体基质(soft base matrix)基本 由铜、铝和锌组成并因此形成铜-铝-锌基体基质，其形成相对于硬质相的封闭区 域软的含铜基体基质。
[0016] 虽然由依据EP1637623B1的喷涂粉末形成的喷涂轴承层已证明了优异的工 作机械性能，但令人遗憾的发现，至少对于特定的应用，锌含量会导致锌磨损 (zinc abrasion)进入润滑轴承的
润滑油中，其尤其，取决于所用润滑油的化学组 成，会导致一种类型的润滑油的Zn污染，并因此负面影响其性能。此外，依照 EP1637623B1的喷涂粉末的制备是稍微复杂的且在此方面由于其相对复杂的组 成而是昂贵的。
[0017] 因此，本发明的目的在于通过施加热喷涂层来改善轴承部件表面的滑动性 能，并提出改进的和从构造观点方面上简单的轴承装置，其尤其避免了与现有 技术已知的锌磨损相关的问题。因此本发明更进一步的目的在于提供热喷涂粉 末，所述粉末具有尽可能简单的化学组成，通过其可在轴承部件上制造该轴承 层。
[0018] 满足这些目的的本发明的主题是由照各类别的
独立权利要求的特征来表现 特征的。
[0019] 各
从属权利要求涉及本发明特别有利的实施方案。
[0020] 本发明因而涉及用于基底的热涂布，尤其是轴承装置的轴承部件的热涂布 的无锌粉末，该喷涂粉末除了不可避免的杂质外具有如下组成：锡＝5％到30 ％重量，铝＝0.1％到5％重量，铁＝最多1％重量，铜＝至100％重量的差值。
[0021] 按照本发明喷涂粉末的第二个重要特征是相对高的锡含量。
[0022] 因此按照本发明提供喷涂粉末，利用该喷涂粉末可通
过热涂布法将含铜表 面层施加至基底。
[0023] 在这方面，一方面，根据本发明的喷涂粉末不含任何锌，这是至关重要的， 使得
现有技术中已知的含锌表面层的破坏作用可以避免。尤其是，通过锌磨损 带来的
润滑剂的锌污染因此完全不会出现，如
说明书中所提及的，这通常例如 通过润滑轴承部件的油的含锌表面层引起。
[0024] 第二个重要特征是锡含量为5％至30％重量，与相对低的铝比例，其为0.1 ％到最多5％重量。
[0025] 在这方面，原则上已知，在一方面，铝可以具有在机械性能上的强的积极影 响，而且可特别显著地提高热喷涂层的耐
腐蚀性。所以，迄今在现有技术中认 为相对高的Al含量对于保证热喷涂层的良好的
耐腐蚀性的必要的。但是，在另 一方面，还已经表明，在热喷涂层中高比例的铝可导致在热喷涂过程中在所述 热喷涂层内形成增长量的铝
氧化物(主要是Al2O3)，这进而消极影响热喷涂层 的摩擦性能。
[0026] 本发明的进一步发现在于，对于喷涂粉末中的高铝含量，可在该热喷涂层中 形成铝基质，其中可以程度不同地分布分离的锡相。由于热喷涂过程中较高的 冷却速率和
固化速率，一部分的锡可沉积在铝基质中的饱和溶液中。然后剩余 的锡以具有亚临界(subcritical)粒度的颗粒形式存在，由此它们以这样的颗粒 形式存在，所述颗粒在铝基质中以过小的粒度形成以致于负面影响所述层的所 谓的抗擦伤性能，这意味着彼此摩擦的滑动配合件(sliding partner)，例如轴承 的滑动配合件，显示渐渐地倾向于擦伤，这由于显然的原因自然必须防止。
[0027] 另一方面，高锡含量可显著改善热喷涂层的抗擦伤性能，使得利用本发明的 喷涂粉末，能最终形成热喷涂层，该喷涂粉末同时优化热喷涂表面层，尤其热 喷涂轴承层的所有重要性能。然而，在这方面，由于热喷涂层会相反过快机械 磨损，锡含量可以不超过预定限值。
[0028] 这意味着，根据本发明0.1％-至多5％重量的较低的铝含量与至少5％-最多30％重量的锡含量的组合，产生热喷涂粉末，利用其首先可以制造热喷涂层，同时优化了热喷涂层的抗擦伤性能和耐腐蚀性以及优化了摩擦性能，由此优化了尽可能小的热喷涂层的
摩擦系数。本发明在这方面的一个主要的发现是，在根据本发明的喷涂粉末的组成中0.1％-5％重量的相对小比例的铝，一方面足以保证在热喷涂层中的充分的耐腐蚀性，和同时抑制不期望的铝氧化物（主要是Al2O3）的形成至足够低的程度。
[0029] 对于根据本发明的喷涂粉末的优选实施方案，所述喷涂粉末包含15％-25％ 重量的锡，优选20％重量的锡。
[0030] 在这方面，所述喷涂粉末可特别地含有0.5％-2％重量的铝，优选1％重量的 铝，和/或至多0.5％重量的铁，优选至多0.2％重量的铁。在这方面，在特别的 实施方案中，铁可以为不存在至不可避免的临界量。
[0031] 实际上，所述喷涂粉末的颗粒的粒度为5μm-120μm，优选为10μm-60μm， 取决于应用，也可为例如60μm-120μm。
[0032] 在此方面，本发明的喷涂粉末可以本身已知的方式，例如，通过气体雾化、
水雾化、烧结、喷涂干燥、机械合金化制造或者可以任何其他合适的方式制造。
[0033] 本发明进一步涉及通过热喷涂施加的无锌层体系。在此方面，该层体系包 含至少一个表面层，尤其是轴承装置的轴承部件的轴承层，该轴承层除了不可 避免的杂质外具有如下组成：锡＝5％到30％重量，铝＝0.1％到5％重量，铁＝ 最多1％重量，铜＝至100％重量的差值。
[0034] 在此方面，本发明的层体系的表面层可包含15％到25％重量的锡，优选 20％重量的锡，和/或所述表面层可包含0.5％到2％重量的铝，优选1％重量的 铝，和/或所述表面层包含至多0.5％重量的铁，优选至多0.2％重量的铁。在特 殊情况中，除了不可避免的杂质外，铁也可以完全不存在。偶然的，例如，在 本发明的层体系中可以存在不可避免的量的多种氧化物或不可避免的工艺气体 残留，如惰性气体，氮气等等，所述层体系例如可以通过热喷涂法形成，该表 面层具有例如0.5％到5％体积，尤其1％到3％体积的孔隙率。
[0035] 在一个实际上重要的实施方案中，本发明的层体系可额外包含含有锡的外 部顶层，该外部顶层优选可直接在由本发明的喷涂粉末制得的无锌层表面层上 提供，其中，在一个重要的实施方案中，该外部顶层除不可避免的杂质外仅包 含锡。在这个方面，该外部顶层在特殊情况中可为具有本身已知功能的跑合层 (running in layer)，其在现有技术中已知的跑合过程中至少部分改变或可替换地 磨损，其中，例如，轴承的相对跑合配合件(counter running-partners)几何结构 上理想地彼此协调(tuned)或可替换地跑合。
[0036] 本发明最后还涉及
工件，尤其是涉及具有以上详述的层体系的用于往复活 塞式内燃机的连杆，还涉及采用本发明中的喷涂粉末在工件上制造本发明的层 体系，尤其在轴承的轴承部件上制造表面层的喷涂方法，其中所述喷涂方法可 以是热喷涂法，尤其是大气
等离子喷涂法、
真空等离子喷涂法、HVOF法、火 焰喷涂法或冷气体喷涂法。
