專利名稱：用于承受摩擦載荷的表面的鋁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)承受摩擦載荷的表面進(jìn)行涂層的鋁合金，該鋁合金具有鋁基體，在鋁基體中填加有至少一個(gè)軟相和一個(gè)硬相。其中，硬相由第一元素組中的至少一種元素和/或第一元素組中元素的碳化物、硅化物、氮化物、硼化物構(gòu)成，所述第一元素組包括鉻、鐵、鈷、銅、錳、鎳、鉬、鎂、鈮、鉑、鈧、銀、硅、釩、鎢、鋯元素；或由第一元素組中元素的金屬間化合相和/或由鋁與第一元素組中元素的金屬間化合相構(gòu)成；和軟相由第二元素組中的至少一種元素構(gòu)成，所述第二元素組包括銀、鋁、金、鉍、碳(石墨)、鈣、銅、銦、鎂、鉛、鈀、鉑、鈧、錫、釔、鋅和鑭系元素，其中軟相元素與硬相元素不同；本發(fā)明還涉及一種尤其用于滑動(dòng)部件的、由一種鋁合金制成的涂層；本發(fā)明還涉及一種復(fù)合材料，它由至少一個(gè)載體和設(shè)在其上面的表面層構(gòu)成；本發(fā)明還涉及一種由至少一個(gè)載體和設(shè)在其上面的表面層制成復(fù)合材料的方法及鋁合金用于制造滑動(dòng)元件的滑動(dòng)層或用于涂覆承受摩擦載荷的構(gòu)件方面的應(yīng)用。
對(duì)承受摩擦載荷的構(gòu)件或表面的涂層要滿足各種各樣的要求。一方面，希望一種摩擦盡可能低的涂層，它相對(duì)較軟和由此可與摩損產(chǎn)生的損耗和滑動(dòng)件良好地匹配。另一方面，需具有足夠高的機(jī)械穩(wěn)定性和強(qiáng)度，以便可承受動(dòng)態(tài)及靜態(tài)的振動(dòng)載荷并因此提高疲勞強(qiáng)度和使用壽命。例如發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的發(fā)展朝著更高比功率的方向進(jìn)行，以便特別地為適應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)格的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)而提高效率并因此提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境相容性。順應(yīng)這種發(fā)展，涉及到許多內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的組件，例如由于很高的扭轉(zhuǎn)力矩和為了燃燒過(guò)程的優(yōu)化而不斷提高的點(diǎn)火壓力，例如直噴渦輪柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的組件、承受高載荷的徑向滑動(dòng)軸承。傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承無(wú)法滿足這樣的載荷要求。借助這種發(fā)動(dòng)機(jī)的高效噴射系統(tǒng)，噴射泵和它的測(cè)量?jī)x表的部件或通過(guò)更高效率還有承受滑動(dòng)負(fù)荷的其他構(gòu)件如推桿，銷釘或滾筒，也經(jīng)受這種高負(fù)荷。對(duì)于這些組件經(jīng)常使用鋁合金，因?yàn)橛纱嘶旧显诳扇〉玫男阅芎突M(fèi)的費(fèi)用之間可達(dá)到良好的比例。
DE 36 31 029 C2公開了一種含錫的鋁軸承合金和它用于雙層軸承材料的應(yīng)用。特別通過(guò)加入錫、硅和鉛形成了一種在鋁基體中沉積的錫-和鉛合金顆粒的結(jié)構(gòu)，這些顆粒與硅顆粒相鄰沉積。由此，軸承材料應(yīng)具有更好的性能，如更高的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕的更高可靠性。
DE 101 35 895 A1公開了一種鋁合金，它含有鋁-硅-鐵三元素金屬間化合物和硅顆粒作為硬顆粒。由此，在不降低疲勞強(qiáng)度情況下，改善了防阻塞性能。
US4,471,029A公開了一種鋁基合金，它含有作為合金元素的硅及錫，其中大多數(shù)硅顆粒具有大于5μm的直徑。疲勞強(qiáng)度及耐摩擦性由此被改善。
DE 43 12 537 C2公開了一種鋁合金多層軸承，它具有支承層、中間層和軸承層，其中軸承層由含有鋅-硅且韋氏硬度小于50的鋁合金構(gòu)成。由此達(dá)到了好的適應(yīng)性及允許誤差，以及高的疲勞強(qiáng)度。
本發(fā)明的目的在于，提供一種具有改善的摩擦性能的鋁合金。
本發(fā)明的該目的將分別獨(dú)立地通過(guò)開頭所述的鋁合金及一種由此形成的涂層、一種包括由本發(fā)明涂層形成的表面層的復(fù)合材料及一種開頭所述的方法來(lái)達(dá)到，其中，鋁合金中的軟相和/或硬相基本上精細(xì)地分布存在于鋁基體中，且軟相或軟相顆粒的至少80％，優(yōu)選至少90％的平均直徑最大為3μm；在該方法中，通過(guò)在載體上氣相沉積制得本發(fā)明的鋁合金作為表面層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，能夠提供一種鋁合金，其結(jié)構(gòu)使得用此涂層的構(gòu)件具有高摩擦適應(yīng)性并同時(shí)具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)作用下的高機(jī)械承載能力。軟相顆粒具有很小的平均直徑并精細(xì)地分布在鋁基體中。這種精細(xì)的分布使得通過(guò)改變的組織結(jié)構(gòu)形成連貫的軟相晶格變得困難，而這種晶格對(duì)由合金組成的涂層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有負(fù)面影響。此外具有高的對(duì)腐蝕磨損的抗耐性、摩擦適應(yīng)性及大量嵌入性。在已有技術(shù)的鋁合金中，這些性能的實(shí)現(xiàn)目前只能伴隨著機(jī)械性能嚴(yán)重變差且強(qiáng)度降低。軟相元素的精細(xì)分布和小尺寸抑制了鋁基體的弱化，由此，提高強(qiáng)度的硬相的作用可充分發(fā)揮。通過(guò)低含量的具有大于3μm的平均直徑的軟相顆粒，例如涂層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和滑動(dòng)性能不會(huì)產(chǎn)生不利影響。通過(guò)本發(fā)明涂層由氣相沉積制得，用本發(fā)明鋁合金涂層的構(gòu)件無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜和因此昂貴的后處理，就能實(shí)現(xiàn)硬相及軟相的精細(xì)分布和同時(shí)具有小的平均顆粒尺寸，而不再需要像已有技術(shù)那樣通過(guò)加入元素例如鍶來(lái)改善分散。通過(guò)同樣達(dá)到的近似球狀或通過(guò)無(wú)尖棱或尖棒的形狀，抗腐蝕性能被改善，此外，除抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率外，鋁基體的韌性也被提高?？傊?，提高了相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸承的研磨極限載荷并同時(shí)提高了耐磨強(qiáng)度，甚至在高軸承負(fù)荷以及很高的氣蝕穩(wěn)定性下。此外，本發(fā)明涂層在簡(jiǎn)單幾何體，如滑動(dòng)軸承上的涂覆比常規(guī)方法如對(duì)澆鑄和軋制帶材壓片更簡(jiǎn)化。涂層也可以簡(jiǎn)單方式涂覆在幾何形狀復(fù)雜的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體上。此外，對(duì)于很小的結(jié)構(gòu)，也能可靠涂覆。多層涂層的制造也可花費(fèi)很少?？傊?，可提供很好的層性能，且層厚度也能準(zhǔn)確滿足要求。
按照鋁合金的拓展形式，其中軟相或軟相顆粒的平均直徑最大為2μm，尤其最大為1μm；或者，其中軟相或軟相顆粒的平均直徑在200nm至700nm，尤其是350nm至550nm的范圍之間，以有利的方式實(shí)現(xiàn)了涂層良好的摩擦適應(yīng)性可被進(jìn)一步提高，且保持高的強(qiáng)度。
通過(guò)硬相或硬相顆粒的至少90％，優(yōu)選至少95％具有比軟相顆粒小的平均直徑，可達(dá)到涂層的高強(qiáng)度，因?yàn)橥ㄟ^(guò)硬相顆粒的均勻精細(xì)的分布，鋁基體的局部弱化借助大的凝結(jié)塊被抑制。
通過(guò)硬相或硬相顆粒的平均直徑為軟相或軟相顆粒的平均直徑的最大50％，尤其是最大25％，可通過(guò)在此達(dá)到的合金機(jī)械性能的進(jìn)一步改善，達(dá)到軸承更長(zhǎng)的使用壽命及更高的承載能力。
根據(jù)一種拓展形式，其中軟相的含量在15重量％至45重量之間，優(yōu)選是20重量％至40重量％之間，可具有以下優(yōu)點(diǎn)，即工作時(shí)啟動(dòng)階段中達(dá)到好的滑動(dòng)性能和對(duì)滑動(dòng)件的高匹配性。此外，合金或由合金組成的涂層具有高的防摩擦性能，由此可明顯提高例如滑動(dòng)軸承的使用壽命。
根據(jù)一種變化形式，其中軟相的含量在23重量％至28重量％之間，匹配性及滑動(dòng)性方面的性能可優(yōu)化并可保持耐摩擦性能與可實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度之間好的比例關(guān)系。
按照拓展形式，硬相的含量可在1.5重量％至40重量％之間的范圍內(nèi)，或在2重量％至20重量％之間的范圍內(nèi)，尤其在2.5重量％至17重量％之間的范圍內(nèi)。由此達(dá)到以下優(yōu)點(diǎn)，即合金或涂層的機(jī)械性能在一寬范圍內(nèi)可滿足要求，和從而特別是涂層的耐磨性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可在一寬范圍內(nèi)調(diào)整。在此可形成鋁化物或金屬化合物，它通過(guò)其小球形狀增強(qiáng)基體。
硬相也可由硅構(gòu)成和/或硅在合金中的含量在3重量％至13.5重量％之間的范圍內(nèi)，尤其在4重量％至11.5重量％之間的范圍內(nèi)，或硅在合金中的含量在7.5重量％至8.5重量％之間的范圍內(nèi)，由此具有以下優(yōu)點(diǎn)，即借助硬的硅顆粒，可改善其疲勞性能及抗阻塞性能和耐磨性。硅顆?；蚬枇Ｗ幽ス饣瑒?dòng)件的邊棱、毛刺及表面，由此對(duì)腐蝕摩擦的耐久性被提高。借助類似共晶體的組成，形成硅顆粒的精細(xì)分布，由此對(duì)合金或涂層的韌性和強(qiáng)度產(chǎn)生正面影響。
硬相也可至少由銅形成，且銅含量在0.5重量％至10重量％之間的范圍內(nèi)，尤其在1重量％至7重量％之間的范圍內(nèi)，因?yàn)橛纱送ㄟ^(guò)混晶硬化可達(dá)到更高的強(qiáng)度并提高疲勞強(qiáng)度。
通過(guò)合金由24重量％至26重量％的錫、7重量％至8重量％的硅和余量的鋁及不可避免的雜質(zhì)組成，所提供的合金在摩擦適應(yīng)性和由此達(dá)到的承受機(jī)械載荷性方面具有良好確定的性能特征。
硬相含量可小于或等于軟相含量，由此可避免由于硬度過(guò)高而引起的合金脆化。
按照涂層的一種拓展形式，涂層厚度也可在5μm至40μm之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選是在10μm至25μm之間的范圍內(nèi)。由此，厚度可針對(duì)所出現(xiàn)的載荷而確定和因此可實(shí)現(xiàn)材料的最佳利用。
按照復(fù)合材料的拓展形式，其中在載體和表面層之間形成一附加層，作為擴(kuò)散阻礙層和/或粘附層，對(duì)于不同的層結(jié)構(gòu)，如為穩(wěn)定目的而設(shè)置的鋼支承層，這兩層原子的彼此擴(kuò)散被有效地抑制并可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明涂層的良好粘附。
附加層的厚度可在0.5μm至5μm，優(yōu)選是1μm至3μm之間的范圍內(nèi)，由此可達(dá)到層彼此間的高粘附強(qiáng)度，或依照涂層元素形成一足夠大的擴(kuò)散阻擋層。
按照一擴(kuò)展形式，其中附加層由純金屬和/或由第一或第二元素組的元素組成的二元或三元合金構(gòu)成，具有以下優(yōu)點(diǎn)，即可達(dá)到清楚定義的性能并保持?jǐn)U散系數(shù)盡可能低。
通過(guò)方法的拓展形式，其中在載體和表面層之間首先沉積一附加層作為在載體上的擴(kuò)散阻礙層或粘附層，實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是改善本發(fā)明涂層如在作為載體的金屬支承層上的粘附性并抑制原子從本發(fā)明涂層到支承層或反向擴(kuò)散。
氣相沉積可借助PVD方法進(jìn)行，由此可達(dá)到待涂層構(gòu)件溫度載荷相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，由此，尤其薄壁構(gòu)件可沒(méi)有構(gòu)件彎曲地被涂覆。
按照一拓展形式，其中PVD方法按照一種濺射方法，如直流磁控管濺射方法進(jìn)行，具有以下優(yōu)點(diǎn)，即達(dá)到高的沉積速率，由此可節(jié)省時(shí)間和節(jié)約成本，此外，借助所設(shè)定的電壓形成平面化效應(yīng)，由此獲得好的層表面質(zhì)量。
按照一拓展形式，其中工藝溫度低于軟相熔點(diǎn)的90％，具有以下優(yōu)點(diǎn)，即抑制了軟相顆粒的完全熔融并同時(shí)達(dá)到顆粒在低基底載荷下的高粘附力。
如果選擇沉積速率大于0.1μm，則具有以下優(yōu)點(diǎn)，即獲得高的層質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)足夠快速并因此是經(jīng)濟(jì)的層制造。
通過(guò)采用氬氣作為濺射氣體，可經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行濺射過(guò)程。
本發(fā)明還包括用鋁合金制造滑動(dòng)元件，如滑動(dòng)軸承、滑行環(huán)或襯套的滑動(dòng)層或涂覆承受摩擦載荷的構(gòu)件，如軸或連桿的應(yīng)用。
為了更好地理解，將參照下面的圖示對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步解釋。
在各個(gè)簡(jiǎn)化示意圖中


圖1表示濺涂裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2表示鋁合金顆粒的頻率及分布示意圖。
圖3表示一種可能的鋁合金涂層顯微照片。
要說(shuō)明記錄的是，在不同描述的實(shí)施方案中，同樣的部件用相同的符號(hào)或相同的構(gòu)件符號(hào)，其中在整個(gè)說(shuō)明書中包含的公開內(nèi)容根據(jù)含義可以轉(zhuǎn)用到具有相同符號(hào)或構(gòu)件符號(hào)的相同部件。還有，在說(shuō)明書中所選的位置說(shuō)明，例如上面，下面，側(cè)面等，是基于直接描述和說(shuō)明的附圖，并在位置變化時(shí)根據(jù)含義轉(zhuǎn)用到新的位置。此外，來(lái)自所示意和所描述的不同實(shí)施例的單個(gè)特征或特征組合可表示本身獨(dú)立的本發(fā)明或根據(jù)本發(fā)明的解決方案。
圖1示出了濺涂裝置1的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明鋁合金的良好的性能，尤其是它的小的顆粒度及其分布意外地可通過(guò)氣相沉積法來(lái)達(dá)到。
本發(fā)明可以采用CVD法或PVD法進(jìn)行沉積。
在CVD(化學(xué)氣相沉積)方法中，涂層材料通過(guò)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)直接在要涂覆的部件表面上由氣態(tài)物質(zhì)形成。
影響沉積速率及涂層組成和結(jié)構(gòu)的幾個(gè)參數(shù)是氣體氣氛的組成、要涂覆部件的溫度、涂覆氣體的流速及涂覆持續(xù)時(shí)間。
CVD方法具有以下優(yōu)點(diǎn)，即也可以涂覆幾何形狀復(fù)雜的構(gòu)型或物體或載體。
在PVD方法中，本發(fā)明的合金通過(guò)物理過(guò)程被轉(zhuǎn)化成氣相并通過(guò)冷凝被沉積在基底表面上。涂層由來(lái)自等離子體的離子和中性粒子形成并通過(guò)利用電子束或電弧或通過(guò)陰極濺射發(fā)生蒸發(fā)而使合金加入等離子體。
在陰極濺射方法中，離子2在一個(gè)相應(yīng)電源3的高頻電場(chǎng)中被加速并轉(zhuǎn)向靶電極或靶子4。靶子4在該方法中同時(shí)也是陰極。
作為離子2的源，使用的是電離惰性氣體或等離子體5。被加速的離子2撞擊時(shí)打在靶子4上，原子6從靶材的表面出來(lái)并以高速向基底7方向移動(dòng)并在那里沉積成為涂層8。
在所有的方法中，當(dāng)然可以對(duì)所涂覆的層通過(guò)在涂覆的同時(shí)進(jìn)行熱處理而進(jìn)行致密化處理。
基底7不局限于圖1中所示出的片狀，而是按照本發(fā)明可使用由其變換的形狀，如軸承半軸瓦或全軸瓦，例如它們也可圍繞相應(yīng)形成的靶子4而設(shè)置。
按照本發(fā)明，涂層8可形成復(fù)合材料10的表面層9。
基底7可構(gòu)成復(fù)合材料10的載體11。載體11例如可由鋼層或近似的合適材料形成。載體11也可由多層的金屬基底7構(gòu)成，也可以的是(圖1中未示出)，在表面層9和載體11之間設(shè)置一個(gè)例如構(gòu)成為擴(kuò)散阻礙層或粘附層的附加層，例如由鉛銅或純金屬構(gòu)成的層。
作為可能的軸承結(jié)構(gòu)的例子，對(duì)于大量可能性的代表可提到含有AlSn25Si7.5摩擦層的軸承。載體11可由一個(gè)鋼支承殼和一個(gè)CuPb20Sn2軸承金屬層構(gòu)成。作為附加層，設(shè)置一個(gè)Ni中間層作為擴(kuò)散阻礙層和粘附層。在Ni層上涂覆本發(fā)明的涂層8作為表面層9。
對(duì)于軸承金屬層應(yīng)注意，在本發(fā)明范圍內(nèi)，它可含有鉛地構(gòu)成，如含10重量％的Pb和10重量％的Sn的銅，也可有利地用本發(fā)明鋁合金不含鉛，例如以銅錫合金或銅鋅合金的形式。
可以設(shè)置多個(gè)通道12，由此例如導(dǎo)入濺射氣體或借此形成真空。
可采用直流磁控管濺射方法，在該方法中，采用壓力為5×10-3毫巴的氬氣作為濺射氣體。
影響沉積速率、涂層組成及結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)是蒸發(fā)速率、反應(yīng)氣體分壓、基底電壓、輔助陽(yáng)極電壓、涂覆溫度。
涂層良好的性能例如也可在約0.75微米/分鐘的涂覆速率及155度的涂覆溫度下獲得。
試驗(yàn)表明，用本發(fā)明的AlSn25Si7.5濺射層與標(biāo)準(zhǔn)的AlSn20Cu濺射軸承相比，其摩擦極限負(fù)荷提高了約30％，而對(duì)于100MPa以上的特定軸承載荷，耐磨強(qiáng)度大大提高。
圖2示意出了鋁合金顆粒的頻率及分布。
表示的是本發(fā)明鋁合金的硬相或軟相出現(xiàn)一定顆粒度的頻率的示意曲線13。
與此比較，曲線14示出了已有技術(shù)的相應(yīng)合金的硬相或軟相出現(xiàn)一定顆粒度的頻率的示意曲線。
應(yīng)指出，概念“顆?！焙蛯?duì)其延伸和分布的說(shuō)明一般可轉(zhuǎn)用到軟相或硬相，尤其是金屬間化合相，并可根據(jù)相應(yīng)的含義轉(zhuǎn)移。
概念“軟相”描述了這樣的顆粒，它們賦予本發(fā)明的合金或涂層8以對(duì)外來(lái)物體好的匹配性和可嵌入性，并且與特別負(fù)責(zé)用于高機(jī)械穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度的硬相相比，具有明顯更低的硬度。硬相在此則具有比純鋁基體更高的硬度，或者說(shuō)導(dǎo)致基體硬度的提高。
近似地可認(rèn)為，兩曲線13，14滿足正態(tài)分布，因?yàn)榕c平均值的偏差滿足大量彼此獨(dú)立的隨機(jī)變量。
本發(fā)明鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是，與已有技術(shù)的合金相比，它具有小的平均顆粒度。
中線15對(duì)于已有技術(shù)的可比鋁合金來(lái)說(shuō)會(huì)移向更大顆?；蝾w粒度。
按照本發(fā)明，軟相顆粒的至少80％，優(yōu)選至少90％具有最大為3μm的平均直徑。
中線16根據(jù)假設(shè)的正態(tài)分布位于下面。
在本發(fā)明鋁合金的有利實(shí)施形式中，軟相或軟相顆粒的至少80％，優(yōu)選至少90％具有最大為2μm，尤其最大為1μm的平均直徑。
在這種情況下應(yīng)注意，圖1中示出的曲線13或14反映的僅僅是一統(tǒng)計(jì)過(guò)程的結(jié)果，其曲線僅僅在足夠大的、求值所基于的所有情況下才與測(cè)量結(jié)果一致。據(jù)此，實(shí)際曲線中可能有偏差或不對(duì)稱的情況。
如果軟相或軟相顆粒的平均直徑在200nm至700nm，尤其在350nm至550nm的范圍內(nèi)，平均顆粒度與從已有技術(shù)所公開的合金的差別變大。借助該小的顆粒度，還可進(jìn)一步改善鋁合金的性能特性。
此外還表示的是，本發(fā)明鋁合金顆粒度的頻率分布比已有技術(shù)中的鋁合金的分布更窄。借助這種狹窄的曲線13，可獲得涂層8的均勻結(jié)構(gòu)，由此，涂層在關(guān)系到所能承受的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)載荷的機(jī)械性能方面被改善。由此同樣涂層8的特性值可重復(fù)，由此在更苛刻的規(guī)定下可減少?gòu)U品量。
當(dāng)在本發(fā)明的有利實(shí)施形式中硬相顆粒的至少90％，優(yōu)選至少95％具有比軟相顆粒小的平均直徑時(shí)，曲線13基本上也適合于分散在鋁基體中的硬相顆粒。
盡管為達(dá)到好的摩擦適應(yīng)性而有高的軟相含量，但由于本發(fā)明鋁合金的軟相或硬相的顆粒度小，涂層8獲得高的機(jī)械承載能力。此外，產(chǎn)生了單一硬相，如硅具有應(yīng)力集中小的優(yōu)點(diǎn)。
涂層8達(dá)到了高的硬度并同時(shí)避免了脆化現(xiàn)象，由此，與已有技術(shù)公開的合金相比，在機(jī)械性能方面具有優(yōu)點(diǎn)。
涂層8可具有115HV0.001和150HV0.001范圍之間，尤其是120HV0.001和145HV0.001范圍之間的硬度，由此，該涂層達(dá)到了尤其抗高靜態(tài)載荷的高強(qiáng)度和高機(jī)械穩(wěn)定性。
下表示出了鋁合金的幾種實(shí)施方案，其中以重量％計(jì)的數(shù)值按基于鋁合金理解。

上表中“Rest”表示余量。
下面摘錄出表中列出的幾種合金的幾個(gè)有利性能。
編號(hào)3，4AlSi基體的組成接近共晶體，因此得到了尤其細(xì)微粒結(jié)構(gòu)，因此它具有好的機(jī)械性能。
編號(hào)6同樣的細(xì)微粒結(jié)構(gòu)，比3或4有改善的耐摩擦性能。
編號(hào)9低的軟相含量，良好的機(jī)械性能。
編號(hào)10良好的基體強(qiáng)度。
編號(hào)11高的基體強(qiáng)度，自硬化效應(yīng)。
編號(hào)12通過(guò)MgSi相產(chǎn)生的硬化效應(yīng)。
上述鋁合金僅僅作為其它在本說(shuō)明書中不能悉數(shù)示出的眾多合金的例子示出，這樣做是為了不使本說(shuō)明書的范圍過(guò)于龐雜，并不被視為對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。本領(lǐng)域的專業(yè)人員基于具體的教導(dǎo)能夠制備出含有其他元素組合在上述界限內(nèi)的鋁合金并且這些組成不被保護(hù)范圍所排除。特別地，這還涉及到所要求的元素組合，在上述表中沒(méi)有對(duì)它們給出實(shí)施例，例如Bi，C，In，Pb，Pd，Pt，Y，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，它們能夠本身或相互之間或與其他在權(quán)利要求書或上述表中所列的元素組合在權(quán)利要求書中給出的含量范圍內(nèi)存在于本發(fā)明的合金中。
按照本發(fā)明，軟相含量可在15重量％至45重量％，尤其在20重量％至40重量％之間的范圍內(nèi)，由此可降低腐蝕傾向。
硬相也可由硅構(gòu)成，且其在合金中的含量在3重量％至13.5重量％，尤其在4重量％至11.5重量％之間的范圍內(nèi)。通過(guò)加入硅，耐磨損性和疲勞強(qiáng)度被提高。硅分散存在于鋁基體中并可借助其高硬度起到增強(qiáng)鋁基體的作用，同時(shí)由于硅的高熱穩(wěn)定性，即使在高溫載荷作用下也能起到其作用。
按照本發(fā)明，合金中含有的硬相含量可在1.5重量％至40重量％范圍之間或2重量％至20重量％范圍之間，尤其是2.5重量％至17重量％范圍之間，并由第一元素組中元素和/或第一元素組中元素的碳化物、硅化物、氮化物、硼化物構(gòu)成或由鋁與第一元素組中的元素的金屬間化合相構(gòu)成或由第一元素組元素形成的金屬間化合相構(gòu)成，所述第一元素組包括鉻、鐵、鈷、銅、錳、鎳、鉬、鎂、鈮、鉑、鈧、銀、硅、釩、鎢、鋯元素。
通過(guò)形成金屬間化合相，提高了機(jī)械性能，如強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度。
按照本發(fā)明，也可向鋁合金中加入第一元素組的多個(gè)元素，由此可有針對(duì)性地調(diào)整其性能。
如銅和鎂可起到增強(qiáng)基體的作用，而不會(huì)使材料的脆性變壞，還提高了疲勞強(qiáng)度。
鉻、錳、鈷和鐵可提高硬度并由此通過(guò)與鋁形成金屬間化合相而提高機(jī)械強(qiáng)度。
錳除可提高硬度外，還可增強(qiáng)耐腐蝕性。
通過(guò)加入鋯和/或鎳可形成金屬間化合物，這可改善涂層的疲勞強(qiáng)度。
圖3示出了一個(gè)由可能的鋁合金制成的涂層8的顯微照片17。其中作為軟相含有錫；而作為硬相基本上含有硅。
如果含有約7.5重量％的硅、18重量％的錫和幾種其它元素如錳、鐵、鈷和鎳，不過(guò)它們的總含量低于2重量％，則圖3的結(jié)論可被忽略。
從顯微照片17可以看出，無(wú)論軟相顆粒18(中等亮度)還是硬相顆粒19(亮區(qū))是細(xì)分散且基本上球狀位于鋁基體20(暗區(qū))。凝結(jié)體含量低并因此沒(méi)有導(dǎo)致涂層8的性能變壞。
總之，由此本發(fā)明涂層8在機(jī)械及摩擦性能方面具有上述優(yōu)點(diǎn)。
從圖3下邊處可見顯微圖17的放大比例。
實(shí)施例給出了合金和涂層8可能的實(shí)施形式，其中在此應(yīng)注意，本發(fā)明不局限于這些特別示出的實(shí)施形式，而是各實(shí)施形式彼此大量的不同組合也是可能的，這些方式的可能性基于對(duì)技術(shù)貿(mào)易的知識(shí)通過(guò)具體的發(fā)明都在該技術(shù)領(lǐng)域中實(shí)踐的專業(yè)人員的能力之內(nèi)。通過(guò)組合所示意和描述的實(shí)施形式的各個(gè)細(xì)節(jié)而可行的所有可想到的實(shí)施方式也一起包含在保護(hù)范圍之內(nèi)。
按照規(guī)定，最后要注意的是，為了更好地理解涂層8和濺射裝置1的結(jié)構(gòu)，它們或其構(gòu)件有時(shí)未按比例地和/或被放大或縮小示意。
獨(dú)立的本發(fā)明解決方案所基于的任務(wù)可從說(shuō)明書中得到。
首先，在附圖1，2和3中具體示意的實(shí)施方案構(gòu)成了獨(dú)立的本發(fā)明解決方案。與此有關(guān)的本發(fā)明任務(wù)可從這些附圖的詳細(xì)描述中得到。
代碼明細(xì)表1濺射裝置2離子
3電源4靶子5等離子體6原子7基底8涂層9表面層10復(fù)合材料11載體12通道13曲線14曲線15中線16中線17顯微照片18軟相顆粒19硬相顆粒20鋁基體。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)承受摩擦載荷的表面進(jìn)行涂層的鋁合金，該鋁合金具有鋁基體(20)，在鋁基體中填加有至少一個(gè)軟相和一個(gè)硬相，其中硬相由第一元素組中的至少一種元素和/或該第一元素組中的元素的碳化物、硅化物、氮化物、硼化物構(gòu)成，所述第一元素組包括鉻、鐵、鈷、銅、錳、鎳、鉬、鎂、鈮、鉑、鈧、銀、硅、釩、鎢、鋯元素；或由第一元素組中元素的金屬間化合相和/或由鋁與第一元素組中元素的金屬間化合相構(gòu)成，軟相由第二元素組中的至少一種元素構(gòu)成，所述第二元素組包括銀、鋁、金、鉍、碳(石墨)、鈣、銅、銦、鎂、鉛、鈀、鉑、鈧、錫、釔、鋅和鑭系元素，其中，軟相元素與硬相元素不同，其特征是，軟相和/或硬相基本上精細(xì)分散存在于鋁基體(20)中，且至少80％，優(yōu)選至少90％的軟相或軟相顆粒(18)的平均直徑最大為3μm。
2.按照權(quán)利要求1所述的鋁合金，其特征是，軟相或軟相顆粒(18)的平均直徑最大為2μm，尤其最大為1μm。
3.按照權(quán)利要求1所述的鋁合金，其特征是，軟相或軟相顆粒(18)的平均直徑在200nm至700nm，尤其是350nm至550nm的范圍之間。
4.按照權(quán)利要求1至3之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，至少90％，優(yōu)選至少95％的硬相或硬相顆粒(19)具有比軟相顆粒(18)小的平均直徑。
5.按照權(quán)利要求4所述的鋁合金，其特征是，硬相或硬相顆粒(19)的平均直徑最大為軟相或軟相顆粒(18)的平均直徑的50％，優(yōu)選是最大為25％。
6.按照權(quán)利要求1至5之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，軟相的含量在15重量％至45重量之間，優(yōu)選是20重量％至40重量％之間。
7.按照權(quán)利要求1至5之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，軟相的含量在23重量％至28重量％之間。
8.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，硬相的含量在1.5重量％至40重量％之間。
9.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，硬相的含量在2重量％至20重量％之間，優(yōu)選是2.5重量％至17重量％之間。
10.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，硬相由硅構(gòu)成，和/或硅在合金中的含量在3重量％至13.5重量％之間，優(yōu)選是4重量％至11.5重量％之間。
11.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，硅在合金中的含量在7.5重量％至8.5重量％之間。
12.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，硬相至少由銅構(gòu)成，和銅的含量在0.5重量％至10重量％之間，優(yōu)選是1重量％至7重量％之間。
13.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，合金由24重量％至26重量％的錫、7重量％至8重量％的硅和余量鋁及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
14.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的鋁合金，其特征是，硬相含量小于或等于軟相含量。
15.由鋁合金構(gòu)成的涂層(8)，尤其是用于滑動(dòng)部件的涂層，其特征是，形成按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)或多項(xiàng)的鋁合金。
16.按照權(quán)利要求15所述的涂層(8)，其特征是，涂層(8)的厚度在5μm至40μm，優(yōu)選是10μm至25μm之間的范圍內(nèi)。
17.由至少一個(gè)載體(11)和設(shè)置在其上面的表面層(9)構(gòu)成的復(fù)合材料(10)，其特征是，表面層(9)由權(quán)利要求15或16所述的涂層(8)構(gòu)成。
18.按照權(quán)利要求17所述的復(fù)合材料(10)，其特征是，在載體(11)和表面層(9)之間形成一附加層，作為擴(kuò)散阻礙層和/或粘附層。
19.按照權(quán)利要求17或18所述的復(fù)合材料(10)，其特征是，附加層的厚度在0.5μm至5μm，優(yōu)選是1μm至3μm之間的范圍內(nèi)。
20.按照權(quán)利要求18或19所述的復(fù)合材料(10)，其特征是，附加層由純金屬和/或由第一或第二元素組的元素的二元或三元合金構(gòu)成。
21.制造由至少一個(gè)載體(11)和設(shè)置在其上面的表面層(9)構(gòu)成的復(fù)合材料(10)的方法，其特征是，作為表面層(9)，通過(guò)在載體(11)上氣相沉積而制得權(quán)利要求1至14之任一項(xiàng)所述的鋁合金。
22.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征是，在載體(11)和表面層(9)之間首先在載體(11)上沉積一附加層作為擴(kuò)散阻礙層或粘附層。
23.按照權(quán)利要求21或22所述的方法，其特征是，氣相沉積借助PVD方法進(jìn)行。
24.按照權(quán)利要求23所述的方法，其特征是，PVD方法按照濺射方法，尤其直流磁控管濺射方法進(jìn)行。
25.按照權(quán)利要求21至24之任一項(xiàng)所述的方法，其特征是，涂覆溫度低于軟相熔點(diǎn)的90％。
26.按照權(quán)利要求21至25之任一項(xiàng)所述的方法，其特征是，沉積速率選擇為大于0.1μm/min。
27.按照權(quán)利要求21至26之任一項(xiàng)所述的方法，其特征是，采用氬氣作為濺射氣體。
28.按照權(quán)利要求1至14之任一項(xiàng)所述的鋁合金用于制造滑動(dòng)部件，如滑動(dòng)軸承、滑行環(huán)或襯套的滑動(dòng)層的應(yīng)用。
29.按照權(quán)利要求1至14之任一項(xiàng)所述的鋁合金用于涂覆承受摩擦載荷的構(gòu)件，如軸或連桿的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)承受摩擦載荷的表面進(jìn)行涂層的鋁合金及制造涂層的方法，該鋁合金具有鋁基體(20)，在鋁基體中填加有至少一個(gè)軟相和一個(gè)硬相。軟相和/或硬相基本上細(xì)分散地存在于鋁基體(20)中，且至少80％，優(yōu)選為90％的軟相或軟相顆粒(18)的平均直徑最大為3μm。該鋁合金通過(guò)氣相沉積在載體(11)上制得。
文檔編號(hào)F16C33/14GK1733954SQ20051009103
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2005年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月3日
發(fā)明者R·默爾根, W·格特納 申請(qǐng)人:米巴·格來(lái)特來(lái)格有限公司