專利名稱：承載部件及其制造方法、滑動軸承和往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由含鐵基體材料制成的承載部件(carrier part),特別是用于往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)尤其是大型兩沖程柴油發(fā)動機(jī)的滑動軸承的支承殼體。本發(fā)明還涉及具有承載部件的滑動軸承、制造滑動軸承的方法以及具有滑動軸承的往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)，參見獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分。
背景技術(shù)：
滑動軸承在機(jī)械工程中應(yīng)用于難以計(jì)數(shù)的實(shí)施方式中。例如，滑動軸承作為曲柄軸承、連桿軸承、推力軸承、十字頭樞軸承(crosshead pivot bearing)、螺旋槳軸軸承被用在往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)中，或者用在許多其他應(yīng)用中。例如在W000/23718中，公開了一種滑動軸承和一種制造滑動軸承的方法，其中將一種由白合金(white metal)構(gòu)成的涂層合金化到由鐵材料構(gòu)成的承載部件上。然而,合金的形成需要液態(tài)合金成分的存在，因此在涂覆過程中會釋放大量的熱，從而不僅使白合金熔化，而且在承載部件的運(yùn)行表面一側(cè)的上部也會形成由熔融基體材料組成的金屬熔池。由此產(chǎn)生的白合金和鐵材料的熔融物能夠彼此形成合金，且產(chǎn)生大量的FeSn2。因此，在此情況下，會形成基本上由FeSn2構(gòu)成的較厚連接區(qū)域。該連接區(qū)域固然在基體材料和涂層之間形成了良好的冶金連接，但是FeSn2是非常脆的材料，以至于已知的軸承構(gòu)造在較小的載荷下就已經(jīng)能形成裂紋和脆性斷裂。另外，存在這樣的情況一旦發(fā)生不良冷卻，接近涂層的鐵材料能夠發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，由于馬氏體同樣很脆，這進(jìn)一步惡化了上述不利情況。結(jié)果是，上述類型的軸承，由于位于基體材料鋼和白合金支承層之間的較厚中間區(qū)域內(nèi)的高脆性和低拉伸性，導(dǎo)致使用壽命較短。為避免這些問題，還已知的是采用離心鑄造工藝在承載部件上涂覆由軸承金屬(例如白合金)構(gòu)成的涂層。這樣，由熔融基體材料構(gòu)成的金屬熔池的形成確實(shí)得到了抑制。然而，在離心鑄造工藝中所涂覆的白合金凝固的過程中，會出現(xiàn)合金成分的分離，這是因?yàn)橛蒀u6Sn5構(gòu)成的針狀晶體首先析出，由SbSn構(gòu)成的立方晶體隨后凝固，而剩余的富錫基質(zhì)則最后凝固。Cu6Sn5的密度大于基質(zhì)的密度，而SbSn的密度小于基質(zhì)的密度，基質(zhì)則保持較長時(shí)間的液態(tài)。Cu6Sn5晶體因此沿徑向向外遷移，并由此弱化了白合金涂層鄰接基體材料的區(qū)域，這同樣對使用壽命產(chǎn)生了不利影響。為避免上述以及相關(guān)問題，W02007/131742A1中提出了一種滑動軸承和一種制造滑動軸承的方法，其中，含有FeSn2的相對薄的連接區(qū)域(其最厚為至多IOiim)形成在純白合金層和含鐵基體材料之間。然而，由于FeSn2層盡管確實(shí)較薄但實(shí)際上仍然存在，從而不能完全解決脆性斷裂和裂紋形成所產(chǎn)生的問題，所以上述解決方案只能作為折衷方案。由于W02007/131742A1的滑動軸承的變形能力仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，脆性斷裂和裂紋形成的問題對于處于極高應(yīng)變條件 下的滑動軸承格外明顯，例如，大型兩沖程柴油發(fā)動機(jī)中的曲柄軸承，其中每個(gè)汽缸很容易廣生最聞10，OOOkW或更聞的驅(qū)動力。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種用于滑動軸承的新型承載部件，其中不再存在FeSn2連接區(qū)域帶來的問題，從而能夠在實(shí)際上排除脆性斷裂和裂紋產(chǎn)生。同時(shí)，提供了具有更簡單層狀結(jié)構(gòu)的軸承，而且與此同時(shí)能夠使用本身已知的制造方法，從而不必提供新的設(shè)備來制造這種新型軸承。滿足此目的的本發(fā)明的主題由各組獨(dú)立權(quán)利要求的特征來限定。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明特別優(yōu)異的實(shí)施方式。因此，本發(fā)明涉及一種由含鐵基體材料制成的承載部件，特別是滑動軸承的支承殼體，在所述承載部件的運(yùn)行表面一側(cè)上提供了由軸承金屬構(gòu)成的含有至少一個(gè)部件層的 層狀體系。在此方面，該層狀體系中的與承載部件緊鄰的至少一個(gè)承載部件層由含Sn材料制成，所述材料優(yōu)選為白合金。依據(jù)本發(fā)明，承載部件層通過連接區(qū)域與基體材料冶金連接，且該連接區(qū)域中基本不形成FeSn2。由于幾乎完全抑制了由FeSnjQ成的連接區(qū)域，并且因而不允許其以小的、技術(shù)上相關(guān)的程度存在，所以確保了本發(fā)明的滑動軸承的變形能力整體上不再受到負(fù)面影響，從而確保了抵抗脆性斷裂和裂紋形成的足夠高的安全性。與現(xiàn)有學(xué)說相反，完全出人意料地發(fā)現(xiàn)甚至在不存在FeSn2層的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)涂層與含鐵承載部件基體材料的良好的冶金連接，并由此實(shí)現(xiàn)高的附著程度。在現(xiàn)有技術(shù)中一直存在的這樣的觀點(diǎn)很可能基于以下技術(shù)偏見有必要形成？必112層，而且是借助于在具有液態(tài)白合金的涂層上的擴(kuò)散過程來自動形成FeSn2層。本發(fā)明推翻了上述技術(shù)偏見。
具體實(shí)施例方式在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，至少承載部件層和/或連接區(qū)域中除了包含Sn以外還包含選自由As、P、Sb、Zn、Cd、Mn、Cu和Ni組成的化學(xué)元素組的至少一種化學(xué)元素。在這方面已發(fā)現(xiàn)，特別而言，P和/或As在承載部件層和/或連接區(qū)域中的存在極大地抑制了現(xiàn)有技術(shù)中已知的FeSn2在連接區(qū)域中的形成，且少量的P和As已足以實(shí)現(xiàn)這種效果。通常，至少在承載部件層和/或連接區(qū)域中含有80% 95%的Sn，且化學(xué)元素As和/或P的比例最多為3%、優(yōu)選為0. 1% 2%，這已經(jīng)能夠抑制FeSn2層的形成。在此方面，在承載部件層中還可以含有其他化學(xué)元素，例如3 % 12 %的Sb，1% 5%的化學(xué)元素Ni和/或Cu，以及0% I. 5%的Cd，而且經(jīng)適當(dāng)組合的適當(dāng)量的這些化學(xué)元素也同樣能夠抑制FeSn2層的形成。在此方面，可以理解，本發(fā)明的承載部件的層狀體系還可以進(jìn)一步含有組成相同或不同的部件層，這些部件層能夠根據(jù)應(yīng)用來滿足耐腐蝕、耐特別高溫或耐特別高機(jī)械應(yīng)力等具體要求。在此方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在連接區(qū)域中不含F(xiàn)eSn2根本不影響白合金涂層(也就是承載部件層)的良好冶金連接。本發(fā)明同樣能夠消除這種偏見。即本發(fā)明同樣實(shí)現(xiàn)了承載部件層與含鐵承載部件基體材料之間的優(yōu)異(如果不是更好)的冶金連接，并由此實(shí)現(xiàn)了至少一樣好(如果不是更好)的高附著程度。本發(fā)明還認(rèn)識到，上述良好的附著歸因于連接區(qū)域的厚度所導(dǎo)致的良好附著，所述厚度為例如最大15 V- m、具體為最大0. I y m 10 y m、優(yōu)選為0. 01 y m 5 y m,而且連接區(qū)域的理想厚度在一定程度上取決于確切的化學(xué)組成。在此方面，承載部件的基體材料至少在承載部件層所占據(jù)的區(qū)域中不含馬氏體，從而同樣對該承載部件層區(qū)域中的附著或脆性分別產(chǎn)生了積極影響，這在現(xiàn)有技術(shù)中基本是已知的。在此方面，含Sn的層狀體系中的一層、多層或每一層，尤其是承載部件層和/或連接區(qū)域，特別優(yōu)選具有基本上均勻的結(jié)構(gòu)，其中具有均勻分布的Cu6Sn5晶體和SbSn晶體。本發(fā)明還涉及一種含鐵基體材料的承載部件的制造方法，特別是滑動軸承的支承殼體的制造方法。這此方面，在承載部件的運(yùn)行表面一側(cè)上提供含有軸承金屬的層狀體系，其中涂覆該層狀體系的承載部件層，所述承載部件層與承載部件緊鄰且由含Sn涂覆材料構(gòu)成，所述材料優(yōu)選為白合金。依據(jù)本發(fā)明，承載部件層通過連接區(qū)域與基體材料冶金連接，且在該連接區(qū)域中基本不形成FeSn2。在實(shí)踐中，優(yōu)選通過熔化將承載部件層涂覆在含鐵基體材料上，并且控制熔化含Sn涂覆材料所需的熱能，從而使得在涂覆過程中優(yōu)選只有涂覆材料完全熔化，而含鐵基體材料則保持在固態(tài)，從而阻止了含鐵(優(yōu)選為鋼)基體材料中馬氏體的形成。在此方面，顯而易見的是，對于隨后涂覆有本發(fā)明的含Sn的層狀體系的無馬氏體基體材料，會自然而然地將用其來制造本發(fā)明的承載部件。在此方面，涂覆方法具體可以是離心鑄造法、重力鑄造法、鎢/惰性氣體焊接法、激光焊接法，軟焊法或爆炸涂鍍(explosive plating),并且在具體情況中，層狀體系中的至少一個(gè)部件層還能夠通過壓制工藝壓制在含鐵基體材料上，或能夠在壓力下軋制在含鐵基體材料上。原則上，防止破壞性馬氏體的形成以及防止連接區(qū)域中FeSn2的形成的任何其他工藝都能夠使用，這是不言自明的。含Sn涂覆材料可以以例如粉末和/或帶材和/或線材的形式提供。 在此方面，在某些情況下，用于在本發(fā)明的承載部件上制造層狀體系的具體方法至少在部分上本身是現(xiàn)有技術(shù)中基本已知的，例如在W02007/131742中。在優(yōu)選的變形中，例如，至少涂層的第一層是通過融化涂覆在含鐵基體材料上，同時(shí)能量被傳遞到待涂覆表面上以實(shí)現(xiàn)融化，并且被傳遞到涂覆在所述表面上的涂覆材料上，如上面提到的，能量傳遞以受控的方式進(jìn)行，所述方式使得優(yōu)選只有所用的涂覆材料完全熔化，而基體材料則優(yōu)選完全保持在凝固狀態(tài)。由此有利地實(shí)現(xiàn)了向基體材料中輸入如此小的熱能，從而使得優(yōu)選地抑制了在待涂覆表面上形成由熔融基體材料構(gòu)成的熔池。即，將涂覆材料熔融在含鐵固體金屬基體上，并且因存在熱而開始擴(kuò)散，由此確保了涂層與基體材料之間形成想要得到的冶金連接，且不形成馬氏體。擴(kuò)散的深度尤其依賴于對基體材料的加熱，所以在此方面可以對擴(kuò)散深度進(jìn)行簡單地控制，從而使得通過擴(kuò)散而獲得的連接區(qū)域在所需的限制范圍內(nèi)，即最多15pm、優(yōu)選為0.5甲 5甲。同時(shí)，如已經(jīng)提到過的，可以避免在基體材料的該區(qū)域中的馬氏體的形成以及在涂層的該區(qū)域中的不均勻的晶體分布。本發(fā)明的方法的一個(gè)有利方面包含以下事實(shí)含錫涂覆材料還包含例如鋅。由此能夠省略之前需要用來影響晶體形成的鎘，從而提高了環(huán)境相容性。本發(fā)明還涉及一種滑動軸承，特別涉及用于大型兩沖程柴油發(fā)動機(jī)的滑動軸承，其具有符合前述特征之一的承載部件。本發(fā)明還涉及一種往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)，特別是大型兩沖程柴油發(fā)動機(jī)，其具有本發(fā)明的滑動軸承。在此方面，滑動軸承可以是例如曲柄軸承和/或連桿軸承和/或推力軸承和/或十字頭樞軸承和/或螺旋槳軸軸承，或原則上的其他任何軸承，還可以是非往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)的任何其他發(fā)動機(jī)中的軸承。
不言自明，本申請中所述的本發(fā)明的承載部件和滑動軸承的實(shí)施方式的實(shí)例，以及所提及的它們的制造方法，只能以示例性方式理解，并且，特別而言，所示實(shí)施方式的所有合適的組合都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在此方面，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解本發(fā)明的簡單的進(jìn)一步改進(jìn)，即使并未明確描述這些改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種由含鐵基體材料制成的承載部件，特別是滑動軸承的支承殼體，在所述承載部件的運(yùn)行表面一側(cè)上提供了含軸承金屬的層狀體系，其中構(gòu)造有所述層狀體系的承載部件層，所述承載部件層緊鄰所述承載部件并且由含Sn材料構(gòu)成，所述材料優(yōu)選為白合金，其特征在于，所述承載部件層通過連接區(qū)域與所述基體材料冶金連接，而且在所述連接區(qū)域中基本不形成FeSn2。
2.如權(quán)利要求I所述的承載部件層，其中，所述承載部件層和/或所述連接區(qū)域除包含Sn以外還包含選自由As、P、Sb、Zn、Cd、Mn、Cu和Ni組成的化學(xué)元素組的至少一種化學(xué)元素。
3.如權(quán)利要求I或2所述的承載部件，其中，在所述承載部件層和/或所述連接區(qū)域中含有80% 95%的Sn，以及至多3%、優(yōu)選為0. 1% 2%的元素As和/或P。
4.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的承載部件，其中，在所述承載部件層和/或所述連接區(qū)域中含有3% 12%的Sb、l% 5%的化學(xué)元素Ni和/或Cu以及0% I. 5%的Cd。
5.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的承載部件，其中，所述連接區(qū)域的厚度最大為15ym，特別是最大0. I ii m 10 ii m,優(yōu)選為O.Ollim 5iim。
6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的承載部件，其中，所述承載部件的基體材料至少在所述承載部件層所占據(jù)的區(qū)域中不含馬氏體。
7.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的承載部件，其中，含Sn的所述層狀體系中的部件層，特別是所述承載部件層和/或所述連接區(qū)域，具有基本上均勻的結(jié)構(gòu)，其中具有均勻分布的Cu6Sn5晶體和SbSn晶體。
8.一種滑動軸承，特別是用于大型兩沖程柴油發(fā)動機(jī)的滑動軸承，所述滑動軸承具有前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的承載部件。
9.一種制造由含鐵基體材料制成的承載部件的方法，特別是滑動軸承的支承殼體的制造方法，在所述承載部件的運(yùn)行表面一側(cè)上提供含有軸承金屬的層狀體系，其中涂覆所述層狀體系的承載部件層，所述承載部件層與所述承載部件緊鄰并且由含Sn涂覆材料構(gòu)成，所述材料優(yōu)選為白合金，其特征在于，所述承載部件層通過連接區(qū)域與所述基體材料冶金連接，而且在所述連接區(qū)域中基本不形成FeSn2。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述承載部件層通過熔化被涂覆在所述含鐵基體材料上，并且在涂覆過程中控制熔化所述含Sn涂覆材料所需的熱能，從而使得只有所述涂覆材料完全熔化，而所述含鐵基體材料優(yōu)選保持在固態(tài)。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，涂覆方法是離心鑄造法、重力鑄造法、鎢/惰性氣體焊接法、激光焊接法、軟焊法或爆炸涂鍍。
12.如權(quán)利要求9 11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述含Sn涂覆材料以粉末和/或帶材和/或線材的形式提供。
13.如權(quán)利要求9 12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述層狀體系的至少一個(gè)部件層通過壓制工藝壓制到所述含鐵基體材料上，或在壓力下軋制到所述含鐵基體材料上。
14.一種往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)，特別是大型兩沖程柴油發(fā)動機(jī)，其具有依據(jù)權(quán)利要求8所述的滑動軸承。
15.如權(quán)利要求14所述的往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)，其中，所述滑動軸承是曲柄軸承和/或連桿軸承和/或推力軸承和/或十字頭樞軸承和/或螺旋槳軸軸承。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種承載部件及其制造方法、滑動軸承和往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)，所述承載部件是由含鐵基體材料制成的承載部件，特別是滑動軸承的支承殼體，在所述承載部件的運(yùn)行表面一側(cè)上形成含軸承金屬的層狀體系。在此方面，所述層狀體系中的與所述承載部件緊鄰的承載部件層由含Sn材料構(gòu)成，所述材料優(yōu)選為白合金。依據(jù)本發(fā)明，承載部件層通過連接區(qū)域與基體材料冶金連接，在連接區(qū)域中基本不形成FeSn2。本發(fā)明還涉及具有承載部件的滑動軸承，涉及制造承載部件的方法，以及具有本發(fā)明的滑動軸承的往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)，特別是大型兩沖程柴油發(fā)動機(jī)。
文檔編號F16C11/04GK102966668SQ20121032412
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者D·施拉格, R·祖格爾 申請人:瓦錫蘭瑞士公司