專利名稱：軸瓦及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及軸瓦，它包括一支承件和至少一個金屬表層，該表層借助電子束氣相沉積加以涂覆并包含至少一種在基體材料內精細彌散的組分，該組分的原子量大于基體材料的。本發(fā)明還涉及按權利要求10所表征的內容制造具有這樣的表層的軸瓦的方法。
通常，這類用途的滑動件包括下列結構的多層復合層系用作支承材料的鋼支承件，Cu、Al或白金屬合金的軸承金屬層和所謂滑動層或第三層或表層，該表層的涂覆可采用電鍍法(E.RoemerGLYCO的三元合金軸承；GLYCO工程報告8/67)或采用陰極濺射法如EP 0 256226 B1中所述。電鍍涂覆層一般是以Pb或Sn為基礎，其缺點是耐腐蝕性常常不足和耐磨性低。并且電鍍本身由環(huán)境觀點看是不利的。
采用濺射法涂覆表層，由于其可達到的低的沉積率和需要的設備的高度技術復雜性對整個滑動件帶來相當大的成本指數(shù)。
GB2270 927描述了鋁合金，其中整個層的含Sn量可以恒定并在10％與80％之間。由該申請的第10和11頁的表1可以看出，隨著含錫量的增加，在軸承呈現(xiàn)腐蝕傾向以前其可能的極限載荷升高，但另一方面，從某一定含錫量起其承載能力又急劇地降低。該說明書并沒有包含為改善磨合性能的任何建議。在該申請中敘述了作為涂覆表層的制造方法的濺射法。
EP 0 376 368 B1描述一種很復雜的制造軸承的方法，其特點是軸承具有良好的應急運轉和磨合性能。該申請也涉及借助濺射法涂覆的鋁—錫合金。該申請的核心是軸承合金的金屬基體材料內所含諸粒子就其直徑來說服從標準隨機分布的規(guī)律，并且在表層中含有達1.0％重量的氧，表層的顯微硬度在熱處理以后降低。以這種方法，嵌入性、應急運轉性能和腐蝕鈍性都得到了改善。
描述了一種軸承，其表層由基體材料(例如鋁)與精細地彌散在其中的第二相(例如錫)構成。其中也采用濺射法。借助該發(fā)明制造的軸承的表層結構是這樣的，即表層內第二相(例如錫)的含量隨表層的厚度連續(xù)從底層內的0％增至頂層內的100％，這是一方面通過采用不同的組合物的若干目標或通過在涂覆過程中采用變化的濺射參數(shù)實現(xiàn)的。以這種方法制造的表層就它們的耐磨性和抗疲勞性來說具有很好的性能，但是用很復雜的方法達到的。
由DE 195 14 835 A1和195 14 836 A1已知借助電子束氣相沉積在凹曲面滑動件上沉積表層，其中在兩說明書中形成特殊層厚的外形是優(yōu)先考慮的事。為了為軸瓦達到均勻的層厚，按照DE 195 14 835A1其蒸發(fā)裝置和支承件在氣化涂覆的過程中以不同的速度相互相對直線移動。為此，在涂覆室內部需要適當?shù)恼{節(jié)裝置。另一方面，DE 19514 836 A1的目的是制造不均勻的層厚?；瑒蛹膶雍裨谄漤敳繀^(qū)域為最大并連續(xù)向側表面減小。為了實現(xiàn)這一點，該方法規(guī)定在蒸發(fā)裝置與軸瓦的頂部區(qū)域之間設定一距離150～350mm，在層的氣化涂覆過程中蒸發(fā)裝置和支承件處于相互固定的位置以及將為在頂部區(qū)域內沉積的凝固率設定為至少80nm/S。
由DE 36 06 529 A1已知通過將至少一種金屬材料氣相沉積到一金屬基底上制造多層材料或多層工件的方法，同樣采用電子束氣相沉積法涂覆表層。該方法在壓力從10-2～10-3mbar范圍下的殘余氣體氣氛中進行，其中材料隨著氣相沉積同時被彌散硬化或彌散強化。涂覆率設定在約0.3μm/S。在氣相沉積過程中，基底保持在200℃與800℃之間的溫度。對鋁合金的氣相沉積基底的溫度為200℃～300℃。對銅——鉛合金的氣相沉積基底的溫度在500℃至700℃的范圍內。按這種方法制造的層的承載能力顯著好于由粉末冶金法制造的層的承載能力。該申請的優(yōu)先考慮在于通過彌散強化，例如通過氣相沉積時產生的氧化物在表層中產生一確定的硬相含量。
這三個涉及電子束氣相沉積的說明書并沒有給出關于如何實現(xiàn)合金組分的不同分布的任何指示。承載能力或磨合性能對某些申請是不足的。
本發(fā)明的目的是提供一種軸瓦，其特點是特別在其很大的承載區(qū)域內的良好的應急運轉和磨合性能與軸承腐蝕出現(xiàn)前的高極限載荷相結合。本發(fā)明另一目的是為制造這樣的軸瓦提供一種基于電子束氣相沉積的經濟方法，該方法還以簡單的方式確保沿軸瓦的整個圓周的均勻的層厚。
該軸瓦的特征在于精細地彌散的組分的濃度由軸瓦的頂部區(qū)域連續(xù)地向側表面區(qū)域降低。
以這種方式構造的表層具有的優(yōu)點在于，其最大的承載區(qū)域，即頂部區(qū)域，對應急運轉和磨合性能具有決定性有利影響的合金組分以最大的濃度出現(xiàn)。另一優(yōu)點在于較昂貴的精細彌散的組分只在那些區(qū)域以相當高的濃度出現(xiàn)，即這些區(qū)域對應急運轉和磨合性能是主要需要的。
由于最大承載區(qū)域的滑動性能影響整個滑動軸承的使用壽命，使用壽命的提高也由增加在頂部區(qū)域內精細彌散的合金組分的濃度來確保。
在頂部區(qū)域內精細彌散的組分的濃度優(yōu)選比側表面區(qū)域內的高，為側表面區(qū)域的1.2～1.8倍，優(yōu)選為1.3～1.6倍。
按照第一實施方案，精細彌散的組分的濃度沿整個表層厚度是恒定的。
這樣的沿圓周方向的濃度分布也可以按照第二實施方案與沿層厚的不同濃度相組合，其中精細彌散的組分的濃度優(yōu)選由下面即靠近支承件的一面連續(xù)地向表層的上部區(qū)域增加。該表層實施方案在軸瓦的對偶件具有大的表面粗糙度時選用，如例如在鑄造軸的情況下選用。
精細彌散的組分的濃度在表層的上部區(qū)域內優(yōu)選達到在下部區(qū)域內的2倍。
精細彌散的組分的濃度在頂部區(qū)域有利地在10％與70％重量之間。
基體優(yōu)選由鋁構成，其中精細彌散的組分可以由錫、鉛、鉍和/或銻構成。作為其他的合金組分，表層可以包含單獨的或以達到5％重量的比例的組合形式的銅、鋅、硅、錳和/或鎳。
支承件可以包括鋼背瓦，或可以由鋼/CuPbSn復合材料或鋼/鋁或鋼/白金屬復合材料構成。構成表層的優(yōu)選合金系為AlSnCu、AlSnPb和AlSnSi。在表層由錫合金構成的情況下，表層內的含錫量由滑動件的頂部向側表面減少，即該表層包括高和低含錫量的區(qū)域。這使其首次可能利用在表層內同時具有高和低含錫量的優(yōu)點。與高含錫量的區(qū)域保證滑動件的良好磨合性能的同時，低含錫量的區(qū)域保證滑動件具有高的承載能力。
表層的厚度優(yōu)選沿整個圓周是均勻的。
制造這樣的軸瓦表層的方法規(guī)定在軸瓦頂部區(qū)域內進行涂覆的過程中氣體壓力設定為0.1至5Pa。
蒸發(fā)器坩堝與待涂覆的表面之間的氣體分子影響合金組分在氣相沉積過程中的不同的擴散。
擴散角或擴散度因動力原因取決于各個氣化的合金元素的相對密度。其結果是重元素，例如錫比較輕的元素，例如鋁的擴散度較弱。這些擴散過程的結果是重元素以比在側表面區(qū)域內較高的濃度沉積在軸瓦的頂部區(qū)域內。這樣借助氣體分子的擴散使其能夠依靠進行電子束氣相沉積的壓力范圍在寬的限度內改變表層的組合物。
與專家圈所持的意見相反，用氣體擴散制造的層是驚人的堅固并且在它們的耐磨性和承載能力方面優(yōu)于用傳統(tǒng)方法或無輔助措施的電子束氣相沉積法制造的滑動件。
并且驚人地顯示出，除了獲得不同的濃度外，還同時有可能獲得均勻的層厚，因此可以省去例如由195 14 835 A1已知的輔助措施。
因此制造過程被大大簡化了。
氣體壓力在涂覆進行過程中可優(yōu)選保持在±0.05Pa。
該方法通過連續(xù)改變涂覆過程中的氣體壓力得以進一步改進。如果將氣體壓力作為氣相沉積時間的函數(shù)加以改變，則除了沿圓周方向的表層的分級結構外，還可實現(xiàn)沿層厚的組合物的變化。
氣體壓力優(yōu)選由氣相沉積過程開始時的0.1Pa連續(xù)增至其終止時的1Pa。氣體壓力增加的作用是具有低原子量的合金組分比重合金元素越來越以更大程度的擴散，從而增大了在過程的進程中頂部區(qū)域與側表面區(qū)域之間的濃度差。以這種方法，合金組分的濃度沿層厚也改變。
采用的惰性氣體優(yōu)選為氬、氦或氖。
軸瓦與蒸發(fā)器坩堝之間的垂直距離必須設定為軸瓦直徑的2到7倍并且在頂部區(qū)域的涂覆率必須設定為至少20nm/S。
以下借助示例性實施方案和附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中

圖1為軸瓦的透視圖，圖2為示出在頂部區(qū)域內表層的合金組合物圖，圖3為示出在側表面區(qū)域內表層的合金組合物圖，以及圖4為示出對具有按本發(fā)明制造的表層的軸瓦在Underwood試驗中可達到的極限載荷與具有傳統(tǒng)的三元和二元合金的軸承的比較圖。
圖1示出具有支承件2和表層6的軸瓦1。支承件2由鋼瓦背3、用鑄造或燒結法貼附到其上的CuPbSn合金4以及擴散阻擋層5。鋼的含碳量在0.03％與0.3％之間。
在本來已知的各種退火和成形工藝以后，由一帶通過沖壓出規(guī)定長度的帶段來制造軸瓦。用鉆孔或滾壓對這些軸承進行表面加工以后，通過電鍍或物理氣相沉積法(PVD)給軸瓦設置鎳或鎳合金擴散阻擋層5。接著將支承件脫脂并放入真空蒸發(fā)裝置。在該裝置中通過濺射和侵蝕方法進行進一步的清潔或活化。
在涂覆室抽成真空以后，壓力設定為約1Pa，涂覆室內充以氬氣。接著將支承件2由蒸發(fā)器坩堝借助軸向電子槍用電子束氣相沉積法涂覆AlSn20Cu。沉積的AlSn20Cu表層的厚度約為(16±4)μm。
在氣相沉積過程中，氬氣壓力保持在1Pa不變，支承件的溫度為190℃～200℃并且電子槍的功率為從40至60kW。沉積率為至少20nm/S。
在頂部區(qū)域8，表層6錫的濃度顯著高于在側表面區(qū)域9的。錫粒子用小點7表示。在頂部區(qū)域內較高的小點密度表示較高的濃度。
圖2和3示出在頂部區(qū)域內(圖2)和在側表面區(qū)域內(圖3)的合金組合物。含錫量利用EDX采用掃描電子顯微技術對氣相沉積的AlSn20Cu層的特定區(qū)域來確定。頂部區(qū)域8內的錫濃度為側表面區(qū)域內的錫濃度的1.4倍，該值是由錫峰點的集合確定的。
圖4直接比較了用按本發(fā)明以分級表層制造的軸瓦在Underwood試驗臺上可得到的極限載荷與傳統(tǒng)的三元和二元合金軸承的極限載荷。一具有AlSn20Cu表層的鋁二元合金軸承(條A)被選為這些試驗的基礎(取作100％)。AlSn基二元合金軸承(條B)提供較大的承載能力，其基體由合金元素鎳和錳被強化。具有鋼/鉛青銅/電鍍層(PbSn10Cu5)結構的三元軸承(條C)的承載能力位于上述兩種二元合金軸承之間。如圖4所示，按本發(fā)明氣化涂覆的滑動軸承(條D)在承載能力方面優(yōu)于傳統(tǒng)的軸承系。
附圖標記1 軸瓦2 支承件3 鋼背瓦4 CuPbSn層5 擴散阻擋層6 表層7 錫粒子8 頂部區(qū)域9 側表面區(qū)域
權利要求
1.軸瓦，它包括一支承件和至少一個金屬表層，該金屬表層借助電子束氣相沉積加以涂覆并包含至少一種在基體材料內精細彌散的組分，該組分的原子量大于基體材料的，其特征在于精細彌散的組分(7)的濃度由軸瓦的頂部區(qū)域(8)連續(xù)地向側表面區(qū)域(9)減小。
2.按照權利要求1的軸瓦，其特征在于精細彌散的組分(7)的濃度在頂部區(qū)域(8)內為在側表面區(qū)域(9)內的1.2～1.8倍。
3.按照權利要求1或2的軸瓦，其特征在于精細彌散的組分(7)的濃度沿表層(6)的厚度是恒定的。
4.按照權利要求1或2的軸瓦，其特征在于精細彌散的組分(7)的濃度由表層(6)的下部區(qū)域連續(xù)地向上部區(qū)域增加。
5.按照權利要求1至4中任一項的軸瓦，其特征在于在頂部區(qū)域(8)的精細彌散的組分(7)的濃度在10％與70％重量之間。
6.按照權利要求4或5的軸瓦，其特征在于精細彌散的組分(7)的濃度在表層(6)的上部區(qū)域內達到在下部區(qū)域內的2倍。
7.按照權利要求1至6任一項的軸瓦，其特征在于基體材料由鋁構成并且精細彌散的組分(7)由錫、鉛、鉍和/或銻構成。
8.按照權利要求1至7任一項的軸瓦，其特征在于作為其他的合金組分，表層(6)包含單獨的或以達到5％重量的比例的組合形式的銅、鋅、硅、錳和/或鎳。
9.按照權利要求1至8任一項的軸瓦，其特征在于表層(6)的厚度沿整個圓周是均勻的。
10.對包括至少一個金屬合金表層的軸瓦的制造方法，該表層在涂覆室內借助電子束氣相沉積涂覆到支承件上并且包含在基體材料內精細彌散的組分，該組分的原子量大于基體材料的，其特征在于在軸瓦的頂部區(qū)域內進行涂覆的過程中采用壓力為0.1至5Pa的氣體。
11.按照權利要求10的方法，其特征在于氣相沉積進行的過程中所述的氣體壓力是連續(xù)變化的。
12.按照權利要求11的方法，其特征在于所述氣體壓力由氣相沉積過程開始時的0.1Pa連續(xù)地增至氣相沉積終止時的1Pa。
13.按照權利要求10至12任一項的方法，其特征在于采用的氣體為惰性氣體例如氬、氦或氖。
14.按照權利要求10至13任一項的方法，其特征在于軸瓦與蒸發(fā)器坩堝之間的垂直距離設定為軸瓦直徑的2至7倍。
15.按照權利要求10至14任一項的方法，其特征在于在頂部區(qū)域的涂覆率設定為至少20nm/S。
全文摘要
描述了一種軸瓦,它具有一支承件和至少一個金屬表層,該表層用電子束氣相沉積法加以涂覆并且包含至少一個在基體材料內精細彌散的組分,該組分的原子量大于基體材料的,其中精細彌散的組分(7)的濃度由軸瓦(1)的頂部區(qū)域(8)連續(xù)地向側表面區(qū)域(9)增加。該方法的特征在于,在涂覆過程中,在軸瓦的頂部區(qū)域內惰性氣體的壓力設定為0.1至5Pa。
文檔編號F16C17/02GK1240889SQ99107138
公開日2000年1月12日 申請日期1999年6月2日 優(yōu)先權日1998年6月2日
發(fā)明者格爾德·安德勒, 詹斯－彼德·海因斯, 克勞斯·格迪克, 克里斯托弗·梅茨納 申請人:聯(lián)合莫古爾威斯巴登有限公司