CN101448601B - 滑动轴承、滑动轴承的制造方法及应用 - Google Patents

滑动轴承、滑动轴承的制造方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种滑动轴承，它包括至少一个由一种含铁的母体材料构成的承载件(7)，该承载件在滑动面侧设有一个至少径向外部由一种含锡的材料构成的涂层(8)，该涂层构成为熔化的层并且通过一个包含FeSn2的连接区(9)与母体材料冶金地连接，可以这样地达到高的使用寿命，即包含FeSn2的连接区(9)的厚度至多为10μm。

Description

滑动轴承、滑动轴承的制造方法及应用
技术领域
本发明按照第一发明构思涉及一种滑动轴承，包括一个由一种含铁的母体材料构成的承载件，该承载件在滑动面侧设有一个具有至少一层的、至少部分由轴承合金构成的涂层，其中，至少邻接承载件的层由一种包含Sn的材料优选巴氏合金构成并且通过一个包含FeSn2的连接区与承载件冶金地连接。
另一发明构思涉及一种用于制造这样的滑动轴承的方法，其中，一个由一种含铁的母体材料构成的承载件在滑动面侧设有一个具有至少一个层的、至少部分由轴承合金构成的涂层，其中，至少邻接承载件的层由一种包含Sn的材料优选巴氏合金构成，该材料以固体的形式供给待涂层的表面并且通过一个导致一种冶金的连结的处理涂覆到母体材料上。
另一发明构思包括这样的滑动轴承的一种优选的应用。
背景技术
由WO 00/23718已知一种开头所述类型的滑动轴承和方法。按照该已知的建议将一由巴氏合金构成的涂层熔合在由一铁材料构成的承载件上。一种合金的形成需要存在液态的合金组分。为此与之相应地在涂层过程必须释放大量的热，使得不仅熔化巴氏合金，而且在承载件的滑动面侧的上侧上也产生一种由熔化的母体材料构成的金属浴(Metallbad)。这样产生的巴氏合金和铁材料的熔体可以相互熔合，同时在大的范围内形成FeSn2。在这种情况下与之相应地形成一个较厚的连接区，其在相当大程度上由FeSn2构成。虽然该连接区在母体材料与涂层之间产生一种很好的冶金的连接。但FeSn2构成一种很脆的材料，从而在已知的轴承装置的不大的负载下就已可以导致裂纹的形成和脆裂。加上在一种不利的冷却的情况下可能发生近涂层的铁材 料向马氏体的转变，其同样是很脆的，因此还要加强上述缺点。在已知的装置中由于高的脆性和微小的延伸能力在一个较厚的中间区域内产生较短的使用寿命。
还已知，以离心铸造法将一种由轴承合金如巴氏合金构成的涂层涂覆到承载件上。在这种情况下就不再形成一种由熔化的母体材料构成的金属浴。但在以离心铸造法涂覆的巴氏合金的固化过程中，可能导致合金组分的分离，因为首先由Cu6Sn5构成的针形晶体析出并且然后由SbSn构成的立方体形的晶体析出并最后剩下的富锡的基体才固化。Cu6Sn5的密度大于，SbSn的密度小于较久的液态的基体的密度。Cu6Sn5晶体与之相应地径向向外迁移并且减弱巴氏合金涂层在母体材料上焊接的区域，这可以对使用寿命产生不利的作用。
发明目的
由此出发因此本发明的目的是，改进开头所述类型的滑动轴承同时避免已知配置的缺点，使其达到高的使用寿命。本发明的其他的目的在于按照本发明的滑动轴承的简单而低成本的制造方法的目的和按照本发明的滑动轴承的一种优选的应用的目的。
涉及滑动轴承的目的与所述类型的滑动轴承相结合这样达到，即包含FeSn2的连接区的厚度至多为10μm(微米)。
通过不完全阻止一个由FeSn2构成的连接区，而允许在一个不大的范围内存在，以有利的方式获得涂层在承载件的含铁的母体材料上的一种很好的冶金的连结并从而获得一种高的附着强度。另一方面由于由脆的FeSn2构成的连接区的微小的厚度确保，对本发明的滑动轴承的变形能力总体上由此没有值得一提的不利的影响，从而确保抵抗脆裂和裂纹形成的足够高的可靠性。
涉及方法的目的与本发明的方法相结合按照一种第一优选的方案这样达到，即至少将涂层的第一层通过熔化涂覆到含铁的母体材料上，其中，为熔化所进行的能量到待涂层的表面和到供给该表面的涂层材料的传递这样控制地实现，即，只有涂层材料完全熔化，而母体材料完全保留在固化状态。
这些措施以有利的方式在母体材料中产生如此小的热施加，以致在待涂层的表面上不再形成一种由熔化的母体材料构成的金属浴，而是涂层材料熔化到一个固体的金属基体上，其中，由于存在的热，开始进行一种扩散，它确保涂层在母体材料上的所要求的冶金的连结。取决于母体材料的加热的扩散深度对此可以按简单的方式这样控制，即，使在这里作为扩散的结果包括的连接区处在要求的至多10μm、优选0.5-5μm的限度内。同时可以避免在母体材料的区域内的马氏体形成和在涂层的区域内的不均匀的晶体分布。由于有利地不需要添加物，作为含锡的材料可以采用简单的巴氏合金。本发明的方法的一种有利的实施形式可以在于，含锡的涂层材料包含锌。同时可以取消以前为影响晶体形成需要的镉，这提高不污染环境性。
本发明的方法的另一种有利的方案可以在于，至少将涂层的第一层通过挤压优选的滚轧的形式涂覆到含铁的母体材料上。在这方面在母体材料中也保持微小的热施加。并且该方案确保一种简单、快速和低成本的方法实施并从而确保一种高的经济性。
有利的是，本发明的滑动轴承在大型机械例如大型发动机特别是二冲程大型柴油机中应用，因为在这里长时间的使用寿命节省特别高的费用。
在本发明中将说明上述措施的有利的实施形式和符合目的的进一步构成。
有利的是，在涂层之前，对母体材料的待涂层的表面进行清洁和/或进行粗糙处理(angeraut)。借此促进要求的扩散和与之相应地促进通过扩散包括的连接区的构成。粗糙处理(Anrauung)还阻止一种射束或辐射的反射，这减轻能量到母体材料中的施加的控制。
另一符合目的的措施可以在于，熔化多个相叠的层。借此确保，将需要的能量流保持尽可能地小而仍然可达到一个较大厚度的涂层。各层可以由相同的或不同的材料构成，这对个别情况的状况能够匹配轴承特性。
符合目的的是，涂层材料以相互连接的履带的形式涂覆到母体材 料上，这有助于能量施加的简单的控制。由此产生的不平度可以简单地借助于另一能量施加被拉平，这减轻机械的精加工。
上述措施的其他的有利的实施形式和符合目的的进一步构成说明于其余的从属权利要求中并且由以下借助附图的实例描述更详细地得知。
附图说明
在以下描述的附图中：
图1一个大型发动机的设有一个滑动轴承套的曲轴主轴承的视图；
图2一个滑动轴承的设有一个双层巴氏合金涂层的承载件的示意的剖面图；和
图3一个用巴氏合金对滑动轴承的承载件进行涂层的装置。
具体实施方式
本发明的主应用领域是较大的轴承，如大型发动机、例如用作为船舶发动机的二冲程大型柴油机的曲轴主轴承、连杆轴承、推力轴承、螺旋桨轴轴承等。这样的发动机的结构和操作方式本身是已知的。
一个二冲程大型柴油机的基于图1的曲轴主轴承包括一个结合于发动机壳体1中的下部2和一个可安装在其上的上部3。该上部通过拉紧装置4固定。下部2和上部3设有相互补足成一孔5的凹槽，在其上分别装入一部分的轴承套的一半套6a或6b，在其中支承一个图中未更详细示出的曲轴的一个相配的轴颈。在修理的情况下，半套6a、6b的替换是很费事的和耗费很大的。因此要求一高的使用寿命。
半套6a、6b分别包括一个径向外部的承载件7，其在滑动面侧因此在径向内部的表面上设有一单层或多层的涂层8。承载件7由一含铁的材料构成，通常由钢构成。涂层8至少在径向外部的邻接承载件7的区域内包括一含Sn的在承载件7上产生很好的连结的材料和至少在径向内部包括一种具有很好的自润滑性能的材料。巴氏合金适用于两者。实际中锡合金称为巴氏合金。
在这里为构成涂层8所应用的巴氏合金可以涉及简单的巴氏合金，它只包含锡(Sn)、锑(Sb)和铜(Cu)以及优选锌(Zn)。锌含量使其他的添加物的添加不必要，如用于以所要求的形式实现结晶的镉。
将构成涂层8的材料以单层或多层的形式熔化到由钢构成的承载件7的径向内部的表面上。同时在承载件7的含铁的母体材料与涂层8的轴承合金之间的边界区域内形成一图2中由一虚线说明的连接区9，它基本上由FeSn2构成，其中，铁源自母体材料而锡源自涂层8。对此足够的是，涂层至少在其径向外部的、邻接承载体7的区域内由含锡的材料构成。
FeSn2证明是很脆的材料，这可以不利地影响半套6a、6b的寿命。但另一方面需要连接区9，以便得到涂层8在含铁的母体材料上的可靠的冶金的连结。
通过广泛的实验已查明，在由FeSn2构成的连接区9的厚度至多10μm(10微米)的情况下，不仅可以达到涂层8在含铁的母体材料上的很好的冶金的连结而且可以达到涂层的轴承套6a、6b的一种仍然足够的变形能力继而达到一个可接受的寿命。实验还已表明，在连接区9的一个0.5-5μm的厚度时已经达到一种足够的冶金的连结，同时变形能力是特别好的。
因此这样实现涂层材料的熔化，使得连接区9不厚于10μm，优选不厚于0.5-5μm。为此这样实施熔化过程，使得连接区9不通过将所参与的金属制成合金形成，而是通过一种扩散过程形成。这通过适当的热导这样控制，使得扩散深度至多为10μm，优选至多为0.5-5μm。
为此将用于涂层材料熔化到承载件7的含铁的母体材料上的能量这样控制，以致在承载件7的待涂层的表面上不产生由熔化的母体材料构成的金属浴，而是母体材料完全保留在固化状态而只有涂层材料熔化。
为了将涂层8熔化到含铁的母体材料上，符合目的的是，采用产 生一个局部有效的、亦即一个小的局部的热斑点的加热装置。为此可以采用基于图3的装置。它包括一个激光源10和一个材料供给装置11。激光源10产生一个激光射束12，它大致垂直于承载件7的待涂层的表面定向。供给装置11倾斜于激光射束12的轴线。倾斜角可以为20°-45°，优选30°。借助于供给装置11将涂层材料在固体的状态下供给待涂层的表面，使其由激光射束12冲击。
待供给的涂层材料可以以一种粉末的形式或以一个带或丝的形式存在。在所示的实例中以一个丝13的形式供给涂层材料。与之相应地供给装置11构成为进给装置。在采用金属粉末的情况下，供给装置11构成为喷嘴，它发射一股粉末流。符合目的的是，给涂层材料提供保护气体直到其固化，如图3中由流动箭头14说明的。有利的是，可以经过供给装置11供以保护气体，供给装置设有一个适当的供应接口15。
激光源10和供给装置11在所示的实例中安装在一人共同的工作头16上。将工作头16这样设置，使得为了实施涂层过程，可以在工作头16与承载件7的待涂层的表面之间产生一种由箭头17说明的相对运动。在这种情况下，工作头16与待涂层的表面之间的相对速度和由供给装置11实现的材料流量以及由激光射束12维持的到供给待涂层表面的涂层材料和到承载件7的待涂层表面的能量施加本身这样地相互匹配，使得供给的涂层材料完全熔化，但在待涂层的表面上不产生由熔化的母体材料构成的金属浴，而是开始进行一种具有要求的扩散深度的扩散过程。
符合目的的是，这样实现工作头16与待涂层的表面之间的相对运动，使得待涂层的表面行状地移离工作头16。在所示的实例中，工作头16为此安装在一个可相应移动的臂18上。由于行状的运动使涂层材料以平行的履带的形式涂覆到待涂层的表面上。在这时产生的、波形的上侧可以通过图3中用虚线说明的一个第二激光射束19被拉平。为此需要的激光源同样可以安装在工作头16上。但也可设想，为了产生激光射束12和19设置一共同的激光源。同样可设想，放弃一个第 二激光射束，并且在第二次通过而无涂层材料供给时，借助于激光射束12实现拉平。作为激光源特别优选是这样的，其是可很好控制的，例如YAG激光器、CO2激光器、二极管激光器，特别是纤维耦合的二极管激光器。激光源的容易的可控性使能量在承载体7中的施加的精确的计量变得容易了。CO2激光器和二极管激光器已证明在这里是特别适用的。
符合目的的是，以薄层的形式涂敷涂层材料，这使热施加的控制变得容易了。为了依然实现一个较大的总厚度的涂层，可以相叠地涂敷多个层，如图2中通过相叠涂敷的层8a、8b说明的。同时可以产生相互相交的斜面。在任何情况下将最上面的层以上述的方式拉平，这使一个紧接着的机械的精加变得容易了工。层8a、8b可以由相同的材料或不同的材料构成。在任何情况下下面的、即径向外部的层为了形成FeSn2区必须由含锡的材料如巴氏合金构成。
在涂层过程开始之前，对待涂层的承载件7的表面进行清洁并优选同时进行粗糙处理。这样的粗糙处理阻止激光射束12的值得一提的反射，这同样使能量施加的控制变得容易了。
借助于激光射束12只实现一种小面积的热施加，熔化的材料比较快速地冷却下来。因此在冷却巴氏合金熔体时形成的、具有不同的密度的为Cu6Sn5晶体和SbSn晶体形式的晶体的重力分离可以不开始进行。与之相应地在涂层8内或无论如何在每一由巴氏合金构成的层8a、8b内达到这些晶体在其整个厚度上的均匀分布并与之相应地达到一种极为匀质的材料结构。可以这样实现涂层的承载体7的冷却，以致在承载件7的含铁的母体材料中不发生向马氏体的转变，从而母体材料在其容纳涂层的表面区域内也没有马氏体。
代替按图3的实施形式中作为加热装置采用的激光源，自然也可以采用其他的产生一个热斑点的加热装置。一种优选的实施形式可以在于，为了构成加热装置设置一个感应线圈，它被供以电流，电流是可较简单地控制的。因此在这种情况下，可以精确地计量热在承载件的母体材料中的施加。
在描述的实例中采用一个分开的轴承套，其各部分分别设有按照本发明的涂层8。但也可能的是，将本发明涂层8直接涂敷到轴承下部2或上部3上。因此本发明也可以应用到所有那些在那里没有设置轴承套等的地方。
描述的实施例基于一种二冲程大型柴油机的一种曲轴主轴承。如上所述，本发明自然也可以在一个这样的发动机的其他的滑动轴承，如连杆轴承、推力轴承、螺旋桨轴轴承、十字头轴颈轴承等中应用。同样本发明并不限于在二冲程大型柴油机中的应用，而也可以有利地在其他的发动机或其他的机械如涡轮机、压床、轧机、辊道等中应用。在较大的结构形式的机械中的应用是特别符合目的的。
在以上借助图3描述的方法中，将涂层8熔化到母体材料上。代替该方法也可设想，通过适当的挤压将涂层的至少一个邻接母体材料的层8a与母体材料连接，其中通过施加的压力引起形式为一个包含FeSn2的连接区的所要求的冶金的键合(Bindung)。符合目的的是，在这里设置一个单层的涂层，它可以随着一个挤压过程涂覆到母体材料上。在多层的情况下，同样可通过挤压将它们相互连接。
符合目的的是，挤压过程可以构成为滚轧过程，其中将涂层在压力下滚轧到待涂层的表面上。对此将由包含Sn的材料优选巴氏合金构成的涂层材料以固体的形式、符合目的的是，以一个条或带的形式供给待涂层的表面并接着借助于至少一个轧辊在压力下滚轧到待涂层的表面的含铁的母体材料上，从而实现一个包含FeSn2的连接区继而实现涂层8在母体材料上的一种冶金的连结。为了涂层而供给的带等可以是单层的或多层的。在涂层厚度上由相同的材料构成的涂层的情况下，采用一个单层的带等。但也可设想，在带内设置多个不同的层，其中无论如何最下面的层应该由一种包含Sn的材料优选巴氏合金构成。
建议的滚轧方法能够以有利的方式达到一种快速和低成本的方法实施继而达到一种高的生产率和经济性。

Claims (34)

1.滑动轴承，包括至少一个由一种含铁的母体材料构成的承载件(7)，该承载件在滑动面侧设有一个具有至少一个层(8a、8b)的、至少部分由轴承合金构成的涂层(8)，其中，至少邻接承载件(7)的层(8a)由一种包含Sn的材料构成并且通过一个包含FeSn2的连接区(9)与母体材料冶金地连接，其特征在于，包含Sn的材料具有至少一个熔化到承载件(7)的含铁的母体材料上的层(8a)，其中，包含FeSn2的连接区(9)构成为厚度至多为0.5-5μm的扩散层并且承载件(7)的含铁的母体材料至少在其容纳涂层(8)的区域内保持没有马氏体。
2.按照权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，涂层(8)的每一个包含Sn的层在其厚度上具有一种匀质的结构。
3.按照权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，至少在涂层(8)的区域内设置的含Sn的材料没有镉而代替它包含锌。
4.按照权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，涂层(8)包含多个相叠设置的层(8a、8b)。
5.按照权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，涂层的至少邻接承载件(7)的层(8a)由一种巴氏合金构成，该巴氏合金只包含锡(Sn)、锑(Sb)和铜(Cu)。
6.按照权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，涂层(8)的层(8a、8b)至少部分地由不同的材料构成。
7.按照权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，承载件(7)由钢构成。
8.按照权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，承载件(7)构成为可装入到一个相配的壳体中的轴承套(6a或6b)，该轴承套在其径向内侧具有由轴承合金构成的涂层(8)。 
9.按照权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，包含Sn的材料是巴氏合金。
10.按照权利要求2所述的滑动轴承，其特征在于，涂层(8)的每一个包含Sn的层在其厚度上具有Cu6Sn5晶体和SbSn晶体的一种均匀的分布。
11.按照权利要求3所述的滑动轴承，其特征在于，整个涂层(8)没有镉而代替它包含锌。
12.按照权利要求5所述的滑动轴承，其特征在于，涂层的所有的层(8a、8b)由一种巴氏合金构成，该巴氏合金只包含锡(Sn)、锑(Sb)和铜(Cu)。
13.按照权利要求5所述的滑动轴承，其特征在于，巴氏合金包含锌(Zn)。
14.用于制造按照权利要求1至13之一所述的滑动轴承的方法，其中，至少一个由一种含铁的母体材料构成的承载件(7)在滑动面侧设有一个具有至少一个层(8a、8b)的、至少部分由轴承合金构成的涂层(8)，其中，至少邻接承载件(7)的层(8a)由一种包含Sn的材料构成，该材料以固体的形式供给待涂层的表面并且熔化到含铁的母体材料上，其特征在于，为熔化涂层(8)的至少第一层(8a)所进行的将能量传递到待涂层的表面上和传递到供给该表面的涂层材料上的能量传递这样控制地实现，即，只有涂层材料完全熔化而含铁的母体材料完全保留在固化状态并且在其表面不产生由熔化的母体材料构成的金属浴，其中，在含铁的母体材料的容纳涂层(8)的区域内没有形成马氏体并且通过扩散在涂层(8)与母体材料之间的边界区域内产生一个包含FeSn2的厚度至多为0.5-5μm的连接区(9)。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，在涂层之前，对母体材料的待涂层的表面进行清洁和/或进行粗糙处理。
16.按照权利要求14或15所述的方法，其特征在于，将供给的 涂层材料作为粉末和/或带和/或丝供给待涂层的表面。
17.按照权利要求14或15所述的方法，其特征在于，为熔化涂层(8)的至少第一层(8a)，采用一个产生一个热斑点的、可相对承载件(7)移动的加热装置。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，将涂层材料分别在能量传递时产生的热斑点内供给待涂层的表面。
19.按照权利要求14或15所述的方法，其特征在于，将涂层材料分别以平行的、相互连接的履带的形式涂覆到母体材料上。
20.按照权利要求14或15所述的方法，其特征在于，使至少最后熔化到母体材料上的层(8b)的上侧通过能量供给变成均匀的。
21.按照权利要求14或15所述的方法，其特征在于，相叠地熔化由相同的或不同的材料构成的多个层(8a、8b)，其中，至少第一层(8a)是含锡的。
22.按照权利要求14或15所述的方法，其特征在于，总是给熔化的涂层材料供以保护气体直到固化为止。
23.按照权利要求14或15所述的方法，其特征在于，为了形成激光射束(12)，采用一个CO2激光器和/或二极管激光器。
24.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，包含Sn的材料是巴氏合金。
25.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，为熔化涂层(8)的所有的层(8a、8b)，采用一个产生一个热斑点的、可相对承载件(7)移动的加热装置。
26.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，为熔化涂层(8)的至少第一层(8a)，采用至少一个激光射束(12)和/或至少一个感应线圈。 
27.按照权利要求20所述的方法，其特征在于，使所有的层(8a、8b)的上侧通过能量供给变成均匀的。
28.用于制造按照权利要求1至13之一所述的滑动轴承的方法，其中，至少一个由一种含铁的母体材料构成的承载件(7)在滑动面侧设有一个具有至少一个层(8a、8b)的、至少部分由轴承合金构成的涂层(8)，其中，至少邻接承载件(7)的层(8a)由一种包含Sn的材料构成，该材料以固体的形式供给待涂层的表面并且通过一个导致一种冶金的连结的处理涂覆到含铁的母体材料上，其特征在于，至少将涂层(8)的邻接承载件(7)的层(8a)以固体形式这样挤压到承载件(7)的含铁的母体材料上，使得通过扩散形成一个包含FeSn2的厚度至多为0.5-5μm的连接区(9)并且在含铁的母体材料内没有产生马氏体。
29.按照权利要求28所述的方法，其特征在于，将至少涂层(8)的邻接承载件(7)的层(8a)在压力下滚轧到承载件(7)的含铁的母体材料上。
30.按照权利要求28或29所述的方法，其特征在于，至少将形成涂层(8)的邻接承载件(7)的层(8a)的涂层材料以一个条或带的形式供给待涂层的表面，条或带在压力下进行滚轧。
31.按照权利要求28所述的方法，其特征在于，包含Sn的材料是巴氏合金。
32.按照权利要求1至13之一所述的滑动轴承在具有至少一个滑动轴承的大型发动机中的应用。
33.按照权利要求32所述的应用，其特征在于，在一个大型发动机中，将曲轴轴承和/或连杆轴承和/或推力轴承和/或十字头轴颈轴承和/或螺旋桨轴轴承构成为按照权利要求1至13之一所述的滑动轴承。
34.按照权利要求32或33所述的应用，其特征在于，大型发动机是二冲程大型柴油机。 
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