CN101605621B - 两个相互连接的层的制备方法及由该方法制备的功能构件 - Google Patents

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Abstract

为了制备至少两个互相连接的层(11，13；11′，13)，将至少一层(13)的材料熔融，随后通过喷压成型利用喷锥(10，10′)施加在相对于喷锥(10，10′)运动的其他层上，从而在此产生材料连接。

Description

两个相互连接的层的制备方法及由该方法制备的功能构件
技术领域
本发明涉及一种用于制备至少两个互相连接的层的方法。此外本发明还涉及根据该方法制备的功能构件。
背景技术
已知许多制备功能构件的方法，其中在基材与功能层之间产生材料连接(Werkstoffverbund)。此类功能构件例如是轴承构件，其包含优选由铁金属特别是钢制成的稳定的基材，而其功能层由非铁金属形成作为摩擦层。
DE 10 2004 044 519 A1公开了由非铁金属通过喷压成型(Sprühkompaktieren)而形成滑块。喷压成型是一种原始成型法，其中使材料熔融，并利用处于压力下的气体通过喷嘴布置而分散成精细的小液滴，因此由小液滴形成喷锥(Sprühkegel)。喷涂在模具上，其中喷锥的小液滴通过强烈冷却而在模具表面上分散成均匀的层，并形成固体层。通过喷压成型制备的滑块与功能构件的基材通过电容放电焊接(Kondensatorentladungsschweiβen)而以面或点的方式连接。特别是当功能构件必须承受高的压力梯度和负荷梯度时，此类功能构件的制备变得复杂。在此情况下，必须小心且复杂地通过焊接在滑块与基材之间制造连接。
发明内容
本发明的目的在于，使前述种类的功能构件的制备简单化。
为了实现该目的，在制备法中根据本发明设计此类功能构件，使至少一层的材料熔融，并随后通过喷压成型利用喷锥施加在相对于喷锥移动的其他层上，从而在此制备材料连接。
因此，根据本发明将一层通过喷压成型施加在其他层上，从而使两个金属层可以面的方式在材料连接中牢固地相互连接。然而在此，其他层本身也可通过喷压成型而形成。在此它们必须进行任选不只一次硬化。
特别优选的是，根据本发明的功能构件包含特别是由铁金属优选为钢制成的金属基材，并且包含与基材连接的由非铁金属组成的金属功能层。术语“铁金属”和“非铁金属”以及“金属材料”总是也包括合金。
本发明基于以下认识，在通过喷压成型制备层时通过适当选择用于喷压成型的主要方法参数而可实现在所喷射的层与其他层之间的材料连接，即使条件是其他层例如由铁金属组成而所喷涂的层由非铁金属组成。与用于制备层之间的材料连接相关的方法参数特别是形成喷锥的熔体的温度、喷射的小液滴直至冲击在其他层上的温度下降所导致的处于压力下的气体及周围环境的温度、喷射气体的压力和基材的温度。根据本发明可以选择这些参数，从而在层之间产生牢固的材料连接。因此根据本发明，喷压成型并不用作原始成型法，而是作为涂覆法。
虽然适当选择方法参数能够在层之间均匀地形成有效的材料连接，但是可以针对性地在喷压成型之前施加中间层，其在喷锥的喷射液滴冲击时一方面产生与基材的连接，另一方面产生与功能层材料的连接。通过在喷锥的喷射液滴冲击在中间层上时传导的温度升高而实现该连接。如利用喷压成型的原始成型本身所已知的，熔体可以混有非金属的固体颗粒，以通过在功能层中均匀一致地分散固体颗粒而控制所喷涂的功能层的使用特性。
在本发明的一个特别优选的实施方案中，在一次行程中由至少两种材料制备功能层，将它们以熔体的形式提供，并喷涂在基材上。在此，熔体可以在载体的运动方向上进行喷涂，该载体可以是基材。在此，熔体可以在载体的运动方向上相继地喷涂在载体上。在此根据应用目的有意义的可以是，将在载体的运动方向上之后喷涂的层喷涂在之前喷涂的已经固化的层上，从而使功能层由两个在基材上彼此上下设置的层形成，这两层在材料连接中互相连接。在此，由两个彼此上下设置的层形成的功能层同样也可以与作为功能构件的基材的载体相连接，或者载体不与两层连接，而是在制备互相连接的两层之后去除，如同在由均一的材料利用喷压成型而原始成型零件时的通常情况。
但也可调节基材和/或熔体的温度，从而使在细小的喷射小液滴中相互混合的材料形成功能层。由此可以用由以传统方法无法互相合金化的材料组成的合金制备功能层。
在本发明方法的一个改变的实施方案中，可以调节基材或载体和/或熔体的温度，从而使由不同材料组成的层在凝固前仅部分地混合，因而形成梯度功能层。若两种材料在运动方向上相继地进行喷涂，则产生此类超过功能层厚度的部分混合，由此实现从主要是第一材料至主要是第二材料的逐步过渡，这些层也互相转变。
本发明可以特别有利地用于滑动轴承层。对滑动轴承层提出的要求是自相矛盾的。一方面该层对于例如在润滑剂中送入轴承中的杂质颗粒应当具有良好的嵌入性，从而使轴承不被杂质颗粒损坏，另一方面滑动轴承应当具有尽可能长的寿命，特别是对于磨损具有高嵌入性的滑动轴承层的情况应当具有良好的自润滑性能。
通过形成具有两个或更多个不同的层的滑动轴承层，可以考虑不同的要求，特别是层的高嵌入性以及通过位于其下的层的良好的自润滑性能。在此，该滑动轴承层是由非铁金属组成的层。
根据本发明形成的彼此上下设置的层可以在组成不同的情况下具有相同的基体结构，或者由不同的基体结构及因此不同的组成而形成。
该与相同基体的层结合物的实例是CuSn6/CuSn15。此类层结合物可以根据本发明施加在铁基材上。
由具有不同基体的合金组成的层结合物例如是CuSn/SnSbCu、AlSn/SnSbCu。
在喷压成型时带入层中的固体颗粒例如可以是选自金刚石、碳化物、硅酸盐和陶瓷类颗粒的硬质颗粒，而作为具有润滑特性的软质颗粒例如可以是MoS2、PTFE、聚硅氧烷、硫酸钡等。通常以如下方式避免熔体中固体颗粒的熔融，将固体颗粒通过喷射气体与熔体混合，即通常不加入熔体中。由此在喷射液滴与固体颗粒之间仅有短的接触时间，其中所传导的热量不足以使固体颗粒熔融。选择性地，还可以使用其熔融温度高于功能层材料的熔融温度的固体颗粒。
此外，根据本发明的方法并不排除在本身已知的原始成型过程中通过喷压成型制备基材。
根据本发明的方法适合于在平坦的基材以及诸如管、球等的三维基材的情况下产生材料连接。在基材与喷锥之间的相对运动可以直线进行，但优选以具有优选正弦形运动轨迹的扫描过程的形式进行。
下面根据附图所示的实施例更详细地阐述本发明。
附图说明
图1所示为适合于实施本发明方法的用于通过喷压成型产生材料连接的装置的截面示意图；
图2所示为在与基材的材料连接中施加功能层的示意图；
图3所示为利用两个喷锥施加由两个部分层构成的功能层的示意图。
具体实施方式
图1显示一个罐1，其中具有用材料3的熔体填充的坩埚2。若该材料为CuSn6合金，则使该材料熔融，并利用加热线圈4保持在例如为1150℃的所期望的熔融温度。如此制备的熔融的材料到达分配容器5中，其在分配炉6内保持在所期望的熔融温度。通过位于分配容器5底部的开口流出熔体束，并以熔体束9的形式流经初级气体喷嘴7以及喷雾气体喷嘴8。在喷雾气体喷嘴8中，喷雾气体以例如3.5bar的过压变形为喷锥10。在喷锥10中所含的材料3的液滴到达在图1中以管的形式构成的基材11上。利用基材加热器12以导电线圈的形式预加热基材11，直至达到约1000℃的温度(针对由St-37制成的钢质基材)。在图1所示的实施例中，基材11绕着位于基材11的管轴上的轴旋转，从而在基材11上形成功能层13。
整个喷射装置都位于室14中，其具有用于排出喷雾气体的出口15。
优选惰性的气体，例如特别是氮气，适合作为喷雾气体。在罐1内，相应的惰性气氛也是针对性的，或者对于许多材料是必需的。
在一个实施例中，用于转动管形基材11的转动频率为1.2Hz，喷雾气体喷嘴8与基材11之间的距离Z为330mm，而涂布时间约为130s。在这段时间内，于基材11上施加约32kg的物料作为功能层13。基材的直径为380mm，而长度为140mm。
喷雾气体压力在2.5与3.5bar之间，在此表明提高的喷雾气体压力3.5bar在喷射过程中可以降低至低于3bar的压力。在涂布之后，可以针对性地将具有功能层13的基材11在空气中冷却。若在个别情况下需要，则可以进行后期机械压缩。图2示意性地显示了平坦的基材11′，于其上利用喷锥10施加功能层13。在此，也具有基材加热器12，以调节用于产生材料连接的最佳条件。
但是需要指出的是，用于产生材料连接的基材的加热器并不是在每种情况下都是必需的。可能的加热器取决于用于基材11，11′的材料。
在图3所示的改变的方案中，功能层13由两个部分层13′，13″组成，用两个在基材的运动方向P上彼此前后设置的喷锥10，10′对它们进行涂覆。在此喷锥10，10′大约在基材11′的高度上重叠，从而在两个部分层13′和13″之间产生过渡区域(未示出)，其促进这两个部分层13′，13″相互连接。
对于各种不同的材料配对可以通过选择合适的方法参数而实现根据本发明所期望的在基材11，11′与功能层13之间的材料连接，如上述实施例中所阐述。
在此作为方法参数特别考虑熔体3或熔体束9的温度、用于制备喷锥10的喷雾气体的压力、基材11，11′的温度以及基材11，11′相对于喷锥10，10′的相对运动的速度，其中该相对运动可由输送方向P上的分量和与此垂直的分量的组合运动形成(例如在根据图1的管形基材11的情况下的旋转运动)。
对于一些应用情况，可以针对性地通过施加薄的中间层对基材11，11′实施预处理，其中该中间层可以发挥粘结促进中间层的作用。例如一方面在基材11，11′与中间层之间而另一方面在中间层与功能层13之间产生金属间连接，从而使此类中间层可以改善由基材11，11′与功能层13组成的存在问题的材料配对之间的材料连接，而基材11，11′与功能层13之间的直接连接是存在问题的。
若功能层13与基材11，11′之间的材料连接例如由于在特定条件下的热膨胀系数严重不同而是有危害的，则中间层也可以是针对性的。具有在一方面基材11，11′的热膨胀系数与另一方面功能层13的热膨胀系数之间的热膨胀系数的中间层可以使所产生的材料连接能够承受更高的温度波动。
以类似的方式，中间层对于更好地承受遮光板力(
Figure G2007800406545D00061
)，例如在所需的喷射层后期压缩的情况下也是有利的，条件是中间层的材料可以承受此类遮光板力，并因此导致该力至基材11，11′上的传递仅仅是减弱的。中间层的该作用也可有利地用于随后的加工步骤，例如压制、轧制或锻造。
作为粘结促进中间层，考虑传统的焊接层、钎焊层和扩散层。此外还可采用熔接或熔化，它们导致中间连接和/或形成混晶。
该中间层可以传统的方式施加在铁基材或非铁基材上，例如通过电镀、浸渍、轧制、摩擦焊接和溅射。
合适的中间层例如仅由或者主要由铜、锡、锌、镍、铋、银、镍-锡、铬、铝、铝-锡、铝-锌、镍-铬等组成。例如锌中间层或锡中间层对于铁材料连接、铜材料连接或铁-铝材料连接具有粘结促进作用。
如图所示，两个喷锥3，4在基材1的表面上方具有由各个喷射喷嘴(未示出)的设置确定的相同的高度Z。当然可以如下方式改变层5，6的构成，对于一个喷锥选择不同于另一个喷锥的另一个高度Z。相应地还可改变所施加的层5，6的厚度，其中不同地设定通过喷锥3，4的喷嘴的材料通量，任选与喷锥3，4的不同的高度Z相关。此外，功能层13或部分层13′，13″的结构可受喷射气体压力改变的影响。
根据本发明的方法能够以如下简单的方式制造功能构件，在施加功能层13时通过喷压成型直接产生材料连接。所以，目前用于连接基材11，11′和功能层13所需的所有方法步骤均可被取消。
本发明的一个优选的应用是制造具有所述层结构的滑动轴承零件或滚动轴承零件。
实施例
1、在钢质基材11，11′上喷涂由青铜(CuSn，CuMeX)组成的喷射层，从而产生材料连接。然后该喷射层形成功能层13。
2、在钢质基材11，11′上喷涂由SnAl30组成的喷射层作为功能层13。但是基材11，11′事先具有厚度小于10μm的中间层，其是粘结促进层或扩散阻挡层。作为中间层材料例如考虑Cu、Sn/Zn、Sn等。
3、在钢质基材11，11′上喷涂由不同合金组成的两层13′，13″。在此产生与钢质基材的直接连接。可以如下方式施加这两层(13，13″)，不形成主要的混合区域。然后存在层材料。
这两层13′，13″还可由主要的混合区域分离，以形成梯度材料。层13′，13″所实现的层厚度可以自由选择。
4、在钢质基材11，11′上喷涂第一功能层13′(如CuSnx)而产生材料连接。然后在该第一层13′上施加层厚度小于10μm的中间层。中间层材料例如可以是Ag、Sn、Ni等。然后以喷射层的形式施加例如由AlSn组成的第二层13″。
这两层13′，13″的材料在不存在中间层的情况下形成具有非期望性能尤其是高脆性的金属间化合物。因此中间层阻止在层13′，13″之间的扩散和在层13′，13″之间形成非期望的金属间相。同样可以喷涂中间层，但优选以传统方式施加。
5、在载体上施加第一喷射层13作为功能层，而不产生与载体的材料连接。在此，喷射层例如可以半圆柱体的形状形成。若制备功能层13，则从现在开始同样可以通过喷射制备由钢制成的基材11，11′，并在圆柱形功能层13的外罩内侧进行施加。在此，任选还可具有中间层，然后在喷涂基材11，11′之前施加在功能层13的外罩内侧上。

Claims (8)

1.用于将至少一个层（11，13；11′，13）连接在基材上的方法，其中使至少两种不同的材料（3）熔融，随后通过喷压成型在以运动方向移动的基材（11，11′）上以至少两个在运动方向上彼此前后设置的喷锥（10，10′）进行喷涂，其特征在于，喷涂不同的材料（3），从而使它们至少部分地相互混合，利用在传统方法中由熔体无法互相合金化的不同的材料（3）在基材上以细小的喷射小液滴进行混合，因而产生具有由至少两种材料组成的合金的功能层（13）。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，喷涂至少两种不同的材料，从而使它们仅部分地混合，并形成梯度层作为功能层（13）。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，将不同的材料喷涂在基材（11，11′）上，从而在此产生与基材（11，11′）的牢固的材料连接。
4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，基材（11，11′）由铁金属形成，而功能层（13）由非铁金属形成。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，至少一个喷锥（10，10′）与不熔融的固体颗粒混合。
6.根据权利要求1至5之一的方法制得的功能构件，其具有功能层（13），该功能层具有由两种在熔体中无法互相合金化的材料组成的合金。
7.根据权利要求1至5之一的方法制得的功能构件，其具有梯度层形式的功能层（13），该功能层具有在功能层（13）的厚度上部分地混合的至少两种材料，其形成从主要是第一种材料至主要是第二种材料的逐渐的过渡。
8.根据权利要求6或7的功能构件，其特征在于，至少一个通过喷压成型制得的功能层（13）具有嵌入材料中的杂质颗粒。
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