CN102227569B - 轴承材料 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种轴承材料和用于制造具有所述轴承材料衬里的轴承的方法，所述轴承材料包含：4重量％至12重量％的锡、0.1重量％至2重量％的镍、1重量％至6重量％的铋、0.01重量％至小于0.10重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜。
Description
技术领域
本发明涉及适用于(例如)滑动轴承(例如内燃机用衬套)的铜基轴承材料。
在机械装置(尤其是内燃机)衬套的一些应用中，衬套所处的环境可能在高温、高负荷、磨损率和腐蚀方面非常苛刻。一种这样的应用可以是(例如)重型柴油机的汽缸盖中的摇臂衬套(rockerbush)。根据任意特定应用的精确工作条件，衬套可能容易发生特定形式的劣化。在支承发动机气缸盖的气门摇臂的摇臂衬套中，主要的一种劣化形式为相对非常高的磨损率。柴油机中的高磨损率问题由来自燃烧的燃料并设法进入润滑油中的颗粒浓度而进一步加剧。为了克服摇臂衬套中的高磨损率问题，一些发动机制造商已经在滑动表面上使用具有非常硬的涂层的衬套，这虽然降低了衬套本身的磨损率，但是却可能对摇臂轴自身的协同操作表面产生不期望的磨损作用。此外，这种经涂布的衬套价格非常昂贵，典型的6气缸12气门发动机需要12个衬套。
专利文献GB 2 384 007 A描述了一种多层滑动轴承，其具有通过将粉末烧结在牢固的背衬层带(例如钢)上而制成的铜基轴承材料层。该材料的组成可以包含：1重量％至11重量％的锡；不超过0.2重量％的磷；总量不超过10重量％的镍和银；总量不超过25重量％的铅和铋；总量不超过15体积％的硬颗粒和高熔点颗粒；和/或最多10体积％的固体润滑剂。虽然硬颗粒和固体润滑剂可以是可选添加物、而非强制性的，但若使用的话，高达15体积％的硬颗粒含量会导致所制成的轴承材料具有非常不期望的性质。首先，这种高含量的硬颗粒可能导致：(例如)在发动机结构中通常使用的金属配合端面类型中产生高的磨损率；产生缺乏延展性的易碎材料；另外还在用于由具有上述组成的条带加工并形成轴承的工厂生产工具中产生高的磨损率。
专利文献US 4 941 919描述了一种铜基滑动材料及其制造方法。在该文献中，在铜基合金基质中采用了0.1重量％至7重量％的氧化铝以及1重量％至10重量％的石墨。然而，氧化铝与铜是通过机械混合手段(例如球磨)混合的，因此为了防止氧化铝颗粒在边界润滑条件下与铜基质分离，在烧结步骤之前将氧化铝颗粒和铜颗粒初始粘结在一起。此外，将混合的铜和氧化铝粉末与石墨粉末混合，之后将混合的铜-氧化铝-石墨粉末喷涂到诸如钢之类的基板上。这种材料的缺点包括以下方面：铜与氧化铝的混合步骤可能花费多达24小时或更长的时间，因此成本较高；石墨弱化了其结构；在其结构中存在过多氧化铝，这使得材料变脆(尤其是在石墨存在下)，并且导致对用于将该材料加工成轴承的工具产生非常高的磨损率。
本发明的目的是提供具有优异耐磨性并且没有现有技术材料的至少一些缺点的经济性材料，以用于需要高的耐磨性和抗咬合性的应用中。
根据本发明的第一方面，提供了一种轴承材料，包含：4重量％至12重量％的锡、0.1重量％至2重量％的镍、1重量％至6重量％的铋、0.01重量％至小于0.10重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜。
优选的组成范围包含：7重量％至9重量％的锡、0.5重量％至1.5重量％的镍、2重量％至5重量％的铋、0.03重量％至0.07重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜。
本发明的轴承材料优选不含铅。
在本说明书中，术语“不含铅”是指除了可无意地存在于基础熔融原料(铜基合金材料可由此得到)中的任意杂质之外，不存在有意添加的铅。
典型的组成可包含：8重量％的锡、1重量％的镍、3.3重量％的铋、0.05重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜。
根据本发明的第二方面，提供一种制造轴承的方法，该方法包括下列步骤：制备具有如下组成范围的粉末：4重量％至12重量％的锡、0.1重量％至2重量％的镍、除附带的杂质之外的余量的铜；制备包含所述铜-锡-镍粉末以及铋粉末和氧化铝粉末的粉末混合物，以得到如下的总体组成范围：4重量％至12重量％的锡、0.1重量％至2重量％的镍、1重量％至6重量％的铋、0.01重量％至小于0.1重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜；将所述粉末混合物铺洒(spreading)在牢固背衬材料上；将所述轴承材料粉末混合物烧结至所述牢固背衬材料上；将所述已烧结的轴承材料压实；将所述已压实的背衬材料再烧结；以及由所述再烧结的材料形成轴承。
本发明的轴承材料可通过已知的烧结工艺来制备。可通过常规的熔融和合金化工艺制备含有铜、锡和镍成分的基础铜基合金，并且可将如此制成的熔融合金喷雾以制备具有所需合金组成的粉末。可将该粉末过筛并将其分成具有特定粉末粒度范围的预定部分。之后可通过将喷雾粉末与铋粉末和氧化铝粉末混合来制备具有实际轴承合金组成的粉末。然后可以将该混合粉末铺洒在牢固背衬材料带上，并在第一烧结步骤中在保护/还原气氛下使之通过烧结炉，以将粉末颗粒彼此粘结，并粘结至牢固背衬带上。处于该阶段的材料包含高度的孔隙，因此有必要通过使该第一烧结材料通过(例如)辊轧机(rollingmill)来压缩铜基轴承合金层，以除去大部分孔隙。在压缩步骤之后，可再次使材料通过烧结炉以进行第二烧结步骤，从而进一步压实铜基轴承合金层本身，并且还提高轴承合金层与背衬带的粘结。
配制轴承合金层成分的组成范围的原因如下。
锡
将锡与铜基质合金化从而形成具有高强度、耐磨性和耐腐蚀性的锡-青铜材料。锡含量在4重量％的下限以下时，强度不足以制备出所需强度和耐久性，而在12重量％以上时，轴承合金层的基质对于其预期轴承应用而言变得太硬，另外在锡含量太高时材料还存在变脆的趋势。
镍
镍除了对提高基质强度具有有益效果以外，还具有提高轴承合金的耐腐蚀性的效果。现代的柴油机润滑油含有硫，其可在发动机工作期间所达到的相对高的温度下在油中形成高度腐蚀性的成分，其中所述油被泵送至发动机周围，并进入(例如)轴承滑动表面与轴配合端面之间的轴承空间内。本发明合金中的镍范围旨在改善下端的耐腐蚀性，同时其在上端的量不会太高以免导致(例如)硬度太高和/或易碎的问题。
铋
所含的铋为软相，其基本上作为元素铋包含在铜基合金基质中，并位于第一烧结步骤的粉末颗粒之间的间隙中。加入铋的目的是使材料具有极大改善的抗咬合性，并且还改善青铜基质的适形性。
优选的是，加入到初始粉末混合物中的铋颗粒的尺寸最大为60μm。
氧化铝
已发现氧化铝极大地改善本发明的轴承材料的耐磨性。已测试了含量高达3重量％的氧化铝，并且发现与基础金属合金组合物相比，该含量的氧化铝极大地改善了轴承材料的耐磨性。然而，这种含量的氧化铝在某些情况下可能磨损配合端面(轴承材料滑动表面相对于该配合端面运动)，并且还在用于将带材加工成轴承的工具中产生高磨损率，这将导致成本变大，并降低了轴承成形的精确度。
虽然已经使用了3重量％的氧化铝含量，但是出乎意料地发现，氧化铝含量为0.05重量％和更小时会产生与氧化铝含量为3重量％的情况相当的磨损率降低作用。此外，相对非常低含量的氧化铝(即，0.05重量％至小于0.1重量％)不需要现有技术材料那样的昂贵且费力的混合步骤，因为相对低的氧化铝含量不会使得颗粒易于与铜基基质分离。
已经发现通过在旋转混合机中进行常规混合就可以制备粉末混合物，而无需机械合金化方法(例如球磨等)。如此形成的粉末混合物非常易于通过常规的粉末铺洒模具而铺洒在基板带上，之后将松散粉末烧结，并且进一步进行上述的处理。
传统情况下，技术人员已经将氧化铝的使用视为轴承材料本身的磨损率得到实质改善的原因。然而，虽然不希望受任何特定理论的束缚，但是据信磨损率降低的机理在一定程度上更复杂。据信低含量的氧化铝对轴颈配合端面施加轻柔的抛光作用，从而使得配合端面本身更光滑，由此减少对轴承表面的磨损。
因此，基于上述所述的原因，氧化铝含量的范围可为0.01重量％至小于0.1重量％，优选为0.03重量％至0.07重量％。
氧化铝粉末的形式可优选为具有高密度、低孔隙率、低透气性和高耐熔性的颗粒的熔融氧化铝。粒度范围可为8μm-19μm(50％值)(3μm-32μm，90％值)，但更优选的粒度范围可为11μm-14μm(50％值)(5μm-25μm，90％值)，符号50％和90％分别是指50％和90％的颗粒位于所指的范围内。根据本发明的第三方面，提供了这样一种轴承，其具有由根据本发明的第一方面的轴承材料制成的轴承功能衬里，该功能衬里粘结于牢固背衬材料上。
牢固背衬材料可以是本领域已知的任何材料，并且可(例如)包括钢或青铜。
虽然本发明轴承材料的主要预期应用为(例如)摇臂用卷制衬套或连杆小端衬套(small end bush)，但是可以构想到其可被用于(例如)曲轴轴承(其在滑动表面上具有软金属涂层)的半轴承应用。这种基于锡和锡合金的软金属涂层在轴承领域是公知的，并且通常被称为覆盖涂层(overlay coating)。这种涂层满足了适形性和污垢嵌入轴承的所需功能。
为了更全面地理解本发明，下面将根据附图仅以示例的方式对实施例进行描述，其中：
图1示出在图1的测试装置上得到的各种材料的润滑磨损测试结果的柱状图；并且
图2示出在已知的Sapphire型抗疲劳和抗咬合性测试装置上进行的抗咬合性测试结果的柱状图。
制备包含钢支承的轴承的测试材料，其具有由本发明的铜基合金形成的衬里。还根据通常采用并且其本身公知的制备工艺制备比较用测试材料，其具有目前在内燃机的摇臂衬套应用中使用的衬里。比较用测试材料包含：铜-10锡-10铅；以及铜-8锡-1镍。
本发明的测试材料通过下列工艺制备。在旋转混合机中将雾化的铜-锡-镍粉末与3重量％的铋粉末和0.05重量％的熔融氧化铝粉末混合，其中所述铜-锡-镍粉末具有大体上为球形的颗粒以及除附带的杂质之外含有Cu-8Sn-1Ni(以重量％计)的标称组成。
将所得的混合粉末铺洒在具有合适厚度的钢带表面上，并在氮气中含有22％氢气的气氛下通过感应烧结将其在第一烧结步骤中初始烧结。将已烧结的双金属材料的尺寸碾压到以下的程度：其使得钢具有等价于4％至12％这样程度的延伸(取决于钢类型和厚度)。这样做是为了压实铜基轴承合金材料，并除去从第一烧结操作中残留的孔隙。之后将材料在常规气体加热烧结炉中、在850℃的温度、氮气中含有33％氢气的气氛下进行第二烧结步骤。
所得的轴承材料层的结构显示出：铋相均匀地分布在整个合金中，具有非常少的明显孔隙。由于氧化铝的含量非常低，因此从材料的切片中不易明显看到该氧化铝相的存在。
进行磨损测试，其为适用于轴承衬套应用(例如内燃机中存在的摇臂衬套和小端衬套)的加速耐磨测试。通过将具有相对较小直径的旋转、负荷轴相对于具有大直径的测试轴承运转使其在润滑条件下产生线接触，从而在已知的“Viper”磨损测试机中进行磨损测试。用以mg/小时表示的重量损失测量磨损，测试持续时间根据磨损率为30分钟至480分钟，结果在图1中示出。
从图1的柱状图中可以看出，从具有本发明的轴承材料的轴承中磨损的轴承材料重量(图1中编码为RB119V)为2mg/小时至4mg/小时，其比在相同测试条件下的比较用材料CuSn10Pb10和CuSn8Ni1的磨损率(其分别显示为27mg/小时和37mg/小时至66mg/小时)小的多。虽然加入铋可有助于有限程度地改善耐磨性，但是据信加入0.05重量％的少量氧化铝是耐磨性改善的主要原因。
制备用于进行抗摩擦咬合测试的半轴承，其尺寸适用于已知的“Sapphire”测试机。比较测试也用上述的铜-8锡-1镍材料进行。
参见图2的柱状图，其示出了本发明的轴承材料的总体抗咬合性与比较材料相比得到极大改善。与比较用轴承材料相比，本发明的轴承材料添加了3重量％的铋和0.05重量％的氧化铝。据信抗咬合性的改善主要是由铋含量产生的，其中与常规材料的10MPa至62MPa的范围相比，所述铋含量产生了40MPa至115MPa的咬合负荷。
因此，与常规材料相比，氧化铝的含量有助于改善磨损率，并且与常规材料相比加入铋提高了抗咬合性。重要的是，所加入的氧化铝在极大改善耐磨性的同时，不会引起抗咬合性的劣化，这在现有技术中所用的相对高含量的氧化铝的情况下才会预期到。
在本申请的整个说明书和权利要求中，词语“包括”和“包含”以及该词语的变型(例如“含有”以及“具有”)是指“包括但不限于”，并非旨在(并且不会)排除其他部分、添加剂、组分、整数或步骤。
在本申请的整个说明书和权利要求中，除非上下文另外指明，否则单数形式涵盖复数形式。特别是，在使用不定冠词时，除非上下文另外指明，否则本申请应当被理解为涵盖复数以及单数。
与本发明的特定方面、实施方案或实施例一同描述的特征、整数、性质、化合物、化学部分或基团应当被理解为适用于本文所述的任何其他方面、实施方案或实施例，除非与之不相容。
Claims (6)
1.一种轴承材料，包含：4重量％至12重量％的锡、0.1重量％至2重量％的镍、1重量％至6重量％的铋、0.01重量％至小于0.10重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜，其中所述氧化铝的粒度在11μm-14μm的范围内。
2.根据权利要求1所述的轴承材料，其具有如下组成范围：7重量％至9重量％的锡、0.5重量％至1.5重量％的镍、2重量％至5重量％的铋、0.03重量％至0.07重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的轴承材料，其中所述组成包含：8重量％的锡、1重量％的镍、3.3重量％的铋、0.05重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的轴承材料，其中所述轴承材料除附带的杂质之外不含铅。
5.一种包括牢固背衬材料层的轴承，其在所述牢固背衬材料层上具有根据前述权利要求1至4中任意一项所述的轴承材料的层。
6.一种制备根据权利要求5所述的轴承的方法，所述方法包括下列步骤：
制备具有如下组成范围的粉末：基于包含铜-锡-镍粉末以及铋粉末和氧化铝粉末的粉末混合物的总重量而言，4重量％至12重量％的锡、0.1重量％至2重量％的镍、除了待加入的铋粉末和氧化铝粉末以及附带的杂质之外的余量的铜；
制备所述的包含所述铜-锡-镍粉末以及铋粉末和氧化铝粉末的粉末混合物，从而得到如下的总体组成范围：4重量％至12重量％的锡、0.1重量％至2重量％的镍、1重量％至6重量％的铋、0.01重量％至小于0.1重量％的氧化铝、除附带的杂质之外的余量的铜；
将所述粉末混合物铺洒在牢固背衬材料上；
将所述轴承材料粉末混合物烧结至所述牢固背衬材料上；
将所述已烧结的轴承材料压实；
将所述已压实的轴承材料再次烧结；并且
由所述再烧结的材料形成轴承。
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