CN105378124A - 锡基滑动轴承合金 - Google Patents

Abstract

锡基滑动轴承合金包含具有2至14重量％含量的锌作为主合金元素并且具有Sn-Zn-共晶体作为主要的结构成分。通过附加合金元素的添加，可以扩大作为主合金元素的锌的含量至2至30重量％。作为其他的主合金元素，此外可以使用锑和/或铜。

Description

锡基滑动轴承合金

技术领域

本发明涉及具有至少一种主合金元素和25至98重量％的锡含量、适合于以浇注方法制备滑动轴承涂层的锡基滑动轴承合金。此外，本发明还涉及滑动轴承合金的用途。

背景技术

锡基滑动轴承合金十年来例如作为白色金属为人所知并且具有锑和铜作为主合金元素，其中给合金补充以其他元素。

在这种情况下，经常将滑动轴承合金浇在承载结构上，例如由钢制成的，例如以轴瓦的形式的。滑动轴承合金应当具有对于灰尘颗粒的良好嵌入性和对相互滑动的元件，例如转动轴的良好适应性。锡基滑动金属合金具有这些特性，但是关于其负荷能力受到限制。由于对滑动轴承合金的持续负荷能力的要求提高，因此越来越多地使用可较高地负荷的滑动轴承合金，例如铝-锡基的。然而，这些滑动轴承合金关于嵌入性和适应性不具有锡基滑动轴承合金提供的有利特性。因此，已进行了很多实验，以关于负荷能力，因此特别是关于其硬度和疲劳强度改善锡基滑动轴承合金。

通过DE2818099C2已知一种锡基白色金属，其包含合金元素锑、铜和镉以及作为晶粒细化元素的铬和钴，此外配有0.02至0.08重量％的硼和0.1至0.2重量％的锌。通过硼和锌的组合效应，与钴和铬一起，取得了强度性能的根本改善。由于锌而出现的在钢质垫片上的联结的变差由于硼的添加重又被抵消。

GB2,146,354A公开了一种具有主合金元素锑和铜的锡基滑动轴承合金，其中强度的提高应当通过晶粒细化由于添加具有0.005至0.5重量％含量的钛而取得。

SU1560596A1公开了一种锡基滑动轴承合金，其具有7至8重量％铜、10至12重量％锑和15至20重量％锌作为主合金元素，和锡作为其余。该合金具有提高的耐久性和耐磨性，然而仅通过电弧喷涂可施加在钢基体上。如果通过浇注施加该合金，那么它作为滑动轴承合金由于经常过低的刚性是不可用的。

对所使用的滑动轴承合金的另一个要求在于，保持其没有对环境有害的合金成分，以保证生态学上相容的滑动轴承合金(白色金属合金)。然而至今没有成功地制成这样的滑动轴承合金，其满足较高的强度要求。在对负荷能力和对耐磨性的较高要求的情况下，因此经常此外选择铝基轴承金属，虽然在使用该轴承金属的情况下不得不放弃锡基轴承金属合金的出色的自润滑特性。

通过WO2009/108975A1已知具有4至30重量％锑和1至10重量％铜的白色金属。在这种情况下，合金应当此外具有由具有0.2至2.6重量％之间的总浓度的元素组钴、锰、钪和锗组成的元素以及至少一种由具有0.05至1.7重量％之间的总浓度的元素组镁、镍、锆和钛组成的元素，其中锑和铜的总含量，在至少相应于三倍铜含量的锑含量的情况下，为最高35重量％。滑动轴承合金可以包含0.6至1.8重量％，优选地0.7至0.9重量％锌的添加物。锌通过额外晶核的形成有助于铜-锡相和锡-锑相的细化。因此，将该相的生长阻止在有害的大小。由此得出0.6重量％锌的下限，即较少的添加不再产生正的效应，同时由此得出上限，即在1重量％以上，锌不再溶解于锡混合晶体中并且在锡和锌之间形成具有大约200℃的Tm的低熔化共晶相，其降低高温强度以及耐腐蚀性。

发明内容

本发明基于如下目的，提供锡基滑动轴承合金，其具有改善的强度，并且直至一定的操作温度，提高了锡基滑动轴承合金的强度，从而可以省略掉铝基滑动轴承合金的使用。

根据本发明的第一个方面，该目的是借助前述类型的滑动轴承合金通过下列主合金元素实现的：

0至25重量％的锑

0至20重量％的铜，和

2至14重量％的锌。

根据本发明的第二个方面，该目的是通过下列主合金元素实现的，

0至25重量％的锑

0至20重量％的铜，和

2至30重量％的锌

和至少一种选自一个或多个下列组的附加合金元素

组I：

钴、锰、钪、锗和铝，具有0.001至2.6重量％的总含量，

组II：

镁、镍、锆、钛，具有0.005至1.7重量％的总含量，

组III：

铋、铟、镉和铅，具有各自最大5重量％的含量和最大8重量％的总含量，

组IV：

锂、银、铈、钇、钐、金、碲和钙，具有各自高达2.5重量％的含量和高达4重量％的总含量，

组V：

砷、铌、钒、铬、钨、镧和铒，具有各自最高1.0重量％的含量和最高2.25重量％的总含量，

组VI：

磷和硼，具有各自最大0.1重量％的含量和最大0.2重量％的总含量。

根据本发明的第一个方面，所述滑动轴承合金具有2至14重量％的锌作为主合金元素。其次，可以使用铜和/或锑作为主合金元素。

作为主合金元素的锌的这样的含量，根据迄今为止专业人员的知识，是要被避免的，因为众所周知，在8.8重量％的锌含量的情况下，锡和锌形成低熔化共晶组织。具有大约200℃的低熔点的共晶组织被认为关于高温强度和耐腐蚀性而言是有害的。与此不同，本发明基于这样的认识，可以由此制备高达198℃的操作温度具有高的硬度和疲劳强度和具有合适的弹性或可塑性的滑动轴承合金，主结构成分是锡-锌共晶体。在专业人员迄今已采取了一切以阻止共晶组织的形成时，本发明却计划使用共晶组织作为主要的结构成分。锡和锌的共晶组织允许，根据不同的硬化机理，足够硬的和耐抗的组织的形成。在8.8重量％锌的浓度的情况下，形成共晶体e(βSn+αZn)。共晶体因此由两个相βSn-混合晶体和αZn-混合晶体组成。在混合晶体中溶解的合金原子引起所谓的混合晶体硬化。而且在基体中，βSn精细分散地嵌入的粒子αZn对于滑移的位错是障碍并且引起粒子硬化()。此外，它引起间接的固化(Verfestigung)，因为它在可塑变形的情况下引起增强的位错形成。

具有在锡中8.8重量％锌的共晶组成的合金具有Sn-Zn-体系中所有可能的合金的最低熔点。液相温度与固相温度一起落在共晶点内。纯的共晶合金因此具有熔点但不具有熔化间隔或凝固间隔。由此造成开裂、多孔性倾向和熔析倾向的减少，从而引起合金的技术和机械特性的显著改善。

已知共晶合金具有强烈过冷的特殊倾向。在过冷状态，形成二十面体的短程有序并且它形成具有高的堆积密度(Packungsdichte)的簇晶。二十面体的短程有序一方面和固体另一方面具有明显不同的堆积。在强烈过冷的情况下堆积密度的增高阻碍对于结晶和对于其他相转变的原子扩散。在大的过冷的情况下，熔化具有大的自由能过剩，对于处于多种多样亚稳相中的远在平衡之外的各种凝固路径的体系可以利用其。因此，可以产生亚稳态固体，其可以由过饱和的混合相、晶粒细化的合金、不规则的超晶格结构和/或亚稳态的结晶相组成。在大于8.8重量％的Sn-Zn体系合金中的锌含量的情况下，形成具有初级αZn相的组织。初级αZn相提高了合金的硬度和强度和耐磨性，然而具有降低可塑性的倾向。由此得出，根据本发明，在基本上纯的Sn-Zn-体系中，Zn的含量不应该过高和因此被限制在14％，以便保持对于可浇注滑动轴承合金所必需的弹性或可塑性。

根据本发明的包含锌的合金的加强不仅以混合晶体硬化而且以通过精细分散地嵌入的粒子(αZn)的额外基体硬化(βSn)，以初级αZn相和以亚稳态固体来实现。它形成具有在共晶体e(βSn+αZn)中的粒子(αZn)和具有初级粒子(αZn)的晶粒细化基体。

锌不形成具有锡的金属间相。锌以致密夹杂物(粒子)的形式存在于基体中。锌因此不改变锡与其他元素的相互作用。因此，毫无问题地，可能的是，以2至25重量％锑和3至20重量％铜的通常含量添加流行的其他主合金元素铜和锑。

根据本发明的合金与传统的滑动轴承合金(例如EvonikGoldschmidtGmbH的TEGOSTAR，它例如由EckaGranulesGermanyGmbH销售)的微米结构的比较显示，根据本发明的滑动轴承合金显示具有类圆形状和晶粒细化基体的相，即改变在TEGOSTAR合金情况下出现的片状结晶和多角相为类圆形状。

在本发明的第二个方面中，可以制备也具有高达30重量％的高的锌含量、具有相同的有利特性和具有共晶组织作为主结构成分的可浇注滑动轴承合金，特别是如果提供用于晶粒细化和用于稳定的簇晶形成的手段。

上面提到的组I和组II的附加合金元素导致特别致密和稳定的簇晶的形成。在这种情况，形成具有配位数10的锌、钴、镍、锰和锗簇晶，同时形成具有配位数12的钪、镁、钛、锆和铝簇晶。该附加合金元素在结晶的情况下引起强烈的过冷并导致从片状晶体和多角形状向类圆形状的增强改变。进一步，还形成晶粒细化的锡基体。这些组的附加合金元素因此导致锡基滑动轴承合金的强度、韧性和疲劳强度的显著提升。

第三组的元素，即铋、铟、镉和铅在锡基体中具有大的溶解性并且形成混合晶体。由此引起混合晶体硬化。在低的冷却速率的情况下，形成共晶体。合金元素的单个含量不应该超过5重量％。总含量必须限制在8重量％。

组IV的附加合金元素，即锂、银、铈、钇、钐、金、碲和钙与锡形成共晶体e(βSn+Sn_xM1_y)，其中M1是来自该组的元素之一。共晶体因此由两个相组成，即βSn混合晶体和金属间相Sn_xM1_y。在混合晶体中溶解的合金原子引起上述的混合晶体硬化。在基体(βSn)中精细分散地嵌入的粒子Sn_xM1_y对于滑移的位错是障碍并且引起粒子硬化。由于共晶体的内容物的增加可以为可塑性的下降做出贡献，因此这些合金元素的单个含量不应当超过2.5重量％。总含量必须限制在4重量％以下。

组V的元素，即砷、铌、钒、铬、钨、铁、镧和铒与锡发生包晶反应或导致由Sn_xM2_y相或M2相组成的额外晶核的形成，其中M2是上述金属。额外的晶核导致基体(βSn)的细化，但也导致铜-锡相和锡-锑相和初级锌相的细化。由于也是在此，Sn_xM2_y相或M2相的增加可以导致可塑性的下降，因此这些合金元素的单个含量不应当超过1.0重量％。总含量必须限制在2.25重量％以下。

由组VI的元素P或B，主要形成额外的晶核和额外的亚稳态相。额外的晶核可以是Sn4P3相或B相。由于上述相的增加可以为可塑性的下降做出贡献，因此这些合金元素的单个含量被限制在0.1重量％以上。总含量应当不超过0.2重量％。

具有由根据本发明的滑动轴承合金形成的滑动轴承涂层的滑动轴承也是本发明的目标。

附图说明

下面，将按照所附的图片更详细地说明上述的说明。

图1显示了合金SnSb10Cu4Zn7的根据本发明的组织的示意图。它形成具有嵌入的组织粒子SbSn、βSn、Cu₆Sn₅和αZn的共晶组织e(βSn+αZn)。

图2显示了对于具有有着相βSn、Cu₆Sn₅、SbSn、αZn的组织αZn+SbSn+Cu₆Sn₅+e(βSn+αZn)的合金SnSb12Cu5Zn14的相似示意图。

图3显示了以作为硬模浇注的和用H₂O+3％HNO₃浸蚀的组织TEGOSTAR的不同放大倍数的显微照片。

图4比较地显示用H₂O+3％HNO₃浸蚀的作为硬模浇注的组织SnSb10Zn7Cu4CoNi。

比较清楚地显示，根据本发明的组织更晶粒细化的并且片状晶体和多角形状的相被改变为圆角形状。

图5示意地说明了根据本发明的第二个方面的滑动轴承合金的组织结构。它是合金SnSb10Cu4Zn7M1。它说明，形成了共晶组织e(βSn+βSn_xM1_y)并且产生了相βSn、Cu₆Sn₅、SbSn、βSn_xM1_y或M1。

图6显示了在上面描述的类型的合金SnSb10Cu4Zn7M2情况下的相应的由簇晶形成的组织结构。描绘了组织M2_xSn_y+βSn+SbSn+Cu₆Sn₅+e(βSn+αZn)的示意图。作为相，说明了αZn、βSn、Cu₆Sn₅、SbSn、M2_xSn_y或M2。

具体实施方式

下面描述根据本发明的滑动轴承合金的若干实施例。

实施例1：

以通常的方式，由7.2重量％Zn、10.1重量％Sb、4.0重量％Cu、0.6重量％Ni、0.6重量％Co、0.05重量％Zr和0.1重量％Cr、0.05重量％Fe，其余为锡，制备滑动轴承合金。滑动轴承合金显示关于疲劳强度的良好技术特性，35HB2.5/31.5/30的和铸件硬度以及309的相对韧性。

实施例2：

以通常的方式，制备由3.4重量％Zn、9.1重量％Sb、4.5重量％Cu、1重量％Ni、1.0重量％Co、0.05重量％In、0.1重量％V、0.1重量％Cr、0.04重量％Pb，其余为锡组成的滑动轴承合金。滑动轴承合金显示良好的技术特性和32.0HB2.5/31.5/30的铸件硬度和502的相对韧性。

实施例3：

以通常的方式，制备由20.8重量％Zn、15.1重量％Sb、5.2重量％Cu、0.5重量％Ni、1.0重量％Mn和0.15重量％Fe，其余为锡组成的滑动轴承合金。滑动轴承合金显示良好的技术特性和42.0HB25/31.5/30的铸件硬度以及10的相对韧性。

实施例4：

以通常的方式，制备由22.3重量％Zn、5.1重量％Cu、0.5重量％Ni、1.2重量％Mn，其余为锡组成的滑动轴承合金。滑动轴承合金显示良好的技术特性和30.0HB2.5/31.5/30的铸件硬度以及8的相对韧性。该滑动轴承合金由于缺乏锑而完全没有对环境有害的合金元素。尽管如此，根据本发明，取得了对滑动轴承有用的技术特性。

实施例5：

以通常的方式，制备由28.2重量％Zn、9.03重量％Sb、4.0重量％Cu、0.25重量％Cr、0.3重量％Ni、0.3重量％Co、0.03重量％Al，其余为锡组成的滑动轴承合金。滑动轴承合金显示良好的技术特性和45.0HB2.5/31.5/30的铸件硬度以及5的相对韧性。

相对于其余实施例而言变差的技术特性说明了，超过30重量％Zn的界限的增加不再是有意义的。

实施例6(比较实施例)：

在径向轴承疲劳试验中检验根据实施例1的根据本发明的滑动轴承合金。试验以P横向＝39MPa的应力幅值和在大约95℃下进行。在此，根据本发明的滑动轴承经历122.8百万次负荷变化无损伤，即没有组织裂缝地保留下来。

与滑动轴承合金TEGOSTAR相比，在相同的疲劳试验中出现了以组织裂缝的形式的损伤。

实施例7(比较实施例)：

用相同的测量方法检查具有18重量％Zn、11重量％Sb和7.5重量％Cu的根据SU1560596A1的滑动轴承合金。铸件硬度为42HB2.5/31.5/30和相对韧性为4。所获得的组织的显微照片描绘于图7中。

实施例8：

为了与实施例7进行比较，制备并检查通过添加0.5重量％Ni、0.3重量％Mn和0.05重量％Al具有18重量％Zn、11重量％Sb、7.5重量％Cu，其余为锡的根据本发明的合金。

得出46HB2.5/31.5/30的铸件硬度和12的相对韧性。

在图8中描绘的根据该实施例的组织的显微照片显示，与图7中相比，沉淀物的明显细化和变圆，由此表明改善的技术特性。

相对韧性的报告由缺口冲击弯曲试验得出。在这种情况下，给距下正面20mm距离的具有32mm直径的圆柱形试样配备2mm的缺口，其在径向方向在柱体内延伸12mm深。将试样紧接着缺口下面装入，然后从缺口所从引入的一侧装入，以与试样的长轴相垂直的一定的击打进行冲击。在此围绕90°移动挂在铰链上的秤锤。如此进行放弃，从而秤锤从侧面击中试样的上端部。确定直至试样破裂的冲击数目并且以对于相对韧性的数值进行报告。

因此它是仅适合于相对值的求得的测量方法。

Claims (11)

1.适合于以浇注法制备滑动轴承涂层的锡基滑动轴承合金，其具有至少一种主合金元素和25至98重量％的锡含量，其特征在于主合金元素

0至25重量％的锑

0至20重量％的铜，和

2至14重量％的锌。

2.适合于以浇注法制备滑动轴承涂层的锡基滑动轴承合金，其具有至少一种主合金元素和25至98重量％的锡含量，其特征在于主合金元素

0至25重量％的锑

0至20重量％的铜，和

2至30重量％的锌

和至少一种选自一个或多个下列组的附加合金元素

组I：

钴、锰、钪、锗和铝，具有0.001至2.6重量％的总含量，

组II：

镁、镍、锆、钛，具有0.005至1.7重量％的总含量，

组III：

铋、铟、镉和铅，具有各自最大5重量％的含量和最大8重量％的总含量

组IV：

锂、银、铈、钇、钐、金、碲和钙，具有各自最大2.5重量％的含量和最大4重量％的总含量，

组V：

砷、铌、钒、铬、钨、铁、镧和铒，具有各自最大1.0重量％的含量和最大2.25重量％的总含量，

组VI：

磷和硼，具有各自最大0.1重量％的含量和最大0.2重量％的总含量。

3.根据权利要求1或2的滑动轴承合金，其特征在于，所述合金具有Sn-Zn-共晶体作为主要的结构成分。

4.根据权利要求1至3之一的滑动轴承合金，其特征在于，所述组织具有最大50μm的最大粒度。

5.根据权利要求4的滑动轴承合金，其特征在于，所述组织具有30μm的最大粒度。

6.根据权利要求5的滑动轴承合金，其特征在于，所述组织具有10μm的最大粒度。

7.根据权利要求1至6之一的滑动轴承合金，其中锑的含量在6与25重量％之间。

8.根据权利要求1至6之一或权利要求7的滑动轴承合金，其中铜的含量在3与20重量％之间。

9.根据权利要求1至6之一或权利要求8的滑动轴承合金，其中不包含锑作为主合金元素。

10.根据权利要求1至6之一的滑动轴承合金，其特征在于锌作为唯一的主合金元素。

11.滑动轴承，其具有承载结构和于其上施加的由根据权利要求1至10之一的滑动轴承合金制成的滑动轴承涂层。