專利名稱：凹曲滑動(dòng)件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種凹曲滑動(dòng)件，該滑動(dòng)件的特別地在真空中涂覆于基體上的多層體系包含至少一層金屬擴(kuò)散合金滑動(dòng)層(Gleitschicht)。這種滑動(dòng)件具有重大價(jià)值，例如可在內(nèi)燃機(jī)中作為高負(fù)荷軸承或軸瓦。本發(fā)明還涉及這種滑動(dòng)件，也被稱為徑向軸承的制造方法。
對徑向軸承來說，最大應(yīng)力，即磨損負(fù)荷，一般出現(xiàn)在軸瓦的弧頂區(qū)。相反，在局部表面附近，即遠(yuǎn)離弧頂區(qū)，磨損負(fù)荷和動(dòng)態(tài)負(fù)荷顯著減小。已經(jīng)嘗試通過預(yù)先的機(jī)械加工改變幾何形狀，例如改變弧形，來保證形成一層最佳潤滑膜及抗雜粒嵌入的性能。
如果在多層體系的形成過程中，弧頂區(qū)和局部表面區(qū)的厚度出現(xiàn)差異，滑動(dòng)面將偏離理想的弧形。預(yù)先對基體進(jìn)行機(jī)械加工，可以對此作些補(bǔ)償。但是，這種方法使得預(yù)先的機(jī)械加工相當(dāng)困難并且費(fèi)用相當(dāng)昂貴。
壁厚均勻的軸瓦也可用于V型發(fā)動(dòng)機(jī)及具有斜分活塞桿的發(fā)動(dòng)機(jī)。其主載荷區(qū)位于弧頂區(qū)之外。
就高負(fù)荷滑動(dòng)件來說，可采用真空鍍膜來形成滑動(dòng)層。這時(shí)采用霧化(濺射)Al-Sn-Cu的方法在基層上形成滑動(dòng)層(DE2853724C3；DE2940376A1；DE3729414A1)。
同樣也可在層面上噴射整體塑料顆粒(DE2914618C2)。
此外，用于霧化法制造滑動(dòng)軸承的一種專門與軸瓦涂層幾何形狀相符的霧化設(shè)備以及一種用于夾緊基體的設(shè)備已為人們所知。一般地，在真空中通過霧化法涂覆上述材料可得到高負(fù)荷滑動(dòng)層(AT-PS392291B；EP0452647A1)。但是，由于其工作機(jī)理，霧化法是一種價(jià)格昂貴的方法，這是因?yàn)楦哂谝欢ǖ臉O限值，沉積速率就不能再增加。因此霧化方法具有狹窄的應(yīng)用范圍。另一方面，霧化具有即使在彎曲的部件，例如滑動(dòng)軸承上也能得到均勻涂層的優(yōu)點(diǎn)。
從條形半成品制造滑動(dòng)軸承，其中采用真空氣相沉積來形成條形半成品上滑動(dòng)層的方法也為人們所知(DE3606529C2；DE2935417)。這種已知方法的目的是更為經(jīng)濟(jì)地制造滑動(dòng)軸承。但是，用這種方法涂覆的長條來進(jìn)而加工成滑動(dòng)軸承的努力沒有得到可用的結(jié)果，這是因?yàn)樽冃纬潭却髲亩鴮?dǎo)致多層復(fù)合體損壞或開裂。
本發(fā)明的目的是構(gòu)造高負(fù)荷滑動(dòng)件或滑動(dòng)軸承的多層體系的各層使滑動(dòng)件和滑動(dòng)軸承滿足所有工作條件下的負(fù)荷對它們提出的要求，同時(shí)減小制造成本。將得到一最佳滑動(dòng)層，該層對滑動(dòng)件的使用壽命具有決定作用。本發(fā)明的方法將減少環(huán)境污染，即至少將部分廢除電鍍方法，并且提高生產(chǎn)率。
本發(fā)明的目的是由以下說明的本發(fā)明的特征實(shí)現(xiàn)的。下面描述了制造滑動(dòng)件的方法和改進(jìn)的滑動(dòng)件結(jié)構(gòu)及制造方法。
本發(fā)明使得對于成形件，例如滑動(dòng)軸承軸瓦僅保留一道預(yù)加工工序及采用一種經(jīng)濟(jì)的，更為高效的覆層沉積方法成為可能，迄今為止這種沉積方法的使用既不能得到必要的覆層均勻性，也不能得到滿足要求的覆層性能。意想不到的是根據(jù)本發(fā)明制造的滑動(dòng)件的性能優(yōu)于以前的技術(shù)制造的滑動(dòng)件的性能，并且更為經(jīng)濟(jì)。特別地，這樣得到的覆層的疲勞極限比電鍍得到的覆層更高。試驗(yàn)表明如果覆層是采用電子束氣相沉積制得，在額定負(fù)荷下使用壽命得到明顯的改善。下面是其決定性的原因由于高沉積速率氣相沉積中的能量條件，擴(kuò)散進(jìn)來的各成份極其均勻地分布在擴(kuò)散合金基體中。這樣形成的層的結(jié)構(gòu)保證了高承載負(fù)荷能力且承載能力隨著層厚度的增加而增加。在軸瓦的一個(gè)大區(qū)域(±70°)內(nèi)覆層厚度的高均勻性以及電子束氣相沉積所得到的層結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證了滑動(dòng)件具有高的質(zhì)量。它對于潤滑膜的形成及抗雜粒嵌入的能力和磨損具有決定性的作用。
已經(jīng)證實(shí)為滑動(dòng)件，例如徑向軸承在基體和覆層之間提供一層擴(kuò)散阻擋層是特別有利的。該層的厚度在基于弧頂?shù)摹?0°角度范圍內(nèi)變化最大為±15％。
含有Al、Pb、Cd、Sn、Zn、Ni和Cu中至少一種金屬的金屬擴(kuò)散合金已被證實(shí)特別適合于基于本發(fā)明的滑動(dòng)件。擴(kuò)散合金最好含有15～36重量百分率的Sn和0.1～30重量百分率的Cu和Al。
本發(fā)明還提供一種制造包含多層體系，其中至少一層是在真空中形成的滑動(dòng)件的方法。經(jīng)過已有方法的預(yù)處理后，至少滑動(dòng)層通過蒸發(fā)器產(chǎn)生的電子束氣相沉積被沉積到基體上。本方法的特征在于覆層的沉積是在嚴(yán)格限制的涂層幾何條件及規(guī)定沉積速率下進(jìn)行的。已經(jīng)證明，借助于這些方法特征，可形成具有最佳層結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)層，并使基體上各成份非常均勻地分布。和迄今所知方法制得的滑動(dòng)層相比，本發(fā)明得到的滑動(dòng)層表現(xiàn)出高的承載能力及良好的摩損性能。除了沉積速率外，氣相沉積時(shí)入射角度也是決定所述滑動(dòng)層微觀結(jié)構(gòu)的形成并進(jìn)而決定其性能的因素。
本發(fā)明的方法還具有以下優(yōu)點(diǎn)滑動(dòng)層的擴(kuò)散合金可從一個(gè)蒸發(fā)器氣相沉積得到，擴(kuò)散合金的至少兩個(gè)組分也可從彼此靠近的各個(gè)蒸發(fā)坩堝中氣相沉積得到。
通過供給活性氣體和/或等離子體活化，氣相沉積涂敷滑動(dòng)層和/或擴(kuò)散阻擋層的過程能被活化。該方法基本上根據(jù)氣相沉積材料的選擇來選用。
以下借助于附圖所示實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，其中

圖1為軸瓦的立體圖。
圖2為軸瓦氣相沉積設(shè)備的示意圖。
圖1表示了一個(gè)軸瓦，它包含鋼的基體1，在基體1上涂覆的鉛青銅中間層2，Ni-Cr擴(kuò)散阻擋層3和Al-Sn-Cu滑動(dòng)層4。它們形成一個(gè)多層體系。多層體系主要是擴(kuò)散阻擋層3和滑動(dòng)層4的分布，即厚度關(guān)系如下在以弧頂區(qū)5為基準(zhǔn)的±80°角度范圍內(nèi)，層厚偏差低于弧頂區(qū)處的最大層厚的15％?；w1和中間層的厚度也是連續(xù)的。局部表面6形成軸瓦的側(cè)面。
圖2說明了制造軸瓦的方法。該方法按如下步驟進(jìn)行。
以一種已知的方法將鉛青銅中間層2和鎳擴(kuò)散阻擋層3電鍍在基體1上，或者如果擴(kuò)散阻擋層為Ni-Cr，那么就通過濺射將其鍍上。涂覆后的基體1隨后進(jìn)行表面除油和清洗。
將經(jīng)過預(yù)處理的基體1送入真空氣相沉積裝置中，在真空氣相沉積裝置抽成真空，真空度為0.01Pa后，進(jìn)行濺射和酸洗。在氣相沉積前首先用一塊可控制的屏蔽物(圖中未示出)將基體1保護(hù)起來。
至少一個(gè)基體1在和蒸發(fā)器中熔融金屬表面平行的平面7上沿著箭頭方向經(jīng)過蒸發(fā)器8。安排基體1使其軸線方向和移動(dòng)方向成適當(dāng)?shù)慕嵌??？刂苹w直線移動(dòng)的速度使其進(jìn)入和離開氣相云區(qū)的速度大于經(jīng)過氣化物形成的射束中心時(shí)的速度。速度分布V(α)連續(xù)并符合下述等式V(α)＝Vmax-V0COS(2α)α是蒸發(fā)器8中心的法線9和弧頂區(qū)5之間的夾角。角度α的最佳范圍為-45°到+45°。
Vmax是進(jìn)入和離開氣化物射束時(shí)的最大速度，其值約為1m/min。
V0為標(biāo)準(zhǔn)值，其變化范圍為0.5～0.7m/min。
蒸發(fā)坩堝8和基體1的弧頂區(qū)5的平面7之間的距離設(shè)定為200mm。蒸發(fā)坩堝中充滿用于形成滑動(dòng)層的合金材料AlSn20Cu0.25。蒸發(fā)坩堝被軸向電子槍的電子束加熱(圖中未示出)。采用的是一種已知的蒸發(fā)過程，它可保證氣化物成分和覆層材料成分廣泛對應(yīng)一致?；w1的弧頂區(qū)5的平面7上的沉積速率調(diào)整為300nm/s。
一個(gè)15mm粗的電加熱棒10被布置在蒸發(fā)坩堝8和弧頂區(qū)5的平面7之間，它距離蒸發(fā)坩堝8的表面150mm。被加熱的棒10作為氣化物的屏蔽物，其表面溫度高于氣化物的熔點(diǎn)。這樣，可避免氣化物在棒10上顯著凝固。
開啟屏蔽并移動(dòng)基體1使其進(jìn)入氣相沉積區(qū)(α＝-45度)，氣相沉積開始。進(jìn)入氣相沉積區(qū)后，基體1按照上述的速度分布經(jīng)過蒸發(fā)坩堝8上方。80秒后關(guān)閉屏蔽，氣相沉積中斷。通過上述涂覆參數(shù)的設(shè)定，對于曲率半徑為25mm的基體1在弧頂區(qū)5得到厚度為18±1μm的覆層，在局部表面6得到17±1μm的層厚。
層厚分布于是和前面提到的要求相一致。在所給出的條件下電子束氣相沉積形成的覆層4可達(dá)到最高的質(zhì)量要求。
為了提高本方法的生產(chǎn)率，以一種已知的方法采用直線狀的蒸發(fā)器，一批滑動(dòng)件沿軸線方向彼此相鄰地同時(shí)被布置在蒸發(fā)器上方。
權(quán)利要求
1.一種凹曲滑動(dòng)件，它的特別地在真空中涂覆于基體上的多層體系，至少包含一層金屬擴(kuò)散合金層，該層首先應(yīng)是滑動(dòng)層，其特征在于至少多層體系的這一層是采用電子束氣相沉積涂覆的，并且在以基體(1)的弧頂區(qū)(5)為基準(zhǔn)的至少±70°的角度范圍內(nèi)該層厚度偏差小于最大層厚的15％。
2.如權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)件，其特征在于，多層體系的另一層是擴(kuò)散阻擋層(3)。
3.如權(quán)利要求1和2所述的滑動(dòng)件，其特征在于，擴(kuò)散阻擋層(3)也是采用電子束氣相沉積涂覆的，并且在以基體(1)的弧頂區(qū)(5)為基準(zhǔn)的至少±70°的角度范圍內(nèi)該層厚度偏差小于最大層厚的15％。
4.如權(quán)利要求1至3所述的滑動(dòng)件，其特征在于，滑動(dòng)層(4)是至少含有鋁、鉛、鎘、錫、鋅、鎳和銅中的一種金屬的金屬擴(kuò)散合金。
5.如權(quán)利要求4所述的滑動(dòng)件，其特征在于，擴(kuò)散合金含有15～35重量百分率的Sn及0.1～3重量百分率的Cu和Al。
6.如權(quán)利要求4和5所述的滑動(dòng)件，其特征在于，擴(kuò)散合金的成分中主要是它們的金屬形式，零散的氧化物、氮化物或碳化物。
7.如權(quán)利要求1至3中的任一權(quán)利要求所述的滑動(dòng)件，其特征在于擴(kuò)散阻擋層(3)含有鎳、鎳/錫、鎳/銅、鎳/鉻、鈦或氮化鈦。
8.如權(quán)利要求1所述的包含有多層體系，至少一層是在真空中涂覆的凹曲滑動(dòng)件的制造方法，其特征在于，基體經(jīng)預(yù)處理后，至少一層，首先是滑動(dòng)層采用電子束氣相沉積方法沉積，沉積時(shí)蒸發(fā)器和滑動(dòng)件弧頂區(qū)的平面之間的距離調(diào)整為150～350mm，氣相沉積過程中，蒸發(fā)器和基體以不均勻的速度彼此相對作直線移動(dòng)，基體移動(dòng)方向和其軸向方向成適當(dāng)角度，部分蒸氣流被相對于蒸發(fā)器固定并且最好布置于蒸氣流中央的屏蔽物所屏蔽，在基體弧頂區(qū)沉積的凝聚速率調(diào)整到不低于80nm/s。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，至少在屏蔽物面對蒸氣流的一側(cè)，溫度設(shè)定為高于氣化材料的熔點(diǎn)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散合金的至少兩個(gè)成分從彼此靠近的各自的蒸發(fā)坩堝被氣相沉積。
11.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，擴(kuò)散合金是從一個(gè)蒸發(fā)坩堝被氣相沉積的。
12.如權(quán)利要求8至11的至少一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，滑動(dòng)層和/或擴(kuò)散阻擋層是在沒有活性氣體的真空中氣相沉積的。
13.如權(quán)利要求8至11的至少一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，滑動(dòng)層和/或擴(kuò)散阻擋層通過供給活性氣體和/或等離子體活化被活性涂覆。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，氧、氮或碳?xì)浠衔锘蛘哌@些氣體的混合物被用作活性氣體。
15.如權(quán)利要求8至14的至少一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，采用霧化方法沉積擴(kuò)散阻擋層，隨后在一真空周期中采用電子束氣相沉積涂覆滑動(dòng)層。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明,一個(gè)多層體系被涂覆于一個(gè)基體(1)上,中間層(2)被擴(kuò)散阻擋層(3)覆蓋,擴(kuò)散阻擋層(3)被滑動(dòng)層(4)覆蓋。至少滑動(dòng)層是采用電子束氣相沉積來涂覆,在相對于基體的弧頂處至少±70°的角度范圍內(nèi),層厚變化小于15%。這些滑動(dòng)件被作為重載軸承或軸瓦優(yōu)先用于內(nèi)燃機(jī)中。
文檔編號(hào)C23C14/04GK1182471SQ96193422
公開日1998年5月20日 申請日期1996年4月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月21日
發(fā)明者邁克爾·斯蒂格, 克勞斯·戈迪克, 托斯坦·科普特, 克里斯托弗·梅茨納 申請人:格萊庫金屬構(gòu)件兩合公司