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CN102428196B - 具有不含铅的铝制支承金属层的滑动支承元件 - Google Patents

具有不含铅的铝制支承金属层的滑动支承元件 Download PDF

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CN102428196B CN201080018709.4A CN201080018709A CN102428196B CN 102428196 B CN102428196 B CN 102428196B CN 201080018709 A CN201080018709 A CN 201080018709A CN 102428196 B CN102428196 B CN 102428196B
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Abstract

本发明涉及一种滑动支承元件，具有支撑层(10，20，30)、基于铝合金的中间层(12，22，32)和基于铝合金的支承金属层(14，24，34)。所述中间层(12，22，32)的铝合金包括这样的组成，该组成至少具有如下的按重量百分比计的组分：3.5％至4.5％的铜，0.1％至1.5％的锰和0.1％至1.5％的镁以及0.1％至1.0％的硅。

Description

具有不含铅的铝制支承金属层的滑动支承元件
技术领域
本发明涉及一种滑动支承元件，具有支撑层、基于铝合金的优选不含铅的中间层和基于铝合金的优选不含铅的支承金属层。
背景技术
这种支承件为众多出版文献的主题。例如参阅公开文献EP0672840A2、EP1522750A1或US专利5,470,666。形式为轴瓦的滑动支承元件具有钢制支撑瓦，箔状支承金属层或摩擦层通过滚压镀覆法涂覆到该支撑瓦上。由于基于铝的通常锡含量高的支承金属层众所周知不能以充分的附着镀覆到钢支撑层上，因此支承金属层首先与中间层通过滚压镀覆法预镀覆成箔复合体。在此起初使用纯铝制的中间层，其使得能够非常良好地附着在钢支撑层上。该箔复合体然后共同在多个滚压步骤中利用或不利用中间热处理地在减小层厚的情况下涂覆到钢支撑层上。完成的复合材料接着通过冲压或切割加工成板坯，并根据完成的成品通过弯曲或滚轧变形（Roll-Umformen）加工成径向支承件。
前述公开文献基于以下认识：尽管能够改善铝基的支承金属层在钢支撑层上的附着，但纯铝中间层的材料特性不能确保在运行中复合材料有足够的疲劳强度。因此EP0672840A2提出，代替纯铝箔，构造基于可硬化的、必要时具有自润滑特性（Notlaufeigenschaft）的铝合金的中间层。这样形成的中间层的硬度的值设置为约60HV0.5，并因而比工作层的约35至40HV0.5的硬度高。沿支承金属层或摩擦层的方向减小的硬度应对疲劳强度并因而对滑动支承件的加载能力和使用寿命起有利的作用。
US5,470,666实现了类似的效果。滑动支承层的硬度也经过中间层向金属支撑层增加，其中中间层的硬度设置在25HV到60HV之间。中间层的厚度为支承金属层和中间层的总厚度的50%至90%。就是说，中间层至少与支承金属层一样厚或明显厚于支承金属层。中间层由具有0.3至5重量百分比的合金组分总和的铝合金形成，所述合金组分选自包括Mn、Cu、Zn、Si、Mg和Fe的组。中间层硬度的上限60HV由形状适配性确定，这种形状适配性是必需的，以补偿边缘支座效应，即轴与支承轴线之间的不可避免的定向误差（Fehlausrichtung）。
但本发明人已确定，在已知的支承件中在运行中的高的单位载荷下在中间层中形成较高的变形度，从而沿轴向方向挤压中间层材料。中间层在一定程度上轴向从滑动轴瓦的端面挤出。该现象在图2中示意性示出。根据现有技术的滑动轴瓦在主载荷区域中（例如在其顶点/最高点附近）以轴向剖视图局部地示出。该滑动轴瓦具有在其径向外侧上的钢支撑层20、在该钢支撑层上的铝基中间层22和在该铝基中间层上的支承金属层24。由于在主载荷区域中出现的特别高的单位载荷，中间层22沿轴向方向（与在滚压镀覆法中类似）开始流动，并越过钢支撑层20的轴向端面26从支承件中挤出。支承金属层24也与中间层22一起部分地从支承件中挤出。支承金属以及支承金属层与支撑层之间的连接在此保持不受损害且不会出现功能故障。然而，在端面26附近可以看到在钢支撑层20与中间层22之间的裂缝28。所述裂缝在继续运行时与支承金属层和中间层的挤出材料结合增大了支承件分散/脱落以及由此导致的完全失效的风险。
发明内容
因此，本发明的目的在于，改善这种结构的由分别基于铝合金的支承金属层和中间层以及钢支撑层组成的复合体，从而基本上避免上述类型的塑性的材料变形。
根据本发明，该目的通过根据本发明的滑动支承元件实现。根据本发明的特别是构造为轴瓦的形式的滑动支承元件具有支撑层、基于铝合金的中间层和基于铝合金的支承金属层，其特征在于，所述中间层的铝合金具有这样的组成，该组成至少具有如下组分：按重量3.5%至4.5%的铜，按重量0.1%至1.5%的锰和按重量0.1%至1.5%的镁。
特别是由于高的铜含量，可以在与优选由钢组成的支撑层的连接强度方面无损失地调整中间层的硬度。这种调整在滚压镀覆过程中并由于在滚压工序之前和/或在滚压工序之间和/或在滚压工序之后的适当的加热处理实现。
优选地，被滚轧至最终尺寸（Endmaβ）的所述滑动支承元件的所述中间层具有从30μm至250μm的厚度d2，并且根据轴瓦的壁厚具有从50μm至250μm、特别优选地80μm至175μm、非常优选地150μm至175μm的厚度d2。
本发明人已确定，所述厚度的中间层连同上述组成在硬度较高时适于，一方面实现充分的塑性挠度并因而实现充分的形状适配性。另一方面，通过可调整得很高的硬度与较厚的中间层相结合确保，中间层材料尽管发生塑性变形但仅以很小的尺度从材料复合体被挤出。
因此，所述中间层优选具有70HV0.01至110HV0.01、特别是优选85HV0.01至100HV0.01的显微硬度。
根据欧洲标准EN6507-1在完成的（已变形的）滑动支承元件的中间层上执行按照维氏的硬度检测。（压入体的）检测尖端在此沿中间层的平面方向压入滑动支承元件的预备好的刃式棱边（Schnittkante）的区域中。优选通过打磨准备所述刃式棱边。
优选地，所述中间层的铝合金包括按重量0.1至1.0%的硅。这导致铝合金的强度增大。
此外优选地，所述中间层的铝合金按重量百分比还包括：铁0.05%至1.0%，铬0.05%至0.5%，锌0.05%至0.5%。
非常优选地，所述中间层的铝合金按重量百分比计包括：锰0.4%至1.0%，镁0.4%至1.0%，和硅0.2%至0.8%。所有这些合金元素用于使材料的强度和硬度增大。
此外有利的是，所述中间层的铝合金按重量百分比计包括：总和为0.05%至0.25%的锆和钛。
所述中间层的铝合金包括分别不超过按重量0.1％以及总和不超过0.25wt％的不同于上述合金组分的合金组分。
所述滑动支承元件的所述支承金属层优选具有150μm至400μm、特别优选200μm至400μm的厚度d3。
所述支承金属层优选包括具有按重量1.0～3%的镍、按重量0.5～2.5%的锰、按重量0.02～1.5%的铜、按重量5～20％的软相含量、通常允许的杂质和剩余铝的铝合金。所述软相含量相对于整个铝合金特别优选为按重量8～12%。例如，AlSn11.5Ni1.5Cu0.6Mn0.6合金对于支承金属层是合适的。
锡和/或铋优选作为所述支承金属层的所述软相含量。
特别是按前述各组成之一的所述支承金属层优选调整为50～70HBW1/5/30、特别优选调整为50～60HBW1/5/30的布氏硬度。
优选在所述中间层和所述支承金属层之间和/或在所述中间层和所述支撑层之间形成滚压镀覆连接部。
附图说明
下文中根据实施例借助于附图更为详细地阐释另外的目的、特征和优点。附图示出：
图1示出根据本发明的形式为轴瓦的滑动支承元件的实施例的透视断面；
图2示出根据现有技术的轴瓦在加载之后的在顶部区域中的轴向横截面；
图3示出根据本发明的轴瓦在加载之后的在顶部区域中的轴向横截面；
图4示出在首次使用时沿着已加载的轴瓦沿圆周方向的压力变化曲线；
图5示出在与根据图4的载荷相同的加载时但在塑性变形之后沿着轴瓦沿圆周方向的压力变化曲线；
图6示出在首次使用时在轴瓦的最大载荷的区域中沿轴向方向的压力变化曲线；
图7示出在塑性变形之后在轴瓦的最大载荷的区域中沿轴向方向的压力变化曲线；以及
图8示出在根据中间层的材料或硬度以及厚度而沿轴向方向最大载荷的区域中，根据本发明的轴瓦的实施例的塑性挠度。
具体实施方式
图1示出根据本发明的轴瓦的原理结构，其具有支撑层10，该支撑层优选由钢组成。中间层12和支承金属层14依次镀覆在支撑层10上。在支承金属层14的内侧上构成滑动面16，该滑动面与配合滑动件、例如轴（未示出）直接接触而形成滑动接触。该轴（间接地）贴靠在滑动面16上并向滑动支承元件上施加径向压力。滑动支承元件通常是油润滑的，从而由于所述轴的旋转而在该轴与滑动面之间在动态液压的压力下形成油膜，该油膜阻止轴与滑动层之间的直接接触。
出于生产技术的原因，中间层12和支承金属层14在镀覆到钢支撑层10上之前可预镀覆成两层的复合体。在镀覆到钢支撑层10上之后，根据本发明的滑动支承元件的中间层具有从50μm至250μm、优选150μm至175μm的厚度d2。支承金属层具有200μm至400μm、优选250μm至350μm的厚度d3。
在图3中示出在常见应变（Beanspruchung）之后根据本发明的滑动支承元件的最大载荷的圆周区域中沿轴向方向的局部剖视图。与图2相比可以看到，直接镀覆到钢支撑层30上的中间层32以及镀覆到中间层32上的支承金属层34都仅稍微沿轴向方向从滑动支承元件中被挤出。在此，在钢支撑层30与中间层32之间的滚压镀覆连接部36以及在中间层32与支承金属层34之间的滚压镀覆连接部38都以理想方式保持未受影响，从而相对于根据图2的已知支承件，在载荷相同时预期层脱落的风险以及由此导致的支承件完全失效的风险明显降低。
在图4中示出新的、即未塑性变形的径向支承元件在首次常见载荷状态下沿由箭头40表示的圆周方向的压力曲线。在图6中在最大载荷的圆周区域中示出沿箭头60在轴向剖面、即支承件宽度上在相同的状态下的相同的支承件。在图4中可看到由点划线42表示的顶点区域/最高点区域中的明显的压力最大点。该压力沿圆周方向在较窄的角度范围上分布。沿支承件宽度60的方向压力分布不均匀，在轴向端部区域中出现两个明显的压力最大点62、64，参见图6。这些压力最大点再次反映所谓的“边缘支座效应”，所述边缘支座效应通过配合滑动件（轴或轴颈）的由于载荷引起的挠曲和/或通过支承件壳体的由于载荷引起的变形而出现。由压力峰值表示的高的单位载荷引起滑动支承件的提前的材料疲劳并最终引起滑动支承件的过早的完全失效。
厚度为μm的中间层的μm与250μm之间的μm（对比图线“D”）与200μm（对比图线“C”）之间，且非常优选地在150μm与175μm（对比图线“E”）之间。
附图标记列表
10  支撑层
12  中间层
14  支承金属层
16  滑动表面
20  支撑层
22  中间层
24  支承金属层
26  端侧
28  裂缝
30  支撑层
32  中间层
34  支承金属层
36  结合表面
38  结合表面
40  圆周方向
42  顶点
60  宽度方向
62  压力最大点
64  压力最大点
72  压力最大点
74  压力最大点
76  压力最小点

Claims (15)

1.滑动支承元件，具有支撑层(10，20，30)、基于铝合金的中间层(12，22，32)和基于铝合金的支承金属层(14，24，34)，其特征在于，
所述中间层(12，22，32)的铝合金包括这样的组成，该组成至少具有如下的按重量百分比计的组分：
铜3.5％至4.5％，
锰0.1％至1.5％，
镁0.1％至1.5％，
其中，所述支承金属层(14，24，34)包括具有按重量1.0～3％的镍、按重量0.5～2.5％的锰、按重量0.02～1.5％的铜、按重量5～20％的软相含量、通常允许的杂质和剩余含量的铝的铝合金，
所述中间层(12，22，32)具有70HV 0.01至110HV 0.01的显微硬度，
所述支撑层由钢制成，
所述中间层镀覆到钢支撑层上，以及
支承金属层镀覆到中间层上。
2.按照权利要求1所述的滑动支承元件，其特征在于，所述中间层(12，22，32)具有30μm至250μm的厚度d2。
3.按照权利要求1所述的滑动支承元件，其特征在于，所述中间层(12，22，32)具有80μm至175μm的厚度d2。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述中间层(12，22，32)的铝合金按重量百分比计还包括0.1％至1.0％的硅。
5.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述中间层(12，22，32)的铝合金按重量百分比计还包括：
铁0.05％至1.0％，
铬0.05％至0.5％，
锌0.05％至0.5％。
6.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述中间层(12，22，32)的铝合金按重量百分比计包括：
锰0.4％至1.0％，
镁0.4％至1.0％，
硅0.2％至0.8％。
7.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述中间层(12，22，32)的铝合金按重量百分比计还包括总和为0.05％至0.25％的锆和钛。
8.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述中间层(12，22，32)的铝合金包括分别不超过按重量0.1％以及总和不超过按重量0.25％的其他合金组分。
9.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述支承金属层(14，24，34)具有150μm至400μm的厚度d3。
10.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述支承金属层(14，24，34)的所述软相含量包含锡和/或铋。
11.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述支承金属层(14，24，34)中的所述软相含量为按重量8～12％。
12.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述支承金属层(14，24，34)具有50～70HBW 1/5/30的布氏硬度。
13.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，在所述中间层(12，22，32)和所述支承金属层(14，24，34)之间形成滚压镀覆连接部。
14.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，在所述中间层(12，22，32)和所述支撑层(10，20，30)之间形成滚压镀覆连接部。
15.按照权利要求1至3中任一项所述的滑动支承元件，其特征在于，所述滑动支承元件为轴瓦。
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