CN111911535A - 多层滑动轴承元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由复合材料制成的多层滑动轴承元件(1)，其包括支承金属层(3)和一个由铸造合金制成的另外的层(4)，该铸造合金由其中含有硫化物析出物(10)的不含铅的铜基合金制成，其中该铜基合金含有介于0.1重量％与3重量％之间的硫，介于0.01重量％与4重量％之间的铁，最多2重量％的磷，总计介于0.1重量％与49重量％之间的来自由锌、锡、铝、锰、镍、硅、铬、铟组成的第一组的至少一种元素，和来自由银、镁、铟、钴、钛、锆、砷、锂、钇、钙、钒、钼、钨、锑、硒、碲、铋、铌、钯组成的第二组的元素，其中第二组的元素的总份额为介于0重量％与2重量％之间，和铜形成余量。

Description

多层滑动轴承元件

技术领域

本发明涉及由复合材料制成的多层滑动轴承元件，其包括支承金属层和一个另外的层，尤其是滑动层以及任选的在支承金属层与该另外的层之间的中间层，其中该另外的层由铸造合金形成，所述铸造合金由其中含有硫化物析出物的不含铅的铜基合金制成。

背景技术

长期以来将铅青铜用于包括支承金属层和滑动层的用于汽车工业由复合材料制成的多层滑动轴承中，因为它们由于铅析出物而具有品质好的摩擦学行为。此外，从工艺技术的角度来看，它们的铸造技术制备非常稳定，因为通过铅防止或补偿了微观偏析的冶金现象和与此相关的缩孔形成。然而出于生态学的原因，应避免含铅的青铜。在现有技术中已经存在滑动层合金的各种附加物。因此例如在基于黄铜或青铜的铸造合金的情况下，借助于合金添加物如铬、锰、锆或铝试图改进摩擦性质，特别是减小磨蚀倾向。

将硫用于铜合金中已被描述于多份出版物中，例如WO 2010/137483 A1、US2012082588 A1、US 2012/121455 A1、DE 20 2016 101 661 U1或WO 2007/126006 A1。在这种情况下主要将硫用于改进锡锌青铜合金(CuSnZn基质)的切削加工性质。此外，这些文献中报道了改进的摩擦学性质。然而在多个要点方面，所提及的锡锌青铜合金的基本性质，即使与另外的合金元素的结合也具有宽的凝固间隔，这损害了它们的应用。尤其是，铸造质量成为问题。例如在合金CuSn7Zn2的情况下例如约150℃的延长的凝固间隔会造成明显的收缩孔隙率，这尤其在用作铸造合金时导致材料中的缺陷。在低的锡含量的情况下，液相与固相之间另外存在提高的密度差，这更加剧了收缩孔隙率的问题。即使在用作锻造合金时，由于高的变形程度，铸件的孔隙率也只能部分封闭。在这两种情况下预期伴随相应增加的质量问题，由此而来的增加的测试耗费以及随后相应更高的次品率。下游的变得越来越重要的涂层工艺，例如电镀涂层或聚合物涂层的结果同样受损害。当不含铅的铜合金以其优异的摩擦学性质替代当今的铅青铜时，这类覆盖层例如在用作滑动轴承材料的情况下尤其变得越来越重要。

此外，在由于产生的孔隙率而优选的作为可锻合金的用途的情况下，通常使这些合金在变形步骤之后以重结晶的方式退火，以降低内部应力和由此产生的高材料硬度，或者重新提高变形后的低的残余可变形性。已知的是，大多数增加强度的合金元素或者改进耐腐蚀性的元素具有提高重结晶温度的缺点。为根据本发明的合金的争取达到的性质而指定的硫添加具有相当的作用。在由此所需要的高退火温度时，铜合金(尤其是与长的处理时间组合)再次倾向于晶粒粗化，这削弱基体材料。特别z在对于以高冷作硬化为特征的材料的情况下，这导致下述问题：要么晶粒粗化，要么仅不充分地进行重结晶，并且留下残留枝状晶，这对于材料的机械性质具有类似的负面影响，即过于粗糙的组织。另外，在高退火温度时，钢支承层的强度下降至正常退火状态的值。

发明内容

本发明的任务在于提供滑动轴承元件，其具有不含铅的、含有硫的基于铜的铸造合金作为另外的层，其中减少了硫对合金的部分负面的影响。

本发明的任务在开篇提及的多层滑动轴承元件的情况下由此得以解决：铜基合金含有介于0.1重量％与3重量％之间的硫，介于0.01重量％与4重量％之间的铁，介于0重量％，尤其是0.001重量％与2重量％之间的磷，总计介于0.1重量％与49重量％之间的来自由锌、锡、铝、锰、镍、硅、铬和铟组成的第一组的至少一种元素，其中锌的份额为介于0重量％与45重量％之间，锡的份额为介于0重量％与40重量％之间，铝的份额为介于0重量％与15重量％之间，锰的份额为介于0重量％与10重量％之间，镍的份额为介于0重量％与10重量％之间，硅的份额为介于0重量％与10重量％之间，铬的份额为介于0重量％与2重量％之间，和铟的份额为介于0重量％与10重量％之间，和各自的份额为介于0重量％与1.5重量％之间的来自由银、镁、钴、钛、锆、砷、锂、钇、钙、钒、钼、钨、锑、硒、碲、铋、铌、钯组成的第二组的至少一种元素，其中第二组的元素的总份额为介于0重量％与2重量％之间，并且到100重量％余量由铜以及源自元素制备的杂质构成。

在此有利的是，由此形成的低合金化的铜基合金的特征在于由于添加硫而得的良好可铸造性。因此可以将通常仅有限适用的合金用于滑动轴承中。另外，与硫形成的硫化铜在凝固时充当晶核，并且因此具有晶粒细化作用。此外可能的是，还在没有另外的涂层的情况下操作这些材料。此外可以改进可加工性，因为硫化物起断屑物(Spanbrecher)的作用。这种改进的可加工性导致具有较低粗糙度值和缺陷的改进的表面质量。由此可以随后积极地影响多个涂层，例如电镀覆层，PVD涂层或聚合物涂层的质量。换言之，可以因此改进铜基合金的可涂覆性。

铜基合金包含硫以及少量的铁和磷的组合。如在铜材料的熔融冶金加工时磷首先作为脱氧剂使用。通过铜基合金中的过量磷与铁添加物组合，可以实现晶粒细化效果。以此可以使得能够达到金属间相(主要是硫化物相)与铜和其它合金元素的均匀的、精细的分布。通过组合铁和磷已经可以在熔体中产生磷化铁。由此不仅可以固定一部分对与钢基体的键合有害的磷，而且具有这些金属间相在重结晶退火过程中可以降低晶粒粗化的倾向，由此可以改进铜基合金的机械性质。此外，由于它们的高硬度，具有这些磷化铁相可以增加所描述的铜基合金的异质性，由此转而可以积极地影响摩擦学性质。

通过除了铜硫化物以外而产生的金属间FeS相，可以实现不含铅的铜基轴承合金的磨蚀倾向的降低。因此可达到的铜基合金的摩擦学效果可以从铜硫化物(主要是Cu₂S)和铁硫化物(FeS)的组合看出。

通过将硫添加至铜基合金可以提高铜的重结晶温度，降低铜对所谓的氢脆的敏感性，通过改进的断屑形成短断屑的金属屑的方式而改进机械加工性、在加工工具上的耐磨作用和因此其提高的寿命和所得的表面品质。

通过添加铁可以通过晶粒细化作用而改进硫析出物的分布。通过铁硫化物的形成和精细分布，可以提高摩擦学性质。添加超过5重量％的铁除了提高液相温度以外还造成强烈的硬度增加影响以及可成形性的恶化。与添加少量磷一起，直接在熔体中形成铁磷化物(Fe₂P)，其在此是期望的，这跟与钢的结合区那种相反。一方面，所述相可以在退火处理时限制晶粒生长，而不负面地影响重结晶能力本身，这尤其显著简化了在该热处理时的过程控制，另一方面，磷化铁在铜基体中的嵌入对这些合金的耐磨性具有有利影响。

锂可以由于对氧气和氢气的亲和性而用于铜合金中作为脱氧剂和用于除去氢。因此，锂可以至少大部分地替代磷的量，由此可以避免在复合铸造方法中，该方法例如将轴承合金与钢基体结合，存在的由于过高的磷含量和由此产生的脆性相的前述问题。所述脆性相恰好在材料复合体的结合区域处形成，并且取决于铸造(

)损害附着强度(Haftfestigkeit)，直到完全脱离。作为脱氧剂的锂，即使添加量更高，也不与来自钢基体的铁形成金属间相。通过使用锂可以将磷的添加减少到最低限度，甚至完全消除，这意味着也可以消除脆性相的形成，或者可以针对性地设定少的磷含量。消耗的锂可以形成低密度的液态炉渣并且因此漂浮。以此可以保护熔体免于另外的氧气进入以及随后的合金元素的燃烧。

在这一点上应指出的是，用于熔体脱氧所消耗的锂的量当然取决于熔体中的氧的份额。因此，如果需要的话，本领域技术人员还可以添加相应过量的锂以适应实际的氧份额。

在制备对应于含硫的锡锌青铜合金的组合物的情况下，可以使用锂代替锆或钙(二者显示脱硫作用)作为晶粒细化剂。锆虽然同样作为晶粒细化剂起作用，但其与硫反应，由此降低其效果。

通过添加钇可以改进不含铅的铜基合金的耐腐蚀性。约0.1重量％的量份额使由于氧化的重量增加降低差不多50％。降低的氧化倾向可以在滑动轴承的运行中稳定聚合物涂层在轴承材料上的结合，并且因此提高运行安全性。

为了增加摩擦学活性相，可以添加硒和/或碲。

铟在铜中具有高溶解度(>10重量％)。它形成金属间相并且可以用于沉淀硬化。铟的有利之处在于在淬火之后轴承材料具有改进的适应能力，直至铜基合金通过在提高的温度时的长期时效效应(例如在滑动轴承的运行中)达到其最终硬度。

由于优选地低的锡含量，可以避免铜基合金的硬度的高增加。在给定的量范围内，可以更好地影响合金中硫化物的分布；随着锡含量降低，使组织的粒状结构渗入本底并且形成合金，该合金的晶粒以大结构产生。

通过锌含量可以达到析出的硫化物的更好地限定的球形形状。

给定量份额的硅可以就合金的可铸造性和脱氧而言是有利的。

铜基合金中的铝添加物降低了其在高的温度时的腐蚀倾向。以给定量份额高度确定地避免了β-混晶形成。

通过锰可以提高高温强度。此外含锰的合金可以实现腐蚀保护层的改进的修复。

镍与硫形成镍硫化物，其可以提高一般的相数。此外，采用镍可以改进铜基合金的腐蚀稳定性。Cu-Ni合金的弹性模量随着镍添加而线性提高。

采用铬可以改进铜基合金的重结晶温度和高温强度。

根据多层滑动轴承元件的优选的实施方案变型可以设计为，另外的层的铜基合金含有锌或锡。通过避免两种元素在铜基合金中的组合，可以通过由此可实现的铜基合金的凝固间隔的缩小而实现合金的铸造性质的明显改进。

为了另外改进铜基合金的前述性质，可以提供本发明的以下实施方案变型的至少一个：

-来自由锌、锡、铝、锰、镍、硅、铬组成的第一组的元素的总份额为介于0.5重量％与15重量％之间，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.01重量％与5重量％之间的锌，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.01重量％与10重量％之间的锡，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.01重量％与7.5重量％之间的铝，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.01重量％与5重量％之间的锰，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.01重量％与5重量％之间，尤其是介于0.01重量％与2重量％之间的镍，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.01重量％与7重量％之间，尤其是介于0.01重量％与3重量％之间的硅，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.01重量％与1.5重量％之间，尤其是介于0.01重量％与1重量％之间的铬，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.3重量％与0.8重量％之间的硫，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.01重量％与0.1重量％之间的磷，和/或

-另外的层的铜基合金含有介于0.3重量％与1.5重量％之间的铁，

根据多层滑动轴承元件的另一实施方案变型也可以设计为，另外的层的铜基合金另外含有介于0.001重量％与1.5重量％之间，尤其是介于0.001重量％与1重量％之间的硼。因此可以获得晶界的更致密的构造。铜合金因此具有改进的强度(提高的晶界强度)和可锻性。此外，合金显示出减少的开裂风险，由此另外的层中的组织是耐开裂的。此外，硼还可以在熔体脱氧并且任选地与铁作为晶粒细化剂方面起积极作用。

根据另一实施方案变型可以设计为，整个另外的层之内的硫化物析出物以均匀分布的方式存在，从而另外的层因此在整个横截面上基本上具有相同性质。

但是根据多层滑动轴承元件的另一实施方案变型还可以设计为，硫化物析出物仅在另外的层的铜基合金的子层之内形成。因此另外的层本身可以被赋予更宽的性质范围，从而可以任选地通过减少层的数量而更简单地构造多层滑动轴承元件。

根据对此的实施方案变型可以设计为，子层具有这样的层厚度，该层厚度为另外的层的总层厚度的介于5％与85％之间。在子层的份额为总层厚度的小于5％的层厚度的情况下，另外的层可能不再以期望的程度满足其作为多层滑动轴承元件的另外的层，尤其是作为滑动层的任务。但是它仍然可以始终具有作为磨合层的性质。相比之下，在总层厚度的大于85％的层厚度的情况下，用于形成子层的耗费高于通过减少单个层的数量可以实现的益处。

添加的硫与铜基合金的其它成分反应成硫化物。在这种情况下根据本发明的另一实施方案变型可以设计为，硫化物析出物的至少50面积％由铜硫化物和铁硫化物的混合物组成。因此可以改进铜基合金的自润滑行为。

为了另外改进这些效果，根据多层滑动轴承元件的另一实施方案变型可以设计为，铜硫化物和铁硫化物的混合物中的铜硫化物的份额为至少60面积％。

附图说明

为了更好地理解本发明，借助下述附图更详细地阐明本发明。

各自以简化的示意性图示显示了：

图1以侧视图显示了多层滑动轴承元件；

图2以侧视图以截面方式示出了多层滑动轴承元件的一个实施方案变型的滑动层的片段；

图3以侧视图以截面方式示出了多层滑动轴承元件的另一个实施方案变型的滑动层的片段；

图4以侧视图以截面方式示出了多层滑动轴承元件的又一个实施方案变型的滑动层的片段；

图5以侧视图以截面方式示出了多层滑动轴承元件的一个实施方案变型的滑动层的片段。

具体实施方式

在介绍中应注意的是，在不同地描述的实施方式中，相同的部分具有相同的附图标记或者相同的构件名称，其中包含在整个说明书中的公开内容可以以其含义转用至具有相同的附图标记或相同的构件名称的相同部分。在说明书中选择的位置数据，例如上、下、侧等，也参考直接描述以及说明的附图，并且这些位置数据在位置变化的情况下按其含义转用至新位置。

在图1中以侧视图图示了多层滑动轴承元件1，尤其是径向滑动轴承元件，其由复合材料构成。

多层滑动轴承元件1尤其提供来用于内燃机中或用于轴的轴支承。但也可以将其用于其它应用，例如风力涡轮机，尤其是风力涡轮机传动机构中，在行星齿轮轴承区域内的行星齿轮螺栓的涂层处或作为所述涂层，作为齿轮的内涂层(同样用于齿轮的轴支承)，作为压缩机、蒸汽轮机和燃气轮机中的工业滑动轴承，或作为轨道车辆的滑动轴承的零件等。

多层滑动轴承元件1具有滑动轴承元件本体2。滑动轴承元件本体2包括支承金属层3和布置在其上的另外的层4，或者由支承金属层3和与此连接的另外的层4组成。

如从图1虚线隐含地看出，滑动轴承元件本体2还可以具有一个或更多个额外的层，例如轴承金属层5，其被布置在另外的层4与支承金属层3之间，和/或在另外的层4上的磨合层6。在多层滑动轴承元件1的至少两个层之间还可以布置至少一个扩散阻挡层和/或至少一个结合层。

因为这种类型的多层滑动轴承元件1的基本构造是由现有技术已知的，所以关于层构造的细节，请参考相关文献。

可以组成支承金属层3、轴承金属层5、磨合层6、至少一个扩散阻挡层和至少一个结合层的所使用的材料同样是由现有技术已知的，并且因此关于它们，请参考相关文献。示例性提到的是，支承金属层3可以由钢形成，轴承金属层5可以由具有5重量％的锡和余量的铜的铜合金形成，磨合层可以由锡、铅或铋或者由含有至少一种添加物的合成聚合物或PVD涂层形成，扩散阻挡层可以例如由铜或镍形成。

半壳形的多层滑动轴承元件1与至少一个另外的滑动轴承元件7一起(取决于设计构造，也可以存在多于一个另外的滑动轴承元件7)形成滑动轴承8。在这种情况下优选通过根据本发明的多层滑动轴承元件1形成集成状态的下滑动轴承元件。但也存在的可能性在于，根据本发明，至少一个另外的滑动轴承元件7中的至少一个通过多层滑动轴承元件1形成或整个滑动轴承8由至少两个的多层滑动轴承元件1形成。

另外可能的是，滑动轴承元件1作为滑动轴承套而形成，如图1中以虚线方式所示。在该情况下，多层滑动轴承元件1同时是滑动轴承8。

另外可能的是，另外的层4形成直接涂层，例如连杆孔的径向内涂层，其中在该情况下，待涂布的构件，即例如连杆，形成支承金属层3。

另外还可以形成启动盘、凸缘轴承等形式的多层滑动轴承元件1或者滑动轴承8。

另外的层4尤其作为滑动层9形成。对此在图2中示出了该滑动层9的第一实施方案变型。

滑动层9由铸造合金组成，所述铸造合金由铜基合金构成。

铜基合金除了铜以外还具有硫、铁、磷，总和介于0.1重量％与49重量％之间的来自由锌、锡、铝、锰、镍、硅、铬和铟组成的第一组的至少一种元素，和来自由银、镁、钴、钛、锆、砷、锂、钇、钙、钒、钼、钨、锑、硒、碲、铋、铌、钯组成的第二组的至少一种元素，其中第二组的元素的总份额为介于0重量％与2重量％。

任选地，另外的层4的铜基合金可以另外含有硼。

铜基合金是不含铅的，其中不含铅意味着可以以最大0.1重量％的程度含有铅。

因为铜基合金中的单个元素的主要作用由现有技术是已知的，所以请参考与此有关的内容。另外，请参考上述对合金元素的作用的解释。

铜基合金的单独的元素的可能份额汇总于表1中。如果没有另外明确说明，则在整个说明书中将表1中的份额的百分比数据理解为重量％。

在每种铜基合金的情况下，除了不可避免的杂质以外，到100重量％的余量由铜构成。

表1：铜基合金的合金元素的量范围

元素	范围[重量％]	优选的范围[重量％]	特别优选的范围[重量％]
				S	0.1-3	0.2-1.5	0.3-0.8
Fe	0.01-4	0.2-2	0.3-1.5
				P	0.001-2	0.01-0.5	0.02-0.1
Sn	0-40	0.001-25	0.01-10
				Zn	0-45	0.001-9	0.01-5
Al	0-15	0.001-10	0.01-7.5
				Mn	0-10	0.001-7.5	0.01-5
Ni	0-10	0.01-5	0.01-2
				Si	0-10	0.01-7	0.01-3
Cr	0-2	0.01-1.5	0.01-1
				In	0-10	0.01-7	0.01-3
Ag	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
				Mg	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
Co	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
				Ti	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
Zr	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
				As	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
Li	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
				Y	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
Ca	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
				V	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
Mo	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
				W	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
Sb	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
				Se	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
Te	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
				Bi	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
B	0.-1.5	0.001-1	0-杂质
				铌	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1
钯	0-1.5	0.001-1	0.001-0.1

表1中有关量的范围的数据应理解为相应的边际和中间范围也被提及。例如S的份额可以为0.1-3、0.2-1.5、0.3-0.8、0.1-0.2、0.1-1.5、0.1-0.3、0.1-0.8、0.2-0.3、0.2-0.8、0.3-3、0.3-1.5、0.8-3和0.8-1.5，各自按重量％。对应地适用于表1中的另外的元素。

来自包括锌、锡、铝、锰、镍、硅、铬或由它们组成的第一组的元素的总份额为优选最大7重量％，尤其是最大5重量％。例如来自第一组的元素的总份额还可以为介于0.5重量％与15重量％之间。

另外的优选的是，锡和锌不一起包含在铜基合金中，即所述铜基合金要么含有锡，要么含有锌。

如从图2可看出，滑动层9中含有硫化物析出物10。该硫化物析出物10通过铜基合金的至少一种金属合金成分与硫反应来产生。它还可以是混合硫化物。

如从下文阐述的方法可看出，并没有原样添加铜基合金的硫化物析出物10(尽管这在本发明的范围内是可能的)，而是该析出物10由至少一种合金成分由于在制备合金期间在熔体中的氧化还原反应来产生。

硫化物析出物10在铜基合金中的份额为优选介于1面积％与20面积％之间，尤其是介于2面积％与15面积％之间。在大于24面积％的份额的情况下存在所含有的硫明显负面影响晶界的风险。在小于1面积％的份额的情况下虽然仍然观察到效果，但是仅仅在不令人满意的程度上。面积％数据在这种情况下各自基于滑动层9的纵向显微照片(

)的总面积计。

滑动层9具有总层厚度11。总层厚度11尤其为介于100μm与2500μm之间，优选介于150μm与700μm之间。

如从图2可看出，硫化物析出物10在该实施方案变型的情况下优选均匀分布地布置在滑动层9的整个总层厚度11上，并且因此在整个滑动层9中，即在其整个体积中。

术语“均匀地”在此意指滑动层9的两个不同体积区域各自的硫化物析出物10的数量方面的差异彼此偏差不大于12％，尤其是不大于9％，其中作为参比值100％的是滑动层9的体积区域中的硫化物析出物10的数量，其由滑动层9的总体积中的析出物10的总数除以构成总体积的该体积区域的数量计算。

但是还可能的是，硫化物析出物10的布置或者形成仅限于滑动层9的子层12之内的区域上，如从图3中可看出。硫化物析出物10在这种情况下布置在该子层12之内，尤其是仅在其之内。在该子层12之内，硫化物析出物10优选重新以均匀分布的方式布置，其中以前述定义中的意义上理解术语“均匀地”，其中将“滑动层”用“子层”替换。

根据对此的实施方案变型可以设计为，子层12具有层厚度13，其为另外的层4的总层厚度11(即滑动层9的该实例中)的介于5％与85％之间，尤其是介于10％与50％之间。

子层12优选在滑动层9的一侧上形成并且因此优选形成多层滑动轴承元件1的表面14，尤其是滑动面。

但是还可能的是，硫化物析出物10的数量在从滑动层9的铜基合金的表面14至支承金属层3的方向上持续降低，如在图4中对于子层12所示。这种类型的梯度也可在滑动层9中整体上形成，也就是说不仅在子层12中形成。在这种情况下，硫化物析出物10在图2的意义上存在于滑动层9的整个体积中。

应注意的是，在附图中各自任选地示出了多层滑动轴承元件1的独立的实施方案，其中对于相同的部分使用相同的附图标记或构件名称。为了避免不必要的重复，各自指出或参考整个附图的详细描述。

通过滑动层9或者滑动层9的子层12中的硫化物析出物10的数量在朝向支承金属层3的方向上减少，可以在滑动层9中建立硬度梯度。

还可能的是，滑动层9或者滑动层9的子层12中的硫化物析出物10的数量在从滑动层9的铜基合金的表面14朝向支承金属层3的方向上逐渐增加或者总体上改变。

通常硫化物析出物10可以具有最大60μm，尤其是介于0.1μm与30μm之间的最大粒径15(图2和3)。优选地，最大粒径15为介于10μm与25μm之间。最大粒径15在此被理解为颗粒所具有的最大的尺寸。

剩余组织的粒度可以为介于2μm与500μm之间，尤其是介于2μm与40μm之间。较大的粒度在此优选仅出现在滑动层9与紧靠其下方布置的多层滑动轴承元件1的层的结合区域。在树枝状铸造组织的特殊情况下，粒度也可以相当于整个层厚度。

在这种情况下可能的是，硫化物析出物10的粒径15在滑动层9的整个体积中基本上保持恒定，即析出物10的最大粒径15相差不大于20％，尤其是不大于15％。

另一方面，根据多层滑动轴承元件1的另一实施方案变型的可能性在于，如图5中所示，硫化物析出物10具有最大粒径15，其在从铜基合金的表面14朝向支承金属层3的方向上逐渐降低。在这种情况下，硫化物析出物10的粒径15可以下降选自0.1％至80％的范围，尤其是选自0.1％至70％的范围的值，基于在表面14的范围内的硫化物析出物10的粒径15计。

但是也可能的是，硫化物析出物10具有在从铜基合金的表面14朝向支承金属层3的方向上逐渐增加或者总体上改变的最大粒径15。在这种情况下，硫化物析出物10的粒径15可以增加选自0.1％至80％的范围，尤其是选自0.1％至70％的范围的值，基于在表面14的范围内的硫化物析出物10的粒径15计。

硫化物析出物10的形貌可以为至少近似球形，至少近似椭圆形或卵形，块状，杆状(即细长的)，至少近似立方体等，或完全不规则。优选地，至少类似圆形或者至少类似球形或者至少类似椭圆形地形成硫化物析出物10。

如已经提及，析出物10为硫化物特性。硫化物析出物10可以主要由铜硫化物和/或铁硫化物组成。该混合物在硫化物的总份额中的份额为至少50面积％，尤其是至少70面积％，优选至少80面积％。但除了这些硫化物以外，铜基合金中也还存在其它硫化物，这如前文已经述及，例如锌硫化物。

硫化锌可以形成于硫化铜颗粒中的至少一个离散区域内。可以在硫化铜颗粒之内形成介于一个与五个之间的这种类型的离散区域。换言之，硫化锌以不均匀地分布的形式包含于硫化铜颗粒中。

合金还可以含有铜硫化物与铁硫化物的混合物。在由铜硫化物和铁硫化物构成的该混合物之内，铜硫化物的份额为至少60面积％，尤其是至少75面积％。

为了实现硫化物相(硫化物析出物10)在另外的层4中尽可能精细的分布(这更好地利用硫添加的效果)，应当形成精细的基质组织。这可以一方面通过高的冷却速率，另一方面通过冶金晶粒细化来进行。

在含硫的合金的情况下已显示，许多晶粒细化性合金元素此外对硫具有高亲和力，并且倾向于与该元素部分地形成不期望的化合物，其之后结渣。在铜合金的情况下，必须特别提及锆，它可以起非常好的晶粒细化剂的作用，但也具有很强的脱硫作用。在铜中用于晶粒细化的另一元素是例如钙，但是其脱硫作用是钢铁工业已知的。原则上，这可以通过硫份额、温度控制和添加脱硫的时间点来抵消。

大多数已知用于铜合金的晶粒细化剂具有对氧的高亲和力，并且因此与未脱氧熔体中存在的氧反应并丧失其作用。

以磷铜形式添加磷作为脱氧剂以使铜合金脱氧是已知的。通过脱氧，尤其是改进了熔体的流动性质，另外保护成合金的硫不与熔体中的氧燃烧。如已述及，复合铸件中过高的残留磷含量增加在结合区域中形成脆性相(磷化铁)的风险。可以通过化学计量比例基于实际熔体的氧活性计算正确添加量。然而，只可能使用一次性测量头来测量应用的合金中的活性，并且始终存在测量不确定性。在几百千克的小熔体量的情况下，这样的测量是不经济的。此外，通过测量本身进入的氧气和氢气是相当大的不利之处。

将锂用于所述及的铜合金中带来了多种有利之处。锂具有优异的脱氧作用。如此实现的低残留氧含量保护了合金元素硫和其它氧亲和元素不受熔损。除了去除氧以外，锂还具有进入氢化合物(LiH、LiOH)的性质。由此，添加锂也降低了熔体中的氢含量。锂能够与其反应配对物在熔体上形成液态炉渣，因此防止氧和氢进一步进入熔体。此外，锂本身具有晶粒细化作用，并且因此还保证硫化物在材料中的精细分布。

为了制备多层滑动轴承元件1，可以在第一步骤中制备由至少两个层构成的预制材料。为此在最简单的情况下可以将铜基合金浇铸在尤其是平坦的金属条上或尤其是平坦的金属板上。

金属条或金属板在此形成支承金属层3。对于使用平坦的金属条或金属板的情况，将它们在之后的方法步骤中成形成各自的多层滑动轴承元件1，如本身由现有技术已知那样。

如已经在前文述及，多层滑动轴承元件1还可以具有多于两个层。在该情况下，可以将铜基合金浇铸在具有支承金属层3的复合材料的各个最上层上，或者首先制备另外的层，尤其是两层的复合材料，随后与支承金属层3或包括支承金属层3的复合材料结合，例如通过辊轧包覆，任选在中间布置结合箔。

将铜基合金浇铸在金属条或者金属板上或复合材料的层上可以例如借助水平带式浇铸(Bandguss)进行。

但是还可能的是，在第一步骤中例如借助连续浇铸或铸锭制备铜基合金并且将制成的铜基合金之后首先与多层滑动轴承元件1的至少一个另外的层，尤其是支承金属层3结合，例如借助辊轧包覆。

根据另一实施方案变型的可能性在于，采用离心铸造法或根据静态铸造法制备多层滑动轴承元件1。

也可以直接涂布构件，例如连杆孔。同样可使用粉末涂布法。

铜基合金也可以根据烧结法施加至多层滑动轴承元件1或构件的各个下层上。

用于制备滑动层9的起始混合物中的组分的份额根据表1中的数据进行选择。

由熔体铸造合金是滑动轴承技术人员原则上已知的，从而关于参数如温度等，参考有关的现有技术。合金的铸造优选在保护气体气氛下进行。

优选地，凝固的熔体的冷却用油进行直至接近300℃的温度，然后用水和/或空气进行至至少接近室温。但也可以另外进行冷却。优选地，在铸造之后将合金或者复合材料强制冷却。

在任选发生的变形，例如在半壳式模具中，以及任选的最后加工，例如精细钻孔、涂布等之后，制成多层滑动轴承元件1。该最终加工步骤是滑动轴承技术人员已知的，从而为此参考有关文献。

根据方法的实施方案变型，使铜基合金在铸造之后成形，尤其是辊轧，其中应用最大80％，尤其是介于20％与80％之间的变形程度。

在成形，尤其是辊轧之后，可以使铜基合金经历热处理。这通常可以在介于200℃与700℃之间的温度进行。热处理可以在还原性气氛中，例如在氮氢混合气(Formiergas)下进行。此外可以将热处理进行2小时至20小时的时间间隔。通过层4中存在的精细磷化铁颗粒不会导致在热处理期间强烈的晶粒粗化。

除了将另外的层4形成为滑动层9之外，它还可以在多层滑动轴承元件1中形成另一层，例如布置在滑动层与支承金属层之间的轴承金属层或布置在滑动层上的磨合层。

以下复述一些所进行的试验。

通常，根据以下方法制备表2中给出的铜基合金的组合物。

将铜基合金借助带式铸造浇铸在具有220mm宽和4mm厚的尺寸的由钢制成的支承金属层3上。在这种情况下，预加热的钢具有1070℃的温度和2.5m/min的速率。在其上浇铸具有约1130℃的温度的铸造合金。将钢借助油冷冷却至低于约350℃，然后用水进一步冷却，从而使铸造合金在复合体中凝固。使该复合体通过辊轧经历40％的厚度降低。然后将该材料在525℃在保护气体气氛下热处理7小时，随后在半壳式模具中成形。

取决于合金组成，材料的热处理可以例如还以450℃，尤其是500℃进行10小时至以630℃，尤其是610℃进行6小时。

这在半壳式模具中产生两层滑动轴承元件，其中滑动层9的层厚度小于1mm。

关于下表2应指出的是，重新将组成的全部数据理解成重量％，和到100重量％的余量各自由铜构成。金属的通常取决于制备的杂质没有另外显示。这些仅是前述在表1中复述的各个合金成分的量范围的范围内的实施例。在此如果未在表1给出的整个范围内使用铜基合金的单个成分或元素的实例，则这意味着对表2中对该元素复述的逐条份额没有限制。在表2中给出的元素的量数据是用于制备铜基合金的那些。

关于具有第二组的合金元素的合金始终仅使用了两种“基础合金”。然而，这并不意味着这些元素的添加仅限于这些“基础合金”的给出的组成。

此外，各自始终仅合金化“基础合金”的第二组的合金元素之一。然而，不言而喻，在本发明的范围内，具有第二组的这些合金元素的多于一种的组成也是可能的。

表2：铜基合金的示例组成。

该铜基合金的磨蚀倾向的测定根据磨蚀倾向测试进行，根据表2中的实例的所有多层滑动轴承元件1都经历磨蚀倾向测试。将测量值标准化至由CuPb22Sn制成的已知合金的多层滑动轴承元件。以磨蚀负荷100％定义该合金。相比之下，根据表2的合金具有介于70％与105％之间的值，这关于无铅性不仅是非常好的值，而且甚至还超过了含铅的合金。

在另外的测试中可以确定，通过添加硼可以将铜基合金的硬度与熔体的冷却一起调节到一定界限中。因此，在快速冷却的情况下，硼相可以在与支承金属层3的钢的边界区域中析出，由此可以调节从另外的层4过渡至支承金属层3的机械性质的变化。反之，采用与此相比更慢的熔体冷却可以将铜基合金调节得更软。替代地或除此之外，通过铜基合金中的硼的量份额还可以影响这些硼相在与支承金属层3的钢的边界区域中的析出。当然，硼相也可以包含在整个另外的层4中。

采用该实施方案变型可以已经通过制备，即在制备期间，和通过凝固铜基合金(浇铸在布置在另外的层4下方的层上)在另外的层4中并且随后在多层滑动轴承元件1中实现了硬度梯度。因此，不需要另外的后处理来制成该硬度梯度。

由于硬度梯度，硬度从结合区，即与支承金属层3的钢的边界区域或布置在另外的层4下方的层的边界区域，向另外的层4的相对表面的方向上(沿径向)降低。由此可以在滑动面范围内存在低的硬度，这导致另外的层4的更好的适应性。另一方面，由于在结合区域中相比之下更高的硬度，可以避免向支承金属层3或布置在另外的层4下方的层的突然的硬度过渡，由此可以更好地避免或降低机械应力。这进而改进了多层滑动轴承元件1的疲劳强度或者使用寿命。

硼相的浓度也从另外的层4的(径向)内表面朝向支承金属层3或多层滑动轴承元件1的布置在另外的层4下方的层方向上增加，其中在过渡至支承金属层3或布置在多层滑动轴承元件1的另外的层4下方的层的过渡处，结合区域中的硼相的浓度最大。

优选地，为了在另外的层4中形成硬度梯度，将铜基合金以离心铸造法施加在支承金属层3或布置在另外的层4下方的层上。但是，其它方法也是可能的，例如带式浇铸法。

硼相主要为铁-硼相。但是其它硼相也可以与铜基合金的合金元素一起形成。硼相通常也可以出现在铜基合金的其它区域中。

在多层滑动轴承元件1的情况下可能的是，另外扩大摩擦学上有利的层。因此例如可以将硫化物沉积物嵌入最上层。硼支持形成该沉积物。

本发明另外涉及用于制备多层滑动轴承元件1的方法，为此制备复合材料，所述复合材料包括支承金属层3和一个另外的层4，尤其是滑动层9，以及任选的在支承金属层3与另外的层4之间的中间层。另外的层4由铸造合金形成，所述铸造合金由其中含有硫化物析出物10的不含铅的铜基合金制成。为了制备铸造合金，使用介于0.1重量％与3重量％之间的硫，介于0.01重量％与4重量％之间的铁，介于0重量％，尤其是0.001重量％与2重量％之间的磷，总计介于0.1重量％与49重量％之间的来自由锌、锡、铝、锰、镍、硅、铬、铟组成的第一组的至少一种元素，其中锌的份额为介于0重量％与45重量％之间，锡的份额为介于0重量％与40重量％之间，铝的份额为介于0重量％与15重量％之间，锰的份额为介于0重量％与10重量％之间，镍的份额为介于0重量％与10重量％之间，硅的份额为介于0重量％与10重量％之间，铬的份额为介于0重量％与2重量％之间和铟的份额为介于0重量％与10重量％之间，和份额为各自介于0重量％与1.5重量％之间的来自由银、镁、铟、钴、钛、锆、砷、锂、钇、钙、钒、钼、钨、锑、硒、碲、铋、铌、钯组成的第二组的至少一种元素，其中第二组的元素的总份额为介于0重量％与2重量％之间。到100重量％的余量由铜以及源自元素制备的杂质构成。

为了制备铸造合金，还可以使用前述在表1中提及的另外的量数据。

实施例展示或者描述了可能的实施方案变型，其中在这一点上应注意，单独的实施方案变型彼此的各种组合也是可能的。

为了有序，最后应指出，为了更好地理解多层滑动轴承元件1或另外的层4的构造，这些不一定按比例示出。

附图标记列表

1 多层滑动轴承元件

2 滑动轴承元件本体

3 支承金属层

4 层

5 轴承金属层

6 磨合层

7 滑动轴承元件

8 滑动轴承

9 滑动层

10 析出物

11 总层厚度

12 子层

13 层厚度

14 表面

15 粒径

Claims (19)

1.由复合材料制成的多层滑动轴承元件(1)，其包括支承金属层(3)和一个另外的层(4)，尤其是滑动层(9)，以及任选的介于所述支承金属层(3)与所述另外的层(4)之间的中间层，其中所述另外的层(4)由铸造合金制成，所述铸造合金由不含铅的铜基合金形成，在其中含有硫化物析出物(10)，其特征在于，所述铜基合金含有介于0.1重量％与3重量％之间的硫，介于0.01重量％与4重量％之间的铁，介于0重量％，尤其是0.001重量％与2重量％之间的磷，总计介于0.1重量％与49重量％之间的来自由锌、锡、铝、锰、镍、硅、铬、铟组成的第一组的至少一种元素，其中锌的份额为介于0重量％与45重量％之间，锡的份额为介于0重量％与40重量％之间，铝的份额为介于0重量％与15重量％之间，锰的份额为介于0重量％与10重量％之间，镍的份额为介于0重量％与10重量％之间，硅的份额为介于0重量％与10重量％之间，铬的份额为介于0重量％与2重量％之间和铟的份额为介于0重量％与10重量％，和份额为各自介于0重量％与1.5重量％之间的来自由银、镁、铟、钴、钛、锆、砷、锂、钇、钙、钒、钼、钨、锑、硒、碲、铋、铌、钯组成的第二组的至少一种元素，其中第二组的元素的总份额为介于0重量％与2重量％之间，和到100重量％的余量由铜以及源自元素制备的杂质构成。

2.根据权利要求1所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金要么含有锌，要么含有锡。

3.根据权利要求1或2所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，来自由锌、锡、铝、锰、镍、硅、铬组成的第一组的元素的总份额为介于0.5重量％与15重量％之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.01重量％与5重量％之间的锌。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.01重量％与10重量％之间的锡。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.01重量％与7.5重量％之间的铝。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.01重量％与5重量％之间的锰。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.01重量％与5重量％之间，尤其是介于0.01重量％与2重量％之间的镍。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.01重量％与7重量％之间，尤其是介于0.01重量％与3重量％之间的硅。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.01重量％与1.5重量％之间，尤其是介于0.01重量％与1重量％之间的铬。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.3重量％与0.8重量％之间的硫。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.01重量％与0.1重量％之间的磷。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金含有介于0.3重量％与1.5重量％之间的铁。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述另外的层(4)的铜基合金另外含有介于0.001重量％与1.5重量％之间，尤其是介于0.001重量％与1重量％之间的硼。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述硫化物析出物(10)在整个另外的层(4)内以均匀地分布的方式存在。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述硫化物析出物(10)仅在所述另外的层(4)的铜基合金的子层(12)内形成。

17.根据权利要求16所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述子层(12)具有层厚度(13)，所述层厚度为所述另外的层(4)的总层厚度(11)的介于5％与85％之间。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，所述硫化物析出物的至少50面积％由铜硫化物和铁硫化物的混合物组成。

19.根据权利要求18所述的多层滑动轴承元件(1)，其特征在于，铜硫化物与铁硫化物的混合物中的铜硫化物的份额为至少60面积％。

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