減摩涂層和具有減摩涂層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有至少25體積％的粘結(jié)劑(16)且具有填料的減摩涂層(11,12,41,42,43)和滑動(dòng)漆層復(fù)合體(10)，所述填料包括硫化鋅(18)和硫酸鋇(20)和可選的另外的填料，其中，硫化鋅(18)比硫酸鋇(20)的體積比為0.1至15.7，優(yōu)選0.8至4.88，且特別優(yōu)選1.5至3.44。滑動(dòng)漆層復(fù)合體(10)具有至少兩個(gè)具有不同組成的這種類型的減摩涂層(11,13)。本發(fā)明還涉及具有這樣的涂層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料及其在內(nèi)燃機(jī)中的用途。
【專利說明】減摩涂層和具有減摩涂層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料
[0001] 本發(fā)明涉及具有粘結(jié)劑和具有有助于滑動(dòng)行為的填料的減摩涂層。本發(fā)明還涉及 具有這樣的減摩涂層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料，且此外還涉及這樣的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料在 用于內(nèi)燃機(jī)的軸承元件中的用途，尤其是在曲軸軸承或連桿軸承的軸承套中、在連桿套筒 中或在啟動(dòng)盤上的用途。
[0002] 內(nèi)燃機(jī)中的滑動(dòng)元件大多由具有經(jīng)特別改性的表面的多層材料組成，所述表面使 其滑動(dòng)性能最優(yōu)化。通常，滑動(dòng)軸承的表面是金屬層，如基于鉛、錫或鋁，其通過電鍍工藝、 蒸鍍或通過金屬包覆施加。還已知非金屬滑動(dòng)層，其具有合成樹脂基并且其可在一定限度 內(nèi)適應(yīng)軸承座對(duì)滑動(dòng)性能、承載能力和摩擦抗力的要求。
[0003] 尤其是，基于合成樹脂的減摩涂層多年以來作為助劑用于降低機(jī)械部件的摩擦。 通常涂覆沒有另外的潤(rùn)滑而必須持久地可容易移動(dòng)的金屬零件、塑料零件和橡膠零件。在 典型的應(yīng)用中，負(fù)荷相當(dāng)?shù)颓疫吔鐥l件如溫度和介質(zhì)接觸并不關(guān)鍵。此外，由各種專利申請(qǐng) 如EP 0 984 182 A1已知的是，還可以將滑動(dòng)漆用于內(nèi)燃機(jī)中，例如作為曲軸軸承。
[0004] 但是，已知的減摩涂層的缺點(diǎn)基本上在于相對(duì)高的、然而苛刻受限的承載能力，所 述承載能力在超限時(shí)導(dǎo)致涂層的快速破壞。于是暴露出位于其下的基材。如果基材材料不 具有足夠的自潤(rùn)滑性能，則這樣的結(jié)果是軸承由于卡住而完全失效。
[0005] 在這樣的軸承的情況下，通常想到銅合金或鋁合金作為基材。粘結(jié)劑(也稱為基體 材料）通常由PAI、PI、環(huán)氧樹脂、酚樹脂或PBI組成，參見EP 1 775 487 A2。其次，在EP 0 984 182 A1中還列舉PEI、PEEK、芳族聚酰胺、PTFE和其它含氟聚合物如PFA、ETFE和FEP作為 具有滑動(dòng)材料的涂層的塑料，然而其中在該文中，沒有提及滑動(dòng)漆，而是提及糊狀施涂的、 大體較厚的塑料層，所述塑料層在壓力下進(jìn)入基材的開孔結(jié)構(gòu)中，例如進(jìn)入金屬燒結(jié)骨架 的孔中并因此將滑動(dòng)層固定在基材中。這樣的涂層例如描述于EP 1 390 629 B1中。其并不 落入當(dāng)前的減摩涂層的種類中。這樣的塑料層的最突出的代表是基于PTFE的那些。此外，它 們并不是足夠承載的，從而對(duì)于高負(fù)荷的軸承而言并不考慮它們。
[0006] 與之相反，滑動(dòng)漆的特征在于，其在施加時(shí)以低粘度狀態(tài)存在，例如呈溶液或分散 體，或者例如由于熔化而這樣流動(dòng)，使得其在沒有壓力影響下形成平滑流動(dòng)的、連續(xù)的表 面。減摩涂層的施涂通過噴涂法或印刷法并且隨后熱固化或在紫外光下固化而進(jìn)行?；瑒?dòng) 漆的粘結(jié)劑在隨后的干燥過程或固化過程期間通過化學(xué)或物理交聯(lián)或化學(xué)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變成更 難溶或更不可熔的形式，從而使得滑動(dòng)層在基材上形成形狀穩(wěn)定的和可高負(fù)荷的薄層。由 自身，即沒有壓力影響而形成的平滑的表面使得在已經(jīng)重新成型的滑動(dòng)元件例如軸承套上 施加均勻的厚減摩涂層成為可能，而這在糊狀施涂的涂層情況下是不可能的，因?yàn)樵诖藘H 可以在帶狀半成品上，即在滑動(dòng)元件的最終機(jī)械加工之前經(jīng)濟(jì)上有意義地完成涂層。
[0007] 典型的功能填料是固體潤(rùn)滑劑如Mo S2、WS2、BN、PTFE，陶瓷粉末如氧化物、氮化物、 碳化物、硅酸鹽，金屬如 Al、Cu、Ag、W、Ni、Ai^PFe2〇3，SMW02010/076306SUS 6 305 847 B1.
[0008] 作為另外的填料，已經(jīng)知曉摩擦學(xué)應(yīng)力層中的BaS〇4或ZnS。由DE 10 2006 048 311 A1已知一種組合物，其由具有最高20 %的PTFE的塑料基體以及5 %至15 %的硫酸鋇或 硫化鋅添加劑組成。EP 1 716 342 B1例如提出了具有升高的孔體積的材料和由50體積％ 的PVDF或60體積或PPS組成的塑料基體，在所述塑料基體中包含超過5體積％的 PTFE和至少5體積％，優(yōu)選8至12體積％的硫化鋅或硫酸鋇。EP 1 526 296 A2描述了基于 PEEK、PPS或PA的材料，其具有硬微粒組分和碳纖維而沒有PTFE，其中ZnS或BaSCk份額為5至 15重量％，其中僅具體給出了具有ZnS的組合物。在文獻(xiàn)EP 1 716 342 B1中給出了具有基 于聚合物的滑動(dòng)層的滑動(dòng)軸承復(fù)合材料，其以至少5體積％且優(yōu)選8-12體積％的份額包含 硫化鋅和/或硫酸鋇，其中僅具體給出了包含ZnS或BaSCk的組合物。還已知硫化鋅和硫酸 鋇，可選地與另外的填料的填料組合。DE 36 01 569 A1公開了添加細(xì)顆粒的ZnS和BaSCk添 加劑用于塑料復(fù)合滑動(dòng)軸承中的聚合物，其中可以包含基于基體材料計(jì)5至40體積％的硫 化鋅份額，基于硫化鋅顆粒計(jì)最多5體積％的8 &504。如此選擇實(shí)施例，使得僅使用硫化鋅或 僅使用硫酸鋇或硫化鋅與〇. 5體積％的低份額的硫酸鋇。此外，所給出的文獻(xiàn)全部涉及基于 PTFE的自潤(rùn)滑材料，因此又涉及糊狀施涂的材料，其出于上述原因而對(duì)于所討論的應(yīng)用而 言是不考慮的并且也并不屬于減摩涂層的種類。
[0009] 本發(fā)明的目的在于，實(shí)現(xiàn)基于合成樹脂的減摩涂層的摩擦抗力和承載能力的進(jìn)一 步改進(jìn)。
[0010] 所述目的通過具有至少25體積％的粘結(jié)劑且具有填料的減摩涂層得以解決，所述 填料包括硫化鋅和硫酸鋇和可選的另外的填料，其中，硫化鋅比硫酸鋇的體積比為〇 . 1至 15.7，優(yōu)選0.8至4.88，且特別優(yōu)選1.5至3.44。
[0011] 已經(jīng)指出，通過在所述范圍內(nèi)的填料組合相對(duì)于僅包含硫化鋅或僅包含硫酸鋇或 包含另外的比例的兩種填料的那些明顯改進(jìn)了減摩涂層的性質(zhì)。所述性質(zhì)尤其包括減摩涂 層的承載能力和摩f祭抗力。例如，曲軸軸承的最大承載能力可以提尚至尚達(dá)120MPa。這是在 其它情況下僅由基于鋁的濺射層所達(dá)到的值。
[0012]在硫化鋅比硫酸鋇的體積比的整個(gè)所要求保護(hù)的范圍內(nèi)相對(duì)于具有兩種組分ZnS 和BaS04二者中的僅一種的減摩涂層降低所述最大承載能力。在直至1.5至3.44的比例的更 窄范圍內(nèi)，所述承載能力改進(jìn)高達(dá)12MPa且在1.5至3.44的比例的最窄范圍內(nèi)，所述承載能 力改進(jìn)高達(dá)25MPa。
[0013]據(jù)估計(jì)，通過BaS04/ZnS-混合物改進(jìn)了潤(rùn)滑膜的效果，由此降低了單位軸承負(fù)荷 的磨損速率的升高。借此提高負(fù)荷極限，這又明顯提高軸承在低于所述負(fù)荷極限的負(fù)荷時(shí) 的運(yùn)轉(zhuǎn)安全性。
[0014] 優(yōu)選地，所述硫化鋅和所述硫酸鋇總共以2至35體積％且特別優(yōu)選5至25體積％的 份額包含于所述減摩涂層中。
[0015]在更小的總份額的情況下，不可識(shí)別摩擦抗力和承載能力的明顯改進(jìn)。更大的兩 種填料的份額導(dǎo)致粘結(jié)劑基體的削弱。
[0016]優(yōu)選地，總組成通過添加另外的填料而優(yōu)化。作為填料，在本文中是指除粘結(jié)劑以 外的所有組分。總填料量，即硫化鋅、硫酸鋇和另外的填料的份額優(yōu)選為減摩涂層的總組成 的最高75體積％，特別優(yōu)選不超過60體積％。
[0017] 經(jīng)證實(shí)還有利的是，所述硫化鋅和所述硫酸鋇以具有0.1M1至1.0M1范圍內(nèi)的d50 值的粉末形式存在。在這種情況下，BaS0 4和ZnS的初級(jí)粒度（即單個(gè)顆粒的尺寸而非聚集體 的尺寸)為0.0 lym至5ym。
[0018] 通過粉末的這樣的選擇，能夠有效降低磨損速率。同樣，填料在減摩涂層中的可分 散性非常好，由此可以以簡(jiǎn)單的方式保證均勻的減摩涂層。
[0019] 特別優(yōu)選地，硫化鋅部分和硫酸鋇部分以鋅鋇白形式存在。
[0020] 鋅鋇白是通過共同沉淀硫化鋅和硫酸鋇產(chǎn)生的混合物，其可以以10:90至60:40的 組成獲得，這相當(dāng)于0.11至1.5的硫化鋅比硫酸鋇的體積比。
[0021 ]特別優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑選自PAI、PI、環(huán)氧樹脂、PBI、有機(jī)硅樹脂和高級(jí)芳族熱塑 性塑料尤其是聚丙烯酸酯、PEEK和PES。
[0022]所有這些物質(zhì)由于其高的耐熱性和耐介質(zhì)性而特別適合應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的滑動(dòng)軸 承中。
[0023]減摩涂層的厚度優(yōu)選為lMi至40_。在此要注意的是，應(yīng)當(dāng)適應(yīng)部件尺寸的層厚 度。尤其適用的是對(duì)于具有高達(dá)100mm的直徑的徑向軸承而言，優(yōu)選5至25wii的層厚度。在超 過100mm直徑的大軸承的情況下，厚度高達(dá)40M1，在特殊情況下還優(yōu)選高達(dá)50M1的厚度，因 為在大軸承的情況下經(jīng)常由于幾何學(xué)缺陷和/或較大的公差而產(chǎn)生提高的入口磨損。
[0024] -種特別優(yōu)選的實(shí)施方式提供其中另外的填料包含至少一種固體潤(rùn)滑劑的減摩 涂層。
[0025]固體潤(rùn)滑劑份額應(yīng)當(dāng)優(yōu)選與ZnS/BaS〇4份額至少相當(dāng)，且特別優(yōu)選以ZnS/BaS〇4混 合物的1倍至5.7倍的量使用。
[0026] 通過添加固體潤(rùn)滑劑，尤其改進(jìn)自潤(rùn)滑性能，即在沒有流體動(dòng)力學(xué)運(yùn)行狀態(tài)下的 行為。
[0027] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述固體潤(rùn)滑劑選自具有層狀結(jié)構(gòu)的金屬硫化物、石墨、六方氮化 硼和PTFE。
[0028] 有利之處還在于，所述另外的填料以不超過10體積％的總份額包含至少一種硬質(zhì) 材料，基于減摩涂層計(jì)。一種或多種硬質(zhì)材料在徑向軸承例如軸的情況下用作與反向旋轉(zhuǎn) 件接觸的磨損減速物，用于其調(diào)節(jié)。尤其是在磨合階段中不平整和/或過大的粗糙度迅速侵 蝕軸表面，直至軸表面適應(yīng)軸承所帶有的滑動(dòng)層表面。硬質(zhì)材料份額在此應(yīng)當(dāng)不超過10% 的提及份額，因?yàn)榉駝t這在反向旋轉(zhuǎn)件的工作面上產(chǎn)生過度磨蝕的效果并且總體上削弱軸 承的滑動(dòng)性質(zhì)。
[0029]至少一種硬質(zhì)材料優(yōu)選選自氮化物、碳化物、硼化物、氧化物，尤其是SiC、Si3N4、 B4C3、c-BN(立方氮化硼）、Ti02 和 Si02。
[0030] 在另一有利的實(shí)施方式中，所述另外的填料以不超過30體積％的總份額包含至少 一種金屬粉末，基于減摩涂層計(jì)。
[0031] 這樣的金屬粉末用于提高導(dǎo)熱性并因此導(dǎo)致更低的平衡溫度，這尤其明顯提高內(nèi) 燃機(jī)中的高熱負(fù)荷滑動(dòng)軸承的長(zhǎng)時(shí)間承載能力。金屬粉末的體積份額如果可能的話應(yīng)當(dāng)不 超過30%，因?yàn)楦蟮姆蓊~差地分散于滑動(dòng)漆中并且因此對(duì)其可加工性產(chǎn)生負(fù)面作用。 [0032] 所述至少一種金屬粉末優(yōu)選選自元素六8113^11、511^1、81、〇1以及這些元素的合 金。
[0033] 非常特別優(yōu)選地，減摩涂層具有最多15體積％，優(yōu)選1至10體積％的氧化鐵（III) 作為另外的填料。
[0034] 尤其證實(shí)該填料與根據(jù)本發(fā)明的份額的填料硫化鋅和硫酸鋇相關(guān)，有利地降低磨 損速率。
[0035] 前述填料可以總計(jì)以75體積％的最大量，基于總減摩涂層計(jì)且各自在給出的范圍 界限內(nèi)存在于減摩涂層中。余量即至少25體積％因此由所述粘結(jié)劑組成。
[0036] 所述目的此外由具有至少兩個(gè)在前述給出的參數(shù)范圍內(nèi)的不同組成的減摩涂層 的滑動(dòng)漆層復(fù)合體而解決。
[0037]以這樣的方式提供由含BaS〇4和含ZnS的滑動(dòng)漆構(gòu)成的多層體系，其始終最優(yōu)化地 適應(yīng)在運(yùn)行過程中改變的運(yùn)行條件。以下提供具體的實(shí)施例。
[0038] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了具有至少一個(gè)金屬層和具有前述特征的在所述金屬 層的表面上施加的減摩涂層或在所述金屬層上施加的滑動(dòng)漆層復(fù)合體的滑動(dòng)軸承層復(fù)合 材料。
[0039] 至少一個(gè)金屬層形成基材，根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方式，具有在金屬層上施加的下 減摩涂層和在所述下減摩涂層上施加的上減摩涂層的滑動(dòng)漆層復(fù)合體位于所述基材的表 面上。
[0040] 在有利的實(shí)施方式的情況下，在金屬層的表面上設(shè)置具有在金屬層上施加的具有 固體潤(rùn)滑劑和/或金屬粉末的下減摩涂層和在所述下減摩涂層上施加的具有硬質(zhì)材料的上 減摩涂層的滑動(dòng)漆層復(fù)合體。上部的與反向旋轉(zhuǎn)件首先接觸的減摩涂層在功能上設(shè)計(jì)為磨 合鍍層，其通過使用硬質(zhì)顆粒用于調(diào)節(jié)反向旋轉(zhuǎn)件(軸）。位于其下的減摩涂層設(shè)計(jì)為耐久 層并且在前文給出的界限以內(nèi)具有更高份額的金屬粉末和固體潤(rùn)滑劑且基本上不具有或 具有少量硬質(zhì)材料，并且因此基本上是耐磨的。
[0041] 替代性的有利的實(shí)施方式設(shè)計(jì)為，在金屬層的表面上設(shè)置具有在金屬層上施加的 下減摩涂層和在所述下減摩涂層上施加的與下減摩涂層相比具有減少份額的粘結(jié)劑的上 減摩涂層的滑動(dòng)漆層復(fù)合體。在此，填料組合物在最簡(jiǎn)單的情況下可以相同，然而也可以不 同。再一次設(shè)計(jì)為磨合鍍層的上減摩涂層由于較低的粘結(jié)劑份額經(jīng)受對(duì)幾何給定條件例如 軸的傾斜位置或燒曲的加速適應(yīng)，由此降低或避免例如軸承元件邊緣范圍的局部超負(fù)荷。
[0042] 滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料此外可以在耐久層之下，即與金屬層的表面直接接觸具有另 外的減摩涂層，所述減摩涂層由此進(jìn)一步提高軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)安全性，使得它們尤其關(guān)于其摩 擦抗力最優(yōu)化，即尤其在耐久層磨損之后延緩軸承材料上的完全滲透。這例如通過提高份 額的粘結(jié)劑或/和提高量的抑制磨損的硬質(zhì)顆粒來實(shí)現(xiàn)。
[0043] 在替代性實(shí)施方式中，在金屬層與下減摩涂層之間設(shè)置另外的層，使其在金屬層 上的滑動(dòng)漆層復(fù)合體的粘合方面最優(yōu)化。這具有涂底漆的作用并且通?？梢砸呀?jīng)通過設(shè)置 少量或完全不設(shè)置填料的、非常薄的、尤其是幾Mi厚的層來實(shí)現(xiàn)。
[0044] 滑動(dòng)漆層復(fù)合體不同組成的減摩涂層的不連續(xù)層的形式或作為梯度層實(shí)現(xiàn)，在所 述梯度層中層組成和因此的層性質(zhì)彼此連續(xù)地轉(zhuǎn)變。
[0045] 根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料優(yōu)選由此繼續(xù)改進(jìn):在其上施加有減摩涂層的 至少一個(gè)金屬層的表面具有l(wèi)ym至10mm，優(yōu)選3WI1至8WI1的粗糙度Rz。
[0046]在該范圍內(nèi)的粗糙度改進(jìn)了直接在所述表面上所施加的減摩涂層的粘合。此外， 這樣的粗糙度還導(dǎo)致在減摩涂層逐漸磨損時(shí)，反向旋轉(zhuǎn)件首先僅逐點(diǎn)與金屬層的單個(gè)尖端 接觸，所述尖端首先僅構(gòu)成暴露的滑動(dòng)面的小的表面份額，由此提高其負(fù)荷能力。這抵消了 進(jìn)一步的磨損，然后金屬層的整個(gè)表面與反向旋轉(zhuǎn)件接觸，并由此大的裸露區(qū)域的易侵蝕 性導(dǎo)致軸承的全部失效。
[0047] 有利的表面粗糙度可以通過金屬表面的機(jī)械磨損，例如通過噴砂或拋光，或通過 化學(xué)剝蝕，例如通過磷化或浸蝕來產(chǎn)生。作為不均勻的粗糙度的替代，還有均勻的基材結(jié) 構(gòu)，其可以大致通過鉆孔、拉削或沖壓產(chǎn)生，在該實(shí)施方式的意義上理解為粗糙度。
[0048] 滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料有利地如下進(jìn)一步改進(jìn)，使得至少一個(gè)金屬層具有由基于以 下元素的合金組成的軸承金屬層或覆蓋層，所述元素選自Cu、Al、Ni、Sn、Zn、Ag、Au、BiJPFe。
[0049] 金屬層既可以作為相對(duì)厚的承載層，又可以作為薄的覆蓋層形成，其中減摩涂層 取決于組成作為用于適應(yīng)或調(diào)節(jié)反向旋轉(zhuǎn)件另外的磨合鍍層形成，或作為具有長(zhǎng)壽命的獨(dú) 立的滑動(dòng)層形成。
[0050] 特別優(yōu)選地，所述至少一個(gè)金屬層是由合金組成的軸承金屬層或覆蓋層，所述合 金選自：CuSn、CuNiSi、CuZn、CuSnZn、AlSn、AlSi、AlSnSi和AlZn。單個(gè)特別優(yōu)選的候選物是 合金 CuNi2Si、CuSn8Ni、CuSnl0Bi3、CuPb23Sn、AlSnl0Mn2NiCu、AlSn6Si4CuMnCr 和 AlNi2MnCu〇
[0051] 前述類型的具有軸承金屬層和/或覆蓋層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的另一有利的實(shí) 施方式的特征在于，所述至少一個(gè)金屬層還包括鋼支持層、在其上的軸承金屬層和/或覆蓋 層和可選的在軸承金屬層上施加的由Ni、Ag、Cu或Fe組成的中間層，其中減摩涂層或滑動(dòng)漆 層復(fù)合體在軸承金屬層或覆蓋層的表面上或如果存在的話在中間層上在背對(duì)鋼支持層的 側(cè)面上施加。
[0052]非常特別優(yōu)選地，將這樣的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料中的覆蓋層作為可高負(fù)荷的 AlSn-濺射層形成，其中減摩涂層或滑動(dòng)漆層復(fù)合體在功能上尤其設(shè)計(jì)為磨合鍍層，即包括 上述類型的至少一種硬質(zhì)材料和/或具有在以下根據(jù)本發(fā)明的范圍內(nèi)的粘結(jié)劑含量。
[0053] 所述目的此外通過根據(jù)前述類型的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料在用于內(nèi)燃機(jī)的軸承元 件中的用途，尤其是作為曲軸軸承的軸承套、作為連桿軸承的軸承套、作為連桿套筒或作為 啟動(dòng)盤得以解決。
[0054] 在功能上，在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的情況下，這些軸承是在熱和化學(xué)侵蝕性環(huán)境中的特別 高負(fù)荷的軸承元件，在所述環(huán)境中，至今減摩涂層作為磨合鍍層或作為滑動(dòng)層不被視負(fù)荷 足夠。
[0055] 圖1是用于闡釋在基材上的根據(jù)本發(fā)明的減摩涂層的原理圖；
[0056] 圖2是用于闡釋在基材上的根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)漆復(fù)合材料的實(shí)施例的原理圖；
[0057] 圖3是用于闡釋在基材上的根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)漆復(fù)合材料的替代性實(shí)施例的原理 圖；
[0058] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的具有減摩涂層的軸承套的透視圖，和
[0059] 圖5是用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的層構(gòu)造的原理圖。
[0060] 在圖1中概要性簡(jiǎn)化示出了在非進(jìn)一步詳細(xì)說明的基材14上的具有根據(jù)本發(fā)明的 減摩涂層12的簡(jiǎn)單構(gòu)造。幾何學(xué)比例，尤其是層厚度出于闡釋性目的沒有按正確比例描繪。 所述減摩涂層12由粘結(jié)劑16作為基體組分組成，其中包埋多種填料。作為填料，根據(jù)本發(fā)明 包含硫化鋅18和硫酸鋇20。此外，所示出的減摩涂層12作為任選的填料包含硬質(zhì)材料顆粒 22、金屬粉末顆粒24和固體潤(rùn)滑劑顆粒26。
[0061] 圖2中顯示了由下減摩涂層11和上減摩涂層13組成的滑動(dòng)漆層復(fù)合體10的示例性 構(gòu)造。所述下減摩涂層11施加在基材14上且正好在其表面15上，且所述上減摩涂層13在所 述下減摩涂層11之上。兩個(gè)減摩涂層11和13除了作為基體組分的粘結(jié)劑16以外根據(jù)本發(fā)明 還具有填料硫化鋅18和硫酸鋇20以及Fe 2〇3 28,但在其它情況下包含不同的另外的填料組 合物。在兩個(gè)減摩涂層11和13中，又示例性包含任選的填料硬質(zhì)材料顆粒22、金屬粉末顆粒 24和固體潤(rùn)滑劑顆粒26,然而具有不同的側(cè)重點(diǎn)。在下減摩涂層11的基體中，包含較高份額 的固體潤(rùn)滑劑顆粒26且?guī)缀醪缓操|(zhì)材料顆粒22時(shí)，情況恰與上減摩涂層13時(shí)相反。如此 選擇該組成，從而在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)首先與反向旋轉(zhuǎn)件接觸的上減摩涂層13基于硬質(zhì)材料起磨 損作用并且有利于滑動(dòng)偶件的磨合。下減摩涂層11與之相反首先在磨合過程之后，即在上 減摩涂層13磨損之后與反向旋轉(zhuǎn)件接觸，并由于較高的固體潤(rùn)滑劑份額起降低摩擦的作 用。低的硬質(zhì)材料份額是有用的，以延緩層的磨損。
[0062] 與示意圖相反，在下減摩涂層11中也可以完全省略硬質(zhì)顆粒和/或在上減摩涂層 13中完全省略固體潤(rùn)滑劑。在此的重點(diǎn)在于在上減摩涂層中的提高份額的硬質(zhì)材料和在下 減摩涂層中的提高份額的固體潤(rùn)滑劑和/或金屬粉末顆粒。
[0063] 在圖3中示出了由下減摩涂層31和上減摩涂層33組成的滑動(dòng)漆層復(fù)合體30的替代 性構(gòu)造。所述下減摩涂層31施加在基材14上且正好在其表面15上，且所述上減摩涂層33在 所述下減摩涂層31之上。兩個(gè)減摩涂層31和33除了作為基體組分的粘結(jié)劑樹脂16以外根據(jù) 本發(fā)明還具有填料硫化鋅18和硫酸鋇20以及Fe 2〇3 28,但在其它情況下包含不同的另外的 填料組成。在兩個(gè)減摩涂層31和33中，又示例性包含任選的填料、金屬粉末顆粒24和固體潤(rùn) 滑劑顆粒26。此外，在下減摩涂層31的基體中還又包含硬質(zhì)材料顆粒22。上減摩涂層33與此 相反包含更低的粘結(jié)劑份額且不包含硬質(zhì)材料顆粒。如此選擇該組成，從而在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 首先與反向旋轉(zhuǎn)件接觸的上減摩涂層33由于更低的粘結(jié)劑份額可以快速地適應(yīng)配對(duì)件。下 減摩涂層31與之相反首先在磨合過程之后，即在上減摩涂層33磨損之后與反向旋轉(zhuǎn)件接 觸，并由于較高的粘結(jié)劑份額具有較高的摩擦抗力和承載能力。
[0064]與示意圖相反，在上減摩涂層33也可以包含硬質(zhì)材料組分。在此的重點(diǎn)在于低份 額的粘結(jié)劑。
[0065] 圖4以透視圖方式示出了軸承套38,其中使用根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料。 限制滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的層構(gòu)造，使得在未差異顯示的基材14上施加減摩涂層11。基材 本身由至少一個(gè)金屬層組成，其功能可以是多方面的。首先，其用于軸承套的機(jī)械穩(wěn)定。為 此其具有堅(jiān)固的軸承金屬實(shí)心材料或具有在其上設(shè)置有軸承金屬層的鋼支持層。所述軸承 金屬層在兩種情況下承擔(dān)軸承的承載功能。此外其由于自潤(rùn)滑性能和對(duì)臟物顆粒的包埋能 力而也可以設(shè)計(jì)為與滑動(dòng)偶件直接接觸。然后位于其上的是任選的由金屬組成的滑動(dòng)層或 覆蓋層。在該情況下，減摩涂層11單獨(dú)承擔(dān)磨合鍍層的功能。否則減摩涂層11本身可以在選 擇合適的填料的情況下起滑動(dòng)層的作用。當(dāng)然，替代簡(jiǎn)單的減摩涂層11，可以設(shè)置具有不同 功能的滑動(dòng)漆層復(fù)合體，如前文借助于圖2和圖3所解釋那樣。
[0066] 所有滑動(dòng)漆都是低粘度的，從而使得它們?cè)谑┘訒r(shí)，尤其是通過在沒有壓力作用 的噴涂法施加時(shí)形成平滑流動(dòng)的表面。在隨后的干燥過程和固化過程（熱或在UV光下）之 后，滑動(dòng)漆的粘結(jié)劑交聯(lián)或者以化學(xué)或物理方式如此轉(zhuǎn)化，使得滑動(dòng)層在基材上形成形狀 穩(wěn)定的、盡量不溶的且可高負(fù)荷的薄的層。由自身，即沒有壓力影響而形成的平滑的表面使 得即使在已經(jīng)變形的滑動(dòng)元件例如在圖3中示出的軸承套上施涂減摩涂層成為可能。
[0067]圖5示出了用于闡釋根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的層構(gòu)造的原理圖，其中 再一次示例性匯總多個(gè)前述層組合。
[0068]滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料一方面包括具有多個(gè)減摩涂層41，42,43的滑動(dòng)漆層復(fù)合體 40,且另一方面包括由多個(gè)金屬層51，52,53組成的基材50。最下方設(shè)置鋼支持層51作為穩(wěn) 定化元件。以該方式設(shè)置軸承金屬層52。在軸承金屬層52上設(shè)置中間層53作為對(duì)位于其上 的滑動(dòng)漆層復(fù)合體40的增附劑。也可以取決于軸承金屬的組成省略該增附劑，如果軸承金 屬層形成足夠的粘附基底層，例如具有足夠的粗糙度的話。在上側(cè)，也就是在中間層53的背 向鋼支持層51的表面54上施加滑動(dòng)漆層復(fù)合體40。其具有第一減摩涂層41，將其直接施加 在表面54上。可以在功能上將減摩涂層41設(shè)計(jì)為不同的。取決于軸承金屬或中間層的性質(zhì) 它們同樣可以用作位于其上的減摩涂層的增附劑。在該情況下，它們可以包含僅少量或幾 乎不包含填料部分并且因此不必然屬于根據(jù)本發(fā)明的減摩涂層。否則，通過選擇填料組合 可以將它們用于另外提高運(yùn)轉(zhuǎn)安全性，所述組合在其摩擦抗力方面最優(yōu)化，從而可以延緩 軸承材料上的完全滲透，然后磨損在其下設(shè)置的下減摩涂層42。這可以例如通過提高粘結(jié) 劑份額和硬質(zhì)成分的份額產(chǎn)生，其中適應(yīng)性、咬合耐久性和摩擦的性質(zhì)退居次要位置。在此 假定該層首先僅局部和緩慢地暴露并且因此在更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)并不明顯損害整個(gè)表面的 滑動(dòng)性質(zhì)。
[0069] 下減摩涂層42在組成方面根據(jù)本發(fā)明具有硫化鋅和硫酸鋇并且還具有固體潤(rùn)滑 劑和/或金屬粉末，任選地還有硬質(zhì)材料顆粒和/或氧化鐵(III )，所述組成一方面構(gòu)成對(duì)負(fù) 荷能力和摩擦抗力的最佳折衷且另一方面構(gòu)成對(duì)適應(yīng)性、摩擦和咬合耐久性的最佳折衷， 并且因此在預(yù)定使用條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的層。然后在下減摩涂層42上施加符合上文圖2 的上減摩涂層。
[0070] 單個(gè)減摩涂層的特別優(yōu)選的實(shí)施例具有以下成分：
[0071] 實(shí)施例 a:PAI、BaS〇4、ZnS、h-BN、Fe2〇3
[0072] 實(shí)施例 b:PAI、BaS〇4、ZnS、MoS2、Fe2〇3
[0073] 實(shí)施例 c:環(huán)氧樹脂、BaS〇4、ZnS、MoS2、Fe2〇3
[0074] 實(shí)施例d: PEEK、BaS〇4、ZnS、PTFE、Fe2〇3
[0075] 實(shí)施例e:有機(jī)硅樹脂、BaS〇4、ZnS、石墨、Fe203
[0076]為了評(píng)價(jià)減摩涂層或滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的能力，進(jìn)行Underwood測(cè)試。在此旋轉(zhuǎn) 具有在固定安裝的連桿中的偏心配重的軸。連桿中的軸承由試驗(yàn)軸承構(gòu)成。所述試驗(yàn)軸承 具有1.4mm的壁厚和50mm的直徑。在軸承寬度上調(diào)節(jié)具體的負(fù)載，轉(zhuǎn)數(shù)為4000U/m。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 為在100h連續(xù)運(yùn)行之后的滑動(dòng)層疲勞和磨損。結(jié)果為以MPa計(jì)的極限負(fù)載(UW負(fù)載），其中在 最大5 %的滑動(dòng)面上將層磨損直至基材或存在疲勞。
[0077]下表1給出具有鋼襯和CuNi2Si軸承金屬作為基材和基于PAI粘結(jié)劑的不同減摩涂 層且沒有中間層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果。對(duì)照三種對(duì)比材料R1至R3(它們僅包 含硫酸鋇、僅包含硫化鋅或不包含兩種填料)和具有硫酸鋇比硫化鋅的不同比例的根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施例。填料份額基于減摩涂層計(jì)，否則選定各自相等。
[0078]
[0079]在表1中如此選擇BaS04比ZnS的比例，從而根據(jù)本發(fā)明的有利的范圍的效果是明 顯的。在0.1至15.7的比例的范圍內(nèi)，承載能力超過非根據(jù)本發(fā)明的比例的承載能力，在此 為95MPa或更高。在0.8與4.88之間，該值超過lOOMPa，在1.5與3.44之間，在BaSCk/ZnS比例 為2.75時(shí)為11010^的最優(yōu)的最高值.
[0080]下表2給出具有鋼襯和CuSn8Ni軸承金屬作為基材和基于PAI粘結(jié)劑的不同減摩涂 層且沒有中間層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果。將三個(gè)不屬于本發(fā)明的參比實(shí)施例與 具有大致相同比例的硫酸鋇與硫化鋅但具有不同的硫酸鋇和硫化鋅總含量且部分不同的 另外的固體潤(rùn)滑劑M 〇S2填料部分四個(gè)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行對(duì)比。
[0082]在表2中如此選擇BaS04-ZnS混合物的總量，從而根據(jù)本發(fā)明的有利的范圍的效果 是明顯的。在2至25體積％的量范圍內(nèi)，承載能力超過非根據(jù)本發(fā)明的量范圍或根據(jù)本發(fā)明 的較不有利的比例的承載能力，如實(shí)施例9、10、11與參比實(shí)施例R4和R5的對(duì)比所示。R6(78 體積％)與實(shí)施例8(73體積％)的對(duì)比證實(shí)了所有填料一起的含量的過量添加的效果。實(shí)施 例8的承載能力為45MPa，雖然相當(dāng)?shù)?，但這對(duì)于磨合鍍層而言可以是絕對(duì)足夠的。實(shí)施例8 此外比其中總填料量超過75%的限值的非根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例R6明顯更佳。
[0083]下表3給出了具有鋼襯和CuNi2Si軸承金屬作為基材和基于PAI粘結(jié)劑的不同減摩 涂層且沒有中間層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果。具有基本上相同比例和相同總含量 的硫酸鋇與硫化鋅的四個(gè)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，然而其中該填料在兩種情況下以具有2.13 的BaS04/ZnS體積比（具有"L"的量）的鋅鋇白形式附加。變化的還有各固體潤(rùn)滑劑，然而其 在減摩涂層的總組成中的份額相同。此外，在三個(gè)實(shí)施例中使用Fe 2〇3。
[0085] 表3證實(shí)，通過使用鋅鋇白替代由BaS04和ZnS組成的混合物以及使用Fe203可實(shí)現(xiàn) 進(jìn)一步改進(jìn)，最佳地達(dá)到120Mpa的承載能力。
[0086]下表4給出了具有鋼襯和CuNi2Si軸承金屬作為基材和基于不同基體材料的減摩 涂層且沒有中間層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果。將10個(gè)以在前的"R"標(biāo)明的既不包 含硫酸鋇又不包含硫化鋅的對(duì)比材料與具有相同總填料量但不同填料組成的各一種指定 為根據(jù)本發(fā)明的材料進(jìn)行對(duì)比。在此在一種情況下也以鋅鋇白形式(標(biāo)記"L"）附加硫酸鋇 和硫化鋅。
[0089] 在所有情況下，通過以特別優(yōu)選的組成和量使用根據(jù)本發(fā)明的BaS04/ZnS混合物， 實(shí)現(xiàn)了明顯的改進(jìn)。借助于熱塑性塑料PEEK和PES和熱固性環(huán)氧樹脂，實(shí)施例21、23和24顯 示這對(duì)于其它粘結(jié)劑類型如在主要使用PAI的嘗試中的那些也適用。
[0090] 下表5給出了具有兩種不同中間層的具有鋼襯和CuSnlOBi3軸承金屬作為基材和 基于PAI粘結(jié)劑的不同減摩涂層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果。將3個(gè)以在前的"R"標(biāo) 明的既不包含硫酸鋇又不包含硫化鋅的對(duì)比材料與具有不同填料組成的相應(yīng)屬于根據(jù)本 發(fā)明的材料進(jìn)行對(duì)比。在此在一種情況下也以鋅鋇白形式(標(biāo)記"L"）附加硫酸鋇和硫化鋅。
[0092]可以看出，使用中間層并不損害BaS04/ZnS混合物的效果。實(shí)施例26與表4中的實(shí) 施例17的對(duì)比顯示，通過將基材從CuNi2Si改變成CuSnlOBi3,采用Ni中間層也能夠?qū)崿F(xiàn)承 載能力的改進(jìn)。
[0093]下表6給出了沒有中間層的具有不同鋁基基材和基于不同基體材料的不同減摩涂 層的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果。將具有不同的硫酸鋇比硫化鋅的比例和不同的該填 料的總份額的6個(gè)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行對(duì)比。還改變另外的填料份額。最后在此在一種 情況下也以鋅鋇白形式(標(biāo)記"L"）附加硫酸鋇和硫化鋅。
[0095] 結(jié)果顯示，即使在基于鋁的基材上通過將BaS04/ZnS混合物添加至滑動(dòng)漆也能進(jìn) 一步改進(jìn)承載能力。因?yàn)锳1合金比Cu合金不太耐疲勞，所以在測(cè)試時(shí)的負(fù)荷極限經(jīng)常并不 受到減摩涂層限制，而是受基材本身的疲勞限制。在這些情況下，采用"S"標(biāo)明結(jié)果。然而， A1合金的疲勞強(qiáng)度通過漆涂層明顯改進(jìn)并且該改進(jìn)還取決于所使用的漆的類型，如表6中 所明顯看出那樣。
[0096] 附圖標(biāo)記列表
[0097] 10滑動(dòng)漆層復(fù)合體
[0098] 11下減摩涂層
[0099] 12減摩涂層
[0100] 13上減摩涂層
[0101] 14 基材
[0102] 15基材的表面
[0103] 16粘結(jié)劑，基體
[0104] 18 硫化鋅(ZnS)
[0105] 20 硫酸鋇（BaS〇4)
[0106] 22硬質(zhì)材料
[0107] 24金屬顆粒
[0108] 26固體潤(rùn)滑劑
[0109] 28 氧化鐵（III)
[0110] 30滑動(dòng)漆層復(fù)合體
[0111] 31下減摩涂層
[0112] 33上減摩涂層
[0113] 38軸承套
[0114] 40滑動(dòng)漆層復(fù)合體
[0115] 41第一減摩涂層
[0116] 42下減摩涂層
[0117] 43上減摩涂層
[0118] 50金屬層復(fù)合體
[0119] 51鋼支持層
[0120] 52中間層
[0121] 53軸承金屬層
[0122] 54軸承金屬層的表面
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 具有至少25體積％的粘結(jié)劑（16)且具有填料的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)，所 述填料包括硫化鋅(18)和硫酸鋇(20)和可選的另外的填料， 其中，硫化鋅（18)比硫酸鋇（20)的體積比為0.1至15.7，優(yōu)選0.8至4.88，且特別優(yōu)選 1.5至3.44。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述硫化鋅（18)和所述硫酸鋇（20)總計(jì)以2至35體積％，優(yōu)選5至25體 積％的份額包含在總組成中。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述硫化鋅（18)、所述硫酸鋇（20)和所述另外的填料(28)總計(jì)以最高75 體積％的份額包含在總組成中。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述硫化鋅（18)和所述硫酸鋇（20)以具有在0 . Ιμπι至1. Ομπι范圍內(nèi)的d50 值的粉末形式存在。5. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述硫化鋅部分和硫酸鋇部分以鋅鋇白的形式存在。6. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述粘結(jié)劑選自PAI、PI、環(huán)氧樹脂、PBI、有機(jī)硅樹脂和高級(jí)芳族熱塑性塑 料尤其是聚丙烯酸酯、PEEK和PES。7. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，lym至40μηι的厚度。8. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述另外的填料(28)包含至少一種固體潤(rùn)滑劑。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，至少一種固體潤(rùn)滑劑選自具有層結(jié)構(gòu)的金屬硫化物、石墨、六方氮化硼和 PTFE。10. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述另外的填料(28)包含具有不多于10體積％的總份額的至少一種硬質(zhì) 材料。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述至少一種硬質(zhì)材料選自氮化物、碳化物、硼化物、氧化物，尤其是SiC、 Si3N4、B4C3、立方氮化硼、Ti02 和 Si02。12. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述另外的填料(28)包含具有不超過30體積％的總份額的至少一種金屬 粉末。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述至少一種金屬粉末選自元素六8、？13、411、511、41、8;[、(：11和這些元素的合 金。14. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的減摩涂層（11，12，13，41，42，43)， 其特征在于，所述另外的填料（28)包括最多15體積％，優(yōu)選4至10體積％的氧化鐵 (III)。15. 滑動(dòng)漆層復(fù)合體（10,40)，其具有至少兩個(gè)不同組成的根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所 述的減摩涂層。16. 滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料，其具有至少一個(gè)金屬層(51，52,53)和在金屬層(51，52,53) 的表面(54)上施加的根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的減摩涂層(41，42,43)或在金屬層 的表面上施加的根據(jù)權(quán)利要求15的滑動(dòng)漆層復(fù)合體(40)。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料， 其特征在于，在其上施加減摩涂層(41，42,43)或滑動(dòng)漆層復(fù)合體(40)的至少一個(gè)金屬 層(51，52,53)的表面(54)具有1以111至1(^111，優(yōu)選3以111至8以111的粗糙度1^。18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料， 其特征在于，所述至少一個(gè)金屬層(51，52,53)具有由基于以下元素的合金組成的軸承 金屬層（53)，所述元素選自 Cu、Al、Ni、Sn、Zn、Ag、Au、Bi^PFe。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料， 其特征在于，所述至少一個(gè)金屬層(51，52，53)具有由選自以下的合金組成的軸承金屬 層（53):CuSn、CuNiSi、CuZn、CuSnZn、AlSn、AlSi、AlSnS0PAlZn。20. 根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料， 其特征在于，所述至少一個(gè)金屬層(51，52,53)具有鋼支持層(51)和可選地在所述鋼支 持層(51)上施加的由Ni、Ag、Cu或Fe組成的中間層(52)，其中所述軸承金屬層(53)施加在所 述鋼支持層（51)上或者，如果存在的話，施加在所述中間層（52)上，且其中所述減摩涂層 (41，42,43)或所述滑動(dòng)漆層復(fù)合體(40)施加在軸承金屬層(53)的背對(duì)鋼支持層(51)的側(cè) 的表面上。21. 根據(jù)權(quán)利要求16至20中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料在內(nèi)燃機(jī)的軸承元件中 的用途。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的滑動(dòng)軸承層復(fù)合材料的用途，其特征在于，所述軸承元件是 曲軸軸承或連桿軸承的軸承套(30)、連桿套筒或啟動(dòng)盤。
【文檔編號(hào)】F16C33/20GK106029794SQ201480061417
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2014年12月22日
【發(fā)明人】A·亞當(dāng), J·施魯特
【申請(qǐng)人】聯(lián)合莫古爾威斯巴登有限公司