無(wú)鋅噴涂粉末、含銅熱噴涂層以及含銅熱噴涂層的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及用于熱涂布基底，尤其用于熱涂布軸承裝置的軸承部件的無(wú)鋅噴涂粉末，該噴涂粉末除了不可避免的雜質(zhì)外具有如下組成：錫＝5％至30％重量；鋁＝0.1％至5％重量；鐵＝最多1％重量；銅＝至100％重量的差值。本發(fā)明進(jìn)一步涉及通過(guò)熱噴涂施加的層體系；工件，尤其連桿，以及制備該噴涂層的噴涂方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】無(wú)鋅噴涂粉末、含銅熱噴涂層以及含銅熱噴涂層的制備方法
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)鋅熱噴涂粉末，由該噴涂粉末制備的含銅表面層，尤其是在軸承裝置的軸承部件上的表面層，以及按照各類(lèi)獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分施加此表面層的方法。
[0002]所有類(lèi)型的軸承裝置，例如，滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承(rolling element bearing),占據(jù)了在本領(lǐng)域中所使用的軸承的主要部分。術(shù)語(yǔ)軸承或軸承裝置在下文應(yīng)理解為限定軸承功能的部件，其在支承接觸中進(jìn)行配合，例如彼此間滾壓(rolling off)或滑動(dòng),或彼此相互支承。
[0003]在支承接觸中配合的軸承面處產(chǎn)生的摩擦，通常與尤其是在軸承面處的磨損現(xiàn)象相關(guān)。在這方面，在機(jī)械工程中幾乎不可勝數(shù)的實(shí)施方案中使用滑動(dòng)軸承。例如，滑動(dòng)軸承用作往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)中的曲軸軸承，用作連桿軸承，用作壓縮軸承(compressionbearing),用作十字頭軸承,用作螺旋槳軸軸承,或用于許多其它的應(yīng)用。
[0004]例如，在W000/23718中公開(kāi)了滑動(dòng)軸承及滑動(dòng)軸承的制備方法，其中由白色金屬構(gòu)成的涂層被合金化至由鐵材料構(gòu)成的軸承上。然而，形成合金需要存在液體合金成分，以便在涂布過(guò)程中相應(yīng)地釋放出相應(yīng)量的熱，由此，不僅使白色金屬熔化，而且在軸承部件上側(cè)的接觸面上產(chǎn)生由熔融基體材料(base material)構(gòu)成的金屬浴。由此產(chǎn)生的白色金屬和鐵材料的熔體可以彼此合金化，伴隨大量的FeSn2形成。相應(yīng)地，在此方面，形成了很大程度上包含F(xiàn)eSn2的較厚的連接區(qū)域。此連接區(qū)域?qū)嶋H上的確在基體材料和所述涂層之間產(chǎn)生良好的冶金連接；但是FeSn2代表非常脆的材料，因此對(duì)于已知的軸承構(gòu)造的小負(fù)載已可發(fā)生裂紋和脆性斷裂形成。此外，在不適當(dāng)冷卻的情況下，會(huì)發(fā)生靠近涂層的鐵材料至馬氏體的轉(zhuǎn)變，其同樣是非常脆的，從而進(jìn)一步加劇上述的缺陷。
[0005]后果是，由于基體材料的鋼 和白色金屬軸承層之間較厚的中間區(qū)域內(nèi)的高脆性和小的延展性，導(dǎo)致對(duì)于初始所述類(lèi)型的軸承產(chǎn)生相應(yīng)短的使用壽命。
[0006]為避免該結(jié)果，還已知可通過(guò)離心澆鑄，將由軸承金屬例如白色金屬構(gòu)成的涂層施加至軸承。在這方面，實(shí)際上的確不會(huì)發(fā)生由熔融的基體材料構(gòu)成的金屬浴的形成。然而，在離心澆鑄過(guò)程中施加的白色金屬凝固過(guò)程中，可以發(fā)生合金成分的分離，其中由Cu6Sn5構(gòu)成的針狀晶體的首先形成，然后是由SbSn構(gòu)成的立方晶體形成，最后剩余的富錫基質(zhì)凝固。
[0007]Cu6Sn5的密度較大，SbSn的密度小于液態(tài)時(shí)間更長(zhǎng)的基質(zhì)的密度。Cu6Sn5晶體相應(yīng)地徑向向外移動(dòng)，在此方面削弱白色金屬涂層連接基體材料的區(qū)域，這同樣會(huì)對(duì)使用壽命產(chǎn)生不良影響。
[0008]為避免這些問(wèn)題以及相關(guān)問(wèn)題，W02007/131742A1中提出了滑動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的制造方法，其中至多10 μ m厚的相對(duì)薄的包含F(xiàn)eSn2的連接區(qū)域在純的白色金屬層與含鐵的基體材料之間形成。
[0009]然而這種解決辦法，僅代表一種折衷，因?yàn)镕eSn2層實(shí)際上相對(duì)薄，但還存在，以致脆生斷裂和裂紋形成的問(wèn)題仍然未被最終解決。尤其對(duì)于暴露于巨大高負(fù)荷的滑動(dòng)軸承例如內(nèi)燃機(jī)的曲軸軸承，脆性斷裂和裂紋形成問(wèn)題持續(xù)存在，因?yàn)楦鶕?jù)W02007/131742A1的滑動(dòng)軸承的形變能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。
[0010]為從根本上避免這些問(wèn)題和防止在軸承面處磨損的情況中而更換整個(gè)軸承，軸承殼(bearing shell)也尤其用于滑動(dòng)軸承中，所述軸承殼安裝在軸承中并且可在其磨損后被更換，即使用帶有軸承殼的所謂剖分式滑動(dòng)軸承(divided plain bearing)。在某種程度上，在滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承中也部分地使用結(jié)合儲(chǔ)存(combined storage)。軸通常由鍛造鋼或包含球狀石墨的鑄鐵構(gòu)成，相應(yīng)部件也可由回火鋼制造，或燒結(jié)，或有時(shí)由可鍛鑄鐵制造。軸承殼通常被認(rèn)為是所謂的兩層軸承或三層軸承。
[0011]然而，在這方面，滑動(dòng)軸承的構(gòu)造設(shè)計(jì)是顯著復(fù)雜的，且另外隨著軸承殼的更換，成本密集的維護(hù)過(guò)程變得必要。另外，這種軸承殼的制造較復(fù)雜和昂貴。對(duì)于機(jī)器的高運(yùn)行性能，軸承殼過(guò)早地磨損如此多以致更換軸承殼變得必要，其中如上述，在此類(lèi)機(jī)器中更換軸承殼涉及高成本。
[0012]然而，軸承部件的過(guò)早磨損，這是指，例如滾珠軸承的滾珠、由滾珠軸承支承的軸、滾珠軸承的滾珠的保持器(cage)或其它軸承部件的磨損，是對(duì)于其它類(lèi)型軸承例如滾珠軸承的一個(gè)基本問(wèn)題，該問(wèn)題導(dǎo)致用于修理和維護(hù)的大量精力并最終涉及大量成本。
[0013]為解決這些及其它問(wèn)題，EP1637623B1中提出利用熱涂布法的用于在軸承部件上制造軸承層(bearing layer)的噴涂粉末,所述噴涂粉末包含至多30%鋅,至多10%錫,至多3%硅，至多7%鋁，至多2%鐵，至多4% (錳)，至多3%鈷，至100%的剩余差的銅。在這方面所有數(shù)值均為重量 百分比。
[0014]因此EP1637623B1提供噴涂粉末，采用該粉末利用熱涂布法將含銅的表面層施加至軸承部件，使得關(guān)于例如通過(guò)離心澆鑄施加的白色金屬涂層的問(wèn)題如同關(guān)于具有軸承殼的復(fù)雜剖分式軸承的問(wèn)題同樣地避免。
[0015]依據(jù)EP1637623B1的噴涂粉末的主要成分，在這點(diǎn)上一方面是鐵、鈷、錳和硅，它們?cè)诶鋮s時(shí)以硬質(zhì)相的形式作為金屬間相或連接區(qū)域(connections)沉積在該噴涂層中，從而在所述層中產(chǎn)生隔離區(qū)域，其形成空間上隔離的金屬間相的硬質(zhì)相或形成鐵、鈷、錳和硅的連接區(qū)域。該硬質(zhì)相形成相對(duì)的硬質(zhì)區(qū)域，即具有高硬度的區(qū)域，另外含Cu的相對(duì)軟質(zhì)基體基質(zhì)(soft base matrix)基本由銅、鋁和鋅組成并因此形成銅-鋁-鋅基體基質(zhì)，其形成相對(duì)于硬質(zhì)相的封閉區(qū)域軟的含銅基體基質(zhì)。
[0016]雖然由依據(jù)EP1637623B1的噴涂粉末形成的噴涂軸承層已證明了優(yōu)異的工作機(jī)械性能，但令人遺憾的發(fā)現(xiàn)，至少對(duì)于特定的應(yīng)用，鋅含量會(huì)導(dǎo)致鋅磨損(zinc abrasion)進(jìn)入潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑油中，其尤其，取決于所用潤(rùn)滑油的化學(xué)組成，會(huì)導(dǎo)致一種類(lèi)型的潤(rùn)滑油的Zn污染，并因此負(fù)面影響其性能。此外，依照EP1637623B1的噴涂粉末的制備是稍微復(fù)雜的且在此方面由于其相對(duì)復(fù)雜的組成而是昂貴的。
[0017]因此，本發(fā)明的目的在于通過(guò)施加熱噴涂層來(lái)改善軸承部件表面的滑動(dòng)性能，并提出改進(jìn)的和從構(gòu)造觀點(diǎn)方面上簡(jiǎn)單的軸承裝置，其尤其避免了與現(xiàn)有技術(shù)已知的鋅磨損相關(guān)的問(wèn)題。因此本發(fā)明更進(jìn)一步的目的在于提供熱噴涂粉末，所述粉末具有盡可能簡(jiǎn)單的化學(xué)組成，通過(guò)其可在軸承部件上制造該軸承層。
[0018]滿足這些目的的本發(fā)明的主題是由照各類(lèi)別的獨(dú)立權(quán)利要求的特征來(lái)表現(xiàn)特征的。
[0019]各從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明特別有利的實(shí)施方案。[0020]本發(fā)明因而涉及用于基底的熱涂布，尤其是軸承裝置的軸承部件的熱涂布的無(wú)鋅粉末，該噴涂粉末除了不可避免的雜質(zhì)外具有如下組成:錫=5%到30%重量,招=0.1%到5%重量,鐵=最多1%重量,銅=至100%重量的差值。
[0021]按照本發(fā)明噴涂粉末的第二個(gè)重要特征是相對(duì)高的錫含量。
[0022]因此按照本發(fā)明提供噴涂粉末，利用該噴涂粉末可通過(guò)熱涂布法將含銅表面層施加至基底。
[0023]在這方面，一方面，根據(jù)本發(fā)明的噴涂粉末不含任何鋅，這是至關(guān)重要的，使得現(xiàn)有技術(shù)中已知的含鋅表面層的破壞作用可以避免。尤其是，通過(guò)鋅磨損帶來(lái)的潤(rùn)滑劑的鋅污染因此完全不會(huì)出現(xiàn)，如說(shuō)明書(shū)中所提及的，這通常例如通過(guò)潤(rùn)滑軸承部件的油的含鋅表面層引起。
[0024]第二個(gè)重要特征是錫含量為5%至30%重量，與相對(duì)低的鋁比例，其為0.1%到最
多5%重量。
[0025]在這方面，原則上已知，在一方面，鋁可以具有在機(jī)械性能上的強(qiáng)的積極影響，而且可特別顯著地提高熱噴涂層的耐腐蝕性。所以，迄今在現(xiàn)有技術(shù)中認(rèn)為相對(duì)高的Al含量對(duì)于保證熱噴涂層的良好的耐腐蝕性的必要的。但是，在另一方面，還已經(jīng)表明，在熱噴涂層中高比例的鋁可導(dǎo)致在熱噴涂過(guò)程中在所述熱噴涂層內(nèi)形成增長(zhǎng)量的鋁氧化物(主要是Al2O3)，這進(jìn)而消極影響熱噴涂層的摩擦性能。
[0026]本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在于，對(duì)于噴涂粉末中的高鋁含量，可在該熱噴涂層中形成鋁基質(zhì)，其中可以程度不同地分布分離的錫相。由于熱噴涂過(guò)程中較高的冷卻速率和固化速率，一部分的錫可沉積在鋁基質(zhì)中的飽和溶液中。然后剩余的錫以具有亞臨界(subcritical)粒度的顆粒形式存在，由此它們以這樣的顆粒形式存在，所述顆粒在招基質(zhì)中以過(guò)小的粒度形成以致于負(fù)面影響所述層的所謂的抗擦傷性能，這意味著彼此摩擦的滑動(dòng)配合件(sliding partner),例如軸承的滑動(dòng)配合件,顯示漸漸地傾向于擦傷,這由于顯然的原因自然必須防止。
[0027]另一方面，高錫含量可顯著改善熱噴涂層的抗擦傷性能，使得利用本發(fā)明的噴涂粉末，能最終形成熱噴涂層，該噴涂粉末同時(shí)優(yōu)化熱噴涂表面層，尤其熱噴涂軸承層的所有重要性能。然而，在這方面，由于熱噴涂層會(huì)相反過(guò)快機(jī)械磨損，錫含量可以不超過(guò)預(yù)定限值。
[0028]這意味著，根據(jù)本發(fā)明0.1% -至多5%重量的較低的鋁含量與至少5% -最多30%重量的鋅含量的組合，產(chǎn)生熱噴涂粉末，利用其首先可以制造熱噴涂層，同時(shí)優(yōu)化了熱噴涂層的抗擦傷性能和耐腐蝕性以及優(yōu)化了摩擦性能，由此優(yōu)化了盡可能小的熱噴涂層的摩擦系數(shù)。本發(fā)明在這方面的一個(gè)主要的發(fā)現(xiàn)是，在根據(jù)本發(fā)明的噴涂粉末的組成中
0.1% -5%重量的相對(duì)小比例的的鋁，一方面足以保證在熱噴涂層中的充分的耐腐蝕性，和同時(shí)抑制不期望的鋁氧化物(主要是Al2O3)的形成至足夠低的程度。
[0029]對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的噴涂粉末的優(yōu)選實(shí)施方案，所述噴涂粉末包含15% -25%重量的錫，優(yōu)選20%重量的錫。
[0030]在這方面,所述噴涂粉末可特別地含有0.5% -2%重量的招,優(yōu)選I %重量的招，和/或至多0.5%重量的鐵，優(yōu)選至多0.2%重量的鐵。在這方面，在特別的實(shí)施方案中，鐵可以為不存在至不可避免的臨界量。[0031]實(shí)際上，所述熱噴涂粉末的顆粒的粒度為5 μ m-120 μ m，優(yōu)選為10 μ m_60 μ m，取決于應(yīng)用，也可為例如60 μ m-120 μ m。
[0032]在此方面，本發(fā)明的噴涂粉末可以本身已知的方式，例如，通過(guò)氣體霧化、水霧化、燒結(jié)、噴涂干燥、機(jī)械合金化制造或者可以任何其他合適的方式制造。
[0033]本發(fā)明進(jìn)一步涉及通過(guò)熱噴涂施加的無(wú)鋅層體系。在此方面，該層體系包含至少一個(gè)表面層，尤其是軸承裝置的軸承部件的軸承層，該軸承層除了不可避免的雜質(zhì)外具有如下組成:錫=5%到30%重量,招=0.1%到5%重量,鐵=最多1%重量,銅=至100%重量的差值。
[0034]在此方面，本發(fā)明的層體系的表面層可包含15%到25%重量的錫，優(yōu)選20%重量的錫，和/或所述表面層可包含0.5%到2%重量的鋁，優(yōu)選I %重量的鋁，和/或所述表面層包含至多0.5%重量的鐵，優(yōu)選至多0.2%重量的鐵。在特殊情況中，除了不可避免的雜質(zhì)外，鐵也可以完全不存在。偶然的，例如，在本發(fā)明的層體系中可以存在不可避免的量的多種氧化物或不可避免的工藝氣體殘留，如惰性氣體，氮?dú)獾鹊?，所述層體系例如可以通過(guò)熱噴涂法形成，該表面層具有例如0.5%到5%體積，尤其1%到3%體積的孔隙率。
[0035]在一個(gè)實(shí)際上重要的實(shí)施方案中，本發(fā)明的層體系可額外包含含有錫的外部頂層，該外部頂層優(yōu)選可直接在由本發(fā)明的噴涂粉末制得的無(wú)鋅層表面層上提供，其中，在一個(gè)重要的實(shí)施方案中，該外部頂層除不可避免的雜質(zhì)外僅包含錫。在這個(gè)方面，該外部頂層在特殊情況中可為具有本身已知功能的跑合層(running in layer),其在現(xiàn)有技術(shù)中已知的跑合過(guò)程中至少部分改變或可替換地磨損，其中，例如，軸承的相對(duì)跑合配合件(counterrunning-partners)幾何結(jié)構(gòu)上理想地彼此協(xié)調(diào)(tuned)或可替換地跑合。
[0036]本發(fā)明最后還涉及工件，尤其是涉及具有以上詳述的層體系的用于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的連桿，還涉及采用本發(fā)明中的噴涂粉末在工件上制造本發(fā)明的層體系，尤其在軸承的軸承部件上制造表面層的噴涂方法，其中所述噴涂方法可以是熱噴涂法，尤其是大氣等離子噴涂法、真空等離子噴涂法、`HVOF法、火焰噴涂法或冷氣體噴涂法。
【權(quán)利要求】
1.用于熱涂布基底，尤其用于熱涂布軸承裝置的軸承部件的無(wú)鋅噴涂粉末，該噴涂粉末除了不可避免的雜質(zhì)外具有如下組成: 錫=5%M 30%重量； 招=0.1%至5%重量； 鐵=最多1%重量； 銅=至100%重量的差值。
2.如權(quán)利要求1所述的噴涂粉末，其中該噴涂粉末包含15%至25%重量的錫含量，優(yōu)選20%重量的錫。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的噴涂粉末，其中該噴涂粉末包含0.5%至2%重量的鋁含量，優(yōu)選I %重量的鋁。
4.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的噴涂粉末，其中該噴涂粉末包含最多0.5%重量的鐵含量，優(yōu)選最多0.2%重量的鐵。
5.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的噴涂粉末，其中該噴涂粉末的顆粒的粒度為5μπι至120 μ m, 10 μ m M 60 μ m。
6.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的噴涂粉末，其中該噴涂粉末通過(guò)氣體霧化、水霧化、燒結(jié)、急驟干燥或機(jī)械合金化制造。
7.通過(guò)熱噴涂施加的無(wú)鋅層體系，具有表面層，尤其在軸承裝置中的軸承部件的軸承層，除不可避免的雜質(zhì)外其具有如下組成: 錫=5%M 30%重量； 招=0.1%至5%重量； 鐵=最多1%重量； 銅=至100%重量的差值。
8.如權(quán)利要求7所述的層體系，其中該表面層包含15%至25%重量的錫含量，優(yōu)選20%重量的錫。
9.如權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的層體系，其中該表面層包含0.5%至2%重量的鋁含量，優(yōu)選I %重量的鋁。
10.如權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的層體系，其中該表面層包含最多0.5%重量的鐵含量，優(yōu)選最多0.2%重量的鐵。
11.如權(quán)利要求7-10任一項(xiàng)所述的層體系，其中該表面層的孔隙率為0.5%至5%體積，尤其I %至3%體積。
12.如權(quán)利要求7-11任一項(xiàng)所述的層體系，其中提供包含錫的外部頂層。
13.如權(quán)利要求12所述的的層體系，其中該外部頂層除不可避免的雜質(zhì)外僅包含錫。
14.具有如權(quán)利要求7-13任一項(xiàng)所述的層體系的工件，尤其用于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的連桿。
15.用于使用如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的噴涂粉末,在如權(quán)利要求14所述的工件上制備如權(quán)利要求7-13任一項(xiàng)所述的層體系的噴涂方法，尤其用于在軸承裝置的軸承部件上制備表面層，其中所述噴涂方法為熱噴涂法，尤其是大氣等離子噴涂法、真空等離子噴涂法、HVOF法、火焰噴涂法或冷氣體噴涂法。
【文檔編號(hào)】C23C4/08GK103556097SQ201310335853
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月1日
【發(fā)明者】B·迪斯特勒, P·厄恩斯特 申請(qǐng)人:蘇舍美特科公司