銅合金、銅合金的用途、含銅合金的軸承以及生產(chǎn)由銅合金形成的軸承的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包含硬質(zhì)顆粒和可選的固體潤(rùn)滑劑的銅合金、所述銅合金的用于軸承的用途、由所述銅合金制成的軸承以及生產(chǎn)所述軸承的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在電氣工程領(lǐng)域，包含鐵和磷的無(wú)鉛銅合金以高性能材料而著稱。
[0003]例如，US2009/0010797A1公開(kāi)了一種銅合金制成的條料，該銅合金實(shí)質(zhì)上是Cu-Fe-P類型的合金，其包含0.01%到3.0%重量的Fe和0.01%到3.0%重量的P，并且可進(jìn)一步包含少量的Zn、Sn、Mn、Mg和Ca。其目的是提供一種具有高電導(dǎo)率、高強(qiáng)度和好的柔性的材料，所述材料例如用于電路板。
[0004]US2006/0091792A1公開(kāi)了由銅合金制成的薄膜，該銅合金包含F(xiàn)e和P并且用于平面屏幕。另外，提供了一種用于生產(chǎn)相應(yīng)的薄膜的濺射基材。
[0005]另外，德國(guó)銅研究所(Deutsches Kupferinstitut)的材料數(shù)據(jù)表“CuFe2P”以及關(guān)于“Wieland-K65”的數(shù)據(jù)表描述了用于電子部件的相應(yīng)的銅合金。
[0006]但是，銅合金還例如以“軸承銅”的形式廣泛地應(yīng)用于軸承材料和滑動(dòng)元件。例如通過(guò)在為此目的而專門選出的合金系統(tǒng)中進(jìn)行沉淀硬化或通過(guò)添加硬質(zhì)材料可以增加這些合金的耐磨性。
[0007]在這方面，DE 10 2007 049 383 Al描述了一種復(fù)合材料，尤其是摩擦復(fù)合材料，其包括鋼材料的基材和銅合金的層。其目的是提供一種材料，所述材料可以容易地成型為模塑部件，并且包括耐磨的摩擦層。得到耐磨性是由于該層的銅合金由可硬化的銅合金(例如 CuNiS1、CuNiSiMg、Cu-Cr、Cu-Fe、Cu-(Fe、Co、Ni)-P、CuBe 或 CuMg)構(gòu)成。例如可使用碳鋼、耐熱鋼、表面硬化鋼或氮化鋼作為基材。另外，描述了一種生產(chǎn)該復(fù)合物的方法，其中將銅合金乳制成基材上的膜，并且對(duì)其進(jìn)行各種熱處理。只有在通過(guò)沉淀硬化在摩擦體中形成該復(fù)合物后才能制造出耐磨的表面。
[0008]DE 10 2005 014 302 Al描述了一種生產(chǎn)滑動(dòng)軸承的方法以及相應(yīng)的滑動(dòng)軸承，目標(biāo)在于提供特別優(yōu)良的滑動(dòng)表面。這是通過(guò)蝕刻處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中選擇性地使特定的相析出滑動(dòng)表面的材料，并且其他相仍然留在該表面上。為此目的，使用了在結(jié)構(gòu)中具有至少兩種不同的相組成的多元銅合金。這些相可以通過(guò)沉淀來(lái)形成。其中指出，可包含F(xiàn)e、N1、Mn、Zn 和 Si 的銅鋁多元青銅，以及 CuA113Fe4、5CoMn、CuA115Fe4、5CoMn 和 CuA110Ni5Fe4是合適的材料的例子。通過(guò)選擇用于蝕刻的酸，可以決定是使較硬的相還是使較軟的相留在表面上，這允許對(duì)滑動(dòng)元件的預(yù)期用途進(jìn)行調(diào)整。所制造的蝕刻結(jié)構(gòu)還允許形成減少磨損的潤(rùn)滑劑的容器。
[0009]EP O 962 541 Al描述了一種燒結(jié)的銅基滑動(dòng)材料，其特征在于添加了中等硬度和高硬度的硬質(zhì)材料顆粒。其建議將純銅或銅合金作為基材?？墒褂肅u-Ag基合金或Cu-Pb-Ag基合金來(lái)作為銅合金。另外，這些合金可以包含合計(jì)最多為50%重量的以下添加劑:N1、Sn、P、Al、S1、B1、Mn、Zn、Fe和Sb。通過(guò)特定地添加高硬度的顆粒(所述高硬度的顆粒來(lái)自下述組:金屬氧化物、硼化物、碳化物和氮化物)以及中等硬度的顆粒(所述中等硬度的顆粒例如Fe3P、Fe2P、Fe3B、TiSi2、ZrSi2S NiP)，滑動(dòng)材料得到了良好的滑動(dòng)性能，并與此同時(shí)得到了良好的可加工性。高硬度的顆粒的添加量為0.01%到15%重量，并且其具有0.5 μπι或更大的平均顆粒直徑。中等硬度的顆粒的添加量為0.5%到20%重量，并且其具有50 μπι或更小的平均顆粒直徑。
[0010]將例如通過(guò)霧化制成的含銅粉末與硬質(zhì)材料顆粒相混合，隨后將其鋪在鋼帶上并進(jìn)行燒結(jié)，從而生產(chǎn)軸承材料自身。
[0011]WO 2008/140100Α1公開(kāi)了一種無(wú)鉛的銅基滑動(dòng)材料，其包含Ag-Bi共晶體，并且還包含元素N1、P、Zn以及1%到10%重量的硬質(zhì)材料顆粒，所述硬質(zhì)材料顆粒來(lái)自下述組:Fe3P、Fe2P、FeB、NiB 和 AlN,其平均顆粒尺寸為 1.5 μπι 到 70 μm。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的銅合金。
[0013]通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的合金來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。從引用權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求中可明顯得知本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)選的實(shí)施例。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的合金是銅合金，其包括硬質(zhì)顆粒和可選的固體潤(rùn)滑劑以及以下合金元素:
[0015]最多為約10%重量、優(yōu)選地最多為約8%重量、并且更優(yōu)選地最多為約6%重量的鎳(Ni)；
[0016]最多為約10%重量、優(yōu)選地最多為約8%重量、并且更優(yōu)選地最多為約6%重量的錫(Sn);
[0017]最多為約10%重量、優(yōu)選地最多為約5%重量、更優(yōu)選地最多為約3%重量、并且甚至更優(yōu)選地最多為約2%重量的鐵(Fe);
[0018]從約0.01%到約5%重量、優(yōu)選地最多為約3%重量、并且更優(yōu)選地最多為約
0.5%重量的磷⑵；
[0019]最多為約10%重量、優(yōu)選地最多為約7%重量、并且更優(yōu)選地最多為約2%重量的可選的鋁(Al);
[0020]最多為約5%重量、優(yōu)選地最多為約3%重量、并且更優(yōu)選地最多為約1%重量的可選的鋅(Zn);以及
[0021]作為余量的銅(Cu)和不可避免的雜質(zhì)。
[0022]在這方面，上述僅具有上限的濃度范圍要理解為相應(yīng)的元素以很大的濃度包含在合金中。可以將位于類似的銅合金的通常的雜質(zhì)水平之上的濃度假定為相應(yīng)的下限。這針對(duì)于例如單個(gè)元素 < 約0.01%重量，全部的雜質(zhì)元素的總和 < 約0.2%重量的情況。
[0023]由于其結(jié)構(gòu)構(gòu)造和其物理性能，這樣的銅合金尤其適合于對(duì)軸承的應(yīng)用。從圖1的不同的銅合金的對(duì)比中可明顯看出，硬質(zhì)(材料)顆粒的存在進(jìn)一步提高了銅合金的性能，因?yàn)楹辖鸹w的強(qiáng)度增強(qiáng)并且抗磨性提高。另外，如圖2所示，可選地存在的固體潤(rùn)滑劑通過(guò)降低摩擦狀況而改善了合金的可滑動(dòng)性。總之，例如與傳統(tǒng)的無(wú)鉛燒結(jié)材料CuSn8Nil和CuSnlOBi3.5相比，根據(jù)本發(fā)明的合金的特征在于耐蝕性顯著提高，且與此同時(shí)疲勞強(qiáng)度高并且滑動(dòng)性能更好。疲勞強(qiáng)度的改善也是由于所描述的合金的較高的導(dǎo)熱率。因此，可以更好地消散在使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱并且降低熱負(fù)荷。
[0024]對(duì)合金元素的含量進(jìn)行微調(diào)允許特定地調(diào)節(jié)合金性能以適于使用銅合金的不同條件，尤其是針對(duì)耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度、滑動(dòng)性能和與添加的硬質(zhì)(材料)顆粒和可選的固體潤(rùn)滑劑的相互作用。因此，添加例如位于給定濃度范圍內(nèi)的鎳提高了耐腐蝕性。這可能會(huì)導(dǎo)致在材料表面上的鎳有較高濃度。因此，所形成的層有效地阻止了點(diǎn)蝕和/或面腐蝕。鐵和磷形成了附加的硬質(zhì)顆粒，其增加了抗磨性。錫增加了基體的硬度。與鎳一樣，可選的鋁和鋅增強(qiáng)了耐蝕性。
[0025]關(guān)于上述濃度范圍，以下的銅合金是特別優(yōu)選的:CuNi6Sn5Fe2P0.15，其包括約5.5%到約6.4%重量的N1、約4.5%到約5.4%重量的Sn、約1.5%到約2.4%重量的Fe、約0.145%到約0.154%重量的P以及作為余量的銅(Cu)和不可避免的雜質(zhì)；以及CuSn5Ni4Fe2P0.15，其包括約4.5%到約5.4%重量的Sn、約3.5%到約4.4%重量的N1、約
1.5%到約2.4%重量的Fe、約0.145%到約0.154%重量的P以及作為余量的銅(Cu)和不可避免的雜質(zhì)。這些優(yōu)選的合金在硬度(錫含量)和耐腐蝕性(鎳含量)二者之間采取了有利的折中，并且尤其適用于高性能的連桿軸套。對(duì)于用作連桿軸套的情況來(lái)說(shuō)，較少的錫導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度較低。另一方面，較少的鎳降低了合金的耐腐蝕性能，而較多的鎳僅會(huì)增加合金成本卻難促進(jìn)耐腐蝕性的進(jìn)一步提升。
[0026]優(yōu)選地，包含在銅合金中的硬質(zhì)顆粒包括氧化物、碳化物和/或氮化物，例如c_BN、Si02、Al203、Zr02、SiC和/或Si3N4。也可以是內(nèi)在地形成的硬質(zhì)顆粒，例如Fe-P硬質(zhì)顆粒。硬質(zhì)顆粒的特征在于，其硬度比合金基體的硬度更大，并且因此提高了材料整體上的耐磨性。另外，有利的是，將高硬度的顆粒嵌入相對(duì)較軟的基體中，例如嵌入根據(jù)本發(fā)明的銅合金中，因?yàn)檫@樣可以最佳地補(bǔ)償作用在顆粒上的力，并且可靠地將顆粒嵌入。
[0027]此外，優(yōu)選地，硬質(zhì)顆粒具有小于約15 μπι的顆粒尺寸。該顆粒的優(yōu)選的尺寸范圍呈現(xiàn)出所述顆粒在合金基體中良好地分布和抗磨性和基體強(qiáng)度的最大提升二者之間的最優(yōu)折中。顆粒尺寸的下限是約lOOnm。如果顆粒太大，即大于大約15 μm，則其會(huì)損傷軸承并且被驅(qū)離潤(rùn)滑劑溝。如果顆粒小于約lOOnm，則與抗磨性相比更明顯的是強(qiáng)度的增強(qiáng)。但是，取決于重量比例，可能會(huì)產(chǎn)生拋光效應(yīng)，這會(huì)損傷軸承的反向部件。另一方面，由于強(qiáng)的粘附力，非常細(xì)的顆粒傾向于聚集。當(dāng)顆粒尺寸減小時(shí)該機(jī)制會(huì)增強(qiáng)。但是，為了顆粒的最佳效果，均勻的分布是必需的。這通過(guò)研磨和混合工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)顆粒尺寸處于特定的下限時(shí)，研磨和剪切力不再足以將添加物均勻度分散在合金基體中以及阻止凝聚。
[0028]進(jìn)一步優(yōu)選的是，銅合金包含最多為約10%重量的硬質(zhì)顆粒和/或最多為約10%重量的固體潤(rùn)滑劑。首先，硬質(zhì)顆粒的含量確保存在足夠的硬質(zhì)顆粒以實(shí)現(xiàn)對(duì)抗磨性和基體強(qiáng)度的可測(cè)量的提升。其次，確保不會(huì)由于硬質(zhì)顆粒的含量過(guò)高而不利地改變合金基體的有利性能。另外，該優(yōu)選的濃度范圍允許特定地調(diào)節(jié)材料性能。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域中的特定需求，可設(shè)置銅合金中的硬質(zhì)顆粒的含量較高或較低。例如，可將分別為0.01 %重量或者合計(jì)為0.2%重量的值假定為硬質(zhì)顆粒的含量的下限。
[0029]可選地存在于銅合金中的固體潤(rùn)滑劑優(yōu)選地是六方氮化硼(h-BN)和/或石墨。根據(jù)本發(fā)明，固體潤(rùn)滑劑的含量確保得到所需的摩擦狀況的減小，但是另一方面避免由于過(guò)高的含量而導(dǎo)致機(jī)械弱化以及耐磨性降低。h-BN和石墨這兩種材料均由于其原子結(jié)構(gòu)而成為優(yōu)良的潤(rùn)滑劑，可將其包含入銅合金中以用于永久性潤(rùn)滑