專利名稱：滑動軸承、制備方法以及內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過冷噴涂(Cold Spray)或冷氣動力噴涂(Cold GasDynamic Spray) 法制備或形成的滑動軸承(以曲軸軸承為例)，所述滑動軸承具有可提高其耐用性和性能的組成。本發(fā)明還涉及制備所述滑動軸承的方法，以及具有至少一個如上所述的滑動軸承的內(nèi)燃(IC)機(jī)。
背景技術(shù)：
大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)，如二沖程發(fā)動機(jī)和奧托(Otto)/柴油循環(huán)四沖程發(fā)動機(jī)，都包括一個或多個連接至連桿的往復(fù)活塞，該連桿將活塞的線性運(yùn)動轉(zhuǎn)換為軸(稱為曲軸)的旋轉(zhuǎn)?；钊木€性運(yùn)動是在“爆發(fā)”沖程過程中產(chǎn)生的，并且被轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)，這對驅(qū)動車輛和進(jìn)行其他工作是有用的。內(nèi)燃機(jī)操作簡單并且在理論上是公知的，但是由于涉及高負(fù)荷，因此必須避免曲軸出現(xiàn)過度的徑向和軸向移動，否則將會極大地降低發(fā)動機(jī)的耐用性和可靠性。約束曲軸以避免其出現(xiàn)徑向和軸向移動的部件稱為軸承。此外，一些內(nèi)燃機(jī)還具有也是通過軸承的方式加以約束的其他可旋轉(zhuǎn)的軸(如凸輪軸、平衡軸等)。換句話說，軸承是具有這樣表面的任何元件，該表面直接(或通過固體或液體潤滑劑)抵靠在發(fā)生相對滑動運(yùn)動的另一個表面上。軸承的主要目的在于將負(fù)荷從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個滑動表面上。幾乎所有發(fā)動機(jī)都最少具有兩個主軸承，這兩個主軸承分別在曲軸的兩個末端， 并且它們通常具有比曲軸銷的數(shù)目多一個的軸承。主軸承的數(shù)目是兼顧由較多的軸承所帶來的額外的尺寸、成本和穩(wěn)定性以及由較少的軸承所帶來的緊湊性和輕質(zhì)這兩方面的效果而做的折衷。這兩方面都具有性能上的優(yōu)點(diǎn)，這是因為曲柄越短、越穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)的平衡性就越好。二十世紀(jì)初，內(nèi)燃機(jī)中常常具有許多軸承約束著曲軸，這是因為這些老式發(fā)動機(jī)不能接受很高的轉(zhuǎn)速(每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù))并且產(chǎn)生的動力并不顯著。就所產(chǎn)生的動力的量而言，這些發(fā)動機(jī)的能量效率通常較低且燃料消耗也高。在二十世紀(jì)六十年代這十年之后，發(fā)動機(jī)的發(fā)展主要集中在提高能量效率，所得到的發(fā)動機(jī)更小、更有力，結(jié)果，它們的轉(zhuǎn)速高得多，因而動力增強(qiáng)。這些因素的組合(高轉(zhuǎn)速和動力的增強(qiáng))使軸承得到高度發(fā)展。鑒于燃料的高成本和全球變暖，相對于產(chǎn)生的動力使燃料消耗降低這是極為重要的任務(wù)，因此，如今制造更高效和更有力的小型發(fā)動機(jī)的趨勢比以往更加強(qiáng)烈。此外重要的是，需要注意，許多內(nèi)燃機(jī)采用滑動軸承取代其他類型的軸承(即輥等)來約束內(nèi)燃機(jī)的可旋轉(zhuǎn)軸。通常將滑動軸承設(shè)計成在流體動力學(xué)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，但是最終，主要在發(fā)動機(jī)啟動的過程中，一個表面接觸另一滑動表面，這會產(chǎn)生熱量并加速其中至少一個表面的磨損。
具體就配有滑動軸承的發(fā)動機(jī)而言，曲軸是通過一系列軸向隔開的軸承(兩個、 三個、四個、五個、七個等)被約束在發(fā)動機(jī)組內(nèi)。每個滑動軸承包括位于機(jī)組的弓形凹部中的滑動軸承上半部，以及通過拴固在該發(fā)動機(jī)組上的支承性軸承蓋緊緊抵靠該軸承上半部夾持的滑動軸承下半部。最初，滑動表面是被澆鑄到外殼內(nèi)的，但隨著技術(shù)的改進(jìn)，軸承襯里被施加到結(jié)實(shí)的背襯支承件(backing support)(即鋼板)上。適合用于襯里的金屬包括鉛基合金、錫基合金、銅基合金(通常為銅-鉛和銅-鉛-錫)和鋁合金(通常為鋁-錫-銅、鋁-硅-錫和鋁-錫-銅-硅合金)。通常，滑動軸承的制備方法包括通過以下方式使鋁基合金結(jié)合到鋼支承表面上， 所述方式為使這兩種材料帶一起穿過旋轉(zhuǎn)的圓筒體，這樣，這兩種材料帶通過機(jī)械變形而使得其總厚度降低，從而在襯里合金和背襯鋼之間提供一定的結(jié)合強(qiáng)度。采用被歸為熱噴涂類(即高速氧燃料-HV0F)的沉積法、線材噴涂(wire spray) 和等離子噴涂，開發(fā)了一些可供替換的用于在支承性背襯鋼上提供軸承表面的制備方法。一些現(xiàn)有文獻(xiàn)中示出了制備滑動軸承的方法，以下簡述其中一部分。專利文獻(xiàn)GB 1 083 003涉及HVOF方法，其采用噴槍和作為原料的線材在鋼材上構(gòu)建軸承襯里。由于沉積材料被加熱至約為原料熔點(diǎn)的溫度，因此部分已加熱的材料可以以半熔融態(tài)沉積，所以該沉積方法必然產(chǎn)生一些孔隙和氧化物。此外，專利文獻(xiàn)GB 2 130 250是十分類似的被稱為等離子噴涂法的另一個例子， 其制備具有施加到背襯支承層上的功能層的多層材料。盡管該方法不同于第一份文獻(xiàn)中的方法，但該方法具有同樣的缺點(diǎn)(涂層多孔并呈現(xiàn)出高的氧化物含量)。美國專利6，416，877要求保護(hù)一種軸承，其中鋁-錫-銅合金通過HVOF方法沉積為覆蓋層。該專利還要求保護(hù)其他的基于鉛的軟金屬第二相并添加有最高達(dá)20重量％的氧化鋁的材料組合物。盡管對HVOF方法的工藝參數(shù)做了調(diào)整以避免材料氧化，但沉積時溫度仍然很高，足以使材料部分熔融并產(chǎn)生一定含量的會影響涂層性能的氧化物。另一文獻(xiàn)(專利申請DF 10 2004 043 914 Al)涉及用抗摩擦金屬-銅合金(具體為銅-錫合金、銅-鉛合金、銅-鋁合金、錫-鉛或鋁-錫合金)涂覆的滑動軸承部件。這種通過冷氣注射制得的抗摩擦材料被應(yīng)用到靜液壓機(jī)(hydrostatic displacement machine) 中，特別是用于軸向活塞機(jī)中，作為半軸承、軸套或分配盤(distribution disk)。該專利申請旨在采用所述制備方法來替代最初用于將主要部分連接至抗摩擦金屬的焊接法。上述所有這些現(xiàn)有文獻(xiàn)披露的軸承制備方法都具有一些不妥之處/缺點(diǎn)，而本發(fā)明不存在這些不妥之處/缺點(diǎn)。在本發(fā)明之前，沒有這樣的滑動軸承，該軸承是通過冷噴涂法或冷氣動力噴涂法制備的，并同時具有高的抗咬合(scuffing)性和耐磨性這樣相對立的特性，并且還具有高的負(fù)荷能力。另外，在本發(fā)明之前，也沒有這樣的滑動軸承制備方法，該方法采用冷噴涂或冷氣動力噴涂來涂覆復(fù)合材料，使所得的軸承具有高的抗咬合性和耐磨性這樣相對立的特性。本發(fā)明的一個目的在于提供一種形成滑動軸承襯里的方法，該軸承襯里提供比現(xiàn)有的雙金屬軸承更好的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的滑動軸承的主要創(chuàng)新方面在于存在有通過冷噴涂或冷氣動力噴涂設(shè)置的復(fù)合襯里材料(與發(fā)動機(jī)軸的滑動表面接觸的材料)。該材料可應(yīng)用于雙金屬或三金屬軸承設(shè)計上，這是因為其主要目的在于改善主要取決于表面性質(zhì)的軸承特性(負(fù)荷能力、抗卡咬(seizure)性和耐磨性)。因此，幾微米的厚度就足以改善軸承性能。將該材料沉積成層，對該層進(jìn)行后處理以形成充足而有效的滑動軸承襯里。使用通過冷噴涂或冷氣動力噴涂所施加的復(fù)合材料能夠獲得優(yōu)良的抗咬合性和耐磨性。復(fù)合材料是由鋁合金粉末以及陶瓷顆粒和防卡咬材料制成的，它們均是在通過冷噴涂或冷氣動力噴涂進(jìn)行沉積之前，采用機(jī)械共混的方式提供的。本發(fā)明的滑動軸承的制備方法優(yōu)選具有以下步驟獲得粉末混合物、準(zhǔn)備基底、通過冷噴涂或冷氣動力噴涂來沉積粉末混合物、進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理的操作。


圖1為本發(fā)明的滑動軸承體的示意圖。圖2為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的滑動軸承襯里的平衡材料(balance material)的顯微圖。圖3為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的滑動軸承襯里的陶瓷材料的顯微圖。圖4為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的滑動軸承襯里的防卡咬材料的顯微圖。圖5為本發(fā)明滑動軸承與其他兩種基準(zhǔn)材料的抗咬合性對比圖。圖6為本發(fā)明滑動軸承與其他兩種基準(zhǔn)材料的耐磨性對比圖。圖7為本發(fā)明滑動軸承與其他兩種基準(zhǔn)材料的動態(tài)測試負(fù)荷對比圖。圖8示出通過冷噴涂法制備的復(fù)合涂層的橫截面。圖9示出蝕刻后的、通過冷噴涂法制備的復(fù)合涂層(亞氯酸鐵)。
具體實(shí)施例方式如上所述，本發(fā)明涉及具有新穎性和創(chuàng)造性的滑動軸承1、10及其制備方法，另外還涉及具有至少一個所述滑動軸承的內(nèi)燃機(jī)。首先，重要的是需要指出，本發(fā)明滑動軸承的優(yōu)選實(shí)施方案理想的是作為連桿軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，但是本發(fā)明的構(gòu)思完全可應(yīng)用于任何類型的軸承?；瑒虞S承可分類為雙金屬或三金屬型。
雙金屬滑動軸承具有施加有襯里的結(jié)構(gòu)。而三金屬軸承還具有施加有襯里的中間層，在苛刻的環(huán)境條件(例如多灰塵環(huán)境)中工作的發(fā)動機(jī)使用這樣的產(chǎn)品是有利的。在圖1中，用符號1表示雙金屬軸承，用符號10表示三金屬軸承。本發(fā)明的滑動軸承體1、10包括支承結(jié)構(gòu)2，通過冷噴涂使得滑動軸承襯里3與該支承結(jié)構(gòu)結(jié)合，該軸承襯里是要直接面向其他滑動表面(即發(fā)動機(jī)的軸)的表面。在三金屬軸承的情況下，襯里3間接地與結(jié)構(gòu)2結(jié)合，這是因為在它們之間設(shè)有所謂的中間層30，襯里3實(shí)際是施加在中間層30上。
就本發(fā)明的目的而言，軸承的具體結(jié)構(gòu)無論是雙金屬的還是三金屬的都沒有關(guān)系，本發(fā)明的目的在于襯里3的特性。支承結(jié)構(gòu)2 (也稱為基底)優(yōu)選由非常結(jié)實(shí)的材料制成，如鋼、碳鋼、鑄鐵、合金化和微合金化的鋼、鈦等，根據(jù)需要也可由任何其他材料制成。它還可包括扁平帶材如鋼帶或銅合金帶，用于連桿的大眼或軸承箱組(housing block)的鉆孔的預(yù)制半軸承殼。優(yōu)選將支承結(jié)構(gòu)設(shè)置為扁平的帶。如上所述，采用冷噴涂或冷氣動力噴涂方法使粉末混合物沉積在軸承1的支承結(jié)構(gòu)2上，從而產(chǎn)生層，該層在處理后成為滑動軸承襯里3。冷噴涂方法為高速材料沉積法，其中，細(xì)小的未熔融的粉末顆粒(通常直徑為 1-50 μ m)在超音速壓縮氣體射流中被加速至非常高的速度(每秒約600至1000米)。在與目標(biāo)表面碰撞時，固體顆粒變形并粘結(jié)在一起，從而快速堆積成沉積材料層。由于冷噴涂方法不使用高溫?zé)嵩?如火焰或等離子體)來熔化進(jìn)料物質(zhì)，因而不會將大量的熱轉(zhuǎn)移到被涂覆部件中。因此，該方法不會使熱敏涂層材料由于氧化或其他在噴射過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)(inflight chemical reaction)而劣化。主要由于上述原因， 所以冷噴涂方法對于沉積氧敏感材料而言是非常有吸引力的。類似地，冷噴涂為由納米相材料、金屬間化物或無定形材料(它們是采用常規(guī)熱噴涂技術(shù)通常很難噴涂的材料)構(gòu)建厚涂層提供了新的可能性，這是因為其通常避免了晶粒生長和脆性相的形成。另一優(yōu)點(diǎn)在于消除了與固化收縮相關(guān)的殘余拉伸應(yīng)力。最后一個優(yōu)點(diǎn)在于，已經(jīng)證明了碰撞的固體顆粒的“銷釘”效應(yīng)在冷噴涂沉積材料中會產(chǎn)生有益的壓縮殘余應(yīng)力。冷噴涂方法是已知的，并已在授予Allihimov等人的美國專利5，302，414中公開。在通過冷噴涂沉積的軸承襯里3的組成中使用復(fù)合材料是本發(fā)明最具創(chuàng)新性的特征之一，其使得軸承1兼具有抗咬合性和耐磨性這兩種有益的特性。為了提供通過冷噴涂沉積法制備的復(fù)合材料，采用鋁合金化粉末(稱為平衡材料)與陶瓷顆粒和防卡咬材料的復(fù)合混合物。該復(fù)合材料是通過先將粉末進(jìn)行機(jī)械共混、 然后將混合物加入冷噴涂沉積機(jī)中而提供的，但也可通過任何其他方法來獲得。與本領(lǐng)域現(xiàn)有狀態(tài)的基于雙金屬材料與鋁合金的軸承、以及通過上述熱噴涂法制備的現(xiàn)有軸承相比，本發(fā)明提出的通過冷噴涂法施加的復(fù)合材料旨在提供更好的負(fù)荷能力、在潤滑不良狀態(tài)下得到改善的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境、以及能夠提供加速適應(yīng)配對表面的能力(這意味著磨合期縮短)。根據(jù)本發(fā)明，尤其可采用選自下組中的不同合金的若干組合Al、AlCu、AlSn、 AlSnSi、AlSnSiCu、Cu、CuAl、CuSn、CuSnNi、CuSnBi 和 CuSnBiNi。所有提到的合金可具有范
圍廣泛的第二元素。為了通過改善潤滑效應(yīng)和/或抗卡咬性來改善表面效應(yīng)，還需要其他材料。潤滑效應(yīng)的改善是通過加入固體潤滑劑獲得的，該固體潤滑劑尤其例如為石墨、 MoS2^BN和PTFE，而抗卡咬性的提高是通過加入SruBi或Mo等元素而獲得的。最后，加入硬顆粒(尤其如SiC、CBN、A1203、B4C, Cr3C2, WC、Si3N4 和 MoSi)，將獲得提高的適應(yīng)配對物的表面的能力。由圖2可以看出，平衡材料(鋁合金化材料)呈現(xiàn)出粒度為5 μ m至最高達(dá)100 μ m的相當(dāng)圓的形狀，而陶瓷材料(即，如圖3所示的SiC)的尺寸小得多(Iym至最高達(dá)20μπι) 且具有尖銳的形狀。防卡咬材料(即，如圖4所示的鉬)呈現(xiàn)出大小為5 μ m至最高達(dá)300 μ m 的不規(guī)則形狀。在開發(fā)沉積方法而采用冷噴涂法的過程中，對若干參數(shù)進(jìn)行了嘗試來增強(qiáng)沉積涂層的附著力、復(fù)合涂層的內(nèi)聚力(cohesion)和降低孔隙含量。參見下表中示出的為了實(shí)現(xiàn)合適的涂層沉積而限定的最終的工藝參數(shù)。表I 所限定的沉積工藝參數(shù)w
權(quán)利要求
1.一種滑動軸承，特別是用于約束內(nèi)燃機(jī)的至少一根軸的滑動軸承，其具有支承結(jié)構(gòu)或基底O)，所述支承結(jié)構(gòu)或基底( 上具有通過冷噴涂或冷氣動力噴涂法施加的襯里 (3)，其特征在于，所述襯里(3)由至少一種復(fù)合材料構(gòu)成，所述復(fù)合材料包含至少一種合金粉末與陶瓷顆粒和防卡咬材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動軸承，其特征在于，采用的所述復(fù)合材料為 AlCu5Mol5SiC15。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動軸承，其特征在于，所述襯里(3)對應(yīng)于由純鋁構(gòu)成的夾層(3’ )和由所述復(fù)合材料AlCu5Mol5SiC15構(gòu)成的襯里層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動軸承，其特征在于，所述基底O)由鋼或鑄鐵構(gòu)成。
5.一種滑動軸承，特別是用于約束內(nèi)燃機(jī)的至少一根軸的滑動軸承，其具有支承結(jié)構(gòu)或基底O)，所述支承結(jié)構(gòu)或基底( 上具有通過冷噴涂或冷氣動力噴涂法施加的襯里 ⑶，其特征在于，所述襯里包含陶瓷組分SiC、CBN、A1203、B4C, Cr3C2、WC、Si3N4或MoSi中的至少一種。
6.一種制備滑動軸承的方法，其特征在于包括以下步驟 步驟(i)_準(zhǔn)備粉末混合物；步驟(ii)_準(zhǔn)備基底(2)；步驟(iii)_通過冷噴涂法沉積所述粉末混合物；以及步驟(iv)_進(jìn)行成型、機(jī)械加工和熱處理的操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(i)是通過機(jī)械共混來進(jìn)行的，但顯然也能夠采用其他方案。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(ii)優(yōu)選對應(yīng)于用溶劑清潔所述基底0)，從而除去表面上的任何油性物質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iii)再分為 沉積夾層(3’ )的步驟(iii. a)，以及隨后沉積所述襯里層的步驟(iii.b)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iii.a)對應(yīng)于通過冷噴涂施加厚度為約80 μ m的夾層(3’ )成分(優(yōu)選為粉末形式的純鋁)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iii.b)對應(yīng)于通過冷噴涂施加粉末復(fù)合物AlCu5Mol5SiC15，從而形成襯里層，該襯里層的厚度優(yōu)選為約1mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iv)再分為 對帶材進(jìn)行熱處理的步驟(iv. a)、軋制所述帶材的步驟(iv.b)、 制備坯料的步驟(iv. c)、將所述坯料模壓成軸承的彎曲形狀的步驟(iv. d)，以及最后通過機(jī)械加工對軸承進(jìn)行精加工的步驟(iv. e)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iv.a)對應(yīng)于在340°C 下將所述基底( 和所施加的襯里熱處理1小時，從而使材料形變恢復(fù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iv.b)對應(yīng)于軋制操作， 使得壓下率優(yōu)選為所述帶材的總厚度的至少40%。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iv.c)對應(yīng)于制備坯料， 其中根據(jù)軸承的直徑和長度，將所述帶材優(yōu)選地切割成矩形。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iv.d)對應(yīng)于將所述坯料模壓成軸承的彎曲的“ C”形。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(iv.e)對應(yīng)于對所述襯里的表面進(jìn)行機(jī)械加工，通過機(jī)械加工除去約150 μ m的厚度。
18.一種內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)燃機(jī)包括至少一個如權(quán)利要求1至5中所限定的滑動軸承(1)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種滑動軸承，特別是用于約束內(nèi)燃機(jī)的至少一根軸的滑動軸承，其具有支承結(jié)構(gòu)或基底(2)，該支承結(jié)構(gòu)或基底上具有通過冷噴涂或冷氣動力噴涂方法施加的襯里(3)，所述襯里由至少一種復(fù)合材料組成，所述復(fù)合材料包含至少一種合金粉末與陶瓷顆粒和防卡咬材料。
文檔編號F16C33/12GK102575324SQ201080033901
公開日2012年7月11日 申請日期2010年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者保羅·若澤·達(dá)羅查·莫爾登特 申請人:馬勒發(fā)動機(jī)零部件巴西有限公司, 馬勒國際公司