[發明專利]一種具有磁控濺射自潤滑復合鍍層的軸瓦及其生產方法

有效

• 申請號: 201310339099.3
• 申請日: 2013-08-06
• 公開（公告）號: CN103362954A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 郭巧琴;李建平;郭永春;楊忠
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: F16C33/12
• 分類號: F16C33/12;F16C33/10;F16C33/14;C22C21/00;C23C14/16;C23C14/35
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 黃秦芳

技術領域

????本發明屬于內燃機滑動軸承技術領域，具體涉及一種具有磁控濺射自潤滑復合鍍層的軸瓦及其生產方法。

背景技術

軸瓦是發動機中最易失效，也是最重要的承力部件之一。隨著汽車工業的發展，人們對發動機的功率和轉速指標要求越來越高，因而對軸瓦、襯套等耐磨零件的服役條件進一步惡化，性能要求也越來越苛刻。軸瓦服役，發動機工作時，軸瓦需承受高達700MPa的負荷，遠高于合金襯層和鋼背的屈服極限（100~300MPa），易導致軸瓦彈張量消失，并最終導致軸瓦抱軸；在交變應力作用下，軸瓦會出現涂層、合金襯層開裂和剝落，因而也易導致軸瓦咬合失效。特別是在發動機突然啟動或瞬時加速時，潤滑油膜不能及時形成，曲軸和軸瓦之間處于干摩擦狀態，軸瓦和曲軸極易損壞。國外不斷從改善潤滑條件、優化結構、提高材料性能等方面努力，以提高軸瓦的使用壽命。對于國產高功率密度發動機的開發也急需性能優異的耐磨及自潤滑軸瓦防護涂層制備技術，以期提高軸瓦的工作穩定性和使用壽命。

軸瓦(滑動軸承)的結構形式有:整體銅合金、整體鋁合金、鋼背+減摩合金層、鋼背+減摩合金層+鍍層。目前世界各國采用后兩種的居多，其中又把主要精力集中在減摩層和鍍層的選材上，因為它們直接決定了軸瓦的工作穩定性和使用壽命。在任何情況下，都需要有鋼背以保證軸承與軸承座的壓配。雙層軸承所使用的軸承材料如巴氏合金等，在結構上是多相的，基本上是由軟、硬兩種組分所構成。在混合摩擦狀態下，軟組分可以獲得良好的運行性能，如磨合性、順應性以及盡可能小的咬合傾向，且不易為外來雜質所損傷:硬組分則具有耐磨性和抗疲勞強度。為了進一步改善其摩擦學特性，有時還要增加一層軟的覆層，同時需要一層鎳中間層以促進結合、防止擴散，這就形成了傳統的三層軸瓦，但這種傳統的三層軸承的缺點是其軟覆層耐磨性不足，而且覆層一旦被損傷，硬的鎳柵層就會導致軸承很快失去應急運行能力。

要解決雙層軸承抗疲勞強度過低、三層軸承耐磨性差的問題，而又不犧牲它們良好的摩擦學特性，存在兩種途徑:

(1)幾何形狀設計。正如細槽軸承，將軸承表面上的軟、硬兩種組分適當分開;

(2)材料工藝技術。創造一種微觀結構優良的軸承材料，即盡可能地使軟、硬組分晶粒細化且均勻分布的晶相組織，使軸承表面快速磨合，提高軸承的嵌入性、順應性和抗咬合性，軟的表面鍍層通過使所承受的載荷均勻分布而提高軸承的疲勞強度和承載能力。ISO4383中規定的常用軸承表面鍍層材料有

PbSn10、PbSn10Cu2和PbIn7.這三種鍍層材料又具有良好的耐蝕性，在緊急潤滑狀態下都具有較好的性能。在耐磨性方面，以PbSn10Cu2為最好；在疲勞強度方面，以PbSn10Cu2?和PbIn7鍍層較好。在英、美等國的部分產品中應用最多的是PbSn10Cu2。

為進一步提高鍍層材料的性能，近年來國外部分知名公司在鍍層材料方面進行了一系列的研究工作，并取得了較大進展。日本大同金屬工業研究所為改進鍍層的成分進行了大量研究，研究出了新的Pb-Sn-In鍍覆層材料，試驗得出的結論是，在錫加入5%時，鍍覆合金層的硬度和抗拉強度最高，而當錫添加量少于3%，銦加量少于4%時，耐蝕性明顯不足。另外，錫與銦同時添加與錫、銦分別單獨添加相比，前者具有更好的耐蝕性。

奧地利美巴公司的在PbSn18Cu20鍍層材料（強度和耐磨性高于PbSn10Cu2鍍層材料）之后，研制了性能更優異的AlSn20鍍層（含錫14%~20%、銅2%~4%，其余為鋁），采用濺鍍工藝在AlZn4.5Mg和CuPb22Sn上沉積AlSn20鍍層，獲得了滿意的特性。德國格理柯公司在銅鉛軸瓦上濺鍍AlSn20表面鍍層，也獲得了良好的效果。英國汪德爾夠公司在鉛銦合金中添加一定數量的錫，即可使鍍層的耐磨性調高一個數量級，同時耐蝕性和疲勞強度都超過了鉛銦鍍層。T&N技術公司采用濺鍍工藝進行不同材料的實驗研究，根據疲勞強度和抗咬合性能相結合的原則，開發出了據稱是迄今最具發展前途的AlSn40涂層。

為了滿足未來柴油機高速發展的需要，要求具有負荷極限明顯超過油膜峰值壓力的軸承，為此，要求鍍層的機械性能和摩擦學特性有很大的改進，這就要求采用一種能夠同時具有軟電鍍層和硬的鑄造或軋制粘結層功能的材料。對此，奧地利Miba公司對鍍覆工藝做了選擇，以便能夠在一種較硬的極細晶粒的基體中形成最細的軟夾層。結果發現，采用PVD物理氣相沉積可以達到這種結晶學特性，而磁控濺射則是所有已知PVD工藝中最佳的，且大多數材料都能采用此方法進行沉積，并獲得極佳的綜合效果。