阅读说明：本技术 滑动轴承元件 (Plain bearing element ) 是由 京特·比尔克勒 维尔纳·舒伯特 于 2018-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种滑动轴承元件(2),特别是用于内燃机中的曲轴或连杆的轴承,其具有：特别是由钢组成的金属支撑层(4)；由无铅的、包括镁和锰的铝基合金组成的轴承金属层(6)；和摩擦层(8),其中,铝基合金包含：0.5-6.0重量％的镁；0.05-2重量％的锰；必要时以下合金成分中的一种或多种：锌、硅、铜、铁、铬、钛、锆、钒、镍、钴,铈和杂质相关的合金成分,其中,杂质相关的合金成分的总含量不超过1重量％；以及剩余铝,并且其中,锌、铜和镍的总含量不超过8重量％,所有合金成分的总含量不超过12重量％。本发明提出,通过在涂覆摩擦层(8)之前对轴承金属层(6)的上侧(12)进行机械喷砂,在轴承金属层(6)中产生厚度为0.5-5μm的富含氧化铝的表面区域(14),并随后将摩擦层(8)涂覆到轴承金属层(6)的喷砂后的表面(12)上,摩擦层(8)是具有聚合物粘合剂的滑动漆层(10)。(The invention relates to a plain bearing element (2), in particular a bearing for a crankshaft or a connecting rod in an internal combustion engine, comprising: a metallic support layer (4), in particular consisting of steel; a bearing metal layer (6) consisting of a lead-free, aluminium-based alloy comprising magnesium and manganese; and a friction layer (8), wherein the aluminum-based alloy comprises: 0.5-6.0 wt.% magnesium; 0.05-2 wt% manganese; if necessary, one or more of the following alloy components: zinc, silicon, copper, iron, chromium, titanium, zirconium, vanadium, nickel, cobalt, cerium and impurity-related alloy constituents, wherein the total impurity-related alloy constituent content does not exceed 1 wt.%; and residual aluminum, and wherein the total content of zinc, copper and nickel does not exceed 8 wt.%, and the total content of all alloying constituents does not exceed 12 wt.%. The invention proposes that an aluminum oxide-rich surface region (14) with a thickness of 0.5 to 5 [ mu ] m is produced in the bearing metal layer (6) by mechanically blasting the upper side (12) of the bearing metal layer (6) before applying the friction layer (8), the friction layer (8) being a sliding paint layer (10) with a polymer binder, and subsequently applying the friction layer (8) to the blasted surface (12) of the bearing metal layer (6).)

滑动轴承元件

技术领域

本发明涉及一种滑动轴承元件、特别是径向滑动轴承元件或止推片，特别是用于内燃机中的曲轴或连杆的轴承，该滑动轴承元件具有：特别是由钢组成的金属支撑层；由无铅的、包含镁和锰的铝基合金组成的轴承金属层；和摩擦层，其中，铝基合金优选包含：0.5-6.0重量％的镁；0.05-2重量％的锰；可选地，以下合金成分中的一种或多种：0.5-7.5重量％的锌、0.5-6重量％的硅、最高5重量％的铜、0.05-0.5重量％的铁、0.05-1重量％的铬、0.05-0.5重量％的钛、0.05-0.5重量％的锆、0.05-0.5重量％的钒、0.1-3重量％的镍、0.1-1重量％的钴、0.05-0.5重量％的铈和杂质相关的合金成分，其中，杂质相关的合金成分的总含量不超过1重量％；以及剩余铝，并且其中，锌、铜和镍的总含量不超过8重量％，并且所有合金成分的总含量不超过12重量％，

背景技术

EP 2 985 358 B1中已知这类滑动轴承元件。通过在280℃至350℃之间的温度下对由支撑层和轴承金属层组成的复合物进行2到10小时的热处理，可以在轴承金属层中实现50至80HB 1/5/30的布氏硬度。与滑动配合件接触的摩擦层共同作用，获得了一种滑动轴承元件，该滑动轴承元件已被证明具有超强的负载能力并且还具有抗疲劳强度和耐损性，因此适用于现代机动车技术中与内燃机相关的应用。电镀层或溅射层可用作摩擦层。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种同样高负荷能力的滑动轴承元件，特别是用于内燃机中的曲轴和连杆的轴承，该滑动轴承元件能够比已知的滑动轴承元件以更经济的方式生产。

在上述类型的滑动轴承元件中，该目的按照本发明由此得以实现，即，通过在涂覆摩擦层之前对轴承金属层的上侧进行机械喷砂，在轴承金属层中产生厚度为0.5-5μm的富含氧化铝的表面区域，并随后将摩擦层涂覆到轴承金属层的喷砂后的表面上，摩擦层是具有聚合物粘合剂的滑动漆层。

通过按照本发明地对轴承金属层的上侧进行喷砂，可以在由铝基合金制成的中等硬度的滑动层中实现一定表面粗糙度，这主要实现了聚合物基的滑动漆层的涂覆和充分附着(Verklammerung)。在较软的含锡铝合金的条件下，较早地施加滑动漆层作为摩擦层，但是在这些含锡铝合金中只能将滑动漆层暴露于中等负载。在此讨论的具有所要求保护的组成的轴承金属层的高负载能力的滑动轴承的情况下，假设仅可以用电镀的摩擦层或溅射层工作。轴承金属层的上侧的机械喷砂不仅会产生三维结构的粗糙度和表面形貌，而且在喷砂过程中暴露的铝基合金的金属铝与氧气接触而直接被转化为厚度仅为几纳米的氧化铝覆层。随后，通过喷砂将该氧化铝加工到轴承金属层的裂隙表面中，从而形成相对于轴承金属层的较深区域的富含氧化铝的表面区域。由于氧化铝颗粒非常耐磨，该表面区域中的轴承金属层特别耐磨，这在较薄的滑动漆层剥落的情况下被证明是有利的。在朝向摩擦配合件的摩擦学有效的区域中，滑动轴承元件由于经过喷砂处理和涂覆有滑动漆层而具有很高的耐磨性，但仍具有良好的摩擦性能，因为通过轴承金属层的上侧形成粗糙度的谷和凹坑容纳了聚合物基的滑动漆。

还被证明有利的是，滑动漆层的聚合物粘合剂是PAI、PI或环氧化物。另外，还被证明有利的是，滑动漆层包括由聚合物粘合剂以基质形式容纳的固体润滑剂，优选石墨、金属硫化物(例如MoS₂、WS₂)或六方氮化硼。

尽管在上述EP 2 985 358 B1中申请人将锰视为可选的合金元素，但在本申请中认识到，锰被证明是有利的，因为其可以提高拉伸强度和屈服强度并改善耐腐蚀性。

另外，还被证明有利的是，在涂覆摩擦层之前以这样的方式对金属的轴承金属层的上侧进行喷砂，即，使其具有0.5-1.5μm的所谓的下降谷高度S_VK(reduzierte Talh6heS_VK)和0.06-0.16μm³/μm²的所谓的谷空体积V_VV(leeres Volumen derV_VV)(S_VK、V_VV根据2012年的DIN EN ISO 25178的第2部分确定；V_VV在材料比例p为80％的条件下确定)。

特别是还发现，在发动机起动时从静摩擦到滑动摩擦的过渡期间，在轴与摩擦层之间的接触区域中产生了相当大的剪切力。在配置有起停运行(Start-Stopp-Betrieb)的车辆中，由于更高的起步频率，这具有至关重要的作用。在这种运行模式下，摩擦层的耐磨性不仅取决于其材料和层参数，而且对于耐磨性而言，摩擦层与轴承金属层的咬合对于吸收剪切力非常重要。现在已经进一步确定，根据2012年的DIN EN ISO 25178的第2部分，为了实现摩擦层在轴承金属层的上侧上被证明有利的附着，这两个参数(即，下降谷高度和谷空体积)是必要的上侧或表面参数。已经发现，谷的增大(即，其深度方面和能够填充的体积方面的增大)可导致耐磨性的提高和改善。此外，在这方面确定了目标冲突，即，随着两个参数的增大，即，粗糙度增加或功能粗糙化增大的问题，通常以咬合负荷(Fresslast)的减少形式出现。粗糙度的增加导致适应性的降低并且阻碍了良好的流体动力学的建立，因为所涂覆的摩擦层相对较好地模拟了轴承金属层的粗糙度，也就是说，保持了该粗糙度并且在很大程度上没有对其进行补偿。但是，在咬合试验(Fresstest)中，这会导致混合摩擦比例的增加，并进而导致摩擦热增加，由于增加的粗糙度和不良的流体动力学，这种摩擦热不能足够快地消散。通过本发明已认识到这种目标冲突，并且轴承金属层的功能性的上侧设计被证明是有利的，其允许摩擦层与轴承金属层良好的附着，并且由于喷砂而形成了富含氧化铝的表面区域，这改善了耐磨性并且因此证明在起停运行中是有利的。在每次起动时，其进一步促使从静摩擦到滑动摩擦的过渡并由此促使所描述的紧急情况。但是，可以通过摩擦层与轴承金属层更好的附着以及轴承金属层的上侧的耐磨性的增加来缓解这些紧急情况。

已经认识到，下降谷高度S_VK和谷空体积V_VV的参数代表了功能性粗糙度参数，这也允许得出关于上侧形貌的润滑特性的结论。因此，这些功能性粗糙度参数的增加一方面意味着摩擦层的更好的附着和耐磨性的改善，另一方面意味着与随之而来的问题的适应性的降低。基于该认知，确定了这些参数所要求保护的参数范围。

图3和图4示出了下降谷高度S_VK和谷空体积V_VV的参数。下降谷高度S_VK是指在上侧的所谓的核心下方突出的谷的平均高度。

如图3所示，下降谷高度S_VK是根据DINENISO 25178的第二部分所定义的。为此，首先借助于曲线上的割线确定形貌的核心或核心高度Sk，该割线表示表面的平坦的材料比例X作为高度或厚度Y的函数，如下所示：从最大厚度或高度Y(即，对应于为零的材料比例X)开始，并标记出由此到曲线上材料比例X为40％的相应的数值(对应于曲线上等于)的割线1。随后，跨过40％的材料比例的该割线向更高的材料比例移动，直到其斜率/梯度取最小值为止，随后随着进一步的移动再次变得更陡峭。割线的这个位置在图3中用附图标记2表示。在该位置处，该割线2延长至直线3。其在X＝0％和X＝100％时与Y坐标轴的交点表示形貌的核心或核心高度Sk。这当前情况下，下降谷高度S_VK是指在核心下方突出的高度或深度或者向下延伸的谷的高度或深度。根据2012年的DIN EN ISO 25178的第2部分的编号5.3，S_VK被确定为直角三角形A2的高度S_VK，该直角三角形A2被构造为，使其具有与“谷区域”相同的面积，即，图3中的核心下方的谷的总面积。因此，该三角形A2具有数值(100％-Smr2)作为基础长度而S_VK作为高度。

在图4中示出了谷空体积V_VV，即，作为示出的区域V_VV中的总面积比例，其中，X＝80％的材料比例具有基于标准DIN EN ISO 25178的第2部分的含义。在此，80％的材料比例是指在厚度方向上与上侧正交的位置，这在图3、4中的Y坐标方向相对应，如果在该厚度方向上的Y值或Y坐标下考虑得到的平面或横截面，谷(相当于无材料)的投影面积为20％，而材料比例为80％。根据2012年标准DIN EN ISO 25178第2部分中的规定，V_VV谷的空体积现在是在该水平或横截面以下的无材料体积(基于面积单位)。

还被证明有利的是，在制成的滑动轴承原件中，可以使用合适的溶剂再次分离滑动漆层，从而在分离之后，可以使用相关的测量方法(通常是光学方法)检测并评估随后展现出的结构化喷砂的轴承金属层的上侧。

还被证明有利的是，金属的轴承金属层的喷砂后的上侧具有的所谓的下降谷高度S_VK为至少0.7μm、特别是至少0.9μm且最高1.5μm、特别是最高1.4μm、特别是最高1.3μm，并且所谓的谷空体积V_VV为至少0.08μm³/μm²、特别是至少0.09μm³/μm²且最高0.16μm³/μm²、特别是最高0.15μm³/μm²、特别是最高0.14μm³/μm²。

还提出，铝基合金不含铜或包含0.5-5重量％、特别是0.5-3重量％的铜。

还提出，铝基合金包含3-5.5重量％的镁。

还提出，铝基合金包含0.2-1.0重量％的锰。

优选地，铝基合金由权利要求1所述的合金组成部分组成。

将滑动漆层喷涂、辊涂或挤出到轴承金属层的处理后的上侧上。

本发明还提出，摩擦层的层厚度为2-25μm、特别是4-20μm。

本发明还要求保护一种具有权利要求9和10所述特征的中间产品以及一种用于制造滑动轴承元或中间产品的方法，该方法具有权利要求11-19所述的特征。

在此，还证明有利的是，以1.0-1.5bar的喷砂压力对轴承金属层进行喷砂。其不是喷砂粒子施加在撞击表面上的压力，而是从喷砂装置内部的喷砂喷嘴即将出来时的压力。

还证明有利的是，喷砂喷嘴横截面在出口处的最大尺寸为10-14mm、特别是11-13mm、特别是12mm。

还证明有利的是，喷砂喷嘴的出口与滑动轴承元件的待喷砂的轴承金属层的上侧的距离为80-120mm、特别是90-110mm、特别是100mm。

还证明有利的是，使用一个、两个或三个带有相应的喷砂喷嘴的喷砂装置，这些喷砂装置沿滑动轴承元件的圆周方向依次布置。

喷砂喷嘴的进给速度为5mm/s至60mm/s、特别是10mm/s至60mm/s、特别是10mm/s至50mm/s，其中，该进给速度是在径向滑动轴承元件(特别是滑动轴承壳)的喷砂过程中沿轴向方向(即，沿轴承元件宽度的方向)取向的。

最后，还证明有利的是，使用颗粒尺寸最大为100μm的喷料、特别是刚石(Al₂O₃)对轴承金属层进行喷砂，其中，至少60质量％的喷料的颗粒尺寸为至少45μm。在这种情况下，在使用网眼尺寸为100μm的筛子进行筛分时没有获得筛余物，而在使用网眼尺寸为45μm的筛子进行筛分时，得到至少为60重量％的筛余物。另外，还被证明有利的是，喷料具有至少为8、特别是9的莫氏硬度。其优选地包括成有棱角的颗粒形状，而不是球形或团状的圆形颗粒形状。适合的喷料可由Kuhmichel公司以商品名Edelkorund EKF 220获得。

附图说明

本发明的其他细节、特征和优点可由所附的权利要求以及本发明的实施例的以下描述和附图得出。其中：

图1是根据本发明的径向轴承壳的示意图；

图2是在根据本发明的径向轴承壳的制造过程中喷砂喷嘴的示例性布置的示意图；

图3是喷砂后的轴承金属层的上侧形貌的示意图，以阐明和确定下降谷高度S_VK；

图4是按照本发明喷砂的轴承金属层的上侧形貌的示意图，以说明在80％的材料比例的条件下谷空体积V_VV。

具体实施方式

图1以示意性示出的径向轴承壳的形式展示了按照本发明的滑动轴承元件2，其用于内燃机中的曲轴的轴承。在示例的情况下，未按比例示出的径向轴承壳例如包括：由钢制成的金属支撑层4、涂覆在其上的轴承金属层6(其基于开头所述类型的铝镁锰基)以及涂覆在其上的摩擦层8，其中，该摩擦层是基于带有填料的聚合物粘合剂的滑动漆层10。

可以将形成轴承金属层6的Al-Mg-Mn合金镀在中间层上，其中，该中间层是预先涂覆到支撑层4上并由纯铝或铝合金或镍组成；但优选地，将Al-Mg-Mn合金直接镀在由钢组成的支撑层上。

然后，优选将由支撑层4和轴承金属层6组成的复合物在280℃至350℃之间的温度条件下热处理2至10小时。在该过程中，轴承金属层6可以达到50至80HB 1/5/30的布氏硬度，这被证明对于之后使用是有利的。

随后，特别是在弯曲过程中，将由支撑层4和轴承金属层6组成的复合物改变成待制造的滑动轴承元件2的形状。

在将摩擦层8涂覆到轴承金属层6面向滑动配对件、即远离支撑层4的上侧12之前，以按照本发明的方式对该上侧12进行喷砂处理，从而如开头所述的那样产生了富含氧化铝的表面区域14(参见图1)。

优选地，通过喷砂产生表面形貌，该表面形貌具有0.5-1.5μm的所谓的下降谷高度S_VK或0.06-0.16μm³/μm²的所谓的谷空体积V_VV(S_VK和V_VV根据2012年的DIN EN ISO 25178的第2部分确定；V_VV在材料比例p为80％的条件下确定)。但在图1中没有示出通过喷砂过程产生的轴承金属层6的表面形貌，因为该表面形貌是微观结构。随后，将摩擦层8涂覆到这样处理后的轴承金属层6的表面14上。

图2还示意性地示出了在径向轴承壳体的轴承金属层6的上侧12的喷砂过程中喷砂喷嘴16的优选布置方式的示意图。在所示的情况下，喷砂喷嘴16在径向轴承壳的轴向方向上(即，垂直于图示表面)进给。

就本发明而言，经喷砂处理的轴承金属层6与支撑层4的复合而在制造滑动轴承元件2的过程中形成根据本发明的中间产品。

最后，喷涂、辊涂或挤出滑动漆层10。