[发明专利]一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦及其生产方法

说明书

技术领域

    本发明属于内燃机滑动轴承技术领域，具体涉及一种具有磁控溅射自润滑复合镀层的轴瓦及其生产方法。

背景技术

轴瓦是发动机中最易失效，也是最重要的承力部件之一。随着汽车工业的发展，人们对发动机的功率和转速指标要求越来越高，因而对轴瓦、衬套等耐磨零件的服役条件进一步恶化，性能要求也越来越苛刻。轴瓦服役，发动机工作时，轴瓦需承受高达700MPa的负荷，远高于合金衬层和钢背的屈服极限（100~300MPa），易导致轴瓦弹张量消失，并最终导致轴瓦抱轴；在交变应力作用下，轴瓦会出现涂层、合金衬层开裂和剥落，因而也易导致轴瓦咬合失效。特别是在发动机突然启动或瞬时加速时，润滑油膜不能及时形成，曲轴和轴瓦之间处于干摩擦状态，轴瓦和曲轴极易损坏。国外不断从改善润滑条件、优化结构、提高材料性能等方面努力，以提高轴瓦的使用寿命。对于国产高功率密度发动机的开发也急需性能优异的耐磨及自润滑轴瓦防护涂层制备技术，以期提高轴瓦的工作稳定性和使用寿命。

轴瓦(滑动轴承)的结构形式有:整体铜合金、整体铝合金、钢背+减摩合金层、钢背+减摩合金层+镀层。目前世界各国采用后两种的居多，其中又把主要精力集中在减摩层和镀层的选材上，因为它们直接决定了轴瓦的工作稳定性和使用寿命。在任何情况下，都需要有钢背以保证轴承与轴承座的压配。双层轴承所使用的轴承材料如巴氏合金等，在结构上是多相的，基本上是由软、硬两种组分所构成。在混合摩擦状态下，软组分可以获得良好的运行性能，如磨合性、顺应性以及尽可能小的咬合倾向，且不易为外来杂质所损伤:硬组分则具有耐磨性和抗疲劳强度。为了进一步改善其摩擦学特性，有时还要增加一层软的覆层，同时需要一层镍中间层以促进结合、防止扩散，这就形成了传统的三层轴瓦，但这种传统的三层轴承的缺点是其软覆层耐磨性不足，而且覆层一旦被损伤，硬的镍栅层就会导致轴承很快失去应急运行能力。

要解决双层轴承抗疲劳强度过低、三层轴承耐磨性差的问题，而又不牺牲它们良好的摩擦学特性，存在两种途径:

(1)几何形状设计。正如细槽轴承，将轴承表面上的软、硬两种组分适当分开;

(2)材料工艺技术。创造一种微观结构优良的轴承材料，即尽可能地使软、硬组分晶粒细化且均匀分布的晶相组织，使轴承表面快速磨合，提高轴承的嵌入性、顺应性和抗咬合性，软的表面镀层通过使所承受的载荷均匀分布而提高轴承的疲劳强度和承载能力。ISO4383中规定的常用轴承表面镀层材料有

PbSn10、PbSn10Cu2和PbIn7.这三种镀层材料又具有良好的耐蚀性，在紧急润滑状态下都具有较好的性能。在耐磨性方面，以PbSn10Cu2为最好；在疲劳强度方面，以PbSn10Cu2 和PbIn7镀层较好。在英、美等国的部分产品中应用最多的是PbSn10Cu2。

为进一步提高镀层材料的性能，近年来国外部分知名公司在镀层材料方面进行了一系列的研究工作，并取得了较大进展。日本大同金属工业研究所为改进镀层的成分进行了大量研究，研究出了新的Pb-Sn-In镀覆层材料，试验得出的结论是，在锡加入5%时，镀覆合金层的硬度和抗拉强度最高，而当锡添加量少于3%，铟加量少于4%时，耐蚀性明显不足。另外，锡与铟同时添加与锡、铟分别单独添加相比，前者具有更好的耐蚀性。

奥地利美巴公司的在PbSn18Cu20镀层材料（强度和耐磨性高于PbSn10Cu2镀层材料）之后，研制了性能更优异的AlSn20镀层（含锡14%~20%、铜2%~4%，其余为铝），采用溅镀工艺在AlZn4.5Mg和CuPb22Sn上沉积AlSn20镀层，获得了满意的特性。德国格理柯公司在铜铅轴瓦上溅镀AlSn20表面镀层，也获得了良好的效果。英国汪德尔够公司在铅铟合金中添加一定数量的锡，即可使镀层的耐磨性调高一个数量级，同时耐蚀性和疲劳强度都超过了铅铟镀层。T&N技术公司采用溅镀工艺进行不同材料的实验研究，根据疲劳强度和抗咬合性能相结合的原则，开发出了据称是迄今最具发展前途的AlSn40涂层。

为了满足未来柴油机高速发展的需要，要求具有负荷极限明显超过油膜峰值压力的轴承，为此，要求镀层的机械性能和摩擦学特性有很大的改进，这就要求采用一种能够同时具有软电镀层和硬的铸造或轧制粘结层功能的材料。对此，奥地利Miba公司对镀覆工艺做了选择，以便能够在一种较硬的极细晶粒的基体中形成最细的软夹层。结果发现，采用PVD物理气相沉积可以达到这种结晶学特性，而磁控溅射则是所有已知PVD工艺中最佳的，且大多数材料都能采用此方法进行沉积，并获得极佳的综合效果。