銅鎳硅基無鉛材料(下文也被稱為CuNiSi合金)長期以來普遍已知并且一段時間以來也用作滑動軸承材料，特別是用作襯套或軸承套的滑動軸承復(fù)合材料。例如參考文獻(xiàn)WO 2006/120016 A1，其中描述了具有上文提到的組成的材料。

銅鎳硅合金不僅可以通過鑄造技術(shù)加工而且可以通過燒結(jié)技術(shù)加工或者經(jīng)由軋制包層法施加在承載層上。其特征在于高的延展性、基礎(chǔ)強(qiáng)度和基礎(chǔ)硬度?？梢酝ㄟ^熱化學(xué)處理使這些參數(shù)在寬范圍內(nèi)適應(yīng)于各個要求，因此所述材料的硬度、強(qiáng)度及其抱死行為能夠媲美由于缺乏環(huán)境相容性的原因而需要替代的鉛青銅。但是特別由于其高的基礎(chǔ)強(qiáng)度和硬度，所述材料的可切削性比鉛青銅明顯更差。差的可切削性造成更短的工具壽命或迅速降低的加工精度和表面品質(zhì)。

德國銅研究所還特別系統(tǒng)地研究了銅材料的可切削性并且將結(jié)果公布于所謂的信息公報。下文參考2010年第18版信息公報(i.18)。其中銅材料的可切削性被分成三個不同的主類。具有相似可切削性的材料概括在一個主類中。對于銅材料，主要借助于形成的切屑形狀以及工具的磨損進(jìn)行評估。

切削主類I包括具有極好可切削性的銅材料并且包括具有均相或多相結(jié)構(gòu)的鉛合金化、碲合金化或硫合金化的銅材料。在切削時形成短的脆薄切屑。工具磨損歸入較低程度。切削主類I I包括可切削性適中至良好的銅材料。相比于切削主類I的材料，所述材料的加工造成更長的切屑，通常為中等長度的螺旋切屑。所述材料在加工時的工具磨損被稱為“中等”。切削主類III中概括了相對于類別I和II具有更差可切削性的銅材料。在其加工時形成長的螺旋切屑、雜亂切屑或帶狀切屑。工具磨損較高。

為了能夠在主類內(nèi)進(jìn)一步區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)化材料的憑經(jīng)驗獲得的可切削性數(shù)據(jù)，還采用可切削性指數(shù)。第一主類的材料的可切削性指數(shù)在100和70之間，第二主類的材料的可切削性指數(shù)在60和40之間，第三主類的材料的可切削性指數(shù)在30和20之間。

根據(jù)德國銅研究所的信息公報i.18，CuNiSi合金根據(jù)組成和熱處理而具有在20和40之間的可切削性指數(shù)，因此分入切削主類III或最多分入切削主類II。

文獻(xiàn)US 2013/0028784 A1中描述了用于電子構(gòu)件的具有1.5至7.0重量％Ni、0.3至2.3重量％Si和0.02至1.0重量％S的銅基鍛造合金。

本發(fā)明的目的是提供上述類型的滑動軸承材料，所述滑動軸承材料具有與已知CuNiSi合金相似的良好摩擦性能和機(jī)械性能，但是由于更長的工具壽命、更高的加工精度和表面品質(zhì)而具有改進(jìn)的可切削性。另一個目的是相比于已知材料提供具有進(jìn)一步降低的抱死趨勢(特別是在缺乏潤滑的情況下)的材料。

通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動軸承材料實現(xiàn)所述目的。

根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承材料具有基體材料，所述基體材料由如下構(gòu)成：0.5-5重量％的鎳、0.25-2.5重量％的硅、<0.1重量％的鉛、熔融冶金造成的雜質(zhì)和余量的銅，和具有任選至少一種硬質(zhì)材料和任選至少一種固體潤滑材料，其特征在于具有至少一種碲添加劑和余量的銅。

可以確定的是，通過加入碲作為切屑元素可以改進(jìn)切屑形狀并且因此也改進(jìn)所述基體合金的可切削性。Te的加入造成材料斷裂伸長的降低。雖然不具有這種添加劑的CuNi₂Si具有約20％的斷裂伸長，但通過碲的加入可以將斷裂伸長降低至2％。切屑因此不再形成長的帶狀切屑或流動切屑，而是破碎成細(xì)碎針狀碎片，不同于長的切削，細(xì)碎針狀碎片不阻礙材料的加工。特別出人意料地發(fā)現(xiàn)，碲的加入還明顯降低滑動軸承材料的抱死趨勢。

根據(jù)一個有利的實施方案，添加劑總共以0.01至2.0重量％的含量分散在基體材料內(nèi)，以滑動軸承材料計。優(yōu)選地，添加劑總共以0.05至1.0重量％的含量，特別優(yōu)選總共以0.1至0.3重量％的含量分散在基體材料內(nèi)。

只希望一定程度的降低斷裂伸長的效果，因為過低的斷裂伸長只允許CuNiSi材料在鑄造之后發(fā)生有限變形，但是變形對于軸承的制備來說是必需的。因此斷裂伸長絕對不能低于1％。當(dāng)超過2重量％的含量時不再有所保證，并且可能影響基體材料的基本性能，例如強(qiáng)度、可變形性等。在低于0.01重量％的過低含量下，出現(xiàn)的切屑效果不足。特別地，在0.1至0.3重量％的加入量下切屑效果已經(jīng)極好，而不會明顯損壞基體材料的基本性能，因此所述用量范圍表示極好的折中。

碲添加劑在CuNiSi基體中以不溶形式存在，因此以分離的相存在。所述相主要存在于基體材料的晶界上，其在該處在更強(qiáng)的局部機(jī)械負(fù)載下(例如在切削加工中)造成基體結(jié)構(gòu)中的裂縫轉(zhuǎn)向，因此最終有利于切屑在持續(xù)負(fù)載下脫落。優(yōu)選地，基體材料中的90％的可測量顆粒具有30μm，特別優(yōu)選15μm的最大尺寸?！翱蓽y量”表示所有具有500nm的最小尺寸的顆粒。最小尺寸僅以“截止點”的形式用于指明，因此用于參數(shù)的明確性。

當(dāng)添加劑顆粒以所述尺寸級別形成時，添加劑以一定方式分散在CuNiSi基體中，使得明顯提高滑動軸承材料的可切削性，而不影響或極少影響基體材料的其它機(jī)械性能和摩擦性能，或者在抱死趨勢的情況下甚至出人意料地產(chǎn)生積極影響。這歸因于如下事實：顆粒更精細(xì)的分布對基體結(jié)構(gòu)的晶界造成更大面積的干擾，因此切屑更容易斷裂。為了不造成過高的強(qiáng)度損失，切屑添加劑的含量必須保持在上述界限內(nèi)。相反，當(dāng)顆粒大于15μm并且因此在2重量％或更低的含量下僅在組織中零星局部出現(xiàn)時，不能產(chǎn)生整個材料中的足夠的切屑效果。

由于至少一種添加劑分散在基體內(nèi)，滑動軸承材料有利地具有100-70的可切削性指數(shù)。由于100至70的可切削性指數(shù)，滑動軸承材料分入切削主類I。在切削加工的過程中形成短的脆薄切屑，所述脆薄切屑不妨礙材料的加工，因為其可以從加工區(qū)域中有效除去。其提高表面品質(zhì)、加工精度并且減少工具的磨損。

在另一個有利的實施方案中，在800MPa·m/s的負(fù)載速度和滑動速度的極限值以下，優(yōu)選在850MPa·m/s以下，滑動軸承材料不出現(xiàn)粘附磨損。

如例如下文參考圖2所述，在抱死試驗中確定最大負(fù)載速度和滑動速度的測量值。800MPa·m/s優(yōu)選850MPa·m/s的極限值或最大值出人意料地明顯高于在已知的CuNiSi材料中的情況。加入給定范圍的碲因此不僅產(chǎn)生切屑作用，而且同時產(chǎn)生減少磨損的作用或潤滑作用。因此對于根據(jù)本發(fā)明的軸承材料，只有在更高的負(fù)載和/或滑動偶件相對速度下材料才會受到抱死的損害，因此在缺乏潤滑的情況下滑動軸承材料可以在更長時間內(nèi)承受應(yīng)力。

優(yōu)選地，滑動軸承材料具有在2.5和5之間的鎳與硅的重量比例。

所述重量比例促進(jìn)形成有利于良好摩擦性能的鎳硅結(jié)合。特別地，由此進(jìn)一步改進(jìn)滑動軸承材料的抱死趨勢，因此加入碲的材料可以超越常規(guī)鉛青銅的性能。

優(yōu)選地，滑動軸承材料還具有至少一種選自如下的硬質(zhì)材料：硅化物、氧化物、碳化物和氮化物，特別是AlN、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Mo₂C、MoSi₂、SiC、B₄C、Si₃N₄和c-BN。

還有利的是，滑動軸承材料具有至少一種選自h-BN和石墨的固體潤滑材料。

上述滑動軸承材料可以以實體材料的形式用在滑動軸承元件(例如襯套或軸承套)中。實體材料表示材料具有足夠的強(qiáng)度并且因此自支撐。同時所述材料承擔(dān)軸承金屬的功能。

本發(fā)明的主題還有滑動軸承復(fù)合材料，所述滑動軸承復(fù)合材料具有承載層、軸承金屬層和施加在軸承金屬層上的滑動層。軸承金屬層由上述類型的滑動軸承材料組成。

特別是變形成軸承外殼的滑動軸承元件形式的滑動軸承復(fù)合材料在最后一個工序中通過在其塊規(guī)上鉆孔進(jìn)行校準(zhǔn)。批量制品形式的軸承外殼原則上也必須低成本制得，恰恰在該加工步驟中存在優(yōu)化要求。例如，多個相同的軸承外殼依次夾緊并且在一個工序中鉆孔。還需要高的切割速度和走刀速度。工具壽命必須較長，因此盡可能少地丟失工具更換時間和相連設(shè)備。此外排除濕切削，因為難以從軸承套表面除去冷卻劑和潤滑劑的殘留物。因此恰恰對于該應(yīng)用，可切削性具有最大重要性。

優(yōu)選地，滑動軸承復(fù)合材料中的承載層為鋼層。

所謂的鋼背由于其剛性保證了需要的壓配合，因此可以獨立于強(qiáng)度要求調(diào)節(jié)軸承材料的組織結(jié)構(gòu)。因此可以設(shè)計要求保護(hù)的銅合金的組織結(jié)構(gòu)，使得其強(qiáng)度和硬度以及其摩擦性能(例如抱死行為)落入與傳統(tǒng)鉛青銅相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)?？傊瑒虞S承復(fù)合材料的使用范圍大大拓寬。具有鋼背的復(fù)合材料由于其熱膨脹系數(shù)而在具有鋼殼的應(yīng)用情況下也提供優(yōu)點。

在下文描述的制備方法中，目的是使碲相以限定尺寸(所述尺寸在抱死行為方面被證明是有利的)存在于最終產(chǎn)品中。還免除了最后的交換熱處理，在交換熱處理中沒有(正如本文的)優(yōu)化滑動性能以及升高強(qiáng)度或?qū)щ娦缘那熬啊?/p>

根據(jù)一個有利的實施方案，軸承金屬層為燒結(jié)層。

燒結(jié)層以粉末形式施加在鋼背上。添加劑可以已經(jīng)包含在預(yù)合金化的基體材料中并且連同基體材料進(jìn)行粉碎，或者以分離粉末的形式加入基體材料的燒結(jié)粉末中。當(dāng)CuNiSi基體和添加劑以粉末形式分開存在時，可以以相應(yīng)的重量分布混合粉末，然后在承載層上燒結(jié)。施加在鋼背上的燒結(jié)材料在800℃和1000℃之間的燒結(jié)溫度下加熱10-30分鐘。在此，在燒結(jié)過程中并入第一退火。之后的軋制步驟壓緊軸承金屬層直至孔隙率達(dá)到希望大小。同時通過軋制連同退火步驟調(diào)節(jié)軸承金屬的希望的材料性能，特別是其屈服極限。具體而言，燒結(jié)過程描述如下：以限定厚度將燒結(jié)粉末施加至鋼載體上；然后在800℃和1000℃之間的溫度下進(jìn)行第一燒結(jié)過程。在相當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行第二燒結(jié)過程之前，經(jīng)由軋制過程以10-30％之間的變形壓緊和壓縮燒結(jié)層。然后形成最終軋制步驟，經(jīng)由最終軋制步驟調(diào)節(jié)雙金屬帶的希望的強(qiáng)度和厚度公差。在兩個燒結(jié)過程中以一定方式控制冷卻條件，使得分離存在的碲顆粒不超過30μm，優(yōu)選15μm的最大尺寸。

根據(jù)一個替代性實施方案，在軸承金屬層和承載層之間任選通過中間層存在軋制包層連接。

事先制備帶狀材料形式的軸承金屬，任選預(yù)包層中間層然后將軸承金屬軋制在承載層上(具有或不具有中間層)。在此進(jìn)行35-70％的軸承金屬變形，這使得需要之后的熱機(jī)械處理，從而將軸承金屬的機(jī)械性能調(diào)節(jié)至希望的程度。熱機(jī)械處理包括：復(fù)合物在550℃至700℃下長達(dá)2至5小時的第一退火，復(fù)合物的至少一次第一軋制，其中實現(xiàn)20至30％的變形程度，在500℃-600℃下長達(dá)>1h的至少一次第二退火，復(fù)合物的任選一次第二軋制，其中實現(xiàn)最多30％的變形程度，和之后在>500℃溫度下長達(dá)至少1h的第三退火。選擇退火溫度和該溫度下的保持時間，從而形成所述尺寸范圍內(nèi)的碲相。不進(jìn)行交換熱處理，因此強(qiáng)度和導(dǎo)電性通常升高。由于上述第三退火位于冷軋制之前，所述退火除了碲相尺寸的調(diào)節(jié)之外還造成基體材料的再結(jié)晶。

對于中間層，可以使用銅或銅合金，例如銅鋅合金或銅錫合金。

在另一個替代性實施方案中，軸承金屬層為鑄造層。承載層的鑄造通常在1000℃至1250℃的溫度下進(jìn)行。之后還進(jìn)行由軋制步驟和退火步驟組成的熱機(jī)械處理從而調(diào)節(jié)希望的材料性能，特別是碲尺寸分布和因此改進(jìn)的抗抱死性。鑄造鋼帶之后使復(fù)合材料在>650℃的溫度下經(jīng)受均質(zhì)化退火數(shù)小時(>4h)。之后在多個軋板中使復(fù)合物變形35和70％之間，然后再進(jìn)行最終退火，所述最終退火除了碲相尺寸的調(diào)節(jié)之外還造成基體材料的再結(jié)晶。在此同樣還使用>500℃的溫度和>1h的時間。

除了滑動軸承材料和滑動軸承復(fù)合材料之外，本發(fā)明還包括由上述類型的滑動軸承材料組成的滑動元件，特別是滑動軸承。

為了制備滑動軸承元件，通過縱向分割從如上所述制得的實體復(fù)合材料或滑動軸承復(fù)合材料中分離板坯，通過已知變形步驟使所述板坯變形成滑動軸承元件(例如軸承套或襯套)。作為之后的過程，進(jìn)行切削加工從而提供軸承孔的尺寸穩(wěn)定性并且任選引入滑動層。

通過如下附圖解釋根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承材料的其它性能和特征。附圖顯示：

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承材料的表面的光顯微照片，

圖2顯示了用于說明確定滑動軸承的磨損的試驗程序的圖，和

圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的銅合金和各種其它銅合金確定的磨損值的圖。

圖1中顯示了根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承材料的橫截面的光顯微照片。放大率為500:1，因此可以看到μm量級的范圍。顯示的樣品具有如下組成：2.14重量％的鎳、0.73重量％的硅、1.52重量％的碲以及余量的銅，其中材料鎳、硅和銅形成基體材料并且碲以不溶相的形式存在于基體材料中。

純基體材料以淺色平面2的形式顯示，而深色區(qū)域4表示局部顆粒形式的碲添加劑。圖1中清楚可見碲相或顆粒與基體材料在空間上分離。碲相以清楚限定的形式大多形成細(xì)長區(qū)域，在90％可測量情況下其最大尺寸優(yōu)選在至多15μm的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的所述材料和對比材料根據(jù)圖2中顯示的方案經(jīng)受磨損試驗。與內(nèi)燃機(jī)相似，進(jìn)行測量的試驗臺配備有原活塞、連桿、曲軸和滑動軸承。在試驗的過程中，曲軸轉(zhuǎn)速從1900轉(zhuǎn)/分鐘逐步升高至最大8000轉(zhuǎn)/分鐘。后一個值對應(yīng)于曲軸稍表面和滑動軸承表面之間的19.7m/s的最大相對速度。在此，滑動軸承在連桿(所述連桿以雙軸承外殼的形式以兩件式形成)的大連桿孔中加載正弦狀負(fù)載。同時，由于出現(xiàn)的離心力，負(fù)載也隨著轉(zhuǎn)速逐步升高。圖中以曲線20的形式描述了負(fù)載(單位MPa)和相對速度(單位m/s)的乘積，并且圖左邊緣的y軸上標(biāo)出了刻度。軸承最初用500ml/min的恒定油流速進(jìn)行油潤滑。在250min的時間之后，但是在達(dá)到最大負(fù)載之前，逐步減小油流速，同時進(jìn)一步逐步提高負(fù)載或轉(zhuǎn)速。圖中同樣以曲線22的形式描述了油流速，并且圖右邊緣的y軸上標(biāo)出了刻度。對于每種軸承材料，分別在至少三個試驗中在相同條件下測量軸承在該條件下抱死的最大負(fù)載速度和滑動速度，并且在圖3的圖中以平均值的形式描繪。

圖3中顯示了四種不同的CuNi₂Si結(jié)構(gòu)變體的作為抱死行為指標(biāo)的最大負(fù)載速度和滑動速度的測量值。在所有四種變體中，基體材料具有相同組成：2重量％的Ni、0.6重量％的Si，余量為Cu。只有12號材料還包含0.5重量％碲的添加劑，因此代表根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承材料。

材料10是再結(jié)晶的CuSi₂Ni材料，鑄造在鋼上然后經(jīng)受上述熱機(jī)械處理。熱機(jī)械處理之后的結(jié)構(gòu)的特征在于銅基體內(nèi)的基于NiSi的精細(xì)、均勻、各向同性分布的金屬間沉積物(“再結(jié)晶”)。測得所述材料的平均負(fù)載極限值為720MPa·m/s。

材料12是具有切屑劑的通過熱機(jī)械處理再結(jié)晶的CuNi₂Si實體軸承材料，即不具有鋼背。相比于所有其它研究的CuNi₂Si材料，其以830MPa·m/s的值具有最大負(fù)載能力而無抱死。

材料14是軋制CuNi₂Si材料，其首先以帶的形式軋制并且在之后的軋制過程中以上述方式結(jié)合在鋼背上并且同樣經(jīng)受熱機(jī)械處理。確定其平均負(fù)載極限值為770MPa·m/s。

材料16是以上述方式鑄造在鋼背上的CuNi₂Si鑄造材料。所述材料不經(jīng)受之后的熱機(jī)械處理，因此不再結(jié)晶。因此其僅實現(xiàn)270MPa·m/s的平均負(fù)載極限值。

相比于不具有添加劑的已知滑動軸承材料，根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承材料除了改進(jìn)的可切削性之外還出人意料地具有明顯降低的抱死趨勢。因此即使在沒有固體潤滑材料的情況下其也特別適合在缺乏潤滑的情況下應(yīng)用。