[发明专利]耐磨无铅合金滑动元件及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年11月17日提交的第61/414,471号以及于2011年5月31日提交的第61/491,568号美国临时专利申请案的优先权，它们的全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明主要涉及滑动元件，例如内燃机或车辆变速箱的衬套和轴承（例如那些包含烧结粉末金属的元件），本发明还涉及这些相同元件的制造方法。

背景技术

滑动元件（例如内燃机的衬套和轴承）通常包含结合至钢背的粉末金属铜（Cu）合金，以轴颈支承曲轴或诸如此类的机构。该铜合金提供了一个基体，并应当提供一个坚固的表面，该表面可以承受滑动元件在使用过程所承载的负载。这样的滑动元件还应具有适当的耐磨性和抗咬合性，为此目的，通常会在铜基体中添加某种额外的合金成分，例如铅（Pb）。铅作为润滑剂可以为滑动元件表面提供耐磨性。为了进一步提高耐磨性和抗咬合性，通常还会在该表面上增加一层较薄的铅（Pb）涂层或者锡（Sn）涂层。

由于考虑到环境因素，现已探寻到铅的各种替代物，例如铋（Bi）。铋可以以可控的量与可控量的磷（P）一起与粉末金属铜预铸成合金。该铜-铋-磷粉末金属可被烧结并结合至钢背，以形成一个钢背的发动机滑动元件，该元件的物理性能（例如耐磨性和抗咬合性）相当于或优于含铅钢背的发动机滑动元件的物理性能。

根据6,746,154号美国专利构造的发动机滑动元件包括结合至钢背的基本无铅的粉末金属基底。该粉末金属基底包含8.0-12.0重量百分比（wt.%）的锡、1.0wt.%至小于5.0wt.%的铋和0.03-0.8wt.%的磷，且余量基本为铜。

然而，根据’154号专利制成的滑动元件的缺点在于：锡基过镀层（overplate）无法有效地涂敷至粉末金属基底。在较低的温度下（例如在低于典型发动机温度的温度下），粉末金属基底的铋扩散至锡基过镀层内，并形成锡和铋的共晶合金（eutectic alloy），从而使该滑动元件变差。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种滑动元件，该滑动元件包括一衬背和一设置在该衬背上的基底。按基底的重量百分比（wt.%）计算，该基底包括含量为20.0-98.9wt.%的铜、含量为0.1-15wt.%的锡、含量为0.1-8.0wt.%的铋，以及第一硬质颗粒。

本发明的另一个方面提供了一种制造滑动元件的方法。该方法包括提供一包含铜、锡以及铋的铜-锡-铋合金。然后该方法包括将该铜-锡-铋合金与第一硬质颗粒混合，以形成一基底。该方法下一步包括将该基底设置在一衬背上，并烧结该基底和衬背。

该基底的组成是这样的，即，一锡过镀层被涂敷至该基底，且铋以最小限度地扩散至该锡过镀层内。因此，该无铅的滑动元件在用于发动机和车辆变速箱的场合中时具有极佳的强度、耐磨性和抗咬合性。

附图说明

请参阅下述详细说明并结合附图进行考虑，本发明的其它优点将更加容易领会和理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的发动机滑动元件（特别是衬套）的示意图，该发动机滑动元件包括衬背和基底；

图1A是图1的滑动元件沿线A剖开的局部放大剖视图；

图2是根据本发明的另一个实施例的发动机滑动元件（特别是轴承）的示意图，该发动机滑动元件包括衬背、基底和锡过镀层；

图3是根据本发明的另一个实施例的滑动元件的立体图，该滑动元件包括衬背、基底、镍阻挡层、锡-镍中间层、锡过镀层和闪光焊覆层；

图4是根据本发明的另一个实施例的滑动元件的局部放大剖视图，该滑动元件包括衬背、基底、镍阻挡层和锡过镀层；

图5是根据本发明的另一个实施例的滑动元件的局部放大剖视图，该滑动元件包括衬背、基底、镍阻挡层、锡-镍中间层和锡过镀层；

图6是根据本发明的另一个实施例的滑动元件的局部放大剖视图，该滑动元件包括衬背、基底和溅射涂层；

图7-10是根据本发明的另一个实施例的滑动元件的局部放大剖视图，该滑动元件包括衬背、基底和聚合物涂层；

图7A、7B和8A-10A分别是图7-10的放大示意图；

图11-26包括在热处理前后，本发明的基底（LF-4）和对比材料（LF-5）相对照的扫描电子显微镜（SEM）图像和能量弥散X射线光谱（EDX）。

具体实施方式