由铝合金材料构成的轴承及其制造方法

相关申请交叉引用

本PCT国际专利申请要求2021年6月25日提交的美国实用新型专利申请序列号17/358,858的权益和优先权。其全部公开内容通过引用全文并入本文。

背景技术

1.技术领域

本发明总体上涉及一种滑动元件，例如由铝合金材料制成的轴承、衬套或垫圈，以及一种制造该滑动元件的方法。

2.相关的现有技术

内燃机通常包括滑动元件，例如轴承、衬套或垫圈，以支撑旋转轴使其旋转更顺畅且摩擦更小。现有的由铝合金材料制成的轴承通常含有锡，以提供改进滑动性能、保形性和可嵌入性的软相。然而，锡是昂贵的，并且可能导致与质量和加工相关的诸多挑战。用于轴承的铝合金材料中的锡的含量在辊铸和热结合铝合金材料中通常被限制为小于10重量百分比(wt.％)。

锌是另一种可以在铝合金材料中提供软相的元素。然而，锌在当前铝合金材料中的使用是有限的。用于轴承的铝合金材料中存在的锌的含量通常被限制在5重量百分比左右，因为锌导致合金的硬化和强化，这不适合轴承应用。此外，与锡相比，锌在发动机工作温度下更容易溶解在铝中，这限制了改进嵌入性的能力。

硅也经常被添加到用于轴承的铝合金材料中，例如含锡或锌的材料，以形成提供耐磨性并防止咬合(seizure)的硬相。然而，铝合金材料必须经过热处理，以赋予硬硅相的适当的尺寸和分布。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种克服了上述许多挑战的滑动元件，例如用于内燃机的轴承。滑动元件包括铝合金材料。铝合金材料包括基于铝合金材料的总重量的含量为17重量百分比(wt.％)至95wt.％的铝和含量为5wt.％至83wt.％的锌。铝合金材料包括主要由锌组成的软相，并且软相具有不大于60HV

本发明的另一方面提供了一种制造滑动元件的方法。滑动元件包括铸造铝合金材料。铝合金材料包括基于材料的总重量的含量为至少5wt.％的锌。通常，基于铝合金材料的总重量，锌的含量为大于5wt.％或至少10wt.％。该方法还包括将铸造铝合金材料在100℃至275℃的温度下热处理至少5小时以形成基本上由锌组成的软相。

本发明的又一方面提供了一种制造由铝合金材料构成的滑动元件的方法，该铝合金材料包括基于铝合金材料的总重量的含量为0.5wt.％至12wt.％的镁。铝合金材料还包括基于材料的总重量的含量为至少5wt.％的锌。

附图说明

当结合下面的具体实施方式和附图进行考虑时，本发明的这些及其它特征和优点将变得更容易理解：

图1是根据示例实施例的发动机轴承的侧视立体图，该轴承包含钢背衬上的铸造铝合金材料；

图2是图1的发动机轴承的仰视立体图；

图3是图1的发动机轴承的侧视横截面图；以及

图4是可以包括铸造铝合金材料的典型止推垫圈的侧视图。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种滑动元件10，例如用于内燃机的轴承、衬套或垫圈。图1至图3示出了轴承形式的滑动元件10的一个示例。图4示出了垫圈、特别是典型止推垫圈形式的滑动元件10的一个示例。应该理解的是，本说明书主要涉及轴承，但本说明书同样适用于衬套、垫圈或其他类型的滑动元件。

滑动元件10包括至少一层由改良铝合金材料12形成的层。铝合金材料12通常结合到由钢形成的背衬14。除了铝合金材料12层和背衬14之外，滑动元件10还可以包括各种其他层和/或材料。例如，铝合金材料12可以直接设置在背衬14上，或者其他层可以位于铝合金材料12和背衬14之间。滑动元件10还可以具有各种不同的设计和/或尺寸，这取决于其被设计用于的特定应用。在图1的实施例中，滑动元件10是轴承并且包括第一半壳16和第二半壳18。半壳16、18围绕中心轴线A周向延伸并且在相对端彼此接合。铝合金材料12通常具有范围从100微米至1000微米的厚度，并且钢背衬14通常具有范围从1000微米至5000微米的厚度。

铝合金材料12具有可提供磨损和咬合优势、可控硬化、保形性和可嵌入性的组合的成分和微观结构。

铝合金材料12包括基于铝合金材料12的总重量的含量为17重量百分百(wt.％)至95wt.％的铝和含量为5wt.％至83wt.％的锌。更优选地，铝合金材料12包括基于铝合金材料12的总重量的含量为52.5wt.％至88.5wt.％的铝，和基于铝合金材料12的总重量的含量为10wt.％至40wt.％的锌。甚至更优选地，铝合金材料12包括基于铝合金材料12的总重量的含量为58.5wt.％至78.5wt.％的铝，并且包括基于铝合金材料12的总重量的含量为20wt.％至40wt.％的锌。

通常，铝合金材料12不包括铅。在铝合金材料12中添加铅可以提供性能益处，但也可能会带来健康和环境问题。如果存在铅，则铅的含量通常不大于0.1wt.％。

根据某些实施例，铝合金材料12还包括硅。基于铝合金材料12的总重量，硅的存在含量优选为0.5wt.％至12wt.％，更优选为1wt.％至6wt.％。铝合金材料12还可以包括镁。基于铝合金材料12的总重量，镁的存在含量优选为0.5wt.％至12wt.％，更优选为1wt.％至6wt.％。根据一个示例实施例，铝合金材料12包括基于铝合金材料12的总重量的含量为0.5wt.％至12wt.％的硅和含量为0.5wt.％至12wt.％的镁。当铝合金材料12包括镁和/或硅时，在热处理过程之后，铝合金材料12包括主要由镁和/或硅组成的硬相。

其它元素可以添加到铝合金材料12。例如，可以基于铝合金材料12的总重量添加各自含量为小于5wt.％的铋和/或锡，以改进滑动性能。

滑动元件10的铝合金材料12通常具有150-300MPa的极限抗拉强度、100-300Mpa的屈服强度和50-150HV

本发明的另一方面提供了一种滑动元件10的制造方法。该方法包括铸造铝合金材料12，并在100°至275℃的温度下将铸造铝合金材料12热处理至少5小时以形成主要由锌组成的软相。软相具有不大于60HV

根据一个实施例，在将铝合金材料12在100℃至275℃的温度下热处理至少5小时的步骤之前，该方法可以包括轧制铸造铝合金材料12并将轧制铝合金材料12结合到钢背衬14。

根据一个优选实施例，在将铝合金材料12在100℃至275℃的温度下热处理至少5小时的步骤之前，该方法包括将铸造铝合金材料12在400℃至577℃的温度下热处理，并以小于每小时50℃的冷却速率将铸造铝合金材料12冷却至范围从400℃至200℃的温度。

在铝合金材料12包括硅和/或镁的实施例中，硅和/或镁通常在将铸造铝合金材料12在400℃至577℃的温度下热处理的步骤期间形成硬相。例如，当铝合金材料12包括基于铝合金材料12的总重量的含量为0.5wt.％至12wt.％的硅和/或含量为0.5wt.％至12wt.％的镁时，硬相会形成。

根据上述方法加工的铝合金材料12可以提供多个优点，包括硅的磨损和咬合优点、由锌添加所赋予的控制和硬化以及改进保形性和可嵌入性的软相。此外，锌比锡或铝便宜，并且铝锌的液相线温度和固相线温度的差异比铝锡的液相线温度和固相线温度的差异小得多。这使得铸件结构更加均匀，这消除了许多与锡相关的加工问题。锌可以与硅相结合用作硬颗粒，锌既充当溶液硬化元素，又充当软相。

当铝合金材料12包括镁时，可以获得多个其它优点。首先，能形成大规模的锌沉淀物，这相对于小规模的锌沉淀物增加了可嵌入性。镁还可以显著减少热处理时间和成本，或者甚至消除对较低温度热处理的需要，并且加快硬相颗粒例如镁硅颗粒和硅颗粒的形成。例如，包括镁的铝合金材料12可以被铸造，被加热至400℃至577℃的温度，然后以小于每小时50℃的冷却速率被冷却至范围从400℃至200℃的温度，而无需第二热处理步骤。

显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在以下权利要求的范围内以不同于具体描述的方式来实施。特别是，只要不相互矛盾，所有权利要求和所有实施例的所有特征都可以相互组合。