[发明专利]含Sn重载材料组合物、重载涂层的制备方法及其用途

说明书

本发明涉及用于涂覆金属基底的含Sn材料组合物、在金属基底上制备 含Sn重载涂层的方法，以及该涂层的用途。以金属基底化合物的形式制备 重载金属涂层。为此，使用专门的重载金属材料，将其施加至该金属基底(支 撑结构)。常常基于具有正滑动、磨合、包埋和故障保险特性的Sn而应用重 载金属材料。如同轴承更容易受到碰撞和冲击一样，当涂层受到更强的热应 力，或涂层的静应力和动应力很高时，必须采用其它元素。典型的应用是压 缩机内的高应力轴承，以及活塞、膨胀机和辊压装置。

下文中，术语“金属”是指单一金属以及金属合金和含有高百分比金属 的复合物。粉末混合物以及压制粉末或复合物理解为金属混合物。

由于重载涂层的支撑结构，至少在其表面，由金属或金属合金构成，必 须在重载涂层材料和支撑结构表面之间形成结合物。通常，可以采用许多不 同的方法形成金属层之间的结合物：砂型铸造、离心铸造、铸造包覆、轧制 包覆、电镀、钎焊、焊接等等。在实施上述方法时，确保重载涂层材料与支 撑材料附着良好，具备尽可能大的应力耐受能力极为重要。为了涂覆金属支 撑结构，采用本领域技术人员所熟知的含锡层，如根据DIN ISO 4381、UNI 4515、ASTM B23的含锡合金如SnSb12Cu6或其它锡合金，或根据DIN ISO4382等的铜合金如CuPb20Sn5或其它铜合金；或者使用铝基合金如 AlSn20Cu1。

迄今为止，为了重载涂层和金属支撑结构之间的金属结合物的安全性， 必须考虑对于重载涂层材料的金属合金的狭窄范围。在此情况下，目前所有 无铅锡铸造合金的Sb含量最大值限定在14wt％，Cu含量最大值限定在9wt ％；只有这样才能获得精细结晶构造、满意的均匀度，尤其是所需要的结合 物(无偏析)。通过由铸造工艺预先设定的上述范围，材料的开发已经对其 进行了严格的限制。当材料组例如适合铸造以下轴承时，将该材料组称为锡 铸造合金，所述轴承包含最大91wM.％的Sn和最大14％的Sb及最大9％的 Cu，以及任选最小比例的其它元素如Cd、Zn、Ni、Ag、Se、Cr、Bi、In。

为了改善结晶，在锡合金中加入了细化元素如As或Ag，其中As引起 环境问题，Ag较为昂贵。合格的合金为例如SnSb12Cu6Zn0.6Ag0.1。

重载金属涂层的另一种材料是铜合金。它们包含大于50％的铜，至多 20wt％的Sn和至多27％的Pb，通过其对不同介质的耐受性来表征。铜合金 和Sn铸造合金均包含许多相同的组分但含量不同，在两者之间存在过渡区。 这些重载涂层用的金属的典型代表是CuPb10Sn10、CuPb20Sn5。

最后，含Sn铝合金用作重载涂层。这样，如AlSn20、AlSn20Cu、AlSn6Cu 用于制造轴承。

迄今为止，为使金属层间获得良好的结合效果，出于附着的原因有必要 对金属支撑结构的结合表面进行预处理。例如，要求结合表面的腐蚀剂或镀 锡适合于在金属基体(如钢、铸钢、灰口铸铁、青铜和含锡涂层材料)之间 的复合铸造，这导致相关的成本增加并常常引起污染过程。对于部分工序及 原料配对，附加的金属夹层是必须的，需要对其进行额外处理。

迄今为止，大部分该类型涂层都是铸造而成的。铸造此类涂层材料非常 繁琐。进行当中，需要精确的温度控制，并常常需要用毒性很强的腐蚀剂如 氯化锌化合物对支撑材料进行预处理。也需要可铸造的、可施加至支撑材料 且不发生偏析或其它分解现象的合金。在铸造过程中，对支撑结构进行所规 定的加热以及将其倒出之后进行所规定的冷却也是必须的，以便通过等温分 布在两层中均获得良好的结晶构造质量、高均匀性和结合。在施加含锡金属 层之后，为使涂层定形需要进行机械加工。

根据现有技术现状，这意味着要提供铸造设备和相应的监测和后加工设 备。对于材料厚度差异很大的复杂支撑结构，实际当中常常很难达到平整和 满意的重载金属层的铸造。在上述其它方法的情况中，遵循各种参数是可靠 结合所要求的，并且极大地依赖于各种加工要求——此方法难以标准化。

另一种施加特别薄的重载金属层的方法是电镀，用于制备多层复合材料。

该薄涂层还可以通过在Sn-、Al-、Cu-合金基底上进行轧制包覆而制得， 具有高电阻和通常在一毫米以下的厚度。

薄的重载金属涂层的抗应力能力——涂层的抗压性及载荷承受能 力——提高。