铜合金、铜合金的用途、含铜合金的轴承以及生产由铜合金形成的轴承的方法.pdf

本发明涉及铜合金，例如CuNi6Sn5Fe2P0.15，其具有硬质颗粒例如Fe3P或Fe2P以及可选的固体润滑剂例如六方氮化硼或石墨。本发明还涉及所述铜合金的用于轴承的用途以及具有所述铜合金的轴承。本发明还涉及生产具有铜合金的轴承的方法，其中例如通过熔体雾化来生产金属粉末，可选地将硬质颗粒和可选的固体润滑剂添加到所述粉末中，并且在基材上烧结所述粉末。最后，本发明涉及生产轴承的备选方法，其中通过铸造或电镀将铜合金施加到基材上或者其中该轴承全部由铜合金制成。

1.  铜合金，其包括硬质颗粒和可选的固体润滑剂，所述铜合金具有以下合金元素：
最多为约10％重量、优选地最多为约8％重量、并且更优选地最多为约6％重量的镍(Ni)；
最多为约10％重量、优选地最多为约8％重量、并且更优选地最多为约6％重量的锡(Sn)；
最多为约10％重量、优选地最多为约5％重量、并且更优选地最多为约3％重量的铁(Fe)；
约0.01％到约5％重量、优选地最多为约3％重量、并且更优选地最多为约0.5％重量的磷(P)；
最多为约10％重量、优选地最多为约7％重量、并且更优选地最多为约2％重量的可选的铝(Al)；
最多为约5％重量、优选地最多为约3％重量、并且更优选地最多为约1％重量的可选的锌(Zn)；以及
作为余量的铜(Cu)和不可避免的杂质。

2.  根据权利要求1所述的铜合金，其特征在于，所述硬质颗粒包括氧化物、碳化物和/或氮化物。

3.  根据上述权利要求中任一项所述的铜合金，其特征在于，所述硬质颗粒具有小于约15μm的颗粒尺寸。

4.  根据权利要求1所述的铜合金，其特征在于，包括最多为约10％重量的硬质颗粒和/或最多为约10％重量的固体润滑剂。

5.  根据上述权利要求中任一项所述的铜合金，其特征在于，所述固体润滑剂包括六方氮化硼(h-BN)和/或石墨。

6.  根据上述权利要求中任一项所述的铜合金，其特征在于，所述铜合金是无铅的。

7.  根据上述权利要求中任一项所述的铜合金，其特征在于，所述铜合金是CuNi6Sn5Fe2P0.15类型的合金，其包括约5.5％到约6.4％的Ni、约4.5％到约5.4％的Sn、约1.5％到约2.4％的Fe、约0.145％到约0.154％的P以及作为余量的铜(Cu) 和不可避免的杂质；或者所述铜合金是CuSn5Ni4Fe2P0.15类型的铜合金，其包括约4.5％到约5.4％的Sn、约3.5％到约4.4％的Ni、约1.5％到约2.4％的Fe、约0.145％到约0.154％的P以及作为余量的Cu和不可避免的杂质。

8.  根据权利要求1到7中任一项所述的铜合金的用于轴承的应用。

9.  轴承，所述轴承包括根据权利要求1到7中任一项所述的铜合金。

10.  生产包括根据权利要求1到7中任一项所述的铜合金的轴承的方法，所述方法包括：
—生产金属粉末，
—可选地将硬质颗粒和可选的固体润滑剂掺合到所述金属粉末中，
—可选地在铜合金中生产内在的硬质颗粒，
—可选地，在第一烧结步骤和第二烧结步骤之间进行至少一种合金元素的渗透处理，所述合金元素优选为铝，
—将粉末烧结到基材上。

11.  根据权利要求10所述的生产轴承的方法，其特征在于，通过熔体雾化来进行所述金属粉末的生产。

12.  根据权利要求11所述的生产轴承的方法，其特征在于，仅在所述熔体雾化之后添加一部分的所述合金元素。

13.  根据权利要求10到12中任一项所述的生产轴承的方法，其特征在于，所述基材是金属带，例如钢带。

14.  生产包括根据权利要求1到7中任一项所述的铜合金的轴承的方法，其特征在于，通过铸造或镀层将所述铜合金施加在基材上，或铸造、可选地锻造并且轧制所述铜合金，以及完全由如此生产的铜合金制成所述轴承。

铜合金、铜合金的用途、含铜合金的轴承以及生产由铜合金形成的轴承的方法
技术领域
本发明涉及一种包含硬质颗粒和可选的固体润滑剂的铜合金、所述铜合金的用于轴承的用途、由所述铜合金制成的轴承以及生产所述轴承的方法。
背景技术
在电气工程领域，包含铁和磷的无铅铜合金以高性能材料而著称。
例如，US2009/0010797A1公开了一种铜合金制成的条料，该铜合金实质上是Cu-Fe-P类型的合金，其包含0.01％到3.0％重量的Fe和0.01％到3.0％重量的P，并且可进一步包含少量的Zn、Sn、Mn、Mg和Ca。其目的是提供一种具有高电导率、高强度和好的柔性的材料，所述材料例如用于电路板。
US2006/0091792A1公开了由铜合金制成的薄膜，该铜合金包含Fe和P并且用于平面屏幕。另外，提供了一种用于生产相应的薄膜的溅射基材。
另外，德国铜研究所(DeutschesKupferinstitut)的材料数据表“CuFe2P”以及关于“Wieland-K65”的数据表描述了用于电子部件的相应的铜合金。
但是，铜合金还例如以“轴承铜”的形式广泛地应用于轴承材料和滑动元件。例如通过在为此目的而专门选出的合金系统中进行沉淀硬化或通过添加硬质材料可以增加这些合金的耐磨性。
在这方面，DE102007049383A1描述了一种复合材料，尤其是摩擦复合材料，其包括钢材料的基材和铜合金的层。其目的是提供一种材料，所述材料可以容易地成型为模塑部件，并且包括耐磨的摩擦层。得到耐磨性是由于该层的铜合金由可硬化的铜合金(例如CuNiSi、CuNiSiMg、Cu-Cr、Cu-Fe、Cu-(Fe、Co、Ni)-P、CuBe或CuMg)构成。例如可使用碳钢、耐热钢、表面硬化钢或氮化钢作为基材。另外，描述了一种生产该复合物的方法，其中将铜合金轧制成基材上的膜，并且对其进行各种热处理。只有在通过沉淀硬化在摩擦体中形成该复合物后才能制造出耐磨的表面。
DE102005014302A1描述了一种生产滑动轴承的方法以及相应的滑动轴 承，目标在于提供特别优良的滑动表面。这是通过蚀刻处理来实现的，其中选择性地使特定的相析出滑动表面的材料，并且其他相仍然留在该表面上。为此目的，使用了在结构中具有至少两种不同的相组成的多元铜合金。这些相可以通过沉淀来形成。其中指出，可包含Fe、Ni、Mn、Zn和Si的铜铝多元青铜，以及CuAl13Fe4、5CoMn、CuAl15Fe4、5CoMn和CuAl10Ni5Fe4是合适的材料的例子。通过选择用于蚀刻的酸，可以决定是使较硬的相还是使较软的相留在表面上，这允许对滑动元件的预期用途进行调整。所制造的蚀刻结构还允许形成减少磨损的润滑剂的容器。
EP0962541A1描述了一种烧结的铜基滑动材料，其特征在于添加了中等硬度和高硬度的硬质材料颗粒。其建议将纯铜或铜合金作为基材。可使用Cu-Ag基合金或Cu-Pb-Ag基合金来作为铜合金。另外，这些合金可以包含合计最多为50％重量的以下添加剂：Ni、Sn、P、Al、Si、Bi、Mn、Zn、Fe和Sb。通过特定地添加高硬度的颗粒(所述高硬度的颗粒来自下述组：金属氧化物、硼化物、碳化物和氮化物)以及中等硬度的颗粒(所述中等硬度的颗粒例如Fe₃P、Fe₂P、Fe₃B、TiSi₂、ZrSi₂或NiP)，滑动材料得到了良好的滑动性能，并与此同时得到了良好的可加工性。高硬度的颗粒的添加量为0.01％到15％重量，并且其具有0.5μm或更大的平均颗粒直径。中等硬度的颗粒的添加量为0.5％到20％重量，并且其具有50μm或更小的平均颗粒直径。
将例如通过雾化制成的含铜粉末与硬质材料颗粒相混合，随后将其铺在钢带上并进行烧结，从而生产轴承材料自身。
WO2008/140100A1公开了一种无铅的铜基滑动材料，其包含Ag-Bi共晶体，并且还包含元素Ni、P、Zn以及1％到10％重量的硬质材料颗粒，所述硬质材料颗粒来自下述组：Fe₃P、Fe₂P、FeB、NiB和AlN，其平均颗粒尺寸为1.5μm到70μm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的铜合金。
通过根据权利要求1的合金来实现该目的。从引用权利要求1的从属权利要求中可明显得知本发明的进一步的优选的实施例。
根据本发明的合金是铜合金，其包括硬质颗粒和可选的固体润滑剂以及以下 合金元素：
最多为约10％重量、优选地最多为约8％重量、并且更优选地最多为约6％重量的镍(Ni)；
最多为约10％重量、优选地最多为约8％重量、并且更优选地最多为约6％重量的锡(Sn)；
最多为约10％重量、优选地最多为约5％重量、更优选地最多为约3％重量、并且甚至更优选地最多为约2％重量的铁(Fe)；
从约0.01％到约5％重量、优选地最多为约3％重量、并且更优选地最多为约0.5％重量的磷(P)；
最多为约10％重量、优选地最多为约7％重量、并且更优选地最多为约2％重量的可选的铝(Al)；
最多为约5％重量、优选地最多为约3％重量、并且更优选地最多为约1％重量的可选的锌(Zn)；以及
作为余量的铜(Cu)和不可避免的杂质。
在这方面，上述仅具有上限的浓度范围要理解为相应的元素以很大的浓度包含在合金中。可以将位于类似的铜合金的通常的杂质水平之上的浓度假定为相应的下限。这针对于例如单个元素<约0.01％重量，全部的杂质元素的总和<约0.2％重量的情况。
由于其结构构造和其物理性能，这样的铜合金尤其适合于对轴承的应用。从图1的不同的铜合金的对比中可明显看出，硬质(材料)颗粒的存在进一步提高了铜合金的性能，因为合金基体的强度增强并且抗磨性提高。另外，如图2所示，可选地存在的固体润滑剂通过降低摩擦状况而改善了合金的可滑动性。总之，例如与传统的无铅烧结材料CuSn8Ni1和CuSn10Bi3.5相比，根据本发明的合金的特征在于耐蚀性显著提高，且与此同时疲劳强度高并且滑动性能更好。疲劳强度的改善也是由于所描述的合金的较高的导热率。因此，可以更好地消散在使用过程中产生的热并且降低热负荷。
对合金元素的含量进行微调允许特定地调节合金性能以适于使用铜合金的不同条件，尤其是针对耐腐蚀性、疲劳强度、滑动性能和与添加的硬质(材料)颗粒和可选的固体润滑剂的相互作用。因此，添加例如位于给定浓度范围内的镍提高了耐腐蚀性。这可能会导致在材料表面上的镍有较高浓度。因此，所形成的 层有效地阻止了点蚀和/或面腐蚀。铁和磷形成了附加的硬质颗粒，其增加了抗磨性。锡增加了基体的硬度。与镍一样，可选的铝和锌增强了耐蚀性。
关于上述浓度范围，以下的铜合金是特别优选的：CuNi6Sn5Fe2P0.15，其包括约5.5％到约6.4％重量的Ni、约4.5％到约5.4％重量的Sn、约1.5％到约2.4％重量的Fe、约0.145％到约0.154％重量的P以及作为余量的铜(Cu)和不可避免的杂质；以及CuSn5Ni4Fe2P0.15，其包括约4.5％到约5.4％重量的Sn、约3.5％到约4.4％重量的Ni、约1.5％到约2.4％重量的Fe、约0.145％到约0.154％重量的P以及作为余量的铜(Cu)和不可避免的杂质。这些优选的合金在硬度(锡含量)和耐腐蚀性(镍含量)二者之间采取了有利的折中，并且尤其适用于高性能的连杆轴套。对于用作连杆轴套的情况来说，较少的锡导致疲劳强度较低。另一方面，较少的镍降低了合金的耐腐蚀性能，而较多的镍仅会增加合金成本却难促进耐腐蚀性的进一步提升。
优选地，包含在铜合金中的硬质颗粒包括氧化物、碳化物和/或氮化物，例如c-BN、SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SiC和/或Si₃N₄。也可以是内在地形成的硬质颗粒，例如Fe-P硬质颗粒。硬质颗粒的特征在于，其硬度比合金基体的硬度更大，并且因此提高了材料整体上的耐磨性。另外，有利的是，将高硬度的颗粒嵌入相对较软的基体中，例如嵌入根据本发明的铜合金中，因为这样可以最佳地补偿作用在颗粒上的力，并且可靠地将颗粒嵌入。
此外，优选地，硬质颗粒具有小于约15μm的颗粒尺寸。该颗粒的优选的尺寸范围呈现出所述颗粒在合金基体中良好地分布和抗磨性和基体强度的最大提升二者之间的最优折中。颗粒尺寸的下限是约100nm。如果颗粒太大，即大于大约15μm，则其会损伤轴承并且被驱离润滑剂沟。如果颗粒小于约100nm，则与抗磨性相比更明显的是强度的增强。但是，取决于重量比例，可能会产生抛光效应，这会损伤轴承的反向部件。另一方面，由于强的粘附力，非常细的颗粒倾向于聚集。当颗粒尺寸减小时该机制会增强。但是，为了颗粒的最佳效果，均匀的分布是必需的。这通过研磨和混合工艺来实现。但是，当颗粒尺寸处于特定的下限时，研磨和剪切力不再足以将添加物均匀度分散在合金基体中以及阻止凝聚。
进一步优选的是，铜合金包含最多为约10％重量的硬质颗粒和/或最多为约10％重量的固体润滑剂。首先，硬质颗粒的含量确保存在足够的硬质颗粒以实现对抗磨性和基体强度的可测量的提升。其次，确保不会由于硬质颗粒的含量过高 而不利地改变合金基体的有利性能。另外，该优选的浓度范围允许特定地调节材料性能。根据应用领域中的特定需求，可设置铜合金中的硬质颗粒的含量较高或较低。例如，可将分别为0.01％重量或者合计为0.2％重量的值假定为硬质颗粒的含量的下限。
可选地存在于铜合金中的固体润滑剂优选地是六方氮化硼(h-BN)和/或石墨。根据本发明，固体润滑剂的含量确保得到所需的摩擦状况的减小，但是另一方面避免由于过高的含量而导致机械弱化以及耐磨性降低。h-BN和石墨这两种材料均由于其原子结构而成为优良的润滑剂，可将其包含入铜合金中以用于永久性润滑，还允许设置最佳的滑动性能。具体地，h-BN的特征在于耐高温和抗氧化，并且因此在宽的温度范围内维持其良好的润滑性能。
最后，优选地，铜合金是无铅的。特别地，考虑到环境友好和回收问题，弃用对环境有害的铅是有利的。
本发明的另一个目的在于，将权利要求1到7所描述的铜合金用于轴承，并且提供包括根据权利要求1到7所述的铜合金的轴承。通过权利要求8和9来实现所述目的。
如已经描述的，通过加入硬质颗粒和可选的固体润滑剂，进一步改善了铜合金在磨损和滑动性能方面的良好内在性能。因此，根据本发明的合金非常适合用于轴承，例如用于轴套，尤其是连杆轴套，并且适合用于滑动元件。因此，还有利的是，提供包括所述铜合金的轴承。从铜合金的上述优选的实施例可明显得知，该合金是高度可调节的，以针对轴承的不同的使用条件。通过设置合金元素、硬质颗粒和固体润滑剂的含量，可提供具有高硬度和耐磨性的轴承或者具有特别优化的滑动性能的轴承。
另外，本发明的目的在于提供一种生产包含根据权利要求1到7所述的铜合金的轴承的方法。该目的通过权利要求10的主题来实现，并且通过相应的从属权利要求11到13可明显得知该方法的进一步优选的实施例。
根据本发明的方法包括：生产金属粉末，可选地将硬质(材料)颗粒和可选的固体润滑剂掺合至该粉末，可选地在铜合金中生产内在的硬质颗粒，可选地在第一烧结步骤和第二烧结步骤之间进行合金元素(优选铝)的渗透步骤，并且将混合粉末烧结到基材上。
因此，通过烧结处理，形成了涂覆有有利的铜合金的基材，可由其制造轴承。 通过不同的混合和研磨单元可生产粉末，该粉末最佳地构造为用于随后的烧结处理。另外，因此能够以可容易地控制的方式添加硬质颗粒和可选的固体润滑剂(可选地还有其他合金元素)，并且可以确保其均匀地分散在混合的粉末中并随后均匀地分散在铜合金中。但是，备选地，还能够例如通过在铜合金中进行冶金处理来内在地生产硬质颗粒。例如在存在Fe和P时这是可以考虑的，其中在铜合金中直接形成Fe-P硬质颗粒，而从外部添加硬质颗粒并非绝对必须的，而是可以可选地进行。在相应地生产混合粉末时进行烧结处理是有利的，因为能够以特别容易的方式来控制功能性颗粒(硬质颗粒和可选的固体润滑剂)的添加，并且与熔融工艺相比能够避免关于颗粒分布的问题。另外，不需要对得到的材料进行任何进一步的轧制或热处理步骤，这与缩短整体步骤相关。
优选地，通过熔体雾化来进行金属粉末的生产。该雾化处理产生了预合金粉末，可在随后的步骤中对该预合金粉末进行进一步处理。例如，可以生产不易于钝化的CuNiFePSn粉末，并且其可在不添加另外的烧结助剂的情况下使用。通过雾化，还可以实现在金属粉末中增加细粒(＜5μm)的比例，因此可有利地降低烧结温度。另外，雾化在原则上允许使用纯元素，并且因此能够最小化所使用的材料的成本。
另外，优选地，仅在熔体雾化后添加合金元素，例如可选的铝。如果在熔体雾化中已经将锌和铝添加到合金中，则锌和铝会形成使烧结粉末钝化的耐火氧化物。另一方面，单独地添加元素粉末意味着其可以更好地烧结。
关于可选的渗透工艺，在第一烧结步骤中制造多孔基体，向该基体中引入合金粉末。在随后的第二烧结步骤中，相应的合金元素流动/扩散到基体中。该渗透步骤的优点在于，由此使合金元素非常均匀地分布在合金中。
最后，优选地，混合好的粉末在其上烧结的基材是金属带，优选地是钢带。钢是通用的材料并且是技术上非常好描述的材料，并且其广泛地用作例如滑动部件的基材。所描述的铜合金与钢基材形成了非常好的结合，并且通过根据本发明的方法生产的金属基材和铜合金的复合物可以通过传统方法进一步加工为高性能轴承。
本发明的最后一个目的在于提供生产包括根据权利要求1到7所述的铜合金的轴承的备选的方法。通过根据权利要求14所述的方法来实现该目的。
相应地，除了烧结，还可以将所描述的铜合金在熔融态下施加在基材上，或 者在基材上镀成膜。另外，能够提供完全为所描述的铜合金的轴承。为此目的，铸造所述铜合金，选择性地进行热处理，轧制以及其他工艺将其处理成轴承。
若合适，该备选的方法能够避免通过烧结步骤来生产轴承以及相应地必然产生的粉末。另外，能够生产完全为铜合金的轴承。这些备选的方法允许使用最优化地建造的并且其技术细节已经熟知的现有的生产工具来生产根据本发明的特别有利的铜合金的轴承。因此，可以实现轴承具有相对较短的制造时间和测试周期以及最优的成本。
附图说明
图1显示了在磨损试验装置中添加或不添加硬质材料颗粒的三种铜合金的平均重量损失的对比图。
图2显示了根据测试持续时长，包括添加或不添固体润滑剂的铜合金的滑动元件的平均摩擦系数的对比图。
具体实施方式
为了测试包括硬质颗粒和/或固体润滑剂的铜合金的滑动性能和疲劳性能，进行了不同的摩擦学测试。
在图1中，从左边的条和中间的条的对比可以明显看出，添加硬质颗粒(例如氧化物)对Cu合金的耐磨性产生了何等程度的明显改善。另外，如果还改变合金基体，则可以得到协同效应。从中间的条和右边的条的对比可明显看出，通过增强合金的强度并且与此同时添加硬质颗粒，滑动元件具有进一步增加的疲劳强度和抗磨性。
在图2中显示出，加入固体润滑剂(例如h-BN)减少了滑动元件的摩擦，并且显著改善了滑动性能。表示高摩擦系数的上面的曲线代表标准的铜合金。如较低的曲线所示，添加h-BN导致朝向明显较低的平均摩擦系数的偏移，这深刻地具象化了固体润滑剂的功效。