耐磨無鉛合金軸襯及其製造方法
2023-05-16 05:49:06 2
專利名稱：：耐磨無鉛合金軸襯及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及滑動型軸承，特別是涉及具有塗敷於鋼背(steelbacking)之上的燒結粉末金屬青銅軸承材料的滑動型軸承，例如用於發動機軸承的滑動型軸承。
背景技術：
：在包括發動機軸承在內的滑動軸承應用中，通常會將粉末金屬青銅合金粘合至鋼背上以軸頸支承曲軸或類似物。銅錫合金基體提供了堅固的軸承面，該軸承面可經受使用過程中軸承上的載荷。此等軸承還必須展現出合適的耐磨和抗咬合性能，而為此目的，通常會對青銅基體增加某種額外的合金組分，包括鉛。鉛充當軸承面的潤滑劑。為了進一步增強軸承的耐磨和抗咬合特性，通常還會為軸承面增加一個較薄的錫塗層。鑑於環境考量，業已研究出鉛的各種替代物，但在包括發動機軸承在內的許多滑動軸承應用中，至今無一顯示對鉛的真正的替代能力而不過度犧牲強度、耐磨、抗咬合以及各種其他性能。申請人:發現，當以受控量與粉末金屬青銅以及受控量的磷預合金時，鉍可被燒結並粘合至鋼背上，成為一個合成的燒結青銅鋼背發動機軸承，該軸承的物理性能等同於或優於青銅_鉛軸承，而同時還顯示出等同於或優於鋼背粉末金屬青銅_鉛發動機軸承的耐磨和抗咬合性能。根據申請人自己的在先發明(即第6，746，154號美國專利)而構造的發動機軸承由粘合於鋼背之上的基本上無鉛的青銅粉末金屬軸承材料組成。該軸承材料基本上包括重8-12%的錫，重1至小於5%的鉍，以及重0.03-0.8%的磷，而餘量則基本由銅組成。根據該在先發明而構造的青銅-鉍-磷發動機軸承顯示出大於或等於400MPa的抗拉強度、大於或等於290MPa的抗屈強度、大於或等於10%的延展率、大於或等於130Hv0.5/15的硬度等物理性能。對比發現，具有重10%的錫、重10%的鉛的傳統的銅-錫-鉛軸承顯示出平均為223MPa的相當低的抗屈強度、301MPa的可比較的抗拉強度、約8%的減少的延展率以及約96HvO.5/15的降低的硬度。作為進一步對比，對根據該在先發明製備的青銅-鉍-磷軸承和上述類型的更傳統的銅-錫-鉛軸承進行了相同的發動機磨損測試。該更傳統的銅-錫-鉛發動機軸承具有磨損引發的約12微米的損耗，而根據該在先發明製備的軸承則具有平均為約10-11微米的損耗，這就表明根據該在先發明的軸承的耐磨和抗咬合性能較之傳統的銅-錫-鉛發動機軸承即使不是更好，也至少一樣好。意外地發現，當遭受使用中的摩擦滑動載荷時，根據申請人的在先發明製備的軸承顯示出含有一定量錫的有益的性能，該錫與銅一道成為固溶體遷移至軸承面，結果是在軸承面形成一個在燒結之後或軸承安裝和使用之前沒有的富錫層。錫的遷移和軸承面上高度富錫層的形成大大增強了軸承的潤滑性，進而有助於增強軸承投入使用後的耐磨和抗咬合特性。這種錫的遷移尚未在傳統的銅-錫-鉛軸承中被發現，建議的諸如鎳的其他鉛替代物中也未發現。儘管還不完全理解，但應相信，當遭受摩擦滑動載荷時，鉍與基體中的錫反應，並有效調動錫，將它牽引至軸承面。測試之後，對根據該在先發明製備的發動機軸承的目測檢查表明該軸承面具有光澤的、錫色的軸承面，而且對該軸承進行的化學分析表明，表面上的錫較之在表面之下的銅-錫基體部分中的錫具有相當高的密集度，該錫的密集度保持均勻。錫遷移這個令人驚奇的性質具有一個益處，即消除或最小化在軸承投入使用前在軸承面上塗敷錫薄鍍層的必要。消除薄鍍層步驟節省了時間和裝備，簡化並降低了製造發動機軸承的成本。從發動機軸承中消除鉛的優點在於提供了更環保的發動機軸承，以申請人在先發明要求的方式用鉍替代鉛的優點在於獲得同樣或更好的強度和耐磨/抗咬合性能，而不要求實質性地改變發動機軸承的製造方法。就這點而論，根據該在先發明製備的發動機軸承容易適應於要求銅-錫-鉛軸承的新應用或現有應用，而根據該發明的軸承的製造商適於製造這種軸承而不需要新的或實質改進的製造設備，而且可能省去某些通常與製造傳統銅-錫-鉛軸承有關的步驟和設備。根據申請人在先發明(第6，746，154號美國專利)的另一方面，當銅-錫-鉍燒結坯塊(sinteredcompact)由水霧化的銅-鉍粉末和氣霧化的銅-錫粉末的混合物產生時，可實現特別的益處。再次地，儘管還不完全理解，但應相信，製造粉末的過程有助於將錫調動至軸承面上。其他值得提及的
背景技術：
包括轉讓給大同金屬材料有限公司(DaidoMetalCompany,Ltd.)的第6，905，779號美國專利。該專利旨在改進抗咬合性，卻與含鉍合金或有關磨合期的耐磨性問題完全不相關。這裡，採用機械合金化技術來獲得材料組分的均勻的硬顆粒分布。另一個
背景技術：
包括轉讓給大同金屬材料有限公司的GB2355016A，它教導了一種銅合金，該銅合金包括重0.5-15%的錫、重1-20%的鉍以及體積為0.1-10%的平均尺寸為1-45微米的硬顆粒。鉍作為鉍相而分散於合金中。硬顆粒可包括硼化物、矽化物、氧化物、氮化物、碳化物和/或金屬互化物中的一種或多種。該合金可進一步包括重量不超過40%的Fe、Al、Zn、Mn、Co、Ni、Si和/或P。該合金還可進一步包括體積不超過20%的MoS2、WS2、BN和石墨中的一種或多種。軸承合金材料通過將純銅、錫和鉍粉末、以及各種硬顆粒粉末的混合物燒結而製成。該專利教導說，所述硬顆粒在銅基體中與鉍相共存。由於硬顆粒置於鉍相中，因此，鉍相的尺寸一般大於硬顆粒的直徑。還有一個
背景技術：
包括轉讓給大豐工業株式會社(TaihoKogyoCo.Ltd.)的US2006/0000527，它教導了一種Cu-Bi基合金，該合金可同時獲得燃料噴射泵的軸承所需的高度的兼容性、耐疲勞性和耐蝕性。該』527專利教導一種無鉛軸承，該軸承包含重1-30%的Bi和重0.1-10%的、平均顆粒直徑為10-50微米的硬顆粒，餘量為Cu和不可避免的雜質，而且分散於Cu基體中的Bi相的平均顆粒直徑小於硬顆粒的直徑。通過霧化方法，Cu-Bi合金被壓成細粉。生成的Cu-Bi粉末與硬顆粒粉末以及其他金屬組分的粉末混合。硬顆粒粉末以外的組分可以是霧化方法製備的合金粉末。硬顆粒可為諸如Cr2C3、Mo2C、WC、VC、NbC的碳化物，優選為Fe2P、Fe3P、FeB、Fe2B和Fe3B。儘管使用如在第6，746，154號美國專利中描述的銅-錫-鉍軸承材料具有優勢，但是當使用由該成分製成的燒結的軸襯時，會偶爾發生軸襯早期磨損。該磨損問題一般顯現在最初的使用磨合期。儘管使用了上文建議的硬顆粒的某些組合，但仍然需要進一步改進軸承材料，特別是改進軸承的耐磨和抗咬合性，包括耐早期磨損和抗咬合性，同時也保持諸如抗拉強度、延伸性或延展率的機械和物理性能的合適結合。還需要的是，在最小化額外的硬顆粒粉末材料的使用量時影響這些必要改進，這是因為這些材料的相關成本經常高於它們在燒結的軸承材料中替代的合金粉末的成本。
發明內容本發明旨在改進軸襯或軸承的耐磨性。基底材料，即添加有磷的銅_錫-鉍合金，如申請人第6，746，154號美國專利所詳述，因銅、錫和磷的固溶而具有良好的強度。由於存在鉍以及軸承使用期間發生的相關的錫遷移，該材料還具有良好的潤滑性。然而在一些情況下，工作環境的不平常設置會導致非常快速和過度的磨損。這些環境涉及軸襯和對應的銷或軸頸的表面匹配，在這些環境下，軸襯磨損會比上述錫遷移更迅速地發生。添加少量相對細小的硬顆粒——特別是如本發明所述的Fe3P、MoSi2或它們的混合物——提供了合適的硬表面人工產物以磨光該銷或軸頸，從而大大降低了總磨損，特別是與軸承面的上述匹配相關的早期磨損。一方面，本發明是一種軸承，該軸承包括粘合至一鋼背外殼的、由一種銅-錫-鉍合金粉末和一種金屬化合物粉末製成的燒結粉末坯塊軸承材料(sinteredpowdercompactbearingmaterial)，而且該金屬化合物粉末的平均顆粒尺寸小於10微米。另一方面，金屬化合物粉末選自金屬硼化物、金屬矽化物、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬磷化物和金屬互化物。金屬化合物粉末可包括Fe3P、MoSi2或它們的混合物。另一方面，金屬化合物粉末體積佔燒結粉末坯塊的0.1_10%。另一方面，銅-錫-鉍合金粉末可包括重量為8-15%的錫、1-30%的鉍和實質為銅的餘量，特別是8-12%的錫、1-<5%的鉍和實質為銅的餘量。銅-錫-鉍合金粉末可包括一種氣霧化粉末或一種水霧化粉末，特別是可包括氣霧化粉末和水霧化粉末的混合物。另一方面，銅-錫_鉍合金粉末可包括磷，特別是重量佔銅-錫-鉍合金粉末0.03-0.8%的磷，更特別是重量佔銅-錫-鉍合金粉末0.03-0.08%的磷。另一方面，本發明是一種軸承，該軸承包括粘合至一個鋼背外殼上的、由銅-錫-鉍合金粉末、Fe3P粉末和MoSi2粉末製成的燒結粉末坯塊。另一方面，Fe3P粉末和MoSi2粉末的體積總共佔燒結粉末坯塊的0.。另一方面，Fe3P粉末和MoSi2粉末的平均顆粒尺寸均小於10微米。另一方面，本發明包括一種製造軸承的方法，該方法包括以下步驟將一種包括銅-錫-鉍合金粉末和平均顆粒尺寸小於10微米的金屬化合物粉末的混合物塗敷至一個鋼背外殼上；加熱該粉末混合物和鋼背外殼，以生成燒結粉末混合物並將該燒結粉末混合物粘合至該鋼背外殼上；滾壓該燒結粉末混合物和鋼背外殼，以降低燒結粉末的孔隙率並產生全緻密的燒結坯塊軸承材料。另一方面，本發明包括加熱全緻密軸承材料的步驟，該步驟在與孔隙率相關的部位提升軸承材料內的內擴散。另一方面，本發明包括一種製造軸承的方法，該方法包括以下步驟將一種包括銅-錫鉍合金粉末、Fe3P粉末和MoSi2粉末的混合物塗敷至一個鋼背外殼上；加熱該粉末混合物和鋼背外殼，以生成燒結粉末混合物並將該燒結粉末混合物粘合至該鋼背外殼上；滾壓該燒結粉末混合物和鋼背外殼，以降低燒結粉末的孔隙率並產生全緻密的燒結坯塊軸承材料。結合下面的詳細說明和附圖，本發明的這些和其他特性與優點將得以更好地理解，其中相同元件具有相同標記圖1是根據本發明構造的發動機軸承的透視示意圖；圖2是根據本發明構造的銷襯套的透視圖；圖3是根據本發明的軸承的放大的片斷剖面圖，該軸承處於已製造而未使用狀態；圖4類似於圖3，但該軸承已使用一段時間；圖5是一個SEM顯微照片，示出了燒結的Fe3P顆粒；圖6是Fe3P顆粒的另一個SEM顯微照片，該Fe3P顆粒未燒結；圖7是MoSi2顆粒的一個SEM顯微照片；圖8是以更高倍率拍攝的圖7的MoSi2顆粒的一個SEM顯微照片；圖9是軸承材料LFC-63的一個光學顯微照片；圖10是圖9的軸承材料的一個二次電子顯微照片；圖11是圖9的軸承材料的一個反散射型電子顯微照片；圖12是軸承材料LFC-64的一個光學顯微照片；圖13是圖12的軸承材料的一個二次電子顯微照片；圖14是圖12的軸承材料的一個反散射型電子顯微照片；圖15是軸承材料LFC-65的一個光學顯微照片；圖16是圖15的軸承材料的一個二次電子顯微照片；圖17是圖15的軸承材料的一個反散射型電子顯微照片；圖18是軸承材料LFC-66的一個光學顯微照片；圖19是圖18的軸承材料的一個二次電子顯微照片；圖20是圖18的軸承材料的一個反散射型電子顯微照片；圖21是本發明的幾種軸承材料和對比軸承材料的磨損性能圖。具體實施例方式參考附圖，貫穿於數個附圖，相同的數字表示相同或相應部分。圖1在10處總體示出了根據本發明構造的軸承，該軸承為發動機軸承，圖2在10』處示出了一種諸如用於較小的連杆端通孔的銷襯套，該連杆用於軸頸支承活塞的活塞銷。為簡單起見，說明書剩餘部分根據發動機軸承10而撰寫，但應理解，說明書對銷襯套10』同樣適用。這種類型的發動機軸承10包括一個半殼，用於在發動機或類似物中與一個對應的半殼軸承結合，以軸頸支承轉軸，該轉軸例如發動機的曲軸。該軸承10具有一個鋼背外殼12，該外殼具有一個凹的內表面14和一個凸的外表面16。軸承材料18作為銅-錫-鉍合金粉末和硬顆粒粉末的鬆散粉末混合物而塗敷於該內表面14，並被燒結及滾壓，以形成一種燒結粉末坯塊。銅-錫-鉍合金軸承材料18是無鉛的。無鉛是指軸承材料不包含或者僅包含少量的雜質導致的鉛(即重量小於約0.5%)。軸承材料18由一種銅-錫-鉍合金粉末或幾種銅-錫-鉍合金粉末的混合物製成，其還包括至少一種硬顆粒粉末，優選至少兩種硬顆粒粉末。該至少一種硬顆粒粉末是一種金屬化合物粉末，其體積佔軸承材料18和燒結坯塊的0.1-10%，且其平均顆粒尺寸小於10微米。儘管相信金屬化合物粉末體積為0.1-10%代表了該材料最寬的範圍，但應相信，該材料體積為0.5-5%代表了更優選的範圍，而體積為1-2%則代表了該材料最優選的範圍。應當相信，該金屬化合物粉末可選自金屬硼化物、金屬矽化物、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬磷化物和金屬互化物，並且該金屬化合物粉末還可包括這些材料的各種混合的金屬化合物，例如各種金屬氮氧化物、金屬碳氮化物、金屬羧氮化物(metalcarboxynitrides)、金屬氧碳化物和類似物。申請人確定，Fe3P或MoSi2均適於作為金屬化合物以上述含量和尺寸使用，而MoSi2則略為優選，因為它具有稍上乘的耐磨性和延伸性，但Fe3P就其相對低廉的成本來說，總體略為優選。然而，應當相信，更優選的是以上述含量和尺寸使用Fe3P和MoSi2的混合物，以發揮兩種材料的優勢。以這些含量和尺寸使用硬顆粒，特別是使用Fe3P或MoSi2,更特別是使用Fe3P和MoSi2的混合物，在本領域現有專利和專利申請公開中尚未被探討。重要的是，與其他以前報導的使用銅、錫和鉍組分中各純金屬粉末的混合物的銅-錫-鉍合金軸承相對比，在形成銅-錫-鉍粉末之前，銅、錫和鉍先一起鑄成合金，這是因為申請人已發現(與GB2355016所報導的一致)，使用純金屬粉末製造燒結軸承材料加大了所述硬顆粒優先置於鉍相之中或鄰近鉍相的趨勢。據觀察，使用銅-錫-鉍合金粉末製造本發明的燒結坯塊可產生硬顆粒大致均勻分布於整個合金微觀結構的坯塊，尤其是在銅-錫基體中。儘管在鉍相中觀察到一些硬顆粒(當銅-錫-鉍合金顆粒和金屬化合物顆粒大致均勻分布時，這是意料之中的)，但硬顆粒在鉍相中的優先結合則未被注意到。在形成銅-錫-鉍粉末之前鑄成合金可包括將全部所需合金組分一起鑄成合金，以便形成單一粉末，優選為水霧化粉末或氣霧化粉末，更優選為水霧化粉末和氣霧化粉末的混合物。然而，本發明和本文中銅-錫-鉍粉末的參考文獻還考慮將組分的某些組合一起鑄成合金來形成合金粉末，隨後該合金粉末可混合在一起以獲得燒結坯塊的所需合金組成，例如像US6，746，154所述的單獨形成銅-錫合金和銅-鉍合金粉末，然後在燒結之前將它們混合在一起，而純鉍粉末則未被用到。當使用不同的合金粉末時，這些粉末還可為氣霧化粉末和水霧化粉末。採用已知的混合方法，以上述含量將硬顆粒粉末與銅-錫-鉍合金粉末混合，以形成軸承材料18。用於形成金屬軸承材料18的銅-錫-鉍粉末與硬顆粒粉末的混合物被燒結並粘合至鋼背外殼12之上，以提供銅-錫_鉍軸承材料的、抵靠鋼背外殼12的內表面14的襯裡(lining)，該銅-錫-鉍軸承材料包含分散於其內——特別是銅_錫合金基體內——的硬顆粒。正如青銅軸承領域(包括青銅-鉍軸承領域)技術人員廣為知曉的，將銅_錫-鉍合金粉末與分散的硬顆粒粉末作為軸承材料18粘合於鋼背外殼12之上的技術包含將鬆散粉末形態的軸承材料18塗敷於內表面14，此後，該粉末軸承材料被加熱、燒結並滾壓，以形成軸承材料18的一個基本無孔隙、全緻密層，該材料永久地治金粘合併聯合於鋼背外殼12之上，以形成一個聯合的多層軸承結構。全緻密是指粉末軸承材料18被壓實並燒結至趨於完全理論緻密度，以形成這樣一個燒結坯塊相比於本發明所未涉及的多孔、含油青銅軸承，該燒結坯塊對油或其他物質基本是不透的。因此應當理解，全緻密或近似全緻密是指軸承材料18具有超過完全理論緻密度的99%的緻密度，優選超過99.5%，而更優選超過99.9%或以上。在滾壓步驟之後，多層軸承結構優選被再度充分加熱(即，充分的時間和溫度)，以在與孔隙率相關的部位提升軸承材料18內的內擴散，該孔隙已通過滾壓步驟而被有效閉合。通過增大微觀結構的均一性、藉由內擴散除去事實上會成為微裂紋的一個網絡的東西，該步驟大大增強了軸承材料18的強度，而該微裂紋則與滾壓閉合的孔隙有關。取決於軸承應用所需的性能，有著一定範圍合金組成的銅-錫-鉍合金粉末適於被用來製造本發明的軸承材料18。然而，在多個軸承應用中，銅_錫-鉍_磷合金粉末尤其有用，因為磷的添加增加了燒結坯塊的強度。該銅-錫-鉍或銅_錫-鉍_磷合金粉末軸承材料18按重量計包含8-15%的錫，優選8-12%，更優選9-11%；1至小於5%的鉍，優選3-4%；以及若存在，0.03-0.8%的磷，優選0.03-0.08%；餘量為銅，允許少量雜質。儘管有報導稱大於0.5%的磷可提升銅-錫-鉍合金軸承材料的脆性，但應相信，使用更大含量的該材料——例如按重量計0.8%——在與適用於與磷反應的硬顆粒(例如MoSi2)結合時或許是有益的，這是因為由於與磷發生反應，這些材料會將銅-錫基體內磷的含量降低至按重量計0.5%或以下的水平。為上述目的而採用的重量超過0.5%的磷的含量取決於與用作硬顆粒的金屬化合物的反應的性質，以及硬顆粒的用量。還可包含不損害軸承材料物理、摩擦學、磨損或其他性能——比如錫的調動——的其他合金添加劑。軸承材料18的粘合層具有一個銅和錫基體22，而錫在銅內被溶解於固溶體。若存在，則磷也同樣在該基體中處於固溶體。在銅內，鉍具有很低的溶解度，並且以微細地分散於銅_錫基體或銅-錫-磷基體內的島的形式作為截然不同的富鉍相20而存在。該富鉍相20基本均勻地分散在整個銅-錫基體22的體積內，如圖3和4示意性地表示的那樣。如US6，746，154所述，當在本發明的燒結軸承中使用銅-錫-鉍合金粉末時，鉍用作鉛的替代物，而且當以本發明所要求的受控的含量使用時(即，在1至小於5個重量百分比之間)，具備鉛所沒有的額外性能。不添加硬顆粒的、滾壓粘合併燒結的全緻密銅-錫-鉍軸承材料顯示出下列物理性能，包括大於或等於400MPa的抗拉強度、大於或等於200MPa的抗屈強度、大於10%的延展率、小於130(0.5/15)的硬度(Ην)。這些物理性能滿足或超過在前面部分討論的傳統的銅-錫-鉛發動機軸承。此外，相比於傳統的銅-錫-鉛發動機軸承，根據本發明構造的發動機軸承具有同樣良好或更好的耐磨和抗咬合性能。在相比的發動機測試中，根據本發明構造的發動機軸承顯示其材料損耗為約10-11微米，而同等條件下測試的傳統的銅-錫-鉛軸承的損耗則為12微米，表明銅-錫-鉍軸承相比於傳統的銅-錫-鉛軸承在磨損性上降低約10%。一項對銅-錫-鉍軸承材料的研究意外地發現，當在上面規定的限度內根據本發明製備發動機軸承時，將會獲得優越的物理性能，這些性能使得在當前或將來要求傳統的銅-錫-鉛發動機軸承的那些應用中，根據本發明構造的軸承可取而代之。儘管尚不完全明了，但是，導致非凡物理性能的關鍵因素之一是存在磷。在將軸承材料融化和霧化為粉末、以及全緻密地滾壓粘合併燒結至鋼背外殼12的過程中，磷對於將合金脫氣是有效的。另夕卜，上文提及的物理性能以及疲勞強度可通過控制添加至合金的鉍的量而得以保持。若以5%或更多的量添加，則鉍具有削弱基體結構的效應，因為它不溶於基體22，而鉍島20事實上相當于堅固的基體內的填鉍的孔或穴。如果存在過多的鉍，那麼這些島(從而它們填充的孔)則變得過大，而材料所需的物理性能也就喪失了。照這樣，以本發明要求並在上文列出的範圍添加鉍表明，未將該基體的物理性能降至發動機軸承應用所要求的以下。鉍還意外地顯示出對軸承層18的耐磨和抗咬合性能具有非常有吸引力的、積極的效應。如圖3所示，當製造出軸承10並安裝於發動機時，錫完全溶解於銅以產生一個均一的銅_錫基體22。然而意外發現，在工作期間，當在軸承層18的暴露的軸承面24上施加一個滑動摩擦壓力載荷(frictionalcompressiveslidingload)時，引起該基體內一定量的錫通過該基體遷移進軸承面24之內，在軸承面24上形成一個富錫層26，如圖4所示。該富錫層26用作軸承面24上的潤滑劑，並具有降低整個軸承10的耐磨和抗咬合性的效果。當軸承10磨損時，軸承材料18具有連續補充該富錫層的特性，從而該層26由於錫在基體22內的調動而總是存在並形成。錫的調動被確信源於溶液中的錫和鉍在軸承使用時的載荷/摩擦條件下發生反應。與基體22的全緻密粉末金屬結構相結合的鉍的存在提供了將錫從基體傳送到表面24的載體，以形成該富錫層26。由於銅-錫-鉍軸承材料18具有在軸承面24上形成它自己的富錫層26的特性，因此，一般不需要像經常塗敷於上文提及的傳統類型的青銅_鉛發動機軸承一樣，將錫薄鍍層或其他錫塗層塗敷於軸承材料18之上。據觀察，還包括所述量的硬顆粒的本發明的軸承層18顯示出上述的錫調動，該錫調動與不包括硬顆粒的銅-錫-鉍合金中觀察到的相當。通過對比，尚未發現錫遷移存在於銅-錫-鉛軸承中。對銅-錫-鎳合金也進行了測試，同樣沒有發現存在錫調動。只有本發明規定含量的鉍才提供錫調動，以改善耐磨和抗咬合特性，又不過度妨礙銅_錫基體的物理性能。如上文所述，測試樣本類似地取自僅由氣霧化粉末製成的對比的銅-錫-鉍成分，另一套測試樣本則僅由水霧化粉末製成，但是它們具有與第一個測試樣本的氣/水混合物類似的成分。意外發現，相比於由100%氣霧化粉末或100%水霧化粉末製成的類似成分的測試樣本，氣/水霧化混合物具有顯著改善的物理性能。改善的物理性能包括抗屈強度、抗拉強度、延伸性、硬度和抗咬合性；在銅基燒結粉末金屬軸襯和軸承應用中，所有這些性能發揮重要作用。申請人:觀察到，與採用銅-錫-鉍合金軸承材料相關的上述優勢和改進也一般是本發明的還包括硬顆粒的軸承材料的特性，並且由該包括硬顆粒的軸承材料進一步改進。例如，改進了耐磨性，而與鉍相關的錫遷移和潤滑性也在本發明的軸承材料中被觀察到。一些差別被注意到，例如抗拉強度、延展率的普遍降低，但是這些性能依然總體上足以為許多軸承應用提供具有合適強度和延伸性的軸承材料，這些應用包括內燃機的主發動機軸承。結合幾個例子(包括對比例子)，下面進一步描述本發明的軸承材料。申請人製造了本發明的幾個軸承材料以供評價，包括對生成物的微觀結構進行金相和掃描電子顯微鏡評價、孔隙率測量以及磨損測試。例子製造的樣品是發動機軸承的主軸承。採用的銅-錫-鉍粉末總體如本發明和第6，746，154號美國專利所述。硬顆粒包括以表1所述的量和尺寸單獨使用以及結合使用的Fe3P和MoSi2粉末。表1粉末混合物tableseeoriginaldocumentpage12用於樣品LFC-63至LFC-66的LF-5是一種Cu-Sn-Bi合金粉末。即，每一種組分被添加到一個熔體中以形成合金，該合金然後被霧化以形成合金粉末。該材料具有表2和3所示的屬性。表2:LF_5的化學成分〇〇-Oοο-OVZOO-Ogo-Ogo-O__60ζοοgo-O-O__S二S·STSI_qsICN9_^o_dIΝIq__us性Μ'末粉的5IFL3表_—__—_3477OOOO______tableseeoriginaldocumentpage14用於樣品LFC-63至LFC-66的Fe3P粉末購自F.W.Winter公司，等級為FEP-R15-F4。該Fe3P粉末具有如表4所示的化學分析和粉末屬性。表4=Fe3P粉末的屬性tableseeoriginaldocumentpage14圖5和6示出了Fe3P粉末的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。相比於圖6所示的，圖5揭示Fe3P顆粒的某種燒結作用。應當相信，採用圖6所示形態的Fe3P粉末是可取的。LF-5和Fe3P粉末以400磅LF_5和作為硬顆粒的4.0磅Fe3P粉末的重量比被混合在一起，以製造樣品LFC-63。LFC-63的混合的鬆散粉末混合物被塗敷於幾個樣品鋼條並在805°C被燒結。測量燒結鋼條的孔隙率，如表5所示。表5:燒結後的孔隙率tableseeoriginaldocumentpage14參考圖9，樣品LFC-63的顯微照片在鄰近於以及獨立於淺灰色鉍相的位置顯示了深灰色區域(Fe3P顆粒)。需要注意的是，Fe3P顆粒看上去有些偏愛鉍相與青銅顆粒的晶粒邊界的交接點，這可能會固定住鉍。分別參考圖10和11，微觀結構的二次電子(SE)和反散射型(BS)照片清楚顯示了鉍相(SE中為白色，BS中為黑色)，而Fe3P顆粒則在SE照片中以深灰色區域、在BS照片中以白色區域顯示。分析LFC-63的每一樣品的襯裡的成分，結果如下表6所示。表6:LFC-63的化學成分tableseeoriginaldocumentpage15測量鋼和襯裡的硬度，如表7所示。表7:LFC-63的硬度tableseeoriginaldocumentpage15測量抗拉和抗屈性能，如下表8所示。表8:LFC-63的抗拉/抗屈強度tableseeoriginaldocumentpage15SEM分析還表明除了位於鉍相內以外，Fe3P還存在於銅基體內。LF-5和MoSi2粉末以352磅LF-5和作為硬顆粒的3.52磅MoSi2的重量比被混合在一起，以製造樣品LFC-64。MoSi2粉末可購自ABCRGmbH&Co.KG公司。該MoSi2粉末具有如表9所示的化學分析和粉末屬性。表9=MoSi2粉末的屬性tableseeoriginaldocumentpage16MoSi2粉末的掃描電子顯微鏡(SEM)照片以兩個不同的倍率示於圖7和8。相比於Fe3P顆粒，MoSi2粉末顆粒未顯示可能在圖7和8中看到的燒結跡象。應當相信，採用以圖7和8所示形態的MoSi2粉末是可取的。LFC-64的混合的鬆散粉末混合物被塗敷於幾個樣品鋼條並在805°C被燒結。根據本發明製造的LFC-64材料的樣品的微觀結構的低倍率光學顯微照片顯示出相當數量的看上去為孔隙的黑色區域。在如圖12所示的高倍率下，這些黑色區域中有許多被揭示為MoSi2小顆粒。因此，圖象分析技術無法精確測量孔隙率。正如可在圖12所見的，該微觀結構展現了許多黑色區域，以及灰色的第二相鉍區域。MoSi2顆粒一般不與鉍相相鄰或相關，儘管它們確實看上去沿Cu基體的晶粒邊界很好地分布。分別參考圖13和14，該微觀結構的二次電子(SE)和反散射型(BS)照片清楚顯示了鉍相(SE中為白色，BS中為黑色)，而MoSi2顆粒則在SE顯微照片中以深灰色、在BS顯微照片中以淺灰色或白色區域顯示。白色區域的Si含量高於淺灰色區域。分析LFC-64的每一樣品的襯裡的成分，結果如下表10所示。表10:LFC-64的化學成分tableseeoriginaldocumentpage16測量鋼和襯裡的硬度，如表11所示。表11:LFC_64的硬度tableseeoriginaldocumentpage17測量抗拉和抗屈性能，如下表12所示。表12:LFC-64的抗拉/抗屈強度tableseeoriginaldocumentpage17LF-5、Fe3P和MoSi2粉末以247.5磅LF-5、作為硬顆粒的22.5磅Fe3P和2.5磅MoSi2粉末的重量比被混合在一起，以製造樣品LFC-65，以247.5磅LF-5、作為硬顆粒的12.5磅Fe3P和12.5磅MoSi2粉末的重量比被混合在一起，以製造樣品LFC-66。分別用於製造LFC-63和LFC-64的同樣的Fe3P和MoSi2粉末被用於製造LFC-65和LFC-66。LFC-65和LFC-66的混合的鬆散粉末混合物被塗敷於幾個樣品鋼條並在805°C被燒結。LFC-65和LFC-66軸承材料尚未測試硬度、抗拉強度和抗屈強度、耐磨性和合金化學成分，但可預期，它們性能的值介於LFC-63和LFC-64的值之間。參考圖15，樣品LFC-65的顯微照片在鄰近於以及獨立於淺灰色鉍相的位置顯示了深灰色區域(Fe3P和MoSi2顆粒)。申請人觀察到，當硬顆粒出現在鉍相內時，它們傾向於是Fe3P顆粒。和LFC-64的情況一樣，MoSi2顆粒傾向於位於晶粒邊界內，而不是傾向於被發現位於鉍相內。分別參考圖16和17，該微觀結構的二次電子(SE)和反散射型(BS)照片清楚顯示了鉍相(SE中為白色，BS中為黑色)，而Fe3P顆粒則在SE照片中以深灰色區域、在BS照片中以白色區域顯示。圖16和17的視野裡沒有MoSi2顆粒，這並不令人意外，因為在LFC-65中這些顆粒只佔0.1個重量百分比。參考圖15，樣品LFC-65的顯微照片在鄰近於以及獨立於淺灰色鉍相的位置顯示了深灰色區域(Fe3P和MoSi2顆粒)。申請人觀察到，當硬顆粒出現在鉍相內時，它們傾向於是Fe3P顆粒。和LFC-64的情況一樣，MoSi2顆粒傾向於位於晶粒邊界內，而不是傾向於被發現位於鉍相內。分別參考圖16和17，該微觀結構的二次電子(SE)和反散射型(BS)照片清楚顯示了鉍相(SE中為白色，BS中為黑色)，而Fe3P顆粒則在SE照片中以深灰色區域、在BS照片中以白色區域顯示。圖16和17的視野裡沒有MoSi2顆粒。參考圖18，樣品LFC-66的顯微照片在鄰近於以及獨立於淺灰色鉍相的位置顯示了深灰色區域(Fe3P和MoSi2顆粒)。申請人觀察到，當硬顆粒出現在鉍相內時，它們傾向於是Fe3P顆粒。和LFC-64的情況一樣，MoSi2顆粒傾向於位於晶粒邊界內，而不是傾向於被發現位於鉍相內。分別參考圖19和20，該微觀結構的二次電子(SE)和反散射型(BS)照片清楚顯示了以標記3標出的鉍相(SE中為白色，BS中為黑色)，而MoSi2顆粒則在SE照片中以深灰色區域、在BS照片中以淺灰色或白色區域顯示，並且以標記2標出。這些材料通過採用能量分散X射線分析(EDX)而得以識別。意外的是，這些顯微照片還揭示存在一種以標記1標出的鉬磷化合物(MoPx)。這可能是MoSi2顆粒與磷發生反應的證據，該證據被發現位於合金基體內或鄰近的Fe3P顆粒內。申請人:發現一個意外的進展對於LFC-64至LFC-66來說，添加少量——小於1%——的MoSi2顆粒可顯著改進軸承的可成形性和可製造性。較之於LFC-63材料，這些材料被發現不易受滾壓步驟期間的橫裂的影響，具有最大量MoSi2的材料最不易受橫裂影響。正如可從LFC-63和LFC-64的表列數據的對比中見到的，LFC-64的延展率顯著大於LFC-63的延展率。這一增強的延伸性還據信與橫裂現象有關。添加即使相對少量的MoSi2顆粒看上去也對那些對於製造軸承至關重要的性能具有重大影響。參考圖21，畫出了LFC-63和LFC-64的發動機磨損性能，連同其他合金的對比磨損數據，即一個傳統的銅-重10%錫-重10%鉛軸承合金(HF-2F)。結果表明，添加硬顆粒顯著增強了耐磨性，而由MoSi2顆粒的添加帶來的改進稍大，由Fe3P顆粒的添加帶來的改進則略小。然而，由MoSi2或Fe3P顆粒的添加帶來的改進都是顯著的。該銅-錫-鉛軸承合金被用來評價與添加硬顆粒相關的耐磨性的改進。考慮到銅-錫-鉍合金較之於銅_錫-鉛合金在耐磨性方面的相當顯著或略微改進的性能，與不添加硬顆粒的銅-錫-鉍合金軸承材料相比，添加了硬顆粒的本發明的軸承材料也可預期具有相當大的耐磨性改進。前述發明的描述符合相關法定標準，所以本說明書本質上是示範性的，而不是限制性的。對所公開的實施例而作的變更和修改對於本領域技術人員來說將是顯而易見的，並且落入本發明的範圍。因此，本發明的法律保護範圍只能通過研究所附權利要求才能得以確定。權利要求一種軸承，包括粘合至一鋼背外殼的、由一種銅-錫-鉍合金粉末和一種金屬化合物粉末製成的燒結粉末坯塊軸承材料，其特徵在於，所述金屬化合物粉末的平均顆粒尺寸小於10微米。2.根據權利要求1所述的軸承，其特徵在於，所述金屬化合物粉末選自金屬硼化物、金屬矽化物、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬磷化物和金屬互化物。3.根據權利要求1所述的軸承，其特徵在於，所述銅-錫-鉍合金包括，按重量計8-15%的錫、1-30%的鉍和實質為銅的餘量。4.根據權利要求3所述的軸承，其特徵在於，所述銅-錫-鉍合金包括，按重量計8-12%的錫、1-<5%的鉍和實質為銅的餘量。5.根據權利要求1所述的軸承，其特徵在於，進一步包括磷作為所述銅-錫-鉍合金粉末的一種合金組分。6.根據權利要求3所述的軸承，其特徵在於，進一步包括磷作為一種合金組分，且所述磷重量佔所述銅-錫-鉍合金粉末的0.03-0.8%。7.根據權利要求4所述的軸承，其特徵在於，所述磷重量佔所述銅-錫-鉍合金粉末的0.03-0.08%。8.根據權利要求1所述的軸承，其特徵在於，所述金屬化合物粉末包括Fe3P粉末和MoSi2粉末中的至少一種。9.根據權利要求8所述的軸承，其特徵在於，所述金屬化合物粉末包括所述Fe3P粉末和所述MoSi2粉末。10.根據權利要求9所述的軸承，其特徵在於，所述MoSi2粉末重量佔所述坯塊軸承材料的0.1-0.5%。11.根據權利要求1所述的軸承，其特徵在於，所述金屬化合物粉末體積佔所述坯塊軸承材料的0.1-10%。12.根據權利要求11所述的軸承，其特徵在於，所述金屬化合物粉末體積佔所述坯塊軸承材料的1_2%。13.根據權利要求1所述的軸承，其特徵在於，所述銅-錫-鉍合金粉末包括氣霧化粉末和水霧化粉末的混合物。14.一種軸承，包括粘合至一鋼背外殼的、由一種銅-錫-鉍合金粉末、Fe3P粉末和MoSi2粉末製成的燒結粉末坯塊。15.根據權利要求14所述的軸承，其特徵在於，所述Fe3P粉末和所述MoSi2粉末體積共佔所述坯塊的0.1-10%。16.根據權利要求14所述的軸承，其特徵在於，所述Fe3P粉末和所述MoSi2粉末的平均顆粒尺寸均小於10微米。17.根據權利要求14所述的軸承，其特徵在於，所述銅-錫-鉍合金包括，按重量計8-15%的錫、1-30%的鉍和實質為銅的餘量。18.根據權利要求17所述的軸承，其特徵在於，所述銅-錫-鉍合金包括，按重量計8-12%的錫、1-<5%的鉍和實質為銅的餘量。19.根據權利要求14所述的軸承，其特徵在於，進一步包括磷作為所述銅-錫-鉍合金粉末的一種合金組分。20.根據權利要求17所述的軸承，其特徵在於，進一步包括磷作為一種合金組分，且所述磷重量佔所述銅-錫-鉍合金粉末的0.03-0.8%。21.根據權利要求20所述的軸承，其特徵在於，所述磷重量佔所述銅-錫-鉍合金粉末的0.03-0.08%。22.根據權利要求14所述的軸承，其特徵在於，所述MoSi2重量佔所述坯塊的0.1-0.5%。23.根據權利要求17所述的軸承，其特徵在於，進一步包括一種鉬磷化合物，該鉬磷化合物是所述Fe3P粉末或所述磷中至少一個和所述MoSi2粉末的反應產物。24.—種製造軸承的方法，包括以下步驟將一種包括銅-錫-鉍合金粉末和平均顆粒尺寸小於10微米的金屬化合物粉末的混合物塗敷至一個鋼背外殼上；加熱所述粉末混合物和鋼背外殼，以生成一燒結粉末混合物並將所述燒結粉末混合物粘合至所述鋼背外殼上；以及滾壓所述燒結粉末混合物和所述鋼背外殼，以降低所述燒結粉末混合物的孔隙率並產生一全緻密的燒結坯塊軸承材料。25.根據權利要求24所述的製造軸承的方法，其特徵在於，進一步包括充分加熱所述全緻密軸承材料的步驟，以在與孔隙率相關的部位提升所述軸承材料內的內擴散。26.根據權利要求25所述的製造軸承的方法，其特徵在於，進一步包括充分磨合所述軸承的步驟，以產生一個富錫表面層。27.根據權利要求24所述的製造軸承的方法，其特徵在於，所述銅-錫-鉍合金粉末包括，按重量計8-12%的錫、1-<5%的鉍和實質為銅的餘量；並且所述金屬化合物粉末包括Fe3P粉末和MoSi2粉末中的至少一種。28.根據權利要求27所述的製造軸承的方法，其特徵在於，所述金屬化合物粉末包括所述Fe3P粉末和所述MoSi2粉末。29.一種製造軸承的方法，包括以下步驟將一種包括銅-錫-鉍合金粉末、Fe3P粉末和MoSi2粉末的粉末混合物塗敷至一個鋼背外殼上；加熱所述粉末混合物和鋼背外殼，以生成一燒結粉末混合物並將所述燒結粉末混合物粘合至所述鋼背外殼上；以及滾壓所述燒結粉末混合物和所述鋼背外殼，以降低所述燒結粉末混合物的孔隙率並產生一全緻密的燒結坯塊軸承材料。30.根據權利要求29所述的製造軸承的方法，其特徵在於，進一步包括充分加熱所述全緻密軸承材料的步驟，以在與孔隙率相關的部位提升所述軸承材料內的內擴散。31.根據權利要求30所述的製造軸承的方法，其特徵在於，進一步包括充分磨合所述軸承的步驟，以產生一個富錫表面層。32.根據權利要求29所述的製造軸承的方法，其特徵在於，所述Fe3P粉末和所述MoSi2粉末體積共佔所述坯塊的0.1-10%。33.根據權利要求29所述的製造軸承的方法，其特徵在於，所述Fe3P粉末和所述MoSi2粉末的平均顆粒尺寸均小於10微米。34.根據權利要求29所述的製造軸承的方法，其特徵在於，所述銅-錫-鉍合金包括，按重量計8-12%的錫、1-<5%的鉍和實質為銅的餘量。35.根據權利要求34所述的製造軸承的方法，其特徵在於，進一步包括磷作為所述銅-錫-鉍合金粉末的一種合金組分。36.根據權利要求35所述的製造軸承的方法，其特徵在於，所述磷重量佔所述銅-錫-鉍合金粉末的0.03-0.8%。37.根據權利要求36所述的製造軸承的方法，其特徵在於，所述MoSi2重量佔所述粉末混合物的0.1-0.5%。38.根據權利要求35所述的製造軸承的方法，其特徵在於，所述全緻密的燒結坯塊軸承材料進一步包括一種鉬磷化合物，該鉬磷化合物是所述Fe3P粉末或所述磷中至少一個和所述MoSi2粉末的反應產物。全文摘要一種具有改進的耐磨性的軸承，其具有粘合至一鋼背外殼的、由一種可包含磷的銅-錫-鉍合金製成的軸承材料，由於銅、錫和磷(若使用)的固溶，因此，該材料具有良好的強度。由於存在鉍，鉍還提升了錫的調動性，並促進在使用軸承之後，在軸承面上形成一個錫層，因此該材料還具有良好的潤滑性。在該銅-錫基體中添加少量相對較小的硬顆粒，特別是Fe3P、MoSi2及其混合物，提供了一個合適的硬表面人工產物，以改進該軸承材料的耐磨性。該軸承包括粘合至一鋼背外殼的、由一種銅-錫-鉍合金粉末和一種金屬化合物粉末製成的燒結粉末坯塊軸承材料，其特徵在於，該金屬化合物粉末的平均顆粒尺寸小於10微米。文檔編號F16C33/04GK101801567SQ200780100753公開日2010年8月11日申請日期2007年8月1日優先權日2007年7月31日發明者戴維·M·薩克斯頓,格爾德·安德勒,格雷戈裡·W·塞芬斯奇,詹姆斯·M·卡彭特,霍爾格·施密特申請人:費德羅-莫格爾公司