Элемент скольжения и способ его изготовления (варианты)

Элемент скольжения и способ его изготовления (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] В настоящей заявке испрашивается конвенционный приоритет по временной заявке US61/414,471, поданной 17 ноября 2010 г., и временной заявке US61/491,568, поданной 31 мая 2011 г., полное содержание которых вводится здесь ссылкой.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Настоящее изобретение относится, в общем, к элементам скольжения, таким как вкладыши и втулки подшипников двигателей внутреннего сгорания, коробок передач и трансмиссий транспортных средств, изготовленным из спеченных порошков металлов, и способы их изготовления.

2. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Элементы скольжения, такие как вкладыши и втулки подшипников двигателей внутреннего сгорания, часто содержат слой порошка сплава из меди (Cu), соединенный со стальной основой вкладыша или втулки, для обеспечения подшипниковых опор для коленчатого вала или других аналогичных частей. Медный сплав обеспечивает матрицу и должен формировать прочную поверхность, которая может выдерживать нагрузки, действующие на элемент скольжения в процессе работы машины или механизма. Такие элементы скольжения должны также иметь подходящие характеристики износостойкости и стойкости к заклиниванию, и для получения таких характеристик обычно в их материал добавляют некоторые дополнительные легирующие примеси, такие как свинец (Pb), вводимый в медную матрицу. Свинец улучшает износостойкость, действуя в качестве смазочного средства для поверхности элемента скольжения. Также обычной практикой является нанесение на поверхность тонкого слоя свинца (Pb) или олова (Sn) для дополнительного повышения износостойкости и стойкости к заклиниванию.

[0004] В связи с повышающимися требованиями по охране окружающей среды велись и ведутся исследования возможности замены свинца другими компонентами, такими как, например, висмут (Bi). Висмут может быть предварительно в регулируемом количестве сплавлен с медью вместе с регулируемым количеством фосфора (Р). Порошок сплава Cu-Bi-P может быть спечен и сцеплен со стальной основой вкладыша для получения элемента скольжения, характеристики которого, такие как износостойкость и стойкость к заклиниванию, будут лучше аналогичных характеристик элементов скольжения для двигателя, содержащих свинец, со стальной основой.

[0005] Элемент скольжения для двигателя, выполненный в соответствии с патентом US6,746,154, содержит сцепленный со стальной основой базовый слой материала, полученного из металлического порошка, по существу не содержащего свинец. Этот базовый слой металлического порошка содержит олово в количестве от 8,0 вес.% до 12,0 вес.%, висмут в количестве от 1,0 вес.% до 5,0 вес.% и фосфор в количестве от 0,03 вес.% до 0,8 вес.%, и остальное (до 100%) - по существу медь.

[0006] Однако недостатком элементов скольжения, выполненных в соответствии с патентом US 6,746,154, является то, что на слой материала из металлического порошка невозможно эффективным образом нанести напыленный/осажденный слой, содержащий в основном олово. При низких температурах (ниже обычных рабочих температур двигателя) висмут из базового слоя материала из металлического порошка диффундирует в указанный напыленный/осажденный слой и формирует эвтектический сплав олова и висмута, ослабляющий элемент скольжения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] В настоящем изобретении предлагается элемент скольжения, содержащий основу и базовый слой, расположенный на основе. Базовый слой содержит медь в количестве от 20,0 вес.% до 98,9 вес.%, олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.%, висмут в количестве от 0,1 вес.% до 8,0 вес.% и первые твердые частицы в количестве от 0,2 вес.% до 5,0 вес.% (от веса базового слоя). На базовом слое расположен напыленный/осажденный слой олова. Напыленный/осажденный слой олова содержит олово в количестве по меньшей мере 50 вес.%, медь в количестве от 1,0 вес.% до 10,0 вес.% и никель в количестве до 10,0 вес.% (от веса этого слоя олова).

[0008] В настоящем изобретении также предлагается способ формирования элемента скольжения. Способ включает обеспечение сплава Cu-Sn-Bi, содержащего медь, олово и висмут. Способ включает смешивание сплава Cu-Sn-Bi с первыми твердыми частицами для получения материала базового слоя, который содержит медь в количестве от 20,0 вес.% до 98,9 вес.%, олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.%, висмут в количестве от 0,1 вес.% до 8,0 вес.% и первые твердые частицы в количестве от 0,2 вес.% до 5,0 вес.% (от веса материала базового слоя). Способ включает также размещение материала базового слоя на основе, спекание материала базового слоя и основы, и нанесение напыленного/осажденного слоя олова на базовый слой. Напыленный/осажденный слой олова содержит олово в количестве по меньшей мере 50 вес.%, медь в количестве от 1,0 вес.% до 10,0 вес.% и никель в количестве до 10,0 вес.% (от веса этого слоя олова).

[0009] В настоящем изобретении также предлагается другой вариант элемента скольжения, содержащего основу, базовый слой, расположенный на основе и содержащий медь в количестве от 20,0 вес.% до 98,9 вес.%, олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.%, висмут в количестве от 0,1 вес.% до 8,0 вес.% и первые твердые частицы в количестве от 0,2 вес.% до 5,0 вес.% (от веса базового слоя), и полимерное покрытие, расположенное на базовом слое, которое содержит полимерную матрицу в количестве по меньшей мере 40,0 объемн.% (от объема полимерного покрытия) и вторые твердые частицы.

[0009а] В настоящем изобретении также предлагается способ формирования элемента скольжения, включающий: обеспечение сплава Cu-Sn-Bi, содержащего медь, олово и висмут; смешивание сплава Cu-Sn-Bi с первыми твердыми частицами для получения материала базового слоя, который содержит медь в количестве от 20,0 вес.% до 98,9 вес.%, олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.%, висмут в количестве от 0,1 вес.% до 8,0 вес.% и первые твердые частицы в количестве от 0,2 вес.% до 5,0 вес.% (от веса материала базового слоя). Способ включает также нанесение полимерного покрытия на базовый слой, причем полимерное покрытие содержит полимерную матрицу в количестве по меньшей мере 40,0 объемн.% (от объема полимерного покрытия) и вторые твердые частицы.

[0009в] В настоящем изобретении предлагается также другой вариант элемента скольжения, содержащего основу и расположенный на ней базовый слой, который содержит медь в количестве от 20,0 вес.% до 98,9 вес.%, олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.%, висмут в количестве от 0,1 вес.% до 8,0 вес.% и первые твердые частицы в количестве от 0,2 вес.% до 5,0 вес.% (от веса базового слоя). На базовом слое расположен осажденный слой, который наносят с использованием процесса физического осаждения паров.

[0009с] В настоящем изобретении также предлагается способ формирования элемента скольжения, включающий: обеспечение сплава Cu-Sn-Bi, содержащего медь, олово и висмут; смешивание сплава Cu-Sn-Bi с первыми твердыми частицами для получения материала базового слоя, который содержит медь в количестве от 20,0 вес.% до 98,9 вес.%, олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.%, висмут в количестве от 0,1 вес.% до 8,0 вес.% и первые твердые частицы в количестве от 0,2 вес.% до 5,0 вес.% (от веса материала базового слоя). Способ включает также нанесение осажденного покрытия на базовом слое, осуществляемое с использованием процесса физического осаждения паров.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Другие достоинства изобретения можно будет легко оценить после того, как объект изобретения станет более понятным из нижеприведенного подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

[0011] Фигура 1 - схематичный вид элемента скольжения для двигателя, в частности втулки подшипника, содержащей основу и базовый слой по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

[0012] Фигура 1А - увеличенный частичный вид сечения элемента скольжения, выполненного по линии 1А фигуры 1.

[0013] Фигура 2 - схематичный вид элемента скольжения двигателя, в частности вкладыша подшипника, содержащего основу, базовый слой и напыленный/осажденный слой олова по другому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0014] Фигура 3 - вид в перспективе элемента скольжения, содержащего основу, базовый слой, разделительный слой никеля, промежуточный слой олова и никеля, напыленный/осажденный слой олова и очень тонкое покрытие по другому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0015] Фигура 4 - увеличенный частичный вид сечения элемента скольжения, содержащего основу, базовый слой, разделительный слой никеля и напыленный/осажденный слой олова по другому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0016] Фигура 5 - увеличенный частичный вид сечения элемента скольжения, содержащего основу, базовый слой, разделительный слой никеля, промежуточный слой олова и никеля и напыленный/осажденный слой олова по другому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0017] Фигура 6 - увеличенный частичный вид сечения элемента скольжения, содержащего основу, базовый слой и осажденное покрытие по другому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0018] Фигуры 7-10 - увеличенные частичные виды сечения элемента скольжения, содержащего основу, базовый слой и полимерное покрытие по другому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0019] Фигуры 7А, 7В, 9А, 10А - увеличенные виды частей фигур 7-10 соответственно.

[0020] Фигуры 11-25 - изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, и энергодисперсионные спектры рентгеновского излучения (EDX) для сравнения базового слоя по настоящему изобретению (LF-4) и сравнительного материала (LF-5), до и после термической обработки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0021] На прилагаемых фигурах одинаковые ссылочные номера указывают одинаковые или соответствующие части на всех фигурах. На фигуре 1 показан элемент 20 скольжения, такой как втулка подшипника для двигателя внутреннего сгорания. Элемент 20 скольжения фигуры 1 представляет собой втулку поршневого пальца, которая устанавливается в проходе концевой части шатуна для подшипниковой опоры поршневого пальца поршня (не показан). Элемент 20 скольжения содержит основу 22 и базовый слой 24, расположенный на основе 22. Базовый слой 24 содержит медь в количестве от 20,0 вес.% до 98,9 вес.%, олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.%, висмут в количестве от 0,1 вес.% до 8,0 вес.% и первые твердые частицы в количестве от 0,2 вес.% до 5,0 вес.% (от общего веса базового слоя 24). Как показано на фигурах 2-7, на базовом слое 24 обычно расположен напыленный/осажденный слой 26 олова, полимерное покрытие 28 или осажденное покрытие 30.

[0022] Ниже приведено описание элемента 20 скольжения, в частности втулки поршневого пальца, показанной на фигуре 1, однако следует понимать, что элемент 20 скольжения может быть втулкой любого типа. В другом варианте элемент 20 скольжения может быть вкладышем подшипника любого типа, например показанным на фигуре 2, в котором половина корпуса используется вместе с другой сопряженной половиной (не показана) в качестве подшипниковой опоры для вращающегося вала, такого как коленчатый вал двигателя (не показан). Описание справедливо для всех типов элементов 20 скольжения, включая все типы втулок и вкладышей подшипников для двигателей внутреннего сгорания.

[0023] Элемент 20 скольжения содержит основу 22, имеющую внутреннюю вогнутую поверхность и противолежащую внешнюю выпуклую поверхность. В одном из вариантов поверхности основы 22 имеют угловую длину 360 градусов, окружая центральный проход 32, как показано на фигуре 1. Когда элемент 20 скольжения представляет собой вкладыш, поверхности проходят между противолежащими концами, как показано на фигуре 2. Основа 22 элемента 20 скольжения обычно имеет толщину в диапазоне от 300 мк до 5000 мк между внутренней и внешней поверхностями. Основа 22 обычно состоит из стали, такой как нелегированная углеродистая сталь или легированная сталь. Так, например, основа 22 содержит железо в количестве по меньшей мере 80,0 вес.%, предпочтительно по меньшей мере 90,0 вес.% или по меньшей мере 98,0 вес.% (от веса основы 22).

[0024] На внешней поверхности основы 22 может быть равномерно нанесено очень тонкое покрытие 34 (как показано на фигуре 3). Очень тонкое покрытие 34 имеет внутреннюю вогнутую поверхность и противолежащую ей внешнюю выпуклую поверхность. Очень тонкое покрытие 34 обычно имеет толщину от 0,3 мк до 3,0 мк между внешней и внутренней поверхностями. Поверхности очень тонкого покрытия 34 имеют угловую длину 360 градусов, охватывают центральный проход 32 и выровнены в радиальном направлении с поверхностями основы 22. Очень тонкое покрытие 34 содержит олово в количестве по меньшей мере 80,0 вес.%, предпочтительно по меньшей мере 85,0 вес.% или по меньшей мере 95,0 вес.% (от веса покрытия 34).

[0025] Как показано на фигуре 1, базовый слой 24 нанесен на внутреннюю поверхность основы 22. Базовый слой 24 имеет внутреннюю вогнутую поверхность и противолежащую ей внешнюю выпуклую поверхность. Базовый слой 24 элемента 20 скольжения обычно имеет толщину в диапазоне от 300 мк до 2000 мк между внутренней и внешней поверхностями (до начала эксплуатации элемента 20 скольжения). Поверхности базового слоя 24 имеют угловую длину 360 градусов, охватывают центральный проход 32 и выровнены в радиальном направлении с поверхностями основы 22.

[0026] Как уже указывалось, в одном из вариантов базовый слой 24 содержит медь в количестве по меньшей мере 20,0 вес.%, или по меньшей мере 70,0 вес.%, или по меньшей мере 80,0 вес.% (от общего веса базового слоя 24). В другом варианте базовый слой 24 содержит медь в количестве, не превышающем 98,9 вес.%, или не превышающем 97,0 вес.%, или не превышающем 95,0 вес.%. Еще в одном варианте базовый слой 24 содержит медь в количестве от 20,0 вес.% до 98,9 вес.%, или от 70,0 вес.% до 97,0 вес.%, или от 80,0 вес.% до 95,0 вес.%.

[0027] В одном из вариантов базовый слой 24 содержит олово в количестве по меньшей мере 0,1 вес.%, или по меньшей мере 2,0 вес.%, или по меньшей мере 3,5 вес.% (от общего веса базового слоя 24). В другом варианте базовый слой 24 содержит олово в количестве, не превышающем 15,0 вес.%, или не превышающем 12,0 вес.%, или не превышающем 8,0 вес.%. Еще в одном варианте базовый слой 24 содержит олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.%, или от 2,0 вес.% до 12,0 вес.%, или от 3,5 вес.% до 8,0 вес.%. Если элемент 20 скольжения содержит напыленный/осажденный слой 26 олова, базовый слой 24 предпочтительно содержит олово в количестве от 2,0 вес.% до 10,0 вес.% и более предпочтительно в количестве от 4,0 вес.% до 8,0 вес.%. Однако если элемент 20 скольжения не содержит напыленный/осажденный слой 26 олова, базовый слой 24 предпочтительно содержит олово в количестве от 8,0 вес.% до 12,0 вес.%.

[0028] Как уже указывалось, в одном из вариантов базовый слой 24 содержит висмут в количестве по меньшей мере 0,1 вес.%, или по меньшей мере 0,5 вес.%, или по меньшей мере 2,0 вес.% (от общего веса базового слоя 24). В другом варианте базовый слой 24 содержит висмут в количестве, не превышающем 8,0 вес.% или не превышающем 7,0 вес.%, или не превышающем 6,5 вес.%. Еще в одном варианте базовый слой 24 содержит висмут в количестве от 0,1 вес.% до 8,0 вес.%, или от 0,5 вес.% до 7,0 вес.%, или от 2,0 вес.% до 6,5 вес.%.

[0029] Состав базового слоя 24 можно определить с помощью химического анализа с использованием, например, энергодисперсионной рентгеновской спектрографии. Изменения состава базового слоя 24 можно наблюдать и фиксировать с помощью сканирующей электронной микроскопии с обратным рассеянием электронов, позволяющей получать микрофотоснимки микроструктур, и характеристики различных композиций также можно наблюдать и фиксировать с помощью оптических микрофотографий. Состав базового слоя 24 определяют после выполнения процессов спекания и прокатывания, которые описываются ниже. Готовый базовый слой 24 обычно содержит матрицу 36 из меди и олова с преимущественным содержанием меди и островки 38 висмута. Островки 38 висмута предпочтительно равномерно диспергированы в медной матрице 36 и отделены друг от друга элементами этой матрицы, как это показано на фигурах 1А и 7А. Первые твердые частицы 40 также предпочтительно распределены равномерно в медной матрице 36. Первые твердые частицы 40 обычно отделены друг от друга и от островков 38 висмута элементами медной матрицы 36.

[0030] Способ формирования базового слоя, как правило, включает обеспечение меди, олова и висмута в форме сплава Cu-Sn-Bi, так что базовый слой 24 формируется из предварительно полученного сплава, а не из чистых элементов Cu, Sn и Bi. В одном из вариантов сплав Cu-Sn-Bi содержит медь в количестве по меньшей мере 70,0 вес.%, олово в количестве от 0,1 вес.% до 15,0 вес.% и висмут в количестве от 1,0 вес.% до 8,0 вес.% (от веса сплава Cu-Sn-Bi).

[0031] Базовый слой 24 содержит свинец только в форме обычной примеси, соответственно, в количестве, не превышающем 0,5 вес.%, предпочтительно не превышающем 0,1 вес.% и более предпочтительно не превышающем 0 вес.%. Соответственно, такой базовый слой 24 создает меньше проблем, связанных с проблемами для здоровья, безопасности и окружающей среды, по сравнению с известными элементами скольжения, содержащими свинец в количестве 0,5 вес.% или более. В одном из вариантов для элементов 20 скольжения, продаваемых в Европе, базовый слой 24 содержит свинец в количестве, не превышающем 0,1 вес.%.

[0032] Как уже указывалось, базовый слой 24 содержит также первые твердые частицы 40, которые обычно равномерно распределены в медной матрице 36, как показано на фигуре 1А. Первые твердые частицы 40 имеют твердость, достаточную для влияния на пластичность, и/или износостойкость, и/или прочность базового слоя 24. В одном из вариантов первые твердые частицы 40 содержат материал, имеющий твердость по Виккерсу по меньшей мере 600 HV 0,05, или по меньшей мере 800 HV 0,05, или по меньшей мере 850 HV 0,05 при температуре 25°С.

[0033] Твердость материала, используемого для формирования первых твердых частиц 40, может быть измерена с использованием шкалы HV 0,05 микротвердости Виккерса, как это описано на вебсайте materials.co.uk (твердость по Виккерсу, http://www.materials.co.uk/vickers.htm, 25 октября 2010 г.). Определение твердости с использованием шкалы HV 0,05 микротвердости Виккерса включает обеспечение действия силы (F) 0,4903 Н на испытательный образец, сформированный из испытываемого материала. Силу прикладывают к испытательному образцу с использованием квадратной алмазной пирамидки с углом 136° между противоположными гранями при вершине. Время от начала приложения силы до достижения номинального значения - от 2 сек до 8 сек, и приложенную силу поддерживают в течение интервала времени от 10 сек до 15 сек. После снятия нагрузки измеряют диагонали отпечатка и вычисляют среднюю величину d. Величину HV твердости по Виккерсу определяют по формуле:

[0034] HV=константа × действующая сила / площадь поверхности отпечатка

[0035] HV=0,102×2F [sin(136°/2)]/d²

[0036] Первые твердые частицы 40 также имеют размеры, достаточные для влияния на пластичность, и/или износостойкость, и/или прочность базового слоя 24. В одном из вариантов первые твердые частицы 40 имеют среднеобъемный размер D50, не превышающий 10,0 мк, или не превышающий 8,0 мк, или не превышающий 6,0 мк. Среднеобъемный размер D50 частиц представляет собой эквивалентный сферический диаметр первых твердых частиц, который указывается также как диаметр D50, для которых 50,0 вес.% первых твердых частиц 40 имеет больший эквивалентный сферический диаметр, и 50,0 вес.% первых твердых частиц 40 имеет меньший эквивалентный сферический диаметр. Диаметр D50 определяют по распределению первых твердых частиц 40 по размерам перед какой-либо их обработкой. Для получения распределения размеров частиц и, соответственно, диаметра D50 первых твердых частиц 40 может использоваться измерительный прибор Beckman-Coulter LS-230 (рассеивание лазерного излучения). В одном из вариантов первые твердые частицы 40 содержат смесь частиц разных размеров, так что размеры первой группы 50 частиц меньше размеров второй группы 52 частиц, как показано на фигуре 7А. Первая 50 и вторая 52 группы частиц, составляющие первые твердые частицы 40, обычно равномерно распределены в медной матрице 36.

[0037] В одном из вариантов первые твердые частицы 40 содержат Fe₃P и/или MoSi₂, предпочтительно смесь Fe₃P и MoSi₂. Однако вместо Fe₃P и MoSi₂, или вместе с ними, могут использоваться и другие соединения или смеси, имеющие вышеуказанные размеры частиц и твердость. Примеры других первых твердых частиц 40 включают бориды металлов, силициды металлов, оксиды металлов, нитриды металлов, карбиды металлов, фосфиды металлов, металлиды, оксинитриды металлов, карбонитриды металлов, оксикарбиды металлов и их смеси. Кроме того, вышеописанные первые твердые частицы 40 могут включать незначительные количества дополнительных элементов или примесей. Наличие и состав первых твердых частиц 40 можно определить с помощью химического анализа базового слоя 24, например с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектрографии, или сканирующей электронной микроскопии с обратным рассеянием электронов, или оптической микрофотографии.

[0038] В одном из вариантов базовый слой 24 содержит первые твердые частицы 40 в количестве по меньшей мере 0,2 вес.%, или по меньшей мере 0,5 вес.%, или по меньшей мере 1,0 вес.% (от общего веса базового слоя 24). В другом варианте базовый слой 24 содержит первые твердые частицы 40 в количестве, не превышающем 5,0 вес.%, или не превышающем 4,0 вес.%, или не превышающем 3,5 вес.%. Еще в одном варианте базовый слой 24 содержит первые твердые частицы 40 в количестве от 0,2 вес.% до 5,0 вес.%, или от 0,5 вес.% до 4,0 вес.%, или от 1,0 вес.% до 3,5 вес.%. Если элемент 20 скольжения содержит напыленный/осажденный слой 26 олова, то первые твердые частицы 40 присутствуют в количестве, достаточном для предотвращения диффузии висмута из базового слоя 24 в олово напыленного/осажденного слоя 26. Таким образом, первые твердые частицы 40 предотвращают формирование эвтектического сплава олова и висмута, а также кластеров висмута, которые ослабляют элемент 20 скольжения.

[0039] В одном из вариантов первые твердые частицы 40 содержат Fe₃P в количестве по меньшей мере 90,0 вес.% (от веса первых твердых частиц 40). В другом варианте первые твердые частицы 40 содержат MoSi₂ в количестве по меньшей мере 90,0 вес.%. Еще в одном варианте первые твердые частицы 40 содержат смесь Fe₃P и MoSi₂ суммарно в количестве по меньшей мере 90,0 вес.%.

[0040] В одном из вариантов первые твердые частицы 40 содержат Fe₃P в количестве от 40,0 вес.% до 60,0 вес.% и MoSi₂ в количестве от 40,0 вес.% до 60,0 вес.% (от веса первых твердых частиц 40). В другом варианте первые твердые частицы 40 содержат Fe₃P в количестве, не превышающем 70,0 вес.%, и MoSi₂ в количестве, не превышающем 70,0 вес.%.

[0041] Базовый слой 24 может содержать по меньшей мере один дополнительный металл, такой как Ni, Fe, Zn, Al, Mg, Cr, Mn, Ti, Mo, Nb, Zr, Ag, Si, Be и их сочетания. Базовый слой 24 содержит дополнительные металлы суммарно в количестве, не превышающем 50,0 вес.% и предпочтительно не превышающем 20,0 вес.% (от общего веса базового слоя 24).

[0042] Сцепление базового слоя 24 с основой 22 элемента 20 скольжения обеспечивается с использованием способов, которые описаны ниже. Базовый слой 24 имеет закрытые поры, объем которых не превышает 1,5%, и плотность базового слоя 24 равна по меньшей мере 8,668 г/см³. В одном из вариантов максимальная теоретическая плотность базового слоя 24 составляет 8,800 г/см³, и, таким образом, плотность базового слоя 24 составляет 98,5% этой максимальной теоретической плотности. Таким образом, достоинством базового слоя 24 является его практическая непроницаемость для масла или других материалов.

[0043] Как уже указывалось, в одном из вариантов элемент 20 скольжения содержит напыленный/осажденный слой 26 олова, нанесенный на базовый слой 24. Напыленный/осажденный слой 26 олова может быть нанесен непосредственно на базовый слой 24, или же в альтернативном варианте между базовым слоем 24 и напыленным/осажденным слоем 26 располагают разделительный слой 42 никеля.

[0044] В нескольких вариантах, как показано на фигурах 4 и 5, разделительный слой 42 никеля находится на внутренней поверхности базового слоя 24, между базовым слоем 24 и напыленным/осажденным слоем 26 олова. Разделительный слой 42 никеля имеет внутреннюю вогнутую поверхность и противолежащую ей внешнюю выпуклую поверхность, причем толщина слоя находится в диапазоне от 1,0 мк до 12,0 мк между внутренней и внешней поверхностями. Поверхности разделительного слоя 42 никеля имеют угловую длину 360 градусов, охватывают центральный проход 32 и выровнены в радиальном направлении с поверхностями базового слоя 24. Разделительный слой 42 никеля содержит никель в количестве по меньшей мере 50,0 вес.% и дополнительные компоненты, включающие цинк, и/или хром, и/или медь и их сплавы, в количестве, не превышающем 50,0 вес.% (от веса разделительного слоя 42 никеля). Разделительный слой 42 никеля может улучшать сцепление напыленного/осажденного слоя 26 олова с базовым слоем 24 и может предотвращать диффузию меди из базового слоя 24 в напыленный/осажденный слой 26 олова, и наоборот, в процессе работы элемента 20 скольжения.

[0045] Напыленный/осажденный слой 26 олова может быть равномерно нанесен на внутреннюю поверхность разделительного слоя 42 никеля, как показано на фигуре 4. Напыленный/осажденный слой 26 олова имеет внутреннюю вогнутую поверхность и противолежащую ей внешнюю выпуклую поверхность. Напыленный/осажденный слой 26 олова имеет толщину от 1,0 мк до 20,0 мк между внешней и внутренней поверхностями. В этом варианте напыленный/осажденный слой 26 олова обеспечивает поверхность скольжения для вращающегося вала или пальца (не показан). Поверхности напыленного/осажденного слоя 26 олова имеют угловую длину 360 градусов, охватывают центральный проход 32 и выровнены в радиальном направлении с поверхностями разделительного слоя 42 никеля.

[0046] Напыленный/осажденный слой 26 олова в предпочтительном варианте содержит олово в количестве по меньшей мере 50,0 вес.% (от веса напыленного/осажденного слоя 26). В одном из вариантов напыленный/осажденный слой 26 олова также содержит медь в количестве от 1,0 вес.% до 10,0 вес.% и никель в количестве до 10,0 вес.%. В одном предпочтительном варианте напыленный/осажденный слой 26 олова содержит SnCu₆, и его наносят на базовый слой 24 с использованием процесса электролитического осаждения. Как уже указывалось, первые твердые частицы 40 предотвращают диффузию висмута базового слоя 24 в олово напыленного/осажденного слоя 26. Таким образом, первые твердые частицы 40 предотвращают формирование эвтектического сплава олова и висмута и предотвращают формирование кластеров висмута на поверхности базового слоя 24 или в напыленном/осажденном слое 26 олова, что может ослаблять элемент 20 скольжения.

[0047] В другом варианте, представленном на фигуре 5, элемент 20 скольжения содержит также промежуточный слой 44 олова и никеля, равномерно нанесенный на внутреннюю поверхность разделительного слоя 42 никеля, между внутренней поверхностью разделительного слоя 42 никеля и внешней поверхностью напыленного/осажденного слоя 26 олова. Промежуточный слой 44 олова и никеля имеет внутреннюю вогнутую поверхность и противолежащую ей внешнюю выпуклую поверхность, причем толщина слоя находится в диапазоне от 5 мк до 15 мк между внутренней и внешней поверхностями. Поверхности промежуточного слоя 44 олова и никеля имеют угловую длину 360 градусов, охватывают центральный проход 32 и выровнены в радиальном направлении с поверхностями базового слоя 24. В одном из вариантов промежуточный слой 44 олова и никеля содержит никель в количестве по меньшей мере 20 вес.% и олово в количестве по меньшей мере 50,0 вес.% (от веса промежуточного слоя 44). Промежуточный слой 44 олова и никеля может улучшать сцепление напыленного/осажденного слоя 26 олова с базовым слоем 24 и может предотвращать диффузию меди из базового слоя 24 в напыленный/осажденный слой 26 олова, и наоборот, в процессе работы элемента 20 скольжения.

[0048] Еще в одном варианте, представленном на фигуре 3, на внутреннюю поверхность напыленного/осажденного слоя 26 олова равномерно нанесено вышеупомянутое очень тонкое покрытие 34. В этом варианте очень тонкое покрытие 34 обеспечивает поверхность скольжения для вращающегося вала или пальца.

[0049] Как показано на фигуре 6, элемент 20 скольжения может также содержать осажденное покрытие 30, равномерно нанесенное на внутреннюю поверхность базового слоя 24 вместо напыленного/осажденного слоя 26 олова и других покрытий или слоев. В других вариантах осажденное покрытие 30 может использоваться вместе с другими покрытиями или слоями. Осажденное покрытие 30 имеет внутреннюю вогнутую поверхность и противолежащую ей внешнюю выпуклую поверхность, причем толщина покрытия находится в диапазоне от 10 мк до 30 мк между внутренней и внешней поверхностями. Поверхности осажденного покрытия 30 имеют угловую длину 360 градусов, охватывают центральный проход 32 и выровнены в радиальном направлении с поверхностями базового слоя 24. Осажденное покрытие 30 содержит алюминий в количестве по меньшей мере 50,0 вес.% и олово в количестве по меньшей мере 1,0 вес.% (от веса покрытия 30). Осажденное покрытие 30 предпочтительно наносят на базовый слой 24 с использованием физического осаждения из паровой фазы. В этом варианте осажденное покрытие 30 обеспечивает поверхность скольжения для вращающегося вала или пальца.

[0050] В другом варианте, как показано на фигуре 7, элемент 20 скольжения может также содержать полимерное покрытие 28, равномерно нанесенное на внутреннюю поверхность базового слоя 24 вместо напыленного/осажденного слоя 26 олова и других покрытий или слоев. В других вариантах полимерное покрытие 28 может использоваться вместе с другими покрытиями или слоями. Полимерное покрытие 28 имеет внутреннюю вогнутую поверхность и противолежащую ей внешнюю выпуклую поверхность, причем начальная толщина покрытия находится в диапазоне от 4 мк до 20 мк между внутренней и внешней поверхностями. Поверхности полимерного покрытия 28 имеют угловую длину 360 градусов, охватывают центральный проход 32 и выровнены в радиальном направлении с поверхностями базового слоя 24. Примеры полимерного покрытия 28 раскрыты в документе WO 2010/076306, который вводится здесь ссылкой.

[0051] Полимерное покрытие 28 обычно содержит полимерную матрицу 46 и вторые твердые частицы 48, распределенные в полимерной матрице 46, как это будет описано ниже. В одном из вариантов полимерное покрытие 28 содержит полимерную матрицу 46 в количестве по меньшей мере 40,0 объемн.%, или по меньшей мере 50 объемн.%, или по меньшей мере 60 объемн. %, или по меньшей мере 80 объемн.%, или по меньшей мере 85 объемн.% (от общего объема полимерного покрытия 28). Полимерная матрица 46 может быть сформирована из одного полимера или из смеси полимеров, смол, пластмасс или из термопластичных или термореактивных полимеров. Полимерная матрица 46 может также содержать синтетические или сшитые полимеры. Предпочтительно полимерная матрица 46 имеет высокую термостойкость и отличную стойкость к действию химикатов. Полимерная матрица 46 обычно имеет точку плавления по меньшей мере 210°С, предпочтительно по меньшей мере 220°С и более предпочтительно по меньшей мере 230°С. В одном из вариантов полимерная матрица 46 содержит полиарилат, и/или полиэфирэфиркетон, и/или полиэфирсульфон, и/или полиамидоимид, и/или полиимид, и/или эпоксидную смолу, и/или полибензимидазол и/или кремнийорганическую смолу.

[0052] Полимерное покрытие 28 также содержит вторые твердые частицы 48. Состав вторых твердых частиц 48 полимерного покрытия 28 может быть таким же, как и вышеуказанный состав вышеуказанных первых твердых частиц 40, используемых в базовом слое 24. Однако вторые твердые частицы 48, выбранные для полимерного покрытия 28, обычно отличаются от первых твердых частиц 40, выбранных для базового слоя 24. Вторые твердые частицы 48 полимерного покрытия 28 обычно содержат материал, имеющий твердость по меньшей мере 600 HV 0,05, предпочтительно по меньшей мере 620 и более предпочтительно по меньшей мере 650, при температуре 25°С. Твердость материала, используемого для формирования вторых твердых частиц 48, может быть измерена с использованием шкалы HV 0,05 микротвердости Виккерса, как это уже было описано. Вторые твердые частицы 48 имеют среднеобъемный размер D50, не превышающий 10,0 мк и предпочтительно от 0,1 мк до 5,0 мк.

[0053] В одном из вариантов вторые твердые частицы 48 полимерного покрытия содержат смесь частиц разных размеров, так что размеры первой группы 54 частиц меньше размеров второй группы 56 частиц, как показано на фигуре 7В. Первая 54 и вторая 56 группы частиц, составляющие вторые твердые частицы 48, обычно равномерно распределены в полимерной матрице 46.

[0054] В одном из вариантов вторые твердые частицы 48 полимерного покрытия 28 содержат по меньшей мере одно из следующих соединений: нитриды металлов, такие как, например, кубический нитрид бора и Si₃N₄; карбиды металлов, такие как, например, SiC и В₄С; оксиды металлов, такие как, например, TiO₂, Fe₂O₃ и SiO₂; силициды металлов, такие как, например, MoSi₂; бориды металлов; фосфиды металлов, такие как, например, Fe₃P; металлиды; оксинитриды металлов; карбонитриды металлов; оксикарбиды металлов; порошки металлов, таких как Ag, Pb, Au, SnBi и/или Cu; и их смеси. В одном из вариантов полимерное покрытие 28 содержит Fe₂O₃ в форме одних вторых твердых частиц 48 из в количестве от 0,1 объемн.% до 15,0 объемн.%, или от 0,5 объемн.% до 8,0 объемн.% (от общего объема полимерного покрытия 28), и других вторых твердых частиц 48 в количестве до 5,0 объемн.%, или от 3,0 объемн.% до 5,0 объемн.% (от общего объема полимерного покрытия 28).

[0055] Полимерное покрытие 28 может также содержать твердый смазочный материал, такой как MoS₂, графит, WS₂, шестигранный нитрид бора (h-BN) и политетрафторэтилен. В одном из вариантов полимерное покрытие 28 содержит твердый смазочный материал в количестве от 5,0 объемн.% до 40,0 объемн.% (от общего объема полимерного покрытия 28).

[0056] Полимерное покрытие 28 наносят на внутреннюю поверхность базового слоя 24 после спекания этого базового слоя 24 и основы 22. Полимерное покрытие 28 предпочтительно наносят непосредственно на базовый слой 24 без какого-либо промежуточного элемента между базовым слоем 24 и полимерным покрытием 28, как показано на фигуре 7. В одном из вариантов на базовый слой наносят несколько слоев полимерного покрытия 28, как это описано в документе WO2010/076306. Составы этих слоев могут быть одинаковыми или же могут различаться. Полимерное покрытие 28 наносят в соответствии со способами, раскрытыми в документе WO2010/076306, или же для этого могут использоваться другие способы.

[0057] Если элемент 20 скольжения содержит полимерное покрытие 28, нанесенное на базовый слой 24, этот элемент 20 будет продолжать обеспечивать исключительную прочность, стойкость к заклиниванию и износостойкость, даже после стирания некоторой части полимерного покрытия 28 и базового слоя 24. Через некоторое время эксплуатации элемента 20 скольжения действующая на него нагрузка вызывает стирание некоторой части полимерного покрытия 28, как показано на фигурах 7-10, в результате чего смещаются вторые твердые частицы 48 полимерного покрытия 28, и базовый слой 24 открывается. Однако вторые твердые частицы 48, выходящие из полимерного покрытия 28, внедряются в открывающуюся медную матрицу 36 базового слоя 24, как показано на фигурах 8-10, благодаря нагрузке, которая продолжает действовать на элемент 20 скольжения. Эти вторые твердые частицы 48 вместе с остающимся полимерным покрытием 28 продолжают обеспечивать прочность, стойкость к заклиниванию и износостойкость. Кроме того, поскольку полимерное покрытие 28 продолжается стираться, между внедренными вторыми твердыми частицами 48 образуются пространства для масла, как показано на фигурах 9 и 9А, для удерживания смазочного масла 58, обычно используемого в конструкциях с элементами скольжения, то есть обеспечивается дополнительная защита.

[0058] Со временем части открытой медной матрицы 36 базового слоя 24 также стираются, в результате чего открываются некоторые из первых твердых частиц 40 базового слоя 24, как показано на фигуре 10. Некоторые из первых твердых частиц 40 базового слоя, обычно из первой группы 50 частиц, имеющих меньшие размеры, могут смещаться и снова внедряться в матрицу, однако частицы из второй группы 52 частиц, имеющих большие размеры, обычно остаются внедренными в медной матрице 36 и продолжают противостоять нагрузке, действующей на элемент 20 скольжения для обеспечения прочности, стойкости к заклиниванию и износостойкости. Вторые твердые частицы 48, первоначально при