JP2007308800A - コーティングの形成方法およびベアリングコーティング - Google Patents

Abstract

【課題】ベアリング面に対して使用される減摩コーティングを提供する。
【解決手段】ベアリングコーティングの形成方法は、基材の上に多孔質層２６を堆積するステップと、多孔質層の細孔内に潤滑材料を堆積するステップと、を含む。多孔質層２６および潤滑材料２８は、基材の上にベアリングコーティング２４を形成する。一実施例においては、ベアリングコーティング２４は、約１〜２０体積％の潤滑材料を含み、残りは多孔質層である。
【選択図】図１

Description

本発明は、コーティングに関し、より詳細には、ベアリング面に対して使用される減摩性コーティングに関する。

鉛青銅は、その良好なトライボロジー性能により、多くの用途に用いられている。しかしながら、この材料は、機械的特性に限界があり、ベアリングが標準的な部材にプレス嵌め、または何らかの様式で固定することができる状況でのみ使用可能である。鉛青銅コーティングも、よく知られており、様々なベアリング用途に使用されている。たとえば、溶融した鉛青銅合金が鋼基材の上に注がれ、鋼材中に拡散して潤滑性のある高強度ベアリングを形成する。鉛青銅合金の溶融温度が比較的高いので、鉛青銅コーティングの使用は、鉄鋼の特性を維持するために、軟鋼、または焼戻温度がバルク部分の拡散温度より高い鋼種に限られている。

いくつかの構成では、このようなベアリングは、可動する構成部品同士の間にプレス嵌めされるか、または固定されている。多くの場合、可動部品とベアリングとの間に熱膨張率の差が生じる鋼材以外の材料から可動部品を製造するのが望ましい。この熱膨張率の差が、望ましくないことに、プレス嵌めを緩め、ベアリングと可動部品との間の同心度を変化させる。したがって、ベアリングを内包し、それによって熱膨張差を緩和する別の形態が必要になることがあるが、その形態はベアリング機構の複雑さを増し、費用を増加させる。さらに、環境問題のために、鉛の使用を無くしたいという一般的な要望がある。

したがって、各種の基材に使用できる無鉛のベアリングコーティング、および、たとえば従来のプレス嵌め技法では製造することができない箇所にベアリングコーティングを堆積させる方法が必要とされる。本発明は、これらの必要性を対象とし、一方で従来技術の短所および欠点を回避する。

ベアリングコーティングを形成する１つの例示的方法は、基材の上に多孔質層を堆積するステップと、多孔質層の細孔内に潤滑材料を堆積するステップと、を含む。多孔質層および潤滑材料は、基材の上にベアリングコーティングを形成する。ベアリングコーティングは、約１〜２０体積％の潤滑材料を含み、残りは多孔質層である。ベアリングコーティングは、多成分の材料混合物から構成することができる。

別の態様では、ベアリングコーティングを形成する例示的方法は、多孔質層を形成するように基材の上に第１の粒子を堆積するステップと、潤滑充填材を形成するように多孔質層の細孔内に第２の粒子を堆積するステップと、を含む。多孔質層および潤滑性充填が、基材の上にベアリングコーティングを形成する。

一例示的ベアリングは、基材と、基材の上にベアリングコーティングと、を有する。ベアリングコーティングは、多孔質層と、多孔質層の細孔内に潤滑充填材と、を有する。ベアリングコーティングは、約１〜２０体積％の潤滑充填材を含み、残りは多孔質層である。

図１は、例示的ベアリング２０の選択された一部分を示す。この実施例においては、ベアリング２０は、基材２２と、基材２２の上に堆積されたベアリングコーティング２４と、を有する。ベアリングコーティング２４は、基材２２の上に減摩（すなわち耐磨耗）層を設ける。これにより、隣接する構成部品との摩擦接触中に、磨耗およびフレッティング（浸食）から基材２２を保護するという利点を得る。

図示されている実施例においては、ベアリングコーティング２４は、多孔質層２６（図面では白）、および多孔質層２６の細孔内の潤滑充填材２８（図面では影部分）を有する。多孔質層２６は、摩擦接触中にベアリングコーティング２４にかかる応力に耐えるように、ベアリングコーティング２４を構造的に保護する。潤滑充填材２８は、ベアリングコーティング２４と、隣接した摩擦接触している構成部品と、の間の摩擦を低減する。

開示された実施例においては、多孔質層２６は、所望の構造強度を得るために金属材料を備える。他の実施例においては、多孔質層は、アルミニウム青銅材を備える。アルミニウム青銅は、既知の鉛青銅コーティングより硬度が高く、それにより、鉛青銅よりも大きな負荷荷重に耐えることができるという利点をもたらす。別の実施例においては、多孔質層２６は、モリブデン材を備える。この説明をもとに、当業者は、多孔質層２６に用いる他の適切な金属材料を理解するであろう。

開示された実施例においては、潤滑充填材２８には、ポリマ材料が含まれる。さらなる実施例としては、ポリマ材料には、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンテトラフルオロエチレンや、その他の既知のフルオロポリマなどのフルオロポリマが含まれる。他の実施例においては、ポリマ材料には、ポリアミド、ポリイミドポリエチレン、ポリプロピレン、またはこれらの混合物が含まれる。この説明をもとに、当業者は、潤滑充填材２８に使用するのに適切な他のポリマ材料を理解するであろう。

他の実施例においては、潤滑充填材２８は、無機材料を備える。たとえば、無機材料としては、スズ、ビスマス、アンチモン、インジウム、銀、二硫化モリブデン、グラファイト、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、およびこれらの組合せでも良い。これらの説明をもとに、当業者は、潤滑充填材２８に用いるのに適切な別の無機材料を理解するであろう。

開示された実施例においては、ベアリングコーティング２４の組成によって、潤滑充填材２８の潤滑効果、および多孔質層２６の構造強度が調整される。たとえば、潤滑充填材２８の量に対して多孔質層２６の量が相対的に大きいと、強度は高くなるが、潤滑効果は低下する。多孔質層２６の量を相対的に下げ、潤滑充填材２８の量を相対的に上げると、強度が下がり（たとえば、多孔度が増すことにより）、潤滑効果が高まる。この説明をもとに、当業者は、それぞれの特定の潤滑および構造上の要件に適した、潤滑充填材２８に対する多孔質層２６の適切な比率を理解するであろう。

一実施例においては、ベアリングコーティング２４は、約１〜２０体積％の潤滑充填材２８を有し、残りは多孔質層２６である。上述のように、潤滑充填材２８の組成量がこの範囲の下限に近づくほど潤滑効果が低下し、潤滑充填材２８の組成量がこの範囲の上限に近づくほど潤滑効果が増加する。他の実施例においては、ベアリングコーティング２４は、約８〜１０体積％の潤滑充填材２８を備える。約８〜１０体積％の範囲では、潤滑性と強度との間の望ましいバランスが得られる。選択される材料、ならびにベアリングコーティング２４が作用することが意図される特定の条件によっては、他の範囲でも望ましいバランスを得ることができる。１体積％未満の潤滑充填材２８の量では、大した潤滑効果を得ることはできないであろう。潤滑充填材２８の量が２０体積％より多いと、用途によっては負荷荷重に耐えられなくなるほど、多孔質層２６が多孔質になり過ぎ、弱くなる。

図２は、ベアリングコーティング２４を形成する例示的方法を概略的に示す。この実施例においては、噴射装置３８が、第１の粒子（「Ａ」によって表される）および第２の粒子（「Ｂ」によって表される）を基材２２の上に堆積させて、ベアリングコーティング２４を形成する。代替としては、多孔質層２６の細孔内に第２の粒子Ｂを堆積させる真空含浸など、他の堆積方法を用いることもできる。開示された実施例においては、「粒子」という用語は、紛体も含む。第１の粒子Ａは多孔質層２６を形成し、第２の粒子Ｂは潤滑充填材２８を形成する。任意選択で、基材２２は、その選択された部分にのみベアリング層２４を堆積させるように、マスキングすることができる。

例示されている実施例においては、噴射装置３８は、従来の方法で粒子Ａおよび粒子Ｂを基材２２の上に堆積するように作動する溶射装置などの、他のタイプのものでよい。限定する趣旨ではないが、フレーム溶射、プラズマ溶射、高速酸素燃料（フレーム）溶射、ワイヤアーク溶射（粉末粒子の代わりにワイヤを用いる）など、適切ないかなる溶射プロセスを用いることができる。溶射プロセスは、溶融鉛青銅を使用する従来の一部のコーティングプロセスに比較して、基材２２が熱にさらされることを減らすという利点がある。従って、鋼材に限定されることなく、各種材料を基材２２の材料として用いることができる。これにより、ベアリングコーティング２４は、アルミニウム、モリブデン、あるいは他の低溶融温度材料または低焼戻温度材料をコーティングすることができるという利点を得る。代替としては、噴射装置３８は、既知の方式で、基材２２の上に粒子Ａおよび粒子Ｂを堆積する低温噴射コーティング装置である。

さらに、噴射装置３８は、粒子Ａおよび粒子Ｂを様々な方法で堆積するために使用可能である。符号４０で表される一実施例においては、粒子Ａおよび粒子Ｂは所望の比率で混合され、混合物として噴射装置３８に導入される。この比率は、ベアリングコーティング２４の所望の組成に対応する。同様に、符号４２で表される他の実施例においては、粒子Ａおよび粒子Ｂは、所望の比率で別々に噴射装置３８に導入される。噴射装置３８が溶射装置であり、多孔質層２６、潤滑充填材２８として選択された材料の溶融温度が比較的近い他の実施例では、上記の２つの方法を用いることができる。しかしながら、材料の溶融温度が著しく異なる場合は、高い方の溶融温度において、溶融温度が低い方の材料に、好ましくない劣化または酸化が生じる場合がある。

このような劣化の問題を回避する一例示的溶射プロセスでは、第１の粒子Ａおよび第２の粒子Ｂは、噴射装置３８を通すのではなく、噴射装置３８の溶射流４６の中に導入される。たとえば、第１の粒子Ａが、噴射装置３８に近い第１の所定の位置で、溶射流４６の中に導入される。第２の粒子Ｂは、第１の位置より下流の第２の所定の位置で、溶射流４６の中に導入される。これにより、第２の粒子Ｂの材料の劣化および酸化を回避するように、第１の粒子Ａを溶射流４６の高温部分に導入し、第２の粒子Ｂを溶射流４６の比較的低温部分に導入できる利点を得る。

符号４４で表される他の実施例においては、第１の粒子Ａは、噴射装置３８に導入され、第２の粒子Ｂは、第２の噴射装置３８’に導入される。この実施例においては、噴射装置３８および噴射装置３８’各々の噴射条件（たとえば火炎温度など）は、粒子Ａおよび粒子Ｂ各々の選択された材料に従って既知の方式で設定される。たとえば、噴射装置３８をある火炎温度に設定し、他方の噴射装置は、異なる火炎温度に設定することができる。これにより、両方の材料を堆積するのに単一の噴射装置を使用した場合に生じ得る劣化や酸化を回避しながら、融点が著しく異なるような材料を同時に堆積できる利点を得る。あるいは、噴射装置３８，３８’は、低温噴射装置でもよい。

各噴射装置３８，３８’は、それぞれの流れ４６，４６’を射出する。図面において、流れ４６，４６’は、基材２２に衝突する前に、領域４８で全体的に混合される。これにより、各噴射装置３８，３８’からの材料が混合され、所望の組成のベアリングコーティング２４を生成することが可能になる。

図３は、ベアリングコーティング２４の一適用例６６の選択された部分を図示する。この実施例においては、適用例６６は、フランジ７０を有する回転シャフト６８を備える。ベアリング７２は、シャフト上にフランジ７０に隣接して配置され、スラスト面７４およびジャーナル面７６を有する。ベアリングコーティング２４は、ベアリング７２と、フランジ７０を含むシャフト６８と、の間に配置される。一実施例においては、ベアリングコーティング２４は、ベアリング７２のスラスト面７４およびジャーナル面７６の上に堆積される。他の実施例においては、ベアリングコーティング２４は、シャフト６８およびフランジ７０の上に堆積される。シャフト６８が回転するとき、ベアリングコーティング２４によって、シャフト６８とベアリング７２との間において、耐磨耗性および耐フレッティング性を得る。

図４は、別の適用例８０の選択された部分を示す。この実施例においては、適用例８０は、プロペラハブ８４をエンジンフランジなど構造部材８６に対して配置し固定するために、ハブ８４を貫通してプレス嵌めされる一連の留め具８２（１つを図示）を有する。開示された実施例においては、各留め具８２は、ハブ８４および構造部材８６を貫通して延在し、それらにナット８８で固定される。ベアリングコーティング２４は、留め具８２とハブ８４との間に配置されている。一実施例においては、ベアリングコーティング２４は、留め具８２の上に堆積される。他の実施例においては、ベアリングコーティング２４は、ハブ８４の内径上に堆積される。作動中、ハブ８４によって剪断力が留め具８２に働き、繰り返しフレッティング磨耗が生じる。ベアリングコーティング２４は、ハブ８４と留め具８２との間の耐摩耗性および耐フレッティング性に利点をもたらす。

開示されている堆積方法およびベアリングコーティング２４はいくつかの利点をもたらす。１つは、ベアリングコーティング２４は、一部の既知の従来のベアリングコーティングで問題となっている鉛を含まないことである。さらに、ベアリングコーティング２４は、各種噴射方法を用いて堆積させることができ、そのことはまた、ベアリングコーティング２４を比較的複雑な形状をした面に堆積するのに役立つ。さらに、溶射プロセスは、基材２２を著しく加熱することがない。したがって、溶融鉛青銅プロセスを使用する一部の従来技術のコーティングのように鋼材に限定されることなく、様々な各種材料を、基材２２の材料として用いることができる。これにより、ベアリングコーティング２４は、アルミニウム、マグネシウム、高強度鋼、あるいは他の低溶融温度材料または低焼戻温度材料をコーティングすることができる利点を得る。

基材の上に堆積された例示的ベアリングコーティングを示す図である。 基材の上にベアリングコーティングを堆積する例示的方法を示す図である。 ベアリングコーティングを使用する一適用例を示す図である。 ベアリングコーティングを使用する他の適用例を示す図である。

Claims (24)

1. 基材の上に多孔質層を堆積し、
   前記多孔質層および潤滑材料が前記基材の上にベアリングコーティングを形成するように、前記多孔質層の細孔内に前記潤滑材料を堆積するとともに、前記ベアリングコーティングが、約１〜２０体積％の前記潤滑材料および残部が前記多孔質層からなることを特徴とするコーティングの形成方法。
2. 前記多孔質層を形成するように金属材料を堆積することを特徴とする請求項１に記載のコーティングの形成方法。
3. 前記金属材料をアルミニウム青銅合金およびモリブデンの少なくとも一方から選択することを特徴とする請求項２に記載のコーティングの形成方法。
4. 前記潤滑材料がポリマを含むことを特徴とする請求項１に記載のコーティングの形成方法。
5. フルオロポリマ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、またはポリイミドの少なくとも１つから前記ポリマを選択することを特徴とする請求項４に記載のコーティングの形成方法。
6. 前記潤滑材料が無機材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のコーティングの形成方法。
7. スズ、ビスマス、アンチモン、インジウム、銀、二硫化モリブデン、グラファイト、フッ化カルシウム、およびフッ化バリウムの少なくとも１つから前記無機材料を選択することを特徴とする請求項６に記載のコーティングの形成方法。
8. 前記ベアリングコーティングが、約８〜１０体積％の前記潤滑材料および残部が前記多孔質層からなることを特徴とする請求項１に記載のコーティングの形成方法。
9. 多孔質層を形成するように基材の上に第１の粒子を堆積し、
   前記多孔質層と潤滑充填材が前記基材の上にベアリングコーティングを形成するように、前記潤滑充填材を形成するために前記多孔質層の細孔内に第２の粒子を堆積する、
   ことを特徴とするコーティングの形成方法。
10. 前記第１の粒子および前記第２の粒子を同調させて同時に堆積することを特徴とする請求項９に記載のコーティングの形成方法。
11. 第１の噴射装置によって前記第１の粒子を堆積し、異なる第２の噴射装置によって前記第２の粒子を堆積することを特徴とする請求項９に記載のコーティングの形成方法。
12. 前記第１の噴射装置によって前記第１の粒子を溶射し、前記第２の噴射装置によって前記第２の粒子を溶射することを特徴とする請求項１１に記載のコーティングの形成方法。
13. 溶射流を用いて前記第１の粒子および前記第２の粒子を溶射することを特徴とする請求項９に記載のコーティングの形成方法。
14. 前記溶射流に沿った所定の位置で前記第１の粒子を前記溶射流に導入し、前記所定の位置より下流の位置で前記第２の粒子を前記溶射流に導入することを特徴とする請求項１３に記載のコーティングの形成方法。
15. 前記基材が、互いに可動な第1の部材と第２の部材の一方を備え、前記ベアリングコーティングが、前記第１の部材および前記第２の部材のそれぞれと直接接触することを特徴とする請求項９に記載の方法を用いて製造されるベアリングコーティング。
16. 前記第１の部材が留め具を備え、前記第２の部材がプロペラハブを備えることを特徴とする請求項１５に記載のベアリングコーティング。
17. 前記第１の部材がシャフトを備え、前記第２の部材がベアリングを備えることを特徴とする請求項１５に記載のベアリングコーティング。
18. 前記基材が留め具を備えることを特徴とする請求項１５に記載のベアリングコーティング。
19. 前記基材が回転シャフトを備えることを特徴とする請求項１５に記載のベアリングコーティング。
20. 前記基材が、ベアリングジャーナル面およびベアリングスラスト面の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項１５に記載のベアリングコーティング。
21. 前記基材がプロペラハブを備えることを特徴とする請求項１５に記載のベアリングコーティング。
22. 基材と、
    前記基材の上のベアリングコーティングと、を備えるとともに、前記ベアリングコーティングは、多孔質層と、この多孔質層の細孔内に潤滑充填材と、を有し、前記潤滑充填材が、前記ベアリングコーティングの約１〜２０体積％を構成し、残部が前記多孔質層からなることを特徴とするベアリング。
23. 前記潤滑充填材が、前記ベアリングコーティングの約８〜１０体積％を構成し、残部が前記多孔質層からなることを特徴とする請求項２２に記載のベアリング。
24. 前記多孔質層が、アルミニウム青銅合金およびモリブデンの少なくとも一方から選択された第１の材料を備え、前記潤滑充填材が、フルオロポリマ、ポリエチレン、ポリプロピレン、スズ、ビスマス、アンチモン、インジウム、銀、二硫化モリブデン、グラファイト、フッ化カルシウム、およびフッ化バリウムの少なくとも１つから選択された第２の材料を備えることを特徴とする請求項２２に記載のベアリング。

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