JP2008514818A - 軸受材料および軸受材料を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

平軸受および平軸受を製造するための方法が記述されている。平軸受を製造するための方法は、金属基質を有する材料の層を基板に付着させるための方法であり、所定の酸化物含有量を有する、アルミニウムをベースとする所望の合金組成の粉末を製造するステップと、前記アルミニウム合金粉末を金属溶射技法によって軸受基板に付着させるステップが含まれている。

Description

本発明は、軸受、軸受のための材料および軸受を製造するための方法に関する。

近代のエンジンに使用される軸受には、しばしば相反する特性の組合せを有する必要がある。軸受は、通常、厚さの範囲が約１ｍｍから約１０ｍｍまでの鋼または青銅などの丈夫な材料でできた裏当て層２、および一般的には厚さの範囲が約０．１ｍｍから約１ｍｍまでの銅またはアルミニウムの合金をベースとする軸受合金の層４などの複数の層を備えており、また、任意選択で、軸受合金層の頂部に、厚さの範囲が約５μｍから約５０μｍまでのいわゆるオーバレイ層６を備えている（図２参照）。また、アルミニウムをベースとする軸受合金４の場合、裏当て２と軸受合金層４の間に配置された、これらの２つの層の間の粘着の強化を補助する、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金、ニッケルあるいは軸受分野で知られている他の材料の薄い層（最大約３００μのはるかに分厚い層も知られているが、一般的には約５μｍないし５０μｍ）からなる層を追加することも可能である。軸受合金層４とオーバレイ層６の間に、いわゆる中間層（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）である他の層を配置し、これらの２つの層の間の粘着を強化し、かつ／またはこれらの２つの層の間の合金化成分の望ましくない拡散を防止するか、あるいは最小化するための障壁として作用させる目的で存在させることも可能である。このような中間層は、通常、極めて薄く、約０．５μｍないし５μｍ程度である。

オーバレイ層が存在している場合、このオーバレイ層（ｏｖｅｒｌａｙ ｌａｙｅｒ）によって、軸受自体と、協働するシャフト・ジャーナルとの間に実際の走行面（ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）またはすべり面（ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）が提供される。オーバレイは、通常、スズ、鉛、カドミウムまたはアルミニウムをその主成分として有する合金をベースとする比較的軟らかい材料である。一般的には軸受合金層より軟らかいオーバレイの目的は、軸受およびエンジンの製造プロセスに含まれている機械加工プロセスの不完全性に起因する、軸受とシャフト・ジャーナルの間の微小な不整列に適応することができる整合層を提供することであり、つまり、オーバレイは、コンフォーマビリティの特性を有している。また、オーバレイ層は、焼付き、疲労、腐蝕および摩耗に対して耐性があり、かつ、潤滑油中で運搬されるごみおよびデブリスの埋没性を提供しなければならない。良好な耐疲労性および耐摩耗性は、通常、高い強度および硬さに関連している。良好な耐焼付き性には、オーバレイ合金がその組成のために一般的に有している良好な両立性を持たせるために、走行面を形成する材料が必要である。同様の要求事項は、オーバレイが存在せず、かつ、軸受合金自体が実際の走行面またはすべり面を形成している軸受合金層にも関連している。しかしながら、いくつかのエンジンでは、過酷なサービス条件のため、オーバレイ層が摩耗して下を覆っている軸受合金層が露出し、延いては実際のすべり面または走行面が摩耗することになることが一般的であることに留意されたい。

しかしながら、近代の高定格エンジンの場合、このような軟らかい金属のオーバレイ層の耐摩耗性は貧弱であるが、耐疲労性は、期待される耐疲労性より良好であることがしばしばであり、バルク合金（ｂｕｌｋ ａｌｌｏｙ）の特性が注目されている。これは、印加された負荷をより広い面積にわたって展開させ、かつ、軟らかい層が存在しない場合に生じる可能性のある、下を覆っている軸受合金基板層（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ａｌｌｏｙ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｌａｙｅｒ）に対するポイント・ローディングの効果を改善するこのような合金のコンフォーマビリティ（ｃｏｎｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ）によるものである。

スズまたは鉛あるいはカドミウムの合金をベースとするオーバレイ材料は、通常、水溶液からの電気めっき技法によって付着されている。このような合金の強度および耐摩耗性を改善するための試行により、鉛−スズ−銅からなる合金が開発され、また、その合金と共に付着され、かつ、その合金基質全体に分布した一定の割合の硬質粒子を含有した類似した合金がもたらされた。このような硬質粒子の例には、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物などがある。しかしながら、電着が抱えている問題は、アルミニウム金属をベースとする合金は、水溶液からの付着の対象外であり、付着させることができるのは、溶融塩混合物または溶媒タイプの溶液からのみであるため、アルミニウムをベースとするオーバレイ合金のこの方法による付着は実際的ではないことである。他の欠点は、最良の電着材料が過酷なほとんどのエンジン・アプリケーションにおいて限界性能を有しているとしても、このようなプロセスは一般的に高価であり、また、このタイプのコーティングは、通常、付着したまま、非機械加工状態で使用されるため、付着するオーバレイ・コーティングの寸法精度が若干劣っていることである。

近年、陰極スパッタリングによる付着によってオーバレイの特性を改善する方法が試行されている。この方法によれば、アルミニウム基質をベースとするオーバレイ組成を付着させることができ、また、酸化物などの硬質相の付着または生成をオーバレイ合金基質に組み込むことができる。陰極スパッタリングは、通常、約１０^−６トールの極めて高い真空で実行されるため、可能であるのは、一度に比較的少数の軸受をコーティングするバッチ処理のみであり、また、スパッタリング・プロセスは本質的に低速であるため、この方法は極めて高価である。ＤＥ２８５３７２４Ｃに、軸受のための、陰極スパッタ付着によるすべりコーティングの付着が記述されている。記述されているコーティングは、アルミニウム合金をベースとするコーティングを備えており、スタチュー・ナセンディで形成される（ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｓｔａｔｕ ｎａｓｃｅｎｄｉ）アルミニウム酸化物の真の分散を備えている。したがって、酸化物含有量は、酸素源を備えたスパッタ・チャンバによって、アルミニウム原子が付着する際のそれらの酸化によって生成される。スパッタ付着した、組成がＡｌ２０ＳｎＣｕのコーティングの一例が示されており、硬さが３５Ｈｖである同じ組成の鋳造材料のコーティングと比較すると、１３０Ｈｖの硬さを有している（これは、例えば焼なまし軟鋼より硬い）。１７０℃での１００時間の熱処理後においても、高い硬度が維持されている。しかしながら、このような硬質材料によって耐摩耗性が改善されることが期待されるが、それらが過度に摩耗せず、また、それらのごみ埋没性特性が極めて劣悪である場合、極めて硬い協働シャフト・ジャーナルの使用が余儀なくされる。実際、陰極スパッタリングによって製造されたこのような合金の熱処理後の軟化に対する硬さおよび耐性は、原子スケールで付着し、かつ、それらの冶金学定義に従って真の分散硬化材料を生成するアルミニウムおよび酸化物相によるものと考えることができる。電着コーティングの場合と同様、製造されたオーバレイは、通常、付着したまま、非機械加工状態で使用されるため、寸法精度は、所望するほどには高くない。分散硬化スパッタ製造されたこのようなオーバレイは、通常、下を覆っている、それらが付着する軸受合金より２倍以上硬くなることがあり、望ましくない応力／ひずみ分布がその動作にもたらされることになる。しかしながら、スパッタリングによって製造されたオーバレイは、現在利用可能な最も丈夫なオーバレイ・コーティングをもたらしている。

本出願と同一所有権者のＷＯ９９／４７７２３には、アルミニウムをベースとする軸受合金層の高速オキシ燃料溶射（ＨＶＯＦ）による付着が記述されている。スズまたは鉛を含有しているアルミニウム合金には、エンジンが動作している環境下でのオーバレイ・コーティング層の過剰な腐蝕を防止するべく、軟質相を沈殿させ、かつ、粗くするためには、付着後の熱処理が必要である。このような熱処理は、軸受の製造コストを追加し、場合によっては望ましくない他の効果を有している。しかしながら、このような溶射付着コーティングは、通常、付着後に機械加工されるため、精度は高い。

本発明の目的は、高性能軸受合金層および／またはアルミニウムの合金をベースとするオーバレイ・コーティング層を付着させる方法を、従来技術による方法より経済的なコストで提供することである。

本発明の第１の態様によれば、金属基質を有する材料の層を基板に付着させるための方法が提供される。この方法には、所定の酸化物含有量を有する、アルミニウムをベースとする所望の合金組成の粉末を製造するステップと、前記アルミニウムをベースとする合金の粉末を金属溶射技法によって軸受基板に付着させるステップが含まれている。

本明細書においては、「アルミニウムをベースとする合金」という用語は、その合金の組成に関して、単一の最大成分がアルミニウムである任意の合金を意味している。

本発明による方法の好ましい実施形態では、金属溶射技法は、高速オキシ燃料溶射技法であってもよい。

本明細書においては、考察されている酸化物は、主としてアルミニウム酸化物である（アルミナつまりＡｌ_２Ｏ_３とも呼ばれている）。アルミナは、例えばＡｌ−Ｓｎ−Ｃｕ組成からなる合金の場合に、アルミニウム合金粉末の中に付随的に存在することもあるスズ酸化物あるいは銅酸化物などの他の若干の酸化物とは異なり、極めて硬い耐摩耗性相である。

アルミニウムをベースとする合金の粉末は、約０．５重量％ないし５重量％の酸化物を有することができる。

酸化物の含有量は、好ましくは１重量％から２重量％までの範囲内にすることができる。

本発明の場合、アルミニウムをベースとする合金の粉末は、例えば窒素などの不活性ガスのガス噴流を使用して、例えば制御された大気の下で液体金属の溶融流を霧化することによって製造されることが好ましい。アルミニウム合金粒子は、溶射プロセスでこれらの粒子がより容易に流れるため、また、制御がより容易であるため、一般的には丸いか、あるいは球面形の粒子であることが好ましい。本発明による方法によって製造されたコーティングの場合、アルミニウム酸化物をほとんど含有していないか、あるいはまったく含有していない合金と比較すると、硬さが著しく増しているが、それでも、得られる硬さは、陰極スパッタによって製造されるコーティングよりはるかに軟らかいことが分かっている。しかしながら、驚くべきことには、スパッタ付着オーバレイ・コーティングを始めとする、アルミニウムをベースとする他の知られているオーバレイ材料と比較すると、依然としてはるかに高いレベルで耐摩耗性が維持されている。

本発明による方法によって製造されるコーティングの重要な利点は、オーバレイ・コーティングの硬さは、本質的に酸化物のないコーティングの硬さより硬いが、その硬さは、一般的には依然として、コーティングが付着する下を覆っている軸受合金層の硬さより軟らかく、動作中、有利な応力分布およびひずみ分布が軸受にもたらされることである。従来技術による軸受の場合と同様、本発明による方法に従って製造される軸受は、通常、例えば鋼または青銅でできた硬質裏当て層、硬質裏当て層の上の他の軸受材料の層、および他の軸受合金層の頂部に本発明に従って製造されたコーティングを備えることができ、したがって、いわゆる三金属軸受が製造される（これには、上で説明した、裏当て層と他の軸受合金の間および／または他の軸受合金層とオーバレイ層の間に存在させることができ、あるいは存在していなくてもよい他の重要ではない中間層の存在は無視されている）。構成している層の硬さが硬い裏当て層から比較的より軟らかいオーバレイ層まで減少する場合、疲れ強さおよびコンフォーマビリティの点で有利であることが分かっており、したがって、最も硬い層を丈夫な裏当て層にし、軸受合金層をより軟らかくし、また、オーバレイ層を軸受表面の最も軟らかい層にすることができる。

鍛鋼クランク軸は、鋳鉄の強度と比較するとその強度が卓越しているため、従来、高定格エンジンに使用されている。ごく最近では、より早期の電着オーバレイ・コーティングと比較すると、周期的な負荷にさらされる際の疲れ強さが改善されているため、スパッタ付着オーバレイ・コーティングを有する高定格エンジン軸受が使用されている。ごく最近においても、必要な強度特性を有する鋳鉄が依然として開発されており、その結果、鋳鉄製のクランク軸は、鍛鋼製のクランク軸より著しく低コストであるため、鋳鉄の使用を試行するケースが存在している。しかしながら、鋳鉄の欠点は、その表面が本質的により摩耗しやすく、鋼の速度よりはるかに速い速度で軟らかいオーバレイ合金を摩耗させることである。これは、硬いスパッタ付着オーバレイ・コーティングならびにより早期の極めて軟らかい電着コーティングについても言える。本発明の場合、本質的に比較的極めて硬いオーバレイ自体によってオーバレイの耐摩耗性が決まるのではなく、本発明による方法によって製造されるコーティング中の酸化物相が、スパッタ付着材料中におけるより比較的粗い形態の相であり、ジャーナル表面に対して軟質研磨剤として作用し、それによりジャーナル表面自体をより滑らかにし、かつ、軸受オーバレイ表面の摩耗を少なくしている。また、スパッタ付着と比較すると、本発明による方法によって製造されるオーバレイ中の酸化物相は、その性質が比較的より粗いため、スパッタリングの場合のように真の分散強化材料を生成することはない。

本発明による方法に従って製造される溶射コーティングの場合、アルミニウムをベースとする合金の溶射粒子自体の表面の構造に対応する方法で、酸化物含有量がコーティングの基質中に分布する。したがって、付着する個々の粒子が酸化物コーティングをその上に有していると想像すると、その酸化物は、粒子表面が溶射される表面に粒子表面が衝突する際に、概ね粒子表面に対応する位置を有するサブマイクロスコピックの酸化物粒子のインターロック・ネットワークを形成する。通常はマクロスケールで基質全体に一様に分布するが、酸化物の粒子がミクロスケールで基質中に非均質に分布するこの酸化物の分布は有利である。その理由は、軸受／ジャーナルすべり面が、クランク軸ジャーナルを研磨し、そのジャーナルの摩耗を少なくすることによって耐摩耗性を促進する酸化物粒子の均質な分布を「見る」ことによるものである。しかしながら、酸化物粒子は、アルミニウムをベースとする合金の個々の粒子の金属合金の内側であった部分には位置していないため、エンジンが動作している間にクランク軸によってコーティングの基質に付与される動的応力は、主として酸化物のない金属のバルクによって構成される基質を認識する。したがって、コーティング基質の大半は、例えばコンフォーマビリティ、ごみ埋没性および両立性に関して、金属合金自体の望ましい物理特性を保持している。これは、上で説明した、陰極スパッタリングによって付着するタイプのオーバレイ・コーティングとは対照的である。陰極スパッタリングによって製造されるコーティングの場合、酸化物粒子の各々は、個々のアルミニウム金属粒子と同時に付着し、したがって酸化物粒子の分布は、マクロスケールおよび原子ミクロスケールのいずれにおいても完全に均質であり、コンフォーマビリティ、ごみ埋没性および両立性の望ましい特性を犠牲にした真の分散強化金属合金コーティングのもとになっている。本発明による方法の場合、酸化物領域を直接取り囲んでいる、アルミニウムをベースとする合金のコーティング基質が分散強化され、一方、酸化物の位置から離れた基質のバルクはそれほど分散強化されず、したがって、強度と弾性率の物理特性に関して二相構造が製造されると考えられている。

本発明による方法の場合、アルミニウムをベースとする合金の粉末粒子のサイズは、約１０〜１４５μｍの範囲内であることが好ましい。この合金粉末粒子のサイズは、約３８〜１０６μｍの範囲内であることがより好ましく、４５〜７５μｍの範囲内のサイズであることがさらに好ましい。粒子のサイズの範囲が狭いほど、溶射コーティング内における酸化物の分布がより一様になる。また、合金粉末の酸化物含有量は、より容易に制御することができる。

上記範囲のサイズを使用することによって粉末の望ましい特性が形成されるだけでなく、同じ好ましいサイズ・フラクションは、後続するＨＶＯＦ溶射プロセスにも有利である。最も大きい粒子と最も小さい粒子の間のサイズの範囲が狭いほど、溶射粒子がより一様に加熱される。粒子が極端に小さい場合、粒子が極端に早く溶融し、ＨＶＯＦガンのバレルをコーティングする傾向がある。また、粒子が極端に大きい場合、粒子の加熱が不十分になる傾向があり、これは、調査のために微小部分を取った場合、粒子がそれらを取り囲んでいる基質と完全に一体になる前に、目に見える形で溶射コーティングに現われる。

好ましい粉末粒子サイズに関して上のように説明したが、許容可能なオーバレイ・コーティングを提供し、２０〜４５μ、４５〜７５μｍおよび７５〜１０６μｍの粉末粒子フラクションを利用することも可能である。いくつかのエンジン軸受アプリケーションでは、第１のサイズ範囲の酸化物分布の濃度が高いほど有利であり、また、他のアプリケーションでは、場合によっては第３のサイズ範囲の酸化物分布の濃度が低いほど有利である。また、粉末の表面積がより広いため、第１のサイズ範囲のより小さい粒子は、より粗いサイズ・フラクションよりも高い酸化物の濃度を有することができる。また、広範囲のサイズ・フラクションを利用する能力は、それによって材料の利用が改善されるため、本発明による方法をより経済的にしている。

ＨＶＯＦ溶射技法は、付着するコーティングの特性に対するより良好な制御が提供されるため、例えば多孔性のレベルが極めて低く、追加酸化物生成のレベルに対する制御が同じく著しく強化される点で、火炎溶射およびプラズマ溶射などのより早期の知られている金属溶射技法より好ましい。実際、最終付着コーティングに所定の酸化物レベルを持たせるためには、付着する粉末の酸化物含有量を制御された方法で維持し、増加し、あるいは変更することが望ましいため、この後者の点は、本発明による方法には極めて重要である。

他のより早期の溶射技法から区別しているＨＶＯＦ技法の本質的な特徴は、この方法が極端に速い溶射速度を得るために開発されたことである。溶射される粉末がガン内の様々なポイントで燃焼ガスに供給される様々なタイプの溶射ガンが存在している。溶射ガンには、通常、燃焼ガスを粉末と共に下方へ強制し、燃焼ガスの速度を速くする長いノズルが使用されている。ＨＶＯＦ技法によって製造されるコーティングは、比較的極めて稠密で、かつ、丈夫であり、また、残留引張り応力が小さい。この技法により、より早期の溶射技法よりはるかに分厚いコーティングを塗布することができる。

本発明による方法の重要な利点は、鉛を含有していない軸受を製造することができる能力である。鉛を含有していない軸受合金基板材料を使用することができ、また、本発明による方法によって付着するオーバレイ・コーティングを、鉛を含有していないオーバレイ・コーティングにすることも可能である。

付着するオーバレイ・コーティングの組成の一例は、約１．３４重量％のアルミニウム酸化物を含有したＡｌＳｎ２０Ｃｕである。

本発明による方法によって製造される、アルミニウムをベースとする合金のオーバレイ・コーティングは、意図した合金から適切な粒子サイズの初期開始粉末を製造することができる必要性によってのみ制限される。

付着したオーバレイと下を覆っている基板表面の間の界面の形態すなわち構造は、サービス中の軸受の性能にとって最も重要である。

本発明の第２の態様によれば、軸受を製造する方法が提供される。この方法には、次に、アルミニウムをベースとする合金からなる軸受材料の層を付着させるための基板を提供するステップと、基板と軸受材料の間の界面である基板の表面を摩耗技法によって処理するステップであって、それにより前記表面の基板領域全体にわたって変化する粗さプロファイルが提供されるステップと、前記軸受材料を前記表面に付着させるステップと、前記軸受材料の表面を前記基板および前記軸受材料の所定の総壁厚までボーリング・バックするステップであって、それにより厚さが変化する軸受材料を前記基板上に有する軸受が残されるステップが含まれている。

本発明の第２の態様の好ましい実施形態では、摩耗技法は、グリットブラスト・プロセスを含むことができる。

摩耗プロセスの目的は、表面粗さがある領域から他の領域まで著しく変化し、かつ、除去される基板材料の量がある領域から他の領域まで著しく変化するが、その性質が本質的に無作為である変化、つまり、製造された粗い表面に対する認識可能な方向性が存在しない表面を基板に提供することである。

「摩耗」という用語は、軸受合金が付着する粗い基板表面を製造する技法を記述するべく使用されているが、このような摩耗は、好ましくは基板材料を表面から除去するのではなく、基板材料が表面上で動き回ることが意図されていることを理解されたい。したがって、表面粗雑化技法としてのグリットブラストの使用には、表面材料を「ひっかき回し」、大量の材料を表面から実際に除去することなく尾根および谷を生成する傾向がある。

軸受材料が付着する前の基板表面の表面粗さによって、付着する軸受材料の最大および最小の厚さが決まり、あるいは軸受材料が付着した後、軸受材料表面を所定の総軸受壁厚までボーリング・バックした後のオーバレイ・コーティングの最大および最小の厚さが決まる。

スパッタ・コーティングによるものであれ、あるいは電気めっきによるものであれ、オーバレイの厚さが軸受の面積全体にわたって実質的に一定である従来のオーバレイ・コート軸受の場合、分厚いオーバレイは、優れたごみ埋没性を有しているが疲れ強さに劣っており、一方、薄いオーバレイは、その逆であることが分かっている。また、従来の薄いオーバレイは、より短い時間空間でより摩耗しやすい。単一軸受が、分厚いオーバレイおよび薄いオーバレイの隣接領域を有する無作為に整列した領域を備えている本発明の場合、より分厚いオーバレイ領域によって、必要とする良好なごみ埋没性特性が提供され、一方、薄いオーバレイの隣接領域によって、より分厚い領域を疲労から「保護」すると思われる優れた疲れ強さが提供されることが分かっている。

本発明による軸受の場合、典型的な「平均」オーバレイ厚さを、例えば１５μｍから１８μｍまでの範囲にすることができる。しかしながら、下を覆っている基板界面の可変表面粗さのため、最大および最小オーバレイ厚さは、４０μｍから０μｍまでの範囲にすることができる。つまり、後者の場合、下を覆っている基板の材料は、ボーリング・バックされた軸受の表面で実際に露出することになる。

基板には、適切な任意の材料を使用することができる。基板には、例えば、下を覆っている軸受材料の要求事項を満足し、かつ、丈夫な裏当て材料を提供する青銅材料を使用することができる。したがって基板および裏当て材料は、モノリシック材料によって形成される。

当然、基板は、別法として、例えば鋼などの丈夫な裏当て層に結合される、アルミニウムをベースとする合金または銅をベースとする合金の従来の軸受合金層の基板であってもよい。

本発明の第３の態様によれば、本発明の第１または第２の態様による方法によって製造された軸受が提供される。

本発明の第４の態様によれば、内燃機関のための平軸受が提供される。この軸受は、丈夫な裏当て材料、裏当ての上の第１の軸受材料の層、および第１の軸受材料の上の第２の軸受材料の層を備えており、第２の軸受材料は、第２の軸受材料の組成を有する粉末を溶射することによって製造されている。第２の軸受材料の組成は、０．５重量％から５重量％までのアルミニウム酸化物からなっており、アルミニウム酸化物は、第２の軸受材料の層が付着している間、溶射される粒子の表面の構造に概ね対応する方法で第２の軸受の層の基質全体に分布する。

本発明の第５の態様によれば、アルミニウムをベースとする合金の軸受材料の層が付着した基板を備えた軸受が提供される。基板と軸受材料の間に界面が存在しており、前記界面は、基板の面積全体にわたって変化する粗さプロファイルを有している。前記軸受は、前記軸受が前記基板の上に厚さが変化する軸受材料を有するよう、前記付着した軸受材料を機械加工することによって形成された前記基板および前記軸受材料の所定の総壁厚を有している。

以下、本発明をより完全に理解するために、単なる実例にすぎないが、いくつかの実施例について添付の図面を参照して説明する。

図面を参照すると、図１は、ＨＶＯＦによって半軸受シェル１２にオーバレイ層を付着させるための装置の概略レイアウト１０を示したものである。装置１０は、燃焼室１６およびバレル２０を有するＨＶＯＦ溶射ガン１４を備えている。燃焼室１６は、火花デバイス２６によって燃焼室１４で点火される燃料２２および酸素２４のサプライを有している。燃焼室１６の燃焼圧力は、変換器（図示せず）によって知覚され、制御システム３２へ信号がフィード・バック３０される。燃焼圧力は、インプットする燃料および酸素の割合をそれぞれ弁３８、４０によって調整することによって制御システム３２から制御される。溶射ガン１４は、溶射ガン１４のボディの周りを循環している冷却水４４によって冷却されている。所望の組成を有する予め合金化済みの粉末４８は、ホッパー５０に保持されており、知られている制御されたレート・フィーダ・デバイス（図示せず）によってホッパー５０から供給され、アルゴンまたは窒素５２などの不活性ガスによって運ばれ、溶射ガン１４のバレル２０に供給され、燃焼炎中に噴射されて燃焼室１６から発散する。粉末４８は、燃焼炎５６の中で加熱され、燃焼ガス流によって基板軸受シェル１２に向かって加速され、そこで、溶融粉末と半溶融粉末の混合物が基板軸受シェル１２の表面６４に付着する。溶射ガン・バレルの銃口６６と表面６４の間の距離は、制御システム７０によって自動的に制御することができる。銃口６６と基板表面６４の間の距離は、速度（運動エネルギー）および粉末粒子によって基板へ転送される熱エネルギーの量に対する影響力を有している。軸受基板１２は、フィクスチャ（図示せず）の中に保持されており、軸受基板１２の表面６４全体が確実に覆われるよう、その軸７４の周りに回転し、かつ、その軸７４に平行に移動している。軸受シェル６２の背面は、圧縮空気噴流７８で冷却されており、過熱を防止し、かつ、過熱によって生じる、溶射層と基板の間の界面に形成される脆い金属間化合物の形成を防止するべく基板１２の温度を制御している。また、煙抽出８０が提供されている。

別法としては、静止した状態で軸受を保持することも可能であり、ＨＶＯＦガンは、必要な付着物の生成に適した方法で操作される。ＨＶＯＦガンの操作に適した方法は、例えばロボット・アームによる方法であってもよい。

半軸受１２は、上記のように準備され、表１に示すように、本発明による、サンプルＡおよびＢで明記されている組成を有している。サンプルＣは、アルミニウムをベースとするＡｌＳｎ４０Ｃｕ０．５の組成を有する合金コーティングを、ＣｕＰｂ２３Ｓｎ１．５の組成を有する基板軸受合金にスパッタ付着させることによって製造された匹敵する軸受からなっている。基板軸受合金は、さらに、鋼の裏当てを有している。

サンプルＡおよびＢにコーティングを付着させるための基本的なＨＶＯＦ溶射パラメータは、次の通りであった。
酸素の流れ １５５０ｓｃｆｈ
灯油の流れ ４．０ｇａｌ／ｈ
灯油の圧力 ７５ｐｓｉ
粉末供給率 １２ｇ／ｍｉｎ
キャリア・ガスの流れ １２ｓｃｆｈ
スタンドオフ距離 ２３０ｍｍ
燃焼圧力 ６８〜７０ｐｓｉ
粉末フラクション ４５〜７５μｍ
ガン・トラバース速度 ５００ｍｍ／ｓ

コーティングは、表１に明記されているように、最大約８０μｍの厚さで基板に加えられ、次に、１５〜１８μｍの公称厚さまでボーリング・バックされた。

製造されたサンプルは、知られているＶｉｐｅｒ摩耗試験機による長時間の継続時間摩耗試験によって試験され、また、知られているＳａｐｐｈｉｒｅ疲労試験機で耐疲労性が試験された。

Ｖｉｐｅｒ摩耗試験条件は、次の通りであった。
軸速度： １０００ｒｅｖ／ｍｉｎ
負荷： ３ｋｇ
オイル温度： １４０℃
軸粗さ： ０．１μｍ Ｒａ
鋼： ３８ｍｓｖ５ 非硬化

図３および４から分かるように、知られている硬質スパッタ付着オーバレイＣの摩耗は、本発明に従って付着したオーバレイ・コーティングＡおよびＢの摩耗よりはるかに多い。図３は、ヒストグラムの形で示したものであり、一方、図４は、グラフの形で示したものである。また、図４には、時間の経過による摩耗の割合に関する情報が提供されている。したがって、知られている材料であるサンプルＣは、摩耗試験開始後、わずかに３０分を経過しただけで約１４ｍｇの材料を失い、一方、本発明によるオーバレイ材料であるサンプルＡおよびＢの場合、３０分の試験で失った材料は、約２ｍｇないし４ｍｇであり、残りの２８５０分の試験の間、それ以上の材料はまったく失われていないことが分かる。したがって、本発明によるオーバレイの摩耗率は、初期「ベッディング・イン」期間の後、ほぼゼロである。それに対して、サンプルＡのオーバレイは、試験開始後、わずかに１８〜２０分を経過しただけで、下を覆っている鉛−青銅基板が露出するまで完全に摩耗している。サンプルＡおよびＢのオーバレイは、試験開始後、２８８０分を経過した後は摩耗することはなく、ｍｇ単位の微小な総摩耗が立証しているように、ごくわずかの厚さが除去されるだけである。

実行されたＳａｐｐｈｉｒｅ疲労試験は、知られているサンプルＣオーバレイ層に対する９７〜１１０ＭＰａの負荷では疲労は発生していないが、オーバレイ自体はこの負荷で完全に摩耗し、したがってこれ以上の負荷の増加は、オーバレイ層が存在していないことには無関係であることを示している。一方、ＡおよびＢの両サンプルのオーバレイ層は、下を覆っている基板層まで摩耗することなく、何ら損なわれていない状態で１２４ＭＰａの疲労定格（Ｓａｐｐｈｉｒｅ機械で達成可能な最大負荷）に到達している。

鋳鉄クランク軸を有する１．４リットル・コモンレール・ディーゼル・エンジンを使用して実行されたエンジン試験は、従来のスパッタ付着オーバレイがコーティングされたサンプルＣの軸受は、数分でオーバレイまで摩耗するか、あるいは動作が停止するかのいずれかであることを示している。一方、サンプルＡによる軸受は、同じエンジンで、同じく鋳鉄クランク軸に対して、過度の摩耗または動作の停止を生じることなく、５００時間の間生き残った。

サンプルＡおよびＢの場合、ごみ埋没性特性が保持されたこと、また、試験された軸受の微小部分が調査され、第一鉄の粒子の埋没および軸受表面の炭素質汚染を示したことが注目された。また、エンジン試験の結果は、スパッタ付着オーバレイと比較すると、本発明に従って製造された軸受の、ごみ粒子を埋没させる優れた能力を示した。

図５は、すべての試験の前のサンプルＡの、本発明に従って製造された軸受の断面の顕微鏡写真を示したものである。したがって、軸受は、製造時における状態の走行面を示している。表面は、図５から分かるように、深さが本質的に変化しているオーバレイ層１００を備えており、溶射付着オーバレイ・コーティング１００をボーリング・バックした後、下を覆っている基板層１０２が１０４で表面に露出している。図５では、明るい灰色の領域１０６は、スズ−青銅基質で構成されており、白い領域１０８は、鉛相である。図６は、図５に示す基板１０２とオーバレイ層１００の間の界面１１０の典型的な領域の白色光インターフェロメトリによる三次元斜視図を示したものである。図６に示されている領域は、４５８．５×６０２．９μｍである。図６に示す表面１２０の斜視図は、図６の右側のスケールに対応する灰色の陰で示されている。これは、表面の形状が、最も深い部分で基準水準面１２４より約３２μｍ低いトラフまたはピット１２２（以下、トラフと呼ぶ）と、最も高い部分で同じ基準水準面１２４より約３７μｍ高いピーク１２６の間で無作為に変化していることを示している。これらの極限と極限の間に、中間値の全範囲をカバーしているトラフとピークが存在している。この境界表面１２０は、図１を参照して説明した手順に従ってオーバレイ材料でコーティングされ、最後に、図１に示す軸受１２の上の壁厚が一定のレベルになるまでボーリング・バックされている。これにより、グリットブラスト・プロセスによって形成される界面１２０のトラフおよびピークによって決定される厚さが無作為に絶えず変化するオーバレイ層１００（図５の微小領域に示すような）が得られる。したがって、より高い／最も高いピーク１２６が実際に機械加工され、露出した基板材料１０２が最終軸受の走行面に残され、また、図５から分かるように、オーバレイ１１０の深い領域が隣り合って位置している。この無作為のオーバレイ厚さの効果は、より深いトラフの上に付着したオーバレイによって、例えば摩耗デブリスまたはエンジン機械加工デブリスに適応することができる領域、つまりごみ埋没性が提供され、一方、より低いピークより上方のより浅いオーバレイ領域によって、隣接するより深いオーバレイ領域を疲労から保護する良好な耐疲労性が提供されることである。また、露出した基板材料の領域１０４も、耐疲労性の改善に寄与しており、場合によっては耐摩耗性の改善にも寄与している。

図７および８は、図６に示す表面の互いに直角のセクションの典型的な粗さプロファイルを示したものであるが、図７および８に示す表面粗さ分布は、それらが異なるグリットブラスト・パラメータを使用して製造されているため、図６に示す表面粗さ分布とは異なっている。オーバレイ層が付着した後、軸受表面を再び機械加工する場合、基板材料が最終表面に露出しないように、あるいは基板材料「スポット」の無作為分布が最終ボーリング表面全体に生成されるように、最終的な壁厚を選択することができることに留意されたい。図７および８を参照する場合、垂直軸が水平軸に対して著しく誇張されているため、実際の表面の形状は、はるかに滑らかであり、また、その性質は、図に示す以上に起伏に富んだ形状であることに留意されたい。

図５ないし８を参照して説明した界面によって得られる追加利点は、界面の粗さによって基板へのオーバレイ層の粘着が著しく強化されることである。

上で説明した界面は、グリットブラストによって製造されたものであるが、深さおよび高さが離散的に変化するトラフおよびピークを有する形状を製造する任意の代替プロセスを使用することも可能である。

したがって、本発明による方法によって、優れた軸受特性を有し、かつ、従来の陰極スパッタによって製造される軸受よりはるかに低コストで製造することができるオーバレイ・コーティングが製造されることが分かる。比較事前製造トライアルによれば、本発明による方法に従って製造される軸受は、陰極スパッタリングより約３倍の速さで製造することができる。

半軸受シェルにオーバレイ・コーティングを付着させるためのＨＶＯＦ溶射装置を示す略図である。 半軸受シェルの一部の断面図である。 本発明による２つのオーバレイの重量損失と、スパッタ付着によって付着した知られているオーバレイの重量損失を比較したヒストグラムである。 長時間にわたる継続時間試験を実施した際のＶｉｐｅｒ摩耗試験機におけるオーバレイ摩耗を示すグラフである。 試験前の条件における基板層およびオーバレイ層を示すサンプルＡの顕微鏡写真である。 本発明によるオーバレイ層の付着に先立って、基板表面の白色光インターフェロメトリを使用して製造されたグリットブラスト表面の三次元グラフ（斜視図）である。 図６に示す領域の表面粗さの典型的な「Ｘ」プロファイルを示すグラフである。 図６に示す領域の表面粗さの典型的な「Ｙ」プロファイル（図７に示すプロファイルに対して直角に取ったプロファイル）を示すグラフである。

Claims (22)

1. 金属基質を有する材料の層を基板に付着させるための方法であって、所定の酸化物含有量を有する、アルミニウムをベースとする所望の合金組成の粉末を製造するステップと、前記アルミニウム合金粉末を金属溶射技法によって軸受基板に付着させるステップとを含む方法。
2. 前記金属溶射技法が高速オキシ燃料溶射技法である、請求項１に記載の方法。
3. 前記酸化物含有量が制御され、主としてアルミニウム酸化物からなる、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
4. 前記アルミニウムをベースとする合金の粉末が、約０．５重量％ないし５重量％の酸化物を有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記酸化物の含有量が、１重量％から２重量％までの範囲内である、請求項４に記載の方法。
6. 前記アルミニウムをベースとする粉末が、液体金属の溶融流を霧化することによって製造される、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
7. 霧化された粉末が引き続いて熱処理され、制御された酸化物含有量が生成される、請求項６に記載の方法。
8. 前記アルミニウムをベースとする合金の粒子が、概ね丸いかあるいは球面形の粒子である、請求項６または７のいずれかに記載の方法。
9. 前記酸化物含有量が、金属粒子表面が溶射される表面に金属粒子表面が衝突する際に、概ね前記金属粒子表面に対応する位置で前記層の基質全体に分布する、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記合金粉末粒子のサイズが約１０〜１４５μｍの範囲内である、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記合金粉末粒子のサイズが約３８〜１０６μｍの範囲内である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記合金粉末粒子が４５〜７５μｍの範囲内である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記合金粉末が、２０〜４５μ、４５〜７５μｍおよび７５〜１０６μｍからなるグループから選択される粒子サイズ範囲を有するように選択される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法によって製造された、内燃機関のための平軸受。
15. 内燃機関のための平軸受であって、丈夫な裏当て材料と、前記裏当ての上の第１の軸受材料の層と、前記第１の軸受材料の上の第２の軸受材料の層とを備え、前記第２の軸受材料が、前記第２の軸受材料の組成を有する粉末を溶射することによって製造され、前記第２の軸受材料の組成が、１重量％から５重量％までのアルミニウム酸化物からなり、前記アルミニウム酸化物が、前記第２の軸受材料の層が付着している間、前記溶射される粒子の構造に概ね対応する方法で第２の軸受の層の基質全体に分布する平軸受。
16. 前記酸化物の含有量が、２重量％から４重量％までの範囲内である、請求項１６に記載の平軸受。
17. 実質的に添付の明細書および図面を参照して説明した金属基質を有する材料を基板に付着させるための方法。
18. 実質的に添付の明細書および図面を参照して説明した内燃機関のための平軸受。
19. アルミニウムをベースとする合金の軸受材料の層が付着した基板を備えた軸受であって、前記基板と前記軸受材料の間に界面が存在し、前記界面が、前記基板の面積全体にわたって変化する粗さプロファイルを有し、前記軸受が、前記軸受が前記基板の上に厚さが変化する軸受材料を有するよう、前記付着した軸受材料を機械加工することによって形成された前記基板および前記軸受材料の所定の総壁厚を有する軸受。
20. 前記基板材料が、前記付着した軸受材料を機械加工した後に前記表面の所定の位置で露出する、請求項１９に記載の軸受。
21. 前記オーバレイの深さが、前記軸受の表面積全体にわたってゼロμｍから５０μｍまで変化する、請求項２０または２１のいずれかに記載の軸受。
22. 前記オーバレイの深さが、前記軸受の表面積全体にわたって無作為に分布する、請求項２０から２３のいずれか一項に記載の軸受。

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