JP2008540839A - 滑り軸受け複合材料、使用及び製造法 - Google Patents

Abstract

銅合金からなるキャリア層、及びこのキャリア層の上に施工された滑り層を有する滑り軸受け複合材料が開示される。前記銅合金は、０．５〜５重量％のニッケル、０．２〜２．５重量％のケイ素、≦０．１重量％の鉛を含む。前記滑り層は、電気メッキ層、スパッタ層または樹脂層であることができる。製造方法も開示される。

Description

本発明は、請求項１に従う滑り軸受け複合材料に関する。本発明は、更に、使用及び製造法にも関する。

ドイツ特許出願公告(C1)第44 15 629号明細書からは、非常時でも稼働可能な耐摩耗性の物品、例えばダイカスティング機のピストンの製造のために、銅−ニッケル−ケイ素合金を使用することが知られている。ドイツ特許出願公告(C1)第44 15 629号明細書に記載の合金は、ニッケル１〜４％、ケイ素０．１〜１．５％及び残部の銅からなり、一体の材料として使用される。

米国特許第2,137,282号明細書は、ニッケル０．１〜３０％、ケイ素０．０５〜３％、及び残部の銅からなる合金を開示している。この合金は、適当な熱処理の後に、高い硬度及び良好な電導性を特徴とする。

米国特許第1,658,186号明細書は、銅−ニッケル−ケイ素合金を開示しており、硬化粒子として働くケイ化物について詳しく記載されている。硬度の調節のための様々な熱処理方法が記載されている。

更に別の銅−ニッケル−ケイ素合金が米国特許第2,241,815号明細書に記載されており、ニッケルの割合は０．５〜５％であり、ケイ素の割合は０．１〜２％である。

米国特許第2,185,958号明細書は、ニッケル１％、ケイ素３．５％及び残部の銅からなる合金、並びにケイ素１．５％、ニッケル１％及び残部の銅からなる合金を開示している。

ドイツ特許出願公告(C1)第36 42 825号明細書からは、高い強度及び長い耐用年数が意図された、ニッケル４〜１０％、アルミニウム１〜２％、スズ１〜３％及び残部の銅並びに通常の不純物からなる滑り軸受け材料が知られている。この滑り軸受け材料から、一体型のブッシュを製造している。

英国特許出願公開第2384007号明細書は、銅合金からなりそして最大で１３０ＨＶの硬度を有する焼結層が施工された鋼製母材を有する滑り軸受け複合材料を開示している。この銅合金は、１〜１１重量％のスズ、０．２重量％までのリン、最大で１０重量％のニッケルまたは銀、最大で２５重量％の鉛及びビスマスを含む。

通常、滑り軸受けシェルは、軸受け材料と滑り層とがその上に施工された鋼製の母材を有する。鋼製の母材は、軸受け収容における締りばめを保証するのに必要な剛性及び強度を有する。しかし、このような複合材料から構成された軸受けシェル及び軸受けブッシュの減衰性は多くの用途に不十分であるというのが欠点である。特に、細い軸受けシェルの場合には、剛性が充分でない軸との組み合わせで、望ましくない縁部の支えや、軸受け金属の摩耗の増加などがしばしば起こる。これの原因は、臨界的な荷重量の際に軸受けの弾性的な適応を困難にするかまたは妨げるような、鋼複合材料の弾性率と強度との間の望ましくない関係にある。

それゆえ、本発明の課題は、同等の強度またはより高い強度でより優れた減衰性を示す、鋼製母材を具備しない滑り軸受け複合材料を提供することである。また、使用及び製造法の提供も課題である。

驚くべきことに、特許請求の範囲に記載の範囲でニッケル−ケイ素成分を含む銅合金を使用した場合に、締りばめの保証のための鋼製母材を無しで済ませ得ることが判明した。

上記合金の利点は、それらの組織、それ故それらの機械的性質に関して広い範囲で調節できるという点にある。それ故、該銅合金が鋼製母材の機能を引き受けて、それ故、この母材を省略できるように、強度及び機械的性質を調節することができる。また同時に、該銅合金は、必要な強度の他に、優れた減衰性をも有する。

このような滑り軸受け複合材料からの滑り軸受け要素の製造は、鋼製母材が省略できるために、簡素化され、それ故費用効果が高い。

高負荷モーターに滑り軸受けとして使用する際には、該合金における弾性率と調節可能な強度との間の好ましい関係が特に有利であることが判明した。

更に別の利点の一つは、該銅合金の熱膨張係数は、アルミニウムの熱膨張係数と同程度であり、そのため、本発明の複合材料からなる滑り軸受けシェルは、アルミニウム製のハウジング中に有利に使用することができることである。それゆえ、高温度下でも依然として、良好な締りばめが保証される。

該銅合金の強度の調節は、好ましくは、熱機械的な処理、特に圧延及び焼き鈍しによって行われる。

滑り軸受け複合材料のための帯状材料の本発明による製造方法は、以下の工程を含む。
銅−ニッケル−ケイ素合金からの帯状材料の製造、次いで次の工程を有する熱機械的処理： ５００℃を超える温度での少なくとも３時間の帯状材料の第一の焼き鈍し、帯状材料の少なくとも一回の第一の圧延、この際、少なくとも２０％の変形度で行う。５００℃を超える温度での少なくとも一回の第二の焼き鈍し、及び帯状材料の少なくとも一回の第二の圧延、この際３０％を超える変形度で実施する。

好ましくは、第二の焼き鈍しは、連続焼き鈍しラインにおいて、少なくとも３ｍ／分、特に３〜５ｍ／分の帯状物の送り速度及び＞５００℃の温度で連続的に行われる。

第二の圧延工程によって、帯状材料の強度が調節され、この際、好ましくは５５０〜７５０ＭＰａの引張り強さの値が達成される。

上記熱機械的処理の後の組織は縞状のマトリックス構造を特徴とする。この縞状構造内にはＮｉＳｉに基づく微細で均一に分布した金属間析出物が存在する。

上記の引張り強さの値は、より少ない負荷において既に塑性変形を起こしてしまう鋼複合材料の鋼のそれよりも明らかに大きい。このような塑性変形は、複合軸受け材料から製造された滑り軸受けの遊びを大きくし、また減衰性を劣化させる。本発明の銅合金の利点は、高軸受荷重において弾性の性質を維持できる程に降伏点を高め得ることである。

通常は、最初の帯状材料の厚さ及び帯状材料の最終厚さは予め決められる。それゆえ、異なる強度値を達成し得るためには、好ましくは、第二の圧延時に所望の強度値となるような変形度で初回の圧延が行われる。これは、例えば、高い強度値を達成するためには、第一の圧延時には、僅かな厚みの減少しか行われず、他方、低い強度値のためには、第一の圧延時に既に大きい変形度が達成されることを意味する。

滑り軸受け要素の製造のためには、上記の帯状材料からこれを裁断してシートを切り離し、そしてこれらのシートを、公知の変形工程を介して滑り軸受け要素に変形加工する。最後のプロセスは、滑り面の形成作業及び滑り層の施工である。

滑り層は、場合によっては中間層の施工の後に、電気メッキ法、ＰＶＤ法、特にスパッタリング、または他の特許請求の範囲に記載の方法によって施工される。場合によっては、この滑り層の上に更に初期なじみ層（Einlaufschicht）が施工される。

この滑り層によって、該複合材料のトライボロジー的性質が調節される。

発明の態様

該銅−ニッケル−ケイ素合金においては、ニッケルの割合は０．５〜５重量％、好ましくは１．０〜３．０重量％、特に１．５〜２．２重量％であり、ケイ素の割合は０．２〜２．５重量％、好ましくは０．４〜１．２重量％、または０．５〜１．５重量％である。

該銅−ニッケル−ケイ素合金は、マンガンを０．０５〜２．０重量％、好ましくは０．１５〜１．５重量％の割合で含むことができる。

ケイ素に対して２．５〜５のニッケルの重量比（ニッケル：ケイ素＝２．５〜５）において、トライボロジー的性質を向上し得ること、特に、軸受け材料のスコァリングを大きく減少できることが判明した。この重量比において、良好なトライボロジー的性質の要因であるニッケル−ケイ素化合物の形成が促進されて、充分な程度で生成する。

該銅合金は、更に微量添加元素を含むことができる。好ましくは、キャリア層は、０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０７５〜０．２５重量％の量で少なくとも一種の微量添加元素を含む。微量添加元素としては、例えば、クロム、チタン、ジルコニウム、亜鉛及びマグネシウムの個々のものまたは組み合わせが挙げられる。

更に、滑り層が電気メッキ層からなることも有利である。電気メッキ層は、多機能性材料であり、これは、中でも、異物粒子に対する良好な埋込力、滑り対部品に対するなじみ性または適応性、腐食保護として、及びオイル不足の際の非常時稼働性に優れる。特に、電気メッキ層は低粘性のオイルを使用する場合に有利である。なぜならば、この場合には、混合摩擦状態が頻繁に発生し得、この際に上記の性質が効力を発揮するからである。

この電気メッキ層は、好ましくは、鉛−スズ−銅合金、スズ−銅合金、ビスマス−銅合金、またはビスマス単独からなる。

上記鉛−スズ−銅合金においては、好ましくは、スズの割合は４〜２０重量％であり、そして銅の割合は１〜１０重量％である。前記ビスマス−銅合金においては、銅の好ましい割合は１〜２０重量％である。

滑り層は、熱被覆法によっても施工することができる。熱被覆法としては、 プラズマ溶射法、高速火炎溶射法及び低温ガス溶射法が挙げられる。

更に別の好ましい方法の一つは、ＰＶＤ法、特にスパッタリングである。スパッタ層は、好ましくは、アルミニウム−スズ合金、アルミニウム−スズ−銅合金、アルミニウム−スズ−ニッケル−マンガン合金、アルミニウム−スズ−ケイ素合金、またはアルミニウム−スズ−ケイ素−銅合金からなる。

前記合金において、好ましくは、スズの割合は８〜４０重量％であり、銅の割合は０．５〜４．０重量％であり、ケイ素の割合は０．０２〜５．０重量％であり、ニッケルの割合は０．０２〜２．０重量％であり、そしてマンガンの割合は０．０２〜２．５重量％である。

更に別の態様では、滑り層は樹脂層からなることができる。樹脂層は、好ましくは、塗工法または印刷法、例えばスクリーン印刷法もしくはパッド印刷法を用いて、あるいは浸漬または吹き付けして施工される。

この目的のためには、被覆すべき表面は、脱脂、化学的もしくは物理的活性化及び／または機械的粗面処理、例えばサンドブラストもしくは研磨によって適切に前処理しなければならない。

前記樹脂層のマトリックスは、好ましくは、高耐熱樹脂、例えばＰＡＩからなる。更に、前記マトリックス中には、ＭｏＳ₂、窒化ホウ素、グラファイトまたはＰＴＦＥなどの添加物を挿入することができる。単独もしくは組み合わせとしての前記添加物の割合は好ましくは５〜５０体積％である。

接合の向上のためには、好ましくは、キャリア層と滑り層との間に少なくとも一つの中間層を配置する。この中間層も同様に、それに次いで滑り層をスパッタ法で施工する場合でも、電気メッキ層であることができる。

電気メッキにより施工される中間層は、ニッケルまたは銀を含むことができるか、またはこれらの元素からなることができる。しかし、ニッケルからなる中間層及びスズ−ニッケルからなる中間層の二つの中間層を施工することもできる。

電気メッキにより施工される中間層の代わりに、スパッタ中間層を設けることもできる。この場合は、ニッケル合金層、例えばＮｉＣｕ３０からなるニッケル合金層、ニッケル単独層、ニッケル−クロム層（好ましくはクロムを１５〜２５％の割合で含む）、スズ層、スズ合金層、クロム層及び銅層、ニッケル−クロム合金層、ニッケル−銅合金層、銅合金層、またはクロム−ニッケル合金層が好ましい。

キャリア層の厚さは、好ましくは１．２〜４ｍｍ、好ましくは１．３〜３．５ｍｍ、特に１．４〜３．０ｍｍである。

中間層の厚さとしては、１〜１２μｍ、好ましくは０．５〜７．０μｍ、特に１．０〜４．０μｍが好ましく、そして滑り層の厚さとしては、４〜３０μｍ、好ましくは８〜２０μｍ、特に１０〜１６μｍが好ましい。

初期なじみ層の厚さは０．２〜１２μｍ、好ましくは０．２〜６μｍ、特に０．２〜３μｍである。

該滑り軸受け複合材料の好ましい用途は、滑り軸受けシェルへの使用である。

銅合金の例を次に挙げる。

製造法の一例は、次の工程を含む：
− 帯状材料を製造するための、３００ｍｍの幅及び１０ｍｍの厚さでの銅合金の連続鋳造、例えばダブル連続鋳造。
− 帯状材料の両面フライス加工及びその後の巻き取り。

次いで、ベル型焼き鈍し炉中で６５０℃で４時間の第一の焼き鈍し工程を行う。それに次いで、３回の圧延工程を有する第一の圧延を行う。これらの三回の圧延工程の全てにおいて、３１％の変形が行われる。この際、第一の圧延工程では厚さを５．５ｍｍに、第二の圧延工程では３．８ｍｍに、そして第三の圧延工程では２．６ｍｍに圧延する。

次いで、連続焼き鈍しラインにおいて、帯状物を６５０℃の温度及び４ｍ／分の走行速度で焼き鈍しする。これに次いで、一回の圧延工程を有する第二の圧延を４０％の変形度で行う。この際、厚さは１．５６ｍｍに減少される。その後、幅９５ｍｍ×厚さ１．５６ｍｍの寸法で裁断する。

電気メッキ滑り層の例を以下の表２に纏める。

好ましい電気メッキ滑り層の一つは、銅３９〜５５重量％及び残部のスズからなるスズ−銅粒子が挿入された、スズマトリックスを有する。それの粒子直径は好ましくは０．５μｍ〜３μｍである。この電気メッキ層は、好ましくは、二つの中間層の上に施工され、この際、第一の中間層はＮｉからなり、そしてその上に設けられた第二の中間層はニッケル及びスズからなる。前記第二の中間層のＮｉの割合は３０〜４０重量％のＮｉである。前記第一の中間層は、１〜４μｍの厚さを有し、そして第二の中間層は２〜７μｍの厚さを有する。

スパッタ層の例を以下の表３に纏める。

樹脂滑り層の例を以下の表４に纏める。

上記の滑り層は全て、該銅合金からなるキャリア層と組み合わせることができる。

これらの組み合わせ層の上に施工する初期なじみ層としては、スズまたはインジウムのそれぞれ単独の層や、上記の全ての電気メッキ層及び樹脂層を使用することができる。この際、好ましくは、使用した滑り層よりも柔らかい初期なじみ層を選択するべきである。

Claims (37)

1. ０．５〜５重量％のニッケル、０．２〜２．５重量％のケイ素、≦０．１重量％の鉛及び残部の銅を含む銅合金からなるキャリア層と、このキャリア層の上に施工された滑り層とを有する滑り軸受け複合材料。
2. 前記銅合金が、０．０５〜２重量％の割合でマンガンを含むことを特徴とする、請求項１の滑り軸受け複合材料。
3. ケイ素に対するニッケルの重量比が２．５〜５であることを特徴とする、請求項１または２の滑り軸受け複合材料。
4. キャリア層が、０．０５〜０．４重量％の割合で少なくとも一種の微量添加元素を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
5. 微量添加元素が、クロム、チタン、ジルコニウム、亜鉛及び／またはマグネシウムであることを特徴とする、請求項４の滑り軸受け複合材料。
6. 前記滑り層が電気メッキ層からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
7. 前記電気メッキ層が、鉛−スズ−銅合金、スズ−銅合金、ビスマス−銅合金、またはビスマスからなることを特徴とする、請求項６の滑り軸受け複合材料。
8. 前記鉛−スズ−銅合金において、スズの割合が４〜２０重量％であり、そして銅の割合が１〜１０重量％であることを特徴とする、請求項７の滑り軸受け複合材料。
9. 前記ビスマス−銅合金において銅の割合が１〜２０重量％であり、及び前記スズ−銅合金において銅の割合が２〜２０重量％であることを特徴とする、請求項８の滑り軸受け複合材料。
10. 前記滑り層が、熱被覆法によって施工された層からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
11. 前記滑り層が樹脂層からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
12. 前記樹脂滑り層のマトリックスが、ＰＡＩなどの高耐熱性樹脂からなることを特徴とする、請求項１１の滑り軸受け複合材料。
13. 前記樹脂滑り層が、充填材としてＭｏＳ₂、窒化ホウ素、ＰＴＦＥ及び／またはグラファイトを含むことを特徴とする、請求項１１または１２の滑り軸受け複合材料。
14. 前記充填材の割合が、単独または組み合わせとして、５〜５０体積％であることを特徴とする、請求項１３の滑り軸受け複合材料。
15. キャリア層と滑り層との間に少なくとも一つの中間層が配置されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
16. 中間層が電気メッキ層であることを特徴とする、請求項１５の滑り軸受け複合材料。
17. 中間層がニッケルまたは銀を含むことを特徴とする、請求項１６の滑り軸受け複合材料。
18. ニッケルからなる中間層とスズ−ニッケルからなる中間層の二つの中間層が設けられていることを特徴とする、請求項１６の滑り軸受け複合材料。
19. 中間層がスパッタ層であることを特徴とする、請求項１５の滑り軸受け複合材料。
20. 中間層が、ニッケル合金、ニッケル−クロム合金、ニッケル−銅合金、亜鉛合金、亜鉛、クロム、銅、銅合金、ニッケル、クロム−ニッケル合金、またはニッケル−クロムからなることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
21. 前記滑り層が、ＰＶＤ法によって施工された層からなることを特徴とする、請求項１５〜２０のいずれか一つと組み合わせた請求項１〜５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
22. 前記滑り層がスパッタ層からなることを特徴とする、請求項２１の滑り軸受け複合材料。
23. 前記スパッタ層が、アルミニウム−スズ合金、アルミニウム−スズ−ケイ素合金、アルミニウム−スズ−銅合金、アルミニウム−スズ−ケイ素−銅合金、またはアルミニウム−スズ−ニッケル−マンガン合金からなることを特徴とする、請求項２２の滑り軸受け複合材料。
24. 前記合金において、スズの割合が８〜４０重量％であり、銅の割合が０．５〜４．０重量％であり、ケイ素の割合が０．０２〜５．０重量％であり、ニッケルの割合が０．０２〜２．０重量％であり、そしてマンガンの割合が０．０２〜２．５重量％であることを特徴とする、請求項２３の滑り軸受け複合材料。
25. 前記中間層が電気メッキ層からなり、かつ前記滑り層がスパッタ層からなることを特徴とする、請求項２２の滑り軸受け複合材料。
26. 滑り層の上に初期なじみ層が設けられていることを特徴とする、請求項１〜２５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
27. 前記初期なじみ層が、スズ層、鉛層、銅層またはインジウム層あるいは樹脂層として形成されていることを特徴とする、請求項２６の滑り軸受け複合材料。
28. 前記キャリア層の厚さが１．２〜４ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜２７のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
29. 前記中間層の厚さが１〜１２μｍであることを特徴とする、請求項１〜２８のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
30. 前記滑り層の厚さが４〜３０μｍであることを特徴とする、請求項１〜２９のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
31. 前記初期なじみ層の厚さが０．２〜１２μｍであることを特徴とする、請求項２６〜３０のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
32. 滑り軸受けシェルのための、請求項１の滑り軸受け複合材料の使用。
33. 帯状材料、特に滑り軸受けシェルなどの滑り軸受け要素のための帯状材料の製造方法であって、次の工程、すなわち
    − 請求項１に従う銅合金から帯状材料を製造する工程、
    − 以下の工程で前記帯状材料を熱機械的に処理する工程、
    − ５００℃を超える温度での少なくとも３時間の前記帯状材料の少なくとも一回の第一の焼き鈍し工程、
    − 少なくとも２０％の変形度で行われる、前記帯状材料の少なくとも一回の第一の圧延工程、
    − ５００℃を超える温度での少なくとも一回の第二の焼き鈍し工程、及び
    − ３０％を超える変形度で行われる、前記帯状材料の少なくとも一回の第二の圧延工程、
    を含む、前記方法。
34. 前記第二の焼き鈍し工程を、連続焼き鈍しラインにおいて、少なくとも３ｍ／分の送り速度及び＞５００℃の温度において連続的に行うことを特徴とする、請求項３３の方法。
35. 滑り軸受け要素、特に滑り軸受けシェルを製造する方法であって、
    ・請求項３３または３４に従い帯状材料を製造し、
    ・前記帯状材料からシートを切り離し、
    ・前記シートを滑り軸受け要素に変形加工し、そして
    ・滑り軸受け層を施工する、
    ことを特徴とする、前記方法。
36. 滑り層の施工の前に、少なくとも一つの中間層を施工することを特徴とする、請求項３５の方法。
37. 滑り層の施行の後に、初期なじみ層を施行することを特徴とする、請求項３５または３６の方法。