JP2012522134A - すべり軸受用複合材 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの支持層（２）および焼結された軸受メタル層（１０）を備えたすべり軸受用複合材（１）を説明する。焼結された軸受メタル層（１０）は、少なくとも層の一区域で勾配層として形成されている。

Description

本発明は、請求項１の前提部に基づくすべり軸受用複合材に関する。

独国特許１９９６３３８５Ｃ１号（特許文献１）には、支持層と、軸受メタル層と、ニッケルから成る第１の中間層と、スズおよびニッケルから成る第２の中間層とを備え、かつ銅およびスズから成るすべり層を備えたすべり軸受用複合材が記載されている。使用する時間が増すにつれ、スズの移動によりすべり層の厚さが減少し、これに伴いスズ−銅粒子が凝集する。さらに同時にニッケル−スズ層の厚さが増し、ニッケル層が減少する。拡散効果は使用条件下ではじめて生じ、軸受メタル層上にある層構造内に特性の勾配をもたらす。

米国特許第６，７８７，１００Ｂ２号（特許文献２）から、鋼裏金上に多層系を備えたすべり軸受の製造方法が知られている。従来の軸受材料が、例えば実質的に鉛を含まない２層系で置き換えられ、その際、鋼裏金上には、最初に銅ベースの金属粉末から成る第１の層が積層され、この第１の層は圧縮されず、この層上に、別の組成の銅ベースの金属粉末が積層される。両方の層に第１の焼結ステップを実施し、冷却し、圧縮し、その後、第２の焼結ステップを実施する。両方の層の金属粉末は、さらなる成分の添加により、その固有の課題に適合される。したがって第１の焼結層はＣｕ−Ｓｎ粉末から、第２の層はＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ粉末から成ることがあり、その際、第１の層は第２の層より厚く形成されている。この措置が、例えば鉛を含む青銅の代わりとなる。

両方の層は、明らかに相互に境界を画しており、場合によっては両方の層の間の界面領域内に薄い移行ゾーンを形成している。粉末の粒子サイズについての記述はない。

独国特許第１９９６３３８５Ｃ１号 米国特許第６，７８７，１００Ｂ２号

本発明の課題は、優れたすべり特性、できるだけ高い熱伝導性、および優れたなじみ性または埋め込み性能を有するすべり軸受用複合材を提供することである。

この課題は、請求項１に基づくすべり軸受用複合材によって解決される。このすべり軸受用複合材は、焼結された軸受メタル層が、少なくとも層の一区域で勾配層として形成されていることを特徴とする。

勾配層とは、層の材料特性が、支持層に対して垂直な方向で連続的に変化する層を意味する。

焼結された軸受メタル層内での勾配の形成は、支持する層と機能化された層の間の滑らかな移行を可能にする。支持する層とは、例えば鋼裏金から成ることができる支持層である。

機能化された層とは、軸受メタル層上にあるすべり層のことであり、焼結された軸受メタル層に勾配を形成することは、軸受メタル層を、支持層からの間隔が増すにつれて非常に優れた摺動特性を有するように形成できる可能性ももたらし、これにより従来の追加のすべり層をなくすことができる。

軸受メタル層全体に対する勾配層の割合が、軸受メタル層の厚さの少なくとも３０％であることが好ましい。特に好ましいのは５０％であり、特別な一実施形態によれば、軸受メタル層全体が勾配層として形成される。

軸受メタル層は、鉛を含まない材料から成ることが好ましい。粉末材料、例えば金属、合金、および／またはセラミック材料を使用することができる。プラスチック材料は使用されない。

軸受メタル層は、２つの連続で積層された焼結層から成ることが好ましく、その際、第１の粉末材料による第１の焼結層は支持層上に、および第２の粉末材料による第２の焼結層は第１の焼結層上に積層されており、層の粉末材料は、勾配を形成しながら浸透している。

積層される層の数は２〜１０層が好ましく、２〜４層が特に好ましい。

個々の層の粉末材料がそれぞれ散布され、その際、少なくとも２つの層の粉末材料を相次いで散布して焼結させる。３層以上積層する場合は、続いてさらなる粉末材料を相次いで積層し、その都度、焼結させる。製造工程のこの部分の最後に、積層されたすべての層をまとめて圧縮する。

層ごとの最小散布厚は０．０５ｍｍであり、出来上がった軸受層の厚さは好ましくは０．２〜３ｍｍである。支持層、例えば鋼裏金の厚さが０．４〜４ｍｍの場合、すべり軸受用複合材の全体厚は０．６〜７ｍｍである。

積層された個々の層の粉末材料の侵入は、粒子サイズによって制御されることが好ましい。つまり、例えば小さな粒子はその下にある層の大きな粒子の隙間に入り込むことができる。粒子サイズの形成に応じて、侵入領域の厚さを調整することができる。

２層から成る最も単純な例では、例えば粒子の粗い材料、つまり大きな粒子の粉末材料から成る一方の層の上に、粒子の細かい材料、つまり小さな粒子の粉末材料から成る第２の層が散布され、この粒子の細かい材料は第１の層の材料内に完全に収まることができる。

隙間への機械的な入り込みだけでなく、焼結工程の際の拡散効果も材料の侵入に寄与する。

このようにして、ほぼ均質な軸受メタル層が形成され、この軸受メタル層では、異なる粉末材料から成る積層された層は、製造工程の最後には区別できなくなっている。したがって粉末材料とは、散布される材料を意味する。

個々の層の侵入または混合は、完全に行うことができ、または層の一区域を形成しながら部分的にのみ行うことができ、この層の一区域は、重なった層の界面効果で形成される区域よりも大きな厚さを有する。粉末材料の重量分率は、軸受メタル層の全体厚にわたって連続的に変化することができ、その際、一方の粉末材料は０〜１００重量％の間であり、したがってこの第１の粉末材料中の他方の粉末材料は１００重量％〜０重量％で変化することができる。

これは、粉末材料全体に対しても、粉末材料の個々の粉末成分に対しても当てはまる。

勾配層を形成することで、支持する層と機能化された層との間、または支持する層の一区域と機能化された層の一区域との間でのできるだけ滑らかな移行を保証することができる。

例えば軸受メタル層の支持層への結合を改善するために、軸受メタル層と支持層の間に緩衝層を設けることができ、この緩衝層は、軸受メタル層の最大重量分率を構成する粉末材料から成ることが好ましい。

各々の焼結層の粉末材料は、マトリクス材料から成る少なくとも１つの第１の粉末成分を含むことが好ましい。マトリクス材料とは、好ましくは、それぞれ積層された層の粉末材料の少なくとも５０重量％を占める材料を意味する。

マトリクス材料という概念は、少なくとも１つのさらなる材料との関係において使用されるものではあるが、１つの層の粉末材料がこのマトリクス材料だけから成っていてもよく、つまり粉末材料が１００重量％でもよい。

各々の焼結層の粉末材料がマトリクス材料だけから成り、このマトリクス材が同じ材料から成り、マトリクス材料の粒径が互いに異なっていることが好ましい。勾配の形成は、専ら第１および第２の層の両方の粉末材料の粒径差によって調整される。

第１の粉末成分は、大きな粒径の粒子から、または小さな粒径の粒子から構成されることが好ましい。

軸受メタル層内の小さな粒径の分率は、支持材からの間隔が増すにつれて増えることが好ましい。

マトリクス材料に関する大きな粒径は、≧５０μｍ〜≦２００μｍの範囲内の平均粒径を有する範囲を含んでいる。小さな粒径という場合、マトリクス材料の粉末材料に関しては、５０μｍ未満の平均粒径を有する範囲のことである。

少なくとも１つの焼結層の粉末材料が、少なくとも１種の添加材料から成る第２の粉末成分を含むことが好ましい。要求プロファイルは、少なくとも１種の第２の粉末成分を添加することで達成され、その際、例えばすべり軸受用複合材の優れた摺動特性を優れた加工性と組み合わせるために、特定の表面特性または界面特性を生み出すこともできる。

このすべり軸受用複合材からすべり要素を製造することで、他の方法によって積層しなければならないさらなる層、例えばガルバニ層をなくすことができる。

マトリクス材料から構成される、すべての層の第１の粉末成分が同じマトリクス材料から成ることが好ましく、これにより例えば異なる焼結条件での焼結工程中の亀裂形成が阻止される。

第１の焼結層の第１の粉末成分および／または第２の焼結層の第１の粉末成分が大きな粒子から成ることが好ましい。

さらなる一実施形態によれば、第１の焼結層の第１の粉末成分および／または第２の焼結層の第１の粉末成分は小さな粒子から成る。

さらなる一実施形態によれば、第１の焼結層の第２の粉末成分および／または第２の焼結層の第２の粉末成分が大きな粒子から成る。第２の粉末成分の大きな粒子は７０〜９０μｍの平均粒径を有することが好ましい。

さらに、第１の焼結層の第２の粉末成分および／または第２の焼結層の第２の粉末成分が小さな粒子から成ることが好ましい。

第２の粉末成分の粒子のさらなる類別は、粒子の硬度に関係する。

第１の焼結層の第２の粉末成分および／または第２の焼結層の第２の粉末成分が軟質粒子から成ることが好ましい。

第１の焼結層の第２の粉末成分および／または第２の焼結層の第２の粉末成分が硬質粒子から成ることも可能である。

軟質粒子としては、例えばｈ−ＢＮまたはＣから成る粒子がある。硬質粒子としては、特にｃ−ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｐ、ＭｏＳｉ_２、ＳｉＯ_２、金属窒化物、金属酸化物、または金属シリサイドから成る粒子が考慮される。

第２の粉末成分の軟質の大きな粒子は６〜８μｍの平均粒径を有することが好ましい。

第２の粉末成分の硬質の小さな粒子は４〜６μｍの範囲内の平均粒径を有することが好ましい。

マトリクス材料を構成する第１の粉末成分は、ＣｕＮｉＸＳｉＸ、ＣｕＳｉＸＮｉＸ、Ｃｕ、ＣｕＳｎＸ、および／またはＣｕＦｅＸＰＸから成ることが好ましい。添字Ｘは値１〜３を取ることができる。

軸受メタル層上に薄い元素層が積層されることが好ましい。この元素層は、元素Ｃｕ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｓｉ、またはそれらの合金から成っていてよい。

金属層上に元素粉末の薄い層を積層することにより、焼結中に、軸受メタル層内への元素の拡散を引き起こすことができ、例えば銅マトリクスを有する軸受メタル層内へのスズの拡散を引き起こすことができる。これにより、勾配をつけた表面を狙い通りに機能化させることができる。複合材を、対応する要求プロファイルに最適に適合することができる。

このすべり軸受用複合材からすべり軸受要素を製造することが好ましい。

２層の例に関する様々な組合せの可能性を表１にまとめる。３層以上の場合には、対応する図が当てはまる。

多数の可能性のうち、表２による２４種類の組合せが特に好ましい。

第１の例では、第１の層が硬質であり、これは分散硬化によって達成することができる。第２の層は、大きな軟質の添加物質により優れた緩衝性を有する。

第２の例では、第１の層が、第１の例の第１の層と一致しており、第２の層は、微粒子状の軟質の添加物質により優れた潤滑特性を有する。

第３の例では、第１の層が優れた緩衝性を有し、一方で第２の層は硬質に形成されている。

第４の例は、第１および第２の層内にマトリクス材料しか含まれていない。ここではさらなる添加はない。両方の粉末材料の区別は、粒径分布によって行われる。

第５の例は、添加なしの第１の層と、第２の硬質の層を有する。

例６〜例１０は、添加なしの第１の層に関し、第２の層は優れた潤滑特性および／または優れた緩衝特性（例７および例８）を有する。

第９の例は、第２の層が非常に優れた潤滑性および高い硬度を有する。

例１１では、第１の層が優れた緩衝性を特色とし、第２の層は添加がなく、より高いまたはより低い熱伝導性を特色とする。

第１２の例では、第１の層が同様に優れた緩衝性を有し、その一方で第２の層はより高い硬度を有する。

第１の粉末成分で異なる粒径を使用すると、層の間で化学的勾配が生じる。第１の粉末成分が同じ粒径分布の場合は、第２の粉末成分の化学的特性によって勾配を調整することができる。

すべての層で、硬質の小さな粒子の添加物質だけを使用することが好ましい。

大きな硬質の添加粒子の使用も可能ではあるが、それによりマトリクス材料が過度に弱められる恐れがあるので一般的に有用ではない。

大きな軟質の添加粒子を使用すると、すべり軸受用複合材全体の緩衝作用が改善される。

下側の層内で小さな軟質の添加粒子を使用するのは有意義ではない。なぜなら下側の層内では固体潤滑剤の効果を発揮できないからである。

以下に本発明の例示的な実施形態を図に基づいてさらに詳しく説明する。

第１の実施形態に基づくすべり軸受用複合材の概略断面図である。 第２の実施形態に基づくすべり軸受用複合材の断面図である。 第３の実施形態に基づくすべり軸受用複合材の断面図である。

図１にはすべり軸受用複合材１が示されており、このすべり軸受用複合材１は鋼裏金２を備えており、この鋼裏金上に、全体的に勾配層として形成されている軸受メタル層１０が積層されている。この軸受メタル層１０は、３つの個々の焼結層１２、１４、および１６から構成されている。個々の層は、製造工程の最後には区別できなくなっているので、層の間の分割線は破線でのみ描き込まれている。

図２にはさらなる一実施形態が示されており、この場合、軸受メタル層１０は、２つの層１２および１４だけから成り、軸受メタル層１０と支持材２の間に緩衝層４が配置されている。軸受メタル層１０のマトリクス材料が例えばＣｕＳｎ_８Ｎｉから成り、第２の粉末成分として固体潤滑剤を含んでいる場合、緩衝層４は、鋼裏金２への結合をより良くするために、マトリクス材料ＣｕＳｎ_８Ｎｉから形成されることが好ましい。

図３にはさらなる一実施形態が示されており、この実施形態でも、軸受メタル層１０を製造するために２つの層が使用された。上側の第２の層の表面上に元素層６が積層されており、この元素層６は、焼結工程中に、層１４の上側部分に入り込むことができる。これにより上側の層内ではこの元素のさらなる勾配が形成され、層１２と層１４も、粉末成分が異なるので勾配を有している。

１ すべり軸受用複合材
２ 支持層
４ 緩衝層
６ 元素層
１０ 軸受メタル層
１２ 第１の焼結層
１４ 第２の焼結層
１６ 第３の焼結層

Claims (28)

1. 少なくとも１つの支持層（２）と、焼結された軸受メタル層（１０）とを備えるすべり軸受用複合材において、前記焼結された軸受メタル層（１０）が、少なくとも層の一区域で勾配層として形成されていることを特徴とするすべり軸受用複合材。
2. 前記勾配層の割合が、前記軸受メタル層（１０）の厚さの少なくとも３０％であることを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受用複合材。
3. 前記勾配層の割合が、前記軸受メタル層（１０）の厚さの少なくとも５０％であることを特徴とする請求項１または２に記載のすべり軸受用複合材。
4. 前記軸受メタル層（１０）が、全体を勾配層として形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
5. 前記軸受メタル層（１０）が、鉛を含まない材料から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
6. 前記軸受メタル層（１０）が、少なくとも２つの連続で積層された焼結層（１２、１４、１６）から成り、第１の粉末材料による第１の焼結層が支持層（２）上に積層され、第２の粉末材料による第２の焼結層が第１の支持層（２）上に積層されていること、および
   層の粉末材料が、勾配を形成しながら浸透していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
7. 各焼結層の粉末材料が、マトリクス材料から成る少なくとも１つの第１の粉末成分を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
8. 各焼結層の粉末材料がマトリクス材料だけから成ること、
   前記マトリクス材料が同じ材料から成ること、および
   前記マトリクス材料の粒径が互いに異なることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
9. 前記第１の粉末成分が、大きな粒径または小さな粒径の粒子から成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
10. 前記軸受メタル層（１０）内の小さな粒径の分率が、支持層（２）からの間隔が増すにつれて増えることを特徴とする請求項９に記載のすべり軸受用複合材。
11. 前記大きな粒径が、≧５０μｍ〜≦２００μｍの平均粒径を有する範囲を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載のすべり軸受用複合材。
12. 前記小さな粒径が、＜５０μｍの平均粒径を有する範囲を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
13. 少なくとも１つの焼結層の粉末材料が、少なくとも１種の添加材料から成る少なくとも１種の第２の粉末成分を含むことを特徴とする請求項１〜７または１１または１２のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
14. 前記第１の焼結層（１２）の第１の粉末成分および／または前記第２の焼結層（１４）の第１の粉末成分が大きな粒子から成ることを特徴とする請求項１３に記載のすべり軸受用複合材。
15. 前記第１の焼結層（１２）の第１の粉末成分および／または前記第２の焼結層（１４）の第１の粉末成分が小さな粒子から成ることを特徴とする請求項１３に記載のすべり軸受用複合材。
16. 前記第１の焼結層（１２）の第２の粉末成分および／または前記第２の焼結層（１４）の第２の粉末成分が大きな粒子から成ることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
17. 前記第２の粉末成分の大きな粒子が７０〜９０μｍの平均粒径を有することを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
18. 前記第１の焼結層（１２）の第２の粉末成分および／または前記第２の焼結層（１４）の第２の粉末成分が小さな粒子から成ることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
19. 前記第１の焼結層（１２）の第２の粉末成分および／または前記第２の焼結層（１４）の第２の粉末成分が軟質粒子から成ることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
20. 前記第１の焼結層（１２）の第２の粉末成分および／または前記第２の焼結層（１４）の第２の粉末成分が硬質粒子から成ることを特徴とする請求項１３〜１９のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
21. 前記第２の粉末成分の軟質の大きな粒子が６〜８μｍの平均粒径を有することを特徴とする請求項１９〜２０のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
22. 前記第２の粉末成分の硬質の小さな粒子が４〜６μｍの平均粒径を有することを特徴とする請求項１９または２０のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
23. 軟質の粒子が、ｈ−ＢＮまたはＣから成ることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
24. 前記硬質の粒子が、ｃ−ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｐ、ＭｏＳｉ_２、ＳｉＯ_２、金属窒化物、金属酸化物、または金属シリサイドから成ることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
25. 前記第１の粉末成分が、ＣｕＮｉＸＳｉＸ、ＣｕＳｉＸＮｉＸ、Ｃｕ、ＣｕＳｎＸ、および／またはＣｕＦｅＸＰＸから成り、Ｘは値１〜３を取ることができることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
26. 前記軸受メタル層（１０）上に薄い元素層（６）が積層されていることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか一つに記載のすべり軸受用複合材。
27. 前記元素層（６）が、元素Ｃｕ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｓｉ、またはそれらの合金から成ることを特徴とする請求項２６に記載のすべり軸受用複合材。
28. 請求項１によるすべり軸受用複合材から成るすべり軸受要素。

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