JP2013249533A - 亜鉛不含噴霧粉末、銅含有溶射層、および銅含有溶射層を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、溶射層の塗布を介して軸受部品の表面の摺動特性を改善すること、および構築の観点から簡素であり、特に技術水準から公知の亜鉛摩耗に伴う問題を回避する、改善された軸受装置を提案することである。
【解決手段】本発明は、基体を熱被覆するための、特に軸受装置の軸受部品を熱被覆するための亜鉛不含噴霧粉末であって、不可避な混入物質を除き以下の組成：スズ＝５重量％から３０重量％；アルミニウム＝０．１重量％から５重量％；鉄＝多くても１重量％；および銅＝１００重量％に対する残りを有する噴霧粉末に関する。本発明はさらに、溶射を介して塗布される層系、加工物、特に連接棒、および噴霧層を製造する噴霧方法に関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、亜鉛不含噴霧粉末、噴霧粉末を用いて生成された銅含有表面層、特に軸受装置の軸受部品上の表面層、および各カテゴリーの独立請求項のプリアンブルにしたがったそのような表面層を塗布する方法に関する。

全てのタイプの軸受装置、例えば、滑り軸受および転動体軸受は、本分野において使用される軸受の主要部品を占める。以下の軸受または軸受装置という用語は、軸受の機能を規定し、互いの支持接触、例えば転動もしくは摺動において協同し、または互いの上に支持される部品として理解すべきである。

支持接触において協同する軸受表面において生じる摩擦は、一般に、特に軸受表面における損耗の徴候に関連する。これに関連して、滑り軸受は、機械工学においてほぼ無数の実施形態において使用される。例えば、滑り軸受は、往復式ピストン内燃機関中のクランク軸の軸受として、連接棒の軸受として、圧縮の軸受として、クロスヘッドの軸受として、プロペラ軸の軸受として、または多くの他の用途に使用される。

例えば、滑り軸受および滑り軸受を製造する方法は、国際公開第００／２３７１８号パンフレットに開示されており、そこでは、ホワイトメタルから構成される被覆が鉄材料から構成される軸受に合金化される。しかしながら、合金の形成には、流体合金のコンポーネントの存在が必要であるため、被覆プロセスの間に対応量の熱が放出され、それによりホワイトメタルが溶融するだけでなく、溶融した基材から構成される金属浴が軸受部品の頂面の接触表面上に生成される。こうして生成されたホワイトメタルおよび鉄材料の溶融物は、互いに合金化することができ、大量のＦｅＳｎ_２を形成する。この点において、主としてＦｅＳｎ_２から構成される比較的厚い連接帯域が対応して形成する。この連接帯域は、実際、基材と被覆との間の良好な冶金連接をもたらす。しかしながら、ＦｅＳｎ_２は、極めて脆性な材料を表すため、公知の軸受構成の荷重が小さいために既に亀裂の形成および脆性破損が生じ得る。さらに、冷却が不適切である場合、被覆周辺の鉄材料のマルテンサイトへの変態が起こり得、それは同様に極めて脆性であり、それにより上記欠点がさらに増幅される。

その結果は、基材の鋼とホワイトメタル軸受層との間の比較的厚い中間領域内の高い脆性および低い延性に起因して、最初に記載されたタイプの軸受について対応する短い寿命が生じることである。

これを回避するため、軸受金属、例えばホワイトメタルから構成される被覆を、遠心鋳造を介して軸受に塗布することも公知である。この点において、溶融した基材から構成される金属浴の形成は、実際、起こらない。しかしながら、遠心鋳造の間に塗布されたホワイトメタルの凝固の間、合金構成要素の分離が起こり得、最初にＣｕ_６Ｓｎ_５から構成される針状結晶、次いでＳｂＳｎから構成される立方晶系結晶が形成し、最後に残留スズに富むマトリックスが凝固する。

Ｃｕ_６Ｓｎ_５の密度は、より長い液体マトリックスのその密度よりも大きく、ＳｂＳｎの密度は、より長い液体マトリックスのその密度よりも小さい。Ｃｕ_６Ｓｎ_５結晶は、半径方向に外側へ、それに応じて移動し、この点において、ホワイトメタル被覆が基材に隣接する領域を弱め、寿命に悪影響を与えることもある。

それらのおよび関連する問題を回避するため、滑り軸受および滑り軸受を製造する方法が、国際公開第２００７／１３１７４２号パンフレットに示唆されており、ＦｅＳｎ_２を含む比較的薄い連接帯域を純粋ホワイトメタル層と鉄含有基材との間に形成し、その連接帯域は多くても１０μｍの厚さである。

しかしながら、この解決策は、単に折衷を表すにすぎない。それというのも、ＦｅＳｎ_２層は、実際、比較的薄いが依然として存在するため、脆性破損および亀裂形成の問題は依然として明確には解決されないためである。特に、膨大な高荷重に曝露される滑り軸受、例えば内燃機関のクランク軸軸受について、脆性破損および亀裂形成の問題は存在し続ける。それというのも、国際公開第２００７／１３１７４２号パンフレットによる滑り軸受の変形能は、依然として十分とはいえないためである。

それらの問題を根本的に回避するため、および軸受表面における損耗の場合における軸受全体の交換を防止するため、とりわけ軸受胴が滑り軸受に使用され、軸受胴は、軸受中に設置され、それらが摩減した後に交換することができ、すなわち、いわゆる軸受胴を有する分割式滑り軸受が使用される。

ある程度まで、複合ストレージ（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｔｏｒａｇｅ）も滑り軸受および転動体軸受において部分的に使用される。シャフト（軸）は、一般に、鍛鋼または鋳鉄、例として球状黒鉛から構成され、その対応相手は、焼戻し鋼から形成され、または焼結され、または可鍛鉄から製造されることもある。軸受胴は、一般に、いわゆる二または三層軸受として実現される。

しかしながら、滑り軸受の構築設計はこの点においてとても複雑であり、軸受胴を交換するにつれてコストのかかる維持プロセスがさらに必要となる。さらに、そのような軸受胴の製造は、労力およびコストが比較的複雑である。機械の高い操作性能のため、軸受胴は、早期に摩減するため、軸受胴の交換が必要となり、上記のとおり、そのような機械における軸受胴の交換は高コストを伴う。

しかしながら、軸受部品の早期損耗は例えば、玉軸受の玉の損耗、玉軸受により支持される軸の損耗、玉軸受の玉のためのケージの損耗、または他の軸受部品の損耗を意味するが、他のタイプの軸受、例えば玉軸受について、修復および維持のための労力にかなりの要求を伴い、最終的にかなりのコストを伴う主要な問題でもある。

それらのおよびさらなる問題を解決するため、軸受層を軸受部品上に熱被覆法により製造するための噴霧粉末が、欧州特許第１６３７６２３号に示唆されており、噴霧粉末は、最大３０％の亜鉛、最大１０％のスズ、最大３％のケイ素、最大７％のアルミニウム、最大２％の鉄、最大４％、最大３％のコバルトを含有し、１００％に対する残りは銅である。この点に関して、全ての値は重量パーセントである。

したがって、噴霧粉末は、欧州特許第１６３７６２３号により提供され、その手段により、銅含有表面層を軸受部品に熱被覆法により塗布することができるため、軸受胴を有する複雑な分割軸受に関する問題のように、例えば遠心鋳造を介して塗布されるホワイトメタル被覆に伴う問題を同様に回避することができる。

欧州特許第１６３７６２３号による噴霧粉末の必須元素は、この点で、一方では、鉄コバルト、マンガン、およびケイ素であり、それらは冷却時に噴霧される層中で金属間相または連接部としての硬質相の形態で沈殿するため、金属間相の空間的に隔離された硬質相を形成するか、または鉄コバルト、マンガン、およびケイ素の連接部を形成する隔離領域がその層中に生成される。硬質相は、比較的硬質の領域、すなわち、他の比較的軟質の銅含有ベースマトリックス中により大きい硬度を有する区域を形成し、それは、銅、アルミニウム、および亜鉛から実質的に構成されていて、それ故に、硬質相の封入区域に対して軟質の銅含有ベースマトリックスを形成する銅アルミニウム亜鉛ベースマトリックスを形成する。

欧州特許第１６３７６２３号による噴霧粉末から形成された噴霧された軸受層は、操作における優れた機械特性が証明されたが、残念ながら、少なくともある用途について、亜鉛含有率が軸受を潤滑化する潤滑剤に達する亜鉛摩耗をもたらし得、とりわけ、使用される潤滑剤の化学組成に応じて、潤滑剤の１種の亜鉛混入をもたらし得、それ故にその特性に悪影響を与え得ることも示されている。さらに、欧州特許第１６３７６２３号による噴霧粉末の製造は、いくぶん複雑であり、この点においてその比較的複雑な組成に起因して高価である。

国際公開第００／２３７１８号パンフレット 国際公開第２００７／１３１７４２号パンフレット 欧州特許第１６３７６２３号

この理由から、本発明の目的は、溶射層の塗布を介して軸受部品の表面の摺動特性を改善すること、および構築の観点から簡素であり、特に技術水準から公知の亜鉛摩耗に伴う問題を回避する、改善された軸受装置を提案することである。それに対応して、本発明のさらなる目的は、そのような軸受層が軸受部品上で製造可能な、可能な限り簡素な化学組成を有する溶射粉末を利用可能にすることである。

この目的を満足させる本発明の主題は、各カテゴリーの独立請求項の特性を特徴とする。

それぞれの従属請求項は、本発明の特に有利な実施態様に関する。

したがって、本発明は、基体の熱被覆用の、特に軸受装置の軸受部品の熱被覆用の亜鉛不含粉末であって、回避可能な混入物質を除き以下の組成：スズ＝５重量％から３０重量％；アルミニウム＝０．１重量％から５重量％；鉄は多くても１重量％；および銅＝１００重量％に対する残りを有する溶射粉末に関する。

本発明による噴霧粉末の第２の不可欠な特性は、比較的高いスズ含有率である。

本発明によれば、それ故に、噴霧粉末が、銅含有表面層を基体に熱被覆法により塗布することができる手段によって利用可能になる。

この点において、一方では、本発明による噴霧粉末は、いかなる亜鉛も含有しないことが重要であるため、その技術で公知の亜鉛含有表面層の損傷効果が回避される。したがって、特に、導入部で述べたように、例えば、油潤滑化された軸受部品の亜鉛含有表面層により引き起こされることが多い、亜鉛摩耗を介する潤滑剤の亜鉛混入は、全く生じない。

第２の重要な特性は、５重量％から３０重量％のスズ含有率と、０．１重量％から多くても５重量％である比較的小さいアルミニウム比率との関連である。

この点において、アルミニウムは、一方では、機械特性に対してとても好ましい影響を有し得、特に、溶射層の耐腐食性を顕著に改善し得ることが原則として知られている。この理由のため、これまで、技術水準における溶射層の良好な耐腐食性を保証し得るために比較的高いアルミニウム含有率が必要であることが想定されてきた。しかしながら、他方では、溶射層中のアルミニウムの部分が多いと、溶射間に溶射層中で酸化アルミニウム（主としてＡｌ_２Ｏ_３）の形成を増加量でもたらし得、次いで溶射層の摩擦特性に悪影響を与えることも示されている。

本発明のさらなる知見は、噴霧粉末中での高いアルミニウム含有率のため、隔離されたスズ相が事実上分布され得るアルミニウムマトリックスが、溶射層中で形成し得ることである。溶射の間の比較的高い冷却速度および凝固速度に起因して、スズの一部はアルミニウムマトリックス中の飽和溶液中で沈殿し得る。次いで、スズの残部はサブクリティカルなサイズを有する粒子の形態で存在し、したがってそれらは、アルミニウムマトリックス中で小さすぎるサイズで形成される粒子の形態で存在するため、層のいわゆる抗擦り傷特性が悪影響を受け、これは、互いに摩擦する摺動相手、例えば、軸受の摺動相手が、明白な理由で当然に防止しなければならない擦り傷への増加傾向を示すことを意味する。

他方、高いスズ含有率は、溶射層の抗擦り傷特性を顕著に改善し得るため、溶射層は最終的に、噴霧粉末が溶射される表面層、特に溶射される軸受層の全ての重要な特性を同時に最適化する本発明による噴霧粉末により使用可能となる。しかしながら、この点において、スズ含有率は、設定可能な限界を超過してはならない。それというのも、そうでなければ溶射層は急激に機械的に損耗するためである。

これは、本発明による０．１重量％から多くても５重量％の比較的低いアルミニウム含有率と、少なくとも５重量％から多くても３０重量％の亜鉛含有率との組合せが、初めて、溶射層の抗擦り傷特性、および耐腐食性を最適化するだけでなく、摩擦特性も同時に最適化し、したがって溶射層の可能な限り小さい摩擦係数を最適化する、溶射層を製造することができる溶射粉末をもたらすことを意味する。本発明の重要な知見の１つは、この点において、０．１重量％から５重量％の比較的小さい比率のアルミニウムが、一方で、本発明による噴霧粉末の組成の溶射層における十分な耐腐食性を保証するために既に十分であり、所望していない酸化アルミニウム（主としてＡｌ_２Ｏ_３）の形成が十分に小さい程度まで同時に抑制されることである。

本発明による噴霧粉末の好ましい実施形態のため、噴霧粉末は、１５重量％から２５重量％のスズ、好ましくは２０重量％のスズを含む。

この点において、噴霧粉末は、具体的には、０．５重量％から２重量％のアルミニウム、好ましくは、１重量％のアルミニウムおよび／または多くても０．５重量％の鉄、好ましくは、多くても０．２重量％の鉄を含む。この点において、鉄は、具体的な実施形態においてわずかな不可避な量まで不存在であり得る。

実際、噴霧粉末の粒子のサイズは、５μｍから１２０μｍ、好ましくは、１０μｍから６０μｍであり、用途に応じて、例えば６０μｍから１２０μｍであってもよい。

この点において、本発明による噴霧粉末は、それ自体公知の方法で、例えば、ガス噴霧、水噴霧、焼結、噴霧乾燥、機械的合金化により製造することができ、または任意の他の好適な方法で製造することができる。

本発明はさらに、溶射を介して塗布される亜鉛不含層系に関する。層系は、この点において、少なくとも１つの表面層、特に軸受装置の軸受部品の軸受層を含み、軸受層は不可避な混入物質を除き以下の組成：スズ＝５重量％から３０重量％；アルミニウム＝０．１重量％から５重量％；鉄は多くても１重量％、および銅＝１００重量％に対する残りを有する

本発明による層系の表面層は、この点において、１５重量％から２５重量％のスズ、好ましくは、２０重量％のスズを含み得、および／または表面層は、０．５重量％から２重量％のアルミニウム、好ましくは、１重量％のアルミニウムを含み得、および／または表面層は、多くても０．５重量パーセントの鉄、好ましくは、多くても０．２重量％の鉄を含む。特別なケースにおいて、鉄は、不可避な混入物質を除き完全に不存在であってもよい。ちなみに、例えば、プロセスガスの、例えば希ガス、窒素などの不可避な量の種々の酸化物または不可避な残余物は、本発明による層系中に存在してもよく、それは、例えば、溶射プロセスを介して生じ得、表面層は、例えば、０．５容量％から５容量％、特に１％から３％の間隙率を有する。

実際に重要な実施形態において、本発明による層系は、好ましくは、本発明による噴霧された粉末から作製された亜鉛不含表面層上に直接提供することができるスズを含む最外層をさらに含み得、特に重要な実施形態において、最外層は、不可避な混入物質を除きスズのみを含有する。この点における最外層は、特別な場合において、当分野において公知のなじみ過程（ｒｕｎｎｉｎｇ−ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）の間に少なくとも部分的に変化または摩減する、自体公知の機能を有するなじみ層であり得、例えば、軸受の逆軸受相手は、互いに幾何的に理想的に調整され、又はなじみ処理される。

最後に、本発明はまた、上記詳細の層系を有する加工物、特に往復式ピストン内燃機関のための連接棒に関し、および本発明による層系を加工物上で本発明の噴霧粉末の使用により製造する噴霧方法、特に表面層を軸受の軸受部品上に製造する噴霧方法であって、溶射法、特に大気プラズマ溶射法、真空プラズマ溶射法、ＨＶＯＦプロセス、火炎溶射法または冷却ガラス溶射法である噴霧方法に関する。

Claims (15)

1. 基体を熱被覆するための、特に軸受装置の軸受部品を熱被覆するための亜鉛不含噴霧粉末であって、不可避な混入物質を除き以下の組成、
   スズ＝５重量％から３０重量％、
   アルミニウム＝０．１重量％から５重量％、
   鉄＝多くても１重量％、
   銅＝１００重量％に対する残り
   を有する前記噴霧粉末。
2. １５重量％から２５重量％、好ましくは、２０重量％のスズのスズ含有率を含む、請求項１に記載の噴霧粉末。
3. ０．５重量％から２重量％、好ましくは、１重量％のアルミニウムのアルミニウム含有率を含む、請求項１または２に記載の噴霧粉末。
4. 多くても０．５重量％、好ましくは、多くても０．２重量％の鉄の鉄含有率を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の噴霧粉末。
5. 前記噴霧粉末の粒子のサイズが、５μｍから１２０μｍ、好ましくは、１０μｍから６０μｍである、請求項１から４のいずれか一項に記載の噴霧粉末。
6. ガス噴霧、水噴霧、焼結、フラッシュ乾燥、または機械的合金化を介して製造される、請求項１から５のいずれか一項に記載の噴霧粉末。
7. 表面層、特に軸受装置中の軸受部品の軸受層を有し、不可避な混入物質を除き以下の組成、
   スズ＝５重量％から３０重量％、
   アルミニウム＝０．１重量％から５重量％、
   鉄＝多くても１重量％、
   銅＝１００重量％に対する残り
   を有する、溶射を介して塗布される亜鉛不含層系。
8. 前記表面層が、１５重量％から２５重量％、好ましくは、２０重量％のスズのスズ含有率を含む、請求項７に記載の層系。
9. 前記表面層が、０．５重量％から２重量％、好ましくは、１重量％のアルミニウムのアルミニウム含有率を含む、請求項７または８に記載の層系。
10. 前記表面層が、多くても０．５重量％、好ましくは、多くても０．２重量％の鉄の鉄含有率を含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の層系。
11. 前記表面層が、０．５容量％から５容量％、特に１％から３％の間隙率を有する、請求項７から１０のいずれか一項に記載の層系。
12. スズを含む最外層が提供された、請求項７から１１のいずれか一項に記載の層系。
13. 前記最外層が、不可避な混入物質を除きスズのみを含む、請求項１２に記載の層系。
14. 請求項７から１３のいずれか一項に記載の層系を有する加工物、特に往復式ピストン内燃機関のための連接棒。
15. 請求項７から１３のいずれか一項に記載の層系を、請求項１４に記載の加工物上で請求項１から６のいずれか一項に記載の噴霧粉末の使用により製造する噴霧方法、特に表面層を軸受装置の軸受部品上で製造する噴霧方法であって、溶射法、特に大気プラズマ溶射法、真空プラズマ溶射法、ＨＶＯＦ溶射プロセス、火炎溶射法または冷却ガス溶射法である、前記噴霧方法。