JP2013249536A - 軸受部品及び溶射法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶射層を施すことによって軸受部品の表面の摺動特性を改善するとともに、亜鉛摩耗の問題も回避し、さらに軸受の相手方部品の良好な動作挙動を保証する軸受デバイスの提供。
【解決手段】本発明に係る軸受部品は、少なくともスズを含む層構造体が表面に設けられた軸受部品、とりわけ往復ピストン内燃機関用のコンロッドのコンロッド・アイであって、その溶射最上層は、不純物を除いてスズのみからなる。
【選択図】なし

Description

本発明は、独立請求項１の前文に記載された軸受部品、および独立請求項９の前文に記載された軸受部品、とりわけ往復ピストン内燃機関用のコンロッドのコンロッド・アイに層構造体の形成を行うための溶射法に関するものである。

すべての種類の軸受装置（例えば滑り軸受及び転がり軸受）は、工学技術で使用される主な軸受を表している。軸受又は軸受装置は、以下では、軸受の機能を有するすべての軸受部品、例えば互いに転がるか若しくは滑り又は互いに支持しあう軸受部品同士、及び支持接触で協働する軸受部品として理解される。

一般に、特に軸受作動面における摩耗現象は、軸受接触で軸受作動面に生じる摩擦に関連する。滑り軸受は、この点においてほとんど無数の態様で使用されている。例えば、滑り軸受は、往復ピストン内燃機関においてクランク軸受、クランクピン軸受、スラスト軸受、クロスヘッド・ピボット軸受、プロペラ軸受として、又は他の多くの用途において使用される。

滑り軸受及び滑り軸受を製造する方法は、例えば、国際公開第００／２３７１８号に開示されており、そこではホワイトメタルからなる被覆材と鉄材料からなるキャリア部品とが合金化される。しかし、合金の形成は、液体合金成分が存在することを必要とし、その結果、それに応じて大量の熱が被覆工程において放散され、それにより、ホワイトメタルが溶融するだけでなく、溶融材料からなる金属浴も作動面側のキャリア部品の上面に形成される。こうして形成されたホワイトメタルと鉄材料の溶融物同士が合金化し、ＦｅＳｎ_２が大量に生じる。したがって、主としてＦｅＳｎ_２からなる比較的厚い結合領域が生じる。確かに、この結合領域は、基材材料と被覆材との間に良好な冶金学的結合を生じさせるが、ＦｅＳｎ_２は非常に脆い物質の代表であり、公知の軸受構成に対してわずかな荷重がかかっても割れが形成されるか脆性破壊がすでに生じている可能性がある。さらに、好ましくない冷却が生じた場合、同様に非常に脆い被覆材の近くの鉄材料がマルテンサイトへ変換することがあり、これにより上記欠点がさらに増大する。

その結果、すでに説明されている種類の軸受を使用した場合、脆性が高く、基材材料の鋼鉄とホワイトメタルの軸受層との間の比較的厚い中間領域内の伸縮性が低いため、その種類に応じて耐用年数が短くなる。

これを避けるために、遠心鋳造工程によってホワイトメタルなどの軸受金属からなる被覆をキャリア部品に施すことも知られている。この点において、溶融材料からなる金属浴の形成は確かに抑制される。しかし、遠心鋳造工程により付加されるホワイトメタルの固化に際して、合金成分の分離が生じ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５からなる針状結晶物が最初に析出し、次いで、ＳｂＳｎからなる立方結晶が析出し、最後に、残りのスズを豊富に含むマトリックスが固化する。

長い間液体であるマトリックスの密度に比べてＣｕ_６Ｓｎ_５の密度は大きく、ＳｂＳｎの密度は小さい。したがって、Ｃｕ_６Ｓｎ_５の結晶は半径方向外向きに移動し、その間に、ホワイトメタルの被覆が基材材料と接する領域を弱め、同様に、耐用年数に対して好ましくない影響を及ぼしうる。

これらの問題及び関係する問題を回避するために、滑り軸受及び滑り軸受を製造する方法が、国際公開第２００７／１３１７４２号に提案されている。そこでは、厚さ１０μｍ以下であるＦｅＳｎ_２を含む比較的薄い結合域が純粋なホワイトメタル層と鉄を含む基材材料との間に形成される。

しかし、この解決策は、ＦｅＳｎ_２層が確かに比較的薄いとはいえ実際にはまだ存在しており、脆性破壊及び割れ形成の問題が確実に解決されたわけではないため妥協案としかならない。非常に大きな荷重に曝される滑り軸受、例えば、内燃機関のクランク軸受における脆性破壊及び割れ形成の問題は、国際公開第２００７／１３１７４２号による滑り軸受の変形能力が大いに十分であるとは言えないため特に依然として存在する。

原理上これらの問題を回避し、軸受面に摩耗が生じた場合でも軸受一式を交換しないで済むようにするため、とりわけ、軸受内に挿入され摩耗した後に交換できる軸受胴も滑り軸受において使用される、すなわち、いわゆる軸受胴を有する分割型滑り軸受が使用される。一部には、滑り軸受及び転がり軸受における複合支持材も使用される。軸は、概してこの点において鍛鋼若しくは球状黒鉛鋳鉄から鍛造若しくは焼結され、相手方部品は熱処理可能鋼鉄から鍛造若しくは焼結されるか、又は一部は焼きなましされた鋳鉄からも製造される。軸受胴は、通常、いわゆる２層軸受若しくは３層軸受として実現される。

しかし、滑り軸受の構成構造は、これにより、実質的により複雑なものとなり、さらに、軸受胴の交換にコストのかかる保守作業が必要になる。さらに、このような軸受胴の製造は、比較的複雑であり、及び／又は高コストである。機械の動作性能率（operational performance rates）が高ければ、軸受胴はさらに早くに摩耗し、したがって、軸受胴の交換が必要になり、上で述べたような機械の軸受胴の交換に関わるコストは上昇する。

しかし、他の種類の軸受では、例えば、玉軸受の場合、軸受部品、すなわち、例えば、玉軸受の玉、玉軸受によって支持されるアクスル、玉軸受の玉の保持器、又は玉軸受の他の軸受部品の早すぎる摩耗は、修理及び保守に対する実質的な労力及び／又はコストを生じさせ、最終的に実質的コストを伴う基本的な問題である。

したがって、欧州特許第１６３７６２３号において、これらの問題及びさらなる問題を解決するために熱コーティング工程を使って軸受部品上に軸受層を製造する溶射粉末が提案されている。この溶射粉末は、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％のマンガン、最大３％のコバルトを含み、１００％に対する残部は銅である。この点において、すべての数は、重量パーセントを単位とする。

このように欧州特許第１６３７６２３号に溶射粉末が提示され、銅を含む表面層が熱コーティング工程により軸受部品に被覆され、したがって、遠心鋳造法を使って施されたホワイトメタル被覆による問題は、例えば軸受胴を持つ複雑な分割軸受の問題と同じように回避される。

欧州特許第１６３７６２３号に記載された溶射粉末の対応する成分は、一方では、鉄、コバルト、マンガン及びケイ素であり、冷却後に溶射層内に硬質相の形態で金属間相又は金属間化合物として析出し、鉄、コバルト、マンガン及びケイ素の金属間相又は金属間化合物の空間的に分離された硬質相を形成する分離領域が層内に生じる。硬質相は、実質的に銅、アルミニウム及び亜鉛からなる銅を含む軟らかいマトリックス内に比較的硬い領域、すなわち高硬度を有する領域を形成する。これにより、硬質相に対して軟らかい銅を含有するマトリックス、すなわち銅−アルミニウム−亜鉛系マトリックスを形成する。

しかし、欧州特許第１６３７６２３号による溶射粉末から形成された軸受層は、例外的な機械的特性を示したが、残念なことに、亜鉛部分については、少なくとも特定の用途に関して、軸受を潤滑する潤滑油中に亜鉛摩耗物が入り込む可能性があり、状況によっては（使用される潤滑油の化学組成にもよるが）、潤滑油のある種の亜鉛毒作用を引き起こしうる。すなわち、その特性に悪影響を及ぼしうる結果となりうることが判明している。さらに、欧州特許第１６３７６２３号による溶射粉末の製造は複雑であり、そのため、化学組成が比較的込み入っておりコストが高くなる。

欧州特許第１６３７６２３号による軸受のさらなる欠点は、用途及び特定の軸受タイプにより、軸受層の動作挙動が理想的なものでないという点である。欧州特許第１６３７６２３号の被覆は、実際には、機械的摩耗に対する耐性が特に高く、したがって長い耐用年数となるように構成されているので、この被覆を施しても、概して、例えば、このコーティングを施した軸受の相手方部品同士が理想的になじむか、又は理想的な幾何学的形状で、若しくは通常は軸受層の良好な動作挙動を特徴付ける動作時間後の摩擦に関して作動することは保証されない。

国際公開第００／２３７１８号 国際公開第２００７／１３１７４２号 欧州特許第１６３７６２３号明細書

したがって、本発明の目的は、溶射層を施すことによって軸受部品の表面の摺動特性を改善し、それにより、特に従来技術で知られている亜鉛摩耗の問題も回避し、さらに軸受の相手方部品との良好な動作挙動を保証する、改善された、構造のより単純な軸受装置を提案することである。そして、本発明の別の目的は、可能な限り単純な化学組成を有する溶射層構造体を軸受部品上に設けること、及び軸受部品上にその軸受層を形成することを可能にするための溶射法を提供することである。

これらの目的を達成する本発明の主題は、各カテゴリの独立請求項の特徴部によって特徴付けられる。

従属請求項は、本発明の特に有利な具体例に関するものである。

したがって、本発明は、軸受部品に関し、特に、少なくともスズを含む層構造体が軸受部品の表面上設けられた往復ピストン内燃機関用のコンロッド（連接棒、コネクティング・ロッド）のコンロッド・アイ（ｃｏｎｎｅｔｉｎｇ ｒｏｄ ｅｙｅ）に関するものである。本発明によれば、層構造体の外側の溶射された最上層は、不純物を除いてスズのみからなる。

特に好ましい具体例では、最上層は、技術的に不可避な不純物を除いて、軸受部品の基材材料上に直接溶射された純スズ層である。

すなわち、例えば鉄を含む基材上へのスズの溶射では、従来技術から知られている有害なＦｅＳｎ_２結合域が本質的に生じないことが判明している。この理由として、溶射されたスズは、ＦｅＳｎ_２を形成する拡散プロセスが実質的に生じえないほど速く、比較的低温の基材の表面上で固体になることが考えられる。そのため、本発明によって初めて、純スズ層の有利な軸受特性を、従来技術から知られているＦｅＳｎ_２拡散層の欠点が生じることなく、鉄を含む基材上であっても実現することが可能になる。

この点において、スズ最上層は、溶射法により、基材材料とスズ最上層との間にいかなる結合領域も形成することなく、基材上への例外的な結合、すなわち接着がなされる。それにより、実際、脆いＦｅＳｎ_２結合領域による問題が生じず、したがって、純スズ最上層が中間層なしで溶射によって軸受部品上に直接施される場合であっても、また長期にわたる高負荷の下であっても、本発明による軸受部品に割れ形成及び／又は脆性破壊が生じえない。

それと同時に、本発明による層構造体は、欧州特許第１６３７６２３号のＣｕ系層構造体とは対照的に、スズを含む例えばホワイトメタルの層から知られる例外的な特性を有しており、それにより、本発明により被覆され、支持し合う軸受部分は、理想的には、互いに一致してなじみ性がよく、これにより、本発明による軸受部品の性能、耐摩耗性、及び耐用年数は、従来技術と比較して劇的に改善され高められる。

この点において、非常に特殊な用途のために、基材表面と例えば基材上のスズ最上層とのなおいっそう良好な接着性を確実にするか、又は軸受部品の基材材料の硬さ不足を同時に又は代替的に補うことのできる中間層を基材表面と最上層との間に設けることも可能である。

その上にスズ最上層が溶射される中間層は、原理上、需要に応じて最も多様な材料からなるものとしてよい任意の好適な中間層とすることができる。

この点において銅を含む中間層が、溶射法を使って軸受部品の基材材料と最上層との間に設けられることが特に好ましい。

実用のために特に重要である一実施例では、本発明の中間層は亜鉛を含まず、従来技術から知られている亜鉛を含む被覆の有害な効果を回避する。

本発明による層構造体が、原理上、最上層の下にさらに構成され得る中間層を自然に覆う、不可避な不純物を除いて純粋なスズの最上層を常に含む場合であっても、動作中に例えば従来技術から知られている潤滑油の亜鉛毒作用を引き起こす可能性のある亜鉛を含む中間層の亜鉛摩耗が時間のたつうちに生じるという点が完全には排除されえないことが多い。したがって、本発明の中間層は、いくつかの非常に特殊な用途において中間層に亜鉛部分が原理上可能であるとしても、亜鉛を含まないことが特に好ましい。

したがって、特に好ましい一実施例では、本発明の中間層は、不可避不純物を除いて、スズ：５重量％〜３０重量％、アルミニウム：０．１重量％〜５重量％、鉄：１重量％以下、銅：残部の組成を有する亜鉛を含まない溶射層である。

したがって、本発明による中間層の第２の重要な特徴は、スズ含有量が５重量％〜３０重量％であるとともに、アルミニウムの割合が０．１重量％〜５重量％と比較的小さいことである。

しかし、軸受部品の基材材料と最上層との間に中間層が設けられた場合、スズの最上層が良好な動作特性を本質的に担い、そのため厚さが薄いということが、常にそうだというわけではないがしばしばある。

動作が具体的に行われる仕方によるが、この点において、もちろん、スズ最上層が表面の少なくともさまざまな位置で非常に薄くなるか、又は特定の位置で使用によって完全になくなることすらある。その場合に、中間層がもはやスズ最上層によって完全には覆われなくなることから、中間層の化学的及び物理的特性が本発明による層構造体の機能に関して絶対的に本質的なものとなる可能性がある。

この点において、原理上、アルミニウムは一方で機械的特性に対して非常に有利な影響を有することが可能で、特に、溶射層の耐食性を著しく改善できることが実際には知られている。したがって、従来技術では、溶射層の良好な耐腐食性を確実なものにできるために、アルミニウム含有量を比較的高くすることが必要であると以前には想定されていた。しかし、溶射粉末のアルミニウムの割合が高いことによって、溶射を行う際に、酸化アルミニウム（主にＡｌ_２Ｏ_３）が溶射層中に形成され、溶射層の摩擦特性に悪影響を及ぼすことも示されている。

したがって、本発明のさらなる発見は、中間層中のアルミニウム含有量が高い場合に、アルミニウム・マトリックスが形成される場合があり、多かれ少なかれ分離スズ層が形成されうることである。溶射は冷却及び固化速度が比較的速いため、スズの一部は、アルミニウム・マトリックスに飽和固溶体中に析出しうる。次いで、スズの残り部分が異なるサイズの粒子の形態で、すなわち、層のいわゆる耐磨り減り特性が悪影響を受けるほど小さすぎるサイズを有する粒子の形態でアルミニウム・マトリックス中に形成されるが、これは、擦れ合い摺動する相手、例えば、軸受の摺動する相手が次第に磨り減る傾向があることを意味し、当然のことながら、明白な理由からなんとしても防がれなければならない。

その一方で、スズの割合が高いため、溶射層の耐磨り減り特性を著しく改善することができ、これにより、最終的に、本発明の中間層によって溶射軸受層のすべての本質的特徴を同時に最適化する溶射層が可能になる。しかし、この点において、溶射層の機械的摩耗が大きくなるために、スズの割合は所定の限度を超えてはならない。すなわち、中間層の機能は、動作層の機能ではない。この機能は、必要な場合に、本発明による層構造体のスズ最上層によって行われる。

すなわち、本発明による溶射粉末の０．１重量％〜５重量％以下の比較的低いアルミニウム含有量と、少なくとも５重量％〜最大３０重量％のスズ含有量との組み合わせの結果、溶射層の耐磨り減り（耐スカッフィング）特性と耐食性の両方、さらには摩擦特性（すなわち、溶射層の摩擦係数ができる限り小さい）を最初に同時に最適化した組成の溶射中間層が得られる。本発明の主要な発見の１つは、０．１重量％〜５重量％と比較的小さい割合のアルミニウムが、一方で、溶射層の十分な耐食性を確保しつつ、それと同時に、不要な酸化アルミニウム（主にＡｌ_２Ｏ_３）の形成を十分に低い基準値まで抑制するために、本発明による溶射粉末の組成で十分であることである。

この点において、中間層は、１５重量％〜２５重量％のスズ、具体的には約２０重量％のスズ、及び／又は０．５重量％〜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むことができ、及び／又は中間層は、０．５重量％以下の鉄、好ましくは０．２重量％以下の鉄を含有することができる。

中間層は、この点において、例えば、０．５体積％〜５体積％、特に１体積％〜３体積％の気孔率を有することができる。

実際、この点において使用される溶射粉末の粒子サイズは、５μｍ〜１２０μｍ、好ましくは１０μｍ〜６０μｍの範囲にあり、用途に応じて、例えば、６０μｍ〜１２０μｍであってもよい。使用される粉末は、例えばガスアトマイズ法、水アトマイズ法、焼結、噴霧乾燥、メカニカルアロイ、又は任意の他の好適な方法により製造することができる。

最後に、本発明は、本発明の軸受部品上に層構造体を形成するための溶射法にも関する。この溶射法は、特に大気圧プラズマ溶射法、真空プラズマ溶射法、ＨＶＯＦ法、プラズマ溶射法の熱溶射法、又はコールドガススプレー法である。

Claims (9)

1. 少なくともスズを含む層構造体が表面に設けられた軸受部品、とりわけ往復ピストン内燃機関用のコンロッドのコンロッド・アイであって、前記層構造体の外側の溶射された最上層は、不純物を除いてスズのみからなることを特徴とする軸受部品。
2. 前記最上層が、加工物の表面に直接に溶射される請求項１に記載された軸受部品。
3. 中間層が、基材表面と前記最上層との間に設けられる請求項１に記載された軸受部品。
4. 前記中間層は、不可避不純物を除いて、
   スズ：５重量％〜３０重量％、
   アルミニウム：０．１重量％〜５重量％、
   鉄：最大１重量％、
   銅：残部
   の組成を有する亜鉛を含まない溶射層である請求項３に記載された軸受部品。
5. 前記中間層は、１５重量％〜２５重量％のスズ、好ましくは２０重量％のスズを含む請求項４に記載された軸受部品。
6. 前記中間層は、０．５重量％〜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む請求項４又は請求項５に記載された軸受部品。
7. 前記中間層は、０．５重量％以下の鉄、好ましくは０．２重量％以下の鉄を含む請求項４から請求項６までのいずれか一項に記載された軸受部品。
8. 前記中間層は、０．５体積％〜５体積％、特に１体積％〜３体積％の気孔率を有する請求項４から請求項７までのいずれか一項に記載された軸受部品。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された軸受部品に層構造体を形成するための溶射法であって、該溶射法が、大気圧プラズマ溶射法、真空プラズマ溶射法、ＨＶＯＦ法、火炎溶射法の熱溶射法、又はコールドガス溶射法である、溶射法。