JP2015501881A - 滑り軸受の製造方法 - Google Patents

Abstract

硬質粒子が懸濁した電解液中に、基板を陰極として供給し、前記基板に、バイアスパルスの繰返しサイクルを適用することによって、金属マトリックス中に埋め込まれた硬質粒子の複合層を析出することを含む、滑り軸受を製造する方法であって、各サイクルが、高陰極バイアス部と、低陰極バイアス部、ゼロ陰極バイアス部及び陽極バイアス部からなる群から選んだ更なるバイアス部とを含んでいることを特徴とする方法、及び、この方法によって製造された滑り軸受。

Description

この発明は、金属マトリックス中に組み込まれた硬質粒子の複合層を有する滑り軸受、特に、これに限定されるものではないが、軸受胴又はスラストワッシャを電気メッキする方法に関するものである。

エンジンのジャーナル軸受用の軸受胴は、典型的には、強固な鋼の支持層と、ライニング層と、ジャーナル軸部のための滑走面を提供するオーバーレイ層とから構成され、例えば、内側表面に設けられた、中空のほぼ半円筒形状の鋼の支持層と、銅系合金のライニング層と、錫、錫系合金又は複合オーバーレイ層とから構成される。

複数の軸受ライニング、特に、複数のオーバーレイライニングにおいて、複数の層の耐摩耗性を高め、疲労強度を改善することが好ましい。車両の移動全体を通じてエンジンが運転状態に維持される従来のエンジンの運転方法に対して、車両が停止する毎に、エンジンが停止するところの停止−始動運転を利用することによって、燃料を節約するための、車両用エンジンの構造は、軸受ライニング層及び／又はオーバーレイ層の機能に対する特別な課題を提供している。停止−始動運転用に構成されたエンジンは、各車両の移動全体を通して連続的に運転されるように構成された従来のエンジンよりも、約１００回以上も頻繁にエンジンを再始動する場合がある。エンジンは従来から流体力学的に潤滑されており、エンジンの始動時に、軸受に当初の潤滑油の供給がほとんど無いと、始動段階中で特に著しい摩耗に至ることから、停止−始動運転用に構成されたエンジンが引き起こす特有の問題が生じる。

電気メッキの電解液中において実質的に不溶な硬質の無機微粒子を軸受のオーバーレイ層に組み込むことによって、エンジン軸受の耐摩耗性を高めることが提案されている。これらの材料の例としては、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は、炭化ホウ素の硬質粒子を錫系合金マトリックス中に組み込むことが挙げられる。しかしながら、特に、錫系合金マトリックス（例えば、錫の含有量が少なくとも５０重量％）において、更に特に、純錫マトリックスの場合において、従来の電気メッキ技術によって、硬質粒子を高い濃度で有する複合層を製造することは困難である。

第１の態様によれば、硬質粒子が懸濁した電解液中に、基板を陰極として供給し、前記基板に、バイアスパルスの繰返しサイクルを適用することによって、金属マトリックス中に埋め込まれた硬質粒子の複合層を析出することを含む、滑り軸受を製造する方法であって、各サイクルが、高陰極バイアス部と、低陰極バイアス部、ゼロ陰極バイアス部及び陽極バイアス部からなる群から選んだ更なるバイアス部とを含んでいることを特徴とする方法が提供される。

第２の態様によれば、第１の態様に係る方法に従って製造された滑り軸受が提供される。

第３の態様によれば、第１の態様に従って製造された滑り軸受を備えるエンジンが提供される。

上記方法は、電解液を攪拌して、前記硬質粒子を懸濁した状態に維持することを含んでいてもよい。

更なるバイアス部は、低陰極バイアス部であってもよい。

高陰極バイアス部は、低陰極バイアス部の少なくとも１２５％のバイアスを有していてもよい。

更なるバイアス部は、ゼロ陰極バイアス部であってもよい。

更なるバイアス部は、陽極バイアス部であってもよい。

陽極バイアス部の絶対値は、高陰極バイアス部の絶対値の０．２５から３．０倍の間（即ち、異極性であるが、大きさが０．２５から３．０倍の間）にあってもよい。

繰返しサイクルは、各サイクルが単調に増加する陰極バイアスを含むところの鋸歯状の形状を有していてもよい。

パルスのサイクルは、５ないし２００ｍｓ、好ましくは、１０ないし１００ｍｓの長さを有していてもよい。

高陰極バイアス部は、パルスのサイクルの１０ないし９５％からなっていてもよい。

高陰極バイアス部は、０．５ないし１０Ａ／ｄｍ²のピーク電流密度を有していてもよい。

サイクルの陰極電流密度の平均値は、５Ａ／ｄｍ²未満であってもよい。

硬質粒子は、ＴｉＣＮ、ＳｉＣ、ＮｂＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＮ及びＢ₄Ｃからなる群から選ばれてもよい。

懸濁した電解液は、電解液１リットル当たり２０ないし２００ｇ、好ましくは、１リットル当たり４０ないし１００ｇの硬質粒子を含んでいてもよい。

金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純金属であってもよい。

金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純錫であってもよい。

金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、金属合金であってもよい。

金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、錫系合金であってもよい。

電解液は、錫メタンスルホン酸電解液であってもよい。

電解液は、１５ないし８０ｇ／ｌの錫を含んでいてもよい。

電解液は、光沢剤を含んでいてもよい。

滑り軸受は、軸受胴又はスラストワッシャであってもよい。

下記添付図面を参照して、以下、本発明の実施形態がさらに記述される。
図１は、軸受胴を概略的に示している。 図２は、第１のバイアスパルスの形状を示している。 図３は、Ｓｎ金属マトリックス中に組み込まれたＢ₄Ｃ硬質粒子を含むオーバーレイを有する滑り軸受の断面の走査型電子顕微鏡写真を示している。 図４は、第２のバイアスパルスの形状を示している。 図５は、第３のバイアスパルスの形状を示している。

図１は、中空のほぼ半円筒形状の軸受胴１を示しており、この軸受胴は、鋼の支持層２と、銅系合金のライニング層３と、ニッケル又はコバルト拡散バリア４と、錫マトリックス中に組み込まれた硬質粒子の複合オーバーレイ層５とを有している。

複合層がその上に析出されるところの軸受胴は、電気メッキ電解液中に懸濁した硬質粒子を含む浴中に、陰極として供給され、この浴は、金属マトリックスに対応する材料から形成された陽極、例えば、高純度の錫の陽極を有している。

電解液は、鉛を含有しない、錫メタンスルホン酸（ＭＳＡ）電解液（メタンスルホン酸中の錫イオン）であり、これは、光沢剤や消泡剤等の、性能を向上する添加材を含んでいてもよい。例えば、電解液は、光沢錫ＧＢＦ ３０ 酸性電解液システムであってもよく、これは、シュロッター（Schloetter)（登録商標）ガルバノテクニーク（Galvanotechnik）社製であり、シュロッター（Schloetter)の原料による製法を用いており、これは、（３１０ｇ／ｌの錫（ＩＩ）を含有する）１３．０リットルの錫濃縮物ＦＳ ２０と、６．０リットルのＧＢＦ ３１ スターター（２０ないし２５重量％の２−ナフトールポリグリコールエーテル、１ないし２．５重量％の１，２−ジヒドロキシベンゼン、及び、１ないし２．５重量％のメタクリル酸）と、０．４リットルのＧＢＲ ３２ 光沢剤（３５ないし５０重量％の２−イソプロポキシエタノール、及び、５ないし１０重量％の４−フェニルブタ−3−エン−2−オン）と、１１．０リットルのＧＢＦ ３３ 組成濃縮物（これは、４５重量％のＭＳＡである）と、残り、１００リットル未満の脱イオン水とから構成されている。これにより、３０ないし６０ｇ／ｌの錫の溶液が形成されるが、１５ないし８０ｇ／ｌの濃度を用いてもよい。懸濁した電解液は、２０ないし３０℃の温度に維持される。化学成分及びｐＨは、消耗した化学薬品を補充することによって、析出中維持される。

炭化ホウ素、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化ニオブ、窒化チタン、チタン炭窒化物等の７μｍ未満の粒径を有する硬質粒子が、約６０ｇ／ｌの濃度を有する溶液中に懸濁している（２０ないし２００ｇ／ｌ、好ましくは、４０ないし７０ｇ／ｌの硬質粒子を用いて実験を行った）。超音波及び／又は機械的攪拌を用いて、硬質粒子を懸濁状態に維持している。

陰極バイアス（即ち、陽極に対する陰極に負のバイアスをかけること）によって、正に帯電した錫イオンが滑り軸受の陰極側に移動させる陰極電流（即ち、陽極に対する負の電流）を生成し、そして、陰極表面に錫イオンを析出させる。Ｂ₄Ｃの硬質粒子を組み込むことを増進するために、陰極バイアスは、１０ないし２０ｍｓのパルスサイクル周期で周期的にパルス化される（但し、実際にはこの工程を、１０ないし４０ｍｓのパルスサイクル周期で行った）。ピーク陰極電流密度は、０．５から５．０Ａ／ｄｍ²の間にあり、パルスサイクル全体における電流密度の平均値は、３．６Ａ／ｄｍ²以下である。

図２に示すように、ある実施形態においては、高陰極バイアスＶ_Hパルス部ｔ₁及びゼロ陰極バイアスＶ₀部ｔ₂を有するバイアスパルスサイクルを用いている。パルスサイクルの９５％以下（好ましくは、１０から９５％の間）について、高陰極バイアス部をかけて、高陰極電流密度を生成している。

パルス化された電気メッキを用いることによって、２０重量％以下のＢ₄Ｃの硬質粒子を、滑り軸受のオーバーレイ層のＳｎ金属マトリックス中に均一に組み込むことが可能である。図３は、この層の断面図を示しており、ここにおいては、硬質粒子６が、オーバーレイ層５の金属マトリックス中に黒い小さな点として現れている。

電解液中において、陰極表面に対する空乏領域が存在することに起因して、一定の陰極電流下での金属マトリックスの析出率は、金属イオン（例えば、錫イオン）のイオン移動度によって制限される。懸濁した状態から硬質粒子は表面に付着するが、一定の陰極電流化で生ずる金属イオンの低速の析出では、表面の粒子を析出層中に組み込むには不十分であり、それよりもむしろ、これらの粒子は、金属マトリックス層が成長するときに、表面上に残ってしまう。一方、ゼロ陰極バイアス部中（及び、同様に、低陰極バイアス部中、又は、陽極バイアス部中）には、陰極表面に近接した金属イオンの濃度を高めることができ、高陰極バイアス部中に急速に激しい析出が生ずる結果に至り、これにより、硬質粒子を析出層中に組み込む効率が高められる。

代わりに、図４に示すように、パルスサイクルは、高陰極バイアスＶ_Hパルス部ｔ₁'及び低陰極バイアスＶ_Lパルス部ｔ₂'を交互に有していてもよい。高陰極バイアスＶ_Hは、低陰極バイアスＶ_Lの少なくとも１．２５倍大きい。更に、例えば、高陰極バイアス部に続いて、（オフタイムとしても知られている）ゼロ陰極バイアス部も存在していてもよい。

更に他の実施形態においては、複極性パルスを用いてもよく、同パルスにおいて、陽極バイアスパルス部（例えば、陰極バイアスに対する逆バイアス）を設けてもよい。例えば、図５に示すように、このパルスサイクルは、高陰極バイアスＶ_Hパルス部ｔ₁''、陽極バイアスＶ_Rパルス部ｔ₂''、ゼロ陰極バイアスＶ₀部ｔ₃''、及び、低陰極バイアスＶ_L部ｔ₄''を有していてもよい。この陽極バイアス部は、高陰極バイアス部のバイアスの−０．２５から−３．０倍の間の（即ち、異極性であるが、大きさが０．２５から３．０倍の間の）バイアスを有している。

このような陽極バイアスパルスによって、析出層から金属イオンを取り出すことができ、これにより、陰極表面に近接した金属イオンの高濃度化をもたらし、更に、高陰極バイアスパルス部中における次の析出速度を増加させ、更に、硬質粒子の金属マトリックスの析出層中への組込みを増進することができる。

滑り軸受は、エンジンの軸受アセンブリに挿入される軸受ライニング又はスラストワッシャであってもよい。

この明細書における発明の詳細な説明及び特許請求の範囲全体を通して、用語「からなる（comprise）」及び「含む（contain）」並びにそれらの変化形は、「含むが、それに限定されるものではない」ことを意味し、そして、これらの用語は、他の部分、添加物、成分、整数、又は、工程を排除すること（及び、排除しないこと）を意図するものではない。この明細書における発明の詳細な説明及び特許請求の範囲全体を通して、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、単数形の表現は、複数形のものを含むものとする。特に、不定冠詞を用いている場合には、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、単数形のもの及び複数形のものを考慮しているものとして、明細書を解釈すべきである。

本発明の特別な態様、実施形態又は実施例に関連して記載された特徴、整数、特性、化合物、化学的な部分又は基は、これらと矛盾しない限り、ここに記載された他の態様、実施形態又は実施例に適用可能なものであると解釈すべきである。この明細書（添付した請求項、要約、及び、図面を含む）に開示された特徴のすべて、及び／又は、このように開示された方法又はプロセスの工程のすべては、これらの特徴及び／又は工程のうちの少なくとも幾つかが相互に排除されるところの組合せを除き、如何なる組合せにおいて結合されてもよい。本発明は、何れかの上述した実施形態の詳細部分に限定されるものではない。本発明は、この明細書（添付した請求項、要約、及び、図面を含む）に開示された特徴のうちの何れか新規な１つ、又は、何れか新規な組合せにまで、又は、このように開示された方法又はプロセスの工程のうちの何れか新規な１つ、又は、何れか新規な組合せにまで及ぶものとする。

本願に関して、この明細書と同時に、又は、これよりも前に提出されたものであって、この明細書と共に公衆の閲覧に付されたすべての文書及び書類に読者の注意は向けられるものであり、これらのすべての文書及び書類の内容は、引用により、ここに組み込まれるものとする。

Claims (27)

1. 硬質粒子が懸濁した電解液中に、基体を陰極として供給すること、及び、
   前記基体に、バイアスパルスの繰返しサイクルを適用することによって、金属マトリックス中に埋め込まれた硬質粒子の複合層を析出することを含み、
   各サイクルが、高陰極バイアス部と、低陰極バイアス部、ゼロ陰極バイアス部及び陽極バイアス部からなる群から選んだ更なるバイアス部とを含んでいる、
   滑り軸受を製造する方法。
2. 前記電解液を攪拌して、前記硬質粒子を懸濁した状態に維持することを含む、請求項１に記載した方法。
3. 前記更なるバイアス部は、低陰極バイアス部である、請求項１又は２に記載した方法。
4. 前記高陰極バイアス部は、前記低陰極バイアス部の少なくとも１２５％のバイアスを有している、請求項３に記載した方法。
5. 前記更なるバイアス部は、ゼロ陰極バイアス部である、前記請求項１ないし４のいずれかに記載した方法。
6. 前記更なるバイアス部は、陽極バイアス部である、前記請求項１ないし５のいずれかに記載した方法。
7. 前記陽極バイアス部の絶対値は、前記高陰極バイアス部の絶対値の０．２５から３．０倍の範囲内にある、請求項６に記載した方法。
8. 前記繰返しサイクルは、各サイクルが単調に増加する陰極バイアスを含むところの鋸歯状の形状を有している、前記請求項１ないし７のいずれかに記載した方法。
9. 前記パルスのサイクルは、５ないし２００ｍｓの長さを有している、前記請求項１ないし８のいずれかに記載した方法。
10. 前記高陰極バイアス部は、前記パルスのサイクルの１０ないし９５％からなっている、前記請求項１ないし９のいずれかに記載した方法。
11. 前記高陰極バイアス部は、０．５ないし１０Ａ／ｄｍ²のピーク電流密度を有している、前記請求項１ないし１０のいずれかに記載した方法。
12. 前記サイクルの陰極電流密度の平均値は、５Ａ／ｄｍ²未満である、前記請求項１ないし１１のいずれかに記載した方法。
13. 前記硬質粒子は、ＴｉＣＮ、ＳｉＣ、ＮｂＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＮ及びＢ₄Ｃからなる群から選ばれる、前記請求項１ないし１２のいずれかに記載した方法。
14. 懸濁した前記電解液は、電解液１リットル当たり２０ないし２００ｇの硬質粒子を含んでいる、前記請求項１ないし１３のいずれかに記載した方法。
15. 前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純金属である、前記請求項１ないし１４のいずれかに記載した方法。
16. 前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純錫である、請求項１７に記載した方法。
17. 前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、金属合金である、前記請求項１ないし１４のいずれかに記載した方法。
18. 前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、錫系合金である、請求項１７に記載した方法。
19. 前記電解液は、錫メタンスルホン酸電解液である、前記請求項１ないし１８のいずれかに記載した方法。
20. 前記電解液は、１５ないし８０ｇ／ｌの錫を含んでいる、前記請求項１ないし１９のいずれかに記載した方法。
21. 前記電解液は、光沢剤を含んでいる、前記請求項１ないし２０のいずれかに記載した方法。
22. 前記滑り軸受は、軸受胴又はスラストワッシャである、前記請求項１ないし２１のいずれかに記載した方法。
23. 前記請求項１ないし２２のいずれかの方法に従って製造された滑り軸受。
24. 前記請求項１ないし２２のいずれかの方法に従って製造された滑り軸受を備えたエンジン。
25. 添付した明細書及び図面のいずれか１つを参照して、以上に記載したものと実質的に同一の滑り軸受を製造する方法。
26. 添付した明細書及び図面のいずれか１つを参照して、以上に記載したものと実質的に同一の方法によって製造された滑り軸受。
27. 添付した明細書を参照して、以上に記載したものと実質的に同一の方法によって製造された滑り軸受を備えるエンジン。

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