JP4473452B2 - 滑り要素用複合層材料およびその製造方法 - Google Patents

滑り要素用複合層材料およびその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の利用分野】
本発明は、支持層の上に軸受金属層並びに中間層を適用しそしてその中間層の上に滑り層を電着する、滑り要素用複合層材料の製造方法に関する。本発明はまた相応する滑り要素用複合層材料にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
公知の複合層材料は安定した支持層（一般に鋼鉄製支持層）と、一般に銅またはアルミニウムをベースとして製造される鋳造、焼結またはロール加工された軸受金属層およびその上に電着された滑り層、例えば鉛−錫−銅合金で構成されている。大抵は滑り層と軸受金属との間に拡散バリヤー層、例えばニッケルよりなる層が配置されている。かゝる複合層材料は例えばドイツ特許第８３０，２６９号明細書から公知である。
【０００３】
滑り層は複数の機能上の課題を負っている。このものは硬質の研磨作用のある物質を埋め込みによって無害化しそして運転段階の間に軸に対して適応して用いられる。このものは更に軸受金属のある程度の防食の任を果たしそして油が不足した時の緊急運転許容性を有している。
【０００４】
滑り層のライフサイクルは以下の段階より成る：
− 比較的高い摩耗を伴う運転段階
− 一定の比較的少ない摩耗速度の連続運転段階
− 層が全体的に摩耗した後の増大する擦り傷を受け易い段階
通例の滑り層の硬度は埋め込み性および緊急運転挙動、即ち低い層硬度と耐摩耗性、即ち高い層硬度との間の妥協点である。
【０００５】
滑り層の性能を最適化するために例えば軟質材料と硬質材料との交互の層で構成されている特別な構造が開発されてきた。かゝる滑り層は例えばドイツ特許出願公開（Ａ１）第３，９３６，４９８号明細書から公知である。電気メッキ浴では電流が０〜８０Ａ／ｄｍ2 の密度および−１．５〜＋０．５Ｖの電位に調整される。鉛−錫−銅浴からＣｕＳｎＰｂ（軟質層）とＣｕまたはＣｕＳｎ（硬質層）とより成る交互の層を析出させる。析出は単一のフルオロ硼酸塩含有浴で析出パラメータを変更することによって行なう。
【０００６】
個々の層が数μｍの厚さしか有していない数百までの層を有していてもよいこの層配列物は、銅と錫の相互拡散が生じて、不満足な摩擦特性を有しそして更に脆性破壊する傾向のある脆弱な金属間層を生じるという重大な欠点を有している。
【０００７】
ドイツ特許（Ｃ２）第４，１０３，１１７号明細書からは三成分または二成分ホワイトメタル合金よりなる滑り層を用いて滑り要素を製造する均質化（拡散焼付け）に基づく方法が公知である。しかしながらこの方法は、拡散の法則の為に常に濃度分布がｅ−関数に従ってもたらされるので、軟質成分と硬質成分の濃度を層厚全体にわたって任意に変えることができないという欠点を有している。特に急激に下降するｅ−関数の場合には滑り層深部領域では硬度の変化がもはや全く得られない。他の欠点は、滑り層の電気メッキの後で濃度勾配を調整するための追加的な方法段階が必要とされる点である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
それ故に本発明の課題は、
運転期間全体にわたって最適な性質を示す複合層材料を造ることを可能とする方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特に滑り層が複合層材料で造られた滑り要素のライフサイクルの間に常に最適な硬度を有していた場合に最適な性質が得られるという知見から出発している。これは本発明の複合層材料において滑り層がその表面から軸受金属層の方向に連続的に増加する硬度を有することによって達成される。
【００１０】
滑り層、および従って本発明の複合層材料は、その都度の運転段階に適合する層硬度を有している。即ち運転開始段階の間には小さい硬度、連続運転段階では増加する硬度を有し、結果として運転期間全体を著しく延長することができる。慣用の滑り層と比較して運転期間を１．５〜２倍に増やすことができた。
【００１１】
かゝる滑り層は層厚にわたって硬度を特別に調整することができる方法を必要とする。
【００１２】
上記の課題は、滑り層として少なくとも１種類の硬質成分および少なくとも１種類の軟質成分を含有する鉛不含合金を析出させ、その際に析出過程の間の電流密度を０．３〜２０Ａ／ｄｍ2 の範囲内で変化させそして／または電気メッキ浴の温度を１５℃〜８０℃の範囲内で変化させる上記方法によって解決される。
【００１３】
本発明のこの方法は幾つかの変法を包含している。
【００１４】
第一の変法によれば、一定の温度で運転しそして電流密度を電着過程の間に変化させ、好ましくは高める。これは、電流密度を増加させると軟質成分の析出に有利であり、このことが滑り層中の軟質成分の割合を多くするという結果をもたらす。
【００１５】
第二の変法によれば、電流密度を一定の値に調整しそして温度を変化させる。温度の上昇と共に硬質成分の析出が有利になる様に、温度と硬質成分および軟質成分の析出挙動との間に相関関係があることが判った。所望の硬度勾配に調整するためには、この第二の変法の第一の実施態様に従って析出の間に温度を高い値から下げることが必要である。このことは電気メッキ浴を冷却しなければならないことを意味する。
【００１６】
電気メッキ浴の加温はプラントの観点から簡単なので、この第二の変法の第二の実施態様に従って電気メッキ浴に好ましくはポーラライザー(Polariser) を添加する。この目的のために不飽和カルボン酸をベースとする添加物が適していることが判った。ポーラライザーは約３０％のカルボン酸および１／３までのアリールポリグリコールエーテルおよび／またはアルキルポリグリコールエーテルを含有し、残りが水であるのが有利である。この添加物は電気メッキ浴の全体量を基準として１０％までの量で加えるのが有利である。
【００１７】
ポーラライザーと称するこの添加物は硬質成分の電位を変える作用をし、温度の上昇と共に硬質成分の析出を減少させる。
【００１８】
これらの変法はメッキ工程の間の電流密度並びに温度を変えることによって互いに組み合わせることもできる。
【００１９】
本発明の方法は唯一の浴で電気メッキすることによってその都度の運転特性を有する層を造ることを可能とするという長所を有している。しかし例えば異なる温度の複数の電気メッキ浴を用いることも本発明から排除されてはいない。電流密度および／または温度を段階に変えて、電気メッキされた滑り層の内部の層組織を調整してもよい。しかしながら、硬度の突発的な変化は運転特性に関して常に有利でないことが判っている。それ故に連続的な硬度の変化、即ち硬度の傾斜が有利である。従って電流密度および／または温度も連続的に変えるのが有利である。
【００２０】
電流密度を０．１〜０．５Ａ／（ｄｍ2 ・分）の速度で上昇させるのが有利である。
【００２１】
温度を１℃〜５℃／分の速度で変えるのが有利である。
【００２２】
メッキの間にわたる電流密度範囲は使用される合金に左右される。錫と銅よりなる二成分系合金を析出させる場合には電流密度を０．５〜１０Ａ／ｄｍ 2 の範囲内で変えるのが有利である。二成分系合金としては特にＣｕＡｇ、ＡｇＣｕ、ＳｎＣｕ、ＣｕＳｎ、ＳｎＢｉまたはＳｎＡｇが適する。
【００２３】
析出は好ましくはフルオロ硼酸塩不含の電気メッキ浴で行なうのが有利である。
【００２４】
本発明の方法は、滑り層硬度を１０ＨＶ〜１５０ＨＶの範囲内で増加する様に調整することも可能である。
【００２５】
浴組成は比較的高い硬度および比較的少ない硬度の合金が析出される様に選択される。
【００２６】
硬質成分の割合は好ましくは滑り層表面から軸受金属層の方向に１重量％〜２０重量％に増加させるのが有利である。滑り層合金は追加的に０．１重量％〜５重量％のニッケルおよび／またはコバルトを含有していてもよい。これらの添加物は二成分系において拡散安定化作用を示す。
【００２７】
中間層は、拡散バリヤーとして、接着性付与剤としておよび耐摩耗性および耐疲労性を向上させるのに役立つ。このものは好ましくはＮｉ、ＳｎＮｉ、Ｎｉ＋ＳｎＮｉ（二層）、ＣｏまたはＦｅより成るのが有利である。ＳｎＮｉ合金層中の錫の割合は好ましくは６５〜７５％である。
【００２８】
中間層は同様に電気的にまたは無電流（自己触媒）で析出させることができる。軸受金属層は焼結または鋳造加工することができる。
【００２９】
【実施例】
実施例１：ＳｎＣｕ滑り層
電気メッキ層をニッケル中間層を有する鉛ブロンズ基体の上に設ける。
【００３０】
錫領域の組成は１〜２０％の銅含有量に調整することができる。銅の割合はその層の表面から軸受金属に向かって連続的に増加させる。硬度プロフィールはこの銅濃度挙動に一致し、１０ＨＶ（滑り層表面）から８０ＨＶ（軸受金属付近）までに増加される。
【００３１】
この層は錫および銅メタンスルホナートおよび有機系の湿潤剤および滑剤を含有するメタンスルホン酸浴で析出させる。滑り層の層厚は８〜５０μｍの範囲内で調整することができる。
【００３２】
銅濃度プロフィールは３〜５Ａ／ｄｍ2 の電流密度を用い、追加的に２０℃〜６０℃の範囲内で浴温度を変えて析出させることによって得られる。
【００３３】
実施例２：ＳｎＡｇ滑り層
軸受金属ＣｕＳｎの上に中間層Ｎｉを析出させる。
【００３４】
滑り層は１〜２０％の銀含有量の錫−銀のメタンスルホン酸浴で析出させる。
【００３５】
滑り層表面から軸受金属への銀の濃度傾斜は０．３〜１０Ａ／ｄｍ2 の電流密度の変動によって得ることができる。滑り層の硬度は１０ＨＶ（錫リッチの表面）から１５０ＨＶ（銀リッチ層）までである。

Claims (16)

  1. 支持層の上に軸受金属層並びに中間層を適用しそしてその中間層の上に滑り層を電着する、滑り要素用複合層材料の製造方法において、滑り層として少なくとも１種類の硬質成分および少なくとも１種類の軟質成分を含有する鉛不含合金を析出させ、その際に析出過程の間の電流密度を０．３〜２０Ａ／ｄｍ２の範囲内で変化させおよび／または電気メッキ浴の温度を１５℃〜８０℃の範囲内で変化させ、それによって硬質成分の含有量を滑り層表面から軸受金属層の方向に１重量％から２０重量％に増加させることを特徴とする、上記方法。
  2. 温度を変化させずそして電流密度を高める請求項１に記載の方法。
  3. 電流密度を変化させずそして温度を低下させる請求項１に記載の方法。
  4. 電気メッキ浴に不飽和カルボン酸をベースとする添加物を電気メッキ浴に添加し、電流密度を変化させずそして温度を高める請求項１に記載の方法。
  5. 添加物を１０％までの量で添加する請求項４に記載の方法。
  6. 電流密度および／または温度を連続的に変化させる請求項１に記載の方法。
  7. 電流密度を０．１〜０．５Ａ／（ｄｍ２・分）の速度で上昇させる請求項１、２及び６のいずれか一つに記載の方法。
  8. 温度を１℃〜５℃／分の速度で変える請求項１、３、４、５および６のいずれか一つに記載の方法。
  9. 錫と銅とより成る二成分系合金を析出させ、その際に電流密度を０．５〜１０Ａ／ｄｍ ２ の範囲内で上昇させる請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
  10. ＣｕＡｇ、ＡｇＣｕ、ＳｎＣｕ、ＣｕＳｎ、ＳｎＢｉまたはＳｎＡｇより成る二成分系合金を析出させる請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
  11. フルオロ硼酸塩不含の電気メッキ浴を使用する請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法。
  12. 支持層、軸受金属層、中間層および電着された滑り層を有する滑り要素用複合層材料において、滑り層がその表面から軸受金属層の方向に連続的に増加する硬度を有しそして滑り層が軟質成分及び硬質成分を含有する鉛不含の二成分系合金より成り、それによって硬質成分の含有量が滑り層表面から軸受金属層の方向に１重量％から２０重量％に増加していることを特徴とする、上記滑り要素用複合層材料。
  13. 中間層がＮｉ、Ｎｉ＋ＳｎＮｉ、ＣｏまたはＦｅより成り、その際に合金ＳｎＮｉが６５〜７５％のＳｎを含有する請求項１２に記載の複合層材料。
  14. 硬度が１０ＨＶ〜１５０ＨＶの範囲で増加する請求項１２または１３に記載の複合層材料。
  15. 鉛不含の二成分系合金がＣｕＡｇ、ＡｇＣｕ、ＳｎＣｕ、ＣｕＳｎ、ＳｎＢｉまたはＳｎＡｇより成る請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の複合層材料。
  16. 鉛不含の二成分系合金が追加的に０．１重量％〜５重量％のニッケルおよび／またはコバルトを含有する請求項１２〜１５のいずれか一つに記載の複合層材料。
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