JP4473501B2 - 所定のカバー層を備えた銅・アルミニウム合金を、耐磨耗性滑り軸受を製造するためのベアリングマテリアルとして使用する方法 - Google Patents

所定のカバー層を備えた銅・アルミニウム合金を、耐磨耗性滑り軸受を製造するためのベアリングマテリアルとして使用する方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定のカバー層を備えた銅・アルミニウム合金を、耐磨耗性滑り軸受を製造するためのベアリングマテリアルとして使用する方法、特に請求項１に記載の使用方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車産業で使用されるベアリングマテリアルは、種々の好ましい性質の組合せを特徴としている。
【０００３】
これには
・高弾性モジュール
・低摩擦係数
・優れた緊急時走行性
・優れた耐磨耗性
・高強度
が要求される。
【０００４】
しかし、摩耗により毎年数十億の損害が生じる。したがって、これを阻止するのが重要な課題である。
【０００５】
ベアリングマテリアルの場合、たとえば摩擦反応層のような中間層によって協働部材を分断すると、一般に摩耗を減少させる効果がある。しかしながら、反応層の形成部はほとんどの場合所定どおりに延在しておらず、圧力と温度と潤滑材と使用中の協働部材の化学反応とが一緒に作用して決定される。
【０００６】
いわゆるインレット段階ではかなりの摩耗が確認される。このため、最初に使用する前に所定どおりの耐磨耗部を被着させるのが重要である。
【０００７】
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許公開第４４１７４５５号公報
【非特許文献１】
"WIELAND-Prospekt" : 「滑り要素」、１９９７年６月発行、特に第５頁
【非特許文献２】
Dubbel : "Taschenbuch fuer den Maschinenbau"（機械工学ハンドブック）、２００１年第２０版、特に第Ｅ８６／E８７頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、摩耗減少層を所定どおりに滑り軸受に被着させることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば０．０１%ないし２０%のアルミニウムと、全部で最大２０%以下の鉄、コバルト、マンガン、ニッケル、珪素、亜鉛のグループから成る選択的に１つの元素または複数の元素と、選択的に４５%以下の亜鉛と、残りは銅と通常の不純物とから成り、酸化アルミニウムだけから成る厚さＤ＝１０ｎｍないし１０μｍのカバー層を有する、アルミニウムを含んだ銅合金を、耐磨耗性滑り軸受を製造するためのベアリングマテリアルとして使用する方法において、前記カバー層は酸化アルミニウム以外の酸化物が形成されないように選定した酸素分圧の低いガス雰囲気中で０．５時間ないし１０時間にわたり焼き鈍し温度Ｔ＝４００℃ないし８００℃で焼き鈍しすることで生成させることを特徴とする銅・アルミニウム合金を耐摩耗性滑り軸受を製造するためのベアリングマテリアルとして使用する方法によって解決される。
【００１０】
特に実施例が示すところによれば、酸化アルミニウム層は摩耗を著しく低減させる（いわゆる摩擦酸化層の形成）ことが明かになった。この層の特徴は非常に硬く、外部の影響に対し不活性なことである。酸化層の厚さは数ナノメータの範囲であることが多いが（複数の原子層）、これはカラフルに輝く「変色層」に認められる。この場合、層を通過する光は視角によっては種々の特徴的な波長により反射する。境界層厚を越えるとこの効果は再び弱くなり、表面色は酸化物によって決定される。酸化物は一般に非常に脆く、外部からの力の作用によって破損したり、剥げ落ちたりするが、変色層の付着能は高い。その前提となることは、２つの異なる構造（金属／酸化物）がコヒーレントな境界面或いは準コヒーレントな境界面を形成しようとすることである。この場合、同様の対称性および格子構造をもっている結晶面、すなわちエピタキシーをもっている結晶面が対向する。
【００１１】
エピタキシャル境界面は可能な最小のエネルギーで、このエピタキシーを備えた最大の核を生じさせる。しかし母材（金属）とゲスト（酸化物）とは互いに完全には整合していないので、この誤整合を補正するため弾性変形が行われ、これが十分でない場合は、境界面転移部が組み込まれる。この場合境界面はエネルギー的に最小になろうとする。誤整合が大きくなり、ゲスト核の横方向の拡がりと厚さが大きくなると、転移層が増大して不安定になる。コヒーレンス（付着性）は失われる。酸化アルミニウム層は熱力学的安定性が高く、しかもイオンに対する拡散係数が小さい。したがって酸化アルミニウム層は大気中でも非常に小さな酸素分圧で形成され、安定性を維持する。しかしながら、上記横方向の成長応力によりＡｌ２Ｏ３層は等温条件のもとでも剥げ落ちたり、裂け目や孔が形成される傾向がある。これは、酸化物内で酸素イオンと金属イオンが平行に、しかし逆方向に物質移動するからである。酸化層内部には核境界部に酸化物が形成される。その結果生じる圧縮応力は、たとえば片面を酸化させた板を曲げるには十分である。さらに、酸化物内にアルミニウムイオンが侵入すると、金属内部に空格子点が形成される。空格子点は金属と酸化物との位相境界部に凝縮して、孔を形成させる。薄い酸化アルミニウム層（変色層）は、優れた付着性と上記諸問題とを妥協させたものである。
【００１２】
実際には、空気或いは酸素を含んだ大気で適当に熱処理することにより目的に応じた酸化層を生じさせることができるが、しかし以下の理由により保護作用が低下する。
・膨張係数が異なる合金の場合、熱力学的に安定な酸化物が形成される。
・しばしば無秩序性が大きく、これに対応して拡散係数が大きい混合酸化物（スピネル）。
【００１３】
合金における純粋な酸化物層の形成は温度とその都度の形成圧力に依存している。Ａｌ２Ｏ３の形成圧力は極端に低いので、もっぱら酸化アルミニウムの形成が可能である。
【００１４】
請求項２ないし請求項４は本発明の特別な実施形態に関わる。
【００１５】
アルミニウムを含んだ銅合金は、酸素分圧が低いガス雰囲気中で焼き鈍しするのが合目的である。この場合酸素分圧は、Ａｌ２Ｏ３以外の酸化物が形成されないように選定する必要がある。「工業用水素」はこのような条件を満たしている。「工業用水素」は通常数ｐｐｍ（parts per million）の残留酸素または残留湿気で汚染されている。焼き鈍し温度では、水素と（残留）酸素との間、或いは、水素と残留湿気（水）との間に熱力学的平衡が生じ、この熱平衡状態は酸素分圧が極端に低いことを特徴としている。この酸素分圧は純粋な酸化アルミニウムを形成させるのに十分である。他の合金成分は酸化されない。スピネル（複合酸化物）も上記条件のもとでは熱力学的に不安定である。
【００１６】
反応条件（温度Ｔと時間）を適当に選定することにより、数ナノメータの層厚を持った酸化アルミニウム層が形成される。このカバー層は擬似延性を示し、付着能が非常に高い。所定条件のもとで焼き鈍しを行なえば、再現性に優れた均質構成のカバー層が得られる。これにより、滑り軸受上に低摩耗の層を再現可能に生成させるという課題が達成される。
【００１７】
アルミニウムを含んでいる銅合金に薄い酸化層を形成させることはすでに特許文献１から知られている。この文献に記載されている方法とは異なり、本発明は、適当な反応パラメータを設定することによる閉じたカバー層に関わるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
反応層の実際の作用に関する実験を滑り軸受試験台上で行い、滑り軸受を位置固定の軸に対し振動させた。レバー機構を用いれば、前記軸を介して、検査対象である滑り軸受に調整可能な負荷力を与えることができる（例えば非特許文献１を参照）。
【００２０】
本例では負荷は１７Ｎ／ｍｍ２であった。±３０゜の回動角で、且つ油脂による初期潤滑で１分間に１００回交番させた。
【００２１】
反応層の作用に対する基準として、たとえば時間に対する摩擦変化として生じるような、滑り軸受のインレット挙動を採用した（例えば非特許文献２を参照）。
【００２２】
処理していないブシュと、反応層またはカバー層を備えたブシュの摩擦値の変化を図１と図２に示す。両ケースとも組成はＣｕＡｌ１０である。
【００２３】
【発明の効果】
処理していない軸受に比べて以下のような改善が見られた。
−摩擦値は低レベルで始まる。
−インレット時間が短い。
−通常のように摩擦値が上昇せず、急速に下降する。
−安定した摩擦変化
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】処理していないブシュの摩擦値の変化を示すグラフである。
【図２】反応層またはカバー層を備えたブシュの摩擦値の変化を示すグラフである。

Claims (4)

  1. ０．０１%ないし２０%のアルミニウムと、全部で最大２０%以下の鉄、コバルト、マンガン、ニッケル、珪素、亜鉛のグループから成る選択的に１つの元素または複数の元素と、選択的に４５%以下の亜鉛と、残りは銅と通常の不純物とから成り、酸化アルミニウムだけから成る厚さＤ＝１０ｎｍないし１０μｍのカバー層を有する、アルミニウムを含んだ銅合金を、耐摩耗性滑り軸受を製造するためのベアリングマテリアルとして使用する方法であって、前記カバー層は酸化アルミニウム以外の酸化物が形成されないように選定した酸素分圧の低いガス雰囲気中で焼き鈍しすることで生成させる銅・アルミニウム合金を耐摩耗性滑り軸受を製造するためのベアリングマテリアルとして使用する方法において、前記焼き鈍しは０．５時間ないし１０時間にわたり、焼き鈍し温度Ｔ＝４００℃ないし８００℃で行なうこととし、前記した銅・アルミニウム合金は５%ないし１６%のアルミニウムを含んでいることとし、インレット時間を短くでき、安定した摩擦変化を得ることを特徴とする銅・アルミニウム合金を耐摩耗性滑り軸受を製造するためのベアリングマテリアルとして使用する方法。
  2. 前記した銅・アルミニウム合金は９%ないし１１%のアルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の銅・アルミニウム合金を使用する方法。
  3. 前記した銅・アルミニウム合金は１４%ないし１６%のアルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の銅・アルミニウム合金を使用する方法。
  4. 前記したカバー層の厚さはＤ＝１０ｎｍないし１００ｎｍとしたことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の銅・アルミニウム合金を使用する方法。
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