JP5284083B2 - 滑り軸受け複合材料、使用及び製造法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に従う滑り軸受け複合材料に関する。本発明は更に、使用及び製造法にも関する。

ドイツ特許出願公告(C1)第44 15 629号明細書からは、非常時でも稼働可能な耐摩耗性の物品、例えばダイカスティング機のピストンの製造のために、銅−ニッケル−ケイ素合金を使用することが知られている。ドイツ特許出願公告(C1)第44 15 629号明細書に記載の合金は、ニッケル１〜４％、ケイ素０．１〜１．５％及び残部の銅からなり、一体の材料として使用される。

米国特許第2,137,282号明細書は、ニッケル０．１〜３０％、ケイ素０．０５〜３％、及び残部の銅からなる合金を開示している。この合金は、適当な熱処理の後に、高い硬度及び良好な電導性を特徴とする。

米国特許第1,658,186号明細書は、銅−ニッケル−ケイ素合金を開示しており、硬化粒子として働くケイ化物について詳しく記載されている。硬度の調節のための様々な熱処理方法が記載されている。

更に別の銅−ニッケル−ケイ素合金が米国特許第2,241,815号明細書に記載されており、ニッケルの割合は０．５〜５％であり、ケイ素の割合は０．１〜２％である。

米国特許第2,185,958号明細書は、ニッケル１％、ケイ素３．５％及び残部の銅からなる合金、並びにケイ素１．５％、ニッケル１％及び残部の銅からなる合金を開示している。

ドイツ特許出願公告(C1)第36 42 825号明細書からは、高い強度及び長い耐用年数が意図された、ニッケル４〜１０％、アルミニウム１〜２％、スズ１〜３％及び残部の銅並びに通常の不純物からなる滑り軸受け材料が知られている。この滑り軸受け材料から、一体型のブッシュを製造している。

英国特許出願公開第2384007号明細書は、銅合金からなりそして最大で１３０ＨＶの硬度を有する焼結層が施工された鋼製母材を有する滑り軸受け複合材料を開示している。この銅合金は、１〜１１重量％のスズ、０．２重量％までのリン、最大で１０重量％のニッケルまたは銀、最大で２５重量％の鉛及びビスマスを含む。

軸受け金属の層の上に滑り層がスパッタリングによって施工された滑り軸受け複合材料には、ドイツ特許出願公開(A1)第43 28 921号明細書に記載のように、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル−クロム、亜鉛または亜鉛合金からなる中間層が設けられる。軸受け合金としてＣｕ合金を使用した場合及び上層にＳｎ含有合金を使用した場合には、時間が経つにつれてＳｎがＣｕ合金中に拡散し、それを原因として、上層のＳｎ含有量が減少してしまう。またこれと同時に、接合面上に脆いＣｕＳｎ化合物が生成し、それによって結合強度が低下する。これを考慮して、ＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層が、吹き付けもしくは溶射または電気メッキによって、軸受け合金上に形成される。次いで、その上に蒸着により上層を形成させる。これによって安定した結合を得ることができる。

拡散遮断層もドイツ特許出願公開第28 53 774号明細書に記載されている。

ドイツ特許出願公開第195 25 330号明細書は層材料を開示しており、この際、軸受け材料は、キャリア材料上に直接スパッタリングされる。キャリア材料としては、鋼製担体金属を使用することができ、その上に、更に別の中間層を設けることなく軸受け材料をコーティングすることができる。しかし、キャリア材料としては、銅含有のキャリア材料、特に銅−鉛−スズ合金からなるキャリア材料を使用することもできる。例えば、キャリア材料は、ＣｕＰｂ２２Ｓｎからなることができる。

キャリア材料の鉛の割合を軸受け材料の鉛の割合と同程度にすると、これらの両材料の間には濃度勾配が生じないかまたは僅かにしか生じず、そのため軸受け材料とキャリア材料との間には拡散プロセスも起こり得ない。キャリア材料が、軸受け材料よりも高濃度に鉛を含む場合には、軸受け材料の表面上への鉛の移行が更に促進される。キャリア材料を構成する銅−鉛−スズ合金は、鋼製担体金属上に鋳造クラッドすることができる。

本発明の課題は、強度及びトライボロジー的性質に関して公知の複合材料と同等であり、この際、滑り層の組成には依存せずに、拡散遮断層を無しで済ませることができる、スパッタリングにより施工された滑り層を有する滑り軸受け複合材料を提供することである。また、使用及び製造法の提供も課題である。

上記の課題は、請求項１に従う滑り軸受け複合材料によって解決される。

ニッケル及びケイ素成分を含む特許請求の範囲に記載の銅合金において、これらの成分が、特にアルミニウム及びスズに対して拡散防止作用を及ぼし、それによって拡散が殆ど起こらないことが判明した。僅かな拡散は排除できないが、これは極めて薄い中間層しか発達させず、銅合金の上に施工された滑り層の剥離を招くものではない。

ニッケル−ケイ素を含む銅合金が、それらの機械的及びトライボロジー的性質に関して広い範囲で調節することができ、それによって、要求される性質に適合させることが可能であることが判明した。

鋼製母材は、それの剛性の故に、必要な締りばめを保証するため、軸受け材料の組織構造を強度についての要求には左右されずに調節することができる。それ故、例えば、特許請求の範囲に記載の銅合金は、それらの組織構造に関して、強度及び硬度並びにトライボロジー的性質（例えば、スコァリングに関する挙動）が従来の鉛−青銅製の軸受けに匹敵する範囲にあるように形成することができる。

全体として、滑り軸受け複合材料の使用範囲がかなり拡張される。

また、鋼製母材を有する該複合材料は、鋼製ハウジングと一緒に使用した場合にそれらの熱膨張係数に基づく利点を供する。

該軸受け金属のトライボロジー的性質の調節は、好ましくは熱機械的処理、特に圧延及び焼き鈍しによって行われる。

該複合材料のこのような熱機械的処理は、鋼の完成部品に必要な性質が損なわれないように、構成することができる。

本発明の製造方法は、第一の態様においては次の工程を含む： 銅−ニッケル−ケイ素合金から帯状材料を製造し、そしてこの帯状材料を、鋼製のキャリア層上にロール圧接して複合体を得る。この際、軸受け金属及び／または鋼の５０〜７０％の変形が行われる。

次の熱機械的処理は次の工程を含む：
・５５０℃〜７００℃の温度での２〜５時間の前記複合体の第一の焼き鈍し、前記複合体の少なくとも一回の第一の圧延、この際、２０〜３０％の変形度で行われる。
・５００℃〜６００℃の温度で１時間を超える時間の少なくとも一回の第二の焼き鈍し。
・場合によっては、前記複合体の第二の圧延、この際、最大３０％の変形度で行われ、次いで、５００℃を超える温度で少なくとも１時間の第三の焼き鈍し。

更に別の態様では、銅合金をキャリア層上に施用しそして焼結するかまたは鋳て付ける。

第一及び／または第二圧延工程とそれに次ぐ焼き鈍しによって、軸受け金属の降伏点が調節される。この際、軸受け金属の降伏点は好ましくは１５０〜２５０ＭＰａである。

第二の焼き鈍しの後に最終寸法に達した場合には、熱機械的処理を停止する。この場合、降伏点は、第一の圧延及び第二の焼き鈍しによって調節される。

第二の焼き鈍しの後でも最終の寸法に達していない場合には、次いで、第二の圧延及び第三の焼き鈍し工程を行い、それによって降伏点を上記の値に調節する。

上記熱機械的処理の後の組織は、銅マトリックス内部におけるＮｉＳｉに基づく微細で均一及び等方性に分布した金属間析出物を特徴とする。

該軸受け金属の上記降伏点は、鋼の降伏点よりも明らかに低い。これは、鋼キャリア層が必要な締りばめを供するので可能なことである。本発明の複合材料の利点は、所望のトライボロジー的性質、特に軸受け金属層の適応性が達成されるまで軸受け金属の降伏点を低下させ得ること、すなわち、例えば、対部品の摩耗が起こらないかまたは僅かにしか起こらないことである。

滑り軸受け要素の製造のためには、上記の複合体からこれを裁断してシートを切り離し、そしてこれらのシートを、公知の変形工程を介して滑り軸受け要素に変形加工する。最後のプロセスは、好ましくは、滑り軸受けの形成作業及び滑り層の施工である。

滑り層は、ＰＶＤ法、特にスパッタリングによって施工される。場合によっては、この滑り層の上に更に初期なじみ層（Einlaufschicht）が施工される。

この滑り層によって、該複合材料のトライボロジー的性質がさらに改良される。

発明の態様

該銅−ニッケル−ケイ素合金においては、ニッケルの割合は０．５〜５重量％、好ましくは１．０〜３．０重量％、特に１．５〜２．２重量％であり、ケイ素の割合は０．２〜２．５重量％、好ましくは０．４〜１．２重量％、または０．５〜１．５重量％である。

該銅−ニッケル−ケイ素合金は、マンガンを０．０５〜２．０重量％、好ましくは０．１５〜１．５重量％の割合で含むことができる。

ケイ素に対して２．５〜５のニッケルの重量比（ニッケル：ケイ素＝２．５〜５）において、トライボロジー的性質を向上し得ること、特に、軸受け材料のスコァリングを大きく減少できることが判明した。この重量比において、良好なトライボロジー的性質の要因であるニッケル−ケイ素化合物の形成が促進されて、充分な程度で生成する。

該銅合金は、更に微量添加元素を含むことができる。好ましくは、キャリア層は、０．０５〜０．４重量％、好ましくは０．０７５〜０．２５重量％の量で少なくとも一種の微量添加元素を含む。微量添加元素としては、例えば、クロム、チタン、ジルコニウム、亜鉛及びマグネシウムの個々のものまたは組み合わせが挙げられる。

好ましくは、軸受け金属層及びキャリア層との間は、場合によっては中間層を介して、ロール圧接される。中間層としては、銅または銅合金、例えば銅−亜鉛合金または銅−スズ合金を使用することができる。

軸受け金属層は、焼結層または鋳造層であることができ、この際、焼結温度としては１０〜３０分間で６００℃〜８００℃の温度、鋳造温度としては１０００℃〜１２５０℃の温度が使用される。焼結工程においては、第一の焼き鈍し工程が統合される。

スパッタ層は、好ましくは、アルミニウム−スズ合金、アルミニウム−スズ−ケイ素合金、アルミニウム−スズ−銅合金、アルミニウム−スズ−ケイ素−銅合金、またはアルミニウム−スズ−ニッケル−マンガン合金からなる。

これらの合金において、好ましくは、スズの割合は８〜４０重量％であり、銅の割合は０．５〜４．０重量％であり、ケイ素の割合は０．０２〜５．０重量％であり、ニッケルの割合は０．０２〜２．０重量％であり、そしてマンガンの割合は０．０２〜２．５重量％である。

これらのスパッタ層を、特許請求の範囲の銅合金と組み合わせることにより、滑り層の剥離をまねく脆性の相は形成しないことが判明した。それ故、中間層は無しで済ませることができ、それによってかなりコストが節約される。

軸受け金属層の厚さは、好ましくは０．１〜０．８ｍｍ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ、特に０．１５〜０．３５ｍｍである。

滑り層の厚さは、好ましくは４〜３０μｍ、好ましくは８〜２０μｍ、特に１０〜１６μｍである。

初期なじみ層の厚さは、０．２〜１２μｍ、好ましくは０．２〜６μｍ、特に０．２〜３μｍである。

該滑り軸受け複合材料の好ましい用途は、滑り軸受けシェルへの使用である。

銅合金の例を次に挙げる。

製造法の例は次の工程を含む：
− 銅合金を、３００ｍｍの幅及び１０ｍｍの厚さで連続鋳造、好ましくはダブル連続鋳造して帯状材料を製造する。
− この帯状材料を両面フライス加工し、その後、巻き取る。
− ロール圧接寸法になるまで圧延及び焼き鈍しを行う。

帯状材料は、例えばブラシによって機械的に前処理し、そしてロール圧接によって帯状鋼上に施工する。この帯状鋼は、３００ｍｍの幅及び４．５ｍｍの厚さを有する。銅合金とのロール圧接は、５０〜７５％の変形度を与える。

次いで、ベル型焼き鈍し炉中で５５０℃の温度で２時間、第一の焼き鈍し工程を行う。これに次いで、圧延工程で第一の圧延を行う。この際、複合体の厚さは２８％薄くされ、これが最終寸法に相当する。

次いで、得られた複合体を５５０℃で２時間焼き鈍しする。その後、９５ｍｍの幅及び１．５６ｍｍの厚さの寸法で裁断する。

この例では、軸受け金属の降伏点は約１５０〜１７０ＭＰａである。

該方法の更に別の態様では、銅合金は粉末の形で帯状鋼上に散布し、そして保護ガス雰囲気中での６８０℃の温度及び１０〜２０分間の少なくとも一回の焼結処理によって焼結する。

該方法の更に別の態様では、銅合金は１０００℃〜１２５０℃の温度で帯状鋼上に鋳造する。この際、この帯状鋼は、好ましくは、１０００℃を超える温度に予熱しておく。次いで、１〜５分内、特に２〜４分内で１００℃以下の温度に冷却する。

次に続く圧延及び焼き鈍し工程は、ロール圧接の別の態様である。

スパッタ層の例を以下の表２に纏める。

上記の全ての滑り層は、上記銅合金からなる軸受け金属層及び上記初期なじみ層と組み合わせることができる。

これらの組み合わせ層の上に施工される初期なじみ層としては、スズまたはインジウムのそれぞれ単独の層や、上記の全ての電気メッキ層及び樹脂層を使用することができる。この際、好ましくは、使用した滑り層よりも柔らかい初期なじみ層を選択するべきである。

Claims (23)

1. 鋼製のキャリア層、０．５〜５重量％のニッケル、０．２〜２．５重量％のケイ素、≦０．１重量％の鉛及び残部の銅を含んでなる銅合金製の軸受け金属層、及びＰＶＤ法によって前記軸受け金属層の上に直接施工された滑り層を有する滑り軸受け複合材料。
2. 前記銅合金が、０．０５〜２重量％の割合でマンガンを含むことを特徴とする、請求項１の滑り軸受け複合材料。
3. ケイ素に対するニッケルの重量比が２．５〜５であることを特徴とする、請求項１または２の滑り軸受け複合材料。
4. 軸受け金属層が、０．０５〜０．４重量％の割合で微量添加元素を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
5. 微量添加元素が、クロム、チタン、ジルコニウム、亜鉛及び／またはマグネシウムであることを特徴とする、請求項４の滑り軸受け複合材料。
6. 軸受け金属層とキャリア層との間が、場合よっては中間層を介して、ロール圧接によって接合されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
7. 軸受け金属層が焼結層であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
8. 軸受け金属層が鋳造層であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
9. 滑り層がスパッタリングによって施工されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
10. スパッタ層が、アルミニウム−スズ合金、アルミニウム−スズ−ケイ素合金、アルミニウム−スズ−銅合金、アルミニウム−スズ−ケイ素−銅合金、またはアルミニウム−スズ−ニッケル−マンガン合金からなることを特徴とする、請求項９の滑り軸受け複合材料。
11. 前記合金において、スズの割合が８〜４０重量％であり、銅の割合が０．５〜４．０重量％であり、ケイ素の割合が０．０２〜５．０重量％であり、ニッケルの割合が０．０２〜２．０重量％であり、そしてマンガンの割合が０．０２〜２．５重量％であることを特徴とする、請求項１０の滑り軸受け複合材料。
12. 滑り層の上に初期なじみ層が設けられることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
13. 初期なじみ層が、スズ層、鉛層、銅層またはインジウム層あるいは樹脂層として形成されることを特徴とする、請求項１２の滑り軸受け複合材料。
14. 軸受け金属層の厚さが０．１〜０．８ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
15. 滑り層の厚さが４〜３０μｍであることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
16. 初期なじみ層の厚さが０．２〜１２μｍであることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一つの滑り軸受け複合材料。
17. 滑り軸受けシェルのための、請求項１の滑り軸受け複合材料の使用。
18. 滑り軸受け複合材料、特に滑り軸受けシェルなどの滑り軸受け要素のための滑り軸受け複合材料の製造方法であって、次の工程、すなわち
    − 請求項１に従う銅合金から帯状材料を製造し、そしてこの帯状材料を、場合によっては中間層も使用して、鋼製キャリア層上にロール圧接して複合体を製造する工程、
    − 前記複合体を、次の工程で熱機械的に処理する工程、
    − ５５０℃〜７００℃で２〜５時間の前記複合体の少なくとも一回の第一の焼き鈍し工程、
    − ２０〜３０％の変形度で行われる、前記複合体の少なくとも一回の第一の圧延工程、
    − ５００℃〜６００℃での１時間を超える時間の少なくとも一回の第二の焼き鈍し工程、
    を含む、前記方法。
19. 滑り軸受け複合材料、特に滑り軸受けシェルなどの滑り軸受け要素のための滑り軸受け複合材料の製造方法であって、次の工程、すなわち
    −請求項１に従う銅合金を、鋼製のキャリア層上に施工して複合体を製造する工程、
    −５５０℃〜７００℃で２〜５時間の第一の焼き鈍し工程が統合された、前記複合体を焼結する工程、
    −次の工程で前記複合体を熱機械的に処理する工程、
    −２０〜３０％の変形度で行われる、前記複合体の少なくとも一回の第一の圧延工程、
    −５００℃〜６００℃での１時間を超える時間の少なくとも一回の第二の焼き鈍し工程、
    を含む、前記方法。
20. 滑り軸受け複合材料、特に滑り軸受けシェルなどの滑り軸受け要素のための滑り軸受け複合材料の製造方法であって、次の工程、すなわち
    − 請求項１に従う銅合金を、鋼製のキャリア層の上に鋳造して複合体を製造する工程、
    − 次の工程で前記複合体を熱機械的に処理する工程、
    − ５５０〜７００℃の温度での２〜５時間の前記複合体の少なくとも一回の第一の焼き鈍し工程、
    − ２０〜３０％の変形度で行われる、前記複合体の少なくとも一回の第一の圧延工程、
    − ５００〜６００℃の温度で１時間よりも長い時間の少なくとも一回の第二の焼き鈍し工程、
    を含む、前記方法。
21. 前記第二の焼き鈍し工程の後に、最大３０％の変形度で第二の圧延工程を行い、それに次いで、＞５００℃の温度で少なくとも１時間、第三の焼き鈍し工程を行うことを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか一つの方法。
22. 滑り軸受け要素、特に滑り軸受けシェルを製造する方法であって、
    ・請求項１８〜２１のいずれか一つに従い複合体を製造し、
    ・この複合体からシートを切り離し、
    ・これらのシートを滑り軸受け要素に変形加工し、そして
    ・滑り層をスパッタリングにより施工する、
    ことを特徴とする、前記方法。
23. 滑り層のスパッタリングの後に、初期なじみ層をその上に施工することを特徴とする、請求項２２の方法。