JP6400300B2 - ベアリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、１つのベアリングと、１つの対向部材を有するベアリング対を備えたベアリングシステムであり、その際、ベアリング対の少なくとも１つのトレッド上にコーティングがベアリング特性の改善のために被着されている。

ベアリング特性を改善させるために、ベアリング対のトレッドをコーティングすることが公知である。殊に、コーティングが摩耗層として使われ、その際、摩耗層は、ベアリングの各構成部品での測定許容偏差を補償する。内燃機関のベアリングでは、ダイアモンドライクカーボン製の硬質材料層（ＤＬＣ膜）が使用されている（例えば、各刊行物特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５に記載されている）。しかし、ＤＬＣ膜は、非常に硬く、不均一な塗布になり易い。コネクティングロッドの上側のベアリングで、ピストンピンがベアリングブッシュ内で収縮し、その結果、高い損耗を引き起こし、ベアリングの遊びが拡大してしまう。更に、ＤＬＣ膜は高価である。

ベアリングシステムでは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）製の各層も使用されている。幾つかの場合には、この各層は、中間層として又は接着増進層として使われる（例えば、各刊行物特許文献６、特許文献７、及び、特許文献８に記載されている）。各メッキ浴内での各ローラに、ＳｉＯ_２を含有していて、数μｍの各層厚を有する各表面層が設けられている。特許文献９及び特許文献１０には、そのような各層を溶射により被着することが提案されている。そのような厚い各層は、各ベアリング対向部材の高い嵌め合い精度が必要であるベアリングシステム用には適していない。

国際公開番号９６／０４４８５ ドイツ公開特許１０２００４０１８９２１Ａ１ ドイツ公開特許１０２００５０４３２１７Ａ１ ドイツ公開特許１０２００６０１５８８８Ａ１ ドイツ公開特許１０２００８０２５６８１Ａ１ ドイツ公開特許２９２６０８０Ａ１ アメリカ登録特許６４９９８８１Ｂ２ ドイツ公開特許１００１８６８８Ａ１ 日本公開特許０８０５３７４９Ａ 日本公開特許０６２２８７２４

発明が解決しょうとする課題

本発明の課題は、改善されたベアリングシステムを提供することにある。殊に、少なくとも1つのトレッド上を適切にコーティングすることによって、ベアリングシステムのならし特性を改善する必要がある。このコーティングは、ベアリングシステムにとって、高い嵌め合い精度で適合化される必要がある。

本発明は、ベアリングシステムに関して請求項１の各要件によって示され、つまり、本発明によると、コーティングは、主成分がアモルファスＳｉＯ_２である層を有していることによって課題を解決することができる。各従属請求項は、本発明の有利な各実施例を示す。

本発明は、少なくとも１つのベアリングと、少なくとも１つの対向部材を有するベアリング対を備えたベアリングシステムを含む。本発明によると、ベアリング対の少なくとも１つのトレッド上に、主成分がアモルファスＳｉＯ_２である層を有しているコーティングが被着されている。

その際、本発明は、各ベアリング特性を改善するために、主成分がアモルファスＳｉＯ_２である層を有しているベアリング対のトレッドをコーティングするという考察に基づいている。主成分という概念は、これとの関連で、層が、アモルファスＳｉＯ_２の５０重量％より多く、有利には、少なくとも８０重量％からなるということを示す。アモルファスＳｉＯ_２とは、本発明の範囲内では、モノマー分子又は小オリゴマーから構成されたＳｉＯ_２構造のことであり、つまり、適切な前駆体によって形成されて、構造化のために反応するＳｉＯ_２構造のことであるが、例えば、溶融流動から、又は、溶射によるような溶融状態について示されるアモルファスＳｉＯ_２構造のことではない。

アモルファスＳｉＯ_２層の特性に基づいて、アモルファスＳｉＯ_２層は、各ベアリング対の各トレッド上に使用するのに、結晶ＳｉＯ_２層よりも一層良好に適している。各原子の長距離秩序なしのために、アモルファスＳｉＯ_２層は、結晶ＳｉＯ_２層よりも弾性的であり、脆弱ではなく、及び、サブストレートから剥がれにくい。本発明のアモルファスＳｉＯ_２層の形成の場合、層は、サブストレート上に形成されており、その際、局所的だが、面付着性の均等な個別の反応性のモノマー分子又は小オリゴマー（適切な前駆体によって形成される）が積層されている。サブストレート近傍のＳｉＯ_２構造の、サブストレートへの付着力は、その上に位置しているＳｉＯ_２構造内部の凝集力よりも強い。ベアリングシステムでは、各アモルファスＳｉＯ_２層は、有利には、金属サブストレート上に被着されている。

本発明のベアリングシステムは、ラジアルベアリングとしても転がり軸受としても実施することができる。アモルファスＳｉＯ_２層の各利点は、殊にラジアルベアリングの場合に作用する。

本発明の有利な実施例では、層は、少なくとも９０重量％のアモルファスＳｉＯ_２製にすることができる。層は、コーティング工程に基づいて不可避である不純物を含むことがある。この不純物には、前駆体並びに水素原子及びヒドロキシ基からなる有機ラジカルがあげられる。

本発明の有利な実施例では、アモルファスＳｉＯ_２製の層は表面層として被着することができる。サブストレート上の種々異なる複数の層から形成された層システムでは、サブストレートから最も遠く離隔した機能層は表面層と呼ばれる。つまり、この表面層は、最上部の機能層を呈しており、従って、ベアリング対の他方の対向部材と直接又は間接的にトライボロジカルに相互作用する。アモルファスＳｉＯ_２製の層の高い弾性により、理想的にはベアリング対のトレッド上の非平坦性が補償される。本発明は、アモルファスＳｉＯ_２製の層上に、非機能性の、別のカバー層が被着されている実施例も含む。殊に、カバー層の僅かな厚みに基づいて、機能性が予期できないか又は些末な機能性しか予期できないカバー層もこの実施例に含まれる。これは、殊に、１０ｎｍより小さな厚みのカバー層の場合に想定することができる。

有利には、本発明のベアリングシステムの場合、アモルファスＳｉＯ_２製の層は、摩耗層であることができる。摩耗層は、ベアリング、及び／又は、 対向部材の製造に依存する形状偏差を補償するために使われる。摩耗層は、この目的のために、ならし過程中少なくとも部分的に摩耗することができる。アモルファスＳｉＯ_２層では、サブストレート近傍のＳｉＯ_２構造の、サブストレートへの付着力は、当該サブストレート近傍のＳｉＯ_２構造の上に位置しているＳｉＯ_２構造内の凝集力よりも強い。この特性は、摩耗層として使用するために重要である。と言うのは、この層を面状に切除せずに、コーティングの極小の各要素を切除することができるからである。更に、層の切除される各要素は弾性であって硬くない。この各要素は、各トレッド間に残存した場合ですら、ベアリング対の作動特性に否定的な影響を及ぼさない。アモルファスＳｉＯ_２層の、摩耗層としての利点は、殊に、ラジアルベアリングの滑り面で作用することができる。

本発明の有利な実施例では、アモルファスＳｉＯ_２製の層は、少なくとも１０ｎｍ及び高々５００ｎｍの厚みを有することができる。１０ｎｍより小さな厚みは、層の有利な特性を実現するためには不十分である。５００ｎｍ超の層厚では、層が脆化する。本発明の特に有利な実施例では、アモルファスＳｉＯ_２製の層は、少なくとも１００ｎｍ及び高々３００ｎｍの厚みを有していることができる。少なくとも１００ｎｍの層厚では、アモルファスＳｉＯ_２層の利点は十分に作用する。他方、層厚を増大すると、コーティング時間が長くなり、従って、処理コストが増大する。３００ｎｍの上側限界値は、経済的であることが分かる。更に、層の厚みを最大２５０ｎｍに限定すると有利であり得る。と言うのは、その際、コーティングすべき構成部品の製造時に当該構成部品の寸法を考慮する必要がないからである。

本発明の有利な実施例では、アモルファスＳｉＯ_２製の層の厚みは、被着面の９０％で、＋／−１０％より多く前記層の平均厚みと相違していないようにするとよい。アモルファスＳｉＯ_２層は、非常に均等な層厚によって特徴付けられる。層厚の局所的な変動、例えば、各構成部品の各縁部での突起は、極めて僅かしか生起しない。従って、コーティングすべき構成部品の製造許容偏差内の層厚の、そのような変動を考慮する必要はない。コーティングすべき構成部品は、何ら問題なく取り付けることができる。この構成部品は、均等なならし特性及び均等なトライボロジカルな特性によって特徴付けられる。

有利には、アモルファスＳｉＯ_２製の層は、更に有機ラジカルを含有しているようにすることができる。このために、前駆体からなる有機ラジカルの他に、表面エネルギ及び従ってシステムの濡れ特性に影響することができる機能的な添加物も挙げられる。潤滑剤によるトレッドの濡れは、この関連で有意義である。

有利には、アモルファスＳｉＯ_２製の層は、更に別のセラミック酸化物を含有することができる。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２及びＴｉＯ_２のようなセラミック酸化物は、層の硬度を変更するのに寄与する。このようにして、アモルファスＳｉＯ_２製の層の特性を、それぞれの用途の正確な条件に相応して適合させることができる。

本発明によると、改善されたベアリングシステムを提供することができる。

以下、後述の実施例を用いて、本発明について詳細に説明する。

スチール製ピストンピンは、当該ピストンピンの表面が３００ｎｍ厚のアモルファスＳｉＯ_２製の層でコーティングされた。コーティングされたピストンピンは、コネクティングロッドの、ピストンとの結合部として内燃機関内に組み込まれた。コネクティングロッドエンド内に、銅合金製のラジアルベアリングが組み込まれた。エンジンは、内燃機関用のテストベンチ上でならし試験された。比較対象として、ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン製の硬質材料層）でコーティングされたエンジンが使われた。アモルファスＳｉＯ_２でコーティングされたベアリングシステムは、光学的及び電子光学的な検査の場合に、試験後に明らかに僅かしか損耗しない。更に、アモルファスＳｉＯ_２でコーティングされたピンの場合、ベアリングの遊びの増大は殆ど測定することができなかったが、ＤＬＣコーティングされたピンの場合、ベアリングの遊びは、およそ倍となった。

Claims (8)

1. 少なくとも１つのベアリングと、少なくとも１つの対向部材を有するベアリング対を備えたベアリングシステムであって、その際、前記ベアリング対の少なくとも１つのトレッド上にコーティングが被着されており、そのコーティングは、主成分がアモルファスＳｉＯ _２ である層を有しているベアリングシステムにおいて、前記アモルファスＳｉＯ _２ である層は、更に有機ラジカルを含有していることを特徴とするベアリングシステム。
2. 層は、少なくとも９０重量％のアモルファスＳｉＯ_２製であることを特徴とする請求項１のベアリングシステム。
3. アモルファスＳｉＯ_２製の層は表面層として被着されていることを特徴とする請求項１のベアリングシステム。
4. アモルファスＳｉＯ_２製の層は摩耗層であることを特徴とする請求項１のベアリングシステム。
5. アモルファスＳｉＯ_２製の層は、少なくとも１０ｎｍ及び高々５００ｎｍの厚みを有していることを特徴とする請求項１のベアリングシステム。
6. アモルファスＳｉＯ_２製の層は、少なくとも１００ｎｍ及び高々３００ｎｍの厚みを有していることを特徴とする請求項５のベアリングシステム。
7. アモルファスＳｉＯ_２製の層の厚みは、被着面の９０％で、＋／−１０％より多く前記層の平均厚みと相違していないことを特徴とする請求項１のベアリングシステム。
8. アモルファスＳｉＯ _２ 製の層は、更にセラミック酸化物を含有していることを特徴とする請求項１のベアリングシステム。