JP7074477B2 - 滑り軸受部材 - Google Patents

Description

本発明は、支持層と滑り層とを有する滑り軸受部材に関するものであって、滑り層が銀、又はＣｕ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｏからなるグループから選択された、５重量％の最大含有量の他の金属を有する銀からなり、滑り層が粒を有するマイクロ構造を有し、かつ滑り層厚を有している。

本発明は、さらに、支持層と、粒を有するマクロ構造を備えた滑り層とを有する滑り軸受部材を形成する方法に関するものであって、銀又は５重量％の最大含有量の他の金属を有する銀からなる滑り層厚を有する滑り層が形成される。

モータジェネレーション及び駆動装置ジェネレーションを開発する際に出力密度が高くなる傾向は、摩耗に強い走行層の開発への挑発を増大させる。しばしばこの耐摩耗性は、高い汚れ不感性及びなじみやすい進入挙動に対する要請と結びついている。材料及び方法開発における他の傾向は、環境を害する材料又はプロセスから方向転換することであるが、既存の従来の滑り軸受材料のトライボロジカルな、又は機械的な特性は維持され、又はそれを上回るようにされる。

これらの開発を実行するために、滑り軸受技術において、滑り軸受の必要な特性が複数の層に分割される。それによって個々の層はその特性プロフィールに関して最適化することができる。

しかしまた、いわゆる勾配層を有する滑り軸受も知られている。その場合には特性、特に層の硬さは層厚にわたって変化する。通常、これは、合金成分のために濃度勾配を形成することを介して行われる。それによって、たとえば、滑り軸受の層厚にわたって、異なる混合相もしくは金属間化合物の析出を行うことができ、それがまた、滑り層内部で異なる硬さをもたらす。しかしその場合に、特に、金属間化合物は、通常もろいものであり、したがって滑り層の破断の危険を表すことが、欠点である。

本発明の課題は、モータもしくは駆動装置のより高い出力密度に対する上述した要請を考慮した、滑り軸受部材もしくはそれを形成する方法を提供することである。

本発明の課題は、冒頭で挙げた滑り軸受部材において、マイクロ構造が滑り層厚にわたって、滑り層の支持層に近い第２の表面の領域内の粒の球状の形態から、滑り層の支持層から離隔した第１の表面の領域内の粒の長手方向の延びを有する少なくともほぼ柱状の形態へ変化することによって、解決される。

さらに、本発明の課題は、冒頭で挙げた方法によって解決され、その方法において滑り層を形成する間の温度が変化され、かつそれによってマイクロ構造が滑り層厚にわたって滑り層の支持層に近い第２の表面の領域内の粒の球状の形態から、滑り層の支持層から離隔した第１の表面の領域内で粒の長手方向の延びを有する少なくともほぼ柱状の形態へ変化される。

その場合の利点は、滑り層が個々の金属のみから－最大１重量％の他の金属は、銀の通常の不純物である－比較的容易に形成することができ、それにもかかわらずこの滑り層が良好な進入挙動を示すことである。したがって滑り層は、滑り軸受の駆動の開始時における進入層としても、進入段階後の通常の滑り軸受駆動の間それ自体滑り層としても、用いられる。１つの金属のみからなる構造は、金属間相の形成を排除する。滑り層の付加的な機能性「進入層」によって、この目的のために付加的に形成すべき層の必要性がなくなり、それによって滑り軸受部材は比較的簡単に構成されており、したがって滑り軸受部材を形成する方法をより簡単に構成することができる。他方で、滑り層は球状の粒によってそれなりに硬く、それによってモータ又は駆動装置における耐摩耗性に対する高い要請を満たすことができる。他の言葉で表現すると、滑り層が唯一の金属からなり、又は最大５重量％の少なくとも１つの他の金属を有する合金からなるにもかかわらず、滑り層は一方の表面の領域内では汚れ粒子のためのそれなりの埋め込み可能性を有し、他の表面においては、必要な耐久性を有している。

さらに実施変型例によれば、滑り層は、１０μｍと１００μｍの間の滑り層厚を有することができる。１０μｍ未満は、滑り層の２機能性をまだ充分な程度で形成することは、困難である。他方で、１００μｍを越えて滑り層厚をさらに増大させることは、長時間安定性に関して本質的な改良をもたらさない。

滑り軸受部材の他の実施変形例によれば、葉柄形状のマイクロ構造は滑り層の表面から、最小１０％かつ最大９５％の滑り層の深さまで達することができる。それによって、滑り軸受部材は比較的長い期間にわたって、その滑り能力の特性と汚れ粒子のための埋め込み可能性を維持する。粒の球状の割合が１０％の層厚よりも小さい場合に、その上に形成される、柱状の粒からなる他の層は、もはや充分な支援を受けない。他方で、粒の球状の割合が９５％より多い層厚においては、滑り層がすでに比較的硬くなり、それによって進入段階後にすでに短い時間内に上述した特性が減少されてしまう。

さらに、滑り層は、支持金属層上に直接配置して、それと結合することができ、それによって球状の粒による柱状の粒のための支持作用は、支持金属層によって直接改良することができる。したがってさらに、柱状の形態を有する粒を備えた、より厚い部分層に、より長い耐久時間を与えることができる。さらに、この滑り層を支持層上に直接配置することによって、滑り軸受部材の層構造を形成するための方法ステップの削減によって、方法の簡略化がもたらされる。

滑り層のノーマル駆動における進入特性及び走行特性に関して上述した効果をさらに改良するために、柱状の形態を有する粒の長手方向の延びが、滑り層の第１の表面に対して少なくともほぼ垂直に方向付けされており、又は粒の長手軸線がこの垂直の方向付けから最大３０°変位していると、効果的である。

滑り層のノーマル駆動における進入特性と走行特性に関する上述した効果の改良は、柱状のマイクロ構造を有する粒の長手方向の延びが、柱状のマイクロ構造を有する粒の幅方向の延びの少なくとも２倍に相当する場合にも、観察することができた。この形態によって、柱状の形態を有する粒は、滑り軸受部材の周方向および軸方向において互いにより良好に支持し合う。

支持層と滑り層の間、もしくは滑り層とその下に配置されている、滑り軸受部材の層との間に改良された結合ゾーンを形成するために、球状の形態を有する粒の平均的な直径が、柱状の形態を有する粒の長手方向の延びにおける長さの最大で２０％であるように、することができる。さらに、より細かい粒によって、球状の粒を有する滑り層領域は、より高い硬さとそれに伴って、剛性と耐摩耗性に関して改良された長時間挙動を有することができる。

方法の実施変形例によれば、滑り層を形成する間の温度を上昇させることができる。それによって所望の組織の形成をより簡単に得ることができる。

本発明をよりよく理解するために、以下の図を用いて本発明を詳細に説明する。
図は、それぞれ著しく簡略化された図式的な表示である。

滑り軸受ハーフシェルの形式の滑り軸受部材を示す側面図である。 滑り軸受のマイクロ組織の変化をその層厚にわたって示す図式的な表示である。

最初に記録しておくが、異なるように記載される実施形態において、同一の部分には同一の参照符号ないし同一の構成部分名称が設けられており、その場合に説明全体に含まれる開示は、同一の参照符号ないし同一の構成部分名称を有する同一の部分へ意味に従って移し替えることができる。また、説明内で選択される、たとえば上、下、側方などのような位置記載は、直接説明され、かつ示される図に関するものであって、この位置記載は位置が変化した場合には意味に従って新しい位置へ移し替えられる。

図１は、滑り軸受シェルの形式の多層の滑り軸受部材１（多層滑り軸受）を側面図で示している。示されているのは、この滑り軸受部材１の好ましい２層の実施形態であって、金属の支持層２と、支持層２のすぐ上に配置されている滑り層３からなる。その場合に滑り層３は、軸承すべき構成部品がその上を滑り移動する層である。

なお、他の層、したがってたとえば、図１に３層の変形例として破線で示すように、滑り層３と支持層２の間に軸受金属層４を配置することができ、その場合に軸受金属層４が直接支持層２の上に、そして滑り層３が直接軸受金属層４の上に設けられている。同様に滑り層３と軸受金属層４の間及び／又は支持層２と滑り層３又は軸受金属層４の間に付着仲介層及び／又は拡散阻止層を、又は滑り層３の上に進入層を配置することができる。さらに、支持層２の後ろ側にすり減り防止層を配置することができる。

滑り軸受部材１は、図１に示すのとは異なるように、たとえば軸受ブッシュとして、形成することもできる。同様に助走リング、軸方向に走行する滑りシュー又は同種のものとしての形成も、可能である。また、１８０°とは異なる角度領域をカバーする、滑り軸受部材１も、可能である。支持層２は、場合によっては、そのアイが滑り層３によって直接コーティングされている、コネクティングロッドとすることもできる。一般的に、滑り軸受部材１を形成するための滑り層３は、たとえば飛行機駆動装置のための歯車のように、構成部品上に直接塗布することができる。したがって滑り軸受部材１は、狭い意味における、したがってたとえば滑り軸受ハーフシェルの意味における、従来の滑り軸受ではない。むしろ、滑り軸受部材１は、滑り層３を有する部材と考えられる。その場合に、直接コーティングする場合には、部材自体が支持層２となる。

支持層２は、滑り軸受部材１に必要な構造強度を与える材料からなる。しかし、滑り軸受部材１の好ましい実施変形例において、それは、鋼からなる。

軸受金属層４を配置しようとする場合に、そのために周知の従来技術から知られた様々な合金を使用することができる。しかし好ましくは、軸受金属層４は、青銅、特に鉛と銅の化合物からなる。

軸受金属層４は、滑り軸受技術から知られた従来の方法で支持層２上に形成もしくは配置することができる。たとえば、支持層２と軸受金属層４からなるバイメタルを、軸受金属層４上に圧延によって形成することができる。同様に支持層２上に軸受金属層４を鋳造形成することができる。場合によってはこのバイメタルは、変形され、かつ／又は切削加工される。

付着媒介層又は拡散防止層が設けられている場合に、これらは、そのために知られた従来の材料からなることができる。

滑り層３は、１００重量％まで銀から、又は、場合によっては５重量％まで、特に０．０１重量％と５重量％の間の少なくとも１つの他の金属及び場合によっては通常の不純物を有することができる銀からなる。したがって滑り層３は、不純物を除いて、唯一の金属から、すなわち純銀又は超純銀から、又は銀合金からなる。他の金属として、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｏを有する、又はそれらからなるグループから選択された、少なくとも１つの金属が考慮される。

各金属のように、滑り層３の銀も、前処理もしくは分離方法によって定められる、マイクロ構造５を有している。滑り層３のマイクロ構造５が、図２に図式的に示されている。

このマイクロ構造５内に、第１の粒６と第２の粒７が形成されており、それらは粒境界を介して互いに添接している。

第１の粒６は、滑り層３の第１の表面８に連続して配置もしくは形成されている。第２の粒７は、滑り層３の第２の表面９に連続して配置もしくは形成されている。その場合に第２の表面９は、滑り層３の、支持層２の近傍に位置する表面である。滑り軸受部材１の好ましい実施変形例において、滑り層３は第２の表面９を介して支持層２に添接する。したがって第１の表面８は、滑り軸受部材１の２つの表面のうちの、支持層２からさらに離れた表面である。特に、軸承すべき構成部品は、この第２の表面９に接して滑り移動する。したがって第２の表面９は、滑り軸受部材１がハーフシェルまたはブッシュとして形成される場合に、滑り層３の径方向内側の表面であり、第１の表面８は径方向外側の表面である。

第１の粒６は、柱状の形態を有している。この柱状の形態は、少なくともほぼ柱状の形態と称することもできる。

粒６は、本発明の主旨において、粒６の長手方向の延び１０が、粒６の幅方向の延び１１の少なくとも１．５倍である場合に、柱状の形態を有する。

第１の粒６とは異なり、第２の粒７は球状の形態を有している。

粒７は、本発明の主旨において、粒７の長手方向の延び１０が、粒７の幅方向の延び１１の１．５倍より少なく、特に１．３倍より少ない場合に、球状の形態を有し、したがって球状の粒７は、少なくともほぼ球形であることができる。

滑り層３は、第１の表面８から第２の表面９へ、全滑り層厚１２を有している。好ましい実施変形例において、滑り層厚１２は、下限の１０μｍ、特に１５μｍと上限の１００μｍの間の領域から選択されている。

第１の粒６は、滑り層の第１の表面８から滑り層の第２の表面９の方向に滑り層３の第１の深さ１３まで形成もしくは配置されており、第２の粒７は、第２の表面９から滑り層の第１の表面８の方向に滑り層３の第２の深さ１４まで形成もしくは配置されている。第１の深さ１３と第２の深さ１４は、合計で全滑り層厚１２をもたらす。したがって滑り層３の内部で第１の粒６の柱状の形態が、第２の粒７の球状の形態へ変化している。

なお、ここで指摘しておくが、第１の粒６が柱状の形態のみを有し、第２の粒７が球状の形態のみを有していると、効果的ではある。しかし、第１の粒６が圧倒的に柱状の形態を有し、第２の粒７が圧倒的に球状の形態を有する、滑り層３の実施変形例も可能である。「圧倒的」という表現は、第１の表面８と滑り層層厚１２の第１の深さ１３とによって定められる、滑り層３の体積内の第１の粒６の全体に関して、第１の粒６の少なくとも８０％、特に少なくとも９０％の割合が、柱状の形態を有しており、第１の表面８と滑り層層厚１２の第２の深さ１４とによって定められる、滑り層３の体積内の第２の粒７の全体に関して、第２の粒７の少なくとも８０％、特に少なくとも９０％の割合が球状の形態を有していることを、意味している。

滑り層３のマイクロ構造内のこの変化は、滑り層３の形成もしくは析出の間に温度が変化されることによって、形成することができる。好ましくは、滑り層３は、ＰＶＤ方法により、特にカソードスパッタリングによって形成され、もしくは滑り層３の下方に配置された層、特に支持層上に析出される。その場合に、滑り層３の形成もしくは析出の間に温度が上昇されると、さらに効果的である。特に温度は、１０℃から５０℃の領域から選択される値だけ上昇させることができる。

滑り軸受部材１の実施変形例によれば、滑り層３の柱状のマイクロ構造は、滑り層３の第１の表面８から滑り層３の深さ１３内へ、少なくとも１０％、特に少なくとも２０％かつ最大で９５％、特に最大で７５％達することができる。これは、特に温度変化の記載された領域内での、適切な温度ガイドを介して達成することができる。

さらに、図２の左の部分に示すように、柱状の形態を有する第１の粒６の、その長手方向の延び１０が滑り層３の第１の表面８に対して少なくともほぼ垂直に方向づけされている場合、又は第１の粒６の長手軸線１５がこの垂直の方向付けかから最大で３０°、特に最大で２０°、好ましくは最大で１０°の角度１６だけ変位していると、効果的である。これは同様に、特に温度変化の記載の領域内で、適切な温度ガイドを介して達成することができる。

すでに上で説明したように、柱状の第１の粒６は、長手方向の延び１０が幅方向の延び１１の少なくとも１．５倍となる粒である。しかし、柱状の第１の粒６が、幅方向の延びの少なくとも２倍、特に少なくとも３倍、好ましくは少なくとも４倍となる長手方向の延び１０を有する、滑り軸受部材１の実施変形例が効果的である。滑り軸受部材１のこの実施変形例も、特に温度変化の記載の領域内で、適切に温度ガイドすることによって達成することができる。

球状の形態を有する第２の粒７の平均的な直径は、好ましくは、柱状の形態を有する第１の粒６の長手方向の延び１０の長さの好ましくは最大で２０％である。これは、滑り層の析出の開始時に温度を適切に選択することによって得ることができる。柱状の粒６の長さは、たとえば４μｍと８０μｍの間である。

なお、第１の粒６の長手方向の延び１０というのは、それぞれの第１の粒がその最大の長さを有する方向であることを、指摘しておく。したがって幅方向の延び１１というのは、長手方向の延び１０に対して垂直の方向である。その場合にそれぞれの粒のこの方向における最大の寸法が考慮される。

その場合に、先だって、第１の粒６の長手方向の延び１０への相対関連づけが行われている限りにおいて、柱状の形態を有する２０の個別粒の長手方向の延び１０の、すなわち長さの、算術的平均として計算される、平均の長手方向の延びが挙げられる。

球状の形態を有する第２の粒７の平均の直径というのは、それぞれ考慮される粒７を完全に包み込む球の直径の２０の個別値の算術的平均である。

滑り層３のマイクロ構造の球状と柱状の形態の間の移行は、飛躍的に形成することができる。したがって、滑り層３の硬さも、高硬度の第２の表面９における硬さから、それに比較した低硬度の第１の表面８の硬さに変化する。しかし好ましくは、滑り層厚１２の方向に横断面にわたって見て、第１の粒６の形態が第２の粒７の形態へ勾配形状に変化することにより、硬さ勾配が形成される。その場合に、第２の表面９の領域内で、したがって滑り層３の析出の始端において、最小の直径を有する第２の粒７を析出することができる。滑り層３の析出の間の温度上昇によって、最初の析出された粒７上に析出もしくは形成される第２の粒７は、それに比較してより大きい直径で析出もしくは形成することができる。滑り層３の析出方法の続行につれて、さらに温度が上昇することにより、第２の粒７がより大きくなって、第１の粒６の柱状の形態まで変化する。さらに温度が上昇することにより、第１の粒６がつねに増大する長手方向の延び１０をもって析出もしくは形成され、ついには第１の表面においてその最大の長手方向の延びに達する。この方法の結果が、図２の右の部分に図式的に示されている。

なお、この方法の枠内において、たとえば最大の長手方向の延びを有する第１の粒６の下方に、それに比較して小さい長手方向の延び１０を有する少数の第１の粒６が見られることもあることを、指摘しておく。しかしこれは、この方法の枠内において、滑り層厚１２の横断面にわたって、特に連続的に減少する硬さを有する、硬さ勾配が形成される間、一緒に含まれるものである。

滑り軸受部材を評価するために、特に以下の実施例が形成された。そのために、以下の条件のもとで、ハーフシェルに変形された、鋼からなる支持層２上にそれぞれＤＣマグネトロンスパッタリングによって純銀からなる滑り層３が析出された。

表面と結合ゾーンにおける硬さ値の関係の同様な結果は、純銀の代わりに、元素Ｃｕ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｏの少なくとも１つの最大で５重量％の割合を有する銀合金が形成される場合に、得られる。したがってこの結果を示すことは、省く。

プロセスガス圧は、一般的に、０．３Ｐａから１０Ｐａの領域から選択することができる。場合によっては、滑り層の粒の形態を析出の間のプロセスガス圧の変化を介して、特に温度変化とともに、変化させることも、可能である。

プロセスガスとして、アルゴン又はクリプトンガスの少なくとも１つが使用される。しかしまた、他のガス、特に不活性ガスも使用することができる。

実施例は、滑り軸受部材１の可能な実施変形例を示し、もしくは記述しており、その場合にここに記録しておくが、個々の実施変形例を互いに様々に組み合わせることも可能である。

最後に形式的に指摘しておくが、滑り軸受部材１の構造をさらによく理解するために、滑り軸受部材もしくはその構成部品は、部分的に縮尺通りではなく、かつ／又は拡大及び／又は縮小して示されている。

１ 滑り軸受部材
２ 支持層
３ 滑り層
４ 軸受金属層
５ マイクロ構造
６ 粒
７ 粒
８ 表面
９ 表面
１０ 長手方向の延び
１１ 幅方向の延び
１２ 滑り層厚
１３ 深さ
１４ 深さ
１５ 長手軸線
１６ 角度

Claims (9)

1. 支持層（２）と、滑り層（３）とを有する滑り軸受部材（１）であって、
   前記滑り層（３）が銀、又はＣｕ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｏからなるグループから選択された５重量％の他の金属の最大含有量を有する銀からなり、
   前記滑り層（３）が粒（６、７）を備えたマイクロ構造を有し、かつ、滑り層厚（１２）を有する滑り軸受部材（１）において、
   前記マイクロ構造が、滑り層厚（１２）にわたって、前記滑り層（３）の前記支持層（２）に近い第２の表面（９）の領域内の粒（７）の球状の形態から、前記滑り層（３）の前記支持層（２）から離隔した第１の表面（８）の領域内で前記粒（６）の長手方向の延び（１０）を有する少なくともほぼ柱状の形態へ変化し、
   前記滑り層（３）はＰＶＤ析出層であり、
   前記滑り層（３）の硬さは、滑り層厚みの方向で横断面にわたって硬さ勾配を形成し、球状の粒（７）の形態が柱状の粒（６）の形態に勾配を有して変化する、ことを特徴とする滑り軸受部材（１）。
2. 前記滑り層（３）はカソードスパッタリング層である、ことを特徴とする請求項１に記載の滑り軸受部材（１）。
3. 前記滑り層（３）が、１０μｍと１００μｍの間の滑り層厚（１２）を有している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の滑り軸受部材（１）。
4. 柱状の前記マイクロ構造が、前記滑り層（３）の前記第１の表面（８）から、前記滑り層全体の厚み（１２）の最小１０％かつ最大９５％の前記滑り層（３）の深さ（１３）内まで達する、ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の滑り軸受部材（１）。
5. 前記滑り層（３）が、前記支持層（２）上に直接配置され、該支持層（２）と結合されている、ことを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の滑り軸受部材（１）。
6. 柱状の形態を有する前記粒（６）の長手方向の延び（１０）が、前記滑り層（３）の第１の表面（８）に対してほぼ垂直に方向付けされており、又は粒（６）の長手軸線（１５）がこの垂直の方向付けから最大３０°だけ変位している、ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の滑り軸受部材（１）。
7. 柱状のマイクロ構造を有す前記粒（６）の長手方向の延び（１０）が、柱状のマイクロ構造を有する前記粒（６）の幅方向の延び（１１）の少なくとも２倍であり、前記長手方向の延び（１０）は２０個の柱状の形態を有する粒に基づいて計算された長手方向の延びの算術的平均値である、ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の滑り軸受部材（１）。
8. 球状の形態を有する前記粒（７）の平均の直径が、柱状の形態を有する前記粒（６）の長手方向の延び（１０）における長さの最大で２０％である、ことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の滑り軸受部材（１）。
9. 支持層（２）と、粒（６、７）を備えたマイクロ構造を有する滑り層（３）とを有する、滑り軸受部材（１）を形成する方法であって、
   滑り層厚（１２）を有する滑り層（３）が、銀、又はＣｕ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｏからなるグループから選択された５重量％の他の金属の最大含有量を有する銀からＰＶＤ方法によって形成される方法において、
   前記滑り層（３）を形成する間の温度が、１０℃から５０℃の領域から選択された値だけ上昇され、かつそれによって前記滑り層厚（１２）にわたってマイクロ構造が、前記滑り層（３）の前記支持層（２）に近い第２の表面（９）の領域内の前記粒（７）の球状の形態から、前記滑り層（３）の前記支持層（２）から離隔した第１の表面（８）の領域内で前記粒（６）の長手方向の延び（１０）を有する少なくともほぼ柱状の形態へ変化する、ことを特徴とする滑り軸受部材（１）を形成する方法。

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