JPH02504047A - 支持層に装着した機能層、特に溶融可能な固体分散構造の摩擦軸受層を有する薄層材料又は薄層加工品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 支持層に装着した機能層、特に溶融可能な固体分散構造の摩擦軸受層を有する薄 層材料又は薄層加工品この発明は、母材とこの母材中に分散し、少な（とも固体 状態で母材の材料中に溶解しない、ないしは存在量としては溶解度が少ない少な くとも一つの成分を有する固体であるが溶融可能な分散物の構造、あるいは摩擦 のため使用され、それ自体硬く結合し、はぼ溶融可能で、相互に溶解し、場合に よっては部分的に結晶形を示す成分の混合物の構造を備えた支持層に装着された 機能層、特に摩擦軸受層のある薄層材料又は薄層加工品に関する。

この種の薄層材料又は薄層加工品としては、複合摩擦軸受が先ず考えられる。こ の軸受では、機能層を表す摩擦軸受層が分散合金、特に鉛青銅あるいはアルミニ ューム・錫分散合金又はアルミニューム・鉛分散合金によって構成され、軸受の シェルを形成する、主として鋼製の支持層上に装着しである。この場合、鋼・鉛 青銅の１層材料製の複合軸受が、鉛青銅の高い動的負荷特性と良好な定常運転及 び非常運転特性のため、特に重要である。二つの金属が固体状態で完全に溶解し ないので、鉛青銅の機能層中では実際上胴と鉛の機械的な混合物が存在する。こ の混合物は、長い凝固期間をかけた一様な溶融材料から生じる。綱玉に帯鋼処理 で作製される最近の自・鉛青銅の薄層材料は、鉛の含有量が鉛青銅の約２２重量 ％までに制限されている。混合不能内にある鉛含有量、即ち４０重量％と５０重 量％の間にある鉛含有量を有する銅・鉛合金に対する製造上の困難が厳しいため 、現在このような合金は実用的に重要視されていない。鋼支持体と鉛青銅の浸剤 間の金属結合は、溶融材料から凝固した一次銅結晶片と鋼支持体の間の強い金属 結合によって行われている。従って、その様な銅結晶片を形成することが鋼支持 体と鉛青銅層間の良好な結合に興味を引いている。このことは、鉛青銅を鋳造す るため、鋼と銅結晶片間の拡散結合を発生させる約１１００　”Ｃの温度に鋼を 昇温し、その温度に維持する手段によって達成される。

他方、銅結晶片と鉛の析出物による鉛青銅の機能層の異質構造は、一様な機能層 の構造に比べて重大な機能上の欠点がある。アルミニューム・錫分散合金及びア ルミニューム・鉛分散会金製の機能層である摩擦軸受層あるいは異質構造を有す る摩擦目的の考えられる全ての機能層の場合でも、同し状況を呈する。例えば、 互いに溶けないか、あるいは存在量より少ない量が互いに熔解する成分の固化し ほぼ溶融可能な混合物の構造でも同じことである。

西独特許第２９３７１０８号公開公報によれば、軸受合金、特に摩擦軸受合金を 精練する方法は既に公知である。この方法では、摩擦軸受合金を一個又はそれ以 上の強力な集中エネルギービーム又は加熱ビームによって場所的に連続して、し かも点状に溶融している。この場合、エネルギービーム又は加熱ビームを受ける 点状の面を移動させ、機能層の材料中に生じる熱損失によって、溶融体の急激な 冷却が生じる。しかしながら、この公知の方法では、一つの異質材料構造を有す る機能層が点状領域でその全厚さにわたって溶融する。その場合に導入される熱 量は大きいので、意図した象、激な冷却は一新たな凝固時に再び自由になる溶融 潜熱に関して最後ではない−遅く、元の構造に比べてせいぜい幾分精練された異 質構造を形成することになる。分散合金あるいは摩擦のために使用できる他の混 合物製の摩擦軸受層の機能特性を本質的に改善することは、この方法では達成で きない。釦青銅製の機能層の場合、機能層をその全厚さにわたって局部的に溶融 させると、望ましい拡散結合を阻害するか、少なくとも相当悪化させることにな る。

ヨーロッパ特許１３０１７５号明細書及びヨーロッパ特許１３０１７６号明細書 から、摩擦軸受の場合、運転面の制限された領域がレーザービーム又は電子ビー ムによる熱処理を受け、その場合溶かし始めるか又は再熔解させることによって 運転面に種々の硬度の領域を形成できることも公知である。しかし、この場合、 他の合金又は他の合金成分を溶融して種々の硬度にすることが先ず考えられる。

最後に、西独特許第３６３６６４１号明細書及びヨーロッパ特許第２１２９３８ 号明細書により、先ず合金成分を粉状にしてテープ状の支持部材、例えば鋼支持 部材に載せて、この支持部材上に摩擦軸受層を形成することは公知である。粉の 層の上を所定のパターンで寡内されたレーザービームを使用して、前記粉を連続 して局部的に溶解する。この方法で作製される分散合金製の摩擦軸受の場合、鋳 造された分散合金製の機能層の場合よりもより微細な構造が得られる。しかしな がら、この方法でも準−樺な機能層の特性と比較できるように機能特性が得られ ない。更に、点状領域に予め振りかけた粉を連続溶解すると支持層と機能層の間 に望まれる拡散結合を得ることができない。

この発明の課題は、上記に反して、支持層と機能層間の確実な結合、材料的に可 能であれば拡散結合を保証し、他方で機能層がその機能を行う表面で異質な構造 を存する機能層に対して本質的に改良された機能特性を有する構造を備えた冒頭 に述べた種類の薄層材料又は薄層加工品を大幅に改良することにある。

上記の課題は、この発明により、機能層が支持層に対向する側で、薄く層状に完 全に閉した表面領域を有し、その領域内で分散物又は混合物が溶融と溶融状態か ら非常に急激にゑ、冷して成分の球状分布を伴う重罪晶質状態に凍結することに よって解決されている。

この発明は、機能層、特に摩擦軸受層がその拡大する機能特性にあって種々の層 領域によって定まると言う認識から出発している。即ち、支持層に機能層が結合 する能力は支持層の近くの機能層の構造によって決まる。良好な層の集合性、層 の粘性及び層の加圧に耐える能力は中間層領域の構造によって定まるが、耐摩耗 、疲労強度と他の類似な特性は比較釣菌い機能層の表面領域によって定まる。こ の発明により、先ず異質な構造を機能層の薄い表面層のみで本葬晶質構造に移行 させて、結合に対してを利な異質な構造の特性を最適に利用する。同じように、 機能層の加圧に耐える特性、粘り及び内部某合性は異質な構造、場合によっては 結晶化した粒子を含めて有利に影響している。それ故、この発明によれば下部の 機能層の異質で、部分的には粒子化した状態と表面領域で重罪晶質状態とを組み 合わせが提供される。層状に完全に閉じた全く異なった構造の二つの領域を組み 合わせることによって、機能層をどんな特性にも適合させることができる。この 適合に対して、非晶質構造の層部分に対する異質な構造の層部分の厚さの比及び 非晶質状態の程度と場合によって介在物による非晶質状態の層部分の付加的な変 化をパラメータとして利用できる。

重罪晶質状態で成分の微細な粒状分布を示す機能層の表面領域は２０μＭと５０ ０μｍの間、好ましくは５０μｍと１００μＭの間の厚さを有する。一般には、 重罪晶質状態で成分の微細な粒状分布を有する機能層の表面領域がほぼ同じ厚さ を有すると有利である。特別な目的には、当然率非晶質状態で成分の微細な粒状 分布を有する機能層の表面領域が表面上で変わる厚さも有する。例えば、摩擦軸 受の場合、機能層を形成する摩擦軸受層は、少ない負荷が加わる領域よりも主に 負荷が加わる領域でより厚い成分の微細粒状分布を有する表面領域を有する。

この発明の枠内で、前記機能層は金属、銅、アルミニューム、亜鉛、銀の一つ又 はそれ以上をベースにした母材又は支持混合成分と、以下の材料、鉛、亜鉛、ビ スマス、インジューム、ニッケル、マンガン、珪素、炭素（好ましくはニッケル 、アルミニューム、銅を含有するグラファイト粒子の形で）、二流化モリブデン （好ましくは、ニッケル、アルミニューム、銅を含有して）、窒化ボロン、摩擦 用に利用できる例えばポリエステル、ＰＴＦＥ、　ＰＩＪ、　ＰＥＥＫのような 合成樹脂の一つ又はそれ以上をベースにした分散ないしは他の方法で介在させた 少なくとも一つの成分を有する分散物又は混合物から形成できる。

この発明の枠内で、機能層を形成する分散物又は混合物の金属成分に次の材料群 、Ｌｉ、）ｉａ、Ｃａ、　Ｂａ。

Ｂｉ、　Ｓｉ＋　Ｐ＋　Ａｓ、　Ｓｂ、　Ｓ、　Ｓｅ、　Ｔｅ、　Ｚｎ、　Ｔｉ 、　Ｚｒ、　Ｃｅ。

Ｃｒ、　Ｍｎ、　Ｆｅ、　Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｓｉ＋Ｚｒ、　Ｓｉ＋Ｚｒ＋Ｓの一 つ又はそれ以上の添加物を全量を２重量％まで添加してもよい。これ等の添加物 は周知のように構造の微細化をもたらす。しかしながら、これ等の添加物の影響 に比べて急冷条件の影響が優先することが確認されている。とはいえ、上記の添 加物は、機能層の表面領域で溶融と溶融状態から非常に急激な象、冷によって構 造の変換を行う場合、不溶解性の成分の微細粒状分布と凍結された重罪晶質状態 を容易にまた確実に達成させる利点を有する。

特に摩擦軸受の場合、摩擦用に使用するには、その様な場合摩擦軸受層である機 能層が、鉛青銅、好ましくは組成ＣｕＰｂ２２Ｓｎ又は鉛錫青銅で形成すると有 利である。この様な機能層又は鉛青銅製の摩擦軸受層の場合、この発明は特に有 利に利用できる。何故なら、その様な層では鉛青銅のデンドライト構造が溶融後 直ちに引き続く象、激な急冷によって薄い層状の完全に閉じた表面領域で除去さ れ、鉛青銅が重罪晶質状態で鉛錫粒子の微細な粒状分布となって凍結されるから である。重罪晶質状態に凍結されたこの鉛青銅は、特に鋼である摩擦相手に対し て優れた滑動特性を示す。

類似の利点は、この発明を摩擦部材に通用する場合、部材の機能層つまりこの場 合、部材の摩擦軸受層をアルミニューム・錫分散合金、例えばＡ］５ｎ６ＣｕＮ ｉ、　Ａ］５ｎ２０Ｃｕ又はＡ］５ｎ４０Ｃｕで形成すると得られる。

その様なアルミニューム母材を有する分散合金は、アルミニュームと錫の不溶解 性の観点から、凝固する場合アルミニュームと錫の間の相分離が生じ、析出した 錫合金の粒子がアルミニューム母材に残ると言う処置以外には、機能層又は摩擦 軸受層として鋳造できない。この発明により形成された上記機能層又は摩擦軸受 層の表面領域では、上記錫合金粒子が真のアルミニューム合金である母材中に粒 状分布する。このようなアルミニューム・錫分散会金製の機能層又は摩擦軸受層 の場合でも、この発明により表面領域は重罪晶質状態に凍結される。この表面領 域は、この場合でも大幅に改良された滑動特性をもたらす。

類似な状況は、アルミニューム・鉛分散合金、例えばＡｌＰｂ８Ｓｉ４ＳｎＣυ 製の機能層の場合、この発明による重罪晶質状態に凍結された表面領域によって 達成される。この様な機能層でも摩擦部材の場合滑動層として有利に使用できる 。

この発明の特に有利な構成では、重罪晶質状態に凍結された機能層の表面領域に 、約１０μｍと２００μｗ間の大きさの硬い粒子を後から蓄えることができる。

つまり、ＴｉＣ，誉Ｃ，ガラス粉、５ｉｉＮ−、ＳｉＣ，Ａ１２０、のグループ から成る硬い粒子及び／又はラーベス相（ＡＢ２）、主としてＭｇＣｕ　ｚタイ ブあるいはＭｇＺｎｚ、　ＭｇＮｉ２タイプのベースの硬い粒子を蓄えることが でいる。その場合、Ａ原子とＢ原子の半径比は、ｒａ　／　ｒｍ　＝　１，２２ ５ である。

機能層の表面領域に後から蓄えたこれ等の硬い粒子によって、機能層の機能特性 をこの表面領域で大幅に改善させることができ、特にどんな望ましい機能でもよ り良い方法で適合させることができ、例えば機能層を形成する摩擦軸受層の場合 、耐摩耗性を改善でき、摩擦で相手となる物質の種々の種類にも、例えばグイキ ャスト法で作製される鋼製のクランク軸等に適合できる。

この発明の他の有利な構成によれば、機能層には重罪晶質状態で成分の粒状分布 で構成された表面領域に先ず１０μｍと５０μｍ間の厚さの軟らかい金属被覆を 被せることができる。機能層を摩擦軸受層として形成する場合、この被覆を慣ら し運転層として形成できる。これには、例えば次の合金、Ｐｂ５ｎ。

Ｐｂ５ｎＣｕ、　５ｎＳｂ、　Ｐｂ５ｎＳｂ、　ＰｂＴｎの一つからメッキした 層を被覆として考えることができる。この欅な被覆は、慣らし運転層として摩擦 上使用する場合、重罪晶質状態に凍結された摩擦軸受層の表面領域ｋ特に有利な 機能上の協働をもたらす。この様な軟らかい被覆によって重罪晶質状態に凍結さ れた表面領域の表面の最も少ない不均一と多孔性を占め、被覆の軟らかい材料が 重罪晶質状態で凍結された機能層又は摩擦軸受層の表面領域に比べて潤滑剤の様 に作用する。＠能層又は摩擦軸受層と被覆の物質成分に応じて、被覆と機能層の 間に厚さが約２μＭと１０　ｔｔｔｎ間の拡散防止層がで奪る。この場合、物質 成分の上記拡散防止層は被覆と機能層又は摩擦軸受層の物質成分にも適合させる ことができ、物質Ｃｕ５ｎ、　ＣｕＺｎ。

ＮｉＳｎ、　ＮｉＣｒ、　ＮｉＣｏ、　Ｃｏ、　Ｔｉ、　Ｎｉの一つから構成で きる。

この発明による薄層材料又はこの発明による薄層加工品を製造するには、機能層 を溶融可能な分散物又は摩擦の用途に使用できる溶融性混合物から、鋳造、吹付 あるいは粉末金属的名方法で支持層上に形成し、場合によって圧縮する方法が使 用できる。この様な方法から出発して、この発明により、硬くてゑ、冷されてい るが支持層の反対側で表面を剥き出しにしている機能層がこの剥き出し表面で順 次全表面にわたって移動し、点状に狭く制限された面領域で少なくとも一個のレ ーザービーム又はレーザービーム束によって表面領域の分散物又は混合物を溶融 さセるまで加熱され、直ちに再度少なくとも１０’　Ｋ／ｓの急冷速度で凝固す るまで冷却される。この方法では、高出力レーザーを用いて、鋳造、吹付あるい は粉末金属法で形成され構造であって、一種類又は他の種類を有する機能層の異 質構造を走査する。この場合、高出力レーザーを用いて、点状の狭く制限した面 領域毎に非常に大きな加熱速度（１０ＳＫ／ｓまでになる）の下で、狭く制限し た点状面領域の加熱し溶融した非常に小さい材料容積と残りの薄層材料の間に極 度に急激な温度勾配が生じる。レーザービームを更に移動させると、狭く制限し た点状面領域で受は取った熱量は１層材料の内部に排出され、その場合、表面近 くの縁領域で微粒子状構造を得るため必要な臨界急冷速度以上になる。

１Ｎ材料の幅と影響の及ぶ表面範囲の深さに応じてレーザービームの出力密度が １０３と１０７讐／ｃｍ２の間及びレーザービームの位置作用期間が１０−”ｓ ｅｃから１０　ｓｅｃの間であると有利である。機能層の表面でのレーザービー ムの吸収を改善し、それよってこの発明による方法の効率を高めるために、機能 層の自由表面がレーザービームで処理する前に反射を弱める被覆を備えていると よい。これには、例えばレーザービームで処理する前に、機能層の自由表面にグ ラファイト又は二硫化モリブデンの懸濁液で線を引くことができる。レーザービ ームで処理する前に、機能層の自由表面に暗灰色の燗酸塩層を付着させるか、あ るいはこの自由表面を酸化させる二ともできる。

急冷速度を更に高め、その場合レーザービームによって溶ける小さい材料部分を 重罪晶質状態に凍結することをより確実にするため、この発明による方法では、 薄層材料又は１層加工品をレーザービームで処理する間、支持層側から冷却し、 その場合点状に狭く制限した加熱面領域で急冷速度を１０：１に／Ｓ〜１０ＳＫ ／ｓに調節することができる。それに加えて、又はその代わり、冷却するために 、冷却ガスと、場合によっては粉状で昇華する冷却剤の混合物を用いて冷却する ために、レーザービームで処理する表面を吹き付するか、線状走査することもで きる。レーザービームで処理する表面領域に硬い粒子を導入するため、この発明 による方法は粒子注入の処置を組み合わせることができる。これには、この発明 の枠内でレーザービームで処理すべき表面領域で形成さえれる点状の溶融槽に約 １０μｍと約１００μ蒙間、主として２０μπと約５０　μｍの大きさの微細な 硬い粒子を注入、主として吹き付けできる。この粒子注入によって、点状の溶融 槽に導入された硬い粒子がこの小さい溶融材料部に非溶融して一様に分布する。

この方法で、優れた摩耗特性を有する表面近くの端部区間又は表面領域が生しる 。このことは、特に処理する材料又は処理する加工品を摩擦に使用する場合、特 に有利である。つまり、軸受材料又は軸受加工品の摩耗抵抗が著しく高まる。粒 子注入に対して、Ｔｉｃ、　ＷＣ，ＳｉＣ，ＡＩｔＣｈのグループの硬い粒子が 考えられる。特別な利点は、ラーベス相（ＡＢ２）特にＡ原子とＢ原子の半径比 ：　ｒＡ／ｒ＠　＝　１．２２５゜例えばＭｇＣｕ２のタイプ又はＭｇＺｎ２． 　ＭｇＮｉ２のタイプのレーバス相をベースにした硬い粒子を添加する粒子注入 によっても得られる。ラーベス相を基礎にして硬い粒子を注入することは、特に 軸受材料と軸受加工品の処理に対して極度に効果的であることが知られるいる。

この発明による薄層材料又はこの発明による１層加工品を製造するには、レーザ ービーム管を座標案内装置に装着し、１層材料又は１層加工品がレーザービーム に向けて処理すべき表面を用いて座標案内装置に保持される装置が、特に適して いる。この場合、この装置によって生じるレーザービーム管と１層材料又は１層 加工品の間の相対運動に対して、レーザービームを所定の速度で、所定のパター ンにして、しかも薄層材料又は薄層加工品の処理すべき表面にわたって全領域に 移動させるように、座標案内装置を調節すべきである。レーザービームの波長ス ペクトルに関しては、この発明の枠内でエキシマ・レーザービーム管（クリプト ン弗化物、キセンノン弗化物）が採用されている。しかし、今まで達成できる出 力に関しては、出力５　ｋＷ〜１０　ｋＷのＣｏ２レーザービーム管を採用する と、実用上利用できる移動速度の場合、表面領域の充分な侵入深さと溶融深さが 約５０μｌ１１〜１００μｍの場合、容易に達成できる。

しかしながら、この発明の枠内で他のガスレーザー、例えばＨｅ−Ｎｅレーザー あるいは固体レーザーと半導体レーザーを使用することもできる。

この発明の実施例を以下に図面に基づきより詳しく説明する。

第１図、この発明による方法の図式化とこの発明による装置の斜視図。

第２図、この発明によるｙｉ層材料の仕上がり形状の研磨断面。

第３図、この発明による薄層材料の他の仕上がり形状の研磨断面。

第１図に模式的に再現しである装置１０の場合、レーザービーム管１１、例えば Ｃｏｔレーザービーム管が装備しである。このレーザービーム管は駆動装置１２ と共に座標案内装置１３に装備しである。処理すべき薄層材料２０には、支持槽 ２１と機能Ｎ２２がある。薄層材料２０は固定した支持装置２２に載置しである 。この装置の下部で、図示した例では可動座標東向装置１３が突き抜けている。

支持装置１４には冷却装置があるので、１層材料２０が支持装置１４に置いた支 持層の表面から冷却される。第１図に示しであるように、レーザービーム管１１ から出たレーザービーム１５は、機能Ｎ２２の自由表面上に集束点１６を形成す るように集束する。集束点１６に形成された狭く仕切った点場溶融槽を冷却する ため、ガス、例えばアルゴン又は窒素を円筒状のノズル１７を介して集束点１６ に吹き付ける。この冷却ガスには、必要であれば、昇華する冷却剤、例えばドラ イアイスを微細な粉末にして混合させることができる。粒子注入を行う必要のあ る場合に対して、加熱ガスで運転でき、注入すべき粒子を模式的に示ず横導入口 で導入する粒子注入ノズル１８が装備しである。

座標案内装置１３の運動によって、二重矢印で示しであるように、レーザービー ム管１１は薄層材料２０又は薄層加工品に対して集束点１６が蛇行状の軌跡１９ に沿って薄層材料２０又は薄層加工品の表面上を移動するように移動する。この 場合、機能層２２の表面領域２３には順次必ず少量の機能層材料が熔融し、直ち に非常に２、速に冷える。この場合、粒子注入を選択的に行える。

第１図には、ただ方式のみが示してあり、図示した平坦な１層材料２０の平坦な 部分の代わりに、湾曲した又は他の方法で平坦でない加工品も取り扱える。これ に対して、支持装置１４をそれに応して構成し、平坦な運動をする座標案内装置 １３の代わりに、湾曲したないしは他の方法で一様でない表面の集束点１６の望 ましい移動を制御する座標案内装置を装備すべきである。

レーザービーム管１１を１０３と１０’　Ｗ／ｃｍ”の間のレーザービームの出 力密度用に設計できる。この場合、集束点を移動させる場合、集束点１６上のレ ーザービーム１５の作用期間が１０°２ｓ〜１０　ｓの間にできるように、この 座標案内装置を設計し、制御できる。

薄層材料２０又は薄層加工品を支持装置１４から効果的に冷却し、冷却ガス・ノ ズル１７で集束点１６で補助的に冷却して、集束点１６で溶融した僅かな量の機 能層材料の非常に急激な急冷が行われる。

このことは、特に以下のことによる。即ち、機能層２２の材料と支持層２１の材 料の高い熱伝導のため、集束点１６で発生した熱は全ての方向に急速に放出され 、とりわけ境界面で残りのｙｉ層材料又は薄層加工品に向けて非常に大きな熱勾 配が生じる集束点１６の狭い点状仕切部分を経由して放出される。

集束点１６の溶融深さはレーザービーム１５の出力密度と薄層材料２０又は薄層 加工品の表面上の集束点１６の移動速度とによって決まる。使用例に応じて、溶 融深さは２０μｍと５００μｍ、好ましくは５０μｍと１００μ…の間に設定で きる。従って、設定した溶融深さは変換された構造を有する表面領域２３の厚さ に一致する。集束点１６を移動させる時の溶融物の急速な象、冷と凝固によって 、表面領域２３には半非晶質状態で不溶成分の微細な粒状分布を伴う機能層・材 料のほぼ一様な構造が生じる。

第１図に示す装置とこの装置を用いて行われる方法とは、種々の構造の機能層２ ２の場合に使用できる。鉛青銅の機能層の表面調質のために有利に利用できる。

しかし、アルミニューム・錫分散合金の機能層の表面処理及びアルミニューム・ 鉛分散合金の機能層の表面処理にも使用できる。一般に、どんな種類の溶融可能 な材料製の機能Ｆｉ２２に対しても徒示した種類の表面処理が行える。

上に説明した硬い粒子の注入に対して、硬い粒子は１０μ鋼と２００μＭの間、 好ましくは２０μｍと５０μ屈の間の粒径になる。硬い粒子はＴｉＣ＋　ＷＣ， ｈ’シラス末、５ｉ３Ｎａ、ＳｉＣ，Ａ１ｚ０３のプルーブから成るか、あるい はレーバス相をベースにした硬い粒子も考えられる。

鉛青銅の機能層の表面調質に対する例が第２図と第３図に示しである。

第２図の例では、摩擦用の部材、特に摩擦軸受を作製するための薄層材料２０で ある。薄層材料２０には、支持層２１と機能層２２がある。機能層は、図示した 例では、鉛１０重量％、錫１０重量％、残りが銅である組成の鉛錫青銅から成る 。第２図に示しであるように、鉛錫青銅を冷却して、固化させると、機能層２２ には銅微粒子によって広範囲に占められているデンドライト構造が生じる。鋼製 の支持層２１と機能層２２の間の境界面には、拡散結合部が第２閏で暗く見える 銅結晶粒と鋼の間に侵入している。自由表面には機能層２２が、上で説明したよ うに、レーザービームを用いた表面処理を受けている。従って、鉛青銅のデンド ライト構造が除去されて、新しい構造ができる。この構造は図面で白く見える母 材２４とその中にある粒状で微細に分布している不溶性粒子２５に特徴がある。

更に、表面処理のとき硬い粒子の注入が行われる。その場合、硬い粒子２６は表 面処理した領域２３の厚さをより充分小さいが、不溶性成分の粒状微細粒子２５ よりも比較できないほど大きい。母材２４とその中に粒状に分布している不溶性 成分２５とは半非晶質状態に凍結されているが、硬い粒子２６は半非晶質状態に 凍結されいる周囲に散在している。

機能特性、特に滑動特性の大幅な改良の外に、構造変換によって形成される表面 領域２３は支持層２１と協働してデンドライト構造中に残っている機能層２２の 部分を効果的に封入する。表面領域２３には、最早取るに足る鉛粒子は含まれな いので、内燃機関に大量の添加物のかる油又は古い油が機能層と接触している場 合でも、表面領域２３は釦の腐食に対して実用上鈍怒である。鉛青銅又は鉛錫青 銅の従来の機能層では、大量に添加した油と古い油によって選択的な腐食が銅結 晶粒またはデンドライトの間にある鉛粒子に侵入する。鉛成分が選択的に溶は出 し、銅の残骸が残り、適当な負荷を受けると一緒に潰れる傾向にある。この危険 性は、機能層２２の表面領域が摩耗しいない限り、変換構造を有する表面領域２ ３と支持Ｎ２１の間でデンドライト構造を有する機能層２２の部分を封止して、 排除される。その様な摩耗は散在する硬い粒子２６によって大幅に遅延される。

第３図の例では、摩擦部材、特に摩擦軸受を作製するために使用される薄層材料 ２０がここでも問題にされる。第３図の１層材料２０には、鋼製の支持層２１と 鉛青銅、例えば組成ＣｕＰｂ２２Ｓｎ製の機能層又は滑動層２２がある。この場 合、錫は鉛成分中に完全に溶解し、鉛成分の耐摩耗性を低下させるためにのみ使 用されている。この例でも、機能層２２の鉛青銅はデンドライト構造を有する。

鉛青銅製のこの機能層２２では、鉛錫青銅の機能層に比べて銅デンドライト中に 散在する鉛粒子の腐食の危険性がもっと高まる。

最初の自由表面では、機能層２２は上に説明した方法で、例えば５０〜１００μ ｍの厚さの表面領域２３中で、銅に不溶な鉛成分の大部分が母材２４中に微細な 粒子になって分布する構造に変換する。この場合、非常に僅かであるが大きな鉛 粒子２７が残っている。上記表面領域２３は、この鉛の微細な粒状分布を保持し て胴中に重罪晶質状態で凍結されている。

さっている。この外被は、摩擦軸受又はその他の摩擦部材を作製するために薄層 材料２０を使用する場合、運転層として使用される。この外被２８は、選択に応 じて、Ｐｂ５ｎ、　Ｐｂ５ｎＣｕ、　５ｎＳｂ、　Ｐｂ５ｂ＋　Ｐｂ５ｎＳｂ。

Ｐｂ１ｎの欅な合金で構成でき、メッキ付着される。機能層２２の表面と外被２ ８の闇には、約５μｍの厚さの拡散防止層２９が付けである。この拡散防止層２ ９は、図示した実施例でニッケル・クロム合金から形成されている。この防止層 は外被を付着させる前に、レーザービームで処理した機能層２２の表面にメッキ 付着される。次いで、この拡散防止層に接続して、外被２８が拡散防止層２９上 にメッキされる。外被の厚さは１０μ…と５００μＭの間にあり、この例では約 １５０μＭの厚さの外被である。ニッケル・クロム合金製の拡散防止層を形成す る外に、この拡散層を形成するため、Ｃｕ５ｎ、　ＣｕＺｎ、　ＮｊＳｎ、　Ｎ ｉＣｏ。

Ｃｏ、　Ｔｉ、　Ｎｉも考えられる。

Ｉ　際　調　査　報　告 匡際調査報告 ＤＥ　８９００２２９

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. １．母材と、少なくとも固体状態で母材の材料に溶不溶解であるか、存在量より 少なく溶解している前記母材中に分散している少なくとも一つの成分を有する固 体で、溶融可能な分散物を保有する、あるいは溶融しないか、存在量より少なく しか互いに溶融しない、場合によって部分的に結晶形を示し、成分の摩擦目的に 使用でき、硬く連結し、ほぼ溶融可能な混合物の構造を保有する支持層上に装着 される機能層、特に摩擦軸受層を有する薄層材料又は薄層加工品において、 機能層（２２）は支持層（２１）の反対側で、薄く、層状に取り囲み表面領域（ ２３）を有し、この領域ては分散物又は混合物が溶融して溶融状態から極度に早 い急冷によって成分（２４，２５，２７〕の微細な粒状分布となって準非晶質状 態に凍結されることを特徴とする薄層材料又は薄層加工品。
2. ２．準非晶質様態で成分の微細な粒状分布を有する機能層（２２）の表面領域（ ２３）は、２０μｍと５００μｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項１ 記載の薄層材料又は薄層加工品。
3. ３．準非晶質様態で成分の微細な粒状分布を有する機能層（２２）の表面領域（ ２３）は、ほぼ一様な厚さを有することを特徴とする請求項１又は２記載の装置 。
4. ４．機能層（２２）は、金属、銅、アルミニユーム錫、銀の一つ又はそれ以上を ベースにして、母材又は支持混合成分と、分散させた又は他の方法で散在させた 次の材料の一つ又はそれ以上をベースにして微粒子にして形成されている少なく とも一つの成分を有する分散又は混合物とから成り、前記材料は、鉛、錫、ビス マス、インジューム、ニッケル、マンガン、シリコン、炭素（好ましくは、金属 （ニッケル、アルミニューム、銅）を被覆したグラファイトの形にしてある）、 二酸化モリブデン（好ましくは、ニッケル、アルミニューム、銅ような金属で覆 ってある）、窒化ボロン、摩擦目的に使用できる例えばポリエステル、ＰＴＦＥ ，ＰＥＫ，ＰＥＥＫのような合成樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のい ずれか１項に記載の薄層材料又は薄層加工品。
5. ５．機能層（２２）は、鉛青銅、主としてその組成がＣｕＰｂ２２Ｓｎで構成さ れていることを特徴とする請求項４記載の薄層材料又は薄層加工品。
6. ６．機能層（２２）の金属成分を形成する分散又は混合物には、次の物質のグル ープの一つ又はそれ以上の添加物が全体量の２重量％、好ましくは０．５重量％ まで合金にし、それ等の物質は、Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｂａ，Ｂｉ，Ｓｉ，Ｐ，Ａ ｓ，Ｓ，Ｓｅ，ＴＥ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｅ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ ，Ｓｉ＋Ｚｒ，Ｓｉ＋Ｚｒ＋Ｓであることを特徴とする請求項５記載の薄層材料 又は薄層加工品。
7. ７．機能層（２２）は例えばＡｌＳｎ６ＣｕＮｉ．ＡｌＳｎ２０Ｃｕ又はＡｌＳ ｎ４０Ｃｕのアルミニューム・錫分散合金で形威されていることを特徴とする請 求項４記載の薄層材料又は薄層加工品。
8. ８．機能層（２２）は、例えばＡｌＰｂ８Ｓｉ４ＳＮＣｕであるアルミニューム ・鉛分散合金で形成されていることを特徴とする請求項４記載の薄層材料又は薄 層加工品。
9. ９．準非晶質状態に凍結された機能層（２２）の表面領域（２３）に、約１０μ ｍと２００μｍの間の大きさの硬い粒子をその後に散在させ、これ等の硬い粒子 はＴｉＣ，ＷＣ，ガラス粉末、Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３のグループ及び ／又はレーバス相（ＡＢ２），主としてタイプＭｇＣｕ２又はタイプＭｇＺｎ２ ，ＭｇＮｉ２のベースであり、その場合、Ａ原子とＢ原子の半径比は、 ｒＡ／ｒＢ＝１，２２５ であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の薄層材料又は薄層 加工品。
10. １０．機能層（２２）は準非晶質状態の成分の粒状分布で形成された表面領域（ ２３）で、最初に１０μｍと５００μｍの間の厚さを有する軟らかい金属外被（ ２８）で覆われていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の薄 層材料又は薄層加工品。
11. １１．機能層（２２）を摩擦軸受層として形成する場合、外被は運転層として形 成されていることを特徴とする請求項１０記載の薄層材料又は薄層加工品。
12. １２．外被（２８）は次の合金、ＰｂＳｎ，ＰｂＳｎＣｕ，ＳｎＳｂ，ＰｂＳｎ Ｓｂ，ＰｂＩｎの一つから成るメッキ層であることを特徴とする請求項１０又は １１記載の薄層材料又は薄層加工品。
13. １３．外被（２８）と機能層（２２）の間には、約２μｍと１０μｍの間の厚さ になる拡散防止層（２９）があることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか １項に記載の薄層材料又は薄層加工品。
14. １４．拡散防止層は、材料ＣｕＳｎ，ＣｕＺｎ，ＮｉＳｎ，ＮＩＣｒ，ＮｉＣｏ ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｎｉの一つから形成されていることを特徴とする請求項１３記載 の薄層材料又は薄層加工品。
15. １５．機能層は、溶融可能な分散物、又は摩擦のために使用でき、溶融可能な混 合物から、鋳造、吹付又は粉末金属法で支持層上に形成され、必要であれば濃縮 される特許請求の範囲第１〜１４項のいずれか工事の薄層材料又は薄層加工品を 作製する方法において、支持層に対して反対側にその表面を剥き出しにしている 冷却された固体機能層は、この露出した表面で順次全体の表面にわたって移動し 、点状に制限された表面領域で少なくとも一つのレーザービーム又はレーザービ ーム束によって、表面領域で分散物又は混合物が溶融するまで加熱され、直ちに 少なくとも１０３Ｋ／ｓの冷却速度で凝固するまで冷却されることを特徴とする 製造方法。
16. １６．機能層の自由表面を加熱するには、点状に制限した表面領域で１０３と１ ０７Ｗ／ｃｍ２の間のレーザービーム出力密度で１０−２ｓ〜１０ｓの間の局部 的な作用期間にわたって処理されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. １７．機能層の自由表面は、レーザービームで処理する前に反射防止する被膜が 層されていることを特徴とする請求項１５又は１６記載の方法。
18. １８．機能層の自由表面は、レーザービームで処理する前にグラファイト又はＭ ｏＳ２の懸濁液が塗布されていることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. １９．機能層の自由表面は、レーザービームで処理する前に暗灰色の燐酸層が装 備してあるか、あるいは酸化されていることを特徴とする請求項１７記載の方法 。
20. ２０．薄層材料又は薄層加工品は、レーザービームで処理している間、支持層側 から冷却され、その場合、冷却速度は点状に狭く限定された加熱表面領域で１０ ３Ｋ／ｓ〜１０５ｋ／ｓに調節されることを特徴とする請求項１５〜１９のいず れか１項に記載の方法。
21. ２１．冷却するため、冷却ガス、必要であれば粉状で昇華する冷却剤をレーザー ビームで処理する表面に吹き付け又は塗布することを特徴とする請求項２０記載 の方法。
22. ２２．機能層の点状に狭く制限された表面領域を加熱するため、レーザービーム を用いて１０５Ｋ／ｓの加熱速度で処理されることを特徴とする請求項１５〜２ １のいずれか１項に記載の方法。
23. ２３．処理すべき表面領域でレーザーブームを用いて形成された点状の溶融槽に は、約１０μｍと約１００μｍの間、好ましくは１０μｍと５０μｍの間の大き さの微細な硬い粒子が注入、主として吹き付けされることを特徴とする請求項１ ５〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. ２４．機能層の表面領域をレーザービーム処理している間、粒子を注入するため 、グループＴｉＣ，ＷＣ，ＳｉＣ，ガラス粉末、Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３の硬い 粒子の添加を行っていることを特徴とする請求項２３記載の方法。
25. ２５．レーバス相（ＡＢ２），主としてＡ原子とＢ原子の半径比がｒＡ／ｒＢ＝ １，２２５である、例えばタイプＭｇＣｕ２又はタイプＭｇＺｎ２，ＭｇＮｉ２ のレーバス相のベースにした硬い粒子の添加を行っていることを特徴とする請求 項２３２３記載の方法。
26. ２６．レーザービームで処理する機能相の表面は、メッキで外被を付けてあるこ とを特徴とする請求項１５〜２５のいずれか１項に記載の方法。
27. ２７．レーザービームで処理する機能相の表面は、例えば２μｍと１０μｍの間 の厚さを有する材料ＣｕＺ，ＮｉＳｎ，ＮｉＣｒ，ＮｉＣｏ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｎｉ から成る拡散防止層が被覆され、この拡散防止層の上に厚さ１０μｍと５００μ ｍの外被がメッキしてあることを特徴とする請求項１５〜２５のいずれか１項に 記載の方法。
28. ２８．拡散防止層は、レーザービームで処理した機能層の表面にメッキ層させて あることを特徴とする請求項２７記載の方法。
29. ２９．拡散防止層は、陰極スパッタリング（スパッタリング）又は真空蒸看によ って被覆され、この場合、レーザービームで処理する機能相の表面のところで、 機能層の各材料中の再結晶がかなりな程度進行する温度に維持されることを特徴 とする請求項２７記載の方法。
30. ３０．特許請求の範囲第１５〜２９のいずれか１項の薄層材料又は薄層加工品を 製造する装置において、レーザービーム管（１１）が座標案内装置（１３）に装 着してあり、薄層材料（２０）又は薄層加工品はその処理すべき表面を座標案内 装置でレーザービーム管（１１）に対向させて保持してあり、その場合座標案内 装置はこの装置が発生させるレーザービーム管（１１）と薄層材料（２０）又は 薄層加工品の間の相対運動に対して、レーザービームた所定の速度で、所定のパ ターンでもって処理すべき薄層材料（２０）又は薄層加工品の表面上を完全に走 査して移動するように調節されることを特徴とする装置。
31. ３１．エキシマ・レーザー管（弗化クリプトン、塩化キセノン）が装備してある ことを特徴とする請求項３０記載の装置。
32. ３２．ＣＯ２レーザービーム管（１１）が装備してあることを特徴とする請求項 ３０記載の装置。