JPH05502063A - 軸受材料およびその製造方法 - 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】 軸受材料およびその製造方法 滑り軸受の材料は、理想的には多数の非常に優れた性質の組合せ、例えば摩擦相 手材料の幾何学的形状への適合性、潤滑物質に対しての安定性、耐蝕性、耐摩耗 性、良好な摩擦係数、向上した流動抵抗、高い交番負荷強度（ＷｅｃｈｓｅｌＩ ａｓｔｆｅｓｔｉｇｋｅｉｔ）、良好な耐熱性、確かな非常運転特性、支持体へ の、特にスチール製支持体シェルの良好な結合および一連の製造でのこれら性質 の再現性並びに出来るだけ簡単な製造性の組合せを有しているべきである。従来 には、これらの多数の要求の中で常に譲歩が必要とされそして一定の機械的性質 に関してかまたは滑り特性に関して欠点を甘受しなければならなかった。

軸受材料を製造する為の公知の方法原理は、個々の材料層の合計が所望の材料特 性の全体をもたらすべき層複合体のものである。一般にこれらの複合体はスチー ル製支持体シェル、軸受金属層および滑り層で構成されており、更に追加系に特 別の性質を持つ薄い層、例えば拡散防止層または結合改善層をしばしば持つ。

か−る層複合体を製造するには、方法技術的に比較的に多大の費用が掛かる。

偏晶系、例えばアルミニウムと鉛を基礎とする、液体状態で溶離するものを軸受 材料として使用することも既に公知である。か＼る溶離は従来には望ましくない と見なされていたので、合金の鋳造時に一つの相状態を凍結しそして場合によっ てはアルミニウムーマトリックス中に均一に分布する極めて細かい鉛板出物をも らす特定の方法が開発された。このことに関しては、ドイツ特許出願公告第２． ２６３．２６８号明細書を引用する。

更に、ドイツ特許第２．１３０．４２１号明細書から、特定の偏晶系、例えばア ルミニウムおよび鉛をベースとするものをガス噴出によって基体層の上に溶射し 、その際に再び析出が生じ、それによって鉛を極めて細かい粒子としてアルミニ ウムーマトリックス全体の中に存在させることは、公知である。溶融した金属小 滴を、滑り軸受の為の複合体の軸受材料の上に溶射する同様な方法がドイツ特許 出願公開用２．２４１．６２８号明細書に記載されている。、両方の場合には、 複合体についての上記の欠点があり、それ故に偏晶系は滑り層としてしか役立た ない。更に、こうして得られる軸受材料は所望の性質組合せを決して有していな い。

従って本発明の基礎となる課題は、できるだけ簡単な方法で製造できる改善され た機械的性質の軸受材料を滑り特性に損失をもたらすことなしに手に入れること である。

本発明の軸受材料は、この課題を解決する為に、Ｐｂベース材料と一緒に偏晶系 を形成する金属合金より成るマトリックスとその中に、マトリックス中の軟質ｐ −相の濃度が軸受材料の表面に向かって増加する様に分散した実質的に球状の軟 質相とで構成されていることを特徴としている。マトリックス中の軟質相の濃度 は軸受材料の表面に向かって連続的に増加するのが好ましい。

従って、塊状材料の状態で自己支持性があるかまたは基体の上の層としての複合 材料であるこの軸受材料は、優れた性質の組合せを持つ軸受金属層または優れた 漬り特性の滑り層を有し、これら両方の層が本発明に従って一つの作業工程で製 造できる。

この軸受材料を製造する本発明の方法は、ｐｂベース材料と一緒に偏晶系を形成 する合金成分並びにＰｂベース材料を形成する合金成分を混合状態で含有する溶 融物を、ｐｂベース材料が液体状態で重力のもとて残りの溶融物から分離しそし て該ベース材料の下部領域で分散状態で濃化するように、基体の上にカスチング 成形しそしてそのように、その際に材料の厚さ、冷却条件および溶融物の組成を 調整することを特徴としている。

従来には軸受材料の製造には、重力溶離効果が不利と見なされていたしそしてで きるだけ均一な状態を固体材料中に達成しようとしていたのに、本発明の方法は 、軸受金属層および滑り層を一つの製造工程で製造する為に、偏晶系のこの重力 溶離硬化を意図的に活泪する。ここで偏晶系を話題とする場合には、これは、液 体状態で分離する傾向のあるものであるべきである。

軸受金属層および滑り層を唯一つの作業工程で造りそしてこれを直接的カスチン グ成形によって通例の担体、例えばスチール製帯状物の上に行うことによって、 複合体材料全体を唯一つの鋳造工程で製造することができる。それ故にこの製造 方法は公知の方法に比較して非常に簡単である。同時に、軸受材料中に最適な性 質組合せをもたらす。

基体の最も近くにある領域は一般に、僅かしかｐｂ−ベース材料結晶析出物を持 たないマトリックス材料より成り、その結果この領域は実質的にマトリックス合 金の性質を有している。合金元素を適当に組み合わせることによって、軸受金属 層も有していてもよい機械的性質およびその他の性質の最適な組合せがマトリッ クス材料の為に実質的に調整できる。ｐｂ−ベース材料は重力のもとて液体状態 でその大きい比重のために注入された溶融物の下部領域に集まりそしてその際に 小さいｐｂ−ベース材料粒子が凝集して比較的大きな球状粒子となりそしてこれ が製造された軸受材料の下部領域で滑り層として役立つので、この滑り層は、マ トリックス合金中に沈澱した、この滑り層に優れた滑り特性を与える球状軟質層 で実質的に構成されている。

液体状態で析出するＰｎ−ベース材料の小滴の沈降速度は、上述の通り、一方で は周りの媒体に対しての密度差、周りの媒体の粘度および小滴の大きさに依存し ている。粘度について言えば、温度に依存している。同様に上述した通り、沈降 する小滴は沈降距離内で他の小滴との凝結によって成長するので、沈降距離が長 ければ長い程、即ち材料の厚さが厚い程、小滴の断面およびその粗粒化が増す、 従って、材料の厚さ、冷却条件および、密度差に関連する溶融物の組成は、個々 の場合に、それぞれ需要者によってめられる材料厚さに最適な性質を得る為に、 一連の実験によって決めることができる。　マトリックス合金がベースメタルと してＡ）ＡＩ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、ＳｉまたはＣｕをおよび追加的にＢ） Ｂｅ、Ｍｇ、Ｔｉ５Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ５Ｚｒ、ＮｂＳＭｏ、Ｓｉ、Ａｓ、Ｚｎ、Ｃ ｕ、Ｎｉ、Ｆｅ５ＡｌおよびＬｉの少なくとも一種類およびＣ）Ｎａ、Ｃａ、Ｃ ｏ、　Ｎ、阻５ｒＳＣｄ、Ｉ　ｎ、、Ａｇ、　Ｓｎ、　Ｓｂ、　Ｔｅ、　Ｂ　ｉ 、　ｐｂ、　ＴＩおよびＷの少なくとも一種類を含有しており、その際元素Ｂ） およびＣ）がベース金属として使用される元素Ａ）と異なっている。マトリック ス合金の特に有利なベース金属はアルミニウムであり、その結果本発明の最も有 利な軸受材料は基本成分としてアルミニウムおよび鉛を含有している。

全ての元素Ｂ）は合わせて０．５〜１５重量％の量で、殊に２〜１０重量％の量 でそして元素Ｃ）は合わせて０．　５〜１０重量％の量で、殊に２〜６重ｉｌχ の量で含有しており、但しこれらの重量ズは含まれる軟質相を除き、マトリック ス合金だけの重さをそれぞれ基準としている０元素Ｂ）およびＣ）のそれぞれ個 々はマトリックス合金中に、含まれる軟質相を除きマトリックス合金だけの重さ をそれぞれ基準として０．　５〜６１［量χの量で、殊に２〜４　ｆ［ｉｉＸの 量で含まれている。

軟質相に関して、Ｐｂ−ベース材料で構成されていることが問題となる場合には 、このことば、軟質相が元素の鉛または鉛含有合金をベースメタル、即ち主成分 として存在することを２味する。軟質相は軸受材料の全重量を基準として２〜４ ０重量％、殊に４〜３０重量％の量で存在しているのが有利である。

ベース金属の鉛に加えて、軟質相は別の主成分としてＢｉ、Ｓｎおよび／または Ｉｎを含有していてもよく、しかも軟質相の重量を基準として５０重量２まで、 特に０．５〜３０重量％の量で含有していてもよい。

軟質相が鉛ベースの合金より成る場合には、合金元素として追加的にＡ、ｇ、Ａ ｓ５Ｃｄ、Ｓｂ、に、Ｌｉ、Ｎａ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｃｅ、ＳｅおよびＴｅの少なく とも一種類を含有しているのが有利である。これらの群の内の元素は、ｐｂ−ベ ース材料の重量を基準として好ましくは全部で１４重量％まで、特に０．１〜７ 重量％の量で含有されており、その際にこれら元素のそれぞれはＰｂ−ベース材 料の重量を基準として０．５〜５重量％、好ましくは０．３〜４重ｉｔχの量で 含有されている。

軟質相の少ない領域の厚さおよび軟質−ｐ相の豊富な領域の厚さは、方法手段の 調整次第で非常に色々に調節できる。しかしながら、本発明の軸受材料中に最高 １０重量％の軟質相を含有する領域が軸受材料全体の厚さの５〜５０χ存在しそ して上記重量％が特定の表面域におけるその領域の重さを基準とするが、特に有 利であることが判っている。

特定の用途の場合には、本発明の軸受材料の溶融物と最も多く表面で反応するが 、好ましくは一般に反ｚしない追加的固体粒子が軸受材料中に混入されているの が有利であり得る。か＼る固体粒子には例えば硬質物質、例えば金属酸化物、金 属窒化物、金属炭化物、金属オキソ炭化物、金属オキシ窒化物または珪酸塩があ る。しかしながらこれらの混入された固体粒子は例えば無機材料より成る繊維で あってもよい。

上述の通り、混入された軟質相は実質的に球状の外観を有しており、これは本発 明の材料を薄Ｘ研磨した際に顕微鏡で見られる。これはほぼ軟質相の全体の形状 に亘ってだけ意義があるが、この球形の歪みまたは表面のぎざぎざまたは擦り切 れが存在してもよい。軟質相の大きさは製造条件の調整によって、特に沈降速度 および軟質相の成長の制御によって、軟質相の直径を最高２５０Ｘ　１０”６ｍ 。

好ましくは最ｉ！ｉ１　ｏｏｘ　１　ｆ）−’ｍとしそして軟質相の主要部が５ Ｘ１０−’ｍ以下の直径を有しているように調節するのが好ましい、従って、変 形した球状の軟質相の場合には、それぞれの軟質相の最大の直径を２味する。

本発明の所望の重力溶層の程度、即ちｐｂ−ベース材料の分離、下部領域のＰｂ −ベース材料の濃度および軟質相成長の程度は、冷却速度を調節することによっ て、殊に冷却補助手段によっておよび／またはカスチング速度によって方法技術 的に＠復される。軟質相の分布は粘度のｇｕによって１１復され、これは溶融物 の組成の調整によって行う。

既に初めに説明した通り、溶融物は本発明の方法によって基体の上に注がれ、そ の基体と溶融物がしっかり結合されそして複合体をもたらすか、または溶融物を 基体の上に注ぎ、次いで分離しそして塊状材料を後に残す、基体の選択および溶 融物の組成の選択によって、基体への結合強度を意図的に変更できる。基体に結 合したままの場合には、基体として金属製担体−または−支持体材料、一般にス チールを場合によっては、結合を改善する中間相と一緒に用いる。しかしながら 本発明の軸受材料は、機械部材の半製品または製品の上に直接的被覆として鋳造 してもよい。

基体は、総括概念“スチール”で一般に示される鉄合金、例えばスチール製帯状 物または層複合材料より成る。スチールの上の、結合を改善する中間層としては 、例えば銅−鉛合金、例えば９〜２５重量％のＰｂ、１〜１１重量％のＳｎ、最 高０．　７重ｉＩｚのＦｅ、Ｎｉおよび／またはＭｎおよび残量の銅より成るも の、銅−アルミニウム合金、例えば５〜８重量％のＡＩおよび残量の銅より成る もの、アルミニウムー錫合金、例えば０，５〜１，５重ｉｌχのＣｕ、５〜２５ 重量％のＳｎ、０．５〜１．５１ｉ１χのＮｉおよび残量のＡ１より成るもの、 アルミニウムー亜鉛合金、例えば４〜６重量％のＺｎ、０．５〜３重量％の３１ 、最高２重量％のＣｕ、最高１．　５ｆｒ量χのＭｇおよび残量のＡ１より成る もの、または金属のＡ１、Ｎｉ、、Ｃｏ５Ｃｒ、Ｆｅ、、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｔｉまた はＢｅまたはそれらの金属の二成分または三成分の合金より成るものを使用する 。この中間層を適用する場合には、基体、例えばスチール製帯状物を、本発明の 溶融物で一方の面または全面をカスチング被覆する前に、電気的に、熱溶射法に よって、カスチング−１浸涜−および焼結法によってまたは物理的被覆法によっ て被覆してもよい。中間層を適用する前に、特に本発明の溶融物でカスチング被 覆する前に、適当な機械的−５化学的または物理的浄化または別の予備処理を行 うのが有利である。

特に実験室的実験では、軸受材料の鋳造は鋳造用型で簡単に行うことができる、 基体を分離して塊状材料を製造するべき場合には、溶融物を本発明に従って上方 から基体、例えばスチール製帯状物の上にカスチングすることができる。しかし ながら担体−または支持体材料としてまたは機械部材としての基体を本発明の軸 受材料と結合したままとする場合には−これが殆どの場合であるが一１所望の重 力ｉｇＭの為に、基体を下から溶融物に湿潤させるのが有利である。この目的の 為には、例えば動いている支持材料帯状物を下から本発明に従って用いられる溶 融物で湿潤することができる。これの代わりに、基体帯状物を例えば溶融物中に 浸漬されておりそして基体の帯状物を溶融物中に押し込んでいるロールによって 溶融物で被覆してもよい。他の考えられる方法は、基体帯状物を二つのロールの 間を貫通案内しそしてロール間隙の前て溶融物と接触させ、その結果溶融物がロ ール間隙を離れる随に支持体帯状物の下側で凝固させるものである。

現在の所、溶融物の表面の所での自由なおよび／または強制的な対流によって基 体の方に曲がった表面が生ぜしめ、それが動く基体と接触しそしてその際に湿潤 する方法が特に有利である。この場合、溶融物中の対流を熱の傾斜によっておよ び／または誘電磁場の影響によって生じそして誘電磁場の調整によって制御する のが好ましい。

本発明に従って使用される溶融物は、カスチング被覆すべき支持体材料に昇水管 系（Ｓｔｅｉｇｅｒｓｙｓｔｅｍ）を介して供給することができる。

基体を本発明の軸受材料と結合したままにするべき場合には、溶融物と接触する 支持体材料の層が、凝固後に調製される層複合材料の結合強度に例えば凝集結合 によって有利な影響を与えるように、マトリ、クス合金の組成を調整するのが有 利である。この場合、凝集的に複合体を形成する際に生じる結合層は、しかも好 ましくは高温のもとに短時間滞留することによってその厚さを僅かに維持するの が有利である。

基体と本発明の材料との間にてのカスチング成形の際に生じる金属間結合層は、 この層の形成エネルギーを増やすことによってその厚さで僅かに維持するのが有 利である。これは合金成分を調整することによって可能である。更に、結合層を 形成する相はその硬度で僅かに維持するのが有利である。これも同様に、合金成 分の調整によって達成できる。

大重量は− ２０重量％のｐｂ、２重量２のＣａおよび２重量％のＮｉを含むアルミニウム合 金を坩堝で溶融する。この合金を、スチール／鉛ブロンズー基体帯状物と下方か ら接触させそして溶融物が完全に凝固するまで接触させたままにする。

こうして生じる複合材料は、基体の近くの領域では殆ど鉛を含まずそして実質的 に完全にマトリックス材料より成る合金相を有しており、他方、基体から離れた 表面の方の領域には、分散した実質的に球状の軟質相粒子が高濃度で存在する寒 施男１ 実施例１の方法を、１３重量％のＰｂ、２．６重量％のＮ１および４．３重量％ のＦｅを含むアルミニウム合金を用いて繰り返す。層の厚さを増やすことによっ てこの実験での冷却条件を、軟質相小滴が著しく粗大化しそして（Ｎｉ、Ｆｅ） −アルミニドが生じるようにする。基体の近くの領域は軟質相を殆ど含まず、そ して合金の自由表面の境にある領域−即ち、鋳造の際の下部領域−には軟質相が 著しく沈澱している。

完全に軟質相を含まないマトリ、クス材料は１００〜１８０ＨＶ０．０１の硬度 を有している。軟質相領域は５５〜９５ＨＶＯ，０１の硬度を有している。

裏施男ｌ 実施例１の方法に対応して、１２．６重量％のＰｂ、　２．　９重量％のＦｅ、 ２．９重量２のＮｉおよび１重量％のＣｏを含むアルミニウム合金を基体の上に カスチング成形する。固化した生成物中では、自由表面−即ち、滑り面一の領域 には高濃度で軟質相が存在している。軟質相を全く含まない領域と基体との間の 結合領域に、金属間中間相が存在する。

要約書 軸受材料およびその製造方法 この軸受材料は、Ｐｂベース材料と一緒に偏晶系を形成する金属合金より成るマ トリックスとその中に、マトリックス中の軟質相の濃度が軸受材料の表面に向か って増加する様に分散した実質的に球状の軟質相とで構成されている。このもの は、ｐｂベース材料と一緒に偏晶系を形成する合金成分並びにｐｂベース材料を 形成する合金成分を混合状態で含有する溶融物を、Ｐｂベース材料が液体状態で 重力のもとて残りの溶融物から分離しそして該ベース材料の下部領域で分散状態 で濃化するように、基体の上にカスチング成形しそしてそのように、その際に材 料の厚さ、冷却条件および溶融物の組成を調整することによって製造される。

国際調査報告 Ｄε９］００６６４ Ｓ＾　５０３２５

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．Ｐｂベース材料と一緒に偏晶系を形成する金属合金より成るマトリックスと その中に、マトリックス中の軟質ｐ−相の濃度が軸受材料の表面に向かって増加 する様に分散した実質的に球状の軟質相とで構成されていることを特徴とする、 軸受材料。
2. ２．マトリックス中の軟質相の濃度が軸受材料の表面に向かって連続的に増加す る請求項１に記載の軸受材料。
3. ３．マトリックス合金がベースメタルとしてＡ）ＡＩ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ 、ＳｉまたはＣｕおよび追加的にＢ）合わせて０．５〜１５重量％でそれぞれ０ ．５〜６重量％の、Ａ）と異なる元素のＢｅ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚ ｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓ１、Ａｓ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＡＩおよびＬｉの少な くとも一種類およびＣ）合わせて０．５〜１０重量％でそれぞれ０．５〜６重量 ％の、Ａ）と異なる元素のＮａ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｎ、Ｂ、Ｓｒ、Ｃｄ、１ｎ、Ａｇ 、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｔ１およびＷの少なくとも一種類を含有しており、 その際重量％はそれぞれマトリックス合金の重量だけを基準とする、請求項１ま たは２に記載の軸受材料。
4. ４．マトリックス合金がベースメタルとしてＡ）アルミニウムを含有する請求項 ３に記載の軸受合金。
5. ５．マトリックス合金が元素Ｂ）およびＣ）のそれぞれを、マトリックス合金だ けの重量を基準として２〜４重量％含有している請求項３または４に記載の軸受 材料。
6. ６．マトリックス合金が、それぞれマトリックス合金だけの重量を基準として元 素Ｂ）を合わせて２〜１０重量％および元素Ｃ）を合わせて２〜６重量％含有し ている請求項３〜５のいずれか一つに記載の軸受材料。
7. ７．軟質相を軸受材料全体の重量を基準として２〜４０重量％、好ましくは４〜 ３０重量％含有している請求項１〜６のいずれか一つに記載の軸受材料。
8. ８．軟質相がベースメタルＰｂに加えてＢｉ、Ｓｎおよび／またはＩｎを、軟質 相だけの重量を基準として５０重量％まで、好ましくは０．５〜３０重量％含有 している請求項１〜７のいずれか一つに記載の軸受材料。
9. ９．軟質相が追加的合金元素として、軟質相の重量だけを基準として合わせて１ ４重量％まて、好ましくは０．１〜７重量％で、それぞれ０．５〜５重量％、好 ましくは０．３〜４重量％のＡｇ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｓｂ、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｂｉ、 Ｃａ、Ｃｅ、ＳｅおよびＴｅを含有している請求項１〜８のいずれか一つに記載 の軸受材料。
10. １０．最高１０量質％の軟質相を含有する領域が軸受材料全体の厚さの５〜５０ ％であり、上記重量％が特定の表面域におけるその領域の重さを基準とする請求 項１〜９のいずれか一つに記載の軸受材料。
11. １１．軸受材料溶融物と最も多く表面で反応する追加的固体粒子、好ましくは硬 質物質粒子または無機繊維を含有する請求項１〜１０のいずれか一つに記載の軸 受材料。
12. １２．軟質相が最高２５０×１０−６ｍ、好ましくは最高１００×１０−６ｍの 直径を有しそして軟質相の主要部が５×１０−６ｍ以下の直径を有している請求 項１〜１１のいずれか一つに記載の軸受材料。
13. １３．請求項１〜１２の一つに従う軸受材料を製造する方法において、Ｐｂベー ス材料と一緒に偏晶系を形成する合金成分並びにＰｂベース材料を形成する合金 成分を混合状態で含有する溶融物を、Ｐｂベース材料が液体状態で重カのもとで 残りの溶融物から分離しそして該ベース材料の下部領域で分散状態で濃化するよ うに、基体の上にカスチング成形しそしてそのように、その際に材料の厚さ、冷 却条件および溶融物の組成を調整することを特徴とする、上記方法。
14. １４．Ｐｂベース材料の所出、濃化および相成長を冷却速度および／または溶融 物の粘度を調整することによって制御する請求項１３に記載の方法。
15. １５．基体として金属製担体−または−支持体材料または機械部材の半製品また は製品を使用する請求項１３または１４に記載の方法。
16. １６．基体としてスチール製帯状物を用いる請求項１５に記載の方法。
17. １７．基体として、■−鉛合金、■−アルミニウム合金、アルミニウム−錫合金 、アルミニウムー亜鉛合金またはＡ１、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉお よびＢｅより成る群の内の金属またはそれらの金属の二成分または三成分の合金 より成る中間層を持つスチール製のものを使用する請求項１３〜１６のいずれか 一つに記載の方法。
18. １８．基体が下方から溶融物で湿潤する請求項１３〜１７のいずれか一つに記載 の方法。
19. １９．溶融物の表面の所での自由なおよび／または強制的な対流によって基体の 方に曲がった表面が生ぜしめ、それが動く基体を湿潤させる請求項１８に記載の 方法。
20. ２０．溶融物中の対流が熱の傾斜によっておよび／または誘電磁場の影響によっ て生じそして誘電磁場の調整によって制御する請求項１９に記載の方法。