JPS62222057A - 少なくとも一つの金属材料を金属基板に蒸着処理することにより積層工作材料或いは積層工作材料片を造るための方法 - 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】 本発明は、少なくとも一つの金属材料を金属基板上に蒸
着処理により層を形成して金属摩擦層或いは滑り層を有
る、積層工作材料或いは積層工作片を造るための方法に
関る、。

ドイツ連邦共和国特許公報第２９３５ ４１７号から、薄い金属層を金属摩擦層或いは滑り層と
して真空蒸着処理により金属担持体上に形成し、この場
合蒸発る、金属をドイツ連邦共和国特許公報第８８２　
１７４号およびドイツ民主共和国特許公報第５４１５４
号により電子を衝突させて加熱して蒸発させることが知
られている。金属合金を蒸着処理す名湯台、これは前処
理した合金をるつぼから蒸発させて行ことかできる。し
かし、米国特許公報第２３６　１８５号およびり、Ｈｏ
１ｌａｎｄ　　ｒＶａｃｕｕｍ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ　　ｏｆ　　Ｔｈ１ｎ　　ＦｉｌｍＳ　Ｊ　、　Ｃｈ
ａｐｍａｎ＋Ｈａｌｌ　ｓ社（１９６１年）、１９７頁
から、全部の或いは若干の合金成分を別個にそれぞれの
るつぼから同時に或いは、しかも特に合金成分の蒸気圧
がより大きく異なっている際には相前後して蒸発させる
ことが知られている。他方ドイツ連邦共和国特許公報第
２８　５３　７２４号から、陰極スパッタリングにより
形成された金属層にあって分散強化は、プラズマ或いは
ターゲットに成る程度の含有量の酸素を吹込みかつ形成
すべき材料に比較的固い酸化物粒子を形成しかつその金
属酸化物が金属自体よりも大きな容量を持つような金属
を添加されることにより達せられることが知られている
。

これに対して摩擦材料或いは滑り材料を造るための本発
明による課題は、真空蒸着処理を適用して連続的な方法
或いは非連続的な方法により層材料から積層体、特に摩
擦積層体或いは滑り積層体を造ることおよびこれらの積
層体を同じ工程で分散を強化る、ことの可能性を造るこ
とである。

この課題は本発明により、蒸着処理すべき層の少なくと
も一つの工作材料、特に摩擦積層体或いは滑り積層の工
作材料の蒸着処理を連続的に或いは非連続的に残留ガス
雰囲気の存在下で１０−！〜１０”’ｍｂｒの範囲の圧
力で行い、この場合残留ガス雰囲気に蒸着処理すべき材
料より硬い少なくとも一つの化学的な結合を形成る、た
めに蒸着処理すべき材料の成分の少なくとも一つと化学
的に反応る、少なくとも一つの成分を含有させることに
よって解決される。

本発明により、トリボロギック特性が現今の実地の諸要
件を充足る、分散が強化された積層工作材料の製造を可
能にる、反応性の蒸着処理のための方法が得られる０発
生る、残留ガスでの本発明による蒸着処理は合理的な方
法による分散が強化された摩擦積層体或いは滑り積層体
の製造にとって決定的な進歩をもたらす。何故なら約０
．３μｍ／秒の積層率での蒸着処理は（積層率最大１μ
ｍ／分の）陰極スパッタリングに比して経費上好都合で
あるからである。

本発明による方法により特に蒸着処理されるべき基板は
工作材料の蒸着処理の間この蒸着処理されるべき工作材
料の種類に適合された、約２００℃〜８００℃の高い温
度に維持される。アルミニウム合金を蒸着処理る、場合
には基板は約２００℃〜約３００℃の温度に維持され、
一方銅一鉛一合金を蒸着処理る、際は基板は約５００℃
〜７００℃の範囲の温度に維持される。蒸着処理される
べき基板の加熱は特に電子ビームにより、特に場合によ
っては電気的な抵抗加熱との組合わせによって行われる
。基板の高い温度は反応性の蒸着処理の際特に、原子の
場所交代工程が容易になることにより反応経過を加速る
、。他方では約３００　”Ｃより高い基板温度は、特に
アルミニウム−積層工作材料の蒸着処理の場合金属間の
相の形成を誘起し、この相は曲げ応力或いは交番応力を
受けた際アルミニウム−積層工作材料の脆弱挙動の結果
滑り層と担持層（特に鋼材）間の結合の解離を招く。こ
のような場合、そのづと蒸着処理されるべき材料の種類
によって与えられる適当な温度範囲内の温度を維持る、
ために、その都度の材料の蒸着処理の開基板を冷却る、
必要がある。

その際この冷却を不活性ガスによる圧力段が変わる室内
で行うのが有利である。しかし、蒸着処理と引き続き行
われる加熱工程との組合わせは他方では拡散液−中間層
の形成による付着を改善る、。

その都度の材料およびその合金成分の蒸着処理は本発明
の枠内において、酸素、湿潤された酸素、水蒸気、窒素
および排気室内に圧入された空気を含んでいる酸化作用
を行う残留ガス雰囲気で行われる。このような反応性の
蒸着処理は、蒸着処理されるべき層のマトリックスの金
属材料が従来の滑り軸受合金、例えばアルミニウム、鉛
、錫、亜鉛、ニッケル、銅からなる群の一つ或いは多数
の金属滑り軸受合金である積層工作材料或いは積層工作
片にとって特に有利である。この場合、これらの金属の
一つ或いはこれらの金属の多数の酸化物或いは窒化物か
ら成る比較的固い、分散が強化された粒子が形成される
。しかしまた、反応性蒸着処理による分散強化を、蒸着
処理すべき材料にイツトリウムおよびランタンを含む稀
土類の群からなる元素或いは酸化物を、これらが蒸着処
理された層内において１５容量％の最大分散液割合を越
えない程度の量で混合して酸化層の酸化度を著しく高め
ることにより達せられるか或いは更に強化される。硬い
分散を強化る、成分の形成のための本発明により解明さ
れた他の可能性は、残留ガス雰囲気が酸素を含んでおり
、かつ蒸着処理されるべき材料に蒸発温度が固い分散を
強化る、成分を形成る、適当な二酸化物の蒸発温度より
も低い亜酸化物、例えばＳｉＯおよび／またはＴｉＯを
混合る、点にある。

本発明による方法にあっては、帯鋼或いは他の担持材料
、例えば硫化第二錫から成る帯材が殆ど全部の滑り軸受
材料と蒸着処理されかつ同時に分散強化される。積層は
真空蒸着処理中で極端にきれいな条件の下で行われ、こ
の際残留ガス−組成は硬化る、粒子の酸化物含有量が１
〜５容量％、特に１容量％以下であるように保持れれる
。この場合、滑り材料或いは摩擦材料を造るための積層
材料の製造のための帯状蒸着処理の利点は、一方におい
ては廃水の問題が生じないこと、即ちこの方法により環
境が汚染されないことであり、他方では両成分を同時に
蒸着処理る、ことが可能であり、しかも色々な材料を使
用して可能であることにある。このことは、銅担持体の
片側が滑り目的もしくは摩擦目的のための一つ或いは多
数の層で、背面が腐食保護層として働く層で蒸着処理さ
れることが可能であることを意味している。即ち、この
ような方法により厚みの異なる個々の帯材側面層上に蒸
着処理を行うことが可能である。

本発明による方法の基本原理により構成された蒸着処理
装置は時間を費やしかつ経費のかかる拡張および変更を
加えることなく蒸着処理のために使用される色々な金属
のために装備変えして適用可能である。

本発明による方法にあっては、相前後して設けられる蒸
着処理系から異なる金属を異なる厚みで互いに上下に蒸
着処理る、ことにより多材料屠体が簡単な方法で造るこ
とが可能である。例えば銅担持体上で通過させる間鋼材
背面に錫を耐腐食層（フラッシュ）として蒸着処理る、
ことが可能である。これに対して相対している機能層側
においてはＣｕＰｂ−もしくはＡｌＰｂ−基礎合金から
成るおよび純粋アルミニウム或いはニッケルから成る結
合層を備えた滑り軸受合金を銅担持体と本来の滑り層と
の間に蒸着処理る、ことができる。

＠／Ａ　ｌ−合金構造を有る、鋼／Ａｌ−複合材料の場
合、帯鋼材の背面に耐腐食性層を、例えば錫或いはＰｂ
５ｎから成る、一方では相対している機能側にはＡＩ−
合金から成る中間層に対る、結合層をＣｕ５ｎから、お
よびその上に存在している滑り軸受合金を特にＰｂ５ｎ
Ｃｕ−合金から蒸着処理る、ことが可能でありかつ有意
義である。これらすべての層は本発明による方法により
分散強化されている。

他の例として背面が錫化された帯鋼材があげられるが、
この帯鋼材は機能側にＣｕＰｂ２２Ｓｎｌ−中間層、Ｎ
ｉから成る厚さ約１μの拡散液遮断層および他の層、例
えばＰｂＩｎ或いはＰｂ５ｎＣｕから成る入口層および
滑り層が同様に蒸着処理されている。もはや巻体から巻
体へと巻とることのできない厚み（＞６ｍｍ）の帯鋼材
の場合、プラチナがいわゆる一室装置或いは多室装置（
バッチタイプ装置）内で噴霧される。

本発明の枠内において特にイオンビーム活性化された積
層体を形成る、ことが可能である。このようなイオンビ
ーム活性化された積層体は蒸気の高真空蒸着処理といわ
ゆるプラズマ活性化される積層との間に形成される。

イオン源は正に電荷されかつ基板に加速されてビームさ
れるイオンを発生る、。同時に粒子流が蒸発器から基板
に当てられる。イオン源としては次のタイプのもの、即
ち １）グロー放電によるイオン発生 ２））（Ｆ−放電によるイオン発生 ３）ペニング−放電によるイオン発生 ４）アーク放電によるイオン発生 および ５）火花放電によるイオン発生 が使用される。

特に本発明の枠内においては材料を蒸発させるために電
子ビーム蒸発器、特に電子ビーム−線形蒸発器が使用さ
れ、この蒸発器にあっては後方散乱された電子は磁界に
より基板（帯鋼材）への到達が阻止され、従ってＡＩ−
合金の蒸着処理の場合例えば３００℃の積層温度への電
子の予備加熱による温度の超過は生ぜず、結合強度を低
減る、脆弱なＡｌ−Ｆｅ−相の生成の阻止が保証される
。蒸発源としては原則的には互いに並列して設けられる
一連の点形蒸発器および線形蒸発器が使用される。両者
の場合、蒸発源は蒸着処理されるべき帯材の全幅にわた
って延びていなければならない。しかし、原則的には均
一な層厚みの分布は、点形蒸発器の列の代わりに線形蒸
発器を使用る、ことによって達せられる。

蒸発物質によって満たされている蒸発るつぼは蒸着処理
されるべき帯材の全幅にわたって延びている。出力が強
力な電子ビームは電子銃内で発生され、線状に蒸発物質
の表面上を案内される。

積層工作材料を造るための本発明による方法は本質的に
以下のような経過で行われる。

蒸着処理すべき帯鋼は慎重な前洗浄（除去）後蒸着処理
の瞬間においてＡｌ−軸受合金の蒸発の際２００〜３０
０℃の最低温度を、かつＣｕＰｂをベースとした合金の
蒸発の際は幾分高い最低温度、しかも５００〜７００℃
の範囲の温度を有していなければならない。

帯材を加熱る、ため本来の積層室内に導入る、前に以下
のこと、即ち １）誘導加熱、 ２）直接的な電流通過による抵抗加熱、３）電子ビーム
によるビームによる直接的な加熱、 を行うことが可能である。

誘導加熱は真空中では諸種の難点があり、かつその上薄
い帯材にとっては効率が悪い。

抵抗加熱は帯材幅全体にあって温度分布の自在性に僅か
に欠けている。従って加熱の優れている方法は電子ビー
ムによる加熱である。

何故なら加熱効率の分布を帯材の幅全体にわたっても、
また帯材の移動に沿っても制御る、ことが可能であるか
らである。従って、一方では帯材の全幅にわたって一様
な温度を形成る、ことが可能であり、他方では浴内の温
度上昇に関る、極めて好都合な状況を産むことが可能で
ある。この目的のため本発明の枠内においては、帯材の
運動方向に対して横方向で高い周波数で振動る、帯状の
ビームを発射る、電子銃が使用される。

滑り軸受、ブツシュおよび始動ディスクを造るための本
発明による方法にあって積層工作材料を造るための装置
は以下のように構成されている。

このような装置は合金成分および層順序に応じて帯材を
加熱る、ための二つの電子銃および電子ビーム蒸発装置
を備えている。帯鋼は多数の加圧段を経て、電子銃によ
る加熱部或いは電子銃と抵抗熱部との組合わせによる加
熱部が設けられている加熱室に到達る、。

蒸発装置内に導入させる以前に基板をグロー放電で洗浄
し、結合を弱めるような化学物質を吸収る、水皮殻を確
実に除去る、のが有利である。

経済的な製造と言う点で電子ビーム発生部、一つ或いは
多数の蒸発るつぼ或いは偏向系がコンパクトな、交換容
易な一つのユニットを形成しているのが重要である。電
子ビームは不均一な磁界内で所与の要件に応じて１８０
″〜３００°転向され、これにより陰極が蒸着処理から
保護される。

蒸着処理装置内に入る帯鋼或いは非連続的に導入される
プラチナ或いは鋼条片は、例えば炭素繊維、セラミック
繊維、合成繊維或いはハイブリッド繊維から成る織物、
繊維束或いはフリースで被覆されていてもよい。

本発明による方法は、分散型合金から成る分散が強化さ
れた層を形成る、ことと組合わせて行うのが特に有意義
である。この場合本発明による方法は特にアルミニウム
−鉛をベースとした、アルミニウム−錫をベースとした
或いは銅−鉛をベースとした分散型合金から分散強化し
た層を造るのに有利にできる。

例えば本発明による方法はアルミニウム−鉛をベースと
した分散型合金から滑り層を造るのに特に有利に適して
いる。この目的のため本発明による方法にあっては一方
の溶融るつぼ内にはアルミニウムをベースとした蒸発物
質が、他方の溶融るつぼ内にはＰｂをベースとした蒸発
物質が装入される。この場合、例えば組成ＡｌＣｕ１Ｎ
ｉＯ０，５を有る、アルミニウムをベースとした蒸発物
質が該当る、。この際Ｐｂをベースとした蒸発物質は例
えば組成ＰｂＳＮ２〜Ｐｂ５ｎ４を有していてもよい。

特に摩擦要素および滑り要素のための複合材料における
中間層を造るために適しているたの適用例にあっては、
一方の溶融るつぼ内には錫−青銅をベースとした蒸発物
質が、他方の溶融るつぼには鉛をベースとした材料が装
入される。このようにして本発明による方法により鉛−
錫一青銅一分散型合金から成る分散が強化された層が得
られ、この層は特別微細な鉛分布および分散が強化され
た素材の特別微細な分布、即ち鉛−錫一青銅一層内の分
散体の特別微細な分布によって優れている。

類偵の方法により本発明による方法にあっては、一方の
溶融るつぼ内に錫−青銅をベースとした蒸発物質を、他
方の溶融るつぼ内に鉛−青銅をベースとした蒸発物質を
装入した場合、鉛−錫一青銅一分散型合金から成る層を
得ることも可能である。

あらゆる適用例にあって本発明は、残留ガス条件下での
反応性蒸着処理が保護ガス、例えば水素下での鋳込みよ
りも著しく問題が少なく、かつ陰極スパッタリングによ
る層形成よりも著しく大きな効率を有していると言う利
点をもたらす。金属の担持体、特に鋼は組成に応じて本
来の鋳込みに先だって行われる水素の下での光輝焼なま
しの際程度の差こそあれ著しくこのガスを吸収る、傾向
を示し、このガスは冷却の際鋳込み表面方向に流出し、
分散された成分を下方向へと担持体表面に押し付け、こ
れに伴い金属溶離を付加的に誘起させる。

本発明の枠内において、帯状金属、例えば担持体として
使用された帯鋼は排気された室、場合によっては残留ガ
ス雰囲気の存在下ですら前処理される。これにより積層
されるべき帯状金属内への水素或いは他のガスの吸収が
回避されるか、或いは少なくとも著しく低減される０次
いで積層されるべき帯状金属、例えば帯鋼は蒸着処理の
ための予備温度で蒸着処理室内に案内される。

更に本発明は特別有利な方法により、化学的な組成の異
なる層を蒸着処理る、ことの可能性を提供る、。その際
化学的な組成の異なるこのような層の蒸着処理は順序だ
って排気された室内でもしくはなお残留ガス雰囲気を含
んでいる室内で行われる。

処理装置を去る前に蒸着処理された帯状金属、例えば帯
鋼は１００℃の温度に冷却され、従って雰囲気の蒸着処
理された層への有害な作用が回避される。

以下に添付した図面に図示した実施例につき本発明を説
明る、。

第１図は蒸着処理され、分散が強化されたＡｌＰｂ−分
散型合金を備えた複合工作材料の裁断図を示している。

ＡＩ−マトリックス１０内には鉛１１が細か（分散され
た形で存在している。更に反応性蒸着処理によって形成
された分散体１２がこのＡＩ−マトリックス１０内には
極めて細かい形で分散されている。これに対して第２図
はＡｌＰｂ−分散型合金を備えた従来の複合工作材料の
裁断図を示している。この複合工作材料にあって鉛１１
はマトリックス１０内に行の様式の配列で埋設されてい
る。鉛のこの行の様式の配列により材料の耐久性が著し
く減少される。第３図は、第１図による蒸着処理され、
分散が強化されたＡｌＰｂ−分散型合金を備えた複合工
作材料および第２図によるＡｌＰｂ−分散型合金を備え
た従来の複合工作材料の耐荷重性を示す棒グラフを示し
ている。この棒グラフから蒸着処理され、分散が強化さ
れたＡｔＰｂ−分散型合金を備えた複合工作材料の耐繰
返し衝撃強度が公知の材料、例えばドイツ連邦共和国公
開特許公報第１７　７５　３２２号による材料の耐繰返
し衝撃強度よりも約６０％だけ高いことが認められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸着処理され、分散が強化されたＡｌＰｂ−分
散型合金を備えた本発明による複合工作材料の断面図、 第２図は同じ組成で形成された層を備えた、粉末圧展、
焼結成いはメッキによって造られた複合材料の断面図、 第３図は本発明による複合材料と公知の複合材料の耐繰
返し衝撃強度の比較を棒グラフで示した図。 図中符号は、 １０・・・マトリックス １１・・・鉛 １２・・・分散体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも一つの金属材料を金属基板上に蒸着処理
   することにより層形成下に金属摩擦層或いは滑り層を備
   えた積層工作材料或いは積層工作材料片を造るための方
   法において、蒸着処理すべき層の少なくとも一つの層の
   材料、特に摩擦層或いは滑り層の材料の蒸着処理を連続
   的に或いは非連続的に残留ガス雰囲気の存在下に１０＾
   −＾２〜１０＾−＾３の範囲の圧力で行い、この場合残
   留ガス雰囲気中に蒸着処理されるべき材料の成分の少な
   くとも一つと、蒸着処理されるべき材料よりも硬い少な
   くとも一つの化学的な結合形成下に化学的に反応する少
   なくとも一つの成分を加えることを特徴とする、上記方
   法。 ２、蒸着処理すべき基板を材料の蒸発の間蒸着処理すべ
   き材料の種類によって定まりかつ高められた約２００〜
   ８００℃間の温度に保持する、特許請求の範囲第１項に
   記載の方法。 ３、蒸着処理すべき基板をアルミニウム合金の蒸発の間
   約２００〜約３００℃の温度に保持する、特許請求の範
   囲第２項に記載の方法。 ４、蒸着処理すべき基板を銅−鉛−合金の蒸発の間約５
   ００〜７００℃間の範囲の温度に保持する、特許請求の
   範囲第２項に記載の方法。 ５、蒸着処理すべき基板の加熱を電子ビームにより場合
   によっては電気的な抵抗加熱と組合せて行う、特許請求
   の範囲第１項から第４項までのいずれか一つに記載の方
   法。 ６、層、例えば摩擦層或いは滑り層の蒸着処理に引続い
   て加熱工程を拡散中間層形成の下で行う、特許請求の範
   囲第１項から第５項までのいずれか一つに記載の方法。 ７、材料の蒸着処理の際以下に記載するガス、即ち酸素
   、湿った酸素、水素、窒素或いは空気を或いはこれらの
   ガス混合物を含んでいる残留ガス量を維持する、特許請
   求の範囲第１項から第６項までのいずれか一つに記載の
   方法。 ８、硬化されかつ分散が強化された酸化物或いは窒化物
   を形成する少なくとも一つの金属、例えばアルミニウム
   、鉛、カドミウム、錫、亜鉛、ニッケル、銅を含んでい
   る、蒸着処理されるべき物質を使用する、特許請求の範
   囲第７項に記載の方法。 ９、蒸着処理されるべき材料にイットリウムおよびラン
   タンを含む『稀元素』の群から成る化学的元素或いは酸
   化物を、これらが蒸着処理された層内において１５容量
   ％の最大分散割合を越えない量で混合する、特許請求の
   範囲第７項に記載の方法。 １０、残留ガスに酸素を加え、かつ蒸着処理されるべき
   材料に蒸発温度が硬化されかつ分散を強化する成分の蒸
   発温度よりも低い亜酸化物、例えばＳｉＯおよび／また
   はＴｉＯを混合する、特許請求の範囲第７項に記載の方
   法。 １１、分散型合金、例えばアルミニウム−鉛−分散型合
   金或いはＣｕＰｂをベースとした分散型合金から層、特
   に摩擦層−或いは滑り層を蒸着処理する際に分散型合金
   の成分とこの合金成分よりも硬い物質形成下に化学的に
   反応する少なくとも一つのガス成分を含んでいる残留ガ
   ス雰囲気を使用する、特許請求の範囲第１項から第１０
   項までのいずれか一つに記載の方法。 １２、組成および種類が異なる蒸発物質を含んでいる異
   なるソースから成る分散型合金を形成する成分の蒸発を
   所望の組成に相応して所定のリズムで交番して時間的な
   順序で行う特許請求の範囲第１１項に記載の方法。 １３、材料の蒸発をプラズマ活性化された積層の様式で
   イオン、特に残留ガス成分のイオンを材料蒸気内に照射
   しかつイオンの電荷の極性のような反対の極性の電気的
   な電位並びに印加しながら行う、特許請求の範囲第１項
   から第１２項までのいずれか一つに記載の方法。 １４、材料の蒸発を、イオン源において発生されかつ、
   正に付加されたイオンが基板に加速されかつ同時に粒子
   流と共に蒸発器から基板上に案内されるイオンビーム活
   性化された積層の様式で行う、特許請求の範囲第１項か
   ら第１２項までのいずれか一つに記載の方法。 １５、材料の蒸発を電子ビーム−線状蒸発器を使用して
   或いは一列に互いに並列して設けられた点形蒸発器を使
   用して行い、この際後方散乱された電子が磁界により基
   板に到達するのを阻止する、特許請求の範囲第１項から
   第１４項までのいずれか一つに記載の方法。 １６、基板を材料の蒸着処理以前に炭素繊維、セラミッ
   ク繊維、合成繊維或いはハイブリッド繊維うら成る繊維
   、繊維束或いはフリースで覆う、特許請求の範囲第１項
   から第１５項までのいずれか一つに記載の方法。 １７、化学的な反応により蒸着処理された積層工作材料
   および化学的な反応により蒸着処理された積層工作材料
   を蒸着処理に引き続いて拡散−中間層の形成下に加熱す
   る、特許請求の範囲第１項から第１６項までのいずれか
   一つに記載の方法。