JPS63125822A - 低摩擦構造及びその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば内燃機関に用いて好適な低摩擦構造及
びその製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

内燃機関において、低燃比及び低製造コスト化といった
経済性を考慮しつつできるだけ高出力を得る為に、とり
わけその動力部における低摩擦構造に切迫した要求が課
されている。特に、液体との摩擦が生じる領域での動応
力の交番に対するより大きな機械的強度及び液体と固体
との混合物に対する摩擦が生じる領域での摺動特性に関
してこのことが言える。そしてこの理由から、最近の内
燃機関における、特に、高点火圧、高圧縮比及び過給に
よる負荷に対する要求に答える低摩擦構造の開発が必要
であった。

この問題を解決する為に、ドイツ連邦共和間第２８　５
３　７２４号明細書には、支持層の上に低摩擦層を陰極
スパッタにより形成した複合体が提案されている。低摩
擦層は、分散強化の為の比較的硬い粒子を実質的に１重
量％以下含有している。硬質粒子は、その金属に含まれ
ている構成成分の酸化物及びその金属の酸化物から成っ
ており、金属酸化物の体積は金属それ自体の体積よりも
大きい。微細に分散した酸化物が転位や粒界等の格子欠
陥を抑制する為に分散が強化されて、熱間強さ及び高温
での耐摩耗性が向上する。酸化物を形成する為の酸素は
、通常の連続鋳造法で作られるターゲットに含まれてい
るか、或いは陰極スパッタのプラズマガス中に導入され
る。同様の方法がドイツ連邦共和国特許第２９　１４　
６１８号明細書に提案されており、酸化物粒子が０．１
〜０．５容量％の濃度でアルミニウムから成る低摩擦層
の母材中に混入されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

分散強化の為の酸化物の含量を増加させると低摩擦層の
延性が減少し、緊急運転やならし運転の特性に悪影響を
与える。この結果、分散強化の期待される潜在的な効果
が、高温での大きい強度を有する低摩擦層の製造に充分
役立てることができなかった。

そこで本発明の目的は、この種の低摩擦構造において、
液体との摩擦が生じる領域での動応力の交番に対して大
きな強度を存し、しかも液体と固体との混合物に対する
摩擦の生じる領域での摺動特性も良好なものを提供する
ことである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は本発明により次のようにして達成される。

即ち、本発明は、陰極スパッタにより金属製支持部材上
に形成された金属材料から成る少なくとも１層の低摩擦
層を有し、この低摩擦層が、金属母材中に、低摩擦金属
材料から成る粒子と酸素とを含有している低摩擦構造に
おいて、前記粒子が？＜Ｏ，Ｓμｍの平均粒径を有して
いて統計学的に分布しているとともに、前記母材よりも
摺動特性の良い低摩擦金属材料から成っており、且つ、
　　　−前記母材中における前記酸素の含有量が０．５
〜２．０重量％の範囲であって、この含有量が前記粒子
の含有量が多い程又は前記粒子の前記平均粒径が小さい
程多くなるように調整されていることを特徴とする低摩
擦構造に係るものである。

このように構成した低摩擦層においては、既述した従来
技術のものと比較して、粒子が約１０倍微細に分布し、
この低摩擦層の見かけの硬度は１００〜１３０Ｈｖ　（
０，００２）であることがドイツ工業規格ＤＩＮ５０　
１３３により確認された。

この硬度は、１７０℃での高温析出硬化で２５０時間経
過後２５％低下し、ＤＩＮ５０　１３３により測定した
見かけの硬度は約７５〜９７．５Ｈｖ　（０，００２）
となった。一方、既述したドイツ連邦共和国特許第２８
　５３　７２４号明細書に記載された材料による低摩擦
層の最終硬度は同じ温度条件で約６０　Ｈｖ　（０，０
０２）であり、全く同様に低下したが、比較的低い値で
あった。

本発明のように母材が大きな酸素含有量を有することに
より、微細化された金属粒子が酸素によって効果的に覆
われる。そしてこれにより、粒子が運転温度で膨張して
本発明による利点の一部が損なわれる危険が減少する。

比較的大きな酸素含有量の為に、低摩擦層の製造時の状
態が安定化され、低摩擦層の硬度が低下する温度条件に
おいても、公知の低摩擦層の硬度よりは高い値に維持さ
れる。そしてこれらの効果により、本発明の低摩擦層に
おいては、液体との摩擦が生じる領域での動力力の交番
に対する機械的強度が大幅に増大し、且つ液体と固体と
の混合物に対して摩擦が生じる領域での耐摩耗性が増大
する。

本発明の好ましい構成においては、母材中に存在する粒
子は統計学的な正規分布をしており、その平均粒径はマ
＝０．０５〜０．４μｍである。実験によれば、本発明
の効果はマ＜０．８μｍの値まで維持できることが確認
された。

本発明の更に好ましい構成においては、母材が、アルミ
ニウム、銅又は鉄を基材とした低摩擦材料から成り、一
方、粒子は、錫、鉛、ビスマス、銅及び亜鉛の少な（と
も１種から成っていて、これらが単独で又は組み合わさ
れて母材に混入されている。

実際には、低摩擦層が、Ａｌ５ｎ５Ｃｕ　、、　Ａｌ５
ｎ１０Ｃｕ。

Ａｌ５ｎ２０Ｃｕ、、Ａｌ５ｎ３０Ｃｕ、　Ａｌ５ｎ４
０Ｃｕ、　Ａｌ５ｎ１０Ｐｂ１０Ｃｕ及びＡｌＺｎ５Ｐ
ｂのいずれかの型の合金組成から成っていると特に効果
的である。

低摩擦層は５〜５００μｍの厚さを有しているのが好ま
しく、１０〜２０μｍの厚さであるのが更に好ましい。

本発明の更に、好ましい構成においては、低摩擦層が、
互いに積層された複数の層から成っており、その場合、
低摩擦層の厚さは５０〜５００μｍであるのが好ましく
、５０〜１５０μｍであるのが更に好ましい。

積層された個々の低摩擦層は互いに異なった厚さを有し
ていて良く、また異なった低摩擦材料から構成されてい
ても良く、さらに必要な場合にはその酸素含有量又は平
均粒径も異なっていても良い。また、積層された個々、
の低摩擦層は、隣接する低摩擦層に対して連続的な組成
を有しているのが好ましい。

本発明の更に好ましい構成においては、低摩擦層と支持
部材との間に、ニッケル、アルミニウム又はこれらの合
金、好ましくはＮｉＣｕのいずれかから成る中間層が形
成され、これにより低摩擦層の結合強度を向上させ、ま
た拡散障壁を形成させる。

この中間層の厚さは１〜５μｍであるのが好ましく、１
．５〜２．５μｍであるのが更に好ましい。

さらに、低摩擦層の組成とこの中間層の組成とが互いに
連続的に変化しているのが好ましい。

その上に金属低摩擦層が形成される支持部材は鋼から成
っているのが好ましい。

またこの支持部材は、鋼から成る層と、この層の上に形
成された銅、アルミニウム又は鉄の合金から成る支持層
との複合材料で構成することもできる。

本発明の低摩擦層を製造する場合、陰極スパッタの間、
支持部材を実質的に０．５７ｓ以下の温度に維持するこ
とが重要である。但し、Ｔｓは母材の基材料の絶対溶融
温度である。驚いたことに、この　　　−ような低い温
度を用いることにより、母材に混入される粒子の平均粒
径が０．０５〜０．８μｍと予想外に減少し、また支持
部材を比較的低温に維持することにより母材中における
粒子の分布もより微細に且つより均一になることが見出
された。使用できる最も低い温度は室温である。

本発明の好ましい構成によれば、陰極スバソタの間、低
摩擦層を、０．２μｍ／分を超える速度で形成する。こ
れにより、低摩擦層に混入される粒子の粒径が減少する
。

低摩擦層に混入させる酸素は、酸素単体のガス、空気、
或いは、水素、炭素及び窒素の少なくとも１種との化合
物である酸素化合物のガスをプラズマガスに混合するこ
とで供給することができる。

勿論、水蒸気や二酸化炭素を用いても良い。

プラズマガスとしてはアルゴンを用いるのが好ましく、
真空下で行われる前記陰極スパッタの間、酸素供給ガス
の分圧を全ガス圧の１〜５０％に維持することが好まし
い。

一方、低摩擦層に混入させる必要量の酸素を、陰極スパ
ッタに用いるターゲットであって、母材及び粒子を含有
するターゲット中に酸化物の形で混入させておくことも
できる。この場合、低摩擦層中の酸素の含有量は、ター
ゲット中の酸化物の含有量又は陰極スパッタの間のター
ゲットの電力密度によってコントロールすることができ
る。

本発明の更に好ましい構成においては、低摩擦層を構成
する各構成成分が同時に支持部材上に塗布され、これに
より、粒子の微細な分布が更に改善される。これは、用
いるターゲットの少なくとも５０％を、母材構成材料及
びこの母材中に混入される粒子の構成材料で構成するこ
とにより達成することができる。

一方、低摩擦層を構成する各構成成分を順次支持部材上
に塗布することもできる。この目的の為には、低摩擦層
の母材を形成する低摩擦材料から成るターゲットが用い
られ、上記材料は夫々異なった領域に塗布される。

特に好ましい構成においては、低摩擦層を形成する為に
用いるターゲットが、その低摩擦層と支持部材との間に
形成される中間層の為にも用いられ、低摩擦層は中間層
の形成直後に連続して形成される。

本発明の更に好ましい構成においては、母材中に混入す
る粒子の場合よりも高い温度で母材が支持部材上に供給
される。更に好まし構成においては、母材を形成する低
摩擦材料が、この母材に混入される粒子を形成する低摩
擦材料よりも前に塗布供給され、支持部材を最初高温に
して、塗布工程が進むにつれて温度を減少させていく。

本発明の低摩擦構造は、例えばＤＩＮ　　ｌ５Ｏ４３７
８によるような摺動支持面や回転体支持面に用いること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例につき説明する。

Ｃ８０Ｗ２型の通常の工具鋼から成る半軸受胴Ａ、Ｂ、
Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆが用意された。各軸受用にはＡｌ５ｎ２
ＯＣｕ型の低摩擦層が、軸受用を６０℃の温度に維持し
て０．３μｍ／分の速度で１５μｍの厚さに形成された
。その際、軸受用Ａ−Ｃの低摩擦層は殆ど酸素の無い状
態で形成され、軸受用Ｄ〜Ｆの低摩擦層は平均酸素台ｔ
１．１２重量％で形成された。

各低摩擦層の初期硬度と最終硬度の測定結果を次表に示
す。測定は各々６回ずつ行われ、その平均値を示した。

最終硬度は、ＤＩＮ５０　１３３による１７０℃、２５
０時間の高温析出硬化後のビッカース硬度Ｈｖ　（０，
００２）として測定した。

Ａ　　無酸素　　　１１２　　　０．５９Ｂ　　無酸素
　　　１０９　　　０．６６Ｃ無酸素　　　１０９　　
　０．６６ Ｄ　　　１．８０　　　　１１２　　　０．８７Ｅ　　
　１．０５　　　　１０２　　　０．８２Ｆ　　　Ｏ，
５１０３０，８３ この結果から分るように、いずれの試料も初期硬度は似
たようなオーダーであるのに対し、最終硬度Ｈと初期硬
度Ｈａの商から分るように硬度は減少し、これは軸受用
Ａ−Ｃのものが軸受用Ｄ〜Ｆのものよりも小さくなる。

このことから、金属製支持部材上に形成された陰極スパ
ッタ層は、その硬度の焼き戻しに対する耐性を向上させ
る為には、０．５重量％を超える酸素含量が必要である
ことが結論される。

添付図面は本発明の一実施例による低摩擦構造の概略縦
断面図である。

スチール層１は、鉛−錫青銅から成る厚さ３００μｍの
中間層２を具備している。そして、Ａ　ｌ５ｎ２０Ｃｕ
からなる厚さ５０μｍの低摩擦層３が陰極スパッタによ
り中間層２上に形成されている。

〔発明の効果〕

本発明により、摺動支持面の機械的強度及び摺動特性が
大幅に改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による低摩擦構造の概略縦断
面図である。 なお図面に用いた符号において、 ■−・−・−−−−−・−・−・・支持部材２−−−−
−−−−・・・・・・−・中間層３−・−−−−−−一
−−−・・−・低摩擦層である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、陰極スパッタにより金属製支持部材上に形成された
   金属材料から成る少なくとも１層の低摩擦層を有し、こ
   の低摩擦層が、金属母材中に、低摩擦金属材料から成る
   粒子と酸素とを含有している低摩擦構造において、 前記粒子が＠ｘ＠＜０．８μｍの平均粒径を有していて
   統計学的に分布しているとともに、前記母材よりも摺動
   特性の良い低摩擦金属材料から成っており、且つ、 前記母材中における前記酸素の含有量が０．５〜２．０
   重量％の範囲であって、この含有量が前記粒子の含有量
   が多い程又は前記粒子の前記平均粒径が小さい程多くな
   るように調整されていることを特徴とする低摩擦構造。 ２、前記粒子が正規分布をしており、且つその平均粒径
   が＠ｘ＠＝０．０５〜０．４μｍであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の低摩擦構造。 ３、前記母材が、アルミニウム、銅及び鉄のいずれか１
   種を基材とした低摩擦材料から成ることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項に記載の低摩擦構造。 ４、前記粒子が、錫、鉛、ビスマス、銅及び亜鉛の少な
   くとも１種から成っており、これらが単独で又は組み合
   わされて前記母材に混入されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の低
   摩擦構造。 ５、金属製の前記低摩擦層が、ＡｌＳｎ５Ｃｕ、ＡｌＳ
   ｎ１０Ｃｕ、ＡｌＳｎ２０Ｃｕ、ＡｌＳｎ３０Ｃｕ、Ａ
   ｌＳｎ４０Ｃｕ、ＡｌＳｎ１０Ｐｂ１０Ｃｕ及びＡｌＺ
   ｎ５Ｐｂのいずれかの型の合金から成ることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載
   の低摩擦構造。 ６、前記低摩擦層が５〜５００μｍの厚さを有している
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第５項のいず
   れか１項に記載の低摩擦構造。 ７、前記低摩擦層が、互いに積層された複数の層から成
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第６項のい
   ずれか１項に記載の低摩擦構造。 ８、積層構造の前記低摩擦層の厚さが５０〜５００μｍ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の
   低摩擦構造。 ９、積層された個々の低摩擦層が異なった厚さを有して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第７項又は第８項
   に記載の低摩擦構造。 １０、積層された個々の低摩擦層が異なる低摩擦材料か
   ら構成されており、且つ酸素含有量及び平均粒径も異な
   っていることを特徴とする特許請求の範囲第７項〜第９
   項のいずれか１項に記載の低摩擦構造。 １１、積層された個々の低摩擦層が、隣接する低摩擦層
   に対して連続的な組成を有していることを特徴とする特
   許請求の範囲第１０項に記載の低摩擦構造。 １２、前記低摩擦層と前記支持部材との間に、ニッケル
   、アルミニウム及びこれらの合金のいずれかから成る中
   間層が形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項〜第１１項のいずれか１項に記載の低摩擦構造。 １３、前記中間層の厚さが１〜５μｍであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１２項に記載の低摩擦構造。 １４、前記低摩擦層の組成と前記中間層の組成とが互い
   に連続的に変化していることを特徴とする特許請求の範
   囲第１２項又は第１３項に記載の低摩擦構造。 １５、前記支持部材が鋼から成ることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項〜第１４項のいずれか１項に記載の低
   摩擦構造。 １６、前記支持部材が、鋼から成る層と、この層の上に
   形成された銅、アルミニウム及び鉄のいずれかの合金か
   ら成る支持層との複合材料で構成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項〜第１４項のいずれか１項
   に記載の低摩擦構造。 １７、陰極スパッタにより金属製支持部材上に形成され
   た金属材料から成る少なくとも１層の低摩擦層を有し、
   この低摩擦層が、金属母材中に、低摩擦金属材料から成
   る粒子と酸素とを含有している低摩擦構造であって、前
   記粒子が＠ｘ＠＜０．８μｍの平均粒径を有していて統
   計学的に分布しているとともに、前記母材よりも摺動特
   性の良い低摩擦金属材料から成っており、且つ、前記母
   材中における前記酸素の含有量が０．５〜２．０重量％
   の範囲であって、この含有量が前記粒子の含有量が多い
   程又は前記粒子の前記平均粒径が小さい程多くなるよう
   に調整される低摩擦構造の製造方法において、 前記陰極スパッタの間、前記支持部材を実質的に０．５
   Ｔｓ（Ｔｓ：絶対溶融温度）以下の温度に維持すること
   を特徴とする方法。 １８、前記陰極スパッタの間、前記低摩擦層を、０．２
   μｍ／分を超える速度で形成することを特徴とする特許
   請求の範囲第１７項に記載の方法。 １９、前記低摩擦層に混入させる酸素を、水素、炭素及
   び窒素の少なくとも１種との化合物である酸素化合物の
   ガス、空気及び酸素単体のガスのいずれかの形でプラズ
   マガスに供給することを特徴とする特許請求の範囲第１
   ７項又は第１８項に記載の方法。 ２０、プラズマガスとしてアルゴンを用い、真空下で行
   われる前記陰極スパッタの間、酸素供給ガスの分圧を全
   ガス圧の１〜５０％に維持することを特徴とする特許請
   求の範囲第１７項〜第１９項のいずれか１項に記載の方
   法。 ２１、前記低摩擦層に混入させる酸素を、前記陰極スパ
   ッタに用いるターゲットであって、前記母材及び前記粒
   子を含有するターゲット中に酸化物の形で混入すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１７項又は第１８項に記
   載の方法。 ２２、前記低摩擦層を構成する各構成成分を同時に前記
   支持部材上に供給することを特徴とする特許請求の範囲
   第１７項〜第２１項のいずれか１項に記載の方法。 ２３、用いるターゲットの少なくとも５０％を、前記低
   摩擦層の構成成分で構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第２２項に記載の方法。 ２４、前記低摩擦層を構成する各構成成分を順次前記支
   持部材上に供給することを特徴とする特許請求の範囲第
   １７項〜第２１項のいずれか１項に記載の方法。 ２５、前記低摩擦層を形成する為に用いるターゲットを
   、前記低摩擦層と前記支持部材との間に形成する中間層
   の為にも用いることを特徴とする特許請求の範囲第１７
   項〜第２４項のいずれか１項に記載の方法。 ２６、前記母材中に混入する前記粒子の場合よりも高い
   温度で前記母材を前記支持部材上に供給することを特徴
   とする特許請求の範囲第１７項〜第２５項のいずれか１
   項に記載の方法。