JP2017537218A - アルミニウム合金層コーティングを備えた滑り軸受け複合材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、鋼製の支持層（１０）、不純物以外の鉛を含まないアルミニウム合金をベースとする中間層（１２）及び不純物以外の鉛を含まないアルミニウム合金をベースとする軸受けメタル層（１４）を備える滑り軸受け複合材料であって、その際、該中間層（１２）のアルミニウム合金が、３．５〜４．５重量％の銅、０．１〜１．５重量％のマンガン、０．１〜１．５重量％のマグネシウム、通常の許容し得る不純物、及び残部のアルミニウム、を有する組成を有し、そして、その際、該軸受けメタル層（１４）のアルミニウム合金が、６．０〜８．０重量％のスズ、１．０〜３．０重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のマンガン、０．５〜１．０重量％の銅、０．１５〜０．２５重量％のクロム、０．１〜０．３重量％のバナジウム、通常の許容し得る不純物、及び残部のアルミニウム、を有する組成を有する、滑り軸受け複合材料に関する。本発明はさらに、軸受け要素及び軸受け要素、特に、滑り軸受けシェル、滑り軸受ブッシュ又はスラストワッシャのための滑り軸受け複合材料の使用に関する。

Description

本発明は、鋼製の支持層、不純物以外の鉛を含まないアルミニウム合金をベースとする中間層及び不純物以外の鉛を含まない、スズ、ニッケル、マンガン及び銅を主要な合金成分として有するアルミニウム合金をベースとする軸受けメタルを備える滑り軸受け複合材料に関する。

そのような滑り軸受け複合材料は、例えば、文献ドイツ国特許出願公開第１０ ２００５ ０２３ ５４１ Ａ１号明細書（特許文献１）及びドイツ国特許第１０ ２００９ ００２ ７００ Ｂ３号明細書（特許文献２）に記載されている。最初に挙げた文献の対象は、金属支持層及び前述の種類の軸受けメタル層を備えた滑り軸受け複合材料であり、その軸受けメタル層は、アルミニウムをベースとする中間層を用いて該金属支持層上に設けられる。この場合の特徴は、その中間層のアルミニウム合金と軸受けメタル層のアルミニウム合金とが、追加の軟質相部分まで一致していることである。その軸受けメタル層の軟質部分として、５〜２０重量％のスズ、そして特に好ましくは９〜１１重量％のスズが提供される。中間層及び軸受けメタル層の他の合金成分は、１．０〜３．０重量％のニッケル、０．５〜２．５重量％のマンガン、０．０２〜１．５重量％の銅及び残部のアルミニウムである。

上記二番目の文献は、同様に、支持層、中間層及びアルミニウム合金をベースとする軸受けメタル層を有する滑り軸受け要素を対象としている。その中間層の特徴は、この場合、３．５〜４．５重量％の銅、０．１〜１．５重量％のマンガン及び０．１〜１．５重量％のマグネシウムを有するアルミニウム合金であり、その際、該中間層は、７０ＨＶ０．０１〜１１０ＨＶ０．０１の微小硬さに設定されている。その滑り軸受け要素の軸受けメタル層は、１．０〜３重量％のニッケル、０．５〜２．５重量％のマンガン、０．０２〜１．５重量％の銅及び５〜２０重量％の軟質層部分及び残部のアルミニウムの組成を有する。

軟質相としては、８〜１２重量％の割合の更なるスズが好ましい。該滑り軸受け要素は、一方が比較的厚く、かつ、比較的硬質な中間層と、他方がそれに適合する、十分にプラスチック可撓性かつ形態適合性を具えた軸受け要素との組合せによって達成される。しかしながらこの場合、それと同時に、より高いピーク負荷時に、該中間層材料がその大きな延性に起因して絞り出されるというこれまでに見いだされている問題は起こらない。

一般的な滑り軸受け複合材料は、例えば、文献ドイツ国特許出願公開第１０ ２００４ ０２５ ５５７ Ａ１号明細書（特許文献３）からも知られている。この文献は、少なくとも二つの層からなるという特徴を有するアルミニウムベースの中間層の改質を取り扱っており、それらの二つの層のうちの下層である、鋼製の支持層に面した層は、それらの二つの層のうちの上層である、アルミニウムベースの軸受けメタル層に面した層よりも小さい硬度を有する。その軸受けメタル層の組成は、３〜２０重量％のスズからなる軟質相、それ以外の、０．１〜７重量％の、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＳｉのうちの一つ又は二つ以上の元素、０．０１〜３重量％の、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＷのうちの一つ又は二つ以上の元素、０．０１〜２重量％の、Ｂ、Ｔｉ及びＺｒのうちの一つ又は二つ以上の元素、及び３重量％以下の、Ｐｂ、Ｂｉ及びＩｎのうちの一つ又は二つ以上の元素で与えられる。そのアルミニウムベースの中間層の組成は、アルミニウム以外に、１〜８．５重量％のＳｉ、０．０１〜７重量％の、Ｃｕ、Ｚｎ及びＭｇのうちの一つ又は二つ以上の元素、０．０１〜３重量％の、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＷのうちの一つ又は二つ以上の元素、並びに、０．０１〜２重量％の、Ｂ、Ｔｉ ｕｎｄ Ｚｒのうちの一つ又は二つ以上の元素、及び残部のアルミニウムで与えられる。

文献米国特許出願公開第２００２／０１９２１０５ Ａ１号明細書（特許文献４）は、アルミニウム−スズベースの滑り軸受けのための、アルミニウム合金を取り扱っている。該合金は、２〜２０重量％のスズ、３重量％以下の銅、０．３〜５重量％のＴｉＣ粒子及び残部のアルミニウムを有する。この文献からはさらに、走行段階における該軸受けの摩耗傾向を低減するためのＭｏＳｉ_２−固体潤滑剤を有する樹脂をベースとするコーティングが知られている。

その軸受けメタル層を鋼製の支持層上に固定するためには、中間層を軸受けメタル層上にめっきし、そして、軸受けメタルと中間層とからなる複合材料を、別途、該支持層上にめっきしなければならない。引き続いて、該層複合材料を熱処理に供さなければならず、その際に、最終的な焼鈍により、所望の組織構造が設定され、それにより、所望の材料特性が設定される。

耐摩耗性もまた、始動−停止の用途において優勢な混合摩耗条件にとって依然として重要な因子であり、そのため、この場合、最適化が常に必要とされる。

ドイツ国特許出願公開第１０ ２００５ ０２３ ５４１ Ａ１号明細書 ドイツ国特許第１０ ２００９ ００２ ７００ Ｂ３号明細書 ドイツ国特許出願公開第１０ ２００４ ０２５ ５５７ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１９２１０５ Ａ１号明細書

しかしながら、それと同時に本発明はさらに、軸受け材料の疲労強度を高めることを課題としている。

該課題は、請求項１に記載の特徴を有する滑り軸受け複合材料によって本発明により解決される。

それによれば、本発明は、鋼製の支持層、不純物以外の鉛を含まないアルミニウム合金をベースとする中間層、及び、好ましくは、冷間圧延により、該支持層上に直接施用される、不純物以外の鉛を含まないアルミニウム合金をベースとする軸受けメタルを備える滑り軸受け複合材料を提供する。該中間層のアルミニウム合金は、３．５〜４．５重量％の銅、０．１〜１．５重量％のマンガン、０．１〜１．５重量％のマグネシウム、任意に、合計で０．０５％〜０．２５％ジルコニウム及びチタン、任意に、それぞれが０．１重量％を超えず、かつ、合計で０．２５重量％の別の合金成分、通常の許容し得る不純物、及び残部のアルミニウムを有する組成を示す。該軸受けメタル層のアルミニウム合金は、６．０〜８．０重量％のスズ、１．０〜３．０重量％のニッケル、０．５〜１．０重量％のマンガン、０．５〜１．０重量％の銅、０．１５〜０．２５重量％のクロム、０．１〜０．３重量％のバナジウム、任意に、０．１〜０．２重量％のジルコニウム、
任意に、０．２重量％以下のチタン、任意に、０．５重量％未満の他の元素、通常の許容し得る不純物、及び
残部のアルミニウム、を有する組成を示す。

”不純物以外の鉛を含まない”という記載は、本明細書の意味において、場合によっては、個々の合金成分の不純物のために存在し得る、鉛の割合が、いずれの場合も０．１重量％未満であることを意味する。

該軸受けメタルは、いわゆる、ベルトキャスターで連続的に、ストリップ形状に鋳造され、それからフィルム形態で存在している中間層材料と共にめっきされる。その複合体は引き続いて圧延され、最後に、冷間圧延工程で、中間層の側が鋼の上に施用される。冷間圧延とは、＜３００℃のめっき温度における圧延めっき法である。この製造方法によって、高強度で、摩耗しにくく、かつ、疲労耐性の軸受けメタル、及びそれに適合した中間層を備え、例えば、高負荷時における、内燃機関、特に、ターボチャージャー付きディーゼルエンジンのコンロッドベアリング又はクランクシャフトの主軸の軸受けシェルとして、非常に良好に適した滑り軸受け複合材料が得られる。

本発明者等は、軟質相のスズ及び微小な合金元素Ｖ、任意に、Ｚｒ及びＴｉ以外に、鋳造方法に起因して、中間の金属相、特に、ＡｌＮｉＭｎ析出物であるが、ＡｌＣｕ−及び他のＮｉＭｎ−析出物もまた、軸受けメタル相中に形成されて、アルミニウムマトリックス中に微細に分布することを確認した。硬質粒子の形状は、鋳造後に続く熱処理によってわずかしか変化しないため、マトリックス中での粒度及び粒度分布は、所望の材料特性、特に疲労強度を達成するために、鋳造時の冷却速度によって特に調節される。微小な合金元素Ｖ、任意に、Ｚｒ及びＴｉは、再結晶化温度を高め、そして、材料中の粒成長を阻害し、これは、高められた温度範囲、特に、１５０〜２００℃の範囲の温度での使用時に、一貫して良好な材料特性を保証する。それ故、微小合金元素及びとりわけ方法プロセス込みの、本発明による組成の組合せによって、高負荷用途に関してマトリックス中でのトライポロジー的に活性な粒子（硬質粒子及び軟質相）の粒度及び粒度は最適化される。

本発明者等は、特に、延性の中間層を使用する場合に、適合させた微小合金元素との組合せにおけるスズ含有量の特別な選択によって、従来技術における軸受けメタル層よりも、明らかにより高められた疲労強度の軸受けメタル層を設計でき得ることを見出した。それゆえに、該軸受けは、その軸受けの（流体力学的）オイル潤滑剤の不使用下で、始動−停止運転中に増大する混合摩擦条件が生ずる主たる軸受け分野だけでなく、コネクティングロッドの軸受け材料としても適している。

滑り軸受け複合材料を製造する際の適した温度管理及び適した変形程度に拘わらず、Ｔｉの添加によって、鋳造プロセス時のマトリックス材料の組織構造が向上する。０．０２〜０．２重量％、好ましくは、０．０４〜０．１重量％というＴｉ含有量を正確に保持することによって、粒度分布に関連した金属間相を得るための鋳造プロセスにおける冷却率時に、Ａｌマトリックス材料の十分に微細な結晶粒度を調節でき、これは、該マトリックス材料の良好な破断伸び特性時の高い強度を保証する。そのマトリックス材料の粒度分布は、さらに、金属間相の分布だけでなく、結晶粒界に沿った軟質相、すなわち、非溶解性のＳｎの組み込みに対しても影響を及ぼす。それゆえ、Ｔｉ含有量は、Ｎｉ含有量、Ｍｎ含有量、Ｃｕ含有量及びＳｎ含有量の割合に、可能な限り正確に合わせる必要がある。

本発明によれば、最後の成分は６．０重量％〜８．０重量％の範囲にある。正確にこの範囲にある場合、軸受けメタル層の合金系は、十分な滑り特性を示し、かつ、軟質相として比較的低いスズの含有量によって、より高い負荷に必要な強度が得られ、これは、その混合摩擦条件時の利用の可能性をもたらす。

０．５〜１．０重量％の範囲の銅の含有量は、好ましくは、その伸長度を大幅に低減させることなくアルミニウムマトリックスの強度を高めるように合金化される。

Ｃｒ含有量は、Ｃｕ含有量と関連して考慮しなければならない。二つの元素は、材料の耐熱性に関連して特に重要であることが判明している。これは、高負荷における使用時に必要とされる。０．１５〜０．２５重量％というＣｒ含有量は、０．５〜１．０重量％の含有量のＣｕと同時に合金化する場合に、そのマトリックス中で、十分に強度を増強する析出物を形成することが有利に実証されている。他方では、形成性に悪影響を及ぼさないために、０．２５重量％のＣｒ及び１．０重量％のＣｕという含有量を超えるべきではない。最後に、ＣｒとＣｕの組合せは、使用する１．０重量％のＣｕの上限が、経費を引き下げ、かつ、材料のリサイクル性を高めるという有利な作用効果をもたらす。

バナジウムは、０．１〜０．３重量％の割合で再結晶化を阻害する。というのも、バナジウムがマトリックス材料の再結晶化温度を上昇させるからである。それゆえ、耐熱性を高めるためにバナジウムが利用され、これは、チタンとの相互作用において、軟質相及び金属間析出物に対して粒度を簡単に調節するのを可能にする。

さらに、バナジウムの添加は、６〜８重量％という比較的低いスズの含有量との相互作用において、強度の顕著な増大、特に、好ましくは９０ＭＰａ超の０．２％−降伏強度Ｒ_{ｐ，０．２}及び好ましくは１４５ＭＰａ超の引張り強度Ｒ_ｍを生じさせる。その材料のパラメータは、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６８９２−１に準拠して、室温における引張り試験において測定した。驚くべきこととは、この著しい変化が、０．２重量％のバナジウムという微々たる割合、及び、例えば、１０重量％から７重量％へと、スズの割合をわずかに減少させた範囲内で、つまり小さなマージン内で生ずるということである。

好ましくは、最終寸法に圧延された滑り軸受け要素の中間層は、２０μｍ〜５０μｍの厚さｄ_２を有する

該中間層は、好ましくは、７０ＨＶ０．０１〜１１０ＨＶ０．０１、好ましくは、８５ＨＶ０．０１〜１００ＨＶ０．０１の微小硬さを示す。

欧州規格ＥＮ ６５０７−１に従って、完成した（変形させた）滑り軸受け要素の中間層について、ビッカーズによる硬度試験を行う。この場合、中間層の平面方向において、準備された滑り軸受け要素の前縁（Ｓｃｈｎｉｔｔｋａｎｔｅ）の範囲で該層中へ試験体（圧子）を押し込む。その前縁は、好ましくは、研磨によって準備される。

該中間層の硬度及び厚さは一緒に直接関連しており、軸受けメタル層の上述の特性による機能的な調節が要求される。その中間層の層の厚さを有する複合材料における微小硬さは、必須成分である、３．５〜４．５重量％の銅、０．１〜１．５重量％、好ましくは、０．４〜１．０重量％のマンガン、０．１〜１．５重量％、好ましくは、０．４〜１．０重量％のマグネシウム、通常の許容し得る不純物及び残部のアルミニウムを有するアルミニウム合金の組成、特に、高い銅の含有量に基づいて、好ましくは、鋼からなる支持層に対する接合強度に関して損なうことなく設定することができる。その調節は、特に、圧延過程によって引き起こされる。

任意に、中間層のアルミニウム合金は、０．１％〜１．０重量％、好ましくは、０．２％〜０．８重量％のケイ素を有する。

該ケイ素は、マンガン及びマグネシウムと同様に、Ａｌ合金に向上した強度をもたらす。

さらに好ましくは、該中間層のアルミニウム合金は、０．０５％〜１．０重量％の鉄、０．０５〜０．５重量％のクロム、０．０５〜０．５重量％の亜鉛を有する。

任意に、合計で０．０５重量％〜０．２５重量％のジルコニウムとチタン、及び、場合によっては、それぞれが合金の０．１重量％を超えず、かつ、合計で０．２５重量％を超えない別の合金成分を含む。

特に好ましくは、とりわけ、特に高い負荷の内燃機関において軸受けを使用する場合に軸受けメタル層上にポリマーベースの滑り層を配置することである。

該ポリマー層は、とりわけ高い荷重時に、軸受け領域全体にわたってより均一な荷重が生じる結果をもたらす。ポリマー層の弾性かつ可塑性の適合性によって、軸受け全体の動作信頼性を再び増大することができる。

軸受けメタル層は、特に好ましくは、２００μｍ〜４００μｍの厚さを有する。

さらに好ましくは、軸受けメタル層は、５０〜６０ＨＢＷ １／５／３０のブリネル硬度を有する。本発明はさらに、上述の種類の滑り軸受け複合材料からなる滑り軸受け要素に関し、これは、特に、軸受けシェル、滑り軸受ブッシュ又はスラストワッシャであることができる。

したがって、本発明の態様の一つは、上述の種類の滑り軸受け複合材料の、滑り軸受け要素、特に、軸受けシェル、滑り軸受ブッシュ又はスラストワッシャのための使用である。

本発明のさらなる特徴は、図面に基づいて以下においてより詳細に説明される。

図１は、本発明による滑り軸受け複合材料の第一の実施形態の概略的な層構造を示す。 図２は、本発明による滑り軸受け複合材料の第二の実施形態の概略的な層構造を示す。 図３は、軸受けメタル層の拡大図を示す。

図１は、本発明の第一の実施形態による滑り軸受け複合材料の断面を概略図で示している。該材料は、全部で３つの層を有する。図１における最下層として、鋼からなる支持層１０が示されており、これは、その剛性に起因して、軸受け要素に必要な圧入を保証する。該支持層１０のすぐ上には、要求に応じたアルミニウムベースの組成を有する中間層１２が配置されている。該中間層は、鋼製の層１０と、中間層１２の上に配置された軸受けメタル層１４との間の接着剤として利用されている。その軸受けメタル層１４は、例えば、以下の組成を有する：
６〜８重量％のスズ、１〜３重量％のニッケル、０．５〜１重量％の銅、０．５〜１重量％のマンガン、０．２重量％のバナジウム、０．２重量％のクロム、０．２重量％のジルコニウム、残部の銅。

図１にはさらに、領域部分２０が象徴的に示されていて、これは図３中では拡大して示されている内部構造を有する。そのような領域部分の形成を完成させるために、軸受けメタル層の適切な位置に、好ましくは平坦な面を準備する。図１の図とは相違して、該領域部分は、図示する面に対して垂直に、例えば、つまり、滑り面に対して平行にすることも考慮し得る。

本発明の滑り軸受け複合材料における中間層の層の厚さは、好ましくは、２０μｍ〜５０μｍである。

そのマトリックス材料の粒度分布は、そのマトリックスの粒界に沿ったＮｉ−Ｍｎ析出物の分布、特に、Ａｌ−Ｎｉ−Ｍｎ析出物、及びＡｌ−Ｃｕ析出物の均質性に望ましい影響を及ぼす。これらの金属間相は、軸受けメタル相の組織に硬質粒子を形成する。

図２による第二の実施形態は、鋼製の支持層１０、中間層１２及び軸受けメタル層１４の範囲において、同じ層構造を有する。さらに、その軸受けメタル層１４の上には、滑り層１６としてポリマーコーティングが設けられており、これは、特に、高い負荷における軸受け用途に有利である。

図３に基づいて、以下に、軸受けメタル層中の金属間析出物を測定する方法を説明する。最初に軸受けメタル層から、例えば、滑り面に垂直に存在している平坦な領域部分を準備した後に、例えば、５００倍の倍率の顕微鏡下で、所定の縁長さ及び縁幅を有する軸受けメタル層の領域部分２０を選択し、そしてマーキングする。これは、例えば、５００μｍと８００μｍの縁長を有する矩形、すなわち、４００，０００μｍ^２の測定領域となる。この領域部分において、金属間ＮｉＭｎ相２２，特に、ＡｌＮｉＭｎ相２２及びＡｌＣｕ相２２の数がわかり、本発明によれば、これは、その他の含有物、特に、軟質相、さらには外部粒子（いずれも図示しない）、及びＡｌマトリックスとは、所定の灰色領域又は色度領域によって光学的に区別することができる。そのような相の検出は、好ましくは、電子撮像システムで自動的に実行される。

１０ 鋼製の支持層
１２ 中間層
１４ 軸受けメタル層
１６ ポリマーコーティング／滑り層
２０ 部分
２２ 金属間相

Claims (10)

1. 鋼製の支持層（１０）、不純物以外の鉛を含まないアルミニウム合金をベースとする中間層（１２）及び不純物以外の鉛を含まないアルミニウム合金をベースとする軸受けメタル層（１４）を備える滑り軸受け複合材料であって、
   その際、該中間層（１２）のアルミニウム合金が、
   ３．５〜４．５重量％の銅、
   ０．１〜１．５重量％のマンガン、
   ０．１〜１．５重量％のマグネシウム、
   任意に、０．１％〜１．０％のケイ素、
   任意に、０．０５％〜１．０％の鉄、
   任意に、０．０５％〜０．５％のクロム、
   任意に、０．０５％〜０．５％の亜鉛、
   任意に、合計で０．０５％〜０．２５％ジルコニウム及びチタン、
   任意に、それぞれが０．１重量％を超えず、かつ、合計で０．２５重量％を超えずの別の合金成分、
   通常の許容し得る不純物、及び
   残部のアルミニウム、
   を有する組成を有し、そして、
   その際、該軸受けメタル層（１４）のアルミニウム合金が、
   ６．０〜８．０重量％のスズ、
   １．０〜３．０重量％のニッケル、
   ０．５〜１．０重量％のマンガン、
   ０．５〜１．０重量％の銅、
   ０．１５〜０．２５重量％のクロム、
   ０．１〜０．３重量％のバナジウム、
   任意に、０．１〜０．２重量％のジルコニウム、
   任意に、０．２重量％以下のチタン、
   任意に、０．５重量％未満の他の元素、
   通常の許容し得る不純物、及び
   残部のアルミニウム、
   を有する組成を有する、上記の滑り軸受け複合材料。
2. 前記中間層（１２）が、２０μｍ〜５０μｍの厚さｄ２を有することを特徴とする、請求項１に記載の滑り軸受け複合材料。
3. ＜３００℃のめっき温度での圧延めっき（Ｗａｌｚｐｌａｔｔｉｅｒ）法で、前記軸受けメタル層（１４）と接合されている前記中間層（１２）が前記支持層（１０）への接合において施用されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の滑り軸受け複合材料。
4. 前記中間層（１２）が、７０ＨＶ０．０１〜１１０ＨＶ０．０１の微小硬さを示すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の滑り軸受け複合材料。
5. 前記中間層（１２）のアルミニウム合金が、重量％で、
   マンガン ０．４％〜１．０％
   マグネシウム ０．４％〜１．０％
   ケイ素 ０．２％〜０．８％、
   を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の滑り軸受け複合材料。
6. 前記軸受けメタル層（１４）のアルミニウム合金が、９０ＭＰａ超の０．２％−降伏強度Ｒ_{ｐ，０．２}及び１４５ＭＰａ超の引張り強度を示すことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の滑り軸受け複合材料。
7. 前記軸受けメタル層（１４）が、２００μｍ〜４００μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の滑り軸受け複合材料。
8. 前記軸受けメタル層（１４）の上に、ポリマーをベースとする滑り層（１６）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の滑り軸受け複合材料。
9. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の滑り軸受け複合材料からなる滑り軸受け要素であって、該滑り軸受け要素が、軸受けシェル、滑り軸受ブッシュ又はスラストワッシャであることを特徴とする、上記の滑り軸受け要素。
10. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の滑り軸受け複合材料の、滑り軸受け要素、特に、滑り軸受けシェル、滑り軸受けブッシュ又はスラストワッシャのための使用。

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