JPS6378740A - 特に、滑り軸受のための、拡散阻止層を備えた層複合材料並びにその製造方法 - 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】 （産業上の利用性） 本発明は特に、滑り軸受のための、拡散阻止層を備えた
層複合材料並びにその製造方法にして、基体、例えば鋼
層上に銅及び又は錫を含む中間層及びこの上に−ほぼ０
．５〜５μｍの厚さの拡散阻止層によって分離されて一
錫及び又は銅を含む機能層、例えば摩擦又は滑り層が層
つけられる層複合材料に関する。

公知の、例えば西独国特許公開公報第２８５３７２４号
による公知の層複合材料では、緊急走行特性を有する材
質から成る中間層は、例えば鉛青銅から成る中間層、そ
の上に付けられる機能層、例えば滑り層又は摩擦層が設
けられ、その際、高温で滑り層若しくは摩擦層から中間
層への錫の拡散を防止するために、酸化しない薄い拡散
阻止層が配設される。これにより、中間層の滑り層若し
くは摩擦層に隣接する中間層の範囲における錫と銅から
の金属間脆性層の形成が妨げられる。そのような脆性位
相は滑り若しくは摩擦層の動的歪みの際に滑り若しくは
摩擦層の溶は出すつかけが与えられる。従って、拡散阻
止層の形成のために、中間層と機能層又は滑り層の間に
ＮｉＣｒ２Ｏ若しくはクロムから成るスパッタされた拡
散阻止層を設けることが西独国特許公開公報第２８５３
７２４号において提案された。しかし、実際の経験では
ニッケルクロム拡散阻止層及び純粋のクロム拡散阻止層
は錫含有の滑り若しくは摩擦層（例えばＡｌＳｎ合金か
ら成る）では完全には有効でない、格子電子顕微鏡及び
マイクロプローブによる研究は、錫は明らかにそのよう
な陰極スパッタによって作られたＮｉＣｒ２Ｏ若しくは
純粋クロムから成る拡散阻止層を通って格子欠陥個所を
経て拡散され、かつ鉛青銅中間層の銅と金属間脆性位相
、即ちＣｕ、ＳｎＳにされ、この金属間材料は実際の運
転条件の下では滑り層の溶は出し従って軸受個所の欠陥
に繋がる。

この関係において公知の全ての材料組成の、実際には普
通にメッキによって付けられる拡散阻止層も運転温度を
高めると有効ではなくなる、そのわけはこの拡散阻止層
は明らかに比較的多数の格子欠陥個所を有し、従って温
度を高めると錫がかなりの量機能層又は滑り若しくは摩
擦層から中間層へ拡散されるからである。

上記の例に類似して、当然拡散阻止層は銅含存の機能層
への錫含有の中間層からの錫の拡散も阻止される。一方
若しくは他の方向への錫拡散の阻止は機械、特に内燃機
関の動力増大に伴って高い運転温度のための機械構成要
素が配設され、その際従来公知の拡散阻止層に高い錫透
過性が考慮されなければならない限り、重要である。

（発明の課題） 従って、本発明の課題は冒頭に述べた種類の層複合材料
を改良して、拡散阻止層を通る錫の拡散が実際阻止され
、または少なくとも減少され、このことが高温でも同様
にされるように改良されることを課題とする。

（課題の解決のための手段） この課題は本発明によれば、拡散阻止層は大方体結晶格
子を形成する材質から成り、拡散阻止層は真空中で少な
くとも７０％以上の金属イオンの充填による稠密な球状
パッキングの形でこの材質の組織を形成するように陰極
スパッタによって形成されることを特徴とする特に、滑
り軸受のための、拡散阻止層を備えた層複合材料によっ
て解決される。

（発明の効果） 本発明による大方体結晶格子を形成する金属材料から成
る拡散阻止層の本発明による陰極スパッタによる層付け
によって、−驚くべき結果が生じたー例えば２００＠Ｃ
又はそれ以上の高い運転温度でも、中間層から機能層へ
の溶は出しが許容できる程度に回避される。

本発明の公的な実施形態において、大方体結晶格子の実
際に格子欠陥のない再結晶された組織を持つ拡散阻止層
が形成される。この場合、ほぼ７４％の金属イオンプレ
ーテングによる最適の空間充填が達成され、拡散阻止層
を通る錫の貫通は高い温度では実際上不可能にされる。

拡散阻止層の形成のために、特にチタン、ジルコニウム
、ハフニユムウ、トリウム、ベリリウム、マグネシウム
群又は少なくともこれらのうちの１つの材料を含む合金
、考慮される。特別有利には、一方では有効度の高い拡
散阻止層の形成に好適であることが実証され、他方では
陰極スパッタに利用されるべきターゲットの前処理及び
形成のための有利な特性が有利な特性を有する。

機能層は好ましくは直接かつ真空中の続いての陰極スパ
ッタによって拡散阻止層へつけられる。

それによって、拡散阻止層と機能層との間の境界面若し
くは境界範囲には、特に拡散阻止層の特別稠密な結晶格
子組織を阻害する中空室又は異物挿入物は存在しない。

本発明による層複合材料は特に、滑り°軸受のための、
拡散阻止層を備えた層複合材料即ち、特に、滑り軸受の
ための、拡散阻止層を備えた層複合材料並びにその製造
方法にして、基体、例えば鋼層上に銅及び又は錫を含む
中間層及びこの上に−ほぼ０．５〜５μｍの厚さの拡散
阻止層によって分離されて一層及び又は銅を含む機能層
、例えば摩擦又は滑り層が層つけられる層複合材料を製
造するためであって、 拡散阻止層は六方体結晶格子を形成する材質から成り、
拡散阻止１１（３）は真空中で少なくとも７０パ一セン
ト以上の金属イオンの充填による稠密な球状パッキング
の形でこの材質の組織を形成するように陰極スパッタに
よって形成される特に、滑り軸受のための、拡散阻止層
を備えた層複合材料を製造するための方法において、　
前もって中間層を付けられた基体は真空中の反転された
陰極スパッタによる中間層の自由表面の洗浄又は腐食に
、そしてこれにすぐに続いて受容体中の基体の温度及び
プラズマ圧力の、拡散阻止層の得られるべき組織に相応
して特定された条件の保持の下に陰極スパッタによる拡
散阻止層の層付けを受けることによって特徴つけられる
方法によって製造される。

その際層付けされる表面は出来るだけ高い温度で、そし
て受容部では出来る限り低いプラズマ圧力で、陰極スパ
ッタによって層付けされる表面につけられる材料分子は
原子の大きさを有し、高い動的エネルギーで層付は表面
にもたらされる。層付けされるべき表面への到達の後に
、導入された分子又は原子は平均して尚かなりの運動性
を有し、その結果分子は少なくとも部分的に再び多かれ
少なかれ表面の当接個所から離れ、再結晶過程の形で材
質に特徴的な接合、即ち稠密な球状パッキングを備えた
六方体結晶格子を構成する。例えば６００６Ｃまたはそ
れ以上の高い温度の保持の下で、分子又は原子の運動可
能性は拡散阻止層の構成と同時に既に作られた層の分子
中の定常的な再結晶過程が維持され、その結果金属イオ
ンに近いＭｉ織による７４％の稠密な球状パッキングが
達成される。

勿論、層付けされるべき表面は中間層の組成によって、
即ち中間層の構成部分が例えば鉛が温度しきい値の上方
で蒸発されることによる上限が設定される。杢発明によ
る方法によって、この限界は拡散阻止層が原子の一層又
は多層に達した場合、従ってそれによって中間層の構成
部分の蒸発が抑制される場合、拡散阻止層の形成の間層
付けされるべき表面での基体の温度は高められる。陰極
スパッタによって中間層の層付けされるべき表面へもた
らされる分子は更に受容体における出来る限り少ないプ
ラズマ圧力で処理され、それによって陰極スパッタされ
る分子又は原子のプラズマ分子との衝突度数が減少され
る。他方、勿論プラズマ圧力が著しく減少しすぎた場合
、陰極スパッタの物理的媒介物である異常グロー放電は
陰極スパッタの電流従ってパワーが過剰に低下されるよ
うに弱められる。しかし、この限界に達する前の陰極ス
パッタのための物理的作業条件は拡散阻止層の構成が再
結晶過程のたかたちで行われるように整えられ、かつ調
整される。

形成されるべき拡散阻止層の厚さに関する他の改良は拡
散阻止層の形成の間基体に、ターゲットに印加されるよ
りも小さい負の電圧が印加される場合に達成される。そ
の際勿論光ずガス分子さもなければ異分子が拡散阻止層
の境界に構成され、そこで不所望な格子欠陥を形成しう
ろことが考慮される。しかし、事実このことは層付けさ
れるべき表面との協同により正しく保持された高温度及
び受容体における比較的低いプラズマ圧力に関連される
。

拡散阻止層の形成の際の所望の温度への基体の加熱は中
間層の自由表面の洗浄又は腐食のために利用される反転
された陰極スパッタによって実施される。特に、この反
転された陰極スパッタは基体での所望の温度の生成のた
めにも利用され、即ち他のエネルギー供給例えば、赤外
線照射又は誘導加熱によっても行われることができ、そ
の際この加熱は磁界で陰極スパッタが行われる場合には
それほど考慮される必要はない、拡散阻止層の形成のた
めの陰極スバンタの過程においても、基体及び拡散阻止
層は例えば層付けされるべき面への赤外線照射によって
加熱されることもできる。陰極スパッタの高い効率及び
層付けされるべき表面への分子または原子の高い到達速
度を得るために、本発明では磁界中での陰極スパッタに
よる拡散阻止層の形成も推奨される。

拡散阻止層への機能層の層付けは同様に陰極スパッタ即
ち拡散阻止層の層付けにすぐに続いて行われることがで
きる。その際他の材料、即ち機能層のための材料の陰極
スパッタへの移行の外に、他の運転条件への移行も可能
であり、ターゲット場合によっては基体に印加される電
位に関して、正しく保持されるべきプラズマ圧力に関し
て及びプラズマの組成に関しての移行が可能である。受
容体において同時に、工作物にも工作物部分にも又は他
の材料にも拡散阻止層を付けまた他の工作物又は工作物
部分へ機能層を付けることができるために、受容体の内
方に分離及び仕切板を備えることができ、これらによっ
て工作物又は帯状工作物が受容部の分離される範囲から
受容体のたの分離されるべき範囲に移行される。

機能層の形成が拡散阻止層の形成とは異なるプラズマ組
成で行われる場合、及び他の組成のプラズマが拡散阻止
層の新たに得られた自由表面へ不利に作用しうると言う
危険がある場合、本発明による方法は先ず薄く、拡散阻
止層を被覆する保護層が拡散阻止層の形成のためと同一
組成のプラズマの利用の下で拡散阻止層の自由表面に陰
極スパッタ又はイオンプレーテングによって付けられ、
その際この保護層は既に機能層のために設けられた材質
から形成されることができる。

拡散阻止層の格子欠陥のない組織の形成のために、陰極
スパッタによる拡散阻止層の形成のために利用されるタ
ーゲット又はこれに含まれる材料は充分にガス抜きされ
る前処理を受ける場合に合理的である。拡散阻止層の形
成のために利用されるターゲットに含まれる材料の特別
なガス抜き前処理は高真空溶融及び又は高真空灼熱及び
又は高真空蒸留で有り得る。

（実施例） 本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

従来の方法で銅含有の軸受材料から成る中間層２を付け
られた鋼支持体１は、必要な場合はリング状に形成され
、かつ幾つかの室に分割され、陰極スバンタのために利
用された受容体の内方に走行可能な金属支持体上に載せ
られる。支持体は液体で洗浄可能な室を備え、室は流状
熱媒体又は熱担持媒体、例えば油の循環路に接続されて
いる。

受容体への進入後、まず支持層１と中間層２とから形成
された半体であって、中間層２の自由表面と自由に位置
する半休は流体状熱媒体の温度の調整によって加熱され
、その際受容体中でほぼ１〇−’　ｍｂａｒの圧力に達
するまで、受容体の真空下で脱ガスされる。半休の脱ガ
スに続いて、プラズマガス、好ましくはアルゴンが５　
・１０−３〜５　・１０−”　ｍｂａｒの圧力の達成ま
で受容体中に挿入される。それから反転された陰極スパ
ッタによる腐食の形の、中間層２の表面の洗浄及び粗面
化が行われる。このために、支持体はその上に取り付け
られた陰極としての半休とともに切り換えられ、かつ異
常グロー放電を発生し、その際腐食電圧は４００〜１０
００ｖ１好ましくは５００ｖに印加され、かつ腐食電流
は５＾及び１５Ａ又は腐食される表面の電流密度は５〜
１５ｍＡ／ｃｍ”である、この反転された陰極スパッタ
の間、半休には１２０＠Ｃ〜２００”Ｃ好ましくは１４
０°Ｃで流体状熱媒体と反転された陰極スパッタの共通
の作用によって調整され、かつ正しく保持される０反転
された陰極スパッタによるこの腐食処理の時間は各個々
の場合の必要性に相応して選択される。

反転された陰極スパッタによる腐食に続いて、陰極スパ
ッタによる拡散阻止層の層付けが行われる。このために
その加熱又は冷却室と熱媒体循環に接続された陽極とし
ての支持体は切り換えられ、又はほぼ３０〜７０Ｖの負
の電位を印加される。それから拡散阻止層の所望の材料
から構成される装置えばチタン板から成るターゲットの
陰極スパッタによって拡散阻止層の構成が行われる。そ
のようなチタン板は容易に接合可能であり、かつ簡単な
方法でも機械的に加工される。チタン板から成るターゲ
ットはより簡単な方法でも必要な前処理、即ち前スパッ
タによる脱ガス及び表面清浄化を受け、即ちターゲット
に向かい合った絞りを通じて陰極スパッタがかけられる
。

拡散阻止層の構成の間、ターゲットと基体との間のスパ
ッタ電圧として３００〜７００Ｖの間の電位差、即ち支
持体層１と中間層２とから形成される半体に印加される
。拡散阻止層の構成の再に保持されたスパッタ電流はこ
の例では層付けされる表面で５０〜１５０Ａ又は１０〜
３０Ｗ／ｃｍ”になる。基体は即ち層付けされるべき半
休は支持体に供給される流体状熱媒体による拡散阻止層
の構成の間１２０　°Ｃ〜２００　＠Ｃ好ましくは１４
０’Ｃに保持される。このことは中間層の銅含有材料が
合金構成部分からの蒸発又は溶は出すことなしに保持さ
れる温度である。

本願の例では拡散阻止層の全スパッタの量温度は出来る
限り一定に、即ち±５　°Ｃの限度内に保持されるべき
である。陰極スパッタによる拡散阻止層３の構成の間、
受容体中のプラズマ圧は１　・１０−３〜５　・１０−
２の範囲内に保持される。この温度及び圧力の関係の下
で、構成される拡散阻止層３の内方に再結晶工程が生じ
、これによって六方化金属格子の球状パッキングが７４
％の大方体の最も稠密な球状パッキングク及び空間充填
に達するまで稠密にされる。

拡散阻止層３の構成に続いて、スパッタ電流、基体温度
及びスパッタ電圧及びに関する実際上等しい条件の下で
機能層又は滑り層の構成が行われる。電圧等は既に拡散
阻止層の構成の際に調整されるが、これは機能層又は滑
り層のために所望の材料組成の１つまたは複数のターゲ
ットから成る陰極スパッタが行われる点で相違がある。

更に機能層の構成の際には、酸化物が形成され、西独国
特許明細書第２８５３７２４号及び同２９１４６１８号
から公知のように、機能層、例えば滑り層への分散固定
のための微粒子の形で確実に挿入される。このために必
要な酸素は各ターゲットに挿入され、又はプラズマに供
給される。しかし、いかなる場合でも拡散阻止層は酸化
物を取り込まない。

上記の例で述べた方法は簡単な受容体で時間的に連続し
て実施されることができる。しかし、室に分けられ、室
の間の弁を備えた受容体を設けることも可能であり、受
容体にはおいては、例えば室を半体の脱ガスのため、こ
れに続いて室を洗浄し、かつ反転された陰極スパッタに
よって層付けされるべき表面を粗面にし、続いて室を機
能層又は滑り層４の形成のために処理するという個々の
方法ステップが行われる。層複合材料が続いて帯状に作
られると、帯状半休は入口仕切板によって受容体に導入
され、層複合材料は出口仕切板を通って受容体から取り
出される。綱１及び中間層２から成る半体も相次いで入
口を通って受容体に導入され、相応した層複合材料は相
次いで出口仕切板を通って受容体から取り出されること
ができ、一方力法ステップは受容体の内方では連続的に
保持される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による層複合材料から形成された滑り軸
受ブツシュを示し、第２図は第１図のＡ−Ｂ部分断面図
そして第３図は結晶格子の図弐図をもって拡大して示し
た第２図のＣ部断面図である。 図中符号 ３　・・・拡散阻止層

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）特に、滑り軸受のための、拡散阻止層を備えた層
   複合材料並びにその製造方法にして、基体、例えば鋼層
   上に銅及び又は錫を含む中間層及びこの上に−ほぼ０．
   ５〜５μｍの厚さの拡散阻止層によって分離されて−錫
   及び又は銅を含む機能層、例えば摩擦又は滑り層が層つ
   けられる層複合材料において、 拡散阻止層（３）は六方体結晶格子を形成する材質から
   成り、拡散阻止層（３）は真空中で少なくとも７０％以
   上の金属イオンの充填による稠密な球状パッキングの形
   でこの材質の組織を形成するように陰極スパッタによっ
   て形成されることを特徴とする特に、滑り軸受のための
   、拡散阻止層を備えた層複合材料。
2. （２）拡散阻止層（３）は六方体結晶格子の実際上格子
   欠陥のない再結晶された組織によって形成されている、
   特許請求の範囲第１項記載の層複合材料。
3. （３）拡散阻止層（３）はチタン、ジルコニュウム、ハ
   フニユムウ、トリウム、ベリリウム、マグネシウムの郡
   の材料又は少なくともこの群の１つの材料を含む合金に
   よって形成されている、特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の層複合材料。
4. （４）拡散阻止層（３）が純粋チタンから形成されてい
   る、特許請求の範囲第３項記載の層複合材料。
5. （５）機能層（４）が真空中で直接続く陰極スパッタに
   よって拡散阻止層（３）に付けられる、特許請求の範囲
   第１項から第４項までのうちのいずれか１つに記載の層
   複合材料。
6. （６）特に、滑り軸受のための、拡散阻止層を備えた層
   複合材料並びにその製造方法にして、基体、例えば鋼層
   上に銅及び又は錫を含む中間層及びこの上に−ほぼ０．
   ５〜５μｍの厚さの拡散阻止層によって分離されて−錫
   及び又は銅を含む機能層、例えば摩擦又は滑り層が層つ
   けられる層複合材料、特に 拡散阻止層（３）は六方体結晶格子を形成する材質から
   成り、拡散阻止層（３）は真空中で少なくとも７０％以
   上の金属イオンの充填による稠密な球状パッキングの形
   でこの材質の組織を形成するように陰極スパッタによっ
   て形成される特に、滑り軸受のための、拡散阻止層を備
   えた層複合材料の製造のための方法において、 前もって中間層を付けられた基体は真空中の反転された
   陰極スパッタによる中間層の自由表面の洗浄又は腐食に
   、そしてこれにすぐに続いて受容体中の基体の温度及び
   プラズマ圧力の、拡散阻止層の得られるべき組織に相応
   して特定された条件の保持の下に陰極スパッタによる拡
   散阻止層の層付けを受けることを特徴とする層複合材料
   の製造方法。
7. （７）拡散阻止層の形成の間、基体の温度は少なくとも
   拡散阻止層の形成の初めに中間層の組成に相応した許容
   最大の値にされ、かつ受容体中のプラズマ圧力は選択さ
   れた電位をターゲットに印加し陰極スパッタの際に正し
   く保持されるべき異常グロー放電に必要なプラズマ圧力
   における最小電流値に相応する値に調整される、特許請
   求の範囲第６項記載の層複合材料の製造方法。
8. （８）拡散阻止層の構成の増大に伴って層付けされるべ
   き表面の温度が高められる、特許請求の範囲第６項又は
   第７項記載の方法。
9. （９）拡散阻止層の形成の間、基体に負の電圧が印加さ
   れ、その電圧はターゲットに印加される負の電圧よりも
   一桁少ない、特許請求の範囲第６項〜第８項までのうち
   のいずれか１つに記載の方法。
10. （１０）中間層の自由表面の洗浄及び又は腐食のために
    、陰極スパッタ又は反転された陰極スパッタの間拡散阻
    止層の形成に所望の温度への基体の加熱が行われる、特
    許請求の範囲第６項から第９項までのうちのいずれか１
    つに記載の方法。
11. （１１）拡散阻止層の形成のための陰極スパッタの過程
    で、基体及び相応した拡散阻止層は層付けされる面への
    、例えば赤外線照射によって熱せられる、特許請求の範
    囲第６項から第１０項までのうちのいずれか１つに記載
    の方法。
12. （１２）磁界中の陰極スパッタによって拡散阻止層の形
    成が行われる、特許請求の範囲第６項から第１１項まで
    のうちのいずれか１つに記載の方法。
13. （１３）機能層は拡散阻止層の層付けに直ぐに続いて陰
    極スパッタによってその自由表面に付けられ、その際電
    位、プラズマ圧力及びプラズマ組成は機能層の形成のた
    めに所望の条件に整えられる、特許請求の範囲第６項か
    ら第１２項までのうちのいずれか１つに記載の方法。
14. （１４）拡散阻止層の形成の場合とは異なるプラズマ組
    成で機能層を形成する場合、先ず拡散阻止層を被覆する
    薄い保護層が拡散阻止層の形成と同様な組成のプラズマ
    の利用の下で、好ましくは機能層のための材質から成る
    陰極スパッタ又はイオンプレーテングによって拡散阻止
    層の自由表面に付けられる、特許請求の範囲第１３項記
    載の方法。
15. （１５）陰極スパッタによる拡散阻止層の形成のために
    利用されるターゲット又はその中に含まれる材料が高度
    に脱ガスされる前処理を受ける、特許請求の範囲第６項
    から第１４項までのうちのいづれか１つに記載の方法。
16. （１６）散阻止層の形成のために利用されるターゲット
    に含まれる材料は高真空溶融及び又は高真空灼熱及び又
    は高真空蒸留による前処理を受ける、特許請求の範囲第
    １５項記載の方法。