JP4040301B2 - 多層鉛フリー被覆プレートを有する滑り軸受およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
１． 技術分野
この発明は、金属裏当て、軸受金属のライナおよび相対的に軟らかい金属製のオーバーレイを有する種類の多層滑り軸受に関する。
【０００２】
２． 関連先行技術
多層滑り軸受は典型的には、クランク軸、接続ロッドなどを支えるために、高負荷エンジンでの応用で用いられ、鋼の堅い金属裏当てを含み、これの上に銅−鉛またはアルミニウム合金のいずれかの軸受金属の内張りが適用され、これの上に、相対的に軟らかい金属の走行層が、通例約２５μｍの厚みを有する鉛−錫−銅合金の単一層の形で被覆される。ニッケル拡散バリアまたは銅結合層が、しばしば内張りと被覆プレートとの間に挟まれて被覆プレートの錫が軸受ライナ内へ拡散するのを防ぐ。最後のステップとして、軸受は典型的には、錫または鉛−錫のフラッシュめっきの、ミクロの薄さの層で覆われ、鮮やかで美的に心地よい外観を軸受に付与し、かつ或る水準の腐食防護を提供する。
【０００３】
軸受の凹状の走行表面上にあるフラッシュめっきは、初めのエンジン慣らし期間中にすぐに散逸する。
【０００４】
使用中には、このような多層滑り軸受は、ピストンおよび接続ロッド機構によりおよびシリンダガスにより加えられる慣性荷重によって、大きさおよび方向が変化する高い動荷重を被る。軟らかい被覆層により、軸受表面が連続的に変化し、組込まれる部材のどんな不整合または外形もしくは荷重の変化に高荷重力下で従い、その結果荷重を軸受けのより大きな表面積にわたって分配することが可能となる。被覆プレートはそのような順応性に加えて、埋込性の特徴をも有し、これにより被覆プレートは、軸受表面と支えられている部材との間に入り込み得る塵および／または金属のどんな異物の硬い粒子をも埋込むことにより、軸受および部材を過剰な摩耗または損傷から保護することが可能となる。
【０００５】
適合性および埋込性の特徴は被覆プレートの厚みに依存し、より厚い被覆プレートが好ましい（すなわち２５μｍのオーダまたはそれ以上）ことが一般的に認められている。また、被覆プレートの厚みが増加するにつれて被覆プレートは疲労しやすくなり、その場合、被覆プレートの表面は荷重下で破損するということもまた一般的に知られている。疲労亀裂に抵抗するためには、軸受の表面が亀裂なしにわずかな構成の変化に耐えることができるのに十分な引張り強さを示すことが必要である。それゆえ、エンジン軸受、特に高い動荷重を被るものを設計する際に、疲労抵抗と、適合性および埋込性の競合する特性を釣り合わせることが必要となる。
【０００６】
多くの高荷重エンジンでの応用のために、鉛−錫−銅の２５μｍの被覆プレートが、良好な疲労抵抗を所有すると同時に良好な適合性および埋込性を示すものとわかった。しかしながら、エンジンの出力および効率が増加し続けるにつれて、クランク軸および接続ロッド軸受上にかかる動荷重もまた増加し、軸受の疲労の可能性を増加させる。２５μｍの厚みに負荷がかかっている従来の単一層鉛−錫−銅被覆プレートの厚みを単純に減少させることにより大きな疲労抵抗を得ることができる一方、これでは適合性および埋込性の特徴が犠牲となる。
【０００７】
荷重の増加による軸受への要求に加えて、重金属、特に滑り軸受における鉛の使用を減少または可能であれば排除することが環境的に有利である。米国特許第５，０５６，９３６号は、従来の鉛を含有する合金すなわち鉛−錫−銅を層の材料の１つとして採用する多層被覆プレートの構成を有する滑り軸受を開示する。
【０００８】
したがって、極度に高い動荷重条件下で動作し、一方で被覆プレートにおいて鉛を含む合金を用いることなく、良好な疲労抵抗ならびに良好な適合性および埋込性の特徴を示すことができる改良された多層滑り軸受が、業界で必要とされている。
【０００９】
【発明の概要】
この発明に従い、堅い金属裏当てとその裏当て上に形成された軸受金属の内張りとを有するベースライニング部材を含む多層滑り軸受が提供され、ベースライニング部材上へ電気めっきされて交互に位置する鉛フリー金属材料からなる複数のミクロの厚みの軟質被覆層および硬質被覆層を含む鉛フリー多層被覆プレートにより特徴付けられる。
【００１０】
被覆プレートは好ましくは、約１０−２０μｍの範囲内の全体厚みを有し、個々の層は被覆プレートの全体厚みの少なくとも半分に等しいまたはこれより小さい厚みを各々有する。
【００１１】
この発明の多層被覆プレートは、鉛フリー金属層を用いて良好な疲労抵抗ならびに良好な適合性および埋込性の特徴を有する、滑り軸受のための合成被覆プレートを提供する利点を有する。材料の選択と鉛フリー被覆プレートの多重層の相対的な厚みを制御することにより、この発明は、制御された硬度勾配が被覆プレートにおいて生じることを可能にし、これがさらに上の特性を高める。この発明の或る特定の実施例に従うと、交互の軟質層および硬質層は、被覆プレートの全体のミクロ硬度が被覆プレートの上部走行表面に隣接するところでより軟らかくかつ軸受ライナに隣接する被覆プレートの底部の近くでより硬くなるような、変動する相対的な厚みを有する。
【００１２】
鉛フリー材料の使用は、さらに、重金属、特に鉛を被覆プレートからなくす利点を有し、このことは、製造、使用および再生利用の観点から見て有益である。
【００１３】
この発明のこれらのおよび他の利点と特徴点とが、以下の詳細な説明および図面を参照することにより、よりよく理解されるとともにたやすく認識されるであろう。
【００１４】
【好ましい実施例の詳細な説明】
この発明に従い構成された多層滑り軸受が図１の１０で概括的に示され、半軸受、ラジアル軸受、滑り軸受、ジャーナル軸受、エンジン軸受および類似のものとして通例この技術で知られている、凹状の内表面１４および凸状の外表面１６を有する半円ストリップ構成へと形成された、好ましくは鋼から製造された堅い金属裏当て１２を有する大体半円の構成を有する種類である。凸状の外表面１６は、内部燃焼エンジンのクランク軸などの回転軸のジャーナル支持のための、エンジンブロックまたは接続ロッドなどの噛み合い凹状支持構造内に位置するようにされる。多層軸受という術語は、その範囲内に多層ブッシュを含むものと理解される。
【００１５】
金属製の軸受金属１８のライナは裏当て１２の凹状の表面１４上に形成され、公知のやり方に従い内表面１４上に鋳造または他の方法で形成され得る、銅−鉛またはアルミニウム合金を含む従来の材料から製造され得る。裏当て１２およびライナ１８はひとまとめで、軸受１０の基礎を形成するベースライニング部材２０を提供する。ライナ２０はまたニッケルまたは銅のいずれかの薄いバリアまたは結合層２１（すなわち約１／２μｍの厚みの）を含むことができ、これは従来のやり方に従いライナ１８上へ電気めっきされて、下で説明する被覆プレートの移行バリアまたは結合層となることができる。
【００１６】
ベースライニング部材２０との関連でここまで説明してきた構成は従来のものである。この発明が従来のやり方から離れるのは、ベースライニング部材２０の製造に続いて、鉛フリーの軟質金属および硬質金属の複数の交互の層からなる多層被覆プレート２２がベースライニング部材２０上に形成され、被覆プレートは図１の２２で概括的に示され、被覆プレート２２をなす交互の軟質層および硬質層は図２の拡大された断面図において２４および２６でそれぞれ詳細に示されるところである。そのような層は少なくとも３つあり、各々の厚みは被覆プレートの全体厚み、好ましくは約１０−２０μｍの範囲の約半分またはこれより小さい。
【００１７】
軟質層２４のための鉛フリー材料は好ましくは、錫またはこれの軟質の鉛フリー１０合金を含む。鉛フリー硬質層２６のための材料は、ニッケル、銅、錫−ニッケル合金、コバルトまたは鉄、およびこれらの鉛フリー合金の材料の群から選択された少なくとも１つの材料を含み得る。
【００１８】
軟質層および硬質層２４、２６は電着によりライナ１８に適用される。図２に例示するように、初めの軟質層２４は第１の電着浴でライナ１８に適用される。別個のめっき浴において、次の硬質層２６が、初めの軟質層２４へ適用され、この処理が繰返されて、交互の軟質層および硬質層２４、２６の所望の数および配置を、被覆プレート２２の所望の厚みとなるように生じさせる。図２の実施例において、鉛フリー軟質層および硬質層２４、２６は各々約１μｍの厚みを有し、被覆プレート２２は約１５μｍの全体厚みを有する。図２の実施例における被覆プレート２２は、上から下まで均一な全体のマクロ硬度を有することが認められるであろう。換言すれば、多重層は、まとまって、被覆プレート２２に対し、個々の層の硬度とは別に、軸受の作業走行表面２８に隣接する被覆プレートの上部領域または上半分において、軸受け１０のライナ１８に隣接する被覆プレート２２の底部領域または下半分の硬度のそれと同じである、全体のマクロ硬度を与える。こうして、被覆プレート２２をなす個々の層２４、２６が相対的に軟らかくかつ硬く、そのため層ごとに変動し得る一方、これら層の均一な厚みと、隣接する層に対するこれらの一貫した関係との効果により、上から下までおおよそ同じの全体の均一なマクロ硬度を備えた被覆プレート２２が得られる。
【００１９】
図３はこの発明の代替の実施例を示し、図２の実施例と類似の特徴点を示すために、これに１００を加えた参照番号を用いる。軟質層および硬質層の相対的な厚みが図２の実施例のものと異なることを、図３から見て取れるであろう。図３の実施例において、被覆プレート１２２の底部領域１３２における硬質層１２６は、上部領域１３０における硬質層１２６より相対的に厚い。硬質層１２６の間に配置された軟質層１２４は均一の厚みである。最も外側の軟質層１２４（図３の上部にある）は好ましくは、硬質層１２６を分離する軟質層１２４よりも厚い。層１２４、１２６の厚みおよび配置が変動することにより、被覆プレートのマクロ硬度が上から下まで均一である図２の実施例とは反対に、被覆プレート１２２が上部領域１３０において相対的に軟らかくかつ底部領域１３２において相対的に硬い、マクロ硬度勾配を備えた被覆プレート１２２を提供する効果が得られる。図３の例示された実施例において、最も外側（上部）の軟質層１２４は、好ましくは１−５μｍ、より好ましくは３−５μｍの範囲内の厚みを有する。上部領域１３０における硬質層１２６は好ましくは、約１μｍの厚みを有し、底部領域１３２における硬質層１２６は好ましくは約２μｍの厚みを有する。硬質層１２６を分離する軟質層１２４の厚みは好ましくは、約１−２μｍであり、好ましくは、そのような軟質層１２４どうしの厚みは均一である。
【００２０】
図３は、軟質層および硬質層の相対的な厚みおよび配置を制御することにより、被覆プレート１２２においてその厚みにわたり所望のマクロ硬度勾配を生じさせるいくつかの可能性の１つを例示することが認められるであろう。或る特定の応用に好適な所望の硬度勾配を生じさせるために、層の他の相対的な厚みおよび配置が可能でありかつこの発明により企図されていることが、当然認められるであろう。たとえば、より鋭い勾配を与えるために、またはことによると、硬質層の厚みを変えることにより達成されるものと同じ硬度を生じさせる代案として、硬質層１２６を分離する軟質層１２４の厚みを変えることが望ましいかもしれない。さらに或る応用において、勾配を逆にすることにより、底部領域か、またはことによれば所与の応用が要求し得る中間の或るところかに比べて、被覆プレートを上部領域においてより硬くすることが望ましいかもしれない。そのような場合には、交互の軟質層および硬質層の相対的な厚みを、所望の勾配を達成するために調整することができる。
【００２１】
この発明のそのような多層軸受１０、１１０を製造する或る方法に従うと、ベースライニング部材２０、１２０は、従来の実施に従い、金属製のライナ１８を裏当て１２の内表面１４へ結合して次に、多層被覆プレート２２を受ける準備として、バリア層２１、１２１でライナ１８にめっきをすることにより準備される。交互の軟質層および硬質層の電着を、異なるめっき浴において、所与の電流密度でかつ所与の時間の間行うことにより、被覆プレート２２、１２２を与え、所与の応用に対し所望される適当な厚みを達成し、被覆プレートの厚み全体にわたる均一な硬度か、マクロ硬度勾配かのいずれかを生じさせる。いずれの場合においても、被覆プレート２２、１２２をなす層は鉛を含まない。
【００２２】
明らかに、この発明の多くの修正および変更が、上の説明に照らして可能である。したがって、前掲の特許請求の範囲の範囲内で、この発明は特に説明したものとは別の形で実施され得ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に従い構成された多層軸受の斜視図である。
【図２】 図１の線２−２に沿って概括的に取られた部分断面図である。
【図３】 図２と類似の、この発明の代替実施例の図である。

Claims (11)

1. 多層滑り軸受であって、
   堅い金属裏当てと、前記裏当て層上に設けられた軸受金属の内張りとを含むベースライニング部材と、
   鉛フリー多層被覆プレートとを備え、前記多層被覆プレートは、前記ベースライニング部材上で電気めっきされて交互に位置する鉛フリー金属材料からなる複数のミクロの厚みの軟質被覆層および硬質被覆層を含み、前記各被覆層は前記被覆プレートの全体厚みの約半分またはこれより小さい厚みを有し、
   前記多層被覆プレートは、前記軸受の走行表面に隣接する上部領域と前記ベースライニング部材に隣接する底部領域とを有し、前記上部領域のマクロ硬度が前記底部領域のマクロ硬度よりも小さくなるように前記上部領域から前記底部領域へ向かって硬度が増加するという全体マクロ硬度勾配を与え、
   前記被覆プレートの前記上部領域にある前記硬質被覆層は、前記底部領域にある前記硬質被覆層よりも相対的に薄い、多層滑り軸受。
2. 前記鉛フリー軟質材料は錫を含み、前記鉛フリー硬質材料は、ニッケル、銅、錫−ニッケル、コバルト、鉄およびこれらの鉛フリー合金からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含む、請求項１に記載の軸受。
3. 前記被覆プレートは約１０から２０μｍの範囲内の全体厚みを有し、前記上部領域にある前記硬質被覆層は約１μｍの厚みを有し、前記底部領域にある前記硬質被覆層は約２μｍの厚みを有する、請求項１に記載の軸受。
4. 前記上部領域および底部領域において前記硬質被覆層の間に挟まれた前記軟質被覆層は、約１から２μｍの範囲内の均一な厚みを有する、請求項３に記載の軸受。
5. 前記軟質被覆層は、前記被覆プレートの前記上部領域内にあって約１から５μｍの範囲内の厚みを有する最外層を含む、請求項４に記載の軸受。
6. 前記ベースライニング部材の前記軸受金属は銅−鉛およびアルミニウム合金からなる群から選択された材料を含む、請求項１に記載の軸受。
7. 多層滑り軸受であって、
   堅い金属裏当てと、前記裏当て層上に設けられた軸受金属のライナとを含むベースライニング部材と、
   前記ベースライニング部材上に配置された鉛フリー多層被覆プレートとを備え、前記被覆プレートは、ニッケル、銅、錫−ニッケル、コバルト、鉄およびこれらの鉛フリー合金からなる材料の群から選択された少なくとも１つの材料の鉛フリー硬質層によって互いに分離された錫ベース材料の複数の鉛フリー軟質層を有し、
   前記硬質層の厚みは前記金属裏当て側で厚くなる、多層滑り軸受。
8. 前記被覆プレートは約１０から２０μｍの全体厚みを有し、前記交互の層は約５μｍより小さい厚みを有する、請求項７に記載の軸受。
9. 前記被覆プレートは前記軸受の走行表面に隣接する上部領域と、前記ベースライニング部材に隣接する底部領域とを含み、前記多層被覆プレートは、前記被覆プレートにおいて、前記上部が前記底部よりも相対的に軟らかくなるマクロ硬度勾配を提供するように配置される、請求項７に記載の軸受。
10. 前記底部領域における硬質層は前記上部領域における前記硬質層より厚みが大きい、請求項９に記載の軸受。
11. 多層滑り軸受を製造する方法であって、
    堅い金属裏当てと前記裏当てに適用された軸受金属のライナとを有するベースライニング部材を準備するステップと、
    前記ベースライニング部材上に電気めっきによって多層鉛フリー被覆層を形成するステップとを含み、前記電気めっきは、第１の浴から軟質層を電気めっきすることと、少なくとも第２の浴から硬質層を電気めっきすることと、浴と浴との間の交代により軟質層および硬質層を交互に有する多層被覆プレートを形成することとを含み、
    前記軸受の走行表面に隣接する上部領域と前記ベースライニング部材に隣接する底部領域とを形成するステップを含み、前記被覆プレートの上部領域における硬質層が前記底部領域における硬質層よりも薄く形成される、方法。

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