JP5698677B2 - すべり要素 - Google Patents

Description

本発明は、基板と、前記基板上に施与された、すべり層材料からなる少なくとも１つの層とを有するすべり要素に関する。本発明はまた、そのようなすべり要素の好ましい使用に関する。

発動機においてすべり軸受け要素として使われるすべり要素は、たいていは、すべり特性を最適化する特別に改変された表面を有する多層の材料からなっている。一般に、すべり軸受け要素の表面は、電気処理、蒸着、またはマカニカルプレーティングによって付着された、たとえば鉛、亜鉛またはアルミニウムをベースとする金属層である。

その他、負荷容量や磨耗耐性といった特性が改変された合成樹脂基材を有する非金属すべり層が知られている。

公知のコーティングは比較的高い負荷容量を有するものの、この負荷容量には厳しい限界があって、その負荷容量を超過した場合にはすべり機能の急速な低下に至る。したがって、それに伴って、充分なフェールセイフ特性を欠く基板材料が露出すると、侵食（Ｆｒｅｓｓｅｎ）によってすべり軸受け要素が全面的機能不全を起こす。

合成樹脂ベースのすべり軸受けコーティングは年来、機械構造物の磨滅を減少させるための補助手段として使用されている。一般に、さらなる注油なしでも長期間容易に可動でなければならない金属部分、プラスチック部分、およびゴム部分はコートされている。典型的な応用例においては、負荷はかなり低く、媒体の温度のような周囲条件は重要ではない。さまざまな特許出願、特に欧州特許出願公開第０ ９８４ １８２ Ａ１号（特許文献１）から、発動機での、すなわち、たとえば、そのようなすべり軸受け要素を有するクランク軸の軸受けでの応用も可能であることが知られている。この文献では、磨耗を少なくするために、とりわけＦｅ_３Ｏ_４ を添加し得る、ＰＩ、ＰＡＩ、エポキシ樹脂、または一種のフェノール樹脂からなるマトリクスを有するオーバーレイが開示されている。

ドイツ特許出願公開第１９６ １４ １０５ Ａ１号（特許文献２）は、ＰＴＦＥまたは熱可塑性フルオロポリマーからなるマトリクス材料と、Ｆｅ_２Ｏ_３および固体潤滑剤からなる、磨耗耐性およびキャビテーション耐性のあるプラスチックすべり層を開示している。この材料は、軸受け用に、たとえば、衝撃吸収体の誘導要素として使用され、その構造および軟質のフルオロポリマー・マトリクスの故に、低いすべり速度および小さい負荷にしか適しない。

欧州特許出願公開第１ ７７５ ４８７ Ａ２号（特許文献３）からは、金属担体材料と、その上に被覆したアルミニウム合金と、プラスチックすべり層とを有するすべり軸受け要素が知られている。このプラスチックすべり層の結合安定性およびキャビテーション耐性を改善するために、ＰＩ、ＰＡＩ、ＰＢＩ、ＥＰおよびＦＰからなるバインダーと、ＭｏＳ_２、黒鉛、ＰＴＦＥおよびＢＮなどの固体潤滑剤とを含む材料が提案されている。

欧州特許出願公開第０ ９８４ １８２ Ａ１号 ドイツ特許出願公開第１９６ １４ １０５ Ａ１号 欧州特許出願公開第１ ７７５ ４８７ Ａ２号

本発明の課題は、改善された耐磨耗性を有しつつより高いピーク負荷容量を有し、たとえば燃焼機関内部の可動部材におけるような高い運転温度およびすべり速度で使用可能である、すべり要素を提供することである。

この課題は、すべり層材料が、少なくとも１種類の架橋性バインダーもしくは少なくとも１種類の高融点熱可塑樹脂材料を含むすべりコーティング材からなるか、または少なくとも１種類の高融点熱可塑樹脂材料もしくは少なくとも１種の熱硬化樹脂材料からなるマトリクスを含む材料からなり、すべり層材料がＦｅ_２Ｏ_３を含むすべり要素によって解決される。

その際、すべり層材料が酸化鉄としてもっぱらＦｅ_２Ｏ_３を含むことが好ましい。

第１の態様によれば、すべりコーティング材が請求される。

すべりコーティング材とは、表面の滑動性を改善するための添加剤を含み、基板の上に薄く塗布され、化学的または物理的過程（たとえば、溶媒の蒸発、または紫外線照射による硬化など）によって連続する薄い膜に形成される、液状または粉末状コーティング材料を意味する。

すべりコーティング材の架橋性バインダーは好ましくは、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＩ（ポリイミド）、エポキシ樹脂、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）および／またはシリコーン樹脂からなる。これらのポリマーは、高い耐熱性および優れた溶媒耐性（Ｍｅｄｉｅｎｂｅｓｔａｅｎｄｉｇｋｅｉｔ）を特色とする。

さらなる実施形態によれば、前記バインダーは紫外線によって硬化するバインダーでよい。この種のバインダーは好ましくは、不飽和ポリエステル樹脂および／またはシリコーンである。

さらなる実施形態によれば、すべりコーティング材は少なくとも１種類の高融点熱可塑樹脂材料を有してもよい。

第２の態様によれば、少なくとも１種類の高融点熱可塑樹脂材料または少なくとも１種類の熱硬化樹脂材料からなるマトリクスを含む材料が請求される。

高融点熱可塑樹脂材料とは、融点が２３０℃を超えるような材料を意味する。

好ましい高融点熱可塑樹脂として、好ましくは、ポリアリレート、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）および／またはＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）を使用することができる。

好ましい熱硬化樹脂材料は、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＩ（ポリイミド）、エポキシ樹脂、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）および／またはシリコーン樹脂である。

請求される材料は、Ｆｅ_２Ｏ_３と組み合わせると、全く鉄酸化物を含まないまたは場合により他の鉄酸化物を含むすべり層材料よりも明らかに優れたピーク負荷容量を有することが示されている。最大で２０％優れた負荷容量値が得られる。

前記２つの態様によるバインダーまたはマトリクス材料をＦｅ_２Ｏ_３と組み合わせることによって、潤滑フィルムの有効性が改善され、これにより、特定の軸受け負荷によって生じる磨耗率の増大が低減されると推測される。それにより、負荷限界が上昇し、そのため、負荷限界を下回る負荷がかかった場合の軸受けの動作信頼性が有意に高まる。

この作用は、Ｆｅ_２Ｏ_３の割合が０．１〜１５体積％のときに顕在化する。それより小さな割合のときは、負荷容量の改善は認められない。逆に、それより大きな割合では、すべりコーティング材のマトリクス材料または架橋性バインダーが弱くなる。

すべり層材料の総量に対するＦｅ_２Ｏ_３の割合は、好ましくは０．５〜８体積％である。

クランク軸の軸受けにおけるピーク負荷容量が、すでに１２０ＭＰａまで増加できることを示すことができた。これらのピーク負荷容量の値はまた、欧州特許出願公開第０ ９８４ １８２ Ａ１号（特許文献１）による材料の組み合わせで示される値を明らかに上回っている。本発明による値は、それ以外には、アルミニウムベースのスパッタ層によってしか達成されない。

Ｆｅ_２Ｏ_３の粒径も重要であることが分かっている。０．０１〜５μｍの平均粒径を有するＦｅ_２Ｏ_３が好ましい。０．１〜０．５μｍのｄ５０を有する粉末が特に有利である。ｄ５０と示される値は、粒子サイズの中央値であり、その値より粒子の５０％は小さく、粒子の５０％は大きい。

すべり層材料の固体潤滑剤の割合は、好ましくは３０体積％までである。その範囲は、好ましくは９．５％以下、すなわち０〜９．５％である。特に好ましい範囲は、５体積％以上、３０体積％までである。

固体潤滑剤としては、層構造を有する金属硫化物、黒鉛、六方晶系窒化ホウ素（ｈＢＮ）、および／またはＰＴＦＥが考慮の対象となる。さらに、すべり層材料は、硬質材料を５体積％以下の割合、特に３〜５体積％の割合で含んでもよい。

硬質材料は、好ましくは窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および／または金属粉末であり、その際に硬質材料は、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｂ_４Ｃ_３、立方晶系ＢＮ、ＴｉＯ_２またはＳｉＯ_２、およびＡｇ、Ｐｂ、Ａｕ、ＳｎＢｉおよび／またはＣｕからなる金属粉末であることが好ましい。

特定の一実施形態は、Ｆｅ_２Ｏ_３を含有するすべり層からなる多層系であり、この多層系は、取込み層（Ｅｉｎｌａｕｆｓｃｈｉｃｈｔ）としての上層が、たとえば硬質微粒子の添加により軸をコンディショニングするように機能し、その下の層が耐久層（Ｌｅｂｅｎｓｄａｕｅｒｓｃｈｉｃｈｔ）として機能するように形成することができる。

この多層系はまた、耐久層の下に、軸受けを特に磨耗耐性に関して最適化し、軸受け金属の完全な磨滅を遅らせることによって、軸受けの動作信頼性をさらに向上させる、追加のすべりコーティング材層を施与した構造であってもよい。

基板とすべり層材料との間の追加層は、基板への付着に関しても最適化することができ、下塗剤のように、すべりコーティング材層、または高融点熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂とからなるマトリクスを有する層の結合を改善する目的をもつこともできる。これは、たとえば、マトリクス材料がほとんどまたは全く添加されていない、数マイクロメートルの厚さの層によって達成することができる。

多層系は、複数の層からなる個別の成層体としても、厚さに関する層特性が連続的に変わる勾配層としても実現し得る。

下層のＦｅ_２Ｏ_３含有量は、上層のＦｅ_２Ｏ_３含有量より高いことが好ましい。

前記基板上に、Ｆｅ_２Ｏ_３を含むすべり層材料からなる１つの層と、Ｆｅ_２Ｏ_３を含まないすべり層材料からなる１つの層からなる２層を施与することが好ましい。この実施形態は、上層が急速に磨損し、最大の負荷容量が急速に回復されるので、幾何的適合が促進されるという利点を有する。この場合、さらなる磨損は下層のＦｅ_２Ｏ_３含有量によって低減される。

多層系のさらなる実施形態は、下層のみがＦｅ_２Ｏ_３を含み、その上にある全ての層はＦｅ_２Ｏ_３を含まないようになっている。

すべり層材料からなる層を３層以上、基板に施与する場合、最下層から最上層に向かってＦｅ_２Ｏ_３の割合が減少するのが有利である。最上層におけるＦｅ_２Ｏ_３の割合が僅かまたは全くないと、上層が急速に磨損し、最大の負荷容量が急速に回復されるので、幾何的適合が促進されるという利点がある。この場合、さらなる磨損は下層のＦｅ_２Ｏ_３含有量によって低減される。

また、層内のＦｅ_２Ｏ_３の割合が下から上に向かって連続的に減少するようになっている。

基板は、単一または複数の層からなっていてよい。

基板は好ましくは、アルミニウム合金または銅合金からなる少なくとも１つの層を有する。以下の合金、すなわちＮｉ−、Ｓｎ−、Ｚｎ−、Ａｇ−、Ａｕ−、Ｂｉ−およびＦｅ−合金も基板材料として適切である。全ての合金は、軸受け金属としても、薄いカバー層としても使用することができ、その際、すべり層は、組成に応じて軸材料を適合させるもしくはコンディショニングするための追加の取込み層としても、高い耐用性を有する独立のすべり層としても形成することができる。

ＣｕＳｎ−、ＣｕＮｉＳｉ−、ＣｕＺｎ−、ＣｕＳｎＺｎ−、ＡｌＳｎ−、ＡｌＳｉ−、ＡｌＳｎＳｉ−軸受け金属合金上に、１つまたは複数のすべり層として本発明による１つまたは複数の層を使用することが特に好ましい。

これらのすべり層は、中間層を設けてまたは中間層なしで施与することができる。中間層としては、ニッケル、銀、銅、および／または鉄とすることができる。

多層系の場合、１つまた複数の層の厚さは１〜４０μｍの範囲にある。

すべり軸受け要素は、１００ｍｍ以下の軸受け胴であってよい。この場合、１つまたは複数の層の厚さは５〜１５μｍである。

すべり軸受け要素が１００ｍｍを超える直径を有する軸受け胴である場合、厚さは１５μｍ超、４０μｍまでであることが好ましい。

基本的に、２つの実施形態が可能である。第１の実施形態では、本発明のすべり層は軸受け金属層上に直接施与される。第２の実施形態では、好ましくはスパッタリングまたは電着によって施与された既存の金属すべり層を備える軸受け金属からなる基板がコーティングされる。

基板は好ましくは、１〜１０μｍ、特に３〜８μｍの粗さＲ_Ｚを有する。Ｒ_Ｚは、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７：１９９８による、平均的な表面粗さを意味する。

粗さは、付着性を改善し、磨損したときに、最初に先端部のみが、すなわち、基板の極くわずかな表面部分が露出して、支持能力（Ｔｒａｇｆａｅｈｉｇｋｅｉｔ）を高めるようにし、同時に大きく露出した領域の侵食感受性（Ｆｒｅｓｓａｎｆａｅｌｌｉｇｋｅｉｔ）が生じることはない。

所望の粗さは、サンドブラストまたは研削などの機械的方法によるだけでなく、化学的なリン酸塩処理またはエッチングによっても形成することができる。

好ましい使用は、流体潤滑用途である。

このすべり要素は、燃焼機関中のすべり軸受けとして使用することが好ましい。

このすべり要素は高いピーク負荷を特色としているので、このすべり要素を特にクランク軸のすべり軸受けとして使用することがもたらされる。さらなる好ましい使用は、このすべり要素をピストンスカート（Ｋｏｌｂｅｎｈｅｍｄｅｎ）およびピストンリングとして使用するものであり、その際、特にリングフランク（Ｒｉｎｇｆｌａｎｋｅｎ）は、ピストン溝の表面（Ｋｏｌｂｅｎｎｕｔｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅ）と微細溶接（Ｍｉｋｒｏｖｅｒｓｃｈｗｅｉｓｓｕｎｇｅｎ）されることを避けるために本発明の層構造を有する。

以下に、いくつかの例を試験結果とともに列挙する。

表１は、銅合金基板だけを、表２は、アルミニウム基板および二重層の例示的実施形態を含む。

性能を評価するために、アンダーウッド（Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ：ＵＷ）試験を実施した。この試験では、偏心重量をもつ軸が、しっかり取り付けられた連接棒（Ｐｌｅｕｅｌｓｔａｎｇｅｎ）中で回転する。連接棒中の支承は、試験対象の軸受けによって形成される。試験対象の軸受けは、１．４ｍｍの壁厚および５０ｍｍの直径を有する。特定負荷は軸受け幅によって調整され、回転数は４０００Ｕ／ｍである。評価基準は、１００ｈの連続運転後におけるすべり層の疲労および磨損である。すべり表面の最大５％で層が基板にまで磨損するか、または疲労が出現する際の限界負荷は、ＭＰａで表される。

Ｆｅ_２Ｏ_３の作用を裏付けるために、表１にはＲでそれぞれ標記した参照試験が挙げられる。試験によれば、Ｆｅ_２Ｏ_３の添加により最大２０％までの負荷容量の増大が可能であることが認められる。

アルミニウム基板の場合（例１７〜２２）、それぞれ基板の疲労耐性が制限因子になっているものの、この場合は、本発明のすべり層材料によって適合性が改善されているので、改善が得られる。しかしながら本発明によるすべり層材料の主目的は、合金中に軟質相がわずかな割合でしか含まれていない場合に、すべり特性を最適化することである。

例２３の二重層は、上層におけるバインダーの割合を低くし、固体潤滑剤の割合を高くすることによって適合性が増すように設計されている。

例２４は、硬質材料によってさらに研磨される球状ねずみ鋳鉄（Ｋｕｇｅｌｇｒａｕｇｕｓｓ）などの粗悪な表面を有する軸用の層設計である。

例２５では、下層におけるＦｅ_２Ｏ_３の濃度が上昇して、磨耗耐性が高まっており、上層は好ましくは適合層として設計されている。

Claims (32)

1. 基板と、前記基板上に施与された、すべり層材料からなる少なくとも１つの層とを有するすべり要素において、
   前記すべり層材料が、少なくとも１種類の架橋性バインダーもしくは少なくとも１種類の高融点熱可塑樹脂材料を有する１種類のすべりコーティング材からなり、
   前記高融点熱可塑樹脂材料が、ポリアリレート、ＰＥＥＫ、および／またはＰＥＳからなること、および
   前記すべり層材料がＦｅ_２Ｏ_３を含み、
   すべり層材料総量に対するＦｅ _２ Ｏ _３ の割合が、０．５〜８体積％であることを特徴とするすべり要素。
2. すべりコーティング材の架橋性バインダーが、ＰＡＩ、ＰＩ、エポキシ樹脂、ＰＢＩおよび／またはシリコーン樹脂からなることを特徴とする、請求項１に記載のすべり要素。
3. 前記バインダーが、紫外線により硬化するバインダーであることを特徴とする、請求項１に記載のすべり要素。
4. Ｆｅ_２Ｏ_３が、０．０１〜５μｍの平均粒径を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のすべり要素。
5. すべり層材料が、３０体積％以下の割合の固体潤滑剤を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のすべり要素。
6. すべり層材料が、５体積％以上、３０体積％以下の割合の固体潤滑剤を含むことを特徴とする、請求項５に記載のすべり要素。
7. 固体潤滑剤が、層構造を有する金属硫化物、黒鉛、六方晶系窒化ホウ素、および／またはＰＴＦＥであ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すべり要素。
8. すべり層材料が、５体積％以下の割合の硬質材料を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のすべり要素。
9. すべり層材料が、３〜５体積％の割合の硬質材料を含むことを特徴とする、請求項８に記載のすべり要素。
10. 硬質材料が、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、および／または金属粉末であることを特徴とする、請求項８または９に記載のすべり要素。
11. 硬質材料が、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｂ_４Ｃ_３、立方晶系ＢＮ、ＴｉＯ_２またはＳｉＯ_２であることを特徴とする、請求項１０に記載のすべり要素。
12. 金属粉末が、Ａｇ、Ｐｂ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｂｉおよび／またはＣｕからなることを特徴とする、請求項１０に記載のすべり要素。
13. すべり層材料からなる２つの層が、基板上に施与されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載のすべり要素。
14. 下層中のＦｅ_２Ｏ_３含有量が上層中のＦｅ_２Ｏ_３含有量より高いことを特徴とする、請求項１３に記載のすべり要素。
15. 前記基板上に、Ｆｅ_２Ｏ_３を含むすべり層材料の１つの層およびＦｅ_２Ｏ_３を含まないすべり層材料の１つの層からなる２層が施与されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載のすべり要素。
16. 下層がＦｅ_２Ｏ_３を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のすべり要素。
17. すべり層材料からなる層が３層以上、基板上に施与されること、および、
    前記Ｆｅ_２Ｏ_３割合が最下層から最上層に向かって減少することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載のすべり要素。
18. 層内のＦｅ_２Ｏ_３割合が下から上に向かって連続的に減少することを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一つに記載のすべり要素。
19. 基板が、Ａｌ−合金またはＣｕ−合金からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一つに記載のすべり要素。
20. 前記１つまたは複数の層の厚さが１〜４０μｍであることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一つに記載のすべり要素。
21. すべり要素が直径１００ｍｍ以下の軸受け胴であること、および
    前記１つまたは複数の層の厚さが５〜１５μｍであることを特徴とする、請求項２０に記載のすべり要素。
22. すべり要素が１００ｍｍを超える直径を有する軸受け胴であること、および
    前記１つまたは複数の層の厚さが１５μｍ以上、４０μｍ以下であることを特徴とする、請求項２０に記載のすべり要素。
23. 基板がすべり層を含み、該すべり層上に前記すべり層材料が塗布されることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか一つに記載のすべり要素。
24. すべり層が、電着またはスパッタリングされたすべり層であることを特徴とする、請求項２３に記載のすべり要素。
25. 基板が軸受け金属層を含み、前記金属層上にすべり層材料が塗布されることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか一つに記載のすべり要素。
26. 基板が、ニッケル、銀、銅、および／または鉄からなる中間層を含み、前記中間層上にすべり層材料が塗布されることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか一つに記載のすべり要素。
27. 基板が、１〜１０μｍの粗さＲ_Ｚを有することを特徴とする、請求項１〜２６のいずれか一つに記載のすべり要素。
28. 流体潤滑用途のための、請求項１に記載のすべり要素の使用。
29. 燃焼機関中のすべり軸受けとしての、請求項１に記載のすべり要素の使用。
30. クランク軸のすべり軸受けとしての、請求項１に記載のすべり要素の使用。
31. ピストンリングとしての、請求項１に記載のすべり要素の使用。
32. ピストンスカート（Ｋｏｌｂｅｎｈｅｍｄ）としての、請求項１に記載のすべり要素の使用。