(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動エレメントであって、
裏当てと、
前記裏当て上に配置されるベースとを備え、ベースは、前記ベースの重量パーセント（ｗｔ．％）を基に、２０．０から９８．９ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、０．１から８．０ｗｔ．％の量のビスマス、および第１の硬質粒子を含み、さらに
前記ベースは、前記銅および前記スズよりなる銅系マトリックスと、ビスマスの島とを含み、
前記ビスマスの島は前記銅系マトリックスによって互いに分けられ、さらに前記第１の硬質粒子からも分けられ、
前記ベース上に配置されるスズオーバープレートを含み、前記スズオーバープレートは、前記スズオーバープレートのｗｔ．％を基に、少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のスズを含み、
前記スズオーバープレートは、内燃機関における前記摺動エレメントの使用の際、前記ベースからの前記ビスマスを、前記オーバープレートのｗｔ．％を基に、０．１ｗｔ．％以下の量含む、摺動エレメント。
【請求項２】
前記ベースは、８０．０ｗｔ．％から９５．０ｗｔ．％の量の前記銅、３．０から１０．０ｗｔ．％の量の前記スズ、０．５から７．０ｗｔ．％の量の前記ビスマス、および０．２から５．０ｗｔ．％の量の前記第１の硬質粒子を含む、請求項１に記載の摺動エレメント。
【請求項３】
前記第１の硬質粒子は、２５℃の温度において、少なくとも６００ＨＶ０．０５の硬さを有する材料を含む、請求項１に記載の摺動エレメント。
【請求項４】
前記ベースの前記第１の硬質粒子は、１０ミクロン以下のＤ５０体積平均粒子径を有する、請求項１に記載の摺動エレメント。
【請求項５】
前記第１の硬質粒子は、Ｆｅ３ＰおよびＭｏＳｉ２の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の摺動エレメント。
【請求項６】
前記ベースと前記スズオーバープレートとの間にニッケルバリア層をさらに備え、前記ニッケルバリア層は、前記ニッケルバリア層のｗｔ．％を基に、少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のニッケルを含む、請求項１に記載の摺動エレメント。
【請求項７】
前記ニッケルバリア層と前記スズオーバープレートとの間にスズ−ニッケル中間層をさらに備え、前記スズ−ニッケル中間層はスズおよびニッケルを含む、請求項６に記載の摺動エレメント。
【請求項８】
前記スズオーバープレート上に配置されるフラッシュコーティングをさらに備え、前記フラッシュコーティングは、前記フラッシュコーティングのｗｔ．％を基に、少なくとも８０．０ｗｔ．％の量のスズを含む、請求項１に記載の摺動エレメント。
【請求項９】
前記摺動エレメントは、軸受筒または軸受を含む、請求項１に記載の摺動エレメント。
【請求項１０】
前記スズオーバープレートは、前記スズオーバープレートのｗｔ．％を基に、少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のスズ、１．０から１０．０ｗｔ．％の量の銅、および１０．０ｗｔ．％までの量のニッケルを含む、請求項１に記載の摺動エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１０年１１月１７日に出願された米国仮特許出願番号第６１／４１４，４７１号および２０１１年５月３１日に出願された第６１／４９１，５６８号の優先権を主張するものであり、その全体の内容は引用によりここに援用される。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、焼結粉金属を含むような、内燃機関または車両トランスミッションの軸受筒および軸受といった摺動エレメント、ならびに摺動エレメントの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
内燃機関の軸受筒および軸受といった摺動エレメントは、クランクシャフトなどを支持するために、鋼の裏当てに結合された粉末金属銅（Ｃｕ）合金をしばしば含む。銅合金はマトリックスを呈し、使用の際摺動エレメントが受ける負荷に耐え得る強い表面を与えなければならない。このような摺動エレメントはさらに適切な耐摩耗性および耐焼付性を示すべきであり、このため鉛（Ｐｂ）といった特定の付加的合金成分を銅のマトリックスに加えることが一般的である。鉛は、摺動エレメント面に対して潤滑剤として働くことにより、耐摩耗性を呈する。耐摩耗性および耐焼付性をさらに高めるために、鉛（Ｐｂ）またはスズ（Ｓｎ）の薄い被膜を表面に加えることも一般的である。
【０００４】
環境上の配慮により、鉛の代替物として色々なもの、たとえばビスマス（Ｂｉ）が研究されてきた。ビスマスはリン（Ｐ）の量を制御しながら、制御された量の粉末金属銅合金でプレアロイすることができる。Ｃｕ−Ｂｉ−Ｐ粉末金属は焼結され、鋼裏当てに結合されて、耐摩耗性や耐焼付性といった物理的特性が、鉛を含有する鋼の裏当てされたエンジンの摺動エレメントに匹敵する、またはより優れている鋼裏当てエンジン摺動エレメントを提供する。
【０００５】
米国特許第６，７４６，１５４号に従って構成されたエンジン摺動エレメントは、鋼裏当てに結合された、本質的に鉛を含まない粉末金属ベースを含む。この粉末金属ベースは、８．０から１２．０重量パーセント（ｗｔ．％）のスズと、１．０から５．０ｗｔ．％未満のビスマスと、０．０３から０．８ｗｔ．％のリンからなり、残りは本質的に銅からなる。
【０００６】
しかし、この′１５４特許に従って形成された摺動エレメントは、スズ系のオーバープレートが粉末金属ベースに有効に与えられないという不利点を有する。低い温度、たとえば典型的なエンジンの温度よりも低い温度では、粉末金属ベースのビスマスはスズ系のオーバープレートに拡散し、スズとビスマスの共晶合金を形成し、これは摺動エレメントを弱めることになる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明の一局面は、裏当てと、裏当て上に配置されるベースとを備える摺動エレメントを提供する。ベースは、ベースの重量パーセント（ｗｔ．％）を基に、２０．０から９８．９ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、０．１から８．０ｗｔ．％の量のビスマス、および０．２から５．０ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子を含む。スズオーバープレートがベース上に配置される。スズオーバープレートは、スズオーバープレートのｗｔ．％を基に、少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のスズ、１．０から１０．０ｗｔ．％の量の銅、および１０．０ｗｔ．％までの量のニッケルを含む。
【０００８】
本発明の別の局面は、摺動エレメントを形成する方法を提供する。本方法は、銅、スズ、およびビスマスを含むＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を与えるステップを含む。本方法はつぎに、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を第１の硬質粒子と混合してベースを形成するステップを含み、当該ベースは、ベース（２４）の重量パーセント（ｗｔ．％）を基に、２０．０から９８．９ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、０．１から８．０ｗｔ．％の量のビスマス、および０．２から５．０ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子を含む。
本方法はさらに、裏当てにベースを配置し、ベースおよび裏当てを焼結し、ベース上にスズオーバープレートを配置するステップを含む。スズオーバープレートは、スズオーバープレートのｗｔ．％を基に、少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のスズ、１．０から１０．０ｗｔ．％の量の銅、および１０．０ｗｔ．％までの量のニッケルを含む。
【０００９】
本発明の別の局面は、摺動エレメント（２０）を提供し、これは裏当てと、裏当て上に配置されるベースとを含み、ベースは、ベースの重量パーセント（ｗｔ．％）を基に、２０．０から９８．９ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、０．１から８．０ｗｔ．％の量のビスマス、および０．２から５．０ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子を含み、さらに、ベース上に配置されるポリマーコーティングを含み、ポリマーコーティング（２８）は、ポリマーコーティングのｖｏｌ．％を基に、少なくとも４０．０ｖｏｌ．％の量のポリマーマトリックスおよび第２の硬質粒子を含む。
本発明の別の局面は、摺動エレメントを形成する方法を提供する。本方法は、銅、スズおよびビスマスを含むＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を与えるステップと、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を第１の硬質粒子と混合してベースを形成するステップとを含み、当該ベースは、ベースの重量パーセント（ｗｔ．％）を基に、２０．０から９８．９ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、０．１から８．０ｗｔ．％の量のビスマス、および０．２から５．０ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子を含む。本方法は、さらにベース上にポリマーコーティングを配置するステップを含み、ポリマーコーティングは、ポリマーコーティングのｖｏｌ．％を基に、少なくとも４０．０ｖｏｌ．％の量のポリマーマトリックスと、第２の硬質粒子とを含む。
本発明の別の局面は、摺動エレメントを提供し、これは裏当てと、裏当て上に配置されるベースとを含み、ベースは、ベースの重量パーセント（ｗｔ．％）を基に、２０．０から９８．９ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、０．１から８．０ｗｔ．％の量のビスマス、および０．２から５．０ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子を含む。スパッタコーティングがベース上に配置され、スパッタコーティングは物理的蒸着によってベースに与えられる。
本発明の別の局面は、摺動エレメントを形成する方法を提供する。本方法は、銅、スズおよびビスマスを含むＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を与えるステップと、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を第１の硬質粒子と混合してベースを形成するステップとを含み、当該ベースは、ベースの重量パーセント（ｗｔ．％）を基に、２０．０から９８．９ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、０．１から８．０ｗｔ．％の量のビスマス、および０．２から５．０ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子を含む。本方法は、ベース上にスパッタコーティングを配置するステップをさらに含み、当該配置するステップは物理的蒸着を含む。
【００１０】
図面の簡単な説明
本発明の他の利点は、添付の図面と併せて考慮することにより、以下の詳細な説明を参照して、容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】エンジンの摺動エレメント、特に、本発明の一実施の形態に係わる裏当ておよびベースを含む軸受筒の概略図である。
【図１Ａ】図１の線Ａに沿った、摺動エレメントの拡大部分断面図である。
【図２】エンジン摺動エレメント、特に、本発明の別の実施の形態に係わる裏当て、ベースおよびスズオーバープレートを含む軸受の断面図である。
【図３】本発明の別の実施の形態に従い、裏当て、ベース、ニッケルバリア層、スズ−ニッケル中間層、スズオーバープレート、およびフラッシュコーティングを含む摺動エレメントの斜視図である。
【図４】本発明の別の実施の形態に従い、裏当て、ベース、ニッケルバリア層、およびスズオーバープレートを含む摺動エレメントの拡大部分断面図である。
【図５】本発明の別の実施の形態に従い、裏当て、ベース、ニッケルバリア層、スズ−ニッケル中間層およびスズオーバープレートを含む摺動エレメントの拡大部分断面図である。
【図６】本発明の別の実施の形態に係わる、裏当て、ベースおよびスパッタコーティングを含む摺動エレメントの拡大部分断面図である。
【図７】本発明の別の実施の形態に係わる、裏当て、ベースおよびポリマーコーティングを含む摺動エレメントの拡大部分断面図である。
【図７Ａ】図７の部分の拡大図である。
【図７Ｂ】図７の部分の拡大図である。
【図８】本発明の別の実施の形態に係わる、裏当て、ベースおよびポリマーコーティングを含む摺動エレメントの拡大部分断面図である。
【図９】本発明の別の実施の形態に係わる、裏当て、ベースおよびポリマーコーティングを含む摺動エレメントの拡大部分断面図である。
【図９Ａ】図９の部分の拡大図である。
【図１０】本発明の別の実施の形態に係わる、裏当て、ベースおよびポリマーコーティングを含む摺動エレメントの拡大部分断面図である。
【図１０Ａ】図１０の部分の拡大図である。
【図１１】加熱および焼結ステップ前の、スズオーバープレート２６でめっきされた、ＬＦ−４（左）およびＬＦ−５（右）のＳＥＭ画像を示す図である。
【図１２】熱処理後の、図１１のＬＦ−４面（右）およびＬＦ−５面（左）のＳＥＭ画像を示す図である。
【図１３】熱処理後の、図１１のＬＦ−４（下）およびＬＦ−５（上）のより倍率の高いＳＥＭ画像を示す図である。
【図１４】熱処理前および熱処理後の、ＬＦ−４の電子分散Ｘ線スペクトル（ＥＤＸ）を示す図である。
【図１５】熱処理前後のＬＦ−５のＥＤＸを示す図である。
【図１６】熱処理後のＦ−４とＬＦ−５を比較したＥＤＸを示す図である。
【図１７】熱処理後のＬＦ−５（上）およびＬＦ−４（下）の面を比較した、二次的画像（左）および後方散乱画像（右）を示す図である。
【図１８】典型的な熱処理されたＬＦ−４面の二次的画像（左上）および後方散乱画像（右上）と、最小のビスマスを示す、典型的な熱処理されたＬＦ−４面のＥＤＸスペクトル（下）を示す図である。
【図１９】熱処理されたＬＦ−５面の後方散乱画像およびＬＦ−５のいくつかの場所でのＥＤＸスペクトルを示す図である。
【図２０】熱処理前（左）および熱処理後（右）のＬＦ−４の断面検査を示す図である。
【図２１】熱処理前（左）および熱処理後（右）のＬＦ−４（下）およびＬＦ−５（上）の表面の断面検査を示す図である。
【図２２】ＬＦ−４（右）と比べて、ＬＦ−５（左）が底面層材のベースと第２表面層との間でカーケンダール多孔のより顕著な領域を生成したことを示す図である。
【図２３】熱処理されたＬＦ−４（右）およびＬＦ−５（左）のより倍率の高い後方散乱画像を示す図である。
【図２４】ビスマスの線にわたる、熱処理されたＬＦ−５のＥＤＸ線スペクトルと、多孔の両側に匹敵するレベルの銅およびスズを示す多孔性を示す図である。
【図２５】ＬＦ−４のより高い倍率の画像および熱処理されたＬＦ−４のさまざまな場所でのＥＤＸ線スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態の詳細な説明
同様の参照符号がいくつかの図面を通して対応する部分を示す図面を参照して、内燃機関の軸受筒または軸受といった摺動エレメント２０が図１に示される。図１の摺動エレメント２０は、ピストンのリストピン（図示されない）を軸支するための接続ロッドの小さな端部開口内で用いられるようなピンブッシングである。摺動エレメント２０は、裏当て２２と、裏当て２２上に配置されるベース２４とを含む。ベース２４は、ベース２４の重量パーセント（ｗｔ．％）を基に、２０．０から９８．９ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、０．１から８．０ｗｔ．％の量のビスマス、および０．２から５．０ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子を含む。図２から図７に示されるように、スズオーバープレート２６、ポリマーコーティング２８、またはスパッタコーティング３０が典型的にベース２４上に配置される。
【００１３】
説明は摺動エレメント２０、具体的には図１のピンブッシングをもとになされるが、摺動エレメント２０はどのような種類の軸受筒であってもよい。代替的に、摺動エレメント２０は図２に示されるように、任意の種類の軸受であってもよく、エンジンのクランクシャフトのような回転シャフトを軸支するために、対応するハーフシェル（示されていない）と組合せて用いられるハーフシェルを含む。説明は、すべての種類の摺動エレメント２０であって、内燃機関の軸受筒および軸受のあらゆる種類のものに当てはまる。
【００１４】
摺動エレメント２０は、裏当て２２を含み、これは凹状外形を有する内面と凸状外形を有する対向する外面とを呈する。一実施の形態において、裏当て２２のそれぞれの表面は、図１に示されるように、中央開口３２を中心として３６０度延在する円周を呈する。摺動エレメント２０が軸受を含む場合、表面は図２に示されるように対向端部間に延在する。摺動エレメント２０の裏当て２２は、内面から外面に３００から５０００ミクロンの厚さを一般に有する。裏当て２２は、たとえば普通炭素鋼、合金鋼といった鋼から一般に形成されている。裏当て２２は、裏当て２２のｗｔ．％を基に、少なくとも８０．０ｗｔ．％の量の鉄、好ましくは少なくとも９０．０ｗｔ．％、または少なくとも９８．０ｗｔ．％の量の鉄を含む。
【００１５】
フラッシュコーティング３４は、図３に示されるように、裏当て２２の外面上に沿って連続的に配置することができる。フラッシュコーティング３４は、凹状外形を有する内面と凸状外形を有する対向する外面とを呈する。フラッシュコーティング３４は典型的に、外面から内面に０．３から３．０ミクロンの厚さを有する。フラッシュコーティング３４のそれぞれの表面は、中央開口３２を中心として３６０度延在する円周を呈し、半径方向において裏当て２２の表面と整合する。フラッシュコーティング３４は、フラッシュコーティング３４のｗｔ．％を基に、少なくとも８０．０ｗｔ．％、好ましくは少なくとも８５．０ｗｔ．％、または少なくとも９５．０ｗｔ．％の量のスズを含む。
【００１６】
図１に示されるように、ベース２４は裏当て２２の内面上に沿って連続的に配置される。ベース２４は、凹状外形を有する内面と凸状外形を有する対向する外面とを呈する。ベース２４は、摺動エレメント２０の使用前の状態では、典型的に内面から外面に３００から２０００ミクロンの厚さを有する。ベース２４のそれぞれの表面は、中央開口３２を中心として３６０度延在する円周を呈し、半径方向において裏当て２２の表面と整合する。
【００１７】
前に示唆したように、一実施の形態において、ベース２４は、ベース２４の重量パーセントを基に、ベース２４の総重量に基づいて、少なくとも２０．０ｗｔ．％の量、または少なくとも７０．０ｗｔ．％、または少なくとも８０．０ｗｔ．％の量の銅を含む。別の実施の形態において、ベース２４は、９８．９ｗｔ．％以下、または９７．０ｗｔ．％以下、または９５．０ｗｔ．％以下の量の銅を含む。さらに別の実施の形態において、ベース２４は、２０．０から９８．９ｗｔ．％、または７０．０から９７．０ｗｔ．％、または８０．０から９５．０ｗｔ．％の量の銅を含む。
【００１８】
一実施の形態において、ベース２４は、ベース２４の重量パーセントを基に、ベース２４の総重量に基づいて、少なくとも０．１ｗｔ．％の量、または少なくとも２．０ｗｔ．％、または少なくとも３．５ｗｔ．％の量のスズを含む。別の実施の形態において、ベース２４は、１５．０ｗｔ．％以下、または１２．０ｗｔ．％以下、または８．０ｗｔ．％以下の量のスズを含む。さらに別の実施の形態において、ベース２４は、０．１から１５．０ｗｔ．％、または２．０から１２．０ｗｔ．％、または３．５から８．０ｗｔ．％の量のスズを含む。摺動エレメント２０が、スズオーバープレート２６を含む場合、ベース２４は好ましくは２．０から１０．０ｗｔ．％のスズ、より好ましくは４．０から８．０ｗｔ．％のスズを含む。しかし、摺動エレメント２０がスズオーバープレート２６を含まない場合、ベース２４は好ましくは８．０から１２．０ｗｔ．％のスズを含む。
【００１９】
前に示唆したように、一実施の形態において、ベース２４は、ベース２４のｗｔ．％を基に、ベース２４の総重量に基づいて、少なくとも０．１ｗｔ．％、または少なくとも０．５ｗｔ．％、または少なくとも２．０ｗｔ．％の量のビスマスを含む。別の実施の形態において、ベース２４は８．０ｗｔ．％以下、または７．０ｗｔ．％以下、または６．５ｗｔ．％以下の量のビスマスを含む。さらに別の実施の形態において、ベース２４は０．１から８．０ｗｔ．％、または０．５から７．０ｗｔ．％、または２．０から６．５ｗｔ．％の量のビスマスを含む。
【００２０】
ベース２４の組成は、ベース２４を化学分析することにより、たとえばエネルギ分散Ｘ線（ＥＤＸ）分析により検出することができる。ベース２４内の組成の配合は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）後方散乱電子顕微鏡写真で観測および記録することができ、さまざまな組成に伴う特徴は光学顕微鏡写真で観測および記録することができる。ベース２４の組成は、以下で説明するように、ベース２４を焼結および圧延した後測定される。完成したベース２４は、典型的に銅およびスズの銅系マトリックス３６と、ビスマスの島３８とを含む。ビスマスの島３８は好ましくは銅系マトリックス３６を均等に分散され、図１Ａおよび図７Ａに示されるように、銅系マトリックス３６によって互いに分かれている。第１の硬質粒子４０も、銅系マトリックス３６にわたって好ましくは均一に分散される。第１の硬質粒子４０は、銅系マトリックス３６によって、互いに、およびビスマスの島３６と分かれている。
【００２１】
ベースを形成する方法は、一般に銅、スズおよびビスマスをＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金として与えるステップを含み、ベース２４はＣｕ、Ｓｎ、およびＢｉの純粋な元素ではなく、プレアロイから形成される。一実施の形態において、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金のｗｔ．％を基に、少なくとも７０．０ｗｔ．％の量の銅、０．１から１５．０ｗｔ．％の量のスズ、および１．０から８．０ｗｔ．％の量のビスマスを含む。
【００２２】
ベース２４は鉛を不可避的不純物として、したがって鉛を０．５ｗｔ．％以下、好ましくは０．１ｗｔ．％以下、および最も好ましくは０ｗｔ．％含む。したがって、ベース２４は、０．５ｗｔ．％以上の鉛を含む先行技術の摺動エレメントと比べて、健康上、安全性および環境上の問題を減少させる。一実施の形態において、ヨーロッパで販売される摺動エレメント２０では、ベース２４は最大で０．１ｗｔ．％の鉛を含む。
【００２３】
上記のように、ベース２４は第１の硬質粒子４０を含み、これは図１Ａに示されるように、銅系マトリックス３６にわたって一般に均等に分散される。第１の硬質粒子４０は、ベース２４の延性、耐摩耗性、および強度の少なくとも１つに影響するのに十分な硬度を有する。一実施の形態において、第１の硬質粒子４０は、２５℃の温度において、少なくとも６００ＨＶ０．０５の硬度、少なくとも８００ＨＶ０．０５の硬度、または少なくとも８５０ＨＶ０．０５の硬度を有する材料を含む。
【００２４】
第１の硬質粒子４０を形成するのに用いられる材料の硬度は、Materials. Co. Uk Website. Vickers Hardness. http://www.materials.co.uk/vickers.htm. 2010年10月25日のウェブサイトで記載されているように、ＨＶ０．０５のマイクロ硬さスケールを用いたビッカース硬さ試験によって測定することができる。ＨＶ０．０５のマイクロ硬さスケールを用いた硬さ試験は、材料からなる試験片に０．４９０３Ｎの力（Ｆ）を与えることを含む。この力は、頂点での対向する面の間に１３６°の角度を有する正方形をベースとするピラミッドダイヤモンドインデンタを用いて試験片に与えられる。この力は２秒から８秒の間与えられ、その力は１０秒から１５秒維持される。力が取除かれると、押込み部の対角線の長さが測定され、算術平均値ｄが計算される。ビッカース硬度値ＨＶは以下の式によって定められる。
【００２５】
ＨＶ＝定数×試験力／押込み部の表面積
ＨＶ＝０．１０２×２Ｆ［ｓｉｎ（１３６°／２）］／ｄ2
第１の硬質粒子４０は、ベース２４の延性、耐摩耗性、および強度の少なくとも１つに影響するのに十分な粒径を有する。一実施の形態において、第１の硬質粒子４０は、１０．０ミクロン以下、または８．０ミクロン以下、または６．０ミクロン以下のＤ５０体積平均粒子径を有する。Ｄ５０体積平均粒子径は、第１の硬質粒子４０の等価球径であり、これはＤ５０径とも呼ばれ、第１の硬質粒子４０の５０．０ｗｔ．％はより大きい等価球径を有し、第１の硬質粒子４０の５０．０ｗｔ．％はより小さい等価球径を有する。Ｄ５０径は、第１の硬質粒子４０が何らかの処理を受ける前の、第１の硬質粒子４０の粒径分布表示から得られる。Beckman-CoulterのＬＳ−２３０レーザ分散装置を用いて第１の硬質粒子４０の粒径分布、およびそれに基づきＤ５０径を得ることができる。一実施の形態において、第１の硬質粒子４０は混合した粒径を含み、図７Ａに示されるように、たとえば第１のグループの粒子５０は、第２のグループの粒子５２よりも小さい粒径を有する。第１の硬質粒子４０の第１のグループ５０および第２のグループ５２は典型的に、銅系マトリックス３６にわたって均一に分散される。
【００２６】
一実施の形態において、第１の硬質粒子４０は、Ｆｅ3ＰおよびＭｏＳｉ2のいずれか一方、好ましくはＦｅ3ＰおよびＭｏＳｉ2の混合を含む。しかし、Ｆｅ3ＰおよびＭｏＳｉ2の代わりに、またはＦｅ3ＰおよびＭｏＳｉ2とともに、上記の硬度および粒径を有する他の化合物および混合物を用いることもできる。第１の硬質粒子４０の他の例は、金属ホウ化物、金属ケイ化物、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属リン化物、金属間化合物、酸窒化金属、炭窒化金属、酸炭化金属、およびその混合物を含む。さらに、上記の第１の硬質粒子４０は公称量の付加的元素または不純物を含むことができる。第１の硬質粒子４０の存在および組成は、ベース２４を化学分析することにより、たとえばＥＤＸ分析により、またはＳＥＭ後方散乱電子顕微鏡写真により、または光学顕微鏡写真で検出することができる。
【００２７】
一実施の形態において、ベース２４は、ベース２４のｗｔ．％を基に、ベース２４の総重量に基づいて、少なくとも０．２ｗｔ．％、または少なくとも０．５ｗｔ．％、または少なくとも１．０ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子４０を含む。別の実施の形態において、ベース２４は５．０ｗｔ．％以下、４．０ｗｔ．％以下、または３．５ｗｔ．％以下の量の第１の硬質粒子４０を含む。さらに別の実施の形態において、ベース２４は０．２から５．０ｗｔ．％、または０．５から４．０ｗｔ．％、または１．０から３．５ｗｔ．％の量の第１の硬質粒子４０を含む。摺動エレメント２０がスズオーバープレート２６を含む場合、ベース２４のビスマスがスズオーバープレート２６のスズに分散されるのを防ぐのに十分な量の第１の硬質粒子４０がある。こうして、第１の硬質粒子４０は、摺動エレメント２０を弱めることになる、スズとビスマスの共晶合金、およびビスマスプールの形成を防止する。
【００２８】
一実施の形態において、第１の硬質粒子４０は、第１の硬質粒子４０のｗｔ．％を基に、第１の硬質粒子４０の総重量に基づいて、少なくとも９０．０ｗｔ．％の量のＦｅ3Ｐを含む。別の実施の形態において、第１の硬質粒子４０は、少なくとも９０．０ｗｔ．％の量のＭｏＳｉ2を含む。さらに別の実施の形態において、第１の硬質粒子４０は、総量で少なくとも９０．０ｗｔ．のＦｅ3ＰおよびＭｏＳｉ2の混合を含む。
【００２９】
一実施の形態において、第１の硬質粒子４０は、第１の硬質粒子４０のｗｔ．％で、４０．０から６０．０ｗｔ．％の量のＦｅ3Ｐおよび４０．０から６０．０ｗｔ．％の量のＭｏＳｉ2を含む。別の実施の形態において、第１の硬質粒子４０は、７０．０ｗｔ．％以下の量のＦｅ3Ｐおよび７０．０ｗｔ．％以下の量のＭｏＳｉ2を含む。
【００３０】
ベース２４はさらに１つの付加的金属、たとえばＮｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｂｅおよびその組合せを含むことができる。ベース２４は、ベース２４の総重量に基づいて、総量が５０．０ｗｔ．％以下、好ましくは２０．０ｗｔ．％以下の付加的金属を含む。
【００３１】
ベース２４は、以下で説明する方法に従い、摺動エレメント２０の裏当て２２に結合される。ベース２４は１．５％以下の閉鎖気孔率および少なくとも８．６６８ｇ／ｃｍ3の密度を有する。一実施の形態において、ベース２４の完全な理論上の密度は８．８００ｇ／ｃｍ3であり、密度は完全な理論上の密度の９８．５％である。したがって、ベース２４は油や他の物質に対して実質的に不浸透であるという利点を有する。
【００３２】
上記のように、一実施の形態において、摺動エレメント２０はベース２４上に配置されるスズオーバープレート２６を含む。スズオーバープレート２６はベース２４上に直接、またはベースとスズオーバープレート２６との間にニッケルのバリア層４２が配置されてもよい。
【００３３】
いくつかの実施の形態において、図４および図５に示されるように、ニッケルバリア層４２は、ベース２４とスズオーバープレート２６との間で、ベース２４の内面上に沿って連続的に配置される。ニッケルバリア層４２は、凹状外形を有する内面と凸状外形を有する対向する外面とを呈し、内面から外面に１．０ミクロンから１２．０ミクロンの厚さを有する。ニッケルバリア層４２のそれぞれの表面は、中央開口３２を中心として３６０度延在する円周を呈し、半径方向においてベース２４の表面と整合する。ニッケルバリア層４２は、ニッケルバリア層４２のｗｔ．％で、少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のニッケル、および５０．０ｗｔ．％以下の量の付加的成分を含み、付加的成分は少なくとも亜鉛、クロム、銅およびその合金のいずれか１つを含む。ニッケルバリア層４２はベース２４に対するスズオーバープレート２６の結合を向上させ、さらに摺動エレメント２０の使用の際、ベース２４の銅がスズオーバープレート２６に拡散されること、またはその逆の拡散を防止する。
【００３４】
スズオーバープレート２６は、図４に示されるように、ニッケルバリア層４２の内面上に沿って連続的に配置され得る。スズオーバープレート２６は、凹状外形を有する内面と凸状外形を有する対向する外面とを呈する。スズオーバープレート２６は、内面から外面に１．０ミクロンから２０．０ミクロンの厚さを有する。本実施の形態において、スズオーバープレート２６は回転シャフトまたはピン（図示されていない）と係合するための滑り面を提供する。スズオーバープレート２６のそれぞれの表面は、中央開口３２を中心として３６０度延在する円周を呈し、半径方向においてニッケルバリア層４２の表面と整合する。
【００３５】
スズオーバープレート２６は、スズオーバープレート２６のｗｔ．％を基に、少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のスズを含む。一実施の形態において、スズオーバープレート２６は、１．０から１０．０ｗｔ．％の量の銅、および１０．０ｗｔ．％までの量のニッケルを含む。ある好ましい実施の形態においてスズオーバープレート２６は、ＳｎＣｕ６を含み、電気メッキ処理によりベース２４に設けられる。上記のように、第１の硬質粒子４０は、ベース２４のビスマスがスズオーバープレート２６のスズに拡散することを防ぐ。こうして、第１の硬質粒子４０は、摺動エレメント２０を弱めることになる、スズおよびビスマスの共晶合金の形成を防ぎ、さらにベース２４の表面のまたはスズオーバープレート２６内でのビスマスプールの形成を防ぐ。
【００３６】
別の実施の形態において、図５に示されるように、摺動エレメント２０は、ニッケルバリア層４２の内面とスズオーバープレート２６の外面との間で、ニッケルバリア層４２の内面上に沿って連続的に配置されるスズ−ニッケル中間層４４を含む。スズ−ニッケル中間層４４は、凹状外形を有する内面と凸状外形を有する対向する外面とを呈し、内面から外面に５ミクロンから１５ミクロンの厚さを有する。スズ−ニッケル中間層４４のそれぞれの表面は、中央開口３２を中心として３６０度延在する円周を呈し、半径方向においてベース２４の表面と整合する。一実施の形態において、スズ−ニッケル中間層４４は、スズ−ニッケル中間層４４のｗｔ．％を基に、少なくとも２０．０ｗｔ．％の量のニッケルおよび少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のスズを含む。スズ−ニッケル中間層４４はベース２４に対するスズオーバープレート２６の結合を向上させ、さらに摺動エレメント２０の使用の際、ベース２４の銅がスズオーバープレート２６に拡散すること、またはその逆の拡散を防ぐ。
【００３７】
さらに別の実施の形態において、図３に示されるように、上記のフラッシュコーティング３４は、スズオーバープレート２６の内面上に沿って連続的に配置される。本実施の形態において、フラッシュコーティング３４は、回転シャフトまたはピンと係合するための滑り面を提供する。
【００３８】
図６に示されるように、摺動エレメント２０は代替的に、スズオーバープレート２６や他の被覆または層の代わりに、ベース２４の内面上に沿って連続的に配置されるスパッタコーティング３０を含むことができる。代替的に、スパッタコーティング３０は他のコーティングまたは層とともに用いることができる。スパッタコーティング３０は、凹状外形を有する内面と凸状外形を有する対向する外面とを呈し、内面から外面に１０から３０ミクロンの厚さを有する。スパッタコーティング３０のそれぞれの表面は、中央開口３２を中心として３６０度延在する円周を呈し、半径方向においてベース２４の表面と整合する。スパッタコーティング３０は、スパッタコーティング３０の重量パーセントを基に、少なくとも５０．０ｗｔ．％の量のアルミニウムおよび少なくとも１．０ｗｔ．％の量のスズを含む。スパッタコーティング３０は、物理的蒸着によりベース２４に与えられる。当該実施の形態において、スパッタコーティング３０は、回転シャフトまたはピンと係合するための滑り面を提供する。
【００３９】
さらに参照される実施の形態において、図７に示されるように、摺動エレメント２０は、スズオーバープレート２６および他のコーティングや層の代わりに、ベース２４の内面上に沿って連続的に配置されるポリマーコーティング２８を含む。代替的に、ポリマーコーティング２８は他のコーティングまたは層とともに用いることができる。ポリマーコーティング２８は、凹状外形を有する内面と凸状外形を有する対向する外面とを呈し、内面から外面に４から２０ミクロンの初期厚さを有する。ポリマーコーティング２８のそれぞれの表面は、半径方向においてベース２４と整合し、中央開口３２を中心として３６０度延在する円周をする。ポリマーコーティング２８の例は、ここに引用により援用されるＷＯ  ２０１０／０７６３０６内に開示されている。
【００４０】
ポリマーコーティング２８は典型的に、以下で説明するように、ポリマーマトリックス４６と、ポリマーマトリックス４６にわたって分散される複数の第２の硬質粒子４８を含む。一実施の形態において、ポリマーコーティング２８は、ポリマーコーティング２８の体積パーセント（ｖｏｌ．％）を基に、ポリマーコーティング２８の総体積に基づいて、少なくとも４０．０ｖｏｌ．％、または少なくとも５０ｖｏｌ．％、または少なくとも６０ｖｏｌ．％、または少なくとも８０ｖｏｌ．％、または少なくとも８５ｖｏｌ．％の量のポリマーマトリックス４６を含む。ポリマーマトリックス４６は単一のもしくは複数のポリマーの混合、樹脂、またはプラスチック、および熱可塑性もしくは熱硬化ポリマーからなることができる。ポリマーマトリックス４６はさらに合成および架橋ポリマーを含むことができる。好ましくは、ポリマーマトリックス４６は高い耐熱性および優れた耐化学性を有する。ポリマーマトリックス４６は、典型的に少なくとも２１０℃、好ましくは少なくとも２２０℃、およびより好ましくは少なくとも２３０℃の融点を有する。一実施の形態において、ポリマーマトリックス４６は、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、エポキシ樹脂、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）およびシリコーン樹脂の少なくとも１つを含む。
【００４１】
ポリマーコーティング２８はさらに第２の硬質粒子４８を含む。ポリマーコーティング２８の第２の硬質粒子４８の組成は、ベース２４で用いられた、上記の第１の硬質粒子４０の組成と同じであり得る。しかし、ポリマーコーティング２８用に選択された第２の硬質粒子４８は典型的にはベース２４用に選択された第１の硬質粒子４０と異なる。ポリマーコーティング２８の第２の硬質粒子４８は、２５℃の温度において、少なくとも６００ＨＶ０．０５、好ましくは少なくとも６２０、およびさらに好ましくは、少なくとも６５０の硬度を有する材料を含む。第２の硬質粒子４８を形成するのに用いられる材料の硬度は、上記のＨＶ０．０５のマイクロ硬さスケールを用いたビッカース硬さ試験によって測定することができる。第２の硬質粒子４８は、１０．０ミクロン以下、好ましくは０．１から５．０ミクロンのＤ５０体積平均粒子径を有する。
【００４２】
一実施の形態において、ポリマーコーティング２８の第２の硬質粒子４８は混合した粒径を含み、図７Ｂに示されるように、たとえば第１のグループの粒子５４は第２のグループの粒子５６よりも小さい粒径を有する。第２の硬質粒子４８の第１のグループ５４および第２のグループ５６は、ポリマーマトリックス４６にわたって均一に分散される。
【００４３】
一実施の形態において、ポリマーコーティング２８の第２の硬質粒子４８は、立方晶ＢＮおよびＳｉ3Ｎ4のような金属窒化物、ＳｉＣおよびＢ4Ｃのような金属炭化物、ＴiＯ2、Ｆｅ2Ｏ3およびＳｉＯ2のような金属酸化物、ＭｏＳｉ2のような金属ケイ化物、金属ホウ化物、Ｆｅ3Ｐのような金属リン化物、金属間化合物、酸窒化金属、炭窒化金属、酸炭化金属、Ａｇ、Ｐｂ、Ａｕ、ＳｎＢｉおよび／またはＣｕの金属粉末、ならびにその混合の少なくとも一つを含む。一実施の形態において、ポリマーコーティング２８は、第２の硬質粒子４８の１つとしてＦｅ2Ｏ3を含み、その量はポリマーコーティング２８の総体積に基づいて、０．１から１５．０ｖｏｌ．％または０．５から８．０ｖｏｌ．％の量で含まれ、さらにポリマーコーティング２８の総体積に基づいて、５．０ｖｏｌ．％まで、または３．０から５．０ｖｏｌ．％の量の他の第２の硬質粒子４８を含む。
【００４４】
ポリマーコーティング２８は、ＭｏＳ2、グラファイト、ＷＳ2、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）およびＰＴＦＥといった固体潤滑剤を含むことができる。一実施の形態において、ポリマーコーティング２８は、ポリマーコーティング２８のｖｏｌ．％を基に、ポリマーコーティング２８の総体積に基づいて、５．０から４０．０ｖｏｌ．％の量の固体潤滑剤を含む。
【００４５】
ポリマーコーティング２８は、ベース２４および裏当て２２を互いに焼結した後、ベース２４の内面に塗布される。ポリマーコーティング２８は好ましくは、図７に示されるように、ベース２４とポリマーコーティング２８との間に別のエレメントを有さずに、ベース２４に直接与えられる。一実施の形態において、ポリマーコーティング２８の複数の層が、ＷＯ  ２０１０／０７６３０６に開示されているように、ベース２４に与えられる。その組成は互いに同じまたは異なっていてもよい。ポリマーコーティング２８はＷＯ  ２０１０／０７６３０６に開示されている方法、または他の方法に従い与えられる。
【００４６】
摺動エレメント２０がベース２４に与えられるポリマーコーティング２８を含む場合、摺動エレメント２０は、ポリマーコーティング２８およびベース２４の部分が摩耗してなくなったとしても、非常に優れた強度、耐焼付性、および耐摩耗性を持ち続ける。経時的な摺動エレメント２０の使用では、摺動エレメント２０に与えられる負荷は、図７から図１０に示されるように、まずポリマーコーティング２８を摩耗させ、それによりポリマーコーティング２８の第２の硬質粒子４８が外れ、ベース２４が露出する。しかし、ポリマーコーティング２８から外れた第２の硬質粒子４８は、使用の際に摺動エレメント２０に与え続けられる負荷により、図８から図１０に示されるように、ベース２４の露出した銅系マトリックス３６に再度埋込まれる。この第２の硬質粒子４８は、残っているポリマーコーティング２８とともに、強度、耐焼付性および耐摩耗性を提供し続ける。さらに、ポリマーコーティング２８が摩耗し続けてベース２４に達すると、埋込まれた第２の硬質粒子４８は、図９および図９Ａに示されるように、その間に油貯留をなし、摺動エレメントの用途で典型的に用いられる潤滑油５８を貯留し、それによりさらなる保護を提供する。
【００４７】
最終的に、ベース２４の露出した銅系マトリックス３６の部分も摩耗し、図１０に示されるように、ベース２４の第１の硬質粒子４０の一部が露出する。ベース２４の第１の硬質粒子４０の一部、典型的にはより小さい粒子の第１のグループ５０は外れて再度埋込まれ得るが、より大きい粒子の第２のグループ５２は銅系マトリックス３６に埋込まれたまま残り、摺動エレメント２０に与えられる負荷を支え続けて、強度、耐焼付性および耐摩耗性を提供し続ける。最初はポリマーコーティング２８にあり、経時的に銅系マトリックス３６に埋込まれた第２の硬質粒子４８も、ベース２４の内面から露出し、図１０に示されるように負荷を支え続ける。
【００４８】
ベース２４からの埋込まれた第１の硬質粒子４０およびポリマーコーティング２８からの埋込まれた第２の硬質粒子４８は、図１０および図１０Ａに示されるように、その間に油貯留をなし、潤滑油５８を貯めてさらなる保護を与える。こうして、本発明のベース２４およびポリマーコーティング２８はともに、先行技術の摺動エレメントと比べて、時間が経っても摺動エレメント２０に向上した強度、耐焼付性、および耐摩耗性を提供する。
【００４９】
本発明はさらに上記の摺動エレメント２０を形成する方法も提供する。当該方法は、当該技術分野において周知の方法によって用意できる、典型的には鋼からなる裏当て２２を設けるステップを含む。本方法はさらに純粋な元素、化合物、または合金のルースパウダー金属混合物の形でベース２４を与えるステップを含む。ある好ましい実施の形態において、ベース２４の銅、スズおよびビスマスはともプレアロイされ、銅、スズおよびビスマスの合金として提供される。一実施の形態において、ベース２４の銅、スズ、ビスマスおよび付加的金属粉末は、ガスアトマイズ粉末、水アトマイズ粉末、またはその混合物の形で提供される。銅、スズおよびビスマスは上記の量で、第１の硬質粒子４０および他の元素または成分と混合される。
【００５０】
次に、本方法は粉末金属混合物を裏当て２２上に配置または堆積するステップを含む。粉末金属混合物は、当該技術分野で周知の方法に従い裏当て２２に設けることができる。好ましくは、本方法はベース２４を堆積する前に、裏当て２２の表面を洗浄するステップを含む。本方法は次に裏当て２２に配置された粉末金属混合物を加熱および焼結して、ベース２４を裏当て２２に結合するステップを含む。一実施の形態において、本方法は、加熱および焼結ステップの後、摺動エレメント２０の強度および密度を上げ、さらに裏当て２２へのベース２４の金属冶金結合を高めるために、裏当て２２上に配置される粉末金属混合物を圧延するステップを含む。圧延ステップはベース２４の気孔率を下げる。
【００５１】
裏当て２２上のベース２４を圧延した後、本方法は典型的に第２の加熱ステップを含み、これは圧延工程で減少した、気孔率に関連する場所でのベース２４内の内部拡散を促進するのに十分な時間および温度で、ベース２４および裏当て２２を再度加熱するステップを含む。第２の加熱ステップは、ベース２４の微細構造の均質性を高め、それによりベース２４の強度を高めることを含む。第２の加熱ステップで起こる内部拡散は、ベース２４内にあり得る微細クラックを減少させる。
【００５２】
いくつかの好ましい実施の形態において、本方法は上記の付加的層またはコーティング成分の少なくとも一方をベース２４に与えるステップを含む。好ましくは、本方法はベース２４に付加的成分を与える前に、裏当て２２およびベース２４の表面を洗浄するステップを含む。一実施の形態において、本方法は加熱および圧延ステップの後、スズオーバープレート２６をベース２４に設けるステップを含む。ベース２４にスズオーバープレート２６を設けるステップはめっきとも呼ばれる。オーバープレート２６は当該技術で周知の多様な方法、たとえば電気メッキや、プラズマ溶射、高速フレーム溶射、および冷却ガス噴射といった熱被覆、ならびにスパッタリングといったＰＶＤ方法に従い、ベース２４に設けられる。
【００５３】
ある好ましい実施の形態において、本方法はニッケルバリア層４２をベース２４に設け、次にスズオーバープレート２６をニッケルバリア層４２上に設けるステップを含む。別の実施の形態において、本方法はニッケルバリア層４２をベース２４に設け、スズ−ニッケル中間層４４をニッケルバリア層４２に設け、その後スズオーバープレート２６をスズ−ニッケル中間層４４に設けるステップを含む。さらに別の実施の形態において、本方法はフラッシュコーティング３４を裏当て２２の外面またはスズオーバープレート２６の内面に設けるステップを含む。ニッケルバリア層４２、スズ−ニッケル中間層４４およびフラッシュコーティング３４は、電気メッキやスパッタリングといった、当該技術分野において周知の多様な方法によって、ベース２４に設けることができる。
【００５４】
別の実施の形態において、本方法は、単独で、または他の成分と組合せて、スパッタコーティング３０をベース２４に設けるステップを含む。たとえば、スパッタコーティング３０はベース２４上に直接配置することができ、摺動エレメント２０の滑り面を提供する。スパッタコーティング３０は物理的蒸着によって与えられ、これは典型的にはアルミニウムといったスパッタコーティング３０の材料を蒸発させ、蒸発材をベース２４に凝結させることを含む。
【００５５】
さらに別の実施の形態において、本方法はポリマーコーティング２８をベース２４に設けるステップを含む。本方法はまず、ポリマーコーティング２８を与える前に、ポリマーコーティング２８の塗布のために、ベース２４を準備することを好ましくは含む。ベース２４は、たとえば脱脂、化学または物理的活性化、およびサンドブラスティングまたは研磨といった機械的粗面化のような、当該技術分野において周知の多様な方法によって、ポリマーコーティング２８向けに用意することができる。ベース２４を準備した後、ポリマーコーティング２８は当該技術分野において周知の方法、たとえばニス掛け処理、浸漬、噴霧、またはスクリーンもしくはパッド印刷といったプリンティング処理で与えられる。ポリマーコーティング２６を与える方法の一例はＷＯ  ２０１０／０７６３０６にある。
【００５６】
前に述べたように、本発明はリードフリーであり、先行技術の摺動エレメントと比べて優れた強度および耐摩耗性を有する摺動エレメント２０を提供する。ベース２４の組成は、ビスマスのスズオーバープレート２６、ニッケルバリア層４２、スズ−ニッケル中間層４４、スパッタコーティング３０またはフラッシュコーティング３４への拡散が最少となるようになっている。ベース２４およびポリマーコーティング２８の組合せは、時間が経っても非常に優れた耐摩耗性および強度を提供する。
【実施例】
【００５７】
実施例
以下では、例示的摺動エレメント２０の構成、ならびに上記のベース２４、第１の硬質粒子４０、スズオーバープレート２６、およびニッケルバリア層４２の例示的組成を説明する。
【００５８】
第１の例示的摺動エレメント２０の構成は、図４に示されるように、ベース２４、ベース２４上に配置されるニッケルバリア層４２、およびニッケルバリア層４２上に配置されるスズオーバープレート２６を含む。第２の例は、図５に示されるように、ベース２４、ベース２４上に配置されるニッケルバリア層４２、ニッケルバリア層４２上に配置されるスズ−ニッケル中間層４４、さらにスズ−ニッケル中間層４４上に配置されるスズオーバープレート２６を含む。第３の実施例は、図６に示されるように、ベース２４上に直接配置されるスパッタコーティング３０を含む。第４の実施例は、図７に示されるように、ベース２４に直接配置されたポリマーコーティング２８を含む。
【００５９】
以下の表は、上記のベース２４、ベース２４の第１の硬質粒子４０、スズオーバープレート２６、ニッケルバリア層４２、スズ−ニッケル中間層４４、およびポリマーコーティング２８の例示的組成を示す。表１はベース２４のいくつかの例示的組成を示す。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
表２は、ベース２４の第１の硬質粒子４０の例示的組成を示し、第１の硬質粒子４０はＦｅ3Ｐを含む。
【００６２】
【表２】
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【００６３】
表３は、ベース２４の第１の硬質粒子４０の例示的組成を示し、第１の硬質粒子４０はＭｏＳｉ2を含む。
【００６４】
【表３】
0005926277.tif 000004
【００６５】
表４は、スズオーバープレート２６のいくつかの例示的組成を示す。
【００６６】
【表４】
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【００６７】
表５はニッケルバリア層４２のいくつかの例示的組成を示す。
【００６８】
【表５】
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【００６９】
実験−本発明摺動エレメントおよび比較摺動エレメントの評価
本発明摺動エレメント２０および比較摺動エレメントのサンプルが準備および分析された。本発明の摺動エレメント２０は、表１、実施例１の組成を有するベース２４を含み、ここではＬＦ−４と呼ぶ。比較の摺動エレメントは、米国特許第６，７４６，１５４号に従い調製されたＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ粉末からなるベースを含み、ここではＬＦ−５と呼ぶ。両方の摺動エレメントは、表４、実施例４の組成を有するスズオーバープレート２６を含む。摺動エレメントは環境雰囲気において１７５℃で３０９時間熱処理され、空気冷却で冷やされた後、検査された。
【００７０】
図１１は加熱および焼結ステップ前の、スズオーバープレート２６（図示されていない）でめっきされた、ＬＦ−４（左）およびＬＦ−５（右）のＳＥＭ画像を含む。両方の材料は均一な層のスズ団塊を有する。図１２は、熱処理後の、図１１のＬＦ−４面（右）およびＬＦ−５面（左）のＳＥＭ画像を示す。ＬＦ−５は白いフェーズを含み、これはＬＦ−４では見られないビスマスの占領を示す。図１３は熱処理後の、図１１のＬＦ−４（下）およびＬＦ−５（上）のより倍率の高いＳＥＭ画像を含み、ＬＦ−５はＬＦ−４よりも著しく多くのビスマスを表面に有する。
【００７１】
図１４は、熱処理前および熱処理後の、ＬＦ−４の電子分散Ｘ線スペクトル（ＥＤＸ）を含む。ＥＤＸは加熱および焼結ステップにより、ベース２４の一部の銅がスズオーバープレート２６（図示されていない）に拡散することを示しているが、熱処理後にはビスマスピークはない。図１５は、熱処理前後のＬＦ−５のＥＤＸを含む。ＥＤＸは、加熱および焼結ステップにより、ベース２４の一部の銅がスズオーバープレート２６（図示されていない）に拡散されているのを示している。図１５は、熱処理後のＬＦ−５における明確なビスマスピークを示す。図１６は、熱処理後のＦ−４とＬＦ−５を比較したＥＤＸを含む。ＬＦ−５だけが、これらの相対的に広いスペクトル範囲で検出するのに十分なビスマスを有する。
【００７２】
図１７は、熱処理後のＬＦ−５（上）およびＬＦ−４（下）の面を比較した、二次的画像（左）および後方散乱画像（右）を含む。図１７は、ＬＦ−５と比べて、ＬＦ−４の表面にあるビスマスの量が低いことを示す。図１８は、典型的な熱処理されたＬＦ−４面の二次的画像（左上）および後方散乱画像（右上）と、最小のビスマスを示す、典型的な熱処理されたＬＦ−４面のＥＤＸスペクトル（下）を示す。図１９は、熱処理されたＬＦ−５面の後方散乱画像およびＬＦ−５のいくつかの場所でのＥＤＸスペクトルを含む。ＥＤＸのスペクトルは、場所に応じて、さまざまなレベルのビスマスおよび銅を示す。図１８および図１９は、ＬＦ−４面の大部分にはビスマスがないことを示す。それに比べて、ＬＦ−５はどの倍率でも、ある程度のビスマスがあることを示し、表面においてより多くのビスマスを示す。
【００７３】
図２０は、熱処理前（左）および熱処理後（右）のＬＦ−４の断面検査を示す。ＬＦ−４では、熱処理後の画像はあまり変わっていない。画像は、熱処理されたＬＦ−５で典型的に見られるビスマスの緻密化を示していない。図２１は熱処理前（左）および熱処理後（右）のＬＦ−４（下）およびＬＦ−５（上）の表面の断面検査を含む。ＬＦ−４およびＬＦ−５の両方は、熱処理の間２つの表面層を生成した。図２２はＬＦ−４（右）と比べて、ＬＦ−５（左）が底面層材のベースと第２表面層との間でカーケンダール多孔のより顕著な領域を生成したことを示す。熱処理されたＬＦ−４の上面層では、ビスマスはほとんどまたはまったく見つからなかった。
【００７４】
図２３は熱処理されたＬＦ−４（右）およびＬＦ−５（左）のより倍率の高い後方散乱画像を示す。図２３の画像は白いフェーズを示し、これはビスマスプールを表わす。熱処理されたＬＦ−５の表面層は両方ともビスマスプールと、第２の表面層のベースにおいて多孔性とを含む。画像はさらにＬＦ−４でのビスマスプールおよび多孔性が低いことを示す。図２４は、ビスマスの線にわたる、熱処理されたＬＦ−５のＥＤＸ線スペクトルと、多孔の両側に匹敵するレベルの銅およびスズを示す多孔性を含む。
【００７５】
図２５は、ＬＦ−４のより高い倍率の画像および熱処理されたＬＦ−４のさまざまな場所でのＥＤＸ線スペクトルを含む。スペクトルは、一番上の層が主にスズからなり、ビスマスは少量であることを示し、第２の層が主に銅からなり、非常に高いレベルのスズを有し、最も下の層は銅であり、スズの含有量ははるかに低いことを示す。図２５は、特に低い量のビスマス（白いフェーズ）を示す。
【００７６】
本発明の多くの変更および変形は、上記に照らして可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内において、本発明は具体的に記載された態様以外の態様で実施できることは理解されるべきである。本発明は、請求項によって規定される。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２５】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図２４】
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