(57)【要約】  金属マトリックス（５）内に組み込まれたカーボンナノ構造体（６）を備えた複合層を有する滑り軸受、及び、電気メッキにより、この滑り軸受を製造する方法。
2015509167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリックス内に組み込まれたカーボンナノ構造体を備えた複合層を有する滑り軸受。
【請求項２】
前記カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブを備える、請求項１に記載した滑り軸受。
【請求項３】
前記ナノチューブは、直径が０．５ないし３０ｎｍである、請求項１に記載した滑り軸受。
【請求項４】
前記ナノチューブは、長さが１ないし４０ｎｍである、請求項２又は３に記載した滑り軸受。
【請求項５】
前記ナノチューブは、０．１ないし１０容量パーセントの複合層を備えている、前記請求項１ないし４のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項６】
前記ナノチューブは、その直径よりも少なくとも１００倍長く、場合により、その直径よりも少なくとも１０００倍長い、前記請求項１ないし５のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項７】
前記カーボンナノ構造体は、球状のカーボンナノ構造体を備えている、前記請求項１ないし６のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項８】
前記カーボンナノ構造体は、楕円体状のカーボンナノ構造体を備えている、前記請求項１ないし７のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項９】
前記カーボンナノ構造体は、機能化されたカーボンナノ構造体である、前記請求項１ないし８のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項１０】
前記複合層は、オーバーレイ層である、前記請求項１ないし９のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項１１】
支持層を更に備え、前記複合層と前記支持層との間に拡散バリア層を備える、前記請求項１ないし１０のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項１２】
前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純金属である、前記請求項１ないし１１のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項１３】
前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純錫である、請求項１２に記載した滑り軸受。
【請求項１４】
前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、金属合金である、請求項１ないし１１のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項１５】
前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、錫系合金、銅系合金、ビスマス系合金、鉛系合金及びインジウム系合金からなる群から選ばれる、請求項１４に記載した滑り軸受。
【請求項１６】
前記滑り軸受は、軸受胴又はスラストワッシャである、前記請求項１ないし１５のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項１７】
前記複合層は、電気メッキされた複合層である、前記請求項１ないし１６のいずれかに記載した滑り軸受。
【請求項１８】
電気メッキによって滑り軸受を製造する方法であって、
カーボンナノ構造体が懸濁した電解液中に、滑り軸受基体を陰極として供給し、
前記基体に、陰極バイアスをかけることによって、金属マトリックス中に埋め込まれたカーボンナノ構造体の複合層を析出することを
含む方法。
【請求項１９】
前記電解液を攪拌して、前記カーボンナノ構造体を懸濁した状態に維持することを含む、請求項１８に記載した方法。
【請求項２０】
陰極バイアスにより、陰極で０．５ないし１０Ａ／ｄｍ2の電流密度が提供される、請求項１８又は１９に記載した方法。
【請求項２１】
懸濁した前記電解液は、電解液１リットル当たり０．１ないし３０ｇのカーボンナノ構造体を含んでいる、請求項１８ないし２０のいずれかに記載した方法。
【請求項２２】
前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純金属である、請求項１８ないし２１のいずれかに記載した方法。
【請求項２３】
前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純錫である、請求項２２に記載した方法。
【請求項２４】
前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、金属合金である、請求項１８ないし２１のいずれかに記載した方法。
【請求項２５】
前記金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、錫系合金である、請求項２４に記載した方法。
【請求項２６】
前記電解液は、錫メタンスルホン酸電解液である、請求項１８ないし２５のいずれかに記載した方法。
【請求項２７】
前記電解液は、１５ないし８０ｇ／ｌの錫を含んでいる、請求項１８ないし２６のいずれかに記載した方法。
【請求項２８】
前記電解液は、光沢剤を含んでいる、請求項１８ないし２７のいずれかに記載した方法。
【請求項２９】
前記滑り軸受は、軸受胴又はスラストワッシャである、請求項１８ないし２８のいずれかに記載した方法。
【請求項３０】
添付した明細書及び図面のいずれか１つを参照して以上に記載したものと実質的に同一の滑り軸受を製造する方法。
【請求項３１】
添付した明細書及び図面のいずれか１つを参照して以上に記載したものと実質的に同一の方法によって製造された滑り軸受。
【請求項３２】
添付した明細書を参照して以上に記載したものと実質的に同一の方法によって製造された滑り軸受を備えるエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、錫層又は錫系合金層を有する滑り軸受、特に、これに限定されるものではないが、軸受胴又はスラストワッシャに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのジャーナル軸受用の軸受胴は、典型的には、強固な鋼の支持層と、ライニング層と、任意の拡散バリア層と、ジャーナル軸部のための滑走面を提供するオーバーレイ層とから構成され、例えば、内側表面に設けられた、中空のほぼ半円筒形状の鋼の支持層と、銅系合金のライニング層と、錫又は錫系合金のオーバーレイ層とから構成される。エンジンのベアリングに組み付けられる前に、軸受胴の軸線方向の各端部にはほぼ半円筒形状のスラストフランジが設けられている。
【０００３】
複数の軸受ライニング、特に、複数のオーバーレイライニングにおいて、複数の層の耐摩耗性を高め、疲労強度を改善することが好ましい。車両の移動全体を通じてエンジンが運転状態に維持される従来のエンジンの運転方法に対して、車両が停止する毎に、エンジンが停止するところの停止−始動運転を利用することによって、燃料を節約するための、車両用エンジンの構造は、軸受ライニング層及び／又はオーバーレイ層の機能に対する特別な課題を提供している。停止−始動運転用に構成されたエンジンは、各車両の移動全体を通して連続的に運転されるように構成された従来のエンジンよりも、約１００回以上も頻繁にエンジンを再始動する場合がある。エンジンは従来から流体力学的に潤滑されており、エンジンの始動時に、軸受に当初の潤滑油の供給がほとんど無いと、始動段階中で特に著しい摩耗に至ることから、停止−始動運転用に構成されたエンジンが引き起こす特有の問題が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気メッキの電解液中において実質的に不溶な硬質の無機微粒子を軸受のライニングに組み込むことによって、エンジン軸受の耐摩耗性を高めることが提案されている。これらの材料の例としては、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は、炭化ホウ素の硬質粒子を錫系合金マトリックス中に組み込むことが挙げられる。しかしながら、特に、錫系合金マトリックス（例えば、錫の含有量が少なくとも５０重量％）に関して、更に特に、純錫マトリックス（例えば、錫の含有量が５０重量％以上）の場合において、従来の電気メッキ技術によって、硬質粒子を有する複合層を十分に高い濃度で有益に製造することは困難である。更に、これらの材料は、一般に、引張り強度及び延性が低く、また、粒子が割れ易いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の態様によれば、金属マトリックス内に組み込まれたカーボンナノ構造体を備えた複合層を有する滑り軸受が提供される。
【０００６】
第２の態様によれば、電気メッキによって滑り軸受を製造する方法であって、カーボンナノ構造体が懸濁した電解液中に、滑り軸受基板を陰極として供給し、前記基板に、陰極バイアスをかけることによって、金属マトリックス中に埋め込まれたカーボンナノ構造体の複合層を析出することを含む方法が提供される。
【０００７】
カーボンナノ構造体とは、カーボンナノチューブ、カーボンナノスフィア、カーボンナノエリプソイド、機能化されたカーボンナノチューブ、機能化されたカーボンナノスフィア、機能化されたカーボンナノエリプソイド（即ち、カーボンナノチューブ及びこれに類する構造体）をいう。
【０００８】
カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブを備えていてもよい。ナノチューブは、直径が０．５ないし３０ｎｍであってもよい。ナノチューブは、長さが１ないし４０ｎｍであってもよい。ナノチューブは、０．１から１０容量パーセントの間の複合層を備えていてもよい。ナノチューブは、その直径よりも少なくとも１００倍長く、場合により、その直径よりも少なくとも１０００倍長くてもよい。
【０００９】
カーボンナノ構造体は、球状のカーボンナノ構造体を備えていてもよい。
【００１０】
カーボンナノ構造体は、楕円体状のカーボンナノ構造体を備えていてもよい。
【００１１】
カーボンナノ構造体は、機能化されたカーボンナノ構造体であってもよい。
【００１２】
複合層は、オーバーレイ層であってもよい。
【００１３】
滑り軸受は、支持層を備えていてもよい。滑り軸受は、複合層と支持層との間に拡散バリア層を備えていてもよい。
【００１４】
金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純金属であってもよい。金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、純錫であってもよい。
【００１５】
金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、金属合金であってもよい。金属マトリックスは、不可避的不純物を除き、錫系合金、銅系合金、ビスマス系合金、鉛系合金及びインジウム系合金からなる群から選ばれてもよい。
【００１６】
滑り軸受は、軸受胴又はスラストワッシャであってもよい。
【００１７】
複合層は、電気メッキされた複合層であってもよい。
【００１８】
上記方法は、電解液を攪拌して、前記カーボンナノ構造体を懸濁した状態に維持することを含んでいてもよい。
【００１９】
陰極バイアスにより、陰極で０．５から１０Ａ／ｄｍ2の電流密度を生じさせてもよい。
【００２０】
懸濁した電解液は、電解液１リットル当たり０．１ないし３０ｇのカーボンナノ構造体を含んでいてもよい。
【００２１】
電解液は、錫メタンスルホン酸電解液であってもよい。
【００２２】
電解液は、１５ないし８０ｇ／ｌの錫を含んでいてもよい。
【００２３】
電解液は、光沢剤を含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
下記添付図面を参照して、以下、本発明の実施形態がさらに記述される。
【図１】図１は、軸受胴を概略的に示している。
【図２】図２は、図１の軸受胴の一部の概略断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、中空のほぼ半円筒形状の軸受胴１を示しており、この軸受胴は、鋼の支持層２と、銅系（例えば、青銅）合金のライニング層３と、（オーバーレイ層から錫がライニング層に拡散されることを防止するための）ニッケル拡散バリア４と、更に、図２に示された硬質の錫マトリックス中に組み込まれたカーボンナノチューブ６の複合オーバーレイ層５とを有している。
【００２６】
オーバーレイ層は、滑り軸受要素の露出した層であり、これは、軸受アセンブリにおける可動要素と接触するように構成されている。例えば、軸受胴に関しては、このオーバーレイ層は、クランク軸等のジャーナル軸に対向する最も内側の層である。
【００２７】
カーボンナノ構造体は、すべてが炭素からなる炭素の同素体であり、サブミクロン寸法を有する中空の球、楕円体、又は、管状の形状を有している。カーボンナノ構造体を金属マトリックス中に組み込むことによって、軸受を潤滑するオイル中に運ばれた何らかの粒子を良好に取り込むことを依然として許容しながら、複合オーバーレイ層の強度、硬度及び耐摩耗性を向上する。露出したカーボンナノ構造体もまた、自由表面の潤滑特性を向上させて、ジャーナル軸が軸受のオーバーレイ層と接触するとき、例えば、エンジンが始動し、潤滑オイルが十分な圧力に高められる以前に、金属マトリックスの摩擦を減少する。更に、カーボンナノ構造体は、金属マトリックス中に組み込まれて、既知の微粒子に比して低い粒子の亀裂をもたらすことができることが現時点で知られているところの微粒子よりも柔軟で、高い引張強度を有していてもよい。
【００２８】
カーボンナノ構造体はまた、金属マトリックスを補強する。更に、カーボンナノチューブの場合には、このカーボンナノチューブは、十分な濃度下では、その直径よりも非常に長く（例えば、チューブの直径よりも数百倍又は数千倍長い長さを有している）ことに起因して、複合層中のナノチューブは、相互に絡み合うようになり、これにより、金属マトリックスは更に補強される。その上、カーボンナノチューブの場合には、これは、層全体を通して、例えば、オーバーレイ層の自由表面からの温度の消散を高めることができる。
【００２９】
軸受のオーバーレイ層の自由表面にカーボンナノ構造体を露出させることによって、オイルの分子の捕捉を向上することにもなり、このような軸受の潤滑を改善することができる。
【００３０】
代わりに、カーボンナノ構造体は、機能化された単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）又は複層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）等の機能化されたカーボンナノ構造体であってもよい。例えば、カーボンナノ構造体は、酸側鎖、アシル側鎖、アミン／アミド側鎖、フッ素化された側鎖、又は、酸化された側鎖で機能化されたものであってもよい。これらの構造の例としては、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）の、酸で終結された基で機能化されたもの（例えば、ＳＷＮＴ−（ＣＨ2ＣＨ2ＣＯＯＨ）X）の他、塩化アシルで終結された基での場合（例えば、ＳＷＮＴ−（ＣＨ2ＣＨ2ＣＯＣｌ）X）や、アミン−アミドで終結された基での場合（例えば、ＳＷＮＴ−（ＣＨ2ＣＨ2ＣＯＮＨＣＨ2ＣＨ2ＮＨ2）X）がある。ナノチューブの場合には、機能化は、側壁又はエンドキャップの機能化であってもよい。
【００３１】
このような機能化によって、カーボンナノ構造体を電解液中に懸濁した状態に置くことができることを改善でき、そして／または、軸受の露出表面上の捕捉特性を高めることができる。カーボンナノ構造体の機能化によって、電気メッキ工程中において、ナノ構造体を金属マトリックス中に組み込むことを改善することもできる。
【００３２】
図示した複合層を形成することができるところの電気メッキ方法について説明する。
【００３３】
複合層がその上に析出されるところの軸受胴は、電気メッキ電解液中に懸濁したカーボンナノ構造体を含む浴中に、陰極として供給され、この浴は、金属マトリックスに対応する材料から形成された陽極、例えば、高純度の錫の陽極を有している。
【００３４】
電解液は、鉛を含有しない、錫メタンスルホン酸（ＭＳＡ）電解液（メタンスルホン酸中の錫イオン）であり、これは、光沢剤や消泡剤等の、オーバーレイの質及び性能を向上する添加材を含んでいてもよい。例えば、電解液は、光沢錫ＧＢＦ  ３０  酸性電解液システムであってもよく、これは、シュロッター（Schloetter)（登録商標）ガルバノテクニーク（Galvanotechnik）社から入手可能であると共に、シュロッター（Schloetter）の原料による製法を用いており、これは、（３１０ｇ／ｌの錫（II）を含有する）１３．０リットルの錫濃縮物ＦＳ ２０と、６．０リットルのＧＢＦ ３１ スターター（２０ないし２５重量％の２−ナフトールポリグリコールエーテル、１ないし２．５重量％の１，２−ジヒドロキシベンゼン、及び、１ないし２．５重量％のメタクリル酸）と、０．４リットルのＧＢＲ ３２ 光沢剤（３５ないし５０重量％の２−イソプロポキシエタノール、及び、５ないし１０重量％の４−フェニルブタ−３−エン−２−オン）と、１１．０リットルのＧＢＦ ３３ 組成濃縮物（これは、４５重量％のＭＳＡである）と、残り、１００リットル未満の脱イオン水とから構成されている。これにより、３０ないし６０ｇ／ｌの錫の溶液が形成されるが、１５ないし８０ｇ／ｌの濃度を用いてもよい。懸濁した電解液は、２０ないし３０℃の温度に維持される。化学成分及びｐＨは、消耗した化学薬品を補充することによって、析出中維持される。
【００３５】
カーボンナノチューブは、約０．１ないし３０ｇ／ｌの濃度を有する溶液中に懸濁した状態に置かれている。カーボンナノチューブは、約０．５ないし３０ｎｍの範囲内の直径、及び、１ないし４０ｎｍの範囲内の長さを有している。超音波及び／又は機械的にかき混ぜることによる攪拌を用いて、ナノチューブを懸濁状態に維持している。
【００３６】
陰極バイアスにより、正に帯電した錫イオンを滑り軸受である陰極に向けて移動させ、陰極表面上に錫イオンを析出させる。錫が析出するとき、これは、付近のカーボンナノチューブを成長する表面上に結合し、これにより、カーボンナノチューブが錫マトリックス中に組み込まれた複合層が形成される。印加される陰極電流密度は０．５ないし１０Ａ／ｄｍ2である。
【００３７】
図示した実施形態は、カーボンナノチューブが錫又は錫系合金の金属マトリックス中に組み込まれた複合層に関するものであるが、その代わりに、又は、それに加えて、中空の球状体（例えば、Ｃ52、Ｃ60、Ｃ70、Ｃ76、Ｃ84等）や楕円体等の、他のタイプのカーボンナノ構造体が組み込まれていてもよい。
【００３８】
図示した実施形態は、実質的に純粋な錫のマトリックスを用いることに関するものであるが、（Ｘ系合金という用語が、金属元素Ｘが５０重量％以上を示す場合には）（錫−銅合金等の）錫系合金、又は、他の金属、又は、他の金属合金を用いてもよい。例えば、マトリックスは、銅、鉛、アンチモン、亜鉛、ビスマス、インジウム、ニッケル、鉄、コバルト及び銀からなる群から選ばれた元素を含む、二元又は三元錫系合金であってもよい。また、例えば、金属マトリックスは、銅系合金（例えば、錫を含有する銅系合金）、ビスマス系合金、鉛系合金及びインジウム系合金からなる群から選ばれた合金であってもよい。
【００３９】
滑り軸受は、自動車用エンジン等のエンジンの軸受アセンブリに挿入される軸受ライニング又はスラストワッシャであってもよい。
【００４０】
この明細書における発明の詳細な説明及び特許請求の範囲全体を通して、用語「からなる（comprise）」及び「含む（contain）」並びにそれらの変化形は、「含むが、それに限定されるものではない」ことを意味し、そして、これらの用語は、他の部分、添加物、成分、整数、又は、工程を排除すること（及び、排除しないこと）を意図するものではない。この明細書における発明の詳細な説明及び特許請求の範囲全体を通して、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、単数形の表現は、複数形のものを含むものとする。特に、不定冠詞を用いている場合には、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、単数形のもの及び複数形のものを考慮しているものとして、明細書を解釈すべきである。
【００４１】
本発明の特別な態様、実施形態又は実施例に関連して記載された特徴、整数、特性、化合物、化学的な部分又は基は、これらと矛盾しない限り、ここに記載された他の態様、実施形態又は実施例に適用可能なものであると解釈すべきである。この明細書（添付した請求項、要約、及び、図面を含む）に開示された特徴のすべて、及び／又は、このように開示された方法又はプロセスの工程のすべては、これらの特徴及び／又は工程のうちの少なくとも幾つかが相互に排除されるところの組合せを除き、如何なる組合せにおいて結合されてもよい。本発明は、何れかの上述した実施形態の詳細部分に限定されるものではない。本発明は、この明細書（添付した請求項、要約、及び、図面を含む）に開示された特徴のうちの何れか新規な１つ、又は、何れか新規な組合せにまで、又は、このように開示された方法又はプロセスの工程のうちの何れか新規な１つ、又は、何れか新規な組合せにまで及ぶものとする。
【００４２】
本願に関して、この明細書と同時に、又は、これよりも前に提出されたものであって、この明細書と共に公衆の閲覧に付されたすべての文書及び書類に読者の注意は向けられるものであり、これらのすべての文書及び書類の内容は、引用により、ここに組み込まれるものとする。
【図１】
2015509167.tif 000003
【図２】
2015509167.tif 000004
【国際調査報告】
2015509167.tif 000005
2015509167.tif 000006
2015509167.tif 000007