(57)【要約】滑り軸受は、軸受基部によって支持された、軸受摺動面における軸受オーバーレイから構成される。中間層は、軸受オーバーレイと軸受基部との間に配置されていて、六方晶窒化ホウ素を含む。中間層は、六方晶窒化ホウ素の粒子を含む電解液からの電着によって形成されてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受基部と、
軸受オーバーレイと、
上記軸受基部と上記軸受オーバーレイとの間の中間層とを備え、
上記中間層は、六方晶窒化ホウ素を含む
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項２】
請求項１において、
上記六方晶窒化ホウ素は、上記中間層に埋め込まれた粒子の形態を有する
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項３】
請求項２において、
上記六方晶窒化ホウ素の粒子径は、上記中間層の厚みよりも小さい
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項４】
請求項２または３において、
上記六方晶窒化ホウ素の粒子径は、５μｍ未満、３μｍ未満、または２μｍ未満である
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、
上記中間層は、ニッケルを含む
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、
上記中間層の厚みは、３〜７μｍである
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、
上記中間層は、電着層である
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、
上記軸受オーバーレイは、鉛フリーである
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項において、
上記軸受オーバーレイは、スズ、スズ−銅合金、スズ−亜鉛合金、スズ−ニッケル合金、ビスマス、またはビスマス合金を含む
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項において、
上記軸受オーバーレイは、炭化物粒子、窒化物粒子、または酸化物粒子などの硬質粒子を含む
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項において、
上記軸受オーバーレイは、炭化ホウ素粒子である硬質粒子を含む
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項１２】
請求項１０または１１において、
上記軸受オーバーレイは、０．５〜５重量％の上記硬質粒子を含む
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項において、
上記オーバーレイの厚みは、８〜２０μｍである
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項において、
上記軸受基部は、軸受バッキングによって支持された軸受ライニングを含み、
上記中間層は、上記軸受ライニング上に形成されている
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項１５】
請求項１４において、
上記軸受ライニングは、銅を含む
ことを特徴とする滑り軸受。
【請求項１６】
六方晶窒化ホウ素を含む軸受を製造する方法であって、
六方晶窒化ホウ素の粒子を含む電解液から中間層を電着することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６において、
上記中間層は、ニッケルを含み、
上記電解液は、ニッケル塩を含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
添付図面を参照して本明細書に実質的に記載された滑り軸受。
【請求項１９】
添付図面を参照して本明細書に実質的に記載された滑り軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、滑り軸受および滑り軸受の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
滑り軸受は、例えば内燃エンジンにおけるクランクシャフトのジャーナル軸受など、多くの用途に用いられている。滑り軸受は、通常、２つの半円筒形の軸受シェルの形態を有していて、また一般に層状の構造を有する。層状の構造は、鋼などの強固なバッキング材料で作られて約１ｍｍ以上の厚みを有するバッキングと、このバッキングに固着され、第１軸受材料で作られて一般に約０．１〜０．５ｍｍの厚みを有するライニングと、このライニングに支持されて約４０μｍ未満の厚みを有するオーバーレイ（または滑り層もしくは摺動層）とを備える。オーバーレイの表面は、相互作用するシャフトのジャーナル面と共に摺動または滑り面を構成する。
【０００３】
バッキングは、例えば軸受シェルが主軸受ハウジングまたはコネクティングロッド大端部に取り付けられる場合に、当該軸受シェルの強度や耐変形性をもたらす。
【０００４】
軸受ライニングの目的は、オーバーレイが何らかの理由で摩耗した場合に適当な摺動特性を提供すること、およびジャーナル面が強固なバッキング材料と接触するのを防止することである。ライニングは、一般に、アルミベース合金または銅合金であってもよい。青銅または黄銅のような銅合金は、典型的にはより高い負荷のかかる軸受に使用され、オーバーレイに対する追加的な支持を提供する。
【０００５】
オーバーレイは、慣例的に、鉛または鉛−スズ合金のような比較的軟らかい金属の層によって形成される。比較的軟らかいオーバーレイは、順応性（軸受面とシャフトジャーナルとの間の小さな位置合わせ不良を吸収する軸受の性能）および埋込性（潤滑油中を循環し得る細片または塵粒子によってジャーナル面が傷付くのを、そのような細片が軸受面に埋め込まれ得るようにすることで抑止する性能）を提供するために使用される。
【０００６】
多くの慣例的なオーバーレイ材料は、鉛の合金をベースとするものである。鉛は、有毒な金属であって、その内燃エンジンにおける使用は望ましくない。また、鉛の使用は、世界的に政府立方によって抑制されている。
【０００７】
鉛フリーのオーバーレイ材料が利用可能であって、典型的にはスズまたはビスマスの合金をベースにしたものが挙げられる。しかしながら、スズまたはビスマスがオーバーレイに使用されて銅合金を含む軸受ライニング上に堆積される場合、エンジン作動状態における高温下で、不利なことに、当該スズまたはビスマスがオーバーレイからライニングの合金へ拡散しようとし、および／またはライニング内の銅と金属間化合物を形成しようとするという問題が生じる。
【０００８】
この問題は、従来より、約３μｍの厚みを有するニッケル中間層でライニング面を被覆し、そして当該中間層上にオーバーレイを形成することによって対処されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ニッケル中間層は、バリア層またはニッケル障壁と呼ばれることもあり、オーバーレイとライニングとの間の拡散バリアを提供する。しかしながら、ニッケル中間層の使用によって新たな問題が生じる。
【００１０】
上述したように、鉛ベースのオーバーレイを備えた従来の軸受において、ライニングの重要な機能は、オーバーレイが何らかの理由によって摩耗した場合に適当な軸受摺動特性を提供することである。しかし、オーバーレイがニッケル中間層上に形成され、当該オーバーレイが使用中に摩耗してニッケルが露出すると、当該ニッケルは適当な軸受摺動特性を提供しない。
【００１１】
実際、鉛オーバーレイおよび銅ベースライニングを備えた軸受において、軸受の一部においてオーバーレイが摩耗してライニングが露出した場合、当該軸受はその性能が低下するとしても動作し続けることができる。例えば、軸受摩擦が大きくなるけれども軸受が焼き付く訳ではなく、当該軸受を交換するための時間は許される（オーバーレイの摩耗およびその下層の露出は、スカッフィング事象と呼ばれることもある。）。
【００１２】
これに対して、鉛フリーオーバーレイ、ニッケル中間層、および銅ベースライニングを備えた軸受では、オーバーレイが摩耗してニッケルが露出した場合、軸受の急速な焼付きが生じやすい。焼付きが生じると、例えば、内燃エンジンがひどく損傷するおそれがある。
【００１３】
このことは、負荷の大きな軸受用途において特に問題となる。そのような用途では、滑り軸受を指定および使用する設計者およびエンジニアは、鉛汚染や長い間望まれてきた鉛フリー軸受代替の必要性に関わらず、鉛ベースオーバーレイを備えた軸受の使用を好む。
【００１４】
本発明の目的な上記の問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、添付の独立請求項において定義される滑り軸受および滑り軸受の製造方法を提示するものであって、それらについて以下参照する。本発明の好ましいまたは有利な特徴は、従属請求項にて述べられる。
【００１６】
好ましい態様では、本発明は、したがって、軸受基部と、軸受オーバーレイと、軸受基部と軸受オーバーレイとの間の中間層とを備え、中間層は、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を含む滑り軸受を提供する。ｈ−ＢＮは、好ましくは粒子の形態を有していて、例えば中間層に埋め込まれまたは含まれる。粒子の直径は、好ましくは、中間層の厚みよりも小さく、そのため当該粒子は中間層材料の厚み内に埋め込まれる（粒子の一部は中間層の表面に位置するかも知れないが）。中間層は、ｈ−ＢＮ粒子を含むニッケル、例えば電着ニッケルを含むことが好ましい。
【００１７】
中間層の厚みは、好ましくは、２μｍ、３μｍ、または４μｍよりも大きく、および／または８μｍ、７μｍ、または６μｍよりも小さい。好ましくは、中間層の厚みは、約５μｍである。ｈ−ＢＮ粒子の直径は、好ましくは、６μｍ、５μｍ、３μｍ、２μｍ、または１μｍよりも小さく、および／または０．１μｍまたは０．２μｍよりも大きい。
【００１８】
オーバーレイは、好ましくは、鉛フリーオーバーレイである。適当なオーバーレイ材料は、スズ、スズ合金、ビスマス、およびビスマス合金を含んでいてもよい。適当なスズ合金は、スズ−銅合金、スズ−亜鉛合金、およびスズ−ニッケル合金であってもよい。オーバーレイは、公知の態様で、硬質粒子を含んでいてもよく、それにより特に軟らかいオーバーレイ材料が用いられる場合に摩耗が低減される。適当な硬質粒子は、炭化物、窒化物、および酸化物を含んでいてもよい。硬質粒子のための特に適当な材料は、炭化ホウ素である。硬質粒子は、例えば、０．５〜５重量％含まれていてもよい。
【００１９】
オーバーレイの厚みは、６μｍ、８μｍ、または１０μｍよりも大きくてもよく、および／または２５μｍ、２０μｍ、または１５μｍよりも小さくてもよい。
【００２０】
発明者は、本発明の実施形態に係る軸受と、従来のニッケル中間層を有する軸受とを比較する試験を実施した。その試験によると、オーバーレイが摩耗した場合において、本発明の実施形態に係る滑り軸受に対する焼付負荷は、従来技術に係る純ニッケル中間層を有する軸受に対する焼付負荷よりも劇的に大きいことが示された。あるいは、一定負荷において、本発明の実施形態に係る軸受の耐用年数は、従来の純ニッケル中間層を有する軸受と比較して大幅に延長された。これらの試験結果は、本発明の実施形態に係る軸受によると、有利なことに、鉛フリーオーバーレイがオーバーレイ摩耗に対して大幅により寛容なものとなり、例えば焼付きによってより大きな損傷が生じる前に鉛フリー滑り軸受を交換する機会が与えられることを意味している。そのような鉛フリーのオーバーレイ材料を使用することは、鉛汚染を低減する観点から非常に望ましい。
【００２１】
換言すれば、本発明の実施形態に係る滑り軸受は、従来の純ニッケル中間層を有する軸受に比べて、スカッフィング事象からずっと回復しやすいものである。
【００２２】
本発明の別の態様によると、有利には、六方晶窒化ホウ素を含む軸受中間層を形成する方法であって、六方晶窒化ホウ素の粒子を含む電解液から中間層を電着することを含む方法が提供され得る。
【００２３】
有利には、硫酸ニッケル（II）または塩化ニッケル（II）などのニッケル塩を含む従来からの電解液（ワットニッケル浴）が使用されてもよい。本発明のこの態様を実施するために、ｈ−ＢＮ粒子は、例えば懸濁または分散の形態で、電解液と混合されてもよい。
【００２４】
軸受の性能を最適化するために、軸受中間層に含まれる粒子のサイズは非常に小さいことが望ましいという問題が生じる。しかしながら、発明者は、ｈ−ＢＮ粒子のサイズが電解液中で幅広く分布している場合に、電着プロセスをコントロールすることにより、電解液から中間層に小さなｈ−ＢＮ粒子のみが取り込まれることを見出した。本発明の実施形態に係る高性能の中間層が、したがって、ｈ−ＢＮ粒子ソースが好ましくなく大きな粒子を含む場合であっても形成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る滑り軸受の一部の断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る軸受の冶金学的な微細断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る軸受の試験における、時間に対する軸受温度および印加負荷のグラフである。
【図４】図４は、３タイプの軸受の試験における、時間に対してプロットされた軸受温度と、直線的に増加する軸受負荷とのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について例示すると共に、添付の図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態に係る軸受の概略断面図であって、当該軸受の摺動面２に対して垂直な断面におけるものである。摺動面は、中間層８によって軸受基部６から分離された軸受オーバーレイ４によって構成されている。当該基部は、軸受バッキング１２に固着された軸受ライニング１０を含む。
【００２８】
バッキングは、鋼から作られた半円筒状の軸受シェルの形態であってもよい。ライニングは、青銅製であって、バッキングの形状に適合している。中間層は、六方晶窒化ホウ素粒子を含むニッケルでできていて、後述するように全体にわたって電着によって形成されている。オーバーレイは、スズでできていて、必要に応じて０．５〜５重量％の硬質粒子を含む。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態に係る冶金学的断面図であって、試験のために発明者が作成したものである。この実施形態では、スズオーバーレイ４および中間層８の両方が、およそ１０μｍの厚みを有する。中間層は、青銅ライニング１０に固着されている。軸受バッキングは、この冶金学的断面図には表示されていない。
【００３０】
好ましい実施形態では、中間層の厚みは、３〜７μｍであって、好ましくは約５μｍである。図２に示す中間層は、したがって好ましいものよりもやや分厚いが、中間層の厚みは後述するようにコントロール可能である。
【００３１】
本発明の実施形態では、中間層は、六方晶窒化ホウ素粒子を含むニッケルを含む。中間層は、適当な電解液から電着によって形成されてもよい。ある実施形態では、電解液は、５００ｇ／ｌの硫酸ニッケル（II）・７水和物と、５０ｇ／ｌのホウ酸と、１ｇ／ｌのサッカリンと、５〜３０ｇ／ｌの六方晶窒化ホウ素と、分散剤と、界面活性剤とを含む。
【００３２】
電解液は、ｐＨ２〜３であって、６０〜７０℃の温度を有する。電着は、１〜１０Ａ／ｄｍ2の電流密度で実行される。
【００３３】
六方晶窒化ホウ素は、次の粒子サイズ範囲の粒度分布において電解液に添加される。当該粒子サイズ範囲は、直径１０％：０．３６μｍ、直径５０％：１．６５μｍ、直径９０％：７．５０μｍである。換言すれば、粒子の１０％は直径０．３６μｍ以下であり、５０％は直径１．６５μｍ以下であり、そして９０％は直径７．５０μｍ以下である。
【００３４】
電着の時間および電流密度は、青銅軸受ライニング上において所定の中間層厚みを実現するためにコントロールされる。
【００３５】
代替例として、塩化ニッケル（II）ベースの電解液がワットニッケル浴において使用されてもよく、上述した硫酸ニッケル（II）電解液と同じ六方晶窒化ホウ素粉末または粒子が電解液に添加されてもよい。
【００３６】
図２の微細断面図では、ニッケルベース中間層内に六方晶窒化ホウ素粒子が存在していることが見て取れる。当該層内の六方晶窒化ホウ素粒子のサイズは、典型的には１μｍ以下である。発明者は、上述した電着条件を用いて電着プロセスを制御することによって、大きな六方晶窒化ホウ素粒子に優先して中間層内に小さな六方晶窒化ホウ素粒子を取り入れられることを見出した。大きな粒子は電解液中に残ったままになる。これにより、中間層および軸受の性能を向上させることができる。
【００３７】
軸受の性能を最適化するために、発明者は、本発明の実施形態に係る様々な軸受の試験を実行した。これらの実験は、回転シャフトに結合された滑り軸受に対してコントロールされた負荷をかけることができる試験装置を用いて実行された。負荷はシャフトの回転軸に対して垂直にかけられ、軸受は動的負荷を生じさせるためにシャフトの偏心部に結合される。オイルが慣習的な態様で滑り軸受に供給されるが、偏心回転ジャーナルは幾何学的欠陥（軸方向溝）を伴って形成されており、そのため弾性流体油膜が連続的に乱され、よって軸受とシャフトとの間において接触が生じ、当該軸受への過負荷につながる。
【００３８】
試験では、２つの半円筒形の軸受シェルで構成された直径５３ｍｍ、幅１９ｍｍ、軸受クリアランス５３μｍの軸受が使用された。軸受の片側において負荷のかかった半部に配置した２つの熱電対によって、軸受温度を監視してスカッフィングおよび焼付き事象を記録した。
【００３９】
図３は、本発明の実施形態に係る軸受の典型的な試験を示している。図３は、軸受の試験中に測定された軸受温度、軸受にかかる負荷、およびシャフトを駆動する電気モータに流れる電流の記録を示している。これらのパラメータは、全て時間に対してプロットされている。
【００４０】
試験が進行する間、目標負荷または印加負荷が偏心シャフト軸と垂直に軸受に印加される。負荷は軸受が故障するまで時間と共に直線的に増大し、様々な軸受と比較可能な軸受性能の測定がもたらされる。
【００４１】
軸受温度は、軸受の劣化を監視する。図３に示すように、およそ２分３０秒後に、軸受温度はスカッフィング事象が生じるために上昇し（図３に「第１事象」と記す）、そのときオーバーレイの一部が摩耗する。重要なこととして、しかしながら、温度はスカッフィング事象の後に低下し、そのため軸受は中間層の一部が露出しても動作し続けることができる。印加負荷が増大し続けると、約３分３６秒後に、軸受は焼き付く（図３に「焼付き発生」と記す）。
【００４２】
軸受の実際の用途において、初期スカッフィング事象と軸受の焼付きとの間の時間遅れは、有利なことに、ひどい損傷が生じる前に修理を行うことを可能とする。
【００４３】
発明者は、本発明の実施形態に係る軸受の性能優位性を評価するための試験を実施した。これらの試験では、軸受が故障するまで時間と共に増大する印加軸受負荷を伴う図３を参照して上述したのと同じ試験プロセスを用いた。まず、青銅ライニング上の従来からのニッケル中間層を備えた６つの軸受が、基準のために試験された。その後、本発明の第１実施形態に係る６つの軸受が試験された。これらは「変形例Ａ」と呼ばれ、１０ｇ／ｌの六方晶窒化ホウ素を含む上述した硫酸ニッケル（II）電解液から（青銅ライニング上に）電着されたニッケル中間層を備える。変形例Ａは、基準軸受よりも約５０％高い平均焼付負荷を実現した。第２実施形態に係る６つの軸受は、「変形例Ｂ」と呼ばれ、変形例Ａと同じ方法で比較されたが、変形例Ｂにおける中間層は、２０ｇ／ｌの六方晶窒化ホウ素を含む電解液から堆積されたものである。変形例Ｂは、基準軸受よりも約９０％高い平均焼付負荷を実現した。
【００４４】
これらの試験における各軸受では、ニッケルベース層の厚みは同じであり、その下の軸受基部の厚みも同様であった。
【００４５】
図４は、軸受試験における時間に対する軸受温度のグラフである。グラフは、３つの記録を示している。実線は、６つの基準軸受に対する平均測定温度を示している。破線は、６つの変形例Ａの軸受に対する平均測定温度を示している。点線は、６つの変形例Ｂの軸受に対する平均測定温度を示している。図４のグラフの横軸に示すように、印加軸受負荷は時間と共に直線的に増大させた。
【００４６】
図４に示すように、基準軸受は、約１３ＭＰａの印加負荷に対応する約２２秒後に、約１６０℃の温度において故障した。これに対し、変形例Ａの軸受は、２０ＭＰａ強の印加負荷に対応する約５０秒後に故障し、１９５℃の温度まで軸受の故障なく耐え抜いた。変形例Ｂの軸受は、約２５ＭＰａの印加負荷に対応する１分強後に、約１９０℃の温度において故障した。
【００４７】
とりわけ、変形例Ａおよび変形例Ｂの軸受は、より大きな故障負荷を実現したのみでなく、基準軸受とは異なる態様で故障した。基準軸受の６回の試験の全てにおいて、試験は偏心シャフトを駆動する駆動モータに流れる過電流のために終了した。このことは、軸受の焼付きによって生じる許容不能なほど高いレベルの軸受摩擦を暗示している。
【００４８】
これに対して、変形例Ａの軸受の６回の試験および変形例Ｂの軸受の６回の試験では、全ての試験が軸受温度の過剰な上昇のために終了した。これは軸受の故障を意味するものであるが、それはまた軸受摩擦が基準軸受の故障において生じた過剰レベルに到達しなかったことを示している。
【００４９】
このことは、おそらく、基準軸受の故障におけるレベルの上昇した微細溶接によって生じる焼付きを暗に示しており、それは変形例Ａおよび変形例Ｂの軸受が呈した増大摺動温度よりも有害な故障モードである。
【図１】
2018524521.tif 000003
【図２】
2018524521.tif 000004
【図３】
2018524521.tif 000005
【図４】
2018524521.tif 000006
【国際調査報告】
2018524521.tif 000007
2018524521.tif 000008