JP2019529690A

JP2019529690A - 機能性表面を有する、鉛フリーのアルミニウム・スライド軸受材料

Info

Publication number: JP2019529690A
Application number: JP2019503265A
Authority: JP
Inventors: シュミット，ホルガー; マイスター，ダニエル; ワグナー，ミハエル; ファビオコセンティーノ，ガエタノ; ハーバー，ラルフ; カタリーナウィードマン，シュテファニー
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-10-17
Also published as: US20190293120A1; KR20190032487A; CN109477170A; DE102016213352A1; EP3488023A1; WO2018015126A1; BR112019000965A2

Abstract

本発明は、少なくとも1つの機能層を含むコーティングを有するスライド要素に関し、機能層は混合酸化物マトリックスを含み、混合酸化物マトリックス内に固体潤滑剤粒子及び／、又は硬質粒子が埋め込まれている。

Description

本発明は混合酸化物マトリックス機能層を有するスライド要素に関する。本発明によるスライド要素は、有利な表面特性によって特徴づけられ、容易に製造することができる。

スライド軸受の構成要素として酸化物層を用いることは従来技術において周知である。

ＤＥ１０２００７０４２３８２Ｂ３には、コンポーネントのスライド表面の方向において複数の孔を有する酸化物膜が設けられたコンポーネントの構造内に、軽金属材料からなる層が設けられており、硬質材料はそれらの孔の中に導入されているという、スライド軸受として適切な部品が開示されている。

ＤＥ１９６１２１０９Ｃ１は、摩擦応力を受けることができる（tribologisch beanspruchbaren）表面を有する軸受け部品に関する。この目的のために、軸受け部品は、補強されたアルミニウム合金からなる金属マトリックス混合物材料を含むこと、さらに、摩擦応力表面がアノード化層の表面であることが提供される。

ＩＧＦプロジェクト３０２ＺＢＧの、Fuerbeth他による、最終報告書「Nanopartikelverstarkte Hartanodisierschichten als
innovativer Verschleiss- und Korrosionsschutz fuer Aluminiumwerkstoffe（アルミニウム材料のための革新的な摩耗及び腐食保護としてナノ粒子によって強化された硬質アノード化層）」は、アルミニウム材料の硬質アノード化層へのナノ粒子の導入を取扱うものである。

最後に、Fuerbeth他による、ＩＧＦプロジェクト３２１ＺＢＧの最終報告書「Optimierung der Modifizierung von
Anodisierschichten auf Aluminiumwerkstoffen durch chemische Nanotechnologie und
industrielle Anpassung des Verfahrens（化学的ナノ技術によるアルミニウム材料上のアノード化層の改質の最適化及び方法の産業的適合化）」は、腐食保護を改善するための、ナノ粒子を有するアノード化層の飽和を教示している。

独国特許登録第１０２００７０４２３８２号公報独国特許公開第１９６１２１０９号公報

本発明の基礎となる課題は、特に、硬度、延性、熱伝導率、濡れ挙動、摩擦係数、摩耗挙動、粗さ及び／又はトポグラフィのような、複数の特性のうちの少なくとも１つに関して、改良された表面特性を有するスライド要素を提供することである。

この目的の解決は、請求項１に記載のスライド要素によってもたらされる。

固体潤滑剤粒子及び／又は硬質粒子をスライド要素のコーティングの機能層の混合酸化物マトリックス内に埋め込むことは、特に、スライド要素の有利な機械的特性に至る。特に、スライド要素の特性プロファイルは、目標とされた固体潤滑剤粒子及び／又は硬質粒子の選択によって、それぞれの用途に合わせて詳細に調整されることができる。酸化物潤滑剤のためのリザーバとしてスライド軸受けの酸化物コーティング内の孔を使用することと比較して、用いられる粒子に関してより均一な分布及びより大きなフレキシビリティ、という利点も得られる。

より好ましい展開は、さらなる請求項に記載されている。

コーティングは有利には、内側から外側へ、アルミニウム系合金を含む１つのアルミニウム合金層と機能層とを少なくとも有する。かかる構造は、アルミニウム合金層の電解酸化によって、特に単純な方法でもたらされ得る。「アルミニウム合金層」及び「アルミニウム系合金」という用語は、純粋なアルミニウム及び純粋なアルミニウム層をも含む。

好ましくは、アルミニウム系合金は、１０．０重量％以下のＦｅと、１０．０重量％以下のＭｇと、１５．０重量％以下のＺｎと、１５．０重量％以下のＳｉと、３０．０重量％以下のＳｎと、５．０重量％の以下のＣｕと、５．０重量％の以下のＮｉと、５．０重量％の以下のＭｎと、５．０重量％の以下のＣｒと、１．０重量％以下のＺｒ、Ｖ、Ｓｒ及び／又はＴｉと、残りとしてアルミニウム及び不可避な不純物と、を含む。アルミニウム系合金の上述した化学組成は、３０〜１００ＨＢＷ１／５／３０のスライド要素の金属硬度を得ることを可能にする。

最も好ましくは、機能層がアルミニウム合金層上へ塗布される。アルミニウム合金層は、好ましくは鋼等級Ｃ０６−Ｃ４５のうちの１つの、鋼を含む基板背部（Substratruecken）上に順に（wiederum）、好ましくは塗布される。前述の鋼は、良好な入手可能性及びスライド要素を形成するためのアルミニウム合金層への特に良好な結合によって特徴付けられる。

さらに、好ましくは純粋なアルミニウムからなる、中間層は、基板背部とアルミニウム合金層との間に導入されるべきである。中間層は、基板背部とコーティング間の結合を改善する。

固体潤滑剤粒子は、有利には、ＢａＳＯ_４、ｈ−ＢＮ、グラファイト、ＭｏＳ_２、ＰＴＦＥ、ＷＳ_２、ＺｎＳ及び／又はＳｎＳ_２を含む。上述した粒子は、特にスライド要素表面の潤滑特性を改善するのに適している。

硬質粒子は、摩耗耐性を向上するために、好ましくは、酸化物、窒化物、リン化物、リン酸塩、フッ化物、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＣｒＣ、Ｂ_４Ｃ、ＣａＣ_２及び／又はＡｌ_４Ｃ_３を含む。

さらにまた、好ましくはＮａＨＣＯ_３のような焼結添加剤によって有機的に改質された粒子、付加粒子（versehene Partikel）、コア・シェル粒子、好ましくは固体潤滑剤で充填されたナノカプセル、及び／又はポリマーゾルに埋め込まれた粒子が、混合酸化物マトリックス内に埋め込むために供給される。このことは、混合酸化物マトリックス内における粒子の特に均一な分布を導く。

コーティングは、有利には、１０から１５００ＨＶ、０．１、好ましくは１０から５００ＨＶ０．１の硬度を有する。柔らかすぎる層は、負荷中に降伏し、材料転移のために具体的な転送のために占拠を導き、硬質粒子及び固体潤滑剤の効果を低減する。対照的に、硬すぎる層は、摩滅によりスライド要素の対向部材に影響を及ぼすことがある。機能層は、さらにまた好ましくは１０から１００μｍの厚さである。層厚が１０ nm未満である場合は摩耗保護の充分な改善はないが、１００μｍを超える厚さを有する層は大きな経済的コストにおいてのみ生成することができる。

アルミニウム合金層は５００μｍ以下の厚さを備えるのが望ましい。
より大きな層厚は、スライド要素の機械的特性のさらなる改良をもたらさない。

機能層特性を改善するために、埋め込まれた粒子は、好ましくは１ｎｍから１５μｍの平均直径を有する。

機能層は、５から１００Ｗ／ｍ＊Ｋ、好ましくは２０から４０Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有する。これらの値は純粋な酸化アルミニウムのレベルにあるので、混合摩擦条件下で良好な熱放散が達成される。

さらに、本発明によれば、混合酸化物マトリックス内における固体潤滑剤粒子及び／又は硬質粒子の分布は、内側から外側へと勾配を有する。したがって、不連続によって付着を弱めることなく、他の構造を内側領域よりもコーティングの表面領域に設定することができる。

最終的に、コーティングは、好ましくは電解によって塗布される、カバー層をその外側に有する。かかるカバー層は、用途に応じて、摩耗耐性を増加させ及び／又は摩擦特性を改善することができる。

好ましい実施形態によれば、ＣＯ６鋼基板背部上のコーティングを有するスライド軸受けが提供される。
以下の層状構造は、特に好ましい：
請求項３に記載の要素を有するいわゆるアルミニウム合金層は、鋼背部に配置される。
機能層は、その後、化学物理的な方法（アノード化）によって生成され、また（wiederum）固体潤滑剤粒子及び／又は硬質粒子を含むことができる。
この場合、アルミニウム合金は、最初にストリップキャスティングによって鋳造され、その後、後続の圧延ステップによって最大厚さ１．５ｍｍまで圧延される（abgewalzt）。
付着改善のために中間膜が用いられる場合には、ストリップ及び膜がロールメッキ（Walzplattieren）によってストランド（einem Strang）を形成するために接合される。
その後、ストランドは研磨され、ロールメッキによってＣ０６鋼上へ塗布される。
スライド軸受材料は、その後従来の成形ステップによって軸受けシェル寸法を得る。
混合酸化物マトリックスは、その後、直流、交流又はパルス化電流源を用いたアルミニウム合金層の電解酸化によって、直流的又は定電位的に（galvanostatisch oder potentiostatisch）生成される。
この目的のために必要とされる方法論は、例えば、ＩＧＦプロジェクト３２１ＺＢＧの最終報告書（「Optimierung der Modifizierung von
Anodisierschichten auf Aluminiumwerkstoffen durch chemische Nanotechnologie und
industrielle Anpassung des Verfahrens（化学的ナノテクノロジー及び方法の工業的適合による、アルミニウム材料上のアノード化層の改質の最適化とそのプロセスの工業的適応」; Fuerbeth他; chapter 2.５）から、当業者に知られている。
また同時に、Ｂ４Ｃ粒子は、電気泳動的な堆積によって平行に堆積し、このことにより混合酸化物マトリックス内に埋め込まれる。
均一な粒子分布を確実にするために、粒子のかたまりは、安定な分散液を用いて確実にされる。
最後に、スライド軸受け表面は、後処理される。

Claims

スライド要素であって、内側から外側へ少なくとも
アルミニウム系合金を含むアルミニウム合金層と、
混合酸化物マトリックスを含む少なくとも１つの機能層であって、前記混合酸化物マトリックス内には、ＢａＳＯ_４、ｈ−ＢＮ、グラファイト、ＭｏＳ_２、ＰＴＦＥ、ＷＳ_２、ＺｎＳ及び／又はＳｎＳ_２を含む固体潤滑剤粒子、及び、酸化物、窒化物、リン化物、リン酸塩、フッ化物、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＣｒＣ、Ｂ_４Ｃ、ＣａＣ_２及び／又はＡｌ_４Ｃ_３を含む硬質粒子が埋め込まれている、機能層と、
を含むコーティングを有する、スライド要素。
前記アルミニウム系合金は、
１０．０重量％以下のＦｅと、
１０．０重量％以下のＭｇと、
１５．０重量％以下のＺｎと、
１５．０重量％以下のＳｉと、
３０．０重量％以下のＳｎと、
５．０重量％の以下のＣｕと、
５．０重量％の以下のＮｉと、
５．０重量％の以下のＭｎと、
５．０重量％の以下のＣｒと、
１．０重量％以下のＺｒ、Ｖ、Ｓｒ及び／又はＴｉと、
残りとしてアルミニウム及び不可避な不純物と、を含む
請求項１記載のスライド要素。
前記機能層は、順に基板背部に結合される前記アルミニウム合金層の上に塗布され、
前記基板背部は鋼、好ましくはＣ０６−Ｃ４５グレードの鋼を含む、
請求項１又は２記載のスライド要素。
前記基板背部と前記コーティングとの間には、好ましくは純粋なアルミニウムからなる、中間層が設けられている、
請求項３記載のスライド要素。
前記混合酸化物マトリックス内に、有機的に改質された粒子、好ましくはＮａＨＣＯ３の、焼結添加剤を有する粒子、付加粒子、コア・シェル粒子、好ましくは固体潤滑剤で充填された、ナノカプセル、及び／又はポリマーゾルに埋め込まれた粒子が埋め込まれている、
請求項１乃至４いずれか１項記載のスライド要素。
前記コーティングは、１０から１５００ＨＶ０．１、好ましくは１０から５００ＨＶ０．１の硬度を有する、
請求項１乃至５いずれか１項記載のスライド要素。
前記機能層は、１００のｎｍから１０μmの厚さを有する、
請求項１乃至６いずれか１項記載のスライド要素。
前記アルミニウム合金層は、２００μｍの厚みを有する、
請求項１乃至７いずれか１項記載のスライド要素。
前記の埋め込まれた粒子は、１ｎｍから１５μｍの平均直径を有する、
請求項１乃至８いずれか１項記載のスライド要素。
前記機能層は、５から１００Ｗ／ｍ＊Ｋ、好ましくは２０から４０Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有する、
請求項１乃至９いずれか１項記載のスライド要素。
前記混合酸化物マトリックス内における前記固体潤滑剤粒子及び／又は硬質粒子の分布は、内側から外側へと勾配を有する、
請求項１乃至１０いずれか１項記載のスライド要素。
前記コーティングは、好ましくは電解によって塗布される、カバー層をその外側に有する、
請求項１乃至１１いずれか１項記載のスライド要素。