CN101408224B - 滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可以抑制初始运转时的接合于轴承合金的树脂层的剥离的滑动轴承。通过在以PAI树脂、PBI树脂或PI树脂中的任意一种以上为基体树脂的树脂层2中添加有3～15体积％的平均粒径为0.05～0.7μm的膜强度调整粒子4，形成在树脂层2产生微小断片的磨损形态来缓解由与旋转轴的接触而在树脂层2内产生的切应力σ，从而可以缓解与轴承合金的接合界面的切应力。另外，虽然预计由于树脂层2的强度因膜强度调整粒子4的添加而下降，导致耐磨损性的下降，但通过控制膜强度调整粒子4的表面积而形成产生微小断片的磨损形态，相反磨损量减少，可以获得耐热性、耐磨损性充分且初始运转时也不会发生剥离的耐久性高的树脂层。

Description

滑动轴承
技术领域
本发明涉及在轴承合金的表面被膜形成有以聚酰胺酰亚胺树脂、聚苯并咪唑树脂或聚酰亚胺树脂中的任意一种以上为基体树脂的树脂层的滑动轴承。
背景技术
以往，内燃机的滑动轴承采用例如日本专利特开2002-242933号公报所示那样在滑动轴承的轴承合金上形成有作为磨合层的树脂滑动层的轴承。内燃机中轴承部的气氛温度高，所以大多采用耐热性高的聚酰胺酰亚胺树脂、聚苯并咪唑树脂或聚酰亚胺树脂。
专利文献1：日本专利特开2002-242933号公报(权利要求1)
发明内容
但是，如上述的专利文献1所示的聚酰胺酰亚胺树脂、聚苯并咪唑树脂、聚酰亚胺树脂等耐热性高的树脂在强度高的同时，滑动层本身的耐磨损性也提高，但产生内燃机的初始磨损时树脂滑动层剥落的问题。这是因为内燃机组装后的最初的运转刚开始后的数小时～数十小时内，在树脂滑动层的表面为适应轴表面的形状而发生初始磨损。该初始磨损时，树脂滑动层承受与旋转轴的接触而产生的高剪切力，因此在与轴承合金层的接合界面容易发生剥落。
如上所述的问题只要满足树脂强度的同时提高树脂滑动层和轴承合金的接合强度就可得到解决，但作为不同种类的物质的树脂和金属的接合只是树脂对金属的粘接，在接合强度的提高方面存在极限。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供可以抑制初始运转时的接合于轴承合金的树脂层的剥离的滑动轴承。
为了实现上述目的，第1项发明是在轴承合金的表面被膜形成有以聚酰胺酰亚胺树脂、聚苯并咪唑树脂或聚酰亚胺树脂中的任意一种以上为基体树脂的树脂层的滑动轴承，其特征在于，在所述树脂层中添加有3～15体积％的平均粒径为0.05～0.7μm的膜强度调整粒子。
第2项发明是如第1项所述的滑动轴承，其特征在于，在所述树脂层中添加25～55体积％的二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯树脂中的任意一种以上的固体润滑剂。
第1项发明中，通过在以聚酰胺酰亚胺树脂(以下称为“PAI树脂”)、聚苯并咪唑树脂(以下称为“PBI树脂”)或聚酰亚胺树脂(以下称为“PI树脂”)中的任意一种以上为基体树脂的树脂层中添加3～15体积％的平均粒径为0.05～0.7μm的膜强度调整粒子，形成在树脂层产生微小断片的磨损形态来缓解由与旋转轴的接触而在树脂层内产生的切应力，因而可以缓解与轴承合金的接合界面的切应力。另外，虽然预计由于树脂层的强度因膜强度调整粒子的添加而下降，导致耐磨损性的下降，但通过控制膜强度调整粒子的表面积而形成产生微小断片的磨损形态，相反可以减少磨损量。其结果是，获得了不仅耐热性、耐磨损性充分，而且初始运转时不会发生剥离的耐久性高的树脂层。还有，可以在不影响耐热性的范围内在基体树脂中添加其它热固性树脂、热塑性树脂(例如聚醚砜(以下称为“PES树脂”))来进行物性调整。
此外，通过选择0.7μm以下的膜强度调整粒子的平均粒径，膜强度调整粒子多，树脂单位体积的膜强度调整粒子的表面积变得极大。膜强度调整粒子和树脂的接合也基于树脂的粘接，形成可以容易地切断的状态。如果以这样的状态与旋转轴接触，则该接触中的切应力产生的树脂的弹性变形被膜强度调整粒子阻止，发生应力集中。因此，在粒子相互接近的截面积小的树脂缩颈(neck)部发生断裂，所以发生产生微小断片的磨损。此外，内燃机运转时的轴承内表面和轴表面间的润滑油膜厚至少达到1μm左右，通过使膜强度调整粒子达到与最小油膜厚相比足够小的0.7μm以下，磨损的膜强度调整粒子与润滑油一起排出至轴承面外，不会影响滑动特性。
膜强度调整粒子的平均粒径必须在0.7μm以下。如果使用超过0.7μm的平均粒径的膜强度调整粒子，则虽然因作为硬质物粒子承受来自轴的负荷而耐磨损性提高，但树脂缩颈部少，不易产生微小断片，难以缓解加于树脂层的切应力，所以容易发生轴承合金和树脂层的剥离。此外，磨损的膜强度调整粒子在树脂表面滚动，容易发生磨粒磨损。另一方面，平均粒径小于0.05μm时，不仅工业上的价格升高，而且在树脂涂料中膜强度调整粒子容易凝集，膜强度调整粒子无法在树脂中均匀地分散。
此外，膜强度调整粒子的含有率低于3体积％时，树脂缩颈部减少，不易产生微小断片；另一方面，如果含有率超过15体积％，则树脂缩颈部过多，被膜强度显著下降，耐磨损性下降。
此外，作为膜强度调整粒子，可以使用相对于树脂强度较高的作为不同种类的物质的各种金属、金属间化合物、陶瓷粉末等。尤其，为了使断片微小，较好是强度高且延展性低的陶瓷。作为陶瓷，可以使用氧化铝、二氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化钇、氧化钪等氧化物，TiC、SiC等碳化物。还有，作为膜强度调整粒子，在选择延展性高的软质金属的情况下，存在由于金属粉末的弹性变形而不易发生应力集中的缺点，而选择通过本身呈层状破碎而降低摩擦系数的石墨等固体润滑剂的情况下，因为不易发生应力集中，所以作为膜强度调整粒子的效果少，因此都是不理想的。
此外，通过像第2项发明那样所述树脂层中添加25～55体积％的二硫化钼(以下称为“MoS2”)、石墨(以下称为“Gr”)、聚四氟乙烯树脂(以下称为“PTFE”)中的任意一种以上的固体润滑剂，可以提高含有膜强度调整粒子的树脂层的滑动特性。该情况下，膜强度调整粒子分散存在于树脂层中，不分散在固体润滑剂粒子中，所以产生微小断片的磨损形态是相同的。另外，通过如下的效果，不会发生剥离：基于膜强度调整粒子的缓解加于树脂层和轴承合金的剪切力的效果；以及由于使膜强度调整粒子微细地分散在树脂层中，因而存在于固体润滑剂和轴承合金间，所以防止固体润滑剂和轴承合金的直接接触的效果。
但是，作为固体润滑剂添加的MoS2、Gr、PTFE是扁形，这些固体润滑剂完全不与轴承合金接合，仅仅是接触，因此如果在树脂层中添加超过55体积％，则在与轴承合金的界面的同固体润滑剂的接触面积增加，轴承合金和树脂的接触面积减少，因此容易发生整体的剥离；另一方面，不足25体积％时，磨合性下降，无法实现滑动特性的提高。
附图说明
图1是本发明的实施方式的滑动轴承的截面图。
图2A是表示承受切应力时的树脂层内的膜强度调整粒子和破碎的关系的示意图。
图2B是表示承受切应力时的树脂层内的膜强度调整粒子和破碎的关系的示意图。
图3A是表示树脂层内的膜强度调整粒子的粒径的大小和含量的关系的示意图。
图3B是表示树脂层内的膜强度调整粒子的粒径的大小和含量的关系的示意图。
图3C是表示树脂层内的膜强度调整粒子的粒径的大小和含量的关系的示意图。
图4A是表示树脂层内的固体润滑剂和膜强度调整粒子的关系的示意图。
图4B是表示树脂层内的固体润滑剂和膜强度调整粒子的关系的示意图。
符号的说明
1：轴承合金，2：树脂层，3：里衬金属，4：膜强度调整粒子，5：树脂缩颈部，6：固体润滑剂。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。图1是模式化表示本发明的实施方式的滑动轴承的截面图。滑动轴承为在接合于里衬金属3的表面的铜类合金或铝类合金等轴承合金1的表面设有树脂层2的结构。本实施方式中，树脂层2是以PAI树脂、PBI树脂、PI树脂等耐热性树脂为基体树脂，含有3～15体积％的平均粒径为0.05～0.7μm的膜强度调整粒子的滑动层。此外，作为膜强度调整粒子，可以使用相对于树脂强度较高的作为不同种类的物质的各种金属、金属间化合物、陶瓷粉末等。尤其，为了使断片微小，较好是强度高且延展性低的陶瓷。作为陶瓷，可以使用氧化铝、二氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化钇、氧化钪等氧化物，TiC、SiC等碳化物。另外，可以根据需要作为固体润滑剂添加25～55体积％的MoS2、Gr、PTFE中的一种以上。还有，作为固体润滑剂，也可以使用WS2、BN。此外，膜强度调整粒子的平均粒径通过激光衍射·散射法测量。
另外，在PAI树脂、PBI树脂、PI树脂等耐热性树脂中添加3～15体积％的平均粒径为0.05～0.7μm的膜强度调整粒子时，如图2(A)所示，与旋转轴接触中的切应力产生的树脂层2的弹性变形被膜强度调整粒子4阻止，发生应力集中。在粒子相互接近的截面积小的树脂缩颈部5发生断裂。因此，发生产生微小断片的磨损。与之相对，膜强度调整粒子4极少的情况下，如图2(B)所示，在树脂层2中发生应力集中引起的断裂之前，发生接合强度弱的与轴承合金1的界面上的剥离(粗实线)。
此外，如果使用超过0.7μm的平均粒径的膜强度调整粒子，如图3(A)所示，虽然因作为硬质物粒子承受来自轴的负荷而耐磨损性提高，但树脂缩颈部5减少，难以缓解加于树脂层2的切应力，所以容易发生轴承合金1和树脂层2的剥离。此外，如果使用超过0.7μm的平均粒径的膜强度调整粒子4，膜强度调整粒子4在树脂表面滚动，容易发生磨粒磨损。另一方面，采用小于0.05μm的平均粒径的膜强度调整粒子4时，不仅工业上的价格升高，而且如图3(C)所示，在树脂涂料中膜强度调整粒子4容易凝集，膜强度调整粒子4无法在树脂中均匀地分散。
此外，膜强度调整粒子4的含有率低于3体积％时，树脂缩颈部5减少，不易产生微小断片；另一方面，如果含有率超过15体积％，如图3(B)所示，树脂缩颈部5过多，被膜强度显著下降，耐磨损性下降。
此外，如图4(A)所示，通过在树脂层2中添加25～55体积％的MoS2、Gr、PTFE中的任意一种以上的固体润滑剂6，可以提高含有膜强度调整粒子4的树脂层2的滑动特性。该情况下，膜强度调整粒子4分散存在于树脂层2中，不分散在固体润滑剂6粒子中，所以产生微小断片的磨损形态与不含固体润滑剂6的情况相同。另外，通过如下的效果，不会发生剥离：基于膜强度调整粒子4的缓解加于树脂层2和轴承合金1的剪切力的效果；以及由于使膜强度调整粒子4微细地分散在树脂层2中，因而存在于固体润滑剂6和轴承合金1间，所以防止固体润滑剂6和轴承合金1的直接接触的效果。
但是，作为固体润滑剂6添加的MoS2、Gr、PTFE是扁形，这些固体润滑剂6完全不与轴承合金1接合，仅仅是接触，因此如果在树脂层2中添加超过55体积％的固体润滑剂6，如图4(B)所示，在与轴承合金1的界面的同固体润滑剂6的接触面积增加，轴承合金1和树脂的接触面积减少，因此容易发生整体的剥离；另一方面，不足25体积％时，磨合性下降，无法实现滑动特性的提高。
以下，参照表1说明设有如上所述构成的树脂层2的实施例和设有以往的树脂层的比较例实施磨损试验而得的结果。实施例中，将在作为里衬金属的铜板上接合有铜类轴承合金层的平板加工成半圆筒形状的轴承后，进行脱脂处理，再将轴承合金的表面通过喷砂加工粗面化。然后，进行酸洗·热水洗，干燥后，通过空气喷涂将表1的实施例1～12所示的组合物以有机溶剂(N-甲基-2-吡咯烷酮)稀释而得的组合物喷涂于上述轴承合金的表面。然后，干燥除去有机溶剂，在250℃煅烧60分钟。在这里，树脂层的厚度为25μm。还有，实施例7～12的固体润滑剂的体积比以相对于树脂、膜强度调整粒子和固体润滑剂的总体积的体积比表示。
比较例中，将在作为里衬金属的铜板上接合有铜类轴承合金层的平板加工成半圆筒形状的轴承后，进行脱脂处理，再将轴承合金的表面通过喷砂加工粗面化。然后，进行酸洗·热水洗，干燥后，通过空气喷涂将表1的比较例1～12所示的组合物以有机溶剂(N-甲基-2-吡咯烷酮)稀释而得的组合物喷涂于上述轴承合金的表面。然后，干燥除去有机溶剂，在250℃煅烧60分钟。在这里，滑动层的厚度为25μm。还有，比较例7～12的固体润滑剂的体积比以相对于树脂、膜强度调整粒子和固体润滑剂的总体积的体积比表示。
[表1]
Figure G2008101665168D00071
Figure G2008101665168D00072
磨损试验使用轴承试验机，在以实施例和比较例的半轴承为一对的圆筒状态下以表2所示的试验条件进行，测定磨损量。此外，进行磨损试验后的基于肉眼外观观察的树脂层的有无剥离的评价。
[表2]
 
表面压力 70MPa
滑动速度 10m/秒
润滑 强制给油
润滑油 SAE#30
供给油温 100℃
配对轴 S55C淬火
试验时间 10小时
实施例1～3为基体树脂使用PAI树脂，作为膜强度调整粒子添加有下限(3体积％)、中间(9体积％)、上限(15体积％)的同一粒径(0.20μm)的TiO2的例子，未添加固体润滑剂。于是，这3个实施例中，磨损量少，也未发现剥离。与实施例1～3同样使用PAI树脂、作为膜强度调整粒子添加有中间(9体积％)的同一种类的TiO2的实施例4中，将膜强度调整粒子的粒径设为上限的0.7μm，但该情况下同样磨损量少，也未发现剥离。实施例5是将实施例2的基体树脂和膜强度调整粒子改为PBI树脂和Al2O3的例子，实施例6是仅将实施例2的基体树脂改为PI树脂的例子，该实施例5、6同样磨损量少，也未发现剥离。
实施例7～9为基体树脂使用PAI树脂，作为膜强度调整粒子添加有中间(9体积％)的同一粒径(0.20μm)的SiC或TiO2，作为固体润滑剂添加有下限(25体积％)、中间(40体积％)、上限(55体积％)的PTFE的例子。该情况下，磨损量比实施例1～6稍稍增加，但未发现剥离。实施例10是将实施例8的基体树脂、膜强度调整粒子和固体润滑剂改为PBI树脂、Al2O3和MoS2的例子，实施例11是将实施例8的基体树脂、膜强度调整粒子和固体润滑剂改为PI树脂、SiC和Gr的例子，该实施例10、11同样磨损量少，也未发现剥离。另外，实施例12为作为实施例8的基体树脂在PAI树脂中混合2体积％的PES树脂而得的材料，对应于PES树脂的增加部分而减少2体积％的作为膜强度调整粒子的TiO2的例子，该实施例12与实施例8同样磨损量少，也未发现剥离。
另一方面，比较例1～3中，基体树脂分别使用PAI树脂、PBI树脂、PI树脂，但完全不含膜强度调整粒子和固体润滑剂，因此磨损量与实施例1～6相比增加，更重要的是发生了剥离。此外，比较例4～6为基体树脂使用PAI树脂、PBI树脂、PAI树脂，分别采用少于下限(2.0体积％)、多于上限(20.0体积％)、粒径大于上限(0.8μm)的膜强度调整粒子的例子，因此磨损量多，除比较例5外观察到剥离。比较例5为未观察到剥离，但磨损量多的结果。另外，比较例7～12表示与以往同样在PAI(包括在其中混合少量的PES树脂的材料)、PBI树脂、PI树脂中仅添加固体润滑剂而未添加膜强度调整粒子的例子，这些比较例7～12为磨损量多且都观察到剥离的结果。
由上述的实施例和比较例的磨损试验结果也可知，通过在以PAI树脂、PBI树脂或PI树脂中的任意一种以上为基体树脂的树脂层中添加有3～15体积％的平均粒径为0.05～0.7μm的膜强度调整粒子，可以获得耐热性、耐磨损性充分且初始运转时也不会发生剥离的耐久性高的树脂层。此外，通过在树脂层中添加25～55体积％的MoS2、Gr、PTFE中的一种以上的固体润滑剂，可以提高含有膜强度调整粒子的树脂层的滑动特性。

Claims (2)

1.滑动轴承，它是在轴承合金的表面被膜形成有以聚酰胺酰亚胺树脂、聚苯并咪唑树脂或聚酰亚胺树脂中的任意一种以上为基体树脂的树脂层的滑动轴承，其特征在于，在所述树脂层中添加有3～15体积％的平均粒径为0.2～0.7μm的陶瓷粒子形成的膜强度调整粒子。
2.如权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，在所述树脂层中添加25～55体积％的二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯树脂中的任意一种以上的固体润滑剂。
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