CN102027163A - 滑动部件的制造方法、滑动部件和滑动部件母材 - Google Patents

滑动部件的制造方法、滑动部件和滑动部件母材 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在金属衬钢板(1)的表面结合滑动轴承合金层(3)，然后通过电镀，在滑动轴承合金层(3)上被覆Bi系贴面层(10)的方法，该方法中，电镀时，Bi不会在金属衬钢板(1)上置换、析出。所述方法是在Bi系贴面层(10)电镀之前的阶段，在金属衬钢板(1)的至少背面形成比Bi系贴面层(10)电化学上高级的金属(2)、在电化学上比Bi系贴面层低级且钝化的金属(2)或者树脂被膜(4)。

Description

滑动部件的制造方法、滑动部件和滑动部件母材
技术领域
本发明涉及滑动部件的制造方法，更具体地说，涉及在金属衬钢板上依次叠层滑动轴承合金层和Bi系贴面层而成的滑动部件的制造方法。本发明进一步涉及具有新型叠层结构的滑动部件及其母材。
背景技术
以滑动轴承为代表的滑动部件具有在金属衬钢板上叠层由铜合金或铝合金构成、被称为内衬的轴承合金层，以及由软质金属构成的贴面层的结构。所述滑动轴承中，通常是通过电镀，在滑动轴承合金层上被覆用作亲和层的贴面层软质金属，如专利文献1：日本特许第3463809号公报的图1所示，轴承部件整体浸泡在电镀液中，通过电解析出，在滑动轴承合金层上被覆Pb系贴面层。
以往的贴面层通常使用Pb系合金，但Pb是污染环境的物质，因此提出用Bi置换Pb的Bi系贴面层。
例如根据专利文献2：日本特开2004-308883号公报，提出了上述叠层结构的滑动部件，滑动轴承合金使用Cu或Al系合金，贴面层使用(202)面的取向系数为30％以上、且通过PR电解法进行取向控制、使其与其它面相比显示最大值的Bi或镀Bi合金。
根据专利文献3：日本特许第3693256号公报，在由钢板形成的金属衬上形成Cu或Al合金的滑动轴承合金层，然后通过PR电解电镀形成Bi-Cu系贴面层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3463809号公报
专利文献2：日本特开2004-308883号公报
专利文献3：日本特许第3693256号公报
专利文献4：日本特许第2525538号公报
专利文献5：日本特开2005-264197号公报
发明内容
如上所述，在通过电镀来被覆由软质金属构成的贴面层时，将滑动轴承母材全体浸泡在含有离子化的软质金属的电镀液中。
这里，通过电镀被覆Pb系贴面层时，即使金属衬钢板是电的良导体，Pb系贴面层也不置换、析出，其原因是由于Pb与Fe的电位差小。
另一方面，通过电镀被覆Bi系贴面层时，本发明人发现了以下现象。即，电镀液中的Bi离子在电化学上比金属衬钢板的Fe高级，因此与暴露在电镀液中的金属衬背面的Fe置换，在金属衬背面析出。置换并析出的Bi脆，另外由金属衬钢板溶解的Fe离子在金属衬背面再次电解、析出，形成脆的被膜。经过上述过程，暂时在金属衬背面形成了镀Bi的被膜，但是该镀Bi的被膜或Fe离子的再析出被膜轻易地从金属衬上脱落，因此最终金属衬钢板背面并不存在Bi系合金，通过精密观察，可知金属衬背面由于全面腐蚀而呈现表面粗糙(微小凹凸)。金属衬钢板背面为发动机轴承时，与连杆的大端部或小端部冲撞并且滑动，因此如上所述，金属衬钢板背面有腐蚀产生的表面粗糙(微小凹凸)，这可能引起发动机轴承等的疲劳破损等。
因此，本发明的目的在于提供：在以金属衬钢板、Cu系或Al系滑动轴承合金层、和Bi系贴面层为基本结构的滑动轴承中，即使进行Bi系贴面层的电镀也不会导致由于金属衬背面的原因而出现的滑动不良。
本发明提供以下发明。
(1)滑动部件的制造方法，该滑动部件的制造方法是将滑动轴承合金层结合至金属衬钢板的表面，然后通过电镀在上述滑动轴承合金层(也可称为“内衬”)上被覆Bi系贴面层而成，其特征在于：在上述Bi系贴面层电镀之前的阶段，在上述金属衬钢板的背面形成由在电化学上比Bi高级的金属(以下简称为“贵金属”)、在电化学上比Bi低级且表面钝化的金属(以下简称为“贱金属”)、或者树脂构成的第1保护层，上述第1保护层由贱金属构成时，使与该金属衬钢板的相反侧的表面钝化。
(2)(1)的滑动部件的制造方法，其特征在于：在金属衬钢板的表面形成由贵金属或贱金属构成的第2保护层。
(3)(2)的滑动部件的制造方法，其中，第1保护层和第2保护层由相同材质构成。
(4)滑动部件母材，该母材是在金属衬钢板的背面形成由在电化学上比Bi高级的金属(以下简称为“贵金属”)、在电化学上比Bi低级且表面钝化的金属(以下简称为“贱金属”)，或者树脂构成的第1保护层，进一步在上述金属衬钢板的表面侧结合上述滑动轴承合金层，并且上述第1保护层为贱金属时，与该金属衬钢板相反侧的表面发生钝化，作为在滑动轴承合金层上被覆电镀Bi系贴面层的母材使用。
(5)(4)的滑动部件的母材，其特征在于：在金属衬钢板与滑动轴承合金层之间具有由贵金属或贱金属构成的第2保护层。
(6)滑动部件，其特征在于，该滑动部件含有金属衬钢板、与上述金属衬钢板的表面侧结合的滑动轴承合金层、通过电镀被覆在上述滑动轴承合金表面的Bi系贴面层和在上述金属衬钢板的背面形成的由贵金属、贱金属、或树脂构成的第1保护层，通过(1)-(3)中任一项所述的方法制造，构成Bi系贴面层的物质不在上述第1保护层上置换、析出。
(7)(6)的滑动部件，其特征在于：在金属衬钢板和滑动轴承合金层之间具有由贵金属或贱金属构成的第2保护层。
以下，详细说明本发明。
首先，对本发明(1)-(7)中的共通事项进行说明。以金属衬钢板、Cu系或Al系滑动轴承合金层以及Bi系贴面层为基本结构的滑动轴承本身是公知的。其中，金属衬钢板通常是SPCC等的软钢板，特别的是可以使用专利文献3：日本特许第2525538号公报所述的含碳量比较高的高强度金属衬或专利文献5：日本特开2005-264179号公报所述的添加氮的金属衬等。
Cu系滑动轴承合金通常含有1-15％质量Sn作为青铜的基本成分，根据需要含有1-15％质量的Pb、Bi等的亲和性成分，还进一步含有Ni、Ag、Al、Sb等作为强化成分的1-5％质量，1-15％质量的In作为耐腐蚀性成分。Cu系滑动轴承合金通过将铜合金粉末散布在金属衬钢板上，在650-1000℃的温度下、在氢气、氢与氮的混合气体等的还原性气氛中烧结来形成内衬形态。
Cu的标准电极电位(以标准氢电极为0V，下同)是：Cu＝+0.337V。不过，Bi＝Bi3++3e-的反应所显示的标准电极电位(25℃)为+0.22V，因此，Cu比Bi在电化学上高级。应予说明，Cu系滑动轴承合金的标准电极电位以上述值为基准进行变动。
接着，Al系滑动轴承合金通常含有1-35％质量的Sn、Pb等软质成分，进一步根据需要含有1-8％质量的Si作为耐磨损性提高成分，0-3％质量的Cu、Mg、Cr、Fe、Zr、Mn、V等作为强化成分。Al系滑动轴承合金通过将压延板与金属衬压接来形成内衬形态。
Al系滑动轴承合金的标准电极电位是以Al＝Al3++3e-的反应的-1.66V为基准。因此，在电化学上Bi比Al高级。
另一方面，Cr、Ni、Al比Bi低级，但在形成镀层之后放置在室温下则发生钝化，形成Cr2O3、NiO、Al2O3。这样的在电化学上的贱金属在金属衬钢板侧的至少表面形成钝化的状态，则在电镀Bi系贴面层时，该钝化表面不会发生Bi的置换、析出。
Bi系贴面层可以使用含有20％质量以下的纯Bi和合金成分的Bi合金。Bi合金的合金成分有在专利文献3中所公知的Cu。而且，与Bi硬度程度相同的In、Zn、Ag等也基本上保持Bi的亲合性，因此可以使用。
接着，对本发明(1)的制造方法进行说明。
在本发明中，依次进行以下的公知的步骤：通过压延或烧结，使滑动轴承合金层结合至金属衬钢板的表面，然后通过电镀在滑动轴承合金层上被覆Bi系贴面层。
本发明的特征在于：在上述步骤中，在Bi系贴面层电镀之前的阶段，在金属衬钢板的至少背面形成由电化学上比Bi高级的金属(即“贵金属”)、比Bi低级且钝化的金属(即“贱金属”)、或树脂被膜的任意一种构成的保护层。
在以往的Pb系贴面层中，在贴面层的电镀中，不会在Fe系金属衬上析出Pb，不会特别发生问题，但是在Bi系贴面层的电镀中，会发生如本说明书中的发明内容第3段所述的现象。本发明人发现：为了不发生这样的问题，必须设置以往的滑动轴承结构所没有的保护层。即，如果保护层的金属比Bi系贴面层的Bi低级，则只要保护层不形成钝态，Bi(合金)就会置换保护层，析出到保护层上。而如果在金属衬的背面形成贱金属钝化所得的物质或树脂被膜，则在该钝态形成面上不会发生Bi(合金)的置换、析出。不过此时，工件(滑动部件母材)与电极的接触位置必须避开钝态膜或树脂被膜的形成位置。
本发明的(2)的方法，(5)的滑动部件母材和(7)的滑动部件的特征在于：除上述第1保护层之外，在金属衬钢板的表面侧形成由贱金属或贵金属构成的第2保护层，使用所述滑动部件母材，然后进行Bi系贴面层的电镀。如果第1和第2保护层为同一物质，则可以同时形成两层(上述(3)的方法)。应予说明，如果第2保护层为贱金属，则存在于其表面的钝态膜存在于内衬下，因此，在电镀Bi系贴面层时，将电极安装在滑动部件母材上的方法是复杂的。即，将滑动部件由两侧用夹子夹住的方式进行的电极安装存在发生导电不良的危险。因此，优选在Bi系贴面层电镀之前，通过酸洗等除去第2保护层表面的钝态层。应予说明，第2保护层含有Ni、Cr，内衬为铜合金时，则钝态层被还原性烧结气氛还原而消失。
本发明的作为覆盖电镀Bi系贴面层的母材使用的滑动部件母材(4)的特征在于：在金属衬钢板的背面形成由贵金属、贱金属或树脂构成的保护层，进一步将上述滑动轴承合金结合至金属衬钢板的表面侧，并且上述保护层为贱金属时，该金属衬侧的表面发生钝化。即，母材整体作为阴极体浸泡在电镀液中时，轴承合金层的表面与保护层的表面与电镀液接触，Bi系贴面层只被覆于轴承合金层的表面。与此相对，在以往的滑动部件中，在Bi系贴面层电镀中，Bi在金属衬的背面析出，然后剥离，因此结果导致金属衬钢板表面粗糙。
本发明的滑动部件(6)具有金属衬钢板、与金属衬钢板表面侧结合的滑动轴承合金层、通过电镀覆盖在滑动轴承合金表面的Bi系贴面层，在这一点上与以往的滑动部件相同，但是，由于含有在金属衬钢板的背面形成的、由贵金属、贱金属或树脂构成的第1保护层，并由上述(1)-(3)中任一项所述的方法制造，因此具有构成Bi系贴面层的物质不会在第1保护层上置换、析出的特征。因此，即使在电镀Bi系贴面层之后、在有保护层附着的状态下组装到机器上也不会有任何问题。另外，第1保护层为氧化物或树脂时，几乎没有电镀液导致的侵蚀。
发明效果
本发明在通过电镀将Bi系贴面层被覆在滑动轴承上时，可以防止金属衬钢板的腐蚀、表面粗糙，因此可以防止金属衬钢板与配对材料反复接触时的破坏、疲劳等。
附图简述
图1是由本发明的一个实施方案形成的滑动轴承的剖面图，图解在金属衬钢板的两面设置贵金属层或氧化物层的方法。
图2是由本发明的一个实施方案形成的滑动轴承的剖面图，图解在金属衬钢板的背面设置贵金属层或氧化物层的方法。
图3是由本发明另一实施方案形成的滑动轴承的剖面图，图解在金属衬钢板的背面设置树脂被膜的方法。
具体实施方式
在按照图1-3所示的本发明的方法制造的滑动部件的剖面图中，参照符号1是金属衬钢板(以下称为“金属衬”)，1a是金属衬的表面，即内衬侧的表面，1b是背面，即与内衬相反侧的面，2是贵金属层，3是滑动轴承合金层(以下称为“内衬”)，10是Bi系贴面层。在图1中，在将内衬3结合至金属衬1的表面1a之前，在金属衬1的表面1a和背面1b两者上电镀贵金属层2a和2b，通过溅射、压合等被覆优选0.2-10μm、更优选0.5-3μm的厚度。然后将内衬3被覆于金属衬表面1a侧的贵金属层2a。在该阶段得到滑动部件的母材12。
最后，将滑动部件的母材12与阴极连接，全面浸泡在电镀液中，由此通过电镀来被覆Bi系贴面层10。Bi系贴面层10的Bi比贵金属层2的金属低级，因此不会发生高级金属层2b与Bi(合金)的置换、析出。即，贵金属层2b被电镀液轻微腐蚀，但是不电沉积Bi(合金)。应予说明，贵金属层2a不参与金属衬背面的防腐蚀，但是存在于内衬3和金属衬表面(1a)之间，具有提高内衬3与金属衬1的密合性的作用。
Bi电镀的优选条件如下。
链烷磺酸               70g/L
Bi离子                 10g/L
pH                     约0
温度                 25℃
电流密度             2A/dm2
时间                 20分钟
图2中，内衬3直接结合至金属衬1的表面1a。之后或者之前，在金属衬1的背面1b电镀贵金属层2b，通过溅射、压合等进行被覆。在该阶段得到滑动部件的母材12。然后将滑动部件的母材12与阴极连接，整体浸泡在电镀液中，由此通过电镀被覆Bi系贴面层10。贴面层的Bi比贵金属层2的金属低级，因此不会发生贵金属层2与Bi(合金)的置换、析出。即，Bi(合金)不会电沉积在贵金属层2上。
Al、Ti、Cr、Ni等元素是比Bi系贴面层的Bi低级的金属，表面变化为Al2O3、TiO2、Cr2O3、NiO等，发生钝化，因此Bi(合金)不会在表面电沉积，可以将这些贱金属代替贵金属层2使用。通过Al、Ti等的蒸镀或Cr、Ni等的蒸镀或电镀等，在所需的面上形成这些贱金属的层，接着进行钝化处理。关于钝化处理，为Al时，可通过阳极氧化处理进行，为Cr、Ti、Ni时，可各自通过加热处理等公知的表面处理进行。其中，这些金属通过在室温下放置数日，形成所谓的自然氧化膜，发生钝化，因此无需人工处理。
这些氧化物是电不良导体，因此在与金属衬相反侧的面2b上不会发生与Bi(合金)的置换、析出，其中，已知上述氧化物为Fe-Cr等不锈钢或Al系材料等的钝态被膜成分，可带来稳定的保护效果。
图3中，将内衬3结合至金属衬1的表面1a，在之后或者之前，在上述金属衬1的背面1b粘接树脂层4，至优选1-500μm，更优选2-10μm的厚度。可通过将作为树脂的环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等涂布后烧结来形成树脂层4。在该阶段得到滑动部件的母材12。然后将滑动部件的母材12与阴极连接，整体浸泡在电镀液中，由此通过电镀被覆Bi系贴面层10。树脂是电不良导体，因此不会发生树脂层4与Bi(合金)的置换、析出。即，Bi(合金)不会在树脂层4上电沉积。
接着，通过实验例更详细地说明本发明。
比较例
使用厚度1.3mm的SPCC钢板作为金属衬1(图1)，不被覆贵金属层2a、2b，将作为内衬3的厚度0.2mm的Cu合金层(组成：Cu-5％Sn)结合至作为金属衬1表面侧(1a)的面。然后，将如上所述制造的母材12与阴极连接，整体浸泡在上述组成的Bi电镀浴中，在上述电流密度条件下电镀7μm厚度的Bi系贴面层10。电镀后，观察金属衬背面侧(1b)的面，可见表面粗糙。该金属衬背面(1b)侧的粗糙度Rz为25μm。
实施例1
在图1中，使用厚度1.3mm的SPCC钢板作为金属衬1，使用厚度0.2mm的Cu合金(组成：Cu-5％Sn)作为内衬3。首先在氰浴、电流密度2A/dm2条件下，通过电镀在金属衬1的两侧被覆Cu作为贵金属层2a、2b，至厚度2μm，然后进行水洗、干燥，接着在作为金属衬1的表面侧(1b)的面上结合内衬3。然后将如上所述制造的母材12与阴极连接，整体浸泡在上述Bi电镀浴中，在上述电流密度条件下电镀7μm厚度的Bi系贴面层10。电镀后，观察金属衬背面侧1b的面，与电镀状态的表面几乎没有变化，未见表面粗糙或Bi的电沉积。
实施例2
在图2中，通过电镀被覆与图1相同的金属衬1、内衬3以及贵金属层2和Bi系贴面层10。其中，贵金属层2只被覆在金属衬1的背面1b。电镀后观察金属衬背面侧的贵金属层2b的表面，与电镀状态的表面几乎没有变化，未见表面粗糙或Bi的电沉积。
实施例3
在图2中，形成与图1同样的金属衬1、内衬3。然后通过电镀在不同的试验材料上被覆Cr和Ni层2，放置在室温下，表面2’钝化，形成Cr2O3和NiO。然后通过电镀被覆Bi系贴面层10。电镀Bi系贴面层10之后，观察金属衬背面侧的Cr2O3层和NiO层2’的表面，与电镀后接着在室温下放置状态的表面几乎没有不同，未见表面粗糙或Bi的电沉积。
实施例4
在图1所示的层结构中，形成与图1同样的金属衬1、内衬3和Bi系贴面层10。其中，通过(电镀)，在不同的试验材料上、在金属衬1的两侧被覆Cr或Ni层2，以此代替贵金属层2a、2b，金属衬侧的Cr或Ni层2b放置在室温下，其表面钝化，形成Cr2O3和NiO。另一方面，对于内衬侧的Cr或Ni层2a，在通过烧结形成内衬3时的气氛是还原性的，因此Cr2O3被还原为Cr，NiO被还原为Ni。电镀Bi系贴面层10后，观察金属衬背面侧的Cr2O3层和NiO层2b’的表面，与电镀后接着放置室温下的状态的表面几乎没有变化，未见表面粗糙或Bi的电沉积。
实施例5
在图3中，形成与图1同样的金属衬1、内衬3以及环氧树脂层4和Bi系贴面层10。环氧树脂被膜4通过涂布来涂布为厚度3μm，然后在100℃下烧结。形成Bi系贴面层10后，观察环氧树脂层4的表面，与涂布后的状态几乎没有变化，未见表面粗糙或Bi的电沉积。
产业实用性
如以上说明，本发明可以防止在制造实施了Bi系贴面层的滑动轴承时以往无法避免的金属衬钢板的性能劣化，因此产业上的贡献很大。

Claims (7)

1.滑动部件的制造方法，该滑动部件的制造方法是将滑动轴承合金层结合至金属衬钢板的表面，然后通过电镀在上述滑动轴承合金层上被覆Bi系贴面层而成，其特征在于：在上述Bi系贴面层电镀之前的阶段，在上述金属衬钢板的背面形成由在电化学上比Bi高级的金属(以下简称为“贵金属”)、在电化学上比Bi低级且表面钝化的金属(以下简称为“贱金属”)、或者树脂构成的第1保护层，上述第1保护层由贱金属构成时，使其与该金属衬钢板的相反侧的表面钝化。
2.权利要求1的滑动部件的制造方法，其特征在于：在金属衬钢板的表面侧形成由贵金属或贱金属构成的第2保护层。
3.权利要求2的滑动部件的制造方法，其中，第1保护层和第2保护层由相同材质构成。
4.滑动部件的母材，该母材是在金属衬钢板的背面形成由在电化学上比Bi高级的金属(以下简称为“贵金属”)、在电化学上比Bi低级且表面钝化的金属(以下简称为“贱金属”)、或者树脂构成的第1保护层，进一步在上述金属衬钢板的表面侧结合上述滑动轴承合金层，并且，上述第1保护层为贱金属时，其与该金属衬相反侧的表面发生钝化，作为被覆电镀Bi系贴面层的母材使用。
5.权利要求4的滑动部件的母材，其特征在于：在金属衬钢板与滑动轴承合金层之间具有由贵金属或贱金属构成的第2保护层。
6.滑动部件，其特征在于，该滑动部件含有金属衬钢板、与上述金属衬钢板的表面侧结合的滑动轴承合金层、通过电镀被覆在上述滑动轴承合金层表面的Bi系贴面层和在上述金属衬钢板的背面形成的曲贵金属、贱金属、或树脂构成的第1保护层，通过权利要求1-3中任一项所述的方法制造，构成Bi系贴面层的物质不会在上述第1保护层上置换析出。
7.权利要求6的滑动部件，其特征在于：在金属衬钢板和滑动轴承合金层之间具有由贵金属或贱金属构成的第2保护层。
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