CN105051388B - 滑动构件以及滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高软质层的贴合性的技术。本发明的滑动构件以及滑动轴承具备：由比基体软的软质材料构成的软质粒子析出到所述基体中的基层；以及由与所述软质粒子相同的软质材料形成于所述基层的表面上的软质层。所述软质层包括所述软质材料从所述软质粒子外延生长后的外延生长部。

Description

滑动构件以及滑动轴承
技术领域
本发明涉及在滑动面上对象轴进行滑动的滑动构件以及滑动轴承。
背景技术
已知有一种在Cu合金上由Ni等形成中间层，并在该中间层上形成Bi覆盖层的技术(参照专利文献1)。由此，通过由柔软的Bi形成的覆盖层，能提高密封性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-163382号公报
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，存在中间层和覆盖层之间的贴合性不足的问题。即，存在通过使中间层和覆盖层之间裂开的破坏进一步发展而使覆盖层从中间层剥离的问题。
本发明是鉴于上述问题而完成的发明，其目的在于，提供一种提高软质层的贴合性的技术。
用于解决问题的技术手段
为实现上述目的，本发明的滑动构件以及滑动轴承具备：由比基体软的软质材料构成的软质粒子析出到基体中的基层；以及由软质材料形成于基层的表面上的软质层。该软质层包括软质材料从基层的软质粒子外延生长后的外延生长部。
由于与析出到基层中的软质粒子相同的软质材料的软质层与该软质粒子接合，因此能提高软质层与基层的贴合性。由于软质粒子原本就析出到了基层中，因此与软质层接合的软质粒子成为固定物从而能提高软质层与基层的贴合性。特别是，由于软质层中的外延生长部是软质粒子的软质材料外延生长后的部分，因此与基层的软质粒子坚固地结合。由于外延生长部与基层的软质粒子如此坚固地结合后的部分以贯穿基层与软质层的界面的方式形成，因此能阻止基层与软质层的界面处的剥离的发展，能提高软质层与基层的贴合性。
基层只要至少包括基体和软质粒子即可，例如还可以由轴瓦支承。软质材料既可以是比基体柔软的材料，也可以是在形成基层时可析出到基体中的材料。例如，轴套还可以比基体中的软质材料的固溶极限更大量地包含软质材料。软质层在与基层之间的界面上，包括与基层的基体接合的部分、以及与露出到基层的表面的软质粒子接合的部分。其中，在与露出到基层的表面的软质粒子接合的部分中，形成有软质材料从软质粒子外延生长后的外延生长部。
基层的基体可以是Cu合金，软质材料可以是Bi。由于Bi比Cu合金软，因此通过形成Bi的软质层，从而能确保密封性。此外，Cu合金是指具有Cu作为其主成分的合金。另外，由于Bi几乎不固溶于Cu，因此能析出Bi的软质粒子到Cu合金中。其中，基层的基体不限于Cu合金，可以根据对象轴的硬度、作用于对象轴的负载等来选择基体的材料。另外，软质材料可以是比基体软，并且可析出到基体中的材料，也可以是例如Pb、Sn、In。
附图说明
图1是滑动构件的立体图。
图2的(2A)、(2B)是滑动构件的剖面示意图。
图3的(3A)、(3B)是声发射的曲线图。
图4的(4A)，(4B)是滑动构件的剖面照片。
具体实施方式
此处，按照下述的顺序就本发明的实施方式进行说明。
(1)第一实施方式：
(1-1)滑动构件的结构：
(1-2)测量方法：
(1-3)滑动构件的制造方法：
(2)其他实施方式：
(1)第一实施方式：
(1-1)滑动构件的结构：
图1是本发明的一个实施方式的滑动构件1的立体图。滑动构件1包括轴瓦10、轴套11以及覆盖层12。滑动构件1是将中空状的圆筒在直径方向上二等分后的半切形状的金属构件，剖面为半圆弧状。通过将两个滑动构件1以变为圆筒状的方式进行组合，来形成滑动轴承A。滑动轴承A由形成于内部的中空部分轴支承圆柱形的对象轴2(发动机的曲轴)。对象轴2的外径形成为比滑动轴承A的内径稍小。向形成于对象轴2的外周面和滑动轴承A的内周面之间的间隙提供润滑油(机油)。此时，对象轴2的外周面在滑动轴承A的内周面上滑动。
滑动构件1具有按离曲率中心从远到近的顺序，按顺序层叠有轴瓦10、轴套11以及覆盖层12的构造。因此，轴瓦10构成滑动构件1的最外层，覆盖层12构成滑动构件1的最内层。轴瓦10、轴套11以及覆盖层12各自在圆周方向上具有固定的厚度。轴瓦10的厚度为1.3mm，轴套11的厚度为0.2mm，覆盖层12的厚度为10μm。覆盖层12的曲率中心侧的表面半径为(滑动构件1的内径)40mm。以下，内侧意指滑动构件1的曲率中心侧，外侧意指与滑动构件1的曲率中心相反的一侧。覆盖层12的内侧表面构成对象轴2的滑动面。
轴瓦10由钢形成，所述钢含有0.15wt％的C、0.06wt％的Mn，余部由Fe构成。此外，轴瓦10可以由经由轴套11和覆盖层12而能支承来自对象轴2的负载的材料形成，并非一定要由钢来形成。
轴套11是层叠在轴瓦10的内侧的层，构成本发明的基层。轴套11含有10wt％的Sn、8wt％的Bi，余部由Cu和不可避免的杂质构成。轴套11的不可避免的杂质为Mg、Ti、B、Pb、Cr等，是在精炼或废料中混入的杂质。不可避免的杂质的含量整体小于等于1.0wt％。
图2A是滑动构件1的剖面示意图。此外，在图2A中，忽略了滑动构件1的曲率。在轴套11中，Bi粒子11b析出到由Cu-Sn合金构成的基体11a中。Bi粒子11b比Cu-Sn合金软，构成本发明的软质粒子。另外，Bi构成本发明的软质材料。通过采用硬质的Cu-Sn合金作为轴套11的基体11a，能提高滑动构件1的强度以及耐磨损性。
轴套11的剖面中的Bi粒子11b的平均等效圆直径为100μm。即，轴套11的剖面中的Bi粒子11b的平均面积为2500×πμm2。另外，轴套11的剖面中的Bi粒子11b的面积占比为10％。由于轴套11中的Bi粒子11b的分布均匀且不具有方向依赖性，因此轴套11与覆盖层12的界面X上的Bi粒子11b的平均等效圆直径、平均面积以及面积占比可以视作与任意剖面上的Bi粒子11b的平均等效圆直径、平均面积以及面积占比相同。
覆盖层12是层叠在轴套11的内侧表面上的层，构成本发明的软质层。轴套11的内侧表面构成轴套11与覆盖层12的界面X。覆盖层12由Bi和不可避免的杂质构成。覆盖层12的不可避免的杂质为Sn、Fe、Pb等，是从覆盖层12的电镀液等混入的杂质。不可避免的杂质的含量整体小于等于1.0wt％，Bi的含量大于等于99％。
覆盖层12包括外延生长部12b和自我生长部12a。外延生长部12b是以露出到轴套11的内侧表面的Bi粒子11b作为起点由进行了外延生长的Bi的结晶构成的部分。因此，外延生长部12b中的Bi的结晶颗粒构造(结晶颗粒的大小、排列方向)与轴套11的Bi粒子11b的Bi的结晶颗粒构造相同。轴套11的Bi粒子11b的Bi的结晶颗粒构造由Bi粒子11b析出到轴套11中时的结晶生长条件来决定。
由于外延生长部12b是露出到轴套11的内侧表面上的Bi粒子11b进行了外延生长的部分，所以与轴套11的Bi粒子11b进行坚固地结合。外延生长部12b与轴套11的Bi粒子11b坚固地结合而一体化的部分，形成为贯穿轴套11与覆盖层12的界面X。
图2B是示意性地示出覆盖层12从轴套11剥离的样子的图。如该图所示，即使在产生了在轴套11与覆盖层12的界面X上发生剥离的破坏E的情况下，也能由外延生长部12b和轴套11的Bi粒子11b结合后的部分阻止该破坏E的发展。因此，能提高轴套11和覆盖层12的贴合性。
图3A、3B是表示对滑动构件1的滑动面作用摩擦力的情况下的声发射的程度的曲线图。图3A、3B的横轴表示作用于覆盖层12的垂直负载，第一纵轴(右侧的轴)表示摩擦力。如图3A、3B所示，摩擦力(虚线)与垂直负载大致成比例。图3A、3B的第二纵轴(左侧的轴)表示声发射的程度，值越大则表示声发射的程度越大。声发射的程度与对覆盖层12作用摩擦力时发出的声音的音压相对应。
图3A表示对外延度的平均值为70％的滑动构件1(实施方式)的滑动面作用摩擦力的情况下的声发射的程度，图3B表示对外延度的最大值为10％的滑动构件1(比较例)的滑动面作用摩擦力的情况下的声发射的程度。声发射是指由于作用于滑动面的摩擦力所产生的滑动构件1的内部破坏而发出的声波。构成声发射的主因的滑动构件1的内部破坏被认为主要是在轴套11与覆盖层12的界面X上发生剥离的破坏。由于构成覆盖层12的Bi不固溶于构成轴套11的基体的Cu，并且不与Cu形成化合物，因此覆盖层12与轴套11容易在界面X处剥离。外延度是指轴套11和覆盖层12在界面X处的外延生长部12b的占有率越大则变得越大的指标，详细情况后述。
对比图3A和3B，在外延度的平均值为70％的图3A的滑动构件1中几乎不产生声发射(实线)，与此相对，在外延度的平均值为50％以下的图3B的滑动构件1(比较例)中产生了声发射。因此，在外延度大的情况下，能防止界面X处的轴套11与覆盖层12的剥离，使覆盖层12与轴套11的贴合性良好。
自我生长部12a是由以形成于基体11a的表面上的核作为起点生长出的Bi的结晶构成的部分。因此，自我生长部12a中的Bi的结晶颗粒构造由将覆盖层12层叠在轴套11的表面上时的结晶生长条件来决定。因此，外延生长部12b的结晶颗粒构造和自我生长部12a各自的晶粒构造由互不相同的结晶生长条件决定。因此，覆盖层12由结晶颗粒构造互不相同的外延生长部12b和自我生长部12a构成。
由于外延生长部12b和自我生长部12a具有互不相同的Bi的结晶颗粒构造，所以在外延生长部12b与自我生长部12a之间形成有结晶颗粒构造不连续的边界Y(图2B，粗线)。在本实施方式中，外延生长部12b与自我生长部12a的边界Y在覆盖层12内朝向滑动构件1的内侧形成为凸形。
在外延生长部12b与自我生长部12a的边界Y上，Bi的晶界也不连续。因此，如图2B所示，即使是在自我生长部12a中产生劈开晶界的疲劳破坏D的情况下，也能防止疲劳破坏D贯穿外延生长部12b与自我生长部12a的边界Y。在本实施方式中，由于外延生长部12b与自我生长部12a的边界Y存在于覆盖层12内(比轴套11与覆盖层12的界面X更靠覆盖层12侧)，因此能防止疲劳破坏D传播到轴套11的Bi粒子11b的内部。因此，能防止轴套11的机械特性受损。
(1-2)测量方法：
通过以下方法测量出在上述的实施方式中示出的各数值。
由ICP发光分光分析装置(岛津社制ICPS-8100)测量出构成滑动构件1的各层的元素的质量。
按照以下顺序测量出轴套11中的Bi粒子11b的平均等效圆直径。首先，以粒子径2μm的铝粒子研磨轴套11的任意剖面(不限于垂直于对象轴2的旋转轴方向的方向)。通过由电子显微镜(日本电子制JSM-6610A)，将轴套11的剖面中面积为0.02mm2的任意观察视场范围(纵0.1mm×横0.2mm的矩形范围)以500倍进行拍摄，从而得到观察图像(反射电子像)的图像数据。然后，将观察图像输入图像解析装置(NIRECO社制LUZEX II)，抽出观察图像中存在的Bi粒子11b的像。在Bi粒子11b的像的外缘存在界限(亮度、饱和度、色相角相差规定值以上的边界)。此处，通过图像解析装置，将按界限闭合的区域作为Bi粒子11b的像从观察图像中抽出。
然后，从观察图像中抽出Bi粒子11b的像，通过图像解析装置，针对观察视场范围中存在的所有的Bi粒子11b的像进行了投影面积等效圆直径(测量参数：HEYWOOD)的测量。投影面积等效圆直径是指具有与Bi粒子11b的截面积相等的面积的圆的直径，是将具有与Bi粒子11b的像的面积相等的面积的圆的直径按照倍率换算成现实的长度的直径。进而，测量出所有的Bi粒子11b的投影面积等效圆直径的算术平均值(合计值/粒子数)来作为平均等效圆直径。进而，通过将具有与Bi粒子11b的平均等效圆直径相等的直径的圆的面积乘以观察视场范围中存在的Bi粒子11b的个数，从而计算出轴套11的剖面上存在的Bi粒子11b的总面积。然后，通过将Bi粒子11b的总面积除以观察视场范围的面积，从而测量出Bi粒子11b的面积占比。此外，由于在投影面积等效圆直径不足1.0μm的情况下，投影面积等效圆直径的信赖度、物质的特定的信赖度变低，因此计算Bi粒子11b的平均等效圆直径等时不考虑这种情况。
按照以下顺序测量了外延度。首先，以截面离子抛光仪研磨滑动构件1的直径径向剖面。通过由电子显微镜，将轴套11的剖面中面积为0.02mm2的任意观察视场范围(纵0.1mm×横0.2mm的矩形范围)以7000倍倍率进行拍摄，从而得到观察图像。图4A、4B是表示观察图像的照片。如图4A所示，以目视观察了观察图像中Bi粒子11b存在于界面X的部分。进而，如图4B所示，作出连接界面X中的Bi粒子11b的两端的线段L(虚线)，并测量了该线段L的长度。
接下来，判别线段L中，在距离该线段L1μm以内的范围内存在界限的部分、以及在距离该线段L1μm以内的范围内不存在界限的部分B(箭头)，计算出不存在该界限的部分B的长度除以线段L的长度后得出的值即外延度。针对界面X中存在的多个Bi粒子11b分别计算出外延度。
此外，图3A中表示声发射的程度的滑动构件1(实施例)的外延度的最小值为50％，最大值为95％，平均值为70％。另一方面，图3B中表示声发射的程度的滑动构件1(比较例)的外延度的最大值为10％。此外，连结线段L的两端的连续的界限意指外延生长部12b与自我生长部12a的边界Y(点划线)。由于在外延生长部12b与自我生长部12a上，Bi结晶颗粒的大小、结晶颗粒的排列方向不同，因此在外延生长部12b与自我生长部12a之间观察到界限。此外，界限还可以通过获取了观察图像的图像解析装置测量出来。
(1-3)滑动构件的制造方法：
首先，准备具有与轴瓦10相同厚度的低碳钢平面板。
接下来，在由低碳钢形成的平面板上散布构成轴套11的材料的粉末。具体地，按照上述的轴套11的各成分的质量比，在低碳钢平面板上散布Cu粉末、Bi粉末以及Sn粉末。只要能满足轴套11的各成分的质量比即可，还可以在低碳钢平面板上散布Cu-Bi、Cu-Sn等的合金粉末。粉末的颗粒直径通过试验用筛子(JIS Z8801)调整至150μm以下。
接下来，将低碳钢平面板、以及在该平面板上散布的粉末烧结。将烧结温度控制为700～1000℃，在惰性气氛中进行烧结。烧结后进行冷却。
当冷却结束时，在低碳钢平面板上形成Cu合金层。该Cu合金层含有在冷却中析出的软质Bi粒子11b。
接下来，以将中空状的圆筒在直径方向上二等分的形状的方式冲压加工形成有Cu合金层的低碳钢。此时，以使低碳钢的外径与滑动构件1的外径一致的方式进行冲压加工。
接下来，对形成于轴瓦10上的Cu合金层的表面进行了切削加工。此时，控制切削量使得形成于轴瓦10上的Cu合金层的厚度与轴套11相同。由此，能由切削加工后的Cu合金层形成轴套11。切削加工通过例如设置有由烧结金刚石形成的切削工具的车床来进行。切削加工后的轴套11的表面构成轴套11与覆盖层12的界面X。
接下来，通过在轴套11的表面上只电镀10μm的厚度来层叠作为软质材料的Bi，从而形成覆盖层12。电镀的顺序如下。首先，通过在电解液中对轴套11的表面流过直流电流，从而对轴套11的表面进行脱脂。接下来，对轴套11的表面进行水洗。进而，通过对轴套11的表面进行酸洗，从而将通过阳极氧化而形成的氧化膜以外的不需要的氧化物从轴套11表面除去。然后，再次对轴套11的表面进行水洗。以上的前处理结束后，通过向浸渍在电镀浴中的轴套11提供电流来进行电镀。采用包含Bi浓度：10～50g/L、有机磺酸：25～100g/L、添加剂：0.5～50g/L的电镀浴的浴液组成。电镀浴的浴液温度为25℃。进而，提供给轴套11的电流为直流电流，其电流密度为0.5～5.0A/dm2。
通过如上进行电镀，Bi从轴套11与覆盖层12的界面X中存在的Bi粒子11b外延生长，在覆盖层12中形成了外延生长部12b。在覆盖层12的层叠结束后，通过进行水洗和干燥，完成滑动构件1。进而，通过将两个滑动构件1组合成圆筒状，形成滑动轴承A。
(2)其他实施方式：
在上述实施方式中，例示了构成对发动机的曲轴进行轴支承的滑动轴承A的滑动构件1，但也可以用本发明的滑动构件1形成其他用途的滑动轴承A。例如，可以用本发明的滑动构件1形成变速箱用的齿轮轴套、活塞销轴套/活塞毂轴套等。当然，滑动构件1也可以是轴以外的对象构件进行滑动的构件。另外，轴套11的基体不限于Cu合金，只要能根据对象轴2的硬度选择基体的材料即可。另外，软质材料比基体软，并且，可以是可析出到基体中的材料，也可以是例如Pb、Sn、In。
附图标记说明
1：滑动构件；
2：对象轴；
10：轴瓦；
11：轴套；
11a：基体；
11b：Bi粒子；
12：覆盖层；
X：界面；
Y：边界。

Claims (2)

1.一种滑动轴承，从外侧朝向内侧按顺序具备：
轴套，具有基体以及析出到所述基体中的由比基体软的软质材料构成的软质粒子；以及
覆盖层，由所述软质材料形成于所述轴套的表面上，
所述覆盖层的内侧的面构成对象轴的滑动面，
所述滑动轴承的特征在于，
所述覆盖层在与轴套之间的界面上，包括与轴套的基体接合的部分、以及与露出到轴套的表面的软质粒子接合的部分，其中，在与露出到轴套的表面的软质粒子接合的部分中，形成有所述软质材料从所述软质粒子外延生长后的外延生长部。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，
所述基体为Cu合金，
所述软质材料为Bi。
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