CN109429498A - 滑动构件以及滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能通过简单的构成来实现良好的耐磨耗性的技术。滑动构件以及滑动轴承是在基层上形成有具有与配对件的滑动面的覆盖层的滑动构件以及滑动轴承，其中，所述基层由比所述覆盖层硬的硬质材料形成，在所述覆盖层中的距与所述基层的界面的距离为1μm以上且2μm以下的评价范围内，从所述基层扩散出的所述硬质材料的扩散成分的平均浓度为4wt％以上。

Description

滑动构件以及滑动轴承
技术领域
本发明涉及一种供配对件在滑动面上滑动的滑动构件以及滑动轴承。
背景技术
已知有使0.3～25容量％的无机物粒子分散在镀膜中的滑动轴承(参照专利文献1)。在专利文献1中，能通过镀膜中所含的无机物粒子来提高耐磨耗性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平4-331817号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，像专利文献1那样使无机物粒子分散在镀膜中存在技术上困难的问题。具体而言，存在如下问题：在镀敷时，产生无机物粒子的凝聚，并且难以控制共析率。其结果是，无法稳定地控制镀膜中的无机物粒子的分散状态，无法实现良好的耐磨耗性。
本发明是鉴于所述问题而完成的，其目的在于提供一种能通过简单的构成来实现良好的耐磨耗性的技术。
用于解决问题的方案
为了达到所述目的，本发明的滑动构件以及滑动轴承是在基层上形成有具有与配对件的滑动面的覆盖层的滑动构件以及滑动轴承，其中，基层由比覆盖层硬的硬质材料形成，在覆盖层中的距与基层的界面的距离为1μm以上且2μm以下的评价范围内，从基层扩散出的硬质材料的扩散成分的平均浓度为4wt％以上。
在所述的构成中，覆盖层由比基层的硬质材料软的材料形成，但通过来自基层的扩散成分扩散到覆盖层中，能提高耐磨耗性。此外，通过使硬质材料从基层扩散到覆盖层中，能容易地提高耐磨耗性。通过使硬质材料从基层扩散到覆盖层中，能以软的状态维持远离基层的覆盖层的表面侧，能得到良好的初始磨合性。此外，通过将距与基层的界面的距离为1μm以上且2μm以下的评价范围内的扩散成分的平均浓度设为4wt％以上，最晚在磨耗发展到评价范围的阶段能发挥良好的耐磨耗性。此外，更理想的是，将评价范围内的扩散成分的平均浓度设为8.2wt％以上。
在此，覆盖层可以由Bi、Sn、Pb、In或Sb形成。Bi、Sn、Pb、In、Sb均硬度(例如莫氏硬度)小，适合作为比基层的硬质材料软的材料。另一方面，基层的硬质材料是比这些覆盖层的材料硬的材料即可，是能扩散到这些覆盖层中的材料即可。基层既可以由单一元素的金属形成，也可以由合金形成，还可以由各种粒子分散在基质中的材料形成。
此外，来自基层的扩散成分可以至少通过覆盖层的晶粒边界处的晶界扩散而扩散到覆盖层。由此，强化滑动面中的覆盖层的晶粒的晶界露出的部分，另一方面，在覆盖层的晶粒的晶界以外的部分(晶内)露出的部分能维持柔软性。因此，能兼顾耐磨耗性和磨合性。需要说明的是，扩散成分包含至少通过晶界扩散而扩散出的成分即可，也可以包含晶内扩散的成分和晶界扩散的成分。
进而，在评价范围内，与界面平行的方向上的扩散成分的浓度的标准偏差可以为3wt％以上。如此，在与基层和覆盖层的界面平行的方向上的扩散成分的浓度的标准偏差为3wt％以上的情况下，可以判断为扩散成分偏向晶界而扩散。
附图说明
图1是本发明的实施方式的滑动构件的立体图。
图2是滑动构件的截面示意图。
图3是扩散成分的浓度的图表。
图4是滑动构件的截面照片。
具体实施方式
在此，按下述的顺序对本发明的实施方式进行说明。
(1)第一实施方式：
(1-1)滑动构件的构成：
(1-2)计量方法：
(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)滑动构件的构成：
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包括衬背(backing)10、衬层(lining)11以及镀覆层(overlay)12。滑动构件1是将中空状的圆筒在直径方向上二等分而成的对开形状的金属构件，截面为半圆弧状。通过将两个滑动构件1组合成圆筒状而形成滑动轴承A。滑动轴承A在形成于内部的中空部分对圆柱状的配对轴2(发动机的曲轴)进行轴支承。配对轴2的外径形成为比滑动轴承A的内径略小。向形成于配对轴2的外周面与滑动轴承A的内周面之间的间隙供给润滑油(发动机油)。此时，配对轴2的外周面在滑动轴承A的内周面上滑动。
滑动构件1具有按照远离曲率中心的顺序依次层叠有衬背10、衬层11以及镀覆层12的构造。因此，衬背10构成滑动构件1的最外层，镀覆层12构成滑动构件1的最内层。衬背10、衬层11以及镀覆层12分别在圆周方向上具有固定厚度。衬背10的厚度为1.8mm，衬层11的厚度为0.2mm，镀覆层12的厚度为10μm。镀覆层12的曲率中心侧的表面的直径(滑动构件1的内径)为73mm。以下，内侧是指滑动构件1的曲率中心侧，外侧是指滑动构件1的曲率中心的相反侧。镀覆层12的内侧的表面构成配对轴2的滑动面。
衬背10由含有0.15wt％的C、0.06wt％的Mn、剩余部分由Fe构成的钢形成。需要说明的是，衬背10由能经由衬层11和镀覆层12支承来自配对轴2的载荷的材料形成即可，也可以不必须由钢形成。
衬层11是层叠于衬背10的内侧的层，构成本发明的基层。衬层11含有10wt％的Sn、8wt％的Bi，剩余部分由Cu和不可避免的杂质构成。衬层11的不可避免的杂质是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在整体中为1.0wt％以下。
镀覆层12是层叠于衬层11的内侧的表面上的层，构成本发明的覆盖层。镀覆层12由Bi、来自衬层11的扩散成分以及不可避免的杂质构成，不可避免的杂质的含量为1.0wt％以下。
图2是滑动构件1的截面示意图。在图2中，示出了滑动构件1的轴向的垂直截面。在衬层11上形成有镀覆层12，衬层11与镀覆层12的边界线X(虚线)为直线状。严格来说边界线X为圆弧状，但图示了相对于滑动构件1的曲率充分小的区域，将边界线X视为直线。边界线X是衬层11与镀覆层12的界面上的线。在图2中，将镀覆层12中的、由使边界线X向滑动面S侧平行移动1μm的线和使该边界线X向滑动面S侧平行移动2μm的线夹持的范围设为评价范围E。在本实施方式中，将评价范围E的宽度方向的长度设为9μm。
如图2所示，镀覆层12的晶粒12a具有相对于与衬层11的边界线X大致垂直的柱状的形状。将连接单个晶粒12a的轮廓线上的两点的线段中的、长度最大的线段设为长轴LA，将在该长轴LA的中点与该长轴LA正交的晶粒12a上的线段设为短轴SA。此外，将各晶粒12a的长轴LA的长度除以短轴SA得到的比的平均值设为平均长宽比。晶粒12a的平均长宽比为3。进而，将各晶粒12a的长轴LA的方向(接近滑动面S的方向)设为晶体生长方向，将各晶粒12a的晶体生长方向的算术平均值设为平均晶体生长方向。本实施方式中的平均晶体生长方向与滑动面S大致垂直(85度)。
图3是表示评价范围E内的Cu的平均浓度的图表。镀覆层12所含的Cu是来自衬层11的扩散成分。如图3所示，在进行后述的热处理之前，评价范围E内的Cu的平均浓度为3.0wt％，与之相对，在进行了后述的热处理之后，评价范围E内的Cu的平均浓度为8.2wt％。在评价范围E内，原本衬层11的Cu仅扩散了3.0wt％，但通过进行热处理，Cu的浓度增加了5.2wt％。
在镀覆层12中，距与衬层11的界面越远，作为来自衬层11的扩散成分的Cu的浓度越小。需要说明的是，衬层11所含的Sn也与Cu同样地扩散到镀覆层12内。
对图2中将评价范围E在边界线X的方向上分割而成的每个分割范围e计量Cu的浓度，并计算出每个分割范围e的Cu的浓度的标准偏差。其结果是，每个分割范围e的Cu的浓度的标准偏差为5.6wt％。边界线X的方向上的分割范围e的宽度与边界线X的方向上的Bi的晶粒的平均宽度相同。Bi的晶粒的平均宽度为各晶粒12a的短轴SA的长度的算术平均值。
图4是滑动构件1的截面照片。在图4中，颜色(灰色)越浓，意味着Cu的浓度越高。如图4所示，在边界线X的镀覆层12侧存在Cu的浓度为高浓度的突出部P。该突出部P被认为是晶粒12a的晶界中的、在图4的截面露出的部分。就是说，在镀覆层12中，Cu在晶粒12a的晶界中以比晶粒12a的晶内高的浓度扩散，图4的截面中的晶粒12a的晶界露出的部分表现为突出部P。这也可以通过将评价范围E在边界线X的方向上分割而成的每个分割范围e的Cu的浓度的标准偏差大至5.6wt％而得到证明。
在以上说明的本实施方式中，通过来自衬层11的扩散成分扩散到镀覆层12中，能提高耐磨耗性。此外，通过使作为硬质材料的Cu从作为基层的衬层11扩散到作为覆盖层的镀覆层12中，能容易地提高耐磨耗性。通过使Cu扩散到镀覆层12中，能以软的状态维持远离衬层11的镀覆层12的表面侧，能得到良好的初始磨合性。此外，通过将距衬层11与镀覆层12的界面的距离为1μm以上且2μm以下的评价范围E内的扩散成分(Cu)的平均浓度设为8.2wt％，最晚在磨耗发展到评价范围E的阶段能发挥良好的耐磨耗性。本发明人确认了：通过以将距衬层11与镀覆层12的界面的距离为1μm以上且2μm以下的评价范围E内的扩散成分的平均浓度设为4wt％以上的方式进行管理，与该扩散成分的平均浓度小于4wt％的情况相比，耐磨耗性得以提高。
此外，来自衬层11的扩散成分通过晶界扩散而扩散到镀覆层12。由此，强化滑动面S中的镀覆层12的晶粒12a的晶界露出的部分，另一方面，在晶粒12a的晶粒12a的晶界以外的部分(晶内)露出的部分能维持柔软性。因此，能兼顾耐磨耗性和磨合性。进而，在评价范围E内，与衬层11和镀覆层12的界面平行的方向上的扩散成分的浓度的标准偏差为3wt％以上的5.6wt％。如此，在与界面平行的方向上的扩散成分的浓度的标准偏差为3wt％以上的情况下，可以判断为扩散成分偏向晶界和晶内中的晶界而扩散。本发明人确认了：通过以与衬层11和镀覆层12的界面平行的方向上的扩散成分的浓度的标准偏差为3wt％以上的方式进行管理，与该扩散成分的浓度的标准偏差小于3wt％的情况相比，磨合性得以提高。
(1-2)计量方法：
通过以下方法对在上述的实施方式中示出的各数值进行了计量。构成滑动构件1的各层的元素的质量由ICP发射光谱分析装置(岛津公司制ICPS-8100)计量。
各层的厚度按以下的步骤进行了计量。首先，通过截面抛光仪(日本电子制IB-09010CP)抛光了滑动构件1的轴向的垂直截面。然后，通过电子显微镜(日本电子制JSM-6610A)以7000倍的倍率拍摄滑动构件1的截面，由此得到了观察图像(反射电子图像)的图像数据。然后，通过图像解析装置(Nireco公司制Luzex AP)对观察图像进行解析，由此计量出膜厚。
进而，通过电子显微镜(日本电子制JSM-6610A)以15000倍的倍率拍摄滑动构件1的截面，由此得到了解析图像。然后，通过图像解析装置(Nireco公司制Luzex AP)对解析图像进行了解析。具体而言，通过图像解析装置，将形成衬层11与镀覆层12的界面的波纹度曲线的平均线(JIS B 0601)确定为边界线X。进而，通过图像解析装置，检测出镀覆层12中的各晶粒12a的晶界，确定了各晶粒12a的长轴LA、短轴SA以及晶体生长方向。各晶粒12a的晶界例如可以通过边缘检测来检测出。进而，计算出各晶粒12a的长轴LA的长度除以短轴SA得到的比的平均值作为平均长宽比。需要说明的是，将圆当量直径小于0.1μm的晶粒12a从长宽比的计算对象中排除。
此外，以如下方式对图2的评价范围E内的Cu的浓度进行了计量。具体而言，通过元素分析装置(日本电子制JSM-6610A的EDS(能量色散型X射线光谱仪))对上述的由截面抛光仪抛光后的滑动构件1的截面进行分析，由此计量出评价范围E内的Cu的浓度。
(1-3)滑动构件的制造方法：
首先，准备了具有与衬背10相同厚度的低碳钢的平面板。
接着，在由低碳钢形成的平面板上撒放构成衬层11的材料的粉末。具体而言，以形成上述的衬层11中的各成分的质量比的方式，在低碳钢的平面板上撒放Cu粉末、Bi粉末以及Sn粉末。能满足衬层11中的各成分的质量比即可，也可以在低碳钢的平面板上撒放Cu-Bi、Cu-Sn等合金粉末。粉末的粒径通过试验用筛子(JIS Z8801)调整到150μm以下。
接着，对低碳钢的平面板和在该平面板上撒放的粉末进行了烧结。将烧结温度控制为700～1000℃，在惰性气氛中进行了烧结。烧结后，进行了冷却。需要说明的是，衬层11也可以不必须通过烧结来形成，也可以通过铸造等来形成。
当冷却完成时，在低碳钢的平面板上形成有Cu合金层。在该Cu合金层中含有冷却过程中析出的软质的Bi粒子。
接着，以形成将中空状的圆筒在直径处二等分的形状的方式，对形成有Cu合金层的低碳钢进行了冲压加工。此时，以低碳钢的外径与滑动构件1的外径一致的方式进行了冲压加工。
接着，对形成于衬背10上的Cu合金层的表面进行了切削加工。此时，以形成于衬背10上的Cu合金层的厚度与衬层11相同的方式控制了切削量。由此，能通过切削加工后的Cu合金层形成衬层11。切削加工例如通过设置了由烧结金刚石形成的切削工具件的车床来进行。切削加工后的衬层11的表面构成衬层11与镀覆层12的界面。
接着，通过电镀在衬层11的表面上层叠10μm厚的Bi，由此形成了镀覆层12。电镀的步骤如下所述。首先，对衬层11的表面进行了水洗。进而，通过对衬层11的表面进行酸洗，从衬层11的表面去除了不需要的氧化物。之后，再次对衬层11的表面进行了水洗。
当以上的预处理完成时，通过向浸渍在镀浴中的衬层11供给电流进行了电镀。采用了包含50～250g/l的甲磺酸、5～40g/l(Bi浓度)的甲磺酸Bi、0.5～50g/l的表面活性剂的镀浴的浴组成。镀浴的浴温度设为20～50℃。进而，向衬层11供给的电流设为直流电流，其电流密度设为0.5～7.5A/dm2。电镀时，将镀浴(液)设为无液流的静止状态。由此，能使晶粒12a从衬层11的表面朝向曲率中心进行晶体生长。电镀完成后，进行了水洗和干燥。
接着，在维持150℃的状态下经过50小时的热处理，使衬层11的成分(主要是Cu)扩散到镀覆层12中。由此，如图3的图表所示，能在热处理后使评价范围E内的来自衬层11的扩散成分的浓度增加。热处理的温度理想为被扩散元素的熔点的65％以下的温度，在被扩散元素为Bi的情况下，理想为175℃以下。由此，能防止衬层11的成分扩散到Bi的晶粒12a内，能使衬层11的成分扩散到Bi的晶粒12a的晶界。
当以如上方式完成滑动构件1时，将两个滑动构件1组合成圆筒状，由此形成了滑动轴承A。
(2)其他实施方式：
在所述实施方式中，举例示出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，但也可以通过本发明的滑动构件1来形成其他用途的滑动轴承A。例如，可以通过本发明的滑动构件1来形成变速器用的齿轮衬套、活塞销衬套/轮毂衬套等径向轴承。进而，本发明的滑动构件可以是推力轴承，也可以是各种垫圈，还可以是汽车空调压缩机用的斜盘。此外，衬层11的基质不限于Cu合金，根据配对轴2的硬度来选择基质的材料即可。此外，覆盖层的材料是比衬层11软的材料即可，例如可以是Pb、Sn、In、Sb中的任一种。
附图标记说明
1：滑动构件；2：配对轴；10：衬背；11：衬层；12：镀覆层；12a：晶粒；A：轴承；E：评价范围；LA：长轴；P：突出部；S：滑动面；SA：短轴；X：边界线；e：分割范围。

Claims (6)

1.一种滑动构件，在基层上形成有具有与配对件的滑动面的覆盖层，其中，
所述基层由比所述覆盖层硬的硬质材料形成，
在所述覆盖层中的距与所述基层的界面的距离为1μm以上且2μm以下的评价范围内，从所述基层扩散出的所述硬质材料的扩散成分的平均浓度为4wt％以上。
2.根据权利要求1所述的滑动构件，其中，
所述扩散成分至少通过所述覆盖层的晶粒边界处的晶界扩散而扩散到所述覆盖层。
3.根据权利要求2所述的滑动构件，其中，
在所述覆盖层中，与所述界面平行的方向上的所述扩散成分的浓度的标准偏差为3wt％以上。
4.一种滑动轴承，在基层上形成有具有与配对件的滑动面的覆盖层，其中，
所述基层由比所述覆盖层硬的硬质材料形成，
在所述覆盖层中的距与所述基层的界面的距离为1μm以上且2μm以下的评价范围内，从所述基层扩散出的所述硬质材料的扩散成分的平均浓度为4wt％以上。
5.根据权利要求4所述的滑动轴承，其中，
所述扩散成分至少通过所述覆盖层的晶粒边界处的晶界扩散而扩散到所述覆盖层。
6.根据权利要求5所述的滑动轴承，其中，
在所述覆盖层中，与所述界面平行的方向上的所述扩散成分的浓度的标准偏差为3wt％以上。
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