CN109578438B - 滑动部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滑动部件。本发明的滑动部件是一种具备轴承合金层和形成于该轴承合金层上的树脂覆盖层的滑动部件，其中，树脂覆盖层包含固体润滑剂相、粘合剂树脂相和缓冲相，该缓冲相的面积率在0.5％以上、5.0％以下。本发明提高了具备树脂覆盖层的滑动轴承等滑动部件中该树脂覆盖层的适配性。

Description

滑动部件
技术领域
本发明涉及滑动部件。更具体而言，涉及具备树脂覆盖层的滑动部件的改良。
背景技术
作为滑动部件，已知的有与被滑动部件的接触面为树脂制的滑动部件。该树脂覆盖层中含有固体润滑剂，确保了对于被滑动部件的低摩擦性。
该树脂覆盖层与金属制覆盖层相比难以发生塑性变形，因此通过在其上设置凹凸来促使其凸部的塑形变形，从而试图提高对被滑动部件的适配性(参照专利文献1和专利文献2)。通过改善适配性，即使在被滑动部件与滑动部件的组装中存在未对齐的情况，局部碰触也可得到缓和，不易对耐卡滞性以及其它机械特性产生不利影响。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-211859号公报
专利文献2：日本专利特开2011-179566号公报
发明内容
本发明所要解决的技术问题
按照专利文献1和专利文献2中所记载的滑动轴承(滑动部件)，形成于树脂覆盖层上的凹凸部提供塑性变形，来改善对汽车发动机的机轴(被滑动部件)的适配性。
随着近年来汽车发动机中机轴与滑动轴承之间的面压不断升高而要求所使用的油具有低粘度。因此，对滑动部件要求更严酷的使用条件。
换言之，要求滑动部件的树脂覆盖层的适配性进一步提高。
解决技术问题所采用的技术方案
从以上观点出发，发明人针对树脂覆盖层适配性的提高反复进行了深入研究。其结果是，着眼于树脂覆盖层内所形成的空隙，从而想到了本发明。
本发明的第1方面限定如下。即，
一种滑动部件，该滑动部件是具备轴承合金层和形成于该轴承合金层上的树脂覆盖层的滑动部件，其中，所述树脂覆盖层包含固体润滑剂相、粘合剂树脂相和缓冲相(日文：クッション相)，该缓冲相的面积率在0.5％以上、5.0％以下。
此处，树脂覆盖层内所必然形成的空隙相当于缓冲相。空隙能够积蓄空气以及其它气体、油以及其它液体。通过主动使树脂覆盖层中存在该缓冲相，在对树脂覆盖层施加应力时，缓冲相会吸收该应力。即，粘合剂树脂相以使缓冲相压扁的形式发生形变。该形变主要是弹性形变。藉此来提高对滑动部件的适配性。
如果树脂覆盖层中存在过多的缓冲相，则虽然树脂覆盖层的弹性形变性可得以确保，但存在耐磨耗性降低、或者摩擦系数增大之虞。而且，还存在对基底层的粘接性变得不稳定之虞。而如果树脂覆盖层中所存在的缓冲相过少，则树脂覆盖层会变得难以进行弹性形变，因而不佳。
本发明人求得缓冲相的合适比例，以“面积率”这一规定指标来表示。此处，所谓缓冲相的面积率，是指将树脂覆盖层从其表面垂直切断后所得到的切面上所显现的空隙的面积比例。空隙具有三维延展性，但其比例以上述这种二维指标“面积率”来代表。
即，如果树脂覆盖层中缓冲相的面积率为0.5～5.0％，则适配性提高，即使被滑动部件与滑动部件局部碰触，两者之间也不易发生卡滞(日文：焼付)。如果该面积率低于0.5％，则难以得到充分的适配性。此外，如果该面积率超过5.0％，则会发生诸如刚性降低、对基底层的粘接性降低这样的情况，因而不佳。
此外，缓冲相的面积率的更优选数值为2.0～5.0％。
此处，相当于缓冲相的空隙的尺寸平均值(以下也称为“缓冲相的尺寸的平均值”)优选在0.004μm2以上且在0.020μm2以下。更优选相当于缓冲相的空隙的尺寸(以下也称为“缓冲相的尺寸”)尽可能均匀，平均值-3σ(标准偏差)在0.003μm2以上、平均值+3σ(标准偏差)在0.050μm2以下为好。通过将缓冲相的尺寸的平均值以及平均值的±3σ限制在该范围内，使缓冲相的尺寸均匀化，不仅能够使树脂覆盖层的全部区域都具有塑形形变能力还具有充分的弹性形变能力。
另一方面，如果缓冲相的平均尺寸小于0.004μm2，则存在树脂覆盖层塑性形变量所产生的效果降低之虞。而如果缓冲相的平均尺寸大到超过0.020μm2，则树脂覆盖层中缓冲相的分散性降低，存在无法保证树脂覆盖层的全部区域都具有充分的弹性形变能力之虞。此外，使缓冲相的尺寸分布位于上述范围内，是为了确保树脂覆盖层的全部区域都具有均匀且充分的弹性形变能力。
缓冲相的面积率或尺寸有可能随着形成树脂覆盖层的材料或其制造装置、以及制造条件而变化。根据本发明人的研究，通过例如对树脂覆盖层的干燥条件进行调整、对溶剂的比例进行调整，能够调整缓冲相的面积率或其尺寸。
本发明的第2方面限定如下。即，
在第1方面所限定的滑动部件中，所述树脂覆盖层中，所述固体润滑剂相在20体积％以上、70体积％以下。
通过使树脂覆盖层整体中固体润滑剂相的体积比例为20～70体积％，具备缓冲相的树脂覆盖层的适配性进一步提高。如果固体润滑剂相的比例小于20体积％，则存在润滑性降低之虞。如果其超过70体积％，则粘合剂树脂成分不足而存在树脂覆盖层变脆之虞。
上述体积比例不仅能够通过原料阶段对各成分的体积进行比较来确定，还能够通过用ICP对滑动部件的树脂覆盖层进行化学分析来确定。
本发明的第3方面限定如下。即，在第1或第2方面所限定的滑动部件中，比所述轴承合金层更软质的金属制中间缓冲层介于所述轴承合金层与所述树脂覆盖层之间，且该中间缓冲层的厚度为所述树脂覆盖层厚度的0.2～6.0倍。
通过在树脂覆盖层与轴承合金层之间设置中间缓冲层，作为滑动部件的适配性提高。
本发明人对适合作为具备缓冲相的树脂覆盖层使用的中间缓冲层进行了探索。其结果是发现了这两层的厚度与适配性有关。即，如果使中间缓冲层的厚度为含有规定量缓冲相的树脂覆盖层的厚度的0.2～6.0倍，则适配性显著提高。而如果这两层的厚度之比小于0.2倍、或超过6.0倍，则与不含中间缓冲层的滑动部件相比，几乎未呈现性能上的提高，即使呈现也微乎其微。
附图说明
图1是显示本发明第1实施方式的滑动轴承的剖视图。
图2是对算出实施方式的滑动轴承的树脂覆盖层中的缓冲相比例的方法进行说明的图，图2(A)是从轴承面将树脂覆盖层垂直切断而得的切面的显微镜照片。图2(B)是图2(A)的色调反转图。图2(C)是显示图2(B)经过图像处理后的结果的图。
图3是显示第2实施方式的滑动轴承的剖视图。
具体实施方式
下面，基于实施方式对本发明进行说明。
作为本发明第1实施方式的滑动部件的滑动轴承1的层结构示于图1。
该滑动轴承1具备金属背层3、轴承合金层5和树脂覆盖层7。
金属背层3由塑形成筒状或半圆筒状的钢板构成。金属背层3的上表面上采用烧结、铸造、压接等方法层压了由Al、Cu、Sn等合金构成的轴承合金层5。
为了提高轴承合金层5与树脂覆盖层7之间的粘接性，可使轴承合金层5的内周表面粗面化。作为粗面化的方法，可采用碱性蚀刻与酸洗的组合这样的化学表面处理方法或喷丸处理等机械表面处理方法。
形成树脂覆盖层7的组合物包含粘合剂树脂和固体润滑剂。
此处，粘合剂树脂可根据滑动轴承1的用途来适当选择。例如，可采用聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、氟树脂以及弹性体中的一种以上，也可以是聚合物混合物(ポリマーアロイ)。
固体润滑剂的材质也可根据滑动轴承的用途来适当选择。例如，可选择二硫化钼、二硫化钨、h-BN(h-氮化硼)、PTFE(聚四氟乙烯)、石墨、三聚氰胺氰尿酸酯、氟化碳、酞菁、石墨烯纳米片晶、富勒烯、超高分子量聚乙烯(三井化学株式会社(三井化学)制造，商标名“MIPELON”)、Nε-月桂酰-L-赖氨酸(味之素株式会社(味の素)制造，商标名“Amihope”)等中的一种以上。
形成树脂覆盖层7的组合物中还可添加上述以外的任意助剂。所述助剂可例举金属粒子、金属氧化物粒子、金属氮化物粒子等。
该树脂覆盖层7的厚度可根据滑动轴承的用途适当调整，例如可为2～20μm。
树脂覆盖层7按照以下方式形成。
使用NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)、异佛尔酮、GBL(γ-丁内酯)、DMSO(二甲亚砜)、DAM(二甲基乙酰胺)这样的特定溶剂溶解用于粘合剂树脂的树脂材料。所述溶剂通常沸点较高(沸点：超过150℃)且价格较贵。还必须使固体润滑剂也分散于该溶剂中。于是，在使粘合剂树脂溶解于NMP等第1溶剂之后，再向其中添加第2溶剂来调整其粘度以使固体润滑剂易于分散。该第2溶剂可采用乙醇、乙酸丁酯、环己烷、甲乙酮、MIBK(甲基异丁酮)、甲苯、二甲苯、乙苯等沸点比第1溶剂低(沸点：在150℃以下)的溶剂。
优选全部溶剂中第2溶剂的质量％在15质量％以上且在40质量％以下。更优选的是在40质量％以下。通过使第2溶剂的质量％在上述范围内，能够容易地将树脂覆盖层7缓冲相的面积率及其尺寸调整至所需的范围内。
将由此得到的液态组合物涂布至轴承合金层5的表面上，进行干燥以使溶剂挥发，随后使其热固化。涂布方法可采用喷涂法、辊涂法、垫涂法(日文：パッド法)、丝网法等公知的方法。
干燥在80～160℃下进行。此外，当使第2溶剂的质量％在全部溶剂中为上述的15质量％以上且40质量％以下时，如果在刚涂布液态组合物后的3分钟以内完成干燥，则能够更加容易地将树脂覆盖层7缓冲相的面积率及其尺寸调整至所需的范围内。另外，干燥是否完成通过目视来判断。
从由此形成的滑动轴承1的树脂覆盖层7的表面沿垂直方向和轴向将其切断，对切面进行精密研磨后，用扫描型电子显微镜进行观察。所得到的图像示于图2(A)。将图2(A)的图像色调反转就得到了图2(B)的图像。图2(C)是对图2(B)的图像进行二值化处理后得到的图像。图2(C)中的白色部分显示空隙(空洞)，即缓冲相11。
此外，图2(B)中的符号13表示固体润滑剂相，符号15表示粘合剂树脂相。
此处，缓冲相11的面积率按照以下方式求得。
在用电子显微镜拍摄切面之际，观察范围定为纵向1.7μm×横向2.5μm的矩形。将所得到的图像处理成图2(C)，使用通用的图像解析装置对该图像进行处理，得到白色部分、即缓冲相11的面积比例和尺寸的分散程度。
如上文所述，以观察面积为100％时的缓冲相11的面积率优选为0.5～5.0％。此外，缓冲相11的尺寸的平均值优选在0.004μm2以上且在0.020μm2以下。更优选其尺寸尽可能均匀，平均值-3σ在0.003μm2以上、平均值+3σ在0.050μm2以下为好。
对于具备由此得到的树脂覆盖层7的滑动轴承，为了评价其适配性，强制性地使滑动轴承相对于轴倾斜而造成两者局部碰触的状况，以进行卡滞试验。其结果发现，该实施方式的滑动轴承呈现出优异的耐卡滞性能。
本发明人对形成具备上述缓冲相11的树脂覆盖层7的组合物的合适组成进行了研究。其结果发现，以树脂覆盖层整体为100体积％时，使固体润滑剂相的体积比例为20～70体积％。
按照上述方式调整树脂覆盖层的固体润滑剂相的体积比例，形成滑动轴承，以进行卡滞试验时，滑动轴承的耐卡滞性能进一步提高。
图3中显示了第2实施方式的滑动轴承20。另外，对与图1相同的要素标以相同的符号，并且部分省略其说明。
该滑动轴承20中，轴承合金层5与树脂覆盖层7之间形成有中间缓冲层9。该中间缓冲层9由比轴承合金层5更软质的金属制成。作为中间缓冲层9，可使用例如Pb、Sn、In、Cu、Bi、Sb的单质或它们的合金。
所述中间缓冲层9可使用PVD、CVD、喷镀、镀覆等方法来层压在轴承合金层5的表面上。
中间缓冲层9的材质或厚度可根据滑动轴承的用途来适当选择。
本发明人对适合作为具备上述缓冲相11的树脂覆盖层7使用的中间缓冲层9进行了研究。其结果发现，使中间缓冲层9的厚度为树脂覆盖层7的0.2～6.0倍。按照上述厚度关系对中间缓冲层9与树脂覆盖层7之间的厚度关系进行调整，形成滑动轴承，以进行卡滞试验时，滑动轴承的耐卡滞性进一步提高。
实施例
下面，对实施例进行说明。
实施例以及比较例的滑动轴承按照以下方式形成。
在金属背层3上衬覆Cu基轴承合金层5，以制造所谓的双金属。将该双金属塑形成半圆筒状，对轴承合金层5的表面进行抛光加工，以对表面进行精整。
然后，作为形成树脂覆盖层7的前处理，为了确保树脂覆盖层7与轴承合金层5之间的粘接性，对轴承合金层5的表面实行喷丸处理，以使其表面粗面化。
另一方面，将粘合剂树脂(PAI(聚酰胺酰亚胺))等溶解于第1溶剂(NMP)中，再使作为固体润滑剂的规定量的MoS2分散于其中。随后，用低沸点的第2溶剂(二甲苯等)进行稀释(液态组合物中全部溶剂75质量％)。液态组合物中全部溶剂的质量比例优选为65～85质量％。此时，通过调整第2溶剂相对于全部溶剂(第1溶剂+第2溶剂)的质量比例来调整缓冲相11的面积率。如果第2溶剂的质量比例低于15质量％，则缓冲相11的尺寸变得较小，其面积率小于0.5％的可能性高。而如果第2溶剂的质量比例超过40质量％，则缓冲相11的尺寸变得较大，其面积率超过5.0％的可能性高。
通过空气喷涂法将由此得到的液态组成物均匀地涂布至轴承合金层5的表面上。使涂布厚度为3～20μm。随后立即进行干燥。此时，将加热温度调整至80～160℃的范围内，以使干燥在3分钟内完成。
然后，在160～240℃下加热约60分钟，以使粘合剂树脂固化。
涂布后的液态组成物的涂布厚度在对其进行热处理(干燥和固化)后几乎没有变化。即，树脂覆盖层的厚度与该液态组合物的涂布厚度基本相等。此外，本申请中，将滑动部件中轴承合金层上所形成的层的厚度定义为总厚度。即，所谓总厚度是指，例如在轴承合金层上隔着中间缓冲层存在树脂覆盖层的场合下为中间缓冲层和树脂覆盖层的合计平均厚度，而在只存在树脂覆盖层的场合下为其平均厚度。
由此得到了内径为45mm、轴向长度为30mm的实施例的滑动轴承。
为了对实施例的滑动轴承的适配性进行评价，进行了卡滞试验。
在使轴支撑在实施例的滑动轴承上之际，在外壳与滑动轴承背面之间插入垫片，以有意使轴的轴心从固定在外壳中的滑动轴承的轴心倾斜。
轴旋转的周速为25m/s，将每10分钟对两者的面压加压5Mpa时轴与滑动轴承之间未发生卡滞的最大面压作为卡滞试验的结果。
将实施例1～实施例7以及比较例1、2的各特性示于表1。
按照以下方式调整实施例和比较例中缓冲相的面积率。即，实施例1(面积率：5.0％)是使第2溶剂的质量比例为40质量％，实施例2(面积率：2.2％)是使第2溶剂的质量比例为25质量％，实施例3(面积率：0.5％)是使第2溶剂的质量比例为15质量％，比较例1(面积率：6.2％)是使第2溶剂的质量比例为50质量％，比较例2(面积率：0.3％)是使第2溶剂的质量比例为5质量％。
[表1]
Figure BDA0001758014970000081
表1中，由实施例1～实施例3的结果可知，如果使缓冲相的面积率在0.5～5.0％的范围内，则卡滞面压在50MPa以上。根据本发明人的经验，认为如果卡滞表面压力在50MPa以上，则该滑动轴承具有充分的适配性。
另一方面，如果缓冲相的面积率超过5.0％，则如比较例1所示，树脂覆盖层对轴承合金层的粘接性不足，变得无法测定。而如果缓冲相的面积率低于0.5％，则如比较例2所示，卡滞面压为20MPa，适配性不足。
此外，实施例4是使树脂覆盖层的厚度减为实施例2的约一半的实施例。同样，实施例5是使树脂覆盖层的厚度变为实施例2的4倍的实施例。由实施例4和实施例5的结果(卡滞面压)可知，可对树脂覆盖层的厚度、即总厚度进行任意选择。其中，总厚度优选为3～20μm。
实施例6中作为轴承合金层的材料选择了Al基、即Al合金。从该实施例6的结果与实施例1～5、特别是实施例2的结果之间的比较可知，可对轴承合金层的材料进行任意选择。
实施例7中选择了PI作为粘合剂树脂。从该实施例7的结果与实施例1～5、特别是实施例2的结果之间的比较可知，可对构成树脂覆盖层的粘合剂树脂进行任意选择。
将实施例2以及实施例8～实施例12示于表2。
[表2]
Figure BDA0001758014970000091
从实施例9～实施例11的结果可知，优选固体润滑剂相的体积比例在20体积％以上且在70体积％以下。即，将固体润滑剂相的体积比例低于20体积％的实施例2的结果(卡滞面压)和固体润滑剂相的体积比例超过70体积％的实施例8的结果与实施例9～实施例11的结果进行比较可知，后者的卡滞面压值明显变高。
实施例12中选择了石墨作为固体润滑剂。将该实施例12的结果与实施例10的结果进行比较可知，可对构成树脂覆盖层的固体润滑剂进行任意选择。
将实施例2以及实施例13～实施例20示于表3。
实施例13～20中，中间缓冲层通过电镀形成。
[表3]
Figure BDA0001758014970000092
从实施例13～实施例15的结果可知，优选中间缓冲层的厚度为树脂覆盖层的厚度的0.2倍以上、6.0倍以下。即，将中间缓冲层的厚度超过树脂覆盖层厚度的6.0倍的实施例16的结果(卡滞面压)和中间缓冲层的厚度低于树脂覆盖层厚度的0.2倍的实施例17的结果(卡滞面压)与实施例13～15的结果进行比较的话，后者的卡滞面压的数值明显变高。
实施例18中选择了Pb基(Pb合金)作为中间缓冲层。将该实施例的结果(卡滞面压)与之前的实施例、特别是实施例14的结果进行比较可知，可对中间缓冲层的材料进行任意选择。
实施例19中使总厚度(树脂覆盖层的厚度+中间缓冲层的厚度)为实施例13～18的一半。实施例19的结果(卡滞面压)与实施例13～18、特别是实施例14的结果相差不大。因此可知，即使是具备中间缓冲层的类型，也可对其总厚度进行任意选择。此外，在具备中间缓冲层的类型中，优选总厚度为10～20μm。
实施例20是得到最高卡滞面压的实施例。
本发明不受上述发明实施方式说明的任何限定。在不脱离权利要求的范围内，本发明还包括本领域技术人员能够容易想到的范围内的各种变化形式。使用本发明滑动部件的内燃机等采用轴承机构的装置能够发挥优异的滑动特性。
在实施方式中以作为滑动部件的半圆筒形状滑动轴承为例进行了说明，但本发明也适用于平板形状的推力垫圈等其它滑动部件。
符号说明
1、20……滑动轴承
3……金属背层
5……轴承合金层
7……树脂覆盖层
9……中间缓冲层
11……缓冲相
13……固体润滑剂相
15……粘合剂树脂相

Claims (4)

1.一种滑动部件，该滑动部件是具备轴承合金层和形成于该轴承合金层上的树脂覆盖层的滑动部件，其特征在于，所述树脂覆盖层包含固体润滑剂相、粘合剂树脂相和缓冲相，该缓冲相的面积率在0.5％以上、5.0％以下。
2.如权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，所述树脂覆盖层中，所述固体润滑剂相在20体积％以上、70体积％以下。
3.如权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，比所述轴承合金层更软质的金属制中间缓冲层介于所述轴承合金层与所述树脂覆盖层之间，且该中间缓冲层的厚度为所述树脂覆盖层厚度的0.2倍以上、6.0倍以下。
4.一种滑动部件的制造方法，其为权利要求1所述的滑动部件的制造方法，其特征在于，在涂布工序完成后3分钟以内对液态组合物完成80～160℃下的干燥，随后使其热固化，所述液态组合物包含固体润滑剂、粘合剂树脂和溶剂，其中所述溶剂由沸点超过150℃的第1溶剂和沸点在150℃以下的第2溶剂组成，且所述第2溶剂在所述溶剂中为15质量％以上、40质量％以下。
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