CN110582593A - 滑动构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备覆盖层的滑动构件，该覆盖层能够在防止层间剥离的同时实现良好的抗疲劳性。所述滑动构件是具备由Bi和Sb的合金镀覆膜所形成的覆盖层的滑动构件，所述滑动构件的特征在于，在所述覆盖层中，随着距离表面的深度变深而Sb的浓度变高。

Description

滑动构件
技术领域
本发明涉及具备Bi和Sb的合金镀覆膜的覆盖层的滑动构件。
背景技术
已知有具备由Bi包覆层和Ag中间层所构成的覆盖层的滑动构件(参照专利文献1。)。在专利文献1中，通过调整中间层中的Ag的晶粒的尺寸来提高覆盖层的层间的密合性。进一步地，通过调整包覆层中的Bi的晶粒的尺寸来提高覆盖层的皮膜的密合性和抗疲劳性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-266445号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，即使如专利文献1那样通过调整晶粒的尺寸来提高层间的密合性，只要覆盖层为双层结构，就仍具有无法避免层间剥离这样的问题。进一步地，若覆盖层为双层结构，则会有无法避免磨损时的轴承特性的急剧变化这样的问题。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于，提供一种具备覆盖层的滑动构件，该覆盖层能够在防止层间剥离的同时实现良好的抗疲劳性。
用于解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明的滑动构件是具备由Bi和Sb的合金镀覆膜所形成的覆盖层的滑动构件，在覆盖层中，随着距离表面的深度变深而Sb的浓度变高。
在上述构成中，由于在覆盖层中不仅含有软质的Bi，而且含有硬质的Sb，因此能够通过硬质的Sb来提高抗疲劳性。另外，由于随着距离表面的深度变深而Sb的浓度变高，因此能够在磨损初期实现良好的磨合性，且在磨损加剧的阶段实现较高的耐磨损性。进一步地，由于随着距离表面的深度变深而Sb的浓度变高，因此能够防止层间剥离。
另外，在与覆盖层的表面相距的深度为第一深度的第一区域中的Sb的浓度的斜率，可以大于在与覆盖层的表面相距的深度比所述第一深度小的第二区域中的Sb的浓度的斜率。由此，能够在磨损加剧的同时使覆盖层的硬度急剧增加。
此外确认到，通过将覆盖层整体中的Sb的平均浓度设为1.3质量％以上且3.0质量％以下，能够兼顾磨合性和抗疲劳性。此处，覆盖层整体中的Sb的平均浓度是指在与覆盖层的表面相距的深度的整个范围中的Sb的平均浓度。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的滑动构件的立体图。
图2是覆盖层中的Sb的浓度的图表。
图3是覆盖层的剖面的照片。
图4是疲劳试验的说明图。
图5是表示Sb的浓度和疲劳面积率之间的关系的图表。
具体实施方式
此处，按照下述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)滑动构件的制造方法；
(2)其他的实施方式。
(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所涉及的滑动构件1的立体图。滑动构件1包括背衬10、衬里11和覆盖层12。滑动构件1是将空心状的圆筒沿径向二等分而成的对半分割形状的金属构件，剖面呈半圆弧状。通过以形成圆筒状的方式来组合两个滑动构件1，从而形成滑动轴承A。滑动轴承A通过形成于内部的空心部分来对圆柱状的对象轴2(发动机的曲轴)进行轴支承。对象轴2的外径形成为略小于滑动轴承A的内径。在形成于对象轴2的外周面与滑动轴承A的内周面之间的间隙供给有润滑油(机油)。此时，对象轴2的外周面在滑动轴承A的内周面上进行滑动。
滑动构件1具有离开曲率中心由远到近地依次层叠背衬10、衬里11和覆盖层12而成的结构。因而，背衬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。背衬10、衬里11和覆盖层12分别在圆周方向上具有一定的厚度。背衬10的厚度为1.8mm，衬里11的厚度为0.2mm，覆盖层12的厚度为20μm。覆盖层12的曲率中心侧的表面的半径的两倍(滑动构件1的内径)为55mm。滑动轴承A的宽度为19mm。以下，内侧是指滑动构件1的曲率中心侧，外侧是指与滑动构件1的曲率中心相反的一侧。覆盖层12的内侧的表面构成对象轴2的滑动面。
背衬10由含有0.15质量％的C、含有0.06质量％的Mn、其余部分由Fe构成的钢所形成。此外，背衬10只要是由能够经由衬里11和覆盖层12对来自对象轴2的负载进行支承的材料形成即可，不一定必须由钢来形成。
衬里11是层叠于背衬10内侧的层，构成本发明的基层。衬里11含有10质量％的Sn，含有8质量％的Bi，且其余部分由Cu和不可避免的杂质所构成。衬里11的不可避免的杂质为Mg、Ti、B、Pb、Cr等，且为在精炼或废料中混入的杂质。衬里11中的不可避免的杂质的含量整体上为0.5质量％以下。
覆盖层12是层叠于衬里11内侧的表面上的层。覆盖层12是Bi和Sb的合金镀覆膜。另外，覆盖层12由Bi、Sb和不可避免的杂质所构成。覆盖层12中的不可避免的杂质的含量整体上为0.5质量％以下。
【表1】
表1是表示覆盖层12中的Sb的浓度(质量浓度)的表。图2是表示覆盖层12中的Sb的浓度(质量浓度)的图表。图2的横轴表示与覆盖层12和衬里11之间的界面相距的距离，纵轴表示Sb的浓度。在表1、图2中，示出了收敛于约2质量％的试样A的Sb的浓度(三角形)、收敛于约1质量％的试样B的Sb的浓度(圆)、以及不具有浓度梯度的试样C的浓度(方块)。如图2所示，在试样A、试样B中，在覆盖层12与衬里11的界面中Sb的浓度为最大。而且，在试样A、试样B中，随着与覆盖层12和衬里11之间的界面相距的距离变长(随着与覆盖层12的表面相距的深度变浅)，Sb的浓度连续地变低。覆盖层12整体的Sb的平均浓度为3.05质量％。
在试样A、试样B中，与覆盖层12和衬里11之间的界面相距的距离越大，Sb的浓度的斜率(绝对值)越小，在与覆盖层12和衬里11之间的界面相距的距离为4μm以上的区域中，Sb的浓度收敛为大致恒定。在试样A、试样B中，在与覆盖层12的表面相距的深度为第一深度的第一区域(与覆盖层12和衬里11之间的界面X相距的距离为4μm以下的区域)中的Sb的浓度的斜率和标准偏差，大于在与覆盖层的表面相距的深度比第一深度浅的第二区域(与覆盖层12和衬里11之间的界面X相距的距离大于4μm的区域)中的Sb的浓度的斜率和标准偏差。
试样A的第一区域中的Sb的浓度的斜率为第二区域中的Sb的浓度的斜率的7.6倍。试样A的第一区域中的Sb的标准偏差为第二区域中的Sb的浓度的标准偏差的18.1倍。另一方面，试样B的第一区域中的Sb的浓度的斜率为第二区域中的Sb的浓度的斜率的3.7倍。试样B的第一区域中的Sb的标准偏差为第二区域中的Sb的浓度的标准偏差的3.2倍。
本实施方式的覆盖层12是用与试样A相同的制造方法所形成的，并且在膜厚为20μm的覆盖层12的表面中的Sb的浓度为1.8质量％。因而，能够判断为在本实施方式中也存在与图2的试样A相同的Sb的浓度梯度。此外，能够通过后述的覆盖层12的电镀的镀浴中的Sb浓度的增减来调整覆盖层12中的Sb的浓度。
图3是覆盖层12的剖面照片。图3的剖面照片是以Sb的浓度越高的部位颜色越深的方式进行映射后的照片。如图3所示，随着与覆盖层12的表面相距的深度变浅，Sb的浓度连续地变低。即，随着与覆盖层12的表面相距的深度变深，Sb的浓度连续地变高。另外，由于可以认为Sb的其余部分为Bi，因此随着与覆盖层12的表面相距的深度变深，Bi的浓度连续地变低。即，随着与覆盖层12的表面相距的深度变浅，Bi的浓度连续地变高。此外，图3是对厚度约为10μm的覆盖层12的剖面进行摄像而成的图。
此外，使用电子探针显微分析仪(日本电子制造JMS-6610A)并通过能量色散型X射线分光法来对覆盖层12中的Sb的浓度进行测量。具体而言，将从覆盖层12与衬里11的界面X起到上端(表面侧的一端)为止的距离设定为每个为1μm的不同的多个矩形区域E，并将该矩形区域E内的Sb的平均质量浓度作为各个距离中的Sb的质量浓度来进行测量。对由所有的矩形区域E所构成的整体区域EA进行设定，将该整体区域EA内的Sb的平均质量浓度作为覆盖层整体的Sb的平均浓度来进行测量。
制成具有与以上所说明的滑动构件1相同的覆盖层12的疲劳试件(连杆R)，测量其疲劳面积率后，疲劳面积率为30％，结果良好。利用以下的步骤来测量疲劳面积率。图4是疲劳试验的说明图。首先，如图4所示，准备在长度方向的两端形成有圆柱状贯通孔的连杆R，并使一端的贯通孔对试验轴H(阴影)进行轴支承。
此外，在对试验轴H进行轴支承的连杆R的贯通孔的内周面形成与滑动构件1相同的覆盖层12(黑色)。在试验轴H的轴向上的连杆R的两外侧对试验轴H进行轴支承，使试验轴H旋转以使滑动速度变为6.6m/秒。滑动速度是指覆盖层12的表面与试验轴H之间的相对速度。将与试验轴H相反一侧的连杆R的端部连结于沿连杆R的长度方向进行往复移动的移动体F，并将该移动体F的往复负载设为80MPa。另外，将约140℃的机油供给于连杆R与试验轴H之间。
通过持续以上的状态50小时来进行覆盖层12的疲劳试验。而且，在疲劳试验后，从与该表面正交的直线上的位置起以将该直线作为主光轴的方式对覆盖层12的内侧的表面(滑动面)进行拍摄，进而获得作为该拍摄得到的图像的评估图像。而且，利用双目镜(放大镜)来观察并确定反映在评估图像中的覆盖层12的表面上的损伤部分，用该损伤部分的面积、即损伤部面积除以反映在评估图像中的覆盖层12的表面整体的面积，进而将由此得到的值的百分率测量为疲劳面积率。
在以上所说明的本实施方式中，由于在覆盖层12中不仅含有软质的Bi，而且含有硬质的Sb，因此能够通过硬质的Sb来提高抗疲劳性。另外，由于随着距离表面的深度变深而Sb的浓度变高，因此能够在磨损初期实现良好的磨合性，且在磨损加剧的阶段实现较高的耐磨损性。进一步地，由于随着距离表面的深度变深而Sb的浓度变高，因此能够防止层间剥离。此处，比起在Bi中扩散，Cu具有更容易在Sb中扩散这样的性质。但是，通过将覆盖层12整体的Sb的平均浓度设为不足3.1质量％，能够抑制从衬里11向覆盖层12扩散的Cu的量，从而能够防止扩散的Cu使抗疲劳性降低。
另外，在与覆盖层12的表面相距的深度为第一深度的第一区域(与覆盖层12和衬里11之间的界面X相距的距离为4μm以下的区域)中的Sb的浓度的斜率，大于与覆盖层的表面相距的深度比第一深度浅的第二区域(与覆盖层12和衬里11之间的界面X相距的距离大于4μm的区域)中的Sb的浓度的斜率。由此，能够在磨损加剧的同时使覆盖层12的硬度急剧增加。
(1-2)滑动构件的制造方法：
首先，准备具有与背衬10相同厚度的低碳钢的平面板。
接下来，将构成衬里11的材料的粉末散布在由低碳钢形成的平面板上。具体而言，将Cu粉末、Bi粉末和Sn粉末按照上述的衬里11中的各成分所形成的质量比散布在低碳钢的平面板上。只要满足衬里11中的各成分的质量比即可，也可以将Cu-Bi、Cu-Sn等合金粉末散布在低碳钢的平面板上。通过试验用筛(JIS Z8801)将粉末的粒径调整为150μm以下。
接下来，将低碳钢的平面板和散布在该平面板上的粉末进行烧结。将烧结温度控制在700℃～1000℃，并在非活性气氛中进行烧结。烧结后，进行冷却。此外，衬里11可以不一定必须由烧结而形成，可以由铸造等而形成。
冷却结束后，在低碳钢的平面板上就会形成Cu合金层。该Cu合金层中包含冷却中所析出的软质的Bi粒子。
接下来，对形成有Cu合金层的低碳钢进行冲压加工，以便成为将空心状的圆筒沿径向二等分而成的形状。此时，进行了冲压加工而使得低碳钢的外径与滑动构件1的外径一致。
接下来，对形成于背衬10上的Cu合金层的表面进行切削加工。此时，控制切削量，以使形成于背衬10上的Cu合金层的厚度与衬里11相同。由此，能够通过切削加工后的Cu合金层来形成衬里11。例如通过安装有由烧结金刚石所形成的切削工具材料的车床来进行切削加工。切削加工后的衬里11的表面构成衬里11与覆盖层12的界面。
接下来，通过电镀而在衬里11的表面上层叠10μm的厚度的Bi来形成覆盖层12。电镀的步骤如下。首先，对衬里11的表面进行水洗。进一步地，通过对衬里11的表面进行酸洗，从而从衬里11的表面去除不需要的氧化物。之后，再次对衬里11的表面进行水洗。
以上的预处理结束后，通过向浸渍在镀浴中的衬里11供给电流来进行电镀。将镀浴的浴组成设为包含150g/L的甲磺酸、20g/L的甲磺酸铋、以及25g/L的有机类表面活性剂。在以上的镀浴中，通过电解使纯Sb溶解为0.18g/L。将镀浴的浴温设为30℃。进一步地，将衬里11中所供给的电流设为直流电流，并将其电流密度设为2.0A/dm2。
此外，在镀浴中，能够在50g/L～250g/L之间对甲磺酸进行调整，能够在5g/L～40g/L之间对甲磺酸铋调整，Sb为0.1g/L～3g/L，能够在0.5g/L～50g/L之间对有机类表面活性剂进行调整。另外，能够在20℃～50℃的范围对镀浴的浴温进行调整，能够在0.5A/dm2～7.5A/dm2的范围对衬里11中所供给的电流的电流密度进行调整。能够通过增大镀浴中Sb的离子浓度来提高覆盖层12中的Sb的浓度。
例如，通过将镀浴中的Sb的浓度设为0.2g/L，从而得到在图2中收敛为约2质量％的Sb的浓度(三角形)。通过将镀浴中的Sb的浓度设为0.1g/L，从而得到在图2中收敛为约1质量％的Sb的浓度(圆)。另外，可知通过在镀浴中使用甲磺酸，能够实现Sb的浓度梯度。在利用代替甲磺酸而使用EDTA(乙二胺四乙酸)的镀浴来形成覆盖层12的情况下，形成了像图2的试样C这样不具有浓度梯度的覆盖层12。
在如以上那样地进行电镀后，进行水洗和干燥。由此，完成滑动构件1。进一步地，通过将两个滑动构件1组合成圆筒状，从而形成滑动轴承A，并将其安装于发动机中。
(2)其他的实施方式：
表2表示对使覆盖层12的膜厚和表面中的Sb的浓度发生变化而成的多个试样1～8测量疲劳面积率而得的结果。此外，第一实施方式对应于试样7。图5是试样1～8的疲劳面积率的图表。图5的纵轴表示疲劳面积率，横轴表示覆盖层12的表面中的Sb的浓度。
【表2】
首先，覆盖层12的膜厚越大，疲劳面积率越大。可以认为，这是由于无论Sb的浓度如何，只要覆盖层12的膜厚变大，则作用于覆盖层12的内部的应力就变大。但是确认到，通过使覆盖层12中含有Sb，从而在任意的膜厚下都能够降低疲劳面积率。因而，即使像上述实施方式那样将覆盖层12的膜厚设为20μm，也能够形成具有良好的抗疲劳性的滑动构件1。
另外，若在相同的膜厚之间对疲劳面积率进行比较，则表面上的Sb的浓度越高，越能够抑制疲劳面积率。通过将表面上的Sb的浓度设为1.0质量％以上且3.0质量％以下(优选为1.7质量％以上且2.6质量％以下)，从而能够抑制疲劳面积率。
在上述实施方式中，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，但是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轴套、活塞销轴套/轴毂轴套等的径向轴承。进一步地，本发明的滑动构件可以是推力轴承，可以是各种垫片，也可以是汽车空调压缩机用的斜板。另外，衬里11的基体不限于Cu合金，只要根据对象轴2的硬度来选择基体的材料即可。另外，背衬10并非必须，其可以省略。
附图标记说明
1：滑动构件；2：对象轴；10：背衬；11：衬里；12：覆盖层；A：轴承；E：矩形区域；F：移动体；H：试验轴；R：连杆；X：界面。

Claims (2)

1.一种滑动构件，其是具备由Bi和Sb的合金镀覆膜所形成的覆盖层的滑动构件，
所述滑动构件的特征在于，
在所述覆盖层中，随着距离表面的深度变深而Sb的浓度变高。
2.根据权利要求1所述的滑动构件，其中，
在与所述覆盖层的表面相距的深度为第一深度的第一区域中的Sb的浓度的斜率，大于与所述覆盖层的表面相距的深度比所述第一深度小的第二区域中的Sb的浓度的斜率。
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