CN111075840A - 滑动构件以及使用该滑动构件的轴承装置 - Google Patents

Abstract

一种滑动构件(10)，具备：轴承合金层(11)、固体润滑剂层(12)、颗粒(20)、以及覆盖部(21)。固体润滑剂层(12)设置在轴承合金层(11)的滑动面(16)侧并覆盖在轴承合金层(11)。颗粒(20)形成固体润滑剂层(12)，由金属硫化物形成。覆盖部(21)设置在颗粒(20)的滑动面(16)侧的最表面，由金属氧化物形成，所述金属氧化物由与构成颗粒(20)的金属元素相同的金属元素形成。

Description

滑动构件以及使用该滑动构件的轴承装置

技术领域

本发明涉及滑动构件以及使用该滑动构件的轴承装置。

背景技术

以往已知一种滑动构件，其在轴承合金层的滑动面侧具有固体润滑剂层(专利文献1)。这样的滑动构件通过例如金属硫化物等固体润滑剂实现摩擦系数的降低并且提高非烧结性。然而近年来，为了降低成本，采用铸铁制的内燃机曲轴的情况增多。铸铁制的轴构件具有加工性出色的优点，但也存有在加工时容易形成细微的毛刺状凸部的缺点。该凸部在相对于支承轴构件的滑动构件滑动时会损伤滑动构件的滑动面，导致滑动构件异常磨损。该异常磨损在轴构件与滑动构件的相对滑动的初期导致固体润滑剂层的磨耗，存在难以维持所希望的摩擦系数的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-233267号公报。

发明内容

发明要解决的问题

因此，本发明的目的在于提供一种减少固体润滑剂层的磨耗、维持摩擦系数并提高耐磨性的滑动构件以及使用该滑动构件的轴承装置。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题，本实施方式的滑动构件具备：轴承合金层；固体润滑剂层，其设置在上述轴承合金层的滑动面侧并覆盖在上述轴承合金层。本实施方式的滑动构件具备：固体润滑剂的颗粒，其形成上述固体润滑剂层，由金属硫化物形成；覆盖部，其设置在上述颗粒的上述滑动面侧的最表面，由金属氧化物形成，所述金属氧化物由与构成上述颗粒的金属元素相同的金属元素构成。

像这样，构成固体润滑剂层的颗粒在滑动面侧的最表面具有覆盖部。该覆盖部为与构成金属硫化物的金属元素相同的金属元素所构成的金属氧化物。由此，在滑动的初期的磨合期，对方构件接触固体润滑剂层中包含的覆盖部。该覆盖部是硬质的金属氧化物，所以研磨对方构件的滑动面。即，存在于对方构件的滑动面的毛刺等微小的凸部通过与硬质的金属氧化物相接触而被除去。并且，由金属氧化物构成的覆盖部通过相对于对方构件的初期的滑动而被除去。因此，覆盖部消失而在滑动面露出的颗粒相对于除去掉凸部的平滑的对方构件滑动。其结果是固体润滑剂层的磨耗减少。另外，通过初期的滑动而与对方构件磨合之后，对方构件及滑动构件都变得不易损伤滑动的对方侧。由此，在对方构件与滑动构件之间形成均匀厚度的油膜。因而，能够维持摩擦系数并且能够提高耐磨性。

另外，在利用X射线光电子能谱法及X射线衍射法测量本实施方式的滑动构件的上述固体润滑剂层的上述滑动面侧的面时，根据上述X射线光电子能谱法，上述金属氧化物与上述金属硫化物的峰高的比的值为0.10～0.50，根据上述X射线衍射法，上述金属氧化物与上述金属硫化物的峰高的比的值为0.10以下。

这样，利用X射线光电子能谱法及X射线衍射法，确认出由金属氧化物构成的覆盖部存在于固体润滑剂层中所包含的固体润滑剂颗粒的靠滑动面侧的微小区域中。即，由金属氧化物构成的覆盖部形成于固体润滑剂层的靠滑动面侧的微小厚度的区域。由此，通过与对方构件的初期磨合，覆盖部在除去对方构件的凸部的同时自身也被除去。固体润滑剂层在初期磨合之后，不损伤对方构件，且由金属硫化物构成的固体润滑剂颗粒露出。因此，能够维持摩擦系数并且能够提高耐磨性。

在本实施例中，金属元素为选自Mo、W、Sn、Ti、Zr中的至少一种以上。

本实施方式的轴承装置具备：轴构件，其表面粗糙度Rz为0.8μm以上；滑动构件，其相对于上述轴构件滑动，支承上述轴构件。

由此，轴构件在与滑动构件磨合之后，与滑动构件的磨损相关的凸部被去除，轴构件与被除去了覆盖部的颗粒相接触。因此，能够维持摩擦系数并且能够提高耐磨性。

附图说明

图1是表示一实施方式的滑动构件的示意图。

图2是表示应用了一实施方式的滑动构件的轴承装置的剖面的示意图。

图3是放大一实施方式的滑动构件的主要部位的示意图。

图4是表示一实施方式的滑动构件与轴构件之间的磨合的过程的示意图。

图5是表示一实施方式的滑动构件的XPS分析结果的一例的概略图。

图6是表示一实施方式的滑动构件的XRD分析结果的一例的概略图。

图7是表示一实施方式的滑动构件的试验条件的概略图。

图8是表示一实施方式的滑动构件的XPS分析条件的概略图。

图9是表示一实施方式的滑动构件的XRD分析条件的概略图。

图10是表示一实施方式的滑动构件的实施例以及比较例的试验结果的概略图。

图11是表示在一实施方式的滑动构件的实施例以及比较例中摩擦系数的随时间变化的概略图。

具体实施方式

以下，基于附图对一实施方式的滑动构件进行说明。

如图1及图2所示，一实施方式的滑动构件10具备轴承合金层11和固体润滑剂层12。滑动构件10例如可以与背衬层13层叠。如图2所示，滑动构件10与作为对方构件的轴构件14一起构成轴承装置15。滑动构件10通过相对于轴构件14滑动，来支承轴构件14。滑动构件10在固体润滑剂层12侧的表面形成有相对于轴构件14滑动的滑动面16。滑动构件10可以在轴承合金层11与背衬层13之间具备未图示的中间层等。轴承合金层11由Al、Cu等金属或者Al基或Cu基的合金等形成。固体润滑剂层12覆盖在该轴承合金层11的表面。即，固体润滑剂层12设置在轴承合金层11的相对于轴构件14滑动侧的面，并具有相对于轴构件14滑动的滑动面16。固体润滑剂层12的厚度能够任意设定，在本实施方式中，固体润滑剂层12的厚度设定为0.01μm～5.0μm左右。轴构件14例如由铸铁等形成，具有表面粗糙度Rz在0.8μm以上的较粗糙的表面。

如图3所示，滑动构件10具备形成固体润滑剂层12的颗粒20。颗粒20由金属M的硫化物形成。由金属硫化物形成的颗粒20为在相对于轴构件14滑动中对滑动构件10与轴构件14之间进行润滑的固体润滑剂。构成颗粒20的金属M为选自Mo、W、Sn、Ti、Zr中的至少一种以上。例如，在使金属M为Mo的情况下，构成固体润滑剂层12的金属硫化物的颗粒20为二硫化钼(MoS₂)。

滑动构件10具备覆盖部21。覆盖部21设置在构成固体润滑剂层12的颗粒20中滑动面16侧。具体来说，如图3所示，颗粒20以重叠的状态形成固体润滑剂层12。在该重叠的颗粒20中位于最靠滑动面16侧位置的颗粒20在滑动面16侧具有覆盖部21。覆盖部21由金属M的氧化物形成。成为形成覆盖部21的氧化物的金属M与成为形成颗粒20的硫化物的金属M相同。即，在颗粒20为二硫化钼(MoS₂)的情况下，覆盖部21为氧化钼(MoO₃)。这样，位于滑动面16侧的最表面的颗粒20在滑动面16侧具有由氧化物形成的覆盖部21。

形成覆盖部21的金属M的氧化物比形成颗粒20的金属M的硫化物硬。如图4中的(A)所示，在滑动构件10与轴构件14的相对滑动的初期即磨合期中，轴构件14与固体润滑剂层12中包含的颗粒20的覆盖部21接触。该覆盖部21如上所述为较硬的金属氧化物。因此，例如即使在轴构件14产生有毛刺等攻击性的微小的凸部23，在滑动构件10与轴构件14相对滑动时，如图4中的(B)及图4中的(C)所示，该微小的凸部23也由覆盖部21除去。另一方面，覆盖部21在磨合期中对凸部23进行研磨，并且自身也磨损。因此，如图4中的(C)所示，当磨合期结束时，覆盖部21被除去，轴构件14与构成固体润滑剂层12的颗粒20接触。由此，轴构件14与构成颗粒20的金属硫化物接触，不受来自硬的覆盖部21的攻击。这样，覆盖部21在与轴构件14的磨合期中，除去在轴构件14形成的微小的凸部23，并且自身也被除去。其结果是，滑动构件10和轴构件14在磨合期之后通过固体润滑剂层12实现润滑。并且，减小从滑动构件10对轴构件14以及从轴构件14对滑动构件10的攻击，维持低摩擦系数及高耐磨性。

接着，说明对基于上述结构的固体润滑剂层12中的颗粒20及覆盖部21的确定。

在一实施方式中，通过X射线光电子能谱法和X射线衍射法测量固体润滑剂层12的端面，即滑动面16。X射线光电子能谱法(XPS：X-ray Photoelectron Spectroscopy)为表面分析法的一种，也被称为ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。在XPS中，当在超高真空下对固体的试料表面照射软X射线时，被束缚在试料的表面的电子因光电效应被释放到真空中。此时，照射试料的X射线为MgKα射线、AlKα射线。基于光电效应而释放出的电子为光电子。该光电子的放射中的束缚能是元素固有的能量。因此，基于束缚能，能够定性地分析元素。另一方面，光电子能够不受到散射和碰撞等妨碍而前进的距离即平均自由行程是数nm左右。因此，XPS的检测器无法检测位于距试料的表面数nm以上的较深位置处的光电子。在本实施方式中，利用这样的XPS的特性，在距试料的表面数nm的范围中极浅的范围，分析元素。

与此相对，在X射线衍射法(XRD)中，对在向试料照射X射线时X射线因位于原子周围的电子散射或干扰而产生的衍射进行解析。通过分析该衍射，能够对试料的构成成分进行认定和定量。X射线对物质的透射能力即能够侵入的深度因试料的成分、X射线的波长而不同，但大致为50μm～100μm。因此，在XRD中，能够实施比上述XPS更深的区域的分析。在本实施方式中，利用这样的XRD的特性，对比XPS深的在距离试料的表面50μm～100μm的范围的元素进行分析。

在使用如上所述的XPS及XRD测量固体润滑剂层12的端面的滑动面16时，本实施方式的滑动构件10满足以下条件。

(1)根据XPS分析的结果是，金属氧化物与金属硫化物的峰高的比R1为0.10～0.50。

(2)根据XRD分析的结果是，金属氧化物与金属硫化物的峰高的比R2为0.10以下。

XPS及XRD均对滑动构件10中的固体润滑剂层12的端面即滑动面16进行分析。即，在XPS及XRD中，均从滑动构件10的滑动面16侧执行分析。由此，在XPS中，分析与距离滑动构件10的端面数nm的范围的最表面极为靠近的区域。并且，在XRD中，对距离滑动构件10的端面50μm～100μm的范围进行分析。此时，在XRD中，根据固体润滑剂层12及轴承合金层11的厚度，不限于固体润滑剂层12，有时也分析至轴承合金层11或背衬层13。在这种情况下，被测量的金属硫化物和金属氧化物的强度的绝对值下降。但是，即使强度的绝对值下降，计算出的比R2也不会受到影响。

如图5所示，在基于XPS的分析中，得到束缚能和强度之间的关系。此时，金属硫化物与金属氧化物由于束缚能不同，因此强度的峰不同。图5是以作为金属硫化物的MoS₂和作为金属氧化物的MoO₃为例。金属硫化物及金属氧化物的峰使用最大的主峰或其次大的副主峰。例如，在金属硫化物与金属氧化物的峰重叠难以分离的情况下，不限于主峰，使用其次大的副主峰。在选择了主峰的情况下，金属硫化物及金属氧化物均使用主峰。另一方面，在选择了副主峰的情况下，金属硫化物及金属氧化物均使用副主峰。在图5所示的本实施方式的情况下，作为金属氧化物的MoO₃的主峰的分离困难，所以金属硫化物及金属氧化物都使用副主峰。也就是说，在本实施方式中，使用图5所示的金属硫化物的副主峰p1及金属氧化物的副主峰p2。这样，根据所得到的金属硫化物的强度的峰高h1及金属氧化物的强度的峰高h2，以R1＝h2/h1计算出它们的比R1。多次实施强度的峰的测量，对所获得的结果进行平均并算出比R1。在本实施方式中，该比R1在0.10～0.50的范围内。这表示在固体润滑剂层12的滑动面16侧的最表面即数nm的范围中，成为覆盖部21的金属氧化物的存在频度高。

在基于XRD的分析中，得到图6所示的衍射图样。此时，金属硫化物与金属氧化物的衍射图样不同。图6是以作为金属硫化物的MoS₂和作为金属氧化物的MoO₃为例。金属硫化物及金属氧化物的峰使用XRD的解析结果中强度最大的角度。也就是说，在本实施方式中，使用图6所示的金属硫化物的峰p3及金属氧化物的峰p4。这样，根据所得到的金属硫化物的强度的峰高h3及金属氧化物的强度的峰高h4，以R2＝h4/h3计算出它们的比的值R2。在本实施方式中，该比的值R2在0.10以下。这表示在固体润滑剂层12的滑动面16侧的距最表面50μm～100μm的范围中，成为覆盖部21的金属氧化物的存在频度低。

从这些结果得知，关于满足比R1的条件和比R2的条件的本实施方式的滑动构件10，相对于在固体润滑剂层12的滑动面16侧的最表面处由金属氧化物形成的覆盖部21占据优势，在比此深的区域里，构成固体润滑剂的颗粒20的金属硫化物占据优势。即，表示满足上述条件的本实施方式的滑动构件10，在由金属硫化物构成的颗粒20中，在位于滑动面16侧的最表面的颗粒20形成有由金属氧化物形成的覆盖部21。

接着，说明基于上述结构的本实施方式的滑动构件10的制造方法。

如图3所示，滑动构件10在轴承合金层11的表面即滑动面16侧覆盖有形成固体润滑剂层12的固体润滑剂的颗粒20。固体润滑剂的颗粒20例如通过喷丸处理等覆盖在轴承合金层11。覆盖有颗粒20的滑动构件10通过施加热处理，生成成为覆盖部21的氧化物。即，通过热处理，将颗粒20的表面氧化，将构成颗粒20的金属硫化物的一部分氧化成金属氧化物。在这种情况下，热处理能够使用例如电子束加热，或者红外线加热器加热等。特别地，在本实施方式的情况下，优选使用红外线加热器加热。在使用一般的加热炉加热等情况下，温度的上升需要时间，并且轴承合金层11等基层的温度也上升。因此，固体润滑剂的颗粒20不仅是靠近滑动面16一侧，远离滑动面16的较深的位置也被加热。其结果为，在整个固体润滑剂层12，构成颗粒20的金属硫化物的氧化变得容易进行。与此相对，通过使用红外线加热器加热，固体润滑剂层12中所包含的颗粒20仅极为接近滑动面16的最表面瞬间被加热。因此，通过使用红外线加热器进行加热，如本实施方式那样，固体润滑剂层12中所包含的颗粒20仅靠近滑动面16的表面氧化，形成覆盖部21。

以下，对本实施方式的实施例及比较例进行说明。

实施例1～实施例4及比较例2～比较例4均是在试料覆盖固体润滑剂层12后，通过红外线加热器进行加热。比较例1中，没有加热固体润滑剂层12。红外线加热器的加热，以一定的升温速度提高温度。即，在将促进金属硫化物的氧化的氧化促进温度设为T(℃)时，升温速度设定为T×2(℃/分钟)。并且，当试料的表面温度到达金属硫化物的氧化促进温度T的规定范围时，停止对试料的加热。这种情况下，规定范围设定为氧化促进温度T的80％～90％。即，当试料的表面温度到达氧化促进温度T的80％～90％时，停止对试料的加热。试料的表面温度使用接触式温度计，由传感器直接检测出来。在这里，所谓试料的氧化促进温度T是在大气中对成为固体润滑剂的金属硫化物的粉末加热72小时，在逐渐冷却时，整体的30wt％成为氧化物的温度。在本实施方式中，该氧化物的重量比的测量是使用碳硫分析装置(堀场制作所制EMIA-810)实施的。

关于通过上述而制作出的试料，计算出基于XPS的比R1及基于XRD的比R2，并使用图7所示的测试条件进行试验，测量出固体润滑剂层12的磨损量及磨合后的摩擦系数。XPS是使用Kratos公司制的AXIS ULTRA实施的。X射线的束斑尺寸设定为1mm，带电中和枪设定为开启。XPS的测定条件如图8所示那样进行设定。XRD是使用日本理学公司制的RINT2200实施的。XRD的测量条件如图9所示那样进行了设定。

如图10所示，实施例1～实施例4分别设定停止加热的温度、升温速度、金属元素。无论设定的条件为何，这些实施例1～实施例4都示出了磨损量及磨合后的摩擦系数为良好的结果。在实施例1～实施例4的情况下，摩擦系数如图11所示在磨合期中增加，但之后下降。并且，在实施例1～实施例4的情况下，在磨合期结束后，由固体润滑剂层12实现润滑，因此摩擦系数在长期成为较小的值。

相对于此，比较例1及比较例2示出磨损量大、磨合后的摩擦系数高的结果。比较例1是没有加热所覆盖的固体润滑剂层12的例子。因此，比较例1没有形成由金属氧化物形成的覆盖部21。另外，比较例2是将停止加热的温度设定为氧化促进温度T的75％的例子。因此，可以认为比较例2在加热时的升温不足，金属硫化物的氧化不充分，覆盖部21没有充分形成。由此可以认为，在比较例1及比较例2的情况下，固体润滑剂层12在磨合期之后，由于来自轴构件14的攻击而磨耗。其结果是，可以认为在比较例1及比较例2的情况下，如图11所示，在磨合期之后，摩擦系数逐渐增加。

另外，比较例3和比较例4示出相对于固体润滑剂层12的磨损量良好而摩擦后的摩擦系数较高的结果。比较例3是将停止加热的温度设定为氧化促进温度T的95％的例子，比较例4是将停止加热的温度设定为氧化促进温度T的200％的例子。这些比较例3及比较例4示出加热时的升温过度，构成固体润滑剂层12的颗粒的金属硫化物中更多被氧化成成为覆盖部21的金属氧化物。可以认为，由于成为覆盖部21的金属氧化物过度生成，固体润滑剂层12的硬度增大且金属硫化物的润滑作用降低。由此，在比较例3及比较例4的情况下，固体润滑剂层12在磨合期研磨轴构件14，但是之后对轴构件14也具有较高的攻击性。其结果是可以认为，在比较例3及比较例4的情况下，如图11所示，摩擦系数变得难以降低。

从图10所示的结果可以明确看出，满足本实施方式的条件的滑动构件10的实施例有助于降低磨损以及降低磨合后的摩擦系数。

以上说明的本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够应用于各种实施方式。

Claims (5)

1.一种滑动构件，其具有轴承合金层和设置在所述轴承合金层的滑动面侧并覆盖在所述轴承合金层的固体润滑剂层，其中，具有：

固体润滑剂的颗粒，其由金属硫化物形成，形成所述固体润滑剂层；和

覆盖部，其设置在所述颗粒的所述滑动面侧的最表面，由金属氧化物形成，所述金属氧化物由与构成所述颗粒的金属元素相同的金属元素形成。

2.根据权利要求1所述的滑动构件，其中，

在使用X射线光电子能谱法和X射线衍射法测量所述固体润滑剂层的所述滑动面侧的面时，

根据所述X射线光电子能谱法，所述金属氧化物与所述金属硫化物的峰高的比为0.10～0.50，

根据所述X射线衍射法，所述金属氧化物与所述金属硫化物的峰高的比为0.10以下。

3.根据权利要求1所述的滑动构件，其中，

所述金属元素为选自Mo、W、Sn、Ti、Zr中的至少一种以上。

4.根据权利要求2所述的滑动构件，其中，

所述金属元素为选自Mo、W、Sn、Ti、Zr中的至少一种以上。

5.一种轴承装置，其中，具有：

轴构件，其表面粗糙度Rz在0.8μm以上；和

权利要求1至4中任一项所述的滑动构件，其相对于所述轴构件滑动，支承所述轴构件。

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