CN111075841A - 滑动构件以及使用该滑动构件的轴承装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滑动构件，具有轴承合金层(11)和设置在轴承合金层(11)的滑动面(16)侧的涂覆层(12)。涂覆层(12)具有树脂粘结剂(22)和分散在树脂粘结剂(22)的硫化物颗粒(21)。覆盖部(24)设置在分散于树脂粘结剂(22)中的硫化物颗粒(21)当中的特定颗粒(23)，由金属氧化物形成，所述金属氧化物由与构成硫化物颗粒(21)的金属元素相同的金属元素形成。在通过X射线光电子能谱法以及X射线衍射法对涂覆层(12)的滑动面(16)侧的面进行测量时，根据X射线光电子能谱法，金属氧化物与金属硫化物的峰高的比为0.10～0.50，根据X射线衍射法，金属氧化物与金属硫化物的峰高的比为0.10以下。

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含有固体润滑剂的涂覆层(专利文献1)。这种滑动构件通过例如金属硫化物等固体润滑剂来实现摩擦系数的降低，提高非烧结性。然而近年来，以降低成本为目的，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优异之优点，但也存在加工时容易形成微细毛刺状凸部之缺点。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涂覆层的磨耗，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：日本特开平10-37962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涂覆层的磨耗、维持摩擦系数并提高耐磨性的滑动构件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有轴承合金层和设置于轴承合金层的滑动面侧的涂覆层。该涂覆层具有：树脂粘结剂、硫化物颗粒及覆盖部。硫化物颗粒分散于树脂粘结剂中，由金属硫化物形成。覆盖部设置在分散于树脂粘结剂的硫化物颗粒中位于涂覆层的滑动面侧的特定颗粒，由金属氧化物形成，所述金属氧化物由与构成硫化物颗粒的金属元素相同的金属元素形成。而且，在利用X射线光电子能谱法以及X射线衍射法对涂覆层的滑动面侧的面进行测量时，根据X射线光电子能谱法，金属氧化物与金属硫化物的峰高的比为0.10～0.50，根据X射线衍射法，金属氧化物与金属硫化物的峰高的比为0.10以下。

如此，在涂覆层所包含的硫化物颗粒中位于滑动面侧的特定颗粒具有覆盖部。该覆盖部为由与构成硫化物颗粒的金属元素相同的金属元素形成的金属氧化物。由此，在滑动的初期的磨合期中，对方构件与涂覆层所包含的覆盖部接触。该覆盖部为硬质的金属氧化物，因而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接触而被除去。并且由金属氧化物形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，覆盖部消失而于滑动面露出的硫化物颗粒相对于被除去凸部的平滑的对方构件滑动。其结果是涂覆层的磨耗降低。此外，在通过初期的滑动而与对方构件磨合之后，对方构件和滑动构件都变得不容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。因此，能够维持摩擦系数，并能够提高耐磨性。

此外，使用X射线光电子能谱法和X射线衍射法，确认出由金属氧化物形成的覆盖部存在于涂覆层所包含的硫化物颗粒中位于滑动面侧的特定颗粒。即，由金属氧化物形成的覆盖部形成在涂覆层所包含的硫化物颗粒中靠滑动面侧的微小区域中。由此，通过与对方构件的初期磨合，覆盖部除去对方构件的凸部的同时，自身也被除去。涂覆层在初期磨合后，不损伤对方构件，露出由金属硫化物形成的硫化物颗粒。因此，能够维持摩擦系数，并能够提高耐磨性。

在本实施方式中，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有表面粗糙度Rz为0.8μm以上的轴构件和相对于所述轴构件滑动、支承所述轴构件的滑动构件。

由此，轴构件在与滑动构件磨合后，和滑动构件的磨损相关的凸部被除去，轴构件与被除去覆盖部的硫化物颗粒相接触。因此，能够维持摩擦系数，并能够提高耐磨性。

附图说明

图1为表示一实施方式的滑动构件的示意图。

图2为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为将一实施方式的滑动构件的主要部位放大的示意图。

图4为表示一实施方式的滑动构件与轴构件的磨合的过程的示意图。

图5为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为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为表示一实施方式的滑动构件的试验条件的概略图。

图8为表示一实施方式的滑动构件的XPS分析条件的概略图。

图9为表示一实施方式的滑动构件的XRD分析条件的概略图。

图10为表示一实施方式的滑动构件的实施例和比较例的试验结果的概略图。

具体实施方式

以下，基于附图说明一实施方式的滑动构件。

如图1及图2所示一实施方式的滑动构件10具有轴承合金层11和涂覆层12。滑动构件10例如可以与背衬层13相层叠。如图2所示，滑动构件10与作为对方构件的轴构件14共同构成轴承装置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在涂覆层12侧的表面形成相对于轴构件14滑动的滑动面16。滑动构件10也可以在轴承合金层11与背衬层13之间具有未图示的中间层等。轴承合金层11由Al或Cu等金属或是Al基或Cu基的合金等形成。涂覆层12设置在该轴承合金层11的表面。即，涂覆层12设置在轴承合金层11中相对于轴构件14滑动侧的面，具有相对于轴构件14滑动的滑动面16。涂覆层12通过使用例如喷涂、辊涂、转印印刷等一般方法的涂覆来设置在轴承合金层11。涂覆层12的厚度能够任意地设定，但是本实施方式中涂覆层12的厚度设定为2μm～30μm左右。轴构件14由例如铸铁等形成，其具有表面粗糙度Rz在0.8μm以上的比较粗糙的表面。

如图3所示，滑动构件10的涂覆层12具有硫化物颗粒21和树脂粘结剂22。硫化物颗粒21分散在树脂粘结剂22。树脂粘结剂22为选自例如聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、氟树脂及弹性体中的至少一种以上。此外，树脂粘结剂22也可以为高分子合金。硫化物颗粒21由金属M的硫化物形成。由金属硫化物形成的硫化物颗粒21为在相对于轴构件14的滑动中对滑动构件10和轴构件14之间进行润滑的固体润滑剂。构成硫化物颗粒21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，涂覆层12所含硫化物颗粒21为二硫化钼(MoS₂)。

滑动构件10的涂覆层12除了由金属硫化物构成的硫化物颗粒21以外，也可以含有固体润滑剂。作为固体润滑剂，可以是选自例如石墨、h-BN(h-氮化硼)、PTFE(聚四氟乙烯)、三聚氰胺氰脲酸盐、氟化碳、酞菁、石墨烯纳米片、富勒烯、超高分子量聚乙烯(三井化学制造，商标名“MIPELON”)、Nε-月桂酰-L-赖氨酸(味之素制造，商标名“AMIHOPE”)等中的至少一种以上。

滑动构件10具有覆盖部24。覆盖部24设置在涂覆层12所包含的硫化物颗粒21当中位于滑动面16侧的特定颗粒23。具体而言，如图3所示，硫化物颗粒21以分散的状态包含于树脂粘结剂22中。此时，硫化物颗粒21从涂覆层12的轴承合金层11侧到滑动面16侧以多层状分散于树脂粘结剂22。位于该分散的硫化物颗粒21当中靠滑动面16侧的层处的硫化物颗粒21为特定颗粒23。即，特定颗粒23不限于从涂覆层22在滑动面16露出的硫化物颗粒21。例如即使埋藏在涂覆层22中，在比自身靠滑动面16侧不存在其他硫化物颗粒21的硫化物颗粒21也是特定颗粒23。而且，该特定颗粒23在滑动面16侧具有覆盖部24。覆盖部24由金属M的氧化物形成。成为形成覆盖部24的氧化物的金属M，与成为形成硫化物颗粒21的硫化物的金属M为同一金属。即，当硫化物颗粒21为二硫化钼(MoS₂)的情况下，覆盖部24为氧化钼(MoO₃)。如此，位于滑动面16侧的特定颗粒23在滑动面16侧具有由氧化物形成的覆盖部24。

形成覆盖部24的金属M的氧化物比形成硫化物颗粒21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相对滑动的初期即磨合期，轴构件14与涂覆层12所包含的特定颗粒23的覆盖部24接触。该覆盖部24如上所述为较硬的金属氧化物。因此，即使例如在轴构件14产生有毛刺等攻击性的微小凸部25，在滑动构件10与轴构件14相对滑动时，如图4中的(B)和(C)所示，该微小的凸部25也会被覆盖部24研磨。另一方面，覆盖部24在磨合期中对凸部25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24被除去，轴构件14与涂覆层12所含的硫化物颗粒21接触。由此，轴构件14与构成硫化物颗粒21的金属硫化物接触，不会从硬的覆盖部24受到攻击。像这样，覆盖部24在与轴构件14的磨合期中，除去在轴构件14形成的微小凸部25，并且自身也被除去。其结果是，滑动构件10与轴构件14在磨合期之后，通过涂覆层12所含的硫化物颗粒21实现润滑。并且，降低从滑动构件10对轴构件14以及从轴构件14对滑动构件10的攻击，并维持低摩擦系数以及高耐磨性。

接下来，对基于上述结构的涂覆层12的硫化物颗粒21和覆盖部24的确定进行说明。

在一实施方式中，通过X射线光电子能谱法和X射线衍射法对涂覆层12的端面即滑动面16进行测量。X射线光电子能谱法(XPS：X-ray Photoelectron Spectroscopy)，也被称为ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，是表面分析法的一种。在XPS中，当在超高真空下对固体的试料的表面照射软X射线时，束缚在试料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射线或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为元素固有的能量。因此，基于束缚能，能够对元素进行定性分析。另一方面，光电子能够不受散射或碰撞等干扰而前进的距离即平均自由行程为数nm左右。因此，XPS的检测器无法检测出距离试料的表面数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特性，在距试料的表面数nm的范围中的极浅范围，对元素进行分析。

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。通过解析该衍射，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和X射线的波长而异，但是大致为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特性，对比XPS深的、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和XRD对涂覆层12的端面即滑动面16进行测量时，本实施方式的滑动构件10满足如下条件。

(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和XRD均对滑动构件10中的涂覆层12的端面即滑动面16进行分析。即，在XPS和XRD中，均从滑动构件10的滑动面16侧执行分析。由此，在XPS中，对与距离滑动构件10的端面数nm范围的最表面极为接近的区域进行分析。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，根据涂覆层12和轴承合金层11的厚度，不限于涂覆层12，有时分析至轴承合金层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降低。但是，即使强度的绝对值降低，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，得到束缚能与强度之间的关系。此时，因为金属硫化物和金属氧化物的束缚能不同，所以强度的峰不同。图5以作为金属硫化物的MoS₂和作为金属氧化物的MoO₃为例。金属硫化物和金属氧化物的峰使用最大的主峰或其次大的副主峰。例如在金属硫化物和金属酸化物的峰重叠并难以分离的情况下，不限于主峰，使用次大的副主峰。在选择主峰的情况下，金属硫化物和金属氧化物均使用主峰。另一方面，在选择副主峰的情况下，金属硫化物和金属氧化物均使用副主峰。在图5所示的实施方式的情况下，因为难以分离作为金属氧化物的MoO₃的主峰，所以金属硫化物和金属氧化物均使用副主峰。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以及金属氧化物的副主峰p2。像这样，根据所得到的金属硫化物的强度的峰高h1以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。将强度的峰的测量实施数次，将所得到的结果进行平均来计算出比R1。在本实施方式中，该比R1在0.10～0.50的范围中。这表示在涂覆层12的滑动面16侧的最表面即数nm范围，成为覆盖部24的金属氧化物的存在频率高。

在基于XRD的分析中，得到如图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。金属硫化物和金属氧化物的峰使用XRD的解析结果中强度最大的角度。即，在本实施方式中，使用图6所示的金属硫化物的峰p3以及金属氧化物的峰p4。像这样，根据所得到的金属硫化物的强度的峰高h3以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为0.10以下。这表示在距离涂覆层12的滑动面16侧的最表面50nm～100nm的范围中，成为覆盖部24的金属氧化物的存在频率低。

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，相对于在涂覆层12所包含的硫化物颗粒21中位于靠近滑动面16一侧的特定颗粒23处由金属氧化物形成的覆盖部24占优势，在比其深的区域中构成硫化物颗粒21的金属硫化物占优势。即表示，满足上述条件的本实施方式的滑动构件10在由金属硫化物形成的硫化物颗粒21中，在位于靠近滑动面16一侧的特定颗粒23形成有由金属氧化物形成的覆盖部24。

接下来，对基于上述结构的本实施方式的滑动构件10的制造方法进行说明。

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侧设置有涂覆层12。轴承合金层11的滑动面16侧作为预处理工序施行脱脂。脱脂后的轴承合金层11使用例如喷砂、机械加工或者表面处理等施行表面粗糙化。除去因表面粗糙化造成的脏污后，在轴承合金层11的表面涂覆成为涂覆层12的涂料。该涂料包含由金属硫化物形成的硫化物颗粒21。所涂覆的涂料通过施行例如干燥、烧结等，形成涂覆层12。形成有涂覆层12的滑动构件10通过施行热处理，在涂覆层12所包含的特定颗粒23生成成为覆盖部24的氧化物。即，通过热处理，将特定颗粒23表面氧化，将构成特定颗粒23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红外线加热器加热、电子束加热、或者干燥炉中加热等。特别是在本实施方式的情况下，优选使用红外线加热器加热。在使用一般的干燥炉加热等情况下，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，涂覆层12所包含的硫化物颗粒21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。其结果是，整个涂覆层12的硫化物颗粒21被加热，从而构成硫化物颗粒21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，涂覆层12所包含的硫化物颗粒21的与滑动面16极为靠近的范围瞬间被加热。因此，通过使用红外线加热器加热，如本实施方式所示，涂覆层12所包含的硫化物颗粒21，仅位于靠近滑动面16的位置处的特定颗粒23的滑动面16侧被氧化，并形成覆盖部24。

以下，对本实施方式的实施例和比较例进行说明。

在实施例1至实施例4以及比较例2至比较例4中，均是在试料形成涂覆层12后，通过红外线加热器进行加热。比较例1不对涂覆层12进行加热。红外线加热器的加热以一定的升温速度升高温度。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)。而且，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。在此情况下，规定范围设定为氧化促进温度T的75％～85％。即，当试料的表面温度到达氧化促进温度T的75％～85％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。此处，试料的氧化促进温度T是指，将成为固体润滑剂的金属硫化物的粉末在大气中加热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。

关于通过上述制作成的试样，计算出基于XPS的比R1和基于XRD的比R2，并使用图7所示的试验条件进行试验，测量出涂覆层12的磨损量以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的测量条件如图8所示那样进行了设定。XRD是使用理学公司制造的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，在实施例1至实施例4中分别设定停止加热的温度、升温速度、以及金属元素。无论设定的条件如何，这些实施例1至实施例4都示出了磨损量以及磨合后的摩擦系数为良好的结果。在实施例1至实施例4的情况下，摩擦系数在磨合期中增加，但之后降低。而且，在实施例1至实施例4的情况下，磨合期结束后，由涂覆层12所含有的固体润滑剂实现润滑，摩擦系数长期处于较小值。

与此相对，比较例1和比较例2示出磨损量大、磨合后的摩擦系数高的结果。比较例1为不对所覆盖的涂覆层12进行加热的例子。因此，比较例1没有形成由金属氧化物形成的覆盖部24。此外，比较例2为将停止加热的温度设定为氧化促进温度T的70％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，没有充分形成覆盖部24。由此可以认为，在比较例1和比较例2的情况下，在磨合期后，涂覆层12因来自轴构件14的攻击而磨耗。其结果是，可以认为在比较例1和比较例2的情况下，在磨合期后，摩擦系数逐渐增加。

此外，比较例3和比较例4示出相对于涂覆层12的磨耗量良好而磨合后的摩擦系数较高的结果。比较例3为将停止加热的温度设定为氧化促进温度T的90％的例子，比较例4为将停止加热的温度设定为氧化促进温度T的200％的例子。在这些比较例3和比较例4示出加热时的升温过度，涂覆层12所包含的硫化物颗粒21中更多被氧化成成为覆盖部24的金属氧化物。可以认为，由于成为覆盖部24的金属氧化物过度生成，因此涂覆层12所含有的固体润滑剂的硬度增大，并且金属硫化物所带来的润滑作用降低。由此，在比较例3和比较例4的情况下，虽然涂覆层12在磨合期研磨轴构件14，但之后对轴构件14也具有较高的攻击性。其结果是可以认为，在比较例3和比较例4的情况下，摩擦系数变得难以降低。

从图10所示的结果中可以明确看出，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 (3)

1.一种滑动构件，其具有轴承合金层和设置于所述轴承合金层的滑动面侧的涂覆层，其中，

所述涂覆层具有：

树脂粘结剂；

硫化物颗粒，其由金属硫化物形成，分散于所述树脂粘结剂；以及

覆盖部，其设置在分散于所述树脂粘结剂中的所述硫化物颗粒中位于所述涂覆层的所述滑动面侧的特定颗粒，由金属氧化物形成，所述金属氧化物由与构成所述硫化物颗粒的金属元素相同的金属元素形成，

在使用X射线光电子能谱法和X射线衍射法测量所述涂覆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。

2.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。

3.一种轴承装置，其中，具有：

轴构件，其表面粗糙度Rz为0.8μm以上；和

权利要求1或2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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