CN111902643A - 滑动构件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种具备能够在防止层间剥离的同时实现良好的耐疲劳性的镀覆层的滑动构件。本发明的技术方案是一种滑动构件，具备由Bi和Sb的合金镀膜形成的镀覆层，其中，所述镀覆层隔着以Ag为主要成分的中间层与由铜合金形成的衬层接合。

Description

滑动构件
技术领域
本发明涉及具备Bi和Sb的合金镀膜的镀覆层的滑动构件。
背景技术
通过Cu的含量为0.1～10质量％、Sb的含量为0.1～20质量％的Bi合金形成镀覆层是已知的(参照专利文献1)。专利文献1公开了通过Cu使Bi合金的晶体组织致密而提高了镀覆层的耐疲劳性。此外，专利文献1公开了通过添加Sb，能够防止镀覆层的低熔点化，并维持磨合性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3693256号
发明内容
发明所要解决的问题
但是，存在下述问题：如专利文献1那样，当Cu和Sb共存于镀覆层时，在镀覆层形成有Cu-Sb化合物，该Cu-Sb化合物使耐疲劳性恶化。特别是存在下述问题：在镀覆层形成于由铜合金形成的衬层上的情况下，衬层中的Cu扩散到镀覆层，促进了Cu-Sb化合物的生成。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种滑动构件，能够在形成于由铜合金形成的衬层上的包含Sb的Bi合金的镀覆层处发挥良好的耐疲劳性。
用于解决问题的方案
为了达成上述目的，本发明的滑动构件是具备由Bi和Sb的合金镀膜形成的镀覆层的滑动构件，其中，镀覆层中的Sb的浓度为3.1质量％以上，镀覆层隔着以Ag为主要成分的中间层与由铜合金形成的衬层接合。
在上述的构成中，镀覆层不仅包含软质的Bi，还包含硬质的Sb，因此能够通过硬质的Sb提高耐疲劳性。在此，Cu具有扩散至Sb比扩散至Bi更容易的性质。当将镀覆层中的Sb的平均浓度设得越高(例如3质量％以上)时，越有从衬层扩散到镀覆层的Cu使耐疲劳性降低的可能性。需要说明的是，能够通过提高镀覆层中的Sb的平均浓度而使镀覆层变硬，但是过剩的Sb会使镀覆层脆化而导致耐疲劳性降低，因此，Sb的平均浓度理想为10质量％以下。
对此，通过使以Cu难以扩散的Ag为主要成分的中间层夹存于衬层与镀覆层之间，能够减少Cu从衬层扩散到镀覆层中的量，能够减少耐疲劳性降低的可能性。在此，镀覆层中的Sb的平均浓度是指，距镀覆层表面的整个深度范围内的Sb的平均浓度。此外，Sb的浓度越高，能够使镀覆层12越硬，因此，通过使Sb的浓度高浓度化，能够进一步提高耐疲劳性。
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是镀覆层中的Sb的浓度的图。
图3中的图3A和图3B是镀覆层的剖面的照片。
图4是疲劳试验的说明图。
图5中的图5A～图5C是镀覆层的剖面的照片。
图6是表示Sb的浓度与疲劳面积率的关系的图。
具体实施方式
在此，将按照以下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是本发明的一实施方式的滑动构件1的立体图。滑动构件1包括衬背10、衬层11以及镀覆层12。滑动构件1是将中空状的圆筒沿直径方向二等分而成的对开形状的金属构件，截面呈半圆弧状。通过将两个滑动构件1以成为圆筒状的方式组合，形成滑动轴承A。滑动轴承A通过在内部形成的中空部分轴支承圆柱状的配对轴2(发动机的曲轴)。配对轴2的外径形成为略小于滑动轴承A的内径。润滑油(发动机油)被供给至形成于配对轴2的外周面与滑动轴承A的内周面之间的间隙。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具有下述构造：按照远离曲率中心的顺序依次层叠有衬背10、衬层11、中间层13以及镀覆层12。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、中间层13以及镀覆层12分别在圆周方向上具有固定的厚度。衬背10的厚度是1.8mm，衬层11的厚度是0.2mm，中间层13的厚度例如是2.0μm，镀覆层12的厚度是20μm。镀覆层12的曲率中心侧的表面的半径的2倍(滑动构件1的内径)是55mm。滑动轴承A的宽度是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。镀覆层12的内侧的表面构成配对轴2的滑动面。
衬背10由下述钢形成：含有0.15质量％的C、含有0.06质量％的Mn、剩余部分由Fe构成。需要说明的是，衬背10可以由能够隔着衬层11和镀覆层12支承来自配对轴2的负荷的材料形成，并非必须由钢形成。
衬层11是层叠在衬背10的内侧的层，构成本发明的基层。衬层11含有10质量％的Sn，含有8质量％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以及Cr等，是在精炼或废料中混入的杂质。衬层11中的不可避免的杂质的含量合计为0.5质量％以下。
中间层13由纯Ag形成。中间层13中的不可避免的杂质的含量合计为0.5质量％以下。
镀覆层12是层叠在衬层11的内侧的表面上的层。镀覆层12是Bi和Sb的合金镀膜。此外，镀覆层12由Bi、Sb以及不可避免的杂质构成。镀覆层12中的不可避免的杂质的含量合计为0.5质量％以下。
[表1]
表1是表示镀覆层12中的Sb的浓度(质量浓度)的表。图2是表示镀覆层12中的Sb的浓度(质量浓度)的图。图2的横轴表示距与中间层13的界面的距离，纵轴表示Sb的浓度。在表1和图2中，表示了收敛到约2质量％的试样A的Sb的浓度(三角形)、收敛到约1质量％的试样B的Sb的浓度(圆形)以及不具有浓度梯度的试样C的浓度(四边形)。如图2所示，在试样A和试样B中，Sb的浓度在与中间层13的界面处最大。而且，在试样A和试样B中，距与中间层13的界面的距离越长(距镀覆层12的表面的深度越浅)，Sb的浓度越连续地变低。镀覆层12整体中的Sb的平均浓度是3.05质量％。
在试样A和试样B中，距与中间层13的界面的距离越大，Sb的浓度的斜率(绝对值)越小，在与中间层13的界面的距离为4μm以上的区域中，Sb的浓度收敛至几乎恒定。在试样A和试样B中，在距镀覆层12的表面的深度为第一深度的第一区域(距与中间层13的界面X的距离为4μm以下的区域)中的Sb的浓度的斜率和标准偏差，大于距镀覆层的表面的深度比第一深度浅的第二区域(距与中间层13的界面X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的浓度的斜率是第二区域中的Sb的浓度的斜率的7.6倍。试样A的第一区域中的Sb的标准偏差是第二区域中的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的浓度的斜率是第二区域中的Sb的浓度的斜率的3.7倍。试样B的第一区域中的Sb的标准偏差是第二区域中的Sb的浓度的标准偏差的3.2倍。
本实施方式的镀覆层12以与试样A同样的制造方法形成，并且膜厚为20μm的镀覆层12的表面的Sb的浓度是1.8质量％。因此，在本实施方式中，也能够判定存在与图2的试样A同样的Sb的浓度梯度。需要说明的是，镀覆层12中的Sb的浓度可以通过后述的镀覆层12的电镀的镀浴中的Sb浓度的增减来调整。
图3A和图3B是镀覆层12的剖面照片。图3A和图3B的剖面照片以Sb的浓度越高的部位颜色越深的方式进行了映射。如图3所示，距镀覆层12的表面的深度越浅，Sb的浓度越连续地变低。即，距镀覆层12的表面的深度越深，Sb的浓度越连续地变高。此外，可以认为Sb以外的剩余部分是Bi，因此，距镀覆层12的表面的深度越深，Bi的浓度越连续地变低。即，距镀覆层12的表面的深度越浅，Bi的浓度越连续地变高。需要说明的是，图3A是对厚度约为10μm的镀覆层12的剖面进行拍摄的图。
需要说明的是，镀覆层12中的Sb的浓度是利用电子探针显微分析仪(日本电子制造的JMS-66610A)并通过能量分散型X射线光谱法计测的。具体而言，设定多个从镀覆层12与中间层13的界面X到上端(表面侧的端)的距离分别相差1μm的矩形区域E，计测了该矩形区域E内的Sb的平均质量浓度作为各距离的Sb的质量浓度。设定由所有矩形区域E构成的整体区域EA，计测了该整体区域EA内的Sb的平均质量浓度作为镀覆层整体的Sb的平均浓度。
制作从以上说明的滑动构件1中省略了中间层13的疲劳试验片(连杆R)，计测了其疲劳面积率，疲劳面积率为良好30％。在此，如本实施方式那样，在镀覆层12整体中的Sb的平均浓度是3.05质量％的低浓度的情况下，确认了即使不设置中间层13，Cu也几乎不从衬层11扩散到镀覆层。因此，如本实施方式那样，在镀覆层整体中的Sb的平均浓度是3.05质量％的低浓度的情况下，可以想到：在有和没有中间层13的情况下可以得到同样的疲劳面积率。在此，在中间层13本身被破坏或中间层13的界面处发生剥离的情况下，中间层13的存在影响疲劳面积率。在本实施方式中，可以想到：没有发生中间层13的破坏或剥离，因此，在有和没有中间层13的情况下可以获得同样的疲劳面积率。因此，使用了省略中间层13的疲劳试验片。疲劳面积率按照以下顺序计测。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的贯通孔的连杆R，通过一端的贯通孔轴支承试验轴H(阴影)。
需要说明的是，在轴支承试验轴H的连杆R的贯通孔的内周面形成了与滑动构件1同样的镀覆层12(黑色)。在试验轴H的轴方向上的连杆R的两外侧轴支承试验轴H，使试验轴H旋转以使滑动速度为6.6m/秒。滑动速度是镀覆层12的表面与试验轴H之间的相对速度。将与试验轴H相反侧的连杆R的端部连结到沿连杆R的长度方向往复移动的移动体F，该移动体F的往复负荷设为80MPa。此外，在连杆R与试验轴H之间供给约140℃的发动机油。
通过使上述状态持续50个小时，进行了镀覆层12的疲劳试验。然后，在疲劳试验后，从与镀覆层12的内侧的表面(滑动面)正交的直线上的位置，以将该直线设为主光轴的方式对镀覆层12的内侧的表面进行拍摄，得到了作为该拍摄的图像的评价图像。然后，通过双目镜(放大镜)观察并确定在评价图像中显示出的镀覆层12的表面中的损伤的部分，将作为该损伤部分的面积的损伤部面积除以在评价图像中显示出的镀覆层12的表面整体的面积而得到的值的百分比作为疲劳面积率进行了计测。
在以上说明的本实施方式中，镀覆层12不仅包含软质的Bi，还包含硬质的Sb，因此能够通过硬质的Sb提高耐疲劳性。此外，随着距表面的深度变深，Sb的浓度变高，因此能够在磨耗初期实现良好的磨合性，在磨耗加剧的阶段实现高的耐磨耗性。而且，随着距表面的深度变深，Sb的浓度变高，因此能够防止层间的剥离。
此外，在距镀覆层12的表面的深度为第一深度的第一区域(距与中间层13的界面X的距离为4μm以下的区域)中的Sb的浓度的斜率，大于距镀覆层的表面的深度比第一深度浅的第二区域(距与中间层13的界面X的距离大于4μm的区域)中的Sb的浓度的斜率。由此，随着磨耗的加剧，能够使镀覆层12的硬度急剧增加。
可以想到：镀覆层12中的Sb的平均浓度越高，以上说明的Sb的效果越大。但是，将镀覆层12中的Sb的平均浓度提高时，会产生Cu从衬层11扩散到镀覆层12，扩散的Cu使耐疲劳性降低的弊端。于是，作为用于抑制Cu的扩散的构成，形成中间层13。
以下，对中间层13的效果确认试验的结果进行说明。
[表2]
Figure BDA0002686966480000081
表2是表示中间层13的效果确认试验的结果的表。在中间层13的效果确认试验中，对于6种试样D1、D2、E1、E2、F1和F2，计测了镀覆层12中的Cu的浓度。试样D1、D2、E1、E2、F1和F2均是为了促进Cu的扩散而形成了Sb的平均浓度为5.0％的高浓度化的镀覆层12的滑动构件1。
试样D1和D2是不隔着中间层13而直接在衬层11上形成了镀覆层12的滑动构件1。试样E1和E2是隔着由纯Ag形成的厚度为2μm的中间层13而在衬层11上形成了镀覆层12的滑动构件1。试样E1和E2的中间层13是与第一实施方式的中间层13相同的构成。试样F1和F2是隔着由Ag-Sn合金形成的厚度为2μm的中间层13而在衬层11上形成了镀覆层12的滑动构件1。在Ag-Sn合金中，仅含有30质量％的Sn。
对于试样D2、E2和F2，为了能产生Cu的扩散，在滑动构件1的完成后进行了热处理(在150℃空气中放置50个小时)。另一方面，对于试样D1、E1和F1，在滑动构件1的完成后未进行热处理。
图5A～图5C是试样D2、E2和F2中的镀覆层12的剖面照片。图5A～图5C的剖面照片以Cu的浓度越高的部位颜色越深的方式进行了映射。如表1所示，可知仅在未形成中间层13且进行了热处理的试样D2中，Cu扩散到镀覆层12。在图5A中也能够观察到Cu从在试样D2中以黑色示出的衬层11线状扩散。需要说明的是，能够理解：在试样D2的镀覆层12中距界面X的距离越长，Cu的浓度越低，Cu越从衬层11扩散。因此，能够理解：当在实际产品的使用环境中使用未形成中间层13而形成了高浓度Sb的镀覆层12的滑动构件1时，Cu从衬层11扩散到镀覆层12，扩散的Cu使耐疲劳性降低。
相对于此，在设置了中间层13的试样E2和F2中，虽然进行了热处理，但Cu的浓度均为0质量％。因此，即使使镀覆层12中的Sb的浓度高浓度化，也能够抑制从衬层11扩散到镀覆层12的Cu的量，能够防止扩散的Cu使耐疲劳性降低。Sb的浓度越高，能够使镀覆层12越硬，因此，通过使Sb的浓度高浓度化，能够进一步提高耐疲劳性。当然，如第一实施方式那样，在Sb为低浓度的镀覆层12中，通过形成中间层13，也能够可靠地防止Cu的扩散。需要说明的是，镀覆层12中的Cu的浓度的计测方法与Sb的浓度的计测方法相同。
(1-2)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散布构成衬层11的材料的粉末。具体而言，以成为上述的衬层11中的各成分的质量比的方式，将Cu的粉末、Bi的粉末和Sn的粉末散布在低碳钢的平面板上。只要满足衬层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。粉末的粒径通过试验用筛子(JIS Z8801)调整到150μm以下。
接着，将低碳钢的平面板和散布在该平面板上的粉末烧结。将烧结温度控制在700～1000℃，在惰性气氛中烧结。烧结后进行了冷却。需要说明的是，镀覆层11并非必须通过烧结来形成，也可以通过铸造等来形成。
冷却完成后，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，以使中空状的圆筒成为在直径方向上二等分后的形状的方式，对形成有Cu合金层的低碳钢进行压制加工。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压制加工。
接着，对形成在衬背10上的Cu合金层的表面进行了切削加工。此时，对切削量进行了控制，以使在衬背10上形成的Cu合金层的厚度与衬层11相同。由此，能够由切削加工后的Cu合金层形成衬层11。通过设置了由例如烧结钻石形成的切削工具材料的车床进行切削加工。
接着，在镀覆层11的表面上通过电镀使Ag仅层叠2μm的厚度，由此形成了中间层13。接着，在中间层13的表面上通过电镀使Bi仅层叠10μm的厚度，由此形成了镀覆层12。电镀的顺序设定如下。首先，对中间层13的表面进行了水洗。进而，通过对中间层13的表面进行酸洗，从中间层13的表面除去了不需要的氧化物。然后，再次对中间层13的表面进行了水洗。
上述预处理完成后，通过向浸渍在镀浴中的衬层11供给电流而进行了电镀。镀浴的浴液组成设为含有甲烷磺酸：150g/L、甲烷磺酸Bi：20g/L和有机系表面活性剂：25g/L。在上述镀浴中，通过电解使纯Sb仅溶解了0.18g/L。镀浴的浴温度设为30℃。而且，将供给至衬层11的电流设为直流电流，将其电流密度设为2.0A/dm2。
需要说明的是，在镀浴中，甲烷磺酸可在50～250g/L之间调整，甲烷磺酸Bi可在5～40g/L之间调整，Sb为0.1～3g/L，有机表面活性剂可在0.5～50g/L之间调整。此外，镀浴的浴温度可在20～50℃之间调整，供给至衬层11的电流密度可在0.5～7.5A/dm2之间调整。能够通过增大镀浴中的Sb的离子浓度，提高镀覆层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，得到了在图2中收敛于约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，得到了在图2中收敛于约1质量％的Sb的浓度(圆形)。此外可知，通过将甲烷磺酸用于镀浴，能够实现Sb的浓度梯度。在使用EDTA(乙二胺四乙酸)来代替甲烷磺酸的镀浴中形成镀覆层12时，形成了如图2的试样C那样不具有浓度梯度的镀覆层12。不过，在将甲烷磺酸用于镀浴的情况下，不一定形成Sb的浓度梯度，也可以如图3A所示形成没有Sb的浓度梯度的镀覆层12。
如上所述进行了电镀之后，进行了水洗和干燥。由此，完成了滑动构件1。进而，通过将两个滑动构件1组合成圆筒状，形成滑动轴承A，安装于发动机。
(2)其他实施方式：
表2表示对使镀覆层12的膜厚和表面的Sb的浓度变化后的多个试样1～8进行疲劳面积率计测的结果。需要说明的是，第一实施方式对应于试样7。图6是试样1～8的疲劳面积率的图。图6的纵轴表示疲劳面积率，横轴表示表面的Sb的浓度。
[表3]
Figure BDA0002686966480000111
首先，镀覆层12的膜厚越大，疲劳面积率越大。可以想到这是因为：与Sb的浓度无关，当镀覆层12的膜厚变大时，作用于镀覆层12内部的应力变大。但是，能够确认到：通过使镀覆层12中含有Sb，在任何膜厚下均能够降低疲劳面积率。因此，即使如上述实施方式那样将镀覆层12的膜厚设为20μm，也能够形成具有良好的耐疲劳性的滑动构件1。
此外，当在同一膜厚之间比较疲劳面积率时，表面的Sb的浓度越高，越能够抑制疲劳面积率。通过将表面的Sb的浓度设为1.0质量％以上且3.0％以下(理想的是1.7质量％以上且2.6质量％以下)，能够抑制疲劳面积率。
在上述实施方式中，例示了构成对引擎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形成其他用途的滑动轴承A。例如，也可以通过本发明的滑动构件1形成用于变速器的齿轮衬套或活塞销衬套/轮毂衬套等的径向轴承。进而，本发明的滑动构件也可以是推力轴承，也可以是各种垫圈，也可以是用于汽车空调压缩机的斜板。此外，衬层11的基质不限于Cu合金，根据配对轴2的硬度选择基质的材料即可。此外，衬背10不是必须的，可以省略。中间层13的厚度不限于2.0μm，也可以是0.5～10.0μm(理想的是1～5.0μm)之间的任意厚度。通过使中间层13的厚度为0.1μm以上，能够减少中间层13产生针孔等缺陷的可能性。通过使中间层13的厚度比1μm厚，能够通过中间层13可靠地防止Cu的扩散。
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；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，其特征在于，所述滑动构件具备由Bi和Sb的合金镀膜形成的镀覆层，
所述镀覆层隔着以Ag为主要成分的中间层与由铜合金形成的衬层接合。
2.根据权利要求1所述的滑动构件，其中，
所述中间层由纯Ag或Ag-Sn合金形成。
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