CN112135979B - 轴承部件 - Google Patents

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Abstract

在安装轴体(2)的轴孔(1A)的内周面上，设置由金属制的母材(3A)和分散在母材(3A)中且导热系数比母材(3A)相对大的导热材料(3B)构成的覆盖层(3)，并且，导热材料(3B)作为沿着覆盖层(3)的表面的方向(B、C)上的长度(Lb、Lc)比在覆盖层(3)的厚度方向(A)上的长度(La)长的轴承部件(1)，通过提高沿着轴孔(1A)的内周面的方向(B、C)的导热性，由此，提高散热性，抑制因与轴体(2)的滑动接触产生的高温化，实现耐烧结性的提高。

Description

轴承部件
技术领域
本发明涉及一种例如在汽车发动机的旋转滑动部位中作为滑动轴承而使用的轴承部件。
背景技术
作为现有的轴承部件，例如有记载在专利文献1中的轴承部件。专利文献1中记载的轴承部件用于汽车的内燃机等。该轴承部件是在设定有规定的热膨胀系数、导热系数和耐力的铜合金层的表面上设置有厚度为3～50μm的合金制的覆盖轴承层的多层滑动轴承，其相对于铝合金制的轴承外壳的变形的追随性高，散热性优异。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开平6－94037号公报
但是，上述现有的轴承部件在应用于汽车发动机的主金属或连杆金属的情况下，由于在接受来自连接杆的轴线方向的负荷的同时与轴体旋转滑动接触，所以在与轴体之间产生摩擦热的局部高温区域，存在因该摩擦热而产生烧结的可能性。这样的轴承部件，特别是作为发动机的轻量化对策之一，如果想要实现轴长度的缩小，则随着面压的增加，摩擦力变大，有容易发生烧结的问题。因此，现有的轴承部件要求改善耐烧结性。
发明内容
本发明是鉴于上述现有的状况而完成的，其目的在于，提供一种通过提高沿着轴孔的内周面的方向(包括轴线方向和周向的方向)的导热性，提高散热性，抑制与轴体的旋转滑动接触而产生的高温化，实现耐烧结性的提高的轴承部件。
本发明的轴承部件在安装轴体的轴孔的内周面上具有覆盖层，所述覆盖层由金属制的母材和分散在所述母材中且导热系数比所述母材相对大的导热材料构成。轴承部件的特征在于，所述导热材料在沿着所述覆盖层的表面的方向上的长度比在所述覆盖层的厚度方向上的长度长，并且，在所述轴孔的周向上的长度比在所述轴孔的轴线方向上的长度长。
由于本发明的轴承部件采用了上述结构，因此，通过在母材中分散导热材料而构成的覆盖层，使沿着轴孔的内周面的方向的导热性得以提高，由此，提高散热性，抑制与轴体的旋转滑动接触而产生的高温化，并实现耐烧结性的提高。
附图说明
图1是说明本发明的轴承部件的第一实施方式的立体图。
图2是图1所示的轴承部件的剖面图(B)。
图3是在与轴线正交的方向上的覆盖层的放大剖面图。
图4是表示覆盖层的轴向及厚度方向上的导热材料的扁平率的平面图。
图5是表示覆盖层的轴向及周向上的导热材料的扁平率的平面图。
图6是将导热材料的含有比例设为60wt％的覆盖层的放大剖面图。
图7是将导热材料的含有比例设为80％的覆盖层的放大剖面图。
图8是说明滑动试验装置的正面图。
图9是表示本发明的轴承部件和现有的轴承部件的烧结负荷的图表。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1及图2所示的轴承部件1在安装轴体2的轴孔1A的内周面上具有覆盖层3。如图3所示，覆盖层3由金属母材3A、分散在母材3A中且导热系数比母材3A相对高的导热材料3B构成。
如图4所示，导热材料3B构成为，在沿着覆盖层3的表面的方向(B和C)上的长度Lb、Lc比覆盖层3的厚度方向A上的长度La长。沿着覆盖层3的表面的方向(B和C)是沿着包括轴孔1A的轴线方向B和轴孔1A的周向C的面(筒状的曲面)的方向。总之，导热材料3B是沿着覆盖层3的表面方向扩展的扁平的结构。
轴承部件1的衬套(基体金属)的材料没有特别限定，但是，例如可以采用冷轧钢板(SPCC)等钢。形成覆盖层3的母材3A的材料并不特别限定，但是作为导热性良好的材料，可以代表性地采用铜、铜合金、铝和铝合金中的至少一个。另外，在母材3A的材料是铜、铜合金、铝及铝合金中的至少一个的情况下，考虑到耐磨耗性，希望母材3A的维氏硬度为45HV以上。
形成覆盖层3的导热材料3B基本上只要具有比母材3A的导热系数高的导热系数即可，作为导热性优秀的代表性材料，可以采用软碳及硬碳等低结晶碳；科琴碳黑、乙炔碳黑、槽法碳黑、油炉碳黑及导热碳黑等碳黑；富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角、碳原纤维、石墨和石墨烯等的碳素材料，特别是从沿覆盖层3的表面的方向(B和C)的导热性的观点来看，优选使用石墨或石墨烯。
如上所述，导热材料3B在沿着覆盖层3的表面的方向(B和C)上的长度Lb、Lc比覆盖层3的厚度方向A上的长度La长。但是，导热材料3B只要分散在母材3A中的全部中的至少规定比例的材料满足上述长度关系即可，优选为50％以上，更优选为80％以上，但沿着覆盖层3的表面的方向(B，C)的长度Lb、Lc长。
此外，如图5所示，优选导热材料3B在轴孔1A的周向C上的长度Lc比轴孔1A的轴线方向B上的长度Lb长，更优选的是，周向C上的长度Lc相对于轴线方向B上的长度Lb为3倍以上。
如图3所示，如上所述的导热材料3B在覆盖层3的厚度方向A，覆盖层3的表面区域的分布密度相对高。更具体地，导热材料3B以从覆盖层3的表面朝向轴孔1A的中心，分布密度由密集向稀疏过渡的方式，含量逐渐减少。
另外，上述覆盖层3优选地构成为，沿表面的方向(B和C)的导热系数为90W/m·k以上。进而，导热材料3B更优选地构成为，相对于母材3A以15wt％以上且90wt％以下的比例分散，作为进一步优选的范围，相对于母材3A以20wt％以上且40wt％以下的比例分散。
图3所示的覆盖层3使沿其表面的方向(B和C)的导热系数为200W/m·k，使导热材料3B的含有比例为20wt％，如上所述，在厚度方向A的表面侧区域中导热材料3B的分布密度相对高。另外，覆盖层3使所述导热材料3B在其表面上的露出率为7.4％。
另外，图6所示的覆盖层3使沿其表面的方向(B和C)的导热系数为400W/m·k，使导热材料3B的含有比率为60wt％，厚度方向A的导热材料3B的分布密度大致相等。另外，覆盖层3使所述导热材料3B在其表面上的露出率为22.6％。
进而，图7所示的覆盖层3使沿其表面的方向(B和C)的导热系数为600W/m·k，使导热材料3B的含有比率为80wt％，厚度方向A的导热材料3B的分布密度大致相等。另外，覆盖层3使所述导热材料3B在其表面上的露出率为49.5％。
上述覆盖层3可以在其表面上设置涂层。该涂层是对轴承的内周面实施于一般的表面处理层，例如银和铋等的镀层。
另外，轴承部件1的构成更优选为轴孔1A的内周面，即覆盖层3的表面的表面粗糙度为Ra0.3μm以下，进而，覆盖层3的表面上的导热材料3B的露出率为5％以上且60％以下。
具有上述结构的轴承部件1作为一例，可以应用于汽车发动机的主金属或连杆金属等的滑动轴承。这样的轴承部件1在相对小的直径的情况下，在平坦的衬套上形成覆盖层3之后，将其弯曲加工成圆筒形，通过焊接等将端部彼此接合而形成。另外，轴承部件1在相对大直径的情况下，在平坦的衬套上形成覆盖层3之后，将其弯曲加工为半圆形作为段，将两个段的端部彼此接合，从而形成圆筒形。
进而，当上述轴承部件1应用于汽车发动机的构成部件的情况下，在含有MODTC(Molybdenum dithiocarbamate)等摩擦调整剂的润滑油下使用，在轴孔1A的内周面和轴体2之间存在润滑油的状态下，与轴体2相对旋转滑动接触。
在此，上述轴承部件1在应用于汽车发动机的主金属或连杆金属的情况下，一边接受来自连接杆的轴线方向的负荷，一边与轴体旋转滑动接触。因此，在轴承部件1，与轴体(例如曲轴销)2之间产生摩擦热的局部高温区域。该局部高温区域是由作用于连接杆的轴线方向的力而形成的，随着轴承部件1和轴体2的相对旋转，过渡到轴孔1A的周向。
与此相对，在上述实施方式中说明的轴承部件1在轴孔1A的内周面具有由金属制的母材3A和导热材料3B构成的覆盖层3，导热材料3B的沿着覆盖层3的表面的方向(B及C)上的长度Lb、Lc比覆盖层3的厚度方向A上的长度La长。
由此，轴承部件1由于覆盖层3本身的导热性高，因此，在设置有该覆盖层3的轴孔1，沿着其内周面的方向(B和C)的导热性提高，提高散热性，抑制与轴体2的旋转滑动接触而产生的高温化，并能实现耐烧结性的提高。
另外，轴承部件1能够实现作为发动机的轻量化对策之一的轴长度的缩小。即，在轴长度缩小的情况下，轴承部件1的摩擦力随着面压的增加而增大。与此相对，轴承部件1具有高导热性，因此，能够抑制摩擦产生的热。由此，轴承部件1能够在确保充分的耐烧结性的同时实现轴长度的缩小，能够为发动机的轻量化做出贡献。
进而，轴承部件1通过在包含摩擦调整剂的润滑油下使用，对润滑油进行有效的传热，结合自身的高温化抑制功能和润滑油的降低摩擦力及冷却功能，实现耐烧结性的进一步提高。
此外，轴承部件1中，对于导热材料3B，使轴孔1A的周向C的长度Lc比轴孔1A的轴线方向B的长度Lb长，更优选地，相对于轴孔1A的轴线方向B的长度Lb，使轴孔1A的周向C的长度Lc为3倍以上，特别是轴孔1的周向C的导热性得以提高。由此，轴承部件1在应用于汽车发动机的主金属或连杆金属的情况下有效。
即，如上所述，轴承部件1在应用于主金属或连杆金属的情况下，局部的高温区域向轴孔1A的周向过渡。于是，轴承部件1通过提高相对于该过渡方向(周向C)的导热性，有效地分散局部的高温区域的热，实现耐烧结性的进一步提高。
进而，轴承部件1中，对于导热材料3B，在覆盖层3的厚度方向A，覆盖层3的表面侧区域的分布密度相对高，所以使用最小量的导热材料3B，能够提高主要容易高温化的表面侧区域的导热性，实现耐烧结性的进一步提高。
另外，轴承部件1使沿着覆盖层3的表面的方向(B和C)的导热系数为90W/m·k以上，与母材3A和导热材料3B的材料、导热材料3B的扁平率等条件相结合，有效地提高沿覆盖层3的表面的方向(B，C)的导热性。
进而，轴承部件1中，对于导热材料3B，相对于母材3A以15wt％以上且以90wt％以下的比例分散。在此，如果导热材料3B的比例不足15wt％，则有可能难以充分确保覆盖层3的导热性。另外，如果导热材料3B的比例超过90wt％，则有可能导致母材3A的总量不足，从而降低耐磨性。于是，轴承部件1通过使导热材料3B相对于母材的比例为15wt％以上且90wt％以下而分散，从而实现作为覆盖层3整体的充分的导热性和充分的耐磨性这两者。
进而，轴承部件1中，对于导热材料3B，如果相对于母材3A以20wt％以上且40wt％以下的比例分散，则覆盖层3的导热系数以及母材3A与导热材料3b的界面增加，能够有效地提高耐久性和强度。
此外，轴承部件1在覆盖层3的表面上具有涂层，从而可以提高耐腐蚀性，并且可以实现作为部件的长寿命化。
进而，轴承部件1通过使轴孔1A的内周面的表面粗糙度为Ra0.3μm以下，能够使内周面平滑，从而降低摩擦阻力，能进一步提高由母材3A和导热材料3B构成的覆盖层3的高温化抑制效果。
此外，轴承部件1使覆盖层3的表面上的导热材料3B的露出率为5％以上且60％以下。在此，如果导热材料3B的露出率不足5％，则有可能导致覆盖层3表面的导热性不充分。另外，如果导热材料3B的露出率超过60％，则有可能导致表面上的母材3A的比例不充分，耐磨耗性降低。于是，轴承部件1通过使覆盖层3的表面上的导热材料3B的露出率为5％以上且60％以下，由此，实现覆盖层3充分的导热性和充分的耐磨性这两者。
进而，当轴体2安装在轴孔1A上并相对地旋转时，形成覆盖层3的导热材料3B随着时间推移而转移到轴体2的外周面。当发生该转移时，即使在轴体2的外周面上，也能够得到导热材料3B的良好的导热性，提高散热性。由此，作为由轴承部件1和轴体2构成的旋转滑动机构，能够得到相互滑动面上的高导热性和高散热性，能够实现耐烧结性优异的结构。
(实施例)
在厚度1mm的衬套(SPCC板)的表面上，层叠母材即铜粉末和导热材料即石墨，作为覆盖层，并以高度均匀的方式成形。该成形体通过电炉在800℃下加热，通过原子的扩散将衬套、母材及导热材料结合，在衬套的表面形成由母材及导热材料构成的覆盖层。然后，通过机械加工来控制覆盖层表面的粗糙度和表面上的导热材料的露出率，根据需要在覆盖层的表面上形成涂层。
另外，作为本发明的实施例及比较例，实施了模拟油膜切断状态的往返滑动试验。该试验使用了图8所示的往返滑动试验装置。图中所示的往返手动试验装置具备：通过框架11可上下移动地被保持的头部12、向下加压头部12的气缸13、在头部12的下侧可沿水平方向往复运动的工作台14。
上述往复滑动试验装置将轴承部件的试验片P1固定在工作台14上，并且将轴体的试验片P2固定在头部12的下端部。并且，往返滑动试验装置通过气缸13使头部12下降，使轴体的试验片P2以规定的负荷接触到工作台14上的轴承部件的试验片P1，并且使工作台14沿一方向往复移动，使轴体的试验使试验片P2相对轴承部件的试验片P1的负荷发生变化。
在上述试验中，轴体的试验片P2在实施例及比较例中均为伴随滑动发热的R形状，安装热电偶来测量滑动温度。轴体的试验片材质为S45C材料，尺寸为曲率R300×30mm长，表面粗糙度为Ra0.03μm。另一方面，轴承部件的试验片P1具有由铜烧结的母材和石墨的导热材料构成的覆盖层，尺寸为66mm×49mm。
另外，在上述试验中，将工作台的移动速度设为0.7m/s，往返范围设为20mm，作为润滑条件，涂布1滴5w-30GF-4通用油。并且，在上述试验中，将工作台侧加热到120℃(高温160℃)，作为试验停止条件，摩擦力限制器设为通常超过120N。
在实施例1～6中，无论哪一个覆盖层的母材都是铜，并且导热材料是石墨。在比较例1中，覆盖层仅铜(无导热材料)。在实施例1～4及实施例6中，将覆盖层的导热材料的比例设为20wt％，在实施例5中，导热材料的比例设为4wt％。
另外，在实施例2、4～6中，使用图5说明的导热材料的轴线方向(B)的长度(Lb)与周向(C)的长度(Lc)之比(Lb:Lc)都设为1:2，在实施例1中设为1:1，在实施例3中设为1:4。
进而，在实施例1～3及实施例5中，在覆盖层的厚度方向(A)上，使导热材料相对于母材没有疏密关系，即导热材料的分布密度均匀。在实施例4中，从覆盖层的表面朝向轴孔的中心的方向，导热材料从密集向稀疏过渡的分布(参照图3)。在实施例6中，与实施例4相反，导热材料从稀疏到密集地过渡的分布。
通过金属的激光闪光法测量热扩散比率来计算覆盖层的导热系数(以“JIS7801”为基准进行测量)。此外，母材的维氏硬度使用维氏硬度计测量母材部分的维氏硬度(以JISG0562为基准测量)。另外，利用触针式粗糙度计测量覆盖层的表面粗糙度，求出算术平均粗糙度Ra(以JIS B 0601为基准)。进而，通过从扩大的覆盖层表面的光学显微镜图像对覆盖层表面的图像进行二值化，计算覆盖层表面上的导热材料的露出率。
并且，在试验中，关于上述实施例1～6及比较例1，在从300N到1900N的范围内，每3分钟使轴体的试验片P2的接触负荷阶梯性地上升200N，同时实施滑动部分的测温。另外，在所有实施例1～6以及比较例1中，确认了轴承部件的试验片P1的表面粗糙度为Ra0.3μm以下。实施例1～6及比较例1的试验结果如下表1所示。
[表1]
Figure GDA0002770101170000081
如表1所示，实施例1～6都确认了即使将轴体的试验片P2的接触负荷设为1900N也不会发生烧结。与此相对，比较例1在将试验片P2的接触负荷设为1500N的阶段产生了烧结。图9表示比较比较例1和实施例1的图表。
另外，在表1中，比较例1中，导热系数为50W/m·k，判断滑动部温度达到接近80℃。与此相对，实施例1～4、6的导热系数均超过200W/m·k，并且滑动部温度在50℃以下。由此，与比较例1相比，实施例1～4、6具有明显的高导热性，并且确认了通过其高导热性能提高散热性，能够大幅降低滑动部温度。
另外，在实施例5中，与其他实施例1～4、6相比，覆盖层中的导热材料的比例减少，因此，导热系数为60W/m·k，滑动部温度超过50℃。但是，在实施例5中，其导热系数比比较例1的导热系数高，而且滑动部温度明显低于比较例1的滑动部温度。也就是说，根据实施例5，确认到覆盖层中包含的导热材料的温度降低的效果显著地表现出来。
实施例1将导热材料的轴线方向的长度与周向的长度之比(Lb:Lc)设为1:1，但与比较例1相比，导热性明显高，而且滑动部温度低，确认了导热材料的有效性。
实施例2、4及6通过将导热材料的轴线方向的长度与周向的长度之比(Lb:Lc)设为1:2，从而与实施例1相比，得到高的导热性和低的滑动部温度。由此，确认了轴承部件通过增加覆盖层中的导热材料的扁平率的有效性。
实施例3将导热材料的轴线方向的长度与周向的长度之比(Lb:Lc)设为1:4，从而得到在各实施例中导热性最高，并且滑动部的温度低的结果。由此，确认了轴承部件中导热材料的周向的长度相对于轴线方向的长度为3倍以上的有效性。
另外，实施例4和6双方都得到通过改变覆盖层厚度方向上的导热材料的分布密度，获得高的导热性和低的滑动部温度的结果。特别是，在实施例4即，在从覆盖层的表面朝向轴孔的中心的方向上，使导热材料的分布密度从密集到稀疏的实施例4中，导热性高于分布密度相反的疏密关系的实施例6，并且滑动部温度变得最低。由此，确认了轴承部件在覆盖层的表面侧区域中相对提高导热材料的分布密度的有效性。
由以上可知，确认到，本发明的轴承部件主要通过分散在覆盖层中的导热材料来提高覆盖层本身的导热性，因此，其结果，沿轴孔的内周面的方向的导热性得以提高，提高散热性，抑制与轴体的旋转滑动接触而产生的高温化，提高耐烧结性。
另外，轴承部件从表1以及图9可知，与覆盖层仅是铜的比较例1相比，导热性大幅提高，并且滑动部温度明显降低，耐烧结性提高。因此，轴承部件在使轴长度缩小的情况下，即使随着面压的增加而摩擦力增大，滑动部温度也不会上升至烧结温度那样的程度，所以能够确保耐烧结性和轴长度的缩小这两者。
本发明的轴承部件的结构不限于上述实施方式及各实施例，可以在不脱离本发明主旨的范围内适当地变更。另外，在实施方式中，作为轴承部件例示了圆筒形的滑动轴承，但是轴承部件也可以是实施方式那样的轴承部件，也可以是具备与轴承同等功能的各种部件。
符号说明
1：轴承部件
1A：轴孔
2：轴体
3：覆盖层
3A：母材
3B：导热材料
A：覆盖层的厚度方向
B：覆盖层的轴线方向(沿覆盖层表面的方向)
C：覆盖层的周向(沿覆盖层表面的方向)
La：轴线方向上的导热材料的长度
Lb：轴线方向上的导热材料的长度
Lc：周向上的导热材料的长度

Claims (11)

1.一种轴承部件，其特征在于，
在安装轴体的轴孔的内周面上具有覆盖层，
所述覆盖层由金属制的母材和分散在所述母材中且导热系数比所述母材相对大的导热材料构成，
所述导热材料在沿着所述覆盖层的表面的方向上的长度比在所述覆盖层的厚度方向上的长度长，并且，在所述轴孔的周向上的长度比在所述轴孔的轴线方向上的长度长，
沿着所述覆盖层的表面的方向是沿着包含所述轴孔的轴线方向和所述轴孔的周向的面的方向。
2.如权利要求1所述的轴承部件，其特征在于，
所述导热材料在所述轴孔的周向上的长度为在所述轴孔的轴线方向上的长度的3倍以上。
3.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
所述导热材料在所述覆盖层的厚度方向上，所述覆盖层的表面侧区域的分布密度相对高。
4.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
所述导热材料由石墨或石墨烯构成。
5.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
所述覆盖层的沿着表面的方向的导热系数为90W/m·k以上。
6.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
所述导热材料相对于母材以15wt％以上且90wt％以下的比例分散。
7.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
所述母材由铜或铜合金构成，并且维氏硬度为45HV以上。
8.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
所述覆盖层的表面具有涂层。
9.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
所述轴孔的内周面的表面粗糙度为Ra0.3μm以下。
10.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
所述覆盖层的表面上的所述导热材料的露出率为5％以上且60％以下。
11.如权利要求1或2所述的轴承部件，其特征在于，
在含有摩擦调整剂的润滑油下，所述轴孔的内周面与所述轴体滑动接触。
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