JP2001020955A - すべり軸受 - Google Patents

すべり軸受

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JP2001020955A JP11193970A JP19397099A JP2001020955A JP 2001020955 A JP2001020955 A JP 2001020955A JP 11193970 A JP11193970 A JP 11193970A JP 19397099 A JP19397099 A JP 19397099A JP 2001020955 A JP2001020955 A JP 2001020955A
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良雄 不破
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好男 志村
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滋 堀田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関のすべり軸受用オーバレイとして必
要になる耐疲労性及びなじみ性を備えたＢｉ系材料を提
供する。 【解決手段】ランダム配向となる粉末標準試料を構成す
るＢｉ結晶の｛ｈｋｌ｝面のＸ線回折強度Ｒｐ（ｈｋ
ｌ）に対するオーバレイ層を構成するＢｉ結晶の｛ｈｋ
ｌ｝面のＸ線回折強度ＲO/L（ｈｋｌ）の比率を、Ｋ
（ｈｋｌ）＝ＲO/L（ｈｋｌ）／Ｒｐ（ｈｋｌ）を表わ
し、｛０１２｝面でのＸ線回折強度の比率Ｋ（０１２）
に対する｛ｈｋｌ｝面でのＸ線回折強度の比率Ｋ（ｈｋ
ｌ）の相対Ｘ線回折強度Ｉ[h kl] ,すなわちＩ[hkl]＝Ｋ
（ｈｋｌ）／Ｋ（０１２）、が条件（ａ）および（ｂ）
を充足する。 （ａ）０．２Ｉ[012]≦Ｉ[hkl]≦５Ｉ[012]である。 （ｂ）０．５Ｉ[012]≦Ｉ[hkl]≦２Ｉ[hkl]を満足する
面（ｈｋｌ）が3方位以上存在する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、すべり軸受に関す
るものであり、さらに詳しく述べるならばケルメットや
アルミニウム合金などのライニングと称される軸受合金
層に、Ｎｉめっきなどのバリア層を介しまたは介さずに
軟質合金めっき層よりなり、なじみ性を発揮するオーバ
レイ層を形成したすべり軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】上記したすべり軸受は主として内燃機関
のクランクシャフトのジャーナル部、コンロッド大端部
に使用され、また軟質合金として主としてＰｂ合金が使
用され、一部にはＳｎ合金が使用されている。Ｐｂ系合
金のオーバレイについては、本出願人の一名が組成の改
良（ドイツ特許公報３０００３７９号）や結晶配向の改
良（特開平８−２０８９３号）などの開発をして来た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】Ｐｂは環境汚染物質で
あるので、使用の廃止あるいは使用量の削減が求められ
ている。Ｐｂ使用の廃止のための開発としてはＭｏＳ2
などのトライボ材料を樹脂で結合した皮膜としてオーバ
レイとする方向の開発がある。また、本出願人の一名が
欧州特許公開公報０７９５６９３Ａ２で提案したように
特にオーバレイを必要としないＣｕ−Ａｇ系合金があ
る。ところでＢｉはＰｂと同様に低融点金属であるが、
Ｐｂより硬くかつ脆い。すなわち硬度に関してはＰｂは
Ｈｖ0.2＝５であるが，ＢｉはＨｖ0.2＝１０である。オ
ーバレイで多用される電気めっきでは水素吸蔵等の影響
で、硬さはＰｂでＨｖ0.2＝１０に対してＢｉではＨｖ
0.2≒２０となる。このような性質をもつためにＢｉ
は、従来、低融点性質を利用したはんだ合金や鋳型の中
子、半導体材料、電子材料、光記録材料（例えば特開平
４−５１７４２号）、磁石材料（Ｍｎ−Ｂｉ磁石）など
に使用されており、耐疲労性やなじみ性が要求される摺
動材料としては使用されていない。本発明者は、Ｂｉは
酸性溶液中での耐食性はＰｂよりすぐれており、またＰ
ｂのように毒性がないために、Ｐｂの代替材料として使
用する方法につき鋭意研究を行った。すなわち、本発明
の目的は、オーバレイとして必要になる耐疲労性及びな
じみ性を備えたＢｉ系材料を発見し、特性がすぐれたす
べり軸受を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するために手段】本発明者はＢｉ系オーバ
レイの硬くかつ脆いという性質はＢｉ結晶の配向を制御
することにより問題にならない程度までに軽減できるこ
とを見出して、本発明を完成した。すなわち、本発明
は、ライニング上にバリア層を介し又は介さずにＢｉ又
はＢｉ合金層よりなるオーバレイ層を形成したすべり軸
受であって、ランダム配向となる粉末標準試料のＢｉ結
晶の｛ｈｋｌ｝面のＸ線回折強度Ｒｐ（ｈｋｌ）に対す
る前記オーバレイ層のＢｉ結晶の｛ｈｋｌ｝面のＸ線回
折強度ＲO/L（ｈｋｌ）の比率を、Ｋ（ｈｋｌ）＝ＲO/L
（ｈｋｌ）／Ｒｐ（ｈｋｌ）と表わし、｛０１２｝面で
のＸ線回折強度の比率Ｋ（０１２）に対する｛ｈｋｌ｝
面でのＸ線回折強度の比率Ｋ（ｈｋｌ）の相対Ｘ線回折
強度をＩ[hkl]，すなわちＩ[hkl]＝Ｋ（ｈｋｌ）／Ｋ
（０１２）が下記条件（ａ）および（ｂ）を充足するこ
とを特徴とするすべり軸受を提供するものである。 （ａ）｛０１２｝面以外の結晶面の相対Ｘ線回折強度
（Ｉ[hkl]）がＩ[012]の０．２〜５倍（０．２Ｉ[012]
≦Ｉ[hkl]≦５Ｉ[012]）である。 （ｂ）｛０１２｝面以外の結晶面の相対Ｘ線回折強度
（Ｉ[hkl]）がＩ[012]の０．５倍以上２倍以下（０．５
Ｉ[012]≦Ｉ[hkl]≦２Ｉ[hkl]）を満足する面（ｈｋ
ｌ）が３方位以上存在する。
【０００５】以下、本発明の限定理由を説明する。Ｂｉ
は六方晶と等価な菱面体結晶である。一般に、六方晶の
ミラー指数は（ｈ，ｋ，ｉ，ｌ）の４けたで表される。
ここでｈ，ｋ，ｉはそれぞれａ1、ａ2、ａ 3軸の指数を
表わし、ｌはｃ軸の指数を表わす。但しｈ＋ｋ＝−ｉの
関係がＢｉ結晶では成立するので、ｉを省略し、（ｈｋ
ｌ）の３けたで表わす。本発明のＢｉもしくはＢｉ合金
層（これらの組成の説明以外では「Ｂｉ層」と総称す
る）は、微細粉末のように完全ランダム配向と単結晶の
ような特定の一方向の配向の中間の配向を有する。
【０００６】また、配向性は次のように評価する。まず
粉末のように、完全ランダム配向のＢｉ結晶各面のＸ線
回折強度Ｒｐ（ｈｋｌ）を求め、同じくオーバレイのＢ
ｉ結晶各面のＸ線回折強度ＲO/L（ｈｋｌ）を求め、こ
れらの比率Ｋ（ｈｋｌ）＝ＲO/L（ｈｋｌ）／Ｒｐ（ｈ
ｋｌ）を計算する。するとＫ（ｈｋｌ）＞１ならばオー
バレイのＢｉ結晶の（ｈｋｌ）面が配向しているとの知
見が得られる。次にＫ（ｈｋｌ）を求めるＢｉ結晶の格
子面を｛０１２｝面と、｛０１２｝面以外の（ｈｋｌ）
面とし、この大小を比率Ｉ[hkl]＝Ｋ（ｈｋｌ）／Ｋ
（０１２）として計算すると、仮にＩ[hkl]≡０が得ら
れたならば｛０１２｝単結晶となり、Ｉ[hkl]＞＞０が
得られたならば（ｈｋｌ）面に強く配向しているとの知
見が得られる。また、微細粉末試料のように、Ｂｉ結晶
がランダムであり完全に配向していない場合はＫ（０１
２）＝１、Ｋ（ｈｋｌ）＝１であるので、すべての（ｈ
ｋｌ）面に関しＩ[hkl]が１になる。すなわち、幾つか
の面方位ではＩ[hkl]＝１でも１以外となる面方位のあ
る場合は完全にランダム配向とはならず、特定の配向を
しており、全方位についてＩ[hkl]＝１であるとランダ
ム配向になる。本発明ではＩ[hkl]≡０となる単結晶と
完全ランダム配向のオーバレイは特性がすぐれないので
除外し、さらに以下述べるように特定面への強い配向も
除外している。
【０００７】条件（ａ），（ｂ）においてＩ[hkl]とＩ
(012)を比較している。これに対し、例えば条件Ｋ（ｈ
ｋｌ）≧ｎを設定することによって、Ｋ（ｈｋｌ）のみ
で配向を評価すると、トライボ特性上重要な｛０１２｝
面に対して他の面の配向程度を規制することが難しくな
る。そこで、条件（ａ）では、０．２Ｉ[012]≦Ｉ[hkl]
≦５Ｉ[012]と強度を｛０１２｝面を基準として一定範
囲に制限する。これに対してＩ[hkl]＜０．２ Ｉ[012]
であると｛０１２｝面以外の面の配向が強くなり、また
Ｉ[hkl]＞５Ｉ[012]であると[０１２]面の配向が強くな
り、何れの場合でもオーバレイとしての性能はすぐれな
い。好ましくは、０．５Ｉ[012]≦Ｉ[hkl]≦２Ｉ[012]
であり、上記（ａ）条件に加えて（ｂ）条件のようにＩ
[012]に対して０．５倍以上２倍以下の強度で優先配向
する面方位の個数を三方位以上と規定することにより
｛０１２｝面以外にも三方位以上の過剰な配向を抑制す
るようにしている。このように（ａ）および（ｂ）を充
足することによって、Ｂｉのもっている脆さを克服する
ことができる。
【０００８】めっき条件を変化させて形成した電気めっ
きで形成されるＢｉ結晶層の方位につきＸ線による回折
強度を規制する面は、｛１０４｝、｛１１０｝及び｛２
０２｝の三面とすることにより、ほぼ完全にＢｉ結晶の
脆さ及び硬さを制御することができる。ここで、｛１０
４｝、｛１１０｝及び｛２０２｝面は、他の面に比べＸ
線回折強度が高いのでこの三面を規制対象とすることで
制御できる。したがってＩ[hkl]は｛１０４｝、｛１１
０｝及び｛２０２｝について求め上記（ａ）および
（ｂ）の関係式を満足するようにする。
【０００９】上記の三面方位につきＸ線回折強度を規制
することにより、ほとんどの場合所望の性質を得ること
ができるが、｛０１５｝，｛１１３｝，｛２０２｝，
｛１０７｝，｛１１６｝，｛１２２｝，｛２１４｝，
｛３００｝についても上記関係式（ａ），（ｂ）を満足
することにより一層確実に所望の性質を得ることができ
る。
【００１０】Ｂｉめっきの結晶粒は１０μｍ以下である
ことが好ましく、より好ましくは５μｍ以下である。結
晶粒が１０μｍを超えると耐疲労性が低下し、オーバレ
イとして好ましくない。またオーバレイの厚さは好まし
くは２〜２０μｍであり、より好ましくは５〜１２μｍ
である。
【００１１】本発明においては、オーバレイはＢｉ合金
であってもよく、合金元素してはＳｎ，Ｉｎ，Ｓｂなど
を総量で５重量％以下含有させることができる。これら
の添加成分はＰｂ系オーバレイの添加成分として公知で
あるが、Ｂｉ系合金においてはなじみ性と耐焼付性向上
に寄与する。但し、５重量％以上添加すると低融点化
し、性能が低下する。Ｃｕ系もしくはＡｌ系すべり軸受
合金やＮｉバリアはそれ自身公知であり、本発明は特に
それを制約するものではなく広範囲のものを採用するこ
とができる。
【００１２】上記のように配向を制御するためには、例
えば以下のようなＢｉ電気めっき条件を採用することが
好ましい。 メタンスルホン酸浴Ａ 浴組成：メタンスルホン酸；５０〜２５０ｍｌ／リット
ル、メタンスルホン酸ビスマス：５０〜２５０ｍｌ／リ
ットル、β−ナフトール：０．５〜５０ｇ／リットル 浴温度：２５℃ 電流密度：０．５〜５．０Ａ／ｄｍ２ メタンスルホン酸溶Ｂ 浴組成：メタンスルホン酸；５０〜２００ｍｌ／リット
ル、メタンスルホン酸ビスマス：５０〜２５０ｍｌ／リ
ットル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル：
０.５〜５０ｇ／リットル 浴温度：２５℃ 電流密度：０．５〜５．０Ａ／ｄｍ２ 硫酸浴 浴組成：硫酸；５０〜１２０ｍｌ／リットル、硝酸ビス
マス：５〜３０ｇ／リットル、ポリオキシエチレンノニ
ルフェニルエーテル：０．５〜５０ｇ／リットル、 浴温度：２５℃ 電流密度：０．５〜５．０Ａ／ｄｍ２ 以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
【００１３】
【実施例】以下説明する実施例において調製したすべり
軸受は以下の構造のものである。 裏金：鋼板（ＳＰＣＣ，厚さ１ｍｍ） すべり軸受：Ｃｕ−Ｓｎ−Ａｇ合金（欧州特許公開公報
０７９５６９３ＡＬ） Ｎｉバリア：使用しない オーバレイ：厚さ６μｍの純Ｂｉ
【００１４】試験条件は以下のとおりであった。 試験機：往復動荷重試験機（図１参照） 滑り速度：６．６ｍ／秒（３０００ｒｐｍ，図２参照） 軸受面圧：荷重漸増（図２参照） 軸受寸法：φ４２ｍｍ×ｗ１７ｍｍ 軸材質：Ｓ５５Ｃ（焼入れ） 潤滑油種：７．５Ｗ−３０ＳＥ 給油温度：１２０℃ 試験時間：２５ｈ
【００１５】往復動荷重試験機を示す図１において、１
は試験軸受、２はシャフト４を保持する軸受、３はコネ
クティングロッド、４は相手軸であるシャフト、４ａは
給油路である。なお、試験軸受１とシャフト４は片当り
となるように装着した。この試験では、初期のなじみ性
が不良であると疲労が発生し、また初期なじみ性が良好
でもオーバレイ自体の材料特性が不良であると容易に焼
付に至るとの判定結果を得ることができる。
【００１６】実施例１〜３及び比較例４〜６のＢｉめっ
き層及びＢｉ粉末をＸ線回折（Ｃｕｋα線）して求めた
Ｉ[hkl]を図３（表１）に示す。したがって、（０１
２）面と等価な（０２４）面の回折強度は前者に対する
比率で示されている。この場合結晶学的にはＩ[024]＝
Ｉ[012]となるが、Ｘ線の侵入深さ等の影響で高次のミ
ラー指数面の回折強度は低く現れる傾向がある等のため
にＩ[024]≦Ｉ[012]となっている。これらの事実を念頭
において、表１の結果を検討すると次のようなことが分
かる。 （イ）実施例も比較例も完全ランダム方位ではなく、単
結晶でもない。 （ロ）比較例５は（１０４）方位が５．２２と強く配向
しているが、実施例１〜３ではこのような強い配向はな
い。 （ハ）比較例４ではＩ[104]，Ｉ[113]，Ｉ[202]，Ｉ
[116],Ｉ[122],及びＩ[21 4]が非常に小さくなっている
ために、｛０１２｝の配向が相対的に強くなっている。
比較例５ではＩ[104]とＩ[300]がＩ[012]に対して５倍
を超えているが、他の面の強度は低く、このめっき層は
｛１０４｝と｛３００｝の二つの面方位に優先配向して
いる。 （ニ）実施例１〜３は上記条件（ａ）および（ｂ）を満
足している。すなわち、特定の面への配向が非常に強く
ないので（ａ）が充足され、さらに（ｂ）による優先配
向面の数も３以上と適切であり、特定方位の面だけが優
先配向していないことが分かる。なお、表１では｛０１
２｝のうち（０１２）の強度を１として計算している
が、等価な（０２４）の強度を１として計算しても同様
の結果が得られる。
【００１７】実施例１のめっき表面組織を図４に、Ｘ線
回折図（粉末強度を基準とする換算前の図）を図５に示
し、また比較例４のめっき表面組織を図６に、Ｘ線回折
図（粉末強度を基準とする換算前の図）を図７に示し、
また比較例６のめっき表面組織を図８に示した。めっき
層の結晶粒径は実施例１が２．８μｍ、比較例４が５．
８μｍ、比較例６が１０．６μｍであった。試験の結果
を図３（表１）及び図９に示す。なお、疲労発生率評価
の基準として常用のＰｂ系オーバレイ（Ｓｎ１０％，Ｉ
ｎ１０％の例を示す）の比較例を図９に示す。これらの
図より本発明の実施例１〜３は比較例４〜６より耐疲労
性及び耐焼付性がすぐれており、Ｐｂ系オーバレイと同
等の性能であることが明らかである。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるとＢ
ｉをオーバレイとして使用し、従来のＰｂ系オーバレイ
を代替することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 往復動荷重試験機の模式図である。
【図２】 往復動荷重試験機の試験パターンを示すグラ
フである。
【図３】 実施例及び比較例におけるめっき層のミラー
面指数、結晶粒径及び軸受供試材の試験結果を示す図表
（表１）である。
【図４】 実施例１のめっき表面組織を示す写真であ
る。
【図５】 実施例１のめっき層のＸ線回折像である。
【図６】 比較例４のめっき表面組織を示す写真であ
る。
【図７】 比較例４のめっき層のＸ線回折像である。
【図８】 比較例６のめっき表面組織を示す写真であ
る。
【図９】 実施例及び比較例の疲労発生率を示すグラフ
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨川 貴志 愛知県豊田市緑ヶ丘３丁目65番地 大豊工 業株式会社内 (72)発明者 道岡 博文 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 不破 良雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 志村 好男 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 堀田 滋 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 3J011 QA03 SB03 SB20 3J033 AA02 GA07 4K023 AA22 AB49 BA29 CB13 CB33 DA07 DA08 4K024 AA01 AA14 AB01 AB02 BA06 BA09 BB05 CA01 CA04 CA06 GA16

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ライニング上にバリア層を介し又は介さ
    ずにＢｉ又はＢｉ合金層よりなるオーバレイ層を形成し
    たすべり軸受であって、 ランダム配向となる粉末標準試料を構成するＢｉ結晶の
    ｛ｈｋｌ｝面のＸ線回折強度Ｒｐ（ｈｋｌ）に対する前
    記オーバレイ層を構成するＢｉ結晶の｛ｈｋｌ｝面のＸ
    線回折強度ＲO/L（ｈｋｌ）の比率を、Ｋ（ｈｋｌ）＝
    ＲO/L（ｈｋｌ）／Ｒｐ（ｈｋｌ）と表わし、｛０１
    ２｝面でのＸ線回折強度の比率Ｋ（０１２）に対する
    ｛ｈｋｌ｝面でのＸ線回折強度の比率Ｋ（ｈｋｌ）の相
    対Ｘ線回折強度Ｉ[hkl]，すなわちＩ[hkl]＝Ｋ（ｈｋ
    ｌ）／Ｋ（０１２）、が下記条件（ａ）および（ｂ）を
    充足することを特徴とするすべり軸受。 （ａ）｛０１２｝面以外の結晶面の相対Ｘ線回折強度
    （Ｉ[hkl]）がＩ[012]の０．２〜５倍（０．２Ｉ[012]
    ≦Ｉ[hkl]≦５Ｉ[012]）である。 （ｂ）｛０１２｝面以外の結晶面の相対Ｘ線回折強度
    （Ｉ[hkl]）がＩ[012]の０．５倍以上２倍以下（０．５
    Ｉ[012]≦Ｉ[hkl]≦２Ｉ[hkl]）を満足する面（ｈｋ
    ｌ）が３方位以上存在する。
  2. 【請求項２】 前記｛０１２｝面以外の結晶面のミラー
    指数が｛１０４｝、｛１１０｝及び｛２０２｝面である
    請求項１記載のすべり軸受。
  3. 【請求項３】 前記｛０１２｝面以外の結晶面のミラー
    指数がさらに｛０１５｝、｛１１３｝、｛１１６｝、
    ｛１０７｝、｛１２２｝、｛２１４｝及び｛３００｝で
    ある請求項２記載のすべり軸受。
  4. 【請求項４】 前記Ｂｉ又はＢｉ合金層が電気めっき層
    である請求項１から３までの何れか１項記載のすべり軸
    受。
  5. 【請求項５】 前記Ｂｉ又はＢｉ合金めっきの結晶粒の
    大きさが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項４
    記載のすべり軸受。
  6. 【請求項６】 前記オーバレイ層の厚さが２〜２０μｍ
    である請求項１から５までの何れか１項記載のすべり軸
    受。
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