JP2003322152A

JP2003322152A - 摺動部材

Info

Publication number: JP2003322152A
Application number: JP2002076377A
Authority: JP
Inventors: Akinori Norifuji; 昭範乗藤; Toshiaki Kawachi; 利明川地; Hideo Ishikawa; 日出夫石川; Takayuki Shibayama; 隆之柴山; Kunihiko Iwasaki; 邦彦岩崎; Cristian Petrica Lungu; ペトリカルングクリスチャン
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2003-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】耐疲労強度及び耐摩耗性を向上でき、しかも
耐焼付性も向上できる摺動部材を提供する。【解決手段】すべり軸受１のすべり面に、銀に固体潤
滑材としてＤＬＣを含有させたオーバレイ４を形成す
る。オーバレイ４は、例えばスパッタリングにより形成
する。オーバレイ４を、銀を主体としたものとすること
により、鉛を主体としたオーバレイのものに比べて耐疲
労強度及び耐摩耗性を向上できる。そして、その銀に固
体潤滑材を含有させたことにより、銀単体の場合に比べ
て摩擦係数を低減できるようになり、耐焼付性を向上で
きるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基材に摺動層を備
えた摺動部材に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】この種の摺動部材、例
えば自動車におけるエンジン用のすべり軸受において、
基材表面のすべり面に設けられるオーバレイ(摺動層)と
しては鉛（Ｐｂ）が主体であるが、エンジンの高性能
化、高面圧化等に伴い、耐疲労強度や耐摩耗性の向上が
一層必要となる。そこで、本発明者らは、そのオーバレ
イとして、鉛より強い材料をベースとして開発を進めて
いる。鉛より強い材料として例えば銀（Ａｇ）を用いた
場合、鉛の場合に比べて耐疲労強度及び耐摩耗性は向上
できるが、耐焼付性が劣るという問題が出てきた。

【０００３】本発明は上記した事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、耐疲労強度及び耐摩耗性を向上
でき、しかも耐焼付性も向上できる摺動部材を提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明の摺動部材は、基材に摺動層を備
え、この摺動層を、銀に固体潤滑材を含有させた材料に
より形成したことを特徴とする。上記した手段によれ
ば、摺動層を銀を主体とすることにより、鉛を主体とし
た摺動層のものに比べて耐疲労強度及び耐摩耗性を向上
できる。そして、その銀に固体潤滑材を含有させたこと
により、銀単体の場合に比べて摩擦係数を低減できるよ
うになり、耐焼付性を向上できるようになる。

【０００５】この場合、固体潤滑材としては、グラファ
イト、カーボン、二硫化モリブデン、及び窒化ホウ素の
うちの少なくともいずれか一つを用いることが好ましい
（請求項２の発明）。

【０００６】また、摺動層の固体潤滑材の含有率は、
０．０５〜１０質量％とすることが好ましい（請求項３
の発明）。この場合、固体潤滑材の含有率が０．０５質
量％未満の場合には固体潤滑材の効果が発揮されず、逆
に、固体潤滑材の含有率が１０質量％を超えると、摺動
層の機械的強度が低下し、耐疲労強度や耐摩耗性が低下
してしまう。

【０００７】請求項４の発明は、基材と摺動層との間
に、銀からなる中間層を設けたことを特徴とする。固体
潤滑材入りの摺動層を基材に直接設けると、接着力が低
下することが懸念される。その理由は、固体潤滑材は金
属ではないため、摺動層のマトリックス金属である銀と
は冶金的な結合はしない。基材と冶金的な結合をして接
着力を持つのはマトリックス金属である銀であるため、
摺動層の固体潤滑材の含有量が増えるほど接着力が低下
し、耐疲労性が低下する。そこで、基材と摺動層との間
に、摺動層のマトリックス金属と同じ銀の中間層を設け
ることにより、基材と中間層との接着力が向上し、ま
た、中間層と、固体潤滑材入りの摺動層のマトリックス
金属が同じ銀であることから、境界で結晶構造が大きく
変化しないため、大きな接着力が確保されるようにな
り、ひいては耐疲労性が向上する。

【０００８】請求項５の発明は、上記請求項４の発明に
おいて、中間層の銀の濃度は、基材の接合面から摺動層
の接合面に向かって減少することを特徴とする。

【０００９】請求項６の発明は、摺動層は、ラマン分析
するとＧピークとＤピークが認められ、これらＧピーク
とＤピークとのピーク比Ｉ＝Ｇピーク／Ｄピークが、
０．５≦Ｉ≦５．０の範囲にあることを特徴とする。摺
動層に含まれる固体潤滑材が、アモルファスカーボン、
なかでもダイヤモンドライクカーボン(以下、ＤＬＣ)の
場合、この条件を満たす。ＤＬＣは、摩擦係数が小さい
ので、目的に適している。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施例につい
て、図１〜図６を参照して説明する。まず、図１には、
摺動部材としてのすべり軸受の断面が模式的に示されて
いる。この図１において、すべり軸受(摺動部材)１は、
鋼からなる裏金２ａと、この裏金２ａの図中上面に設け
られた軸受合金層２ｂと、この軸受合金層２ｂの図中上
面に設けられたオーバレイ(摺動層)４との三層構造とな
っている。この場合、裏金２ａと軸受合金層２ｂとによ
り基材３を構成し、オーバレイ４はすべり軸受１のすべ
り面となる。軸受合金層２ｂとしては、一般にアルミ系
合金または銅系合金が使用される。

【００１１】そして、上記オーバレイ４は、銀に、固体
潤滑材としてアモルファスカーボン、なかでもＤＬＣを
含有させた材料により形成している。ここで、オーバレ
イ４を設ける方法としては、湿式メッキと、乾式メッキ
とが考えられる。オーバレイの材料が銀単体の場合に
は、湿式メッキと乾式メッキのどちらでも可能である
が、上記したオーバレイ４のように銀と固体潤滑材（Ｄ
ＬＣ）との複合材料の場合には、湿式メッキでは困難で
ある。そこで、本実施例においては、乾式メッキの一つ
であるスパッタリングにより上記オーバレイ４を設ける
ようにした。そのオーバレイ４の厚さは、例えば１０〜
２０μｍである。また、オーバレイ４におけるカーボン
（ＤＬＣ）の含有率としては、０．４〜８．５質量％と
し、残りは銀としている。

【００１２】ここで、オーバレイ４の効果を評価するた
め、本発明者らは、次のようなことを行った。まず、Ｅ
ＣＲ［（Electron Cyclotron Resonance）（電子サイク
ロトロン共鳴）］スパッタリング装置を用い、このＥＣ
Ｒスパッタリング装置によりオーバレイを形成するよう
にした。このスパッタリングの原理を図２に示す。図２
において、オーバレイを形成する基材としての基板５を
チャンバ６内にセットすると共に、円筒状のターゲット
７をセットする。基板５としては、ブロンズを鏡面仕上
げしたものを使用した。また、ターゲット７は、オーバ
レイの材料となるもので、この場合、銀のリングと、Ｄ
ＬＣの原料となるグラファイト（Ｇｒ）のリングとを組
み合わせて円筒状に形成する。オーバレイを形成する銀
とＤＬＣの割合は、リングの数によって調整する。Ａ
ｇ：Ｇｒを例えば７：３の比率とする。銀単体の場合
は、ターゲット７は銀のリングのみにより形成する。

【００１３】マグネトロン８により発生する高周波（例
えば２．４５ＧＨｚ）を、水晶の窓９を通してプラズマ
室１０内に流すと共に、マグネットコイル１１により例
えば８７５００μＴ（＝８７５Ｇ）の磁場を起こし、製
膜時の圧力においてアルゴン（Ａｒ）イオンが最大の密
度となるように調整する。プラズマ室１０内の電子は、
磁場と、高周波による電場との相互作用によりら旋を描
きながらドリフト運動する（サイクロトロン運動）。磁
場の強度が８７５００μＴのとき、電子サイクロトロン
共鳴の条件が満たされ、プラズマ室１０内の電子が加速
される。このため、プラズマ室１０内での電子衝撃によ
る中性粒子の電離確率が高まり、比較的高い真空度にお
いても高電離プラズマが生成される。

【００１４】プラズマ室１０内で発生したプラズマ中の
電子は、発散磁界の勾配と相互作用して試料（基板５）
側に引き出され、その引き出された電子は負の空間電荷
を発生させ、その空間電荷を中和するため、アルゴンイ
オン（Ａｒ^＋）が引き出される。引き出されたアルゴン
イオンは、電圧が印加されているターゲット７に入射
し、スパッタリングにより銀とＤＬＣが基板５の表面に
析出（成膜）され、この結果、基板５の表面に１５μｍ
のオーバレイが形成される。このとき、良好なサンプル
を得るため、基板５を１０〜１５回／分で回転させた。
また、基板５は、ヒータ１２により１５０℃に調整し
た。

【００１５】このようにして、基板５の表面にオーバレ
イを形成した。この場合、オーバレイとして銀に１．７
質量％ＤＬＣを含有したもの（以下、Ａｇ／ＤＬＣと表
す）と、銀のみのもの（以下、Ａｇのみと表す）との２
種類を作成した。

【００１６】このようにして作成した２種類の試料を用
いて、摺動試験を行った。摺動試験は、ボールオンディ
スク摩擦試験機（ＣＳＭＥ社製、ボール材質高炭素ステ
ンレス軸受鋼鋼材（ＳＵＪ２）、ボール直径６ｍｍ）に
より行った。荷重は１Ｎ、３Ｎ、５Ｎ、７Ｎに変化さ
せ、また、摺動速度は０．１ｍ／ｓで一定とした。摺動
距離は、荷重が１Ｎの場合が１００ｍ、それ以外は５０
ｍとした。

【００１７】図３に摩擦力の測定結果を示す。摩擦係数
μは、摩擦力を荷重で割って求める。この図３から明ら
かなように、オーバレイがＡｇのみのものの摩擦係数μ
Ａは、荷重の増加に伴い０．７から０．５３５に減少す
るのに対し、Ａｇ／ＤＬＣのものの摩擦係数μＢは、
０．４６５から０．４３の間で変化した。基板（オーバ
レイを形成していないもの）の摩擦係数μ０は、上記と
同様な試験の結果、０．７８±０．０５であった。従っ
て、基板の摩擦係数μ０を１とした場合に、Ａｇのみの
ものの摩擦係数μＡは平均で約８２％に低減し、また、
Ａｇ／ＤＬＣのものの摩擦係数μＢは平均で約５７％に
低減していることがわかる。

【００１８】そして、Ａｇ／ＤＬＣのものの摩擦係数μ
Ｂは、Ａｇのみのものの摩擦係数μＡに対して全ての荷
重条件のもとで低くなっており、Ａｇのみのものの摩擦
係数μＡに対して約６４〜８０％に低減している（δ＝
μＢ／μＡ）。Ａｇ／ＤＬＣのものの摩擦係数μＢが、
Ａｇのみのものの摩擦係数μＡに対して低減した理由と
して、ＤＬＣが固体潤滑材の役目をしたことと、Ａｇ／
ＤＬＣのものの表面形状が、図４に示すように円錐状部
１３が多数形成されているためであると考えられる。表
面に円錐状部１３が多数形成されていると、相手との接
触面積が少なくなり、摩擦係数が小さくなる。

【００１９】従って、上記したように、すべり軸受１の
オーバレイ４を、銀を主体としたものとすることによ
り、鉛を主体としたオーバレイのものに比べて耐疲労強
度及び耐摩耗性を向上できる。そして、オーバレイ４
は、銀にＤＬＣを含有させた構成としたことにより、銀
単体の場合に比べて摩擦係数を低減できるようになり、
耐焼付き性を向上でき、一層の高面圧化にも対応できる
ようになる。

【００２０】ここで、アルゴンレーザ（波長５１４．５
ｎｍ）を励起光とした場合の上記オーバレイ４のラマン
分光スペクトルを図５に示す。この図５からわかるよう
に、波数が１６００ｃｍ^−１付近にＧピーク（バンド）
が、１３００ｃｍ^−１付近にＤピーク(バンド)が認めら
れ、これはオーバレイ４中にアモルファス化度の高いＤ
ＬＣが含まれていることを示している。上記のＧピーク
は、ｓｐ^２結合成分（平面構造）に関連し、Ｄピーク
は、長距離秩序の損失に関連している。この場合、Ｇピ
ークとＤピークとのピーク比Ｉ＝Ｇピーク／Ｄピークが
次の範囲にあることが好ましい。このときのピーク比Ｉ
は、オーバレイ４中に含有されるＤＬＣの性質（「ＤＬ
Ｃ中に含まれる水素の量」、「ＤＬＣの硬さ」、「ＤＬ
Ｃの摩擦係数」）を表すものである。

【００２１】０．５≦Ｉ≦５ …（１）Ｉが０．５未満の場合、ｓｐ^３結合成分（正四面体構
造）の割合が多くなるので、オーバレイ４中に含有され
るＤＬＣは、非常に硬く摩擦係数が高くなり、摺動時に
相手を攻撃したりするので、固体潤滑材の目的に適して
いない。Ｉが５を超える場合、長距離秩序の損失が少な
くなるので、オーバレイ４中に含有されるＤＬＣは、Ｄ
ＬＣに含まれる水素量が少ないため、非常に硬く、摩擦
係数が高くなり、摺動時に相手を攻撃したりするので、
固体潤滑材の目的に適していない。

【００２２】従って、上記（１）式に示された範囲は、
摺動時、相手を攻撃することのない適度な硬さを持ち、
かつ低摩擦特性を有するＤＬＣを意味する。その中でも
最も好ましいのは、０．８≦Ｉ≦３である。

【００２３】ちなみに、図５の結果では、Ｇピークの強
度が約６８００（ａ．ｕ．）、Ｄピークの強度が約６３
００（ａ．ｕ．）となっていて、ピーク比Ｉは約１．０
８となっている。アモルファス化度の高いＤＬＣは、摩
擦係数が低いので、固体潤滑材としての目的に適してい
る。

【００２４】また、オーバレイ４のトライボ特性を評価
するために、焼付試験、摩耗試験、疲労試験を行った。
表１は、焼付試験の試験条件を示し、図６は、このとき
の焼付試験パターンを示す。焼付の評価は、図６の試験
パターンに示すように、０．５ｈｒ毎に３ＭＰａずつ荷
重を上昇させていき、軸受背面温度が急激に上昇し、２
００℃に達した場合、または摩擦トルクが急激に上昇
し、４．９Ｎ・ｍに達した場合の荷重を焼付荷重とす
る。表２は摩耗試験の試験条件を示す。表３は疲労試験
の試験条件を示す。表４は、焼付試験、摩耗試験、疲労
試験それぞれの試験結果を示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】試料としては、発明品としてＣ（ＤＬＣ）
の含有率が０．４、１．７、５．９、８．５質量％の４
種類(発明品試料１〜４)を用い、比較品としてＣ（ＤＬ
Ｃ）の含有率が０、１２質量％のもの(比較品試料１、
２)と、従来のＰｂ−８Ｓｎ−２Ｃｕのオーバレイのも
の（比較品試料３）との３種類を用いた。なお、比較品
試料１は、ＤＬＣは含有されておらず、銀単体の場合で
ある。

【００３０】表４から、発明品試料１〜４は、焼付かな
い最大面圧が２７ＭＰａ以上であり、摩耗量が０．００
６ｍｍ以下であり、疲労しない最大面圧が１１５ＭＰａ
以上である。比較品試料１と比較した場合、表４から、
比較品試料１の焼付かない最大面圧が２４ＭＰａであ
り、摩耗量が０．００９ｍｍであり、疲労しない最大面
圧が１１５ＭＰａであり、発明品試料１〜４は、非焼付
性と耐摩耗性が非常に優れており、また耐疲労性も同等
以上であることがわかる。

【００３１】比較品試料２と比較した場合、表４から、
比較品試料２の焼付かない最大面圧が２７ＭＰａであ
り、摩耗量が０．００３ｍｍであり、疲労しない最大面
圧が８０ＭＰａであり、発明品試料１〜４は、耐疲労性
が非常に優れ、また非焼付性も同等以上であることがわ
かる。比較品試料３と比較した場合、表４から、比較品
試料３の焼付かない最大面圧が３０ＭＰａであり、摩耗
量が０．０１５ｍｍであり、疲労しない最大面圧が８０
ＭＰａであり、発明品試料１〜４は、耐摩耗性と耐疲労
性が非常に優れていることがわかる。

【００３２】従って、オーバレイ４におけるＤＬＣの含
有率は、０．０５〜１０質量％とすることが好ましい。
ＤＬＣの含有率が０．０５質量％より低い場合には、固
体潤滑材としての効果が発揮されず、逆に、ＤＬＣの含
有率が１０質量％を超える場合には、オーバレイの機械
的強度が低下し、耐疲労性が低下してしまう。

【００３３】次に本発明の第２実施例について図７を参
照して説明する。この第２実施例は上記した第１実施例
とは次の点が異なっている。すなわち、基材３と、銀に
固体潤滑材としてＤＬＣを含有したオーバレイ４との間
に、銀の中間層１５を設けた構成とする。この場合は次
のようにして作成する。

【００３４】第１実施例と同様なＥＣＲスパッタリング
装置を用いる。ターゲット７としては銀のみを用いる。
基材となる基板５及びターゲット７をスパッタリング装
置内にセットし、装置を高真空にした後、アルゴンガス
を導入する。そして、第１実施例で記載したように、ア
ルゴンイオン（Ａｒ^＋）が銀のターゲット７に入射し、
スパッタリングにより銀が基板５表面に析出（成膜）さ
れる。これにより、銀の中間層が形成される。中間層の
厚さは約１．５μｍとする。

【００３５】この後、プラズマ室１０内にＣＨ_４（メタ
ン）ガスを、アルゴンガスの流量に対して１０％の割合
となるように導入する。このときプラズマ室１０内での
電子衝撃やイオン衝撃によりＣＨ_４ガスは、Ｃ−Ｈ結合
が切断され、ＣＨ_４ガスを構成している原子のカーボン
と水素に分離される。また分離されたカーボンや水素
は、プラズマ室１０内での電子衝撃などにより、さらに
電離し、イオンとなる場合もある。

【００３６】プラズマ室１０内で発生したプラズマ中の
電子は、発散磁界の勾配と相互作用して試料(基板５)側
に引き出され、その引き出された電子は、負の空間電荷
を発生させ、その空間電荷を中和するために、アルゴン
イオン（Ａｒ^＋）が引き出される。引き出されたアルゴ
ンイオンは、電圧が印加されているターゲット７に入射
し、ターゲット７の材料である銀がスパッタリングされ
る。

【００３７】また、プラズマ室１０内でＣＨ_４ガスより
分離されたカーボン及び水素と、スパッタリングされた
銀は、基板５側に引き出される電子やアルゴンイオンの
流れ（プラズマ流）に乗って基板５側に引き出される。
スパッタリングされた銀と、プラズマ流に乗って基板５
側に引き出されたカーボン及び水素は、基板５表面に衝
突し、基板５表面に析出(成膜)され、この結果、基板５
の表面にオーバレイが形成される。

【００３８】中間層１５の効果を評価するため疲労試験
を行い、その結果を表５に示す。なお、この疲労試験の
試験条件は、表３と同じである。試料としては、銀の中
間層がないもの(発明品試料２)と、銀の中間層を設けた
もの(発明品試料５)とを用いた。なお、オーバレイの組
成は同じである。

【００３９】

【表５】

【００４０】表５から、疲労しない最大面圧は、中間層
を設けていない発明品試料２では１２０ＭＰａであるの
に対し、中間層を設けた発明品試料５では１３０ＭＰａ
となっており、中間層を設けた発明品試料５の方が耐疲
労性に優れていることがわかる。

【００４１】なお、中間層１５の銀の濃度は、基材３と
の接合面からオーバレイ（摺動層）４との接合面に向か
って減少してもよい。このとき、オーバレイ４との接合
面における中間層１５の銀の濃度は、オーバレイ４中の
銀濃度と同等か、またはそれ以上とする。

【００４２】また、中間層１５の銀の濃度は、オーバレ
イ４との接合面における中間層１５の銀の濃度をρＡと
し、基材３との接合面における中間層１５の銀の濃度を
ρＢとすると、次式（２）を満足し、かつ基材３との接
合面からオーバレイ４との接合面に向かって減少しても
よい。０＜（ρＢ−ρＡ）≦１０ …（１）

【００４３】本発明は、上記した両実施例にのみ限定さ
れるものではなく、次のように変形または拡張すること
ができる。オーバレイ４を形成する銀に含有させる固体
潤滑材としては、ＤＬＣに限らず、グラファイト、カー
ボン、二硫化モリブデン、及び窒化ホウ素でも良く、ま
た、それらを複数種類混ぜるようにしても良い。

【００４４】オーバレイ４の形成方法としては、上記し
たスパッタ方式以外の乾式メッキによる方法（イオンプ
レーティング、真空蒸着など）でも良く、また、湿式メ
ッキの方式でも良い。オーバレイ４が設けられる基材３
としては、軸受合金層のみ、あるいは鋼裏金のみであっ
ても良い。また、オーバレイ４の表面に、軟質のなじみ
層を設けるようにしても良い。なじみ層の材料として
は、Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎ、或いは合成樹脂などが考えられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すすべり軸受の断面図

【図２】ＥＣＲスパッタリング装置の原理を示す図

【図３】摺動試験の結果を示す特性図

【図４】オーバレイの表面形状の概略的な拡大斜視図

【図５】オーバレイのラマン分析の結果を示す特性図

【図６】焼付試験の試験パターンを示す図

【図７】本発明の第２実施例を示す図１相当図

【符号の説明】

図面中、１はすべり軸受(摺動部材)、２ａは裏金、２ｂ
は軸受合金層、３は基材、４はオーバレイ(摺動層)、１
５は中間層を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川日出夫名古屋市北区猿投町２番地大同メタル工業株式会社内 (72)発明者柴山隆之名古屋市北区猿投町２番地大同メタル工業株式会社内 (72)発明者岩崎邦彦山口県宇部市大字沖宇部573番地の３株式会社超高温材料研究所内 (72)発明者クリスチャンペトリカルング山口県宇部市大字沖宇部573番地の３株式会社超高温材料研究所内Ｆターム(参考） 3J011 JA01 KA02 MA22 NA01 QA02 SE02 SE05 SE06 4K029 AA02 BA04 BA34 BA51 BA59 BA64 BB02 BC00 BC02 BD04 CA05 DC15 DC48

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材に摺動層を備え、この摺動層を、銀
に固体潤滑材を含有させた材料により形成したことを特
徴とする摺動部材。
【請求項２】前記固体潤滑材として、グラファイト、
カーボン、二硫化モリブデン、及び窒化ホウ素のうちの
少なくともいずれか一つを用いたことを特徴とする請求
項１記載の摺動部材。
【請求項３】前記摺動層の固体潤滑材の含有率が、
０．０５〜１０質量％であることを特徴とする請求項１
または２記載の摺動部材。
【請求項４】前記基材と摺動層との間に、銀からなる
中間層を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれかに記載の摺動部材。
【請求項５】前記中間層の銀の濃度は、基材の接合面
から摺動層の接合面に向かって減少することを特徴とす
る請求項４記載の摺動部材。
【請求項６】前記摺動層は、ラマン分析するとＧピー
クとＤピークが認められ、これらＧピークとＤピークと
のピーク比Ｉ＝Ｇピーク／Ｄピークが、０．５≦Ｉ≦
５．０の範囲にあることを特徴とする請求項１ないし５
のいずれかに記載の摺動部材。