JP2005023345A - 摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軸受合金層1の摺動面側に凹部2を形成し、この凹部2内にNiまたはNi合金からなる中間層3を設けると共に、この中間層3上に純SnまたはSn合金からなる軟質層4を設ける。そして、熱処理することにより、中間層3から軟質層4にかけて凸状に延びる凸状化合物5を形成する構造とする。この凸状化合物5は、軸受合金層1との密着性が良い中間層3から凸状に延びると共に、拡散により中間層3との密着性も良いため、アンカー効果を発揮し、軟質層4が剥がれることを阻止する効果がある。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動合金層の摺動面側に凹部を形成し、この凹部内に中間層を設けると共に、この中間層上に軟質層を設ける構造とした摺動部材に関する。
【0002】
【従来の技術】
すべり軸受(摺動部材)においては、軸受合金層(摺動合金層)の摺動面側に円周方向(軸の回転方向)に延びる多数本の溝状の凹部(溝状凹所)を形成し、この凹部内にNiを基材とした中間層(阻止層)を設けると共に、この中間層上に軟質層を設けた構造のものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この場合、軟質層としては、ホワイトメタル合金やプラスチックが挙げられている。
【0003】
上記した構造のすべり軸受においては、すべり軸受の摺動面に、軸受合金層と凹部の軟質層とが混在した状態となっていて、比較的硬い軸受合金層で荷重を支持すると共に、比較的軟質な軟質層で摺動特性を維持することができ、耐荷重性及び耐摩耗性に優れた構造となっている。
【0004】
【特許文献1】
特開昭57−144313号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来構造のものでは、キャビテーションエロージョンの発生により、凹部内の軟質層がなくなりやすいという問題があった。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、摺動合金層の摺動面側に凹部を形成し、この凹部内にNiまたはNi合金からなる中間層を設けると共に、この中間層上に純SnまたはSn合金からなる軟質層を設ける構造としたものにあって、耐キャビテーション性に優れた摺動部材を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、摺動合金層の摺動面側に凹部を形成し、この凹部内にNiまたはNi合金からなる中間層を設けると共に、この中間層上に純SnまたはSn合金からなる軟質層を設ける構造とした摺動部材にあって、前記中間層から軟質層にかけて凸状に延びた化合物を有していることを特徴とする。
【0008】
中間層のNiまたはNi合金と、軟質層のSnまたはSn合金とが反応して化合物を形成する。この化合物は、摺動合金層との密着性が良い中間層から凸状に延びると共に、拡散により中間層との密着性も良いため、アンカー効果を発揮し、軟質層が剥がれることを阻止する効果がある。この結果、キャビテーションエロージョンが発生しても、軟質層が剥がれて摺動部材からなくなってしまうことを防止できるようになり、耐キャビテーション性を向上できる。
【0009】
この場合、摺動面は、少なくとも摺動合金層と軟質層が混在した状態とすることができる。このような構造とした場合、比較的硬い摺動合金層で荷重を支持すると共に、比較的軟質な軟質層で摺動特性を維持することができ、耐荷重性及び耐摩耗性に優れた構造とすることができる。
【0010】
軟質層は20質量%以下のCuを含有するSn合金であり、そのCuの他に、0〜10質量%のAg及び/または0〜15質量%のSbを含有する構造とすることが好ましい。
軟質層にCuを添加すると、軟質層の機械的強度が向上すると共に、中間層から軟質層にかけて凸状に延びるSn−Cu系化合物が形成されやすくなり、その化合物によるアンカー効果が一層得られ易くなる。この結果、耐キャビテーション性を一層向上できるようになる。
【0011】
この場合、Cuの添加量が多すぎると、軟質層が脆くなって耐キャビテーション性が低下し、また、Sn−Cu化合物の存在が摺動面に多くなりすぎて非焼付性が低下する。このため、Cuの添加量は20質量%以下が好ましく、より好ましくは5〜15質量%である。
【0012】
また、軟質層にAgやSbを添加すると、軟質層の機械的強度が向上するので、耐キャビテーション性を一層向上できる。
この場合、Agの添加量が多すぎると、軟質層が脆くなって耐キャビテーション性が低下し、また、各種のSn系化合物の存在が摺動面に多くなりすぎて非焼付性や異物埋収性が低下する。このため、Agの添加量は10質量%以下が好ましい。また、Sbの添加量が多すぎると、軟質層が脆くなって耐キャビテーション性が低下し、また、各種のSn系化合物の存在が摺動面に多くなりすぎて非焼付性や異物埋収性が低下する。このため、Sbの添加量は15質量%以下が好ましい。
【0013】
摺動合金層に形成される凹部の深さは5〜50μmが好ましい。凹部の深さが浅すぎる場合は、軟質層の厚さが薄く、摺動面に化合物層が多く現れて非焼付性が低下する。また、凹部の深さが深すぎる場合は、凸状の化合物で支える軟質層の量が多くなり、耐キャビテーション性の効果が低下する。このため、凹部の深さは5〜50μmが好ましく、より好ましくは10〜30μmである。なお、凹部の深さは、全てが一定である必要はなく、部分的に浅くなったり、深くなったりしても良い。
【0014】
中間層は、Niのみ、または、Ni−SnやNi−MoなどのNi合金でも良い。また、NiとNi−Sn合金、或いはNiとNi−Mo合金の2層構造としても良い。中間層の厚さは、凹部の深さにもよるが1〜5μmが好ましい。中間層の厚さが薄すぎると、中間層からの凸状の化合物の形成が少なくなり、アンカー効果が低下する。また、中間層の厚さが厚すぎると、摺動面における中間層の面積が増えると共に、化合物の量も多くなるため、非焼付性が低下する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を説明し、比較例との比較により本発明の効果を明らかにする。
本発明のすべり軸受(摺動部材)は次のようにして作製する。まず、鋼板製の裏金上に、焼結によって、或いは鋳造と圧延によって軸受合金層(摺動合金層)を設けた後、機械加工によりすべり軸受を作製する。この場合、実施例では軸受合金層には銅合金(Cu−23%Pb−3%Sn)(%は質量%)を用いたが、アルミ合金でも良い。
【0016】
次に、図1に示すように、軸受合金層1の摺動面側(図中、上面側)に凹部2を形成する。この場合、凹部2は、図3に示すように、すべり軸受の軸線方向A1に対して交差する方向(軸回転方向A2)に延びる溝状に多数本形成する。凹部2の形状は、図1では台形状に形成されているが、半円弧状、或いはV字状でも良い。この凹部2の加工は、軸受合金層1の表面を機械加工する際に、所定の深さ(5〜50μm)となるようにボーリング加工により形成する。なお、図1ないし図3は、すべり軸受として完成された状態が模式的に示されている。
【0017】
次に、各凹部2内および軸受合金層1の表面に、電気めっきにより中間層3を設ける。中間層3としては、NiまたはNi合金を用い、厚さは1〜5μmとする。この後、中間層3上に、電気めっきにより軟質層4を、凹部2を埋めるように設ける。軟質層4としては、純Sn、またはCuを含んだSn合金を用いる。
【0018】
次に、熱処理を行う。この場合の熱処理条件は150℃×5Hrとする。これにより、中間層3と軟質層4との間に、中間層3から軟質層4にかけて凸状(柱状)に延びる凸状化合物5(図2参照)が形成されるようになる。この場合、中間層3がNiのみで、かつ軟質層4がCuを含むSn−Cu合金の場合には、凸状化合物5としては、Sn−Cu−NiやSn−Cuの化合物となる。図2において、符号5aは、凸状化合物5にはなっていないSn−Cu化合物である。なお、中間層3がNiのみで、かつ軟質層4が純Snの場合には、凸状化合物5としてはSn−Niの化合物となる。
【0019】
ここで、本発明者らは上記凸状化合物の形成条件を検討したところ、次のようなことがわかった。すなわち、凸状化合物を形成させ易くするためには、高温での熱処理、長時間の熱処理等を行うことが好ましく、図4(a),(b)に示すような関係があることがわかった。図4において、(a)は、軟質層中にCuが少ない場合(軟質層(Sn−3%Cu)/中間層(Ni)/軸受合金層(Cu合金))を示し、(b)は、軟質層中にCuが多い場合(軟質層(Sn−10%Cu)/中間層(Ni)/軸受合金層(Cu合金))を示している。なお、軟質層中の%は質量%を表している。
【0020】
この図4の(a)と(b)のどちらにおいても、熱処理温度が高くなるに従って、また、熱処理時間が長くなるに従って、凸状化合物の中間層からの高さが高くなることがわかる。また、(a)と(b)とを比較すると、同じ熱処理条件でも、軟質層中にCuが多い場合の方((b)の方)が凸状化合物の高さが高くなることがわかる。
【0021】
これらの結果により、本発明者らは、軟質層中のCu量を多くすることにより、凸状化合物の生成を促進させることができることを見出した。また、中間層の近くをCu量を多くすることにより、結果的に化合物の凸状化を促進させることができることも見出した。
上記に示されるように、本発明者らによって、本発明の特徴とする凸状化合物の形成促進条件を明らかにすることができた。
【0022】
次に、最表面部を再度機械加工することにより削り、図1に示すように、摺動面(図1の上面)に、軸受合金層1と凹部2の軟質層4と中間層3が混在した状態とする。以上により、すべり軸受が完成する。
本発明者らは本発明による効果を確認するため、次の表1に示すように、上記の方法によって作製した実施例1〜9の試料と、後述する比較例の方法で作製した比較例1〜3の試料とについてキャビテーション試験を行った。
【0023】
【表1】
【0024】
なお、比較例1〜3は、軟質層形成後の熱処理条件が上記実施例とは異なっていて、その熱処理を130℃×1Hrの条件で行ったもので、中間層から軟質層にかけて凸状に延びる凸状化合物が形成されなかったものである。また、本試験においては、摺動面における凹部2の面積率を70%とした試料を使用した。
【0025】
表1において、軟質層中の%は質量%を表している。比較例1は、軟質層が、Cuを含有したPb合金であり、それ以外の比較例2,3、及び実施例1〜9は、軟質層が、Cuを含有したSn合金である。また、実施例1〜9のうち実施例2,7は、軟質層が、Cuの他にAgを含有したものであり、実施例6は、Sbを含有したものである。
キャビテーション試験は、図5に示す試験機を用いて、次の表2に示す条件にて行った。
【0026】
【表2】
【0027】
キャビテーション試験は、具体的には、図5に示すように、水6を貯留した水槽7内に試料(試験片)8をセットし、水中において、その試料8の摺動面に対し、超音波を発生するホーン9から所定の隙間(0.5mm)を介して超音波(19000Hz)を3分間当てて、試験前後の体積減少量を測定した。その測定した体積減少量を、表1のキャビテーション試験の欄に記載した。
【0028】
表1からわかるように、キャビテーション試験の体積減少量は、比較例1〜3は1.1mm3以上であるのに対し、本発明の実施例1〜9は0.7mm3以下であり、実施例1〜9が耐キャビテーション性に優れていることを確認できた。これは、中間層から凸状に延びる凸状化合物によるアンカー効果が大きな要因であると考えられる。
【0029】
さらに、実施例1〜9について検討してみる。実施例1,3〜5,8,9においては、軟質層はすべてSn−Cu合金であるが、Cuの含有量が15質量%以下の実施例3〜5,8,9は、Cuの含有量が25質量%の実施例1に比べて体積減少量が少なくなっている。耐キャビテーション性において、Cuの含有量は、25質量%より少ない方が好ましく、より好ましくは20質量%以下、更に好ましくは5〜15質量%である。
また、実施例2と実施例7とを比較すると、Agの含有量が2質量%の実施例7は、Agの含有量が15質量%の実施例2に比べて体積減少量が少なくなっている。耐キャビテーション性において、Agの含有量は、15質量%より少ない方が好ましく、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。
【0030】
図6は本発明の第1の変形例を示したものであり、この第1の変形例は、上記した実施例とは次の点が異なっている。すなわち、上記した実施例では、熱処理後、最表面部を機械加工することによって、摺動面(図1の上面)に、軸受合金層1と凹部2の軟質層4と中間層3が混在した状態となる構造としたが、この第1の変形例では、その最表面部の機械加工を省いた構造としたものであり、表面はすべて軟質層4で被覆された構造となっている。この構造は、初期なじみ性を向上させる場合に有効である。
【0031】
図7は本発明の第2の変形例を示したものであり、この第2の変形例は、上記した実施例とは次の点が異なっている。すなわち、上記した実施例では、凹部2を溝状に形成したが、この第2の変形例では、凹部10を、上から見て矩形状の独立した形態のものを多数形成し、各凹部10の内面に中間層3(図1参照)を設けると共に、その中間層3上に軟質層4を設けた構造となっている。
【0032】
図8は本発明の第3の変形例を示したものであり、この第3の変形例は、上記した第2の変形例とは次の点が異なっている。すなわち、この第3の変形例では、軸受合金層1の露出部11を矩形状として残し、その周りに連続した凹部12を形成し、その凹部12の内面に中間層3(図1参照)を設けると共に、その中間層3上に軟質層4を設けた構造となっている。
【0033】
本発明は、上記した実施例及び第1〜第3の変形例に限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
すべり軸受における摺動面の最表面に、初期なじみ性を向上させることを目的として、1〜10μm程の最表面層を設けるようにしてもよい。
凹部2,10,12の作成方法としては、機械加工(ボーリング加工)の他に、マスキングとエッチングの組み合わせによる化学的処理や、マスキングとショットブラストの組み合わせによる物理的処理、或いは、レーザー加工を用いることもできる。
【0034】
凸状化合物5を形成しやすくするために、軟質層4を設ける際に、最初にCuの濃度が高いSn−Cu合金(例えばSn−10%Cu)を被覆した後、その上に、Cuの濃度が低いSn−Cu合金(例えばSn−4%Cu)を被覆するというように、軟質層4を2層めっき構造としたり、或いは、軟質層4を、中間層3に向かってCuの濃度が高くなる成分傾斜を有する構造としたりすることもできる。
本発明は、すべり軸受以外の摺動部材にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す要部の断面図
【図2】主要部を模式的に示した拡大断面図
【図3】要部の平面図
【図4】凸状化合物を形成する際の熱処理条件と凸状化合物の中間層からの高さとの関係を示す説明図であり、(a)は軟質層中にCuの含有量が少ない場合の図、(b)は軟質層中にCuの含有量が多い場合の図
【図5】キャビテーション試験機の概略構成図
【図6】本発明の第1の変形例を示す図1相当図
【図7】本発明の第2の変形例を示す図3相当図
【図8】本発明の第3の変形例を示す図3相当図
【符号の説明】
1は軸受合金層(摺動合金層)、2は凹部、3は中間層、4は軟質層、5は凸状化合物、10は凹部、11は軸受合金層の露出部、12は凹部を示す。
Claims (4)
- 摺動合金層の摺動面側に凹部を形成し、この凹部内にNiまたはNi合金からなる中間層を設けると共に、この中間層上に純SnまたはSn合金からなる軟質層を設ける構造とした摺動部材にあって、前記中間層から軟質層にかけて凸状に延びた化合物を有していることを特徴とする摺動部材。
- 摺動面は、少なくとも摺動合金層と軟質層が混在した状態であることを特徴とする請求項1記載の摺動部材。
- 軟質層は20質量%以下のCuを含有するSn合金であり、そのCuの他に、0〜10質量%のAg及び/または0〜15質量%のSbを含有していることを特徴とする請求項1または2記載の摺動部材。
- 摺動合金層に形成された凹部の深さが5〜50μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の摺動部材。
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