JP2005206867A

JP2005206867A - 組み合わせ摺動部材

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Publication number: JP2005206867A
Application number: JP2004013575A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Fuwa; 良雄不破; Mikio Yamada; 幹雄山田; Hiroyuki Murase; 博之村瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: JP4218534B2

Abstract

【課題】耐摩耗性、耐焼付性に優れた組み合わせ摺動部材を得る。
【解決手段】少なくとも、亜鉛を２５〜４０重量％と、アルミニウムを１．９〜５．２重量％と、ニッケルを０．２５〜３．０重量％とを含み、残部が銅からなる銅合金製の第１の摺動部材と、第１の摺動部材との摺動面に、膜厚が０．１μｍ以上、表面粗さが０．５μｍＲｚ以下、硬さＨｖ１０００以上である非晶質硬質炭素膜が形成されている第２の摺動部材とを組み合わせてなる組み合わせ摺動部材である。
【選択図】なし

Description

本発明は、特に耐摩耗製、耐焼付性に優れた組み合わせ摺動部材に関する。

自動車のエンジンのシリンダとピストンとからなる摺動部材には、軽量化の要請から、一方の摺動部材がアルミニウム合金製であり、他方の摺動部材の摺動面にはダイアモンドカーボンライク（ＤＬＣ：Diamond likecarbon）が被覆されたものが用いられている（例えば、特許文献１，２）。

また、自動車のエンジンの動弁機構におけるシムとカムのようなより摺動摩擦の大きい摺動部材の場合には、例えば、カム部材が鉄基合金焼結体からなり、シム部材が金属合金材料の表面にＤＬＣ被腹膜が形成されたもの（例えば、特許文献３）、また、軽量化を考慮して、アルミニウム合金製のカムロブと、ＤＬＣなどの硬質薄膜が施されたリフターシムまたはバルブリフターとが提案されている（例えば、特許文献４）。

一方、自動車のエンジンに摺動摩擦のある軸受部位、例えば、ターボチャージャーにおけるタービンシャフトとこのタービンシャフトを軸受けするベアリングとでは、ターボチャージャーが、例えば毎分最高１６万回転もの超高速で回転していることから、より高い耐摩耗性、耐焼付性が要求される。

特開２００３−１３１６３号公報特開２０００−１２０８６９号公報特開平１１−２８０４１９号公報特開２００１−２１４７１１号公報

しかしながら、上述ような軸受部位に、アルミニウム合金製摺動部材を用いる場合には、耐摩耗性および耐焼付性を考慮して、やや多めのオイルを軸受部位に供給しなければならなかった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、オイル供給量を抑えつつより耐摩耗性および耐焼付性を向上させた組み合わせ摺動部材を提供することを目的とする。

本発明の組み合わせ摺動部材は、以下の特徴を有する。

（１）少なくとも、亜鉛を２５〜４０重量％と、アルミニウムを１．９〜５．２重量％と、ニッケルを０．２５〜３．０重量％とを含み、残部が銅からなる銅合金製の第１の摺動部材と、前記第１の摺動部材との摺動面に非晶質硬質炭素膜が形成されている第２の摺動部材とを組み合わせてなる組み合わせ摺動部材である。

上述の組成からなる銅合金製の第１の摺動部材とすることにより、耐摩耗性および耐焼付性が向上する。

（２）上記（１）に記載の組み合わせ摺動部材において、前記第２の摺動部材の非晶質硬質炭素膜は、膜厚が０．１μｍ以上、表面粗さが０．５μｍＲｚ以下、硬さＨｖ１０００以上である組み合わせ摺動部材である。

摺動面に上述の特性を有する膜が形成された第２の摺動部材を用いることにより、より耐摩耗性および耐焼付性が向上する。

（３）上記（１）または（２）に記載の組み合わせ摺動部材において、前記第１の摺動部材の銅合金の母相がα＋β相である組み合わせ摺動部材である。

第１の摺動部材の銅合金の母相がα＋β相とすることにより、より耐摩耗性を向上させることができる。

（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の組み合わせ摺動部材において、前記第１の摺動部材の銅合金は、さらに、鉄、マンガン、クロム、ケイ素、チタンの少なくとも１種を含む組み合わせ摺動部材である。

上述の鉄、マンガン、クロム、ケイ素、チタンの少なくとも１種を第１の摺動部材の合金に例えば少量分散させて含有されることにより、第１の摺動部材の摺動面の硬度を高めることができ、さらに耐摩耗性を向上させることができる。

本発明によれば、耐摩耗性、耐焼付性を向上させる組み合わせ摺動部材を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、以下に図面を用いて説明する。

図１には、自動車用エンジンとして使用されるターボチャージャー１０が示されている。ターボチャージャー１０には、毎分最高１６万回転もの超高速で回転しているシャフト１２と、シャフト１２を支える軸受でありそれ自身が回転するフローティングベアリング１１とが内蔵されている。また、フローティングベアリング１１の外側には、固定された外側カバーであるハウジング１６が設けられている。また、フローティングベアリング１１は、シャフト１２とハウジング１６との間で自由に回転できるようになっており、シャフト１２とフローティングベアリング１１との間およびフローティングベアリング１１とハウジング１６との間の双方には、オイルを充填するための油路１５が設けられている。また、ハウジング１６には、充填したオイルを一部回収するオイル回収穴１７が設けられている。シャフト１２の排気側にはタービンロータ１３が設けられ、一方シャフト１２の吸気側には圧縮機ロータ１４が設けられている。また、シャフト１２の回転振れを抑制するために、さらにシャフト１２の吸気側の周囲にはスラストベアリング１８が設けられている。なお、図２には、シャフト１２とフローティングベアリング１１の構成を説明する拡大図である。

本実施の形態において、組み合わせ摺動部材として、上述したターボチャージャー１０のシャフト１２とフローティングベアリング１１を例により、以下に説明する。

組み合わせ摺動部材の一方の第１の摺動部材は、少なくとも、亜鉛を２５〜４０重量％と、アルミニウムを１．９〜５．２重量％と、ニッケルを０．２５〜３．０重量％とを含み、残部が銅からなる銅合金からなり、ターボチャージャー１０においてフローティングベアリング１１として用いられる。

一方、組み合わせ摺動部材の第２の摺動部材は、基材の表面、すなわち第１の摺動部材との摺動面に、非晶質硬質炭素膜が形成され、ターボチャージャー１０においてシャフト１２として用いられる。

さらに、上記第１および第２の摺動部材について詳細に説明する。

第１の摺動部材を構成する銅合金中に含まれる亜鉛は、Ｃｕ−Ｚｎ系合金の耐摩耗性に大きな影響を与えるものであり、母相がβ相単一の場合には脆くなり易いため、耐摩耗性の特性を考慮すると母相がα＋β相であることが好ましい。そのために、上記銅合金中、亜鉛は２５〜４０重量％含有されることが好ましく、亜鉛の含有量が２５重量％未満の場合には、母相にβ相が現れず、加工性が悪くなり、亜鉛の含有量が４０重量％を超える場合には、母相がβ相単一となり靭性に劣る。

また、第１の摺動部材を構成する銅合金において、アルミニウムは耐摩耗性の向上に寄与しており、１．９重量％以上含まれることが好ましく、一方５．２重量％を超える場合には加工性の低下を招く。

また、第１の摺動部材を構成する銅合金において、ニッケルは強靱性並びに耐摩耗性の向上に寄与しているが、過剰に含まれると逆に強靱性を低下させ、また加工性も悪くなることから、銅合金中に０．２５〜３．０重量％含まれることが好ましい。

また、上記銅合金中に少量の鉄、マンガン、クロム、ケイ素、チタンの少なくとも１種が含まれてもよい。

鉄は、上記銅合金中に０．１重量％以上含まれていると金属間化合物を強化し、また組成を微細化する効果を有する。しかし、鉄の含有量が０．５重量％を上回ると、金属間化合物が粗大化して加工性、耐摩耗性が低下する可能性があるため、銅合金中の鉄の含有量は０．１〜０．５重量％であることが望ましい。

マンガン、ケイ素は、Ｍｎ₅Ｓｉ₃の塊状の金属間化合物を形成し、銅合金の耐摩耗性と強度の向上に寄与するが、Ｍｎ₅Ｓｉ₃の含有量が１重量％未満ではその効果が期待できず、またＭｎ₅Ｓｉ₃の含有量が１０重量％を超えると靭性の低下を招くため、銅合金中のＭｎ₅Ｓｉ₃の含有量は１〜１０重量％であることが望ましい。なお、ＭｎとＳｉがＭｎ₅Ｓｉ₃の金属間化合物を形成するときの最適なＭｎとＳｉの重量比は１：０．３であるので、ＭｎとＳｉは、それぞれ単独で銅合金中に２．５〜３．５重量％、０．６〜１．２重量％含有されることが望ましい。

また、クロムは、結晶粒を微細化させる効果があり、含有量が０．１重量％未満ではこの効果は望めず、一方０．２５重量％を超えても上記効果は望めないため、銅合金中のクロムの含有量は０．１〜０．２５重量％とすることが好ましい。

さらに、チタンは、結晶組織を微細化し、合金の強靱性、加工性を向上させるものであるが、１．２重量％未満ではこの効果は得られず、２．０重量％を超えると逆に強靱性、加工性が低下することから、銅合金中のチタンの含有量は１．２〜２．０重量％とすることが好ましい。また、チタンは、Ｆｅ−Ｔｉ、Ｎｉ−Ｔｉ等の塊状の金属間化合物を形成し、耐摩耗性と強度に寄与する。

また、第２の摺動部材の基材は、その硬さがＨｖ２５０以上の鋼であることが好ましく、第２の摺動部材の摺動面は、上記基材の表面に形成された非晶質硬質炭素膜、すなわちダイアモンドライクカーボン膜（以下「ＤＬＣ膜」という）からなる。

上記ＤＬＣ膜の膜厚は０．１μｍ以上であれば上限は制限されないが、１０μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。膜厚が０．１μｍ未満では、十分な硬度が望めず、１０μｍを超えると、コストパフォーマンスおよび密着性が低下する傾向がある。

上記ＤＬＣ膜の表面粗さは、０．５μｍＲｚ以下であれば下限は制限されないが、コストパフォーマンスの点から０．１μｍＲｚ程度が望ましい。表面粗さが０．５μｍＲｚを超える場合には、摺動する相手材の摩耗が大きくなってしまう。

また、上記ＤＬＣ膜の硬さは、Ｈｖ１０００以上３０００以下であり、Ｈｖ１０００未満では耐摩耗性、耐焼付性を向上させることは難しい。

上記第１の摺動部材および第２の摺動部材からなる組み合わせ摺動部材は、ターボチャージャー用フローティングベアリングとシャフトとの組み合わせに用いることが特に好適であるが、これに限定されることなく、低負荷のギヤなどの様々な個所の組み合わせ摺動部材として用いることができる。

以下本発明について実施例を掲げて更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、本実施例中で単に「％」と記載した場合は「重量％」を指すものとする。

実施例１〜７および比較例１〜６．
以下に説明するように試験片を製作し、実施例１〜６および比較例１〜６については図３，４および表１にその結果を示す。

［実施例１］
第１の摺動部材として、Ｚｎを３３．５％（重量％）、Ａｌを３．０％、Ｎｉを２．０％、Ｔｉを１．５％および残部をＣｕとする銅合金の棒材より１６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍのサイコロ試験片を製作した。このサイコロ試験片の硬さはＨｖ２００であった。一方、第２の摺動部材として、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、焼入れ品、Ｈｖ５００、表面粗さ０．１μｍＲｚ）を用いて、外径３５ｍｍ、内径３０ｍｍ、幅１０ｍｍの円筒試験片を製作し、この円筒試験片の外周面にＤＬＣ膜を形成した円筒試験片を得た。ＤＬＣ膜の作成は、成膜用原料ガスＣ₂Ｈ₂、成膜圧力０．５×１０^-2Ｔｏｒｒ、高周波電力：周波数２．５ＧＨｚ，２ｋＷ、電力印加電極の温度：５００度の成膜条件で行うプラズマＣＶＤ法により、０．５μｍ厚さのＤＬＣ膜を成膜した。このときのＤＬＣ膜の表面粗さは０．１μｍＲｚ、硬さＨＶは２０００であった。

次に、得られたサイコロ試験片の１６ｍｍ×６ｍｍの面とＤＬＣ膜を形成した円筒試験片の外周面とを接触させ、オイル（ＳＡＥ５Ｗ−３０）を供給しながら、荷重３０ｋｇｆ、回転数１６０ｒｐｍにて、円筒試験片を３０分間回転させる摩耗試験を行った。

その結果、サイコロ試験片の摩耗量は摩耗痕深さで１０μｍ、ＤＬＣ膜を形成した円筒試験片の摩耗量は摩耗重量で１．０ｍｇであった。

［実施例２］
第１の摺動部材として、Ｚｎを３１．１％（重量％）、Ａｌを２．５％、Ｎｉを０．４％、Ｍｎを３％、Ｃｒを０．２％、Ｓｉを０．８％および残部をＣｕとする銅合金の棒材より１６ｍｍ×１６ｍｍ×１０ｍｍのサイコロ試験片を製作した。このサイコロ試験片の硬さはＨｖ１９０であった。また、第２の摺動部材として実施例１と同一のＤＬＣ膜からなる円筒試験片を作成し、実施例１と同条件にて摩擦試験を行ったところ、サイコロ試験片の摩耗量は摩耗痕深さで１３μｍ、ＤＬＣ膜を形成した円筒試験片の摩耗量は摩耗重量で０．９ｍｇであった。

［比較例１］
第１の摺動部材として実施例１と同一のサイコロ試験片を使用し、第２の摺動部材として鋼（ＪＩＳ規格Ｓ４５Ｃ焼入れ品、Ｈｖ５００、表面粗さ０．１μｍＲｚ）を用いて実施例１と同様に、ＤＬＣ膜を施す前の円筒試験片と同一寸法の試験品を準備して実施例１と同一条件で摩耗試験を行った。結果は、サイコロ試験片の摩耗量は摩耗痕深さで２５μｍ、ＤＬＣ膜を形成した円筒試験片の摩耗量は摩耗重量で２．５ｍｇであった。

［比較例２］
第１の摺動部材として燐青銅合金（ＪＩＳ規格Ｃ５１９１、Ｈｖ１５０）製のサイコロ試験片（１６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍ）を製作し、第２の摺動部材として実施例１と同一のＤＬＣ膜を形成した円筒試験片を準備し、実施例１と同一条件にて摩耗試験を行った。結果は、サイコロ試験片の摩耗量は摩耗痕深さで３５μｍ、ＤＬＣ膜を形成した円筒試験片の摩耗量は摩耗重量で１．９ｍｇであった。

［実施例３，４および比較例３，４］
第１の摺動部材として、実施例１，２および比較例１，２と同一の材質のものを３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍの平板試験片に加工し、それぞれ実施例３，４および比較例３，４の第１の摺動部材の平板試験片として供した。一方、第２の摺動部材として、実施例１，２および比較例１，２と同一の材質のものを外径２５．４ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒試験片に加工し、それぞれ実施例３，４および比較例３，４の第２の摺動部材の円筒試験片として供した。上記実施例３，４および比較例３，４の平板試験片の３０ｍｍ×３０ｍｍの面と円筒試験片の端面とを接触させ、オイル（ＳＡＥ５Ｗ−３０）を供給しながら、回転数を７７ｒｐｍに固定して荷重を５ｋｇｆ〜１００ｋｇｆまで段階的に増加させ、焼付きが発生する荷重（耐焼付性）を評価した。

［実施例５，６および比較例５，６］
実施例５，６では、図３に示すターボチャージャー１０用フローティングベアリング１１として、それぞれ実施例１の第１の摺動部材と同一の組成（Ｚｎ：３３．５％、Ａｌ：３．０％、Ｎｉ：２．０％、Ｔｉ：１．５％および残部をＣｕとする銅合金）のフローティングベアリングと、実施例２の第１の摺動部材と同一組成（Ｚｎ：３１．１％、Ａｌ：２．５％、Ｎｉ：０．４％、Ｍｎ：３％、Ｃｒ：０．２％、Ｓｉ：０．８％および残部をＣｕとする銅合金）のフローティングベアリングとを製作した。また、比較例５，６のフローティングベアリングとして、比較例１，２と同一材質のフローティングベアリングを製作した。一方、実施例５，６および比較例５，６用のシャフト１２は、実施例１，２および比較例１，２の円筒試験片と同一の材質で製作した。

これら４種類のフローティングベアリングとシャフトを組み合わせてターボチャージャーを構成し、ガソリンエンジンに取付け、エンジン回転数６０００ｒｐｍ×全負荷、ターボ回転数１０万ｒｐｍで９４０時間の耐久試験を行った。結果を表１に示す。

［実施例７］
第１の摺動部材として、Ｚｎを３１．１％（重量％）、Ａｌを２．５％、Ｎｉを０．４％、Ｆｅを０．３％、Ｍｎを３％、Ｃｒを０．２％、Ｓｉを０．８％および残部をＣｕとする銅合金の棒材より１６ｍｍ×１６ｍｍ×１０ｍｍのサイコロ試験片を製作した。このサイコロ試験片の硬さはＨｖ１９５であった。また、第２の摺動部材として実施例１と同一のＤＬＣ膜からなる円筒試験片を作成し、実施例１と同条件にて摩擦試験を行ったところ、サイコロ試験片の摩耗量は摩耗痕深さで１２μｍ、ＤＬＣ膜を形成した円筒試験片の摩耗量は摩耗重量で０．９ｍｇであった。

以上の結果から、本発明の組み合わせ摺動部材は、耐摩耗性、耐焼付性に優れていることが判明した。

第１の摺動部材および第２の摺動部材からなる組み合わせ摺動部材は、自動車エンジンのターボチャージャー用フローティングベアリングとシャフトとの組み合わせ、低負荷のギヤなどの様々な個所の組み合わせ摺動部材として用いることができ、また自動車以外の用途における組み合わせ部材としても用いることができる。

ターボチャージャーの構成を示す図である。ターボチャージャー用フローティングベアリングとシャフトの構造を説明する図である。本発明の第１および第２の摺動部材における耐摩耗性の評価結果を示す図である。本発明の第１および第２の摺動部材における耐焼付性の評価結果を示す図である。

符号の説明

１０ターボチャージャー、１１フローティングベアリング、１２シャフト、１３タービンロータ、１４圧縮機ロータ、１５油路、１６ハウジング、１７オイル回収穴、１８スラストベアリング。

Claims

少なくとも、亜鉛を２５〜４０重量％と、アルミニウムを１．９〜５．２重量％と、ニッケルを０．２５〜３．０重量％とを含み、残部が銅からなる銅合金製の第１の摺動部材と、
前記第１の摺動部材との摺動面に非晶質硬質炭素膜が形成されている第２の摺動部材とを組み合わせてなることを特徴とする組み合わせ摺動部材。
請求項１に記載の組み合わせ摺動部材において、
前記第２の摺動部材の非晶質硬質炭素膜は、膜厚が０．１μｍ以上、表面粗さが０．５μｍＲｚ以下、硬さＨｖ１０００以上であることを特徴とする組み合わせ摺動部材。
請求項１または請求項２に記載の組み合わせ摺動部材において、
前記第１の摺動部材の銅合金の母相がα＋β相であることを特徴とする組み合わせ摺動部材。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の組み合わせ摺動部材において、
前記第１の摺動部材の銅合金は、さらに、鉄、マンガン、クロム、ケイ素、チタンの少なくとも１種を含むことを特徴とする組み合わせ摺動部材。