JP2005249150A - 摺動部材、その製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 すべり軸受などの摺動部材において、保油用の凹部の周囲の堤部の高さを低くすることができ、これにより初期なじみ性を向上させて非焼付性を向上させる。
【解決手段】 相手材との摺動面に複数の穴７を、ファイバーレーザー装置により加工する。このとき、レーザー加工により当該穴７の周囲に摺動面６から盛り上がるように生じた堤部８の高さをｔ、当該凹部６の摺動面６からの深さをｈとしたとき、ｔが３μｍ以下で、ｔ／ｈが０．１〜０．５となるようにレーザービームのエネルギー密度を調節する。
【選択図】 図１

Description

本発明は摺動面に複数の小さな凹部を形成した摺動部材、その製造方法および製造装置に関する。

自動車などに使用される内燃機関は、燃料の爆発力によって得られるピストンの往復運動を、コンロッドとクランクシャフトによって回転運動に変換し、回転駆動力を得ている。このピストンとコンロッドとクランクシャフトとは、それぞれピストンピンやクランクピンによって連結されている。そして、それらピストンピンやクランクピンはすべり軸受によって支承されており、内燃機関の駆動状態においては、各すべり軸受は相手軸であるピストンピンやクランクピンから変動荷重を繰り返し受ける。

すべり軸受では、一般に、外部から潤滑油を供給することにより、摺動面と相手軸との間に油膜が形成されるようにして相手軸と直接接触する金属接触が起きないようにしている。しかしながら、上記の内燃機関のすべり軸受のように、摺動面に対して相手軸が変動荷重を与えながら摺動すると、油膜が破壊されて金属接触を起こし易く、焼付きの原因になったりする。このように油膜破壊を起こしそうな環境下で使用されるすべり軸受の場合には、相手軸から変動荷重を与えられても、摺動面から潤滑油が排除されて油膜が破壊されないよう、当該摺動面の潤滑油保持能力を向上させることが好ましい。

この潤滑油保持能力を向上させた摺動部材として、特許文献１に記載されたものがある。これは、軸受合金層上にオーバレイ層を被着し、ショットブラストにより、このオーバレイ層に微小な硬質粒子を吹付けて摺動面であるオーバレイ層の表面に微細な凹部を形成して保油性を向上させたものである。
特開２００２−１４７４５９号公報

上記特許文献１の摺動部材では、オーバレイ層に塑性変形によって凹部を形成するものであるため、その周囲が盛り上がる（この盛り上がり部分を堤部と称する。）。この堤部には、荷重が集中し、焼付き易くなるという不具合を生ずるので、ショットブラスト後、バレル加工などの研磨加工を施して堤部の高さを低くするようにしている。しかしながら、これでは研磨加工という後加工が必要となり、製造コストが上昇する。

また、ショットブラストによって凹部を形成するため、形成された凹部の一つ一つは一部が互いに重なり合って凹部どうしが繋がった状態になり易い。このため、相手材が高荷重で摺動面を押圧すると、潤滑油が凹部から凹部へと流出し、結局、摺動面から潤滑油が逃げ出してしまうこととなり、保油性の向上は望み得ない。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、研磨加工などの後加工を施さずとも、凹部の周囲の堤部の高さを低くすることができ、また、凹部どうしが重なり合うことがなく、保油性を向上させることができる摺動部材、その製造方法および製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、相手材との摺動面に複数の凹部を形成した摺動部材において、前記凹部は、レーザー加工により形成され、レーザー加工により当該凹部の周囲に前記摺動面から盛り上がるように生じた堤部の高さをｔ、当該凹部の前記摺動面からの深さをｈとしたとき、ｔが３μｍ以下で、ｔ／ｈが０．１〜０．５となっていることを特徴とするものである（請求項１）。

この構成によれば、堤部の高さｔが３μｍ以下であるから、実使用時に相手材が摺動面上を動くことにより、堤部は早期につぶれ、或は早期に摩耗する。このため、初期なじみ性に優れ、非焼付性が向上する。
また、凹部はレーザー加工されるので、一つ一つの凹部を独立したものとして形成することができる。しかも、堤部の高さに比べて凹部の深さを深くすることができる。これらの理由から、凹部内に多くの潤滑油を貯溜でき、しかも、凹部内の潤滑油が相手軸との摺動面間に供給されることなく、凹部から凹部へと伝って早期に外部へ流れ出るといった不具合を極力防止することができ、摩擦抵抗を軽減することができる。

また、本発明では、前記凹部の前記摺動面における径をｄとしたとき、ｈ／ｄが０．３〜１．０とすることができる（請求項２）。
これによれば、凹部は深さに比べて摺動面における開口が大きいので、摺動面への潤滑油の供給が容易になる。
本発明では、前記凹部がその形成領域において占める割合を、面積率で０．５〜１０％とすることができる（請求項３）。
凹部の割合をこの程度とすることが、受圧荷重と摩擦係数との関係から好ましいものとなる。
本発明では、前記凹部を、前記摺動面における相手材の移動方向に対して傾いた線に沿って配列することができる（請求項４）。
このようにすることにより、凹部に溜められた潤滑油を摺動面にくまなく供給することができる。

本発明は、上記のような凹部を形成するために、パワー密度が１ＭＷ〜１５ＧＷ／ｃｍ²のレーザービームを前記摺動面に照射して前記凹部を形成する方法を採用した（請求項５）。
レーザービームを照射すると、その照射個所が溶融する。そして、溶融物がレーザービームの照射部分の周囲に盛り上がることによって凹部が形成され、このとき、その凹部の周りに堤部が生ずる。このレーザービームによる凹部の形成を、本発明のような高パワー密度のレーザービームにより行うことにより、レーザービームの照射部分は高温度となって溶融し、且つ一部は気化する。このため、凹部の周りに盛り上がる堤部の高さが低くなる。

この場合、前記レーザービームは周波数が１ｋＨｚ以上のパルス状のレーザービームとすることができる（請求項６）。
高パワー密度のレーザービームでは、１パルスのレーザービームを照射することで１個の凹部を形成することが可能となる。このため、周波数が１ｋＨｚ以上のパルスレーザービームとすれば、短時間で多数の凹部を形成できる。

本発明では、摺動面を円筒状内面とした摺動部材を対象として、その円筒状内面である摺動面に凹部を形成するための製造装置として、ファイバーレーザー装置と、前記摺動部材を保持する摺動部材保持手段と、前記ファイバーレーザー装置のファイバーの先端部を前記保持手段に保持された前記摺動部材の内側において当該摺動部材の摺動面と対向する状態に保持するファイバー保持手段とを具備し、前記ファイバーの先端から放射されるレーザービームを前記摺動部材の摺動面に照射して当該摺動面に前記凹部を形成するように構成した。

また、本発明では、製造装置として、ファイバーレーザー装置と、前記摺動部材を保持する摺動部材保持手段と、前記ファイバーレーザー装置のファイバーの先端から放射されるレーザービームを反射させて前記摺動部材の摺動面に照射することによって当該摺動面に前記凹部を形成する反射鏡とから構成することができる。

以下、本発明の摺動部材を自動車用エンジンのコンロッドを構成する大端部における軸受（以下、クランクピン軸受と称する。）に適用した一実施形態について図１〜図６を参照しながら説明する。
図４に示すように、コンロッド１は、長さ方向両端部のうち一方をピストンピンに連結される小端部２とし、他端部をクランクピンに連結される大端部３としている。そして、それら両端部２および３には夫々ピストンピン軸受４およびクランクピン軸受５が取り付けられており、ピストンピン軸受４はピストンピンを支持し、クランクピン軸受５はクランクピンを支持する。

クランクピン軸受５は、半円筒状の半割軸受５ａを２個突き合わせて円筒状に構成してなる。半割軸受５ａは鋼裏金上に軸受合金を装着して構成されたもので、その摺動面（軸受合金の表面）６には、当該摺動面６の全体にわたって、図１に示すような凹部としての微細な穴７が無数に形成されている。
上記穴７は、後述するようにレーザー加工によって形成したもので、その穴７の周囲には、半割軸受５ａの内面である摺動面６から盛り上がった堤部８が存在している。

ここで、このような穴７の径および深さ、堤部８の高さなどについて述べる。まず、図１に示すように、穴７の径ｄと深さｈは、堤部８を除去した状態で定義するものとする。つまり、穴７の径ｄは、摺動面６と同じレベルの面で測定し、深さｈは、摺動面６を基準にして測定するものとして、例えば穴７の径ｄは１〜１００μｍ、穴７の深さｈは１〜３０μｍ、堤部８の摺動面６からの高さｔは３μｍ以下に形成することができる。なお、好ましくは、穴７の径ｄは３〜９０μｍ、穴７の深さｈは１．５〜２９μｍである。更に好ましくは、径ｄは６〜３０μｍ、深さｈは２〜１０μｍである。

また、穴７の深さｈは、径ｄの０．３〜１．０倍、つまりｈ／ｄ＝０．３〜１．０の関係となるように形成され、堤部８の高さｔは、穴７の深さｈの０．１〜０．５倍、つまりｔ／ｈ＝０．１〜０．５の関係となるように形成されている。
以上のような穴７は、その形成領域である摺動面６全体に占める割合が、面積率Ｓで０．５〜１０％となるように形成されている。この場合、穴７の面積とは、径ｄを基にした摺動面６上での開口面積をいう。形成領域とは、レーザー加工により穴７を形成した領域であって、詳しくは、それらの穴７群において、最外側位置の穴々を結んでできた領域（それらの穴々を含む。）をいう。

穴７は、図２（ａ）に示すように、摺動面６の幅方向（半割軸受５ａの軸線方向：図２（ａ）で左右方向）については、幅方向に延びる直線（クランクピン軸受５の中心軸線と平行な直線）Ｌ１上に一定のピッチ間隔Ｐ１で並ぶと共に、円周方向（相手材であるクランクピンの摺動方向：図２（ａ）で上下方向）については、円周方向に対してθだけ傾く直線Ｌ２上に円周方向に一定のピッチ間隔Ｐ２をもって並ぶようにして形成されている。

この場合、ピッチ間隔Ｐ１、Ｐ２および傾き角θは、幅方向に延びる直線Ｌ１のうち、円周方向に隣り合う２本の直線Ｌ１上に並ぶ穴７を幅方向の位置をそのままにして１本の直線上に並べたとき、それらの穴７が図２（ｂ）に示すように隙間なく並ぶ、又は図２（ｃ）に示すように一部重なり合うように並ぶように、穴７の径ｄの大きさと共に適宜定める。

次に、クランクピン軸受５に穴７を形成する方法について説明する。図５（ａ）は穴加工装置９を示しており、そのベッド１０上には、スライダ１１が移動可能に設けられており、このスライダ１１上にクランクピン軸受５を保持するための摺動部材保持手段としての治具１３が回転可能に取り付けられている。この治具１３は、図６（ａ）、（ｂ）に示すような２分割形の円筒状をなし、図示しないサーボモータによって回転駆動される。

また、ベッド１０には、ファイバーレーザー装置１４のレーザー発振器１５が取付台１６を介して取り付けられている。レーザー発振器１５には、ファイバー保持手段としての棒状保持棹１７がほぼ水平にして取り付けられており、この保持棹１７にレーザー発振器１５から導出されたファイバー１８が保持されている。ファイバー１８の先端は下向きに曲げられており、当該先端部には、図５（ｂ）に示すように、集光レンズ１９が装着されている。そして、ファイバー１８の先端から放射されたレーザービームは集光レンズ１９により絞られる。この集光レンズ１９の位置は、集光レンズ１９の焦点が治具１３に取り付けられたクランクピン軸受５の摺動面６上に位置するように定められている。

穴加工装置９によりクランクピン軸受５の摺動面に穴７を形成するには、まず、図６に示すように、２個の半割軸受５ａを突き合わせた状態で治具１３に取り付ける。そして、レーザー発振器１５を発振させてレーザービームＬＢをファイバー１８に放射する。レーザービームＬＢは、ファイバー１８内を伝播してゆく過程でエネルギー密度を上昇させる。そして、レーザービームＬＢは、最終的にファイバー１８の先端から放射され、集光レンズ１９により絞られてクランクピン軸受５の摺動面６に照射される。

このとき、摺動面６に照射されるレーザービームＬＢは、パルス状のレーザービームＬＢとされ、その周波数が１ｋＨｚ以上、パワー密度が１ＭＷ〜１５ＧＷ／ｃｍ²となっている。そして、１パルスのレーザービームＬＢにより１個の穴７が明けられるように、１パルスのレーザービームＬＢの照射の直前に、ベッド１０がＸ方向（クランク軸受５の軸線方向）に１ピッチ移動し、或は治具１３が１ピッチ回転する。

さて、クランクピン軸受５の摺動面６上にレーザービームＬＢが照射されると、その照射個所が溶融する。このとき、レーザービームＬＢのエネルギー密度が１ＭＷ〜１５ＧＷ／ｃｍ²と大きいことにより、レーザービームＬＢの照射個所は溶融するだけでなく、一部は気化する。そして、溶融物は、レーザービームＬＢを囲むようにして上方から摺動面６に吹き当てられるアシストガスにより押し出されて固化し、穴７の周囲の堤部８となる。

このとき、高エネルギー密度のレーザービームＬＢの照射個所が一部気化することにより、低エネルギー密度のレーザービームを照射した場合に比べて、堤部８として固化する溶融物が少量となる。このため、堤部８の高さを低くでき、本発明のように３μｍ以下とすることができる。このように、摺動面６を構成する軸受合金を溶融し且つ気化させることができるほどの高エネルギー密度の１ＭＨｚ以上の周波数のパルス状レーザービームは、ファイバーレーザー装置１４の採用によって初めて可能となったものである。なお、エネルギー密度は１０ＭＷ／ｃｍ²以上が好ましい。このエネルギー密度はファイバーレーザー装置１４により容易に得ることができる。

以上のようにして形成された摺動面の穴７に対し、本実施例においては、全部ではないが、１つ以上の穴に固体潤滑剤２０が収容されており、図３に示すように、内部に固体潤滑剤２０が収容された穴７が存在している。固体潤滑剤２０を穴７へ収容する方法は以下の３通りである。
方法１：鉛、錫、ビスマス、二硫化モリブデン、グラファイト、ニ硫化タングステン、ＰＴＦＥのいずれかを収容する場合には、まず、これらの固体潤滑剤を微粉末化（粉末径５μｍ以下）し、オイルに添加してペースト状にする。次に、このペースト状の固体潤滑剤を１００℃〜１５０℃に加熱された摺動部材の摺動面に塗布することにより、穴７の内部に収容する。

方法２：鉛、錫、ビスマス、二硫化モリブデン、グラファイト、ニ硫化タングステン、ＰＴＦＥのいずれかを収容する場合には、まず、これらの固体潤滑剤を微粉末化（粉末径５μｍ以下）し、有機溶剤にて溶解または分散された熱硬化性樹脂、或は熱可塑性樹脂に添加してペースト状にする。次に、このペースト状の固体潤滑剤を１００℃〜１５０℃に加熱された摺動部材の摺動面に塗布することにより、穴７の内部に収容する。

次に、本実施例における作用をクランクピン軸受５について説明する。
エンジンの駆動状態においては、図示しない潤滑油ポンプから圧送されてくる潤滑油が、クランクピン軸受５とクランクピンとの摺動面間に供給され、これにより摺動面間の潤滑が図られる。エンジンが停止すると、潤滑油ポンプからの潤滑油の供給も停止されるが、このとき、摺動面間の潤滑油は、固体潤滑剤２０が収容された穴７以外の穴７に溜められる。

エンジンが再起動すると、潤滑油ポンプも起動して潤滑油を圧送し始めるが、クランクピン軸受５とクランクピンとの摺動面間に潤滑油が供給されるまでには、若干の時間を要する。しかしながら、穴７には潤滑油が貯溜されているので、その穴７内の潤滑油がクランクピンの回転に伴って、クランクピン軸受５とクランクピントとの摺動面間に供給される。あるいは、穴７には固体潤滑剤２０が収容されているので、クランクピン軸受５とクランクピンとの間で直接接触することなく円滑に摺動する。このため、焼付きに至る恐れはない。

この場合、図２に示すように、穴７は、円周方向に対して傾斜する線Ｌ２に沿って並ぶように形成されているので、クランクピンの回転に伴って、穴７から摺動面間に供給される潤滑油や固体潤滑剤２０は、軸線方向にほとんど切れ目のないように摺動面６の全体に存在するため、焼付きや摩耗防止に一層効果がある。
また、穴７の周囲の堤部８の高さは３μｍ以下と低いため、特に堤部８を低くするための研磨加工をせずとも、この堤部８は、早期に潰れ、或は摩耗する。この堤部８の早期の潰れや、摩耗により、クランクピン軸受５の初期なじみ性、非焼付性が向上する。

また、摺動面の穴７はレーザービームＬＢにより形成するので、均一な穴７を所望形状に形成でき、穴７の保油性、或いは摺動面における油膜維持能力にばらつきが起こることが防止できる。しかも、穴７が連続することがなく、潤滑油が穴７から直接的に他の穴７へと伝い流れて摺動面間から排出されるといった事態の発生を防止でき、潤滑油による良好なる潤滑性を確保できる。

一方、エンジンの出力が上昇するとクランクピン軸受５とクランクピンとの間に高圧力が作用した状態で摺動する。このため、クランクピン軸受５における摺動面の軸受面圧が上昇し、クランクピン軸受５とクランクピンとの摺動面間の油膜圧力も上昇し、一部の油膜は前記圧力によって潰され薄くなる。
この場合も上記したと同様にして穴７から潤滑油が供給されるので、あるいは穴７には固体潤滑剤が収容されているので、金属接触状態を惹起する恐れはなく、焼き付きを効果的に防止することができる。

本発明者は、本発明の効果を確認するために、次の表１に示す発明品試料１〜１２と比較品試料１〜３を作成し、各試料について焼付試験を行い、試験面圧７ＭＰａにおける背面温度と摩擦係数の測定結果を表１に記載した。なお、焼付試験の試験条件は表２の通りである。

表１に示す焼付試験結果と摩擦係数の測定結果について考察する。まず、穴７が全く形成されていない比較品試料１では、焼付試験での背面温度が１２０℃であるのに対し、発明品試料１〜１２は最高の背面温度でも１０５℃である。即ち、穴７を形成した本発明品試料１〜１２が非焼付性に優れていることが理解される。

しかし、穴７を形成しても、比較品試料３では、堤部８の高さが４μｍと高いため、焼付試験での背面温度は１２０℃であり、堤部８の高さが３μｍ以下とした本発明品試料１〜１２よりも高い。このことから、穴７を形成しても、堤部８の高さが高過ぎると、非焼付性の向上は望み得ないことが理解される。
また、摩擦係数については、穴７が全く形成されていない比較品試料１では０．０２０である。これに対し、発明品試料１〜１２のうち、堤部８の高さが３μｍの発明品試料９，１０では、０．０２０であるが、堤部８の高さが低い発明品試料１〜８，１１，１２では、０．０１５以下であり、摩擦係数の低下が見られる。従って、堤部８の高さが低いほど、摩擦係数が低くなり、非焼付性が向上すると思われる。

図７は本発明の他の実施形態を示す穴加工装置２１を示している。上記一実施例における穴加工装置９との相違は、ファイバー１８からの放射方向を水平横向きとし、このファイバー１８の先端部に、一対の集光レンズ１９を光軸を９０°異ならせて配設し、この一対の集光レンズ１９間に位置して９０°傾くミラー２２を配設し、ファイバー１８の先端から照射されるレーザービームＬＢをミラー２２で９０°曲げてクランクピン軸受５の摺動面６上に照射されるようにしたところにある。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或は変更が可能である。
摺動面において縦横に整列状態にして複数の穴７を形成したが、これに限定されるものではなく、例えば不規則に不整列状態にて複数形成してもよい。
穴７は必ずしも摺動面６の全体に形成する必要はなく、高圧力が作用する箇所に形成してあればよい。例えばエンジンの主軸受の場合は、摺動面において高圧力が作用する箇所は、下側の半割軸受の周方向の略中央部分であるので、穴の形成領域は半割軸受の摺動面のうち周方向の略中央部分とすればよい。摺動面において、相手材が摺動の際に軸方向両端部に片当たりする等の理由で軸方向両端部が高圧力の作用する箇所である場合には、半割軸受５ａの軸方向両側に穴７を形成する。更に、半割軸受の軸方向両側の一部分に大きな荷重が作用するものに対しては、半割軸受の軸方向両側のうち、大きな荷重が作用する箇所に穴７を形成すればよい。

本発明は、クランクピン軸受５や主軸受に限らず、ピストンピン軸受４やスラストワッシャに適用したり、例えば産業用機械等、摺動面に高圧力が作用する状態での摺動が予想される摺動部材に適用したりしてもよい。
軸受合金層上にオーバレイを設け、このオーバレイの表面（摺動面）に穴７を形成しても良い。

本発明の一実施形態を示すもので、穴の拡大断面図 穴の配列形態を説明するための平面図 複数の穴の断面図 コンロッドの斜視図 穴加工装置を示す断面図 治具と半割軸受を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図 本発明の他の実施形態の穴加工装置を示す図５相当図

符号の説明

図面中、５はクランクピン軸受（摺動部材）、６は摺動面、７は穴、８は堤部、９は穴加工装置、１３は治具（摺動部材保持手段）、１４はファイバーレーザー装置、１５はレーザー発振器、１７は棒状保持棹（ファイバー保持手段）、１９は集光レンズ、２０は固体潤滑剤、２１は穴加工装置、２２はミラーである。

Claims (8)

1. 相手材との摺動面に複数の凹部を形成した摺動部材において、
   前記凹部は、レーザー加工により形成され、その加工時に当該凹部の周囲に前記摺動面から盛り上がるように生じた堤部の高さをｔ、当該凹部の前記摺動面からの深さをｈとしたとき、ｔが３μｍ以下で、ｔ／ｈが０．１〜０．５となっていることを特徴とする摺動部材。
2. 前記凹部の前記摺動面における径をｄとしたとき、ｈ／ｄが０．３〜１．０であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
3. 前記凹部の形成領域において、当該凹部の占める割合が、面積率で０．５〜１０％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。
4. 前記摺動面は半円筒状または円筒状をなし、前記凹部は、前記摺動面の円周方向に対して傾いた線に沿って配列されている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。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部材を製造する方法において、
   パワー密度が１ＭＷ〜１５ＧＷ／ｃｍ²のレーザービームを前記摺動面に照射して前記凹部を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
6. 前記レーザービームは、周波数が１ｋＨｚ以上のパルス状のレーザービームであることを特徴とする請求項５記載の摺動部材の製造方法。
7. 請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部材であって、摺動面を円筒状内面とした摺動部材を製造する装置において、
   ファイバーレーザー装置と、
   前記摺動部材を保持する摺動部材保持手段と、
   前記ファイバーレーザー装置のファイバーの先端部を、前記保持手段に保持された前記摺動部材の内側において当該摺動部材の摺動面と対向する状態に保持するファイバー保持手段とを具備し、
   前記ファイバーの先端から放射されるレーザービームを前記摺動部材の摺動面に照射して当該摺動面に前記凹部を形成するようにしてなる摺動部材の製造装置。
8. 請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部材であって、摺動面を円筒状内面とした摺動部材を製造する装置において、
   ファイバーレーザー装置と、
   前記摺動部材を保持する摺動部材保持手段と、
   前記ファイバーレーザー装置のファイバーの先端から放射されるレーザービームを反射させて前記摺動部材の摺動面に照射することによって当該摺動面に前記凹部を形成する反射鏡とを具備してなる摺動部材の製造装置。
   
   

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