JP2006057777A - 摺動部材用オーバーレイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 摺動部材の初期なじみ性と初期焼付き防止性能の双方を向上する。
【解決手段】 ライニング材１２表面に形成される摺動部材用オーバーレイ１３であって、このオーバーレイ１３が軟質金属からなり、この軟質金属の結晶学的な容易すべり面の法線が上記ライニング材表面の法線に一致して上記容易すべり面が摺動方向と平行になるように配向制御されたことを特徴とする。オーバーレイ１３は、ライニング材１２表面に容易せん断面が摩擦方向と平行に配向するように形成された厚さ(A)１〜１００ｎｍのオーバーレイ下地膜１３ａと、このオーバーレイ下地膜上にオーバーレイ下地膜と同一金属によりオーバーレイ下地膜と同一に配向するように形成された厚さ(B)５０〜５０００ｎｍのオーバーレイ成長膜１３ｂとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、すべり軸受等の摺動部材に用いられるオーバーレイ及びその製造方法に関する。更に詳しくは摺動部材の初期なじみ性と初期焼付き防止性能の双方を向上し得る摺動部材用オーバーレイ及びその製造方法に関するものである。

摺動部材として代表的な流体潤滑領域で使用されるすべり軸受は、通常の潤滑状態の時には油や水等の流体潤滑膜を介して回転軸とすべり運動をする。例えば、図５に示すように、自動車用エンジンのクランクシャフト１のシャフトピン１ａは、シリンダブロック側に取付けられたすべり軸受であるメーンベアリング２との間でエンジンオイルによる油膜を介してすべり運動をする。図５において、符号３はピストン、符号４はコンロッド、符号６はコンロッドベアリングである。コンロッド４はコンロッドベアリング６及びメーンベアリング２を介してシャフトピン１ａに取付けられる。エンジンオイルによる流体潤滑膜が十分に形成される場合にはクランクシャフトピン１ａとメーンベアリング２は直接接触しないので焼付きなどは生じないけれども、初期なじみが不十分な段階ではクランクシャフトピン１ａとメーンベアリング２表面との局所的な直接接触が生じる。その場合にはメーンベアリング表面に成膜されたオーバーレイが作用してクランクシャフトとメーンメタルの焼付きを防止し、良好な初期なじみ状態を形成する。

図２にすべり軸受の例として下側のメーンベアリング２を拡大した断面構造を示す。メーンベアリング２は、バックメタル７と、この表面に形成されたライニング材８と、この表面に成膜されたオーバーレイ９とにより構成される。このすべり軸受のオーバーレイ９の材料として、従来、Ｓｎ等の軟質金属膜や、ＭｏＳ₂等の固体潤滑材を樹脂材料で保持した膜などが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−５６５６６号公報（［０００２］、［０００４］）

しかし、従来用いられているオーバーレイは、結晶学的な容易すべり面の配向性制御がされていない多結晶膜であり、オーバーレイ自体の摩擦係数は概ね０．１〜０．５の値を示し、固体表面間の直接接触が生じた場合の焼付きの直接要因となる摩擦熱抑制の観点からは更なる摩擦係数低減が求められている。
本発明の目的は、摺動部材の初期なじみ性と初期焼付き防止性能の双方を向上し得る摺動部材用オーバーレイ及びその製造方法を提供することにある。

本願請求項１に係る発明は、図１に示すように、ライニング材１２表面に形成される摺動部材用オーバーレイ１３であって、このオーバーレイ１３が軟質金属からなり、この軟質金属の結晶学的な容易すべり面の法線が上記ライニング材表面の法線に一致して上記容易すべり面が摺動方向と平行になるように配向制御されたことを特徴とする。
本願請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、ライニング材１２がＰｂを５０％以上含む鉛合金、Ｃｕを５０％以上含む銅合金又はＡｌを５０％以上含むアルミニウム合金である摺動部材用オーバーレイである。

本願請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、軟質金属がＡｇ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｓｎ又はＢｉである摺動部材用オーバーレイである。
本願請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に係る発明であって、オーバーレイ１３が、ライニング材１２表面に容易せん断面が摩擦方向と平行に配向するように形成された厚さ１〜１００ｎｍのオーバーレイ下地膜１３ａと、このオーバーレイ下地膜上にオーバーレイ下地膜と同一金属によりオーバーレイ下地膜と同一に配向するように形成された厚さ５０〜５０００ｎｍのオーバーレイ成長膜１３ｂとを備えた摺動部材用オーバーレイである。

本願請求項５に係る発明は、ライニング材１２の表面粗さを０．１μｍ以下に鏡面研磨する工程と、この鏡面研磨したライニング材１２の表面に１〜１００ｎｍの厚さに軟質金属からなるオーバーレイ下地膜１３ａを形成する工程と、このオーバーレイ下地膜１３ａを表面粗さが５０ｎｍ以下の平滑であってかつオーバーレイ下地膜と固溶しない材料からなる球面で摩擦することにより上記軟質金属の結晶学的な容易すべり面の法線が上記ライニング材表面の法線に一致して容易せん断面が摩擦方向と平行になるようにオーバーレイ下地膜１３ａを配向させる工程と、この配向したオーバーレイ下地膜１３ａの上にオーバーレイ下地膜と同一金属によりオーバーレイと同一に配向するように５０〜５０００ｎｍの厚さにオーバーレイ成長膜１３ｂを形成する工程とを含む摺動部材用オーバーレイの製造方法である。

本願請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明であって、軟質金属がＡｇ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｓｎ又はＢｉである摺動部材用オーバーレイの製造方法である。
本願請求項７に係る発明は、請求項５又は６に係る発明であって、オーバーレイ下地膜１３ａ及びオーバーレイ成長膜１３ｂがそれぞれ真空蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシャル成長法又は湿式メッキ法により形成される摺動部材用オーバーレイの製造方法である。

本発明のライニング材表面に形成される摺動部材用オーバーレイは、軟質金属固体潤滑材であって、その配向を軟質金属の結晶学的な容易すべり面の法線が上記ライニング材表面の法線に一致して上記容易すべり面が摺動方向と平行になるように制御しているので、摺動部材表面と摺動相手部材との間に局所的な直接接触が生じた場合に、その摩擦係数を低減させることができ、これにより摩擦熱の発生を抑制し、耐焼付性の向上及び初期なじみ性向上を実現することができる。

本発明のライニング材として、Ｐｂを５０％以上含む鉛合金、Ｃｕを５０％以上含む銅合金又はＡｌを５０％以上含むアルミニウム合金を用いると、初期なじみ後の局所面圧を低減する効果があり好ましい。
本発明のオーバーレイを構成する軟質金属として、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｓｎ又はＢｉを用いると、局所的な直接接触が生じた場合の摩擦低減効果があり好ましい。

本発明のオーバーレイをライニング材表面に容易せん断面が摩擦方向と平行に配向する厚さ１〜１００ｎｍのオーバーレイ下地膜の上にオーバーレイ下地膜と同一金属によりオーバーレイ下地膜と同一に配向する厚さ５０〜５０００ｎｍのオーバーレイ成長膜を形成することにより、摺動部材用オーバーレイとして、所望の厚さを得ることができる。

本発明のオーバーレイ下地膜及びオーバーレイ成長膜をそれぞれ真空蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシャル成長法又は湿式メッキ法により形成することにより、均一な膜を所望の厚さで形成することができ、特にオーバーレイ成長膜にあっては、オーバーレイ下地膜と同一の配向が容易に得られる。

以下、本発明の最良の実施の形態について説明する。
図１に示すように、この実施の形態では摺動部材はすべり軸受１０である。すべり軸受としては、自動車用エンジンのクランクシャフトのシャフトピンに取付けられるメーンベアリング、コンロッドベアリング等が挙げられる。オーバーレイは、上記すべり軸受以外にディーゼルエンジン用のピストンリングとライナーの摺動部、乾式ライナーとシリンダーブロックの摺動部、カムとシム又はローラの摺動部、バルブリフターとシリンダーヘッドの摺動部、バルブステムとバルブガイドの摺動部、ピストンピン摺動部、ピストンスカート摺動部等に用いられる。また車両用変速機のメインシャフトとカウンタシャフトの摺動部、シフトフォークレールの摺動部、変速機ギヤ歯面の摺動部、スプライン部の摺動部等に用いられる。更に車両ボディーのドアヒンジ摺動部、ワイパー摺動部、操作ペダル摺動部、操作レバー摺動部に用いられる。すべり軸受１０は、バックメタル１１とこのバックメタル１１の内面に形成されたライニング材１２を有し、このライニング材１２の表面に本発明の軟質金属からなる固体潤滑材であるオーバーレイ１３が形成される。オーバーレイの厚さは０．０５〜５μｍの範囲にある。
ライニング材１２としては、Ｐｂを５０％以上含む鉛合金、Ｃｕを５０％以上含む銅合金又はＡｌを５０％以上含むアルミニウム合金が用いられる。面圧に対する耐久性を向上させるために、これらの合金はＰｂを５５％以上、Ｃｕを６０％以上、Ａｌを６０％以上含むことが好ましい。オーバーレイ１３を構成する軟質金属は、摩擦係数を低減させるためにＡｇ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｓｎ又はＢｉであることが好ましい。特にＡｇ、Ｓｎが好ましい。

図１の拡大図に示すように、オーバーレイ１３は、ライニング材表面に形成されるオーバーレイ下地膜１３ａと、このオーバーレイ下地膜上に形成されるオーバーレイ成長膜１３ｂとにより構成される。オーバーレイ下地膜１３ａの厚さＡは１〜１００ｎｍ、好ましくは５〜５０ｎｍであり、オーバーレイ成長膜の厚さＢは５０〜５０００ｎｍ、好ましくは１００〜１０００ｎｍである。オーバーレイ下地膜の厚さが下限値未満では早期に摩耗する不具合があり、上限値を超えると配向性が揃わない不具合がある。またオーバーレイ成長膜の厚さが下限値未満では早期に摩耗する不具合があり、上限値を超えると荷重に対しての耐久性が減少する不具合がある。オーバーレイ下地膜１３ａは軟質金属の結晶学的な容易すべり面の法線がライニング材表面の法線に一致して容易せん断面が摩擦方向と平行に配向するように形成され、オーバーレイ成長膜１３ｂはオーバーレイ下地膜上にオーバーレイ下地膜と同一金属によりオーバーレイ下地膜と同一に配向するように形成される。
またオーバーレイの結晶学的容易すべり面は、Ａｇ、Ａｕ等のようにその結晶構造が体心立方格子構造をとる金属の場合には、ミラー指数が（１１１）面であり、Ｓｎ、Ｐｂ等のように六方最密格子構造をもつ金属の場合には、ミラー指数が（１０００）面である。

次に本発明のオーバーレイの製造方法について説明する。
先ず、厚さ０．１〜１０ｍｍのライニング材の表面粗さを０．１μｍ以下に鏡面研磨する。ライニング材表面を中心線平均粗さ０．１μｍ以下に研磨する方法は、砥石若しくは砥粒による機械式研磨法を用いるか、或いはエッチング液による化学式研磨又は電解研磨のうちのいずれの方法を用いてもよい。また、それらの研磨方法を２種類以上組み合わせて行ってもよい。次いでこの鏡面研磨したライニング材の表面に１〜１００ｎｍの厚さに軟質金属からなるオーバーレイ下地膜を形成する。オーバーレイ下地膜は真空蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシャル成長法又は湿式メッキ法により形成されることが好ましい。

本発明のオーバーレイの結晶配向性を金属学的容易すべり面が摺動方向と平行になるように制御するためには、先ずオーバーレイ下地膜の結晶配向性を揃える。このために、オーバーレイ下地膜と固溶しない摺動相手材料を用意し、この材料の一部に形成された表面粗さが５０ｎｍ以下の平滑な球面により、１×１０^-4Ｐａ以下の真空雰囲気下、オーバーレイ下地膜を１回〜１００回摩擦する。その時の摩擦条件は、接触面圧が５００ＭＰａ以下、摺動速度が０．０５〜５０ｍｍ／ｓであり、摺動速度は０．１〜５ｍｍ／ｓであることが好ましい。
上記方法とは別に、面心立方格子構造をもつ軟質金属からなるオーバーレイの場合、ライニング材表面が単結晶であって、その結晶面がオーバーレイ材料の結晶学的容易せん断面と同じ結晶面であれば、オーバーレイの結晶配向性を金属学的容易すべり面が摺動方向と平行になるように制御することができる。

上記方法により、軟質金属の結晶学的な容易すべり面の法線がライニング材表面の法線に一致して容易せん断面が摩擦方向と平行になるように実現できる。オーバーレイ下地膜がＡｇ、Ａｕ等のようにその結晶構造が体心立方格子構造をとる金属の場合には（１１１）面法線がライニング材表面の法線と一致するように配向させ、Ｓｎ、Ｐｂ等のように六方最密格子構造をもつ金属の場合には（１０００）面法線がライニング材表面の法線と一致するように配向させる。
続いて、オーバーレイ下地膜上にオーバーレイ成長膜を真空蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシャル成長法又は湿式メッキ法により形成する。これによりオーバーレイ成長膜はオーバーレイ下地膜と同じ配向をするようになる。

次に本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例１＞
Ｓｉ（１１１）ウェーハを模擬的にライニング材とし、ライニング材の表面に真空蒸着法により膜厚５ｎｍと５７ｎｍのＡｇ単結晶膜を形成した。これらのＡｇ単結晶膜に対して、４×１０^-8Ｐａの超高真空雰囲気下、Ａｇと固溶しない曲率半径３．０ｍｍのダイヤモンド球（表面粗さ０．６〜２．６ｎｍ）を用いて垂直荷重２５０ｍＮで摺動速度１ｍｍ／秒の条件で１０回摩擦を繰返した。

＜比較例１＞
Ｓｉ（１１１）ウェーハを模擬的にライニング材とし、その表面をＡｇ原子で修飾して不活性化した表面に真空蒸着法により膜厚５ｎｍと５７ｎｍのＡｇ多結晶膜を形成した。これらのＡｇ多結晶膜に対して、実施例１と同じ条件で、曲率半径３．０ｍｍのダイヤモンド球により１０回摩擦を繰返した。

＜比較評価その１＞
図３に示すように、実施例１の膜厚５ｎｍと５７ｎｍの摩擦後のＡｇ単結晶膜は、従来報告されている摩擦係数よりも１桁低い摩擦係数が得られ、その値は０．００７〜０．０２であった。これに対して比較例１の膜厚５ｎｍと５７ｎｍのＡｇ多結晶膜は、実施例１のＡｇ単結晶膜の場合と比較して、その摩擦係数は３〜４倍高い値になった。

＜実施例２＞
Ｓｉ（１１１）ウェーハを模擬的にライニング材とし、その表面をＡｇ原子で修飾して不活性化した表面に真空蒸着法により膜厚５ｎｍのＡｇ多結晶膜を形成した。このＡｇ多結晶膜に対して、４×１０^-8Ｐａの超高真空雰囲気下、Ａｇと固溶しないダイヤモンド球（表面粗さ０．６〜２．６ｎｍ）を用いてヘルツ面圧４００ＭＰａで１０回摩擦した。摩擦前のＡｇ多結晶膜と摩擦後のＡｇ多結晶膜の結晶配向性について、反射高速電子線回折で調べた。図４（ａ）に示すように、摩擦前では配向していなかったものが、図４（ｂ）に示すように、摩擦後ではＡｇの結晶学的容易せん断面である（１１１）面が摩擦方向に対して平行に配向することが確かめられた。
図４（ｂ）に示す摩擦後のＡｇ多結晶膜表面に再度Ａｇ蒸着を行ったところ、Ａｇ（１１１）面からの回折斑点が認められ、下地膜の配向性に倣ってその後の膜成長が起きることが確かめられた。

本発明の摺動部材用オーバーレイの構造を示す図である。 従来の摺動部材用オーバーレイの構造を示す図である。 実施例１のＡｇ単結晶膜及び比較例１のＡｇ多結晶膜を摩擦したときの摩擦係数を示す図である。 実施例２のＡｇ多結晶膜の摩擦前後の反射高速電子線回折パターンを示す図である。 自動車用エンジンのクランクシャフトに取付けられるすべり軸受の分解斜視図である。

符号の説明

１０ すべり軸受
１１ バックメタル
１２ ライニング材
１３ オーバーレイ
１３ａ オーバーレイ下地膜
１３ｂ オーバーレイ成長膜

Claims (7)

1. ライニング材(12)表面に形成される摺動部材用オーバーレイ(13)において、
   前記オーバーレイが軟質金属からなり、前記軟質金属の結晶学的な容易すべり面の法線が前記ライニング材表面の法線に一致して前記容易すべり面が摺動方向と平行になるように配向制御されたことを特徴とする摺動部材用オーバーレイ。
2. ライニング材(12)がＰｂを５０％以上含む鉛合金、Ｃｕを５０％以上含む銅合金又はＡｌを５０％以上含むアルミニウム合金である請求項１記載の摺動部材用オーバーレイ。
3. 軟質金属がＡｇ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｓｎ又はＢｉである請求項１又は２記載の摺動部材用オーバーレイ。
4. オーバーレイ(13)が、ライニング材(12)表面に容易せん断面が摩擦方向と平行に配向するように形成された厚さ１〜１００ｎｍのオーバーレイ下地膜(13a)と、前記オーバーレイ下地膜上に前記オーバーレイ下地膜と同一金属により前記オーバーレイ下地膜と同一に配向するように形成された厚さ５０〜５０００ｎｍのオーバーレイ成長膜(13b)とを備えた請求項１ないし３いずれか１項に記載の摺動部材用オーバーレイ。
5. ライニング材(12)の表面粗さを０．１μｍ以下に鏡面研磨する工程と、
   前記鏡面研磨したライニング材(12)の表面に１〜１００ｎｍの厚さに軟質金属からなるオーバーレイ下地膜(13a)を形成する工程と、
   前記オーバーレイ下地膜(13a)を表面粗さが５０ｎｍ以下の平滑であってかつ前記オーバーレイ下地膜と固溶しない材料からなる球面で摩擦することにより前記軟質金属の結晶学的な容易すべり面の法線が前記ライニング材表面の法線に一致して容易せん断面が摩擦方向と平行になるように前記オーバーレイ下地膜(13a)を配向させる工程と、
   前記配向したオーバーレイ下地膜(13a)の上に前記オーバーレイ下地膜と同一金属により前記オーバーレイと同一に配向するように５０〜５０００ｎｍの厚さにオーバーレイ成長膜(13b)を形成する工程と
   を含む摺動部材用オーバーレイの製造方法。
6. 軟質金属がＡｇ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｓｎ又はＢｉである請求項５記載の摺動部材用オーバーレイの製造方法。
7. オーバーレイ下地膜(13a)及びオーバーレイ成長膜(13b)がそれぞれ真空蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシャル成長法又は湿式メッキ法により形成される請求項５又は６記載の摺動部材用オーバーレイの製造方法。