JP2006105265A - 銅合金系すべり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】なじみ性に関係する硬さがBiがPbより数倍であるBi系オーバレイを施したすべり軸受のなじみ性を向上させる。
【解決手段】銅系軸受合金からなるライニングの摺動面側にBi系オーバレイを被着したすべり軸受において、少なくとも表面側にAg₂Sが析出しているBi系オーバレイ3はPb系オーバレイよりもすぐれている。前記オーバレイが０．１〜１０質量％のＡｇを含有する。Ａｇ濃度が前記オーバレイ中の厚さ方向で実質的に均一である。Ａｇ濃度が前記オーバレイ中の厚さ方向でライニング近傍側が相対的に低いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅合金系すべり軸受に関するものであり、さらに詳しく述べるならばBi系オーバレイを被着したすべり軸受、特に、内燃機関のメインベアリング、コンロッドベアリング等に使用されるすべり軸受に関するものである。これらのすべり軸受の銅合金にはJIS KJ3、KJ4、SAE48、SAE49などが使用されている。また、これら銅合金にはなじみ性を高めるためにPb、Sn系などの軟質金属のオーバレイが施されている。

特許文献１（特開平７−１５０２７３号公報）が提案する、0.1〜5％のAg及び0.001〜1％のSを必須成分として含有するPbフリーCu合金系摺動材料は、相手軸と真接触する面にAg-S濃縮層を形成し、この濃縮層が耐焼付性を高める。この摺動材料の使用法として樹脂被覆を施すいわゆるオーバレイ付き軸受も挙げられている（段落番号００１９）。
特許文献１の樹脂系オーバレイ付き軸受においては、樹脂系オーバレイが摩滅しCu-Sn-Ag合金が露出した場合、Cu-Sn-Ag合金に含まれるAgがオイル中のSと反応して軸受合金最表面に摺動特性の優れるAg₂Sが生成する。一方、樹脂系オーバレイ層が残存している場合は摺動特性の優れるAg₂Sは生成しない。

特許文献２（特開平７−１６６１８２号公報）には、0.1〜5％のAgを含有する焼結Cu合金の空孔を樹脂で含浸した冷房用圧縮機軸受材料の表面にAg-S濃縮層を形成することが述べられており、Ag-S濃縮層を形成する方法としては、S含有固体潤滑剤を空孔へ含浸する、空孔含浸オイルにS化合物を添加するなどの方法が提案されている。

従来オーバレイとしては、Pb合金系が主として使用されていたが、Pbはなじみ性はすぐれているものの、環境汚染物質であるため、Bi系オーバレイに代替することが幾つかの特許文献で提案されている。
特許文献３（特開平１１−５０２９６号公報）は、半円弧形態のCu-Sn合金層表面にNi中間層を介して被着したオーバレイをSn、In及び/又はAgを添加したBi系合金として、摺動性能を改善することを提案している。

特許文献４（特開平１１−２５７３５５号公報）は、半円弧形態のCu-Sn合金層表面にNi中間層を介して被着したオーバレイをSn、In及び/又はAgを含有するBi系合金とすることを提案している。

特許文献５（特開２００３−１５６０４５号公報）は、Biの脆い性質を軽減し、オーバレイにBiを使用可能にするために、オーバレイ層のBi相の析出粒子密度を50 〜300/μm²とすることを提案している。
また特許文献６（特開２００３−１５６０４６号公報）はBi系オーバレイにSi₃N₄、Al₂O₃などの硬質物を添加して耐摩耗性を高めることを提案している。
特開平７−１５０２７３号公報 特開平７−１６６１８２号公報 特開平１１−５０２９６号公報 特開平１１−２５７３５５号公報 特開２００３−１５６０４５号公報 特開２００３−１５６０４６号公報

一般に、なじみ性は材料の硬さと関係していると考えられている。ところで、kg/mm²で表される圧痕硬さは、BiはPbの数倍に達し、Cuの圧痕硬さはBi、Pbより１桁高い。Bi系オーバレイのなじみ性がPb系オーバレイよりも劣っている理由は上記硬度特性の差に対応しているとの説明が可能である。
特許文献４で提案されている添加元素、特許文献５で提案されているめっき析出密度の調整、特許文献６で提案されている硬質物の添加の何れも達成成果を従来のPb系オーバレイと比較していない。したがって従来技術の上記した水準を考慮すると、Bi系オーバレイのなじみ性をPb系オーバレイと同程度以上にする開発の必要性は大であると言えよう。

特許文献１、２で提案されているAg-S濃度層及びAg₂SはCu合金になじみ性及び耐焼付性を付与するが、Cu合金よりなじみ性が優れたBi又はBi合金との併用については言及・考察していない。

本発明者らは、Bi系オーバレイにつき鋭意研究開発してきたところ、BiとAg₂Sが共存する表面層は従来のPb系オーバレイの性能を実現することを見出し、本発明を完成した。

本発明は、銅系軸受合金からなるライニングの摺動面側にBi系オーバレイを被着したすべり軸受において、前記Bi系オーバレイ中がBi-Ag系であり、少なくとも表面側にAg₂Sが析出していることを特徴とするすべり軸受を提供するものである。以下、本発明を説明する。

Bi、Ag₂Sの何れか単独ではPb系オーバレイの性能を下回るが、これらが共存するとPb系オーバレイの性能を上回る成果が得られる理由は次のように考えられる。
オーバレイの主成分であるBiは摺動初期に相手軸の表面凹凸により摩耗し、相手軸になじむために、摺動面に潤滑油膜が作られ易くなる。但し、なじみ面はPb系オーバレイよりも劣っており、またAg₂Sはなじみ作用がないために、軸受面が相手軸と固体接触する割合は、Pb系オーバレイが相手軸と接触する割合より多くなる。Ag₂SとBiが共存する軸受表面の一部が相手軸と真接触しているが、Bi面が相手軸により摩滅するにつれ、Ag₂Sの接触割合が多くなる。したがって、なじみ面がある程度形成されるとAg₂Sの優れた摺動特性が焼付きの発生を抑える。
続いて、本発明のオーバレイの厚さ、組成、調製方法などについて説明する。

Bi系オーバレイは、Bi-Ag二元系であり、Ag₂Sとして存在しているものも含むAgの含有量は０．１〜１０質量％であることが好ましい。Bi-Ag二元系オーバレイは、特許文献４で提案されている、10質量％未満のIn、Snをさらに添加したものや、特許文献６で提案されているSi₃N₄、Al₂O₃などの硬質粒子を0.05〜25容量％添加したものであってもよい。
なお、本発明のオーバレイ中に析出しているAg₂Sは低温型(β型、単斜系) 硫化銀である。

図１には、すべり軸受の縦断面が示されており、１はSPCCなどの裏金鋼板、２はCu-Sn合金などの軸受合金層（いわゆるライニング）、２´はNi中間めっき層、３はオーバレイ(「なじみ層」(break-in layer)と言われることもある)であり、何れも公知のものである。オーバレイ３として、厚さが５〜１２μmの範囲であるBi系オーバレイが使用される。
一般にオーバレイの初期摩滅量は１〜２μm程度であると言われている。したがって、オーバレイの表面からこの厚さの範囲（以下「表層部」という）に亘る領域において上記Ag₂Sが生成されておればよく、これにより深部ではBi-Ag二元系、純Biなどの種々の組成であってもよく、また表層部直下はライニングでもよい。
上記したBi-Ag二元系組成に添加されたSはAgと結合してAg₂Sとして析出する。

硫化銀(Ag₂S)は硝酸銀溶液に硫化水素ガスを通すと生成する。このようにして生成したAg₂Sは通常のBiめっき液に対しては可溶性であるために、Ag₂S分散Biめっきは実用的ではない。そこで、本発明者らは、Biを硫化させないで、Ag₂SをBi系オーバーレイの表層に形成する方法につき鋭意研究した。その結果、硫黄系添加剤であるＺｎＤＴＰなどのようにSを含むオイル中、あるいはSO₃、SO₂などのようにSを含むガス中で熱処理することによりBi-Ag系オーバレイ中のAgをオーバレイ最表面に拡散させ、Ag₂Sを析出させることが可能であることを見出した。熱処理温度は120℃〜180℃が好ましく、熱処理時間は30min〜120minであることが好ましい。
オーバレイの表層部に析出したAg₂Sが摩滅しても摺動時の熱負荷によりBi系オーバレイ中のAgがオイル中のSと反応してオーバレイ最表面に摺動特性の優れるAg₂Sが析出する。

Bi-Ag系オーバレイ（すなわち、Ag₂S析出前のオーバレイ）を調製する手法としては次の方法がある、
(a)Bi-Ag合金めっき。
(b)Biめっき後、Agフラッシュめっきを施し熱処理によりオーバレイ中にAgを拡散。
(c)Cu-Sn-Ag合金（ライニング）上にBiをめっき。熱処理により下地材からオーバレイ中にAgを拡散。
(d)中間Agめっき層を介してBiをめっき。熱処理により中間層からオーバレイ中にAgを拡散。

Bi-(Ag)めっきの条件としては例えば次のものが好ましい。
a)メタンスルホン酸：50〜250ml／l
メタンスルホン酸Bi：50〜250ml／l
メタンスルホン酸Ag：10〜100ml／l
β-ナフトール：0.5〜50g／l
浴温：25℃
電流密度：0.5〜5A／dm²

b)メタンスルホン酸：50〜120ml／l
メタンスルホン酸Bi：50〜250ml／l
（メタンスルホン酸Ag：10〜100ml／l）
ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル：0.5〜50g／l
浴温：25℃
電流密度：0.5〜5A／dm²

c)硫酸：50〜120ml／ｌ
硝酸Bi：5〜30g／ｌ
（硝酸Ag：5〜50ml／ｌ）
ポリオキシエチレン ノニルフェニルエーテル：0.5〜50g／l
浴温：25℃
電流密度：0.5〜5A／dm²

続いて、段落番号００１５で述べた各種製法(a)〜(d)により得られるオーバレイのAg濃度は次のようになる。
製法(a):表層部厚さ方向で均一(以下「構造イ」という)。
製法(b):表面側Ag濃度高、下地近傍側Ag濃度低(以下「構造ロ」という)。
製法(c),(d):表面側Ag濃度低、下地近傍側Ag濃度高(以下「構造ハ」という)。
製法（b）の熱処理時に充分時間をかけてAgをBiに拡散させることによって構造イを作ることもできる。構造ロおよびハは製法(a)のめっき時の電流密度の制御によっても作られる。
構造ハについては、Biオーバレイの表層部中のAgが枯渇しても、摺動時の熱負荷により順次Cu-Sn-Ag合金あるいは中間Agめっき層から表層部にAgが供給され、オーバレイ最表面には安定的にAg₂Sが形成される。

実施例
裏金鋼板（厚さ１．３mm、SPCC）に表1に示す厚さが０．２mmの銅合金軸受を圧接した。銅合金軸受（ライニング）は、Cu-Sn（Cu:94.5％、Sn：5％）; Cu-Sn-Ag（Cu:０．４％、Sn：5％、Ag:１％））であった。さらに、一部の素材についてAg、Niめっきによる中間層を形成した。このようにして調製したバイメタル状素材について図２に示す工程でオーバレイめっきを行ない、厚さが８μm のオーバレイを被着した。
Biめっきは段落番号００１６に記載したメタスルフオン酸浴を使用した。
熱処理はオイル中で行なった。
また、比較例としては、Pb系オーバレイ（Pb-Sn-Cu）と樹脂系オーバレイ（PAI+MoS₂）を使用した。

表１におけるNo. 1〜６のオーバレイの調製法は次のとおりであった。
No.1〜4:図２中の熱処理を潤滑油中で１５０℃、６０minで行なった。
No.5〜8:図２中の熱処理を行なわなかった。
No.5:BiオーバレイにAgを添加しなかった。

上述のようにして調製したすべり軸受試料につき次の試験を行なった。
耐焼付性試験機
試験機：静荷重焼付き試験機
すべり速度：2.86m/sec.（1300rpm）
軸受寸法：φ42mm×w17mm
軸受面圧：荷重漸増
軸材質：S55C（焼入れ）
潤滑油種：5W-30 SL
給油温度：140℃

片当たり試験
試験機：往復動荷重試験機
すべり速度：6.6m/sec.(3000rpm)
軸受寸法：φ42mm×w17mm
軸受面圧：荷重漸増
軸材質：S55C（焼入れ）
潤滑油種：10W-30 CF4、
給油温度：140℃

焼付試験前後の軸受表面をＥＰＭＡによって分析した結果を表２に示す。なお、試験後の分析は、焼付による組織流動部以外の個所を分析した。

耐焼付性試験において、焼付きが起こった状態では、焼付面圧が80MPa以下のものは下地ライニングが露出しておらず、80MPa以上のものは下地ライニングが露出していた。
図２、３に示すように、従来のPb系オーバレイ(No.7)及び樹脂系オーバレイ(No.8)よりも本発明実施例(No.1〜4)では高い焼付面圧及び焼付荷重が高くなっている。
また、焼付試験の前後で、表層に１．０質量％以上のＡｇ_２Ｓが存在するものは焼付荷重が高い傾向が認められた。

以上説明したように、本発明により開発されたオーバレイは、摺動性能の面でも従来のPb系オーバレイに代替することができる。

すべり軸受例の断面図である。 オーバレイめっき工程を示す工程図である。 焼付試験の結果を示すグラフである。 片当り試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 裏金鋼板
２ 軸受合金層
２´ Ni中間めっき層
３ オーバレイ

Claims (5)

1. 銅系軸受合金からなるライニングの摺動面側にBi系オーバレイを被着したすべり軸受において、前記Bi系オーバレイがBi-Ag系であり、少なくとも表面側にAg₂Sが析出していることを特徴とする銅合金系すべり軸受。
2. 前記Bi系オーバレイが０．１〜１０質量％のAgを含有することを特徴とする請求項１記載の銅合金系すべり軸受。
3. Ag濃度が前記Bi系オーバレイ中の厚さ方向で実質的に均一であることを特徴とする請求項２に記載の銅合金系すべり軸受。
4. Ag濃度が前記Bi系オーバレイ中の厚さ方向でライニング近傍側が相対的に低いことを特徴とする請求項２に記載の銅合金系すべり軸受。
5. Ag濃度が前記Bi系オーバレイ中の厚さ方向でライニング近傍側が相対的に高いことを特徴とする請求項２に記載の銅合金系すべり軸受。

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