JP2009228776A - 軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕ合金からなる基台にＳｎ合金層からなる摺動面を備えた軸受において、Ｃｕ−Ｓｎからなる金属間化合物が形成されるのを抑制してＳｎ合金層が基台に充分な剥離強度を以って保持される軸受を提供すること。
【解決手段】Ｃｕ合金からなる基台１１にホワイトメタル層１３からなる摺動面１０を有する軸受１であって、前記基台１１は前記摺動面１０側に微細凹凸部１５が形成されるとともに強磁性金属又はその合金からなるめっき層１２が被覆され、前記めっき層１２を介してホワイトメタル層１３が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、Ｃｕ合金の基台にホワイトメタルをはじめとするＳｎ合金層からなる摺動面が形成された軸受において、ＣｕとＳｎとの金属間化合物の発生が抑制され、寿命を延ばすことが可能な軸受に関する。

周知のように、蒸気タービン、遠心圧縮機のような回転機械において、ローターのラジアル方向及びスラスト方向の力を支持するためにすべり軸受が広く用いられている。
すべり軸受は、炭素鋼からなる基台にホワイトメタルをはじめとするＳｎ合金層からなる摺動面を形成して構成されるのが一般的であるが、軸受としての熱伝導性を向上させるためにＣｕ合金の基台が用いられる場合がある。

このように、Ｃｕ合金からなる基台にＳｎ合金層からなる摺動面を形成した軸受は、使用中の温度上昇により軸受が５０〜６０℃になると、基台に含有されるＣｕと、Ｓｎ合金層中のＳｎが反応してＣｕ−Ｓｎからなる柱状の金属間化合物を形成し、外力が付加されるとこの金属間化合物が起点となってＳｎ合金層が剥離しやすいという問題がある。
そこで、Ｃｕ−Ｓｎからなる金属間化合物が形成されるのを抑制して、Ｃｕ合金からなる基台とＳｎ合金層からなる摺動面を備えた軸受に関して耐剥離性を向上するための技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−１３５６６０号公報

しかしながら、上記公開された技術によれば、耐剥離性を向上するために、Ｓｎ合金層の内部に網状に形成したＳｎめっき銅線、Ａｌ線あるいはＡｌ合金線等を埋設するにあたって、基台と網状の線とを溶接することが必要となり、溶接に多くの工数が必要とされるという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、Ｃｕ合金からなる基台にＳｎ合金層からなる摺動面を備えた軸受において、Ｃｕ−Ｓｎからなる金属間化合物が形成されるのを抑制してＳｎ合金層が基台に充分な剥離強度を以って保持される軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、Ｃｕ合金からなる基台にＳｎ合金層からなる摺動面を有する軸受であって、前記基台は前記摺動面側に微細凹凸部が形成されるとともに強磁性金属又はその合金からなるめっき層が被覆され、前記めっき層を介してＳｎ合金層が形成されていることを特徴とする。

この発明に係る軸受によれば、Ｃｕ合金からなる基台にホワイトメタルをはじめとするＳｎ合金層が形成する場合に、基台の摺動面側に微細凹凸部を形成し、基台にＮｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）等の強磁性金属又はその合金からなるめっき層を被覆したうえでＳｎ合金層が形成される。
その結果、基台に含有されるＣｕと摺動面に含有されるＳｎとの接触が抑制されてＣｕ−Ｓｎ金属間化合物が形成され難くなり、かつ微細凹凸部によりめっき層が基台に充分な強度を以って保持されるのでＳｎ合金層の剥離強度が向上する。

この明細書において微細凹凸部とは、微細凹凸部を構成する凹凸の高さがＳｎ合金層の厚さよりも小さく、例えば、微細凹凸部を形成した領域における微細凹凸部の表面積が微細凹凸部が形成されていない場合の１．５倍以上とされ、めっき層に接触面積増大による保持力の増大を付与するものをいう。

請求項２に記載の発明は、請求項1に記載の軸受であって、前記微細凹凸部は、
高さＨ≧０．１ｍｍ
前記微細凹凸部の開口幅Ｗ≧１．５Ｈ
に形成されていることを特徴とする。

この発明に係る軸受によれば、微細凹凸部の高さＨが０．１ｍｍ以上であるので接触面積増大によるアンカー効果が向上し、開口幅Ｗ≧１．５Ｈであり微細凹凸部を構成している凸部と凸部の頂間距離が拡がっているので一の凸部の頂から他の凸部の頂に至るせん断起因破断が生じ難くなる。

請求項３に記載の発明は、請求項1又は請求項２に記載の軸受であって、
前記めっき層の厚さｔは、
１μｍ≦ｔ≦３００μｍとされ、
より好適には、１０μｍ≦ｔ≦１００μｍ
とされることを特徴とする。

この発明に係る軸受によれば、めっき層の厚さｔが１μｍ以上であるため、めっき層を貫通するめっき欠陥が形成されることが抑制され、また、めっき層の厚さｔが３００μｍ以下であるため、めっき層の残留応力に起因するせん断強度の低下が抑制される。
また、１０μｍ≦ｔ≦１００μｍである場合には、微細凹凸部の効果が発揮されるめっき層を安定して形成し易く、基台に含有されるＣｕと摺動面のＳｎとの反応を充分に抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の軸受であって、前記微細凹凸部は、前記摺動面における対象物の摺動方向と直交する方向に形成された凹溝からなることを特徴とする。

この発明に係る軸受によれば、微細凹凸部を構成する凹溝が、対象物の摺動方向と直交する方向に形成されているので、対象物の摺動に対して相対的に大きなせん断強度を確保することができＳｎ合金層の剥離を抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の軸受であって、前記微細凹凸部は、前記面方向に点在して形成されていることを特徴とする。

この発明に係る軸受によれば、微細凹凸部が、面方向に点在して形成されているので、接触面積増大による効果が大きくなるとともに、特定の方向に偏ることなく大きなせん断強度が確保される。その結果、Ｓｎ合金層の剥離をより効率的に抑制することができる。

本発明に係る軸受によれば、Ｃｕ−Ｓｎからなる金属間化合物の形成が抑制されるとともに、めっき層及びＳｎ合金層が基台に充分に保持されるので、Ｓｎ合金層の剥離を抑制して軸受を長寿命化するとともに軸受の信頼性を向上することができる。

以下、図１、図２を参照し、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る軸受の第１の実施形態を示す図であり、符号１はラジアル軸受（以下、軸受という）を示している。また、図２は、軸受１の断面構成を示す図である。

軸受１は、図１に示すように、所定の長さを有し内周及び外周が略半円状に形成された形態をなしており、内周側は回転軸の外周が回転自在に支持される摺動面１０とされている。
軸受１は、基台１１と、Ｎｉ（強磁性金属又はその合金）めっき層１２と、ホワイトメタル（Ｓｎ合金）層１３とを備えており、これらが外周側から順に配置され、長手方向略中央には周方向に所定の長さを有する油溝１３Ａが形成されている。

基台１１は、Ｃｕ合金により形成されており摺動面１０側には複数の凹溝（微細凹凸部）１５が基台１１の摺動面１０側全面にわたって形成されている。
凹溝１５は、図１（Ｂ）に示すように、軸受１の長手方向、すなわち摺動面１０に支持される回転軸（図示せず）の軸線方向に沿って、例えば、ホイール砥石工具等によって形成され、凹溝の底部から凸部の頂部までの高さＨ≧０．１（ｍｍ）、凹溝１５を構成する凸部と凸部の開口部の幅Ｗ≧１．５Ｈとされている。
なお、凹溝１５の、凹溝１５が伸びる方向に直交する断面形状は、例えば、図２に示すような波形、台形、矩形等が選択して用いられる。

めっき層１２は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）から構成され、基台１１に形成された凹溝１５に被覆されるとともにＮｉめっき層１２の摺動面１０側にはホワイトメタル層１３が形成されている。
また、Ｎｉめっき層１２は、厚さｔが１μｍ以上３００μｍ以下とされている。また、Ｎｉめっき層１２は、厚さｔ１０μｍ以上、１００μｍ以下であることがより好適である。

なお、Ｎｉめっきに関しては、添加物中のＳ（硫黄）成分の共析状態により分類される（１）純Ｎｉ／半光沢、（２）純Ｎｉ／光沢、（３）純Ｎｉ／無光沢のうちいずれを用いてもよいし、他の強磁性金属又はその合金からなる組成のめっき、例えば、Ｎｉ−Ｆｅめっき（Ｎｉ−５〜５０ｍａｓｓ％Ｆｅ）、Ｎｉ−Ｗ（タングステン）めっき（Ｎｉ−５〜５０ｍａｓｓ％Ｗ）、Ｎｉ−Ｐ（リン）めっき（Ｎｉ−１〜１５ｍａｓｓ％Ｐ）、Ｎｉ−Ｂめっき（Ｎｉ−１〜１０ｍａｓｓ％Ｂ）、純Ｆｅめっき等をＮｉめっきに代えて用いてもよい。

ホワイトメタル層１３は、めっき層１２の表面に形成されており、軸受１の内周側が摺動面１０とされていて、基台１１にＮｉめっき１２を被覆した後に、例えば、基台１１にホワイトメタルを鋳造することにより形成されている。
なお、ホワイトメタルとしては、例えば、ＪＩＳ Ｈ ５４０１のホワイトメタル第一種（１）、第二種（ＪＷ２）から第十種のものを用いることが可能であるが、摺動性能が確保されることを条件として、他のＳｎ合金を用いることも可能である。

第１の実施形態に係る軸受１によれば、基台１１とホワイトメタル層１３の間にＮｉめっき層１２が形成されてＣｕ−Ｓｎ金属間化合物の形成が抑制され、かつ凹溝１５によりＮｉめっき層１２が基台１１に充分な強度を以って保持されるのでホワイトメタル層１３に充分な剥離強度が確保できる。

また、Ｎｉめっき層１２は、厚さｔが１μｍ以上とされているのでＮｉめっき層１２を貫通するめっき欠陥が形成され難く、また、厚さｔが３００μｍ以下であるためＮｉめっき層１２の残留応力に起因するせん断強度の低下が抑制される。
また、凹溝１５が、高さＨが０．１ｍｍ以上かつ開口幅Ｗ≧１．５Ｈであるため大きなせん断強度が確保される。また、凹溝１５が、対象物の摺動方向と直交する方向に形成されているので摺動による作用力に対して大きなせん断強度を確保してホワイトメタル層１３の剥離を抑制することができる。
その結果、軸受１を長寿命化するとともに信頼性を向上することができる。

次に、この発明に係る軸受の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係る軸受２が第１の実施形態と異なるのは、基台１１に形成された微細凹凸部が軸受２の周方向、すなわち配置される図示しない回転軸の摺動方向に沿って形成される複数の凹溝１６とされている点でありその他は同様であるため、説明を省略する。

第２の実施形態に係る軸受２によれば、凹溝１６が周方向に形成されているため、軸受２を周方向に回転させて凹溝１６を形成することが可能とされ、加工コストが低減可能とされて摺動面における作用力が小さい軸受２を安価に提供することができる。

次に、この発明に係る軸受の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態に係る軸受３が第１の実施形態と異なるのは、基台１１に形成された微細凹凸部が軸受３の周方向及び長手方向の双方と交差する方向に形成される複数の凹溝１７である点であり、その他は同様であるため説明を省略する。
第３の実施形態に係る軸受３によれば、ラジアル方向及びスラスト方向の双方の負荷に対するせん断強度が大きく確保され、ラジアル、スラストの双方に負荷がかかる軸受として効果的に用いることができる。
また、軸受２同様、加工コストを安価とすることができる。

次に、この発明に係る軸受の第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態に係る軸受４が第１の実施形態と異なるのは、基台１１に形成された微細凹凸部が軸受４の摺動面１０の面方向に沿って点在する微細凹凸部１８とされている点であり、その他は同様であるため説明を省略する。
また、微細凹凸部１８は、例えば、ショットブラスト、金型による形状成形等により形成され、（１）微細凹凸部１８を構成する凹部の底面に対して複数の凸部が形成された形態、（２）微細凹凸部１８の凸部の頂面として複数の凹部が形成された形態、及び（１）、（２）が組み合わせられた形態のいずれを用いてもよい。
第４の実施形態に係る軸受４によれば、微細凹凸部１８によりＮｉめっき層１２との接触面積が大きく確保され、かつ微細凹凸部１８に方向性がないため、ラジアル、スラストの双方向の作用力に対して大きなせん断強度を確保することができる。

次に、この発明に係る軸受の第５の実施形態について説明する。
図４は、第５の実施形態に係る軸受５を用いた軸受構成体１Ａを示す図であり、軸受５を、例えば、中心を通過する線により周方向に八分割して軸受構成体１Ａを構成する円板２０に固定したものであり、軸受５及び軸受構成体１Ａは、回転軸に生じるスラスト力を受けるためのスラスト軸受である。なお、軸受５を、分割せずにそのまま使用するかどうか、また何分割するかは自在に設定可能である。

軸受５は、Ｃｕ合金からなり円形平板の中央に円形穴が形成された基台２１を備え、断面構成は図２で示した第１の実施形態同様とされている。すなわち、基台２１の摺動面３０側にＮｉめっき層１２が被覆され、Ｎｉめっき層１２を介してホワイトメタル層１３が形成されている。
図５（Ａ）は、軸受５を構成する基台２１の摺動面３０側に形成される微細凹凸部を示す図であり、基台２１の内周側から外周に向かって漸次拡径しながら周回する渦巻き状の凹溝（微細凹凸部）２５とされ、基台２１の摺動面３０側全面にわたって形成されている。
めっき層１２、ホワイトメタル（Ｓｎ合金）層１３は、軸受１と同様であるため説明を省略する。

第５の実施形態に係る軸受５によれば、摺動による作用力と並行する方向に凹溝２５が形成されているので、スラスト力に対して大きなせん断強度を確保してホワイトメタル層１３の剥離を抑制し、軸受６の寿命を延ばすとともに信頼性を向上することができる。
また、凹溝２５が渦巻状に形成されているので旋盤等によって容易に加工することが可能である。

次に、この発明に係る軸受の第６の実施形態に係る軸受６について説明する。
図５（Ｂ）は、軸受６の基台２１に形成される微細凹凸部を示す図であり、基台２１の内周側から径方向外方に向かって放射状に伸びる凹溝（微細凹凸部）２６とされている。その他は、軸受５と同様であるため説明を省略する。

第６の実施形態に係る軸受６によれば、摺動による作用力と直交する方向に凹溝２６が形成されているので、大きなせん断強度を確保してホワイトメタル層１３の剥離を抑制して、軸受６の寿命を延ばすとともに信頼性を向上することができる。

次に、この発明に係る軸受の第７の実施形態に係る軸受７について説明する。
図５（Ｃ）は、軸受７の基台２１の摺動面３０側に形成される微細凹凸部を示す図であり、摺動面３０に沿う方向に点在する微細凹凸部２７が形成されている。その他は、第５の実施形態に係る軸受５と同様であるため説明を省略する。

また、微細凹凸部２７は、微細凹凸部１８と同様、例えば、ショットブラスト、金型による形状成形等により形成され、（１）微細凹凸部２７を構成する凹部の底面に対して複数の凸部が形成された形態、（２）微細凹凸部２７の凸部の頂面として複数の凹部が形成された形態、及び（１）、（２）が組み合わせられた形態のいずれを用いてもよい。

第７の実施形態に係る軸受７によれば、微細凹凸部２７は、Ｎｉめっき層１２との接触面積が大きく確保されるとともに方向性がなくラジアル、スラストの双方向の作用力に対して大きなせん断強度を得られるのでホワイトメタル層１３の剥離を抑制し、軸受７の寿命を延ばすとともに信頼性を向上することができる。

次に、図６を参照して微細凹凸部がせん断強度に与える影響について説明する。
試験片は、Ｃｒ（クロム含有Ｃｕ合金）に、微細凹凸部として凹溝を形成し、凹溝を被覆するように厚さ２０μｍのＮｉめっき層を形成し、めっき層を被覆した後にホワイトメタル（ＪＷ２）層を形成した。
そして、試験片を温度１２０℃まで加熱し１２０℃で２２５時間保持し、その後１６０℃まで冷却し１６０℃で１００時間保持したものを、ＪＩＳＧ０６０１（２００２）に基づいてせん断強度を測定した。
なお、凹溝は、凹溝をなす凸部が図６（Ａ）に示すような台形とされている。

図６（Ｂ）は、凹溝の高さＨ（ｍｍ）と、せん断強さ（ＭＰａ）との関係を示したものであり、凹溝の高さＨが約０．１（ｍｍ）未満の場合には、せん断による破断が凹溝をなす両側の凸部の角部Ｅから角部Ｅに向かって発生し易いが、約０．１（ｍｍ）以上ではせん断強度が大幅に向上することが確認された。

図６（Ｃ）は、凹部のＷ／Ｈ（幅／高さ）と、せん断強さ（ＭＰａ）との関係を示したものであり、凹部のＷ／Ｈ（幅／高さ）が、１．５未満の場合には、せん断による破断が凹溝をなす両側の凸部の角部Ｅから角部Ｅに向かって発生し易いが、１．５以上ではせん断強度が大幅に向上することが確認された。
以上のことから、高さＨ≧０．１ｍｍ、開口幅Ｗ≧１．５Ｈとすることが有効であることが確認された。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、微細凹凸部が高さＨ０．１ｍｍ以上かつ開口幅Ｗが１．５Ｈ以上である場合について説明したが、例えば、このうちのいずれか一方又は双方が上記条件を満足していなくてもよいことはいうまでもない。

また、上記実施の形態においては、めっき層がＮｉめっき層とされ、めっき層の厚さが１μｍ以上３００μｍ以下の場合について説明したが、めっき層の材あいつをそのＮｉ合金、Ｎｉ以外の金属又はそれらの合金を用いためっき層を形成してもよいし、めっき層の厚さを１μｍ未満、又は３００μｍを超える構成としてもよい。

また、上記実施の形態においては、微細凹凸部として凹溝、点在する微細凹凸部を用いる場合について説明したが、その他の形態の微細凹凸部を適用してもよい。
また、上記実施の形態においては、微細凹凸部が、基台１１、２１の摺動面側全面にわたって形成されている場合について説明したが、例えば、軸受の摺動方向の端部近傍等、摺動力が作用し易く剥離の起点となり易い一部の領域に微細形状部を形成する構成としてもよい。

また、上記実施の形態においては、微細凹凸部が、機械加工等により形成される場合について説明したが、電子ビームをはじめとする物理的加工手段、又はエッチングをはじめとする化学的加工手段によって微細凹凸部を形成してもよい。

本発明に係る軸受の第１の実施形態に係る軸受の概略構成を示す図であり、（Ａ）は、軸受の斜視図を、（Ｂ）は、基台に形成される凹溝の概略を示す図である。 本発明にかかる軸受の断面を示す図である。 本発明に係る軸受を示す図であり、（Ａ）は第２の実施形態に係る軸受の基台に形成される凹溝を、（Ｂ）は第３の実施形態に係る軸受の基台に形成される凹溝を、（Ｃ）は第４の実施形態に係る軸受の基台に形成される微細凹凸部である。 本発明の第５の実施形態に係るスラスト軸受構成体を摺動面の側から見た図である。 本発明に係るスラスト軸受の基台に形成する微細凹凸部を摺動面側から見た図であり、（Ａ）は第５の実施形態に係る軸受の基台に形成される凹溝を、（Ｂ）は第６の実施形態に係る軸受の基台に形成される凹溝を、（Ｃ）は第７の実施形態に係る軸受の基台に形成される微細凹凸部である。 本発明の効果を説明する図であり、（Ａ）は試験片に形成した凹溝の断面を、（Ｂ）は凹溝の高さＨによる効果を、（Ｃ）は開口部の幅Ｗ／高さＨによる効果を説明する図である。

符号の説明

１、２、３、４ ラジアル軸受（軸受）
５、６、７ スラスト軸受（軸受）
１０、３０ 摺動面
１１、２１ 基台
１２ Ｎｉめっき層
１３ ホワイトメタル層（Ｓｎ合金層）
１５、１６、１７ 凹溝（微細凹凸部）
１８ 微細凹凸部
２５、２６ 凹溝（微細凹凸部）
２７ 微細凹凸部

Claims (5)

1. Ｃｕ合金からなる基台にＳｎ合金層からなる摺動面を有する軸受であって、
   前記基台は前記摺動面側に微細凹凸部が形成されるとともに強磁性金属又はその合金からなるめっき層が被覆され、
   前記めっき層を介してＳｎ合金層が形成されていることを特徴とする軸受。
2. 請求項1に記載の軸受であって、
   前記微細凹凸部は、
   高さＨ≧０．１ｍｍ
   前記微細凹凸部の開口幅Ｗ≧１．５Ｈ
   に形成されていることを特徴とする軸受。
3. 請求項1又は請求項２に記載の軸受であって、
   前記めっき層の厚さｔは、
   １μｍ≦ｔ≦３００μｍとされ、
   より好適には、１０μｍ≦ｔ≦１００μｍ
   とされることを特徴とする軸受。
4. 請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の軸受であって、
   前記微細凹凸部は、
   前記摺動面における対象物の摺動方向と直交する方向に形成された凹溝からなることを特徴とする軸受。
5. 請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の軸受であって、
   前記微細凹凸部は、前記面方向に点在して形成されていることを特徴とする軸受。
   
   

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