JP2009264439A - 半割軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な非焼付性を維持しながら、曲げ疲労強度の向上を図ることができる半割軸受を提供する。
【解決手段】半割軸受を裏金層、軸受合金層３及びオーバレイ５を備えて構成する。オーバレイ５を、Ｂｉから形成する。オーバレイ５の領域を、周方向の両側の端部側領域と、この両端部側領域間に挟まれた中間領域とに分け、Ｂｉの結晶の大きさを、中間領域よりも端部側領域の方を小さくすることにより、中間領域のＢｉの結晶間の谷部に潤滑油が溜まり易くなり、良好な非焼付性を維持することができ、端部側領域のＢｉの結晶を小さくすることにより、端部側領域の強度がより高くなり、その結果、半割軸受としての強度をより高くすることができ、曲げ疲労強度をより向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材にＢｉを主成分とするオーバレイを設けた半割軸受に関する。

自動車等の内燃機関には、Ｃｕ系或いはＡｌ系軸受合金を用いたすべり軸受が使用されている。このすべり軸受は、多くは半円状の半割軸受を２個組合せて円筒形に構成されている。すべり軸受（半割軸受）は、通常、その表面に、軸受特性を向上させるために、オーバレイが形成されている。軸受合金層の表面にオーバレイを設けた軸受としては、特許文献１及び特許文献２が知られている。

特許文献１は、軸受合金層の表面にＰｂ合金から成るオーバレイを形成したものである。Ｐｂ合金の結晶構造は、四角錐体状結晶と、粒状晶とがあり、特許文献１の軸受は、オーバレイの摺動面の中央部に四角錐体状結晶の集合体が形成され、端部に粒状晶の集合体が形成された構成である。この構成により、結晶の表面積レベルで見た場合、オーバレイの中央部の表面積が拡大されて保油性が向上し、非焼付性が改善されるとしている。

特許文献２は、Ｐｂ合金よりも結晶の大きさが小さいＢｉ又はＢｉ合金をオーバレイに用いたもので、四面体状のＢｉ又はＢｉ合金の結晶が密に晶出することによって、オーバレイの表面が細かい凹凸状となるため、保油性が向上し、非焼付性が向上するとされている。
特開平４−３６６０２０号公報 特開平２００３−１５６０４５号公報

しかしながら、この特許文献１のものでは、オーバレイがＰｂ合金から成るため、前述の構成であっても、結晶の大きさが大きいので、耐疲労性が悪い。又、Ｐｂは環境汚染物質であることから、Ｐｂの使用を避けたい要望がある。

更に、内燃機関の軽量化の要請から、例えばコンロッド等のすべり軸受が組付けられるハウジングの薄肉化が計られている。このハウジングの薄肉化に伴い、ハウジングの剛性は低下し、ハウジング自身が変形し易くなっている。そのため、すべり軸受が支える軸の動荷重等によって、ハウジング自身が変形し、これに伴い、すべり軸受自体も曲げ変形し易い状況になって、疲労が生じ易い状態になっている。このような繰り返し曲げが作用する環境で使用する軸受には、曲げ疲労強度の高いことが必要である。しかしながら、特許文献２のものでは、Ｐｂ合金のオーバレイに替えてＢｉ又はＢｉ合金をオーバレイに用いているが、結晶の大きさが周方向全領域に亘ってほぼ一様であるため、過酷な使用環境化では早期に疲労し得るという問題があった。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、良好な非焼付性を維持しながら、曲げ疲労強度の向上を図ることができる半割軸受を提供する。

例えば、エンジンブロックに取付けられるすべり軸受では、エンジンブロックにボルト締めされるベアリングキャップによって２個の半割軸受を固定しており、コンロッドに取付けられるすべり軸受においても、コンロッドにボルト締めされるロッドキャップによって２個の半割軸受を固定している。このような取付構造では、２個の半割軸受の突合わせ部分がキャップのボルト締め部分に位置される。このような取付構造においては、キャップのボルト締めされる両端部分が変形を生じ易く、このため、半割軸受の周方向の両側の端部部分に繰返し曲げが作用し、曲げ疲労が生じ易いという事情がある。

本発明者は、このような事情を基にして、非焼付性を損なうことなく、周方向の両側の端部部分の曲げ疲労強度を向上させた半割軸受の実現に鋭意実験を重ね、オーバレイを構成する元素としては、環境汚染物質でないＢｉを採用し、更に、Ｂｉオーバレイの結晶の大きさを、主荷重が作用する部分と繰返し曲げが作用する部分とで異なるようにすると、非焼付性を損なうことなく、曲げ疲労強度に優れた半割軸受となる着想を得て本発明をなすに至った。

本発明は、基材にオーバレイを被着した半割軸受において、オーバレイを、Ｂｉ又はＢｉ合金から形成し、オーバレイの領域を、周方向の両側の端部側領域と、この両端部側領域に挟まれた中間領域とに分け、Ｂｉの結晶の大きさを、中間領域よりも端部側領域の方を小さくしたことを特徴とするものである（請求項１）。

Ｂｉ合金は、ＣｕやＳｎやＩｎを添加元素とし、総量１０％以下添加することが好ましい。総量が１０％以下であると、添加元素がＢｉ基地中に固溶し、オーバレイ基地の強度を高めることができる。

本発明の半割軸受の基本形態を、図１及び図２に示す。図１及び図２の半割軸受１は、鋼から成る裏金層２上に、Ｃｕ合金又はＡｌ合金から成る軸受合金層３が設けられ、この軸受合金層３上に中間層４が設けられ、更に中間層４上にＢｉから成るオーバレイ５が設けられた構造である。ここで、本発明に言う基材とは、オーバレイを被着する部材を指し、図１，２の例では、裏金層２，軸受合金層３，中間層４を指す。ただし、場合によっては、中間層を省くこともあるし、例えば鉄材から成る半割状基材に直接オーバレイを被着することもある。又、図２（ａ），（ｂ）に示すように、オーバレイ５の領域を、周方向両側の端部側領域（図１及び図２にＡで示す）と、この両端部側領域に挟まれた中間領域（図１及び図２にＢで示す）とに分けた場合に、一般に、中間領域が主荷重部、即ち、軸の荷重を主に受ける部分を含む。

端部側領域のＢｉの結晶の大きさを、中間領域のＢｉの結晶よりも小さくすることにより、非焼付性を損なうことなく当該端部側領域の強度を高くでき、曲げ疲労強度を向上させることができる。
この端部側領域では、Ｂｉの結晶が小さいことにより、結晶間にできる谷部は比較的浅いが、端部側領域は、主荷重が作用する中間領域ほど大きな荷重が作用しないので、摩耗進行が遅く、保油機能を長期に亘って維持できる。

中間領域と端部側領域とで、Ｂｉの結晶の大きさを異なるようにするには、例えば次の方法が有効である。即ち、Ｂｉのオーバレイは、電気めっきによって被着されるものとする。

Ｂｉめっきは、めっき液を噴流撹拌させて行う。従来からの噴流撹拌は、図６に示すように、めっき液を吐出するノズル１０１を有した噴流撹拌装置１０２が用いられている。このノズル１０１は、図６（ａ）に示すように、半割軸受１０３（軸受合金層）の円弧の中心からやや離して配置される。ノズル１０１には、図６（ｂ）にも示すように、複数の吐出口１０４が半割軸受１０３の軸方向に沿って一列に形成されている。そのため、ノズル１０１からめっき液が吐出されると、半割軸受１０３の内側表面全体に万遍なくめっき液が到達し、均一な大きさのＢｉ結晶が析出される。

ここで、本発明者は、めっき液の噴流撹拌（吐出）が強いとオーバレイを構成するＢｉの結晶が微細になり、噴流撹拌が弱いとＢｉの結晶が大きくなるという技術を利用して、本願発明のオーバレイを形成させた。

本発明者は、図３に示すような噴流撹拌装置６を用いてＢｉめっきを行った。噴流撹拌装置６は、ノズル７の吐出口８を、ノズル７の軸方向に平行に２列設けた構成であり、各吐出口８は、近接する軸受合金層３の周方向の両側の端部側領域に向けられている。このとき、周方向に隣合う吐出口８の角度をθとして表すと、角度θは９０〜１４０度の範囲である。又、ノズル７は、オーバレイ５を行う半割軸受１の略中心に配置される。これにより、吐出口８から吐出されためっき液は、軸受合金層３（中間層４）の周方向の両側の端部側領域側の方が中間領域側よりも強く噴流撹拌され、図１に示すように、端部側領域のＢｉの結晶の大きさを、中間領域のＢｉの結晶の大きさよりも小さくすることができた。

Ｂｉの結晶の大きさについては、端部側領域で０．４μｍ^２未満とし、中間領域で０．４〜１．５μｍ^２とすることが好ましい（請求項２）。本発明では、Ｂｉの結晶の大きさを次のように定義する。つまり、電子顕微鏡でオーバレイを上面から撮影する。撮影した画像から２５μｍ^２（５μｍ×５μｍ）を切取り、その中に存在する粒子数を数え、この２５μｍ^２の面積を粒子数で除した値をＢｉの結晶の大きさとする。

端部側領域のＢｉの結晶の大きさを０．４μｍ^２未満とすることにより、オーバレイの強度を高くすることができ、その結果、半割軸受としての強度を高くすることができ、曲げ疲労強度を向上させることができる。ところで、図１に示すように、中間領域のＢｉの結晶の大きさを、端部側領域のＢｉの結晶よりも大きくすることにより、中間領域では、隣合うＢｉの結晶間に深い谷部が形成される。これにより、潤滑油は中間領域の結晶間の谷部に溜まり易くなるので、良好な保油性、ひいては非焼付性を損なうことはない。又、オーバレイの摩耗が進行して中間領域が摩耗しても、その中間領域の結晶は大きいので、長期間残り、保油性、非焼付性を長期に亘り維持することができる。

中間領域のＢｉの結晶の大きさを０．４μｍ^２以上にすると、Ｂｉの結晶間の谷部は深くなり、多くの潤滑油を溜めることができ、良好な保油性、非焼付性を損なうことがない。一方、１．５μｍ^２以下にすることにより、オーバレイの強度の低下を防止することができる。

又、端部側領域のＢｉの結晶の大きさを０．３μｍ^２未満とすることにより、端部の強度をより高くすることができ、その結果、半割軸受としての強度をより高くすることができ、曲げ疲労強度をより向上させることができる。
そして、中間領域のＢｉの結晶の大きさを０．７μｍ^２以上にすると、より長期に亘り良好な保油性、非焼付性を実現する。一方、１．３μｍ^２以下にすることにより、オーバレイの強度の低下をより確実に防止することができる。

両端部側領域の表面積の合計は、オーバレイ全体の表面積の１０〜５０％であることが好ましい（請求項３）。表面積は、半割軸受を展開した状態での平面の面積でいうものとする。

半割軸受の曲げ変形による疲労を防止するには、両端部側領域の表面積の合計がオーバレイ全体の表面積の１０％以上であることが好ましい。主荷重を受ける十分な中間領域の面積を得るために、両端部側領域の表面積の合計がオーバレイ全体の表面積の５０％以下であることが好ましい。更に、当該面積が２０〜４０％であることが好ましい。

以下、本発明の実施例を説明する。
本発明の効果を確認するために、次の表１及び表２に示す半割軸受の試料（実施例１〜８及び比較例１〜５）を製作し、端部疲労試験及び焼付試験を行った。

試料の製法を簡単に述べると、まず裏金層を構成する鋼板上に軸受合金層をライニングしてバイメタルを製作し、このバイメタルを半円状に加工して半割軸受を得た。その後、この半割軸受の軸受合金層に中間層であるＡｇめっきを施し、或いは、Ａｇめっき無しにＢｉ或いはＰｂ合金をめっきして、オーバレイを被着し、上記各試料を得た。

実施例１〜１０において、中間層の無い実施例５〜８，１０は、裏金層と軸受合金層とから成るバイメタルを製作し、そのバイメタルの軸受合金層の表面を、超音波洗浄し、電解脱脂し、酸洗いした後、その軸受合金層上にＢｉめっき（厚さ１０μｍ）を行って製作した。又、中間層のある実施例３，８は、裏金層と軸受合金層とから成るバイメタルを製作し、そのバイメタルの軸受合金層の表面を、電解脱脂し、酸洗いし、Ａｇから成る中間層（厚さ５μｍ）を設け、その中間層上にＢｉめっき（厚さ１０μｍ）を行って製作した。

尚、Ｂｉめっきに用いるめっき液は、一般的なもの、例えば、酸化ビスマスが１０〜７０ｇ／ｌ、メタンスルホン酸が３０〜１５０ｍｌ／ｌ、添加剤が２０〜６０ｍｌ／ｌのものを用いた。めっき条件は、電流密度１〜６Ａ／ｄｍ^２、吐出量５〜５０ｌ／ｍｉｎである。Ｂｉめっきに用いる噴流撹拌は、図３に示す噴流撹拌装置６を用いた。噴流撹拌装置６のノズル７の吐出口８の直径は２〜４ｍｍ、吐出口８の軸方向のピッチは３０ｍｍ、角度θは９０〜１４０度である。角度θを９０度にすると、オーバレイを構成する領域のうちの両端部側領域の表面積の合計は、オーバレイの表面積の約５０％になり、角度θを１４０度にすると、両端部側領域の表面積の合計は、オーバレイの表面積の約１０％になった。

このような実施例１〜１０、比較例１〜４に対して行った端部疲労試験及び焼付試験は次のようなものである。
（１）端部疲労試験
この試験は、実施例１〜４及び比較例１，２に対して行った。試験は、実施例１〜４及び比較例１，２について、それぞれ２個の半割軸受を、図４に示すように、半割軸受の突合わせ端を径方向にΔＬ、本試験では４０μｍずらして合わせ、回転荷重試験機に取付け、この状態で、表３に示す試験条件で端部疲労試験を行った。

このように、突合わせ端をずらすことにより、軸の荷重が半割軸受の端部（端部側領域）に加わり易くなり、半割軸受の端部の曲げ疲労強度を確認することができる。尚、荷重は、１分毎に１ＭＰａずつ加えていき、荷重が３０ＭＰａになった状態から疲労が発生するまでの時間を測定した。又、試験は、実施例１〜４及び比較例１，２についてそれぞれ３回ずつで実施した。図５の棒グラフの右側先端部分のハッチングは、３回の試験のバラツキ範囲を示している。

（２）焼付試験
この試験は、実施例５〜１０及び比較例３，４に対して表４に示す条件にて行った。その結果を表２に示す。

次に、上記試験の結果について解析する。
端部疲労試験の結果を考察するに、実施例１〜４は、Ｂｉの結晶の大きさが全体に一様な比較例１に比べ、耐疲労性が高いことが理解される。又、実施例４と比較例２との対比からオーバレイをＢｉで構成すると、耐疲労性を向上できることが理解される。
焼付試験の結果を考察するに、実施例５〜１０は、比較例３，４と略同等の非焼付性を示していることが理解される。この結果から、端部側領域の結晶の領域を小さくしても、良好な非焼付性を維持することが理解される。
オーバレイとしてＢｉ合金（Ｂｉ−１Ｃｕ（質量％）以下同様、Ｂｉ−１Ｓｎ等）、中間層として、Ａｇ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金（Ｃｕ−５Ｚｎ等）を用いた場合でも同様の傾向が見られた。

本発明のオーバレイにおける結晶の大きさを示す模式図 （ａ）は半割軸受の断面図、（ｂ）は半割軸受の内周側の展開図 本発明の半割軸受のオーバレイを形成するための噴流撹拌装置を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図 端部疲労試験機への半割軸受の取付け状態を示す図 端部疲労試験の結果を示す図 従来の半割軸受のオーバレイを形成するための噴流撹拌装置を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図

符号の説明

図面中、１は半割軸受、２は裏金層、３は軸受合金層、４は中間層、５はオーバレイを示す。

Claims (4)

1. 基材にオーバレイを被着した半割軸受において、
   前記オーバレイを、Ｂｉ又はＢｉ合金から形成し、
   前記オーバレイの領域を、周方向の両側の端部側領域と、この両端部側領域に挟まれた中間領域とに分け、
   Ｂｉの結晶の大きさを、前記中間領域よりも前記端部側領域の方を小さくしたことを特徴とする半割軸受。
2. 前記端部側領域のＢｉの結晶の大きさを０．４μｍ^２未満とし、前記中間領域のＢｉの結晶の大きさを０．４〜１．５μｍ^２としたことを特徴とする請求項１記載の半割軸受。
3. 前記両端部側領域の表面積の合計は、前記オーバレイ全体の表面積の１０〜５０％であることを特徴とする請求項１又は２記載の半割軸受。
4. 前記基材は、裏金層と軸受合金層と中間層とから成り、
   その中間層は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ｃｕ、又は、Ｃｕ合金から成ることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半割軸受。

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