JP2009264441A

JP2009264441A - 摺動部材

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Publication number: JP2009264441A
Application number: JP2008112402A
Authority: JP
Inventors: Seiya Haneda; 成也羽根田; Hideo Tsuji; 秀雄辻; Satoshi Takayanagi; 聡高柳
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: JP4695160B2

Abstract

【課題】長期にわたり良好なる保油性を維持でき、しかも、潤滑油をオーバレイ表面の全体に行き渡らせることが可能で、片当たり部分が生じても焼付きに至ることを効果的に防止できる摺動部材を提供する。
【解決手段】オーバレイの表面に粒径１μｍ以上の大金属結晶粒子Ａ〜Ｋと粒径１μｍ未満の小金属結晶粒子Ｓとが存在し、大金属結晶粒子と小金属結晶粒子とは、隣り合う関係をもって閉ループ状に連なる３個以上の大金属結晶粒子のうちの少なくとも隣り合う２個の大金属結晶粒子の間に生じた凹状部分に小金属結晶粒子が存在するように分布し、且つ、小金属結晶粒子が存在する凹状部分どうしは、閉ループ状に連なる３個以上の大金属結晶粒子によって囲まれた凹状部分を通じて互いに繋がる形態となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は例えば軸受合金層のような基材の表面に金属からなるオーバレイを設けた摺動材料に関する。

軸受合金層の表面に金属オーバレイを設けた摺動部材としては、特許文献１および特許文献２が知られている。
特許文献１は、軸受合金層の表面にＰｂ合金からなるオーバレイを形成したもので、そのＰｂ合金の結晶構造は、大きな角錐体状結晶の集合体からなるマトリックス中に小さな角錐体状結晶の集合体からなる塊状体が分散した構造となっている。そして、この構造をとることにより、オーバレイの表面の保油性が向上し、非焼付性が改善されるとしている。

特許文献２は、Ｐｂが環境汚染物質であることから、Ｐｂ合金オーバレイに替えてＢｉまたはＢｉ合金をオーバレイに用いたもので、四面体状のＢｉまたは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４−３６２３０９号公報特開２００３−１５６０４５号公報

特許文献２では、結晶サイズが一様で細かいため、オーバレイの表面が摩耗してくると、結晶間の凹の部分が次第に浅くなる。すると、保油力が減少し、また、相手軸との接触面積も増加するため、摩擦による発熱も増え、焼付を生じ易くなる。
特許文献１では、小さな角錐体状結晶からなる塊状体の存在により、オーバレイの表面積が拡大されて表面での十分な保油性が確保されるとされる。しかしながら、この特許文献１のものでは、潤滑油を保持する塊状体が大きな角錘体状結晶に囲まれているため、塊状体が保持する潤滑油が外側に出難い状態にある。このため、相手軸がオーバレイの表面に局部的に当った場合、その局部当りした部分の潤滑油が不足し勝ちとなるが、その局部当りした部分へ他の部分からの潤滑油供給が円滑に行われず、焼付きに至る恐れがある。

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、長期にわたり良好なる保油性を維持でき、しかも、潤滑油をオーバレイ表面の全体に行き渡らせることが可能で、片当たり部分が生じても焼付きに至ることを効果的に防止できる摺動部材を提供することにある。

請求項１の発明は、オーバレイの表面に粒径１μｍ以上の大金属結晶粒子と粒径１μｍ未満の小金属結晶粒子とが存在し、前記大金属結晶粒子と小金属結晶粒子とは、隣り合う関係をもって閉ループ状に連なる３個以上の前記大金属結晶粒子のうちの少なくとも隣り合う２個の大金属結晶粒子の間に生じた凹状部分に前記小金属結晶粒子が存在するように分布し、且つ、前記小金属結晶粒子が存在する前記凹状部分どうしは、前記閉ループ状に連なる３個以上の前記大金属結晶粒子によって囲まれた凹状部分を通じて互いに繋がる形態となっていることを特徴とするものである。

本発明では、基材は、オーバレイを被着する部材を指し、通常の摺動部材では、裏金層上に軸受合金層および中間層を被着した部材を指す。ただし、場合によっては、中間層を省くこともあるし、例えば鉄材からなる半割状基材に直接オーバレイを被着することもある。

この請求項１の構成を模式化すると、例えば図１（ａ）のようになる。図１（ａ）は、一例としてＡｌ系軸受合金層の表面にＡｇの中間層を電気めっきによって被着し、その表面にＢｉのオーバレイを電気めっきによって被着した場合の当該オーバレイ表面の電子顕微鏡写真を模式化したものである。電気めっきにより粒径が１μｍ未満の結晶粒子を形成するためには、例えばめっき前に軸受合金層の表面にレーザ光を照射する。レーザ光が照射された部分は加熱急冷されて組織が微細となるので、その後にめっきを行ったとき、軸受合金層の微細組織部分では、主として粒径が１μｍ未満の金属結晶粒子が形成され、それ以外の部分では、主として粒径が１μｍ以上の金属結晶粒子が形成される。また、レーザ出力等を制御することにより、加熱温度等を調整して冷却速度を制御することができる。このため、金属結晶粒子の大きさを制御可能である。なお、金属結晶粒子の大きさは、結晶粒子を外接円近似したときの径寸法で表すものとする（本発明では、粒径という）。

さて、図１（ａ）において、Ａ〜Ｍは粒径１μｍ以上の大金属結晶粒子であり、それら大金属結晶粒子Ａ〜Ｍの間は、例えばＡ，Ｋ間に適用して拡大して図１（ｂ）に示すような凹状部分になっている。この大金属結晶粒子Ａ〜Ｍのうち、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｋは閉ループ状に連なっており、隣り合う大金属結晶粒子Ａ，Ｂ間、Ｂ，Ｃ間、Ｃ，Ｋ間、Ｋ，Ａ間の各凹状部分には、粒径１μｍ未満の小金属結晶粒子Ｓが存在する。また、大金属結晶粒子Ｃ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋは閉ループ状に連なっており、隣り合う大金属結晶粒子Ｃ，Ｇ間、Ｈ，Ｉ間、Ｉ，Ｊ間、Ｋ，Ｃ間の各凹状部分には、１μｍ未満の小金属結晶粒子Ｓが存在する。大金属結晶粒子Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｇも閉ループ状に連なっており、隣り合う大金属結晶粒子Ｃ，Ｄ間、Ｄ，Ｅ間、Ｅ，Ｇ間、Ｇ，Ｃ間の各凹状部分には、１μｍ未満の小金属結晶粒子Ｓが存在する。なお、大金属結晶粒子Ａ，Ｂ，Ｍ，Ｄ，Ｇ，Ｉ，Ｊ，Ｋも閉ループ状に連なるが、その閉ループの内側に大金属結晶粒子Ｃが入っている。このような内側に大金属結晶粒子が入っているような場合には、閉ループ状に連なるとは言わないものとする。

そして、それら隣り合う大金属結晶粒子の間の凹状部分のうち、小金属結晶粒子Ｓが存在する凹状部分は、閉ループ状に連なる大金属結晶粒子によって囲まれた凹状部分を通じて互いに連なっている。例えば、小金属結晶粒子Ｓが存在する大金属結晶粒子Ｋ，Ａ間の凹状部分ｃｈ１、同じく大金属結晶粒子Ｃ，Ｋ間の凹状部分ｃｈ２、同じく大金属結晶粒子Ｃ，Ｇ間の凹状部分ｃｈ３、同じく大金属結晶粒子Ｅ，Ｇ間の凹状部分ｃｈ４どうしは、閉ループ状に連なる大金属結晶粒子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｋによって囲まれた凹状部分ｄｅ１、同じく大金属結晶粒子Ｃ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋによって囲まれた凹状部分ｄｅ２、同じく大金属結晶粒子Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｇによって囲まれた凹状部分ｄｅ３を通じて互いに繋がっている。
このような請求項１の構成によれば、初期なじみ時には、オーバレイ表面に大きく突出する大金属結晶粒子の頂点で相手材を受ける形態となる。このため、小摩擦で相手材になじむようになる。

また、大小を問わず金属結晶粒子間には凹状部分が生ずるので、その凹状部分に潤滑油を保持でき、非焼付性が向上する。オーバレイの摩耗が進行しても、その摩耗は大金属結晶粒子から始まるので、小金属結晶粒子間の凹状部分は長く保たれ、長期間優れた保油性を維持する。

しかも、隣り合う関係をもって閉ループ状に連なる３個以上の大金属結晶粒子のうちの少なくとも隣り合う２個の大金属結晶粒子の間に生じた凹状部分に小金属結晶粒子が存在するので、その小金属結晶粒子が存在する凹状部分はその小金属結晶粒子によって微細隙間に分割されるので、潤滑油に対する濡れ性が良くなる。そして、その小金属結晶粒子が存在する凹状部分どうしは、閉ループ状に連なる３個以上の大金属結晶粒子によって囲まれた凹状部分を通じて互いに繋がっているので、閉ループ状に連なる３個以上の大金属結晶粒子によって囲まれた凹状部分に保持された潤滑油が小金属結晶粒子の存在する凹状部分を通じて他の部分へと拡がり易くなる。このため、相手材が局部当りを起こした場合に、その局部当り部分が潤滑油不足を生じ勝ちになると、当該部分に他の所から潤滑油が供給されるようになるので、焼付きの発生を効果的に防止できる。

ところで、図１（ａ）において、隣り合う２個の大金属結晶粒子Ｊ，Ｋ間に小金属結晶粒子Ｓは存在していない。実際に金属オーバレイを形成したとき、隣り合う２個の大金属結晶粒子間に小金属結晶粒子が存在しない場合が生じ得るが、少数箇所であれば、上記した作用効果の実現に妨げとなるものではない。
また、大金属結晶粒子の粒径が１μｍ以上なので、相手材を受けるのに好適である。かつ、小金属結晶粒子の粒径が１μｍ未満なので、オーバレイの強度面において有利である。

本発明の請求項２の発明は、オーバレイの表面に粒径１μｍ以上の大金属結晶粒子と粒径１μｍ未満の小金属結晶粒子とが存在し、前記大金属結晶粒子は前記オーバレイの表面に単独又は２以上からなる群となって散在し、前記小金属結晶粒子は前記散在する大金属結晶粒子又は前記大金属結晶粒子群を囲むように分布し、且つ、前記大金属結晶粒子又は前記大金属結晶粒子群を囲む前記小金属結晶粒子が存在する部分は互いに繋がっていることを特徴とするものである。

図２は、この請求項２の構成例をＢｉオーバレイに適用して模式化したものである。この図２において、Ｌは１μｍ以上の大金属結晶粒子、Ｓは１μｍ未満の小金属結晶粒子で、大金属結晶粒子Ｌはオーバレイ表面に単独又は群となって散在し、小金属結晶粒子Ｓは群となって大金属結晶粒子Ｌ又は大金属結晶粒子Ｌの群を囲むように分布し、それら大金属結晶粒子Ｌ又は大金属結晶粒子Ｌの群を囲む小金属結晶粒子Ｓの群は繋がりあっている。

特に、図２の例では、小金属結晶粒子Ｓが縦横に網状に分布し、その網目の内側に大金属結晶粒子Ｌ又は大金属結晶粒子Ｌの群が分布する形態となっている。この図２のように網状に小金属結晶粒子Ｓを分布させるには、例えば軸受合金の表面にレーザ光を網状に照射してこの照射領域を微細組織にし、その上で電気めっきによりオーバレイを被着することにより実現できる。網形状は、任意に所望の形状に設定できる。
この請求項２のように構成しても、請求項１の発明と同様の作用効果を得ることができる。

オーバレイ表面の所定視野において、大金属結晶粒子の面積率が、５０％以下であることが好ましい。潤滑油が、小金属結晶粒子が分布する部分を通じて他の部分へと容易に流動できるからである。２５〜３５％がより好ましい。

大金属結晶粒子の粒径最頻値は大きさ１．２〜１．８μｍ、小金属結晶粒子の粒径最頻値は０．１〜０．４μｍとすることが好ましい。オーバレイ全体の強度を向上させることができるからである。

また、オーバレイを構成する金属を、Ｂｉ又はＢｉ合金から構成することが好ましい。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。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。本発明の効果を確認するために、次の表１に示す試料を作製した。この試料の製造方法は次の通りである。まず、本発明品については、鋼裏金上にＣｕ基軸受合金（以下、単に軸受合金）をライニングし、この軸受合金の表面にレーザ光を５μｍの間隔をおいて網状に照射して微細組織部分が網状に生ずるようにした。なお、レーザ光のスポット径は１０μｍとした。レーザはファイバレーザを使用したが、所望の分布形態に合わせて、短パルスレーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、その他のレーザを用いても良い。

ここでは、レーザを照射すると、照射中央の最高到達温度がその周辺より高くなるという性質を利用して、急加熱急冷によって結晶粒を微細にするところの幅を１μｍとするように設定して作製した。このときのレーザ光のパワー密度は、１０^４〜１０^５（Ｗ／ｃｍ^２）とした。なお、上記の場合、小金属結晶粒子の面積率を増減させるには、照射面積を増減させれば良い。照射面積を増加させるには、スポット径を大きくしたり、走査回数を増やしたりすれば良い。
レーザ光の照射後、電解脱脂を２度行い、更に、電解酸洗いを行った。そして、表１に示す材質の中間層（接着層）めっきを行い、または行わずにＢｉ、Ｂｉ合金（Ｂｉ−Ｃｕ）を電気めっきにより被着してオーバレイを形成した。

一方、比較例品については、本発明品と同様に、鋼裏金上に軸受合金をライニングし、その後、レーザ光を照射することなく、電解脱脂を２度行い、表１に示す材質の中間層めっきを行い、または行わずにＢｉまたはＰｂ合金（Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ）を電気めっきしてオーバレイを形成した。

このようにして得た試料のうち、本発明品１〜６については、オーバレイの表面の表面を電子顕微鏡により撮影し、その撮影画像により大結晶粒子と小結晶粒子が図２（ａ）のように分布していることを確認した。また、その撮影画像を基に、１０μｍ四方の中に存在する大結晶粒子（粒径１μｍ以上）の数と、大結晶粒子の面積率を測定した。なお、面積率とは、その大結晶粒子（大結晶粒子相互間の凹状部を含まず。）が１００μｍ^２中に占める割合をいう。本実施例では、小結晶粒子が作る網目の大きさは、１辺を２〜３μｍとした。また、網目に存在する大結晶粒子は、１〜１０個であった。また、本発明品１〜６毎の大結晶粒子の面積率及び粒径最頻値については表１に示した。

また、比較例品１〜２について、オーバレイの表面を電子顕微鏡にて撮影し、その撮影画像を基に金属結晶粒子の大きさを測定して、同様に１０μｍ四方に存在する大金属結晶粒子（１μｍ以上）の面積率を測定した。その結果を表１に示した。なお、Ｐｂ合金の結晶粒子は大きいため、粒径分布を考慮して面積率を求めた。
そして、本発明品１〜６および比較例品１〜２について、次の表２に示す条件にて焼付試験を行った。その結果を表１に示した。

焼付試験の結果から、粒径１μｍ以上の大金属結晶粒子と粒径１μｍ未満の小金属結晶粒子とが存在し、大金属結晶粒子が単独又は２以上からなる群となって散在し、小金属結晶粒子が散在する大金属結晶粒子又は大金属結晶粒子群を囲むように分布し、且つ、小金属結晶粒子が大金属結晶粒子又は大金属結晶粒子群を囲むように分布する部分が互いに繋がっている本発明品１〜６は、比較例品１〜２に比べて非焼付性に優れていた。大金属結晶粒子の面積率が３０％である本発明品２が、非焼付性に特に優れていること、即ち面積率２５〜３５％が非焼付性に特に好ましいことが解った。また、Ｂｉオーバレイの場合、Ａｇ等の中間層を設けることが、非焼付性の向上に貢献することも解った。

本発明のオーバレイ表面の大金属粒子と小金属結晶粒子の分布形態の一例を示す模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図本発明のオーバレイ表面の大金属粒子と小金属結晶粒子の分布形態の他の例を示す模式図で、（ａ）は平面図，（ｂ）は断面図

符号の説明

図面中、Ａ〜Ｌは大金属結晶粒子、Ｓは小金属結晶粒子を示す。

Claims

基材の表面上に金属からなるオーバレイを形成した摺動部材において、
前記オーバレイの表面に粒径１μｍ以上の大金属結晶粒子と粒径１μｍ未満の小金属結晶粒子とが存在し、
前記大金属結晶粒子と小金属結晶粒子とは、隣り合う関係をもって閉ループ状に連なる３個以上の前記大金属結晶粒子のうちの少なくとも隣り合う２個の大金属結晶粒子の間に生じた凹状部分に前記小金属結晶粒子が存在するように分布し、
且つ、前記小金属結晶粒子が存在する前記凹状部分どうしは、前記閉ループ状に連なる３個以上の前記大金属結晶粒子によって囲まれた凹状部分を通じて互いに繋がる形態となっていることを特徴とする摺動部材。
基材の表面に金属からなるオーバレイを形成した摺動部材において、
前記オーバレイの表面に粒径１μｍ以上の大金属結晶粒子と粒径１μｍ未満の小金属結晶粒子とが存在し、
前記大金属結晶粒子は前記オーバレイの表面に単独又は２以上からなる群となって散在し、前記小金属結晶粒子は前記散在する大金属結晶粒子又は前記大金属結晶粒子群を囲むように分布し、且つ、前記小金属結晶粒子が前記大金属結晶粒子又は前記大金属結晶粒子群を囲むように分布する部分は互いに繋がっていることを特徴とする摺動部材。