JP2013199952A - 摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】 樹脂オーバレイと軟質な金属オーバレイを組み合わせることにより、樹脂オーバレイの低摩擦性を活かしながら、耐異物性を向上することができる摺動部材を提供する。
【解決手段】 固体潤滑剤と樹脂とからなる樹脂オーバレイ層４の下層に硬さが４０ＨＶ未満の金属材料からなる軟質層３を有し、軟質層３の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層４の厚さＴ２（μｍ）との関係が、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たすことで、異物混入時において、樹脂オーバレイ層４の下層の軟質層３が塑性変形し、それに追従するように樹脂オーバレイ層４が部分変形することができる。そのため、異物を良好に埋収するようになり、耐異物性を向上することができる。また、異物混入後にも、樹脂オーバレイ層４が低摩擦性を維持することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】 固体潤滑剤と樹脂とからなる樹脂オーバレイ層４の下層に硬さが４０ＨＶ未満の金属材料からなる軟質層３を有し、軟質層３の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層４の厚さＴ２（μｍ）との関係が、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たすことで、異物混入時において、樹脂オーバレイ層４の下層の軟質層３が塑性変形し、それに追従するように樹脂オーバレイ層４が部分変形することができる。そのため、異物を良好に埋収するようになり、耐異物性を向上することができる。また、異物混入後にも、樹脂オーバレイ層４が低摩擦性を維持することができる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、固体潤滑剤と樹脂からなる樹脂オーバレイを有する摺動部材に係り、例えば内燃機関のすべり軸受やブッシュとして好適な摺動部材に関するものである。
従来、摺動部材の摺動面における表面層として、金属オーバレイや樹脂オーバレイが提案されている。樹脂オーバレイは、低摩擦性の合成樹脂によって製造されており、金属オーバレイと比較して低摩擦性に優れている。また、例えば、特開平７−２３８９３６号公報（特許文献１）では、Ａｌ基軸受合金上に形成される樹脂オーバレイの粗さや組成、厚さを規定することにより、摺動部材の耐焼付性の向上が図られており、特開２００６−２８３９０５号公報（特許文献２）では、樹脂オーバレイの下地合金としてスパッタによるＡｌ−Ｓｎ系合金オーバレイを採用し、Ａｌ−Ｓｎ系合金オーバレイのビッカース硬さが４０〜１００を有することにより、摺動部材の片当り時のなじみ性の向上が図られている。
しかし、引用文献１，２のような樹脂オーバレイは、外力に対して弾性変形するため、金属オーバレイと比較し、摺動部材のなじみ性、特に耐異物性に劣ることが懸念されている。また、近年では、エンジンが高出力化し、エンジンの使用環境上、避けては通れない異物混入時の性能を向上させるため、樹脂オーバレイを用いながらも、更なるなじみ性の向上を必要としている。このような状況下で、金属オーバレイと樹脂オーバレイを組み合わせることについては、研究が殆ど進められていない。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、樹脂オーバレイと軟質な金属オーバレイを組み合わせることにより、樹脂オーバレイの低摩擦性を活かしながら、耐異物性を向上することができる摺動部材を提供することにある。
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明は、固体潤滑剤と樹脂とからなる樹脂オーバレイ層を有する摺動部材において、前記樹脂オーバレイ層の下層に硬さが４０ＨＶ未満の金属材料からなる軟質層を有し、前記軟質層の厚さＴ１（μｍ）と前記樹脂オーバレイ層の厚さＴ２（μｍ）との関係が、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たすことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の摺動部材において、前記軟質層と前記樹脂オーバレイ層との界面の粗さＲａ（ｂ）は、前記軟質層の厚さＴ１との関係がＲａ（ｂ）≦Ｔ１×０．０６を満たすことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の摺動部材において、前記軟質層と前記樹脂オーバレイ層との界面の酸素量は、ＧＤ−ＯＥＳ分析での検出値が０．３Ｖ以下であることを特徴とする。
請求項１に係る発明は、樹脂オーバレイ層の下層に硬さが４０ＨＶ未満の金属材料からなる軟質層を有し、軟質層の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層の厚さＴ２（μｍ）との関係が、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たすことで、異物混入時において、樹脂オーバレイ層の下層の金属材料からなる軟質層が塑性変形し、それに追従するように樹脂オーバレイ層が部分変形することができる。そのため、異物を良好に埋収するようになり、耐異物性を向上することができる。また、異物混入後にも、樹脂オーバレイ層が低摩擦性を維持することができる。このような構成によれば、樹脂オーバレイ層の下層の表面形状を特段配慮する必要がなく、管理面や製造面で有利である。なお、金属材料からなる軟質層の硬さは、２０ＨＶ以下がより好ましい。
なお、特許文献２に開示される樹脂オーバレイ層は、ビッカース硬さが４０〜１００を有するＡｌ−Ｓｎ系合金オーバレイといった比較的硬い金属材料上に形成されており、異物混入時において、その樹脂オーバレイ層の下層が塑性変形せず、摺動面を有する樹脂オーバレイ層の弾性変形が支配的になるため、厳しい使用環境下では良好な耐異物性を得ることができない。
また、軟質層の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層の厚さＴ２（μｍ）との関係は、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たすようにしているが、Ｔ１／Ｔ２が０．２未満では、樹脂オーバレイ層の厚さＴ２（μｍ）に対する軟質層の厚さＴ１（μｍ）が薄く、異物混入時において軟質層が塑性変形したとしても、樹脂オーバレイ層の変形が小さく、異物を良好に埋収することができない。一方、Ｔ１／Ｔ２が７を超えると、樹脂オーバレイ層の厚さＴ２（μｍ）に対する軟質層の厚さＴ１（μｍ）が厚く、異物埋収時において、樹脂オーバレイ層の変形が大きくなり過ぎ、樹脂オーバレイ層自体や軟質層との界面にクラックが入る等の不具合が生じ易くなる。なお、軟質層の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層の厚さＴ２（μｍ）との関係は、２．０≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０がより好ましい。
また、請求項２に係る発明のように、軟質層と樹脂オーバレイ層との界面の粗さＲａ（ｂ）は、軟質層の厚さＴ１との関係がＲａ（ｂ）≦Ｔ１×０．０６を満たすことで、より良好な耐異物性を発揮することを確認した。Ｒａ（ｂ）≦Ｔ１×０．０６では、軟質層と樹脂オーバレイ層との界面の粗さが細かく、金属材料からなる軟質層が塑性変形する際に、樹脂オーバレイ層が局部的に応力を受け難くなり、樹脂オーバレイ層の破断を抑制し、良好な耐異物性を発揮できると考えられる。また、軟質層の厚さＴ１が厚くなるほど、軟質層が塑性変形する際に発生する応力を軟質層の厚さ方向（下地合金側）に逃がし易くなる。更に、軟質層の厚さＴ１が厚くなるほど、界面の粗さの影響を受け難くなるので、界面の粗さを厳しく管理する必要性を軽減することが可能となる。
また、請求項３に係る発明のように、軟質層と樹脂オーバレイ層との界面の酸素量は、ＧＤ−ＯＥＳ分析での検出値が０．３Ｖ以下であることで、より良好な耐異物性を発揮することを確認した。ＧＤ−ＯＥＳ分析での検出値が０．３Ｖ以下ということは、軟質層と樹脂オーバレイ層との界面の酸素量が比較的低いということである。したがって、界面における酸化物の存在が抑えられているので、金属材料からなる軟質層が塑性変形する際に、界面での樹脂オーバレイ層の脱落が発生し難くなると考えられる。また、請求項２に係る発明において、軟質層と樹脂オーバレイ層との界面の粗さを細かくするほど、樹脂オーバレイ層と下地合金との接着力に大きな影響を及ぼすアンカー効果が得られ難くなる傾向にあるが、請求項３に係る発明のように、軟質層と樹脂オーバレイ層との界面の酸素量を規定することで、安定した接着力が容易に得られると考えられる。
なお、特許文献１，２に開示される樹脂オーバレイ層は、Ａｌ基軸受合金、またはビッカース硬さが４０〜１００を有するＡｌ−Ｓｎ系合金オーバレイといった比較的硬い金属材料上に形成されている。そのため、本発明の樹脂オーバレイ層と比較し、異物混入時において、樹脂オーバレイ層の下層が大きく塑性変形することがないので、それらから樹脂オーバレイ層と下地合金との界面の粗さや酸素量を制御する技術思想には到底至らない。一方、本発明では、請求項２，３に係る発明のように、軟質層と樹脂オーバレイ層との界面の粗さや酸素量を制御することが好ましいことを新たに確認した。
また、本発明における樹脂オーバレイ層を構成する樹脂としては、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリベンゾイミダゾール樹脂（ＰＢＩ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、フェノール樹脂（ＰＦ）等を用いることができる。また、本発明における樹脂オーバレイ層を構成する固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン等を用いることができる。また、本発明における金属材料からなる軟質層としては、Ｐｂ、Ｐｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｉｎ、Ｉｎ合金、Ｂｉ、Ｂｉ合金等を用いることができる。なお、軟質層には、窒化珪素等の硬質粒子や二硫化モリブデン等の固体潤滑剤が添加されてもよい。
本実施形態に係る軟質層３と樹脂オーバレイ層４を有する摺動部材１を用いた実施例１〜１０及び比較例１〜６の作製方法を以下に説明する。まず、鋼裏金（図示せず）上にＣｕ基の軸受合金層２をライニングしていわゆるバイメタルを製造した。このバイメタルは、半円筒状または円筒状に成形した後、表面をボーリング加工して表面仕上げを行った。その後、半円筒状または円筒状の成形物に対し、電気めっき等により金属材料からなる軟質層３を、表１に示す組成で形成した。また、軟質層３上には、固体潤滑剤と樹脂とからなる樹脂オーバレイ層４を、表１に示す組成で形成した。このような方法により、図１に示すように、固体潤滑剤と樹脂とからなる樹脂オーバレイ層４の下層に金属材料からなる軟質層３を有する摺動部材１を作製した。
また、本実施形態では、軟質層３上に樹脂オーバレイ層４を形成する前処理工程として、樹脂オーバレイ層４との接着性を確保するため、軟質層３にブラスト処理を実施した。一般的なブラスト処理では、砥粒にアルミナ等の比較的硬い物質を多用しているが、本実施形態のブラスト処理では、砥粒にＣＯ２を使用するドライアイスブラスト処理を適用した。このドライアイスブラスト処理を使用すると、軟質層３へのダメージを制御することが可能であり、砥粒にアルミナ等を使用した場合のような軟質層３への砥粒の残留に対する懸念もない。また、ドライアイスブラスト処理では、砥粒としてＣＯ２を投射するため、軟質層３の表面の残存酸素量を減らすことが可能である。また、ブラスト処理の最適化方法としては、砥粒の投射速度や投射量を変更する方法等が挙げられるが、実施例１〜１０及び比較例１〜６の作製において、ＣＯ２の投射圧力を４〜７ｂａｒ、ＣＯ２の投射量を２０〜４０ｋｇ／ｈで処理することにより、軟質層３の粗さや酸素量を制御することができた。
なお、摺動部材１の製造方法は上記以外でもよく、軟質層３上に樹脂オーバレイ層４を形成する前処理工程として、例えば、研磨処理、エッチング処理、燃焼フレーム照射処理、コロナ放電処理等を適用してもよい。
次に、作製された摺動部材１について、断面写真を用いて、軟質層３の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層４の厚さＴ２（μｍ）を測定し、Ｔ１／Ｔ２を算出した。また、作製された摺動部材１について、ビッカース硬さ測定機を用いて、軟質層３の断面からビッカース硬さを測定した。これらの測定結果を表２に示す。
また、作製された摺動部材１について、軸受試験機を用いて、表３に示す試験条件で軸受焼付試験を実施した。これらの試験結果を表２に示す。なお、試験中には、異物として鉄粉４ｍｇを潤滑油給油口から投入し、潤滑油に異物を混入させて試験を実施した。また、軸受焼付試験では、摺動部材１の背面温度（鋼裏金側の温度）が２００℃を超えるか、トルク変動による軸駆動用ベルトがスリップしたときを焼付と判断し、表２には焼付が起こらなかった限界の圧力を示した。
実施例１〜７は、樹脂オーバレイ層４の下層に硬さが４０ＨＶ未満の軟質層３を有し、軟質層３の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層４の厚さＴ２（μｍ）との関係が、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たすことで、比較例１〜６と比較し、何れも良好な耐焼付性を有する。これは、異物混入時において、樹脂オーバレイ層４の下層の軟質層３が塑性変形すると共に樹脂オーバレイ層４が部分変形し、異物を良好に埋収するようになり、樹脂オーバレイの低摩擦性を活かしながら耐異物性が向上したためである。
比較例１は、特許文献２の開示同様に樹脂オーバレイ層４の下層に硬さが４０ＨＶ以上の金属層を有することで、実施例１〜７よりも耐焼付性が劣っている。これは、樹脂オーバレイ層４の下層の金属層が７０ＨＶと比較的硬く、異物混入時において、その金属層が塑性変形し難くなり、異物を良好に埋収することができず、樹脂オーバレイの低摩擦性を十分に活かしていないためである。
次に、実施例１，８〜１０について、断面写真により、界面プロファイルから軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の粗さを測定し、算術平均粗さＲａ（ｂ）を算出した。その試験結果を表４に示す。この測定方法によれば、ドライブラスト処理の実施後（軟質層３上に樹脂オーバレイ層４を形成する前）における軟質層３の粗さを表面から粗さ計にて測定した場合と同様の結果が得られることを、確認している。
また、実施例１，８〜１０について、ＪＯＢＩＮＹＶＯＮ ＧＤ−ＰＲＯＦＩＬＥＲ２（ＨＯＲＩＢＡ製）の分析装置を用いて、表５に示す分析条件でＧＤ−ＯＥＳ分析を実施し、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の酸素量を測定した。その試験結果を表４に示す。また、ＧＤ−ＯＥＳ分析での具体例として、実施例１の組成（Ｐｂ−５ｍａｓｓ％Ｓｎ−７ｍａｓｓ％Ｉｎの軟質層３とＰＡＩ−５ｖｏｌ％ＰＡ−４０ｖｏｌ％ＭｏＳ２の樹脂オーバレイ層４）を用いた分析結果を図２に示す。図２に模式的に示すように、横軸を測定時間（秒）として摺動部材１の摺動面側の表面からの深さを示し、縦軸を測定電圧（Ｖ）として軟質層３と樹脂オーバレイ層４それぞれの構成元素の深さ方向に対する濃度割合を示した。そして、軟質層３と樹脂オーバレイ層４それぞれの構成元素の中で最大ピークを示す元素（本例では、軟質層３のＰｂと樹脂オーバレイ層４のＳ）の分析曲線（軟質層３のＰｂを示す分析曲線をＬ３、樹脂オーバレイ層４のＳを示す分析曲線をＬ４とする）が交わる位置を、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面Ｉと判断し、表４にはその界面Ｉでの酸素量を示した。
なお、実施例８〜１０は、実施例１と同じく、樹脂オーバレイ層４の下層に硬さが４０ＨＶ未満の軟質層３を有し、軟質層３の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層４の厚さＴ２（μｍ）との関係が、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たしている。一方、実施例８〜１０は、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の粗さＲａ（ｂ）、及び軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の酸素量について、実施例１と異ならせている。
実施例８は、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の酸素量において、ＧＤ−ＯＥＳ分析での検出値が０．３Ｖを超えているが、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の粗さＲａ（ｂ）において、軟質層３の厚さＴ１との関係がＲａ（ｂ）≦Ｔ１×０．０６を満たすことで、実施例１と比較し、良好な耐焼付性を有する。これは、実施例１と比べて実施例８では、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の粗さが細かく、金属材料からなる軟質層３が塑性変形する際に、樹脂オーバレイ層４が局部的に応力を受け難くなり、樹脂オーバレイ層４の破断を抑制し、良好な耐異物性を発揮できると考えられるからである。
実施例９は、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の粗さＲａ（ｂ）において、軟質層３の厚さＴ１との関係がＲａ（ｂ）≦Ｔ１×０．０６を満たしていないが、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の酸素量において、ＧＤ−ＯＥＳ分析での検出値が０．３Ｖ以下であることで、実施例１と比較し、良好な耐焼付性を有する。これは、実施例１と比べて実施例９では、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の酸素量において、ＧＤ−ＯＥＳ分析での検出値が０．３Ｖ以下であるため、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の酸素量が比較的低く、金属材料からなる軟質層３が塑性変形する際に、界面での樹脂オーバレイ層４の脱落が発生し難くなると考えられるからである。
実施例１０は、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の粗さＲａ（ｂ）において、軟質層３の厚さＴ１との関係がＲａ（ｂ）≦Ｔ１×０．０６を満たし、且つ、軟質層３と樹脂オーバレイ層４との界面の酸素量において、ＧＤ−ＯＥＳ分析での検出値が０．３Ｖ以下であることで、実施例１，８，９と比較し、特に良好な耐焼付性を有する。
なお、本実施形態では、Ｃｕ基の軸受合金層２を使用したが、Ａｌ基の軸受合金層２を使用した場合にも、樹脂オーバレイ層４の下層に硬さが４０ＨＶ未満の金属材料からなる軟質層３を有し、軟質層３の厚さＴ１（μｍ）と樹脂オーバレイ層４の厚さＴ２（μｍ）との関係が、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たすことで、実施例１〜１０と同様に良好な耐焼付性を有することを確認した。
１ 摺動部材
２ 軸受合金層
３ 軟質層
４ 樹脂オーバレイ層
２ 軸受合金層
３ 軟質層
４ 樹脂オーバレイ層
Claims (3)
- 固体潤滑剤と樹脂とからなる樹脂オーバレイ層を有する摺動部材において、
前記樹脂オーバレイ層の下層に硬さが４０ＨＶ未満の金属材料からなる軟質層を有し、
前記軟質層の厚さＴ１（μｍ）と前記樹脂オーバレイ層の厚さＴ２（μｍ）との関係が、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦７．０、且つ、３．０≦Ｔ１≦２０．０を満たすことを特徴とする摺動部材。 - 前記軟質層と前記樹脂オーバレイ層との界面の粗さＲａ（ｂ）は、前記軟質層の厚さＴ１との関係がＲａ（ｂ）≦Ｔ１×０．０６を満たすことを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
- 前記軟質層と前記樹脂オーバレイ層との界面の酸素量は、ＧＤ−ＯＥＳ分析での検出値が０．３Ｖ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の摺動部材。
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