JP2014196762A - 摺動部材およびすべり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軟質層の密着性を向上させる技術を提供する。
【解決手段】本発明の摺動部材およびすべり軸受は、マトリクス中に、前記マトリクスよりも軟らかい軟質材料で構成される軟質粒子が析出した基層と、前記軟質粒子と同一の軟質材料によって前記基層の表面上に形成された軟質層と、を備える。前記軟質層は、前記軟質粒子から前記軟質材料がエピタキシャル成長したエピタキシャル成長部を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、摺動面にて相手軸が摺動する摺動部材およびすべり軸受に関する。

Ｃｕ合金上にＮｉ等によって中間層を形成し、当該中間層上にＢｉのオーバーレイを形成する技術が知られている（特許文献１、参照）。これにより、軟らかいＢｉで形成されたオーバーレイによって、なじみ性を向上させることができる。

特開２０１１−１６３３８２号公報

しかしながら、中間層とオーバーレイとの間の密着性が不足するという問題があった。すなわち、中間層とオーバーレイとの間をへき開する破壊が進行することによって、オーバーレイが中間層から剥離するという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、軟質層の密着性を向上させる技術を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の摺動部材およびすべり軸受は、マトリクス中に、マトリクスよりも軟らかい軟質材料で構成される軟質粒子が析出した基層と、軟質材料によって基層の表面上に形成された軟質層と、を備える。この軟質層は、基層の軟質粒子から軟質材料がエピタキシャル成長したエピタキシャル成長部を含む。

基層に析出していた軟質粒子と同一の軟質材料の軟質層が当該軟質粒子と接合するため、基層に対する軟質層の密着性を高めることができる。軟質粒子はもともと基層にて析出しているため、軟質層と接合する軟質粒子がアンカーとなって基層に対する軟質層の密着性を高めることができる。特に、軟質層のうちのエピタキシャル成長部は、軟質粒子の軟質材料がエピタキシャル成長した部分であるため、基層の軟質粒子と強固に結合する。このようにエピタキシャル成長部と基層の軟質粒子とが強固に結合した部分は、基層と軟質層との界面を貫通するように形成されるため、基層と軟質層との界面における剥離の進行を阻止でき、基層に対する軟質層の密着性を向上させることができる。

基層は、少なくともマトリクスと軟質粒子とを含む層であればよく、例えば裏金によって支持されてもよい。軟質材料は、マトリクスよりも軟らかい材料であればよく、基層が形成される際にマトリクス中に析出可能な材料であればよい。例えば、ライニングにおいて、マトリクスにおける軟質材料の固溶限よりも大量に軟質材料が含まれてもよい。軟質層は、基層との界面において、基層のマトリクスと接合する部分と、基層の表面に露出した軟質粒子と接合する部分とを含む。これらのうち、基層の表面に露出した軟質粒子と接合する部分において、軟質粒子から軟質材料がエピタキシャル成長したエピタキシャル成長部が形成される。

基層のマトリクスはＣｕ合金であり、軟質材料はＢｉであってもよい。ＢｉはＣｕ合金よりも軟らかいため、Ｂｉの軟質層を形成することにより、なじみ性を確保できる。なお、Ｃｕ合金とは、Ｃｕを主成分として有する合金である。また、ＢｉはＣｕにほぼ固溶しないため、Ｂｉの軟質粒子をＣｕ合金にて析出させることができる。ただし、基層のマトリクスはＣｕ合金に限られず、相手軸の硬さや相手軸に作用する荷重等に応じてマトリクスの材料が選択されればよい。また、軟質材料はマトリクスよりも軟らかく、かつ、マトリクス中に析出可能な材料であればよく、例えばＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎであってもよい。

摺動部材の斜視図である。 （２Ａ），（２Ｂ）は摺動部材の断面模式図である。 （３Ａ），（３Ｂ）はアコースティックエミッションのグラフである。 （４Ａ），（４Ｂ）は摺動部材の断面写真である。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）第１実施形態：
（１−１）摺動部材の構成：
（１−２）計測方法：
（１−３）摺動部材の製造方法：
（２）他の実施形態：

（１）第１実施形態：
（１−１）摺動部材の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかる摺動部材１の斜視図である。摺動部材１は、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とを含む。摺動部材１は、中空状の円筒を直径方向に２等分した半割形状の金属部材であり、断面が半円弧状となっている。２個の摺動部材１が円筒状になるように組み合わせることにより、すべり軸受Ａが形成される。すべり軸受Ａは内部に形成される中空部分にて円柱状の相手軸２（エンジンのクランクシャフト）を軸受けする。相手軸２の外径はすべり軸受Ａの内径よりもわずかに小さく形成されている。相手軸２の外周面と、すべり軸受Ａの内周面との間に形成される隙間に潤滑油（エンジンオイル）が供給される。その際に、すべり軸受Ａの内周面上を相手軸２の外周面が摺動する。

摺動部材１は、曲率中心から遠い順に、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とが順に積層された構造を有する。従って、裏金１０が摺動部材１の最外層を構成し、オーバーレイ１２が摺動部材１の最内層を構成する。裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とは、それぞれ円周方向において一定の厚みを有している。裏金１０の厚みは１．３ｍｍであり、ライニング１１の厚みは０．２ｍｍであり、オーバーレイ１２の厚みは１０μｍである。オーバーレイ１２の曲率中心側の表面の半径（摺動部材１の内径）４０ｍｍである。以下、内側とは摺動部材１の曲率中心側を意味し、外側とは摺動部材１の曲率中心と反対側を意味することとする。オーバーレイ１２の内側の表面は、相手軸２の摺動面を構成する。

裏金１０は、Ｃを０．１５ｗｔ％含有し、Ｍｎを０．０６ｗｔ％含有し、残部がＦｅからなる鋼で形成されている。なお、裏金１０は、ライニング１１とオーバーレイ１２とを介して相手軸２からの荷重を支持できる材料で形成されればよく、必ずしも鋼で形成されなくてもよい。

ライニング１１は、裏金１０の内側に積層された層であり、本発明の基層を構成する。ライニング１１は、Ｓｎを１０ｗｔ％含有し、Ｂｉを８ｗｔ％含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。ライニング１１の不可避不純物はＭｇ，Ｔｉ，Ｂ，Ｐｂ，Ｃｒ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％以下である。

図２Ａは、摺動部材１の断面模式図である。なお、図２Ａにおいて、摺動部材１の曲率は無視することとする。ライニング１１において、Ｃｕ−Ｓｎ合金で構成されるマトリクス１１ａ中にＢｉ粒子１１ｂが析出している。Ｂｉ粒子１１ｂは、Ｃｕ−Ｓｎ合金よりも軟らかく、本発明の軟質粒子を構成する。また、Ｂｉは本発明の軟質材料を構成する。硬質のＣｕ−Ｓｎ合金をライニング１１のマトリクス１１ａとして採用することにより、摺動部材１の強度および耐摩耗性を向上させることができる。

ライニング１１の断面におけるＢｉ粒子１１ｂの平均円相当径は１００μｍであった。すなわち、ライニング１１の断面におけるＢｉ粒子１１ｂの平均面積は２５００×πμｍ²であった。また、ライニング１１の断面におけるＢｉ粒子１１ｂの面積割合は１０％であった。ライニング１１におけるＢｉ粒子１１ｂの分布は、均一、かつ、方向依存性を有さないため、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面ＸにおけるＢｉ粒子１１ｂの平均円相当径と平均面積と面積割合とは、任意の断面におけるＢｉ粒子１１ｂの平均円相当径と平均面積と面積割合と同じと見なすことができる。

オーバーレイ１２は、ライニング１１の内側の表面上に積層された層であり、本発明の軟質層を構成する。ライニング１１の内側の表面は、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面Ｘを構成する。オーバーレイ１２は、Ｂｉと不可避不純物とからなる。オーバーレイ１２の不可避不純物はＳｎ，Ｆｅ，Ｐｂ等であり、オーバーレイ１２のめっき液等から混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％以下であり、Ｂｉの含有量は９９％以上である。

オーバーレイ１２は、エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとを含む。エピタキシャル成長部１２ｂは、ライニング１１の内側の表面に露出したＢｉ粒子１１ｂを起点としてエピタキシャル成長したＢｉの結晶で構成される部分である。従って、エピタキシャル成長部１２ｂにおけるＢｉの結晶粒構造（結晶粒の大きさや配列方向）は、ライニング１１のＢｉ粒子１１ｂにおけるＢｉの結晶粒構造と同じとなる。ライニング１１のＢｉ粒子１１ｂにおけるＢｉの結晶粒構造は、ライニング１１中にてＢｉ粒子１１ｂが析出する際の結晶成長条件によって決定される。

エピタキシャル成長部１２ｂは、ライニング１１の内側の表面上に露出したＢｉ粒子１１ｂがエピタキシャル成長した部分であるため、ライニング１１のＢｉ粒子１１ｂと強固に結合する。エピタキシャル成長部１２ｂとライニング１１のＢｉ粒子１１ｂとが強固に結合して一体化した部分は、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面Ｘを貫通するように形成される。

図２Ｂは、オーバーレイ１２がライニング１１から剥離する様子を模式的に示す図である。同図に示すように、ライニング１１とオーバーレイ１２とが界面Ｘにて剥離する破壊Ｅが生じた場合でも、当該破壊Ｅの進行をエピタキシャル成長部１２ｂとライニング１１のＢｉ粒子１１ｂとが結合した部分にて阻止できる。従って、ライニング１１とオーバーレイ１２の密着性を向上させることができる。

図３Ａ，３Ｂは、摺動部材１の摺動面に摩擦力を作用させた場合のアコースティックエミッションの程度を示すグラフである。図３Ａ，３Ｂの横軸はオーバーレイ１２に作用させた垂直荷重を示し、第１縦軸（右側の軸）は摩擦力を示す。図３Ａ，３Ｂに示すように、摩擦力（破線）は垂直荷重に対して概ね比例する。図３Ａ，３Ｂの第２縦軸（左側の軸）はアコースティックエミッションの程度を示し、値が大きいほどアコースティックエミッションの程度が大きいことを示す。アコースティックエミッションの程度は、オーバーレイ１２に摩擦力を作用させた際に生じた音の音圧に対応する。

図３Ａはエピタキシャル度の平均値が７０％の摺動部材１（実施形態）の摺動面に摩擦力を作用させた場合のアコースティックエミッションの程度を示し、図３Ｂはエピタキシャル度の最大値が１０％の摺動部材１（比較例）の摺動面に摩擦力を作用させた場合のアコースティックエミッションの程度を示す。アコースティックエミッションとは、摺動面に作用させた摩擦力によって生じた摺動部材１の内部の破壊が原因となって発せられた音波である。アコースティックエミッションの主要因となる摺動部材１の内部の破壊は、おもに、ライニング１１とオーバーレイ１２とが界面Ｘにて剥離する破壊であると考えられる。オーバーレイ１２を構成するＢｉは、ライニング１１のマトリクスを構成するＣｕに固溶せず、かつ、Ｃｕと化合物を形成しないため、オーバーレイ１２とライニング１１とが界面Ｘにおいて剥離しやすいからである。エピタキシャル度とは、ライニング１１とオーバーレイ１２とが界面Ｘにおけるエピタキシャル成長部１２ｂの占有率が大きいほど大きくなる指標であり、詳細は後述する。

図３Ａ，３Ｂを比較すると、エピタキシャル度の平均値が７０％である図３Ａの摺動部材１においてはアコースティックエミッション（実線）がほぼ発生していないのに対して、エピタキシャル度の平均値が５０％未満である図３Ｂの摺動部材１（比較例）においてはアコースティックエミッションが発生していた。従って、エピタキシャル度が大きい場合に、界面Ｘにおけるライニング１１とオーバーレイ１２との剥離を防止し、オーバーレイ１２とライニング１１との密着性を良好とすることができる。

独自成長部１２ａは、マトリクス１１ａの表面上に形成された核を起点として成長したＢｉの結晶で構成される部分である。従って、独自成長部１２ａにおけるＢｉの結晶粒構造は、オーバーレイ１２をライニング１１の表面上に積層する際の結晶成長条件によって決定される。そのため、エピタキシャル成長部１２ｂの結晶粒構造と、独自成長部１２ａのそれぞれの結晶粒構造は、互いに異なる結晶成長条件によって決定される。従って、オーバーレイ１２は、互いに結晶粒構造が異なるエピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとによって構成されることとなる。

エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとは互いに異なるＢｉの結晶粒構造を有するため、エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとの間で結晶粒構造が不連続となる境界Ｙ（図２Ｂ、太線）が形成される。本実施形態において、エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとの境界Ｙは、オーバーレイ１２内において摺動部材１の内側に向けて凸形状となっている。

エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとの境界Ｙにおいては、Ｂｉの結晶粒界も不連続となる。従って、図２Ｂに示すように、独自成長部１２ａにおいて結晶粒界を劈開させるような疲労破壊Ｄが生じた場合でも、エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとの境界Ｙを疲労破壊Ｄが貫通することを防止できる。本実施形態において、エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとの境界Ｙは、オーバーレイ１２内（ライニング１１とオーバーレイ１２との界面Ｘよりもオーバーレイ１２側）に存在しているため、疲労破壊Ｄの伝播がライニング１１のＢｉ粒子１１ｂの内部まで及ぶことを防止できる。従って、ライニング１１の機械特性が損なわれることを防止できる。

（１−２）計測方法：
上述した実施形態において示した各数値を以下の手法によって計測した。 摺動部材１の各層を構成する元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津社製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。

ライニング１１におけるＢｉ粒子１１ｂの平均円相当径を以下の手順によって計測した。まず、ライニング１１の任意の断面（相手軸２の回転軸方向に垂直な方向に限らない）を粒子径２μｍのアルミナ粒子で研磨した。ライニング１１の断面のうち面積が０．０２ｍｍ²となる任意の観察視野範囲（縦０．１ｍｍ×横０．２ｍｍの矩形範囲）を電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって５００倍で撮影することにより、観察画像（反射電子像）の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置（ニレコ社製 ルーゼックスII）に入力し、観察画像に存在するＢｉ粒子１１ｂの像を抽出した。Ｂｉ粒子１１ｂの像の外縁にはエッジ（明度や彩度や色相角が所定値以上異なる境界）が存在する。そこで、画像解析装置によって、エッジによって閉じられた領域をＢｉ粒子１１ｂの像として観察画像から抽出した。

そして、Ｂｉ粒子１１ｂの像を観察画像から抽出し、画像解析装置によって、観察視野範囲に存在するすべてのＢｉ粒子１１ｂの像について投影面積円相当径（計測パラメータ：ＨＥＹＷＯＯＤ）を計測した。投影面積円相当径とは、Ｂｉ粒子１１ｂの断面積と等しい面積を有する円の直径であり、Ｂｉ粒子１１ｂの像の面積と等しい面積を有する円の直径を倍率に基づいて現実の長さに換算した直径である。さらに、すべてのＢｉ粒子１１ｂの投影面積円相当径の算術平均値（合計値／粒子数）を平均円相当径として計測した。さらに、Ｂｉ粒子１１ｂの平均円相当径と等しい直径を有する円の面積に、観察視野範囲に存在するＢｉ粒子１１ｂの個数を乗算することにより、ライニング１１の断面上に存在するＢｉ粒子１１ｂの総面積を算出した。そして、Ｂｉ粒子１１ｂの総面積を観察視野範囲の面積で除算することにより、Ｂｉ粒子１１ｂの面積割合を計測した。なお、投影面積円相当径が１．０μｍ未満の場合、投影面積円相当径の信頼度や物質の特定の信頼度が低くなるため、Ｂｉ粒子１１ｂの平均円相当径等を算出する際に考慮しないこととした。

エピタキシャル度を以下の手順によって計測した。まず、摺動部材１の直径径方向の断面をクロスセクションポリッシャで研磨した。ライニング１１の断面のうち面積が０．０２ｍｍ²となる任意の観察視野範囲（縦０．１ｍｍ×横０．２ｍｍの矩形範囲）を電子顕微鏡によって７０００倍の倍率で撮影することにより、観察画像を得た。図４Ａ，４Ｂは、観察画像を示す写真である。図４Ａに示すように、観察画像のうちＢｉ粒子１１ｂが界面Ｘに存在する部分を目視によって観察した。さらに、図４Ｂに示すように、界面Ｘ上におけるＢｉ粒子１１ｂの両端を接続する線分Ｌ（破線）を作成し、当該線分Ｌの長さを計測した。

次に、線分Ｌのうち、当該線分Ｌから１μｍ以内の範囲においてエッジが存在している部分と、当該線分Ｌから１μｍ以内の範囲においてエッジが存在していない部分Ｂ（矢印）とを判別し、当該エッジが存在していない部分Ｂの長さを線分Ｌの長さで除算した値であるエピタキシャル度を算出した。界面Ｘに存在する複数のＢｉ粒子１１ｂのそれぞれについてエピタキシャル度を算出した。

なお、図３Ａにアコースティックエミッションの程度を示した摺動部材１（実施例）におけるエピタキシャル度の最小値は５０％であり、最大値は９５％であり、平均値は７０％であった。一方、図３Ｂにアコースティックエミッションの程度を示した摺動部材１（比較例）におけるエピタキシャル度の最大値は１０％であった。なお、線分Ｌの両端を結ぶ連続したエッジがエピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとの境界Ｙ（一点鎖線）を意味する。エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとでは、Ｂｉ結晶粒の大きさや結晶粒の配列方向が異なるため、エピタキシャル成長部１２ｂと独自成長部１２ａとの間にエッジが観察されることとなる。なお、エッジは観察画像を取り込んだ画像解析装置によって検出してもよい。

（１−３）摺動部材の製造方法：
まず、裏金１０と同じ厚みを有する低炭素鋼の平面板を用意した。
次に、低炭素鋼で形成された平面板上に、ライニング１１を構成する材料の粉末を散布した。具体的に、上述したライニング１１における各成分の質量比となるように、Ｃｕの粉末とＢｉの粉末とＳｎの粉末とを低炭素鋼の平面板上に散布した。ライニング１１における各成分の質量比が満足できればよく、Ｃｕ−Ｂｉ，Ｃｕ−Ｓｎ等の合金粉末を低炭素鋼の平面板上に散布してもよい。粉末の粒径は、試験用ふるい（ＪＩＳ Ｚ８８０１）によって１５０μｍ以下に調整した。

次に、低炭素鋼の平面板と、当該平面板上に散布した粉末とを焼結した。焼結温度を７００〜１０００℃に制御し、不活性雰囲気中で焼結した。焼結後、冷却した。

冷却が完了すると、低炭素鋼の平面板上にＣｕ合金層が形成される。このＣｕ合金層には、冷却中に析出した軟質のＢｉ粒子１１ｂが含まれることとなる。
次に、中空状の円筒を直径方向に２等分した形状となるように、Ｃｕ合金層が形成された低炭素鋼をプレス加工した。このとき、低炭素鋼の外径が摺動部材１の外径と一致するようにプレス加工した。

次に、裏金１０上に形成されたＣｕ合金層の表面を切削加工した。このとき、裏金１０上に形成されたＣｕ合金層の厚みがライニング１１と同一となるように、切削量を制御した。これにより、切削加工後のＣｕ合金層によってライニング１１が形成できる。切削加工は、例えば焼結ダイヤモンドで形成された切削工具材をセットした旋盤によって行った。切削加工後のライニング１１の表面は、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面Ｘを構成する。

次に、ライニング１１の表面上に軟質材料としてのＢｉを電気めっきによって１０μｍの厚みだけ積層することにより、オーバーレイ１２を形成した。電気めっきの手順は以下のとおりとした。まず、電解液中にてライニング１１の表面に直流電流を流すことにより、ライニング１１の表面を脱脂した。次に、ライニング１１の表面を水洗した。さらに、ライニング１１の表面を酸洗することにより、ライニング１１の表面から陽極酸化によって形成した酸化膜以外の不要な酸化物を除去した。その後、ライニング１１の表面を、再度、水洗した。以上の前処理が完了すると、めっき浴に浸漬させたライニング１１に電流を供給することにより電気めっきを行った。Ｂｉ濃度：１０〜５０ｇ／Ｌ、有機スルホン酸：２５〜１００ｇ／Ｌ、添加剤：０．５〜５０ｇ／Ｌを含むめっき浴の浴組成とした。めっき浴の浴温度は、２５℃とした。さらに、ライニング１１に供給する電流は直流電流とし、その電流密度は０．５〜５．０Ａ／ｄｍ²とした。

以上のように電気めっきを行うことにより、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面Ｘに存在するＢｉ粒子１１ｂからＢｉがエピタキシャル成長し、オーバーレイ１２においてエピタキシャル成長部１２ｂが形成された。オーバーレイ１２の積層が完了した後に、水洗と乾燥を行うことにより、摺動部材１を完成させた。さらに２個の摺動部材１を円筒状に組み合わせることにより、すべり軸受Ａを形成した。

（２）他の実施形態：
前記実施形態においては、エンジンのクランクシャフトを軸受けするすべり軸受Ａを構成する摺動部材１を例示したが、本発明の摺動部材１によって他の用途のすべり軸受Ａを形成してもよい。例えば、本発明の摺動部材１によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等を形成してもよい。むろん、摺動部材１は、軸以外の相手材が摺動する部材であってもよい。また、ライニング１１のマトリクスはＣｕ合金に限られず、相手軸２の硬さに応じてマトリクスの材料が選択されればよい。また、軟質材料はマトリクスよりも軟らかく、かつ、マトリクス中に析出可能な材料であればよく、例えばＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎであってもよい。

１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、１１ａ…マトリクス、１１ｂ…Ｂｉ粒子、１２…オーバーレイ、Ｘ…界面、Ｙ…境界。

Claims (4)

1. マトリクス中に、前記マトリクスよりも軟らかい軟質材料で構成される軟質粒子が析出した基層と、
   前記軟質材料によって前記基層の表面上に形成された軟質層と、を備える摺動部材であって、
   前記軟質層は、前記軟質粒子から前記軟質材料がエピタキシャル成長したエピタキシャル成長部を含む、
   摺動部材。
2. 前記マトリクスはＣｕ合金であり、
   前記軟質材料はＢｉである、
   請求項１に記載の摺動部材。
3. マトリクス中に、前記マトリクスよりも軟らかい軟質材料で構成される軟質粒子が析出した基層と、
   前記軟質材料によって前記基層の表面上に形成された軟質層と、を備えるすべり軸受であって、
   前記軟質層は、前記軟質粒子から前記軟質材料がエピタキシャル成長したエピタキシャル成長部を含む、
   すべり軸受。
4. 前記マトリクスはＣｕ合金であり、
   前記軟質材料はＢｉである、
   請求項３に記載のすべり軸受。