JP2015096750A - Slide member and slide bearing - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a sliding member and a plain bearing in which a mating shaft slides on a sliding surface.
ビスマスの結晶方位がランダム配向となっているオーバーレイを備えた摺動部材が知られている（特許文献１、参照）。特許文献１において、ビスマスの結晶方位をランダム配向とすることにより、耐疲労性の向上を図っている。 A sliding member having an overlay in which the crystal orientation of bismuth is in a random orientation is known (see Patent Document 1). In Patent Document 1, fatigue resistance is improved by making the crystal orientation of bismuth random orientation.
しかしながら、オーバーレイを形成する際に結晶方位を制御することは技術的に困難であり、めっき浴の温度管理や濃度管理等が煩雑とな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、耐疲労性に優れ、容易に製造できる摺動部材およびすべり軸受を提供することを目的とする。
However, it is technically difficult to control the crystal orientation when forming the overlay, and there is a problem that temperature management and concentration management of the plating bath become complicated.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a sliding member and a plain bearing that are excellent in fatigue resistance and can be easily manufactured.
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、裏金と、裏金上に形成されたライニングと、ライニング上において１μｍ以上かつ３０μｍ以下の厚みだけ形成されたビスマスのオーバーレイと、を備える。また、オーバーレイにおける炭素濃度は、０．０１５ｗｔ％以上、かつ、０．１００ｗｔ％以下である。このようにオーバーレイにおける炭素濃度を０．０１５ｗｔ％以上とすることにより、ビスマスのめっき膜を炭素によって分散強化することができ、ビスマスのめっき膜の耐疲労性を向上させることができる。また、ビスマスの結晶方位をランダム配向させなくてもめっき膜の耐疲労性を向上させることができため、オーバーレイを容易に形成できる。 In order to achieve the above object, a sliding member and a plain bearing of the present invention include a backing metal, a lining formed on the backing metal, and a bismuth overlay formed on the lining to a thickness of 1 μm or more and 30 μm or less. Is provided. The carbon concentration in the overlay is 0.015 wt% or more and 0.100 wt% or less. Thus, by setting the carbon concentration in the overlay to 0.015 wt% or more, the bismuth plating film can be dispersed and strengthened with carbon, and the fatigue resistance of the bismuth plating film can be improved. Further, since the fatigue resistance of the plating film can be improved without random orientation of the bismuth crystal orientation, an overlay can be easily formed.
ここで、オーバーレイにおける炭素濃度が大きくなるほどオーバーレイの耐疲労性が向上することが判明している。特に、オーバーレイにおける炭素濃度が０．０２０ｗｔ％以下の範囲において、炭素濃度が大きくなるほどオーバーレイの耐疲労性が飛躍的に向上し、オーバーレイにおける炭素濃度を０．０１５ｗｔ％以上とすることによりオーバーレイの耐疲労性を確実に向上させることができる。オーバーレイにおける炭素濃度が０．０２０ｗｔ％よりも大きい範囲においても、炭素濃度が大きくなるほどオーバーレイの耐疲労性が向上するため、当該範囲内においても炭素濃度が大きくなるほど望ましい。ただし、オーバーレイにおける炭素濃度が０．１００ｗｔ％よりも大きくなると、オーバーレイが脆くなり、なじみ性が低下するため、オーバーレイにおける炭素濃度が０．１００ｗｔ％以下となるようにオーバーレイを成膜することが望ましい。また、オーバーレイに含まれる炭素は、例えばオーバーレイの成膜中（例えばめっき中）にオーバーレイに混入されてもよいし、オーバーレイの成膜後にオーバーレイに拡散されてもよい。例えば、スパッタリングやコールドスプレーによってオーバーレイを成膜してもよい。 Here, it has been found that the fatigue resistance of the overlay improves as the carbon concentration in the overlay increases. In particular, when the carbon concentration in the overlay is 0.020 wt% or less, the fatigue resistance of the overlay increases dramatically as the carbon concentration increases. By setting the carbon concentration in the overlay to 0.015 wt% or more, the overlay resistance is improved. The fatigue property can be improved reliably. Even in a range where the carbon concentration in the overlay is larger than 0.020 wt%, the fatigue resistance of the overlay improves as the carbon concentration increases. Therefore, it is desirable that the carbon concentration in the range also increases. However, when the carbon concentration in the overlay is higher than 0.100 wt%, the overlay becomes brittle and the conformability is lowered. Therefore, it is desirable to form the overlay so that the carbon concentration in the overlay is 0.100 wt% or less. . The carbon contained in the overlay may be mixed into the overlay during the overlay film formation (for example, during plating), or may be diffused into the overlay after the overlay film formation. For example, the overlay may be formed by sputtering or cold spray.
なお、オーバーレイの厚みは、摺動する相手軸の硬さや作用する荷重や耐用時間等に応じて１μｍ以上かつ３０μｍ以下の範囲で設定されればよい。オーバーレイの厚みを１μｍ以上とすることにより、オーバーレイがライニングから剥離することを防止できる。また、オーバーレイの厚みを３０μｍ以下とすることにより、オーバーレイが過剰に厚くなりすぎてコストを増大させることを防止できる。ビスマスで形成されたオーバーレイは軟らかいため、裏金とライニングとは摺動部材およびすべり軸受の強度を確保するために必要となる。すなわち、裏金とライニングとは、オーバーレイよりも高強度の材料で形成されればよく、オーバーレイよりも高強度である限り材料裏金とライニングの材料は特に限定されない。 The thickness of the overlay may be set in the range of 1 μm or more and 30 μm or less depending on the hardness of the sliding counterpart shaft, the acting load, the service life, and the like. By setting the thickness of the overlay to 1 μm or more, the overlay can be prevented from peeling from the lining. Further, by setting the thickness of the overlay to 30 μm or less, it is possible to prevent the overlay from becoming excessively thick and increasing the cost. Since the overlay formed of bismuth is soft, the back metal and the lining are necessary to ensure the strength of the sliding member and the sliding bearing. That is, the backing metal and the lining need only be formed of a material having a higher strength than the overlay, and the material backing material and the lining material are not particularly limited as long as the strength is higher than the overlay.
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）摺動部材の製造方法：
（２）実験結果：
（３）他の実施形態：
Here, embodiments of the present invention will be described in the following order.
(1) First embodiment:
(1-1) Configuration of sliding member:
(1-2) Manufacturing method of sliding member:
(2) Experimental results:
(3) Other embodiments:
（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を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は内部の中空部分にて円柱状の相手軸２（ハッチング）を軸受けする。本実施形態の相手軸２は、エンジンのクランクシャフトである。すべり軸受Ａの内径は、相手軸２の外径よりもわずかに大きく形成されている。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。クランクシャフトとしての相手軸２が回転すると、相手軸２がコンロッドから往復荷重を作用させながらすべり軸受Ａの内周面上を摺動する。
(1) First embodiment:
(1-1) Configuration of sliding member:
FIG. 1 is a perspective view of a sliding member 1 according to an embodiment of the present invention. The sliding member 1 includes a back metal 10, a lining 11, and an overlay 12. The sliding member 1 is a half-divided metal member obtained by dividing a hollow cylinder into two equal parts in the diameter direction and has a semicircular cross section. The sliding bearing A is formed by combining the two sliding members 1 into a cylindrical shape. The slide bearing A supports a cylindrical mating shaft 2 (hatching) at the hollow portion inside. The mating shaft 2 of the present embodiment is an engine crankshaft. The inner diameter of the slide bearing A is formed to be slightly larger than the outer diameter of the counterpart shaft 2. Lubricating oil (engine oil) is supplied to a gap formed between the outer peripheral surface of the counterpart shaft 2 and the inner peripheral surface of the slide bearing A. When the counterpart shaft 2 as the crankshaft rotates, the counterpart shaft 2 slides on the inner peripheral surface of the slide bearing A while applying a reciprocating load from the connecting rod.
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。本実施形態において、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。また、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。 The sliding member 1 has a structure in which a back metal 10, a lining 11, and an overlay 12 are stacked in order from the center of curvature. Therefore, the back metal 10 constitutes the outermost layer of the sliding member 1, and the overlay 12 constitutes the innermost layer of the sliding member 1. The back metal 10, the lining 11 and the overlay 12 each have a constant thickness in the circumferential direction. In this embodiment, the thickness of the back metal 10 is 1.3 mm, the thickness of the lining 11 is 0.2 mm, and the thickness of the overlay 12 is 10 μm. The radius of the surface of the overlay 12 on the curvature center side (inner diameter of the sliding member 1) is 40 mm. Hereinafter, the inside means the center of curvature of the sliding member 1, and the outside means the side opposite to the center of curvature of the sliding member 1. The inner surface of the overlay 12 constitutes the sliding surface of the counterpart shaft 2.
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。裏金１０の外側の表面の粗さは、Ｒａが０．０９μｍであり、Ｒｚが０．５２μｍであり、Ｒmaxが０．７２μｍであった。図２Ａは、裏金１０の外側の表面のプロフィールである。同図において、横軸は、裏金１０の外側の表面上におけるすべり軸受Ａの軸方向の位置Ｘ（図１）を示し、縦軸は当該表面に直交する方向の高さＺ（図１）を示す。なお、裏金１０の外側の表面のプロフィール（粗さ）は、表面粗さ測定機（小坂研究所製Ｓｕｒｆｃｏｒｄｅｒ ＳＥ−３４００）によって計測した。 The back metal 10 is made of steel containing 0.15 wt% C, 0.06 wt% Mn, and the balance being Fe. As for the roughness of the outer surface of the back metal 10, Ra was 0.09 μm, Rz was 0.52 μm, and R max was 0.72 μm. FIG. 2A is a profile of the outer surface of the backing 10. In the figure, the horizontal axis indicates the axial position X (FIG. 1) of the slide bearing A on the outer surface of the back metal 10, and the vertical axis indicates the height Z (FIG. 1) in the direction orthogonal to the surface. Show. The profile (roughness) of the outer surface of the back metal 10 was measured with a surface roughness measuring machine (Surfcoder SE-3400 manufactured by Kosaka Laboratory).
図２Ｂは、裏金１０の外側の表面の写真である。同図に示すように、裏金１０の外側の表面は、裏金１０の加工（圧延、プレス加工等）における加工後の平滑形状を維持しており、当該加工におけるわずかな傷のみを有している。また、裏金１０の外側の表面に、鋼の素地以外の成分の析出も見られない。なお、図２Ｂの写真は、電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ社製Ｓ−２４００）によって撮影した。 FIG. 2B is a photograph of the outer surface of the back metal 10. As shown in the figure, the outer surface of the back metal 10 maintains a smooth shape after processing in the processing (rolling, pressing, etc.) of the back metal 10 and has only slight scratches in the processing. . Moreover, precipitation of components other than the steel base is not observed on the outer surface of the back metal 10. The photograph in FIG. 2B was taken with an electron microscope (S-2400, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).
ライニング１１は、裏金１０の内側に積層された層であり、Ｓｎを５ｗｔ％含有し、Ｂｉを７ｗｔ％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。なお、ライニング１１におけるＳｎの含有量を２〜８ｗｔ％の範囲で調整してもよいし、ライニング１１におけるＢｉの含有量を３〜１０ｗｔ％の範囲で調整してもよい。 The lining 11 is a layer laminated on the inner side of the back metal 10 and contains 5 wt% of Sn, 7 wt% of Bi, and the balance is made of Cu and inevitable impurities. Inevitable impurities of the lining 11 are Mg, Ti, B, Pb, Cr and the like, and are impurities mixed in refining or scrap. The content of inevitable impurities is 1.0 wt% or less as a whole. Note that the Sn content in the lining 11 may be adjusted in a range of 2 to 8 wt%, and the Bi content in the lining 11 may be adjusted in a range of 3 to 10 wt%.
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る。オーバーレイ１２は、ＢｉとＣ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等である。オーバーレイ１２における炭素濃度は、０．０３７ｗｔ％である。不可避不純物はめっき浴等からオーバーレイ１２に混入する。オーバーレイ１２の不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％以下である。 The overlay 12 is a layer laminated on the inner surface of the lining 11. The overlay 12 is composed of Bi, C, and inevitable impurities. Inevitable impurities of the overlay 12 are Sn, Fe, Pb and the like. The carbon concentration in the overlay 12 is 0.037 wt%. Inevitable impurities are mixed into the overlay 12 from a plating bath or the like. The content of inevitable impurities in the overlay 12 is 1.0 wt% or less as a whole.
なお、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（島津製作所製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。ただし、オーバーレイ１２における炭素濃度は、高周波誘導加熱炉燃焼赤外線吸収法（ＪＩＳＧ１２１１鉄鋼用炭素量分析方法）によって計測した。 In addition, the mass of the element which comprises each layer of the sliding member 1 was measured with the ICP emission-spectral-analysis apparatus (Shimadzu ICPS-8100). However, the carbon concentration in the overlay 12 was measured by a high frequency induction furnace combustion infrared absorption method (JISG1211 carbon content analysis method for iron and steel).
以上説明した摺動部材１と同様のオーバーレイ１２を有する疲労試験片（コンロッドＲ）を作成し、その疲労損傷面積率を計測したところ、疲労損傷面積率は２．８％と良好であった。疲労損傷面積率は、以下の手順で計測した。まず、図３Ａに示すように、長さ方向の両端に円柱状の貫通穴が形成されたコンロッドＲを用意し、一端の貫通穴にて試験軸Ｈ（ハッチング）を軸受けさせた。なお、試験軸Ｈを軸受けするコンロッドＲの貫通穴の内周面に摺動部材１と同様のオーバーレイ１２（灰色）を形成した。試験軸Ｈの軸方向におけるコンロッドＲの両外側において試験軸Ｈを軸受けし、回転数が３０００回転／分となるように試験軸Ｈを回転させた。試験軸Ｈとは反対側のコンロッドＲの端部を、コンロッドＲの長さ方向に往復移動する移動体Ｆに連結し、当該移動体Ｆの往復荷重を５７ＭＰａとした。また、コンロッドＲと試験軸Ｈとの間には、１２０℃のエンジンオイルを給油した。 When a fatigue test piece (connecting rod R) having the overlay 12 similar to that of the sliding member 1 described above was prepared and the fatigue damage area ratio was measured, the fatigue damage area ratio was as good as 2.8%. The fatigue damage area ratio was measured by the following procedure. First, as shown in FIG. 3A, a connecting rod R having cylindrical through holes formed at both ends in the length direction was prepared, and a test axis H (hatching) was supported by the through hole at one end. An overlay 12 (gray) similar to the sliding member 1 was formed on the inner peripheral surface of the through hole of the connecting rod R that supports the test shaft H. The test axis H was supported on both outer sides of the connecting rod R in the axial direction of the test axis H, and the test axis H was rotated so that the number of revolutions was 3000 rpm. The end of the connecting rod R opposite to the test shaft H was connected to a moving body F that reciprocated in the length direction of the connecting rod R, and the reciprocating load of the moving body F was 57 MPa. Further, between the connecting rod R and the test shaft H, 120 ° C. engine oil was supplied.
以上の状態を５０時間にわたって継続することにより、オーバーレイ１２の疲労試験を行った。そして、疲労試験後において、オーバーレイ１２の内側の表面（摺動面）を、当該表面に直交する直線上の位置から当該直線を主光軸とするように撮影し、当該撮影された画像である評価画像を得た。そして、評価画像に映し出されたオーバーレイ１２の表面のうち損傷した部分をビノキュラー（拡大鏡）で観察して特定し、当該損傷した部分の面積である損傷部面積を、評価画像に映し出されたオーバーレイ１２の表面全体の面積で除算した値の百分率を疲労損傷面積率として計測した。 The overlay 12 was subjected to a fatigue test by continuing the above state for 50 hours. Then, after the fatigue test, the inner surface (sliding surface) of the overlay 12 is photographed from the position on the straight line orthogonal to the surface so that the straight line is the main optical axis, and the photographed image. An evaluation image was obtained. Then, the damaged portion of the surface of the overlay 12 displayed in the evaluation image is identified by observing with a binocular (magnifying glass), and the damaged portion area, which is the area of the damaged portion, is displayed in the evaluation image. The percentage of the value divided by the total area of the 12 surfaces was measured as the fatigue damage area ratio.
（１−２）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。
(1-2) Manufacturing method of sliding member:
First, a flat plate of low carbon steel having the same thickness as the back metal 10 was prepared.
Next, the powder of the material which comprises the lining 11 was sprayed on the plane board formed with the low carbon steel. Specifically, Cu powder, Bi powder, and Sn powder were dispersed on a flat plate of low-carbon steel so that the mass ratio of each component in the lining 11 described above was obtained. As long as the mass ratio of each component in the lining 11 can be satisfied, alloy powders such as Cu-Bi and Cu-Sn may be dispersed on a flat plate of low carbon steel.
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。
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。
Next, the flat plate of low carbon steel and the powder spread on the flat plate were sintered. Sintering temperature was controlled at 700-1000 degreeC, and it sintered in inert atmosphere. After sintering, it was cooled.
When cooling is completed, a Cu alloy layer is formed on the flat plate of low carbon steel.
Next, the low carbon steel on which the Cu alloy layer was formed was pressed so that the hollow cylinder was divided into two equal parts in the diameter direction.
次に、低炭素鋼とＣｕ合金層の表面を切削加工した。このとき、低炭素鋼とＣｕ合金層の厚みが裏金１０とライニング１１の厚みと同一となり、かつ、低炭素鋼の外径が摺動部材１の外径と一致するように、切削量を制御した。これにより、切削加工後の低炭素鋼とＣｕ合金層によって裏金１０とライニング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。 Next, the surface of the low carbon steel and the Cu alloy layer was cut. At this time, the amount of cutting is controlled so that the thickness of the low carbon steel and the Cu alloy layer is the same as the thickness of the back metal 10 and the lining 11 and the outer diameter of the low carbon steel matches the outer diameter of the sliding member 1. did. Thereby, the back metal 10 and the lining 11 can be formed with the low carbon steel and Cu alloy layer after cutting. For example, the cutting was performed by a lathe on which a cutting tool material formed of sintered diamond was set.
次に、ライニング１１の表面上にＢｉを電気めっきによって１０μｍの厚みだけ成膜することにより、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、ライニング１１の内側の表面を水洗した。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。なお、電気めっきを行うにあたり、裏金１０とライニング１１にマスキングを行わない。 Next, an overlay 12 was formed by depositing Bi on the surface of the lining 11 to a thickness of 10 μm by electroplating. The electroplating procedure was as follows. First, the inner surface of the lining 11 was washed with water. Furthermore, unnecessary oxides were removed from the surface of the lining 11 by pickling the surface of the lining 11. Thereafter, the surface of the lining 11 was washed again with water. In addition, in performing electroplating, the back metal 10 and the lining 11 are not masked.
以上の前処理が完了すると、図３Ｂに示すように、ライニング１１の表面が金属ビスマスで形成されたアノード電極Ｎに対向するように、摺動部材１を収容するラック（不図示）をめっき浴Ｂに浸漬させた。摺動部材１をラックに収容させることにより、当該ラックに備えられた接点Ｃを裏金１０の外側の表面に接触させた。そして、ライニング１１がカソード電極となるように、アノード電極Ｎと接点Ｃとの間に電圧を印加した。具体的に、アノード電極Ｎに供給される直流電流の電流密度が２．０Ａ／ｄｍ2となるように、アノード電極ＮとラックＤとの間に直流電圧を印加した。また、めっき浴Ｂの浴温度を４０℃とし、めっき時間を２０分とした。 When the above pretreatment is completed, as shown in FIG. 3B, a rack (not shown) that houses the sliding member 1 is placed in a plating bath so that the surface of the lining 11 faces the anode electrode N formed of metal bismuth. It was immersed in B. By accommodating the sliding member 1 in the rack, the contact C provided in the rack was brought into contact with the outer surface of the back metal 10. A voltage was applied between the anode electrode N and the contact C so that the lining 11 became a cathode electrode. Specifically, a DC voltage was applied between the anode electrode N and the rack D so that the current density of the DC current supplied to the anode electrode N was 2.0 A / dm 2 . The bath temperature of the plating bath B was 40 ° C., and the plating time was 20 minutes.
めっき浴Ｂは、第１塩としての硝酸ビスマス五水和物［Ｂｉ（ＮＯ3）3・５Ｈ2Ｏ］と、第２塩としての塩化カリウム［ＫＣｌ］とＥＤＴＡ二ナトリウム［Ｎａ2ＥＤＴＡ］と、添加剤としてのゼラチンとを水に溶解させることにより用意した。なお、ＥＤＴＡの示性式は（ＨＯＯＣＣＨ2）2ＮＣＨ2ＣＨ2Ｎ（ＣＨ2ＣＯＯＨ）2である。めっき浴Ｂにおける硝酸ビスマス五水和物の濃度は、０．２０［ｍｏｌ／Ｌ］であり、ＥＤＴＡ二ナトリウムの濃度は０．２５［ｍｏｌ／Ｌ］であり、塩化カリウムの濃度は１．００［ｍｏｌ／Ｌ］であり、ゼラチンの濃度は３．００［ｇ／Ｌ］であった。また、めっき浴ＢのｐＨは９となった。 The plating bath B comprises bismuth nitrate pentahydrate [Bi (NO 3 ) 3 .5H 2 O] as the first salt, potassium chloride [KCl] and disodium EDTA [Na 2 EDTA] as the second salt. It was prepared by dissolving gelatin as an additive in water. It should be noted that the characteristic formula of EDTA is (HOOCCH 2 ) 2 NCH 2 CH 2 N (CH 2 COOH) 2 . The concentration of bismuth nitrate pentahydrate in the plating bath B is 0.20 [mol / L], the concentration of disodium EDTA is 0.25 [mol / L], and the concentration of potassium chloride is 1.00. [Mol / L], and the gelatin concentration was 3.00 [g / L]. Further, the pH of the plating bath B was 9.
硝酸ビスマス五水和物に含まれるビスマスは一時的にビスマスイオン［Ｂｉ3+］となるものの、その後、ＥＤＴＡ二ナトリウムに含まれるＥＤＴＡと一対一で結合し、錯体を形成する。金属ビスマスで形成されたアノード電極Ｎは、電子を放出するとビスマスイオンを生成するが、当該ビスマスイオンはＥＤＴＡと錯体を形成する。以上のようにして形成されたビスマスとＥＤＴＡの錯体は、カソード電極としてのライニング１１の表面にて電子を受け取ると分解し、ビスマスがライニング１１の表面に析出する。ビスマスをライニング１１の表面に析出させることにより、オーバーレイ１２を成膜できる。 Although bismuth contained in bismuth nitrate pentahydrate temporarily becomes bismuth ion [Bi 3+ ], it then binds one-to-one with EDTA contained in disodium EDTA to form a complex. The anode electrode N formed of metal bismuth generates bismuth ions when electrons are emitted, and the bismuth ions form a complex with EDTA. The complex of bismuth and EDTA formed as described above is decomposed when electrons are received on the surface of the lining 11 as the cathode electrode, and bismuth is deposited on the surface of the lining 11. By depositing bismuth on the surface of the lining 11, the overlay 12 can be formed.
以上のようにして、オーバーレイ１２の成膜が完了した後に、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。ビスマスで形成されたオーバーレイ１２は、ライニング１１等よりも軟らかいため、摺動部材１のなじみ性や耐焼き付き性を良好とすることができる。 As described above, after the film formation of the overlay 12 was completed, the sliding member 1 was completed by washing with water and drying. Furthermore, the sliding bearing A was formed by combining two sliding members 1 in a cylindrical shape. Since the overlay 12 formed of bismuth is softer than the lining 11 and the like, the conformability and seizure resistance of the sliding member 1 can be improved.
（２）実験結果：
それぞれ組成が異なるめっき浴Ｂ（実施例１〜２、比較例１〜２）にてオーバーレイ１２を形成し、オーバーレイ１２の比較する実験を行った。実施例１のめっき浴Ｂを第１実施形態のめっき浴Ｂと同様とした。すなわち、実施例１のめっき浴Ｂにおいて、硝酸ビスマス五水和物の濃度を０．２０［ｍｏｌ／Ｌ］とし、ＥＤＴＡ二ナトリウムの濃度を０．２５［ｍｏｌ／Ｌ］とし、塩化カリウムの濃度を１．００［ｍｏｌ／Ｌ］とし、ゼラチンの濃度を３．００［ｇ／Ｌ］とした。また、実施例１のめっき浴Ｂは、ｐＨが９であった。実施例１において、ビスマスで形成されたアノード電極Ｎおける電流密度を２．００Ａ／ｄｍ2とし、浴温度を４０℃とした。
(2) Experimental results:
The overlay 12 was formed in the plating baths B (Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2) having different compositions, and an experiment for comparing the overlays 12 was performed. The plating bath B of Example 1 was the same as the plating bath B of the first embodiment. That is, in the plating bath B of Example 1, the concentration of bismuth nitrate pentahydrate was 0.20 [mol / L], the concentration of disodium EDTA was 0.25 [mol / L], and the concentration of potassium chloride. Was 1.00 [mol / L], and the gelatin concentration was 3.00 [g / L]. Moreover, the pH of the plating bath B of Example 1 was 9. In Example 1, the current density at the anode N formed of bismuth was 2.00 A / dm 2 , and the bath temperature was 40 ° C.
実施例２のめっき浴Ｂを、ゼラチンの濃度を除いて実施例１のめっき浴Ｂと同様とした。すなわち、実施例２のめっき浴Ｂにおいて、硝酸ビスマス五水和物の濃度を０．２０［ｍｏｌ／Ｌ］とし、ＥＤＴＡ二ナトリウムの濃度を０．２５［ｍｏｌ／Ｌ］とし、塩化カリウムの濃度を１．００［ｍｏｌ／Ｌ］とし、ゼラチンの濃度を実施例１よりも小さい０．５０［ｇ／Ｌ］とした。また、実施例２のめっき浴Ｂは、ｐＨが９であった。実施例２においても、ビスマスで形成されたアノード電極Ｎおける電流密度を２．００Ａ／ｄｍ2とし、浴温度を４０℃とした。 The plating bath B of Example 2 was the same as the plating bath B of Example 1 except for the gelatin concentration. That is, in the plating bath B of Example 2, the concentration of bismuth nitrate pentahydrate was 0.20 [mol / L], the concentration of disodium EDTA was 0.25 [mol / L], and the concentration of potassium chloride. Was 1.00 [mol / L], and the gelatin concentration was 0.50 [g / L], which was smaller than that in Example 1. Further, the plating bath B of Example 2 had a pH of 9. Also in Example 2, the current density at the anode N formed of bismuth was 2.00 A / dm 2 and the bath temperature was 40 ° C.
比較例１のめっき浴Ｂをメタンスルホン酸浴とした。比較例１のめっき浴Ｂにおいて、メタンスルホン酸ビスマス［Ｂｉ（ＣＨ3ＳＯ3）3］の濃度を０．２０［ｍｏｌ／Ｌ］とし、メタンスルホン酸［ＣＨ3ＳＯ3Ｈ］の濃度を１．００［ｍｏｌ／Ｌ］とし、添加剤としてのポリオキシエチレン・ノニルフェニルエーテルの濃度を２０［ｇ／Ｌ］とした。また、比較例１のめっき浴Ｂは、ｐＨが１であった。比較例１において、ビスマスで形成されたアノード電極Ｎおける電流密度を２．００Ａ／ｄｍ2とし、浴温度を３０℃とした。なお、比較例１は、特許第３９１６８０５号の発明にかかるめっき浴Ｂであり、オーバーレイ１２におけるビスマスの結晶方位がランダムとなるように各めっき条件を制御した。 The plating bath B of Comparative Example 1 was a methanesulfonic acid bath. In the plating bath B of Comparative Example 1, the concentration of bismuth methanesulfonate [Bi (CH 3 SO 3 ) 3 ] is 0.20 [mol / L], and the concentration of methanesulfonic acid [CH 3 SO 3 H] is 1. 0.000 [mol / L], and the concentration of polyoxyethylene nonylphenyl ether as an additive was 20 [g / L]. Moreover, the pH of the plating bath B of Comparative Example 1 was 1. In Comparative Example 1, the current density at the anode N formed of bismuth was 2.00 A / dm 2 and the bath temperature was 30 ° C. Comparative Example 1 is a plating bath B according to the invention of Japanese Patent No. 3916805, and the plating conditions were controlled so that the crystal orientation of bismuth in the overlay 12 was random.
比較例２のめっき浴Ｂを硫酸浴とした。比較例２のめっき浴Ｂにおいて、硫酸ビスマス［Ｂｉ（ＮＯ3）3］の濃度を０．２０［ｍｏｌ／Ｌ］とし、硫酸［Ｈ2ＳＯ4］の濃度を１．００［ｍｏｌ／Ｌ］とし、添加剤としてのβナフトールの濃度を１．００［ｇ／Ｌ］とした。比較例２のめっき浴Ｂは、ｐＨが１であった。比較例２において、ビスマスで形成されたアノード電極Ｎおける電流密度を２．００Ａ／ｄｍ2とし、浴温度を２５℃とした。 The plating bath B of Comparative Example 2 was a sulfuric acid bath. In the plating bath B of Comparative Example 2, the concentration of bismuth sulfate [Bi (NO 3 ) 3 ] is 0.20 [mol / L] and the concentration of sulfuric acid [H 2 SO 4 ] is 1.00 [mol / L]. The concentration of β-naphthol as an additive was 1.00 [g / L]. The plating bath B of Comparative Example 2 had a pH of 1. In Comparative Example 2, the current density at the anode N formed of bismuth was 2.00 A / dm 2 and the bath temperature was 25 ° C.
図４は、各めっき浴によって形成されたオーバーレイ１２における炭素濃度と、疲労損傷面積率との関係を示すグラフである。実施例１（○）において、オーバーレイ１２における炭素濃度は０．０３７ｗｔ％であり、疲労損傷面積率は２．８％であった。実施例２（●）において、オーバーレイ１２における炭素濃度は０．０２１ｗｔ％であり、疲労損傷面積率は６．７％であった。比較例１（△）において、オーバーレイ１２における炭素濃度は０．００８ｗｔ％であり、疲労損傷面積率は６．５％であった。比較例２（▲）において、オーバーレイ１２における炭素濃度は０．００８ｗｔ％であり、疲労損傷面積率は５０．０％であった。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the carbon concentration in the overlay 12 formed by each plating bath and the fatigue damage area ratio. In Example 1 (◯), the carbon concentration in the overlay 12 was 0.037 wt%, and the fatigue damage area rate was 2.8%. In Example 2 (●), the carbon concentration in the overlay 12 was 0.021 wt%, and the fatigue damage area ratio was 6.7%. In Comparative Example 1 (Δ), the carbon concentration in the overlay 12 was 0.008 wt%, and the fatigue damage area ratio was 6.5%. In Comparative Example 2 (▲), the carbon concentration in the overlay 12 was 0.008 wt%, and the fatigue damage area ratio was 50.0%.
図４に示すように、ＥＤＴＡ二ナトリウムを含む実施例１〜２のめっき浴Ｂにおいて、添加剤としてのゼラチンの添加量を大きくするほど、オーバーレイ１２における炭素濃度が大きくなった。一方、ゼラチンが添加されていないめっき浴Ｂを使用した比較例１〜２において、オーバーレイ１２における炭素濃度が小さかった。比較例１〜２の疲労損傷面積率を比較すると、比較例１の方が比較例２よりもオーバーレイ１２の耐疲労性が良好であった。比較例１のオーバーレイ１２におけるビスマスの結晶方位はランダムであり、疲労亀裂が単一方向に長大化しないためと考えられる。 As shown in FIG. 4, in the plating bath B of Examples 1 and 2 containing disodium EDTA, the carbon concentration in the overlay 12 increased as the amount of gelatin added as an additive was increased. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2 using the plating bath B to which gelatin was not added, the carbon concentration in the overlay 12 was small. When the fatigue damage area ratios of Comparative Examples 1 and 2 were compared, the fatigue resistance of the overlay 12 was better in Comparative Example 1 than in Comparative Example 2. This is probably because the crystal orientation of bismuth in the overlay 12 of Comparative Example 1 is random, and fatigue cracks do not increase in a single direction.
実施例１〜２および比較例２は、特許第３９１６８０５号の発明を適用したものではなく、オーバーレイ１２におけるビスマスの結晶方位に配向性が見られた。しかしながら、ビスマスの結晶方位に配向性があるにも拘わらず、実施例１〜２においてオーバーレイ１２の耐疲労性が良好となった。実施例１〜２は、炭素濃度が比較例２よりも大きく、炭素の分散強化によって耐疲労性が良好となったと考えられる。ここで、ビスマスの結晶方位に配向性がある実施例１〜２および比較例２の疲労損傷面積率を結ぶ近似曲線（実線）が示すように、オーバーレイ１２における炭素濃度を大きくするほど、オーバーレイ１２の耐疲労性を良好とすることができる。オーバーレイ１２における炭素濃度を０．０１５％以上とすることにより、オーバーレイ１２におけるビスマスの結晶方位をランダムとした場合と同様の耐疲労性を得ることができる。 In Examples 1 to 2 and Comparative Example 2, the invention of Japanese Patent No. 3916805 was not applied, and orientation was observed in the crystal orientation of bismuth in the overlay 12. However, despite the orientation of the crystal orientation of bismuth, the fatigue resistance of the overlay 12 in Examples 1-2 was good. In Examples 1 and 2, the carbon concentration is higher than that of Comparative Example 2, and it is considered that the fatigue resistance is improved by the dispersion strengthening of carbon. Here, as the approximate curve (solid line) connecting the fatigue damage area ratios of Examples 1-2 and Comparative Example 2 having orientation in the crystal orientation of bismuth shows, the overlay 12 increases as the carbon concentration in the overlay 12 increases. The fatigue resistance can be improved. By setting the carbon concentration in the overlay 12 to 0.015% or more, the same fatigue resistance as when the crystal orientation of bismuth in the overlay 12 is random can be obtained.
ここで、結晶方位をランダムにするようにビスマスのめっき浴Ｂを管理することは困難である。実施例１〜２ではビスマスの結晶方位に配向性があってもオーバーレイ１２の耐疲労性を良好とすることができるため、容易に耐疲労性を良好な摺動部材１を製造できる。むろん、オーバーレイ１２におけるビスマスの結晶方位をランダムにし、かつ、オーバーレイ１２における炭素濃度を大きくしてもよい。また、実施例１〜２を比較すると、オーバーレイ１２における炭素濃度が大きい実施例１の方が実施例２よりも疲労損傷面積率が小さく、めっき浴Ｂに添加された水溶性有機物（ゼラチン）の濃度が大きいほど耐疲労性が良好となる。 Here, it is difficult to manage the bismuth plating bath B so that the crystal orientation is random. In Examples 1 and 2, since the fatigue resistance of the overlay 12 can be improved even if the crystal orientation of bismuth is oriented, the sliding member 1 having excellent fatigue resistance can be easily manufactured. Of course, the crystal orientation of bismuth in the overlay 12 may be made random, and the carbon concentration in the overlay 12 may be increased. Further, when Examples 1 and 2 are compared, Example 1 having a higher carbon concentration in overlay 12 has a smaller fatigue damage area ratio than Example 2, and the water-soluble organic matter (gelatin) added to plating bath B is smaller. The higher the concentration, the better the fatigue resistance.
図５Ａは、比較例１における裏金１０の外側の表面のプロフィールである。同図において、横軸は、裏金１０の外側の表面上におけるすべり軸受Ａの軸方向の位置Ｘ（図１）を示し、縦軸は当該表面に直交する方向の高さＺ（図１）を示す。比較例１における裏金１０の外側の表面の粗さは、Ｒａが０．４８μｍであり、Ｒｚが２．６４μｍであり、Ｒmaxが３．７５μｍであった。図５Ｂは、比較例１における裏金１０の外側の表面の写真である。図２Ｂの実施例１と異なり、図５Ｂの比較例１では裏金１０の鋼をおもに構成する鉄が腐食しているとともに、ビスマスが析出している部分（他の部分よりも明るい略円形部分）が見られる。鉄はビスマスよりもイオン化傾向が大きく、比較例１における酸性めっき浴においてビスマスと鉄との置換が生じた。なお、上述した実験結果に示した各種数値は、第１実施形態と同様の計測機器および計測手法によって計測されたものである。 5A is a profile of the outer surface of the back metal 10 in Comparative Example 1. FIG. In the figure, the horizontal axis indicates the axial position X (FIG. 1) of the slide bearing A on the outer surface of the back metal 10, and the vertical axis indicates the height Z (FIG. 1) in the direction orthogonal to the surface. Show. As for the roughness of the outer surface of the back metal 10 in Comparative Example 1, Ra was 0.48 μm, Rz was 2.64 μm, and R max was 3.75 μm. 5B is a photograph of the outer surface of the back metal 10 in Comparative Example 1. FIG. Unlike Comparative Example 1 in FIG. 2B, in Comparative Example 1 in FIG. 5B, the iron that mainly forms the steel of the back metal 10 is corroded and bismuth is deposited (substantially circular part brighter than other parts). Is seen. Iron had a greater ionization tendency than bismuth, and substitution of bismuth and iron occurred in the acidic plating bath in Comparative Example 1. Note that the various numerical values shown in the experimental results described above are measured by the same measurement equipment and measurement method as those in the first embodiment.
（３）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、軸以外の相手軸２が摺動する部材であってもよく、必ずしも円筒状の軸受Ａを形成しなくてもよい。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。また、ライニング１１は必ずしも焼成によって形成された銅合金でなくてもよく、ライニング１１が圧延によって裏金１０に貼り合わされてもよい。
(3) Other embodiments:
In the above-described embodiment, the sliding member 1 constituting the sliding bearing A for bearing the crankshaft of the engine has been illustrated. However, the sliding bearing 1 for other applications may be formed by the sliding member 1 of the present invention. For example, a transmission gear bush, a piston pin bush, a boss bush, or the like may be formed by the sliding member 1 of the present invention. Of course, the sliding member 1 may be a member on which the mating shaft 2 other than the shaft slides, and the cylindrical bearing A is not necessarily formed. In addition, the back metal 10 should just be formed with the material which can support the load from the other party shaft 2 via the lining 11 and the overlay 12, and does not necessarily need to be formed with steel. The lining 11 is not necessarily a copper alloy formed by firing, and the lining 11 may be bonded to the back metal 10 by rolling.
また、オーバーレイ１２の厚みは、摺動部材１の相手軸２の硬さや荷重や耐用時間等に応じて設定されればよく、前記実施形態のように１０μｍとすることによりエンジンのクランクシャフトの軸受として好適となる。前記実施形態では、ゼラチンをレベリング剤として添加したが、ゼラチン以外の水溶性有機物をレベリング剤として添加してもよい。例えば、本発明のめっき浴Ｂを利用して結晶方位がランダム配向のオーバーレイ１２を形成することにより、オーバーレイ１２における疲労損傷面積率を抑制してもよい。また、オーバーレイ１２は、必ずしもめっきで形成されなくてもよく、スパッタリングや蒸着等によって形成されてもよい。これらの場合、ビスマス膜を成膜した後に、炭素をビスマス膜に拡散させることにより、炭素濃度の大きいオーバーレイ１２を形成してもよい。 Further, the thickness of the overlay 12 may be set in accordance with the hardness, load, service life, etc. of the mating shaft 2 of the sliding member 1, and by setting the thickness to 10 μm as in the above embodiment, the bearing of the crankshaft of the engine. It becomes suitable as. In the above embodiment, gelatin is added as a leveling agent, but a water-soluble organic substance other than gelatin may be added as a leveling agent. For example, the fatigue damage area ratio in the overlay 12 may be suppressed by forming the overlay 12 having a random crystal orientation using the plating bath B of the present invention. The overlay 12 is not necessarily formed by plating, and may be formed by sputtering, vapor deposition, or the like. In these cases, the overlay 12 having a high carbon concentration may be formed by diffusing carbon into the bismuth film after forming the bismuth film.
１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、１２…オーバーレイ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sliding member, 2 ... Opposite axis | shaft, 10 ... Back metal, 11 ... Lining, 12 ... Overlay.
Claims (2)
前記裏金上に形成されたライニングと、
前記ライニング上において１μｍ以上かつ３０μｍ以下の厚みだけ形成されたビスマスのオーバーレイと、を備える摺動部材であって、
前記オーバーレイにおける炭素濃度は、０．０１５ｗｔ％以上、かつ、０．１００ｗｔ％以下である、
摺動部材。 With the back metal,
A lining formed on the backing metal;
A bismuth overlay formed on the lining with a thickness of 1 μm or more and 30 μm or less, and a sliding member comprising:
The carbon concentration in the overlay is 0.015 wt% or more and 0.100 wt% or less.
Sliding member.
前記裏金上に形成されたライニングと、
前記ライニング上において１μｍ以上かつ３０μｍ以下の厚みだけ形成されたビスマスのオーバーレイと、を備えるすべり軸受であって、
前記オーバーレイにおける炭素濃度は、０．０１５ｗｔ％以上、かつ、０．１００ｗｔ％以下である、
すべり軸受。 With the back metal,
A lining formed on the backing metal;
A bismuth overlay formed on the lining with a thickness of 1 μm or more and 30 μm or less, and a plain bearing comprising:
The carbon concentration in the overlay is 0.015 wt% or more and 0.100 wt% or less.
Slide bearing.
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