JP2016109165A - 摺動部材、ハウジング及び軸受装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、特許文献1に示すように従来の軸受装置では、ハウジングと接する摺動部材の外周面、又は摺動部材と接するハウジングの内周面に、硬さが1000HVより大きい硬質皮膜を設けている。このような特許文献1では、摺動部材又はハウジングに硬質皮膜を形成することにより、接触面における硬度を高め、フレッチングにともなう摩耗の低減を図っている。
前記DLC層は、硬さが1000HV以下であり、赤外線分光分析において、化学的に異なる結合状態に起因する下記の波数(1)から波数(5)の吸収波数を含んでいる。
波数(1)2800〜3100cm−1
波数(2)1500〜1800cm−1
波数(3)1200〜1500cm−1
波数(4)3300〜3600cm−1
波数(5) 730〜 930cm−1
前記波数(1)における波数に対する吸収率の積分値はピーク面積値P1、前記波数(2)における吸収率の積分値はピーク面積値P2、及び前記波数(3)における吸収率の積分値はピーク面積値P3としたとき、
(P1+P3)/(P1+P2+P3)≧0.50
である。
前記DLC層は、硬さが1000HV以下であり、赤外線分光分析において、化学的に異なる結合状態に起因する下記の波数(1)から波数(5)の吸収波数を含んでいる。
波数(1)2800〜3100cm−1
波数(2)1500〜1800cm−1
波数(3)1200〜1500cm−1
波数(4)3300〜3600cm−1
波数(5) 730〜 930cm−1
前記波数(1)における波数に対する吸収率の積分値はピーク面積値P1、前記波数(2)における吸収率の積分値はピーク面積値P2、及び前記波数(3)における吸収率の積分値はピーク面積値P3としたとき、
(P1+P3)/(P1+P2+P3)≧0.50
である。
また、本実施形態のハウジングでは、前記ピーク面積値P1及び前記ピーク面積値P3は、P1/(P1+P3)≧0.50である。
また、本実施形態のハウジングでは、前記波数(4)における吸収率の積分値はピーク面積値P4、及び前記波数(5)における吸収率の積分値はピーク面積値P5としたとき、前記ピーク面積値P4及び前記ピーク面積値P5を含む。
上述のようにピーク面積値P4はsp−CH結合に由来し、ピーク面積値P5はsp2−CH2結合に由来する。これらsp−CH結合及びsp2−CH2結合を含むことにより、DLC層は、変形に対する耐久性が向上するとともに、耐摩耗性も向上する。従って、DLC層の破壊や剥離が低減され、フレッチングに対する耐性をより高めることができる。
また、本実施形態のハウジングでは、前記ピーク面積値P1、前記ピーク面積値P4及び前記ピーク面積値P5は、P1/(P1+P4+P5)≧0.50である。
P1/(P1+P4+P5)≧0.50となる関係により、DLC層は、耐摩耗性と、変形に対する耐久性とがともに向上する。従って、フレッチングに対する耐性をより高めることができる。また、これらピーク面積値P4及びピーク面積値P5の関係は、P1/(P1+P4+P5)≧0.75とするのが好ましい。
軸受合金層の表面に軟質層を設けることにより、摺動する相手部材から受ける外力は、軟質層によって緩和される。すなわち、裏金層を挟んで軸受合金層とは反対側の面に設けられているDLC層に伝わる外力は、軟質層が変形することによって吸収される。そのため、DLC層の変形や摩耗は、軸受合金層側に軟質層を設けることによって軽減される。従って、フレッチングに対する耐性をより高めることができる。
従って、摺動部材又はハウジングに設けられたDLC層の剥離や破壊が低減され、フレッチングに対する耐性をより高めることができる。
まず、本実施形態の軸受装置を適用した発動機について説明する。一実施形態の場合、軸受装置は、発動機として例えばディーゼルエンジン又はガソリンエンジンに適用される。
図2及び図3に示すように、軸受装置10は、摺動部材11とハウジング12とを備えている。一実施形態の場合、摺動部材11は、円筒状に形成され、その中心軸を含む平面で2つに分割されている。即ち、摺動部材11は、それぞれ半円筒状の上側部材13及び下側部材14を有している。2つに分割された摺動部材11は、ハウジング12の内周側に収容されている。ハウジング12は、発動機のコネクティングロッド15の一部分である。コネクティングロッド15は、その長手方向においてハウジング12と反対側の端部が図示しないピストンに接続されている。ハウジング12は、互いに分離可能な上側ハウジング16及び下側ハウジング17を有している。下側ハウジング17は、上側ハウジング16との間に摺動部材11を収容する。
本実施形態の摺動部材11のDLC層23は、硬さが1000HV以下である。そして、DLC層23は、化学的な結合状態が制御されている。DLC層23の化学的な結合状態は、赤外線スペクトルの分光分析によって確認している。DLC層23の赤外線スペクトルについて分光分析を行なうと、図4に示すように波数(1)から波数(5)の特有の吸収波数が確認される。この吸収波数は、次の通りである。
sp3−CH3結合又はsp3−CH2結合に起因
・波数(2):1500〜1800cm−1
sp2−C結合に起因
・波数(3):1200〜1500cm−1
オレフィン性(Olefenic)のsp2−CH2結合又はsp3−CH3結合に起因
・波数(4):3300〜3600cm−1
sp−CH結合に起因
・波数(5):730〜930cm−1
オレフィン性のsp2−CH2結合に起因
R1=(P1+P3)/(P1+P2+P3)
そして、このピーク面積比R1は、
R1≧0.50
である。これは、DLC層23は、ピーク面積値P1及びピーク面積値P3の由来となるsp3−CH3結合を多く含むことを示している。このsp3−CH3結合は、他のsp2結合やsp結合に比較してDLCの柔軟性を高くする。そのため、R1≧0.5となる関係は、DLC層23の変形に対する耐久性が向上することを示している。
そこで、本実施形態のDLC層23の場合、ピーク面積比R2は、ピーク面積値P1及びピーク面積値P3を用いて次のように算出される。
R2=P1/(P1+P3)
そして、このピーク面積比R2は、
R2≧0.50
である。これは、本実施形態のDLC層は、sp3−CH3結合をより多く含むことを意味している。これにより、DLC層23は柔軟性がより向上し、変形に対する耐久性が向上する。
ここで、本実施形態のDLC層23の場合、ピーク面積比R3は、ピーク面積値P1、ピーク面積値P4及びピーク面積値P5を用いて次のように算出される。
R3=P1/(P1+P4+P5)
そして、このピーク面積比R3は、
R3≧0.50
である。この関係を満たすことにより、DLC層23は、耐摩耗性と、変形に対する耐久性とがともに向上する。
摺動部材11における裏金層21及び軸受合金層22は、周知の製造方法を利用して製造する。裏金層21及び軸受合金層22からなる基材は、DLC層23を形成するための形成装置に収容される。DLC層23を形成する場合、この形成装置の内部には、まず水素ガスが導入される。これとともに、形成装置の内部に収容された基材は、任意の電圧が印加される。このように基材には、電圧が印加された状態において、プラズマ化学気相成長法(CVD)や物理気相成長法(PVD)等を用いてDLC層23が形成される。基材に印加する電圧及び形成装置の内部へ導入する水素ガスの量を調整することにより、形成されるDLC層23の化学的な結合状態は制御される。
次に、上述の摺動部材11の実施例について説明する。
図6に示すように、実施例に相当する試料1〜試料20、及び比較例に相当する試料21〜試料23について摺動部材11の検証を行なった。検証は、油圧振動試験機による振動試験によって行なった。振動試験は、図2及び図3に示すように自動車用エンジンのコネクティングロッド15と一体に設けられているハウジング12に、摺動部材11を取り付けて行なった。ハウジング12に取り付けられた摺動部材11は、相手部材としての軸部材19を支持する。振動試験では、この軸部材19に30kNの振動荷重を加えた。この振動試験の条件は、次の通りとした。摺動部材11と軸部材19とのオイルクリアランスは、0.05mmに設定した。振動試験で加える振動の周波数は、60Hzに設定した。振動試験において振動を加える回数は、5×106回に設定した。振動試験は、150℃及び180℃でそれぞれ行なった。
クラックランク1:DLC層が形成されている摺動部材の外周面の全体にわたってDLC層の剥離をともなう激しいクラックが発生
クラックランク2:DLC層が形成されている摺動部材の外周面の全体にわたるDLC層の剥離は無いものの、激しいクラックが発生
クラックランク3:DLC層が形成されている摺動部材の外周面に、クラックがわずかに発生
クラックランク4:DLC層が形成されている摺動部材の外周面に、わずかな微小クラックを確認
クラックランク5:DLC層が形成されている摺動部材の外周面に、クラックが無い
摩耗ランク2:DLC層が形成されている摺動部材の外周面に、DLC層の剥離をともなう激しい摩耗がある
摩耗ランク3:DLC層が形成されている摺動部材の外周面の全体にわたってDLC層のわずかな摩耗がある
摩耗ランク4:DLC層が形成されている摺動部材の外周面に、DLC層のわずかな摩耗がある
摩耗ランク5:DLC層が形成されている摺動部材の外周面に、DLC層の摩耗がない
これらクラックランク及び摩耗ランクにおいて、クラックランクが3以上であって、摩耗ランクが3以上であるとき、フレッチング損傷は「なし」と評価した。すなわち、これらクラックランク及び摩耗ランクの数値が大きいほど、フレッチングに対する耐性は高いことを示す。
実施例となる試料1から試料20は、DLC層23の硬さが1000HV以下であり、かついずれもピーク面積比R1がR1≧0.50である。これら試料1から試料20は、いずれもフレッチング損傷が認められなかった。これに対し、DLC層23の硬さが1000HVより大きな比較例となる試料21及び試料22は、いずれもフレッチング損傷が認められた。また、DLC層23の硬さが1000HV以下であるものの、ピーク面積比R1がR1≧0.5でない試料23は、フレッチング損傷が認められた。
これにより、本実施形態は、DLC層23の硬さ及びピーク面積比R1を設定することにより、フレッチング損傷を低減できることが明らかになった。
試料4から試料6のDLC層23は、ピーク面積比R2がR2≧0.50である。そのため、ピーク面積比R2がR2<0.50である試料1から試料3と比較して、フレッチングが改善されている。
これにより、sp3−CH3結合をより多く含むDLC層23は、柔軟性がより向上し、変形に対する耐久性が向上することがわかる。そして、sp3−CH3結合をより多く含むDLC層23は、フレッチングの低減に寄与することが明らかである。
試料7から試料9は、DLC層23にいずれもピーク面積値P4及びピーク面積値P5を含んでいる。そのため、DLC層23にピーク面積値P4及びピーク面積値P5を含まない試料1から試料3と比較して、耐摩耗性が改善されている。また、試料10から試料12は、DLC層23にいずれもピーク面積値P4及びピーク面積値P5を含んでいる。そのため、DLC層23にピーク面積値P4及びピーク面積値P5を含まない試料4から試料6と比較して、耐摩耗性が改善されている。
これにより、DLC層23は、ピーク面積値P4の由来となるsp−CH結合及びピーク面積値P5の由来となるsp2−CH2結合を含むことにより、変形に対する耐久性が向上するとともに、耐摩耗性が向上することがわかる。
試料13から試料15は、ピーク面積値P4及びピーク面積値P5から算出されるピーク面積比R3がR3≧0.50である。そのため、ピーク面積比R3がR3<0.50である試料10から試料12に比較して、フレッチングが低減されている。
これにより、DLC層23は、sp−CH結合及びsp2−CH2結合の割合を特定することにより、耐摩耗性が維持されつつ、変形に対する耐久性の向上が図られることが分かる。その結果、DLC層23の耐フレッチング性は大きく改善されることが明らかである。
試料16から試料20は、いずれも軸受合金層22の表面に軟質層24が設けられている。試料16から試料20は、軟質層24が設けられていない試料1から試料15に比較してクラック及び摩耗が低減されていることが分かる。このように、軸受合金層22の表面に軟質層24を設けることにより、軸部材19からDLC層23へ伝わる外力が軟質層24で緩和され、DLC層23の変形や摩耗が低減されていることがわかる。
これにより、軟質層24を設けることにより、DLC層23の耐フレッチング性は大きく改善されることが明らかとなった。
Claims (10)
- 裏金層と、前記裏金層の一方の面側に設けられている軸受合金層と、前記裏金層の少なくとも前記軸受合金層と反対側の面に設けられているDLC層と、を備える摺動部材において、
前記DLC層は、硬さが1000HV以下であり、赤外線分光分析において、化学的に異なる結合状態に起因する下記の波数(1)から波数(5)の吸収波数を含んでおり、
波数(1)2800〜3100cm−1
波数(2)1500〜1800cm−1
波数(3)1200〜1500cm−1
波数(4)3300〜3600cm−1
波数(5) 730〜 930cm−1
前記波数(1)における波数に対する吸収率の積分値はピーク面積値P1、前記波数(2)における吸収率の積分値はピーク面積値P2、及び前記波数(3)における吸収率の積分値はピーク面積値P3としたとき、
(P1+P3)/(P1+P2+P3)≧0.50
である摺動部材。 - 前記ピーク面積値P1及び前記ピーク面積値P3は、
P1/(P1+P3)≧0.50
である請求項1記載の摺動部材。 - 前記波数(4)における吸収率の積分値はピーク面積値P4、及び前記波数(5)における吸収率の積分値はピーク面積値P5としたとき、
前記ピーク面積値P4及び前記ピーク面積値P5を含む請求項2記載の摺動部材。 - 前記ピーク面積値P1、前記ピーク面積値P4及び前記ピーク面積値P5は、
P1/(P1+P4+P5)≧0.50
である請求項3記載の摺動部材。 - 前記軸受合金層の表面に、前記軸受合金層よりも硬度の小さな軟質層を備える請求項1から4のいずれか一項記載の摺動部材。
- 径方向内側に保持する摺動部材と接する面側にDLC層を備えるハウジングにおいて、
前記DLC層は、硬さが1000HV以下であり、赤外線分光分析において、化学的に異なる結合状態に起因する下記の波数(1)から波数(5)の吸収波数を含んでおり、
波数(1)2800〜3100cm−1
波数(2)1500〜1800cm−1
波数(3)1200〜1500cm−1
波数(4)3300〜3600cm−1
波数(5) 730〜 930cm−1
前記波数(1)における波数に対する吸収率の積分値はピーク面積値P1、前記波数(2)における吸収率の積分値はピーク面積値P2、及び前記波数(3)における吸収率の積分値はピーク面積値P3としたとき、
(P1+P3)/(P1+P2+P3)≧0.50
であるハウジング。 - 前記ピーク面積値P1及び前記ピーク面積値P3は、
P1/(P1+P3)≧0.50
である請求項6記載のハウジング。 - 前記波数(4)における吸収率の積分値はピーク面積値P4、及び前記波数(5)における吸収率の積分値はピーク面積値P5としたとき、
前記ピーク面積値P4及び前記ピーク面積値P5を含む請求項7記載のハウジング。 - 前記ピーク面積値P1、前記ピーク面積値P4及び前記ピーク面積値P5は、
P1/(P1+P4+P5)≧0.50
である請求項8記載のハウジング。 - 請求項1から5のいずれか一項記載の摺動部材、または請求項6から9のいずれか一項記載のハウジングのうち、少なくともいずれか一方を備える軸受装置。
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