JP2018048590A - 軸受の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼き付きを抑制しつつ摺動面の疲労又は摩耗を抑制することができる軸受の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る軸受１０の製造方法は、鋼よりも軟らかい軟質層１５が摺動面１３に配置された軸受１０の軟質層１５の表面に、酸化チタンからなる酸化チタン層１６をスパッタリングで配置することを特徴とする。本発明によれば、軟質層１５の表面に酸化チタン層１６がスパッタリングで配置された軸受１０を製造することができる。本発明によれば、焼き付きを抑制しつつ、摺動面１３の疲労又は摩耗を抑制することができる。【選択図】図３

Description

本発明は軸受の製造方法に関する。

従来、軸を回転可能に支持する軸受として、軸に対して摺動する摺動面を有する軸受が知られている（例えば特許文献１参照）。このような軸受は、軸の外周面が軸受の摺動面上を摺動するように軸に配置されて、この軸を回転可能に支持する。

なお、本発明に関連する他の先行技術文献として、特許文献２が挙げられる。この特許文献２には、アルミニウムの表面に酸化チタン（具体的にはＴｉＯ_２）を電解析出法によって形成する方法が開示されている。

特開２０１５−１７８６５５号公報 特表２０１４−５１７２０８号公報

ところで、一般に、軸の素材として、鋼が多く用いられている。そのため、軸受の摺動面が鋼によって構成されている場合、軸の鋼を軸受の鋼によって支持することになるため、軸と軸受との間の摩擦熱によって、焼き付きが生じる可能性がある。そこで、この焼き付きを抑制するために、軸の摺動面に、例えば、アルミニウム等のような、鋼よりも軟らかい材質からなる層（以下、「軟質層」と称する）を配置することが考えられる。しかしながら、このような軸受を用いた場合、今度は、軸から受ける荷重（すなわち負荷荷重）が大きい場合に、摺動面が軸から受ける荷重によって疲労又は摩耗する可能性がある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、焼き付きを抑制しつつ摺動面の疲労又は摩耗を抑制することができる軸受の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る軸受の製造方法は、鋼よりも軟らかい軟質層が摺動面に配置された軸受の前記軟質層の表面に、酸化チタンからなる酸化チタン層をスパッタリングで配置することを特徴とする。

本発明によれば、軟質層の表面に酸化チタン層がスパッタリングで配置された軸受を製造することができる。ここで、酸化チタン層は、軟質層よりも耐疲労性や耐摩耗性が優れているので、軟質層の表面に酸化チタン層が配置されておらず、軟質層が摺動面の表面に露出したタイプの軸受に比較して、軸から受ける荷重によって摺動面が疲労又は摩耗することを抑制することができる。また、このようにスパッタリングで配置された酸化チタン層は、その表面に微細孔を複数個有しているので、この酸化チタン層の微細孔の保油性によって、摺動面の摩擦係数を低減することができる。これにより、軸受の摺動特性を向上させることができるので、焼き付きを抑制することができる。

図１（ａ）は実施形態に係る軸受と軸を模式的に示す正面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面を模式的に示す図である。 上部軸受の断面の一部を模式的に拡大した拡大断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は軸受の製造工程の一例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る軸受１０の製造方法について図面を参照しつつ説明する。具体的には、最初に本実施形態に係る製造方法で製造された軸受１０の構成について説明し、次いで、この軸受１０の製造方法について説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように模式的に図示しており、各部材の板厚や幅や長さなどの比率は必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。

図１（ａ）は、本実施形態に係る軸受１０と、この軸受１０に支持された軸１を模式的に示す正面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面を模式的に示す図である。軸受１０は、軸１に対して摺動する摺動面１３を有するタイプの軸受であり、いわゆるすべり軸受である。この軸受１０は、軸受１０の内周面が摺動面１３になっており、軸１の外周面が軸受１０の摺動面１３上を摺動するようにして、軸１を回転可能に支持している。

なお、軸受１０の摺動面１３と軸１の外周面との間には、潤滑油やグリース等の潤滑剤（図示せず）が供給されており、これにより、軸受１０と軸１との間の摩擦係数の低減が図られている。また、軸受１０は、この軸受１０を保持する軸受保持部材（図示せず）によって保持されており、これにより、軸受１０は、軸１と一緒に回転しないようになっている。

軸１の材質は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例として鋼（ｓｔｅｅｌ）を用いている。また、本実施形態に係る軸１は、具体的には、内燃機関に適用された軸である。この内燃機関に適用された軸の具体例として、本実施形態においては、内燃機関のクランクシャフトを用いている。この場合、本実施形態に係る軸受１０は、クランクシャフトの具体的にはクランクジャーナル部やクランクピン部を回転可能に支持している。なお、軸受１０がクランクシャフトのクランクピン部を支持している場合、この軸受１０を保持する軸受保持部材は、コンロッドの大端部によって構成されている。

また、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係る軸受１０は、円筒形状の部材が２分割されて、上部軸受１１と下部軸受１２とに分かれた構成になっている。上部軸受１１及び下部軸受１２は、それぞれ半円筒形状（断面が半円弧状の筒形状）の部材であり、上部軸受１１は軸１を上方側から支持し、下部軸受１２は軸１を下方側から支持している。

図２は、上部軸受１１の断面の一部を模式的に拡大した拡大断面図である。上部軸受１１は、この上部軸受１１の曲率中心から遠い順に、基材部１４、軟質層１５、及び酸化チタン層１６を備えている。なお、下部軸受１２の断面構造は、上部軸受１１と同様であるため、図２において下部軸受１２の断面構造の図示は省略されているが、下部軸受１２も、その下部軸受１２の曲率中心から遠い順に、基材部１４、軟質層１５、及び酸化チタン層１６を備えている。

基材部１４の材質の一例として、本実施形態においては、鋼を用いている。

軟質層１５は、鋼よりも軟らかい素材、具体的には軸１の素材である鋼よりも軟らかい素材によって構成された層である。ここで、本実施形態において、軟らかいとは、具体的には硬度（例えばブリネル硬度）が低いことを意味している。このような軟質層１５の材
質の具体例としては、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銅（Ｃｕ）、又は銅合金を用いることができる。

酸化チタン層１６は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）からなる層であり、軟質層１５の表面（具体的には内周面）に配置されている。

すなわち、本実施形態に係る上部軸受１１及び下部軸受１２は、上部軸受１１及び下部軸受１２の骨格を構成する基材部１４の内周面に、軟質層１５が配置され、この軟質層１５の内周面に酸化チタン層１６が配置された構造になっている。また、この上部軸受１１及び下部軸受１２は、軸受１０の摺動面１３に軟質層１５が露出しておらず、摺動面１３に酸化チタン層１６が露出した構造になっている。

続いて、上述した軸受１０の製造方法について説明する。図３（ａ）〜図３（ｃ）は軸受１０の製造工程の一例を示す模式図である。具体的には図３（ａ）〜図３（ｃ）は、上部軸受１１の製造工程の一例を模式的に示している。下部軸受１２の製造工程は上部軸受１１の製造工程と同様であるため、図示は省略されている。

本実施形態に係る軸受１０の製造方法は、準備工程（図３（ａ））と、スパッタリング工程（図３（ｂ）、図３（ｃ））とを含んで構成されている。

まず、図３（ａ）に示す準備工程においては、軟質層１５が摺動面１３に配置された軸受１０（以下、これを中間体２０と称する）を準備する。前述したように、軟質層１５の材質の具体例としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銅（Ｃｕ）、又は銅合金を用いることができる。

軟質層１５の材質としてアルミニウム合金を用いる場合、このアルミニウム合金として、例えばアルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、これに銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）等から選択された添加物質が含有されたものを用いることができる。

なお、仮に、軟質層１５の材質として銅合金を用いる場合、この銅合金として、例えば銅を主成分としつつ、これに亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）等から選択された添加物質が含有されたものを用いることができる。

上述した準備工程の次に、図３（ｂ）に示すスパッタリング工程が実行される。このスパッタリング工程においては、中間体２０の軟質層１５の表面に、酸化チタンからなる酸化チタン層１６をスパッタリングで配置する。

具体的には、まず、図３（ａ）の中間体２０を、スパッタリング装置内に設置する。そして、成膜対象である軟質層１５の表面に、アルゴンイオンを衝突させることで、軟質層１５の表面の不動体膜等を除去する（これをアルゴンイオンボンバードと称する）。次いで、このアルゴンイオンボンバード後の中間体２０に対して、スパッタリングのターゲットとして酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いて、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスと酸素（Ｏ_２）の混合ガスの雰囲気下でスパッタリングを行って、酸化チタンを軟質層１５の表面に成膜させる。この結果、図３（ｃ）に示すような、軟質層１５の表面に酸化チタン層１６が皮膜状にコーティングされた軸受１０が得られる。

なお、酸化チタン層１６の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、数ミクロン（μｍ）〜数十ミクロンの厚みを用いることができる。また、このようにスパッタリングで形成された酸化チタン層１６は、その表面に微細な孔（微細孔）を複数個有する構造
になっている。

以上説明した本実施形態によれば、軟質層１５の表面に酸化チタン層１６がスパッタリングで配置された軸受１０を製造することができる。ここで、酸化チタン層１６は軟質層１５よりも耐疲労性や耐摩耗性が優れている。したがって、本実施形態によれば、軟質層１５の表面に酸化チタン層１６が配置されておらず、軟質層１５が摺動面１３の表面に露出したタイプの軸受に比較して、軸１から受ける荷重によって摺動面１３が疲労又は摩耗することを抑制することができる。また、このようにスパッタリングで配置された酸化チタン層１６は、その表面に微細孔を複数個有しているので、この酸化チタン層１６の微細孔の保油性によって、摺動面１３の摩擦係数を低減することができる。具体的には、酸化チタン層１６の微細孔が潤滑剤を効果的に保持することができるので、この微細孔に保持された潤滑剤によって摺動面１３の摩擦係数を効果的に低減することができる。これにより、軸受１０の摺動特性を向上させることができるので、焼き付きを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、酸化チタン層１６の形成手法としてスパッタリングを用いているので、電解析出法等のような湿式メッキ法を用いる場合に比較して、酸化チタン層１６を緻密に形成することができる。これにより、湿式メッキ法を用いる場合に比較して、酸化チタン層１６の耐疲労性能を効果的に高くすることができる。

また、本実施形態によれば、図３において前述したように、アルゴンイオンボンバードを実行した上で酸化チタン層１６をスパッタリングで形成しているので、アルゴンイオンボンバードによって軟質層１５の表面の不動体膜を除去した後に酸化チタン層１６を形成することができる。これにより、酸化チタン層１６の軟質層１５に対する密着性を向上させることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 軸
１０ 軸受
１１ 上部軸受
１２ 下部軸受
１３ 摺動面
１４ 基材部
１５ 軟質層
１６ 酸化チタン層
２０ 中間体

Claims (3)

1. 鋼よりも軟らかい軟質層が摺動面に配置された軸受の前記軟質層の表面に、酸化チタンからなる酸化チタン層をスパッタリングで配置することを特徴とする軸受の製造方法。
2. 前記軟質層の材質は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅合金であることを特徴とする請求項１記載の軸受の製造方法。
3. 前記軸受は、内燃機関に適用された軸を支持する軸受であることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受の製造方法。

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