JP2018119593A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば車両用エンジンの軸受に要求される特性、特に耐焼付性を維持しつつ、製造コストを抑制できる摺動部材を提供する。【解決手段】基材層、該基材層の上に物理気相成長法により形成される滑り層及び該滑り層の上に形成される樹脂層を備える摺動部材であって、樹脂層は熱可塑性樹脂と固体潤滑剤とを含み、その表面の算術平均粗さＲａが１．５μｍ以上である、及び／又は最大粗さＲｚが５．０μｍ以上である摺動部材。【選択図】 図１

Description

本発明は摺動部材の改良に関する。この摺動部材は車両エンジン用の軸受として好適である。

この摺動部材は、例えば半割筒状の裏金層に軸受合金層を重ねて基材層とし、基材層の表面に比較的軟質なオーバーレイ層をコーティングして摺動面とする。
ここに、耐焼付性及び耐疲労性等を向上するために硫
化モリブデン等の固体潤滑剤を含んだ樹脂でオーバーレイ層を形成することが提案されている（特許文献１）。更に、耐疲労性を向上する見地から樹脂オーバーレイ層と基材層との間に滑り層をスパッタリングにより形成することが提案されている（特許文献２、特許文献３）。
一般的に、樹脂オーバーレイ層の表面は平滑とすべきと考えられていた。例えば、基材層に直接積層される樹脂オーバーレイ層を開示する特許文献４の段落０００８には、その表面粗さが５μｍＲｚを超えると、摩擦係数が高くなりまた流体潤滑が妨げられるので、５μｍＲｚ以下であることが必要であると記載されている。

特開平０４−８３９１４号公報 特開２００６−２８３９０５号公報 特開２００７−９２９９５号公報 特開平０７−２３８９３６号公報

スパッタリング滑り層の上に形成される樹脂オーバーレイ層の表面粗さを特許文献３に示されるように比較的平滑にしておくと優れた耐焼付性が得られる。
しかしながら、かかる特性を維持するには、樹脂オーバーレイ層の表面粗さを厳密に制御する必要がある。そのため、工程管理に手間がかかり、スループット向上が制限される。このことが摺動部材の製造コストを引き上げる一因となる。

この発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、車両用エンジンの軸受に要求される特性、特に耐焼付性を維持しつつ、製造コストを抑制できる摺動部材を提供することを目的とする。
本発明者らはかかる目的を達成すべき鋭意検討を重ねてきた。その結果、樹脂層の表面を所定程度粗くしても耐焼付性が維持されることを見出した。これは、表面を粗くすると摺動抵抗が高くなるが、粗くした表面の凹部に潤滑油が保持されやすくなるため、結果として耐焼付性の低下が抑制されるものと考えられる。摺動面となる層の表面に大きめの粗さが許されることは、その製造工程管理が容易になることを指し、もって製造コストを抑制して安価な摺動部材の提供が可能となる。

即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
基材層、該基材層の上に物理気相成長法により形成される滑り層及び該滑り層の上に形成される樹脂層を備える摺動部材であって、
前記樹脂層は樹脂と固体潤滑剤とを含み、その表面の算術平均粗さＲａが１．５μｍ以上である、及び／又は最大粗さＲｚが５．０μｍ以上である摺動部材。
このように規定される第１の局面の摺動部材によれば、樹脂層の摺動面の表面粗さが従来例のものに比べて粗くなっても、その耐焼付性が維持される。
また、樹脂層の表面粗さを従来より粗くすることにより、摺動部材の製造管理に手間がかからなくなり、これを容易にかつ高いスループットで製造可能となる。従って、摺動部材の製造コストが低下する。
ここに、算術平均粗さＲａと最大粗さＲｚはともにＩＳＯ４２８７に基づく値である。
算術平均粗さＲａは３．０μｍ以下が摩擦抵抗の大きさの観点から好ましく、その範囲においても摺動部材の耐焼付性は従来品とほぼ同等の性能を示す。
耐焼付性を維持しつつ製造コスト低減を可能とする見地から、算術平均粗さＲａの更に好ましい範囲は、１．５μｍを超えて２．３μｍ以下である。
同様に、最大粗さＲｚは１２．０μｍ以下が摩擦抵抗の大きさの観点から好ましく、その範囲で摺動部材の耐焼付性が従来品とほぼ同等の性能を示す。
耐焼付性を維持しつつ製造コスト低減を可能とする見地から、最大粗さＲｚの更に好ましい範囲は、５．０μｍを超えて８．０μｍ以下である。
樹脂層の表面粗さは、算術平均粗さＲａが１．５μｍ以上かつ最大粗さＲｚが５．０μｍ以上であることが好ましい。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面に記載の摺動部材において、前記基材層の表面に凹凸が形成され、この凹凸が前記滑り層及び前記樹脂層の表面形状に反映している。
スパッタ等物理気相成長法により形成される滑り層や塗布等により形成される樹脂層はその下地層の形状になじみやすく、下地層の凹凸を反映してその表面に凹凸を形成する。
ここに、樹脂層の表面に求められる算術平均粗さＲａが１．５μｍ以上及び／又は最大粗さＲｚが５．０μｍ以上であるところ、この程度の表面粗さになるように凹凸を基材層の表面に形成することは容易である。例えば、ボーリング加工により基材層の表面を形成する場合、従来例に比べて切削速度を向上させられる。もって、スループットの向上、ひいては製造コストの削減を達成できる。

この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面に規定の摺動部材において、前記基材層の表面は平滑である。
ここに平滑とは、従来例の摺動部材で利用した基材層であって意図的に凹凸を設けていないものの表面と同じ粗さをいう。例えば、その表面の算術平均粗さＲａが１．５μｍ未満又は最大粗さＲｚが５．０μｍ未満である樹脂層を有する摺動部材に用いられた基材層の表面は平滑なものとする。ブローチ加工により基材層の表面を形成しても良い。
これにより、基材層として従来品をそのまま利用することができるので、部品共通化の観点から製造コストの低減を達成できる。
なお、従来品の、即ち平滑な表面を持つ基材層を用いたときにはその上へスパッタリングにより形成される滑り層の表面が平滑になる。よって、ここでは、樹脂層の表面形状を所定の方法で形成してその算術平均粗さや最大粗さを所定のものとする。
滑り層の表面を平滑なものとしたり凹凸を形成しても良い。

この発明の第４の局面は次のように規定される、即ち、第１〜第３の局面の何れかに記載の摺動部材において、前記樹脂はポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド若しくはこれらのポリマーアロイ等混合体を含み、前記固体潤滑剤は硫化モリブデンを含む。
この第４の局面で採用される材料の組合せは、本発明で採用する樹脂層を持つ摺動部材において、高い耐焼付性を確保する見地から好ましいものである。

この発明の第５の局面は次のように規定される、即ち、第１〜第４の局面の何れかに記載の摺動部材において、前記滑り層の材質はＳｎ及びＣｕを含むＡｌ合金である。
この第５の局面で採用される材料の組合せは、本発明で採用する樹脂層を持つ摺動部材において、高い耐焼付性を確保する見地から好ましいものである。

図１はこの発明の実施例の摺動部材の構造を示す模式図である。

図１には、この発明の実施形態の摺動部材１の層構成を示す。
この摺動部材１は基材層４の摺動面側に滑り層５及び樹脂層６を順に積層した構成である。
軸受として使用される摺動部材１において、その基材層４は筒状又は半円筒状に附形された鋼板からなる裏金層２を備え、必要に応じて裏金層２の内周面上ににＡｌ、Ｃｕ、Ｓｎ等を主とする合金からなる軸受合金層３が設けられる。
基材層４とその後に形成される滑り層５との接着性を向上させるため、基材層４の内周面を前処理することが好ましい。前処理の方法として、アルカリエッチングと酸洗との組み合わせのような化学的表面処理方法やショットブラスト等の機械的表面処理方法を採用できる。また、基材層４と滑り層５との間に中間層を設けても良い。
この基材層４の表面へ凹凸を設け、この凹凸がその後に形成される滑り層５と樹脂層６に反映されて、樹脂層６に所望の表面粗さを付与できるようにすることが好ましい。滑り層５及び樹脂層６はその下地に倣うので、基材層４の表面の凹凸は、実質的に算術平均粗さＲａが１．５μｍ以上３．０μｍ以下、及び／又は最大粗さＲｚが５．０μｍ以上１２．０μｍ以下とするのが良い。

滑り層５は周知のスパッタリング法により形成される。
滑り層５の成形材料となるターゲット合金の材料やスパッタ条件（スパッタ時間、電位、不活性ガスの種類、成膜時の基材温度等）は摺動部材の使用目的や要求される性能に応じて任意に選択できる。
なお、この滑り層５の成形材料として、Ａｌ−Ｓｎ−Ｃｕ系やＡｌ−Ｓｎ系（特許文献２参照）のものを用いることができる。この発明のように樹脂層の表面を粗くしたものは、比較的軟質な前者Ａｌ−Ｓｎ−Ｃｕ系を用いることが好ましい。この滑り層５を構成する金属にＳｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｉの一種又は複数種を添加することができる。
スパッタリングによる滑り層５の厚さは１〜５０μｍとすることが好ましい。

樹脂層６は樹脂と固体潤滑剤とを含む。
樹脂は摺動部材の用途に応じて任意に選択可能であるが、例えばポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、およびエラストマーの一種以上を採用でき、ポリマーアロイであっても良い。
固体潤滑剤の材質も摺動部材の用途に応じて適宜選択できる。例えば、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ｈ−ＢＮ（ｈ−窒化ホウ素）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、メラミンシアヌレート、フッ化カーボン、フタロシアニン、グラフェンナノプレートレット、フラーレン、超高分子量ポリエチレン（三井化学製、商標名「ミペロン」）、Ｎε−ラウロイル−Ｌ−リジン（味の素製、商標名「アミホープ」）等の１種以上を選択できる。

固体潤滑剤の配合量も摺動部材の用途に応じて任意に選択できるが、例えば、樹脂層６を構成する樹脂組成物全体を１００vol. ％としたとき、この固体潤滑剤１１を２０vol.％以上７０vol.％以下とすることができる。
樹脂層６の膜厚も摺動部材の用途に応じて任意に選択できる。例えば、１μｍ以上２０μｍ以下とする。
樹脂層６には固体潤滑剤の他に耐摩耗剤を添加できる。耐摩耗剤には、平均粒径が小さく（平均粒径：１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、樹脂中で凝集する金、銀、酸化シリコン（シリカ）、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム等からなる保護強化粒子がある。この保護強化粒子の配合量は配合は１vol.％以上２０vol.％以下とする。かかる保護強化粒子の他、比較的粒径が大きく（１００ｎｍ〜）それ自体凝集しない硬質粒子を耐摩耗剤として用いることもできる。かかる硬質粒子として、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化シリコン、及び酸化マグネシウムのような酸化物、窒化ケイ素、及び立方窒化ホウ素のような窒化物、及び炭化ケイ素のような炭化物、並びにダイヤモンド等が挙げられる。この硬質粒子の配合量は１vol.％以上５vol.％以下とする。

樹脂層６は次のようにして形成される。
先ずは、溶剤に溶かしたポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂へ固体潤滑剤及び必要に応じてその他の助剤を混合して塗液とする。
この塗液を周知の方法で滑り層５の表面に塗布し、その後乾燥、加熱して樹脂層６とする。
塗布の方法として、パッド印刷法、スクリーン印刷法、エアスプレー法、エアレススプレー法、静電塗装法、タンブリング法、スクイズ法、ロール法、ロールコート法等を採用できる。
乾燥は自然乾燥若しくは熱風乾燥を採用できる。焼成の加熱条件としては１５０〜３５０℃（空気中）を採用して、塗液を滑り層５に焼き付ける。

下地である滑り層５に凹凸があるとその凹凸が樹脂層６の表面に反映する。滑り層５の表面の算術平均粗さＲａを１．５μｍ以上３．０μｍ以下とすると、この粗さが樹脂層６に反映してその表面の算術平均粗さＲａが１．５μｍ以上３．０μｍ以下となる。換言すれば、滑り層５にかかる凹凸を形成するには、基材層４に予め同等の表面粗さの凹凸を形成しておく。最大粗さＲｚで制御する場合も同様である。

その他、樹脂層６の下地の層が平滑なとき、樹脂層６の表面へバイトの形状や送りピッチ等を調整したボーリング加工等の機械加工を施して、樹脂層６の表面を上記所望の粗さにする。
当該固体潤滑剤の配合割合、特に樹脂層６に表出する割合を調節し、比較的多くの固体潤滑剤が表出したりまた表面近くに存在させるたりすることで、所望の表面粗さが得られる。

以下、この発明の実施例について説明する。
裏金層２としての鋼材へ軸受合金層３となるアルミニウム合金を圧接した基材４を半円筒形状に曲げ加工し、この軸受合金層３の内面仕上げとしてボーリング加工を行った。従来の工程では、平滑化を目指す加工を実施するところ、この実施例では軸受合金層３の内周面にバイトの切削跡を積極的に残して、表面粗さＲａを２．０μｍとなるようにした。
その後、脱脂及び不純物除去を行い、更に、ショットブラストにより軸受合金層３の表面処理を行った。

次に、ターゲットとしてＡｌ合金を用いてスパッタリングを実行して２０．０μｍの滑り層５を作製した。
このようにして形成された滑り層５の表面には、軸受合金層３の凹凸形状が反映されていた。

次に、樹脂層６について説明する。
最初に、熱可塑性樹脂として（ＰＡＩ）を溶剤（ＮＭＰ）に溶かした第１の溶液を準備し、この第１の溶液に固体潤滑剤として（ＭｏＳ_２）を投入して分散させて塗液とする。固体潤滑剤の配合量は、製品時において２０vol％〜７０vol％となるように調整した。この体積％は次のようにして特定できる。樹脂層６をその摺動面に対して垂直にかつ軸に沿った方向に切断し、その切断面の任意の部分を所定の範囲で顕微鏡撮影する。得られた画像を画像解析ソフトにかけて固体潤滑剤の現れている面積の割合を演算する。
この塗液を軸受合金層３の表面へスプレー塗布する。その後、所定時間放置し（レベリング工程）、加熱して塗液から溶剤を除去する乾燥工程を経て、１５０℃〜２５０℃で３０分〜１２０分間の焼成工程により樹脂成分を硬化させて樹脂層６を形成する。
樹脂層６の膜厚は２．０〜１０．０μｍであり、その表面には軸受合金層３の凹凸が反映されており、算術平均粗さＲａは２．０μｍであり、最大粗さＲｚは８．０μｍであった。

他方、上記実施例において樹脂層６の表面を平滑にしたもの（比較例）を準備した。
実施例と比較例の摺動部材に対して焼付き試験を行った。
面圧を段階的に上昇させて焼付面圧を特定した。
その結果、実施例の摺動部材と比較例の摺動部材との間で有意な差は認められず、実施例の摺動部材は、製造コストを抑えつつ耐焼付性を維持することができた。

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
実施の形態では、摺動部材として半割軸受を例にとり説明をしてきたが、ブシュやスラストワッシャ等その他の摺動部材にも適用可能である。

１ 摺動部材、２ 裏金層、３ 軸受合金層、４ 基材層、５ 滑り層、６ 樹脂層。

Claims (11)

1. 基材層、該基材層の上に物理気相成長法により形成される滑り層及び該滑り層の上に形成される樹脂層を備える摺動部材であって、
   前記樹脂層は樹脂と固体潤滑剤とを含み、その表面の算術平均粗さＲａが１．５μｍ以上である、摺動部材。
2. 前記基材層の表面に凹凸が形成され、この凹凸が前記滑り層及び前記樹脂層の表面形状に反映している、請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記基材層の表面は平滑である、請求項１に記載の摺動部材。
4. 前記樹脂はポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド若しくはこれらの混合体を含み、前記固体潤滑剤は硫化モリブデンを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
5. 前記滑り層の材質はＳｎ及びＣｕを含むＡｌ合金である、請求項１〜４の何れかに記載の摺動部材。
6. 前記樹脂層の最大粗さＲｚが５．０μｍ以上である、請求項１〜５の何れかに記載の摺動部材。
7. 基材層、該基材層の上に物理気相成長法により形成される滑り層及び該滑り層の上に形成される樹脂層を備える摺動部材であって、
   前記樹脂層は樹脂と固体潤滑剤とを含み、その表面の最大粗さＲｚが５．０μｍ以上である、摺動部材。
8. 前記基材層の表面に凹凸が形成され、この凹凸が前記滑り層及び前記樹脂層の表面形状に反映している、請求項７に記載の摺動部材。
9. 前記滑り層の表面は平滑である、請求項７に記載の摺動部材。
10. 前記樹脂はポリイミド、ポリアミドイミド若しくはこれらの混合体を含み、前記固体潤滑剤は硫化モリブデンを含む、請求項７〜９のいずれかに記載の摺動部材。
11. 前記滑り層の材質はＳｎ及びＣｕを含むＡｌ合金である、請求項１〜１０の何れかに記載の摺動部材。
    

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