JP2019123914A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面の全体にわたって均一に潤滑油を供給できる技術を提供する。【解決手段】摺動部材は、ＢｉとＳｂのめっき被膜によって形成されたオーバーレイを備えた摺動部材であって、前記オーバーレイの表面にクラックが形成されている、ことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ＢｉとＳｂのめっき被膜のオーバーレイを備えた摺動部材に関する。

円筒状の摺動部材の内周面において周方向に沿って延びる油溝を形成する技術が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１においては、油溝に潤滑油を保持することができるため、相手軸との間の摩擦抵抗を抑制できる。

特開２０１６−９００４２号公報

しかしながら、特許文献１のように、油溝を切削加工によって形成すると、微細な油溝を形成することができないという問題があった。微細な油溝を形成できないと、摺動面において油溝から遠い部分が生じ、当該部分に潤滑油が行きわたらない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、摺動面の全体にわたって均一に潤滑油を供給でき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、本発明の摺動部材は、ＢｉとＳｂのめっき被膜によって形成されたオーバーレイを備えた摺動部材であって、オーバーレイの表面にクラックが形成されている。

前記の構成において、オーバーレイの表面に形成されたクラックに潤滑油を保持することができる。クラックとは、ひび割れであり、オーバーレイの表面において均一かつ微細に形成できる。従って、摺動面の全体にわたって均一に潤滑油を供給できる。また、オーバーレイは軟らかいＢｉを含むめっき被膜によって形成されるとともに、表面にクラックが形成されているため、オーバーレイの表面を摺動方向に変形しやすくすることができ、なじみ性を向上させることができる。さらに、オーバーレイの表面が摺動方向に変形すると、クラックの幅が広がったり狭まったりすることとなる。毛細管現象により潤滑油をクラック内に導入し、さらにクラックの幅が狭まった際にクラック内の潤滑油をクラック外部に供給できる。従って、オーバーレイの表面に確実に油膜を形成できる。

また、オーバーレイにおいて、表面からの深さが浅くなるほどＢｉの濃度が高くなってもよい。これにより、クラックが形成された表面に近い部分ほどオーバーレイを柔らかくすることができ、オーバーレイの表面を摺動方向に変形しやすくすることができる。逆に、表面からの深さが深くなるほどＳｂの濃度が高くなり、強度を確保することができるため、クラックが深化することを防止できる。

本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。 図２Ａはオーバーレイの表面の写真、図２Ｂはオーバーレイの断面写真である。 オーバーレイにおけるＳｂの濃度のグラフである。 クラックの模式図である。

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）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１．８ｍｍ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４．０μｍである。オーバーレイ１２の曲率中心側の表面の半径の２倍（摺動部材１の内径）は５５ｍｍである。すべり軸受Ａの幅は１９ｍｍ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０．１５質量％含有し、Ｍｎを０．０６質量％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１０質量％含有し、Ｂｉを８質量％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。ライニング１１における不可避不純物の含有量は、全体で１．０質量％以下である。

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る。オーバーレイ１２は、ＢｉとＳｂのめっき被膜である。また、オーバーレイ１２の表面にクラックが形成されている。Ｓｂを６１質量％含有し、残部がＢｉと不可避不純物とからなる。

図２Ａは、オーバーレイ１２の表面の写真である。同図に示すように、オーバーレイ１２の表面には多数のクラックＣが形成されている。クラックＣは、オーバーレイ１２の表面においてランダムに形成されており、オーバーレイ１２の表面上のＸ方向の直線に対するクラックＣの交点の密度と、Ｘ方向に直交するオーバーレイ１２の表面上のＹ方向の直線（Ｘ方向の直線と同じ長さ）に対するクラックＣの交点の密度との平均値は０．０８２９２７本／μｍであった。

図２Ｂは、オーバーレイ１２の断面の写真である。同図に示すように、オーバーレイ１２の表面からライニング１１に向けてクラックＣが形成されている。オーバーレイ１２の表面におけるクラックＣの幅の平均値は約０．８μｍであり、クラックＣの深さの平均値は約２．０μｍである。クラックＣは、深くなるほど幅が狭くなっている。

図３は、オーバーレイ１２におけるＳｂの質量濃度を示すグラフである。図３に示すように、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面Ｘからの距離が長くなるほど、Ｓｂの質量濃度が低くなっている。本実施形態において、オーバーレイ１２の表面におけるＳｂの質量濃度は５５質量％であり、平均的なクラックＣの最深部が位置する距離におけるＳｂの質量濃度は８０質量％となっている。なお、１００％からＳｂの質量濃度を減算した質量濃度がＢｉの質量濃度であると見なすことができる。

なお、オーバーレイ１２におけるＳｂの質量濃度は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（日本電子製 ＪＭＳ−６６１０Ａ）を用いて、波長分散型Ｘ線分光法により計測した。具体的に、オーバーレイ１２とライニング１１との界面Ｘから重心までの距離が異なる複数の矩形領域を設定し、当該矩形領域内におけるＳｂの平均質量濃度を各距離におけるＳｂの質量濃度として計測した。また、クラックＣの密度や深さや幅は電子顕微鏡で撮影した写真上にて計測した。

前記の構成において、オーバーレイ１２の表面に形成されたクラックＣに潤滑油を保持することができる。従って、摺動面の全体にわたって均一に潤滑油を供給できる。また、オーバーレイ１２は軟らかいＢｉを含むめっき被膜によって形成されるとともに、表面にクラックＣが形成されているため、オーバーレイ１２の表面を摺動方向に変形しやすくすることができ、なじみ性を向上させることができる。

ここで、オーバーレイ１２の表面が摺動方向に変形すると、クラックＣの幅が広がったり狭まったりすることとなる。図４Ａ，図４ＢはクラックＣの変形を説明する模式図である。図４Ａはオーバーレイ１２の表面に相手軸から小荷重が作用した際のクラックＣを示し、図４Ｂはオーバーレイ１２の表面に相手軸から大荷重が作用した際のクラックＣを示す。小荷重が作用するタイミングと大荷重が作用するタイミングは、相手軸としてのクランクシャフトに連結されたピストンの往復運動に応じて生じる。

図４Ａに示すように、相手軸から小荷重が作用する場合、クラックＣは本来の形状（荷重が作用しない場合の形状）に近い形状となる。このとき、毛細管現象により潤滑油をクラック内に導入することができる。一方、図４Ｂに示すように、大荷重が作用する場合、摩擦力によってオーバーレイ１２の表面が引き延ばされてクラックＣが幅を狭めるように変形することとなる。このとき、潤滑油を保持しているクラックＣの容積が減少するため、潤滑油をクラックＣ外部に供給できる。従って、オーバーレイ１２の表面に確実に油膜を形成できる。

また、オーバーレイ１２において、表面からの深さが浅くなるほどＢｉの質量濃度が高くなっている。これにより、クラックＣが形成された表面に近い部分ほどオーバーレイ１２を柔らかくすることができ、オーバーレイ１２の表面を摺動方向に変形しやすくすることができる。逆に、表面からの深さが深くなるほどＳｂの質量濃度が高くなり、強度を確保することができるため、クラックＣが深化することを防止できる。

（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する。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。なお、ライニング１１は必ずしも焼結によって形成されなくてもよく、鋳造等によって形成されてもよい。

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Ｂｉを電気めっきによって４．０μｍ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、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。メタンスルホン酸：１５０ｇ／Ｌとメタンスルホン酸Ｂｉ：２０ｇ／Ｌと有機系界面活性剤：２０ｇ／Ｌとを含むめっき浴の浴組成とした。以上のめっき浴において、電気分解によって純Ｓｂを１．０ｇ／Ｌだけ溶解させた。めっき浴の浴温度を、４０℃とした。さらに、ライニング１１に供給する電流を直流電流とし、その電流密度を２．０Ａ／ｄｍ²とした。電気めっきの完了後に、水洗と乾燥を行った。

以上のように、めっき浴におけるＳｂの濃度を高くすることにより、めっき被膜として形成されるオーバーレイ１２の表面にクラックＣを形成することができる。Ｓｂの濃度を高くすることにより、ＳｂとＢｉの急激な濃度勾配を形成することができ、当該濃度勾配による機械特性の不均一さによってクラックＣが形成されたものと推定される。なお、電気めっきの条件は上述した条件に限られない。なお、電気めっき後にサーマルショックを与えることにより、クラックＣの発生を促進してもよい。

例えば、メタンスルホン酸：５０〜２５０ｇ／Ｌとメタンスルホン酸Ｂｉ：５〜４０ｇ／Ｌと有機系界面活性剤：０．５〜５０ｇ／Ｌとを含むめっき浴の浴組成としてもよい。めっき浴の浴温度を、２０〜５０℃としてもよいし、ライニング１１に供給する電流の電流密度を０．５〜７．５Ａ／ｄｍ²としてもよい。さらに、めっき浴に溶解させるＳｂの濃度を０．９〜３．０ｇ／Ｌとしてもよい。めっき浴に溶解させるＳｂの濃度を高くするほど、クラックＣの密度を高くすることができる。めっき浴に溶解させるＳｂの濃度を０．９ｇ／Ｌ以上とすることにより、クラックＣが発生することが確認されている。

以上のようにして、摺動部材１を完成させると、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、エンジンに取り付けた。

（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・ボスブシュ等のラジアル軸受を形成してもよい。さらに、本発明の摺動部材は、スラスト軸受であってもよく、各種ワッシャであってもよいし、カーエアコンコンプレッサ用の斜板であってもよい。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、裏金１０は、必須ではなく省略されてもよい。

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、Ａ…軸受、Ｃ…クラック

Claims (2)

1. ＢｉとＳｂのめっき被膜によって形成されたオーバーレイを備えた摺動部材であって、
   前記オーバーレイの表面にクラックが形成されている、
   ことを特徴とする摺動部材。
2. 前記オーバーレイにおいて、表面からの深さが浅くなるほどＢｉの濃度が高くなる、
   請求項１に記載の摺動部材。