JP2020067095A - 摺動部材及びこれを用いる軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体潤滑剤層の摩滅が低減され、摩擦係数が維持されるとともに、耐摩耗性が向上する摺動部材及びこれを用いる軸受装置を提供する。【解決手段】摺動部材１０は、軸受合金層１１、固体潤滑剤層１２、粒子２０及び被覆部２１を備える。固体潤滑剤層１２は、軸受合金層１１の摺動面１６側に設けられ、軸受合金層１１に被着されている。粒子２０は、固体潤滑剤層１２を形成し、金属硫化物で形成されている。被覆部２１は、粒子２０の摺動面１６側の最表面に設けられ、粒子２０を構成する金属元素と同一の金属元素からなる金属酸化物で形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、摺動部材及びこれを用いる軸受装置に関する。

従来、軸受合金層の摺動面側に固体潤滑剤層を備える摺動部材が公知である（特許文献１）。このような摺動部材は、例えば金属硫化物などの固体潤滑剤によって摩擦係数の低減が図られ、非焼付性が向上する。ところで、近年、内燃機関のクランクシャフトは、コストの低減を目的として鋳鉄製の採用が拡大している。鋳鉄製の軸部材は、加工性に優れるという利点を有する反面、加工時に微細なバリ状の凸部が形成されやすいという欠点を有している。この凸部は、軸部材を支持する摺動部材との摺動時に、摺動部材の摺動面を傷つけ、摺動部材の異常摩耗の原因となる。この異常摩耗は、軸部材と摺動部材との摺動の初期において固体潤滑剤層の摩滅につながり、所望の摩擦係数の維持が困難になるという問題がある。

特開２００５−２３３２６７号公報

そこで、固体潤滑剤層の摩滅が低減され、摩擦係数が維持されるとともに、耐摩耗性が向上する摺動部材及びこれを用いる軸受装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本実施形態の摺動部材は、軸受合金層と、前記軸受合金層の摺動面側に設けられ、前記軸受合金層に被着されている固体潤滑剤層と、を備える。本実施形態の摺動部材は、前記固体潤滑剤層を形成し、金属硫化物で形成されている固体潤滑剤の粒子と、前記粒子の前記摺動面側の最表面に設けられ、前記粒子を構成する金属元素と同一の金属元素からなる金属酸化物で形成されている被覆部と、を備える。

このように、固体潤滑剤層を構成する粒子は、摺動面側の最表面に被覆部を有している。この被覆部は、金属硫化物を構成する金属元素と同一の金属元素からなる金属酸化物である。これにより、相手材は、摺動の初期のなじみ期において、固体潤滑剤層に含まれる被覆部に接する。この被覆部は、硬質の金属酸化物であることから、相手材の摺動面を研磨する。すなわち、相手材の摺動面に存在するバリなどの微小な凸部は、硬質の金属酸化物との接触によって除去される。これとともに、金属酸化物からなる被覆部は、相手材との初期的な摺動によって除去される。そのため、被覆部が消失して摺動面に露出した粒子は、凸部が除去された滑らかな相手材と摺動する。その結果、固体潤滑剤層は、摩滅が低減される。また、初期的な摺動によって相手材とのなじみが生じた後、相手材及び摺動部材はともに摺動の相手側を傷つけにくくなる。これにより、相手材と摺動部材との間には均質な厚さの油膜が形成される。したがって、摩擦係数を維持することができ、耐摩耗性を向上することができる。

また、本実施形態の摺動部材は、前記固体潤滑剤層の前記摺動面側の面を、Ｘ線光電分光法、及びＸ線回折法によって測定したとき、前記Ｘ線光電分光法による前記金属硫化物に対する前記金属酸化物のピーク高さの比の値は、０．１０〜０．５０であり、前記Ｘ線回折法による前記金属硫化物に対する前記金属酸化物のピーク高さの比の値は、０．１０以下である。

このように、Ｘ線光電分光法及びＸ線回折法により、金属酸化物からなる被覆部は、固体潤滑剤層に含まれる固体潤滑剤粒子の摺動面側のわずかな領域に存在していることが確認される。すなわち、金属酸化物からなる被覆部は、固体潤滑剤層の摺動面側のわずかな厚さの領域に形成されている。これにより、相手材との初期なじみによって、被覆部は相手材の凸部を除去しつつ、自身も除去される。固体潤滑剤層は、初期なじみが生じた後に、相手材を傷つけることなく、金属硫化物からなる固体潤滑剤粒子が露出する。したがって、摩擦係数を維持することができ、耐摩耗性を向上することができる。

本実施形態では、金属元素は、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一種以上である。

本実施形態の軸受装置は、表面粗さＲｚが０．８μｍ以上の軸部材と、前記軸部材と摺動し、前記軸部材を支持する摺動部材と、を備える。
これにより、軸部材は、摺動部材とのなじみが生じた後、摺動部材の摩耗につながる凸部が除去され、被覆部が除去された粒子と接する。したがって、摩擦係数を維持することができ、耐摩耗性を向上することができる。

一実施形態による摺動部材を示す模式図 一実施形態による摺動部材を適用した軸受装置の断面を示す模式図 一実施形態による摺動部材の要部を拡大した模式図 一実施形態による摺動部材の軸部材とのなじみの過程を示す模式図 一実施形態による摺動部材のＸＰＳ分析結果の一例を示す概略図 一実施形態による摺動部材のＸＲＤ分析結果の一例を示す概略図 一実施形態による摺動部材の試験条件を示す概略図 一実施形態による摺動部材のＸＰＳ分析の条件を示す概略図 一実施形態による摺動部材のＸＲＤ分析の条件を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例及び比較例の試験結果を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例及び比較例において、摩擦係数の経時的な変化を示す概略図

以下、一実施形態による摺動部材を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、一実施形態による摺動部材１０は、軸受合金層１１及び固体潤滑剤層１２を備える。摺動部材１０は、例えば裏金層１３と積層してもよい。摺動部材１０は、図２に示すように相手材である軸部材１４とともに軸受装置１５を構成する。摺動部材１０は、軸部材１４と摺動することにより、軸部材１４を支持する。摺動部材１０は、固体潤滑剤層１２側の表面に軸部材１４と摺動する摺動面１６を形成している。摺動部材１０は、軸受合金層１１と裏金層１３との間に図示しない中間層などを備えていてもよい。軸受合金層１１は、ＡｌやＣｕなどの金属、又はＡｌ基若しくはＣｕ基の合金などで形成されている。固体潤滑剤層１２は、この軸受合金層１１の表面に被着されている。すなわち、固体潤滑剤層１２は、軸受合金層１１の軸部材１４との摺動側の面に設けられ、軸部材１４と摺動する摺動面１６を有している。固体潤滑剤層１２の厚さは、任意に設定することができるが、本実施形態では固体潤滑剤層１２の厚さは、０．０１μｍ〜５．０μｍ程度に設定している。軸部材１４は、例えば鋳鉄などで形成されており、表面粗さＲｚが０．８μｍ以上と比較的粗い表面を有している。

摺動部材１０は、図３に示すように固体潤滑剤層１２を形成する粒子２０を備えている。粒子２０は、金属Ｍの硫化物によって形成されている。金属硫化物からなる粒子２０は、軸部材１４との摺動において摺動部材１０と軸部材１４との間を潤滑する固体潤滑剤である。粒子２０を構成する金属Ｍは、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一種以上である。例えば金属ＭをＭｏとする場合、固体潤滑剤層１２を構成する金属硫化物の粒子２０は硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）である。

摺動部材１０は、被覆部２１を備えている。被覆部２１は、固体潤滑剤層１２を構成する粒子２０のうち、摺動面１６側に設けられている。具体的には、粒子２０は、図３に示すように重なった状態で固体潤滑剤層１２を形成している。この重なっている粒子２０のうち最も摺動面１６側に位置する粒子２０は、摺動面１６側に被覆部２１を有している。被覆部２１は、金属Ｍの酸化物によって形成されている。被覆部２１を形成する酸化物となる金属Ｍは、粒子２０を形成する硫化物となる金属Ｍと同一である。すなわち、粒子２０が硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）である場合、被覆部２１は酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）である。このように、摺動面１６側の最表面に位置する粒子２０は、摺動面１６側に酸化物からなる被覆部２１を有している。

被覆部２１を形成する金属Ｍの酸化物は、粒子２０を形成する金属Ｍの硫化物よりも硬い。図４（Ａ）に示すように摺動部材１０と軸部材１４との摺動の初期であるなじみ期において、軸部材１４は固体潤滑剤層１２に含まれる粒子２０の被覆部２１に接する。この被覆部２１は、上述のように硬い金属酸化物である。そのため、例えば軸部材１４にバリなどの攻撃的な微小な凸部２３が生じていても、摺動部材１０と軸部材１４との摺動の際に、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示すようにこの微小な凸部２３は被覆部２１によって除去される。一方、被覆部２１は、なじみ期において凸部２３への研磨とともに自身も摩耗する。そのため、図４（Ｃ）に示すようになじみ期が完了すると、被覆部２１が除去され、軸部材１４は固体潤滑剤層１２を構成する粒子２０と接する。これにより、軸部材１４は、粒子２０を構成する金属硫化物と接し、硬い被覆部２１から攻撃を受けることがない。このように、被覆部２１は、軸部材１４とのなじみ期において、軸部材１４に形成されている微小な凸部２３を除去するとともに、自身も除去される。その結果、摺動部材１０と軸部材１４とは、なじみ期の後において固体潤滑剤層１２による潤滑が図られる。これとともに、摺動部材１０から軸部材１４、及び軸部材１４から摺動部材１０への攻撃が低減され、低い摩擦係数及び高い耐摩耗性が維持される。

次に、上記の構成による固体潤滑剤層１２における粒子２０及び被覆部２１の特定について説明する。
一実施形態では、固体潤滑剤層１２の端面つまり摺動面１６をＸ線光電分光法及びＸ線回折法によって測定している。Ｘ線光電分光法（ＸＰＳ：X-ray Photoelectron Spectroscopy）は、ＥＳＣＡ（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）とも称される表面分析法の一種である。ＸＰＳでは、超高真空下において固体の試料の表面に軟Ｘ線を照射すると、試料の表面に束縛されている電子は光電効果によって真空中へ放出される。このとき、試料に照射されるＸ線は、ＭｇＫα線やＡｌＫα線である。光電効果によって放出された電子は、光電子である。この光電子の放射における束縛エネルギーは、元素に固有のエネルギーである。そのため、束縛エネルギーに基づいて、元素を定性的に分析することができる。一方、光電子が散乱や衝突などの妨害を受けることなく進むことができる距離である平均自由工程は、数ｎｍ程度である。そのため、ＸＰＳの検出器は、試料の表面から数ｎｍ以上の深い位置にある光電子を検出することができない。本実施形態では、このようなＸＰＳの特性を利用して、試料の表面から数ｎｍまでの範囲におけるごく浅い範囲で元素を分析している。

これに対し、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）では、試料にＸ線を照射したとき、Ｘ線が原子の周囲にある電子によって散乱又は干渉した結果として生じる回折を解析する。この回折を解析することにより、試料の構成成分の同定及び定量が可能となる。Ｘ線の物質に対する透過能力つまり侵入可能な深さは、試料の組成やＸ線の波長によって異なるものの、概ね５０μｍ〜１００μｍである。そのため、ＸＲＤでは、上記のＸＰＳに比較してより深い領域における分析が可能となる。本実施形態では、このようなＸＲＤの特性を利用して、ＸＰＳよりも深い、試料の表面から５０μｍ〜１００μｍまでの範囲における元素を分析している。

本実施形態の摺動部材１０は、上記のようなＸＰＳ及びＸＲＤを用いて固体潤滑剤層１２の端面である摺動面１６を測定したとき、次の条件を満たしている。
（１）ＸＰＳによる分析の結果、金属硫化物に対する金属酸化物のピーク高さの比Ｒ１は、０．１０〜０．５０である。
（２）ＸＲＤによる分析の結果、金属硫化物に対する金属酸化物のピーク高さの比Ｒ２は、０．１０以下である。

ＸＰＳ及びＸＲＤは、いずれも摺動部材１０における固体潤滑剤層１２の端面である摺動面１６について分析する。すなわち、ＸＰＳ及びＸＲＤにおいて、いずれも摺動部材１０の摺動面１６側から分析を実行する。これにより、ＸＰＳでは、摺動部材１０の端面から数ｎｍの範囲の最表面に極めて近い領域が分析される。これとともに、ＸＲＤでは、摺動部材１０の端面から５０μｍ〜１００μｍまでの範囲が分析される。このとき、ＸＲＤでは、固体潤滑剤層１２及び軸受合金層１１の厚さによっては、固体潤滑剤層１２に限らず、軸受合金層１１又は裏金層１３まで分析されることがある。このような場合、測定される金属硫化物及び金属酸化物の強度の絶対値は低下する。しかし、強度の絶対値が低下しても、算出される比Ｒ２は影響を受けない。

図５に示すようにＸＰＳによる分析では、束縛エネルギーと強度との関係が得られる。このとき、金属硫化物と金属酸化物とは、束縛エネルギーが異なるため、強度のピークが異なる。図５は、金属硫化物としてＭｏＳ_２、金属酸化物としてＭｏＯ_３を例としている。金属硫化物及び金属酸化物のピークは、最大のメインピーク又は次に大きなサブメインピークを用いる。例えば金属硫化物と金属酸化物とでピークが重なり、分離が困難な場合、メインピークに限らず、次に大きなサブメインピークを用いる。メインピークを選択した場合、金属硫化物及び金属酸化物ともにメインピークを用いる。一方、サブメインピークを選択した場合、金属硫化物及び金属酸化物ともにサブメインピークを用いる。図５に示す本実施形態の場合、金属酸化物であるＭｏＯ_３のメインピークの分離が困難であるため、金属硫化物及び金属酸化物ともにサブメインピークを用いている。つまり、本実施形態では、図５に示す金属硫化物のサブメインピークｐ１及び金属酸化物のサブメインピークｐ２を用いている。このように、得られた金属硫化物の強度のピーク高さｈ１及び金属酸化物の強度のピーク高さｈ２から、これらの比Ｒ１がＲ１＝ｈ２／ｈ１として算出される。強度のピークの測定は数回実施し、得られた結果を平均して比Ｒ１を算出する。本実施形態では、この比Ｒ１は、０．１０〜０．５０の範囲にある。これは、固体潤滑剤層１２の摺動面１６側の最表面である数ｎｍの範囲において、被覆部２１となる金属酸化物の存在頻度が高いことを示している。

ＸＲＤによる分析では、図６に示すような回折パターンが得られる。このとき、金属硫化物と金属酸化物とは、回折パターンが異なる。図６は、金属硫化物としてＭｏＳ_２、金属酸化物としてＭｏＯ_３を例としている。金属硫化物及び金属酸化物のピークは、ＸＲＤの解析結果から強度が一番大きな角度を用いている。つまり、本実施形態では、図６に示す金属硫化物のピークｐ３及び金属酸化物のピークｐ４を用いている。このように、得られた金属硫化物の強度のピーク高さｈ３及び金属酸化物の強度のピーク高さｈ４から、これらの比の値Ｒ２がＲ２＝ｈ４／ｈ３として算出される。本実施形態では、この比の値Ｒ２は、０．１０以下である。これは、固体潤滑剤層１２の摺動面１６側の最表面から５０μｍ〜１００μｍまでの範囲において、被覆部２１となる金属酸化物の存在頻度が低いことを示している。

これらの結果から、比Ｒ１の条件及び比Ｒ２の条件を満たす本実施形態の摺動部材１０は、固体潤滑剤層１２の摺動面１６側の最表面に金属酸化物からなる被覆部２１が優位に存在するのに対し、これよりも深い領域には固体潤滑剤の粒子２０を構成する金属硫化物が優位に存在する。すなわち、上記の条件を満たす本実施形態の摺動部材１０は、金属硫化物からなる粒子２０において、摺動面１６側の最表面に位置する粒子２０に金属酸化物からなる被覆部２１が形成されていることを示している。

次に、上記の構成による本実施形態の摺動部材１０の製造方法について説明する。
摺動部材１０は、図３に示すように軸受合金層１１の表面つまり摺動面１６側に固体潤滑剤層１２を形成する固体潤滑剤の粒子２０が被着されている。固体潤滑剤の粒子２０は、例えばショットピーニングなどによって軸受合金層１１に被着される。粒子２０が被着された摺動部材１０は、熱処理を施すことによって被覆部２１となる酸化物が生成する。すなわち、粒子２０は、熱処理によって表面が酸化され、粒子２０を構成する金属硫化物の一部が金属酸化物へ酸化される。この場合、熱処理は、例えば電子ビームによる加熱、あるいは赤外線ヒータによる加熱などを用いることができる。特に、本実施形態の場合、赤外線ヒータによる加熱を用いることが好ましい。一般的な加熱炉による加熱などを用いる場合、温度の上昇に時間を要するとともに軸受合金層１１などの下地も温度が上昇する。そのため、固体潤滑剤の粒子２０は、摺動面１６に近い側だけでなく、摺動面１６から遠い深い位置も加熱される。その結果、固体潤滑剤層１２の全体で粒子２０を構成する金属硫化物の酸化が進行しやすくなる。これに対し、赤外線ヒータによる加熱を用いることにより、固体潤滑剤層１２に含まれる粒子２０は摺動面１６に近いごく最表面だけが瞬時に加熱される。そのため、赤外線ヒータで加熱することにより、本実施形態のように固体潤滑剤層１２に含まれる粒子２０は、摺動面１６に近い表面だけが酸化され、被覆部２１が形成される。

以下、本実施形態の実施例及び比較例について説明する。
実施例１〜実施例４及び比較例２〜比較例４は、試料にいずれも固体潤滑剤層１２を被着した後、赤外線ヒータによって加熱した。比較例１は、固体潤滑剤層１２が加熱されていない。赤外線ヒータによる加熱は、一定の昇温速度で温度を上げている。すなわち、金属硫化物の酸化が促進される酸化促進温度をＴ（℃）としたとき、昇温速度はＴ×２（℃／分）と設定している。そして、試料の表面温度が金属硫化物の酸化促進温度Ｔの所定範囲に到達すると、試料の加熱は停止した。この場合、所定範囲は、酸化促進温度Ｔの８０％〜９０％に設定している。すなわち、試料の表面温度が酸化促進温度Ｔの８０％〜９０％に到達すると、試料の加熱は停止した。試料の表面温度は、接触式温度計を用いてセンサで直接検出した。ここで、試料の酸化促進温度Ｔとは、固体潤滑剤となる金属硫化物の粉末を大気中で７２時間加熱し、徐々に冷却したとき、全体の３０ｗｔ％が酸化物となる温度である。本実施形態では、この酸化物の重量比の測定は、炭素硫黄分析装置（堀場製作所製ＥＭＩＡ−８１０）を用いて行なった。

上記によって作成した試料は、ＸＰＳによる比Ｒ１及びＸＲＤによる比Ｒ２を算出するとともに、図７に示す試験条件を用いて試験を行ない固体潤滑剤層１２の摩耗量及びなじみ後の摩擦係数を測定した。ＸＰＳは、Kratos社製のAXIS ULTRAを用いて行なった。Ｘ線のスポットサイズは１ｍｍに設定し、帯電中和銃はオンに設定した。ＸＰＳの測定条件は、図８に示すように設定した。ＸＲＤは、リガク社製のRINT2200を用いて行なった。ＸＲＤの測定条件は、図９に示すように設定した。

図１０に示すように、実施例１〜実施例４は、加熱を停止する温度、昇温速度、金属元素をそれぞれ設定している。これら実施例１〜実施例４は、設定した条件にかかわらず、摩耗量及びなじみ後の摩擦係数が良好な結果を示した。実施例１〜実施例４の場合、摩擦係数は、図１１に示すようになじみ期において増加するもののその後に低下する。そして、実施例１〜実施例４の場合、なじみ期が完了した後、固体潤滑剤層１２による潤滑が図られることから、摩擦係数は長期にわたり小さな値となる。

これに対し、比較例１及び比較例２は、摩耗量が大きく、なじみ後の摩擦係数が高いという結果を示した。比較例１は、被着した固体潤滑剤層１２を加熱していない例である。そのため、比較例１は、金属酸化物からなる被覆部２１が形成されていない。また、比較例２は、加熱を停止する温度を酸化促進温度Ｔの７５％に設定した例である。そのため、比較例２は、加熱時の昇温が不足し、金属硫化物の酸化が不十分となり被覆部２１が十分に形成されていないと考えられる。これらにより、比較例１及び比較例２の場合、固体潤滑剤層１２は、なじみ期の後、軸部材１４からの攻撃によって摩滅すると考えられる。その結果、比較例１及び比較例２の場合、図１１に示すようになじみ期の後、摩擦係数は漸増することになったと考えられる。

また、比較例３及び比較例４は、固体潤滑剤層１２の摩耗量が良好であるのに対し、なじみ後の摩擦係数が高いという結果を示した。比較例３は、加熱を停止する温度を酸化促進温度Ｔの９５％に設定した例であり、比較例４は、加熱を停止する温度を酸化促進温度Ｔの２００％に設定した例である。これら比較例３及び比較例４は、加熱時の昇温が過剰となり、固体潤滑剤層１２の粒子を構成する金属硫化物のより多くが被覆部２１となる金属酸化物に酸化されたことを示している。被覆部２１となる金属酸化物が過剰に生成されることにより、固体潤滑剤層１２の硬度が増大するとともに、金属硫化物による潤滑の作用が低減すると考えられる。これらにより、比較例３及び比較例４の場合、固体潤滑剤層１２は、なじみ期において軸部材１４を研磨するものの、その後も軸部材１４に対して高い攻撃性を有している。その結果、比較例３及び比較例４の場合、図１１に示すように摩擦係数は低下しにくくなると考えられる。
図１０に示す結果から、本実施形態の条件を満たす摺動部材１０の実施例は、摩耗の低減及びなじみ後の摩擦係数の低減に寄与することが明らかである。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は摺動部材、１１は軸受合金層、１２は固体潤滑剤層、１４は軸部材、１５は軸受装置、１６は摺動面、２０は粒子、２１は被覆部を示す。

Claims (4)

1. 軸受合金層と、
   前記軸受合金層の摺動面側に設けられ、前記軸受合金層に被着されている固体潤滑剤層と、を備える摺動部材であって、
   前記固体潤滑剤層を形成し、金属硫化物で形成されている固体潤滑剤の粒子と、
   前記粒子の前記摺動面側の最表面に設けられ、前記粒子を構成する金属元素と同一の金属元素からなる金属酸化物で形成されている被覆部と、
   を備える摺動部材。
2. 前記固体潤滑剤層の前記摺動面側の面を、Ｘ線光電分光法、及びＸ線回折法によって測定したとき、
   前記Ｘ線光電分光法による前記金属硫化物に対する前記金属酸化物のピーク高さの比は、０．１０〜０．５０であり、
   前記Ｘ線回折法による前記金属硫化物に対する前記金属酸化物のピーク高さの比は、０．１０以下である請求項１記載の摺動部材。
3. 前記金属元素は、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一種以上である請求項１又は２記載の摺動部材。
4. 表面粗さＲｚが０．８μｍ以上の軸部材と、
   前記軸部材と摺動し、前記軸部材を支持する請求項１から３のいずれか一項記載の摺動部材と、
   を備える軸受装置。

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