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Abstract
Description
本発明は、摺動部材に関する。 The present invention relates to a sliding member.
従来、軸受合金層の摺動面側に樹脂オーバレイ層を備える摺動部材が公知である(特許文献1)。樹脂オーバレイ層は、固体潤滑剤が添加され、摩擦の低減及びなじみ性の向上に寄与する。特許文献1は、固体潤滑剤のX線回折による回折面の強度比を特定することにより、特性の向上を図っている。つまり、特許文献1の場合、樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の劈開方向を設定することにより、摺動性能を高めている。 Conventionally, a sliding member having a resin overlay layer on the sliding surface side of the bearing alloy layer is known (Patent Document 1). A solid lubricant is added to the resin overlay layer, which contributes to reduction of friction and improvement of compatibility. Patent Document 1 aims to improve the characteristics by specifying the intensity ratio of the diffraction surface of the solid lubricant by X-ray diffraction. That is, in the case of Patent Document 1, the sliding performance is improved by setting the cleavage direction of the solid lubricant contained in the resin overlay layer.
しかしながら、近年、内燃機関のさらなる高出力化及び高回転化にともなって、摺動部材は、より大きな面圧及び大きな荷重に晒されることになる。このように面圧及び荷重が大きくなると、潤滑油の油膜切れによって相手部材との固体接触が生じやすくなる。固体接触が生じると、樹脂オーバレイ層の早期の摩滅につながり、焼付を招くという問題がある。 However, in recent years, with the further increase in output and rotation of the internal combustion engine, the sliding member is exposed to a larger surface pressure and a larger load. When the surface pressure and the load are increased in this way, solid contact with the mating member is likely to occur due to the oil film running out of the lubricating oil. When solid contact occurs, there is a problem that the resin overlay layer is worn out at an early stage, resulting in seizure.
そこで、大きな面圧及び荷重が加わるときでも、摩擦係数の増大を招くことなく、樹脂オーバレイ層の耐摩耗性が向上する摺動部材を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a sliding member in which the abrasion resistance of the resin overlay layer is improved without increasing the friction coefficient even when a large surface pressure and load are applied.
上記の課題を解決するために本実施形態の摺動部材は、軸受合金層の摺動面側に樹脂オーバレイ層を備える。
前記樹脂オーバレイ層は、樹脂バインダと、前記樹脂バインダに分散する20体積%以上の異方性の形状の固体潤滑剤の粒子と、を有する。
前記摺動面と平行な仮想的な直線を0°、前記摺動面に垂直な仮想的な軸を90°、前記樹脂バインダの任意の観察領域に含まれる前記粒子の総数をN、分布のパラメータをaと定義し、
前記摺動面から前記軸までの0°〜90°の範囲を、10°刻みであるA−10°<x≦A(A=10、20、30、・・・、90)の角度範囲に区分し、前記粒子の長軸の角度が前記角度範囲のいずれに含まれるか分類するとともに、前記角度範囲に含まれる前記粒子の数nをそれぞれカウントしたとき、
前記樹脂バインダに含まれる前記粒子の分布割合n/N(%)は、下記の式(1)で示される摺動部材。
In order to solve the above problems, the sliding member of the present embodiment includes a resin overlay layer on the sliding surface side of the bearing alloy layer.
The resin overlay layer has a resin binder and particles of a solid lubricant having an anisotropic shape of 20% by volume or more dispersed in the resin binder.
The virtual straight line parallel to the sliding surface is 0 °, the virtual axis perpendicular to the sliding surface is 90 °, the total number of the particles contained in an arbitrary observation region of the resin binder is N, and the distribution is Define the parameter as a and
The range of 0 ° to 90 ° from the sliding surface to the axis is set to the angle range of A-10 ° <x≤A (A = 10, 20, 30, ..., 90) in 10 ° increments. When the angle of the major axis of the particles is classified into which of the angle ranges, and the number n of the particles included in the angle range is counted, respectively.
The distribution ratio n / N (%) of the particles contained in the resin binder is a sliding member represented by the following formula (1).
このように、樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の粒子は、角度範囲ごとに式(1)で示すような式を満たす分布となる。樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の粒子は、その姿勢によって樹脂オーバレイ層の厚さ方向である垂直成分が大きな粒子と、摺動面に沿った方向である水平成分が大きな粒子とに区分される。垂直成分が大きな粒子は、樹脂オーバレイ層を厚さ方向で支持することから、耐摩耗性の向上に寄与する。一方、水平成分が大きな粒子は、摺動面に露出したときの面積が大きくなることから、摩擦係数の低減に寄与する。本実施形態のように固体潤滑剤の粒子が式(1)を満たす分布となるとき、樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の粒子は、垂直成分と水平成分とが適切な割合となる。その結果、垂直成分が大きな粒子による樹脂オーバレイ層の強度の向上と、水平成分が大きな粒子による摩擦係数の低減とが両立される。したがって、さらなる大きな面圧及び荷重が加わるときでも、摩擦係数の増大を招くことなく、樹脂オーバレイ層の耐摩耗性を高めることができる。
この式(1)では、分布のパラメータaは、10≦a≦160であることが望ましく、25≦a≦80であることがより望ましい。
なお、式(1)において、左辺のn/N[%]は、百分率として換算した値を意味する。また、摺動面に平行な仮想的な直線から軸までの0°〜90°の範囲は、10°刻みでA−10°<x≦A°(A=10、20、30、・・・、90)の角度範囲に区分される。すなわち、直線から軸までの範囲は、0°≦x≦10°、10°<x≦20°、20°<x≦30°、30°<x≦40°、40°<x≦50°、50°<x≦60°、60°<x≦70°、70°<x≦80°、80°<x≦90にそれぞれ分割される。この場合、A=10のときに限り、下限となるθ=0°は0°〜10°の角度範囲に含むものとする。
As described above, the particles of the solid lubricant contained in the resin overlay layer have a distribution satisfying the formula (1) for each angle range. The particles of the solid lubricant contained in the resin overlay layer are classified into particles having a large vertical component in the thickness direction of the resin overlay layer and particles having a large horizontal component in the direction along the sliding surface depending on the posture. Lubrication. The particles having a large vertical component support the resin overlay layer in the thickness direction, which contributes to the improvement of wear resistance. On the other hand, particles having a large horizontal component have a large area when exposed to the sliding surface, which contributes to a reduction in the coefficient of friction. When the solid lubricant particles have a distribution satisfying the formula (1) as in the present embodiment, the solid lubricant particles contained in the resin overlay layer have an appropriate ratio of the vertical component and the horizontal component. As a result, the strength of the resin overlay layer is improved by the particles having a large vertical component, and the friction coefficient is reduced by the particles having a large horizontal component. Therefore, even when a larger surface pressure and load are applied, the abrasion resistance of the resin overlay layer can be improved without increasing the friction coefficient.
In this equation (1), the distribution parameter a is preferably 10 ≦ a ≦ 160 and more preferably 25 ≦ a ≦ 80.
In the equation (1), n / N [%] on the left side means a value converted as a percentage. Further, the range of 0 ° to 90 ° from the virtual straight line parallel to the sliding surface to the axis is A-10 ° <x≤A ° (A = 10, 20, 30, ... , 90). That is, the range from the straight line to the axis is 0 ° ≤ x ≤ 10 °, 10 ° <x ≤ 20 °, 20 ° <x ≤ 30 °, 30 ° <x ≤ 40 °, 40 ° <x ≤ 50 °, It is divided into 50 ° <x ≦ 60 °, 60 ° <x ≦ 70 °, 70 ° <x ≦ 80 °, and 80 ° <x ≦ 90, respectively. In this case, only when A = 10, the lower limit θ = 0 ° is included in the angle range of 0 ° to 10 °.
以下、摺動部材の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図2に示すように摺動部材10は、裏金層11、軸受合金層12及び樹脂オーバレイ層13を備えている。なお、摺動部材10は、裏金層11と軸受合金層12との間に図示しない中間層を備えていてもよい。また、摺動部材10は、図2に示す例に限らず、裏金層11と樹脂オーバレイ層13との間に、複数の軸受合金層12や中間層、その他の機能を有する層を備えていてもよい。摺動部材10は、樹脂オーバレイ層13側の端部に相手部材と摺動する摺動面14を形成する。図2に示す本実施形態の場合、摺動部材10は、裏金層11の摺動面14側に軸受合金層12及び樹脂オーバレイ層13が順に積層されている。裏金層11は、例えば鉄や鋼などの金属又は合金で形成されている。軸受合金層12は、例えばAl若しくはCu又はそれらの合金などで形成されている。
Hereinafter, an embodiment of the sliding member will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 2, the sliding
樹脂オーバレイ層13は、図3に示すように樹脂バインダ20と、固体潤滑剤の粒子21とを備えている。樹脂バインダ20は、樹脂オーバレイ層13を構成する主成分であり、例えばポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂及びエラストマー樹脂から選択される一種以上が用いられる。また、樹脂バインダ20は、ポリマーアロイであってもよい。本実施形態では、樹脂バインダ20として、ポリアミドイミドを用いている。また、固体潤滑剤は、例えば二硫化モリブデン、二硫化タングステン、h−BN、フッ化黒鉛、グラファイト、マイカ、タルク、メラミンシアヌレートなどのように、劈開性又は層状構造を有するものから選択される一種以上が用いられる。また、固体潤滑剤の粒子21は、耐荷重性の高いものが好ましい。本実施形態の場合、固体潤滑剤は、耐荷重性の高い二硫化モリブデンを用いている。
As shown in FIG. 3, the
樹脂オーバレイ層13は、例えば充填剤をはじめとする添加剤を加えてもよい。この場合、添加剤は、フッ化カルシウム、炭酸カルシウム、リン酸カルシウム、酸化鉄、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、酸化マグネシウムなどの酸化物、モリブデンカーバイド、炭化ケイ素などの炭化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドなどから選択される一種以上が用いられる。
Additives such as a filler may be added to the
本実施形態の摺動部材10は、樹脂オーバレイ層13に、固体潤滑剤の粒子21を20体積%以上含んでいる。この場合、樹脂オーバレイ層13は、固体潤滑剤の含有量の上限を60体積%程度にすることが好ましい。固体潤滑剤の含有量が60体積%を超えると、樹脂バインダ20の不足により樹脂オーバレイ層13の物理的な強度の低下を招くおそれがあるからである。但し、この固体潤滑剤の含有量の上限値は、樹脂オーバレイ層13を構成する樹脂バインダ20及び固体潤滑剤の組み合わせによって調整可能である。
In the sliding
本実施形態の場合、固体潤滑剤の粒子21は、図1に示すように長軸31及び短軸32を有する異方性の形状を有している。この固体潤滑剤の粒子21は、樹脂バインダ20に分散している。樹脂オーバレイ層13に含まれる固体潤滑剤の粒子21は、摺動面14と平行な仮想的な直線33を0°、摺動面14に対して垂直に厚さ方向へ伸びる仮想的な軸34を90°と定義したとき、長軸31はこの0°から90°の範囲で角度θとして傾斜している。具体的には、図3に示すように樹脂オーバレイ層13を厚さ方向へ任意の断面で切断し、この断面に任意の観察領域Sを設定する。そして、この観察領域Sに含まれる粒子21の総数は、総数Nと定義する。本実施形態では、観察領域Sを区画する境界線を跨ぐ粒子21は計測しない。また、この観察領域Sに含まれる粒子21から図1に示すように各粒子21の長軸31が抽出される。この場合、観察領域Sは、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)で観察された画像を解析ソフトによって解析している。本実施形態では、解析ソフトとして、「Image-pro plus ver.4.5」を用いている。具体的には、得られた画像に含まれる固体潤滑剤の粒子21は、楕円に近似され、近似された楕円からこの粒子21の長軸31の角度θを検出する。楕円への近似は、例えば対象とする粒子21と同一の面積、同一の1次モーメント及び2次モーメントを有する楕円を算出することにより行なう。本実施形態では、観察領域Sに含まれる粒子21のうち、長軸31が0.3μm以上のものを観察対象としている。なお、当然ながら長軸の角度θは、直線33と軸34との間に2つ計測されるとき、より小さい方を採用する。
In the case of the present embodiment, the
図1に示すように摺動面14に平行な直線33を0°とし、これに垂直な仮想的な軸34を90°としたとき、この直線33から軸34までの0°〜90°の範囲は、10°刻みでA−10°<x≦A(A=10、20、30、・・・、90)の角度範囲に区分される。すなわち、直線33から軸34までの範囲は、0°≦x≦10°、10°<x≦20°、20°<x≦30°、30°<x≦40°、40°<x≦50°、50°<x≦60°、60°<x≦70°、70°<x≦80°、80°<x≦90にそれぞれ分割される。この場合、A=10のときに限り、下限となるθ=0°は0°〜10°の角度範囲に含むものとする。観察領域Sに含まれる粒子21の長軸31の角度θは、この10°の角度範囲のいずれに属するか分類される。そして、区分された10°の角度範囲ごとに、長軸31が当該角度範囲となる粒子21の数をカウントし、その数はnとする。本実施形態の場合、観察領域Sに含まれる粒子21の分布割合n/N(%)は、下記の式(1)で示される分布となる。式(1)において、eは自然対数であり、aは分布のパラメータである。本実施形態の場合、分布のパラメータaは、10≦a≦160であることが望ましく、特に25≦a≦80となることがより望ましい。なお、式(1)において、左辺のn/N[%]は、百分率として換算した値を意味する。
As shown in FIG. 1, when the
次に、本実施形態による摺動部材10の製造方法を説明する。
図4に示すように裏金層11の一方の面側に軸受合金層12が形成されたバイメタル40は、円筒形状に成形される。この場合、バイメタル40は、裏金層11を円筒形状とした後、内周側に軸受合金層12を形成してもよい。また、バイメタル40は、円筒形状に限らず、半円筒形状又は円筒を周方向へ複数に分割した形状であってもよい。バイメタル40は、内周側である軸受合金層12と対向する位置にスプレー部41及び熱源42が配置される。スプレー部41は、ノズル43を有している。ノズル43は、樹脂オーバレイ層13を形成するための固体潤滑剤の粒子21を含む樹脂バインダ20を噴射する。また、熱源42は、噴射された樹脂バインダ20を乾燥するためにバイメタル40の内周側を加熱する。
Next, a method of manufacturing the sliding
As shown in FIG. 4, the bimetal 40 having the bearing
本実施形態の場合、円筒形状に形成されたバイメタル40は、図4の矢印で示すように周方向へ回転される。これにより、スプレー部41のノズル43は、回転するバイメタル40の内周側へ固体潤滑剤の粒子21を含む樹脂バインダ20を噴射する。バイメタル40の内周側に付着した樹脂バインダ20は、熱源42によって加熱され、乾燥される。
In the case of the present embodiment, the bimetal 40 formed in a cylindrical shape is rotated in the circumferential direction as shown by the arrow in FIG. As a result, the
単にスプレー部41のノズル43から固体潤滑剤の粒子21を含む樹脂バインダ20をバイメタル40の内周側に噴射する場合、樹脂バインダ20に含まれる固体潤滑剤の粒子21は不規則な姿勢となる。つまり、固体潤滑剤の粒子21は、姿勢が制御されることなく、角度θの分布がランダムとなる不規則な姿勢で樹脂バインダ20に含まれる。これに対し、本実施形態では、樹脂オーバレイ層13を形成するとき、バイメタル40は高速で回転されながら樹脂バインダ20が吹き付けられるとともに乾燥される。これにより、樹脂バインダ20は、吹き付けられた層の内部に先行して表面つまりノズル43に近い側が固化する。そのため、バイメタル40に付着した樹脂バインダ20は、表面が固化するとともに、内部が半乾き状態となる。これにより、樹脂バインダ20に含まれる固体潤滑剤の粒子21は、長軸31の表面に近い側が他の部分に先行して固化した樹脂バインダ20に捕捉されて姿勢の変化が制限される。一方、固体潤滑剤の粒子21は、樹脂バインダ20の内部が固化するまで、半乾きの樹脂バインダ20の内部で姿勢の変化が可能である。そのため、固体潤滑剤の粒子21は、バイメタル40の回転によって加わる遠心力によって、半乾きの樹脂バインダ20の内部で摺動面14に対する角度θが変化する。そして、樹脂バインダ20が内側まで完全に乾燥することにより、固体潤滑剤の粒子21はその姿勢が固定される。
When the
このように、本実施形態では、例えばバイメタル40の回転数、熱源42の温度、熱源42から形成される樹脂バインダ20までの距離などを調整することにより、樹脂バインダ20に含まれる固体潤滑剤の粒子21の角度θが制御される。なお、バイメタル40の回転数は、樹脂オーバレイ層13を形成する初期から終期まで一定であってもよく、形成の途中に加速及び減速してもよい。
As described above, in the present embodiment, for example, the rotation speed of the bimetal 40, the temperature of the
以上のように、固体潤滑剤の粒子21を含む樹脂バインダ20をバイメタル40に噴射し、固化した樹脂バインダ20が所望の厚さまで形成されると、樹脂オーバレイ層13を備える摺動部材10が形成される。
As described above, when the
以下、本実施形態による摺動部材10の実施例を比較例と対比しながら説明する。
上記の手順によって製造した摺動部材10の実施例及び比較例の試料は、図5に示す条件を用いて摩耗量から耐摩耗性を評価するとともに、摩擦係数を測定した。図5に示す試験条件において、回転数は、500rpmで一定ではなく、5秒ごとに0rpmと500rpmとを繰り返す「起動−停止」試験である。
Hereinafter, an embodiment of the sliding
For the samples of Examples and Comparative Examples of the sliding
図6に示すように、式(1)の分布を満たす実施例1は、式(1)の分布を満たさない比較例と対比すると、耐摩耗性が向上していることが明らかである。これは、上述のように、式(1)の分布を満たす場合、樹脂オーバレイ層13に含まれる固体潤滑剤の粒子21は、その本来の作用として摩擦係数の低下に寄与するだけでなく、樹脂オーバレイ層13の強度の向上に寄与しているからと考えられる。つまり、樹脂オーバレイ層13に含まれる固体潤滑剤の粒子21は、垂直成分が大きくなることにより、厚さ方向で樹脂オーバレイ層13を支持する支柱として作用する。一方、樹脂オーバレイ層13に含まれる固体潤滑剤の粒子21は、水平成分が大きくなることにより、摺動面14に露出する面積が拡大し、摩擦係数の低減に寄与する。実施例1のように式(1)の分布を満たす場合、この樹脂オーバレイ層13に含まれる固体潤滑剤の粒子21における垂直成分と水平成分とが適正となる。そのため、固体潤滑剤の粒子21は、本来の作用である摩擦係数の低減だけでなく、樹脂オーバレイ層13の強度の向上にも寄与する。その結果、図5に示す条件のように10MPaと面圧が大きな場合でも、摩擦係数を維持しつつ、樹脂オーバレイ層13の耐摩耗性が高められる。
As shown in FIG. 6, it is clear that Example 1 satisfying the distribution of the formula (1) has improved wear resistance as compared with Comparative Example not satisfying the distribution of the formula (1). As described above, when the distribution of the formula (1) is satisfied, the
図7は、式(1)の分布のパラメータaについて検証している。樹脂オーバレイ層13の摩耗量は、パラメータaが大きくなるほど小さくなる傾向にある。一方、樹脂オーバレイ層13の摩擦係数は、パラメータaが大きくなるにしたがって大きくなる傾向にある。このことから、パラメータaが所定の範囲にあるとき、樹脂オーバレイ層13は摩擦係数の増大を招くことなく、耐摩耗性が高められることがわかる。図7に示す実施例2〜実施例11を参照すると、パラメータaが10≦a≦160であるとき、樹脂オーバレイ層13は摩擦係数の増大を招くことなく、耐摩耗性が顕著に向上する。特に、パラメータaが25≦a≦80である実施例5及び実施例6は、摩擦係数の増大を招くことなく、耐摩耗性が顕著に向上していることが分かる。
FIG. 7 verifies the distribution parameter a of the equation (1). The amount of wear of the
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。 The present invention described above is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to various embodiments without departing from the gist thereof.
図面中、10は摺動部材、12は軸受合金層、13は樹脂オーバレイ層、14は摺動面、20は樹脂バインダ、21は粒子1を示す。 In the drawings, 10 is a sliding member, 12 is a bearing alloy layer, 13 is a resin overlay layer, 14 is a sliding surface, 20 is a resin binder, and 21 is a particle 1.
Claims (3)
前記樹脂オーバレイ層は、
樹脂バインダと、
前記樹脂バインダに分散する20体積%以上の異方性の形状の固体潤滑剤の粒子と、を有し、
前記摺動面と平行な仮想的な直線を0°、前記摺動面に垂直な仮想的な軸を90°、前記樹脂バインダの任意の観察領域に含まれる前記粒子の総数をN、分布のパラメータをaと定義し、
前記摺動面から前記軸までの0°〜90°の範囲を、10°刻みであるA−10°<x≦A(A=10、20、30、・・・、90)の角度範囲に区分し、前記粒子の長軸の角度が前記角度範囲のいずれに含まれるか分類するとともに、前記角度範囲に含まれる前記粒子の数nをそれぞれカウントしたとき、
前記樹脂バインダに含まれる前記粒子の分布割合n/N(%)は、下記の式(1)で示される摺動部材。
The resin overlay layer is
With a resin binder,
It has 20% by volume or more anisotropically shaped solid lubricant particles dispersed in the resin binder.
The virtual straight line parallel to the sliding surface is 0 °, the virtual axis perpendicular to the sliding surface is 90 °, the total number of the particles contained in an arbitrary observation region of the resin binder is N, and the distribution is Define the parameter as a and
The range of 0 ° to 90 ° from the sliding surface to the axis is set to the angle range of A-10 ° <x≤A (A = 10, 20, 30, ..., 90) in 10 ° increments. When the angle of the major axis of the particles is classified into which of the angle ranges, and the number n of the particles included in the angle range is counted, respectively.
The distribution ratio n / N (%) of the particles contained in the resin binder is a sliding member represented by the following formula (1).
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