JP2022081128A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の保持性能がさらに向上し、耐焼付性を向上する摺動部材を提供する。【解決手段】本実施形態の摺動部材１０は、軸受合金層１２の摺動面１４側に、樹脂で形成されているオーバレイ層１３を備える。オーバレイ層１３の摺動面１４における突出谷部空間体積Ｖｖｖ（μｍ３／μｍ２）をＶｖ１とすると、Ｖｖ１は、０．０１５≦Ｖｖ１≦０．２００である。【選択図】図１

Description

本実施形態は、摺動部材に関する。

近年、環境保護の観点から、自動車などの車両において、停車中に内燃機関を停止するいわゆるアイドリングストップが普及している。アイドリングストップを採用する車両は、内燃機関の停止と始動とを従来の車両と比較して頻繁に繰り返す。ところで、内燃機関の摺動部分は、運転時における駆動軸の回転によって潤滑油が供給される。そのため、内燃機関が頻繁に停止と始動とを繰り返す場合、停止時においても軸受部分では潤滑油を十分に保持することが求められる。

特許文献１の場合、摺動部材は、摺動面を形成する樹脂製のオーバレイ層の表面に凹凸を有している。特許文献１の場合、このオーバレイ層の凹凸を粗く設定することにより、その凹部に潤滑油を保持している。これにより、内燃機関の停止時でも潤滑油を保持し、内燃機関の始動時における摺動部分への潤滑油の供給を図っている。
しかしながら、内燃機関及びこれを搭載する車両への要求が厳しくなるにつれて、摺動部における潤滑油の保持性能のさらなる向上が求められている。

特開２０１８－１１９５９３号公報

そこで、潤滑油の保持性能がさらに向上し、耐焼付性を向上する摺動部材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、軸受合金層の摺動面側に、樹脂で形成されているオーバレイ層を備える。オーバレイ層の摺動面における突出谷部空間体積Ｖｖｖ（μｍ^３／μｍ^２）をＶｖ１とすると、Ｖｖ１は、０．０１５≦Ｖｖ１≦０．２００である。

本件発明者は、摺動部材のオーバレイ層の表面形状において、３次元の特性が耐焼付性の向上に寄与していることを見出した。具体的には、摺動面における突出谷部空間体積ＶｖｖをＶｖ１とすると、Ｖｖ１は、０．０１５≦Ｖｖ１≦０．２００にあるとき、耐焼付性が向上する。これは、オーバレイ層の表面である摺動面の凹凸が特許文献１と比較して細かいものの、３次元的な特性を設定することにより、細かな凹凸により多くの潤滑油が保持されるためである。つまり、本実施形態の場合、３次元の特性を設定することにより、摺動面により細かな凹凸が形成され、凹部の体積が増大する。そして、潤滑油は、この凹部により多く保持される。そのため、内燃機関の停止と始動とが頻繁に繰り返されるような潤滑油が不足しやすい環境下でも摺動部分に潤滑油が供給され、内燃機関の始動時に摺動部材と相手部材との間には油膜が形成される。したがって、より厳しい条件下においても潤滑油の保持性能が向上し、耐焼付性を向上することができる。

一実施形態による摺動部材の模式的な断面を示す概略図 一実施形態による摺動部材の構成を示す模式的な斜視図 一実施形態による摺動部材のＶｖ１とＳｖ１との関係を説明するための概略図 一実施形態による摺動部材の製造方法を示す模式的な斜視図 一実施形態による摺動部材の製造方法において、オーバレイ層を形成する条件とＶｖ１との関係を概略的に示す模式図 一実施形態による摺動部材の耐焼付性を評価するための試験条件を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例を示す概略図 一実施形態による摺動部材の耐疲労性を評価するための試験条件を示す概略図

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に示すように摺動部材１０は、裏金層１１、軸受合金層１２及びオーバレイ層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１に示す例に限らず、裏金層１１とオーバレイ層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、オーバレイ層１３側の端部に図示しない相手部材と摺動する摺動面１４を形成する。図１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及びオーバレイ層１３が順に積層されている。軸受合金層１２は、裏金層１１と反対側の端部に、オーバレイ層１３が積層される端面１５を有している。裏金層１１は、例えば鉄や銅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。本実施形態の場合、オーバレイ層１３の厚さは、３μｍから２０μｍであり、５μｍから１５μｍであることが好ましい。

オーバレイ層１３は、図示しない樹脂バインダ及び固体潤滑剤で構成されている。樹脂バインダは、オーバレイ層１３の主成分であり、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、例えば無機化合物やフッ素樹脂などが用いられる。無機化合物としては、例えば黒鉛、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から選択される一種以上が用いられる。フッ素樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが用いられる。これらの他にも、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、Ｎ－ε－ラウロイル－Ｌ－リジンなどを用いてもよい。本実施形態の場合、オーバレイ層１３は、固体潤滑剤を５ｖｏｌ％～５０ｖｏｌ％含んでいる。

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、タルク、マイカ、ムライト、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、立方晶窒化ホウ素などの窒化物、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。

本実施形態の場合、オーバレイ層１３は、摺動面１４における３次元の形状を測定している。具体的には、オーバレイ層１３は、突出谷部空間体積Ｖｖｖ（μｍ^３／μｍ^２）、及び突出谷部深さＳｖｋを測定している。以下、本実施形態のオーバレイ層１３の摺動面１４における突出谷部空間体積ＶｖｖはＶｖ１と定義し、同じく摺動面１４における突出谷部深さＳｖｋはＳｖ１と定義する。Ｖｖ１及びＳｖ１をはじめとする摺動面１４における３次元の形状は、３次元光学プロファイラーシステムを用いて測定している。本実施形態の場合、オーバレイ層１３の摺動面１４におけるＶｖ１は、０．０１５≦Ｖｖ１≦０．２００である。特に、オーバレイ層１３の摺動面１４におけるＶｖ１は、０．０２０≦Ｖｖ１≦０．１６０の範囲にあることが好ましい。

このように、オーバレイ層１３の摺動面１４における３次元の特性を設定することにより、摺動面１４にはより細かな凹凸が形成される。そのため、摺動面１４における谷部つまり凹部の体積は増大する。そして、潤滑油は、この凹部により多く保持される。これにより、内燃機関の停止と始動とが頻繁に繰り返されるような潤滑油が不足しやすい環境下でも、相手部材との摺動部分には潤滑油が供給され、内燃機関の始動時に摺動部材１０と相手部材との間には油膜が形成される。一方、Ｓｖ１が過大になると、凹部の体積も過大となる。そのため、Ｓｖ１が過大となると、凹部には温度が上昇した潤滑油が滞留しやすく、耐焼付性の低下を招く。そこで、本実施形態のように、Ｖｖ１は特定の範囲に設定する。

また、本実施形態の場合、オーバレイ層１３は、Ｓｖ１とＶｖ１との間に、
Ｓｖ１＝１０×Ｖｖ１－０．１（±０．３） 式（１）
の関係が成立することが好ましい。すなわち、Ｓｖ１とＶｖ１とは、図３に示すように２本の１次関数の直線に挟まれた領域が定義され、この範囲にＳｖ１及びＶｖ１が含まれる。そして、Ｖｖ１は、上述の０．０１５≦Ｖｖ１≦０．２００、好ましくは図３の網掛けで示すように０．０２０≦Ｖｖ１≦０．１６０であることが好ましい。当然ながら、Ｓｖ１は、Ｓｖ１＞０である。

本実施形態では、Ｖｖ１及びＳｖ１に加え、摺動面１４における突出山部体積Ｖｍ１（μｍ^３／μｍ^２）、突出山部高さＳｐｋ（μｍ）、及び展開界面面積率Ｓｄｒ（－）をそれぞれ測定している。以下、本実施形態のオーバレイ層１３の摺動面１４における突出山部実体体積ＶｍｐはＶｍ１と定義し、同じく摺動面１４における突出山部高さＳｐｋはＳｐ１と定義し、同じく摺動面１４における展開界面面積率ＳｄｒはＳｄ１と定義する。これらのようにＶｍ１を測定するとき、Ｖｍ１は、０．０１０≦Ｖｍ１≦０．０８０であることが好ましい。同様に、Ｓｐ１は、０．１００≦Ｓｐ１≦１．５００であることが好ましく、Ｓｄ１は、０．０００≦Ｓｄ１≦０．１００であることが好ましい。Ｖｍ１、Ｓｐ１及びＳｄ１をこれらの範囲に設定することにより、摺動部材１０は耐焼付性が向上する。

上記の他、本実施形態では、軸受合金層１２の端面１５における突出谷部空間体積Ｖｖｖ及び突出谷部深さＳｖｋをそれぞれ測定している。以下、本実施形態の軸受合金層１２の端面１５における突出谷部空間体積ＶｖｖはＶｖ２と定義し、突出谷部深さＳｖｋはＳｖ２と定義する。本実施形態の場合、Ｖｖ２及びＳｖ２は、それぞれ０．０１０≦Ｖｖ２≦０．１００であり、０．１００≦Ｓｖ２≦１．０００である。特に、Ｖｖ２及びＳｖ２は、０．０２０≦Ｖｖ２≦０．０５９であり、０．１５０≦Ｓｖ２≦０．４８０であることが好ましい。

次に、上記の構成による摺動部材１０の製造方法について説明する。
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２０は、例えば半円筒形状や板状などに形成される。バイメタル２０は、半円筒形状や板状に限らず、円筒形状また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２０は、軸受合金層１２の端面１５に処理が施される。バイメタルは、例えばショットピーニングやエッチングで端面１５のＶｖ２及びＳｖ２が制御される。端面１５をショットピーニングで処理する場合、例えば鋼、ステンレス、亜鉛やアルミニウムなどの金属、アルミナ、炭化ケイ素やジルコニアなどのセラミックス、ガラス、又は樹脂などがショット材として用いられる。また、端面１５をピーニングで処理する場合、レーザやキャビテーションが用いられる。

バイメタル２０の軸受合金層１２の端面１５に処理が施されると、図４に示すようにオーバレイ層１３が形成される。オーバレイ層１３の形成では、図示しない治具に保持されたバイメタル２０の移動速度が制御される。移動速度の制御は、例えば図示しない治具に保持されたバイメタル２０を回転駆動する場合、回転速度の制御によって実施される。また、例えば図４に示すようにスプレーコーティングを用いてオーバレイ層１３を形成する場合、摺動面１４の形状つまりＶｖ１やＳｖ１などは、オーバレイ層１３を形成する樹脂を噴射するノズル２１の孔径、噴射圧力、樹脂と溶媒との混合割合、樹脂若しくはバイメタル２０の予熱温度、治具の回転速度、又は樹脂の乾燥にかける時間などを複合的に調整することにより制御される。これら、ノズル２１の孔径、噴射圧力、溶媒に対する樹脂の混合割合、予熱温度、回転速度及び乾燥時間とＶｖ１との関係の概略的な傾向は、図５に示す通りである。
以上の手順によって、バイメタル２０にオーバレイ層１３が形成され、摺動部材１０が作成される。

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。
各実施例及び比較例は、図６に示す条件を用いて耐焼付性の評価として焼き付かない最大面圧（ＭＰａ）を測定した。実施例及び比較例に用いた摺動部材１０の試料は、内径５６ｍｍ、軸方向の全長が１５ｍｍ、及び厚さが１．５ｍｍの筒状とした。試料は、相手部材との相対的な回転速度である周速を２０ｍ／ｓと設定して相手部材と摺動させた。このとき、試料と相手部材との間に加わる荷重は、５ＭＰａ／１０ｍｉｎと設定した。潤滑油は、ＶＧ２２を１００ｍｌ／ｍｉｎで供給した。

（オーバレイ層のＶｖ１の耐焼付性に対する評価）
図７は、オーバレイ層１３の摺動面１４における突出谷部空間体積であるＶｖ１が摺動部材１０の耐焼付性に与える影響の評価を示している。実施例１から実施例５は、いずれもＶｖ１が０．０１５≦Ｖｖ１≦０．２００である。これに対し、比較例１は、Ｖｖ１が０．２２９と上記の上限を上回っている。また、比較例２は、Ｖｖ１が０．０１０と上記の下限を下回っている。このように、Ｖｖ１を適切に設定した実施例１から実施例５は、耐焼付性の評価を示す焼き付かない最大面圧が比較例１及び比較例２よりも向上する。特に、Ｖｖ１が０．０２０≦Ｖｖ１≦０．１６０である実施例２、実施例３及び実施例４は、この範囲外である実施例１及び実施例５と比較して、耐焼付性がより向上する。

これら実施例１から実施例５は、オーバレイ層１３を形成するとき、ノズル２１の孔径、噴射圧力及び乾燥時間を調整することにより、オーバレイ層１３のＶｖ１を所定の範囲に制御した。特に、オーバレイ層１３のＶｖ１は、オーバレイ層１３を形成する樹脂の乾燥時間によって制御される。

（オーバレイ層のＳｖ１の耐焼付性に対する評価）
図８は、オーバレイ層１３の摺動面１４における突出谷部深さであるＳｖ１が耐焼付性に与える影響の評価を示している。実施例６から実施例９は、いずれもＳｖ１がＶｖ１に対して、式（１）であるＳｖ１＝１０×Ｖｖ１－０．１（±０．３）の関係を満たしている。これら実施例６から実施例９は、Ｖｖ１が０．０２０≦Ｖｖ１≦０．１６０の範囲にある実施例１０から実施例１３と比較して、耐焼付性がより向上している。このことから、Ｓｖ１とＶｖ１との間に式（１）の関係が成立するとき、耐焼付性がより向上することがわかる。

（軸受合金層のＶｖ２、Ｓｖ２の耐焼付性に対する評価）
図９は、軸受合金層１２の端面１５における突出谷部空間体積であるＶｖ２、及び突出谷部深さであるＳｖ２が耐焼付性に与える影響の評価を示している。実施例１４から実施例１６は、軸受合金層１２の端面１５の形状的な特性と耐焼付性との関係を示している。これら実施例１４から実施例１６によると、軸受合金層１２の端面１５におけるＶｖ２及びＳｖ２は、オーバレイ層１３を形成した摺動部材１０の耐焼付性に与える影響が小さいことがわかる。

（軸受合金層のＶｖ２、Ｓｖ２の耐疲労性に対する評価）
図１０は、軸受合金層１２の端面１５における突出谷部空間体積であるＶｖ２、及び突出谷部深さであるＳｖ２が摺動部材１０の耐疲労性に与える影響の評価を示している。上述の図９で説明したように、軸受合金層１２のＶｖ２及びＳｖ２が摺動部材１０の耐焼付性に与える影響は小さい。これに対し、軸受合金層１２のＶｖ２及びＳｖ２を適切に調整することにより、図１０に示すように摺動部材１０の耐疲労性は向上する。軸受合金層１２の端面１５におけるＶｖ２及びＳｖ２は、端面１５を処理する際のショットの粒径やショットの圧力によって制御される。耐疲労性の試験は、図１１に示す条件で行なった。

図１０に示す実施例１７から実施例２９では、軸受合金層１２は、裏金層１１と反対側の端面１５にオーバレイ層１３が形成されている。オーバレイ層１３は、厚さを３μｍに設定した。ここで、オーバレイ層１３のＶｖ１及びＳｖ１は、上述のように耐焼付性の向上を達成するために、それぞれ０．０２０≦Ｖｖ１≦０．１６０、０．１００≦Ｓｖ１≦１．８００に設定した。

実施例１７から実施例２９における耐疲労性の評価では、図１１に示す条件において、疲労しない最大面圧（ＭＰａ）を測定した。実施例に用いた摺動部材１０の試料は、内径５６ｍｍ、軸方向の全長が１５ｍｍ、及び厚さが１．５ｍｍの筒状とした。試料は、相手部材の回転数を３０００ｒｐｍと設定して相手部材と摺動させた。潤滑油は、温度が１６０℃のＶＧ２２を用いた。そして、摺動部材１０の背面側、つまり裏金層１１の外壁において温度が上昇した位置を疲労が発生した位置として判断した。具体的には、０．１ｓの間に、温度が１℃以上、上昇すると、疲労が発生したと判断した。つまり、摺動部材１０に疲労にともなうクラックが発生すると、摺動部材１０と相手部材とは局部的な固体接触を生じる。そのため、疲労にともなうクラックが発生した位置には、局部的な温度の上昇が見られる。そこで、摺動部材１０の背面側において温度を計測し、局部的な温度の上昇が生じると、疲労にともなうクラックが発生したと判断した。

実施例１７から実施例２９によると、０．０１０≦Ｖｖ２≦０．１００であり、かつ０．１００≦Ｓｖ２≦１．０００である実施例１７から実施例１９、及び実施例２２から実施例２８は、疲労しない最大面圧が他の実施例と比較して向上している。特に、実施例２２から実施例２５は、０．０２０≦Ｖｖ２≦０．０５９であり、かつ０．１５０≦Ｓｖ２≦０．４８０であることにより、疲労しない最大面圧がさらに向上している。これに対し、Ｖｖ２又はＳｖ２の範囲を、いずれか一方しか満たさない実施例２０は、実施例１７から実施例１９、及び実施例２２から実施例２８に比較して疲労しない最大面圧がやや低下している。また、Ｖｖ２及びＳｖ２の範囲を、いずれも満たさない実施例２１及び実施例２９は、この実施例２０に比較して疲労しない最大面圧が低下している。これらのことから、軸受合金層１２の端面１５におけるＶｖ２及びＳｖ２を適切な範囲に制御することにより、疲労しない最大面圧の向上が図られる。

疲労にともなうクラックは、軸受合金層１２の端面１５における微細な凹凸の凹部を起点として、板厚方向つまり径方向の外側へ進展しやすいことが考えられる。そのため、軸受合金層１２のＶｖ２及びＳｖ２は、その範囲を制御することにより、軸受合金層１２の端面１５の形状にクラックの起点となる凹部が形成されにくくなる。その結果、図１０の各実施例に示すように、耐疲労性が向上すると考えられる。

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は裏金層、１２は軸受合金層、１３はオーバレイ層、１４は摺動面、１５は端面を示す。

Claims (8)

1. 軸受合金層の摺動面側に、樹脂で形成されているオーバレイ層を備える摺動部材であって、
   前記オーバレイ層の前記摺動面における突出谷部空間体積Ｖｖｖ（μｍ^３／μｍ^２）をＶｖ１とすると、
   前記Ｖｖ１は、
   ０．０１５≦Ｖｖ１≦０．２００
   である摺動部材。
2. 前記Ｖｖ１は、
   ０．０２０≦Ｖｖ１≦０．１６０
   である請求項１記載の摺動部材。
3. 前記摺動面における突出谷部深さＳｖｋをＳｖ１とすると、
   前記Ｓｖ１は、前記Ｖｖ１との間に、
   Ｓｖ１＝１０×Ｖｖ１－０．１（±０．３）
   の関係が成立する請求項１又は２記載の摺動部材。
4. 前記摺動面における突出山部実体体積Ｖｍｐ（μｍ^３／μｍ^２）をＶｍ１とすると、
   前記Ｖｍ１は、
   ０．０１０≦Ｖｍ１≦０．０８０
   である請求項１記載の摺動部材。
5. 前記摺動面における突出山部高さＳｐｋ（μｍ）をＳｐ１とすると、
   前記Ｓｐ１は、
   ０．１００≦Ｓｐ１≦１．５００
   である請求項１記載の摺動部材。
6. 前記摺動面の展開界面面積率Ｓｄｒ（－）をＳｄ１とすると、
   前記Ｓｄ１は、
   ０．０００≦Ｓｄ１≦０．１００
   である請求項１記載の摺動部材。
7. 前記軸受合金層の前記オーバレイ層側の端面における突出谷部空間体積Ｖｖｖ（μｍ^３／μｍ^２）をＶｖ２、及び突出谷部深さＳｖｋ（μｍ）をＳｖ２とすると、
   前記Ｖｖ２及び前記Ｓｖ２は、それぞれ
   ０．０１０≦Ｖｖ２≦０．１００
   ０．１００≦Ｓｖ２≦１．０００
   である請求項１記載の摺動部材。
8. 前記Ｖｖ２及び前記Ｓｖ２は、それぞれ
   ０．０２０≦Ｖｖ２≦０．０５９
   ０．１５０≦Ｓｖ２≦０．４８０
   である請求項７記載の摺動部材。

Images