JP2607984B2 - 摺動部材 - Google Patents

摺動部材

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JP2607984B2 JP3159406A JP15940691A JP2607984B2 JP 2607984 B2 JP2607984 B2 JP 2607984B2 JP 3159406 A JP3159406 A JP 3159406A JP 15940691 A JP15940691 A JP 15940691A JP 2607984 B2 JP2607984 B2 JP 2607984B2
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義和 藤沢
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は摺動部材、特に、相手部
材との摺動面を持つ表面層を備えた摺動部材に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種摺動部材として、前記表面
層をPb−Sn系合金より構成したすべり軸受が知られ
ている(特開昭56−96088号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この種すべり軸受は、
エンジンにおけるクランクシャフトのジャーナル部、コ
ンロッドの大端部等に適用されているが、エンジンが高
速、且つ高出力化の傾向にある現在の状況下では、従来
のすべり軸受の表面層は、そのオイル保持性、つまり保
油性が十分でなく、また初期なじみ性も悪いため耐焼付
き性が乏しいという問題がある。
【0004】本発明は前記に鑑み、表面層の構造を特定
することにより、その表面層に十分な保油性を持たせ、
また表面層の初期なじみ性を良好にし、これにより表面
層の耐焼付き性を向上させた前記摺動部材を提供するこ
とを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、相手部材との
摺動面を持つ表面層を備えた摺動部材において、前記表
面層は、前記摺動面を形成すべく、頂点摺動面側に向
くように、結晶面の配向を伴って成長させた複数の角錐
体状結晶および上底面摺動面側に向くように、結晶面
の配向を伴って成長させた複数の角錐台状結晶の少なく
とも一方を有し、前記角錐体状結晶および角錐台状結晶
の各斜面が、底辺より頂点または上底面に向って上り階
段となるような段付面に形成されていることを特徴とす
る。
【0006】
【実施例】図1,図2において、摺動部材としてのすべ
り軸受1は、エンジンにおけるクランクシャフトのジャ
ーナル部、コンロッドの大端部等に適用されるもので、
第1および第2半体11 ,12 よりなる。両半体11
2 は同一構造を有し、裏金2と、その裏金2の内周面
に形成されたライニング層3と、そのライニング層3の
表面に形成されて相手部材xとの摺動面4aを持つ表面
層4とを備えている。裏金2およびライニング層3間に
は銅メッキ層が、またライニング層3および表面層4間
にはニッケルメッキバリヤ層がそれぞれ必要に応じて設
けられる。
【0007】裏金2は圧延鋼板より構成され、その厚さ
はすべり軸受1の設定厚さにより決められる。ライニン
グ層3は銅、銅系合金、アルミニウム、アルミニウム系
合金等より構成され、その厚さは50〜500μm、通
常は300μm程度である。表面層4はPb合金より構
成され、その厚さは5〜50μm、通常は20μm程度
である。
【0008】表面層4を構成するPb合金は、80〜9
0重量%のPbと3〜20重量%のSnとを含有し、必
要に応じてCu、In、Ag、Tl、Nb、Sb、N
i、Cd、Te、Bi、Mn、Ca、Baから選択され
る少なくとも一種を10重量%以下含有する。
【0009】Cu、Ni、Mnは表面層4の硬さを向上
させる機能を有するが、その含有量が10重量%を上回
ると、硬さが高くなり過ぎて初期なじみ性が低下する。
Cu等を添加する場合には、表面層4の硬さHmvが1
5〜25になるように、その含有量を調整するのが望ま
しい。
【0010】In、Ag、Tl、Nb、Sb、Cd、T
e、Bi、Ca、Baは、表面層4を軟化して初期なじ
み性を改善する機能を有するが、その含有量が10重量
%を上回ると、表面層4の強度が低下する。In等を添
加する場合には、表面層4の硬さHmvが8〜15にな
るように、その含有量を調整するのが望ましい。
【0011】表面層4は、電気メッキ法により形成され
るもので、メッキ液としては、1リットル当り40〜1
80gのPb2+、1リットル当り1.5〜35gのSn
2+、必要に応じて、1リットル当り15g以下のCu2+
を含むホウフッ化系メッキ液が用いられる。またメッキ
液の温度は10〜35℃、陰極電流密度は3〜15A/
dm2 にそれぞれ設定される。
【0012】図3は、摺動面4aにおけるPb合金の結
晶構造を示す電子顕微鏡写真(10,000倍)である。表面
層4は8重量%のSnと、2重量%のCuとを含有する
Pb合金よりなる。その表面層4は銅合金製ライニング
層3上に形成され、表面層4を形成する際の電気メッキ
処理における陰極電流密度は6A/dm2 に設定され
た。
【0013】図2〜図5に明示するように、表面層4
は、摺動面4aを形成すべく、頂点a摺動面4a側に
くように、結晶面の配向を伴って成長させた複数の角
錐体状結晶、図示例ではPb合金の四角錐体状結晶6を
有する。各四角錐体状結晶6はライニング層3より延出
する各柱状晶5の先端部を形成し、またその各斜面b
は、結晶成長過程で底辺cより頂点aに向って上り階段
となるような段付面に形成される。各斜面bにおいて、
相隣る両段部d間の高さeは、3.5×10-4μm以
上、0.5μm以下に設定される。四角錐体状結晶6の
大きさは、陰極電流密度に依存し、その陰極電流密度が
高くなると、四角錐体状結晶6が大きく成長し、したが
って、相隣る両段部d間の高さeも増す。
【0014】図6は、表面層4におけるPb合金結晶の
X線回折図であり、ミラー指数で(200)面および
(400)面の回折ピークのみが認められる。
【0015】ここで、結晶面の配向性を表わす指数とし
て配向指数Oeを、 (ただし、hklはミラー指数、Ihklは(hkl)
面の積分強度、ΣIhklはIhklの総和)と定義す
ると、或(hkl)面において、その配向指数Oeが1
00%に近ければ近い程、その(hkl)面と直交する
方向へ配向した結晶面が多いことになる。
【0016】Pb合金結晶の(200)面および(40
0)面における積分強度Ihklおよび配向指数Oeは
表1の通りである。
【0017】
【表1】
【0018】表1より、前記Pb合金の(h00)面に
おける配向指数Oeは100%であり、したがってPb
合金結晶は、結晶軸a,b,cにおいて各軸方向に配向
した結晶面、即ち(h00)面を持つことになる。この
ように、結晶面を(h00)面と直交する方向に配向さ
せると、Pb合金の結晶構造が面心立方構造であること
から、配向方向における原子密度が高くなるので、表面
層4の硬度が増してその耐焼付き性が向上する。
【0019】図7は、従来例表面層の摺動面におけるP
b合金の結晶構造を示す電子顕微鏡写真(10,000倍)で
ある。この表面層は8重量%のSnと、2重量%のCu
とを含有するPb合金よりなり、表面層は電気メッキ処
理により銅合金製ライニング層上に形成されたもので、
エンジン用クランクシャフトのジャーナル部に適用され
る。
【0020】図8は、従来例表面層におけるPb合金結
晶のX線回折図である。本図からは特定の結晶面への配
向は認められない。種々の(hkl)面における積分強
度Ihklおよび配向指数Oeは表2の通りである。
【0021】
【表2】
【0022】図8および表2から明らかなように、従来
例Pb合金の結晶形状は結晶面がランダムに配向した不
定形状である。これに起因してPb合金の硬度は前記
(h00)面配向のPb合金に比べて低くなる。
【0023】表3は、各種すべり軸受において、その表
面層の組成、(h00)面における配向指数Oe、結晶
形状等を比較したものである。
【0024】
【表3】
【0025】本発明(1)は前記本発明におけるPb合
金(図3)に該当する。本発明(2),(3)は、本発
明(1)に比べて陰極電流密度を上げた場合に、また本
発明(4)は下げた場合にそれぞれ該当する。
【0026】比較例(1)は前記従来例におけるPb合
金(図7)に該当し、その結晶形状は不定形状である。
比較例(2)は本発明(4)と略同一の組成を有し、ま
た比較例(1)と略同様の結晶形状を有する。比較例
(1),(2)の陰極電流密度は不明である。
【0027】図9は、本発明(1)〜(4)および比較
例(1),(2)の焼付きテスト結果を示す。
【0028】焼付きテストは、回転軸に各すべり軸受を
摺擦させ、そのすべり軸受に対する負荷荷重を漸次増加
させることにより行われた。図9は各すべり軸受の表面
層が焼付きを発生したときの面圧を求めたものである。
【0029】テスト条件は次の通りである。回転軸の材
質 JIS S48C材に窒化処理を施したもの、回転
軸の回転数 6000rpm 、給油温度 120℃、給油圧力
3kg/cm2 、負荷荷重 1kg/sec 。
【0030】図9から明らかなように、本発明(1)〜
(4)は、比較例(1),(2)に比べて優れた耐焼付
き性を有する。このような効果が得られる理由は、摺動
面4aを形成する四角錐体状結晶6の頂点a側を優先的
に摩耗させて表面層4の初期なじみ性を良好にすること
ができるからであり、またPb合金結晶が四角錐体状結
晶6であると共に各斜面bが段付面であることに起因し
て、摺動面4aの表面積が広くなるので、表面層4が十
分な保油性を有するからである。この場合、摺動開始初
期に頂点a側の優先的摩耗が終了して平坦面(四角錐台
の上底面に相当する)が形成されると、その平坦面と相
手部材との間には常時油膜が存在するので、それ以後の
摺動面4aの摩耗は極めて緩慢に行われる。
【0031】なお、相隣る両段部d間の高さeが3.5
×10-4μm未満では、保油性が低く、一方、0.5μ
mを超えると、結晶自体が粗大化することになるので、
表面層4の強度が低下する。
【0032】図10に示す表面層4、摺動面4aを形
成すべく、上底面f摺動面4a側に向くように、結晶
面の配向を伴って成長させた複数の角錐台状結晶、図示
例ではPb合金の四角錐台状結晶7のみを有するこの
ような結晶7のみまたはこれと四角錐体状結晶6との混
成構造によっても前記と同様の摺動特性が得られる。こ
の場合、摺動面4aの少なくとも一部が四角錐台状結晶
7の上底面fより形成されることから、摺動開始初期よ
り相手部材と上底面fとの間に油膜を形成させて初期な
じみ性を良好にすると共に安定化させることができる。
【0033】四角錐体状結晶6および/または四角錐台
状結晶7が摺動面4aの一部を形成するものも本発明に
包含される。この場合、摺動面4aにおける四角錐体状
結晶6等の面積率は50%以上に設定される。
【0034】前記のように優秀な摺動特性を得るために
は四角錐体状結晶6および四角錐台状結晶7の傾きが問
題となる。
【0035】そこで、図4,図11に示すように四角錐
体状結晶6の底面側に、その結晶6を突出させて摺動面
4aに沿う仮想面Gを規定し、また四角錐体状結晶6の
頂点aと底面中央部hを通る直線kが、底面中央部hを
通り仮想面Gに垂直な基準線mに対してなす傾き角をθ
と規定すると、四角錐体状結晶6の傾き角θは0°≦θ
≦30°に設定される。傾き角θが、θ>30°になる
と、表面層4の保油性および頂点a側の優先的摩耗性が
低下する。
【0036】四角錐台状結晶7の場合の傾き角θは、図
10,図12に示すように上底面中央部nおよび下底面
中央部pを通る直線rと下底面中央部pを通り仮想面G
に垂直な基準線mとがなす角度として規定される。この
場合にも傾き角θは、0°≦θ≦30°に設定される。
【0037】前記実施例では、表面層を電気メッキ法に
より形成したが、その他の表面層形成方法としては、P
VD、イオンプレーティング、CVD、スパッタリング
等の気相メッキ法を挙げることができる。
【0038】本発明はすべり軸受に限らず、他の摺動部
材にも適用される。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、表面層の構造を前記の
ように特定することによって、その表面層の耐焼付き性
を向上させた摺動部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】すべり軸受の分解平面図である。
【図2】図1の2−2線断面図である。
【図3】摺動面におけるPb合金の結晶構造を示す顕微
鏡写真である。
【図4】表面層の第1例を示す要部概略斜視図である。
【図5】四角錐体状結晶の要部断面図である。
【図6】表面層におけるPb合金結晶のX線回折図であ
る。
【図7】従来例摺動面におけるPb合金の結晶構造を示
す顕微鏡写真である。
【図8】従来例表面層におけるPb合金結晶のX線回折
図である。
【図9】焼付きテスト結果を示すグラフである。
【図10】表面層の第2例を示す要部概略斜視図であ
る。
【図11】四角錐体状結晶の傾き角測定法を示す説明図
である。
【図12】四角錐台状結晶の傾き角測定法を示す説明図
である。
【符号の説明】
1 すべり軸受(摺動部材) 4 表面層 4a 摺動面 6 四角錐体状結晶(角錐体状結晶) 7 四角錐台状結晶(角錐台状結晶) a 頂点 b 斜面 c 底辺 d 段部 e 高さ f 上底面 x 相手部材

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 相手部材(x)との摺動面(4a)を持
    つ表面層(4)を備えた摺動部材において、前記表面層
    (4)は、前記摺動面(4a)を形成すべく、頂点
    (a)摺動面(4a)側に向くように、結晶面の配向
    を伴って成長させた複数の角錐体状結晶(6)および上
    底面(f)摺動面(4a)側に向くように、結晶面の
    配向を伴って成長させた複数の角錐台状結晶(7)の少
    なくとも一方を有し、前記角錐体状結晶(6)および角
    錐台状結晶(7)の各斜面(b)が、底辺(c)より頂
    点(a)または上底面(f)に向って上り階段となるよ
    うな段付面に形成されていることを特徴とする摺動部
    材。
  2. 【請求項2】 各斜面(b)において、相隣る両段部
    (d)間の高さ(e)が3.5×10-4μm以上、0.
    5μm以下に設定されている、請求項1記載の摺動部
    材。
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