JP2607985B2 - 摺動部材 - Google Patents

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
することによって、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、頂点を摺動面側に向
けた複数の角錐体状突起よりなるマトリックス部と、上
底面を摺動面側に向けて前記マトリックス部に分散する
複数の角錐台状突起を有し、前記角錐体状突起の高さｃ
₃ は前記角錐台状突起の高さｃ ₃ に略等しいことを特徴
とする。

【０００６】

【実施例】図１，図２に示す摺動部材としてのすべり軸
受１は本発明の原形となるものであって、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。このすべり軸受１は第１および第
２半体１₁ ，１₂ よりなる。両半体１₁ ，１₂ 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／ｄ
ｍ² 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４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ａ₁ ，ａ₂ を摺動面
４ａ側に向けた複数の角錐体状突起、図示例ではＰｂ合
金の四角錐体状結晶６₁ ，６₂ を有する。各四角錐体状
結晶６₁ ，６₂ はライニング層３より延出する各柱状晶
５の先端部を形成している。

【００１４】集合体は、マトリックス部Ｂを形成する複
数の第１の角錐体状突起としての小形四角錐体状結晶６
₁ と、そのマトリックス部Ｂに分散すると共に頂点ａ₂
側をマトリックス部Ｂより突出させた複数の第２の角錐
体状突起としての大形四角錐体状結晶６₂ とより構成さ
れる。

【００１５】小形四角錐体状結晶６₁ の高さｃ₁ は、
０．２μｍ≦ｃ₁ ≦２μｍであり、底面積は、０．０６
μｍ² ≦底面積≦６μｍ² である。一方、大形四角錐体
状結晶の高さｃ₂ は、２．５μｍ≦ｃ₂ ≦８μｍであ
り、底面積は、９μｍ² ≦底面積≦１００μｍ² であ
る。さらにマトリックス部Ｂにおける大形四角錐体状結
晶６₂ の面積率ｄは、１％≦ｄ≦５０％である。

【００１６】図５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。

【００１７】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。

【００１８】前記Ｐｂ合金結晶の（２００）面および
（４００）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。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１より、Ｐｂ合金結晶の（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。

【００２１】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。

【００２２】図６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。

【００２３】図７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。

【００２４】

【表２】

【００２５】図６および表２から明らかなように、従来
例の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。

【００２６】表３は、各種すべり軸受において、本発明
の原形となる例、即ち原形例（１）〜（４）と比較例
（１），（２）に関する表面層の組成、（ｈ００）面に
おける配向指数Ｏｅ、結晶構造等を比較したものであ
る。表中、「小形」は小形四角錐体状結晶６₁ を、また
「大形」は大形四角錐体状結晶６₂ をそれぞれ意味す
る。

【００２７】

【表３】

【００２８】原形例（１）は図３に示したＰｂ合金に該
当する。原形例（２），（３）は、原形例（１）に比べ
て陰極電流密度を上げた場合に、また原形例（４）は下
げた場合にそれぞれ該当する。

【００２９】比較例（１）は図６に示した前記従来例に
おけるＰｂ合金に該当し、その結晶形状は不定形状であ
る。比較例（２）は原形例（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。

【００３０】図８は、原形例（１）〜（４）および比較
例（１），（２）の焼付きテスト結果を示す。

【００３１】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８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。

【００３２】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 。

【００３３】図８から明らかなように、原形例（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、大形
四角錐体状結晶６₂ の頂点ａ₂ 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、また小形および大形四角錐体状結晶６₁ ，６₂
の混在により摺動面４ａの表面積が拡大されて、表面層
４に十分な保油性を持たせることができるからである。

【００３４】大形四角錐体状結晶６₂ において、摺動開
始初期に頂点ａ₂ 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。

【００３５】なお、小形四角錐体状結晶６₁ の高さｃ₁
がｃ₁ ＜０．２μｍでは、摺動面４ａの表面積拡大効果
が少なくなるので、表面層４の保油性が低くなる。また
小形四角錐体状結晶６₁ の高さｃ₁ がｃ₁ ＞２μｍで、
また大形四角錐体状結晶６₂ の高さｃ₂ がｃ₂ ＜２．５
μｍになると、両結晶６₁ ，６₂ の高さｃ₁ ，ｃ₂ の差
が少なくなるので、大形四角錐体状結晶６₂ の優先的摩
耗が十分に行われず、初期なじみ性が低下する。大形四
角錐体状結晶６₂ の高さｃ₂ がｃ₂ ＞８μｍでは、その
結晶６₂ 自体が粗大化するので表面層４の強度が低下す
る。

【００３６】また大形四角錐体状結晶６₂ の面積率ｄが
ｄ＜１％になると、その結晶６₂ の優先的摩耗による初
期なじみ性向上効果が低く、一方、ｄ＞５０％になる
と、粗大結晶量が多くなるので表面層４の強度が低下す
る。

【００３７】図９，図１０は実施例を示し、Ｐｂ合金よ
りなる表面層４は、摺動面４ａを形成すべく、頂点ａ₁
を摺動面４ａ側に向けた複数の角錐体状突起としての小
形四角錐体状結晶６₁ よりなるマトリックス部Ｂと、上
底面ｅを摺動面４ａ側に向けてマトリックス部Ｂに分散
する複数の角錐台状突起としての大形四角錐台状結晶７
を有する。

【００３８】小形四角錐体状結晶の高さｃ₃ は大形四角
錐台状結晶７の高さｃ₃ に略等しく、その高さｃ₃ は、
０．２μｍ≦ｃ₃ ≦２μｍである。小形四角錐体状結晶
６₁の底面積は０．０６μｍ² ≦底面積≦６μｍ² であ
り、一方、大形四角錐台状結晶７の上底面ｅの面積は、
１μｍ² ≦面積≦３０μｍ² 、下底面の面積は、９μｍ
² ≦面積≦１００μｍ² である。またマトリックスＢに
おける大形四角錐台状結晶７の面積率ｄは、１％≦ｄ≦
５０％である。したがって、表面層４は、原形例（１）
〜（４）において、それらの大形四角錐体状結晶６ ₂ の
頂点ａ側が優先的に摩耗した場合と同様の摺動面４ａを
有する。

【００３９】このように構成すると、摺動面４ａの一部
が大形四角錐台状結晶７の上底面ｅ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ｅ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、また前記同様に表面層４に十分な保
油性を持たせることができる。

【００４０】なお、両結晶６₁ ，７の高さｃ₃ がｃ₃＜
０．２μｍになると、両結晶６₁ ，７が小さすぎて、摺
動面４ａの表面積拡大効果が少なくなるため表面層４の
保油性が低くなる。一方、両結晶６₁ ，７の高さｃ₃ が
ｃ₃ ＞２μｍになると、初期なじみ性が低下する。

【００４１】また大形四角錐台状結晶７の面積率ｄがｄ
＜１％になると、前記油膜形成効果が低下し、一方、ｄ
＞５０％になると、大形四角錐台状結晶７が比較的粗大
であることに起因して表面層４の強度が低下する。

【００４２】さらに、前記結晶６₁ ，６₂ または６₁，
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における前記結晶６₁ ，６
₂ 等の面積率は５０％以上に設定される。

【００４３】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６₁ ，６₂ および四角錐台状結晶７の
傾きが問題となる。

【００４４】そこで、図４，図１１に示すように四角錐
体状結晶６₁ ，６₂ の底面側に、それら結晶６₁ ，６₂
を突出させて摺動面４ａに沿う仮想面Ｆを規定し、また
四角錐体状結晶６₁ ，６₂ の頂点ａ₁ ，ａ₂ と底面中央
部ｇを通る直線ｈが、底面中央部ｇを通り仮想面Ｆに垂
直な基準線ｋに対してなす傾き角をθと規定すると、四
角錐体状結晶６₁ ，６₂ 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ａ₂ 側の優先的摩耗性が低下す
る。

【００４５】四角錐台状結晶７の場合の傾き角θは、図
９，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Ｆに
垂直な基準線ｋ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。

【００４６】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
等の気相を介する形成方法を挙げることができる。また
摺動面における角錐体状突起等の形成に当っては、化学
エッチング、電気エッチング、気相エッチング（ボンバ
ード処理）等のエッチング法、転写、切削等の機械加工
等を適用することが可能である。

【００４７】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。

【００４８】

【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】すべり軸受の原形例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】原形例摺動面におけるＰｂ合金の結晶構造を示
す顕微鏡写真である。

【図４】原形例表面層の要部概略斜視図である。

【図５】原形例表面層におけるＰｂ合金結晶のＸ線回折
図である。

【図６】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７】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８】焼付きテスト結果を示すグラフである。

【図９】実施例表面層の要部概略斜視図である。

【図１０】実施例表面層の要部概略縦断面図である。

【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 ₁ 小形四角錐体状結晶（角錐体状突起） ７ 大形四角錐台状結晶（四角錐台状突起） ａ ₁ 頂点 Ｂ マトリックス部ｃ ₃ 高さ ｅ 上底面 ｘ 相手部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−47589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−51589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−96088（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(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
   ₁ ）を摺動面側に向けた複数の角錐体状突起（６₁ ）よ
   りなるマトリックス部（Ｂ）と、上底面（ｅ）を摺動面
   （４ａ）側に向けて前記マトリックス部（Ｂ）に分散す
   る複数の角錐台状突起（７）を有し、前記角錐体状突起
   （６₁）の高さｃ₃ は前記角錐台状突起（７）の高さｃ
   ₃ に略等しいことを特徴とする摺動部材。
2. 【請求項２】 前記角錐体状突起（６₁ ）および角錐台
   状突起（７）の高さｃ₃ は、０．２μｍ≦ｃ₃ ≦２μｍ
   である、請求項１記載の摺動部材。
3. 【請求項３】 前記マトリックス部（Ｂ）における前記
   角錐台状突起（７）の面積率ｄは１％≦ｄ≦５０％であ
   る、請求項１または２記載の摺動部材。