JP2657336B2 - 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合金製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く、その上硬
度も比較的低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、さらに摺動面に
高硬度な部分を分散させ、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Ｐｂ−Ｓｎ系合金製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、
平坦面の面積を異にする複数の薄片を、前記相手部材に
近いもの程前記平坦面の面積が小さくなるように階段状
に積層した複数の角錐体状結晶および複数の角錐台状結
晶の少なくとも一方を有し、それら角錐状結晶および角
錐台状結晶の傾き角θが０°≦θ≦３０°であり、各平
坦面の周縁領域における合金元素濃度が、その周縁領域
を除く平坦面の内側領域における合金元素濃度よりも高
くなっ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 ，
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Ｃｕメッキ層が、またライニング層３および表面層４
間にはＮｉ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Ｃｕ、Ｃｕ系合金、Ａｌ、Ａｌ系合金等より構
成され、その厚さは５０〜５００μｍ、通常は３００μ
ｍ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Ｃｕ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４，図５に明示するように、表面層４
は、ライニング層３から延出するＰｂ合金の柱状晶５の
集合体であり、摺動面４ａを形成すべく、平坦面ａの面
積を異にする複数の薄片ｂを、相手部材ｘに近いもの程
平坦面ａの面積が小さくなるように階段状に積層した複
数の角錐体状結晶、図示例では四角錐体状結晶６を有す
る。その四角錐体状結晶６は柱状晶５の先端部を形成す
る。

【００１４】また各平坦面ａの周縁領域ｃにおける合金
元素濃度（Ｃｕ、Ｓｎ濃度）は、その周縁領域ｃを除く
平坦面ａの内側領域ｄにおける合金元素濃度よりも高く
なっている。

【００１５】このような合金元素の濃度分布は、電気メ
ッキ処理中に生じる端部効果によって周縁領域ｃの電流
密度が内側領域ｄのそれよりも高くなり、Ｓｎが周縁領
域ｃに偏析することによって生じるものと思われる。

【００１６】その結果、周縁領域ｃにおいては、金属組
織が緻密になるので硬度が高められ、これにより各薄片
ｂの良好な耐摩耗性を得て表面層４の耐焼付き性の向上
が図られる。

【００１７】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。

【００１８】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１００％に近ければ近いほど、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。

【００１９】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。

【００２０】

【表１】 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Ｃｕ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。

【００２４】

【表２】 図７，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（ｈ０
０）面配向のＰｂ合金に比べて低くなる。

【００２５】表３は、各種すべり軸受において、その表
面層の組成、結晶構造等を比較したものである。

【００２６】

【表３】 本発明（１）は前記本発明におけるＰｂ合金（図３）に
該当する。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。

【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ｆ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、また摺動面４ａの表面積が、薄片ｂ
を階段状に積層した四角錐体状結晶６により拡大されて
表面層４が十分な保油性を有するからである。これらに
加えて、周縁領域ｃの高硬度化に伴い、摺動面４ａには
高硬度な部分が散点状に分布することになるので、分散
強化を行った場合と同様な摺動特性が得られることも、
焼付き発生面圧を向上させる一因となっている。

【００３１】四角錐体状結晶６において、摺動開始初期
に頂点ｆ側の優先的摩耗が終了して、比較的面積の広い
平坦面ａが現われると、その平坦面ａと相手部材との間
には常時油膜が存在し、また周縁領域ｃによる高硬度な
部分の散点状分布によって耐摩耗性向上効果が得られる
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。

【００３２】図１０は、摺動面４ａが複数の四角錐台状
結晶（角錐台状結晶）８より形成される場合を示し、こ
の場合にも前記と同様の摺動特性が得られる。図１１は
摺動面４ａにおけるＰｂ合金の結晶構造を示す顕微鏡写
真（10,000倍）である。また摺動面４ａにおいて、四角
錐体状結晶６と四角錐台状結晶８が混在する場合も同様
である。

【００３３】これら変形例においては、摺動面４ａの少
なくとも一部が比較的広い面積を持つ平坦面ａより形成
されることから、摺動開始時より相手部材と平坦面ａと
の間に油膜を形成させると共に前記高硬度な部分による
耐摩耗性向上効果を得て、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。

【００３４】図１２は、各柱状晶５の先端面が平坦面ａ
に形成されている場合を示し、表面層４は、摺動面４ａ
を形成する複数の平坦面ａを有する。

【００３５】このように構成すると、周縁領域ｃの高硬
度化に伴い摺動面４ａには高硬度部分が網目状に分散
し、また前記同様に油膜形成効果が得られるので、良好
な摺動特性を得て耐焼付き性を向上させることができ
る。

【００３６】前記三種の柱状晶５（図４，図１０，図１
２）のうち、少なくとも一種が摺動面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、四角錐台状結晶８および平
坦面ａ（図１２）の少なくとも一種の面積率は５０％以
上に設定される。

【００３７】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、四角錐台状結晶８および平坦面ａ
（図１２）の傾きが問題となる。

【００３８】そこで、図４，図１３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ｆ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４ａの保油性および頂点ｆ側の優先的摩耗性
が低下する。

【００３９】四角錐台状結晶８の場合の傾き角θは、図
１０，図１４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。

【００４０】図１２の平坦面ａの場合の傾き角θは、図
１２，図１５に示すように、平坦面中央部ｓを通り、そ
の平坦面ａに垂直な直線ｔと平坦面中央部ｓ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。

【００４１】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。

【００４２】

【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】摺動面の第１例における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】図４の５−５線断面図である。

【図６】表面層の第１例における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】摺動面の第２例におけるＰｂ合金の結晶構造
を示す顕微鏡写真である。

【図１２】表面層の第３例を示す要部概略斜視図であ
る。

【図１３】四角錐体状結晶の傾き角測定法を示す説明図
である。

【図１４】四角錐台状結晶の傾き角測定法を示す説明図
である。

【図１５】平坦面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） ８ 四角錐台状結晶（角錐台状結晶） ａ 平坦面 ｂ 薄片 ｃ 周縁領域 ｄ 内側領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−17896（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−10334（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−9789（ＪＰ，Ａ)

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Ｐｂ−Ｓｎ系合金製表面層（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、平坦面（ａ）の面積を異にする複数の薄片
   （ｂ）を、前記相手部材（ｘ）に近いもの程前記平坦面
   （ａ）の面積が小さくなるように階段状に積層した複数
   の角錐体状結晶（６）および複数の角錐台状結晶（８）
   の少なくとも一方を有し、それら角錐状結晶（６）およ
   び角錐台状結晶（８）の傾き角θが０°≦θ≦３０°で
   あり、各平坦面（ａ）の周縁領域（ｃ）における合金元
   素濃度が、その周縁領域（ｃ）を除く平坦面（ａ）の内
   側領域（ｄ）における合金元素濃度よりも高くなってい
   ることを特徴とする摺動部材。
2. 【請求項２】 相手部材（ｘ）との摺動面（４ａ）を持
   つＰｂ−Ｓｎ系合金製表面層（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
   成すべく先端面を平坦面（ａ）に形成された複数の柱状
   晶（５）を有し、それら柱状晶（５）の傾き角θが０°
   ≦θ≦３０°であり、各平坦面（ａ）の周縁領域（ｃ）
   における合金元素濃度が、その周縁領域（ｃ）を除く平
   坦面（ａ）の内側領域（ｄ）における合金元素濃度より
   も高くなっていることを特徴とする摺動部材。