JP2946252B2 - 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、基板
と、その基板に形成されて相手部材との摺動面を持つ合
金製表面層と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、摺動開始初期においてなじみ
性が悪く、また摺動開始初期経過後においては摩耗し易
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、摺動開始初期における表面層のなじみ
性を向上させると共に摺動開始初期経過後における表面
層の摩耗を抑制することができるようにした前記摺動部
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、基板と、その
基板に形成されて相手部材との摺動面を持つ合金製表面
層とを備えた摺動部材において、前記表面層は、前記基
板に析出させた主層と、その主層上に析出させた副層と
より構成され、前記主層は、前記基板より相互に近接し
て延出する複数の柱状晶を有し、前記副層は、前記主層
よりも低硬度な粒状晶の集合体を有することを特徴とす
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、基板２と、その基板２に形成さ
れて相手部材ｘとの摺動面３ａを持つ合金製表面層３と
を備えている。基板２は裏金２₁ と、その裏金２₁ の表
面に形成されて表面層３を支持するライニング層２₂ と
よりなる。裏金２₁ およびライニング層２₂ 間にはＣｕ
メッキ層が、またライニング層２₂および表面層３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２₁ 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２₂ 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３０
０μｍ程度である。表面層３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３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３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３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３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３の強度が低下する。Ｉｎ等を添
加する場合には、表面層３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３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、表面層３を縦断した場合のＰｂ合
金の結晶構造を示す電子顕微鏡写真（1,500 倍）であ
り、図４は、図３に対応する表面層３の要部概略縦断面
図である。表面層３は８重量％のＳｎと、２重量％のＣ
ｕとを含有するＰｂ合金よりなり、銅合金製ライニング
層２₂ 上に形成されている。

【００１３】図３，図４から明らかなように、表面層３
は、ライニング層２₂ 上に析出形成された主層３₁ と、
その主層３₁ 上に析出形成された副層３₂ とより構成さ
れる。

【００１４】図５は、主層３₁ を縦断した場合における
Ｐｂ合金の結晶構造を示す電子顕微鏡写真（5,000 倍）
であり、また図６は、主層３₁ 表面におけるＰｂ合金の
結晶構造を示す電子顕微鏡写真（10,000倍）である。

【００１５】図４〜図６から明らかなように、主層３₁
は、ライニング層２₂ より相互に近接して延出する複数
の柱状晶４を有する。図示例では、主層３₁ は柱状晶４
のみから形成されている。各柱状晶４は、柱状本体５
と、その柱状本体５の先端に連なる四角錐体状先端部６
とよりなり、相隣る両柱状晶４間には、摺動面３ａ側に
開口してオイル溜となる空洞部７が形成されている。摺
動面３ａと平行な横断面において、空洞部７の開口が占
める面積率は０．２％以上、１０％以下が適当である。

【００１６】図７は、副層３₂ 表面、したがって摺動面
３ａ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）であり、本図より副層３₂ が粒状晶の集合
体を有することが判る。図示例では、副層３₁ は粒状晶
のみから形成されている。

【００１７】このような表面層３の形成に当っては、ラ
イニング層２₂ 上に陰極電流密度８Ａ／ｄｍ² の条件下
で電気メッキ処理を行って主層３₁ を析出形成し、次い
で主層３₁ 上に陰極電流密度２Ａ／ｄｍ² の条件下で電
気メッキ処理を行って副層３₂ を析出形成する、といっ
た方法が採用される。この場合、主層３₁ の表面が四角
錐体状先端部６より形成されていることから、主層３₁
表面が副層３₂ に対してアンカ効果を発揮し、これによ
り主層３₁ に対する副層３₂ の密着性が良好となる。

【００１８】図８は、主層３₁ 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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】

【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。

【００２２】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、主層３₁ の硬度が増してその耐焼付き性お
よび耐摩耗性が向上する。主層３₁ の硬度Ｈｍｖは２０
〜２５である。

【００２３】図９は、副層３₂ 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Ｉ
ｈｋｌおよび配向指数Ｏｅは表２の通りである。

【００２４】

【表２】 図７，図９および表２から明らかなように、副層３₂ に
おける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。副層
３₂ の硬度Ｈｍｖは１０〜１５である。

【００２５】表３は、本発明および比較例すべり軸受の
構成および性能を比較したものである。表面層の組成は
本発明および比較例において同じである。

【００２６】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。表３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。

【００２７】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 。

【００２８】摩耗テストは、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を、回転軸に同期
させた正弦全波波型の動的荷重とし、一定摺動距離につ
いて行われた。

【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
軸回転数 3000rpm 、最大負荷面圧６００kg／cm² （軸
受投影面積：幅×直径）、摺動距離 ２．５×１０³ k
m、給油温度 １２０℃、給油圧力 ３kg／cm² 。

【００３０】図１０，図１１は摩耗テスト後の摺動面に
おけるＰｂ合金の結晶構造を示す電子顕微鏡写真（10,0
00倍）であり、図１０が本発明に、図１１が比較例にそ
れぞれ該当する。図１０より、本発明の主層３₁ におい
ては多くの空洞部７が観察される。

【００３１】

【表３】 表３から明らかなように、本発明においては、副層３₂
が低硬度であることに起因して初期なじみ性が良好であ
り、これにより摺動開始初期の焼付き発生面圧を比較例
に比べて向上させることができる。一方、摺動開始初期
経過後、したがって副層３₂ の摩滅後においては、図１
２に示すように摺動面３ａにオイル溜となる多数の空洞
部７が開口するので、主層３₁ が優れた潤滑能を発揮
し、また（ｈ００）面における配向指数Ｏｅが１００％
であることにより主層３₁ の硬度が高められるので、主
層３₁ の摩耗を大幅に抑制することができる。

【００３２】たゞし、摺動面において、空洞部７の開口
が占める面積率が０．２％未満では主層３₁ の潤滑能が
低く、一方、１０％を超えると主層３₁ の強度が低下す
る。

【００３３】主層３₁ において、その摺動開始初期に
は、四角錐体状先端部６の頂点ａ側が優先的に摩耗する
ので、主層３₁ のなじみ性は良好である。

【００３４】柱状晶４の先端は、四角錐台状先端部より
形成されていてもよい。図１３は、主層３₁ 表面が四角
錐台状先端部より形成される場合のＰｂ合金の結晶構造
を示す電子顕微鏡写真（10,000倍）である。この場合、
主層３₁ において、その摺動開始初期から、相手部材と
四角錐台状先端部上底面との間に油膜が形成されるの
で、主層３₁ のなじみ性は良好となる。

【００３５】柱状晶４が主層３₁ の一部を形成するもの
も本発明に包含される。この場合、摺動面と平行な横断
面における柱状晶４端面の面積率は５０％以上に設定さ
れる。

【００３６】前記のように優秀な摺動特性を得るために
は柱状晶４の傾きが問題となる。

【００３７】そこで、図１４に示すように柱状晶４に、
摺動面３ａに沿う仮想面Ｂを規定し、また柱状晶４の中
心線、図示例では、四角錐体状先端部６の頂点ａと底面
中央部ｃを通る直線ｄが、底面中央部ｃを通り仮想面Ｂ
に垂直な基準線ｅに対してなす傾き角をθと規定する
と、柱状晶４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、主層３₁ の耐焼
付き性および耐摩耗性が低下する。

【００３８】柱状晶４が四角錐台状先端部８を有する場
合の傾き角θは、図１５に示すように、四角錐台状先端
部８の上底面中央部ｆおよび下底面中央部ｇを通る直線
ｈと下底面中央部ｇを通り仮想面Ｂに垂直な基準線ｅ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。

【００３９】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
主層３₁ 表面における四角錐体状先端部等の形成に当っ
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。

【００４０】なお、本発明には主層３₁ が空洞部７を持
たないものも含まれる。また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。

【００４１】

【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、摺動開始初期における表
面層のなじみ性を向上させると共に摺動開始初期経過後
における表面層の摩耗を抑制し得るようにした摺動部材
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】表面層を縦断した場合のＰｂ合金の結晶構造を
示す顕微鏡写真である。

【図４】表面層の要部概略縦断面図である。

【図５】主層を縦断した場合におけるＰｂ合金の結晶構
造を示す顕微鏡写真である。

【図６】主層表面の第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７】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】主層におけるＰｂ合金結晶のＸ線回折図であ
る。

【図９】副層におけるＰｂ合金結晶のＸ線回折図であ
る。

【図１０】摩耗テスト後の主層摺動面におけるＰｂ合金
の結晶構造を示す顕微鏡写真である。

【図１１】摩耗テスト後の比較例摺動面におけるＰｂ合
金の結晶構造を示す顕微鏡写真である。

【図１２】摩耗進行過程における主層の要部概略縦断面
図である。

【図１３】主層表面の第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１４】柱状晶の第１例の傾き角測定法を示す説明図
である。

【図１５】柱状晶の第２例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） ２ 基板 ３ 表面層 ３ａ 摺動面 ３₁ 主層 ３₂ 副層 ４ 柱状晶 ７ 空洞部 ｘ 相手部材

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（２）と、その基板（２）に形成さ
   れて相手部材（ｘ）との摺動面（３ａ）を持つ合金製表
   面層（３）とを備えた摺動部材において、前記表面層
   （３）は、前記基板（２）上に析出させた主層（３₁ ）
   と、その主層（３₁ ）上に析出させた副層（３₂ ）とよ
   り構成され、前記主層（３₁ ）は、前記基板（２）より
   相互に近接して延出する複数の柱状晶（４）を有し、前
   記副層（３₂ ）は、前記主層（３₁ ）よりも低硬度な粒
   状晶の集合体を有することを特徴とする摺動部材。
2. 【請求項２】 基板（２）と、その基板（２）に形成さ
   れて相手部材（ｘ）との摺動面（３ａ）を持つ合金製表
   面層（３）とを備えた摺動部材において、前記表面層
   （３）は、前記基板（２）上に析出させた主層（３₁ ）
   と、その主層（３₁ ）上に析出させた副層（３₂ ）とよ
   り構成され、前記主層（３₁ ）は、前記基板（２）より
   相互に近接して延出する複数の柱状晶（４）を有すると
   共に相隣る両柱状晶（４）間に、摺動面（３ａ）側に開
   口してオイル溜となる空洞部（７）が形成されており、
   前記副層（３₂ ）は、前記主層（３₁ ）よりも低硬度な
   粒状晶の集合体を有することを特徴とする摺動部材。