JP4301416B2

JP4301416B2 - 内燃機関用すべり軸受及び軸受装置

Info

Publication number: JP4301416B2
Application number: JP29077897A
Authority: JP
Inventors: 克幸橋爪; 貴志冨川; 山田　　晃; 大輔福田
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2017-10-23
Also published as: JPH11125236A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関用すべり軸受及び軸受装置に関するものであり、さらに詳しく述べるならば、すべり軸受裏金のフレッティング摩耗による疲労を抑えることができるすべり軸受、あるいはコネクティングロッドの軽量化のために高強度材料を使用しつつ剛性を低くしたコネクティングロッドが折損するに至る、裏金のフレッティング摩耗・疲労を減少させた軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジン（内燃機関）の騒音低減の観点から軸受メタルとベアリングハウジングの間に硬質ゴム、フッ素樹脂などからなり、厚みが０．５〜１ｍｍの弾性体を介挿配置することが提案されている（実公昭６０−２７２２０号公報）。また防振の観点から軸受とハウジングの間に合成ゴム、合成樹脂等の緩衝材などを介装又は焼付することも提案されている（実開昭５３−１４６８４０号、実開昭５７−７１８１２号公報）。
【０００３】
コネクティングロッドとクランクシャフトを回転自在に嵌着するためにこれらの間に介在するすべり軸受は、従来より、半円弧状軟鋼板などの裏金とその曲げ内側に接合されたアルミニウム合金やケルメットなどの軸受合金を基本的要素としている。以下主にコネクティングロッドの例を挙げてフレッティング摩耗を説明するが、他の内燃機関部品についても同様の状況でフレッティング摩耗が起こるのである。
【０００４】
従来、フレッティング摩耗対策として特開平４−２８２０１３号においてはＭｏＳ₂ を添加したエポキシ樹脂コーティングをコネクティングロッド大端部内面あるいは軸受メタルの外面のいずれかに焼付・固着することが提案されている。
この公報によるＭｏＳ₂ を添加した樹脂コーティングの場合はコネクティンロッドの大端部内面と軸受背面で起こる微小滑り又は微小たたきによってＭｏＳ₂ 粉末の粒子が樹脂基材から多量に脱落して、膜の剥離を早めるという問題があることを見出し、本出願人は特開平７−２９３５４７号にて、軸受装置のハウジング側表面とハウジングの軸受背面との間に、１５０℃における引張強度が８ｋｇ／ｍｍ² 以上、厚みが５〜２００μｍの樹脂フィルムを介装した内燃機関の軸受装置を提供した。
【０００５】
ところで、近年、エンジンを軽量化するためにエンジンを構成する運動部品の軽量化が進められているが、そのひとつとしてコネクティングロッドの材料強度を高め、剛性を低くすることも検討されている。そもそも、フレッティング摩耗は、エンジンの高負荷又は高回転運転条件下においてコネクティングロッドの大端部と軸受背面の間で、これらの微小衝突や微小滑りなどが起こることに伴うものであり、特に、軽量化により剛性が低くなっているコネクティングロッドは、それ自身が変形し易く、片当りを起こし易いので、疵、焼付き、凝着を起点としてクラックが発生し、あるいは裏金のクラック損傷に伴って一挙に折損する危険が懸念されている。このために折損し易い部分に肉盛などをしていたが、これは軽量化に反する苦肉の策と言うべきである。
他に、フレッティング疲労の対策として裏金の強度向上も行われており、具体的には裏金鋼板の炭素量を高めることや鋼板圧延後のスキンパス加工度を高めることが知られている。
なお、薄肉の鉄系焼結材料を使用した場合は、通常の鍛造材料よりも強度が小さくなっているためやはりフレッティング摩耗あるいは疲労が懸念されている。
【０００６】
ところで軸受の製造工程では、焼結温度が７００℃〜９００℃で製造されるケルメットや、圧接によるアルミ軸受合金には、裏金とライニングの密着強度を高めるための拡散焼鈍（２００〜６００℃）などの熱負荷がかけられ、これに伴い裏金鋼板は再結晶する。
この焼鈍中に起こる鋼板の再結晶に本発明者は着目し、研究を行い、次の知見を得た。即ち、裏金鋼板の冷間圧延後の結晶は圧延方向に伸びた異方性が大きい加工組織であり、一方再結晶組織は比較的等方性になる。別の見方をすると、再結晶組織では、背面における長さ当たりの結晶粒の個数が多くなっているので、裏金の背面に向かって背面とほぼ９０°±４５°以内の角度で交差する方向に伸びる結晶粒界の個数が多くなる。以下の説明では、この結晶粒界を「交差結晶粒界」と称する。
【０００７】
焼鈍後のバイメタル状軸受は半円形にプレス加工されるが、本発明者の知見によると加工最中に微小な割れが交差結晶粒界に発生しそしてこの粒界に沿って伸びているか、あるいは割れが発生していないまでも粒界組織が脆弱になっており、実機においてフレッティング条件で使用されるとたちまち割れが発生する状態になっていることが分かった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように交差結晶粒界を有する裏金付きすべり軸受はフレッティング条件で疲労し易く、また特に軽量コネクティングロッドの折損を招き易い。これに対して、従来の被膜を裏金とコネクティングロッドの間に介在させる方策は、裏金性能を本質的に改良するものではなく、また、裏金の強度を向上させても却えってプレス成形性が低下し、交差結晶粒界での割れの危険もある。したがって、本発明は、フレッティングによる裏金の疲労割れに対する防止策を結晶粒界制御の観点から提供することを目的とする。
【０００９】
上記目的を達成すべく、炭素含有量が0.05〜 0.2%でありかつ厚さが0.3 〜3.0mmの冷間圧延鋼板よりなる裏金表面に接合された軸受合金層を有し、前記軸受合金層の接合過程において前記冷間圧延鋼板が再結晶されており、かつ前記軸受合金層を内側にして半円形の組付け形状に曲げ加工された状態で前記裏金がショットピーニングされている内燃機関用すべり軸受に、硝酸濃度が３〜２０％のナイタールで約２０秒エッチングを施すことにより前記裏金の断面で検出される結晶粒界について、裏金背面方向の単位長さ（ただし１００μｍ以上）当たりで検出される結晶粒界の個数を、裏金背面最表面から１０μｍの表面領域における個数（ｎ₁ ）と、裏金最表面領域より５０μｍ内側における数（ｎ₂ ）と、それぞれ表すとき、０≦ｎ₁ ／ｎ₂ ×１００≦７０％と粒界個数の分布を制御し、かつ前記裏金背面最表面から１０μmにおいては、前記再結晶組織が破壊されていることを特徴とする内燃機関用すべり軸受を提供するものである。
【００１１】
本発明のすべり軸受は、一般に、Ｃ量が０．０５〜０．２％炭素鋼からなり、厚さが０．３〜５．０ｍｍ、一般には１．３〜２．３ｍｍの裏金に軸受合金層を接着したバイメタル構造を有する。裏金の材質は上述のような炭素鋼に限られず、合金鋼を含む各種鋼材を使用することができる。
次に軸受合金層としてはケルメット、その改良銅合金、各種アルミニウム軸受合金を使用することができ、特に制限がない。軸受合金層の表面にはケルメットの場合は金属系もしくは樹脂系オーバレイが通常被着される。また、軸受合金層と裏金の間には接着強度を高めるためにＡｌ，Ｃｕ，Ｎｉなどの純金属層が介挿されることもある。
【００１２】
続いて本発明が最も特徴とする結晶粒界について説明する。
本発明においては、表面領域における結晶粒界を消失させるかあるいは内部より個数を減少させることにより、フレッティング疲労の起点を少なくしている。ところで裏金鋼材のバルクは結晶粒の集合体であることは当然であるが、本発明の表面領域における結晶粒界の消失とは特定のエッチング条件で観察した時に結晶粒界が観察されない状態であり、理論的に粒界がない非晶質表面状態に限定されるものではない。本発明は、特定エッチング条件で検出される結晶粒とフレッティング疲労との関連を見出したのであり、あらゆる結晶粒界がフレッティング疲労の起点になるのではない。具体的に述べるとある程度太く長い結晶粒界は脆弱であり、フレッティングによる割れの起点になるので、これを制御しているのである。
【００１３】
フレッティング割れを防止するために結晶粒界を規制する必要がある表面領域は、裏金背面最表面から１０μｍの深さまでの領域である。この深さが１０μｍ未満、例えば５μｍであると、５μｍ未満の浅い表面領域での割れは起こり難いが、規制対象外の内部、例えば８μｍに存在する多数の結晶粒界でプレス曲げ加工の際に脆弱になっていることが問題になる。すなわち、この状態のバイメタル状軸受を実機に組み込んで運転をすると、フレッティングによる材料の破壊が浅い０〜５μｍの表面領域で起こると、この破壊が上記の８μｍの位置にあるプレス加工時の割れなどと連続して裏金の破壊が早期に起こる。すなわち、使用の極く初期では割れの発生は遅延するが、一旦割れが発生すると内部まで急速に深く割れが進行する。
一方、結晶粒界を規制する必要がある表面領域が裏金背面最表面から１０μｍより深くなっても、フレッティング疲労の発生抑制にほとんど関係がないのみならず、むしろ強加工で行うことにより脆化してしまうので、結晶粒界の規制は上述のように１０μｍまでの深さに定めた。さらに、フレッティングは裏金半円全周のどの位置でも起こるので、本発明による結晶粒界制御はこの全周で行うものとする。
【００１５】
表面領域における結晶粒界個数の制御は、裏金背面方向の単位長さ（ただし１００μｍ以上）当たりに検出される結晶粒界の個数を、裏金背面最表面から１０μｍの表面領域における個数をｎ₁ と、最表面領域より内側における個数をｎ₂ とそれぞれ表すとき、０≦ｎ₁ ／ｎ₂×１００≦７０％とするものである。ここで、ｎ₁ ／ｎ₂ ×１００＞７０％とあるとフレッティング摩耗抑制の効果がない。好ましくは、０≦ｎ₁ ／ｎ₂ ×１００≦３０％である。裏金圧延方向に対する測定の方向は任意である。
【００１６】
また、本発明においては、エッチング液をナイタールとしたのは、裏金鋼板の基本的構成要素であるフェライト結晶粒を鮮明に表すことができるからである。また、結晶粒界を検出するためにエッチング条件を、硝酸濃度が３〜２０％のナイタール、エッチング時間を約２０秒と定めた。ここで硝酸濃度が３％未満であると，特に高純度の低炭素鋼の場合結晶粒界が現れがたく、一方硝酸濃度が２０％を超えると結晶粒内のエッチングもかなり進行するので結晶粒界の判別が困難になる。硝酸の好ましい濃度は５％である。またエッチング時間は約２０秒未満でもこれを超えても結晶粒界の判別精度が低くなる。
【００１７】
結晶粒とは、一般に認められているように、粒界三重点を介して隣接している粒子であり、このような粒子の境界が粒界である。裏金鋼板の炭素量が高く、フェライト＋パーライト混合組織となる場合は、１〜２個のフエライト結晶粒と２〜１個のパーライト粒により粒界三重点が形成されているので、それぞれの結晶粒界の個数を測定する。
一方、表面領域では微細な粒子が認められるが、これらは粒界三重点を介して隣接していない；相互に孤立している；二個だけが隣接している；Ｂｉｅｌｂｙ相の残存物らしい相が粒界三重点に相当する部分に存在しているなどの形態をとっているものが多い。これらの粒子は結晶粒界の個数を算出には加えない。また、界面が不鮮明であり不連続に見える；光学顕微鏡レベルでは検出不能の超微細である；極めて不定形であるなどの理由により粒子形態を同定できないものは結晶粒として粒界個数を算出しない。
【００１８】
続いて、表面領域で結晶粒界個数を少なくする方法について説明する。まず、微細ショットピーニングを裏金表面に施すことにより再結晶を破壊し、変形させる方法を採用することができる。この場合、ショットとしては、直径が２０〜３００μｍのセラミックス粒子を５０ｍ／ｓｅｃ以上の高速で投射することが好ましい。この条件は通常行われている表面応力を調節するショットピーニングよりも強力な条件となっているので、表面領域の粒界に影響を与える。
【００１９】
本発明に係るすべり軸受は、Ｖ添加Ｓ４５Ｃ、Ｔｉなどの高強度・低剛性コネクティングロッド軸受として好ましく使用することができる。
裏金背面には錆止め用のＳｎめっきなどを施してもよいが、めっきによってはフレッティングによる凝着を促進することがあり耐フレッティング疲労性の改良はほとんど期待できないこともある。
以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。
【００２０】
【実施例】
実施例１
軸受合金としてＣｕ−３ｗｔ％Ｓｎ−２４ｗｔ％Ｐｂの合金粉末を使用し、裏金としてＳＰＣＣ鋼板（炭素量０．１５ｗｔ％，厚さ１．５ｍｍ）を使用して焼結により軸受合金０．２ｍｍ、裏金１．３ｍｍの全体で１．５ｍｍのバイメタル状軸受素材を調製した。焼結では８００℃での２回焼結を行っている。中間圧下、スキンパスにより、裏金は１３％の圧延がされている。その後半円形すべり軸受形状にプレス加工した。この状態の裏金背面側の組織を、５％硝酸ナイタール（室温）、エッチング時間２０秒の条件で観察した結果を図１（倍率１０００倍）に示す。
図１に示す組織では表面に多数の結晶粒界が見られる。
【００２１】
続いて粒径１２５〜１８５μｍの球形セラミックビーズを約１００ｍ／ｓｅｃの速度で裏金背面に投射した。その結果得られた図１と同様の場所の組織を図２に示す。この組織において、裏金背面最表面から１０μｍの表面領域における数（ｎ₁ ）は１０００μｍの長さにつき測定した結果、ｎ ₁ は５０であった。一方最表面領域より５０μｍ内側における数（ｎ₂）を１０００μｍの長さにつき測定した結果、２００であった。したがって、ｎ₁ ／ｎ₂ ×１００＝２５％であった。
【００２２】
上記のすべり軸受を１６００ｃｃの４気筒ガソリンエンジンのコンロッドの大端部に８個組付け、７８００ｒｐｍ全負荷の条件で１００時間運転した。
試験の結果はフレッティングによる凝着、クラックの発生が見られなかった。
【００２３】
比較例１
実施例１において、ショットブラスト処理を施さないすべり軸受につき同様の試験を行ったところクラックが発生して軸受の折損が生じた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によると、従来のように裏金を必要以上に高強度化する必要がないので、裏金のコストダウンとプレス成形性の向上を達成することができる。
さらに、低剛性コネクティングロッドでも肉盛などをせずに使用することができる。このように本発明は実用上の価値が非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ショットブラスト加工前の裏金鋼板背面の顕微鏡組織写真である（倍率１０００倍）。
【図２】ショットブラスト加工後の裏金鋼板背面の顕微鏡組織写真である（倍率１０００倍）。

Claims

炭素含有量が0.05〜 0.2%でありかつ厚さが0.3 〜3.0mmの冷間圧延鋼板よりなる裏金表面に接合された軸受合金層を有し、前記軸受合金層の接合過程において前記冷間圧延鋼板が再結晶されており、かつ前記軸受合金層を内側にして半円形の組付け形状に曲げ加工された状態で前記裏金がショットピーニングされている内燃機関用すべり軸受に、硝酸濃度が３〜２０％のナイタールで約２０秒エッチングを施すことにより前記裏金の断面で検出される結晶粒界について、裏金背面方向の単位長さ（ただし１００μｍ以上）当たりで検出される結晶粒界の個数を、裏金背面最表面から１０μｍの表面領域における個数（ｎ₁ ）と、裏金最表面領域より５０μｍ内側における数（ｎ₂ ）と、それぞれ表すとき、０≦ｎ₁ ／ｎ₂ ×１００≦７０％と粒界個数の分布を制御し、かつ前記裏金背面最表面から１０μmにおいては、前記再結晶組織が破壊されていることを特徴とする内燃機関用すべり軸受。
前記ｎ₁／ｎ₂ が３０％以下である請求項１記載の内燃機関のすべり軸受。
請求項１又は２記載のすべり軸受をコネクティングロッド軸受として使用したことを特徴とする内燃機関の軸受装置。