JP4541954B2

JP4541954B2 - すべり軸受

Info

Publication number: JP4541954B2
Application number: JP2005106294A
Authority: JP
Inventors: 貴志冨川; 桂己山本
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: JP2006283905A

Description

本発明は、すべり軸受に関するものであり、さらに詳しく述べるならば、内燃機関のコネクティングロッドの大端部及び小端部に連結される半割円形状のすべり軸受に関するものである。

非特許文献1、日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集（東京1999-5、A12、固体潤滑オーバレイ付きエンジン用すべり軸受け材料の開発（第１報））によると、すべり軸受用Al合金（Al-12.5Sn-2.7Si-1Cu-0.2Cr-2Pb圧延材）の上に、流体潤滑を形成し易く、初期なじみ性が良好なオーバレイとして、MoS₂を添加したエポキシ樹脂をスプレーで塗布焼付すると、面圧78MPaでも焼付かないことが報告されている。

Al-20％Sn-0〜3％Cuの組成をもつアルミニウムすべり軸受合金に、必要によりAl₂O₃粒子を分散させたものを、陰極スパッタにより支持体上に成膜して、摺動層とすることは、特許文献1、特開昭55-81147号公報に記載されている。このスパッタAl-Sn系合金は硬さがHv130であり、荷重170N/mm²（170MPa）、160℃、250時間の試験条件において全く摩耗しないと述べている特許文献1の記載からは、スパッタAl-Sn系合金は、いわゆる軸受材料としては優れているが、摩滅を利用するオーバレイとしては不適切であるとの評価が導かれる。

低炭素鋼裏金にアルミニウム合金を圧延したバイメタル上に、Si0.5〜6％、Pb5〜40％、Sn0.5〜10％、残部Alからなるアルミニウム合金オーバレイをスパッタリングにより形成することが特許文献２、特開平7-90551号公報に提案されている。特許文献2で提案されたオーバレイ用スパッタAl系合金は通常の溶製法では合金化が困難なPbをアルミニウムに多量に添加することにより、合金全体の硬度を下げ、なじみ性を発現したものである。スパッタされたオーバレイは微細均一な組織と高い硬度を有するために耐摩性及び耐疲労性が良好であることは特許文献１から明らかであるが、特許文献２の実施例における焼付がない最高面圧1350kg/cm²（13MPa）は比較的低い。これは多量のPb添加によると考えられる。
特開昭55-81147号公報特開平7-90551号公報特開平７−２４７４９３号公報日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集（東京1999-5、A12、固体潤滑オーバレイ付きエンジン用すべり軸受け材料の開発（第１報）自動車技術Vol59, No.2, 2005,p25〜28

本出願人は非特許文献１のすべり軸受を工業化し、軸受面圧保証性能が80〜100MPaの量産車に組込んでいる。その後100〜120MPaの面圧保証性能の要求に対応する開発を行っていた過程で、非特許文献1で提案されているMoS₂系コーティング軸受は、100MPaを超える高面圧下では摺動性能が十分でないことが分かった。具体的に述べると、MoS₂系コーティングによるなじみ作用がほとんど実現できない。そこで、この現象について次のように考察した。一般に、オーバレイのなじみ性はアブレーシブ摩耗により説明ができ、オーバレイの硬さが低い方がなじみ性が良好になる。すなわち、軟質オーバレイほどアブレーシブ摩耗が起こり易くなり、相手軸の凹凸になじむ性質が顕著になるとの説明が可能である。一方、一般に荷重は、アブレーシブ摩耗を促進する傾向はあるのでなじみ性を良好にするように思われるが、結果としては、なじみ性を損なっている。そこで、本発明者らは、高面圧下における摺動性能改良につき鋭意検討した結果、公知技術の組合わせにより所期の改良ができることを究明した。

本発明に係るすべり軸受は、裏金に被着された銅合金圧延板もしくは焼結層上に、Al とSnからなりかつ Hv 40 〜100の硬さを有するAl-Sn系合金オーバレイがスパッタにて被着されており、該Al-Sn系合金オーバレイ上にMoS₂-樹脂系オーバレイを塗布焼付したことを特徴とする。以下、本発明の特徴を説明する。

特許文献1で述べられているスパッタAl-Sn系合金の摩耗試験条件は非常に厳しいので、この条件で摩耗しないスパッタAl-Sn系合金の耐摩耗性は非常にすぐれていると言える。一般的Al圧延合金を比較考慮すると、耐摩耗性がすぐれているAl-Si系合金でも多少は摩耗するから、スパッタAl-Sn系合金は組織が微細化しているために耐摩耗性が著しく向上したと考えられる。このように耐摩耗性がすぐれたスパッタAl-Sn系合金はなじみ性が乏しいと予測される。これに対して、特許文献２においてはPbを多量に含有させてスパッタAl系合金の硬度を低下させているので、なじみ性は良好である。

本発明者らは、スパッタAl-Sn系合金はPb系オーバレイよりも耐疲労性がすぐれているために、非特許文献１のMoS₂系コーティングオーバレイと組合わせると、Cu系軸受合金のオーバレイとして活用するとの着想を抱いた。なお、特許文献2のように多量のPbを含有しなくともスパッタAl-Sn系合金をオーバレイとして利用できるとの着想を抱いた背景は、高面圧下でのアブレーシブ摩耗が期待されるところにある。本発明者らは、MoS₂+PAI(PI)系コーティングオーバレイを施さないスパッタAl-Sn系合金の摺動特性を研究したところ、特許文献１で報告されているように全く摩耗が起こらないということはないが、顕著な摩耗現象としては、高荷重下での半割形状軸受が著しく不均一に変形し、相手軸との片当りにより摩耗問題が起こることを見出した。この結果、スパッタAl-Sn系合金は、片当り摩耗を解決できれば、ある程度のなじみ性は期待でき、しかも耐疲労性がすぐれていることを利用できるとの着想を得た。

従来片当り摩耗対策としては次の手段が実施されている。
（１）軸受の加工精度向上
（２）オーバレイによる被覆
（３）クラウニング加工(非特許文献２、第28頁)

まず、対策（１）は加工精度上の限界がある。
次に、対策（３）では、弾性変形により生じる軸方向端部の片当りを防止するために、端部のクリアランスを大きくするように加工している。しかしながら、この方法では、ある使用条件下の弾性変形には対応できるが、設計外の使用条件では逆に局部片当りが生じてしまう。さらに、この方法ではミスアライメントなどによる片当りを緩和することはできない。
非特許文献１で提案されたMoS₂系コーティングオーバレイは対策（２）に相当するが、高面圧下では機能しない。しかしながら、意外にも、下地にスパッタAl-Sn系合金を薄く成膜すると、片当りが防止できることが分かった。すなわち、単独では、スパッタAl-Sn系合金はなじみ作用が乏しく、一方MoS₂+PAI(PI)系オーバレイはまったく片当り対策にならないが、これらを組合わせることにより、高面圧性能が良好になった。この原因は、アブレーシブ摩耗が起こっている表面の硬さが下地の影響を受けていることと想定されるが、摩耗機構の解明はこれからの課題である。
以上の従来技術及び本発明者の知見を整理すると、従来からあるスパッタAl-Sn系合金を使用したすべり軸受及び固体潤滑オーバレイ軸受はいずれも高面圧下での性能が不足するが、これらを組合わせることで、初期、片当り時のなじみ性及び初期、片当り時の耐焼付性を確保することができた。続いて、本発明の好ましい実施態様を説明する。

図1は、本発明に係るすべり軸受の断面図を示し、図中、１は裏金、２は銅合金圧延板もしくは焼結層、３はスパッタAl-Sn系合金オーバレイ、４はMoS₂+樹脂系オーバレイ（以下「固体潤滑剤オーバレイ」という）である。図２は層構造を示す。裏金は低炭素もしくは中炭素鋼板であり、必要により表面にNi,Cuなどの中間めっき層を施して密着性を高めることができる。

本発明の好ましい実施態様によると、銅合金圧延板もしくは焼結層１の硬さがHV80〜150であり、かつ固体潤滑剤オーバレイの硬さがHV10〜60である。これらの範囲が好ましい理由は、銅合金圧延板もしくは焼結層１の硬さがHv８０未満であると、軟質成分が多くなり、強度が低いために、耐荷重性、耐疲労性や耐片当り摩耗性が低下する。一方硬さがHV150を超えると、硬質成分の割合が多くなり、なじみ性が低下する。スパッタAl-Sn系合金オーバレイ３及び固体潤滑剤オーバレイ４の硬さが上記下限未満であると、耐疲労性が低下し、上限を超えるとなじみ性が低下する。より好ましくは、銅合金圧延板もしくは焼結層１の硬さがHV90 〜 130であり、スパッタAl-Sn系合金オーバレイ２の硬さがHV 50 〜 80 であり、かつ固体潤滑剤オーバレイの硬さがHV15 〜 25 である。

本発明の他の好ましい実施態様によると、銅合金圧延板もしくは焼結層の厚さ（いわゆる「ライニングの厚さ」）が100 〜 300μmであり、スパッタAl-Sn系合金オーバレイの厚さが10〜30μmであり、かつ固体潤滑剤オーバレイの厚さが3〜20μmである。これらの範囲が好ましい理由はオーバレイについては下限未満では流体潤滑が達成される前にオーバレイが初期摩滅し、一方上限を超えると流体潤滑達成時点で銅合金が十分に表出しないために、耐摩耗性や耐疲労性が不十分になる。いわゆるライニングの厚さが下限未満では耐荷重性や耐疲労性が不十分となり、上限を超えると相対的にオーバレイが薄くなる。より好ましくは、ライニングの厚さが150 〜 200 μmであり、Al-Sn系合金オーバレイの厚さが15 〜25 であり、かつ固体潤滑オーバレイの厚さが5 〜15μmである。

本発明の他の好ましい実施態様によると、銅合金の組成が 2 〜 10 質量％Sn、0〜 20 質量％のPb、0〜10 質量％Bi、0〜1 質量％P,残部Cu及び不可避的不純物であり、Al-Sn系合金の組成が5 〜50 質量％Sn、0〜1 質量％Ni、0〜3 質量％Cu、残部Al及び不可避的不純物であり、また前記オーバレイの組成が60〜 85 容量％MoS₂、残部ポリアミドイミド(PAI)又はポリイミド(PI)である。銅合金の組成自体は公知であるが、Pb,Biなどの軟質成分を全く含まないか、あるいは含むとしても少量含有するものである。Al-Sn系合金においては、Sn含有量が 5 質量％未満ではなじみ性が低下し、50 質量％を超えると強度が低くなる。Ni,Cu,などの成分は硬質微粒子として存在して耐摩耗性を高めるが、上限を超えるとなじみ性が損なわれる。固体潤滑オーバレイは上記範囲において、低摩擦性と接着強度が良好になる。より好ましくは、銅合金の組成が 4 〜 8 質量％Sn、0〜10 質量％のPb、0〜6 質量％Bi、残部Cu及び不可避的不純物であり、前記Al-Sn系合金の組成が10〜30質量％Sn、0〜0.1質量％Ni、0〜1質量％Cu、残部Al及び不可避的不純物であり、また前記オーバレイの組成が65 〜80 容量％MoS₂、残部ポリアミドイミドである。

本発明においては、すべり軸受を構成する多層構造界面の粗さがオーバレイの摩耗方向に向かって順次微細になるように粗さを制御することが好ましい。即ち、MoS ₂ -樹脂系オーバレイとAl-Sn系合金オーバレイの界面の粗さが、Al-Sn系合金オーバレイと銅合金圧延板もしくは焼結層の界面の粗さより大きいことが好ましい。より好ましくは、ライニング/スパッタAl-Sn系合金オーバレイ界面の粗さが1.5 〜5 μmであり、スパッタAl-Sn系合金オーバレイ/固体潤滑剤オーバレイ界面の粗さが5 〜10μmである。このような粗さ構成が好ましい理由は次のとおりである。各界面部では摩耗が進行すると、摩耗は上層が局部的に摩滅され、下層が上記摩滅部で表出するために、摺動面では上層と下層が混在した組織となる。この混在組織によって相手材との片当りが発生して摩耗がさらに進行した際に、上層材料と下層材料の割合が連続的に変化して、スムーズに次の層への移行を達成することができる。しかし、上記粗さ上限を超えると、混在部が厚くなり過ぎて摩耗量が増加してしまうだけでなく、油膜の形成が困難になり焼付きの原因となる。また、上記粗さ下限未満であると、混在部が薄くなり過ぎる

スパッタはAl-Sn母合金板を陰極ターゲットとしてArイオンを衝突させて、金属原子をたたき出して裏金 (陰極) に接着させる。このスパッタ法自体は特許文献１，２で公知である。
固体潤滑剤オーバレイの塗布焼付は、固体潤滑剤と樹脂に必要により溶剤を混合したものをスプレー、転写などにより成膜し、その後１５０〜３５０℃で焼付けることにより行い、非特許文献１や特許文献３、特開平７−２４７４９３号公報で公知である。
続いて、実験例によりさらに詳しく本発明を説明する。

表1に示す層構造のすべり軸受につき次の条件で往復摺動試験を行った。なお、それぞれの層の硬さ及び厚さは次のとおりである。
ライニング：HV110 、厚さ200μm
スパッタAl-Sn合金オーバレイ：HV70 、厚さ 20 μm
固体潤滑剤オーバレイ：HV20、厚さ6 μm
試験条件
油種：CF4 10W-30
油温：140℃
荷重：70MPa 繰り返し数10⁷回→78MPa 繰り返し数10⁷→86MPa 焼き付くまで
回転数：3000 r/min

表1に示す試験結果から、本発明実施例１〜４の耐焼付性は良好であることが分かる。

次の条件で静荷重試験を行い、結果を図３に示す。図３より比較材１は20Mpa、比較材２は40Mpa、比較材３は70Mpaで焼付きが発生しているのに対し、「実施材」と表示した本発明の実施例１〜４では90Mpaを超えても焼付きは発生しておらず耐焼付性は良好であることが分かる。なお、実施例１〜４の摩擦トルク曲線は、４＞３＞２＞１の傾向を示したが、図３の縮尺では判別困難であるために１本のグラフとして示した。
試験条件
油種：SL 5W-30
油温：140℃
面圧：10MPa漸増
回転数：1300 r／min

次の条件で、コネクティングロッドを軸受に対して斜め（傾き角度0.08°）に固定した片当り試験を行い、試験の結果を図４に示す。図４において、比較例１，２を対比すると、固体潤滑剤オーバレイはほとんど性能に影響を及ぼしていない；比較例１，３を対比するとスパッタAl-Sn系合金オーバレイは約２倍弱焼付き荷重を高めている。これに対して、固体潤滑剤オーバレイとスパッタAl-Sn系合金オーバレイを2層にした本発明実施例１〜４では比較例１に対して約3倍弱焼付き荷重が高くなっている。但し、本発明実施例中ではSn量が低い実施例４の焼付き荷重は低い傾向を示した。
試験条件
油種：CF4 10W-30
油温：140℃
荷重：0.5ton漸増
回転数：3000 r／min

以上説明したように、本発明は非特許文献１で本出願人が提案したすべり軸受よりもさらに面圧保証性能が高い内燃機関用軸受として使用できる。

本発明に係るすべり軸受の形態を示す図面である。図1のすべり軸受の層構造を示す図面である。静荷重試験の結果を示すグラフである。片当り試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１―裏金
２−銅合金圧延板もしくは焼結層（ライニング）
３―スパッタAl-Sn系合金オーバレイ
４―MoS₂+樹脂系オーバレイ

Claims

裏金に被着された銅合金圧延板もしくは焼結層上に、AlとSnからなりかつHV40〜100の硬さを有するAl-Sn系合金オーバレイがスパッタにて被着されており、該Al-Sn系合金オーバレイ上にMoS₂-樹脂系オーバレイを塗布焼付したことを特徴とするすべり軸受。
前記銅合金圧延板もしくは焼結層の硬さがHV80〜150であり、かつ前記MoS₂−樹脂系オーバレイの硬さがHV10〜60であることを特徴とする請求項1記載のすべり軸受。
前記銅合金圧延板もしくは焼結層の厚さが100〜300μmであり、前記Al-Sn系合金オーバレイの厚さが10〜30μmであり、かつ前記MoS₂−樹脂系オーバレイの厚さが3〜20μmであることを特徴とする請求項1又は2記載のすべり軸受。
前記銅合金の組成が2〜10質量％Sn、0〜20質量％のPb、0〜10質量％Bi、0〜1質量％P,残部Cu及び不可避的不純物であり、前記Al-Sn系合金オーバレイの組成が5〜50質量％Sn、0〜1質量％Ni、0〜3質量％Cu、残部Al及び不可避的不純物であり、また前記MoS ₂ -樹脂系オーバレイの組成が60〜85質量％MoS₂、残部ポリアミドイミド及びポリアミドイミドの1種以上であることを特徴とする請求項1から3までの何れか1項記載のすべり軸受。
前記MoS ₂ -樹脂系オーバレイと前記Al-Sn系合金オバーレイの界面の粗さが、前記Al-Sn系合金オーバレイと前記銅合金圧延板もしくは銅合金焼結層の界面の粗さより大きいことを特徴とする請求項1から4までの何れか1記載のすべり軸受。