JP4695159B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、基材にオーバレイを設けた摺動部材に関する。

摺動部材、例えば自動車のエンジンに用いられるすべり軸受としては、一般に、裏金層上にＡｌ系又はＣｕ系の軸受合金を接合したものが用いられている。すべり軸受は、通常、その表面に、摺動特性を改善するためのオーバレイが形成されている。このオーバレイとしては、従来、軟質なＰｂ合金が多く使用されてきたが、Ｐｂは環境汚染物質であるので、Ｐｂに代えてＢｉを用いることが提案されている。

しかしながら、Ｂｉは脆く、非焼付性に対して不利とされていた。
このような性質を改善するために、例えば、特許文献１では、Ｂｉ又はＢｉ合金の結晶を細かく晶出させている。
特開平２００３−１５６０４５号公報

しかしながら、この特許文献１のものでは、結晶の大きさが一様で細かいため、オーバレイの表面が摩耗してくると、無数の結晶の相互間に生じている微細な谷部も次第に浅くなり、これに伴って保油力が減少し、又、相手軸との接触面積も増加することから、摩耗による発熱も増え、その結果、焼付を生じ易くなる。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、非焼付性及び耐疲労性に優れる摺動部材を提供する。

オーバレイは、軸受合金層の表面を、ボーリング加工或いはブローチ加工等の機械加工により美麗に仕上げた後、その軸受合金層の表面にめっきにより形成されている。
上記ボーリング加工或いはブローチ加工を施すと、刃先粗さ等に倣った加工跡が軸受合金層の表面に凹凸として残る。このように軸受合金層の表面に凹凸が形成されていると、軸受合金層上に形成されるオーバレイの表面にも、オーバレイ全体形状でみると軸受合金層の凹凸に倣った凹領域及び凸領域が形成される。すると、実使用時には、オーバレイの前記凸領域が相手軸に当接し易く、この凸領域から摩耗が進行する。ここで、特許文献１では、オーバレイの表面が一様で細かい結晶であるから、オーバレイの凸領域が摩耗すると、凸領域における結晶の相互間に生じている微細な谷部も次第に浅くなり、これに伴って保油力が減少し、又、相手軸との接触面積も増加し、摩耗による発熱も増え、その結果、焼付を生じ易くなるという傾向がある。

本発明者は、このような事情を基にして、相手軸と接触するところの結晶を大きくして結晶の相互間に生じている谷部を深くし、この谷部に潤滑油を溜める構成にすれば、オーバレイの凸領域の摩耗（大きな結晶の摩耗）が進行しても、結晶間の谷部は次第に浅くなるももの長期間存在して、潤滑油の貯留機能を果たし、もって、優れた保油性、非焼付性を有する摺動部材が得られるのではないか、そして、相手軸と接触し難い凹領域の結晶を小さくすれば、凹領域の強度が増し、同時に耐疲労性にも優れた摺動部材が得られるのではないか、という着想を得て本発明をなすに至った。

従って、本発明は、基材にオーバレイを被着した摺動部材において、オーバレイを、金属から構成し、オーバレイを構成する金属の結晶の大きさを、オーバレイの表面に存在する凸領域及び凹領域の内の凹領域に存在する結晶よりも、凸領域に存在する結晶の方を大きくしたものである。

即ち、前記オーバレイを構成する金属の結晶の大きさを、前記基材の表面に存在する凹凸の内の凹上に存在する結晶よりも、凸上に存在する結晶の方を大きくしたものである。
本発明の摺動部材の基本形態を、軸受合金層をボーリング加工により仕上げた場合を例にして図１から図３に示す。

図２に示す摺動部材、例えば半割軸受１は、鋼から成る裏金層２上に、Ｃｕ合金又はＡｌ合金から成る軸受合金層３が設けられ、この軸受合金層３上に金属から成るオーバレイ５が設けられた構造である。ここで、本発明に言う基材とは、オーバレイを被着する部材、図２，３の例では、裏金層２，軸受合金層３を指す。ただし、場合によっては、軸受合金層３とオーバレイ５との間に中間層を設けることがある。又、鉄材から成る半割状基材に直接オーバレイを被着しても良い。

そして、図１，３に示すように、軸受合金層３上に例えばボーリング加工を施すことにより、軸受合金層３の表面に、カッタの送りピッチによる凹凸（一次山）が形成され、その凹凸表面に刃先粗さ等による凹凸（二次山）が形成され、オーバレイ５の表面も軸受合金層３の凹凸（一次山及び二次山）に倣った凸領域（Ａ）及び凹領域（Ｂ）を有する形状となる。そして、オーバレイ５の表面の凸領域及び凹領域中に結晶に起因する凹凸（三次山）が形成される。

そして、オーバレイの表面の凸領域に存在する金属の結晶を、凹領域に存在する金属の結晶よりも大きくすることにより、凸領域に存在する金属の結晶の相互間に生じている谷部（凹）は深くなる。これにより、潤滑油は凸領域の結晶間の谷部に多く溜められ、保油性、非焼付性に優れた摺動部材を得ることができる。又、オーバレイの摩耗が進行して凸領域の金属の結晶の高さが低くなってきても、結晶間の谷部が長期間残存し易くなるので、潤滑油の貯留機能を発揮し、優れた保油性、非焼付性を維持することができる。

一方、凹領域に存在する金属の結晶の大きさを、凸領域の金属の結晶よりも小さくすることにより、凸領域の結晶を大きくしたことによる強度低下を補って、オーバレイ全体の耐疲労性が損なわれることを防止することができる。しいては、凹領域に存在する金属の結晶の大きさを小さくすることにより、凹領域の強度を向上させ、オーバレイ全体の耐疲労性を向上させることができる。

この凹領域では、金属の結晶が小さいことにより、結晶間にできる谷部も比較的浅いが、凹領域は、摩耗進行が遅いので、保油機能を長期に亘って維持できる。
凸領域と凹領域とで、金属の結晶の大きさを異なるようにするには、例えば次の方法が有効である。オーバレイを構成する金属を、例えばＢｉとした場合、Ｂｉは電気めっきによって被着されるものとする。Ｂｉめっきは一般的なめっき液を用いている。

まず、裏金層上に形成された軸受合金層の表面を電解脱脂し、酸洗いし、その後、乾燥させて、軸受合金層上に酸化膜を形成させる。そして、軸受合金層に形成された酸化膜をＰＲエッチング（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｅｔｃｈｉｎｇ）で一部を除去する。その後に中間層及びオーバレイの形成を行うと、酸化膜が無い部分では、オーバレイのＢｉの結晶は大きく成長し、酸化膜が残っている部分では、Ｂｉの結晶は微細になる。尚、ＰＲエッチングとは、陰極電極を定期的に陽極電流に切替える方法である。

ここで、ＰＲエッチングでは、めっき液の対流（撹拌）の影響を受け易い軸受合金層の凸部の部分が良く反応し、この凸部の酸化膜が相対的に多く除去される。ＰＲエッチングが施された軸受合金層にオーバレイを形成させると、残留した酸化膜が少ない凸部では金属の結晶は大きくなり、残留した酸化膜の多い凹部では金属の結晶は微細になる。このようにして、オーバレイの凸領域と凹領域に異なった大きさの金属の結晶を形成させることができる。

尚、軸受合金層をブローチ加工により仕上げた場合でも、オーバレイの表面に凸領域及び凹領域が存在するが、オーバレイを構成する金属の結晶の大きさを、オーバレイの表面に存在する凸領域及び凹領域の内の凹領域に存在する結晶よりも、凸領域に存在する結晶の方を大きくすることにより、ボーリング加工の場合と同様の作用効果を奏する摺動部材を得ることができる。

すべり軸受の非焼付性及び耐疲労性を同時に向上させるには、前記凸領域に存在する結晶と前記凹領域に存在する結晶との大きさの比を１超え７以下とすることが好ましい（請求項２）。

オーバレイを構成する金属の結晶の大きさ変化の連続性の面から、前記凸領域に存在する結晶と前記凹領域に存在する結晶との大きさの比の値を２〜３とすることが好ましい。この範囲では、ＰＲエッチングやめっきを施すにあたって、その制御がし易く、量産上、非常に好ましい。

本発明では、金属の結晶の大きさを次のように定義する。つまり、電子顕微鏡でオーバレイを上面から撮影し、撮影した画像から２５μｍ^２（５μｍ×５μｍ）を切取り、その中に存在する粒子数を数え、この２５μｍ^２の面積を粒子数で除した値を金属の結晶の大きさとする。

オーバレイを構成する金属を、Ｂｉ或いはＢｉ合金から構成し、オーバレイの凸領域のＢｉ或いはＢｉ合金の結晶の大きさを０．９〜３．０μｍ^２とし、凹領域のＢｉ或いはＢｉ合金の結晶の大きさを０．９μｍ^２未満とすることが好ましい（請求項３）。

凸領域でのＢｉ或いはＢｉ合金の結晶の大きさを０．９μｍ^２以上にすると、Ｂｉの結晶間の谷部は大きくなり、多くの潤滑油を溜めることができ、優れた保油性、非焼付性を得ることができる。一方、３．０．μｍ^２以下にすることにより、オーバレイの強度低下を防止することができる。保油性、強度低下防止を発揮するための、より好ましい結晶の大きさは、１．２〜２．０μｍである。
又、凹領域のＢｉ或いはＢｉ合金の結晶の大きさを０．９μｍ^２未満とすることにより、凹領域の強度を大きくすることができ、良好な耐疲労性を得ることができる。より好ましい結晶の大きさは、０．２〜０．６μｍである。

オーバレイの表面の凸領域を、図１で示すように、切削加工でできる山（凸）７の頂部間を１ピッチとした場合に、山７の頂部を中心にした両側の４分の１ピッチを２つ含む２分の１ピッチの領域（図１にＡで示す）と定義し、オーバレイの表面の凹領域を、谷（凹）９の中央を中心にした両側の４分の１ピッチを２つ含む２分の１ピッチの領域、即ち、凸領域間の領域（図１にＢで示す）と定義する。

尚、軸受合金層をブローチ加工により仕上げた場合では、凸領域及び凹領域は、等間隔のピッチで生ずるものでもなく、又、軸受合金層の端から端まで連続的に生ずるものでもないが、オーバレイの凸領域のＢｉ或いはＢｉ合金の結晶の大きさを０．９〜３．０μｍ^２とし、凹領域のＢｉ或いはＢｉ合金の結晶の大きさを０．９μｍ^２未満とする構成にすることにより、ボーリング加工の場合と同様の作用効果を奏する摺動部材を得ることができる。
軸受合金層は、Ｃｕ合金層、Ａｌ合金層のいずれであっても良い。

以下、本発明の実施例を説明する。
本発明の効果を確認するために、次の表１に示す半割軸受の試料（実施例１〜１２及び比較例１〜３）を製作し、焼付試験及び疲労試験を行った。

試料の製法を簡単に述べると、まず裏金層を構成する鋼板上に軸受合金層をライニングしてバイメタルを製作し、このバイメタルを半円状に加工して半割軸受を得た。その後、この半割軸受の軸受合金層にボーリング加工を施した。次に、軸受合金層の表面を電解脱脂し、酸洗いした後、乾燥させて、その軸受合金層の表面に対してＰＲエッチングを行った。そして、軸受合金層の表面に中間層であるＡｇ或いはＣｕめっき（厚さ５μｍ）を施し、或いは、Ａｇ，Ｃｕめっきを施さずにＢｉめっき（厚さ１０μｍ）を施してオーバレイを被着し、上記各試料を得た。

ＰＲエッチングは、最大３Ａ／ｄｍ^２で２０〜３０秒間、液温１５〜４０度で行った。陰極電流と陽極電流との切替えの割合（時間）は、陰極電流に対して陽極電流が１０〜２０％であった。

中間層のめっきの条件は、電流密度０．５〜５Ａ／ｄｍ^２、液温２０〜５０度であった。
Ｂｉめっきに用いるめっき液は、上述の一般的なもの、例えば、酸化ビスマスが１０〜７０ｇ／ｌ、メタンスルホン酸が３０〜１５０ｍｌ／ｌ、添加剤が２０〜６０ｍｌ／ｌのものを用いた。Ｂｉめっきの条件は、電流密度１〜６Ａ／ｄｍ^２、液温２５〜４０度であった。
Ｂｉ合金めっきに用いるめっき液は、上記のめっき液にメタンスルホン酸銅を１０〜１５０ｍｌ／ｌ添加したものを用いた。

このような実施例１〜１２及び比較例１〜３に対して行った焼付試験及び疲労試験は次のようなものである。
（１）焼付試験
この試験は、実施例及び比較例に対して行った。試験条件は表２に示し、その試験結果は前記表１に示した。尚、表１の焼付かない最大面圧は、試料の背面の温度が２００度を超えた時点の１段下の面圧、又はモータ過負荷の時点の１段下の面圧である。

（２）疲労試験
この試験は、実施例及び比較例に対して行った。試験条件は表３に示し、その試験結果を前記表１に示した。尚、表１の疲労しない最大面圧は、試料面積の５％以上が疲労破壊した時点の１段下の面圧である。

次に、上記試験の結果について解析する。
焼付試験及び疲労試験の結果を考察するに、実施例は、Ｂｉの結晶の大きさが全体に一様な比較例に比べ、非焼付性及び耐疲労性が同時に高いレベルで優れていることが理解される。

本発明のオーバレイにおける結晶の大きさを示す模式図で、（ａ）は図３中のＸの部分の拡大模式図、（ｂ）は図３中のＹの部分の拡大模式図 半割軸受の断面図 基材にオーバレイを被着した摺動部材の拡大模式図

符号の説明

図面中、１は半割軸受（摺動部材）、２は裏金層、３は軸受合金層、５はオーバレイを示す。

Claims (4)

1. 基材にオーバレイを被着した摺動部材において、
   前記基材と前記オーバレイとの間に部分的に酸化膜を形成し、
   前記オーバレイを、金属から構成し、
   前記オーバレイを構成する金属の結晶の大きさを、前記オーバレイの表面に存在する凸領域及び凹領域の内の凹領域に存在する結晶よりも、凸領域に存在する結晶の方を大きくしたことを特徴とする摺動部材。
2. 前記凸領域に存在する結晶と前記凹領域に存在する結晶との大きさの比の値を１超え７以下としたことを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
3. 前記オーバレイを構成する金属を、Ｂｉ或いはＢｉ合金から構成し、
   前記凸領域のＢｉ或いはＢｉ合金の結晶の大きさを０．９〜３．０μｍ²とし、
   前記凹領域のＢｉ或いはＢｉ合金の結晶の大きさを０．９μｍ²未満としたことを特徴とする請求項１又は２記載の摺動部材。
4. 前記基材の表面は、前記オーバレイを被着する前に、ＰＲエッチングが施されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の摺動部材。

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