JP4732941B2 - 摺動材料およびその被覆層製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＰＶＤによって形成した皮膜上に固体潤滑剤板状結晶粒子を積層してなる被覆層を設けた摺動材料およびその被覆層製造方法に関する。

摺動材料、例えば、自動車用や産業機械用に用いられるエンジンのすべり軸受では、軸受合金層の上にオーバレイと称される皮膜を設けて軸受特性を改善するようにしている。従来、この皮膜を軸受合金層の表面にＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；物理気相成長法）によって被着したものがある。
例えば、特許文献１では、内燃機関の軸受として使用される複合材料の皮膜として、ＰＶＤによってアルミニウム−鉛系合金膜を被着するようにしている。また、特許文献２では、すべり軸受ではないが、ステンレスの試料の表面に、固体潤滑膜として使用される二硫化モリブデン膜をスパッタリングによって被着している。
特開昭６３−２８８５６号公報 特開平５−９７０７号公報

上記特許文献１に開示されたすべり軸受では、アルミニウム−鉛系合金をＰＶＤによって被着して皮膜を形成しているため、その皮膜は、結晶構造が微細で、機械的強度および硬度が高く、耐摩耗性および耐疲労性に優れる。しかしながら、半面、初期なじみ性、異物埋収性に劣り、焼付きに至り易いという問題も内包している。
上記特許文献２に開示された二硫化モリブデン膜にあっては、二硫化モリブデンそれ自身の硬度は低いが、しかし、ＰＶＤによって形成された二硫化モリブデン膜では、軸受としては満足な初期なじみ性、異物埋収性を得ることができない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、耐摩耗性および耐疲労性を損なうことなく、初期なじみ性および異物埋収性に優れた摺動材料およびその被覆層製造方法を提供することにある。

ニ硫化モリブデン、グラファイト、ニ硫化タングステン、ボロンナイトライド（窒化硼素）は、固体潤滑剤として良く用いられている。これらは、板状結晶粒子の形態を有し、その板状結晶粒子は、主としてミラー指数での（００ｌ）面を最大面とする層が平行に積み重なった、層状結晶構造を有している。例えば、二硫化モリブデンの板状結晶粒子は、図１１に示すように、ＭｏＳ_２の分子をｘｙ平面に平行な方向に繋げた層がｚ軸方向に積み重なった構造となっており、隣接する層１６と層１８の相互間には、弱いファンデルワールス力しか作用していない。この固体潤滑剤板状結晶粒子は、図１０に示すように比較的厚さの薄い板状の外観形状を有している。

層状結晶構造の板状結晶粒子が固体潤滑剤として摺動材料の被覆層に存在し、相手材の移動に伴って板状結晶粒子内の層間に剪断力が作用すると、ファンデルワールス力に容易に打ち勝って層と層との間ですべりが生ずる。この層間すべりは、層状結晶構造を持つ物質特有のもので、その摩擦係数はきわめて低い。これが板状結晶粒子を固体潤滑剤として使用した場合に、摺動材料が低フリクションとなるメカニズムである。

本発明者は、ＰＶＤによって形成された皮膜（以下、ＰＶＤ被膜ともいう）の上に上記のような固体潤滑剤板状結晶粒子をその積層方向（ｚ方向）が皮膜の表面の垂直方向となるように積層させた構造、即ち、ＰＶＤ被膜の上に固体潤滑剤板状結晶粒子による（００ｌ）面の配向指数が高い被覆層が存在した構造は、被覆層の摩擦摩耗進行時に当該固体潤滑剤板状結晶粒子が相手軸に移着することによって、硬いＰＶＤ皮膜の摩擦摩耗時にも摩擦係数を低くさせ、それによって摩擦熱の発生を抑制させながらなじみ形状を形成させ得るのではないか、という予想を立て、本発明をなすに至った。

＜本発明の前提構成＞
本発明は、融点が３５０℃以上および３５０℃未満の互いに相分離する２種以上の金属を基材上にＰＶＤにより被着して形成された皮膜と、この皮膜上に固体潤滑剤板状結晶粒子を積層して形成された被覆層とを有した摺動材料を対象としている。
図６には、一例としてラジアル軸受用として用いられる摺動材料（すべり軸受）１が示されているが、このラジアル軸受用摺動材料１にあっては、図８のように半円筒状、或いは図示はしないが、円筒状に形成される。

本発明の皮膜および被覆層を被着する前のラジアル軸受用摺動材料１の構造としては、図９の参照符号１０によって例示するように、裏金層２上に軸受合金層３を形成した二層構造のものが多く用いられる。そして、図６に例示するように軸受合金層３を基材として、その上に中間層４を介して本発明の皮膜５、更にこの皮膜５の上に本発明の被覆層６が被着される。なお、中間層４は、皮膜５の接着性を向上させるためのもので、必須ではない。

一方、本発明は、スラスト軸受用として用いられる摺動材料にも適用できる。スラスト軸受用摺動材料は、平板状というだけで、その構造は、ラジアル軸受用摺動材料と同様であり、裏金層上に軸受合金層を形成し、その軸受合金層上に本発明の皮膜および被覆層が順に被着される。
また、本発明は、軸受合金層を持たない摺動材料、つまり図６において、基材が裏金層２に相当する部材のみによって構成される摺動材料に適用することも可能であり、この場合、裏金層相当部材を基材として、その上に本発明の皮膜および被覆層が順に被着される。裏金層相当部材は、金属製に限られず、樹脂製であっても良い。

本発明において、皮膜は、融点が３５０℃以上および３５０℃未満の互いに相分離する２種以上の金属を基材上にＰＶＤにより被着して形成される。金属の融点の高低と硬度の高低とは相関関係を有し、摺動材料の技術分野では、融点３５０℃を境にしてそれ以上の融点の金属は硬質、３５０℃未満の融点の金属は軟質として区分けされている。以下では、融点３５０℃上の金属を硬質金属、融点３５０℃未満の金属を軟質金属と呼ぶこととする。

本発明の皮膜は、この硬質金属と軟質金属とから形成されるが、その硬質金属と軟質金属とは、互いに相分離する金属の中から選択される。本発明では、硬質金属として、アルミニウム、銀、銅のうちから１種以上、軟質金属として錫、鉛、ビスマス、インジウムのうちから１種以上が選択される。相分離する金属としては、アルミニウムに対して錫、鉛、インジウムであり、銀に対して鉛、ビスマスであり、銅に対して鉛、ビスマス、インジウムである。

本発明の皮膜は、互いに相分離する硬質金属と軟質金属とをＰＶＤによって基材上に被着して形成される。ＰＶＤによって被着された皮膜は、緻密な結晶構造となり、強度および硬度が高くなり、耐疲労性および耐摩耗性に優れたものとなる。また、硬質金属と軟質金属とは互いに相分離するので、例えばマトリックス中に軟質金属だけの相が分散する形態となる。
例えば、図５は、軸受合金層３の上に中間層４を介してアルミニウムと錫とからなる皮膜５をスパッタリングによって被着した場合を示しているが、同図から明らかなようにマトリックスであるアルミニウム７相中に、錫８相が分散した形態となっている。
このように本発明の皮膜では、硬質金属のマトリックス中に軟質金属相が分散しているので、被覆層およびこの皮膜が摩耗した場合、この軟質金属相による異物埋収性およびなじみ性の効果を期待することができる。

<本発明の摺動材料の特徴的構成>
本発明の摺動材料は、上述したＰＶＤによる皮膜の上に、更に固体潤滑剤板状結晶粒子を積層して形成された被覆層を被着していることを特徴としている。従って、相手材は、この被覆層の表面上を摺動する。この相手材が摺動する面を摺動表面ということとする。

本発明では、被覆層を構成する固体潤滑剤板状結晶粒子は、（００ｌ）面が皮膜の表面と平行で、前記被覆層は、当該（００ｌ）面の配向指数が９０％以上であることを特徴としている。固体潤滑剤板状結晶粒子としては、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステンおよびボロンナイトライドの板状結晶粒子のうちのいずれか一種以上を用いることができる（請求項３）。
これらの固体潤滑剤板状結晶粒子は、六方晶である。本明細書では、結晶形態をミラー指数（ｈｋｌ）で表し、結晶面（００ｌ）面の配向指数を下式のように定義する。なお、ｌは１以上の整数である。

（００ｌ）面の配向指数（％）＝［ΣＲ（００ｌ）／ΣＲ（ｈｋｌ）］×１００
ただし、Ｒ（００ｌ）は（００ｌ）面のＸ線強度を意味し、ΣＲ（００ｌ）は検出された（００ｌ）面のＸ線強度の和であり、ΣＲ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）面、即ち検出された総ての面のＸ線強度の総和である。
配向指数が１００％に近いほど、（００ｌ）面に配向した結晶面が多いことになる。後に、図１２および図１３を用いて詳述するが、本発明の被覆層の摺動表面においては、（００２）面、（００４）面等の（００ｌ）面の結晶面のピークしかほとんど見られない（図１２）。一方、本発明とは異なる被覆層の摺動表面においては、（００ｌ）面以外、例えば（１０１）面、（１０２）面、（１０３）面等の結晶面のピークも検出される（図１３）。
そして、図１０に例示するように上述の固体潤滑剤板状結晶粒子９は、粒子内の層が（００ｌ）面を互いに平行にして積み重なった層状結晶構造を持ち、前述のように、全体としては、比較的厚さの薄い板状の外観形状を有している。以下の説明では、この板状結晶粒子の中の層と層の間の境界面を層間面と称することとする。層間面は、（００ｌ）面に平行である。

ＰＶＤにより基材の表面に被着された皮膜の表面は、基材の表面に倣う。基材の表面が平坦面であれば、皮膜の表面は平坦面であり、基材の表面がボーリング加工などによってなだらかな凹凸を有していれば、皮膜の表面もなだらかな凹凸を持った面となる。被覆層の構成材料である固体潤滑剤板状結晶粒子は、後述する製造方法の採用によって、この皮膜表面に押し付けられ摩擦されながら付着される。そして、固体潤滑剤板状結晶粒子は、皮膜表面と摩擦することで、化学反応場が形成されるので、トライボケミカル反応が起き、これによって板状結晶の層と層を結合するファンデルワールス力よりも強い力で皮膜に結合される。

本発明では、固体潤滑剤板状結晶粒子の（００ｌ）面の配向指数が９０％以上である。（００ｌ）面の配向指数が高い被覆層は、（００ｌ）面が摺動方向に対して平行に積み重なった粒子が多いことを表している。
摺動材料を軸受としての使用初期には、油膜が形成されにくい部分で摺動材料が相手材と直接接触する。これは、摺動材料と相手材とにはそれぞれ粗さがあり、また、相手材と摺動材料とを組み付けたときの僅かなずれを生ずるなどにより、避けられないことである。この使用初期に避けられない直接接触による摩耗を円滑に行わせ、摺動表面がその摩耗によって油膜が形成される形状に自然に矯正されることが、なじみ性の良い摺動材料であるとされる。

本発明の被覆層にあっては、使用初期に相手軸と直接接触する部分が生じた場合、摺動表面のうち、当該直接接触部分の固体潤滑剤板状結晶粒子が相手材に移着し、その相手材の移動に伴って、固体潤滑剤板状結晶粒子に剪断力が生ずるようになる。
固体潤滑剤板状結晶粒子に剪断力が作用すると、固体潤滑剤板状結晶粒子内の相手材の移動方向と平行となっている層間面ですべり（層間すべり）を起す。このとき、板状結晶の層と層との間には、きわめて弱いファンデルワールス力しか作用していないので、ごく小さな剪断力で容易に層間すべりが発生する。この結果、相手材は、枯渇潤滑下であっても、ごく弱い摩擦抵抗しか受けることなく、円滑に摺動する。

同時に、摺動材料の被覆層にあっては、固体潤滑剤板状結晶粒子が相手材へ移着することにより、固体潤滑剤板状結晶粒子が被覆層の摺動表面から持ち去られ、摩耗することとなる。そして、このような摩耗により摺動表面が油膜の形成され易い形状になってゆく。即ち、初期なじみ性の高い摺動材料となるのである。
また、被覆層の固体潤滑剤板状結晶粒子は、比較的硬度の低い板状結晶の積層方向であるｚ方向が摺動表面と垂直方向になっているので、軟らかく、凹み易くなる。このため、相手材との間に異物が混入したような場合、その異物は固体潤滑剤板状結晶粒子中に埋収される。また、異物は、固体潤滑剤板状結晶粒子の相互間に侵入する形態で被覆層中に埋収されるようにもなる。このため、本発明の被覆層は、異物埋収性にも優れたものとなる。
この場合、特に、請求項４のように、固体潤滑剤板状結晶粒子が樹脂バインダを用いることなく皮膜上に付着されることにより、固体潤滑剤板状結晶粒子中への異物埋収、固体潤滑剤板状結晶粒子相互間への異物埋収性を損なわずに済む。
ちなみに、下の表１は、二硫化モリブデンの被覆層の硬さを、ＰＶＤにより形成した皮膜の硬さと比較したもので、二硫化モリブデンの被覆層は、相当軟質であることが理解される。

＜被覆層中に軟質金属が混在＞
摺動材料において、摺動表面側から基材側に向って次第に硬度が変化していくことがなじみ性に対して好ましい。軟質な固体潤滑剤板状結晶粒子からなる被覆層は、ＰＶＤによって被着した皮膜に比べて非常に軟質である。次第に硬度が変化していく方が、摩擦熱発生抑制の面で、ひいては非焼付性の面で好ましい。

ここで、請求項５の発明は、被覆層中に、皮膜を構成する融点が３５０℃未満の金属（軟質金属）が混在していることを特徴とする。このように、被覆層中に軟質金属が混在していると、皮膜との硬度の差が小さくなり、異物埋収性を損なうことなくなじみ性が改善される。

また、請求項６の発明は、被覆層のうち、前記皮膜に接する所定の層状領域が、皮膜を構成する融点３５０℃未満の金属（軟質金属）を混在させた混在層、とされていることを特徴としている。このように、被覆層の摺動表面に近い部分（上層）は、軟質の固体潤滑剤板状結晶粒子だけの層となり、皮膜に近い部分（下層）は、軟質金属が混在する平均硬度のやや高い層となっていることにより、摺動表面から皮膜にいたるまでに硬度が徐々に高くなる形態が得られ、なじみ性がより一層改善される。

＜製造方法＞
本発明の摺動材料、特に、被覆層は、次のような方法によって製造される。
即ち、第１の方法は、付着媒体に、（００ｌ）面が平行に積み重なった層状結晶構造を持つ前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させ、この前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させた前記付着媒体を、前記皮膜の表面に圧力を加えながら滑らせることによってその皮膜表面に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着させ、更に、前記付着媒体を、前記皮膜の表面に付着させられた前記固体潤滑剤板状結晶粒子の表面に圧力を加えながら滑らせることによって、その固体潤滑剤板状結晶粒子の表面上に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着して積層させる方法である。
なお、自由付着とは、自由付着体である対象物が、被自由付着体から容易に離れることができる状態を言う。ここでは、対象物である固体潤滑剤板状結晶粒子が、付着媒体から容易に離れることができる状態を言う。

この方法によれば、固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させた付着媒体を、皮膜の表面に圧力を加えながら滑らせると、固体潤滑剤板状結晶粒子が皮膜の表面を摩擦しながら転動してゆく。このとき、固体潤滑剤板状結晶粒子は、前述したように板状であるが故に整列しながら移動し、最も強い摩擦力が作用する皮膜の表面に対して（００ｌ）面が皮膜の表面と平行に配向するように整列し、そして皮膜の表面との接触場において、トライボケミカル反応を起して皮膜の表面に付着する。図４に、以上のようにして固体潤滑剤板状結晶粒子９を一層付着させた状態を示す。

更に、固体潤滑剤板状結晶粒子を自由付着させた付着媒体を、皮膜の表面に付着された固体潤滑剤板状結晶粒子に圧力を加えながら滑らせると、粗さのある皮膜の表面とこの皮膜の表面に付着した固体潤滑剤板状結晶粒子との間の摩擦係数の方が、皮膜の表面に付着した固体潤滑剤板状結晶粒子とその上を滑らされる固体潤滑剤板状結晶粒子との間の摩擦係数よりも大きいため、皮膜の表面に付着した固体潤滑剤板状結晶粒子の上を別の固体潤滑剤板状結晶粒子が摩擦しながら移動することとなる。この移動により、皮膜の表面の固体潤滑剤板状結晶粒子上において、別の固体潤滑剤板状結晶粒子が、層間面を下の固体潤滑剤板状結晶粒子の層間面と平行に配向するように移動する。

以上のように、付着媒体による摩擦仕事によって、固体潤滑剤板状結晶粒子が皮膜の表面上を転動する間に、固体潤滑剤板状結晶粒子が（００ｌ）面を皮膜の表面に付着された板状粒子の（００ｌ）面と平行にするように整列し、積層されて被覆層が形成されていくのである。図１には、皮膜５上に付着させた第１層目の固体潤滑剤板状結晶粒子９Ａ上に複数層の固体潤滑剤板状結晶粒子９Ｂを積層させた状態を示す。

次に、被覆層の中に軟質金属を混在させるには、付着媒体に、（００ｌ）面が平行に積み重なった層状結晶構造を持つ前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させ、この前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させた前記付着媒体を、前記皮膜の表面に圧力を加えながら滑らせることによってその皮膜表面に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着させ、更に、前記付着媒体を、前記皮膜の表面に付着させられた前記固体潤滑剤板状結晶粒子の表面に圧力を加えながら滑らせることによって、その固体潤滑剤板状結晶粒子の表面上に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着して積層させると共に、前記固体潤滑剤板状結晶粒子の付着時において、前記皮膜を加熱し、および／または前記付着媒体の滑り速度を調整して摩擦熱を発生させることにより、前記皮膜中の前記融点が３５０℃未満の金属を少なくとも１種融解させて前記被覆層中に噴出させる（請求項７）。

このようにすることにより、皮膜中の軟質金属が一部融解して皮膜の表面に積層されつつある固体潤滑剤板状結晶粒子の層中に噴き出る。そして、固体潤滑剤板状結晶粒子の層厚を、皮膜から噴き出る軟質金属の突出高さ程度となるように制御することによって、軟質金属を全域に含んだ被覆層を得ることができる。図２は、アルミニウム７と錫８とからなる皮膜５から、軟質金属である錫８が被覆層６中に噴き出して被覆層６全体が錫８との混在層となっている状態を示す。

更に、皮膜に接する所定の層状領域である下層側が軟質金属を混在させた混在層となり、上層側が軟質金属を含まない固体潤滑剤板状結晶粒子だけの層となる被覆層を形成するには、付着媒体に、（００ｌ）面が平行に積み重なった層状結晶構造を持つ前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させ、この前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させた前記付着媒体を、前記皮膜の表面に圧力を加えながら滑らせることによってその皮膜表面に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着させ、更に、前記付着媒体を、前記皮膜の表面に付着させられた前記固体潤滑剤板状結晶粒子の表面に圧力を加えながら滑らせることによって、その固体潤滑剤板状結晶粒子の表面上に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着して積層させると共に、前記固体潤滑剤板状結晶粒子の付着時において、前記皮膜を加熱し、および／または前記付着媒体の滑り速度を調整して摩擦熱を発生させることにより、前記皮膜中の前記融点が３５０℃未満の金属を少なくとも１種融解させて前記積層された前記固体潤滑剤板状結晶粒子中に噴出させ、その後、前記皮膜の加熱を停止し、および／または前記付着媒体の移動速度を低下させ、および／または前記皮膜を冷却することにより前記融点３５０℃未満の金属の融解を停止させて、更に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を、前記融点が３５０℃未満の金属を少なくとも１種噴出させた前記固体潤滑剤板状結晶粒子の層に積層させる（請求項８）。

このようにすることにより、固体潤滑剤板状結晶粒子の付着途中で軟質金属の噴出を制御して止めることができるので、被覆層中の下側（皮膜に接する所定の層状領域）にだけ軟質金属が噴き出し、従って下層を、軟質金属を含む混在層とした被覆層が得られる。図３は、アルミニウム７と錫８とからなる皮膜５から、軟質金属である錫８が被覆層６中の下側に噴き出し、被覆層６の下層が固体潤滑剤板状結晶粒子９中に錫８を混在させた混在層６ａとなり、上層が固体潤滑剤板状結晶粒子９のみの単一層６ｂとなっている状態を示す。

以下、本発明をラジアル軸受用摺動材料（以下、単にすべり軸受）に適用した一実施形態につき図面を参照しながら説明する。図８のように、すべり軸受１は半円筒状に形成されている。このすべり軸受１は、図６に示すように、裏金層２の内周面に軸受合金層３をライニングし、更にその軸受合金層３の表面に中間層４を介して皮膜５を被着し、更に、この皮膜５上に被覆層６を被着した複層構造をなしている。

このすべり軸受１の製造法は、次の通りである。まず、図９に示すように、裏金層２上に軸受合金層３をライニングしてバイメタル１０を形成する。その後、バイメタル１０から短冊状小片を切り出し、この短冊状小片を半円筒状に曲げて半円筒状成形体を得る。そして、半円筒状成形体の内周面である軸受合金層３表面をボーリング加工によって仕上げ、次に、洗浄脱脂し、軸受合金層３の表面に中間層４を例えばＰＶＤやめっきにより被着させる。被着後、その表面にＰＶＤ、例えばスパッタリングによって皮膜５を形成し、そして、この皮膜５の上に被覆層６を形成し、すべり軸受１を得る。
被覆層６は、皮膜５の表面に積層された固体潤滑剤板状結晶粒子９からなる。この場合、固体潤滑剤板状結晶粒子９を結合するための樹脂バインダは使用しない。固体潤滑剤板状結晶粒子としては、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステンおよびボロンナイトライドの板状結晶粒子のうちのいずれか１種以上を選択して用いる。

皮膜５の表面に、固体潤滑剤板状結晶粒子９を積層させるための付着装置１１は、図７に示すように、回転軸１２に着脱可能に取り付けられる芯体としての回転体１３に、複数の付着媒体１４の一端側を固定して構成されている。付着媒体１４は、布、不織布、紙、皮革、プラスチック、繊維状金属などの可撓性部材からなり、ここでは、すべり軸受１の幅よりもやや広い幅を持った円弧板状に形成されている。この付着媒体１４は、表面に凹凸などがあって表面積の大きい部材が好ましい。一度に多量の固体潤滑剤板状結晶粒子９を付着媒体１４に自由付着させ得るからである。

この付着装置１１によりすべり軸受１の内周面に被覆層６を形成するには、まず、２個のすべり軸受１を、円筒状に突き合わせて、回転軸１２と同心となるように治具（図示せず）に固定する。そして、回転体１３に固定された複数の付着媒体１４に、（００ｌ）面が平行に積み重なった層状結晶構造をもつ固体潤滑剤板状結晶粒子９、例えば二硫化モリブデン粒子を多量に自由付着させ、これら付着媒体１４を円筒状に突き合わされた２個のすべり軸受１内に収容するようにして回転体１３を回転軸１２に取り付ける。

そして、回転軸１２を図示しないモータにより回転させる。すると、付着媒体１４の他端たる先端部分が回転に伴う遠心力を受けてすべり軸受１の内周面である皮膜５の内周面に圧接しながら滑るように回転する。このときの付着媒体１４の前記内周面での滑り速度は、５ｍ／秒以上であることが好ましい。この付着媒体１４の回転により、付着媒体１４に自由付着された二硫化モリブデン粒子が、付着媒体１４と前記内周面とによって圧力を加えられながら摩擦移動し、これにより、二硫化モリブデン粒子が層間面を皮膜５の表面と平行となるように配向し（なぜなら、最大面である（００ｌ）面は、前記移動方向に平行になることが安定だからである。）、且つトライボケミカル反応を起して皮膜５の表面に付着する。そして、更に、付着媒体１４が回転することにより、その皮膜５の表面に付着した二硫化モリブデン粒子の上に、別の二硫化モリブデン粒子が（００ｌ）面（層間面）を下の二硫化モリブデン粒子の（００ｌ）面と略平行となるように配向されて順次積層されてゆく。以上のようにして皮膜５上に二硫化モリブデン粒子が積層された層から構成された被覆層６が形成され、その層厚が１μｍ以上の所望の厚さとなったところで本付着工程を終了する。なお、本付着工程の稼働時間は、希望する被覆層６の厚さに応じて適宜定める。

この被覆層６の形成時に、図示しない治具を予熱してこの治具に固定されるすべり軸受１の皮膜５を加熱したり、付着媒体１４のすべり軸受１の表面での滑り速度を適宜調節して摩擦熱の発生程度を制御したり、或いは治具を水冷することですべり軸受１の皮膜５を冷却したりすることによって、図２に示すように皮膜５中の軟質金属を被覆層６中に噴き出させて軟質金属を含む被覆層６を形成したり、或いは、図３に示すように下層が軟質金属を含んだ混在層とした被覆層６を形成したりする。これらの場合において、上記製造方法を実施することにより、表面が平滑な被覆層を形成することができる。

次に本発明の実施例を説明する。裏金層に、アルミニウム系軸受合金層または銅系軸受合金層をライニングしたバイメタルを製造し、このバイメタルから短冊状小片を得て、これを半円筒状に曲げた後、軸受合金層の表面をボーリング加工により仕上げた。
その後、この半円筒状成形体を脱脂洗浄し、軸受合金層の内周面にスパッタリングによりＮｉＣｒ層（中間層）を設け、そのＮｉＣｒ層上に、下の表２の「ＰＶＤ皮膜の種類」欄に示す成分の金属をスパッタリングによって被着させて皮膜を形成し、実施例品１〜５、比較例品１〜３の各試料を製作した。この中間層上のスパッタリングによる皮膜の厚さは、１０〜１５μｍとした。なお、皮膜の金属成分は、元素記号の前の数字がその元素の成分量（質量％）を示す。数値のない元素は、残部を占める元素である。

比較例品１を除く他の試料については、皮膜の上に、更に、表１に示す固体潤滑剤からなる固体潤滑剤板状結晶粒子を図７に示す付着装置１１により積層し、被覆層を形成した。この場合、実施例品１と比較例品２は、被覆層の中に軟質金属は含まれず、固体潤滑剤板状結晶粒子のみからなる被覆層としている。実施例品４，５の被覆層は、その全域において軟質金属を混在させており、固体潤滑剤板状結晶粒子のみからなる層状領域はない。実施例品２，３の被覆層は、下層を軟質金属を含む混在層としており、上層を固体潤滑剤板状結晶粒子のみからなる単一層としている。

実施例品４，５のように被覆層中に軟質金属を混在させるには、被覆層の形成時に付着装置１１の治具を８０〜３４０℃の範囲で、低融点金属よりも１０〜７０℃低い温度に予熱しておく。そして、固体潤滑剤板状結晶粒子の付着時に付着媒体１４の試料表面での滑り速度を１０〜２０ｍ／ｓｅｃの高速度で行って摩擦熱を発生させる。これにより、皮膜中の低融点の軟質金属が溶融して被覆から被覆層中に噴き出し、軟質金属が被覆層中に混在するようになる。また、実施例品２，３のように被覆層の下層にだけ軟質金属を含ませるには、被覆層の形成中に治具の加熱を停止すると共に、付着媒体のすべり速度を低下させ、更に治具を水冷して皮膜中の低融点金属の溶融を停止させる。これにより、下層にだけ低融点金属が噴き出た形態の被覆層を形成できる。

上記実施例品１〜５および比較例品２，３について、被覆層の厚さ、被覆層表面での固体潤滑剤板状結晶粒子の（００ｌ）面の配向指数を測定し、また、下の表３に示す条件にて焼付試験を行い、それらの測定結果および試験結果を表２に記載した。

なお、配向指数は、Ｘ線回折強度試験の結果から求めた。実施例品および比較例品のＸ線回折強度試験の測定結果の一例を、それぞれ図１２（ａ），（ｂ）および図１３（ａ），（ｂ）に示す。図１２は、実施例品１の測定結果を示し、同図（ｂ）は同図（ａ）の部分拡大図であり、図１３は、比較例品２の測定結果を示し、同図（ｂ）は同図（ａ）の部分拡大図である。図１２（ａ），（ｂ）および図１３（ａ），（ｂ）中、○（丸）が固体潤滑剤板状結晶粒子である二硫化モリブデンの（００ｌ）面を示し、△（三角）が皮膜の結晶面を示し、×（バツ）が二硫化モリブデンの（００ｌ）面以外の結晶面を示す。

図１２（ａ），（ｂ）から明らかなように、実施例品１の測定結果には、固体潤滑剤板状結晶粒子の（００ｌ）面以外のピークは、ほとんど見られない。一方、図１３（ａ），（ｂ）から明らかなように、比較例品２の測定結果には、固体潤滑剤板状結晶粒子の（００ｌ）面以外のピークが容易に見られる。なお、図１３（ｂ）に示すように、比較例品２の測定結果では、（００ｌ）面以外である（１０１）、（１０２）、（１０３）面が同定された。このＸ線回折強度試験の測定結果および先の式から、実施例品および比較例品の配向指数を求めたものを表２に示す。

焼付試験の結果を考察する。
まず、すべり軸受のなじみ性や異物埋収性は、直接定量的に測定できない。なじみ性に優れたすべり軸受であれば、相手材と金属接触を起こす部分があっても、その部分は早期に摩耗して油膜を形成し易い形状に矯正されてゆく。このため、なじみ性の優れたすべり軸受では、非焼付性に優れる。また、異物埋収性に優れたすべり軸受では、相手材との間に侵入してきた異物を取り込んで相手材との摺動面間から除去し、異物がいつまでも摺動面間に存在することから生ずる焼付きを防止する。従って、なじみ性および異物埋収性に優れたすべり軸受は、非焼付性に優れる。このことから、実施例品１〜５、比較例品１〜３のなじみ性および異物埋収性の良否の確認試験として焼付試験を実施したのである。

焼付試験は、表３から明らかなように、荷重をステップアップさせることで枯渇潤滑となる条件下で実施している。つまり、面圧が高くなるほど、油膜が薄くなるので、次第に枯渇潤滑状態となってゆくのである。なお、焼付面圧とは、試験荷重を１０分毎に１０ＭＰａずつ増加させていった場合に、焼付きを生じたときの面圧を言う。また、焼付の評価は、試料の背面温度が２００℃を超えた時又はトルク変動によって相手軸を回転させる軸駆動用ベルトがスリップした時を焼付と判定した。

比較例品１は、被覆層を形成しておらず、相手材が直接皮膜と接触するため、なじみ性や異物埋収性に劣り、非焼付性は低い。また、スプレー法により被覆層を形成した比較例品２は、皮膜の上に被覆層を形成しているが、しかし、二硫化モリブデン粒子の配向率が７１％と低い。このため、二硫化モリブデン粒子の層間すべりによって早期に生じる被覆層の円滑な摩耗が生じ難く、ひいてはなじみ性に劣るものとなる。また、異物埋収機能が十分に発揮されないものとなっており、焼付面圧は低い。また、スパッタ法により被覆層を形成した比較例品３は、皮膜の上に被覆層を形成しているが、しかし、二硫化モリブデン粒子の配向率が３８％と低い。このため、同様になじみ性のみならず焼付面圧が低い。

これに対し、実施例品１〜５は、皮膜上に、固体潤滑剤板状結晶粒子による被覆層が形成され、その固体潤滑剤板状結晶粒子の配向率が９０％以上であるので、被覆層によるなじみ性および異物埋収性が良好に発揮され、優れた非焼付性を呈している。
これら実施例品１〜５うち、実施例品４，５は、被覆層全体が軟質金属と固体潤滑剤板状結晶粒子との混在層となっている。このため、被覆層の平均硬度が高くなり、被覆層と皮膜との硬度差が実施例品１より小さい。このことから、それらの層が摩擦摩耗するにあたり、硬度の変化が小さいことにより、硬度差に起因する摩擦熱発生を極めて良好に抑制することができるので、実施例品４，５は、実施例品１よりも良好なる非焼付性を呈している。

更に、実施例品２，３では、被覆層の下層に、軟質金属を混在させた混在層を有している。このため、それらは、被覆層の上層から皮膜までに次第に硬度が変化する形態となっているので、実施例品１よりも良好なる非焼付性を呈している。特に、被覆層の厚い実施例品２は、他の実施例品１，３〜５に比べ、良好なる非焼付性を示し、下層に混在層を有する被覆層が非焼付性にとって効果的であることを示している。

なお、実施例品２は、固体潤滑剤板状結晶粒子と低融点金属との混在層の厚さが２μｍあるので、仮に固体潤滑剤板状結晶粒子が存在しないとすると、噴出した低融点金属の存在によってその表面粗さはＲｚ２μｍということになる。しかし、上述の実施例品２は、本発明の製造方法を実施したので、被覆層の表面粗さをＲｚ２μｍ以下にすることができ、被覆層の表面粗さが小さかった。その結果、軸と軸受との直接接触の確率を下げることができた。

本発明の摺動材料における被覆層の第１の形態を示す断面図 本発明の摺動材料における被覆層の第２の形態を示す断面図 本発明の摺動材料における被覆層の第３の形態を示す断面図 皮膜上に固体潤滑剤板状結晶粒子を被着する過程を示す断面図 被覆層形成前の状態を示す摺動材料の断面図 摺動材料の層構造を示す摺動部材全体の断面図 付着装置の断面図 摺動材料（すべり軸受）の側面図 摺動材料を形成するためのバイメタルの断面図 固体潤滑剤板状結晶粒子の板状結晶の層構造を示す概念図 二硫化モリブデンの結晶構造を示す概念図 実施例品の被覆層のＸ線回折強度試験の結果を示すグラフ 比較例品の被覆層のＸ線回折強度試験の結果を示すグラフ

符号の説明

図面中、１は摺動材料、２は裏金層、３は軸受合金層（基材）、４は中間層、５は皮膜、６は被覆層、７はアルミニウム（マトリックス）、８は錫（分散している相）、９は固体潤滑剤板状結晶粒子、１１は付着装置、１４は付着媒体である。

Claims (8)

1. 融点が３５０℃以上および３５０℃未満の互いに相分離する２種以上の金属を、基材上にＰＶＤにより被着して形成された皮膜と、
   この皮膜上に固体潤滑剤板状結晶粒子を積層して形成された被覆層とを有し、
   前記固体潤滑剤板状結晶粒子は、（００ｌ）面（但し、ｌは１以上の整数）が平行に積み重なった層状結晶構造を持ち、且つ、前記皮膜上に積層された状態では、（００ｌ）面が前記皮膜の表面と平行で、
   前記被覆層は、当該（００ｌ）面の配向指数が９０％以上であり、
   前記融点が３５０℃未満の金属の少なくとも１種の一部は、前記被覆層の成形時に前記皮膜の加熱により溶融されることにより、前記皮膜から前記被覆層に突出していることを特徴とする摺動材料。
2. 前記融点が３５０℃以上の金属は、アルミニウム、銀、銅のうちの１種以上からなり、前記融点が３５０℃未満の金属は、錫、鉛、ビスマス、インジウムのうちの１種以上からなることを特徴とする請求項１記載の摺動材料。
3. 前記固体潤滑剤板状結晶粒子は、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングスン、ボロンナイトライドの板状結晶粒子のうちのいずれか１種以上からなることを特徴とする請求項１または２記載の摺動材料。
4. 前記被覆層は、前記固体潤滑剤板状結晶粒子を結合するための樹脂バインダを含まないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動材料。
5. 前記被覆層中に、前記皮膜を構成する金属のうち、前記融点が３５０℃未満の金属が少なくとも１種混在していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動材料。
6. 前記被覆層のうち、前記皮膜に接する所定の層状領域が、前記皮膜を構成する金属のうち、前記融点３５０℃未満の金属の少なくとも１種が混在する混在層とされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動材料。
7. 請求項５又は６記載の摺動材料の被覆層を製造する方法において、
   付着媒体に、（００ｌ）面が平行に積み重なった層状結晶構造を持つ前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させ、
   この前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させた前記付着媒体を、前記皮膜の表面に圧力を加えながら滑らせることによってその皮膜表面に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着させ、
   更に、前記付着媒体を、前記皮膜の表面に付着させられた前記固体潤滑剤板状結晶粒子の表面に圧力を加えながら滑らせることによって、その固体潤滑剤板状結晶粒子の表面上に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着して積層させると共に、
   前記固体潤滑剤板状結晶粒子の付着時において、前記皮膜を加熱し、および／または前記付着媒体の滑り速度を調整して摩擦熱を発生させることにより、前記皮膜中の前記融点が３５０℃未満の金属を少なくとも１種融解させて前記被覆層中に噴出させる、摺動材料の被覆層製造方法。
8. 請求項５又は６記載の摺動材料の被覆層を製造する方法において、
   付着媒体に、（００ｌ）面が平行に積み重なった層状結晶構造を持つ前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させ、
   この前記固体潤滑剤板状結晶粒子を複数自由付着させた前記付着媒体を、前記皮膜の表面に圧力を加えながら滑らせることによってその皮膜表面に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着させ、
   更に、前記付着媒体を、前記皮膜の表面に付着させられた前記固体潤滑剤板状結晶粒子の表面に圧力を加えながら滑らせることによって、その固体潤滑剤板状結晶粒子の表面上に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を摩擦させながら付着して積層させると共に、
   前記固体潤滑剤板状結晶粒子の付着時において、前記皮膜を加熱し、および／または前記付着媒体の滑り速度を調整して摩擦熱を発生させることにより、前記皮膜中の前記融点が３５０℃未満の金属を少なくとも１種融解させて前記積層された前記固体潤滑剤板状結晶粒子中に噴出させ、
   その後、前記皮膜の加熱を停止し、および／または前記付着媒体の移動速度を低下させ、および／または前記皮膜を冷却することにより前記融点３５０℃未満の金属の融解を停止させて、更に前記固体潤滑剤板状結晶粒子を、前記融点が３５０℃未満の金属を少なくとも１種噴出させた前記固体潤滑剤板状結晶粒子の層に積層させる、摺動材料の被覆層製造方法。

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