JP4732941B2 - 摺動材料およびその被覆層製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (8)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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