JP5267756B1 - 摺動部材及び軸受 - Google Patents

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Abstract

多孔質層の露出を抑制して耐焼付性を向上させると共に、耐摩耗性及び耐荷重性を向上させた摺動部材を提供する。
摺動部材１は、円筒形状の軸受を構成し、内周面が軸との摺動層５となる。摺動部材１は、金属基材２の表面に、合金材料で多孔質層３が形成され、この多孔質層３が樹脂材料４で被覆されて摺動層５が形成される。摺動部材１は、多孔質層３を形成する金属粉末３０の粒径を、１５〜６０μｍ、好ましくは、２５〜４５μｍ程度とする。また、摺動部材１は、多孔質層３の厚さを、０．０６〜０．１ｍｍの範囲とし、摺動層５の厚さを、０．０８〜０．１６ｍｍとした。摺動層５の厚さは、多孔質層３が露出しないように、多孔質層３の厚さより平均して厚く設定される。

Description

本発明は、軸を摺動可能に支持する軸受に使用される摺動部材及び軸受に関する。
摺動部材としては、鋼板上にCu-Sn系合金を貼り合せた摺動材料が多く使用されてきた。従来使用されてきたCu-Sn系合金は、Cu-Sn-Pb合金で、Pb（鉛）の添加により良好な摺動性を確保していた。
一方、Pbの人体に対する有害性から、近年Pbの使用が様々な分野で規制されており、摺動部材でも、Pbを使用しない材料が提案されている。このようなPbを使用しない摺動材料として、樹脂材料を使用した摺動部材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
従来の樹脂材料を用いた摺動部材は、鋼板上にCu-Sn系合金の多孔質層を形成し、この多孔質層に、樹脂材料としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含浸させて被覆した構成である。多孔質層は、鋼板上にCu-Sn系合金粉が散布され、Cu-Sn系合金粉が散布された鋼板が焼結炉で焼結されて、鋼板上にCu-Sn系合金の多孔質層が形成される。
特開２００６−２２６２９９号公報
従来、多孔質層を形成する金属粉末の粒径は、７５〜１５０μｍ程度である。これに対して摺動層の厚さは、０．２〜０．４ｍｍ程度であるが、摺動層の厚さに対して多孔質層を形成する金属粉末の粒径が大きく、粒径のばらつきも大きいので、摺動層に対して多孔質層が厚くなり、摺動層の表面に多孔質層が露出するまでの、許容される摺動層の摩耗量が少なかった。
摺動層が樹脂材料で形成される摺動部材は、オイル潤滑環境下で使用される軸受に適用されるが、一時的に油膜が切れることがある。摺動層が樹脂材料で形成される摺動部材が適用された軸受では、摺動層の表面の油膜が一時的に切れても、摺動層を形成する樹脂材料が潤滑材としての役割を担う。
しかし、摺動層の表面に多孔質層が露出するまでの、許容される摺動層の摩耗量が少ないと、油膜が切れた状態で摺動対象物である軸等が多孔質層に接触するドライタッチと呼ばれる現象が起こる。ドライタッチが起こると、軸受と軸との焼き付き、軸の損傷等が発生する可能性があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、多孔質層の露出を抑制して耐焼付性を向上させると共に、耐摩耗性及び耐荷重性を向上させた摺動部材、及びこの摺動部材を使用した軸受を提供することを目的とする。
本発明者らは、多孔質層を形成する金属粉末の粒径を小さくすることで、多孔質層の露出が抑制され、耐焼付性が向上すると共に、耐荷重性が向上することを見出した。また、摺動層の厚さを薄くすることで、耐摩耗性が向上することを見出した。
そこで、本発明は、金属基材の一の面に、金属粉末を焼結させて多孔質層が形成され、多孔質層に含浸させた樹脂材料を焼成させて摺動層が形成される摺動部材において、金属粉末の粒径を、１５〜６０μｍとし、摺動層の厚さを、０．０８〜０．１６ｍｍとし、多孔質層の厚さを、０．０６〜０．１ｍｍの範囲で、平均して摺動層の厚さより薄く構成した摺動部材である。
また、本発明は、金属基材の一の面に、金属粉末を焼結させて多孔質層が形成され、多孔質層に含浸させた樹脂材料を焼成させて摺動層が形成される軸受部材を、摺動層を内側として環状とし、円筒状の内周面を摺動層で構成した軸受において、金属粉末の粒径を、１５〜６０μｍとし、摺動層の厚さを、０．０８〜０．１６ｍｍとし、多孔質層の厚さを、０．０６〜０．１ｍｍの範囲で、平均して摺動層の厚さより薄く構成した軸受である。
金属粉末の粒径は、２５〜４５μｍの範囲であることが好ましい。また、多孔質層の厚さは、０．０６〜０．１ｍｍの範囲であることが好ましい。
本発明では、多孔質層を形成する金属粉末の粒径を微細化することで、多孔質層の露出が抑制され耐焼付性を向上させることができる。また、多孔質層の強度が向上して多孔質層の変形が抑制されると共に、多孔質層に入り込む樹脂材料の変形が抑制され、耐荷重性を向上させることができる。
更に、多孔質層を形成する金属粉末の粒径を微細化することで、摺動層の厚さを薄くしても、多孔質層の露出が抑制され、摺動層の厚さを薄くすることで、摺動層の変形が抑制され、摺動層の変形に伴う摩耗を抑制することができ、耐摩耗性を向上させることができる。
本実施の形態の摺動部材の一例を示す断面組織図である。 本実施の形態の軸受の一例を示す斜視図である。 負荷荷重と圧縮変形量の関係を示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の摺動部材の実施の形態、及び、本発明の摺動部材が適用された軸受の実施の形態について説明する。
＜本実施の形態の摺動部材の構成例＞
図１は、本実施の形態の摺動部材の一例を示す断面組織図である。本実施の形態の摺動部材１は、金属基材２の一の面である表面に、合金材料で多孔質層３が形成され、この多孔質層３が樹脂材料４で被覆されて摺動層５が形成される。
多孔質層３は、金属基材２の表面に所定の厚さで金属粉末３０が焼結されて形成される。本例では、金属粉末３０として、Cu-Sn系合金粉が金属基材２である銅メッキ鋼板上に散布され、Cu-Sn系合金粉が散布された銅メッキ鋼板が焼結炉で焼結されて、銅メッキ鋼板上にCu-Sn系合金の多孔質層３が形成される。
摺動層５は、金属基材２の表面に形成された多孔質層３に、樹脂材料４が所定の厚さで含浸され、多孔質層３に含浸された樹脂材料４が焼成されて形成される。本例では、樹脂主剤として、ＰＴＦＥのディスパージョンと、樹脂添加剤として、二硫化モリブデン、黒鉛、炭素繊維等のフィラーが混合され、有機溶剤が加えられ攪拌されて樹脂材料４が生成される。樹脂材料４は、金属基材２の表面の多孔質層３上に載置されて押圧され、多孔質層３に含浸される。そして、焼成炉でＰＴＦＥの融点以上に加熱されて焼成される。
摺動部材１は、多孔質層３を形成する金属粉末３０の粒径を、従来と比較して微細化することで、多孔質層３の厚さを従来より薄くして、ドライタッチを起こす多孔質層３の露出を抑制すると共に、摺動層５の厚さを従来より薄くして、耐摩耗性の向上を図る。
摺動部材１は、金属粉末３０の粒径Ｒを、１５〜６０μｍ、好ましくは、２５〜４５μｍ程度とする。従来、金属粉末の粒径は、７５〜１５０μｍ程度で、粒径が大きく、かつ、粒径のばらつきが大きいものであった。これに対して、本実施の形態では、金属粉末３０の粒径が小さく、かつ、粒径のばらつきが小さく抑えられている。
摺動部材１は、多孔質層３の厚さＴ１を、０．０６〜０．１ｍｍの範囲とした。多孔質層３の厚さは、金属粉末３０が少なくとも２個以上重なる程度の厚さに設定される。
摺動部材１は、摺動層５の厚さＴ２を、０．０８〜０．１６ｍｍとした。摺動層５の厚さは、多孔質層３が露出しないように、多孔質層３の厚さより平均して厚く設定される。従来、摺動層の厚さは、０．２〜０．４ｍｍ程度であるが、多孔質層を形成する金属粉末の粒径が７５〜１５０μｍ程度であり、粒径のばらつきも大きいので、摺動層に対して多孔質層が厚くなり、摺動層の表面に多孔質層が露出するまでの、許容される摺動層の摩耗量が少なかった。
これに対して、本実施の形態では、摺動層５の厚さＴ２が０．０８〜０．１６ｍｍ程度に設定され、従来と比較して薄く構成されるが、金属粉末３０の粒径Ｒを１５〜６０μｍ、好ましくは、２５〜４５μｍ程度とすることで、多孔質層３の厚さＴ１を０．０６〜０．１ｍｍ程度に薄くでき、多孔質層３が露出するまでの、許容される摺動層５の摩耗量が増加する。
＜本実施の形態の軸受の構成例＞
図２は、本実施の形態の軸受の一例を示す斜視図である。本実施の形態の軸受１０は、図１で説明した摺動部材１を、摺動層５を内側として環状に構成される。軸受１０は、円筒状の内周面を形成する摺動層５で軸１１を支持する。軸受１０は、軸１１が回転運動する形態、あるいは直線運動する形態の何れであっても適用可能である。
本実施の形態の軸受１０は、例えば、自動車等のショックアブソーバ等、直線運動する形態で油が用いられる摺動部に使用される。また、歯車状の部材が回転することで、油を送出するギアポンプ等、回転運動する形態で油が用いられる摺動部に使用される。
＜本実施の形態の摺動部材及び軸受の作用効果例＞
軸受１０は、軸１１が回転運動、あるいは直線運動を行うことで、摺動層５の表面の一部と軸１１が接触した状態で、軸１１が摺動する。軸受１０を構成する摺動部材１は、上述したように、多孔質層３を形成する金属粉末３０の粒径Ｒを２５〜４５μｍ程度とし、従来と比較して微細化した。
これにより、多孔質層３の厚さＴ１を０．０６〜０．１ｍｍ程度に薄くでき、摺動層５の厚さＴ２を０．０８〜０．１６ｍｍ程度と、従来と比較して薄く構成しても、摺動層５の表面に多孔質層３が露出するまでの、許容される摺動層５の摩耗量が増加させることができる。
よって、摺動層５に軸１１が摺動することで、摺動層５を構成する樹脂材料４が摩耗しても、多孔質層３の露出が抑制され、多孔質層３と軸１１が直接接して焼き付き等の要因となるドライタッチを抑制することができる。
軸受１０は、オイル潤滑環境下で使用されるが、一時的に油膜が切れることがある。軸受１０では、摺動層５の表面の油膜が一時的に切れても、摺動層５を形成する樹脂材料４が潤滑材としての役割を担う。
上述したように、軸受１０では、油膜が一時的に切れても、ドライタッチを起こす多孔質層３の露出が抑制されることで、摺動層を樹脂材料で構成した従来の軸受と比較して、耐焼付性が向上し、Pbを含まない構成で、Pbを含む摺動材料を用いた軸受と同程度の耐焼付性が得られる。
また、摺動層５の厚さを薄くすることで、摺動層５に軸１１が摺動することによる摺動層５の変形が抑制され、摺動層５の変形に伴う摩耗を抑制することができ、摺動層５の厚さを薄くしても、摺動層を樹脂材料で構成した従来の軸受と比較して、同程度の耐摩耗性が得られる。
更に、金属粉末３０の粒径が、平均して２５μｍより小さくなると、多孔質層３を形成した際に、金属粉末間の隙間が小さくなり、樹脂材料４が多孔質層３に入り込みにくくなる。これに対して、金属粉末３０の粒径Ｒが２５〜４５μｍ程度であれば、この金属粉末３０で形成された多孔質層３に含浸されて焼成された樹脂材料４は、多孔質層３の間に入り込み、所謂アンカー効果が得られ、従来の粒径の金属粉末で多孔質層を構成した従来の軸受と比較して、同程度の樹脂密着性が得られ、摺動層５の金属基材２からの剥離が抑制される。
また、多孔質層３を形成する金属粉末３０の粒径Ｒを、２５〜４５μｍ程度にすることで、摺動層５の厚さＴ２を０．０８〜０．１６ｍｍ程度に薄くしても、耐荷重性が向上する。図３は、負荷荷重と圧縮変形量の関係を示すグラフである。
図３のグラフにおいて、実線で示す実施例１は、本発明を適用した摺動部材であり、多孔質層３を形成する金属粉末３０の粒径Ｒを２５〜４５μｍとし、摺動層５の厚さＴ２が０．０８〜０．１６ｍｍ程度となるように、摺動部材１全体の厚さを１ｍｍ、金属基材２の厚さを０．９ｍｍとした。
破線で示す比較例１は、多孔質層を形成する金属粉末の粒径を７５〜１５０μｍとし、摺動層の厚さが０．２〜０．４ｍｍ程度となるように、摺動部材全体の厚さを１．０ｍｍ、金属基材の厚さを０．７５ｍｍとした。一点鎖線で示す比較例２は、金属基材の厚さによる差異を測定するため、比較例１と同じ条件で、摺動部材全体の厚さを２．０ｍｍ、金属基材の厚さを１．８ｍｍとした。
図３のグラフに示すように、実施例１では、比較例１及び比較例２との対比で、荷重に対する摺動層の圧縮変形量が少ないことがわかる。比較例１と比較例２の対比で、金属基材の厚さが薄い方が、摺動層の圧縮変形量が少ない傾向にある。
そして、多孔質層３を形成する金属粉末３０の粒径Ｒを２５〜４５μｍとすることで、各比較例との対比で、多孔質層３において金属粉末３０の密度が高くなり、多孔質層３の変形及び多孔質層３に入り込む樹脂材料４の変形が抑えられ、耐荷重性が向上する。よって、高負荷環境での使用も可能となる。
本発明は、油が供給される環境で使用される摺動部材及び軸受に適用される。
１・・・摺動部材、１０・・・軸受、２・・・金属基材、３・・・多孔質層、３０・・・金属粉末、４・・・樹脂材料、５・・・摺動層

Claims (4)

  1. 金属基材の一の面に、金属粉末を焼結させて多孔質層が形成され、前記多孔質層に含浸させた樹脂材料を焼成させて摺動層が形成される摺動部材において、
    前記金属粉末の粒径を、１５〜６０μｍとし、
    前記摺動層の厚さを、０．０８〜０．１６ｍｍとし、
    前記多孔質層の厚さを、０．０６〜０．１ｍｍの範囲で、平均して前記摺動層の厚さより薄く構成した
    ことを特徴とする摺動部材。
  2. 前記金属粉末の粒径を、２５〜４５μｍとした
    ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 金属基材の一の面に、金属粉末を焼結させて多孔質層が形成され、前記多孔質層に含浸させた樹脂材料を焼成させて摺動層が形成される軸受部材を、前記摺動層を内側として環状とし、円筒状の内周面を前記摺動層で構成した軸受において、
    前記金属粉末の粒径を、１５〜６０μｍとし、
    前記摺動層の厚さを、０．０８〜０．１６ｍｍとし、
    前記多孔質層の厚さを、０．０６〜０．１ｍｍの範囲で、平均して前記摺動層の厚さより薄く構成した
    ことを特徴とする軸受。
  4. 前記金属粉末の粒径を、２５〜４５μｍとした
    ことを特徴とする請求項３に記載の軸受。
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