JP5459356B2 - 半割軸受 - Google Patents

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Description

本発明は、被摺動物を摺動可能に支持する半割軸受に関する。
軸受を構成する摺動部材として、金属基材上にCu（銅）系合金で多孔質層を形成し、この多孔質層をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とPb（鉛）を混合させた樹脂系材料で被覆した摺動材料が知られている。
このような樹脂系材料で摺動層を形成した摺動材料では、摺動性に優れるが、磨耗量が大きく高荷重下での使用に適さない。また、Pbの使用が規制されてきているため、Pbを含まない摺動材料の開発が進められている。
また、軸受を構成する摺動部材として、金属基材上にCu系合金を貼り合せた摺動材料が知られている。銅メッキ鋼板等の金属基材にCu系合金を貼り合せた摺動材料は、樹脂系材料で摺動層を形成した摺動材料と比較して摺動性は劣るものの、磨耗を抑えることができる。また、摺動層の表面に油溜まりとなる凹凸形状を形成することで、油膜の形成を促進する技術も提案されている。
しかし、ピストンポンプと称される油圧ポンプのように、高荷重が掛かる環境下では凹凸形状を保持できない場合があり、長期間にわたる使用で所望の摺動特性を維持できなかった。
凹凸形状の高さを大きくすれば、磨耗による油溜まりの消滅を抑えることができるが、Cu系合金で形成した摺動層の表面に、所望の高さの凹凸形状を形成することは困難である。
そこで、樹脂系材料で摺動層を形成した摺動材料で、樹脂系材料による摺動層が多孔質層から剥離しないように機械的強度を向上させ、所望の形状の油溜まりを形成できるようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）
特開２００６−２２６２９９号公報
しかし、樹脂系材料による摺動層が多孔質層から剥離しないように機械的強度を向上させた従来の摺動材料でも、高荷重が掛かる環境下での磨耗量を十分に抑えることができず、長期間にわたる使用で所望の摺動特性を維持できなくなり、凝着が発生する可能性があった。
本発明は、耐磨耗性に優れ、油膜の形成し難い境界潤滑下で確実に油膜が形成されるようにした半割軸受を提供することを目的とする。
本発明者らは、摺動層を構成する樹脂系材料の添加物で磨耗を低減させることで、油膜を形成し得る摺動層の凹凸形状を保持できることを見出した。
本発明は、金属基材の一の面にＣｕ−Ｓｎ系合金で形成された多孔質層と、ポリテトラフルオロエチレンと炭素繊維を少なくとも含む樹脂系材料で多孔質層を被覆した摺動層を備え、被摺動物を摺動可能に支持する摺動層の表面に、油を保持して油膜を形成すると共に、被摺動物が摺動することによる磨耗に対して形状の変化が抑制される形状で、油膜を形成し得る油を保持する高さを有した凹凸面が形成され、被摺動物が揺動する方向に沿って円弧状に形成され、摺動層の凹凸面は、算術平均粗さ（Ｒａ）を３．０〜１０．０μｍとすると共に、頂点が連続した線状で格子状に配置される逆四角錘形状で、油溜まりとなる凹部が形成される半割軸受である。
多孔質層は、金属基材の一の面に散布された粒度が４５〜２５０μｍのＣｕ−Ｓｎ系合金が焼結されて形成され、摺動層は、ポリテトラフルオロエチレンと炭素繊維を少なくとも含む樹脂系材料が、摺動層に凹凸面を転写する凹凸形状を有したローラで前記多孔質層に含浸され、焼成されて形成されることが好ましい。
本発明の半割軸受では、被摺動物を摺動可能に支持する摺動層の表面に、油を保持して油膜を形成すると共に、被摺動物が摺動することによる磨耗に対して、油膜を形成し得る油を保持する高さを有した凹凸面が形成されることで、摺動層の表面に油溜まりが形成され、高荷重が掛かるような使用条件であっても、摺動層表面の凹凸形状が維持できる。
これにより、高荷重が掛かり、油膜の形成し難い境界潤滑下であっても、確実に油膜が形成されて磨耗が低減されると共に、発熱が低減され、油圧機械の分野において、耐キャビテーション・エロージョン性に優れるため、摺動部材の凝着を抑える効果がある。
本実施の形態の半割軸受の一例を示す斜視図である。 本実施の形態の半割軸受の一例を示す摺動層の断面図である。 本実施の形態の半割軸受の摺動層の表面形状の一例を示す斜視図である。 本実施の形態の摺動部材が適用されるピストンポンプの一例を示す構成図である。 実施例における半割軸受の試験前と試験後の摺動層の表面粗さ形状を示すグラフである。 比較例１における半割軸受の試験前と試験後の摺動層の表面粗さ形状を示すグラフである。 比較例２における半割軸受の試験前と試験後の摺動層の表面粗さ形状を示すグラフである。 実施例における摺動層表面の顕微鏡写真である。 比較例１における摺動層表面の顕微鏡写真である。 比較例２における摺動層表面の顕微鏡写真である。 実施例と各比較例における摺動層の磨耗量の変化を示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の半割軸受の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態の半割軸受の一例を示す斜視図、図２は、本実施の形態の半割軸受の一例を示す摺動層の断面図、図３は、本実施の形態の半割軸受の摺動層の表面形状の一例を示す斜視図である。
本実施の形態の半割軸受１は、図１に示すように、円弧状の軸受を構成し、内周面が被摺動物との摺動層２となる。半割軸受１は、図２に示すように、金属基材３の一の面である表面に合金材料で多孔質層４が形成され、この多孔質層４を樹脂材料５で被覆して、摺動層２が形成される。
半割軸受１は、被摺動物を摺動可能に支持する摺動層２の表面に凹凸面６を備える。凹凸面６は、油膜の形成及び油膜の保持に適した形状で、かつ、被摺動物が揺動することによる偏荷重での磨耗による形状の変化が抑制される形状で構成される。
すなわち、凹凸面６は、摺動層２の表面に油膜が形成できるようにするため、油溜まりとなる所望の形状の凹部６ａを設けて構成される。凹凸面６は、本例では、図３に示すように、頂点が連続した線状で格子状に配置される逆四角錘形状の凹部６ａが形成される。
また、凹凸面６は、被摺動物が摺動することによる磨耗でも、油膜を形成し得る凹部６ａの形状を保持できるようにするため、摺動層２の磨耗量に基づき凹部６ａの底部から頂点までの高さが規定され、凹部６ａが所望の高さを確保できるような表面粗さが規定されている。
半割軸受１は、多孔質層４がCu-Sn系合金で形成される。多孔質層４は、粒度が４５〜２５０μｍのCu-Sn系合金が、金属基材３の表面に所望の厚さとなるように散布され、焼結されることで形成される。
また、半割軸受１は、摺動層２がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と炭素繊維を少なくとも含む樹脂材料５で形成される。摺動層２は、金属基材３の表面に焼結された多孔質層４に、摺動層２の表面に形成される凹凸面６を転写する凹凸形状を有した図示しないローラで樹脂材料５が含浸され、焼成されて形成される。
半割軸受１は、摺動層２の凹凸面６の算術平均粗さ（Ｒａ）が、３．０〜１０．０μｍ、好ましくは、Ｒａが６．０μｍ以上１０．０μｍ以下となるように、凹部６ａの底部から頂点までの高さが規定される。
上述したように、摺動層２における凹凸面６の形成は、硬化前の樹脂材料５に対して型による転写で行われるので、所望の高さを有した凹凸形状の形成が容易に行える。
本実施の形態の半割軸受１は、摺動層２の表面形状が、油膜の形成及び油膜の保持に適した形状で、かつ、被摺動物が揺動することによる偏荷重での磨耗による形状の変化が抑制される形状となるように凹凸面６で構成されることで、低摩擦係数のポリテトラフルオロエチレンを使用して、耐磨耗性に優れた特性を持たせることができる。
このため、本実施の形態の半割軸受１は、特に油圧ポンプ等の油圧機器に適用して好適である。図４は、油圧機器の一例として、本実施の形態の半割軸受が適用されるピストンポンプの一例を示す構成図で、図４（ａ）は、模式的な側断面図、図４（ｂ）は、シリンダブロックの動作説明図である。
ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０が入力軸２１に支持されてケース３０に取り付けられ、入力軸２１に伝達された駆動力でシリンダブロック２０が回転する。シリンダブロック２０には、回転方向に沿って複数のシリンダ２２が形成され、各シリンダ２２にピストン４０が出し入れ可能に取り付けられる。
ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０を回転可能に支持する平軸受５０が設けられる。平軸受５０は、シリンダブロック２０の回転方向に沿って開口した吸入ポート５１と吐出ポート５２を備え、ケース３０に設けられた吸入口３１と吸入ポート５１を連通させ、ケース３０の吐出口３２と吐出ポート５２を連通させて、シリンダブロック２０とケース３０の間に取り付けられる。平軸受５０は、シリンダブロック２０が軸方向に押圧された状態で回転することで、シリンダブロック２０と平軸受５０が相対的に摺動する。
ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０の回転に伴って、ピストン４０をシリンダブロック２０のシリンダ２２に対して出し入れさせる斜板６０と、斜板６０の角度を切り替えるヨーク６１と、斜板６０及びヨーク６１を作動させる操作ピストン７０及びリターンバネ８０が設けられる。
ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０の回転に伴って、シリンダブロック２０からピストン４０が突出する側のシリンダ２２で油が吸入され、ピストン４０が突入する側のシリンダ２２で油が吐出される。ピストンポンプ１０は、斜板６０及びヨーク６１の角度を変えることで、ピストン４０のストロークが変動し、油の吐出量が調整可能に構成される。
ピストンポンプ１０は、斜板６０及びヨーク６１を揺動可能に支持する半割軸受１がケース３０に設けられる。半割軸受１は、上述した図１〜図３で説明した構成を有し、ヨーク６１の軸部６２が被摺動物となって円周方向に押圧された状態で揺動することで、軸部６２と半割軸受１が相対的に摺動する。
ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０が１方向に回転する構成では、油の吸入側と吐出側が固定された構成で、シリンダブロック２０が正逆両方向に回転する構成では、油の吸入側と吐出側が切り替えられる構成である。平軸受５０は、シリンダブロック２０が軸方向に押圧されることにより高荷重が掛かる状態で、シリンダブロック２０が円周方向に沿った１方向あるいは正逆両方向に摺動する。これにより、シリンダブロック２０と平軸受５０は、高荷重が掛かった状態で円方向に摺動する。
また、ピストンポンプ１０では、斜板６０及びヨーク６１が正逆両方向に揺動することで、油の吐出量が可変となる構成であり、半割軸受１は、ヨーク６１の軸部６２が円周方向に押圧されることにより高荷重が掛かる状態で、軸部６２が円周方向に沿った正逆両方向に摺動する。これにより、軸部６２と半割軸受１は、高荷重が掛かった状態で直線方向に摺動する。
半割軸受における摺動層の構成及び表面形状の違いが凝着、磨耗といった耐久性に及ぼす影響を検証するため、図４に示すようなピストンポンプ１０を使用して試験を行った。試験対象の半割軸受としては、実施例として、金属基材３の表面にCu-Sn系合金で多孔質層４が形成され、ポリテトラフルオロエチレンと炭素繊維を少なくとも含む樹脂材料５で多孔質層４が被覆されて摺動層２が形成され、摺動層２の表面に凹凸面６が形成された半割軸受１を作製した。
また、比較例１として、金属基材の表面にCu-Sn系合金で多孔質層が形成され、ポリテトラフルオロエチレンとPb（鉛）を含む樹脂材料で多孔質層が被覆されて摺動層２が形成された半割軸受を作製した。比較例１の半割軸受では、摺動層の表面に凹凸面は形成しない。
更に、比較例２として、金属基材の表面に板状のCu-Sn系合金を貼り合わせて形成した摺動層にショットブラスト処理を施すことで、所定の表面粗さ及び表面硬度を持つ摺動面が形成された半割軸受を作製した。
試験条件は以下の通りである。
カットオフ耐久試験
吐出圧力 ：０〜２８ＭＰａ
サイクル数：２５万回（ＯＮ：１ｓｅｃ，ＯＦＦ：１ｓｅｃ）
油温 ：６０℃
軸回転数 ：Ｎ＝１８００ｒｐｍ
図５は、実施例における半割軸受の試験前と試験後の摺動層の表面粗さ形状を示すグラフであり、図５（ａ）は、試験前の表面粗さ形状を示し、図５（ｂ）は、試験後（２５万回サイクル）の表面粗さ形状を示す。
また、図６は、比較例１における半割軸受の試験前と試験後の摺動層の表面粗さ形状を示すグラフであり、図６（ａ）は、試験前の表面粗さ形状を示し、図６（ｂ）は、試験後（２５万回サイクル）の表面粗さ形状を示す。
更に、図７は、比較例２における半割軸受の試験前と試験後の摺動層の表面粗さ形状を示すグラフであり、図７（ａ）は、試験前の表面粗さ形状を示し、図７（ｂ）は、試験後（２５万回サイクル）の表面粗さ形状を示す。ここで、図５〜図６は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）の規格に基づく。
また、図８は、実施例における半割軸受の試験後（２５万回サイクル）の摺動層表面の顕微鏡写真、図９は、比較例１における半割軸受の試験後（２５万回サイクル）の摺動層表面の顕微鏡写真、図１０は、比較例２における半割軸受の試験後（２５万回サイクル）の摺動層表面の顕微鏡写真である。更に、図１１は、実施例と各比較例における摺動層の磨耗量の変化を示すグラフである。実施例と各比較例における摺動層の磨耗量は、半割軸受の試験前の肉厚と、試験後の肉厚として各サイクル経過毎の肉厚をマイクロメータで測定し、差分を算出して求めた。
実施例の半割軸受１では、図２等に示すような形状で摺動層２の表面に凹凸面６を形成することで、図５（ａ）に示すように、試験前における算術平均粗さ（Ｒａ）が６．０１８μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が２２．３５μｍ、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が０．４３８９ｍｍであった。
このような試験前の形状に対して、図５（ｂ）に示すように、上述した試験条件での試験後における算術平均粗さ（Ｒａ）が３．４９１μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が１２．７４μｍ、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が０．４３０４ｍｍであった。
実施例の半割軸受では、図８の顕微鏡写真でも示されるように、２５万回サイクル後であっても、摺動層２の表面の凹凸面６の頂点に僅かな磨耗が見られる程度で、凝着は見られなかった。
実施例の半割軸受１では、摺動層２に炭素繊維が混合されることで、耐熱性及び耐圧性が向上し、高荷重が長期間にわたって掛かるような使用条件でも、図１１に示すように摺動層２の磨耗が抑えられることが判った。また、実施例の半割軸受１では、図５（ａ）に示すように、初期段階で摺動層２の表面に形成されている凹凸面６の高さが、図６（ａ）及び図７（ａ）に示す各比較例に対して高く、油膜がより確実に形成されることから、摺動層２の組成に加え、摺動層２の表面の形状によっても摺動層２の磨耗が抑えられることが判り、高荷重が長期間にわたって掛かるような使用条件でも、図５（ｂ）に示すように、油膜を形成し得る油溜まりとなる凹凸形状が残ることが判った。更に、実施例の半割軸受１では、摺動層２がCu系合金より摩擦係数の低いポリテトラフルオロエチレンで形成されることでも、摺動層２の磨耗が抑えられることが判った。
比較例１の半割軸受では、図６（ａ）に示すように、試験前における算術平均粗さ（Ｒａ）が２．２６２μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が８．５８８μｍ、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が０．３２９９ｍｍであった。
このような試験前の形状に対して、図６（ｂ）に示すように、上述した試験条件での試験後における算術平均粗さ（Ｒａ）が０．３３７３μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が１．４７９μｍ、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が０．１７２１ｍｍであった。
比較例１の半割軸受では、図９の顕微鏡写真でも示されるように、２５万回サイクル後では、凝着は見られなかったが、多孔質層の露出が見られた。比較例１の半割軸受では、Pb（鉛）を含むことで摺動性は良好になるが、図１１に示すように磨耗量が大きく、高荷重が長期間にわたって掛かるような使用条件では、凝着が発生する可能性が高いことが判った。
比較例２の半割軸受では、図７（ａ）に示すように、試験前における算術平均粗さ（Ｒａ）が２．２９９μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が８．７９８μｍ、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が０．３１１４ｍｍであった。
このような試験前の形状に対して、図７（ｂ）に示すように、上述した試験条件での試験後における算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５０２４μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が２．３０８μｍ、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が０．１２１２ｍｍであった。
比較例２の半割軸受では、図１０の顕微鏡写真でも示されるように、２５万回サイクル後では、凝着は見られなかった。また、ブラスト処理による凹凸も残存していたが、凹凸の高さは図７（ｂ）に示すように減少していた。比較例２の半割軸受では、Cu-Sn系合金で摺動層が形成されることで、図１１に示すように磨耗が抑えられるが、図７（ａ）に示すショットブラストで形成し得る凹凸面の高さが、図５（ａ）に示す実施例の摺動層と比較して低い。これにより、実施例と比較例２では、図１１に示すように磨耗量は同等程度であっても、高荷重が長期間にわたって掛かるような使用条件では、実施例であれば、図５（ｂ）に示すように、油膜を形成し得る油溜まりとなる凹凸形状が残るが、比較例２では、図７（ｂ）に示すように、油膜を形成し得る油溜まりとなる凹凸形状が消滅して、凝着が発生する可能性が高いことがわかった。
以上の結果から、半割軸受１における多孔質層４は、高荷重が長期間にわたって掛かるような使用条件で、摺動層２を保持できるようにするため、粒度が４５〜２５０μｍのCu-Sn系合金で形成することが好ましいことが判った。
また、半割軸受１における摺動層２は、摩擦係数が低いポリテトラフルオロエチレンと、耐熱性及び耐圧性が高い炭素繊維を含む樹脂材料５で形成することが好ましいことが判った。
更に、半割軸受１における摺動層２の凹凸面６は、算術平均粗さ（Ｒａ）が３．０μｍ以上、好ましくは、Ｒａが６．０μｍ以上１０．０μｍ以下とすることが好ましいことが判った。
本発明は、高荷重が掛かり、油膜の形成し難い境界潤滑下で使用される摺動部材に適用される。
１・・・半割軸受、２・・・摺動層、３・・・金属基材、４・・・多孔質層、５・・・樹脂材料、６・・・凹凸面、６ａ・・・凹部

Claims (2)

  1. 金属基材の一の面にＣｕ−Ｓｎ系合金で形成された多孔質層と、
    ポリテトラフルオロエチレンと炭素繊維を少なくとも含む樹脂系材料で前記多孔質層を被覆した摺動層を備え、
    被摺動物を摺動可能に支持する前記摺動層の表面に、油を保持して油膜を形成すると共に、被摺動物が摺動することによる磨耗に対して形状の変化が抑制される形状で、油膜を形成し得る油を保持する高さを有した凹凸面が形成され、被摺動物が揺動する方向に沿って円弧状に形成され、
    前記摺動層の前記凹凸面は、算術平均粗さ（Ｒａ）を３．０〜１０．０μｍとすると共に、頂点が連続した線状で格子状に配置される逆四角錘形状で、油溜まりとなる凹部が形成される
    ことを特徴とする半割軸受。
  2. 前記多孔質層は、金属基材の一の面に散布された粒度が４５〜２５０μｍのＣｕ−Ｓｎ系合金が焼結されて形成され、
    前記摺動層は、ポリテトラフルオロエチレンと炭素繊維を少なくとも含む樹脂系材料が、前記摺動層に前記凹凸面を転写する凹凸形状を有したローラで前記多孔質層に含浸され、焼成されて形成される
    ことを特徴とする請求項１に記載の半割軸受。
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