JP5498305B2 - 摺動構造およびその摺動構造に用いる摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、Ｃｕ基軸受合金層を有する摺動部材とダイヤモンドライクカーボン層を有する被摺動部材とを備えた摺動構造およびその摺動構造に用いる摺動部材に関する。

相対的な摺動を行う摺動部材と被摺動部材とを備えた摺動構造においては、摺動部材および被摺動部材の耐疲労性、耐摩耗性、非焼付性、耐食性などの軸受特性が良好であることが好ましい。軸受特性の向上を図った摺動構造は、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許文献１には、例えば摺動部材の摺動面側にＣｕ基軸受合金層を設け、被摺動部材の摺動面側にＤＬＣ層（ダイヤモンドライクカーボン層）を設けることにより、摺動面での焼付の発生の低減や摺動面の摩擦係数の低減が図れることが開示されている。
特許文献２には、Ｃｕ基軸受合金層を有する摺動部材において、Ｃｕ基軸受合金層に硬質粒子を含ませることにより、摺動部材の耐食性の向上が図れることが開示されている。

また、被摺動部材の摺動面には、摺動によって生じた凝着物が付着していることがある。凝着物が被摺動部材に付着したまま摺動部材と被摺動部材とが摺動すると、凝着物が摺動部材の摺動面と接して焼付が発生することがある。ここで、摺動部材の摺動面に硬質粒子が多く分布しているほど、被摺動部材の摺動面に付着している凝着物は、この硬質粒子によって掻き落とされやすくなる。したがって、摺動部材の摺動面に硬質粒子を多く分布させることにより、焼付の発生の低減が図られる。

特開２００８−１６４０９７号公報 特開２００３−２６９４５６号公報

Ｃｕ基軸受合金層を有する摺動部材とＤＬＣ層を有する被摺動部材とを備えた摺動構造において、硬質粒子が硬すぎると硬質粒子に接するＤＬＣ層の一部は削られやすくなる。これにより、被摺動部材にＤＬＣ層を設けたことによる焼付の発生の低減や摩擦係数の低減の効果が得られにくくなる。一方、硬質粒子が軟らかすぎるとＤＬＣ層に接する硬質粒子は破壊されやすくなる。これにより、被摺動部材（ＤＬＣ層）の摺動面に付着している凝着物は掻き落とされにくくなり、焼付が発生しやすくなる。

そこで、Ｃｕ基軸受合金層を有する摺動部材とダイヤモンドライクカーボン層を有する被摺動部材とを備えたものであって、非焼付性に優れる摺動構造およびその摺動構造に用いる摺動部材を提供する。

本発明の一実施形態の摺動構造は、相対的な摺動を行う摺動部材と被摺動部材とを備えている。ここで、摺動構造に用いられる摺動部材は摺動面を形成するＣｕ基軸受合金層を有し、摺動構造に用いられる被摺動部材は摺動面を形成するＤＬＣ層を有し、Ｃｕ基軸受合金層は硬質粒子を含んでいる。そして、本発明の一実施形態の摺動構造は、ＤＬＣ層の硬さがビッカース硬さでＨＶ１０００以上であり、硬質粒子の硬さに対して１倍を超え４倍以下であることを特徴としている（請求項１、請求項６）。

摺動構造は、相対的に摺動を行う２つの部材を有している。以下、相対的に摺動を行う２つの部材のうち、一方を摺動部材、他方を被摺動部材として説明する。
摺動部材は、摺動面を形成するＣｕ基軸受合金層を有している。Ｃｕ基軸受合金層の面のうち被摺動部材と摺動する側の面が、摺動部材（Ｃｕ基軸受合金層）の摺動面となる。
Ｃｕ基軸受合金層には、Ｃｕと硬質粒子とが含まれ、必要に応じてその他の成分が含まれている。Ｃｕ基軸受合金層に含まれる硬質粒子の一部は、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面に露出して設けられていることが好ましい。この露出している硬質粒子は、Ｃｕマトリクスに覆われていない面を有している。すなわち、露出している硬質粒子には、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面から突出している硬質粒子も含まれる。この露出している硬質粒子は、Ｃｕ基軸受合金層に含まれる硬質粒子の量の割合（質量％）および硬質粒子の粒子径の大きさを調整することにより得られる。

Ｃｕ基軸受合金層は、鉄などから形成される裏金層上に設けてもよい。摺動部材が裏金層を有する場合、裏金層とＣｕ基軸受合金層との間に、当該裏金層とＣｕ基軸受合金層とを良好に接着させる接着層を設けてもよい。接着層としてはＣｕめっき層であることが好ましい。

被摺動部材は、摺動面を形成するＤＬＣ層（ダイヤモンドライクカーボン層）を有している。ＤＬＣ層の面のうち摺動部材と摺動する側の面が、被摺動部材（ＤＬＣ層）の摺動面となる。
ＤＬＣ層は、炭化水素、あるいは炭素の同素体からなる非晶質（アモルファス）を主成分として形成されている層である。被摺動部材がＤＬＣ層を有することにより、次の作用によって摩擦係数が低減できると考えられる。すなわち、摺動部材と被摺動部材とが摺動すると、摺動部材のＣｕ基軸受合金層の摺動面および被摺動部材のＤＬＣ層の摺動面において摩擦熱が生じる。その結果、被摺動部材のＤＬＣ層は、この摩擦熱によってグラファイト化して軟らかくなり、ＤＬＣ層の剪断力は弱くなる。これにより、被摺動部材のＤＬＣ層の摩擦係数は低減される。
ＤＬＣ層は、プラズマＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＰＶＤ法（物理気相成長法）などによって、例えば鉄などから形成される基材上に設けられている。

被摺動部材のＤＬＣ層の硬さは、ビッカース硬さでＨＶ１０００以上である。このような硬くて摩擦係数の小さいＤＬＣ層を被摺動部材に設けることにより、摺動構造での焼付の発生の低減および摩擦係数の低減の効果が得られる。
被摺動部材のＤＬＣ層の硬さは、硬質粒子の硬さに対して１倍を超え４倍以下である。ＤＬＣ層の硬さが硬質粒子の硬さに対して１倍以下であると、ＤＬＣ層と硬質粒子とが接して、ＤＬＣ層が削られてその表面が粗くなる。そうなると、摺動面を形成するＣｕ基軸受合金層が荒らされて、焼付に至ることになる。被摺動部材のＤＬＣ層の硬さが硬質粒子の硬さに対して４倍超えであると、ＤＬＣ層と硬質粒子とが接して、硬質粒子が破壊されて脱落する。そうなると、ＤＬＣ層の摺動面に付着している凝着物を掻き落とすことができず、凝着物がＣｕ基軸受合金層の摺動面に付着することによる焼付の発生を低減させる効果が得られない。
ＤＬＣ層の硬さは、例えば、ＤＬＣ層に含まれる水素の含有量の調整、ＤＬＣ層の混成軌道の比（ｓｐ²／ｓｐ³）の調整等をすることにより得られる。

硬質粒子としては、硼化物、珪化物、酸化物、窒化物、炭化物および金属間化合物からなる群より選択される少なくとも１種類の化合物であることが好ましい。また、硬質粒子の粒子径は、平均０．１〜２０μｍであることが好ましい（請求項２）。

硼化物としては、ＮｉＢ、Ｎｉ₃Ｂ、ＣｒＢ、ＣｒＢ、ＺｒＢ₂、ＣｏＢ、ＴｉＢ₂、ＶＢ₂、ＴａＢ₂、ＷＢ、ＭｏＢ、Ｆｅ−Ｂ系などであることが好ましい。珪化物としては、ＴｉＳｉ₂、ＷＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂、ＴａＳｉ₂、ＣｒＳｉ₂、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｍｎ−Ｓｉ系などであることが好ましい。酸化物としては、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＷＯ、ＭｏＯ₃、Ｍｎ−Ｏ系、Ｆｅ−Ｏ系、Ｖ−Ｏ系などであることが好ましい。窒化物としては、Ｓｉ₂Ｎ₄、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＶＮ、ＡｌＮ、Ｃ−ＢＮ、Ｃｒ₂Ｎなどであることが好ましい。炭化物としては、ＷＣ、Ｗ₂Ｃ、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、Ｍｏ₂Ｃなどであることが好ましい。金属間化合物としては、Ｎｉ−Ｓｎ系、Ｆｅ−Ｗ系、Ｆｅ−Ｍｏ系、Ｆｅ−Ｍｎ系、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｃｒ−Ａｌ系、Ｖ−Ａｌ系、Ｔｉ−Ａｌ系、Ｗ−Ａｌ系などであることが好ましい。
また、他の硬質粒子の材料として、Ｎｉ基自溶性合金（Ｎｉ−Ｂ−Ｓｉ系）、Ｃｏ基自溶性合金（Ｃｏ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ系）、Ｃ、ＷまたはＭｏを用いてもよい。

硬質粒子の粒子径が平均０．１μｍ以上である場合、硬質粒子がＣｕ基軸受合金層の摺動面から露出しやすくなりＤＬＣ層の摺動面に接しやすくなる。これにより、ＤＬＣ層の摺動面に付着している凝着物は硬質粒子によって掻き落とされやすくなり、凝着物がＤＬＣ層の摺動面に付着することによる焼付の発生の低減の効果が得られやすくなる。また、硬質粒子が被摺動部材のＤＬＣ層と接しやすくなるため、ＤＬＣ層は摺動面で生ずる摩擦熱によってグラファイト化しやすくなり、ＤＬＣ層の摺動面の摩擦係数を低減する効果が得られやすくなる。硬質粒子の粒子径が平均２０μｍ以下である場合、Ｃｕ基軸受合金層中に硬質粒子が分散して存在しやすくなる。硬質粒子の粒子径を平均０．１〜２０μｍとすることにより、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面において、Ｃｕ基軸受合金層に含まれる硬質粒子の量の割合が少ない場合でも、効率的に多くの数の硬質粒子をＣｕ基軸受合金層の摺動面に露出させやすくできる。
Ｃｕ基軸受合金層に含まれる硬質粒子は、２種類以上でもよい。

また、硬質粒子がＷＣ、Ｗ₂ＣおよびＭｏ₂Ｃからなる群より選択される少なくとも１種類の化合物である場合、これらの硬質粒子の粒子径は、平均０．５〜１０μｍであることがより好ましい（請求項３）。
上述したように、硬質粒子による掻き落としの効果および摩擦係数の低減の効果が良好に得られるとともに、硬質粒子をＣｕ基軸受合金層の摺動面側に露出させやすくできる。
Ｃｕ基軸受合金層に含まれる硬質粒子の平均の粒子径は、例えばフィッシャー法によって特定できる。

Ｃｕ基軸受合金層のうち硬質粒子を除く部分、すなわちＣｕ基軸受合金層のＣｕマトリクスの硬さは、ビッカース硬さでＨＶ５０〜２００であることが好ましい（請求項１）。
Ｃｕマトリクスの硬さがビッカース硬さでＨＶ５０以上である場合、Ｃｕマトリクス自身の耐摩耗性が向上し、摺動部材の耐摩耗性が向上する。Ｃｕマトリクスの硬さがビッカース硬さでＨＶ２００以下である場合、Ｃｕマトリクスは塑性変形しやすくクッションとして作用しやすくなる。そのため、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面に分布している硬質粒子に被摺動部材の荷重が集中して加えられると、この硬質粒子はＣｕ基軸受合金層の内部側に沈みやすくなる。これにより、荷重を受けた硬質粒子がＤＬＣ層の摺動面に比較的ソフトに接触し易くなり、被摺動部材のＤＬＣ層は削られにくくなる。したがって、ＤＬＣ層の効果を良好に維持することができる。
Ｃｕマトリクスの硬さは、例えばマイクロビッカース硬さ試験機を用いて測定して得られる。

Ｃｕ基軸受合金層には、ＢｉおよびＰｂの少なくとも１種類を総量で１０質量％以下含まれていることが好ましい（請求項４）。
ＢｉおよびＰｂはＣｕマトリクス中に分散されやすいため、Ｃｕ基軸受合金層にＢｉおよびＰｂの少なくも１種類を含ませることにより、Ｃｕマトリクス中にＢｉまたはＰｂから形成される軟質相を形成させることができる。Ｃｕマトリクス中にこの軟質相を形成させることにより、Ｃｕマトリクスが塑性変形しやすくなるとともに、Ｃｕ基軸受合金層の異物埋収性および非焼付性の向上を図ることができる。Ｃｕ基軸受合金層にＢｉおよびＰｂの少なくとも１種類を総量で２０質量％以下含まれている場合、Ｃｕマトリクスの強度が適度に高く、摺動部材の耐摩耗性および耐疲労性は良好となる。

Ｃｕ基軸受合金層の摺動面において、硬質粒子の総面積は、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面の表面積に対して０．５〜１０％を占めていることが好ましい（請求項１）。硬質粒子が摺動面から突出する場合、硬質粒子の面積は、突出している硬質粒子をＣｕ基軸受合金層の摺動面に投影させた面積である。
Ｃｕ基軸受合金層の摺動面に存在している硬質粒子の総面積が、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面の表面積に対して０．５％以上である場合、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面で露出する硬質粒子を容易に設けることができる。また、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面に存在している硬質粒子の総面積が、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面の表面積に対して１０％以下である場合、ＤＬＣ層の摺動面におけるグラファイト化される部分の面積を十分に確保しながら優れた耐摩耗性を奏することができる。

硬質粒子の面積率は、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面の顕微鏡写真を画像解析装置により解析し、例えば観察視野０．０１２５ｍｍ²に存在する全硬質粒子の粒子を抽出し、その抽出結果を基にして全硬質粒子の各面積を求めて、面積率を算出することにより得られる。なお、観察視野の面積に存在する硬質粒子の総面積と観察視野の表面積との面積比は、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面で露出している硬質粒子の総面積とＣｕ基軸受合金層の摺動面の表面積との面積比と通常同じであるが、用途に応じて意図的に部位により面積比を変えてもよい。
Ｃｕ基軸受合金層の摺動面において、当該ＤＬＣ層側に存在している硬質粒子の総面積は、硬質粒子の粒子径の大きさを変更することによって調整される。

Ｃｕマトリクスの結晶粒の大きさは、平均が０．０７ｍｍ以下であることが好ましい。
Ｃｕマトリクスの結晶粒が微細であるほど、Ｃｕマトリクスの強度が向上し、耐疲労性に優れたものになる他、特に潤滑油による腐食の防止にも効果がある。この微細な結晶粒は、後述する焼結および圧延を繰り返すことにより得られる。また、Ｃｕ基軸受合金層に含ませる硬質粒子としてＷＣ、Ｗ₂Ｃ、Ｍｏ₂Ｃ、Ｃ、Ｗ、Ｍｏのいずれか１種類以上の粒子であり且つこの粒子の平均の粒子径が０．５〜１０μｍのものを用いることにより、Ｃｕマトリクスの微細化がより一層図れる。
Ｃｕマトリクスの結晶粒の大きさは、「ＪＩＳ Ｈ ０５０１」の伸銅品結晶粒度試験方法で特定できる。

本発明の一実施形態の摺動構造を概略的に示す断面図

本実施形態の摺動構造を図１に示す。図１に示す摺動構造１は、相対的な摺動を行う円筒状の摺動部材２および円柱状の被摺動部材３を備えている。摺動部材２は、Ｃｕ基軸受合金層４を有している。Ｃｕ基軸受合金層４は、Ｃｕマトリクス４ａと硬質粒子４ｂとから構成され、図示しない円筒状の裏金層の内周面上に設けられている。被摺動部材３は、円柱状の基材５の外周面上にＤＬＣ層６が設けられて構成されている。
図１に示すように、摺動部材２の内周に被摺動部材３が配置される場合、摺動部材２（Ｃｕ基軸受合金層４）の内周面および被摺動部材３（ＤＬＣ層６）の外周面が、それぞれ摺動面となる。

次に、本実施形態の摺動構造の製造方法について説明する。
まず、摺動構造の摺動部材の製造方法について説明する。最初に、Ｃｕ粉末と、粒子径が予め所定の大きさに調整されている硬質粒子（Ｍｏ₂Ｃ）と、その他の成分の粉末とを所定の質量の比率となるように混合機で混合する。Ｃｕ粉末の代わりに、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金、またはＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｚｎ合金などからなるＣｕ合金粉末を用いてもよい。硬質粒子は２種類以上用いてもよい。

次に、予めＣｕめっき層を被着した厚さ１．３ｍｍの帯状の鋼板（裏金）に、上記のように混合機で混合された粉末を散布する。次に、粉末が散布された鋼板を還元性雰囲気にて８００〜９５０℃に加熱して初回の焼結を約１５分行う。その後、Ｃｕ基軸受合金層（Ｃｕマトリクス）の緻密化のためにロール圧延および焼結を繰り返すことにより、総厚約１．６ｍｍ、Ｃｕ基軸受合金層の厚さが約０．４ｍｍのバイメタルが得られる。次に、得られたバイメタルを半円筒状に加工して半円筒状の摺動部材が得られる。２つの半円筒状の摺動部材を合わせることにより、円筒状の摺動部材が得られる。
被摺動部材は、所定の円柱状に形成された基材の外周面に、一般的なプラズマＣＶＤ法、ＰＶＤ法などによってＤＬＣ層を形成することにより得られる。

次に、本実施形態の摺動構造の非焼付性の効果を確認するために、表１に示す試料（実施例品１〜１１および比較例品１〜９）を用い、表２に示す試験条件で非焼付性の試験を行った。試験結果を表１に示す。試料は、成分が異なる以外、いずれも上述の製造方法で得た。ＤＬＣ層の硬さは、ＤＬＣ層に含まれる水素の含有量を調整、およびＤＬＣ層の混成軌道の比（ｓｐ²／ｓｐ³）を調整して得た。

表１中の「硬質粒子の特性」の「硬さ」の値は、硬質粒子の粉末のみを圧粉成形して焼結を行い、その焼結品の硬さを、マイクロビッカース硬さ試験機を用いて測定することによって得た。表１中の「硬質粒子の特性」の「平均の粒子径」の値は、フィッシャー法によって得た。表１中の「硬質粒子の特性」の「面積比」の値は、Ｃｕ基軸受合金層の摺動面の顕微鏡写真を画像解析装置により解析し、観察視野０．０１２５ｍｍ²に存在する全硬質粒子の粒子を抽出し、その抽出結果を基にして全硬質粒子の各面積を求めて、面積率を算出することによって得た。

表１中の「Ｃｕ基軸受合金層のマトリクスの硬さ」の値は、摺動部材において所定量の硬質粒子を含むＣｕ基軸受合金層のＣｕマトリクスの硬さを、マイクロビッカース硬さ試験機を用いて測定することによって得た。
表１中の「ＤＬＣの硬さ」の値は、被摺動部材のＤＬＣ層の硬さであり、当該ＤＬＣ層をマイクロビッカース硬さ試験機を用いて測定することによって得た。
表１中の「ＤＬＣの硬さ／硬質粒子の硬さ」の値は、上述の「ＤＬＣの硬さ」の値を表１中の「硬質粒子の特性」の「硬さ」の値で割って得た。
図示はしないが、Ｃｕマトリクスの結晶粒の大きさは、「ＪＩＳ Ｈ ０５０１」の伸銅品結晶粒度試験方法によって得た。

次に、焼付試験の結果について解析する。
実施例品１〜１１と比較例品１〜３との対比から、実施例品１〜１１は、摺動部材のＤＬＣ層の硬さがビッカース硬さでＨＶ１０００以上であり且つ硬質粒子の硬さに対して１倍を超え４倍以下であるため、比較例品１〜３よりも非焼付性に優れていることが理解できる。

実施例品１〜１１と比較例品４との対比から、実施例品１〜１１は、硬質粒子の粒子径が平均０．１〜２０μｍであるため、比較例品４よりも非焼付性に優れていることが理解できる。
また、実施例品１〜１１の対比から、実施例品５〜１１は、硬質粒子が炭化物であり且つ硬質粒子の粒子径が平均０．５〜１０μｍであるため、実施例品１〜４と同等以上に非焼付性に優れていることが理解できる。

実施例品１〜１１と比較例品４〜７との対比から、実施例品１〜１１は、Ｃｕ基軸受合金層のマトリクスの硬さがビッカース硬さでＨＶ５０〜２００であるため、比較例品４〜７よりも非焼付性に優れていることが理解できる。
実施例品９と比較例品７との対比から、実施例品９は、摺動部材のＣｕ基軸受合金層にＢｉを２０質量％以下含むため、比較例品７よりも非焼付性に優れていることが理解できる。

実施例品１〜１１と比較例品８、９との対比から、実施例品１〜１１は、硬質粒子の総面積がＣｕ基軸受合金層の摺動面の表面積に対して０．５〜１０％を占めているため、比較例品８、９よりも非焼付性に優れていることが理解できる。
なお、図示はしないが、Ｃｕマトリクスの結晶粒の大きさが０．０７ｍｍ以下である試料は、耐疲労性、耐食性に優れていた。

本実施形態は、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。
不可避的不純物については説明を省略し、各成分には不可避的不純物が含まれ得る。

図面中、１は摺動構造、２は摺動部材、３は被摺動部材、４はＣｕ基軸受合金層、４ａはＣｕマトリクス（Ｃｕ）、４ｂは硬質粒子、６はＤＬＣ層を示す。

Claims (6)

1. 相対的な摺動を行う摺動部材と被摺動部材とを備え、
   前記摺動部材は、摺動面を形成するＣｕ基軸受合金層を有し、
   前記被摺動部材は、摺動面を形成するＤＬＣ層を有し、
   前記Ｃｕ基軸受合金層は、硬質粒子を含み、
   前記ＤＬＣ層の硬さは、ビッカース硬さでＨＶ１０００以上であり、前記硬質粒子の硬さに対して１倍を超え４倍以下であるとともに、
   前記Ｃｕ基軸受合金層のＣｕマトリクスの硬さは、ビッカース硬さでＨＶ５０〜２００であり、
   前記Ｃｕ基軸受合金層の摺動面において、前記硬質粒子の総面積は、前記Ｃｕ基軸受合金層の摺動面の表面積に対して０．５〜１０％を占めていることを特徴とする摺動構造。
2. 前記硬質粒子は、硼化物、珪化物、酸化物、窒化物、炭化物および金属間化合物からなる群より選択される少なくとも１種類の化合物であり、
   前記硬質粒子の粒子径は、平均０．１〜２０μｍであることを特徴とする請求項１記載の摺動構造。
3. 前記硬質粒子は、ＷＣ、Ｗ₂ＣおよびＭｏ₂Ｃからなる群より選択される少なくとも１種類の化合物であり、
   前記硬質粒子の粒子径は、平均０．５〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載の摺動構造。
4. 前記Ｃｕ基軸受合金層は、ＢｉおよびＰｂの少なくとも１種類を総量で２０質量％以下含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の摺動構造。
5. 前記Ｃｕ基軸受合金層のＣｕマトリクスの結晶粒の大きさの平均は、０．０７ｍｍ以下であり、
   前記硬質粒子は、ＷＣ、Ｗ ₂ Ｃ、ＭＯ ₂ Ｃ、Ｃ、Ｗ、Ｍｏからなる群より選択される少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の摺動構造。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載の摺動構造に用いられることを特徴とする摺動部材。

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