JP6091962B2 - 摺動部材およびすべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、摺動面にて相手軸が摺動する摺動部材およびすべり軸受に関する。

Ｃｕ合金上にＢｉの被覆層を形成し、当該被覆層上において相手材を摺動させる技術が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１において、Ｂｉの被覆層の下層にＡｇの中間層を形成している。これにより、Ｂｉによるなじみ性を向上させるとともに、Ａｇによって疲労破壊を防止できる。

特開２００６−２６６４４５号公報

しかしながら、特許文献１において、ＢｉとＡｇとで被覆層を形成しなければならず、製造コストが増大するという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、低コストでなじみ性と疲労破壊の耐性とが実現できる技術を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の摺動部材およびすべり軸受において、基層上に、相手材が摺動する摺動面を有する被覆層が形成される。この被覆層は、被覆材料の結晶によって形成され、厚みが２μｍ以上の粗大層と、粗大層よりも結晶粒が緻密な被覆材料の結晶で形成され、厚みが１μｍ以下の緻密層とを備える。被覆材料の粗大な結晶で形成された粗大層は、緻密層よりも軟らかいため、粗大層によって良好ななじみ性を実現できる。被覆材料の緻密な結晶で形成された緻密層は、粗大層よりも硬いため、緻密層によって良好な疲労破壊の耐性を実現できる。緻密層と粗大層とを同一の被覆材料で形成できるため、低コストでなじみ性と疲労破壊の耐性とが実現できる。また、粗大層の厚みを２μｍ以上とし、緻密層の厚みを１μｍ以下とすることにより、被覆層が不均一に摩耗した場合に、粗大層と緻密層とを同時に相手材側に露出させることができ、粗大層による良好ななじみ性と、緻密層による良好な疲労破壊の耐性とを両立させることができる。また、粗大層と緻密層との界面において大きさの異なる結晶粒の境界を形成することができ、疲労破壊が粗大層と緻密層との界面を貫通することを防止できる。

また、粗大層は、厚み方向において２層の緻密層によって挟まれてもよい。これにより、摺動面側の緻密層が摩耗した場合でも、基層側の緻密層が存在することにより、疲労破壊の耐性を維持できる。

摺動部材の斜視図である。 （２Ａ），（２Ｂ）は摺動部材の断面模式図である。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）第１実施形態：
（１−１）摺動部材の構成：
（１−２）計測方法：
（１−３）摺動部材の製造方法：
（２）他の実施形態：

（１）第１実施形態：
（１−１）摺動部材の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかる摺動部材１の斜視図である。摺動部材１は、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とを含む。摺動部材１は、中空状の円筒を直径方向に２等分した半割形状の金属部材であり、断面が半円弧状となっている。２個の摺動部材１が円筒状になるように組み合わせることにより、すべり軸受Ａが形成される。すべり軸受Ａは内部に形成される中空部分にて円柱状の相手軸２（エンジンのクランクシャフト）を軸受けする。相手軸２の外径はすべり軸受Ａの内径よりもわずかに小さく形成されている。相手軸２の外周面と、すべり軸受Ａの内周面との間に形成される隙間に潤滑油（エンジンオイル）が供給される。その際に、すべり軸受Ａの内周面上を相手軸２の外周面が摺動する。

摺動部材１は、曲率中心から遠い順に、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とが順に積層された構造を有する。従って、裏金１０が摺動部材１の最外層を構成し、オーバーレイ１２が摺動部材１の最内層を構成する。裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とは、それぞれ円周方向において一定の厚みを有している。裏金１０の厚みは１．３ｍｍであり、ライニング１１の厚みは０．２ｍｍであり、オーバーレイ１２の厚みは１２μｍである。オーバーレイ１２の曲率中心側の表面の半径（摺動部材１の内径）４０ｍｍである。以下、内側とは摺動部材１の曲率中心側を意味し、外側とは摺動部材１の曲率中心と反対側を意味することとする。オーバーレイ１２の内側の表面は、相手軸２の摺動面を構成する。

裏金１０は、Ｃを０．１５ｗｔ％含有し、Ｍｎを０．０６ｗｔ％含有し、残部がＦｅからなる鋼で形成されている。なお、裏金１０は、ライニング１１とオーバーレイ１２とを介して相手軸２からの荷重を支持できる材料で形成されればよく、必ずしも鋼で形成されなくてもよい。

ライニング１１は、裏金１０の内側に積層された層であり、本発明の基層を構成する。ライニング１１は、Ｓｎを１０ｗｔ％含有し、Ｂｉを８ｗｔ％含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。ライニング１１の不可避不純物はＭｇ，Ｔｉ，Ｂ，Ｐｂ，Ｃｒ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％以下である。

オーバーレイ１２は、ライニング１１の内側の表面上に積層された層であり、本発明の被覆層を構成する。図２Ａは、オーバーレイ１２の層構成を説明する断面模式図である。なお、図２Ａにおいて、摺動部材１の曲率は無視することとする。本実施形態において、オーバーレイ１２は、４層の緻密層１２ａ１〜１２ａ４と、４層の粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４とで構成されている。ライニング１１の内側の表面に緻密層１２ａ１が形成され、摺動部材１の内側に向けて、緻密層１２ａ１〜１２ａ４と粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４とが交互に積層されている。緻密層１２ａ１〜１２ａ４および粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４は、それぞれＢｉを９９ｗｔ％含有し、残部がＢｉと不可避不純物とからなる。本実施形態において、緻密層１２ａ１〜１２ａ４を構成するＢｉの結晶粒の平均粒径は０．５μｍであり、粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４を構成するＢｉの結晶粒の平均粒径は２．５μｍであった。緻密層１２ａ１〜１２ａ４は、それぞれ平均厚みが１μｍとなっている。粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４は、それぞれ平均厚みが２μｍとなっている。

図２Ｂは、オーバーレイ１２が摩耗する様子を説明する断面模式図である。同図に示すように、相手軸２がオーバーレイ１２の内側の表面上にて摺動することにより、内側の層から順にオーバーレイ１２が摩耗していく。例えば、最も内側の粗大層１２ｂ４が摩耗して消失した場合でも、２番目に内側の粗大層１２ｂ３が存在するため、なじみ性を維持することができる。同様に、最も内側の緻密層１２ａ４が摩耗して消失した場合でも、２番目に内側の緻密層１２ａ３が存在するため、疲労破壊の耐性を維持することができる。

なお、相手軸２の形状や相手軸２からの荷重は、オーバーレイ１２の面方向において均一であることが理想であるが、現実には製造工程のばらつき等によって、相手軸２の形状や相手軸２からの荷重がオーバーレイ１２の面方向において不均一となる。従って、図２Ｂに示すように、オーバーレイ１２における摩耗の進行度合いに不均一さが生じる。オーバーレイ１２における摩耗の進行度合いが不均一であるため、緻密層１２ａ１〜１２ａ４のいずれかと粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４のいずれかとを同時に相手軸２側に露出させることができる。従って、オーバーレイ１２は、緻密層１２ａ１〜１２ａ４による良好な疲労破壊の耐性と、粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４による良好ななじみ性とを発揮できる。さらに、緻密層１２ａ１〜１２ａ４と粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４とはそれぞれ４層ずつ形成されているため、緻密層１２ａ１〜１２ａ４のいずれかと粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４のいずれかとが同時に相手軸２側に露出する状態を確保できるオーバーレイ１２の総厚を厚くすることができる。従って、長期間にわたって、オーバーレイ１２の良好な摺動特性を維持できる。さらに、緻密層１２ａ１〜１２ａ４と粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４との界面を複数形成することができるため、当該複数の界面を貫通するような破壊を抑制できる。

（１−２）計測方法：
上述した実施形態において示した各数値を以下の手法によって計測した。 摺動部材１の各層を構成する元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津社製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。

ライニング１１におけるＢｉ粒子１１ｂの平均円相当径を以下の手順によって計測した。まず、ライニング１１の任意の断面（相手軸２の回転軸方向に垂直な方向に限らない）を粒子径２μｍのアルミナ粒子で研磨した。ライニング１１の断面のうち面積が０．０２ｍｍ²となる任意の観察視野範囲（縦０．１ｍｍ×横０．２ｍｍの矩形範囲）を電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって５００倍で撮影することにより、観察画像（反射電子像）の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置（ニレコ社製 ルーゼックスII）に入力し、観察画像に存在するＢｉ粒子１１ｂの像を抽出した。Ｂｉ粒子１１ｂの像の外縁にはエッジ（明度や彩度や色相角が所定値以上異なる境界）が存在する。そこで、画像解析装置によって、エッジによって閉じられた領域をＢｉ粒子１１ｂの像として観察画像から抽出した。

そして、Ｂｉ粒子１１ｂの像を観察画像から抽出し、画像解析装置によって、観察視野範囲に存在するすべてのＢｉ粒子１１ｂの像について投影面積円相当径（計測パラメータ：ＨＥＹＷＯＯＤ）を計測した。投影面積円相当径とは、Ｂｉ粒子１１ｂの断面積と等しい面積を有する円の直径であり、Ｂｉ粒子１１ｂの像の面積と等しい面積を有する円の直径を倍率に基づいて現実の長さに換算した直径である。さらに、すべてのＢｉ粒子１１ｂの投影面積円相当径の算術平均値（合計値／粒子数）を平均円相当径として計測した。さらに、Ｂｉ粒子１１ｂの平均円相当径と等しい直径を有する円の面積に、観察視野範囲に存在するＢｉ粒子１１ｂの個数を乗算することにより、ライニング１１の断面上に存在するＢｉ粒子１１ｂの総面積を算出した。そして、Ｂｉ粒子１１ｂの総面積を観察視野範囲の面積で除算することにより、Ｂｉ粒子１１ｂの面積割合を計測した。なお、投影面積円相当径が１．０μｍ未満の場合、投影面積円相当径の信頼度や物質の特定の信頼度が低くなるため、Ｂｉ粒子１１ｂの平均円相当径等を算出する際に考慮しないこととした。

各層の厚みは、以下の手順で計測した。まず、摺動部材１の直径方向の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子製 ＩＢ−０９０１０ＣＰ）で研磨した。そして、摺動部材１の断面を電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって７０００倍の倍率で撮影することにより、観察画像（反射電子像）の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置（ニレコ社製 ルーゼックスII）に入力し、各層の膜面積を測定長さ（横）で微分（除）して膜厚を計測した。

緻密層１２ａ１〜１２ａ４と粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４におけるＢｉの結晶粒の平均粒径を以下の手順によって計測した。まず、オーバーレイ１２の任意の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子製 ＩＢ−０９０１０ＣＰ）で研磨した。緻密層１２ａ１〜１２ａ４または粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４の断面のうち面積が０．０２ｍｍ²となる任意の観察視野範囲（縦０．１ｍｍ×横０．２ｍｍの矩形範囲）を電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって７０００倍の倍率で撮影することにより、観察画像（反射電子像）の画像データを得た。そして、観察画像において切片法を行うことにより、Ｂｉの結晶粒の粒径を計測した。さらに、すべてのＢｉの結晶粒の粒径の算術平均値（合計値／粒子数）を平均粒径として計測した。なお、粒径が０．１５μｍ未満の場合、粒径の信頼度が低くなるため、結晶粒の平均粒径を算出する際に考慮しないこととした。

（１−３）摺動部材の製造方法：
まず、裏金１０と同じ厚みを有する低炭素鋼の平面板を用意した。
次に、低炭素鋼で形成された平面板上に、ライニング１１を構成する材料の粉末を散布した。具体的に、上述したライニング１１における各成分の質量比となるように、Ｃｕの粉末とＢｉの粉末とＳｎの粉末とを低炭素鋼の平面板上に散布した。ライニング１１における各成分の質量比が満足できればよく、Ｃｕ−Ｂｉ，Ｃｕ−Ｓｎ等の合金粉末を低炭素鋼の平面板上に散布してもよい。粉末の粒径は、試験用ふるい（ＪＩＳ Ｚ８８０１）によって１５０μｍ以下に調整した。

次に、低炭素鋼の平面板と、当該平面板上に散布した粉末とを焼結した。焼結温度を７００〜１０００℃に制御し、不活性雰囲気中で焼結した。焼結後、冷却した。

冷却が完了すると、低炭素鋼の平面板上にＣｕ合金層が形成される。このＣｕ合金層には、冷却中に析出した軟質のＢｉ粒子１１ｂが含まれることとなる。
次に、中空状の円筒を直径方向に２等分した形状となるように、Ｃｕ合金層が形成された低炭素鋼をプレス加工した。このとき、低炭素鋼の外径が摺動部材１の外径と一致するようにプレス加工した。

次に、裏金１０上に形成されたＣｕ合金層の表面を切削加工した。このとき、裏金１０上に形成されたＣｕ合金層の厚みがライニング１１と同一となるように、切削量を制御した。これにより、切削加工後のＣｕ合金層によってライニング１１が形成できる。切削加工は、例えば焼結ダイヤモンドで形成された切削工具材をセットした旋盤によって行った。

次に、ライニング１１の表面上に被覆材料としてのＢｉを電気めっきによって１μｍの厚みだけ積層することにより、オーバーレイ１２のうち最もライニング１１側の緻密層１２ａ１を形成した。Ｂｉの電気めっきの手順は以下のとおりとした。まず、電解液中にてライニング１１の表面に電流を流すことにより、ライニング１１の表面を脱脂した。次に、ライニング１１の表面を水洗した。さらに、ライニング１１の表面を酸洗することにより、不要な酸化物を除去した。その後、ライニング１１の表面を、再度、水洗した。以上の前処理が完了すると、めっき浴に浸漬させたライニング１１に電流を供給することによりＢｉの電気めっきを行った。緻密層１２ａ１におけるＢｉの電気めっきの条件を以下のとおりとした。Ｂｉ濃度：１０〜５０ｇ／Ｌ、有機スルホン酸：２５〜１００ｇ／Ｌ、添加剤：０．５〜５０ｇ／Ｌを含むめっき浴の浴組成とした。めっき浴の浴温度は、２５℃とした。さらに、ライニング１１に供給する電流はデューティー比が５０％の矩形パルス電流とし、その平均電流密度は０．２Ａ／ｄｍ²とした。

次に、緻密層１２ａ１の表面上に被覆材料としてのＢｉを電気めっきによって２μｍの厚みだけ積層することにより、オーバーレイ１２のうち最もライニング１１側の粗大層１２ｂ１を形成した。ここでは、緻密層１２ａ１の電気めっきに使用しためっき浴に引き続き浸漬させ、緻密層１２ａ１に平均電流密度が２．０Ａ／ｄｍ²であり、デューティー比が５０％の矩形パルス電流を供給することにより、粗大層１２ｂ１を形成した。すなわち、摺動部材１に供給する矩形パルス電流の振幅を切り替えることにより、緻密層１２ａ１と粗大層１２ｂ１とを連続的に形成した。

さらに、引き続き摺動部材１に供給する矩形パルス電流の振幅を切り替えることにより、残りの緻密層１２ａ２〜１２ａ４（平均電流密度：０．２Ａ／ｄｍ²）と粗大層１２ｂ２〜１２ｂ４（平均電流密度：２．０Ａ／ｄｍ²）とを交互に積層した。以上により、緻密層１２ａ１〜１２ａ４と粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４とが交互に積層されたオーバーレイ１２が形成できる。オーバーレイ１２を積層した後に、水洗と乾燥を行って摺動部材１を完成させた。さらに２個の摺動部材１を円筒状に組み合わせることにより、すべり軸受Ａを形成した。

（２）他の実施形態：
前記実施形態においては、エンジンのクランクシャフトを軸受けするすべり軸受Ａを構成する摺動部材１を例示したが、本発明の摺動部材１によって他の用途のすべり軸受Ａを形成してもよい。例えば、本発明の摺動部材１によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等を形成してもよい。また、ライニング１１のマトリクスはＣｕ合金に限られず、相手軸２の硬さに応じてマトリクスの材料が選択されればよい。また、被覆材料はライニング１１よりも軟らかい材料であればよく、例えばＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎであってもよい。また、緻密層１２ａ１〜１２ａ４と粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４の厚みは、緻密層１２ａ１〜１２ａ４が１μｍ以下であり、粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４を２μｍ以上であればよい。さらに、緻密層１２ａ１〜１２ａ４と粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４の層数もそれぞれ４層でなくてもよく、ライニング１１上に最初に粗大層１２ｂ１が積層されてもよい。なじみ性と疲労破壊の耐性とを両立させるために、緻密層１２ａ１〜１２ａ４を構成するＢｉの結晶粒の平均粒径が０．７μｍ以下となり、粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４を構成するＢｉの結晶粒の平均粒径が２μｍ以上となるようにすればよく、緻密層１２ａ１〜１２ａ４と粗大層１２ｂ１〜１２ｂ４は電気めっき以外の手法によって形成されてもよい。

１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、１１ｂ…Ｂｉ粒子、１２…オーバーレイ、１２ａ１〜１２ａ４…緻密層、１２ｂ１〜１２ｂ４…粗大層。

Claims (4)

1. 基層上に、相手材が摺動する摺動面を有する被覆層が形成された摺動部材であって、
   前記被覆層は、
   被覆材料の結晶によって形成され、厚みが２μｍ以上の粗大層と、
   前記粗大層よりも結晶粒が緻密な前記被覆材料の結晶で形成され、厚みが１μｍ以下の緻密層と、
   を備え、
   前記摺動面は前記粗大層によって構成される、
   摺動部材。
2. 前記摺動面から数えた順番が２番目以上の前記粗大層は厚み方向において２層の前記緻密層によって挟まれる、
   請求項１に記載の摺動部材。
3. 基層上に、相手材が摺動する摺動面を有する被覆層が形成された摺動部材であって、
   前記被覆層は、
   被覆材料の結晶によって形成され、厚みが２μｍ以上の粗大層と、
   前記粗大層よりも結晶粒が緻密な前記被覆材料の結晶で形成され、厚みが１μｍ以下の緻密層と、
   を備え、
   前記摺動面は前記粗大層によって構成される、
   すべり軸受。
4. 前記摺動面から数えた順番が２番目以上の前記粗大層は厚み方向において２層の前記緻密層によって挟まれる、
   請求項３に記載のすべり軸受。

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