JP7249105B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は摺動部材に関する。より詳しくは、アルミニウム等の金属を母相とする合金オーバーレイ層を備えた摺動部材の改良に関する。

合金オーバーレイ層の一例として特許文献１に開示のアルミニウム合金層が知られている。
この合金オーバーレイ層では、アルミニウムからなる母相中にケイ素等からなる硬質相とスズや鉛等からなる軟質金属相が析出相として存在している。そして、この軟質金属相の大きさを制御すること（微細化）と、これと硬質相とを共存させることにより、オーバーレイ層の強度を向上させ、もってこれに高い耐摩耗性を確保している。
かかる合金オーバーレイ層はスパッタリングにより形成されることが一般的である。スパッタリング（ＤＣマグネトロンスパッタ法等）を用いることにより、製造コストを抑制しつつ安定した層組成を得られるからである。
ＰＶＤなどの他の蒸着法の適用も提案されている。

特開２００６－４５６７７号公報

本発明者らは、合金オーバーレイ層をスパッタリングにより形成する際、特に、アルミニウム等からなる母相中にスズ等からなる軟質金属相を析出させるとき次なる課題に気がついた。
即ち、析出させる軟質金属相が母相中で凝集してつながり、ある特定の方向に長さをもった状態になることがしばしばみられた。そもそも微細化を目指した軟質金属相がつながって長くなると、所謂ナイフのような形状となり、合金オーバーレイ層に荷重がかかったときその応力がナイフ形状の部分に集中し、合金オーバーレイ層の強度に制限が生じる。昨今の摺動部材にはより高い耐疲労性が求められているので、かかる強度の制限は耐疲労性向上の足かせとなりかねない。

かかる観点から、発明者らは合金オーバーレイ層の耐疲労性を向上させるべく鋭意検討を重ねてきた。その結果、下記の本発明に想到した。
本発明の第１の局面は次のように規定される。即ち、
基材層と該基材層の上に形成される合金オーバーレイ層とを備える摺動部材であって、
該合金オーバーレイ層は金属の母相中に析出された軟質金属相を備え、
該軟質金属相はその平均アスペクト比をＡとし、その標準偏差をＡσとしたとき、Ａ＋Ａσが３．０以下になる、摺動部材。

このように規定される第１の局面の摺動部材によれば、軟質金属相の形状が特定の方向に長くならず球形に近くなる。合金オーバーレイ層に荷重がかかったとき、このように球形に近い軟質金属相に対しては応力が均等にかかって、分散される。よって、合金オーバーレイ層に高い機械的強度を確保でき、もってその耐疲労性が向上する。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面の摺動部材において、前記合金オーバーレイ層の断面画像を処理して得られた前記軟質金属相のボロノイ多角形の面積の標準偏差をＢσとしたとき、該Ｂσが０．８０μｍ^２以下である。
ボロノイ多角形の面積が整っているということは、ある一定領域内にある母点が均一に等間隔で配置していることを意味する。即ち、良好な分散性を表している。この第２の局面では、合金オーバーレイ層の断面画像を処理して、当該画像中の軟質金属相を母点とするボロノイ多角形を形成し、得られたボロノイ多角形の面積の標準偏差Ｂσを０．８０μｍ^２以下としている。このようにボロノイ多角形の面積の偏差Ｂσを小さくした、即ち、軟質金属相を均一に分散させた合金オーバーレイ層によれば、その表面においても、軟質金属相が均一に表出する。その結果、合金オーバーレイ層に摺接する相手部材の全面に均等に軟質金属相が接触する。また、分散が不均一の場合（即ち、軟質金属相がダマになっている場合）に比べて、相手部材に接触する軟質金属相の面積が増大する。
合金オーバーレイ層に表出した軟質金属相は相手部材に摺接した際、その接触面が瞬間的に高温になって溶解する。溶解した軟質金属は潤滑剤として働くので、その後は接触面の昇温が抑制される。これにより、合金オーバーレイ層自体の昇温が抑制されてその硬度低下が防止される。よって、その機械的強度が維持され、耐疲労性の低下が防止される。この発明の第２の局面によれば合金オーバーレイ層に表出する軟質金属相の面積が増大するので、その潤滑剤としての機能が確保される。
また、軟質金属相が均等に分散していると、合金オーバーレイ層に荷重がかけられたときの軟質金属相に対する合金オーバーレイ層の応力集中が緩和される。よって、第１の局面の規定の要件（軟質金属相の球形化）と相まって、合金オーバーレイ層により高い機械的強度を確保でき、もってその耐疲労性も更に向上する。

この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第１又は第２の局面に規定の摺動部材において、前記軟質金属相の平均粒子径をＣとし、その標準偏差をＣσとしたとき、Ｃ＋Ｃσが０．７０μｍ以下とする。
このように規定される第３の局面の摺動部材によれば、その軟質金属相の平均粒径がＣ＋Ｃσ≦０．７０μｍのように小さくされている。軟質金属相は、母相の結晶粒界に析出するため、軟質金属相の粒径微細化は、母相の結晶粒微細化を意味している。よって、Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈの法則に従い、母相の機械的強度が高くなるため、合金オーバーレイ層の機械的強度が高くなる。よって、合金オーバーレイ層に高い耐疲労性を確保できる。

この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、第１～第３の何れか局面に規定の摺動部材において、前記母相はアルミニウム、銅若しくはそれらの合金からなり、前記軟質金属相はスズ、鉛及びビスマスから１種又は２種以上とすることが好ましい。
このように規定される第４の局面の摺動部材によれば、各相成形材料の選択及びその組み合わせが適切であるので、車両用など厳しい環境で使用される摺動部材の合金オーバーレイ層として好適なものとなる。

図１は本発明の第１実施形態の摺動部材を示す断面図である。 図２Ａ～Ｄは軟質金属相のアスペクト比特性を説明するための模式図であり、図２Ａは第１の局面に規定の条件を満足する合金オーバーレイ層の断面画像を示す。 図２Ｂは当該断面画像に現れた軟質金属相のアスペクト比分布を示すヒストグラムである。 図２Ｃは第１の局面に規定の条件を満足しない合金オーバーレイ層の断面画像を示す。 図２Ｄは当該断面画像に現れた軟質金属相のアスペクト比分布を示すヒストグラムである。 図３はボロノイ多角形の説明図である。 図４Ａ～Ｄはボロノイ多角形の面積の標準偏差に基づく特性を説明するための模式図であり、図４Ａは第２の局面に規定の条件を満足する合金オーバーレイ層の断面画像を示す。 図４Ｂは当該断面画像に現れた軟質金属相のボロノイ多角形の面積の分布を示すヒストグラムである。 図４Ｃは第２の局面に規定の条件を満足しない合金オーバーレイ層の断面画像を示す。 図４Ｄは当該断面画像に現れた軟質金属相のボロノイ多角形の面積の分布を示すヒストグラムである。 図５Ａ，Ｂは軟質金属相の平均粒子直径特性を示す模式図であり、図５Ａは第３の局面に規定の条件を満足する合金オーバーレイ層の断面画像から得られた軟質金属相の粒子径の分布を示すヒストグラムである。 図５Ｂは第３の局面に規定の条件を満足しない合金オーバーレイ層の断面画像から得られた軟質金属相の粒子径の分布を示すヒストグラムである。

以下、本発明を実施形態に基づき更に詳細に説明する。
本発明の第１実施形態の摺動部材としてのすべり軸受１の層構成を図１に示す。
このすべり軸受１は基材層としての裏金層３、軸受合金層７及び合金オーバーレイ層９を備えてなる。
裏金層３は筒状又は半円筒状に賦形された鋼板からなる。裏金層３の上面にはＡｌ，Ｃｕ，Ｓｎ等の合金からなる軸受合金層７が焼結、鋳造、圧接等の方法で積層される。
軸受合金層７と合金オーバーレイ層９との接着性を向上させるため、軸受合金層７を表面処理することが好ましい。表面処理の方法として、例えばアルゴンボンバードのようなイオンミーリングを採用できる。

合金オーバーレイ層９は、図２Ａに示すように、母相１０に軟質金属相１１を分散させてなる。
母相１０にはアルミニウムやアルムニウム、銅若しくはそれらの合金を採用できる。
軟質金属相１１と併せてケイ素等からなる硬質相を併用することもできる。
軟質金属相１１の材料には、母相の金属材料に比べて、同等若しくはそれ以下の硬度を備え、かつそれよりも低い融点を持つ金属材料を採用できる。かかる金属材料としてスズ、鉛、ビスマス等が挙げられる。
母相に対する軟質金属相の量は、摺動部材の用途に応じて適宜選択可能であるが、例えば１０ｗｔ％～４０ｗｔ％とする。
合金オーバーレイ層９の膜厚も摺動部材の用途に応じて適宜選択可能であるが、例えば５～４０μｍとする。

軟質金属相１１はその平均アスペクト比をＡとし、その標準偏差をＡσとしたとき、Ａ＋Ａσが３．０以下とする。
ここに、アスペクト比は次のようにして特定できる。
即ち、合金オーバーレイ層９をその厚さ方向に切断し、切断面の画像を電子顕微鏡で撮影する。得られた画像を解析し、軟質金属相の相当楕円を抽出する。処理後の画像において所定の領域（例えば１０×１０μｍ）の範囲に含まれるすべての相当楕円を抽出し、各相当楕円の短軸をａ、長軸をｂとして、それぞれのアスペクト比ｂ／ａを演算する。抽出された全楕円のアスペクト比から平均アスペクト比Ａと標準偏差Ａσを演算する。
この発明では、平均アスペクト比Ａと標準偏差Ａσとの和を３．０以下とする。より好ましくは、その和を２．０以下とする。

平均アスペクト比Ａ+標準偏差Ａσが３．０以下である場合のヒストグラムの例を図２（Ｂ）に示す。図に示すように、Ａ+Ａσ≦３．０には２つパターンのヒストグラムが該当するが、いずれの場合もアスペクト比の分布は狭くなる。よって、母相１０中の軟質金属相１１は球形に近いものとなる。
従来みられたように軟質金属がつながってある特定の方向に長さを持つようになった状態は（図２Ｃ参照）、Ａ+Ａσ＞３．０で表される。なお、Ａ+Ａσ＞３．０には２つパターンのヒストグラムが該当するが（図２Ｄ参照）、いずれの場合も大きなアスペクト比の軟質金属相２１が多く含まれることとなる。このように、特定方向に長さをもった軟質金属相が存在すると、そのナイフ形状の部分に母相の応力が集中して好ましくないのは既述の通りである。

図３は、軟質金属相１１の重心を中心にしたボロノイ多角形による領域分けをした結果を示している。この処理は汎用的な画像処理ソフトにより実行され、各ボロノイ多角形の面積も併せて演算される。そして、所定の画像領域内で得られた全てのボロノイ多角形から、その面積の標準偏差Ｂσを演算する。
この発明では、当該標準偏差Ｂσを０．８０μｍ^２以下とする。更に好ましいＢσの値は０．４５μｍ^２以下である。
このようにボロノイ多角形の面積の標準偏差が小さくなることは軟質金属相１１の重心間距離が均等であることを意味する。即ち、軟質金属相が母相内において均一に分散されていることを意味する。

図４Ａは母相１０内に軟質金属相１１（球形に近いもの）が均等に分散した状態を示している。その場合のボロノイ多角形の面積のヒストグラムを図４Ｂに示す。
他方、ボロノイ多角形の面積Ｂのヒストグラムの標準偏差が０．８０μｍ^２を超えたときの軟質金属相１１の分散の様子（ダマになっている）を図４Ｃに模式的に示す。この場合のボロノイ多角形の面積のヒストグラムは図４Ｄの様になる。図４Ａ及び図４Ｃにおいて符号２０は、摺動部材が摺接する相手部材を指す。
図４Ａと図４Ｃとを比較すれば、前者において合金オーバーレイ層９に表出する軟質金属相１１に多くの面積を確保できることがわかる。特に、球形に近い軟質金属相を採用するときは、これが表出する面積は表出する個数に比例するので、図４Ａのように高い分散性を確保することにより、軟質金属の表出面積の最大化を図れる。
また、母相１０の応力も軟質金属相１１へ均等に分配されることとなり、合金オーバーレイ層９はその全域にわたり安定した機械強度が得られ、即ち、脆弱な部分がなくなるので、結果としてその機械的強度が増大する。

既述のようにして得られた断面画像から軟質金属相粒子の外周の２点を結び、かつ重心を通る径を２°刻みに測定した平均値から平均粒子径Ｃとその標準偏差Ｃσを演算する。
この発明では、平均粒子径Ｃとその標準偏差Ｃσの和を０．７０μｍ以下とする。より好ましくはその和を０．５５μｍ以下とする。
平均粒子径Ｃ+標準偏差Ｃσが０．７０μｍ以下である場合のヒストグラムの例を図５Ａに示す。図に示すように、Ｃ+Ｃσ≦０．７０μｍには２つパターンのヒストグラムが該当するが、いずれの場合も平均粒子径は小さいものとなる。よって、ホールピッチ効果により合金オーバーレイ層の機械的強度が向上し、もってこれに高い耐疲労性が付与される。
他方、当該条件をはずれて、Ｃ+Ｃσ＞０．７０μｍのときには２つのパターンのヒストグラムが該当するが（図２Ｄ参照）、いずれの場合も大きな粒子径の軟質金属相２１が多く含まれることとなる。

母相に析出する軟質金属相は、それ自体が単独に存在すれば、表面張力などの関係から球形に近づく。したがって、軟質金属相を球形に近づけるには、析出時に軟質金属相どうしの連結を防止すればよい。本発明者らの検討によれば、合金オーバーレイ層９の成膜速度をある程度早くする（例えば１５μｍ／分）ことで、軟質金属相どうしの連結を防げることがわかった。また、合金オーバーレイ層９の成膜中及び成膜後に熱履歴が加えられると母材より融点の低い軟質金属相が相互に連結するおそれもある。
かかる観点から、母相中に球形に近い軟質金属相を分散させた合金オーバーレイ層９を成膜する方法として成膜速度の速い電子ビーム蒸着法やボート加熱蒸着法を採用できるが、熱源からの放射熱影響（すなわち成膜中および成膜後の熱履歴）を軽減するため、ボート型発熱源の形状を調整して、その表面の仮想法線がワークに交差しないようにすることが好ましい。当該熱源の放射熱が成膜中のワークへ直接照射されることを防止し、ワークに過度の熱履歴が加わることを防止するためである。

上記のようにして合金オーバーレイ層を製造した結果、軟質金属相どうしの連結が防止されるばかりでなく、特に、成膜速度を上げることにより、軟質金属相の高分散とその微細化も達成できる。

実験例
以下、実験例について説明する。
実施例及び比較例のすべり軸受は次のように形成される。
鋼裏金層３の上にＣｕ基の軸受合金層７をライニングしていわゆるバイメタルを製造した。このバイメタルを、半円筒状に賦形して、軸受合金層７の表面をボーリング加工して表面仕上げを行った。
次に、合金オーバーレイ層９を形成する前処理として、アルゴンボンバードを実施した。

このようにして得られたワークに対してボート加熱蒸着法で合金オーバーレイ層を成膜した。成膜条件において下記は実施例及び比較例で共通する。
（蒸着材料）
蒸着材料はアルミニウムスズ合金であり、その組成はＡｌ：Ｓｎ＝７５：２５（質量％）である。
（蒸着源温度）
蒸着源温度は１３００℃とした。
（雰囲気圧力）
雰囲気圧力は５．０×１０^－３Ｐａとした。

（ワークの温度）
実施例１，２：１７０～１９０℃
実施例３，４：１４０～１６０℃
実施例５，６：７０～９０℃
比較例１，２：２４０～２６０℃
このように、ワークの温度が合金オーバーレイ層における軟質金属相のプロファイルに大きく影響することがわかった。

結果を表１に示す。

なお、比較例３は従来例に沿って成膜速度の遅いスパッタリング法により作成した。スパッタ源にはＡｌＳｎ合金（７５：２５ｗｔ％）を用い、ワークの温度は１４０℃とした。

次のようにして耐疲労試験を行った。
摺動部材として各実施例及び比較例の軸受は幅１５ｍｍ、外径５５ｍｍ、肉厚１．５ｍｍとした。ここにおいて、合金オーバーレイ層の厚さは１５μｍとした。
軸受の相手部材として高炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）製の回転軸を選択し、これに所定の面圧をかけつつ、給油温度を１００℃、回転数を３２５０ｒｐｍとして２０時間回転させた。試験終了後に摺動部材の合金オーバーレイ層にクラックが発生したか否かを目視で判断した。
上記において、回転軸にかける面荷重は１００ＭＰａから１０ＭＰａずつ上げていった。合金オーバーレイ層にクラックが発生しなかった最大の面圧を耐疲労性評価の値とした。

合金オーバーレイ層における軟質金属相の各特性（アスペクト比特性、分散性特性、平均粒子径特性）は次のようにして得た。
実施例及び比較例の軸受を軸方向に湿式カッターで切断し、合金オーバーレイ層９の断面を電子顕微鏡で撮影した。得られた画像をＭｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製の画像ソフトＩｍａｇｅ－Ｐｒｏで処理し、平均アスペクト比Ａ及び同標準偏差Ａσ、ボロノイ多角形面積の標準偏差Ｂσ、平均粒子径Ｃ及び同標準偏差Ｃσの各特性を得た。なお、処理の対象となる画像領域は１０μｍ×１０μｍとした。

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。本発明の摺動部材を用いた内燃機関等の軸受機構使用装置は、優れた摺動特性を発揮する。
実施の形態では、摺動部材としてすべり軸受を例にとり説明をしてきたが、平板形状のスラストワッシャ等その他の摺動部材にも適用できる。

１…摺動部材
３…裏金層
７…軸受合金層
９…合金オーバーレイ層
１０…母相
１１，２１…軟質金属相
２０…相手部材

Claims (4)

1. 基材層と該基材層の上に形成される合金オーバーレイ層（鋳造されたものを除く）とを備える摺動部材であって、
   該合金オーバーレイ層は金属の母相中に析出された軟質金属相を備え、
   該軟質金属相はその平均アスペクト比をＡとし、その標準偏差をＡσとしたとき、Ａ＋Ａσが３．０以下になり、
   ここにアスペクト比は次のように規定される、前記合金オーバーレイ層をその厚さ方向に切断し、切断面の画像を電子顕微鏡で撮影し、得られた画像を解析し、軟質金属相の相当楕円を抽出し、処理後の画像において所定の領域の範囲に含まれるすべての相当楕円を抽出し、各相当楕円の短軸をａ、長軸をｂとして、ｂ／ａをアスペクト比とする、
   摺動部材。
2. 前記合金オーバーレイ層の断面画像を処理して得られた前記軟質金属相のボロノイ多角形の面積の標準偏差をＢσとしたとき、該Ｂσが０．８０μｍ^２以下である、請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記軟質金属相の平均粒子径をＣとし、その標準偏差をＣσとしたとき、Ｃ＋Ｃσが０．７０μｍ以下とする、請求項１又は２に記載の摺動部材。
4. 前記母相はアルミニウム、銅若しくはそれらの合金から選ばれ、前記軟質金属相はスズ、鉛及びビスマスから選ばれる１種又は２種以上が選ばれる、請求項１～３の何れかに記載の摺動部材。

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