JP7281864B2 - 摺動部材およびすべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、摺動面にて相手材が摺動する摺動部材およびすべり軸受に関する。

被覆層によって被覆された摺動部材が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１において、結晶粒の長軸方向が摺動面の直角となるように被覆層が形成されている。これにより、結晶粒の長軸方向で相手材の荷重を受けるようにすることができ、耐疲労性にとって良い結果をもたらすことが記載されている。

特開２００６－２６６４４５号公報

特許文献１のように、結晶粒の長軸方向が摺動面の直角となるように被覆層を形成すると、摺動面の方向と結晶粒の短軸方向とが平行となる。その結果、摺動面においては、結晶粒の短軸方向の幅の周期で結晶粒界が存在することとなる。摺動面に結晶粒界が多く存在すると、繰り返し荷重を受けた際に粒界にて、へき開破壊が生じる可能性が高くなるというデメリットもある。すなわち、結晶粒の長軸方向が摺動面の直角となるように被覆層を形成すると、耐疲労性が低下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、耐疲労性を向上させることが可能な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は、基層上に被覆層が積層された摺動部材であって、被覆層の結晶成長方向が当該被覆層の表面である摺動面の直交方向に対して２０度よりも大きく傾斜している。

前記の構成において、被覆層の結晶成長方向を摺動面の直交方向に対して傾斜させることにより、結晶粒の大きさを変化させることなく、摺動面に露出する被覆層の結晶粒界の量を調整することができる。ここで、摺動面に露出する被覆層の結晶粒界は疲労破壊の起点となり得る。そのため、摺動面に露出する被覆層の結晶粒界の量を小さくすることにより、耐疲労性を向上させることができる。結晶粒そのものを粗大化させなくても済むため、被覆層の強度を維持することができる。

ここで、被覆層は、Ｂｉ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＩｎまたはＳｂで形成されてもよい。Ｂｉ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｓｂは、いずれも硬度（例えばモース硬度）が小さく、なじみ性を確保するための材料として好適である。一方、基層は、被覆層よりも硬い材料で形成されるのが望ましい。基層は、単一元素の金属で形成されてもよいし、合金で形成されてもよいし、マトリクス中に各種粒子が分散した材料で形成されてもよい。

被覆層の結晶成長方向の摺動面の直交方向に対する傾斜角は、耐摩耗性と耐疲労性の双方を勘案して決定されることが望ましい。すなわち、傾斜角を小さくすることにより耐摩耗性を重視することができ、傾斜角を大きくすることにより耐疲労性を重視することができる。例えば、傾斜角を３０度よりも大きくすることにより、耐疲労性を重視してもよい。

また、被覆層の結晶粒の結晶成長方向の長さを、当該結晶粒の結晶成長方向の直交方向の長さで除算したアスペクト比の平均値は、２以上かつ４０以下であってもよい。このように、結晶粒の形状を細長な形状とすることにより、より効果的に摺動面に露出する結晶粒界の量を調整することができる。また、アスペクト比の平均値を１０以上かつ２０以下とすることが、より望ましい。

本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。 摺動部材の断面模式図である。 拡散成分の濃度のグラフである。 摺動部材の断面写真である。 電気めっきの模式図である。 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を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１．８ｍｍ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１０μｍである。オーバーレイ１２の曲率中心側の表面の半径の２倍（摺動部材１の内径）は７３ｍｍ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。オーバーレイ１２は、Ｂｉとライニング１１からの拡散成分と不可避不純物とからなり、不可避不純物の含有量は１．０ｗｔ％以下である。

図２は、摺動部材１の断面模式図である。同図において、摺動部材１の軸方向の垂直断面が示されている。ライニング１１上にオーバーレイ１２が形成されており、ライニング１１とオーバーレイ１２との境界線Ｘ（破線）が直線状となっている。厳密には境界線Ｘは円弧状となるが、摺動部材１の曲率に対して十分に小さい領域を図示しており、境界線Ｘを直線と見なしている。境界線Ｘは、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面上の線である。

図２に示すように、オーバーレイ１２の結晶粒１２ａは、柱状の形状を有している。単一の結晶粒１２ａの輪郭線上の２点を接続する線分のうち、長さが最大となる線分を長軸ＬＡとし、当該長軸ＬＡの中点にて当該長軸ＬＡに直交する結晶粒１２ａ上の線分を短軸ＳＡとする。また、各結晶粒１２ａにおける長軸ＬＡの長さを短軸ＳＡで除算した比の平均値を平均アスペクト比とする。結晶粒１２ａの平均アスペクト比は１０であった。さらに、各結晶粒１２ａにおける長軸ＬＡの方向（摺動面Ｓに近づく方向）を結晶成長方向とし、各結晶粒１２ａにおける結晶成長方向の算術平均値を平均結晶成長方向とする。本実施形態における平均結晶成長方向は、摺動面Ｓに対して傾斜角θ（θ＝２５度）だけ傾斜した方向であった。また、平均結晶成長方向のベクトルである成長ベクトルＧと、摺動面Ｓにおける相手軸２の摺動方向のベクトルである摺動ベクトルＢとのなす角が１１５度（９０＋θ）となっている。

図２において、オーバーレイ１２のうち、境界線Ｘを１・ｃｏｓθμｍだけ摺動面Ｓ側に平行移動させた線と、当該境界線Ｘを２・ｃｏｓθμｍだけ摺動面Ｓ側に平行移動させた線によって挟まれた範囲を評価範囲Ｅとする。本実施形態では、評価範囲Ｅの幅方向の長さを９μｍとした。図３は、評価範囲ＥにおけるＣｕの平均濃度を示すグラフである。オーバーレイ１２に含まれるＣｕは、ライニング１１からの拡散成分である。図３に示すように、後述する熱処理を行う前では評価範囲ＥにおけるＣｕの平均濃度が３．０ｗｔ％であったのに対し、後述する熱処理を行った後では評価範囲ＥにおけるＣｕの平均濃度が８．２ｗｔ％となった。評価範囲Ｅにおいては、もともとライニング１１のＣｕが拡散しているが、熱処理を行うことによりライニング１１のＣｕがさらに拡散してＣｕの濃度が高くなる。

オーバーレイ１２において、ライニング１１との界面から遠くなるほど、ライニング１１からの拡散成分としてのＣｕの濃度が小さくなる。なお、ライニング１１に含まれるＳｎもＣｕと同様にオーバーレイ１２内に拡散している。

図２において、評価範囲Ｅを境界線Ｘの方向に分割した分割範囲ｅごとにＣｕの濃度を計測し、分割範囲ｅごとのＣｕの濃度の標準偏差を算出した。その結果、分割範囲ｅごとのＣｕの濃度の標準偏差は、５．６ｗｔ％であった。境界線Ｘの方向における分割範囲ｅの幅は、境界線Ｘの方向におけるＢｉの結晶粒の平均幅と同じである。Ｂｉの結晶粒の平均幅は、各結晶粒１２ａの短軸ＳＡの長さの算術平均値である。なお、図３は、傾斜角θが０度である場合の測定結果を示しているが、評価範囲Ｅを傾斜角θに基づいて設定することで同様の測定結果が得られると考えられる。具体的に、評価範囲Ｅは、境界線Ｘから摺動面Ｓ方向に傾斜角θだけ傾いて延びる結晶粒１２ａの平均的な粒界上における境界線Ｘからの距離が１～２μｍとなる範囲に設定されている。すなわち、評価範囲Ｅは、傾斜角θに拘わらず、ライニング１１から原子が粒界を拡散する際の拡散距離が１～２μｍとなる範囲に設定されている。

図４は、摺動部材１の断面写真である。同図において、色（グレー）が濃いほど、Ｃｕの濃度が高いことを意味する。同図に示すように、境界線Ｘよりもオーバーレイ１２側においてＣｕの濃度が高濃度となっている突出部Ｐが存在している。この突出部Ｐは、結晶粒１２ａの粒界のうち、図４の断面に露出している部分であると考えられる。つまり、オーバーレイ１２において、結晶粒１２ａの粒界において結晶粒１２ａの粒内よりも高濃度でＣｕが拡散しており、図４の断面のうち結晶粒１２ａの粒界が露出している部分が突出部Ｐとして表れることとなる。このことは、評価範囲Ｅを境界線Ｘの方向に分割した分割範囲ｅごとのＣｕの濃度の標準偏差は５．６ｗｔ％と大きいことによっても裏付けられる。なお、図４は、傾斜角θが０度である場合の摺動部材１の断面写真である。

以上説明した本実施形態において、被覆層としてのオーバーレイ１２の結晶成長方向を摺動面Ｓの直交方向に対して傾斜させることにより、結晶粒１２ａの大きさを変化させることなく、摺動面Ｓに露出するオーバーレイ１２の結晶粒界の量を調整することができる。ここで、摺動面Ｓに露出するオーバーレイ１２の結晶粒界は疲労破壊の起点となり得る。そのため、摺動面Ｓに露出するオーバーレイ１２の結晶粒界の量を小さくすることにより、耐疲労性を向上させることができる。結晶粒１２ａの短軸ＳＡの長さの平均値をＺとした場合、摺動面Ｓの一直線上に露出する結晶粒界の周期Ｙは（Ｚ／ｃｏｓθ）となる。従って、摺動面Ｓの一直線上における結晶粒界の密度は１／Ｙ＝ｃｏｓθ／Ｚで与えられる。０度≦θ≦９０度の範囲でｃｏｓθは単調減少となるため、傾斜角θを大きくすることにより、摺動面Ｓ上における結晶粒界の密度を小さくすることができる。

また、被覆層の結晶粒の結晶成長方向の長さを、当該結晶粒の結晶成長方向の直交方向の長さで除算したアスペクト比の平均値を１０とすることにより、より効果的に摺動面Ｓに露出する結晶粒界の量を調整することができる。

（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。

各層の厚みは、以下の手順で計測した。まず、摺動部材１の軸方向の垂直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 ＡＰ）によって解析することにより膜厚を計測した。

さらに、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３０００倍の倍率で撮影することにより解析画像を得た。そして、解析画像を画像解析装置（ニレコ社製 ルーゼクスＡＰ）によって解析した。具体的に、画像解析装置によって、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面をなすうねり曲線の平均線（ＪＩＳ Ｂ ０６０１）を境界線Ｘとして特定した。さらに、画像解析装置によって、オーバーレイ１２における各結晶粒１２ａの粒界を検出し、各結晶粒１２ａの長軸ＬＡと短軸ＳＡと結晶成長方向とを特定した。各結晶粒１２ａの粒界は、例えばエッジ検出によって検出できる。さらに、各結晶粒１２ａにおける長軸ＬＡの長さを短軸ＳＡで除算した比の平均値を平均アスペクト比として算出した。なお、円相当径が０．１μｍ未満となる結晶粒１２ａについては、アスペクト比の算出対象から除外した。

また、図２の評価範囲ＥにおけるＣｕの濃度を以下のように計測した。具体的に、上述したクロスセクションポリッシャで研磨した摺動部材１の断面を元素分析装置（日本電子製 ＪＳＭ－６６１０ＡのＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器））によって分析することにより、評価範囲ＥにおけるＣｕの濃度を計測した。

（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する。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。なお、ライニング１１は必ずしも焼結によって形成されなくてもよく、鋳造等によって形成されてもよい。

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。切削加工後のライニング１１の表面は、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面を構成する。

次に、ライニング１１の表面上にＢｉを電気めっきによって１０μｍの厚みだけ積層することにより、オーバーレイ１２を形成した。電気めっきの手順は以下のとおりとした。まず、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、ライニング１１の表面から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電気めっきを行った。メタンスルホン酸：５０～２５０ｇ／ｌ、メタンスルホン酸Ｂｉ：５～４０ｇ／ｌ（Ｂｉ濃度）、界面活性剤：０．５～５０ｇ／ｌとを含むめっき浴の浴組成とした。めっき浴の浴温度は、２０～５０℃とした。さらに、ライニング１１に供給する電流は直流電流とし、その電流密度は０．５～７．５Ａ／ｄｍ²とした。

図５は、電気めっきの様子を示す斜視図である。同図に示すように、半円筒状に形成された裏金１０とライニング１１の内側の側面の端面付近から、当該側面に沿った方向にめっき液を流動させる噴流ノズルＮＺを配置する。さらに、裏金１０とライニング１１の曲率中心軸の方向に磁場を印加する。噴流ノズルＮＺが噴射するめっき液の流速を１０ｍ／ｓとし、磁場の磁束密度を２．０×１０^-4Ｔとした。このようにすることにより、ライニング１１の内側の側面に沿ってＢｉイオン（電流）を流すことができ、ローレンツ力によって当該Ｂｉイオンを曲率中心方向に加速することができる。従って、噴流ノズルＮＺによって与えられた慣性力とローレンツ力との組み合わせによって、ライニング１１の内側の側面に沿ってＢｉイオンを安定した速度で移動させることができ、当該Ｂｉイオンが移動する方向に結晶成長方向を傾斜させることができる。なお、傾斜角θが大きいほど、めっき液の流速と磁束密度とを大きくすればよい。電気めっきの完了後に、水洗と乾燥を行った。

次に、１５０℃を維持した状態で５０時間にわたって熱処理することにより、ライニング１１の成分をオーバーレイ１２中に拡散させた。これにより、図３のグラフで示すように、評価範囲Ｅにおけるライニング１１からの拡散成分の濃度を熱処理後において増加させることができた。熱処理の温度は、被拡散元素の融点の６５％以下の温度であることが望ましく、被拡散元素がＢｉである場合には１７５℃以下であることが望ましい。これにより、Ｂｉの結晶粒１２ａ内にライニング１１の成分が拡散することを防止し、Ｂｉの結晶粒１２ａの粒界にライニング１１の成分を拡散させることができる。

以上のようにして、摺動部材１を完成させると、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。最後に、成長ベクトルＧと摺動ベクトルＢとのなす角が１１５度となるように、すべり軸受Ａをエンジン等に取り付けた。

（２）他の実施形態：
第１実施形態においては、成長ベクトルＧと摺動ベクトルＢとのなす角（９０－θ）が７０度未満となっている。このようにすることにより、Ｂｉの結晶粒１２ａを長軸ＬＡ方向の梁と見なした場合に、当該梁を撓ませる方向に相手軸２を摺動させることができる。従って、各結晶粒１２ａを変形しやすくすることができ、なじみ性を向上させることができる。

また、図６に示すように、成長ベクトルＧと摺動ベクトルＢとのなす角（９０＋θ）が１１０度よりも大きくなるように、すべり軸受Ａをエンジン等に取り付けてもよい。この場合、摺動面Ｓに対して結晶成長方向が垂直に近づくように各結晶粒１２ａが変形することとなるため、変形時に結晶粒界の密度を増加させ、耐摩耗性を向上させることができる。

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・ボスブシュ等のラジアル軸受を形成してもよい。さらに、本発明の摺動部材は、スラスト軸受であってもよく、各種ワッシャであってもよいし、カーエアコンコンプレッサ用の斜板であってもよい。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、被覆層の材料はライニング１１よりも軟らかい材料であればよく、例えばＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｓｂのいずれかであってもよい。

１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、１２…オーバーレイ、１２ａ…結晶粒、Ａ…軸受、Ｅ…評価範囲、ＬＡ…長軸、Ｐ…突出部、Ｓ…摺動面、ＳＡ…短軸、Ｘ…境界線、ｅ…分割範囲

Claims (6)

1. 基層上に被覆層が積層された摺動部材であって、
   前記被覆層は、Ｂｉと前記基層からの拡散成分と不可避不純物とからなり、前記被覆層におけるＢｉの結晶成長方向が当該被覆層の表面である摺動面の直交方向に対して２０度よりも大きく、かつ、９０度以下の範囲で傾斜し、前記摺動面上での相手材の摺動方向と前記結晶成長方向とのなす角度が７０度未満であることを特徴とする摺動部材。
2. 基層上に被覆層が積層された摺動部材であって、
   前記被覆層は、Ｂｉと前記基層からの拡散成分と不可避不純物とからなり、前記被覆層におけるＢｉの結晶成長方向が当該被覆層の表面である摺動面の直交方向に対して２０度よりも大きく、かつ、９０度以下の範囲で傾斜し、前記摺動面上での相手材の摺動方向と前記結晶成長方向とのなす角度が１１０度よりも大きいことを特徴とする摺動部材。
3. 前記被覆層の結晶粒の前記結晶成長方向の長さを、当該結晶粒の前記結晶成長方向の直交方向の長さで除算したアスペクト比の平均値は、２以上かつ４０以下である、
   請求項１又は２に記載の摺動部材。
4. 基層上に被覆層が積層されたすべり軸受であって、
   前記被覆層は、Ｂｉと前記基層からの拡散成分と不可避不純物とからなり、前記被覆層におけるＢｉの結晶成長方向が当該被覆層の表面である摺動面の直交方向に対して２０度よりも大きく、かつ、９０度以下の範囲で傾斜し、前記摺動面上での相手材の摺動方向と前記結晶成長方向とのなす角度が７０度未満であることを特徴とするすべり軸受。
5. 基層上に被覆層が積層されたすべり軸受であって、
   前記被覆層は、Ｂｉと前記基層からの拡散成分と不可避不純物とからなり、前記被覆層におけるＢｉの結晶成長方向が当該被覆層の表面である摺動面の直交方向に対して２０度よりも大きく、かつ、９０度以下の範囲で傾斜し、前記摺動面上での相手材の摺動方向と前記結晶成長方向とのなす角度が１１０度よりも大きいことを特徴とするすべり軸受。
6. 前記被覆層の結晶粒の前記結晶成長方向の長さを、当該結晶粒の前記結晶成長方向の直交方向の長さで除算したアスペクト比の平均値は、２以上かつ４０以下である、
   請求項４又は５に記載のすべり軸受。

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