JP7389631B2

JP7389631B2 - 摺動部材

Info

Publication number: JP7389631B2
Application number: JP2019218761A
Authority: JP
Inventors: 徹也小川; 絵里奈安田; 健治二村
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2023-11-30
Anticipated expiration: 2039-12-03
Also published as: JP2021089009A

Description

本発明は、摺動部材に関する。

従来、軸受合金層の摺動面側に樹脂オーバレイ層を備える摺動部材が公知である（特許文献１）。樹脂オーバレイ層は、固体潤滑剤が添加され、摩擦の低減及びなじみ性の向上に寄与する。特許文献１は、固体潤滑剤のＸ線回折による回折面の強度比を特定することにより、特性の向上を図っている。つまり、特許文献１の場合、樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の劈開方向を設定することにより、摺動性能を高めている。

しかしながら、近年、内燃機関のさらなる高出力化及び高回転化にともなって、摺動部材は、より大きな面圧及び大きな荷重に晒されることになる。このように面圧及び荷重が大きくなると、潤滑油の油膜切れによって相手部材との固体接触が生じやすくなる。固体接触が生じると、樹脂オーバレイ層の早期の摩滅につながり、焼付を招くという問題がある。

特開２００８－９５７２５号公報

そこで、大きな面圧及び荷重が加わるときでも、摩擦係数の増大を招くことなく、樹脂オーバレイ層の耐摩耗性が向上する摺動部材を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本実施形態の摺動部材は、軸受合金層の摺動面側に樹脂オーバレイ層を備える。
前記樹脂オーバレイ層は、樹脂バインダと、前記樹脂バインダに分散する２０体積％以上の異方性の形状の固体潤滑剤の粒子と、を有する。
前記摺動面と平行な仮想的な直線を０°、前記摺動面に垂直な仮想的な軸を９０°、前記樹脂バインダの任意の観察領域に含まれる前記粒子の総数をＮ、分布のパラメータをａと定義し、
前記摺動面から前記軸までの０°～９０°の範囲を、１０°刻みであるＡ－１０°＜ｘ≦Ａ（Ａ＝１０、２０、３０、・・・、９０）の角度範囲に区分し、前記粒子の長軸の角度が前記角度範囲のいずれに含まれるか分類するとともに、前記角度範囲に含まれる前記粒子の数ｎをそれぞれカウントしたとき、
前記樹脂バインダに含まれる前記粒子の分布割合ｎ／Ｎ（％）は、下記の式（１）で示される摺動部材。

このように、樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の粒子は、角度範囲ごとに式（１）で示すような式を満たす分布となる。樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の粒子は、その姿勢によって樹脂オーバレイ層の厚さ方向である垂直成分が大きな粒子と、摺動面に沿った方向である水平成分が大きな粒子とに区分される。垂直成分が大きな粒子は、樹脂オーバレイ層を厚さ方向で支持することから、耐摩耗性の向上に寄与する。一方、水平成分が大きな粒子は、摺動面に露出したときの面積が大きくなることから、摩擦係数の低減に寄与する。本実施形態のように固体潤滑剤の粒子が式（１）を満たす分布となるとき、樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の粒子は、垂直成分と水平成分とが適切な割合となる。その結果、垂直成分が大きな粒子による樹脂オーバレイ層の強度の向上と、水平成分が大きな粒子による摩擦係数の低減とが両立される。したがって、さらなる大きな面圧及び荷重が加わるときでも、摩擦係数の増大を招くことなく、樹脂オーバレイ層の耐摩耗性を高めることができる。
この式（１）では、分布のパラメータａは、１０≦ａ≦１６０であることが望ましく、２５≦ａ≦８０であることがより望ましい。
なお、式（１）において、左辺のｎ／Ｎ［％］は、百分率として換算した値を意味する。また、摺動面に平行な仮想的な直線から軸までの０°～９０°の範囲は、１０°刻みでＡ－１０°＜ｘ≦Ａ°（Ａ＝１０、２０、３０、・・・、９０）の角度範囲に区分される。すなわち、直線から軸までの範囲は、０°≦ｘ≦１０°、１０°＜ｘ≦２０°、２０°＜ｘ≦３０°、３０°＜ｘ≦４０°、４０°＜ｘ≦５０°、５０°＜ｘ≦６０°、６０°＜ｘ≦７０°、７０°＜ｘ≦８０°、８０°＜ｘ≦９０にそれぞれ分割される。この場合、Ａ＝１０のときに限り、下限となるθ＝０°は０°～１０°の角度範囲に含むものとする。

一実施形態による摺動部材の樹脂オーバレイ層に含まれる固体潤滑剤の粒子を示す模式図一実施形態による摺動部材を示す模式的な断面図一実施形態による摺動部材において樹脂オーバレイ層に設定される観察領域を示す模式図一実施形態による摺動部材の製造方法を説明するための模式図一実施形態による摺動部材の実施例及び比較例における試験条件を示す概略図一実施形態による摺動部材の実施例及び比較例の試験結果を示す概略図一実施形態による摺動部材の実施例の試験結果を示す概略図

以下、摺動部材の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２に示すように摺動部材１０は、裏金層１１、軸受合金層１２及び樹脂オーバレイ層１３を備えている。なお、摺動部材１０は、裏金層１１と軸受合金層１２との間に図示しない中間層を備えていてもよい。また、摺動部材１０は、図２に示す例に限らず、裏金層１１と樹脂オーバレイ層１３との間に、複数の軸受合金層１２や中間層、その他の機能を有する層を備えていてもよい。摺動部材１０は、樹脂オーバレイ層１３側の端部に相手部材と摺動する摺動面１４を形成する。図２に示す本実施形態の場合、摺動部材１０は、裏金層１１の摺動面１４側に軸受合金層１２及び樹脂オーバレイ層１３が順に積層されている。裏金層１１は、例えば鉄や鋼などの金属又は合金で形成されている。軸受合金層１２は、例えばＡｌ若しくはＣｕ又はそれらの合金などで形成されている。

樹脂オーバレイ層１３は、図３に示すように樹脂バインダ２０と、固体潤滑剤の粒子２１とを備えている。樹脂バインダ２０は、樹脂オーバレイ層１３を構成する主成分であり、例えばポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂及びエラストマー樹脂から選択される一種以上が用いられる。また、樹脂バインダ２０は、ポリマーアロイであってもよい。本実施形態では、樹脂バインダ２０として、ポリアミドイミドを用いている。また、固体潤滑剤は、例えば二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ｈ－ＢＮ、フッ化黒鉛、グラファイト、マイカ、タルク、メラミンシアヌレートなどのように、劈開性又は層状構造を有するものから選択される一種以上が用いられる。また、固体潤滑剤の粒子２１は、耐荷重性の高いものが好ましい。本実施形態の場合、固体潤滑剤は、耐荷重性の高い二硫化モリブデンを用いている。

樹脂オーバレイ層１３は、例えば充填剤をはじめとする添加剤を加えてもよい。この場合、添加剤は、フッ化カルシウム、炭酸カルシウム、リン酸カルシウム、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化シリコン、酸化マグネシウムなどの酸化物、モリブデンカーバイド、炭化ケイ素などの炭化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドなどから選択される一種以上が用いられる。

本実施形態の摺動部材１０は、樹脂オーバレイ層１３に、固体潤滑剤の粒子２１を２０体積％以上含んでいる。この場合、樹脂オーバレイ層１３は、固体潤滑剤の含有量の上限を６０体積％程度にすることが好ましい。固体潤滑剤の含有量が６０体積％を超えると、樹脂バインダ２０の不足により樹脂オーバレイ層１３の物理的な強度の低下を招くおそれがあるからである。但し、この固体潤滑剤の含有量の上限値は、樹脂オーバレイ層１３を構成する樹脂バインダ２０及び固体潤滑剤の組み合わせによって調整可能である。

本実施形態の場合、固体潤滑剤の粒子２１は、図１に示すように長軸３１及び短軸３２を有する異方性の形状を有している。この固体潤滑剤の粒子２１は、樹脂バインダ２０に分散している。樹脂オーバレイ層１３に含まれる固体潤滑剤の粒子２１は、摺動面１４と平行な仮想的な直線３３を０°、摺動面１４に対して垂直に厚さ方向へ伸びる仮想的な軸３４を９０°と定義したとき、長軸３１はこの０°から９０°の範囲で角度θとして傾斜している。具体的には、図３に示すように樹脂オーバレイ層１３を厚さ方向へ任意の断面で切断し、この断面に任意の観察領域Ｓを設定する。そして、この観察領域Ｓに含まれる粒子２１の総数は、総数Ｎと定義する。本実施形態では、観察領域Ｓを区画する境界線を跨ぐ粒子２１は計測しない。また、この観察領域Ｓに含まれる粒子２１から図１に示すように各粒子２１の長軸３１が抽出される。この場合、観察領域Ｓは、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察された画像を解析ソフトによって解析している。本実施形態では、解析ソフトとして、「Image-pro plus ver.4.5」を用いている。具体的には、得られた画像に含まれる固体潤滑剤の粒子２１は、楕円に近似され、近似された楕円からこの粒子２１の長軸３１の角度θを検出する。楕円への近似は、例えば対象とする粒子２１と同一の面積、同一の１次モーメント及び２次モーメントを有する楕円を算出することにより行なう。本実施形態では、観察領域Ｓに含まれる粒子２１のうち、長軸３１が０．３μｍ以上のものを観察対象としている。なお、当然ながら長軸の角度θは、直線３３と軸３４との間に２つ計測されるとき、より小さい方を採用する。

図１に示すように摺動面１４に平行な直線３３を０°とし、これに垂直な仮想的な軸３４を９０°としたとき、この直線３３から軸３４までの０°～９０°の範囲は、１０°刻みでＡ－１０°＜ｘ≦Ａ（Ａ＝１０、２０、３０、・・・、９０）の角度範囲に区分される。すなわち、直線３３から軸３４までの範囲は、０°≦ｘ≦１０°、１０°＜ｘ≦２０°、２０°＜ｘ≦３０°、３０°＜ｘ≦４０°、４０°＜ｘ≦５０°、５０°＜ｘ≦６０°、６０°＜ｘ≦７０°、７０°＜ｘ≦８０°、８０°＜ｘ≦９０にそれぞれ分割される。この場合、Ａ＝１０のときに限り、下限となるθ＝０°は０°～１０°の角度範囲に含むものとする。観察領域Ｓに含まれる粒子２１の長軸３１の角度θは、この１０°の角度範囲のいずれに属するか分類される。そして、区分された１０°の角度範囲ごとに、長軸３１が当該角度範囲となる粒子２１の数をカウントし、その数はｎとする。本実施形態の場合、観察領域Ｓに含まれる粒子２１の分布割合ｎ／Ｎ（％）は、下記の式（１）で示される分布となる。式（１）において、ｅは自然対数であり、ａは分布のパラメータである。本実施形態の場合、分布のパラメータａは、１０≦ａ≦１６０であることが望ましく、特に２５≦ａ≦８０となることがより望ましい。なお、式（１）において、左辺のｎ／Ｎ［％］は、百分率として換算した値を意味する。

次に、本実施形態による摺動部材１０の製造方法を説明する。
図４に示すように裏金層１１の一方の面側に軸受合金層１２が形成されたバイメタル４０は、円筒形状に成形される。この場合、バイメタル４０は、裏金層１１を円筒形状とした後、内周側に軸受合金層１２を形成してもよい。また、バイメタル４０は、円筒形状に限らず、半円筒形状又は円筒を周方向へ複数に分割した形状であってもよい。バイメタル４０は、内周側である軸受合金層１２と対向する位置にスプレー部４１及び熱源４２が配置される。スプレー部４１は、ノズル４３を有している。ノズル４３は、樹脂オーバレイ層１３を形成するための固体潤滑剤の粒子２１を含む樹脂バインダ２０を噴射する。また、熱源４２は、噴射された樹脂バインダ２０を乾燥するためにバイメタル４０の内周側を加熱する。

本実施形態の場合、円筒形状に形成されたバイメタル４０は、図４の矢印で示すように周方向へ回転される。これにより、スプレー部４１のノズル４３は、回転するバイメタル４０の内周側へ固体潤滑剤の粒子２１を含む樹脂バインダ２０を噴射する。バイメタル４０の内周側に付着した樹脂バインダ２０は、熱源４２によって加熱され、乾燥される。

単にスプレー部４１のノズル４３から固体潤滑剤の粒子２１を含む樹脂バインダ２０をバイメタル４０の内周側に噴射する場合、樹脂バインダ２０に含まれる固体潤滑剤の粒子２１は不規則な姿勢となる。つまり、固体潤滑剤の粒子２１は、姿勢が制御されることなく、角度θの分布がランダムとなる不規則な姿勢で樹脂バインダ２０に含まれる。これに対し、本実施形態では、樹脂オーバレイ層１３を形成するとき、バイメタル４０は高速で回転されながら樹脂バインダ２０が吹き付けられるとともに乾燥される。これにより、樹脂バインダ２０は、吹き付けられた層の内部に先行して表面つまりノズル４３に近い側が固化する。そのため、バイメタル４０に付着した樹脂バインダ２０は、表面が固化するとともに、内部が半乾き状態となる。これにより、樹脂バインダ２０に含まれる固体潤滑剤の粒子２１は、長軸３１の表面に近い側が他の部分に先行して固化した樹脂バインダ２０に捕捉されて姿勢の変化が制限される。一方、固体潤滑剤の粒子２１は、樹脂バインダ２０の内部が固化するまで、半乾きの樹脂バインダ２０の内部で姿勢の変化が可能である。そのため、固体潤滑剤の粒子２１は、バイメタル４０の回転によって加わる遠心力によって、半乾きの樹脂バインダ２０の内部で摺動面１４に対する角度θが変化する。そして、樹脂バインダ２０が内側まで完全に乾燥することにより、固体潤滑剤の粒子２１はその姿勢が固定される。

このように、本実施形態では、例えばバイメタル４０の回転数、熱源４２の温度、熱源４２から形成される樹脂バインダ２０までの距離などを調整することにより、樹脂バインダ２０に含まれる固体潤滑剤の粒子２１の角度θが制御される。なお、バイメタル４０の回転数は、樹脂オーバレイ層１３を形成する初期から終期まで一定であってもよく、形成の途中に加速及び減速してもよい。

以上のように、固体潤滑剤の粒子２１を含む樹脂バインダ２０をバイメタル４０に噴射し、固化した樹脂バインダ２０が所望の厚さまで形成されると、樹脂オーバレイ層１３を備える摺動部材１０が形成される。

以下、本実施形態による摺動部材１０の実施例を比較例と対比しながら説明する。
上記の手順によって製造した摺動部材１０の実施例及び比較例の試料は、図５に示す条件を用いて摩耗量から耐摩耗性を評価するとともに、摩擦係数を測定した。図５に示す試験条件において、回転数は、５００ｒｐｍで一定ではなく、５秒ごとに０ｒｐｍと５００ｒｐｍとを繰り返す「起動－停止」試験である。

図６に示すように、式（１）の分布を満たす実施例１は、式（１）の分布を満たさない比較例と対比すると、耐摩耗性が向上していることが明らかである。これは、上述のように、式（１）の分布を満たす場合、樹脂オーバレイ層１３に含まれる固体潤滑剤の粒子２１は、その本来の作用として摩擦係数の低下に寄与するだけでなく、樹脂オーバレイ層１３の強度の向上に寄与しているからと考えられる。つまり、樹脂オーバレイ層１３に含まれる固体潤滑剤の粒子２１は、垂直成分が大きくなることにより、厚さ方向で樹脂オーバレイ層１３を支持する支柱として作用する。一方、樹脂オーバレイ層１３に含まれる固体潤滑剤の粒子２１は、水平成分が大きくなることにより、摺動面１４に露出する面積が拡大し、摩擦係数の低減に寄与する。実施例１のように式（１）の分布を満たす場合、この樹脂オーバレイ層１３に含まれる固体潤滑剤の粒子２１における垂直成分と水平成分とが適正となる。そのため、固体潤滑剤の粒子２１は、本来の作用である摩擦係数の低減だけでなく、樹脂オーバレイ層１３の強度の向上にも寄与する。その結果、図５に示す条件のように１０ＭＰａと面圧が大きな場合でも、摩擦係数を維持しつつ、樹脂オーバレイ層１３の耐摩耗性が高められる。

図７は、式（１）の分布のパラメータａについて検証している。樹脂オーバレイ層１３の摩耗量は、パラメータａが大きくなるほど小さくなる傾向にある。一方、樹脂オーバレイ層１３の摩擦係数は、パラメータａが大きくなるにしたがって大きくなる傾向にある。このことから、パラメータａが所定の範囲にあるとき、樹脂オーバレイ層１３は摩擦係数の増大を招くことなく、耐摩耗性が高められることがわかる。図７に示す実施例２～実施例１１を参照すると、パラメータａが１０≦ａ≦１６０であるとき、樹脂オーバレイ層１３は摩擦係数の増大を招くことなく、耐摩耗性が顕著に向上する。特に、パラメータａが２５≦ａ≦８０である実施例５及び実施例６は、摩擦係数の増大を招くことなく、耐摩耗性が顕著に向上していることが分かる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は摺動部材、１２は軸受合金層、１３は樹脂オーバレイ層、１４は摺動面、２０は樹脂バインダ、２１は粒子１を示す。

Claims

軸受合金層の摺動面側に樹脂オーバレイ層を備える摺動部材であって、
前記樹脂オーバレイ層は、
樹脂バインダと、
前記樹脂バインダに分散する２０体積％以上の異方性の形状の固体潤滑剤の粒子と、を有し、
前記摺動面と平行な仮想的な直線を０°、前記摺動面に垂直な仮想的な軸を９０°、前記樹脂バインダの任意の観察領域に含まれる前記粒子の総数をＮ、分布のパラメータをａと定義し、
前記摺動面から前記軸までの０°～９０°の範囲を、１０°刻みであるＡ－１０°＜ｘ≦Ａ（Ａ＝１０、２０、３０、・・・、９０）の角度範囲に区分し、前記粒子の長軸の角度が前記角度範囲のいずれに含まれるか分類するとともに、前記角度範囲に含まれる前記粒子の数ｎをそれぞれカウントしたとき、
前記樹脂バインダに含まれる前記粒子の分布割合ｎ／Ｎ（％）は、下記の式（１）で示されるとともに、
前記分布のパラメータａは、１０≦ａ≦１６０である、
摺動部材。
前記分布のパラメータａは、２５≦ａ≦８０である請求項１記載の摺動部材。