JP7496842B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関や自動変速機に用いられる軸受や各種機械に用いられる軸受などの摺動部材に関するものである。詳細には、本発明は、軸受合金層上にオーバレイを備えた摺動部材に係るものである。

内燃機関の軸受などの摺動部材は、鋼鉄製の裏金に接合された銅又はアルミニウムの軸受合金を含むことが多い。銅合金又はアルミニウム合金により、使用時に滑り部材が受ける荷重に耐えることができる強靱な表面が得られる。このような滑り部材は、良好な埋収性及びなじみ性のみならず適切な耐焼き付き性を有さなければならない。この目的のために、通常は、軸受合金の表面上に鉛及び鉛合金などの軟質オーバレイが設けられていた。鉛は、上記の特性を兼ね備えるとともに、外部荷重に対して適度な耐疲労性を提供する非常に信頼性のある被覆材料として従来から知られていたが、環境汚染の観点から、鉛に代替するオーバレイ材料としてＢｉ合金が多く採用されている。

近年の環境規制対応でエンジン機構や燃料が複雑化し、さまざまな混入物（例えばＥＧＲ燃焼ガス凝縮水、バイオ燃料）がオイルに含まれるようになったため、Ｐｂに対して耐食性が強いとされているＢｉでさえもオーバレイ腐食（主に酸化）してしまう場合が発生するようになっている。

特許文献１は、良好な耐疲労性を実現可能なオーバレイを備えた摺動部材を提供することを目的として、オーバレイの表面におけるＳｂの濃度が０．９２質量％以上かつ１３質量％以下である、ＢｉとＳｂの合金めっき被膜によって形成されたオーバレイが開示されている。しかし、ＢｉとＳｂを同時処理（いわゆる合金めっき）すると軸受合金層と相性の良いＳｂ成分が界面付近に拡散してしまい、摺動表面付近のＳｂ濃度が低下するために腐食が進行するという問題があり、耐腐食性の劇的な改善は見込めなかった。

特許文献２は、ＢｉとＳｂからなるオーバレイをＡｇ-Ｓｎ合金中間層を介して銅合金上に形成した摺動部材を開示する。Ａｇ-Ｓｎ合金中間層が銅合金からのＣｕの拡散を防ぐことにより、脆いＳｂ-Ｃｕ化合物の形成を防止し、良好な耐疲労性を実現する。引用文献２では、Ｂｉ-Ｓｂ合金めっき層中のＳｂの拡散による濃度低下を、基材との界面にＡｇ-Ｓｎ合金中間層を導入することにより防いでいるが、中間層に使用しているＡｇ-Ｓｎ合金そのものの耐食性が不十分であるために、腐食が進行してしまうという問題があった。

特開２０１９-２１４７７１号公報 特開２０２０-４６０７３号公報

本発明は、上記の従来技術の問題を解決して、耐腐食性に優れたＢｉ基オーバレイを有する摺動部材を提供することを目的とする。とりわけ、本発明は、当該摺動部材の使用中も耐腐食性を維持することができるＢｉ基オーバレイの構造を提供するものである。

本発明の一観点によれば、軸受合金層上にオーバレイを備えた摺動部材が提供され、オーバレイが、軸受合金層上の拡散防止層と、拡散防止層上に形成された腐食防止層とを備える。腐食防止層の表面が摺動面である。腐食防止層はオーバレイ全体の５０％～９０％の体積を占める。腐食防止層および拡散防止層は、それぞれ、腐食抑制剤を含有し、残部がＢi及び不可避不純物である。腐食抑制剤は、Ｂiよりも酸素との親和力が大きく、Ｂiと合金、固溶体あるいは金属間化合物を形成する１種又は複数の元素と定義される。そして、拡散防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度は、腐食防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度よりも小さい。

一具体例によれば、拡散防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度と、腐食防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度との差は１．０質量％以上であることが好ましい。

一具体例によれば、腐食防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度が３．０質量％～２０．０質量％であることが好ましい。

一具体例によれば、拡散防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度が１．０質量％～８．０質量%であることが好ましい。

一具体例によれば、腐食抑制剤は、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ａｇのうちから選択される少なくとも１種の元素であることが好ましい。

一具体例によれば、腐食抑制剤は、Ｓｂと、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ａｇのうちから選択される少なくとも１種との組み合わせであることが好ましい。

一具体例によれば、腐食抑制剤はＳｂであることが好ましい。

一具体例によれば、オーバレイは硬質粒子を更に含有することが好ましい。

一具体例によれば、オーバレイは潤滑剤を更に含有することが好ましい。

一具体例によれば、摺動部材が更に裏金層を備え、裏金層上に軸受合金層が形成されることが好ましい。

一具体例によれば、摺動部材はすべり軸受であることが好ましい。

本発明の他の観点によれば、上記に記載された摺動部材を備えた軸受装置が提供される。

本発明の更に他の観点によれば、上記に記載された軸受装置を備えた内燃機関が提供される。

本発明及びその多くの利点を、添付の概略図面を参照して以下により詳細に述べる。図面は、例示の目的で、いくつかの非限定的な具体例を示す。

本発明による摺動部材の一具体例の断面概略図。 本発明による摺動部材の他の具体例の断面概略図。

図１に本発明による摺動部材の一具体例の断面の概略を示す。軸受合金層４上にＢｉを主成分とするオーバレイが形成される。オーバレイ２は、摺動面２０を画定する腐食防止層２１と、軸受合金層４と腐食防止層２１との間に設けられた拡散防止層２２とを備える。腐食防止層２１は、腐食抑制剤を含有する。腐食抑制剤は、Ｂiよりも酸素親和力が大きく、Ｂiと合金、固溶体あるいは金属間化合物を形成する１種又は複数の元素であればよい。拡散防止層２２も腐食抑制剤を含有するが、その平均濃度は、腐食防止層２１における腐食抑制剤の平均濃度よりも小さくなっている。腐食防止層２１はオーバレイ全体の５０％～９０％の体積を占める。腐食防止層２１も拡散防止層２２も、通常は略均一厚さに形成されるので、換言すれば、腐食防止層２１の厚さはオーバレイの厚さの５０％～９０％である。拡散防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度と、腐食防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度との差は微量であってもよいが、１．０質量％以上であることが好ましい。

腐食抑制剤は、Ｂiよりも酸素との親和力が大きい元素、すなわちＢiよりもイオン化傾向の大きいまたは単体で耐腐食性に優れる元素、特に金属元素である。このような元素が、Ｂi中に合金、固溶体あるいは金属間化合物を形成すると、優先的に酸素と結合してＢiの腐食（酸化）を抑制する。腐食抑制剤は、とりわけ金属元素が好ましい。より好ましくはＳｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ａｇであり、このうちの１種又は複数の元素を含有してもよい。さらに好ましい形態は、Ｓｂを必須元素として含み、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ａｇのうちから選択される少なくとも１種を更に含有することある。あるいは、腐食抑制剤は、Ｓｂ単独でもよい。

Ｂi中の腐食抑制剤は、摺動部材の使用された装置、例えば内燃機関の作動中に温度が上昇することにより下地合金へ拡散を起こし、その濃度が減少し、そのために耐腐食性が低下する問題がある。本発明者らは、腐食抑制剤の含有量が小さければ下地合金への拡散が生じにくいことに着目し、腐食抑制剤低濃度層を下地金属との間に設けることで、腐食抑制剤の拡散が抑制されることを発見し本発明に到達した。すなわち、驚くべきことに、腐食防止に十分な腐食抑制剤を含有する表面Ｂｉ層と下地合金との間に腐食抑制剤が低濃度の中間Ｂｉ層を設けることにより、摺動部材の使用された装置、例えば内燃機関、の作動中に表面Ｂｉ層から下地合金へのＢiの拡散が抑制されるのである。

そのため、本発明では、軸受合金層４と腐食防止層２１との間に拡散防止層２２を設け、拡散防止層２２における腐食抑制剤の平均濃度を、腐食防止層２１における腐食抑制剤の平均濃度よりも小さくしている。拡散防止層２２の腐食抑制剤の平均濃度が腐食防止層２１の腐食抑制剤の平均濃度よりも僅かでも小さければこの効果が発揮されることを確認したが、その差は１．０質量％以上であることが好ましい。そして、腐食抑制剤を十分に有する腐食防止層をオーバレイ全体の５０％～９０％の体積を占めることにより、オーバレイの耐腐食性を高めている。そして、拡散防止層２２も腐食抑制剤を含有することにより、オーバレイ全体としての耐腐食性を維持している。

腐食防止層２１における腐食抑制剤の平均濃度は３．０質量％～２０．０質量％であることが好ましい。腐食抑制剤の平均濃度が３．０質量％以上であれば表層側に存在する腐食防止層が優れた耐腐食性を有する。しかし、腐食抑制剤の濃度が大きすぎると、軸受合金層に向けて拡散移動が生じやすい。そのために、腐食抑制剤の平均濃度の上限を２０質量％とすることが好ましい。

腐食防止層２１における腐食抑制剤の平均濃度を３．０質量％以上とし、腐食防止層２１がオーバレイ２全体の表の５０％以上の領域を占有させれば、Ｂｉの腐食を抑制できる。さらに、腐食防止層２１の腐食抑制剤の平均濃度を２０質量%以下としオーバレイ２全体の９０%以下の領域の占有に制限し、さらに軸受合金層４との界面に、Ｂｉを主成分として腐食抑制剤の平均濃度が腐食防止層２１よりも低い拡散防止層２２を追加することにより、摺動表面に位置する腐食防止層２１のＢｉ合金中の腐食抑制剤の拡散による濃度低下を防止し、それにより耐腐食性が確保される。

拡散防止層２２に含有される腐食抑制剤の平均濃度は１．０質量％～８．０質量％であることが好ましい。平均濃度が８．０質量%以下であれば、上記に記載したＢｉの軸受合金層４への拡散による濃度低下を防ぐ効果が得るのに好ましい。他方で、拡散防止層２２自体の耐食性も確保するために平均濃度の下限を１．０質量％にしており、これによりオーバレイ全体としての耐腐食性を高めている。

オーバレイの厚さは特に限定はないが、５μｍ～２０μｍが好ましく、特に５μｍ～１５μｍが好ましい。例えば、オーバレイの厚さが１０μｍの場合、腐食防止層２１の厚さｔ_２１と拡散防止層２２の厚さｔ_２２は、ｔ_２１：ｔ_２２は５μｍ：５μｍ～９μｍ：１μｍの範囲にする。

任意選択で、オーバレイ２（腐食防止層２１及び／又は拡散防止層２２）は、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｍｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｆｅ_２Ｐ、Ｆｅ_３Ｐから選ばれる１種以上の硬質粒子を０．１～１０体積％をさらに含むことができる。これら硬質粒子は、素地に分散して耐摩耗性を高めるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合にはオーバレイの脆化を招く。

任意で、オーバレイ２（腐食防止層２１及び／又は拡散防止層２２）は、例えばＭｏＳ_２、ＷＳ_２、黒鉛、ｈ－ＢＮから選ばれる１種以上の固体潤滑剤を０．１～１０体積％をさらに含むことができる。これら固体潤滑剤は、銅合金４の素地に分散して潤滑性を高めるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合にはオーバレイの脆化を招く。

軸受合金層４については、特に限定はしないが、銅、アルミニウム、あるいは銅合金、アルミニウム合金などの合金など、通常の軸受合金として使用される金属から形成できる。軸受合金層４は、基材上に原料粉末を散布して焼結することによって製造してもよいが、鋳造によって製造してもよく、その他の製造方法で製造されてもよい。軸受合金層４には、硬質粒子、固体潤滑剤及び／又は充填剤を含有することができる。

上記具体例では、オーバレイ２が、腐食防止層２１と拡散防止層２２の２層からなる例を説明した。しかし、拡散防止層２２は複数の層であってもよい。例えば、拡散防止層２２が２層からなり、軸受合金層４上に、順に、第２の拡散防止層、第１の拡散防止層、腐食防止層２１と積層されることができる。この場合、腐食防止層２１の平均濃度をｃ_１、第１の拡散防止層中の腐食抑制剤の平均濃度をｃ_２１、第２の拡散防止層中の腐食抑制剤の平均濃度をｃ_２２とすると、ｃ_１＞ｃ_２１＞ｃ_２２となる関係を有する。拡散防止層２２が３層以上の場合も同様である。この場合でも、腐食防止層がオーバレイ全体の５０％～９０％の体積を占めること、腐食防止層２１と拡散防止層２２の好適な濃度範囲については上記のとおりである。

図２に本発明による摺動部材の他の具体例を示す。図１の摺動部材との相違は、軸受合金層を支持する裏金層を有することである。オーバレイの構成および軸受合金層については図１に示す具体例について説明したとおりである。
裏金層は、特に限定はしないが、Ｆｅ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等の金属板を用いることができ、鉄系材料としては、例えば亜共析鋼や、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼等のＦｅ合金の所定寸法の板材が好ましい。裏金層の表面、すなわち軸受合金層との界面となる側に多孔質金属層あるいは中間層を設けることにより、摺動層と裏金層の接合強度を高めてもよい。

試料１～１１及び試料２１～２７を以下の通り作製した。裏金層を構成する鋼板上に銅合金の軸受合金層をライニングしてバイメタルを製作し、このバイメタルを半円筒形状に加工して半割軸受とし、その後、この半割軸受の軸受合金層に、めっき処理によりＢiに腐食抑制剤を添加したオーバレイ（拡散防止層および腐食防止層）を被着させた。オーバレイの総厚さは１０μｍとした。拡散防止層および腐食防止層の組成及び厚さを表１に示す。試料１～８、２１～２３は、腐食抑制剤としてＳｂを用い、試料９、２４は腐食抑制剤としてＳｂとＣｕの組み合わせを用いた。試料１０は腐食抑制剤として、腐食防止層にはＳｂとＣｕの組み合わせ、拡散防止層にはＮｉとＺｎの組み合わせを用い、試料１１は腐食抑制剤として、腐食防止層にはＳｂとＩｎの組み合わせ、拡散防止層にはＣｏとＳｂの組み合わせを用いた。試料２５はＢｉ-３．０％Ｓｂの単層のオーバレイとし、試料２６のオーバレイはＢiの単層とした。試料２７は、Ｂｉ-３．０％Ｓｂの腐食防止層とＡｇ-１０％Ｓｎ（Ｂｉを用いなかった）の拡散防止層とした。オーバレイ中の腐食防止層と拡散防止層の厚さは断面のＥＰＭＡ元素ＭＡＰ像を観察して確認した。

めっき処理は、通常のめっき条件でよい。例えば、試料１では、拡散防止層めっき工程は、めっき液にはＢｉめっき液(例えば、酸化ビスマスが１０～７０ｇ/ｌ、メタンスルホン酸が３０～１５０ｍｌ/ｌ、添加剤が２０～６０ｍｌ/ｌ)にＳｂ液を３質量％程添加したものを使用し、電流密度１．０～５．０Ａ／ｄｍ^２、めっき浴温は２０～４０℃で行った。腐食防止層めっき工程は、めっき液には上記のＢｉめっき液にＳｂ液を１１質量％添加したものを使用し、電流密度１．０～５．０Ａ／ｄｍ^２、めっき浴温は２０～４０℃で行った。他の試料のめっき条件は、添加剤の濃度あるいは種類を変更する等により行った（Ａｇ-１０％Ｓｎめっきを除く）。

これらの試料を用いてオイル浸漬試験により耐腐食性を評価した。オイル浸漬試験は、１０Ｗ-３０相当の潤滑油を温度１３０℃に加熱して、試料を３００時間浸漬させた。その後、各試料の断面を光学顕微鏡によって観察して、オーバレイ層の腐食割合を測定した。また、浸漬試験後の腐食防止層中の腐食抑制剤の平均濃度は断面のＥＰＭＡ元素ＭＡＰ像から測定した。測定したオーバレイ層の腐食割合および浸漬試験後の腐食防止層中の腐食抑制剤の平均濃度を表１に示す。

表１に示す結果によれば、本発明の要件を満たす試料１～試料１１は、腐食防止層の厚さ（すなわち体積）がオーバレイ全体の５０％～９０％であり、拡散防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度が腐食防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度よりも小さいため、浸漬試験後の腐食防止層中の腐食抑制剤の平均濃度は、浸漬試験前と変化しておらず、そのために良好な耐腐食性を維持できた。

他方、試料２１は、浸漬試験後の腐食防止層中の腐食抑制剤の平均濃度は、浸漬試験前から減少し、オーバレイ腐食割合も大きくなった。この試料は、拡散防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度が、腐食防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度よりも小さいけれども、腐食防止層の厚さ（すなわち体積）がオーバレイ全体の４０％であるため、腐食防止層による耐腐食降下が十分に発揮できなかったと考えられる。

試料２２も、浸漬試験後の腐食防止層中の腐食抑制剤の平均濃度は、浸漬試験前から減少し、オーバレイ腐食割合も大きくなった。この試料は、拡散防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度が、腐食防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度よりも小さいけれども、腐食防止層の厚さ（すなわち体積）がオーバレイ全体の９５％であるため、拡散防止層の効果が不十分であったと考えられる。

試料２３及び試料２４も、浸漬試験後の腐食防止層中の腐食抑制剤の平均濃度は、浸漬試験前から減少し、オーバレイ腐食割合も大きくなった。これらの試料は、腐食防止層がオーバレイ全体の９０％の厚さ（すなわち体積）を占めているが、拡散防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度が、腐食防止層に含有される腐食抑制剤の平均濃度よりも大きいために、拡散防止層の効果が発揮できなかったと考えられる。

試料２５及び試料２６は、拡散防止層が存在しないため、オーバレイ腐食割合が大きくなった。試料２５は、ＢｉにＳｂを添加することで純Ｂｉ層からなる試料２６よりも多少は耐食性を改善しているが、試料１～１１に比較するとオーバレイ腐食割合は非常に大きかった。

試料２７は、特許文献２に開示された技術によるものであるが、中間層に使用しているＡｇ-Ｓｎ合金の耐食性が不十分であるために、試料１～試料１１に比較するとオーバレイ腐食割合は非常に大きかった。

発明の摺動部材は、内燃機関の軸受部や自動変速機の軸受装置に用いる摺動部材、特にすべり軸受に適用できる。しかし、その用途に限定されないで、産業機械等や他機械の軸受装置の摺動部材にも適用することが可能である。

１ 摺動部材
２ オーバレイ
２０ 摺動面
２１ 腐食防止層
２２ 拡散防止層
４ 軸受合金層
６ 裏金層

Claims (10)

1. 軸受合金層上にオーバレイを備えた摺動部材において、
   前記オーバレイが、
   前記軸受合金層上の拡散防止層と、
   摺動面を有し、前記拡散防止層上に形成された腐食防止層と
   を備え、前記腐食防止層は前記オーバレイ全体の５０％～９０％の体積を占め、
   前記腐食防止層および前記拡散防止層は、腐食抑制剤を含有し、残部がＢi及び不可避不純物であり、ここで前記腐食抑制剤は、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ａｇのうちから選択される少なくとも１種の元素であり、
   前記拡散防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度は、前記腐食防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度よりも小さく、前記腐食防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度が３．０質量％～２０．０質量％であることを特徴とする、摺動部材。
2. 軸受合金層上にオーバレイを備えた摺動部材において、
   前記オーバレイが、
   前記軸受合金層上の拡散防止層と、
   摺動面を有し、前記拡散防止層上に形成された腐食防止層と
   を備え、前記腐食防止層は前記オーバレイ全体の５０％～９０％の体積を占め、
   前記腐食防止層および前記拡散防止層は、
   腐食抑制剤と、
   硬質粒子および潤滑剤のうちの少なくとも１つと
   を含有し、残部がＢi及び不可避不純物であり、ここで前記腐食抑制剤は、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ａｇのうちから選択される少なくとも１種の元素であり、
   前記拡散防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度は、前記腐食防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度よりも小さく、前記腐食防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度が３．０質量％～２０．０質量％であることを特徴とする、摺動部材。
3. 前記拡散防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度と、前記腐食防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度との差は１．０質量％以上であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載された摺動部材。
4. 前記拡散防止層に含有される前記腐食抑制剤の平均濃度が１．０質量％～８．０質量%である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された摺動部材。
5. 前記腐食抑制剤が、Ｓｂと、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ａｇのうちから選択される少なくとも１種との組み合わせである、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動部材。
6. 前記腐食抑制剤がＳｂである、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動部材。
7. 前記摺動部材が裏金層を更に備え、該裏金層上に前記軸受合金層が形成される、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動部材。
8. 前記摺動部材がすべり軸受である、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された摺動部材。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された摺動部材を備えた軸受装置。
10. 請求項９に記載された軸受装置を備えた内燃機関。