JPWO2012005326A1

JPWO2012005326A1 - 摺動部材

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Publication number: JPWO2012005326A1
Application number: JP2012523917A
Authority: JP
Inventors: 耕治図師; 茂稲見; 籠原　幸彦; 幸彦籠原
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: GB201302333D0; KR20130021462A; KR101436109B1; US20130108198A1; GB2500465B; WO2012005326A1; DE112011102311B4; US9034466B2; DE112011102311T5; JP5453533B2; GB2500465A

Abstract

摺動部材は、硬質粒子を含むＣｕを主体とするＣｕ基軸受合金層と、前記Ｃｕ基軸受合金層に積層されているＤＬＣ層と、を備えている。前記Ｃｕ基軸受合金層に含まれる前記硬質粒子の少なくとも一部は、前記ＤＬＣ層側の面に露出している。

Description

本発明は、軸受合金層上にダイヤモンドライクカーボン層を備えた摺動部材に関する。

Ａｌ合金またはＣｕ合金からなる軸受合金層を有するすべり軸受などの摺動部材は、初期なじみ性が比較的良好であり、優れた耐疲労性及び耐摩耗性を有している。これらの摺動部材は、例えば自動車や一般産業機械の高出力エンジンの軸受に用いられている。ところが近年、更なるエンジンの高性能化によって、軸受特性がより優れる摺動部材が要望されてきている。

軸受特性として、なじみ性および耐摩耗性の向上を図った摺動部材は、特開２００１−１６５１６７号公報に開示されている。この摺動部材は、Ａｌ合金またはＣｕ合金からなる軸受合金層に環状突起が形成されている。そして、この摺動部材は、環状突起の表面にダイヤモンドライクカーボン層を有している。このような従来の摺動部材は、環状突起が摺動相手の相手部材の荷重を受けて容易に塑性変形することによって摺動部材のなじみ性が良好になること、および軸受合金層の表面にダイヤモンドライクカーボン層が設けられていることによって耐摩耗性が良好であることを開示している。
近年では、軸受特性として、なじみ性および耐摩耗性の向上とともに摩擦係数の低減も要望されている。

そこで、本発明の目的は、摩擦係数が低減された摺動部材を提供することにある。

本発明の一実施形態の摺動部材では、硬質粒子を含むＣｕを主体とするＣｕ基軸受合金層と、前記Ｃｕ基軸受合金層に積層されているＤＬＣ層と、を備え、前記Ｃｕ基軸受合金層に含まれる前記硬質粒子の少なくとも一部は、前記ＤＬＣ層側の面に露出している。

Ｃｕ基軸受合金層は、Ｃｕを主として硬質粒子を含んでおり、必要に応じてその他の成分を含んでいる。そして、Ｃｕ基軸受合金層に含まれる硬質粒子の一部は、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン：Diamond Like Carbon）層側の面に露出している。ここで、ＤＬＣ層側の面に露出している硬質粒子とは、Ｃｕ基軸受合金層を構成するＣｕマトリクスに覆われていないことを意味する。そのため、このＤＬＣ側の面に露出している硬質粒子は、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面からＤＬＣ層側に突出しているものも含む。このＤＬＣ層側に露出する硬質粒子は、Ｃｕ基軸受合金層に含まれる硬質粒子の量の割合（質量％）および硬質粒子の粒子径を調整することにより得られる。
Ｃｕ基軸受合金層は、鉄などから形成される裏金層に設けてもよい。また、裏金層とＣｕ基軸受合金層との間には接着層を設け、裏金層とＣｕ基軸受合金層との接着性を高めてもよい。この場合、接着層は、Ｃｕめっき層であることが好ましい。

本実施形態では、前記硬質粒子は、硼化物、珪化物、酸化物、窒化物、炭化物および金属間化合物からなる群より選択される少なくとも一種類の化合物であり、前記硬質粒子の粒子径は、平均０．５〜２０（μｍ）である。

硼化物は、ＮｉＢ、Ｎｉ_３Ｂ、ＣｒＢ、ＣｒＢ、ＺｒＢ_２、ＣｏＢ、ＴｉＢ_２、ＶＢ_２、ＴａＢ_２、ＷＢ、ＭｏＢ、Ｆｅ−Ｂ系などであることが好ましい。珪化物は、ＴｉＳｉ_２、ＷＳｉ_２、ＭｏＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＣｒＳｉ_２、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｍｎ−Ｓｉ系などであることが好ましい。酸化物は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＷＯ、ＭｏＯ_３、Ｍｎ−Ｏ系、Ｆｅ−Ｏ系、Ｖ−Ｏ系などであることが好ましい。窒化物は、Ｓｉ_２Ｎ_４、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＶＮ、ＡｌＮ、Ｃ−ＢＮ、Ｃｒ_２Ｎなどであることが好ましい。炭化物は、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、Ｍｏ_２Ｃなどであることが好ましい。金属間化合物としては、Ｎｉ−Ｓｎ系、Ｆｅ−Ｗ系、Ｆｅ−Ｍｏ系、Ｆｅ−Ｍｎ系、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｃｒ−Ａｌ系、Ｖ−Ａｌ系、Ｔｉ−Ａｌ系、Ｗ−Ａｌ系などであることが好ましい。
また、他の硬質粒子の材料として、Ｎｉ基自溶性合金（Ｎｉ−Ｂ−Ｓｉ系）、Ｃｏ基自溶性合金（Ｃｏ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ系）、Ｃ、ＷまたはＭｏを用いてもよい。
さらに、前記硬質粒子は、金属の珪化物または金属の炭化物であることが特に好ましい。

上記の硬質粒子は、粒子径の平均が０．５（μｍ）以上であるとき、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出しやすくなる。また、硬質粒子は、粒子径の平均が２０（μｍ）以下であるとき、Ｃｕ基軸受合金層中に硬質粒子が分散して存在しやすくなる。そのため、硬質粒子は、粒子径の平均を０．５〜２０（μｍ）に設定している。これより、Ｃｕ基軸受合金層に含まれる硬質粒子の量の割合が少ない場合でも、硬質粒子は、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面において、より多く露出する。前記粒子径の平均は、１〜１０（μｍ）がより好ましい。
本実施形態では、硬質粒子の粒子径の平均は、例えばフィッシャー法により測定している。
なお、硬質粒子は、予め粒子径が調整されている市販品を用いてもよい。

ＤＬＣ層は、炭化水素、あるいは炭素の同素体からなる非晶質を主成分とする層である。ＤＬＣ層は、プラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ法）、物理気相成長法（ＰＶＤ法）などによって、Ｃｕ基軸受合金層上に形成される。
本実施形態では、ＤＬＣ層は、Ｃｕ基軸受合金層とは反対側の面において摺動相手の相手部材と摺動する。以下、ＤＬＣ層の相手部材と摺動する、Ｃｕ基軸受合金層とは反対側の面は「ＤＬＣ層の摺動面」と称する。

発明者は、ＤＬＣ層の摺動面の形状を、ＤＬＣ層の形成速度を調整、またはＣｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に存在する硬質粒子の分布を調整することにより、調整している。
ＤＬＣ層は、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子からＤＬＣ層の厚さ方向へ成長する。そのため、ＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子から成長したＤＬＣ層は、この露出する硬質粒子の平面形状を反映する。すなわち、ＤＬＣ層の摺動面は、Ｃｕ基軸受合金層から露出する硬質粒子に対応する部分が他の部分に比較して突出した突部となる。このとき、ＤＬＣ層を構成する炭素は、Ｃｕ基軸受合金層の主たる成分であるＣｕに比較して、元素の族が近似する硼化物、珪化物、酸化物、窒化物、炭化物および金属間化合物からなる硬質粒子との結合力が高い。特にＤＬＣ層を構成する炭素は、同族の炭素やケイ素を含む炭化物や珪化物からなる硬質粒子との結合力が高い。そのため、ＤＬＣ層は、Ｃｕ基軸受合金層から露出する硬質粒子を媒体としてＣｕ基軸受合金層との結合力が高められる。また、ＤＬＣ層の摺動面におけるＤＬＣ層の突出量は、この場合、Ｃｕ基軸受合金層からＤＬＣ層側に突出する硬質粒子の突出量に応じて大きくなる。

このように硬質粒子の平面形状に対応してＤＬＣ層の摺動表面に形成された突部は、相手部材から荷重を受けやすい。そのため、相手部材との摺動時に、ＤＬＣ層の摺動面に形成された突部と相手部材とが接することにより、摺動による摩擦熱はこの突部に生じやすい。その結果、ＤＬＣ層の摺動面に形成された突部は、摩擦熱によってグラファイト化が進行して軟化し、剪断力への耐性が低下する。したがって、相手部材との摺動時に剪断力が加わると、ＤＬＣ層の滑りが生じやすくなり、ＤＬＣ層の摩擦係数が低下する。
以下、ＤＬＣ層の摺動面に硬質粒子の平面形状を反映した突部を形成するときのＤＬＣ層の形成速度は、第１の形成速度と称する。

一方、ＤＬＣ層の摺動面は、ＤＬＣ層の形成速度、またはＣｕ基軸受合金層から露出する硬質粒子の分布を調整することにより、比較的平坦な形状にすることができる。
このようにＤＬＣ層の摺動面を比較的平坦に形成すると、相手部材の荷重はＤＬＣ層の摺動面の全体に加わりやすくなる。ここで、ＤＬＣ層および硬質粒子は、Ｃｕ基軸受合金層のマトリクスであるＣｕと比較して硬質である。そのため、Ｃｕ基軸受合金層から露出する硬質粒子上に形成されたＤＬＣ層は、摺動面に荷重が加わっても変形しにくい。

これに対し、Ｃｕ基軸受合金層のうち硬質粒子が露出していない部分、すなわちＣｕ基軸受合金層のマトリクスを構成するＣｕ上に形成されたＤＬＣ層は、摺動面側から荷重が加わると、Ｃｕの変形に追随してＣｕ基軸受合金層側に変形しやすい。
そのため、平坦なＤＬＣ層の摺動面の全体に相手部材から荷重が均一に加わるとき、相手部材の荷重は、ＤＬＣ層のうち露出する硬質粒子上の部分に集中する。その結果、相手部材との摺動時に、Ｃｕ基軸受合金層から露出した硬質粒子上に形成されたＤＬＣ層の部分と相手部材とが接しやすく、この部分に摩擦熱が発生しやすくなる。これにより、硬質粒子上に形成されたＤＬＣ層は、摩擦熱によってグラファイト化が進行して軟化し、剪断力への耐性が低下する。したがって、相手部材との摺動時に剪断力が加わると、ＤＬＣ層の滑りが生じやすくなり、ＤＬＣ層の摩擦係数が低下する。
以下、ＤＬＣ層の摺動面を比較的平坦に形成するときのＤＬＣ層の形成速度は、第２の形成速度と称する。

さらに、ＤＬＣ層の形成速度、またはＣｕ基軸受合金層から露出する硬質粒子の分布を調整することにより、Ｃｕ基軸受合金層から露出する硬質粒子上には、図５に示すように第２の形成速度で形成したＤＬＣ層よりも薄いＤＬＣ層を形成することもできる。すなわち、Ｃｕ基軸受合金層から露出する硬質粒子上には、他の部分よりも薄いＤＬＣ層を形成することができる。これにより、ＤＬＣ層の摺動面は、露出する硬質粒子に対応する位置に凹部を形成する。このように、このＤＬＣ層に凹部を形成するとことにより、摺動部分を潤滑する潤滑油はこの凹部に貯えられる。その結果、摺動部材と相手部材との潤滑が促進され、摺動部材の低摩擦化の向上が図られる。したがって、耐焼付性の向上の要望にも応えることができる。
以下、ＤＬＣ層の摺動面に凹部を形成するときのＤＬＣ層の形成速度は、第３の形成速度と称する。

本発明の一実施形態では、前記ＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子は、相互の間の平均距離が３〜５０（μｍ）である。
露出する硬質粒子の相互間における平均距離を５０（μｍ）以下とすると、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面において露出する硬質粒子の分布が疎らになりにくい。そのため、Ｃｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との高い結合力を発揮させやすい。その結果、耐焼付性が向上する。一方、露出する硬質粒子の相互間における平均距離を３（μｍ）以上とすると、油膜の形成の観点から、ＤＬＣ層の摺動面に形成される突部の数やＤＬＣ層の摺動面に形成される凹部の大きさがより適切になる。そのため、油膜切れを生じにくく、優れた耐焼付性を発揮する。そこで、硬質粒子の相互間の平均距離を規定することにより、Ｃｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との結合力の確保と、耐焼付性の確保とを両立することができる。前記平均距離は、５〜４５（μｍ）がより好ましい。

本発明の一実施形態では、前記ＤＬＣ層側の面の総面積に対する前記ＤＬＣ層側の面に露出している硬質粒子の面積率は、０．１〜１４（％）である。
ここで、硬質粒子の総面積は、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出している硬質粒子の投影面積、つまり硬質粒子の平面形状が占める面積の総和に相当する。すなわち、面積率とは、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の総面積に対する露出した硬質粒子の総面積の割合である。また、本明細書中における硬質粒子の面積率とは、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面の単位面積当たりの、これに含まれる全硬質粒子の投影面積の合計を意味する。
面積率が０．１（％）以上であるとき、硬質粒子はＤＬＣ層の形成に寄与しやすくなる。そのため、ＤＬＣ層の形成速度を調整して、ＤＬＣ層の摺動面に突部や凹部を形成させやすい。その結果、耐焼付性の向上を図りやすくなる。また、面積率が０．１（％）以上では、ＤＬＣ層と硬質粒子とが接する面積が確実に確保され、Ｃｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との高い結合力を発揮する。その結果、前記面積率を持たせることによりＤＬＣ層の剥離を抑制しやすくなり、耐焼付性が向上する。これに対し、面積率が１４（％）以下であると、ＤＬＣ層の形成速度に関わらず、ＤＬＣ層の摺動面における突部および凹部が過大となることを防止しやすい。そのため、面積率を１４（％）以下とすると、油膜形成の面で有利である。また、耐摩耗性の観点から、この面積率を１４（％）以下とすることが好ましい。以上のような理由により、面積率を規定することにより、耐摩耗性と耐焼付性の向上を図ることができる。前記面積率は、２〜１０％がより好ましい。

ここで、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子の総面積すなわち面積率は、硬質粒子の粒子径を変更することによって調整することができる。
硬質粒子の面積率は、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面を顕微鏡で撮影し、撮影した写真を画像解析装置により解析する。このとき、例えば観察視野０．０１２５ｍｍ^２に存在する硬質粒子のすべてを抽出し、その抽出結果から各硬質粒子の面積が求められる。そして、観察視野の面積と硬質粒子の面積の総和との比から面積率が算出される。なお、観察視野に存在する硬質粒子の総面積と観察視野との面積率は、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子の総面積とＣｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面積との面積率と同一である。しかし、用途に応じて意図的に部位により面積率を変えてもよい。
Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子の粒子径を導出するにあたって、上記０．０１２５ｍｍ^２に存在する硬質粒子についてそれぞれ面積を測定する。そして、測定した硬質粒子の面積と同一の面積の仮想的な円を設定し、設定した仮想的な円の径から粒子径が換算される。

本発明の一実施形態の摺動部材では、前記ＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子の面積率をＡ（％）、前記ＤＬＣ層の厚さをＴ（μｍ）とすると、Ａ≧０．５×Ｔである。
硬質粒子の面積率Ａ（％）とＤＬＣ層の厚さＴ（μｍ）とは、摺動時の摩擦に影響を与える。すなわち、ある硬質粒子の面積率に対しＤＬＣ層の厚さが薄いとき、またはあるＤＬＣ層の厚さに対して硬質粒子の面積率が大きいとき、ＤＬＣ層のうち剪断力によって滑りを生じる部分を生じやすくでき、摩擦係数の低減が実現しやすくなる。このように、ＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子の面積率Ａ（％）とＤＬＣ層の厚さＴ（μｍ）とが関連づけられている。

本発明の一実施形態の摺動部材では、前記ＤＬＣ層の硬さをＨ（ＨＶ）、前記ＤＬＣ層の厚さをＴ（μｍ）とすると、Ｈ≦１００００／Ｔである。
ＤＬＣ層の硬さをＨ（ＨＶ）とし、その厚さをＴ（μｍ）とすると、Ｈ≦１００００／Ｔのとき、硬質粒子が上述のようなＤＬＣ層の硬さの差の発現へ与える影響は大きくなる。すなわち、ＤＬＣ層の硬さに対する厚さを上記範囲に制御すると、耐摩耗性に優れたＤＬＣ層の摺動面において硬質粒子の有無によるグラファイト化を効果的に促進しやすい。したがって、ＤＬＣ層の硬さと厚さとを相関させることにより、摩擦係数の低減と耐摩耗性の向上とを両立することができる。

本発明の一実施形態の摺動部材では、前記ＤＬＣ層は、Ｈ≦６０００、かつＴ≦１５である。すなわち、ＤＬＣ層の硬さＨはＨ≦６０００（ＨＶ）であり、ＤＬＣ層の厚さＴはＴ≦１５（μｍ）である。
ＤＬＣ層の厚さが１５（μｍ）以下であると、ＤＬＣ層の摺動面にはＣｕ基軸受合金層から露出する硬質粒子を反映した凹凸が形成されやすくなる。このＤＬＣ層の厚さは、プラズマＣＶＤ法、ＰＶＤ法などによるＤＬＣ層の形成時間を調整することにより得られる。
また、ＤＬＣ層の硬さＨが６０００（ＨＶ）以下であると、十分な耐摩耗性を有しながら、ＤＬＣ層による相手部材への攻撃性を容易に抑制できる。このＤＬＣ層の硬さは、ＤＬＣ層に含まれる水素やＳｉ、Ｔｉ、Ｗなどの添加元素の含有量、およびＤＬＣ層の混成軌道の比（ｓｐ^２／ｓｐ^３）を調整することにより変更可能である。

本発明の一実施形態の摺動部材では、前記ＤＬＣ層の硬さは、前記Ａｌ基軸受合金層の硬さの１．１倍以上であり、摺動対象となる相手方の相手部材の硬さの０．９倍以下である。
ＤＬＣ層の硬さがＣｕ基軸受合金層の１．１倍以上とすると、耐摩耗性を効果的に発揮させやすい。一方、ＤＬＣ層の硬さが摺動相手の相手部材の硬さの０．９倍以下とすると、相手部材の摩耗を確実に抑制しやすい。そこで、ＤＬＣ層の硬さを設定することにより、ＤＬＣ層および相手部材の摩耗をいずれも低減することができる。

なお、Ｃｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との間には、相互間の結合力を高めるために中間層を設けてもよい。中間層は、例えばＳｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗなどの金属や炭化物、窒化物からなる層が好ましい。中間層は、厚さ方向に組成を変化させてもよい。例えばＳｉ−Ｃ系やＴｉ−Ｃ系などを用いる場合、Ｃｕ基軸受合金層側のＳｉやＴｉの濃度を高め、ＤＬＣ層側のＣの濃度を高めた組成としてもよい。

本発明の一実施形態の摺動部材を概略的に示す断面図一実施形態の摺動部材においてＣｕ基軸受合金層の摺動面を概略的に示す横断平面図第１の形成速度でＤＬＣ層を形成した場合の摺動部材を概略的に示す断面図第２の形成速度でＤＬＣ層を形成した場合の摺動部材を概略的に示す断面図第３の形成速度でＤＬＣ層を形成した場合の摺動部材を概略的に示す断面図一実施形態の摺動部材の複数の実施例品および比較例品を示す概略図ＤＬＣ層の硬さと厚さとの関係を示す概略図

本実施形態の摺動部材を図１に示す。図１に示す摺動部材１は、Ｃｕ基軸受合金層２およびＤＬＣ層３を備えている。Ｃｕ基軸受合金層２は、図示しない裏金層上に設けられている。ＤＬＣ層３は、Ｃｕ基軸受合金層３上に設けられている。Ｃｕ基軸受合金層２は、図２に示すようにＣｕマトリクス２ａと、硬質粒子２ｂとから構成されている。すなわち、Ｃｕ基軸受合金層２は、Ｃｕを主成分とするＣｕマトリクス２ａ中に硬質粒子２ｂを含んでいる。このＣｕ基軸受合金層２に含まれる硬質粒子２ｂは、少なくとも一部がＣｕ基軸受合金層２のＤＬＣ層３側の面に露出している。ここで露出とは、硬質粒子２ｂがＣｕ基軸受合金層２のＤＬＣ層３側の面と同一の平面上に位置する状態、または硬質粒子２ｂがその面からＤＬＣ層３側へ突出した状態の双方を含む。

第１の形成速度でＤＬＣ層３を形成したとき、ＤＬＣ層３は図３に示す形状となる。すなわち、ＤＬＣ層３の摺動面は、Ｃｕ基軸受合金層２のＤＬＣ層３側の面に露出する硬質粒子２ｂの形状を反映した突部４を形成する。
また、第２の形成速度でＤＬＣ層３を形成したとき、ＤＬＣ層３は図４に示す形状となる。すなわち、ＤＬＣ層３の摺動面は、Ｃｕ基軸受合金層２のから露出する硬質粒子２ｂの形状に関わらず平坦面３ａを形成する。
さらに、第３の形成速度でＤＬＣ層３を形成したとき、ＤＬＣ層３は図５に示す形状となる。すなわち、ＤＬＣ層３の摺動面は、Ｃｕ基軸受合金層２のＤＬＣ層３側の面に露出する硬質粒子２ｂの形状を反映した凹部５を形成する。

次に、本実施形態の摺動部材の製造方法について説明する。
まず、Ｃｕ粉末は、粒子径が予め所定の大きさに調整されている硬質粒子、およびその他の成分の粉末とを所定の質量の比率で混合される。本実施形態の場合、硬質粒子はＭｏ_２Ｃである。Ｃｕ粉末は、これに代えて、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金、またはＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｚｎ合金などからなるＣｕ合金粉末を用いてもよい。また、硬質粒子は、２種類以上を混合して用いてもよい。

次に、Ｃｕ粉末と硬質粒子とが混合された混合粉末は、厚さ１．３ｍｍの帯状の鋼板に散布される。この帯状の鋼板は、裏金層に相当し、予めＣｕめっき層が被着されている。次に、粉末が散布された鋼板は、還元性の雰囲気において８００〜９５０℃で約１５分間加熱される。これにより、粉末が散布された鋼板は、初回の焼結が施される。その結果、Ｃｕ粉末と硬質粒子とは、Ｃｕ基軸受合金層を形成する。その後、Ｃｕ基軸受合金層が形成された鋼板は、緻密化のためにロール圧延および焼結が繰り返される。これにより、Ｃｕ基軸受合金層が形成された鋼板は、Ｃｕ基軸受合金層の厚さが約０．４ｍｍであり、全体の厚さが約１．６ｍｍのいわゆるバイメタルに形成される。形成されたバイメタルは、半円筒状に形成される。
半円筒状に形成されたバイメタルは、その内周面に、一般的なプラズマＣＶＤ法またはＰＶＤ法などによってＤＬＣ層を形成する。これにより、半円筒状の摺動部材が得られる。

上記の手順で形成した摺動部材の試料を用いて摩擦係数について検証した。
実施例品は、上述した本実施形態の摺動部材に基づく製造方法で得た。また、実施例品は、ＤＬＣ層の形成速度を調整することにより、第１の形成速度でＤＬＣ層の摺動面に突部を形成、第２の形成速度でＤＬＣ層の摺動面を比較的平坦に形成、または第３の形成速度でＤＬＣ層の摺動面に凹部を形成することができる。図６に示す各実施例品のうち実施例品１は、図３に示すように第１の形成速度でＤＬＣ層を形成している。また、実施例品２は、図４に示すように第２の形成速度でＤＬＣ層を形成している。実施例品３は、図５に示すように第３の形成速度でＤＬＣ層を形成している。さらに、実施例品４〜実施例品２４、および比較例品１は、いずれも第２の形成速度でＤＬＣ層を形成している。ここで検証の比較として採用した比較例品１は、Ｃｕ基軸受合金層に硬質粒子を含有していない。また、比較例品２は、ＤＬＣ層を備えていない。図６に基づいて、実施例品および比較例品について説明する。

（Ｃｕ基軸受合金について）
実施例品１〜実施例品２４、比較例品１、および比較例品２のＣｕ基軸受合金層は、いずれもＳｎを６（質量％）、Ｎｉを３（質量％）、Ｂｉを５（質量％）含むＣｕを主とする銅合金で形成されている。
（硬質粒子の成分について）
実施例品１〜実施例品３、および比較例品２を構成する硬質粒子は、Ａｌ_２Ｏ_３である。また、実施例品４、実施例品６、実施例品７、および実施例品１０〜実施例品２４を構成する硬質粒子は、いずれもＭｏ_２Ｃである。実施例品５、実施例品８、および実施例品９を構成する硬質粒子は、ＴｉＳｉ_２である。すなわち、実施例品１〜実施例品３、および比較例品２を除く他の実施例品の硬質粒子は、いずれも金属の珪化物または金属の炭化物である。

（硬質粒子の平均粒径について）
実施例品１〜実施例品８、実施例品１０〜実施例品２４、および比較例品２の場合、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子の平均粒径は、０．５〜２０（μｍ）である。これに対し、実施例品９の場合、硬質粒子の平均粒径は２５（μｍ）である。
（硬質粒子の相互間の平均距離について）
実施例品１〜実施例品６、実施例品８、実施例品１０〜実施例品１２、および実施例品１４〜実施例品２４の場合、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子の相互間の平均距離は、いずれも３〜５０（μｍ）である。これに対し、実施例品７は硬質粒子相互間の平均距離が８０（μｍ）、実施例品９は硬質粒子相互間の平均距離が９０（μｍ）、実施例品１３は硬質粒子相互間の平均距離が５５（μｍ）にそれぞれ設定されている。

（硬質粒子の面積率について）
実施例品１〜実施例品６、実施例品８、実施例品１０、実施例品１２、実施例品１４、実施例品１５、および実施例品１７〜実施例品２４の場合、硬質粒子の面積率は、いずれも０．１〜１４（％）を占めている。これに対し、実施例品７は硬質粒子の面積率が０．０８（％）、実施例品９は硬質粒子の面積率が０．０７（％）、実施例品１１および実施例品１３は硬質粒子の面積率が０．０９（％）、実施例品１６は硬質粒子の面積率が０．０５（％）であり、いずれも硬質粒子の面積率が０．１（％）よりも小さい。

（ＤＬＣ層の硬さと厚さとの関係について）
実施例品１〜実施例品２４は、いずれもＤＬＣ層の硬さＨ（ＨＶ）と厚さＴ（μｍ）との関係がＨ≦１００００／Ｔを満たしている。ここで、ＤＬＣ層の硬さＨと厚さＴとの間には、図７に示すような関係がある。このとき、実施例品１〜実施例品２４は、図７に示すＨ≦１００００／Ｔで導かれる曲線よりも原点に近い網掛けした領域に存在する。

（硬質粒子の面積率とＤＬＣ層の厚さとの関係について）
実施例品１〜実施例品６、実施例品８、実施例品１０、実施例品１２、実施例品１５、および実施例品１７〜実施例品２４は、いずれもＣｕ基軸受合金層のＤＬＣ側の面に露出する硬質粒子の面積率Ａ（％）とＤＬＣ層の厚さＴとの関係がＡ≧０．５×Ｔを満たしている。これに対し、実施例品７、実施例品９、実施例品１１、実施例品１３、実施例品１４、および実施例品１６は、いずれもＡ＜０．５×Ｔである。

（密着性試験について）
図６に示す実施例品１〜実施例品２４、および比較例品１は、いずれもＣｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との密着性を試験した。ここでは、ＤＬＣ層の密着性は、ＤＬＣ層に剥離荷重を加えてＤＬＣ層を引き剥がすことにより試験した。具体的には、ＤＬＣ層は、０（Ｎ）〜３００（Ｎ）の剥離荷重が連続的に加えられる。このとき、ＤＬＣ層に剥離荷重を加えながら移動する距離は、１０（ｍｍ）に設定している。また、剥離荷重を加える相手となる球状部材は、材質がクロム鋼（ＳＵＪ−２）であり、直径が３（ｍｍ）である。さらに、剥離荷重を加えるとき、摺動部材と球状部材との間には、潤滑油を１０（μリットル）供給した。

試料毎にＤＬＣ層の剥離が生じたときの剥離荷重は、図６に示す通りである。これによると、実施例品１〜実施例品２４は、いずれも剥離荷重が１１０（Ｎ）以上であることがわかる。これに対し、比較例品１は、剥離荷重が１００（Ｎ）である。このことから、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に硬質粒子が露出した本実施形態の実施例品１〜実施例品２４は、硬質粒子を含まない比較例１と比較して、ＤＬＣ層の密着性が向上していることを示している。すなわち、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側の面に露出した硬質粒子は、ＤＬＣ層とＣｕ基軸受合金層との間の結合力を高めるために寄与していることが明らかである。

硬質粒子の成分が剥離荷重に与える影響は、実施例品２、実施例品４および実施例品５で検証する。図６によると、硬質粒子の成分が金属の炭化物であるＭｏ_２Ｃからなる実施例品４、および硬質粒子の成分が金属の珪化物であるＴｉＳｉ_２からなる実施例品５は、硬質粒子の成分が金属の酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３からなる実施例品１に比較して剥離荷重が向上している。このことから、硬質粒子は、金属の炭化物または金属の珪化物で形成することにより、Ｃｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との結合への寄与が高まることがわかる。

硬質粒子の平均粒径は、２０（μｍ）以下になると、剥離荷重すなわちＣｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との間の結合力への寄与が大きくなることがわかる。すなわち、硬質粒子の平均粒径が２０（μｍ）を超える実施例品９よりも、他の近似の条件の実施例品の方が剥離荷重が向上している。このことから、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側に露出する硬質粒子は、平均粒径が２０（μｍ）以下であることがより好ましい。

また、硬質粒子の相互の間の平均距離は、５０（μｍ）以下になると、Ｃｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との間の結合力への寄与が大きくなることがわかる。すなわち、硬質粒子の相互の間の平均距離が５０（μｍ）を超える実施例品７、実施例品９、および実施例品１３よりも、他の近似の条件の実施例品の方が剥離荷重が向上している。このことから、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側に露出する硬質粒子は、相互の間の平均距離が５０（μｍ）以下であることがより好ましい。

さらに、硬質粒子の面積率Ａは、０．１（％）以上になると、Ｃｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との間の結合力への寄与が大きくなることがわかる。すなわち、硬質粒子の面積率が０．１（％）未満になる実施例品７、実施例品９、実施例品１１、実施例品１３、および実施例品１６よりも、他の近似の条件の実施例品の方が剥離荷重が向上している。このことから、Ｃｕ基軸受合金層のＤＬＣ層側に露出する硬質粒子は、面積率が０．１（％）以上であることがより好ましい。

（焼付試験について）
図６に示す実施例品１〜実施例品２４、および比較例品１〜比較例品２は、低摩擦化により耐焼付性が向上するという観点から、摩擦係数の低数値化を確認するために、いずれも耐焼付性について試験した。ここで、耐焼付性は、次の条件で試験した。試験の対象となる試料は、相手方となる軸部材との間で２（ｍ／ｓｅｃ）の速度で回転させながら、試験荷重を１（ＭＰａ／５ｍｉｎ）で加えた。このとき、試料に供給される潤滑油は、ＳＡＥ♯３０であり、温度を６０（℃）、給油量を２０（ｍｌ／ｍｉｎ）に設定した。相手方の軸部材は、材質が炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）であり、硬さが６００（ＨＶ）である。また、実施例品２３では炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）を焼入れした軸部材を用い、実施例品２１、２４では炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）にＤＬＣをコーティングした軸部材を用いた。

試料に焼付が生じたときの面圧（ＭＰａ）は、図６に示す通りである。試料は、摺動面とは反対の背面側における温度が２５０（℃）を超えたとき、または相手となる軸部材との間の摩擦力が５０（Ｎ）を超えたとき、焼付が生じたと判定している。図６によると、実施例品１〜実施例品２４は、いずれも焼付時の面圧が１９（ＭＰａ）以上である。これに対し、比較例品１および比較例品２は、焼付時の面圧が１１（ＭＰａ）以下である。このことから、ＤＬＣ層側の面に硬質粒子が露出するＣｕ基軸受合金層上にＤＬＣ層を形成した実施例品１〜実施例品２４は、焼付面圧が向上、すなわち耐焼付性が高い、ひいては摩擦係数が小さいことを示している。特に、実施例品１〜実施例品６、実施例品８、実施例品１０、実施例品１２、実施例品１５、および実施例品１７〜実施例品２４は、ＤＬＣ層の厚さＴと硬質粒子の面積率Ａとを所定の関係に規定している。これにより、実施例品１〜実施例品６、実施例品８、実施例品１０、実施例品１２、実施例品１５、および実施例品１７〜実施例品２４は、いずれも近似の条件で形成した実施例品と比較して耐焼付性が向上している。

図６に示す実施例品１〜実施例品２０、実施例品２２、および比較例品１〜比較例品２の場合、いずれも試料の摺動相手となる相手方の軸部材は、材質が炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）であり、摺動部における硬さが６００（ＨＶ）である。一方、実施例品２１および実施例品２４の場合、相手方の軸部材は、炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）の摺動面にＤＬＣ層をコーティングしている。すなわち、実施例品２１の場合、相手方の軸部材の摺動部における硬さは、５０００（ＨＶ）である。実施例品２４の場合、相手方の軸部材の摺動部における硬さは、２０００（ＨＶ）である。また、実施例品２３の場合、相手方の軸部材は、炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）に焼入れしたものであり、摺動部における硬さが７００（ＨＶ）である。さらに、実施例品２０の場合、相手方の軸部材の摺動部における硬さが６００（ＨＶ）であるのに対し、ＤＬＣ層の硬さは５００（ＨＶ）に設定している。実施例品２２の場合、相手方の軸部材の摺動部における硬さが６００（ＨＶ）であるのに対し、ＤＬＣ層の硬さは１１０（ＨＶ）に設定している。これらのように、ＤＬＣ層の硬さを相手方の軸部材の摺動部における硬さの０．９倍以下に設定した実施例品２０〜実施例品２４は、焼付面圧の向上が図られている。すなわち、ＤＬＣ層の硬さを相手方の軸部材の摺動部における硬さの０．９倍以下に設定した実施例品２０〜実施例品２４は、この硬さの条件を満たさない場合と比較して摩耗粉の発生が減少し、焼付面圧が向上する。

（ＤＬＣ層の形成速度の影響について）
図６に示す実施例品１、実施例品２および実施例品３は、それぞれＤＬＣ層を形成する形成速度が異なっている。具体的には、実施例品１は第１の形成速度で図３に示すＤＬＣ層を形成し、実施例品２は第２の形成速度で図４に示すＤＬＣ層を形成し、実施例品３は第３の形成速度で図５に示すＤＬＣ層を形成している。また、実施例品１〜実施例品３は、いずれもＣｕ合金の成分、硬質粒子の成分、硬質粒子の平均粒径、および硬質粒子の粒子間の平均距離などの特性が同一に設定されている。一方、実施例品１〜実施例品３は、いずれも剥離荷重および焼付面圧に大差がない。これにより、ＤＬＣ層の形成速度は、剥離荷重および焼付面圧に与える影響が小さいことがわかる。このように、ＤＬＣ層の形成速度が摺動部材の特性に与える影響は小さいことから、実施例品４〜実施例品２４、および比較例品１では第２の形成速度でＤＬＣ層を形成している。

以上説明した実施例品１〜実施例品２４は、Ｃｕ基軸受合金層上にＤＬＣ層を形成することにより、相手方の軸部材との間の摩擦を低減することができる。そして、実施例品１〜実施例品２４は、比較例品１および比較例品２と比較して、Ｃｕ基軸受合金層とＤＬＣ層との間で高い結合力が得られて耐焼付性が高められ、低摩擦化が実現されている。

本実施形態は、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。
不可避的不純物については説明を省略し、各成分には不可避的不純物が含まれ得る。

Claims

硬質粒子を含むＣｕを主体とするＣｕ基軸受合金層と、
前記Ｃｕ基軸受合金層に積層されているＤＬＣ層と、を備え、
前記Ｃｕ基軸受合金層に含まれる前記硬質粒子の少なくとも一部は、前記ＤＬＣ層側の面に露出している摺動部材。
前記硬質粒子は、硼化物、珪化物、酸化物、窒化物、炭化物および金属間化合物からなる群より選択される少なくとも一種類の化合物であり、
前記硬質粒子の粒子径は、平均０．５〜２０（μｍ）であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
前記硬質粒子は、金属の珪化物または金属の炭化物である請求項２記載の摺動部材。
前記ＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子は、相互の間の平均距離が３〜５０（μｍ）である請求項１、２または３記載の摺動部材。
前記ＤＬＣ層側の面の総面積に対する前記ＤＬＣ層側の面に露出している硬質粒子の面積率は、０．１〜１４（％）である請求項１から４のいずれか一項記載の摺動部材。
前記ＤＬＣ層側の面に露出する硬質粒子の面積率をＡ（％）、前記ＤＬＣ層の厚さをＴ（μｍ）とすると、
Ａ≧０．５×Ｔ
である請求項１から５のいずれか一項記載の摺動部材。
前記ＤＬＣ層の硬さをＨ（ＨＶ）、前記ＤＬＣ層の厚さをＴ（μｍ）とすると、
Ｈ≦１００００／Ｔ
である請求項１から６のいずれか一項記載の摺動部材。
前記ＤＬＣ層は、Ｈ≦６０００、かつＴ≦１５である請求項７記載の摺動部材。
前記ＤＬＣ層の硬さは、前記Ｃｕ基軸受合金層の硬さの１．１倍以上であり、摺動対象となる相手方の相手部材の硬さの０．９倍以下である請求項１から８のいずれか一項記載の摺動部材。