JPWO2014104002A1 - 摺動部材 - Google Patents

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Abstract

摺動部材は、所定の形状を有する合金で形成されたライニング層と、前記ライニング層のうち相手軸と摺動する内周面において樹脂で形成されたオーバレイ層であって、当該相手軸の軸方向の両端部から所定の範囲における高さが、当該所定の範囲以外の部分における高さよりも高い盛上部を有するオーバレイ層とを有する。

Description

本発明は、すべり軸受等に用いられる摺動部材に関する。
すべり軸受において、摩耗の防止、焼付きの防止は古くから認識されている課題である。この課題に対処するため、例えば特許文献１は、軸方向の一端から他端に向けて内周をテーパ形状に加工すること、さらに、内周面に凹部（油溜め部）を設けて油の保持性を高めることを開示している。
図３および図４は、従来技術に係る主軸受５０１を示している。主軸受５０１は、半割軸受５０３および５０５を有する。半割軸受５０３および５０５は接合され、円筒状の軸受となる。半割軸受５０３および５０５は、それぞれ、裏金５０７、ライニング（軸受合金）層５０９、およびオーバレイ層５１１を有する。半割軸受５０３には、内周面の中央部付近に油溝５１３が形成されている。さらに、半割軸受５０３には油穴５１５が形成されている。油穴５１５は、油溝５１３まで連通しており、油溝５１３は油穴５１５を介して外部に開放されている。また、半割軸受５０５には、油溝５１３に連なる切欠溝５１７が形成されている。
また、主軸受５０１の軸方向両端部は、端に向って次第に内径が大きくなるテーパ状に形成されている（図４）。テーパ状部分５１９には、油溜め部として周方向に延びる溝５２１が複数本形成されている。溝５２１は、上下の半割軸受５０３，５０５のオーバレイ層５１１に形成されている。
特開２００１−３２８３７号公報
しかし、特許文献１に記載された技術においては、軸受面の軸方向端部が端に向かって内径が大きくなっているため、エンジン停止時（回転停止時）に軸受端部方向に潤滑油が流れてしまう。このため、テーパ状部分５１９の油溜め部（溝５２１）以外の部分では、油膜がほとんど残らず、起動時のトルクが増大してしまうという問題があった。
本発明は、回転停止時の油保持性を向上させ、起動時の摩擦トルクを低減させる摺動部材を提供する。
本発明は、所定の形状を有する合金で形成されたライニング層と、前記ライニング層のうち相手軸と摺動する内周面において樹脂で形成されたオーバレイ層であって、当該相手軸の軸方向の両端部から所定の範囲における高さが、当該所定の範囲以外の部分における高さよりも高い盛上部を有するオーバレイ層とを有する摺動部材を提供する。
前記盛上部は、前記相手軸の延びる方向における前記摺動部材の幅Ｋに対し、軸方向最端部からの距離がＫ／２よりも小さくなる位置を傾斜開始位置として、前記傾斜開始位置と前記軸方向最端部との間に頂部を有してもよい。
前記所定の範囲以外の部分と前記頂部とにおける前記オーバレイ層の膜厚の差が６μｍ以下であってもよい。
前記オーバレイ層は、固体潤滑材および硬質物の少なくとも一方、並びにバインダー樹脂を含んでもよい。
前記バインダー樹脂は、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、およびポリフェニレンサルファイド樹脂のうち少なくとも１つを含んでもよい。
前記固体潤滑材は、ＭｏＳ２、ＰＴＦＥ、グラファイト、ＷＳ２、ｈ−ＢＮ、ＳＢ２０３のうち少なくとも１つを含んでもよい。
前記硬質物は、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＡＩＮ、ＣｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｚｒ０２、Ｆｅ３Ｐの少なくとも１つを含んでもよい。
本発明によれば、回転停止時の油保持性を向上させ、起動時の摩擦トルクを低減させることができる。
一実施形態に係る主軸受１１の構成を示す斜視図。 主軸受１１の断面模式図。 従来技術に係る主軸受の構成を示す図。 従来技術に係る主軸受の断面模式図。 主軸受１１の断面構造の別の例を示す図。
図１は、一実施形態に係る主軸受１１の構造を示す図である。主軸受１１は摺動部材の一例であり、例えば、内燃機関のクランクシャフトとコネクティングロッド、またはクランクシャフトとエンジンブロックの間の軸受として用いられる。主軸受１１は、２つの半割軸受１３により構成される。２つの半割軸受１３を接合すると円筒状の軸受が得られる。なお、図１においては、単一の半割軸受１３のみを示している。
半割軸受１３は、裏金１５、ライニング（軸受合金）層１７、およびオーバレイ層１９を有する。裏金１５は、ライニング層１７の機械的強度を補強するための層である。裏金１５は、例えば鋼で形成される。ライニング層１７は、軸受の摺動面（軸と接触する面）に沿って設けられ、軸受としての特性、例えば、摩擦特性（摺動特性）、耐焼付性、耐摩耗性、なじみ性、異物埋収性（異物ロバスト性）、および耐腐食性等の特性を与えるための層である。ライニング層１７は、軸受合金で形成されている。軸との凝着を防ぐため、軸受合金は軸といわゆる「ともがね（ともざい）」となることを避け、軸とは別の材料系が用いられる。この例では、鋼で形成された軸の軸受として用いるため、軸受合金としてアルミニウム合金が用いられる。
オーバレイ層１９は、ライニング層１７の摩擦係数、なじみ性、耐腐食性、および異物埋収性（異物ロバスト性）等の特性を改善するための層である。オーバレイ層１９は、バインダー樹脂と、バインダー樹脂中に分散された固体潤滑剤および硬質物の少なくとも一方を含む。なお、オーバレイ層１９の成分は、固体潤滑材：３０〜７０体積％、硬質物：０〜５％、バインダー樹脂：残余、であることが好ましい。
バインダー樹脂としては、例えば熱硬化性樹脂が用いられる。具体的には、バインダー樹脂は、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルケーテルケトン樹脂、およびポリフェニレンサルファイド樹脂のうち少なくとも一種を含む。
固体潤滑材は、摩擦特性を改善するために添加される。固体潤滑剤は、例えば、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、グラファイト、ｈ−ＢＮ、およびＳＢ２Ｏ３のうち少なくとも一種を含む。例えばＭｏＳ２は、良好な潤滑性を与える。また、ＰＴＦＥは分子間凝集力が小さいので、摩擦係数を低減する効果がある。さらに、グラファイトは濡れ性を向上させ、初期なじみ性を向上させる。初期なじみ性とは、摺動開始後に相手材と摺接する際、摺動面が摩耗して平滑になり、摺動性を向上させる性質である。初期なじみ性の発現により摺動性が向上すると、摺動層全体としての摩耗量が低減される。
硬質物は、耐摩耗性を改善するために添加される。硬質物は、例えば、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＡｌＮ、ＣｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２、Ｆｅ３Ｐのうち少なくとも一種を含む。
図１の半割軸受１３と接合されるもう一方の半割軸受（図示略）には、内周面において油溝（図示略）が形成されている。この油溝は、軸方向（軸が延びる方向）において中央部付近に設けられている。またこの油溝は、周方向（摺動方向。軸方向と垂直）に延びている。この油溝は半割軸受の上部に形成された油穴（不図示）を介して外部に開放されている。
図１に示す半割軸受１３は、内周面に切欠溝２１を有する。また、切欠溝２１は周方向の端部において、もう一方の半割軸受に形成された油溝に連なる位置に形成されている。
図２は、主軸受１１の、相手軸２３の軸方向に平行（かつ摺動方向に垂直）な断面を示す模式図である。図２には、主軸受１１の内周面を摺動する相手軸２３も図示されている。主軸受１１において、各層は、相手軸２３に近い方から順に、オーバレイ層１９、ライニング層１７、および裏金１５の順に積層されている。オーバレイ層１９は、２つの盛上部３３を有する。盛上部とは、軸方向に平行かつ摺動方向に垂直な断面において、他の部分よりも高さが高い（層の厚さが厚い）部分をいう。図２の例では、オーバレイ層１９の中央部分（領域３１）は高さ（厚さ）が均一であるのに対し、端部（領域２９）は中央部分よりも高く（厚く）盛り上がっている。盛上部３３は、摺動方向に延びている。
図２の例で、領域３１においてオーバレイ層１９の高さ（厚さ）は均一である。この断面で見ると点Ｐから外側に向かうとオーバレイ層が盛り上がっており、その意味で点Ｐを傾斜開始位置という。盛上部３３は頂部３７を有している。頂部３７は、傾斜開始位置Ｐより外側（すなわち傾斜開始位置Ｐと端部３５との間）に位置している。主軸受１１の軸方向の幅Ｋに対し、傾斜開始位置Ｐは、端部３５からの距離がＫ／２未満の位置にある。なお、傾斜開始位置Ｐは、（最も近い）端部３５からの距離がＫ／３以下の位置にあることが好ましい。盛上部３３の稜線の形状は、滑らかな曲線であることが好ましい。すなわち、傾斜開始位置Ｐから頂部３７を介して端部３５に至る稜線は滑らかな曲線であることが好ましい。
また、盛上部３３の高さ（他の部分からの高さ、膜厚差）ｄは、６μｍ以下であることが好ましい。
オーバレイ層１９は、例えば、スプレーコーティングを用いて形成される。具体的には、まず、樹脂、固体潤滑材および硬質物を希釈剤に溶かし、塗布液を調整する。希釈剤は、粘度を調整して、混合を容易とするためのものであり、樹脂が溶解可能なものであればどのようなものが用いられてもよい。例えばポリアミドイミド樹脂を用いる場合には、キシレン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、トルエンなどの有機溶剤が希釈剤として用いられる。次に、ベース層であるライニング層１７に対しこの塗布液をスプレーで塗布する。このとき、塗布液を厚く（例えば３μｍ以上）塗布する。塗布後、１５０〜３００℃で希釈剤を乾燥させ、オーバレイ層１９を形成する。このとき、塗布液の表面張力により盛上部３３が形成される。盛上部３３の高さｄは、例えば、塗布液の濃度、塗布液を塗布する厚さ、乾燥温度、または乾燥時間により制御される。この製造方法によれば、ライニング層や裏金等のコーティング元の形状に関係なく、表面張力を利用して盛り上がり形状を形成できるため、大掛かりな設備（例えば電解めっき）を用いなくても盛上部を形成することができる。
別の例で、オーバレイ層１９は、ロールコーティング（ロール転写）により形成されてもよい。具体的には、上記の塗布液を、中凸形状のロールによってライニング層１７上に塗布する。中凸ロールとは、回転軸の延びる方向において中央部分の径が太く、軸方向の両端にいくにつれ径が細くなるロールである。塗布後、希釈剤を乾燥させる。盛上部３３の高さｄは、例えば、中凸ロールの形状により制御される。オーバレイ層１９は、この外、タンブリング法、浸漬法、はけ塗り法、印刷法などにより形成されてもよい。
主軸受１１は、盛上部３３により形成される油保持部４０において潤滑油を保持し、起動時に相手軸２３と主軸受１１との間に潤滑油を引き込み易くできる。これにより、起動時の相手軸２３と主軸受１１との接触が緩和される。
オーバレイ層１９の膜厚差（高さの差）ｄおよび傾斜開始位置Ｐを変化させた試料（実施例１〜７および比較例１〜４）を作製し、これらの試料において起動トルクを測定した。なお起動トルクは、相手軸２３と主軸受１１との間に形成される油膜の厚さを示す指標である。油膜の厚さを直接測定することは困難であるので、油膜の厚さを示す指標として起動トルクを測定した。起動トルクがより小さいと油膜がより厚いことが示される。
まず、試料の作製方法は以下のとおりである。鋼製の裏金１５に、アルミニウム合金をライニング層１７として圧接した。この材料を半割り円筒形状に加工した。オーバレイ層１９の材料を溶剤（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）で希釈して塗布液を調整した。この塗布液をエアースプレー方法でコーティングした。次に、１２０℃、２０ｍｉｎで乾燥した後、２５０℃、６０ｍｉｎで焼成を行った。
実施例１〜７および比較例１〜４に共通する特性は以下のとおりである。
軸受幅Ｋ：１５ｍｍ
オーバレイ層の中央膜厚：６μｍ
オーバレイ層の成分：バインダー樹脂（ＰＡＩ） ４９体積％
固体潤滑剤（ＭｏＳ２） ５０体積％
硬質物（ＳｉＣ） １体積％
各試料におけるオーバレイ層１９の膜厚差ｄおよび傾斜開始位置Ｐは表１に記載されている。
これらの試料に対し、起動トルクを測定した。起動トルク（Ｎｍ）は、上記のとおり作製した試料で作製した主軸受を実機エンジンのコネクティングロッドに組み込んだ状態で測定した。
表１は、各試料における測定結果を示している。
表１から分かるように、膜厚差ｄが１〜６μｍで、かつ傾斜開始位置ＰがＫ／３〜Ｋ／６である試料（実施例１〜７）の起動トルクは、膜厚差ｄが１〜６μｍの範囲に無いかまたは傾斜開始位置がＫ／２である試料（比較例１〜４）の起動トルクより低くなった（すなわち、油膜厚さが厚いと推定される）。
膜厚差ｄが１〜６μｍの範囲に入っていても、傾斜開始位置ＰがＫ／２であると起動トルクが大きい傾向が見られた。例えば、実施例６、実施例７、および比較例３を比べると、傾斜開始位置ＰがＫ／２の試料（比較例３）は他の試料（実施例６および７）よりも起動トルクが大きかった（すなわち、この中では比較例３の油膜厚さが薄いと推定される）。また、傾斜開始位置Ｐが＜Ｋ／２の範囲に入っていても、膜厚差ｄが１〜６μｍの範囲に入っていないと起動トルクが大きい傾向が見られた。例えば、実施例４と比較例４とを比べると、膜厚差ｄが１０μｍの試料（比較例４）は他の試料（実施例４）よりも起動トルクが大きかった（すなわち、油膜厚さが薄いと推定される）。
このように、本実施形態に係る主軸受によれば、エンジン停止時（回転停止時）の油保持性を向上させ、起動時の摩擦トルクを低減させることができる。起動トルクを低減することにより燃費性能が向上する。更に、片当たりが発生しやすい形状であっても周囲の油を引き込み相手軸との固体接触を避けることができるため、焼き付き難くすることができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は単なる例示であり、本発明本発明はこれに限定されない。例えば、半円筒の部品を２つ接合して円筒状の軸受を得るのではなく、単一の部品を円筒状に成形して軸受としてもよい。また、軸受の形状は円筒状でなく、楕円筒状であってもよい。さらに、本発明は、軸受以外の摺動部材に用いられてもよい。
例えば、オーバレイ層１９の成分、実施形態で例示したＰＡＩ＋ＭｏＳ２＋ＳｉＣに限定されない。例えば、オーバレイ層１９の成分は、ＰＡＩ＋ＰＴＦＥまたはＰＡＩ＋Ｇｒ＋ＳｉＣでもよい。その他、固体潤滑材は複数組み合わせてもよく、硬質物も複数組み合わせてもよい。
図５は、主軸受１１の断面構造の別の例を示す図である。実施形態においては、盛上部３３以外の部分（領域３１）においてオーバレイ層１９の膜厚が均一である例を説明した。しかし、領域３１において、オーバレイ層１９の膜厚は均一でなくてもよい。図５（ａ）は、領域３１において、オーバレイ層１９に複数の溝が形成されている例を示している。この場合、膜厚差ｄは、例えば領域３１における平均膜厚と頂部３７との差として定義される。あるいは、領域３１における最薄部と頂部３７との差が膜厚差ｄとして定義されてもよい。図５（ｂ）は、領域３１において、オーバレイ層１９に凸部が形成されている例を示している。この場合も、図５（ａ）の場合と同様に、領域３１の平均膜厚（または最薄部の膜厚）と頂部３７との差が膜厚差ｄとして定義される。要は、領域３１の膜厚の代表値と、頂部３７との差が膜厚差ｄとして定義される。膜厚の代表値としては、例えば、平均値、最小値、または最大値が用いられる。
領域３１の膜厚が均一でない場合において、傾斜開始位置Ｐは、例えば、オーバレイ層１９の平均膜厚（または最薄部における膜厚）との差が所定のしきい値を超えた位置として定義されてもよい。あるいは、頂部３７を含む所定の領域（例えば、頂部３７を含み、頂部３７との膜厚の差が所定のしきい値以内である領域）を盛上部３３と定義し、盛上部３３の境界を傾斜開始位置Ｐと定義してもよい。
１１…主軸受（摺動部材）
１７…ライニング（ベース層）
１９…オーバレイ層
２３…相手軸
２９…軸方向端部
３１…軸方向中央部（軸方向端部を除く部分）
３３…盛上部
３５…軸方向最端部
３７…頂部
ｄ…膜厚差
Ｐ・・・傾斜開始位置

Claims (7)

  1. 所定の形状を有する合金で形成されたライニング層と、
    前記ライニング層のうち相手軸と摺動する内周面において樹脂で形成されたオーバレイ層であって、当該相手軸の軸方向の両端部から所定の範囲における高さが、当該所定の範囲以外の部分における高さよりも高い盛上部を有するオーバレイ層と
    を有する摺動部材。
  2. 前記盛上部は、前記相手軸の延びる方向における前記摺動部材の幅Ｋに対し、軸方向最端部からの距離がＫ／２よりも小さくなる位置を傾斜開始位置として、前記傾斜開始位置と前記軸方向最端部との間に頂部を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 前記所定の範囲以外の部分と前記頂部とにおける前記オーバレイ層の膜厚の差が６μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項２に記載の摺勤部材。
  4. 前記オーバレイ層は、固体潤滑材および硬質物の少なくとも一方、並びにバインダー樹脂を含む
    ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺勤部材。
  5. 前記バインダー樹脂は、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、およびポリフェニレンサルファイド樹脂のうち少なくとも１つを含む
    ことを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
  6. 前記固体潤滑材は、ＭｏＳ２、ＰＴＦＥ、グラファイト、ＷＳ２、ｈ−ＢＮ、ＳＢ２Ｏ３のうち少なくとも１つを含む
    ことを特徴とする請求項４または５に記載の摺動部材。
  7. 前記硬質物は、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＡＩＮ、ＣｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２、Ｆｅ３Ｐの少なくとも１つを含む
    ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれか一項に記載の摺動部材。
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