JPWO2014126202A1 - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

軸受１３は、所定の形状を有する合金で形成され、面取り部２５を有するライニング層１７と、ライニング層１７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、面取り部２５の少なくとも一部を覆うオーバレイ層１９とを有する。

Description

本発明は、摺動部材に関する。

自動車用エンジンやその他産業機械用エンジンの主軸受等にすべり軸受が用いられている。すべり軸受は、裏金およびライニング層（軸受合金層）を有し、円筒状または半割軸受の形状に加工される。反割軸受は２つ接合して円筒状の軸受として用いる。この種のすべり軸受では、相手軸のミスアライメントや同軸度等の懸念があり、相手軸とすべり軸受の局部接触が発生する場合がある。このため、局部接触による問題を解決する軸受が開発されている（例えば特許文献１）。

図６は、特許文献１に記載された半割軸受５０５の軸方向断面図である。半割軸受５０５は、裏金５０７と、軸受合金５０９と、オーバレイ層５１１とを有する。軸受合金層５０９においては、軸方向両端部に、クラウニング（緩やかな傾斜）５１３が設けられている。オーバレイ層５１１は、軸受合金５０９上のクラウニング５１３も含む部分に形成されている。

特許第３３８８５０１号公報

特許文献１において、オーバレイ層５１１の表面は平坦（面一）となっている。このため、相手軸と片当たりをした際、軸方向端部において荷重がかかり、オーバレイ層５１１が剥離してしまう場合があった。

これに対し本発明は、オーバレイ層の剥離を抑制した摺動部材を提供する。

本発明は、相手軸と摺動する摺動面および当該摺動面の軸方向端部に設けられた面取り部を有するライニング層と、樹脂で形成され前記面取り部の少なくとも一部を覆うオーバレイ層とを有する摺動部材を提供する。

前記オーバレイ層は、前記ライニング層の軸方向の幅をＷとしたときに、軸方向端面からの距離がＷ／２よりも短い位置を傾斜開始位置として、前記軸方向端部に向かって傾斜するクラウニング形状を有してもよい。

前記オーバレイ層において、前記傾斜開始位置と前記摺動面の軸方向端部位置との高さの差が６μｍ以下であってもよい。

前記オーバレイ層は、バインダー樹脂と、固体潤滑材および硬質物の少なくとも一方とを含んでもよい。

前記バインダー樹脂は、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、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少なくとも１つを含んでもよい。

前記固体潤滑材は、ＭｏＳ_２、ＰＴＦＥ、グラファイト、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮ、およびＳＢ_２０_３の少なくとも１つを含んでもよい。

前記硬質物は、ＳｉＣ、Ａｌ_２０_３、ＴｉＮ、ＡＩＮ、ＣｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、およびＰの少なくとも１つを含んでもよい。

本発明に係る摺動部材によれば、オーバレイ層の剥離を抑制できる。

一実施形態に係る半割軸受１３の斜視図。 半割軸受１３のＡ−Ａ断面図。 半割軸受１３の部分拡大断面図。 半割軸受１３の部分拡大断面図の別の例。 関連技術に係る摺動部材の部分拡大断面図。 従来技術に係る半割軸受の断面図。

１１…主軸受、１３…半割軸受、１５…裏金、１７…ライニング層、１９…オーバレイ層、２３…軸方向端部、２４…軸方向端面、２５…面取り部、２７…界面、２８…摺動面、２９…盛上部、３１…頂点、３３…油保持部、４１９…オーバレイ層

１．構造
図１は、一実施形態に係る主軸受（すべり軸受）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や銅合金が用いられる。

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、エポキシ樹脂、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、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、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ＳＢ_２Ｏ_３のうち少なくとも一種を含む。例えばＭｏＳ_２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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＡｌＮ、ＣｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｐのうち少なくとも一種を含む。

図２は、半割軸受１３のＡ−Ａ断面を示す模式図である。すなわち図２は、半割軸受１３の、軸方向に平行（かつ摺動方向に垂直）な断面を示している。図２においては摺動する相手軸は図示していないが、図面上方に相手軸がある。すなわち、図面上方の面が摺動面である。主軸受１１において、各層は、相手軸に近い方から順に、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。

半割軸受１３において、摺動面２８の両端には、バリの除去または発生を防ぐこと等を目的として、端部に面取り部２５が形成されている。摺動面２８に対する面取り部の角度θ１は、例えば３０〜６０°の範囲にある。

図３は、図２のＢ部を拡大した図である。オーバレイ層１９は、軸方向（図２の左右方向）に延在し、摺動面２８および面取り部２５の少なくとも一部を覆っている。すなわち、オーバレイ層１９は、ライニング層１７との界面２７が相手軸の荷重を受けない位置に形成されている。ここで、「相手軸の荷重を受けない位置」とは、少なくとも面取り部２５の一部を覆う位置をいう。

また、オーバレイ層１９は、クラウニング形状を有する。クラウニング形状とは、緩やかに傾斜している形状をいう。傾斜角θ２は、例えば０〜１０°の範囲にある。オーバレイ層１９は、傾斜開始位置Ｐから軸方向端部２３に向かって傾斜している。傾斜開始位置Ｐについては、軸方向端面２４から傾斜開始位置Ｐまでの距離ｗ１が、ｗ１＜Ｗ／２を満たす。ここで、Ｗは２つの軸方向端面２４の間の距離（すなわち軸受の幅）である。

ここで、傾斜開始位置Ｐと摺動面２８の軸方向端部位置Ｄとの膜厚差（オーバレイ層１９の高さの差）Ｓ１は、６μｍ以下であることが好ましい。膜厚差をこの範囲に抑えることで、傾斜開始位置Ｐと相手軸との摩擦抵抗を抑制することができる。

図４は、軸方向端部の別の形状を例示する図である。この例で、オーバレイ層１９は、盛上部２９を有する。盛上部２９は、他の部分より高くなっている（膜厚が厚い）部分である。盛上部２９は、傾斜開始位置Ｐの外側（傾斜開始位置Ｐより端部側）の部分である。傾斜開始位置Ｐについては、軸方向端面２４から傾斜開始位置Ｐまでの距離ｗ１が、ｗ１＜Ｗ／２を満たす。ここで、Ｗは２つの軸方向端面２４の間の距離である。盛上部２９の頂点３１と、オーバレイ層１９の他の部分との高さの差Ｓ２は、６μｍ以下であることが好ましい。なおオーバレイ層１９の他の部分の高さとは、オーバレイ層１９のうち盛上部２９以外の部分の高さの代表値であり、例えば平均値である。あるいは、オーバレイ層１９の軸方向中央部の高さが代表値として用いられてもよい。

また、この例においては、オーバレイ層１９は、盛上部２９の頂点３１からクラウニングを開始しているといえる。したがって、盛上部２９の頂点３１と軸方向端部位置Ｄとの膜厚差Ｓ３が、６μｍ以下であることが好ましい。

図４の構造において、オーバレイ層１９の材料に親油性の高い樹脂を用いることにより、主軸受１１の内周面と相手軸との間の油保持部３３においてエンジン停止時に潤滑油を保持しやすくなる。また、起動時に相手軸と主軸受１１との間に潤滑油を引き込みやすくできる。これにより、油膜厚さが厚くなり、起動時における相手軸と主軸受１１との接触が緩和される。

図５は、関連技術に係る摺動部材の構造を示す図である。この図は、図２のＢ部に相当する位置の拡大図である。この例では、ライニング層１７の上にオーバレイ層４１９が形成されている。オーバレイ層４１９は、面取り部２５上には形成されておらず、摺動面２８上にのみ形成されている。すなわち、オーバレイ層４１９は、摺動面２８の終端位置１８（摺動面２８と面取り部２５との境界）よりも内側に形成されている。すなわちこの例で、オーバレイ層４１９の端部は、相手軸の荷重を受けやすい位置に形成されているといえる。

これに対し本実施形態においては、オーバレイ層１９は面取り部２５まで形成されている。したがって、図５の構造と比較すると基材（ライニング層１７）との密着面積が増えるため、密着量が向上する。また、オーバレイ層の端部においては、基材との界面から潤滑油が侵入し、オーバレイ層の剥がれを引き起こす可能性がある。しかし、本実施形態においては、摺動面２８の近傍においてはオーバレイ層１９との界面が露出していないので、図５の構造と比較して潤滑油が侵入する可能性を低減することができる。さらに、オーバレイ層１９とライニング層１７との界面は相手軸の荷重を受けにくい位置に形成されているので、相手軸の荷重により引き起こされる膜剥がれを低減することができる。さらに、面取り部２５は相手軸と摺動する可能性が低いので、オーバレイ層１９のうち面取り部２５を覆う部分については、摺動特性に与える影響は低い。すなわち、この部分について製造コストをかけずに、オーバレイ層１９を形成することができる。

２．製造方法
一実施形態に係る軸受の製造方法は、以下に示す工程を含む。
（ａ）固体潤滑剤およびバインダー樹脂を含むオーバレイ前駆体を調製する工程
（ｂ）軸受基材を成形する工程
（ｃ）軸受基材上に、オーバレイ前駆体を塗布する工程
（ｄ）オーバレイ前駆体を乾燥させる工程
（ｅ）オーバレイ前駆体を焼成する工程

工程（ａ）のオーバレイ前駆体の調製において、固体潤滑剤とバインダー樹脂とを混合する方法は特に制限されず、公知の方法を用いることができる。例えば、固体潤滑剤とバインダー樹脂とを混練機に入れ、せん断速度０．１〜２ｍ／ｓの条件で混合することにより、オーバレイ前駆体を調整する。

オーバレイ前駆体の調製にあたり、バインダー樹脂は非相溶でもよいが、実用化の観点から少なくとも部分的に相溶していることが好ましい。相溶は、高せん断を加えて機械的にブレンドされたものでもよい。

工程（ｂ）においては、裏金と軸受合金層が例えば圧接され、軸受基材が形成される。さらに、軸受基材は、所定の形状、例えば円筒状または半円筒状に加工される。

工程（ｃ）においてオーバレイ前駆体（塗料）を軸受基材上に塗布する際には、固体潤滑剤とバインダー樹脂の均一な分散のため、希釈剤を用いることが好ましい。希釈剤としては特に制限されないが、例えば、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）が用いられる。また、希釈剤の配合比率は、例えば固形分に対して３０〜７０体積％である。

オーバレイ前駆体を軸受合金層上に塗布・成膜する際には、塗料をパッド印刷、スクリーン印刷、エアースプレー、エアレススプレー、静電塗装、タンブリング、スクイズ法、ロール法等の公知の方法が用いられる。また、全ての成膜方法に共通するものとして、膜厚が不足する場合には、希釈剤中のオーバレイ層の濃度を高くするのではなく、複数回に渡って重ね塗りをしてもよい。

ライニング層１７にオーバレイ層１９をコーティングする方法としては、スプレーコートや、ロールを用いたコーティングがある。スプレーコートを用いる場合、前駆体溶液を薄く、数度に分けて塗ることで、摺動面２８の軸方向端部３５の盛上りを抑制できる。すなわち、相手軸と樹脂オーバレイ層１９の盛上部２９とが局所的に接触して焼き付くのを防止できる。スプレーコートによる噴射角度を調整することで、軸方向端部と軸方向端部以外とを塗り分けることができ、クラウニング形状を形成することができる。この場合にも上記のように薄く何回か塗ることで軸方向端部の表面張力による盛り上がりを抑えることができる。

別の例で、ロールを用いたコーティングを採用する場合には、所望のオーバレイ形状に沿った形状のロールを使用する。なお、面取り部２５のコーティングには、内周面における摺動面２８の軸線方向の長さとほぼ一致する軸線方向幅を有するロールを用いて、ロールの両端からはみ出したコーティング液をそのまま利用してもよい。面取り部２５のコーティングの形状や厚さには相当の許容を持たせることができるためである。

工程（ｄ）においてオーバレイ前駆体を乾燥することで希釈剤を除去する。乾燥時間や乾燥温度等の条件は、希釈剤が乾燥するのであれば特に制限されないが、例えば大気下で５０〜１５０℃で５分〜３０時間、乾燥することが好ましい。乾燥時間は、５〜３０分であることがより好ましい。

工程（ｅ）において焼成することで、オーバレイ層が形成された軸受を得ることができる。具体的には、例えば、工程（ｄ）後の軸受基材を、昇温速度５〜１５℃／分で徐々に焼成温度まで昇温し、大気中で１５０〜３００℃、０．２〜１．５時間、焼成する。

３．実施例
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１〜８および比較例１〜５）を作製し、これらの試料において起動トルクおよび焼付き面圧を測定した。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。焼付き面圧は、耐焼付き性を示す指標である。焼付き面圧が高いほど耐焼付き性に優れていることが示される。焼付き面圧が高いということは、オーバレイ層の剥離が起こりにくいということを示している。

３−１．試料の作製
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、１００℃、２０ｍｉｎで乾燥した後、２００℃、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） ５８体積％
固体潤滑剤（グラファイト） ４０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ｈおよび傾斜開始位置Ｐは表１に記載されている。

３−２．起動トルク測定
起動トルクの測定には、神鋼造機製の回転荷重試験機を用いた。この試験機は、ハウジングに組み付けられた二組の試験軸受部とボールベアリングで軸と連結された荷重負荷用ハウジングで構成されており、相手軸はトルク計を介して駆動用のモーターに連結されている。試験部への給油はハウジングから軸受の油穴を通して行われる。潤滑油は、接触角の測定に用いたエンジン油と同じものを用いた。給油温度は３０℃とした。運転パターンは、起動−停止とし、軸回転速度７００ｒｐｍまでの加速（１．７ｍ／ｓ）と定速運転で１０秒、減速と停止で１０秒の１サイクル２０秒とした。荷重は２０００Ｎ（１．２ＭＰａ）を常時負荷した。サイクル数は１８０サイクル、試験時間は１時間とした。起動トルク測定では、起動時に発生するトルクピーク値を測定するが、試験初期はトルクのばらつきが大きいため、終盤２０サイクルを対象にしてその測定値の平均値で比較評価した。

３−３．焼付き面圧測定
下記に示す条件で焼付き試験を行い、焼付きに至った面圧を焼付面圧として測定した。
回転数：８０００ｒｐｍ
潤滑油：０Ｗ−２０
給油温度：１４０℃
荷重：３分毎に３ｋＮずつ荷重漸増

３−４．評価結果
評価結果を表１に示す。

高低差が１〜６μｍであり、かつ傾斜開始位置ｗ／Ｗが１／２未満の試料（実施例１〜８）は、いずれも起動トルクが２．０Ｎｍ未満であり、かつ焼付き面圧が８０ＭＰａ以上という良好な特性を示した。これに対し、傾斜開始位置ｗ／Ｗが１／２以上の試料（比較例１〜２）は、いずれも起動トルクが２．０Ｎｍ以上であり、かつ焼付き面圧が８０ＭＰａを下回った。また、高低差が７μｍである試料（比較例３〜５）は、いずれも起動トルクが２．１Ｎｍ以上であり、かつ焼付き面圧が７０ＭＰａを下回った。

Claims (7)

1. 相手軸と摺動する摺動面および当該摺動面の軸方向端部に設けられた面取り部を有するライニング層と、
   樹脂で形成され前記面取り部の少なくとも一部を覆うオーバレイ層と
   を有する摺動部材。
2. 前記オーバレイ層は、前記ライニング層の軸方向の幅をＷとしたときに、軸方向端面からの距離がＷ／２よりも短い位置を傾斜開始位置として、前記軸方向端部に向かって傾斜するクラウニング形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記オーバレイ層において、前記傾斜開始位置と前記摺動面の軸方向端部位置との高さの差が６μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
4. 前記オーバレイ層は、
   バインダー樹脂と、
   固体潤滑材および硬質物の少なくとも一方と
   を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の摺動部材。
5. 前記バインダー樹脂は、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、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、ＭｏＳ_２、ＰＴＦＥ、グラファイト、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮ、およびＳＢ_２０_３の少なくとも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、Ａｌ_２０_３、ＴｉＮ、ＡＩＮ、ＣｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、およびＰ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。