JPWO2014181562A1 - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

摺動部材は、所定の形状を有する合金で形成された合金層と、前記合金層のうち相手部材と摺動する内周面においてオーバレイ層を形成するバインダー樹脂と、前記オーバレイ層に固体潤滑剤として含まれ、グラファイト化度が９０％以上のグラファイトとを有する。

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。

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。特に、自動車産業では低燃費化のためアイドリングストップシステムを備えたエンジンが増加している。このようなエンジンでは起動／停止回数が増加することから、軸受が相手軸と接触する頻度が増加する。軸受と相手軸との摩擦が大きいと起動トルクが大きくなり、燃費悪化につながる。そのため、エンジン軸受においても、接触−起動時の摩擦を低減することで、起動トルクを小さくする要求が高まっている。

特許文献１は、相手軸と接触した場合でも円滑に作用する軸受を開示している。特許文献２は、摺動部材を混合潤滑領域と流体潤滑領域とに区別し、各々の領域に応じた適切な材料を選択することにより、摩擦係数を小さくする技術を開示している。特許文献３は、摺動部材表面に、摺動部材に対する密着性が良好な親油性の複合酸化物被膜を設けることにより、低摩擦・低摩耗性を実現する方法を開示している。特許文献４は、特定の樹脂に高せん断を加えることによりポリマーアロイ化した樹脂バインダーを用いることにより、非焼付性、初期なじみ性、耐キャビテーション性を向上させた被膜を形成する技術を開示している。特許文献５は、ダイヤモンドライクカーボン被膜を摺動部材表面にコーティングすることにより、摩擦係数を小さくする技術を開示している。

特許第３３８８５０１号明細書 特開平８−１５１９５２号公報 特開２００７−４６４９６号公報 特許第５１２７３３１号明細書 特開２０１２−７１９９号公報

しかしながら、特許文献１〜特許文献５では、起動トルクの低減効果は未だ改善の余地があった。本発明は、起動トルクをより低減す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部材と摺動する内周面においてオーバレイ層を形成するバインダー樹脂と、前記オーバレイ層に固体潤滑剤として含まれ、グラファイト化度が９０％以上のグラファイトとを有する摺動部材を提供する。

前記グラファイトの平均粒径が３μｍ以下であってもよい。

前記オーバレイ層における前記グラファイトの含有量が３０〜７０体積％であってもよい。

前記オーバレイ層がさらに硬質物を含んでもよい。

前記硬質物が、ＳｉＣ、Ａｌ_２０_３、ＴｉＮ、ＡＩＮ、ＣｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２およびＦｅ_３Ｐのうち少なくとも１つを含んでもよい。

前記バインダー樹脂が、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール樹月旨、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイト樹脂およびエポキシ樹脂のうち少なくとも１つを含んでもよい。

前記固体潤滑剤がさらに、ＭｏＳ_２、ポリテトラフルオロエチレン、グラファイト化度９０％未満のグラファイト、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮ（六方晶系窒化ホウ素）およびＳｂ_２０_３のうち少なくとも１つを含んでもよい。

本発明によれば、摩擦係数を低下し、起動トルクを低減することができる。

一実施形態に係る主軸受１１の構成を示す斜視図。

１．構成
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、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。なおアルミニウム合金以外にも、銅合金など、アルミニウム以外の金属をベースにした合金が用いられてもよい。

アルミニウム合金を用いる場合、その組成は特に限定されないが、１０質量％以下のＣｒ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｕ、ＭｇおよびＺｎのうち１種以上の元素と、２０質量％以下のＳｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、ＴｌおよびＢｉのうち１種以上の元素とを含有してもよい。前者の群の元素は主として強度及び耐摩耗性を付与し、後者の群の元素は主としてなじみ性を付与し、それぞれの添加元素の種類と量により、軸受特性が調整される。

銅合金を用いる場合、その組成は特に限定されないが、２５質量％以下のＰｂおよびＢｉの少なくともいずれか１種と、１０質量％以下のＳｎと、２質量％以下のＰ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ａｌ等を含有してもよい。

これらの元素において、軟質金属であるＰｂやＢｉは、なじみ性を与える。青銅の基本成分であるＳｎは、強度と耐摩耗性を与える。その他の成分は補助的に特性を向上させる。特に、Ｐは脱酸素、焼結促進、強化等に有効である。Ａｇは、潤滑油又は銅中の不純物成分Ｓとの反応により、摺動特性向上に有効な化合物を形成する。Ｉｎは耐食性と潤滑油の滞れ性を向上させる。ＮｉやＡｌは銅を強化する。

ライニング層１７の厚さは、例えば０．１〜０．５ｍｍである。裏金１５の厚さは、例えば１．０〜３．０ｍｍである。

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、熱可塑性樹脂等、公知のものを使用することができる。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、ポリフェニレンサルファイド樹脂、およびエポキシ樹脂のうち少なくとも一種を含む。接着力の観点から、ＰＡＩ樹脂が好ましい。

オーバレイ層におけるバインダー樹脂の含有量は他の添加剤の量に応じて決まるが、３０〜７０体積％であることが好ましく、４０〜６５体積％であることがより好ましい。

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。

この例では特に、グラファイト化度（黒鉛化度）９０％以上のグラファイトが固体潤滑剤として用いられる。グラファイトは（００２）面が積層した層状結晶構造をもつ物質であり、その層間がすべり易いという性質を有する。この性質により、黒鉛のへき開面が摺動方向に配向すると摩擦係数が低減する。したがって、固体潤滑剤としてグラファイトを用いることによって摩擦係数を低減することができる。起動トルクを低減する観点から、固体潤滑剤として用いられるグラファイトのグラファイト化度は高い方が好ましい。例えば、グラファイト化度は９０％以上であることが好ましい。さらに、グラファイト化度は１００％に近い方がより好ましい。

グラファイト化度は、平均面間隔（層間距離）ｄ_００２および次式（１）を用いて算出する。平均面間隔ｄ_００２は、Ｘ線回折により測定する。
黒鉛化度＝（３．４４０−ｄ_００２）×１００／０．０８６ …（１）

グラファイトは、エンジン油との親和性が高いという特徴を有している。軸受と相手軸との間には潤滑油としてエンジン油が存在し、被膜（油膜）が形成されている。エンジンの起動−停止回数が増加し、摺動部材と相手軸とが接触する頻度が増加するにつれて、油が漏れ出すことが懸念される。グラファイトはエンジン油と親和性が高いため、オーバレイ層とエンジン油との接触角が小さくなる。そのため、エンジン油の保持性が高められ、漏れを防ぐことができ、持続性が向上する。

オーバレイ層とエンジン油との親和性は、接触角により評価することができる。接触角が小さいほど、エンジン油との親和性が高いことを示す。接触角は２０°以下であることが好ましく、１５°以下であることがより好ましい。

なお、エンジン油との親和性向上という観点においては、固体潤滑剤であるグラファイトのグラファイト化度が９０％未満であっても効果を奏する。摩擦係数の低減およびエンジン油との親和性の向上を両立するためには、グラファイト化度が９０％以上であることが好ましい。

オーバレイ層において、グラファイトの含有量を低減しすぎるとエンジン油との接触角低減による起動トルクの低減効果を持続的に得ることができなくなる。また、グラファイトの含有量を増やしすぎると他の材料（バインダー樹脂等）を加えることができなくなる。以上の観点から、オーバレイ層におけるグラファイトの含有量は、３０〜７０体積％であることが好ましく、３５〜６０体積％であることがより好ましい。

また、グラファイトは、粒径が小さいほど表面粗さが小さくなり、油膜を形成し易くなる。すなわち、低い起動トルクを得ることが可能となる。この観点から、グラファイトの平均粒径は３μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。ここで、グラファイトの平均粒径としては、メジアン径ｄ_５０が用いられる。平均粒径は、公知の方法により測定される。

固体潤滑剤は、グラファイトに加えて他の固体潤滑剤を含んでいてもよい。グラファイトと共に用いられる他の固体潤滑剤は、へき開性を有するものであっても、へき開性を有さないものであってもよい。油膜を保持し、起動トルクの低減効果を妨げないためには、他の固体潤滑剤の粒径は、グラファイトの粒径と同等又はそれ以下であることが好ましい。なお、他の固体潤滑剤の粒径も、公知の方法により測定される。

他の固体潤滑剤の含有量が多すぎると樹脂の含有量が少なくなりバインド力が低下する（オーバレイ層が脆くなる）ので、オーバレイ層における他の固体潤滑剤の含有量は、１〜３０体積％であることが好ましく、１〜２０体積％であることがより好ましい。

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。硬質物の粒径は１μｍ以下であることが好ましい。耐焼付き性の観点から、オーバレイ層における硬質物の含有量は、０．１〜５体積％であることが好ましく、０．３〜３体積％であることがより好ましい。使用する硬質物のモース硬度や粒径に合わせて、適切な添加量を決定することができる。なお硬質物の添加は省略されてもよい。

オーバレイ層の厚さは１〜２０μｍであることが好ましく、２〜１０μｍであることがより好ましい。層の厚さは、固体潤滑剤粒子の配向以外に、軸受基材との接着強度、層内強度、熱伝導性等にも影響を及ぼすと考えられる。

なお、本発明に係る摺動部材の適用例は軸受に限定されない。例えば、ピストンのスカートに本発明が適用されてもよい。ピストンのスカートは、例えば、アルミ合金鋳物であるＡＣ８Ａ、ＡＣ９Ｂ等の高Ｓｉ−Ａｌ合金で形成されている（合金層に相当）。ピストンの耐摩耗性を向上するために、スカートを、バインダー樹脂および固体潤滑剤を含むオーバレイ層で被覆してもよい。この場合、シリンダーが相手部材に相当する。

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（グラファイト）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、グラファイト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。

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
種々の条件で摺動部材の試験片を作製し、これらの試験片を評価した。評価項目としては、エンジン油との接触角、摩擦係数、起動トルクを用いた。

３−１．試験片作製
裏金としては１．２ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ（ＪＩＳ））を、ライニング層（軸受合金）としては厚さ０．３ｍｍのアルミニウム系合金（Ａｌ−８９．５％Ｓｎ−７．０％Ｓｉ−２．０％Ｃｕ−１．Ｏ％Ｃｒ−０．５％）を用いた。これらを接合したバイメタルを基材とした。

ライニング層の表面に、組成を調整したオーバレイ前駆体の塗料をロール法により塗布した。塗布の際、ＮＭＰを希釈剤として用いた。オーバレイ前駆体と希釈剤の割合は５０：５０（重量比）とした。塗布後、１００℃で１５分または９００分、乾燥した。その後、昇温速度１０℃／分で１８０℃まで昇温し、大気中で１時間焼成した。こうして、摺動部材を作製した。なお、オーバレイ層の厚さは６μｍであった。

グラファイト化度を算出するため、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて平均面間隔を測定した。測定条件は以下のとおりである。
ターゲット：Ｃｕ
フィルター：Ｎｉ
管電圧：３０ｋＶ
時定数：１秒
走引速度：２０／分
発散スリット：１°
受光スリット：０．３ｍｍ

グラファイトの粒径は粒度分布測定を行った。なお、その他の固体潤滑剤として用いた化合物及び硬質物の平均粒径は、ＭｏＳ_２：２μｍ、ＷＳ_２：２μｍ、ＰＴＦＥ：２μｍ、Ａ１_２０_３：０．５２ｍ、ＳｉＣ：０．５μｍ、Ｆｅ_３Ｐ：０．５μｍ、ＡｌＮ：０．５μｍであった。これらはいずれもグラファイトの粒径と同様の方法で測定した。

３−２．接触角測定
エンジン油との接触角は、協和界面化学社製の自動接触角計ＤＭ−５０１を用いて以下の条件で行った。試験片に対して、エンジン油を１μＬ滴下し、２５℃における滴下１分後の接触角をθ／２法により測定した。接触角は５回測定し、その相加平均を接触角として採用した。なお、エンジン油としては、ＥＭＧマーケテイング合同会社製のTFF MO SN OW-20 JWS3070Aを用いた。

３−３．摩擦係数測定
摩擦係数の測定には平板形状の試験片と、ボールオンプレートタイプの試験機（大豊工業株式会社製、バウデン式付着すべり試験機）を用いた。相手材として直径８ｍｍの高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ２）球を用いた。相手材を試験片に荷重９．８Ｎで押し付け、試験片を往復運動させた。摩擦係数はロードセルにて検出した摩擦力から算出した。平均のすべり速度は３ｍｍ／秒、摺動幅９ｍｍで、１ストローク中の平均値を摩擦係数とした。摺動回数は１００往復、試験時間は８００秒とし、終盤２０回の摩擦係数の平均値で比較評価した。なお潤滑状態は無潤滑で行った。

３−４．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（１．２ＭＰ ａ）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。

表１は、実験例１〜１７の試験片の特性を、表２は、これらの試験片の評価結果を、それぞれ示している。

固体潤滑剤としてグラファイト化度が９０％以上のグラファイトを用いた試験片（実験例１〜１２）は、固体潤滑剤としてＰＴＦＥ、ＷＳ_２、ＭｏＳ_２を用いた試験片（実験例１３および１５〜１７）よりも起動トルクが低かった。グラファイト度が９０％未満のグラファイトを用いた試験片（実験例１４）と比較すると、グラファイト化度が９０％以上のグラファイトを用いた試験片（実験例１〜１２）は起動トルクが低く、起動トルクの低減効果が高かった。

また、固体潤滑剤としてグラファイトを用いた試験片（実験例１〜１２、および１４）は、グラファイトを用いていない試験片（実験例１３および１５〜１７）よりもエンジン油の接触角が小さく、親油性が向上している傾向が見られた。すなわち、グラファイトを用いることにより起動／停止のサイクルを繰返しても長期にエンジン油を保持する効果が得られることが分かった。

固体潤滑剤としてＭｏＳ_２を用いた実験例１６と実験例１７とを比較すると、耐摩耗性向上のために硬質物を添加すると、起動トルクが高くなった。しかしながら、固体潤滑剤としてグラファイトを用いた試験片（実験例１〜３、５〜７、９、および１１）では、硬質物を添加しても起動トルクの低減効果は得られていた。したがって、固体潤滑剤としてグラファイト化度が９０％以上のグラファイトを用いることにより、耐摩耗性向上と起動トルク低減の効果の両立が実現できる。

本実施形態は、固体潤滑剤としてグラファイト化度が９０％以上のグラファイトを含むオーバレイ層を有する摺動部材に係るものである。本実施形態によれば、起動トルクを低減し、さらには油膜の保持性や耐摩耗性も向上させることができる。本実施形態に係る摺動部材は、例えば、起動／停止回数の多いアイドリングストップシステムを備えたエンジン用の摺動部材として採用される。

Claims (7)

1. 所定の形状を有する合金で形成された合金層と、
   前記合金層のうち相手部材と摺動する内周面においてオーバレイ層を形成するバインダー樹脂と、
   前記オーバレイ層に固体潤滑剤として含まれ、グラファイト化度が９０％以上のグラファイトと
   を有する摺動部材。
2. 前記グラファイトの平均粒径が３μｍ以下である
   請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記オーバレイ層における前記グラファイトの含有量が３０〜７０体積％である
   請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 前記オーバレイ層がさらに硬質物を含む
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の摺動部材。
5. 前記硬質物が、ＳｉＣ、Ａｌ_２０_３、ＴｉＮ、ＡＩＮ、ＣｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２およびＦｅ_３Ｐのうち少なくとも１つを含む
   請求項４に記載の摺動部材。
6. 前記バインダー樹脂が、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール樹月旨、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイト樹脂およびエポキシ樹脂のうち少なくとも１つを含む
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載の摺動部材。
7. 前記固体潤滑剤がさらに、ＭｏＳ_２、ポリテトラフルオロエチレン、グラファイト化度９０％未満のグラファイト、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮおよびＳｂ_２０_３のうち少なくとも１つを含む
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載の摺動部材。