WO2013108741A1

WO2013108741A1 - 摺動部材

Info

Publication number: WO2013108741A1
Application number: PCT/JP2013/050538
Authority: WO
Inventors: 幹人安井; 啓之朝倉; 成也羽根田
Original assignee: 大同メタル工業株式会社
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-07-25
Also published as: JP2013148137A; KR20140112518A; DE202013012215U1; GB2528483A; DE112013000605T5; US20150291904A1

Abstract

　Ａｇを主成分とするオーバレイ層を用いる場合でも、耐焼付性の高い摺動部材を提供する。本実施形態の摺動部材は、基材と、前記基材の摺動側に設けられ、Ａｇを主成分としてＡｌを含むオーバレイ層と、を備える。Ａｇを主成分とするオーバレイ層は、比較的柔らかい。そのため、Ａｇを主成分とするオーバレイ層は、Ｐｂの使用を回避しても、高い耐焼付性を確保することができる。また、Ａｇを主成分とするオーバレイ層は、熱伝導性に優れている。そのため、摺動部で発生する摩擦熱は、速やかに基材側へ放熱される。

Description

摺動部材

　本発明は、摺動部材に関する。

　従来、例えば内燃機関のすべり軸受などの摺動部材は、鋼裏金などの基材の摺動側にオーバレイ層を備えている。このオーバレイ層は、Ｐｂの使用を回避しつつＰｂを含有する摺動部材と同程度の摺動特性を得るために、Ａｇを主成分としてＩｎ、Ｓｎ、Ｂｉなどを添加するものが提案されている（特許文献１）。

　しかしながら、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｂｉは、Ａｇに比較して柔らかいものの、Ａｇに比較して熱伝導率が極端に小さい。そのため、Ａｇを主成分としてＩｎ、Ｓｎ、Ｂｉを添加したオーバレイ層は、相手部材との摺動部で発生した熱を基材側に逃がしにくい。その結果、この種のオーバレイ層は、より厳しい条件下では温度が上昇しやすく、強度および硬度の低下を招き、焼付に至りやすいという問題がある。

特開平１１－２５７３５５号公報

　そこで、本発明の目的は、Ａｇを主成分とするオーバレイ層を用いる場合でも、耐焼付性の高い摺動部材を提供することにある。

　請求項１記載の摺動部材は、基材と、前記基材の摺動側に設けられ、Ａｇを主成分としてＡｌを含むオーバレイ層と、を備える。
　また、請求項２記載の摺動部材は、基材と、前記基材の摺動側に設けられ、Ａｇを主成分としてＡｌを含むとともに、ＳｎおよびＺｎのうち少なくとも一種を含むオーバレイ層と、を備える。

　Ａｇを主成分とするオーバレイ層は、比較的柔らかい。そのため、Ａｇを主成分とするオーバレイ層は、Ｐｂの使用を回避しても、高い耐焼付性を確保することができる。また、Ａｇからなるオーバレイ層は、熱伝導性に優れている。そのため、摺動部で発生する摩擦熱は、速やかに基材側へ放熱される。本発明者らは、Ａｇを主成分とするオーバレイ層にＡｌを添加することにより、オーバレイ層における熱伝導率の著しい低下を招かないことを見出した。すなわち、従来技術として、Ａｇを主成分とするオーバレイ層にＩｎ、Ｓｎ、Ｂｉなどを添加することは知られていた。しかし、これら添加元素としてのＩｎ、Ｓｎ、Ｂｉは、熱伝導率が小さく、相手部材との摺動部分で発生した熱の基材側への速やかな放熱を妨げるという問題がある。これに対し、本発明におけるＡｌは、熱伝導率が比較的大きく、Ａｇを主成分とするオーバレイ層の機能、すなわち高い熱伝導率による基材側への速やかな放熱を促す。したがって、Ａｇを主成分とするオーバレイ層を用いる場合でも高い耐焼付性を得ることができ、より厳しい条件における使用にも耐えることができる。

　また、本発明のＡｇを主成分とするオーバレイ層は、添加元素としてＡｌだけでなく、ＳｎおよびＺｎのうち少なくとも一種を含んでいてもよい。このように、本発明の本質は、Ａｇを主成分としてＡｌを含むオーバレイ層を備えることにある。したがって、このオーバレイ層にＡｌ以外の添加元素および不可避的不純物が含まれることを排除するものではない。

　請求項３記載の摺動部材では、前記オーバレイ層は、Ａｌを０．１質量％～１５質量％含む。Ａｇを主成分とするオーバレイ層は、Ａｇの割合が大きくなるほどＡｇ本来の熱伝導率が発揮され、オーバレイ層から基材側への放熱が促される。一方、このオーバレイ層に含まれるＡｌの割合が大きくなると、オーバレイ層はＡｇ本来の熱伝導率からＡｌの熱伝導率に近づいていく。そこで、本発明では、オーバレイ層にＡｌを添加する場合、その上限を１５質量％としている。

実施形態による摺動部材の模式的な断面図。実施形態による摺動部材の試験結果を示す概略図。実施形態による摺動部材の耐焼付性試験の条件を示す概略図。実施形態による摺動部材の耐焼付性試験に用いる試料を示す概略図。

　以下、摺動部材の具体的な実施形態について説明する。
　まず、本実施形態において試料とする摺動部材の作製手順について説明する。
　図１に示すように、摺動部材１０は、基材１１およびオーバレイ層１２を備えている。基材１１は、裏金層１３およびＣｕ基またはＡｌ基の軸受合金層１４を有している。裏金層１３は、鋼によって形成している。これにより、基材１１は、鋼の裏金層１３およびＣｕ基またはＡｌ基の軸受合金層１４からなるいわゆるバイメタルである。裏金層１３および軸受合金層１４から形成した基材１１は、半円筒状または円筒状に成形する。成形した基材１１は、軸受合金層１４側の表面に例えばボーリング加工などの表面加工を施す。表面加工が施された基材１１は、電解脱脂および酸により表面を洗浄する。このように基材１１は、表面が洗浄された後、スパッタなどによってＡｇを主成分とするＡｇ－Ａｌ合金のオーバレイ層１２が形成される。なお、オーバレイ層１２は、スパッタに代えてＡｌで形成した層にＡｇめっきを施し、拡散を利用してＡｇを主成分とするＡｇ－Ａｌ合金を生成させて、形成させることもできる。この場合、オーバレイ層１２におけるＡｌの拡散量や分布は、温度および時間によって調整することができる。また、基材１１とオーバレイ層１２との間には、一層または二層以上の図示しない中間層を設けてもよい。

　本実施形態では、オーバレイ層１２は、図示しないマグネトロンスパッタリング装置を用いたスパッタにより形成している。オーバレイ層１２を形成する具体的な例として、図２に示す実施例である試料１の摺動部材１０を例に説明する。試料１の場合、バイメタルからなる洗浄後の基材１１は、マグネトロンスパッタリング装置の基材装着部に装着される。また、オーバレイ層１２の材料となるＡｇおよびＡｌは、ターゲットとしてマグネトロンスパッタリング装置のターゲット装着部に装着される。

　基材１１およびターゲットであるＡｇおよびＡｌが装着されると、マグネトロンスパッタリング装置のチャンバは、１．０×１０^－６Ｔｏｒｒまで減圧されるとともに、Ａｒガスの供給により２．０×１０^－３Ｔｏｒｒに調整される。チャンバの圧力が調整されると、基材１１の表面はＡｒガスによってクリーニングされる。この場合、基材１１は、表面に１０００Ｖのバイアス電圧を印加する。これにより、基材１１とターゲットとなるＡｇおよびＡｌとの間にＡｒプラズマを生成させ、１５分間の逆スパッタリングが実施される。Ａｒプラズマによるクリーニングが施されると、ターゲットのＡｇには８Ａ～１４Ａの電流、Ａｌには０．５Ａ～６Ａの電流が流れるように各ターゲットに電圧を印加する。このとき、基材１１とターゲットとの間のバイアス電圧は、１００Ｖ～２００Ｖに設定される。この手順により、ターゲットとなるＡｇおよびＡｌは、Ａｒイオンの衝突によってターゲットからスパッタリングされ、基材１１の軸受合金層１４側の表面に膜状に形成される。

　生成した試料１に相当する試料をＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analysis）を行ったところ、オーバレイ層１２においてＡｇをマトリクスとしてＡｌが均一に分散していることが確認された。Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２におけるＡｌの添加量は、スパッタリングのターゲットとしてターゲット装着部に装着するＡｇおよびＡｌの質量比、およびこれらターゲットとなるＡｇおよびＡｌに流す電流を調整することにより制御することができる。
　以上の手順によって、図２に示すように実施例に相当する試料１～試料１６の摺動部材１０、および比較例に相当する試料１７～試料２０の摺動部材１０を形成した。

　（耐焼付性試験）
　得られた実施例である試料１～試料１６および比較例である試料１７～試料２０の摺動部材１０は、シム噛み試験によって耐焼付性について検証した。
　シム噛み試験の試験条件は、図３に示している。シム噛み試験では、図４に示すように実施例である試料１～試料１６および比較例である試料１７～試料２０の摺動部材１０の外周面に２ｍｍ×２ｍｍ×ｔの金属製のシム１５を取り付けて試験用試料としている。本試験では、シム１５の厚さｔは、１０μｍに設定している。シム１５の厚さｔは、試験の条件に応じて１０μｍから３０μｍ程度に設定することができる。摺動部材１０の試験用試料は、図示しない焼付試験機である回転荷重試験機に取り付けられる。摺動部材１０の試験用試料は、シム１５が取り付けられている。そのため、摺動部材１０の試験用試料を焼付試験機に取り付けたとき、摺動部材１０の試験用試料はシム１５に対応する部分がシム１５の厚さに応じて内周側へ突出する。この突出した部分は、焼付試験機の試験軸に接触することにより発熱する。そのため、試験軸に接触する摺動部材１０の試験用試料に加える荷重を増すことにより、摺動部材１０の試験用試料と試験軸との接触にともなう発熱量は増大する。その結果、摺動部材１０の試験用試料におけるオーバレイ層１２の熱伝導率が低いほど、オーバレイ層１２は早期に焼付が生じやすい。本実施形態における試験の場合、摺動部材１０の試験用試料に加える荷重は、１０分ごとに５ＭＰａずつ増加させている。そして、摺動部材１０の試験用試料の背面温度が２００℃を超え、または焼付試験機に加わるトルクの変動によって焼付試験機の軸駆動用ベルトに滑りが生じると、摺動部材１０の試験用試料は焼付が生じたと判断している。

　以下、検証結果について図２に基づいて耐焼付性として焼き付かない最大面圧（ＭＰａ）の観点から考察する。
　試料１から試料１６は、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２にＡｌを添加した実施例である。これらの実施例は、比較例である試料１７から試料２０に比較して耐焼付性が向上している。すなわち、実施例である試料１から試料１６は、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２にＡｌを添加することにより、オーバレイ層１２がＡｇのみからなる試料１７よりも耐焼付性が向上している。これは、Ａｇよりも軟質なＡｌを添加することにより、なじみ性が向上し、耐焼付性が向上したためと考えられる。同様に、実施例である試料１から試料１６は、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２にＡｌを添加せずにＳｎを添加した試料１８、Ｉｎを添加した試料１９、およびＢｉを添加した試料２０よりも耐焼付性が向上している。試料１から試料１６は、オーバレイ層の熱伝導率が試料１８、試料１９および試料２０よりも大きいことから、耐焼付性が向上したと考えられる。

　一方、実施例である試料１５および試料１６の耐焼付性は、比較例である試料１７と比較して高いものの、実施例である試料１４に比較して低い。これは、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２は、添加するＡｌが増加すると、耐焼付性が低下する傾向にあることを示している。すなわち、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２に添加するＡｌが過剰になると、オーバレイ層１２の熱伝導率はＡｇよりもＡｌに近くなる。そのため、Ａｌの添加量が多い試料１５および試料１６は、試料１４に比較して耐焼付性が低下していると考えられる。したがって、オーバレイ層１２へＡｌを添加することにより耐焼付性の向上が図られるとともに、所定量のＡｌの添加が優れた耐焼付性の発揮に寄与することがわかった。

　また、実施例である試料５の耐焼付性は試料４に比較して向上し、試料８の耐焼付性は試料９に比較して向上している。同様に、試料１１の耐焼付性は、試料１２および試料１３に比較して向上している。これは、Ａｇを主成分としてＡｌを含むオーバレイ層１２の場合、Ａｌ含有量が同程度であれば、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉを添加しない方が耐焼付性を向上させることができることを示している。すなわち、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２にＡｌよりも熱伝導率の小さな元素を添加すると、オーバレイ層１２の熱伝導率はＡｌだけを添加する場合と比較して小さくなる。そのため、オーバレイ層１２にＡｌ以外の元素を添加した試料４、試料９、試料１２および試料１３は、オーバレイ層１２におけるＡｌの含有率が近似する実質的にＡｌのみを添加した試料と比較して耐焼付性が低下していると考えられる。したがって、オーバレイ層１２へＡｌ以外の元素を添加しても耐焼付性が確保できるものの、Ａｌ以外の元素の添加は耐焼付性に対して有利ではないことがわかった。

　また、実施例である試料１～試料１６に基づくと、中間層の有無、中間層の種類、および軸受合金層１４の種類は耐焼付性に与える影響は小さいことがわかった。さらに、特に図示しないものの、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２にＡｌを添加し、これに加えて硬質粒子や実施例で示した以外の金属元素を添加しても、Ａｇのみからなるオーバレイ層１２に比較して高い耐焼付性を示すことがわかった。したがって、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２にＡｌが添加されていれば、その他の添加成分の有無や添加成分の種類に関わらず、過剰な添加量でない限り耐焼付性の向上を図ることができる。

　また、摺動部材１０は、Ａｇを主成分とするオーバレイ層１２の摺動側に、なじみ層などの他の層をさらに設けてもよい。なじみ層などのさらなる層は、例えばＢｉやＢｉ合金からなるものが好ましい。特に図示しないものの、なじみ層を設けた実施形態の摺動部材も、耐焼付性に優れており、特に初期なじみ性に優れていた。このようになじみ層を設けた実施形態の摺動部材１０は、このなじみ層が摩耗してＡｇを主成分とするオーバレイ層１２が露出しても、当然、高い耐焼付性を発揮することができた。

　以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

　１０　摺動部材
　１１　基材
　１２　オーバレイ層
　１３　裏金層
　１４　軸受合金層

Claims

　基材と、
　前記基材の摺動側に設けられ、Ａｇを主成分としてＡｌを含むオーバレイ層と、
　を備える摺動部材。
　基材と、
　前記基材の摺動側に設けられ、Ａｇを主成分としてＡｌを含むとともに、ＳｎおよびＺｎのうち少なくとも一種を含むオーバレイ層と、
　を備える摺動部材。
　前記オーバレイ層は、Ａｌを０．１質量％～１５質量％含む請求項１または２記載の摺動部材。