WO2014168176A1 - 摺動部材 - Google Patents

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WO2014168176A1
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sliding
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聡 高柳
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大同メタル工業株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1095—Construction relative to lubrication with solids as lubricant, e.g. dry coatings, powder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2240/00—Specified values or numerical ranges of parameters; Relations between them
    • F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap

Definitions

  • the present invention relates to a sliding member.
  • the sliding member has been formed with a surface layer on the sliding surface side of the base material in order to enhance the low friction property with the counterpart member.
  • the surface layer is formed by mixing two kinds of solid lubricants having different hydrogen contents at the molecular level.
  • the solid lubricant is released from the other part while being held on a part of the sliding surface of the substrate.
  • the internal combustion engine is required to have higher fuel efficiency as well as higher output.
  • a sliding member used in an internal combustion engine is required to further improve wear resistance while being required to further improve low friction. Therefore, in the case of Patent Document 1, there is a problem that if the requirement for low friction becomes more severe, the requirement may not be sufficiently satisfied.
  • an object of the present invention is to provide a sliding member that further improves low friction and improves wear resistance and durability.
  • the present inventor conducted earnest experiments by paying attention to the thickness of the surface layer formed on the sliding surface side of the substrate. As a result, the inventor has clarified that the wear resistance is sufficiently maintained for a long period of time while achieving further improvement of the low friction property by breaking the common sense about the roughness of the surface layer. That is, conventionally, it has been considered common knowledge that the surface roughness Rz of the sliding member is made as small as possible with the important factor not to cause oil film breakage. That is, it has been required to smooth the surface as much as possible and to form the oil film uniformly on the sliding portion. For this reason, the fixed concept of keeping the surface roughness Rz low has hindered the development of a sliding member based on a free idea.
  • the sliding member of the present embodiment includes a surface layer made of a solid lubricant on the sliding surface side of the base member with the mating member, and the surface layer has a specific portion having a relatively large thickness and the specific layer. It consists of non-specific parts excluding the part, and the average film thickness T in the non-specific parts is 0.5 ⁇ m ⁇ T ⁇ 10 ⁇ m.
  • a surface layer consists of a specific part and a non-specific part.
  • the specific part is a part where the solid lubricant is locally deposited in the surface layer.
  • the part excluding this specific part is a non-specific part. Specific sites are present irregularly in the surface layer. That is, the sliding member of the present embodiment has a specific portion that irregularly protrudes from the non-specific portion in the surface layer. In other words, the sliding member includes unevenness of the solid lubricant in the surface layer.
  • the oil film is intentionally cut at the sliding part between the sliding member and the mating member in the familiar period of the initial sliding. Therefore, the solid lubricant constituting the surface layer provided on the surface of the sliding member, particularly the solid lubricant present in the specific part, is transferred to the surface of the counterpart member. As a result, a film of solid lubricant transferred from the sliding member is formed on the surface of the counterpart member, that is, the sliding surface with the sliding member. As described above, since the film of the solid lubricant is also formed on the surface of the mating member, the friction coefficient is quickly reduced between the sliding member and the mating member.
  • the solid lubricant of the sliding member is formed later in the life of the sliding member, that is, later in the life of the internal combustion engine to which the sliding member is applied. Even if it decreases due to wear, the solid lubricant film on the surface of the mating member is maintained. Therefore, even at the later stage of the life of the sliding member, low friction can be maintained, wear resistance can be generated for a long time, and durability can be enhanced.
  • the mating member is very hard compared to the sliding member. Therefore, the film of the solid lubricant that is thinly transferred to the hard mating member is not easily worn, and remains sufficiently even at the later stage of the life of the sliding member. Furthermore, the surface layer is formed of only a solid lubricant. Therefore, the solid lubricant film formed on the sliding member and the mating member exhibits extremely high low friction properties. And by setting the film thickness T of the surface layer to 0.5 ⁇ m or more, there is sufficient solid lubricant on the sliding surface of the sliding member, and the entire sliding portion with the mating member becomes the mating member. The transfer of is easy to proceed. As a result, a solid lubricant film can be sufficiently formed not only on the sliding member but also on the sliding portion of the mating member, and the low friction property can be enhanced.
  • the solid lubricant is, for example, MoS 2 , WS 2 , hBN, CF, SnS 2 , or a metal soap in which a fatty acid and a metal such as stearic acid, lauric acid, ricinoleic acid, or octylic acid are combined, or It consists of any one kind or plural kinds of sewing machine annulates, phthalocyanines, amihopes or amino acid-based metal soaps.
  • the maximum height waviness Wz of the specific part is 6.3 ⁇ m ⁇ Wz ⁇ 50 ⁇ m.
  • the sliding member has a surface roughness of Rz of 6.3 ⁇ m or less in order to prevent the oil film from being cut.
  • the inventor of the present application has found that a low friction property is achieved by forming a peculiar part where a solid lubricant is locally attached thick in the surface layer. In this case, when the specific part of the surface layer is measured, the roughness Rz exceeds 6.3 ⁇ m.
  • the measurement reference length in order to correctly evaluate the singular region, the measurement was performed using the maximum height waviness Wz as the surface property parameter.
  • the maximum height waviness was 6.3 ⁇ m ⁇ Wz ⁇ 50 ⁇ m
  • the sliding member showed high low friction properties.
  • the bearing width of a slide bearing to which a sliding member is applied can be used as the measurement reference length for measuring the maximum height waviness Wz.
  • the average film thickness T of the non-specific site is preferably 2 ⁇ m ⁇ T ⁇ 10 ⁇ m. Further, the average film thickness T of the non-specific part is more preferably 2 ⁇ m ⁇ T ⁇ 5 ⁇ m.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line II of FIG. 2 of the sliding member according to the embodiment.
  • the schematic diagram which shows the sliding member by one Embodiment
  • Schematic which shows the Example of the sliding member by one Embodiment. Schematic showing test conditions
  • the sliding member 10 has a surface layer 12 laminated on a base material 11.
  • the substrate 11 has a back metal layer 13 and a bearing alloy layer 14.
  • An intermediate layer may be provided between the back metal layer 13 and the bearing alloy layer 14.
  • the sliding member 10 forms a sliding surface on which the surface layer 12 side slides with the counterpart member.
  • the surface layer 12 is made of a solid lubricant.
  • the surface layer 12 contains only a solid lubricant and does not contain a resin or the like that serves as a binder.
  • a metal compound such as MoS 2 , WS 2 , hBN, CF or SnS 2 is used.
  • the solid lubricant may be a metal soap in which a fatty acid such as stearic acid, lauric acid, ricinoleic acid, or octylic acid is combined with a metal. Further, the solid lubricant may be melamicin annulate, phthalocyanine, amihope or amino acid based metal soap.
  • the surface layer 12 has a specific part 21 and a non-specific part 22 as shown in FIGS.
  • the unique portion 21 is a portion where the solid lubricant is locally thickened in the surface layer 12.
  • a portion of the surface layer 12 excluding the specific portion 21 is a non-specific portion 22.
  • the peculiar part 21 exists irregularly in the surface layer 12.
  • Each of the specific parts 21 has an outer diameter of about 5 mm and protrudes from the non-specific part 22.
  • the sliding member 10 includes unevenness with different thicknesses of the solid lubricant in the surface layer 12.
  • the sliding member 10 of this embodiment was manufactured by the following procedure.
  • the base material 11 made of bimetal in which the bearing alloy layer 14 is lined on the back metal layer 13 was formed in a semi-cylindrical shape.
  • the surface of the bearing alloy layer 14 which is an inner peripheral surface was finished by boring.
  • the surface layer 12 was attached to the bearing alloy layer 14 that had been bored.
  • the surface layer 12 is composed of plate-like crystal particles of a solid lubricant laminated on the surface of the bearing alloy layer 14 without using a resin binder.
  • the solid lubricant was adhered to the bearing alloy layer 14 by spraying so-called shot or the like.
  • the surface layer 12 of this embodiment was formed by setting the powder particle size of the solid lubricant, various conditions in the shot, or various conditions in the coating to appropriate conditions.
  • conditions for the shot the pressure at the time of the shot, the projection amount, the humidity and the like are changed.
  • various conditions in coating the processing speed at the time of coating, an adhesion medium, etc. are changed.
  • the solid lubricant in the surface layer 12 is not flat. That is, the solid lubricant constituting the surface layer 12 does not uniformly adhere to the surface of the bearing alloy layer 14 but adheres while having a thickness.
  • the surface layer 12 is formed with a specific part 21 where the solid lubricant is thick and a non-specific part 22 excluding the specific part 21.

Abstract

本実施形態の摺動部材は、基材の相手部材との摺動面側に、固体潤滑剤からなる表面層を備える。前記表面層は、相対的に厚さが大きな特異部位、及び該特異部位を除く非特異部位からなり、前記非特異部位における平均膜厚Ｔが０．５μｍ≦Ｔ≦１０μｍである。

Description

摺動部材
　本発明は、摺動部材に関する。
　従来、摺動部材は、相手部材との間の低フリクション性を高めるために、基材の摺動面側に表面層を形成している。例えば特開２０１０－１６４０６９号公報の場合、表面層は、分子レベルで水素含有量の異なる２種類の固体潤滑剤を混合して形成されている。この場合、固体潤滑剤は、基材の摺動面の一部に保持されつつ、他部で離脱する。この固体潤滑剤が離脱した基材に耐摩耗性の高い酸化部分を形成することにより、低フリクション性と耐摩耗性との両立を図っている。
　しかしながら、内燃機関は、高出力化とともにさらなる省燃費が求められている。内燃機関に用いられる摺動部材は、低フリクション性の一層の向上が求められる一方で耐摩耗性の一層の向上も求められている。そのため、特許文献１の場合、低フリクション性に対し要求がさらに厳しくなると、その要求を十分に満足できなくなり得るという問題がある。
　そこで、本発明の目的は、低フリクション性をさらに向上するとともに、耐摩耗性及び耐久性が向上する摺動部材を提供することにある。
　本発明者は、基材の摺動面側に形成する表面層の厚さに着目して鋭意実験を重ねた。その結果、発明者は、表面層の粗さについての常識を打破することにより、低フリクション性のさらなる向上を達成しつつ、耐摩耗性も長期間十分に維持されることを解明した。すなわち、従来、摺動部材は、油膜切れを生じさせないことを重要な要素として、表面の粗さＲｚを可能な限り小さくすることが常識と考えられていた。つまり、表面を可能な限り平滑化し、油膜を摺動部分に均一に形成することが求められていた。そのため、この表面粗さＲｚを低く維持するという固定概念が自由な発想による摺動部材の開発を阻害していた。
　本実施形態の摺動部材は、基材の相手部材との摺動面側に、固体潤滑剤からなる表面層を備え、前記表面層は、相対的に厚さが大きな特異部位、及び該特異部位を除く非特異部位からなり、前記非特異部位における平均膜厚Ｔが０．５μｍ≦Ｔ≦１０μｍである。
　このように、本実施形態の摺動部材は、表面層が特異部位及び非特異部位からなる。特異部位は、表面層において固体潤滑剤が局所的に盛られた部位である。表面層の内、この特異部位を除く部位は非特異部位となる。特異部位は、表面層に不規則に存在する。すなわち、本実施形態の摺動部材は、表面層において非特異部位から不規則に突出する特異部位を有している。言い換えると、摺動部材は、表面層に固体潤滑剤のムラを含んでいる。
　これにより、摺動部材と相手部材との摺動部分では、摺動初期のなじみ期において、意図的な油膜切れが生じる。そのため、摺動部材の表面に設けられた表面層を構成する固体潤滑剤、特に特異部位に存在する固体潤滑剤は、相手部材の表面に移着する。その結果、相手部材の表面すなわち摺動部材との摺動面には、摺動部材から移着した固体潤滑剤の膜が形成される。このように、相手部材の表面にも固体潤滑剤の膜が形成されることにより、摺動部材と相手部材との間では早期に摩擦係数が低下する。
　摺動初期において相手部材の表面に固体潤滑剤の膜が形成されることにより、摺動部材の寿命の後期、すなわち摺動部材を適用する内燃機関の寿命の後期に摺動部材の固体潤滑剤が摩耗により減少しても、相手部材の表面の固体潤滑剤の膜が維持されている。そのため、摺動部材の寿命の後期であっても、低フリクション性を維持することができ、耐摩耗性を長期間生じることができ、耐久性を高めることができる。
　ここで、相手部材は、摺動部材に比較して非常に固い。そのため、硬い相手部材に薄く移着した固体潤滑剤の膜は、摩耗しにくく、摺動部材の寿命の後期であっても十分に残存する。さらに、表面層は、固体潤滑剤のみで形成されている。そのため、摺動部材及び相手部材に形成される固体潤滑剤の膜は、極めて高い低フリクション性を発現する。そして、表面層の膜厚Ｔを０．５μｍ以上に設定することにより、摺動部材の摺動面には十分な固体潤滑剤が存在し、相手部材との摺動部分の全体で相手部材への移着が進行しやすい。その結果、摺動部材だけでなく相手部材の摺動部分にも、固体潤滑剤の膜を十分に形成することができ、低フリクション性を高めることができる。
　本実施形態において、固体潤滑剤は、例えばＭｏＳ２、ＷＳ２、ｈＢＮ、ＣＦ、ＳｎＳ２、又はステアリン酸、ラウリン酸、リシノール酸若しくはオクチル酸等の脂肪酸と金属とが結合した金属石けん、又はメラミシンアヌレート、フタロシアニン、アミホープ若しくはアミノ酸系の金属石けんなどのいずれか１種又は複数種からなる。
　また、本実施形態の摺動部材は、前記特異部位の最大高さうねりＷｚが６．３μｍ≦Ｗｚ≦５０μｍである。
　上述のように、摺動部材は、油膜切れを生じさせないために表面粗さを、Ｒｚで６．３μｍ以下にすることが技術常識となっていた。これに対し、本願発明者は、表面層において局所的に固体潤滑剤を厚く付着させた特異部位を形成することにより、低フリクション性を図ることを見出した。この場合、表面層の特異部位を測定すると、粗さＲｚは６．３μｍを超えるものとなっている。
　ここで、粗さの評価には、測定基準長さを設定する必要がある。本実施形態のように表面層に特異領域及び非特異領域を形成する場合、測定基準長さを超えることがあり得る。そこで、本実施形態における粗さの評価では、特異領域を正しく評価するために、表面性状パラメータとして最大高さうねりＷｚを用いて測定を行なった。このように、最大高さうねりが６．３μｍ≦Ｗｚ≦５０μｍとなるとき、摺動部材は高い低フリクション性を示した。なお、最大高さうねりＷｚを測定する測定基準長さは、例えば摺動部材を適用したすべり軸受の軸受幅を用いることができる。
　非特異部位の平均膜厚Ｔは、２μｍ≦Ｔ≦１０μｍであることが好ましい。また、非特異部位の平均膜厚Ｔは、２μｍ≦Ｔ≦５μｍであることがさらに好ましい。
一実施形態による摺動部材の図２のＩ－Ｉ線における模式的な断面図 一実施形態による摺動部材を示す模式図 一実施形態による摺動部材の実施例を示す概略図 試験条件を示す概略図
　以下、本実施形態の摺動部材について詳細に説明する。
　図１に示すように摺動部材１０は、基材１１に表面層１２が積層されている。基材１１は、裏金層１３及び軸受合金層１４を有している。裏金層１３と軸受合金層１４との間には、中間層を設けてもよい。摺動部材１０は、表面層１２側が相手部材と摺動する摺動面を形成する。表面層１２は、固体潤滑剤からなる。この表面層１２は、固体潤滑剤のみを含んでおり、バインダとなる樹脂などを含んでいない。固体潤滑剤としては、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ｈＢＮ、ＣＦ又はＳｎＳ２などの金属化合物等が用いられる。また、固体潤滑剤は、ステアリン酸、ラウリン酸、リシノール酸又はオクチル酸等の脂肪酸と金属とが結合した金属石けんであってもよい。さらに、固体潤滑剤は、メラミシンアヌレート、フタロシアニン、アミホープ又はアミノ酸系の金属石けんであってもよい。
　この表面層１２は、図１及び図２に示すように特異部位２１及び非特異部位２２を有している。特異部位２１は、表面層１２において固体潤滑剤が局所的に厚く盛られた部位で得ある。一方、表面層１２の内、この特異部位２１を除く部位は非特異部位２２である。特異部位２１は、表面層１２に不規則に存在する。特異部位２１は、いずれも外径が５ｍｍ程度であり、非特異部位２２から突出している。このように、摺動部材１０は、表面層１２に固体潤滑剤の厚さの異なるムラを含んでいる。
　本実施形態の摺動部材１０は、以下の手順で製造した。
　裏金層１３に軸受合金層１４をライニングしたバイメタルからなる基材１１は、半円筒形状に形成した。そして、内周面である軸受合金層１４の表面は、ボーリング加工によって仕上げ加工を施した。表面層１２は、ボーリング加工が施された軸受合金層１４に付着させた。この表面層１２は、樹脂バインダを用いることなく軸受合金層１４の表面に積層した固体潤滑剤の板状結晶粒子からなる。固体潤滑剤は、いわゆるショット等の吹き付けによって軸受合金層１４に付着させた。このとき、固体潤滑剤の粉末粒度、ショットにおける諸条件又はコーティングにおける諸条件を適切な条件に設定することにより、本実施形態の表面層１２を形成した。この場合、ショットにおける諸条件としては、ショット時の圧力、投射量及び湿度などを変更する。また、コーティングにおける諸条件としては、コーティング時の処理速度や付着媒体などを変更する。
　このように、軸受合金層１４の表面に固体潤滑剤からなる表面層１２を付着させたとき、表面層１２における固体潤滑剤は平坦とならない。つまり、表面層１２を構成する固体潤滑剤は、軸受合金層１４の表面に均一に付着せず、厚さの大小を有しつつ付着する。その結果、表面層１２には、図１及び図２に示すように固体潤滑剤が厚い特異部位２１と、特異部位２１を除く非特異部位２２とが形成される。
　以上の手順により、図３に示す実施例１～実施例９の摺動部材を形成した。また、同様の手順により、図３に示す比較例１～比較例３の摺動部材を形成した。
　これら実施例１～実施例９、及び比較例１～比較例３は、図４に示す試験条件により、試験を開始してから３０分が経過した後の、起動摩擦係数を測定することにより、評価した。この評価の結果を、図３に示す。
　図３に示すように、本実施形態の条件を充足する実施例１～実施例９の摺動部材１０は、比較例１～比較例３と比較して起動摩擦係数が大きく減少した。
　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。

Claims (4)

  1. 　基材の相手部材との摺動面側に、固体潤滑剤からなる表面層を備える摺動部材であって、
    　前記表面層は、
    　相対的に厚さが大きな特異部位、及び該特異部位を除く非特異部位からなり、
    　前記非特異部位における平均膜厚Ｔが０．５μｍ≦Ｔ≦１０μｍである摺動部材。
  2. 　前記特異部位の最大高さうねりＷｚが６．３μｍ≦Ｗｚ≦５０μｍである請求項１記載の摺動部材。
  3. 　前記非特異部位の平均膜厚Ｔは、２μｍ≦Ｔ≦１０μｍである請求項１又は２記載の摺動部材。
  4. 　前記非特異部位の平均膜厚Ｔは、２μｍ≦Ｔ≦５μｍである請求項３記載の摺動部材。
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