WO2019198369A1 - 摺動部材 - Google Patents

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WO2019198369A1
WO2019198369A1 PCT/JP2019/007765 JP2019007765W WO2019198369A1 WO 2019198369 A1 WO2019198369 A1 WO 2019198369A1 JP 2019007765 W JP2019007765 W JP 2019007765W WO 2019198369 A1 WO2019198369 A1 WO 2019198369A1
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overlay
concentration
intermediate layer
sliding member
lining
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PCT/JP2019/007765
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真也 市川
茂幸 須賀
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大豊工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a sliding member provided with an overlay of Bi and Sb alloy plating film.
  • an overlay layer is formed of a Bi alloy having a Cu content of 0.1 to 10% by mass and an Sb content of 0.1 to 20% by mass (see Patent Document 1). ).
  • Patent Document 1 it is disclosed that the fatigue resistance of the overlay layer is improved by making the crystal structure of the Bi alloy dense with Cu.
  • Patent Document 1 discloses that by adding Sb, the melting point of the overlay layer can be prevented from being lowered and the conformability can be maintained.
  • the sliding member of the present invention is a sliding member provided with an overlay formed by an alloy plating film of Bi and Sb, and the Sb concentration in the overlay is 3.1% by mass or more.
  • the overlay is joined to a lining formed of a copper alloy through an intermediate layer mainly composed of Ag.
  • the overlay contains not only soft Bi but hard Sb, fatigue resistance can be improved by the hard Sb.
  • Cu has the property of being easier to diffuse into Sb than Bi.
  • the average concentration of Sb in the overlay is increased (for example, 3% by mass or more), there is a possibility that Cu diffused from the lining to the overlay may reduce fatigue resistance.
  • the overlay can be hardened by increasing the average concentration of Sb in the overlay, since the overlay becomes brittle due to excessive Sb, resulting in a decrease in fatigue resistance, the average concentration of Sb is 10% by mass or less. It is desirable to be.
  • the average concentration of Sb in the overlay means the average concentration of Sb in the entire range of depth from the surface of the overlay.
  • the overlay 12 can be hardened as the Sb concentration increases, the fatigue resistance can be further improved by increasing the Sb concentration.
  • FIG. 1 is a perspective view of a sliding member 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the sliding member 1 includes a back metal 10, a lining 11, and an overlay 12.
  • the sliding member 1 is a half-divided metal member obtained by dividing a hollow cylinder into two equal parts in the diameter direction and has a semicircular cross section.
  • the sliding bearing A is formed by combining the two sliding members 1 into a cylindrical shape.
  • the slide bearing A supports a cylindrical mating shaft 2 (engine crankshaft) in a hollow portion formed inside.
  • the outer diameter of the mating shaft 2 is formed slightly smaller than the inner diameter of the slide bearing A.
  • Lubricating oil engine oil
  • the sliding member 1 has a structure in which a back metal 10, a lining 11, an intermediate layer 13, and an overlay 12 are laminated in order from the center of curvature. Therefore, the back metal 10 constitutes the outermost layer of the sliding member 1, and the overlay 12 constitutes the innermost layer of the sliding member 1.
  • the back metal 10, the lining 11, the intermediate layer 13, and the overlay 12 each have a constant thickness in the circumferential direction.
  • the back metal 10 has a thickness of 1.8 mm
  • the lining 11 has a thickness of 0.2 mm
  • the intermediate layer 13 has a thickness of 2.0 ⁇ m, for example
  • the overlay 12 has a thickness of 20 ⁇ m.
  • the radius of the surface on the curvature center side of the overlay 12 (the inner diameter of the sliding member 1) is 55 mm.
  • the width of the slide bearing A is 19 mm.
  • the inside means the center of curvature of the sliding member 1
  • the outside means the side opposite to the center of curvature of the sliding member 1.
  • the inner surface of the overlay 12 constitutes the sliding surface of the counterpart shaft 2.
  • the back metal 10 contains 0.15% by mass of C, 0.06% by mass of Mn, and the balance is made of steel made of Fe.
  • the back metal 10 should just be formed with the material which can support the load from the other party shaft 2 via the lining 11 and the overlay 12, and does not necessarily need to be formed with steel.
  • the lining 11 is a layer laminated on the inner side of the back metal 10 and constitutes the base layer of the present invention.
  • the lining 11 contains 10% by mass of Sn, 8% by mass of Bi, and the balance is made of Cu and inevitable impurities.
  • Inevitable impurities of the lining 11 are Mg, Ti, B, Pb, Cr and the like, and are impurities mixed in refining or scrap.
  • the content of inevitable impurities in the lining 11 is 0.5% by mass or less as a whole.
  • the intermediate layer 13 is made of pure Ag.
  • the content of inevitable impurities in the intermediate layer 13 is 0.5% by mass or less as a whole.
  • the overlay 12 is a layer laminated on the inner surface of the lining 11.
  • the overlay 12 is an alloy plating film of Bi and Sb.
  • the overlay 12 is composed of Bi, Sb, and inevitable impurities.
  • the content of inevitable impurities in the overlay 12 is 0.5% by mass or less as a whole.
  • Table 1 is a table showing the concentration (mass concentration) of Sb in the overlay 12.
  • FIG. 2 is a graph showing the concentration (mass concentration) of Sb in the overlay 12.
  • the horizontal axis of FIG. 2 indicates the distance from the interface with the intermediate layer 13, and the vertical axis indicates the concentration of Sb.
  • the Sb concentration (triangle) of sample A converges to about 2% by mass
  • the Sb concentration (circle) of sample B converges to about 1% by mass
  • the concentration of sample C square is shown.
  • the concentration of Sb concentration becomes maximum at the interface with the intermediate layer 13.
  • the concentration of Sb decreases continuously as the distance from the interface with the intermediate layer 13 increases (the depth from the surface of the overlay 12 decreases).
  • the average concentration of Sb in the entire overlay 12 was 3.05% by mass.
  • sample A and sample B the slope (absolute value) of the concentration of Sb decreases as the distance from the interface with the intermediate layer 13 increases, and in the region where the distance from the interface with the intermediate layer 13 is 4 ⁇ m or more, Concentration is almost constant.
  • the slope and standard deviation of the Sb concentration in the first region where the depth from the surface of the overlay 12 is the first depth are The slope from the surface of the overlay is larger than the slope and standard deviation of the Sb concentration in the second region (the region where the distance of the interface X with the intermediate layer 13 is greater than 4 ⁇ m) shallower than the first depth.
  • the slope of the Sb concentration in the first region of the sample A is 7.6 times the slope of the Sb concentration in the second region.
  • the standard deviation of Sb in the first region of sample A is 18.1 times the standard deviation of the Sb concentration in the second region.
  • the slope of the Sb concentration in the first region of the sample B is 3.7 times the slope of the Sb concentration in the second region.
  • the standard deviation of Sb in the first region of sample B is 3.2 times the standard deviation of the concentration of Sb in the second region.
  • the overlay 12 of the present embodiment was formed by the same manufacturing method as that of the sample A, and the Sb concentration on the surface of the overlay 12 having a film thickness of 20 ⁇ m was 1.8% by mass. Therefore, it can be determined that the same Sb concentration gradient as that of the sample A in FIG.
  • the Sb concentration in the overlay 12 can be adjusted by increasing or decreasing the Sb concentration in the electroplating plating bath of the overlay 12 described later.
  • FIGS. 3A and 3B are cross-sectional photographs of the overlay 12.
  • the cross-sectional photographs in FIGS. 3A and 3B are obtained by mapping so that a portion having a higher Sb concentration has a darker color.
  • the concentration of Sb decreases continuously. That is, as the depth from the surface of the overlay 12 becomes deeper, the concentration of Sb increases continuously.
  • the concentration of Bi continuously decreases as the depth from the surface of the overlay 12 increases. That is, as the depth from the surface of the overlay 12 becomes shallower, the concentration of Bi increases continuously.
  • FIG. 3A is an image of a cross section of the overlay 12 having a thickness of about 10 ⁇ m.
  • the Sb concentration in the overlay 12 was measured by energy dispersive X-ray spectroscopy using an electron beam microanalyzer (JEOL, JMS-6610A). Specifically, a plurality of rectangular regions E having different distances from the interface X of the overlay 12 and the intermediate layer 13 to the upper end (end on the surface side) by 1 ⁇ m are set, and the average mass concentration of Sb in the rectangular region E is set. It was measured as the mass concentration of Sb at each distance. An entire area EA constituted by all rectangular areas E was set, and the average mass concentration of Sb in the entire area EA was measured as the average concentration of Sb in the entire overlay.
  • JEOL, JMS-6610A electron beam microanalyzer
  • a fatigue test piece (connecting rod R) in which the intermediate layer 13 was omitted from the sliding member 1 described above was prepared, and when the fatigue area rate was measured, the fatigue area rate was as good as 30%.
  • the average concentration of Sb in the entire overlay 12 is as low as 3.05% by mass as in this embodiment, Cu does not substantially diffuse from the lining 11 to the overlay even if the intermediate layer 13 is not provided. It has been confirmed. Therefore, as in this embodiment, when the average concentration of Sb in the entire overlay is as low as 3.05 mass%, the same fatigue area ratio can be obtained with and without the intermediate layer 13. Conceivable.
  • the intermediate layer 13 itself is broken or peeling occurs at the interface of the intermediate layer 13, the presence of the intermediate layer 13 affects the fatigue area ratio.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a fatigue test. First, as shown in FIG. 4, a connecting rod R in which cylindrical through holes were formed at both ends in the length direction was prepared, and a test axis H (hatching) was supported by the through hole at one end.
  • an overlay 12 (black) similar to the sliding member 1 was formed on the inner peripheral surface of the through-hole of the connecting rod R that supports the test shaft H.
  • the test shaft H was supported on both outer sides of the connecting rod R in the axial direction of the test shaft H, and the test shaft H was rotated so that the sliding speed was 6.6 m / sec.
  • the sliding speed is a relative speed between the surface of the overlay 12 and the test axis H.
  • the end of the connecting rod R opposite to the test shaft H was connected to a moving body F that reciprocated in the length direction of the connecting rod R, and the reciprocating load of the moving body F was 80 MPa. Further, between the connecting rod R and the test shaft H, about 140 ° C. engine oil was supplied.
  • the fatigue test of the overlay 12 was performed by continuing the above state for 50 hours. Then, after the fatigue test, the inner surface (sliding surface) of the overlay 12 is photographed from the position on the straight line orthogonal to the surface so that the straight line is the main optical axis, and the photographed image. An evaluation image was obtained. Then, the damaged portion of the surface of the overlay 12 displayed in the evaluation image is identified by observing with a binocular (magnifying glass), and the damaged portion area, which is the area of the damaged portion, is displayed in the evaluation image. The percentage of the value divided by the area of the entire surface of 12 was measured as the fatigue area ratio.
  • the overlay 12 includes not only soft Bi but hard Sb, fatigue resistance can be improved by the hard Sb. Further, since the concentration of Sb increases as the depth from the surface increases, good conformability can be realized in the early stage of wear, and high wear resistance can be achieved when wear progresses. Furthermore, since the Sb concentration increases as the depth from the surface increases, delamination between layers can be prevented.
  • the slope of the Sb concentration in the first region where the depth from the surface of the overlay 12 is the first depth is the depth from the surface of the overlay. Is larger than the slope of the Sb concentration in the second region (region where the distance of the interface X with the intermediate layer 13 is greater than 4 ⁇ m) shallower than the first depth. Thereby, the hardness of the overlay 12 can be rapidly increased as the wear progresses.
  • the effect of Sb described above is considered to increase as the average concentration of Sb in the overlay 12 increases.
  • the average concentration of Sb in the overlay 12 is increased, Cu diffuses from the lining 11 to the overlay 12, and the adverse effect that the diffused Cu decreases fatigue resistance. Therefore, the intermediate layer 13 is formed as a configuration for suppressing the diffusion of Cu.
  • Table 2 is a table showing the results of the effect confirmation test of the intermediate layer 13.
  • the Cu concentration in the overlay 12 was measured for six types of samples D1, D2, E1, E2, F1, and F2.
  • Samples D1, D2, E1, E2, F1, and F2 are sliding members 1 each having an overlay 12 with an average Sb concentration increased to 5.0% so that Cu diffusion is promoted. is there.
  • Samples D1 and D2 are the sliding members 1 in which the overlay 12 is formed directly on the lining 11 without the intermediate layer 13 interposed therebetween.
  • Samples E1 and E2 are sliding members 1 in which an overlay 12 is formed on a lining 11 via an intermediate layer 13 formed to have a thickness of 2 ⁇ m with pure Ag.
  • Samples E1 and E2 have the same configuration as the intermediate layer 13 of the first embodiment.
  • Samples F1 and F2 are the sliding members 1 in which the overlay 12 is formed on the lining 11 through the intermediate layer 13 formed to have a thickness of 2 ⁇ m with an Ag—Sn alloy. In the Ag—Sn alloy, Sn is contained by 30% by mass.
  • samples D2, E2, and F2 were heat-treated (held at 150 ° C. in air for 50 hours) after completion of the sliding member 1 so that Cu diffusion could occur.
  • samples D1, E1, and F1 are those that have not been heat-treated after the sliding member 1 is completed.
  • FIGS. 5A to 5C are cross-sectional photographs of the overlay 12 in the samples D2, E2, and F2.
  • the cross-sectional photographs in FIGS. 5A to 5C are obtained by mapping so that the higher the Cu concentration, the darker the color.
  • Table 1 it was found that Cu diffused into the overlay 12 only in the sample D2 where the intermediate layer 13 was not formed and heat treatment was performed. It can also be observed in FIG. 5A that Cu is linearly diffused from the lining 11 shown in black in the sample D2.
  • the Cu concentration decreases as the distance from the interface X in the overlay 12 of the sample D2 increases, and Cu diffuses from the lining 11.
  • the Cu concentration is 0 mass% regardless of the heat treatment. Therefore, even if the Sb concentration in the overlay 12 is increased, the amount of Cu diffusing from the lining 11 to the overlay 12 can be suppressed, and the diffused Cu can be prevented from lowering the fatigue resistance. Since the overlay 12 can be hardened as the Sb concentration increases, the fatigue resistance can be further improved by increasing the Sb concentration. Of course, as in the first embodiment, even in the overlay 12 having a low Sb concentration, the diffusion of Cu can be reliably prevented by forming the intermediate layer 13.
  • the method for measuring the Cu concentration in the overlay 12 is the same as the method for measuring the Sb concentration.
  • (1-2) Manufacturing method of sliding member First, a flat plate of low carbon steel having the same thickness as the back metal 10 was prepared. Next, the powder of the material which comprises the lining 11 is spread
  • the flat plate of low carbon steel and the powder spread on the flat plate were sintered.
  • the sintering temperature was controlled at 700 to 1000 ° C., and sintering was performed in an inert atmosphere. After sintering, it was cooled.
  • the lining 11 is not necessarily formed by sintering, and may be formed by casting or the like.
  • a Cu alloy layer is formed on the flat plate of low carbon steel.
  • This Cu alloy layer contains soft Bi particles precipitated during cooling.
  • the low carbon steel on which the Cu alloy layer was formed was pressed so as to have a shape obtained by dividing the hollow cylinder into two equal parts in the diameter direction. At this time, press working was performed so that the outer diameter of the low carbon steel coincided with the outer diameter of the sliding member 1.
  • the surface of the Cu alloy layer formed on the back metal 10 was cut.
  • the cutting amount was controlled so that the thickness of the Cu alloy layer formed on the back metal 10 was the same as that of the lining 11.
  • the lining 11 can be formed with the Cu alloy layer after cutting.
  • the cutting was performed by a lathe on which a cutting tool material formed of sintered diamond was set.
  • an intermediate layer 13 was formed by laminating Ag on the surface of the lining 11 by electroplating to a thickness of 2 ⁇ m.
  • the overlay 12 was formed by laminating Bi on the surface of the intermediate layer 13 by a thickness of 10 ⁇ m by electroplating.
  • the electroplating procedure was as follows. First, the surface of the intermediate layer 13 was washed with water. Further, unnecessary surface oxides were removed from the surface of the intermediate layer 13 by pickling the surface of the intermediate layer 13. Thereafter, the surface of the intermediate layer 13 was washed again with water.
  • the bath composition was a plating bath containing methanesulfonic acid: 150 g / L, methanesulfonic acid Bi: 20 g / L, and organic surfactant: 25 g / L.
  • methanesulfonic acid 150 g / L
  • methanesulfonic acid Bi 20 g / L
  • organic surfactant 25 g / L.
  • pure Sb was dissolved by 0.18 g / L by electrolysis.
  • the bath temperature of the plating bath was 30 ° C.
  • the current supplied to the lining 11 was a direct current, and the current density was 2.0 A / dm 2 .
  • methanesulfonic acid can be adjusted between 50 and 250 g / L
  • methanesulfonic acid Bi can be adjusted between 5 and 40 g / L
  • Sb is 0.1 to 3 g / L
  • the organic surfactant can be adjusted between 0.5 and 50 g / L.
  • the bath temperature of the plating bath can be adjusted at 20 to 50 ° C.
  • the current density of the current supplied to the lining 11 can be adjusted at 0.5 to 7.5 A / dm 2 .
  • the Sb concentration in the overlay 12 can be increased by increasing the Sb ion concentration in the plating bath.
  • the Sb concentration in the plating bath For example, by setting the Sb concentration in the plating bath to 0.2 g / L, the Sb concentration (triangle) that converges to about 2% by mass in FIG. 2 was obtained. By setting the concentration of Sb in the plating bath to 0.1 g / L, the concentration (circle) of Sb that converges to about 1% by mass in FIG. 2 was obtained. It was also found that a concentration gradient of Sb can be realized by using methanesulfonic acid in the plating bath. When overlay 12 was formed with a plating bath using EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) instead of methanesulfonic acid, overlay 12 having no concentration gradient was formed as in sample C of FIG. However, when methanesulfonic acid is used in the plating bath, an Sb concentration gradient is not necessarily formed, but an overlay 12 having no Sb concentration gradient can be formed as shown in FIG. 3A.
  • EDTA ethylenediaminetetraacetic acid
  • the sliding member 1 was completed. Furthermore, the sliding bearing A was formed by combining the two sliding members 1 in a cylindrical shape, and attached to the engine.
  • Table 2 shows the results of measuring the fatigue area ratio for a plurality of samples 1 to 8 in which the thickness of the overlay 12 and the Sb concentration on the surface were changed. Note that the first embodiment corresponds to the sample 7.
  • FIG. 6 is a graph of the fatigue area ratio of Samples 1-8. The vertical axis in FIG. 6 indicates the fatigue area ratio, and the horizontal axis indicates the concentration of Sb on the surface.
  • the fatigue area ratio increases as the film thickness of the overlay 12 increases. This is presumably because the stress acting on the inside of the overlay 12 increases as the film thickness of the overlay 12 increases regardless of the Sb concentration. However, it was confirmed that the fatigue area ratio can be reduced at any film thickness by including Sb in the overlay 12. Therefore, the sliding member 1 having good fatigue resistance can be formed even when the thickness of the overlay 12 is 20 ⁇ m as in the above embodiment.
  • the higher the Sb concentration on the surface the more the fatigue area ratio can be suppressed.
  • concentration of Sb on the surface is 1.0% by mass or more and 3.0% or less (desirably 1.7% by mass or more and 2.6% by mass or less)
  • the sliding member 1 that constitutes the sliding bearing A for bearing the crankshaft of the engine is exemplified, but the sliding bearing 1 for other applications may be formed by the sliding member 1 of the present invention.
  • a radial bearing such as a gear bush for transmission, a piston pin bush or a boss bush may be formed by the sliding member 1 of the present invention.
  • the sliding member of the present invention may be a thrust bearing, various washers, or a swash plate for a car air conditioner compressor.
  • the matrix of the lining 11 is not limited to the Cu alloy, and a matrix material may be selected according to the hardness of the counterpart shaft 2.
  • the back metal 10 is not essential and may be omitted.
  • the thickness of the intermediate layer 13 is not limited to 2.0 ⁇ m, and may be any thickness between 0.5 and 10.0 ⁇ m (preferably 1 to 5.0 ⁇ m). By setting the thickness of the intermediate layer 13 to 0.1 ⁇ m or more, it is possible to reduce the possibility of defects such as pinholes occurring in the intermediate layer 13. By making the thickness of the intermediate layer 13 thicker than 1 ⁇ m, the diffusion of Cu can be reliably prevented by the intermediate layer 13.

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Abstract

【課題】層間の剥離を防止しつつ良好な耐疲労性を実現可能なオーバーレイを備えた摺動部材を提供する。 【解決手段】ＢｉとＳｂの合金めっき被膜によって形成されたオーバーレイを備えた摺動部材であって、前記オーバーレイは、Ａｇを主成分とする中間層を介して、銅合金で形成されたライニングと接合されている。

Description

摺動部材
　本発明は、ＢｉとＳｂの合金めっき被膜のオーバーレイを備えた摺動部材に関する。
　Ｃｕの含有量が０．１～１０質量％であり、Ｓｂの含有量が０．１～２０質量％であるＢｉ合金によってオーバーレイ層を形成することが知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１においては、ＣｕがＢｉ合金の結晶組織を緻密にすることにより、オーバーレイ層の耐疲労性が向上することが開示されている。また、特許文献１において、Ｓｂを添加することにより、オーバーレイ層の低融点化を防ぎ、なじみ性を維持できることが開示されている。
特許第３６９３２５６号
　しかしながら、特許文献１のように、オーバーレイ層にＣｕとＳｂとが併存すると、オーバーレイ層にＣｕ－Ｓｂ化合物が形成され、当該Ｃｕ－Ｓｂ化合物が耐疲労性を悪化させるという問題があった。特に、オーバーレイ層を銅合金で形成されたライニング上に形成した場合、ライニング中のＣｕがオーバーレイ層に拡散していき、Ｃｕ－Ｓｂ化合物の生成が促進されてしまうという問題があった。
　本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、銅合金で形成されたライニング上に形成されたＳｂを含むＢｉ合金のオーバーレイにおいて良好な耐疲労性を発揮できる摺動部材を提供することを目的とする。
　前記の目的を達成するため、本発明の摺動部材は、ＢｉとＳｂの合金めっき被膜によって形成されたオーバーレイを備えた摺動部材であって、オーバーレイにおけるＳｂの濃度が３．１質量％以上であり、オーバーレイは、Ａｇを主成分とする中間層を介して、銅合金で形成されたライニングと接合されている。
　前記の構成において、オーバーレイに軟質のＢｉだけでなく硬質のＳｂが含まれるため、硬質のＳｂによって耐疲労性を向上させることができる。ここで、ＣｕはＢｉよりもＳｂに拡散しやすいという性質がある。オーバーレイにおけるＳｂの平均濃度を高くするほど（例えば３質量％以上）にすると、ライニングからオーバーレイに拡散したＣｕが耐疲労性を低下させる可能性が生じることとなる。なお、オーバーレイにおけるＳｂの平均濃度を高くすることによりオーバーレイを硬くすることができるが、過剰なＳｂによってオーバーレイが脆化して耐疲労性の低下を招くため、Ｓｂの平均濃度は１０質量％以下であることが望ましい。
　これに対して、Ｃｕが拡散しにくいＡｇを主成分とする中間層を、ライニングとオーバーレイとの間に介在させることにより、ライニングからオーバーレイにＣｕが拡散する量を低減でき、耐疲労性が低下する可能性を低減できる。ここで、オーバーレイにおけるＳｂの平均濃度とは、オーバーレイの表面からの深さの全範囲におけるＳｂの平均濃度を意味する。また、Ｓｂの濃度が高くなるほどオーバーレイ１２を硬くすることができるため、Ｓｂの濃度を高濃度化することにより、耐疲労性をより向上させることができる。
本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。 オーバーレイにおけるＳｂの濃度のグラフである。 図３Ａ，図３Ｂはオーバーレイの断面の写真である。 疲労試験の説明図である。 図５Ａ～図５Ｃはオーバーレイの断面の写真である。 Ｓｂの濃度と疲労面積率との関係を示すグラフである。
　ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）第１実施形態：
　（１－１）摺動部材の構成：
　（１－２）摺動部材の製造方法：
（２）他の実施形態：
　（１）第１実施形態：
　　（１－１）摺動部材の構成：
　図１は、本発明の一実施形態にかかる摺動部材１の斜視図である。摺動部材１は、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とを含む。摺動部材１は、中空状の円筒を直径方向に２等分した半割形状の金属部材であり、断面が半円弧状となっている。２個の摺動部材１を円筒状になるように組み合わせることにより、すべり軸受Ａが形成される。すべり軸受Ａは内部に形成される中空部分にて円柱状の相手軸２（エンジンのクランクシャフト）を軸受けする。相手軸２の外径はすべり軸受Ａの内径よりもわずかに小さく形成されている。相手軸２の外周面と、すべり軸受Ａの内周面との間に形成される隙間に潤滑油（エンジンオイル）が供給される。その際に、すべり軸受Ａの内周面上を相手軸２の外周面が摺動する。
　摺動部材１は、曲率中心から遠い順に、裏金１０とライニング１１と中間層１３とオーバーレイ１２とが順に積層された構造を有する。従って、裏金１０が摺動部材１の最外層を構成し、オーバーレイ１２が摺動部材１の最内層を構成する。裏金１０とライニング１１と中間層１３とオーバーレイ１２とは、それぞれ円周方向において一定の厚みを有している。裏金１０の厚みは１．８ｍｍであり、ライニング１１の厚みは０．２ｍｍであり、中間層１３の厚みは例えば２．０μｍであり、オーバーレイ１２の厚みは２０μｍである。オーバーレイ１２の曲率中心側の表面の半径の２倍（摺動部材１の内径）は５５ｍｍである。すべり軸受Ａの幅は１９ｍｍである。以下、内側とは摺動部材１の曲率中心側を意味し、外側とは摺動部材１の曲率中心と反対側を意味することとする。オーバーレイ１２の内側の表面は、相手軸２の摺動面を構成する。
　裏金１０は、Ｃを０．１５質量％含有し、Ｍｎを０．０６質量％含有し、残部がＦｅからなる鋼で形成されている。なお、裏金１０は、ライニング１１とオーバーレイ１２とを介して相手軸２からの荷重を支持できる材料で形成されればよく、必ずしも鋼で形成されなくてもよい。
　ライニング１１は、裏金１０の内側に積層された層であり、本発明の基層を構成する。ライニング１１は、Ｓｎを１０質量％含有し、Ｂｉを８質量％含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。ライニング１１の不可避不純物はＭｇ，Ｔｉ，Ｂ，Ｐｂ，Ｃｒ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。ライニング１１における不可避不純物の含有量は、全体で０．５質量％以下である。
　中間層１３は、純Ａｇによって形成されている。中間層１３における不可避不純物の含有量は、全体で０．５質量％以下である。
　オーバーレイ１２は、ライニング１１の内側の表面上に積層された層である。オーバーレイ１２は、ＢｉとＳｂの合金めっき被膜である。また、オーバーレイ１２は、ＢｉとＳｂと不可避不純物とからなる。オーバーレイ１２おける不可避不純物の含有量は、全体で０．５質量％以下である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１は、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度（質量濃度）を示す表である。図２は、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度（質量濃度）を示すグラフである。図２の横軸は中間層１３との界面からの距離を示し、縦軸はＳｂの濃度を示す。表１，図２においては、約２質量％に収束する試料ＡのＳｂの濃度（三角）と、約１質量％に収束する試料ＢのＳｂの濃度（丸）と、濃度勾配を有さない試料Ｃの濃度（四角）とが示されている。図２に示すように、試料Ａ，試料Ｂにおいて、中間層１３との界面においてＳｂの濃度が最大となる。そして、試料Ａ，試料Ｂにおいて、中間層１３との界面からの距離が長くなるほど（オーバーレイ１２の表面からの深さが浅くなるほど）、Ｓｂの濃度が連続的に低くなっている。オーバーレイ１２全体におけるＳｂの平均濃度は３．０５質量％であった。
　試料Ａ，試料Ｂにおいて、中間層１３との界面からの距離が大きくなるほどＳｂの濃度の傾き（絶対値）が小さくなり、中間層１３との界面からの距離が４μｍ以上となる領域においてＳｂの濃度がほぼ一定に収束している。試料Ａ，試料Ｂにおいて、オーバーレイ１２の表面からの深さが第１深さとなる第１領域（中間層１３との界面Ｘの距離が４μｍ以下の領域）におけるＳｂの濃度の傾きと標準偏差は、オーバーレイの表面からの深さが第１深さよりも浅い第２領域（中間層１３との界面Ｘの距離が４μｍよりも大きい領域）におけるＳｂの濃度の傾きと標準偏差よりも大きい。
　試料Ａの第１領域におけるＳｂの濃度の傾きは、第２領域におけるＳｂの濃度の傾きの７．６倍となっている。試料Ａの第１領域におけるＳｂの標準偏差は、第２領域におけるＳｂの濃度の標準偏差の１８．１倍となっている。一方、試料Ｂの第１領域におけるＳｂの濃度の傾きは、第２領域におけるＳｂの濃度の傾きの３．７倍となっている。試料Ｂの第１領域におけるＳｂの標準偏差は、第２領域におけるＳｂの濃度の標準偏差の３．２倍となっている。
　本実施形態のオーバーレイ１２は、試料Ａと同様の製造方法で形成されるとともに、膜厚が２０μｍとなるオーバーレイ１２の表面におけるＳｂの濃度は１．８質量％であった。従って、本実施形態においても図２の試料Ａと同様のＳｂの濃度勾配が存在すると判断できる。なお、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度は、後述するオーバーレイ１２の電気めっきのめっき浴におけるＳｂ濃度の増減によって調整できる。
　図３Ａ，図３Ｂは、オーバーレイ１２の断面写真である。図３Ａ，図３Ｂの断面写真は、Ｓｂの濃度が高い部位ほど濃い色になるようにマッピングが行われたものでる。図３に示されるように、オーバーレイ１２の表面からの深さが浅くなるほど、Ｓｂの濃度が連続的に低くなっていく。すなわち、オーバーレイ１２の表面からの深さが深くなるほど、Ｓｂの濃度が連続的に高くなっている。また、Ｓｂの残部がＢｉであると考えることができるため、オーバーレイ１２の表面からの深さが深くなるほど、Ｂｉの濃度が連続的に低くなっている。すなわち、オーバーレイ１２の表面からの深さが浅くなるほど、Ｂｉの濃度が連続的に高くなっている。なお、図３Ａは、厚さが約１０μｍのオーバーレイ１２の断面を撮像したものである。
　なお、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度は、電子線マイクロアナライザ（日本電子製　ＪＭＳ－６６１０Ａ）を用いて、エネルギー分散型Ｘ線分光法により計測した。具体的に、オーバーレイ１２と中間層１３との界面Ｘから上端（表面側の端）までの距離が１μｍずつ異なる複数の矩形領域Ｅを設定し、当該矩形領域Ｅ内におけるＳｂの平均質量濃度を各距離におけるＳｂの質量濃度として計測した。すべての矩形領域Ｅによって構成される全体領域ＥＡを設定し、当該全体領域ＥＡ内におけるＳｂの平均質量濃度をオーバーレイ全体におけるＳｂの平均濃度として計測した。
　以上説明した摺動部材１から中間層１３を省略した疲労試験片（コンロッドＲ）を作成し、その疲労面積率を計測したところ、疲労面積率は３０％と良好であった。ここで、本実施形態のように、オーバーレイ１２全体におけるＳｂの平均濃度が３．０５質量％と低濃度である場合、中間層１３を設けなくても、ライニング１１からオーバーレイにＣｕがほぼ拡散しないことが確認されている。そのため、本実施形態のように、オーバーレイ全体におけるＳｂの平均濃度が３．０５質量％と低濃度である場合、中間層１３がある場合とない場合とで同様の疲労面積率が得られるものと考えられる。ここで、中間層１３そのものが破壊したり、中間層１３の界面で剥離が起きたりする場合には、中間層１３の存在が疲労面積率に影響することとなる。本実施形態において、中間層１３の破壊や剥離が生じなかったため中間層１３がある場合とない場合とで同様の疲労面積率が得られるものと考えられる。そのため、中間層１３を省略した疲労試験片を使用した。疲労面積率は、以下の手順で計測した。図４は、疲労試験の説明図である。まず、図４に示すように、長さ方向の両端に円柱状の貫通穴が形成されたコンロッドＲを用意し、一端の貫通穴にて試験軸Ｈ（ハッチング）を軸受けさせた。
　なお、試験軸Ｈを軸受けするコンロッドＲの貫通穴の内周面に摺動部材１と同様のオーバーレイ１２（黒色）を形成した。試験軸Ｈの軸方向におけるコンロッドＲの両外側において試験軸Ｈを軸受けし、摺動速度が６．６ｍ／秒となるように試験軸Ｈを回転させた。摺動速度とは、オーバーレイ１２の表面と試験軸Ｈとの間の相対速度である。試験軸Ｈとは反対側のコンロッドＲの端部を、コンロッドＲの長さ方向に往復移動する移動体Ｆに連結し、当該移動体Ｆの往復荷重を８０ＭＰａとした。また、コンロッドＲと試験軸Ｈとの間には、約１４０℃のエンジンオイルを給油した。
　以上の状態を５０時間にわたって継続することにより、オーバーレイ１２の疲労試験を行った。そして、疲労試験後において、オーバーレイ１２の内側の表面（摺動面）を、当該表面に直交する直線上の位置から当該直線を主光軸とするように撮影し、当該撮影された画像である評価画像を得た。そして、評価画像に映し出されたオーバーレイ１２の表面のうち損傷した部分をビノキュラー（拡大鏡）で観察して特定し、当該損傷した部分の面積である損傷部面積を、評価画像に映し出されたオーバーレイ１２の表面全体の面積で除算した値の百分率を疲労面積率として計測した。
　以上説明した本実施形態において、オーバーレイ１２に軟質のＢｉだけでなく硬質のＳｂが含まれるため、硬質のＳｂによって耐疲労性を向上させることができる。また、表面からの深さが深くなるにつれてＳｂの濃度が高くなるため、摩耗初期においては良好ななじみ性を実現し、摩耗が進行した段階で高い耐摩耗性を実現できる。さらに、表面からの深さが深くなるにつれてＳｂの濃度が高くなるため、層間の剥離を防止することができる。
　また、オーバーレイ１２の表面からの深さが第１深さとなる第１領域（中間層１３との界面Ｘの距離が４μｍ以下の領域）におけるＳｂの濃度の傾きは、オーバーレイの表面からの深さが第１深さよりも浅い第２領域（中間層１３との界面Ｘの距離が４μｍよりも大きい領域）におけるＳｂの濃度の傾きよりも大きい。これにより、摩耗の進行とともにオーバーレイ１２の硬度を急激に増加させることができる。
　以上説明したＳｂの効果は、オーバーレイ１２におけるＳｂの平均濃度が高くなるほど大きくなると考えられる。しかし、オーバーレイ１２におけるＳｂの平均濃度を高くすると、Ｃｕがライニング１１からオーバーレイ１２に拡散し、拡散したＣｕが耐疲労性を低下させるという弊害が生じることとなる。そこで、Ｃｕの拡散を抑制するための構成として中間層１３を形成することとした。
　以下、中間層１３の効果確認試験の結果について説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　表２は、中間層１３の効果確認試験の結果を示す表である。中間層１３の効果確認試験においては、６種類の試料Ｄ１，Ｄ２，Ｅ１，Ｅ２，Ｆ１，Ｆ２について、オーバーレイ１２におけるＣｕの濃度を計測した。試料Ｄ１，Ｄ２，Ｅ１，Ｅ２，Ｆ１，Ｆ２は、いずれもＣｕの拡散が促進されるように、Ｓｂの平均濃度を５．０％と高濃度化したオーバーレイ１２を形成した摺動部材１である。
　試料Ｄ１，Ｄ２は、中間層１３を介することなく、ライニング１１上に、直接、オーバーレイ１２を形成した摺動部材１である。試料Ｅ１，Ｅ２は、純Ａｇによって厚みが２μｍとなるように形成された中間層１３を介して、ライニング１１上にオーバーレイ１２を形成した摺動部材１である。試料Ｅ１，Ｅ２は、第１実施形態の中間層１３と同じ構成である。試料Ｆ１，Ｆ２は、Ａｇ－Ｓｎ合金によって厚みが２μｍとなるように形成された中間層１３を介して、ライニング１１上にオーバーレイ１２を形成した摺動部材１である。Ａｇ－Ｓｎ合金においてＳｎは３０質量％だけ含有されている。
　試料Ｄ２，Ｅ２，Ｆ２は、Ｃｕの拡散が生じ得るように、摺動部材１の完成後に熱処理（大気中において１５０℃で５０時間保持）を行ったものである。一方、試料Ｄ１，Ｅ１，Ｆ１は摺動部材１の完成後に熱処理を行っていないものである。
　図５Ａ～図５Ｃは、試料Ｄ２，Ｅ２，Ｆ２におけるオーバーレイ１２の断面写真である。図５Ａ～図５Ｃの断面写真は、Ｃｕの濃度が高い部位ほど濃い色になるようにマッピングが行われたものでる。表１に示すように、中間層１３を形成せず、かつ、熱処理を行った試料Ｄ２においてのみオーバーレイ１２にＣｕが拡散することが分かった。試料Ｄ２において黒色で示されたライニング１１からＣｕが線状に拡散していることが、図５Ａにおいても観察できる。なお、試料Ｄ２のオーバーレイ１２において界面Ｘからの距離が長くなるほどＣｕの濃度が低くなり、Ｃｕがライニング１１から拡散していることが理解できる。従って、中間層１３を形成することなく、Ｓｂが高濃度のオーバーレイ１２を形成した摺動部材１を実製品の使用環境において使用すると、Ｃｕがライニング１１からオーバーレイ１２に拡散し、拡散したＣｕが耐疲労性を低下させることが理解できる。
　これに対して、中間層１３を設けた試料Ｅ２，Ｆ２においては、熱処理を行ったにも拘わらず、いずれもＣｕの濃度が０質量％となっている。従って、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度を高濃度化しても、ライニング１１からオーバーレイ１２に拡散するＣｕの量を抑制でき、拡散したＣｕが耐疲労性を低下させることを防止できる。Ｓｂの濃度が高くなるほどオーバーレイ１２を硬くすることができるため、Ｓｂの濃度を高濃度化することにより、耐疲労性をより向上させることができる。むろん、第１実施形態のように、Ｓｂが低濃度のオーバーレイ１２においても、中間層１３を形成することにより、確実にＣｕの拡散を防止できる。なお、オーバーレイ１２におけるＣｕの濃度の計測方法は、Ｓｂの濃度の計測方法と同じである。
　（１－２）摺動部材の製造方法：
　まず、裏金１０と同じ厚みを有する低炭素鋼の平面板を用意した。
　次に、低炭素鋼で形成された平面板上に、ライニング１１を構成する材料の粉末を散布する。具体的に、上述したライニング１１における各成分の質量比となるように、Ｃｕの粉末とＢｉの粉末とＳｎの粉末とを低炭素鋼の平面板上に散布した。ライニング１１における各成分の質量比が満足できればよく、Ｃｕ－Ｂｉ，Ｃｕ－Ｓｎ等の合金粉末を低炭素鋼の平面板上に散布してもよい。粉末の粒径は、試験用ふるい（ＪＩＳ　Ｚ８８０１）によって１５０μｍ以下に調整した。
　次に、低炭素鋼の平面板と、当該平面板上に散布した粉末とを焼結した。焼結温度を７００～１０００℃に制御し、不活性雰囲気中で焼結した。焼結後、冷却した。なお、ライニング１１は必ずしも焼結によって形成されなくてもよく、鋳造等によって形成されてもよい。
　冷却が完了すると、低炭素鋼の平面板上にＣｕ合金層が形成される。このＣｕ合金層には、冷却中に析出した軟質のＢｉ粒子が含まれることとなる。
　次に、中空状の円筒を直径方向に２等分した形状となるように、Ｃｕ合金層が形成された低炭素鋼をプレス加工した。このとき、低炭素鋼の外径が摺動部材１の外径と一致するようにプレス加工した。
　次に、裏金１０上に形成されたＣｕ合金層の表面を切削加工した。このとき、裏金１０上に形成されたＣｕ合金層の厚みがライニング１１と同一となるように、切削量を制御した。これにより、切削加工後のＣｕ合金層によってライニング１１が形成できる。切削加工は、例えば焼結ダイヤモンドで形成された切削工具材をセットした旋盤によって行った。
　次に、ライニング１１の表面上にＡｇを電気めっきによって２μｍの厚みだけ積層することにより、中間層１３を形成した。次に、中間層１３の表面上にＢｉを電気めっきによって１０μｍの厚みだけ積層することにより、オーバーレイ１２を形成した。電気めっきの手順は以下のとおりとした。まず、中間層１３の表面を水洗した。さらに、中間層１３の表面を酸洗することにより、中間層１３の表面から不要な酸化物を除去した。その後、中間層１３の表面を、再度、水洗した。
　以上の前処理が完了すると、めっき浴に浸漬させたライニング１１に電流を供給することにより電気めっきを行った。メタンスルホン酸：１５０ｇ／Ｌとメタンスルホン酸Ｂｉ：２０ｇ／Ｌと有機系界面活性剤：２５ｇ／Ｌとを含むめっき浴の浴組成とした。以上のめっき浴において、電気分解によって純Ｓｂを０．１８ｇ／Ｌだけ溶解させた。めっき浴の浴温度を、３０℃とした。さらに、ライニング１１に供給する電流を直流電流とし、その電流密度を２．０Ａ／ｄｍ2とした。
　なお、めっき浴において、メタンスルホン酸は５０～２５０ｇ／Ｌの間で調整可能であり、メタンスルホン酸Ｂｉは５～４０ｇ／Ｌの間で調整可能であり、Ｓｂは０．１～３ｇ／Ｌであり、有機系界面活性剤は０．５～５０ｇ／Ｌの間で調整可能である。また、めっき浴の浴温度は２０～５０℃で調整可能であり、ライニング１１に供給する電流の電流密度は０．５～７．５Ａ／ｄｍ2で調整可能である。オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度は、めっき浴におけるＳｂのイオン濃度を大きくすることによって高くすることができる。
　例えば、めっき浴におけるＳｂの濃度を０．２ｇ／Ｌとすることにより、図２において約２質量％に収束するＳｂの濃度（三角）が得られた。めっき浴におけるＳｂの濃度を０．１ｇ／Ｌとすることにより、図２において約１質量％に収束するＳｂの濃度（丸）が得られた。また、メタンスルホン酸をめっき浴に使用することにより、Ｓｂの濃度勾配を実現できることが分かった。メタンスルホン酸の代わりにＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）を使用しためっき浴でオーバーレイ１２を形成したところ、図２の試料Ｃのように濃度勾配を有さないオーバーレイ１２が形成された。ただし、メタンスルホン酸をめっき浴に使用した場合に、必ずしもＳｂの濃度勾配が形成されるのではなく、図３Ａに示すようにＳｂの濃度勾配がないオーバーレイ１２を形成することも可能である。
　以上のようにして、電気めっきを行った後に、水洗と乾燥を行った。これにより、摺動部材１を完成させた。さらに、２個の摺動部材１を円筒状に組み合わせることにより、すべり軸受Ａを形成し、エンジンに取り付けた。
　（２）他の実施形態：
　表２は、オーバーレイ１２の膜厚と表面におけるＳｂの濃度を変化させた複数の試料１～８について疲労面積率を計測した結果を示す。なお、第１実施形態は、試料７に該当する。図６は、試料１～８の疲労面積率のグラフである。図６の縦軸は疲労面積率を示し、横軸は表面におけるＳｂの濃度を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　まず、オーバーレイ１２の膜厚が大きいほど疲労面積率が大きくなる。これは、Ｓｂの濃度に拘わらず、オーバーレイ１２の膜厚が大きくなると、オーバーレイ１２の内部に作用する応力が大きくなるからであると考えられる。しかし、オーバーレイ１２にＳｂを含有させることにより、いずれの膜厚においても疲労面積率を低減できることが確認できた。従って、前記実施形態のようにオーバーレイ１２の膜厚を２０μｍとしても良好な耐疲労性を有する摺動部材１を形成できる。
　また、同一の膜厚間で疲労面積率を比較すると、表面におけるＳｂの濃度が高いほど疲労面積率を抑制できる。表面におけるＳｂの濃度を１．０質量％以上かつ３．０％以下（望ましくは１．７質量％以上かつ２．６質量％以下）とすることにより、疲労面積率を抑制できる。
　前記実施形態においては、エンジンのクランクシャフトを軸受けするすべり軸受Ａを構成する摺動部材１を例示したが、本発明の摺動部材１によって他の用途のすべり軸受Ａを形成してもよい。例えば、本発明の摺動部材１によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等のラジアル軸受を形成してもよい。さらに、本発明の摺動部材は、スラスト軸受であってもよく、各種ワッシャであってもよいし、カーエアコンコンプレッサ用の斜板であってもよい。また、ライニング１１のマトリクスはＣｕ合金に限られず、相手軸２の硬さに応じてマトリクスの材料が選択されればよい。また、裏金１０は、必須ではなく省略されてもよい。中間層１３の厚みは、２．０μｍに限らず、０．５～１０．０μｍ（望ましくは１～５．０μｍ）の間の任意の厚みであってもよい。中間層１３の厚みを０．１μｍ以上とすることにより、中間層１３にピンホール等の欠陥が生じる可能性を低減できる。中間層１３の厚みを１μｍよりも厚くすることにより、Ｃｕの拡散を中間層１３によって確実に防止できる。
１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、１２…オーバーレイ、Ａ…軸受、Ｅ…矩形領域、Ｆ…移動体、Ｈ…試験軸、Ｒ…コンロッド、Ｘ…界面

Claims (2)

  1. 　ＢｉとＳｂの合金めっき被膜によって形成されたオーバーレイを備えた摺動部材であって、
    　前記オーバーレイは、Ａｇを主成分とする中間層を介して、銅合金で形成されたライニングと接合されている、
    ことを特徴とする摺動部材。
  2. 　前記中間層は、純ＡｇまたはＡｇ－Ｓｎ合金によって形成されている、
    請求項１に記載の摺動部材。
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