JP2020132924A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】オーバーレイにおけるＣｕ−Ｓｂ化合物の生成と層間の剥離とが生じる可能性を低減できる技術を提供する。
【解決手段】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、Ａｌ合金で形成されたライニングと、Ｃｕを主成分とし、ライニング上に積層された第１中間層と、Ａｇを主成分とし、前記第１中間層と前記オーバーレイとを接合する第２中間層と、を備える。
【選択図】図２

Description

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。

Ｂｉの被覆層とＡｇの中間層とからなるオーバーレイを備えた摺動部材が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１においては、中間層におけるＡｇの結晶粒のサイズを調整することにより、オーバーレイの層間の密着性を向上させている。さらに、被覆層におけるＢｉの結晶粒のサイズを調整することにより、オーバーレイの層間の密着性と耐疲労性とを向上させている。

特許第３６９３２５６号

しかしながら、特許文献１において、軸受合金層をＡｌ合金で形成した場合、Ａｌ合金の軸受合金層とＡｇの中間層の間の剥離が生じるという問題があった。Ａｌ合金とＡｇのめっき皮膜との間の密着性が悪いからである。
さらに、特許文献１のように、オーバーレイ層にＣｕとＳｂとが併存する構成を採用すると、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。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、オーバーレイにおけるＣｕ−Ｓｂ化合物の生成と層間の剥離とが生じる可能性を低減できる技術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、Ａｌ合金で形成されたライニングと、Ｃｕを主成分とし、ライニング上に積層された第１中間層と、Ａｇを主成分とし、第１中間層と前記オーバーレイとを接合する第２中間層と、を備える。

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によって耐疲労性や耐摩耗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、第１中間層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。

これに対して、Ｃｕの拡散障壁となるＡｇを主成分とする第２中間層を、第１中間層とオーバーレイとの間に介在させることにより、Ｃｕを主成分とする第１中間層からオーバーレイに拡散するＣｕの量を低減でき、耐疲労性が低下する可能性を低減できる。また、Ａｇを主成分とする第２中間層とＡｌ合金で形成されたライニングとの間に、Ｃｕを主成分とする第１中間層を介在させることにより、第２中間層とライニングとの間の層間の剥離が発生する可能性を低減できる。

本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。 摺動部材の断面模式図である。 疲労試験の説明図である。

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）実験結果：
（３）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と中間層１２とオーバーレイ１３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。

図２は、摺動部材１の断面模式図である。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１２とオーバーレイ１３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１３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１２とオーバーレイ１３とは、それぞれ円周方向において約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１２の厚みは６．０μｍであり、オーバーレイ１３の厚みは１５μｍである。オーバーレイ１３の曲率中心側の表面の半径の２倍（摺動部材１の内径）は４０ｍｍである。すべり軸受Ａの幅は２０ｍｍ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１３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からなる低炭素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１３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、必ずしも低炭素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る。ライニング１１は、Ａｌ合金で形成され、Ｓｎを７質量％含有し、Ｓｉを３質量％含有し、残部がＡｌ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。ライニング１１は、Ａｌを主成分とするＡｌ合金で形成されればよく、Ａｌ合金の組成は特に限定されない。

中間層１２は、第１中間層１２Ａと第２中間層１２Ｂとからなる。第１中間層１２Ａは、Ｃｕを主成分とし、ライニング１１上に積層されている。第２中間層１２Ｂは、Ａｇを主成分とし、第１中間層１２Ａとオーバーレイ１３とを接合する。本実施形態において、第１中間層１２Ａは純Ａｇで形成され、第２中間層１２Ｂは純Ｃｕで形成されている。中間層１２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。第１中間層１２Ａの厚みは１μｍであり、第２中間層１２Ｂの厚みは５μｍである。

オーバーレイ１３は、中間層１２の内側の表面上に積層された層である。オーバーレイ１３は、ＢｉとＳｂの合金めっき被膜である。また、オーバーレイ１３は、ＢｉとＳｂと不可避不純物とからなる。オーバーレイ１３におけるＳｂの含有量は５．５質量％であり、残部がＢｉと不可避不純物とからなる。オーバーレイ１３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。オーバーレイ１３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。

以上説明した摺動部材１と同様に形成した疲労試験片（コンロッドＲ）を作成し、疲労試験後の疲労面積率を計測したところ、疲労面積率は４％と良好であった。コンロッドＲの内径を４０ｍｍとし、幅を２０ｍｍとした。

疲労面積率は、以下の手順で計測した。図３は、摺動試験機の説明図である。まず、図３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、コンロッドＲの貫通穴において摺動部材１（黒色）を装着して試験軸Ｈを軸受けした。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７ｍ／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１３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９０ＭＰａとした。また、コンロッドＲに装着された摺動部材１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１３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１３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１３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１３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。

また、本実施形態の摺動部材１と同様に形成した摩耗試験片（コンロッドＲ）を作成し、摩耗試験後の摩耗量を計測したところ、摩耗量は０．７ｍｍ³と良好であった。摩耗試験も図３の摺動試験機によって行った。摩耗試験においては、１０秒間だけ摺動速度が３ｍ／秒となる状態と、１０秒間だけ摺動速度が０ｍ／秒となる状態とを交互に繰り返すことを１０時間（１８００サイクル）だけ継続した。移動体Ｆの往復荷重を３ｋＰａとした。また、コンロッドＲに装着された摺動部材１と試験軸Ｈとの間には、約１００℃のエンジンオイルを給油した。コンロッドＲの内径を５０ｍｍとし、幅を２０ｍｍとした。

以上説明した疲労試験後と摩耗試験後の試験片を観察したところ、ライニング１１と第１中間層１２Ａと第２中間層１２Ｂとオーバーレイ１３との間のめっき密着性は良好であった。めっき密着性が良好であるとは、第１中間層１２Ａと第２中間層１２Ｂとオーバーレイ１３のいずれもが剥離していないことである。

以上説明した本実施形態において、オーバーレイ１３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によって耐疲労性や耐摩耗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１３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、第１中間層１２Ａからオーバーレイ１３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。

これに対して、Ｃｕの拡散障壁となるＡｇを主成分とする第２中間層１２Ｂを、第１中間層１２Ａとオーバーレイ１３との間に介在させることにより、Ｃｕを主成分とする第１中間層１２Ａからオーバーレイ１３に拡散するＣｕの量を低減でき、耐疲労性が低下する可能性を低減できる。また、Ａｇを主成分とする第２中間層１２ＢとＡｌ合金で形成されたライニング１１との間に、Ｃｕを主成分とする第１中間層１２Ａを介在させることにより、第２中間層１２Ｂとライニング１１との間の層間の剥離が発生する可能性を低減できる。

（１−２）摺動部材の製造方法：
まず、ライニング１１の溶融材料を鋳型に注入し、当該鋳型の開口からライニング１１の溶融材料を鋳造方向に引き抜くことにより、ライニング１１の連続鋳造板を形成した。次に、ライニング１１の連続鋳造板を、ライニング１１の厚さとなるまで冷間圧延する。さらに、裏金１０の低炭素鋼板（市販品）も合わせて冷間圧延することにより、中間層１２のＡｌ合金板側に裏金１０の低炭素鋼板を圧着した。以上により、ライニング１１の連続鋳造板と裏金１０の低炭素鋼板とが圧着された摺動部材１の圧延板を形成した。

次に、摺動部材１の圧延板を所定の大きさごとに切断する。所定の大きさとは、後述する機械加工を行うことにより、摺動部材１が形成できる大きさであり、摺動部材１が取り付けられるコンロッドＲの形状によって定まる大きさである。さらに、切断後の摺動部材１の圧延板に対してプレス加工を行うことにより、半割形状とした。

次に、ライニング１１の表面上にＣｕを電気めっきによって１μｍの厚みだけ積層することにより、第１中間層１２Ａを形成した。次に、第１中間層１２Ａの表面上にＡｇを電気めっきによって５μｍの厚みだけ積層することにより、第２中間層１２Ｂを形成した。

次に、第２中間層１２Ｂの表面上にＢｉ−Ｓｂを電気めっきによって１５μｍの厚みだけ積層することにより、オーバーレイ１３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、第２中間層１２Ｂの表面を水洗した。さらに、第２中間層１２Ｂの表面を酸洗することにより、第２中間層１２Ｂの表面から不要な酸化物を除去した。その後、第２中間層１２Ｂ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Ｂｉイオン：３０ｇ／ＬとＳｂイオン：１ｇ／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。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３Ａ／ｄｍ²とした。

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）実験結果：

表１は、本発明の実施例１〜６と比較例７〜１４の構成を比較した表である。実施例１〜６と比較例７〜１４の試験片は、オーバーレイ１３におけるＳｂの含有量と第１中間層１２Ａと第２中間層１２Ｂの厚みを変化させた摺動部材１である。

実施例１〜６と比較例７〜１４について、上述した手法によって摩耗量と疲労面積率とを計測した。第１実施形態は実施例２に該当する。実施例１〜６においては、耐摩耗性と耐疲労性とめっき密着性がいずれも良好であった。比較例１〜６においては、耐摩耗性と耐疲労性とめっき密着性のいずれかが良好ではなかった。なお、耐摩耗性が良好であることは摩耗量が１．０ｍｍ³以下であることであり、耐疲労性が良好であることは疲労面積率が１０％以下であることとする。

表１に示すように、比較例１３，１４においては、めっき密着性が良好とならなかった。比較例１３，１４においては、第１中間層１２Ａの厚みが０μｍ，０．１μｍであり、第１中間層１２Ａの厚みが不十分であったためである。一方、第１中間層１２Ａの厚みが０．３μｍである実施例６においては、めっき密着性が良好となった。第１中間層１２Ａの厚みを０．３μｍ以上とすることにより、めっき密着性が良好となることを確認できた。

比較例９，１２においては、耐疲労性が良好とならなかった。比較例９，１２においては、第２中間層１２Ｂの厚みが０μｍ，１μｍであり、第２中間層１２Ｂの厚みが不十分であったためである。一方、第２中間層１２Ｂの厚みが３μｍである実施例５においては、耐疲労性が良好となった。

表２は、オーバーレイ１３におけるＣｕの拡散濃度を熱処理の前後において計測した結果を示す表である。実施例Ａは厚みが２μｍの純Ａｇの第２中間層１２ＢをＣｕの下地上に積層したものである。実施例Ｂは厚みが２μｍのＡｇ−Ｓｎの第２中間層１２ＢをＣｕの下地上に積層したものである。比較例Ｃは、第２中間層１２Ｂを省略し、Ｃｕの下地上にオーバーレイ１３を直接積層したものである。実施例Ａ，Ｂと比較例Ｃにおいて、オーバーレイ１３におけるＳｎの含有量を５質量％とした。また、熱処理は、１５０℃の大気中で５０時間保持することによって行った。

表２に示すように、Ｃｕの下地上にオーバーレイ１３を直接積層した比較例Ｃにおいては、オーバーレイ１３の下界面からの距離が短い測定箇所であるほど熱処理後のＣｕの濃度が大きくなっている。熱処理において下地からオーバーレイ１３へとＣｕが拡散したためである。一方、実施例Ａ，Ｂのように、純ＡｇまたはＡｇ−Ｓｎで形成した第２中間層１２Ｂの厚みを２μｍ以上とすることにより、第２中間層１２Ｂによるオーバーレイ１３に対するＣｕの拡散防止効果を十分に発揮できることが確認できた。

また、表１の比較例７，８においては耐摩耗性と耐疲労性がいずれも良好とならなかった。比較例７，８においては、オーバーレイ１３におけるＳｂの含有量が０質量％，２．１質量％であり、硬質のＳｂの含有量が不十分であったためである。一方、オーバーレイ１３におけるＳｂの含有量が３質量％である実施例１においては、耐摩耗性と耐疲労性がいずれも良好となった。オーバーレイ１３におけるＳｂの含有量を３質量％以上とすることにより、オーバーレイ１３を強化することができ、耐摩耗性と耐疲労性が良好となることを確認できた。

さらに、比較例１０，１１においては耐疲労性が良好とならなかった。オーバーレイ１３におけるＳｂの含有量が１１．５質量％，１３．７質量％であり、過剰なＳｂによってオーバーレイ１３のめっき皮膜の品質が低下したためである。一方、オーバーレイ１３におけるＳｂの含有量が１０質量％である実施例４においては、耐摩耗性と耐疲労性がいずれも良好となった。オーバーレイ１３におけるＳｂの含有量を１０質量％以下とすることにより、オーバーレイ１３のめっき皮膜の品質を維持することができ、耐摩耗性と耐疲労性が良好となることを確認できた。

（３）他の実施形態：
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。

１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、１２…中間層、１２Ａ…第１中間層、１２Ｂ…第２中間層、１３…オーバーレイ、Ａ…すべり軸受、Ｆ…移動体、Ｈ…試験軸、Ｒ…コンロッド

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、
   Ａｌ合金で形成されたライニングと、
   Ｃｕを主成分とし、ライニング上に積層された第１中間層と、
   Ａｇを主成分とし、前記第１中間層と前記オーバーレイとを接合する第２中間層と、
   を備えることを特徴とする摺動部材。
2. 前記第２中間層は、純ＡｇまたはＡｇ−Ｓｎ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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