JP6895338B2

JP6895338B2 - 摺動部材およびすべり軸受

Info

Publication number: JP6895338B2
Application number: JP2017151239A
Authority: JP
Inventors: 茂幸須賀
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-08-04
Also published as: JP2019026923A

Description

本発明は、摺動面にて相手材が摺動する摺動部材およびすべり軸受に関する。

Ｃｕを必須元素として含み、ＳｎとＩｎの少なくとも一方を含むＢｉ合金で形成されたオーバーレイ層が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１において、Ｂｉ合金中にＣｕやＳｎやＩｎが含まれることにより、耐疲労性が向上することが記載されている。

特開２００４−３５３０４２号公報

しかしながら、特許文献１のように、Ｂｉ合金中にＣｕが含まれると、却って耐疲労性が低下するという問題があった。オーバーレイ層に熱負荷がかかった場合に、ＢｉとＣｕとによって硬質の金属間化合物が生成され、当該硬質の金属間化合物と軟質のＢｉとの界面においてクラックが発生しやすくなるからである。特に、金属間化合物が粗大化すると、オーバーレイ層中においてクラックが進展しやすくなり、耐疲労性が大きく低下してしまう。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、オーバーレイの耐疲労性の向上を実現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、本発明の摺動部材およびすべり軸受は、基層上に被覆層が積層された摺動部材であって、被覆層は、第１金属元素としてのＳｎと、第１金属元素よりも硬質であり、かつ、当該第１金属元素と金属間化合物を形成する第２金属元素と、０．０１０質量％以上、かつ、０．０８０質量％以下のＣと、不可避不純物と、からなる。

前記の構成において、熱負荷がかかった際に、第１金属元素と第２金属元素とによって金属間化合物が形成されても、適度な量のＣが拡散障壁となって金属間化合物が粗大化する可能性を低減できる。従って、軟質のＢｉと硬質の金属間化合物との界面を小規模な大きさに留めることができる。そのため、軟質のＢｉと硬質の金属間化合物との界面において疲労クラックが発生しても、当該疲労クラックが大きく進展する可能性を低減でき、耐疲労性を向上させることができる。

なお、Ｃを０．０１０質量％以上とすることにより金属間化合物の粗大化を抑制でき、Ｃを０．０２０質量％以上とすることがより望ましい。また、Ｃを０．０８０質量％以下とすることにより被覆層が脆くなることを抑制でき、Ｃを０．０６０質量％以下とすることがより望ましい。第２金属元素は、Ｂｉよりも硬質かつＢｉと金属間化合物を形成する元素であればよく、例えばＡｇやＳｂやＮｉ等であってもよい。第２金属元素は、０．５質量％以上、かつ、５．０質量％以下であればよく、望ましくは１．０質量％以上、かつ、３．０質量％以下であってもよい。第１金属元素としてのＢｉは、第２金属元素とＣと不可避不純物の残部を構成する。

本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。疲労試験の説明図である。オーバーレイにおける炭素濃度と疲労損傷面積率のグラフである。

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）計測方法：
（１−３）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、オーバーレイ１２の厚みは１０μｍ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７３ｍｍ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１．０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り、本発明の被覆層を構成する。オーバーレイ１２は、被覆層は、第１金属元素としてのＢｉと、当該第１金属元素と金属間化合物を形成する第２金属元素としてのＮｉと、Ｃと、不可避不純物と、からなる。本実施形態のオーバーレイ１２において、Ｎｉの含有量は２．０質量％であり、Ｃの含有量は０．０３質量％であり、不可避不純物の全体の含有量は１．０質量％以下であり、残部がＢｉとなっている。

以上説明した摺動部材１と同様のオーバーレイ１２を有する疲労試験片（コンロッドＲ）を作成し、その疲労損傷面積率を計測したところ、疲労損傷面積率は２．０％と良好であった。後述する疲労試験において熱負荷がかかった際に、第１金属元素と第２金属元素とによって金属間化合物が形成されても、適度な量のＣが拡散障壁となって金属間化合物が粗大化する可能性を低減できる。本実施形態において、金属間化合物として、オーバーレイ１２中にＢｉ₃Ｎｉ等が析出するが、Ｃが拡散障壁となってＢｉ₃Ｎｉ等の粗大化を抑制できる。これにより、軟質のＢｉと硬質の金属間化合物との界面を小規模な大きさに留めることができる。そのため、軟質のＢｉと硬質の金属間化合物との界面において疲労クラックが発生しても、当該疲労クラックが大きく進展する可能性を低減でき、耐疲労性を向上させることができる。

（１−２）計測方法：
なお、疲労損傷面積率は、以下の手順で計測した。まず、図２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５７ＭＰａとした。また、コンロッドＲと試験軸Ｈとの間には、１２０℃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損傷面積率として計測した。

上述した実施形態において示した各数値を以下の手法によって計測した。摺動部材１の各層を構成する元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津社製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。ただし、オーバーレイ１２における炭素濃度は、高周波誘導加熱炉燃焼赤外線吸収法（ＪＩＳＧ１２１１鉄鋼用炭素量分析方法）によって計測した。

各層の厚みは、以下の手順で計測した。まず、摺動部材１の軸方向の垂直断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子製ＩＢ−０９０１０ＣＰ）で研磨した。そして、摺動部材１の断面を電子顕微鏡（日本電子製ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって７０００倍の倍率で撮影することにより、観察画像（反射電子像）の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置（ニレコ社製ルーゼックスＡＰ）によって解析することにより膜厚を計測した。

（１−３）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（ＪＩＳＺ８８０１）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。切削加工後のライニング１１の表面は、ライニング１１とオーバーレイ１２との界面を構成する。

次に、ライニング１１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、ライニング１１の表面を水洗した。さらに、ライニング１１の表面を酸洗することにより、ライニング１１の表面から不要な酸化物を除去した。その後、ライニング１１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。有機スルホン酸Ｂｉ：２０ｇ／ｌ（Ｂｉ濃度）と硝酸Ｎｉ：１ｇ／ｌ（Ｎｉ濃度）と有機系界面活性剤：２０ｍｌ／ｌと有機スルホン酸：１００ｇ／ｌとを含むめっき浴の浴組成とした。有機系界面活性剤は、ポリエチレングリコール溶液を使用した。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３．０Ａ／ｄｍ²とした。電気めっきの完了後に、水洗と乾燥を行った。

以上のようにして、摺動部材１を完成させると、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：
第１実施形態と同様の電気めっきにおいて、有機系界面活性剤の濃度を５ｍｌ／ｌに変更した実施例１と、有機系界面活性剤の濃度を１０ｍｌ／ｌに変更した実施例２と、有機系界面活性剤の濃度を２０ｍｌ／ｌとした実施例３（第１実施形態）と、有機系界面活性剤の濃度を４０ｍｌ／ｌに変更した実施例４と、有機系界面活性剤の濃度を８０ｍｌ／ｌに変更した比較例１とを用意した。さらに、硫酸浴（硝酸Ｂｉ：３０ｇ／ｌ（Ｂｉ濃度），硝酸Ｎｉ：２ｇ／ｌ（Ｎｉ濃度），硫酸：１００ｇ／ｌ）のめっき浴にて電気めっきを行った比較例２を用意した。

表１は、実施例１〜４と、比較例１，２におけるオーバーレイ１２中の炭素濃度と疲労損傷面積率とを示す。炭素濃度と疲労損傷面積率とは、第１実施形態と同様の手法によって計測した。表１に示すように、めっき浴における有機系界面活性剤の濃度を大きくことにより、オーバーレイ１２中の炭素濃度を大きくすることができた。また、比較例２のように、有機物を含まないめっき浴を使用することにより、オーバーレイ１２中の炭素濃度をほぼ０とすることができた。

図３は、炭素濃度と疲労損傷面積率との関係を示すグラフである。同図に示すように、０．０３質量％以下の炭素濃度の範囲において、炭素濃度が大きくなるほど良好な耐疲労性を示すことが分かった。炭素濃度が大きくなるほど、効果的にＣｕ₆Ｂｉ₅やＣｕ₃Ｂｉの粗大化を抑制できたものと考えられる。０．０３質量％よりも大きい炭素濃度の範囲において、炭素濃度が小さいほど良好な耐疲労性を示すことが分かった。炭素濃度が小さくなるほど、Ｃによってオーバーレイ１２が脆くなることを抑制できたものと考えられる。

また、図３のグラフにおいて、ハッチングで示すように、Ｃを０．０１０質量％以上し、Ｃを０．０８０質量％以下とすることが望ましいことが分かった。さらに、０．０２質量％以上とすることがより望ましく、０．０６０質量％以下とすることがより望ましい。

（３）他の実施形態：
第１実施形態においては、第２金属元素としてＣｕを採用したが、Ｂｉよりも硬質（例えばモース硬度が大きい）な他の元素（Ａｇ，Ｓｂ，Ｎｉ，Ａｕ等）を第２金属元素として採用してもよい。また、金属間化合物が形成されるのは必ずしも摺動部材１の使用時に限られない。例えば、摺動部材１の使用前において、予め熱処理を行うことにより、金属間化合物の析出を完了させておいてもよい。この場合も、適切な量のＣによって金属間化合物の粗大化を抑制することができる。

また、ライニング１１とオーバーレイ１２との間に中間層が挿入されてもよい。中間層は、ライニング１１の元素がオーバーレイ１２に拡散することを抑制できる材料によって形成されることが望ましく、例えばＣｕで形成されてもよい。オーバーレイ１２の炭素濃度は、必ずしも電気めっきのめっき浴における炭素濃度によって調整されなくてもよく、オーバーレイ１２の形成手法も電気めっきに限られない。例えば、オーバーレイ１２をスパッタリングや蒸着によって形成してもよく、スパッタリングや蒸着を行う際に炭素濃度が調整されてもよい。さらに、炭素濃度が低いオーバーレイ１２を形成した後に、拡散等によって炭素濃度を増加させるようにしてもよい。

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…オーバーレイ、Ａ…軸受、Ｆ…移動体、Ｈ…試験軸、Ｒ…コンロッド

Claims

基層上に被覆層が積層された摺動部材であって、
前記被覆層は、
第１金属元素としてのＢｉと、
前記第１金属元素よりも硬質であり、かつ、当該第１金属元素と金属間化合物を形成する第２金属元素としてのＮｉと、
０．０１０質量％以上、かつ、０．０８０質量％以下のＣと、
不可避不純物と、
からなり、
前記被覆層には、少なくとも表面に前記金属間化合物が存在することを特徴とする摺動部材。
基層上に被覆層が積層されたすべり軸受であって、
前記被覆層は、
第１金属元素としてのＢｉと、
前記第１金属元素よりも硬質であり、かつ、当該第１金属元素と金属間化合物を形成する第２金属元素としてのＮｉと、
０．０１０質量％以上、かつ、０．０８０質量％以下のＣと、
不可避不純物と、
からなり、
前記被覆層には、少なくとも表面に前記金属間化合物が存在することを特徴とするすべり軸受。