CN109548407B

CN109548407B - 滑动构件以及滑动轴承

Info

Publication number: CN109548407B
Application number: CN201880002598.4A
Authority: CN
Inventors: 须贺茂幸
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: WO2019017182A1; CN112879436A; CN112879436B; US20190203769A1; US20210040988A1; DE112018000075T5; US11396910B2; CN109548407A

Abstract

本发明提供一种能使抗疲劳性提高的滑动构件以及滑动轴承。一种在基层上层叠有覆盖层的滑动构件，所述覆盖层包含作为第一金属元素的Bi或者Sn、比所述第一金属元素硬质且与该第一金属元素形成金属间化合物的第二金属元素、C以及不可避免的杂质。

Description

滑动构件以及滑动轴承

技术领域

本发明涉及一种供配合件在滑动面上滑动的滑动构件以及滑动轴承。

背景技术

已知由包含Cu作为必需元素、并且包含Sn和In中的至少一方的Bi合金形成的镀覆层(参照专利文献1)。在专利文献1中，记载了通过在Bi合金中包含Cu、Sn、In来提高抗疲劳性。此外，已知在作为软质金属的Sn中添加了Cu的锡基镀覆层(参照专利文献2)。在专利文献2中，通过在Sn中添加作为强化元素的Cu来谋求耐磨性、抗疲劳性的提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-353042号公报

专利文献2：日本特开2002-310158号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，如专利文献1那样，当在Bi合金中包含Cu时，反而存在抗疲劳性降低的问题。这是因为，在对镀覆层施加热负荷的情况下，由Bi和Cu生成硬质的金属间化合物，在该硬质的金属间化合物与软质的Bi的界面处容易产生裂纹。特别是，当金属间化合物粗大化时，裂纹容易在镀覆层中扩展，而导致抗疲劳性大幅降低。此外，在使用专利文献2的锡基镀覆层时等，在施加热负荷的情况下，存在抗疲劳性降低的问题。当对专利文献2的锡基镀覆层施加热负荷时，由Sn和Cu形成硬质的金属间化合物。于是，在硬质的金属间化合物与软质的Sn之间形成硬度大不相同的界面，在该界面容易产生疲劳裂纹。而且，疲劳裂纹在金属间化合物与Sn的界面扩展，由此抗疲劳性降低。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能实现提高镀覆层的抗疲劳性的技术。

用于解决问题的方案

为了达成所述目的，本发明的滑动构件以及滑动轴承是在基层上层叠有覆盖层的滑动构件，覆盖层包含：作为第一金属元素的Bi；比第一金属元素硬质且与该第一金属元素形成金属间化合物的第二金属元素；0.010质量％以上且0.080质量％以下的C；以及不可避免的杂质。

在所述构成中，在施加了热负荷时，即使由第一金属元素和第二金属元素形成金属间化合物，适度量的C也会成为扩散阻挡层(diffusion barrier)，也能降低金属间化合物粗大化的可能性。因此，能使软质的Bi与硬质的金属间化合物的界面停留在小规模的大小。因此，即使在软质的Bi与硬质的金属间化合物的界面产生疲劳裂纹，也能降低该疲劳裂纹大幅扩展的可能性，能使抗疲劳性提高。

需要说明的是，通过将C设为0.010质量％以上，能抑制金属间化合物的粗大化，更优选将C设为0.020质量％以上。此外，通过将C设为0.080质量％以下，能抑制覆盖层变脆，更优选将C设为0.060质量％以下。第二金属元素是比Bi硬质且与Bi形成金属间化合物的元素即可，例如可以是Ag、Sb、Ni等。第二金属元素为0.5质量％以上且5.0质量％以下即可，还可以优选为1.0质量％以上且3.0质量％以下。作为第一金属元素的Bi构成第二金属元素和C和不可避免的杂质的剩余部分。

为了达成所述目的，本发明的滑动构件以及滑动轴承是在基层上层叠有覆盖层的滑动构件，覆盖层包含：作为第一金属元素的Sn；比第一金属元素硬质且与该第一金属元素形成金属间化合物的第二金属元素；0.015wt％以上且0.100wt％以下的C；以及不可避免的杂质。

在所述构成中，在施加了热负荷时，即使由第一金属元素和第二金属元素形成金属间化合物，适度量的C也会成为扩散阻挡层，也能降低金属间化合物粗大化的可能性。因此，能使软质的Sn与硬质的金属间化合物的界面停留在小规模的大小。因此，即使在软质的Sn与硬质的金属间化合物的界面产生疲劳裂纹，也能降低该疲劳裂纹大幅扩展的可能性，能使抗疲劳性提高。

需要说明的是，通过将C设为0.015wt％以上，能抑制金属间化合物的粗大化，更优选将C设为0.02wt％以上。此外，通过将C设为0.100wt％以下，能抑制覆盖层变脆，更优选将C设为0.075wt％以下。第二金属元素是比Sn硬质且与Sn形成金属间化合物的元素即可，例如可以是Ag、Sb、Ni等。第二金属元素为0.5wt％以上且10.0wt％以下即可，还可以优选为1.0wt％以上且5.0wt％以下。作为第一金属元素的Sn构成第二金属元素和C和不可避免的杂质的剩余部分。

附图说明

图1是本发明的实施方式的滑动构件的立体图。

图2是疲劳试验的说明图。

图3是第一实施方式的镀覆层中的碳浓度和疲劳损伤面积率的图表。

图4是第二实施方式的镀覆层中的碳浓度和疲劳损伤面积率的图表。

具体实施方式

在此，按照下述的顺序对本发明的实施方式进行说明。

(1)第一实施方式：

(1-1)滑动构件的构成：

(1-2)计量方法：

(1-3)滑动构件的制造方法：

(2)实验结果：

(3)第二实施方式：

(4)其他实施方式：

(1)第一实施方式：

(1-1)滑动构件的构成：

图1是本发明的一实施方式的滑动构件1的立体图。滑动构件1包括衬背10、衬层11以及镀覆层12。滑动构件1是将中空状的圆筒沿直径方向二等分而成的对开形状的金属构件，并且截面为半圆弧状。通过将两个滑动构件1组合成圆筒状，而形成滑动轴承A。滑动轴承A通过在内部形成的中空部分轴支承圆柱状的配合轴2(发动机的曲轴)。配合轴2的外径形成为比滑动轴承A的内径稍小。向在配合轴2的外周面与滑动轴承A的内周面之间形成的间隙供给润滑油(发动机油)。此时，配合轴2的外周面在滑动轴承A的内周面上滑动。

滑动构件1具有如下构造：按照距离曲率中心由远到近的顺序，依次层叠有衬背10、衬层11以及镀覆层12。因此，衬背10构成滑动构件1的最外层，镀覆层12构成滑动构件1的最内层。衬背10、衬层11以及镀覆层12在圆周方向分别具有固定厚度。衬背10的厚度为1.8mm，衬层11的厚度为0.2mm，镀覆层12的厚度为10μm。镀覆层12的曲率中心侧的表面的半径的2倍(滑动构件1的内径)为73mm。以下，内侧是指滑动构件1的曲率中心侧，外侧是指滑动构件1的曲率中心的相反侧。镀覆层12的内侧的表面构成配合轴2的滑动面。

衬背10由含有0.15质量％的C、含有0.06质量％的Mn、剩余部分由Fe构成的钢形成。需要说明的是，衬背10由能经由衬层11和镀覆层12支承来自配合轴2的载荷的材料形成即可，也可以不一定由钢形成。

衬层11是在衬背10的内侧层叠的层，构成本发明的基层。衬层11含有10质量％的Sn，含有8质量％的Bi，剩余部分由Cu和不可避免的杂质构成。衬层11的不可避免的杂质为Mg、Ti、B、Pb、Cr等，是在精炼或者废料中混入的杂质。衬层11中的不可避免的杂质的含量整体为1.0质量％以下。衬层11并不限定于上述的组成，还可以是例如Bi、Sn、In、Ni中的一种以上和不可避免的杂质的总量为25质量％以下的Al合金。而且，衬层11还可以是Cu合金。例如，衬层11还可以是Sn、Si、Zn、Mg、Cr、Zr、Ni、V中的一种以上和不可避免的杂质的总量为25质量％以下的Cu合金。

镀覆层12是在衬层11的内侧的表面上层叠的层，构成本发明的覆盖层。镀覆层12即覆盖层包含作为第一金属元素的Bi、作为与该第一金属元素形成金属间化合物的第二金属元素的Ni、C以及不可避免的杂质。在本实施方式的镀覆层12中，Ni的含量为2.0质量％，C的含量为0.03质量％，不可避免的杂质的整体含量为1.0质量％以下，剩余部分为Bi。

制作具有与以上说明的滑动构件1相同的镀覆层12的疲劳试验片(连杆R)，计量其疲劳损伤面积率，疲劳损伤面积率为2.0％即为良好。在后述的疲劳试验中施加热负荷时，即使由第一金属元素和第二金属元素形成金属间化合物，适度量的C也会成为扩散阻挡层，而能降低金属间化合物粗大化的可能性。在本实施方式中，作为金属间化合物，在镀覆层12中析出Bi₃Ni等，但C成为扩散阻挡层而能抑制Bi₃Ni等的粗大化。由此，能使软质的Bi与硬质的金属间化合物的界面停留在小规模的大小。因此，即使在软质的Bi与硬质的金属间化合物的界面产生疲劳裂纹，也能降低该疲劳裂纹大幅扩展的可能性，能使抗疲劳性提高。

(1-2)计量方法：

需要说明的是，疲劳损伤面积率按照以下的步骤计量。首先，如图2所示，准备在长度方向的两端形成有圆柱状的贯通孔的连杆R，在一端的贯通孔轴支承试验轴H(阴影)。需要说明的是，在轴支承试验轴H的连杆R的贯通孔的内周面形成与滑动构件1相同的镀覆层12(黑色)。在试验轴H的轴向上的连杆R的两外侧轴支承试验轴H，以滑动速度为6.6m/秒的方式使试验轴H旋转。滑动速度是镀覆层12的表面与试验轴H之间的相对速度。将试验轴H的相反侧的连杆R的端部与沿连杆R的长度方向往复移动的移动体F连结，将该移动体F的往复载荷设为57MPa。此外，在连杆R与试验轴H之间，供给120℃的发动机油。

通过使以上的状态持续50小时，进行了镀覆层12的疲劳试验。然后，在疲劳试验后，对镀覆层12的内侧的表面(滑动面)以从与该表面正交的直线上的位置将该直线作为主光轴的方式进行拍摄，得到了该拍摄图像即评价图像。然后，通过双目镜(放大镜)观察并确定在评价图像映出的镀覆层12的表面中的损伤的部分，将该损伤的部分的面积即损伤部面积除以在评价图像映出的镀覆层12的整个表面的面积，并将所得到的值的百分率作为疲劳损伤面积率进行计量。

通过以下的方法对在上述的实施方式中示出的各数值进行计量。通过ICP发射光谱分析装置(岛津公司制ICPS-8100)对构成滑动构件1的各层的元素的质量进行计量。但是，通过高频感应加热炉燃烧红外线吸收法(JISG1211钢铁用碳量分析方法)对镀覆层12中的碳浓度进行计量。

各层的厚度按照以下的步骤进行计量。首先，通过截面抛光仪(日本电子制IB-09010CP)对滑动构件1的轴向的垂直截面进行研磨。然后，通过电子显微镜(日本电子制JSM-6610A)以7000倍的倍率对滑动构件1的截面进行拍摄，由此得到观察图像(反射电子图像)的图像数据。然后，通过图像解析装置(Nireco公司制LUZEX AP)解析观察图像，由此计量出膜厚。

(1-3)滑动构件的制造方法：

首先，准备具有与衬背10相同厚度的低碳钢的平面板。

接着，在由低碳钢形成的平面板上，撒放构成衬层11的材料的粉末。具体而言，以成为上述的衬层11中的各成分的质量比的方式，将Cu粉末、Bi粉末以及Sn粉末撒放于低碳钢的平面板上。能满足衬层11中的各成分的质量比即可，还可以将Cu-Bi、Cu-Sn等合金粉末撒放于低碳钢的平面板上。粉末的粒径通过试验用筛子(JIS Z8801)调整为150μm以下。

接着，将低碳钢的平面板和撒放于该平面板上的粉末烧结。将烧结温度控制在700～1000℃，在惰性气氛中进行烧结。烧结后，进行冷却。需要说明的是，衬层11也可以不必通过烧结来形成，还可以通过铸造等形成。

当冷却完成时，在低碳钢的平面板上形成有Cu合金层。在该Cu合金层中包含在冷却过程中析出的软质的Bi粒子。

接着，以形成将中空状的圆筒沿直径方向二等分而成的形状的方式，对形成有Cu合金层的低碳钢进行冲压加工。此时，以低碳钢的外径与滑动构件1的外径一致的方式进行冲压加工。

接着，对在衬背10上形成的Cu合金层的表面进行切削加工。此时，以在衬背10上形成的Cu合金层的厚度与衬层11相同的方式控制切削量。由此，能通过切削加工后的Cu合金层形成衬层11。切削加工例如通过设置有由烧结金刚石形成的切削工具件的车床来进行。切削加工后的衬层11的表面构成衬层11与镀覆层12的界面。

接着，通过电镀在衬层11的表面上层叠10μm厚的Bi，由此形成镀覆层12。电镀的步骤如下所述。首先，对衬层11的表面进行水洗。而且，通过对衬层11的表面进行酸洗，从衬层11的表面去除不需要的氧化物。然后，再次对衬层11的表面进行水洗。

当以上的预处理完成时，通过向浸渍在镀浴中的衬层11供给电流来进行电镀。采用了包含有机磺酸Bi：20g/l(Bi浓度)、硝酸Ni：1g/l(Ni浓度)、有机系表面活性剂：20ml/l、有机磺酸：100g/l的镀浴的浴组成。有机系表面活性剂使用了聚乙二醇溶液。将镀浴的浴温度设为30℃。而且，将提供给衬层11的电流设为直流电流，将其电流密度设为3.0A/dm²。在电镀完成后，进行水洗和干燥。

当以如上方式完成滑动构件1时，通过将两个滑动构件1组合成圆筒状，而形成滑动轴承A，并安装于发动机。

(2)实验结果：

准备了：在与第一实施方式相同的电镀中，将有机系表面活性剂的浓度变更为5ml/l的实施例1；将有机系表面活性剂的浓度变更为10ml/l的实施例2；将有机系表面活性剂的浓度设为20ml/l的实施例3(第一实施方式)；将有机系表面活性剂的浓度变更为40ml/l的实施例4；将有机系表面活性剂的浓度变更为80ml/l的比较例1。而且，准备了：在硫酸浴(硝酸Bi：30g/l(Bi浓度)、硝酸Ni：2g/l(Ni浓度)、硫酸：100g/l)的镀浴中进行电镀的比较例2。

[表1]

表1示出了实施例1～4和比较例1、2中的镀覆层12中的碳浓度和疲劳损伤面积率。碳浓度和疲劳损伤面积率通过与第一实施方式相同的方法进行计量。如表1所示，通过增大镀浴中的有机系表面活性剂的浓度，能增大镀覆层12中的碳浓度。此外，如比较例2那样，通过使用不包含有机物的镀浴，能使镀覆层12中的碳浓度大致为0。

图3是表示碳浓度与疲劳损伤面积率的关系的图表。如图3所示，可知在0.03质量％以下的碳浓度的范围内，碳浓度越大表示抗疲劳性越好。认为，碳浓度越大越能有效地抑制Cu₆Bi₅、Cu₃Bi的粗大化。可知，在大于0.03质量％的碳浓度的范围内，碳浓度越小表示抗疲劳性越好。认为，碳浓度越小，越能通过C来抑制镀覆层12变脆。

此外，在图3的图表中，如阴影所示，可知，优选将C设为0.010质量％以上，并且将C设为0.080质量％以下。而且，更优选将C设为0.02质量％以上，更优选将C设为0.060质量％以下。

(3)第二实施方式：

在第二实施方式中，镀覆层12以外的构成与第一实施方式相同。以下，对第二实施方式的镀覆层12进行说明。第二实施方式的镀覆层12也是在衬层11的内侧的表面上层叠的层，构成本发明的覆盖层。第二实施方式的镀覆层12即覆盖层包含作为第一金属元素的Sn、作为与该第一金属元素形成金属间化合物的第二金属元素的Cu、C以及不可避免的杂质。在第二实施方式的镀覆层12中，Cu的含量为3.0wt％，C的含量为0.05wt％，不可避免的杂质的整体含量为1.0wt％以下，剩余部分为Sn。

制作具有以上说明的第二实施方式的镀覆层12的疲劳试验片(连杆R)，计量其疲劳损伤面积率，疲劳损伤面积率为3.0％即为良好。在前述的疲劳试验中施加热负荷时，即使由第一金属元素和第二金属元素形成金属间化合物，适度量的C也会成为扩散阻挡层，而能降低金属间化合物粗大化的可能性。在第二实施方式中，作为金属间化合物，在镀覆层12中析出Cu₆Sn₅、Cu₃Sn，但C成为扩散阻挡层而能抑制Cu₆Sn₅、Cu₃Sn的粗大化。由此，能使软质的Sn与硬质的金属间化合物的界面停留在小规模的大小。因此，即使在软质的Sn与硬质的金属间化合物的界面产生疲劳裂纹，也能降低该疲劳裂纹大幅扩展的可能性，能使抗疲劳性提高。

需要说明的是，通过电镀在衬层11的表面上层叠10μm厚的Sn，由此形成第二实施方式的镀覆层12。电镀的步骤如下所示，首先，对衬层11的表面进行水洗。而且，通过对衬层11的表面进行酸洗，从衬层11的表面去除不需要的氧化物。然后，再次对衬层11的表面进行水洗。

当以上的预处理完成时，通过向浸渍在镀浴中的衬层11供给电流来进行电镀。采用了包含硝酸亚锡：28g/l(Sn浓度)、硫酸铜：3g/l(Cu浓度)、无机铵盐：100g/l、有机羧酸：80g/l的镀浴的浴组成。将镀浴的浴温度设为30℃。而且，将提供给衬层11的电流设为直流电流，将其电流密度设为2.0A/dm²。在电镀完成后，进行水洗和干燥。

准备了：在与第二实施方式相同的电镀中，将有机羧酸的浓度变更为20g/l的实施例5；将有机羧酸的浓度变更为40g/l的实施例6；将有机羧酸的浓度设为80g/l的实施例7(第二实施方式)；将有机羧酸的浓度变更为100g/l的实施例8；将有机羧酸的浓度变更为200g/l的比较例3。而且，准备了：在氟硼酸盐浴(氟硼酸锡、氟硼酸铜)的镀浴中进行了电镀的比较例4。

[表2]

表2示出了实施例5～7和比较例3、4中的镀覆层12中的碳浓度和疲劳损伤面积率。碳浓度和疲劳损伤面积率通过与第一实施方式相同的方法进行计量。如表2所示，通过增大镀浴中的有机羧酸的浓度，能增大镀覆层12中的碳浓度。此外，如比较例4那样，通过使用不包含有机物的镀浴，能使镀覆层12中的碳浓度大致为0。

图4是表示第二实施方式中的碳浓度与疲劳损伤面积率的关系的图表。如图4所示，可知在0.05wt％以下的碳浓度的范围内，碳浓度越大表示抗疲劳性越好。认为，碳浓度越大越能有效地抑制Cu₆Sn₅、Cu₃Sn的粗大化。可知，在大于0.05wt％的碳浓度的范围内，碳浓度越小表示抗疲劳性越好。认为，碳浓度越小，越能通过C来抑制镀覆层12变脆。

此外，在图4的图表中，如阴影所示，可知，优选将C设为0.015wt％以上并且将C设为0.100wt％以下。而且，更优选将C设为0.02wt％以上，更优选将C设为0.075wt％以下。

(4)其他实施方式：

在所述实施方式中，采用了Cu作为第二金属元素，但还可以采用比Bi硬质(例如莫氏硬度大)的其他元素(Ag、Sb、Ni、Au等)作为第二金属元素。此外，未必在使用滑动构件1时形成金属间化合物。例如，还可以在使用滑动构件1前，通过预先进行热处理，完成金属间化合物的析出。在该情况下，也能通过适当量的C来抑制金属间化合物的粗大化。

此外，还可以在衬层11与镀覆层12之间***中间层。理想的是，中间层由能抑制衬层11的元素扩散至镀覆层12的材料形成，例如可以由Cu形成。镀覆层12的碳浓度也可以不必通过电镀的镀浴中的碳浓度进行调整，镀覆层12的形成方法也不限于电镀。例如，还可以通过溅射(sputtering)、蒸镀来形成镀覆层12，还可以在进行溅射、蒸镀时调整碳浓度。而且，还可以在形成碳浓度低的镀覆层12后，通过扩散等使碳浓度增加。

在所述实施方式中，举例示出了构成轴支承发动机的曲轴的滑动轴承A的滑动构件1，但还可以通过本发明的滑动构件1形成其他用途的滑动轴承A。例如，还可以通过本发明的滑动构件1形成变速器用的齿轮衬套、活塞销衬套/轮毂衬套等径向轴承。而且，本发明的滑动构件可以是推力轴承，可以是各种垫圈，还可以是汽车空调压缩机用的斜盘。此外，衬层11的基质并不限于Cu合金，根据配合轴2的硬度来选择基质的材料即可。此外，衬背10并不是必须的，也可以省略。

附图标记说明：

1滑动构件；2配合轴；10衬背；11衬层；12镀覆层；A轴承；F移动体；H试验轴；R连杆。

Claims

1.一种滑动构件，所述滑动构件在基层上层叠有覆盖层，其特征在于，

所述覆盖层包含：

作为第一金属元素的Bi；

作为比所述第一金属元素硬质且与该第一金属元素形成金属间化合物的第二金属元素的Ni；

0.010质量％以上且0.080质量％以下的C；以及

不可避免的杂质，

作为所述第二金属元素的Ni为0.5质量％以上且5.0质量％以下，作为所述第一金属元素的Bi构成作为第二金属元素的Ni和C和不可避免的杂质的剩余部分。

2.一种滑动轴承，所述滑动轴承在基层上层叠有覆盖层，其特征在于，

所述覆盖层包含：

作为第一金属元素的Bi；

0.010质量％以上且0.080质量％以下的C；以及

不可避免的杂质，