JP2002147459A - オーバレイ層を改質したすべり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性を向上するす
べり軸受を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明のすべり軸受は、裏金層１と、裏
金層１の上に設けられた軸受合金層２と、軸受合金層２
に積層され表面層となるオーバレイ層３とを備え、オー
バレイ層３は、凹部間の平均間隔が０．０１乃至０．０
８ｍｍの範囲で、かつ、最大高さが２乃至１０μｍの範
囲の凹部を表面に形成することとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車・船舶・農
業機械、建設機械などの内燃機関用軸受として使用され
るすべり軸受に係り、特に、耐疲労性、耐摩耗性、耐焼
付性に優れたすべり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の高負荷の内燃機関用すべり軸受
は、鋼裏金に設けられる銅系軸受合金層の表面に直接ま
たは中間メッキ層を介して鉛基合金系や、Ｓｎなど軟質
金属を湿式メッキ法にて被覆するもので、コンロッドベ
アリングなどに多用されている。また一部にはオーバレ
イ層を被覆したＡＬ−Ｓｎ系、ＡＬ−Ｓｎ―Ｓｉ系など
のアルミ系軸受合金層も銅系軸受合金に替わって用いら
れている。このメッキを行うオーバレイ層はなじみ性、
耐焼付性、異物埋収性、耐腐食性などを高めるために設
けるものであり、さらに、表面摺動特性として耐疲労
性、耐摩耗性が必要である。

【０００３】通常、銅系軸受合金は、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｎ
系合金をスチール上に鋳造や焼結により１００〜３００
μｍの厚さで鋼裏金に積層し、オーバレイ層としてＰｂ
−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｉｎ、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ−
Ｉｎ系合金を２０μｍ前後被覆しているもので、最近で
はＳｎ−Ａｇ系も検討されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】最近、特に乗用車など
に用いられるガソリンエンジンやディーゼルエンジン
は、高速回転となり、それゆえエンジン軸受は、より一
層の耐焼付性、耐摩耗性、および耐疲労性の向上が要求
されている。前述したごとく、オーバレイ層として要求
される特性は、異物埋収性や初期なじみ性など表層に柔
らかさが求められる特性と、耐摩耗性や耐疲労性など硬
さや強度が必要な特性など相反する特性が求められてい
る。

【０００５】このためＰｂ基のオーバレイ層では、Ｃｕ
を数重量％添加するなどの材料組成として工夫を行いメ
ッキ材料の強度を上げることや、Ｉｎを添加することに
より高温での硬さの低下を抑え、エンジンオイルとの濡
れ性を向上させ油膜形成により耐摩耗性や耐焼付性を改
善し、全体としてバランスの取れたオーバレイ皮膜とし
ていた。

【０００６】この材料成分の検討だけでは限界があり、
最近では、例えば特開平７−２５９８５８号公報や特開
平７−２５９８５９号公報に示されるように表面の機械
加工目を回転摺動方向と平行にそろえ、その環状突起物
のピッチや山の高さを規定し、油膜維持機能を摺動表面
に付与したものや、特開平５−２５６８９号公報や特開
平５−９７８９号公報に示されるようにＰｂ基のオーバ
レイ層のメッキ条件を変更することにより結晶配向性を
高め角錐状の突起物を表面に析出させ、硬度を高めると
ともに凹凸による油膜生成機能を摺動表面に付与し、耐
焼付性や耐摩耗性の改善を行っている。

【０００７】しかしながら、環状突起は方向性を持ち円
周方向全周に連続し、また角錐状突起の谷は周囲とつな
がっている。従って、軸との摺動部においては油だまり
となる凹部は閉塞されておらず、回転する相手軸とすべ
り軸受との間で発生する油膜圧力は閉じ込められずリー
クし、油膜圧力を確実に保持できないため、高面圧がか
かる高出力エンジンの軸受では油膜厚さが薄くなり、焼
付や摩耗が防げない場合があった。

【０００８】さらに、機械加工目により環状突起を作り
油膜保持を行う場合には、通常、オーバレイ層の硬さが
Ｈｖ１０〜１５と柔らかく直接メッキ表面を機械加工で
きないため、下地の銅基合金に機械加工目を作りその上
から２０μｍ程度のメッキを行っているが、湿式メッキ
処理による平滑化効果により環状突起が埋もれてしま
い、本来の効果が発揮できない場合もあった。

【０００９】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
って、オーバレイ層に直接クレータ状の微細な凹部を形
成し、軸との軸受摺動表面に閉塞された空間を形成する
ことにより、油だまり機能を表面に付与し、作動時に発
生する油膜を厚くし、耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性を
向上するすべり軸受を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のすべり軸受は、
裏金層と、前記裏金層上に設けられた銅合金層で代表さ
れる軸受合金層と、前記軸受合金層に積層され表面層と
なるオーバレイ層とを備え、前記オーバレイ層は、凹部
間の平均間隔が０．０１乃至０．０８ｍｍの範囲で、か
つ、最大高さが２乃至１０μｍの範囲の凹部を表面に形
成することとした。

【００１１】また、前記オーバレイ層の表面に形成する
前記凹部は、平均粒径で２０乃至１００μｍの硬質粒子
を前記オーバレイ層の表面に吹き付け形成することとし
た。

【００１２】さらに、前記オーバレイ層は、Ｐｂ合金
と、ＳｎまたはＳｎ合金とし、５乃至３０μｍの範囲の
厚さとすることとした。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１４】図１は、本発明に関するすべり軸受の断面
図を示す。

【００１５】図１に示すように、このすべり軸受は、裏
金層１と、裏金層１の上に設けられた銅合金層２と、銅
合金層２に積層され表面層となるオーバレイ層３とで形
成されている。オーバレイ層３には、後述する特定のブ
ラスト処理を行い所定の凹部４を形成する。この凹部４
により軸受摺動表面に閉塞された空間を形成することが
でき、油だまり機能を表面に付与し、作動時に発生する
油膜を厚くし、オーバレイ層３の耐摩耗性、耐焼付性、
耐疲労性を向上することができる。

【００１６】通常、サンドブラスト処理やショットブラ
スト処理ではオーバレイ層中にブラスト硬質粒子が埋没
したり、メッキ層が消失したりはがれたりしてしまいブ
ラスト効果を発揮しない。例えばショットピーニングで
は、０．６〜０．９ｍｍ径の鋼球を毎秒４０〜６０ｍで
吹き付けるが、このような条件では、瞬時にオーバレイ
層は消失してしまう。

【００１７】そこで、本発明のすべり軸受上オーバレイ
層へのブラスト処理は、通常のブラスト処理で使用する
硬質粒子の平均粒径よりもかなり微細な平均粒径２０〜
１００μｍの硬質粒子をオーバレイ層３の表面に吹き付
けるブラスト処理を行う。

【００１８】硬質粒子は、平均粒径が２０μｍ未満だと
硬質粒子がオーバレイ表面に突き刺さり埋収されやすく
なり、摺動性能が逆に低下する。１００μｍ径を超える
と油だまりが浅くなり、油だまり効果を発揮しない。

【００１９】使用する硬質粒子としてはスチールショッ
ト、スチールグリットなどの鉄系、およびセラミック系
としてアランダム、ガラス粒子、溶融シリカ粒子、硅砂
などがある。また、有機系としてくるみ殻などを使用し
ても良い。粒子吹き付け速度は、凹部間の平均間隔が１
０〜８０μｍでかつ最大高さが２〜１０μｍとなるよう
に、使用する粒子比重および平均粒径によって調整す
る。

【００２０】凹部間の平均間隔はＪＩＳ Ｂ０６０１−
１９９４で定義された凹凸の平均間隔Ｓｍとした。Ｓｍ
は、粗さ曲線から基準長を抜き取り、この抜き取り部分
において隣り合う局部山頂間に対応する平均線長を求
め、この多数の局部山頂の間隔を算術平均するものと定
義されている。同様に最大高さはＪＩＳで定義されてい
るＲｙとした。

【００２１】本発明のすべり軸受ではこれらの上下限値
を明確にするため、凹凸の平均間隔Ｓｍ、最大高さＲｙ
の測定は、触針のドライブスピードを毎秒０．１ｍｍと
し基準長を２．５ｍｍ、カットオフを０．８ｍｍとして
３回測定しその平均値を求めた。最大高さＲｙが２μｍ
未満では油膜保持機能が作用しにくく、軸受の表面温度
があがり、耐焼付性が向上しない。

【００２２】また、凹部間の平均間隔Ｓｍが８０μｍを
超えると油だまりの閉塞性が薄れ、エンジン稼動時の発
生油膜圧力を維持できず、同様に耐摩耗性、耐焼付性は
向上しない。

【００２３】また、最大高さＲｙが１０μｍを超えると
油だまりを中心として、キャビテーションエロージョン
が発生し、オーバレイが部分的にはがれる現象が発生し
やすくなる。また、凹部間の平均間隔Ｓｍが１０μｍ未
満では、油の粘性抵抗により摩擦係数が高くなり、耐焼
付性は向上しない。

【００２４】使用するブラストの硬質粒子形状について
は、球状形状が好ましい。シャープエッジを持つ硬質粒
子では、表層オーバーレイ層への埋収や突き刺さりが起
こりやすくなり、またブラスト時、掘り起こし現象が発
生し、オーバレイ皮膜を剥がしていく傾向が強くなる。
球状形状の粒子を使用すると、油だまりとなる凹部が球
状になるため、油の表面張力による表面油切れが発生し
にくく、油膜が維持されやすく、耐摩耗性や耐焼付性向
上に効果がある。画像処理による測定にて円形度係数を
測定し、上記球状形状は０．６以上で好ましい摺動特性
が得られることが分かった。

【００２５】本発明における基地の銅合金層で代表され
る軸受合金層２については、エンジン稼動時に、摺動面
に入った異物や、油切れにより万が一オーバレイが摩耗
消失し、軸受合金が露出した場合でも、エンジンの稼動
が維持できるように、摺動特性に優れた軸受合金、例え
ば、銅合金としてＣｕ−Ｐｂ系、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｎ系、
Ｃｕ−Ａｇ−Ｓｎ系などを使用する。

【００２６】また、耐食性向上元素としてＮｉなど、耐
摩耗性や耐焼付性向上添加物としてＭｏ、Ｗ、窒化物、
硫化物、酸化物、炭化物などの硬質粒子を銅合金中に加
えても良い。

【００２７】本発明におけるオーバレイ層３について
は、前述したように、必要特性としてはなじみ性、異物
埋収性、耐焼付性、耐摩耗性、耐疲労性などが求められ
ており、５μｍ〜３０μｍの厚さの軟質オーバレイを使
用する。オーバレイ層３は、厚さが５μｍ未満では、エ
ンジン油中に存在する鋳物砂や鋳鉄粉切粉や摩耗粉を埋
収できず、また、摩耗してオーバレイ層が消滅する可能
性があり、かじりや焼付が発生しやすくなる。厚さが３
０μｍを超えると摩耗しやすくなり厚くした効果がなく
なり、耐疲労性も悪くなる。

【００２８】オーバレイ層３の成分としては、Ｐｂ−Ｓ
ｎ系、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｐｂ−Ｉｎ−Ｃｕ系、Ｐｂ
−Ｓｎ−Ｉｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ−Ａ
ｇ系、Ｓｎなどを使用する。さらに、耐摩耗性や耐焼付
性向上添加物としてＭｏ、Ｗ、窒化物、硫化物、酸化
物、炭化物などの硬質粒子をオーバレイ層３の中に加え
ても良い。

【００２９】次に、サンプル品により行った本発明のす
べり軸受の上記性能の確認評価試験につき説明する。

【００３０】カーボン量０．１２重量％のスチールで厚
さ１．２ｍｍから構成される裏金１とその裏金１上に鋳
造法にて製造されたＣｕ−２３ｗ重量％Ｐｂ−１．５重
量％Ｓｎが積層された銅合金系バイメタルを、半割軸受
形状にプレス加工し、所定の寸法に切削加工して仕上げ
を行い厚さ０．３ｍｍの銅合金層２の評価試験サンプル
を得た。

【００３１】この銅合金層２の上に、脱脂、酸洗の後、
密着性向上のためＮｉめっきを硫酸ニッケル浴で約1μ
ｍメッキした後、ホウフッ化浴にて軸受内面に均一に２
０μｍの厚さでメッキを行った。この２種類のオーバレ
イメッキの成分として、１つはＰｂ−１０重量％Ｓｎ−
２重量％Ｃｕ、１つはＰｂ−１０重量％Ｓｎ−１０重量
％Ｉｎ−３重量％Ｃｕとした。

【００３２】さらに、オーバレイ層３の表面に通常硬質
粒子としてアランダム粒子、略球状硬質粒子として溶融
シリカ粒子を用いブラスト処理を行い、閉塞した凹部を
表面に形成し、使用したアランダム粒子の平均粒径は５
０μｍ、円形度係数を測定すると０．４６であった。ま
た、溶融シリカ粒子では平均粒径１５、５０、８０、１
５０μｍの４種類の粒子を用い、この粒子の円形度係数
は０．６２〜０．７９の範囲であった。なお、各平均粒
径の硬質粒子においては、粒径の２．５倍を超える粒子
および１／３以下の粒子はあらかじめカットした。

【００３３】ブラスト条件は粒径によって異なるが、例
えば実施例１−１（表４参照）はＰｂ−１０重量％Ｓｎ
−２重量％Ｃｕ成分のオーバレイメッキ上に平均粒径５
０μｍの溶融シリカ粒子を、サンプルからブラストガン
までの距離を３００ｍｍとし、流速１２０ｍ／secで３
秒間吹き付けたものである。

【００３４】図２は、本発明に関するすべり軸受の代表
的な表面状態を示し、図３は、通常メッキ品のすべり軸
受のブラスト処理しない従来品の表面状態を示す。

【００３５】以上のように粒径とブラスト条件を変化さ
せて、最大高さＲｙ、および平均間隔Ｓｍの異なるサン
プルを製作し、本発明の銅系すべり軸受の上記性能の確
認評価試験を以下の評価試験条件で行った。

【００３６】耐摩耗性の評価試験 表１参照 軸受内径サイズφ５０ｍｍ 摩耗量は、軸受中央部の厚さを試験前後に測定し、その
試験前後の差とした。

【００３７】耐荷重性の評価試験 表２参照 軸受内径サイズφ５０ｍｍ 耐荷重性の確認は１０時間置きに軸受面をチェックし、
オーバレイが全体の２／３以上消失した時点、または下
地の銅合金に剥離やクラックが発生した時点の時間とそ
の前との中間の時間を耐久時間（耐疲労性）とした（Ｎ
＝３の平均時間とした）。

【００３８】耐焼付性の評価試験 表３参照 軸受内径サイズφ５０ｍｍ 耐焼付性は荷重をリニヤに増加させて、焼付判断により
焼付と判断し、その時点の荷重を焼付荷重とした（Ｎ＝
２の平均とした）。

【００３９】表４は、作製した実施例１−１〜実施例３
のサンプルと参考の比較例１〜８のサンプルにつき行っ
た評価試験の結果をまとめたものである。

【００４０】右欄の総合評価は、ブラスト処理なしの比
較例１に対し、耐摩耗性を示す摩耗量、耐焼付性を示す
焼付荷重、耐疲労性がすべて大幅に優れているときは非
常に良い◎とし、摩耗量、焼付荷重、耐疲労性がすべて
優れているときは良い○とし、摩耗量、焼付荷重、耐疲
労性のいずれかが悪いときは少し悪い△とし、摩耗量、
焼付荷重、耐疲労性の少なくとも１個が大幅に悪いとき
は悪い?とし、評価を行っている。

【００４１】表４に示すように、実施例１−１から実施
例３は、使用吹付粒子が２０〜１００μｍであり総合評
価はすべて◎または○となっており、比較例２から比較
例８は、使用吹付粒子が２０μｍ未満または１００μｍ
を超えており、総合評価は△または?となっている。

【００４２】また、実施例１−１から実施例３は、平均
間隔Ｓｍが０．０１５〜０．０８０ｍｍの範囲にあり、
また、最大高さＲｙが３〜９μｍの範囲にあり総合評価
はすべて◎または○となっている。一方、比較例２から
比較例８は、平均間隔Ｓｍが０．０１５未満か０．０８
０ｍｍを超えているか、最大高さＲｙが２未満か１０μ
ｍを超えており、総合評価は△または?となっている。

【００４３】従って、オーバレイ層３の表面への吹付粒
子は２０〜１００μｍの範囲が最良で、凹凸は平均間隔
Ｓｍが０．０１〜０．０８ｍｍの範囲で、最大高さＲｙ
が２〜１０μｍの範囲が最良であることが分かる。

【００４４】

【発明の効果】本発明のすべり軸受は、裏金層と、前記
裏金層上に設けられた軸受合金層と、前記軸受合金層に
積層され表面層となるオーバレイ層とを備え、前記オー
バレイ層は、凹の平均間隔が０．０１乃至０．０８ｍｍ
の範囲で、かつ、最大高さが２乃至１０μｍの範囲の微
細なクレータ状の凹部を表面に形成することとしたた
め、油だまり機能を表面に付与し、作動時に発生する油
膜を厚くし、耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性を向上する
ことができる。

【００４５】また、前記オーバレイ層の表面に微細なク
レータ状に形成する前記凹部は、平均粒径で２０乃至１
００μｍの硬質粒子を前記オーバレイ層の表面に吹き付
け形成することとしたため、オーバレイ層の表面に的確
な油だまり機能を持つ凹部を形成することができ、耐摩
耗性、耐焼付性、耐疲労性を向上することができる。

【００４６】また、前記硬質粒子を、より好ましくは円
形度係数が０．６以上の球状形状とすると、オーバレイ
層の表面に的確な凹部を形成することができ、耐摩耗
性、耐焼付性、耐疲労性を向上することができる。

【００４７】さらに、前記オーバレイ層は、Ｐｂ合金
と、ＳｎまたはＳｎ合金とし、５乃至３０μｍの範囲の
厚さとすることとしたため、的確な凹部を形成すること
ができ、耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性を向上すること
ができる。

【００４８】摩擦試験条件

【表１】

【００４９】耐荷重性試験条件

【表２】

【００５０】焼付試験条件

【表３】

【００５１】

【表４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関するすべり軸受の断面図を示す。

【図２】本発明に関するすべり軸受の実施例の表面状態
を示す。

【図３】通常メッキ品の銅系すべり軸受のブラスト処理
しない従来品の表面状態を示す。

【符号の説明】

１ 裏金層 ２ 軸受合金層 ３ オーバレイ層 ４ 凹部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 裏金層と、前記裏金層上に設けられた軸
   受合金層と、前記軸受合金層に積層され表面層となるオ
   ーバレイ層とを備え、前記オーバレイ層は、凹部間の平
   均間隔が０．０１乃至０．０８ｍｍの範囲で、かつ、最
   大高さが２乃至１０μｍの範囲の微細なクレーター状の
   凹部を表面に形成することを特徴とするすべり軸受。
2. 【請求項２】 前記オーバレイ層の表面に形成する前記
   凹部は、平均粒径で２０乃至１００μｍの硬質粒子を前
   記オーバレイ層の表面に吹き付け形成することを特徴と
   するすべり軸受。
3. 【請求項３】 前記オーバレイ層は、５乃至３０μｍの
   範囲の厚さのＰｂ合金と、ＳｎまたはＳｎ合金とし、軸
   受合金層として銅合金層とすることを特徴とする請求項
   １または請求項２に記載のすべり軸受。