JP2019100350A

JP2019100350A - 摺動部材

Info

Publication number: JP2019100350A
Application number: JP2017227845A
Authority: JP
Inventors: 茂幸須賀; Shigeyuki Suga
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: JP6905926B2

Abstract

【課題】耐摩耗性と低摩擦抵抗性とを両立できる技術を提供する。【解決手段】摺動部材は、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、前記基層よりも硬い硬質粒子と、固体潤滑粒子とが、Ｂｉ中に含有された層である、ことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、Ｂｉを含む被覆層を備えた摺動部材に関する。

Ｂｉオーバーレイに硬質粒子を含有させ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、硬質粒子を含有することにより、軟質のＢｉオーバーレイの耐摩耗性を向上させることができる。

特開２００３−１５６０４６号公報

しかしながら、特許文献１のように、Ｂｉオーバーレイに硬質粒子が含まれることにより、摺動部材と相手軸とが固体接触した際の摩擦抵抗が大きくな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、耐摩耗性と低摩擦抵抗性とを両立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、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、基層よりも硬い硬質粒子と、固体潤滑粒子とが、Ｂｉ中に含有された層である。

前記の構成において、被覆層に、硬質粒子だけでなく、固体潤滑粒子が含まれる。硬質粒子によって耐摩耗性を向上させることができる。さらに、硬質粒子による摩擦抵抗の増大を、固体潤滑粒子によって軽減することができ低摩擦抵抗性を実現できる。

例えば、硬質粒子は、金属のホウ化物やケイ化物や酸化物や窒化物や炭化物であってもよいし、金属間化合物であってもよい。例えば、ホウ化物として、ＮｉＢ、Ｎｉ₃Ｂ、ＣｒＢ、ＺｒＢ₂、ＣｏＢ、ＴｉＢ₂、ＶＢ₂、ＴａＢ₂、ＷＢ、ＭｏＢ、Ｆｅ−Ｂ系等を適用してもよい。ケイ化物として、ＴｉＳｉ₂、ＷＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂、ＴａＳｉ₂、ＣｒＳｉ₂、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｍｎ−Ｓｉ系等を適用してもよい。さらに、酸化物としては、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＷＯ、ＭｏＯ₂、Ｍｎ−Ｏ系、Ｆｅ−Ｏ系、Ｖ−Ｏ系等を適用してもよい。窒化物として、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＶＮ、ＡｌＮ、Ｃ−ＢＮ、Ｃｒ₂Ｎ等を適用してもよい。炭化物としては、ＷＣ、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＶＣ、ＺｒＣ等を適用してもよい。金属間化合物として、Ｎｉ−Ｓｎ系、Ｆｅ−Ｗ系、Ｆｅ−Ｍｏ系、Ｆｅ−Ｍｎ系、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｃｒ−Ａｌ系、Ｖ−Ａｌ系、Ｔｉ−Ａｌ系、Ｗ−Ａｌ系等を適用してもよい。他の硬質粒子の材料として、Ｎｉ基自溶性合金（Ｎｉ−Ｂ−Ｓｉ系）、Ｃｏ基自溶性合金（Ｃｏ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ系）等を適用してもよい。

固体潤滑粒子は、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）であってもよいし、ＭｏＳ₂であってもよいし、Ｇｒ（グラファイト）であってもよい。

本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。摩耗量のグラフである。摩擦係数のグラフである。

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、基層としてのライニング１１よりも硬い硬質粒子と、固体潤滑粒子とが、Ｂｉ中に含有された層である。本実施形態において、硬質粒子として、平均粒径が０．３μｍのＳｉＣが３．０質量％だけオーバーレイ１２に含有されている。固体潤滑粒子として、平均粒径が２．０μｍのＧｒ（グラファイト）が３．０質量％だけオーバーレイ１２に含有されている。オーバーレイ１２における硬質粒子と固体潤滑粒子の残部は、Ｂｉと不可避不純物となっている。

以上説明した摺動部材１と同様のオーバーレイ１２を有する摩耗試験片（コンロッドＲ）で摩耗試験を行い、その摩耗量を計測したところ、０．３ｍｍ³と良好であった。また、摩耗試験における摩擦係数を計測したところ、０．０２３と良好であった。以上説明した本実施形態において、硬質粒子によって耐摩耗性を向上させることができる。さらに、硬質粒子による摩擦抵抗の増大を、固体潤滑粒子によって軽減することができ低摩擦抵抗性を実現できる。

（１−２）計測方法：
なお、摩耗量と摩擦係数は、以下の手順で計測した。まず、前記実施形態と同様の構成を有する試験片を用意した。試験機として片荷重摩耗試験機を用し、相手軸として焼き入れ処理を行ったＳＣＭ４１５（クロムモリブデン鋼）を使用した。摩耗試験において１０秒間の回転期間と１０秒間の停止期間のサイクルを１０時間（１８００サイクル）行った。回転期間における試験片に対する相手軸の摺動速度を３ｍ／秒とし、回転期間における試験片に対する相手軸の摺動速度を０ｍ／秒とした。摩耗試験において試験片と相手軸との間に作用する荷重を３ｋＮとした。また、１００℃に加温したエンジンオイルの給油状態で摩耗試験を行った。

以上の摩耗試験を行う前の試験片の質量から摩耗試験を行った後の試験片の質量を減算することにより、摩耗試験における摩耗質量を算出した。さらに、摩耗質量をオーバーレイ１２の比重で除算することにより、摩耗量（摩耗体積）を計測した。

さらに、摩耗試験における１００〜２００サイクルまでの期間において相手軸に作用したトルクの平均値を計測した。そして、相手軸に作用したトルクと、試験片と相手軸との間に作用する荷重と、相手軸の半径とに基づいて、摩擦係数を算出した。

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における硬質粒子と固体潤滑粒子の質量については、オーバーレイ１２をめっきする際のめっき浴の組成から推定した。

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。以上のめっき浴に、硬質粒子（ＳｉＣ）と固体潤滑粒子（Ｇｒ）の粉末を混合した。

めっき浴における硬質粒子と固体潤滑粒子の混合量が増加すると、オーバーレイ１２における硬質粒子と固体潤滑粒子の含有量も増加する。予めめっき浴における硬質粒子と固体潤滑粒子の混合量と、オーバーレイ１２における硬質粒子と固体潤滑粒子の含有量との対応関係を調査しておくことにより、狙いの含有量となるように硬質粒子と固体潤滑粒子とをめっき浴に混合しておくことができる。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、硬質粒子と固体潤滑粒子の材料と混合量を変化させることにより、実施例１〜７と比較例８〜１２を用意した。実施例１〜７においては、硬質粒子と固体潤滑粒子の双方がオーバーレイ１２に含まれる。比較例８，１０，１２においては、硬質粒子のみがオーバーレイ１２に含まれる。比較例９，１１においては、固体潤滑粒子のみがオーバーレイ１２に含まれる。以上のような実施例１〜７，比較例８〜１２について前記実施形態と同様に摩耗量と摩擦係数を計測した結果を表１に示す。

図２は、摩耗量のグラフである。図２の横軸は硬質粒子の含有量を示し、縦軸は摩耗量を示す。図２の黒丸は実施例１〜７を示し、黒三角は比較例８〜１２を示す。同図に示すように、オーバーレイ１２における硬質粒子の含有量を１．０質量％以上かつ４．０質量％以下とすることにより、摩耗量を良好に抑制できることが確認できた。

図３Ａは、摩擦係数のグラフである。図３Ａの横軸は固体潤滑粒子の含有量を示し、縦軸は摩擦係数を示す。図３Ａの黒丸は実施例１〜７を示し、黒三角は比較例８〜１２を示す。同図に示すように、オーバーレイ１２における固体潤滑粒子の含有量を１．５質量％以上かつ３．０質量％以下とすることにより、摩擦係数を良好に抑制できることが確認できた。

図３Ｂは、摩擦係数のグラフである。図３Ｂの横軸は硬質粒子の含有量を示し、縦軸は摩擦係数を示す。図３Ｂの黒丸は実施例１〜７を示し、黒四角はオーバーレイ１２に固体潤滑粒子が含まれない比較例８，１０，１２を黒四角で示し、黒三角は残りの比較例９，１１を示す。図３Ｂに示すように、硬質粒子が４．０質量％含まれる場合でも、固体潤滑粒子を含有させることにより、摩擦係数を良好に抑制できることが確認できた。また、硬質粒子の含有量に対して０．３７５〜３倍の含有量の固体潤滑粒子を含有させることにより、摩擦係数を良好に抑制できることが確認できた。ただし、本願発明者は、硬質粒子の含有量に対する固体潤滑粒子の含有量の比を適切に設定することにより、硬質粒子と固体潤滑粒子とをそれぞれ６．０質量％まで含有しても、良好な耐摩耗性と低摩擦抵抗性とを実現できることを確認した。

なお、実施例１〜７においては、複数種の硬質粒子と固体潤滑粒子の材料を適用したが、これらの材料間で摩耗量と摩擦係数に有意な差は見られなかった。従って、上述した硬質粒子と固体潤滑粒子の各種材料のいずれを適用しても本発明の効果が発揮されるものと推定される。同様に、実施例１〜７においては、複数種の平均粒径の硬質粒子と固体潤滑粒子を適用したが、これらの平均粒径間で摩耗量と摩擦係数に有意な差は見られなかった。

（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…オーバーレイ、Ａ…すべり軸受

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、前記基層よりも硬い硬質粒子と、固体潤滑粒子とが、Ｂｉ中に含有された層である、
ことを特徴とする摺動部材。
前記被覆層における前記硬質粒子の含有量は、１．０質量％以上かつ６．０質量％以下である、
請求項１に記載の摺動部材。
前記被覆層における前記固体潤滑粒子の含有量は、１．５質量％以上かつ６．０質量％以下である、
請求項１または請求項２のいずれかに記載の摺動部材。