JP5453532B2 - 摺動部材 - Google Patents
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Description
近年では、軸受特性として、なじみ性および耐摩耗性の向上とともに摩擦係数の低減も要望されている。
Al基軸受合金層は、鉄などから形成される裏金層に設けてもよい。
本実施形態では、DLC層は、Al基軸受合金層とは反対側の面において摺動相手の相手部材と摺動する。以下、DLC層の相手部材と摺動する、Al基軸受合金層とは反対側の面は「DLC層の摺動面」と称する。
DLC層は、Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子からDLC層の厚さ方向へ成長する。そのため、DLC層側の面に露出するSi粒子から成長したDLC層は、この露出するSi粒子の平面形状を反映する。すなわち、DLC層の摺動面は、Al基軸受合金層から露出するSi粒子に対応する部分が他の部分に比較して突出した突部となる。このとき、DLC層を構成する炭素は、Al基軸受合金層の主たる成分であるAlに比較して、同族の元素であるケイ素(Si)との結合力が高い。そのため、DLC層は、Al基軸受合金層から露出するSi粒子を媒体としてAl基軸受合金層との結合力が高められる。また、DLC層の摺動面におけるDLC層の突出量は、この場合、Al基軸受合金層からDLC層側に突出するSi粒子の突出量に応じて大きくなる。
以下、DLC層の摺動面にSi粒子の平面形状を反映した突部を形成するときのDLC層の形成速度は、第1の形成速度と称する。
これにより、Al基軸受合金層から露出するSi粒子上に形成されたDLC層は、摺動面に荷重が加わっても変形しにくい。これに対し、Al基軸受合金層のうちSi粒子が露出していない部分、すなわちAl基軸受合金層のマトリクスであるAl上に形成されたDLC層は、摺動面側から荷重が加わると、Alの変形に追随してAl基軸受合金層側に変形しやすい。そのため、平坦なDLC層の摺動面の全体に相手部材から荷重が均一に加わるとき、相手部材の荷重は、DLC層のうち露出するSi粒子上の部分に集中する。その結果、相手部材との摺動時に、Al基軸受合金層から露出したSi粒子上に形成されたDLC層の部分と相手部材とが接しやすく、この部分に摩擦熱が発生しやすくなる。これにより、Si粒子上に形成されたDLC層は、摩擦熱によってグラファイト化が進行して軟化し、剪断力への耐性が低下する。したがって、相手部材との摺動時に剪断力が加わると、DLC層の滑りが生じやすくなり、DLC層の摩擦係数が低下する。
以下、DLC層の摺動面を比較的平坦に形成するときのDLC層の形成速度は、第2の形成速度と称する。
以下、DLC層の摺動面に凹部を形成するときのDLC層の形成速度は、第3の形成速度と称する。
このように、Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子の面積率を規定することにより、Al基軸受合金層とDLC層との密着性は向上する。ここで、Si粒子の面積率とは、Al基軸受合金層のDLC層側の面の全体に対し、Al基軸受合金層からDLC層側へ露出するSi粒子の投影面積、つまりSi粒子の平面形状が占める面積である。このSi粒子の面積率を1(%)未満とすると、Al基軸受合金層とDLC層との結合へのSi粒子の影響は小さくなる。また、Si粒子の面積率が1(%)未満であると、Si粒子の形状を反映したDLC層の摺動面の凹凸も減少する。その結果、Si粒子による低摩擦化への寄与は小さくなる傾向にある。また、Si粒子の面積率が大きくなると、Al基軸受合金層とDLC層との結合へのSi粒子の寄与は増大する。一方、耐摩耗性の観点から、Si粒子の面積率を10(%)以下にするのが好ましい。以上の理由から、DLC層側に露出するSi粒子は、面積率を1(%)以上、10(%)以下に設定している。ここで、本明細書中におけるSi粒子の面積率とは、Al基軸受合金層のDLC層側の面の単位面積当たりの、これに含まれる全Si粒子の投影面積の合計を意味する。
このように、Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子の領域分割によるアスペクト比および相互の間の距離を規定することにより、Si粒子はAl基軸受合金層のDLC層側の面に均一に分散することとなる。そのため、Al基軸受合金層とDLC層との結合力は、さらに向上する。また、Si粒子が均一に分散することにより、DLC層の摺動面における凹凸も均一に分散する。そのため、相手部材との摩擦、特に起動時における摩擦は減少する。したがって、耐焼付性をより高めることができる。
Al基軸受合金層は、1.5〜8(質量%)のSi粒子と、残部が実質的にAlであることが好ましい。Si粒子を1.5(質量%)以上に設定することにより、Si粒子はAl基軸受合金層のDLC層側の面に露出した状態で設けられる。一方、Si粒子が8(質量%)以下であると、Al基軸受合金層の硬さは過大とならない。そのため、Al基軸受合金層の耐疲労性は向上する。
さらに、Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子は、DLC層側の面の総面積に対し粒子径4(μm)未満のSi粒子の面積が20〜60(%)を占め、粒子径4〜20(μm)のSi粒子の面積が40(%)以上を占めていることが好ましい。Si粒子の粒子径および面積率がこの範囲内にあるとき、相手部材から荷重を受けたとき、DLC層の摺動面はグラファイト化される部分の面積が最適となる。そのため、DLC層の摺動面は最適な量のグラファイト化が促進される。その結果、DLC層の摩擦係数を低減することができ、耐摩耗性も向上することができる。また、DLC層とAl基軸受合金層との密着性を非常に優れたものとすることができ、ひいては耐焼付性が向上する。
Si粒子の面積率は、Al基軸受合金層のDLC層側の面を顕微鏡で撮影し、撮影した写真を画像解析装置により解析する。このとき、例えば観察視野0.0125mm2に存在するSi粒子のすべてを抽出し、その抽出結果から各Si粒子の面積が求められる。そして、観察視野の面積とSi粒子の面積の総和との比から面積率が算出される。なお、観察視野に存在するSi粒子の総面積と観察視野との面積率は、Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子の総面積とAl基軸受合金層のDLC層側の面積との面積率と同一である。しかし、用途に応じて意図的に部位により面積率を変えてもよい。
Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子の粒子径を導出するにあたって、上記0.0125mm2に存在するSi粒子についてそれぞれ面積を測定する。そして、測定したSi粒子の面積と同一の面積の仮想的な円を設定し、この仮想的な円の径から粒子径が換算される。
Si粒子の面積率A(%)とDLC層の厚さT(μm)とは、摺動時の摩擦に影響を与える。すなわち、あるSi粒子の面積率に対しDLC層の厚さが薄いとき、またはあるDLC層の厚さに対してSi粒子の面積率が大きいとき、DLC層のうち剪断力によって滑りを生じる部分を生じ易くでき、摩擦係数の低減が実現し易くなる。このように、DLC層側の面に露出するSi粒子の面積率A(%)とDLC層の厚さT(μm)とが関連づけられている。
DLC層の硬さをH(HV)とし、その厚さをT(μm)とすると、H≦10000/T、かつT≦20のとき、Si粒子が上述のようなDLC層の硬さの差の発現へ与える影響は大きくなる。すなわち、DLC層の硬さに対する厚さを上記範囲に制御すると、耐摩耗性に優れたDLC層の摺動面においてSi粒子の有無によるグラファイト化を効果的に促進し易い。したがって、DLC層の硬さと厚さとを相関させることにより、摩擦係数の低減と耐摩耗性の向上とを両立することができる。
DLC層の厚さが15(μm)以下であると、DLC層の摺動面にはAl基軸受合金層から露出するSi粒子を反映した凹凸が形成されやすくなる。このDLC層の厚さは、プラズマCVD法、PVD法などによるDLC層の形成時間を調整することにより得られる。
また、DLC層の硬さHが6000(HV)以下であると、十分な耐摩耗性を有しながら、DLC層による相手部材への攻撃性を容易に抑制できる。DLC層の硬さは、DLC層に含まれる水素やSi、Ti、Wなどの添加元素の含有量、およびDLC層の混成軌道の比(sp2/sp3)を調整することにより変更可能である。
DLC層の硬さがAl基軸受合金層の1.1倍以上とすると、耐摩耗性を効果的に発揮させ易い。一方、DLC層の硬さが摺動相手の相手部材の硬さの0.9倍以下とすると、相手部材の摩耗を確実に抑制し易い。そこで、DLC層の硬さを設定することにより、DLC層および相手部材の摩耗をいずれも低減することができる。
また、第2の形成速度でDLC層3を形成したとき、DLC層3は図4に示す形状となる。すなわち、DLC層3の摺動面は、Al基軸受合金層2から露出するSi粒子2bの形状に関わらず平坦面3aを形成する。
さらに、第3の形成速度でDLC層3を形成したとき、DLC層3は図5に示す形状となる。すなわち、DLC層3の摺動面は、Al基軸受合金層2のDLC層3側の面に露出するSi粒子2bの形状を反映した凹部5を形成する。
まず、Al基軸受合金層となるAl基軸受合金板は、溶融したAlに所定量のSiを添加し、連続鋳造することによって形成される。このとき、Al基軸受合金板は、板厚15mmに形成される。
次に、連続鋳造されたAl基軸受合金板は、冷間で6mmの厚さに連続圧延される。この連続圧延および後述する圧接の加工を制御、すなわち圧下率を制御することにより、粒子径の異なるSi粒子が所定の割合で混在する状態となる。そして、連続圧延されたAl基軸受合金板は、歪み除去および添加元素の安定化を図るために焼鈍が施される。
半円筒状に形成されたバイメタルは、その内周面に一般的なプラズマCVD法またはPVD法などによってDLC層を形成する。これにより、半円筒状の摺動部材が得られる。
実施例品は、上述した本実施形態の摺動部材に基づく製造方法で得た。また、実施例品は、DLC層の形成速度を調整することにより、第1の形成速度でDLC層の摺動面に突部を形成、第2の形成速度でDLC層の摺動面を比較的平坦に形成、または第3の形成速度でDLC層の摺動面に凹部を形成することができる。図6に示す各実施例品のうち実施例品1は、図3に示すように第1の形成速度でDLC層を形成している。また、実施例品2は、図4に示すように第2の形成速度でDLC層を形成している。実施例品3は、図5に示すように第3の形成速度でDLC層を形成している。さらに、実施例品4〜実施例品22、および比較例品1は、いずれも第2の形成速度でDLC層を形成している。ここで検証の比較として採用した比較例品1は、Al基軸受合金層にSiを含有していない。また、比較例品2は、DLC層を備えていない。
(Si含有量について)
実施例品1〜実施例品22および比較例品2は、いずれもAl基軸受合金層にSiを1〜15(質量%)含有している。これに対し、比較例品1は、Al基軸受合金層にSiを含有していない。
(Si粒子の面積率について)
実施例品4〜実施例品22および比較例品2の場合、Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子の面積率は、いずれも1〜10(%)に設定されている。これに対し、実施例品1〜実施例品3は、Si粒子の面積率が0.5(%)に設定されている。また、比較例品1は、Siを含有していないため、Si粒子がAl基軸受合金層のDLC層側の面に露出していない。
(Si粒子の領域分割によるアスペクト比について)
実施例品7〜実施例品22および比較例品2の場合、Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子の領域分割法により導出されたボロノイ多角形のアスペクト比は、いずれも3以下に設定されている。これに対し、実施例品1〜実施例品3は、Si粒子のアスペクト比が4.5に設定されている。また、実施例品4はSi粒子のアスペクト比が3.6、実施例品5はSi粒子のアスペクト比が4、実施例品6はSi粒子のアスペクト比が3.2にそれぞれ設定されている。
実施例品7〜実施例品22および比較例品2の場合、Al基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子の相関の距離は、いずれも15(μm)以下に設定されている。これに対し、実施例品1〜実施例品3は、Si粒子の相互間の距離が25(μm)に設定されている。また、実施例品4はSi粒子の相互間の距離が18(μm)、実施例品5はSi粒子の相互間の距離が20(μm)、実施例品6はSi粒子の相互間の距離が16(μm)にそれぞれ設定されている。
実施例品11〜実施例品22および比較例品2は、粒子径が4(μm)未満のSi粒子の面積率が20〜60(%)であり、粒子径が4〜20(μm)のSi粒子の面積率が40(%)以上を占めている。これに対し、実施例品1〜実施例品3および実施例品6は、粒子径が4(μm)未満のSi粒子の面積率が15(%)であるものの、粒子径が4〜20(μm)のSi粒子の面積率がいずれも85(%)となっている。同様に、実施例品4、実施例品5、実施例品7〜実施例品10は、いずれも粒子径が4(μm)未満のSi粒子の面積率が65(5)以上であり、粒子径4〜20(μm)のSi粒子の面積率が35(%)以下である。
実施例品14〜実施例品22は、いずれもDLC層の硬さH(HV)と厚さT(μm)との関係がH≦10000/T、かつT≦20を満たしている。これに対し、実施例品1〜実施例品13は、いずれもH>10000/Tである。また、比較例品2は、DLC層を備えていない。さらに、比較例品1は、DLC層を備えているものの、H>10000/Tである。ここで、DLC層の硬さHと厚さTとの間には、図7に示すような関係がある。このとき、実施例品14〜実施例品22は、図7に示すH≦10000/Tで導かれる曲線よりも原点に近い網掛けした領域に存在する。
実施例品4、実施例品6、実施例品8、実施例品10〜実施例品12、および実施例品14〜実施例品22は、いずれもAl基軸受合金層のDLC層側の面に露出するSi粒子の面積率A(%)とDLC層の厚さTとの関係がA≧0.5×Tを満たしている。これに対し、実施例品1〜実施例品3、実施例品5、実施例品7、実施例品9および実施例品13は、いずれもA<0.5×Tである。
図6に示す実施例品1〜実施例品22、および比較例品1は、いずれもAl基軸受合金層とDLC層との密着性を試験した。ここでは、DLC層の密着性は、DLC層に剥離荷重を加えてDLC層を引き剥がすことにより試験した。具体的には、DLC層は、0(N)〜200(N)の剥離荷重が連続的に加えられる。このとき、DLC層に剥離荷重を加えながら移動する距離は、10(mm)に設定している。また、剥離荷重を加える相手となる球状部材は、材質がクロム鋼(SUJ−2)であり、直径が3(mm)である。さらに、剥離荷重を加えるとき、摺動部材と球状部材との間には、潤滑油を10(μリットル)供給した。
図6に示す実施例品1〜実施例品22、および比較例品1〜比較例品2は、低摩擦化により耐焼付性が向上するという観点から、摩擦係数の低数値化を確認するために、いずれも耐焼付性について試験した。ここでは、耐焼付性は、次の条件で試験した。試験の対象となる試料は、相手方となる軸部材との間で2(m/sec)の速度で回転させながら、試験荷重を1(MPa/5min)で加えた。このとき、試料に供給される潤滑油は、SAE#30であり、温度を60(℃)、給油量を20(ml/min)に設定した。相手方の軸部材は、材質が炭素鋼(S55C)であり、硬さが600(HV)である。
図6に示す実施例品1、実施例品2および実施例品3は、それぞれDLC層を形成する形成速度が異なっている。具体的には、実施例品1は第1の形成速度で図3に示すDLC層を形成し、実施例品2は第2の形成速度で図4に示すDLC層を形成し、実施例品3は第3の形成速度で図5に示すDLC層を形成している。また、実施例品1〜実施例品3は、いずれもSi含有量、Si粒子の面積率などの特性が同一に設定されている。一方、実施例品1〜実施例品3は、いずれも剥離荷重および焼付面圧に大差がない。これにより、DLC層の形成速度は、剥離荷重および焼付面圧に与える影響が小さいことがわかる。このように、DLC層の形成速度が摺動部材の特性に与える影響は小さいことから、実施例品4〜実施例品22、および比較例品1では第2の形成速度でDLC層を形成している。
以上説明した実施例品1〜実施例品22は、Al基軸受合金層上にDLC層を形成することにより、相手方の軸部材との間の摩擦係数を低減することができる。そして、実施例品1〜実施例品22は、比較例1および比較例2と比較して、Al基軸受合金層とDLC層との間で高い結合力が得られて耐焼付性が高められ、低摩擦化が実現されている。
不可避的不純物については説明を省略し、各成分には不可避的不純物が含まれ得る。
Claims (8)
- Si粒子を含むAlを主体とするAl基軸受合金層と、
前記Al基軸受合金層に積層されているDLC層と、を備え、
前記Al基軸受合金層に含まれる前記Si粒子の少なくとも一部は、前記DLC層側の面に露出している摺動部材。 - 前記DLC層側の面に露出するSi粒子は、面積率が1(%)以上、10(%)以下である請求項1記載の摺動部材。
- 前記DLC層側の面に露出するSi粒子は、領域分割によるアスペクト比が3以下であって、相互の間の距離が15(μm)以下である請求項1または2記載の摺動部材。
- 前記Al基軸受合金層は、1.5〜8(質量%)のSi粒子を含み、残部が実質的にAlからなり、
前記DLC層側の面に露出しているSi粒子は、前記DLC層側の面の総面積に対し粒子径4(μm)未満のSi粒子の面積が20(%)〜60(%)を占め、粒子径4(μm)〜20(μm)のSi粒子の面積が40(%)以上を占めている請求項1、2または3記載の摺動部材。 - 前記DLC層側の面に露出するSi粒子の面積率をA(%)、前記DLC層の厚さをT(μm)とすると、
A≧0.5×T
である請求項1から4のいずれか一項記載の摺動部材。 - 前記DLC層の硬さをH(HV)、前記DLC層の厚さをT(μm)とすると、
H≦10000/T、かつT≦20
である請求項1から5のいずれか一項記載の摺動部材。 - 前記DLC層は、H≦6000、かつT≦15である請求項6記載の摺動部材。
- 前記DLC層の硬さは、前記Al基軸受合金層の硬さの1.1倍以上であり、摺動対象となる相手方の相手部材の硬さの0.9倍以下である請求項1から7のいずれか一項記載の摺動部材。
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