JP6234637B2 - 摺動部材およびすべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、摺動面にて相手軸が摺動する摺動部材およびすべり軸受に関する。

Ｂｉのオーバーレイを形成し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、Ｂｉの析出粒子密度が５０〜３００個／１００μｍ²となるようにオーバーレイを形成することにより、なじみ性と耐摩耗性とを向上させている。

特開２００３−１５６０４５号公報

しかしながら、特許文献１において、Ｂｉの析出粒子密度が５０〜３００個／１００μｍ²とするとオーバーレイの耐疲労性（強度）を向上させることができるものの、オーバーレイの変形が困難となりなじみ性が低下す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、なじみ性と耐疲労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、本発明の摺動部材およびすべり軸受において、基層上に、相手材の摺動面を有する被覆層が形成された摺動部材であって、被覆層は、基層よりも軟らかい軟質材料で形成され、摺動面においては、平均粒径が０．１μｍ以上かつ１μｍ以下の軟質材料の結晶粒が塊状に集合することにより、平均径が３μｍ以上かつ３０μｍ以下の集合体が形成される。

前記の構成において、軟質材料の結晶粒の平均粒径を０．１μｍ以上かつ１μｍ以下とすることによって、Hall-Petchの関係により摺動面における被覆層の被膜強度を向上させることができ、耐疲労性を向上させることができる。さらに、軟質材料の結晶粒が塊状に集合した集合体を形成することにより、集合体の変形によって、なじみ性を向上させることができる。すなわち、微細な結晶粒によって耐疲労性を向上させることができると同時に、集合体の変形によってなじみ性も向上させることができる。

ここで、結晶粒の平均粒径を１μｍ以下とすることにより、耐疲労性が不足することを防止できる。また、集合体の平均径を３μｍ以上とすることにより、集合体の変形量が不足することを防止できる。一方、集合体の平均径を３０μｍ以下とすることにより、粗大な集合体によって油膜が適正に形成されず、耐焼付性が悪化することを防止できる。結晶粒の平均粒径と集合体の平均径の積が３以上となるように被覆層を形成することにより、良好な耐疲労性となじみ性とを実現できる。

また、軟質材料は、Ｂｉ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＩｎまたはＳｂであってもよい。Ｂｉ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｓｂは、いずれも硬度（例えばモース硬度）が小さく、軟質材料として好適である。また、以上説明した本発明の効果は、本発明の特徴を備えたすべり軸受においても発揮される。

本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。 図２Ａは摺動面の写真、図２Ｂは集合体の写真である。 圧縮試験の説明図である。 図４ＡはＢｉの電気めっきのパルス電流を示すグラフ、図４ＢはＢｉの結晶粒の平均粒径のグラフ、図４ＣはＢｉの結晶粒の集合体の平均径のグラフである。 図５Ａは変形量のグラフ、図５Ｂは降伏応力のグラフである。

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１．３ｍｍ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２０μｍである。オーバーレイ１２の曲率中心側の表面の半径（摺動部材１の内径）４０ｍｍ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０．１５ｗｔ％含有し、Ｍｎを０．０６ｗｔ％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１０ｗｔ％含有し、Ｂｉを８ｗｔ％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。不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％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、Ｂｉと不可避不純物とからなる。不可避不純物の含有量は１．０ｗｔ％以下である。

図２Ａは、オーバーレイ１２の内側の表面の写真である。図２Ａに示すように、オーバーレイ１２の内側の表面、すなわち相手軸２の摺動面には、塊状の集合体１２ａが多数形成されている。本実施形態において、摺動面に平行な方向における集合体１２ａの直径の平均値である平均径は、１４μｍであった。

図２Ｂは、集合体１２ａの写真である。図２Ｂに示すように、集合体１２ａは多数のＢｉの結晶粒が塊状に集合することにより形成された多結晶体である。本実施形態において、集合体１２ａの表面におけるＢｉの結晶粒の平均粒径は０．７μｍであった。

圧縮試験におけるオーバーレイ１２の変形量は２．４μｍと良好であった。オーバーレイ１２の変形量とは、圧縮試験によって摺動部材１を圧縮した際におけるオーバーレイ１２の厚みの減少量を意味する。

以上説明した摺動部材１において、Ｂｉの結晶粒の平均粒径を０．７μｍとすることによって、Hall-Petchの関係により摺動面における被覆層の被膜強度を向上させることができ、耐疲労性を向上させることができる。さらに、Ｂｉの結晶粒が塊状に集合した集合体１２ａを形成することにより、集合体１２ａの変形によって、なじみ性を向上させることができる。すなわち、微細な結晶粒によって耐疲労性を向上させることができると同時に、集合体１２ａの変形によってなじみ性も向上させることができる。

（１−２）計測方法：
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。

各層の厚みは、以下の手順で計測した。まず、摺動部材１の直径方向の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。

オーバーレイ１２におけるＢｉの結晶粒の平均粒径を以下の手順によって計測した。まず、オーバーレイ１２の内側の表面のうち面積が４２５μｍ²となる任意の観察視野範囲（縦１７μｍ×横２５μｍの矩形範囲）を電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって５０００倍の倍率で撮影（垂直視）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、観察画像において切片法を行うことにより、Ｂｉの結晶粒の粒径を計測した。この切片法では、観察画像上に形成した線分が通過する結晶粒の数で、当該線分の長さを除算することにより当該線分上における結晶粒の粒径を計測した。さらに、複数の線分のそれぞれについて計測した結晶粒の粒径の算術平均値（合計値／線分数）を平均粒径として計測した。

また、オーバーレイ１２におけるＢｉの集合体１２ａの平均径を以下の手順によって計測した。まず、オーバーレイ１２の内側の表面のうち面積が０．０４２５ｍｍ²となる任意の観察視野範囲（縦０．１７ｍｍ×横０．２５ｍｍの矩形範囲）を電子顕微鏡によって５００倍の倍率で撮影（垂直視）することにより、観察画像の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置に入力し、観察画像に存在する集合体１２ａの像のエッジ（明度や彩度や色相角が所定値以上異なる境界）を抽出した。さらに、画像解析装置によって、エッジによって閉じられた領域をＢｉの集合体１２ａの像として観察画像から抽出した。

そして、画像解析装置によって、観察視野範囲に存在するすべてのＢｉの集合体１２ａの像について投影面積円相当径（計測パラメータ：ＨＥＹＷＯＯＤ）を計測した。投影面積円相当径とは、Ｂｉの集合体１２ａの投影面積と等しい面積を有する円の直径であり、Ｂｉの集合体１２ａの像の面積と等しい面積を有する円の直径を光学倍率に基づいて現実の長さに換算した直径である。さらに、すべての集合体１２ａの投影面積円相当径の算術平均値（合計値／集合体数）をＢｉの集合体１２ａの平均径として計測した。なお、投影面積円相当径が１．０μｍ未満の場合、投影面積円相当径の信頼度や物質の特定の信頼度が低くなるため、Ｂｉの集合体１２ａの平均円相当径等を算出する際に考慮しないこととした。

オーバーレイ１２の変形量は以下の手順によって計測した。図３は、圧縮試験の説明図である。同図に示すように、実質的に剛体とみなせるハウジングＨ上に載置された半割形状の摺動部材１に静荷重を作用させることによって圧縮試験を行った。ハウジングＨには、摺動部材１の外径に対応する径の半円柱状の凹部が形成されており、当該凹部に沿うように摺動部材１を載置した。摺動部材１の内径に対応する径を有する円柱状の相手軸Ｇが用意され、当該相手軸Ｇを摺動部材１の内側の表面上に載置した。さらに、プラスティック板Ｔを介してオートグラフ（島津製作所製 ＡＧ−ＩＳ）によって５０ｋＮの静荷重を相手軸Ｇに作用させつつ、オートグラフによって、摺動部材１の厚みの減少量を摺動部材１の変形量として計測した。

（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した。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の粉末とを混合して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（ＪＩＳ Ｚ８８０１）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。 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。

次に、ライニング１１の表面上に軟質材料としてのＢｉを電気めっきによって１２μｍ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。Ｂｉの電気めっきの手順は以下のとおりとした。まず、電解液中にてライニング１１の表面に電流を流すことにより、ライニング１１の表面を脱脂した。次に、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、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Ｂｉの電気めっきを行った。

オーバーレイ１２におけるＢｉの電気めっきの条件を以下のとおりとした。Ｂｉ濃度：１０ｇ／Ｌ、有機スルホン酸：２５〜１００ｇ／Ｌ、添加剤（ポリエチレングリコール）：０．５〜５０ｇ／Ｌを含むめっき浴の浴組成とした。めっき浴の浴温度は、５０℃に調整した。さらに、ライニング１１に供給する電流はデューティー比が５０％の矩形パルス電流とし、その平均電流密度を１Ａ／ｄｍ²とした。

図４ＡはＢｉの電気めっきのパルス電流を示すグラフである。図４Ａの横軸は時刻を示し、縦軸はパルス電流（電流密度の大きさ）を示す。図４Ａに示すように、電流が流れる期間ｔ１の長さ（パルス幅）と、電流が流れない期間ｔ２の長さと、の比が１：１（デューティー比＝５０％）となっている。本実施形態では、パルス幅を変化させることにより、Ｂｉの結晶粒の平均粒径と、Ｂｉの結晶粒の集合体１２ａの平均径とを調整した。

図４ＢはＢｉの結晶粒の平均粒径のグラフである。図４Ｂの横軸はパルス幅を示し、縦軸はＢｉの結晶粒の平均粒径を示す。同図に示すように、デューティー比と平均電流密度を一定に保ったまま、パルス幅を変化させることにより、Ｂｉの結晶粒の平均粒径を調整することができる。具体的に、パルス幅を大きくすることにより、Ｂｉの結晶粒の平均粒径を大きくするように調整できる。

図４ＣはＢｉの結晶粒の集合体の平均径のグラフである。図４Ｃの横軸はパルス幅を示し、縦軸はＢｉの結晶粒の集合体の平均径を示す。同図に示すように、デューティー比と平均電流密度を一定に保ったまま、パルス幅を変化させることにより、Ｂｉの結晶粒の集合体の平均径を調整することができる。具体的に、パルス幅を大きくすることにより、Ｂｉの結晶粒の平均粒径を小さくするように調整できる。本実施形態では、パルス幅を０．１ミリ秒とすることにより、Ｂｉの結晶粒の平均粒径を０．７μｍに調整し、結晶粒の集合体の平均径を１４μｍに調整した。

オーバーレイ１２を積層した後に、水洗と乾燥を行って摺動部材１を完成させた。さらに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を形成した。

（２）実験結果：

表１は、オーバーレイ１２におけるＢｉ結晶の平均粒径とおよびＢｉの集合体１２ａの平均径ごとに変形量を計測した結果を示す。試料１はＢｉの集合体１２ａが存在しないほぼ平坦な摺動面を有する比較例である。上述した製造方法と同様の方法で、Ｂｉ結晶の平均粒径とおよびＢｉの集合体１２ａの平均径が異なる試料１〜５を製造した。ただし、オーバーレイ１２の電気めっきにおける電流密度やパルス幅を調整することにより、Ｂｉ結晶の平均粒径を調整した。

図５Ａは、Ｂｉの集合体１２ａの平均径ごとに変形量を示すグラフである。同図に示すように、Ｂｉの集合体１２ａの平均径が１０μｍ以下の領域で集合体１２ａの平均径を大きくすることにより、急激に変形量を大きくすることができることが分かった。また、Ｂｉの集合体１２ａの平均径が１０μｍ以上の領域では、大きな変形量を安定して得られることが分かった。そのため、すべり軸受Ａとして必要ななじみ性を得るために、Ｂｉの集合体１２ａの平均径を１０μｍ以上とすることがより望ましいことが分かった。

図５Ｂは、結晶の平均粒径と降伏応力との関係を示すグラフである（引用：T. G. Nieh, Lawrence Livermore National Lab）。同図に示すように、１０〜２０ｎｍ程度の結晶粒径にて降伏応力が最大となるとともに、当該結晶粒径よりも結晶粒径が大きくなる領域においては、Hall-Petchの関係に則って平均粒径が大きくなるほど降伏応力が減少していく。Ｂｉ結晶の平均粒径を０．５μｍ程度とすることにより、降伏応力が適度に大きく、集合体１２ａの硬度として適度な硬度が得られることが分かった。

（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・ボスブシュ等を形成してもよい。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、軟質材料はライニング１１よりも軟らかい材料であればよく、例えばＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｓｂのいずれかであってもよい。

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、１２ａ…集合体。

Claims (3)

1. 基層上に、相手材の摺動面を有する被覆層が形成された摺動部材であって、
   前記被覆層は、前記基層よりも軟らかい軟質材料で形成され、
   前記摺動面においては、平均粒径が０．１μｍ以上かつ１μｍ以下の前記軟質材料の結晶粒が塊状に集合することにより、平均径が３μｍ以上かつ３０μｍ以下の集合体が形成される、
   摺動部材。
2. 前記軟質材料は、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、ＩｎまたはＳｂである、
   請求項１に記載の摺動部材。
3. 基層上に、相手材の摺動面を有する被覆層が形成されたすべり軸受であって、
   前記被覆層は、前記基層よりも軟らかい軟質材料で形成され、
   前記摺動面においては、平均粒径が０．１μｍ以上かつ１μｍ以下の前記軟質材料の結晶粒が塊状に集合することにより、平均径が３μｍ以上かつ３０μｍ以下の集合体が形成される、
   すべり軸受。

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