JP6321436B2 - 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。

Ｃｕ合金上にＢｉの被覆層を形成し、当該被覆層上において相手材を摺動させる技術が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１において、Ｂｉの被覆層の下層にＡｇの中間層を形成している。これにより、Ｂｉによるなじみ性を向上させるとともに、Ａｇによって疲労破壊を防止できる。

特開２００６−２６６４４５号公報

しかしながら、特許文献１において、被覆層のＢｉの結晶組織は柱状晶となっており、柱状晶の粒界においてへき開破壊が生じやすいという問題があった。特に、Ｂｉの結晶粒径が小さい場合、粒界におけるへき開破壊が疲労時に発生しやす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、疲労時における摺動面のへき開破壊を防止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材料の被覆層が形成される。そして、被覆層は、結晶粒の粒径が３μｍ以上かつ７μｍ以下となる被覆材料の結晶組織を有する。このように、被覆材料の結晶粒の粒径を３μｍ以上とすることにより、疲労時における結晶粒内における転位を促進することができる。すなわち、結晶粒内における転位の移動を促進することにより、被覆層の延性を大きくすることができ、疲労時におけるへき開破壊を防止できる。一方、被覆材料の結晶粒を７μｍ以下とすることにより、強度が低下することによって、却って疲労破壊が促進されることを防止できる。

図１は、結晶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の関係に則って結晶粒径が大きくなるほど降伏応力が減少していく。降伏応力がHall-Petchの関係に則った結晶粒径の領域においては、早期に被覆層が降伏するものの、粒径が大きい結晶粒内にて転位を移動させやすくし、被覆層を塑性変形させることができる。すなわち、結晶粒界をへき開させるよりも小さい応力で被覆層を塑性変形させることができ、被覆層がへき開破壊することを防止できる。

また、被覆材料は、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、被覆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。

結晶粒径と降伏応力との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。 （３Ａ）は疲労試験の模式図、（３Ｂ）は疲労損傷面積率のグラフである。

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２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が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１２μｍ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。本実施形態において、オーバーレイ１２はＢｉの結晶粒で構成される結晶組織を有し、オーバーレイ１２を構成するＢｉの結晶粒の平均粒径は４μｍであった。

以上説明した摺動部材１について疲労試験を行った結果、疲労損傷面積率が１０％と良好であった。オーバーレイ１２の結晶粒の粒径を４μｍとすることにより、疲労時における結晶粒内における転位を促進することができ、結晶粒界におけるへき開破壊を防止できる。すなわち、結晶粒内における転位の移動を促進することにより、オーバーレイ１２全体の延性を大きくすることができ、疲労時におけるへき開破壊を防止できる。また、被覆材料の結晶粒の粒径を７μｍとすることにより、強度が低下することによって、却って疲労破壊が促進されることを防止できる。

（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の任意の断面をクロスセクションポリッシャで研磨した。オーバーレイ１２の断面のうち面積が０．０２ｍｍ²となる任意の観察視野範囲（縦０．１ｍｍ×横０．２ｍｍの矩形範囲）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。

疲労損傷面積率は、以下の手順で計測した。まず、図３Ａに示す疲労試験装置によって疲労試験を行った。図３Ａに示すように、長さ方向の両端に円柱状の貫通穴が形成されたコンロッドＲを用意し、一端の貫通穴にて試験軸Ｈ（ハッチング）を軸受けさせた。なお、試験軸Ｈを軸受けするコンロッドＲの貫通穴の内周面に摺動部材１と同様のオーバーレイ１２（灰色）を形成した。試験軸Ｈの軸方向におけるコンロッドＲの両外側において試験軸Ｈを軸受けし、回転数が３０００回転／分となるように試験軸Ｈを回転させた。試験軸Ｈとは反対側のコンロッドＲの端部を、コンロッドＲの長さ方向に往復移動（３０００往復／分）する移動体Ｆに連結し、当該移動体Ｆの往復荷重を５０ＭＰａとした。また、コンロッドＲと試験軸Ｈとの間には、１２０℃のエンジンオイルを給油した。

以上の状態を５０時間にわたって継続することにより、オーバーレイ１２の疲労試験を行った。そして、疲労試験後において、オーバーレイ１２の内側の表面（摺動面）を、当該表面に直交する直線上の位置から当該直線を主光軸とするように撮影し、当該撮影された画像である評価画像を得た。そして、評価画像に映し出されたオーバーレイ１２の表面のうち損傷した部分をビノキュラー（拡大鏡）で観察して特定し、当該損傷した部分の面積である損傷部面積を、評価画像に映し出されたオーバーレイ１２の表面全体の面積で除算した値の百分率を疲労損傷面積率として計測した。

（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の表面上に被覆材料としての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：４０〜６０ｇ／Ｌ、有機スルホン酸：２５〜１００ｇ／Ｌ、添加剤：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、４０〜６０℃の間で調整した。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４〜８Ａ／ｄｍ²とした。

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の平均粒径ごとに疲労損傷面積率を計測した結果を示す。上述した製造方法と同様の方法で、Ｂｉの平均粒径が異なる試料１〜５（試料３は前記実施形態）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を調整することにより、Ｂｉの平均粒径を調整した。オーバーレイ１２の電気めっきにおける電流密度が大きくなるほどＢｉの平均粒径が大きくなる性質があるため、狙いの平均粒径が大きくなるほど電流密度を大きく調整した。

図３Ｂは、Ｂｉの平均粒径ごとに疲労損傷面積率を示すグラフである。同図に示すように、Ｂｉの平均粒径が２〜３μｍの領域で平均粒径を大きくすることにより、急激に疲労損傷面積を抑制することが分かった。また、Ｂｉの平均粒径が４μｍ以上の領域で平均粒径を大きくすることにより、わずかに疲労損傷面積が増大していくことが分かった。これは、Ｂｉの平均粒径が大きくなると、強度が低下するためであると推定される。そのため、すべり軸受Ａとして必要な耐疲労性を得るために、Ｂｉの平均粒径を３μｍ以上かつ７μｍ以下とすることが望ましいことが分かった。

（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、被覆材料はライニング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。Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｓｂにおいても、結晶粒の粒径を大きくすることにより延性を向上させることができる。

１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、１１ｂ…Ｂｉ粒子、１２…オーバーレイ。

Claims (4)

1. 基層上に、相手材の摺動面を有するＢｉの被覆層が形成された摺動部材であって、
   前記被覆層は、結晶粒の粒径が３μｍ以上かつ７μｍ以下となるＢｉの結晶組織を有し、
   Ｂｉの粒子が析出している前記基層上に形成される、
   摺動部材。
2. 前記基層は焼結体である、
   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Ｂｉの被覆層が形成されたすべり軸受であって、
   前記被覆層は、結晶粒の粒径が３μｍ以上かつ７μｍ以下となるＢｉの結晶組織を有し、
   Ｂｉの粒子が析出している前記基層上に形成される、
   すべり軸受。
4. 前記基層は焼結体である、
   請求項３に記載のすべり軸受。