JP6636090B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、ＢｉとＳｂの合金めっき被膜のオーバーレイを備えた摺動部材に関する。

Ｂｉの被覆層とＡｇの中間層とからなるオーバーレイを備え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、中間層におけるＡｇの結晶粒のサイズを調整することにより、オーバーレイの層間の密着性を向上させている。さらに、被覆層におけるＢｉの結晶粒のサイズを調整することにより、オーバーレイの皮膜の密着性と耐疲労性とを向上させている。

特開２００６−２６６４４５号公報

しかしながら、特許文献１のように、結晶粒のサイズの調整によって層間の密着性を向上させたとしても、オーバーレイが２層構造である以上、層間の剥離が避けられないという課題があった。さらに、オーバーレイが２層構造であると、摩耗時における急激な軸受特性の変化が避けられないという課題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、層間の剥離を防止しつつ良好な耐疲労性を実現可能なオーバーレイを備えた摺動部材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、ＢｉとＳｂの合金めっき被膜によって形成されたオーバーレイを備えた摺動部材であって、オーバーレイはＢｉとＳｂと不可避不純物とからなり、オーバーレイの表面におけるＳｂの濃度が０．９２質量％以上かつ１３質量％以下である。

前記の構成において、オーバーレイに軟質のＢｉだけでなく硬質のＳｂが含まれるため、硬質のＳｂによって耐疲労性を向上させることができる。オーバーレイにおいてＳｂは濃度勾配を有していてもよいし、有していなくてもよい。いずれの場合であっても、オーバーレイの表面におけるＳｂの濃度が０．９２質量％以上であれば、良好な耐疲労性が発揮されることが確認できた。また、オーバーレイの表面におけるＳｂの濃度を１３質量％まで増加させても、オーバーレイの表面にクラックが発生しないことが確認できた。

本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。 オーバーレイにおけるＳｂの濃度のグラフである。 オーバーレイの断面の写真である。 疲労試験の説明図である。 Ｓｂの濃度と疲労面積率との関係を示すグラフである。

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）摺動部材の製造方法：
（２）Ｓｂの濃度：
（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２０μｍ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０．５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る。オーバーレイ１２は、ＢｉとＳｂの合金めっき被膜である。また、オーバーレイ１２は、ＢｉとＳｂと不可避不純物とからなる。オーバーレイ１２おける不可避不純物の含有量は、全体で０．５質量％以下である。

表１は、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度（質量濃度）を示す表である。図２は、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度（質量濃度）を示すグラフである。図２の横軸はライニング１１との界面からの距離を示し、縦軸はＳｂの濃度を示す。表１，図２においては、約２質量％に収束する試料ＡのＳｂの濃度（三角）と、約１質量％に収束する試料ＢのＳｂの濃度（丸）と、濃度勾配を有さない試料Ｃの濃度（四角）とが示されている。図２に示すように、試料Ａ，試料Ｂにおいて、ライニング１１との界面においてＳｂの濃度が最大となる。そして、試料Ａ，試料Ｂにおいて、ライニング１１との界面からの距離が長くなるほど（オーバーレイ１２の表面からの深さが浅くなるほど）、Ｓｂの濃度が連続的に低くなっている。オーバーレイ１２全体におけるＳｂの平均濃度は３．０５質量％であった。

試料Ａ，試料Ｂにおいて、ライニング１１との界面からの距離が大きくなるほどＳｂの濃度の傾き（絶対値）が小さくなり、ライニング１１との界面からの距離が４μｍ以上となる領域においてＳｂの濃度がほぼ一定に収束している。試料Ａ，試料Ｂにおいて、オーバーレイ１２の表面からの深さが第１深さとなる第１領域（ライニング１１との界面Ｘの距離が４μｍ以下の領域）におけるＳｂの濃度の傾きと標準偏差は、オーバーレイの表面からの深さが第１深さよりも浅い第２領域（ライニング１１との界面Ｘの距離が４μｍよりも大きい領域）におけるＳｂの濃度の傾きと標準偏差よりも大きい。

試料Ａの第１領域におけるＳｂの濃度の傾きは、第２領域におけるＳｂの濃度の傾きの７．６倍となっている。試料Ａの第１領域におけるＳｂの標準偏差は、第２領域におけるＳｂの濃度の標準偏差の１８．１倍となっている。一方、試料Ｂの第１領域におけるＳｂの濃度の傾きは、第２領域におけるＳｂの濃度の傾きの３．７倍となっている。試料Ｂの第１領域におけるＳｂの標準偏差は、第２領域におけるＳｂの濃度の標準偏差の３．２倍となっている。

本実施形態のオーバーレイ１２は、試料Ａと同様の製造方法で形成されるとともに、膜厚が２０μｍとなるオーバーレイ１２の表面におけるＳｂの濃度は１．８質量％であった。従って、本実施形態においても図２の試料Ａと同様のＳｂの濃度勾配が存在すると判断できる。なお、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度は、後述するオーバーレイ１２の電気めっきのめっき浴におけるＳｂ濃度の増減によって調整できる。

図３は、オーバーレイ１２の断面写真である。図３の断面写真は、Ｓｂの濃度が高い部位ほど濃い色になるようにマッピングが行われたものでる。図３に示されるように、オーバーレイ１２の表面からの深さが浅くなるほど、Ｓｂの濃度が連続的に低くなっていく。すなわち、オーバーレイ１２の表面からの深さが深くなるほど、Ｓｂの濃度が連続的に高くなっている。また、Ｓｂの残部がＢｉであると考えることができるため、オーバーレイ１２の表面からの深さが深くなるほど、Ｂｉの濃度が連続的に低くなっている。すなわち、オーバーレイ１２の表面からの深さが浅くなるほど、Ｂｉの濃度が連続的に高くなっている。なお、図３は、厚さが約１０μｍのオーバーレイ１２の断面を撮像したものである。

なお、オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度は、電子線マイクロアナライザ（日本電子製 ＪＭＳ−６６１０Ａ）を用いて、エネルギー分散型Ｘ線分光法により計測した。具体的に、オーバーレイ１２とライニング１１との界面Ｘから上端（表面側の端）までの距離が１μｍずつ異なる複数の矩形領域Ｅを設定し、当該矩形領域Ｅ内におけるＳｂの平均質量濃度を各距離におけるＳｂの質量濃度として計測した。すべての矩形領域Ｅによって構成される全体領域ＥＡを設定し、当該全体領域ＥＡ内におけるＳｂの平均質量濃度をオーバーレイ全体におけるＳｂの平均濃度として計測した。

以上説明した摺動部材１と同様のオーバーレイ１２を有する疲労試験片（コンロッドＲ）を作成し、その疲労面積率を計測したところ、疲労面積率は３０％と良好であった。疲労面積率は、以下の手順で計測した。図４は、疲労試験の説明図である。まず、図４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（黒色）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、摺動速度が６．６ｍ／秒となるように試験軸Ｈを回転させた。摺動速度とは、オーバーレイ１２の表面と試験軸Ｈとの間の相対速度である。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する移動体Ｆに連結し、当該移動体Ｆの往復荷重を８０ＭＰａとした。また、コンロッドＲと試験軸Ｈとの間には、約１４０℃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面積率として計測した。

以上説明した本実施形態において、オーバーレイ１２に軟質のＢｉだけでなく硬質のＳｂが含まれるため、硬質のＳｂによって耐疲労性を向上させることができる。また、表面からの深さが深くなるにつれてＳｂの濃度が高くなるため、摩耗初期においては良好ななじみ性を実現し、摩耗が進行した段階で高い耐摩耗性を実現できる。さらに、表面からの深さが深くなるにつれてＳｂの濃度が高くなるため、層間の剥離を防止することができる。ここで、ＣｕはＢｉよりもＳｂに拡散しやすいという性質がある。しかし、オーバーレイ１２全体におけるＳｂの平均濃度を３．１質量％未満にすることにより、ライニング１１からオーバーレイ１２に拡散するＣｕの量を抑制でき、拡散したＣｕが耐疲労性を低下させることを防止できる。

また、オーバーレイ１２の表面からの深さが第１深さとなる第１領域（ライニング１１との界面Ｘの距離が４μｍ以下の領域）におけるＳｂの濃度の傾きは、オーバーレイの表面からの深さが第１深さよりも浅い第２領域（ライニング１１との界面Ｘの距離が４μｍよりも大きい領域）におけるＳｂの濃度の傾きよりも大きい。これにより、摩耗の進行とともにオーバーレイ１２の硬度を急激に増加させることができる。

（１−２）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（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。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。メタンスルホン酸：１５０ｇ／Ｌとメタンスルホン酸Ｂｉ：２０ｇ／Ｌと有機系界面活性剤：２５ｇ／Ｌとを含むめっき浴の浴組成とした。以上のめっき浴において、電気分解によって純Ｓｂを０．１８ｇ／Ｌだけ溶解させた。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２．０Ａ／ｄｍ²とした。

なお、めっき浴において、メタンスルホン酸は５０〜２５０ｇ／Ｌの間で調整可能であり、メタンスルホン酸Ｂｉは５〜４０ｇ／Ｌの間で調整可能であり、Ｓｂは０．１〜３ｇ／Ｌであり、有機系界面活性剤は０．５〜５０ｇ／Ｌの間で調整可能である。また、めっき浴の浴温度は２０〜５０℃で調整可能であり、ライニング１１に供給する電流の電流密度は０．５〜７．５Ａ／ｄｍ²で調整可能である。オーバーレイ１２におけるＳｂの濃度は、めっき浴におけるＳｂのイオン濃度を大きくすることによって高くすることができる。

例えば、めっき浴におけるＳｂの濃度を０．２ｇ／Ｌとすることにより、図２において約２質量％に収束するＳｂの濃度（三角）が得られた。めっき浴におけるＳｂの濃度を０．１ｇ／Ｌとすることにより、図２において約１質量％に収束するＳｂの濃度（丸）が得られた。また、メタンスルホン酸をめっき浴に使用することにより、Ｓｂの濃度勾配を実現できることが分かった。メタンスルホン酸の代わりにＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）を使用しためっき浴でオーバーレイ１２を形成したところ、図２の試料Ｃのように濃度勾配を有さないオーバーレイ１２が形成された。

以上のようにして、電気めっきを行った後に、水洗と乾燥を行った。これにより、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、エンジンに取り付けた。

（２）Ｓｂの濃度：
表２は、オーバーレイ１２の膜厚と表面におけるＳｂの濃度を変化させた複数の試料１〜８について疲労面積率を計測した結果を示す。なお、第１実施形態は、試料７に該当する。図５は、試料１〜８の疲労面積率のグラフである。図５の縦軸は疲労面積率を示し、横軸は表面におけるＳｂの濃度を示す。

まず、オーバーレイ１２の膜厚が大きいほど疲労面積率が大きくなる。これは、Ｓｂの濃度に拘わらず、オーバーレイ１２の膜厚が大きくなると、オーバーレイ１２の内部に作用する応力が大きくなるからであると考えられる。しかし、オーバーレイ１２にＳｂを含有させることにより、いずれの膜厚においても疲労面積率を低減できることが確認できた。従って、前記実施形態のようにオーバーレイ１２の膜厚を２０μｍとしても良好な耐疲労性を有する摺動部材１を形成できる。また、同一の膜厚間で疲労面積率を比較すると、表面におけるＳｂの濃度が高いほど疲労面積率を抑制できる。

図２と表１の試料Ｂについて疲労試験を行ったところ、疲労面積率は３１．６％と良好であった。この摩耗試験における摩耗量は１１μｍであった。摩耗量とは、摩耗試験において減少したオーバーレイ１２の厚みである。ここで、表１の試料Ｂにおいて、摩耗した部分におけるＳｂの濃度（表１の太字）に注目すると、最小値は０．５３質量％であり、最大値は１．２６％であり、摩耗時の表面の平均濃度は０．９２質量％であった。また、試料Ｂの摩耗はＳｂの濃度勾配が大きい第１領域まで進行していない。なお、摩耗時の表面におけるＳｂの平均濃度は、オーバーレイ全体におけるＳｂの平均濃度と同様の手法によって計測した。すなわち、摩耗した部分に存在する矩形領域Ｅによって構成される摩耗領域を設定し、当該摩耗領域内におけるＳｂの平均質量濃度を、当該摩耗した部分におけるＳｂの平均濃度として計測した。摩耗した部分は摩耗の進行とともに順次表面となっていくため、摩耗した部分のＳｂの平均濃度は摩耗時の表面におけるＳｂの平均濃度を意味する。

以上の事実から、オーバーレイ１２の表面におけるＳｂの濃度が大きくなるほど耐摩耗性が向上するが、０．９２質量％でも十分な耐摩耗性が発揮できることが確認できた。また、オーバーレイ１２においてＳｂの濃度勾配が存在することは必須ではなく、Ｓｂの濃度勾配が存在しなくても、表面におけるＳｂの濃度を０．９２質量％以上とすることにより、十分な耐摩耗性が発揮できることが確認できた。

さらに、オーバーレイ１２においてＳｂの濃度勾配が存在することは必須ではない。そのため、図２と表１の試料Ｃのように、表面からの深さが深くなるにつれてＳｂの濃度が高くなる濃度勾配を有さないオーバーレイ１２においても十分な耐摩耗性が発揮できると言える。試料Ｃのように濃度勾配を有さないオーバーレイ１２とすることにより、厚み全体におけるＳｂ濃度を抑制しつつ、表面におけるＳｂ濃度を確保することができる。

（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…軸受、Ｅ…矩形領域、Ｆ…移動体、Ｈ…試験軸、Ｒ…コンロッド、Ｘ…界面

Claims (1)

1. ＢｉとＳｂの合金めっき被膜によって形成されたオーバーレイを備えた摺動部材であって、
   前記オーバーレイはＢｉとＳｂと不可避不純物とからなり、
   前記オーバーレイの表面におけるＳｂの濃度が０．９２質量％以上かつ２．１質量％以下であり、
   前記オーバーレイは、表面からの深さが深くなるにつれてＳｂの濃度が高くなる濃度勾配を有する、
   ことを特徴とする摺動部材。