JP7092636B2 - 摺動部材及びこれを用いる軸受装置 - Google Patents

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Description

本発明は、摺動部材及びこれを用いる軸受装置に関する。
従来、軸受合金層の摺動面側に固体潤滑剤を含むコーティング層を備える摺動部材が公知である(特許文献1)。このような摺動部材は、例えば金属硫化物などの固体潤滑剤によって摩擦係数の低減が図られ、非焼付性が向上する。ところで、近年、内燃機関のクランクシャフトは、コストの低減を目的として鋳鉄製の採用が拡大している。鋳鉄製の軸部材は、加工性に優れるという利点を有する反面、加工時に微細なバリ状の凸部が形成されやすいという欠点を有している。この凸部は、軸部材を支持する摺動部材との摺動時に、摺動部材の摺動面を傷つけ、摺動部材の異常摩耗の原因となる。この異常摩耗は、軸部材と摺動部材との摺動の初期においてコーティング層の摩滅につながり、所望の摩擦係数の維持が困難になるという問題がある。
特開平10-37962号公報
そこで、コーティング層の摩滅が低減され、摩擦係数が維持されるとともに、耐摩耗性が向上する摺動部材及びこれを用いる軸受装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために本実施形態の摺動部材は、軸受合金層と、軸受合金層の摺動面側に設けられているコーティング層とを備える。このコーティング層は、樹脂バインダー、硫化物粒子及び被覆部を有する。硫化物粒子は、樹脂バインダーに分散し、金属硫化物からなる。被覆部は、樹脂バインダーに分散している硫化物粒子のうちコーティング層の摺動面側に位置する特定粒子に設けられ、硫化物粒子を構成する金属元素と同一の金属元素からなる金属酸化物からなる。そして、コーティング層の摺動面側の面を、X線光電分光法、及びX線回折法によって測定したとき、X線光電分光法による金属硫化物に対する金属酸化物のピーク高さの比は、0.10~0.50であり、X線回折法による金属硫化物に対する金属酸化物のピーク高さの比は、0.10以下である。
このように、コーティング層に含まれる硫化物粒子のうち摺動面側に位置する特定粒子は、被覆部を有している。この被覆部は、硫化物粒子を構成する金属元素と同一の金属元素からなる金属酸化物である。これにより、相手材は、摺動の初期のなじみ期において、コーティング層に含まれる被覆部に接する。この被覆部は、硬質の金属酸化物であることから、相手材の摺動面を研磨する。すなわち、相手材の摺動面に存在するバリなどの微小な凸部は、硬質の金属酸化物との接触によって除去される。これとともに、金属酸化物からなる被覆部は、相手材との初期的な摺動によって除去される。そのため、被覆部が消失して摺動面に露出した硫化物粒子は、凸部が除去された滑らかな相手材と摺動する。その結果、コーティング層は、摩滅が低減される。また、初期的な摺動によって相手材とのなじみが生じた後、相手材及び摺動部材はともに摺動の相手側を傷つけにくくなる。これにより、相手材と摺動部材との間には均質な厚さの油膜が形成される。したがって、摩擦係数を維持することができ、耐摩耗性を向上することができる。
また、X線光電分光法及びX線回折法により、金属酸化物からなる被覆部は、コーティング層に含まれる硫化物粒子のうち摺動面側に位置する特定粒子に存在していることが確認される。すなわち、金属酸化物からなる被覆部は、コーティング層に含まれる硫化物粒子のうち摺動面側のわずかな領域に形成されている。これにより、相手材との初期なじみによって、被覆部は相手材の凸部を除去しつつ、自身も除去される。コーティング層は、初期なじみが生じた後に、相手材を傷つけることなく、金属硫化物からなる硫化物粒子が露出する。したがって、摩擦係数を維持することができ、耐摩耗性を向上することができる。
本実施形態では、金属元素は、Mo、W、Sn、Ti、Zrから選択される少なくとも一種以上である。
本実施形態の軸受装置は、表面粗さRzが0.8μm以上の軸部材と、前記軸部材と摺動し、前記軸部材を支持する摺動部材と、を備える。
これにより、軸部材は、摺動部材とのなじみが生じた後、摺動部材の摩耗につながる凸部が除去され、被覆部が除去された硫化物粒子と接する。したがって、摩擦係数を維持することができ、耐摩耗性を向上することができる。
一実施形態による摺動部材を示す模式図 一実施形態による摺動部材を適用した軸受装置の断面を示す模式図 一実施形態による摺動部材の要部を拡大した模式図 一実施形態による摺動部材の軸部材とのなじみの過程を示す模式図 一実施形態による摺動部材のXPS分析結果の一例を示す概略図 一実施形態による摺動部材のXRD分析結果の一例を示す概略図 一実施形態による摺動部材の試験条件を示す概略図 一実施形態による摺動部材のXPS分析の条件を示す概略図 一実施形態による摺動部材のXRD分析の条件を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例及び比較例の試験結果を示す概略図
以下、一実施形態による摺動部材を図面に基づいて説明する。
図1及び図2に示すように一実施形態による摺動部材10は、軸受合金層11及びコーティング層12を備える。摺動部材10は、例えば裏金層13と積層してもよい。摺動部材10は、図2に示すように相手材である軸部材14とともに軸受装置15を構成する。摺動部材10は、軸部材14と摺動することにより、軸部材14を支持する。摺動部材10は、コーティング層12側の表面に軸部材14と摺動する摺動面16を形成している。摺動部材10は、軸受合金層11と裏金層13との間に図示しない中間層などを備えていてもよい。軸受合金層11は、AlやCuなどの金属、又はAl基若しくはCu基の合金などで形成されている。コーティング層12は、この軸受合金層11の表面に設けられている。すなわち、コーティング層12は、軸受合金層11において軸部材14との摺動側の面に設けられ、軸部材14と摺動する摺動面16を有している。コーティング層12は、例えばスプレーコート、ロールコート、転写印刷などの一般的な手法を用いる塗布によって軸受合金層11に設けられる。コーティング層12の厚さは、任意に設定することができるが、本実施形態ではコーティング層12の厚さは、2μm~30μm程度に設定している。軸部材14は、例えば鋳鉄などで形成されており、表面粗さRzが0.8μm以上と比較的粗い表面を有している。
摺動部材10のコーティング層12は、図3に示すように硫化物粒子21及び樹脂バインダー22を有している。硫化物粒子21は、樹脂バインダー22に分散している。樹脂バインダー22は、例えばポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂及びエラストマーから選択される少なくとも一種以上である。また、樹脂バインダー22は、ポリマーアロイであってもよい。硫化物粒子21は、金属Mの硫化物によって形成されている。金属硫化物からなる硫化物粒子21は、軸部材14との摺動において、摺動部材10と軸部材14との間を潤滑する固体潤滑剤である。硫化物粒子21を構成する金属Mは、Mo、W、Sn、Ti、Zrから選択される少なくとも一種以上である。例えば金属MをMoとする場合、コーティング層12に含まれる硫化物粒子21は硫化モリブデン(MoS)である。
摺動部材10のコーティング層12は、金属硫化物からなる硫化物粒子21以外にも固体潤滑剤を含んでいてもよい。固体潤滑剤としては、例えば黒鉛、h-BN(h-窒化ホウ素)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、メラミンシアヌレート、フッ化カーボン、フタロシアニン、グラフェンナノプレートレット、フラーレン、超高分子量ポリエチレン(三井化学製 商標名「ミペロン」)、Nε-ラウロイル-L-リジン(味の素製 商標名「アミホープ」)などから選択される少なくとも一種以上である。
摺動部材10は、被覆部24を備えている。被覆部24は、コーティング層12に含まれる硫化物粒子21のうち、摺動面16側に位置する特定粒子23に設けられている。具体的には、硫化物粒子21は、図3に示すように樹脂バインダー22に分散した状態で含まれている。このとき、硫化物粒子21は、コーティング層12の軸受合金層11側から摺動面16側まで複数の層状で樹脂バインダー22に分散している。この分散する硫化物粒子21のうち摺動面16側の層に位置する硫化物粒子21は特定粒子23である。すなわち、特定粒子23は、コーティング層22から摺動面16に露出している硫化物粒子21に限らない。例えばコーティング層22に埋没していても、自身より摺動面16側に他の硫化物粒子21が存在していない硫化物粒子21は特定粒子23である。そして、この特定粒子23は、摺動面16側に被覆部24を有している。被覆部24は、金属Mの酸化物によって形成されている。被覆部24を形成する酸化物となる金属Mは、硫化物粒子21を形成する硫化物となる金属Mと同一である。すなわち、硫化物粒子21が硫化モリブデン(MoS)である場合、被覆部24は酸化モリブデン(MoO)である。このように、摺動面16側に位置する特定粒子23は、摺動面16側に酸化物からなる被覆部24を有している。
被覆部24を形成する金属Mの酸化物は、硫化物粒子21を形成する金属Mの硫化物よりも硬い。図4(A)に示すように摺動部材10と軸部材14との摺動の初期であるなじみ期において、軸部材14はコーティング層12に含まれる特定粒子23の被覆部24に接する。この被覆部24は、上述のように硬い金属酸化物である。そのため、例えば軸部材14にバリなどの攻撃的な微小な凸部25が生じていても、摺動部材10と軸部材14との摺動の際に、図4(B)及び図4(C)に示すようにこの微小な凸部25は被覆部24によって研磨される。一方、被覆部24は、なじみ期において凸部25への研磨とともに自身も摩耗する。そのため、図4(C)に示すようになじみ期が完了すると、被覆部24が除去され、軸部材14はコーティング層12に含まれる硫化物粒子21と接する。これにより、軸部材14は、硫化物粒子21を構成する金属硫化物と接し、硬い被覆部24から攻撃を受けることがない。このように、被覆部24は、軸部材14とのなじみ期において、軸部材14に形成されている微小な凸部25を除去するとともに、自身も除去される。その結果、摺動部材10と軸部材14とは、なじみ期の後においてコーティング層12に含まれる硫化物粒子21による潤滑が図られる。これとともに、摺動部材10から軸部材14、及び軸部材14から摺動部材10への攻撃が低減され、低い摩擦係数及び高い耐摩耗性が維持される。
次に、上記の構成によるコーティング層12における硫化物粒子21及び被覆部24の特定について説明する。
一実施形態では、コーティング層12の端面つまり摺動面16をX線光電分光法及びX線回折法によって測定している。X線光電分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)は、ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)とも称される表面分析法の一種である。XPSでは、超高真空下において固体の試料の表面に軟X線を照射すると、試料の表面に束縛されている電子は光電効果によって真空中へ放出される。このとき、試料に照射されるX線は、MgKα線やAlKα線である。光電効果によって放出された電子は、光電子である。この光電子の放射における束縛エネルギーは、元素に固有のエネルギーである。そのため、束縛エネルギーに基づいて、元素を定性的に分析することができる。一方、光電子が散乱や衝突などの妨害を受けることなく進むことができる距離である平均自由工程は、数nm程度である。そのため、XPSの検出器は、試料の表面から数nm以上の深い位置にある光電子を検出することができない。本実施形態では、このようなXPSの特性を利用して、試料の表面から数nmまでの範囲におけるごく浅い範囲で元素を分析している。
これに対し、X線回折法(XRD)では、試料にX線を照射したとき、X線が原子の周囲にある電子によって散乱又は干渉した結果として生じる回折を解析する。この回折を解析することにより、試料の構成成分の同定及び定量が可能となる。X線の物質に対する透過能力つまり侵入可能な深さは、試料の組成やX線の波長によって異なるものの、概ね50μm~100μmである。そのため、XRDでは、上記のXPSに比較してより深い領域における分析が可能となる。本実施形態では、このようなXRDの特性を利用して、XPSよりも深い、試料の表面から50μm~100μmまでの範囲における元素を分析している。
本実施形態の摺動部材10は、上記のようなXPS及びXRDを用いてコーティング層12の端面である摺動面16を測定したとき、次の条件を満たしている。
(1)XPSによる分析の結果、金属硫化物に対する金属酸化物のピーク高さの比R1は、0.10~0.50である。
(2)XRDによる分析の結果、金属硫化物に対する金属酸化物のピーク高さの比R2は、0.10以下である。
XPS及びXRDは、いずれも摺動部材10におけるコーティング層12の端面である摺動面16について分析する。すなわち、XPS及びXRDにおいて、いずれも摺動部材10の摺動面16側から分析を実行する。これにより、XPSでは、摺動部材10の端面から数nmの範囲の最表面に極めて近い領域が分析される。これとともに、XRDでは、摺動部材10の端面から50μm~100μmまでの範囲が分析される。このとき、XRDでは、コーティング層12及び軸受合金層11の厚さによっては、コーティング層12に限らず、軸受合金層11又は裏金層13まで分析されることがある。このような場合、測定される金属硫化物及び金属酸化物の強度の絶対値は低下する。しかし、強度の絶対値が低下しても、算出される比R2は影響を受けない。
図5に示すようにXPSによる分析では、束縛エネルギーと強度との関係が得られる。このとき、金属硫化物と金属酸化物とは、束縛エネルギーが異なるため、強度のピークが異なる。図5は、金属硫化物としてMoS、金属酸化物としてMoOを例としている。金属硫化物及び金属酸化物のピークは、最大のメインピーク又は次に大きなサブメインピークを用いる。例えば金属硫化物と金属酸化物とでピークが重なり、分離が困難な場合、メインピークに限らず、次に大きなサブメインピークを用いる。メインピークを選択した場合、金属硫化物及び金属酸化物ともにメインピークを用いる。一方、サブメインピークを選択した場合、金属硫化物及び金属酸化物ともにサブメインピークを用いる。図5に示す本実施形態の場合、金属酸化物であるMoOのメインピークの分離が困難であるため、金属硫化物及び金属酸化物ともにサブメインピークを用いている。つまり、本実施形態では、図5に示す金属硫化物のサブメインピークp1及び金属酸化物のサブメインピークp2を用いている。このように、得られた金属硫化物の強度のピーク高さh1及び金属酸化物の強度のピーク高さh2から、これらの比R1がR1=h2/h1として算出される。強度のピークの測定は数回実施し、得られた結果を平均して比R1を算出する。本実施形態では、この比R1は、0.10~0.50の範囲にある。これは、コーティング層12の摺動面16側の最表面である数nmの範囲において、被覆部24となる金属酸化物の存在頻度が高いことを示している。
XRDによる分析では、図6に示すような回折パターンが得られる。このとき、金属硫化物と金属酸化物とは、回折パターンが異なる。図6は、金属硫化物としてMoS、金属酸化物としてMoOを例としている。金属硫化物及び金属酸化物のピークは、XRDの解析結果から強度が一番大きな角度を用いている。つまり、本実施形態では、図6に示す金属硫化物のピークp3及び金属酸化物のピークp4を用いている。このように、得られた金属硫化物の強度のピーク高さh3及び金属酸化物の強度のピーク高さh4から、これらの比の値R2がR2=h4/h3として算出される。本実施形態では、この比の値R2は、0.10以下である。これは、コーティング層12の摺動面16側の最表面から50μm~100μmまでの範囲において、被覆部24となる金属酸化物の存在頻度が低いことを示している。
これらの結果から、比R1の条件及び比R2の条件を満たす本実施形態の摺動部材10は、コーティング層12に含まれる硫化物粒子21のうち摺動面16に近い側に位置する特定粒子23に金属酸化物からなる被覆部24が優位に存在するのに対し、これよりも深い領域には硫化物粒子21を構成する金属硫化物が優位に存在する。すなわち、上記の条件を満たす本実施形態の摺動部材10は、金属硫化物からなる硫化物粒子21において、摺動面16に近い側に位置する特定粒子23に金属酸化物からなる被覆部24が形成されていることを示している。
次に、上記の構成による本実施形態の摺動部材10の製造方法について説明する。
摺動部材10は、図3に示すように軸受合金層11の表面つまり摺動面16側にコーティング層12が設けられている。軸受合金層11の摺動面16側は、前処理工程として脱脂が施される。脱脂された軸受合金層11は、例えばサンドブラスト、機械加工又は表面処理などを用いて粗面化が施される。粗面化による汚れを除去した後、軸受合金層11の表面にはコーティング層12となる塗料が塗布される。この塗料は、金属硫化物からなる硫化物粒子21を含んでいる。塗布された塗料は、例えば乾燥や焼成などを施すことにより、コーティング層12を形成する。コーティング層12が形成された摺動部材10は、熱処理を施すことによってコーティング層12に含まれる特定粒子23に被覆部24となる酸化物が生成する。すなわち、特定粒子23は、熱処理によって表面が酸化され、特定粒子23を構成する金属硫化物の一部が金属酸化物に酸化される。この場合、熱処理は、例えば赤外線ヒータによる加熱、電子ビームによる加熱、あるいは乾燥炉における加熱などを用いることができる。特に、本実施形態の場合、赤外線ヒータによる加熱を用いることが好ましい。一般的な乾燥炉による加熱などを用いる場合、温度の上昇に時間を要するとともに軸受合金層11などの下地も温度が上昇する。そのため、コーティング層12に含まれる硫化物粒子21は、摺動面16に近い側だけでなく、摺動面16から遠い深い位置も加熱される。その結果、コーティング層12の全体で硫化物粒子21が加熱され、硫化物粒子21を構成する金属硫化物の酸化が進行しやすくなる。これに対し、赤外線ヒータによる加熱を用いることにより、コーティング層12に含まれる硫化物粒子21は摺動面16にごく近い範囲が瞬時に加熱される。そのため、赤外線ヒータで加熱することにより、本実施形態のようにコーティング層12に含まれる硫化物粒子21は、摺動面16に近い位置にある特定粒子23の摺動面16側だけが酸化され、被覆部24が形成される。
以下、本実施形態の実施例及び比較例について説明する。
実施例1~実施例4及び比較例2~比較例4は、試料にいずれもコーティング層12を形成した後、赤外線ヒータによって加熱した。比較例1は、コーティング層12が加熱されていない。赤外線ヒータによる加熱は、一定の昇温速度で温度を上げている。すなわち、金属硫化物の酸化が促進される酸化促進温度をT(℃)としたとき、昇温速度はT×2(℃/分)と設定している。そして、試料の表面温度が金属硫化物の酸化促進温度Tの所定範囲に到達すると、試料の加熱は停止した。この場合、所定範囲は、酸化促進温度Tの75%~85%に設定している。すなわち、試料の表面温度が酸化促進温度Tの75%~85%に到達すると、試料の加熱は停止した。試料の表面温度は、接触式温度計を用いてセンサで直接検出した。ここで、試料の酸化促進温度Tとは、固体潤滑剤となる金属硫化物の粉末を大気中で72時間加熱し、徐々に冷却したとき、全体の30wt%が酸化物となる温度である。本実施形態では、この酸化物の重量比の測定は、炭素硫黄分析装置(堀場製作所製EMIA-810)を用いて行なった。
上記によって作成した資料は、XPSによる比R1及びXRDによる比R2を算出するとともに、図7に示す試験条件を用いて試験を行ないコーティング層12の摩耗量及びなじみ後の摩擦係数を測定した。XPSは、Kratos社製のAXIS ULTRAを用いて行なった。X線のスポットサイズは1mmに設定し、帯電中和銃はオンに設定した。XPSの測定条件は、図8に示すように設定した。XRDは、リガク社製のRINT2200を用いて行なった。XRDの測定条件は、図9に示すように設定した。
図10に示すように、実施例1~実施例4は、加熱を停止する温度、昇温速度、金属元素をそれぞれ設定している。これら実施例1~実施例4は、設定した条件にかかわらず、摩耗量及びなじみ後の摩擦係数が良好な結果を示した。実施例1~実施例4の場合、摩擦係数は、なじみ期において増加するもののその後に低下する。そして、実施例1~実施例4の場合、なじみ期が完了した後、コーティング層12に含まれる固体潤滑剤による潤滑が図られることから、摩擦係数は長期にわたり小さな値となる。
これに対し、比較例1及び比較例2は、摩耗量が大きく、なじみ後の摩擦係数が高いという結果を示した。比較例1は、被着したコーティング層12を加熱していない例である。そのため、比較例1は、金属酸化物からなる被覆部24が形成されていない。また、比較例2は、加熱を停止する温度を酸化促進温度Tの70%に設定した例である。そのため、比較例2は、加熱時の昇温が不足し、金属硫化物の酸化が不十分となり被覆部24が十分に形成されていないと考えられる。これらにより、比較例1及び比較例2の場合、コーティング層12は、なじみ期の後、軸部材14からの攻撃によって摩滅すると考えられる。その結果、比較例1及び比較例2の場合、なじみ期の後、摩擦係数は漸増することになったと考えられる。
また、比較例3及び比較例4は、コーティング層12の摩耗量が良好であるのに対し、なじみ後の摩擦係数が高いという結果を示した。比較例3は、加熱を停止する温度を酸化促進温度Tの90%に設定した例であり、比較例4は、加熱を停止する温度を酸化促進温度Tの200%に設定した例である。これら比較例3及び比較例4は、加熱時の昇温が過剰となり、コーティング層12に含まれる硫化物粒子21のより多くが被覆部24となる金属酸化物に酸化されたことを示している。被覆部24となる金属酸化物が過剰に生成されることにより、コーティング層12に含まれる固体潤滑剤の硬度が増大するとともに、金属硫化物による潤滑の作用が低減すると考えられる。これらにより、比較例3及び比較例4の場合、コーティング層12は、なじみ期において軸部材14を研磨するものの、その後も軸部材14に対して高い攻撃性を有している。その結果、比較例3及び比較例4の場合、摩擦係数は低下しにくくなると考えられる。
図10に示す結果から、本実施形態の条件を満たす摺動部材10の実施例は、摩耗の低減及びなじみ後の摩擦係数の低減に寄与することが明らかである。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
図面中、10は摺動部材、11は軸受合金層、12はコーティング層、14は軸部材、15は軸受装置、16は摺動面、21は硫化物粒子、22は樹脂バインダー、23は特定粒子、24は被覆部を示す。

Claims (3)

  1. 軸受合金層と、
    前記軸受合金層の摺動面側に設けられているコーティング層と、を備える摺動部材であって、
    前記コーティング層は、
    樹脂バインダーと、
    前記樹脂バインダーに分散し、金属硫化物からなる硫化物粒子と、
    前記樹脂バインダーに分散している前記硫化物粒子のうち前記コーティング層の前記摺動面側に位置する特定粒子に設けられ、前記硫化物粒子を構成する金属元素と同一の金属元素からなる金属酸化物からなる被覆部と、を有し、
    前記コーティング層の前記摺動面側の面を、X線光電分光法、及びX線回折法によって測定したとき、
    前記X線光電分光法による前記金属硫化物に対する前記金属酸化物のピーク高さの比は、0.10~0.50であり、
    前記X線回折法による前記金属硫化物に対する前記金属酸化物のピーク高さの比は、0.10以下である摺動部材。
  2. 前記金属元素は、Mo、W、Sn、Ti、Zrから選択される少なくとも一種以上である請求項1記載の摺動部材。
  3. 表面粗さRzが0.8μm以上の軸部材と、
    前記軸部材と摺動し、前記軸部材を支持する請求項1又は2記載の摺動部材と、
    を備える軸受装置。
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