JP5243467B2

JP5243467B2 - 摺動部材

Info

Publication number: JP5243467B2
Application number: JP2010024198A
Authority: JP
Inventors: 幹人安井; 聡高柳; 啓之朝倉
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: WO2011096523A1; DE112011100455B4; JP2011163381A; GB201213851D0; DE112011100455T5; KR20120112692A; GB2492492A; KR101398616B1; US20120282481A1

Description

本発明は、ＢｉまたはＢｉ合金にＳｎまたはＳｎ合金を添加して形成されるオーバレイ層を有する摺動部材に関する。

摺動部材のうち自動車などの内燃機関に使用されるすべり軸受は、例えば鋼で形成される裏金層上にＣｕ合金またはＡｌ合金で形成される軸受合金層が設けられて構成されている。このすべり軸受の摺動面には、通常、なじみ性および非焼付性を向上させるために、オーバレイ層が設けられている。

オーバレイ層は、従来、軟質のＰｂ合金で形成されている。また、近年では、環境負荷の大きいＰｂの代替として、Ｂｉを用いることが提案されている。Ｂｉは脆いため、Ｂｉで形成されるオーバレイ層を有するすべり軸受のなじみ性および非焼付性は、Ｐｂ合金で形成されるオーバレイ層を有するすべり軸受のなじみ性および非焼付性よりも一般に劣る。そのため、例えば特許文献１では、ＢｉにＳｎ、ＩｎおよびＡｇから選択した一種以上の添加元素を添加してオーバレイ層を形成し、オーバレイ層のなじみ性および非焼付性の改善を図っている。

特開平１１−５０２９６号公報

ＢｉまたはＢｉ合金にＳｎまたはＳｎ合金を添加してオーバレイ層を形成した場合、図５に示すように、オーバレイ層１中にＢｉ系粒子２およびＳｎ系粒子３が分布している。Ｂｉ系粒子２は、ＢｉまたはＢｉ合金で形成された結晶粒子であり、Ｓｎ系粒子３は、ＳｎまたはＳｎ合金で形成された結晶粒子である。Ｓｎ系粒子３は、Ｂｉ系粒子２の粒内および粒界に分布している。ここで、ＳｎはＢｉよりも融点が低いため、Ｓｎ系粒子３は、Ｂｉ系粒子２よりも、クランクシャフトなどの摺動相手となる相手部材がすべり軸受の摺動面を摺動するときに生じる摩擦熱によって融解しやすい。そのため、すべり軸受の高温化はＳｎ系粒子３の融解によって抑制され、即ち、摩擦熱を吸収する潜熱効果により、すべり軸受の非焼付性の向上が期待される。

ところで、Ｓｎ系粒子３が融解して流動すると、Ｓｎ系粒子３が存在していた所に凹部が形成される。Ｓｎ系粒子３が大きいほど、摺動面での凹部も大きくなる。そうすると、一般に摺動時には潤滑油等の潤滑剤は相手部材と摺動面との間に膜状に介在しているが、摺動面に大きな凹部が形成されていると膜破断し易くなって、相手部材が潤滑剤を介さずにすべり軸受の摺動面に当たり、焼付を招くということが考えられる。

なお、オーバレイ層中のＳｎ系粒子の大きさについては、これまで着目されてきておらず、それについて明記された文献は見あたらないが、実際の摺動部材でのＳｎ系粒子の平均粒径は０．１５μｍ程度であった。
特許文献１では、オーバレイ層１中のＳｎ系粒子３の大きさについて検討されていないため、昨今の厳しい使用条件の下では、通常のＳｎ系粒子３が融解により流動して焼付が生じてしまうことが考えられる。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＢｉまたはＢｉ合金にＳｎまたはＳｎ合金を添加して形成されるオーバレイ層を有し、非焼付性に優れる摺動部材を提供することである。

本発明者は、Ｓｎ系粒子が融解した後に形成される凹部を小さくすることで非焼付性を改良できると考え、オーバレイ層中のＳｎ系粒子の大きさに着目して鋭意実験を重ねた。その結果、本発明者は、ＢｉまたはＢｉ合金にＳｎまたはＳｎ合金を含むオーバレイ層であってＳｎの含有量が同じであっても、Ｓｎ系粒子の大きさが所定範囲内であると、格段に良好な非焼付性を有する摺動部材が得られることを解明した。
本発明者は、上記の解明を基にして、下記の発明をした。

本発明の請求項１の摺動部材は、基部と、この基部上に設けられ、ＢｉまたはＢｉ合金にＳｎまたはＳｎ合金を添加して形成されるオーバレイ層とを有したものであって、このオーバレイ層中に、ＢｉまたはＢｉ合金で形成されるＢｉ系粒子と、ＳｎまたはＳｎ合金で形成されるＳｎ系粒子とが分布し、オーバレイ層中に分布するＳｎ系粒子の平均粒径が、オーバレイ層中に分布するＢｉ系粒子の平均粒径の５％以下であることを特徴としている。

本発明のすべり軸受などの摺動部材の基本形態の断面を、図２に示す。図２に示す摺動部材１１は、基部１２上にオーバレイ層１３が設けられて構成されている。
本発明で言う「基部」とは、オーバレイ層１３が設けられる側の構成物のことである。例えば、図２に示すように、裏金層１２ａ上に軸受合金層１２ｂが設けられ、軸受合金層１２ｂとオーバレイ層１３間に接着層としての中間層１２ｃが設けられている場合は、裏金層１２ａと軸受合金層１２ｂと中間層１２ｃとが基部１２である。その他、裏金層１２ａ上に軸受合金層１２ｂが設けられ、軸受合金層１２ｂ上にオーバレイ層１３が設けられている場合は、裏金層１２ａおよび軸受合金層１２ｂが基部１２である。また、裏金層１２ａ上にオーバレイ層１３が設けられている場合は、裏金層１２ａが基部１２である。

軸受合金層１２ｂは、Ａｌ基軸受合金、Ｃｕ基軸受合金、その他の金属を主成分とする軸受合金層である。
中間層１２ｃは、軸受合金層１２ｂの成分およびオーバレイ層１３の成分の両方に結合しやすい材料、例えば、Ａｇ、Ａｇ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金で形成されている。

オーバレイ層１３は、ＢｉまたはＢｉ合金にＳｎまたはＳｎ合金を添加して形成されている。このオーバレイ層１３中には、図１に示すように、Ｂｉ系粒子１４と、Ｓｎ系粒子１５とが分布している。図１において、上側が摺動面側である。Ｂｉ系粒子１４は、ＢｉまたはＢｉ合金で形成された結晶粒子であり、Ｓｎ系粒子１５は、ＳｎまたはＳｎ合金で形成された結晶粒子である。
基部１２及びオーバレイ層１３の成分には、上記以外の成分が含まれていてもよく、また、不可避的な不純物が含まれていてもよい。

上記構成によれば、Ｓｎ系粒子１５は、Ｂｉよりも融点が低いＳｎを主成分にして形成されているため、Ｂｉ系粒子１４よりも融解しやすい。したがって、Ｓｎ系粒子１５は、Ｂｉ系粒子１４よりも、クランクシャフトなどの摺動相手となる相手部材が摺動部材１１の摺動面を摺動するときに生じる摩擦熱によって融解しやすい。これにより、摺動部材１１の高温化はＳｎ系粒子１５の融解によって抑制される。

本発明では、オーバレイ層１３中に分布するＳｎ系粒子１５を微細、具体的には、Ｓｎ系粒子１５の平均粒径をＢｉ系粒子１４の平均粒径の５％以下にしている。
本発明で言う「粒径」とは、図３に示すように、結晶粒子の外縁に接する最小の外接円の直径Ｒである。また本発明で言う「平均粒径」とは、オーバレイ層１３の断面における所定面積、例えば２５μｍ²中に分布する粒子の粒径の平均値のことである。「粒径」および「平均粒子径」は、Ｂｉ系粒子１４およびＳｎ系粒子１５のそれぞれに対して求められる。
例えば、本発明では、オーバレイ層１３中に、平均粒径が１μｍのＢｉ系粒子１４と、平均粒径が０．０１μｍのＳｎ系粒子１５が分布している。この場合、Ｓｎ系粒子１５の平均粒径は、Ｂｉ系粒子１４の平均粒径の１％となる。

上記構成によれば、オーバレイ層１３の摺動面に分布するＳｎ系粒子１５が融解し、当該Ｓｎ系粒子１５が流動した場合、図４に示すように、Ｓｎ系粒子１５が存在していた所に、融解前のＳｎ系粒子１５と同形状の凹部１６が形成される。
本発明では、Ｓｎ系粒子１５の粒径がＢｉ系粒子１４の平均粒径の５％以下であるため、凹部１６の形状も、融解前のＳｎ系粒子１５の外形と同じであり、微細である。したがって、オーバレイ層１３の摺動面に供給される潤滑油等の潤滑剤は、凹部１６内を容易に満たしやすく、オーバレイ層１３上に形成された潤滑剤の膜（以下、潤滑膜と称する）が維持されやすくなる。その結果、相手部材が潤滑剤を介さずに摺動部材１１に当たってしまうことは低減され、摺動部材１１は優れた非焼付性を発揮する。
Ｓｎ系粒子１５の平均粒径は、Ｂｉ系粒子１４の平均粒径の０．２％以上４．３％以下が好ましい。

本発明の請求項２の摺動部材は、オーバレイ層に含まれるＳｎの割合Ｘ質量％が、０＜Ｘ≦１０であることを特徴としている。
本発明では、オーバレイ層１３中にＳｎが含まれていることが必須である。また、オーバレイ層１３中に含まれるＳｎが１０質量％以下である場合、オーバレイ層１３中のＳｎ系粒子１５が分散して分布しやすくなる。すなわち、本発明では、オーバレイ層１３中で粒径の大きなＳｎ系粒子となることを低減でき、オーバレイ層１３中に平均粒径が５％以下のＳｎ系粒子１５を確実に得ることができる。
０．１≦Ｘ≦７であることがより好ましい。

本発明の請求項３の摺動部材は、オーバレイ層には、Ｃｕが含まれ、オーバレイ層に含まれるＣｕの割合Ｙ質量％が、０＜Ｙ≦５であることを特徴としている。
ＣｕはＳｎと化合して比較的硬質なＳｎ−Ｃｕ化合物を形成する。Ｓｎ−Ｃｕ化合物は、相手部材に付着している凝着物を掻き落とす効果を有するため、摺動部材１１の非焼付性はより一層向上する。
オーバレイ層１３中にＣｕが含まれることにより、上記効果が得られる。また、オーバレイ層１３中に含まれるＣｕが５質量％以下であると、オーバレイ層１３は硬くなり過ぎず、良好な非焼付性が得られる。
０．１≦Ｙ≦２であることがより好ましい。

本発明の請求項４の摺動部材は、オーバレイ層中に分布するＳｎ系粒子の数が、オーバレイ層中に分布するＢｉ系粒子の数の５倍以上であることを特徴としている。
オーバレイ層中に分布するＳｎ系粒子の含有量が同じである場合、オーバレイ層中に分布するＳｎ系粒子の数を多くするほど、Ｓｎ系粒子の１粒子あたりの体積を小さくすることができる。本発明は、オーバレイ層１３中に分布するＳｎ系粒子１５の数をオーバレイ層１３中に分布するＢｉ系粒子１４の数の５倍以上にしている。これにより、オーバレイ層１３中に分布するＳｎ系粒子１５の平均粒径は、より一層確実にＢｉ系粒子１４の平均粒径の５％以下となり、且つ、Ｓｎ系粒子１５は、オーバレイ層１３中に均一に分散して分布する。

上記構成によれば、Ｓｎ系粒子１５がオーバレイ層１３の摺動面に均一に分散して分布することにより、Ｓｎ系粒子１５は一層微細に分布し易く、Ｓｎ系粒子１５の融解後に形成される凹部１６も小さくなる。したがって、オーバレイ層１３上に潤滑膜をより維持し易くすることができる。その結果、摺動部材１１は優れた非焼付性を発揮する。更に、オーバレイ層１３が摩滅していっても同様なＳｎ系粒子１５の融解状態を発揮させることが可能となり、摺動部材１１の高温化を安定して抑制させ、摺動部材１１は優れた非焼付性を示す。
Ｓｎ系粒子１５の数は、Ｂｉ系粒子の数の７倍以上がより好ましい。

ここで、本発明者は、Ｓｎを含有したＢｉ電気めっきによってＢｉまたはＢｉ合金にＳｎまたはＳｎ合金を含むオーバレイ層１３を基部１２上に設ける場合において、基部１２の表面に電流密度の微小粗密を生じさせながらＢｉ電気めっきを行うことにより、オーバレイ層１３に含まれるＳｎ系粒子１５が微細になることも、解明した。すなわち、本発明者は、基部１２上にオーバレイ層１３を設けるためのＢｉ電気めっきを施すときに、微小な気泡であるマイクロ・ナノバブルを基部１２の表面に供給し、基部１２の表面に電流密度の微小粗密を生じさせることにより、上述のように微細なＳｎ系粒子１５をオーバレイ層１３中に分散して分布させることができることを見出した。マイクロ・ナノバブルの直径は、１００ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。
マイクロ・ナノバブルの発生方法としては、エジェクタタイプ、キャビテーションタイプ、旋回タイプ、加圧溶解タイプ、超音波使用タイプ、微細孔タイプなどが挙げられる。
なお、Ｓｎ系粒子１５を微細にする方法は上記に限定されない。

本発明の摺動部材のオーバレイ層の断面を模式的に示す図すべり軸受の断面図オーバレイ層中の粒子を示す図オーバレイ層の摺動面のＳｎ系粒子が融解し流動した後の図２相当図従来例を示す図１相当図

次に本発明の摺動部材の実施形態について説明する。
一般に、摺動部材であるすべり軸受は、鋼で形成される裏金層にＣｕ合金又はＡｌ合金で形成される軸受合金層を設け、この軸受合金層上に必要に応じて中間層を設けて構成される基部上に、オーバレイ層を設けることにより得られる。
本発明の摺動部材であるすべり軸受は、次のようにして得られる。また、本発明のすべり軸受の効果を確認するために、表１中に示す試料（表１中の実施例品１〜１２、比較例品１〜３）を得た。

まず、鋼で形成される裏金層１２ａ上にＣｕ合金の軸受合金層１２ｂをライニングしてバイメタルを製造し、次に、このバイメタルを半円筒状または円筒状にして成形品を得た。次に、この成形品の軸受合金層１２ｂの表面にボーリング加工して表面を仕上げ、その表面を電界脱脂および酸によって洗浄した。次に、その成形品の表面に、必要に応じてＡｇ、Ｃｏ、Ａｇ−Ｓｎ合金のいずれかで形成される中間層１２ｃを設け、成形品上あるいは中間層１２ｃ上にＢｉ電気めっきによってオーバレイ層１３を設けた。Ｂｉ電気めっきの条件を表２に示す。Ｃｕの添加においては、０．５〜５ｇ／ｌの塩基性炭酸銅を用いるのが好ましい。
ここで、本発明である実施例品１〜１２は、Ｂｉ電気めっきにおいて、マイクロ・ナノバブル装置（図示省略）によってめっき液中にマイクロ・ナノバブルを発生させ、このマイクロ・ナノバブルを成形品（中間層）の表面に供給した。

マイクロ・ナノバブルの供給を行うことにより、成形品（中間層）の表面に電流密度の微小粗密が生じ、Ｂｉ系粒子の周りにＳｎ系粒子が微細に析出した。マイクロ・ナノバブルを発生する装置は、めっき液と空気とを螺旋状の流路に高圧をかけて剪断させて微細に混ぜる方式のものを用いた。このマイクロ・ナノバブルを発生する装置は、めっき槽、ポンプ、フィルター、めっき槽の順でめっき液が循環される経路において、フィルターとめっき槽の間の経路に設けた。

めっき液中のマイクロ・ナノバブルの直径は、島津ナノ粒子径分布装置「ＳＡＬＤ−７１００」を用いて測定した。その測定の結果、実施例品１〜１２の製造で用いられたオーバレイ層の形成用のめっき液中に存在する気泡は、８０％以上が直径１００ｎｍ〜５００ｎｍであった。
上記製造方法によって、実施例品１〜１２を得た。実施例品１〜１２において、Ｓｎ系粒子の大きさの違いは、電流密度の粗密の大きさ、すなわちマイクロ・ナノバブルの供給量および大きさに起因している。
比較例品１〜３は、成形品の表面に電流密度の微小粗密を生じさせない以外、実施例品と同様の製造方法によって得た。

Ｓｎ系粒子の大きさはオーバレイ層の断面を電子顕微鏡又はイオン顕微鏡で観察して測定し、２５μｍ²内に分布するＢｉ系粒子とＳｎ系粒子のそれぞれの数と粒径とを求めて各平均粒径を計算し、Ｓｎ系粒子の平均粒径をＢｉ系粒子の平均粒径で割って百分率で表したものを表１に記載した。
上記の各試料について次の表３に示す条件で焼付試験を行った。

次に、焼付試験の結果について解析する。
実施例品１〜１２と、比較例品１〜３との対比から、実施例品１〜１２は、Ｓｎ系粒子の平均粒径の大きさがＢｉ系粒子の平均粒径の５％以下であるため、比較例品１〜３よりも、非焼付性に優れていることが理解できる。

実施例品１〜１１と、実施例品１２との対比から、オーバレイ層中に含まれるＳｎが１０質量％以下であると、非焼付性がより一層向上することが理解できる。
実施例品５，６，９，１１と、実施例品３，７，８，１０との対比から、オーバレイ層中に５質量％以下のＣｕが含まれると、非焼付性がより一層向上することが理解できる。

尚、表１には記載していないが、各試料のオーバレイ層の断面を電子顕微鏡又はイオン顕微鏡で観察し、２５μｍ²内に分布するＢｉ系粒子とＳｎ系粒子のそれぞれの数を数えた結果、実施例品１〜３，５〜１２は、オーバレイ層中に分布するＳｎ系粒子の数が、オーバレイ層中に分布するＢｉ系粒子の数の５倍以上であった。なお、実施例品６，９，１１は、オーバレイ層中に分布するＳｎ系粒子の数が、オーバレイ層中に分布するＢｉ系粒子の数の１０倍以上であった。

図面中、１１は摺動部材、１２は基部、１２ａは裏金層（基部）、１２ｂは軸受合金層（基部）、１２ｃは中間層（基部）、１３はオーバレイ層、１４はＢｉ系粒子、１５はＳｎ系粒子を示す。

Claims

基部と、
前記基部上に設けられ、ＢｉまたはＢｉ合金にＳｎまたはＳｎ合金を添加して形成されるオーバレイ層とを有する摺動部材において、
前記オーバレイ層中には、ＢｉまたはＢｉ合金で形成されるＢｉ系粒子と、ＳｎまたはＳｎ合金で形成されるＳｎ系粒子とが分布し、
前記オーバレイ層中に分布する前記Ｓｎ系粒子の平均粒径は、前記オーバレイ層中に分布する前記Ｂｉ系粒子の平均粒径の５％以下であることを特徴とする摺動部材。
前記オーバレイ層に含まれるＳｎの割合Ｘ質量％は、０＜Ｘ≦１０であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
前記オーバレイ層には、Ｃｕが含まれ、
前記オーバレイ層に含まれるＣｕの割合Ｙ質量％は、０＜Ｙ≦５であることを特徴とする請求項１又は２記載の摺動部材。
前記オーバレイ層中に分布する前記Ｓｎ系粒子の数は、前記オーバレイ層中に分布する前記Ｂｉ系粒子の数の５倍以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の摺動部材。