JPH11270561A - すべり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関ようすべり軸受の摺動面に従来被着
されていた鉛系オーバレイよりも耐焼付性が優れたオー
バレイを提供する。 【解決手段】 裏金に接着されたもしくはされない軸受
合金の摺動面をＡｇとＳｎを主成分とする層，特にＡｇ
₃ Ｓｎ層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、すべり軸受に関す
るものであり、さらに詳しく述べるならば、銅系軸受合
金よりなるライニングになじみ性を発揮させるオーバレ
イを被着した内燃機関用すべり軸受に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】代表的銅系軸受合金であるケルメット
は、軟質金属又は樹脂からなるオーバレイを一般に１０
〜２０μｍ被着して内燃機関部品に使用されている。す
べり軸受の使用初期にオーバレイは相手軸となじんで摩
耗し、油膜が軸と軸受の間に介在するので焼付が起こり
難くなる。従来オーバレイとしては以下の材料が使用さ
れてきたが一長一短があり、性能は改善の余地があっ
た。

【０００３】（イ）Ｐｂ系オーバレイ（例えばドイツ特
許ＤＥ３０００２７９明細書） このオーバレイはＰｂの軟質性を利用してなじみ面を早
期に作り出す利点があるが、潤滑油に対する耐食性が不
十分である。さらにＰｂは環境汚染物質である。 （ロ）Ｓｎ系オーバレイ Ｐｂ系オーバレイよりも耐食性は優れているが、融点が
２３２℃であるために耐熱性が不足している。したがっ
て潤滑油の温度が１４０℃程度に上昇する条件ではＳｎ
系オーバレイは性能に不安がある。 （ハ）Ａｇ系オーバレイ 摩擦係数が高いために、軸の粗さと整合した摩耗が起こ
り難く、金属接触を招き焼付が起こり易い。 （ニ）樹脂系オーバレイ（例えば米国特許第５，５２
５，４８６号明細書） ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂などの熱硬化性樹脂中
にＭｏＳ₂ 樹脂を分散した皮膜をライニング上に形成し
たものであり、金属系オーバレイよりも耐食性が優れて
おり、またＭｏＳ₂ のへき開によりなじみ面が作られ
る。しかしながら、樹脂はＭｏＳ₂ のバインダであり、
へき開による良好ななじみ作用を有していない。

【０００４】ところで、本出願人の出願にかかる欧州特
許公開０７９５６９３Ａ２号明細書においては、Ｃｕマ
トリックスに固溶しているＡｇとＳｎが、銅合金摺動面
に向かって拡散し摺動特性が優れた化合物を形成するこ
とが解明された。すなわち、Ｃｕマトリックスに固溶し
ているＡｇとＳｎは摺動面での摩擦熱の発生やライニン
グ表面組織の変化と並行してライニング表面に移動し
て、部分的に添加元素の濃縮層を形成し、濃縮がある程
度進行すると、h −Ag₃ Sn（ε）、h −Ag−Sn（ζ）、
Ag−Sn共晶が形成される。別の表現をすると、ＡｇとＳ
ｎはこれらの化合物などを形成する傾向が非常に強いか
ら、マトリックス中のＳｎとＡｇは発熱部に向かって拡
散し、安定化する。これらの化合物の他にＡｇ₂ Ｓ、Ｓ
ｎＯ，ＳｎＯ₂ などが潤滑油と反応して摺動面上にて形
成される。これらの物質は固体潤滑作用が優れており、
高面圧下でも摺動特性が優れており、かつ耐食性も良好
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のオーバ
レイ（イ）〜（ニ）に内在する問題は、合金の組成調節
や樹脂とＭｏＳ₂ の配合調節などによっては解決できな
い。また金属系オーバレイのめっき組織を特定方向に配
向させることも提案され（日本金属会報Vol 33(1993)N
o.4, Ｐ２４７〜２４９）、学会や産業界で評価されて
いるが、配向を行っても組成に依存する性質の影響を大
きく変えることはできない。したがって、これらのオー
バレイは高面圧下の条件での長時間使用では十分に性能
が発揮できず、焼付が起こるおそれがある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者はＡｇ−Ｓｎ系
材料、特にＡｇ−Ｓｎ系金属間化合物はライニングに被
着されるオーバレイとして次の点で非常に優れているこ
とを見出した。 （イ）Ａｇ−Ｓｎ合金は純金属よりも摩擦係数が著しく
低下するので、摩擦摩耗による焼付が起こり難くなる。 （ロ）Ａｇ₃ Ｓｎは六方晶構造を有し、Ｃ面がへき開す
ることにより容易になじみ面を形成する。すなわちＰｂ
系オーバレイよりもＡｇ−Ｓｎ系材料は硬質であり軸の
粗さとなじみ難い面はあるが、へき開により良好ななじ
み性が発揮される。 （ハ）ライニング全面にＡｇ−Ｓｎ系材料を最初から被
着することにより、上記した性質を軸受の使用当初から
上記性質が発揮させることができる。本出願人の前掲欧
州特許公開公報で開示されたオーバレイなしすべり軸受
でも、ある程度自動車の走行距離が進むと六方晶Ａｇ₃
Ｓｎがライニング表面に生成され、この化合物は既に形
成されたなじみ面に存在して主として耐焼付性を発揮す
る。別の表現をすると、この六方晶Ａｇ₃ Ｓｎの低摩擦
性やへき開性によるなじみの作用もあるが、この時期で
のなじみ性は遅過ぎて発現したとも言える。すなわち、
走行距離が少なく、銅合金自体が軸と摺動している初期
の時期に良好ななじみ作用が存在していないと、軸受性
能が不安定になり易い。 （ニ）Ａｇ−Ｓｎ系材料はライニングの銅合金と密着性
が良好であるので、バインダーが不必要である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記知見（イ）〜（ニ）
に基づいて完成した本発明は、裏金に接着されたもしく
はされない軸受合金の軸との摺動面にＡｇ及びＳｎから
実質的になるオーバレイ層を被着したことを特徴とする
すべり軸受である。以下、本発明にかかるすべり軸受の
裏金、軸受合金及びオーバレイにつき説明する。

【０００８】裏金は、通常は厚さが０．５〜５ｍｍの低
炭素鋼、合金鋼などの帯状材料であり、要するに、バイ
メタル型軸受においてすべり軸受合金を支持する基材で
ある。すべり軸受合金と裏金の接合は圧接、焼結、鋳造
などにより行う。

【０００９】軸受合金は軸受として適する一般的銅合金
やアルミニウム合金を使用することができる。

【００１０】上記したすべり軸受合金の圧延材もしくは
焼結材を裏金に接着してバイメタル状すべり軸受とする
ことができ、また裏金に接着しないソリッド軸受とする
こともできる。本発明に係る軸受合金はブシュ用の場合
はオーバレイを被着しないで使用され、エンジン各用種
軸受、コンロッド軸受、その他の内燃機関用軸受の場合
はオーバレイを被着してすべり軸受として使用されるこ
とが多いが、軸受構造がこれらに限定されるものではな
い。

【００１１】続いて、本発明が最も特長とするオーバレ
イを、図１に示すＡｇ−Ｓｎ二元系平衡状態図とスティ
ックスリップ試験法（図３参照）で求められた摩擦係数
（図２参照）を引用して説明する。図３は、バウデン・
テーバー式スティックスリップ試験機を示し、図中１１
はピン、１２は試験片、１３はヒーターである。試験条
件は以下のとおりである。 すべり速度：０．０６ｍ／ｓ 荷重：５Ｎ 潤滑条件：無潤滑 相手材：ＳＵＪ２（直径８ｍｍ） 図１に示す状態図によると、Ａｇ側からＳｎ側に向かっ
て順に、純Ａｇ，Ａｇ固溶体、六方晶ζ相、六方晶ε相
（Ａｇ₃ Ｓｎ）及び純Ｓｎが表れ、これら６個の相の中
間ではこれらの相の混合相となっている。すなわち、Ａ
ｇ−ζ包晶、ζ−ε包晶及びε−Ｓｎ共晶である。一
方、スパッタ法で成膜したオーバレイ皮膜の摩擦係数
（図２）を参照すると、摩擦係数は六方晶Ａｇ₃ Ｓｎの
組成で最も低くなっており、またこの六方晶Ａｇ₃ Ｓｎ
が存在しない組成域でも純金属よりは摩擦係数が低くな
っていることが分かる。

【００１２】一方従来のオーバレイの摩擦係数をステッ
ィクスリップ試験で測定した結果を以下に示す。

【００１３】

【表１】 オーバレイ材質 摩擦係数 1. Pb-10%Sn-10%In 0.5 2. PAI-70%MoS₂ 0.2

【００１４】表１のＮｏ．１は前掲従来技術（１）に該
当し、同じくＮｏ．２は前掲従来技術（４）に該当す
る。本発明のＡｇ−Ｓｎ系材料の摩擦係数はＮｏ．１と
比較すると極めて低い値である。本発明のＡｇ−Ｓｎ系
材料の摩擦係数はＮｏ．２と比較すると同等もしくは低
い値である。このような結果から上記した単一相もしく
は混合相組織をもつＡｇ−Ｓｎ系材料は固体潤滑剤と同
等の摩擦係数をもつ金属オーバレイである。

【００１５】本発明に係るＡｇ−Ｓｎ系材料はＳｎ含有
量が好ましくは５〜３５重量％であり、より好ましくは
２０〜３０重量％の範囲でＡｇ₃ Ｓｎを含むものであ
る。特に好ましくは、オーバレイ層が六方晶のＡｇ₃ Ｓ
ｎからなるＳｎ２５．２〜２６．６重量％の組成であ
る。上記した組成の残部は不純物であり、Ｐｂ，Ｉｎ，
Ｓｂ，Ｃｕなどを５重量％以下含有してもよいが、これ
らはいずれもＡｇとＳｎの化合物を作る元素であるので
その量は少ない方がよい。

【００１６】本発明に係るオーバレイ層の厚さを、Ａｇ
₃ Ｓｎ膜の厚さとピンディスク試験法で測定した焼付荷
重の結果（図５）を参照して説明する。Ｃｕ−５％Ｓｎ
よりなる組成をもつライニング上に形成したスパッタ膜
をＸ線回折で分析したところＡｇ₃ Ｓｎが検出された。
これを供試材として図４に示すピンディスク試験機を行
った。図４において、５は給油パッド、６は油圧シリン
ダー、７は試験片、８はディスク、９はバランスウェイ
ト、１０はロードセルである。試験条件は次のとおりで
あった。 すべり速度：１５ｍ／ｓ 荷重：荷重漸増（ステップ式）５００Ｎ／１０ｍｉｎ 油種：１０Ｗ−３０ 油温：室温 相手材：Ｓ５５Ｃ焼入れ（Ｈｖ５５０〜６５０）、粗
さ；０．５〜０．８μｍＲｚ この試験条件で従来の上記した三元Ｐｂ系オーバレイを
施したケルメット軸受で達成できる焼付荷重は７０ＭＰ
ａであった。

【００１７】図５に示すように厚さが０．０１〜３０μ
ｍのＡｇ₃ Ｓｎ膜は８０ＭＰａ以上を達成している。特
に０．１〜１０μｍの範囲で高い焼付荷重が得られてい
る。焼付いた軸受の表面を観察したところ、膜厚が薄い
場合は下地のライニングが露出しており、ライニングと
軸との金属接触の痕跡が検出され、厚い場合はＡｇ₃Ｓ
ｎ膜が層内で剥離し、粗さが大きくなったためと推察さ
れた。

【００１８】上記したＣｕ−Ｓｎ合金の代わりにＣｕ−
１０％Ｓｎ−１０％Ｐｂよりなる組成のライニングを使
用して同様の試験を行ったところ、０．０１〜３０μｍ
のＡｇ₃ Ｓｎ膜厚範囲で８０ＭＰａ以上の焼付荷重が得
られた。

【００１９】続いてＡｇ−Ｓｎ系オーバレイ膜の形成方
法を説明する。電気めっきによる場合は、ヨウ化カリウ
ム浴がめっき作業が容易である。この浴組成はメタスル
ホン酸銀が５５ｇ／Ｌ、ヨウ化カリウムが５００ｇ／
Ｌ、メタスルホン酸錫が１０ｇ／Ｌ程度であり、ｐＨ＝
３〜６、温度５０℃の条件で操業することができる。次
に、スパッタ法による場合は、Ａｇ−Ｓｎターゲットを
陰極に正に帯電したアルゴンイオンを５００ｗのエネル
ギーで衝突させ、ターゲットに対向したライニング上に
Ａｇ−Ｓｎ膜を被着させる。Ａｇ−Ｓｎ系オーバレイ膜
と銅合金との接着性を良好にする目的で極薄くＳｎめっ
きなどを施すこともできる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以上説明したように、本発明は従
来のオーバレイが直面していた諸問題を抜本的に解決す
るので、内燃機関用すべり軸受の各種ライニングにすぐ
れたなじみ性を付与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｇ−Ｓｎ二元系平衡状態図である。

【図２】Ａｇ−Ｓｎ系材料の摩擦係数を示すグラフであ
る。

【図３】バウデン・テーバー式スティックスリップ試験
機の図である。

【図４】ピンオンディスク試験機の図である。

【図５】Ａｇ₃ Ｓｎ膜の膜厚と焼付荷重を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ 裏金 ２ ライニング ２ａ バルク ３ Ａｇめっき層 ４ 濃縮層 ５ 給油パッド ６ 油圧シリンダー ７ 試験片 ８ ディスク ９ バランスウェイト １０ ロードセル １１ ピン １２ 試験片 １３ ヒーター

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 裏金に接着されたもしくはされない軸受
   合金の軸との摺動面にＡｇ及びＳｎから実質的になるオ
   ーバレイ層を被着したことを特徴とするすべり軸受。
2. 【請求項２】 前記オーバレイ層の厚さが０．１〜２０
   μｍであることを特徴とする請求項１記載のすべり軸
   受。
3. 【請求項３】 前記オーバレイ層が六方晶のＡｇ₃ Ｓｎ
   を含有することを特徴とする請求項１又は２記載のすべ
   り軸受。
4. 【請求項４】 前記オーバレイ層が六方晶のＡｇ₃ Ｓｎ
   から実質的になることを特徴とする請求項１又は２記載
   のすべり軸受。