(57)【要約】【課題】Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層を形成する方法として物理蒸着法に着目し、当該オーバーレイ層を構成する結晶の結晶面の配向制御を課題とする。【解決手段】最表層が選択的に液相状態となるようにＢｉオーバーレイ層を物理蒸着することで、Ｂｉオーバーレイ層を構成する結晶の配向性を制御し、もって、その特性（耐疲労性や耐腐食性等）を最適化する。Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層を有するすべり軸受であって、該オーバーレイ層の表面から測定したＸ線回析強度Ｒ＝（ｈｋｌ）に基づく配向率おいて、（０１２）面の配向率に対する（０１５）面と（１０７）面との配向率の合計値の割合を０．９〜２．５とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層であって、その表面から測定したＸ線回析強度Ｒ＝（ｈｋｌ）に基づく配向率において、（０１２）面の配向率に対する（０１５）面の配向率と（１０７）面の配向率との合計値の割合が０．９〜２．５である、オーバーレイ層。
【請求項２】
最大配向率を有する面の配向率に対する、３番目に強い配向率を有する面の配向率の割合が０．４以上とする、請求項１に記載のオーバーレイ層。
【請求項３】
Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層であって、（１０４）面、（０１５）面、及び（１０７）面のいずれかの配向率が最大であり、かつこれらの配向率の合計が７０％以上であるオーバーレイ層。
【請求項４】
（１１０）面と（２０２）面との配向率の合計を２０％以下とする、請求項３に記載のオーバーレイ層。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載のオーバーレイ層を備えるすべり軸受。
【請求項６】
軸受合金層又は該軸受合金層の上に積層された該軸受合金層より軟質な中間層の上に前記オーバーレイ層が備えられる、請求項５に記載のすべり軸受。
【請求項７】
Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層を物理蒸着法により製造する方法であって、成長中のオーバーレイ層において前記Ｂｉ又はＢｉ合金が供給される成長面側へ前記Ｂｉ又はＢｉ合金を融解可能な第１の熱量を供給し、前記成長中のオーバーレイ層において成長面と反対側に位置する反対面側へは当該反対面を前記Ｂｉ又はＢｉ合金の融点より低温に維持可能な第２の熱量を供給し、前記成長中のオーバーレイ層において成長面側に高温領域を生じさせかつその反対面側に低温領域を生じさせる、オーバーレイ層の製造方法。
【請求項８】
前記第１の熱量は非電離放射線により供給される、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記非電離放射線はパルス照射される、請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記物理蒸着法は真空蒸着法であり、前記非電離放射線は赤外線であり、前記オーバーレイ層の成長面へ均一に照射される、請求項８又は９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記赤外線の線源は前記蒸着源を挟むように配置される、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記第１の熱量と前記第２の熱量との差を制御することで、前記オーバーレイ層を構成するＢｉ又はＢｉ合金の結晶の配向性を制御する、請求項７〜１１のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１３】
Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層を物理蒸着法により製造する方法であって、成長中の前記オーバーレイ層において成長面側に高温領域を生じさせかつその反対面側に低温領域を生じさせる、オーバーレイ層の製造方法。
【請求項１４】
前記高温領域は前記Ｂｉ又はＢｉ合金の融点以上に昇温されており、前記低温領域は前記Ｂｉ又はＢｉ合金の融点未満に維持されている、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層を物理蒸着法により製造する方法であって、成長中のオーバーレイ層において成長面側の最表層を選択的に液相状態にする、オーバーレイ層の製造方法。
【請求項１６】
請求項７〜１５の何れかに記載のオーバーレイ層を製造するステップを含む、すべり軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオーバーレイ層及びこれを備えたすべり軸受、並びにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属層、特に薄膜の金属層を形成する方法として物理蒸着法が知られている。物理蒸着法の１つとしての真空蒸着法によれば、真空チャンバ内に基板（金属層の形成相手）と蒸着源である金属のポッドとが配置され、蒸着源を加熱して金属を蒸発させることで基板の表面に当該金属を蒸着させ、もって金属層が形成される。
【０００３】
軸受の表面層としてＢｉ等からなる薄い金属層（オーバーレイ層）を形成することがある。軸受のような過酷な条件で使用される金属層には高い耐久性が求められる。
特許文献１にはＢｉ基材料からなる軸受用オーバーレイ層を湿式めっき法で形成する例が示されている。
特許文献２では、湿式めっき法で形成されたＢｉ基材料からなるオーバーレイ層がミラー指数で（２０２）面に強配向する結晶で構成される例が示されている。かかるオーバーレイ層は優れた耐焼付性を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０９５５号公報
【特許文献２】特開２００４−３０８８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２の記載より、Ｂｉ基材料からなるオーバーレイ層の特性が当該オーバーレイ層を構成する結晶の配向性に関係していることがわかる。
これらの特許文献に記載の金属層は湿式めっきにより形成されているが、湿式めっき形成による金属層の結晶の配向性を制御する方法は限られており、従来以上に耐疲労性や耐食性を向上させることは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らはＢｉ基材料からなるオーバーレイ層を形成する方法として物理蒸着法に着目し、当該オーバーレイ層を構成する結晶の配向性を制御することを課題として鋭意検討を重ねてきた。
その結果、基板へＢｉ（Ｂｉ合金も含む、以下同じ）を物理蒸着する際、成長中のオーバーレイ層においてＢｉが供給される成長面側へＢｉを融解可能な第１の熱量を供給し、オーバーレイ層において成長面と反対に位置する反対面側へは該反対面をＢｉの融点より低温に維持可能な第２の熱量を供給し、成長中のオーバーレイ層において成長面側に高温領域を生じさせかつその反対面側にＢｉの融点より低温の低温領域を生じさせることで、オーバーレイ層を構成する結晶の配向性に変化を与えられることを見出した。
即ち、上記のように形成されるオーバーレイ層はこれを構成する結晶の配向性が、汎用的な物理蒸着法及び湿式めっき法で得られたオーバーレイ層のそれに比べて異なるものとなる。
【０００７】
例えば、図１は特許文献１に記載された実施例より算出した標準Ｂｉ試料のＸ線回析による、試料の表面を構成する結晶の配向率を示している。特許文献１の発明は実質的に標準Ｂｉ試料と同等の配向性を備える金属材料でオーバーレイ層を構成することにより、これに優れた摺動特性を発揮させようとするものである。
ここに、配向率とは、オーバーレイ層の表面から測定したＸ線回析強度Ｒ＝（ｈｋｌ）において、全配向面のピーク強度Ｒ＝（ｈｋｌ）の総和に対する各配向面のピーク強度Ｒ＝（ｈｋｌ）の比の値（％）を指す。
また、結晶の配向性とは、配向率の分布傾向を指す。
【０００８】
試料における結晶の配向性と当該試料の物性には所定の関係がある。換言すれば、試料の結晶の配向性を変えることでその物性を変えることができる。
例えば、図２は特許文献２に記載された実施例より算出したＢｉ試料のＸ線回折による、Ｂｉ試料の表面を構成する各結晶の配向率を示している。図１と異なる結晶の配向性を有する特許文献２のＢｉ試料は実質的に（２０２）面に強配向しており、これにより、優れた耐焼付性が発揮される。
特許文献１及び特許文献２に記載のＢｉ試料の製造には湿式めっき法が用いられている。湿式めっき法を用いてＢｉ試料の結晶の配向性に変化を与えられるのは既述の通りである。しかしながら、結晶の配向性に変化を与えるには湿式めっきの条件を全く異なるものとしなければならず、それぞれ専用の湿式めっき装置の準備が必要となる。
【０００９】
これに対し、実施例で説明する通り、同一の物理蒸着装置を用いて、単に、オーバーレイ層の成長面側へ供給される第１の熱量と、オーバーレイ層において成長面と反対に位置する反対面側へ供給される第２の熱量と、に変化を持たせることでＢｉ試料の結晶の配向性に変化を与えることができた。
同一の物理蒸着装置を用い、更には蒸着源も同一として、第１及び第２の熱量の条件を第５実施例としたときに得られたＢｉ試料の結晶の配向性を図３に示す。第１及び第２の熱量の条件を第１２実施例としたときに得られたＢｉ試料の結晶の配向性を図４に示す。
【００１０】
図３及び図４より、第５実施例で得られたＢｉ試料と第１２実施例で得られたＢｉ試料とでは、結晶の配向性に大きな違いが現れていることがわかる。
また、図３の配向性を有する実施例５で得られたＢｉ試料は、オーバーレイ層として新規のものであり、同様に図４の配向性を有する実施例１２で得られたＢｉからなるオーバーレイ層も新規なものである。
図３及び図４の測定条件は後述する。
【００１１】
ちなみに、比較的多くの結晶面にピークが分散して現れている特許文献１のＢｉ試料（図１）と実施例５のＢｉ試料（図３）とを比較すると次のことが言える。
図１ように配向するＢｉ試料は層内に同等の配向を有する結晶が近接して存在する可能性が高くなる（図５Ａ参照）。このようなＢｉ試料を摺動部材として使用した場合、大きな荷重（図５Ａにおいて矢印線で示す）がかかった際に、膜厚方向へのクラックの伝播が生じやすい。他方、図３のように配向するＢｉ試料では、同等の配向を有する結晶が近接して存在する可能性が低い、即ち、より多くの結晶面を有している（図５Ｂ参照）。このようなＢｉ試料を摺動部材として使用した場合、大きな荷重（図５Ｂにおいて矢印線で示す）がかかった際に、膜厚方向へのクラックの伝播が抑制される。つまり、実施例５で得られるＢｉ試料を摺動部材のオーバーレイ層とすると、当該摺動部材は耐疲労性に優れたものとなる。
【００１２】
更には、比較的少数の結晶面にピークが集中して現れている特許文献２のＢｉ試料（図２）と実施例１２とＢｉ試料（図４）とを比較すると次のことが言える。
図２のように配向するＢｉ試料は摺動面（図６Ａにおいて太破線Ｈで示す）との挟角θが大きな面が優先的に現れる（図６Ａ参照）。同図において１つの面の仮想延長面を細破線Ｉで示している。摺動面Ｈに現れたこれらの面の端は、摺動環境において腐食の起点（腐食起点Ａ）になり易い。このようなＢｉ試料を摺動面として使用した場合、摺動面における腐食起点Ａの存在確率が大きくなり、もって摺動環境においてＢｉ層からなる摺動面が腐食し易くなる。
他方、図４のように配向する実施例１２のＢｉ試料によれば、挟角θの小さな面が優先的に現れる（図６Ｂ参照）。このようなＢｉ試料を摺動部材として使用した場合、その摺動面における腐食起点Ａの存在確率は、図６Ａの例と比べて、小さくなり、摺動環境において耐腐食性が向上する。
【００１３】
つまり、本願発明が提案するように、物理蒸着法により成長中のオーバーレイ層において成長面側へＢｉを融解可能な第１の熱量を供給し、オーバーレイ層において反対面側へは当該反対面をＢｉの融点より低温に維持可能な第２の熱量を供給すると、オーバーレイ層を構成する結晶の配向性は汎用的な物理蒸着法及び湿式めっき法で形成したオーバーレイ層を構成する結晶の配向性と異なるものとなっていた。ここに、第１の熱量と第２の熱量は、単位面積当たりかつ単位時間当たりに供給される熱量を指し、冷却の場合の熱量は負の値をとる。
また第１の熱量と第２の熱量との差を変化させることで、配向性にも変化が現れた。
【００１４】
このように結晶の配向性に変化を与えるには、成長中のオーバーレイ層の成長面側へ当該Ｂｉを融解可能な第１の熱量を供給し、その反対面側へは当該反対面をＢｉの融点より低温に維持可能な第２の熱量を供給するだけでは不充分であり、成長中のオーバーレイ層において成長面側にＢｉの融点以上の高温領域と、その反対面側にＢｉの融点より低温の低温領域とを生じさせる必要がある。換言すれば、第１の熱量及び／又は第２の熱量の供給を制御して、成長中のオーバーレイ層に高温領域（成長面側）と低温領域（反対面側）を生じさせる。
【００１５】
ここで、高温領域と低温領域とはオーバーレイ層を構成する結晶粒の径を超える大きさ（オーバーレイ層の厚さ方向における）を有する。汎用的な物理蒸着法においてもオーバーレイ層が他の要素（例えば基板や基板保持部）に接しているとき、その接触面では温度勾配が生じており、物理的にはミクロな高温領域と低温領域が生じている。しかしながら、かかるミクロな温度勾配は結晶の配向性に何ら影響を及ぼさない。他方、低温領域に存在する結晶粒の温度の如何はその上に成長する結晶の配向性に影響を与えるものと考えられる。図３及び図４を比較すれば明らかなように、第１の熱量と第２の熱量の差により結晶の配向性に変化が表れている。このように高温領域と低温領域を設け、さらに低温領域の温度を調整することで、金属層中の結晶面を多くする。もしくは、オーバーレイ層の表面と挟角が大きな面の結晶粒を減らしつつ、当該挟角が小さな面を有する結晶粒を従来よりも多くすることが出来た。
【００１６】
Ｂｉを融解可能な熱量を第１の熱量として供給している。その結果、少なくとも成長面の最表層は液相状態になっている。それより深い部分には温度勾配が生じるので、如何ほどまでが液相状態にあるかを動的に特定することは、現在の、出願人の測定技術ではできなかった。
しかしながら、少なくとも、オーバーレイ層においてその成長面側と反対面側との間に温度差が生じるようにしている。
換言すれば、物理蒸着法により成長中のオーバーレイ層において、最表層のみが選択的にＢｉの融点以上に昇温されている。ここに最表層とは、オーバーレイ層において固相状態の層の上に存在する成長面側の液相状態の層を指す。
【００１７】
オーバーレイ層において最表層を選択的に液相状態とするには、オーバーレイ層の成長面側に与えられる第１の熱量とその反対面側に与えられる第２の熱量とに所定の差を設ける。なお、第１の熱量を供給した際にオーバーレイ層の成長面はＢｉの融点以上に昇温されて液相状態になっているものとする。他方、第２の熱量を供給した際にその反対面は溶融しない温度、即ちその結晶が維持される温度、即ち固相状態が維持されている。
この熱量の差は、オーバーレイ層の成長面側へ供給する温度とその反対面側へ供給する温度に温度差を設けることはもとより、時間当たりの熱の供給量を制御することにより行える。例えば、間欠的に熱の供給を行う。間欠的な熱の供給方法として非電離放射線をパルス照射することが挙げられる。パルスの幅、パルスの振幅、デューティサイクル等を調整することで時間当たりに供給される熱量を制御できる。また、高温領域と低温領域とを生じさせるにはオーバーレイ層の成長速度も関与する。
【００１８】
本発明者らの検討によれば、物理蒸着により金属層を成長させる際、その成長速度を１０μｍ〜１００μｍ／分とすることが好ましい。かかる成長速度を達成できる代表的な物理蒸着法として真空蒸着法を挙げられる。
実施例では赤外線を金属層の成長面側の全面へ均一にパルス照射している。
第１の熱量及び第２の熱量を制御した結果は、ワーク、即ち金属層の成長面側の温度（第１の温度）とその反対面側の温度（第２の温度）との差として現れる。
成長面側とその反対面側とを比較したとき、第１の温度と第２の温度が同じであっても、第１の熱量と第２の熱量との差によって、成長面側とその反対面側とにおいて内部の温度分布に差が生じている場合がある。第１の熱量を非電離放射線でパルス供給する場合、パルス幅、パルス振幅、デューティサイクル等によって、成長面側の高温領域の深さを調整できる。
【００１９】
赤外線等の非電離放射線をオーバーレイ層の成長面の全面へ均一照射するには、少なくともＢｉ源（真空蒸着の場合の蒸着源）が非電離放射線の照射面に影を作らないようにする。そのため、Ｂｉ源を挟むように、その非電離放射線の線源を配置する。この場合、非電離放射線を反射する反射部材（ミラー等）も線源に該当する。
非電離放射線の線源は、物理蒸着装置の真空チャンバ内に設置しても、設置しなくてもよい。非電離放射線の線源を真空チャンバ内に設置するときは、蒸着源と基板との間に影を作らないように線源を配置する。他方、真空チャンバの外に線源を配置するときは、真空チャンバに当該非電離放射線を透過させる窓を設ける。この窓も蒸着源を挟むように、その両脇に配置される。
【００２０】
上記において、物理蒸着法には真空蒸着法の他、スパッタリング法、イオンプレ―ティング法等の一般的な物理蒸着法を採用できる。
ＢｉにはＰｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等を添加できる。
オーバーレイ層の成長面へ第１の熱量を供給する非電離放射線には、赤外線やレーザ等の光線の他、電子線、Ｘ線、高周波、マイクロ波等を成長の条件等において任意に選択できる。
【００２１】
安価にかつ効率よくオーバーレイ層の成長面を昇温させるには赤外線の採用が好ましい。オーバーレイ層の成長面側へ選択的に高温領域を形成するには、赤外線をパルス照射する。赤外線を用いる場合その波長は０．５μｍ〜１００μｍとすることが好ましく、更に好ましくは０．８μｍ〜５μｍである。
【００２２】
オーバーレイ層において反対面側へ供給する第２の熱量は、オーバーレイ層が蒸着される基板を介して供給される。即ち、基板の保持部に温度制御部が備えられ、基板の温度を制御することで間接的に当該反対側の面に供給される第２の熱量を制御する。基板側を冷却する場合、この熱量は負の値になることはいうまでもない。
【００２３】
オーバーレイ層の成長面側の最表層を液相状態としその反対面側を固相状態とする加熱の条件を確定するためダミーサンプルを利用する。このダミーサンプルはオーバーレイ層を模したものであり、このダミーサンプルを物理蒸着装置の基板保持部へ着脱自在に取付ける。ダミーサンプルには成長面側の面に相当する表面とその反対面側の面に相当する裏面に温度計が取り付けられている。
【００２４】
基板保持部の温度制御部を機能させて、ダミーサンプルの裏面側を冷却する。他方、ダミーサンプルの表面側へ赤外線を照射して加熱する。温度制御部の冷却機能と赤外線源の出力を調整しながら、ダミーサンプルの表面温度（但し、Ｂｉの融点若しくはそれ以上の温度）とダミーサンプルの裏面温度（Ｂｉの融点未満）とがそれぞれ安定したときの、温度制御部の冷却条件と赤外線の線源の出力（パルス幅、パルス振幅、デューティサイクル等）の各条件を保存する。そして、Ｂｉを物理蒸着する際、各条件を再現する。
【００２５】
上記のように、ダミーサンプルにおいて表面と裏面の温度に差が生じる条件を再現すれば、オーバーレイ層において、成長面側に高温領域が生じ、その反対面側には低温領域が生じるものとなる。
その結果、図３及び図４に示すように、オーバーレイ層の摺動面を構成する結晶の配向性に変化を与え、またこれを制御することができる。
そこで本発明者らは、上記の知見に基づき、種々の試験を行った。その結果、図３の結果に基づき、下記要件を備えるオーバーレイ層が耐疲労性の向上の見地から好ましいことがわかった。
【００２６】
即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層であって、その表面から測定したＸ線回析強度Ｒ＝（ｈｋｌ）において、（０１２）面のピーク強度に対する（０１５）面のピーク強度と（１０７）面のピーク強度の合計値の比の値が０．９〜２．５とする。即ち
０．９  ≦  式１：｛Ｒ（０１５）+Ｒ（１０７）｝／Ｒ（０１２）  ≦  ２．５
他方、先行文献１に開示されたＢｉオーバーレイ層のピーク強度を式１に代入すると０．７２（後述の表２：比較例１参照）、また、汎用的な真空蒸着法で形成したＢｉオーバーレイ層では、０．６５になった（同比較例２）。
【００２７】
なお、配向率とは、全配向面のピーク強度Ｒ＝（ｈｋｌ）の総和に対する各配向面のピーク強度Ｒ＝（ｈｋｌ）の比である。よって、
式１は、｛（０１５）面の配向率+（１０７）面の配向率｝／（０１２）面の配向率と表現することができる。
【００２８】
（１０７）面と（０１５）面）の配向率と（０１２）面の配向率との比が所定の範囲に収められた第１の局面のオーバーレイ層によれば、同等の配向を有する結晶が近接して存在する確率が制御され、もって、膜厚方向へのクラックの伝播が抑制される。よって、オーバーレイ層ひいてはすべり軸受の耐疲労性が向上する。
【００２９】
ここに、式１の値が０．９未満になると（０１２）面の存在割合が多くなり、摺動面に対して同等の配向を有する結晶が近接して存在する確率が大きくなってしまう。よってクラックの伝搬が促進される。
他方、式１の値が２．５を超えると、（１０７）面と（０１５）面の存在割合が高くなりすぎてしまい、摺動面に対して同等の配向を有する結晶が近接して存在する確率が大きくなる、この場合も膜厚方向へのクラックの伝播が促進されてしまう。よって、オーバーレイ層ひいてはすべり軸受の耐疲労性の低下を引き起こす。
【００３０】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面に規定のオーバーレイ層であって、最大強度を有する面のピーク強度Ｒｍａｘに対する、３番目に大きいピーク強度を有する面のピーク強度Ｒ３の比が０．４以上とする。
換言すれば、最大配向率を有する面の配向率に対する、３番目に強い配向率を有する面の配向率の比の値が０．４以上とする
このように規定される第２の局面のオーバーレイ層によれば、これを構成する結晶において最大配向率を示す結晶面を有するものと、２番目及び３番目に大きい配向率を示す結晶面を有するものとがほぼ同じ割合で配向されている。即ち、この値が１に近いほど、オーバーレイ層を構成する結晶粒の結晶面が特定の方向に偏っていないことを意味し、当該摺動面上の金属層中に同等の配向を有する結晶が近接して存在する可能性がより低くなる。よって耐疲労性がより向上する。
【００３１】
第１および第２の局面で規定される発明の作用を図５に模式的に示す。
図５（Ａ）に示すように特定の結晶面への配向率の偏りが大きい場合は同等の配向を有する結晶が近接して存在する確率が高い。しかし、この発明の第１および第２の局面で規定するように、特定の結晶面への配向率の偏りが小さいと、同等の配向性を有する結晶が近接して存在する確率が低いため、図５（Ｂ）に示すように、クラックの伝搬は異なった配向を有する結晶と結晶との間で行われるため、膜厚方向へのクラックの伝搬は阻害される。これにより、耐疲労性が向上する。
【００３２】
また、図４の結果に基づき、下記要件を備えるオーバーレイ層の耐腐食性が向上することが分かった。
即ち、この発明の第３の局面は次のように規定される。
Ｂｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層であって、該オーバーレイ層の表面から測定したＸ線回析強度Ｒ＝（ｈｋｌ）において、（１０４）面、（０１５）面、及び（１０７）面のいずれかの強度が最大であり、かつこれらの３面の強度の合計が全面の強度の合計の７０％以上とする。
換言すれば、（１０４）面、（０１５）面、及び（１０７）面のいずれかの配向率が最大であり、かつこれらの３面の配向率の合計が７０％以上とする。
ここでいう配向率の合計とはオーバーレイ層を構成する各結晶の配向率の総和に対する（１０４）面、（０１５）面、（１０７）面の配向率の和の割合である。
【００３３】
このように規定される第３の局面に規定のオーバーレイ層によれば、その表面には（１０４）面、（０１５）面、及び（１０７）面の全てか若しくは少なくも１つが強配向する。これらの面の配向率が高いことは、摺動面を構成する結晶の結晶面の多くが摺動面に対して平行に近い方向にあることを示している。
他方、特許文献２に示したオーバーレイ層では（２０２）面の配向率が高いので、摺動面を構成する結晶の結晶面の多くが摺動面に対して垂直に近い傾向にあることを示している。両者を比較すると、第３の局面に規定のオーバーレイ層では腐食起点の存在確率が小さくなる。
【００３４】
図７に、（２０２）面を強配向させた従来例（特許文献２参照）のオーバーレイ層（図７（Ａ））と第３の局面で規定されるオーバーレイ層（図７（Ｂ））との結晶構造を模式的に示した。
図７より、本発明の第３の局面で規定される結晶構造（図７（Ｂ））は、矢印で示した腐食起点となりうる箇所が少ないことがわかる。
【００３５】
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第３の局面で規定されるオーバーレイ層において、前記Ｘ線回析強度に基づく、（１１０）面と（２０２）面との強度の合計を全面の強度の合計の２０％以下とする。
換言すれば、（１１０）面と（２０２）面との配向率の合計を２０％以下とする。
（１１０）面と（２０２）面の配向率の合計が小さくなることは、摺動面を構成する結晶の結晶面の多くが摺動面に対して垂直に近い傾向にあることを示す。従って、これらの結晶面の配向率の合計を小さくすることで、摺動面における腐食起点が更に少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は特許文献１に記載された実施例より算出した標準Ｂｉ試料のＸ線回析による各結晶面の配向率を示す。
【図２】図３は特許文献２に記載された実施例より算出したＢｉ被膜のＸ線回折による、Ｂｉ被膜の表面を構成する各結晶の配向率を示す。
【図３】図３はこの発明の１つの実施例として得られたオーバーレイ層を構成する結晶の配向性を示す。
【図４】図４はこの発明の他の実施例として得られたオーバーレイ層を構成する結晶の配向性を示す。
【図５】図５は従来の方法（特許文献１）及びこの発明の方法によって形成されたＢｉ層を構成する異なる配向を示す結晶を有する被膜の模式図であり、この発明の第１および第２の局面の特徴を表している。図５（Ａ）は湿式めっき法で形成されたＢｉ層の特定の結晶面への配向率の偏りが大きな断面を模式的に示し、図５（Ｂ）はこの発明の方法で形成されたＢｉ層の特定の結晶面への配向率の偏りが小さな断面を模式的に示す。
【図６】図６はこの発明の第３および第４の局面の特徴を模式的に表す。
【図７】図７は従来の方法（特許文献２）及びこの発明の方法によって形成されたＢｉ層を構成する結晶及びそれを構成する複数の面を表す模式図であり、この発明の第３および第４の局面の特徴（腐食起点の多寡）を表している。図７（Ａ）は湿式めっき法で形成されたＢｉ層の摺動面に垂直な断面を模式的に示し、図７（Ｂ）はこの発明の方法で形成されたＢｉ層の摺動面に垂直な断面を模式的に示す。
【図８】図８はこの発明の実施例となるすべり軸受の構造を模式的に示す断面図である。
【図９】図９はこの発明の実施例となる製造装置の構成を模式的に示す。
【図１０】図１０は耐疲労試験を行う際にすべり軸受に印加する荷重のパターンを示す。
【図１１】図１１は疲労試験終了後のすべり軸受における摺動面（Ｂｉオーバーレイ層表面）を示す平面図（投影図）である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、この発明を実施例に基づき説明する。
この実施例では、半割軸受のオーバーレイ層７としてＢｉ基の層を形成する例を採用した。
図８に示すように、基板として半割筒状の裏金層３へ銅基の軸受合金層５を積層し、その上へＢｉ又はＢｉ合金からなるオーバーレイ層７を真空蒸着してすべり軸受１を形成する。
裏金層３への軸受合金層５の積層は、焼結により行われる。焼結後、半割筒状に賦形し、内面切削によりネライの肉厚とする。裏金層３の厚さは１．２０ｍｍであり、軸上合金層５の厚さは０．３０ｍｍである。裏金層３と軸受合金層５の積層体を基板として、これを真空蒸着装置の真空チャンバ内へ蒸着源に対向させるようにセットする。また、蒸発源内には蒸着材料のBiが入っている。
【００３８】
軸受合金層５には、Ａｌやその合金の他、ＣｕやＳｎ及びそれらの合金を用いることができる。軸受合金層５の厚さや材質は軸受の用途などに応じて適宜選択可能であり、圧接、焼結、鋳造、物理蒸着法、化学蒸着法、溶射、めっき等の方法で積層される。
軸受合金層５の上にこれよりＡｇ，Ｎｉ等からなる中間層を形成することもある。形成方法は特に限定されないが、物理蒸着法、化学蒸着法、溶射、めっき等を採用できる。
【００３９】
軸受合金層５へ蒸着するオーバーレイ層７の最終厚さは２〜２０μｍとしている。
なお、真空チャンバの真空度は５．０×１０−３Ｐａであり、成膜速度は１５μｍ／分とした。これらの真空度や成膜速度は、オーバーレイ層７に求められる性能やその使用環境、若しくは製造装置の仕様等に応じて適宜調整される。
【００４０】
この発明では、オーバーレイ層７を真空蒸着する際に、その最表層のみを液相状態とする。そのため、オーバーレイ層７の成長面へ赤外線をパルス照射することとした。
この発明のすべり軸受の製造方法に用いる製造装置１０を図８に示す。
この製造装置１０は汎用的な真空蒸着装置を構成する真空チャンバ１１内に基板保持部１３、蒸着源１５、真空ポンプ１７及び真空計１９を備える。符号１６は蒸着源の加熱装置である。
【００４１】
この製造装置１０では、基板保持部１３に温度制御部２１を設けている。この温度制御部２１として水等の冷媒を熱媒体とした板状の熱交換器を用いる。そして、熱交換器の熱交換能力を調整することで基板保持部１３の基板保持面の温度を制御する。更には、この熱交換器と基板保持部１３との間に介在させるスペーサの熱伝導率を調整することで、基板保持面の温度を制御することもできる。
【００４２】
真空チャンバ１１の底壁１２には蒸着源１５が、基板保持部１３に対向して配置される。この蒸着源１５は半割筒状の基板に応じて樋状であり、加熱装置１６により加熱される。真空チャンバ１１の底壁１２において蒸着源１５の両脇には石英ガラス等からなり、赤外線等の非電離放射線が透過できる窓２３が形成される窓２３が形成され、この窓２３を通して赤外線が基板方向に放射される。このとき、蒸着源１５が赤外線に干渉しないようにする。これにより、基板の全面へ均一に赤外線を照射できる。
【００４３】
赤外線源２５には、蒸着源１５に沿った、即ち半割筒状の基板に対向するように２本のハロゲンランプを準備した。それらの出力特性はパルス幅：１秒、デューティサイクル：５０％、合計出力は７５０Ｗである。符号２７はハロゲンランプのコントローラである。
【００４４】
オーバーレイ層の成長面を選択的に液相状態とする条件を設定するため、ダミーサンプル３０を用いた。
この例では、基板として用いる半割筒状の裏金層３へ銅基軸受合金層５を積層したものをダミーサンプル３０とした。このダミーサンプル３０の両面には温度計としての熱電対３１，３２が付設され、各表面の温度が測定される。このダミーサンプル３０を真空チャンバ１１の基板保持部１３へセットしてその温度制御部２１の熱交換能力を調整する。それとともに、コントローラ２７を用いて赤外線源２５の出力を調整し、ダミーサンプル３０の表面（オーバーレイ層の成長面側）とダミーサンプル３０の裏面（基板保持部側）の温度がそれぞれ所定温度となるようにした。
【００４５】
すべり軸受のオーバーレイ層を作製するにあたり、冷却水の循環量を制御して温度制御部２１の熱交換能力を調整し、他方、赤外線源であるハロゲンランプの出力を５０〜１００％の範囲で調整した。これにより、ダミーサンプル３０の表面温度がＢｉの融点が２７３℃、その裏面が１４０℃で安定するように、温度制御部２１及びコントローラ２７の条件を探して、かつ特定する。
なお、真空チャンバの真空度は、オーバーレイ層を成長させるときと同じ５．０×１０−３Ｐａとした。
赤外線源の出力条件は、パルス幅、パルス振幅、デューティサイクル等を調整して行うこともできる。
【００４６】
ダミーサンプル３０の裏面に対する温度制御部２１の冷却能力（単位面積、単位時間あたりに裏面に加えられる第２の熱量）とその表面へ照射される赤外線照射量（単位面積、単位時間あたりに表面へ加えられる第１の熱量）のバランスによって、ダミーサンプル３０、即ち成長中のオーバーレイ層の中に高温領域と低温領域とが形成される。
【００４７】
このようにして特定された温度制御部２１による熱交換能力と赤外線源１５の出力を調整してＢｉからなるオーバーレイ層７を形成する。
即ち、裏金層３の上に軸受合金層５を積層してなるワークを基板として基板保持部１３にセットする。真空ポンプ１７を作動させて真空チャンバ１１内を所望の真空度にするとともに、温度制御部２１の熱交換能力を上記特定されたものとする。
真空度が安定した後、加熱装置１６を作動させて蒸発源のＢｉ原料の加熱を開始する。当該Ｂｉが蒸発する温度まで加熱されると同時に赤外線源２５を起動する。その出力は上記特定されたものとする。
オーバーレイ層の成長速度は１５μｍ／分であった。これにより、表２の厚さのオーバーレイ層を備えたすべり軸受を作製した。
【００４８】
このようにして得られたオーバーレイ層を成長面側よりＣｕ―ｋα線を用いたＸ線回析測定法で測定した。Ｘ線回析条件は次の通りであった。
【表１】
2020180350.tif 000003
得られた結果より、当該オーバーレイ層を構成する結晶の配向性は図３に示すようなった。図３の結果を図１と比較すると、（０１２）面の配向率が小さく、（０１５）面及び（１０７）面の配向率が増加していることがわかる。
このことは、図１の配向性と比べて図３の配向性は、摺動面（オーバーレイ層の表面）において、当該摺動面に対して特定の結晶面への配向率の偏りが小さい、即ち、同等の配向性を有する結晶が近接して存在する確率が低くなるため、膜厚方向へのクラックの伝播は阻害される。これにより、オーバーレイ層が摺動面からの荷重による変形に対して耐え易くなり、オーバーレイ層としての耐疲労性が大きく向上した。
【００４９】
上記のようにして得られた実施例１のオーバーレイ層の特性は次のようであった。即ち、（０１２）面の配向率に対する（０１５）面の配向率と（１０７）面の配向率とのの合計値の割合（式１：｛Ｒ（０１５）+Ｒ（１０７）｝／Ｒ（０１２））は１．００であった。
また、最大強度を有する面の強度Ｒｍａｘ（最大の配向率）に対する、３番目に強いピーク強度を有する面の強度Ｒ３（３番目の配向率）の割合（Ｒ３／Ｒｍａｘ）は０．３０であった。
【００５０】
疲労試験は次のようにして行った。
偏心軸を有し、回転とともに動荷重を与えられる試験装置に実施例１のすべり軸受をセットした。油圧をコントロールして、図１０に示す通り、軸受が受ける荷重を徐々に高め、面圧：１２０ＭＰａ×２０時間の疲労試験を行った。
詳細な試験条件は次の通りである。
軸受寸法（ｍｍ）：外径ＯＤ（５６）×軸方向長さＬ（１４）×厚さＴ（１．５）
回転数：３２５０ｒｐｍ
潤滑油：ＶＧ６８
潤滑油温度：１００℃
軸材質：Ｓ５５Ｃ（焼入、表面粗さ：Ｒａ０．０６ネライ）
【００５１】
２０時間の疲労試験の後、すべり軸受の摺動面の平面図（投影図）を図１１に示す。図中の符号３４はオーバーレイ層が疲労破壊したイメージを示す。
符号３４の現れた領域を疲労領域として、その疲労領域の面積を楕円３６で近似し、摺動面の全面に対する疲労領域の面積割合の値を計算したところ、実施例１のすべり軸受ではその値は０．３５であった。
【００５２】
表２に、他の実施例２〜実施例９及び比較例１〜比較例３について、実施例１にならって、その仕様及び特性について記述した。
【表２】
2020180350.tif 000004
【００５３】
実施例２〜実施例９及び比較例３においても、温度制御部２１の熱交換能力及び赤外線源２５の出力を調整して、ダミーサンプル３０の表面温度（Ｂｉの融点以上）及び裏面温度（Ｂｉの融点未満）を安定させた。表２では両者の関係を表面温度／裏面温度の比の値で表してある。
その他の基板条件（裏金層３や軸受合金層５の材質、厚さ）やオーバーレイ層の成長条件（材質、真空度、成長速度）並びに疲労試験の評価（疲労領域面積／摺動面面積）は実施例１と同じである。
比較例２ではワークには基板側からのみ第２の熱量が与えられており、その結果成長中のオーバーレイ層内は実質的に均一な温度となる。比較例３では疲労試験においてオーバーレイ層の全部が破壊されており、消失していた。
【００５４】
式１の比が上記であることを前提にして、表２の実施例４〜実施例９の疲労試験結果と実施例１〜実施例３のそれとの比較より、Ｒ３／Ｒｍａｘの値が０．４０以上になると、優れた耐疲労性を発揮することがわかる。当該比が１．５〜１．７であって、かつＲ３／Ｒｍａｘの値が０．４以上であることが更に好ましい。より好ましくは、Ｒ３／Ｒｍａｘの値は０．４５以上である。
【００５５】
次に、実施例１０について説明する。
この実施例１０では、ダミーサンプル３０の表面温度は２７３℃に維持し、その裏面温度が８０℃になるように、温度制御部２１の熱交換能力及び赤外線源２５の出力を調整した。その調整条件で、かつ、その他の成長条件等は実施例１と同じ条件として、オーバーレイ層を成長させた。
【００５６】
このようにして得られたオーバーレイ層を上記と同様にＸ線回析法で測定し、図４に示す結果を得た。
図４の配向性から、このオーバーレイ層の摺動面には（１０４）面を有する結晶粒の影響が強く反映することがわかる。
このことは、図２の配向性と比べて図４の配向性は、摺動面（オーバーレイ層の表面）において、当該摺動面を構成する結晶として摺動面に対して平行に近い結晶面を持つものが数多く現れていることを示しており、表面に露出している腐食起点が少なくなるため、耐腐食性が向上する。
【００５７】
上記のようにして得られた実施例１０のオーバーレイ層の特性は次のようであった。即ち、（１０４）面、（０１５）面、及び（１０７）面のいずれかの配向率が最大であり、かつこれらの配向率の合計が７０．０％であった。
また、（１１０）面と（２０２）面との配向率の合計は２５．０％であった。
【００５８】
表３に、他の実施例１１〜比較例１６及び比較例４及び比較例５について、実施例１０にならって、その仕様及び特性について記述した。
【表３】
2020180350.tif 000005
【００５９】
表３において、耐食性を示す腐食深さは次のようにして特定した。
製造されたすべり軸受をオイル溜りに浸漬する。オイルにはＳＨＥＬＬ社製、Ｈｅｌｉｘ  Ｕｌｔｒａ  ＳＮ  １０Ｗ−３０を用い、その浸漬条件は１３０℃、６００時間である。浸漬前のＢｉからなるオーバーレイ層と浸漬処理後の当該オーバーレイ層とをそれぞれ周方向中央の軸線方向に平行な断面を光学顕微鏡で観察し、それらの差を腐食層の深さとした。
実施例１０では３．０μｍ、即ちオーバーレイ層の内の３０％が腐食により消失した。
【００６０】
実施例１１〜実施例１６においても、温度制御部２１の熱交換能力及び赤外線源２５の出力を調整して、ダミーサンプル３０の表面温度（Ｂｉの融点以上）及び裏面温度（Ｂｉの融点未満）を安定させた。表２では両者の関係を表面温度／裏面温度の比の値で表してある。
その他の基板条件（裏金層３や軸受合金層５の材質、厚さ）やオーバーレイ層の成長条件（材質、真空度、成長速度）は実施例１と同じであり、耐食性の評価方法も実施例１０と同じである。
【００６１】
実施例１０〜実施例１６と比較例４及び比較例５との対比から、（１０４）面、（０１５）面、及び（１０７）面のいずれかの配向率が最大であり、かつこれらの配向率の合計を７０％以上とすることが好ましいことがわかる。更に好ましくは８０％以上である。また、上限は特に限定されないが、９５％以下とすることが好ましい。
実施例１１では表面温度／裏面温度の比の値４．６としたところ、（１０４）面、（０１５）面、及び（１０７）面のいずれかの配向率が最大でありかつこれらの配向率の合計は７３％であり、この点において実施例１０と同様であったが（摺動面と平行な結晶面の配向率が大）、その一方で（１１０）面と（２０２）面との配向率の合計は１５％と減少した（腐食起点となりうる配向面の割合が少）。その結果、オーバーレイ層の腐食厚さは１．２μｍとなり、実施例１０に比べて大幅に耐腐食性の向上が見られた。
かかる結果から、（１１０）面と（２０２）面との配向率の合計は２０％以下とすることが好ましく、更に好ましくは１５％以下である。
【００６２】
以上説明したように、基板に対してＢｉを真空蒸着する際に、オーバーレイ層の成長面を選択的に液相状態にすることにより得られたオーバーレイ層では、これを構成する結晶の配向性が、汎用的な物理蒸着法および湿式めっき法で作製されたオーバーレイ層のそれと、異なるものとなることがわかる。
更には、成長面側に加える熱量とその反対面側に加える熱量とのバランスを変えることで、得られるオーバーレイ層を構成する結晶の配向性を制御できることも図３及び図４の結果から明らかになった。
このようにして結晶面の配向性を制御した結果、得られたオーバーレイ層の特性にも変化が生じていることがわかる。
以上、オーバーレイ層の構成材料としてＢｉを採り上げて説明をしてきたが、他の金属においても同様にその結晶の配向性を変化ないし制御することが可能である。
【００６３】
この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。本発明の摺動部材を用いた内燃機関等の軸受機構使用装置は、優れた摺動特性を発揮する。
実施の形態では、摺動部材として半円筒形状のすべり軸受を例にとり説明をしてきたが、平板形状のスラストワッシャ等その他の摺動部材にも適用できる。
【符号の説明】
【００６４】
１…すべり軸受
３…裏金層
５…軸受合金層
７…オーバーレイ層
１０…製造装置
１１…真空チャンバ
１３…基板保持部
１５…蒸発源
１７…真空ポンプ
２１…温度制御部
２５…赤外線源
３０…ダミーサンプル
３１、３２…熱電対
３４…オーバーレイの疲労破壊のイメージ
３６…疲労領域
【図１】
2020180350.tif 000006
【図２】
2020180350.tif 000007
【図３】
2020180350.tif 000008
【図４】
2020180350.tif 000009
【図５】
2020180350.tif 000010
【図６】
2020180350.tif 000011
【図７】
2020180350.tif 000012
【図８】
2020180350.tif 000013
【図９】
2020180350.tif 000014
【図１０】
2020180350.tif 000015
【図１１】
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