(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏金層と、
Ｓｎを主とする合金で形成され、前記裏金層に積層されている軸受合金層とを備える摺動部材であって、
前記軸受合金層は、
ＳｎからなるＳｎ母相と、
該Ｓｎ母相に分散し、断面における周囲の長さである周囲長をＬｃとし、断面における外接円の直径をＤとしたとき、Ｄが８０μｍ以上であって、Ｌｃ／Ｄが３５０％以上である異形金属間化合物相を含む摺動部材。
【請求項２】
前記異形金属間化合物相は、前記外接円の直径Ｄの平均が１００μｍ以上３００μｍ以下である請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記異形金属間化合物相の総数のうち５０％以上は、２種類以上の金属間化合物相の集合体であって、
前記異形金属間化合物相を構成するｎ（ｎ≧２）種類の金属間化合物相をそれぞれ第一金属間化合物相、・・・、第ｎ金属間化合物相とすると、
集合体である前記異形金属間化合物相を構成する前記金属間化合物相のうち、第ｋ金属間化合物相（２≦ｋ≦ｎ）は、第ｋ−１金属間化合物相よりも小さく、
前記第ｋ金属間化合物相は、前記第ｋ−１金属間化合物相よりも硬く、
第二金属間化合物相は、第一金属間化合物相に接している請求項１又は２記載の摺動部材。
【請求項４】
２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相を有する摺動部材であって、
該異形金属間化合物相を構成するｎ（ｎ≧２）種類の金属間化合物相をそれぞれ第一金属間化合物相、・・・、第ｎ金属間化合物相とすると、
集合体である前記異形金属間化合物相を構成する前記金属間化合物相のうち、第ｋ金属間化合物相（２≦ｋ≦ｎ）は、第ｋ−１金属間化合物相よりも小さく、
前記第ｋ金属間化合物相は、前記第ｋ−１金属間化合物相よりも硬く、
前記異形金属間化合物相の総数の７５％以上は、周囲の全長の５０％以上が前記Ｓｎ母相との境界を形成している第二金属間化合物相を有する請求項１から３のいずれか一項記載の摺動部材。
【請求項５】
前記軸受合金層は、
Ｓｂ：８．０〜１４．０質量％
Ａｇ：１．０〜１０．０質量％
を含み、残部がＳｎで形成され、
前記異形金属間化合物相が占める面積率は、前記軸受合金層の前記断面において５〜２０％である請求項１から４のいずれか一項記載の摺動部材。
【請求項６】
前記異形金属間化合物相は、第一金属間化合物相としてＳｎ−Ｓｂ相、及び第二金属間化合物相としてＳｎ−Ａｇ相を含む請求項１から５のいずれか一項記載の摺動部材。
【請求項７】
前記軸受合金層の前記裏金層とは反対側の端面に、前記軸受合金層を覆うオーバレイ層をさらに備える請求項１から６のいずれか一項記載の摺動部材。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項記載の摺動部材を備える軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材及びこれを用いた軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、軸受装置に用いられる摺動部材は、環境汚染を招くおそれのあるＰｂやＡｓやＣｄを用いることなく、より一層の長寿命化が求められている。特許文献１では、いわゆるＳｎ基ホワイトメタルであるＳｎ−Ｓｂ−ＣｕにＣｏ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｇｅ等の金属元素や希土類元素を添加することを提案している。これにより、特許文献１では、Ｓｎ基ホワイトメタルのＳｎ母相に析出するＣｕ−ＳｎやＳｎ−Ｓｂ等の金属間化合物相の微細化及び面取りを促している。その結果、特許文献１では、Ｓｎ基ホワイトメタルからなる合金層の強度の向上が図られている。
【０００３】
ところで、摺動部材に繰り返し荷重が加わると、疲労によってクラックが生じ、この疲労クラックは相手部材と摺動する摺動面から裏金層側へＳｎ基のＳｎ母相を進展する。このとき、Ｓｎ母相とＳｎ−Ｓｂ化合物相との境界部分は強度が低いため、疲労クラックはこの境界部分を経由して進展し易いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１１−５１３５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、疲労クラックの進展を抑制すること、延いては寿命の長い摺動部材及びこれを用いた軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本実施形態の摺動部材は、裏金層と、Ｓｎを主とする合金で形成され、前記裏金層に積層されている軸受合金層とを備える。前記軸受合金層は、ＳｎからなるＳｎ母相と、該Ｓｎ母相に分散し、断面における周囲の長さである周囲長をＬｃとし、断面における外接円の直径をＤとしたとき、Ｄが８０μｍ以上であって、Ｌｃ／Ｄが３５０％以上である異形金属間化合物相を含む。
【０００７】
摺動部材の軸受合金層は、Ｓｎ母相に異形金属間化合物相を含んでいる。Ｓｎ母相は、ＳｎにＳｂ、Ｂｉ等が固溶したものであっても良い。この異形金属間化合物相は、裏金層から摺動面へ向かう方向に平行な観察断面において、外接円の直径Ｄが８０μｍ以上であるとともに、外接円の直径Ｄに対するその異形金属間化合物相の周囲長Ｌｃの割合、即ちＬｃ／Ｄが３５０％以上である。つまり、異形金属間化合物相は、その大きさに対して十分に長い周囲長Ｌｃを有している。これは、異形金属間化合物相は、Ｓｎ母相との境界部分が従来のものよりも複雑な凹凸形状を呈していることを意味している。このように、異形金属間化合物相とは、円形状、方形状あるいは針形状等の形状である一般的な金属間化合物相と比較して、所定の大きさを持ちながらいびつな形状を呈する金属間化合物相を意味する。
【０００８】
上述のように、軸受合金層の表面、即ち相手部材との摺動面において生じた疲労クラックは、裏金層側に軸受合金層内を進展する。特に、Ｓｎ母相に金属間化合物相が析出しているとき、Ｓｎ母相と金属間化合物相との境界部分は強度が低いため、疲労クラックはこの境界部分を経由して進展し易い。これに対し、本実施形態のように金属間化合物相を所定の大きさにした上でいびつな形状とすることにより、Ｓｎ母相と異形金属間化合物相との境界部分の形状が、複雑化するとともに十分な全長にされるので、疲労クラックの進展を抑制することができた。即ち、本実施形態では、軸受合金層において、疲労クラックが進展する経路は、一般的な金属間化合物相の場合と比較して、複雑化するとともに長くなるからである。詳述すると、本実施形態では、Ｓｎ母相と異形金属間化合物相との境界部分における疲労クラックの貫通が容易ではないからである。そのため、疲労クラックが軸受合金層の摺動面から裏金層に至るまでに要する期間が延長されることになる。したがって、疲労クラックの進展を抑制することができ、寿命の長い摺動部材を提供することができる。異形金属間化合物相ではない金属間化合物相が存在していても構わない。
【０００９】
また、本実施形態では、前記異形金属間化合物相は、前記外接円の直径Ｄの平均が１００μｍ以上３００μｍ以下である。
上記断面において、外接円の直径Ｄの平均が１００μｍ以上になると、異形金属間化合物相によって複雑化された疲労クラックの経路も軸受合金層の厚さに対して全体としてより好ましい長さとなる。一方、異形金属間化合物相は、Ｓｎ母相よりも硬い。そのため、相手部材への攻撃性を考慮すると、外接円の直径Ｄの平均が３００μｍ以下であることが好ましい。したがって、異形金属間化合物相の大きさを外接円の直径Ｄを用いて規定することにより、疲労クラックの進展を抑制することができ、寿命を延長させることができる。
【００１０】
さらに、本実施形態では、前記異形金属間化合物相の総数のうち５０％以上は、２種類以上の金属間化合物相の集合体であって、前記異形金属間化合物相を構成するｎ（ｎ≧２）種類の金属間化合物相をそれぞれ第一金属間化合物相、・・・、第ｎ金属間化合物相とすると、集合体である前記異形金属間化合物相を構成する前記金属間化合物相のうち、第ｋ金属間化合物相（２≦ｋ≦ｎ）は、第ｋ−１金属間化合物相よりも小さく、前記第ｋ金属間化合物相は、前記第ｋ−１金属間化合物相よりも硬く、第二金属間化合物相は、第一金属間化合物相に接している。
【００１１】
このように、本実施形態における異形金属間化合物相は、総数の５０％以上が、ｎ種類の金属間化合物相の集合体である。この金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相は、２種類以上の金属間化合物相から構成され、一体的な形態となっている。上記断面での測定において、異形金属間化合物相を構成する第ｋ金属間化合物相（２≦ｋ≦ｎ）は、第ｋ−１金属間化合物相よりも小さく、かつ硬く設定されている。そして、ｎ種類の金属間化合物相で構成される異形金属間化合物相の第一金属間化合物相と第二金属間化合物相とは互いに接している。金属間化合物相は、組み合わされる金属元素によって結晶粒の形状及び硬さが異なる。そのため、異形金属間化合物相を複数の金属間化合物相の集合体で構成することによって、異形金属間化合物相の形状がより複雑化し、Ｓｎ母相と異形金属間化合物相の境界部分の全長はさらに延長される。したがって、そのような異形金属間化合物相をその総数の５０％以上に制御することにより、疲労クラックの進展を容易に抑制することができ、寿命をより延長させることができる。また、硬さや大きさの異なるｎ種類の金属間化合物相を組み合わせて異形金属間化合物相を構成することにより、異形金属間化合物相の形状やＳｎ母相との境界部分の全長の制御はし易くなる。したがって、軸受合金層に要求される性能に対し容易に応えることができる。残りの異形金属間化合物相が、１つの金属間化合物相からなるものであっても構わない。
【００１２】
本実施形態では、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相を有する摺動部材であって、該異形金属間化合物相を構成するｎ（ｎ≧２）種類の金属間化合物相をそれぞれ第一金属間化合物相、・・・、第ｎ金属間化合物相とすると、集合体である前記異形金属間化合物相を構成する前記金属間化合物相のうち、第ｋ金属間化合物相（２≦ｋ≦ｎ）は、第ｋ−１金属間化合物相よりも小さく、前記第ｋ金属間化合物相は、前記第ｋ−１金属間化合物相よりも硬く、前記異形金属間化合物相の総数の７５％以上は、周囲の全長の５０％以上が前記Ｓｎ母相との境界を形成している第二金属間化合物相を有する。
【００１３】
このように、本実施形態における摺動部材は、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相を有する。その集合体である異形金属間化合物相は、２種類以上の金属間化合物相から構成され、一体的な形態となっている。そのような異形金属間化合物相を構成する第ｋ金属間化合物相（２≦ｋ≦ｎ）は、第ｋ−１金属間化合物相よりも小さく、かつ硬く設定されている。この異形金属間化合物相の総数の７５％以上は、次のような第二金属間化合物相を有している。この第二金属間化合物相は、上記断面での測定において、周囲の全長の５０％以上がＳｎ母相との境界を形成し、残る部分が異形金属間化合物相を構成する他の金属間化合物相と境界を形成している。そのため、この第二金属間化合物相は、一部が異形金属間化合物相を構成する他の金属間化合物相に食い込んだ状態となっているとともに、半分以上の長さである残部がＳｎ母相側へ突出した状態となっている。その結果、この第二金属間化合物相を有する異形金属間化合物相は、周囲長が確実に長い複雑な外形を呈する。したがって、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相を持たせ、それらの７５％以上が上記の第二金属間化合物相を１つ以上有するように制御することにより、疲労クラックの進展をより確実に抑制することができ、寿命をより延長させることができる。異形金属間化合物相は、第二金属間化合物相を３つ以上有することが好ましく、６つ以上有することが更に好ましい。
【００１４】
本実施形態では、前記軸受合金層は、Ｓｂ：８．０〜１４．０質量％、Ａｇ：１．０〜１０．０質量％を含み、不可避不純物が含まれる場合もあるが残部はＳｎで形成され、前記異形金属間化合物相が占める面積率は、前記軸受合金層の前記断面において５〜２０％である。
このように、軸受合金層を構成する成分を規定することにより、異形金属間化合物相の形成が促進される。Ｓｂを、９．５〜１２．０質量％添加するのがより好ましい。Ａｇを、４．０〜７．５質量％添加するのがより好ましい。Ｃｕを２．０〜１０．０質量％添加するのがより好ましい。Ｎｉを０．５〜３．０質量％添加するのがより好ましい。また、軸受合金層における異形金属間化合物相の合計の面積率は、軸受合金層の疲労寿命に寄与する。異形金属間化合物相が占める面積率を５％以上にすると、異形金属間化合物相による疲労クラックの進展阻害効果は大きくなる。一方、異形金属間化合物相の面積率を２０％以下にすることにより、軸受合金層の靱性面において有利になって、長寿命化を図ることができる。したがって、上記組成にした上で異形金属間化合物相の面積率を軸受合金層の５〜２０％に設定している。
【００１５】
本実施形態では、前記異形金属間化合物相は、第一金属間化合物相としてＳｎ−Ｓｂ相、及び第二金属間化合物相としてＳｎ−Ａｇ相を含む。
これにより、疲労クラックの進展の阻害に有効な形状の異形金属間化合物相の形成を促すことができる。
本実施形態では、前記軸受合金層の前記裏金層とは反対側の端面に、前記軸受合金層を覆うオーバレイ層をさらに備えていても良い。
また、本実施形態の摺動部材は、相手部材として軸を備える軸受装置に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態による摺動部材の観察断面を示す模式図
【図２】図１のＩＩ部分を拡大した模式図
【図３】一実施形態による摺動部材において、１種類の金属間化合物相の集合体で構成された異形金属間化合物相の観察断面を示す模式図
【図４】一実施形態による摺動部材において、２種類の金属間化合物相の集合体で構成された異形金属間化合物相の観察断面を示す模式図
【図５】一実施形態による摺動部材において、１種類の金属間化合物相の集合体で構成された異形金属間化合物相による疲労クラックの進展経路を示す模式図
【図６】従来の摺動部材において、疲労クラックの進展経路を示す模式図
【図７】一実施形態による摺動部材において、２種類の金属間化合物相の集合体で構成された異形金属間化合物相による疲労クラックの進展経路を示す模式図
【図８】疲労試験の試験条件を示す概略図
【図９】試験片の試験時間と背面温度との関係を示す概略図
【図１０】実施形態による摺動部材の試験結果を示す概略図
【図１１】実施形態による摺動部材の試験結果を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、摺動部材の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、摺動部材１０を示している。摺動部材１０は、軸受合金層１１及び裏金層１２を備えている。軸受合金層１１と裏金層１２との間には、中間層１３を設けても良い。また、軸受合金層１１の摺動面１４、即ち裏金層１２と反対側の端面には、軸受合金層１１を覆うオーバレイ層（図示せず）を設けても良い。裏金層１２は、例えば鋼等により平板状、半円筒状又は円筒状に成形されている。摺動部材１０は、例えば内燃機関の軸受として用いられる。
【００１８】
軸受合金層１１は、Ｓｎを主成分とするＳｎ合金で形成されている。軸受合金層１１は、Ｓｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ等の添加元素を１種又は２種類以上含有し、残部がＳｎである。軸受合金層１１は、不可避的な不純物を含有していても良い。軸受合金層１１には、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｒ等を添加することができる。これらの添加元素は、核生成を促す。即ち、これらの微量の添加元素を加えることにより、金属間化合物が互いに近い位置で核を生成して成長し、集合体を形成し易くなる。また、例えばＡｇ、Ｚｎ、Ｂｉなどの添加元素は、Ｓｎと共晶組織を形成する。即ち、これらの添加元素を加えることにより、共晶組織が形成され、その形成によって近くの金属間化合物が成長し易い方向のみに成長することを抑えることができる。そのような場合、金属間化合物相は、いびつな形状になり易い。この軸受合金層１１は、上述のように裏金層１２と反対側の端面に摺動面１４を形成している。軸受合金層１１を備える摺動部材１０は、この摺動面１４において図示しない相手部材、即ち例えば鋼や鋳鉄からなる軸部材等と摺動する。
【００１９】
この軸受合金層１１は、図２に示すようにＳｎ母相２１と、異形金属間化合物相２２とを含んでいる。Ｓｎ母相２１は、軸受合金層１１を構成するＳｎのマトリクスである。異形金属間化合物相２２は、このＳｎ母相２１に分散している。異形金属間化合物相２２は、軸受合金層１１における任意の断面である観察断面において観察される。この観察断面は、特許請求の範囲の断面であり、図１及び図２に示すように裏金層１２から軸受合金層１１に向かう方向に平行な面である。本明細書において、異形金属間化合物相２２とは、金属間化合物相のうち、観察断面における周囲の長さである周囲長をＬｃとし、この観察断面における外接円の直径をＤとしたとき、Ｄが８０μｍ以上であって、Ｌｃ／Ｄが３５０％以上のものをいう。このように、異形金属間化合物相２２は、その大きさに対して十分に長い周囲長Ｌｃを有しており、この周囲長Ｌｃは、外接円の円周よりも十分に長い。そのため、異形金属間化合物相２２は、Ｓｎ母相２１との境界が従来のものよりも複雑な凹凸形状を呈している。即ち、異形金属間化合物相２２とは、一般的な金属間化合物の結晶粒からなる相の形状である円形状、方形状あるいは針形状等と比較して、いびつな形状を呈している。また、異形金属間化合物相２２は、外接円の直径Ｄが８０μｍ以上となるように、大きさを設定している。さらに、異形金属間化合物相２２は、軸受合金層１１の上記観察断面における面積率で５〜２０％含まれることが望ましい。
【００２０】
軸受合金層１１は、１種類以上の金属間化合物相を含んでいる。そして、異形金属間化合物相２２は、軸受合金層１１に金属間化合物相が含まれているとき、これら金属間化合物相の集合体として構成されているのが製造上好ましい。例えば、１種類の金属間化合物相で異形金属間化合物相２２を構成する場合、図３に示すように異形金属間化合物相２２は同一種類の金属間化合物相３１から構成され、一体的な集合体となっている。図３において、異形金属間化合物相２２は、仮想的な外接円３５が設定される。この外接円３５の直径は、上述の直径Ｄである。また、２種類の金属間化合物相で異形金属間化合物相を構成する場合、図４に示すように異形金属間化合物相２２は２種類の金属間化合物相３２、３３から構成され、一体的な集合体となっている。図４において、異形金属間化合物相２２は、仮想的な外接円３５が設定される。この外接円３５の直径は、上述の直径Ｄである。
【００２１】
３種類以上の金属間化合物相から構成される場合も、異形金属間化合物相２２は１種類又は２種類と同様に金属間化合物相の一体的な集合体となっている。軸受合金層１１には、添加元素の種類によって、異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物相が異なる。また、軸受合金層１１に２種類の金属間化合物相から構成される異形金属間化合物相２２が含まれる場合、軸受合金層１１には２種類の金属間化合物相から構成される異形金属間化合物相２２と１種類の金属間化合物相から構成される異形金属間化合物相２２とが混在しても良い。同様に、軸受合金層１１に３種類以上の金属間化合物相から構成される異形金属間化合物相２２が含まれる場合、軸受合金層１１には３種類以上の金属間化合物相で構成される異形金属間化合物相と、３種類未満の金属間化合物相で構成される異形金属間化合物相とが混在しても良い。
【００２２】
２種類以上の金属間化合物相から異形金属間化合物相２２が構成されるとき、観察断面における断面積が大きな金属間化合物相は観察断面における断面積が小さな金属間化合物相よりも軟らかく設定されている。具体的には、異形金属間化合物相２２が２種類以上の金属間化合物相の集合体である場合、この異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物相は、第一金属間化合物相、・・・、第ｎ金属間化合物相（ｎ≧２）となる。このとき、第一金属間化合物相は、集合体である異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物相のうち、観察断面における面積が最も大きく、かつ最も軟らかいものである。そして、この第一金属間化合物相の次に大きく、かつ軟らかいものは、第二金属間化合物相となる。即ち、ｎ種類の金属間化合物相のうち、第ｋ金属間化合物相（２≦ｋ≦ｎ）は、第ｋ−１金属間化合物相よりも小さく、第ｋ−１金属間化合物相よりも硬い。そして、その場合、第二金属間化合物相は、第一金属間化合物相に接していることが望ましい。
【００２３】
また、２種類以上の金属間化合物相から構成される異形金属間化合物相２２を有する摺動部材において、異形金属間化合物相２２の総数のうち５０％以上を２種類以上の金属間化合物相の集合体とすることができた。即ち、例えば異形金属間化合物相２２の総数のうち５５％が２種類以上の金属間化合物相の集合体である場合は、残部の４５％は１種類の金属間化合物相の集合体や１つの金属間化合物相からなる。異形金属間化合物相の総数のうち６０％以上が２種類以上の金属間化合物相の集合体であることが、より好ましい。
【００２４】
また、図４に示すように、異形金属間化合物相２２が２種類の第一金属間化合物相４１及び第二金属間化合物相４２で構成されているものに着目したとき、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２の総数のうち７５％以上で、第二金属間化合物相４２がその周囲の全長の５０％以上でＳｎ母相と接触している。この場合、上記第二金属間化合物相４２は、観察断面において周囲の全長の５０％以上がＳｎ母相２１との境界を形成し、残部が第一金属間化合物相４１との境界を形成している。即ち、観察断面において、上記第二金属間化合物相４２の周囲の全長をＣｔとし、第二金属間化合物相４２のＳｎ母相との境界部分の全長をＢｔとしたとき、Ｂｔ／Ｃｔは５０％以上である。これにより、第二金属間化合物相４２は、その一部が第一金属間化合物相４１に接触しつつ食い込んでいるとともに、５０％以上の長さである残部がＳｎ母相と接している。これにより、第一金属間化合物相４１及び第二金属間化合物相４２から構成される異形金属間化合物相２２は、周囲長が長い複雑な外形を呈する。
【００２５】
同様に、３種類以上の金属間化合物相で構成されている異形金属間化合物相２２を有する摺動部材に着目したとき、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２の総数の７５％以上は、周囲の全長の５０％以上がＳｎ母相との境界を形成している第二金属間化合物相を有している。このように、２種類又は３種類以上の金属間化合物相で構成される異形金属間化合物相２２を有するとき、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２の総数の７５％以上が、周囲の全長の５０％以上がＳｎ母相との境界を形成している第二金属間化合物相を有する。即ち、観察断面において、軸受合金層１１に含まれている、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２の総数をＭｔとし、周囲の全長の５０％以上がＳｎ母相との境界を形成している第二金属間化合物相を含む異形金属間化合物相２２の数をｍとしたとき、ｍ／Ｍｔ≧７５％である。
【００２６】
次に、本実施形態の摺動部材１０が疲労クラックの進展を阻害する作用について説明する。
まずは、図５に示す１種類の金属間化合物相の集合体で形成された異形金属間化合物相が疲労クラックの進展を阻害する作用について説明する。なお、図５から図７に示す例の場合、図の上方が摺動面１４であり、図の下方が裏金層１２である。
【００２７】
図５に示す上側を摺動面１４とすると、太実線で示す疲労クラック５０は、疲労によって摺動面１４から裏金層１２側へ、軸受合金層１１を板厚方向へ進展する。摺動面１４からＳｎ母相２１中を進展してきた疲労クラック５０は、異形金属間化合物相２２に達すると、Ｓｎ母相２１と異形金属間化合物相２２との境界に沿って進展すると考えられる。図６に示すような従来の摺動部材の場合、金属間化合物相５１は単純な断面形状を有しているため、Ｓｎ母相２１を進展してきた疲労クラック５０は、Ｓｎ母相２１と金属間化合物相５１との境界に沿って進展し、容易に裏金層１２側へ到達する。これに対し、図５に示すような本実施形態の場合、摺動面１４からＳｎ母相２１中を進展してきた疲労クラック５０は、形状が複雑で十分な全長を持つ異形金属間化合物相２２とＳｎ母相２１との境界を辿ることになる。そのため、疲労クラック５０が進展する経路は、複雑化されているだけでなく、全長も長くなっている。その結果、Ｓｎ母相２１中を進展してきた疲労クラック５０は、軸受合金層１１に含まれる異形金属間化合物相２２によって進展が阻害されることになる。これにより、疲労クラック５０が軸受合金層１１の摺動面１４から裏金層１２に至るまでに要する期間が延長されると考えられる。
【００２８】
次に、図７に示す２種類の金属間化合物相の集合体で形成された異形金属間化合物相２２を例に、異形金属間化合物相２２が疲労クラックの進展を阻害する作用について説明する。
２種類の金属間化合物相３２、３３の集合体で異形金属間化合物相２２を形成することにより、異形金属間化合物相２２とＳｎ母相２１との境界部分の形状は１種類の場合よりもさらに複雑化させ易い。形状や成長し易い方向が異なる複数種の金属間化合物を選択することができ、それらを組合せることができるからである。そのため、摺動面１４からＳｎ母相２１中を進展してきた疲労クラック５０は、異形金属間化合物相２２に達すると、より複雑な経路を辿ることとなり、裏金層１２側への進展が阻害される。これにより、疲労クラック５０が軸受合金層１１の摺動面１４から裏金層１２に至るまでに要する期間がさらに延長されると考えられる。
【００２９】
次に、上記構成の摺動部材１０の製造手順について説明する。
軸受合金層１１は、裏金層１２の表面に形成される。このとき、裏金層１２と軸受合金層１１との間には、中間層１３を形成しても良い。軸受合金層１１は、遠心鋳造法を用いて、裏金層１２の表面に鋳造によって形成した。軸受合金層１１は、裏金層１２を背面から水冷することによって、鋳造時の冷却温度を制御した。具体的には、予熱された裏金層１２を図示しない鋳造機に設置し、鋳造機とともに裏金層１２を回転させながら軸受合金層１１を鋳造した。このとき、裏金層１２の予熱温度、溶融した軸受合金層１１の温度、鋳造時の温度、鋳造時の軸受合金層１１の供給量及び冷却水の水量等を調整することにより、鋳造時における軸受合金層１１の冷却速度を制御した。
【００３０】
例えば軸受合金層１１に１種類の金属間化合物相３１を析出させる場合、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｒのように金属間化合物相の核の生成を促す添加元素を微量添加することが望ましい。このように添加元素を添加することにより、金属間化合物相は互いに近い位置で核が生成して成長するため、金属間化合物相３１の集合体からなる異形金属間化合物相２２が形成され易い成分状態となる。添加元素を添加した状態で金属間化合物相３１が晶出する温度帯域まで急冷することにより、Ｓｎ母相２１には多くの核が生成する。そして、核が生成した温度帯域で徐々に冷却することにより、金属間化合物相３１の集合体で構成される異形金属間化合物相２１の生成が促される。また、例えば軸受合金層１１に２種類の金属間化合物相として第一金属間化合物相４１及び第二金属間化合物相４２を析出させる場合、第一金属間化合物相４１及び第二金属間化合物相４２が同時に晶出及び成長する温度帯域で、急冷することが望ましい。これにより、第一金属間化合物相４１が所望の大きさまで成長しながら、第二金属間化合物相４２はこの第一金属間化合物相４１に接触した状態で析出する。鋳造した軸受合金層１１は、任意の観察断面のエッチング組織を所望の倍率の光学顕微鏡で観察し、異形金属間化合物相２２の外接円３５の直径Ｄ、周囲長Ｌｃ等を測定した。
【００３１】
次に、実施例１〜実施例２１、及び比較例１〜比較例２を用いて摺動部材の作用及び効果について説明する。
（軸受寿命評価試験）
実施例１〜実施例２１、及び比較例１〜比較例２に対して、図８に示す試験条件で焼付に至る寿命について検証した。この軸受寿命評価試験では、後述する疲労試験と耐久試験とを行った。実施例１〜実施例２１、及び比較例１〜比較例２による摺動部材１０の試験片は、いずれも軸受合金層１１及び裏金層１２を有しており、半円筒形状に成形した。これらの試験片は、内径を８０ｍｍ、軸方向の長さを３０ｍｍ、全体の肉厚を３ｍｍ、軸受合金層の厚さを１．０ｍｍにそれぞれ設定した。
【００３２】
疲労試験と耐久試験とでは、相手部材である軸部材は、材質がＳ５５Ｃであり、回転数を３０００ｒｐｍに設定した。潤滑油の給油圧力は０．５ＭＰａに設定し、潤滑油の温度は８０℃に設定した。耐久試験に先立ち、疲労クラックが発生する面圧を探索する疲労試験を行なった。この面圧を探索する疲労試験は、２０時間の動荷重試験とした。探索した疲労クラックが発生する面圧を、耐久試験における設定面圧とした。この設定面圧と材料硬さの比は、ほとんど変化しない。そのため、寿命に対する設定面圧の影響は実質無いものであるとすることができた。設定面圧を探索した後、各試験片に対して設定面圧で耐久試験を実施した。
【００３３】
耐久試験では、試験片の背面温度、即ち裏金層１２の温度は、模式的に表した図９に示すように、疲労クラックの発生によって小さなピークが生じた。横軸ｔは時間を示し、縦軸Ｔは背面温度を示す。図９において、参照符号５２は、疲労クラックの発生によるピークを示す。また、図９において、参照符号５４は、疲労クラックが発生してから焼付に至るまでの時間を示す。疲労クラックが生じた後、試験片の背面温度は徐々に上昇する。本実施形態における耐久試験では、試験片の背面温度が２００℃を超えると焼付と判定した。このように、本試験では、疲労クラックの発生から焼付が生じるまでの試験時間を軸受寿命として評価した。
【００３４】
（異形金属間化合物相の影響）
まず、軸受合金層１１における異形金属間化合物相２２の有無の影響を検証した。図１０に示すように、実施例１及び実施例２は、いずれも外接円の直径Ｄが８０μｍ以上の異形金属間化合物相２２を含み、その異形金属間化合物相２２の外接円３５の直径Ｄと周囲長Ｌｃの比が３５０％以上となっている。これに対し、比較例１は、外接円の直径Ｄが８０μｍ以上の金属間化合物相を含んでいるが、外接円３５の直径Ｄと周囲長Ｌｃとの比が３５０％未満である。そのため、比較例１は、本実施形態で定義する異形金属間化合物相２２を含んでいない。また、比較例２は、８０μｍ以上の金属間化合物相を含んでいない。
【００３５】
これら実施例１及び実施例２と、比較例１及び比較例２とを比較すると、疲労クラックが発生する面圧に大差はないものの、疲労クラックの発生から焼付に至るまでの時間つまり軸受寿命に大きな差が生じていることがわかる。これは、軸受合金層１１に異形金属間化合物相２２が分散することにより、上述のように疲労クラックの進展が異形金属間化合物相２２において阻害されるからと考えられる。このことから、裏金層と、その裏金層に積層されている、Ｓｎを主とする合金で形成されている軸受合金層と、を備える摺動部材において、異形金属間化合物相２２の外接円の直径Ｄが８０μｍ以上であってＬｃ／Ｄが３５０％以上であることが、寿命の長いものとするのに必要であることが分った。
【００３６】
実施例１と実施例２とを比較すると、実施例１は軸受合金層１１の組成としてＳｂを含むのに対し、実施例２は軸受合金層１１の組成としてＣｕを含む点で相違する。即ち、実施例１では異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物がＳｎ−Ｓｂであるのに対し、実施例２では異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物がＳｎ−Ｃｕである。
【００３７】
（異形金属間化合物相の詳細な影響）
次に、図１１に示すように異形金属間化合物相２２の詳細な影響について検証した。具体的には、異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物相の種類、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２の個数割合、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２のうち第二金属間化合物相４２の全長に対するＳｎ母相との境界長の割合が５０％以上となる異形金属間化合物相２２の個数割合、軸受合金層において異形金属間化合物相２２が占める面積率の影響を検証した。
【００３８】
実施例１〜実施例７は、いずれも異形金属間化合物相２２としてＳｎ−Ｓｂ、又はＳｎ−Ｃｕのいずれか一種を含んでいる。これに対し、実施例８〜実施例１０及び実施例１４は、異形金属間化合物相２２を構成する第一金属間化合物相４１としてＳｎ−Ｓｂ、第二金属間化合物相４２としてＳｎ−Ａｇを含んでいる。同様に、実施例１１は、第一金属間化合物相４１としてＳｎ−Ｃｕ、第二金属間化合物相４２としてＳｎ−Ｎｉを含んでいる。実施例１２は、第一金属間化合物相４１としてＳｎ−Ｓｂ、第二金属間化合物相４２としてＳｎ−Ｃｕを含んでいる。実施例１３は、第一金属間化合物相４１としてＳｎ−Ｓｂ、第二金属間化合物相４２としてＳｎ−Ｎｉを含んでいる。
【００３９】
また、実施例１５〜実施例１７はいずれも異形金属間化合物相２２として後述の３種類の金属間化合物相を含み、実施例１８〜実施例２１は異形金属間化合物相２２として後述の４種類の金属間化合物相を含んでいる。具体的には、実施例１５は、第一金属間化合物相としてＳｎ−Ｓｂ、第二金属間化合物相としてＳｎ−Ａｇ、第三金属間化合物相としてＳｎ−Ｃｕを含んでいる。実施例１６は、第一金属間化合物相としてＳｎ−Ｓｂ、第二金属間化合物相としてＳｎ−Ｃｕ、第三金属間化合物相としてＳｎ−Ｎｉを含んでいる。実施例１７は、第一金属間化合物相としてＳｎ−Ｓｂ、第二金属間化合物相としてＳｎ−Ａｇ、第三金属間化合物相としてＳｎ−Ｎｉを含んでいる。実施例１８〜実施例２１は、いずれも第一金属間化合物相としてＳｎ−Ｓｂ、第二金属間化合物相としてＳｎ−Ａｇ、第三金属間化合物相としてＳｎ−Ｃｕ、第四金属間化合物相としてＳｎ−Ｎｉを含んでいる。なお、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｎｉの代表的な硬さは、順に、およそ１００ＨＶ、２００ＨＶ、３００ＨＶ、５００ＨＶである。
【００４０】
以上のように、実施例１〜実施例２１によると、異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物相の種類が増加すると、寿命が延長する傾向にあることが分かる。これは、異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物相の種類が増加すると、図５と図７との対比からも分かるように、その種類が少ないときよりも異形金属間化合物相２２の形状が複雑化するためと考えられる。異形金属間化合物相２２の形状が複雑化すると、疲労クラックが進展する経路が複雑化し、その経路が延長される。そのため、異形金属間化合物相２２による疲労クラックの進展が効果的に阻害されると考えられる。また、異形金属間化合物相２２を構成する金属間化合物相の種類が増加すると、軸受合金層１１の硬さも大きくなる傾向にあった。
【００４１】
また、異形金属間化合物相２２の外接円３５の直径Ｄは、図１１の実施例１〜実施例２１に示す通りである。詳述すると、実施例１は、観察視野における異形金属間化合物相２２のＬｃ／Ｄが３．７〜４．２（百分率で３７０〜４２０％）で平均値４．０であって、Ｄの平均が９５（μｍ）であった。また、実施例２１は、Ｌｃ／Ｄが３．６〜４．１（百分率で３６０〜４１０％）で平均値３．９であって、Ｄの平均が２４０（μｍ）であり、Ｍｔ／Ｍが０．７６（百分率で７６％）、ｍ／Ｍｔが０．８０（百分率で８０％）、Ｓが２０（％）であった。なお、Ｍ、Ｍｔ、ｍ、Ｓについては、後述する。
【００４２】
図１１から外接円３５の直径Ｄが大きくなるほど、寿命は延長する傾向にあることが分かる。このことから、異形金属間化合物相２２の外接円の直径Ｄは、８０μｍ以上であることが寿命の延長に必要であると考えられる。これは、外接円３５の直径Ｄが８０μｍ未満になると、異形金属間化合物相２２によって疲労クラックの経路を複雑化しても、その経路が全体として短く、疲労クラックの進展が阻害され難いからと考えられる。特に、実施例３〜実施例２１によると、寿命を向上させるためには、Ｌｃ／Ｄが３５０％以上であると共に外接円３５の直径Ｄの平均は、１００μｍ〜３００μｍにあることが好ましいことが分る。したがって、異形金属間化合物相２２の外接円３５の直径Ｄは、１００μｍ以上３００μｍ以下に設定することが好ましい。
【００４３】
軸受合金層１１に２種類以上の金属間化合物相が含まれているとき、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相を含むものとすることができる。そこで、実施例８〜実施例２１により、２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２を有するとき、異形金属間化合物相２２の総数Ｍに対する２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２の個数Ｍｔの割合が寿命に与える影響について検証した。これによると、観察断面において、軸受合金層１１に含まれる異形金属間化合物相２２の総数に対して２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２の個数割合が大きくなるほど、寿命は向上することが分かる。例えば、実施例８と実施例９とを比較すると、外接円３５の直径Ｄ等に大きな差は無いのに対し、軸受寿命には差が生じている。このことから、異形金属間化合物相２２の総数に対する２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相２２の個数割合（Ｍｔ／Ｍ）は、０．５以上（百分率で５０％以上）が好ましいことが分かる。これは、同じように２種類以上の金属間化合物相の集合体で異形金属間化合物相２２を有していても、その個数割合が高い方が、疲労クラックが進展する経路が長くなる確率が高くなるからと考えられる。
【００４４】
実施例８〜実施例２１に基づいて、２種類以上の金属間化合物の集合体である異形金属間化合物相２２の総数に対する後述する第二金属間化合物相４２を含む異形金属間化合物相２２の個数割合について検証した。即ち、観察断面において、軸受合金層１１に含まれる、２種類以上の金属間化合物の集合体である異形金属間化合物相２２の総数をＭｔとし、後述する第二金属間化合物４２を含む異形金属間化合物相２２の数をｍとしたとき、ｍ／Ｍｔが寿命に与える影響を検証した。異形金属間化合物相２２が図４に示すように２種類の金属間化合物相で構成される場合、異形金属間化合物相２２は、第二金属間化合物相４２を有する。この第二金属間化合物相４２は、その全長Ｃｔに対するＳｎ母相との境界長Ｂｔの割合Ｂｔ／Ｃｔの百分率が５０％以上のものとすることができる。これらの実施例から、異形金属間化合物相２２がそのような第二金属間化合物相４２を含む割合が高くなるほど、即ち、２種類以上の金属間化合物の集合体である異形金属間化合物相２２において、Ｂｔ／Ｃｔが５０％以上の第二金属間化合物４２を有するものの割合が高くなるほど、摺動部材１０の寿命は向上する傾向にあることが分かる。特に、百分率でｍ／Ｍｔが０．７５以上（百分率で７５％以上）であることが好ましい。これは、Ｂｔ／Ｃｔが５０％以上となる第二金属間化合物相４２は、図４に示すように第一金属間化合物相４１からＳｎ母相２１側へ大きく突出しているからと考えられる。このように第二金属間化合物相４２がＳｎ母相２１側へ大きく突出することにより、異形金属間化合物相２２は、形状がより複雑化し、Ｓｎ母相２１との境界部分の全長が増大する。その結果、疲労クラックの経路が摺動面１４側へ折り返されたり複雑化するだけでなく、その経路も延長される。このような異形金属間化合物相２２を多くすることによって、疲労クラックが進展するときの経路が長くなり易くなり、軸受寿命をより向上させることができたと考えられる。異形金属間化合物相２２を３種類以上の金属間化合物相で構成する場合も、同様である。したがって、疲労クラックの進展が効率良く阻害されると考えられる。
【００４５】
実施例１〜実施例２１に基づいて、異形金属間化合物相２２の面積率が寿命に与える影響について検証した。これらの実施例からも明らかなように、観察断面において、軸受合金層１１に含まれる異形金属間化合物相２２の面積率が大きくなると、寿命は向上する傾向にあることが分かる。これは、異形金属間化合物相２２の面積率が大きくなると、疲労クラックが進展する延長線上に異形金属間化合物相２２が存在する確率が高くなるからであった。その結果、軸受合金層１１における疲労クラックの進展は、異形金属間化合物相２２によって阻害され易くなったと考えられる。異形金属間化合物相２２が占める面積率Ｓ（％）を５％以上に制御すると、摺動部材１０の寿命は特に向上した。
また、本願発明者らは、「（Ｌｃ／Ｄ）の平均値×Ｄの平均値」が４００以上になるように軸受合金層の組織制御をすることが、軸受寿命の向上に好ましいことを見出した。そして、特に２種類以上の金属間化合物相の集合体である異形金属間化合物相を有する場合は、「（Ｌｃ／Ｄ）の平均値×Ｄの平均値×（Ｍｔ／Ｍ）×（ｍ／Ｍｔ）×Ｓ」が８００以上になるように軸受合金層の組織制御をすることが、軸受寿命の向上に好ましく、２５００以上にすることがより好ましいことも見出した。例えば、実施例１４は、５．４×２１０×０．５４×０．７７×６≒２８３０となり、実施例１３の２０２０よりも軸受寿命が優れていた。
【００４６】
オーバレイ層を軸受合金層１１上に備えた場合も、上述と同様の傾向を示した。
上述の摺動部材１０を相手部材である軸部材と共に備える軸受装置は、長期間の使用に好適である。
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。
【符号の説明】
【００４７】
図面中、１０は摺動部材、１１は軸受合金層、１２は裏金層、２１はＳｎ母相、２２は異形金属間化合物相、３１、３２、３３は金属間化合物相、４１は第一金属間化合物相、４２は第二金属間化合物相を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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