(57)【要約】【課題】被覆層が摩耗した場合でも、なじみ性と疲労破壊の耐性とを維持できる技術を提供する。【解決手段】本発明の摺動部材およびすべり軸受は、基層上に、相手材が摺動する摺動面を有する被覆層が形成された摺動部材であって、前記被覆層は、第１材料によって形成された軟質層と、前記第１材料よりも硬い第２材料によって形成され、前記軟質層を厚み方向において挟む２層の硬質層と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基層上に、相手材が摺動する摺動面を有する被覆層が形成された摺動部材であって、
前記被覆層は、
第１材料によって形成された軟質層と、
前記第１材料よりも硬い第２材料によって形成され、前記軟質層を厚み方向において挟む２層の硬質層と、
を備える摺動部材。
【請求項２】
前記第１材料はＢｉまたはＰｂであり、前記第２材料はＡｇまたはＣｕである、
請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
基層上に、相手材が摺動する摺動面を有する被覆層が形成された摺動部材であって、
前記被覆層は、
第１材料によって形成された軟質層と、
前記第１材料よりも硬い第２材料によって形成され、前記軟質層を厚み方向において挟む２層の硬質層と、
を備えるすべり軸受。
【請求項４】
前記第１材料はＢｉまたはＰｂであり、前記第２材料はＡｇまたはＣｕである、
請求項３に記載のすべり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面にて相手軸が摺動する摺動部材およびすべり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｃｕ合金上にＢｉの被覆層を形成し、当該被覆層上において相手材を摺動させる技術が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１において、Ｂｉの被覆層の下層にＡｇの中間層を形成している。これにより、Ｂｉによるなじみ性を向上させるとともに、Ａｇによって疲労破壊を防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６６４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１において、Ｂｉの被覆層が摩耗してＡｇの中間層が露出すると、なじみ性が不足するという問題があった。すなわち、特許文献１において、被覆層が摩耗した場合に、なじみ性と疲労破壊の耐性とを維持できないという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、被覆層が摩耗した場合でも、なじみ性と疲労破壊の耐性とを維持できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の目的を達成するため、本発明の摺動部材およびすべり軸受において、基層上に、相手材が摺動する摺動面を有する被覆層が形成される。この被覆層は、第１材料によって形成された軟質層と、第１材料よりも硬い第２材料によって形成され、軟質層を厚み方向において挟む２層の硬質層とを備える。すなわち、被覆層は、少なくとも摺動面側の硬質層と、軟質層と、基層側の硬質層とを備える。これにより、摺動面側の硬質層が摩耗した場合でも、基層側の硬質層が存在することにより、疲労破壊の耐性を維持できる。また、被覆層が不均一に摩耗した場合、軟質層と硬質層とを同時に相手材側に露出させることができ、軟質層による良好ななじみ性と、硬質層による良好な疲労破壊の耐性とを両立させることができる。
【０００６】
さらに、第１材料は第２材料よりも軟らかい材料であればよく、第１材料はＢｉまたはＰｂであり、第２材料はＡｇであってもよい。これにより、ＢｉまたはＰｂによってなじみ性を確保するとともに、ＡｇまたはＣｕによって疲労破壊の耐性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】摺動部材の斜視図である。
【図２】（２Ａ），（２Ｂ）は摺動部材の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）第１実施形態：
（１−１）摺動部材の構成：
（１−２）計測方法：
（１−３）摺動部材の製造方法：
（２）他の実施形態：
【０００９】
（１）第１実施形態：
（１−１）摺動部材の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかる摺動部材１の斜視図である。摺動部材１は、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とを含む。摺動部材１は、中空状の円筒を直径方向に２等分した半割形状の金属部材であり、断面が半円弧状となっている。２個の摺動部材１が円筒状になるように組み合わせることにより、すべり軸受Ａが形成される。すべり軸受Ａは内部に形成される中空部分にて円柱状の相手軸２（エンジンのクランクシャフト）を軸受けする。相手軸２の外径はすべり軸受Ａの内径よりもわずかに小さく形成されている。相手軸２の外周面と、すべり軸受Ａの内周面との間に形成される隙間に潤滑油（エンジンオイル）が供給される。相手軸２は、すべり軸受Ａの曲率中心と一致する回転軸を中心に回転する。その際に、すべり軸受Ａの内周面上を相手軸２の外周面が摺動する。
【００１０】
摺動部材１は、曲率中心から遠い順に、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とが順に積層された構造を有する。従って、裏金１０が摺動部材１の最外層を構成し、オーバーレイ１２が摺動部材１の最内層を構成する。裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とは、それぞれ円周方向において一定の厚みを有している。裏金１０の厚みは１．３ｍｍであり、ライニング１１の厚みは０．２ｍｍであり、オーバーレイ１２の厚みは８μｍである。オーバーレイ１２の曲率中心側の表面の半径（摺動部材１の内径）４０ｍｍである。以下、内側とは摺動部材１の曲率中心側を意味し、外側とは摺動部材１の曲率中心と反対側を意味することとする。オーバーレイ１２の内側の表面は、相手軸２の摺動面を構成する。
【００１１】
裏金１０は、Ｃを０．１５ｗｔ％含有し、Ｍｎを０．０６ｗｔ％含有し、残部がＦｅからなる鋼で形成されている。なお、裏金１０は、ライニング１１とオーバーレイ１２とを介して相手軸２からの荷重を支持できる材料で形成されればよく、必ずしも鋼で形成されなくてもよい。
【００１２】
ライニング１１は、裏金１０の内側に積層された層であり、本発明の基層を構成する。ライニング１１は、Ｓｎを１０ｗｔ％含有し、Ｂｉを８ｗｔ％含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。ライニング１１の不可避不純物はＭｇ，Ｔｉ，Ｂ，Ｐｂ，Ｃｒ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％以下である。
【００１３】
オーバーレイ１２は、ライニング１１の内側の表面上に積層された層であり、本発明の被覆層を構成する。図２Ａは、オーバーレイ１２の層構成を説明する断面模式図である。なお、図２Ａにおいて、摺動部材１の曲率は無視することとする。本実施形態において、オーバーレイ１２は、４層の硬質層１２ａ１〜１２ａ４と、４層の軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４とで構成されている。ライニング１１の内側の表面に硬質層１２ａ１が形成され、摺動部材１の内側に向けて、硬質層１２ａ１〜１２ａ４と軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４とが交互に積層されている。硬質層１２ａ１〜１２ａ４は、それぞれ９９％以上のＡｇと不可避不純物とからなる。軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４は、それぞれ９９％以上のＢｉと不可避不純物とからなる。硬質層１２ａ１〜１２ａ４は、それぞれ平均厚みが１μｍとなっている。軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４は、それぞれ平均厚みが１μｍとなっている。
【００１４】
図２Ｂは、オーバーレイ１２が摩耗する様子を説明する断面模式図である。同図に示すように、相手軸２がオーバーレイ１２の内側の表面上にて摺動することにより、内側の層から順にオーバーレイ１２が摩耗していく。例えば、最も内側の軟質層１２ｂ４が摩耗して消失した場合でも、２番目に内側の軟質層１２ｂ３が存在するため、なじみ性を維持することができる。同様に、最も内側の硬質層１２ａ４が摩耗して消失した場合でも、２番目に内側の硬質層１２ａ３が存在するため、疲労破壊の耐性を維持することができる。
【００１５】
なお、相手軸２の形状や相手軸２からの荷重は、オーバーレイ１２の面方向において均一であることが理想であるが、現実には製造工程のばらつき等によって、相手軸２の形状や相手軸２からの荷重がオーバーレイ１２の面方向において不均一となる。従って、図２Ｂに示すように、オーバーレイ１２における摩耗の進行度合いに不均一さが生じる。オーバーレイ１２における摩耗の進行度合いが不均一であるため、硬質層１２ａ１〜１２ａ４のいずれかと軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４のいずれかとを同時に相手軸２側に露出させることができる。従って、オーバーレイ１２は、硬質層１２ａ１〜１２ａ４による良好な疲労破壊の耐性と、軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４による良好ななじみ性とを発揮できる。さらに、硬質層１２ａ１〜１２ａ４と軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４とはそれぞれ４層ずつ形成されているため、硬質層１２ａ１〜１２ａ４のいずれかと軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４のいずれかとが同時に相手軸２側に露出する状態を確保できるオーバーレイ１２の総厚を厚くすることができる。従って、長期間にわたって、オーバーレイ１２の良好な摺動特性を維持できる。さらに、硬質層１２ａ１〜１２ａ４と軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４との界面を複数形成することができるため、当該複数の界面を貫通するような破壊を抑制できる。
【００１６】
（１−２）計測方法：
上述した実施形態において示した各数値を以下の手法によって計測した。
摺動部材１の各層を構成する元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津社製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。
【００１７】
ライニング１１におけるＢｉ粒子１１ｂの平均円相当径を以下の手順によって計測した。まず、ライニング１１の任意の断面（相手軸２の回転軸方向に垂直な方向に限らない）を粒子径２μｍのアルミナ粒子で研磨した。ライニング１１の断面のうち面積が０．０２ｍｍ2となる任意の観察視野範囲（縦０．１ｍｍ×横０．２ｍｍの矩形範囲）を電子顕微鏡（日本電子製  ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって５００倍で撮影することにより、観察画像（反射電子像）の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置（ニレコ社製  ルーゼックスII）に入力し、観察画像に存在するＢｉ粒子１１ｂの像を抽出した。Ｂｉ粒子１１ｂの像の外縁にはエッジ（明度や彩度や色相角が所定値以上異なる境界）が存在する。そこで、画像解析装置によって、エッジによって閉じられた領域をＢｉ粒子１１ｂの像として観察画像から抽出した。
【００１８】
そして、Ｂｉ粒子１１ｂの像を観察画像から抽出し、画像解析装置によって、観察視野範囲に存在するすべてのＢｉ粒子１１ｂの像について投影面積円相当径（計測パラメータ：ＨＥＹＷＯＯＤ）を計測した。投影面積円相当径とは、Ｂｉ粒子１１ｂの断面積と等しい面積を有する円の直径であり、Ｂｉ粒子１１ｂの像の面積と等しい面積を有する円の直径を倍率に基づいて現実の長さに換算した直径である。さらに、すべてのＢｉ粒子１１ｂの投影面積円相当径の算術平均値（合計値／粒子数）を平均円相当径として計測した。さらに、Ｂｉ粒子１１ｂの平均円相当径と等しい直径を有する円の面積に、観察視野範囲に存在するＢｉ粒子１１ｂの個数を乗算することにより、ライニング１１の断面上に存在するＢｉ粒子１１ｂの総面積を算出した。そして、Ｂｉ粒子１１ｂの総面積を観察視野範囲の面積で除算することにより、Ｂｉ粒子１１ｂの面積割合を計測した。なお、投影面積円相当径が１．０μｍ未満の場合、投影面積円相当径の信頼度や物質の特定の信頼度が低くなるため、Ｂｉ粒子１１ｂの平均円相当径等を算出する際に考慮しないこととした。
【００１９】
各層の厚みは、以下の手順で計測した。まず、摺動部材１の直径方向の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子製  ＩＢ−０９０１０ＣＰ）で研磨した。そして、摺動部材１の断面を電子顕微鏡（日本電子製  ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって７０００倍の倍率で撮影することにより、観察画像（反射電子像）の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置（ニレコ社製  ルーゼックスII）に入力し、各層の膜面積を測定長さ（横）で微分（除）して膜厚を計測した。
【００２０】
（１−３）摺動部材の製造方法：
まず、裏金１０と同じ厚みを有する低炭素鋼の平面板を用意した。
次に、低炭素鋼で形成された平面板上に、ライニング１１を構成する材料の粉末を散布した。具体的に、上述したライニング１１における各成分の質量比となるように、Ｃｕの粉末とＢｉの粉末とＳｎの粉末とを低炭素鋼の平面板上に散布した。ライニング１１における各成分の質量比が満足できればよく、Ｃｕ−Ｂｉ，Ｃｕ−Ｓｎ等の合金粉末を低炭素鋼の平面板上に散布してもよい。粉末の粒径は、試験用ふるい（ＪＩＳ  Ｚ８８０１）によって１５０μｍ以下に調整した。
【００２１】
次に、低炭素鋼の平面板と、当該平面板上に散布した粉末とを焼結した。焼結温度を７００〜１０００℃に制御し、不活性雰囲気中で焼結した。焼結後、冷却した。
【００２２】
冷却が完了すると、低炭素鋼の平面板上にＣｕ合金層が形成される。このＣｕ合金層には、冷却中に析出した軟質のＢｉ粒子１１ｂが含まれることとなる。
次に、中空状の円筒を直径方向に２等分した形状となるように、Ｃｕ合金層が形成された低炭素鋼をプレス加工した。このとき、低炭素鋼の外径が摺動部材１の外径と一致するようにプレス加工した。
【００２３】
次に、裏金１０上に形成されたＣｕ合金層の表面を切削加工した。このとき、裏金１０上に形成されたＣｕ合金層の厚みがライニング１１と同一となるように、切削量を制御した。これにより、切削加工後のＣｕ合金層によってライニング１１が形成できる。切削加工は、例えば焼結ダイヤモンドで形成された切削工具材をセットした旋盤によって行った。
【００２４】
次に、ライニング１１の表面上に硬質材料としてのＡｇを電気めっきによって１μｍの厚みだけ積層することにより、オーバーレイ１２のうち最もライニング１１側の硬質層１２ａ１を形成した。Ａｇの電気めっきの手順は以下のとおりとした。まず、電解液中にてライニング１１の表面に直流電流を流すことにより、ライニング１１の表面を脱脂した。次に、ライニング１１の表面を水洗した。さらに、ライニング１１の表面を酸洗することにより、不要な酸化物を除去した。その後、ライニング１１の表面を、再度、水洗した。以上の前処理が完了すると、めっき浴に浸漬させたライニング１１に電流を供給することによりＡｇの電気めっきを行った。Ａｇの電気めっきの条件を以下のとおりとした。１〜１０ｇ／Ｌのシアン化銀と、１０〜１００ｇ／Ｌのシアン化カリウムとを含むめっき浴の浴組成とした。めっき浴の浴温度は、２５℃とした。さらに、ライニング１１に供給する電流は直流電流とし、その電流密度は０．２〜３．０Ａ／ｄｍ2とした。
【００２５】
次に、硬質層１２ａ１の表面上に軟質材料としてのＢｉを電気めっきによって１μｍの厚みだけ積層することにより、オーバーレイ１２のうち最もライニング１１側の軟質層１２ｂ１を形成した。まず、硬質層１２ａ１の表面を水洗した。そして、めっき浴に浸漬させた硬質層１２ａ１の表面に電流を供給することによりＢｉの電気めっきを行った。Ｂｉの電気めっきの条件を以下のとおりとした。Ｂｉ濃度：１０〜５０ｇ／Ｌ、有機スルホン酸：２５〜１００ｇ／Ｌ、添加剤：０．５〜５０ｇ／Ｌを含むめっき浴の浴組成とした。めっき浴の浴温度は、２５℃とした。さらに、ライニング１１に供給する電流は直流電流とし、その電流密度は０．５〜５．０Ａ／ｄｍ2とした。
【００２６】
さらに、上述したＡｇの電気めっきと、Ｂｉの電気めっきとを３回ずつ交互に繰り返して行うことにより、残りの硬質層１２ａ２〜１２ａ４と軟質層１２ｂ２〜１２ｂ４とを交互に積層した。なお、各層の電気めっきの間には水洗を行った。以上により、硬質層１２ａ１〜１２ａ４と軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４とが交互に積層されたオーバーレイ１２が形成できる。オーバーレイ１２を積層した後に、水洗と乾燥を行って摺動部材１を完成させた。さらに２個の摺動部材１を円筒状に組み合わせることにより、すべり軸受Ａを形成した。
【００２７】
（２）他の実施形態：
前記実施形態においては、エンジンのクランクシャフトを軸受けするすべり軸受Ａを構成する摺動部材１を例示したが、本発明の摺動部材１によって他の用途のすべり軸受Ａを形成してもよい。例えば、本発明の摺動部材１によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等を形成してもよい。また、ライニング１１のマトリクスはＣｕ合金に限られず、相手軸２の硬さに応じてマトリクスの材料が選択されればよい。また、第１材料は第２材料よりも軟らかい材料であればよく、第１材料と第２材料との組み合わせはＡｇとＢｉに限られない。また、硬質層１２ａ１〜１２ａ４と軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４の厚みは、前記実施形態の厚み限られない。硬質層１２ａ１〜１２ａ４を１μｍ以下とし、軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４を１μｍ以下とすることにより、不均一に摩耗が進行した場合に、硬質層１２ａ１〜１２ａ４のいずれかと軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４のいずれかとを同時に相手軸２側に露出させることができる。さらに、硬質層１２ａ１〜１２ａ４と軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４の層数もそれぞれ４層でなくてもよく、ライニング１１上に最初に軟質層１２ｂ１が積層されてもよい。さらに、硬質層１２ａ１〜１２ａ４と軟質層１２ｂ１〜１２ｂ４とは、必ずしもめっきによって形成されなくてもよく、スパッタリング等によって形成されてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、１１ｂ…Ｂｉ粒子、１２…オーバーレイ、１２ａ１〜１２ａ４…硬質層、１２ｂ１〜１２ｂ４…軟質層。
【図１】
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【図２】
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