(57)【要約】【課題】  直受け構造コンロッドにおいて、従来のPb,Snもしくは樹脂系オーバレイの耐面圧性能は、20 〜25MPa程度であり、又Al-Pb系オーバレイは13MPa程度であり、半円形すべり軸受の耐面圧性能よりはかなり低い。本発明は、軸受面圧保証性能が高いMoS2系コーティング軸受を提供する。【解決手段】    コンロッド(1)摺動面にAl-Sn系合金2をスパッタにて被着し、Al-Sn系合金2上にMoS2-樹脂系オーバレイ3を塗布焼付した直受コンロッド。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンロッド摺動面にAl-Sn系合金をスパッタにて被着し、該Al-Sn系合金上にMoS2-樹脂系オーバレイを塗布焼付したことを特徴とする直受コンロッド。
【請求項２】
前記Al-Sn系合金の硬さがHV40〜100であり、かつ前記MoS2−樹脂系オーバレイの硬さがHV10〜60であることを特徴とする請求項1記載の直受コンロッド。
【請求項３】
前記Al-Sn系合金の厚さが5〜500μmであり、かつ前記MoS2−樹脂系オーバレイの厚さが3〜20μmであることを特徴とする請求項1又は２記載の直受コンロッド。
【請求項４】
前記Al-Sn系合金の組成が5〜50質量％Sn、0〜1（0を含む）質量％Ni、0〜3（0を含む）質量％Cu、残部Al及び不可避的不純物であり、また前記MoS2−樹脂系オーバレイの組成が50〜90質量％MoS2、残部ポリアミドイミド及びポリイミドの1種以上であることを特徴とする請求項1から3までの何れか1項記載の直受コンロッド。
【請求項５】
コンロッド本体とキャップとが組み付けられた状態のコンロッドの内面にクランクシャフトとの摺動面を加工し、その後Al-Sn系合金をスパッタにて被着し、該Al-Sn系合金上にMoS2-樹脂系オーバレイを塗布焼付することを特徴とする直受コンロッドの製造方法。
【請求項６】
コンロッド本体とキャップとが組み付けられた状態のコンロッドの内面にクランクシャフトとの摺動面を加工し、その後コンロッド本体とキャップとに分割した状態でAl-Sn系合金をスパッタにて被着し、該Al-Sn系合金上にMoS2-樹脂系オーバレイを塗布焼付することを特徴とする直受コンロッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンロッドに関するものであり、さらに詳しく述べるならば、内燃機関のコネクティングロッドの大端部に連結される半割円形すべり軸受を介さずに直接クランクシャフトを支承する直受コンロッド、ならびにその製造方法に関するものである。
クランシャフトには、S50CQTなどの炭素鋼、SCM440QTなどの合金鋼、V添加S45Cなどの非調質鋼、FCD70などの鋳鉄が用いられ、軟窒化などの表面処理が施されることがある。コンロッドには、炭素鋼、合金鋼、非調質鋼、焼結鍛造鋼などが用いられる。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特開平１０−３３９３１６号公報には、コンロッド大端部の本体側に軸受を設け、キャップ側は軸受を設けずクランクシャフトを直受けとし、場合によっては、キャップ側にメッキ又はスパッタによるSnもしくはPb系オーバレイあるいは樹脂系コーティングを設けることが開示されている。さらに、すべり軸受銅合金をコンロッド摺動面に溶射する直受け構造も公知である。このように、すべり軸受を廃止した直受け構造とすることにより、特に裏金分の重量が減ることによりコンロッド及びクランクシャフトの合計重量に対して数％の軽量化を実現することが期待されている。
【０００３】
特許文献１に説明されているディーゼルエンジンの作動条件は、コンロッド本体側の軸受に加えられる面圧は80〜110MPa、コンロッド本体とは反対側のキャップ側の面圧は20〜 25MPa程度である。このような条件を考慮して特許文献１ではキャップ側のみを直受け構造としている。さらに、SnもしくはPb系オーバレイあるいは樹脂系コーティングを設けたキャップ側も上記20 〜25MPaの面圧下で作動することが考慮されている。
【０００４】
非特許文献1、日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集（東京1999-5、A12、固体潤滑オーバレイ付きエンジン用すべり軸受材料の開発（第１報））によると、すべり軸受用Al合金（Al-12.5Sn-2.7Si-1Cu-0.2Cr-2Pb圧延材）の上に、流体潤滑を形成し易く、初期なじみ性が良好なオーバレイとして、MoS2を添加したエポキシ樹脂をスプレーで塗布焼付すると、面圧78MPaでも焼付かないことが報告されている。
【０００５】
Al-20％Sn-0〜3％Cuの組成をもつアルミニウムすべり軸受合金に、必要によりAl2O3粒子を分散させたものを、陰極スパッタにより支持体上に成膜して、摺動層とすることは、特許文献２、特開昭55-81147号公報に記載されている。このスパッタAl-Sn系合金は硬さがHv130であり、荷重170N/mm2（170MPa）、160℃、250時間の試験条件において全く摩耗しないと述べている特許文献２の記載からは、スパッタAl-Sn系合金は、いわゆる軸受材料としては優れているが、摩滅を利用するオーバレイとしては不適切であるとの評価が導かれる。
【０００６】
低炭素鋼裏金にアルミニウム合金を圧延したバイメタル上に、Si0.5〜6％、Pb5〜40％、Sn0.5〜10％、残部Alからなるアルミニウム合金オーバレイをスパッタリングにより形成することが特許文献３、特開平7-90551号公報に提案されている。特許文献３で提案されたオーバレイ用スパッタAl系合金は通常の溶製法では合金化が困難なPbをアルミニウムに多量に添加することにより、合金全体の硬度を下げ、なじみ性を発現したものである。スパッタされたオーバレイは微細均一な組織と高い硬度を有するために耐摩耗性及び耐疲労性が良好であることは特許文献２から明らかであるが、特許文献３の実施例における焼付かない最高面圧1350kg/cm2（13MPa）は比較的低い。これは多量のPb添加によると考えられる。
【特許文献１】特開平１０−３３９３１６号公報
【特許文献２】特開昭５５−８１１４７号公報
【特許文献３】特開平７−９０５５１号公報
【特許文献４】特開平  ７−２４７４９３号公報
【非特許文献１】日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集（東京1999-5、A12、固体潤滑オーバレイ付きエンジン用コンロッドけ材料の開発（第１報）
【非特許文献２】自動車技術Vol59, No.2, 2005,p25〜28
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本出願人は非特許文献１のすべり軸受を工業化し、軸受面圧保証性能が80〜100MPaの量産車に半円形すべり軸受（いわゆる「メタル」）として組込んでいる。その後100〜120MPaの面圧保証性能の要求に対応する開発を行っていた過程で、非特許文献1で提案されているMoS2系コーティング軸受は、100MPaを超える高面圧下では摺動性能が十分でないことが分かった。具体的に述べると、MoS2系コーティングによるなじみ作用がほとんど実現できない。そこで、この現象について次のように考察した。一般に、オーバレイのなじみ性はアブレーシブ摩耗により説明ができ、オーバレイの硬さが低い方がなじみ性が良好になる。すなわち、軟質オーバレイほどアブレーシブ摩耗が起こり易くなり、相手軸の凹凸になじむ性質が顕著になるとの説明が可能である。一方、一般に荷重は、アブレーシブ摩耗を促進する傾向があるのでなじみ性を良好にするように思われるが、結果としては、なじみ性を損なっている。
【０００８】
直受け構造コンロッドにおいて、従来のPb,Snもしくは樹脂系オーバレイの耐面圧性能は、20 〜25MPa（特許文献１）程度であり、又Al-Pb系オーバレイは13MPa（特許文献３）程度であり、半円形すべり軸受の耐面圧性能よりはかなり低いと考えられている。
【０００９】
そこで、本発明者らは、直受け構造のコンロッドにおいて、高面圧下の摺動性能を改良することにつき鋭意検討した結果、公知技術の組合わせにより所期の改良ができ、逆に組合わせることが好ましくない公知技術があることを究明した。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るコンロッドは、コンロッド摺動面にAl-Sn系合金をスパッタにて被着し、該Al-Sn系合金上にMoS2-樹脂系オーバレイを塗布焼付したことを特徴とする。以下、本発明の特徴を説明する。
【００１１】
特許文献2で述べられているスパッタAl-Sn系合金の摩耗試験条件は非常に厳しいので、この条件で摩耗しないスパッタAl-Sn系合金の耐摩耗性は非常にすぐれていると言える。一般的Al圧延合金を比較考慮すると、耐摩耗性がすぐれているAl-Si系合金でも多少は摩耗するから、スパッタAl-Sn系合金は組織が微細化しているために耐摩耗性が著しく向上したと考えられる。
【００１２】
本発明者らは、スパッタAl-Sn系合金は耐摩耗性がすぐれているために、非特許文献１のMoS2系コーティングオーバレイと組合わせると、直受け構造コンロッドのオーバレイとして活用するとの着想を抱いた。このような着想を抱いた背景は、MoS2+樹脂系コーティングオーバレイを施さないスパッタAl-Sn系合金の摺動特性を研究したところ、特許文献２で報告されているように全く摩耗が起こらないということはないが、顕著な摩耗現象としては、高荷重下での相手軸との片当りにより摩耗問題が起こることを見出した。このスパッタAl-Sn系合金の片当り摩耗をMoS2+樹脂系コーティングオーバレイにより解決できる可能性があった。
【００１３】
従来、すべり軸受の片当り摩耗対策としては次の手段が実施されている。
（１）軸受の加工精度向上
（２）オーバレイによる被覆
（３）クラウニング加工(非特許文献２、第28頁)
【００１４】
まず、対策（１）は、すべり軸受でも加工精度上の限界があり、コンロッドの場合はすべり軸受よりも加工工数が大きいから、直受コンロッドには応用困難である。
次に、対策（３）では、片当りが起こり易い軸方向端部の軸受と軸とのクリアランスを大きくするように、例えば半割形状バイメタルを異形型加工する。しかしながら、この加工方法は非常に複雑であり、また直受コンロッドには応用困難である。
【００１５】
非特許文献１で提案されたMoS2系コーティングオーバレイは対策（２）に相当し、直受コンロッドにも応用できるが、高面圧下では機能しない。しかしながら、意外にも、下地にスパッタAl-Sn系合金を成膜すると、片当り摩耗が防止できることが分かった。すなわち、単独では、スパッタAl-Sn系合金はなじみ作用が乏しくかつ片当り摩耗を起こし易く、一方MoS2+PAI(PI)系オーバレイ単独はまったく片当り摩耗対策にならないが、これらを組合わせることにより、耐面圧性能が良好になった。また、従来から使用されているCu-Sn系すべり軸受合金は、上記スパッタAl-Sn系合金及び/又はMoS2+PAI(PI)系オーバレイと組合わせると、片当たり性能に有効でないことが分かった。これら一連の現象の原因は、アブレーシブ摩耗が起こっているオーバレイ表面の硬さが下地の影響を受けていることと想定されるが、摩耗機構の解明はこれからの課題である。
以上の従来技術及び本発明者の知見を整理すると、従来からあるスパッタAl-Sn系合金及び固体潤滑オーバレイはいずれも高面圧下での性能が不足するが、これらを組合わせることで、初期、片当り時のなじみ性及び初期、片当り時の耐焼付性を確保することができた。続いて、本発明の好ましい実施態様を説明する。
【００１６】
図1は、本発明に係る直受コンロッドの断面図を示し、図中、１はコンロッド、1aは本体、1bはキャップ、2はスパッタAl-Sn系合金、3はMoS2+樹脂系オーバレイ（以下「固体潤滑剤オーバレイ」という）,5は1aと1bを組み付けるボルトである。図２は層構造を示す。なお、スパッタAl-Sn系合金２とコンロッドの中間に密着性を高めるために、コンロッドにNi系、Ni-Cr系中間層をメッキ、スパッタなどにより設け、あるいはNi系自溶合金を溶射することができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施態様によると、スパッタAl-Sn系合金２の硬さがHV40〜100であり、かつ固体潤滑剤オーバレイ３の硬さがHV10〜60である。これらの範囲が好ましい理由は、スパッタAl-Sn系合金２及び固体潤滑剤オーバレイ３の硬さが上記下限未満であると、耐疲労性が低下し、上限を超えるとなじみ性が低下する。より好ましくは、スパッタAl-Sn系合金２の硬さがHV50〜80であり、かつ固体潤滑剤オーバレイ３の硬さがHV15〜25である。
【００１８】
本発明の他の好ましい実施態様によると、スパッタAl-Sn系合金の厚さが5〜500μmであり、かつ固体潤滑剤オーバレイの厚さが3〜20μmである。これらの範囲が好ましい理由はスパッタAl-Sn系合金については、下限未満ではコンロッドとクランクシャフトが直接接触する危険があり、上限を超えるとコスト上昇を招く。
固体潤滑剤オーバレイについては下限未満では流体潤滑が達成される前にオーバレイが初期摩滅し、一方上限を超えると流体潤滑達成時点でAl-Sn系合金が十分に表出しないために、耐摩耗性や耐疲労性が不十分になる。より好ましくは、スパッタAl-Sn系合金の厚さが10〜50μmであり、かつ固体潤滑剤オーバレイの厚さが5〜15μmである。
【００１９】
本発明の他の好ましい実施態様によると、Al-Sn系合金の組成が5 〜50 質量％Sn、0〜1 質量％Ni、0〜3 質量％Cu、残部Al及び不可避的不純物であり、また前記オーバレイの組成が50〜90質量％MoS2、残部ポリアミドイミド(PAI)又はポリイミド(PI)である。Al-Sn系合金においては、Sn含有量が 5 質量％未満ではなじみ性が低下し、50 質量％を超えると強度が低くなる。Ni,Cuの成分は硬質微粒子として存在した耐摩耗性を高めるが、上限を超えると硬くなり過ぎてなじみ性が損なわれ焼付きが生じやすくなる。  ここで、Ni,Cuは任意成分であり、含有しないことも可能である。前記オーバレイは上記範囲において、低摩擦性と接着強度が良好になるが、MoS2の含有量が下限未満では潤滑性能が低下し、上限を超えると脆くなり剥離しやすくなる。より好ましくは、Al-Sn系合金の組成が10〜30質量％Sn、0〜0.1質量％Ni、0〜1質量％Cu、残部Al及び不可避的不純物であり、また前記オーバレイの組成が60〜85 質量％MoS2、残部ポリアミドイミド又はポリイミドである。
【００２０】
スパッタはAl-Sn母合金板または、Al，Sn別々の配した合金板を陰極ターゲットとしてArイオン を衝突させて、金属原子をたたき出してコンロッド摺動面（陽極) に被着させる。このスパッタ法自体は特許文献2，3で公知である。
固体潤滑剤オーバレイの塗布焼付は、固体潤滑剤と樹脂に必要により溶剤を混合したものをスプレー、印刷などにより成膜し、その後150〜250℃で焼付けることにより行い、非特許文献１や特許文献４、特開平７−２４７４９３号公報で公知である。
上記したスパッタは、図３に示すようにコンロッド本体1aとキャップ1bを組み付けられた状態のコンロッド１のボアを棒状ターゲット１０が貫通した状態で行うと、これら1a,1bの当接する面での摺動層の食い違いをなくすることができる。
【００２１】
また、上記したスパッタは、図４に示すようにコンロッド本体1aとキャップ1bとに分割した状態で行うこともできる。コンロッド本体1a及びキャップ1bは、ヒータ１１により真空チャンバー20内で加熱されるチャンバー状治具12a,12bに保持され、かつヒータ１１とともに水平面内で回転される。これらのコンロッド本体1a及びキャップ1bに面するように配置されたAlターゲット13及びSnターゲット14は電源15に接続されている。この電源15とは反対電荷を帯びたArガスは真空チャンバー20内でターゲット13,14に衝突して、それぞれAl蒸気16及びSn蒸気17が発生する。これらの蒸気は混合されてAl-Sn層２としてコンロッド１上に成膜される。コンロッド本体1a及びキャップ1bを分割した状態でコンロッドの処理を行うことで、量産化した場合には作業効率がよく、さらにスパッタ後にコンロッド本体1aとキャップ1bとを組み付けた際に合わせ面付近の膜厚が減少し、これがリリーフのような役割を果たすことで、摺動時に異物排出性を向上させることができる。
続いて、実験例によりさらに詳しく本発明を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
表1に示す層構造のコンロッド相当供試材につき次の条件で往復摺動試験を行った。なお、それぞれの特性は次のとおりである。
コンロッド相当基材：SS400、Ni-30％Cr中間層0.5〜1μmスパッタ
スパッタAl-Sn合金：HV70 、厚さ 20 μm、Sn20質量％
固体潤滑剤オーバレイ：MoS2とポリアミドイミドの混合物を厚さ6 μmに塗布したもの（硬度HV20）。但し、ポリアミドイミドは日立化成社が製造した、次の材料規格のものである。                      伸び： ２５℃で７〜２０％  ，２００℃で２０％以上    
引張強度： ２５℃で７０〜１１０MPa ，２００℃で１５MPa以上
なお、比較例としてすべり軸受合金溶射構造に対応する供試材を用意した（比較例３〜５）。
【００２３】
試験条件
油種      ：CF4 10W-30
油温      ：140℃
荷重      ：70MPa  繰り返し数107回→78MPa  繰り返し数107→86MPa  焼き付くまで
回転数    ：3000 r/min
相手軸（クランクシャフト相当）：S55C
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表1に示す試験結果から、本発明実施例１〜３の耐焼付性は良好であることが分かり、最も層数が多い比較例3と同等以上の性能を達し、さらに86MPaの焼付き疲労発生面圧はコンロッド本体側に要求される性能を十分に満たしている。
それぞれの比較例については次のような評価が得られる。
（イ）固体潤滑剤単層（比較例１）は性能が最も悪い。
（ロ）スパッタAl-Sn系合金単層（比較例2）は耐疲労性が最も悪い。
（ハ）銅系軸受合金を固体潤滑剤で被覆した比較例３は非特許文献１に近似する技術であり、従来技術の達成性能レベルを示している。
（ニ）比較例3は比較例4よりすぐれているが、層数が多く軽量化の観点からは最善とはいえないので比較例とした。
（ホ）Al-Sn系合金はCu系すべり軸受合金のオーバレイとしては適していない（比較例５）。
【００２６】
次の条件で、表１の層構造を設けたコネクティングロッドを軸受に対して斜め（傾き角度0.08°）に固定した片当り試験を行い、試験の結果を図５に示す。
試験条件
油種      ：CF4 10W-30
油温      ：140℃
荷重      ：0.5ton漸増
回転数    ：3000 r／min
【００２７】
図５から、本発明実施例の片当り条件下での焼付き荷重は最も高いことが分かる。それぞれの比較例については次のような評価が得られる。
（イ）固体潤滑剤単層（比較例１）は性能が最も悪い。
（ロ）スパッタAl-Sn系合金単層（比較例2）はかなり性能を向上する。
（ハ）銅系軸受合金を固体潤滑剤で被覆した比較例３は非特許文献１に近似する技術であり、従来技術の達成性能レベルを示している。実施例と比較例3を対比すると、銅系すべり軸受合金は耐片当り性能を良くするのではなく、むしろ悪くしていることが分かる。
（ニ）比較例４は比較例１とほぼ同じであり、性能が悪い。
（ホ）固体潤滑剤オーバレイがない比較例５は中位の性能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上説明したように、本発明の摺動層は、耐面圧性能及び耐片当り摩耗性能が優れており、コンロッド本体側にも設けることができる。したがって、本発明による直受コンロッドは非特許文献１でコンロッドよりもさらに軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るコンロッドの形態を示す図面である。
【図２】図1のコンロッドの層構造を示す図面である。
【図３】組み付けられたコンロッド摺動面にAl-Sn系合金をスパッタで被着する装置の概念図である。
【図４】コンロッド本体とキャップとに分割したそれぞれの摺動面にAl-Sn系合金をスパッタで被着する装置の概念図である。
【図５】片当り試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１―コンロッド
２−スパッタAl-Sn系合金
３―MoS2+樹脂系オーバレイ
【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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