(57)【要約】【課題】軸受層の膜厚と材料の含有量比とを柔軟に調整できる技術を提供する。【解決手段】摺動部材は、基材と、前記基材上に形成された第１金属の多孔質のめっき皮膜である多孔質めっき部と、前記多孔質めっき部の孔に前記第１金属と異なる第２金属が充填された充填部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材上に形成された第１金属の多孔質のめっき皮膜である多孔質めっき部と、
前記多孔質めっき部の孔に前記第１金属と異なる第２金属が充填された充填部と、
を備える摺動部材。
【請求項２】
前記第１金属はＣｕであり、前記第２金属はＢｉである、
請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記第１金属はＣｕであり、前記第２金属はＳｎである、
請求項１に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記第１金属はＮｉであり、前記第２金属はＢｉである、
請求項１に記載の摺動部材。
【請求項５】
基材上に、第１金属の多孔質めっき部をめっきによって形成するめっき工程と、
前記多孔質めっき部の孔に前記第１金属と異なる第２金属を充填する充填工程と、
を含む摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材および摺動部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結によって形成したＣｕとＢｉの合金層をすべり軸受材料として用いる技術が開示されている（特許文献１、参照。）。特許文献１において、Ｃｕ中にＢｉの粒子が分散するようにＣｕとＢｉの合金層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４０３３６３６号
【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のように、焼結によって薄い合金層を形成することが困難であるという問題があった。また、焼結においてＢｉの一部がＣｕに固溶するため、Ｂｉ単体の粒子として存在するＢｉの量を大きくすることが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、軸受層の膜厚と材料の含有量比とを柔軟に調整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、本発明の摺動部材は、基材と、前記基材上に形成された第１金属の多孔質のめっき皮膜である多孔質めっき部と、前記多孔質めっき部の孔に前記第１金属と異なる第２金属が充填された充填部と、を備える。
【０００６】
前記のように構成した本発明において、多孔質めっき部は、めっき皮膜であるため、薄膜化も含めて膜厚を柔軟に調整できる。また、充填部は、めっき皮膜として形成された多孔質めっき部の孔に充填されるため、多孔質めっき部の第１金属に第２金属が溶け込む量を抑制できる。従って、単体として存在する第２金属の量を柔軟に調整できる。
【０００７】
ここで、第１金属はＣｕであり、第２金属はＢｉであってもよい。硬質のＣｕと軟質のＢｉとを組み合わせることにより、耐摩耗性となじみ性とを両立した摺動部材を形成することができる。
【０００８】
さらに、第１金属はＣｕであり、第２金属はＳｎであってもよい。硬質のＣｕと軟質のＳｎとを組み合わせることにより、耐摩耗性となじみ性とを両立した摺動部材を形成することができる。また、摺動部材の使用時の熱によって硬質のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を生成することができ、耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【０００９】
また、第１金属はＮｉであり、第２金属はＢｉであってもよい。硬質のＮｉと軟質のＢｉとを組み合わせることにより、耐摩耗性となじみ性とを両立した摺動部材を形成することができる。また、摺動部材の使用時の熱によって硬質のＮｉ−Ｂｉ金属間化合物を生成することができ、耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【００１０】
また、本発明は、基材上に、第１金属の多孔質めっき部をめっきによって形成するめっき工程と、前記多孔質めっき部の孔に前記第１金属と異なる第２金属を充填する充填工程と、を含む摺動部材の製造方法としても成立する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。
【図２】図２Ａ，図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】
【００１２】
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）摺動部材の製造方法：
（２）他の実施形態：
【００１３】
（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を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。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。
【００１４】
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、ライニング１１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１．８ｍｍであり、ライニング１１の厚みは５０μｍ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。ライニング１１の内側の表面は、相手軸２の摺動面を構成する。
【００１５】
裏金１０は、本発明の基材を構成する。裏金１０は、Ｃを０．１５質量％含有し、Ｍｎを０．０６質量％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。
【００１６】
ライニング１１は、裏金１０の内側に積層された層であり、本発明の多孔質めっき部と充填部とを構成する。ライニング１１は、４０質量％のＣｕと６０質量％のＢｉと不可避不純物とからなり、不可避不純物の含有量は１．０質量％以下である。Ｃｕは第１金属であり、Ｂｉは第２金属である。
【００１７】
図２Ａ，図２Ｂは、摺動部材１の断面模式図である。図２ＡはＢｉを充填した後のライニング１１を示し、図２ＢはＢｉを充填する前のライニング１１を示す。図２Ａにおいて、ライニング１１は、Ｃｕで形成された多孔質めっき部１１ａ（黒）と、多孔質めっき部１１ａ内においてＢｉで形成された充填部１１ｂ（ドットハッチング）とを有する。
【００１８】
図２Ｂに示すように、多孔質めっき部１１ａに孔１１ａ１（白）が形成されており、当該孔１１ａ１にＢｉを充填することにより充填部１１ｂが形成される。多孔質めっき部１１ａの孔１１ａ１は、摺動部材１の内周方向および厚み方向に均等に分布している。また、多孔質めっき部１１ａの孔１１ａ１は、多数の孔が互いに連通したものであり、ほぼ一体の空間となっている。従って、充填部１１ｂもほぼ一体となっている。すなわち、充填部１１ｂは、ライニング１１において網目状に張り巡らされた形状となっている。
【００１９】
以上説明した本実施形態において、多孔質めっき部１１ａは、めっき皮膜であるため、薄膜化も含めて膜厚を柔軟に調整できる。また、充填部１１ｂは、めっき皮膜として形成された多孔質めっき部の孔に充填されるため、多孔質めっき部１１ａのＣｕにＢｉが溶け込む量を抑制できる。従って、単体として存在するＢｉの量を柔軟に調整できる。さらに、第１金属としての硬質のＣｕと第２金属としての軟質のＢｉとを組み合わせることにより、耐摩耗性となじみ性とを両立した摺動部材１を形成することができる。
【００２０】
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。各層の厚みは、以下の手順で計測した。まず、摺動部材１の軸方向の垂直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  ＡＰ）によって解析することにより膜厚を計測した。
【００２１】
（１−２）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、裏金１０の表面上にＣｕを電気めっきによって５０μｍの厚みだけ積層することにより、ライニング１１を形成した。電気めっきの手順は以下のとおりとした。まず、裏金１０の表面を水洗した。さらに、裏金１０の表面を酸洗することにより、裏金１０の表面から不要な酸化物を除去した。その後、裏金１０の表面を、再度、水洗した。
【００２２】
以上の前処理が完了すると、めっき浴に浸漬させた裏金１０に電流を供給することにより電気めっきを行った。ピロリン酸銅：９４ｇ／Ｌ、ピロリン酸カリウム：３４０ｇ／Ｌ、アンモニア水：３ｍＬ／Ｌ、ポリリン酸で中和したベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド：０．０５ｍｏｌ／Ｌを混合することにより、めっき浴を用意した。ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシドは、水溶性第４級アンモニウム化合物である。
【００２３】
アンモニウム化合物として、ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシドの代わりに、特開２０１０−１２１１９４号公報に記載されたドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、フェニルトリメチルアンモニウムクロライド、ベンジルトリメチルアンモニウムクロライド、ベンジルトリエチルアンモニウムクロライド、ベンジルトリブチルアンモニウムクロライド、ジデシルジメチルアンモニウムクロライド、ドデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、トリオクチルメチルアンモニウムクロライド、ドデシルピリジニウムクロライド、ベンジルピリジニウムクロライド、これらの臭化物、硫酸塩などを単体または混合してめっき浴に混合してもよい。
【００２４】
以上のように調整されためっき浴の浴温度を５５℃とした。さらに、裏金１０に供給する電流を直流電流とし、その電流密度を３Ａ／ｄｍ2とした。電気めっきにおいて、めっき浴（液）を液流のない静止状態とした。なお、めっき浴は、ピロリン酸銅：７０〜１１０ｇ／Ｌ、ピロリン酸カリウム：２６０〜４００ｇ／Ｌ、アンモニア水：２〜４ｍＬ／Ｌの範囲で調整可能である。また、浴温度は５０〜６０℃の範囲で調整可能であり、電流密度は０．５〜５．０Ａ／ｄｍ2の範囲で調整可能である。アンモニウム化合物の添加量は、０．００１〜０．１ｍｏｌ／Ｌの範囲で調整可能である。
【００２５】
アンモニウム化合物は、電気めっきの際に陰極界面で還元分解され、分解によって生じた非水溶性の遊離物質がめっき表面に点在する。この遊離物質がＣｕのめっき被膜の成長を阻害することにより、微細な孔を多数有する多孔質のめっき皮膜が形成されるものと考えられる。この現象は、電気めっきの初期から発生するため、ライニング１１の厚み方向の全体において多孔質のめっき皮膜を形成できる。以上の電気めっき（めっき工程）の完了後に、水洗と乾燥を行った。
【００２６】
なお、電気めっきにおける電流密度を高くすることにより、ライニング１１における孔の体積比率を増加させることができ、ライニング１１における充填部１１ｂの体積比率を増加させることができる。充填部１１ｂの体積比率を増加させることにより、低摩擦抵抗となじみ性を重視した摺動部材１を形成でき、孔１１ａ１の体積比率を減少させることにより耐摩耗性を重視した摺動部材１を形成できる。
【００２７】
さらに、多孔質めっき部１１ａの孔１１ａにＢｉを電気めっきによって充填することにより、充填部１１ｂを形成した。電気めっきの手順は以下のとおりとした。まず、多孔質めっき部１１ａを水洗した。さらに、多孔質めっき部１１ａを酸洗することにより、多孔質めっき部１１ａから不要な酸化物を除去した。その後、多孔質めっき部１１ａを、再度、水洗した。
【００２８】
以上の前処理が完了すると、めっき浴に浸漬させた多孔質めっき部１１ａが形成された裏金１０に電流を供給することにより電気めっきを行った。有機スルホン酸Ｂｉ：２０ｇ／Ｌ（Ｂｉ濃度）と有機系界面活性剤：２０ｍＬ／Ｌと有機スルホン酸：１００ｇ／Ｌとを含むめっき浴の浴組成とした。有機系界面活性剤として、、ポリエチレングリコール溶液を使用した。めっき浴の浴温度を、３０℃とした。さらに、多孔質めっき部１１ａが形成された裏金１０に供給する電流を直流電流とし、その電流密度を２．０Ａ／ｄｍ2とした。電気めっき（充填工程）の完了後に、水洗と乾燥を行った。
【００２９】
なお、すべての孔１１ａが多孔質めっき部１１ａの表面まで連通していれば、すべての孔１１ａにめっき液が行き渡り、すべての孔１１ａが充填されることとなる。多孔質めっき部１１ａにおける孔１１ａ１の体積比率を大きくするほど、孔１１ａ１を連通しやすくすることができ、Ｂｉが充填される孔１１ａを増加させることができる。ただし、Ｂｉによって充填されない孔１１ａによってもなじみ性を向上させることができるため、すべての孔１１ａがＢｉによって充填されなくてもよい。また、Ｂｉの電気めっきは、多孔質めっき部１１ａの表面までＢｉの結晶が成長した段階で終了することが望ましいが、多孔質めっき部１１ａの表面に到達する前にＢｉの電気めっきが終了してもよいし、多孔質めっき部１１ａの表面全体がＢｉによって覆われるまでＢｉの電気めっきが継続してもよい。
【００３０】
以上のようにして、摺動部材１を完成させると、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。
【００３１】
（２）他の実施形態：
本発明において、第１金属はＣｕであり、第２金属はＳｎであってもよい。すなわち、前記実施形態と同様に形成した多孔質めっき部１１ａの孔１１ａにＳｎを充填してもよい。Ｓｎの充填工程は以下の条件の電気めっきによって行うことができる。有機スルホン酸Ｓｎ：２５ｇ／Ｌ（Ｓｎ濃度）と有機系界面活性剤：５ｍＬ／Ｌと有機スルホン酸：１００ｇ／Ｌとを含むめっき浴の浴組成としてもよい。有機系界面活性剤として、ポリエチレングリコール溶液を使用してもよい。めっき浴の浴温度を、２５℃とした。さらに、多孔質めっき部１１ａが形成された裏金１０に供給する電流を直流電流とし、その電流密度を４．０Ａ／ｄｍ2としてもよい。
【００３２】
以上のように、硬質のＣｕと軟質のＳｎとを組み合わせることにより、耐摩耗性となじみ性とを両立した摺動部材を形成することができる。また、摺動部材の使用時の熱によって硬質のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を生成することができ、耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【００３３】
また、第１金属はＮｉであり、第２金属はＢｉであってもよい。すなわち、第１実施形態の多孔質めっき部１１ａをＮｉで形成するようにしてもよい。Ｎｉのめっき工程は以下の条件の電気めっきによって行うことができる。硫酸ニッケル：２８０ｇ／Ｌ、塩化ニッケル：４５ｇ／Ｌ、ホウ酸：４０ｇ／Ｌ、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド：０．０２ｍｏｌ／Ｌを混合することにより、めっき浴を用意してもよい。さらに、めっき浴の浴温度を５０℃とし、裏金１０に供給する電流を直流電流とし、その電流密度を５．０Ａ／ｄｍ2としてもよい。
【００３４】
多孔質めっき部１１ａを形成すると、第１実施形態と同様の充填工程によって、多孔質めっき部１１ａの孔１１ａ１にＢｉを充填すればよい。このように、硬質のＮｉと軟質のＢｉとを組み合わせることにより、耐摩耗性となじみ性とを両立した摺動部材を形成することができる。また、摺動部材の使用時の熱によって硬質のＮｉ−Ｂｉ金属間化合物を生成することができ、耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【００３５】
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・ボスブシュ等のラジアル軸受を形成してもよい。さらに、本発明の摺動部材は、スラスト軸受であってもよく、各種ワッシャであってもよいし、カーエアコンコンプレッサ用の斜板であってもよい。ライニング１１は、金属や樹脂のオーバーレイによって被覆されてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１…摺動部材、２…相手軸、１０…裏金、１１…ライニング、Ａ…軸受
【図１】
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【図２】
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