(57)【要約】【課題】摺動面が摺動開始から潤滑状態に至るまでに要する時間を短縮することができる摺動部材を提供する。【解決手段】鉄及び銅を含む金属粉を焼結することによって形成され、複数の空孔３１を有する焼結合金層３０を軸２２との摺動面２５に備える摺動部材において、動粘度が４６０〜１５００ｃＳｔの範囲の潤滑油３２を空孔３１に含浸し、複数のフィラメント３６から成る糸状体２５であって、フィラメント３６の間に自己潤滑性粒子３７が織り込まれたものを潤滑油３２と接触するように摺動面２５に保持する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄及び銅を含む金属粉を焼結することによって形成され、複数の空孔を有する焼結合金層を相手材との摺動面に備える摺動部材であって、
前記空孔に含浸された動粘度が４６０〜１５００ｃＳｔの範囲の潤滑油と、
複数のフィラメント、及びこの複数のフィラメントに織り込まれた自己潤滑性粒子から成る糸状体とを備え、
前記糸状体は、少なくともその一部分が前記潤滑油と接触しながら前記摺動面に保持されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
請求項１記載の摺動部材において、
前記糸状体の径は前記空孔の径より小さいことを特徴とする摺動部材。
【請求項３】
請求項１又は２記載の摺動部材において、
前記糸状体は、その長さが前記空孔の径より小さいものが含まれていることを特徴とする摺動部材。
【請求項４】
請求項１から３いずれか記載の摺動部材において、
前記自己潤滑性粒子には、フッ素樹脂、二硫化モリブデン、又はカーボンのいずれかから成るものが含まれていることを特徴とする摺動部材。
【請求項５】
請求項１から４いずれか記載の摺動部材において、
前記フィラメントには、アラミド繊維、ポリエステル繊維、カーボン繊維、及びガラス繊維のいずれかから成るものが含まれていることを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種機械の摺動部分に用いられる摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種機械（建設機械、土木機械、搬送機械、扛重機械、工作機械、自動車等）における軸受や歯車等、部材同士が相対的に摺動する部分（摺動部分）には摺動部材が用いられている。摺動部材が使用される環境はその適用箇所や機械の用途等に応じて様々であり、その環境に適した特性を備えることが求められる。
【０００３】
例えば、油圧ショベルの作業装置を構成するブーム、アーム、バケットの連結部に用いられる軸受は、回転機械の駆動軸等のように比較的高速回転する軸と比較して、低速で摺動されるとともに高い面圧がかかる軸を支持している。したがって、このような環境で利用される摺動部材（ブッシュ）には、低速・高面圧下での使用に適したものが求められる。
【０００４】
このような環境に適した摺動部材としては、低速・高面圧の環境下でも長期（例えば数年）に渡って無給脂で利用できるように、鉄を含んだ金属粉で多孔質状の焼結合金を形成し、その内部の空孔に潤滑油を含浸させたものがある（特許文献１等参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第２８３２８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記技術の摺動部材では、摺動開始時において、含浸された潤滑油が相手材（軸）との摺動面に適当に供給されるにはある程度の摩擦熱が必要であり、摺動面が摺動開始から潤滑状態に至るまでに幾分か時間を要する。そのため、例えば、摺動面が潤滑状態になるまでに摺動が発生したり、微小な摺動（振動）が発生したりすると、潤滑不良によりフレッチング摩耗等の異常摩耗や異音が発生することもあった。
【０００７】
本発明の目的は摺動面が摺動開始から潤滑状態に至るまでに要する時間を短縮することができる摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、鉄及び銅を含む金属粉を焼結することによって形成され、複数の空孔を有する焼結合金層を相手材との摺動面に備える摺動部材であって、前記空孔に含浸された動粘度が４６０〜１５００ｃＳｔの範囲の潤滑油と、複数のフィラメント、及びこの複数のフィラメントに織り込まれた自己潤滑性粒子から成る糸状体とを備え、前記糸状体は、少なくともその一部分が前記潤滑油と接触しながら前記摺動面に保持されているものとする。
【０００９】
（２）上記（１）の前記糸状体の径は、好ましくは、前記空孔の径より小さいものとする。
【００１０】
（３）上記（１）又は（２）の前記糸状体は、好ましくは、その長さが前記空孔の径より小さいものが含まれているものとする。
【００１１】
（４）上記（１）から（３）いずれかの前記潤滑油は、好ましくは、前記自己潤滑性粒子には、フッ素樹脂、二硫化モリブデン、又はカーボンのいずれかから成るものが含まれているものとする。
【００１２】
（５）上記（１）から（４）いずれかの前記焼結合金層は、好ましくは、前記フィラメントには、アラミド繊維、ポリエステル繊維、カーボン繊維、及びガラス繊維のいずれかから成るものが含まれているものとする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、摺動面が摺動開始から潤滑状態に至るまでに要する時間が短縮されるので、摺動開始時における摺動部材の摺動特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態である摺動部材が使用されている機械の一例である油圧ショベルの側面図である。
【００１６】
この図に示す油圧ショベルは、下部走行体１と、この下部走行体１上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体２と、この上部旋回体２上の一方側（図１中左側）に設けられた運転室３と、上部旋回体２上の他方側（図１中右側）に設けられたエンジン室４と、上部旋回体２上の運転室３側に設けられた作業装置５を備えている。
【００１７】
フロント作業機５は、上部旋回体２に俯仰動可能に設けられたブーム６と、このブーム６を俯仰動させるためのブーム用油圧シリンダ７と、ブーム６の先端に回動可能に設けられたアーム８と、このアーム８を回動させるためのアーム用油圧シリンダ９と、アーム８の先端に回動可能に設けられたバケット１０と、このバケット１０を回動させるためのバケット用油圧シリンダ１１を備えている。
【００１８】
ブーム６、アーム８、バケット１０、及び各油圧シリンダ７，９，１１は、軸受１２によって相互に回動可能に連結されている。フロント作業機５に用いられる各軸受は設置箇所に応じて大きさや形状等が異なるが、基本的な構成はほぼ同様となっている。
【００１９】
図２は本発明の実施の形態である摺動部材を備えた軸受の断面図である。
【００２０】
図２において、軸受１２は、ボス１５と、このボス１５の内部に嵌め込まれた円筒状の摺動部材（以下、適宜「ブッシュ」とする）１６と、ブッシュ１６の両側面に設けられた遮油部材１７と、遮油部材１７をブッシュ１６に向かって当接させるようにボス１５内のブッシュ１６の両側に圧入されたダストシール１８と、ボス１５の両側に隙間を介して配置されたブラケット１９と、ブラケット１９とボス１５の隙間にそれぞれ設けられたシム２０と、ブラケット１９とボス１５の隙間の外周側にそれぞれ装着されたＯ−リング２１と、ブラケット１９及びブッシュ１６を貫通して挿入され、ブッシュ１６と摺動可能に設けられている軸２２と、回転係止ボルト２３を備えている。
【００２１】
軸２２は鉄鋼材から成っており、まず、浸炭、窒化及び高周波焼入れ等をした後、その外表面を、りん酸亜鉛、りん酸マンガンなどを用いた化成処理や、拡散メッキをはじめとする各種メッキ処理、又は浸硫処理法などにより表面改質することが好ましい。回転係止ボルト２３は、軸２２及びブラケット１９を貫通して設けられており、軸２２とブラケット１９を回転不能にしている。また、ボス１５とブッシュ１６は、例えば、焼ばめ又は冷却ばめ等の収縮ばめによって相互に嵌着固定されている。したがって、軸受１２は、軸２２及びブラケット１９がボス１５及びブッシュ１６に対して相対的に回動し、軸２２とブッシュ１６が相対的に摺動するように構成されている。
【００２２】
図３は本発明の実施の形態である摺動部材の部分断面図であり、図４はその摺動面付近を模式的に示した拡大図である。
図３において、ブッシュ１６は、摺動の相手材である軸２２との摺動面２５（ブッシュ１６の内周側）に設けられた焼結合金層３０と、焼結合金層３０の径方向外側に設けられた裏金層４０を有している。
【００２３】
図４において、焼結合金層３０は、鉄粉、銅粉、及びその他の微量元素を含む金属粉を焼結することによって形成した鉄系の多孔質複合焼結合金から成っており、複数の空孔３１と、糸状体３５（３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ）を有している。図中の破線Ｌは摺動開始時（例えば、運転休止後の運転再開時）における潤滑油３２の界面を模式的に示したものであり、軸２２と焼結合金層３０が摺動するにつれて軸２２と焼結合金層３０の間が図に示すように潤滑油３２で満たされる。
【００２４】
焼結合金層３０には、高周波焼入れ、浸炭焼入れ、窒化又はガス軟窒化等のうち、いずれかの方法によって高硬度化処理が施されている。この処理によって形成される硬化層５０（後述の図５参照）はブッシュ１６の機械的強度を向上させている。この硬化層の厚さの目安としては１〜８ｍｍ程度、好ましくは２ｍｍ程度が良く、高硬度化処理後の硬化層中の鉄合金相には、例えば、セメンタイト、マルテンサイト、フェライト、又はパーライト等が含まれている。
【００２５】
本実施の形態の焼結合金層３０は２０重量％の銅粉を含んでいる。なお、焼結合金層３０は必須元素として鉄及び銅を含んでいるが、含有される銅の量は３〜９８重量％の範囲であれば良く、好ましくは１０重量％以上であると良い。
【００２６】
空孔３１は、内部に潤滑油３２が含浸されており、摺動面２５では凹部３３として外部に表出している。複数の空孔３１の中には互いに連通しているものもある。潤滑油３２は、これら連通した空孔３１内を流通することによって凹部３３に表出し、摺動面２５上に油溜まりを形成する。
【００２７】
焼結合金層３０において空孔３１が占める割合（空孔率）は５〜３０％程度であることが好ましい。これは、空孔率が５％未満である場合には潤滑油の含浸量が不充分となり、無給脂軸受として充分に機能しない可能性があるためであり、一方、空孔率が３０％を超える場合にはブッシュ１６自身の機械的強度が低下するためである。
【００２８】
潤滑油３２は高粘度油であり、その動粘度は４６０〜１５００ｃＳｔの範囲であることが好ましい。これは、動粘度が４６０ｃＳｔ未満の場合には、油圧ショベルの軸受に利用した場合等、比較的高面圧の環境下で使用したときに潤滑油を保持することが難しくなるからであり、他方、動粘度が１５００ｃＳｔを超える場合には、流動性が低下して摺動面２５における糸状体３５による毛細管現象（後述）の発生が阻害され、摺動面２５を潤滑状態に維持することが難しくなるからである。なお、本実施の形態の潤滑油３２は４６０ｃＳｔの動粘度を有している。
【００２９】
潤滑油３２としては、鉱物油あるいは合成油等の一般に市販されている組成の潤滑油全般や、パラフィンをベースとしたワックス等が利用可能である。しかし、粘度が上記範囲内のものであればその組成自体は特に限定されるものではない。
【００３０】
図５は本発明の実施の形態である摺動部材における糸状体３５の断面の拡大断面図である。
糸状体３５は、毛細管現象によって潤滑油３２を確保して摺動面２５を潤滑状態に保持するもので、少なくともその一部分が潤滑油３２と接触しながら摺動面２５に保持されている。図５において、糸状体３５は、複数のフィラメント３６と、この複数のフィラメント３６に織り込まれた自己潤滑性粒子３７から成っている。
【００３１】
フィラメント３６は、細い繊維であり、天然繊維（例えば、綿、麻、毛、絹）、化学繊維（例えば、レーヨン、アセテート繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維）、無機繊維（例えば、ガラス繊維、カーボン繊維、セラミック繊維、ウィスカ）、金属繊維（例えば、ステンレス繊維）、炭素繊維等を用いることができる。フィラメント３６の長さは不均一の方が好ましい。このようにすると、後述するように、糸状体３５が摺動面２５上に載置された姿勢で保持されたり（図４中の糸状体３５ｃ）、その一部分が空孔３１（凹部３３）内に入り込んだ姿勢で保持されたり（図４中の糸状体３５ｂ）等して、糸状体３５を摺動面２５近傍の様々な部分に配置することができる。これにより摺動面２５が潤滑状態で保持されることが促進されるので、ブッシュ１６の軸受性能を長寿命化することができる。
【００３２】
なお、フィラメント３６には、ブッシュ１６の潤滑性を向上させる観点からは、他のものと比較して良好な自己潤滑性を有する繊維（例えば、化学繊維）を利用することが好ましい。また、糸状体３５の強度を向上させる観点からは、アラミド繊維（例えば、パラ系全芳香族ポリアミド繊維等）、ポリエステル繊維、カーボン繊維、ガラス繊維のフィラメントで糸状体３５を形成することが好ましい。なお、このように糸状体３５を構成する際には、上記の繊維のうち少なくとも１つが含まれていればよい。
【００３３】
自己潤滑性粒子３７は、自己潤滑性を有する固体潤滑剤の粒子であり、糸状体３５及びブッシュ１６の潤滑性を向上するとともに潤滑油３２を糸状体３５に保持するものである。その径は、糸状体３５を空孔３１内に入り込ませるために、少なくとも空孔３１の径（例えば、５０μｍ）より小さく形成し、かつ糸状体３５の径よりも小さく形成することが好ましい。自己潤滑性粒子３７としては、潤滑性を向上させる観点から、フッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））、二硫化モリブデン、グラファイトをはじめとしたカーボン等を用いるのが好ましく、これらのいずれかから成るものが含まれるようにすると良い。このような自己潤滑性粒子３７を利用すれば、ブッシュ１６の継続使用等により糸状体３５又は自己潤滑性粒子３７自身が摺動面２５上に放出されて自由移動可能になった場合（図４中の糸状体３５ｅ参照）にも糸状体３５及び自己潤滑性粒子３７が潤滑剤として作用するので、ブッシュ１６の摺動特性は向上する。
【００３４】
糸状体３５を摺動面２５に配するには、潤滑油３２を空孔３１内に含浸させる際に発生するブッシュ１６内への吸引力を利用すると良い。具体的には以下のような処理を行う。
【００３５】
この処理を行うには、まず、常温で高粘度状態の潤滑油３２を加熱して低粘度化（液状化）させる。このように低粘度化した潤滑油３２中に適宜の径及び長さに形成した糸状体３５を混合し、その潤滑油３２の中にブッシュ１６を浸して真空雰囲気下で静置する。これにより、ブッシュ１６の空孔３１内の空気が外部へ吸い出される一方で、潤滑油３２及び糸状体３５がブッシュ１６の内部に向かって吸引される。潤滑油３２及び糸状体３５を吸引したブッシュ１６を空気中に取り出して室温まで放冷すると、低粘度化していた潤滑油３２はブッシュ１６の空孔３１内で再び高粘度潤滑油に戻り流動性を失う。これにより、潤滑油３２及び糸状体３５をブッシュ１６の空孔３１内に留めておくことができる。
【００３６】
上記の処理によると、糸状体３５は、条件（例えば、糸状体３５の径及び長さや、空孔３１の径）に応じて様々な姿勢で摺動面２５及び空孔３１内に配置される。例えば、図４における糸状体３５ａは、摺動開始時の潤滑油界面Ｌ上に端部が位置するように空孔３１内に保持されている。また、糸状体３５ｂは、端部の一部が潤滑油界面Ｌから突出するように空孔３１内に保持されている。糸状体３５ｃは、摺動面２５上に載置されるように保持されている。糸状体３５ｄは、その全部が空孔３１内の潤滑油３２内に収まるように保持されている。なお、上記の処理で配置されるものとは異なるが、糸状体３５ｅは、軸２２とブッシュ１６の摺動によって摺動面２５上に放出されて自由移動可能になったものである。
【００３７】
このように、糸状体３５の配置については、種々のケースが考えられるが、上記の手順によれば糸状体３５は少なくとも摺動面２５上に配される。一方、摺動面２５上には少量の潤滑油３２の層があり、この潤滑油３２は空孔３１内の潤滑油とつながっている。したがって、摺動面２５に配された糸状体３５に含まれる潤滑油と糸状体３５の毛細管現象によって、摺動開始時から摺動面２５を潤滑状態にすることができる。このように、糸状体３５の摺動面２５における配置については、摺動開始時から摺動面２５を潤滑状態にするという観点からは、糸状体３５ｂ，３５ｃのように糸状体３５の一部分が潤滑油３２と接触していれば足りる。
【００３８】
しかし、空孔３１（凹部３３）内からの潤滑油３２の出入り作用を更に促進させるためには、糸状体３５を摺動面２５近傍の様々な部分に、様々な姿勢で配置することが好ましい。そのためには、まず、糸状体３５の径を空孔３１の平均的な径（例えば、５０μｍ）より小さくすると良い。このような径の糸状体３５を含む潤滑油３２を上記のようにブッシュ１６内に吸引させれば、空孔３１内に一部分が入り込むように摺動面２５に配される糸状体３５ｂの割合を高くすることができる。これにより糸状体３５が摺動面２５と空孔３１内とを直接繋ぐ潤滑油３２の流通経路となるので、ブッシュ１６内の潤滑油３２を摺動面２５上に容易に導出できるとともに、摺動終了後に摺動面２５上にある余剰な潤滑油３２をブッシュ１６内に容易に還元できる。また、潤滑油３２の出入り作用を更に促進するには、糸状体３５の長さを不均一にし、少なくとも空孔３１の平均的な径（例えば、５０μｍ）より長いものと短いものが含まれるようにすると良い。これにより、糸状体３５は、糸状体３５ｃのように摺動面２５上に載置されるように配置されたり、糸状体３５ｂにようにその一部分が空孔３１（凹部３３）内に入り込むように配置されたり、糸状体３５ａ，３５ｄのように全体が空孔３１内に入り込むように配置されたりする。したがって、不均一な形状の空孔３１で構成される焼結合金層３０の様々な部分に、様々な姿勢で、糸状体３５を配置することができる。
【００３９】
図３において、裏金層４０は鉄系材料から成っている。この裏金層４０も、焼結合金層３０の摺動面２５同様に、浸炭、窒化などの表面改質処理によって硬化層が形成されており、ブッシュ１６の機械的強度を更に向上させている。なお、この硬化層の厚さの目安は１〜３ｍｍ程度、好ましくは２ｍｍ程度が良い。このように表面改質処理を施した裏金層４０は、ブッシュ１６の強度を補強し、鉄系焼結合金のみから成る軸受において散見された軸受の破壊防止に寄与する。また、ブッシュ１６を裏金層４０と焼結合金層３０との二層構造とすることにより、焼結合金層のみで構成した場合よりも、軸受全体の弾性率は向上する。これによりブッシュ１６の弾性変形量が減少するので、フレッチング摩耗と異音の発生を抑制することができる。
【００４０】
次に本実施の形態の作用及び効果を説明する。
まず、本実施の形態の効果の理解を容易にするため、本実施の形態の比較例について説明する。
【００４１】
最初の比較例（第１の比較例）は、上記の実施の形態と異なり、焼結合金層に潤滑油のみを含浸させるもの（特許文献１等参照）である。この技術では、焼結合金層に含浸された潤滑油が相手材（軸）との摺動面に適当に供給されるにはある程度の摩擦熱が必要であり、摺動面が摺動開始から潤滑状態に至るまでに幾分か時間を要する。そのため、例えば、摺動面が潤滑状態になるまでに摺動が発生したり、微小な摺動（振動）が発生したりすると、潤滑不良によりフレッチング摩耗等の異常摩耗や異音が発生することもあった。また、これと関連して、潤滑油に粒子状の固体潤滑剤を含浸させる技術があるが、固体潤滑剤は潤滑油中に存在するため、摺動面に積極的に出てくるという働きはせず、固体潤滑剤による潤滑効果を期待することも難しかった。このように、この種の技術では、摺動面が摺動開始から潤滑状態に至るまでに要する時間を短縮することは困難だった。
【００４２】
次の比較例（第２の比較例）としては、焼結合金層にＰＴＦＥやフッ素樹脂の粒子を単体若しくは複合材として含浸させる技術がある。しかし、この種の技術においてもＰＴＦＥ等は上記の固体潤滑剤と同様に粒子状であり、潤滑油中に存在する。したがって、摺動開始から潤滑状態に至るまでに要する時間を短縮することは難しかった。
【００４３】
一方、摺動部材の摺動特性を向上させる技術としては、固体潤滑剤の微粒子（自己潤滑性粒子）をマイクロカプセルに封じ込め、これを潤滑油に含浸させて潤滑性の向上を図る技術も考えられる。しかし、この場合はカプセルが割れた後に自己潤滑性粒子を回収することが難しく、どうしても外部流出するものが多くなるので潤滑性を維持できる期間も短かくなってしまう。
【００４４】
これらの技術に対して、本実施の形態の摺動部材は、空孔３１に潤滑油３２を含浸した焼結合金層３０に、例えば糸状体３５ｂ，３５ｃのように、少なくともその一部分が潤滑油３２と接触し摺動面２５に保持された糸状体３５を有している。このように構成した本実施の形態の摺動部材によれば、摩擦熱の有無に関わらず、糸状体３５に含まれる潤滑油と糸状体３５の毛細管現象によって潤滑油３２が摺動面２５上に保持される。加えて、糸状体３５に織り込まれた自己潤滑性粒子３７が潤滑剤として作用し、かつ毛細管現象によって導出された潤滑油３２を糸状体３５内に確保するので、潤滑油３２の保持性は一層促進される。これにより、上記第１の比較例のように摩擦熱による潤滑油３２の供給を待つことなく、摺動開始時から摺動面２５を潤滑状態に保持することができる。したがって、本実施の形態によれば、摺動面２５が摺動開始から潤滑状態に至るまでに要する時間が短縮するので、摺動開始時における摺動部材の摺動特性を向上させることができる。
【００４５】
また、上記の第１の比較例では、摺動部材に潤滑油を含浸させた当初に特に顕著にみられる現象として、摩擦熱によって潤滑油が必要以上に摺動面に供給され、その余剰分が外部へ流出することがあった。これに対して、本実施の形態は、潤滑油３２が気孔３１から外部へ流出することを糸状体３５及び自己潤滑性粒子３７が抑制するので、比較例の場合と比較して給脂間隔を延長することができる。
【００４６】
さらに、上記で説明したように、本実施の形態の糸状体３５には自己潤滑性粒子３７が織り込まれているので、摺動面が潤滑状態に至った後にも自己潤滑性粒子３７が潤滑剤として作用し、摺動中における摺動特性も向上される。なお、この効果は、糸状体３５が気孔３１から欠落し、摺動面２５上を自由移動するようになった場合にも得ることができる。また、自己潤滑性粒子３７が糸状体３５から一旦放出されても、糸状体３５は複数のフィラメント３６の間に自己潤滑性粒子３７を再度トラップすることができるので、摺動部材の給脂間隔及び寿命を延長することができる。以上のように、本実施の形態は、摺動開始から潤滑状態に至るまでに要する時間を短縮するだけでなく、摺動面が潤滑状態に至った後における摺動部材の摺動特性の向上と、摺動部材の長寿命化という優れた効果も発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態である摺動部材が使用されている機械の一例である油圧ショベルの側面図。
【図２】本発明の実施の形態である摺動部材を備えた軸受の断面図。
【図３】本発明の実施の形態である摺動部材の部分断面図。
【図４】本発明の実施の形態である摺動部材の摺動面付近の拡大図。
【図５】本発明の実施の形態である摺動部材における糸状体３５の断面の拡大断面図。
【符号の説明】
【００４８】
２２    軸（相手材）
２５    摺動面
３０    焼結合金層
３１    空孔
３２    潤滑油
３５    糸状体
３６    フィラメント
３７    自己潤滑性粒子
【図１】
2008281146.tif 000003
【図２】
2008281146.tif 000004
【図３】
2008281146.tif 000005
【図４】
2008281146.tif 000006
【図５】
2008281146.tif 000007