(57)【要約】【課題】高速揺動、高荷重、高温の環境下での長期の使用において、焼き付きや、摩耗や、腐食の進行を抑制可能なすべり軸受を提供すること。【解決手段】クランクシャフト１やピストンピン４の軸状部材とそれに対して周方向に相対変位可能に外嵌されるコネクティングロッド２の大端部２ａや小端部２ｂの筒状部材との間に介装されるすべり軸受５，６であって、すべり接触を生じる面に、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３が設けられている構造。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対変位可能な軸状部材と該軸状部材に対して同軸状に外挿される外側部材との間に介装され、当該すべり軸受本体の少なくとも表面層が潤滑性を有する銅系あるいはアルミニウム系軟質金属からなるとともに、前記両部材の少なくとも一方と摺動する前記軟質金属上にＤＬＣ層が形成されているすべり軸受であって、
前記ＤＬＣ層がタングステンを含有し、前記軟質金属表面とＤＬＣ層との間に密着力を向上させる中間層として、前記すべり軸受本体側のＮｉ系合金層とＤＬＣ層側のＣｒ層とからなる２層構造が設けられている、ことを特徴とするすべり軸受。
【請求項２】
請求項１に記載のすべり軸受において、
前記Ｎｉ系合金層の厚みが１〜２０μｍに、また、前記Ｃｒ層の厚みが０．４〜０．６μｍに設定されている、ことを特徴とするすべり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばクランクシャフトやコネクティングロッドなどの摺動部に用いられるすべり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンのクランクシャフトとこれに対して揺動可能に外嵌されるコネクティングロッドのクランク側端部（大端部）との間には、一般に、すべり軸受が介装されている。このようなすべり軸受には、金属製であるすべり軸受本体の表面に、初期摩耗を防止するためのなじみ層が設けられている程度である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような設置箇所の場合、高速揺動、高荷重、高温の環境となるために、前記なじみ層が早期の段階で消失しやすく、その寿命が短くなるおそれがある。
【０００４】
本発明は、すべり軸受において、このような箇所に設置されても、その長寿命化を達成することを解決すべき課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相対変位可能な軸状部材と該軸状部材に対して同軸状に外挿される外側部材との間に介装され、当該すべり軸受本体の少なくとも表面層が潤滑性を有する銅系あるいはアルミニウム系軟質金属からなるとともに、前記両部材の少なくとも一方と摺動する前記軟質金属上にＤＬＣ層が形成されているすべり軸受であって、前記ＤＬＣ層がタングステンを含有し、前記軟質金属表面とＤＬＣ層との間に密着力を向上させる中間層として、前記すべり軸受本体側のＮｉ系合金層とＤＬＣ層側のＣｒ層とからなる２層構造が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
前記軸状部材には、内燃機関例えばエンジンにおけるクランクシャフトやピストンピンがあり、また、これに対して前記外側部材には、コネクティングロッドの大端部や小端部があるが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記関係を有する軸状部材や外側部材のすべてに適用される。
【０００７】
本発明によると、すべり接触を生じる面に低摩擦で耐焼き付き性、耐摩耗性、耐腐食性に優れたＤＬＣ層が設けられているから、エンジンのクランクシャフトとこれに対して揺動可能に外嵌されるコネクティングロッドのクランク側端部（大端部）との間や、コネクティングロッドのピストン側端部（小端部）とピストンピンとの間に介装されるすべり軸受のように、高速揺動、高荷重、高温の環境下に適用されるすべり軸受では、特に、その長寿命化を達成できるようになる。また、軸受本体の表面層が潤滑性を有する銅系あるいはアルミニウム系合金であるため、ＤＬＣ層が摩耗等で消失した後も寿命の延長ができる。
【０００８】
上記において、前記ＤＬＣ層を金属表面上に設ける場合、高荷重あるいは高速回転等の厳しい使用条件では密着力が十分ではなく、ＤＬＣ層が早期に剥離する問題があった。しかしながら、本発明では、ＤＬＣ層中に金属元素であるタングステンを含有させているため、金属表面への密着力が向上し、すべり軸受の耐久性が向上する。
【０００９】
また、銅系あるいはアルミニウム系で代表される軟質系金属の上にＤＬＣ層を設ける場合、接触荷重による軟質金属の変形に対して、硬質膜であるＤＬＣ層が追従できずに剥離する問題があった。しかしながら、本発明では中間層として設けたＮｉ系金属層とＣｒ層の硬さが、軟質金属とＤＬＣ層の硬さの中間であるため、軟質系金属の変形に対する緩和層となる。また、Ｎｉ系合金と銅系あるいはアルミニウム系金属、Ｎｉ系合金とＣｒ、ＣｒとＤＬＣ層はそれぞれなじみやすいため、結果としてすべり軸受本体とＤＬＣ層との密着力が向上する。
【００１０】
なお、好ましくは前記Ｎｉ系合金層の厚みを１〜２０μｍに、また、前記Ｃｒ層の厚みを０．４〜０．６μｍに設定するとよい。ここで、Ｎｉ系合金層およびＣｒ層について、それぞれの規定膜厚以下では、変形に対する緩和、および、なじみの効果がなくなり、規定膜厚以上ではその効果が飽和してかつ処理（コーティング）コストが高くつく。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１２】
図１および図２は、本実施形態を示す。図１は、本実施形態のすべり軸受が適用されるエンジン要部の分解斜視図、図２は、図１のすべり軸受の特殊被膜５ｂ，６ｂの拡大断面図である。
【００１３】
図１において、１は、クランクシャフト、２は、コネクティングロッド、３は、ピストン、４は、ピストンピン、５および６は、すべり軸受を示す。コネクティングロッド２の２分割大端部２ａは、クランクシャフト１にボルトナットで固定され、小端部２ｂは、ピストン３にピストンピン４で接続されている。
【００１４】
一方のすべり軸受５は、半円弧状に２分割された構造を有し、クランクシャフト１とコネクティングロッド２の大端部２ａとの間に介装され、他方のすべり軸受６は、円筒構造を有し、コネクティングロッド２の小端部２ｂとピストンピンとの間に介装されている。
【００１５】
そして、このようなすべり軸受５，６は、それぞれ、すべり軸受本体５ａ，６ａの表面に特殊被膜５ｂ，６ｂが形成されて構成されている。
【００１６】
図２を参照して、前記特殊被膜５ｂ，６ｂについて説明する。
【００１７】
すべり軸受本体５ａ，６ａは、軟鋼、構造用鋼などからなる裏金の表面に対して銅系、アルミニウム系、銅−アルミニウム系の合金層が接着されて構成されている。
【００１８】
特殊被膜５ｂ，６ｂは、すべり軸受本体５ａ，６ａの表面から上に向けて中間層としてニッケル（Ｎｉ）合金層ｂ１、クロム（Ｃｒ）層ｂ２、およびタングステンを含有したダイアモンドライクカーボン層ｂ３とを含む。なお、説明の都合で、タングステンを含有したダイアモンドライクカーボン層をＷ−ＤＬＣ層といい、タングステンを含有しないダイアモンドライクカーボン層をＤＬＣ層といって、両者を区別する。
【００１９】
Ｎｉ合金層ｂ１およびＣｒ層ｂ２は、すべり軸受本体５ａ，６ａとＷ−ＤＬＣ層ｂ３との密着性を向上するためのものである。Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３は、Ｃｒ層ｂ２側に向けてタングステン量を豊富とする組成に設定されている。これによって、結果的に、表面側へ向けてカーボン量が豊富となる。この特殊被膜５ｂ，６ｂは、めっき法、物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、プラズマＣＶＤ法、イオンビーム形成法、イオン化蒸着法などにより形成することができる。その際、Ｎｉ合金層ｂ１と、Ｃｒ層ｂ２と、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３とをこの記載順に順次形成する。
【００２０】
ここで、めっき法によるＮｉ合金層ｂ１とＰＶＤ法の一例であるスパッタリング法によるＣｒ層ｂ２、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３の生成方法を説明する。
【００２１】
まず、めっき法によりＮｉ合金層ｂ１を生成するにあたっては、すべり軸受本体５ａ，６ａを有機溶剤洗浄、酸処理、電解洗浄を施した後、電解ニッケルめっきによりサブミクロン程度のニッケル層を形成し、ついでニッケルめっき浴に浸漬して無電解めっきを行う。これらにより、すべり軸受本体５ａ，６ａのすべり面１０にＮｉ合金層ｂ１が１〜２０μｍ、より好ましくは１〜５μｍの厚みで形成される。
【００２２】
次に、スパッタ法によりＣｒ層ｂ２を生成するにあたってはターゲットとしてＣｒを、また、導入ガスとしてＡｒガスを用いる。そして、チャンバ内圧力を１０−３〜１０〔Ｔｏｒｒ〕程度とし、放電電圧１００〜５００〔Ｖ〕、電流０．５〜５〔Ａ〕にして放電処理を行う。これにより、すべり軸受本体５ａ，６ａのすべり接触面１０にＣｒ層が０．４〜０．６μｍの厚みで形成される。
【００２３】
次に、このＣｒ層ｂ２の上に、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３を生成するにあたっては、ターゲットとしてタングステンカーバイド（ＷＣ）またはタングステン（Ｗ）を、また、導入ガスとしてＡｒガス、炭化水素ガスを用いる。そして、チャンバ内圧力を１０−３〜１０〔Ｔｏｒｒ〕程度とし、放電処理を行う。なお、成膜中に炭化水素ガスの量の増加あるいはシャッターによるターゲットへの遮蔽などによってカーボン（Ｃ）量を豊富にさせる。
【００２４】
ところで、特殊被膜５ｂ，６ｂは、例えば、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３を１．０μｍ以上とし、また、硬さは、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で１０００〜２０００とされ、さらに最表面の粗さは、Ｒａ（中心線平均粗さ）で０．１μｍ以下に管理される。ただし、特殊被膜５ｂ，６ｂを対象部品に部分的に形成する場合には、適宜マスキングを施せばよい。
【００２５】
以上説明したすべり軸受５，６では、内外のすべり接触面に対してＮｉ合金層ｂ１とＣｒ層ｂ２とＷ−ＤＬＣ層ｂ３とからなる特殊被膜５ｂ，６ｂを被覆していて、各層相互の原子間の強固な結合により、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３をすべり軸受本体５ａ，６ａのすべり接触面に対して強固に密着して被覆させることができる。そのため、すべり軸受５，６はすべり接触する相手部材との間に潤滑成分が存在していなくても、すべり接触性が良好に保たれて長期にわたって安定するとともに、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３が剥離しにくくなって耐久性が向上するなど、信頼性向上に大きく貢献できるようになる。
【００２６】
また、すべり軸受本体の表面層が潤滑性を有する銅系あるいはアルミニウム系金属であるため、ＤＬＣ層が摩耗等で消失した後も寿命の延長ができる。
【００２７】
ところで、上述した特殊被膜５ｂ，６ｂについては、図３に示すような構造とすることができる。この特殊被膜５ｂ，６ｂは、すべり軸受本体５ａ，６ａの表面から上に向けて、Ｎｉ合金層ｂ１とＣｒ層ｂ２とからなる中間層と、タングステン・カーバイト（ＷＣ）層ｂ４とＤＬＣ層ｂ３’とからなる。なお、図３では、ＤＬＣ層ｂ３’の上に、さらにＷＣ層ｂ４とＤＬＣ層ｂ３’とを交互に所要数積層することにより階層構造としている。しかも、この実施の形態では図３に誇張して示すように、各ＷＣ層ｂ４の膜厚が金属母材側から最表面側へ向けて漸次薄く設定されている。各ＤＬＣ層ｂ３’の膜厚が、金属母材側から最表面側へ向けて漸次厚く設定されている。
【００２８】
ここで、図３を参照して主にＰＶＤ法の一例であるスパッタリング法による特殊被膜５ｂ，６ｂの生成方法を説明する。ここで、中間層の生成工程については、上述しているから、説明を割愛する。
【００２９】
ＷＣ層ｂ４を生成するにあたってはターゲットとしてタングステン・カーバイト（ＷＣ）またはタングステン（Ｗ）を、また、導入ガスとしてＡｒガスを用いる。そして、チャンバ内圧力を１０−３〜１０〔Ｔｏｒｒ〕程度とし、放電電圧２００〜７００〔Ｖ〕、電流２〜１０〔Ａ〕にして放電処理を行う。これにより、Ｃｒ層上に非晶質炭素からなるＷＣ層ｂ４が形成される。
【００３０】
次に、ＤＬＣ層ｂ３’を生成するにあたっては、導入ガスとしてＡｒガス、炭化水素ガスなどを用い、放電電圧２００〜７００〔Ｖ〕、電流２〜１０〔Ａ〕にして放電処理を行う。これによって、ＷＣ層ｂ４上にＤＬＣ層ｂ３’が積層されることになる。
【００３１】
この後、ＤＬＣ層ｂ３’上に、図３で示すように、ＷＣ層ｂ４とＤＬＣ層ｂ３’とを交互に所要数積層することにより、階層構造とする。このとき、ＷＣ層ｂ４の膜厚が、すべり軸受本体５ａ，６ａ側から最表面側へ向けて漸次薄く設定されるとともに、各ＤＬＣ層ｂ３’の膜厚がすべり軸受本体５ａ，６ａ側から最表面側へ向けて漸次厚く設定される。これら各層は、境界面でできるものではなく、原子レベルで相互に拡散して結合したものとなる。
【００３２】
以上説明した特殊被膜５ｂ，６ｂでも、上述した図２に示す特殊被膜５ｂ，６ｂと同様にすべり接触面１０に対する密着性が向上し、最上層であるＤＬＣ層ｂ３’が持つ耐摩耗性などが長期にわたって遺憾なく発揮されることになる。したがって、すべり軸受７，８としては、ＤＬＣ層ｂ３’が剥離しにくくなって耐久性が向上するなど、信頼性向上に大きく貢献できるようになる。
【００３３】
なお、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３やＤＬＣ層ｂ３’はグラファイト構造（ＳＰ２）とダイアモンド構造（結合：ＳＰ３）とが共存しており、それを構成する炭素原子相互の結合力が強いので、それ自身の摩耗や損傷が発生しにくくなるとともに、硬質であって表面平滑性に優れているから、すべり接触動作がきわめて円滑になり、摩耗が生じにくくなる。
【００３４】
また、必要に応じて、すべり軸受の内部には、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）などの含ふっ素重合体からなる潤滑油やグリースなどを塗布または封入する形態で使用してもよい。この場合には、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３やＤＬＣ層ｂ３’が、すべり軸受内部に塗布されるふっ素系潤滑剤の濡れ性がきわめて良好であるので、仮にＷ−ＤＬＣ層ｂ３やＤＬＣ層ｂ３’表面の潤滑油層が途切れにくくなる。万一、潤滑油層が途切れたとしても、Ｗ−ＤＬＣ層ｂ３やＤＬＣ層ｂ３’によってすべり軸受本体と相手部材との直接接触を防止することができる。
【００３５】
本発明は、上述の実施の形態に限定されず、以下の変形が考えられる。
【００３６】
（１）中間層は、省略してもよいし、単層だけでもよいし、３層以上でもよい。
【００３７】
（２）すべり軸受本体５ａ，６ａの表面に単にタングステンを含有しないＤＬＣ層ｂ３’だけを設けてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、高速揺動、高荷重、高温の厳しい環境下に設置されても、その長寿命化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のすべり軸受が適用されるエンジン、クランクシャフト、コネクティングロッドの分解斜視図
【図２】図１のすべり軸受の特殊被膜の部分拡大断面図
【図３】図１の特殊被膜の変形を示す部分拡大断面図
【符号の説明】
１　クランクシャフト
２　コネクティングロッド
３　ピストン
４　ピストンピン
５，６　すべり軸受
５ａ，６ａ　すべり軸受本体
５ｂ，６ｂ　特殊被膜
ｂ１　　Ｎｉ層
ｂ２　　Ｃｒ層
ｂ３　　Ｗ−ＤＬＣ層
ｂ３’　ＤＬＣ層
【図１】
2004076756.tif 000003
【図２】
2004076756.tif 000004
【図３】
2004076756.tif 000005