(57)【要約】【課題】耐キャビテーション性の向上を図る。【解決手段】軸受合金層１の摺動面側に凹部２を形成し、この凹部２内にＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層３を設けると共に、この中間層３上に純ＳｎまたはＳｎ合金からなる軟質層４を設ける。そして、熱処理することにより、中間層３から軟質層４にかけて凸状に延びる凸状化合物５を形成する構造とする。この凸状化合物５は、軸受合金層１との密着性が良い中間層３から凸状に延びると共に、拡散により中間層３との密着性も良いため、アンカー効果を発揮し、軟質層４が剥がれることを阻止する効果がある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動合金層の摺動面側に凹部を形成し、この凹部内にＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層を設けると共に、この中間層上に純ＳｎまたはＳｎ合金からなる軟質層を設ける構造とした摺動部材にあって、前記中間層から軟質層にかけて凸状に延びた化合物を有していることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
摺動面は、少なくとも摺動合金層と軟質層が混在した状態であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
軟質層は２０質量％以下のＣｕを含有するＳｎ合金であり、そのＣｕの他に、０〜１０質量％のＡｇ及び／または０〜１５質量％のＳｂを含有していることを特徴とする請求項１または２記載の摺動部材。
【請求項４】
摺動合金層に形成された凹部の深さが５〜５０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動合金層の摺動面側に凹部を形成し、この凹部内に中間層を設けると共に、この中間層上に軟質層を設ける構造とした摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
すべり軸受（摺動部材）においては、軸受合金層（摺動合金層）の摺動面側に円周方向（軸の回転方向）に延びる多数本の溝状の凹部（溝状凹所）を形成し、この凹部内にＮｉを基材とした中間層（阻止層）を設けると共に、この中間層上に軟質層を設けた構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、軟質層としては、ホワイトメタル合金やプラスチックが挙げられている。
【０００３】
上記した構造のすべり軸受においては、すべり軸受の摺動面に、軸受合金層と凹部の軟質層とが混在した状態となっていて、比較的硬い軸受合金層で荷重を支持すると共に、比較的軟質な軟質層で摺動特性を維持することができ、耐荷重性及び耐摩耗性に優れた構造となっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５７−１４４３１３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来構造のものでは、キャビテーションエロージョンの発生により、凹部内の軟質層がなくなりやすいという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、摺動合金層の摺動面側に凹部を形成し、この凹部内にＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層を設けると共に、この中間層上に純ＳｎまたはＳｎ合金からなる軟質層を設ける構造としたものにあって、耐キャビテーション性に優れた摺動部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、摺動合金層の摺動面側に凹部を形成し、この凹部内にＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層を設けると共に、この中間層上に純ＳｎまたはＳｎ合金からなる軟質層を設ける構造とした摺動部材にあって、前記中間層から軟質層にかけて凸状に延びた化合物を有していることを特徴とする。
【０００８】
中間層のＮｉまたはＮｉ合金と、軟質層のＳｎまたはＳｎ合金とが反応して化合物を形成する。この化合物は、摺動合金層との密着性が良い中間層から凸状に延びると共に、拡散により中間層との密着性も良いため、アンカー効果を発揮し、軟質層が剥がれることを阻止する効果がある。この結果、キャビテーションエロージョンが発生しても、軟質層が剥がれて摺動部材からなくなってしまうことを防止できるようになり、耐キャビテーション性を向上できる。
【０００９】
この場合、摺動面は、少なくとも摺動合金層と軟質層が混在した状態とすることができる。このような構造とした場合、比較的硬い摺動合金層で荷重を支持すると共に、比較的軟質な軟質層で摺動特性を維持することができ、耐荷重性及び耐摩耗性に優れた構造とすることができる。
【００１０】
軟質層は２０質量％以下のＣｕを含有するＳｎ合金であり、そのＣｕの他に、０〜１０質量％のＡｇ及び／または０〜１５質量％のＳｂを含有する構造とすることが好ましい。
軟質層にＣｕを添加すると、軟質層の機械的強度が向上すると共に、中間層から軟質層にかけて凸状に延びるＳｎ−Ｃｕ系化合物が形成されやすくなり、その化合物によるアンカー効果が一層得られ易くなる。この結果、耐キャビテーション性を一層向上できるようになる。
【００１１】
この場合、Ｃｕの添加量が多すぎると、軟質層が脆くなって耐キャビテーション性が低下し、また、Ｓｎ−Ｃｕ化合物の存在が摺動面に多くなりすぎて非焼付性が低下する。このため、Ｃｕの添加量は２０質量％以下が好ましく、より好ましくは５〜１５質量％である。
【００１２】
また、軟質層にＡｇやＳｂを添加すると、軟質層の機械的強度が向上するので、耐キャビテーション性を一層向上できる。
この場合、Ａｇの添加量が多すぎると、軟質層が脆くなって耐キャビテーション性が低下し、また、各種のＳｎ系化合物の存在が摺動面に多くなりすぎて非焼付性や異物埋収性が低下する。このため、Ａｇの添加量は１０質量％以下が好ましい。また、Ｓｂの添加量が多すぎると、軟質層が脆くなって耐キャビテーション性が低下し、また、各種のＳｎ系化合物の存在が摺動面に多くなりすぎて非焼付性や異物埋収性が低下する。このため、Ｓｂの添加量は１５質量％以下が好ましい。
【００１３】
摺動合金層に形成される凹部の深さは５〜５０μｍが好ましい。凹部の深さが浅すぎる場合は、軟質層の厚さが薄く、摺動面に化合物層が多く現れて非焼付性が低下する。また、凹部の深さが深すぎる場合は、凸状の化合物で支える軟質層の量が多くなり、耐キャビテーション性の効果が低下する。このため、凹部の深さは５〜５０μｍが好ましく、より好ましくは１０〜３０μｍである。なお、凹部の深さは、全てが一定である必要はなく、部分的に浅くなったり、深くなったりしても良い。
【００１４】
中間層は、Ｎｉのみ、または、Ｎｉ−ＳｎやＮｉ−ＭｏなどのＮｉ合金でも良い。また、ＮｉとＮｉ−Ｓｎ合金、或いはＮｉとＮｉ−Ｍｏ合金の２層構造としても良い。中間層の厚さは、凹部の深さにもよるが１〜５μｍが好ましい。中間層の厚さが薄すぎると、中間層からの凸状の化合物の形成が少なくなり、アンカー効果が低下する。また、中間層の厚さが厚すぎると、摺動面における中間層の面積が増えると共に、化合物の量も多くなるため、非焼付性が低下する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を説明し、比較例との比較により本発明の効果を明らかにする。
本発明のすべり軸受（摺動部材）は次のようにして作製する。まず、鋼板製の裏金上に、焼結によって、或いは鋳造と圧延によって軸受合金層（摺動合金層）を設けた後、機械加工によりすべり軸受を作製する。この場合、実施例では軸受合金層には銅合金（Ｃｕ−２３％Ｐｂ−３％Ｓｎ）（％は質量％）を用いたが、アルミ合金でも良い。
【００１６】
次に、図１に示すように、軸受合金層１の摺動面側（図中、上面側）に凹部２を形成する。この場合、凹部２は、図３に示すように、すべり軸受の軸線方向Ａ１に対して交差する方向（軸回転方向Ａ２）に延びる溝状に多数本形成する。凹部２の形状は、図１では台形状に形成されているが、半円弧状、或いはＶ字状でも良い。この凹部２の加工は、軸受合金層１の表面を機械加工する際に、所定の深さ（５〜５０μｍ）となるようにボーリング加工により形成する。なお、図１ないし図３は、すべり軸受として完成された状態が模式的に示されている。
【００１７】
次に、各凹部２内および軸受合金層１の表面に、電気めっきにより中間層３を設ける。中間層３としては、ＮｉまたはＮｉ合金を用い、厚さは１〜５μｍとする。この後、中間層３上に、電気めっきにより軟質層４を、凹部２を埋めるように設ける。軟質層４としては、純Ｓｎ、またはＣｕを含んだＳｎ合金を用いる。
【００１８】
次に、熱処理を行う。この場合の熱処理条件は１５０℃×５Ｈｒとする。これにより、中間層３と軟質層４との間に、中間層３から軟質層４にかけて凸状（柱状）に延びる凸状化合物５（図２参照）が形成されるようになる。この場合、中間層３がＮｉのみで、かつ軟質層４がＣｕを含むＳｎ−Ｃｕ合金の場合には、凸状化合物５としては、Ｓｎ−Ｃｕ−ＮｉやＳｎ−Ｃｕの化合物となる。図２において、符号５ａは、凸状化合物５にはなっていないＳｎ−Ｃｕ化合物である。なお、中間層３がＮｉのみで、かつ軟質層４が純Ｓｎの場合には、凸状化合物５としてはＳｎ−Ｎｉの化合物となる。
【００１９】
ここで、本発明者らは上記凸状化合物の形成条件を検討したところ、次のようなことがわかった。すなわち、凸状化合物を形成させ易くするためには、高温での熱処理、長時間の熱処理等を行うことが好ましく、図４（ａ），（ｂ）に示すような関係があることがわかった。図４において、（ａ）は、軟質層中にＣｕが少ない場合（軟質層（Ｓｎ−３％Ｃｕ）／中間層（Ｎｉ）／軸受合金層（Ｃｕ合金））を示し、（ｂ）は、軟質層中にＣｕが多い場合（軟質層（Ｓｎ−１０％Ｃｕ）／中間層（Ｎｉ）／軸受合金層（Ｃｕ合金））を示している。なお、軟質層中の％は質量％を表している。
【００２０】
この図４の（ａ）と（ｂ）のどちらにおいても、熱処理温度が高くなるに従って、また、熱処理時間が長くなるに従って、凸状化合物の中間層からの高さが高くなることがわかる。また、（ａ）と（ｂ）とを比較すると、同じ熱処理条件でも、軟質層中にＣｕが多い場合の方（（ｂ）の方）が凸状化合物の高さが高くなることがわかる。
【００２１】
これらの結果により、本発明者らは、軟質層中のＣｕ量を多くすることにより、凸状化合物の生成を促進させることができることを見出した。また、中間層の近くをＣｕ量を多くすることにより、結果的に化合物の凸状化を促進させることができることも見出した。
上記に示されるように、本発明者らによって、本発明の特徴とする凸状化合物の形成促進条件を明らかにすることができた。
【００２２】
次に、最表面部を再度機械加工することにより削り、図１に示すように、摺動面（図１の上面）に、軸受合金層１と凹部２の軟質層４と中間層３が混在した状態とする。以上により、すべり軸受が完成する。
本発明者らは本発明による効果を確認するため、次の表１に示すように、上記の方法によって作製した実施例１〜９の試料と、後述する比較例の方法で作製した比較例１〜３の試料とについてキャビテーション試験を行った。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
なお、比較例１〜３は、軟質層形成後の熱処理条件が上記実施例とは異なっていて、その熱処理を１３０℃×１Ｈｒの条件で行ったもので、中間層から軟質層にかけて凸状に延びる凸状化合物が形成されなかったものである。また、本試験においては、摺動面における凹部２の面積率を７０％とした試料を使用した。
【００２５】
表１において、軟質層中の％は質量％を表している。比較例１は、軟質層が、Ｃｕを含有したＰｂ合金であり、それ以外の比較例２，３、及び実施例１〜９は、軟質層が、Ｃｕを含有したＳｎ合金である。また、実施例１〜９のうち実施例２，７は、軟質層が、Ｃｕの他にＡｇを含有したものであり、実施例６は、Ｓｂを含有したものである。
キャビテーション試験は、図５に示す試験機を用いて、次の表２に示す条件にて行った。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
キャビテーション試験は、具体的には、図５に示すように、水６を貯留した水槽７内に試料（試験片）８をセットし、水中において、その試料８の摺動面に対し、超音波を発生するホーン９から所定の隙間（０．５ｍｍ）を介して超音波（１９０００Ｈｚ）を３分間当てて、試験前後の体積減少量を測定した。その測定した体積減少量を、表１のキャビテーション試験の欄に記載した。
【００２８】
表１からわかるように、キャビテーション試験の体積減少量は、比較例１〜３は１．１ｍｍ３以上であるのに対し、本発明の実施例１〜９は０．７ｍｍ３以下であり、実施例１〜９が耐キャビテーション性に優れていることを確認できた。これは、中間層から凸状に延びる凸状化合物によるアンカー効果が大きな要因であると考えられる。
【００２９】
さらに、実施例１〜９について検討してみる。実施例１，３〜５，８，９においては、軟質層はすべてＳｎ−Ｃｕ合金であるが、Ｃｕの含有量が１５質量％以下の実施例３〜５，８，９は、Ｃｕの含有量が２５質量％の実施例１に比べて体積減少量が少なくなっている。耐キャビテーション性において、Ｃｕの含有量は、２５質量％より少ない方が好ましく、より好ましくは２０質量％以下、更に好ましくは５〜１５質量％である。
また、実施例２と実施例７とを比較すると、Ａｇの含有量が２質量％の実施例７は、Ａｇの含有量が１５質量％の実施例２に比べて体積減少量が少なくなっている。耐キャビテーション性において、Ａｇの含有量は、１５質量％より少ない方が好ましく、より好ましくは１０質量％以下、更に好ましくは５質量％以下である。
【００３０】
図６は本発明の第１の変形例を示したものであり、この第１の変形例は、上記した実施例とは次の点が異なっている。すなわち、上記した実施例では、熱処理後、最表面部を機械加工することによって、摺動面（図１の上面）に、軸受合金層１と凹部２の軟質層４と中間層３が混在した状態となる構造としたが、この第１の変形例では、その最表面部の機械加工を省いた構造としたものであり、表面はすべて軟質層４で被覆された構造となっている。この構造は、初期なじみ性を向上させる場合に有効である。
【００３１】
図７は本発明の第２の変形例を示したものであり、この第２の変形例は、上記した実施例とは次の点が異なっている。すなわち、上記した実施例では、凹部２を溝状に形成したが、この第２の変形例では、凹部１０を、上から見て矩形状の独立した形態のものを多数形成し、各凹部１０の内面に中間層３（図１参照）を設けると共に、その中間層３上に軟質層４を設けた構造となっている。
【００３２】
図８は本発明の第３の変形例を示したものであり、この第３の変形例は、上記した第２の変形例とは次の点が異なっている。すなわち、この第３の変形例では、軸受合金層１の露出部１１を矩形状として残し、その周りに連続した凹部１２を形成し、その凹部１２の内面に中間層３（図１参照）を設けると共に、その中間層３上に軟質層４を設けた構造となっている。
【００３３】
本発明は、上記した実施例及び第１〜第３の変形例に限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
すべり軸受における摺動面の最表面に、初期なじみ性を向上させることを目的として、１〜１０μｍ程の最表面層を設けるようにしてもよい。
凹部２，１０，１２の作成方法としては、機械加工（ボーリング加工）の他に、マスキングとエッチングの組み合わせによる化学的処理や、マスキングとショットブラストの組み合わせによる物理的処理、或いは、レーザー加工を用いることもできる。
【００３４】
凸状化合物５を形成しやすくするために、軟質層４を設ける際に、最初にＣｕの濃度が高いＳｎ−Ｃｕ合金（例えばＳｎ−１０％Ｃｕ）を被覆した後、その上に、Ｃｕの濃度が低いＳｎ−Ｃｕ合金（例えばＳｎ−４％Ｃｕ）を被覆するというように、軟質層４を２層めっき構造としたり、或いは、軟質層４を、中間層３に向かってＣｕの濃度が高くなる成分傾斜を有する構造としたりすることもできる。
本発明は、すべり軸受以外の摺動部材にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す要部の断面図
【図２】主要部を模式的に示した拡大断面図
【図３】要部の平面図
【図４】凸状化合物を形成する際の熱処理条件と凸状化合物の中間層からの高さとの関係を示す説明図であり、（ａ）は軟質層中にＣｕの含有量が少ない場合の図、（ｂ）は軟質層中にＣｕの含有量が多い場合の図
【図５】キャビテーション試験機の概略構成図
【図６】本発明の第１の変形例を示す図１相当図
【図７】本発明の第２の変形例を示す図３相当図
【図８】本発明の第３の変形例を示す図３相当図
【符号の説明】
１は軸受合金層（摺動合金層）、２は凹部、３は中間層、４は軟質層、５は凸状化合物、１０は凹部、１１は軸受合金層の露出部、１２は凹部を示す。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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