(57)【要約】【課題】摺動合金上にＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層を介してＳｎ合金からなるオーバレイ層を形成した摺動部材において、オーバレイ層のなじみ性を損なうことなく耐疲労性の向上を図る。【解決手段】オーバレイ層にＣｕを含ませ、熱処理によってオーバレイ層中に中間層から凸状に延びるＳｎ−Ｃｕ系の化合物を形成した。Ｓｎ−Ｃｕ系の化合物は強度が高いので、耐疲労性を向上させる。また、オーバレイ層の表面部分は軟質のＳｎマトリクスが多い状態となるので、なじみ性が向上し、非焼付性に優れる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受合金層上にＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層を介してＳｎ合金からなるオーバレイ層を設けた摺動部材において、
前記オーバレイ層はＣｕを含み、当該オーバレイ層中には前記中間層から凸状に延びるＳｎ−Ｃｕ系の化合物が形成されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記オーバレイ層は、Ｃｕ５〜２０質量％を含むことを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記オーバレイ層の厚さＴは、３０μｍ以下の制限のもとで、Ｃｕの成分量をＡ質量％としたとき、下記の式を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の摺動部材。
Ｔ（μｍ）≦１．２×Ａ＋１５
【請求項４】
前記オーバレイ層の厚さＴは、５μｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の摺動部材。
【請求項５】
前記オーバレイ層は、Ａｇ１０質量％以下及び／またはＳｂ１５質量％以下を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項６】
前記中間層の厚さは、１〜５μｍであることを特徴とする請求項１ないし５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】
本発明は軸受合金層上にＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層を介してＳｎ合金からなるオーバレイ層を設けた摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などの内燃機関に使用される軸受としては、鋼裏金層上にＣｕ合金或はＡｌ合金からなる軸受合金層をライニングしたすべり軸受が多く用いられている。この軸受では、通常、相手軸とのなじみ性を向上させるために、軸受合金層の表面に、中間層を介して或は介さずに直接オーバレイ層を形成することが行われている。
【０００３】
このオーバレイ層としては、従来、軟質のＰｂ合金が用いられていた。しかしながら、Ｐｂ合金は耐腐食性が低く、腐食によるオーバレイ層の摩耗が激しいことと、キャビテーションエロージョンが発生し易いという問題があった。
【０００４】
そこで、この耐腐食性、耐キャビテーション性の問題を解消するために、最近では、Ｐｂ合金に代えてＳｎ合金を用いるようになってきている。Ｓｎ合金を用いる場合、オーバレイ層は軸受合金層上にＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層を介して形成される。この中間層は、接着層としての機能の他、特に軸受合金がＣｕ合金の場合、オーバレイ層中のＳｎが軸受合金層中のＣｕマトリックスに拡散することを防止する拡散防止層としての機能を有している。
【０００５】
ところが、Ｓｎ合金のオーバレイ層では、Ｓｎ合金が軟質で、なじみ性には優れるが、耐疲労性に問題があるため、この耐疲労性の向上を目的に様々な対策が講じられてきている。その一例として、例えばＳｎマトリクス中に強度の高いＳｎ−Ｃｕ粒子を埋め込むようにしたものがある（例えば、特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２４７９９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１のものでは、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物がＳｎマトリクス中に点在する形態となる。しかしながら、Ｓｎマトリクスは軟質であるため、その軟質なＳｎマトリクス中に高強度のＳｎ−Ｃｕ系化合物が点在する状態では、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物が荷重を負担することはできず、結果として、耐疲労性の向上を望み得ないものとなってしまう。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、オーバレイ層のなじみ性を損なうことなく耐疲労性の向上を図ることができる摺動部材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、オーバレイ層をＣｕを含むＳｎ合金から構成し、当該オーバレイ層中にＮｉまたはＮｉ合金よりなる中間層から凸状に延びるＳｎ−Ｃｕ系の化合物が形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
軸受合金層上に、ＮｉまたはＮｉ合金からなる中間層を介してＣｕを含むオーバレイ層を形成すると、オーバレイ層中にはＳｎ―Ｃｕ系の化合物（以下、単にＳｎ−Ｃｕ系化合物と称する。）が生成される。その後、熱処理すると、オーバレイ層中のＳｎ−Ｃｕ系化合物が中間層のＮｉに引き寄せられて図１に示すようにオーバレイ層中に中間層から凸状（ほぼ柱状）に延びるＳｎ−Ｃｕ系化合物を形成する。上記凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物を生成するための実用上好ましい熱処理の条件は、１４０〜２００℃である。
【００１０】
Ｓｎ−Ｃｕ系化合物は硬く強度が高い。このため、中間層から凸状に延びるＳｎ−Ｃｕ系化合物が相手材の荷重を負担し、オーバレイ層の耐疲労性を向上させる。即ち、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物がオーバレイ層中に存在していても、Ｓｎマトリックス中に点在する場合には、Ｓｎマトリクスは軟質であるため、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物による荷重負担機能は余り期待できない。しかし、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物が硬いＮｉまたはＮｉ合金の中間層からオーバレイ層の表面に向って凸状に延びていれば、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物による荷重負担機能は十分に発揮され、オーバレイ層の耐疲労性を向上させる。
【００１１】
また、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物が中間層側に寄せられることにより、オーバレイ層の表面側は、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物の少ない状態、換言すれば軟らかいＳｎマトリクスにより占められる状態となるので、相手材とのなじみ性が良くなり、非焼付性に優れたものとなる。
【００１２】
上記オーバレイ層は、Ｃｕ５〜２０質量％を含むことが好ましい。
Ｃｕの含有量が５質量％以上、２０質量％以下であれば、十分な量のＳｎ−Ｃｕ系化合物を生成することができ、オーバレイ層の耐疲労性の更なる向上を図ることができる。また、更に良好ななじみ性、異物埋収性を確保することができる。
【００１３】
オーバレイ層の厚さＴは、３０μｍ以下の制限のもとで、Ｃｕの成分量をＡ質量％としたとき、次の（１）式を満たすことが好ましい。
Ｔ（μｍ）≦１．２×Ａ＋１５……（１）
凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物の中間層からの延長程度はＣｕ含有量が関係し、Ｃｕ量が多いと、それだけ凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物は大きく成長する。しかし、Ｃｕ含有量が或る量になると、Ｃｕ量が増加してもＳｎ−Ｃｕ系化合物の成長速度が遅くなる。
【００１４】
オーバレイ層の厚さが凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物の高さに比べて厚いと、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物の上のＳｎマトリックスの厚さが厚くなるので、オーバレイ層の耐疲労性が低下する傾向がある。本発明者がオーバレイ層のＣｕ含有量とオーバレイ層の厚さとを種々変更して行った疲労試験によれば、Ｃｕが或る量までは上記（１）式を満足させるオーバレイ層厚さであれば、特に良好なる疲労強度のものが得られた。Ｃｕが或る量を超えると、上記（１）式で求められる厚さは３０μｍを越えるが、オーバレイ層厚さが３０μｍより厚いものよりも、３０μｍ以下のものの方が耐疲労性に優れていた。これは、Ｃｕが或る量を超えると、凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物の成長が抑制されるためである。Ｃｕが前記の量以下で、オーバレイ層の厚さを３０μｍ以下とすると、良好なる疲労強度が容易に得られ易くなることが明らかとなった。
【００１５】
オーバレイ層の厚さは、５μｍ以上であることが好ましい。
オーバレイ層が薄過ぎると、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物が表面近くまで成長し、表面部分のＳｎマトリクスが少な過ぎることとなるが、５μｍ以上であれば、適度な厚さのＳｎマトリクスを確保でき、良好なるなじみ性を確保できる。
【００１６】
オーバレイ層には、Ａｇ１０質量％以下及び／またはＳｂ１５質量％以下を含ませることができる。
ＡｇはＳｎとの化合物の状態で存在し、オーバレイ層の強度を向上させる。ＳｂはＳｎマトリクスに固溶し、オーバレイ層の強度を高める。Ａｇは１０質量％以下であれば、オーバレイ層を硬くし過ぎることがなく、適度な異物埋収性及びなじみ性を確保できる。Ｓｂは８質量％を越えると、硬いＳｎ−Ｓｂ化合物を生成するが、１５質量％以下であれば、Ｓｎ−Ｓｂ化合物を生成し過ぎることがなく、適度ななじみ性を維持することができる。
【００１７】
また、中間層の厚さは、１〜５μｍであることが好ましい。
中間層はＮｉまたはＮｉ合金からなり、オーバレイ層の軸受合金層への接着強度を高めると共に、オーバレイ層中のＳｎが軸受合金層側へ拡散することを防止する。また、Ｓｎ−Ｃｕ系化合物との結合力が強いＮｉまたはＮｉ合金を使用することにより、中間層からオーバレイ層中に延びる凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物を成長させることができる。中間層の厚さが１〜５μｍで上記の接着強度、拡散防止及び凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物の成長促進の各機能を良好に発揮する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を説明する。
鋼裏金（図示せず）上に、焼結または鋳造によって、Ｃｕ合金の軸受合金層を形成した後、機械加工によって半割形状にした。その後、その内周面に、次の表１に示す組成及び厚さの中間層とオーバレイ層とを順にメッキによって形成して半割軸受を得た。そして、試料１〜１３（本発明品）については、半割軸受を１５０℃で５時間加熱する熱処理を施してオーバレイ層中に中間層から延びる凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物を形成した。図１は半割軸受を切断してその切断面を顕微鏡で見た場合の模式図であるが、同図に示すように、オーバレイ層中に凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物が中間層から表面に向って成長していることが理解されるであろう。
【００１９】
また、試料１４〜１８（比較例品）については、１３０℃で１時間加熱する熱処理を行ったが、これらの資料のオーバレイ層中には凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物は形成されていなかった。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物を生成させる上記熱処理は、１４０〜２００℃で１〜１０時間の範囲で行うことが好ましいが、最適な熱処理条件はオーバレイ層中のＣｕ含有量によって異なる。例えば、図２及び図３は、軸受合金がＣｕ合金、中間層が純Ｎｉ、オーバレイ層の組成がＳｎ−３質量％Ｃｕ（図２）及びＳｎ−１０質量％Ｃｕ（図３）の半割軸受に対して、種々の条件で熱処理した場合の凸条のＳｎ−Ｃｕ系化合物の生成の有無及び大きさ（中間層からの高さ）を測定した結果を示す。
【００２２】
即ち、図２のＣｕ含有量が３質量％と少ない場合、９０℃のときは１００時間以上の加熱、１３０℃のときは５０時間以上の加熱、１７０℃以上のときは３時間以上の加熱で凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物が生成された。図３のＣｕ含有量が１０質量％と多い場合、９０℃のとき５０時間以上、１３０℃のときは１０時間以上、１７０℃以上のときは１時間以上で凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物が生成された。
【００２３】
また、図４は、軸受合金がＣｕ合金、中間層がＮｉ−２０質量％Ｃｕ、オーバレイ層がＳｎ―１２質量％Ｃｕの半割軸受（試料４と同じ）に対して、種々の条件で熱処理した場合の適度な（耐疲労性及びなじみ性の双方共に良好な結果をもたらす）凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物が生成される範囲（２本の太い実線で挟まれた範囲。）を示したものである。
【００２４】
このようにＣｕ含有量によって最適な熱処理条件が異なる。このＣｕ含有量と最適な熱処理条件との関係を調べる実験を種々重ね、その結果、熱処理温度とＳｎ−Ｃｕ系化合物の中間層からの高さとの関係式を見出した。この関係式を次の（２）式に示す。
高さ（μｍ）≒０．０７×Ｃｕ（質量％）＋０．０１６×温度（℃）×Ｌｏｇ１０熱処理時間（時間）−０．３４……（２）
上記の各試料について、軸受動荷重試験機を用いて、面圧５０ＭＰａ、回転数３２５０ｒｐｍ、給油温度１００℃の条件で２０時間運転した後、試料の疲労の有無を確認した。この試験の結果を上記の表１中に記載した。疲労試験結果は疲労しなかった場合は○、試料の投影面積に占める疲労部分の割合が５％未満の場合は△、試料の投影面積に占める疲労部分の割合が５％以上の場合は×で示した。試料が焼付いた場合は、「焼付き」で示した。
【００２５】
疲労試験の結果を考察してみる。
オーバレイ層中に中間層から延びる凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物のない試料１４〜１８（比較例品）のうち、試料１５は表面層が薄く、試験中に焼付きが発生した。試料１４，１６，１７は凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物が形成されていないため、疲労が発生した。従来から用いられているＰｂ合金からなる試料１８も疲労が発生した。
【００２６】
これに対し、オーバレイ層中に凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物のある試料１〜１３のうち、試料１〜１０は疲労部の発生がなく、耐疲労性に優れていた。試料１１〜１３では疲労部は見られたが、５％未満の小範囲に止まり、実用上問題のない耐疲労性を示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す摺動部材の組織を示す模式図
【図２】熱処理条件を示す図
【図３】熱処理条件を示す図
【図４】適度な凸状のＳｎ−Ｃｕ系化合物が形成される熱処理条件を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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