(57)【要約】【課題】  耐疲労性を維持しながら、摩擦係数が低く、且つなじみ性、非焼付性に優れた内燃機関用すべり軸受を提供する。【解決手段】  裏金層１に軸受合金層３をライニングしてなる内燃機関用すべり軸受において、軸受合金層３は、その硬さがビッカース硬さで４０以上１６０以下であって、当該アルミニウム基軸受合金の表面から深さ１０μｍ以内に１種以上の固体潤滑剤に含まれる元素を最大濃度部で５質量％以上含む潤滑表層４を有する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏金層にアルミニウム基軸受合金からなる軸受合金層をライニングした内燃機関用すべり軸受において、
前記軸受合金層は、硬さがビッカース硬さで４０以上１６０以下であって、潤滑表層を有し、
その潤滑表層は、前記軸受合金層の表面から深さ１０μｍ以内に固体潤滑剤を含有して構成され、その固体潤滑剤に含まれる元素を当該潤滑表層内の最大濃度部で５質量％以上含むことを特徴とする内燃機関用すべり軸受。
【請求項２】
前記軸受合金層の表面粗さは、最大高さＲZで５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用すべり軸受。
【請求項３】
前記固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、黒鉛、ニ硫化タングステン、窒化硼素、弗化黒鉛、三酸化モリブデンの１種以上からなることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関用すべり軸受。
【請求項４】
前記アルミニウム基軸受合金は、Ｓｎが３〜２０質量％添加され、その硬さがビッカース硬さで４０以上８０以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関用すべり軸受。
【請求項５】
前記アルミニウム基軸受合金は、Ｓｉが４〜１２質量％添加され、その硬さがビッカース硬さで８０以上１６０以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関用すべり軸受。
【請求項６】
前記アルミニウム基軸受合金は、Ｓｎが３〜２０質量％およびＳｉが１．５〜８質量％添加され、その硬さがビッカース硬さで４０以上８０以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関用すべり軸受。
【請求項７】
前記軸受合金層の表面に、固体潤滑剤からなる厚さ０．０１〜１０μｍの被覆層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の内燃機関用すべり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は裏金層にアルミニウム軸受合金からなる軸受合金層をライニングした内燃機関用すべり軸受に係り、特に、良好な耐疲労性を維持しつつ摩擦係数を低減し、非焼付性を向上させた内燃機関用すべり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受合金としてアルミニウム基軸受合金を使用したすべり軸受は、非焼付性、耐疲労性、耐摩耗性に優れ、自動車や一般産業機械の内燃機関用として広く使用されている。
この内燃機関用すべり軸受に使用されるアルミニウム基軸受合金には、軸受特性を改善するために、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｉなどが添加されている。Ｓｎは軟質金属で、その変形能によりなじみ性の確保に寄与する。ＣｕはＡｌマトリクスを強化し、耐疲労性を向上させる。また、Ｓｉは硬質粒子として相手軸表面をラップすることによりすべり軸受内面と相手軸との間に油膜を確保させ、非焼付性を向上させる。
【０００３】
しかしながら、最近の内燃機関は、高速高出力化、軽量化、省燃費化の傾向にあり、これに対応すべくすべり軸受には更なる高性能化が望まれている。即ち、内燃機関が高速高出力化により油膜が薄くなり、軽量化により軸受ハウジングが変形し易くなる。その結果、油膜が非常に薄くなって金属接触する部分が増加し、凝着などによる異常摩耗や焼付きに至る場合がある。これらを避けるために、すべり軸受には、油膜を早期に確保すべく、なじみ性が要求され、更に金属接触しても容易に焼付かず、早期に疲労しない性質が要求される。
【０００４】
また、省燃費化の一方策として、潤滑油のせん断抵抗を下げるべく、低粘度の潤滑油が使用される。そのため、油膜が薄くなって金属接触する部分が増加する。その金属接触部分では、相手軸との摩擦抵抗が大きく、省燃費に貢献できない可能性があると共に、摩擦による熱も発生する。更に、潤滑油の粘度低下を引き起こし、金属接触が助長される。発熱を防止するには、相手軸との摩擦係数を低減させることが求められ、摩擦係数を低減させることができれば、発熱量の減少にとどまらず、更に非焼付性および耐疲労性も向上させることができる。
【０００５】
すべり軸受ではないが、特許文献１には、内燃機関のピストンの摩擦抵抗を低減させるために、ピストンの表面に二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）の微細粉末を衝突させることにより、表面から深さ２０μｍ以内の表層に、固体潤滑剤であるＭｏＳ2を含有させてＭｏＳ2含有層を設けることが開示されている。
【特許文献１】国際公開第０２／４０７４３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
すべり軸受において、固体潤滑剤を軸受合金の成分中に配合したり、軸受合金層の表面に固体潤滑剤をバインダ樹脂と共にコーティングしたりして、相手軸との摩擦抵抗を低減させることは良く知られた技術である。
しかしながら、軸受合金層の表面に固体潤滑剤をコーティングする方法は、コーティング層の接着力に問題があり、また、バインダ樹脂の存在により固体潤滑剤の摩擦低減効果を十分に得られない場合がある。また、軸受合金の成分中に固体潤滑剤を配合する方法は、アルミニウム基軸受合金の粉末に固体潤滑剤の粉末を配合することとなるが、粉末同士の結合となるので結合力が弱く、軸受合金強度が不足し、内燃機関の軸受としての使用には耐えられない。
【０００７】
そこで、上記の特許文献１に記載された技術を内燃機関用すべり軸受に適用して軸受合金層の表面に二硫化モリブデンの含有層を形成することが考えられる。特許文献１に記載の技術は、ピストン表面にＭｏＳ2の微細粉末を衝突させることにより、深さ２０μｍ以内の表層にＭｏＳ2含有層を形成すると共にピストンの表面に微細なディンプルを設け、ＭｏＳ2それ自身の潤滑効果と表面のディンプルの油溜効果とにより摩擦低減を図る。
【０００８】
また、ＭｏＳ2の微細粉末を高速でピストンの表面に衝突させるため、ピストンの一部が溶融してＭｏＳ2中のＭｏと金属間化合物を形成する温度にまでピストンの表面温度が上昇してＭｏＳ2の固着強度を高め、しかも表面が加工硬化して耐摩耗性が向上する、というものである。
ところが、ピストンは硬さがビッカース硬さで３００以上の硬い金属で作られているが、アルミニウム基軸受合金はピストンと違い軟質であるため、固体潤滑剤の微細粉末を衝突させると、表面粗さが増加し、更には表面のディンプルも大きく不規則な形状となり、油溜効果よりも逆にディンプルの存在により油膜破断を起こし、これにより発熱が生じ、非焼付性、耐疲労性を損ねてしまうことが本発明者の実験により確かめられた。
【０００９】
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、軸受合金層の表面粗さを粗くすることなく、その表面部に固体潤滑剤を含有した潤滑表層を設けることができ、これにより耐疲労性を維持しつつ摩擦係数が低く、非焼付性に優れた内燃機関用すべり軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明は裏金層にアルミニウム基軸受合金からなる軸受合金層をライニングした内燃機関用すべり軸受において、前記軸受合金層は、硬さがビッカース硬さで４０以上１６０以下であって、潤滑表層を有し、その潤滑表層は、前記軸受合金層の表面から深さ１０μｍ以内に固体潤滑剤を含有して構成され、その固体潤滑剤に含まれる元素を当該潤滑表層内の最大濃度部で５質量％以上含むことを特徴とする。
【００１１】
内燃機関の運転初期ではミスアライメントなどにより、また、定常運転時では高回転や急な回転変化などにより、すべり軸受表面と相手軸との間に形成される油膜が薄くなる傾向にある。このような条件下にあってすべり軸受の表面は相手軸と直接接触（金属接触）し、適度な変形や摩耗を生ずる。つまり、すべり軸受の表面は適度な変形や摩耗を生ずることによって油膜を確保し、内燃機関の運転に伴い発生する油膜圧力を受け、内燃機関の正常な運転を確保する機能を有する。
【００１２】
すべり軸受が相手軸と金属接触を起こすと、油膜が確保されている状態（流体潤滑）よりも摩擦抵抗が増大する。そして、金属接触部分では発熱を伴い、この発熱により軸受合金の強度低下を招き、軸受合金の相手軸への凝着が増え、焼付きに至ったり、疲労に至ったりする場合がある。
本発明のすべり軸受は、軸受合金層は表面部に固体潤滑剤を含む潤滑表層を有している。固体潤滑剤は自己潤滑性を有し、低摩擦係数を示す。従って、本発明のすべり軸受によれば、相手軸と金属接触を起こしたとしても、潤滑表層の存在によって摩擦抵抗の増大を防止することができる。このため、金属接触部分の発熱が低減され、その結果、軸受合金層の強度低下が防止され、ひいては非焼付性、耐疲労性に有利となる。
【００１３】
上述のように軸受合金の表層は油膜を確保するために適度に摩耗する。内燃機関の寿命までの摩耗を考慮して固体潤滑効果を得ようとすると、固体潤滑剤を含む潤滑表層は軸受合金層の表面から深さ１０μｍ程度とすることが好ましい。１０μｍを越えると、軸受合金層の強度低下を招き、油膜圧力により疲労に至る。より好ましくは５μｍ以内である。
固体潤滑剤に含まれる元素は最大濃度部で５質量％以上（固体潤滑剤が複数種存在する場合は、それぞれの固体潤滑剤に含まれる元素の合計で５質量％以上）含むことで摩擦係数の低減効果を得ることができる。好ましくは、１５質量％以上である。ここで、固体潤滑剤に含まれる元素とは、固体潤滑剤が１種の元素から構成されているときはその元素を指し、固体潤滑剤が２種以上の元素から構成されているときは最も原子量の大きい元素を指している。図６〜８はそれぞれ横軸を元素濃度、縦軸を表面からの深さとして、元素の濃度分布を模式的に示した図である。潤滑表層内での固体潤滑剤に含まれる元素の濃度は、図６、図７に例示するように軸受合金の表面から深くなる（裏金層側に向う）に従って変化するようにしても良いし、図８に例示するように濃度変化がなく全体が一定の濃度になっている形態でも良い。
【００１４】
前記元素の濃度が軸受合金層の表面から深くなるに従って変化する状態とした場合、図６に示すように、軸受合金層の表面が最大濃度部で、そこから深くなるにつれて漸次濃度低下するようにしても良いし、図７に示すように、最大濃度部が表面から少し深くなったところにあり、表面から最大濃度部まで濃度が上昇し、最大濃度部から更に深くなるに従って漸次濃度低下するようにしても良い。図８に示すように、潤滑表層の深さ方向全体において前記元素の濃度が一定の場合、深さ方向の全体が最大濃度部となる。
【００１５】
潤滑表層において、深さ方向に前記元素の濃度が変化し、最大濃度部から深くなるに従って濃度低下するように構成すると、固体潤滑剤を含む潤滑表層の表面では摩擦係数の低減効果を得つつ深い部分ではアルミニウム基軸受合金の強度を維持して耐疲労性を確保する効果を得ることができる。
本発明に使用するアルミニウム基軸受合金は、Ｓｎを３０質量％以下、Ｓｉを１５質量％以下添加したものとすることができる。
【００１６】
Ｓｎはなじみ性を向上させるが、３０質量％を越えると、適当な軸受合金の機械的性質を得られない。Ｓｉは油膜を確保させ、非焼付性を向上させるが、１５質量％を超えると、塑性加工が困難となる。
また、Ａｌマトリクスを強化し、耐疲労性を向上させるために、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇのうちの１種以上を合計で０．１〜６質量％および／またはＭｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗのうちの１種以上を合計で０．０１〜３質量％添加することができる。
【００１７】
（２）軸受合金層の表層へ固体潤滑剤を含有させる方法は、固体潤滑剤の微細粉末を軸受合金層の表面に衝突させるいわゆるショットピーニング技術を応用することが考えられる。このショットピーニングのために用いる固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン、黒鉛、ニ硫化タングステン、窒化硼素、弗化黒鉛、三酸化モリブデンのうちの１種或は２種以上を用いることができる。また、固体潤滑剤の微細粉末の大きさは０．５〜１０μｍが好ましい。
【００１８】
本発明では、軸受合金層の硬さをビッカース硬さで４０以上１６０以下としている。軸受合金層の硬さがビッカース硬さで１６０を越える場合、固体潤滑剤を含有させるために、高いエネルギ（衝突速度や粉末質量）が必要となり、結果として表面にディンプルが生じたり、溶融によって表面粗さが粗くなったりすることがある。軸受合金層の硬さがビッカース硬さで４０未満では、内燃機関の軸受としては負荷に耐え切れず、疲労に至ることがある。
【００１９】
上記のように固体潤滑剤の微細粉末をショットピーニングによって軸受合金層の表面に含有させるものでは、例えばショットピーニング条件によっては軸受合金層の表面にディンプルが生じて表面粗さが粗くなることがあり得る。その粗さは最大高さＲZで５μｍ以下であることが油膜破断防止の面で好ましい。摩擦係数、非焼付性や耐疲労性に対しても好ましい。より好ましい表面粗さは３μｍ以下である。
【００２０】
（３）軸受合金層を構成するアルミニウム基軸受合金は、Ｓｎが３〜２０質量％添加され、その硬さがビッカース硬さで４０以上８０以下であるアルミニウム基軸受合金から構成することができる。
Ｓｎはすべり軸受としてのなじみ性、非焼付性、埋収性などの表面性能を改善する。それらの特性と軸受合金の機械的性質の面で、Ｓｎは３〜２０質量％が好ましい。より好ましくは６〜１５質量％である。
【００２１】
また、圧延などによる塑性加工性の面で、ビッカース硬さで８０以下が好ましい。より好ましくは、４０〜６０である。
（４）軸受合金層を構成するアルミニウム基軸受合金は、Ｓｉが４〜１２質量％添加され、その硬さがビッカース硬さで８０以上１６０以下であるアルミニウム基軸受合金から構成することができる。
【００２２】
ＳｉはＡｌマトリクス中に固溶すると共に、高硬度のＳｉ粒子として晶出し、合金硬度を高める。晶出したＳｉ粒子は相手軸の表面をラップして相手軸の表面粗さを小さくし、油膜の形成を促進する。軸受合金層の硬さがビッカース硬さで８０を越える場合、相手軸に対するラップ効果が重要となる。ラップ効果および塑性加工性の面で、４〜１２質量％が好ましい。より好ましくは、５〜１０質量％である。
【００２３】
また、ビッカース硬さで１６０を越えると、なじみ性が著しく低下する。より好ましくは、８０〜１２０である。
（５）軸受合金層を構成するアルミニウム基軸受合金は、Ｓｎが３〜２０質量％およびＳｉが１．５〜８質量％添加され、その硬さがビッカース硬さで４０以上８０以下であるアルミニウム基軸受合金から構成することができる。
【００２４】
この構成の場合、Ｓｉが１．５質量％未満では、ラップ効果が低下する。また、軟質なＳｎが存在するために、Ｓｉが８質量％を越えると、塑性加工性が低下する。好ましくは、Ｓｎが６〜１５質量％であり、Ｓｉが２〜５質量％である。
（６）本発明では、軸受合金層の表面に、厚さ０．０１〜１０μｍの固体潤滑剤からなる被覆層を設けることができる。この被覆層は固体潤滑剤の衝突エネルギを小さくすれば、固体潤滑剤が軸受合金層中に入り込むことなくその表面に分子間力で結合し、軸受合金層の表面に層となって付着する。
【００２５】
被覆層は固体潤滑剤のみで構成されるため、更に自己潤滑性能を高めることができる。この被覆層が０．０１μｍ未満の場合、軸受合金層の表面から深さ１０μｍ以内に、固体潤滑剤に含まれる元素を５質量％以上含有した場合と同程度の効果である。また、被覆層の厚さが１０μｍを超えると、軸受合金層から剥離し易くなる。より好ましい被覆層の厚さは０．１〜５μｍである。この被覆層を設けた場合の軸受合金層の潤滑表層を含んだ、固体潤滑剤に含まれる元素の濃度変化の一例を図９に示した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、具体的な実施例を参照して本発明を更に詳細に説明する。
本発明のすべり軸受の製造方法を述べる。まず、通常の鋳造および圧延によって軸受合金層用のアルミニウム基軸受合金板を作り、このアルミニウム基軸受合金板と接着層用アルミニウム合金板とを圧接して複層アルミニウム合金板を作る。次に、この複層アルミニウム合金板を、裏金層を構成する低炭素鋼ストリップに接着層用アルミニウム合金板が面するように重ね合わせて圧接し、アルミニウム基軸受合金板を接着層用アルミニウム合金板を介して低炭素鋼ストリップに接合してなるバイメタルを製造する。
【００２７】
そして、バイメタルを焼鈍した後、半円筒状に加工してすべり軸受として製造する。その後、すべり軸受の表面に、粒子サイズ０．５〜１０μｍの固体潤滑剤の微細粉末を、０．５〜１．０ＭＰａの圧縮空気により投射し、軸受合金層の表面部に潤滑表層を形成する。
以上のようにして形成されたすべり軸受の断面を図４に示す。同図で、１は裏金層、２は接着層、３は軸受合金層、４は軸受合金層の潤滑表層である。
【００２８】
また、図５に示すように、潤滑表層４の表面（軸受合金層３の表面）に固体潤滑剤からなる被覆層５を設けても良い。
上記の方法によって次の表１に示す発明品試料と比較品試料を製造し、性能試験を実施した。なお、試料はいずれも被覆層は設けていない。また、潤滑表層４の固体潤滑剤に含まれる元素の濃度は、ＧＤＯＥＳ（グロー放電分光法）により測定した。性能試験は、起動摩擦係数測定試験、焼付試験、疲労試験で、それぞれの試験条件を表２〜４に、それぞれの試験結果を図１〜図３に示した。
【００２９】
【表１】
2005233267.tif 000003
【００３０】
【表２】
2005233267.tif 000004
【００３１】
【表３】
2005233267.tif 000005
【００３２】
【表４】
2005233267.tif 000006
試験結果を解説する。
（１）起動摩擦係数測定試験
この試験結果においては、比較品試料１１の起動摩擦係数を１００として、他の試料の起動摩擦抵抗を相対的に算出して図１に示した。
【００３３】
発明品試料１と比較品試料１１、発明品試料５と比較品１５とをそれぞれ比較する。固体潤滑剤を表面からの深さ１０μｍ以内に５質量％以上含む発明品試料１，５は、固体潤滑剤を含まない比較品試料１１,１５よりも、起動摩擦係数が２７〜５０％低減されている。
発明品試料１〜５と比較品試料１２とを比較すると、表面粗さが５μｍを超える比較品試料１２は、発明品試料１〜５に比べて起動摩擦係数が高い。
【００３４】
また、発明品試料１〜５と比較品試料１３とを比較すると、固体潤滑剤に含まれる元素の最大濃度が５質量％未満の比較品試料１３は、発明品試料１〜５に比べて起動摩擦係数が高い。
（２）焼付試験
発明品試料１と比較品試料１１、発明品試料５と比較品１５とをそれぞれ比較すると、図２から明らかなように、固体潤滑剤を表面からの深さ１０μｍ以内に５質量％以上含む発明品試料１，５は、固体潤滑剤を含まない比較品試料１１,１５よりも、非焼付性が向上している。これは摩擦係数低減による発熱抑制の効果と考えられる。
【００３５】
発明品試料１〜５と比較品試料１２とを比較すると、表面粗さが５μｍを超える比較品試料１２は、発明品試料１〜５に比べて著しく非焼付性が低下している。これは表面粗さによる発熱増加と考えられる。
また、発明品試料３と比較品試料１３とを比較すると、発明品試料３は、固体潤滑剤に含まれる元素の最大濃度が５質量％未満の比較品試料１３よりも良い非焼付性を示している。これは、固体潤滑剤に含まれる元素により、発熱抑制効果が発揮されたためと思われる。
【００３６】
また、本発明試料１〜５の全体において、優れた非焼付性を呈している。
（３）疲労試験
発明品試料１と比較品試料１１、発明品試料５と比較品１５とをそれぞれ比較する。固体潤滑剤に含まれる元素を表面からの深さ１０μｍ以内に５質量％以上含む発明品試料１，５は、固体潤滑剤を含まない比較品試料１１,１５と比較して、図３から明らかなように、耐疲労性が低下していない。
【００３７】
発明品試料２と比較品試料１２とを比較すると、表面粗さが５μｍを超える比較品試料１２は、発明品試料２に比べて著しく耐疲労性が低下している。
発明品試料４と比較品試料１４とを比較すると、軸受合金の硬さがビッカース硬さで４０未満の比較品試料１４は発明品試料４に比べて著しく耐疲労性が低下している。これは、比較品試料１４の軸受合金の硬さがビッカース硬さで４０以下であり、従って軸受合金層が軟らか過ぎて耐疲労強度が低下したからと考えられる。
【００３８】
以上のように、軸受合金層の硬さがビッカース硬さで４０以上１６０以下で、その表面から深さ１０μｍ以内に固体潤滑剤に含まれる元素が最大濃度部で５質量％以上含む潤滑表層を有した本発明のすべり軸受では、良好な耐疲労性を維持しつつ、摩擦係数を低減でき、しかも、非焼付性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】起動摩擦係数測定結果を示すグラフ
【図２】焼付試験結果を示すグラフ
【図３】疲労試験結果を示すグラフ
【図４】本発明の一実施形態を示す断面図
【図５】本発明の他の実施形態を示す断面図
【図６】潤滑表層の固体潤滑剤に含まれる元素の濃度分布図その１
【図７】潤滑表層の固体潤滑剤に含まれる元素の濃度分布図その２
【図８】潤滑表層の固体潤滑剤に含まれる元素の濃度分布図その３
【図９】潤滑表層の固体潤滑剤に含まれる元素の濃度分布図その４
【符号の説明】
【００４０】
図面中、１は裏金層、２は接着層、３は軸受合金層、４は潤滑表層、５は被覆層である。
【図１】
2005233267.tif 000007
【図２】
2005233267.tif 000008
【図３】
2005233267.tif 000009
【図４】
2005233267.tif 000010
【図５】
2005233267.tif 000011
【図６】
2005233267.tif 000012
【図７】
2005233267.tif 000013
【図８】
2005233267.tif 000014
【図９】
2005233267.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月13日(2004.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
（２）軸受合金層の表層へ固体潤滑剤を含有させる方法は、固体潤滑剤の微細粉末を軸受合金層の表面に衝突させるいわゆるショットピーニング技術を応用することが考えられる。このショットピーニングのために用いる固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン、黒鉛、ニ硫化タングステン、窒化硼素、弗化黒鉛、三酸化モリブデンのうちの１種或は２種以上を用いることができる。また、固体潤滑剤の微細粉末の大きさは平均径０．５〜１０μｍが好ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
そして、バイメタルを焼鈍した後、半円筒状に加工してすべり軸受として製造する。その後、すべり軸受の表面に、粒子サイズ平均径０．５〜１０μｍの固体潤滑剤の微細粉末を、０．５〜１．０ＭＰａの圧縮空気により投射し、軸受合金層の表面部に潤滑表層を形成する。