(57)【要約】【課題】Ｂｉ基のオーバレイ層において、Ｐｂの含有量を制御することにより、オーバレイ層の耐疲労性が向上する摺動部材を提供する。【解決手段】本実施形態の摺動部材１０は、基材１１と、基材１１に重ねて設けられ、Ｐｂの含有量Ｃが０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．５ｍａｓｓ％であるＢｉ基のオーバレイ層１２と、を備える。このように、オーバレイ層１２は、これに含まれるＰｂの含有量を制御することにより、耐疲労性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材に重ねて設けられ、Ｐｂの含有量Ｃが０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．５ｍａｓｓ％であるＢｉ基のオーバレイ層と、
を備える摺動部材。
【請求項２】
前記オーバレイ層は、残留応力が５０ＭＰａ以下である請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記オーバレイ層は、Ｐｂの含有量Ｃが０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．０７ｍａｓｓ％である請求項１または２記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基材の摺動面側にオーバレイ層を備える摺動部材は、環境へ与える負荷を低減するためにＰｂの使用を排除するいわゆるＰｂフリーが要求されている。そこで、摺動部材は、Ｐｂに代えてＢｉを主成分とするオーバレイ層が設けられている（特許文献１参照）。
ところで、Ｂｉめっきの原料には、一般に不純物としてＰｂが含まれている。微量のＰｂが摺動部材に及ぼす影響について、これまで議論されていなかった。本願発明者の鋭意研究によって、この不純物として含まれるＰｂは、微量であっても、Ｂｉを主成分とするオーバレイ層の疲労性に大きな影響を与えることが分かってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６６４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明の目的は、Ｂｉ基のオーバレイ層において、Ｐｂの含有量を制御することにより、オーバレイ層の耐疲労性が向上す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】
【０００５】
本願発明者は、摺動部材のＢｉ基のオーバレイ層に含まれるＰｂの含有量を制御することにより、オーバレイ層の耐疲労性が向上することを見出した。
そこで、本実施形態の摺動部材は、基材と、基材に重ねて設けられ、Ｐｂの含有量Ｃが０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．５ｍａｓｓ％であるＢｉ基のオーバレイ層と、を備える。
【０００６】
このように、Ｂｉ基のオーバレイ層は、含まれるＰｂの含有量Ｃを、０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．５ｍａｓｓ％に設定することにより、耐疲労性が向上する。これは、Ｐｂの含有量Ｃが０．５ｍａｓｓ％以下であれば、Ｂｉ基のオーバレイ層には、Ｐｂが固溶するＢｉ相（β相）だけが生成されるからと考えられる。すなわち、オーバレイ層が単一相となるため、破壊の起点が生じ難い。一方、Ｐｂの含有量Ｃが０．５ｍａｓｓ％を超えると、オーバレイ層に別の相（ε相）も生成する。Ｂｉ基組織において、単一相ではなく異相が混在してくると、不連続な部位から破壊が発生しやすくなると考えられる。その結果、オーバレイ層は、耐疲労性が低下すると考えられる。
【０００７】
ところで、Ｂｉ基のオーバレイ層に含まれるＰｂは、その含有量が低下するほど耐疲労性の低下が見込まれる。しかし、Ｂｉ基のオーバレイ層に含まれるＰｂを実質的に「０」とすることは困難である。
以上のことから、本実施形態では、Ｂｉ基のオーバレイ層のＰｂの含有量Ｃは、０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．５ｍａｓｓ％に設定している。これにより、Ｂｉ基のオーバレイ層の耐疲労性を高めることができる。
本実施形態におけるＢｉ基のオーバレイ層とは、微量のＰｂを含み、Ｐｂ以外の不可避的な不純物を含み得るＢｉまたはＢｉ合金を主成分とするオーバレイ層であることを意味する。
【０００８】
また、本実施形態の摺動部材は、残留応力が５０ＭＰａ以下であることが好ましい。
オーバレイ層に残留する応力すなわち残留応力が大きいほど、摺動時に加えられる熱エネルギーによって応力緩和が進みやすい。そして、応力緩和にともなって、オーバレイ層に含まれるＰｂがオーバレイ層のＢｉ結晶粒界に移動し、Ｂｉ結晶粒同士の結合領域が少なくなって、オーバレイ層の耐疲労性が低下する傾向になることが考えられる。そこで、オーバレイ層の残留応力は、５０ＭＰａ以下に設定する。これにより、オーバレイ層におけるＰｂの移動は低減される。したがって、オーバレイ層の耐疲労性を高めることができる。
【０００９】
さらに、本実施形態の摺動部材は、Ｐｂの含有量Ｃが０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．０７ｍａｓｓ％である。
Ｂｉ基のオーバレイ層におけるＰｂの含有量Ｃを、０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．０７ｍａｓｓ％にすると、オーバレイ層の結晶粒界へのＰｂの移動はほとんど無視することができる。そのため、オーバレイ層は、Ｐｂの含有量Ｃを、０ｍａｓｓ％＜Ｃ≦０．０７ｍａｓｓ％にすると、残留応力の影響を考慮することなく耐疲労性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態による摺動部材の構造を示す模式的な断面図
【図２】一実施形態による摺動部材のめっき条件を示す概略図
【図３】一実施形態による摺動部材の試験結果を示す概略図
【図４】一実施形態による摺動部材の応力測定条件を示す概略図
【図５】一実施形態による摺動部材の耐疲労性試験条件を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、摺動部材の具体的な実施形態について説明する。
まず、本実施形態において試料とする摺動部材の作製手順について説明する。
図１に示すように、摺動部材１０は、基材１１およびオーバレイ層１２を備えている。基材１１は、裏金層１３および軸受合金層１４を有している。裏金層１３は、鋼によって形成されている。軸受合金層１４は、Ｃｕ基またはＡｌ基の材料で形成されている。これにより、基材１１は、鋼の裏金層１３と、Ｃｕ基またはＡｌ基の軸受合金層１４とからなるいわゆるバイメタルを形成している。摺動部材１０は、基材１１とオーバレイ層１２との間に一層または二層以上の図示しない中間層を有していてもよい。
【００１２】
裏金層１３および軸受合金層１４から形成された基材１１は、半円筒状または円筒状に成形される。成形された基材１１は、軸受合金層１４の表面に例えばボーリング加工などの表面加工が施される。表面加工が施された基材１１は、電解脱脂および酸による表面の洗浄が施される。洗浄された基材１１は、軸受合金層１４の表面にオーバレイ層１２が形成される。この場合、オーバレイ層１２の形成に先立って、軸受合金層１４の表面には図示しない中間層を形成してもよい。
【００１３】
本実施形態の場合、オーバレイ層１２は、ＢｉまたはＢｉ合金のめっきによって形成されている。オーバレイ層１２を形成する条件、すなわちめっきの条件を図２に示す。めっき液の組成は、オーバレイ層１２を形成するＢｉまたはＢｉ合金の組成に応じて設定される。例えば、オーバレイ層１２をＢｉの単体で形成する場合、めっき液の組成はＢｉのみとなる。但し、この場合、めっき液に含まれるＢｉは、不可避的不純物を含んでいる。また、オーバレイ層１２をＢｉ合金で形成する場合、めっき液は組成としてＢｉ、およびこのＢｉと合金を形成する元素を含んでいる。
【００１４】
オーバレイ層１２の残留応力の制御方法の一例を説明する。本実施形態では、基材１１にめっきによりオーバレイ層１２を形成するとき、基材１１には例えば数十ｋＨｚ以上の微振動が加えられる。そして、オーバレイ層１２のめっきは、工程の初期において電流密度を高く設定し、工程の末期において電流密度を低く設定している。この電流密度は、めっきの工程の初期から末期にかけて緩やかに低下させている。このように、基材１１に微振動を加えつつ、めっき工程の電流密度を初期から末期へ緩やかに低下させながらオーバレイ層１２を形成することにより、オーバレイ層１２の残留応力を減少させることができる。すなわち、このように基材１１に加える微振動、およびめっき工程における電流密度の変化率を制御することにより、オーバレイ層１２の残留応力も制御することができる。
【００１５】
Ｂｉ基のオーバレイ層１２をめっきにより形成する場合、めっき槽の陽極はＢｉまたはＢｉ合金で形成されている。この陽極のＢｉまたはＢｉ合金は、不可避的にＰｂを含んでいる。そのため、オーバレイ層１２の形成を継続すると、めっき液にはＰｂが蓄積する。蓄積したＰｂは、ＢｉまたはＢｉ合金とともにオーバレイ層１２に取り込まれやすく、オーバレイ層１２の耐疲労性の低下を招く原因となる。そこで、必要に応じてめっき液を更新するのがよい。
【００１６】
以上の手順によって、図３に示すように実施例に相当する試料１〜１０の摺動部材１０、および比較例に相当する試料１１〜１４の摺動部材１０を形成した。
得られた実施例である試料１〜１０、および比較例である試料１１〜１４の摺動部材１０は、オーバレイ層１２に含まれるＰｂ量、オーバレイ層１２の残留応力、および疲労しない最大面圧を測定した。
【００１７】
オーバレイ層１２に含まれるＰｂ量は、ＩＣＰによる発光分析によって測定した。なお、今回用いたＩＣＰ分析装置におけるＰｂ量の測定可能な下限は、０．０００１ｍａｓｓ％であった。
オーバレイ層１２の残留応力は、図４に示す条件でＸ線応力測定装置を用いて測定した。具体的には、測定法は、並傾法を用いた。ターゲットおよびフィルタは、それぞれＣｒＫαおよびＶとした。管電圧および管電流は、それぞれ４０ｋＶおよび３０ｍＡとした。コリメータは、φ２．０ｍｍを用いた。無歪角２θ角度は、１５０．４°に設定した。応力定数は、−５５．３０ＭＰａ／ｄｅｇに設定した。ピークサーチの方法は、ピークトップ法を用いた。
【００１８】
耐疲労性は、疲労しない最大面圧に基づいて検証した。オーバレイ層１２の耐疲労性は、図５に示す条件で疲労試験機を用いて行った。耐疲労性の試験における回転数は、３２５０ｒｐｍに設定した。試験における周速は、９ｍ／ｓに設定した。軸受すなわち摺動部材１０の幅は、１７ｍｍに設定した。相手軸の材料は、Ｓ５５Ｃを用いた。潤滑油は、ＳＡＥ２０を用いた。潤滑油の給油圧力は、０．５ＭＰａに設定した。試験時間は、２０時間とした。そして、試験毎に、試料に加える負荷を５ＭＰａずつ増加させていき、疲労しない最大面圧を求めた。この場合、試料の試験面積のうち５％以上が疲労破壊したとき、この疲労破壊したときの負荷よりも一段階低い値、つまり５ＭＰａ低い値を、疲労しない最大面圧とした。疲労しない最大面圧は、同じ負荷の試験を３回行って求めた。
【００１９】
以下、検証結果について図３に基づいて耐疲労性の観点から考察する。
試料１〜１０は、Ｂｉ基のオーバレイ層１２において、Ｐｂの含有量を０．５ｍａｓｓ％以下に設定した実施例である。これらの試料１〜１０の実施例は、比較例である試料１１〜１４に比較して耐疲労性が向上している。すなわち、摺動部材１０の耐疲労性は、オーバレイ層１２におけるＰｂの含有量が０．５ｍａｓｓ％を超えると、大幅に低下することがわかる。
【００２０】
また、試料１と試料２とを比較すると、耐疲労性に大きな差はない。オーバレイ層１２は、Ｐｂの含有量が低下するほど耐疲労性が向上することが予測される。つまり、オーバレイ層１２は、Ｐｂの含有量が「０」に近づくほど耐疲労性が向上することが予測される。しかし、試料１と試料２との比較から、Ｐｂの含有量が特定の値以下になると、Ｐｂの含有量は摺動部材１０の実用的な使用範囲における耐疲労性に大きな影響を与えないことがわかる。したがって、Ｐｂの含有量の下限は、摺動部材１０に要求される性能に応じてコストとの対比に基づいて設定することができ、必要以上に低下させなくてもよいことがわかる。
【００２１】
ここで、試料４と試料５とを比較すると、試料４はオーバレイ層１２がＢｉで形成されているのに対し、試料５はオーバレイ層１２がＢｉ−１Ｓｎで形成されている。ここで、「Ｓｎ」の前の数字は、「Ｓｎ」の組成（ｍａｓｓ％）を示す。すなわち、試料４のオーバレイ層１２はＢｉの単体であり、試料５のオーバレイ層１２はＳｎを含むＢｉ合金である。試料４および試料５は、いずれもオーバレイ層１２に含まれるＰｂの含有量が０．０８０ｍａｓｓ％である。また、試料４および試料５は、オーバレイ層１２の残留応力がそれぞれ５４ＭＰａおよび５３ＭＰａとほぼ近似する。これら試料４と試料５とを比較すると、耐疲労性に差はない。一方、実施例である試料５と比較例である試料１４とを比較すると、試料１４はオーバレイ層１２に含まれるＰｂの含有量が０．９８０ｍａｓｓ％であり、０．５ｍａｓｓ％を超えている。このことからも、オーバレイ層１２の耐疲労性は、Ｐｂの含有量に依存することがわかる。
【００２２】
試料１と試料４、試料７および試料９とをそれぞれ対比すると、オーバレイ層１２におけるＰｂの含有量が低下するにつれて耐疲労性は向上していることがわかる。ところで、試料７と試料８とを比較すると、試料８の耐疲労性は試料７に比較して向上している。試料７はオーバレイ層１２の残留応力が６１ＭＰａであるのに対し、試料８はオーバレイ層１２の残留応力が４ＭＰａである。このように、オーバレイ層１２におけるＰｂの含有量を０．５ｍａｓｓ％以下に設定したとき、オーバレイ層１２の残留応力を５０ＭＰａ以下に設定すると、オーバレイ層１２の耐疲労性は向上することがわかる。同様に、試料９と試料１０とを比較すると、試料１０の耐疲労性は試料９に比較して向上している。また、試料５と試料６とを比較すると、試料６の耐疲労性は試料５に比較して向上している。このことから、オーバレイ層１２の材料に関わらず、オーバレイ層１２の残留応力を５０ＭＰａ以下に設定すると、オーバレイ層１２の耐疲労性は向上することがわかる。
【００２３】
一方、比較例である試料１１と試料１２とを比較すると、試料１２はオーバレイ層の残留応力が２３ＭＰａであるのに対し、試料１１はオーバレイ層の残留応力が５４ＭＰａである。しかし、試料１１と試料１２との間における耐疲労性の差は小さい。このことから、オーバレイ層１２の残留応力が耐疲労性に与える影響は、オーバレイ層１２におけるＰｂの含有量が０．５ｍａｓｓ％以下であると顕著に表れることがわかる。さらに、実施例である試料２および試料３は、いずれもオーバレイ層１２におけるＰｂの含有量が０．０７０ｍａｓｓ％である。この試料２と試料３とを比較すると、オーバレイ層１２の耐疲労性は残留応力の影響をほとんど受けていない。このことから、オーバレイ層１２におけるＰｂの含有量が０．０７０ｍａｓｓ％以下になると、オーバレイ層１２の耐疲労性は残留応力に依存することなく向上することがわかる。
【００２４】
以上のように、オーバレイ層１２の耐疲労性は、オーバレイ層１２におけるＰｂの含有量が０．５ｍａｓｓ％以下であるとき、顕著な向上が見られた。これとともに、オーバレイ層１２の耐疲労性は、Ｐｂの含有量が０．５ｍａｓｓ％以下であれば、オーバレイ層１２の残留応力を５０ＭＰａ以下に低下させることにより、向上することが明らかになった。一方、オーバレイ層１２の耐疲労性は、Ｐｂの含有量が０．５ｍａｓｓ％以下であって、その含有量が低下するほど、残留応力の影響が減少することが明らかになった。特に、オーバレイ層１２におけるＰｂの含有量が０．０７０ｍａｓｓ％以下になると、オーバレイ層１２の耐疲労性は残留応力の大きさにかかわらず向上することが明らかになった。以上のように、Ｂｉ基のオーバレイ層１２において、Ｐｂの含有量およびオーバレイ層１２の残留応力を制御することにより、オーバレイ層１２の耐疲労性を向上することができた。
【００２５】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００２６】
図面中、１０は摺動部材、１１は基材、１２はオーバレイ層を示す。
【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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