(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライニング上にバリア層を介し又は介さずにBi又はBi合金層よりなるオーバレイ層を形成したすべり軸受であって、ランダム配向となる粉末標準試料を構成するBi結晶の｛hkl｝面のX線回折強度Rp(hkl)に対する前記オーバレイ層を構成するBi結晶−ただし完全ランダム結晶、すなわちI[hkl]０は除く−の｛hkl｝面のX線回折強度RO/L(hkl)の比率を、K(hkl)=RO/L(hkl)/Rp(hkl)と表わし、｛012｝面でのX線回折強度の比率K(012)に対する｛hkl｝面でのX線回折強度の比率K(hkl)の相対X線回折強度I［hkl］、すなわちI［hkl］=K(hkl)/K(012)、が下記条件(a)および(b)を充足することを特徴とするすべり軸受。
(a) ｛104｝, ｛110｝, ｛015｝, ｛113｝, ｛202｝, ｛024｝, ｛107｝, ｛116｝, ｛122｝, ｛214｝, ｛300｝面の相対X線回折強度(I［hkl］)がI［012］の0.2〜5倍(0.2I［012］≦I［hkl］≦5I［012l］である。
(b) ｛104｝, ｛110｝, ｛015｝, ｛113｝, ｛202｝, ｛024｝, ｛107｝, ｛116｝, ｛122｝, ｛214｝, ｛300｝面の相対X線回折強度(I［hkl］)がI［012］の0.5倍以上2倍以下(0.5I［012］≦I［hkl］≦2I［012］)を満足する面が3方位以上存在する。
【請求項２】
前記Ｂｉ又はＢｉ合金層が電気めっき層である請求項１記載のすべり軸受。
【請求項３】
前記Ｂｉ又はＢｉ合金めっきの結晶粒の大きさが10μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載のすべり軸受。
【請求項４】
前記オーバレイの厚さが2 〜20μｍである請求項１から３までの何れか１項記載のすべり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、すべり軸受に関するものであり、さらに詳しく述べるならばケルメットやアルミニウム合金などのライニングと称される軸受合金層に、Ｎｉめっきなどのバリア層を介しまたは介さずに軟質合金めっき層よりなり、なじみ性を発揮するオーバレイ層を形成したすべり軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記したすべり軸受は主として内燃機関のクランクシャフトのジャーナル部、コンロッド大端部に使用され、また軟質合金として主としてＰｂ合金が使用され、一部にはＳｎ合金が使用されている。
Ｐｂ系合金のオーバレイについては、本出願人の一名が組成の改良（ドイツ特許公報３０００３７９号）や結晶配向の改良（特開平８−２０８９３号）などの開発をして来た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｐｂは環境汚染物質であるので、使用の廃止あるいは使用量の削減が求められている。Ｐｂ使用の廃止のための開発としてはＭｏＳ2などのトライボ材料を樹脂で結合した皮膜としてオーバレイとする方向の開発がある。また、本出願人の一名が欧州特許公開公報０７９５６９３Ａ２で提案したように特にオーバレイを必要としないＣｕ−Ａｇ系合金がある。
ところでＢｉはＰｂと同様に低融点金属であるが、Ｐｂより硬くかつ脆い。すなわち硬度に関してはＰｂはＨｖ0.2＝５であるが，ＢｉはＨｖ0.2＝１０である。オーバレイで多用される電気めっきでは水素吸蔵等の影響で、硬さはＰｂでＨｖ0.2＝１０に対してＢｉではＨｖ0.2≒２０となる。このような性質をもつためにＢｉは、従来、低融点性質を利用したはんだ合金や鋳型の中子、半導体材料、電子材料、光記録材料（例えば特開平４−５１７４２号）、磁石材料（Ｍｎ−Ｂｉ磁石）などに使用されており、耐疲労性やなじみ性が要求される摺動材料としては使用されていない。
本発明者は、Ｂｉは酸性溶液中での耐食性はＰｂよりすぐれており、またＰｂのように毒性がないために、Ｐｂの代替材料として使用する方法につき鋭意研究を行った。すなわち、本発明の目的は、オーバレイとして必要になる耐疲労性及びなじみ性を備えたＢｉ系材料を発見し、特性がすぐれたすべり軸受を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者はBi系オーバレイの硬くかつ脆いという性質はBi結晶の配向を制御することにより問題にならない程度までに軽減できることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、ライニング上にバリア層を介し又は介さずにBi又はBi合金層よりなるオーバレイ層を形成したすべり軸受であって、ランダム配向となる粉末標準試料のBi結晶−ただし完全ランダム結晶、すなわちI[hkl]＝０は除く−の｛hkl｝面のX線回折強度Rp(hkl)に対する前記オーバレイ層のBi結晶の｛hkl｝面のX線回折強度RO/L(hkl)の比率を、K(hkl)=RO/L(hkl)/Rp(hkl)と表わし、｛012｝面でのX線回折強度の比率K(012)に対する｛hkl｝面でのX線回折強度の比率K(hkl)の相対X線回折強度をI［hkl］、すなわちI［hkl］=K(hkl)/K(012)が下記条件(a)および(b)を充足することを特徴とするすべり軸受を提供するものである。
(a) ｛104｝, ｛110｝, ｛015｝, ｛113｝, ｛202｝, ｛024｝, ｛107｝, ｛116｝, ｛122｝, ｛214｝, ｛300｝面の相対X線回折強度(I［hkl］)がI［012］の0.2〜5倍(0.2I［012］≦I［hkl］≦5I［012l)である。
(b) ｛104｝, ｛110｝, ｛015｝, ｛113｝, ｛202｝, ｛024｝, ｛107｝, ｛116｝, ｛122｝, ｛214｝, ｛300｝面の相対X線回折強度(I［hkl］)がI［012］の0.5倍以上2倍以下(0.5I［012］≦I［hkl］≦2I［012］)を満足する面(hkl)が3方位以上存在する。
｛104｝, ｛110｝, ｛015｝, ｛113｝, ｛202｝, ｛024｝, ｛107｝, ｛116｝, ｛122｝, ｛214｝, ｛300｝面を以下「{012}以外の面」という。
【０００５】
以下、本発明の限定理由を説明する。
Ｂｉは六方晶と等価な菱面体結晶である。一般に、六方晶のミラー指数は（ｈ，ｋ，ｉ，ｌ）の４けたで表される。ここでｈ，ｋ，ｉはそれぞれａ1、ａ2、ａ3軸の指数を表わし、ｌはｃ軸の指数を表わす。但しｈ＋ｋ＝−ｉの関係がＢｉ結晶では成立するので、ｉを省略し、（ｈｋｌ）の３けたで表わす。
本発明のＢｉもしくはＢｉ合金層（これらの組成の説明以外では「Ｂｉ層」と総称する）は、微細粉末のように完全ランダム配向と単結晶のような特定の一方向の配向の中間の配向を有する。
【０００６】
また、配向性は次のように評価する。
まず粉末のように、完全ランダム配向のBi結晶各面のX線回折強度Rp(hkl)を求め、同じくオーバレイのBi結晶各面のX線回折強度RO/L(hkl)を求め、これらの比率K(hkl)=RO/L(hkl)/Rp(hkl)を計算する。するとK(hkl)＞1ならばオーバレイのBi結晶の(hkl)面が配向しているとの知見が得られる。
次にK(hkl)を求めるBi結晶の格子面を｛012｝面と、｛012｝面以外の(hkl)面とし、この大小を比率I［hkl］=K(hkl)/K(012)として計算すると、仮にI［hkl］≡0が得られたならば｛012｝単結晶となり、I［hkl］＞＞1が得られたならば(hkl)面に強く配向しているとの知見が得られる。また、微細粉末試料のように、Bi結晶がランダムであり完全に配向していない場合はK(012)=1、K(hkl)=1であるので、すべての(hkl)面に関しI［hkl］が1になる。すなわち、幾つかの面方位ではI［hkl］=1でも1以外となる面方位のある場合は完全にランダム配向とはならず、特定の配向をしており、全方位についてI［hkl］=1であるとランダム配向になる。本発明ではI［hkl］≡0となる{012}単結晶と完全ランダム配向のオーバレイは特性がすぐれないので除外し、さらに以下述べるように特定面への強い配向も除外している。
【０００７】
条件(a)、(b)においてI［hkl］を用いてK(hkl)とK(012)を比較している。これに対し、例えば条件K(hkl)≧nを設定することによって、K(hkl)のみで配向を評価すると、トライボ特性上重要な｛012｝面に対して他の面の配向程度を規制することが難しくなる。そこで、条件(a)では、0.2I［012］≦I［hkl］≦5I［012］と強度を｛012｝面を基準として一定範囲に制限する。これに対してI［hkl］>5 I［012］であると｛012｝面以外の面の配向が強くなり、またI［hkl］<0.2I［012］であると{012}面の配向が強くなり、何れの場合でもオーバレイとしての性能はすぐれない。好ましくは、0.5I［012］≦I［hkl］≦2I［012］であり、上記(a)条件に加えて(b)条件のようにI[012]に対して0.5倍以上2倍以下の強度で優先配向する面方位の個数を三方位以上と規定することにより｛012｝面以外にも三方位以上の過剰な配向を抑制するようにしている。このように(a)および(b)を充足することによって、Biのもっている脆さを克服することができる。
【００１０】
Ｂｉめっきの結晶粒は１０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下である。結晶粒が１０μｍを超えると耐疲労性が低下し、オーバレイとして好ましくない。またオーバレイの厚さは好ましくは２〜２０μｍであり、より好ましくは５〜１２μｍである。
【００１１】
本発明においては、オーバレイはＢｉ合金であってもよく、合金元素してはＳｎ，Ｉｎ，Ｓｂなどを総量で５重量％以下含有させることができる。これらの添加成分はＰｂ系オーバレイの添加成分として公知であるが、Ｂｉ系合金においてはなじみ性と耐焼付性向上に寄与する。但し、５重量％以上添加すると低融点化し、性能が低下する。
Ｃｕ系もしくはＡｌ系すべり軸受合金やＮｉバリアはそれ自身公知であり、本発明は特にそれを制約するものではなく広範囲のものを採用することができる。
【００１２】
上記のように配向を制御するためには、例えば以下のようなＢｉ電気めっき条件を採用することが好ましい。
▲１▼メタンスルホン酸浴Ａ
浴組成：メタンスルホン酸；５０〜２５０ｍｌ／リットル、メタンスルホン酸ビスマス：５０〜２５０ｍｌ／リットル、β−ナフトール：０．５〜５０ｇ／リットル
浴温度：２５℃
電流密度：０．５〜５．０Ａ／ｄｍ２
▲２▼メタンスルホン酸溶Ｂ
浴組成：メタンスルホン酸；５０〜２００ｍｌ／リットル、メタンスルホン酸ビスマス：５０〜２５０ｍｌ／リットル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル：０.５〜５０ｇ／リットル
浴温度：２５℃
電流密度：０．５〜５．０Ａ／ｄｍ２
▲３▼硫酸浴
浴組成：硫酸；５０〜１２０ｍｌ／リットル、硝酸ビスマス：５〜３０ｇ／リットル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル：０．５〜５０ｇ／リットル、
浴温度：２５℃
電流密度：０．５〜５．０Ａ／ｄｍ２
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
【００１３】
【実施例】
以下説明する実施例において調製したすべり軸受は以下の構造のものである。
裏金：鋼板（ＳＰＣＣ，厚さ１ｍｍ）
すべり軸受：Ｃｕ−Ｓｎ−Ａｇ合金（欧州特許公開公報０７９５６９３ＡＬ）
Ｎｉバリア：使用しない
オーバレイ：厚さ６μｍの純Ｂｉ
【００１４】
試験条件は以下のとおりであった。
試験機：往復動荷重試験機（図１参照）
滑り速度：６．６ｍ／秒（３０００ｒｐｍ，図２参照）
軸受面圧：荷重漸増（図２参照）
軸受寸法：φ４２ｍｍ×ｗ１７ｍｍ
軸材質：Ｓ５５Ｃ（焼入れ）
潤滑油種：７．５Ｗ−３０ＳＥ
給油温度：１２０℃
試験時間：２５ｈ
【００１５】
往復動荷重試験機を示す図１において、１は試験軸受、２はシャフト４を保持する軸受、３はコネクティングロッド、４は相手軸であるシャフト、４ａは給油路である。なお、試験軸受１とシャフト４は片当りとなるように装着した。この試験では、初期のなじみ性が不良であると疲労が発生し、また初期なじみ性が良好でもオーバレイ自体の材料特性が不良であると容易に焼付に至るとの判定結果を得ることができる。
【００１６】
実施例1〜3及び比較例4〜6のBiめっき層及びBi粉末をX線回折(Cukα線)して求めたI［hkl］を図3(表1)に示す。したがって、（012）面と等価な（024）面の回折強度は前者に対する比率で示されている。この場合結晶学的にはI［024］=I［012］となるが、X線の侵入深さ等の影響で高次のミラー指数面の回折強度は低く現れる傾向がある等のためにI［024］≦I［012］となっている。これらの事実を念頭において、表1の結果を検討すると次のようなことが分かる。
(イ) 実施例も比較例も完全ランダム方位ではなく、単結晶でもない。
(ロ) 比較例5はＩ[104]が5.22と強く配向しているが、実施例1〜3ではこのような強い配向はない。
(ハ) 比較例4ではI［104］、I［113］、I［202］、I［116］、I［122］及びI［214］が非常に小さくなっているために、｛012｝の配向が相対的に強くなっている。比較例5ではI［104］とI［300］がI［012］に対して5倍を超えているが、他の面の強度は低く、このめっき層は｛104｝と｛300｝の二つの面方位に優先配向している。
(ニ) 実施例1〜3は上記条件(a)および(b)を満足している。すなわち、特定の面への配向が非常に強くないので(a)が充足され、さらに(b)による優先配向面も3以上と適切であり、特定方位の面だけが優先配向していないことが分かる。なお、表1では｛012｝のうち（012）の強度を1として計算しているが、等価な(024)の強度を1として計算しても同様の結果が得られる。
【００１７】
実施例１のめっき表面組織を図４に、Ｘ線回折図（粉末強度を基準とする換算前の図）を図５に示し、また比較例４のめっき表面組織を図６に、Ｘ線回折図（粉末強度を基準とする換算前の図）を図７に示し、また比較例６のめっき表面組織を図８に示した。めっき層の結晶粒径は実施例１が２．８μｍ、比較例４が５．８μｍ、比較例６が１０．６μｍであった。
試験の結果を図３（表１）及び図９に示す。なお、疲労発生率評価の基準として常用のＰｂ系オーバレイ（Ｓｎ１０％，Ｉｎ１０％の例を示す）の比較例を図９に示す。これらの図より本発明の実施例１〜３は比較例４〜６より耐疲労性及び耐焼付性がすぐれており、Ｐｂ系オーバレイと同等の性能であることが明らかである。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるとＢｉをオーバレイとして使用し、従来のＰｂ系オーバレイを代替することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  往復動荷重試験機の模式図である。
【図２】  往復動荷重試験機の試験パターンを示すグラフである。
【図３】  実施例及び比較例におけるめっき層のミラー面指数、結晶粒径及び軸受供試材の試験結果を示す図表（表１）である。
【図４】  実施例１のめっき表面組織を示す写真である。
【図５】  実施例１のめっき層のＸ線回折像である。
【図６】  比較例４のめっき表面組織を示す写真である。
【図７】  比較例４のめっき層のＸ線回折像である。
【図８】  比較例６のめっき表面組織を示す写真である。
【図９】  実施例及び比較例の疲労発生率を示すグラフである。
【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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【図９】
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