(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅合金層上にオーバレイ層が形成されている摺動部材において、前記銅合金層中に含まれる第２相成分が、該銅合金層と前記オーバレイ層との界面に存在していないことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記第２相成分が、ＢｉあるいはＰｂであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記銅合金層中に含まれる前記第２相成分の含有量が、１〜２０質量％であることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばエンジン等に設けられるすべり軸受やブッシュ等に好適な摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジンの高出力化に伴い、クランクシャフトやコネクティングロッド等に組み込まれるすべり軸受には、低炭素鋼等からなる裏金上に、相手材であるシャフトとの初期なじみ性や非焼き付き性、あるいは耐疲労性等の摺動特性に優れた銅合金層を形成した板状の軸受メタルが多く用いられている。通常、銅合金層中には、固体潤滑材としてＢｉやＰｂ等の第２相成分が配合されている。
【０００３】
この種の軸受メタルには、図３に示すように、裏金１上に形成された銅合金層２のさらに上に、オーバレイ層３と呼ばれる薄い金属層が主にめっきすることによって形成される場合がある。このような３層構造の軸受メタルによれば、オーバレイ層にシャフトを摺動させることにより、上記摺動特性のうち、特になじみ性や非焼き付き性が一層向上するとされている。
【０００４】
オーバレイ層の成分としては、上記第２相成分と同様で、ＢｉやＰｂ単独、あるいはＢｉやＰｂを主成分とする合金が用いられ、オーバレイ層の表面をより安定化させるために数μｍの厚さのニッケルめっき層を形成することも行われている。また、最近では、ＰＡＩ樹脂（ポリアミドイミド）に二硫化モリブデンを混合させた材料によってオーバレイ層を形成したものもある。いずれのオーバレイ層の場合も、下地となる銅合金層との接合力が強固であることが求められることは言うまでもない。
【０００５】
上記のようにオーバレイ層にＢｉを主成分とするＢｉ合金が用いられているものとしては、例えば、特許文献１で知られるが、同文献に記載される発明においては、下地のＣｕ−Ｓｎ合金には第２相成分が含まれていないことから、オーバレイ層が摩耗して下地が露出するとシャフトとの焼き付きが懸念される。したがってこのような軸受メタルでは、潤滑成分を含ませるなどの焼き付き防止対策を施すことが必須となる。下地の銅合金層中にＢｉを含有させる例は特許文献２に記載されており、これによると優れた非焼き付き性を有するとされている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−５０２９６号公報
【特許文献２】特許第３４２１７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
オーバレイ層を銅合金層上に形成するにあたっては、一般に、銅合金層の表面を切削加工して一定の粗さ以下に平坦に仕上げた後、その仕上げ面にオーバレイ層をめっきするといった過程が採られている。ここで、銅合金層の表面を切削加工した際には、図４（ａ）に示すように銅合金層２中に含まれていて表面に表出している比較的軟質な第２相成分Ｂが、図４（ｂ）に示すように切削工具によって押し伸ばされ、銅合金層２の表面に薄く付着するといった現象が生じる。第２相成分Ｂは銅合金層２中に、固溶していない粒子の状態で分散しており、表面にも表出しているのである。図４（ｂ）では、矢印が切削工具の移動する切削方向を示している。
【０００８】
このように第２相成分Ｂが銅合金層２の表面に広がった状態で、図４（ｃ）に示すようにオーバレイ層３が形成されると、第２相成分Ｂが銅合金層２とオーバレイ層３との界面に存在した状態になる。第２相成分Ｂに対するオーバレイ層３の接合力は元来それほど強くはないため、切削加工によって第２相成分Ｂが銅合金層２の表面に延伸して界面における第２相成分Ｂの面積が増えると、それだけ接合力が不十分となる度合いが大きくなってしまう。このように接合力が不十分な部分を有するオーバレイ層を含んだままであると、オーバレイ層が銅合金層から剥離しやすく、特に、近年の高出力型エンジン等のように高温かつ高面圧といったような苛酷な条件下では、高速で摺動回転するシャフト表面の接線力によってオーバレイ層が容易に剥離し、焼き付きに至ることが推測される。
【０００９】
よって本発明は、第２相成分を含む銅合金層に対するオーバレイ層の接合力の大幅な向上が図られ、なじみ性は勿論のこと、特に、非焼き付き性および耐疲労性に優れた摺動部材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の摺動部材は、銅合金層上にオーバレイ層が形成されている摺動部材において、前記銅合金層中に含まれる第２相成分が、該銅合金層と前記オーバレイ層との界面に存在していないことを特徴としている。
【００１１】
本発明によれば、オーバレイ層との接合力を不十分とする第２相成分が、銅合金層とオーバレイ層との界面に存在していないため、オーバレイ層は、銅合金層に対する接合面の全面が銅合金層の基地のみに接合した状態となる。したがって第２相成分を含む銅合金層に対するオーバレイ層の接合力の大幅な向上が図られ、非焼き付き性および耐疲労性に優れたものとなる。
【００１２】
銅合金層とオーバレイ層との界面に第２相成分が存在していない状態を得るには、例えば、銅合金層上にオーバレイ層をめっきで形成する前に、めっきの前処理の酸洗工程で電解処理を行った後、超音波をかける水洗工程を経ることにより、図４（ａ）に示したような第２相成分Ｂを銅合金層２の表面から剥離させることができる。このようにして第２相成分を除去した銅合金層の表面にオーバレイ層をめっきによって形成することにより、銅合金層とオーバレイ層との界面に第２相成分が存在していない状態を得ることができる。
【００１３】
第２相成分が除去された銅合金層の表面には、第２相成分が入り込んでいた凹部（図４（ａ）の符号２ａで示す）が現れており、この凹部にオーバレイ層のめっき成分が充填され、いわゆるアンカー効果を得ることができる。これにより、銅合金層に対するオーバレイ層の接合力が一層高まるといった副次的効果も得ることができる。
【００１４】
銅合金層中に固溶しない状態で含まれる第２相成分は、オーバレイ層との界面に露出することなく粒子の状態で銅合金層の内部に分散している。オーバレイ層が摩耗して下地の銅合金層が露出すると、その露出面に相手材が摺動するようになり、やがて銅合金層中の第２相成分が表出する。その表出した第２相成分に相手材が摺動することにより、摺動特性が確保される。本発明で銅合金層中に含まれる第２相成分としては、ＢｉあるいはＰｂが挙げられる。
【００１５】
銅合金層中の第２相成分の含有量は、１質量％を下回ると、オーバレイ層が摩耗して銅合金層が露出した状態での非焼き付き性が確保されず、２０質量％を超えると銅合金層の強度を低減させる。したがって銅合金層中の第２相成分の含有量は、１〜２０質量％の範囲が好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の摺動部材によれば、下地の銅合金層とオーバレイ層との界面に銅合金層中に含まれる第２相成分が存在していないために、銅合金層に対するオーバレイ層の接合力の大幅な向上が図られ、優れた非焼き付き性および耐疲労性が発揮されるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１（ａ）は、図４（ａ）で示した銅合金層２の表面に表出していた第２相成分Ｂが除去され、表面に凹部２ａが現れた状態を示している。そして、図１（ｂ）に示すように、銅合金層２の表面に、ＢｉやＰｂ単独、あるいはＢｉやＰｂを主成分とする合金からなるオーバレイ層３が、めっきによって形成されている。銅合金層２は図示せぬ裏金の表面に形成され、裏金上に銅合金層２とオーバレイ層３が積層された３層の軸受メタル（摺動部材）として構成される。
【００１８】
軸受メタルは、表面に銅合金層２が形成された板状の裏金を、銅合金層２が内周面側になるようにプレス加工によって半割状（半円弧状）に形成し、次いで、銅合金層２上にオーバレイ層３を形成して得られる。この軸受メタルにあっては、相手材であるシャフトがオーバレイ層３に回転摺動する。
【００１９】
オーバレイ層３の下地である軸受メタル用の銅合金層２は、低炭素鋼等からなる裏金上に適宜な厚さで形成される。裏金上への銅合金層２の形成は、裏金上に銅合金粉末を散布して裏金および銅合金粉末を高温で加熱することにより拡散接合させる焼結法等によって好適に形成される。
【００２０】
銅合金層２の成分としては、例えばＣｕ−Ｂｉ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｎ等が挙げられる。また、オーバレイ層３としては、上記のようにＢｉやＰｂ単独、あるいはＢｉやＰｂを主成分とするＢｉ−Ｓｎ合金、Ｐｂ−Ｓｎ合金等が用いられる。銅合金層２にオーバレイ層３を加えた厚さは、例えば３００μｍ程度とされ、オーバレイ層３は例えば１０μｍ程度の厚さとされる。
【００２１】
銅合金層２中には、１〜２０質量％の割合で、固溶しないＢｉあるいはＰｂの粒子が第２相成分として分散している。銅合金層２の表面は、軸受メタルの形状に加工された後に切削加工されて平坦に仕上げられ、その後、オーバレイ層３が形成される。ここで、切削加工を行った後であってオーバレイ層３を形成する前に、めっき前処理と、銅合金層２の表面に表出している第２相成分の除去処理が行われる。
【００２２】
めっき前処理としては、溶剤の脱脂、水洗、アルカリ電解脱脂、水洗の各工程が、この順でなされる。そして第２相成分除去処理は、めっき前処理の後に、酸洗を電解酸洗で行った後、超音波をかけながら水洗を行うことによりなされる。このようにして表面処理を施すことにより、図１（ａ）に示すように銅合金層２の表面から第２相成分が除去され、第２相成分が入り込んでいた凹部２ａが表面に現れる。次いで、電気めっきによって銅合金層２の表面にオーバレイ層３が形成され、軸受メタルが得られる。
【００２３】
この軸受メタルにおいては、図１（ｂ）に示すように、銅合金層２とオーバレイ層３との界面に、銅合金層２中に含まれる第２相成分が存在していない。このためオーバレイ層３は、銅合金層２に対する接合面の全面が銅合金層２の基地のみに接合した状態となっている。第２相成分はオーバレイ層３との接合力を不十分にする成分であるが、本実施形態ではオーバレイ層３は第２相成分には接合していない。このため、第２相成分を含む銅合金層２に対するオーバレイ層３の接合力は大幅に向上し、その結果、優れた非焼き付き性および耐疲労性が発揮される。また、オーバレイ層３にシャフトが回転摺動するため、軸受メタル本来が備えるべきなじみ性も勿論確保されている。
【００２４】
また、第２相成分が除去された銅合金層２の表面には、第２相成分が入り込んでいた凹部２ａが現れており、この凹部２ａにオーバレイ層３のめっき成分が充填され、いわゆるアンカー効果を得ることができる。これにより、銅合金層２に対するオーバレイ層３の接合力が一層高まるといった副次的効果が奏される。
【００２５】
なお、銅合金層２を切削加工した後に、銅合金層２の表面に表出している第２相成分を除去する方法は、上記の電解酸洗に次ぐ超音波水洗といった処理には限定されず、第２相成分を除去可能であるならば、いかなる方法が採られても良い。
【実施例】
【００２６】
次に、実施例として行った試験を提示して本発明の効果を明らかにする。
［実施例１］
低炭素鋼等からなる裏金の表面にＣｕ−Ｂｉ−Ｓｎ合金からなる銅合金層を焼結によって形成し、銅合金層が内周面側になるように半割状にプレス加工した。次いで、銅合金層の表面を切削加工して平坦に仕上げた後、銅合金層の表面を、溶剤の脱脂、水洗、アルカリ電解脱脂、水洗の順でめっき前処理した。続いて、銅合金層の表面を、電解酸洗、超音波をかけながらの水洗を行って、第２相成分除去処理を施した。この後、銅合金層上にＢｉをめっきしてオーバレイ層を形成して３層構造として、実施例１の軸受メタルの試験片を得た。
【００２７】
［実施例２］
銅合金層をＣｕ−Ｐｂ−Ｓｎ合金、オーバレイ層の成分をＰｂとした以外は、実施例１と同様にして、実施例２の軸受メタルの試験片を得た。
［比較例１］
銅合金層の表面に対する第２相成分除去処理を実施しない以外は、実施例１と同様にして、比較例１の軸受メタルの試験片を得た。
［比較例２］
銅合金層の表面に対する第２相成分除去処理を実施しない以外は、実施例２と同様にして、比較例２の軸受メタルの試験片を得た。
【００２８】
上記実施例１，２および比較例１，２の試験片に対して、以下の試験を行った。
（１）接合力試験
図２に示すように、水が溜められた容器１０の底に設置した台１１に、試験片Ｐをオーバレイ層が形成されている内周面側を上に向けて保持し、水Ｗ中に没したホーン１２の先端をオーバレイ層に対して０．５ｍｍまで近付けた状態として、ホーン１２から１９０００Ｈｚの超音波を発生させた。超音波発生の時間を３分間として超音波振動をオーバレイ層に付与し、オーバレイ層が下地の銅合金層中から剥離するか否かを調査した。
【００２９】
（２）焼き付き試験
一対の試験片を円筒状の軸受部材内に嵌め込んで軸受を構成し、中炭素鋼：Ｓ４８Ｃからなるシャフトを軸受内に挿入した。そして、１００℃程度の潤滑油を５００ｃｃ／ｍｉｎの量で給油しながら、周速２０ｍ／ｓｅｃでシャフトを回転させた。そして、ラジアル荷重を１０分ごとに５ＭＰａずつ増加させる荷重増加を実施しながら、焼き付きが起こるまでシャフトを回転させ、焼き付き直前の最大面圧を測定し、比較した。
【００３０】
（３）試験結果
接合力試験では、実施例１，２ともオーバレイ層の大きな剥離は認められず、実用的に問題ないことが確かめられた。一方、比較例１，２は剥離が顕著であり、実用に供するレベルではないことが確かめられた。また、焼き付き試験では、実施例１，２と比較例１，２を比較すると、焼き付きが起こらない最大面圧は、実施例の方が比較例よりも２４％向上する数値を得た。これらの結果から、本発明は従来の場合と比べると接合力が大幅に向上したものであることが判った。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の摺動部材は、自動車用エンジンのクランクシャフトやコネクティングロッド等に組み込まれるすべり軸受等に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る摺動部材の銅合金層の断面図である。
【図２】一実施形態に係る摺動部材の断面図である。
【図３】オーバレイ層を有する３層構造の軸受メタルを示す断面図である。
【図４】従来の摺動部材の製造過程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…裏金
２…銅合金層
２ａ…凹部
３…オーバレイ層
Ｂ…第２相成分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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