JP3052010B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は摺動部材、特に、相手部
材との摺動面を持つ合金製表面層を備えた摺動部材に関
する。

【０００２】

【従来の技術】本発明者等は、この種摺動部材として、
前記表面層を、その摺動特性を向上させるべく、Ｐｂ−
Ｓｎ系合金の柱状晶より構成したすべり軸受を開発し
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記摺動部
材を基本として、それをさらに発展させることにより、
部材本体に対する表面層の剥離強度および摺動面に沿う
面内における表面層の引張強さを向上させることができ
るようにした前記摺動部材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】本発明は、相手部材との
摺動面を持つ合金製表面層を備えた摺動部材において、
前記表面層は、分散状態で存在する複数の柱状晶と、そ
れら柱状晶間を埋める粒状晶の集合体とを有し、前記柱
状晶は、角錐体状先端部を前記集合体から突出させた柱
状晶および角錐台状先端部を前記集合体から突出させた
柱状晶の少なくとも一方であることを特徴とする。

【０００５】

【実施例】図１，図２において、摺動部材としてのすべ
り軸受１は、エンジンにおけるクランクシャフトのジャ
ーナル部、コンロッドの大端部等に適用されるもので、
第１および第２半体１₁ ，１₂ よりなる。両半体１₁ ，
１₂ は同一構造を有し、部材本体としての基板２と、そ
の基板２の内周面に形成されて相手部材ｘとの摺動面３
ａを持つ合金製表面層３とを備えている。基板２は裏金
２₁ と、その裏金２₁ 表面に形成されて表面層３を支持
するライニング層２₂ とよりなる。裏金２₁ およびライ
ニング層２₂ 間にはＣｕメッキ層が、またライニング層
２₂ および表面層３間にはＮｉメッキバリヤ層がそれぞ
れ必要に応じて設けられる。

【０００６】裏金２₁ は圧延鋼板より構成され、その厚
さはすべり軸受１の設定厚さにより決められる。ライニ
ング層２₂ はＣｕ、Ｃｕ系合金、Ａｌ、Ａｌ系合金等よ
り構成され、その厚さは５０〜５００μｍ、通常は、３
００μｍ程度である。表面層３はＰｂ合金より構成さ
れ、その厚さは５〜５０μｍ、通常は、２０μｍ程度で
ある。

【０００７】表面層３を構成するＰｂ合金は、８０〜９
７重量％のＰｂと、３〜２０重量％のＳｎとを含有し、
必要に応じてＣｕ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｔｌ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｎ
ｉ、Ｃｄ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｂａから選択され
る少なくとも一種を１０重量％以下含有する。

【０００８】Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｎは表面層３の硬さを向上
させる機能を有するが、その含有量が１０重量％を上回
ると、硬さが高くなり過ぎて初期なじみ性が低下する。
Ｃｕ等を添加する場合には、表面層３の硬さＨｍｖが１
５〜２５になるように、その含有量を調整するのが望ま
しい。

【０００９】Ｉｎ、Ａｇ、Ｔｌ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ｔ
ｅ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｂａは、表面層３を軟化して初期なじ
み性を改善する機能を有するが、その含有量が１０重量
％を上回ると、表面層３の強度が低下する。Ｉｎ等を添
加する場合には、表面層３の硬さＨｍｖが８〜１５にな
るように、その含有量を調整するのが望ましい。

【００１０】表面層３は、電気メッキ法により形成され
るもので、メッキ液としては、例えば１リットル当り４
０〜１８０ｇのＰｂ²⁺、１リットル当り１．５〜３５ｇ
のＳｎ²⁺、必要に応じて１リットル当り１５ｇ以下のＣ
ｕ²⁺を含むホウフッ化系メッキ液が用いられる。またメ
ッキ液の温度は１０〜３５℃、陰極電流密度は３〜１５
Ａ／ｄｍ² にそれぞれ設定される。

【００１１】図３（ａ）は、摺動面３ａにおけるＰｂ合
金の結晶構造を示す電子顕微鏡写真（10,000倍）であ
り、同図（ｂ）は（ａ）の要部概略図である。図４
（ａ）は、表面層３を縦断した場合におけるＰｂ合金の
結晶構造を示す電子顕微鏡写真（5,000 倍）であり、同
図（ｂ）は（ａ）の要部概略図である。表面層３は８重
量％のＳｎと、２重量％のＣｕとを含有するＰｂ合金よ
りなる。その表面層３はＣｕ合金製ライニング層２₂ 上
に形成され、表面層３を形成する際の電気メッキ処理に
おける陰極電流密度は４Ａ／ｄｍ² に設定された。

【００１２】図２〜図４に明示するように、表面層３
は、ライニング層２₂より分散状態で延出する複数の柱
状晶４₁ と、それら柱状晶４₁ 間を埋める粒状晶の緻密
な集合体５とよりなる。各柱状晶４₁ は集合体５から突
出する四角錐体状先端部（角錐体状先端部）６を有す
る。

【００１３】摺動面３ａにおける柱状晶４₁ の面積率は
６０％以下に設定され、図３の例では６０％である。こ
の面積率は、表面層３における柱状晶４₁ の存在率に略
匹敵する。また集合体５を形成する粒状晶の粒径は０．
５〜３μｍ、集合体５の密度は８０％以上が適当であ
る。

【００１４】図５は、柱状晶４₁ のＸ線回折図であり、
ミラー指数で（２００）面および（４００）面の回折ピ
ークのみが認められる。

【００１５】ここで、結晶面の配向性を表わす指数とし
て配向指数Ｏｅを、 （ただし、ｈｋｌはミラー指数、Ｉｈｋｌは（ｈｋｌ）
面の積分強度、ΣＩｈｋｌはＩｈｋｌの総和）と定義す
ると、或（ｈｋｌ）面において、その配向指数Ｏｅが１
００％に近ければ近いほど、その（ｈｋｌ）面と直交す
る方向へ配向した結晶面が多いことになる。

【００１６】前記Ｐｂ合金結晶の（２００）面および
（４００）面における積分強度Ｉｈｋｌおよび配向指数
Ｏｅは表１の通りである。

【００１７】

【表１】 表１より、Ｐｂ合金結晶の（ｈ００）面における配向指
数Ｏｅは１００％であり、したがってＰｂ合金結晶は、
結晶軸ａ，ｂ，ｃにおいて各軸方向に配向した結晶面、
即ち（ｈ００）面を持つことになる。

【００１８】柱状晶４₁ は傾く場合があり、その傾き角
θは次のように設定される。即ち、図６に示すように四
角錐体状先端部６の底面側に、その先端部６を突出させ
て摺動面３ａに沿う仮想面Ａを規定し、また四角錐体状
先端部６の頂点ｂと底面中央部ｃを通る直線ｄが、底面
中央部ｃを通り仮想面Ａに垂直な基準線ｅに対してなす
傾き角をθと規定したとき、柱状晶４₁ の傾き角θは０
°≦θ≦３０°に設定される。傾き角θが、θ＞３０°
になると、（ｈ００）面以外の結晶面が回折される。

【００１９】前記のように、結晶面を（ｈ００）面と直
交する方向に配向させると、Ｐｂ合金の結晶構造が面心
立方構造であることから、配向方向における原子密度が
高くなるので、柱状晶４₁ の硬度が増大する。

【００２０】図７は、集合部５のＸ線回折図である。本
図からは特定の結晶面への配向は認められない。種々の
（ｈｋｌ）面における積分強度Ｉｈｋｌおよび配向指数
Ｏｅは表２の通りである。

【００２１】

【表２】 図７および表２から、集合体５は、結晶面がランダムに
配向した粒状晶より構成されていることが判る。

【００２２】表面層３を前記のように構成すると、摺動
面３ａにおける四角錐体状先端部６を優先的に摩耗させ
て初期なじみ性を良好にすることができ、また四角錐体
状先端部６の存在により摺動面３ａの表面積を拡大し
て、表面層３に十分な保油性を持たせることができる。
これにより、摺動開始初期において、表面層３の耐焼付
き性を向上させることができる。

【００２３】また、粒状晶が緻密な集合体５を形成して
いること、四角錐体状先端部６の摩耗で生じた平坦面と
相手部材との間に油膜が形成されること、および柱状晶
４₁ の（ｈ００）面における配向指数Ｏｅが高いこと等
により、摺動開始初期経過後において表面層３は優れた
耐摩耗性を発揮する。

【００２４】このように、（ｈ００）面配向の柱状晶４
₁ は、表面層３の摺動特性を向上させるために大いに寄
与するものである。

【００２５】図８（ａ）は、摺動面３ａにおける柱状晶
４₁ の面積率と表面層３の剥離強度との関係を示す。

【００２６】剥離強度は、剥離幅を測定することにより
判断されたもので、その剥離幅の測定は、図８（ｂ）に
示すように、表面層３に碁盤目状に切れ目ｆを入れる、
１８０℃にて６時間加熱した後水中で冷却し、これを１
サイクルとして５サイクル繰返す、超音波キャビティシ
ョンを行う、といった各操作後、表面層３の切れ目ｆで
囲まれた部分ｇがライニング層２₂ から剥離していると
き、切れ目ｆから密着部ｈまでの距離を測定して、その
最大距離を剥離幅ｋとした。

【００２７】図９（ａ）は、摺動面３ａにおける柱状晶
４₁ の面積率と表面層３の引張強さとの関係を示す。

【００２８】引張テストは、次のような条件下で行われ
た。図９（ｂ）はテストピース７を示し、そのテストピ
ース７の寸法は、全長Ｌ₁ ＝５０mm、両端部の幅Ｗ₁ ＝
１０．５mm、肩部間の長さＬ₂ ＝３２mm、平行部の長さ
Ｌ₃ ＝３２mm、平行部の幅Ｗ₂ ＝６mm、厚さ２０μｍで
ある。このような箔状テストピース７は、それと同一寸
法のステンレス板に電気メッキ処理を施すことによっ
て、前記表面層３と同一構成のテストピースを形成し、
次いでテストピース７をステンレス板から剥離する、と
いった方法により製作された。テスト条件は、室温下、
引張速度２０mm／min である。

【００２９】図８（ａ），図９（ａ）から明らかなよう
に、摺動面３ａにおける柱状晶４₁ の面積率を６０％以
下に設定することによって、表面層３の剥離強度および
引張強さを向上させることができる。摺動面３ａにおけ
る柱状晶４₁ の面積率は好ましくは５０％以下である。

【００３０】このような効果が得られる理由は次の通り
である。即ち、ライニング層２₂ に対する柱状晶４₁ の
密着強度および柱状晶４₁ 相互間の接合強度は、粒状晶
の集合体５に比べてやや劣るが、表面層３を、柱状晶４
₁ と粒状晶の集合体５とよりなる複合構造に構成する
と、前記密着強度および接合強度に対する柱状晶４₁ の
影響を緩和することができるものである。

【００３１】図１０は、表面層３において、柱状晶４₂
が四角錐台状先端部（角錐台状先端部）８を有する場合
を示す。表面層３は、四角錐体状先端部６を有する柱状
晶４₁ および四角錐台状先端部８を有する柱状晶４₂ を
備えていてもよい。

【００３２】これらの場合、摺動面３ａの少なくとも一
部が四角錐台状先端部８の上底面ｍより形成されること
から、摺動開始初期より相手部材ｘと上底面ｍとの間に
油膜を形成させて初期なじみ性を良好にすると共に安定
化させることができる。

【００３３】複数の柱状晶４₁ ，４₂ と粒状晶の集合体
５とよりなる複合領域が摺動面３ａの一部を形成する、
即ち、複合領域が分散状態で存在するものも本発明に包
含される。この場合、摺動面３ａにおける複合領域の面
積率は５０％以上に設定される。

【００３４】柱状晶４₂ が四角錐台状先端部８を持つ場
合の傾き角θは、図１０に示すように、上底面中央部ｎ
および下底面中央部ｐを通る直線ｒと下底面中央部ｐを
通り仮想面Ａに垂直な基準線ｅとがなす角度として規定
される。この場合にも、傾き角θは、０°≦θ≦３０°
に設定される。

【００３５】前記実施例では、表面層を電気メッキ法に
より形成したが、その他の表面層形成方法としては、Ｐ
ＶＤ、イオンプレーティング、ＣＶＤ、スパッタリング
等の気相を介する形成方法を挙げることができる。

【００３６】本発明はすべり軸受に限らず、他の摺動部
材にも適用される。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、表面層の構造を前記の
ように特定することによって、表面層の優れた摺動特性
を損うことなく、その剥離強度および引張強さを向上さ
せた摺動部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】すべり軸受の分解平面図である。

【図２】図１の２−２線断面図である。

【図３】（ａ）は摺動面におけるＰｂ合金の結晶構造を
示す顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）の要部概略図で
ある。

【図４】（ａ）は表面層を縦断した場合におけるＰｂ合
金の結晶構造を示す顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）
の要部概略図である。

【図５】Ｐｂ合金よりなる柱状晶のＸ線回折図である。

【図６】柱状晶の傾き角測定法を示す説明図である。

【図７】Ｐｂ合金の粒状晶よりなる集合体のＸ線回折図
である。

【図８】（ａ）は摺動面における柱状晶の面積率と表面
層の剥離幅との関係を示すグラフであり、（ｂ）は剥離
テストの説明図である。

【図９】（ａ）は摺動面における柱状晶の面積率と表面
層の引張強さとの関係を示すグラフであり、（ｂ）はテ
ストピースの平面図である。

【図１０】柱状晶の他例における傾き角測定法を示す説
明図である。

【符号の説明】

１ すべり軸受（摺動部材） ３ 表面層 ３ａ 摺動面 ４₁ ，４₂ 柱状晶 ５ 集合体 ６ 四角錐体状先端部（角錐体状先端部） ８ 四角錐台状先端部（角錐台状先端部） ｘ 相手部材

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−17897（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16C 33/12 F16C 33/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相手部材（ｘ）との摺動面（３ａ）を持
   つ合金製表面層（３）を備えた摺動部材において、前記
   表面層（３）は、分散状態で存在する複数の柱状晶（４
   ₁ ，４₂ ）と、それら柱状晶（４₁ ，４₂ ）間を埋める
   粒状晶の集合体（５）とを有し、前記柱状晶（４ ₁ ，４
   ₂ ）は、角錐体状先端部（６）を前記集合体（５）から
   突出させた柱状晶（４ ₁ ）および角錐台状先端部（８）
   を前記集合体（５）から突出させた柱状晶（４ ₂ ）の少
   なくとも一方であることを特徴とする摺動部材。