JP3570607B2

JP3570607B2 - 摺動部材

Info

Publication number: JP3570607B2
Application number: JP06343798A
Authority: JP
Inventors: 博文道岡; 良雄不破; 好男志村; 滋堀田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: JPH11257355A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は摺動部材に関し、詳しくはＰｂ（鉛）を含有しない摺動部材に関する。本発明の摺動部材は、例えば内燃機関用のすべり軸受やブッシュに好適に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジンの高出力化に伴って、クランクシャフトやコネクティングロッド等に使用されるすべり軸受には、低炭素鋼製の裏金に、初期なじみ性と高い圧縮・疲労強度とを有するケルメット合金（Ｃｕ及びＰｂを主成分とする合金）をライニングした軸受が多く用いられている。
【０００３】
この軸受では、普通、ケルメット合金表面で相手材との摺動面に電気めっき等により薄いオーバーレイ層が形成される。これは相手材とのなじみ性をさらに高める等の目的でなされるもので、オーバーレイ層には軟質なＰｂ及びＳｎを主成分とする合金が用いられる。
なお、ケルメットの耐食性を向上させたり、オーバーレイ層中のＳｎがケルメット合金中に拡散してオーバーレイ層が劣化することを防止する等の目的で、ケルメット表面に数μｍ程度の厚さのＮｉ等のめっき処理を施し、このめっき層の上にオーバーレイ層を形成することも行われている。
【０００４】
また、上記すべり軸受には、Ａｌ基でＳｎ及びＰｂ等を合金化したアルミニウム合金軸受（特開平４−２１９５２３号公報等参照）も多く用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の材料開発の動向としてＰｂフリー化の方向に進んでいる。この開発動向は上記すべり軸受等の摺動部材も例外ではない。
しかしながら、すべり軸受等の摺動部材において、摺動特性を満足させる上でＰｂは重要である。高出力エンジンのように高負荷条件部では、高い摺動特性が要求されることから、Ｐｂは特に重要である。このため、摺動面にＰｂを含有せずに、十分な摺動特性を備えた摺動部材を提供することは、きわめて困難であった。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、少なくとも摺動面にＰｂを含有せず、しかもＰｂを摺動面に含有するものと同等の摺動特性を発揮しうる摺動部材を提供することを解決すべき技術課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１記載の摺動部材は、基材と、該基材の表面で相手材との摺動面に形成された被覆層とからなる、内燃機関用の摺動部材において、上記被覆層は、Ｐｂを含有せず、かつ、Ｓｎ、Ｂｉ及びＩｎを含有し、残部がＡｇ及び不可避不純物よりなり、上記被覆層中に含まれるＳｎ、Ｂｉ及びＩｎの量は、Ｓｎが２〜２０重量％、Ｂｉが５〜２０重量％、Ｉｎが２〜１０重量％であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の摺動部材は、内燃機関用の摺動部材であって、基材と、該基材の表面で相手材との摺動面に形成された被覆層とからなるものである。
上記基材の種類としては特に限定されず、本発明の摺動部材を適用しようとする部材に応じて、鋼材、鋳鉄、鉄系焼結合金、アルミニウム合金及び銅合金等から適宜採択可能であり、これらの材料の複合材料であってもよい。但し、この基材もＰｂを含有しないことが好ましい。例えば、本発明の摺動部材を内燃機関用すべり軸受に適用する場合、鋼製裏金にＣｕ−Ｓｎ系合金層をライニングしてなる基材や、Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系合金層よりなる基材等を用いることができる。
【００１１】
上記被覆層は、基材の表面をめっき処理することにより形成されためっき皮膜であることが好ましい。被覆層がめっき皮膜であれば、密着性や皮膜強度の点で有利となるからである。このめっき処理としては、電気めっきや化学めっきなどの湿式めっきの他、イオンプレーティングやスパッタリングなどのＰＶＤ法による乾式めっきを採用することができる。なお、基材に被覆層を形成する方法として、めっき処理の他に溶射等を採用することも可能である。
【００１２】
なお、基材表面に直接被覆層を形成してもよいが、基材と被覆層との接合性や基材の耐食性を向上させる等の観点から、基材表面に中間層を形成することが好ましい。この中間層としては、Ｎｉめっき層、Ｃｏめっき層やＺｎめっき層等を採用することができる。
また上記被覆層の厚さは１．０〜３０μｍとすることが好ましい。被覆層の厚さが１．０μｍよりも薄いと、十分な摺動特性を発揮することが困難となり、一方３０μｍよりも厚いと密着性が低下して被覆層が基材表面から剥がれ易くなる。より好ましい被覆層の厚さは１０〜３０μｍである。被覆層の厚さが１０μｍ以上になると、必要ななじみ性の確保及び耐摩耗寿命の点で有利となる。
【００１３】
上記被覆層は、Ｓｎ（スズ）、Ｂｉ（ビスマス）及びＩｎ（インジウム）を含有し、残部が実質的にＡｇ（銀）及び不可避不純物よりなるものであり、この被覆層にはＰｂが含有されていない。
かかるＡｇ合金よりなる被覆層は、延性及び融点が高いというＡｇ基の特性により耐疲労性及び耐摩耗性が良好で、しかもＳｎ、ＢｉやＩｎの働きにより硬さが高過ぎることがなくなじみ性が良好で、かつ、潤滑性が良くて耐焼付き性が良好である。
【００１４】
したがって、上記Ａｇ合金よりなる被覆層が基材の表面で相手材との摺動面に形成された本発明に係る摺動部材は、少なくとも摺動面にＰｂを含有しないにもかかわらず、なじみ性、耐焼付き性、耐摩耗性及び耐疲労性の摺動特性が良好となる。
ここに、ＳｎはＡｇ合金の初期なじみ性及び耐摩耗性の向上に寄与する。上記被覆層において、Ｓｎの含有量が２重量％未満になると、硬さが高く初期なじみ性が十分でない。一方、Ｓｎの含有量が５０重量％を超えると、合金融点が大幅に低下して高温下で軟化し、耐摩耗性が不十分となる。なお、耐焼付き性の観点からＳｎの含有量の下限は９重量％とすることが特に好ましい。
【００１５】
ＢｉはＡｇ合金の初期なじみ性及び耐疲労性の向上に寄与する。上記被覆層において、Ｂｉの含有量が５重量％未満になると、硬さが高く初期なじみ性が十分でない。一方、Ｂｉの含有量が５０重量％を超えると、Ａｇが保有している特性（延性）が悪くなり、耐疲労性の低下につながる。なお、初期なじみ性の観点からＢｉの含有量の下限は１０重量％とすることが特に好ましい。
【００１６】
ＩｎはＳｎと同様の効果があり、上記被覆層において、Ｉｎの含有量が２重量％未満になると硬さが高く初期なじみ性が十分でなく、一方２８重量％を超えると、合金融点が低下して高温下で軟化し、耐摩耗性が不十分となる。なお、初期なじみ性の観点からＩｎの含有量の下限は７重量％とすることが特に好ましい。
【００１７】
ここに、Ａｇ合金中のＡｇの含有量はＡｇ基による高延性及び高融点の特性を確保する観点から５０重量％以上を確保することが好ましく、Ｓｎ、Ｂｉ及びＩｎの含有量が合計で５０重量％を超えると、延性及び耐摩耗性が低下する。このため、Ｓｎ、Ｂｉ及びＩｎの含有量は、合計で５０重量％以下とされ、Ｓｎが２〜２０重量％、Ｂｉが５〜２０重量％、Ｉｎが２〜１０重量％とされる。
【００１８】
したがって、本発明の摺動部材は内燃機関用のすべり軸受やブッシュに好適に利用することが可能となる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
［第１実施例］
鋼製裏金付きのＣｕ−Ｓｎ合金（Ｃｕ：９４．５重量％、Ｓｎ：５重量％）試験片を準備し、この試験片のＣｕ−Ｓｎ合金表面に、以下に示すように、表１に示す化学組成よりなる厚さ１０〜３０μｍの被覆層を電気めっきにより形成した。
【００２０】
【表１】
【００２１】
（参考例１〜３）
表２に示す組成よりなるめっき浴を用い、表３に示すめっき条件により電気めっきすることにより、Ａｇ−Ｓｎ合金よりなる被覆層を形成した。
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
（参考例４〜６）
表４に示す組成よりなるめっき浴を用い、めっき被覆部材を陰極にして、表５に示すめっき条件により電気めっきすることにより、Ａｇよりなる被覆層を形成した。そして、このめっき皮膜の上にさらにＢｉめっきを行った後、熱処理（１５０〜１７０℃、３０〜６０分）によりＢｉをめっき皮膜中に拡散させて表１に示す組成となるように処理することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金よりなる被覆層を形成した。
【００２４】
【表４】
【００２５】
【表５】
（参考例７、８）
まず、参考例４〜６と同様に表３に示す組成よりなるめっき浴を用い、めっき被覆部材を陰極にして、表４に示すめっき条件により電気めっきすることにより、Ａｇよりなる被覆層を形成した。そして、このめっき皮膜の上にさらにＩｎめっきを行った後、熱処理（１５０〜１７０℃、３０〜６０分）によりＩｎをめっき皮膜中に拡散させて表１に示す組成となるように処理することにより、Ａｇ−Ｉｎ合金よりなる被覆層を形成した。
【００２６】
（参考例９）
まず、参考例１〜３と同様に表２に示す組成よりなるめっき浴を用い、表３に示すめっき条件により電気めっきすることにより、Ａｇ−Ｓｎ合金よりなる被覆層を形成した。そして、このめっき皮膜の上にさらにＩｎめっきを行った後、熱処理（１５０〜１７０℃、３０〜６０分）によりＩｎをめっき皮膜中に拡散させて表１に示す組成となるように処理することにより、Ａｇ−Ｓｎ−Ｉｎ合金よりなる被覆層を形成した。
【００２７】
（参考例１０）
まず、参考例１〜３と同様に表２に示す組成よりなるめっき浴を用い、表３に示すめっき条件により電気めっきすることにより、Ａｇ−Ｓｎ合金よりなる被覆層を形成した。そして、このめっき皮膜の上にさらにＢｉめっきを行った後、熱処理（１５０〜１７０℃、３０〜６０分）によりＢｉをめっき皮膜中に拡散させて表１に示す組成となるように処理することにより、Ａｇ−Ｓｎ−Ｂｉ合金よりなる被覆層を形成した。
【００２８】
（実施例１１、１２）
まず、参考例１０と同様にＡｇ−Ｓｎ−Ｂｉ合金よりなる被覆層を形成した。
そして、このめっき皮膜の上にさらにＩｎめっきを行った後、熱処理によりＩｎをめっき皮膜中に拡散させて表１に示す組成となるように処理することにより、Ａｇ−Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金よりなる被覆層を形成した。
【００２９】
（比較例１）
ホウフッ化浴よりなるめっき液を用い、めっき液温度２０〜３０℃、電流密度２〜５Ａ／ｄｍ^２の条件でめっき処理することにより、Ｐｂ−Ｓｎ合金よりなる被覆層を形成した。
（比較例２）
ホウフッ化浴よりなるめっき液を用い、めっき液温度２０〜３０℃、電流密度２〜５Ａ／ｄｍ^２の条件で、まずＰｂ−Ｓｎ合金めっき処理をし、さらにその上にＩｎめっきをし熱処理することにより、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｉｎ合金よりなる被覆層を形成した。
【００３０】
（比較例３）
表４に示す組成よりなるめっき浴を用い、めっき被覆部材を陰極にして、表５に示すめっき条件により電気めっきすることにより、純Ａｇよりなる被覆層を形成した。
（比較例４）
ホウフッ化浴よりなるめっき液を用い、めっき液温度２０〜３０℃、電流密度２〜５Ａ／ｄｍ^２の条件でめっき処理することにより、Ｓｎよりなる被覆層を形成した。
【００３１】
なお、上記比較例４に係る被覆層は、一部のすべり軸受のオーバーレイ層として、現在用いられている合金層である。
（硬さの評価）
上記参考例１〜１０、実施例１１、１２及び比較例１〜４の被覆層の硬さをマイクロビッカース硬度計により測定した。その結果を表６及び図１に示す。
【００３２】
（摩擦摩耗特性の評価）
上記参考例１〜１０、実施例１１、１２及び比較例１〜４の被覆層を摺動面に形成したφ７ｍｍ×Ｌ１２ｍｍのピンよりなる試験片について、摩擦摩耗試験を行った。その結果を表６及び図２、図４に示す。なお、試験条件は以下のとおりである。
（耐焼付き性の評価）
上記参考例１〜１０、実施例１１、１２及び比較例１〜４の被覆層を摺動面に形成した３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ２ｍｍのプレート（摺動面３０ｍｍ×３０ｍｍ）よりなる試験片について、焼付き試験を行った。その結果を表６及び図３に示す。なお、試験条件は以下のとおりである。
【００３３】
【００３４】
【表６】
【００３５】
表６及び図１〜図４から明らかなように、参考例１〜１０、実施例１１、１２は、比較例１、２及び４と比べて硬さが高くなっているが、比較例３（純Ａｇめっき）よりは硬さが低くなっている。そして、参考例１〜１０、実施例１１、１２は、硬さが高いわりに摩擦係数が低めで、参考例１〜１０、実施例１１、１２の摩擦係数は比較例のものと近い値を示している。
また、比較例１及び２のＰｂをベースにしたものでは、焼付き試験中に被覆層が摩耗して低荷重で焼き付きに至るのに対し、参考例１〜１０、実施例１１、１２は全て比較例１及び２よりも優れた耐焼付き性を示すとともに耐摩耗性も大幅に優れていた。
【００３６】
また、純Ａｇめっきの比較例３では、オーバーレイとしては非常に硬く、耐摩耗性には優れているが、なじみ性が不十分なため焼付き荷重が低いのに対し、参考例１〜１０、実施例１１、１２ではなじみ性及び耐摩耗性の双方が非常に高く、なじみ性及び耐摩耗性の両立が図られていた。
［第２実施例］
本実施例は本発明の摺動部材を内燃機関用すべり軸受に適用したものである。
【００３７】
図５に示すように、鋼製裏金１に、外径４８ｍｍ、肉厚１．５ｍｍのＣｕ−Ｓｎ合金層（Ｃｕ：９４．５重量％、Ｓｎ：５重量％）２をライニングしてなる基材を準備した。この基材のＣｕ−Ｓｎ合金層２の表面、すなわち相手材との摺動面に１．５μｍの厚さのＮｉめっき層２’を形成した。なお、このときのめっき条件は、めっき液：ワット浴、めっき液温度：５０℃、電流密度：６Ａ／ｄｍ^２である。
【００３８】
そして、このＮｉめっき層２’の表面に、前記第１実施例と同様の方法により被覆層３を形成して、すべり軸受を作製した。
第１実施例で示した参考例１〜１０、実施例１１、１２及び比較例１〜４の被覆層を上記すべり軸受の被覆層３に適用したものについて、軸受単体試験を行った。その結果を図６に示す。なお、試験条件は以下のとおりである。
【００３９】
試験装置：静荷重軸受試験機
回転数：５０００ｒｐｍ（周速：１２．５ｍ／ｓ）
潤滑油：ＳＡＥ１０Ｗ−３０
給油量：０．１リットル／分
給油温度：１００℃
相手材：炭素鋼（Ｓ５０Ｃ、Ｈｖ：６００、表面粗さ：０．８μｍＲｚ）
図６から明らかなように、すべり軸受の表面で相手材との摺動面に本発明に係る被覆層を形成することにより、Ｐｂをベースとした比較例１及び２、純Ａｇの比較例３並びに純Ｓｎの４よりも優れた軸受性能（焼付き特性）を発揮させることができた。
【００４０】
また、純Ａｇの比較例３では、なじみ性が悪く、所定の試験条件に達する前に焼付きが発生し、試験できなかったものがあった（図６にはうまく試験できたもののデータを示す）のに対し、本実施例では試験初期に焼付きが発生するものは無かった。
なお、上記実施例では、電気めっきにより被覆層を形成した場合の結果を示したが、ＰＶＤ等の気相めっき法で被覆層を形成した場合も同様の結果が得られることを確認した。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の摺動部材は、摺動面にＰｂを含有しないものであるが、摺動面にＰｂ含有するものと同等以上の摺動特性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係り、被覆層の硬さの測定結果を示す棒グラフである。
【図２】第１実施例に係り、被覆層の摩擦係数の評価結果を示す棒グラフである。
【図３】第１実施例に係り、被覆層の耐焼付き性の評価結果を示す棒グラフである。
【図４】第１実施例に係り、被覆層の耐摩耗性の評価結果を示す棒グラフである。
【図５】第２実施例に係り、すべり軸受の一部断面図である。
【図６】第２実施例に係り、被覆層の耐焼付き性の評価結果を示す棒グラフである。
【符号の説明】
１…鋼製裏金、２…Ｃｕ−Ｓｎ合金層、２’…Ｎｉめっき層、３…被覆層

Claims

基材と、該基材の表面で相手材との摺動面に形成された被覆層とからなる、内燃機関用の摺動部材において、
上記被覆層は、Ｐｂを含有せず、かつ、Ｓｎ、Ｂｉ及びＩｎを含有し、残部がＡｇ及び不可避不純物よりなり、
上記被覆層中に含まれるＳｎ、Ｂｉ及びＩｎの量は、Ｓｎが２〜２０重量％、Ｂｉが５〜２０重量％、Ｉｎが２〜１０重量％であることを特徴とする摺動部材。