JP7698675B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本実施形態は、摺動部材に関する。

従来、Ｃｕ基のライニング層の表面にオーバレイ層が設けられた摺動部材が公知である（特許文献１）。特許文献１では、ライニング層に含まれる第２相成分を、ライニング層の表面から除去することにより、ライニング層とオーバレイ層との接合力の向上を図っている。また、オーバレイ層の安定を図るために、ライニング層の表面にＮｉの被覆層を設けることも開示されている。
しかしながら、ライニング層に含まれる第２相成分であるＢｉは、適用される機器の運転時における温度条件によっては、被覆層との界面においてＢｉ－Ｎｉ化合物を生成する。このＢｉ－Ｎｉ化合物は、ライニング層と被覆層との間の接着力の低下を招く原因となる。そのため、特許文献１のような構成を採用する場合、ライニング層の表面、すなわち被覆層と接する表面に存在するＢｉ相を徹底的に除去する必要がある。このＢｉ相の除去は、例えば酸を用いた洗浄、および超音波を照射する超音波洗浄など、長時間の洗浄を必要とし、大きな工数を必要とするという問題がある。

特開２００９－２０３５０４号公報

そこで、Ｂｉを除去するための工数を低減しつつ、ライニング層と被覆層との接着力を向上する摺動部材を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本実施形態の摺動部材は、Ｂｉ相を含むライニング層と、Ｎｉを含み、前記ライニング層の表面に設けられ、前記ライニング層との界面において一部が前記ライニング層側へ侵入した侵入部を形成している被覆層と、を備える。前記ライニング層と前記被覆層との界面を含む任意の観察領域において、前記ライニング層に含まれる前記Ｂｉ相の最大面積Ｓ１と、前記ライニング層に侵入した前記侵入部の最大面積Ｓ２との比の値Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２は、１．００≦Ｒ≦９．００である。

本実施形態の摺動部材は、Ｂｉ相の最大面積Ｓ１と侵入部の最大面積Ｓ２との比の値Ｒを設定している。洗浄などによってＢｉ相が除去されると、ライニング層は除去されたＢｉ相に対応する凹部が形成される。そのため、この除去されたＢｉ相に相当する凹部は、被覆層を形成するＮｉまたはＮｉ合金によって置換される。これにより、Ｂｉ－Ｎｉ化合物の生成は低減される。また、ライニング層にＢｉ相の一部が残存しても、Ｂｉ相の除去で形成された凹部にＮｉまたはＮｉ合金が侵入部として侵入する。そのため、凹部に侵入した侵入部は、ライニング層に食い込んだ状態となる。その結果、被覆層は、所定の形状でライニング層に引っ掛かった状態となり、Ｂｉ－Ｎｉ化合物が形成されてもライニング層からの剥離が低減される。これらにより、ライニング層に含まれるＢｉ相の洗浄が不十分であっても、ライニング層と被覆層との間の接合力は確保される。したがって、Ｂｉを除去するための工数を低減しつつ、ライニング層と被覆層との接着力を向上することができる。

一実施形態による摺動部材の断面を示す模式図 図１の観察領域を拡大した模式図 図２のIII部分を拡大した模式図 一実施形態による摺動部材の実施例および比較例の評価結果を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例の評価結果を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例の評価結果を示す概略図 一実施形態による摺動部材の実施例の評価結果を示す概略図

以下、一実施形態による摺動部材を図面に基づいて説明する。
図１に示すように摺動部材１０は、ライニング層１１および被覆層１２を備えている。摺動部材１０は、例えば円筒状または半割状に形成され、軸受装置などに用いられる。ライニング層１１は、裏金層１３の一方の端面に設けられている。また、摺動部材１０は、被覆層１２の裏金層１３と反対側に、さらにオーバレイ層１４を備えている。つまり、被覆層１２は、ライニング層１１とオーバレイ層１４との間に設けられた中間層である。オーバレイ層１４の表面は、図示しない相手材と摺動する摺動面１５を形成する。なお、摺動部材１０は、２分割した筒状の半割状に限らず、周方向へ３つ以上に分割してもよい。

ライニング層１１は、Ｃｕ基の合金で形成されている。ライニング層１１は、Ｃｕを主成分とし、Ｂｉを含んでいる。ライニング層１１は、０．１～２．０ｍａｓｓ％のＢｉを含んでいる。Ｂｉは、例えば形成されたライニング層１１の切削や研磨などの機械的な加工時において加工性の向上に寄与する。ライニング層１１は、Ｃｕ基合金に限らず、Ｓｎ基合金やＡｌ基合金であってもよい。オーバレイ層の厚さは、１０μｍ～３０μｍに設定することが好ましい。ライニング層１１の場合は、０．１ｍｍ～１．５ｍｍに設定することが好ましい。この場合、被覆層１２の厚さは、１μｍ～５μｍに設定することが好ましい。

被覆層１２は、Ｎｉで形成されている。被覆層１２は、Ｎｉ合金であってもよい。この場合、被覆層１２は、Ｎｉに３０ｍａｓｓ％以下のＣｒなどを含んでいてもよい。被覆層１２は、ライニング層１１の裏金層１３と反対側の面に例えばめっきなどによって形成される。ライニング層１１と被覆層１２との境界は、界面１６である。裏金層１３は、例えば鋼などのように、Ｆｅを主成分とする合金で形成されている。ライニング層１１と裏金層１３との間には、図示しない中間層など１つ以上の層を設けてもよい。オーバレイ層１４は、例えばＳｎまたはＳｎを主成分とする合金で形成されている。なお、オーバレイ層１４は、ＳｎまたはＳｎ基の合金ではなく、その他の元素または合金であってもよい。

ライニング層１１は、その組織中に、図２に示すようにＣｕ基の合金に添加されるＢｉを由来とするＢｉ相１７を含んでいる。Ｂｉ相１７は、Ｃｕ基の合金の組織中に含まれているものの他、界面１６に露出するものも存在する。ライニング層１１は、裏金層１３の表面に形成された後、例えば酸や水などによって洗浄される。これにより、ライニング層１１に含まれているＢｉ相１７のうち、界面１６に露出するＢｉ相１７は、洗浄によって大部分が除去される。ライニング層１１と被覆層１２との間の界面１６は、概ね平坦に形成することが好ましい。但し、この界面１６は、平坦に限るものではない。ライニング層１１の界面１６においてＢｉ相１７が除去されると、このＢｉ相１７が除去された部分はライニング層１１側へ窪んだ凹部１８を形成する。この凹部１８を含む界面１６に、例えばめっきなどによってＮｉまたはＮｉ合金の被覆層１２を形成すると、被覆層１２を構成するＮｉまたはＮｉ合金は一部がライニング層１１の凹部１８に侵入する。すなわち、界面１６においてＢｉ相１７の除去によって形成された凹部１８は、被覆層１２を形成するＮｉまたはＮｉ合金が充填される。これにより、被覆層１２は、ライニング層１１との界面１６において、一部がライニング層１１側へ侵入した侵入部１９を形成する。この侵入部１９は、ライニング層１１と被覆層１２との界面１６よりも裏金層１３側のライニング層１１の内側へ食い込んでいる。

本実施形態では、図１および図２に示す任意の観察領域２０において、ライニング層１１に含まれるＢｉ相１７の最大面積Ｓ１と、ライニング層１１に侵入した侵入部１９の最大面積Ｓ２とが測定される。比の値Ｒは、測定された最大面積Ｓ１および最大面積Ｓ２を用いて、Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２として算出される。観察領域２０は、本実施形態の場合、ライニング層１１と被覆層１２との界面１６を含む断面において、侵入部１９を含む任意の範囲として設定される。観察領域２０の寸法は、例えば厚さ方向へ４５０μｍ×幅６００μｍの範囲として設定される。なお、この観察領域２０の寸法は、例示であり、侵入部１９を観察できる範囲において任意の寸法に設定することができる。

ライニング層１１に含まれるＢｉ相１７の最大面積Ｓ１は、この観察領域２０に含まれるＢｉ相１７のうち面積が最大であるＢｉ相の面積である。Ｂｉ相１７の面積は、界面に存在したであろう粒子の面積とライニング層１１の内側に含まれている粒子の面積とが相関する。ここで、Ｂｉ相１７の最大面積Ｓ１は、ライニング層１１の内側に含まれているＢｉ相１７の粒子に基づいて測定される。例えば図２に示すように観察領域２０に複数のＢｉ相１７の粒子が含まれているとき、面積が最大となるＢｉ相１７の面積が最大面積Ｓ１である。観察領域２０は、摺動部材１０の軸に沿った方向、または軸に垂直な方向など、厚さ方向に切断した断面であり、侵入部１９を観察できる範囲であれば任意の向きに設定することができる。また、この場合、観察領域２０は、上述の厚さ方向へ４５０μｍ×幅６００μｍのように、ライニング層１１の厚さ方向の長さに比較して、これに垂直な幅方向の長さを大きく設定している。

侵入部１９は、図３に示すように侵入部１９の界面１６側の頂点２１、２２を仮想的な直線Ｌで結び、この直線Ｌよりもライニング層１１側の領域として定義する。すなわち、侵入部１９は、図３において網掛けを施した領域である。そして、この直線Ｌよりもライニング層１１側の領域の面積は、侵入部１９の面積である。図２に示すような観察領域２０において複数の侵入部１９が観察されるとき、これらの侵入部１９のうち面積が最大の侵入部１９の面積は、最大面積Ｓ２である。これらによって求められた最大面積Ｓ１および最大面積Ｓ２から、比の値Ｒは算出される。本実施形態では、比の値Ｒは、１．００≦Ｒ≦９．００である。

ライニング層１１に含まれるＢｉ相１７は、その最大面積Ｓ１がＳ１≦８１０μｍ^２であることが好ましい。Ｂｉ相１７の最大面積は、このように設定すれば、ライニング層と被覆層との接着力をより向上する。また、Ｂｉ相１７は、例えばライニング層１１の切削などの加工時における加工性の向上のために必須である。そこで、ライニング層１１の加工性を担保するための観点から、Ｂｉ相１７の最大面積Ｓ１は、２０μｍ^２≦Ｓ１であることが好ましい。ライニング層１１に含まれるＢｉ相１７の最大面積Ｓ１は、Ｓ１≦８１０μｍ^２であることが好ましい。侵入部１９の最大面積Ｓ２は、２０μｍ^２≦Ｓ２≦９０μｍ^２であることが好ましい。このようにＢｉ相１７の最大面積Ｓ１を設定することにより、ライニング層１１の切削などの加工時における加工性の向上と被覆層１２との接着力の向上とを両立することができる。

ライニング層１１の表面にＮｉを含む被覆層１２を形成する場合、ライニング層１１に添加されているＢｉ１７が被覆層１２に露出すると、Ｂｉ相１７のＢｉが被覆層１２へ拡散する。例えば摺動部材１０の温度が１００℃～２５０℃にあるとき、ライニング層１１に含まれるＢｉ相１７のうち界面１６で被覆層１２と接するＢｉは被覆層１２側へ拡散する。そのため、界面１６付近には、ライニング層１１を由来とするＢｉと被覆層１２を由来とするＮｉとからＢｉ－Ｎｉ化合物が生成しやすくなる。このＢｉ－Ｎｉ化合物は、ライニング層１１と被覆層１２との接着力を低下させる。したがって、従来の場合、ライニング層１１の界面１６は、Ｂｉ相１７の残留を避けてほぼ全量のＢｉ相を除去するために大きな工数で徹底した高度な洗浄が必要となっている。

一方、本実施形態では、ライニング層１１の界面１６は洗浄されるものの、従来のような高度な洗浄は必要としない。本実施形態の場合、界面１６に露出するＢｉ相１７は、大部分が例えば酸による簡便な洗浄によって除去される。そして、ライニング層１１は、界面１６においてＢｉ相１７が除去されることにより、界面１６に凹部１８を形成する。ライニング層１１に積層される被覆層１２は、ライニング層１１に形成された凹部１８へ入り込み、侵入部１９を形成する。これにより、形成された被覆層１２は、侵入部１９がライニング層１１に侵入して噛み合った状態となる。本実施形態では、比の値Ｒを１．００≦Ｒ≦９．００と設定している。これにより、除去できなかったＢｉ相１７が凹部１８に残存する場合でも、ライニング層１１に侵入した侵入部１９がライニング層１１と充分に噛み合い、ライニング層１１と被覆層１２との界面１６における強度つまり接着力が向上する。したがって、Ｂｉ相１７を除去するための工数を低減しつつ、ライニング層１１と被覆層１２との接着力を向上することができる。

次に、本実施形態の摺動部材１０の製造方法について説明する。
ライニング層１１は、Ｃｕ基の合金にＢｉ相１７が微細に分散している。このようなライニング層１１は、例えば焼結を用いることによって形成される。焼結は、ライニング層１１を形成するＣｕ基合金の主成分となる青銅の粉末とＢｉ相１７を形成するＢｉの粉末とを混合して実行される。ライニング層１１におけるＢｉ相１７の粒子の大きさは、材料として用いるＢｉ粉末の粒度を変更することにより制御される。Ｂｉ相の粒子の大きさは、例えば粒度として７５μｍ以下や３８μｍ以下などで分級された粒子を配合することにより調整される。

これら混合した粉末を焼結する一次焼結において、焼結温度は従来の焼結温度の４/５程度である６００℃～８００℃に設定される。これにより、粉末の一次焼結において、比較的細かいネック形成での粉末同士の結合にでき、Ｃｕ基のライニング層１１は多孔質となる。その結果、一次焼結後のライニング層１１に含まれるＢｉ相１７の粒子は、ライニング層１１の多孔質の部分に微細に分散した状態で存在する。その後、例えば圧延などの後処理を施し、ライニング相１１を作製した。

後処理が施されたライニング層１１は、界面１６における酸化被膜の除去を目的として酸による洗浄が行なわれる。これにより、ライニング層１１に含まれるＢｉ相１７は、イオン化傾向の違いによって、ライニング層１１の主成分であるＣｕに先立って除去される。界面１６においてＢｉ相１７が除去された部分は、凹部１８を形成する。酸により洗浄されたライニング層１１は、水洗などが行われた後、被覆層１２が形成される。被覆層１２は、例えばＮｉまたはＮｉ合金のめっきによって形成される。本実施例の場合、ライニング層１１は、酸および水による洗浄の他に厳密な洗浄が施されない。つまり、本実施形態のライニング層１１は、凹部１８などに微量のＢｉが残存していてもよい。めっきなどによって形成された被覆層１２は、一部が凹部１８へ侵入する。これにより、被覆層１２は、ライニング層１１側へ侵入した侵入部１９を形成する。

以下、本実施形態の摺動部材１０の実施例について説明する。
実施例および比較例では、摺動部材１０はライニング層１１と被覆層１２との接着強度に基づいて評価した。接着強度の評価は、めっきの接着強度を評価するための「JIS K5600-5-6」に規定されているクロスカット評価によって行なった。当該規定によるクロスカット評価の実施の前に設定した熱処理温度と時間との条件は、厳しい評価条件であることから、「分類０」、「分類１」および「分類２」を合格とした。実施例および比較例の試験片は、上述の製造方法に基づいて作成した後、使用条件を再現するために１５０℃で５００ｈｒの熱処理を加えた後、接着強度を評価した。

図４は、比の値Ｒが接着強度に与える影響の評価を示している。実施例１～実施例３および比較例１は、いずれもライニング層１１に含まれるＢｉの濃度Ｃを、２．０ｍａｓｓ％としている。実施例１～実施例３に示すように、比の値Ｒは、１．００≦Ｒ≦９．００の範囲であれば、「分類２」であり、接着強度に影響を与えないことがわかる。一方、比の値Ｒが９．００より大きな比較例１は、「分類３」となり、接着強度が低下することがわかる。比の値Ｒの下限は、摺動部材１０の加工性、特に切削性を考慮して、１．００としている。

図５は、Ｂｉ相１７の最大面積Ｓ１が接着強度に与える影響の評価を示している。実施例４～実施例７は、いずれもライニング層１１に含まれるＢｉの濃度Ｃを、２．０ｍａｓｓ％としている。実施例４～実施例７に示すように、比の値Ｒが一定であれば、Ｂｉ相１７の最大面積Ｓ１は、小さいほど接着強度が高いことを示している。但し、上述のように、Ｂｉ相１７の最大面積Ｓ１は、小さくなりすぎるとライニング層１１の加工性に影響する。そのため、Ｂｉ相１７の最大面積Ｓ１は、２０μｍ^２以上とすることが好ましい。

図６は、侵入部１９の最大面積Ｓ２が接着強度に与える影響の評価を示している。実施例８～実施例１１は、いずれもライニング層１１に含まれるＢｉの濃度Ｃを、２．０ｍａｓｓ％としている。実施例８～実施例１１に示すように、比Ｒが一定であれば、侵入部１９の最大面積Ｓ２は、小さいほど接着強度が高いことを示している。

図７は、ライニング層１１へ添加されるＢｉの濃度Ｃが接着強度に与える影響の評価を示している。比の値Ｒが一定であれば、濃度Ｃは、小さいほど接着強度が高いことを示している。但し、上述のように、Ｂｉの濃度はライニング層１１の加工性に影響する。そのため、ライニング層１１は、Ｂｉを添加するのが前提であり、実用上の観点から、下限値を０．１ｍａｓｓ％としている。

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。

図面中、１０は摺動部材、１１はライニング層、１２は被覆層、１７はＢｉ相、１９は侵入部、２０は観察領域を示す。

Claims (4)

1. ０．１ｍａｓｓ％～２．０ｍａｓｓ％のＢｉを含むＣｕ基の合金、Ｓｎ基合金またはＡｌ基の合金のいずれかで厚さが０．１ｍｍ～１．５ｍｍに形成され、Ｂｉ相を含むライニング層と、
   Ｎｉまたは７０ｍａｓｓ％以上のＮｉを含む合金で厚さが１μｍ～５μｍに形成され、前記ライニング層の表面に設けられ、前記ライニング層との界面において一部が前記ライニング層側へ侵入した侵入部を形成している被覆層と、
   を備える摺動部材であって、
   前記ライニング層と前記被覆層との界面で前記侵入部を含む任意の観察領域において、前記ライニング層に含まれる前記Ｂｉ相の最大面積Ｓ１と、前記ライニング層に侵入した前記侵入部の最大面積Ｓ２との比の値Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２は、１．００≦Ｒ≦９．００である、
   摺動部材。
2. 前記Ｂｉ相の最大面積Ｓ１は、
   Ｓ１≦８１０μｍ^２である、
   請求項１記載の摺動部材。
3. 前記侵入部の最大面積Ｓ２は、
   ２０μｍ^２≦Ｓ２≦９０μｍ^２である、
   請求項１記載の摺動部材。
4. 前記ライニング層に含まれるＢｉの濃度Ｃは、
   ０．１ｍａｓｓ％≦Ｃ≦１．５ｍａｓｓ％である、
   請求項１記載の摺動部材。

Images