本發(fā)明涉及一種副軸在滑動(dòng)面上滑動(dòng)的滑動(dòng)構(gòu)件以及滑動(dòng)軸承。

背景技術(shù)：

已知形成有bi覆蓋層的滑動(dòng)構(gòu)件(參照專利文獻(xiàn)1)。在專利文獻(xiàn)1中，通過以bi的析出粒子密度為50～300個(gè)/100μm²的方式形成覆蓋層，來提高磨合性和耐磨耗性。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2003-156045號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的問題

然而，在專利文獻(xiàn)1中，若將bi的析出粒子密度設(shè)為50～300個(gè)/100μm²，則能提高覆蓋層的抗疲勞性(強(qiáng)度)，但存在覆蓋層難以變形，磨合性降低的問題。

本發(fā)明是鑒于所述課題而完成的發(fā)明，其目的在于提供一種能兼顧磨合性和抗疲勞性的技術(shù)。

用于解決問題的方案

為了實(shí)現(xiàn)所述目的，在本發(fā)明的滑動(dòng)構(gòu)件以及滑動(dòng)軸承中，所述滑動(dòng)構(gòu)件是在基層上形成有具有對(duì)方構(gòu)件的滑動(dòng)面的被覆層的滑動(dòng)構(gòu)件，其中，被覆層由比基層軟的軟質(zhì)材料形成，在滑動(dòng)面中，平均粒徑為0.1μm以上且1μm以下的軟質(zhì)材料的晶粒聚集成塊狀，由此形成有平均直徑為3μm以上且30μm以下的聚集體。

在所述的構(gòu)成中，通過將軟質(zhì)材料的晶粒的平均粒徑設(shè)為0.1μm以上且1μm以下，根據(jù)hall-petch(霍爾-佩奇)關(guān)系，能提高滑動(dòng)面中的被覆層的被膜強(qiáng)度，能提高抗疲勞性。進(jìn)而，通過形成由軟質(zhì)材料的晶粒聚集成塊狀的聚集體，能利用聚集體的變形來提高磨合性。即，在能通過微細(xì)的晶粒來提高抗疲勞性的同時(shí)，還能利用聚集體的變形來提高磨合性。

在此，通過將晶粒的平均粒徑設(shè)為1μm以下，能防止抗疲勞性不夠。另外，通過將聚集體的平均直徑設(shè)為3μm以上，能防止聚集體的變形量不夠。另一方面，通過將聚集體的平均直徑設(shè)為30μm以下，能防止因粗大的聚集體而不適當(dāng)?shù)匦纬捎湍ぃ挂Ш闲詯夯那闆r。通過以晶粒的平均粒徑與聚集體的平均直徑之積為3以上的方式形成被覆層，能實(shí)現(xiàn)良好的抗疲勞性和磨合性。

另外，軟質(zhì)材料可以是bi、sn、pb、in或sb。bi、sn、pb、in、sb硬度(例如莫氏硬度)均小，適合作為軟質(zhì)材料。另外，在具備本發(fā)明的特征的滑動(dòng)軸承中，也可發(fā)揮出以上所說明的本發(fā)明的效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式的滑動(dòng)構(gòu)件的立體圖。

圖2a是滑動(dòng)面的照片，圖2b是聚集體的照片。

圖3是壓縮試驗(yàn)的說明圖。

圖4a是表示bi的電鍍的脈沖電流的曲線圖，圖4b是bi晶粒的平均粒徑的曲線圖，圖4c是bi晶粒的聚集體的平均直徑的曲線圖。

圖5a是變形量的圖表，圖5b是屈服應(yīng)力的圖表。

具體實(shí)施方式

在此，按照下述順序?qū)Ρ景l(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。

(1)第一實(shí)施方式：

(1-1)滑動(dòng)構(gòu)件的構(gòu)成：

(1-2)計(jì)量方法：

(1-3)滑動(dòng)構(gòu)件的制造方法：

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

(3)其他實(shí)施方式：

(1)第一實(shí)施方式：

(1-1)滑動(dòng)構(gòu)件的構(gòu)成：

圖1是本發(fā)明的一實(shí)施方式的滑動(dòng)構(gòu)件1的立體圖?；瑒?dòng)構(gòu)件1包含：瓦背10、襯里(lining)11和覆蓋層(overlay)12?；瑒?dòng)構(gòu)件1是將中空狀的圓筒在徑向上二等分的對(duì)開狀的金屬構(gòu)件，剖面為半圓弧狀。通過將兩個(gè)滑動(dòng)構(gòu)件1組合成圓筒狀，形成滑動(dòng)軸承a?；瑒?dòng)軸承a在形成于內(nèi)部的中空部分軸支承圓柱狀的副軸2(發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸)。副軸2的外徑形成為略小于滑動(dòng)軸承a的內(nèi)徑。向形成于副軸2的外周面與滑動(dòng)軸承a的內(nèi)周面之間的間隙供給潤(rùn)滑油(發(fā)動(dòng)機(jī)油)。此時(shí)，副軸2的外周面在滑動(dòng)軸承a的內(nèi)周面上滑動(dòng)。

滑動(dòng)構(gòu)件1具有如下構(gòu)造：按照遠(yuǎn)離曲率中心的順序，依次層疊有瓦背10、襯里11和覆蓋層12。因此，瓦背10構(gòu)成滑動(dòng)構(gòu)件1的最外層，覆蓋層12構(gòu)成滑動(dòng)構(gòu)件1的最內(nèi)層。瓦背10、襯里11和覆蓋層12分別在圓周方向上具有一定的厚度。瓦背10的厚度為1.3mm，襯里11的厚度為0.2mm，覆蓋層12的厚度為20μm。覆蓋層12的曲率中心側(cè)的表面的半徑(滑動(dòng)構(gòu)件1的內(nèi)徑)為40mm。以下，內(nèi)側(cè)是指滑動(dòng)構(gòu)件1的曲率中心側(cè)，外側(cè)是指滑動(dòng)構(gòu)件1的曲率中心的相反側(cè)。覆蓋層12的內(nèi)側(cè)的表面構(gòu)成副軸2的滑動(dòng)面。

瓦背10由鋼形成，所述鋼含有0.15wt％的c，含有0.06wt％的mn，剩余部分由fe構(gòu)成。需要說明的是，瓦背10由能經(jīng)由襯里11和覆蓋層12支承來自副軸2的載荷的材料形成即可，也可以不必須由鋼來形成。

襯里11是層疊于瓦背10的內(nèi)側(cè)的層，構(gòu)成本發(fā)明的基層。襯里11含有10wt％的sn，含有8wt％的bi，剩余部分由cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。襯里11的不可避免的雜質(zhì)是mg、ti、b、pb、cr等，是精煉或廢料中混入的雜質(zhì)。不可避免的雜質(zhì)的含量在整體中為1.0wt％以下。

覆蓋層12是層疊于襯里11的內(nèi)側(cè)的表面上的層，構(gòu)成本發(fā)明的被覆層。覆蓋層12由bi和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。不可避免的雜質(zhì)的含量為1.0wt％以下。

圖2a是覆蓋層12的內(nèi)側(cè)的表面的照片。如圖2a所示，在覆蓋層12的內(nèi)側(cè)的表面、即副軸2的滑動(dòng)面形成有許多塊狀的聚集體12a。在本實(shí)施方式中，作為與滑動(dòng)面平行的方向上的聚集體12a的直徑的平均值的平均直徑為14μm。

圖2b是聚集體12a的照片。如圖2b所示，聚集體12a是通過由許多的bi晶粒聚集成塊狀而形成的多晶體。在本實(shí)施方式中，聚集體12a的表面中的bi晶粒的平均粒徑為0.7μm。

壓縮試驗(yàn)中的覆蓋層12的變形量為2.4μm，是良好的。覆蓋層12的變形量是指，通過壓縮試驗(yàn)來壓縮滑動(dòng)構(gòu)件1時(shí)的覆蓋層12的厚度的減少量。

在以上所說明的滑動(dòng)構(gòu)件1中，通過將bi晶粒的平均粒徑設(shè)為0.7μm，根據(jù)hall-petch關(guān)系，能提高滑動(dòng)面中的被覆層的被膜強(qiáng)度，能提高抗疲勞性。進(jìn)而，通過形成由bi晶粒聚集成塊狀的聚集體12a，能利用聚集體12a的變形來提高磨合性。即，在能通過微細(xì)的晶粒來提高抗疲勞性的同時(shí)，還能利用聚集體12a的變形來提高磨合性。

(1-2)計(jì)量方法：

通過以下方法計(jì)量出上述實(shí)施方式中示出的各數(shù)值。利用icp發(fā)射光譜分析裝置(島津公司制icps-8100)計(jì)量出構(gòu)成滑動(dòng)構(gòu)件1的各層的元素的質(zhì)量。

按照以下步驟計(jì)量出各層的厚度。首先，利用截面拋光儀(日本電子制ib-09010cp)對(duì)滑動(dòng)構(gòu)件1的徑向的剖面進(jìn)行研磨。然后，利用電子顯微鏡(日本電子制jsm-6610a)以7000倍的倍率對(duì)滑動(dòng)構(gòu)件1的剖面進(jìn)行拍攝，由此得到觀察圖像(反射電子像)的圖像數(shù)據(jù)。然后，利用圖像解析裝置(nireco公司制luzexap)對(duì)觀察圖像進(jìn)行解析，由此計(jì)量出膜厚。

按照以下步驟計(jì)量出覆蓋層12中的bi晶粒的平均粒徑。首先，利用電子顯微鏡(日本電子制jsm-6610a)以5000倍的倍率對(duì)覆蓋層12的內(nèi)側(cè)表面中面積為425μm²的任意觀察視野范圍(長(zhǎng)度17μm×寬度25μm的矩形范圍)進(jìn)行拍攝(垂直觀察)，由此得到觀察圖像(反射電子像)的圖像數(shù)據(jù)。然后，在觀察圖像中進(jìn)行切片法，由此計(jì)量出bi晶粒的粒徑。該切片法中，用形成于觀察圖像上的線段所通過的晶粒的數(shù)量除以該線段的長(zhǎng)度，由此計(jì)量出該線段上的晶粒的粒徑。進(jìn)而，對(duì)多條線段的每一條線段進(jìn)行計(jì)量，將所計(jì)量出的晶粒的粒徑的算術(shù)平均值(合計(jì)值/線段數(shù))作為平均粒徑。

另外，按照以下步驟計(jì)量出覆蓋層12中的bi聚集體12a的平均直徑。首先，利用電子顯微鏡以500倍的倍率對(duì)覆蓋層12的內(nèi)側(cè)表面中面積為0.0425mm²的任意觀察視野范圍(長(zhǎng)度0.17mm×寬度0.25mm的矩形范圍)進(jìn)行拍攝(垂直觀察)，由此得到觀察圖像的圖像數(shù)據(jù)。然后，將觀察圖像輸入圖像解析裝置，提取出觀察圖像中存在的聚集體12a的像的邊緣(明亮度、色度、色相角相差規(guī)定值以上的邊界)。進(jìn)而，利用圖像解析裝置，從觀察圖像提取出由邊緣封閉的區(qū)域作為bi聚集體12a的像。

然后，利用圖像解析裝置，對(duì)觀察視野范圍中存在的全部bi聚集體12a的像計(jì)量出投影面積當(dāng)量圓直徑(計(jì)量參數(shù)：heywood)。投影面積當(dāng)量圓直徑是指，具有與bi聚集體12a的投影面積相等的面積的圓的直徑，是將具有與bi聚集體12a的像的面積相等的面積的圓的直徑基于光學(xué)倍率換算成實(shí)際長(zhǎng)度后的直徑。進(jìn)而，計(jì)量出全部聚集體12a的投影面積當(dāng)量圓直徑的算術(shù)平均值(合計(jì)值/聚集體數(shù))作為bi聚集體12a的平均直徑。需要說明的是，在投影面積當(dāng)量圓直徑小于1.0μm的情況下，由于投影面積當(dāng)量圓直徑的可靠度、物質(zhì)的特定的可靠度變低，因此在計(jì)算bi聚集體12a的平均當(dāng)量圓直徑等時(shí)不予考慮。

按照以下步驟計(jì)量出覆蓋層12的變形量。圖3是壓縮試驗(yàn)的說明圖。如圖3所示，使靜載荷作用于載置于實(shí)際上可視為剛體的機(jī)殼(housing)h上的對(duì)開狀的滑動(dòng)構(gòu)件1，由此進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。在機(jī)殼h形成有具有與滑動(dòng)構(gòu)件1的外徑相對(duì)應(yīng)的直徑的半圓柱狀的凹部，以沿著該凹部的方式載置滑動(dòng)構(gòu)件1。準(zhǔn)備具有與滑動(dòng)構(gòu)件1的內(nèi)徑相對(duì)應(yīng)的直徑的圓柱狀的副軸g，將該副軸g載置于滑動(dòng)構(gòu)件1的內(nèi)側(cè)表面上。進(jìn)而，經(jīng)由塑料板t，利用autograph(島津制作所制ag-is)使50kn的靜載荷作用于副軸g，并且利用autograph計(jì)量出滑動(dòng)構(gòu)件1的厚度的減少量作為滑動(dòng)構(gòu)件1的變形量。

(1-3)滑動(dòng)構(gòu)件的制造方法：

首先，準(zhǔn)備具有與瓦背10相同厚度的低碳鋼的平面板。

接著，在由低碳鋼形成的平面板上撒放構(gòu)成襯里11的材料的粉末。具體而言，按照上述襯里11中的各成分的質(zhì)量比混合cu粉末、bi粉末和sn粉末并撒放在低碳鋼的平面板上。只要能滿足襯里11中的各成分的質(zhì)量比即可，也可以將cu-bi、cu-sn等合金粉末撒放在低碳鋼的平面板上。通過試驗(yàn)用篩(jisz8801)將粉末的粒徑調(diào)整為150μm以下。

接著，對(duì)低碳鋼的平面板、撒放在該平面板上的粉末進(jìn)行燒結(jié)。將燒結(jié)溫度控制為700～1000℃，在惰性氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)后進(jìn)行冷卻。當(dāng)完成冷卻時(shí)，在低碳鋼的平面板上形成有cu合金層。該cu合金層含有冷卻過程中析出的軟質(zhì)bi粒子。

接著，對(duì)形成有cu合金層的低碳鋼進(jìn)行沖壓加工，以便形成將中空狀的圓筒在徑向上二等分的形狀。此時(shí)，以使低碳鋼的外徑與滑動(dòng)構(gòu)件1的外徑一致的方式進(jìn)行沖壓加工。

接著，對(duì)形成在瓦背10上的cu合金層的表面進(jìn)行切削加工。此時(shí)，以使形成在瓦背10上的cu合金層的厚度與襯里11相同的方式控制切削量。由此，能通過切削加工后的cu合金層形成襯里11。切削加工例如通過設(shè)有由燒結(jié)金剛石形成的切削工具件的車床來進(jìn)行。

接著，通過電鍍?cè)谝r里11的表面上層疊12μm厚的作為軟質(zhì)材料的bi，由此形成覆蓋層12。bi的電鍍的步驟如下。首先，在電解液中向襯里11的表面通入電流，由此對(duì)襯里11的表面進(jìn)行脫脂。接著，對(duì)襯里11的表面進(jìn)行水洗。進(jìn)而，通過對(duì)襯里11的表面進(jìn)行酸洗，去除不需要的氧化物。然后，對(duì)襯里11的表面再次進(jìn)行水洗。當(dāng)完成以上的預(yù)處理時(shí)，通過向浸漬于鍍?cè)〉囊r里11供給電流，進(jìn)行bi的電鍍。

覆蓋層12中的bi的電鍍的條件如下。采用如下鍍?cè)〉慕M成，即包含：bi濃度：10g/l，有機(jī)磺酸：25～100g/l，添加劑(聚乙二醇)：0.5～50g/l。鍍?cè)〉臏囟日{(diào)整為50℃。進(jìn)而，向襯里11供給的電流采用占空比為50％的矩形脈沖電流，其平均電流密度設(shè)為1a/dm²。

圖4a是表示bi的電鍍的脈沖電流的曲線圖。圖4a的橫軸表示時(shí)刻，縱軸表示脈沖電流(電流密度的大小)。如圖4a所示，電流流過的期間t1的長(zhǎng)度(脈沖寬度)與電流未流過的期間t2的長(zhǎng)度之比為1：1(占空比＝50％)。在本實(shí)施方式中，通過使脈沖寬度變化來調(diào)整bi晶粒的平均粒徑和bi晶粒的聚集體12a的平均直徑。

圖4b是bi晶粒的平均粒徑的曲線圖。圖4b的橫軸表示脈沖寬度，縱軸表示bi晶粒的平均粒徑。如圖4b所示，通過在將占空比和平均電流密度保持為一定的狀態(tài)下使脈沖寬度變化，能調(diào)整bi晶粒的平均粒徑。具體而言，能以如下方式進(jìn)行調(diào)整：通過增大脈沖寬度，來增大bi晶粒的平均粒徑。

圖4c是bi晶粒的聚集體的平均直徑的曲線圖。圖4c的橫軸表示脈沖寬度，縱軸表示bi晶粒的聚集體的平均直徑。如圖4c所示，通過在將占空比和平均電流密度保持為一定的狀態(tài)下使脈沖寬度變化，能調(diào)整bi晶粒的聚集體的平均直徑。具體而言，能以如下方式進(jìn)行調(diào)整：通過增大脈沖寬度，來縮小bi晶粒的平均粒徑。在本實(shí)施方式中，通過將脈沖寬度設(shè)為0.1毫秒，從而將bi晶粒的平均粒徑調(diào)整為0.7μm，將晶粒的聚集體的平均直徑調(diào)整為14μm。

層疊了覆蓋層12之后，進(jìn)行水洗和干燥，從而完成滑動(dòng)構(gòu)件1。通過進(jìn)一步將兩個(gè)滑動(dòng)構(gòu)件1組合成圓筒狀，形成了滑動(dòng)軸承a。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

[表1]

表1表示針對(duì)每一覆蓋層12中的bi晶體的平均粒徑以及bi聚集體12a的平均直徑計(jì)量出變形量的結(jié)果。試樣1是不存在bi聚集體12a的、具有大致平坦的滑動(dòng)面的比較例。利用與上述制造方法相同的方法，制造出bi晶體的平均粒徑以及bi聚集體12a的平均直徑不同的試樣1～5。其中，通過調(diào)整覆蓋層12的電鍍中的電流密度、脈沖寬度來調(diào)整bi晶體的平均粒徑。

圖5a是針對(duì)每一bi聚集體12a的平均直徑示出變形量的曲線圖。如圖5a所示，可知：在bi聚集體12a的平均直徑為10μm以下的區(qū)域中，通過增大聚集體12a的平均直徑，能急劇地增大變形量。另外，可知：在bi聚集體12a的平均直徑為10μm以上的區(qū)域中，可穩(wěn)定地得到大的變形量。因此，可知：為了得到作為滑動(dòng)軸承a所需的磨合性，更理想的是將bi聚集體12a的平均直徑設(shè)為10μm以上。

圖5b是表示晶體的平均粒徑與屈服應(yīng)力的關(guān)系的曲線圖(引用：t.g.nieh,lawrencelivermorenationallab)。如圖5b所示，晶體粒徑在10～20nm左右時(shí)，屈服應(yīng)力最大，并且在晶體粒徑大于該晶體粒徑的區(qū)域中，根據(jù)hall-petch關(guān)系，平均粒徑越大，屈服應(yīng)力越減小。可知：通過將bi晶體的平均粒徑設(shè)為0.5μm左右，屈服應(yīng)力適度大，作為聚集體12a的硬度可得到適度的硬度。

(3)其他實(shí)施方式：

在所述實(shí)施方式中，舉例示出了構(gòu)成軸支承發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸的滑動(dòng)軸承a的滑動(dòng)構(gòu)件1，但也可以通過本發(fā)明的滑動(dòng)構(gòu)件1形成其他用途的滑動(dòng)軸承a。例如，可以通過本發(fā)明的滑動(dòng)構(gòu)件1形成變速器用的齒輪襯套、活塞銷襯套/輪轂襯套等。另外，襯里11的基質(zhì)不限于cu合金，根據(jù)副軸2的硬度來選擇基質(zhì)的材料即可。另外，軟質(zhì)材料只要是比襯里11軟的材料即可，例如可以是pb、sn、in、sb的任一種。

附圖標(biāo)記說明

1：滑動(dòng)構(gòu)件；2：副軸；10：瓦背；11：襯里；12：覆蓋層；12a：聚集體。