摺動部材
【課題】 樹脂層に固体潤滑剤を多く添加しながらも、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持した摺動部材を提供する。
【解決手段】 樹脂バインダーと総量で４０〜６０体積％の固体潤滑剤とからなる樹脂層１２が軸受合金層１１表面に設けられたクロスヘッド軸受６において、固体潤滑剤である黒鉛と二硫化モリブデンの平均粒径の比、添加量の比、固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータが所定の関係を満たすことにより、樹脂層に固体潤滑剤を多く添加しながらも、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持することができる。
【解決手段】 樹脂バインダーと総量で４０〜６０体積％の固体潤滑剤とからなる樹脂層１２が軸受合金層１１表面に設けられたクロスヘッド軸受６において、固体潤滑剤である黒鉛と二硫化モリブデンの平均粒径の比、添加量の比、固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータが所定の関係を満たすことにより、樹脂層に固体潤滑剤を多く添加しながらも、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用軸受、特に２ストロークディーゼル機関のクロスヘッド軸受として最適使用し得る摺動部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用軸受のうち、クランクシャフトを保持する主軸受やコネクティングロッド大端部のクランクピン軸受等の摺動部材については、軸受の摺動面に対し軸が連続的に一方向に回転するため、軸受の摺動面と軸の間に油膜が形成され、いわゆる流体潤滑の摺動状態となる。そのため、軸受の摺動面と回転する軸表面との接触が起き難く、摺動面に掛かる力（剪断応力）も小さい。
【０００３】
一方、船用エンジンのクロスヘッド軸受については、摺動面と軸が相対的に揺動運動を行うため、軸と摺動面の相対すべり速度がゼロとなる瞬間が周期的におとずれる。そのため、軸と摺動面との間に油膜が形成され難い。特に、軸と摺動面の相対的な摺動方向が切り替わるときには、軸と摺動面が直接、接触しながら摺動するため、摺動面に掛かる力（剪断応力）が大きい。そのため、舶用エンジンのクロスヘッド軸受には、軸との接触時の摩擦を低減でき、容易に破壊しない摺動部材が必要となっている。
【０００４】
従来、この種のクロスヘッド軸受には、鋼裏金上にアルミニウム系軸受合金を圧着させた軸受表面上にＮｉめっき層を電気めっきし、さらに鉛系オーバレイを２０μｍ程度電気めっきした軸受が使用されている。この鉛系オーバレイは、軟質のためなじみ性が高く、油膜を形成しやすいため、クロスヘッド軸受には広く使用されているが、軸と摺動面との接触により塑性流動を起こして焼付きが発生したり、摩耗によりＮｉめっき層が露出して焼付きが発生するという問題があった。また、環境負荷物質である鉛を使用しているなど、環境面においても問題があった。
【０００５】
また、従来のクロスヘッド軸受として、上記した鉛系オーバレイの問題を解消するべく、樹脂バインダーと固体潤滑剤からなる樹脂層が提案されている。例えば、特開平７−２３８９３６号公報（特許文献１）には、アルミニウム軸受合金上の表面に２〜１０μｍの樹脂コーティング層を施しており、この樹脂層に５５〜９８重量％の固体潤滑剤を含有させることにより、すべり軸受の摺動性能の向上が図られている。また、特開平９−１２５１７６号公報（特許文献２）には、Ｃｕ−Ａｇ−Ｓｎ系の軸受合金層を形成することにより、すべり軸受の耐焼付性の向上が図られており、この軸受合金層上に厚さ１〜２５μｍの軟質金属又は樹脂層をオーバレイとして形成することにより、軸とのなじみ性の向上が図られている。更に、特開２００６−３０８０９９号公報（特許文献３）には、軸受金属層の上部に１〜４０μｍの樹脂層を設けており、この樹脂層に固体潤滑剤として１５〜２５体積％の二硫化モリブデンや５〜１５体積％のグラファイトを含有させることにより、耐摩耗性、キャビテーションに対する耐性、耐腐食性の改善が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２３８９３６号公報
【特許文献２】特開平９−１２５１７６号公報
【特許文献３】特開２００６−３０８０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、アルミニウム軸受合金上の表面に２〜１０μｍの樹脂層を施しているが、樹脂層の摺動特性を高めるため、樹脂層に５５〜９８重量％と非常に多くの固体潤滑剤を含有させている。この場合には、焼成時において、固体潤滑剤がほとんど収縮することなく相対的に樹脂バインダーが大きく収縮するため、樹脂層の表面に凹凸ができやすくなる（表面粗さが粗くなる）。また、樹脂バインダー体積に対する固体潤滑剤の体積の割合が多くなると、固体潤滑剤の粒同士が接触する確率が高くなるため、その間に樹脂バインダーを十分に充填することができず、その結果樹脂層の強度が低下する。内燃機関のクランク軸の軸受のように摺動面に対して軸が連続的に一方向に回転する用途の軸受では、摺動面と軸との間には常に油膜が形成される。このため、摺動面と軸との接触頻度が低く、摺動面にかかる力（剪断力）が小さいので、表面が凹凸状であったり、強度が低い樹脂層を用いても使用上問題はない。しかし、クロスヘッド軸受のように、摺動面と軸との接触が起きやすく、摺動面に大きな剪断力がかかる用途の軸受にそのような樹脂層を用いると、樹脂層に焼付きや破壊が発生する。
【０００８】
また、特許文献２では、Ｃｕ−Ａｇ−Ｓｎ系の軸受合金層上に厚さ１〜２５μｍの軟質金属又は樹脂層をオーバレイとして形成しているが、その軸受合金層が摺動特性に優れているため、オーバレイは軸とのなじみを取るのに必要な厚さがあればよいと記述されているように、オーバレイは摩耗することが前提となっている。しかし、クロスヘッド軸受のような軸と摺動面の接触が頻繁に発生する軸受では、オーバレイが摩滅すると焼付きが発生する。
【０００９】
また、特許文献３では、樹脂層に固体潤滑剤として二硫化モリブデンや黒鉛を含有させているが、その固体潤滑剤の割合が４０（体積）％を下限とするため、摺動面に存在する固体潤滑剤の量が少なく、軸と固体の接触時の摩擦係数が高い。そのため、クロスヘッド軸受のような軸との接触が頻繁に発生する軸受では、樹脂層の焼付きが発生する。また、固体潤滑剤のうち二硫化モリブデンは１０〜４０μｍの平均幅、５〜１５ｎｍの平均高さを有する非常に薄い扁平状であり、扁平面が摺動面に対して平行に存在するため、軸との接触による剪断力で二硫化モリブデンが容易に破壊され、その結果樹脂層の強度が低下する。
【００１０】
以上のことから、クロスヘッド軸受のような軸との接触が頻繁に発生する軸受おいて、樹脂層の耐焼付性を確保するには固体潤滑剤を多く添加しなければならず、樹脂層の強度を確保するためには固体潤滑剤を少なく添加しなければならないという、相反する特性が必要とされていた。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、樹脂層に固体潤滑剤を多く添加しながらも、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持した摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、樹脂バインダーと総量で４０〜６０体積％の固体潤滑剤からなる樹脂層が基材表面に設けられた摺動部材において、
前記固体潤滑剤が黒鉛と二硫化モリブデンとからなり、
（イ）黒鉛の平均粒径Ｘｇと二硫化モリブデンの平均粒径Ｘｍとの平均粒径の比が２≦Ｘｇ／Ｘｍ≦１０
（ロ）黒鉛の添加量Ｖｇ（体積％）と二硫化モリブデンの添加量Ｖｍ（体積％）との添加量の比が０．２≦Ｖｇ／Ｖｍ≦２
（ハ）固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータがＶｇ／Ｘｇ＋Ｖｍ／Ｘｍ≦０．５５
上記（イ）〜（ハ）の関係となることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明においては、請求項１記載の摺動部材において、樹脂バインダーがポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、又はポリイミド樹脂のいずれか１種以上からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明においては、請求項１記載又は請求項２記載の摺動部材において、黒鉛の平均粒径Ｘｇが２〜８μｍであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明においては、請求項３記載の摺動部材において、黒鉛の平均粒径Ｘｇが樹脂層の厚さの４５％以下であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の摺動部材において、樹脂バインダーの総量に対し、ポリエーテルサルホン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、又はポリテトラフルオロエチレンのいずれか１種以上を２０体積％以下添加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明においては、樹脂バインダーと４０〜６０体積％の固体潤滑剤からなる樹脂層でありながらも、固体潤滑剤が黒鉛と二硫化モリブデンとからなり、請求項１記載の（イ）〜（ハ）の関係を満たすことにより、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持することができる。これに対し、固体潤滑剤の総量が４０体積％以下であると、軸との接触時の摩擦係数が高くなり、樹脂層の焼付きが発生する。また、固体潤滑剤の総量が６０体積％を超えると、固体潤滑剤に対して樹脂バインダーの割合が少なくなり、十分に固体潤滑剤を保持できず、樹脂層の強度が低下する。
【００１７】
また、請求項１記載の（イ）に示すように、黒鉛の平均粒径Ｘｇと二硫化モリブデンの平均粒径Ｘｍとの平均粒径の比については、２≦Ｘｇ／Ｘｍ≦１０の範囲としている。図４に示すように、樹脂バインダー２１に平均粒径の小さい固体潤滑剤２２のみを分散させた場合（図４（Ａ））、又は樹脂バインダー２１に平均粒径の大きい固体潤滑剤２３のみを分散させた場合（図４（Ｂ））には、固体潤滑剤の間に相対的に大きな空間が存在し、固体潤滑剤の見かけ上の体積が大きくなる。一方、樹脂バインダー２１に平均粒径の小さい固体潤滑剤２２と大きい固体潤滑剤２３を分散させた場合（図４（Ｃ））には、大きい固体潤滑剤２３の間の空間に小さい固体潤滑剤２２が入り込み、固体潤滑剤の見かけ上の体積が小さくなる。このため、固体潤滑剤として平均粒径の小さい二硫化モリブデンと平均粒径の大きい黒鉛を多く添加しても、焼成時において樹脂バインダーと固体潤滑剤の収縮差による樹脂層表面での凹凸が小さくなり、また、固体潤滑剤同士の接触が防止され、樹脂層の強度の低下を防止することができる。なお、固体潤滑剤の形状は、図４に示す球形に限られず、楕円、その他不規則形状のものも含む。
【００１８】
これに対し、平均粒径の比が２未満であって、平均粒径の大きさに差がない場合、固体潤滑剤のうち平均粒径の小さい二硫化モリブデンが平均粒径の大きい黒鉛の間の空間に十分に入り込めず、固体潤滑剤の見かけ上の体積が小さくならない。また、平均粒径の比が１０を超えて、平均粒径の大きさに差がある場合、固体潤滑剤のうち平均粒径の小さい二硫化モリブデンが平均粒径の大きい黒鉛に対して小さくなり過ぎるため、固体潤滑剤の見かけ上の体積が大きくなり、その間に樹脂バインダーが十分に入り込めず、樹脂層の強度が低下する。
【００１９】
また、本発明では、固体潤滑剤として平均粒径の大きな黒鉛と平均粒径の小さな二硫化モリブデンとを使用することにより、樹脂層の強度を高めることができるが、そのメカニズムは以下のように推定される。まず、一般的に固体潤滑剤として市販される二硫化モリブデン及び黒鉛は粉砕粉である。二硫化モリブデンは扁平状粒子の形状をしており、扁平面に対して平行方向にへき開面が多く存在した層状の組織となっている。一方、黒鉛は塊状粒子であり、粒子の表面でのへき開面の方向性が見られない。このため、二硫化モリブデン及び黒鉛の粉末において、二硫化モリブデン粒子は、扁平面に対し平行方向にへき開しやすいという強度の方向性があるのに対し、黒鉛の粒子には強度の方向性が見られないため、二硫化モリブデンと比べて相対的に強度が強いと考えられる。つまり、二硫化モリブデンは、軸との接触により摺動面に剪断力がかかることにより、容易に破壊されやすい。
【００２０】
しかしながら、平均粒径の小さな二硫化モリブデンを使用することにより、剪断力を分散させて、一つの二硫化モリブデンの粒子にかかる剪断力が小さくなるため、その破壊を抑制することができる。また、同時に樹脂バインダー内にも剪断力がかかるが、固体潤滑剤として平均粒径の大きい黒鉛を分散させることにより、樹脂バインダー内の剪断力を各々の強度の高い黒鉛粒子で止めることができる。以上のことから、固体潤滑剤として平均粒径の大きな黒鉛と平均粒径の小さな二硫化モリブデンとを分散させることにより、樹脂層に固体潤滑剤を多く添加しながらも、樹脂層の強度が非常に高い状態で保たれていると考えられる。
【００２１】
また、請求項１記載の（ロ）に示すように、黒鉛の添加量Ｖｇ（体積％）と二硫化モリブデンの添加量Ｖｍ（体積％）との添加量の比（体積比）については、０．２≦Ｖｇ／Ｖｍ≦２の範囲とすることにより、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持することができる。ここで、二硫化モリブデンは、摺動面に剪断力がかるとへき開面が摺動面に対して平行に配向し、層状のへき開面が剪断されるため、摺動特性が高い。一方、黒鉛は、へき開面に方向性がないため、二硫化モリブデンよりも若干摺動特性が劣るが、摺動面に剪断力がかかっても剪断され難い。したがって、樹脂層の強度を高めるためには多くの黒鉛を添加したほうがよいのに対し、摺動特性を高めるためには多くの二硫化モリブデンを添加したほうがよく、添加量のバランスを図ることが重要である。これに対し、添加量の比が０．２未満であると、黒鉛の添加量が少なくなり過ぎるため、樹脂層の強度の向上に効果が見られない。また、添加量の比が２を超えると、黒鉛の添加量が多くなり過ぎるため、軸との接触時の摩擦係数が高くなり、樹脂層に焼付きが発生する。
【００２２】
また、請求項１記載の（ハ）に示すように、固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータについては、Ｖｇ／Ｘｇ＋Ｖｍ／Ｘｍ≦０．５５の範囲とすることにより、樹脂層中の固体潤滑剤の総表面積が大きくなり過ぎず、樹脂層の強度の低下を防止することができる。これに対し、固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータが０．５５を超えると、固体潤滑剤の総表面積が大きくなり、樹脂層の強度が低下する。これは、固体潤滑剤と樹脂バインダーとがファンデルワールス力で結合されており、固体潤滑剤と樹脂バインダーの密着力が強固ではないためである。さらに固体潤滑剤の総表面積が大きくなると、固体潤滑剤粒子同士が接触し、その間に樹脂バインダーが十分に入り込むことができなくなるため、樹脂層の強度の低下が著しくなる。
【００２３】
また、請求項２に係る発明のように、樹脂バインダーはポリアミドイミド樹脂（以下、「ＰＡＩ樹脂」という。）、ポリベンゾイミダゾール樹脂（以下、「ＰＢＩ樹脂」という。）、又はポリイミド樹脂（以下、「ＰＩ樹脂」という。）のいずれか１種以上からなることが好ましい。これらの樹脂は耐熱性に優れており、摺動部材における樹脂バインダーに適している。
【００２４】
また、請求項３に係る発明のように、黒鉛の平均粒径Ｘｇは２〜８μｍであることが好ましい。黒鉛の平均粒径Ｘｇが２μｍ未満であると、粒径が小さくなり過ぎるため、樹脂層の強度の向上に効果が見られない。また、黒鉛の平均粒径Ｘｇが８μｍを超えると、樹脂層の表面粗さが粗くなるため、樹脂層の耐焼付性が低下する。
【００２５】
また、請求項４に係る発明のように、黒鉛の平均粒径Ｘｇは樹脂層の厚さの４５％以下であることが好ましい。樹脂層の厚さが薄い場合、黒鉛の平均粒径Ｘｇが膜厚の４５％を超えると、樹脂層の表面粗さが粗くなるため、樹脂層の耐焼付性が低下する。
【００２６】
また、請求項５に係る発明のように、樹脂バインダーの総量に対し、ポリエーテルサルホン、ポリアミド（以下、「ＰＡ樹脂」という。）、ポリフェニレンサルファイド、又はポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ樹脂」という。）のいずれか１種以上を２０体積％以下添加することが好ましい。これらの樹脂を樹脂バインダー中に添加することにより、樹脂バインダーの硬さが低くなり、樹脂層のなじみ性を高めることができる。樹脂バインダーの総量に対し添加量が２０体積％を超えると、樹脂バインダーの硬さが低くなり過ぎるため、樹脂層の強度が低下する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】クロスヘッド機構を示す概略図である。
【図２】揺動試験の概略構成図である。
【図３】本発明の実施例を示すクロスヘッド軸受の断面の模式図である。
【図４】樹脂バインダーに小さい固体潤滑剤を分散させた場合（Ａ）、樹脂バインダーに大きい固体潤滑剤を分散させた場合（Ｂ）、樹脂バインダーに小さい固体潤滑剤と大きい固体潤滑剤を分散させた場合（Ｃ）を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、船用エンジンの１つのピストン３に対応するクロスヘッド機構１を示す概略図である。
【００２９】
図１において、船用エンジンのクロスヘッド機構１は、シリンダ２内を摺動するピストン３のピストンロッド４の下端に固定される軸５を揺動自在に軸支するものであり、軸５と摺動する軸受面に摺動層が形成されるクロスヘッド軸受６とこれを介挿する軸受ハウジング７を有している。そして、クロスヘッド機構１は、その下端がクランク軸９に回転自在に軸支されるコネクティングロッド８の上端に形成されている。
【００３０】
上記のように構成される船用エンジンにおいては、ピストン３の上下運動をコネクティングロッド８を介してクランク軸９の回転運動に変換するようになっている。このとき、クロスヘッド機構１においては、軸受ハウジング７に固定されるクロスヘッド軸受６に対しコネクティングロッド８の揺動運動が作用するため、軸受面に油膜の形成が難しく、軸５と摺動面が接触を起こしやすい。そこで、このような軸５との接触が頻繁に発生するクロスヘッド軸受６では、樹脂層の強度を確保すると共に、耐焼付性を確保する必要がある。
【００３１】
図３にクロスヘッド軸受６の断面の模式図を示す。クロスヘッド軸受６は、裏金となる鋼板１３上に接合されたアルミニウム系軸受合金層１１の表面に、摺動面となる樹脂層１２を設けた構成である。本実施形態において、樹脂層１２は、ＰＡＩ樹脂、ＰＢＩ樹脂、ＰＡ樹脂等の耐熱性樹脂を主成分とし、固体潤滑剤として平均粒径が１〜７μｍの黒鉛と平均粒径が０．５〜３μｍの二硫化モリブデンを総量で４０〜６０体積％含有する樹脂層である。なお、固体潤滑剤の平均粒径は、予めレーザー回折法にて粒度分布を測定した。
【００３２】
次に、本実施形態に係る樹脂層１２を設けた実施例品と比較例品について、揺動試験を実施した。揺動試験の実施例品及び比較例品は、裏金となる鋼板１３上にアルミニウム系軸受合金層１１を接合した平板を外径１１０ｍｍ、幅４０ｍｍ、肉厚５ｍｍの半割軸受に加工後、脱脂処理を行い、軸受合金層１１の表面をブラスト加工により粗面化する。さらに洗浄、乾燥後、表１の実施例１〜１０及び比較例１〜１０に示す組成物を有機溶剤（Ｎ−メチル−２ピロリドン）で希釈した組成物を上記した軸受合金層１１表面に、エアースプレーで吹付け塗布した。その後、有機溶剤を乾燥除去し、１８０℃で６０分焼成する。ここで、樹脂層１２の厚さは２０μｍとした。
【００３３】
また、比較例１１については、上記の半割軸受の軸受合金層１１の表面に電気めっきにてＮｉめっきを３μｍ施した後、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ系オーバレイを電気めっきにて２０μｍ施した。
【００３４】
揺動試験は、図２に示す揺動試験機３０にて実施した。この揺動試験機３０は、てこクランク機構（図示しない）により、回転する軸と試験軸３１を連接棒で連接し試験軸３１を揺動運動させる。また、試験軸３１の上方には、試験軸３１と当接する支持軸受３３を有する支持軸受ハウジング３２が配置され、その支持軸受ハウジング３２を介して油圧ポンプ（図示しない）によって変動荷重が与えられる。また、試験軸３１の下方には、本実施形態にかかる樹脂層１２を有する試験軸受３４が支持台３５に固定されるようになっている。上記した支持軸受３３及び試験軸受３４には、給油通路３６を介して潤滑油が供給されるようになっている。
【００３５】
上記した揺動試験機３０にて、各規定荷重で１時間の試験を行い、樹脂層１２の破断状況を目視で確認した。これらの試験結果を表１に示す。なお、軸受試験機３０における試験条件は、表２に示す通りである。すなわち、試験軸受３４の強度及び耐焼付性を評価する負荷限界試験は、軸材料としてＳ４５Ｃからなりその軸粗さが最大軸粗さ平均０．８μｍの試験軸３１の揺動速度を３００ｃｐｍ、揺動角を±２０°に各々設定した後、軸受面圧のサイクル最大値Ｐｗｍａｘを段階的に増大させ、軸受寸法「直径１００ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚さ５ｍｍ」の試験軸受３４に剥離や焼付きが発生しない限界軸受面圧を求める方法で実施した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
表１に示すように、実施例１〜４については、同一の平均粒径の固体潤滑剤を使用し、黒鉛及び二硫化モリブデンの添加量を変化させているが、請求項１規定の計算式（イ）〜（ハ）の関係を満たすことにより、いずれも剥離しない最高面圧が９０ＭＰａを超えて良好な結果が得られた。
【００３９】
また、実施例５，６については、黒鉛を１５体積％、二硫化モリブデンを３０体積％添加しており、二硫化モリブデンの平均粒径を変化させている。いずれも剥離しない最高面圧が８０ＭＰａを超えて良好な結果である。
【００４０】
また、実施例３，７，８については、黒鉛を２０体積％、二硫化モリブデンを３０体積％添加しており、黒鉛及び二硫化モリブデンの平均粒径を変化させている。請求項１規定の計算式（イ）の範囲内であれば、いずれも剥離しない最高面圧が１００ＭＰａと良好な結果が得られた。
【００４１】
また、実施例９については、実施例８のＰＡＩ樹脂の代わりに、一部ＰＡ樹脂を使用しているが、剥離しない最高面圧が９０ＭＰａと良好な結果である。
【００４２】
また、実施例１０については、実施例３に対し、強度の高い黒鉛の割合を高めたため、さらに剥離しない最高面圧が高められる結果が得られた。
【００４３】
また、比較例１については、実施例６に比べて、いずれも黒鉛を１５体積％添加すると共に、黒鉛の平均粒径３．５μｍ、二硫化モリブデンの平均粒径０．５μｍを使用し、二硫化モリブデンの添加量を変化させている。実施例６は良好な結果であるのに対し、二硫化モリブデンを３０体積％添加した比較例１は、請求項１規定の計算式（ハ）の範囲を超えるため、５０ＭＰａで剥離が発生した。
【００４４】
また、比較例２については、実施例１０に比べて、いずれも黒鉛を３０体積％、二硫化モリブデンを２０体積％添加するが、二硫化モリブデンのほうが黒鉛よりも平均粒径が大きい。実施例１０は良好な結果であるのに対し、比較例２は請求項１規定の計算式（イ）の範囲から外れるため、剥離しない最高面圧が５０ＭＰａと低い結果となった。
【００４５】
また、比較例３については、実施例３に比べて、いずれも黒鉛を２０体積％、二硫化モリブデンを３０体積％添加すると共に、黒鉛の平均粒径３．５μｍを使用し、二硫化モリブデンの平均粒径を変化させている。実施例３は良好な結果であるのに対し、二硫化モリブデンの平均粒径が３μｍのものを添加した比較例３は、請求項１規定の計算式（イ）の範囲から外れるため、剥離しない最高面圧が５０ＭＰａと低い結果となった。
【００４６】
また、比較例４については、平均粒径が一種の二硫化モリブデンを４５体積％添加したものであるが、固体潤滑剤の見かけ上の体積が高く、焼成時に樹脂層の表面が凹凸状となったため、５０ＭＰａで剥離が発生した。
【００４７】
また、比較例５については、実施例１に比べて、いずれも同一平均粒径の固体潤滑剤を使用すると共に、黒鉛を１５体積％添加しているが、二硫化モリブデンの添加量を変化させている。実施例１は良好な結果であるのに対し、二硫化モリブデンを２０体積％添加した比較例５は、固体潤滑剤の総量が４０〜６０体積％の範囲から外れるため、５０ＭＰａで焼付きが発生した。
【００４８】
また、比較例６については、平均粒径の異なる二硫化モリブデンを使用しているが、黒鉛を添加しないために樹脂層の強度の向上に効果がなく、剥離しない最高面圧が６０ＭＰａと低い結果となった。
【００４９】
また、比較例７については、実施例４に比べて、いずれも同一の平均粒径の固体潤滑剤を使用しているが、二硫化モリブデンを多く添加し、黒鉛との総量で６０体積％を超えている。実施例４は良好な結果であるのに対し、二硫化モリブデンを４０体積％添加した比較例７は、固体潤滑剤の総量が４０〜６０体積％の範囲から外れるため、剥離しない最高面圧が５０ＭＰａと低い結果となった。
【００５０】
また、比較例８，９については、黒鉛の添加量と二硫化モリブデンの添加量との添加量の比（体積比）が、請求項１規定の計算式（ロ）の範囲から外れている。比較例８は、黒鉛の添加量が５体積％と少な過ぎるため、樹脂層の強度が低下し、剥離しない最高面圧が６０ＭＰａと低い結果となった。比較例９は、二硫化モリブデンの添加量が１０体積％と少な過ぎるため、摺動特性が不十分となり、５０ＭＰａで焼付きが発生した。
【００５１】
また、比較例１０については、実施例６に比べて、いずれも黒鉛を１５体積％、二硫化モリブデンを２５体積％添加するが、比較例１０は請求項１規定の計算式（イ）の範囲から外れるため、５０ＭＰａで剥離した。
【００５２】
また、比較例１１は、従来のＰｂ系オーバレイを使用しているが、軸との接触により摩滅して下地のＮｉ層が露出し、５０ＭＰａで焼付きが発生した。
【００５３】
以上の説明から明らかなように、本実施形態の各実施例１〜１０によれば、樹脂バインダーと総量で４０〜６０体積％の固体潤滑剤からなる樹脂層１２が軸受合金層１１表面に設けられたクロスヘッド軸受６において、
前記固体潤滑剤は黒鉛と二硫化モリブデンからなり、
（イ）黒鉛の平均粒径Ｘｇと二硫化モリブデンの平均粒径Ｘｍとの平均粒径の比が２≦Ｘｇ／Ｘｍ≦１０
（ロ）黒鉛の添加量Ｖｇ（体積％）と二硫化モリブデンの添加量Ｖｍ（体積％）との添加量の比が０．２≦Ｖｇ／Ｖｍ≦２
（ハ）固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータがＶｇ／Ｘｇ＋Ｖｍ／Ｘｍ≦０．５５
上記（イ）〜（ハ）の関係を満たすことにより、いずれも剥離しない最高面圧が８０ＭＰａを超える良好な結果が得られ、樹脂層の強度を低下させることなく、樹脂層の耐焼付性を維持することができる、という優れた効果を奏する。
【００５４】
なお、本実施形態の各実施例１〜１２では、樹脂バインダーにＰＡＩ樹脂又はＰＢＩ樹脂を使用しているが、例えば、ＰＩ樹脂等の耐熱性樹脂を使用してもよい。また、本実施形態の実施例９では、樹脂バインダーの一部としてＰＡ樹脂を添加しているが、例えば、ポリエーテルサルホンやポリフェニレンサルファイドやポリテトラフルオロエチレン等の熱可塑性樹脂を添加することによっても、樹脂バインダーの硬さを低くし、樹脂層のなじみ性を高めることができる。ただし、熱可塑性樹脂は、樹脂バインダーに多く添加し過ぎると、樹脂バインダーの硬さが低くなり、樹脂層の強度が低下するため、添加量が２０体積％以下であることが好ましい。
【００５５】
また、樹脂層１２の膜厚は、１０〜４０μｍであることが望ましい。樹脂層１２の層厚が１０μｍ未満であると、初期摩耗により樹脂層１２が摩滅してしまう場合がある。また、樹脂層１２の層厚が４０μｍを超えると、製造コストが高くなるだけでなく、樹脂層と軸との熱膨張差による軸受クリアランス変化が大きくなる。
【００５６】
また、二硫化モリブデンの平均粒径は、０．５μｍ以上であることが望ましい。二硫化モリブデンの平均粒径が０．５μｍ未満であると、樹脂層中の固体潤滑剤の総表面積が大きくなるため、樹脂層の強度が低下する。また、本実施形態の各実施例１〜１０によれば、実施例６における平均粒径０．５μｍと小さい二硫化モリブデンを使用するよりも、その他の実施例における平均粒径０．７μｍ以上の二硫化モリブデンを使用したほうが良好な結果が得られたことから、望ましくは、二硫化モリブデンの平均粒径が０．７μｍ以上である。
【００５７】
本発明は上記し且つ図面に示した実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形又は拡張できる。基材である軸受合金層の表面を粗面化する方法としては、ブラスト加工に限らず、エッチング、溶射、化成処理等でも良い。また、樹脂表面層の塗布方法は、エアースプレー法に限らず、パッド印刷法、スクリーン印刷法、ロールコート法等でも良い。また、基材については軸受合金に限定されず、各種基材を用いることができる。また、本願の樹脂層には、耐摩耗性を高めるために硬質粒子等を添加することもできる。また、本発明の摺動部材は、船用内燃機関のクロスヘッド軸受に限定されず、他の内燃機関また内燃機関以外の各種用途の摺動部材に用いることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ クロスヘッド機構
４ ピストンロッド
５ 軸
６ クロスヘッド軸受
８ コネクティングロッド
１１ 軸受合金層
１２ 樹脂層
１３ 裏金
２１ 樹脂バインダー
２２，２３ 固体潤滑剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用軸受、特に２ストロークディーゼル機関のクロスヘッド軸受として最適使用し得る摺動部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用軸受のうち、クランクシャフトを保持する主軸受やコネクティングロッド大端部のクランクピン軸受等の摺動部材については、軸受の摺動面に対し軸が連続的に一方向に回転するため、軸受の摺動面と軸の間に油膜が形成され、いわゆる流体潤滑の摺動状態となる。そのため、軸受の摺動面と回転する軸表面との接触が起き難く、摺動面に掛かる力（剪断応力）も小さい。
【０００３】
一方、船用エンジンのクロスヘッド軸受については、摺動面と軸が相対的に揺動運動を行うため、軸と摺動面の相対すべり速度がゼロとなる瞬間が周期的におとずれる。そのため、軸と摺動面との間に油膜が形成され難い。特に、軸と摺動面の相対的な摺動方向が切り替わるときには、軸と摺動面が直接、接触しながら摺動するため、摺動面に掛かる力（剪断応力）が大きい。そのため、舶用エンジンのクロスヘッド軸受には、軸との接触時の摩擦を低減でき、容易に破壊しない摺動部材が必要となっている。
【０００４】
従来、この種のクロスヘッド軸受には、鋼裏金上にアルミニウム系軸受合金を圧着させた軸受表面上にＮｉめっき層を電気めっきし、さらに鉛系オーバレイを２０μｍ程度電気めっきした軸受が使用されている。この鉛系オーバレイは、軟質のためなじみ性が高く、油膜を形成しやすいため、クロスヘッド軸受には広く使用されているが、軸と摺動面との接触により塑性流動を起こして焼付きが発生したり、摩耗によりＮｉめっき層が露出して焼付きが発生するという問題があった。また、環境負荷物質である鉛を使用しているなど、環境面においても問題があった。
【０００５】
また、従来のクロスヘッド軸受として、上記した鉛系オーバレイの問題を解消するべく、樹脂バインダーと固体潤滑剤からなる樹脂層が提案されている。例えば、特開平７−２３８９３６号公報（特許文献１）には、アルミニウム軸受合金上の表面に２〜１０μｍの樹脂コーティング層を施しており、この樹脂層に５５〜９８重量％の固体潤滑剤を含有させることにより、すべり軸受の摺動性能の向上が図られている。また、特開平９−１２５１７６号公報（特許文献２）には、Ｃｕ−Ａｇ−Ｓｎ系の軸受合金層を形成することにより、すべり軸受の耐焼付性の向上が図られており、この軸受合金層上に厚さ１〜２５μｍの軟質金属又は樹脂層をオーバレイとして形成することにより、軸とのなじみ性の向上が図られている。更に、特開２００６−３０８０９９号公報（特許文献３）には、軸受金属層の上部に１〜４０μｍの樹脂層を設けており、この樹脂層に固体潤滑剤として１５〜２５体積％の二硫化モリブデンや５〜１５体積％のグラファイトを含有させることにより、耐摩耗性、キャビテーションに対する耐性、耐腐食性の改善が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２３８９３６号公報
【特許文献２】特開平９−１２５１７６号公報
【特許文献３】特開２００６−３０８０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、アルミニウム軸受合金上の表面に２〜１０μｍの樹脂層を施しているが、樹脂層の摺動特性を高めるため、樹脂層に５５〜９８重量％と非常に多くの固体潤滑剤を含有させている。この場合には、焼成時において、固体潤滑剤がほとんど収縮することなく相対的に樹脂バインダーが大きく収縮するため、樹脂層の表面に凹凸ができやすくなる（表面粗さが粗くなる）。また、樹脂バインダー体積に対する固体潤滑剤の体積の割合が多くなると、固体潤滑剤の粒同士が接触する確率が高くなるため、その間に樹脂バインダーを十分に充填することができず、その結果樹脂層の強度が低下する。内燃機関のクランク軸の軸受のように摺動面に対して軸が連続的に一方向に回転する用途の軸受では、摺動面と軸との間には常に油膜が形成される。このため、摺動面と軸との接触頻度が低く、摺動面にかかる力（剪断力）が小さいので、表面が凹凸状であったり、強度が低い樹脂層を用いても使用上問題はない。しかし、クロスヘッド軸受のように、摺動面と軸との接触が起きやすく、摺動面に大きな剪断力がかかる用途の軸受にそのような樹脂層を用いると、樹脂層に焼付きや破壊が発生する。
【０００８】
また、特許文献２では、Ｃｕ−Ａｇ−Ｓｎ系の軸受合金層上に厚さ１〜２５μｍの軟質金属又は樹脂層をオーバレイとして形成しているが、その軸受合金層が摺動特性に優れているため、オーバレイは軸とのなじみを取るのに必要な厚さがあればよいと記述されているように、オーバレイは摩耗することが前提となっている。しかし、クロスヘッド軸受のような軸と摺動面の接触が頻繁に発生する軸受では、オーバレイが摩滅すると焼付きが発生する。
【０００９】
また、特許文献３では、樹脂層に固体潤滑剤として二硫化モリブデンや黒鉛を含有させているが、その固体潤滑剤の割合が４０（体積）％を下限とするため、摺動面に存在する固体潤滑剤の量が少なく、軸と固体の接触時の摩擦係数が高い。そのため、クロスヘッド軸受のような軸との接触が頻繁に発生する軸受では、樹脂層の焼付きが発生する。また、固体潤滑剤のうち二硫化モリブデンは１０〜４０μｍの平均幅、５〜１５ｎｍの平均高さを有する非常に薄い扁平状であり、扁平面が摺動面に対して平行に存在するため、軸との接触による剪断力で二硫化モリブデンが容易に破壊され、その結果樹脂層の強度が低下する。
【００１０】
以上のことから、クロスヘッド軸受のような軸との接触が頻繁に発生する軸受おいて、樹脂層の耐焼付性を確保するには固体潤滑剤を多く添加しなければならず、樹脂層の強度を確保するためには固体潤滑剤を少なく添加しなければならないという、相反する特性が必要とされていた。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、樹脂層に固体潤滑剤を多く添加しながらも、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持した摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、樹脂バインダーと総量で４０〜６０体積％の固体潤滑剤からなる樹脂層が基材表面に設けられた摺動部材において、
前記固体潤滑剤が黒鉛と二硫化モリブデンとからなり、
（イ）黒鉛の平均粒径Ｘｇと二硫化モリブデンの平均粒径Ｘｍとの平均粒径の比が２≦Ｘｇ／Ｘｍ≦１０
（ロ）黒鉛の添加量Ｖｇ（体積％）と二硫化モリブデンの添加量Ｖｍ（体積％）との添加量の比が０．２≦Ｖｇ／Ｖｍ≦２
（ハ）固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータがＶｇ／Ｘｇ＋Ｖｍ／Ｘｍ≦０．５５
上記（イ）〜（ハ）の関係となることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明においては、請求項１記載の摺動部材において、樹脂バインダーがポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、又はポリイミド樹脂のいずれか１種以上からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明においては、請求項１記載又は請求項２記載の摺動部材において、黒鉛の平均粒径Ｘｇが２〜８μｍであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明においては、請求項３記載の摺動部材において、黒鉛の平均粒径Ｘｇが樹脂層の厚さの４５％以下であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の摺動部材において、樹脂バインダーの総量に対し、ポリエーテルサルホン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、又はポリテトラフルオロエチレンのいずれか１種以上を２０体積％以下添加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明においては、樹脂バインダーと４０〜６０体積％の固体潤滑剤からなる樹脂層でありながらも、固体潤滑剤が黒鉛と二硫化モリブデンとからなり、請求項１記載の（イ）〜（ハ）の関係を満たすことにより、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持することができる。これに対し、固体潤滑剤の総量が４０体積％以下であると、軸との接触時の摩擦係数が高くなり、樹脂層の焼付きが発生する。また、固体潤滑剤の総量が６０体積％を超えると、固体潤滑剤に対して樹脂バインダーの割合が少なくなり、十分に固体潤滑剤を保持できず、樹脂層の強度が低下する。
【００１７】
また、請求項１記載の（イ）に示すように、黒鉛の平均粒径Ｘｇと二硫化モリブデンの平均粒径Ｘｍとの平均粒径の比については、２≦Ｘｇ／Ｘｍ≦１０の範囲としている。図４に示すように、樹脂バインダー２１に平均粒径の小さい固体潤滑剤２２のみを分散させた場合（図４（Ａ））、又は樹脂バインダー２１に平均粒径の大きい固体潤滑剤２３のみを分散させた場合（図４（Ｂ））には、固体潤滑剤の間に相対的に大きな空間が存在し、固体潤滑剤の見かけ上の体積が大きくなる。一方、樹脂バインダー２１に平均粒径の小さい固体潤滑剤２２と大きい固体潤滑剤２３を分散させた場合（図４（Ｃ））には、大きい固体潤滑剤２３の間の空間に小さい固体潤滑剤２２が入り込み、固体潤滑剤の見かけ上の体積が小さくなる。このため、固体潤滑剤として平均粒径の小さい二硫化モリブデンと平均粒径の大きい黒鉛を多く添加しても、焼成時において樹脂バインダーと固体潤滑剤の収縮差による樹脂層表面での凹凸が小さくなり、また、固体潤滑剤同士の接触が防止され、樹脂層の強度の低下を防止することができる。なお、固体潤滑剤の形状は、図４に示す球形に限られず、楕円、その他不規則形状のものも含む。
【００１８】
これに対し、平均粒径の比が２未満であって、平均粒径の大きさに差がない場合、固体潤滑剤のうち平均粒径の小さい二硫化モリブデンが平均粒径の大きい黒鉛の間の空間に十分に入り込めず、固体潤滑剤の見かけ上の体積が小さくならない。また、平均粒径の比が１０を超えて、平均粒径の大きさに差がある場合、固体潤滑剤のうち平均粒径の小さい二硫化モリブデンが平均粒径の大きい黒鉛に対して小さくなり過ぎるため、固体潤滑剤の見かけ上の体積が大きくなり、その間に樹脂バインダーが十分に入り込めず、樹脂層の強度が低下する。
【００１９】
また、本発明では、固体潤滑剤として平均粒径の大きな黒鉛と平均粒径の小さな二硫化モリブデンとを使用することにより、樹脂層の強度を高めることができるが、そのメカニズムは以下のように推定される。まず、一般的に固体潤滑剤として市販される二硫化モリブデン及び黒鉛は粉砕粉である。二硫化モリブデンは扁平状粒子の形状をしており、扁平面に対して平行方向にへき開面が多く存在した層状の組織となっている。一方、黒鉛は塊状粒子であり、粒子の表面でのへき開面の方向性が見られない。このため、二硫化モリブデン及び黒鉛の粉末において、二硫化モリブデン粒子は、扁平面に対し平行方向にへき開しやすいという強度の方向性があるのに対し、黒鉛の粒子には強度の方向性が見られないため、二硫化モリブデンと比べて相対的に強度が強いと考えられる。つまり、二硫化モリブデンは、軸との接触により摺動面に剪断力がかかることにより、容易に破壊されやすい。
【００２０】
しかしながら、平均粒径の小さな二硫化モリブデンを使用することにより、剪断力を分散させて、一つの二硫化モリブデンの粒子にかかる剪断力が小さくなるため、その破壊を抑制することができる。また、同時に樹脂バインダー内にも剪断力がかかるが、固体潤滑剤として平均粒径の大きい黒鉛を分散させることにより、樹脂バインダー内の剪断力を各々の強度の高い黒鉛粒子で止めることができる。以上のことから、固体潤滑剤として平均粒径の大きな黒鉛と平均粒径の小さな二硫化モリブデンとを分散させることにより、樹脂層に固体潤滑剤を多く添加しながらも、樹脂層の強度が非常に高い状態で保たれていると考えられる。
【００２１】
また、請求項１記載の（ロ）に示すように、黒鉛の添加量Ｖｇ（体積％）と二硫化モリブデンの添加量Ｖｍ（体積％）との添加量の比（体積比）については、０．２≦Ｖｇ／Ｖｍ≦２の範囲とすることにより、樹脂層の強度を低下させることなく、耐焼付性を維持することができる。ここで、二硫化モリブデンは、摺動面に剪断力がかるとへき開面が摺動面に対して平行に配向し、層状のへき開面が剪断されるため、摺動特性が高い。一方、黒鉛は、へき開面に方向性がないため、二硫化モリブデンよりも若干摺動特性が劣るが、摺動面に剪断力がかかっても剪断され難い。したがって、樹脂層の強度を高めるためには多くの黒鉛を添加したほうがよいのに対し、摺動特性を高めるためには多くの二硫化モリブデンを添加したほうがよく、添加量のバランスを図ることが重要である。これに対し、添加量の比が０．２未満であると、黒鉛の添加量が少なくなり過ぎるため、樹脂層の強度の向上に効果が見られない。また、添加量の比が２を超えると、黒鉛の添加量が多くなり過ぎるため、軸との接触時の摩擦係数が高くなり、樹脂層に焼付きが発生する。
【００２２】
また、請求項１記載の（ハ）に示すように、固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータについては、Ｖｇ／Ｘｇ＋Ｖｍ／Ｘｍ≦０．５５の範囲とすることにより、樹脂層中の固体潤滑剤の総表面積が大きくなり過ぎず、樹脂層の強度の低下を防止することができる。これに対し、固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータが０．５５を超えると、固体潤滑剤の総表面積が大きくなり、樹脂層の強度が低下する。これは、固体潤滑剤と樹脂バインダーとがファンデルワールス力で結合されており、固体潤滑剤と樹脂バインダーの密着力が強固ではないためである。さらに固体潤滑剤の総表面積が大きくなると、固体潤滑剤粒子同士が接触し、その間に樹脂バインダーが十分に入り込むことができなくなるため、樹脂層の強度の低下が著しくなる。
【００２３】
また、請求項２に係る発明のように、樹脂バインダーはポリアミドイミド樹脂（以下、「ＰＡＩ樹脂」という。）、ポリベンゾイミダゾール樹脂（以下、「ＰＢＩ樹脂」という。）、又はポリイミド樹脂（以下、「ＰＩ樹脂」という。）のいずれか１種以上からなることが好ましい。これらの樹脂は耐熱性に優れており、摺動部材における樹脂バインダーに適している。
【００２４】
また、請求項３に係る発明のように、黒鉛の平均粒径Ｘｇは２〜８μｍであることが好ましい。黒鉛の平均粒径Ｘｇが２μｍ未満であると、粒径が小さくなり過ぎるため、樹脂層の強度の向上に効果が見られない。また、黒鉛の平均粒径Ｘｇが８μｍを超えると、樹脂層の表面粗さが粗くなるため、樹脂層の耐焼付性が低下する。
【００２５】
また、請求項４に係る発明のように、黒鉛の平均粒径Ｘｇは樹脂層の厚さの４５％以下であることが好ましい。樹脂層の厚さが薄い場合、黒鉛の平均粒径Ｘｇが膜厚の４５％を超えると、樹脂層の表面粗さが粗くなるため、樹脂層の耐焼付性が低下する。
【００２６】
また、請求項５に係る発明のように、樹脂バインダーの総量に対し、ポリエーテルサルホン、ポリアミド（以下、「ＰＡ樹脂」という。）、ポリフェニレンサルファイド、又はポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ樹脂」という。）のいずれか１種以上を２０体積％以下添加することが好ましい。これらの樹脂を樹脂バインダー中に添加することにより、樹脂バインダーの硬さが低くなり、樹脂層のなじみ性を高めることができる。樹脂バインダーの総量に対し添加量が２０体積％を超えると、樹脂バインダーの硬さが低くなり過ぎるため、樹脂層の強度が低下する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】クロスヘッド機構を示す概略図である。
【図２】揺動試験の概略構成図である。
【図３】本発明の実施例を示すクロスヘッド軸受の断面の模式図である。
【図４】樹脂バインダーに小さい固体潤滑剤を分散させた場合（Ａ）、樹脂バインダーに大きい固体潤滑剤を分散させた場合（Ｂ）、樹脂バインダーに小さい固体潤滑剤と大きい固体潤滑剤を分散させた場合（Ｃ）を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、船用エンジンの１つのピストン３に対応するクロスヘッド機構１を示す概略図である。
【００２９】
図１において、船用エンジンのクロスヘッド機構１は、シリンダ２内を摺動するピストン３のピストンロッド４の下端に固定される軸５を揺動自在に軸支するものであり、軸５と摺動する軸受面に摺動層が形成されるクロスヘッド軸受６とこれを介挿する軸受ハウジング７を有している。そして、クロスヘッド機構１は、その下端がクランク軸９に回転自在に軸支されるコネクティングロッド８の上端に形成されている。
【００３０】
上記のように構成される船用エンジンにおいては、ピストン３の上下運動をコネクティングロッド８を介してクランク軸９の回転運動に変換するようになっている。このとき、クロスヘッド機構１においては、軸受ハウジング７に固定されるクロスヘッド軸受６に対しコネクティングロッド８の揺動運動が作用するため、軸受面に油膜の形成が難しく、軸５と摺動面が接触を起こしやすい。そこで、このような軸５との接触が頻繁に発生するクロスヘッド軸受６では、樹脂層の強度を確保すると共に、耐焼付性を確保する必要がある。
【００３１】
図３にクロスヘッド軸受６の断面の模式図を示す。クロスヘッド軸受６は、裏金となる鋼板１３上に接合されたアルミニウム系軸受合金層１１の表面に、摺動面となる樹脂層１２を設けた構成である。本実施形態において、樹脂層１２は、ＰＡＩ樹脂、ＰＢＩ樹脂、ＰＡ樹脂等の耐熱性樹脂を主成分とし、固体潤滑剤として平均粒径が１〜７μｍの黒鉛と平均粒径が０．５〜３μｍの二硫化モリブデンを総量で４０〜６０体積％含有する樹脂層である。なお、固体潤滑剤の平均粒径は、予めレーザー回折法にて粒度分布を測定した。
【００３２】
次に、本実施形態に係る樹脂層１２を設けた実施例品と比較例品について、揺動試験を実施した。揺動試験の実施例品及び比較例品は、裏金となる鋼板１３上にアルミニウム系軸受合金層１１を接合した平板を外径１１０ｍｍ、幅４０ｍｍ、肉厚５ｍｍの半割軸受に加工後、脱脂処理を行い、軸受合金層１１の表面をブラスト加工により粗面化する。さらに洗浄、乾燥後、表１の実施例１〜１０及び比較例１〜１０に示す組成物を有機溶剤（Ｎ−メチル−２ピロリドン）で希釈した組成物を上記した軸受合金層１１表面に、エアースプレーで吹付け塗布した。その後、有機溶剤を乾燥除去し、１８０℃で６０分焼成する。ここで、樹脂層１２の厚さは２０μｍとした。
【００３３】
また、比較例１１については、上記の半割軸受の軸受合金層１１の表面に電気めっきにてＮｉめっきを３μｍ施した後、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ系オーバレイを電気めっきにて２０μｍ施した。
【００３４】
揺動試験は、図２に示す揺動試験機３０にて実施した。この揺動試験機３０は、てこクランク機構（図示しない）により、回転する軸と試験軸３１を連接棒で連接し試験軸３１を揺動運動させる。また、試験軸３１の上方には、試験軸３１と当接する支持軸受３３を有する支持軸受ハウジング３２が配置され、その支持軸受ハウジング３２を介して油圧ポンプ（図示しない）によって変動荷重が与えられる。また、試験軸３１の下方には、本実施形態にかかる樹脂層１２を有する試験軸受３４が支持台３５に固定されるようになっている。上記した支持軸受３３及び試験軸受３４には、給油通路３６を介して潤滑油が供給されるようになっている。
【００３５】
上記した揺動試験機３０にて、各規定荷重で１時間の試験を行い、樹脂層１２の破断状況を目視で確認した。これらの試験結果を表１に示す。なお、軸受試験機３０における試験条件は、表２に示す通りである。すなわち、試験軸受３４の強度及び耐焼付性を評価する負荷限界試験は、軸材料としてＳ４５Ｃからなりその軸粗さが最大軸粗さ平均０．８μｍの試験軸３１の揺動速度を３００ｃｐｍ、揺動角を±２０°に各々設定した後、軸受面圧のサイクル最大値Ｐｗｍａｘを段階的に増大させ、軸受寸法「直径１００ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚さ５ｍｍ」の試験軸受３４に剥離や焼付きが発生しない限界軸受面圧を求める方法で実施した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
表１に示すように、実施例１〜４については、同一の平均粒径の固体潤滑剤を使用し、黒鉛及び二硫化モリブデンの添加量を変化させているが、請求項１規定の計算式（イ）〜（ハ）の関係を満たすことにより、いずれも剥離しない最高面圧が９０ＭＰａを超えて良好な結果が得られた。
【００３９】
また、実施例５，６については、黒鉛を１５体積％、二硫化モリブデンを３０体積％添加しており、二硫化モリブデンの平均粒径を変化させている。いずれも剥離しない最高面圧が８０ＭＰａを超えて良好な結果である。
【００４０】
また、実施例３，７，８については、黒鉛を２０体積％、二硫化モリブデンを３０体積％添加しており、黒鉛及び二硫化モリブデンの平均粒径を変化させている。請求項１規定の計算式（イ）の範囲内であれば、いずれも剥離しない最高面圧が１００ＭＰａと良好な結果が得られた。
【００４１】
また、実施例９については、実施例８のＰＡＩ樹脂の代わりに、一部ＰＡ樹脂を使用しているが、剥離しない最高面圧が９０ＭＰａと良好な結果である。
【００４２】
また、実施例１０については、実施例３に対し、強度の高い黒鉛の割合を高めたため、さらに剥離しない最高面圧が高められる結果が得られた。
【００４３】
また、比較例１については、実施例６に比べて、いずれも黒鉛を１５体積％添加すると共に、黒鉛の平均粒径３．５μｍ、二硫化モリブデンの平均粒径０．５μｍを使用し、二硫化モリブデンの添加量を変化させている。実施例６は良好な結果であるのに対し、二硫化モリブデンを３０体積％添加した比較例１は、請求項１規定の計算式（ハ）の範囲を超えるため、５０ＭＰａで剥離が発生した。
【００４４】
また、比較例２については、実施例１０に比べて、いずれも黒鉛を３０体積％、二硫化モリブデンを２０体積％添加するが、二硫化モリブデンのほうが黒鉛よりも平均粒径が大きい。実施例１０は良好な結果であるのに対し、比較例２は請求項１規定の計算式（イ）の範囲から外れるため、剥離しない最高面圧が５０ＭＰａと低い結果となった。
【００４５】
また、比較例３については、実施例３に比べて、いずれも黒鉛を２０体積％、二硫化モリブデンを３０体積％添加すると共に、黒鉛の平均粒径３．５μｍを使用し、二硫化モリブデンの平均粒径を変化させている。実施例３は良好な結果であるのに対し、二硫化モリブデンの平均粒径が３μｍのものを添加した比較例３は、請求項１規定の計算式（イ）の範囲から外れるため、剥離しない最高面圧が５０ＭＰａと低い結果となった。
【００４６】
また、比較例４については、平均粒径が一種の二硫化モリブデンを４５体積％添加したものであるが、固体潤滑剤の見かけ上の体積が高く、焼成時に樹脂層の表面が凹凸状となったため、５０ＭＰａで剥離が発生した。
【００４７】
また、比較例５については、実施例１に比べて、いずれも同一平均粒径の固体潤滑剤を使用すると共に、黒鉛を１５体積％添加しているが、二硫化モリブデンの添加量を変化させている。実施例１は良好な結果であるのに対し、二硫化モリブデンを２０体積％添加した比較例５は、固体潤滑剤の総量が４０〜６０体積％の範囲から外れるため、５０ＭＰａで焼付きが発生した。
【００４８】
また、比較例６については、平均粒径の異なる二硫化モリブデンを使用しているが、黒鉛を添加しないために樹脂層の強度の向上に効果がなく、剥離しない最高面圧が６０ＭＰａと低い結果となった。
【００４９】
また、比較例７については、実施例４に比べて、いずれも同一の平均粒径の固体潤滑剤を使用しているが、二硫化モリブデンを多く添加し、黒鉛との総量で６０体積％を超えている。実施例４は良好な結果であるのに対し、二硫化モリブデンを４０体積％添加した比較例７は、固体潤滑剤の総量が４０〜６０体積％の範囲から外れるため、剥離しない最高面圧が５０ＭＰａと低い結果となった。
【００５０】
また、比較例８，９については、黒鉛の添加量と二硫化モリブデンの添加量との添加量の比（体積比）が、請求項１規定の計算式（ロ）の範囲から外れている。比較例８は、黒鉛の添加量が５体積％と少な過ぎるため、樹脂層の強度が低下し、剥離しない最高面圧が６０ＭＰａと低い結果となった。比較例９は、二硫化モリブデンの添加量が１０体積％と少な過ぎるため、摺動特性が不十分となり、５０ＭＰａで焼付きが発生した。
【００５１】
また、比較例１０については、実施例６に比べて、いずれも黒鉛を１５体積％、二硫化モリブデンを２５体積％添加するが、比較例１０は請求項１規定の計算式（イ）の範囲から外れるため、５０ＭＰａで剥離した。
【００５２】
また、比較例１１は、従来のＰｂ系オーバレイを使用しているが、軸との接触により摩滅して下地のＮｉ層が露出し、５０ＭＰａで焼付きが発生した。
【００５３】
以上の説明から明らかなように、本実施形態の各実施例１〜１０によれば、樹脂バインダーと総量で４０〜６０体積％の固体潤滑剤からなる樹脂層１２が軸受合金層１１表面に設けられたクロスヘッド軸受６において、
前記固体潤滑剤は黒鉛と二硫化モリブデンからなり、
（イ）黒鉛の平均粒径Ｘｇと二硫化モリブデンの平均粒径Ｘｍとの平均粒径の比が２≦Ｘｇ／Ｘｍ≦１０
（ロ）黒鉛の添加量Ｖｇ（体積％）と二硫化モリブデンの添加量Ｖｍ（体積％）との添加量の比が０．２≦Ｖｇ／Ｖｍ≦２
（ハ）固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータがＶｇ／Ｘｇ＋Ｖｍ／Ｘｍ≦０．５５
上記（イ）〜（ハ）の関係を満たすことにより、いずれも剥離しない最高面圧が８０ＭＰａを超える良好な結果が得られ、樹脂層の強度を低下させることなく、樹脂層の耐焼付性を維持することができる、という優れた効果を奏する。
【００５４】
なお、本実施形態の各実施例１〜１２では、樹脂バインダーにＰＡＩ樹脂又はＰＢＩ樹脂を使用しているが、例えば、ＰＩ樹脂等の耐熱性樹脂を使用してもよい。また、本実施形態の実施例９では、樹脂バインダーの一部としてＰＡ樹脂を添加しているが、例えば、ポリエーテルサルホンやポリフェニレンサルファイドやポリテトラフルオロエチレン等の熱可塑性樹脂を添加することによっても、樹脂バインダーの硬さを低くし、樹脂層のなじみ性を高めることができる。ただし、熱可塑性樹脂は、樹脂バインダーに多く添加し過ぎると、樹脂バインダーの硬さが低くなり、樹脂層の強度が低下するため、添加量が２０体積％以下であることが好ましい。
【００５５】
また、樹脂層１２の膜厚は、１０〜４０μｍであることが望ましい。樹脂層１２の層厚が１０μｍ未満であると、初期摩耗により樹脂層１２が摩滅してしまう場合がある。また、樹脂層１２の層厚が４０μｍを超えると、製造コストが高くなるだけでなく、樹脂層と軸との熱膨張差による軸受クリアランス変化が大きくなる。
【００５６】
また、二硫化モリブデンの平均粒径は、０．５μｍ以上であることが望ましい。二硫化モリブデンの平均粒径が０．５μｍ未満であると、樹脂層中の固体潤滑剤の総表面積が大きくなるため、樹脂層の強度が低下する。また、本実施形態の各実施例１〜１０によれば、実施例６における平均粒径０．５μｍと小さい二硫化モリブデンを使用するよりも、その他の実施例における平均粒径０．７μｍ以上の二硫化モリブデンを使用したほうが良好な結果が得られたことから、望ましくは、二硫化モリブデンの平均粒径が０．７μｍ以上である。
【００５７】
本発明は上記し且つ図面に示した実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形又は拡張できる。基材である軸受合金層の表面を粗面化する方法としては、ブラスト加工に限らず、エッチング、溶射、化成処理等でも良い。また、樹脂表面層の塗布方法は、エアースプレー法に限らず、パッド印刷法、スクリーン印刷法、ロールコート法等でも良い。また、基材については軸受合金に限定されず、各種基材を用いることができる。また、本願の樹脂層には、耐摩耗性を高めるために硬質粒子等を添加することもできる。また、本発明の摺動部材は、船用内燃機関のクロスヘッド軸受に限定されず、他の内燃機関また内燃機関以外の各種用途の摺動部材に用いることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ クロスヘッド機構
４ ピストンロッド
５ 軸
６ クロスヘッド軸受
８ コネクティングロッド
１１ 軸受合金層
１２ 樹脂層
１３ 裏金
２１ 樹脂バインダー
２２，２３ 固体潤滑剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂バインダーと総量で４０〜６０体積％の固体潤滑剤とからなる樹脂層が基材表面に設けられた摺動部材において、
前記固体潤滑剤が黒鉛と二硫化モリブデンからなり、
（イ）前記黒鉛の平均粒径Ｘｇと前記二硫化モリブデンの平均粒径Ｘｍとの平均粒径の比が２≦Ｘｇ／Ｘｍ≦１０
（ロ）黒鉛の添加量Ｖｇ（体積％）と二硫化モリブデンの添加量Ｖｍ（体積％）との添加量の比が０．２≦Ｖｇ／Ｖｍ≦２
（ハ）前記固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータがＶｇ／Ｘｇ＋Ｖｍ／Ｘｍ≦０．５５
上記（イ）〜（ハ）の関係となることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記樹脂バインダーがポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、又はポリイミド樹脂のいずれか１種以上からなることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記黒鉛の平均粒径Ｘｇが２〜８μｍであることを特徴とする請求項１記載又は請求項２記載の摺動部材。
【請求項４】
前記黒鉛の平均粒径Ｘｇが前記樹脂層の厚さの４５％以下であることを特徴とする請求項３記載の摺動部材。
【請求項５】
前記樹脂バインダーの総量に対し、ポリエーテルサルホン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、又はポリテトラフルオロエチレンのいずれか１種以上を２０体積％以下添加することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項１】
樹脂バインダーと総量で４０〜６０体積％の固体潤滑剤とからなる樹脂層が基材表面に設けられた摺動部材において、
前記固体潤滑剤が黒鉛と二硫化モリブデンからなり、
（イ）前記黒鉛の平均粒径Ｘｇと前記二硫化モリブデンの平均粒径Ｘｍとの平均粒径の比が２≦Ｘｇ／Ｘｍ≦１０
（ロ）黒鉛の添加量Ｖｇ（体積％）と二硫化モリブデンの添加量Ｖｍ（体積％）との添加量の比が０．２≦Ｖｇ／Ｖｍ≦２
（ハ）前記固体潤滑剤の総表面積を示すパラメータがＶｇ／Ｘｇ＋Ｖｍ／Ｘｍ≦０．５５
上記（イ）〜（ハ）の関係となることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記樹脂バインダーがポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、又はポリイミド樹脂のいずれか１種以上からなることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記黒鉛の平均粒径Ｘｇが２〜８μｍであることを特徴とする請求項１記載又は請求項２記載の摺動部材。
【請求項４】
前記黒鉛の平均粒径Ｘｇが前記樹脂層の厚さの４５％以下であることを特徴とする請求項３記載の摺動部材。
【請求項５】
前記樹脂バインダーの総量に対し、ポリエーテルサルホン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、又はポリテトラフルオロエチレンのいずれか１種以上を２０体積％以下添加することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の摺動部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１９６８１３（Ｐ２０１０−１９６８１３Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４２７４３（Ｐ２００９−４２７４３）
【出願日】平成２１年２月２５日（２００９．２．２５）
【出願人】（５９１００１２８２）大同メタル工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２５日（２００９．２．２５）
【出願人】（５９１００１２８２）大同メタル工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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