CN110248752B - 滑动构件和内燃机的滑动构件 - Google Patents

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Abstract

滑动构件具备基材和形成在基材上的覆膜层。覆膜层具有来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部和来源于多个铜颗粒或铜合金颗粒的铜部，部与部之间通过界面相结合。

Description

滑动构件和内燃机的滑动构件
技术领域
本发明涉及滑动构件和内燃机的滑动构件。
背景技术
迄今，专利文献1公开了一种硬质皮膜的形成方法，其通过在冷态下产生加工诱导相变而使得在基材的表面形成硬质皮膜成为可能。接着，该硬质皮膜的形成方法是以压缩性的气体作为介质对基材的表面吹送固相状态的金属粉末来形成硬质的金属覆膜的硬质皮膜的形成方法。在该形成方法中，该金属粉末由会产生加工诱导相变的金属材料构成，通过以会产生该加工诱导相变的高速使该金属粉末撞击该基材，一边使该金属粉末塑性变形为扁平一边在该基材的表面堆积多层该金属粉末且使所堆积的该金属粉末产生该加工诱导相变。由此，该形成方法的特征在于，在该基材的表面形成硬度比撞击该基材前的该金属粉末高的金属皮膜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5202024号
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1中记载的硬质皮膜存在耐磨耗性不充分这一问题。
本发明是鉴于这种现有技术所具有的问题而做出的。接着，本发明的目的在于提供具有优异的耐磨耗性的滑动构件和内燃机的滑动构件。
用于解决问题的方案
本发明人等为了实现上述目的而进行了大量的深入研究。结果发现，通过采取如下的结构而能够实现上述目的，即所述结构为：在基材上的滑动部位形成的覆膜层具有来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部和来源于多个铜颗粒或铜合金颗粒的铜部，钢部与铜部在界面处通过包含钢部的成分元素和铜部的成分元素的金属间化合物层相结合，基材与钢部、和/或、基材与铜部在界面处通过金属间化合物层相结合，从而完成了本发明。
发明的效果
根据本发明，能够提供具有优异的耐磨耗性的滑动构件和内燃机的滑动构件。
附图说明
图1是示意性示出本发明的第1实施方式的滑动构件的截面图。
图2是图1所示的滑动构件的由II线所圈出的部分的放大图。
图3是图1所示的滑动构件的由III线所圈出的部分的放大图。
图4是图1所示的滑动构件的由IV线所圈出的部分的放大图。
图5是图1所示的滑动构件的由V线所圈出的部分的放大图。
图6是图1所示的滑动构件的由VI线所圈出的部分的放大图。
图7是示意性示出本发明的第2实施方式的滑动构件的截面图。
图8是图7所示的滑动构件的由VIII线所圈出的部分的放大图。
图9是图7所示的滑动构件的由IX线所圈出的部分的放大图。
图10是图7所示的滑动构件的由X线所圈出的部分的放大图。
图11是示意性示出其他方式的滑动构件的截面图。
图12是示意性示出在内燃机的滑动部位具有滑动构件的内燃机的滑动构件的截面图。
图13是示意性示出在内燃机的轴承机构的轴承衬瓦具有滑动构件的内燃机的轴承机构的截面图。
图14是示出磨耗试验装置的概况的截面图。
图15是试验例2的滑动构件的截面透射电子显微镜(TEM)图像。
图16是示出试验例2的滑动构件的能量色散型X射线(EDX)分析的结果的图表。
具体实施方式
以下，对本发明的一个实施方式的滑动构件和内燃机的滑动构件进行详细说明。
(第1实施方式)
首先，边参照附图边对本发明的第1实施方式的滑动构件进行详细说明。需要说明的是，以下各实施方式中引用的附图的尺寸比率为了便于说明而有所夸大，有时会与实际的比率不同。
图1是示意性示出本发明的第1实施方式的滑动构件的截面图。此外，图2是图1所示的滑动构件的由II线所圈出的部分的放大图。进而，图3是图1所示的滑动构件的由III线所圈出的部分的放大图。此外，图4是图1所示的滑动构件的由IV线所圈出的部分的放大图。进而，图5是图1所示的滑动构件的由V线所圈出的部分的放大图。此外，图6是图1所示的滑动构件的由VI线所圈出的部分的放大图。
如图1～图6所示，本实施方式的滑动构件1具备基材10和形成在基材10上的覆膜层20。接着，覆膜层20具有来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部21和来源于多个铜颗粒或铜合金颗粒的铜部23，这些部之间(例如钢部21与21之间、钢部21与铜部23之间、铜部23之间。)隔着界面。需要说明的是，并非特别限定，覆膜层20可以具有孔隙20c。
接着，并非特别限定，如图2和图3所示，基材10可以具有由扁平的凹部形成的塑性变形部10b。需要说明的是，虽未图示，但基材不具有由扁平的凹部形成的塑性变形部的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
此外，并非特别限定，如图2～图6所示，覆膜层20可以具有具备由扁平形状的钢部21、铜部23堆积而成的结构的塑性变形部20a。需要说明的是，虽未图示，但覆膜层不具有具备由扁平形状的钢部、铜部堆积而成的结构的塑性变形部的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
进而，并非特别限定，如图4～图6所示，覆膜层20可以具有：由形成有扁平的凹部的钢部21、铜部23形成的塑性变形部20b、以及具备由扁平形状的钢部21、铜部23堆积而成的结构的塑性变形部20a。需要说明的是，虽未图示，但覆膜层不具有由形成有扁平的凹部的钢部、铜部形成的塑性变形部、不具有具备由扁平形状的钢部、铜部堆积而成的结构的塑性变形部的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
接着，并非特别限定，如图2和图3所示，基材10中的至少一部分可以在与覆膜层20的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层11。需要说明的是，虽未图示，但基材不在与覆膜层的界面具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
此外，并非特别限定，如图2和图3所示，钢部21、铜部23中的至少一部分可以在与基材10的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层22、24。需要说明的是，虽未图示，但钢部和铜部不在与基材的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
进而，并非特别限定，如图4所示，钢部21中的至少一部分可以在钢部21、21之间的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层22。需要说明的是，虽未图示，但钢部不在钢部彼此之间的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
接着，并非特别限定，如图5所示，钢部21或铜部23中的至少一部分可以在钢部21与铜部23的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层22、24。需要说明的是，虽未图示，但钢部和铜部不在钢部与铜部的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
此外，并非特别限定，如图6所示，铜部23中的至少一部分可以在铜部23、23之间的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层24。需要说明的是，虽未图示，但铜部不在铜部彼此之间的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
如上所述，本实施方式的滑动构件是具备基材和形成在基材上的覆膜层、覆膜层具有来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部和来源于多个铜颗粒或铜合金颗粒的铜部、部与部之间通过界面相结合的滑动构件，因此与具有仅由单一材料的来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部形成的覆膜层的滑动构件相比，具有优异的耐磨耗性。
此外，在滑动构件中，优选的是，基材和覆膜层中的至少一者具有塑性变形部。由此，能够实现更优异的耐磨耗性。
进而，在滑动构件中，优选的是，在选自由基材、钢部和铜部组成的组中的至少1种的至少一部分具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者。由此，能够实现更优异的耐磨耗性。
在现阶段，可认为因为如下理由中的至少1个而获得了上述效果。
例如可认为这是由于，在与滑动构件的制造方法中使用的原料即奥氏体系不锈钢颗粒(以下有时称为“钢颗粒”。)一同将铜颗粒或铜合金颗粒(以下有时称为“铜颗粒”。)吹送到基材上后，通过相对软质的铜颗粒，钢颗粒之间、钢颗粒与基材发生粘结。
接着，例如还可认为这是由于，在将钢颗粒和铜颗粒吹送到基材上后，通过由钢颗粒、铜颗粒挤入到基材、附着于基材的钢部、铜部中所带来的锚固效果，使得钢部、铜部等与基材的密合性提高。另外，换言之，还可认为这是由于，通过形成塑性变形部，使得钢部、铜部等与基材的密合性提高。
此外，例如还可认为这是由于，在将钢颗粒和铜颗粒吹送到基材上后，其动能的一部分被转换成热能，在钢颗粒和铜颗粒等与基材之间发生熔接、原子扩散。此外，有时在钢颗粒、铜颗粒等与附着于基材的钢部、铜部等之间也会发生熔接、原子扩散。由此，使得钢部、铜部等与基材之间、钢部、铜部等部之间的密合性提高。另外，换言之，还可认为这是由于，通过在基材、覆膜层的一部分形成扩散层和金属间化合物层中的至少一者，使得钢部、铜部等与基材之间、钢部、铜部等部之间的密合性提高。
进而，例如还可认为这是由于，在将钢颗粒和铜颗粒吹送到基材上后，在钢颗粒、铜颗粒碰撞基材、附着于基材的钢部、铜部而发生塑性变形时放热，发生熔接、原子扩散。由此，使得钢部、铜部等与基材之间、钢部、铜部等部之间的密合性提高。另外，换言之，还可认为这是由于，通过在基材、覆膜层的一部分形成扩散层和金属间化合物层中的至少一者，使得钢部、铜部等与基材之间、钢部、铜部等部之间的密合性提高。
不过，即使是由于上述理由以外的理由而获得了上述这种效果，也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
需要说明的是，在本发明中，“部与部之间通过界面相结合”是指在部之间发生了熔接、原子扩散、挤入(进入)、塑性变形部形成中的至少1个。
在此，对各构成要素进一步进行详细说明。
作为上述基材，并没有特别限定，详细而言，优选可应用于后述的滑动构件的制造方法、即覆膜层的形成方法的金属。此外，对于基材，在将滑动构件用作内燃机的滑动构件的情况下，优选为可在滑动构件所应用的高温环境下使用的基材，这是不言而喻的。
接着，作为金属，优选应用例如现有公知的铝、铁、钛、铜等的合金。
此外，作为铝合金，优选应用例如日本工业标准中规定的AC2A、AC8A、ADC12等。进而，作为铁合金，优选应用例如日本工业标准中规定的SUS304、铁系烧结合金等。此外，作为铜合金，优选应用例如铍铜、铜合金系烧结合金等。
此外，作为上述覆膜层，关于其孔隙率，并没有特别限定。例如从如果覆膜层的孔隙率大则有可能强度不足而降低耐磨耗性的角度来看，优选覆膜层的孔隙率尽可能地小。接着，从能够制成具有高的导热性的滑动构件的角度来看，覆膜层的截面处的孔隙率优选为3面积％以下，更优选为1面积％以下，特别优选为0面积％。需要说明的是，在现阶段，能够将孔隙率减小至0.1面积％，因此从能够均衡地实现优异的耐磨耗性、生产率的提高等的角度来看，优选采用0.1～3面积％。不过，完全不限于这种范围，只要能够表现本发明的效果，也可以不在该范围内，这是不言而喻的。此外，覆膜层的截面处的孔隙率可以通过例如覆膜层的截面的扫描型电子显微镜(SEM)图像等的观察、和截面扫描型电子显微镜(SEM)图像的二值化等图像处理来算出。
进而，作为上述覆膜层，关于其厚度，并没有特别限定。即，覆膜层的厚度根据所应用的部位的温度、滑动环境而适当调整即可，例如优选采用0.05～5.0mm，更优选采用0.1～2.0mm。如果小于0.05mm，则覆膜层自身的刚性不足，因此特别是在基材强度低的情况下有时会引起塑性变形。此外，如果超过10mm，则有可能因成膜时产生的残留应力与界面密合力的关系而发生覆膜层的剥离。
此外，作为上述钢部中含有的奥氏体系不锈钢，只要是具有奥氏体相的不锈钢，就没有特别限定。优选应用例如日本工业标准中规定的SUS316L、SUS304L等。由此，能够实现优异的耐磨耗性。
进而，作为上述铜部中含有的铜或铜合金，只要是纯铜或含有50质量％以上铜的合金，就没有特别限定。可以应用例如纯铜、白铜等。由此，能够实现优异的耐磨耗性。
此外，并非特别限定，扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层为扩散层和金属间化合物层中的任一者，或包括扩散层和金属间化合物层这两者。作为扩散层，可列举出在组成上具有梯度结构的层作为适宜例子。然而，扩散层并不限定于在组成上具有梯度结构的层。此外，并非特别限定，作为包括金属间化合物层的情况，作为适宜例子，可列举出具有金属间化合物层被在组成上具有梯度结构的扩散层所夹持的结构的情况。扩散层、金属间化合物层等层例如由基材、钢部、铜部等中含有的成分元素构成。具体而言，在应用铝合金作为基材的情况下，有时会形成由含有铝和铜的合金形成的层。然而，并非限定于此，例如即使在应用铝合金作为基材的情况下，有时也会形成由含有铝和奥氏体系不锈钢的成分元素的合金形成的层。进而，例如有时会形成由含有奥氏体系不锈钢和铜的成分元素的合金形成的层。
(第2实施方式)
接着，边参照附图边对本发明的第2实施方式的滑动构件进行详细说明。需要说明的是，对于与上述实施方式中说明过的构成同等的构成，标以相同附图标记并省略说明。
图7是示意性示出本发明的第2实施方式的滑动构件的截面图。此外，图8是图7所示的滑动构件的由VIII线所圈出的部分的放大图。进而，图9是图7所示的滑动构件的由IX线所圈出的部分的放大图。此外，图10是图7所示的滑动构件的由X线所圈出的部分的放大图。
如图7～图10所示，本实施方式的滑动构件2与上述第1实施方式的滑动构件的区别在于，覆膜层20具有比钢部21更硬质的来源于多个硬质颗粒的硬质颗粒部25。
接着，并非特别限定，如图7和图8所示，基材10可以具有由近似半球形形状的凹部形成的塑性变形部10b。需要说明的是，虽未图示，但基材不具有由近似半球形形状的凹部形成的塑性变形部的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
此外，并非特别限定，如图8～图10所示，覆膜层20可以具有具备球形形状的硬质颗粒部25堆积而成的结构的塑性变形部20a。需要说明的是，虽未图示，但覆膜层不具有具备球形形状的硬质颗粒部堆积而成的结构的塑性变形部20a的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
进而，并非特别限定，如图9和图10所示，覆膜层20可以具有由形成有近似半球形形状的凹部的钢部21、铜部23形成的塑性变形部20b、以及具备球形形状的硬质颗粒部25堆积而成的结构的塑性变形部20a。需要说明的是，虽未图示，但覆膜层不具有由形成有近似半球形形状的凹部的钢部、铜部形成的塑性变形部、不具有具备球形形状的硬质颗粒部堆积而成的结构的塑性变形部的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
接着，并非特别限定，如图8所示，基材10中的至少一部分可以在与硬质颗粒部25的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层11。需要说明的是，虽未图示，但基材不在与硬质颗粒部的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
此外，并非特别限定，如图8所示，硬质颗粒部25中的至少一部分可以在与基材10的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层26。需要说明的是，虽未图示，但硬质颗粒部不在与基材的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
进而，并非特别限定，如图9所示，钢部21或硬质颗粒部25中的至少一部分可以在钢部21与硬质颗粒部25的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层22、26。需要说明的是，虽未图示，但钢部和硬质颗粒部不在钢部与硬质颗粒部的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
进而，并非特别限定，如图10所示，铜部23或硬质颗粒部25中的至少一部分可以在铜部23与硬质颗粒部25的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层24、26。需要说明的是，虽未图示，但铜部和硬质颗粒部不在铜部与硬质颗粒部的界面处具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层的情况也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
如上所述，本实施方式的滑动构件是如下滑动构件：具备基材和形成在基材上的覆膜层，覆膜层具有来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部、来源于多个铜颗粒或铜合金颗粒的铜部、以及比钢部更硬质的来源于多个硬质颗粒的硬质颗粒部，部与部之间通过界面相结合，因此能够实现更优异的耐磨耗性。
此外，在滑动构件中，优选的是，基材和覆膜层中的至少一者具有塑性变形部。由此，能够实现更优异的耐磨耗性。
进而，在滑动构件中，优选的是，选自由基材、钢部、铜部和硬质颗粒部组成的组中的至少1种的至少一部分具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者。由此，能够实现更优异的耐磨耗性。
在现阶段，可认为因为如下理由中的至少1个而获得了上述效果。
例如可认为这是由于，在与滑动构件的制造方法中使用的原料即上述钢颗粒一同将比铜颗粒和钢颗粒更硬质的硬质颗粒吹送到基材上后，通过相对软质的铜部，钢部彼此之间、钢部与硬质颗粒部、硬质颗粒部彼此之间、还有钢部、硬质颗粒部等与基材发生粘结。
进而，例如可认为这是由于，在将钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒吹送到基材上后，特别是通过相对硬质的硬质颗粒，例如在基材在其表面具有妨碍基材与覆膜层的密合性的氧化覆膜的情况下，将该氧化覆膜去除，在基材上露出地形成与覆膜层的密合性优异的新界面。
接着，例如还可认为这是由于，在将钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒吹送到基材上后，通过由钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒挤入到基材、附着于基材的钢部、铜部和硬质颗粒部中所带来的锚固效果，使得钢部、铜部、硬质颗粒部等与基材的密合性提高。另外，换言之，还可认为这是由于，通过形成塑性变形部，使得钢部、铜部、硬质颗粒部等与基材的密合性提高。
此外，例如还可认为这是由于，在将钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒吹送到基材上后，其动能的一部分被转换成热能，在钢颗粒、铜颗粒、硬质颗粒等与基材之间发生熔接、原子扩散。此外，有时在钢颗粒、铜颗粒、硬质颗粒等与附着于基材的钢部、铜部、硬质颗粒部等之间也会发生熔接、原子扩散。由此，使得钢部、铜部、硬质颗粒部等与基材之间、钢部、铜部、硬质颗粒部等部之间的密合性提高。另外，换言之，还可认为这是由于，通过在基材、覆膜层的一部分形成扩散层和金属间化合物层中的至少一者，使得钢部、铜部、硬质颗粒部等与基材之间、钢部、铜部、硬质颗粒部等部之间的密合性提高。
进而，例如还可认为这是由于，在将钢颗粒、铜颗粒、硬质颗粒等吹送到基材上后，在钢颗粒、铜颗粒、硬质颗粒等碰撞基材、附着于基材的钢部、铜部、硬质颗粒部等而发生塑性变形时放热，发生熔接、原子扩散。由此，使得钢部、铜部、硬质颗粒部等与基材之间、钢部、铜部、硬质颗粒部等部之间的密合性提高。另外，换言之，还可认为这是由于，通过在基材、覆膜层的一部分形成扩散层和金属间化合物层中的至少一者，使得钢部、铜部、硬质颗粒部等与基材之间、钢部、铜部、硬质颗粒部等部之间的密合性提高。
不过，即使是由于上述理由以外的理由而获得了上述这种效果，也包含在本发明的范围中，这是不言而喻的。
在此，对各构成要素进一步进行详细说明。
作为上述硬质颗粒部，只要是比钢部更硬质，就没有特别限定。例如，作为硬质颗粒，可以应用合金颗粒或陶瓷颗粒或它们以任意比例混合的混合物。此外，并非特别限定，例如硬质颗粒部优选比基材更硬质。进而，例如，作为合金颗粒，优选应用铁基合金颗粒、钴基合金颗粒、铬基合金颗粒、镍基合金颗粒或钼基合金颗粒、或者它们以任意比例混合的混合物。
需要说明的是，钢部、硬质颗粒部等的硬度例如以依据日本工业标准中规定的维氏硬度试验(JIS Z 2244)测定、算出的维氏硬度作为指标即可。此外，作为该维氏硬度，例如对于覆膜层中的钢部、硬质颗粒部，应用对3～30处左右、至少对3～5处左右进行测定而得的算术平均值。进而，在测定、算出钢部、硬质颗粒部等的维氏硬度时，根据需要而将覆膜层的扫描型电子显微镜(SEM)图像、透射型电子显微镜(TEM)图像等的观察、能量色散型X射线(EDX)分析等组合即可。
此外，作为上述铁基合金的具体例子，可举出Fe-28Cr-16Ni-4.5Mo-1.5Si-1.75C等硬质铁基合金。进而，作为钴基合金的具体例子，例如可列举出TRIBALOY(注册商标)T-400等硬质钴基硅化物合金、Stellite(注册商标)6等硬质钴基碳化物合金。此外，作为镍基合金的具体例子，可列举出Ni700(注册商标)(Ni-32Mo-16Cr-3.1Si)等硬质镍基合金。
此外，并非特别限定，对于覆膜层的截面处的硬质颗粒部的比例，从使耐磨耗性更优异、视需要而使导热性更优异的角度来看，优选采用1～50面积％，更优选采用10～50面积％，进一步优选采用10～40面积％。不过，完全不限于这种范围，只要能够表现本发明的效果，也可以不在该范围内，这是不言而喻的。需要说明的是，覆膜层的截面处的硬质颗粒部的比例可以通过例如覆膜层中的截面的扫描型电子显微镜(SEM)图像等的观察、和截面扫描型电子显微镜(SEM)图像的二值化等图像处理来算出。此外，可以将在截面观察、算出的面积％读取为体积％，可以通过将体积％按各颗粒的密度换算而读取为重量％，这是不言而喻的。
需要说明的是，如上所述，从使耐磨耗性和导热性更优异的角度来看，覆膜层的截面处的硬质颗粒部的比例优选采用1～50面积％，而在并不一定需要高的导热性但需要优异的耐磨耗性的情况下，覆膜层的截面处的硬质颗粒部的比例采用50～99面积％也可以。
此外，并非特别限定，扩散层和金属间化合物层中的至少一者的层为扩散层和金属间化合物层中的任一者，或包括扩散层和金属间化合物层这两者。作为扩散层，可列举出在组成上具有梯度结构的层作为适宜例子。然而，扩散层并不限定于在组成上具有梯度结构的层。此外，并非特别限定，作为包括金属间化合物层的情况，作为适宜例子，可列举出具有金属间化合物层被在组成上具有梯度结构的扩散层所夹持的结构的情况。扩散层、金属间化合物层等层例如由基材、铜部、硬质颗粒部等中含有的成分元素构成。具体而言，在应用铝合金作为基材的情况下，有时会形成由含有铝和铜的合金形成的层。然而，并非限定于此，例如即使在应用铝合金作为基材的情况下，有时也会形成由含有铝和硬质颗粒部的成分元素的合金形成的层。
(其他方式)
接着，边参照附图边对其他方式的滑动构件进行详细说明。需要说明的是，对于与上述实施方式中说明过的构成同等的构成，标以相同附图标记并省略说明。
图11是示意性示出其他方式的滑动构件的截面图。如图11所示，本方式的滑动构件3与上述第1或第2实施方式的滑动构件的区别在于，覆膜层20具有来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部21和比钢部21更硬质的来源于多个硬质颗粒的硬质颗粒部25，不含铜部23。需要说明的是，与第1或第2实施方式的滑动构件相比，覆膜层20容易具有孔隙20c。
如上所述，本方式的滑动构件是如下滑动构件：具备基材和形成在基材上的覆膜层，覆膜层具有来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部和比钢部更硬质的来源于多个硬质颗粒的硬质颗粒部，部与部之间通过界面相结合，因此与具有仅由单一材料的来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部形成的覆膜层的滑动构件相比，具有更优异的耐磨耗性。需要说明的是，具有钢部和铜部的情况与具有钢部和硬质颗粒部的情况相比，能够实现更优异的耐磨耗性。
(第3实施方式)
接着，边参照附图边对本发明的第3实施方式的滑动构件、即在滑动部位具有上述滑动构件的滑动构件进行详细说明。需要说明的是，作为滑动构件，虽然以内燃机的滑动构件为例进行详细说明，但并没有特别限定。此外，以覆膜层的表面侧作为滑动面，这是不言而喻的。需要说明的是，对于与上述方式中说明过的构成同等的构成，标以相同附图标记并省略说明。
图12是示意性示出在内燃机的滑动部位具有滑动构件的内燃机的滑动构件的截面图。更具体而言，是示意性示出包括发动机气门的气门传动机构的截面图。如图12所示，凸轮凸角40旋转时，气门挺杆41边压缩气门弹簧42边被按下来，与此同时，发动机气门43被具有阀杆密封件44的气门导向器45引导着按下来，发动机气门43从气缸盖46中的发动机气门43的落座部46A离开，排气口47与未图示的燃烧室连通(发动机气门的开启状态)。然后，凸轮凸角40进一步旋转时，由于气门弹簧42的回弹力，将发动机气门43与气门挺杆41、护圈48和制销49一起推上去，发动机气门43接触落座部46A，将排气口47与未图示的燃烧室断开(发动机气门的关闭状态)。与凸轮凸角40的旋转同步进行这种发动机气门43开关。接着，如此，发动机气门43的阀杆43A以在被压入至气缸盖46侧的气门导向器45中通行，并被油润滑的方式装入。此外，与未图示的燃烧室的开关阀部分相当的发动机气门43的阀面43B在动作时与气缸盖46中的发动机气门43的落座部46A为接触或非接触状态。需要说明的是，在图12中，显示了排气口47侧，而本发明的滑动构件也可以应用于未图示的吸气口侧。
接着，在气缸盖和发动机气门的滑动部位即气缸盖中的发动机气门的落座部46A的滑动面46a应用形成有上述覆膜层的滑动构件，例如上述第1实施方式～其他方式中的滑动构件(1、2、3)。由此，与具有仅由单一材料的来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部形成的覆膜层的滑动构件相比，具有更优异的耐磨耗性。此外，通过将本发明的滑动构件应用于气缸盖，可以取消压入型的阀座。结果，可以实现排气口、吸气口的形状自由化、发动机气门的直径扩大，可以提高发动机的燃油效率、功率、扭矩等。
此外，例如虽未图示，但也可以在阀杆的滑动面和作为配合对象材料的气门导向器的滑动面的一者或两者，和/或，在选自由阀杆轴端的滑动面、阀面的滑动面和压入型的阀座的滑动面组成的组中的至少1处，应用形成有上述覆膜层的滑动构件，例如上述第1实施方式～其他方式中的滑动构件。由此，与具有仅由单一材料的来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部形成的覆膜层的滑动构件相比，具有更优异的耐磨耗性。
即，本实施方式的气缸盖优选在发动机气门的落座部具有上述实施方式的滑动构件。此外，本实施方式的其他气缸盖优选是具备具有上述实施方式的滑动构件的阀座的气缸盖，且在该阀座的发动机气门的落座部具有该滑动构件。进而，本实施方式的阀座优选在发动机气门的落座部具有上述实施方式的滑动构件。此外，本实施方式的发动机气门优选在阀面具有上述实施方式的滑动构件。进而，本实施方式的其他发动机气门优选在与气门导向器的滑动部位具有上述实施方式的滑动构件。
(第4实施方式)
接着，边参照附图边对本发明的第4实施方式的滑动构件进行详细说明。另外，以覆膜层的表面侧作为滑动面，这是不言而喻的。此外，对于与上述方式中说明过的构成同等的构成，标以相同附图标记并省略说明。
图13示意性示出在内燃机的轴承机构的轴承衬瓦具有滑动构件的内燃机的轴承机构的截面图。更具体而言，是示意性示出作为连杆的滑动构件的轴承衬瓦的截面图。如图13所示，连杆60的未图示的曲柄侧的大端部60A被分成上下2部分。接着，在大端部60A配设有用于插入曲柄销61的被分成2部分的轴承衬瓦62。
接着，作为轴承衬瓦62，在其滑动面62a应用形成有上述覆膜层的滑动构件，例如上述第1实施方式～其他方式中的滑动构件(1、2、3)。由此，与具有仅由单一材料的来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部形成的覆膜层的滑动构件相比，具有更优异的耐磨耗性。
此外，例如虽未图示，但也可以在连杆的未图示的活塞侧的小端部的用于插入活塞销的被分成2部分的轴承衬瓦的滑动面应用形成有上述覆膜层的滑动构件，例如上述第1实施方式～其他方式中的滑动构件。由此，与具有仅由单一材料的来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部形成的覆膜层的滑动构件相比，具有更优异的耐磨耗性。
即，本实施方式的内燃机的轴承机构优选在内燃机的轴承机构的轴承衬瓦具有上述实施方式的滑动构件。另外，也可以在连杆的大端侧的滑动面直接成膜(直接形成而不使用衬瓦)。此外，也可以在连杆的小端侧的滑动面直接成膜(直接形成而不使用衬瓦)。
需要说明的是，本实施方式的内燃机的滑动构件也可以应用于活塞环、活塞。即，优选将覆膜层应用于活塞环的表面。此外，优选将覆膜层应用于活塞的环槽内表面。进而，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于气缸孔内表面(可以代替气缸衬垫、代替孔喷涂。)。此外，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于曲轴的轴颈的衬瓦。进而，本实施方式的内燃机的滑动构件优选在曲轴的轴颈的衬瓦的部位直接成膜覆膜层(直接形成覆膜层而不使用衬瓦。)。此外，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于凸轮轴的轴颈的衬瓦的表面。进而，本实施方式的内燃机的滑动构件优选在凸轮轴的轴颈的衬瓦的部位直接成膜覆膜层(直接形成覆膜层而不使用衬瓦。)。此外，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于凸轮轴的凸轮凸角表面。进而，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于活塞和活塞销的衬瓦。此外，本实施方式的内燃机的滑动构件优选在活塞和活塞销的衬瓦的部位直接成膜覆膜层。进而，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于活塞裙的表面。此外，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于气门挺杆的顶面。进而，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于气门挺杆的侧面。此外，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于气缸盖中的挺杆孔的与气门挺杆的滑动面。进而，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于链轮的齿的表面(此时，例如代替铁烧结合金的链轮在铝烧结合金的链轮上形成覆膜层。)。此外，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于链的销。进而，本实施方式的内燃机的滑动构件优选将覆膜层应用于链板。
此外，上述第1实施方式～其他方式中的滑动构件优选将覆膜层应用于除内燃机以外的齿轮的齿的表面(此时，例如将钢的齿轮铝合金化并在该铝合金上形成覆膜层。)。在此，对于除内燃机以外的设备，例如可列举出：汽车的差速器、汽车的发电机、汽车以外的发电机等。进而，上述第1实施方式～其他方式中的滑动构件优选应用于所有滑动轴承(非滚动轴承的、广义的滑动轴承。)。
接着，对滑动构件的制造方法进行详细说明。滑动构件的制造方法例如是制造上述实施方式中的如下滑动构件的方法：具备基材和形成在基材上的覆膜层，覆膜层具有钢部和铜部、或钢部、铜部和硬质颗粒部，部与部之间通过界面相结合。该滑动构件的制造方法包括如下工序：将含有上述钢颗粒和铜颗粒的混合物、或含有上述钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒的混合物以非熔融的状态吹送到基材上，在基材上形成覆膜层。
如上所述，通过将制成非熔融的状态的混合物吹送到基材上、在基材上形成规定的覆膜层，能够高效地形成耐磨耗性优异的覆膜层。换言之，通过利用被称为动力喷雾、冷喷涂、温喷涂(warm spray)等的方法形成覆膜层，能够高效地形成耐磨耗性优异的覆膜层。不过，本发明的滑动构件并不限于由这种制造方法所制造的构件。
在此，对更具体的制造方法进一步详细说明。
如上所述，在将混合物吹送到基材上时，优选将混合物以在基材和覆膜层中的至少一者形成塑性变形部的速度吹送至基材。由此，能够高效地形成耐磨耗性更优异的覆膜层。
然而，吹送混合物的速度并不限于上述。例如，优选将颗粒速度设定为300～1200m/s，更优选设定为500～1000m/s，进一步优选设定为600～800m/s。此外，为了吹送颗粒，优选将所供给的工作气体的压力设定为2～5MPa，更优选设定为3.5～5MPa。如果工作气体的压力小于2MPa，则有时无法获得颗粒速度，孔隙率增大。不过，完全不限于这种范围，只要能够表现本发明的效果，也可以不在该范围内，这是不言而喻的。
此外，对工作气体的温度并非特别限定，例如优选设定为400～800℃，更优选设定为600～800℃。如果将工作气体的温度设定为小于400℃，则有时孔隙率增大，耐磨耗性降低。此外，如果将工作气体的温度设定为超过800℃，则有时会引起喷嘴堵塞。不过，完全不限于这种范围，只要能够表现本发明的效果，也可以不在该范围内，这是不言而喻的。
进而，作为工作气体的种类，并没有特别限定，例如可列举出氮气、氦气等。这些可以单独使用1种，也可以将多种组合使用。还可以将燃料气体与氮气混合使用。
此外，形成覆膜层后，例如可以在250～500℃下进行0.5～4小时的时效处理和/或回火。由此，能够提高耐磨耗性。此外，该时效处理和/或回火例如还可以利用发动机组装后的检查时的试运行时来自燃烧室的受热来进行。
进而，对于作为上述原料使用的钢颗粒，并没有特别限定，优选为处于非熔融的状态且由上述奥氏体系不锈钢形成的钢颗粒。另外，优选为过饱和固溶体的状态。通过处于过饱和固溶体的状态而具有大的延性，换言之，具有变形能力，因此能够高效地形成覆膜层，能够提高成膜性。在此，作为处于过饱和固溶体的状态的颗粒，并没有特别限定，例如优选应用通过雾化法等使其快速凝固而得的骤冷凝固颗粒。
此外，对于作为上述原料使用的铜颗粒，并没有特别限定，优选为处于非熔融的状态且由上述纯铜或含有50质量％以上的铜的合金形成的铜颗粒。
进而，对于作为上述原料使用的硬质颗粒，并没有特别限定，优选处于非熔融的状态、比钢颗粒更硬质。
此外，对于作为上述原料使用的钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒的粒度(筛孔尺寸)，并没有特别限定，优选为45μm以下。接着，作为钢颗粒的粒度(筛孔尺寸)，并没有特别限定，优选为11μm以上。此外，作为硬质颗粒的粒度(筛孔尺寸)，并没有特别限定，优选为11μm以上。
实施例
以下，通过试验例对本发明进行更进一步的详细说明，但本发明并不限定于这些试验例。
(试验例1)
首先，对于作为原料的钢颗粒，准备奥氏体系不锈钢颗粒(SUS316L、气体雾化颗粒、粒度(筛孔尺寸)-45/+11(μm))。
此外，对于作为原料的铜颗粒，准备铜颗粒(Cu、气体雾化颗粒、粒度(筛孔尺寸)-45(μm))。
另一方面，在气缸盖中的发动机气门的落座部的加工完成状态下，设定想要的覆膜层厚度0.2mm，进行铝基材(日本工业标准H 4040A5056)的前加工，准备经前加工的铝基材。
接着，在旋转工作台上安装所准备的铝基材，一边使旋转工作台旋转，一边使用高压型冷喷涂装置(CGT公司制造、Kinetiks4000、工作气体：种类；氮气、温度；650℃、压力；3.5MPa)将所准备的钢颗粒与铜颗粒的混合物(钢颗粒：铜颗粒：硬质颗粒＝90：10：0(质量比))吹送到所准备的铝基材上，在基材上形成覆膜层厚度0.4～0.5mm的覆膜层。
然后，通过机械加工，精加工成实际的气缸盖中的发动机气门的落座部的形状，得到本例的滑动构件。需要说明的是，覆膜层厚度为0.2mm(下同。)。
(试验例2～试验例4)
如表1所示，改变钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒的规格、成膜条件，除此之外重复与试验例1同样的操作，得到各例的滑动构件。
(试验例5～试验例7、比较例1)
如表2所示，改变钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒的规格、成膜条件，除此之外重复与试验例1同样的操作，得到各例的滑动构件。
(比较例2～比较例6)
如表3所示，改变钢颗粒、铜颗粒和硬质颗粒的规格、成膜条件，除此之外重复与试验例1同样的操作，得到各例的滑动构件。
[表1]
Figure GDA0002152826990000201
[表2]
Figure GDA0002152826990000211
[表3]
Figure GDA0002152826990000221
在此，在表1～表3中，各例的覆膜层中的钢部、铜部和硬质颗粒部的维氏硬度依据日本工业标准中规定的维氏硬度试验(JIS Z 2244)测定、算出。需要说明的是，为了求出算术平均值，测定数采用10处。此外，在确定测定位置时，利用了覆膜层的扫描型电子显微镜(SEM)图像、透射型电子显微镜(TEM)图像等的观察、能量色散型X射线(EDX)分析的结果等。此外，通过滑动构件的截面的透射型电子显微镜(TEM)图像等的观察和能量色散型X射线(EDX)分析确定了各例的滑动构件的基材、钢部、铜部、硬质颗粒部有无扩散层和金属间化合物层中的至少一者。进而，通过截面的扫描型电子显微镜(SEM)图像等的观察、和能量色散型X射线(EDX)分析确定了各例的滑动构件的截面处有无塑性变形部。需要说明的是，在试验例1～试验例7的任一例中，均观察到扩散层和金属间化合物层中的至少一者，均在基材和覆膜层观察到塑性变形部。此外，表1和表2中的Tribaloy T-400、Stellite6是KENNAMETAL Stellite Group制造的，Ni700是Sandvik公司制造的。
[性能评价]
使用上述各例的滑动构件，评价下述各种性能。
(磨耗评价(耐磨耗性和配合对象攻击性))
图14是示出磨耗试验装置的概况的截面图。如图14所示，使用气门弹簧42、发动机气门43、阀杆密封件44、气门导向器45、气缸盖46、46’、销49等实际的发动机的部件，构建了与发动机的气门传动机构相似的磨耗试验装置。另外，作为气缸盖46中的发动机气门43的落座部46A，应用上述各例中得到的滑动构件(1、2、3)。此外，滑动构件(1、2、3)具备形成在基材10上的规定的覆膜层20。进而，图中的发动机气门43显示开启状态，发动机气门43通过未图示的偏心凸轮而沿图中箭头Y所示的上下方向振动，重复发动机气门43的开关。需要说明的是，气缸盖46中的发动机气门43的落座部46A的滑动面46a处于比燃烧器B的火焰F更高温的环境下。此外，落座部46A通过温度计T进行温度测量。进而，在气缸盖46内循环有冷却水W。
使用上述磨耗试验装置，在下述试验条件下测定、算出磨耗量。具体而言，使用形状测定装置获取试验前和试验后的气缸盖中的发动机气门的落座部(阀座)和发动机气门的阀面的形状，测定4处的磨耗量，算出平均值，将其作为磨耗量。所得结果一并记于表1～表3。
<试验条件>
·温度：300℃(假定为排气口侧的气缸盖中的发动机气门的落座部。)
·输入次数：540000次
由表1～表3可知，落入本发明的范围的试验例1～试验例6与未落入本发明的比较例1相比，磨耗量少，即使在高温下也具有优异的耐磨耗性。还可知，试验例7也与比较例1相比，磨耗量少，即使在高温下也具有优异的耐磨耗性。进而可知，试验例2～试验例6具有优异的耐磨耗性和配合对象攻击性。
此外，可认为得到试验例1～试验例6这样具有优异的耐磨耗性的滑动构件是由于，在基材上形成有具有上述规定的钢部和铜部、部与部之间通过界面相结合的覆膜层。
进而，可认为得到试验例2～试验例6这样具有优异的耐磨耗性和配合对象攻击性的滑动构件是由于，在基材上形成有具有上述规定的钢部、铜部和硬质颗粒部、部与部之间通过界面相结合的覆膜层。
此外，图15是试验例2的滑动构件的基材与覆膜层的边界面附近、具体是基材10与覆膜层中的铜部23的边界面附近的截面透射电子显微镜(TEM)图像。此外，图16是示出试验例2的滑动构件的图15所示的线段Z的能量色散型X射线(EDX)分析(射线分析)的结果的图表。需要说明的是，图15所示的位置1和图16所示的位置1显示相同的位置。
根据图15和图16，由于α部分的铜与铝的比大约为Cu:Al＝9:4(原子比)，因此可认为形成有Cu9Al4的金属间化合物层。此外，根据图15和图16，由于β部分的铜与铝的比大约为Cu:Al＝1:2(原子比)，因此可认为形成有CuAl2的金属间化合物层。需要说明的是，在包括α部分、β部分的各区域，在HAADF图像中成功观察到了对比度均匀的区域。
此外，还可认为得到具有试验例1～试验例6这样优异的耐磨耗性的滑动构件是由于，进一步在基材和覆膜层中的至少一者具有塑性变形部。
进而，还可认为得到具有试验例1～试验例6这样优异的耐磨耗性的滑动构件是由于，硬质颗粒部由铁基合金、钴基合金、镍基合金等硬质颗粒形成。
此外，还可认为得到具有试验例1～试验例6这样优异的耐磨耗性的滑动构件是由于，进一步在选自由基材、钢部、铜部和硬质颗粒部组成的组中的至少1种的至少一部分具有扩散层和金属间化合物层中的至少一者。
进而，还可认为得到具有试验例1～试验例6这样优异的耐磨耗性的滑动构件是由于，在上述滑动构件的制造方法中，包括将上述混合物以非熔融的状态吹送到基材上、在基材上形成覆膜层的工序。
此外，还可认为得到具有试验例1～试验例6这样优异的耐磨耗性的滑动构件是由于，在将上述混合物吹送到基材上时，将混合粉末以在基材和覆膜层中的至少一者形成塑性变形部的速度吹送到基材。
进而，由试验例2、试验例7、比较例1、比较例2、比较例4～比较例6的附着率和覆膜层质量的结果可知，在落入本发明的范围的试验例1～试验例6中，能够高效地形成不容易发生破裂、膜剥脱的覆膜层。
以上通过若干实施方式和试验例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此，可以在本发明的范围内进行各种变形。
例如，上述各方式、各试验例中记载的构成要素并非限定于每个方式、试验例，例如可以变更钢颗粒、铜颗粒、硬质颗粒的规格的细节、成膜条件的细节，可以将各方式、各试验例的构成要素组成除上述各方式、各试验例以外的组合。
附图标记说明
1、2、3 滑动构件
10 基材
10b 塑性变形部
11 扩散层和/或金属间化合物层
20 覆膜层
20a、20b 塑性变形部
20c 孔隙
21 钢部
22 扩散层和/或金属间化合物层
23 铜部
24 扩散层和/或金属间化合物层
25 硬质颗粒部
26 扩散层和/或金属间化合物层
40 凸轮凸角
41 气门挺杆
42 气门弹簧
43 发动机气门
43A 阀杆
43a 滑动面
43B 阀面
43b 滑动面
44 阀杆密封件
45 气门导向器
45a 滑动面
46、46’ 气缸盖
46A 落座部
46a 滑动面
47 排气口
48 护圈
49 制销
60 连杆
60A 大端部
61 曲柄销
62 轴承衬瓦
62a 滑动面
B 燃烧器
F 火焰
T 温度计
W 冷却水

Claims (4)

1.一种滑动构件，其特征在于，具备：
基材、和
形成在所述基材上的滑动部位的覆膜层，
所述覆膜层具有来源于多个奥氏体系不锈钢颗粒的钢部和来源于多个铜颗粒或铜合金颗粒的铜部，该钢部与该铜部在界面处通过包含该钢部的成分元素和该铜部的成分元素的金属间化合物层相结合，
所述基材与所述钢部、和/或、所述基材与所述铜部在界面处通过金属间化合物层相结合，
通过所述铜颗粒或铜合金颗粒而使所述奥氏体系不锈钢颗粒之间、所述奥氏体系不锈钢颗粒与所述基材粘结，
所述覆膜层具有比所述钢部更硬质的来源于多个硬质颗粒的硬质颗粒部，
所述硬质颗粒包含选自由铁基合金颗粒、钴基合金颗粒、铬基合金颗粒、镍基合金颗粒和钼基合金颗粒组成的组中的至少1种硬质颗粒。
2.根据权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，所述基材和所述覆膜层中的至少一者具有塑性变形部。
3.根据权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，所述基材与所述硬质颗粒部、所述钢部与所述硬质颗粒部、或、所述铜部与所述硬质颗粒部在界面处通过金属间化合物层相结合。
4.一种内燃机的滑动构件，其特征在于，在内燃机的滑动部位具有权利要求1～3中的任一项所述的滑动构件。
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