JP2003136629A - 多層材料およびその製造方法 - Google Patents

多層材料およびその製造方法

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正仁 藤田
Eisaku Inoue
栄作 井上
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隆之 柴山
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    • Y10T428/12903—Cu-base component
    • Y10T428/12917—Next to Fe-base component
    • Y10T428/12924—Fe-base has 0.01-1.7% carbon [i.e., steel]

Abstract

(57)【要約】 【課題】 銅系軸受合金の組織が緻密で高強度の多層材
料およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 矢印Ａ方向に移動する鋼板１０上に銅合
金粉末を散布し、この銅合金粉末にレーザ装置５からレ
ーザ光を照射して当該銅合金粉末を局部的に加熱溶融さ
せながら、この溶融部分を水噴射による冷却装置６によ
り鋼板１０の背面側から冷却して急速凝固させる。これ
により製造された多層材料は、銅合金層は、鋼板１０の
表面からデンドライト組織がほぼ垂直に伸び、且つ結晶
粒度が０．０２ｍｍ以下および／またはデンドライトア
ームスペイシングが０．０２ｍｍ以下の急冷凝固組織を
持つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はすべり軸受などの製
造に用いられる多層材料およびその製造方法に係り、特
に裏材に接合された表材が方向性のあるデンドライト組
織を持った多層材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、裏材である鋼板に表材である銅系
軸受合金を接合した構造の軸受用多層材料を製造する方
法としては、焼結法と連帯鋳造法とがある。焼結法は、
鋼板上に銅系軸受合金を構成する銅合金の焼結粉末を所
定の厚さに散布し、その後、還元雰囲気中で８５０〜９
００℃に加熱して一次焼結し、次いで銅合金粉末層の密
度が１００％となるように圧延し、更に再度上記と同条
件で二次焼結を行って多層材料を完成させるというもの
である。
【０００３】また、連帯鋳造法は、鋼板の両側をＬ形に
折り曲げてチャンネル（溝）状にし、その後、還元雰囲
気で１０００℃まで予熱し、そこに溶融した銅合金を注
入すると共に、鋼板の背面側から油焼き入れして注湯し
た銅合金を裏面側から冷却して一方向に凝固させ、次い
でチャンネルの両側のＬ形折り曲げ部分を切断除去する
と共に、銅合金表面の不要部分を切削し、最後に油焼き
入れによってマルテンサイト化した鋼板を８００℃に加
熱して軟化させ、以上により多層材料を完成させるとい
うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記の焼結法では一次
焼結および二次焼結のための設備、圧延設備などを必要
とし、また、連帯鋳造法もチャンネル成型設備、予熱設
備などを必要するので、極めて長い製造設備ラインを必
要とする。また、焼結法では、銅合金層（表材）と鋼板
（裏材）との接合強度が低く、しかも、二次焼結によっ
て銅合金の組織が粗くなり、且つ強度が低下するという
問題がある。一方、連帯鋳造法では、銅合金と鋼板との
接合強度は高いが、鋼板の背面から焼き入れを行うた
め、鋼板が硬化してしまい、その後の軟化のための焼な
ましをすることによって、銅合金の組織が粗くなり、強
度が低くなるという問題を生ずる。本発明は上記の事情
に鑑みてなされたもので、その目的は、組織が緻密で高
強度の多層材料およびその製造方法を提供するところに
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の多層材料は、裏材にこの裏材とは異種の
金属からなる表材を接合してなるものにおいて、前記表
材は、前記裏材表面からデンドライト組織がほぼ垂直に
伸び、且つ裏材表面と平行な切断面での結晶粒度が０．
０２ｍｍ以下および／または裏材表面と垂直な切断面で
のデンドライトアームスペイシングが０．０２ｍｍ以下
の急冷凝固組織を持つことを特徴とする。
【０００６】また、本発明は、上記の多層材料を製造す
るために、裏材上にこの裏材とは異種の金属の粉末を散
布し、この金属粉末にエネルギー密度１０〜１００ＫＷ
／ｃｍ２のレーザ光を照射して金属粉末を局部的に加熱
溶融させながら当該レーザ光の照射部分を連続的に移動
させ、且つ溶融直後にこの溶融部分を裏材の背面側から
冷却して急速凝固させる方法を採用した。
【０００７】レーザは局部的な加熱に適しており、金属
粉末を局部的に加熱溶融して裏材へ接合することによ
り、表材と裏材との接合を良好に行うことができ、しか
も他へ与える熱的影響が少ない。加熱個所が局部的であ
れば、その加熱個所に対する冷却についても制御し易く
なる。レーザとしては、エネルギの変換効率に優れた半
導体レーザを用いることが好ましい。一方、銅系合金は
軸受合金として最も優れた特性を持つ材料の一つであ
り、鋼裏金との濡れ性も良く、鋼裏金との接合性に優れ
る。また、銅系合金粉末の表面に存在する酸化物はレー
ザ光の反射を少なくし、光の吸収率を高める。半導体レ
ーザが発するレーザ光の波長は０．８〜１．１μｍであ
り、この波長は銅系合金が高い吸収率を呈する波長であ
り、従って、銅系合金と半導体レーザとの組み合わせに
より本発明方法を実施することが最も適している。
【０００８】本発明の多層材料の製造方法によれば、ま
ず図２に示すように、裏材上に金属粉末を散布し、その
金属粉末にレーザ光を照射すると、レーザ光を照射され
た部分の金属粉末はレーザ光を吸収して瞬間的に溶融
し、図３に示すように表面張力により球状化する。この
ときのレーザ光による加熱速度は８００℃／ｓｅｃ以上
に達する。そして、球状化した溶融部分は次の瞬間に重
力で図４に示すように裏材上に広がると共に、裏材によ
り下側から冷却されて凝固が上方向に進行し、デンドラ
イト組織が裏材の表面から垂直に伸びて行くようにな
る。
【０００９】このように本発明方法では、裏材上に金属
粉末を散布し、これをレーザ光によって溶融し、その
後、急速冷却することによりバイメタル材を製造できる
ので、従来の焼結法のように一次焼結、二次焼結、圧延
設備などが要らず、また連帯鋳造法のように金属を溶融
する大掛かりな設備や鋼板上に注入された多量の溶融金
属を冷却するための大掛かりな冷却装置も要らないの
で、製造ラインを短縮することができる。しかも、裏材
上に散布された金属粉末を局部的に急速に溶融し、急速
に冷却することにより、表材の組織が緻密になる。
【００１０】本発明の多層材料の製造方法では、適切な
溶融・凝固条件を与えるレーザ光のエネルギ密度として
１０〜１００ＫＷ／ｃｍ２とした。エネルギ密度が１０
ＫＷ／ｃｍ２未満では裏材上に散布した金属粉末が溶融
せず、エネルギ密度が１００ＫＷ／ｃｍ２を越えると、
裏材が溶融してしまい、バイメタル化できなくなる。従
って、エネルギ密度１０〜１００ＫＷ／ｃｍ２の範囲に
おいて、裏材と表材との適切な接合状態を維持し、表材
と裏材とのバイメタル化が可能となる。
【００１１】また、本発明の多層材料の製造方法では、
溶融した金属粉末を裏材の背面側から急速冷却するの
で、溶融した金属粉末は裏材表面からデンドライト組織
がほぼ垂直に伸びるようになる。
【００１２】このような方法を採用することによって上
述した本発明の多層材料が製造され、表材のデンドライ
ト組織は、裏材表面からほぼ垂直に伸び、その裏材の表
面と平行な切断面での結晶粒度が０．０２ｍｍ以下およ
び／または裏材表面と垂直な切断面でのデンドライトア
ームスペイシングが０．０２ｍｍ以下の急冷凝固組織を
持つようになる。
【００１３】この多層材料において、表材のデンドライ
ト組織に、幹に相当する部分から伸びた枝（以下、アー
ム）を確認できる場合と、そのようなアームを確認でき
ない場合とがある。例えば、銅系合金の場合、その銅系
合金に鉛やビスマス、或いは錫が含まれていると、銅系
合金粉末を溶融し冷却固化させた状態では、その鉛粒
子、ビスマス粒子、錫粒子が支柱から伸びたアームの相
互間に介在するようになるので、アームを確認できる。
しかし、その後に調質のための焼鈍などの熱処理を行う
と、鉛やビスマスは、そのままアームの相互間に残る
が、錫の場合には、熱処置によってアームの間から消失
してしますため、そのようなアームを確認することがで
きなくなる。
【００１４】そこで、本発明において、デンドライト組
織のアームが確認できない場合には、図５に示すよう
に、裏材の表面と平行な切断面でのデンドライト組織の
間隔Ｌを結晶粒度と称してｍｍ単位で表し、図６に示す
ように、アームが確認できる場合には、デンドライト組
織のアームとアームとの間隔をデンドライトアームスペ
イシングＳと称してｍｍ単位で表すこととした。但し、
結晶粒度の測定法はＪＩＳ Ｈ ０５０１に従うものと
する。
【００１５】本発明の多層材料によれば、表材がデンド
ライト組織で、そのデンドライト組織が裏材表面からほ
ぼ垂直に伸びるので、すべり軸受とした場合、デンドラ
イト組織の幹の部分が相手材の荷重方向と一致し、幹が
荷重を支える柱の役目を果たすこととなり、強度および
耐疲労性に優れたものとなる。
【００１６】また、表材のデンドライト組織の結晶粒度
が０．０２ｍｍ以下および／またはデンドライトアーム
スペイシングが０．０２ｍｍ以下と緻密であるので、す
べり軸受とした場合、非焼付性および耐疲労性に優れた
ものとなる。錫１０質量％、鉛１０質量％、残り銅の銅
合金の凝固組織について、本発明による場合を図７、従
来の焼結法による場合を図８、連帯鋳造法による場合を
図９にそれぞれ示した。この図７と図８、図９との対比
から明らかなように、本発明の多層材料は表材の組織が
緻密であることが理解される。なお、図７〜９におい
て、（ａ）は裏材の表面に垂直な切断面での組織、
（ｂ）は裏材の表面と平行な切断面での組織であり、黒
は銅マトリクス、白は鉛を示す。
【００１７】上記のデンドライト組織の結晶粒度および
デンドライトアームスペイシングが共に０．０２ｍｍを
越えると、非焼付性および耐疲労性の向上を望み得な
い。レーザ光により溶融された金属の冷却速度を１００
℃／ｓｅｃ以上とすることにより、確実に、デンドライ
ト組織の結晶粒度を０．０２ｍｍ以下、デンドライトア
ームスペイシングを０．０２ｍｍ以下の急冷組織とする
ことができる。
【００１８】本発明の多層材料では、裏材は鋼、表材は
銅系合金とすることができる。この場合、表材の銅系合
金に、鉛またはビスマスを３０質量％以下含有させ、凝
固組織中の鉛またはビスマスの粒径を０．０２ｍｍ以下
に微細化して分散させることができる。
【００１９】このように多層材料を鋼上に銅系合金層が
接合された構造とすれば、銅系軸受合金を用いたすべり
軸受の材料として使用できる。この銅系合金に鉛または
ビスマスを３０質量％以下含有させることにより、それ
らが固体潤滑剤としての機能を果たすようになるので、
非焼付性が向上する。鉛またはビスマスの大きさが０．
０２ｍｍ以下であると、優れた非焼付性および耐疲労性
を示す。鉛またはビスマスは軟質であるので、その含有
量が３０質量％を越えると、マトリクスの強度が低下し
て耐疲労性が低くなるし、鉛またはビスマスの大きさが
０．０２ｍｍを越えると、非焼付性および耐疲労性が低
下する。つまり、固体潤滑剤として機能する鉛またはビ
スマスは微細で均一に分散していることが要求されるの
である。
【００２０】本発明の製造方法において、金属粉末を散
布した裏材を固定し、レーザ光を移動させ、若しくはレ
ーザ光を固定し、金属粉末を散布した裏材を移動させる
場合、その移動速度は多層材料の製造にとって重要であ
る。この移動速度が０．２ｍ／ｍｉｎ未満では金属粉末
がレーザ光のエネルギを過大に受けることとなり、裏材
を溶かしてしまう。また、移動速度が５ｍ／ｍｉｎを越
えると、金属粉末の溶融が起きず、バイメタル化できな
い。
【００２１】この移動速度、金属粉末の加熱速度および
その冷却速度はレーザ加熱よる裏材の熱影響深さに影響
を及ぼす。従来の連帯鋳造において、鋼板の背面からの
急冷により鋼板がマルテンサイト化し、後加工ができな
くなるため、鋳造後、高温で熱処理する必要があった。
しかし、本発明では、レーザ光に対する表材の移動速
度、金属粉末の加熱速度およびその冷却速度は適切に定
められ、裏材の熱的影響深さが０．３ｍｍ以下となるよ
うにされる。
【００２２】このように裏材の熱影響部の深さが０．３
ｍｍ以下であれば、裏材の全体に影響が及ぶことがな
く、高温での焼戻し処理を不要とすることができる。た
だし、改質のための熱処理を否定するものではない。ま
た、裏材は熱影響部ともともとの組織の部分との二層構
造の組織となるので、複合材的な効果を生み、裏材その
ものの強度改善にも有効である。但し、裏材の熱影響部
とは、レーザ光により急熱急冷され、元の金属組織に比
べて結晶粒が微細化された部分のことである。
【００２３】また、このようにして製造された多層材料
において、付加的に均質化処理を施すことも必要であ
る。すなわち、溶融凝固時の急冷により、成分の偏析や
歪みを除去することを目的として、４００〜８００℃で
１〜１０時間、目的や材料成分に応じて焼鈍することが
可能である。しかし、この場合でも、方向性を持たせて
凝固させた基本的な構造を変えてしまうような焼鈍温度
は選択すべきではない。特に、６００℃を越える焼鈍温
度では、結晶粒が粗大化し、材料強度が低下するので注
意を要する。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明を一実施例を、鋼板
に銅系軸受合金を接合して構成する軸受用多層材料に適
用して図面を参照しながら説明する。図１は本発明によ
る製造設備の概略を示すもので、アンコイラー１、洗浄
装置２、レベラー３、粉末散布装置４、レーザ装置５、
冷却装置６、ミリング７、焼鈍炉８、コイラー９が順に
並べられている。
【００２５】アンコイラー１は、コイル状に巻かれた裏
材としての帯状鋼板１０を巻き戻すためのもので、この
アンコイラー１から引き出された鋼板１０は、洗浄装置
２により洗浄された後、レベラー３によって巻き癖が矯
正される。粉体散布装置４は鋼板１０上に銅系合金粉末
１１を散布するためのもので、この鋼板１０上に散布さ
れた銅系合金粉末１１はレーザ装置５からレーザ光を照
射される。
【００２６】レーザ装置５は、半導体レーザを複数個集
積したもので、このレーザ装置５から発せられるレーザ
光は帯状鋼板１０の幅一杯に広がる細長い矩形状となる
ように構成され、その矩形状のレーザ光の周りにアルゴ
ンなどのアシストガスが噴射されるようになっている。
そして、この矩形状のレーザ光は、その長辺方向が矢印
Ａで示す鋼板１０の送り方向と直角になるように銅系合
金粉末に照射され、従って、鋼板１０上に散布された銅
系合金粉末は、鋼板１０の幅方向に沿う直線状の領域に
レーザ光を受けるようになっている。
【００２７】冷却装置６は水噴射式のもので、レーザ光
により溶融された金属を鋼板１０を介して冷却する。こ
の冷却装置６は、鋼板１０を挟んでレーザ装置５の下側
に位置して設けられ、鋼板１０の背面、つまり下面に銅
板を介して水を噴射してレーザ光により溶融された金属
を冷却する。
【００２８】ミリング７は溶融された銅系合金粉末が凝
固して表層としての銅系合金層１２を形成した後、銅系
合金層１２の表面側を切削して厚さ均一にするものであ
る。焼鈍炉８は、銅系合金層１２を均質化するために、
ミリング後に焼鈍を行うためのものである。コイラー９
は焼鈍後の多層材料１３をコイル状に巻回するためのも
のである。
【００２９】次にこの製造装置により多層材料を製造す
る場合の作用を説明する。アンコイラー１から巻き戻さ
れた鋼板１０は、洗浄装置２により洗浄され、レベラー
３によって巻き癖を矯正された後、粉末散布装置４へ送
られて銅系合金粉末を散布する。そして、散布された銅
系合金粉末は、レーザ装置５からレーザ光を照射されて
急速に溶融し、この溶融後、冷却装置６によって鋼板１
０の背面側から急速に冷却されて急速凝固する。この凝
固は溶融した銅系合金の下側から上に向かって進行する
ため、鋼板１０の表面からデンドライト組織がほぼ垂直
に伸び、且つ結晶粒度が０．０２ｍｍ以下、および／ま
たはデンドライトアームスペイシングが０．０２ｍｍ以
下に制御できる。
【００３０】銅系合金粉末を溶融し凝固させることによ
り、銅系合金層１２が鋼板１０上に接合され多層材料１
３として形成される。その後、ミリング７により銅系合
金層１２の表面の不要部分が切削除去され、次いで焼鈍
された後、コイラー９に巻き取られる。
【００３１】以上の多層材料の製造に使用したレーザ装
置５は、レーザ光の波長０．８μｍ、出力４ＫＷでエネ
ルギー密度は６６．８ＫＷ／ｃｍ２であり、鋼板１０の
移動速度は１ｍ／ｍｉｎである。また、使用した鋼板１
０の厚さは２ｍｍ、銅系合金粉末は平均粒径１００μｍ
の球状のもの、散布の厚さは１ｍｍである。
【００３２】次の表１は製造設備ラインの長さと、多層
材料の単位長さ当たりの加工時間について、本発明と従
来の焼結法および連帯鋳造法とを比較した結果を示す。
この表１によれば、本発明の製造設備ラインは従来法に
比べて著しく短くでき、また、製造能率にも優れること
が理解される。
【００３３】
【表１】
【００３４】また、上述のようにして製造された本発明
品と、従来の焼結法および連帯鋳造法によって製造した
従来品とについて、合金強度試験とせん断強度試験を行
った結果を下の表２に示す。なお、合金強度試験は、多
層材料の鋼板部分を切除して銅系合金部分のみの試験片
を作成し、この試験片により引張強さ試験を行ったもの
である。せん断強度試験は、多層材料の銅系合金側と鋼
板側の両方から５ｍｍの間隔をおいて境界まで伸びるス
リットを形成して試験片を作成し、銅系合金層と鋼板と
のせん断強度（接着強度）試験を行ったものである。
【００３５】
【表２】
【００３６】この表２から理解されるように、本発明に
よれば、銅系合金層の強度が高く、また鋼板との接合強
度も高い。
【００３７】また、表３に示す組成の銅系合金を鋼板に
接合してなる多層材料を本発明による製造法によって製
造した実施例品、従来の焼結法および連帯鋳造法によっ
て製造した比較例品について結晶粒度、Ｐｂ粒径を測定
すると共に、半割軸受に加工して焼付試験および疲労試
験を行い、その結果を同表に示した。焼付試験および疲
労試験の条件は表４および表５に示す。
【００３８】
【表３】
【００３９】
【表４】
【００４０】
【表５】
【００４１】表３から、本発明品は結晶粒度が細かく、
またＰｂの粒径も細かいので、非焼付性および耐疲労性
に優れることが理解される。
【００４２】本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限
定されるものではなく、以下のような変更および拡張が
可能である。表材は銅系合金、裏材は鋼に限られない。
焼鈍は行わなくとも良い。表材の裏材表面と平行な切断
面での結晶粒度が０．０２ｍｍ以下および／または裏材
表面と垂直な切断面でのデンドライトアームスペイシン
グが０．０２ｍｍ以下というデンドライト組織は焼鈍前
のもので、焼鈍後は結晶粒度およびデンドライトアーム
スペイシングともに変化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、製造設備の概
略構成図
【図２】本発明の製造方法を説明するための模式図その
１
【図３】同その２
【図４】同その３
【図５】結晶粒度の説明図
【図６】デンドライトアームスペイシングの説明図
【図７】本発明による銅系合金の組織図
【図８】焼結法による図７相当図
【図９】連帯鋳造法による図７相当図
【符号の説明】
図中、４は粉末散布装置、５はレーザ装置、６は冷却装
置、１０は鋼板（裏材）、１１は銅合金層（表材）であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｆ 1/02 Ｆ１６Ｆ 1/02 Ａ 1/10 1/10 (72)発明者 柴山 隆之 名古屋市北区猿投町２番地 大同メタル工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 3J059 AE10 BA37 BB01 BC01 BD04 CA06 EA13 GA50 4F100 AB01A AB01B AB03A AB17B AB23B AB31B AB40B BA02 BA07 DE01B EC03 GB51 JK01 YY00B 4K018 AA04 DA21 FA08 JA22 KA03

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 裏材にこの裏材とは異種の金属からなる
    表材を接合して構成する多層材料において、 前記表材は、前記裏材表面からデンドライト組織がほぼ
    垂直に伸び、且つ裏材表面と平行な切断面での結晶粒度
    が０．０２ｍｍ以下および／または裏材表面と垂直な切
    断面でのデンドライトアームスペイシングが０．０２ｍ
    ｍ以下の急冷凝固組織を持つことを特徴とする多層材
    料。
  2. 【請求項２】 前記裏材はスチール、前記表材は銅系合
    金であることを特徴とする請求項１記載の多層材料。
  3. 【請求項３】 前記表材は、鉛またはビスマスを３０質
    量％以下含む銅合金で、その凝固組織中の鉛またはビス
    マスの粒径が０．０２ｍｍ以下に微細化して分散してい
    ることを特徴とする請求項２記載の多層材料。
  4. 【請求項４】 溶融した表材を裏材上で凝固させること
    で前記裏材と表材との接合を行った多層材料において、
    前記裏材の表材との接合面からの熱影響部の深さが０．
    ３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３の
    いずれかに記載の多層材料。
  5. 【請求項５】 裏材上にこの裏材とは異種の金属の粉末
    を散布し、エネルギー密度１０〜１００ＫＷ／ｃｍ２の
    レーザ光を前記散布された金属粉末に対して相対移動さ
    せながら照射して当該金属粉末を局部的に加熱溶融し、
    且つこの溶融部分を裏材の背面側からの冷却によって急
    速凝固させることにより、裏材にこの裏材とは異種の金
    属からなる表材を接合した構造の多層材料を製造するこ
    とを特徴とする多層材料の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記金属粉末に対するレーザ光の移動速
    度は０．２〜５ｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求
    項５記載の多層材料の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記レーザ光による金属粉末の加熱速度
    は８００℃／ｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項
    ５または６記載の多層材料の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記溶融された金属粉末の冷却速度は１
    ００℃／ｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項５な
    いし７のいずれかに記載の多層材料の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記レーザ光は半導体レーザから発せら
    れることを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記
    載の多層材料の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記溶融された金属粉末を凝固させた
    後の行程で、焼鈍による均質化処理を行うことを特徴と
    する請求項５ないし８のいずれかに記載の多層材料の製
    造方法。
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