JP2009035757A

JP2009035757A - 複層焼結摺動部材

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Publication number: JP2009035757A
Application number: JP2007198945A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yuasa; 孝之湯浅; Masaya Yorifuji; 雅也依藤; Tomoyuki Yamane; 与幸山根; Masaya Nishimura; 真哉西村
Original assignee: Caterpillar Japan Ltd; Oiles Industry Co Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Oiles Industry Co Ltd
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: JP5266682B2; EP2184121A1; US20100197534A1; EP2184121B1; US8361939B2; EP2184121A4; CN101821038B; CN101821038A; WO2009016840A1

Abstract

【課題】許容面圧を超える高面圧が作用する用途においても、疲労耐久性、耐荷重特性及び摩擦摩耗特性に優れた複層焼結摺動部材を提供すること。
【解決手段】
複層焼結摺動部材は、Ｓｎ成分３〜１０重量％と、Ｎｉ成分１０〜３０重量％と、Ｐ成分０．５〜２重量％と、Ｆｅ成分３０〜５０重量％と、高速度工具鋼成分１〜１０重量％と、黒鉛成分１〜５重量％と、銅成分２０〜５５重量％とを含む多孔質焼結層が裏金に一体に拡散接合されてなる。
【選択図】なし

Description

本発明は、とくに高荷重、低速度条件下で使用されて好適な複層焼結摺動部材に関し、詳しくは、裏金と該裏金に一体に接合された多孔質焼結合金層とからなる複層焼結摺動部材に関する。

特公昭５９−３９４８１号公報特公平７−９１５６９号公報

従来、複層からなる焼結摺動部材としては、薄鋼板の表面に多孔質焼結合金層を一体に接合し、該焼結合金層を内側にして円筒状に捲回した、所謂巻きブッシュ軸受、又は鋼製パイプの内面に接着剤を介して多孔質焼結合金層を一体に接合した円筒状摺動部材がある。しかしながら、前者の巻きブッシュ軸受においては、円筒状に曲げ加工する際に焼結合金層に大きな圧縮応力が加わり、薄鋼板と焼結合金層との間の接合強度の低下や不均一をきたす虞があり、また曲げ加工による方法では焼結合金層の肉厚を大きくとることができず、自ずから摺動部材としての使用範囲が限定されるという問題を含んでいる。また、後者の円筒状摺動部材においては、鋼製パイプの内面と多孔質焼結合金層との間に強固な接合強度が得られ難いという問題がある。

上記実情に鑑み本出願人は、鋼製パイプからなる裏金の内面に、銅（Ｃｕ）を主成分とし、これに一定量の錫（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、燐（Ｐ）及び黒鉛（Ｃ）からなる多孔質焼結合金層を一体に接合した複層焼結摺動部材、及びこれにさらに一定量の鉄（Ｆｅ）を加えてなる多孔質焼結合金層を一体に接合した複層焼結摺動部材（特許文献１所載）を、また鋼板からなる裏金の表面に上記と同様の多孔質焼結合金層を一体に接合した複層焼結摺動部材（特許文献２所載）を提案した。

上記特許文献１及び特許文献２に記載された複層焼結摺動部材においては、とくに成分中のＮｉ成分が焼結時に鋼裏金の表面に拡散してその界面を合金化し、多孔質焼結合金層の鋼裏金との接合強度を増大させ、さらに成分中のＰと一部合金化してＮｉ−Ｐ合金を形成し、銅合金とぬれ性の良いＮｉ−Ｐ合金が焼結合金層と鋼裏金との界面に介在して、界面にＮｉの拡散による合金化と相俟って焼結合金層を鋼裏金に強固に接合させるものである。そして、多孔質焼結合金層と鋼裏金とが強固に接合されていることから、荷重特性が大幅に向上され、焼結合金層の摩擦摩耗特性と相俟って焼結摺動部材の適用範囲を拡大するものであり、従来の焼結摺動部材ではなし得なかった高荷重（高面圧）用途への適用を可能とするものであった。

しかしながら、上記複層焼結摺動部材の許容面圧は４９ＭＰａ（５００ｋｇｆ／ｃｍ^２）前後であり、それ以上の高面圧が作用する用途、例えば、射出成形機のトグルブッシュや油圧ショベルなどの建設機械における関節部軸受では、多孔質焼結合金層の耐疲労性及び耐摩耗性などの観点から更なる向上が求められる。

本発明者は、上記複層焼結摺動部材の耐荷重特性及び摩擦摩耗特性の更なる向上を図るべく鋭意検討を重ねた結果、上記多孔質焼結合金層に、さらに所定量の高速度工具鋼成分を含有することにより、多孔質焼結合金層の疲労耐久性を向上させるとともに、耐荷重特性及び摩擦摩耗特性を向上させ、前記高荷重（高面圧）用途への適用が可能であるとの知見を得た。

本発明は上記知見に基づき完成されたものであり、その目的とするところは、上記許容面圧を超える高面圧が作用する用途においても、疲労耐久性、耐荷重特性及び摩擦摩耗特性に優れた複層焼結摺動部材を提供することにある。

本発明の複層焼結摺動部材は、錫成分３〜１０重量％と、ニッケル成分１０〜３０重量％と、燐成分０．５〜４重量％と、鉄成分３０〜５０重量％と、高速度工具鋼成分１〜１０重量％と、黒鉛成分１〜５重量％と、銅成分２０〜５５重量％とを含む多孔質焼結合金層が裏金に一体に拡散接合されていることを特徴とする。

本発明の複層焼結摺動部材によれば、Ｎｉ成分が焼結時に裏金の表面に拡散してその界面を合金化し、さらに成分中のＰ成分と一部液相を形成してＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金とぬれ性のよいＮｉ−Ｐ合金（Ｎｉ_３Ｐ）を生成し、このＮｉ_３Ｐが裏金と多孔質焼結合金層との界面に介在して、界面においてＮｉ成分の拡散による合金化と相俟って多孔質焼結合金層を裏金に強固に接合一体化させる。また、焼結時に生成された硬質の金属間化合物であるＮｉ_３ＰがＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相の粒界に介在し、さらにそれ自体微細な金属間化合物、主に炭化物からなる硬質の高速度工具鋼成分がＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相とαＦｅ相の粒界に分散含有されているので多孔質焼結合金層の疲労耐久性、耐荷重性及び摩擦摩耗特性が大幅に向上される。

本発明の複層焼結摺動部材において、裏金に一体に拡散接合された多孔質焼結合金層には、潤滑油が５〜２０容量％の割合で含有されているとよい。潤滑油としては、エンジン油、ギア油などの鉱油、エステル油などの合成油が用途に応じて適宜選択される。

この潤滑油は、多孔質焼結合金層に分散含有された黒鉛成分自体の潤滑性と相俟って摩擦摩耗特性を向上させることができる。

本発明の複層焼結摺動部材において、高速度工具鋼成分は、好ましくはタングステン（Ｗ）系高速度工具鋼又はモリブデン（Ｍｏ）系高速度工具鋼が使用され、とくにＭｏ系高速度工具鋼が好適に使用される。

本発明の複層焼結摺動部材において、裏金は、鉄鋼製パイプ又は平板状の鋼板からなっているとよく、該多孔質焼結合金層は鉄鋼製パイプの円筒状の内面又は板、ブロック等の平板状の鋼板の平坦な表面に一体に拡散接合されているとよい。

円筒状の内面に多孔質焼結合金層を一体に拡散接合した複層焼結摺動部材は円筒軸受として、また平坦な表面に多孔質焼結合金層を一体に拡散接合した複層焼結摺動部材は、そのままの形態で、摺動板、すべり板として又は多孔質焼結合金層を内側にして円筒状に捲回した形態で、所謂巻きブッシュとして、さらにはブロックの平坦な表面に多孔質焼結合金層を一体に拡散接合させた複層焼結摺動部材は、治工具を構成する部品として適用される。

本発明によれば、Ｓｎ成分３〜１０重量％と、Ｎｉ成分１０〜３０重量％と、Ｐ成分０．５〜２重量％と、Ｆｅ成分３０〜５０重量％と、高速度工具鋼成分１〜１０重量％、黒鉛成分１〜５重量％と銅成分２０〜５５重量％とを含む多孔質銅系焼結体が裏金に一体に拡散接合されてなる複層焼結摺動部材であって、焼結時に生成された硬質の金属間化合物であるＮｉ_３ＰがＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相の粒界に介在し、さらにそれ自体微細な金属間化合物、主に炭化物からなる硬質の高速度工具鋼成分がＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相とαＦｅ相の粒界に分散含有されているので多孔質焼結合金層の疲労耐久性、耐荷重性及び摩擦摩耗特性が大幅に向上されており、高面圧が作用する用途への適用を可能とした複層焼結摺動部材を提供することができる。

以下、本発明の複層焼結摺動部材について詳細に説明する。

本発明の好ましい例の複層焼結摺動部材では、Ｓｎ成分３〜１０重量％と、Ｎｉ成分１０〜３０重量％と、Ｐ成分０．５〜２重量％と、Ｆｅ成分３０〜５０重量％と、高速度工具鋼成分１〜１０重量％と、黒鉛成分１〜５重量％と、銅成分２０〜５５重量％とを含む多孔質焼結層が裏金に一体に拡散接合されている。

斯かる複層焼結摺動部材において、多孔質焼結合金層を形成するＳｎ成分は、焼結過程における２３２℃の温度から液相を生じ、Ｃｕ成分及び後述するＮｉ成分と合金化してＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金を形成し、多孔質焼結合金層の地の強度、靭性、機械的強度及び耐摩耗性の向上に寄与する。Ｓｎ成分は、その配合量が３重量％未満では上述した効果を充分発揮しなく、また１０重量％を超えて配合すると焼結性に悪影響を及ぼす。したがって、Ｓｎ成分の配合量は３〜１０重量％、就中５〜８重量％が適当である。Ｃｕ成分は、多孔質焼結合金層の地の強度、靭性、機械的強度及び耐摩耗性の向上に寄与する。

Ｎｉ成分は、焼結時に後述するＰ成分と一部液相を形成し、かつ前記Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金とぬれ性の良いＮｉ−Ｐ合金（Ｎｉ_３Ｐ）を生成し、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相の多孔質焼結合金層と裏金との界面に介在して、界面においてＮｉ成分の拡散による合金化と相俟って多孔質焼結合金層を裏金に強固に接合一体化させる作用をなす。また、焼結時に生成されたＮｉ_３Ｐの金属間化合物は硬質であり、これがＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相の粒界に介在することにより多孔質焼結合金層に耐摩耗性の向上をもたらす。Ｎｉ成分の配合量が１０重量％未満では上述した効果が得られず、また３０重量％を超えて配合しても上述した効果に顕著な差が現れないため、その配合量の上限は３０重量％である。したがって、Ｎｉ成分の配合量は１０〜３０重量％、就中１０〜２０重量％が適当である。

Ｐ成分は、Ｃｕ成分と、また成分中のＮｉ成分と一部合金化して多孔質焼結合金層の地の強度を高めると共に耐摩耗性の向上に寄与する。Ｐ成分は還元力が強いため、裏金の表面をその還元作用により清浄化し、前述したＮｉ成分の裏金表面への拡散による合金化を助長する効果がある。なお、Ｎｉ−Ｐ合金の効果については前述したとおりである。Ｐ成分はその配合量が０．５重量％未満では上述した効果を充分発揮しなく、また４重量％を超えて配合するＮｉ−Ｐ合金の発生量が多くなり却って耐摩耗性を低下させる虞がある。したがって、Ｐ成分は０．５〜４重量％、就中０．５〜２重量％が適当である。Ｐ成分としては、Ｐ−Ｃｕ合金、例えばＣｕ−１５％Ｐ合金の形態で配合されるのがよい。

Ｆｅ成分は、Ｃｕ成分と固溶しないが合金組織中に分散して、とくに地の強度を高める効果を発揮するとともに焼結時にＣｕ成分の一部がＦｅ成分に拡散する際、焼結体の多孔性を増大させる効果を発揮する。一般にＦｅ成分はＰ成分の存在下において、Ｐ成分と合金化して硬いＦｅ−Ｐ合金を析出する傾向を示すが、本発明においてはＦｅ−Ｐの合金化の温度よりも低い温度でＮｉ−Ｐが合金化するので、Ｎｉ−Ｐ合金化によりＦｅ−Ｐの合金化を抑制する作用を発揮するため、５０重量％までの比較的多量のＦｅ成分の含有が可能となる。Ｆｅ成分はその配合量が３０重量％未満では上記した効果を充分発揮しなく、また５０重量％を超えて配合するとＦｅ−Ｐ合金を析出する虞がある。したがって、Ｆｅ成分は３０〜５０重量％、就中３５〜４５重量％が適当である。

高速度工具鋼（ＳＫＨ）成分は、それ自体に微細な金属間化合物や炭化物が存在するので、これが焼結組織中に分散して硬質相としての役割を果たすとともに焼結時に高速度工具鋼成分からの合金元素が拡散して地の強化をもたらし（所謂分散強化）、銅系焼結体の耐摩耗性を向上させる。高速度工具鋼成分はその配合量が１重量％未満では、上記効果を発揮しなく、また５重量％を超えて配合すると硬質相の分散する量が多くなり、却って耐摩耗性の低下を来たす。したがって、高速度工具鋼の配合量は、１〜１０重量％、就中２〜３重量％が適当である。高速度工具鋼成分は、日本工業規格（ＪＩＳ）のＧ４４０３に規定されている高速度工具鋼材の粉末であり、とくにＭｏ系のＳＫＨ４０、ＳＫＨ５０ないしＳＫＨ５９の高速度工具鋼材、すなわちＳＫＨ４０−Ｃ：１．２３〜１．３３％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０〜４．５０％、Ｍｏ：４．７０〜５．３０％、Ｗ：５．７０〜６．７０％、Ｖ：２．７０〜３．２０％、Ｃｏ：８．００〜８．８８％及び残部：鉄、ＳＫＨ５０−Ｃ：０．７７〜０．８７％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ：０．４５％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．５０〜４．５０％、Ｍｏ：８．００〜９．００％、Ｗ：１．４０〜２．００％、Ｖ：１．００〜１．４０％及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５１−Ｃ：０．８０〜０．８８％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０〜４．５０％、Ｍｏ：４．７０〜５．２０％、Ｗ：５．９０〜６．７０％、Ｖ：１．７０〜２．１０％及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５２−Ｃ：１．００〜１．１０％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０〜４．５０％、Ｍｏ：５．５０〜６．５０％、Ｗ：５．９０〜６．７０％、Ｖ：２．３０〜２．６０％及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５３−Ｃ：１．１５〜１．２５％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０〜４．５０％、Ｍｏ：４．７０〜５．２０％、Ｗ：５．９０〜６．７０％、Ｖ：２．７０〜３．２０％及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５４−Ｃ：１．２５〜１．４０％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０〜４．５０％、Ｍｏ：４．２０〜５．００％、Ｗ：５．２０〜６．００％、Ｖ：３．７０〜４．２０％及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５５−Ｃ：０．８７〜０．９５％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０〜４．５０％、Ｍｏ：４．７０〜５．２０％、Ｗ：５．９０〜６．７０％、Ｖ：１．７０〜２．１０％、Ｃｏ：４．５０〜５．００及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５６−Ｃ：０．８５〜０．９５％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０〜４．５０％、Ｍｏ：４．７０〜５．２０％、Ｗ：５．９０〜６．７０％、Ｖ：１．７０〜２．１０％、Ｃｏ：７．００〜９．００及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５７−Ｃ：１．２０〜１．３５％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０〜４．５０％、Ｍｏ：３．２０〜３．９０％、Ｗ：９．００〜１０．００％、Ｖ：３．００〜３．５０％、Ｃｏ：９．５０〜１０.５０及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５８−Ｃ：０．９５〜１．０５％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．５０〜４．５０％、Ｍｏ：８．２０〜９．２０％、Ｗ：１．５０〜２．１０％、Ｖ：１．７０〜２．２０％及びＦｅ：残部、ＳＫＨ５９−Ｃ：１．０５〜１．１５％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．５０〜４．５０％、Ｍｏ：９．００〜１０．００％、Ｗ：１．２０〜１．９０％、Ｖ：０．９０〜１．３０％、Ｃｏ：７．５０〜８．５０及びＦｅ：残部の粉末が推奨される。

黒鉛成分は、焼結合金組織中に分散含有されて固体潤滑作用をなすものである。配合量が１重量％未満では固体潤滑作用を期待できず、また５重量％を超えて配合すると焼結合金層の強度を低下させる。したがって、黒鉛成分の配合量は、１〜５重量％、就中２〜３重量％が適当である。

つぎに、上記成分組成からなる焼結合金層を裏金に一体に接合して複層とした複層焼結摺動部材の製造方法について説明する。

この複層焼結摺動部材を形成する裏金としては、一般構造用炭素鋼管（ＪＩＳ−Ｇ−３４４４）若しくは機械構造用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ−Ｇ−３４４５）からなる鋼製パイプ、又は一般構造用圧延鋼材（ＪＩＳＧ３１０１）若しくは機械構造用炭素鋼鋼材（ＪＩＳ−Ｇ−４０５１）からなる鋼板が使用される。

以下、各裏金を使用した複層焼結摺動部材の製造方法について説明する。

＜裏金に鋼製パイプを使用した複層焼結摺動部材の製造方法＞
Ｃｕ粉末２０〜５５重量％に対し、Ｓｎ粉末３〜１０重量％と、Ｎｉ粉末１０〜３０重量％と、Ｐ−Ｃｕ合金（Ｃｕ−１５％Ｐ）粉末のＰ成分０．５〜２重量％と、Ｆｅ粉末３０〜５０重量％と高速度工具鋼粉末１〜１０重量％と、黒鉛粉末１〜５重量％とをＶ型ミキサーで混合して混合粉末を作製する。

この混合粉末を所要の金型内で２〜７トン／ｃｍ^２（２９４〜６８６ＭＰａ）の範囲の圧力下で加圧し、該混合粉末からなる円筒状の成形圧粉体を作製する。この成形圧粉体を鋼製パイプの内面に圧入嵌合したのち、中性もしくは還元性雰囲気に調整した加熱炉内に置き、９００〜１０００℃の温度で６０〜９０分間焼結し、該成形圧粉体の焼結と同時に該成形圧粉体の鋼製パイプの内面への拡散接合を行わせ、鋼製パイプの内面に焼結合金層を一体に拡散接合した複層焼結摺動部材を作製する。

この製造方法において、焼結時における成形圧粉体の膨張量（外径側）が鋼製パイプの膨張量より小さい場合は、成形圧粉体の内面にセラミックス粉末を充填して成形圧粉体の内径側への膨張量を拘束し、これを外径側に向かわせ、さらに焼結後の冷却時における成形圧粉体の内径側への収縮量を拘束し、これを外径側に向かわせることにより、鋼製パイプと成形圧粉体との間に強固な接合を得ることができる。

このようにして作製された複層焼結摺動部材に機械加工を施して所望の円筒軸受を作製したのち、含油処理を施すことにより、該多孔質焼結合金層に潤滑油が５〜２０容量％の割合で含有される。

＜裏金に鋼板を使用した複層焼結摺動部材の製造方法＞
裏金に鋼板を使用する場合は、その製造方法として粉末圧延法を利用することが好ましく、この粉末圧延法を利用した製造方法について説明する。上記した複層焼結摺動部材の製造方法における混合粉末と同様の混合粉末を作製し、該混合粉末に、粉末結合剤を添加し、均一に混合して湿潤性を有する原料粉末を作製する。粉末結合剤としては、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）が好ましく使用される。

該原料粉末を双ロールを持つ横型圧延ロールに供給し、成形圧粉体からなる圧延シートを作製する。

該圧延シートを前記裏金上に重ね合わせたのち、これを中性又は還元性雰囲気に調整した焼結炉内で９００〜１０００℃の温度で、かつ０．１〜５．０ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．００９８〜０．４９ＭＰａ）の圧力下で６０〜９０分間焼結し、圧延シートの焼結と同時に裏金への焼結合金層の拡散接合を行わしめ、該焼結合金層と裏金とが拡散接合により一体化された複層焼結摺動部材を作製する。

このようにして作製された複層焼結摺動部材に機械加工を施して所望の摺動板又はすべり板を作製したのち、含油処理を施すことにより、該多孔質焼結合金層に潤滑油が５〜２０容量％の割合で含有される。

上記した製造方法において、焼結過程における２３２℃の温度で成分中のＳｎ成分の液相が生成され、更に８７５℃付近の温度からＮｉ−Ｐ合金（Ｎｉ_３Ｐ）を主体とする液相が生成されて焼結が進行する、所謂液相焼結である。これらの製造方法で作製された複層焼結摺動部材の多孔質焼結合金層のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金の粒界に硬質のＮｉ_３Ｐが介在され、かつＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相それ自体に微細な金属間化合物や炭化物を含む高速度工具鋼成分が分散含有されているので、多孔質焼結合金層の疲労耐久性、耐荷重特性及び摩擦摩耗特性が大幅に向上され、結果として高面圧が作用する用途への適用が可能となる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に何ら限定されないのである。

実施例１〜５及び比較例１〜２は、複層焼結摺動部材を円筒状の形態の摺動部材（円筒軸受）に適用した例である。

実施例１〜５
内径３３．６ｍｍ、外径４５ｍｍ、長さ２０ｍｍの寸法を有する一般構造用炭素鋼管（ＳＴＫ４００）からなる鋼製パイプを準備した。

２５０メッシュの篩を通過するアトマイズＳｎ粉末５重量％と、２５０メッシュの篩を通過する還元Ｎｉ粉末１５重量％と、１２０メッシュの篩を通過する搗砕Ｐ−Ｃｕ合金（Ｐ１５％）粉末７重量％と、２４０メッシュの篩を通過する還元Ｆｅ粉末３０〜４５重量％と、２００メッシュの篩を通過する水アトマイズ高速度工具鋼粉末２〜３重量％、４８〜２５０メッシュの篩を通過する天然黒鉛粉末２重量％と、残部が１５０メッシュの篩を通過する電解Ｃｕ粉末とをＶ型ミキサーに投入し、３０分間混合して混合粉末を得た（Ｓｎ：８重量％、Ｎｉ：２８重量％、Ｐ：１．０５重量％、Ｆｅ：３０〜４５重量％、高速度工具鋼：２〜３重量％、天然黒鉛：２重量％、Ｃｕ：残部）。

該混合粉末を円筒状の中空部を備えた金型の中空部に装填し、成形圧力５トン／ｃｍ^２（４９０ＭＰａ）で成形して内径２７．４ｍｍ、外径３３．６ｍｍ、長さ２０ｍｍであって、密度が６．６〜６．８ｇ／ｃｍ^３を有する円筒状の成形圧粉体を作製した。

成形圧粉体を該鋼製パイプの内面にその軸方向から圧入嵌合した後、該成形圧粉体の内面にセラミックス粉末（Ａｌ_２Ｏ_３:８３重量％とＳｉＯ_２：１７重量％の混合物）を充填し、これをアンモニア分解ガス雰囲気に調整した焼結炉において、９６０℃の温度で８５分間焼結し、該成形圧粉体の焼結と同時に鋼製パイプの内面との拡散接合を行わしめ、焼結合金体と鋼製パイプとを接合一体化した。

ついで、これに機械加工を施して内径３０ｍｍ、外径４５ｍｍ、長さ２０ｍｍの複層焼結摺動部材を得た。この複層焼結摺動部材の多孔質焼結合金層の密度は６．７４〜７．００ｇ／ｃｍ^３であった。この複層焼結摺動部材に含油処理を施したところ、該多孔質焼結合金層への含油率は１３〜１５体積％であった。

比較例１
上記実施例と同様の内径３３．６ｍｍ、外径４５ｍｍ、長さ２０ｍｍの寸法を有する一般構造用炭素鋼管からなる鋼製パイプを準備した。

２５０メッシュの篩を通過するアトマイズＳｎ粉末８重量％と、２５０メッシュの篩を通過する還元Ｎｉ粉末２８重量％と、１２０メッシュの篩を通過する搗砕Ｐ−Ｃｕ合金（Ｐ１５％）粉末７重量％と、１５０メッシュの篩を通過する天然黒鉛粉末５重量％と、残部が１５０メッシュの篩を通過する電解Ｃｕ粉末とをＶ型ミキサーに投入し、３０分間混合して混合粉末を得た（Ｓｎ：８重量％、Ｎｉ：２８重量％、Ｐ：１．０５重量％、天然黒鉛：５重量％、Ｃｕ:残部）。

該混合粉末を円筒状の中空部を備えた金型の中空部に装填し、成形圧力５トン／ｃｍ^２（４９０ＭＰａ）で成形して内径２７．４ｍｍ、外径３３．６ｍｍ、長さ２０ｍｍであって、密度が５．８ｇ／ｃｍ^３を有する円筒状の成形圧粉体を作製した。

成形圧粉体を該鋼製パイプの内面にその軸方向から圧入嵌合した後、該成形圧粉体の内面にセラミックス粉末（実施例と同じ）を充填し、これをアンモニア分解ガス雰囲気に調整した焼結炉において、９６０℃の温度で６０分間焼結し、該成形圧粉体の焼結と同時に鋼製パイプの内面との拡散接合を行わしめ、焼結合金体と鋼製パイプとを接合一体化した。

ついで、これに機械加工を施して内径３０ｍｍ、外径４５ｍｍ、長さ２０ｍｍの複層焼結摺動部材を得た。この複層焼結摺動部材の多孔質焼結合金層の密度は６．０ｇ／ｃｍ^３であった。この複層焼結摺動部材に含油処理を施したところ、該多孔質焼結合金層への含油率は１５容量％であった。

比較例２
上記実施例と同様の内径３３．６ｍｍ、外径４５ｍｍ、長さ２０ｍｍの寸法を有する一般構造用炭素鋼管からなる鋼製パイプを準備した。

２５０メッシュの篩を通過するアトマイズＳｎ粉末８重量％と、１５０メッシュの篩を通過する還元Ｎｉ粉末２８重量％と、１２０メッシュの篩を通過する搗砕Ｐ−Ｃｕ合金（Ｐ１５％）粉末７重量％と、１５０メッシュの篩を通過する天然黒鉛粉末５重量％と、残部が１５０メッシュの篩を通過する電解Ｃｕ粉末とをＶ型ミキサーに投入し、１０分間混合して混合粉末を得た（Ｓｎ：８重量％、Ｎｉ：２８重量％、Ｐ：１重量％、天然黒鉛：５重量％、Ｃｕ:残部）。

この混合粉末６０重量％に対し、１００メッシュの篩を通過する還元Ｆｅ粉末を４０重量％混合し、Ｖ型ミキサーで１０分間混合して混合粉末を得た（Ｓｎ：４．８重量％、Ｎｉ：１６．８重量％、Ｐ：０．６重量％、Ｆｅ：４０重量％、天然黒鉛：３重量％、残部Ｃｕ：３４．８重量％）。

該混合粉末を円筒状の中空部を備えた金型の中空部に装填し、成形圧力５トン／ｃｍ^２（４９０ＭＰａ）で成形して内径２７．４ｍｍ、外径３３．６ｍｍ、長さ２０ｍｍであって、密度が６．０／ｃｍ^３を有する円筒状の成形圧粉体を作製した。

以下、比較例１と同様の方法で内径３０ｍｍ、外径４５ｍｍ、長さ２０ｍｍの複層焼結摺動部材を得た。この複層焼結摺動部材の多孔質焼結合金層の密度は６．４ｇ／ｃｍ^３であった。この複層焼結摺動部材に含油処理を施したところ、該多孔質焼結合金層への含油率は１４容量％であった。

次に、上記実施例１〜５及び比較例１〜２で得た複層焼結摺動部材について、表１に示す試験条件で摩擦摩耗特性を、また表２に示す試験条件で疲労耐久性を試験した。

（表１）
（摩擦摩耗試験条件）
負荷面圧１００ＭＰａ（１０２０ｋｇｆ／ｃｍ^２）
摺動速度７．８３×１０^-３ｍ／ｓｅｃ（０．４７ｍ／ｍｉｎ）
揺動角度９０°
耐久時間１００時間
相手軸材高周波焼入れしたクロムモリブデン鋼（ＳＭＣ４４０）
運動形態相手軸連続ラジアルジャーナル揺動運動
潤滑条件試験開始前にグリース塗付

（表２）
（耐疲労性試験条件）
円筒軸受（複層焼結摺動部材）寸法内径３０ｍｍ、外径４５ｍｍ、長さ２０ｍｍ
（受圧面積６ｃｍ^２）
最大荷重８８ＭＰａ（８９８ｋｇｆ／ｃｍ^２）
最小荷重０．２ＭＰａ（２ｋｇｆ／ｃｍ^２）
荷重サイクル２０Ｈｚ
試験方法円筒軸受（受圧面積６ｃｍ^２）に１秒間に最大荷重と最小荷重を交互に２０回負荷し、摺動面となる焼結合金層に亀裂が生じるまでのサイクル数で評価した。

実施例及び比較例の複層焼結摺動部材の成分組成、摩擦摩耗特性及び耐疲労性の試験結果を表３及び表４に示す。

表４中、比較例１及び２の複層焼結摺動部材は、摩擦摩耗試験において試験時間が４０時間を超えた時点で摩擦係数が急激に上昇したため、その時点で試験を中止した。摩耗量は試験時間４０時間での摩耗量を示した。

以上の試験結果から、実施例１〜５の複層焼結摺動部材は、高負荷条件（１００ＭＰａ）においても摩擦係数が低く安定した摺動を示し、摩耗量も２２〜２８μｍと少なく優れた摩擦摩耗特性を示した。一方、比較例１及び２の複層焼結摺動部材は、高負荷条件においては試験時間１００時間を達成できず試験を中止した。また、疲労耐久性の試験においては、実施例１〜５の複層焼結摺動部材は、比較例１及び２の複層焼結摺動部材の１００倍の疲労耐久性を示した。

以上のように、実施例からなる複層焼結摺動部材は、従来の複層焼結摺動部材の許容面圧である４９ＭＰａを遥かに超えた荷重条件においても優れた摩擦摩耗特性を及び耐疲労性を有しており、高面圧が作用する用途、例えば射出成形機のトグルブッシュ、油圧ショベル等の建設機械の関節部軸受への適用を可能とするものである。

次に、複層焼結摺動部材を平板状の形態の摺動板に適用した実施例について説明する。

実施例６〜７及び比較例３、平板状の複層焼結摺動部材についての例である。

実施例６〜７
幅１７０ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚さ５ｍｍの寸法を有する、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）からなる鋼板を準備した。

混合粉末として、前記実施例１及び実施例４と同様の混合粉末を作製した。該混合粉末に対し、それぞれ５重量％ＨＰＣ水溶液（ＨＰＣ１００ｇ、エチルアルコール１２０ｍｌ及び水１７８０ｍｌ）を０．３重量％添加し、５分間Ｖ型ミキサーで均一に混合し、これを原料粉末とした。

該原料粉末を双ロールを持つ横型圧延ロールにロール間隔０．３ｍｍ、ロール速度０．３ｍ／ｍｉｎの条件下で通し、密度６．８ｇ／ｃｍ^３、厚さ２ｍｍの圧延シート（成形圧粉体）を作製した。これを幅１７０ｍｍ、長さ６００ｍｍの寸法に切断し、これを鋼板上に重ね合わせたのち、アンモニア分解ガス雰囲気に調整された焼結炉において、圧力０．７ｋｇｆ／ｃｍ^２（７ＭＰａ）をかけながら、９６０℃の温度で８５分間焼結し、圧延シートの焼結と同時に鋼板との拡散接合を行わしめ、焼結合金層と鋼板とが拡散接合された複層摺動部材を作製した。

これに機械加工を施し、一辺３５ｍｍ、厚さ６．５ｍｍの複層焼結摺動部材を得た。この複層焼結摺動部材の多孔質焼結合金層の密度は６．９ｇ／ｃｍ^３であった。この複層焼結摺動部材に含油処理を施したところ、多孔質焼結合金層への含油率は１５容量％であった。

比較例３
上記実施例６〜７と同様の幅１７０ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚さ５ｍｍの寸法を有する、一般構造用圧延鋼材からなる鋼板を準備した。

２５０メッシュの篩を通過する噴霧Ｓｎ粉末５重量％と、１５０メッシュの篩を通過する還元Ｎｉ粉末２０重量％と、１２０メッシュの篩を通過する搗砕Ｐ−Ｃｕ合金（Ｐ１５％）粉末７重量％と、３００メッシュの篩を通過する還元Ｆｅ粉末３２重量％と、４８〜２５０メッシュの篩を通過する天然黒鉛粉末５重量％と、残部が１５０メッシュの篩を通過する電解Ｃｕ粉末とをＶ型ミキサーに投入し、３０分間混合して混合粉末を得た（Ｓｎ：８重量％、Ｎｉ：２０重量％、Ｐ：１．０５重量％、Ｆｅ：３２重量％、天然黒鉛：５重量％、Ｃｕ:残部）。

この混合粉末に対し、５重量％ＨＰＣ水溶液（実施例と同じ）を０．３重量％添加し、５分間Ｖ型ミキサーで均一に混合し、これを原料粉末とした。

該原料粉末を双ロールを持つ横型圧延ロールにロール間隔０．３ｍｍ、ロール速度０．３ｍ／ｍｉｎの条件下で通し、密度５．９０ｇ／ｃｍ^３、厚さ２ｍｍの圧延シート（成形圧粉体）を作製した。これを幅１７０ｍｍ、長さ６００ｍｍの寸法に切断し、これを前記鋼板上に重ね合わせた。

ついで、アンモニア分解ガス雰囲気に調整した焼結炉において、圧力０．７ｋｇｆ／ｃｍ^２（７ＭＰａ）をかけながら、９４０℃の温度で４０分間焼結し、圧延シートの焼結と同時に鋼板との拡散接合を行わしめ、焼結合金層と鋼板とが接合一体化された複層焼結摺動部材を作製した。

これに機械加工を施し、一辺３５ｍｍ、厚さ６．５ｍｍの複層焼結摺動部材を得た。この複層焼結摺動部材の多孔質焼結合金層の密度は６．０ｇ／ｃｍ^３であった。この複層焼結摺動部材に含油処理を施したところ、多孔質焼結合金層への含油率は２６容量％であった。

次に、上記実施例６〜７及び比較例３で得た複層焼結摺動部材について、表５に示す試験条件で摩擦摩耗特性を試験した。

（表５）
（摩擦摩耗試験条件）
負荷面圧１００ＭＰａ（１０２０ｋｇｆ／ｃｍ^２）
摺動速度０．１２ｍ／ｓｅｃ（７ｍ／ｍｉｎ）
ストローク８０ｍｍ
往復回数１００,０００回
相手材ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）板
潤滑条件試験開始前にグリース塗付

実施例６〜７及び比較例３の複層焼結摺動部材の成分組成、摩擦摩耗特性の試験結果を表６に示す。

表６中、比較例３の複層焼結摺動部材は、試験時間が３０時間を超えた時点で摩擦係数が急激に上昇したため、その時点で試験を中止した。摩耗量は試験時間３０時間での摩耗量を示した。

以上の試験結果から、実施例６〜７の複層焼結摺動部材は、高負荷条件（１００ＭＰａ）においても摩擦係数が低く安定した摺動を示し、摩耗量も３５μｍ以下と少なく優れた摩擦摩耗特性を示した。一方、比較例３の複層焼結摺動部材は、高負荷条件においては試験時間１００時間を達成できず試験を中止した。

以上のように、本発明の複層焼結摺動部材は、裏金に一体に接合された多孔質焼結合金層を形成するＮｉ成分が焼結時に裏金の表面に拡散してその界面を合金化し、さらに成分中のＰ成分と一部液相を形成してＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金と親和性のよいＮｉ−Ｐ合金（Ｎｉ_３Ｐ）を生成し、このＮｉ_３Ｐが裏金と多孔質焼結合金層との界面に介在して、界面においてＮｉ成分の拡散による合金化と相俟って多孔質焼結合金層を裏金に強固に接合一体化させるとともに、焼結時に生成された硬質の金属間化合物であるＮｉ_３ＰがＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相の粒界に介在し、さらに微細な金属間化合物、主に炭化物からなる炭化物を含む硬質の高速度工具鋼成分がＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金相自体とαＦｅ相の粒界に分散含有されているので多孔質焼結合金層の疲労耐久性、耐荷重性及び摩擦摩耗特性が大幅に向上されているので、高面圧が作用する用途への適用が可能となる。

Claims

錫成分３〜１０重量％と、ニッケル成分１０〜３０重量％と、燐成分０．５〜４重量％と、鉄成分３０〜５０重量％と、高速度工具鋼成分１〜１０重量％と、黒鉛成分１〜５重量％と、銅成分２０〜５５重量％とを含む多孔質焼結合金層が裏金に一体に接合されていることを特徴とする複層焼結摺動部材。
多孔質焼結合金層には、潤滑油が５〜２０容量％の割合で含有されている請求項１に記載の複層焼結摺動部材。
高速度工具鋼成分は、モリブデン系高速度工具鋼及びタングステン系高速度工具鋼のいずれかから選択されたものである請求項１又は２に記載の複層焼結摺動部材。
裏金は、鋼製パイプからなり、該多孔質焼結合金層は該鋼製パイプの内面に一体に接合されている請求項１から３のいずれか一項に記載の複層焼結摺動部材。
裏金は、鋼板からなり、該多孔質焼結合金層は該鋼板の表面に一体に接合されている請求項１から３のいずれか一項に記載の複層焼結摺動部材。