JP2021050398A - 摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来に比べて摺動層と裏金層との強固な接合を有する摺動部材の提供。【解決手段】摺動部材は、裏金層と、裏金層の接合表面上に設けられた銅合金からなる摺動層とを備える。銅合金の組成は、０．５〜１２質量％のＳｎ、０．５〜１５質量％のＮｉ、０．０６〜０．２質量％のＰを含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる。裏金層は、０．０７〜０．３５質量％の炭素を含有する亜共析鋼からなり、フェライト相およびパーライトからなる組織を有する。裏金層は、接合表面から内部に向かって延在する空孔含有領域を有し、摺動層の摺動面に垂直な断面視にて、空孔含有領域には接合表面に開口しない複数の閉空孔が存在し、閉空孔の平均径は５〜１５μｍであり、空孔含有領域の厚さは１０〜６０μｍである。空孔含有領域の体積Ｖ１に対する閉空孔の全体積Ｖ２の割合は、Ｖ２／Ｖ１＝０．０５〜０．１である。【選択図】図２
Description
本発明は、例えば内燃機関や自動変速機に用いられる軸受や各種機械に用いられる軸受などの摺動部材に関するものである。詳細には、本発明は、裏金層上に形成された摺動層を備える摺動部材に係るものである。
従来から内燃機関や自動変速機等の軸受部には、銅合金からなる摺動層を鋼裏金層上に設けた摺動材料を円筒形状や半円筒形状に成形したすべり軸受などの摺動部材が用いられている。例えば、特許文献１および特許文献２には、銅鉛軸受合金やリン青銅を摺動層に用いた摺動部材が記載されている。このような摺動部材では、銅合金からなる摺動層により摺動特性とともに耐焼付や耐摩耗性が得られ、他方、裏金層は銅合金の支持体として機能するとともに摺動部材に強度を付与している。
内燃機関や自動変速機の運転時、摺動部材は、摺動層の摺動面で、相手軸部材からの動荷重を支承する。例えば、すべり軸受は、内燃機関や自動変速機等の軸受ハウジングの円筒形状の軸受保持穴に装着して用いられ、回転する相手軸部材からの動荷重を受ける。近年、内燃機関や自動変速機は、低燃費化のため軽量化がなされ、従来よりも軸受ハウジングの剛性が低くなっている。そのため、内燃機関の運転時、内燃機関および内燃機関に接続する自動変速機の軸受部では、相手軸部材からの動荷重負荷により軸受ハウジングが弾性変形しやすくなっている。軸受ハウジングの軸受保持穴に装着された摺動部材（すべり軸受）は、軸受ハウジングの変形に伴い周方向に弾性変形する。このようにすべり軸受に変動する周方向力が加わると、従来の摺動部材は、銅合金からなる摺動層と鋼裏金層の弾性変形量の違いにより、これらの界面でせん断が起こる場合があり、摺動部材が破損する問題があった。
特許文献３は、軸受合金層と鋼裏金層との接合強度を向上させることを課題にしている。特許文献３では、銅合金としてＣｕ−Ｓｎ−Ｆｅ系合金を用い、熱処理によりＳｎ−Ｆｅ化合物を析出させ、銅合金の結晶粒を微細化させており、それにより軸受合金層と鋼裏金層との接合強度を高めている。
引用文献３の手法によっても軸受合金層と鋼裏金層との接合強度を高められるが、動荷重負荷がかかった場合の軸受合金層と鋼裏金層とのせん断の抑制には不十分であった。したがって、本発明の目的は、従来に比べて摺動層と裏金層との強固な接合を有する摺動部材を提供することである。
本発明の一観点によれば、背面および接合表面を有する裏金層と、裏金層の接合表面上に設けられた銅合金からなる摺動層とを備える摺動部材が提供される。摺動層は摺動面を有する。この銅合金の組成は、０．５〜１２質量％のＳｎ、０．５〜１５質量％のＮｉ、０．０６〜０．２質量％のＰを含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなり、裏金層は、０．０７〜０．３５質量％の炭素を含有する亜共析鋼からなり、フェライト相およびパーライトからなる組織を有する。裏金層は、接合表面から内部に向かって延在する空孔含有領域を有する。摺動面に垂直な断面視にて、空孔含有領域には、接合表面に開口しない複数の閉空孔が存在し、この閉空孔の平均径は５〜１５μｍであり、空孔含有領域の厚さは１０〜６０μｍである。空孔含有領域の体積Ｖ１に対する閉空孔の全体積Ｖ２の割合は、Ｖ２／Ｖ１＝０．０５〜０．１になっている。
本発明による摺動部材は、摺動層との界面となる裏金層の接合表面に、上記の空孔含有領域を有する。この空孔含有領域は、複数の閉空孔を有するために弾性変形しやすくなっており、摺動層の銅合金との弾性変形量の差が小さくなっている。このため、摺動部材に外力が加わった場合、摺動層の銅合金と裏金層の空孔含有領域との弾性変形量の差が小さく、摺動層の銅合金と裏金層とのせん断が起き難い。
本発明の一具体例によれば、摺動面に垂直な断面視にて、閉空孔と接合表面との平均離間距離は５〜１５μｍであることが好ましい。
本発明の一具体例によれば、摺動面に垂直な断面視にて、隣接する閉空孔どうしの接合表面に平行方向の平均離間距離は５〜１５μｍであることが好ましい。
本発明の一具体例によれば、摺動面に垂直な断面視にて、閉空孔の平均アスペクト比は２．５以下であることが好ましい。
本発明の一具体例によれば、裏金層の厚さ方向中央部における組織中のパーライトの体積割合Ｐｃと、空孔含有領域におけるパーライトの体積割合Ｐｓが
Ｐｓ／Ｐｃ≦０．５
の関係を満たすことが好ましい。
Ｐｓ／Ｐｃ≦０．５
の関係を満たすことが好ましい。
本発明の一具体例によれば、裏金層のうち空孔含有領域を除く領域の組成は、０．０７〜０．３５質量％のＣ、０．４質量％以下のＳｉ、１質量％以下のＭｎ、０．０４質量％以下のＰ、０．０５質量％以下のＳを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であることが好ましい。
本発明の一具体例によれば、銅合金は、０．０１〜１０質量％のＦｅ、０．０１〜５質量％のＡｌ、０．０１〜５質量％のＳｉ、０．１〜５質量％のＭｎ、０．１〜３０質量％のＺｎ、０．１〜５質量％のＳｂ、０．１〜５質量％のＩｎ、０．１〜５質量％のＡｇ、０．５〜２５質量％のＰｂ、０．５〜２０質量％のＢｉのうちから選ばれる１種以上をさらに含むことが好ましい。
本発明のその他の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照して以下の本発明の非限定的具体例の説明から明らかになるであろう。
図６に従来の摺動部材１１の断面の模式図を示す。摺動部材１１は、裏金層１２の一方の表面上に銅合金１４からなる摺動層１３が形成されている。裏金層１２は、炭素の含有量が０．０７〜０．３５質量％の亜共析鋼であり、その組織は通常の亜共析鋼の組織を示す。すなわち、フェライト相６を主とし、粒状のパーライト７がフェライト相の素地に分散している（図２Ａ参照）。この組織が、厚さ方向の全体に均質に形成されている。そのため、裏金層１２は、外力に対する変形抵抗が裏金層１２の厚さ方向にわたって概ね均一になっている。
上記のように軸受装置の運転時には、相手軸部材からの動荷重負荷により軸受ハウジングは弾性変形しやすくなっているので、従来の摺動部材１１では、軸受ハウジングの軸受保持穴に装着された摺動部材（すべり軸受）は、軸受ハウジングの変形に伴い変動する周方向力が加わりそれに伴い弾性的な変形を生じる。従来の摺動部材１１は、裏金層１２が通常の亜共析鋼の組織であり、摺動層１３の銅合金１４よりも強度が高く変形抵抗が大きくなっているため、裏金層１２と摺動層１３との界面では、裏金層１２と摺動層１３の銅合金１４との弾性変形量の差が大きく、そのため、裏金層１２と摺動層１３との間でせん断が発生し易い。
本発明に係る摺動部材１の一具体例を図１、図２、図２Ａを参照して説明する。図１は、裏金層２上に銅合金４からなる摺動層３を形成した摺動部材１の断面を示す模式図である。摺動層３は、裏金層２の反対側に摺動面３１を有する。裏金層２は、一方の表面（接合表面２１）上に摺動層３が形成されており、接合表面２１の反対側に背面２２を有する。銅合金層４との界面となる裏金層２の接合表面２１には、下記に説明する空孔含有領域５が形成されている。
なお、本発明の摺動部材は、摺動層および／または裏金層の表面にＳｎ、Ｂｉ、Ｐｂまたは、これら金属を基とする合金からなる被覆層や、合成樹脂または合成樹脂を基とする被覆層を任意に有してもよい。その場合でも本明細書では摺動層３の表面を「摺動面３１」と称する。
図２は、裏金層２の接合表面２１付近の組織を示す拡大図であり、裏金層２には、その接合表面２１から内部に向かって一定の距離だけ延在し、多数の閉空孔を有する空孔含有領域が存在する。他方、図２Ａは、裏金層２の厚さ方向中央部（以後、単に「裏金層２の中央部」という）の組織を示す拡大図である。なお、図２および図２Ａでは、組織中のフェライト相６とパーライト７は、理解を容易にするために誇張して描かれている。
摺動層３の銅合金４の組成は、０．５〜１２質量％のＳｎ、０．５〜１５質量％のＮｉ、０．０６〜０．２質量％のＰを含み、残部がＣｕ及び不可避不純物である。Ｓｎ、Ｎｉ，Ｐ成分は、銅合金の強度を高める成分であるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合には、銅合金が脆くなる。なお、後述する焼結時に摺動層３の銅合金４のＮｉ成分およびＰ成分は、銅合金４との界面となる裏金層２の接合表面付近に拡散し、後述する裏金層２の空孔含有領域５の形成にも関係する。
その焼結時に摺動層３の銅合金４の裏金層２の接合表面と接する付近には、裏金層２に含まれる成分が拡散することがあるが、この場合も本発明の範囲である。
その焼結時に摺動層３の銅合金４の裏金層２の接合表面と接する付近には、裏金層２に含まれる成分が拡散することがあるが、この場合も本発明の範囲である。
また、銅合金４の組成は、０．５〜１２質量％のＳｎ、０．５〜１５質量％のＮｉ、０．０６〜０．２質量％のＰを含み、さらに、選択成分として０．０１〜１０質量％のＦｅ、０．０１〜５質量％のＡｌ、０．０１〜５質量％のＳｉ、０．１〜５質量％のＭｎ、０．１〜３０質量％のＺｎ、０．１〜５質量％のＳｂ、０．１〜５質量％のＩｎ、０．１〜５質量％のＡｇ、０．５〜２５質量％のＰｂ、０．５〜２０質量％のＢｉから選ばれる１種以上を含むようにすることもできる。Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｇは、銅合金４の強度を高める成分であるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合には、銅合金４が脆くなる。Ｐｂ、Ｂｉは、銅合金４の潤滑性を高める成分であるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合には、銅合金４が脆くなる。なお、銅合金４にこれら選択成分を２種以上含有させる場合、合計で４０質量％以下とすることが好ましい。
摺動層３は、任意で、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、Ｍｏ２Ｃ、ＷＣ、Ｆｅ２Ｐ、Ｆｅ３Ｐから選ばれる１種以上の硬質粒子を０．１〜１０体積％をさらに含むことができる。これら硬質粒子は、摺動層３の銅合金４の素地に分散して摺動層３の耐摩耗性を高めるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合には、摺動層３が脆くなる。
摺動層３は、任意で、ＭｏＳ２、ＷＳ２、黒鉛、ｈ−ＢＮから選ばれる１種以上の固体潤滑剤を０．１〜１０体積％をさらに含むことができる。これら固体潤滑剤は、摺動層３の銅合金４の素地に分散して摺動層３の潤滑性を高めるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合には、摺動層３が脆くなる。
裏金層２は、炭素の含有量が０．０７〜０．３５質量％である亜共析鋼である。この裏金層２の組織は、図２Ａに示すように、フェライト相６とパーライト７とからなるものである。炭素含有量が０．０７質量％未満の亜共析鋼を用いる場合には、裏金層２の強度が低く、摺動部材１の強度が不十分となる。他方、炭素含有量が０．３５質量％を超える亜共析鋼を用いると、裏金層２が脆くなくなってしまう。
なお、上記のとおり焼結時に摺動層３の銅合金４のＮｉ成分およびＰ成分は、銅合金４との界面となる裏金層２の接合表面付近（空孔含有領域５）に拡散する。そのために、空孔含有領域５は、裏金層２のうち空孔含有領域を除く領域（以下、「主領域」という）よりもＮｉ成分およびＰ成分が多くなっている。裏金層２の主領域の組成は、０．０７〜０．３５質量％の炭素を含有し、さらに、０．４質量％以下のＳｉ、１質量％以下のＭｎ、０．０４質量％以下のＰ、０．０５質量％以下のＳのいずれか一種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成にできる。なお、裏金層２の組織は、フェライト相６とパーライト７とからなるが、このことは微細な析出物（走査電子顕微鏡を用い１０００倍で組織観察を行っても検出できない析出物相）を含むことを排除するものではない。
裏金層２におけるフェライト相６は、炭素の含有量が最大で０．０２質量％と少なく、純鉄に近い組成の相である。一方、裏金層２におけるパーライト７は、フェライト相と鉄炭化物であるセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）相とが薄い板状に交互に並んで形成されるラメラ組織を有し、フェライト相６よりも強度が高い。
図２に示す断面組織では、裏金層２は、空孔含有領域５（閉空孔５１を除く）と主領域とで、フェライト相６とパーライト７の体積割合がほぼ同じになっている。
図２に示す断面組織では、裏金層２は、空孔含有領域５（閉空孔５１を除く）と主領域とで、フェライト相６とパーライト７の体積割合がほぼ同じになっている。
空孔含有領域５は、複数の閉空孔５１を有する。閉空孔５１は、接合表面２１近くのフェライト相６の結晶粒内または結晶粒間に形成されており、接合表面２１に接しない、すなわち開口しないようになっている。また、複数の閉空孔５１は、摺動面３１に垂直（すなわち、裏金層２の接合表面２１に垂直）な断面視にて、接合表面２１からほぼ同距離だけ離間して配されるものが多く、また、接合表面２１に平行方向にもほぼ同距離だけ離間し配されているものが多い。（図２参照）。
空孔含有領域５は、摺動面３１に垂直な断面視にて、閉空孔５１を包含するように規定された、接合表面２１から内部に向かって一定厚さＴ１を有する領域である。空孔含有領域５の厚さＴ１は１０〜６０μｍである。厚さＴ１は、１５~４５μｍであることがより好ましい。詳しくは、空孔含有領域５は、摺動面３１に垂直な断面視にて、断面組織中で接合表面２１から最も離間する閉空孔５１の輪郭（裏金層２の内部側）に接し、且つ、接合表面２１に平行な仮想線（図２の点線Ｌ）を引いたときに、接合表面２１から仮想線Ｌまでの間の領域である。閉空孔５１は、空孔含有領域５以外の裏金層の組織中には観察されない。ただし、径が０．５μｍ未満の微小な欠陥などの空隙や小孔が存在することはあるが、それらは閉空孔５１とはみなさない。
なお、裏金層２の厚さは、一般的な摺動部材では最小でも０．７ｍｍであるので、空孔含有領域５の厚さＴ１が１０〜６０μｍの範囲内であれば、裏金層２の強度への影響が少ない。さらに、裏金層の厚さＴに対する空孔含有領域５の厚さＴ１の割合Ｘ１が０．０７以下とすることが好ましい。
焼結時に摺動層３の銅合金４のＮｉ成分およびＰ成分は拡散して、裏金層２の空孔含有領域５のフェライト相６に固溶される形態になる。空孔含有領域５（閉空孔５１を除く）におけるＮｉ成分の割合は０．５〜５質量％程度であり、Ｐ成分の割合は０．０２~０．２５質量％程度である。
裏金層２の接合表面２１付近への銅合金４のＮｉ成分およびＰ成分の拡散は、摺動部材の摺動面３１に垂直方向の断面組織を複数箇所（例えば５箇所）、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）を用いて成分測定を行うことにより確認できる。
後述する焼結時に裏金層２の摺動層３との界面となる接合表面２１付近（空孔含有領域５の付近）には、銅合金のＮｉ成分およびＰ成分以外に、Ｃｕ成分、Ｓｎ成分、または上記選択成分が拡散することがあるが、この場合も本発明の範囲である。
裏金層２の接合表面２１付近への銅合金４のＮｉ成分およびＰ成分の拡散は、摺動部材の摺動面３１に垂直方向の断面組織を複数箇所（例えば５箇所）、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）を用いて成分測定を行うことにより確認できる。
後述する焼結時に裏金層２の摺動層３との界面となる接合表面２１付近（空孔含有領域５の付近）には、銅合金のＮｉ成分およびＰ成分以外に、Ｃｕ成分、Ｓｎ成分、または上記選択成分が拡散することがあるが、この場合も本発明の範囲である。
空孔含有領域５の体積Ｖ１に対する閉空孔５１の全体積Ｖ２の割合は、５〜１０％（Ｖ２／Ｖ１＝０．０５〜０．１）とする。Ｖ２／Ｖ１の値が５％未満では、空孔含有領域５の変形抵抗が高すぎて、摺動層３の銅合金４との変形抵抗の差（外力を受けた際の弾性変形量の差）を小さくする効果が不十分となる。Ｖ２／Ｖ１の値が１０％を超えると、裏金層２の空孔含有領域５の変形抵抗が低くなりすぎて、外力を受けた際、閉空孔５１の周囲の裏金層２（フェライト相６）が座屈（塑性変形）することがある。
閉空孔５１の平均径は５〜１５μｍである。閉空孔５１の平均径が５μｍ未満であると、Ｖ２／Ｖ１の値が５％未満となりやすく、閉空孔５１の平均径が１５μｍ超えると、Ｖ２／Ｖ１の値が１０％を超えやすくなり、好ましくない。
なお、閉空孔５１の最大径が、空孔含有領域５の厚さＴ１よりも小さくなることは明らかである。
なお、閉空孔５１の最大径が、空孔含有領域５の厚さＴ１よりも小さくなることは明らかである。
空孔含有領域５の体積Ｖ１に対する閉空孔５１の全体積Ｖ２の割合Ｖ２／Ｖ１は、電子顕微鏡を用いて摺動部材１の厚さ方向に平行な方向（摺動面３１に垂直な方向）に切断された複数箇所（例えば５箇所）の断面組織（切断面を研磨、エタノールと３％硝酸との混合液であるナイタール液でエッチングした）において、裏金層２の接合表面２１付近を倍率５００倍で電子像を撮影し、その画像を一般的な画像解析手法（解析ソフト：Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製）を用いて、上記のように空孔含有領域５を区分し、空孔含有領域５の接合表面２１から距離（厚さ）を確認した後、空孔含有領域５の組織中の閉空孔５１の面積率を測定する。この面積割合の値は、空孔含有領域５の全体積Ｖ１に対する閉空孔５１の全体積Ｖ２の割合に相当する。ただし、電子像の撮影倍率は、５００倍に限定されないで、他の倍率に変更することができる。
閉空孔５１の平均径は、上記の手法で得られた断面の電子像を上記の像解析手法を用い閉空孔５１の面積を測定し、それを円と想定した場合の平均直径（円相当径）に換算して求める。ただし、上記のとおり、０．５μｍ未満の微小なものは閉空孔５１とはみなさない。
閉空孔５１の接合表面２１からの平均離間距離Ｌ１は２．５〜２５μｍとすることが好ましく、さらに５〜１５μｍとすることがより好ましい。ここで、接合表面２１からの平均離間距離Ｌ１は、摺動面３１に垂直な断面視にて、接合表面２１に垂直方向の距離である（図３参照）。この平均離間距離Ｌ１は、上記の手法で得られた電子像を上記の像解析手法を用い、各閉空孔５１の接合表面２１に最も近い位置（閉空孔の輪郭）から接合表面２１までの間の長さを測定し平均することで求める。
この平均離間距離Ｌ１が２．５μｍ未満であると、裏金層２の接合表面２１と閉空孔５１との間の鋼材料（すなわち、空孔含有領域５の素地部）の厚さが薄くなりすぎて、外力を受けた際、接合表面２１と閉空孔５１との間で座屈（塑性変形）することがある。この平均離間距離Ｌ１が２５μｍμｍを超えると、接合表面２１と閉空孔５１との間の鋼材料（すなわち、空孔含有領域５の素地部）の厚さが厚くなりすぎて、摺動層３の銅合金４との変形抵抗の差（外力を受けた際の弾性変形量の差）を小さくする効果が不十分となる。
隣接する閉空孔５１どうしの平均離間距離Ｌ２は２．５〜２５μｍとすることが好ましく、さらに５〜１５μｍとすることがより好ましい。ここで、隣接する閉空孔５１どうしの平均離間距離Ｌ２は、摺動面３１に垂直な断面視にて、接合表面２１に平行方向の距離である（図３参照）。この平均離間距離Ｌ２は、上記の手法で得られた電子像を上記の像解析手法を用い、閉空孔５１と該空孔５１に最も近くに位置する他の閉空孔５１との間（閉空孔５１の輪郭（線）どうしの間）の接合表面２１に平行方向の長さ（閉空孔の輪郭間の長さ）を測定し平均することで求める。
この平均離間距離Ｌ２が２．５μｍ未満であると、閉空孔５１どうしの間の鋼材料（すなわち、空孔含有領域５の素地部）の厚さ（長さ）が薄くなりすぎて、外力を受けた際、閉空孔５１どうしの間で裏金層２が座屈（塑性変形）することがある。この平均離間距離Ｌ２が２５μｍを超えると、摺動層３の銅合金４との変形抵抗の差（外力を受けた際の弾性変形量の差）を小さくする効果が不十分となる。
閉空孔５１の平均アスペクト比Ａ１は３以下であることが好ましく、２．５以下であることがより好ましい。ここで、閉空孔５１の平均アスペクト比Ａ１は、摺動面３１に垂直な断面視にて長軸と短軸との比の平均で表される。閉空孔５１が略球状であると、外力を受けた際、閉空孔５１の変形（閉空孔５１の周囲の空孔含有領域５の素地部の変形）が起こり難い。なお、閉空孔５１は、その長軸が接合表面２１に略平行を向いて配向したものが多いことが好ましい。
閉空孔５１のアスペクト比Ａ１は、上記の手法で得られた電子像を、上記の像解析手法を用い、各閉空孔５１の長軸の長さＬ３と短軸の長さＳ１の比（長軸の長さＬ３／短軸の長さＳ１）の平均として求める（図４参照）。なお、閉空孔の長軸の長さＬ３は、上記電子像中の閉空孔の長さが最大となる位置での長さを示し、閉空孔の短軸の長さＳ１は、この長軸の長さＬ３の方向に直交する方向での長さが最大となる位置での長さを示す。
図５に、本発明による摺動部材の他の具体例の断面模式図を示す。この例では、裏金層２の空孔含有領域５の組織中のパーライト７の割合が少なくなっている点で図２の例とは異なる。その他の構成は図２と同じであるので説明は省略する。
図５は、裏金層２の接合表面２１付近の空孔含有領域５の組織を示す拡大図である。図５では、組織中のフェライト相６とパーライト７は、理解を容易にするために誇張して描かれている。裏金層２の厚さ方向中央部（以後、単に「裏金層２の中央部」という）の組織は、図２Ａに示す組織と同じになっている。
空孔含有領域５の組織中のパーライト７の体積割合は、裏金層２の中央部における組織中のパーライト７の体積割合に対して５０％以上少なくなっている。すなわち、裏金層２の中央部における組織中のパーライトの体積割合Ｐｃと、空孔含有領域５におけるパーライトの体積割合Ｐｓが、Ｐｓ／Ｐｃ≦０．５になっている。
組織中のパーライト７の面積率は、電子顕微鏡を用いて摺動部材１の厚さ方向に平行な方向（摺動面３１に垂直な方向）に切断された複数箇所（例えば５箇所）の断面組織において、裏金層２の中央部、及び、裏金層２の空孔含有領域５１をそれぞれ倍率５００倍で電子像を撮影し、その画像を一般的な画像解析手法（解析ソフト：Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製）を用いて、組織中のパーライト７の面積率を測定する。そして、裏金層２の中央部における組織中のパーライト７に対して、空孔含有領域５１における組織中（閉空孔５を除く）のパーライト７の面積割合が５０％以上少なくなっていることが確認できる。
なお、裏金層２の中央部は、厳密な意味での裏金層２の厚さ方向に中央部位置でなくてもよい。これは、裏金層２の背面２２から空孔含有領域５１付近までの間の組織が、実質的にほぼ同じ組織（フェライト相６／パーライト７の面積割合がほぼ同じ）になっているからである。したがって、本明細書では「裏金層２の中央部」は、裏金層２の厚さ方向の中央部位置およびその近傍を含んでいる。なお、上記観察において組織中のパーライト７の体積割合は、断面視における面積割合として測定したが、この面積割合の値は、組織中のパーライト７の体積割合に相当する。
組織中のパーライト７の体積割合が裏金層２の中央部における組織中のパーライト７の体積割合に対して５０％以上少なくなっている組織部（低パーライト領域）２３は、接合表面２１から空孔含有領域５１を超えて裏金層の厚さ方向の内部側にも形成されている（図５参照）。）
摺動面３１に垂直な断面視にて、低パーライト領域２３の厚さＴ２（接合表面２１からの厚さ）は、空孔含有領域５の厚さＴ１に対して１．１〜１．５倍（Ｔ２／Ｔ１＝１．１〜１．５）とすることが好ましい。
摺動面３１に垂直な断面視にて、低パーライト領域２３の厚さＴ２（接合表面２１からの厚さ）は、空孔含有領域５の厚さＴ１に対して１．１〜１．５倍（Ｔ２／Ｔ１＝１．１〜１．５）とすることが好ましい。
裏金層２は、炭素の含有量が０．０７〜０．３５質量％の亜共析鋼である。亜共析鋼の組織はフェライト相６とパーライト７とからなり、パーライト７の割合は、炭素の含有量に応じて決まるが、通常は３０体積％以下である。裏金層２の中央部はこのような亜共析鋼の通常の組織である。
しかし、摺動層３との界面となる裏金層２の接合表面２１の空孔含有領域５は、組織中のパーライト７の体積割合が、裏金層２の中央部における組織中のパーライト７の体積割合に対して５０％以上少なくなっている。フェライト相６は、パーライト７に比較して銅合金との弾性変形差が小さいため、摺動部材に外力が加わった場合、摺動層３の銅合金４と裏金層２の空孔含有領域５との界面での弾性変形量の差が小さく、その界面でのせん断が起き難くなり、摺動層３の銅合金４と裏金層２との接合をさらに強くすることができる。
他方、裏金層２に必要な強度は、裏金層２のうちの低パーライト領域２３を除き、通常の量のパーライトを有する亜共析鋼の組織であるので、強度が高い。このため、摺動部材１は、軸受ハウジングへの装着に伴う周方向応力や軸受装置の運転時に摺動部材に加わる周方向力による塑性変形が起き難い。
しかし、摺動層３との界面となる裏金層２の接合表面２１の空孔含有領域５は、組織中のパーライト７の体積割合が、裏金層２の中央部における組織中のパーライト７の体積割合に対して５０％以上少なくなっている。フェライト相６は、パーライト７に比較して銅合金との弾性変形差が小さいため、摺動部材に外力が加わった場合、摺動層３の銅合金４と裏金層２の空孔含有領域５との界面での弾性変形量の差が小さく、その界面でのせん断が起き難くなり、摺動層３の銅合金４と裏金層２との接合をさらに強くすることができる。
他方、裏金層２に必要な強度は、裏金層２のうちの低パーライト領域２３を除き、通常の量のパーライトを有する亜共析鋼の組織であるので、強度が高い。このため、摺動部材１は、軸受ハウジングへの装着に伴う周方向応力や軸受装置の運転時に摺動部材に加わる周方向力による塑性変形が起き難い。
以下に、本実施形態に係る摺動部材の作製方法について説明する。
まず、摺動層の上記組成の銅合金の粉末を準備する。また、摺動層に上記硬質粒子や上記固体潤滑剤を含有させる場合は、銅合金粉末と硬質粒子や固体潤滑剤粒子との混合粉を作製する。
準備した銅合金粉末または混合粉を上記組成の鋼（亜共析鋼）板上に散布した後、粉末散布層を加圧することなく、焼結炉を用いて８００〜９５０℃の還元雰囲気で１次焼結を行い、鋼板上に多孔質銅合金層を形成し、室温まで冷却する。
次に、多孔質銅合金層を緻密化し、さらに、鋼板の多孔質銅合金層と接する表面付近を活性化するために１次圧延を行う。従来の摺動部材の製造においては、この１次圧延は、多孔質銅合金層の空孔を減少させて緻密化することを目的として行われており、鋼板はほとんど圧延されなかった。しかし、本発明に係る摺動部材の製造では、この１次圧延での圧延率を従来よりも高くし、多孔質銅合金層が緻密化された後もさらに圧延する。１次圧延前の多孔質銅合金層の硬さは鋼板の硬さよりも低いが、この１次圧延にて多孔質銅合金層の空隙が減少し緻密化されるまでの間は、多孔質銅合金層のみが塑性変形するため十分に加工硬化させることができる。さらに、この緻密化し、且つ、加工硬化した多孔質銅合金層がさらに圧延されると、硬さの関係が逆転し、多孔質銅合金層が鋼板よりも硬さが大きくなり（例えば１次圧延後の圧延部材の緻密化された銅合金層の表面のビッカース硬さが、鋼板の背面のビッカース硬さよりも１５Ｈｖ程度大きい）、鋼板も圧延されるようになる。このため、１次圧延にて、硬さが高くなった銅合金層と接する鋼板の表面付近は、内部に比べてより多くの結晶歪が導入されて活性な状態となる。
次に、圧延された部材を焼結炉内で６５０℃以上鋼裏金の再結晶温度未満（例えば、７００℃未満）の温度の還元雰囲気中での保持時間２〜１０分の回復処理を行った後、８００〜９５０℃の還元雰囲気で２次焼結を行い、銅合金層を焼結して、室温まで冷却する。この際に、裏金層の銅合金層との界面となる表面に空孔含有領域が形成される。
空孔含有領域の形成機構は以下のように考えられる。
上記回復処理において、鋼板には回復現象が起こる。回復現象とは、鋼板が、再結晶温度未満の温度に加熱されることで、１次圧延（冷間加工）によりＦｅ原子配列に導入された結晶歪（原子空孔）の一部が、鋼板の表面（接合表面）に移動（拡散）し、消滅する現象である。
上記回復処理において、鋼板には回復現象が起こる。回復現象とは、鋼板が、再結晶温度未満の温度に加熱されることで、１次圧延（冷間加工）によりＦｅ原子配列に導入された結晶歪（原子空孔）の一部が、鋼板の表面（接合表面）に移動（拡散）し、消滅する現象である。
１次圧延にて緻密化された銅合金層と接する鋼板の表面付近に導入された結晶歪（原子空孔）は、上記回復処理により、結晶歪（原子空孔）の一部が、銅合金層と接する鋼板の表面側へ向かって移動するが、上記回復処理時には、同時に銅合金に含まれるＮｉ成分およびＰ成分が、原子空孔と置き換わるように鋼板の接合表面付近への拡散が起こり、銅合金のＮｉ成分およびＰ成分が拡散した領域よりも内部側の鋼板の結晶歪（原子空孔）の接合表面への拡散（移動）の抵抗となる。このため、Ｎｉ成分およびＰ成分が拡散した領域よりも内部側の結晶歪（原子空孔部）の多くは、銅合金のＮｉ成分およびＰ成分が拡散した領域と、Ｎｉ成分およびＰ成分が拡散していない領域の境界付近にて、部分的に集合化して閉空孔が形成されると考える。
ただし、銅合金に含まれるＰ成分が０．０６質量％未満の場合には、銅合金に含まれるＮｉ成分の鋼板の表面付近への拡散が起き難くなり、空孔含有領域が形成され難くなる。詳細は不明であるが、銅合金がＰ成分を多く（０．０６質量％以上）含むために上記回復処理において、銅合金に発生するＣｕ−Ｐ系液相の量が多くなり、Ｎｉ成分およびＰ成分の鋼板の表面付近への拡散を促進していると考えられる。
また、上記１次圧延にて、圧延部材の緻密化された銅合金層の表面のビッカース硬さが、鋼板の背面のビッカース硬さよりも２０Ｈｖ程度以上大きくした場合には、銅合金層との界面となる裏金層の表面に低パーライト領域２３が形成される。
また、低パーライト領域２３の形成機構は以下のように考えられる。
２次焼結工程の昇温中のＡ１変態点（７２７℃）に達する前に、圧延部材の裏金層（鋼板）は、内部に比べて活性な状態にある銅合金層との界面となる接合表面付近が先に再結晶現象が起こる。このため、Ａ１変態点に達する直前は、裏金層の接合表面付近と内部とで組織中のフェライト相とパーライトの割合は変わらないが、フェライト相の結晶粒は、表面付近が内部に比べて大きくなる。
２次焼結工程の昇温中のＡ１変態点（７２７℃）に達する前に、圧延部材の裏金層（鋼板）は、内部に比べて活性な状態にある銅合金層との界面となる接合表面付近が先に再結晶現象が起こる。このため、Ａ１変態点に達する直前は、裏金層の接合表面付近と内部とで組織中のフェライト相とパーライトの割合は変わらないが、フェライト相の結晶粒は、表面付近が内部に比べて大きくなる。
Ａ１変態点に達すると、裏金層は、パーライトがオーステナイト相に変態し、フェライト相とオーステナイト相からなる組織となる。（Ａ１変態点に達した直後では、裏金層は、接合表面付近と内部とでは組織中のオーステナイト相の割合およびオーステナイト相に固溶する炭素濃度は差がない。）裏金層は、その後のＡ１変態点を超えてＡ３変態点（組織がオーステナイト単相の組織になる温度）に達するまでの昇温とともに、組織中のフェライト相はオーステナイト相に徐々に変態し、組織中のフェライト相の割合が減少する。
裏金層の接合表面付近の組織中のフェライト相は、内部のフェライト相に比べて結晶粒径が大きく安定なため、オーステナイト相への変態が起き難い。この昇温中、裏金層の表面部付近の組織中のオーステナイト相の割合は、内部の組織中のオーステナイト相の割合よりも常に小さくなる。
組織中のフェライト相は、炭素原子をほとんど固溶しない（最大で約０．０２質量％）ため、裏金層の表面付近のオーステナイト相はパーライトに含まれていた炭素原子を固溶することになるが、その量は内部よりも少ない（体積）。そのために、裏金層の表面付近と内部のオーステナイト相では、炭素の濃度差が発生する。この濃度差をなくすように表面付近のオーステナイト相含まれる炭素原子が内部のオーステナイト相へ拡散し、表面付近の組織中に含まれる炭素の量は、内部の組織中に含まれる炭素の量よりも少なくなる。
組織中のフェライト相は、炭素原子をほとんど固溶しない（最大で約０．０２質量％）ため、裏金層の表面付近のオーステナイト相はパーライトに含まれていた炭素原子を固溶することになるが、その量は内部よりも少ない（体積）。そのために、裏金層の表面付近と内部のオーステナイト相では、炭素の濃度差が発生する。この濃度差をなくすように表面付近のオーステナイト相含まれる炭素原子が内部のオーステナイト相へ拡散し、表面付近の組織中に含まれる炭素の量は、内部の組織中に含まれる炭素の量よりも少なくなる。
その後の冷却過程において、裏金層はＡ１変態点に達すると、フェライト相とパーライトからなる組織となるが、上記のように昇温過程において、
（ｉ）銅合金層との界面となる接合表面付近の組織中に含まれる炭素量は、内部の組織中に含まれる炭素量よりも少なかったこと、及び、
（ｉｉ）昇温中の表面付近と内部での組織中に残るフェライト相の体積割合が違うこと
により、冷却後、表面付近の組織中のパーライトの体積割合は、内部の組織中パーライトの体積割合よりも少なくなったと考えられる。
（ｉ）銅合金層との界面となる接合表面付近の組織中に含まれる炭素量は、内部の組織中に含まれる炭素量よりも少なかったこと、及び、
（ｉｉ）昇温中の表面付近と内部での組織中に残るフェライト相の体積割合が違うこと
により、冷却後、表面付近の組織中のパーライトの体積割合は、内部の組織中パーライトの体積割合よりも少なくなったと考えられる。
従来の摺動部材の製造においては、１次圧延にて多孔質焼銅合金層が緻密化する程度にのみ圧延するので、裏金層は圧延されない。そのため、裏金層（鋼板）の緻密化した銅合金層との界面付近に内部よりも多くの結晶歪が導入されて活性な状態となることがない。したがって、上記と同じ条件の回復処理を行っても、その後の２次焼結工程後の裏金層の組織は、空孔含有領域は形成されず、また、表面付近と内部とでパーライトの体積割合も変わらない組織となる。
また、（先行技術文献３のように、）緻密化のための圧延の後に２次焼結を行なった銅合金層および裏金層からなる部材に対して、さらに２次圧延を行って銅合金層と裏金層とを共に圧延しても、２次焼結での熱処理により既に銅合金の硬さが裏金層の硬さよりも低くなっているので、また、銅合金層は既に緻密化されているので、２次圧延において銅合金層のみが優先し塑性変形（加工硬化）することもない。このように、２次圧延中に銅合金層が裏金よりも加工硬化し十分に硬くなることがないため、銅合金層との界面付近のみが内部より多くの結晶歪が導入されて活性な状態となることがない。このため、この圧延部材は、上記と同じ条件の回復処理および２次焼結工程での焼結条件と同じ条件で３次焼結を施しても、空孔含有領域は形成されず、また、裏金層の表面付近と内部とでパーライトの割合が変わらない組織となる。
本発明の摺動部材は、内燃機関や自動変速機に用いられる軸受に限定されないで、各種機械に用いられる軸受に適用できる。また、軸受の形状は、円筒形状や半円筒形状に限定されないで、例えば、軸部材の軸線方向負荷を支承する円環形状や半円環形状のスラスト軸受や、自動変速機のクラッチ部（ワンウェイクラッチ）に用いられる略コ字状断面を有する円環形状のエンドプレート等にも適用できる。
Claims (7)
- 背面および接合表面を有する裏金層と、
前記裏金層の前記接合表面上に設けられた銅合金からなる、摺動面を有する摺動層と
を備える摺動部材であって、
銅合金の組成は、０．５〜１２質量％のＳｎ、０．５〜１５質量％のＮｉ、０．０６〜０．２質量％のＰを含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなり、
前記裏金層は、０．０７〜０．３５質量％の炭素を含有する亜共析鋼からなり、フェライト相およびパーライトからなる組織を有し、
前記裏金層は、前記接合表面から内部に向かって延在する空孔含有領域を有し、
前記摺動面に垂直な断面視にて、前記空孔含有領域には前記接合表面に開口しない複数の閉空孔が存在し、該閉空孔の平均径は５〜１５μｍであり、前記空孔含有領域の厚さは１０〜６０μｍであり、
前記空孔含有領域の体積Ｖ１に対する前記閉空孔の全体積Ｖ２の割合は、Ｖ２／Ｖ１＝０．０５〜０．１である、摺動部材。 - 前記摺動面に垂直な断面視にて、前記閉空孔と前記接合表面との平均離間距離は５〜１５μｍである、請求項１に記載された摺動部材。
- 前記摺動面に垂直な断面視にて、隣接する前記閉空孔どうしの前記接合表面に平行方向の平均離間距離は５〜１５μｍである、請求項１または請求項２に記載された摺動部材。
- 前記摺動面に垂直な断面視にて、前記閉空孔の平均アスペクト比は２．５以下である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された摺動部材。
- 前記裏金層の厚さ方向中央部における組織中のパーライトの体積割合Ｐｃと、前記空孔含有領域におけるパーライトの体積割合Ｐｓが
Ｐｓ／Ｐｃ≦０．５
の関係を満たす、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動部材。 - 前記裏金層のうち前記空孔含有領域を除く領域の組成は、０．０７〜０．３５質量％のＣ、０．４質量％以下のＳｉ、１質量％以下のＭｎ、０．０４質量％以下のＰ、０．０５質量％以下のＳを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物である、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された摺動部材。
- 前記銅合金は、０．０１〜１０質量％のＦｅ、０．０１〜５質量％のＡｌ、０．０１〜５質量％のＳｉ、０．１〜５質量％のＭｎ、０．１〜３０質量％のＺｎ、０．１〜５質量％のＳｂ、０．１〜５質量％のＩｎ、０．１〜５質量％のＡｇ、０．５〜２５質量％のＰｂ、０．５〜２０質量％のＢｉのうちから選ばれる１種以上をさらに含む、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動部材。
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