JP2024056397A - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】工数の増加を必要とすることなく、溶接時におけるＦｅ系の基材へのＣｕ系の合金の差し込みを低減し、強度のさらなる向上を図る摺動部材およびその製造方法を提供する。【解決手段】摺動部材１０は、Ｆｅを主成分とする基材１１と、基材１１に積層され、Ｎｉを６～１２質量％、Ｓｎを３～９質量％を含むＣｕ基合金からなる合金層１２と、を備える。合金層１２は、本体層１５と中間層１６とを有する。本体層１５はＣｕ基合金で形成され、中間層１６はＣｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕに基材１１を由来とするＦｅを含む合金からなる。合金層１２は、厚さ方向に切断した任意の観察断面において、厚さ方向の中間で分割して基材１１側を下側領域とし、反対側を上側領域と設定したとき、下側領域の観察断面に占める硬質相１７の合計の面積の割合を１とすると、上側領域の観察断面に占める硬質相１７の合計の面積の割合は、１．２～３．０である。【選択図】図１

Description

本実施形態は、摺動部材およびその製造方法に関する。
高い負荷が加わり、かつ起動と停止とを繰り返す過酷な条件では、回転軸を支持する摺動部材は高い強度と耐久性とが要求される。このような摺動部材では、強度および耐久性の確保のためにＦｅ系の基材が用いられ、その表面に軸受のための合金層としてＣｕ系の合金層が積層される。
一般に、Ｃｕ系の合金は、Ｆｅ系の基材に対して固溶限が低いという特性がある。そのため、過大な溶込みによってＣｕ系の合金にＦｅが固溶すると、Ｆｅが溶出しやすく、Ｆｅ系の基材にＣｕ系の合金層を形成する場合、割れや剥離が発生しやすいという問題がある。特に、Ｆｅ系の基材にＣｕ系の合金を溶接する場合、Ｃｕ系の合金が基材へ差し込む現象が生じ、基材と溶接層との境界における割れや剥離の原因となる。従来は、このＣｕ系の合金の基材へ差し込みを低減するために、基材と合金層との間に他の金属または合金からなる中間層を形成している（特許文献１、２など参照）。中間層を形成することにより、Ｃｕ系の合金の基材への差し込みの低減が図られている。
しかしながら、中間層の形成は、Ｆｅ系の基材にＣｕ系合金を形成する工程に加え、別途の工程を必要とする。特に、大型の機器に適用される摺動部材のように、製造コストの低減の観点から溶接で合金層を形成する場合、中間層を形成するための工程の増加を招くという問題がある。また、中間層は、これら基材や合金層と異なる材料を必要とすることから、取り扱いも煩雑となるという問題がある。
特開昭５６－１７９０２０号公報 特開昭６２－２６７０７８号公報
そこで、工数の増加を必要とすることなく、溶接時におけるＦｅ系の基材へのＣｕ系の合金の差し込みを低減し、強度のさらなる向上を図る摺動部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために一実施形態の摺動部材は、Ｆｅを主成分とする基材と、前記基材に積層され、Ｎｉを６～１２質量％、およびＳｎを３～９質量％を含むＣｕ基合金からなる合金層と、を備える。
前記合金層は、本体層と中間層とを有する。本体層は、前記Ｃｕ基合金で形成される。中間層は、前記Ｃｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕに前記基材を由来とするＦｅを含む合金からなる。前記合金層は、前記Ｃｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕの化合物からなる硬質相、ならびに前記硬質相および前記Ｃｕ基合金のマトリクスを含むフレーク相を有する。前記合金層は、前記合金層の厚さ方向に切断した任意の観察断面において、前記合金層の厚さ方向の中間で分割して前記基材側を下側領域とし、前記基材と反対側を上側領域と設定したとき、前記下側領域において前記観察断面に占める前記硬質相の合計の面積の割合を１とすると、前記上側領域において前記観察断面に占める前記硬質相の合計の面積の割合は、１．２～３．０である。
合金層は、本体層と中間層とを有している。これらの本体層と中間層とは、合金層を溶接によって形成するとき、同時に形成される。すなわち、溶接の際に基材に被着されたＣｕ基合金は、基材のＦｅとの界面において、Ｃｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕと基材を由来とするＦｅとから中間層となる合金を生成する。一方、合金層と基材との界面を除く領域では、Ｃｕ基合金から本体層が形成される。このように、本実施形態では、合金層を溶接するとき、本体層に加え、基材との界面に中間層が同時に形成される。Ｃｕ基合金に含まれるＮｉは、基材を形成するＦｅとの親和性が高い。そのため、Ｃｕ基合金に含まれるＮｉと基材に含まれるＦｅとは、合金層と基材との界面に、合金層となるＣｕ基合金とは異なる組成の中間層を形成する。すなわち、中間層は、合金層の溶接と同時に形成される。これにより、溶接時におけるＦｅ基材へのＣｕ系の合金の差し込み現象が中間層によって阻止され、割れや剥離を低減することができる。
また、一実施形態では、合金層は、下側領域において観察断面に占める硬質相の合計の面積の割合を１とすると、上側領域において観察断面に示す硬質相の合計の面積の割合は、１．２～３．０である。硬質相は、合金層を構成するＣｕ基合金のマトリクスよりも硬い。そのため、合金層と相手部材とが摺動するとき、硬質相は合金層の摩耗の低減に寄与する。一方、硬質相は、基材と合金層との接着力を低減する要因となる。そこで、硬質相の分布割合を下側領域と上側領域とで異ならせることにより、上側領域において合金層の摩耗の低減が図られるとともに、下側領域において基材と合金層との剥離が低減される。
したがって、中間層を形成するための工数を必要とすることなく、強度のさらなる向上を図ることができる。
一実施形態による摺動部材の構造を示す模式的な断面図 一実施形態による摺動部材の合金層における硬質相およびフレーク相の組織を示す模式図 一実施形態による摺動部材の構造を示す模式図 一実施形態による摺動部材を回転軸部に適用した模式図 一実施形態による摺動部材の合金層を基材に溶接する溶接装置を示す模式図 一実施形態による摺動部材の試験片を示す模式図 図６の矢印ＶＩＩ方向から見た模式図 一実施形態による摺動部材の焼付試験および摩耗試験を行なう試験装置を示す模式図 試験装置に装着された試験片を図８の矢印ＩＸ方向から見た模式図 焼付試験の試験条件を示す概略図 摩耗試験の試験条件を示す概略図 実施例および比較例の試験結果を示す概略図
以下、一実施形態による摺動部材について図面に基づいて説明する。
図１に示すように摺動部材１０は、基材１１および合金層１２を備えている。合金層１２は、基材１１の一方の面側である界面１３に溶接することにより、基材１１に設けられる。摺動部材１０は、合金層１２の表面、つまり合金層１２の基材１１と反対側の端面が図示しない相手部材と摺動する摺動面１４となる。
基材１１は、いわゆる裏金層であり、Ｆｅを主成分とする材料で形成されている。Ｆｅを主成分とする基材１１としては、例えば亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼、鋳鉄、高速度鋼、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼などを用いることができる。
合金層１２は、Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金である。合金層１２は、Ｎｉを６～１２質量％、およびＳｎを３～９質量％を含んでいるＣｕＳｎＮｉ合金である。つまり、合金層１２は、少なくともこれらＮｉおよびＳｎを含んでいる。この合金層１２は、本体層１５および中間層１６を有している。本体層１５は、合金層１２を形成するＣｕ基合金で形成されている。つまり、本体層１５は、Ｎｉ、Ｓｎおよび不可避的不純物を含むＣｕ基の合金である。中間層１６は、この合金層１２を形成するＣｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕに、基材１１を由来とするＦｅを含む合金である。つまり、中間層１６は、Ｃｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕおよび不可避的不純物と、基材１１を由来とするＦｅとの合金によって形成されている。Ｃｕ基合金に含まれるＮｉは、基材１１を構成するＦｅとの親和性が高い。そのため、基材１１に合金層１２を溶接によって形成するとき、溶融した合金層１２に含まれるＮｉは、Ｆｅを主成分とする基材１１との界面１３に移動する。これにより、基材１１と合金層１２との界面１３には、Ｆｅを含む中間層１６が形成される。その結果、合金層１２は、Ｃｕ基合金からなる本体層１５と、Ｆｅを含む合金からなる中間層１６とを有する。
合金層１２は、図２に示すように硬質相１７およびフレーク相１８を有している。硬質相１７は、Ｃｕ基合金に含まれるＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕを由来とする、例えば（Ｃｕ・Ｎｉ）３Ｓｎなどの合金からなる準安定相である。合金層１２は、これら硬質相１７およびフレーク相１８をＣｕ基合金のマトリクス１９が包囲している。このうち、フレーク相１８は、硬質相１７を形成する成分からなる部分と、マトリクス１９を形成する成分からなる部分とが層状に重なっている組織である。フレーク相１８は、この組織によって、硬質相１７の全体または一部を包むように存在している。合金層１２は、硬質相１７を包む層状のフレーク相１８と、マトリクス１９とによって構成されている。
合金層１２は、厚さ方向に切断した任意の断面で硬質相１７の合計の面積の割合Ｒが規定されている。具体的には、図３に示すように観察断面Ｓを設定する合金層１２は、合金層１２の厚さの中間Ｈを境界として、基材１１側を下側領域Ａ１として、基材１１と反対側つまり摺動面１４側を上側領域Ａ２として設定される。このとき、下側領域Ａ１において観察断面Ｓに占める硬質相１７の合計の面積の割合を１とすると、上側領域Ａ２において観察断面Ｓに占める硬質相１７の合計の面積の割合Ｒは、１．２～３．０である。つまり、上側領域Ａ２において含まれる硬質相１７は、下側領域Ａ１よりも１．２～３．０倍、多くなる。
硬質相１７は、合金層１２を構成するＣｕ基合金のマトリクスよりも硬い。そのため、合金層１２と図示しない相手部材とが摺動するとき、硬質相１７は合金層１２の摩耗の低減に寄与する。一方、硬質相１７は、基材１１と合金層１２との接着力に影響を与える。合金層１２を含む摺動部材１０に図示しない相手部材からの荷重が加わると、摺動部材１０には例えばたわみなどの変形が生じる。この変形は、基材１１と合金層１２との間の剥離の要因となる。界面１３に近い位置に硬質相１７が多く存在すると、この基材１１と合金層１２との剥離が生じやすくなる。そこで、硬質相１７の分布を下側領域Ａ１と上側領域Ａ２とで異ならせることにより、上側領域Ａ２において合金層１２の摩耗の低減を図りつつ、下側領域Ａ１において基材１１と合金層１２との剥離の低減が図られる。その結果、摺動部材１０は、基材１１と合金層１２との間の接着性を高めることができるとともに、合金層１２の耐焼付性および耐摩耗性を高めることができる。
本実施形態で形成する摺動部材１０は、例えば図４に示すように風力発電機の回転軸や軸受などのように、大規模かつ面圧が高い回転部材２０に好適に用いることができる。図４に示す例の場合、回転部材２０は、基材１１および合金層１２を備えている。合金層１２は、基材１１となる回転軸部２１に、溶接によって直接設けられている。この場合、合金層１２の外周面は、摺動面１４を形成する。このように、回転軸部２１に溶接によって合金層１２を直接設けることにより、回転部材２０は高い面圧にも対応することができる。また、このように風力発電機の回転部材２０に摺動部材１０を用いる場合、合金層１２は、溶接によって、基材１１となる回転軸部２１に肉盛されたあと、０．５ｍｍ程度の厚さに切削される。このとき、合金層１２において、基材１１との界面１３に形成される中間層１６の厚さは、１．０～２０μｍ程度である。また、摺動面１４の粗さＲａは、０．３～０．６程度に設定される。なお、摺動部材１０は、例えば軸受部材などのように、円筒、半円筒、または周方向に３つ以上に分割した筒片状の基材１１の内周側に、溶接によって合金層１２を形成する構成としてもよい。
次に、摺動部材１０の製造方法について説明する。
合金層１２は、Ｆｅを主成分とする基材１１の表面に溶接によって形成されている。具体的には、合金層１２は、図５に示すように溶接材料３１を基材１１に溶接することによって、溶接材料３１を主材料として形成される。溶接材料３１は、合金層１２を形成するＣｕ基合金であり、基材１１との親和性の高い添加元素としてＮｉを含んでいる。溶接材料３１は、このＮｉの他に、Ｓｎおよび不可避的不純物を含んでいる。つまり、溶接材料３１は、Ｎｉ、Ｓｎおよび不可避的不純物を含むＣｕ基合金である。添加元素は、Ｎｉに限らず、基材１１となるＦｅと親和性が高いものであれば用いることができる。
溶接材料３１は、例えばワイヤまたは複数の繊維状の金属をより合わせた紐状に形成され、図５に示すように溶接装置３２の供給部３３に供給される。供給された溶接材料３１は、基材１１との間のアーク放電によって溶融し、基材１１へ移行する。溶接装置３２で用いる溶接方法は、シールドガス３４として不活性ガスを用いるＭＩＧ溶接であることが好ましい。また、溶接方法は、供給する溶接材料３１を高速で正方向または逆方向へ駆動するＣＭＴ方式を用いるＭＩＧ溶接がより好ましい。さらに、溶接方法は、条件を満たせば、ＴＩＧ溶接を用いてもよい。この溶接時において、基材１１への熱影響深さは２００μｍ以下にすることが好ましい。
溶接材料３１を基材１１に溶接することにより、基材１１には溶接層３５が形成される。これと同時に、溶融した溶接材料３１は、基材１１との界面１３において基材１１を形成する基材元素であるＦｅと合金を生成する。つまり、溶融した高温の溶接材料３１は、基材１１に移行することにより、基材１１の界面１３において基材元素であるＦｅを含む合金を生成する。この基材１１の界面１３で生成した合金は、図１に示す中間層１６となる。
溶接材料３１を基材１１に溶接することにより、高温の溶接材料３１は基材１１との界面１３において基材１１の表面を溶かし、基材元素であるＦｅと混合される。これにより、溶接材料３１によって形成される溶接層３５は、基材１１との界面１３にＦｅを含む合金からなる中間層１６を有し、この中間層１６を除く基材１１から遠い側にＦｅを含まない本体層１５を有する。つまり、溶接層３５は、その内部にＦｅを含む中間層１６と、Ｆｅを含まない本体層１５とを有している。
この溶接層３５は、図１に示す摺動部材１０における合金層１２の前駆体である。基材１１に溶接によって溶接層３５が形成されると、溶接層３５は熱処理が加えられる。具体的には、基材１１に形成された溶接層３５は、３７０～４３０℃の温度で４～１０時間、時効処理が加えられる。この時効処理によって、溶接層３５は、硬質相１７およびフレーク相１８を生成する。すなわち、溶接層３５は、時効処理を加えることにより、図２に示すように硬質相１７およびフレーク相１８が層状に形成された組織を生成し、合金層１２となる。
時効処理が加えられ合金層１２が形成された摺動部材１０は、合金層１２が所望の厚さへ切削される。合金層１２は、例えば０．５ｍｍ以下の厚さに切削される。また、上記の時効処理によって、硬質相１７の平均径は、０．５～２．０μｍとなる。切削された合金層１２の表面の粗さＲａは、０．３～０．６であることが好ましい。
以上説明したように、一実施形態による合金層１２は、本体層１５と中間層１６とを有している。これらの本体層１５と中間層１６とは、合金層１２を溶接によって形成するとき、同時に形成される。すなわち、溶接の際に基材１１に被着されたＣｕ基合金は、基材１１との界面１３において、Ｃｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕと基材１１を由来とするＦｅとから、中間層１６となる合金を生成する。一方、界面１３を除く領域では、Ｃｕ基合金から本体層１５が形成される。このように、本実施形態では、合金層１２を溶接するとき、本体層１５に加え、基材１１との界面１３に中間層１６が同時に形成される。これにより、合金層１２に含まれるＣｕが基材１１のＦｅへ差し込む現象は、中間層１６によって阻止され、この差し込みを原因とする割れや剥離が低減される。
また、一実施形態では、合金層１２は、下側領域Ａ１において観察断面Ｓに占める硬質相１７の合計の面積の割合を１とすると、上側領域Ａ２において観察断面Ｓに占める硬質相１７の合計の面積の割合Ｒが、１．２～３．０である。硬質相１７の分布割合を下側領域Ａ１と上側領域Ａ２とで異ならせることにより、上側領域Ａ２において合金層１２の摩耗の低減が図られるとともに、下側領域Ａ１において基材１１と合金層１２との剥離が低減される。
したがって、中間層１６を形成するための工数を必要とすることなく、摺動部材１０の強度のさらなる向上を図ることができる。
以下、摺動部材１０の実施例および比較例について説明する。
実施例および比較例は、接着試験および摺動試験によって評価した。試験片は、Ｆｅ系の基材１１に、Ｃｕ９Ｎｉ６Ｓｎ合金を合金層１２として肉盛溶接した。Ｃｕ９Ｎｉ６Ｓｎ合金は、溶接時において、溶融池へ当該合金のワイヤを正方向および逆方向へ高速で供給を繰り返しながらＭＩＧ溶接によって行なった。合金層１２は、溶接によって形成された後、実施例および比較例で規定している熱処理を加えた。熱処理の後、試験片は、切削および研磨などの機械加工を加えて所定の形状とした。
接着試験は、摺動部材１０の強度として、基材１１と合金層１２との接着力を接着強度で評価した。接着試験では、図６および図７に示すように基材１１と合金層１２とが同一の接合面積で接合されている試験片４０を用いた。接着強度は、試験片４０の両端に引張荷重を加え、接合部４１が破壊する最大の引張力を測定した。用いた試験片４０は、基材１１と合金層１２との接合部４１において重なりが９ｍｍ×０．３ｍｍであり、接合面積が２．７ｍｍ２である。
摺動試験は、摺動部材１０の強度として焼付試験および摩耗試験で評価した。焼付試験では、摺動部材１０の焼き付かない最大面圧を耐焼付性として評価した。摩耗試験では、摺動部材１０の摩耗量を耐摩耗性として評価した。摺動試験における焼付試験および摩耗試験は、図８および図９に示すように円弧環状に形成した試験片５０を保持具５１に取り付け、保持具５１に取り付けた試験片５０を筒状の試験軸５２を押し付けて測定した。摺動試験は、図１０に示す条件による焼付試験、および図１１に示す条件による摩耗試験で摺動部材１０の実施例および比較例を評価した。
実施例および比較例の評価結果を図１２に示す。接着試験では、接着強度が３００Ｎ／ｍｍ２以上を「適格」とした。焼付試験では、焼き付かない最大面圧が１８ＭＰａ以上を「適格」とした。摩耗試験では、摩耗量が５μｍ以下を「適格」とした。なお、焼付試験においては、試験機器の性能による制約から、２５ＭＰａが最大値である。
実施例１～７は、基材１１の材質または溶接方法がそれぞれ異なっているものの、合金層１２を形成するＣｕ基合金は共通である。つまり、実施例１～７は、合金層１２に含まれる本体層１５および中間層１６の組成が共通している。実施例１～７は、熱処理の温度が３７０～４３０℃であり、時間が４～１０時間である。この熱処理により、実施例１～７は、下側領域Ａ１において観察断面Ｓに占める硬質相１７の合計の面積の割合を１としたとき、上側領域Ａ２において観察断面Ｓに占める硬質相１７の合計の面積の割合Ｒが１．２～３．０である。これら実施例１～７は、接着強度が３００Ｎ／ｍｍ２以上である。また、実施例１～７は、焼き付かない最大面圧が２５ＭＰａ以上であり、摩耗量が５μｍ以下である。
実施例８は、熱処理の温度が３６０℃と低い。そのため、比較例１は、実施例１～７と比較して生成する硬質相１７の平均粒径が小さく、硬質相１７の合計の面積の割合Ｒも小さい。その結果、比較例１は、摺動試験の結果が低下することがわかる。一方、比較例２は、熱処理の温度が４５０℃と高い。そのため、比較例２は、実施例１～７と比較して硬質相１７の平均粒径が大きい。また、比較例２では、下側領域Ａ１に対する上側領域Ａ２の硬質相１７の合計の面積の割合Ｒは過大となる。その結果、比較例２は、摺動試験の結果が低下することがわかる。
比較例３～５は、いずれも合金層１２にＦｅと親和性の高い添加元素を含んでいない。そのため、比較例３～５は、合金層１２において中間層１６に相当する層が形成されないとともに、熱処理を加えても硬質相１７が生成しない。その結果、比較例３～５は、接着試験および摺動試験の結果がいずれも低下することがわかる。特に、比較例５は、基材１１とＣｕ系の合金層１２とが接着せず、接着試験が成立しない。
比較例６は、合金層１２の組成および熱処理の条件が実施例１と共通するものの、合金層１２において中間層１６に相当する層を有していない。そのため、比較例６では、硬質相１７は、合金層１２の全体にほぼ均一に分布し、合計の面積の割合Ｒが１．０となる。その結果、比較例６は、摺動試験の結果が適格であるものの、接着強度が不十分である。比較例７および比較例８は、合金層１２の形成に先立って、基材１１に予め基材１１と親和性の高い中間層１６に相当する層を形成したものである。これら比較例７および比較例８は、基材１１と合金層１２との接着強度が高く確保されるものの、合金層１２の組成が異なるために熱処理を加えても硬質相１７が生成されない。その結果、比較例７および比較例８は、摺動試験の結果が低下する。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
図面中、１０は摺動部材、１１は基材、１２は合金層、１３は界面、１５は本体層、１６は中間層、１７は硬質相、１８はフレーク相、１９はマトリクスを示す。

Claims (4)

  1. Ｆｅを主成分とする基材と、
    前記基材に積層され、Ｎｉを６～１２質量％、およびＳｎを３～９質量％を含むＣｕ基合金からなる合金層と、
    を備える摺動部材であって、
    前記合金層は、
    前記Ｃｕ基合金で形成される本体層と、
    前記Ｃｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕに前記基材を由来とするＦｅを含む合金からなる中間層と、を有するとともに、
    前記Ｃｕ基合金を由来とするＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕの化合物からなる硬質相、ならびに前記硬質相および前記Ｃｕ基合金のマトリクスを含むフレーク相を有し、
    前記合金層の厚さ方向に切断した任意の観察断面において、前記合金層の厚さ方向の中間で分割して前記基材側を下側領域とし、前記基材と反対側を上側領域と設定したとき、
    前記下側領域において前記観察断面に占める前記硬質相の合計の面積の割合を１とすると、前記上側領域において前記観察断面に占める前記硬質相の合計の面積の割合は、１．２～３．０である、
    摺動部材。
  2. 基材と親和性の高い添加元素を含む溶接材料を、前記基材に溶接して溶接層を形成する溶接工程と、
    前記溶接工程と同時に、前記溶接材料に含まれる前記添加元素および前記基材を形成する基材元素を含む中間層を、前記溶接層の前記基材側の端部に形成する中間層形成工程と、
    前記中間層を含む前記溶接層を形成した後、前記溶接層に熱処理を加えて、合金層を生成する時効工程と、
    を含む、
    摺動部材の製造方法。
  3. 前記基材は、Ｆｅを主成分とし、
    前記溶接材料は、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｎｉ合金である、
    請求項２記載の摺動部材の製造方法。
  4. 前記時効工程は、温度を３７０～４３０℃とし、時間を４～１０時間とする、
    請求項２記載の摺動部材の製造方法。
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