JP3859344B2

JP3859344B2 - 摺動材料，摺動部材およびその摺動部材の製造方法

Info

Publication number: JP3859344B2
Application number: JP03219898A
Authority: JP
Inventors: 武盛高山; 義清田中
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: JPH11217637A; US6322902B1; US6428744B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、より高面圧下での耐摩耗性の向上、異音の発生防止などを狙いとした摺動材料，摺動部材およびその摺動部材の製造方法に関し、より詳しくはＰｂ系金属間化合物を分散・析出させた銅系摺動材料の摺動特性を画期的に改善すると共に、これら摺動材料を鉄系裏金部材に焼結接合して一体化させ、且つ含油性や潤滑性を改善した複層焼結摺動部材およびその安価な製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、銅系焼結軸受け材料としては例えばＣｕ−Ｓｎ−Ｐｂ等の青銅系、鉛青銅系材料が多く用いられ、かつ鉄系裏金材料と一体化された複層焼結摺動部材がよく知られており、建設機械分野においても足回りの転輪ローラ部においてごく一般的に利用されている。
【０００３】
また、建設機械の作業機ブッシュのようなより高面圧、低速の条件下で使用される軸受け材として耐摩耗性を重視した浸炭や高周波焼き入れした鋼製のブッシュが使われている。また、作業機では高面圧下で潤滑条件が厳しくなり、作業時に不快な異音が発生するのを防止するために、高力黄銅製のブッシュや前述の鋼製ブッシュに、さらに潤滑皮膜処理を施したものが使用されている。特に、高力黄銅製ブッシュは馴染み性に優れることから注目されている。さらに、作業機などの軸受け部への給脂時間間隔を延ばすために、高力黄銅製ブッシュに機械加工穴を設け、その穴部に多孔質黒鉛を埋め込んで含油させた軸受け材料（例えばオイレス工業社製、５００ＳＰ等）や固体潤滑剤を多量に添加した金属焼結体（例えば東芝タンガロイ社製、ＳＬ合金）が利用されている場合がある。
【０００４】
さらにまた、高面圧下での条件で使用する複層焼結摺動材としては、固体潤滑成分としての黒鉛が３〜８重量％の範囲で分散含有されたアルミ青銅系焼結摺動合金を、接合層を介して鋼板に一体接合してなる複層焼結摺動材およびその製造方法が、特開平５−１５６３８８号公報（特公昭５６−１２２８８号公報）に開示されている。
【０００５】
さらに、特開平３−２３２９０５号公報においては、表面に複数個の独立した突出部を備えた鋼板からなる裏金や表面に連続した突出部と各突出部によって形成された複数個の独立した凹部を備えた鋼板からなる裏金の表面の突出部を覆って一体に被着形成された潤滑性成分として少なくとも３重量％の黒鉛を含有分散する銅系焼結合金層とからなり、その焼結合金層には低密度高含油合金層と高密度低含油合金層が形成されている複層焼結摺動材が高荷重、耐衝撃性に優れていることが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
複層焼結摺動材で摺動焼結層が鉛青銅系、青銅系のものは、軽負荷で高速で潤滑条件が良い状態では、馴染み性に優れた摺動材料として前述の下転輪ローラやエンジンメタル等に汎用的に活用されているが、作業機ブッシュ等、摺動条件が高面圧化したり、潤滑条件が厳しくなる場合には、極めて簡単に摩耗することや硬度が充分に高くないことから容易にへたることが問題となる。
【０００７】
また、前述の作業機ブッシュに鋼製ブッシュを適用する場合には、へたることはないが、焼き付きや不愉快な異音が発生しやすいことが問題となる。
【０００８】
更に溶製される高力黄銅系摺動材料ではへたりはほぼ無くなり、異音の発生がかなりの点で防止されるが、それでも潤滑切れ状態が容易に起こるために、作業機のように極めて低速で、且つ高荷重下で使用される場合には異音の発生を完全に防止できないという問題があり、急速な摩耗が避けられないという問題がある。
【０００９】
一般的に高力黄銅系摺動材料を焼結摺動合金として製造する場合においては、含有されるＺｎの蒸気圧が極めて高いことによって高密度に焼結することが困難であるため、高力黄銅系複層焼結摺動材とする場合には加圧条件下での焼結が必要となって製造コストの低廉化ができない問題がある。
【００１０】
また、潤滑皮膜処理を施した鋼製ブッシュを使用する場合には、潤滑膜は一般に厚く形成することが困難で、かつ高価な処理となるため、潤滑膜が摩耗除去されると前述の鋼製ブッシュと同じ異音発生と焼き付きが問題となることは明らかである。
【００１１】
さらに、より自己潤滑性の高い前述の黒鉛埋め込み型の高力黄銅ブッシュ（例えばオイレス５００ＳＰ）のように、高い自己潤滑性を得るために非常に多数の黒鉛埋め込み用の穴明け加工と黒鉛の充填等の工程を経ることはコストを顕著に引き上げる問題があり、このためにコストとのバランスから黒鉛充填用の穴面積率を通常２５〜３０面積％に抑えて使用されることが多いため、長時間に渡っての充分な自己潤滑性が得られないという問題がある。
【００１２】
また、黒鉛、ＢＮ，ＭｏＳ２等の既知の固体潤滑剤を多量に含有する金属焼結体では焼結性が困難となり、高密度化を図るためにホットプレス等の加圧焼結手段が必要となり、より高価なものになることや高密度化された金属焼結体においても従来の固体潤滑剤が極めて軟質であるために脆弱性が高いなどの問題がある。
【００１３】
さらに、前述の表面に複数個の独立したもしくは連続した突出部のある鋼板を裏金として用いて製造され、少なくとも３重量％の黒鉛を含有する銅系焼結摺動合金を一体化した複層焼結摺動材は、所定の形状に成形された鋼板裏金の入手コストに問題があることと、軸受け荷重を支える突出部（高密度部）の面積率を３０面積％以上に高めた裏金を制作することが加工上きわめて困難であり、高価になる問題がある。
【００１４】
さらに、例えば円筒状のブッシュとして曲げ加工を施す際には、より硬質な鋼板の突出部において曲げ応力が集中して被着した前述の銅系焼結摺動材との接合界面での剥離を起こし易いことおよび曲げ加工時の変形抵抗が鋼板において不均質に分布するようになるため円筒状に均質に曲げ加工することが困難になり、円筒状ブッシュとしての加工量が増大することや最終部品での裏金との接合品質の検査費用が高価になるなどの問題がある。
【００１５】
本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたもので、Ｐｂ系金属間化合物を分散・析出させた銅系摺動材料の摺動特性を画期的に改善すると共に、これら摺動材料を鉄系裏金部材に焼結接合して一体化させ、且つ含油性や潤滑性を改善した複層焼結摺動部材およびその安価な製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前述した目的を達成するために、本発明では次の技術的手段を採ることとした。
まず本発明の第１の構成は、前述の鋼製ブッシュ材よりも軟質で馴染み性に優れた銅系摺動材料として、少なくともＰｂ系金属間化合物を、Ｔｉ，Ｍｇを含有させることによって分散・析出させ、耐焼き付き性に優れ、かつ耐摩耗性にも優れた高力黄銅材に代わる例えばＣｕ−Ｐｂ−Ｔｉ、−Ｍｇを基本系とするような摺動材料にある。
【００１７】
より詳しくは、従来の鉛青銅系摺動材料や鉄系焼結摺動材料でＰｂが単に金属成分として分散析出されていたものをＰｂ系金属間化合物の形態で分散させることによって、特に前述の潤滑条件が過酷で高面圧下での摺動特性を画期的に改善できることを見出したことにある。なお、摺動材料中にはＰｂ系金属間化合物として分散・析出させることから、少なくともＰｂは１〜３０重量％と、（Ｐｂを金属析出させる場合よりも）広い範囲で含有させることができる。
【００１８】
Ｐｂとの金属間化合物形成能の強い相手金属元素としては図１に示した周期律表の１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ，６Ｂ族およびランタニド，アクチニド系の元素類との組み合わせが考えられるが、コスト的な観点と入手性を考慮するとＴｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｚｒ，Ｌｉ，Ｈｆ，Ｌａ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｓｍ等が好ましく、とりわけＴｉ，Ｍｇ，Ｚｒ等は特に前述の観点から好ましい。さらに、前述の金属元素以外の元素においてもＰｂ金属間化合物を形成する場合には、同様の効果が期待される。
【００１９】
また、この際のこれら金属元素の添加量は、Ｐｂ金属間化合物が例えばＣａＰｂ３のようなモル構成比を取ることから、計算されるところであるが、ほぼ０．５重量％以上の添加を必要とする。
【００２０】
したがって、前述の強度的な改善と摺動特性の改善およびコスト的な観点からは、Ｔｉ，Ｍｇが０．５〜１０重量％の範囲内で含有され、さらに裏金との接合性を確保するためと焼結性を容易にするためとからＳｎが２〜１０重量％の範囲に含有される青銅系焼結摺動材料がとりわけ重要である。
適正なＴｉ，Ｍｇの添加量の上限値はコスト的な観点から１０重量％以内で調整されることが好ましい。
【００２１】
また、Ｐｂ金属間化合物が従来の硬質粒子分散による摺動材料における耐焼き付き効果に寄与する添加量が０．５体積％程度と知られていることから、Ｐｂの添加量は１重量％以上が好ましく、また上限値は強度的な観点から３０重量％以下であることが好ましいが、さらに、焼結時のＰｂの環境問題を配慮するときには１５重量％以下に抑えることが好ましい。さらに、Ｔｉを含有する銅系材では、ＴｉとＰｂとの金属間化合物以外のＴｉ系金属間化合物を析出する反応性があり、時効硬化性のあることで知られているが、さらにＡｌ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂｅ等の合金元素を添加することによって強度向上や高硬度化が更に図れることが知られており、焼結性を阻害しない５重量％を超えない範囲で添加調整されることも適正と考えられる。
【００２２】
本発明のＰｂ金属間化合物形成能の強い金属元素の添加は、Ｃｕ系焼結合金組織の微細化や、結果的であるが均一なＰｂの分散を可能にして、極めて優れた摺動性を発揮することにも寄与していることは明らかである。
適正なＴｉの添加量としてはＴｉ系金属間化合物が析出する０．５重量％以上が好ましく、上限値はコスト的な観点から１０重量％以内で調整することが好ましい。とりわけ高面圧下で使用する前述の作業機ブッシュ等では高力黄銅ブッシュの硬度実績（Ｈｖ＝１５０以上）から勘案して２重量％以上であることがより好ましい。
【００２３】
また、Ｐｂの添加量は、摺動性の安定性の観点から考慮した場合には、従来の硬質粒子分散型摺動材料において硬質粒子の効果が０．５体積％の粒子の分散によって顕著に認められることから、Ｐｂ金属間化合物に換算した１重量％以上が好ましいが、より好ましくは５〜１０重量％である。
【００２４】
前述の銅系焼結摺動材料に関する発明要因は溶製材料においても同様に確認できることは明らかであり、溶製材料を機械加工して前述の摺動特性を改善した銅系摺動部材として使用することも本発明の範囲である。
【００２５】
さらに、前述の溶製された銅系摺動材料や焼結によって製造された銅系焼結摺動材料に使用面圧や給脂間隔を考慮して面積率で１０〜７０面積％の穴あけ部を設けて、穴部にグリース材料や含油プラスチックを埋め込んで使用することや、さらに、穴部には特開平８−２９１３０６号公報で開示したように、焼結時において膨張する銅系焼結材料粉末を充填して銅系摺動材料に含油性の優れた多孔質焼結体を焼結接合して使用する銅系摺動部材も本発明の範囲である。
【００２６】
さらに、本発明での第２の構成として、前述の銅系焼結摺動材料の使用量を低減してより低コスト化を図る手段として、複層焼結摺動部材として最表面摺動部に使用することとした。なお、複層焼結摺動材を形成させるのに、鉄系裏金部材との接合性を確実に確保するために少なくともＳｎを２重量％以上含有させると共に、さらに、焼結温度の低温化を調整するために１０重量％を超えない範囲内で添加することが好ましいこととした。
【００２７】
さらに、Ｐの添加は低温において液相を発生させて焼結性を加速させる元素であることから１重量％を越えない範囲で調整することも好ましい。
【００２８】
なお、鉄系裏金部材との接合時においては、まず、鉄系裏金面上に前述の銅系焼結合金の混合粉末を散布した後に中性雰囲気もしくは還元雰囲気中で、かつ少なくともＣｕ−Ｔｉ２元系の共晶温度である８９０℃以下の温度において焼結接合し、この後に、一旦圧延成形等の加圧手段でもって前述の銅系焼結層を目的の密度あるいは厚さになるように加工したり、または同時に曲げ加工を施した後に再度前述と同じ雰囲気下で焼結することが好ましい。第１回目の焼結温度をＣｕ−Ｔｉ２元系の共晶温度８９０℃以下に抑えている理由は、この焼結によって鉄系裏金との接合界面においてＴｉ化合物が析出して、後の曲げ加工時における接合界面での剥離を抑制するためであり、第２回目の焼結温度は曲げ加工を施した後の場合には９５０℃以下の温度とするのが好ましく、また曲げ加工でなく単に密度調整の加工の場合にはやはり８９０℃以下とするのが好ましく、この燒結後に目的の９５０℃以下の焼結温度で再々焼結することが好ましい。
【００２９】
また、圧延やプレス成形などで加工した成形体シートを鉄系裏金にセットして焼結するときにおいても、８９０℃以下の温度において一旦焼結した後に曲げ加工を施して再焼結することが好ましい。この理由は前述のように接合界面でのＴｉ化合物の析出を防止するためである。
【００３０】
さらにまた、本発明での第３の構成は、前述のＴｉ，Ｐｂを含有する銅系焼結摺動材料を鉄系裏金に一体化させて複層焼結摺動材とする際において、焼結インサート層を介して接合することによってより曲げ加工時の接合界面での上述化合物の析出を防止して塑性変形能を高めて、上述のような焼結の繰り返しを減らして生産性を向上し、かつ接合品質の向上を図るとともに、コストの低減を図った点にある。
【００３１】
なお、焼結インサート層を介して鉄系裏金に一体化する複層摺動部材では、銅系摺動材料は溶製材または焼結摺動材の両者に適用できる手段であり、かつ前述のように１０〜７０面積％の穴部を持った銅系摺動部材を低コストに製造できることは明らかである。また、穴部に前述の膨張性銅系焼結材料を焼結接合させた摺動部材も焼結インサート層を介して裏金に一体化できることは明らかであり、これによってより低コストな複層焼結摺動部材が提供できる。
【００３２】
また、本発明での第４の構成は、前述の焼結インサート層を鉄系焼結材料とすることによって焼結インサート層部の顕著な材料コストの低減を図った点にある。鉄系焼結インサート層用合金としては、一般冶金用に使用される還元および／またはアトマイズ法で制作された鉄，鉄合金粉末を主体として、少なくとも銅が２０〜６０重量％、Ｓｎが２〜７重量％の範囲に調整されていることが好ましい。さらに、この鉄系焼結インサート合金にはＰｂ，Ｐ等のより低融点の液相を発生させる成分が含有されていることが好ましい。
【００３３】
なお、この鉄系焼結インサート合金を前述の裏金に散布して、８９０℃以下の温度域において焼結接合した場合には顕著な緻密化が起こらず、むしろわずかな膨張を示し、焼結後の組織は鉄系粉末が繋がって多くの空孔を含んだものになっていることから、嵩密度も低い状態になっている。インサート合金に青銅系もしくは燐青銅系焼結合金を使用する場合には、通常８００℃以上から急激に焼結性が高まり、本発明のようなＴｉと多量のＰｂを含有する前述の銅系焼結摺動合金の適正焼結温度においては溶損したり、銅系焼結摺動材料とインサート層材料とが顕著に合金化し、摺動層の品質が制御できなくなる問題があるため、前述の鉄系焼結インサート材料を使用することとした。
【００３４】
さらに、本鉄系焼結インサート層では表面粗度が荒くなっていることから、この鉄系インサート層上に前述の銅系焼結摺動材料の混合粉末を散布する際の厚さがより薄い状態から厚い状態にまで制御し易くでき、かつ０．５ｍｍ未満の厚さにおいては散布状態で直接的に圧延加工が施せるために、次工程で焼結できるメリットがあり、複層焼結摺動材の低コスト化に効果的である。また、０．５ｍｍ以上では散布後に直接圧延加工などが施せないので再焼結に圧延加工などの加圧加工を施して密度や厚さの調整することが好ましい。
【００３５】
さらに、前述のように製造される複層焼結摺動部材においては、銅系焼結摺動材料の変形抵抗が鉄系インサート層材料よりも極めて小さいために、表面摺動層が緻密で高強度である一方で鉄系焼結インサート層を多孔質化できて、複層焼結摺動材として多くの含油性が発揮できるメリットがある。
【００３６】
さらに、本発明での第５の構成として、鋼板に接合した多孔質で厚さを調整した焼結インサート層に凹凸加工を施し、加工面に銅系摺動材料を散布して圧延加工を施してから再焼結することによって摺動焼結層に低密度高含油領域と高密度低含油領域が形成される低コストな複層焼結摺動材を開発した。
【００３７】
これは、前述の鉄系焼結インサート材の多孔質化メリットをさらに高めるための手段であり、鉄系焼結インサート層に凹凸加工を施して、凹凸表面に焼結摺動材料の（混合）粉末を散布することによって、例えば独立するもしくは連続する凹部に焼結摺動材料が多く充填され、その逆の凸部表面には薄く散布され、先の条件と同じく続けて所定の密度もしくは厚さを調整する圧延加工を施した後に、９５０℃以下の温度で焼結することによって容易に複層焼結摺動材を得ることができる。なお、この製造工程において凹凸加工表面に焼結摺動材料粉末を散布した後一旦８９０℃以下の温度で焼結した後に密度および／または厚さを調整するために圧延加工を施して更に焼結することによって複層焼結摺動材を製造することも容易である。
【００３８】
前述のように本発明では、Ｐｂ金属間化合物を素地に分散させ，かつＴｉ，Ｍｇを含有する銅系焼結摺動を開発することによって、従来高力黄銅摺動材料や鉄系摺動材料に比べて画期的な耐焼き付き特性と高面圧領域での耐摩耗摺動に耐えるとともに、潤滑条件が厳しい環境下においても異音の発生を抑制した焼結摺動材料を開発した。さらに、本発明焼結摺動材料を使った複層焼結摺動部材を開発することによってより低コストで前述の優れた摺動部材を得ることが出来た。また、前述の焼結摺動材料と鉄系裏金との間に鉄系インサート層を設けることと、鉄系インサート層に凹凸部を設けて前述のように低密度高含油銅系焼結摺動部と高密度低含油銅系焼結摺動部を設けることなどによって、含油率を高め、更に潤滑条件の厳しい高密度低含油銅系焼結摺動部への潤滑油の供給を容易にし、耐焼き付き性に優れた安価な複層焼結摺動材を提供することが出来た。
【００３９】
【実施例】
（実施例１）
１）Ｐｂ金属間化合物を分散析出させた銅系焼結摺動材料の開発
本実施例で使用した銅系焼結摺動材料の配合成分組成と比較材として用いた材料成分を表１に示した。本発明材料は、電解銅粉末（ＣＥ１５）、ＬＤＣ合金アトマイズ粉末（Ｃｕ−１０Ｓｎ−１０Ｐｂ）、Ｃｕ−３３Ｓｎアトマイズ粉末、Ｍｇスタンプ粉末、Ｓｎアトマイズ粉末、Ｐｂアトマイズ粉末、Ａｌアトマイズ粉末、Ｃｕ−５０重量％Ｐｂ合金アトマイズ粉末、ＴｉＨ、ＳｉＯ２、リン鉄（２７重量％Ｐ)、カーボニルＮｉ粉末、ＮｉＡｌスタンプ粉末、Ｓｉスタンプ粉末の各粉末を用いて混合粉末を作成し、サンドぺーパで軽く研磨した板厚５ｍｍ，幅１５０ｍｍ，長さ１０００ｍｍのＳ４５Ｃ鋼板に１０ｍｍ厚さで散布し、露点が−３５℃以下のＡＸガス雰囲気焼結炉にて８５０〜９３０℃で焼結接合して、散布層を３．０ｍｍに圧延した後に前述と同じ８５０〜９３０℃の温度で再焼結して複層焼結摺動材を制作した。
【００４０】
【表１】

【００４１】
表２には、各焼結接合温度で焼結した後に前述のように３ｍｍに圧延した後に同じ焼結接合温度で再焼結して、内径が５０ｍｍとなる長さ６０ｍｍの円筒状ブッシュが制作できるように切り出して曲げ加工を施したときの焼結層の剥離状況をブッシュ数２０個で調査した結果が示されているが、９１０℃で焼結したブッシュについては焼結層の剥離が顕著に認められるようになっている。
【００４２】
【表２】

【００４３】
図２には、表１のＮｏ．２合金を８８５℃と９１０℃で２度焼結した時の裏金との接合界面近傍の組織およびNo．９合金の８７０℃での１度焼結を施したときの裏金との接合界面近傍の組織が示されている。Ｎｏ．2合金の結果からは、明らかに、剥離し易い合金ではＴｉの金属間化合物が界面に析出しており、これが接合界面での剥離の原因であることが分かる。ブッシュのための曲げ加工前状態ではほぼ８９０℃以下のＴｉの金属間化合物が接合界面につながって析出しない条件で曲げ加工に供することが望ましい。なお、Ｎｏ．９の試験材料のように、Ｓｎ，Ｐｂの添加量を増大させると、８５０℃の低温接合焼結によっても液相が相当量発生して、第1回目の接合焼結時点で高密度化して、かつ、Ｔｉの金属間化合物を分散した組織を持ちながらも接合界面においてはつながるようなＴｉの金属間化合物を析出しない例もある。このようにＴｉが液相反応に直接的に関与する前に、Ｓｎ，Ｐｂが低温度領域において先行して多量の液相を発生して焼結接合する場合においては、裏金との接合界面においてつながるようなＴｉの金属間化合物の析出を防止できることがわかる。
【００４４】
また、Ｎｏ．２合金では、８９０℃以下での焼結では図２に示したような、Ｔｉ粉末の合金化が十分でないことが多く、この状態での摺動特性は後述のように好ましくないので、曲げ加工後に再焼結処理を施して十分なＴｉの合金化を図り、Ｐｂ系金属間化合物による焼き付き性の改善やＴｉ系金属間化合物を析出させることによる耐摩耗性の改善を図ることが必要となる。したがって、円筒状の複層焼結摺動部材として利用する場合には、曲げ加工後に、焼結してＴｉの金属間化合物を析出させることが必要となる。
【００４５】
なお、比較材１、２は焼結接合温度を８５０℃として前述の発明合金と同じ処理を施したが、曲げ加工後の再焼結処理を施さないで以下の摺動テストに供した。
【００４６】
摺動テストに供した試験片形状を図３に示したが、内径部には油溝を加工してあるものを使用した。また、試験装置の概念図と試験条件を図４に示した。試験片は焼結接合温度を８７０℃とし、圧延後再度８７０℃で再焼結して、曲げ加工を施して９１０℃で再々焼結した後に図３の形状に加工して実験に供した。試験条件はリチュームグリースを内径部の油溝に充填し、摺動面に薄く塗りつけたブッシュを試験機に装着後、供試ブッシュの投影面圧が８００ｋｇ／ｃｍ２になるまで１００ｋｇ／ｃｍ２毎に１０００回の往復摺動をさせながら面圧をステップ的に昇圧し、焼き付いて摩擦係数が急激に増大したり、異常摩耗，異音が発生し始めた時点で試験を中断して評価した。
【００４７】
図５には各ブッシュがクリヤーした面圧を比較して示したが、本発明品が、明らかに他の比較材料ブッシュに対して優れていることがわかる。特に浸炭ブッシュは潤滑切れをおこし２００ｋｇ／ｃｍ２から異音を発生し、また比較材３の高力黄銅材においても４００ｋｇ／ｃｍ２で異音を発生している。また、比較材１，２は３００ｋｇ／ｃｍ２で異常摩耗を示した。
【００４８】
さらに、８８５℃以下でＴｉの金属間化合物が十分に形成されず、ＴｉＨ粉末の形状が残ったままのブッシュではやはり、３００ｋｇ／ｃｍ２で異音の発生が認められ、焼き付き現象の始まりが認められた（図５中、◇印）。
【００４９】
また、Ｍｇ添加のＮｏ．１０試料（焼結温度８５０℃）もＴｉ添加と同様の優れた摺動特性を示しており、Ｐｂ金属間化合物形成能の強力な合金元素共通の効果であることは明らかである。
【００５０】
さらに、Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１２にはＣｕ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｍｇを含有するＦｅ系焼結摺動材（仮焼結温度、焼結温度の両方とも８８０℃）の複層ブッシュを用いた結果も合わせて示してある。Ｆｅ焼結摺動材料においても銅系と同様の効果が確認されるが、この場合においては焼き付きやすいＦｅ相部が銅相部によって十分に分断されることが必要と考えられ、少なくともＦｅ相部が６０体積％以下であることが望ましいと考えられる。
【００５１】
（実施例２）
２）インサート層を介した複層焼結摺動材の開発
本実施例で使用したインサート層用合金組成を表３に示した。混合粉末はＫＩＰ２５５（川崎製鉄社製、還元鉄粉末）、Ｃｕ２５重量％Ｐｂアトマイズ粉末と前述の原料粉末を使用して作成した。Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２４の混合粉末を前述の裏金上に約２ｍｍ厚さで散布して８５０〜８８０℃で接合焼結した後に、Ｎｏ．２，５の銅系焼結摺動材料混合粉末を４ｍｍ厚さで散布して、９１０℃で再焼結した後圧延して、前述と同じ円筒状に曲げ加工してブッシュを作成した。曲げ加工時のインサート層や銅系焼結摺動材料の剥離は完全に無くすことができ、前述の銅系焼結摺動材料を裏金に接合焼結する場合の複層焼結摺動材ブッシュの製造方法に比べて工程が短くなりかつ鉄系焼結インサート合金を使用することによる低コストが可能であることが分かる。参考組織を図６に示した。
【００５２】
【表３】

【００５３】
図７は焼結接合したインサート層表面が顕著に粗化する様子を模式的に示したものであり、上部に散布される銅系焼結摺動材料粉末がその粗大な空間にはまり込むことによって圧延時の粉末の逃げを顕著に防止し、これによって前述の銅系焼結摺動材混合粉末を焼結インサート層上に散布して直接圧延が可能となるが、本実施例では銅系焼結摺動材料粉末をＴｉＨを除くすべて金属粉末にアトマイズ粉末を使用して直接圧延が可能な厚さを調査した結果、焼結後の厚さでほぼ１．０ｍｍ程度であることが分かった。
ただし、銅系焼結摺動材料をさらに厚く成形させる場合には前述の直接圧延が困難になるので、インサート層上に銅系焼結摺動材料を散布してから再焼結を施して圧延加工、圧延曲げ加工を施すことが必要であった。
【００５４】
（実施例３）
３）インサート層を利用した密度分散型複層焼結摺動部材の開発
インサート層合金に使用する鉄系焼結材料に例えば表３のＮｏ．２１，２２，２３合金のように低速高荷重条件ではＬＢＣ系焼結摺動材料より耐摩耗性に優れるＰｂ添加鉄系焼結摺動材料を利用することによって、より合理的な複層焼結摺動材料を開発できる。
【００５５】
製造方法は、前述の鉄系インサート層の製造と同じく、混合粉末を８ｍｍ厚さに散布して８８０℃で裏金に接合焼結した後に、前述の凹凸部を加圧成形した後に前述の銅系焼結摺動材料粉末をインサート層上に散布して、図８に示したように凹部により多くの銅系焼結摺動材料粉末が充填されるようにして、圧延加工を施して９１０℃で焼結して、さらに曲げ加工を施すものである。この複層焼結摺動部材は、高密度層部が極めて優れた摺動特性をもつ前述の銅系焼結摺動で構成され、低密度部が鉄系インサート焼結摺動材料および／または薄く前述の銅系焼結摺動材料で覆われており、かつ含油率が高くできることから荷重のほとんどを支える高密度部への潤滑が効果的に行われる特徴を有し、かつ高価な前述の銅系焼結摺動材料の使用量を画期的に低減できることおよび製造工程が簡略化できることから低コスト化にきわめて効果的であることがわかる。
【００５６】
この複層焼結摺動材料と先の実施例１で製造した摺動特性をNｏ．５銅系摺動材とNｏ．２１鉄系インサート材を用いて前述と同じ摺動試験によって調べた結果を図９に示したが、低密度焼結部を設けた本ブッシュの耐面圧性がさらに改善されていることが分かる。
【００５７】
（実施例４）
４）インサート層を介した複層焼結接合摺動材の開発
表１に示したＮｏ．２の合金組成金属をＡｒガス雰囲気中で高周波溶解した材料を板厚１．０ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ３００ｍｍに成形した溶製銅系摺動部材を、実施例２と同じように焼結インサート層を介して裏金に焼結接合することを試みた。使用した焼結インサート材料組成は表３のＮｏ．２２，Ｎｏ．２４である。
【００５８】
製造手順はまず、焼結インサート層用の粉末材料を裏金の上に２．０ｍｍの厚さで散布した後、前述のＡＸガス焼結炉で仮焼結した。焼結インサート層材料の仮焼結温度をＮｏ．２２では８５０℃、Ｎｏ．２４では８３０℃とした。仮燒結後は圧延加工によって焼結インサート層の厚さが０．７ｍｍに調整したものと仮焼結のインサート層上に＃３００メッシュアンダーのＣｕ１０Ｐｂ１０Ｓｎのアトマイズ粉末を０．１程度にすり切り散布して０．７ｍｍに圧延したものを用意して、これらの上に先の溶製の銅系摺動材を配置して８８０℃で焼結接合した。その後に先の実施例１と同じ円筒ブッシュに曲げ加工して裏金との剥離を調査したが、すべて裏金との剥離がなく、良好な接合性が確認された。なお、超音波探傷法による接合状況を調べた結果においてはＣｕ１０Ｓｎ１０Ｐｂの粉末をすり切り散布したものの方が欠陥率の少ないことが確認され、この方法がより好ましいと考えられる。
【００５９】
さらに、図１０に示したような穴を設けた前述の溶製の銅系摺動材料板を、Ｎｏ．２２のインサート層上に配置して、穴部にＣｕ−１Ａｌ−１０Ｓｎ−５Ｐｂ組成の混合粉末を充填して前述と同様に８８０℃で焼結接合した。その後に先と同じ円筒ブッシュに加工して、裏金との一体接合および穴部での多孔質焼結体の接合性を確認したが良好な結果が得られた。
図１１には前述の実施例１と同じ摺動試験方法によって評価した結果を示した。穴部を設けた溶製摺動部材に関しては油溝を付けずに試験を実施したが、穴部多孔質体に含油させたことによる潤滑効果によって優れた特性を示すことが確認された。
【００６０】
とりわけ、図１０に示したパンチングメタル加工（穴明け加工）を施した摺動部材が溝加工無しであっても優れた性能を示すことは、穴明け部に焼結接合した多孔質焼結体による含油効果によることは明らかであり、このことは裏金との一体化をしなくとも実現されることも明らかである。
【００６１】
なおさらに、前述のパンチングメタルに穴部に多孔質焼結材を焼結接合した場合には、円筒ブッシュの曲げ加工時における不均一変形を防止する効果が極めて大きく、ブッシュ製造における不良率の低減や後加工費の低減に効果が大きいことも注目される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、Ｐｂ金属間化合物形成表を示す図である。
【図２】図２は、裏金との接合界面近傍の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】図３は、摺動テストに供した試験片形状を示す断面図である。
【図４】図４は、試験装置の概念図（ａ）および試験条件（ｂ）を示す図である。
【図５】図５は、各ブッシュの摺動テスト結果を示す図である。
【図６】図６は、Ｎｏ．２２鉄系焼結インサート層を介した複層焼結摺動部材の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図７】図７は、焼結接合したインサート層表面の粗化する様子を模式的に示す図である。
【図８】図８は、インサート層を利用した複層焼結摺動部材の製造工程説明図である。
【図９】図９は、鉄系インサート材を用いた複層焼結摺動部材の摺動テスト結果を示す図である。
【図１０】図１０は、穴あけ加工を施した摺動部材例を示す図である。

Claims

銅系摺動材料であって、ＭｇおよびＴｉの１種以上の元素とＰｂからなるＰｂ系金属間化合物を分散・析出させてなることを特徴とする摺動材料。
少なくともＰｂが１〜３０重量％の範囲で含有され、かつＴｉ，Ｍｇの１種以上が０．５〜１０重量％含有されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動材料。
Ｐｂ系金属間化合物を形成する成分を除く他の成分として、鉛青銅，燐青銅，Ａｌ青銅を含む青銅系および／または各種黄銅系で使用されるＳｎ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｆｅ，Ｂｅ，Ａｇ，Ｍｎ，Ｃｒの１種以上が含有されていることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動材料。
請求項２または３記載の摺動材料により形成される焼結摺動部材であって、面積率で１０〜７０面積％の範囲において設けられた穴部に、少なくともＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒのうちの一種以上を素金属および／または合金粉末で配合して、焼結時に寸法膨張する青銅系焼結材混合粉末を充填した後に焼結して、穴部に気孔率を２０〜７０体積％に調整した多孔質焼結体を焼結接合させてなることを特徴とする摺動部材。
前記穴部を油溝として使うか、もしくは穴部に含油プラスチックもしくは固体潤滑剤が充填され、摺動時における給油，自己潤滑機能を発揮させたことを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
請求項２または３に記載の摺動材料において、Ｓｎが１〜１０重量％の範囲において含有されるとともに、鉄系裏金部材と一体化されてなることを特徴とする複層焼結摺動部材。
前記摺動材料と鉄系裏金部材との間に焼結インサート層を介在させて一体化させたことを特徴とする請求項６に記載の複層焼結摺動部材。
請求項４に記載の摺動部材を焼結インサート層を介在させて鉄系裏金部材に一体化させたことを特徴とする複層焼結摺動部材。
前記穴部を油溝として使うか、もしくは穴部に含油プラスチックもしくは固体潤滑剤が充填され、摺動時における給油，自己潤滑機能を発揮させたことを特徴とする請求項８に記載の複層焼結摺動部材。
前記焼結インサート層を前記鉄系裏金部材に仮焼結接合した後、この仮焼結層に凹凸加工を施してその凹凸面に前記銅系焼結摺動材料粉末を散布し、この後、圧延−再焼結もしくは再焼結−圧延加工を施して、複層焼結摺動層に高密度部位と低密度部位とを形成して含油性を高めたことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の複層焼結摺動部材。
１〜３０重量％のＰｂを含有し、少なくともＰｂとの金属間化合物を形成しやすいＴｉ，Ｍｇの１種以上が０．５〜１０重量％含有されるＣｕ合金であり、鉛青銅，燐青銅，Ａｌ青銅を含む青銅系および／または各種黄銅系で使用されるＳｎ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｆｅ，Ｂｅ，Ａｇ，Ｍｎ，Ｃｒの合金元素の１種以上が含有されている銅系摺動部材を溶製により製造することを特徴とする摺動部材の製造方法。
１〜３０重量％のＰｂを含有し、少なくともＰｂとの金属間化合物を形成しやすいＴｉ，Ｍｇの１種以上が０．５〜１０重量％含有されるＣｕ合金であり、鉛青銅，燐青銅，Ａｌ青銅を含む青銅系および／または各種黄銅系で使用されるＳｎ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｆｅ，Ｂｅ，Ａｇ，Ｍｎ，Ｃｒの合金元素の１種以上が含有されている銅系摺動部材を素金属粉末および／または合金粉末の混合粉末を還元，中性および／または真空雰囲気中で焼結して製造することを特徴とする摺動部材の製造方法。
請求項２または３に記載の摺動材料により形成される摺動部材の製造方法であって、面積率で１０〜７０面積％の範囲において設けられた穴部に、少なくともＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒのうちの一種以上を素金属および／または合金粉末で配合して、焼結時に寸法膨張する青銅系焼結材混合粉末を充填した後に焼結して、穴部に気孔率を２０〜７０体積％に調整した多孔質焼結体を焼結接合させることを特徴とする摺動部材の製造方法。
前記摺動部材をさらに鉄系裏金部材に焼結接合することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の摺動材料と鉄系裏金部材との間に焼結インサート層を介在させて一体化させる複層焼結摺動部材の製造方法であって、焼結インサート層材料粉末を鉄系裏金部材に散布・仮焼結した後に、焼結インサート層の上に更に摺動材料粉末を散布して再焼結し、この後に圧延加工を施すかまたは焼結インサート層を仮焼結接合した後に一旦圧延加工を施してから摺動材料粉末を散布・焼結・再圧延加工を施す工程を含んでなることを特徴とする複層焼結摺動部材の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の摺動材料と鉄系裏金部材との間に焼結インサート層を介在させて一体化させる複層焼結摺動部材の製造方法であって、焼結インサート層材料粉末を鉄系裏金部材に散布・仮焼結した後に、圧延加工を施し、面積率で１０〜７０面積％の範囲において穴が開けられた摺動材料を焼結インサート層上に配して、鉄系裏金部材に焼結接合によって一体化させたことを特徴とする複層焼結摺動部材の製造方法。
穴開き銅系摺動材料を焼結インサート層上に配置した後の穴部に少なくともＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒのうちの一種以上を素金属および／または合金粉末の状態で添加させ、焼結時に寸法膨張する銅系焼結材料粉末を充填した後に焼結して、穴部に多孔質焼結体を焼結接合させることを特徴とする請求項１６に記載の複層焼結摺動部材の製造方法。
仮焼結接合したインサート層または摺動材料に凹凸加工を施した後に銅系焼結摺動材料粉末をその凹凸加工面に散布し、この後圧延−再焼結もしくは再焼結−圧延を施す工程を含んでなることを特徴とする請求項１５〜１７のうちのいずれかに記載の複層焼結摺動部材の製造方法。
前記焼結インサート層材料粉末は、Ｆｅを主成分として、少なくともＣｕが１５〜６０重量％、Ｓｎが２〜７重量％、Ｐｂが１〜１０重量％が含有されていることを特徴とする請求項１５または１６に記載の複層焼結摺動部材の製造方法。