JP5072510B2

JP5072510B2 - 摺動部材

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Publication number: JP5072510B2
Application number: JP2007245663A
Authority: JP
Inventors: 茂稲見; 直久川上
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: JP2009074145A

Description

本発明は、金属基板上に金属粉末を固相状態で、超音速で衝突させて摺動層を設けた摺動材料に関するものである。

従来、内燃機関用の摺動部材の表面に積層される摺動層は、電気めっき、鋳造、溶射、ショットブラスト等の方法で金属基板上に積層されていた。これらの方法は、例えば、ＳnベースやＰｂベースの電気めっき等では、接着力を確保するため、Ｎｉ等のボンド層が必要であるが、Ｎｉは軸と焼付き易く、摺動層が約２０μmと薄い場合は摩耗によりＮｉが露出し、焼付きにいたるという問題がある。また摺動層を厚くするには皮膜の形成に非常に時間がかかるという問題があった。また、めっき皮膜は歪が大きく、厚くすると剥離が懸念され内燃機関用で動荷重がかかる部位には好ましくない。また、鋳造法は、厚い摺動層を形成するために適した方法であるが、結晶が粗大となり、耐疲労性に劣るという問題がある。また耐疲労性を上げるため結晶を細かくするために冷却を早くすると、摺動層自体の熱収縮により基板との剥離が生じる。更に、溶射法は、溶融した金属(又は合金)を金属基板に衝突させて被膜を形成させる方法であるが、溶融状態のため非常に軟らかいので、衝突時のエネルギーが非常に小さい。そのため摺動層内に隙間ができ、空隙が多くなり、耐疲労性に劣るという問題がある。

上記のような欠点を解消するために最近においては、例えば、特開２００３−５３５０８号公報に記載されるように、固体粒子を基板に衝突させて被膜を形成する方法（以下、「ショットピーニング法」という。）や、特開２００７−１６２８８号公報に記載されるように、金属粉末を固相状態で、超音速で衝突させて成膜させる方法（以下「コールドスプレー法」という。）が脚光をあびるようになってきた。このショットピーニング法やコールドスプレー法は、鋳造方式では作りえない結晶が細かく耐疲労性に優れた摺動層を形成することができ、電気めっきでは時間がかかりすぎる厚い摺動層が短時間で形成することができる。
特開２００３−５３５０８号公報特開２００７−１６２８８号公報

しかしながら、ショットピーニング法は、粒子速度が７０〜１００ｍ／ｓレベルと非常に遅く、衝突エネルギーが非常に小さいため、衝突時の粒子の変形量が小さく、そのため粒子間に空隙ができて、溶射法と同様に緻密な膜が得られないという欠点があり、一方、コールドスプレー法は、溶射法やショットピーニング法では作りえない緻密な被膜を形成できることができるものの、特許文献２の実施例に記載されるようなＡｌ−Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｓｎ粉末を金属粉末として固相状態で、超音速で衝突させて成膜させるコールドスプレー法にて被膜を作製すると、膜の残留応力が高くなり、剥離が発生しやすいという問題があった。

これは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、金属粉末を固相状態で、超音速で衝突させて成膜させる方法は金属粉末にほとんど熱を加えず、溶融させることなく固体のまま基板に超音速で衝突させ、粉末自体を塑性変形させて皮膜を形成させる方法で、従来の溶射、ショットピーニングのような空隙が発生せず、緻密な膜が得られるが、基板との接着は、原子間に働く引力いわゆるファンデルワールス力による。そして、基板と摺動層との間にファンデルワールス力を発生させるには、摺動層の原子と基板の原子を近づける必要があるところ、Ａｌ合金粉末やＣｕ合金粉末を固相状態で、超音速で衝突させて成膜させる方法で皮膜を形成する場合、衝突の変形により、基板との距離が狭まるが、融点の高い合金粉末であるため、原子の振動が非常に小さい。そのため，基板原子とファンデルワールス力を発生する摺動層の原子の数が少ないため（ファンデルワールス力を発生させるほど原子同士が近接する確率が低いため）、結果として、基板と摺動層との接着力が低くなる。さらに、合金粉末の変形による歪が摺動層に残留し、摺動層は伸びようする力が働き、基板にはその反力が働くため、基板との境界面で剪断力が生ずる。上記した理由から接着力が低く、動荷重が働く摺動部では剥離が発生しやすかったと考えられる。特に被膜厚さが厚い場合に顕著に接着力が低下する。

本発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、摺動層の金属基板への接着力に優れた摺動材料を提供することにある。

請求項１に係る発明は、金属基板上に金属粉末を固相状態で、超音速で衝突させて摺動層を設けた摺動材料において、前記摺動層は、融点４００℃以下の低融点金属、又は融点４００℃以下の低融点金属を５０体積％以上有する合金であり、前記低融点金属又は低融点金属を５０体積％以上有する合金は、５０℃以下の再結晶温度を有し、前記低融点金属は、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｃｄのいずれか一種以上からなり、前記金属基板は、前記摺動層との間の接合面に、融点４００℃以下の低融点金属の相を有し、前記金属基板に前記金属粉末を超音速で衝突させて前記摺動層を設けたことを特徴を特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、金属基板上に金属粉末を固相状態で、超音速で衝突させて摺動層を設けた摺動材料において、前記摺動層は、融点４００℃以下の低融点金属、又は融点４００℃以下の低融点金属を５０体積％以上有する合金であり、前記低融点金属又は低融点金属を５０体積％以上有する合金は、５０℃以下の再結晶温度を有し、前記低融点金属は、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｃｄのいずれか一種以上からなり、前記金属基板は、前記摺動層との間の接合面に、前記摺動層と同じ組成の融点４００℃以下の低融点金属の相を有し、前記金属基板に前記金属粉末を超音速で衝突させて前記摺動層を設けたことを特徴とする。

更に、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の摺動材料において、前記金属基板の前記摺動層との間の接合面に形成される融点４００℃以下の低融点金属相の面積率が接合面の１０％以上であることを特徴とする。

請求項１に係る発明において、コールドスプレー法により皮膜を形成させると、粉末の衝撃エネルギーが熱エネルギーとなるが、低融点金属粉末をコールドスプレーした場合には、この熱エネルギーにより原子の振動が大きくなる。そのため、基板金属原子に近づく頻度が高まるため、ファンデルワールス力を発生させる原子が多くなり、ファンデルワールス力を発生する確率が高くなる。そのため金属基板と摺動層の結合力が高くなる。そして、低融点金属は一般的に軟質のため、コールドスプレー法による皮膜の形成時、衝突による変形を起こし易く、変形量が大きいものとなるため、緻密な摺動層となる。

摺動層が融点４００℃以下の低融点金属であると、上述した効果により緻密であり接着性に優れた摺動部材が得られる。同様に低融点金属を５０体積％以上の合金についても同様な効果が得られる。なお、合金の場合の融点は、固相線温度のことを言う。

また、再結晶温度５０℃以下の低融点金属は、衝突により変形した粉末の加工歪も瞬時に、衝突エネルギーの熱で再結晶により開放されるため、膜応力が低くなり金属基板との剪断力がかからないので、さらに接着力が高まる。

また、前記低融点金属は、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｃｄのいずれか一種以上からなることにより、これら金属は、融点が４００℃以下で、かつ、再結晶温度も５０℃以下であるので接着力が高く、さらに摺動性にも優れるので摺動材料に好適である。

また、請求項１及び請求項２のように、金属基板の中に低融点金属相が存在する場合、低融点金属粉末と金属基板の低融点金属相同士が相互拡散し、強固な結合が得られるため、さらに接着力が高くなる。とくに同じ組成の低融点金属同士であるとさらに強固な結合が得られる。低融点金属が５０体積％以上を有する合金についても同様な効果が得られる。

更に、請求項３に係る発明のように、接合面に形成される低融点金属相の面積率が接合面の１０％以上であると接着力の向上が大きい。

以下、本発明の実施形態について図１を参照して説明する。図１は、コールドスプレー法の概念図である。図１に示すように、コールドスプレー法は、２００℃〜４００℃のキャリアガス（たとえば、Ｎ_２ガスやＡｒガス等の不活性ガスが望ましい。）によって金属粉末（たとえば、粒径４５μｍ以下の金属粉末）を超音速（たとえば、５００ｍ／ｓ以上の速度）で先細末広ノズル１から基板に衝突させることにより、皮膜を形成する方法である。これは、溶射等に比較して低温で成膜できる溶射技術の一つであり、成膜速度が速く、基板、皮膜材料の選択の自由度が高く、装置がシンプルであるという利点がある。

上記のコールドスプレー法を用いて、金属基板の表面に低融点金属粉末又は低融点金属を５０％以上有する合金粉末を超音速で衝突させたときの断面模式図を図２に示す。この場合において、図２（Ａ）に示すように、金属基板１０の表面に低融点金属摺動層１１が積層される構造と、図２（Ｂ）に示すように、低融点金属の相１２を有する金属基板１０の表面に、低融点金属摺動層１１を積層する構造との何れでもよい。そして、図２（Ｂ）の金属基板１０においては、低融点金属相１２がベース金属１３に固溶することなく、均一に分散した状態となっている。

なお、低融点金属摺動層１１としては、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｃｄが主成分の低融点金属粉末又は低融点金属を５０％以上有する合金粉末であればよい。摺動層１１は、金属基板１０の摺動面の全面に被覆してもよいし、金属基板１０の摺動面の一部に被覆してもよい。摺動層１１にさらにＣｕ，Ｓｂ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ａｇ，Ｐ等を添加し強度を高めてもよい。添加量は０．１〜３０質量％が望ましい。これはマトリクスに固溶、化合物を析出させることにより、素地を強化する。また、耐摩耗性の向上のため、摺動層１１にセラミックスや金属間化合物等の硬質粒子を添加してもよい。添加量は０．１〜５質量％が望ましい。硬質粒子としては、酸化物(Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２等）、窒化物(ＳＩ_３Ｎ_４, ＡｌＮ等）、炭化物(ＳｉＣ，ＷＣ，Ｍｏ_２Ｃ等）、硼化物(ＮｉＢ，ＴｉＢ_２,ＣｒＢ等）などがある。

金属基板１０としては、各種金属を用いることができるが、Ａｌ−Ｓｎ，Ａｌ−Ｐｂ，Ａｌ−Ｂｉ，Ａｌ−Ｓｎ−Ｐｂ，Ａｌ−Ｓｎ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｐｂ−Ｚｎ，Ａｌ−Ｚｎ−Ｓｉ−Ｐｂ，Ａｌ−Ｓｎ−ＳｉＣなどのＡｌ合金、Ｃｕ−Ｐｂ，Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｉ，Ｃｕ−Ｂｉ，Ｃｕ−Ｂｉ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｂｉ−Ｓｉ，Ｃｕ−Ｐｂ−Ｚｎ，Ｃｕ−Ｂｉ−Ｚｎ，Ｃｕ−Ｐｂ−Ａｌ_２Ｏ_３などのＣｕ合金が特に好ましい。また、金属基板１０の表面にブラスト加工、エッチング、コロナ処理、化成処理、ブラシ、リニッシャー加工や機械加工にて凹凸をつけるなど、一般的な被膜の接着力向上の方法を使用することにより、さらに接着力を向上させることができる。

低融点金属の相１２を有する金属基板１０は、ベース金属１３中に含有させ低融点金属相１２を含む複相組織材料の形態でも、めっき（電気めっき、ＰＶＤ、溶融めっき）等により接合界面のみに低融点金属相１２を被覆する形態の何れにてもよい。この場合には、金属基板１０上の低融点金属相１２の面積率が１００％とみなすことができる。

以下、コールドスプレー法により実施例及び比較例に係る摺動材料を作成し、接着力試験を行った結果について説明する。接着力試験の試験結果を表１に示す。

金属基板は、表１に示すように鋼のみ、あるいは鋼上に軸受合金を設けたバイメタルを１．５ｍｍ厚となるように加工し、その後、金属基板の表面を粗面化するためにエッチング処理を行ない、その表面に、コールドスプレー装置のガンと治具を連続的に動かし、摺動層皮膜を形成する。皮膜厚さは、約２００μｍ成膜した後、所定の寸法に仕上げ加工して、１００μｍの皮膜とする。実施例１５は、アルミニウムバイメタルに電気めっきにて５μｍのＳｎ層を設け、その後、実施例１〜１４と同様にコールドスプレーを行い仕上げ加工を行い１００μｍの皮膜とした。

コールドスプレー装置の成膜条件は、ノズルと金属基板間距離を１０ｍｍ、キャリヤガスは窒素ガスを使用し、加熱部の温度は約３００℃、ガス圧は１．５ＭＰａである。また、粉末材料は、アトマイズ法で作製した粉末で、表１に示す摺動層成分と同じ成分の金属又は合金粉末を使用した。粒径は平均粒径１５μｍを使用した。キャリヤガスと粉末供給部から送られた粉末材料を、先細末広ノズルに送り、ノズルのついたガンから吹き付けて、皮膜を形成。噴射時の粉末温度は約１００℃で、粉末の速度はおよそ６００ｍ／ｓである。また、基板のバイメタルは、Ａｌ軸受合金は圧接、Ｃｕ軸受合金は焼結にてバイメタルを作製した。金属基板の低融点金属相の面積率は、表面ＳＥＭ像（組成像）より低融点金属部を画像解析にて測定した。更に、接着力試験は、ＪＩＳＨ８４０２の方法による。試験片を引張試験機にて摺動層を基板に対して垂直方向に引張って基板から摺動層を剥離させて、接着性を調べる。詳細には、摺動層上に接着剤で断面積Ａの引張用治具を取り付け、治具を引張って摺動層を破断させる。このときの摺動層の破断荷重と治具の断面積から、接着力を求める。

なお、表１の中で、実施例８の基板；Ｃｕ−１０Ｓｎ−１０Ｐｂ、実施例１２の基板Ｃｕ−２Ｓｎ−２３Ｐｂ中のＳｎは、銅中に固溶するため実施例８，１２の基板中の低融点金属相はＰｂだけである。

しかして、比較例１，２は、摺動層成分として低融点金属ではないＡｌ−Ｓｎ合金又はＣｕ−Ｓｎ合金をコールドスプレー法にて金属基板に積層したもの（特許文献１に記載される技術）であるが、これらは合金中の残留歪の影響により、接着力が低い結果となった。比較例３は、低融点金属であるＳｎをショットブラスト（ショットピーニング）法にて金属基板に積層したもの（特許文献２に記載される技術）であるが、これは摺動層が緻密でなく、接着力が低い結果となった。

実施例１〜７は、摺動層を低融点金属又は低融点金属がベース成分である合金を使用しているため接着力が比較例１〜３の約倍以上となっている。これは金属粉末が低融点金属であるため、衝突と同時に衝突による熱エネルギーで低融点合金原子の振動が増加し、基板金属原子とのファンデルワールス力が高まる効果と、同時に再結晶現象が起きて金属粉末の変形の歪が開放され、残留歪がない若しくは非常に小さい摺動層となる効果が複合して起こるからである。

実施例８〜１０ついて、基板が低融点金属相を有することにより、さらに接着力が高くなっている。また、実施例１０は、基板の低融点金属相と同種の摺動層（Ｓｎ）としているので、さらに接着力が高くなっている。これは、低融点金属粉末原子と基板の低融点金属相原子とが相互拡散する効果による。

実施例１１〜１５において、接着界面の基板の低融点金属相の面積率が１０％を超えるため、さらに接着力が高くなっている。また実施例１３は、基板の低融点金属相と同種の摺動層（Ｓｎ）としているので、さらに接着力が高くなっている。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明で使用されるコールドスプレー法は、金属粒子を加熱・加速させるガス温度が極めて低く、固相状態の粒子を衝突させることにより、基板と粒子に塑性変形を生じさせて皮膜を形成するものであり、基板と粒子の界面は、酸化がない新生面で接触し、密着が可能となる。また、金属粒子は、その融点以上のガスで加速されるが、粒子が加熱されるまでの時間が短いためガス温度に対して粒子温度はそれほど上がらず、金属粒子は溶融しない。なお、ノズル出口付近での粒子温度は１００℃程度である。

コールドスプレー法の概念図である。低融点金属粉末を超音速で衝突させたときの金属基板の断面模式図である。

１先細末広ノズル
１０金属基板
１１低融点金属摺動層
１２低融点金属の相
１３ベース金属

Claims

金属基板上に金属粉末を固相状態で、超音速で衝突させて摺動層を設けた摺動材料において、
前記摺動層は、融点４００℃以下の低融点金属、又は融点４００℃以下の低融点金属を５０体積％以上有する合金であり、
前記低融点金属又は低融点金属を５０体積％以上有する合金は、５０℃以下の再結晶温度を有し、
前記低融点金属は、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｃｄのいずれか一種以上からなり、
前記金属基板は、前記摺動層との間の接合面に、融点４００℃以下の低融点金属の相を有し、前記金属基板に前記金属粉末を超音速で衝突させて前記摺動層を設けたことを特徴とする摺動部材。
金属基板上に金属粉末を固相状態で、超音速で衝突させて摺動層を設けた摺動材料において、
前記摺動層は、融点４００℃以下の低融点金属、又は融点４００℃以下の低融点金属を５０体積％以上有する合金であり、
前記低融点金属又は低融点金属を５０体積％以上有する合金は、５０℃以下の再結晶温度を有し、
前記低融点金属は、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｃｄのいずれか一種以上からなり、
前記金属基板は、前記摺動層との間の接合面に、前記摺動層と同じ組成の融点４００℃以下の低融点金属の相を有し、前記金属基板に前記金属粉末を超音速で衝突させて前記摺動層を設けたことを特徴とする摺動部材。
前記金属基板の前記摺動層との間の接合面に形成される融点４００℃以下の低融点金属の相の面積率が接合面の１０％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の摺動部材。