JP6143561B2 - 複層型摺動部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成膜法により形成されたバックメタル層を有する複層型摺動部材及びその製造方法に関するものである。

複層型摺動部材は、焼結材料等からなる摺動層とバックメタル（裏金）層とを一体化させた部材のことをいい、主に軸受摺動部等に使用される。従来、複層型摺動部材を製作する場合には、摺動層とバックメタル層とを別々に作成し、摺動層とバックメタル層とを、圧入、溶接、接着、締結、又は、ろう付けなどの方法により結合させたり、バックメタル層に直接摺動層を焼結させていた。

また、円筒状の複層型摺動部材を製作するには、円筒状のバックメタル層に直接摺動層を焼結したり、板状のバックメタル層に摺動層を直接焼結し、その後プレスやローラーによって円筒状に塑性変形させる方法が用いられてきた。

例えば、特許文献１には、Cu-Al系合金粉末またはAl粉末を用いて、Alが2〜14重量％になるように添加された混合粉末を、所要の円筒形状に成形して圧粉体を得、この圧粉体をその圧粉体の外径よりも僅かに大きい穴径を有する裏金部材内へ挿入し、真空、中性または還元雰囲気に調整した焼結炉内で800℃以上の温度でその裏金部材の内径部に焼結接合してなる複合焼結摺動部材が開示されている。

特開2007-197834号公報

しかしながら、特許文献１のように、摺動層とバックメタル層とを別々に作成し、その後、圧入、溶接、接着、締結などの方法による結合させる方法は、製造工程が多工程になり、工数が多くなる点で課題があった。

また、バックメタル層に摺動層を直接焼結させる方法は、バックメタルの材質によっては、特殊な焼成設備を用いて焼成しなければ摺動層とバックメタル層が結合しないという課題があった。

バックメタル層の材質がステンレス鋼等の金属材料の場合には、大気中で表面に酸化膜が生じ、そのままではバックメタル層に摺動層を焼結するのが難しいという課題がある。バックメタル層の表面に酸化膜が形成されることを防止するために、還元雰囲気若しくは真空中で焼成することが可能な特殊な焼成設備を用いる必要があった。

さらに、バックメタル層に摺動層を焼結するためには、物質の拡散接合を利用するため800℃以上の高温とする必要があるが、バックメタル層の厚さが厚い場合には、温度上昇に時間が必要なため、拡散温度到達までの時間も長くなるという課題がある。また、焼結温度を高温とすると、バックメタル層の機械的性質（硬度等）を低下させる可能性もある。

さらに、プレスやローラーによって円筒状に塑性変形させる方法は、摺動層やバックメタル層の材質によっては、塑性加工に不向き、又は、不可能なものもあるため、要求を満足する摺動部材を提供することが、製造面及びコスト面で困難であった。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、製造工程を削減し、バックメタル層の機械的性質の低下を防ぐことが可能な複層型摺動部材及びその製造方法を提供することである。

本発明の複層型摺動部材の製造方法は、摺動層を製作し、摺動層の表面に、成膜法によりバックメタル層を形成することを特徴とする。

本発明の複層型摺動部材及びその製造方法によれば、製造工程を削減し、バックメタル層の機械的性質（硬度等）の低下を防ぐことが可能となる。

本実施形態のプレートタイプの複層型摺動部材の構成を示す図である。 本実施形態のプレートタイプの複層型摺動部材の製造工程を示す図である。 本実施形態のブッシュタイプの複層型摺動部材の構成を示す図である。 本実施形態のブッシュタイプの複層型摺動部材の製造工程を示す図である。

以下、本発明の実施形態である複層型摺動部材及びその製造方法について、図を参照して詳細に説明をする。

図１は、本実施形態のプレートタイプの複層型摺動部材１００の構成を示す断面図である。

本実施形態のプレートタイプの複層型摺動部材１００は、プレート状の摺動層１０１と、プレート状のバックメタル層１０２とから構成される。

本実施形態の摺動層１０１は、金属粉を含んで焼成された焼結材の層、もしくは、焼結以外のすべり軸受用合金からなる層であり、例えば、単体金属あるいは２種以上の単体金属の混合粉、もしくは２種以上の合金粉を焼成して製作される焼結材の層である。本実施形態の摺動層１０１には、銅を主成分として含む焼結材、例えば、青銅（Cu-Sn）系を主成分として含む焼結材を用いることができる。また、本実施形態の摺動層１０１には、黄銅（Cu-Zn）系、銅鉄（Fe-Cu）系を主成分として含む焼結材や、ソリッドの軸受用合金を用いることができる。

本実施形態のバックメタル層１０２は、摺動層１０１の表面に成膜法により形成された層である。成膜法に限定は無いが、バックメタル層１０２は摺動層１０１を保護する機能を有するため、金属表面にある程度の機械的強度（剛性）を有する層を形成できる成膜法が好ましい。そのような成膜法としてはコールドスプレー法や溶射法がある。

コールドスプレー法は、金属粉末を固相状態（すなわち、溶融しない状態）のまま、高圧圧縮ガスにより基材に衝突させ成膜する技術である。また、溶射法は、金属材料を液相状態（すなわち、溶融した状態）で、基材に衝突させ、成膜する技術である。

特に、コールドスプレー法は、成膜厚に特に制限はなく、十分な厚さのバックメタル層１０２を形成することが可能であるため、成膜法として好ましい。

また、本発明者らは、特に、コールドスプレー法を用いた場合には、特殊雰囲気下（還元、真空等）での施工を必要とせず、大気雰囲気下でバックメタル層１０２を形成することが可能なことを見出した。よって、成膜法として、コールドスプレー法を用いることがより好ましい。

バックメタル層１０２の材質は、例えば、ステンレス鋼もしくは銅合金とすることができる。また、バックメタル層１０２の材質には、耐蝕性のチタン合金、ベリリウム銅、アルミニウム合金、マグネシウム合金、炭素鋼、又は、炭素合金鋼などを用いることもできる。

次に、図２を参照して本実施形態のプレートタイプの複層型摺動部材１００の製造工程について説明する。

まず、図２（ａ）に示すように摺動層１０１を製作する。摺動層１０１は、単体金属あるいは２種以上の単体金属の混合粉、もしくは２種以上の合金粉を焼成して製造すればよい。もしくは、摺動層１０１は、焼結以外のすべり軸受用合金から製造してもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、摺動層１０１の周囲に成膜法により金属被膜１０３を形成する。成膜法にコールドスプレー法を用いる場合には、摺動層１０１の周囲に、単体金属あるいは２種以上の合金の粉末あるいは金属粉末の混合粉をコールドスプレー法によりバックメタル層１０２を形成する。なお、コールドスプレーする材料によって、成膜した際の形状は、図２（ｂ）に示す金属被膜１０３ａ〜１０３ｃのように異なる。

最後に、図２（ｃ）に示すように、摺動層１０１の周囲の金属被膜１０３を、切削、研削等の加工により、所定の形状・寸法に仕上げ、バックメタル層１０２の仕上げを行う。

図３は、本実施形態のブッシュタイプの複層型摺動部材の構成を示す断面図である。

図３（ａ）は、ストレートブッシュタイプの複層型摺動部材２００の構成を示す断面図であり、図３（ｂ）は、片ツバブッシュタイプの複層型摺動部材３００の構成を示す断面図であり、図３（ｃ）は、中ツバブッシュタイプの複層型摺動部材４００の構成を示す断面図であり、図３（ｄ）は、両ツバブッシュタイプの複層型摺動部材５００の構成を示す断面図である。

以下、ストレートブッシュタイプの複層型摺動部材２００について主に説明を行い、片ツバブッシュタイプの複層型摺動部材３００、中ツバブッシュタイプの複層型摺動部材４００、及び、両ツバブッシュタイプの複層型摺動部材５００については、ストレートブッシュタイプの複層型摺動部材２００との相違点のみ説明を行う。

本実施形態のストレートブッシュタイプの複層型摺動部材２００は、円筒状の摺動層２０１と、円筒状のバックメタル層２０２とを有する。

本実施形態の摺動層２０１は、金属粉を含んで焼成された焼結材の層、もしくは、焼結以外のすべり軸受用合金からなる層であり、例えば、単体金属あるいは２種以上の単体金属の混合粉、もしくは２種以上の合金粉を焼成して製作される焼結材の層である。本実施形態の摺動層２０１には、銅を主成分として含む焼結材、例えば、青銅（Cu-Sn）系を主成分として含む焼結材を用いることができる。また、本実施形態の摺動層２０１には、黄銅（Cu-Zn）系、銅鉄（Fe-Cu）系を主成分として含む焼結材や、ソリッドの軸受用合金を用いることができる。

バックメタル層２０２は、摺動層２０１の表面に成膜法により形成された層である。プレートタイプの複層型摺動部材１００と同様に、成膜法としては、コールドスプレー法や溶射法を用いることが好ましく、コールドスプレー法を用いることがより好ましい。

バックメタル層２０２の材質は、例えば、ステンレス鋼もしくは銅合金とすることができる。また、バックメタル層２０２の材質は、耐蝕性のチタン合金、ベリリウム銅、アルミニウム合金、マグネシウム合金、炭素鋼、又は、炭素合金鋼などを用いることもできる。

また、本実施形態のブッシュタイプの複層型摺動部材では、ストレートブッシュタイプの複層型摺動部材２００（図３（ａ））のみならず、片ツバブッシュタイプの複層型摺動部材３００（図３（ｂ））、中ツバブッシュタイプの複層型摺動部材４００（図３（ｃ））、及び、両ツバブッシュタイプの複層型摺動部材５００（図３（ｄ））等の形状も、追加工により容易に製造できる。また、コールドスプレー法を用いた場合には、ツバ状の成膜が可能であるため、ツバ状に掘り下げる加工は不要であり、最低限の仕上げ加工で容易に製造できる。

次に、図４を参照して本実施形態のストレートブッシュタイプの複層型摺動部材２００の製造工程について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように摺動層２０１を製作する。摺動層２０１は、単体金属あるいは２種以上の単体金属の混合粉、もしくは２種以上の合金粉を焼成して製造すればよい。もしくは、摺動層２０１は、焼結以外のすべり軸受用合金から製造してもよい。

次に、図４（ｂ）に示すように、摺動層２０１の周囲に成膜法により金属被膜２０３を形成する。成膜法にコールドスプレー法を用いる場合には、摺動層２０１の周囲に、単体金属あるいは２種以上の合金の粉末あるいは金属粉末の混合粉をコールドスプレーによりバックメタル層２０２を形成する。なお、コールドスプレーする材料によって、成膜した際の形状は、図４（ｂ）に示す金属被膜２０３ａ〜２０３ｃのように異なる。

最後に、図４（ｃ）に示すように、摺動層２０１の周囲の金属被膜２０３を、切削、研削等の加工により、所定の形状・寸法に仕上げ、バックメタル層２０２の仕上げを行う。

また、成膜により、片ツバ部３０２ａを形成した片ツバブッシュタイプの複層型摺動部材３００（図３（ｂ））、中ツバ部４０２ａを形成した中ツバブッシュタイプの複層型摺動部材４００（図３（ｃ））、もしくは、両ツバ部５０２ａ、５０２ｂを形成した両ツバブッシュタイプの複層型摺動部材５００（図３（ｄ））等、様々な外形形状の複層型摺動部材を製造することが可能である。

以上説明したように、本実施形態の複層型摺動部材及びその製造方法によれば、摺動層２０１の周囲に成膜法により金属被膜を形成するため、製造工数を削減することが可能となる。

従来のバックメタル層に摺動層を焼結する方法では、施工時間はバックメタルの温度到達時間と拡散接合のための保持時間の、合わせて数時間が必要であったが、本実施形態によれば、施工時間は成膜時間のみであるため、数分レベルでバックメタル層の形成が可能である。

また、本実施形態の複層型摺動部材及びその製造方法によれば、特殊雰囲気下（還元、真空等）での施工を必要とせず、大気雰囲気下でバックメタル層を形成することが可能となる。

さらに、本実施形態の複層型摺動部材及びその製造方法によれば、製作済の摺動層にバックメタル層を常温で施工することが可能となるため、高温での施工が不要であり、バックメタル層の機械的性質（硬度等）の低下を防ぐことが可能となる。さらに、高温での施工が不要であることから、冷却時間を短縮することも可能である。

さらに、本実施形態の複層型摺動部材及びその製造方法によれば、成膜法により金属被膜を形成するため、摺動層とバックメタル層との一体化に際し、圧入、溶接、接着、締結等の接合工程を行わない。このため、摺動層とバックメタル層に関し、接合前の前加工（接合部の前処理）は不要となる。

１００：プレートタイプの複層型摺動部材
１０１：摺動層
１０２：バックメタル層
１０３：金属被膜
２００：ストレートブッシュタイプの複層型摺動部材
２０１：摺動層
２０２：バックメタル層
２０３：金属被膜
３００：片ツバブッシュタイプの複層型摺動部材
３０１：摺動層
３０２：バックメタル層
３０２ａ：片ツバ部
４００：中ツバブッシュタイプの複層型摺動部材
４０１：摺動層
４０２：バックメタル層
４０２ａ：中ツバ部
５００：両ツバブッシュタイプの複層型摺動部材
５０１：摺動層
５０２：バックメタル層
５０２ａ、５０２ｂ：両ツバ部

Claims (4)

1. 摺動層を製作し、
   前記摺動層の表面に成膜法によりバックメタル層を形成する、
   ことを特徴とする複層型摺動部材の製造方法。
2. 前記成膜法は、コールドスプレー法、又は、溶射法であることを特徴とする請求項１に記載の複層型摺動部材の製造方法。
3. 前記バックメタル層の材質は、ステンレス鋼、銅合金、チタン合金，ベリリウム銅、アルミニウム合金、マグネシウム合金、炭素鋼、又は、炭素合金鋼の中の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の複層型摺動部材の製造方法。
4. 前記摺動層は、金属粉を含んで焼成された焼結材の層、もしくは、焼結以外のすべり軸受用合金からなる層であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の複層型摺動部材の製造方法。
   

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