JP6198652B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、耐食性が高く、且つ、摺動層の樹脂組成物と鋼裏金との接合が強い摺動部材に関する。

従来、燃料噴射ポンプ用の摺動部材には、５〜２５％程度の気孔率を有する焼結銅系材料が用いられている。この摺動部材は、摺動部材の内部に存在する気孔を介して、液体燃料を円筒形状の摺動部材の外周面側から内周面（摺動面）側に供給することにより、内周面（摺動面）に液体燃料の流体潤滑膜を形成し、高速回転する軸を支承するようになっている。このような焼結銅系材料は、燃料中に含まれる有機酸、硫黄成分による銅合金の腐食が起こり、この銅系腐食生成物が燃料に混入する問題がある。このため、耐食性を高めるためにＮｉ、Ａｌ、Ｚｎを含有させた焼結銅系摺動材料が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

また、従来、鋼裏金の表面に銅めっき層を介して銅合金からなる多孔質焼結層を設け、更に、多孔質焼結層の空孔部および表面に樹脂組成物を含浸被覆した複層の摺動材料からなる摺動部材が用いられている（例えば、特許文献４、５参照）。そして、このような複層摺動材料を燃料噴射ポンプ用の摺動部材に適用したものが提案されている（例えば、特許文献６参照）。

特開２００２−１８０１６２号公報 特開２０１３−２１７４９３号公報 特開２０１３−２３７８９８号公報 特開２００２−６１６５３号公報 特開２００１−３５５６３４号公報 特開２０１３−８３３０４号公報

ところで、特許文献１〜３の焼結銅系摺動材料は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｚｎを含有させて耐食性を高めてはいるが、燃料中に含まれる有機酸、硫黄成分による銅合金の腐食を完全には防止できない。また、特許文献１〜３の焼結銅系摺動材料は、摺動部材の内部全体に気孔を形成するために強度が低く、特に特許文献６に示すようなコモンレール方式の燃料噴射ポンプ等に用いられる摺動部材としては負荷能力が不十分である。

また、特許文献４〜６の複層摺動材料では、鋼裏金の構成を有するので強度は高い。しかしながら、銅合金からなる多孔質焼結層は、燃料あるいは潤滑油中に含まれる有機酸や硫黄成分で銅合金の腐食が起こる。また、特許文献４〜６のような銅めっき層を鋼裏金の表面に設けることなく、単にＦｅまたはＦｅ合金の粉末を鋼裏金の表面に散布し焼結して多孔質焼結層を形成し、更に、多孔質焼結層に樹脂組成物を含浸した摺動材料は、鋼裏金と樹脂組成物との界面での接合が弱くなることが判明した。

本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、耐食性が高く、且つ、摺動層の樹脂組成物と鋼裏金との接合が強い摺動部材を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、鋼裏金層上に多孔質焼結層と樹脂組成物とからなる摺動層が設けられた摺動部材において、前記多孔質焼結層は、Ｎｉ−Ｐ合金相と粒状のＦｅまたはＦｅ合金相とからなり、前記鋼裏金層は、炭素の含有量が０．０５〜０．３質量％の炭素鋼であるとともに、組織がフェライト相とパーライト相とからなり、前記摺動層との界面となる前記鋼裏金層の表面には、前記鋼裏金層の厚さ方向の中央部における組織中の前記パーライト相の体積割合を１００％としたときに前記パーライト相の体積割合が５０％以上少なくなっている低パーライト相部が形成され、前記多孔質焼結層の前記Ｎｉ−Ｐ合金相は、前記粒状のＦｅまたはＦｅ合金相どうしをつなぐバインダとして機能していることを特徴とする。

請求項２に係る発明においては、請求項１記載の摺動部材において、前記低パーライト相部には、前記Ｎｉ−Ｐ合金相のＮｉ成分が拡散していることを特徴とする。

請求項３に係る発明においては、請求項１又は請求項２記載の摺動部材において、前記低パーライト相部の厚さは、１〜５０μｍであることを特徴とする。

請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の摺動部材において、前記低パーライト相部の表面における前記パーライト相の面積率は、０〜１０％であることを特徴とする。

請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の摺動部材において、前記Ｎｉ−Ｐ合金相の組成は、９〜１３質量％のＰと残部Ｎｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

請求項６に係る発明においては、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の摺動部材において、前記多孔質焼結層における前記Ｎｉ−Ｐ合金相の割合は、前記多孔質焼結層の１００質量部に対して前記Ｎｉ−Ｐ合金相が５〜４０質量部であることを特徴とする。

請求項１に係る発明においては、摺動層を構成する多孔質焼結層は、Ｎｉ−Ｐ合金相と粒状のＦｅまたはＦｅ合金相とからなり、Ｃｕ成分が含まれないので、有機酸や硫黄成分に対する耐食性が高い。多孔質焼結層のＮｉ−Ｐ合金相は、粒状のＦｅまたはＦｅ合金相どうしをつなぐバインダとして機能している。また、鋼裏金層は、炭素の含有量が０．０５〜０．３質量％の炭素鋼であるとともに、組織がフェライト相とパーライト相とからなるが、炭素の含有量が０．０５質量％未満の炭素鋼を用いる場合には、鋼裏金層の強度が低く、摺動部材の強度が不十分となる。一方、炭素の含有量が０．３質量％を超える炭素鋼を用いる場合には、鋼裏金層の低パーライト相部におけるパーライト相の割合が多くなってしまう。さらに、摺動層との界面となる鋼裏金層の表面には、鋼裏金層の厚さ方向の中央部における組織中のパーライト相の体積割合を１００％としたときにパーライト相の体積割合が５０％以上少なくなっている低パーライト相部が形成されることで、摺動層の樹脂組成物と鋼裏金層の低パーライト相部との界面での熱膨張量の差が小さく、その界面でのせん断が起き難くなり、摺動層の樹脂組成物と鋼裏金層との接合を強くすることができる。

また、請求項２に係る発明のように、低パーライト相部には、Ｎｉ−Ｐ合金相のＮｉ成分が拡散していることで、摺動層の樹脂組成物と鋼裏金層との接合を強くすることができる。

また、請求項３に係る発明のように、低パーライト相部の厚さは、１〜５０μｍの範囲とする。鋼裏金層の厚さは、一般的な摺動部材では最小でも０．３ｍｍであるので、低パーライト相部の厚さが５０μｍ以下であれば、鋼裏金層の強度に影響しない。また、低パーライト相部の厚さが１μｍ未満であると、摺動層との界面となる鋼裏金層の表面に、部分的に低パーライト相部が形成されない場合がある。

また、請求項４に係る発明のように、低パーライト相部の表面におけるパーライト相の面積率は、０〜１０％とする。低パーライト相部の表面におけるパーライト相の面積率は、１０％以下であると、摺動層の樹脂組成物と鋼裏金層との接合強度を高める効果が高くなる。

また、請求項５に係る発明のように、Ｎｉ−Ｐ合金相の組成は、９〜１３質量％のＰと残部Ｎｉおよび不可避不純物からなることで、Ｎｉ−Ｐ合金の融点が低くなる組成範囲とすることができる。なお、Ｎｉ−Ｐ合金相の組成は、１０〜１２質量％のＰと残部Ｎｉおよび不可避不純物からなることがより望ましい。鋼裏金層上に多孔質焼結層を焼結するときの昇温過程では、多孔質焼結層のＮｉ−Ｐ合金相成分の全てを液相化させて、Ｎｉ成分を鋼裏金層の表面に拡散させる。このＮｉ成分の鋼裏金層の表面への拡散は、鋼裏金層の表面への低パーライト相部の形成に関係している。Ｎｉ−Ｐ合金相の組成において、Ｐの含有量が９質量％未満、あるいは１３質量％を超えると、Ｎｉ−Ｐ合金の融点が高くなる。これにより、焼結時、Ｎｉ−Ｐ合金の液相の発生量が減少し、Ｎｉ成分が鋼裏金層の表面に拡散し難くなり、鋼裏金層の表面に低パーライト相部が形成され難くなる。

また、請求項６に係る発明のように、多孔質焼結層におけるＮｉ−Ｐ合金相の割合は、多孔質焼結層の１００質量部に対してＮｉ−Ｐ合金相を５〜４０質量部とする。Ｎｉ−Ｐ合金相は、ＦｅまたはＦｅ合金相の粒どうし、ＦｅまたはＦｅ合金相の粒と鋼裏金層の表面とを結びつけるバインダである。Ｎｉ−Ｐ合金相の割合が５質量部未満であると、多孔質焼結層の強度や、多孔質焼結層と鋼裏金層との接合が不十分となる。一方、Ｎｉ−Ｐ合金相の割合が４０質量部を超えると、焼結時、空孔となるべき部分がＮｉ−Ｐ合金の液相で充填されてしまうので、多孔質焼結層の空孔率が小さくなりすぎる。

鋼裏金層の表面に低パーライト相部を形成した摺動部材の断面を示す模式図である。 鋼裏金層の厚さ方向の中央部付近の組織を示す拡大図である。 鋼裏金層の表面付近の組織を示す拡大図である。 従来の摺動部材を示す模式図である。

本実施形態に係る鋼裏金層２の表面に低パーライト相部８を形成した摺動部材１について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、鋼裏金層２の表面に低パーライト相部８を形成した摺動部材１の断面を示す模式図である。図２は、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部付近の組織を示す拡大図であり、図３は、鋼裏金層２の表面付近の組織を示す拡大図である。

図１に示すように、摺動部材１は、鋼裏金層２と摺動層３とからなり、摺動層３は、鋼裏金層２上に形成された多孔質焼結層４と樹脂組成物５とからなる。また、多孔質焼結層４は、粒状のＦｅまたはＦｅ合金相６とＮｉ−Ｐ合金相７とからなる。このＮｉ−Ｐ合金相７は、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒どうし、あるいは、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒と鋼裏金層２の表面とをつなぐバインダとなっている。また、図１に示すように、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒どうし、あるいは、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒と鋼裏金層２の表面とは、Ｎｉ−Ｐ合金相７を介して接合している。なお、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒どうし、あるいは、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒と鋼裏金層２の表面とは、直接、接触、あるいは、焼結により接合している部分が形成されていてもよい。また、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒は、表面の一部がＮｉ−Ｐ合金相７により覆われていない部分が形成されていてもよい。また、多孔質焼結層４は、樹脂組成物５を含浸させるための空孔を有し、その空孔率は１０〜６０％である。より好ましくは、空孔率は２０〜４０％である。

Ｎｉ−Ｐ合金相７の組成は、９〜１３質量％のＰと残部Ｎｉおよび不可避不純物からなる。このＮｉ−Ｐ合金相７の組成は、Ｎｉ−Ｐ合金の融点が低くなる組成範囲である。なお、Ｎｉ−Ｐ合金相７の組成は、１０〜１２質量％のＰと残部Ｎｉおよび不可避不純物からなることがより望ましい。鋼裏金層２上に多孔質焼結層４を焼結するときの昇温過程では、後述するが、多孔質焼結層４のＮｉ−Ｐ合金相７成分の全てを液相化させて、Ｎｉ成分を鋼裏金層２の表面に拡散させる。このＮｉ成分の鋼裏金層２の表面への拡散は、鋼裏金層２の表面への低パーライト相部８の形成に関係している。また、Ｎｉ−Ｐ合金相７の組成において、Ｐの含有量が９質量％未満、あるいは１３質量％を超えると、Ｎｉ−Ｐ合金の融点が高くなる。これにより、焼結時、Ｎｉ−Ｐ合金の液相の発生量が減少し、Ｎｉ成分が鋼裏金層２の表面に拡散し難くなり、鋼裏金層２の表面に低パーライト相部８が形成され難くなる。

なお、Ｎｉ−Ｐ合金相７は、前記組成に、さらに、Ｂ成分を１〜４質量％、Ｓｉ成分を３〜１２質量％、Ｃｒ成分を７〜１４質量％の１種以上を含有させた組成であってもよい。

多孔質焼結層４におけるＮｉ−Ｐ合金相７の割合は、多孔質焼結層４の１００質量部に対してＮｉ−Ｐ合金相７が５〜４０質量部であり、より好ましくは、１０〜２０質量部である。このＮｉ−Ｐ合金相７の割合は、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒どうし、ＦｅまたはＦｅ合金相６の粒と鋼裏金層２の表面とを結びつけるバインダとなる形態の多孔質焼結層４を形成するために好適な範囲である。Ｎｉ−Ｐ合金相７の割合が５質量部未満であると、多孔質焼結層４の強度や、多孔質焼結層４と鋼裏金層２との接合が不十分となる。一方、Ｎｉ−Ｐ合金相７の割合が４０質量部を超えると、焼結時、空孔となるべき部分がＮｉ−Ｐ合金で充填されてしまうので、多孔質焼結層４の空孔率が小さくなりすぎる。

多孔質焼結層４における粒状のＦｅまたはＦｅ合金相６は、平均粒径が４５〜１８０μｍであればよい。また、粒状のＦｅ合金の組成は限定されない。一般市販される、純鉄、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、フェライト系ステンレス等の粒を用いることができる。いずれのＦｅ合金を用いても、有機酸や硫黄成分に対する耐食性は、従来の銅合金を用いるよりも優れている。なお、多孔質焼結層４を構成する粒状のＦｅまたはＦｅ合金相６は、その表面（Ｎｉ−Ｐ合金相７との界面となる表面）に、Ｎｉ−Ｐ合金相７の成分との反応相が形成されていてもよい。そして、このような粒状のＦｅまたはＦｅ合金相６とＮｉ−Ｐ合金相７とから多孔質焼結層４が構成されており、Ｃｕ成分が含まれないため、有機酸や硫黄成分に対する耐食性に優れている。

樹脂組成物５は、多孔質焼結層４の空孔部および表面に含浸被覆される。図１に示すように、樹脂組成物５は、鋼裏金層２の表面と接する部分がある。樹脂組成物５としては、一般的な摺動用樹脂組成物を用いることができる。具体的には、フッ素樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、 ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、エポキシ、フェノール、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイドのいずれか一種以上の樹脂に、さらに、固体潤滑剤としてグラファイト、グラフェン、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリオレフィン、窒化ホウ素、二硫化錫のいずれか一種以上を含む樹脂組成物を用いることができる。また、樹脂組成物５には、さらに充填剤として、粒状、あるいは、繊維状の金属、金属化合物、セラミック、無機化合物、有機化合物のいずれか一種以上を含有させることができる。なお、樹脂組成物５を構成する樹脂、固体潤滑剤、充填剤は、ここで例示したものに限定されない。

鋼裏金層２には、炭素成分の含有量が０．０５〜０．３質量％である炭素鋼（亜共析鋼）を用いる。この鋼裏金層２の組織は、図２に示すように、フェライト相９とパーライト相１０とからなる。炭素成分の含有量が０．０５質量％未満の炭素鋼を用いる場合には、鋼裏金層２の強度が低く、摺動部材１の強度が不十分となる。一方、炭素の含有量が０．３質量％を超える炭素鋼を用いる場合には、鋼裏金層２の低パーライト相部８におけるパーライト相１０の割合が多くなってしまう。

なお、鋼裏金は、前記炭素成分を含有し、さらに、０．１質量％以下のＳｉ、１質量％以下のＭｎ、０．０４質量％以下のＰ、０．０４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であってもよい。また、鋼裏金層２の組織は、フェライト相９とパーライト相１０とからなるが、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）を含むことは許容される。

鋼裏金層２におけるフェライト相９は、炭素成分の含有量が最大で０．０２質量％と少なく、純鉄に近い組成の相である。一方、鋼裏金層２におけるパーライト相１０は、フェライト相と鉄炭化物であるセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）相とが薄い板状に交互に並んで形成されるラメラ組織の相である。このパーライト相１０は、フェライト相９よりも炭素成分の量が多い。そして、図３に示すように、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面には、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部における組織中のパーライト相１０に対してパーライト相１０の割合が５０％以上少なくなっている低パーライト相部８が形成される。

本実施形態では、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に切断された断面組織において、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部付近、及び、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面付近をそれぞれ倍率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相１０の面積率を測定した。そして、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部における組織中のパーライト相１０に対して、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面付近における組織中のパーライト相１０の割合（面積率）が５０％以上少なくなっていることで、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面に低パーライト相部８が形成されていることが確認できる。なお、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部付近におけるパーライト相１０の面積率の観察部は、厳密な意味での鋼裏金層２の厚さ方向に中央部位置でなくてもよい。これは、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部位置から低パーライト相部８までの間の組織が、実質的にほぼ同じ組織（同じパーライト相１０の面積率）になっているからである。

上記した低パーライト相部８の厚さは、摺動層３との界面から１〜５０μｍである。さらに、低パーライト相部８の厚さは、１〜１０μｍとすることが好ましい。鋼裏金層２の厚さは、一般的な摺動部材では最小でも０．５ｍｍであるので、低パーライト相部８の厚さが５０μｍ以下であれば、鋼裏金層２の強度に影響しない。また、低パーライト相部８の厚さが１μｍ未満であると、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面に、部分的に低パーライト相部８が形成されない場合がある。

また、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の低パーライト相部８には、多孔質焼結層４におけるＮｉ−Ｐ合金相７から拡散したＮｉ成分が含まれている。このＮｉ成分は、低パーライト相部８の表面付近のフェライト相９に固溶した形態で低パーライト相部８に含まれている。多孔質焼結層４のＮｉ−Ｐ合金相７から鋼裏金層２の低パーライト相部８に拡散したＮｉ成分は極微量であるが、ＥＰＭＡ（エレクトロンプローブマイクロアナライザー）測定により低パーライト相部８に拡散したＮｉ成分が確認される。また、低パーライト相部８中のＮｉ成分は、フェライト相９に固溶された形態で存在しており、低パーライト相部８の摺動層３との界面となる表面から内部へ向かって次第にＮｉ成分の濃度が減少していることが確認できる。なお、低パーライト相部８には、Ｎｉ_３Ｐ（金属間化合物）の相が形成されていない。

また、鋼裏金層２の低パーライト相部８の表面は、Ｎｉ成分の拡散により、特にパーライト相１０が少なくなっている。低パーライト相部８の表面におけるパーライト相１０の面積率は、摺動層３の樹脂組成物５と鋼裏金層２の低パーライト相部８との接合強度を高めるため、０〜１０％とすることが好ましい。

次に、従来の摺動部材１１における摺動層１３の樹脂組成物１５と鋼裏金層１２との接合について、図４を参照して説明する。図４は、従来の鋼裏金層１２上に多孔質焼結層１４を形成した摺動部材１１を示す模式図である。

摺動層１３との界面となる鋼裏金層１２の表面において、パーライト相が多いと、摺動層１３の樹脂組成物１５との接合が弱くなる。図４に示すように、そのような鋼裏金層１２を摺動部材１１として用いた場合、局部的に摺動層１３の樹脂組成物１５と鋼裏金層１２との界面でせん断が起こる場合がある。これは、摺動部材１１が使用される温度が上昇すると、鋼裏金層１２よりも摺動層１３の樹脂組成物１５の熱膨張量が大きいので、摺動層１３の樹脂組成物１５と鋼裏金層１２との界面でせん断応力が発生するためである。

具体的には、鋼裏金層１２におけるフェライト相とパーライト相とでは熱膨張係数が異なり、パーライト相は鉄炭化物であるセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）を含むために、フェライト相よりも熱膨張係数が小さい。このため、摺動部材１１の温度が上昇したとき、摺動層１３の樹脂組成物１５と鋼裏金層１２との熱膨張量の差によるせん断力は、界面において不均一となる。そして、摺動層１３の樹脂組成物１５と鋼裏金層１２のパーライト相との界面では、熱膨張量の差が大きく、その熱膨張量の差によるせん断応力によって微小せん断部が形成される。また、鋼裏金層１２の表面におけるパーライト相の面積が多いほど、微小せん断が起こる面積が増加し、摺動層１３の樹脂組成物１５と鋼裏金層１２のフェライト相との界面にも、このせん断が伝播すると考えられる。これに対し、本実施形態では、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面において、鋼裏金層２の内部に対してパーライト相１０の割合が５０％以上少なくなっている低パーライト相部８が形成されることで、そのような摺動層３の樹脂組成物５と鋼裏金層２との界面でのせん断が起き難くなっている。

次に、本実施形態に係る摺動部材１の作製方法について説明する。まず、ＦｅまたはＦｅ合金の粉末とＮｉ−Ｐ合金の粉末との混合粉を準備する。この混合粉の準備時には、多孔質焼結層４のＮｉ−Ｐ合金相７となる成分を、Ｎｉ−Ｐ合金の粉末の形態で含ませる必要がある。そして、室温で、準備した混合粉を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、９３０〜１０００℃の還元雰囲気中で焼結する。

焼結時において、昇温途中の８８０℃になると、９〜１３質量％のＰと残部Ｎｉ の組成からなるＮｉ−Ｐ合金の粒が溶融を始める。その液相は、ＦｅまたはＦｅ合金の粒どうしや、ＦｅまたはＦｅ合金の粒と鋼裏金層２の表面との間で流動し、鋼裏金層２の表面上に多孔質焼結層４の形成が開始される。９〜１３質量％のＰと残部Ｎｉ の組成からなるＮｉ−Ｐ合金の粒は、９５０℃で完全に液相となる。なお、Ｐの含有量範囲を少なくした１０〜１２質量％のＰと残部Ｎｉの組成からなるＮｉ−Ｐ合金の粒は、９３０℃で完全に液相となる。

焼結温度は、Ｎｉ−Ｐ合金の粒が、完全に溶融する温度以上に設定されている。また、Ｎｉ−Ｐ合金の組成は、後述するが、鋼裏金層２の組織が完全オーステナイト相となる温度（Ａ３変態点）以上で、完全に溶融する組成になされている。

鋼裏金層２は、焼結時の昇温過程で７２７℃（Ａ１変態点）になると、フェライト相９とパーライト相１０とからなる組織は、オーステナイト相への変態を始め、炭素の含有量が０．０５〜０．３質量％の鋼裏金層２は、９００℃では完全にオーステナイト相からなる組織となる。このオーステナイト相は、フェライト相９よりもＦｅ原子間の隙間（距離）が大きくなるので、多孔質焼結層４におけるＮｉ−Ｐ合金相７のＮｉ原子が、この隙間に侵入する拡散が起こり易い状態となる。上記したように、Ｎｉ−Ｐ合金の組成は、鋼裏金層２の組織が完全オーステナイト相となる温度（Ａ３変態点）以上で、完全に溶融する組成になされており、焼結温度は、Ｎｉ−Ｐ合金の粒が、完全に溶融する温度以上に設定されている。これは、液相状態のＮｉ−Ｐ合金相７中のＮｉ原子は、固相状態のＮｉ−Ｐ合金相７中のＮｉ原子よりも、鋼裏金層２の表面におけるオーステナイト相中への拡散が起こり易いからである。

なお、Ｎｉ原子の拡散は、多孔質焼結層４と鋼裏金層２との接触部のみで起こるのではなく、Ｎｉ原子は、この接触部から鋼裏金層２と多孔質焼結層４とが直接、接触しない部分である鋼裏金層２の表面（摺動層３の樹脂組成物５と接することになる鋼裏金層２の表面）へも拡散する。

焼結時、Ｎｉ−Ｐ合金が完全に液相状態となり、且つ、鋼裏金層２が完全オーステナイト組織の状態となることが組み合わさって、鋼裏金層２の表面にＮｉ原子が拡散する。このＮｉ原子は、オーステナイト相に固溶される結果、オーステナイト相のＦｅ原子間の隙間に固溶されていた炭素原子が、鋼裏金層２の内部側へ追い出されるように拡散する。なお、液相状態にあったＮｉ原子は、鋼裏金層２の表面におけるオーステナイト相へ拡散し、固溶されるのと同時に固相となるので、Ｎｉ原子が鋼裏金層２の極表面付近にしか拡散しない。

焼結後の冷却過程で７２７℃（Ａ１変態点）になると、鋼裏金層２の組織は、再度、フェライト相９とパーライト相１０とからなる組織となる。以上の機構により、鋼裏金層２の内部は、フェライト相９とパーライト相１０とからなる通常の組織（パーライト相１０の割合は、炭素成分の含有量によって決まる通常の組織）となり、摺動層３との界面となる側の鋼裏金層２の表面には、その内部に対してパーライト相１０の割合が少なくなっている組織（鋼裏金層２の極表面は、ほぼフェライト相９からなる組織）である低パーライト相部８が形成されると推定される。なお、Ｎｉ成分は、低パーライト相部８の表面付近のフェライト相９に固溶された状態で鋼裏金層２に含まれている。

上記のように鋼裏金層２の表面上に多孔質焼結層４が形成された部材には、予め準備された樹脂組成物５（有機溶剤にて希釈してもよい）が、多孔質焼結層４の空孔部を充填し、多孔質焼結層４の表面を被覆するように含浸される。そして、この部材は、樹脂組成物５の乾燥、焼成のための加熱が施され、鋼裏金層２の表面上に多孔質焼結層４と樹脂組成物５とからなる摺動層３が形成される。なお、樹脂組成物５としては、段落００２７に記載した樹脂組成物を用いることができる。

なお、本実施形態の鋼裏金層２には、冷間圧延鋼板（条でもよい）を素材として用いることが望ましい。冷間圧延鋼板は、圧延工程で鋼の結晶組織に歪（原子空孔）が導入されている。この歪は、鋼裏金の結晶組織で本来、Ｆｅ原子が存在すべき部位にＦｅ原子が存在しない原子レベルの隙間が形成されている欠陥部である。焼結時の昇温過程で鋼裏金層２における結晶の歪は、徐々に鋼裏金層２の表面側へ移動して消滅するが、この歪と置き換わるようにＮｉ―Ｐ合金相７のＮｉ原子が、鋼裏金層２の表面側の結晶中で歪があった部位へ拡散するようになる。一方、熱間圧延鋼板を用いた場合、熱間圧延鋼板は、結晶の歪が非常に少ないので、鋼裏金層の表面へのＮｉ原子の拡散が起こり難い。

また、本実施形態では、上記のようにＦｅまたはＦｅ合金の粉末とＮｉ−Ｐ合金の粉末との混合粉を用いたが、アトマイズ法等により製造したＦｅ−Ｎｉ−Ｐ系合金粉を用いた場合、あるいは、Ｎｉ粉末とＦｅ−Ｐ系合金粉末の混合粉を用いた場合、焼結時には、粉末組成のＮｉ、Ｐ成分の一部が液相化するのみで、液相発生量が少なく、鋼裏金層の表面へのＮｉ原子の拡散が殆ど起こらない。このため、鋼裏金層の表面には、パーライト相の割合が減少した低パーライト相部が形成されない。また、この液相はＮｉ_３Ｐを主体とするので、焼結後の多孔質焼結層と鋼裏金層との界面にＮｉ_３Ｐ相（金属間化合物）が介在するように形成される。このＮｉ_３Ｐ相は、硬質であるが脆く、多孔質焼結層と鋼裏金層との接合が非常に弱くなる。

また、本実施形態における多孔質焼結層４の合金組成として、低融点のＳｎを含有させることは避けるべきである。Ｓｎは低融点であり、焼結時の昇温過程における極初期の２３２℃程度で液相となるが、液相となったＳｎ原子と鋼裏金層のＦｅ原子とが反応し、多孔質焼結層と鋼裏金層との界面にＦｅ_２Ｓｎ相やＦｅ_３Ｓｎ相（金属間化合物）が介在するように形成される。このＦｅ_２Ｓｎ相やＦｅ_３Ｓｎ相は、硬質であるが脆く、多孔質焼結層と鋼裏金層との接合が非常に弱くなる。このＳｎを含有する多孔質焼結層の合金組成にＣｕを含有させる（例えば、Ｓｎ含有量に対して質量で３〜４倍のＣｕを含有させる）ことで、焼結時に液相となったＳｎ成分がＣｕへ拡散するようになり、多孔質焼結層と鋼裏金層との界面でのＦｅ_２Ｓｎ相やＦｅ_３Ｓｎ相の形成を防止、あるいは、緩和することができる。しかしながら、多孔質焼結層にＣｕ成分が含まれるため、有機酸や硫黄成分に対する耐食性が低くなる。

また、本実施形態では、鋼裏金層２の表面に低パーライト相部８を形成しているが、予め、表面にＦｅめっき層やＮｉめっき層を形成した鋼板を用いる場合には、摺動部材が高価となる。本実施形態は、このような鋼板の表面へのめっき層の形成工程を省略し、多孔質焼結層４の焼結工程にて同時に低パーライト相部８の形成を行うので、摺動部材１を安価に製造することができる。

１ 摺動部材
２ 鋼裏金層
３ 摺動層
４ 多孔質焼結層
５ 樹脂組成物
６ ＦｅまたはＦｅ合金相
７ Ｎｉ−Ｐ合金相
８ 低パーライト相部
９ フェライト相
１０ パーライト相

Claims (6)

1. 鋼裏金層上に多孔質焼結層と樹脂組成物とからなる摺動層が設けられた摺動部材において、
   前記多孔質焼結層は、Ｎｉ−Ｐ合金相と粒状のＦｅまたはＦｅ合金相とからなり、
   前記鋼裏金層は、炭素の含有量が０．０５〜０．３質量％の炭素鋼であるとともに、組織がフェライト相とパーライト相とからなり、
   前記摺動層との界面となる前記鋼裏金層の表面には、前記鋼裏金層の厚さ方向の中央部における組織中の前記パーライト相の体積割合を１００％としたときに前記パーライト相の体積割合が５０％以上少なくなっている低パーライト相部が形成され、
   前記多孔質焼結層の前記Ｎｉ−Ｐ合金相は、前記粒状のＦｅまたはＦｅ合金相どうしをつなぐバインダとして機能していることを特徴とする摺動部材。
2. 前記低パーライト相部には、前記Ｎｉ−Ｐ合金相のＮｉ成分が拡散していることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
3. 前記低パーライト相部の厚さは、１〜５０μｍ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。
4. 前記低パーライト相部の表面における前記パーライト相の面積率は、０〜１０％であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の摺動部材。
5. 前記Ｎｉ−Ｐ合金相の組成は、９〜１３質量％のＰと残部Ｎｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の摺動部材。
6. 前記多孔質焼結層における前記Ｎｉ−Ｐ合金相の割合は、前記多孔質焼結層の１００質量部に対して前記Ｎｉ−Ｐ合金相が５〜４０質量部であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の摺動部材。

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