JP6246648B2 - 摺動部材および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｆｅ系の焼結層を有する摺動部材に関する。

建機等の作業用機械で用いられる軸受（いわゆるブシュ）は、メンテナンスを簡易化する観点から、少ない給油で動作することが求められる。そのため、軸受のライニング層を多孔質の材料で形成し、その孔の中に潤滑油を保持させるものが知られている。

特許文献１は、Ｆｅ系焼結ブシュにおいて、マルテンサイト中に特殊炭化物を微細に分散させることによって、耐摩耗性および耐焼付き性を向上させる技術を開示している。

特許第４８４２２８３号公報

特許文献１に記載の技術においては、耐摩耗性を確保するためには、Ｆｅマトリクス相の硬度を上げるため、焼入れを行う必要があった。

これに対し本発明は、Ｆｅ系の焼結層を有する摺動部材において、焼入れ無しで耐摩耗性を向上させる技術を提供する。

本発明は、裏金と、前記裏金の上に形成されたライニング層とを有し、前記ライニング層が、９〜２２．５重量％のＣｕと、１．０〜２．５重量％のＳｎと、０．５〜２．０重量％のＣと、０．８〜１．６重量％のＰと、Ｆｅとを含み、多孔質形状の第１相と、前記第１相中に形成され、前記第１相よりＰ濃度が高い第２相とを有する摺動部材を提供する。

前記裏金の表面に垂直な断面において、前記ライニング層における前記第２相の面積率が、３〜２０％の範囲であってもよい。

前記断面において、前記面積率が、３〜１０％の範囲であってもよい。

前記ライニング層におけるＣｕの組成が、１３．５〜２２．５重量％であり、Ｓｎの組成が、１．５〜２．５重量％であってもよい。

前記ライニング層におけるＣの組成が、１．５〜２．５重量％であってもよい。

前記ライニング層における空孔率が２５面積％以下であってもよい。

前記ライニング層における含油率が２５体積％以下であってもよい。

前記ライニング層における空孔率が１５面積％以上であってもよい。

前記ライニング層における含油率が１５体積％以上であってもよい。

また、本発明は、鉄粉末、青銅粉末、黒鉛粉末、およびりん含有添加物を含む混合粉末を準備する工程と、前記混合粉末を裏金上に散布する工程と、前記混合粉末が散布されたライニング層を焼結する工程と、前記焼結されたライニング層を圧下する工程と、前記圧下されたライニング層を焼結する工程とを含む摺動部材の製造方法を提供する。

本発明によれば、Ｆｅ系の焼結層を有する摺動部材において、焼入れ無しで耐摩耗性を向上させることができる。

一実施形態に係る摺動部材１の構造を示す図。 摺動部材１の断面構造を示す模式図。 ライニング層１２の組織写真を例示する図。 摺動部材１の製造方法を示すフローチャート。 作製した試験片の特性を例示する図。 摩耗深さのＰ組成依存性を示す図。 摩耗深さの青銅粉末配合比依存性を示す図。 摩耗深さの黒鉛粉末配合比依存性を示す図。 摩耗深さの含油率依存性を示す図。 摩擦係数の含油率依存性を示す図。

１．構造
図１は、一実施形態に係る摺動部材１の構造を示す図である。摺動部材１は、例えば、建機のエンジン駆動部、トランスミッション、ショベル、クラッシャー、粉砕ミルなどの各種装置において軸受として使用されるブシュである。なお、摺動部材１は、円筒形状のブシュ以外のものであってもよい。

図２は、摺動部材１の断面構造を示す模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面（裏金１１の表面に垂直な断面）を示している。摺動部材１は、裏金１１と、ライニング層１２とを有する。裏金１１は、ライニング層１２の機械的強度を補強するための層である。裏金１１は、例えば鋼で形成される。ライニング層１２は、軸受の摺動面（軸と接触する面）に沿って設けられ、軸受としての特性、例えば、摩擦特性、耐焼付性、耐摩耗性等の特性を与えるための層である。

この例で、ライニング層１２は、Ｆｅ系の焼結層である。ライニング層１２は、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｐを含み、残部が実質的にＦｅであることが好ましい。Ｃｕの組成は、９〜２２．５重量％であることが好ましく、１３．５〜２２．５重量％であることがさらに好ましい。Ｓｎの組成は、１．０〜２．５重量％であることが好ましく、１．５〜２．５重量％であることがさらに好ましい。Ｃの組成は、０．５〜２．０重量％であることが好ましく、１．０〜２．０重量％であることがさらに好ましい。Ｐの組成は、０．８〜１．６重量％であることが好ましく、０．８〜１．２重量％であることがさらに好ましい。

図３は、ライニング層１２の組織写真を例示する図である。ライニング層１２は、マトリクス相１２１と、空孔１２２と、Ｃｕ−Ｓｎ相１２３と、Ｐ濃化相（Ｐリッチ相）を有する。なお、Ｐ濃化相は図３では小さくて見えない。マトリクス相１２１は、Ｆｅ−Ｃ−Ｐを主体としたマトリクス相である。ライニング層１２は粉体焼結により形成されるので、多数の空孔１２２が形成されている。すなわち、マトリクス相１２１は、内部に多数の空孔１２２を有するスポンジ状の形状を有している。Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃ−Ｐ系の合金を焼結すると、低融点のＣｕ−Ｓｎ系合金がまず液相となり、マトリクス相１２１中の空孔に染み渡ってＣｕ−Ｓｎ相１２３を形成する。さらに、マトリクス相１２１からＰ濃化相が液相となって染み出し、粉末の空隙に広がっていく。こうして、Ｐ濃化相は、マトリクス相１２１中に網目状に分散している。

２．製造方法
図４は、摺動部材１の製造方法を示すフローチャートである。ステップＳ１において、ライニング層１２となる合金粉末を準備する。具体的には、鉄粉末、青銅粉末、黒鉛粉末、およびりん含有添加物を混合する。鉄粉末としては、例えば、平均粒径が１００〜１２０μｍのものを用いる。青銅粉末としては、例えば、組成がＣｕ１０Ｓｎ（Ｃｕ：９０重量％、Ｓｎ：１０重量％）であり、平均粒径が６０〜７０μｍのものを用いる。黒鉛粉末としては、例えば、平均粒径が２０μｍ以下のものを用いる。りん含有添加物としては、例えば、組成がＦｅ２０Ｐ（Ｆｅ：８０重量％、Ｐ：２０重量％）であり、平均粒径が１０〜２０μｍのりん化鉄粉末を用いる。

ステップＳ２において、裏金上に合金粉末を散布する。裏金としては、例えば、圧延鋼帯が用いられる。

ステップＳ３において、第１焼結が行われる。第１焼結は、例えば、窒素雰囲気において、９５０℃の保持時間が１５分で行われる。このとき、Ｃｕ−Ｓｎ合金が溶け出してＣｕ−Ｓｎ相１２３を形成していると考えられる。

ステップＳ４において、中間圧下が行われる。中間圧下は、焼結層に圧力を印加する工程である。圧力の印加は、例えば圧延により行われる。中間圧下は、ライニング層１２が所定の厚さ（例えば、裏金１１も含めた板厚でステップＳ４直前の半分）になるまで行われる。

ステップＳ５において、第２焼結が行われる。第２焼結は、例えば、窒素雰囲気において、１０００℃の保持時間が１５分で行われる。このとき、マトリクス相１２１からＰ濃化相が析出していると考えられる。

ステップＳ６において、裏金１１およびライニング層１２を含む板は所定の形状（例えば円筒形）に成形される。なお、焼結後の焼入れは行っていない。

３．実施例
種々の条件で摺動部材の試験片を作製し、これらの試験片を評価した。評価項目としては、摩耗深さおよび摩擦係数を用いた。

裏金１１としては、ＳＡＥ（Society of Automotive Engineers）１００９に相当する圧延鋼帯（Ｃ：０．１５重量％以下、Ｍｎ：０．６０重量％以下、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０５重量％以下、その他不純物：０．１５重量％以下、Ｆｅ：残余）を用いた。ライニング層１２の原料としては、鉄粉末、青銅粉末、黒鉛粉末、およびりん含有添加物を用いた。これらの粉末を所望の組成となる配合比で混合した。

図５は、作製した試験片の特性を例示する図である。ここでは、Ｐの添加量を０．４重量％、０．８重量％、１．２重量％、１．６重量％、および２．０重量％と変化させた５つの試験片について、断面におけるＰ濃度の分布、Ｐ濃化相の面積率、空孔率、および含油率を示している。

断面におけるＰ濃度の分布は、ＥＰＭＡ（Electron Probe MicroAnalyser）により測定した。この図では階調の明るい部分がＰ濃度が高いことを、階調の暗い部分がＰ濃度が低いことを示している。Ｐが０．８〜２．０重量％の試験片のＥＰＭＡ画像から分かるように、Ｐ濃化相１２４は、マトリクスの空隙に染み渡って広がっており、網目状に分散している。

Ｐ濃化相の面積率は、電子顕微鏡で２００〜５００倍の倍率で観察したライニング層１２の断面において画像解析装置（株式会社ニレコ製、LUZEX）を用いて測定した。ここでは、ライニング層１２のうち空孔１２２以外の部分の複数箇所について、Ｐ濃化相の面積率を測定した。空孔１２２部分については測定していないので、ライニング層１２全体についてみると、非空孔率（１−空孔率）と測定された面積率との積が、Ｐ濃化相の面積率に相当すると考えられる。

空孔率は、光学顕微鏡で５０〜１００倍の倍率で観察したライニング層１２において画像処理ソフトを用いて測定した。

含油率は、ライニング層１２に含浸された油の、ライニング層１２に対する体積率を示している。油は空孔１２２に保持されるので、含油率は空孔率と相関がある。ここでは、ライニング層１２の体積ＶＬに対する含浸油の体積ＶＯの比率（ＶＯ／ＶＬ）を含油率として計算した。含浸油の体積は、油を染み込ませる前後のライニング層１２の重量変化を、油の密度で除することによって得た。ライニング層１２の体積は、ライニング層１２の表面積に厚さを乗算することによって得た。なお、Ｐが１．２重量％以下の試験片においては、含油率が２０±３％の範囲に入るように中間圧下（ステップＳ４）の条件を調整した。

図６は、摩耗深さのＰ組成依存性を示す図である。縦軸は摩耗試験の結果として得られた摩耗深さを、横軸はライニング層１２におけるＰの組成を、それぞれ示している。りん化鉄（Ｆｅ２０Ｐ）粉末の配合比を、０、２、４、６、および８重量％（Ｐの組成で、０．０．４、０．８、１．２、および１．６重量％に相当）の条件で変化させた。Ｐ以外の組成は一定であり、合金組成は、Ｆｅ−１８Ｃｕ−２Ｓｎ−１．５Ｃ−（０．４〜１．６）Ｐであった。なお、りん化鉄粉末の配合比を１０重量％（Ｐの組成で２重量％に相当）とした試験片は空孔が少なく油を含浸させることができず、含油軸受を作製することができなかった。

各条件で３つ以上の試験片を作製した。作製した試験片について、下記の試験条件で摩耗深さを測定した。
試験機：円筒平板試験機（ブロックオンリング）
潤滑：ドライ（含油のみ）
荷重：１３７Ｎ
摺速：０．０４ｍ／ｓｅｃ
相手材：Ｓ４５Ｃ（高周波焼入れ）
相手材硬さ：ＨＲＣ６０
試験時間：５分

図６から、Ｐを０．４重量％以上添加することにより耐摩耗性が改善していることがわかる。特に、Ｐを０．８〜１．６重量％添加した試験片は、Ｐを添加しない試験片と比較して摩耗深さが半分以下に抑制されており、耐摩耗性が大幅に改善している。これらの試験片における、ライニング層１２全体に対するＰ濃化相１２４の割合は、図５から、３〜２０％であることが好ましいといえる。

図７は、摩耗深さの青銅粉末配合比依存性を示す図である。縦軸は摩耗試験の結果として得られた摩耗深さを、横軸は合金粉末中の青銅粉末の配合比を、それぞれ示している。なお青銅粉末としては、組成がＣｕ１０Ｓｎのものを用いた。

青銅粉末の配合比は、１０、１５、２０、および２５重量％の条件で変化させた。ＣｕおよびＳｎ以外の組成は一定であり、合金組成は、Ｆｅ−（９〜２２．５）Ｃｕ−（１〜２．５）Ｓｎ−１．５Ｃ−１．２Ｐであった。各条件で３つ以上の試験片を作製した。作製した試験片について、図６と同じ条件で摩耗深さを測定した。

図７から、例えば、摩耗深さの目標値を６μｍ以下とした場合、青銅粉末の配合比を１５重量％以上（すなわち、Ｃｕを１３．５質量％以上、Ｓｎを１．５質量％以上）とすれば、目標値を達成できることがわかる。すなわち、Ｐを０．４重量％以上添加することに加え、さらに、Ｃｕを１３．５重量％以上、Ｓｎを１．５重量％以上添加すると耐摩耗性がさらに改善することが図７からわかる。

図８は、摩耗深さの黒鉛粉末配合比依存性を示す図である。縦軸は摩耗試験の結果として得られた摩耗深さを、横軸は合金粉末中の青銅粉末の配合比を、それぞれ示している。黒鉛粉末の配合比は、０．５、１．０、１．５、および２．０重量％の条件で変化させた。Ｃ以外の組成は一定であり、合金組成は、Ｆｅ−１８Ｃｕ−２Ｓｎ−（０．５〜２．０）Ｃ−１．２Ｐであった。各条件で３つ以上の試験片を作製した。作製した試験片について、図６と同じ試験条件で摩耗深さを測定した。

図８から、例えば、摩耗深さの目標値を６μｍ以下とした場合、黒鉛粉末の配合比を１．０重量％以上（すなわち、Ｃを１．０質量％以上）とすれば、目標値を達成できることがわかる。すなわち、Ｐを０．４重量％以上添加することに加え、さらに、Ｃを１．０重量％以上添加すると耐摩耗性がさらに改善することが図８からわかる。

図９は、摩耗深さの含油率依存性を示す図である。縦軸は摩耗試験の結果として得られた摩耗深さを、横軸は含油率を、それぞれ示している。合金組成は、Ｆｅ−１８Ｃｕ−２Ｓｎ−１．５Ｃ−１．２Ｐであった。ライニング層１２に含浸させる油の量を変化させ、図６と同じ条件で摩耗深さを測定した。

図９から、例えば、摩耗深さの目標値を６μｍ以下とした場合、含油率を２５％以下とすれば、目標値を達成できることがわかる。すなわち、Ｐを０．４重量％以上添加することに加え、さらに、含油率を２５％以下とすれば耐摩耗性がさらに改善することがわかる。なお、含油率はライニング層１２の空孔率と相関があるので、含油率が２５％以下であることは、空孔率が２５％以下であることに相当する。

図１０は、摩擦係数の含油率依存性を示す図である。縦軸は摩擦試験の結果として得られた摩擦係数を、横軸は含油率を、それぞれ示している。図９の結果からは含油率が少ない方がよいことが示唆されるが、含油率が少ないと摩擦係数が増大してしまうことが懸念される。そこで、摩擦係数の含油率依存性を測定した。合金組成は、Ｆｅ−１８Ｃｕ−２Ｓｎ−１．５Ｃ−１．２Ｐであった。ライニング層１２に含浸させる油の量を変化させ、以下の条件で摩擦係数を測定した。
試験機：往復摺動試験機
潤滑：ドライ（含油のみ）
荷重：１３００Ｎ
摺速：０．０４ｍ／ｓｅｃ
ストローク：１０ｍｍ
運転時間：１２０ｍｉｎ
相手材：Ｓ４５Ｃ（高周波焼入れ）
相手材硬さ：ＨＲＣ６０

図１０から、例えば、摩擦係数の目標値を０．１７とした場合、含油率を１５％以上とすれば、目標値を達成できることがわかる。すなわち、含油率を１５％以上とすればｍ冊係数が改善することがわかる。なお、含油率はライニング層１２の空孔率と相関があるので、含油率が１５％以上以下であることは、空孔率が１５％以上であることに相当する。図５の試験片でいうと、空孔率を１５％以上とするには、ライニング層１２全体に対するＰ濃化相１２４の割合は、図５から、３〜１０％であることが好ましいといえる。

１…摺動部材、１１…裏金、１２…ライニング層、１２１…マトリクス相、１２２…空孔、１２３…Ｃｕ−Ｓｎ相、１２４…Ｐ濃化相

Claims (10)

1. 裏金と、
   前記裏金の上に形成されたライニング層と
   を有し、
   前記ライニング層が、
   ９〜２２．５重量％のＣｕと、
   １．０〜２．５重量％のＳｎと、
   ０．５〜２．０重量％のＣと、
   ０．８〜１．６重量％のＰと、
   残部がＦｅおよび不可避不純物と
   からなり、
   多孔質形状の第１相と、
   前記第１相中に形成され、前記第１相よりＰ濃度が高い第２相と
   を有する
   摺動部材。
2. 前記裏金の表面に垂直な断面において、前記ライニング層における前記第２相の面積率が、３〜２０％の範囲である
   ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記断面において、前記面積率が、３〜１０％の範囲である
   ことを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
4. 前記ライニング層におけるＣｕの組成が、１３．５〜２２．５重量％であり、
   Ｓｎの組成が、１．５〜２．５重量％である
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の摺動部材。
5. 前記ライニング層におけるＣの組成が、１．０〜２．０重量％である
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の摺動部材。
6. 前記ライニング層における空孔率が２５面積％以下である
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の摺動部材。
7. 前記ライニング層における含油率が２５体積％以下である
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の摺動部材。
8. 前記ライニング層における空孔率が１５面積％以上である
   ことを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
9. 前記ライニング層における含油率が１５体積％以上である
   ことを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
10. 鉄粉末、青銅粉末、黒鉛粉末、およびりん含有添加物を含む混合粉末を準備する工程と、
    前記混合粉末を裏金上に散布する工程と、
    前記混合粉末が散布されたライニング層を焼結する工程と、
    前記焼結されたライニング層を圧下する工程と、
    前記圧下されたライニング層を焼結する工程と
    を含み、
    前記ライニング層が、
    ９〜２２．５重量％のＣｕと、
    １．０〜２．５重量％のＳｎと、
    ０．５〜２．０重量％のＣと、
    ０．８〜１．６重量％のＰと
    残部がＦｅおよび不可避不純物と
    からなる
    摺動部材の製造方法。