JP6381430B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、耐食性が高く、且つ、摺動層と鋼裏金との接合が強い円筒形状の摺動部材に関する。

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、摺動層と鋼裏金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、摺動層と鋼裏金との接合が強い円筒形状の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円筒形状の摺動部材において、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Ｎｉ−Ｐ合金相は、前記粒状のＦｅまたはＦｅ合金相どうし及び前記粒状のＦｅまたはＦｅ合金相と前記鋼裏金層とをつなぐバインダとして機能しており、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割合は、３０体積％以下であり、前記摺動層との界面となる前記鋼裏金層の表面には、組織中の前記パーライト相の割合が５０体積％以上である高パーライト相部が形成され、前記高パーライト相部は、前記円筒形状の摺動部材の周方向で厚さが異なるように薄領域と該薄領域よりも厚さが増加した厚領域とが交互に形成され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、前記高パーライト相部の組織中の前記パーライト相の割合は、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割合に対して２倍以上となっ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、前記高パーライト相部の平均厚さは、５０〜４００μｍであり、前記厚領域は、前記高パーライト相部の平均厚さ以上の厚さとなる領域である一方、前記薄領域は、前記高パーライト相部の平均厚さ未満の厚さとなる領域であり、前記厚領域における前記高パーライト相部の平均厚さと、前記薄領域における前記高パーライト相部の平均厚さとの差は、前記高パーライト相部の平均厚さの３０％以上であり、前記円筒形状の摺動部材の周方向において隣り合う前記厚領域の間の平均長さは、５０〜４００μｍ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、前記高パーライト相部の前記摺動層との界面となる表面における前記厚領域の面積率は、２０〜５０％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、前記高パーライト相部は、組織が網目状のフェライト相と該網目状のフェライト相に囲まれた粗大なパーライト相とからなり、前記粗大なパーライト相の平均粒径は、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平均粒径に対して３倍以上大きいことを特徴とする。

請求項６に係る発明においては、請求項５記載の摺動部材において、前記高パーライト相部の前記摺動層との界面となる表面における前記網目状のフェライト相の面積率は、９０％以上であることを特徴とする。

請求項７に係る発明においては、請求項５又は請求項６記載の摺動部材において、前記高パーライト相部の前記摺動層との界面となる表面における前記網目状のフェライト相の厚さは、最大で５μｍであることを特徴とする。

請求項８に係る発明においては、請求項１乃至請求項７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９に係る発明においては、請求項１乃至請求項７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、及び選択成分として１〜４質量％のＢ、１〜１２質量％のＳｉ、１〜１２質量％のＣｒ、１〜３質量％のＦｅ、０．５〜５質量％のＳｎ、０．５〜５質量％のＣｕから選択される１種以上を含有し、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１０に係る発明においては、請求項１乃至請求項９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、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合金相どうし及び粒状のＦｅまたはＦｅ合金相と鋼裏金層とをつなぐバインダとして機能する。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、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割合は、３０体積％以下であり、一方、摺動層との界面となる鋼裏金層の表面には、組織中のパーライト相の割合が５０体積％以上である高パーライト相部が形成される。さらに、高パーライト相部は、円筒形状の摺動部材の周方向で厚さが異なるように薄領域と該薄領域よりも厚さが増加した厚領域とが交互に形成されている。このため、本発明の円筒形状の摺動部材は、軸受装置の運転により摺動部材に外力が加わり弾性変形した場合において、摺動層と鋼裏金層の高パーライト相部との界面でのせん断が起き難くなり、摺動層と鋼裏金層との接合を強くすることができる。

鋼裏金層の表面に摺動層を形成した円筒形状の摺動部材の正面図である。 鋼裏金層の表面に高パーライト相部を形成した円筒形状の摺動部材の周方向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高パーライト相部の組織を示す拡大図である。 軸受ハウジング部の軸受保持穴の変形を説明するための図である。 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の表面に高パーライト相部８を形成した摺動部材１について、図１乃至図４を参照して説明する。図１は、鋼裏金層２と摺動層３とからなる円筒形状の摺動部材１の正面図である。図２は、鋼裏金層２の表面に高パーライト相部８を形成した円筒形状の摺動部材１を平面展開させた場合の周方向断面を示す模式図である。図３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４は、鋼裏金層２の表面付近の高パーライト相部の組織を示す拡大図である。

図１に示すように、円筒形状の摺動部材１は、鋼裏金層２と摺動層３とからなる。また、図２に示すように、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とからなり、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２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。

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。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の高パーライト相部８に遊離セメンタイト相（パーライト相１０を構成する層状のセメンタイト相以外のセメンタイト相）が多く形成される場合があり、鋼裏金層２が脆くなることがある。

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。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。このため、鋼裏金層２は、組織中のパーライト相１０の割合が多いほど、変形抵抗が高くなる。

図３に示すように、鋼裏金層２の厚さ方向（摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面に対して垂直方向）の中央部における組織は、フェライト相９を主体とし、組織中のパーライト相１０の割合が３０体積％以下である。この組織は、炭素成分の含有量に応じてパーライト相１０の割合が決められる通常の亜共析鋼の組織であり、変形抵抗はそれほど高くなく、延性が高い。また、このような組織の鋼裏金層２は、円筒形状の軸受等への摺動部材１の成形性に優れるとともに、軸受を軸受ハウジング部１６の軸受保持穴１７（図５参照）に圧入した際に、軸受の外周面（鋼裏金層２）が軸受保持穴１７の内周面に密着しうるため、好適である。

図４に示すように、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面付近は、組織中のパーライト相１０の割合が５０体積％以上である高パーライト相部８が形成されており、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部付近に比べて、変形抵抗が高くなっている。また、鋼裏金層２の高パーライト相部８の組織中のパーライト相１０の体積割合は、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の体積割合に対して２倍以上とすることが好ましい。なお、鋼裏金層２の組織は、高パーライト相部８を除き、厚さ方向の中央部付近の組織と概ね同じになっている。

図２に示すように、摺動層３の多孔質焼結層４との界面となる鋼裏金層２の表面には、高パーライト相部８が形成される。この高パーライト相部８は、円筒形状の摺動部材１の周方向で厚さが増減を繰り返すように変化し、厚さが減少した薄領域８Ｓと厚さが増加した厚領域８Ｌとが交互に形成される。そして、鋼裏金層２の表面に積層されるＦｅまたはＦｅ合金相６の粒のうち、鋼裏金層２の表面近傍に位置するＦｅまたはＦｅ合金相６の粒は、主に高パーライト相部８の厚さが増加した厚領域８Ｌ上に位置した構成となる。換言すれば、高パーライト層部８の厚さが増加した厚領域８Ｌは、多孔質焼結層４のＦｅまたはＦｅ合金相６の粒の近傍の鋼裏金層２の表面から、鋼裏金層２の内部へ向かって放射状に形成される。なお、図示してないが、高パーライト相部８は、円筒形状の摺動部材１の軸線方向においても厚さが増減を繰り返して変化するように形成されている。

なお、鋼裏金層２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。

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摺動部材１の周方向の断面組織において、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の表面付近のそれぞれの複数個所（例えば３箇所）を倍率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の割合（面積率）が３０％以下となっていること、及び、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％以上となっていることで、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面に高パーライト相部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高パーライト相部８までの間、および、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部位置から鋼裏金層の高パーライト相部８とは反対側の表面までの間の組織が、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。なお、本実施形態では、鋼裏金層２の組織中のパーライト相１０の割合は、断面視における面積率として測定したが、この面積率の値は、鋼裏金層２の組織中のパーライト相１０の体積率に相当するものである。

上記した高パーライト相部８の平均厚さは、摺動層３との界面から５０〜４００μｍである。より好ましくは、高パーライト相部８の平均厚さは５０〜２００μｍである。なお、鋼裏金層２の厚さは、一般的な摺動部材では最小で０．５ｍｍのものがあるが、このような薄い厚さの鋼裏金層２を用いる場合には、鋼裏金層２の厚さに対し、高パーライト相部８の平均厚さを３０％以下にするべきである。

高パーライト相部８は、厚さが高パーライト相部８の平均厚さ以上である厚領域８Ｌと、厚さが高パーライト相部８の平均厚さ未満である薄領域８Ｓとで区分した場合、厚領域８Ｌにおける高パーライト相部８の平均厚さと、薄領域８Ｓにおける高パーライト相部８の平均厚さとの差は、高パーライト相部８の平均厚さの３０％以上とし、円筒形状の摺動部材１の周方向において隣り合う厚領域８Ｌの間の平均長さ（すなわち、薄領域８Ｓの平均長さ）は、５０〜４００μｍとすることが好ましい。この隣り合う厚領域８Ｌの間の平均長さは、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面における周方向の長さである。さらに、摺動層３との界面となる高パーライト相部８の表面における厚領域８Ｌの面積率は、２０〜５０％とすることが望ましい。

なお、高パーライト相部８における厚領域８Ｌと薄領域８Ｓとの区分方法は、まず、段落［００２８］に記載した方法により倍率を２００倍に変えて撮影した画像を、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、鋼裏金層２の表面からの高パーライト相部８の平均厚さを求める。次に、画像に、鋼裏金層２の表面に対して平行な仮想線Ｍを、鋼裏金層２の表面から高パーライト相部８の平均厚さの値Ｔだけ離間させて描いた後、該平行な仮想線Ｍと高パーライト相部８の輪郭線（高パーライト相部８と高パーライト相部８以外との境界線であり、図２に示す破線）との交点から鋼裏金層２の表面に向かう仮想の垂線を描く。これらの隣り合う仮想の垂線に挟まれる領域の高パーライト相部８が、平行な仮想線Ｍに達しない場合には、この領域が薄領域８Ｓであり、これ以外の領域が厚領域８Ｌとして区分する（図２参照）。そして、区分された各々の厚領域８Ｌと各々の薄領域８Ｓは、前記画像解析手法により高パーライト相部８の平均厚さを測定し、厚領域８Ｌにおける高パーライト相部８の平均厚さと、薄領域８Ｓにおける高パーライト相部８の平均厚さとの差が、高パーライト相部８の全体の平均厚さの３０％以上となっていることを確認する。また、隣り合う厚領域８Ｌの間の平均長さは、鋼裏金層２の表面における長さであり、隣り合う厚領域８Ｌを区分する２本の仮想の垂線の間の長さをそれぞれ測定し、その値を平均することで確認できる。なお、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面における厚領域８Ｌの面積率は、直接は測定できないが、前記画像解析手法を用いて、画像中の摺動層３との界面となる線の全長に対する高パーライト相部８の厚領域８Ｌによる長さの割合を測定することにより確認できる。

また、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の高パーライト相部８の表面には、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。多孔質焼結層４のＮｉ−Ｐ合金相７から鋼裏金層２の高パーライト相部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）測定により高パーライト相部８に拡散したＮｉ成分が確認される。また、高パーライト相部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。

図３に示すように、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部付近の組織は、粒状のフェライト相９からなる素地に粒状のパーライト相１０が分散した通常の亜共析鋼の組織であるが、図４に示すように高パーライト相部８の組織は、網目状のフェライト相９と、該網目状のフェライト相９に囲まれた粗大なパーライト相１０と、からなる。ここで、高パーライト相部８の組織中の粗大なパーライト相１０の平均粒径は、高パーライト相部８と鋼裏金層２の厚さ方向中央部付近との変形抵抗の差を大きくするため、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部付近の組織中のパーライト相１０の平均粒径に対して３倍以上大きくすることが好ましい。

なお、鋼裏金層２の厚さ方向の中央部および高パーライト相部８におけるパーライト相１０の平均粒径の確認方法としては、具体的には、段落［００２８］に記載した方法により撮影した画像を、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、各パーライト相１０の面積を測定し、それを円と想定した場合の平均直径に換算して求めることができる。

また、図４に示すように、鋼裏金層２の高パーライト相部８は、摺動層３との界面となる表面の大部分が、前記した網目状のフェライト相９によって構成されるため、摺動層３の多孔質焼結層４や樹脂組成物５との接合強度が高くなる。これは、パーライト相１０は、鉄炭化物であるセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）相を含むため、フェライト相９に比べると、摺動層３の多孔質焼結層４や樹脂組成物５との接合が弱くなるからである。なお、高パーライト相部８の摺動層３との界面となる表面における網目状のフェライト相９の面積率は、鋼裏金層２と摺動層３との接合強度を高めるため、９０％以上とすることが好ましい。

また、高パーライト相部８の摺動層３との界面における網目状のフェライト相９の厚さは、最大で５μｍ以下とすることが好ましい。網目状のフェライト相９の厚さが５μｍを超えると、高パーライト相部８の組織中のフェライト相９の体積割合が増加し、パーライト相１０の体積割合が減少することで、高パーライト相部８の変形抵抗が低くなるからである。

なお、高パーライト相部８の摺動層３との界面におけるフェライト相９の面積率は、直接、測定はできないが、段落［００２８］に記載した方法により撮影した画像を、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、その画像中の摺動層３との界面となる線の全長に対するフェライト相９による長さの割合を測定することにより確認できる。

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、鋼裏金層２のフェライト相９とパーライト相１０とからなる組織は、オーステナイト相に変態する高温度にまで昇温させる必要があり、鋼裏金層２の組織が十分にオーステナイト相に変態する温度にて、上記組成範囲のＮｉ−Ｐ合金相７成分の全てを液相化することで、Ｎｉ−Ｐ合金相７が、粒状のＦｅまたはＦｅ合金相６どうし、あるいは、粒状のＦｅまたはＦｅ合金相６と鋼裏金層２の表面とをつなぐバインダとなり、鋼裏金層２上に粒状のＦｅまたはＦｅ合金相６とＮｉ−Ｐ合金相７とからなる多孔質焼結層４が形成される。そして、焼結後の冷却過程においては、鋼裏金層２の多孔質焼結層４との界面となる表面の冷却速度を速くすることで、高パーライト相部８が形成される。ここで、Ｎｉ−Ｐ合金相７の組成は、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り、焼結温度を高くする必要があるが、上記組成範囲である場合には、Ｎｉ−Ｐ合金の融点が低く、過度に焼結温度を高くする必要がないので、焼結後の冷却過程において鋼裏金層２の表面に高パーライト相部８が形成される速度で冷却することが容易となる。

なお、Ｎｉ−Ｐ合金相７は、前記組成に、さらに、選択成分として１〜４質量％のＢ、１〜１２質量％のＳｉ、１〜１２質量％のＣｒ、１〜３質量％のＦｅ、０．５〜５質量％のＳｎ、０．５〜５質量％のＣｕから選択される１種以上を含有させて、Ｎｉ−Ｐ合金相７の強度を調整してもよい。なお、選択成分の中でＣｕ成分をＮｉ−Ｐ合金相７に含有させる場合、Ｎｉ−Ｐ合金相７の耐食性に影響を及ぼさないようにするため、その含有量は５質量％以下にする必要がある。また、これら選択成分を含有するＮｉ−Ｐ合金相７は、Ｎｉ素地部が必須成分であるＰ及び選択成分であるＢ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｃｕを固溶した形態の組織が好ましいが、Ｎｉ素地部が含有成分による２次相（析出物、晶出物）を含んだ形態の組織であってもよい。

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、Ｎｉ−Ｐ合金相７が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の表面とを結びつけるバインダとなり、鋼裏金層２の表面に多孔質焼結層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。

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。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。

次に、従来の摺動部材１１における多孔質焼結層１４と樹脂組成物１５とからなる摺動層１３と、鋼裏金層１２と、の接合について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、摺動部材１１が軸受として用いられる軸受装置の軸受ハウジング部１６の軸受保持穴１７の内径の変形を説明するための図であり、図６は、従来の鋼裏金層１２上に多孔質焼結層１４と樹脂組成物１５とからなる摺動層１３を形成した摺動部材１１を示す模式図である。

例えば、燃料噴射ポンプ用等のように回転軸からの動荷重（変動荷重）を支承する軸受装置は、円筒形状の軸受（摺動部材１１）が、軸受ハウジング部１６に形成された円筒形状の軸受保持穴１７の内面に圧入固定され、軸受の内周面（摺動面）が回転軸を支承するように構成される。近年、軸受装置の軽量化のため、軸受ハウジング部１６は低剛性化される傾向にあり、軸受装置の運転時、図５に示すように、回転軸からの動荷重負荷の作用方向（矢印Ｆ）が変化する毎に軸受ハウジング部１６の軸受保持穴１７の内径は、弾性変形を繰り返す。この軸受保持穴１７の弾性変形に伴い軸受（図５では不図示）は、周期的に周方向長さが増加する変形と減少する変形とが交互に繰り返し起こる。

図６に示すように、従来の鋼裏金層１２上に多孔質焼結層１４と樹脂組成物１５とからなる摺動層１３を形成した摺動部材１１において、鋼裏金層１２の組織は、厚さ方向の全体で、フェライト相を主体とし、粒状のパーライト相がフェライト相の素地部に分散した通常の亜共析鋼の組織（図３に示す組織に相当）である。このような組織の鋼裏金層１２は、外力に対する変形抵抗はそれほど高くなく、また、その変形抵抗が鋼裏金層１２の厚さ方向で概ね均一になっている。従来の摺動部材１１は、図５に示す軸受装置で使用されると、周方向長さが増加および減少する弾性変形は、まず、軸受保持穴１７の内周面と直接、接触する鋼裏金層１２の表面（外周面）で起こり、鋼裏金層１２の厚さ方向に内部で伝播し、さらに鋼裏金層１２の表面に接触する多孔質焼結層１４へ伝播しているが、鋼裏金層１２と多孔質焼結層１４との界面では、鋼裏金層１２と多孔質焼結層１４との弾性変形率の違いにより、せん断応力が発生しやすく、鋼裏金層１２と摺動層１３とのせん断が起こり易い。

本実施形態に係る摺動部材１において、鋼裏金層２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９とパーライト相１０とからなり、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９の割合は、３０体積％以下であり、炭素の含有量に応じてパーライト相９の割合が決まる通常の亜共析鋼の組織であるが、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面には、組織中のパーライト相９の割合が５０体積％以上である高パーライト相部８が形成されることで、鋼裏金層２の中央部付近に比べて、変形抵抗が高くなるようにしている。このため、軸受ハウジング部１６の軸受保持穴１７の内径の弾性変形に伴い、摺動部材１の周方向長さが増加および減少する弾性変形が起こっても、その弾性変形は、主に、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面の高パーライト相部８を除いた部位で起こり、高パーライト相部８では弾性変形量が小さくなる。換言すれば、軸受保持穴１７の内周面と接する鋼裏金層２の表面（外周面）の弾性変形は、高パーライト相部８の手前までは鋼裏金層２の厚さ方向に伝播しやすいが、変形抵抗が高い高パーライト相部８の内部へは伝播しがたくなっており、且つ、高パーライト相部８を除いた部位の鋼裏金層２の弾性変形量が多くなることで、多孔質焼結層４との界面となる鋼裏金層２の表面の高パーライト相部８の弾性変形量が小さくなる。さらに、高パーライト相部８は、摺動部材１の周方向で厚さが増減を繰り返すように変化しており、高パーライト相部８の厚さが減少している薄領域８Ｓの弾性変形量が大きくなることで、主に多孔質焼結層４のＦｅまたはＦｅ合金相６の粒が近接あるいは接触している高パーライト相部８の厚さが増加している厚領域８Ｌは、弾性変形量が小さくなる。このため、鋼裏金層２と多孔質焼結層４との界面では、せん断応力が小さくなる。なお、鋼裏金層２として、例えば、厚さ方向の全体で、高パーライト相部８の変形抵抗と同等の変形抵抗を有する合金鋼等を用いた場合、鋼裏金層の厚さ方向の全体で同じように弾性変形が起こるため、摺動層との界面となる鋼裏金層の表面の弾性変形量は、本実施形態の摺動部材１よりも大きくなり、鋼裏金層と摺動層との界面でのせん断応力が大きくなる。

また、高パーライト相部８の平均厚さは、摺動層３との界面から５０〜４００μｍであり、高パーライト相部８は、厚さが高パーライト相部８の平均厚さ以上である厚領域８Ｌと、厚さが高パーライト相部８の平均厚さ未満である薄領域８Ｓとで区分した場合、厚領域８Ｌにおける高パーライト相部８の平均厚さと、薄領域８Ｓにおける高パーライト相部８の平均厚さとの差は、高パーライト相部８の平均厚さの３０％以上になされ、円筒形状の摺動部材１の周方向（周方向の断面視）において隣り合う厚領域８Ｌの間の平均長さ（すなわち、薄領域８Ｓの平均長さ）は、５０〜４００μｍとすることで、鋼裏金層２と多孔質焼結層４との界面では、せん断応力がさらに小さくなる。さらに、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面における高パーライト相部８の厚領域８Ｌの面積率は、２０〜５０％とすることで、鋼裏金層２と多孔質焼結層４との界面では、せん断応力がさらに小さくなる。

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ことが好ましいが、複数の異なる組成の粉末を混合した形態で含ませてもよい。そして、室温で、準備した混合粉を鋼板上にＦｅまたはＦｅ合金の粉末が０．２〜１ｍｍ離間するように散布した後、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、多孔質焼結層４の形成が開始される。そして、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の組織が完全に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の組織が完全に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、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。焼結時の昇温過程での鋼裏金層２の表面へのＮｉ原子の拡散により、鋼裏金層２の表面付近の組織は、内部の組織に比べてオーステナイト相への変態が促進され、表面付近のオーステナイト相の粒は、内部のオーステナイト相の粒よりも粗大に成長すると考えられる。また、液相状態となったＮｉ−Ｐ合金相７は、鋼裏金層２の表面に離間するように配置されたＦｅまたはＦｅ合金の粒の表面と鋼裏金層２の表面との間の隙間へ多く流動するため、ＦｅまたはＦｅ合金の粒が近接あるいは接触する鋼裏金層２の表面付近のオーステナイト相の粒が、特に粗大に成長すると考えられる。そして、鋼裏金層２の表面におけるオーステナイト相中へのＮｉ成分の拡散、および、オーステナイト相の粒の粗大化は、後述する冷却過程での鋼裏金層２の表面への高パーライト相部８の形成に関係している。

焼結後の冷却過程では、９００℃から７００℃に降温する間、鋼裏金層２の表面のうち、多孔質焼結層４を形成した側（多孔質焼結層４との界面となる側）と、多孔質焼結層４を形成しない側と、で冷却速度を変える必要がある。多孔質焼結層４を形成した側の鋼裏金層２の表面は、組織がオーステナイト相であったものが、７２７℃（Ａ１変態点）まで降温する間に組織中に初析フェライト相が多量に析出したり、７２７℃（Ａ１変態点）でオーステナイト相がフェライト相９とパーライト相１０とに共析変態したりすることを防ぎ、７００℃になったときにオーステナイト相と該オーステナイト相の粒界に網目状に析出する少量の初析フェライト相とからなる組織となるように急速に冷却する。なお、前述したように、昇温過程にて液相化したＮｉ−Ｐ合金相７のＮｉ成分は、多孔質焼結層４を形成した側の鋼裏金層２の表面、特に、多孔質焼結層４のＦｅまたはＦｅ合金の粒が近接あるいは接触する鋼裏金層２の表面付近におけるオーステナイト相へ拡散させる。このように、Ｎｉ成分を含むことでオーステナイト相が安定化し、冷却過程の７２７℃（Ａ１変態点）でのフェライト相９とパーライト相１０への共析変態が起き難くなるので、７００℃になったときでも多孔質焼結層４を形成した側の鋼裏金層２の表面の組織中にオーステナイト相を残留させることが容易になる。一方、多孔質焼結層４を形成しない側の鋼裏金層２の表面は、７２７℃（Ａ１変態点）となったときに、オーステナイト相がフェライト相９とパーライト相１０とに完全に変態する速度で冷却する。また、鋼裏金層２の内部は、多孔質焼結層４を形成しない側の鋼裏金層２の表面よりも冷却速度が遅くなるので、７２７℃（Ａ１変態点）となったときに、オーステナイト相がフェライト相９とパーライト相１０とに完全に変態する。

具体的な冷却方法としては、多孔質焼結層４を形成した側の鋼裏金層２の表面側のみに、直接、冷却ガス（例えば、窒素ガス）の噴射流（例えば、多孔質焼結層４の表面での衝突圧１ＭＰａ以上）を吹付けて急速に冷却し、その反対側となる多孔質焼結層４を形成しない側の鋼裏金層２の表面には、直接、冷却ガスの噴射流を吹付けないで、冷却装置内の雰囲気（多孔質焼結層４を形成した側の鋼裏金層２の表面側に吹き付けられた後の冷却ガス）との熱交換のみにより緩やかに冷却されるようにすればよい。また、鋼裏金層２を７００℃から室温まで降温させる間は、多孔質焼結層４を形成した側の鋼裏金層２の表面の組織中のオーステナイト相がパーライト相１０に変態するような冷却速度で徐冷すればよい。なお、多孔質焼結層４を形成しない側の鋼裏金層２の表面付近や、鋼裏金層２の内部の組織（組織中のパーライト相１０の割合や、パーライト相１０の平均粒径）は、７２７℃（Ａ１変態点）での共析変態によって決まり、７００℃から室温まで降温するまでの間の冷却速度の影響を受けない。

なお、焼結時の昇温過程で完全にオーステナイト相からなる組織とした鋼裏金層２を、冷却過程において本実施形態の鋼裏金層２の組織に変態させるための冷却速度、冷却時間は、亜共析鋼に関するＣＣＴ曲線図（連続冷却変態曲線図）やＴＴＴ曲線図（等温変態曲線図）を参照して決められる。

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（炭素成分の含有量によってパーライト相１０の割合が決められる通常の亜共析鋼の組織）となり、そのパーライト相１０の平均粒径は、１〜８μｍ程度となる。一方、摺動層３との界面となる鋼裏金層２の表面には、組織中のパーライト相１０の割合が５０体積％以上である高パーライト相部８が形成される。また、高パーライト相部８は、鋼裏金層２の表面と平行な方向に、厚さが増減を繰り返して変化するように形成される。また、高パーライト相部８は、網目状のフェライト相９と該網目状のフェライト相９に取り囲まれた粗大な粒状のパーライト相１０とからなる組織となり、摺動層３との界面となる高パーライト相部８の表面は、ほぼ、網目状のフェライト相９によって形成されるようになる。また、粗大な粒状のパーライト相９の平均粒径は、１０〜５０μｍであり、鋼裏金層２の内部のパーライト相１０の平均粒径よりも３倍以上大きくすることが好ましい。なお、高パーライト相部８は、ベイナイト相、ソルバイト相、トールースタイト相、マルテンサイト相、セメンタイト相、オーステナイト相を少量（組織中の割合で３％以下）含んでいてもよい。

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［００４３］に記載した樹脂組成物を用いることができる。そして、上記のように製造された平板形状の摺動部材は、図１に示すように、摺動層３が内周面、鋼裏金層２が外周面となるように円筒形状に成形され、円筒形状の摺動部材１が製造される。

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 高パーライト相部
８Ｌ 厚領域
８Ｓ 薄領域
９ フェライト相
１０ パーライト相

Claims (10)

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円筒形状の摺動部材において、
   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Ｎｉ−Ｐ合金相は、前記粒状のＦｅまたはＦｅ合金相どうし及び前記粒状のＦｅまたはＦｅ合金相と前記鋼裏金層とをつなぐバインダとして機能しており、
   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割合は、３０体積％以下であり、
   前記摺動層との界面となる前記鋼裏金層の表面には、組織中の前記パーライト相の割合が５０体積％以上である高パーライト相部が形成され、
   前記高パーライト相部は、前記円筒形状の摺動部材の周方向で厚さが異なるように薄領域と該薄領域よりも厚さが増加した厚領域とが交互に形成されていることを特徴とする摺動部材。
2. 前記高パーライト相部の組織中の前記パーライト相の割合は、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割合に対して２倍以上となっていることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
3. 前記高パーライト相部の平均厚さは、５０〜４００μｍであり、
   前記厚領域は、前記高パーライト相部の平均厚さ以上の厚さとなる領域である一方、前記薄領域は、前記高パーライト相部の平均厚さ未満の厚さとなる領域であり、
   前記厚領域における前記高パーライト相部の平均厚さと、前記薄領域における前記高パーライト相部の平均厚さとの差は、前記高パーライト相部の平均厚さの３０％以上であり、
   前記円筒形状の摺動部材の周方向において隣り合う前記厚領域の間の平均長さは、５０〜４００μｍ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. 前記高パーライト相部の前記摺動層との界面となる表面における前記厚領域の面積率は、２０〜５０％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. 前記高パーライト相部は、組織が網目状のフェライト相と該網目状のフェライト相に囲まれた粗大なパーライト相とからなり、
   前記粗大なパーライト相の平均粒径は、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平均粒径に対して３倍以上大きい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. 前記高パーライト相部の前記摺動層との界面となる表面における前記網目状のフェライト相の面積率は、９０％以上であることを特徴とする請求項５記載の摺動部材。
7. 前記高パーライト相部の前記摺動層との界面となる表面における前記網目状のフェライト相の厚さは、最大で５μｍであることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の摺動部材。
8. 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７のいずれかに記載の摺動部材。
9. 前記Ｎｉ−Ｐ合金相の組成は、９〜１３質量％のＰ、及び選択成分として１〜４質量％のＢ、１〜１２質量％のＳｉ、１〜１２質量％のＣｒ、１〜３質量％のＦｅ、０．５〜５質量％のＳｎ、０．５〜５質量％のＣｕから選択される１種以上を含有し、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７のいずれかに記載の摺動部材。
10. 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９のいずれかに記載の摺動部材。