JP6794411B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関や自動変速機に用いられる軸受や各種機械に用いられる軸受などの摺動部材に関するものである。詳細には、本発明は、鋼裏金層上に形成された摺動層を備える摺動部材に係るものである。

従来から内燃機関や自動変速機等の軸受部には、銅合金の摺動層および鋼裏金層からなる摺動部材を円筒形状や半円筒形状に成形したすべり軸受などの摺動部材が用いられている。摺動部材の使用時、例えばすべり軸受の場合には摺動層の摺動面と軸部材との間の隙間に油が供給されるが、油中に含まれる硫黄成分により摺動層である銅合金の摺動面が硫化腐食を起こしやすい。そのため、摺動層の銅合金に、耐食性を高めるためＮｉを含有させる提案がなされている（特許文献１、２参照）。

特表２０１２−５０９９９３号公報 特開２００３−２６９４５６号公報

特許文献１、２のＮｉを含有する銅合金からなる摺動層は、摺動部材の使用時、摺動層の摺動面での銅合金の硫化腐食は起き難くなるが、摺動面から内部に向かって銅合金の結晶粒界に沿って粒界腐食が起こる。これは、結晶粒界に沿って硫化腐食が進行するために生じるものである。この粒界腐食が銅合金の結晶粒界に沿って進行して摺動層の内部に達すると、摺動時に、結晶粒界が腐食した部分から、銅合金の結晶粒が個々に、あるいは、複数の結晶粒が一塊となって脱落し、摺動層の摺動面と相手軸表面との間に入り、摺動層の摺動面が傷つき損傷する。

本発明は、このような従来技術の問題を解決して、耐食性（耐粒界腐食性）に優れ、銅合金の結晶粒の脱落による損傷が起き難い摺動部材の提供を目的とする。

本発明によれば、鋼裏金層と、鋼裏金層上に設けられ、摺動面を有し、複数の閉空孔を含む摺動層とを備えた摺動部材が提供される。摺動層は、１〜１２質量％のＳｎ、１〜１５質量％のＮｉ、０．０１〜０．２質量％のＰを含み、残部がＣｕ及び不可避純物からなる銅合金部と、閉空孔を囲む銅合金部の内部表面を被覆する鉄リン酸化物膜とからなる。このように閉空孔は鉄リン酸化物膜により画定される。閉空孔は、銅合金部中に分散しており、摺動層中の閉空孔の体積割合は、摺動面に垂直方向の断面視にて０．１〜２体積％であり、閉空孔の平均径は１〜２０μｍである。

本発明の一具体例によれば、閉空孔は、４以下の平均アスペクト比を有することが好ましい。

本発明の一具体例によれば、鉄リン酸化物膜における、ＦｅとＰとＯの組成の質量比は、Ｆｅ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｐ_ＸＯ_Ｙであり、ここでＸ＝０．１〜０．３、Ｙ＝０．３〜０．５であることが好ましい。

本発明の一具体例によれば、銅合金部は、０．０１〜５質量％のＡｌ、０．０１〜５質量％のＳｉ、０．５〜１０質量％のＦｅ、０．１〜５質量％のＭｎ、０．１〜３０質量％のＺｎ、０．１〜５質量％のＳｂ、０．１〜５質量％のＩｎ、０．１〜５質量％のＡｇ、０．５〜２５質量％のＰｂ、０．５〜２０質量％のＢｉから選ばれる１種以上をさらに含むことが好ましい。

本発明の一具体例によれば、摺動層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｍｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｆｅ_２Ｐ、Ｆｅ_３Ｐのうちから選ばれる１種以上の硬質粒子を０．１〜１０体積％をさらに含むことが好ましい。

発明の摺動部材の摺動層の摺動面に垂直方向の断面の模式図。 図１の摺動層の組織を示す図。 図２の摺動層の閉空孔の拡大図。 閉空孔のアスペクト比（Ｘ１）を説明する図。 従来の摺動部材に起こる結晶粒脱落の説明図。

図１に本発明による摺動部材１の一具体例の断面を模式的に示す。この摺動部材１は、鋼裏金層２上に摺動層３が設けられた構成となっている。鋼裏金層２とは反対側の摺動層３の表面が摺動面３１を形成している。なお、摺動部材１は摺動層上に金属または合金からなる被覆層や、合成樹脂または合成樹脂を基とする被覆層を有してもよいが、被覆層の有無に関わらず本明細書では摺動層３の上記表面を摺動面３１と称する。
図２に図１に示す摺動層３の組織を示す。摺動層３は、銅合金部４と、銅合金部４中に多数の閉空孔５が分散した組織になっている。この閉空孔５は、主に、銅合金の結晶粒４１どうしの間の結晶粒界４２に分散した銅合金部４の空隙として存在している。この空隙は、その周囲を取り囲む銅合金部４の表面４３（以下、「内部表面」という）により画定され、銅合金部４の内部表面４３は鉄リン酸化物膜６により被覆されている（図３参照）。閉空孔５は鉄リン酸化物膜６の表面６１により画定される。すなわち、鉄リン酸化物膜６は、銅合金部４（の内部表面４３）と閉空孔５との間に存在する。各閉空孔５は、周囲を銅合金部４により囲まれており、摺動層３の表面に通じてはいない。各閉空孔５は、互いに分離して、銅合金部４に分散している。

鋼裏金層２は、例えば、炭素の含有量が０．０７〜０．３５質量％である亜共析鋼である。なお、鋼裏金層２は、０．０７〜０．３５質量％の炭素を含有し、さらに、０．４質量％以下のＳｉ、１質量％以下のＭｎ、０．０４質量％以下のＰ、０．０５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。

銅合金部４の組成は、１〜１２質量％のＳｎ、１〜１５質量％のＮｉ、０．０１〜０．２質量％のＰを含み残部Ｃｕ及び不可避純物からなるものでよい。
銅合金部４の組成中のＳｎ成分は、銅合金部４自体の強度を高めるが、含有量が１質量％未満では、この効果が不十分であり、また、含有量が１２質量％を超えると、銅合金部４が脆くなる。Ｎｉ成分は、銅合金部４の耐食性を高める成分として作用するが、含有量が１質量％未満では、この効果が不十分であり、また、含有量が１５質量％を超えると、銅合金部４が脆くなる。銅合金部４のＰ成分は、銅合金部４自体の強度を高めるが、含有量が０．０１質量％未満では、この効果が不十分であり、また、含有量が０．２質量％を超えると、銅合金が脆くなる。銅合金部４のＰ成分の含有量は、０．０５質量％以上、０．１５質量％以下であることが、より好ましい。このＮｉ成分、Ｐ成分は、後述する閉空孔５と接する銅合金部４の表面の鉄リン酸化物膜６の形成に影響する。

なお、銅合金部４は、上記組成にさらに０．０１〜５質量％のＡｌ、０．０１〜５質量％のＳｉ、０．５〜１０質量％のＦｅ、０．１〜５質量％のＭｎ、０．１〜３０質量％のＺｎ、０．１〜５質量％のＳｂ、０．１〜５質量％のＩｎ、０．１〜５質量％のＡｇ、０．５〜２５質量％のＰｂ、０．５〜２０質量％のＢｉから選ばれる１種以上を含むことができる。これら選択成分のうち、Ｂｉ成分、Ｐｂ成分を除く成分は、銅合金部４の強度を高め、Ｂｉ成分およびＰｂ成分は、銅合金部４の潤滑性を高める成分である。これら選択成分を２種以上含有する場合でも、選択成分の合計の含有量は４０質量％以下とすることが好ましい。また、銅合金部４は、原材料として用いる銅合金（粉末）の製造時より含まれる不可避不純物も含有してもよい。

摺動層３は、さらに、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｍｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｆｅ_２Ｐ、Ｆｅ_３Ｐから選ばれる１種以上の硬質粒子を０．１〜１０体積％を含むことができる。これら硬質粒子は、摺動層３の銅合金部４の素地に分散して摺動層３の耐摩耗性を高めるが、含有量が０．１体積％未満の場合には、その効果が不十分であり、また、１０体積％を超える場合には、摺動層３が脆くなる。

閉空孔５の総体積は、摺動層３の体積に対して０．１〜２％とすることが好ましい。閉空孔５の体積割合が０．１％未満であると耐食性を高める効果が不十分となり、２％を超えると摺動層３の強度が低くなる。また、上記作用を奏するには、閉空孔５の平均粒径は、１〜２０μｍとすることが好ましく、さらに２〜１５μｍとすることがより好ましい。

摺動層３の体積に対する閉空孔５の総体積の割合の測定方法を具体的に説明する。
上記の摺動層３の摺動面３１に垂直方向の断面の複数箇所（例えば５箇所）を、電子顕微鏡を用いて電子像を例えば２００倍で撮影し、得られた電子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、画像中の摺動層３（銅合金部４および閉空孔５）の面積の合計（Ａ１）に対する閉空孔５の合計の面積（Ａ２）の比（Ａ２／Ａ１）から求める。なお、この面積の比の値は、摺動層中に含まれる閉空孔５の体積割合に相当する。
閉空孔５の平均粒径は、上記の手法で得られた電子像を上記の像解析手法を用い画像中の複数個（例えば３０個）の閉空孔５の面積を測定し、それを円と想定した場合の平均直径（円相当径）に換算して求める。
ただし、上記の電子像の撮影倍率は、２００倍に限定されないで、他の倍率に変更することができる。

閉空孔５と銅合金部４との間には、鉄リン酸化物膜６が形成されている。閉空孔５の周囲の銅合金部４の表面を覆うように鉄リン酸化物膜６が形成され、閉空孔５は、鉄リン酸化物膜６により閉ざされている。
なお、閉空孔５部の鉄リン酸化物膜６の形成は、摺動部材１の摺動層３の摺動面３１に垂直方向の断面を、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）を用い、複数の閉空孔５部の面分析を行い閉空孔５の表面の全体に、Ｆｅ元素、Ｐ元素、Ｏ元素が検出されることで確認できる。
なお、摺動層３の断面組織中に含まれる閉空孔５のうち、体積割合で１０％以下の閉空孔５は、銅合金部４との間に鉄リン酸化物膜６が形成されないことは許容される。
また、鉄リン酸化物膜における、Ｆｅ元素とＰ元素とＯ元素の質量比は、Ｆｅ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｐ_ＸＯ_Ｙで表現した場合にＸ＝０．１〜０．３、Ｙ＝０．３〜０．５であることが好ましい（数値は質量比である）。
鉄リン酸化物膜６におけるＦｅとＰとＯの組成の質量比は、ＥＰＭＡを用い、倍率５０００倍で上記断面組織中の摺動層３の厚さ方向の中央部付近の複数の閉空孔５部の鉄リン酸化膜６の定量分析を行うことで確認できる。定量分析における検出元素としてＦｅ、ＰおよびＯを選択し、これら元素の特性Ｘ線強度をＺＡＦ補正計算法により質量濃度に変換し、このＦｅ、ＰおよびＯの質量濃度から算出した組成の質量比の値を算術平均することで確認できる。なお、定量分析のおける倍率は５０００倍に限定されないで、例えば５０００倍を超える倍率でおこなってもよい。
なお、鉄リン酸化物膜６は、上記組成に銅合金に含まれる成分（Ｐ元素は除く）を２０質量％以下、含む組成であることは許容される。

閉空孔５の平均アスペクト比は、５以下であることが好ましい。閉空孔５の平均アスペクト比は、５を超えると、摺動層３の強度が低くなることがある。さらに、閉空孔５の平均アスペクト比は、４以下であることが好ましい。閉空孔５の平均アスペクト比４以下であると、平均アスペクト比が４を超える場合よりも、摺動層の強度が高くなる。

閉空孔５の平均アスペクト比の測定は、上記の手法で得られた電子像を、上記の像解析手法を用いる。上記電子像中の各閉空孔５において、その閉空孔内に存在する最大長さの線分を長軸として、長軸と直交する方向での最大長さの線分を短軸とする。そして、各閉空孔５の長軸の長さＬ１と短軸の長さＳ１の比（長軸の長さＬ１／短軸の長さＳ１）を求め、それらの平均を算出して、平均アスペクト比とする（図４参照）。

図５を用いて従来のＮｉを含む銅合金からなる摺動層１３を有する摺動部材に生じる粒界腐食を説明する。従来の摺動部材は、摺動時、油中に含まれる硫黄成分により、摺動層１３の摺動面１３１に露出する銅合金の結晶粒界１４２を起点とし、摺動層１３１から内部に向かって銅合金の結晶粒界１４２に沿って腐食（硫化腐食）が進行する粒界腐食が起こる。摺動層の内部、特に摺動面付近では、銅合金結晶１４１の結晶粒界１４２に沿って腐食生成物（Ｃｕ_２Ｓ）７がネットワークを形成する。
結晶粒界１４２の全部または大部分が腐食すると、銅合金結晶粒１４１どうしの間の結合が弱まり、銅合金結晶粒１４１が個々に、あるいは、複数の銅合金結晶粒１４１が一塊となり、摺動層１３の摺動面１３１と相手軸８表面との間に脱落し、摺動層１３の摺動面１３１が傷つき損傷する。
Ｎｉを含有する銅合金の粒界腐食の機構は、明らかになっていないが、この粒界腐食による生成物は、硫化銅（Ｃｕ_２Ｓ）であり、油中に含まれるＳ成分と銅合金の結晶粒界１４２および結晶粒界１４２に近接する銅合金結晶粒１４１のＣｕ成分とが反応したものと考えられる。

他方、本発明の摺動部材１の摺動層３は、銅合金部４中に、主に銅合金の結晶粒４１どうしの間の結晶粒界４２部に多数の閉空孔５が分散した組織になっている。各閉空孔５は、銅合金部４との間に形成された鉄リン酸化物膜６により囲まれて互いに分離独立した、閉ざされた空間を有する空孔（隙間）である。この閉空孔５の空孔部の鉄リン酸化物膜６は、硫化腐食を生じにくい。
このため、発明の摺動部材１は、摺動時、摺動層３の摺動面に露出する銅合金の結晶粒界４２を起点として油中に含まれるＳ成分による腐食が摺動層３の内部に向かって銅合金の結晶粒界４２に沿って進行しても、銅合金の結晶粒界４２に存在する閉空孔５に達すると、閉空孔５の空孔部５１の表面の鉄リン酸化物膜６により、腐食の進行が停止し、銅合金の結晶粒界４２へのさらなる拡散が抑制される。このため、摺動層３の内部に粒界腐食部７のネットワークが形成され難く、摺動時に摺動層３の銅合金の結晶粒４１の脱落が防がれる。

以下に、本実施形態に係る摺動部材の作製方法について説明する。

まず、摺動層の上記組成の銅合金の粉末を準備する。また、摺動層に上記硬質粒子を含有させる場合は、銅合金粉末と硬質粒子との混合粉を作製する。

準備した銅合金粉末または混合粉を、鋼（例えば亜共析鋼）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８５０〜９８０℃の還元雰囲気で１次焼結を行い、鋼板上に空孔率が２７〜３８体積％の多孔質銅合金層を形成し、８０〜３５０℃まで冷却した後、大気雰囲気中で室温まで冷却する。この工程により、多孔質銅合金層の銅合金の表面に厚さが１０〜１２０ｎｍの銅酸化膜（Ｃｕ_２Ｏ）を形成する。１次焼結後の多孔質銅合金層は、各空孔がネットワークを形成した組織である。
代替の方法としては、１次焼結の冷却工程にて還元雰囲気で部材を室温まで冷却したのち、大気雰囲気中で部材を８０〜３５０℃の温度に加熱し、多孔質銅合金層の銅合金の表面に銅酸化膜（Ｃｕ_２Ｏ）を形成してもよい。

次に、多孔質銅合金層を空孔率が０．１〜２．５体積％となるように空孔を減少させるための１次圧延を行う。１次圧延後の銅合金層は、銅合金中に平均径が１〜２０μｍの閉空孔が分散した組織となる。

次に、圧延された部材は、焼結炉を用いて８５０〜９８０℃の還元雰囲気で２次焼結を行い、銅合金層をさらに焼結した後、室温まで冷却する。２次焼結での炉内の還元雰囲気の温度は、銅合金の固相線温度を超え液相線温度よりも低くする。１次圧延にて銅合金層を適度に緻密化しているため、銅合金層の内部の上記銅酸化膜（Ｃｕ_２Ｏ）は、この２次焼結での還元雰囲気により還元されることはない。

この２次焼結にて、閉空孔と接する銅合金部の表面に鉄リン酸化物膜が形成される。この生成過程は不明であるが、次のように考える。
２次焼結の昇温の過程で、部材の温度が、銅合金の固相線温度に超えてから最大温度に達するまでの間は、銅合金の一部が液相となる。この液相は、１次焼結後の多孔質銅合金層の表面であった部分で発生し、この液相に銅酸化膜の酸素成分が拡散する。次に、この銅合金の液相中のＮｉ、Ｐ成分の一部が、鋼裏金層の表面に拡散し、鋼裏金層のＦｅ成分が銅合金の液相中に拡散する。
この酸素成分およびＦｅ成分が拡散した銅合金の液相は、１次圧延にて形成された銅合金の表面どうしの間の僅かな隙間を毛細間現象により流動し、摺動層の表面（摺動面）に近い付近にまで達するが、流動する際に、銅合金の液相中の酸素成分およびＦｅ成分濃度が均一化すると考えられる。

部材が焼結温度（最大温度）に達する頃には、上記の１次圧延にて形成された銅酸化膜が形成された銅合金どうしの間の僅かな隙間は、焼結により無くなる。このため、銅合金の液相は、主に閉空孔部に移動すると考えられる。
部材が焼結温度（最大温度）に達した後の冷却の過程で、Ｆｅ成分、酸素成分を含む銅合金の液相は、主に閉空孔５と接する銅合金部４の表面で固化するが、その固化が完全に完了する前に液相中に鉄リン酸化物が晶出し、または、完全に固化した後に鉄リン酸化物が析出し、閉空孔５と接する銅合金部４の表面に鉄リン酸化物膜６が形成されると考えられる。
なお、摺動層の銅合金の結晶４１中や結晶粒界４２にも、僅かに鉄リン酸化物や鉄リン化合物が確認されることもある。

本発明の摺動部材は、内燃機関や自動変速機に用いられる軸受に限定されないで、各種機械に用いられる軸受に適用できる。また、軸受の形状は、円筒形状や半円筒形状に限定されないで、例えば、軸部材の軸線方向負荷を支承する円環形状や半円環形状のスラスト軸受や、自動変速機のクラッチ部（ワンウェイクラッチ）に用いられる略コ字状断面を有する円環形状のエンドプレート等にも適用できる。

なお、本発明の摺動部材は、摺動層および／または裏金層の表面にＳｎ、Ｂｉ、Ｐｂまたは、これら金属を基とする合金からなる被覆層や、合成樹脂または合成樹脂を基とする被覆層を有してもよい。

Claims (5)

1. 鋼裏金層と、
   前記鋼裏金層上に設けられ、摺動面を有し、複数の閉空孔を含む摺動層と
   を備えた摺動部材であって、
   前記摺動層は、
   １〜１２質量％のＳｎ、１〜１５質量％のＮｉ、０．０１〜０．２質量％のＰを含み、残部がＣｕ及び不可避純物からなる銅合金部と
   前記閉空孔を囲む前記銅合金部の内部表面を被覆して前記閉空孔を画定する鉄リン酸化物膜とからなり、
   前記閉空孔は、前記銅合金部中に分散し、前記摺動層中の前記閉空孔の体積割合は、前記摺動面に垂直方向の断面視にて０．１〜２体積％であり、前記閉空孔の平均径は１〜２０μｍである、摺動部材。
2. 前記閉空孔は、４以下の平均アスペクト比を有する、請求項１に記載された摺動部材。
3. 前記鉄リン酸化物膜におけるＦｅとＰとＯの質量比は、Ｆｅ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｐ_ＸＯ_Ｙであり、
   ここでＸ＝０．１〜０．３、Ｙ＝０．３〜０．５である、請求項１または請求項２に記載された摺動部材。
4. 前記銅合金部は、０．０１〜５質量％のＡｌ、０．０１〜５質量％のＳｉ、０．５〜１０質量％のＦｅ、０．１〜５質量％のＭｎ、０．１〜３０質量％のＺｎ、０．１〜５質量％のＳｂ、０．１〜５質量％のＩｎ、０．１〜５質量％のＡｇ、０．５〜２５質量％のＰｂ、０．５〜２０質量％のＢｉから選ばれる１種以上をさらに含む、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された摺動部材。
5. 前記摺動層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｍｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｆｅ_２Ｐ、Ｆｅ_３Ｐのうちから選ばれる１種以上の硬質粒子を０．１〜１０体積％をさらに含む、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動部材。