JP6794412B2

JP6794412B2 - 摺動部材

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Publication number: JP6794412B2
Application number: JP2018175256A
Authority: JP
Inventors: 麻子池上; 高顕北原
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: JP2020045529A

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する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、銅合金部の銅合金結晶の結晶粒界に存在する鉄リン酸化物とを有する。

本発明の一具体例によれば、鉄リン酸化物における、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＝０．３〜０．６５であることが好ましい。

本発明の一具体例によれば、銅合金部の結晶粒界における鉄リン酸化物の数割合は、結晶粒界の長さ５０μｍあたり１個以上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の摺動層の銅合金部の結晶粒界の拡大図。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からなり、その組織は多数の銅合金の結晶粒４１からなっており、結晶粒４１どうしの界面には結晶粒界４２が存在する。図３に、図２に示す銅合金部４の組織の拡大図を示す。結晶粒界４２には、多数の鉄リン酸化物６が存在している。なお、図３では、鉄リン酸化物６は、理解を容易にするために、誇張して描かれている。

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、後述する銅合金部４の結晶粒界４２の鉄リン酸化物６の分散に影響する。

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。

空孔が摺動層３の銅合金部４中に形成されてもよいが、摺動層３は、緻密にすることが好ましく、その場合、摺動層３中の空孔（図示しない）の体積割合を０．１体積％未満とすることが好ましい。空孔は、摺動層３の銅合金部４中にも形成されることがあるが、空孔の体積割合が０．１体積％未満であると、空孔の体積割合が０．１体積％以上である場合よりも、銅合金部４の強度が高くなり摺動層３の耐摩耗性に優れる。

ここで、摺動層３の体積に対する空孔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−ＰｒｏＰｌｕｓ（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および空孔）の面積の合計（Ａ１）に対する空孔の合計の面積（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空孔の体積割合に相当する。
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。

銅合金部４の結晶粒４１どうしの間の結晶粒界４２には、鉄リン酸化物６が形成されている。
なお、結晶粒界４２における鉄リン酸化物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、複数の結晶粒界４２部の面分析を行い結晶粒界４２部におけるＦｅ元素、Ｐ元素、Ｏ元素を検出することにより確認できる。
そして、鉄リン酸化物６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＝０．３〜０．６５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鉄リン酸化物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、定量分析における倍率は５０００倍に限定されないで、例えば５０００倍を超える倍率で行なってもよい。

銅合金部４の結晶粒界４２における鉄リン酸化物６の数割合は、結晶粒界の長さ５０μｍあたり１個以上であることが好ましく、結晶粒界の長さ３０μｍあたり１個以上であることがより好ましい。

銅合金４の結晶粒界４２における鉄リン酸化物６の数割合の測定は、上記の手法で得られた電子像を、上記の画像解析手法を用いる。上記電子像中の複数の銅合金の結晶４１の結晶粒界４２上の鉄リン酸化物６の個数Ｘおよび結晶粒界４２の長さＬを測定する。そして、各結晶粒界４２上の鉄リン酸化物６の個数Ｘと結晶粒界４２の長さ（周囲長）Ｌの比（Ｘ／Ｌ）を求め、それらの平均を算出して、銅合金４の結晶粒界４２における鉄リン酸化物６の数割合とする。

図４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の銅合金部４は、多数の結晶粒４１を有しており、結晶粒４１どうしの間の界面は結晶粒界４２部を形成している。多数の鉄リン酸化物６は主に結晶粒界４２部に存在している。この鉄リン酸化物６は、硫化腐食を生じにくい。このため、本発明の摺動部材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に存在する鉄リン酸化物６に達すると、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。したがって、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、多孔質銅合金層を緻密化させるための１次圧延を行う。この場合、空孔率が０．１体積％未満とすることが好ましい。

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、銅合金部４の結晶粒界４２部に鉄リン酸化物が形成される。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合金どうしの間の僅かな隙間は、銅合金の液相により満たされるようになる。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、銅合金部４の結晶粒界４２部で固化するが、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、銅合金部４の結晶粒界４２に鉄リン酸化物６が存在すると考えられる。
なお、摺動層の銅合金の結晶４１中にも、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

鋼裏金層と、
前記鋼裏金層上に設けられ、摺動面を有する摺動層と
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
前記銅合金部の銅合金結晶の結晶粒界に存在する鉄リン酸化物と
を有する、摺動部材。
前記鉄リン酸化物における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＝０．３〜０．６５である、請求項１に記載された摺動部材。
前記銅合金部の結晶粒界における鉄リン酸化物の数割合は、結晶粒界の長さ５０μｍあたり１個以上である、請求項１または請求項２に記載された摺動部材。
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。
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。