JP7125647B1 - 摺動部材および軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＬＢＣ３よりも耐焼付性の点で改善された摺動部材を提供する。【解決手段】摺動部材は、金属基材と、金属基材の一の面に形成される多孔質層と、多孔質層を被覆する摺動層を備える。摺動層は、樹脂組成物で形成されており、多孔質層は、ＣｕおよびＳｎを含むマトリックス相と、マトリックス相中に分散している硬質粒子であって、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子と、を有する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、摺動部材および当該摺動部材から構成される軸受に関する。
鉛青銅系焼結軸受合金は自動車や一般産業機械の摺動部材料として広く用いられている。鉛青銅の主成分は、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｐｂであり、銅合金鋳物としてＪＩＳ Ｈ５１２０などで規定されている。この中で、ＣＡＣ６０３（以下ＬＢＣ３と称する）として規定されている銅合金は、中高速・高荷重用軸受、大形エンジン用軸受などが用途として挙げられている。この銅合金中に質量で１０％程度含まれている鉛は、固体潤滑剤として摩擦特性を向上させる役割を担っている。軟質金属である鉛が容易に塑性変形することで、摩擦する二面間の間で潤滑剤として働き、結果的に摩擦特性の優れた材料となる。
しかしながら、汎用品であるＬＢＣ３では、使用環境の高速化や高荷重化などにより、十分な潤滑が得られない境界潤滑のような使用環境においては著しい摩耗や焼付が発生し、その改善が課題となっている。
特許文献１、２では、鉛を含まない摺動材料として、Ｃｕを主成分としてＣｕ基にＳｎとＢｉを添加したＣｕ－Ｓｎ－Ｂｉ合金の銅系摺動材料が提案されている。
特開２００８－５０６８８号公報 特開２００５－１６３０７４号公報
本発明は、以上のような点を考慮してなされたものである。本発明の目的は、ＬＢＣ３よりも耐焼付性の点で改善された摺動部材および軸受を提供することにある。
本発明の第１の態様に係る摺動部材は、
金属基材と、
前記金属基材の一の面に形成される多孔質層と、
前記多孔質層を被覆する摺動層を備え、
前記摺動層は、樹脂組成物で形成され、
前記多孔質層は、
ＣｕおよびＳｎを含むマトリックス相と、
前記マトリックス相中に分散している硬質粒子であって、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子と、を有する。
本発明の第２の態様に係る摺動部材は、第１の態様に係る摺動部材であって、
前記多孔質層は、
前記マトリックス相中に分散している化合物相であって、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＳｉおよびＣｒを含む化合物相をさらに有する。
本発明の第３の態様に係る摺動部材は、第１または２の態様に係る摺動部材であって、
前記多孔質層全体を１００質量％とした時に前記硬質粒子の含有率は４０質量％以下である。
本発明の第４の態様に係る摺動部材は、第１～３のいずれかの態様に係る摺動部材であって、
前記摺動層中には、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末と、ＭｏＳ2を含む粉末と、ラーベス相を含まない青銅粉末の少なくとも１つ以上が分散されている。
本発明の第５の態様に係る摺動部材は、
金属基材と、
前記金属基材の一の面に形成される多孔質層と、
前記多孔質層を被覆する摺動層を備え、
前記摺動層は、樹脂組成物で形成され、
前記摺動層中には、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末が分散されている。
本発明の第６の態様に係る摺動部材は、第１～５のいずれかの態様に係る摺動部材であって、
前記多孔質層の厚みと前記摺動層の厚みの比率は、６：４～８：２である。
本発明の第７の態様に係る摺動部材は、第１～６のいずれかの態様に係る摺動部材であって、
前記多孔質層と前記摺動層とを合わせた全体を１００質量％とした時に前記硬質粒子の含有率と前記硬質粒子粉末の含有率との合計は１～２０質量％である。
本発明の第８の態様に係る軸受は、
第１～７のいずれかの態様に係る摺動部材から構成される軸受であって、
円筒状の内周面を有し、前記内周面が前記摺動層で構成されている。
本発明によれば、ＬＢＣ３よりも耐焼付性の点で改善された摺動部材および軸受を提供できる。
図１は、一実施の形態に係る摺動部材の概略構成を示す縦断面図である。 図２Ａは、一実施の形態に係る摺動部材の断面組織の反射電子組成像である。 図２Ｂは、一実施の形態に係る摺動部材の多孔質層の断面組織の反射電子組成像である。 図２Ｃは、一実施の形態に係る摺動部材の多孔質層の断面組織のＥＰＭＡによるＳｎのマッピング画像である。 図２Ｄは、一実施の形態に係る摺動部材の多孔質層の断面組織のＥＰＭＡによるＣｏのマッピング画像である。 図２Ｅは、一実施の形態に係る摺動部材の多孔質層の断面組織のＥＰＭＡによるＭｏのマッピング画像である。 図２Ｆは、一実施の形態に係る摺動部材の多孔質層の断面組織のＥＰＭＡによるＳｉのマッピング画像である。 図３Ａは、一実施の形態の一変形例に係る摺動部材の断面組織の反射電子組成像である。 図３Ｂは、一実施の形態の一変形例に係る摺動部材の断面組織のＥＰＭＡによるＳｎのマッピング画像である。 図３Ｃは、一実施の形態の一変形例に係る摺動部材の断面組織のＥＰＭＡによるＣｏのマッピング画像である。 図３Ｄは、一実施の形態の一変形例に係る摺動部材の断面組織のＥＰＭＡによるＭｏのマッピング画像である。 図３Ｅは、一実施の形態の一変形例に係る摺動部材の断面組織のＥＰＭＡによるＳｉのマッピング画像である。 図４は、一実施の形態の別の一変形例に係る摺動部材の概略構成を示す縦断面図である。 図５Ａは、一実施の形態の第１変形例に係る摺動部材の摺動層の断面組織の反射電子組成像である。 図５Ｂは、一実施の形態の第１変形例に係る摺動部材の摺動層の断面組織のＥＰＭＡによるＭｏのマッピング画像である。 図５Ｃは、一実施の形態の第１変形例に係る摺動部材の摺動層の断面組織のＥＰＭＡによるＳのマッピング画像である。 図６Ａは、一実施の形態の第２変形例に係る摺動部材の摺動層の断面組織の反射電子組成像である。 図６Ｂは、一実施の形態の第２変形例に係る摺動部材の摺動層の断面組織のＥＰＭＡによるＣｏのマッピング画像である。 図６Ｃは、一実施の形態の第２変形例に係る摺動部材の摺動層の断面組織のＥＰＭＡによるＭｏのマッピング画像である。 図６Ｄは、一実施の形態の第２変形例に係る摺動部材の摺動層の断面組織のＥＰＭＡによるＳｉのマッピング画像である。 図７は、一実施の形態に係る軸受の概略構成を示す斜視図である。 図８は、一実施の形態に係る摺動部材の製造工程を示す図である。 図９は、スラスト試験機の概略構成を示す図である。 図１０は、実施例１および比較例１の試験片についての周速に対する熱抵抗を示すグラフである。 図１１は、実施例１および比較例１の試験片についての限界ＰＶ曲線を示すグラフである。 図１２は、実施例２～４の試験片についての限界ＰＶ曲線を示すグラフである。 図１３は、実施例５～８の試験片についての限界ＰＶ曲線を示すグラフである。 図１４は、実施例８および比較例１、２の試験片についての限界ＰＶ曲線を示すグラフである。 図１５は、実施例４、７、８および比較例１、２の試験片についての面圧１０ＭＰａにおける摩耗量を示すグラフである。
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本明細書において、組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。また、本明細書において、「○○～△△」（○○、△△はいずれも数字）は、特に指定しない限り「○○以上△△以下」を意味する。また、本明細書において、「主成分」とは、組成物全体に対して５０質量％以上含まれている成分をいう。また、本明細書において、「硬質粒子粉末」とは、焼結前の混合粉末中の粉末または摺動層の樹脂組成物中に分散している粉末をいい、「硬質粒子」とは、焼結後の多孔質層中の粒子をいう。後述するように、焼結時に硬質粒子粉末に含まれるＣｕとＳｎがマトリックス相中にある程度移動するため、多孔質層中の硬質粒子の含有量は、混合粉末中の硬質粒子粉末の配合量から変動し、硬質粒子中の各構成元素の含有量は、硬質粒子粉末中の各構成元素の含有量とは異なるものとなる（硬質粒子は、化学成分のうちＳｎとＣｕの含有率が硬質粒子粉末に比べてある程度下がった組成の粒子である）。
＜摺動部材の構成＞
図１は、一実施の形態に係る摺動部材１の概略構成を示す縦断面図であり、図２Ａは、摺動部材１の断面組織の反射電子組成像である。図１および図２Ａに示すように、摺動部材１は、金属基材２と、金属基材２の一の面である表面に形成される多孔質層３と、多孔質層３を被覆する摺動層４と、を備えている。
このうち金属基材２の材質は、軸受の裏金母材として利用できる程度の強度および形状安定性を有するものであれば、特に限定されないが、たとえば、低炭素鋼（ＳＰＣＣ，ＳＳ４００など）であってもよいし、Ｆｅ系の板材にＣｕがめっきされた銅メッキ鋼板であってもよい。
多孔質層３は、金属基材２の表面に、金属粉末（後述する混合粉末、または噴霧時に混合粉末を合金化させた合金粉末）が焼結されて形成されている。多孔質層３の厚さは、金属粉末が少なくとも２個以上重なって焼結され得る厚さであってもよく、たとえば０．３ｍｍ以下であってもよい。
多孔質層３は、ＣｕおよびＳｎを含むマトリックス相と、マトリックス相中に分散している硬質粒子とを有している。図２Ｂは、多孔質層３の断面組織の反射電子組成像である。図２Ｃは、多孔質層３の断面組織の電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ；ＥＰＭＡ）によるＳｎのマッピング画像であり、図２Ｄは、Ｃｏのマッピング画像であり、図２Ｅは、Ｍｏのマッピング画像であり、図２Ｆは、Ｓｉのマッピング画像である。なお、図２Ｂ～図２Ｆに示す例では、多孔質層３は、後述する混合粉末を噴霧時に合金化させた合金粉末が焼結されて形成されたものである。合金粉末にされることで、粉末の焼結が促進してネックが形成され、粉末同士が十分に接合され得る。また、合金粉末にされることで、硬質粒子が微細化され、マトリックス相中に一様に分散される。一変形例として、後述する摺動層４中に硬質粒子粉末４ａが分散されている場合には、多孔質層３は硬質粒子を含んでいなくてもよい。図３Ａは、多孔質層３が硬質粒子を含んでおらず、摺動層４中に硬質粒子粉末４ａが分散されている摺動部材１の断面組織の反射電子組成像であり、図３Ｂは、ＥＰＭＡによるＳｎのマッピング画像であり、図３Ｃは、ＥＰＭＡによるＣｏのマッピング画像であり、図３Ｄは、ＥＰＭＡによるＭｏのマッピング画像であり、図３Ｅは、ＥＰＭＡによるＳｉのマッピング画像である。
図２Ｃおよび図３Ｂに示すように、マトリックス相は、主成分としてＣｕを含み、さらにＳｎを含む青銅系合金である。マトリックス相は、Ｃｕ、ＳｎおよびＮｉの固溶体で構成されていてもよい。
マトリックス相の結晶粒界にはＢｉ粒子が分布していてもよい。この場合、摺動層４が摩耗して多孔質層３の一部が露出される摩擦面においてＢｉが従来の鉛青銅のＰｂと同様の自己潤滑作用を発現し、摩擦する二面間の間で潤滑剤として働くことで、摩擦低減を図ることができる。
図２Ｄ～図２Ｆに示すように、硬質粒子は、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含んでいる。また、図３Ｂ～図３Ｅに示すように、硬質粒子粉末４ａは、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含んでいる。ここで、ラーベス相とは、原子半径比が１．２：１付近となるＡ元素とＢ元素からなるＡＢ2型を基本とした金属間化合物であり、ＭｇＺｎ2（Ｃ１４）型、ＭｇＣｕ2（Ｃ１５）型、ＭｇＮｉ2（Ｃ３６）型の３種の構造がある。Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成（より詳しくは、Ｃｏ3Ｍｏ2Ｓｉ）で構成されるラーベス相は、Ａ元素をＭｏ、Ｂ元素をＣｏとし、Ｃｏの２５ａｔ％をＳｉに置換したラーベス相であり、六方晶構造を有するＭｇＺｎ2型である。Ｃｏ3Ｍｏ2Ｓｉで構成されるラーベス相のビッカース硬さは、Ｈｖ１０００～１２００である。
摺動層４が摩耗して多孔質層３の一部が露出される際に、マトリックス相の中に分散している硬質粒子は、マトリックス相となる軟質な青銅よりも高い荷重を受けると考えられるが、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成される硬いラーベス相が摩擦面に析出して負荷を支えることで、多孔質層３の摩耗低減に有利に作用し得る。また、摺動層４中に硬質粒子粉末４ａが分散されている場合でも、摺動層４が摩耗して硬質粒子粉末４ａが露出した際に上記と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、ラーベス相中のＭｏと潤滑油中のＳによって摩擦面にＭｏＳ2の硫化被膜が形成され得る。ＭｏＳ2は、鉛の固体潤滑性を代替させ摩擦特性の向上に寄与する硫化物として知られている材料であり、モリブデン間、モリブデンと硫黄間の結合に比べて、硫黄間の結合が弱いため、摩擦が起こると選択的に硫黄間の結合が切れることによって潤滑が起こり、摩耗の抑制に有効に作用し得る。また、ラーベス相中のＭｏの摺動中の酸化によって摩擦面に生じるＭｏ酸化物も潤滑効果を発揮して摩耗の抑制に有効に作用し得る。
多孔質層３が硬質粒子を含んでいる場合には、多孔質層３全体を１００質量％とした時に、硬質粒子の含有率は、たとえば４０質量％以下であってもよい。多孔質層３全体を１００質量％とした時に、硬質粒子の含有量は、たとえば０．１質量％以上であってもよい。硬質粒子の含有量が０．１質量％以上であれば、上述したような多孔質層３の摩耗低減の効果が得られる。また、多孔質層３全体を１００質量％とした時に、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相の含有率は、たとえば０．１～２０質量％であってもよい。後述する摺動層４中に硬質粒子粉末４ａが分散されており、多孔質層３が硬質粒子を含んでいない場合には、多孔質層３全体を１００質量％とした時に、ＣｕおよびＳｎの含有率の合計は、９９．９％以上であってもよい。
多孔質層３は、マトリックス相中に分散している化合物相をさらに有していてもよい。
化合物相は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＳｉおよびＣｒを含んでいる。マトリックス相の中に化合物相が形成されることで、マトリックス相の硬度を高めることができ、耐焼付性の向上に有利に作用し得る。
摺動層４は、多孔質層３に樹脂組成物が所定の厚さで含浸され、多孔質層３に含浸された樹脂組成物が焼成されて形成される。摺動層４の厚さ（金属基材２の表面からの厚さ）は、多孔質層３が露出しないように、多孔質層３の厚さより平均して厚く設定されてもよい。
摺動層４の樹脂組成物は、主成分としてフッ素樹脂を含む。樹脂組成物のベース樹脂となるフッ素樹脂としては、たとえばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）、ＦＥＰ（パーフルオロエチレンプリペンコポリマー）、ＥＦＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー）などが用いられてもよい。
樹脂組成物は、フッ素樹脂としてＰＴＦＥを主成分として含み、ＰＴＦＥ以外のＰＦＡ等の他のフッ素樹脂を任意の添加物として含んでもよい。任意の成分として含まれる他のフッ素樹脂の含有量は、樹脂組成物中０ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下であってもよい。
ＰＴＦＥ樹脂の市販品としては、ポリフロン（登録商標） D-210C、F-201（ダイキン工業社製）、Ｆｌｕｏｎ（登録商標） ＡＤ９１１Ｄ（旭硝子社製）、テフロン（登録商標） ３１ＪＲ、６Ｃ－Ｊ（三井・デュポンフロロケミカル社製）などを挙げることができる。
一変形例として、図４に示すように、摺動層４の樹脂組成物中には、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末４ａと、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）粉末４ｂと、ラーベス相を含まない青銅粉末のうちの少なくとも１つ以上が分散されていてもよい。なお、多孔質層３が硬質粒子を含んでいない場合には、摺動層４中に硬質粒子粉末４ａが分散されていることは必須である。
図５Ａは、樹脂組成物中に二硫化モリブデン粉末４ｂが分散されている摺動層４の断面組織の反射電子組成像であり、図５Ｂは、ＥＰＭＡによるＭｏのマッピング画像であり、図５Ｃは、ＥＰＭＡによるＳのマッピング画像である。上述したように、ＭｏＳ2は、鉛の固体潤滑性を代替させ摩擦特性の向上に寄与する硫化物として知られている材料であり、モリブデン間、モリブデンと硫黄間の結合に比べて、硫黄間の結合が弱いため、摩擦が起こると選択的に硫黄間の結合が切れることによって潤滑が起こり、摩耗の抑制に有効に作用し得る。
図６Ａは、樹脂組成物中に硬質粒子粉末４ａが分散されている摺動層４の断面組織の反射電子組成像であり、図６Ｂは、ＥＰＭＡによるＣｏのマッピング画像であり、図６Ｃは、ＥＰＭＡによるＭｏのマッピング画像であり、図６Ｄは、ＥＰＭＡによるＳｉのマッピング画像である。摺動層４中に分散している硬質粒子粉末４ａは、摺動層４を形成する樹脂組成物よりも高い荷重を受けると考えられるが、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成される硬いラーベス相が摩擦面に析出して負荷を支えることで、摺動層４の摩耗低減に有利に作用し得る。
別の一変形例として、摺動層４の樹脂組成物は、亜鉛化合物（ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＺｎＳＯ4（硫酸亜鉛など）、炭素繊維、酸化鉄、硫酸バリウム、アラミド繊維、黒鉛、カルシウム化合物（ＣａＣＯ3（炭酸カルシウム）、ＣａＳＯ4（硫酸カルシウム）、Ｃａ（ＯＨ）2（水酸化カルシウム）など）、亜鉛、亜鉛合金のいずれか、または複数種を、任意の添加物として含んでいてもよい。樹脂組成物が亜鉛化合物を含むことで、弾性率の向上により摺動層４の変形が抑制され、外力により摺動層４が変形して接触面積が増減することが抑制され得る。また、樹脂組成物が炭素繊維を含むことで、動摩擦力の値、および静摩擦力と動摩擦力の変化を改善し、摺動特性を改善することができる。樹脂組成物が酸化鉄を含むことで、耐摩耗性の向上に加え、弾性率を向上させることができる。樹脂組成物が硫酸バリウムまたはアラミド繊維を含むことで、亜鉛化合物の添加により弾性率を改善することを阻害することなく、耐摩耗性を高くすることができる。樹脂組成物が黒鉛を含むことで、亜鉛化合物の添加により弾性率を改善することを阻害することなく、摩擦抵抗を低下させることができる。樹脂組成物がカルシウム化合物、亜鉛または亜鉛合金を含むことで、亜鉛化合物の添加により弾性率を改善することを阻害することなく、耐摩耗性を改善させることができる。
多孔質層３の厚みと摺動層４の厚みの比率は、６：４～８：２であってもよく、たとえば７：３であってもよい。
本実施の形態に係る摺動部材１として、（１）多孔質層３に硬質粒子が含まれるが、摺動層４には硬質粒子粉末４ａが含まれない態様、（２）多孔質層３には硬質粒子が含まれないが、摺動層４に硬質粒子粉末４ａが含まれる態様、（３）多孔質層３に硬質粒子が含まれ、かつ、摺動層４に硬質粒子粉末４ａが含まれる態様の３つがあるが、（１）～（３）のいずれの態様おいても、多孔質層３と摺動層４とを合わせた全体（すなわち、摺動部材１全体から金属基材２を除いたもの）を１００質量％とした時に、硬質粒子の含有率と硬質粒子粉末４ａの含有率との合計は１～２０質量％であってもよく、たとえば、１５質量％であってもよい。
＜軸受の構成＞
次に、一実施の形態に係る軸受２０の構成について説明する。図７は、一実施の形態に係る軸受２０の概略構成を示す斜視図である。図７に示すように、軸受２０は、たとえばすべり軸受であり、上述した構成を有する摺動部材１を、摺動層４を内側として環状に構成される。軸受２０は、円筒状の内周面を形成する摺動層４にて被摺動物である軸２１を支持する。
軸受２０は、軸２１が回転運動する形態、あるいは直線運動する形態のいずれであっても適用可能である。軸受２０は、たとえば、自動車等のショックアブソーバ等、直線運動する形態で油が用いられる摺動部に使用されてもよい。また、軸受２０は、歯車状の部材が回転することで、油を送出するギアポンプ等、回転運動する形態で油が用いられる摺動部に使用されてもよい。また本実施の形態に係る軸受の別形態として、トランスミッション等で用いられる転がり軸受も挙げられる。
＜摺動部材および軸受の製造方法＞
次に、図８を参照し、本実施の形態に係る摺動部材１および軸受２０の製造方法について説明する。図８は、摺動部材１の製造工程を示す図である。
図８に示すように、まず、ＣｕおよびＳｎを含む第１粉末と、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末とを混合して混合粉末を作製する（ステップＳ１０）。第１粉末および硬質粒子粉末に加えて、さらにＣｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＳｉおよびＣｒを含む第２粉末を混合して混合粉末を作製してもよい。
ここで、第１粉末は、主成分としてＣｕを含み、さらにＳｎを含む青銅系合金粉末である。第１粉末は、ＢｉまたはＰをさらに含んでいてもよい。第１粉末がＢｉを含む場合には、後述する混合粉末の焼結時（すなわちステップＳ１２）に、マトリックス相１０の中にＢｉ粒子が析出し、Ｂｉが従来の鉛青銅のＰｂと同様の自己潤滑作用を発現するため、低摩擦化を図ることができる。また、第１粉末がＰを含む場合には、銅に混入した酸素を除去（脱酸）して水素脆化を抑制することができる。第１粉末の各構成元素の含有量は、Ｓｎ：１０～１１質量％、Ｃｕ：残部であってもよい。更にＢｉを含有する場合は、Ｂｉ：７～９質量％、Ｐを含有する場合は、Ｐ：０．０２質量％以下が好ましい。混合粉末における第１粉末の配合量は、混合粉末全体の配合量より第１粉末以外の粉末の合計配合量を差し引いた残部の量である。
硬質粒子粉末は、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相とＣｕを含む合金粉末であって、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、ＣｏおよびＣｒを含む硬質粒子粉末である。硬質粒子粉末は、Ｓｎをさらに含んでいてもよく、たとえば、Ｓｎを１質量％以上含んでいてもよい。Ｓｎを含まない硬質粒子粉末の固相温度は１４５０℃近くに達するが、Ｓｎを含有させることで、硬質粒子粉末の固相温度を低減させることができ、８００℃近くで硬質粒子粉末を裏金母材へ固相焼結させることが可能となる。また、硬質粒子粉末に内包されたＳｎは、焼結時に第１粉末によるＣｕ－Ｓｎマトリックス相側へ固溶し、拡散接合される。Ｓｎを介しての粉末収縮により焼結が進行することで、マトリックス相中のＳｎと硬質粒子粉末に内包されたＳｎによる固溶強化が発現し得る。硬質粒子粉末中の各構成元素の含有量は、硬質粒子粉末全体を１００質量％とした時にＣｏ：１４～２０質量％、Ｍｏ：２４～２８質量％、Ｓｉ：３～７質量％、Ｆｅ：２～１６質量％、Ｃｒ：１～１０質量％、Ｃｕ：残部であってもよい。Ｓｎを含む場合には、硬質粒子粉末中の各構成元素の含有量は、硬質粒子粉末全体 を１００質量％とした時にＣｏ：１４～２０質量％、Ｍｏ：２４～２８質量％、Ｓｉ：３～７質量％、Ｆｅ：２～１６質量％、Ｃｒ：１～１０質量％、Ｓｎ：１～１５質量％、Ｃｕ：残部であってもよい。混合粉末全体を１００質量％とした時（すなわち摺動層３全体を１００質量％とした時）に硬質粒子粉末の配合量は１～４０質量％であってもよく、１～３質量％が好ましい。焼結時に硬質粒子粉末よりＣｕとＳｎが溶け出すため、摺動層３中の硬質粒子の含有量は、混合粉末中の硬質粒子粉末の配合量から変動する。
第２粉末は、主成分としてＣｕを含み、さらにＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＳｉおよびＣｒを含む合金粉末である。第２粉末は、Ｓｎをさらに含んでいてもよく、たとえば、Ｓｎを１質量％以上含んでいてもよい。Ｓｎを含まない第２粉末の固相温度は１２４０℃近くに達するが、Ｓｎを含有させることで、第２粉末の固相温度を低減させることができ、８００℃近くで第２粉末を裏金母材へ固相焼結させることが可能となる。Ｓｎを含む場合には、第２粉末中の各構成元素の含有量は、第２粉末全体を１００質量％とした時にＣｏ：０．６～４．６質量％、Ｆｅ：１．６～５．６質量％、Ｎｉ：１０～１４質量％、Ｓｉ：０．５～４．５質量％、Ｃｒ：０．５～１．５質量％、Ｓｎ：１～１５質量％、Ｃｕ：残部であってもよい。混合粉末中に第２粉末を含む場合は、混合粉末全体を１００質量％とした時に第２粉末の配合量は２～３８質量％であってもよく、１０～３８質量％が好ましく、１７～１９質量％がより好ましい。
混合粉末全体を１００質量％とした時に硬質粒子粉末の配合量は１～４０質量％であり、第２粉末の配合量は１５～１８質量％であってもよい。この場合、優れた剪断加工性を実現できる。
第１粉末、硬質粒子粉末および第２粉末はそれぞれ、たとえばガスアトマイズ法による噴霧により製造することできる。ガスアトマイズ法において、溶解の熱源は高周波であってもよく、ルツボ（底部にノズル付）にはジルコニア質を使用してもよい。
第１粉末の粒径は、たとえば４５μｍ～１８０μｍであってもよい。硬質粒子粉末の粒径は、５３μｍ以下の微粉であってもよい。第２粉末の粒径は、５３μｍ～１５０μｍであってもよい。ここで「粒径」とは、マイクロトラック・ベル社製 粒子径分布測定装置ＭＴ３３００ＥＸＩＩを用いたレーザー回折・散乱法により測定される粒子径分布をいう。この測定方法は、ＪＩＳ Ｚ３２８４－２の「４．２．３のレーザー回折式粒度分布測定試験」のうちペーストから粉末を抽出する工程以降の試験手順に準じた測定方法である。
次に、図８に示すように、金属基材２の一の面上に第１粉末、硬質粒子粉末を含む混合粉末を散布する（ステップＳ１１）。混合粉末は、第２粉末を含んでもよい。ステップＳ１１において、噴霧時にアトマイズ処理により混合粉末を合金化させた合金粉末を金属基材２の一の面上に散布してもよい。そして、金属基材２上に散布された混合粉末（または合金粉末）を８００～９００℃で焼結して多孔質層３を形成する（ステップＳ１２）。上述したように、Ｓｎを含まない硬質粒子粉末、第２粉末の固相温度はそれぞれ１４５０℃、１２４０℃近くに達するが、Ｓｎを含有させることで、硬質粒子粉末、第２粉末の固相温度を低減させることができ、８００℃近くで硬質粒子粉末、第２粉末を金属基材３（裏金母材）へ固相焼結させることが可能となる。また、硬質粒子粉末に内包されたＳｎは、焼結時に第１粉末によるＣｕ－Ｓｎマトリックス相側へ固溶し、拡散接合される。Ｓｎを介しての粉末収縮により焼結が進行することで、マトリックス相中のＳｎと硬質粒子粉末に内包されたＳｎによる固溶強化が発現し、最終的には高強度の合金が形成され得る。
次に、図８に示すように、金属基材２の表面に形成された多孔質層３上に、所定の量の樹脂組成物を供給し、樹脂組成物を多孔質層３に押圧することで、樹脂組成物を多孔質層３に含浸させる（ステップＳ１３）。多孔質層３上に供給される樹脂組成物には、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末４ａと、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）粉末４ｂのうちの少なくとも１つ以上が分散されていてもよい。多孔質層３上に供給される樹脂組成物の量は、後述する樹脂組成物の焼成後に、多孔質層３が摺動層４の表面から露出しない厚さで多孔質層３を被覆する量である。
次に、樹脂組成物に含まれる樹脂の融点を超える温度で樹脂組成物を加熱することで、樹脂を溶融させるとともに有機溶剤を揮発させたのち、樹脂を硬化させることで、摺動層４を形成する（ステップＳ１４）。樹脂組成物を所定の温度で加熱して摺動層４を形成することを焼成と称する。なお、樹脂として使用されるポリテトラフルオロエチレンの融点は、３２７℃である。図８に示す例では、焼成炉を使用して、ポリテトラフルオロエチレンの融点を超える温度（たとえば４００～５００℃）で樹脂組成物を加熱することで、摺動層４を焼成する。
次に、図８に示すように、多孔質層３および摺動層４が形成された金属基材２を圧延する（ステップＳ１５）。これにより、上述した構成を有する摺動部材１（図１～図４参照）が製造される。その後、圧延された金属基材（摺動部材１）を、摺動層を内側として巻ブッシュ状に加工することで、上述した構成を有する軸受２０（図７参照）が製造される。
＜実施例＞
次に、本実施の形態に係る具体的な実施例について説明する。
（試験片の作製）
本件発明者らは、まず、第１粉末、硬質粒子粉末および第２粉末のサンプルをそれぞれ、ガスアトマイズ法による噴霧により、下表１に示す化学成分の質量比にて作製した。すなわち、第１粉末のサンプルは、Ｓｎが１０．７５質量％、Ｐが０．１質量％未満、Ｃｕが残部となる組成で構成されている。また、硬質粒子粉末のサンプルは、Ｓｎが４．５質量％、Ｓｉが５質量％、Ｆｅが１５質量％、Ｃｏが１６質量％、Ｃｒが４質量％、Ｍｏが２６質量％、Ｃｕが残部となる組成で構成されている。また、第２粉末のサンプルは、Ｓｎが７．８質量％、Ｎｉが１２質量％、Ｓｉが２．５質量％、Ｆｅが３．６質量％、Ｃｏが２．６質量％、Ｃｒが１質量％、Ｃｕが残部となる組成で構成されている。
Figure 0007125647000002
次に、実施例１～８の試験片を、以下の手順にて作製した。すなわち、第１粉末と硬質粒子粉末と第２粉末のサンプルを、質量比８０：２：１８にて混合して混合粉末を作製したのち、混合粉末をアトマイズ処理により噴霧時に合金化させて合金粉末を作製した。合金粉末の粒径は５３～１８０μｍである。合金粉末の粒子中には、噴霧時に針状の粒子が入ったため、篩で分級して針状粒子を取り除いた粉末を、裏金母材ＳＳ４００上に散布し、焼結温度８７０℃、焼結時間６０分で焼結して多孔質層を形成した。混合粉末中の第１粉末、硬質粒子粉末、第２粉末の配合割合、多孔質層を形成する合金粉末（焼結粉末）の組成比率の計算値および測定値を上表１に示す。
次に、下表２に示す組成の樹脂組成物であって、さらに黒鉛粉末（下表２では記載を省略）を２ｖｏｌ％混合した樹脂組成物を多孔質層に含浸させたのち、樹脂組成物を焼成することで、多孔質層を被覆する摺動層を形成し、その後、圧延を施工することで、実施例１～８の試験片を作製した。よって、実施例１～８の摺動層には、全て黒鉛粉末が含まれている。なお、図３Ａ～図３Ｅは、実施例１の試験片における多孔質層の断面組織の反射電子像およびＥＰＭＡによるＳｎ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｓｉのマッピング画像を示している。
また、実施例９の試験片を、以下の手順にて作製した。すなわち、第１粉末のみを、裏金母材ＳＳ４００上に散布し、焼結温度８７０℃、焼結時間６０分で焼結して多孔質層を形成した。次に、下表２に示す組成の樹脂組成物であって、さらに黒鉛粉末（下表２では記載を省略）を２ｖｏｌ％混合した樹脂組成物を多孔質層に含浸させたのち、樹脂組成物を焼成することで、多孔質層を被覆する摺動層を形成し、その後、圧延を施工することで、実施例９の試験片を作製した。
Figure 0007125647000003
同様に、裏金母材ＳＳ４００上にＬＢＣ３を焼結したのち圧延を施工することで、比較例１の試験片を作製した。
また、裏金母材（炭素鋼）上に、粒度１８０μｍ以下、Ｃｕ：残部、Ｓｎ：１０～１１．５％、Ｐ：０．１％以下の青銅粉末を散布し、焼結温度８７０℃、焼結時間６０分で焼結して（硬質粒子を含まない）多孔質層を形成したのち、以下の組成の樹脂組成物を多孔質層に含浸させ、当該樹脂組成物を焼成することで、多孔質層を被覆する摺動層を形成し、その後、圧延を施工することで、樹脂複合軸受である比較例２の試験片を作製した。
比較例２の樹脂組成物の配合（体積比率％）は次のとおりである。
ＰＴＦＥ樹脂：９８％、黒鉛２％
なお、実施例１～８および比較例１、２の試験片の寸法は、いずれも、４０ｍｍ角×板厚１ｍｍ（ライニング厚み０．３ｍｍ、裏金厚み０．７ｍｍ）である。ここで、ライニング厚みとは、裏金表面から摺動層（実施例１～８および比較例２の場合は樹脂層、比較例１の場合はＬＢＣ３）表面までの厚み方向の長さをいう。
（評価試験）
次に、実施例１～９および比較例１、２の試験片について、耐焼付性および耐摩耗性を比較するために、以下に説明する評価試験を行った。
本評価では、図９に示すスラスト試験機を使用した。使用油は油圧作動油（銘柄 ＶＧ３２）を用いた。ジンバル容器中への油量は２５０ｃｃ、相手側円筒リングは、外径Φ３０、内径Φ２４である。なお、本評価は、油中での評価試験であるが、円筒リングと軸受メタルの間には隙間が無く完全に接触した状態で摺接させため、実際には油膜が殆ど形成されない境界潤滑環境での評価に属する。
（１）耐焼付性評価
軸受の負荷容量の限界を表す指標として、限界ＰＶ値が適用範囲の判定に利用される。軸受の限界ＰＶ値を求める方法として、本件発明者らは、μＰＶとＴ（潤滑油温度）の間には直線関係が得られることに着目した。潤滑油の劣化開始温度（８０℃）に対するμＰＶ値を求め、さらにそのとき得られた摩擦係数μ値からＰＶ値を解析した。また、限界ＰＶ曲線の作図に際し、周速は０．２ｍ／ｓ、１ｍ／ｓ、３ｍ／ｓの３水準で実施した。負荷は０．６ＭＰａ／３０ｓのステップ荷重とし、摩擦係数が０．５または試験片背面温度が２００℃に達した時点の荷重を、摩擦断面積２５４ｍｍ2で除した値を焼付面圧と定義した。相手材は硬くて靭性のあるＳ４５Ｃ浸炭浸窒、表面粗度はＲａ０．１７μｍに研磨仕上げを施工した。
（２）耐摩耗性評価
摩耗試験は面圧と周速一定の稼働条件のもと、面圧１ＭＰａ、５ＭＰ、１０ＭＰａ、周速０．２ｍ／ｓ、３ｍ／ｓ（試験片がほぼサチュレートする条件と短時間で発熱する条件）の合計６水準の組み合わせで行った。連続稼働時間は１ｈｒを基本としたが、試験片背面温度が２００℃に達した時点でリミッター作動により試験機が停止するように設定した。相手材は上述の耐焼付性評価で説明したＳ４５Ｃに浸炭浸窒処理を施した円筒リングを使用し、摺接面の表面粗度はＲａ０．１７μｍ狙いに研磨仕上げした。
（結果と考察）
図１０は、実施例１および比較例１の試験片について、周速に対する熱抵抗の測定値を示しており、図１１は、限界ＰＶ曲線を示している。熱抵抗は、接触面に発生する摩擦発熱量Ｑと潤滑油温度から得られる線形近似直線の勾配から、各周速別に求めた。摩擦発熱量Ｑは、荷重、速度、摩擦係数から下式（１）を用いて解析した。
Ｑ＝μｗＶ ・・・（１）
ここで、Ｑは接触面に発生する発熱量（Ｎ・ｍ／ｓ＝Ｊ／ｓ＝Ｗ）、ｗは荷重（Ｎ）、Ｖは速度（ｍ／ｓ）、μは接触面の摩擦係数である。
実施例１の試験片は、図３Ｃ～図３Ｅに示すように、多孔質層のなかにＣｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子を含んでいる試験片である。前記の通り、実施例１の試験片の摺動層はＰＴＦＥと黒鉛粉末とからなり、摺動層中にＭｏＳ2粉末や硬質粒子粉末を含んでいない。図１１を参照し、実施例１の試験片は、比較例１の試験片と比べてＰＶ値が全体的に高く、耐焼付性が向上していることが確認された。また、図１０および図１１を参照し、周速０．２ｍ／ｓの低速域において、実施例１の試験片は、比較例１の試験片より熱抵抗が低減し、焼付面圧が１．３５倍高い４０ＭＰａ以上に達し、優れた耐焼付性能を発現することが確認された。
図１２は、実施例２～４の試験片についての限界ＰＶ曲線を示しており、図１３は、実施例５～８の試験片についての限界ＰＶ曲線を示している。図１４は、実施例８および比較例１、２の試験片についての限界ＰＶ曲線を示している。
図１１と図１２とを比べると、摺動層中にＭｏＳ2粉末が添加されている実施例２～４の試験片はいずれも、摺動層中にＭｏＳ2が添加されていない実施例１の試験片と比べてＰＶ値が全体的に高く、耐焼付性が向上しているが確認された。また、図１２を参照し、周速に対する焼付面圧について、ＭｏＳ2粉末の影響を見ると、０．２ｍ／ｓの低速域での焼付面圧は約５０ＭＰａ程度、１ｍ／ｓの中速域では約１５ＭＰａ程度、３ｍ／ｓの高速域では約１０ＭＰａ程度であり、添加量を増やしても焼付性向上には寄与しない結果であった。
また、図１１と図１３とを比べてみると、多孔質層中に硬質粒子が分散されており、摺動層中に硬質粒子粉末が添加されている実施例５～８の試験片はいずれも、摺動層中に硬質粒子粉末が添加されていない実施例１の試験片と比べてＰＶ値が全体的に高く、耐焼付性が向上していることが確認された。図示は省略するが、多孔質層中に硬質粒子が分散されておらず、摺動層中に硬質粒子粉末が添加されている実施例９の試験片でも、同様に、良好な耐焼付性を示すことが確認された。また、図１３を参照し、硬質粒子粉末の影響を見ると、０．２ｍ／ｓの低速域では、硬質粒子粉末１質量％の実施例５が８１．８ＭＰａ、硬質粒子粉末５質量％の実施例６が６５．２ＭＰａ、硬質粒子粉末１０質量％の実施例７が７０．７ＭＰａの焼付面圧であった。１ｍ／ｓの中速域では、硬質粒子粉末１質量％の実施例５が２０．１ＭＰａ、硬質粒子粉末５質量％の実施例６が１９．９ＭＰａに対し、硬質粒子粉末１０質量％の実施例７が３７．１ＭＰａであり、焼付性向上が認められた。３ｍ／ｓの高速域では、硬質粒子粉末１質量％の実施例５が７．８ＭＰａ、硬質粒子粉末５質量％の実施例６が８．３ＭＰａ、硬質粒子粉末１０質量％の実施例７が１１．６ＭＰａであった。摺動層中に硬質粒子粉末が１０質量％添加されている実施例７および１５質量％添加されている実施例８の試験片は、ＰＶ値が全体的に他のもの（すなわち実施例１～６および比較例の試験片）より高く、焼付性向上の効果が認められた。硬質粒子粉末の添加量に応じて摺動層（樹脂層）が硬くなったことが起因したと考えられる。図１４を参照し、硬質粒子粉末が１５質量％添加されている実施例８の試験片は、比較例１、２の試験片と比べて、３ｍ／ｓの高速域での焼付面圧が約２倍高い値を示すことが確認された。以上より、摺動層中への硬質粒子粉末の添加量は、１０質量％以上が好ましいと推測される。
図１５は、実施例４、７、８、９および比較例の試験片について、面圧１０ＭＰａのときの摩耗量を示している。図１５を参照し、面圧１０ＭＰａの高荷重域において、多孔質層中に硬質粒子が分散されており、摺動層中にＭｏＳ2粉末が１０質量％添加されている実施例４は０．０１ｍｍ／ｋｍ、多孔質層中に硬質粒子が分散されており、摺動層中に硬質粒子粉末が１０質量％添加されている実施例７は０．００３ｍｍ／ｋｍ、１５質量％添加されている実施例８は０．００５４ｍｍ／ｋｍ、多孔質層中に硬質粒子が分散されておらず、摺動層中に硬質粒子粉末が１５質量％添加されている実施例９は０．００２７ｍｍ／ｋｍ、比較例１は０．０４８ｍｍ／ｋｍ、比較例２は０．０３３ｍｍ／ｋｍであった。特に摩耗低減に寄与したのは、摺動層中に硬質粒子粉末が１０質量％添加されている実施例７および１５質量％添加されている実施例８、９であった。樹脂化合物中に硬い硬質粒子粉末（ラーベス粒子）を添加することにより、摺動層（樹脂層）の耐摩耗性が上がり、稼働初期段階からの摩耗低減に貢献したものと推察される。
以上、本発明の実施の形態および変形例を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。また、各実施の形態および変形例は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。
１ 摺動部材
２ 金属基材
３ 多孔質層
４ 摺動層
４ａ 硬質粒子粉末
４ｂ 二硫化モリブデン粉末
２０ 軸受
２１ 軸

Claims (8)

  1. 金属基材と、
    前記金属基材の一の面に形成される多孔質層と、
    前記多孔質層を被覆する摺動層を備え、
    前記摺動層は、樹脂組成物で形成され、
    前記多孔質層は、
    ＣｕおよびＳｎを含むマトリックス相と、
    前記マトリックス相中に分散している硬質粒子であって、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子と、を有する
    ことを特徴とする摺動部材。
  2. 前記多孔質層は、
    前記マトリックス相中に分散している化合物相であって、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＳｉおよびＣｒを含む化合物相をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 前記多孔質層全体を１００質量％とした時に前記硬質粒子の含有率は４０質量％以下である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
  4. 前記摺動層中には、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末と、ＭｏＳ2粉末と、ラーベス相を含まない青銅粉末の少なくとも１つ以上が分散されている
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の摺動部材。
  5. 金属基材と、
    前記金属基材の一の面に形成される多孔質層と、
    前記多孔質層を被覆する摺動層を備え、
    前記摺動層は、樹脂組成物で形成され、
    前記摺動層中には、Ｃｏ、ＭｏおよびＳｉの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末が分散されている
    ことを特徴とする摺動部材。
  6. 前記多孔質層の厚みと前記摺動層の厚みの比率は、６：４～８：２である、
    ことを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の摺動部材。
  7. 前記多孔質層と前記摺動層とを合わせた全体を１００質量％とした時に前記硬質粒子の含有率と前記硬質粒子粉末の含有率との合計は１～２０質量％である、
    ことを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の摺動部材。
  8. 請求項１～７のいずれかに記載の摺動部材から構成される軸受であって、
    円筒状の内周面を有し、前記内周面が前記摺動層で構成されている
    ことを特徴とする軸受。
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