JP7227098B2

JP7227098B2 - 摺動部材

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Publication number: JP7227098B2
Application number: JP2019134392A
Authority: JP
Inventors: 雅博中井
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2023-02-21
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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、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、銅合金からなる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が用いられている。例えば、特許文献１および特許文献２には、銅合金を摺動層に用いた摺動部材が記載されている。このような摺動部材では、銅合金からなる摺動層により摺動特性とともに耐焼付性や耐摩耗性が得られ、他方、裏金層は銅合金の支持体として機能するとともに摺動部材に強度を付与している。特許文献１、２には、焼結製法による摺動部材が記載されているが、特許文献３（段落００３１）には、鋳造製法により銅合金からなる摺動層を円筒形状の裏金層の内面に形成する摺動部材が記載されている。

特開平６－３２２４６２号公報特開２００６－２２８９６号公報特開平９－１００８８２号公報

内燃機関や自動変速機の運転停止時には、摺動部材の摺動面と相手軸部材とが直接接触している。このため、軸受装置の運転開始時等においては、相手軸部材と摺動部材の摺動面とが直接接触した状態での摺動が起こる。相手軸部材の動作（回転）が開始する瞬間から動摩擦状態（摺動部材の摺動面と相手軸部材との２面間で摺動（滑動）が起こる状態）に移行するまでの間には、摺動部材の摺動層は、相手軸部材から、その移動方向（摺動方向）へ大きな外力を受け、それにより弾性変形が生じることになる。このような状況の下で、従来の銅合金からなる摺動層を裏金層上に有する摺動部材では、摺動層の弾性変形量が大きくなると摺動層と裏金層との界面でせん断が生じる場合があった。

本発明の目的は、従来の摺動部材に比べて摺動層と裏金層とのせん断が生じにくく、強固な接合を有する摺動部材を提供することである。

本発明の一観点によれば、背面および接合表面を有する裏金層と、裏金層の接合表面上に設けられた摺動層とを備える摺動部材が提供される。裏金層はＦｅ合金からなり、摺動層は、０．５～１２質量％のＳｎを含み、残部がＣｕ及び不可避不純物である銅合金からなる。摺動層の摺動面に垂直方向の断面組織は、裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒、および前記裏金層の接合表面と接しない銅合金結晶粒を有し、裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒の平均結晶粒径をＤ１、裏金層の接合表面と接しない銅合金結晶粒の平均結晶粒径をＤ２とすると、
Ｄ１は３０～８０μｍであり、且つ、
Ｄ１／Ｄ２＝０．１～０．３
の関係を満たす。

本発明の一具体例では、裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１は４０～８０μｍであることが好ましい。

本発明の一具体例では、裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒からなる群の平均厚さＴ１は、摺動層の厚さＴの３～８％であることが好ましい。

本発明の一具体例では、摺動層の厚さＴが０．４～２．０ｍｍであることが好ましい。

本発明の一具体例では、摺動層の銅合金は、０．０１～０．２質量％のＰ、０．１～１５質量％のＮｉ、０．５～１０質量％のＦｅ、０．０１～５質量％のＡｌ、０．０１～５質量％のＳｉ、０．１～５質量％のＭｎ、０．１～１０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のうちから選ばれる１種以上をさらに含むことが好ましい。

本発明の一具体例では、裏金層は、０．０７～０．３５質量％のＣ、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を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であることが好ましい。

本発明による摺動部材は、摺動層と裏金層との接合界面でのせん断が起き難くなり、それにより裏金層と摺動層との接合を強くすることができる。

発明の摺動部材の一具体例の断面の模式図。図１に示す摺動層の断面組織の模式図。本発明の摺動部材の一具体例の斜視図。本発明の摺動部材の製造工程の一具体例による鋳造後の銅合金層組織の模式図。

摺動部材は、一般に、裏金層の一方の表面上に銅合金からなる摺動層が形成されている。通常、裏金層は、炭素の含有量が０．０７～０．３５質量％の亜共析鋼や、ステンレス鋼等が使用される。摺動層の銅合金は、通常、１～１２％のＳｎを含む組成が使用され、その組織は、多数の銅合金結晶粒から構成される。

従来、結晶粒の形状および結晶粒径が摺動層の厚さ方向の全体でほぼ均質であり、そのため摺動層は、外力に対する変形抵抗が摺動層の厚さ方向にわたって概ね均一になっている。このような従来の摺動部材では、軸受装置の運転開始時には、相手軸部材と摺動部材の摺動面とが直接接触した状態での摺動が起こると、相手軸部材の動作（回転）が開始する瞬間から動摩擦状態に移行するまでの間には、摺動層は、相手軸部材から、その移動方向（摺動方向）への大きな外力を受け、それにより弾性変形が生じることになる。摺動層の銅合金よりも裏金層の強度が大きく変形抵抗が大きいため、摺動層の弾性変形量が大きくなると裏金層と摺動層との界面では、それらの弾性変形量の差が大きく、そのため、裏金層と摺動層との間でせん断が発生し易い。本発明は、このような従来の摺動部材の問題に対応したものである。

本発明に係る摺動部材１の一具体例を図１～図３を参照して説明する。図３に本発明に係る摺動部材１の一具体例の斜視図を示す。摺動部材１は、円筒形状を有し、外側に裏金層２が、内側に銅合金４からなる摺動層３が配される。なお、摺動部材１は、半円筒形状や部分円筒形状など、他の形状にすることもできる。

図１は、本発明の摺動部材１の断面を示す模式図である。裏金層２は、背面２２および接合表面２１を有し、接合表面２１上に摺動層３が形成されている。摺動層３は、裏金層２との界面を有し、界面とは反対側に摺動面３１を有している。裏金層２の材質は特に限定されないが、例えば０．０７～０．３５質量％の炭素を含有するＦｅ合金や、ステンレス鋼等が使用できる。例えば、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。後述する鋳造工程において、裏金層２の接合表面２１付近のフェライト相に銅合金のＣｕ成分が、少量、拡散し固溶されることがあるが、これは許容される。

摺動層３の銅合金４の組成は、例えば、０．５～１２質量％のＳｎを含み、残部がＣｕ及び不可避不純物である銅合金が使用できる。Ｓｎ成分は、銅合金の強度を高める成分であるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合には、銅合金が脆くなる。

また、銅合金４は、０．５～１２質量％のＳｎを含み、さらに、選択成分として０．０１～０．２質量％のＰ、０．１～１５質量％のＮｉ、０．５～１０質量％のＦｅ、０．０１～５質量％のＡｌ、０．０１～５質量％のＳｉ、０．１～５質量％のＭｎ、０．１～１０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種以上を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物である銅合金でもよい。銅合金４にこれら選択成分を２種以上含有させる場合、合計で４０質量％以下とすることが好ましい。

Ｐ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｇは、銅合金４の強度を高める成分であるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合には、銅合金４が脆くなる。なお、Ａｌ成分、Ｚｎ成分は、含有量が上記上限値を超える場合には、銅合金を鋳造法でＦｅ合金製の裏金層上に形成する際、銅合金との裏金層の接合表面の全面に層状の脆い反応相（Ｆｅ成分を主体とし、銅合金のＣｕ成分および、Ａｌ成分またはＺｎ成分を含む相）が形成される。裏金層の接合表面にこのような脆い反応層が形成されると、摺動部材の摺動層の銅合金が（上記の摺動を開始する際の大きな）外力を受けると、脆い反応層に割れが発生し、摺動層と裏金層のせん断が起きやすくなる。Ｐｂ、Ｂｉは、銅合金４の潤滑性を高める成分であるが、含有量が上記下限値未満の場合には、その効果が不十分であり、また、上記上限値を超える場合には、銅合金４が脆くなる。なお、上記Ｓｎ成分および各選択成分は、摺動層３の銅合金４の全体にほぼ均一に含まれており、以下に定義する界面結晶粒４１と非界面結晶粒４２との間でこれら成分の濃度差はない。

図２に図１に示す摺動層３の摺動面３１に垂直方向の断面（以下、単に「断面」という）組織を示す。摺動層３を構成する銅合金４の組織は、多数の銅合金結晶粒からなっている。銅合金結晶粒には、裏金層２の接合表面２１と接する銅合金結晶粒４１（以下、「界面結晶粒」という）と裏金層２の接合表面２１と接しない銅合金結晶粒４２（以下、「非界面結晶粒」という）が含まれる。本発明によれば、界面結晶粒４１の平均結晶粒径Ｄ１は、非界面結晶粒４２の平均結晶粒径Ｄ２の１０～３０％（Ｄ１／Ｄ２＝０．１～０．３）である。このため、界面結晶粒４１からなる領域（以下、「界面結晶粒群４１Ｇ」という）は、非界面結晶粒４２からなる領域（以下、「非界面結晶粒群４２Ｇ」という）に対して外力に対する変形抵抗が大きくなっている（ホール・ペッチ効果）。

この構成よれば、軸受装置の運転開始時の相手軸部材の回転動作が開始する瞬間から動摩擦状態に移行するまでの間に相手軸部材からの外力が加わって摺動層３に弾性変形が起こっても、摺動層３は、相対的に変形抵抗が低い非界面結晶粒群４２Ｇでの弾性変形量が多くなり、界面結晶粒群４１Ｇに外力が加わりにくくなる。さらに、界面結晶粒群４１Ｇの変形抵抗が大きく弾性変形量が小さくなるので、接合表面２１での裏金層２と銅合金４の弾性変形量の差が小さくなり、接合表面２１でのせん断が起き難くなり、それにより裏金層２と摺動層３の銅合金４との接合を強くすることができる。

界面結晶粒４１の平均結晶粒径Ｄ１が非界面結晶粒４２の平均結晶粒径Ｄ２の３０％を超える場合、界面結晶粒群４１Ｇと非界面結晶粒群４２Ｇとの変形抵抗の差が小さいため上記の効果が不十分となる。他方、界面結晶粒４１の平均結晶粒径Ｄ１が非界面結晶粒４２の平均結晶粒径Ｄ２の１０％未満の場合、界面結晶粒群４１Ｇと非界面結晶粒群４２Ｇとの変形抵抗の差が大きくなりすぎて、摺動層が外力を受けた際、界面結晶粒群４１Ｇと非界面結晶粒群４２Ｇとの間で割れが発生することがある。

界面結晶粒４１の平均結晶粒径Ｄ１は３０～８０μｍであり、好ましくは、４０～８０μｍである。平均粒径Ｄ１が小さいほど裏金層２の接合表面２１と接する界面結晶粒群４１Ｇの変形抵抗が大きくなるが、３０μｍ未満であると延性が小さくなりすぎて、摺動層３が大きな外力を受けた場合、粒界に割れ（疲労）が起こることがある。他方、平均粒径Ｄ１が上限値を超えると、裏金層２の接合表面２１と接する界面結晶粒群４１Ｇの変形抵抗が小さくなり、せん断の発生を抑制する効果が発揮されにくい。

次に、界面結晶粒４１および非界面結晶粒４２の平均結晶粒径Ｄ１およびＤ２の測定方法について説明する。
先ず、ＥＢＳＤ（電子線後方散乱回折法）分析システムを備えるＦＥ－ＳＥＭ（電界放出形走査電子顕微鏡）（例えば、日本電子株式会社製；ＪＩＢ－４６００Ｆ）を用いて、摺動部材１の厚さ方向、すなわち摺動面３１に垂直な方向に切断された断面を複数箇所（例えば５箇所）を観察する。そして、銅合金の結晶方位角の分析を行い、傾斜角度１５°以上であることで特定される銅合金結晶の粒界を示す画像（例えば、倍率２００倍）を得る。

次に、その画像を一般的な画像解析手法（例えば、解析ソフト：Ｉｍａｇｅ－ＰｒｏＰｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製）を用いて、界面結晶粒４１と非界面結晶粒４２に区分した後、界面結晶粒４１の各結晶の面積を測定し、それを円と想定した場合の平均直径（円相当径）に換算した値を算術平均することで平均結晶粒径Ｄ１を求める。同様な方法で、非界面結晶粒４２の平均結晶粒径Ｄ２を求める。ただし、画像の倍率は、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。
なお、銅合金４中に、上記Ｓｎ成分や上記選択成分等を含む粒状の金属間化合物が銅合金結晶の粒界に形成（析出）される場合や、粒状のＢｉ相やＰｂ相が銅合金結晶の粒界に形成（析出）される場合があるが、この金属間化合物粒やＢｉ相、Ｐｂ相等は、平均結晶粒径Ｄ１及びＤ２の測定対象には含めない。

界面結晶粒群４１Ｇの平均厚さＴ1を、接合表面２１から摺動面３１へ向かう方向への界面結晶粒群４１Ｇの長さの平均として定義するとき、界面結晶粒群４１Ｇの平均厚さＴ１は、摺動層の厚さＴの３～８％（Ｔ１／Ｔ＝０．０３～０．０８）とすることが好ましい。
界面結晶粒群４１Ｇの平均厚さＴ１が下限値未満の場合、摺動層３の表面に加わる外力が大きいと、界面結晶粒群４１Ｇの裏金層２の接合表面２１と接する付近にも外力が伝播する場合があり、また、上限値を超えると、非界面結晶粒群４２Ｇの厚さ割合が小さくなりすぎて、外力を緩和する効果が不十分となる場合がある。なお、摺動層３の厚さＴは、０．３～３．０ｍｍとすることが好ましく、０．３～２．０ｍｍとすることがさらに好ましい。

界面結晶粒群４１Ｇの平均厚さは、上記画像に上記画像解析手法を用い、裏金層２の接合表面２１から界面結晶粒群４１Ｇと非界面結晶粒群４２Ｇとの境界（線）までの間の厚さ方向の長さの平均を測定することで得ることができる。摺動層３の厚さＴは、上記画像を上記画像解析手法用い、裏金層２の接合表面２１から摺動面３１のまでの間の厚さ方向の長さの平均を測定することで確認できる。

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。（その場合でも、本明細書では、摺動層の表面を「摺動面」と称する）。

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、裏金層となるＦｅ合金製の円筒部材、および摺動層となる銅合金の溶湯を準備する。銅合金溶湯は、銅合金の融点（液相線温度）よりも約５０℃～１５０℃高い温度に維持する。円筒部材は、鋳造（注湯）する銅合金溶湯と同程度の温度から銅合金溶湯の温度よりも５０℃低い温度までの範囲の温度に加熱、維持する。また、円筒部材は、加熱時の酸化を防ぐため、予め、少なくとも内径面（摺動層の銅合金との接合面となる）または全面にフラックスを塗布してもよい。

準備した円筒部材を遠心鋳造装置を用いて円筒部材の軸線中心に一定速度で回転させて、準備した上記温度の銅合金溶湯を、回転状態にある円筒部材の内面に注湯する。ここで、円筒部材への銅合金溶湯の注湯量は、摺動部材における摺動層の厚さＴを形成するのに要する量の１０倍以上２５倍以下とする。銅合金溶湯の円筒部材内への注湯の完了とほぼ同時に円筒部材の外径面側に冷却水を吹き付けて冷却し銅合金溶湯を凝固させ、さらに４００℃程度以下となった後に、円筒部材の回転および冷却を停止して遠心鋳造装置から円筒部材を取り外す。なお、水冷を開始してから銅合金の溶湯が凝固するまでの時間は、２０～４０秒程度である。

遠心鋳造装置から円筒部材を取り外した後、大気雰囲気中で放冷させ、あるいは、水冷等により強制冷却を施して室温まで冷却する。冷却後の円筒部材は、その内面に摺動部材となった時に必要な摺動層厚さＴに対して約１０～２５倍の厚さの銅合金層が形成されている。

従来の製造法では、遠心鋳造法により摺動部材を製造する際の摺動円筒部材への銅合金溶湯の注湯量は、摺動部材における摺動層３の厚さＴを形成するのに要する量の１．２～２倍程度になされ、それにより冷却後の円筒部材は、内面側に摺動部材となった時に必要な摺動層厚さＴに対して１．２～２倍程度の厚さの銅合金層が形成されるようになっている。このように製造された従来の銅合金の断面組織は、一般的に、裏金層の接合界面上に銅合金のチル晶部、その上側に柱状結晶部、その上側に等軸結晶部が形成されている。このチル晶部は、裏金層（円筒部材）の接合界面上に薄膜状に形成され、例えば、厚さ１ｍｍ程度の銅合金層を形成する場合、チル晶の厚さは、銅合金層の厚さの１％（０．０１ｍｍ）程度である。チル晶部の銅合金結晶は、平均粒径が過度に小さい（平均粒径が１μｍ以下）ので強度が大きいが脆すぎるため、摺動時に、摺動層の銅合金に外力が加わると、チル晶部と裏金層の接合界面との間やチル晶部と柱状結晶部との間でせん断が起きやすくなる。

従来の製造法では、円筒部材（裏金）の内面への銅合金溶湯の注湯と同時に円筒部材の内面（接合界面）に接した銅合金溶湯が冷却され多数の結晶の核が形成され、同時に凝固する。接合界面付近では、非常に粒径が小さい銅合金結晶が同時に発生しこれら同志が互いに結晶成長を妨げることでチル晶が形成される。チル晶が形成された場合、このチル晶を含む接合表面２１付近の銅合金４は、溶質成分であるＳｎの濃度が、接合表面２１側へ向かって少なくなる。これは、急冷にされることにより接合界面付近の銅合金の溶湯中に発生する結晶の核が初晶Ｃｕ（Ｃｕ成分からなる）であり、接合界面付近で同時に凝固する銅合金の結晶は、この初晶Ｃｕを主体とするので溶質成分であるＳｎの含有量が少なくなる。

本発明による方法では、上記したように多量の銅合金溶湯を円筒部材（裏金）の内面へ注湯するので、円筒部材の内面（接合界面）に接した銅合金溶湯の冷却が、従来よりも遅くなり、接合界面に接する溶湯中での銅合金の結晶の核の形成が抑制される。さらに、銅合金溶湯の注湯量が多いので、銅合金溶湯の冷却が従来よりも遅く、接合界面付近で発生した結晶の核を含む溶湯の一部は、接合界面付近で凝固する前に、回転する円筒部材の内面（接合界面）に付随して、また、溶湯に加わる遠心力により接合界面からそれ以外の部位へ流動するので、内面（接合界面）付近での多数の結晶核の同時の発生および界面付近の溶湯の同時の凝固が抑制される。このため、裏金層の接合界面と接する銅合金結晶は、平均粒径が３０μｍ～８０μｍとなるように成長させることができる。

冷却後の鋳造された銅合金層の断面組織の模式図を図４に示す。銅合金層５は、銅合金部の内周面と接して平均粒径が３０μｍ～８０μｍの結晶粒群５１が形成される。この結晶粒群５１が摺動層の界面結晶粒群４１Ｇとなる。結晶粒群５１上には、銅合金溶湯が一方向に凝固した平均粒径が大きい柱状結晶からなる柱状晶組織部５３が形成され、この柱状晶組織部５３上に、柱状結晶の平均粒径に対しては平均粒径が小さい粒状の等軸結晶からなる等軸晶組織部５４が形成される。銅合金層の厚さがＴ０とするとき、柱状晶組織部５３の厚さＴ３は、Ｔ０の１５～３５％程度となり、等軸晶組織部５４の厚さＴ４は、Ｔ０の６０～８０％程度となる。

次に、銅合金層は、厚さがＴとなるように、銅合金層の表面（内面）側が切削加工により除去され、摺動部材１が製造される。冷却後の銅合金層は、その厚さＴ０の少なくとも９０％は切削加工により除去されるので、等軸晶組織部５４および柱状晶組織部５２の一部が除去される。したがって、摺動層の非界面結晶粒群４２Ｇは、等軸晶組織部５３を含まないで、平均粒径が大きい結晶からなる柱状晶組織部の残部５２により構成される。
このため、界面結晶粒群４１Ｇの平均結晶粒径Ｄ１は、非界面化粧流群４２Ｇの平均結晶粒径Ｄ２の１０～３０％（Ｄ１／Ｄ２＝０．１～０．３）とすることができる。なお、摺動部材１は、鋳造時の銅合金層の歪を除去するために、この切削加工の前に、または切削加工の後で、例えば温度２５０℃～４００℃の温度で、アニール処理を行うこともできる。

上記したように円筒部材への銅合金溶湯の注湯量は、摺動部材となったときの摺動層の厚さＴを形成するのに要する量の１０倍以上２５倍以下になされる。この注湯量が１０倍未満の場合、上記のチル晶部が形成してせん断が起きやすくなり、また、チル晶部が形成しなかったとしても、冷却後に銅合金層を摺動層の厚さＴに切削した時、摺動面側に等軸晶部を含むことがあり、その場合には、接合界面と接しない銅合金結晶粒の平均粒径が小さくなって、本発明の効果が得られず、接合界面でせん断が起こることがある。反対に、注湯量が２５倍を超えても発明の摺動層の銅合金と同様の組織が得られるが、上記切削工数が多くなりすぎて、摺動部材が高価となるので好ましくない。

本発明による摺動部材の実施例１～１２および比較例２１～２５の各試料を以下のように作製した。これらの試料の製造に際して、裏金層は炭素の含有量が０．２質量％の亜共析鋼の円筒部材を用いた。実施例１～１２は、所定組成の銅合金を溶解した溶湯を裏金層上（円筒部材の内周面）に上記説明した遠心鋳造を行って、鋳造後の銅合金層の切削加工を行なった後に、温度３００℃で５時間のアニール処理を施して摺動部材を作製した。なお、各試料は、後述する摺動試験を行うために、同じ寸法（内径８０ｍｍ、厚さ６ｍｍ、軸線方向長さ８０ｍｍ）を有するようにした。

各実施例の試料の摺動層の厚さＴを、表１の「厚さ」欄の「摺動層厚さＴ（ｍｍ）」に示す。遠心鋳造時の銅合金溶湯の円筒部材の内周面への注湯量が、表１の「摺動層厚Ｔ（ｍｍ）」欄に示す摺動層厚さを形成するのに必要量に対しその何倍の量であったかを、表１の「製造条件」欄の「銅合金注湯量」欄に示す。実施例１～１２では、銅合金注湯量は摺動層の形成に必要な量を基準として１０倍以上の値になされている。
なお、上記切削加工前の銅合金層の厚さは、「摺動層厚Ｔ（ｍｍ）」に示す厚さに対して、「注湯量」に示す値の倍数分の値にほぼ等しいものであった。

銅合金溶湯の注湯時の温度は、銅合金の融点（液相線温度）に対して５０～１５０℃高い温度であった。各実施例の銅合金の溶湯の注湯時の温度は、表１の「製造条件」欄の「溶湯温度（℃）」欄に銅合金の液相線温度を基準とした時の温度差として示す。例えば「＋５０」は銅合金の液相線温度よりも５０℃高い温度を示す。
銅合金溶湯の注湯時の裏金層（円筒部材）の温度は、銅合金溶湯との温度差が０～－５０℃となるようにした。各実施例の銅合金溶湯の注湯時の裏金層の温度は、表１の「製造条件」欄の「裏金温度（℃）」欄に銅合金溶湯の温度を基準とした時の温度差として示す。なお、注湯後の円筒部材には１ｃｍ^２当たり１リットル／秒程度の水流を吹き付けて約２０～約４０秒で約４００℃まで冷却した。

表１に示す比較例２１～２５のうち、比較例２１～２４は実施例品と同様に遠心鋳造および鋳造後の銅合金層の切削加工をなった後に、温度３００℃で５時間のアニール処理を施して摺動部材を作製した。比較例２５は、従来の一般的な焼結方法によるものであり、銅合金粉末を亜共析鋼の平板上に散布後、１次焼結（８１０℃）を行い、１次圧延および２次焼結（８１０℃）を行い複層部材を作製し、これを円筒形状に成形し、摺動部材を作製した。各比較例の摺動部材も、実施例の摺動部材と同じ寸法（内径８０ｍｍ、厚さ６ｍｍ、軸線方向長さ８０ｍｍ）を有するようにした。

以上の試料について、上記に説明したように、断面組織をＥＢＳＤ（電子線後方散乱回折法）分析システムを備えるＦＥ－ＳＥＭ（電界放出形走査電子顕微鏡）および画像解析手法を用いて観察および分析を行った。
表１に、実施例１～１２および比較例２１～２５の分析結果を示す。表１の「平均粒径」欄の「Ｄ１（界面結晶粒）（μｍ）」欄には、界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１を示し、「Ｄ２（非界面結晶粒）（μｍ）」欄には、非界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ２を示す。そして、「Ｄ１／Ｄ２（％）」欄には、非界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ２に対する界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１の比（Ｄ１／Ｄ２）を％で示す。
表１の「厚さ」欄の「摺動層厚Ｔ（ｍｍ）」欄には、摺動層の厚さＴを示し、「界面接触粒群厚さ比（Ｔ１／Ｔ）（％）」欄には、摺動層の厚さＴに対する非界面結晶粒群の平均厚さＴ１の比（Ｔ１／Ｔ）を％で示す。

実施例および比較例の各試料は、軸受試験機を用いて条件（Ａ）（表２に示す）で摺動試験を行なった。さらに、実施例の試料については、軸受試験機を用いて、摺動層に加わる負荷が大きい条件（Ｂ）（表３に示す）で摺動試験も行なった。
摺動試験後の実施例および比較例の各試料は、周方向に平行、且つ、摺動面に対して垂直に切断し、摺動層と裏金層との界面の「せん断」の発生の有無を光学顕微鏡で確認した。表１の「せん断有無」欄の「条件Ａ」欄、「条件Ｂ」欄に、条件（Ａ）、（Ｂ）での摺動試験後の摺動部材の摺動層と裏金層との界面の「せん断」が確認された場合には「有」、確認されなかった場合は「無」と示した

表１に示すように、条件（Ａ）での摺動試験において比較例２１～２５は、摺動層と裏金層との界面に「せん断」が発生した。これに対し実施例１～１２は、摺動層と裏金層との界面の「せん断」の発生がなかった。これは、上記で説明したように実施例１～１２は、摺動層の摺動面に垂直方向の断面組織において、界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１は、３０～８０μｍであり、且つ、非界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ２の１０～３０％（Ｄ１／Ｄ２＝０．１～０．３）となっていることにより、既に説明した効果によりせん断の発生が防がれたと考えられる。

さらに、条件（Ａ）よりも摺動部材の摺動層に加わる負荷が大きい条件（Ｂ）の摺動試験後においても、界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１が４０～８０μｍの範囲にあり、また、界面結晶粒群の平均厚さ（接合表面から摺動面へ向かって方向の長さ平均）Ｔ１が、摺動層の厚さＴの３～８％（Ｔ１／Ｔ＝０．０３～０．０８）の範囲にある実施例３～７、９～１２は、上記効果がさらに高まり、摺動層と裏金層との界面の「せん断」の発生がなかったと考える。
なお、これら実施例３～７、９～１２の組織は、表１に示すように、銅合金の溶湯の円筒部材の内周面への注湯量が摺動層厚Ｔを形成するのに必要量に対し１５～２０倍程度多い範囲内とし、注湯時の銅合金の溶湯の温度が、銅合金の液相線温度に対し７５～１００℃高い程度としたものである。

比較例２１は、従来の一般的な遠心鋳造方法により製作したものであり、銅合金溶湯の注湯量を摺動層の厚さＴの２倍に相当する量とした。このため上記のように銅合金溶湯が裏金層の接合界面に接する際に急冷され、裏金層の接合界面上に銅合金の結晶粒径が過度に小さい（平均粒径０．８μｍ）チル晶の薄膜が形成された。このため、比較例１は、試験条件（Ａ）での摺動試験後の摺動部材の摺動層と裏金層との界面の「せん断」が確認された。なお、比較例２１は、断面組織において、裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒群の上部にもチル結晶（裏金層の接合表面と接しない）が形成されているが、表１の「平均粒径」欄の「Ｄ２（非界面結晶粒）（μｍ）」に示す括弧付の値は、チル結晶（裏金層の接合表面と接しない）を除いた結晶粒（チル結晶部上の柱状結晶部および柱状結晶部上の細かい等軸結晶部の結晶粒）の平均粒径を示す。

比較例２２は、銅合金溶湯の注湯量が摺動層厚Ｔの７．５倍に相当する量で行った。比較例２３は、銅合金溶湯の注湯量が摺動層厚Ｔの１５倍に相当する量で行ったが、注湯時の裏金層の温度が、銅合金溶湯の温度よりも７５℃低い温度であった。そのために銅合金注湯時の裏金層の接合界面に接した銅合金溶湯の冷却が、実施例よりも速くなり、裏金層の接合界面付近での多数の結晶核の同時の発生および界面付近の溶湯の同時の凝固の抑制が不十分となり界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１は、３０μｍ未満となり、延性が低くなりすぎて条件（Ａ）での摺動試験後の摺動部材の摺動層と裏金層との界面の「せん断」が確認された。さらに、界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１は、非界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ２の１０％未満となったために、これらの変形抵抗の差が大きくなりすぎて、界面結晶粒群と非界面結晶粒群との界面付近でもせん断（割れ）が確認された。

比較例２４は、注湯時の裏金層の温度が、銅合金溶湯の温度よりも２５℃高い温度であったため、銅合金注湯時の裏金層の接合界面に接した銅合金溶湯の冷却が、実施例よりも遅くなった。界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１は、８０μｍを超えたために界面結晶粒群の変形抵抗が低くなりすぎ、且つ、界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１は、非界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ２の３０％を超えたため、これらの間の変形抵抗の差も小さくなりすぎて条件（Ａ）での摺動試験後の摺動部材の摺動層と裏金層との界面の「せん断」が確認された。

比較例２５は、従来の一般的な焼結方法により製作したものであり、界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１は、非界面結晶粒の平均結晶粒径Ｄ２とほぼ同じであり、Ｄ１はＤ２の９８．３％となるため、これらの間の変形抵抗の差がないので条件（Ａ）での摺動試験後の摺動部材の摺動層と裏金層との界面の「せん断」が確認された。

Claims

背面および接合表面を有する裏金層と
前記裏金層の前記接合表面上に設けられた摺動層と
を備える摺動部材であって、
前記裏金層はＦｅ合金からなり、
前記摺動層は、０．５～１２質量％のＳｎを含み、残部がＣｕ及び不可避不純物である銅合金からなり、
前記摺動層の摺動面に垂直方向の断面組織は、前記裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒、および前記裏金層の接合表面と接しない銅合金結晶粒を有し、
前記裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒の平均結晶粒径をＤ１、前記裏金層の接合表面と接しない銅合金結晶粒の平均結晶粒径をＤ２とすると、
Ｄ１は３０～８０μｍであり、且つ、
Ｄ１／Ｄ２＝０．１～０．３
の関係を満たす、摺動部材。
前記裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒の平均結晶粒径Ｄ１は４０～８０μｍである、請求項１に記載された摺動部材。
前記裏金層の接合表面と接する銅合金結晶粒からなる群の平均厚さＴ１は、前記摺動層の厚さＴの３～８％である、請求項１または請求項２に記載された摺動部材。
前記摺動層の厚さＴが０．４～２．０ｍｍである、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。
前記銅合金は、０．０１～０．２質量％のＰ、０．１～１５質量％のＮｉ、０．５～１０質量％のＦｅ、０．０１～５質量％のＡｌ、０．０１～５質量％のＳｉ、０．１～５質量％のＭｎ、０．１～１０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のうちから選ばれる１種以上をさらに含む、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動部材。
前記裏金層は、０．０７～０．３５質量％のＣ、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を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物である組成を有する、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された摺動部材。