JPH07224370A

JPH07224370A - 青銅系軸受材料及びその製造方法

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Publication number: JPH07224370A
Application number: JP6284283A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Ko; 秀明洪; Kimio Kawagoe; 公男川越; Tatsuhiko Fukuoka; 辰彦福岡
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 1993-12-14
Filing date: 1994-10-25
Publication date: 1995-08-22
Anticipated expiration: 2014-10-18
Also published as: JP2965192B2

Abstract

(57)【要約】【目的】青銅を裏金に溶射した軸受材料において、鉛
全体が溶射中に溶解して凝固すると層状組織、偏析など
が顕著になって摺動特性が劣化する。これを防止するこ
とにより摺動特性を向上する。【構成】溶射層の組織を、青銅アトマイズ粉の未溶解
組織と、鉛を強制固溶した層状溶射組織との混合組織と
するか、あるいは３〜４０％の鉛を含有する粉体の未溶
解組織と、３％未満の鉛を含有するかもしくは含有しな
い溶解組織との混合組織とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、青銅系軸受材料に関す
るものであり、さらに詳しく述べるならば、溶射により
形成される特殊な組織をもつ青銅系軸受材料に関するも
のである。本発明の軸受材料は内燃機関の軸受、オート
マティックトランスミッション用軸受、コンプレッサ用
軸受など従来青銅系軸受材料が使用されていた用途に広
く使用することができる。

【０００２】

【従来の技術】特開平１−５００７６３号公報は、裏金
上に青銅溶射層を形成した軸受材料に関する発明であ
り、その発明の溶射層組織は次のような特長をもつと説
明している。（イ）他の熱溶射法と同様に溶射により形
成される層状組織は扁平状の個別部分から形成されてい
るにも拘らず、「はく」を含まない。（ロ）粉末冶金法
でしか実現できないような合金成分の均質分布が達成さ
れる。（ハ）Ｐｂの析出物は粒径が５ミクロンより小さ
い。（ニ）青銅二元系合金はプラズマ炎中で合金成分が
同質的に溶融し、過熱状態・均質状態になり、この状態
の合金を基体に衝突させることにより均質な物質分布が
事実上定着される。

【０００３】特開平４−５０４０４５号公報も、裏金上
に溶射青銅層を形成した軸受材料に関する発明であり、
実施例では、アトマイズ粉を使用して厚みが３ｍｍのプ
ラズマアーク溶接肉盛り層を形成し、硬さがＨｖ９０で
あり、粒径２０ミクロン以下の鉛粒子が均一に分布した
摺動層が示されている。

【０００４】青銅粉が溶射され摺動層を形成するときの
青銅粉中の鉛粒子が受ける変化に関しては、特開平１−
５００７６３号公報に解説されているように鉛粒子が火
炎内で粉末とともに溶融するとの考え方がある。この公
報の溶射層では鉛の粒子は５ミクロン以下と著しく微細
になっており、これは一旦溶融した鉛が微細析出するた
めと考えられる。一方、特開平４−３０００７３号公報
の方法では溶射後の材料硬さが鋳造合金とほぼ同じであ
り、鉛粒子の粒径は２０ミクロン以下となっている。こ
の硬さ及び鉛粒径から、溶射温度が比較的低いかかつ／
または溶射層における冷却速度が比較的遅い条件の溶射
が行われていると窺われる。

【０００５】一般に、青銅では硬度と耐摩耗性は比例関
係にあり、硬度となじみ性は反比例の関係にあるから、
上記の溶射青銅摺動層でもこれら性質は一方が良好で他
方が不十分という関係にあると言える。上述のように、
従来の溶射青銅摺動層の組織制御は、銅マトリックスと
鉛分散相のミクロ的制御が基本となっていたのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】青銅粉が溶射され摺動
層を形成するときの青銅粉中の鉛粒子が受ける変化に関
しては、特開平１−５００７６３号公報に解説されてい
るように鉛粒子が火炎内で粉末とともに溶融するとの考
え方がある。この公報の溶射層では鉛の粒子は５ミクロ
ン以下と著しく微細になっており、これは一旦溶融した
鉛が微細析出するためと考えられる。一方、特開平４−
３０００７３号公報の方法では溶射後の材料硬さが鋳造
合金とほぼ同じであり、鉛粒子の粒径は２０ミクロン以
下となっている。この硬さ及び鉛粒径から、溶射温度が
比較的低いかかつ／または溶射層における冷却速度が比
較的遅い条件の溶射が行われていると窺われる。

【０００７】一般に、青銅では硬度と耐摩耗性は比例関
係にあり、硬度となじみ性は反比例の関係にあるから、
上記の溶射青銅摺動層でもこれら性質は一方が良好で他
方が不十分という関係にあると言える。上述のように、
従来の溶射青銅摺動層の組織制御は、銅マトリックスと
鉛分散相のミクロ的制御が基本となっていたのである。
しかし、このような技術に依っていたのでは、耐摩耗性
が良くなるとなじみ性は悪くなるという関係に束縛され
てしまい、両方の性質を飛躍的に改良させることが望め
なかった。したがって、本発明者らは溶射摺動層の組織
を従来よりはマクロ的な観点から捉える研究を行い、摺
動性能を飛躍的に向上させた発明を提供することに成功
した。その後さらに研究を行い次の知見を得た。

【０００８】一般の青銅における鉛の役割は主として潤
滑作用にあるが、溶射青銅ではアトマイズ組織中の鉛相
がその作用を担っている、溶射により生成する強制固溶
組織中では、鉛は銅マトリック中に固溶されており、ま
た一部鉛相が層状に存在しても銅、錫なども固溶してい
るから潤滑作用は期待できない。

【０００９】一方、溶射時に溶解されるアトマイズ粉粒
子は、非溶解アトマイズ粉の周囲でかつ基材表面で凝固
し、その際溶射層の密着性を高めまた溶射層を強化す
る。しかしながら強制固溶組織中の鉛は摺動時の発熱で
界面に析出したり、また長い層状の偏析部は低強度であ
るために溶射層の密着及び強化に悪影響を及ぼすことが
ある。

【００１０】次に、アトマイズ組織中には鉛相はネット
ワーク状もしくは粒状などの形態で存在する。溶射青銅
層を被覆した摺動材料が面内に平行な応力にさらされる
と、鉛は銅より強度が低いために、層状鉛相は層に沿っ
てクラックが走り比較的低い応力でも割れが発生する。
一方微細粒子状鉛相は割れに対する抵抗力が高い。

【００１１】したがって、本発明の第一の目的は溶射青
銅の摺動性能を向上させるところにある。本発明の第二
の目的は、未溶解組織と溶解組織に分けられる溶射青銅
の被覆を裏金に施した摺動材料において、鉛による潤滑
性を高めかつ摺動層の密着性と強度を向上するところに
ある。本発明の第三の目的は、上記摺動材料においてさ
らに、層状鉛相に起因する摺動中の割れを防止すること
にある。さらに本発明の第四の目的は、鉛による優れた
潤滑性をもちながら、層の密着性と強度が高く、かつ望
ましくは耐割れ性もすぐれた青銅溶射摺動材料の製造方
法を提供することを目的とする。以下、上記目的を達成
する発明を順に説明するが、各発明に共通する構成につ
いては重複を避けるために、一括して説明する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第一の目的を達成する発
明（以下第１発明という）は、２〜３０％（本発明にお
いて百分率は特記しない限り重量％である）の鉛を含有
し、残部が銅及び不可避的不純物からなる青銅を裏金上
に溶射してなる青銅系軸受材料において、前記溶射層が
青銅アトマイズ粉の未溶解組織と、鉛を強制固溶した層
状溶射組織との混合組織から実質的になることを特徴と
する青銅系軸受材料に関するものである。また、第１発
明の第１の改良形態は、２〜３０％の鉛及び１５％以下
のスズを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる
青銅を裏金上に溶射してなる青銅系軸受材料において、
前記溶射層が青銅アトマイズ粉の未溶解組織と、鉛を強
制固溶した層状溶射組織との混合組織から実質的になる
ことを特徴とする青銅系軸受材料に関するものである。
第１発明の第２の改良形態は、２〜３０％の鉛及び１０
％以下のＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＺｒＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4
，ＢＮ、ＡｌＮ，ＴｉＮ，Ｂ4 Ｃ，Ｆｅ−Ｎ化合物、
Ｆｅ−Ｂ化合物、Ｆｅ−Ｐ化合物、ＳｉＣ及びＴｉＣか
らなる群から選択された１種又は２種以上を含有し、残
部が銅及び不可避的不純物からなる青銅を裏金上に溶射
してなる青銅系軸受材料において、前記溶射層が青銅ア
トマイズ粉の未溶解組織と、鉛を強制固溶した層状溶射
組織との混合組織を有することを特徴とする青銅系軸受
材料に関するものである。第１発明の第３の改良形態
は、２〜３０％の鉛、１５％以下のスズ及び１０％以下
のＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＺｒＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ｂ
Ｎ、ＡｌＮ，ＴｉＮ，Ｂ4 Ｃ，Ｆｅ−Ｎ化合物、Ｆｅ−
Ｂ化合物、Ｆｅ−Ｐ化合物、ＳｉＣ及びＴｉＣからなる
群から選択された１種又は２種以上をさらに含有し、残
部が銅及び不可避的不純物からなる青銅を裏金上に溶射
してなる青銅系軸受材料において、前記溶射層が青銅ア
トマイズ粉の未溶解組織と、鉛を強制固溶した層状溶射
組織との混合組織を有することを特徴とする青銅系軸受
材料に関するものである。

【００１３】上記説明のとおり、本発明において青銅と
は鉛青銅、鉛スズ青銅を総称している。第１発明及び以
下説明する第２発明においては、青銅が重量百分率で５
％以下の銀を含有することを特徴とすることができる。
銀は何れの相に含有されてもまた潤滑油の少ない条件で
顕著に摺動特性を高める。但し、銀の含量が５％を超え
ると銀が粗大に晶析出するようになりその効果が失われ
る。

【００１４】さらに第１発明及び第２発明においては、
青銅が重量百分率で１０％以下のニッケル、アンチモ
ン、鉄、アルミ、リン、亜鉛及びマンガンからなる群よ
り選択された少なくとも１種の元素を含有することがで
きる。これらの元素の作用は青銅系軸受材料において公
知である。なお、これらの元素は溶解組織（強制固溶組
織）に含有されることが好ましい。含有量が１０％を超
えると摺動特性が劣化する。好ましい含有量は０．１〜
５％である。

【００１５】さらにまた、第１発明及び第２発明におい
ては、青銅が重量百分率で１０％以下の黒鉛を含有する
ことができる。黒鉛は鉛と同様に潤滑性が優れているた
めに本発明において好ましい添加元素である。但し黒鉛
は溶射中に燃焼し易いために、銅をコーティングするな
ど酸化防止対策を講じる必要がある。黒鉛の含有量が１
０％を超えると、青銅の強度が低下し好ましくない。な
お好ましい黒鉛の含有量は０．５〜５％である。

【００１６】なお、溶射層と前記裏金の間に、銅、ニッ
ケル、アルミ、銅ニッケル合金、ニッケルアルミ合金、
銅アルミ合金、銅スズ合金、ニッケル自溶合金及びコバ
ルト自溶合金からなる群より選択された１種の材料から
なる中間層をめっき、スパッタリング、溶射等の方法に
より形成することが好ましい。これらの材料は何れも、
それらの表面が粗なことが必要であるが、青銅と合金化
し易いために、溶射の際に（未）溶解層と強固に結合し
て溶射層と裏金との接合強度を高める。なお好ましい中
間層の厚みは５〜１００μｍである。

【００１７】第二の目的を達成する発明（以下「第２発
明」と言う）は、１〜３０％の鉛を含有し、残部が銅及
び不可避的不純物からなる青銅を裏金上に溶射してなる
青銅系軸受材料において、前記溶射層が３〜４０％の鉛
を含有する粉体の未溶解組織と、鉛を３％未満含有する
かもしくは含有しない層状溶射組織との混合組織から実
質的になることを特徴とする青銅系軸受材料に関する。

【００１８】第２発明の第１の改良形態は、１〜３０％
の鉛及び１５％以下のスズを含有し、残部が銅及び不可
避的不純物からなる青銅を裏金上に溶射してなる青銅系
軸受材料において、前記溶射層が３〜４０％の鉛を含有
する粉体の未溶解組織と、鉛を３％未満含有するかもし
くは含有しない溶解組織との混合組織から実質的になる
ことを特徴とする青銅系軸受材料に関する。

【００１９】第２発明の第２の改良形態は、１〜３０％
の鉛及び１５％以下のＦｅ−Ｐ、Ｆｅ−Ｂ及びＦｅ−Ｎ
からなる群の鉄系化合物を少なくとも１種以上をさらに
含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる青銅を裏
金上に溶射してなる青銅系軸受材料において、前記溶射
層が３〜４０％の鉛を含有する粉体の未溶解組織と、鉛
を３％未満含有するかもしくは含有しない溶解組織との
混合組織から実質的になることを特徴とする青銅系軸受
材料に関する。

【００２０】第２発明の第３の改良形態は、１〜３０％
の鉛、１５％以下のスズ及び１０％以下のＦｅ−Ｐ、Ｆ
ｅ−Ｂ及びＦｅ−Ｎからなる群の鉄系化合物を少なくと
も１種以上をさらに含有し、残部が銅及び不可避的不純
物からなる青銅を裏金上に溶射してなる青銅系軸受材料
において、前記溶射層が３〜４０％鉛を含有する粉体の
未溶解組織と、鉛を３％未満含有するかもしくは含有し
ない溶解組織との混合組織から実質的になることを特徴
とする青銅系軸受材料に関する。

【００２１】第三の目的を達成する発明は第２発明にお
いて未溶解組織中の鉛相が粒状である青銅系軸受材料で
ある。

【００２２】第四の目的を達成する本発明に係る方法
は、上記した各種鉛含有青銅粉末を裏金に溶射する方法
において、前記粉末を実質的に鉛を含有せず、銅を主成
分とする第１の粉末と、鉛を含有し銅を主成分とする第
２の粉末とし、第１の粉末を溶解させ、一方第２の粉末
を第１の粉末より粗粒としかつ実質的に溶解させずに裏
金上に層を形成することを特徴とする。

【００２３】まず、第１発明の構成を詳しく説明する。
但し第１発明と共通する第２発明の構成については併せ
て説明する。第１発明において、鉛はＰｂ粒子として存
在して潤滑性及びなじみ性などを発揮するとともに、さ
らに強制固溶によってＣｕマトリックスの硬度を高める
元素である。Ｐｂの含有量が２％未満であるとこれらの
効果が少なく、一方３０％を超えると銅マトリックスの
強度が低下するので、鉛の含有量は２〜３０％の範囲と
する必要がある。鉛の好ましい含有量は２〜２０％であ
り、より好ましくは２〜１５％である。

【００２４】第１発明の組織を構成する青銅アトマイズ
粉の未溶解組織（以下「アトマイズ組織」と言う）は、
青銅アトマイズ粉の急冷組織が溶射炎中でも消失せずに
溶射層に残っているものである。このアトマイズ粉の組
織は、典型的には図２（Ｃｕ−２４％Ｐｂ）の顕微鏡組
織に示されるようにＰｂを主成分とする相が微粒状に分
散するかあるいはＣｕの粒界にネットワーク状に分布し
ているものである。この組織は一種の鋳造組織である
が、主たる冷却方向が粒子の周囲から内側に向かう方向
であること、通常のインゴット鋳造あるいは連続鋳造よ
りは急冷組織であり、典型的にはＰｂは粒径が１０ミク
ロン以下あるいは最大辺が２０ミクロン以下の微細組織
であること、樹枝状あるいは塊状に析出した青銅の回り
にＰｂが析出した組織であることの幾つかあるいは全部
を満たすことに特長があるものである。なお、図２の組
織は冷却が均一な場合であるが、図３（Ｃｕ−１５％Ｐ
ｂ）のように、幾つかの粒子の周囲の一部が強く冷却さ
れるとその部分ではＰｂの粒子は粒状となり、冷却が弱
い部分ではＰｂの粒子はネットワーク状となることもあ
る。

【００２５】第１発明の組織を構成する鉛を強制固溶し
た層状溶射組織（以下「強制固溶溶射組織」と言う）
は、溶射炎中で溶解した液滴が裏金に衝突して平坦に圧
縮された層状組織でありかつ鉛が強制的に固溶されてい
る。図４は、溶射層の断面観察による強制固溶溶射組織
のＥＰＭＡ写真であり、粒子の存在が同定されていない
がＰｂ，Ｓｎが存在していることを示している。なお、
ＰｂはＣｕ中への固溶度は少ないので強制固溶されてお
り、Ｓｎは通常の鋳造条件でも固溶するから強制固溶で
はない。図４では縞状のパターンが認められ、その中で
白い部位ではＰｂ，Ｓｎの固溶量が多い組織が生成さ
れ、溶射による物質の堆積量が周期的ないし脈動的に変
化することに応じて冷却速度も増減していると推定さ
れ、興味深い。ただし、第一発明の強制固溶組織がこの
ようなものに限定されないことは言うまでもない。

【００２６】第１発明の組織はアトマイズ組織という平
衡組織と強制固溶溶射組織という非平衡組織が混合して
いるところにある。すなわち、従来の溶射層中で析出し
たＰｂ粒子が微細に分散した青銅溶射層では前者のみか
ら構成され、平衡組織と非平衡組織を自由に混合させる
ことはできない。図１には第１発明による溶射組織（白
い粒子又は模様がＰｂに相当する）の一実施例を示し、
以下の点が明らかである。この組織ではアトマイズ組織
は約１３面積％に相当している。Ｐｂ相が認められない
層状部位が残りの８７面積％存在し、ここではＰｂが強
制固溶されている。アトマイズ粉が裏金に衝突したとき
につぶれるために、あるいは外側が溶融した可能性もあ
るために、残存アトマイズ組織の外形輪郭は粉末のもの
とはかなり異なっているが、粉末中のＰｂの形態は溶射
後も維持されている。続いて、各組織の摺動性能を説明
する。

【００２７】アトマイズ組織はＰｂ粒子が多数かつ微細
に存在するためになじみ性、低摩擦性、潤滑性に優れて
いる。また、アトマイズ粉末は粒径が通常１００ミクロ
ン以下であり、個々の粒子がほとんど同じ組織をもつの
で、粒子間で組織のばらつきが少なくが均一である。し
たがって、かかるアトマイズ組織を摺動材料中に保持す
ることにより、Ｐｂ粒子が均一に分散することになり摺
動特性が安定する。

【００２８】次に、強制固溶組織は鉛の強制固溶により
硬度が約Ｈｖ２００以上と高いために耐摩耗性が優れて
いる。また、この組織は溶射後裏金上で粉末が一旦溶融
した後凝固したものであるので、裏金との接着強度を高
めることができる。

【００２９】第１発明においては、アトマイズ組織及び
強制固溶組織が何れか一方が過度に多くなると好ましく
ないので、アトマイズ組織が２〜７０体積％、より好ま
しくは２〜５０体積％であることが望ましい。第１発明
においては、溶射層が、実質的に全部アトマイズ組織及
び強制固溶溶射組織から構成されることが必要であり、
若干量であれば上記以外の組織、例えばＰｂ粒子が溶射
された青銅合金中で強制固溶されずに析出した組織が混
在していてもよい。ただし、その量は１０体積％が上限
の目処である。さらに、第一発明の第３及び第４の改良
形態においては、硬質物が上記組織中に分散しており、
その耐摩耗性を高めている。

【００３０】続いて、第１発明が特徴とする、実質的に
全部がアトマイズ組織及び強制固溶溶射組織から構成さ
れる溶射組織及びこの組織に硬質物が分散した組織を作
る方法について説明する。一般的に言うと、溶射条件
は、溶射炎内で飛行中のアトマイズ青銅粉が一部だけ溶
融する；裏金に衝突後に青銅合金全体が再溶融しない
（一部は再溶融してもよい）；溶融合金及び凝固合金の
冷却速度が大であるというものである。具体的には、ガ
ス圧を高くしかつフレームの速度を大にした高速火炎溶
射法を採用するとともに、溶射距離を約１８０ｍｍと
し、溶射層の厚さを制限する条件を採用したものであ
る。より具体的条件を以下に示す。ガス圧：１０ｋｇｆ／ｃｍ2 フレーム速度：１２００ｍ／ｓ溶射厚さ：１５０μｍ上記の条件においてアトマイズ組織の割合を多くすると
きは粉末投入量を大きく、ガス量を小さくすればよく、
溶射条件の調節により任意に組織の割合を調整すること
ができる。

【００３１】第１発明の第１の改良形態はＣｕ−Ｐｂ系
合金に１５％以下のスズをさらに添加させたものであ
る。スズは銅に固溶することにより強度を高める元素で
あるが、１５％を超えると化合物を多く生成し摺動特性
が低下するので、１５％以下に添加量を制限することが
必要である。

【００３２】さらに、第１発明の第３及び第４の改良形
態では１０％以下のＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＺｒＯ2 ，
Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＢＮ、ＡｌＮ，ＴｉＮ，Ｂ4 Ｃ，Ｆｅ−Ｎ
化合物、Ｆｅ−Ｂ化合物、Ｆｅ−Ｐ化合物、ＳｉＣ及び
ＴｉＣからなる群から選択された１種又は２種以上を耐
摩耗性を高めるために添加することもできる。この添加
量が１０％を超えると材料が脆くなる。これらの化合物
は一般に青銅粉末とは別の粉末として溶射されるが、ア
トマイズ粉末を製造するときに青銅とともに分散させて
もよい。

【００３３】第１発明は、青銅合金の添加元素として公
知のＮｉ，Ｓｂ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｐ，Ｚｎなどを少量添加
しても上記の各成分の作用や溶射組織の作用が妨げられ
ないので、これらが添加された青銅軸受材料にも関する
ものである。なお、第２発明においてもこれらの添加元
素の使用が可能である。

【００３４】また、溶射層の厚みは５〜５００μｍの範
囲であることが好ましい。厚みが厚過ぎると、裏金の溶
射反対面を強制冷却するなどの手間がかかる施工法を採
用しないと溶射層の熱がこもり未溶融アトマイズ粉が溶
融して本発明の組織が得られなくなり、一方厚みが薄す
ぎると摺動性能が優れないので、これらの両面を考慮し
て適宜厚みを決定する必要がある。

【００３５】裏金は鋼、アルミニウムなど各種材料を制
限なく採用することができるが、鋼が好ましい。また裏
金表面にはショットブラスト、エッチング、化成処理な
どの粗面化処理や、Ｃｕと相性が良いＮｉやＣｕあるい
はその他の材料の中間層を設けるめっき処理などを適宜
施すことができる。なお、この点は第２発明も同様であ
る。

【００３６】続いて、本第２発明の構成を詳しく説明す
る。第２発明において、鉛は主として鉛粒子として存在
し、潤滑性、なじみ性などを発揮する元素である。鉛の
含有量が１％未満であるとこれらの効果が少なく、一方
３０％を超えると銅の強度が低下するので、鉛の含有量
は１〜３０％の範囲とする必要がある。鉛の好ましい含
有量は２〜２０％であり、より好ましくは５〜１５％で
ある。

【００３７】鉛は，溶射飛行中にあるいは裏金上で溶解
され、裏金上で層状、片状、溶射前の形状を留めないそ
の他の流動形状に凝固した領域、即ち溶解組織内に３％
以上存在してはならない。すなわち、溶解組織内に当該
組織に対して３％を超える量で存在する鉛は上記の作用
を発揮しないのみならず、溶射層全体の耐摩耗性を除く
特性を損なう原因となる。したがって、第２発明では鉛
は溶射原料である粉末であって、溶射飛行中から溶射に
より層を形成するまでの過程で溶解を経ない組織、すな
わち未溶解組織内に存在していることが必要である。粉
体は破砕粉などでもよいが、溶射に適したアトマイズ粉
を使用するのが望ましい。以下、アトマイズ粉を例にと
って説明する。

【００３８】図５は後述の実施例４において得られた溶
射層の光学顕微鏡写真である。図中、全体として白色の
塊状に数個見える部分がアトマイズ青銅（銅−スズ−
鉛）の未溶解組織である。全体として黒く見えるのが青
銅（銅−スズ）溶解組織である。多数の小さい白色部分
は断面が切断された塊状未溶解組織であるか、あるいは
アトマイズ粉が溶射飛行中に分断されて微細な破片にな
ったものである。白色塊状未溶解組織内の細かい白い点
がアトマイズ粉内に析出・晶出した鉛相である。

【００３９】第２発明においては、未溶解組織及び溶解
組織が何れか一方が過度に多くなると好ましくないの
で、未溶解組織が２〜７０面積％、より好ましくは２〜
５０面積％であることが望ましい。

【００４０】第２発明の第１の改良形態は銅−鉛系合金
に１５％以下のスズをさらに添加させたものである。ス
ズは銅に固溶することにより強度と摺動特性を高める元
素であるが、１５％を超えると化合物を多く生成し摺動
特性が低下するので、１５％以下に添加量を制限するこ
とが必要である。スズは溶解組織と未溶解組織の何れに
含有されていてもよいが、銅への固溶が上記の効果が高
いために、溶解組織中により多く含有させる様にし、溶
射層の強度を向上させるのがよい。

【００４１】さらに、第２発明の第２及び第３の改良形
態ではＦｅ−Ｐ、Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｎなどの鉄系化合物
などを耐摩耗性を高めるために添加する。この添加量が
１０％未満では耐摩耗性向上の効果がなく、１０％を超
えると材料が脆くなる。これらの鉄化合物は一般に青銅
粉末とは別の粉末として溶射されるが、アトマイズ粉末
を製造するときに青銅とともに分散させてもよい。これ
らの化合物は青銅より融点がかなり高いために、溶射飛
行中に溶融しないか或は溶融後凝固して素材に衝突する
ことが多い。これらの化合物は硬質物としての機能を発
揮するものであるから、溶融組織と未溶融組織の何れに
分散していてもよく、さらにはこれらの組織とは別個に
存在していても、均一に分散していればよい。

【００４２】上記した第２発明の摺動材料において未溶
解組織中の鉛相はネットワーク状でもよいが、粒状であ
ることが好ましい。鉛相が粒状であると摺動中にクラッ
クが鉛層に沿って伝搬しないので、耐割れ性が高められ
るからである。未溶解組織中の鉛相を粒状にするために
は、素材への衝突圧力を過度に高くして未溶解粉末中の
鉛相が層状になる程、押し潰さない、かつアトマイズ粉
末中の鉛相が粒状である原料粉末を選択することが必要
である。粒状鉛相の粒径が大き過ぎると強度が低下し、
逆に小さ過ぎると潤滑性が低下するために、好ましくは
円換算で０．５〜２０μｍの直径範囲内であることが望
ましい。

【００４３】また、第２発明では溶射層の厚みは５〜５
００μｍの範囲であることが好ましい。厚みが厚過ぎる
と、裏金の溶射反対面を強制冷却するなどの手間がかか
る施工法を採用しないと溶射層の熱がこもり未溶融アト
マイズ粉が溶融して本発明の組織が得られなくなり、一
方厚みが薄すぎると摺動性能が優れないので、これらの
両面を考慮して適宜厚みを決定する必要がある。

【００４４】続いて、上記の未溶解組織と溶解組織の混
合溶射組織を作ることを特徴とする第２発明の摺動材料
の製造方法について説明する。なお、金属（銅）／セラ
ミックス（Ａｌ2 Ｏ3 ）系の溶射では、後者を一旦溶融
した後前者から分離して凝固させることが示されている
（日本金属学会報「まてりあ」Ｖｏｌ．３３（１９９
４）Ｎｏ．３、第２７１頁、図５）が、銅−鉛系粉末で
は鉛が低融点であるためにこのような分離凝固はほとん
ど不可能であり、むしろ鉛は銅より溶射中に溶解する可
能性が大である。

【００４５】この点を避けて、溶射炎中で飛行中に粗粒
の鉛含有粉末は完全には溶融せず、鉛を含有しない微粒
の粉末が溶融する；裏金に衝突後に前記の粗粒粉末が溶
融しないような溶射条件につき検討した結果、第１の粉
末は実質的に鉛を含有せず、銅を主成分とする細粒粉末
であり、第２の粉末は、鉛を含有し銅を主成分とする粗
粒の粉末とすることが必要であることが分かった。ここ
で粗粒・細粒とはＪＩＳＺ８８０１（１９８１年改
正、標準ふるい目の開き）で平均粒径で２等級以上の差
があることである。等級の差が１であると鉛の溶解が起
り易くなる。等級の差は、溶射層の接着強度の面から８
等級以下であることが好ましい。また第１粉末及び第２
粉末は摺動特性の面から銅を主成分とすることが必要で
あり、例えば、鉛，スズなどの金属元素を用いて溶射を
行うと摺動特性不良の領域が溶射層内に形成されるおそ
れがある。なお、スズ等をどの粉末に含有させるかは、
すでに溶解層及び未溶解層の添加元素について考察した
ところによる。

【００４６】好ましくは粗粒は１００μｍから３０μｍ
である。より好ましくは、粗粒の粒径が７５〜３５μ
ｍ，微粒の粒径が３５〜１０μｍ，ガス圧を高くしかつ
ガスの速度を大にした高速火炎溶射法を採用するととも
に、溶射距離を１８０ｍｍとする。溶射層の厚さを制限
する条件を採用したものである。より具体的条件を以下
に示す。ガス圧：１０ｋｇｆ／ｃｍ2 フレーム速度：１２００ｍ／ｓ溶射厚さ：１５０μｍ

【００４７】

【作用】以上説明したように、第１発明の溶射層の組織
はある部分では平衡組織であり、他の部分では急冷凝固
組織であり、これらをマクロ的に共存させたものである
（図１参照）。これによって耐摩耗性、なじみ性、耐焼
付性などが著しく改良される。またこの組織は、溶射に
よる運動エネルギにより液滴又は粉末が裏金の上でつぶ
されて層状に重なるとともに、未溶解アトマイズ粉が残
存して層中に埋め込まれる二つの現象が同時に起こって
形成されるので、二つの組織の繰返し単位はこれらの二
つの現象が継続する時間により決定される。この繰返し
単位は通常の鋳造組織や粉末冶金組織に比較すると、繰
返し周期又は単位が長くなる。この点は摺動性能上望ま
しいと考えられる。このようなマクロ的に制御した溶射
組織により摺動性能を飛躍的に向上させることができ
た。

【００４８】第２発明は、鉛はできるだけ合金化せず軟
質純物質としての特性を利用することが摺動特性上好ま
しい。逆に溶解鉛を銅に固溶させようとするとこの性質
が利用されないばかりか、溶射法による冷却速度では層
状に鉛が析出するか、鉛濃度の高い層状部が生成し、層
内の強度低下の原因となり、溶射層の濃度等の面で好ま
しくないとの知見に基づいて第１発明を一部修正したも
のである。したがって第２発明は、溶射による運動エネ
ルギにより、鉛を実質的に含まない液滴が裏金の上でつ
ぶされて層状に重なるとともに、鉛を含む未溶解アトマ
イズ粉を取り囲んで凝固することを利用したものであ
る。この結果、アトマイズ粉は融接されまた溶融組織で
は鉛の層状分布や鉛の強制固溶がほとんど起こらない；
鉛は未溶解アトマイズ粉中に適切に分布している等の摺
動特性上好ましい状態が得られる。以下、実施例により
本発明をより詳しく説明する。

【００４９】

【実施例】

実施例１（第１発明の実施例）以下の性状の青銅水アトマイズ粉末を使用して裏金鋼板
（ＳＰＣＣ，厚み１．５ｍｍ）への溶射を行った。鉛含有量：８％粒径：９０μｍアンダ− 組織：図６に示すもの

【００５０】溶射は第１メテコ社製のダイヤジェット型
ガンを使用して下記条件で行った。ガス種：プロピレン
１０容量部と空気、酸素９０容量部の混合ガスガス圧：７ｋｇｆ／ｃｍ2 フレーム速度：１２００ｍ／ｓガス量：６０リットル／分溶射距離：１８０ｍｍ粉末供給量：３０〜１００ｇ／分

【００５１】なお、粉末投入量を上記範囲内で調整する
ことにより溶射層中でのアトマイズ組織の割合を４体積
％、２１体積％及び４０体積％の割合で変化させた。図
６にはアトマイズ組織割合が４、２１体積％の溶射層断
面を電子顕微鏡で観察した組織写真を示す。上記方法に
より得られた溶射層の厚みは約１００μｍであり、鉛の
含有量は８％であった。また溶射層の任意の部位を３０
箇所測定した平均硬さはＨｖ２０５であった。また、比
較のために本発明実施例と同じ組成かつ厚みを有する焼
結材からなる青銅層を作り、これらの耐焼付性及び耐摩
耗性を以下の条件で試験した。

【００５２】焼付試験試験機：ピンディスクテスター摺動速度：１５ｍ／ｓ潤滑条件：オイル滴下荷重負荷方法：荷重漸増相手材：軸受鋼摩耗試験試験機：ピンディスクテスター摺動速度：３ｍ／ｓ潤滑条件：冷凍機油添加冷媒中荷重：４０ｋｇｆ相手材：軸受鋼試験結果は荷重・摩擦距離に対する摩耗量で示す。

【００５３】試験の結果を図７に示す。これより第１発
明の軸受材料は耐焼付性及び耐摩耗性の両方において従
来材料より優れていることが明らかである。

【００５４】実施例２（第１発明の実施例）Ｓｎを１０％さらに含有する鉛すず青銅粉を用い、アト
マイズ組織の割合が２２面積％の組織を作った以外は実
施例１と同じ試験を行ったところ、焼付荷重は８１０ｋ
ｇｆ、比摩耗量は１．５×１０-9となった。

【００５５】実施例３（第１発明の実施例）表１のとおり硬質物を添加した粉末を実施例１と同じ方
法で溶射し試験を行い、表１に示す結果を得た。

【００５６】

【表１】 No 組成（wt％）溶射組織摺動特性 Cu Pb Sn Ag 添加材アトマイズ組織焼付荷重比摩耗量（％）（ｋｇｆ）（10-9mm2/kgf ） 1 残 7 − − Fe3P ＝2 ２０６８０２．０ 2 残 7 − − Al2O3 ＝1 ２０６５０１．５ SiO2 ＝1 ZrO2 ＝1 3 残 7 − − Si3N4 ＝1 ２０６６０１．８ TiN ＝2 4 残 7 − − SiC ＝1 ２０６３０１．５ B4C ＝1 TiC ＝1 5 残 10 10 − ２２８１０１．５ 6 残 10 10 1 − １５８２０１．７ 7 残 10 10 − 黒鉛＝2 １９８３０ 8 残 10 10 − Fe3N ＝1 １８７４０１．１ Fe2B ＝1 9 残 10 10 − AlN ＝3 １５７９００．８ 10 残 10 10 − Fe3P ＝8 １５７５００．８

【００５７】表１と図７を比較すると、硬質物の添加に
より耐摩耗性が改善され、一方耐焼付性はほとんど影響
されないことが明らかである。

【００５８】実施例４（第２発明の実施例）裏金鋼板（ＳＰＣＣ、厚み１．５ｍｍ）にアルミナグリ
ッドを用いてショットブラストを行い、表面を粗した。
その上にＮｉ−５％Ａｌ粉を下記条件で溶射した。第１メテコ社製のダイヤジェット型ガンガス種：プロピレン１０容量部と、空気、酸素９０容量
部の混合ガスガス圧：７ｋｇｆ／ｃｍ2 フレーム速度：１２００ｍ／ｓｅｃガス量：８０リットル／分溶射距離：１８０ｍｍ粉末供給量：３０〜６０ｇ／分

【００５９】Ｎｉ−５％Ａｌ溶射中間層の上に以下の性
状の青銅アトマイズ粉を溶射した。ａ：Ｃｕ−３．５％Ｓｎ−２３％Ｐｂ（粒径８０〜５０
μｍ）ｂ：Ｃｕ−６％Ｓｎ（粒径＜４０μｍ）

【００６０】第１メテコ社製のダイヤジェット型ガンガス種：プロピレン１０容量部と、空気、酸素９０容量
部の混合ガスガス圧：７ｋｇｆ／ｃｍ2 フレーム速度：１２００ｍ／ｓｅｃガス量：６０リットル／分溶射距離：１８０ｍｍ粉末供給量：３０〜１００ｇ／分粉末配合比率：ａ：−３０％、ｂ粒：７０％

【００６１】上記方法により得られた溶射層の厚みは約
１００μｍであり、鉛の含有量は８％であった。また溶
射層の任意の部位を３０箇所測定した平均硬さはＨｖ１
８０であった。

【００６２】剪断強度試験接着剤による剪断試験（図８に示す）接着剤：エポキシ系接着剤（接着層２を板の下面に接着
した）溶射層：厚み１５０μｍ，（図８に１として示す）棒３を水平に引抜いた）

【００６３】焼付試験油切れ焼付試験（図９に示す）摺動速度：２０ｍ／ｓ潤滑条件：試験前に油を塗布荷重：５０ｋｇｆ相手材：ＳＵＪ２（図９において４として示す）

【００６４】試験の結果を図１０に示す。これより本発
明の軸受材料の溶射層は接着性及び耐久焼付性の両方に
おいて従来材料より優れていることが明らかである。

【００６５】実施例５（第２発明の実施例）以下の表２のとおり条件を変えた以外は実施例４と同じ
試験を行い、図１１、図１２の表２に示す結果を得た。
表２において、比較材１４はＰｂ含有量が高い例、比較
材１５はＰｂ含有量が低い例、比較材１６は全体が溶融
組織となった例、比較材１７は粉末を１種のみ用いた例
であり、何れも第２発明に対し比較例である。

【００６８】

【発明の効果】本第１発明は、アトマイズ組織が残留し
ているために摺動特性に優れており、特に従来の青銅軸
受では適用が困難な、潤滑油が十分に供給されない条件
で使用される軸受材料として使用が期待できる。

【００６７】本第２発明は、第１発明の特長に加えて、
鉛の性質を十分に発揮させたため、さらに摺動特性に優
れており、かつ高硬度で密着性にも優れている。また本
第２発明の材料は従来の焼結軸受では適用が困難な部品
の摺動面で、潤滑油が少なく負荷が大きい条件で使用さ
れる軸受材料として使用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による青銅溶射層の電子顕微鏡組織写真
である（倍率４００倍）。

【図２】青銅アトマイズ粉の電子顕微鏡組織写真である
（倍率１０００倍）。

【図３】青銅アトマイズ粉の電子顕微鏡組織写真である
（倍率１０００倍）。

【図４】強制固溶溶射組織のＥＰＭＡ分析チャートを描
いた電子顕微鏡写真である（倍率３０００倍）。

【図５】本発明による青銅溶射層の金属顕微鏡組織写真
である。

【図６】実施例１で使用したアトマイズ粉末の顕微鏡組
織及び溶射層の金属電子顕微鏡組織である（倍率３００
倍）。

【図７】耐焼付性及び耐摩耗性試験結果を示すグラフで
ある。

【図８】接着力試験を説明する図である。

【図９】焼付試験を説明する図である。

【図１０】試験結果を説明するグラフである。

【図１１】実施例５の試験結果を示す図表（表２）であ
る。

【図１２】実施例５の試験結果を示す図表（表２続き）
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量百分率で、２〜３０％の鉛を含有
し、残部が銅及び不可避的不純物からなる青銅を裏金上
に溶射してなる青銅系軸受材料において、前記溶射層が
青銅アトマイズ粉の未溶解組織と、鉛を強制固溶した層
状溶射組織との混合組織から実質的になることを特徴と
する青銅系軸受材料。
【請求項２】重量百分率で、２〜３０％の鉛及び１５
％以下のスズを含有し、残部が銅及び不可避的不純物か
らなる青銅を裏金上に溶射してなる青銅系軸受材料にお
いて、前記溶射層が青銅アトマイズ粉の未溶解組織と、
鉛を強制固溶した層状溶射組織との混合組織から実質的
になることを特徴とする青銅系軸受材料。
【請求項３】重量百分率で、２〜３０％の鉛、及び１
０％以下のＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＺｒＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ
4 ，ＢＮ、ＡｌＮ，ＴｉＮ，Ｂ4 Ｃ，Ｆｅ−Ｎ化合物、
Ｆｅ−Ｂ化合物、Ｆｅ−Ｐ化合物、ＳｉＣ及びＴｉＣか
らなる群から選択された１種又は２種以上をさらに含有
し、残部が銅及び不可避的不純物からなる青銅を裏金上
に溶射してなる青銅系軸受材料において、前記溶射層が
青銅アトマイズ粉の未溶解組織と、鉛を強制固溶した層
状溶射組織との混合組織を有することを特徴とする青銅
系軸受材料。
【請求項４】重量百分率で、２〜３０％の鉛、１５％
以下のスズ及び１０％以下のＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，Ｚ
ｒＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＢＮ、ＡｌＮ，ＴｉＮ，Ｂ4 Ｃ，
Ｆｅ−Ｎ化合物、Ｆｅ−Ｂ化合物、Ｆｅ−Ｐ化合物、Ｓ
ｉＣ及びＴｉＣからなる群から選択された１種又は２種
以上をさらに含有し、残部が銅及び不可避的不純物から
なる青銅を裏金上に溶射してなる青銅系軸受材料におい
て、前記溶射層が青銅アトマイズ粉の未溶解組織と、鉛
を強制固溶した層状溶射組織との混合組織を有すること
を特徴とする青銅系軸受材料。
【請求項５】前記青銅が重量百分率で５％以下の銀を
含有することを特徴とする請求項１から４までのいずれ
か１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項６】前記青銅が重量百分率で１０％以下のニ
ッケル、アンチモン、鉄、アルミ、リン、亜鉛及びマン
ガンからなる群より選択された少なくとも１種の元素を
含有することを特徴とする請求項１から５までのいずれ
か１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項７】前記青銅が重量百分率で１０％以下の黒
鉛を含有することを特徴とする請求項１から６までのい
ずれか１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項８】前記溶射層と前記裏金の間に、銅、ニッ
ケル、アルミ、銅ニッケル合金、ニッケルアルミ合金、
銅アルミ合金、銅スズ合金、ニッケル自溶合金及びコバ
ルト自溶合金からなる群より選択された１種の材料から
なる中間層を形成したことを特徴とする請求項１から７
までのいずれか１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項９】重量百分率で、１〜３０％の鉛を含有
し、残部が銅及び不可避的不純物からなる青銅を裏金上
に溶射してなる青銅系軸受材料において、前記溶射層が
３〜４０％の鉛を含有する粉体の未溶解組織と、３％未
満の鉛を含有するかもしくは含有しない溶解組織との混
合組織から実質的になることを特徴とする青銅系軸受材
料。
【請求項１０】重量百分率で、１〜３０％の鉛及び１
５％以下のスズを含有し、残部が銅及び不可避的不純物
からなる鉛錫青銅を裏金上に溶射してなる青銅系軸受材
料において、前記溶射層が３〜４０％の鉛を含有する粉
体の未溶解組織と、３％未満の鉛を含有するもしくは含
有しない溶解組織との混合組織から実質的になることを
特徴とする青銅系軸受材料。
【請求項１１】重量百分率で、１〜３０％の鉛及び１
５％以下のＦｅ−Ｐ、Ｆｅ−Ｂ及びＦｅ−Ｎからなる群
の鉄系化合物を少なくとも１種以上をさらに含有し、残
部が銅及び不可避的不純物からなる青銅を裏金上に溶射
してなる青銅系軸受材料において、前記溶射層が３〜４
０％の鉛を含有する粉体の未溶解組織と、３％未満の鉛
を含有するもしくは含有しない溶解組織との混合組織か
ら実質的になることを特徴とする青銅系軸受材料。
【請求項１２】重量百分率で、１〜３０％の鉛、１５
％以下のスズ及び１０％以下のＦｅ−Ｐ、Ｆｅ−Ｂ及び
Ｆｅ−Ｎからなる群の鉄系化合物を少なくとも１種以上
をさらに含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる
青銅を裏金上に溶射してなる鉛すず青銅系軸受材料にお
いて、前記溶射層が３〜４０％の鉛を含有する粉体の未
溶解組織と、３％未満の鉛を含有するかもしくは含有し
ない溶解組織との混合組織から実質的になることを特徴
とする青銅系軸受材料。
【請求項１３】前記未溶解組織中の鉛相が粒状である
ことを特徴とする請求項９から１２までの何れか１項記
載の青銅系軸受材料。
【請求項１４】前記鉛を含有する粉体がアトマイズ粉
であることを特徴とする請求項９から１３までの何れか
１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項１５】前記青銅が重量百分率で５％以下の銀
を含有することを特徴とする請求項９から１４までのい
ずれか１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項１６】前記青銅が重量百分率で１０％以下の
ニッケル、アンチモン、鉄、アルミ、リン、亜鉛及びマ
ンガンからなる群より選択された少なくとも１種の元素
を含有することを特徴とする請求項９から１５までのい
ずれか１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項１７】前記青銅が重量百分率で１０％以下の
黒鉛を含有することを特徴とする請求項９から１６まで
のいずれか１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項１８】前記溶射層と前記裏金の間に、銅、ニ
ッケル、アルミ、銅ニッケル合金、ニッケルアルミ合
金、銅アルミ合金、銅スズ合金、ニッケル自溶合金及び
コバルト自溶合金からなる群より選択された１種の材料
からなる中間層を形成したことを特徴とする請求項９か
ら１７までのいずれか１項記載の青銅系軸受材料。
【請求項１９】鉛を含有する青銅を裏金に溶射する青
銅系軸受の製造方法において、前記粉末を重量百分率で
３％未満の鉛を含有しもしくは含有せず、銅を主成分と
する第１の粉末と、３〜４０％の鉛を含有し銅を主成分
とする第２の粉末とし、第１の粉末を溶解させ、一方第
２の粉末を第１の粉末より粗粒としかつ実質的に溶解さ
せずに裏金上に層を形成することを特徴とする青銅系軸
受材料の製造方法。
【請求項２０】前記第２の粉末が１００μｍから３０
μｍの粒径をもつことを特徴とする請求項１９記載の青
銅系軸受材料の製造方法。