JPWO2014065279A1 - 摺動部材及び摺動部材の製造方法 - Google Patents

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Abstract

高荷重が掛かる環境下に適した硬度を持ち耐磨耗性に優れた摺動部材を提供する。摺動部材１は、鉄系の金属粉末が焼結により固められた第１の焼結体層２と、第１の焼結体層２の表面に、摺動性の向上を目的として、銅系の金属粉末が焼結により固められた第２の焼結体層３を備え、第２の焼結体層３の表面に対して粉体を衝突させるブラスト処理で、第２の焼結体層３が緻密化される。

Description

本発明は、被摺動物を摺動可能に支持する摺動部材及び摺動部材の製造方法に関する。
従来、鋼板上に銅系合金を貼り合せた摺動部材が多く使用されてきた。このような摺動部材では、鋼板を所望の形状に抜き加工する必要があり、製品にならない端材が発生していた。一方、抜き加工を伴わない摺動部材として、鉄系の焼結体で外層を形成し、銅系の焼結体で内層を形成した軸受けが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来から、摺動部材の表面にブラスト処理を施して凹部を形成することが周知技術であり、摺動部材の表面に、ブラスト処理により油溜まりを形成する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）
実開昭５９−７５９１４号公報 特開２００７−２８４７０６号公報
摺動面にショットブラスト処理を施すことで、摺動面に油溜まりが形成されて低い摩擦係数を持つことができ、良好な摺動特性を持つことができる。また、摺動層が銅系合金で構成されることでも、良好な摺動特性を持つことができる。しかし、摺動層が銅系合金で構成されている従来の摺動部材では硬度が十分ではなく、油圧機器等、高荷重が掛かる環境下では、所望の摺動特性を維持できなかった。
本発明は、高荷重が掛かる環境下に適した硬度を持ち耐磨耗性に優れた摺動部材、及び高荷重が掛かる環境下に適した硬度を持ち耐磨耗性に優れた摺動部材を、製品にならない端材の発生を極力抑えて製造する摺動部材の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、銅系合金の焼結体にブラスト処理を施すことで、焼結体が緻密化して硬度が向上し、かつ、焼結体の表面に、耐摩耗性等に適切な油溜まりが形成可能な表面粗さで凹凸が形成されることを見出した。
本発明は、第１の金属粉末が成型されて焼結された第１の焼結体層と、第１の焼結体層の一の面に、第１の金属粉末と異なる組成の第２の金属粉末が成型されて焼結された第２の焼結体層とを備え、第２の焼結体層の一の面に対して粉体を衝突させる打撃処理で、第２の焼結体層が緻密化された摺動部材である。
第１の焼結体層は、第１の金属粉末が鉄系の材料で構成され、第２の焼結体層は、第２の金属粉末が銅系の材料で構成されることが好ましい。
また、第２の焼結体層は、一の面である少なくとも摺動面の硬さがＨｖ（ビッカース硬さ）１５０以上でＨｖ２５０以下、更に好ましくはＨｖ１７０以上でＨｖ２２０以下となるように緻密化されることが好ましい。
また、本発明は、第１の金属粉末を成型し、成型された第１の金属粉末を焼結して第１の焼結体層を形成する工程と、第１の焼結体層の少なくとも摺動面となる一の面に、第１の金属粉末と異なる組成の第２の金属粉末を、第１の焼結体層の形状に合わせて散布する散布工程と、第１の焼結体層の一の面に散布された第２の金属粉末を固める焼結処理で、第１の焼結体層の形状に合わせた形状を保持して、第２の金属粉末を結合させると共に、第２の金属粉末を第１の焼結体層に結合させて第２の焼結体層を形成する焼結工程と、少なくとも第２の焼結体層の一の面に粉体を衝突させる打撃処理で、空隙部を押し潰すような圧力を掛けて、空隙部を減少させて第２の焼結体層を緻密化するブラスト工程とを含む摺動部材の製造方法である。上述したブラスト工程の後に、摺動部材を再度焼結する２次焼結工程を含むことが好ましい。
本発明の摺動部材では、摺動層である第２の焼結体層に、高荷重が掛かる環境下に適した高硬度特性を持たせることができると共に、第２の焼結体層の表面に油溜まりを形成することができ、油膜介在による低摩擦化、耐摩耗性を確保することができる。
また、本発明の摺動部材の製造方法では、第１の焼結体層は、完成品としての摺動部材の形状に合わせて成型されて焼結されるので、鋼材をプレスにより打ち抜く製造方法と異なり、端材を無くす、あるいは、完成品の形状に合わせて成型が必要な場合でも、端材を大幅に減らすことができ、材料の使用量を減らして、コストを低減することができる。
本実施の形態の摺動部材の概要を示す斜視図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 実施例における摺動部材の顕微鏡写真である。 比較例における摺動部材の顕微鏡写真である。 実施例における摺動層の表面粗さ形状を示すグラフである。 比較例における摺動層の表面粗さ形状を示すグラフである。 実施例における摺動部材の試験後の摺動層表面の顕微鏡写真である。 比較例における摺動部材の試験後の摺動層表面の顕微鏡写真である。
以下、図面を参照して、本発明の摺動部材の実施の形態について説明する。
＜本実施の形態の摺動部材の構成例＞
図１は、本実施の形態の摺動部材の概要を示す斜視図、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ及び図２Ｅは、本実施の形態の摺動部材の製造方法の一例を示す説明図である。
本実施の形態の摺動部材１は、所定の組成の金属粉末が焼結により固められた第１の焼結体層２と、第１の焼結体層２の一の面である表面に、摺動性の向上を目的として、第１の焼結体層２を構成する金属粉末と異なる組成の金属粉末が焼結により固められた第２の焼結体層３を備え、平板状に構成される。
摺動部材１は、第２の焼結体層３の表面に対して所定の材質及び粒径の金属の粉体を衝突させるブラスト処理と称される打撃処理で、第２の焼結体層３が緻密化される。摺動部材１は、緻密化された第２の焼結体層３が摺動層となり、第１の焼結体層２が摺動層である第２の焼結体層３を支持する裏金となる。
第１の焼結体層２は、所定の組成の金属粉末として鉄(Fe)の粉末、あるいは、鉄を主成分として銅(Cu)等の添加物が加えられた合金の粉末が焼結により固められて構成される。第２の焼結体層３は、摺動性の向上を目的とした所定の組成の金属粉末として、銅−錫(Cu-Sn)系の合金の粉末が焼結により固められて構成される。
第１の焼結体層２に相当する構成のみで摺動部材とした場合、被摺動部材が鉄である場合等に焼き付きが起こる可能性があり、摺動性が悪い。そこで、摺動部材１では、Fe系の第１の焼結体層２の表面に、Cu系合金で摺動層を設けることで、摺動性を向上させる。
また、摺動部材１は、ブラスト処理で第２の焼結体層３が緻密化されることで、摺動層である第２の焼結体層３の硬度を向上させ、高荷重が掛かる環境下で要求される所望の硬度を持つ摺動層が形成される。更に、摺動部材１は、ブラスト処理で第２の焼結体層３が緻密化されることで、第２の焼結体層３が所望の厚さに成型される。また、摺動部材１は、ブラスト処理で第２の焼結体層３が緻密化されて硬度が向上することで、第１の焼結体層２と第２の焼結体層３の接合強度が向上する。
更に、摺動部材１は、第２の焼結体層３の表面に対してブラスト処理が施されることで、第２の焼結体層３の表面に油溜まりを形成して摺動性を向上させることが可能な所望の表面粗さを持つ摺動層が形成される。
＜本実施の形態の摺動部材の製造方法例＞
次に、各図を参照して、本実施の形態の摺動部材の製造方法について説明する。
第１の焼結体層２は、図２Ａに示すように、所定の組成の金属粉末である第１の金属粉末２０が、完成品としての摺動部材１の形状に合わせて圧粉成型される。第１の金属粉末２０は、上述したように、鉄(Fe)の粉末、あるいは、鉄を主成分として銅(Cu)等の添加物が加えられた合金の粉末で構成される。
第１の焼結体層２は、図２Ｂに示すように、所定の形状に成型された第１の金属粉末２０の集合体２１を固める焼結処理で、完成品としての摺動部材１の形状を保持して、第１の金属粉末２０が結合される。
従来の摺動部材では、板材を所望の形状に抜き加工することで裏金を製造していた。このため、製品にならない端材が発生していた。端材は廃棄されているが、従来、裏金を製造するためには、製品としての裏金と端材となる部分を合わせた材料が必要で、材料の使用量が多くなり、コストの低減が困難であった。
これに対して、本実施の形態の摺動部材１では、裏金となる第１の焼結体層２は、完成品としての摺動部材１の形状に合わせて成型されて焼結されるので、端材を無くす、あるいは、完成品の形状に合わせて成型が必要な場合でも、端材を大幅に減らすことができ、材料の使用量を減らして、コストを低減することができる。
第２の焼結体層３は、図２Ｃに示すように、第１の金属粉末２０と異なる組成の第２の金属粉末３０が、完成品としての摺動部材１の形状で焼結された第１の焼結体層２の摺動面となる表面に、第１の焼結体層２の形状に合わせて散布される。第２の金属粉末３０は、上述したように、銅−錫(Cu-Sn)系の合金の粉末で構成される。
第２の焼結体層３は、図２Ｄに示すように、第１の焼結体層２の表面に散布された第２の金属粉末３０を固める焼結処理で、第１の焼結体層２の形状に合わせた形状を保持して、第２の金属粉末３０が結合されると共に、第２の金属粉末３０が第１の焼結体層２と結合される。
第２の焼結体層３は、第１の焼結体層２の表面に散布された第２の金属粉末３０が焼結されることで、第２の金属粉末３０同士が結合して固められるが、空隙が存在する。そこで、第２の焼結体層３は、焼結処理の後に、図２Ｅに示すように、表面に粉体を衝突させるブラスト処理で、空隙部を押し潰すような圧力が掛けられて、空隙部を減少させて緻密化される。本例では、第２の焼結体層３の表面である少なくとも摺動面の硬度が、Ｈｖ１５０以上でＨｖ２５０以下、更に好ましくは、Ｈｖ１７０以上でＨｖ２２０以下となるように、ブラスト処理が行われる。
従来、プレスによる圧縮処理で、焼結体を緻密化していた。しかし、プレスによる圧縮処理では、材料の圧縮による寸法の変化を考慮する必要があった。また、プレスによる圧縮処理で、摺動面の硬度を例えばＨｖ２００程度にするためには、摺動面の硬度を高くするために必要な圧力に対応できるような硬度の高い裏金が必要で、裏金として使用できる材料に制約が生じる。これに対して、ブラスト処理での緻密化は、摺動面の硬度を例えばＨｖ２００程度にするために必要な空隙部を押し潰すような圧力が掛けられる一方で、材料が圧縮されるような圧力は掛からず、材料の圧縮を考慮する必要がなくなる。これにより、裏金の硬度に限定されずに摺動面の硬度を高くすることができる。
ここで、第１の焼結体層２の表面に散布した第２の金属粉末３０を固める焼結処理を１次焼結と称し、ブラスト処理で緻密化された第２の焼結体層３に対して、２次焼結と称する２回目の焼結処理を行っても良い。
１次焼結処理で第２の金属粉末３０が固められ、ブラスト処理で緻密化された第２の焼結体層３に対して２次焼結処理が行われることで、第２の焼結体層３において緻密化された部分の合金同士を更に結合させることができる。
また、第２の焼結体層３に対する１次焼結の後のブラスト処理を１次ブラストと称し、１次ブラスト処理で緻密化された部分の合金同士を２次焼結で更に結合させた第２の焼結体層３に対して、２次ブラストと称す２回目のブラスト処理を行っても良い。
１次ブラスト処理で緻密化された部分の合金同士を２次焼結で更に結合させた第２の焼結体層３に対して２次ブラスト処理が行われることで、更に緻密度を上げて第２の焼結体層３の硬度を上げることができる。
（１）ブラスト処理の有無による硬度の比較
以下の表１に示す組成の合金材料で、摺動層及び裏金共に焼結体で構成すると共に、摺動層となる上述した第２の焼結体層３にブラスト処理を施した実施例と、鋼材の裏金の表面に焼結体で摺動層を形成し、プレスによる圧延加工を施した比較例で、硬度を比較した。硬度の測定は、マイクロビッカース硬さ試験で行った。
Figure 2014065279
図３は、実施例における摺動部材の顕微鏡写真、図４は、比較例における摺動部材の顕微鏡写真である。実施例の摺動部材では、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ及び図２Ｅで説明した製造方法で製造した図１に示す第２の焼結体層３で構成される摺動層３Ａは、図３に示すように緻密化されており、硬度がＨｖ２００程度であった。また、第１の焼結体層２で構成される裏金２Ａは、硬度がＨｖ１６０程度であった。
これに対して、比較例の摺動部材では、図４に示すように摺動層３００が十分に緻密化されておらず、硬度がＨｖ１００程度であった。また、裏金２００は、硬度がＨｖ１４０程度であった。このように、焼結体で構成された摺動層３Ａがブラスト処理で緻密化された実施例の摺動部材では、比較例に対して摺動層の硬度が大幅に向上していることが判る。また、実施例の摺動部材では、摺動層３Ａである第２の焼結体層３を薄く形成することができ、材料の使用量を減らして、コストを低減することができることが判る。
実施例の摺動部材では、焼結体で構成される裏金２Ａは、端材を無くす、あるいは、端材を大幅に減らすことができ、材料の使用量を減らして、コストを低減することができる。また、実施例の摺動部材では、裏金２Ａの硬度がＨｖ１６０程度であるのに対して、摺動層３Ａの硬度はＨｖ２００程度であり、裏金２Ａの硬度より硬くできることが判る。これにより、実施例の摺動部材では、裏金２Ａの硬度に限定されずに摺動層３Ａの硬度を高くすることができることが判る。
（２）ブラスト処理の有無による表面形状の比較
上述した実施例と比較例の摺動部材で、摺動層の表面形状を比較した。
図５は、実施例における摺動層の表面粗さ形状を示すグラフ、図６は、比較例における摺動層の表面粗さ形状を示すグラフである。ここで、図５及び図６は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）の規格に基づく。
実施例の摺動部材では、摺動層である図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ及び図２Ｅで説明した製造方法で製造した図１に示す第２の焼結体層３にブラスト処理を施すことで、摺動層の表面が凹凸形状となり、算術平均粗さ（Ｒａ）が約２．０μｍであった。これに対して、比較例の摺動部材では、算術平均粗さ（Ｒａ）が約０．３μｍであった。
（３）ブラスト処理の有無による耐久性の関係
上述した表面形状と硬度の違いが浸食といった耐久性に及ぼす影響を検証するため、実施例及び比較例の摺動部材を、ピストンポンプの軸受に適用して試験を行った。試験条件は以下の通りである。
吐出圧力 ：０〜２８ＭＰａ
サイクル数：２５万回サイクル（ＯＮ：１ｓｅｃ，ＯＦＦ：１ｓｅｃ）
油温 ：６０℃（油圧作動油：ＶＧ３２相当油）
軸回転数 ：Ｎ＝１８００ｒｐｍ
図７は、実施例における摺動部材の試験後の摺動層表面の顕微鏡写真、図８は、比較例における摺動部材の試験後の摺動層表面の顕微鏡写真である。
上述した図５に示すように、実施例の摺動部材では、ブラスト処理により粗さの中心線Ｏに対して上下に形成された凹凸形状が摺動層表面における油溜まりとなって、油膜保持の役割を担うようになり、図７に示すように、試験後の摺動層表面３Ｂに浸食の形跡は見られなかった。
これに対して、実施例と比較して摺動層表面が平滑な比較例の摺動部材では、図６に示すように、粗さの中心線Ｏより上側の凸部が殆ど見られないことから、油溜まりが形成されず、図８に示すように、試験後の摺動層表面３００Ｂに浸食が見られた。
以上のことから、実施例の摺動部材では、ブラスト処理で摺動面に凹凸形状が設けられること、及び硬度が向上することで、浸食が抑えられることが判り、境界潤滑下であっても、耐磨耗性が向上すると共に、焼き付きが防止できることが判った。
本発明の摺動部材は、高荷重が掛かる油圧機器の軸受に適用して好適である。
本発明は、第１の金属粉末が成型されて焼結された第１の焼結体層と、第１の焼結体層の一の面に、第１の金属粉末と異なる組成の第２の金属粉末が成型されて焼結された第２の焼結体層とを備え、第２の焼結体層の一の面に対して粉体を衝突させる打撃処理で、空隙部を押し潰すような圧力を掛けて空隙部を減少させ、かつ、第２の焼結体層の一の面である少なくとも摺動面の硬さがＨｖ１５０以上でＨｖ２５０以下となるように第２の焼結体層が緻密化された摺動部材である。
また、第２の焼結体層は、一の面である少なくとも摺動面の硬さが、更に好ましくはＨｖ１７０以上でＨｖ２２０以下となるように緻密化されることが好ましい。
また、本発明は、第１の金属粉末を成型し、成型された第１の金属粉末を焼結して第１の焼結体層を形成する工程と、第１の焼結体層の少なくとも摺動面となる一の面に、第１の金属粉末と異なる組成の第２の金属粉末を、第１の焼結体層の形状に合わせて散布する散布工程と、第１の焼結体層の一の面に散布された第２の金属粉末を固める焼結処理で、第１の焼結体層の形状に合わせた形状を保持して、第２の金属粉末を結合させると共に、第２の金属粉末を第１の焼結体層に結合させて第２の焼結体層を形成する焼結工程と、少なくとも第２の焼結体層の一の面に粉体を衝突させる打撃処理で、空隙部を押し潰すような圧力を掛けて、空隙部を減少させ、かつ、前記第２の焼結体層の一の面である少なくとも摺動面の硬さがＨｖ１５０以上でＨｖ２５０以下となるように第２の焼結体層を緻密化するブラスト工程とを含む摺動部材の製造方法である。上述したブラスト工程の後に、摺動部材を再度焼結する２次焼結工程を含むことが好ましい。
本発明は、第１の金属粉末が成型されて焼結された第１の焼結体層と、第１の焼結体層の一の面に、第１の金属粉末と異なる銅系の材料で構成される第２の金属粉末が成型されて焼結された第２の焼結体層とを備え、第２の焼結体層の一の面に対して粉体を衝突させる打撃処理で、空隙部を押し潰すような圧力を掛けて空隙部を減少させ、かつ、第２の焼結体層の一の面である少なくとも摺動面の硬さがＨｖ１５０以上でＨｖ２５０以下となるように第２の焼結体層が緻密化された摺動部材である。
第１の焼結体層は、第１の金属粉末が鉄系の材料で構成されることが好ましい。
また、本発明は、第１の金属粉末を成型し、成型された第１の金属粉末を焼結して第１の焼結体層を形成する工程と、第１の焼結体層の少なくとも摺動面となる一の面に、第１の金属粉末と異なる銅系の材料で構成される第２の金属粉末を、第１の焼結体層の形状に合わせて散布する散布工程と、第１の焼結体層の一の面に散布された第２の金属粉末を固める焼結処理で、第１の焼結体層の形状に合わせた形状を保持して、第２の金属粉末を結合させると共に、第２の金属粉末を第１の焼結体層に結合させて第２の焼結体層を形成する焼結工程と、少なくとも第２の焼結体層の一の面に粉体を衝突させる打撃処理で、空隙部を押し潰すような圧力を掛けて、空隙部を減少させ、かつ、前記第２の焼結体層の一の面である少なくとも摺動面の硬さがＨｖ１５０以上でＨｖ２５０以下となるように第２の焼結体層を緻密化するブラスト工程とを含む摺動部材の製造方法である。上述したブラスト工程の後に、摺動部材を再度焼結する２次焼結工程を含むことが好ましい。

Claims (5)

  1. 第１の金属粉末が成型されて焼結された第１の焼結体層と、
    前記第１の焼結体層の一の面に、前記第１の金属粉末と異なる組成の第２の金属粉末が成型されて焼結された第２の焼結体層とを備え、
    前記第２の焼結体層の一の面に対して粉体を衝突させる打撃処理で、前記第２の焼結体層が緻密化された
    ことを特徴とする摺動部材。
  2. 前記第１の焼結体層は、前記第１の金属粉末が鉄系の材料で構成され、前記第２の焼結体層は、前記第２の金属粉末が銅系の材料で構成される
    ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 前記第２の焼結体層は、一の面である少なくとも摺動面の硬さがＨｖ１５０以上でＨｖ２５０以下となるように緻密化される
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
  4. 第１の金属粉末を成型し、成型された前記第１の金属粉末を焼結して第１の焼結体層を形成する工程と、
    前記第１の焼結体層の少なくとも摺動面となる一の面に、前記第１の金属粉末と異なる組成の第２の金属粉末を、前記第１の焼結体層の形状に合わせて散布する散布工程と、
    前記第１の焼結体層の一の面に散布された前記第２の金属粉末を固める焼結処理で、前記第１の焼結体層の形状に合わせた形状を保持して、前記第２の金属粉末を結合させると共に、前記第２の金属粉末を前記第１の焼結体層に結合させて第２の焼結体層を形成する焼結工程と、
    少なくとも前記第２の焼結体層の一の面に粉体を衝突させる打撃処理で、空隙部を押し潰すような圧力を掛けて、空隙部を減少させて前記第２の焼結体層を緻密化するブラスト工程と
    を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
  5. 前記ブラスト工程の後に、前記摺動部材を再度焼結する２次焼結工程を含む
    ことを特徴とする請求項４に記載の摺動部材の製造方法。
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