JPWO2017150271A1 - Ｃｕ基焼結摺動材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明のＣｕ基焼結摺動材は、質量％でＮｉ：７％〜３５％、Ｓｎ：１％〜１０％、Ｐ：０．９％〜３％、Ｃ：０．５％〜５％を含有し、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成を有し、ＳｎとＣを含有しＣｕ−Ｎｉ系合金を主成分とする合金粒と、前記合金粒の粒界に分散分布するＮｉとＰを主成分とした粒界相と、前記合金粒の粒界に介在する遊離黒鉛と、を有する焼結体からなり、前記合金粒の粒界に気孔が分散形成された組織を有し、前記合金粒と前記粒界相とを含む金属マトリックス内のＣの含有量は、質量％で０．０２％〜０．２０％である。

Description

本発明は、Ｃｕ基焼結摺動材およびその製造方法に関する。
本願は、２０１６年３月４日に、日本に出願された特願２０１６−０４２７７６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

一般的に、高面圧又は高回転の条件下で使用される軸受として、転がり軸受が採用されている。しかしながら、転がり軸受は高価であるため、高面圧又は高回転の条件下で使用可能な、焼結部材からなる滑り軸受の開発が期待されている。

特許文献１には、相手軸とのトライボロジー的相性に優れた銅系材のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系合金をスピノーダル分解処理により高強度化させた軸受材が開示されている。特許文献２には、特許文献１の問題を解決するために、軸受材の素地中にＮｉとＰを主成分としたＮｉ−Ｐ相を分散させたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｐ−Ｃ系軸受が開示されている。

特開２００６−１９９９７７号公報 国際公開第２０１２／０６３７８６号

特許文献１の軸受材は、スピノーダル分解処理により高硬度になり、相手軸と摺動初期からなじまず、かえって摩耗を進行させるという問題があった。また、特許文献２に示された軸受は、素地中に耐摩耗性向上効果を有するＮｉとＰを主成分とした相を分散させるためにＰをＣｕ−ＰやＮｉ−Ｐで添加するが、Ｐは、焼結を促進させる効果もあり、焼結による寸法変化およびそのバラつきが大きくなるという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであって、高回転、高面圧下で使用可能であり、焼結における寸法変化が小さく生産性の高いＣｕ基焼結摺動材の提供を目的とする。

（１）本発明の一態様のＣｕ基焼結摺動材は、質量％でＮｉ：７％〜３５％、Ｓｎ：１％〜１０％、Ｐ：０．９％〜３％、Ｃ：０．５％〜５％を含有し、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成を有し、ＳｎとＣを含有したＣｕ−Ｎｉ系合金を主成分とする合金粒と、前記合金粒の粒界に分散分布するＮｉとＰを主成分とした粒界相と、前記合金粒の粒界に介在する遊離黒鉛と、を有する焼結体からなり、前記合金粒の粒界に気孔が分散形成された組織を有し、前記合金粒と粒界相を含む金属マトリックス内のＣの含有量は、質量％で０．０２％〜０．２０％である。

（２）また、上記（１）のＣｕ基焼結摺動材を、気孔率が１３％〜２８％である構成としてもよい。

（３）本発明の一態様のＣｕ基焼結摺動材の製造方法は、複数種類の粉末を混合して混合粉末を得る混合工程と、前記混合粉末をプレス成形して圧粉体を得る成形工程と、前記圧粉体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、前記焼結体にサイジングを行うサイジング工程と、を有し、前記複数種類の粉末は、金属粉末と、黒鉛粉末と、を含み、質量％でＮｉ：７％〜３５％、Ｓｎ：１％〜１０％、Ｐ：０．９％〜３％、Ｃ：０．５％〜５％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の合計組成となるように配合して混合され、前記金属粉末には、質量％で０．０２％〜０．２０％のＣが含まれる。

（４）また、上記（３）のＣｕ基焼結摺動材の製造方法を、前記焼結工程において、前記圧粉体を７６０℃〜９００℃で焼結する製造方法としてもよい。

（５）また、上記（３）または（４）のＣｕ基焼結摺動材の製造方法を、前記焼結体の気孔率を１３％〜２８％とする製造方法としてもよい。

本発明のＣｕ基焼結摺動材は、Ｃｕ−Ｎｉ系合金粒を焼結した焼結材であり、ＮｉとＰを主成分とした粒界相を有することで、摺動時の摩耗特性が高められている。さらに、本発明のＣｕ基焼結摺動材は、合金粒と粒界相とを含む金属マトリックス中のＣを適度な含有量に抑制しているので、焼結前後の寸法変化率を小さくすることができる。すなわち、本発明によれば、焼結前後で異常膨張や収縮などの大きな寸法変化を生じ難い、良好な歩留まりで生産できる焼結摺動材を提供できる。さらに本発明によれば、合金粒および粒界相からなる金属マトリックス中に含有されるＮｉ量、Ｓｎ量、Ｐ量を好適な範囲に制御することで強度および耐摩耗性に優れ、高回転、高面圧下で使用可能な焼結摺動材を提供できる。

実施形態のＣｕ基焼結摺動材を用いた軸受の斜視図。 実施形態のＣｕ基焼結摺動材の拡大組織図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。

図１は、本実施形態のＣｕ基焼結摺動材１０からなるリング状の軸受（Ｃｕ基焼結軸受）１を示す。また、軸受１が支持する回転軸６には、例えばステンレス鋼等のＦｅ系合金が用いられる。回転軸６は、軸受１に対して回転摺動、又は直線摺動する。

本実施形態の軸受１は、例えば、自動車のスタータモータや電動コンプレッサー、ＡＢＳの制御モーターに用いられる。このような用途において、軸受１に加わる負荷はエンジン等からの振動も加わり、面圧１０ＭＰａ〜２０ＭＰａ、回転数は、１０００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍとなる場合がある。このような高負荷、高回転数の用途において、従来の滑り軸受は、強度が十分でなく、異常摩耗が起こる場合があり、信頼性が十分でなかった。本実施形態の滑り軸受１は、強度が高く自動車の内燃機関のスロットルや動弁系等の制御用モーターに使用可能である。

図２は、本実施形態の軸受１を構成するＣｕ基焼結摺動材１０の断面を光学顕微鏡により観察した組織の模式図である。
なお、本明細書において、Ｃｕ基焼結摺動材１０に含まれる各成分の含有量を単に「％」と表す場合には、「質量％」を意味する。

図２に示すように、Ｃｕ基焼結摺動材１０は、ＳｎとＣを含有したＣｕ−Ｎｉ系合金を主成分とする合金粒１１と、合金粒１１の粒界に分散分布するＮｉとＰを主成分とした粒界相１４と、合金粒１１の粒界に介在する遊離黒鉛１３（Ｃ（Ｆｒｅｅ））と、を有する焼結体からなる。この焼結体は、合金粒１１の粒界に気孔１２が分散形成された組織を有する。言い換えると、気孔１２は合金粒１１間に形成され、焼結体内に分散して形成されている。合金粒１１および粒界相１４は、一体化されて金属マトリックス２０を構成する。言い換えると、金属マトリックス２０は主に金属で構成されており、合金粒１１と粒界相１４とからなる。また、金属マトリックス２０は遊離黒鉛１３を含まない。すなわち、この焼結体は金属マトリックス２０と遊離黒鉛１３とからなる。

気孔１２は、Ｃｕ基焼結摺動材１０内に分散分布している。気孔１２の内部は、Ｃｕ基焼結摺動材１０を含浸する潤滑油で満たされる。潤滑油としては、鉱油あるは合成油（合成炭化水素、合成エステル、リン酸エステル、フッ素系油、シリコーン油等）が採用できるが、これに限定されない。

遊離黒鉛１３は、気孔１２内に分散されている。遊離黒鉛１３は、Ｃｕ基焼結摺動材１０に潤滑作用を付与する。

合金粒１１は、Ｃｕ−Ｎｉ系合金を主成分とし、ＳｎとＣを含有する。また、合金粒１１には、Ｐが含まれていてもよい。Ｐは、例えばＣｕ−Ｐ合金粉末又はＮｉ−Ｐ合金粉末に由来して、Ｃｕ基焼結摺動材１０に添加される。

Ｃｕ基焼結摺動材１０は、上述した遊離黒鉛１３の他に、金属マトリックス２０内に含まれるＣ、より詳細には、合金粒１１内と粒界相１４内に合金化した状態で含まれるＣを含む。このＣは、Ｃｕ基焼結摺動材１０の焼結前の原料である合金粉末（金属粉末）中に含まれるＣに由来する。合金粒１１内にＣを適度に含有させることで、焼結前後の焼結体の寸法変化を安定させることができる。

粒界相１４は、合金粒１１の粒界に分散分布するＮｉとＰを主成分とする。言い換えると、粒界相１４は合金粒１１間に存在する。粒界相１４には、ＮｉおよびＰの他に、Ｓｎ、Ｃｕが含まれていてもよい。Ｐを、Ｃｕ−Ｐ合金粉末により添加する場合は、焼結時にＣｕ−Ｐ合金粉末が溶融してＰがＣｕ−Ｎｉの合金粒１１の粒界に集まり、ＰがＮｉ、ＳｎおよびＣｕを取り込んで粒界相１４が形成される。したがって、Ｃｕ−Ｐ合金粉末によりＰを添加する場合は、ＮｉとＰを主成分とする相（粒界相１４）にＳｎおよびＣｕが含まれる。一方で、ＰをＮｉ−Ｐ合金粉末により添加する場合には、焼結時にＮｉ−Ｐの一部が溶融するものの、他の成分（例えば、ＳｎおよびＣｕ）の合金化が少なく、他の金属成分の含有量が少ない粒界相１４が形成される。
粒界相１４は、Ｎｉ−Ｐ合金を含むため、合金粒１１同士を強固に結合してＣｕ基焼結摺動材１０の強度を高めて耐摩耗特性を高める。

Ｃｕ基焼結摺動材１０からなる軸受１の製造方法は後に詳述するが、一例として、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末とＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉末の少なくとも一方、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｐ合金粉末、およびＮｉ−Ｐ合金粉末からなる原料粉末（金属粉末）と、黒鉛粉末とを所定量均一混合してプレス成形し、得られた成形体（圧粉体）を７６０℃〜９００℃で焼結することにより得られる。

Ｃｕ基焼結摺動材１０は、質量％でＮｉ：７％〜３５％、Ｓｎ：１％〜１０％、Ｐ：０．９％〜３％、Ｃ：０．５％〜５％を含有し、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成を有する。合金粒１１と粒界相１４とを含む金属マトリックス２０中には、質量％で０．０２％〜０．２０％のＣが含まれる。さらに合金粒１１は、Ｐを含有しても良い。Ｃｕ基焼結摺動材１０の気孔率は、１３％〜２８％であることが好ましい。
以下に、軸受１を構成するＣｕ基焼結摺動材１０の各組成比及び気孔率の好ましい範囲の理由について説明する。

＜Ｎｉ：７％〜３５％＞
ＮｉはＣｕ、Ｓｎ、Ｐと合金化して、合金粒１１中のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相、および合金粒１１同士の粒界にＮｉとＰを主成分とする相（粒界相１４）を形成し、優れた強度および耐摩耗性を付与する効果がある。Ｎｉ含有量が７％未満では、所望の強度および耐摩耗性が得られない。一方で、Ｎｉ含有量が３５％を超えると、焼結摺動材の材料コストが高くなるために好ましくない。Ｎｉ含有量は７．２％〜３４．２％がより好ましく、１２．９％〜３４．２％がさらに好ましいが、これに限定されない。

＜Ｓｎ：１％〜１０％＞
Ｓｎは、焼結によりＮｉ、Ｃｕと共にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相合金粒１１同士の粒界にＳｎを含有するＮｉとＰを主成分とする相（粒界相１４）を形成して、優れた強度および耐摩耗性を付与する。また、Ｓｎは、合金粒１１に含まれることにより、優れた強度および耐摩耗性を付与する効果を奏する。Ｓｎ含有量が、１％未満では所望の強度、耐摩耗性が得られない。また、Ｓｎ含有量が１０％を超える場合、焼結時に多量の液相を発生させるため、寸法バラつきの原因となり、好ましくない。Ｓｎ含有量は１．４％〜９．２％がより好ましく、２．２％〜７．８％がさらに好ましいが、これに限定されない。

Ｓｎは、Ｃｕ基焼結摺動材１０の内部及び表面にＳｎを３０％以上含有するＳｎ高濃度合金層（図示略）を形成する場合がある。この場合、Ｓｎ高濃度合金層は、Ｃｕ基焼結摺動材１０の表面又は、気孔１２の内面に形成されている。Ｓｎ高濃度合金層は、Ｃｕ基焼結摺動材１０の有機酸に対する耐食性を高めることができる。このようなＳｎ高濃度合金層は、Ｓｎの含有量や焼結条件を調整することにより形成することができる。

＜Ｐ：０．９％〜３％＞
Ｐは、圧粉体の焼結性を高め、合金粒１１および粒界相１４からなる金属マトリックス２０の強度を向上させる効果を有する。また、Ｐは、Ｎｉとともに粒界相１４（ＮｉとＰを主成分とする相）を形成し、耐摩耗性向上に効果を有する。Ｐ含有量が、０．９％未満では所望の耐摩耗性が得られず、３％を超える場合は焼結体の変形が顕著に起こるようになり、製品歩留まりが低下し、好ましくない。Ｐ含有量は１．１％〜２．９％がより好ましく、１．５％〜２．５％がさらに好ましいが、これに限定されない。

＜Ｃ（総和）：０．５％〜５％＞
Ｃは、合金粒１１および粒界相１４が構成する金属マトリックス２０に含まれ素地と合金化しているＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）と、合金粒１１間に遊離黒鉛１３として存在しているＣ（Ｆｒｅｅ）と、があり、それぞれ作用が異なる。
Ｃｕ基焼結摺動材１０は、合金粒１１および粒界相１４が構成する金属マトリックス２０に含まれるＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）と、遊離黒鉛１３としてのＣ（Ｆｒｅｅ）との総和として、０．５％〜５％のＣを含んでいる。

＜Ｃ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）：０．０２％〜０．２０％＞
合金粒１１および粒界相１４が構成する金属マトリックス２０に含まれ合金化しているＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）は、例えば、原料粉末の一つであるＣｕ−Ｎｉ合金粉末およびＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉中に含まれるＣに由来する。原料粉末の一つであるＣｕ−Ｎｉ合金粉末およびＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ粉末中に所定量含有させることで、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｐ合金粉末、Ｎｉ−Ｐ合金粉末、および黒鉛粉末からなる圧粉体の焼結時の寸法変化を安定させることができる。

Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末などの原料粉末中に含有されるＣは、原料粉末同士の焼結を抑制する効果がある。
Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末中に含まれるＣの含有量が０．０２％未満であると、原料粉末同士の焼結を抑制するものがないために焼結が促進され、焼結によって寸法が縮みすぎてしまう。したがって、原料粉末中に含まれるＣの含有量は、０．０２％以上とすることが好ましい。また、これにより、金属マトリックス２０に内在するＣの含有量、より詳細には合金粒１１と粒界相１４に内在するＣの含有量も、０．０２％以上となっていることが好ましい。
また、原料粉末中に含まれるＣの含有量が０．２０％を超えると、原料粉末同士の焼結がいっそう進みにくくなり、焼結による寸法の拡大が大きくなる。したがって、原料粉末中に含まれるＣの含有量は、０．２０％以下とすることが好ましい。また、これにより、金属マトリックス２０に内在するＣの含有量、より詳細には合金粒１１と粒界相１４に内在するＣの含有量も、０．２０％以下となっていることが好ましい。
金属マトリックス２０に内在するＣ（ｃｏｍｂｉｎｅｄ）、より詳細には合金粒１１と粒界相１４の素地と合金化しているＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）の含有量を０．０２％以上０．２０％以下とすることで、焼結前後における寸法の変化率を−１．５％以上１％以下とすることができる。金属マトリックス２０に含まれるＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）の含有量は０．０３９％〜０．１８３％がより好ましく、０．０５４％〜０．０９２％がさらに好ましいが、これに限定されない。なお、金属マトリックス２０に含まれるＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）の含有量は、Ｃｕ基焼結摺動材１０に含まれるＣの含有量から、遊離黒鉛１３として含まれるＣ（Ｆｒｅｅ）の含有量を減じることにより算出される。

＜Ｃ（Ｆｒｅｅ）：０．３％〜４．９８％＞
上述したように、Ｃｕ基焼結摺動材１０は、合金化するＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）と遊離黒鉛１３としてのＣ（Ｆｒｅｅ）との総和として、０．５％〜５％のＣを含んでいる。また、Ｃｕ基焼結摺動材１０は、０．０２％〜０．２０％のＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）を含んでいる。したがって、Ｃｕ基焼結摺動材１０は、Ｃの含有量の総和からＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）の含有量を差し引いた量（０．３％〜４．９８％）の遊離黒鉛１３（Ｃ（Ｆｒｅｅ））を含有する。

遊離黒鉛１３としてのＣ（Ｆｒｅｅ）は、原料粉末と共に混合する黒鉛粉末に由来する。Ｃｕ基焼結摺動材１０は、Ｃ（Ｆｒｅｅ）を０．３％以上含有することで、Ｃ（Ｆｒｅｅ）により優れた潤滑性が付与され、耐摩耗性が向上する。０．３％以上のＣ（Ｆｒｅｅ）には焼結による寸法収縮を緩和させる効果もある。一方で、遊離黒鉛１３として含まれるＣ（Ｆｒｅｅ）は、合金粒１１の粒界に介在するため、合金粒１１同士の結合を阻害して、Ｃｕ基焼結摺動材１０の強度を低下させる虞がある。遊離黒鉛１３として含まれるＣ（Ｆｒｅｅ）の含有量を５％以下とすることで、Ｃｕ基焼結摺動材１０の強度及び耐摩耗性の低下を最低限度に抑制しつつ、潤滑性を高めることができる。遊離黒鉛１３としてのＣ（Ｆｒｅｅ）の含有量は０．５０１％〜４．６３５％がより好ましく、０．７３９％〜２．３７２％がさらに好ましいが、これに限定されない。

＜残部Ｃｕ＞
Ｃｕ基焼結摺動材１０は、Ｆｅ系合金の軸を摺動させる軸受１として好適に用いられる。
Ｆｅ系合金からなる回転軸６は、軸受１の材質（例えばＦｅ系合金を採用した場合等）によっては、焼き付きが起こりやすくなる。軸受１は、Ｆｅ系合金を相手材として摺動した場合であっても、焼き付きが起こりにくいことが望まれる。軸受１として、Ｃｕが支配的な組成であるＣｕ基焼結摺動材１０を用いることで、Ｆｅ系合金からなる軸との焼き付きが生じにくくなる。

＜気孔率：１３％〜２８％＞
気孔１２は、潤滑油を含浸、貯留し、軸受１が相手部材（例えば図１に示す回転軸６）と摺動する際に潤滑油を供給することで軸受１の耐摩耗性を高める作用がある。Ｃｕ基焼結摺動材１０の気孔率が１３％未満である場合には、十分な潤滑油を保有することができず、摩耗進行の原因となる虞がある。一方で、Ｃｕ基焼結摺動材１０の気孔率が、２８％を超える場合には、Ｃｕ基焼結摺動材１０の密度が低下して強度が低くなり、高い面圧条件では摩耗の進行が速くなり好ましくない。気孔率は１３．５％〜２７．３％がより好ましく、１５．７％〜２３．５％がさらに好ましいが、これに限定されない。
なお、軸受１の気孔率は、日本粉末冶金工業会の焼結金属材料の開放気孔率試験方法（ＪＰＭＡ Ｍ ０２−１９９２）により測定する事が出来る。

＜Ｃｕ基焼結摺動材の製造手順＞
以下に、本実施形態のＣｕ基焼結摺動材１０からなる軸受１の製造手順を説明する。
まず、出発材料として１０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内の所定の平均粒径を有する複数種類の粉末を用意する。複数種類の粉末としては、例えばＣｕ−Ｎｉ合金粉末とＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉末の少なくとも一方、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｐ合金粉末、Ｎｉ−Ｐ合金粉末、および黒鉛粉末が例示される。また、Ｃｕ及びＮｉの成分組成を調整するために、さらにＣｕ粉末、Ｎｉ粉末を用意してもよい。ここで、複数種類の粉末は、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉末、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｐ合金粉末、およびＮｉ−Ｐ合金粉末などの金属粉末と、黒鉛粉末と、に分類される。すなわち、複数種類の粉末は、金属粉末と、黒鉛粉末と、を含む。Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉末には、不可避不純物として、質量％で０．０２％〜０．２０％のＣが含まれる。

次に、これらの各粉末を最終目的の組成比となるように混合した後、ステアリン酸亜鉛などの潤滑剤を０．１％〜１．０％、例えば０．５％程度添加し、混合機で数１０分程度均一混合し、混合粉末を得る（混合工程）。混合に際しては、ダブルコーン型混合機、Ｖ型混合器等を用いて均一に分散させることが好ましい。

次いで、混合粉末を金型に格納し、１００ＭＰａ〜７００ＭＰａの圧力を加えプレス成形し、目的の形状、例えばリング状の圧粉体を得る（成形工程）。

次いで、圧粉体に対し、例えば、天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミックガス（endothermic gas）雰囲気中において、７６０℃〜９００℃の範囲内の所定の温度で焼結する（焼結工程）。焼結工程において、圧粉体を７６０℃〜９００℃で焼結することにより、金属マトリックス２０中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織を有し、焼結の寸法変化率の小さい焼結体を得る事が可能となる。焼結温度は、８００℃〜８８０℃がより好ましく、８４０℃〜８７０℃がさらに好ましいが、これに限定されない。

次いで、得られた焼結体を金型に格納し、２００ＭＰａ〜７００ＭＰａ範囲内の圧力でサイジングを行う（サイジング工程）。これにより、Ｃｕ基焼結摺動材１０からなる目的の形状の軸受１を得ることができる。

次いで、Ｃｕ基焼結摺動材１０に、鉱油あるいは合成油（合成炭化水素、合成エステル、フッ素系油など）などの潤滑油を含浸させる（潤滑油含浸工程）。これにより、Ｃｕ基焼結摺動材１０の気孔１２には、潤滑油が満たされ、Ｃｕ基焼結摺動材１０に十分な潤滑性が付与される。

焼結時、低融点であるＳｎ（融点約２３２℃）やＣｕ−Ｐ（融点約７１４℃）は、焼結時に溶融し、ＳｎやＰはＣｕ−Ｎｉ合金粉末の粒子と反応する。このため、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末の粒子による焼結がなされ、焼結後には、焼結後の合金粒１１の粒界の気孔部分に遊離黒鉛１３が存在する図２に示す組織が得られる。

なお、原料粉末として用いるＣｕ−Ｎｉ合金粉末又はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉末を製造する場合、合金溶湯から急冷して粉末化するアトマイズ法を用いる。アトマイズ法では、一般的に、るつぼ内で溶融させた合金溶湯に脱酸等の目的でＣを添加することがある。ここではＣの不純物としての影響が大きいので、アトマイズ法において脱酸用に添加するＣ量や溶解温度を調節したりるつぼの材質を選択したりすることで、合金粉末に含まれるＣ量を制御できる。

＜作用効果＞
本実施形態のＣｕ基焼結摺動材１０は、Ｃｕ−Ｎｉ合金粒を焼結した焼結材であり、これら合金粒１１および粒界相１４が構成する金属マトリックス２０中のＣを適度な含有量に抑制しているので、焼結前後の寸法変化率を小さくすることができる。これにより、焼結前後で異常収縮や膨張などの大きな寸法変化を生じ難い、良好な歩留まりで生産できる焼結摺動材を提供できる。

また、本実施形態のＣｕ基焼結摺動材１０では、金属マトリックス２０中に含有されるＮｉ量、Ｓｎ量、Ｐ量を好適な範囲に制御することでその強度および耐摩耗性が高められている。このため、Ｃｕ基焼結摺動材１０は、高回転、高面圧下で使用する滑り軸受１として使用可能である。
特に、本実施形態のＣｕ基焼結摺動材１０では、Ｐの含有量を０．９％以上とすることで、合金粒１１の粒界に所望量のＮｉとＰを主成分とした粒界相１４が形成される。粒界相１４は、合金粒１１同士を強固に結合すると共にＣｕ基焼結摺動材１０の耐摩耗特性を高くする。一方で、Ｐの含有量を高めると、寸法安定性が低下する。本実施形態のＣｕ基焼結摺動材１０によれば、Ｐを含有させたことにより低下した寸法安定性を補完するために、金属マトリックス２０、より詳細には合金粒１１にＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）を適量含有させる事で、寸法安定性を向上させて生産性の高いＣｕ基焼結摺動材１０を提供できる。

以下、実施例を示して本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜試料の作製＞
まず、原料粉末として、Ｎｉ含有量の異なる数種類のＣｕ−Ｎｉ合金粉末とＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉末、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−８％Ｐ合金粉末、Ｎｉ−１１％Ｐ合金粉末および黒鉛粉末を用意した。

これらの原料粉末を以下の表２に示した最終成分組成となるように表１のように配合し、ステアリン酸亜鉛を０．５％加えてＶ型混合機で２０分間混合した後、得られた混合粉末をプレス成形して圧粉体を製作した。なお、表１において、配合されていない粉末には「−」を付している。
次に、この圧粉体を、天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミックガス（endothermic gas）雰囲気中において、７６０℃〜９００℃範囲内の所定の温度で焼結し、焼結摺動材（Ｃｕ基焼結摺動材）を得た。
次に、得られた焼結体を金型に格納し、２００ＭＰａ〜７００ＭＰａ範囲内の所定の圧力を加えてサイジングを行った。次にＣｕ基焼結材中に潤滑油を含浸せしめた。潤滑油は、鉱油あるは合成油（合成炭化水素、合成エステル、フッ素系油など）など潤滑作用のある油を用いることができる。

以上の工程により、外径：１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：４ｍｍの寸法を有する複数種類の実施例および複数種類の比較例のリング状のＣｕ基焼結摺動材（実施例１〜１２および比較例１〜１０）を試料として作製した。これらのＣｕ基焼結摺動材のうち、実施例６について、金属組織を電子顕微鏡にて観察したところ、ＳｎとＣを含有しＣｕ−Ｎｉ系合金を主成分とする合金粒、ＮｉとＰを主成分とした粒界相、遊離黒鉛、および気孔の構成の存在が確認された。
表１に、各試料の作製時における各種パラメータをまとめた。

＜各種試験＞
次に、各試料の成分組成、気孔率、圧環試験の結果としての圧環強度、焼結前後の寸法変化率、歩留まり、並びに摩耗試験結果としての耐摩耗性を測定し、表２にまとめた。
なお、表２の成分組成において、Ｃ（Ｆｒｅｅ）の列は、遊離黒鉛として粒界に介在するＣの質量％を表す。また、Ｃ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）の列は、合金粒および粒界相１４が構成する金属マトリックスに含まれるＣの質量％を表す。さらに、Ｃ（総量）は、Ｃ（Ｆｒｅｅ）及びＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）として試料に含まれるＣの質量％の総量を表す。
各測定方法について、以下に説明する。

＜成分組成＞
焼結体の成分組成は、蛍光Ｘ線による定量分析法により求めた。
また、各試料に含まれるＣの総量のうち、遊離黒鉛として粒界に介在するＣ（Ｆｒｅｅ）と、合金粒と粒界相とを含む金属マトリックスに合金化して含まれるＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）と、の比率は、以下の方法で求めた。
まず、試料の焼結摺動材に含まれるＣの総量を赤外線吸収法（ガス分析法）により測定した。次いで、遊離黒鉛として含まれるＣ（Ｆｒｅｅ）の含有量の分析をＪＩＳ Ｇ１２１１−１９９５の方法に準じて行った。合金粒と粒界相とを含む金属マトリックスに合金化して含まれるＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）は、Ｃの総量から遊離黒鉛の含有量を差し引いて求めた。
なお、表１に示す、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末およびＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉末中の不純物炭素量は、赤外線吸収法（ガス分析法）により測定した。

＜気孔率＞
気孔率は、焼結金属材料の解放気孔率試験方法ＪＰＭＡ Ｍ ０２−１９９２に準じて測定した。

＜圧環試験＞
リング形状を有する試料に半径方向から荷重を加え、試料が破壊した時の試験荷重を圧環強度とした。圧環強度は、１５０ＭＰａ以上であることが好ましい。

＜寸法変化率＞
成形体（圧粉体）の外径寸法を焼結前にあらかじめ測定し、焼結を実施する。焼結後の焼結体（焼結軸受）の外径寸法を測定し、焼結前後での寸法変化率を計算にて求めた。
寸法変化率は、−１．５％以上１％以下とすることが好ましい。

＜歩留まり＞
同一条件で作製した５０個の試料に対し、サイジング後の内径寸法が所定の寸法公差内か寸法交差外かで歩留まりを判定した。公差巾を０．００６ｍｍとして、公差内の内径寸法製品を合格品とした。さらに、全体に対する合格品の割合に基づき、Ａ、Ｂ、Ｃの評価を行った。評価基準を以下に示す。
Ａ：合格品が９５％以上。
Ｂ：合格品が９０％以上、９５％未満。
Ｃ：合格品が９０％未満。

＜耐摩耗性試験＞
まず、リング形状を有する各試料に、Ｓ４５Ｃからなりφ８ｍｍのシャフト（軸）を挿入した。さらに、シャフトの軸方向に対して直角方向に一定の荷重を加えることにより、試料の半径方向に面圧１０ＭＰａの負荷を与えた。この状態で、シャフトを１００ｍ／ｍｉｎ．で５０時間回転させる耐摩耗性試験を行った。試験終了後に、試験片を取り出し（試料をシャフトから取り外し）、シャフトとの摺動面（試料の内周面）における最大摩耗深さを測定した。測定結果に基づき、以下の評価基準に沿って、Ａ、Ｂ、Ｃの耐摩耗性の評価を行った。なお、この摩耗試験は、焼結軸受を高面圧で高速回転させることを想定したものである。
Ａ：最大摩耗深さ１０μｍ以下。
Ｂ：最大摩耗深さが１０μｍ超、２０μｍ以下。
Ｃ：最大摩耗深さが２０μｍ超。

＜考察＞
表２から、実施例１〜実施例１２の試料は、寸法変化率、歩留まり、圧環強度、耐摩耗性、ともに好ましい範囲となった。

比較例１の試料は、圧環強度が低く、耐摩耗性が低くなっている。比較例１の試料は、Ｎｉの含有量が低いため、強度が不足したものと考えられる。また、比較例１の試料は、寸法変化率及び歩留まりから、寸法の安定性が低いことが確認された。

比較例２の試料は、寸法変化率、歩留まり、圧環強度、耐摩耗性、ともに好ましい範囲となった。しかしながら、比較例２の試料には、Ｎｉが３５％以上含まれており、材料コストが高いという問題がある。焼結摺動材からなる滑り軸受は、ベアリングなどの転がり軸受に対するコスト的な有利性により採用される。この点を鑑みると、材料コスト高い比較例２の試料は、軸受に用いる焼結摺動材として好ましいものではない。

比較例３の試料は、耐摩耗性が低くなっている。また比較例３の試料は、基準である１５０ＭＰａをクリアしているものの圧環強度が比較的低いという結果となった。比較例３の試料は、Ｐの含有量が低い。Ｐは、Ｎｉ等と共に固溶体（ＮｉとＰを主成分とした粒界相１４）を形成し、Ｃｕ基焼結摺動材の耐摩耗性および強度を高める成分である。比較例３は、Ｐの含有量が低いために耐摩耗性が不足したものと考えられる。

比較例４の試料は、寸法変化率及び歩留まりが悪いことから寸法の安定性が低いことがわかる。比較例４の試料は、Ｐの含有量が３％を超えている。Ｐの含有量が３％を超えると、焼結時の寸法変化が大きくなり、寸法精度が低下する。比較例４は、Ｐの含有量が多すぎるために、寸法精度が低下したものと考えられる。

比較例５の試料は、圧環強度および耐摩耗性が低くなっている。比較例５の試料は、Ｓｎの含有量が１％未満である。Ｓｎは、Ｎｉ等と共に固溶体を形成してＣｕ基焼結摺動材の強度および耐摩耗性を高める成分である。比較例５の試料は、固溶体が十分に形成されず強度が不足したものと考えられる。

比較例６の試料は、寸法変化率及び歩留まりから寸法の安定性が低い。比較例６の試料は、Ｓｎの含有量が１０％を超えている。Ｓｎの含有量が１０％を超えると、焼結時の寸法変化が大きくなり、寸法精度が低下する。比較例６は、Ｓｎの含有量が多すぎるために、寸法精度が低下したものと考えられる。

比較例７の試料は、寸法変化率及び歩留まりから寸法の安定性が低い。比較例７の試料は、遊離黒鉛が０．３％未満であり、寸法変化率および歩留まりから寸法の安定性が低く、潤滑性不足のため耐摩耗性も低下したと考えられる。

比較例８の試料は、圧環強度および耐摩耗性が低くなっている。比較例８の試料は、遊離黒鉛として粒界に存在するＣ（Ｆｒｅｅ）の含有量が過大である。このため、遊離黒鉛が合金粒同士の結合を阻害して、Ｃｕ基焼結摺動材の強度および耐摩耗性を低下させたと考えられる。

比較例９の試料は、寸法が小さくなりすぎて、歩留まりが悪いという結果となった。比較例９の試料は、合金粒と粒界相とを含む金属マトリックスに合金化して含まれるＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）が、０．０２％より少ない。Ｃ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）が、０．０２％未満であると、原料粉末同士の焼結を阻害するものがないために焼結が促進され、焼結によって寸法が縮みすぎてしまう。このため比較例９の試料は、歩留まりが悪いという結果となったと考えられる。

比較例１０の試料は、寸法変化率が正の値となっている。即ち、焼結によって焼結摺動材が膨張したことが分かった。比較例１０の試料は、合金粒の内部に合金化して含まれるＣ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）が、０．２０％より多い。この結果から、Ｃ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ）が、０．２０％を超えていると、焼結によって寸法が大きくなってしまうことが確認された。

以上の結果から、本願発明の条件を満たした実施例の試料であるならば、寸法変化率が小さいので歩留まりが良好であり、圧環強度が高く、耐摩耗性に優れた焼結含油軸受を提供できることが確認された。

以上に、本発明の実施形態及び実施例を説明したが、実施形態及び実施例における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態及び実施例によって限定されることはない。

本発明のＣｕ基焼結摺動材は、焼結含油軸受の形態とする事で、自動車のスタータモータや電動コンプレッサー、ＡＢＳなどの高速回転かつ高面圧の条件で使用する回転系において、軸受として使用できる。

１…軸受、１０…Ｃｕ基焼結摺動材、１１…合金粒、１２…気孔、１３…遊離黒鉛、１４…粒界相、２０…金属マトリックス

Claims (5)

1. 質量％でＮｉ：７％〜３５％、Ｓｎ：１％〜１０％、Ｐ：０．９％〜３％、Ｃ：０．５％〜５％を含有し、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成を有し、
   ＳｎとＣを含有しＣｕ−Ｎｉ系合金を主成分とする合金粒と、前記合金粒の粒界に分散分布するＮｉとＰを主成分とした粒界相と、前記合金粒の粒界に介在する遊離黒鉛と、を有する焼結体からなり、
   前記合金粒の粒界に気孔が分散形成された組織を有し、
   前記合金粒と前記粒界相とを含む金属マトリックス内のＣの含有量は、質量％で０．０２％〜０．２０％である、Ｃｕ基焼結摺動材。
2. 気孔率が、１３％〜２８％である、請求項１に記載のＣｕ基焼結摺動材。
3. 複数種類の粉末を混合して混合粉末を得る混合工程と、
   前記混合粉末をプレス成形して圧粉体を得る成形工程と、
   前記圧粉体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、
   前記焼結体にサイジングを行うサイジング工程と、を有し、
   前記複数種類の粉末は、金属粉末と、黒鉛粉末と、を含み、質量％でＮｉ：７％〜３５％、Ｓｎ：１％〜１０％、Ｐ：０．９％〜３％、Ｃ：０．５％〜５％、残部Ｃｕ及び不可避不純物の合計組成となるように配合して混合され、
   前記金属粉末には、質量％で０．０２％〜０．２０％のＣが含まれる、Ｃｕ基焼結摺動材の製造方法。
4. 前記焼結工程において、前記圧粉体を７６０℃〜９００℃で焼結する、請求項３に記載のＣｕ基焼結摺動材の製造方法。
5. 前記焼結体の気孔率を１３％〜２８％とすることを特徴とする請求項３又は４に記載のＣｕ基焼結摺動材の製造方法。

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