KR102389755B1 - 슬라이딩 부재 - Google Patents

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Abstract

[과제] 종래에 비해 슬라이딩층과 백메탈층과의 강고한 접합을 가지는 슬라이딩 부재의 제공.
[해결 수단] 슬라이딩 부재는, 백메탈층의 접합 표면 상에 구리 합금의 슬라이딩층을 구비한다. 구리 합금은, 0.5~12질량%의 Sn, 0.06~0.4질량%의 P, 0.1~1질량%의 Fe를 포함하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어진다. 백메탈층은, 0.07~0.35질량%의 탄소를 함유하는 아공석강으로 이루어지며, 페라이트상 및 펄라이트로 이루어지는 조직을 가진다. 백메탈층은, 접합 표면으로부터 내부를 향해 연장되는 공공 함유 영역을 가지고, 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 공공 함유 영역에는 복수의 폐쇄 공공이 존재하고, 폐쇄 공공의 평균 직경은 1~10㎛이다. 복수의 폐쇄 공공 중 적어도 일부의 폐쇄 공공은, 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 그 윤곽의 일부가 접합 표면으로 이루어진다. 공공 함유 영역의 두께는 2~20㎛이며, 공공 함유 영역의 체적 V1에 대한 폐쇄 공공의 전체 체적 V2의 비율은, V2/V1=0.02~0.08이다.

Description

슬라이딩 부재{SLIDING MEMBER}
본 발명은, 예를 들면 내연 기관이나 자동 변속기에 이용되는 베어링이나 각종 기계에 이용되는 베어링 등의 슬라이딩 부재에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은, 백메탈층 상에 형성된 슬라이딩층을 구비하는 슬라이딩 부재에 관련된 것이다.
종래부터 내연 기관이나 자동 변속기 등의 베어링부에는, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩층을 강철 백메탈층(steel back-metal layer) 상에 마련한 슬라이딩 재료를 원통 형상이나 반원통 형상으로 성형한 슬라이딩 베어링 등의 슬라이딩 부재가 이용되고 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에는, 구리납 베어링 합금이나 인청동을 슬라이딩층에 이용한 슬라이딩 부재가 기재되어 있다. 이와 같은 슬라이딩 부재에서는, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩층에 의해 슬라이딩 특성과 함께 내용착성(seize resistance)이나 내마모성이 얻어지고, 한편, 백메탈층은 구리 합금의 지지체로서 기능함과 함께 슬라이딩 부재에 강도를 부여하고 있다.
내연 기관이나 자동 변속기의 운전 시, 슬라이딩 부재는, 슬라이딩층의 슬라이딩면에서, 상대축 부재(counter shaft member)로부터의 동하중(動荷重)을 지지한다. 예를 들면, 슬라이딩 베어링은, 내연 기관이나 자동 변속기 등의 베어링 하우징의 원통 형상의 베어링 보지(保持) 구멍에 장착하여 이용되고, 회전하는 상대축 부재로부터의 동하중을 받는다. 최근, 내연 기관이나 자동 변속기는, 저연비화를 위해 경량화가 이루어져, 종래보다 베어링 하우징의 강성이 낮게 되어 있다. 이 때문에, 내연 기관의 운전 시, 내연 기관 및 내연 기관에 접속하는 자동 변속기의 베어링부에서는, 상대축 부재로부터의 동하중 부하에 의해 베어링 하우징이 탄성 변형되기 쉽게 되어 있다. 베어링 하우징의 베어링 보지 구멍에 장착된 슬라이딩 부재(슬라이딩 베어링)는, 베어링 하우징의 변형에 따라 둘레 방향으로 탄성 변형된다. 이와 같이 슬라이딩 베어링에 변동하는 둘레 방향력이 가해지면, 종래의 슬라이딩 부재는, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩층과 강철 백메탈층의 탄성 변형량의 차이에 의해, 이러한 계면에서 전단이 일어나는 경우가 있어, 슬라이딩 부재가 파손되는 문제가 있었다.
특허 문헌 3은, 베어링 합금층과 강철 백메탈층과의 접합 강도를 향상시키는 것을 과제로 하고 있다. 특허 문헌 3에서는, 구리 합금으로서 Cu-Sn-Fe계 합금을 이용하고, 열처리에 의해 Sn-Fe 화합물을 석출시켜, 구리 합금의 결정립을 미세화시키고 있으며, 이에 따라 베어링 합금층과 강철 백메탈층과의 접합 강도를 높이고 있다.
일본 공개특허 특개평6-322462호 공보 일본 공개특허 특개2002-220631호 공보 일본 공개특허 특개2006-22896호 공보
인용 문헌 3의 방법에 의해서도 베어링 합금층과 강철 백메탈층과의 접합 강도를 높일 수 있지만, 동하중 부하가 가해진 경우의 베어링 합금층과 강철 백메탈층과의 전단의 억제에는 불충분했다. 따라서, 본 발명의 목적은, 종래에 비해 슬라이딩층과 백메탈층과의 강고한 접합을 가지는 슬라이딩 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 배면 및 접합 표면을 가지는 백메탈층과, 백메탈층의 접합 표면 상에 마련된 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩층을 구비하는 슬라이딩 부재가 제공된다. 슬라이딩층은 슬라이딩면을 가진다. 이 구리 합금의 조성은, 0.5~12질량%의 Sn, 0.06~0.4질량%의 P, 0.1~1질량%의 Fe를 포함하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지며, 백메탈층은, 0.07~0.35질량%의 탄소를 함유하는 아공석강으로 이루어지고, 페라이트상 및 펄라이트로 이루어지는 조직을 가진다. 백메탈층은, 접합 표면으로부터 내부를 향해 연장되는 공공(空孔) 함유 영역을 가진다. 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 공공 함유 영역에는, 복수의 폐쇄 공공이 존재하고, 이 폐쇄 공공의 평균 직경은 1~10㎛이다. 복수의 폐쇄 공공 중 적어도 일부의 폐쇄 공공은, 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 그 윤곽의 일부가 접합 표면으로 이루어진다. 공공 함유 영역의 두께는 2~20㎛이며, 공공 함유 영역의 체적 V1에 대한 폐쇄 공공의 전체 체적 V2의 비율은, V2/V1=0.02~0.08로 되어 있다.
본 발명에 의한 슬라이딩 부재는, 슬라이딩층과의 계면이 되는 백메탈층의 접합 표면에, 상기의 공공 함유 영역을 가진다. 이 공공 함유 영역은, 복수의 폐쇄 공공을 가지기 때문에 탄성 변형되기 쉽게 되어 있어, 슬라이딩층의 구리 합금과의 탄성 변형량의 차가 작게 되어 있다. 이 때문에, 슬라이딩 부재에 외력이 가해진 경우, 슬라이딩층의 구리 합금과 백메탈층의 공공 함유 영역과의 탄성 변형량의 차가 작아, 슬라이딩층의 구리 합금과 백메탈층과의 전단이 일어나기 어렵다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 인접하는 폐쇄 공공끼리의 접합 표면과 평행 방향의 평균 이간 거리는 5~15㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 폐쇄 공공의 평균 애스펙트비는 2.5 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 백메탈층 중 공공 함유 영역을 제외한 영역의 조성은, 0.07~0.35질량%의 C, 0.4질량% 이하의 Si, 1질량% 이하의 Mn, 0.04질량% 이하의 P, 0.05질량% 이하의 S를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 구리 합금은, 0.01~5질량%의 Al, 0.01~5질량%의 Si, 0.1~5질량%의 Mn, 0.1~30질량%의 Zn, 0.1~5질량%의 Sb, 0.1~5질량%의 In, 0.1~5질량%의 Ag, 0.5~25질량%의 Pb, 0.5~20질량%의 Bi 중으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특징 및 이점은, 첨부의 도면을 참조하여 이하의 본 발명의 비한정적 구체예의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명과 관련된 슬라이딩 부재의 일례에 있어서의 슬라이딩면에 수직 방향인 단면의 모식도.
도 2는 도 1에 나타내는 백메탈층의 공공 함유 영역 부근의 단면 조직의 모식도.
도 2a는 도 1에 나타내는 백메탈층의 두께 방향 중앙부에서의 단면 조직의 모식도.
도 3은 폐쇄 공공끼리의 사이의 이간 거리 L1을 설명하는 도.
도 4는 폐쇄 공공의 애스펙트비 A1을 설명하는 도.
도 5는 종래의 슬라이딩 부재의 슬라이딩면에 수직 방향인 단면의 모식도.
도 5에 종래의 슬라이딩 부재(11)의 단면의 모식도를 나타낸다. 슬라이딩 부재(11)는, 백메탈층(12)의 일방의 표면 상에 구리 합금(14)으로 이루어지는 슬라이딩층(13)이 형성되어 있다. 백메탈층(12)은, 탄소의 함유량이 0.07~0.35질량%의 아공석강이며, 그 조직은 통상의 아공석강의 조직을 나타낸다. 즉, 페라이트상(6)을 주로 하고, 입상(粒狀)의 펄라이트(7)가 페라이트상의 소지(素地)에 분산되어 있다(도 2a 참조). 이 조직이, 두께 방향의 전체에 균질하게 형성되어 있다. 이 때문에, 백메탈층(12)은, 외력에 대한 변형 저항이 백메탈층(12)의 두께 방향에 걸쳐 대략 균일하게 되어 있다.
상기한 바와 같이 베어링 장치의 운전 시에는, 상대축 부재로부터의 동하중 부하에 의해 베어링 하우징은 탄성 변형되기 쉽게 되어 있으므로, 종래의 슬라이딩 부재(11)에서는, 베어링 하우징의 베어링 보지 구멍에 장착된 슬라이딩 부재(슬라이딩 베어링)는, 베어링 하우징의 변형에 따라 변동되는 둘레 방향력이 가해지고 그에 따른 탄성적인 변형을 발생시킨다. 종래의 슬라이딩 부재(11)는, 백메탈층(12)이 통상의 아공석강의 조직이며, 슬라이딩층(13)의 구리 합금(14)보다 강도가 높아 변형 저항이 크기 때문에, 백메탈층(12)과 슬라이딩층(13)과의 계면에서는, 백메탈층(12)과 슬라이딩층(13)의 구리 합금(14)과의 탄성 변형량의 차가 크고, 이 때문에, 백메탈층(12)과 슬라이딩층(13)과의 사이에서 전단이 발생하기 쉽다.
본 발명과 관련된 슬라이딩 부재(1)의 일 구체예를 도 1, 도 2, 도 2a를 참조하여 설명한다. 도 1은, 백메탈층(2) 상에 구리 합금(4)으로 이루어지는 슬라이딩층(3)을 형성한 슬라이딩 부재(1)의 단면을 나타내는 모식도이다. 슬라이딩층(3)은, 백메탈층(2)의 반대측에 슬라이딩면(31)을 가진다. 백메탈층(2)은, 일방의 표면(접합 표면(21)) 상에 슬라이딩층(3)이 형성되어 있으며, 접합 표면(21)의 반대측에 배면(22)을 가진다. 구리 합금층(4)과의 계면이 되는 백메탈층(2)의 접합 표면(21)에는, 하기에 설명하는 공공 함유 영역(5)이 형성되어 있다.
또한, 본 발명의 슬라이딩 부재는, 슬라이딩층 및/또는 백메탈층의 표면에 Sn, Bi, Pb 또는, 이들 금속을 기초로 하는 합금으로 이루어지는 피복층이나, 합성 수지 또는 합성 수지를 기초로 하는 피복층을 임의로 가져도 된다. 그 경우에도 본 명세서에서는 슬라이딩층(3)의 표면을 「슬라이딩면(31)」이라고 칭한다.
도 2는, 백메탈층(2)의 접합 표면(21) 부근의 조직을 나타내는 확대도이며, 백메탈층(2)에는, 그 접합 표면(21)으로부터 내부를 향해 일정한 거리만큼 연장되고, 다수의 폐쇄 공공을 가지는 공공 함유 영역이 존재한다. 한편, 도 2a는, 백메탈층(2)의 두께 방향 중앙부(이후, 단순히 「백메탈층(2)의 중앙부」라고 함)의 조직을 나타내는 확대도이다. 도 2a에서는, 조직 중의 페라이트상(6) 및 펄라이트(7)는, 이해를 용이하게 하기 위해 과장되게 그려져 있다. 또한, 도 2에서는, 백메탈층(2)의 페라이트상(6) 및 펄라이트(7)의 조직은 생략하고 있다.
슬라이딩층(3)의 구리 합금(4)의 조성은, 0.5~12질량%의 Sn, 0.06~0.4질량%의 P, 0.1~1질량%의 Fe를 포함하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물이다. Sn, P 성분은, 구리 합금의 강도를 높이는 성분이지만, 함유량이 상기 하한값 미만인 경우에는, 그 효과가 불충분하고, 또한, 상기 상한값을 초과하는 경우에는, 구리 합금이 물러진다.
구리 합금(4)의 Fe 성분은, 후술하는 소결 시에 백메탈층(2)의 접합 표면(21) 부근의 Fe 성분이 확산된 것이며, 후술하는 백메탈층(2)의 폐쇄 공공부(5)의 형성에도 관계된다. Fe는, 주로 구리 합금의 P와 반응하고, 금속간 화합물(41)로서 구리 합금(4) 중에 석출되고 있다. 금속간 화합물의 조성은, Fe3P 및 Fe2P가 주체이며, 금속간 화합물은 구리 합금 결정립의 입계에 분산되어 있다.
구리 합금(4) 중의 Fe 성분은, 0.1~1질량% 정도이며, 구리 합금(4) 중의 금속간 화합물의 체적 비율은, 0.5~5% 정도이다. 구리 합금(4)으로의 백메탈층(2)의 Fe 성분의 확산 및 구리 합금(4)의 P 성분과의 금속간 화합물의 형성은, 슬라이딩 부재의 슬라이딩층의 표면에 수직 방향의 단면 조직을 복수 개소(예를 들면 5개소), EPMA(전자선 마이크로 애널라이저)를 이용하여 성분 측정을 행함으로써 확인할 수 있다. 또한, 후술하는 소결 시에 슬라이딩층(3)의 구리 합금(4)의 P 성분은, 구리 합금(4)과의 계면이 되는 백메탈층(2)의 접합 표면 부근으로 확산되어, 후술하는 백메탈층(2)의 공공 함유 영역(5)의 형성에도 관계된다. 그 소결 시에 백메탈층(2)의 접합 표면과 접하는 부근의 구리 합금(4)에는, 백메탈층(2)에 포함되는 Fe 성분 이외의 성분도 확산되는 경우가 있지만, 이 경우도 본 발명의 범위이다.
또한, 구리 합금(4)의 조성은, 0.5~12질량%의 Sn, 0.06~0.4질량%의 P, 0.1~1질량%의 Fe를 포함하고, 또한, 선택 성분으로서 0.01~5질량%의 Al, 0.01~5질량%의 Si, 0.1~5질량%의 Mn, 0.1~30질량%의 Zn, 0.1~5질량%의 Sb, 0.1~5질량%의 In, 0.1~5질량%의 Ag, 0.5~25질량%의 Pb, 0.5~20질량%의 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 포함하도록 할 수도 있다. Al, Si, Mn, Zn, Sb, In, Ag는, 구리 합금(4)의 강도를 높이는 성분이지만, 함유량이 상기 하한값 미만인 경우에는, 그 효과가 불충분하고, 또한, 상기 상한값을 초과하는 경우에는, 구리 합금(4)이 물러진다. Pb, Bi는, 구리 합금(4)의 윤활성을 높이는 성분이지만, 함유량이 상기 하한값 미만인 경우에는, 그 효과가 불충분하고, 또한, 상기 상한값을 초과하는 경우에는, 구리 합금(4)이 물러진다. 또한, 구리 합금(4)에 이들 선택 성분을 2종 이상 함유시키는 경우, 합계로 40질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
슬라이딩층(3)은, 임의로, Al2O3, SiO2, AlN, Mo2C, WC, Fe2P, Fe3P로부터 선택되는 1종 이상의 경질 입자를 0.1~10체적%를 더 포함할 수 있다. 이들 경질 입자는, 슬라이딩층(3)의 구리 합금(4)의 소지에 분산되어 슬라이딩층(3)의 내마모성을 높이지만, 함유량이 상기 하한값 미만인 경우에는, 그 효과가 불충분하고, 또한, 상기 상한값을 초과하는 경우에는, 슬라이딩층(3)이 물러진다. 이러한 경질 입자는 슬라이딩층(3)의 소결용 원료인 구리 합금 분말에 혼합시킬 수 있다. 또한, Fe2P, Fe3P는 상기 설명한 백메탈층(2)으로부터의 Fe의 확산에 의해 형성되는 것 이외에, 경질 입자를 슬라이딩층(3)의 구리 합금 분말에 혼합시킬 수도 있다.
슬라이딩층(3)은, 임의로, MoS2, WS2, 흑연, h-BN으로부터 선택되는 1종 이상의 고체 윤활제를 0.1~10체적%를 더 포함할 수 있다. 이들 고체 윤활제는, 슬라이딩층(3)의 구리 합금(4)의 소지에 분산되어 슬라이딩층(3)의 윤활성을 높이지만, 함유량이 상기 하한값 미만인 경우에는, 그 효과가 불충분하고, 또한, 상기 상한값을 초과하는 경우에는, 슬라이딩층(3)이 물러진다.
백메탈층(2)은, 탄소의 함유량이 0.07~0.35질량%인 아공석강이다. 이 백메탈층(2)의 조직은, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 페라이트상(6)과 펄라이트(7)로 이루어지는 것이다. 탄소 함유량이 0.07질량% 미만의 아공석강을 이용하는 경우에는, 백메탈층(2)의 강도가 낮아, 슬라이딩 부재(1)의 강도가 불충분해진다. 한편, 탄소 함유량이 0.35질량%를 초과하는 아공석강을 이용하면, 백메탈층(2)이 물러지지 않게 되어버린다.
또한, 상기한 바와 같이 소결 시에 슬라이딩층(3)의 구리 합금(4)의 P 성분은, 구리 합금(4)과의 계면이 되는 백메탈층(2)의 접합 표면 부근(공공 함유 영역(5))으로 확산된다. 이 때문에, 공공 함유 영역(5)은, 백메탈층(2) 중 공공 함유 영역을 제외한 영역(이하, 「주영역」이라고 함)보다 P 성분이 많게 되어 있다. 백메탈층(2)의 주영역의 조성은, 0.07~0.35질량%의 탄소를 함유하고, 또한, 0.4질량% 이하의 Si, 1질량% 이하의 Mn, 0.04질량% 이하의 P, 0.05질량% 이하의 S 중 어느 일종 이상을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성으로 할 수 있다. 또한, 백메탈층(2)의 조직은, 페라이트상(6)과 펄라이트(7)로 이루어지지만, 이는 미세한 석출물(주사 전자 현미경을 이용하여 1000배로 조직 관찰을 행해도 검출할 수 없는 석출물상)을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
백메탈층(2)에 있어서의 페라이트상(6)은, 탄소의 함유량이 최대로 0.02질량%로 적고, 순철에 가까운 조성의 상이다. 한편, 백메탈층(2)에 있어서의 펄라이트(7)는, 페라이트상과 철탄화물인 시멘타이트(Fe3C)상이 얇은 판 형상으로 번갈아 나열되어 형성되는 라멜라 조직을 가지며, 페라이트상(6)보다 강도가 높다. 백메탈층(2)은, 공공 함유 영역(5)(폐쇄 공공(51)을 제외함)과 주영역에서, 페라이트상(6)과 펄라이트(7)의 체적 비율이 동일하게 되어 있다.
공공 함유 영역(5)은, 복수의 폐쇄 공공(51)을 가진다. 폐쇄 공공(51)은, 접합 표면(21) 가까이의 페라이트상(6)의 결정립 내 또는 결정립 사이에 형성되어 있으며, 접합 표면(21)에 인접하여 형성되어 있다. 즉, 슬라이딩면(31)에 수직(즉, 백메탈층(2)의 접합 표면(21)에 수직)인 단면에서 볼 때에, 복수의 폐쇄 공공 중 적어도 일부(개수 비율로 80% 이상)의 폐쇄 공공은, 그 윤곽의 일부가 접합 표면(21)(폐쇄 공공(5)이 형성되지 않은 경우의 가상의 접합 표면(21))에 의해 형성된다. 바꾸어 말하면, 폐쇄 공공(51)은, 백메탈층(2)(의 재료)와 접합 표면(21)에 의해 획정된다. 바람직하게는, 실질적으로 모든 폐쇄 공공은, 그 윤곽의 일부가, 접합 표면(21)에 의해 형성된다. 또한, 복수의 폐쇄 공공(51)은, 단면에서 볼 때에, 접합 표면(21)과 평행 방향으로 대략 동(同)거리만큼 이간하여 배합되어 있는 것이 많다(도 2 참조).
공공 함유 영역(5)은, 슬라이딩면(31)에 수직인 단면에서 볼 때에, 폐쇄 공공(51)을 포함하도록 규정된, 접합 표면(21)으로부터 내부를 향해 일정 두께 T1을 가지는 영역이다. 공공 함유 영역(5)의 두께 T1은 2~20㎛이다. 두께 T1은, 3~15㎛인 것이 보다 바람직하다. 상세하게는, 공공 함유 영역(5)은, 슬라이딩면(31)에 수직인 단면에서 볼 때에, 단면 조직 중에서 접합 표면(21)으로부터 가장 이간되는 폐쇄 공공(51)의 윤곽(백메탈층(2)의 내부측)에 접하고, 또한, 접합 표면(21)과 평행한 가상선(도 2의 점선 L)을 그었을 때에, 접합 표면(21)으로부터 가상선 L까지의 사이의 영역이다. 폐쇄 공공(51)은, 공공 함유 영역(5) 이외의 백메탈층의 조직 중에는 관찰되지 않는다. 단, 직경이 0.5㎛ 미만의 미소한 결함 등의 공극이나 작은 구멍이 존재하는 경우는 있지만, 그들은 폐쇄 공공(51)이라고는 간주하지 않는다.
또한, 백메탈층(2)의 두께는, 일반적인 슬라이딩 부재에서는 최소라도 0.7㎜이므로, 공공 함유 영역(5)의 두께 T1이 2~20㎛의 범위 내이면, 백메탈층(2)의 강도에 대한 영향이 적다. 또한, 백메탈층의 두께 T에 대한 공공 함유 영역(5)의 두께 T1의 비율 X1은 0.07 이하로 하는 것이 바람직하다.
소결 시에 슬라이딩층(3)의 구리 합금(4)의 P 성분은 확산되어, 백메탈층(2)의 공공 함유 영역(5)의 페라이트상(6)에 고용(固溶)되는 형태가 된다. 공공 함유 영역(5)(폐쇄 공공(51)을 제외함)에 있어서의 P 성분의 비율은 0.1~0.35질량% 정도이다.
백메탈층(2)의 접합 표면(21) 부근으로의 구리 합금(4)의 P 성분의 확산은, 슬라이딩 부재의 슬라이딩면(31)에 수직 방향의 단면 조직을 복수 개소(예를 들면 5개소), EPMA(전자선 마이크로 애널라이저)를 이용하여 성분 측정을 행함으로써 확인할 수 있다.
후술하는 소결 시에 백메탈층(2)의 슬라이딩층(3)과의 계면이 되는 접합 표면(21) 부근(공공 함유 영역(5)의 부근)에는, 구리 합금의 P 성분 이외에, Cu 성분, Sn 성분, 또는 상기 선택 성분이 확산되는 경우가 있지만, 이 경우도 본 발명의 범위이다.
공공 함유 영역(5)의 체적 V1에 대한 폐쇄 공공(51)의 전체 체적 V2의 비율은, 2~8%(V2/V1=0.02~0.08)로 한다. V2/V1의 값이 2% 미만에서는, 공공 함유 영역(5)의 변형 저항이 지나치게 높아, 슬라이딩층(3)의 구리 합금(4)과의 변형 저항의 차(외력을 받았을 때의 탄성 변형량의 차)를 작게 하는 효과가 불충분해진다. V2/V1의 값이 8%을 초과하면, 백메탈층(2)의 공공 함유 영역(5)의 변형 저항이 지나치게 낮아져, 외력을 받았을 때, 폐쇄 공공(51)의 주위의 백메탈층(2)(페라이트상(6))이 좌굴(소성 변형)되는 경우가 있다.
폐쇄 공공(51)의 평균 직경은 1~10㎛이다. 폐쇄 공공(51)의 평균 직경이 1㎛ 미만이면, V2/V1의 값이 2% 미만이 되기 쉽고, 폐쇄 공공(51)의 평균 직경이 10㎛ 초과하면, V2/V1의 값이 8%를 초과하기 쉬워져, 바람직하지 않다.
또한, 폐쇄 공공(51)의 최대 직경이, 공공 함유 영역(5)의 두께 T1보다 작아지는 것은 명백하다.
공공 함유 영역(5)의 체적 V1에 대한 폐쇄 공공(51)의 전체 체적 V2의 비율V2/V1은, 전자 현미경을 이용하여 슬라이딩 부재(1)의 두께 방향과 평행한 방향(슬라이딩면(31)과 수직인 방향)으로 절단된 복수 개소(예를 들면 5개소)의 단면 조직(절단면을 연마, 에탄올과 3% 질산과의 혼합액인 나이탈액으로 에칭함)에 있어서, 백메탈층(2)의 접합 표면(21) 부근을 배율 500배로 전자상을 촬영하고, 그 화상을 일반적인 화상 해석 방법(해석 소프트: Image-Pro Plus(Version4.5); (주)플라네트론제(製))을 이용하여, 상기한 바와 같이 공공 함유 영역(5)을 구분하고, 공공 함유 영역(5)의 접합 표면(21)으로부터 거리(두께)를 확인한 후, 공공 함유 영역(5)의 조직 중의 폐쇄 공공(51)의 면적율을 측정한다. 이 면적 비율의 값은, 공공 함유 영역(5)의 체적 V1에 대한 폐쇄 공공(51)의 전체 체적 V2의 비율에 상당한다. 단, 전자상의 촬영 배율은, 500배에 한정되지 않고, 다른 배율로 변경할 수 있다.
폐쇄 공공(51)의 평균 직경은, 상기의 방법에서 얻어진 단면의 전자상을 상기의 상해석 방법을 이용하여 폐쇄 공공(51)의 면적을 측정하고, 그것을 원으로 상정한 경우의 평균 직경(원 상당 직경)으로 환산하여 구한다. 단, 상기한 바와 같이, 0.5㎛ 미만의 미소한 것은 폐쇄 공공(51)이라고는 간주하지 않는다.
인접하는 폐쇄 공공(51)끼리의 평균 이간 거리 L1은 2.5~25㎛로 하는 것이 바람직하고, 또한 5~15㎛로 하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 인접하는 폐쇄 공공(51)끼리의 평균 이간 거리 L1은, 슬라이딩면(31)에 수직인 단면에서 볼 때에, 접합 표면(21)과 평행 방향의 거리이다(도 3 참조). 이 평균 이간 거리 L1은, 상기의 방법에서 얻어진 전자상을 상기의 상해석 방법을 이용하여, 폐쇄 공공(51)과 당해 폐쇄 공공(51)에 가장 가까이에 위치하는 다른 폐쇄 공공(51)과의 사이(폐쇄 공공(51)의 윤곽(선)끼리의 사이)의 접합 표면(21)과 평행 방향의 길이(폐쇄 공공의 윤곽 사이의 길이)를 측정하여 평균함으로써 구한다.
이 평균 이간 거리 L1이 2.5㎛ 미만이면, 폐쇄 공공(51)끼리의 사이의 강재료(즉, 공공 함유 영역(5)의 소지부)의 두께(길이)가 지나치게 얇아져, 외력을 받았을 때, 폐쇄 공공(51)끼리의 사이에서 백메탈층(2)이 좌굴(소성 변형)되는 경우가 있다. 이 평균 이간 거리 L1이 25㎛를 초과하면, 슬라이딩층(3)의 구리 합금(4)과의 변형 저항의 차(외력을 받았을 때의 탄성 변형량의 차)를 작게 하는 효과가 불충분해진다.
폐쇄 공공(51)의 평균 애스펙트비 A1은 3 이하인 것이 바람직하고, 2.5 이하인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 폐쇄 공공(51)의 평균 애스펙트비 A1은, 슬라이딩면(31)에 수직인 단면에서 볼 때에 장축과 단축과의 비의 평균으로 나타난다. 폐쇄 공공(51)이 대략 구(球) 형상이면, 외력을 받았을 때, 폐쇄 공공(51)의 변형(폐쇄 공공(51)의 주위의 공공 함유 영역(5)의 소지부의 변형)이 일어나기 어렵다. 또한, 폐쇄 공공(51)은, 그 장축이 접합 표면(21)과 대략 평행을 향해 배향된 것이 많은 것이 바람직하다.
폐쇄 공공(51)의 애스펙트비 A1은, 상기의 방법에서 얻어진 전자상을, 상기의 상해석 방법을 이용하여, 각 폐쇄 공공(51)의 장축의 길이 L2와 단축의 길이 S1의 비(장축의 길이 L2/단축의 길이 S1)의 평균으로서 구한다(도 4 참조). 또한, 폐쇄 공공의 장축의 길이 L2는, 상기 전자상 중의 폐쇄 공공의 길이가 최대가 되는 위치에서의 길이를 나타내고, 폐쇄 공공의 단축의 길이 S1은, 이 장축의 길이 L2의 방향과 직교하는 방향에서의 길이가 최대가 되는 위치에서의 길이를 나타낸다.
이하에, 본 실시 형태와 관련된 슬라이딩 부재의 제조 방법에 대하여 설명한다.
우선, 슬라이딩층의 상기 조성의 구리 합금의 분말을 준비한다. 또한, 슬라이딩층에 상기 경질 입자나 상기 고체 윤활제를 함유시키는 경우에는, 구리 합금 분말과 경질 입자나 고체 윤활제 입자와의 혼합분(粉)을 제조한다.
준비한 구리 합금 분말 또는 혼합분을 상기 조성의 강(아공석강)판 상에 산포한 후, 분말 산포층을 가압하지 않고, 소결로를 이용하여 800~950℃의 환원 분위기에서 1차 소결을 행하고, 강판 상에 다공질 구리 합금층을 형성하여, 실온까지 냉각한다.
이어서, 다공질 구리 합금층을 치밀화하고, 또한, 강판의 다공질 구리 합금층과 접하는 표면 부근을 활성화하기 위해 1차 압연을 행한다. 종래의 슬라이딩 부재의 제조에 있어서는, 이 1차 압연은, 다공질 구리 합금층의 공공을 감소시켜 치밀화하는 것을 목적으로 하여 행해지고 있으며, 강판은 대부분 압연되지 않았다. 그러나, 본 발명과 관련된 슬라이딩 부재의 제조에서는, 이 1차 압연에서의 압연율을 종래보다 높게 하고, 다공질 구리 합금층이 치밀화된 후에도 더 압연한다. 1차 압연 전의 다공질 구리 합금층의 경도는 강판의 경도보다 낮지만, 이 1차 압연에 의해 다공질 구리 합금층의 공극이 감소되어 치밀화될 때까지의 동안에는, 다공질 구리 합금층만이 소성 변형되기 때문에 충분히 가공 경화시킬 수 있다. 또한, 이 치밀화하고, 또한, 가공 경화한 다공질 구리 합금층이 더 압연되면, 경도의 관계가 역전하여, 다공질 구리 합금층이 강판보다 경도가 커지고(예를 들면 1차 압연 후의 압연 부재의 치밀화된 구리 합금층의 표면의 비커스 경도가, 강판의 배면의 비커스 경도보다 15Hv 정도 큼), 강판도 압연되게 된다. 이 때문에, 1차 압연에 의해, 경도가 높아진 구리 합금층과 접하는 강판의 표면 부근은, 내부에 비해 보다 많은 결정 변형이 도입되어 활성인 상태가 된다.
이어서, 압연된 부재를 소결로 내에서 650℃ 이상 강철 백메탈의 재결정 온도 미만(예를 들면, 700℃ 미만)의 온도의 환원 분위기 중에서의 유지 시간 2~10분의 회복 처리를 행한 후, 800~950℃의 환원 분위기에서 2차 소결을 행하고, 구리 합금층을 소결하여, 실온까지 냉각한다. 이때, 백메탈층의 구리 합금층과의 계면이 되는 표면에 공공 함유 영역이 형성된다.
공공 함유 영역의 형성 기구는 이하와 같이 생각된다.
상기 회복 처리에 있어서, 강판에는 회복 현상이 일어난다. 회복 현상이란, 강판이, 재결정 온도 미만의 온도로 가열됨으로써, 1차 압연(냉간 가공)에 의해 Fe 원자 배열에 도입된 결정 변형(원자 공공)의 일부가, 강판의 표면(접합 표면)으로 이동(확산)하여, 소멸되는 현상이다.
1차 압연에 의해 치밀화된 구리 합금층과 접하는 강판의 표면 부근에 도입된 결정 변형(원자 공공)은, 상기 회복 처리에 의해, 결정 변형(원자 공공)의 일부가, 구리 합금층과 접하는 강판의 표면측을 향해 이동하지만, 상기 회복 처리 시에는, 동시에 치밀화되고 있지만 소결 현상이 일어나고 있지 않은 구리 합금의 표면에 Cu-P-S 액상(액상 발생 개시 시(약 650℃)에서는, 액상 중의 P 성분 농도는, 원재료의 구리 합금 분말의 P 성분보다 높아짐)이 발생하고, 접합 표면 부근에서는, 이 액상 중의 P 성분이, 원자 공공과 치환되도록 강판의 접합 표면 부근으로의 확산이 일어난다. 백메탈층의 접합 표면에서는, 백메탈층의 Fe 성분의 Cu-P-Sn 액상 중으로의 확산 속도가, Cu-P-Sn 액상의 P 성분의 백메탈층으로의 확산 속도보다 빠르기 때문에, 백메탈층의 접합 표면에 폐쇄 공공이 형성된다고 생각한다.
또한, 이 회복 처리 시, 백메탈층의 접합 표면 부근의 Cu-P-Sn 액상 중으로 확산된 Fe 성분은, 또한, 접합 표면 부근 이외의 구리 합금의 표면에 발생하는 Cu-P-S 액상 중으로 확산되고, 이 때문에, 소결 후의 구리 합금층의 전체에, FeP계 금속간 화합물이 석출된 조직이 된다고 생각한다.
단, 구리 합금에 포함되는 P 성분이 0.06질량% 미만인 경우에는, 구리 합금에 포함되는 P 성분의 강판의 표면 부근으로의 확산이 일어나기 어려워지고, 또한, 백메탈층이 포함하는 Fe 성분의 구리 합금으로의 확산이 일어나기 어려워져, 공공 함유 영역이 형성되기 어려워진다. 상세는 불분명하지만, 구리 합금이 P 성분을 많이(0.06질량% 이상) 포함하기 때문에 상기 회복 처리에 있어서, 구리 합금에 발생하는 Cu-P-Sn계 액상의 양이 많아져, P 성분의 강판의 표면 부근으로의 확산 및 백메탈층의 Fe 성분의 구리 합금으로의 확산을 촉진하고 있다고 생각된다.
종래의 슬라이딩 부재의 제조에 있어서는, 1차 압연에 의해 다공질 구리 합금층이 치밀화된 정도로만 압연하므로, 백메탈층은 압연되지 않는다. 이 때문에, 백메탈층(강판)의 치밀화된 구리 합금층과의 계면 부근에 내부보다 많은 결정 변형이 도입되어 활성인 상태가 되는 경우가 없다. 따라서, 상기와 같은 조건의 회복 처리를 행해도, 그 후의 2차 소결 공정 후의 백메탈층의 조직은, 공공 함유 영역은 형성되지 않는다.
또한, (선행 기술문헌 3과 같이,) 치밀화를 위한 압연의 이후에 2차 소결을 행한 구리 합금층 및 백메탈층으로 이루어지는 부재에 대하여, 추가로 2차 압연을 행하여 구리 합금층과 백메탈층을 모두 압연해도, 2차 소결에서의 열처리에 의해 이미 구리 합금의 경도가 백메탈층의 경도보다 낮게 되어 있으므로, 또한, 구리 합금층은 이미 치밀화되어 있으므로, 2차 압연에 있어서 구리 합금층만이 우선하여 소성 변형(가공 경화)되는 경우도 없다. 이와 같이, 2차 압연 중에 구리 합금층이 백메탈층보다 가공 경화되어 충분히 단단해지는 경우가 없기 때문에, 구리 합금층과의 계면 부근만이 내부보다 많은 결정 변형이 도입되어 활성인 상태가 되는 경우가 없다. 이 때문에, 이 압연 부재는, 상기와 같은 조건의 회복 처리 및 2차 소결 공정에서의 소결 조건과 동일한 조건으로 3차 소결을 실시해도, 공공 함유 영역은 형성되지 않는다.
본 발명의 슬라이딩 부재는, 내연 기관이나 자동 변속기에 이용되는 베어링에 한정되지 않고, 각종 기계에 이용되는 베어링에 적용할 수 있다. 또한, 베어링의 형상은, 원통 형상이나 반원통 형상에 한정되지 않고, 예를 들면, 축부재의 축선 방향 부하를 지지하는 원환 형상이나 반원환 형상의 스러스트 베어링이나, 자동 변속기의 클러치부(원 웨이 클러치)에 이용되는 대략 U자 형상 단면을 가지는 원환 형상의 엔드플레이트 등에도 적용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 배면 및 접합 표면을 가지는 백메탈층과,
    상기 백메탈층의 상기 접합 표면 상에 마련된 구리 합금으로 이루어지는, 슬라이딩면을 가지는 슬라이딩층을 구비하는 슬라이딩 부재로서,
    구리 합금의 조성은, 0.5~12질량%의 Sn, 0.06~0.4질량%의 P, 0.1~1질량%의 Fe를 포함하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지며,
    상기 백메탈층은, 0.07~0.35질량%의 탄소를 함유하는 아공석강으로 이루어지고, 페라이트상 및 펄라이트로 이루어지는 조직을 가지고,
    상기 백메탈층은, 상기 접합 표면으로부터 내부를 향해 연장되는 공공 함유 영역을 가지며,
    상기 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 상기 공공 함유 영역에는 복수의 폐쇄 공공이 존재하고, 당해 폐쇄 공공의 평균 직경은 1~10㎛이며,
    상기 복수의 폐쇄 공공 중 적어도 일부의 폐쇄 공공은, 상기 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 그 윤곽의 일부가 상기 접합 표면으로 이루어지고,
    상기 공공 함유 영역의 두께는 2~20㎛이며, 상기 공공 함유 영역의 체적 V1에 대한 상기 폐쇄 공공의 전체 체적 V2의 비율은, V2/V1=0.02~0.08인, 슬라이딩 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 인접하는 상기 폐쇄 공공끼리의 상기 접합 표면과 평행 방향의 평균 이간 거리는 5~15㎛인, 슬라이딩 부재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 슬라이딩면에 수직인 단면에서 볼 때에, 상기 폐쇄 공공의 평균 애스펙트비는 2.5 이하인, 슬라이딩 부재.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 백메탈층 중 상기 공공 함유 영역을 제외한 영역의 조성은, 0.07~0.35질량%의 C, 0.4질량% 이하의 Si, 1질량% 이하의 Mn, 0.04질량% 이하의 P, 0.05질량% 이하의 S를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물인, 슬라이딩 부재.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구리 합금은, 0.01~5질량%의 Al, 0.01~5질량%의 Si, 0.1~5질량%의 Mn, 0.1~30질량%의 Zn, 0.1~5질량%의 Sb, 0.1~5질량%의 In, 0.1~5질량%의 Ag, 0.5~25질량%의 Pb, 0.5~20질량%의 Bi 중으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는, 슬라이딩 부재.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 백메탈층 중 상기 공공 함유 영역을 제외한 영역의 조성은, 0.07~0.35질량%의 C, 0.4질량% 이하의 Si, 1질량% 이하의 Mn, 0.04질량% 이하의 P, 0.05질량% 이하의 S를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물인 슬라이딩 부재.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 구리 합금은, 0.01~5질량%의 Al, 0.01~5질량%의 Si, 0.1~5질량%의 Mn, 0.1~30질량%의 Zn, 0.1~5질량%의 Sb, 0.1~5질량%의 In, 0.1~5질량%의 Ag, 0.5~25질량%의 Pb, 0.5~20질량%의 Bi 중으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는, 슬라이딩 부재.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 구리 합금은, 0.01~5질량%의 Al, 0.01~5질량%의 Si, 0.1~5질량%의 Mn, 0.1~30질량%의 Zn, 0.1~5질량%의 Sb, 0.1~5질량%의 In, 0.1~5질량%의 Ag, 0.5~25질량%의 Pb, 0.5~20질량%의 Bi 중으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는, 슬라이딩 부재.
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