WO2017022505A1 - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents

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伊澤　佳典
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日産自動車株式会社
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    • F16C33/121—Use of special materials

Definitions

  • the present invention relates to a sliding member and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a sliding member having excellent high temperature wear resistance and a method for producing the same.
  • the sliding member is preferably applied to a sliding portion of an internal combustion engine used in a high temperature environment.
  • the present invention is preferably applied to a seating portion of an engine valve in a cylinder head and a valve seat, a sliding portion of a valve face in an engine valve and a valve guide in the engine valve, and a bearing metal of a bearing mechanism.
  • Patent Document 1 discloses a method of forming a hard film that enables a hard film to be formed on the surface of a substrate by causing a work-induced transformation in the cold.
  • the method for forming a hard coating is a method for forming a hard coating by spraying a solid-state metal powder onto a surface of a base material using a compressible gas as a medium. Is composed of a metal material that causes processing-induced transformation, and by hitting the metal powder against the substrate at a high speed that causes the processing-induced transformation, the metal powder is flatly plastically deformed on the surface of the substrate.
  • Patent Document 1 has a problem of insufficient high-temperature wear resistance.
  • an object of the present invention is to provide a sliding member having excellent high-temperature wear resistance, a method for manufacturing the sliding member, and a sliding member for an internal combustion engine having the sliding member.
  • the present inventor has intensively studied to achieve the above object. As a result, the inventors have found that the above object can be achieved by forming a coating layer made of a particle assembly including a plurality of first particles made of a precipitation hardening type copper alloy on a base material, and completed the present invention. .
  • the sliding member of the present invention includes a base material and a coating layer formed on the base material, and the coating layer includes a plurality of first particles made of a precipitation hardening type copper alloy. It consists of the body.
  • the sliding member of the internal combustion engine of the present invention has the above-mentioned sliding member of the present invention at the sliding portion of the internal combustion engine.
  • the manufacturing method of the sliding member of the present invention includes a base material and a coating layer formed on the base material, and the coating layer includes a plurality of first particles made of a precipitation hardening type copper alloy. Or a sliding member comprising a plurality of first particles and a plurality of second particles harder than the first particles.
  • the sliding member manufacturing method includes a first powder made of a precipitation-hardening-type copper alloy in a non-molten state, or a mixed powder containing the first powder and a second powder harder than the first powder. Is sprayed onto the base material to form the coating layer on the base material.
  • a sliding member having excellent high-temperature wear resistance a method for manufacturing the sliding member, and a sliding member for an internal combustion engine having the sliding member.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a portion surrounded by line III of the sliding member shown in FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a portion surrounded by line IV of the sliding member shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a portion surrounded by a line VII of the sliding member shown in FIG. FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member of the internal combustion engine having the sliding member at a sliding portion of the internal combustion engine.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a bearing mechanism of an internal combustion engine having a sliding member on a bearing metal of the bearing mechanism of the internal combustion engine.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the wear test apparatus.
  • FIG. 11 is a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) image of the sliding member of Example 4.
  • FIG. 12 is a graph showing the results of energy dispersive X-ray (EDX) analysis in the sliding member of Example 4.
  • SEM cross-sectional scanning electron microscope
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member according to the first embodiment of the present invention.
  • the sliding member 1 of the present embodiment includes a base material 10 and a coating layer 20 formed on the base material 10. And this membrane
  • the base material 10 has the plastic deformation part 10a
  • the coating layer 20 has the plastic deformation part 20a.
  • a precipitation hardening type copper alloy does not mean only the copper alloy after precipitation hardening, but means containing the copper alloy before precipitation hardening.
  • the particles which consist of a precipitation hardening type copper alloy although it is preferable that it is a particle
  • the particles are made of copper alloy after some of the first particles are precipitation hardened, and from the copper alloy before the remaining first particles are precipitation hardened.
  • grains which become may be sufficient.
  • particles made of a copper alloy before all the first particles are precipitation hardened may be used.
  • the precipitation hardening type copper alloy is sometimes called a particle dispersion strengthened type copper alloy.
  • a sliding member comprising a substrate and a coating layer formed on the substrate, the coating layer being made of a particle aggregate including a plurality of first particles made of a precipitation hardening type copper alloy.
  • the coating layer being made of a particle aggregate including a plurality of first particles made of a precipitation hardening type copper alloy.
  • a precipitation hardening type copper alloy is applied as 1st particle
  • a configuration in which at least one of the base material and the coating layer has a plastic deformation portion is not necessarily required, but a sliding member having a configuration in which at least one of the base material and the coating layer has a plastic deformation portion; By doing so, it can have more excellent high temperature wear resistance.
  • the base material when the first powder made of a precipitation hardening type copper alloy is sprayed onto the base material, when the first powder collides with the base material, for example, the base material has a base material and a coating layer on its surface. This is presumably because the oxide film is removed in the case of having an oxide film that inhibits the adhesion of the film, and a new interface having excellent adhesion with the film layer is exposed on the substrate.
  • the first powder collides with the base material or the first particles attached to the base material, a part of the kinetic energy is converted into thermal energy, and the first powder is between the base material and the first powder or the first powder. It is also considered that welding or atomic diffusion proceeds between the powder and the first particles.
  • the anchoring effect caused by the first powder sinking into the base material in other words, the plastic deformation portion formed of a flat concave portion is formed on the base material. This is also considered to improve the adhesion between the substrate and the coating layer.
  • the first powder or the first particle when the first powder collides with the first particle adhered to the base material or the base material, the first powder or the first particle becomes a flat shape.
  • the coating layer has a flat shape.
  • a process in which a flat concave portion is formed on the base material, or the first powder or the first particle becomes a flat shape.
  • the process in other words, in the process in which the plastic deformation portion is formed in the base material or the coating layer, due to heat generated by the plastic deformation, between the base material and the first powder or between the first powder and the first particle. It is also considered that welding and atomic diffusion proceed.
  • the substrate 10 is not particularly limited, but is preferably a metal that can be applied to a sliding member manufacturing method described later, that is, a coating layer forming method. Of course, it cannot be overemphasized that it shall be usable in the high temperature environment to which a sliding member is applied.
  • metal for example, a conventionally known alloy such as aluminum, iron, titanium, or copper is preferably used.
  • an aluminum alloy it is preferable to apply AC2A, AC8A, ADC12 etc. which are prescribed
  • an iron alloy it is preferable to apply SUS304, an iron-type sintered alloy, etc. which are prescribed
  • the copper alloy for example, beryllium copper or a copper alloy-based sintered alloy is preferably applied.
  • the coating layer 20 is not particularly limited as long as it is made of a particle aggregate including a plurality of first particles made of a precipitation hardening type copper alloy.
  • the thickness of the coating layer may be appropriately adjusted depending on the temperature of the portion to be applied and the sliding environment, and is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 5.0 mm, for example. More preferably, the thickness is 1 to 2.0 mm. If the thickness is less than 0.05 mm, the rigidity of the coating layer itself is insufficient, and thus plastic deformation may occur particularly when the substrate strength is low. On the other hand, if it exceeds 10 mm, the film may peel off due to the relationship between the residual stress generated during film formation and the interfacial adhesion.
  • the porosity of the coating layer is as small as possible from the viewpoint that if the porosity of the coating layer is high, the strength is insufficient and the high temperature wear resistance may be reduced. And from a viewpoint that it can be set as the sliding member which has the more outstanding heat conductivity, it is preferable that the porosity in the cross section of a membrane
  • the porosity in the cross section of the coating layer is determined by, for example, observation of a scanning electron microscope (SEM) image of the cross section in the coating layer and image processing such as binarization of the cross sectional scanning electron microscope (SEM) image. Can be calculated.
  • SEM scanning electron microscope
  • the precipitation hardening type copper alloy is not particularly limited, but for example, it is preferable to apply a precipitation hardening type copper alloy containing nickel and silicon, in other words, a so-called Corson alloy.
  • a precipitation hardening type copper alloy containing chromium in other words, a so-called chromium copper
  • a precipitation hardening type copper alloy containing zirconium in other words, a so-called zirconium copper. What is called can also be applied.
  • precipitation hardening type copper alloy containing nickel, silicon and chromium precipitation hardening type copper alloy containing nickel, silicon and zirconium
  • precipitation hardening type copper alloy containing nickel, silicon, chromium and zirconium precipitation hardening type alloy containing nickel, silicon, chromium and zirconium
  • precipitation containing chromium and zirconium A curable copper alloy or the like can also be applied.
  • the content of nickel is preferably 1 to 21% by mass from the viewpoint that it can have better thermal conductivity. Is preferably 0.2 to 8% by mass.
  • the chromium content is preferably 0.02 to 1% by mass from the viewpoint that it can have better thermal conductivity.
  • the ratio of nickel to silicon content (Ni: Si) is 3 by mass. It is preferably within the range of 5 to 4.5: 1. However, it is not limited at all in such a range, and it goes without saying that it may be outside this range as long as the effects of the present invention can be expressed. Needless to say, other elements may be added to the precipitation hardening type copper alloy.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a portion surrounded by line III of the sliding member shown in FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a portion surrounded by the IV line of the sliding member shown in FIG.
  • the particle aggregate 21 includes at least one precipitated phase 25 in at least a part of the plurality of first particles 24 or on the surface 24a.
  • the configuration is different from that of the first embodiment. 2 to 4 show the case where the precipitated phase 25 is included in one or both of the inside of the plurality of first particles and the surface 24a.
  • the precipitation hardening type copper alloy in the first particles 24 contains nickel and silicon as additive elements.
  • the precipitated phase is typically made of nickel silicide (Ni 2 Si).
  • a base material and a coating layer formed on the base material are provided, and the coating layer is composed of a particle aggregate including a plurality of first particles made of a precipitation hardening type copper alloy.
  • the first particles have better high temperature wear resistance.
  • what consists of a precipitation hardening type copper alloy is applied as 1st particle
  • a configuration in which at least one of the base material and the coating layer has a plastic deformation portion is not necessarily required, but a sliding member having a configuration in which at least one of the base material and the coating layer has a plastic deformation portion; By doing so, it can have more excellent high temperature wear resistance.
  • the first powder made of a precipitation hardening type copper alloy is sprayed onto the base material, for example, when the first powder collides with the base material or the first particles attached to the base material, the kinetic energy This is presumably because a part of is converted into thermal energy, and precipitation hardening in the precipitation hardening type copper alloy of at least one of the first powder and the first particles is promoted.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member according to the third embodiment of the present invention.
  • the sliding member 3 of the present embodiment includes a predetermined intermediate layer 30 formed over the entire area between the base material 10 and the coating layer 20.
  • the predetermined intermediate layer 30 includes a diffusion layer, an intermetallic compound layer, or a diffusion layer and an intermetallic compound layer.
  • the case where the intermediate layer includes a diffusion layer includes the case where the intermediate layer is a diffusion layer.
  • the case where the intermediate layer includes an intermetallic compound layer includes the case where the intermediate layer is an intermetallic compound layer.
  • the intermediate layer includes at least one of the base material, the coating layer formed on the base material, and the diffusion layer and the intermetallic compound layer formed on at least a part between the base material and the coating layer.
  • a coating layer having a particle assembly including a plurality of first particles made of a precipitation-hardening type copper alloy has a higher temperature wear resistance.
  • what consists of a precipitation hardening type copper alloy is applied as 1st particle
  • a configuration in which at least one of the base material and the coating layer has a plastic deformation portion is not necessarily required, but a sliding member having a configuration in which at least one of the base material and the coating layer has a plastic deformation portion; By doing so, it can have more excellent high temperature wear resistance.
  • a sliding member having a configuration in which an intermediate layer including at least one of a diffusion layer and an intermetallic compound layer is formed over the entire area between the base material and the coating layer more excellent high temperature resistance It may be wearable.
  • the first powder made of a precipitation hardening type copper alloy is sprayed onto the base material, for example, when the first powder collides with the base material, a part of the kinetic energy is converted into thermal energy. , Diffusion of component elements contained in each of the base material and at least one of the first powder and the first particle occurs, and at least one of the diffusion layer and the intermetallic compound layer is provided between the base material and the coating layer. This is thought to be due to the formation of the intermediate layer.
  • the intermediate layer 30 includes a diffusion layer, an intermetallic compound layer, or a diffusion layer and an intermetallic compound layer.
  • a diffusion layer what has a gradient structure about a composition can be mentioned as a suitable example.
  • the diffusion layer is not limited to one having a gradient structure with respect to the composition.
  • a preferable example may be one having a structure in which an intermetallic compound layer is sandwiched between diffusion layers having a gradient structure with respect to the composition. it can.
  • the intermediate layer is composed of, for example, component elements contained in the base material and component elements contained in the first particles.
  • an intermediate layer made of an alloy containing aluminum and copper is formed.
  • the present invention is not limited to this.
  • an intermediate layer made of an alloy containing stainless steel (SUS) component elements and copper is formed. .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a portion surrounded by the line VII of the sliding member shown in FIG.
  • the sliding member 4 of the present embodiment has a particle assembly 21 in which iron-based alloy particles, cobalt-based alloy particles, chromium-based alloy particles, nickel-based alloy particles, and molybdenum-based alloy particles.
  • a configuration including a plurality of second particles 27 made of alloy particles such as ceramic particles or the like is different from that of the third embodiment. Needless to say, the precipitated particles 25 are not included in the second particles 27.
  • a substrate and a coating layer formed on the substrate are provided, and the coating layer is composed of a particle assembly including a plurality of first particles made of a precipitation hardening type copper alloy.
  • a sliding member comprising a plurality of second particles made of alloy particles such as iron-base alloy particles, cobalt-base alloy particles, chromium-base alloy particles, nickel-base alloy particles, molybdenum-base alloy particles, or ceramic particles. Therefore, it has more excellent high temperature wear resistance.
  • what consists of a precipitation hardening type copper alloy is applied as 1st particle
  • a configuration in which at least one of the base material and the coating layer has a plastic deformation portion is not necessarily required, but a sliding member having a configuration in which at least one of the base material and the coating layer has a plastic deformation portion; By doing so, it can have more excellent high temperature wear resistance.
  • the particle aggregate is a sliding member having a configuration including at least one predetermined precipitated phase on the surface of the first particle, it can have more excellent high temperature wear resistance.
  • it can have more excellent high temperature abrasion resistance by setting it as the sliding member which has the structure by which the intermediate
  • the base material when the first powder or the second powder made of a precipitation hardening type copper alloy is sprayed onto the base material, when the second powder collides with the base material, for example, the base material is on the surface of the base material. This is also considered to be because the oxide film is removed in the case of having an oxide film that inhibits the adhesion between the film and the film layer, and a new interface having excellent adhesion with the film layer is exposed and formed on the substrate. Such a phenomenon is particularly likely to occur when the particles constituting the second powder are hard particles that are harder than the particles constituting the first powder.
  • the anchoring effect caused by the second powder sinking into the base material in other words, a plastic deformation portion including a flat concave portion is formed on the base material.
  • This is also considered to improve the adhesion between the substrate and the coating layer.
  • Such a phenomenon is particularly likely to occur when the particles constituting the second powder are hard particles that are harder than the particles constituting the first powder.
  • the vicinity of the surface 24a of the first particle 24 at the boundary surface thereof is, for example, a region from the surface 24a to the inside of about 1 ⁇ m as indicated by an arrow X in the figure. This is because, when the first powder collides with the second particles, part of the kinetic energy is converted into heat energy, or part of the first powder is generated in the process of forming a plastic deformation part. This is considered to be because precipitation hardening in a part of the precipitation hardening type copper alloy of the first particles is further promoted.
  • the second particles 27 will be described in more detail. Although it does not specifically limit as 2nd particle
  • alloy particles such as iron-based alloy particles, cobalt-based alloy particles, chromium-based alloy particles, nickel-based alloy particles, molybdenum-based alloy particles, and ceramic particles are preferably used. Furthermore, these particles can be used singly or in appropriate combination of two or more.
  • Examples of the iron-based alloy include SUS440C defined by Japanese Industrial Standard.
  • Examples of the cobalt-based alloy include TRIBALOY (registered trademark) T-400 and T-800.
  • examples of the chromium-based alloy include ferrochrome.
  • examples of the nickel-based alloy include TRIBALOY (registered trademark) T-700.
  • examples of the molybdenum-based alloy include ferromolybdenum.
  • Ceramics include WC / Co and Al 2 O 3 . Among them, it is preferable to apply a cobalt-based alloy having excellent high-temperature wear resistance, and specifically, TRIBALOY (registered trademark) T-400, T-800, and the like are preferably used.
  • the ratio of the second particles in the cross section of the coating layer is 1 to 50 area% from the viewpoint of improving the high temperature wear resistance and thermal conductivity. It is preferably 1 to 25 area%, more preferably 1 to 18 area%, and particularly preferably 5 to 18 area%. However, it is not limited at all in such a range, and it goes without saying that it may be outside this range as long as the effects of the present invention can be expressed. Obviously, the area% calculated by observing the cross section can be read as volume%, and it is needless to say that the volume% can be read as weight% by converting the volume% by the density of each particle.
  • the ratio of the second particles in the cross section of the coating layer is preferably 1 to 50 area%.
  • the ratio of the second particles in the cross section of the coating layer may be 50 to 99 area%.
  • third particles other than the first particles and the second particles may be included.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a sliding member of an internal combustion engine having the sliding member at a sliding portion of the internal combustion engine. More specifically, it is a cross-sectional view schematically showing a valve mechanism including an engine valve.
  • a valve mechanism including an engine valve.
  • FIG. 8 when the cam lobe 40 rotates, the valve lifter 41 is pushed down while compressing the valve spring 42, and at the same time, the engine valve 43 is guided and pushed down by the valve guide 45 having the stem seal 44.
  • the engine valve 43 is separated from the seating portion 46A of the engine valve 43 at this time, and the exhaust port 47 and a combustion chamber (not shown) communicate with each other (the engine valve is open).
  • valve face 43B of the engine valve 43 corresponding to the opening / closing valve portion of the combustion chamber (not shown) is in contact or non-contact with the seating portion 46A of the engine valve 43 in the cylinder head 46 during operation.
  • the exhaust port 47 side is shown, but the sliding member of the present invention can also be applied to an intake port side (not shown).
  • the sliding members (1, 2, 3, 4) in the fourth embodiment are applied.
  • it has excellent high temperature wear resistance.
  • what consists of a precipitation hardening type copper alloy is applied as 1st particle
  • by applying the sliding member of the present invention on the cylinder head that is the base material it becomes possible to liberalize the shape of the exhaust port and the intake port and to enlarge the diameter of the engine valve. Can be improved.
  • a sliding member can also be applied. By having such a structure, it has excellent high temperature wear resistance. Moreover, since what consists of a precipitation hardening type copper alloy is applied as 1st particle
  • the cylinder head of this embodiment has the sliding member of the above-described embodiment on the seat portion of the engine valve.
  • another cylinder head of the present embodiment is a cylinder head provided with the valve seat having the sliding member of the above-described embodiment, and has the sliding member on a seating portion of the engine valve of the valve seat.
  • the valve seat of this embodiment has the sliding member of the said embodiment in the seat part of an engine valve.
  • the engine valve of this embodiment has the sliding member of the said embodiment in a valve face.
  • the other engine valve of this embodiment has the sliding member of the said embodiment in a sliding site
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a bearing mechanism of an internal combustion engine having a sliding member on a bearing metal of the bearing mechanism of the internal combustion engine. More specifically, it is a cross-sectional view schematically showing a bearing metal that is a sliding member of a connecting rod.
  • a large end 60 ⁇ / b> A on the crank side (not shown) of the connecting rod 60 is vertically divided into two.
  • a bifurcated bearing metal 62 for receiving the crank pin 61 is disposed at the large end 60A.
  • a sliding member having the above-described coating layer formed on the sliding surface 62a for example, the sliding members (1, 2, 4 in the above-described first to fourth embodiments). 3, 4) is applied.
  • the bearing metal 62 a sliding member having the above-described coating layer formed on the sliding surface 62a, for example, the sliding members (1, 2, 4 in the above-described first to fourth embodiments). 3, 4) is applied.
  • a sliding member in which the above-mentioned coating layer is formed on the sliding surface of the bearing metal divided into two to receive the piston pin at the small end of the connecting rod not shown on the piston side for example, a sliding member in which the above-mentioned coating layer is formed on the sliding surface of the bearing metal divided into two to receive the piston pin at the small end of the connecting rod not shown on the piston side, for example, The sliding members in the first to fourth embodiments described above can also be applied. By having such a structure, it has excellent high temperature wear resistance. Moreover, since what consists of a precipitation hardening type copper alloy is applied as 1st particle
  • the bearing mechanism of the internal combustion engine of the present embodiment preferably has the sliding member of the above embodiment on the bearing metal of the bearing mechanism of the internal combustion engine.
  • the manufacturing method of the sliding member of this embodiment is a method of manufacturing the sliding member of the present invention, for example, the sliding member in the first to fourth embodiments described above.
  • the sliding member manufacturing method includes a first powder made of a precipitation hardening type copper alloy in a non-molten state, or a mixed powder containing the first powder and a second powder harder than the first powder.
  • Forming a coating layer comprising: on a substrate.
  • the first powder made of a precipitation hardening type copper alloy, or a mixed powder containing the first powder and the second powder that is harder than the first powder
  • Precipitation hardening is preferably performed by spraying the first powder or the first powder and the second powder onto the base material at a speed that forms a plastic deformation portion on at least one of the base material and the coating layer.
  • a particle assembly including a plurality of first particles made of a type copper alloy, or a particle assembly including a plurality of first particles and a plurality of second particles in other words, By forming the film layer by a method called kinetic spray, cold spray, warm spray, etc., it is possible to efficiently form a film layer excellent in high-temperature wear resistance.
  • the sliding member of the present invention is not limited to those manufactured by such a manufacturing method.
  • the first powder used as the raw material is not particularly limited as long as it is in a non-molten state and is made of a precipitation hardening type copper alloy.
  • the first powder is preferably in a supersaturated solid solution state.
  • the powder in a supersaturated solid solution state is not particularly limited, but for example, it is preferable to apply a powder obtained by rapid solidification by an atomizing method or the like.
  • a fine hard phase (precipitated phase) is formed by frictional heat generated by pressure difference due to the impact and deformation speed difference with the base material due to the flattening. It is formed. As a result, the strength of the coating layer is increased.
  • a second powder containing an alloy powder or ceramic powder made of an iron-base alloy powder, a cobalt-base alloy powder, a chromium-base alloy powder, a nickel-base alloy powder, a molybdenum-base alloy powder, or the like is further added to the first powder. May be added.
  • a 2nd powder may be used individually by 1 type, or may mix and use 2 or more types suitably.
  • the average particle size of the first powder and the second powder used as the raw material is not particularly limited, but is preferably 5 to 40 ⁇ m, and more preferably 20 to 40 ⁇ m. If the average particle size is less than 5 ⁇ m, powder supply may be poor due to low fluidity. On the other hand, if the average particle diameter exceeds 50 ⁇ m, the film formation may be poor due to insufficient particle speed during film formation.
  • the “average particle size” for example, a number-based average particle size (d50) measured and calculated using an image analysis type particle size distribution measuring apparatus can be used.
  • the particle diameter when measuring and calculating such an average particle diameter, for example, the maximum distance between any two points on the contour line of the observed powder (observation surface) is adopted.
  • the circle equivalent diameter of the observed powder can also be employ
  • a number-based average particle diameter (d50) measured and calculated using a laser diffraction / scattering particle diameter distribution measuring apparatus may be used.
  • d50 number-based average particle diameter measured and calculated using a laser diffraction / scattering particle diameter distribution measuring apparatus
  • the speed at which the powder is sprayed is preferably a high speed such that the first powder is sprayed onto the base material to form a plastic deformation portion on at least one of the base material and the coating layer, but is particularly limited. It is not something.
  • the powder speed is preferably 300 to 1200 m / s, more preferably 500 to 1000 m / s, and still more preferably 600 to 800 m / s.
  • the pressure of the working gas supplied for spraying the powder is preferably 2 to 5 MPa, and more preferably 3.5 to 5 MPa. When it is less than 2 MPa, the powder speed cannot be obtained, and the porosity may increase.
  • it is not limited at all in such a range, and it goes without saying that it may be outside this range as long as the effects of the present invention can be expressed.
  • the temperature of the working gas is not particularly limited, but is preferably 400 to 800 ° C., and more preferably 600 to 800 ° C., for example.
  • the temperature of the working gas is less than 400 ° C., the porosity may increase and the wear resistance may decrease. Further, if the temperature of the working gas exceeds 800 ° C., nozzle clogging may occur.
  • it is not limited at all in such a range, and it goes without saying that it may be outside this range as long as the effects of the present invention can be expressed.
  • the type of working gas is not particularly limited, and examples thereof include nitrogen and helium. These may be used individually by 1 type and may be used in combination of multiple types. Further, a mixture of fuel gas and nitrogen may be used.
  • aging treatment or tempering may be performed at 250 to 500 ° C. for 0.5 to 4 hours. Thereby, high temperature abrasion resistance and thermal conductivity can be improved.
  • this aging treatment or tempering can use, for example, heat received from the combustion chamber during a test run in an inspection after engine assembly.
  • Example 1 First, only a copper-nickel-silicon alloy powder (composition: Cu-2.9Ni-0.7Si, atomized powder) was prepared as a raw material.
  • the aluminum base material Japanese Industrial Standard H 4040 A5056
  • H 4040 A5056 Japanese Industrial Standard H 4040 A5056
  • the prepared aluminum powder is mounted on the rotating table, and the prepared alloy powder is applied to the prepared aluminum substrate while rotating the rotating table.
  • the high pressure cold spray device (Plasma Giken Kogyo Co., Ltd., PCS- 1000, working gas: type; nitrogen, temperature; 600 ° C., particle velocity: 680 to 720 m / s, pressure; 4 MPa), and a coating layer having a coating layer thickness of 0.4 to 0.5 mm is applied onto the substrate. Formed.
  • the film layer thickness is 0.2 mm.
  • Example 2 Instead of the copper-nickel-silicon alloy powder (composition: Cu-2.9Ni-0.7Si, atomized powder), copper-nickel-silicon-vanadium-chromium alloy powder (composition: Cu-14Ni-3Si-2V-) Except for using 2.2Cr-1.4Fe-1.2Al, atomized powder), the same operation as in Example 1 was repeated to obtain a sliding member of this example.
  • TRIBALOY registered trademark
  • TRIBALOY registered trademark
  • Example 1 The same as Example 1 except that stainless steel powder (Japanese Industrial Standard SUS316L) was used instead of the copper-nickel-silicon alloy powder (composition: Cu-2.9Ni-0.7Si, atomized powder). The operation was repeated to obtain the sliding member of this example.
  • stainless steel powder Japanese Industrial Standard SUS316L
  • Cu-2.9Ni-0.7Si atomized powder
  • Example 3 Example 1 except that a copper-nickel alloy powder (composition: Cu-30Ni) was used instead of the copper-nickel-silicon alloy powder (composition: Cu-2.9Ni-0.7Si, atomized powder). The same operation as above was repeated to obtain the sliding member of this example.
  • a copper-nickel alloy powder composition: Cu-30Ni
  • the copper-nickel-silicon alloy powder composition: Cu-2.9Ni-0.7Si, atomized powder
  • Example 4 Example 1 except that a copper-tin alloy powder (composition: Cu-30Sn) was used instead of the copper-nickel-silicon alloy powder (composition: Cu-2.9Ni-0.7Si, atomized powder) The same operation was repeated. However, it was difficult to form a coating layer.
  • Table 1 shows a part of the specifications of the above examples.
  • grains in the cross section of the film layer of each example, and a porosity are observations, such as a scanning electron microscope (SEM) image of the cross section in a film layer, and a cross-sectional scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • Calculation was performed by performing image processing such as binarization of the image a plurality of times. Moreover, the precipitation phase in the 1st particle
  • SEM scanning electron microscope
  • EDX energy dispersive X-ray
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the wear test apparatus.
  • the actual engine parts such as the valve spring 42, the engine valve 43, the system seal 44, the valve guide 45, the cylinder heads 46 and 46 ', and the cotter 49 are used to resemble the valve mechanism of the engine.
  • a wear test device was constructed.
  • the sliding member (1, 2, 3, 4) obtained in each of the above examples was applied as the seating portion 46A of the engine valve 43 in the cylinder head 46. Further, the sliding member (1, 2, 3, 4) includes a predetermined coating layer 20 formed on the base material 10.
  • the engine valve 43 in the drawing shows an open state, and the engine valve 43 is vibrated in the vertical direction indicated by the arrow Y in the drawing by an eccentric cam (not shown), and the opening and closing of the engine valve 43 is repeated.
  • the sliding surface 46a of the seating portion 46A of the engine valve 43 in the cylinder head 46 is brought into a high temperature environment by the flame F of the gas burner B.
  • the temperature of the seating portion 46A is measured by a thermometer T.
  • cooling water W circulates in the cylinder head 46.
  • the amount of wear was measured and calculated using the wear test apparatus described above under the following test conditions. Specifically, the shape of the engine valve seating in the cylinder head before and after the test is acquired using a shape measuring device, the amount of wear at four locations is measured, the average value is calculated, and this is worn. The amount. The obtained results are shown in Table 2.
  • thermo conductivity (Thermal conductivity) Using the obtained sliding member of each example, the thermal conductivity of the sliding member of each example was measured and calculated by a laser flash method to evaluate the thermal conductivity. The obtained results are shown in Table 2 (however, Comparative Examples 2 and 3 are not measured).
  • Examples 1 to 4 belonging to the scope of the present invention have about 20 to 70% less wear and excellent high temperature wear resistance than Comparative Examples 1 to 3 outside the present invention. It can be seen that
  • a coating layer made of a particle aggregate including a plurality of first particles was formed on the substrate.
  • an additive element made of a precipitation hardening type copper alloy containing nickel and silicon is applied.
  • the particle aggregate includes a precipitated phase made of nickel silicide (Ni 2 Si) on the surface of the first particle.
  • both the base material and the coating layer have plastic deformation portions.
  • the porosity of the coating layer is 3 area% or less. It is also considered that an intermediate layer formed in at least a part between the substrate and the coating layer is provided.
  • thermal conductivity is high and high thermal conductivity can be secured. This is considered because the thing which consists of a precipitation hardening type copper alloy as a 1st powder was applied. It is also considered that the porosity of the coating layer is 3 area% or less.
  • thermal conductivity of Example 2 is not particularly high, it can be said that the thermal conductivity is high because it can be made thinner than a sliding member that is used by press-fitting.
  • Examples 1 and 2 belonging to the scope of the present invention to which the second powder was not added are superior in high temperature wear resistance as compared with Comparative Examples 1 to 3 outside the present invention. It can be seen that the sliding member having the above can be efficiently manufactured with the same or higher adhesion rate. Further, it can be seen that in Comparative Example 4 outside the present invention, it is difficult to form a coating layer compared to Examples 1 to 4 belonging to the scope of the present invention and Comparative Examples 1 to 3 outside the present invention.
  • Examples 3 and 4 to which the second powder made of cobalt-based alloy powder was added had a wear amount of about 40 to 70% as compared with Comparative Examples 1 to 3 outside the present invention. It can be seen that the amount of wear is less than that of Example 1 in which the amount is less than that of Example 1, which is not added, and the wear resistance is superior.
  • Example 4 in which the amount of the second powder made of the cobalt-based alloy powder was increased has superior high-temperature wear resistance as compared with Example 3.
  • Example 4 can secure high thermal conductivity although the thermal conductivity is slightly lower than that of Example 3.
  • Example 3 is considered to be most preferable from the viewpoint that it is excellent in high temperature wear resistance and thermal conductivity, and can be produced at low cost because of its high adhesion rate. Further, Example 4 is considered most preferable from the viewpoint of high temperature wear resistance.
  • FIG. 11 is a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) image in the vicinity of the boundary surface between the base material 10 and the coating layer 20 of the sliding member of Example 4.
  • FIG. 12 is a graph showing the results of energy dispersive X-ray (EDX) analysis (line analysis) in the line segment Z shown in FIG. 11 of the sliding member of Example 4. Note that the position P shown in FIG. 11 and the position P shown in FIG. 12 indicate the same position. Further, in FIG. 12, the position of the end portion on the base material 20 side of the line segment Z shown in FIG. 11 is set to a position of 0.0 ⁇ m, and the position of the end portion of the line segment Z on the film layer 20 side is set to a position of 2.0 ⁇ m. .
  • the intermediate layer including at least one of the diffusion layer and the intermetallic compound layer is provided between the base material and the coating layer, it is considered to have excellent high-temperature wear resistance and thermal conductivity. Moreover, since the intermediate layer including the diffusion layer having a gradient structure with respect to the composition is provided, it is considered that it has excellent high-temperature wear resistance and thermal conductivity. Furthermore, since the intermetallic compound layer includes an intermediate layer having a structure sandwiched between diffusion layers having an inclined structure with respect to the composition, it is considered that the intermetallic compound layer has excellent high-temperature wear resistance and thermal conductivity.
  • the configuration described in each of the above-described embodiments and examples is not limited to each embodiment or each example.
  • the configuration and composition of the types and ratios of the first powder and the second powder are not limited.
  • the film conditions can be changed, or the configurations of the embodiments and examples can be combined with those other than the embodiments and examples described above.

Abstract

摺動部材は、基材と、基材上に形成された皮膜層と、を備え、皮膜層が、析出硬化系銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる。　摺動部材の製造方法は、上記摺動部材の製造方法であって、非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は該第１粉末及び該第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、上記基材上に吹き付けて、上記皮膜層を該基材上に形成する工程を含む。

Description

摺動部材及びその製造方法
　本発明は、摺動部材及びその製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、優れた高温耐摩耗性を有する摺動部材及びその製造方法に関する。この摺動部材は、例えば、高温環境下で使用される内燃機関の摺動部位に適用することが好適である。具体的には、シリンダヘッド及びバルブシートにおけるエンジンバルブの着座部、エンジンバルブにおけるバルブフェースやエンジンバルブにおけるバルブガイドとの摺動部位、軸受機構の軸受メタルに適用することが好適である。
　従来、特許文献１は、冷間で加工誘起変態を生じさせることにより基材の表面に硬質皮膜を形成することを可能とした硬質皮膜の形成方法を開示している。そして、この硬質皮膜の形成方法は、基材の表面に固相状態の金属粉末を圧縮性の気体を媒体として吹き付けて硬質の金属皮膜を形成する硬質皮膜の形成方法であって、該金属粉末は加工誘起変態が生じる金属材料で構成されており、該金属粉末を該加工誘起変態が生じる高速で該基材に叩きつけることにより、該金属粉末を扁平に塑性変形させながら該基材の表面に幾重にも堆積させ且つ堆積した該金属粉末に該加工誘起変態を生じさせて該基材に叩きつける前の該金属粉末より高い硬さの金属皮膜を該基材の表面に形成することを特徴とする。
日本国特許第５２０２０２４号
　しかしながら、特許文献１に記載された硬質皮膜は、高温耐摩耗性が不十分であるという問題点があった。
　本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、優れた高温耐摩耗性を有する摺動部材、摺動部材の製造方法及び摺動部材を有する内燃機関の摺動部材を提供することを目的とする。
　本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明の摺動部材は、基材と、該基材上に形成された皮膜層と、を備え、該皮膜層が、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなるものである。
　また、本発明の内燃機関の摺動部材は、上記本発明の摺動部材を内燃機関の摺動部位に有するものである。
　さらに、本発明の摺動部材の製造方法は、基材と、該基材上に形成された皮膜層と、を備え、該皮膜層が、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体、又は該複数の第１粒子及び該第１粒子より硬質である複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる摺動部材の製造方法である。この摺動部材の製造方法は、非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は該第１粉末及び該第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、上記基材上に吹き付けて、上記皮膜層を該基材上に形成する工程を含む。
　本発明によれば、優れた高温耐摩耗性を有する摺動部材、摺動部材の製造方法及び摺動部材を有する内燃機関の摺動部材を提供することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。 図３は、図２に示す摺動部材のＩＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。 図４は、図２に示す摺動部材のＩＶ線で囲んだ部分の拡大図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。 図６は、本発明の第４の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。 図７は、図６に示す摺動部材のＶＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。 図８は、摺動部材を内燃機関の摺動部位に有する内燃機関の摺動部材を模式的に示す断面図である。 図９は、摺動部材を内燃機関の軸受機構の軸受メタルに有する内燃機関の軸受機構を模式的に示す断面図である。 図１０は、摩耗試験装置の概略を示す断面図である。 図１１は、実施例４の摺動部材における断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。 図１２は、実施例４の摺動部材におけるエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析の結果を示すグラフである。
　以下、本発明の一実施形態に係る摺動部材、内燃機関の摺動部材、シリンダヘッド、バルブシート、エンジンバルブ、内燃機関の軸受機構、摺動部材の製造方法について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
　まず、本発明の第１の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の各実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の摺動部材１は、基材１０と、基材１０上に形成された皮膜層２０とを備えたものである。そして、この皮膜層２０は、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子２３を含む粒子集合体２１からなる。ここで、本実施形態においては、基材１０が塑性変形部１０ａを有し、皮膜層２０が塑性変形部２０ａを有する。また、本発明において、析出硬化型銅合金とは、析出硬化した後の銅合金のみを意味するのではなく、析出硬化する前の銅合金を含むことを意味する。そして、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子において、全ての第１粒子が析出硬化した後の銅合金からなる粒子であることが好ましいが、これに限定されるものではない。例えば、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子において、一部の第１粒子が析出硬化した後の銅合金からなる粒子であり、残部の第１粒子が析出硬化する前の銅合金からなる粒子であってもよい。また、例えば、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子において、全ての第１粒子が析出硬化する前の銅合金からなる粒子であってもよい。なお、析出硬化型銅合金は、粒子分散強化型銅合金と呼ばれることもある。
　上述のように、基材と、基材上に形成された皮膜層とを備え、皮膜層が析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる摺動部材とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。なお、本発明においては、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成は必ずしも必要ではないが、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。
　現時点においては、以下のような理由の少なくとも１つにより、その効果が得られていると考えている。
　詳しくは後述するが、析出硬化型銅合金からなる第１粉末を基材上に吹き付けると、第１粉末が基材に衝突したときに、例えば、基材がその表面に基材と皮膜層との密着性を阻害する酸化皮膜を有する場合に、その酸化皮膜が除去され、皮膜層との密着性に優れた新生界面が基材に露出形成されるためと考えられる。
　また、例えば、第１粉末が基材や基材に付着した第１粒子に衝突したときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、基材と第１粉末との間や第１粉末と第１粒子との間における溶着や原子拡散が進行するためとも考えられる。
　さらに、例えば、第１粉末が基材に衝突したときに、第１粉末が基材にめり込むことによるアンカー効果により、換言すれば、基材に扁平な凹部からなる塑性変形部が形成されることにより、基材と皮膜層との密着性が向上するためとも考えられる。
　また、例えば、第１粉末が基材や基材に付着した第１粒子に衝突したときに、第１粉末や第１粒子が扁平形状となることによって、換言すれば、皮膜層に扁平形状の第１粒子が堆積された構造を有する塑性変形部が形成されることにより、第１粒子と第１粒子との間における隙間が少なくなって、粒子集合体における第１粒子同士の密着性が向上するためとも考えられる。
　さらに、例えば、第１粉末が基材や基材に付着した第１粒子に衝突したときに、基材に扁平な凹部が形成される過程や、第１粉末や第１粒子が扁平形状となる過程において、換言すれば、基材や皮膜層に塑性変形部が形成される過程において、塑性変形による発熱により、基材と第１粉末との間や第１粉末と第１粒子との間における溶着や原子拡散が進行するためとも考えられる。
　但し、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
　ここで、各構成についてさらに詳細に説明する。
　上記基材１０としては、特に限定されるものではないが、詳しくは後述する摺動部材の製造方法、つまり、皮膜層の形成方法に適用し得る金属であることが好ましい。もちろん、摺動部材が適用される高温環境下で使用可能なものとすることは言うまでもない。
　金属としては、例えば、従来公知のアルミニウムや鉄、チタン、銅などの合金を適用することが好ましい。
　そして、アルミニウム合金としては、例えば、日本工業規格で規定されているＡＣ２Ａ、ＡＣ８Ａ、ＡＤＣ１２などを適用することが好ましい。また、鉄合金としては、例えば、日本工業規格で規定されているＳＵＳ３０４、鉄系焼結合金などを適用することが好ましい。さらに、銅合金としては、例えば、ベリリウム銅や銅合金系焼結合金などを適用することが好ましい。
　また、上記皮膜層２０としては、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなるものであれば、特に限定されるものではない。
　例えば、皮膜層の厚みは適用される部位の温度や摺動環境により適宜調整すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５～５．０ｍｍとすることが好ましく、０．１～２．０ｍｍとすることがより好ましい。０．０５ｍｍ未満であると、皮膜層自体の剛性が不足するため、特に基材強度が低い場合に塑性変形を起こすことがある。また、１０ｍｍ超であると、成膜時に発生する残留応力と界面密着力の関係により皮膜の剥離が生じる可能性がある。
　例えば、皮膜層の気孔率が大きいと強度が不足し、高温耐摩耗性を低下させる可能性があるという観点から、皮膜層の気孔率は可能な限り小さいことが好ましい。そして、より優れた熱伝導性を有する摺動部材とすることができるという観点から、皮膜層の断面における気孔率は３面積％以下であることが好ましく、特に０面積％であることが好ましい。なお、現時点においては、気孔率を０．１面積％まで低減することが可能となっているため、高温耐摩耗性や熱伝導性、さらには生産性などの観点から、０．１～３面積％とすることが好ましい。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。また、皮膜層の断面における気孔率は、例えば、皮膜層における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像などの観察、及び断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の２値化などの画像処理によって、算出することができる。
　また、析出硬化型銅合金としては、特に限定されるものではないが、例えば、ニッケル及びケイ素を含む析出硬化型銅合金、換言すれば、いわゆるコルソン合金と呼ばれるものを適用することが好ましい。しかしながら、これに限定されるものでなく、例えば、クロムを含む析出硬化型銅合金、換言すれば、いわゆるクロム銅と呼ばれるものや、ジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、換言すれば、いわゆるジルコニウム銅と呼ばれるものを適用することもできる。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金などを適用することもできる。
　例えば、ニッケル及びケイ素を含む析出硬化型銅合金においては、より優れた熱伝導性を有するものとなり得るという観点から、ニッケルの含有量が１～２１質量％であることが好ましく、ケイ素の含有量が０．２～８質量％であることが好ましい。また、例えば、クロムを含む析出硬化型銅合金においては、より優れた熱伝導性を有するものとなり得るという観点から、クロムの含有量が０．０２～１質量％であることが好ましい。さらに、例えば、ニッケル及びケイ素を含む析出硬化型銅合金においては、ケイ化ニッケル（Ｎｉ２Ｓｉ）を析出させるという観点から、ニッケルとケイ素の含有量の比（Ｎｉ：Ｓｉ）が質量比で３．５～４．５：１の範囲内にあることが好ましい。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。また、上記の析出硬化型銅合金に、他の元素を添加してもよいことは言うまでもない。
（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　図２は、本発明の第２の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。また、図３は、図２に示す摺動部材のＩＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。さらに、図４は、図２に示す摺動部材のＩＶ線で囲んだ部分の拡大図である。図２～図４に示すように、本実施形態の摺動部材２は、粒子集合体２１が、複数の第１粒子２４の少なくとも一部の内部又は表面２４ａに少なくとも１つの析出相２５を含む構成が、上記の第１の実施形態と相違している。なお、図２～図４においては、複数の第１粒子の内部及び表面２４ａの一方又は双方に析出相２５を含む場合を示している。また、第１粒子２４における析出硬化型銅合金は、添加元素として、ニッケル及びケイ素を含むものである。この場合、析出相は、代表的には、ケイ化ニッケル（Ｎｉ２Ｓｉ）からなるものである。なお、図示しないが、複数の第１粒子の一部の内部及び表面の一方又は双方に析出相を含む場合も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
　上述のように、基材と、基材上に形成された皮膜層とを備え、皮膜層が析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなり、粒子集合体が複数の第１粒子の少なくとも一部の内部及び表面の一方又は双方に少なくとも１つの析出相を含む摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。なお、本発明においては、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成は必ずしも必要ではないが、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。
　現時点においては、以下のような理由により、その効果が得られていると考えている。
　詳しくは後述するが、析出硬化型銅合金からなる第１粉末を基材上に吹き付けると、例えば、第１粉末が基材や基材に付着した第１粒子に衝突したときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、第１粉末及び第１粒子の少なくとも一方の析出硬化型銅合金における析出硬化が促進されるためと考えられる。
　但し、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
（第３の実施形態）
　次に、本発明の第３の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　図５は、本発明の第３の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。図５に示すように、本実施形態の摺動部材３は、基材１０と皮膜層２０との間の全体に亘って形成された所定の中間層３０を備えた構成が、上記の第２の実施形態と相違している。ここで、所定の中間層３０は、拡散層若しくは金属間化合物層又は拡散層及び金属間化合物層を含むものである。また、中間層が拡散層を含むものである場合には、中間層が拡散層である場合を含む。さらに、中間層が金属間化合物層を含むものである場合には、中間層が金属間化合物層である場合を含む。
　上述のように、基材と、基材上に形成された皮膜層と、基材と皮膜層との間の少なくとも一部に形成された拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層とを備え、皮膜層が析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。なお、本発明においては、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成は必ずしも必要ではないが、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。また、基材と皮膜層との間の全体に亘って拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層が形成されている構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。
　現時点においては、以下のような理由により、その効果が得られていると考えている。
　詳しくは後述するが、析出硬化型銅合金からなる第１粉末を基材上に吹き付けると、例えば、第１粉末が基材に衝突したときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、基材と第１粉末及び第１粒子の少なくとも一方との間でそれぞれに含まれる成分元素の拡散が生じて、基材と皮膜層との間に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層が形成されるためと考えられる。
　但し、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
　ここで、上記中間層３０についてさらに詳細に説明する。中間層は、拡散層若しくは金属間化合物層又は拡散層及び金属間化合物層を含むものである。拡散層としては、組成について傾斜構造を有するものを好適例として挙げることができる。しかしながら、拡散層は、組成について傾斜構造を有するものに限定されるものではない。また、特に限定されるものではないが、金属間化合物層を含む中間層としては、金属間化合物層が組成に関して傾斜構造を有する拡散層で挟まれた構造を有するものを好適例として挙げることができる。中間層は、例えば、基材に含まれる成分元素と第１粒子に含まれる成分元素とで構成されている。具体的には、基材としてアルミニウム合金を適用した場合には、アルミニウムと銅を含む合金からなる中間層が形成される。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、基材として、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を適用した場合には、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の成分元素と銅を含む合金からなる中間層が形成される。
（第４の実施形態）
　次に、本発明の第４の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　図６は、本発明の第４の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。また、図７は、図６に示す摺動部材のＶＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。図６及び図７に示すように、本実施形態の摺動部材４は、粒子集合体２１が、鉄基合金粒子、コバルト基合金粒子、クロム基合金粒子、ニッケル基合金粒子、モリブデン基合金粒子などの合金粒子からなるか又はセラミックス粒子からなる複数の第２粒子２７を含む構成が、上記の第３の実施形態と相違している。なお、第２粒子２７の内部には析出相２５が含まれないことは言うまでもない。
　上述のように、基材と、基材上に形成された皮膜層と、を備え、皮膜層が析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなり、粒子集合体が、鉄基合金粒子、コバルト基合金粒子、クロム基合金粒子、ニッケル基合金粒子、モリブデン基合金粒子などの合金粒子からなるか又はセラミックス粒子からなる複数の第２粒子を含む摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。なお、本発明においては、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成は必ずしも必要ではないが、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。また、粒子集合体が、第１粒子の表面に少なくとも１つの所定の析出相を含む構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。さらに、基材と皮膜層との間の少なくとも一部に中間層が形成されている構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。
　現時点においては、以下のような理由の少なくとも１つにより、その効果が得られていると考えている。
　詳しくは後述するが、析出硬化型銅合金からなる第１粉末や第２粉末を基材上に吹き付けると、第２粉末が基材に衝突したときに、例えば、基材がその表面に基材と皮膜層との密着性を阻害する酸化皮膜を有する場合に、その酸化皮膜が除去され、皮膜層との密着性に優れた新生界面が基材に露出形成されるためとも考えられる。このような現象は、第２粉末を構成する粒子が第１粉末を構成する粒子より硬い硬質粒子である場合に、特に起こりやすい。
　また、例えば、第２粉末が基材に衝突したときに、第２粉末が基材にめり込むことによるアンカー効果により、換言すれば、基材に扁平な凹部からなる塑性変形部が形成されることにより、基材と皮膜層との密着性が向上するためとも考えられる。このような現象は、第２粉末を構成する粒子が第１粉末を構成する粒子より硬い硬質粒子である場合に、特に起こりやすい。
　さらに、特に限定されるものではないが、第１粉末を構成する粒子より硬い粒子で構成される第２粉末を用いた場合には、それらの境界面における第１粒子２４の表面２４ａ近傍（図７参照。ここで、第１粒子の表面近傍とは、例えば、図中矢印Ｘで示すように表面２４ａから内部に向かって１μｍ程度までの領域である。）において析出相２５が析出し易い。これは、第１粉末が第２粒子に衝突したときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換されたり、第１粉末の一部が塑性変形部を形成したりする過程で発生する熱により、第１粒子の析出硬化型銅合金の一部における析出硬化がより促進されるためと考えられる。
　但し、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
　ここで、上記第２粒子２７についてさらに詳細に説明する。第２粒子としては、特に限定されるものではないが、基材より硬質であることが好ましく、析出硬化型銅合金より硬質であることが好ましい。また、第２粒子としては、例えば、鉄基合金粒子、コバルト基合金粒子、クロム基合金粒子、ニッケル基合金粒子、モリブデン基合金粒子などの合金粒子やセラミックス粒子を適用することが好ましい。さらに、これらの粒子は、１種を単独で又は２種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
　鉄基合金としては、例えば、日本工業規格で規定されているＳＵＳ４４０Ｃなどを挙げることができる。また、コバルト基合金としては、例えば、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ－４００、Ｔ－８００などを挙げることができる。さらに、クロム基合金としては、例えば、フェロクロムなどを挙げることができる。また、ニッケル基合金としては、例えば、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ－７００などを挙げることができる。さらに、モリブデン基合金としては、例えば、フェロモリブデンなどを挙げることができる。また、セラミックスとしては、例えば、ＷＣ／Ｃｏ、Ａｌ２Ｏ３などを挙げることができる。その中で、高温耐摩耗性に優れたコバルト基合金を適用することが好ましく、具体的には、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ－４００、Ｔ－８００などを適用することが好ましい。
　また、特に限定されるものではないが、皮膜層の断面における第２粒子の割合は、高温耐摩耗性及び熱伝導性をより優れたものとするという観点からは、１～５０面積％とすることが好ましく、１～２５面積％とすることがより好ましく、１～１８面積％とすることがさらに好ましく、５～１８面積％とすることが特に好ましい。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。また、断面で観察し、算出した面積％を体積％に読み替えることが可能であり、体積％を各粒子の密度で換算することにより重量％に読み替えることが可能であることは言うまでもない。
　なお、上述のように、高温耐摩耗性及び熱伝導性をより優れたものとするという観点からは、皮膜層の断面における第２粒子の割合は、１～５０面積％とすることが好ましいが、高い熱伝導性が必ずしも必要でない一方で、優れた耐摩耗性が必要である場合には、皮膜層の断面における第２粒子の割合は、５０～９９面積％としても構わない。また、第１粒子及び第２粒子以外の第３粒子を含んでいてもよい。
（第５の実施形態）
　次に、本発明の第５の実施形態に係る内燃機関の摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　図８は、摺動部材を内燃機関の摺動部位に有する内燃機関の摺動部材を模式的に示す断面図である。より具体的には、エンジンバルブを含む動弁機構を模式的に示す断面図である。図８に示すように、カムロブ４０が回転すると、バルブリフタ４１がバルブスプリング４２を圧縮しつつ押し下げられると同時に、エンジンバルブ４３がステムシール４４を有するバルブガイド４５に案内されて押し下げられ、シリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａからエンジンバルブ４３が離間して、排気ポート４７と図示しない燃焼室とが連通する（エンジンバルブの開き状態）。その後、カムロブ４０がさらに回転すると、バルブスプリング４２の反発力により、バルブリフタ４１、リテーナ４８及びコッタ４９とともにエンジンバルブ４３が押し上げられ、着座部４６Ａにエンジンバルブ４３が接触して排気ポート４７と図示しない燃焼室とを遮断する（エンジンバルブの閉じ状態）。このようなエンジンバルブ４３開閉をカムロブ４０の回転と同期して行う。そして、このようにエンジンバルブ４３のバルブステム４３Ａはシリンダヘッド４６側に圧入されたバルブガイド４５の中を通って、オイル潤滑されながら組み込まれている。また、図示しない燃焼室の開閉弁部分にあたるエンジンバルブ４３のバルブフェース４３Ｂは動作時にシリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａと接触又は非接触状態となる。なお、図８においては、排気ポート４７側を示したが、本発明の摺動部材は、図示しない吸気ポート側に適用することもできる。
　そして、シリンダヘッド及びエンジンバルブの摺動部位であるシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部４６Ａの摺動面４６ａに、上述した皮膜層が形成された摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態～第４の実施形態における摺動部材（１，２，３，４）が適用されている。このような構成とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。さらに、本発明の摺動部材を基材であるシリンダヘッド上に適用することにより、排気ポートや吸気ポートの形状自由化やエンジンバルブの径拡大を図ることが可能となり、燃費や出力、トルクなどを向上させることが可能となる。
　また、例えば、図示しないが、バルブステムの摺動面及び相手材であるバルブガイドの摺動面の一方若しくは双方に、並びに／又は、バルブステム軸端の摺動面、バルブフェースの摺動面及び圧入型のバルブシートの摺動面からなる群より選ばれた少なくとも１ヶ所に、上述した皮膜層が形成された摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態～第４の実施形態における摺動部材を適用することもできる。このような構成とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。
　つまり、本実施形態のシリンダヘッドは、上記実施形態の摺動部材をエンジンバルブの着座部に有するものであることが好ましい。また、本実施形態の他のシリンダヘッドは、上記実施形態の摺動部材を有するバルブシートを備えたシリンダヘッドであって、該摺動部材を該バルブシートのエンジンバルブの着座部に有するものであることが好ましい。さらに、本実施形態のバルブシートは、上記実施形態の摺動部材をエンジンバルブの着座部に有するものであることが好ましい。また、本実施形態のエンジンバルブは、上記実施形態の摺動部材をバルブフェースに有するものであることが好ましい。さらに、本実施形態の他のエンジンバルブは、上記実施形態の摺動部材をバルブガイドとの摺動部位に有するものであることが好ましい。
（第６の実施形態）
　次に、本発明の第６の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　図９は、摺動部材を内燃機関の軸受機構の軸受メタルに有する内燃機関の軸受機構を模式的に示す断面図である。より具体的には、コンロッドの摺動部材である軸受メタルを模式的に示す断面図である。図９に示すように、コンロッド６０の図示しないクランク側の大端部６０Ａは上下に２分されている。そして、大端部６０Ａには、クランクピン６１を受けるための２分された軸受メタル６２が配設されている。
　そして、軸受メタル６２として、その摺動面６２ａに、上述した皮膜層が形成された摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態～第４の実施形態における摺動部材（１，２，３，４）が適用されている。このような構成とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。
　また、例えば、図示しないが、コンロッドの図示しないピストン側の小端部におけるピストンピンを受けるための２分された軸受メタルの摺動面に、上述した皮膜層が形成された摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態～第４の実施形態における摺動部材を適用することもできる。このような構成とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。
　つまり、本実施形態の内燃機関の軸受機構は、上記実施形態の摺動部材を内燃機関の軸受機構の軸受メタルに有するものであることが好ましい。
（第７の実施形態）
　次に、本発明の第７の実施形態に係る摺動部材の製造方法について詳細に説明する。本実施形態の摺動部材の製造方法は、本発明の摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態～第４の実施形態における摺動部材を製造する方法である。この摺動部材の製造方法は、非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は第１粉末及び該第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、基材上に吹き付けて、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体、又は複数の第１粒子及び第１粒子より硬質である複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成する工程を含む。
　上述のように、非溶融の状態として添加元素を析出させることなく、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は第１粉末及び第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、基材上に、好ましくは第１粉末又は第１粉末及び第２粉末が基材上に吹き付けられて、基材及び皮膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成する速度で、吹き付けて、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体、又は複数の第１粒子及び複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成すること、換言すれば、キネティックスプレー、コールドスプレー、ウォームスプレーなどと呼ばれる方法により皮膜層を形成することにより、高温耐摩耗性に優れた皮膜層を効率良く形成することができる。但し、本発明の摺動部材は、このような製造方法により製造されたものに限定されるものではない。
　ここで、より具体的な製造方法についてさらに詳細に説明する。
　上記原料として用いる第１粉末としては、非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなるものであれば、特に限定されるものではない。第１粉末は、例えば、過飽和固溶体の状態であることが好ましい。過飽和固溶体の状態であることにより、大きい延性を有する、換言すれば、変形能を有するため、皮膜層を効率よく形成することができ、成膜性を向上させることができる。ここで、過飽和固溶体の状態である粉末としては、特に限定されるものではないが、例えば、アトマイズ法などにより急冷凝固させて得られる粉末を適用することが好ましい。また、第１粉末が基材等に衝突したときに、その衝撃による加圧、及びその扁平化による基材等との変形速度の差により生じる摩擦熱により、微細な硬質相（析出相）が形成される。その結果、皮膜層の強度が高まる。
　また、原料としては、第１粉末に、鉄基合金粉末、コバルト基合金粉末、クロム基合金粉末、ニッケル基合金粉末、モリブデン基合金粉末などからなる合金粉末やセラミックス粉末を含む第２粉末をさらに加えてもよい。第２粉末は、１種単独で用いてもよく、又は２種以上を適宜混合して用いてもよい。
　さらに、原料として用いる第１粉末や第２粉末の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、例えば５～４０μｍとすることが好ましく、２０～４０μｍとすることがより好ましい。平均粒子径を５μｍ未満とすると、流動性の低さから粉末供給不良となることがある。また、平均粒子径を５０μｍ超とすると、成膜時の粒子速度不足から成膜不良となることがある。なお、「平均粒子径」としては、例えば、画像解析式粒子径分布測定装置を用いて測定・算出した、個数基準の平均粒子径（ｄ５０）を用いることができる。また、このような平均粒子径を測定・算出する際の「粒子径」としては、例えば、観察される粉末（観察面）の輪郭線上の任意の２点間の距離の最大の距離を採用することができる。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、観察される粉末（観察面）の円相当径を採用することもできる。さらに、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置を用いて測定・算出した、個数基準の平均粒子径（ｄ５０）を用いてもよい。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。
　また、粉末を吹き付ける速度は、好ましくは第１粉末が基材上に吹き付けられて、基材及び皮膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成するような高速であることが好ましいが、特に限定されるものではない。例えば、粉末速度を３００～１２００ｍ／ｓとすることが好ましく、５００～１０００ｍ／ｓとすることがより好ましく、６００～８００ｍ／ｓとすることがさらに好ましい。また、粉末を吹き付けるために供給する作動ガスの圧力を２～５ＭＰａとすることが好ましく、３．５～５ＭＰａとすることがより好ましい。２ＭＰａ未満とすると、粉末速度が得られず、気孔率が大きくなることがある。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。
　さらに、作動ガスの温度は、特に限定されるものではないが、例えば、４００～８００℃とすることが好ましく、６００～８００℃とすることがより好ましい。作動ガスの温度を４００℃未満とすると、気孔率が大きくなり、耐摩耗性が低くなることがある。また、作動ガスの温度を８００℃超とすると、ノズル詰まりを起こすことがある。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。
　また、作動ガスの種類としては、特に限定されるものではないが、例えば、窒素、ヘリウムなどを挙げることができる。これらは、１種を単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。また、燃料ガスと窒素とを混合して用いてもよい。
　さらに、皮膜層を形成した後、例えば、２５０～５００℃で０．５～４時間時効処理ないし焼き戻しをしてもよい。これにより、高温耐摩耗性や熱伝導性を向上させることができる。また、この時効処理ないし焼き戻しは、例えば、エンジン組立後の検査における試運転の際の燃焼室からの受熱を利用することも可能である。
　以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
　まず、原料として、銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）のみを用意した。
　一方、シリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部の加工完了状態で、狙い皮膜層厚み０．２ｍｍを想定して、アルミニウム基材（日本工業規格　Ｈ　４０４０　Ａ５０５６）の前加工を行って、前加工されたアルミニウム基材を用意した。
　次いで、回転テーブルに用意したアルミニウム基材を装着し、回転テーブルを回転させながら、用意した合金粉末を、用意したアルミニウム基材上に、高圧型コールドスプレー装置（プラズマ技研工業株式会社製、ＰＣＳ－１０００、作動ガス：種類；窒素、温度；６００℃、粒子速度；６８０～７２０ｍ／ｓ、圧力；４ＭＰａ）を用いて吹き付けて、皮膜層厚み０．４～０．５ｍｍの皮膜層を基材上に形成した。
　しかる後、機械加工により、実際のシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部の形状に仕上げて、本例の摺動部材を得た。なお、皮膜層厚みは、０．２ｍｍである。
（実施例２）
　上記銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅－ニッケル－ケイ素－バナジウム－クロム合金粉末（組成：Ｃｕ－１４Ｎｉ－３Ｓｉ－２Ｖ－２．２Ｃｒ－１．４Ｆｅ－１．２Ａｌ、アトマイズ粉末）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（実施例３）
　上記銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）及びコバルト基合金粉末（ケナメタルステライト社製、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ－４００）からなり、これらをＣｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ：ＴＲＩＢＡＬＯＹ＝９５：５（質量比）の割合で含む混合粉末を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（実施例４）
　上記銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）及びコバルト基合金粉末（ケナメタルステライト社製、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ－４００）からなり、これらをＣｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ：ＴＲＩＢＡＬＯＹ＝８５：１５（質量比）の割合で含む混合粉末を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（比較例１）
　上記銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、ステンレス鋼粉末（日本工業規格　ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。　
（比較例２）
　上記銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅－鉄－マンガン合金粉末（組成：Ｃｕ－４Ｆｅ－４Ｍｎ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（比較例３）
　上記銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅－ニッケル合金粉末（組成：Ｃｕ－３０Ｎｉ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。　
（比較例４）
　上記銅－ニッケル－ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ－２．９Ｎｉ－０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅－スズ合金粉末（組成：Ｃｕ－３０Ｓｎ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返した。しかしながら、皮膜層の形成が困難であった。上記各例の仕様の一部を表１に示す。なお、各例の皮膜層の断面における第１粒子や第２粒子の割合や気孔率は、皮膜層における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像などの観察、及び断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の２値化などの画像処理を複数回行うことによって、算出した。また、各例の第１粒子における析出相は、皮膜層における断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像などの観察、及びエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析によって特定した。さらに、各例における摺動部材の断面における中間層の有無や塑性変形部の有無は、皮膜層における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像などの観察、及びエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析によって特定した。なお、実施例１～実施例４及び比較例１～比較例３のいずれにおいても、基材及び皮膜層に塑性変形部が観察された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
［性能評価］
　上記得られた各例の摺動部材等を用いて、下記の各種性能を評価した。
（高温耐摩耗性）
　図７は摩耗試験装置の概略を示す断面図である。図７に示すように、バルブスプリング４２、エンジンバルブ４３、シテムシール４４、バルブガイド４５、シリンダヘッド４６、４６’、コッタ４９等の実際のエンジンの部品を用いて、エンジンの動弁機構に似た摩耗試験装置を構築した。なお、シリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａとしては、上記各例において得られた摺動部材（１，２，３，４）を適用した。また、摺動部材（１，２，３，４）は、基材１０上に形成された所定の皮膜層２０を備えている。さらに、図中のエンジンバルブ４３は、開き状態を示しており、エンジンバルブ４３は、図示しない偏心カムにより図中矢印Ｙで示す上下方向に振動して、エンジンバルブ４３の開閉を繰り返す。なお、シリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａの摺動面４６ａは、ガスバーナＢの火炎Ｆにより高温環境下とされている。また、着座部４６Ａは、温度計Ｔにより温度が計測されている。さらに、シリンダヘッド４６内には冷却水Ｗが循環している。
　上述した摩耗試験装置を用い、下記の試験条件下、摩耗量を測定、算出した。具体的には、形状測定装置を用いて試験前と試験後のシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部の形状を取得し、４カ所の摩耗量を測定し、平均値を算出して、これを摩耗量とした。得られた結果を表２に示す。
＜試験条件＞
・温度：３００℃（排気ポート側のシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部を想定した。）
・入力回数：５４００００回
（熱伝導性）
　上記得られた各例の摺動部材を用いて、レーザーフラッシュ法により、各例の摺動部材の熱伝導率を計測・算出して、熱伝導性を評価した。得られた結果を表２に示す（但し、比較例２及び３は測定していない。）。
（成膜性）
　上記各例の皮膜層と同様の形成条件で、上記各例の粉末を、平板状のアルミニウム基材上に、一定時間吹き付けて、粉末供給量と未付着粉末量とを計測し、付着率を算出して、成膜性を評価した。得られた結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１～４は、本発明外の比較例１～３と比較して、２０～７０％程度摩耗量が少なく、優れた高温耐摩耗性を有することが分かる。
　これは、非溶融の状態であり、かつ、過飽和固溶体の状態であるアトマイズ粉末からなる析出硬化型銅合金からなる第１粉末を、基材上に高速で吹き付けて、析出硬化型銅合金をからなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成したためと考えられる。また、添加元素として、ニッケル及びケイ素を含む析出硬化型銅合金からなるものを適用したためとも考えられる。さらに、粒子集合体が、第１粒子の表面にケイ化ニッケル（Ｎｉ２Ｓｉ）からなる析出相を含むためとも考えられる。また、基材及び皮膜層の双方が、塑性変形部を有するためとも考えられる。さらに、皮膜層の気孔率が、３面積％以下であるためとも考えられる。また、基材と皮膜層との間の少なくとも一部に形成された中間層を備えたためとも考えられる。
　また、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有すれば、高い熱伝導性を有するものと解されるため、表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１、３、４は、熱伝導率が高く、高い熱伝導性を確保できることが分かる。これは、第１粉末として析出硬化型銅合金からなるものを適用したためと考えられる。また、皮膜層の気孔率が、３面積％以下であるためとも考えられる。さらに、実施例２は、熱伝導率が特別に高いわけではないが、圧入して用いる摺動部材と比較して、薄膜化することができるため、伝熱性は高いと言える。
　さらに、表１及び表２より、第２粉末を添加していない本発明の範囲に属する実施例１、２は、本発明外の比較例１～３と比較して、優れた高温耐摩耗性を有する摺動部材を同等ないしより高い付着率で効率良く作製できることが分かる。また、本発明外の比較例４は、本発明の範囲に属する実施例１～４や、本発明外の比較例１～３と比較して、皮膜層の形成が困難であることが分かる。
　また、表１及び表２より、コバルト基合金粉末からなる第２粉末を添加した実施例３及び４は、本発明外の比較例１～３と比較して、４０～７０％程度摩耗量が少なく、また、添加していない実施例１より摩耗量がいっそう少なく、より優れた高温耐摩耗性を有することが分かる。
　これは、非溶融の状態であり、かつ、過飽和固溶体の状態であるアトマイズ粉末からなる析出硬化型銅合金からなる第１粉末とコバルト基合金粉末からなる第２粉末を、基材上に高速で吹き付けて、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子とコバルト基合金粒子からなる複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成したためと考えられる。
　また、表１及び表２より、コバルト基合金粉末からなる第２粉末の添加量をより多くした実施例４は、実施例３と比較して、優れた高温耐摩耗性を有することが分かる。また、実施例４は、実施例３と比較して、熱伝導率が若干低くなるものの、高い熱伝導性を確保できることが分かる。現時点においては、高温耐摩耗性及び熱伝導性が優れ、さらに付着率が高いため低コストで生産できるという観点からは実施例３が最も好ましいと考えられる。また、高温耐摩耗性の観点からは実施例４が最も好ましいと考えられる。
　さらに、図１１は、実施例４の摺動部材の基材１０と皮膜層２０との境界面付近における断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。また、図１２は、実施例４の摺動部材の図１１に示す線分Ｚにおけるエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析（線分析）の結果を示すグラフである。なお、図１１に示す位置Ｐと図１２に示す位置Ｐとは同じ位置を示している。また、図１２において、図１１に示す線分Ｚの基材２０側端部の位置を０．０μｍの位置とし、線分Ｚの皮膜層２０側端部の位置を２．０μｍの位置としている。
　図１１及び図１２より、摺動部材は、アルミニウム合金の基材１０と、基材１０上に形成された銅合金の皮膜層２０とを備えており、基材１０と皮膜層２０との間に中間層が形成されていることが分かる。そして、中間層は、約０．７５～１．３１μｍの位置に形成されていることが分かる。また、拡散層は、約０．７５～０．９６μｍの位置と約１．２３～１．３１μｍ位置に形成されていることが分かる。さらに、拡散層は、組成に関して傾斜構造を有していることが分かる。また、約０．９６～１．２３μｍの位置においては、アルミニウムとマグネシウムと銅との比が、Ａｌ：Ｍｇ：Ｃｕ＝２：１：１（原子比）程度であり、金属間化合物層が形成されていることが分かる。
　このように、基材と皮膜層との間に、拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層を備えるため、優れた高温耐摩耗性や熱伝導性を有するとも考えられる。また、組成に関して傾斜構造を有する拡散層を含む中間層を備えるため、優れた高温耐摩耗性や熱伝導性を有するとも考えられる。さらに、金属間化合物層が組成に関して傾斜構造を有する拡散層で挟まれた構造を有する中間層を備えるため、優れた高温耐摩耗性や熱伝導性を有するとも考えられる。
　以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
　例えば、上述した各実施形態や各実施例に記載した構成は、実施形態毎や実施例毎に限定されるものではなく、例えば、第１粉末や第２粉末の種類や割合などの構成や成膜条件を変更したり、各実施形態や各実施例の構成を上述した各実施形態や各実施例以外の組み合わせにしたりすることができる。
　１，２，３，４　摺動部材
１０　基材
１０ａ　塑性変形部
２０　皮膜層
２０ａ　塑性変形部
２１　粒子集合体
２３，２４　第１粒子
２４ａ　表面
２５　析出相
２７　第２粒子
３０　中間層
４０　カムロブ
４１　バルブリフタ
４２　バルブスプリング
４３　エンジンバルブ
４３Ａ　バルブステム
４３ａ　摺動面
４３Ｂ　バルブフェース
４３ｂ　摺動面
４４　ステムシール
４５　バルブガイド
４５ａ　摺動面
４６，４６’　シリンダヘッド
４６Ａ　着座部
４６ａ　摺動面
４７　排気ポート
４８　リテーナ
４９　コッタ
６０　コンロッド
６０Ａ　大端部
６１　クランクピン
６２　軸受メタル
６２ａ　摺動面
　Ｂ　ガスバーナ
　Ｆ　火炎
　Ｔ　温度計
　Ｗ　冷却水

Claims (11)

  1. 　基材と、
    　上記基材上に形成された皮膜層と、を備え、
    　上記皮膜層が、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる
    ことを特徴とする摺動部材。
  2. 　上記析出硬化型銅合金が、添加元素として、ニッケル及びケイ素を含み、
    　上記粒子集合体が、上記複数の第１粒子の少なくとも一部の内部及び／又は表面にケイ化ニッケルからなる少なくとも１つの析出相を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 　上記基材及び上記皮膜層の少なくとも一方が、塑性変形部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  4. 　上記皮膜層の断面における気孔率が、３面積％以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
  5. 　上記基材と上記皮膜層との間の少なくとも一部に形成された拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層を備えたことを特徴とする請求項１～４のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
  6. 　上記粒子集合体が、鉄基合金粒子、コバルト基合金粒子、クロム基合金粒子、ニッケル基合金粒子及びモリブデン基合金粒子からなる群より選ばれた少なくとも１種の合金粒子からなる複数の第２粒子、並びに／又はセラミックス粒子からなる複数の第２粒子を含むことを特徴とする請求項１～５のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
  7. 　請求項１～６のいずれか１つの項に記載の摺動部材を内燃機関の摺動部位に有することを特徴とする内燃機関の摺動部材。
  8. 　基材と、
    　上記基材上に形成された皮膜層と、を備え、
    　上記皮膜層が、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体、又は該複数の第１粒子及び該第１粒子より硬質である複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる
    摺動部材の製造方法であって、
    　非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は該第１粉末及び該第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、上記基材上に吹き付けて、上記皮膜層を該基材上に形成する工程を含む
    ことを特徴とする摺動部材の製造方法。
  9. 　上記第１粉末又は上記混合粉末を上記基材上に吹き付ける際に、該第１粉末又は該混合粉末を、該基材上に、該第１粉末が該基材上に吹き付けられて、該基材及び上記皮膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成する速度で、吹き付けることを特徴とする請求項８の記載の摺動部材の製造方法。
  10. 　上記第１粉末が、過飽和固溶体の状態であることを特徴とする請求項８又は９に記載の摺動部材の製造方法。
  11. 　上記第１粉末が、急冷凝固粉末であることを特徴とする請求項８～１０のいずれか１つの項に記載の摺動部材の製造方法。
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