WO2018061332A1 - 摺動材料およびその製造方法並びに摺動部材 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a sliding material, and specifically relates to a sliding material in which a copper alloy layer having a structure in which a Bi phase is dispersed in a copper alloy structure is provided on a base material. Furthermore, the present invention relates to a sliding material manufacturing method and a sliding member using the sliding material.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-81523
  • Patent Document 1 includes Cu—Sn alloy containing 0.1 to 10% by volume of hard particles having 1 to 20% by mass of Bi and an average particle size of 1 to 45 ⁇ m.
  • a copper-based sliding material is disclosed.
  • the soft Bi phase is dispersed in the Cu alloy matrix, so that the conformability, foreign matter burying property and non-seizure property are improved.
  • the hard particles are mixed in the Bi phase, so that the wear resistance is excellent and the non-seizure property is improved, and the soft Bi phase becomes a cushion and the attack property to the counterpart material is reduced.
  • Patent Document 2 discloses a copper-based slide excellent in fatigue resistance and seizure resistance by suppressing the coarsening of Bi grains in a Cu alloy layer produced by a continuous sintering method.
  • a copper-based sliding material containing 6 to 12% by mass of Sn, 11 to 30% by mass of Bi, and 0.01 to 0.05% by mass of P is disclosed.
  • a Cu—Sn—P compound is precipitated on the Cu alloy in the Cu alloy powder, and this reduces the difference in thermal shrinkage between the Cu alloy in the Cu alloy powder and Bi in liquid phase.
  • the liquid phase of Bi remains in the Cu alloy powder, and the coarsening of Bi grains can be suppressed, and the average particle area of Bi grains can be finely dispersed at 60 to 350 ⁇ m 2 .
  • Such a sliding material made of a copper alloy containing Bi is manufactured by sintering copper alloy powder dispersed on a base material.
  • Bi melts during the temperature rise in the primary sintering step, so Bi starts to melt and flow faster than the joining of the copper alloy powders.
  • Part of Bi dissolved early in the primary sintering process flows to the interface with the base material through the gaps between the copper alloy powder particles, and accumulates there. Therefore, a region where the concentration of Bi is large is formed at the bonding interface between the base material and the copper alloy layer by the primary sintering step. Even if the subsequent process proceeds, the Bi phase at the bonding interface formed during the primary sintering process continues to exist at the bonding interface and is difficult to remove.
  • the bonding area between the copper alloy and the base material is reduced. Since the Bi phase is soft and has low strength, the overall bonding strength between the copper alloy and the base material is small, and it is not easy to ensure the material strength. In particular, when direct bonding is performed without providing an intermediate layer in order to reduce the manufacturing cost, Bi tends to hinder the bonding between the copper alloy layer and the base material.
  • the factor that decreases the bonding strength between the Bi-containing copper alloy layer and the base material is Bi existing at the bonding interface. Therefore, in the present invention, the bonding strength between the base material and the copper alloy layer is improved by reducing the Bi phase in contact with the bonding interface.
  • a sliding material having a base material and a copper alloy layer bonded to the base material is provided.
  • the copper alloy layer is made of a copper alloy containing 4.0 to 25.0% by mass of Bi, and this copper alloy has a structure in which the Bi phase is dispersed in the copper alloy structure.
  • the area ratio (contact area ratio) of the Bi phase of the copper alloy layer is 2.0% or less. According to the present invention, by reducing the area of the Bi phase in contact with the bonding interface, the bonding area between the base material and the copper alloy layer is increased, and a sliding material that ensures good bonding strength can be obtained.
  • the copper alloy is Bi to 4.0-25.0% by mass, One or more selected from Sn, Al, Zn, Mn, Si, Ni, Fe, P, Zr, Ti, and Mg contain a total amount of 50.0% by mass or less, with the balance being copper and inevitable impurities It is.
  • the copper alloy may further contain one or both of MoS 2 and graphite in a total amount of 10% by volume or less.
  • the sliding material can further have an overlay on the copper alloy layer.
  • the thickness of the base material is 1.0 to 25.0 mm, and the thickness of the copper alloy layer is 0.1 to 3.0 mm.
  • the base materials are hypoeutectoid steel, eutectoid steel, hypereutectoid steel, cast iron, high speed steel, tool steel, austenitic stainless steel, ferritic stainless steel and other iron-based materials, or pure copper, phosphor bronze, brass, Copper-based materials such as chromium copper, beryllium copper, and Corson alloy are preferable.
  • a method for producing the above sliding material includes the steps of preparing the substrate, melting the copper alloy, casting the molten copper alloy onto the surface of the substrate to be joined, and using a coolant from the opposite side of the surface of the substrate to be joined. Cooling the substrate to solidify the copper alloy unidirectionally.
  • the method further comprises the step of reducing the coolant supply after a predetermined time from casting.
  • the coolant can be water or oil.
  • the step of preparing the substrate includes the step of forming a cylindrical body made of one or more substrates, and the step of casting includes the cylindrical body having a cylindrical central axis. It includes the step of casting while rotating around.
  • a sliding member manufactured from the above sliding material is provided.
  • the sliding member may be a bearing such as a sliding bearing, but may be a sliding member such as a bush or a thrust washer.
  • the cross-sectional schematic diagram of an example of the sliding material by this invention The schematic diagram of the cross-sectional structure
  • FIG. 1 schematically shows a cross section of an example of a sliding material 1 according to the present invention.
  • the sliding material 1 is provided with a copper alloy layer 3 on a base material 2.
  • the copper alloy layer 3 is directly provided on the substrate 2.
  • the base material 2 supports the copper alloy layer 3 and ensures the strength of the sliding material 1.
  • Copper-based materials such as phosphor bronze, brass, chromium copper, beryllium copper, and Corson alloy may be used, but other materials may be used.
  • the copper alloy layer 3 can function as a sliding layer and is made of a copper alloy containing 4.0 to 25.0 mass% Bi with respect to the mass of the entire copper alloy.
  • the copper alloy contains, in addition to Bi, one or more selected from Sn, Al, Zn, Mn, Si, Ni, Fe, P, Zr, Ti, and Mg in a total amount of 50.0% by mass or less. be able to.
  • the copper alloy can contain 10% by volume or less of MoS 2 , graphite, or both in total.
  • hard particles such as metal borides, silicides, oxides, nitrides, carbides, and intermetallic compounds may be dispersed.
  • the copper alloy may be, for example, a copper alloy containing Bi 4.0 to 25.0 mass%, Sn 12.0 mass% or less, Zn 40.0 mass% or less, Al 13.0 mass% or less. it can.
  • the sliding material preferably has a base material thickness of 1.0 to 25.0 mm and a copper alloy layer thickness of 0.1 to 3.0 mm.
  • the sliding material 1 according to the present invention may be overlaid on the copper alloy layer 3.
  • a well-known material such as a soft metal layer such as Sn or Bi or a resin in which a solid lubricant is dispersed can be used.
  • FIG. 2 the schematic diagram of the cross-sectional structure
  • the copper alloy layer 3 has a structure in which Bi phases 5 are dispersed in islands at grain boundaries of the copper alloy matrix 6 as shown in FIG.
  • the Bi phase is composed of substantially pure Bi, but the alloying element contained in the copper alloy may be dissolved in Bi.
  • the amount of precipitation of the Bi phase 5 precipitated on the copper alloy layer 3 decreases in the vicinity of the joint interface 7 between the copper alloy layer 3 and the substrate 2.
  • the ratio of the contact area of the pure Bi phase in contact with the bonding interface 7 to the area of the bonding interface 7, that is, the contact area ratio is 2.0% or less. More preferably, it is 0.2 to 1.2%. Further, since the contact area ratio of the Bi phase is affected by the Bi content of the copper alloy, in order to eliminate the influence of Bi, the contact area ratio was obtained by multiplying the Bi content (mass%) by a factor of 0.075. It is preferable to make it below the value. More preferably, the coefficient is 0.060 or less.
  • the Bi phase has low strength and inhibits adhesion between the copper alloy and the base material at the bonding interface 7 between the copper alloy layer 3 and the base material 2. Since the sliding material according to the present invention has a small Bi phase at the bonding interface 7, the contact area between the copper alloy layer 3 and the base material 2 is increased, so that the bonding strength between the copper alloy layer 3 and the base material 2 is high. It is possible to improve the strength of the sliding material 1 as a whole. Furthermore, in this embodiment, since the copper alloy layer and the base material are directly joined, and it is not necessary to use expensive steel material with copper plating, the cost of the sliding material can be reduced.
  • Bi 4.0-25.0 mass% Bi forms a soft Bi phase dispersed in a copper alloy matrix, and contributes to improvement of wear resistance and non-seizure properties. If Bi is less than 4.0% by mass, the effect of non-seizure cannot be obtained, and the strength of the copper alloy decreases if Bi exceeds 25.0% by mass because the strength of Bi itself is small.
  • the Bi component is 8.0 to 20.0% by mass.
  • action which carries out the solid solution strengthening of a matrix or the effect
  • the copper alloy may include a solid lubricant, and may further include 10% by volume or less of a total amount of either or both of MoS 2 and graphite. Due to the lubricity of these solid lubricants, the wear resistance and non-seizure property of the copper alloy layer can be improved. Since the strength decreases as the content of the solid lubricant increases, the content is set to 10% by volume at the maximum. Preferably, the maximum is 5.0% by volume.
  • the copper alloy can further contain 1.0 to 10.0% by volume of hard particles.
  • the hard particles preferably have a size of 1 to 45 ⁇ m, and may be a metal boride, silicide, oxide, nitride, carbide, or intermetallic compound.
  • Hard particles can be mixed in the Bi phase in the copper alloy layer to improve wear resistance and non-seizure properties.
  • the manufacturing method of the sliding material 1 of this invention is demonstrated.
  • the molten copper alloy is directly brought into contact with the base material 2 to be solidified by casting the copper alloy having the above composition onto the base material 2 in a molten state.
  • the sliding material 1 can be manufactured by joining the copper alloy layer 3 to the base material 2 by a casting method.
  • the base material 2 is prepared.
  • the substrate 2 can be a flat plate or a cylindrical body made of the above-described material, or may have other shapes.
  • the copper alloy having the composition described above is melted, and the molten copper alloy is cast on the bonding surface of the base material 2.
  • the base material cools the base material 2 with a coolant from the surface opposite to the base material surface (joining surface) to which the copper alloy layer 3 is to be joined.
  • the coolant may be water or oil, for example, and is cooled by impinging water or oil on the surface opposite to the bonding surface of the substrate 2.
  • the copper alloy is solidified unidirectionally from the bonding surface of the base material 2 so that the vicinity of the bonding interface is rapidly solidified, and the vicinity of the sliding surface opposite to the bonding interface of the copper alloy layer 3 is It is gradually cooled.
  • the contact area of the Bi phase that contacts the bonding interface can be made 2.0% or less.
  • the casting method can melt the whole and form a matrix rather than bonding powder alloys by a sintering method, lining the copper alloy by the casting method ensures sufficient alloy strength as a copper alloy layer it can.
  • FIG. 3 shows an example of the cooling condition.
  • the horizontal axis represents time from the start of casting, and the vertical axis represents the temperature of the bonding surface (A) of the copper alloy layer and the sliding surface (B) which is a free surface.
  • the amount of coolant supplied is increased to shorten the cooling time (for example, the cooling water flow rate colliding per 1 cm 2 of the base material is set to 0.400 L / min or more, and the cooling time is based on
  • the cooling agent supply amount is reduced and the cooling time is extended (for example, cooling that impinges per 1 cm 2 of the substrate).
  • the water flow rate is 0.100 L / min or less)
  • the bonding surface of the copper alloy layer is lower than the solidification start temperature Ts of the copper alloy and solidification has started, but the sliding surface is still higher than Ts. To remain molten.
  • the sliding surface also solidifies slowly.
  • the contact area ratio of the Bi phase that contacts the bonding interface is reduced, and the Bi phase can be dispersed almost uniformly in an island shape in a region away from the bonding interface to the sliding surface.
  • the size of the Bi phase may be increased as it approaches the sliding surface.
  • a method is possible in which a dam is provided on the surface of a flat substrate, and a molten copper alloy is poured onto the surface of the substrate surrounded by the dam.
  • a dam is provided on the surface of a flat substrate, and a molten copper alloy is poured onto the surface of the substrate surrounded by the dam.
  • an inert gas or a reducing atmosphere it is preferable to use an inert gas or a reducing atmosphere or to use a flux.
  • cooling with the coolant is performed from the back side of the substrate.
  • centrifugal casting may be employed.
  • the present invention is not limited to these casting methods.
  • FIG. 1 A schematic diagram of the centrifugal casting method is shown in FIG.
  • the plate material 2 as a base material is formed into a cylindrical shape, and both ends are sealed 11.
  • the base material 2 molded into the cylindrical shape is horizontally rotated at a high speed by a rotating device 12 such as a rotating roller.
  • the inside of the cylindrical shape is preferably a vacuum or a reducing or inert gas atmosphere.
  • a molten copper alloy is injected from the gate 13 provided at the cylindrical end of the substrate.
  • the base material 2 is cooled by supplying a coolant from the outer surface.
  • the molten copper alloy is brought into close contact with the inner surface of the substrate 2 by centrifugal force, and solidifies while the inner diameter is a perfect circle, thereby forming a copper alloy layer.
  • the centrifugal casting method can be applied to, for example, a cylindrical slide bearing.
  • a method for measuring the contact area ratio of the Bi phase at the bonding interface between the copper alloy layer and the base material will be described.
  • the cross-sectional structure of the sliding material is observed with an optical microscope or an electron microscope (for example, 200 times) to determine the bonding interface between the base material and the copper alloy layer.
  • Measure the contact distance of the Bi phase that contacts within the predetermined length of the joint interface and evaluate the contact area ratio of the Bi phase by the ratio of the total contact distance of the Bi phase to the predetermined length of the joint interface, that is, the line segment ratio. To do.
  • the cooling water was made to collide toward the bottom face of a base material from the watering nozzle installed in the lower part of the base material.
  • the cooling water was continuously collided at a small constant flow rate (cooling for 180 seconds at a cooling water flow rate of 40 L / min).
  • the amount of cooling water is increased in the initial stage of cooling (one step) to shorten the cooling time (cooling water flow rate 130 L / min).
  • the amount of cooling water is reduced to a longer cooling time than the first stage (60 seconds at a cooling water flow rate of 20 L / min) and intentionally discontinuous.
  • a cross section was observed with an optical microscope or a reflection electron composition image, and 10 or more cross-sectional structure photographs (vertical field of 234 ⁇ m ⁇ horizontal 334 ⁇ m) were photographed per sample.
  • the photograph was taken so that the boundary line between the copper alloy and the substrate was parallel to the lateral direction.
  • the length of the boundary line on the cross-sectional structure photograph is measured, and the length of the portion where the outline and boundary line of each Bi phase distributed in the copper alloy structure overlap, that is, each of the contact line of the Bi phase and the joint interface
  • the length was measured and totaled.
  • the total contact line length / boundary line length value obtained from each measurement location was averaged and evaluated as a contact area ratio. Further, the ratio of the contact area ratio (area%) to the Bi content (mass%) (contact area ratio / Bi content) was also evaluated.
  • the bond strength between the copper alloy layer and the substrate was evaluated by the ratio of the shear strength of the copper alloy layer and the substrate to the tensile strength of the copper alloy (shear strength / tensile strength). Since the shear strength is affected by the tensile strength, the ratio of the shear strength / tensile strength is used as an index of the bonding strength so that materials having different components can be compared. As shown in FIG. 5, the shear strength is obtained by processing a test piece in which the copper alloy layer and the base material are bonded with a predetermined bonding area, and applying a tensile load (tensile force) to both ends. The maximum tensile stress at which the joint breaks is shown (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-224852).
  • Table 1 shows the contact area ratio (area%) when the Bi component in the Cu—Bi alloy is changed from 4.0% to 25.6% by mass%, and the contact area ratio relative to the Bi content (mass%) ( Area%) ratio and bonding strength (shear strength / tensile strength) measurement results, “contact area ratio (%)”, “contact area ratio / Bi content” and “shear strength / tensile strength”, respectively. ”Column.
  • Comparative Examples 1 to 5, Examples 1 to 5, and Examples 6 to 10 have different cooling conditions. From the results shown in Table 1, it can be seen that the contact area ratio varies greatly depending on the cooling conditions for the same component, and Examples 6 to 10 with large cooling have the smallest contact area.
  • the contact area ratio can be made 2.0 area% or less regardless of the Bi component.
  • the contact area ratio was 3.70 area% or more.
  • the contact area increases as the Bi content increases, but the value of the contact area ratio / Bi content is substantially uniform even if the Bi content changes.
  • the shear strength of Examples 1 to 10 having a contact area ratio of 2.0% or less was shear strength / tensile strength of 0.7 or more, greatly exceeding the values of Comparative Examples 1 to 5.
  • FIG. 6 shows the relationship between the value of the contact area ratio per Bi content (contact area ratio (%) / Bi content (mass%)) and shear strength / tensile strength.
  • the value of the contact area ratio / Bi content greatly correlates with the value of the shear strength / tensile strength.
  • the contact area ratio / Bi content was 0.075 or less (Examples 6 to 10), particularly the shear strength / tensile strength was about 0.8 or more, and excellent bonding strength was obtained.
  • Example 11 to 19 other alloy elements (Sn, Zn, Al, Fe, Ni, Mn, Si, P, Zr, Ti, Mg) are added to the alloy composition of Example 3 (Cu—about 15% Bi). Alternatively, hard particles Mo 2 C and solid lubricant particles graphite (Gr) are added.
  • the cooling conditions of Examples 11 to 19 are the same as those of Example 3.
  • Table 3 shows the test results. From Table 3, even when the above-mentioned additive components are added, the contact area ratio is in the range of 1.28% to 1.78%, which is a value equivalent to the contact area ratio of 1.50% of Example 3, The value of area ratio / Bi content was also 0.086 to 0.0119, which was the same value as 0.101 in Example 3.
  • the bonding strength (shear strength / tensile strength) was 0.69 to 0.76, which was about the same as 0.75 in Example 3. From this result, it can be seen that the influence of the additive component on the contact area ratio and bonding strength is small.

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Abstract

Ｂｉ含有銅合金層と基材との接合強度の向上した摺動材料およびその製造方法の提供。 本発明による摺動材料は、基材と銅合金層とを有し、銅合金層は、４．０～２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなり、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有し、銅合金層の基材との接合界面におけるＢｉ相の接触面積率が２．０％以下である。摺動材料は、基材上に銅合金の溶湯を鋳込んで一方向凝固させることにより製造される。

Description

摺動材料およびその製造方法並びに摺動部材
　本発明は、摺動材料に関するものであり、詳細には、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有する銅合金層を基材上に設けた摺動材料に係るものである。さらに、本発明は、摺動材料の製造方法、および摺動材料を用いた摺動部材にも関するものである。
　内燃機関などのすべり軸受や、ブシュ、スラストワッシャなどの様々な摺動部材用の摺動材料として従来からＣｕ－Ｓｎ－Ｐｂ系摺動合金が使用されていた。しかし、Ｐｂの環境への悪影響に鑑みＰｂフリー化を図るために、Ｐｂに替わってＢｉを添加した焼結銅合金が提案されている。ＢｉはＣｕ合金のマトリックス中に分散して軟質なＢｉ相を形成し、非焼付性を向上させることが知られている。
　例えば特開２００１－８１５２３号公報（特許文献１）は、Ｃｕ－Ｓｎ合金に、１～２０質量％のＢｉ、平均粒径が１～４５μｍの硬質粒子を０．１～１０体積％を含有した銅系摺動材料を開示している。軟質なＢｉ相がＣｕ合金マトリックス中に分散することにより、なじみ性、異物埋収性および非焼付性が向上するとしている。さらに、Ｂｉ相中に硬質粒子が混在することにより、耐摩耗性に優れ非焼付性が向上するとともに、軟質のＢｉ相がクッションとなり、相手材へのアタック性が緩和されると記載されている。
　特開２０１２－２０７２７７号公報（特許文献２）は、連続焼結法にて作製されるＣｕ合金層中のＢｉ粒の粗大化を抑制し、耐疲労性及び耐焼付性に優れた銅系摺動材料を提供するために、Ｓｎを６～１２質量％、Ｂｉを１１～３０質量％、Ｐを０．０１～０．０５質量％含有する銅系摺動材料を開示する。Ｃｕ合金層に含有させるＢｉとＳｎの質量比の値をＢｉ／Ｓｎ＝１．７～３．４、ＢｉとＰの質量比の値をＢｉ／Ｐ＝５００～２１００とすることで、焼結後の冷却工程にてＣｕ合金粉末中のＣｕ合金にＣｕ－Ｓｎ－Ｐ系化合物が析出し、これによりＣｕ合金粉末中のＣｕ合金と液相になったＢｉの熱収縮率の差が緩和され、Ｂｉの液相がＣｕ合金粉末中に留まりＢｉ粒の粗大化を抑制し、Ｂｉ粒の平均粒子面積を６０～３５０μｍ２と微細に分散させることができると記載している。
特開２００１－８１５２３号公報 特開２０１２－２０７２７７号公報
　このようなＢｉを含有する銅合金からなる摺動材料は、基材上に散布した銅合金粉末を焼結することにより製造される。この場合、Ｂｉは１次焼結工程の昇温中に溶融するので、銅合金粉末同士の接合よりも早くにＢｉが溶解して流動し始める。１次焼結工程中に早期に溶解したＢｉの一部は、銅合金粉末粒同士の隙間を伝って基材との界面まで流動し、そこに集積する。そのために、１次焼結工程により、基材と銅合金層との接合界面でＢｉの濃度が大きい領域が形成される。その後の工程を進めても、１次焼結工程時に形成された接合界面のＢｉ相は、接合界面に存在し続け、除去することは困難である。その結果、銅合金と基材との接着面積が小さくなる。Ｂｉ相は軟質であり、強度が小さいので、全体として銅合金と基材との接合強度が小さくなり、材料強度の確保が容易ではなくなる。特に製造コスト低減のために中間層を設けずに直接接合する場合、このようにＢｉにより銅合金層と基材との接合が阻害される傾向がある。
　近年、エンジンの高出力化、エンジン小型化による軸受面積の減少などによる軸受への負荷の増加に伴い、摺動材料の強度の向上が求められている。このためには、合金自体の強度だけでなく、合金層と基材との接合強度の向上も必要とされる。
　本発明の目的は、Ｂｉを含有する銅合金からなる層を基材上に形成する際に、銅合金層と基材との接合強度を向上させる方法を提供することである。また、本発明の目的は、Ｂｉ含有銅合金層と基材との接合強度の向上した摺動材料、およびその摺動材料から作られた摺動部材を提供することである。
　上記のように、Ｂｉ含有銅合金層と基材との接合強度を低下させる要因は、接合界面に存在するＢｉである。そこで、本発明では、接合界面に接するＢｉ相を減少させることにより、基材と銅合金層との接合強度を向上させる。
　本発明の一観点によれば、基材と、基材に接合された銅合金層とを有する摺動材料が提供される。銅合金層は、４．０～２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなり、この銅合金は、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有し、基材との接合面における銅合金層のＢｉ相の面積比率（接触面積率）が２．０％以下である。
　本発明によれば、接合界面に接するＢｉ相の面積を減少させたことにより、基材と銅合金層との接合面積が大きくなり、良好な接合強度を確保した摺動材料が得られる。
　一具体例によれば、接合界面におけるＢｉ相の接触面積率（％）が、Ｂｉ含有量を質量％で表したとき、
　　　接触面積率／Ｂｉ含有量≦０．０７５
の関係により表される値とする。
　一具体例によれば、銅合金が、
　Ｂｉを４．０～２５．０質量％、
　Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５０．０質量％以下
を含み、残部が銅および不可避不純物である。
　銅合金は、さらに、ＭｏＳ２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で1０体積％以下で含むことができる。
　一具体例によれば、摺動材料は、銅合金層上にオーバーレイをさらに有することができる。
　　一具体例によれば、基材の厚さが１．０～２５．０ｍｍであり、銅合金層の厚さが０．１～３．０ｍｍである。
　基材は、亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼、鋳鉄、高速度鋼、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼などの鉄系材料、または純銅、リン青銅、黄銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン合金など銅系材料であることが好ましい。
　本発明の他の観点によれば、上記の摺動材料を製造する方法が提供される。この方法は、基材を準備するステップ、銅合金を溶融するステップ、溶融した銅合金を基材の接合すべき表面上に鋳込むステップ、基材の接合すべき表面の反対側面から冷却剤により基材を冷却して銅合金を一方向凝固させるステップを含む。
　一具体例によれば、この方法は、鋳込みから所定時間後に、冷却剤の供給量を減少させるステップをさらに含む。
　一具体例によれば、冷却剤は水または油とすることができる。
　一具体例によれば、基材を準備するステップが、１つまたは複数の基材からなる円筒形状体を成形するステップを含み、鋳込むステップが、円筒形状体を、円筒形状の中心軸線の周りに回転させながら鋳込むステップを含む。
　本発明のさらに他の観点によれば、上記摺動材料から製造された摺動部材が提供される。この摺動部材は、例えばすべり軸受などの軸受であることができるが、その他ブシュ、スラストワッシャなどの摺動部材であってもよい。
　本発明及びその多くの利点を、添付の概略図面を参照して以下により詳細に述べる。図面は、非限定的な実施例を例示の目的でのみ示している。
本発明による摺動材料の一例の断面模式図。 本発明による摺動材料の基材との境界付近における銅合金層の断面組織の模式図。 本発明により摺動材料の製造方法における冷却工程の一例を示す図。 遠心鋳造法を示す模式図。 剪断試験の模式図。 接触面積率／Ｂｉ含有量と剪断強さ／引張強さの関係を示す図。
　図１に本発明による摺動材料１の一例の断面を概略的に示す。摺動材料１は、基材２上に、銅合金層３が設けられている。図１では、銅合金層３は基材２上に直接設けられている。
　基材２は、銅合金層３を支持して摺動材料１の強度を確保するものである。その素材は、例えば亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼、鋳鉄、高速度鋼、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼などの一般市販される鉄系材料、あるいは純銅、リン青銅、黄銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン合金など銅系材料でよいが、他の材料でもよい。
　銅合金層３は、摺動層として機能でき、銅合金全体の質量に対して４．０～２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなる。銅合金はＢｉ以外に、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５０．０質量％以下含有することができる。さらに、銅合金は、ＭｏＳ２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で1０体積％以下含有することができる。さらに、金属のホウ化物、ケイ化物、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物などの硬質粒子を分散させてもよい。限定ではないが、銅合金は、例えば、Ｂｉ４．０～２５．０質量％、Ｓｎ１２．０％質量以下、Ｚｎ４０．０質量％以下、Ａｌ１３．０％質量以下を含有する銅合金をすることができる。
　　摺動材料は、基材の厚さが１．０～２５．０ｍｍであり、銅合金層の厚さが０．１～３．０ｍｍであることが好ましい。
　さらに、本発明による摺動材料１は、銅合金層３上にオーバーレイを施してもよい。オーバーレイは、例えば、Ｓｎ、Ｂｉなどの軟質金属層、あるいは固体潤滑剤を分散した樹脂など、周知の材料を使用できる。
　図２に、本発明による摺動材料１の基材２との境界付近における銅合金層３の断面組織の模式図を示す。
　銅とＢｉは固相状態では互いに固溶しあわないために、完全に分離する。そのために、銅合金層３は、図２に示すように銅合金マトリックス６の粒界にＢｉ相５が島状に分散した組織を有する。Ｂｉ相はほぼ純粋なＢｉからなるが、銅合金に含まれる合金化元素がＢｉに固溶している場合もある。
　本発明によれば、銅合金層３に析出するＢｉ相５は、銅合金層３と基材２との接合界面７の近傍では、析出量が減少する。とりわけ、接合界面７に接触する純Ｂｉ相の接触面積が接合界面７の面積に占める比率、すなわち接触面積率は２．０％以下である。更に好ましくは０．２～１．２％である。
　さらに、Ｂｉ相の接触面積率は、銅合金のＢｉ含有量により影響を受けるので、Ｂｉを影響を除くために、接触面積率は、Ｂｉ含有量（質量％）に係数０．０７５を乗じた値以下とすることが好ましい。更に好ましくは、係数は０．０６０以下である。
　Ｂｉ相は、強度が小さいうえに、銅合金層３と基材２との接合界面７において銅合金と基材との接着を阻害する。本発明に係る摺動材料は、接合界面７にＢｉ相が少ないので、銅合金層３と基材２との接触面積が増大するために、銅合金層３と基材２との接合強度が向上し、ひいては摺動材料１の全体としての強度を向上させることもできる。
　さらに、本実施形態では、銅合金層と基材とを直接接合しており、高価な銅めっき付き鋼材を使用する必要が無いので摺動材料のコストを低減できる。
　次に銅合金の成分組成について説明する。
Ｂｉ：４．０～２５．０質量％
　Ｂｉは、銅合金マトリックス中に分散した軟質なＢｉ相を形成し、耐摩耗性、非焼付性の向上に寄与する。Ｂｉが４．０質量％未満では非焼付性の効果が得られず、Ｂｉ自身の強度が小さいことからＢｉが２５．０質量％を越えると銅合金の強度が低下する。好ましくは、Ｂｉ成分は８．０～２０．０質量％である。
Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５０．０質量％以下
　これらの元素は、銅合金のＣｕマトリックスを固溶強化する作用、または金属間化合物を形成して銅合金の強度を向上させる作用がある。したがって、これらの元素を５０質量％以下含有であれば摺動材料の強度の向上に寄与できる。しかしこれらの元素の含有量が多いと金属間化合物量が多くなりすぎて、銅合金の脆性が悪くなるため、最大５０質量％とする。好ましくは３．０質量％以上４０．０質量％以下である。
　銅合金は、固体潤滑剤を含むことができ、ＭｏＳ２、グラファイトのいずれか又は両方の固体潤滑剤を総量で1０体積％以下さらに含むことができる。これらの固体潤滑剤の含有滑性により、銅合金層の耐摩耗性、非焼付性を向上させることができる。固体潤滑剤の含有量が多くなると強度が低下するので、含有量は最大1０体積％とする。好ましくは、最大５．０体積％である。
　銅合金は、１．０～１０．０体積％の硬質粒子をさらに含有することができる。硬質粒子は、１～４５μｍのサイズを有することが好ましく、金属のホウ化物、ケイ化物、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物とすることができる。硬質粒子は、銅合金層中のＢｉ相に混在して耐摩耗性と非焼付性を向上させることができる。
　次に、本発明の摺動材料１の製造方法について説明する。本発明では、上記組成の銅合金を溶融状態で基材２上に鋳込むことによって、銅合金溶湯を基材２に直接接触させて凝固させる。このように、本発明では、鋳造法によって、銅合金層３を基材２に接合させることにより、摺動材料１を製造できる。
　まず、基材２を準備する。基材２は上記に説明した材質の平板、または円筒体とできるが、あるいはその他の形状でもよい。
　上記に説明した組成の銅合金を溶解して、溶融した銅合金を基材２の接合表面上に鋳込む。この際、酸化を防ぐために、不活性ガスや還元性の雰囲気とする、あるいはフラックスを用いることが好ましい。
　基材は、銅合金層３を接合させるべき基材表面（接合表面）の反対側表面から、冷却剤により基材２を冷却する。冷却剤は、例えば水または油とすることができ、水または油を基材２の接合表面の反対側表面に衝突させることにより冷却する。
　このようにして銅合金の鋳込み、冷却を行なうことにより、銅合金は、基材２の接合表面に接触した銅合金から優先的に一方向凝固される。本実施形態では、銅合金の自由表面側（銅合金層の接合表面とは反対側に相当する）からは冷却を行なわない。
　Ｃｕ－Ｂｉ合金が溶融状態から温度が低下していくと、まずＣｕが晶出し始め、Ｃｕ－Ｂｉ液相にＢｉが濃縮されていく。そして、約２７０度で、残ったＣｕ－Ｂｉ液相が凝固するが、ＣｕとＢｉはほとんど固溶しあわないためにＣｕ相とＢｉ相に分離するので、Ｂｉ相がＣｕ相に分散した組織となる。
　本発明の方法では、冷却された基材２の接合表面に接触した銅合金から凝固が始まるために、基材２の接合表面近傍に初晶のＣｕが晶出し、副成分であるＢｉは液相に残って接合界面側から液相側へ移動する。この結果、銅合金層３が形成されると、銅合金層３と基材２との接合界面７に接触するＢｉ相は相対的に少なくなる。
　このように、本発明では、銅合金を基材２の接合表面から一方向凝固させことにより、接合界面近傍が急速凝固され、銅合金層３の接合界面とは反対側の摺動表面近傍が徐冷される。このようにして、接合界面に接触するＢｉ相の接触面積を２．０％以下とすることが可能になる。
　また、焼結法による粉末合金同士の結合よりも、鋳造法は全体を溶融させてマトリクスを形成できるために、鋳造法によって銅合金をライニングすることで、銅合金層として十分な合金強度を確保できる。
　本発明では、凝固工程中に、基材２の接合表面の反対側表面に供給する冷却剤の供給量を制御することにより、組織制御を行なうことができる。例えば、図３に、冷却条件の一例を示す。横軸に鋳込み開始からの時間を取り、縦軸に銅合金層の接合表面（Ａ）および自由表面である摺動表面（Ｂ）の温度を示す。冷却初期（第１段階）は冷却剤の供給量を多くして冷却時間を短くし（例えば、基材の１ｃｍ２当たりに衝突させる冷却水流量を０．４００Ｌ/ｍｉｎ以上とし、冷却時間は基材の厚さ１ｍｍあたり１．０～８．０秒とする）、それ以降の第２段階は冷却剤の供給量を少なく冷却時間を長くし（例えば、基材の１ｃｍ２当たりに衝突させる冷却水流量を０．１００Ｌ/ｍｉｎ以下とする）、第２段階の後は放冷とする。第１段階の最終時期では、銅合金層の接合表面は、銅合金の凝固開始温度Ｔｓよりも低温になっており、凝固が開始しているが、摺動表面はまだＴｓよりも高温であるために溶融したままである。第２段階で摺動表面もゆっくりと凝固する。この制御により、この接合界面に接触するＢｉ相の接触面積率を減少させるとともに、摺動表面までの接合界面を離れた領域で、Ｂｉ相がほぼ均一に島状に分散することが可能になる。冷却剤の供給量の調整により、Ｂｉ相のサイズを摺動表面に近づくほど大きくさせても良い。このような冷却条件により、組織、肉厚比率の制御が可能になる。
　従来の鋳造法では、銅合金層の摺動表面側、すなわち接合界面の反対側表面から冷却していたため、厚さ方向で表面から連続的に凝固していた。この従来法では、Ｂｉ相は、摺動表面側に少なくなり、接合界面側に多く析出する。
　本発明に係る方法を実施する一具体例として、平板基材の表面上に堰を設けて、銅合金の溶湯を堰に囲まれた基材表面に注湯する方法が可能である。この際、基材および銅合金の酸化を防ぐために、不活性ガスや還元性の雰囲気とする、あるいはフラックスを用いることが好ましい。注湯後に、上記冷却剤による冷却を基材裏側から行なう。
　別の具体例として、遠心鋳造を採用することもできる。もちろん、本発明はこれらの鋳造方法に限定されるものではない。
　遠心鋳造法の模式図を図４に示す。基材となる板材２を円筒形状に成形し、両端部をシール１１する。この円筒形状に成形した基材２を、例えば回転ローラなどの回転装置１２により高速で水平回転させる。円筒形状内は、真空あるいは還元若しくは不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。基材の円筒形状の端部に設けたゲート１３から溶融させた銅合金を注入する。基材２を、外表面から冷却剤を供給することにより冷却する。溶融銅合金は、遠心力により基材２の内面に密着して、内径が真円のまま凝固して、銅合金層を形成する。遠心鋳造方法は、例えば円筒形状のすべり軸受等への適用が可能である。
　銅合金層の基材との接合界面におけるＢｉ相の接触面積率の測定方法について説明する。摺動材料の断面組織を、光学顕微鏡または電子顕微鏡（例えば２００倍）により観察して、基材と銅合金層の接合界面を決定する。その接合界面の所定長さ内に接触するＢｉ相の接触距離を測り、そのＢｉ相の接触距離の合計の接合界面の所定長さに対する比率、すなわち線分率によりＢｉ相の接触面積率を評価する。
　以下の実施例１～１９および比較例１～５の各試料を作製して、接触面積率および接合強度の評価を行なった。
基材の準備
　基材としてＳＰＣＣ製の鋼板を用い、湯漏れ防止のために周辺部を残し上面中央部を切削して、周辺部に堰を形成した箱形状に加工した。鋳込み厚さの設定は５ｍｍであった。摺動部材の基材となる部分の肉厚は６ｍｍである。酸化防止剤として、溶融硼砂によって基材表面を覆い、Ｈ２ガスを含む還元ガス雰囲気中にて１０００℃～１２００℃で基材の予熱を行なった。
銅合金の鋳造
　銅合金として、表１および表２に示す実施例１～１９および比較例１～５の各組成となるように、純銅、純Ｂｉ及びその他の成分の材料を配合し、大気中で溶解した。銅合金の溶湯は１１００℃～１２００℃で大気中で保持し、予熱された基材上に注湯した。
冷却工程
　注湯後、基材下部に設置された散水ノズルから基材底面に向かって冷却水を衝突させた。比較例については、少量の一定流量で連続的に冷却水を衝突させた（冷却水流量４０Ｌ/ｍｉｎで１８０秒間冷却）。他方、実施例１～５および１１～１９については、図３に示すように、冷却初期（１段階）に冷却水量を比較例よりも多くして冷却時間を短くし（冷却水流量１３０Ｌ/ｍｉｎで２０秒間）、冷却初期の後（２段階目）は１段階目よりも冷却水量を少なくして冷却時間を長くし（冷却水流量２０Ｌ/ｍｉｎで６０秒間）、意図的に不連続的な２段階の冷却条件を適用した。２段階の冷却工程終了後は、大気中で放冷して、室温まで徐冷した。実施例６～１０は、実施例１～５および１１～１９よりも第１段階の冷却水量を増大させて（冷却水流量１８０Ｌ/ｍｉｎで１５秒間）冷却効果を大きくした。２段階目以降は実施例１～５および１１～１９と同じ条件である。
接触面積率評価方法
　光学顕微鏡または反射電子組成像で断面を観察し、断面組織写真（縦２３４μｍ×横３３４μｍの視野）を１試料当たり１０か所以上撮影した。写真は、銅合金と基材の境界線が横方向に並行するように撮影した。断面組織写真上の境界線の長さを計測するとともに、銅合金組織中に分布する各Ｂｉ相の輪郭線と境界線とが重なる部分の長さ、すなわちＢｉ相と接合界面の接触線の各長さを計測して合計した。各測定箇所から得られた接触線長さの合計／境界線長さの値を平均化し、接触面積率として評価した。
　また、Ｂｉ含有量（質量％）に対する接触面積率（面積％）の比率（接触面積率／Ｂｉ含有量）も評価した。
接合強度測定
銅合金層と基材の接合強度は、銅合金の引張強さに対する銅合金層と基材の剪断強さの比率（剪断強さ／引張強さ）により評価した。剪断強さは、引張強さの影響を受けるため、成分が違う材料を比較できるように、剪断強さ／引張強さの比により接合強度の指標とした。
　剪断強さは、図５に示すように銅合金層と基材とが所定の接合面積で接合している試験片に加工して、両端に引張荷重（引張力）を印加していったときに、接合部が破壊する最高引張り応力で示したものである（特開２００２－２２４８５２号公報参照）。
　表１に、Ｃｕ－Ｂｉ合金においてＢｉ成分を質量％で４．０％から２５．６％まで変化させた場合の接触面積率（面積％）、Ｂｉ含有量（質量％）に対する接触面積率（面積％）の比率、接合強度（剪断強さ／引張強さ）の測定結果を、それぞれ「接触面積率（％）」、「接触面積率／Ｂｉ含有量」および「剪断強さ／引張強さ」の欄に示す。
　比較例１～５、実施例１～５、実施例６～１０は、上記のとおり、それぞれ冷却条件が異なる。表１の結果からは、同じ成分では、冷却条件により接触面積率が大きく異なり、冷却が大きい実施例６～１０が最も接触面積が小さくなることが分かる。このように冷却条件を制御することにより、Ｂｉ成分に関わらず接触面積率を２．０面積％以下とすることが可能になる。比較例１～５の冷却条件では接触面積率は３．７０面積％以上となった。
　同じ冷却条件では、Ｂｉ含有量が増えると接触面積は大きくなるが、接触面積率／Ｂｉ含有量の値はＢｉ含有量が変化してもほぼ均一である。
　接触面積率２．０％以下である実施例１～１０の剪断強度は、剪断強さ／引張強さが０．７以上となり、比較例１～５の値を大きく上回った。Ｂｉ含有量当たりの接触面積率（接触面積率（％）／Ｂｉ含有量（質量％））の値と、剪断強さ／引張強さとの関係を図６に示す。接触面積率／Ｂｉ含有量の値は、剪断強さ／引張強さの値と大きく相関することがわかる。接触面積率／Ｂｉ含有量が０．０７５以下となると（実施例６～１０）、特に剪断強さ／引張強さが約０．８以上となり優れた接合強度が得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
実施例１１～１９は、実施例３の合金組成（Ｃｕ－約１５％Ｂｉ）に、その他の合金元素（Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ）または硬質粒子Ｍｏ２Ｃ、固体潤滑剤粒子グラファイト（Ｇｒ）を添加したものである。実施例１１～１９の冷却条件は、実施例３と同じ条件にしている。
表３に、試験結果を示す。表３から、上記添加成分を添加しても、接触面積率は１．２８％～１．７８％の範囲にあり、実施例３の接触面積率１．５０％と同等の値であり、接触面積率／Ｂｉ含有量の値も０．０８６～０．０１１９と実施例３の０．１０１と同等の値であった。そのため、接合強度（剪断強さ／引張強さ）は、０．６９～０．７６であり、実施例３の０．７５と同程度となった。この結果から添加成分が及ぼす接触面積率および接合強度への影響は小さいことがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　１　摺動材料
　２　基材
　３　銅合金層
　５　Ｂｉ相
　６　マトリックス
　７　接合界面
　１１　シール
　１２　回転装置
　１３　ゲート

Claims (11)

  1. 　基材と、該基材に接合された銅合金層とを有する摺動材料であって、
    　前記銅合金層は、４．０～２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなり、該銅合金は、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有し、
    　前記銅合金層の前記基材との接合界面における前記Ｂｉ相の接触面積率が２．０％以下である、摺動材料。
  2. 　前記Ｂｉ相の接触面積率が、Ｂｉ含有量を質量％とすると、
    　　　接触面積率／Ｂｉ含有量≦０．０７５
    である、請求項１に記載された摺動材料。
  3. 　前記銅合金が、
    　Ｂｉを４．０～２５．０質量％、
    　Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５０．０質量％以下
    を含み、残部が銅および不可避不純物である、請求項１又は請求項２に記載された摺動材料。
  4. 　前記銅合金が、ＭｏＳ２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で１０体積％以下さらに含む、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された摺動材料。
  5. 　前記銅合金層上にオーバーレイをさらに有する、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動材料。
  6. 　前記基材の厚さが１．０～２５．０ｍｍであり、前記銅合金層の厚さが０．１～３．０ｍｍである、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された摺動材料。
  7. 　請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動材料を製造する方法であって、
    　前記基材を準備するステップ、
    　前記銅合金を溶融するステップ、
    　溶融した前記銅合金を前記基材の接合すべき表面上に鋳込むステップ、及び
    　前記基材の接合すべき表面の反対側面から冷却剤により前記基材を冷却して、前記銅合金を一方向凝固させるステップ
    を含む、摺動材料を製造する方法。
  8. 　前記鋳込みから所定時間後に、前記冷却剤の供給量を減少させるステップをさらに含む、請求項７に記載された摺動材料を製造する方法。
  9. 　前記冷却剤が、水または油である、請求項７又は請求項８に記載された摺動材料を製造する方法。
  10. 　前記基材を準備するステップが、１つ又は複数の基材から円筒形状体を成形するステップを含み、
    　前記鋳込むステップが、前記円筒形状体を、円筒形状の中心軸線の周りに回転させながら鋳込むステップを含む、請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載された摺動材料を製造する方法。
  11. 　請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動材料を含む摺動部材。
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