WO2023190531A1 - 摺動部材、およびこれを用いたギアボックス、風力発電機、ならびに摺動部材の製造方法 - Google Patents

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WO2023190531A1
WO2023190531A1 PCT/JP2023/012552 JP2023012552W WO2023190531A1 WO 2023190531 A1 WO2023190531 A1 WO 2023190531A1 JP 2023012552 W JP2023012552 W JP 2023012552W WO 2023190531 A1 WO2023190531 A1 WO 2023190531A1
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WO
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sliding
sliding member
base material
sliding layer
matrix
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PCT/JP2023/012552
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凌 浅羽
雅博 中井
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大同メタル工業株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/131—Wire arc spraying
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/14—Special methods of manufacture; Running-in

Definitions

  • the present disclosure relates to a sliding member, a gearbox using the same, a wind power generator, and a method for manufacturing the sliding member.
  • Patent Document 1 Conventionally, it is well known to form sliding members by arc welding (Patent Document 1).
  • Patent Document 1 a Cu--Sn--Pb alloy is laminated as a sliding layer on the surface of the back metal by arc welding. At this time, the sliding layer is formed using powder in which Pb is previously dispersed in an alloy matrix.
  • Patent Document 1 aims to reduce the evaporation of Pb due to high temperatures during welding, and to form a structure in which Pb is uniformly dispersed in the sliding layer.
  • the sliding layer can be formed, for example, by welding using powder or wire in which additives are added to the matrix in advance.
  • the low melting point metal added to the matrix tends to evaporate during welding, causing defects and segregation in the matrix of the sliding layer. Further, there is a problem in that the hard material added to the matrix tends to cause agglomeration during welding, making uniform dispersion in the matrix difficult. There is a problem in that uneven distribution of hard particles in the sliding layer causes a decrease in the strength of the sliding layer and deterioration of sliding characteristics.
  • an object of the present disclosure is to provide a sliding member in which additive particles are uniformly dispersed in the sliding layer and have high sliding characteristics without sacrificing strength, and a gear box and a wind power generator using the same. It's about doing.
  • Another object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a sliding member that reduces evaporation of additives, uniformly disperses the additives, and further improves sliding properties.
  • a sliding member includes a base material, and a sliding layer that is laminated on the base material and has a matrix and a particle phase uniformly and finely dispersed in the matrix. . That is, in the sliding member of one embodiment, the area ratio Sv of the particle phase is 0.2% ⁇ Sv ⁇ 5% in a plurality of arbitrary observation regions extracted from an arbitrary observation cross section. Thus, in the sliding member of one embodiment, the particle phase is uniformly present in the matrix of the sliding layer. The maximum particle diameter Da of the particle phase is refined to 0 ⁇ m ⁇ Da ⁇ 30 ⁇ m. Therefore, the particles of the additive are uniformly and finely dispersed in the sliding layer, and the sliding properties can be improved without impairing the strength. In particular, the sliding member of one embodiment can have improved seizure resistance and wear resistance.
  • a method for manufacturing a sliding member according to an embodiment of the present disclosure forms a sliding layer by arc welding a wire to a base material.
  • This method for manufacturing a sliding member includes a step of supplying the wire that becomes a matrix constituting the sliding layer, and a step of melting the supplied wire by electric discharge with the base material to form a droplet. and adding to the formed droplets an additive to be added to the matrix.
  • the additive material is mixed into the molten wire droplets. That is, in this embodiment, the additive is added to the droplet formed on the wire rather than the molten pool formed on the base material by the arc between the base material and the wire. Therefore, the additive material is uniformly and finely dispersed in the droplets, and is also uniformly and finely dispersed in the sliding layer formed by solidifying the droplets. This is because the droplets are quickly cooled down as they fall onto the base material. In other words, the additive added to the droplets is mixed uniformly and finely with the droplets, which have a relatively small volume, and then falls onto the base material and is cooled, maintaining a uniform and finely mixed state. solidify.
  • additives by adding the additive to the droplet, mixing of the base material and the additive is reduced compared to adding the additive to the molten pool. Furthermore, by adding additives to droplets with a relatively small heat capacity as in this embodiment, the additives are quickly cooled while remaining dispersed in the droplets, reducing defects caused by evaporation of the additives. . Therefore, sliding performance can be further improved.
  • the additive material added to the matrix is added to the droplet as a particle, a powder containing the particle, a wire containing the particle, or a rod containing the particle. Added.
  • a schematic diagram showing a welding device for manufacturing a sliding member according to an embodiment A schematic diagram showing a welding device for manufacturing a sliding member according to an embodiment
  • a schematic diagram showing a sliding member according to an embodiment A schematic diagram showing a sliding member according to an embodiment
  • a schematic cross-sectional view showing the structure of a sliding member according to an embodiment A schematic diagram showing the flow of a method for manufacturing a sliding member according to an embodiment
  • a schematic diagram showing the flow of a method for manufacturing a sliding member according to an embodiment A schematic diagram showing the flow of a method for manufacturing a sliding member according to an embodiment
  • a schematic diagram showing the flow of a method for manufacturing a sliding member according to an embodiment A schematic cross-sectional view showing a rotating member to which a sliding member according to an embodiment is applied.
  • FIG. 9 A schematic cross-sectional view enlarging the IX part in Figure 3 Schematic diagram showing the observation area included in the observation cross section in Figure 9
  • FIG. 9 A schematic diagram showing a test piece of a sliding member according to an embodiment Schematic diagram seen from the direction of arrow XII in Figure 11
  • FIG. 13 A schematic diagram showing a test device for conducting a seizure test and a wear test of a sliding member according to an embodiment Schematic diagram of the test piece attached to the test device viewed from the XIV direction in Figure 13
  • Schematic diagram showing test conditions for seizure test Schematic diagram showing test conditions for wear test
  • Schematic diagram showing test results of Examples Schematic diagram showing test results of comparative example
  • a welding device 10 is a so-called arc welding device that uses electric discharge between a base material 11 and a wire 12.
  • the welding device 10 includes a wire supply section 13.
  • the wire supply unit 13 supplies the wire 12, which is a consumable electrode, while repeatedly moving it to the base material 11 side and moving it to the opposite side periodically at a preset period and movement amount.
  • the wire supply section 13 and the base material 11 are electrically connected through a power supply device 14.
  • the power supply device 14 applies a preset voltage between the wire supply section 13 and the base material 11.
  • the wire 12 By coming into contact with the wire supply section 13, the wire 12 has the same potential as the wire supply section 13. As a result, when the base material 11 and the wire 12 come close to each other, an arc state occurs, and when the base material 11 and the wire 12 come into contact, a short circuit state occurs. By moving the wire 12 forward and backward by the wire supply section 13, an arc state and a short circuit state repeatedly occur between the base material 11 and the wire 12.
  • the wire supply section 13 has a gas outlet 16 .
  • the wire supply unit 13 injects the shielding gas 17 from the gas outlet 16 .
  • the shielding gas 17 is mainly composed of an inert gas such as argon or helium, and oxygen or the like is added thereto.
  • the gas outlet 16 injects a shielding gas 17 so as to surround the vicinity of the welded portion where the base material 11 and the wire 12 are in contact. Thereby, the welded portion between the base material 11 and the wire 12 is shielded from the outside air by the shielding gas 17.
  • Ar containing O 2 100% Ar, CO 2 , Ar+CO 2 , Ar+He, or the like can be used.
  • the welding device 10 includes an additive supply section 20.
  • the additive supply unit 20 supplies the additive 21 to the droplet 15 formed by the arc between the base material 11 and the wire 12.
  • the additive supply unit 20 supplies the additive to the droplet 15 formed on the wire 12 side, not to the molten pool formed on the base metal 11 side by the arc between the base metal 11 and the wire 12.
  • Supply 21 supplies a powdered additive 21 to the droplet 15, as shown in FIG.
  • the additive supply unit 20 may be configured to supply a wire 22 containing the additive 21 to the droplet 15 as shown in FIG.
  • the additive supply unit 20 is not limited to the examples shown in FIGS. 1 and 2, and may be configured to supply a rod or the like containing the additive 21 to the droplet 15.
  • the welding apparatus 10 includes the additive supply section 20. Therefore, the additive material 21 is supplied to the droplet 15 formed by melting the wire 12 by an arc between the base material 11 and the wire 12.
  • the sliding member 30 includes a base material 11 and a sliding layer 32.
  • the sliding member 30 slides on a mating member (not shown).
  • the mating material is made of an Fe-based material such as steel or stainless steel.
  • the sliding layer 32 forms a sliding surface 33 on the opposite side to the base material 11 .
  • the base material 11 is made of metal such as Fe or Cu, or an alloy thereof.
  • the sliding layer 32 is formed on the surface of this base material 11 by welding. Specifically, the sliding layer 32 is formed using the wire 12 as a main material by welding the wire 12 to the base material 11 as shown in FIG.
  • the sliding layer 32 is an alloy whose first component is one of Cu, Al, and Sn. That is, the alloy matrix constituting the sliding layer 32 is formed by the wires 12.
  • the first component is the one with the highest content among the alloys forming the sliding layer 32.
  • the wire 12 is made of the same Cu alloy as the sliding layer 32.
  • the sliding layer 32 has a particle phase 35 uniformly and finely dispersed in a matrix 34, as shown in FIG. That is, the sliding layer 32 has a matrix 34 and a particle phase 35 uniformly and finely dispersed in the matrix 34.
  • the particle phase 35 includes a high hardness phase.
  • the high hardness phase is a phase of particles that are harder than the matrix 34.
  • the high hardness phase includes at least one element selected from, for example, Ni, Sn, Mo, C, B, Si, Mn, Fe, P, Ti, Al, W, Cr, Sc, Zr, Co, Cu, etc. or a compound, or a compound of these with O, N, etc.
  • the Vickers hardness of the high hardness phase constituting the particle phase 35 is HV1
  • the Vickers hardness of the matrix 34 is HV2
  • the relationship between them is 5 ⁇ HV1/HV2 ⁇ 50. That is, the high hardness phase constituting the particle phase 35 has a Vickers hardness HV of 5 to 50 times that of the matrix 34.
  • the particle phase 35 may include a low hardness phase.
  • the low hardness phase is a phase of particles whose hardness is lower than that of the matrix 34.
  • the low hardness phase is, for example, at least one element selected from Pb, Bi, Sn, Sb, In, Mg, Al, Zn, etc., or a compound thereof.
  • the area ratio Sv of the particle phase 35 satisfies 0.2% ⁇ Sv ⁇ 5% in a plurality of observation regions set in an arbitrary observation cross section.
  • the particle phase 35 is uniformly dispersed in the matrix 34 of the sliding layer 32. Further, the maximum particle diameter Da of the particle phase 35 is refined to 0 ⁇ m ⁇ Da ⁇ 30 ⁇ m.
  • the particle phase 35 is uniformly and finely dispersed in the sliding layer 32, and the sliding characteristics can be improved without impairing the strength of the sliding layer 32.
  • seizure resistance and wear resistance can be improved.
  • a low hardness phase may exist together with a high hardness phase.
  • the high hardness phase and the low hardness phase may exist uniformly and finely in the matrix 34 of the sliding layer 32.
  • a structure may be adopted in which the high hardness phase is uniformly and finely present in the matrix 34 of the sliding layer 32, while the low hardness phase is not necessarily uniformly and finely dispersed in the matrix 34.
  • the amount of the low hardness phase added in the sliding layer 32 is preferably 20 mass% or less.
  • the sliding layer 32 may contain a solid lubricant regardless of hardness.
  • the solid lubricant is, for example, at least one selected from graphite, MoS2 , and the like.
  • the particle phase 35 is a general term including a high hardness phase and a low hardness phase.
  • the wire 12 is supplied to the wire supply section 13 of the welding apparatus 10 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the wire 12 supplied to the wire supply section 13 is melted by arc discharge between the wire 12 and the base material 11, and forms a droplet 15 as shown in FIGS. 5(A) and 6(A).
  • Additive material 21 is added to the formed droplet 15 .
  • Additive material 21 is added to droplet 15 from additive material supply section 20 .
  • the additive 21 is added to the droplet 15 from the additive supply unit 20 in the form of particles of a preselected material to become a particle phase 35, or a powder containing particles of the material, as shown in FIG. 5(A). Further, the additive 21 is added to the droplet 15 from the additive supply unit 20 in the form of a wire 22 containing particles of the material or a rod containing particles of the material, as shown in FIG. 6(A).
  • the particle phase 35 containing at least one of a low hardness phase and a high hardness phase is formed from the additive 21 supplied from the additive supply unit 20. That is, by adding the additive material 21 to the droplets 15 of the molten wire 12, various materials that will become the particle phase 35 are mixed with the droplets 15 of the molten wire 12. Then, as shown in FIGS. 5(B) and 6(B), when the droplet 15 moves to the base material 11, the droplet 15 using the wire 12 as the material of the matrix 34 is stacked on the base material 11. As shown in FIGS. 5(C) and 6(C), the sliding layer 32 is formed on the base material 11 by solidifying the droplet 15.
  • the sliding layer 32 is not limited to the above example, and may be formed as shown in FIG. 7.
  • the wire 12 supplied to the wire supply section 13 is melted by arc discharge between it and the base material 11, and forms a droplet 15 as shown in FIG. 7(A).
  • the formed droplet 15 moves to the base material 11 as shown in FIG. 7(B).
  • the additive supply unit 20 adds the additive 21 to the droplet 15 that has transferred to the base material 11 and is in a molten state, as shown in FIG. 7(C). By adding the additive 21 to the molten droplet 15, various materials that will become the particle phase 35 are mixed into the molten droplet 15 of the wire 12.
  • a sliding layer 32 is formed on the base material 11.
  • the timing at which the additive supply unit 20 adds the additive 21 can be set between when the droplet 15 is formed by the arc and until it solidifies in the base material 11. can.
  • These sliding layers 32 include the particle phase 35 made from the additive material 21 in the matrix 34 as described above.
  • the additive material 21 is not a molten pool formed on the base material 11 by an arc between the base material 11 and the wire 12 when forming the sliding layer 32, but a droplet formed on the wire 12. Added to 15.
  • the additive material 21 that becomes the particle phase 35 is uniformly and finely dispersed in the droplet 15, and is also uniformly and finely dispersed in the sliding layer 32 to be formed.
  • the droplets 15 are quickly cooled down as they fall onto the base material 11. That is, the additive 21 added to the droplet 15 is uniformly and finely mixed with the droplet 15 having a relatively small volume, and then falls onto the base material 11 and is cooled, so that the additive material 21 is uniformly and finely mixed. solidifies while maintaining the
  • the molten pool is a state in which the wire 12 and the base material 11 are mixed and melted. Therefore, for example, when the additive 21 is added to the molten pool, the additive 21 is mixed not only with the wire 12 that becomes the sliding layer 32 but also with the molten base material 11. Then, the base material 11, wire 12, and additive material 21 mixed in the molten pool have a slow solidification rate, and the additive material 21 tends to aggregate. Further, for example, if the additive 21 is mixed in advance with the wire 12, the temperature will rise during heating by arc, which will easily cause defects due to evaporation of the additive 21.
  • the additive material 21 is added to the droplet 15, which has a relatively small heat capacity. Therefore, the particle phase 35 formed by the additive 21 can be rapidly cooled while remaining dispersed in the matrix 34 of the sliding layer 32. Further, in this embodiment, the occurrence of defects due to evaporation of the additive material 21 can be reduced.
  • the thickness T of the sliding layer 32 formed on the base material 11 by welding is set to 0 mm ⁇ T ⁇ 0.5 mm by, for example, machining such as cutting or polishing.
  • the sliding layer 32 is not required to have tensile strength as compared to, for example, a case where a bush or the like is used. Therefore, the thickness T of the sliding layer 32 can be reduced to 0.5 mm or less.
  • the sliding member 30 includes a base material 11 and a sliding layer 32, as shown in FIGS. 3 and 4.
  • a particle phase 35 made of the additive 21 is uniformly and finely dispersed in the matrix 34.
  • Metals with low melting points, such as Pb and Bi, included in the low hardness phase of the particle phase 35 form a Pb phase and a Bi phase that are softer than the matrix 34 of the sliding layer 32. Therefore, the low hardness phase of the particle phase 35 increases the ability to embed foreign matter in the sliding portion when the sliding member 30 and the mating material slide, contributing to improving the seizure resistance.
  • the high hardness phase of the particle phase 35 removes adhered substances generated when the sliding member 30 and the mating material slide.
  • a sliding layer 32 was formed on a steel plate serving as a base material 11 by arc welding using a Cu alloy wire 12 using a welding apparatus 10 shown in FIG. 1 .
  • a powdered additive 21 was supplied to the droplet 15 of the wire 12.
  • the wire 12 is a Cu-Si-Mn alloy containing Cu as a main component, and forms the sliding layer 32 of a Cu-based alloy.
  • the powder of additive material 21 Cu-22Pb-1.5Sn (mass%) was used.
  • Ar containing 2 vol% O 2 was used.
  • the voltage applied between the base material 11 and the wire 12 was set to 14V, and the welding current was set to 85A.
  • a structure in which Pb as a particle phase 35 was uniformly and finely dispersed was formed in the sliding layer 32.
  • the Pb phase was very fine, with a diameter of 0.5 to 3 ⁇ m in any cross section.
  • the additive material 21 is added to the droplet 15 formed by melting the wire 12.
  • the particle phase 35 made of the additive 21 is uniformly and finely dispersed in the matrix 34 of the sliding layer 32 to be formed. Therefore, by selecting the additive 21 while further enhancing the sliding performance, it is possible to appropriately control the sliding performance depending on the application.
  • the sliding member 30 formed in this embodiment can be suitably used for a rotating member 40 that is large-scale and has high surface pressure, such as a shaft or a bearing for wind power generation, for example.
  • the rotating member 40 includes a base material 11 and a sliding layer 32.
  • the rotating member 40 includes a rotating shaft portion 41 and a sliding layer 32.
  • the sliding layer 32 is directly provided on the rotating shaft portion 41 made of the base material 11 by welding. That is, in the rotating member 40, the sliding layer 32 is laminated on the outer peripheral side of the rotating shaft portion 41, which is a shaft member serving as the base material 11.
  • the rotating shaft portion 41 and the sliding layer 32 constitute the sliding member 30. In this way, by directly providing the sliding layer 32 on the rotating shaft portion 41 by welding, the sliding member 30 equipped with the sliding layer 32 with controlled sliding performance can cope with high surface pressure. .
  • the sliding layer 32 includes the matrix 34 and the particle phase 35 as described above.
  • the area ratio Sv of the particle phase 35 is 0.2% ⁇ Sv ⁇ 5%.
  • an arbitrary observation cross section 50 is set as shown in FIG.
  • the observation cross section 50 can be arbitrarily set in the sliding layer 32, such as in the thickness direction as shown in FIG. 9, for example.
  • An observation cross section 50 arbitrarily set on the sliding layer 32 includes a matrix 34 and a particle phase 35, as shown in FIG.
  • Observation area 51 is extracted from this observation cross section 50.
  • a plurality of observation regions 51 are extracted at arbitrary positions in the observation cross section 50 .
  • the observation area 51 is extracted from the observation cross section 50 as an area having a size of 500 ⁇ m ⁇ 500 ⁇ m or more. If the observation area 51 is too small, the particle phase 35 may not be included in the observation area 51. That is, the observation area 51 needs to be large enough to include the particle phase 35.
  • the observation area 51 can be set to any size within the above-mentioned range of 500 ⁇ m ⁇ 500 ⁇ m or more.
  • the area ratio Sv of the particle phase 35 in this observation region 51 is 0.2% ⁇ Sv ⁇ 5%.
  • the area ratio Sv is 0.2% ⁇ Sv ⁇ 5% in any of the plurality of arbitrary observation regions 51 extracted from the observation cross section 50. That is, the particle phase 35 has an area ratio Sv of 0.2% ⁇ Sv ⁇ 5% in any observation region 51. This indicates that the particle phase 35 is uniformly dispersed in the matrix 34 of the sliding layer 32. Further, the maximum particle diameter Da of the particle phase 35 is 0 ⁇ m ⁇ Da ⁇ 30 ⁇ m.
  • the maximum particle diameter Da may be observed in the observation cross section 50 or may be observed in the observation area 51.
  • the maximum particle diameter Da of the particle phase 35 contained in the sliding layer 32 is 0 ⁇ m ⁇ Da ⁇ 30 ⁇ m. This shows that the particle phase 35 dispersed in the matrix 34 of the sliding layer 32 is fine with a maximum particle size Da of 30 ⁇ m or less.
  • the volume ratio W of the particle phase 35 contained in the sliding layer 32 is 0.1 vol% ⁇ W ⁇ 5.0 vol%.
  • the volume ratio W is the sum of the volume of the particle phase 35 to the volume of the sliding layer 32.
  • This volume ratio W is more preferably 0.2 vol% ⁇ W ⁇ 2.0 vol%.
  • the high hardness phase among the particle phases 35 further contributes to improving the seizure resistance when the volume ratio W is 0.1 vol% or more.
  • the upper limit of the volume ratio W is 5.0 vol%.
  • the adhesive strength F between the base material 11 and the sliding layer 32 is preferably 250 N/mm 2 ⁇ F. In this manner, by ensuring the adhesive strength F, even if the rotating shaft portion 41 serving as the base material 11 is bent, peeling of the sliding layer 32 from the base material 11 can be reliably avoided. Furthermore, when forming the sliding layer 32, the depth Tt at which the base material 11 is affected by heat from the sliding layer 32 in the thickness direction is preferably Tt ⁇ 500 ⁇ m. By appropriately ensuring the temperature of the base metal 11 during welding, the range in which the base metal 11 is affected by heat due to welding is reduced. Therefore, the influence on the strength of the base material 11 is reduced.
  • the time during which the base material 11 is heated is extremely short, and the influence of heat on the base material 11 is reduced. Therefore, changes in the structure of the base material 11 due to heat and the resulting influence on the strength of the base material 11 can be reduced.
  • the roughness Ra on the surface of the sliding layer 32 satisfies Ra ⁇ 0.6.
  • the roughness Ra of the surface of the sliding layer 32 is preferably 0.3 ⁇ Ra ⁇ 0.6. In this way, by setting the roughness Ra on the surface of the sliding layer 32, it is possible to reduce the friction coefficient of the sliding layer 32, reduce the number of processing steps and processing accuracy, and reduce the processing accuracy. It is possible to simplify the equipment associated with this.
  • the test piece was obtained by overlaying a sliding layer 32 on a Fe-based base material 11 using a wire 12 and an additive 21.
  • the sliding layer 32 was formed by MIG welding using a CMT method in which the wire 12 is repeatedly fed at high speed in the forward and reverse directions into a molten pool generated during welding. After welding, the specimen was machined into a predetermined shape by cutting and polishing.
  • the adhesive strength was evaluated as the strength of the sliding member 30.
  • the adhesive strength is the adhesive force between the base material 11 and the sliding layer 32.
  • a test piece 60 in which the base material 11 and the sliding layer 32 were bonded with a predetermined bonding area as shown in FIGS. 11 and 12 was used.
  • the adhesive strength was measured by applying a tensile load to both ends of the test piece 60 and measuring the maximum tensile force at which the joint 61 breaks.
  • the test piece 60 used had an overlap of 9 mm x 0.3 mm at the joint 61 between the base material 11 and the sliding layer 32, and a joint area of 2.7 mm2 .
  • the test piece 60 has a width of 9 mm and a length of the overlapping portion of 0.3 mm.
  • the adhesion test was carried out by applying a load of 2 kN outward to both ends of the test piece 60 at a speed of 5 m/min.
  • the strength and sliding characteristics of the sliding member 30 were evaluated for seizure resistance by a seizure test and abrasion resistance by an abrasion test.
  • seizure test the maximum surface pressure of the sliding member 30 without seizure was evaluated as the seizure resistance.
  • wear test the amount of wear of the sliding member 30 was evaluated as wear resistance.
  • seizure test and wear test in the sliding test a test piece 70 formed in an arcuate ring shape is attached to a holder 71 as shown in FIGS. 13 and 14, and the test piece 70 attached to the holder 71 is attached to a cylindrical test shaft. It was carried out under pressure of 72.
  • the examples and comparative examples of the sliding member 30 were evaluated by a seizure test under the conditions shown in FIG. 15 and an abrasion test under the conditions shown in FIG. 16.
  • the evaluation results of Examples and Comparative Examples are shown in FIG. 17 and FIG. 18, respectively.
  • the area ratio Sv of the particle phase 35 is determined by arbitrarily extracting ten observation areas 51 from an arbitrary observation cross section 50, and calculating the maximum and minimum values of the area ratio Sv in each extracted observation area 51. That is, in the case of FIG. 17 and FIG. 18, the area ratio Sv is the maximum value and minimum value of the ten observation areas 51.
  • the maximum particle diameter Da of the particle phase 35 is the particle diameter of the particle phase 35 that is the largest among the particle phases 35 in the ten observation regions 51 extracted from the observation cross section 50.
  • the observation area 51 was set to 500 ⁇ m ⁇ 500 ⁇ m.
  • the area ratio Sv of the particle phase 35 is excessive. Therefore, it can be seen that these Samples 10, 13, and 16 have a reduced amount of wear, but are highly aggressive toward the mating material, leading to a decrease in seizure resistance.
  • Sample 11, Sample 14, and Sample 17, which are comparative examples the particle phase 35 is aggregated, and the maximum particle diameter Da is excessive. Due to the agglomeration of the particle phase 35, the sliding layer 32 has different seizure resistance and wear resistance depending on the location. Therefore, it can be seen that in these samples 11, 14, and 17, the distribution of the particle phase 35 in the matrix 34 becomes uneven, and the seizure resistance and wear resistance deteriorate.
  • samples 12, 15, and 18, which are comparative examples the area ratio Sv of the particle phase 35 contained in the sliding layer 32 is too small. Therefore, it can be seen that these samples 12, 15, and 18 cannot be expected to improve in seizure resistance and wear resistance.
  • Sample 19 and Sample 20 which are comparative examples, the additive 21 is added to the molten pool formed in the base material 11. Therefore, samples 19 and 20 suffer from segregation in which the particle phase 35 is locally generated. It can be seen that sample 19 and sample 20 have increased variations in seizure resistance and wear resistance due to this segregation.
  • Sample 21 and Sample 22, which are comparative examples the additive 21 was not added, and the sliding layer 32 did not contain the particle phase 35. Therefore, it can be seen that Sample 21 and Sample 22 have deteriorated seizure resistance and wear resistance.
  • the sliding member 30 may include an overlay layer (not shown) in addition to the base material 11 and the sliding layer 32.
  • the overlay layer is formed on the surface of the sliding layer 32, that is, the surface opposite to the base material 11, so as to overlap the sliding layer 32.
  • the overlay layer is preferably made of a soft metal or alloy such as Sn or Bi.
  • the overlay layer may be made of, for example, a resin in which a solid lubricant is dispersed.
  • the sliding member 30 may include one or more intermediate layers (not shown) between the base material 11 and the sliding layer 32.
  • a material that increases the adhesive force between the base material 11 and the sliding layer 32 such as Ni or an alloy thereof, for the intermediate phase.

Abstract

摺動部材は、母材と、前記母材に積層され、マトリクスおよび前記マトリクスに均一かつ微細に分散した粒子相を有する摺動層と、を備える。前記摺動層において任意の観察断面を設定し、前記観察断面から抽出した複数の任意の観察領域における前記粒子相の面積率Ｓｖは、いずれの前記観察領域においても、０．２％≦Ｓｖ≦５％である。前記粒子相の最大粒子径Ｄａは、０μｍ＜Ｄａ≦３０μｍである。

Description

摺動部材、およびこれを用いたギアボックス、風力発電機、ならびに摺動部材の製造方法 関連出願の相互参照
　本出願は、２０２２年３月３０日に出願された日本出願２０２２－０５６２１１号に基づくものであり、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、摺動部材、およびこれを用いたギアボックス、風力発電機、ならびに摺動部材の製造方法に関する。
　従来、アーク溶接によって摺動部材を形成することが周知である（特許文献１）。特許文献１では、裏金の表面にアーク溶接によってＣｕ－Ｓｎ－Ｐｂの合金を摺動層として積層している。このとき、摺動層は、合金のマトリクスにＰｂが予め分散された粉末を用いて形成される。これにより、特許文献１では、溶接時の高温によるＰｂの蒸発を低減し、摺動層にＰｂが均一に分散した組織の形成を図っている。
　近年、環境へ与える負荷のさらなる低減などの要求から、摺動部材を用いる軸受は、高い面圧環境における摺動特性の向上が求められている。そこで、マトリクスに例えば低融点の金属や硬質の材料などを添加材として添加し、摺動層の性質の向上が図られている。この場合、摺動層は、例えばあらかじめマトリクスに添加材を加えた粉末やワイヤを用いて溶接を行なうことにより形成することができる。
　ところが、マトリクスに添加された低融点の金属は、溶接時に蒸発を招きやすく、摺動層のマトリクスの欠陥や偏析を招くという問題がある。また、マトリクスに添加された硬質の材料は、溶接時に凝集を招きやすく、マトリクスにおける均一な分散が困難であるという問題がある。摺動層における硬質粒子の偏在は、摺動層の強度の低下および摺動特性の悪化を招くという問題がある。
特開平０４－３０００７３号公報
　そこで、本開示の目的は、摺動層に添加物の粒子が均一に分散し、強度を損なうことなく、摺動特性が高い摺動部材、およびこれを用いたギアボックス、風力発電機を提供することにある。
　また、本開示の他の目的は、添加物の蒸発を低減し、添加物の均一な分散を図り、摺動特性のさらなる向上が図られる摺動部材の製造方法を提供することにある。
　本開示の一実施形態による摺動部材は、母材と、前記母材に積層され、マトリクスおよび前記マトリクスに均一かつ微細に分散した粒子相を有する摺動層と、を備える摺動部材である。
　すなわち、一実施形態の摺動部材は、任意の観察断面から抽出した複数の任意の観察領域において、粒子相の面積率Ｓｖがいずれも０．２％≦Ｓｖ≦５％である。このように、一実施形態の摺動部材は、摺動層のマトリクスに粒子相が均一に存在する。そして、粒子相の最大粒子径Ｄａは、０μｍ＜Ｄａ≦３０μｍと微細化されている。したがって、摺動層に添加物の粒子が均一かつ微細に分散し、強度を損なうことなく、摺動特性を高めることができる。特に、一実施形態の摺動部材は、耐焼付性および耐摩耗性を高めることができる。
　本開示の一実施形態による摺動部材の製造方法は、母材にワイヤをアーク溶接することによって摺動層を形成する。この摺動部材の製造方法は、前記摺動層を構成するマトリクスとなる前記ワイヤを供給する工程と、供給された前記ワイヤを、前記母材との放電によって溶融し、溶滴を形成する工程と、形成された溶滴に、前記マトリクスに添加する添加材を添加する工程と、を含む。
　これにより、添加材は、溶融したワイヤの溶滴に混合される。すなわち、本実施形態では、添加材は、母材とワイヤとのアークによって母材に形成される溶融池ではなく、ワイヤに形成される溶滴に加えられる。そのため、添加材は、溶滴に均一かつ微細に分散し、溶滴が凝固して形成される摺動層にも均一かつ微細に分散する。これは、溶滴が母材に落下することにより、溶滴は迅速に冷却されるからである。すなわち、溶滴に加えられた添加材は、容積が比較的小さな溶滴と均一かつ微細に混合された後、母材に落下して冷却され、均一かつ微細に混合された状態を維持したまま凝固する。また、溶滴に添加材を加えることにより、溶融池に添加材を加える場合と比較して、母材と添加材との混合が低減される。さらに、本実施形態のように比較的熱容量が小さい溶滴に添加材を加えることにより、添加材が溶滴に分散した状態のまま迅速に冷却され、添加材の蒸発にともなう欠陥も低減される。したがって、摺動性能のさらなる向上を図ることができる。
　他の実施形態による摺動部材の製造方法では、前記マトリクスに添加される前記添加材は、粒子、前記粒子を含む粉末、前記粒子を含むワイヤ、または前記粒子を含む棒材として前記溶滴に加えられる。
一実施形態による摺動部材を製造するための溶接装置を示す模式図 一実施形態による摺動部材を製造するための溶接装置を示す模式図 一実施形態による摺動部材を示す模式図 一実施形態による摺動部材の組織を示す模式的な断面図 一実施形態による摺動部材の製造方法の流れを示す模式図 一実施形態による摺動部材の製造方法の流れを示す模式図 一実施形態による摺動部材の製造方法の流れを示す模式図 一実施形態による摺動部材を適用した回転部材を示す模式的な断面図 図３のＩＸ部分を拡大した模式的な断面図 図９の観察断面に含まれる観察領域を示す模式図 一実施形態による摺動部材の試験片を示す模式図 図１１の矢印ＸＩＩ方向から見た模式図 一実施形態による摺動部材の焼付試験および摩耗試験を行なう試験装置を示す模式図 試験装置に装着された試験片を図１３のＸＩＶ方向から見た模式図 焼付試験の試験条件を示す概略図 摩耗試験の試験条件を示す概略図 実施例の試験結果を示す概略図 比較例の試験結果を示す概略図
　以下、図面に基づいて実施形態を説明する。
　（溶接装置）
　まず、摺動部材を製造するための溶接装置について説明する。
　図１に示すように溶接装置１０は、母材１１とワイヤ１２との間の放電を用いた、いわゆるアーク溶接装置である。溶接装置１０は、ワイヤ供給部１３を備えている。ワイヤ供給部１３は、消耗電極であるワイヤ１２を、予め設定された周期と移動量で周期的に母材１１側へ移動とその反対側への移動とを繰り返しつつ供給する。ワイヤ供給部１３と母材１１との間は、電源装置１４を通して電気的に接続されている。電源装置１４は、ワイヤ供給部１３と母材１１との間に予め設定された電圧を印加する。ワイヤ１２は、ワイヤ供給部１３に接することによって、ワイヤ供給部１３と同一の電位となる。これにより、母材１１とワイヤ１２とが接近するとアーク状態になるとともに、母材１１とワイヤ１２とが接すると短絡状態となる。ワイヤ供給部１３によりワイヤ１２を進退することにより、母材１１とワイヤ１２との間はアーク状態と短絡状態とが繰り返し発生する。
　ワイヤ供給部１３によってワイヤ１２の先端が母材１１に接近すると、ワイヤ１２と母材１１との間にアークが発生する。ワイヤ１２は、発生したアークによって瞬時に加熱され、溶融する。溶融したワイヤ１２は、溶滴１５となって母材１１側へ落下する。溶融したワイヤ１２の溶滴１５が母材１１に接すると、母材１１とワイヤ１２とが短絡し母材１１とワイヤ１２との間の通電が停止され、溶滴１５は母材１１に移行する。すなわち、ワイヤ１２は、アーク溶接による溶滴移行によって母材１１に積層される。ワイヤ供給部１３がワイヤ１２の先端を母材１１から遠ざけることによって、母材１１とワイヤ１２とが離間し、再び母材１１とワイヤ１２との間にアークが発生する。これを繰り返すことにより、母材１１にはワイヤ１２を構成する材料によって溶接層が形成される。
　ワイヤ供給部１３は、ガス噴出口１６を有している。ワイヤ供給部１３は、ガス噴出口１６からシールドガス１７を噴射する。シールドガス１７は、例えばアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを主成分とし、酸素などが添加されている。ガス噴出口１６は、母材１１とワイヤ１２とが接触する溶接部の近傍を包囲するようにシールドガス１７を噴射する。これにより、母材１１とワイヤ１２との溶接部は、シールドガス１７によって外気から遮蔽される。シールドガス１７は、Ｏ２を含むＡｒ、１００％のＡｒ、ＣＯ２、Ａｒ＋ＣＯ２、Ａｒ＋Ｈｅなどを用いることができる。
　溶接装置１０は、上記に加え、添加材供給部２０を備えている。添加材供給部２０は、母材１１とワイヤ１２との間のアークによって形成された溶滴１５に添加材２１を供給する。本実施形態では、添加材供給部２０は、母材１１とワイヤ１２との間のアークによって母材１１側に形成された溶融池ではなく、ワイヤ１２側に形成された溶滴１５に添加材２１を供給する。添加材供給部２０は、図１に示すように粉末状の添加材２１を溶滴１５に供給する。また、添加材供給部２０は、図２に示すように添加材２１を含むワイヤ２２を溶滴１５に供給する構成でもよい。さらに、添加材供給部２０は、これら図１および図２に示す例に限らず添加材２１を含む棒材などを溶滴１５に供給する構成でもよい。
　以上のように、本実施形態の場合、溶接装置１０は、添加材供給部２０を備えている。そのため、添加材２１は、母材１１とワイヤ１２との間のアークによってワイヤ１２が溶融して形成される溶滴１５に供給される。
　（摺動部材の製造方法、摺動部材）
　次に、上記の溶接装置を用いた摺動部材の製造方法、およびこれにより得られる摺動部材について説明する。
　図３に示すように摺動部材３０は、母材１１および摺動層３２を備えている。摺動部材３０は、図示しない相手材と摺動する。相手材は、例えば鋼やステンレスなどのＦｅ系の材料で形成されている。摺動層３２は、母材１１と反対側の面に摺動面３３を形成する。母材１１は、例えばＦｅやＣｕなどの金属またはこれらの合金で形成されている。摺動層３２は、この母材１１の表面に溶接によって形成されている。具体的には、摺動層３２は、図１に示すようにワイヤ１２を母材１１に溶接することによってワイヤ１２を主材料として形成されている。摺動層３２は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎのうちの元素を第一成分とする合金である。すなわち、摺動層３２を構成する合金のマトリクスは、ワイヤ１２によって形成される。第一成分とは、摺動層３２を構成する合金の中で最も含有率の高いものである。例えば摺動層３２をＣｕ合金で形成する場合、ワイヤ１２はこの摺動層３２と同一のＣｕ合金で形成されている。
　摺動層３２は、図４に示すようにマトリクス３４に均一かつ微細に分散した粒子相３５を有している。すなわち、摺動層３２は、マトリクス３４と、このマトリクス３４に均一かつ微細に分散した粒子相３５とを有している。粒子相３５は、高硬度相を含んでいる。高硬度相は、マトリクス３４よりも硬度の高い粒子の相である。高硬度相は、例えばＮｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｒ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｃｕなどから選択される少なくとも１つ以上の元素もしくは化合物、またはこれらとＯ、Ｎなどとの化合物である。
　粒子相３５を構成する高硬度相のビッカース硬度をＨＶ１とし、マトリクス３４のビッカース硬度をＨＶ２としたとき、これらの間には、５≦ＨＶ１／ＨＶ２≦５０の関係となる。つまり、粒子相３５を構成する高硬度相は、マトリクス３４よりもビッカース硬度ＨＶが５倍から５０倍である。このように、マトリクス３４に対する高硬度相の硬さを設定することにより、耐焼付性および耐摩耗性を向上させつつ、相手材への攻撃性を低減することができる。
　また、粒子相３５は、低硬度相を含んでいてもよい。低硬度相は、マトリクス３４よりも硬度の低い粒子の相である。低硬度相は、例えばＰｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎなどから選択される少なくとも１つ以上の元素、またはこれらの化合物である。この場合、任意の観察断面に設定した複数の観察領域において、粒子相３５の面積率Ｓｖは、０．２％≦Ｓｖ≦５％である。粒子相３５は、摺動層３２のマトリクス３４に均一に分散している。そして、粒子相３５の最大粒子径Ｄａは、０μｍ＜Ｄａ≦３０μｍと微細化されている。したがって、粒子相３５が摺動層３２に均一かつ微細に分散し、摺動層３２の強度を損なうことなく、摺動特性を高めることができる。特に、摺動層３２の摺動特性として、耐焼付性および耐摩耗性を高めることができる。
　また、粒子相３５のうち低硬度相は、高硬度相とともに存在してもよい。この場合、高硬度相および低硬度相は、摺動層３２のマトリクス３４に均一かつ微細に存在してもよい。さらに、高硬度相が摺動層３２のマトリクス３４に均一かつ微細に存在する構成としつつ、低硬度相は必ずしもマトリクス３４に均一かつ微細に分散しない構成としてもよい。このように低硬度相がマトリクス３４に均一かつ微細に分散していない場合、摺動層３２における低硬度相の添加量は、２０ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。このように、低硬度相の添加量を２０ｍａｓｓ％以下にすることにより、摺動層３２の強度への影響が低減される。さらに、摺動層３２は、硬度に関係なく、固体潤滑剤を含んでいてもよい。固体潤滑剤は、例えばグラファイト、ＭｏＳ２などから選択される少なくとも1種以上である。以下、粒子相３５とは、高硬度相および低硬度相を含む総称である。
　ワイヤ１２は、図１および図２に示す溶接装置１０のワイヤ供給部１３に供給される。ワイヤ供給部１３に供給されたワイヤ１２は、母材１１との間のアーク放電によって溶融し、図５（Ａ）および図６（Ａ）に示すように溶滴１５を形成する。形成された溶滴１５は、添加材２１が添加される。添加材２１は、添加材供給部２０から溶滴１５に添加される。添加材２１は、図５（Ａ）に示すように粒子相３５となる予め選択された材料の粒子、材料の粒子を含む粉末として添加材供給部２０から溶滴１５に添加される。また、添加材２１は、図６（Ａ）に示すように材料の粒子を含むワイヤ２２、または材料の粒子を含む棒材として添加材供給部２０から溶滴１５に添加される。
　低硬度相および高硬度相のうち少なくともいずれか一方を含む粒子相３５は、添加材供給部２０から供給される添加材２１から形成される。すなわち、溶融したワイヤ１２の溶滴１５に添加材２１を添加することにより、溶融したワイヤ１２の溶滴１５に粒子相３５となる各種の材料が混合される。そして、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）に示すように溶滴１５が母材１１へ移行すると、ワイヤ１２をマトリクス３４の材料とする溶滴１５は母材１１に積層される。図５（Ｃ）および図６（Ｃ）に示すように溶滴１５が凝固することにより、母材１１には摺動層３２が形成される。
　摺動層３２は、上記の例に限らず、図７に示すように形成してもよい。図７に示す例の場合、ワイヤ供給部１３に供給されたワイヤ１２は、母材１１との間のアーク放電によって溶融し、図７（Ａ）に示すように溶滴１５を形成する。形成された溶滴１５は、図７（Ｂ）に示すように母材１１へ移行する。図７に示す例の場合、添加材供給部２０は、図７（Ｃ）に示すように母材１１へ移行して溶融状態となっている溶滴１５に添加材２１を添加する。溶融した溶滴１５に添加材２１を添加することにより、溶融したワイヤ１２の溶滴１５に粒子相３５となる各種の材料が混合される。そして、溶滴１５が凝固することにより、母材１１には摺動層３２が形成される。なお、図５または図７に示すように、添加材供給部２０が添加材２１を添加する時期は、アークによって溶滴１５が形成されて母材１１で凝固するまでの間に設定することができる。
　これらの摺動層３２は、上述のようにマトリクス３４に添加材２１を原料とする粒子相３５を含んでいる。本実施形態の場合、添加材２１は、摺動層３２の形成時において、母材１１とワイヤ１２とのアークによって母材１１に形成される溶融池ではなく、ワイヤ１２に形成される溶滴１５に加えられる。これにより、粒子相３５となる添加材２１は、溶滴１５に均一かつ微細に分散し、形成される摺動層３２にも均一かつ微細に分散する。これは、溶滴１５が母材１１に落下することにより、溶滴１５は迅速に冷却されるからである。すなわち、溶滴１５に加えられた添加材２１は、容積が比較的小さな溶滴１５と均一かつ微細に混合された後、母材１１に落下して冷却され、均一かつ微細に混合された状態を維持したまま凝固する。
　また、溶滴１５に添加材２１を加えることにより、溶融池に添加材２１を加える場合と比較して、摺動層３２において母材１１との混合は低減される。溶融池は、ワイヤ１２と母材１１とが混合して溶融した状態となっている。そのため、例えば溶融池に添加材２１を加えると、添加材２１は摺動層３２となるワイヤ１２だけでなく溶融した母材１１とも混合される。そして、溶融池で混合された母材１１、ワイヤ１２および添加材２１は、凝固速度が緩やかとなり、添加材２１の凝集を招きやすくなる。さらに、例えば予めワイヤ１２に添加材２１を混合すると、アークによる加熱時に温度が上昇し、添加材２１の蒸発などによる欠陥を招きやすくなる。
　これらに対し、本実施形態では、添加材２１は、比較的熱容量が小さい溶滴１５に加えられる。そのため、添加材２１による粒子相３５は、摺動層３２のマトリクス３４に分散した状態のまま迅速に冷却することができる。また、本実施形態では、添加材２１の蒸発にともなう欠陥の発生を低減することができる。
　溶接によって母材１１に形成された摺動層３２は、例えば切削や研磨などの機械加工によって、厚さＴが０ｍｍ＜Ｔ≦０．５ｍｍに設定される。このように、溶接によって摺動層３２を形成することにより、摺動層３２は例えばブッシュなどを用いる場合と比較して引張強度が要求されない。したがって、摺動層３２の厚さＴを０．５ｍｍ以下と薄くすることができる。
　以上の手順により、母材１１に摺動層３２が積層された摺動部材３０が製造される。
　摺動部材３０は、図３および図４に示すように母材１１および摺動層３２を備えている。本実施形態の場合、図４に示すようにマトリクス３４に添加材２１からなる粒子相３５が均一かつ微細に分散している。粒子相３５の低硬度相に含まれるＰｂやＢｉなどの融点の低い金属は、摺動層３２のマトリクス３４に比較して柔らかいＰｂ相やＢｉ相を形成する。そのため、粒子相３５の低硬度相は、摺動部材３０と相手材との摺動時における摺動部分での異物埋収性を高め、耐焼付性の向上に寄与する。一方、粒子相３５の高硬度相は、摺動部材３０と相手材との摺動時に生じる凝着物を除去する。摺動部材３０と相手材との摺動部分に摺動によって生じた凝着物などの異物が相手材に付着すると、凝着物と摺動部材３０の摺動面３３とが接し、その部分で焼付を招くおそれがある。摺動層３２に含まれる例えばＭｏ２Ｃなどの高硬度相は、この摺動部分に付着する異物を掻き落す。これにより、粒子相３５の高硬度相は、摺動部材３０と相手部材との焼付の低減に寄与する。
　（摺動部材の実施の一例）
　摺動部材３０の実施の一例を検証した。実施の一例は、図１に示す溶接装置１０を用いて、母材１１となる鋼板に、Ｃｕ合金のワイヤ１２を用いてアーク溶接によって摺動層３２を形成した。母材１１にワイヤ１２を溶接するとき、粉末状の添加材２１をワイヤ１２の溶滴１５に供給した。ワイヤ１２は、Ｃｕ－Ｓｉ－ＭｎのＣｕを主成分とする合金であり、Ｃｕ系合金の摺動層３２を形成する。添加材２１の粉末は、Ｃｕ－２２Ｐｂ－１．５Ｓｎ（質量％）を用いた。シールドガス１７は、２ｖｏｌ％のＯ２を含むＡｒを用いた。母材１１とワイヤ１２との間に印加する電圧は１４Ｖに設定し、溶接電流は８５Ａに設定した。その結果、図４に示すように摺動層３２に粒子相３５としてのＰｂが均一かつ微細に分散した組織が形成された。Ｐｂ相は、非常に微細であり、任意の断面における直径が０．５～３μｍであった。
　以上説明したように、本実施形態では、ワイヤ１２の溶融によって形成された溶滴１５に添加材２１を添加している。これにより、添加材２１からなる粒子相３５は形成される摺動層３２のマトリクス３４に均一かつ微細に分散する。したがって、摺動性能をより高めるとともに、添加材２１を選択することにより、摺動性能を用途に応じて適切に制御することができる。
　図８に示すように、本実施形態で形成する摺動部材３０は、例えば風力発電の軸や軸受など、大規模かつ面圧が高い回転部材４０に好適に用いることができる。図８に示す例の場合、回転部材４０は、母材１１および摺動層３２を備えている。回転部材４０は、回転軸部４１および摺動層３２を備えている。そして、回転部材４０は、母材１１からなる回転軸部４１に、摺動層３２が溶接によって直接設けられている。すなわち、回転部材４０は、母材１１となる軸部材である回転軸部４１の外周側に摺動層３２が積層されている。これら回転軸部４１と摺動層３２とは、摺動部材３０を構成している。
　このように、回転軸部４１に溶接によって摺動層３２を直接設けることにより、摺動性能が制御された摺動層３２を備える摺動部材３０によって、高い面圧にも対応することができる。
　次に、摺動層３２について詳細に説明する。
　摺動層３２は、上述のようにマトリクス３４と、粒子相３５とを有している。粒子相３５の面積率Ｓｖは、０．２％≦Ｓｖ≦５％である。具体的には、摺動層３２は、図９に示すように任意の観察断面５０が設定される。観察断面５０は、例えば図９に示すように厚さ方向など、摺動層３２において任意に設定することができる。摺動層３２に任意に設定した観察断面５０には、図１０に示すようにマトリクス３４および粒子相３５が含まれている。観察領域５１は、この観察断面５０から抽出される。観察領域５１は、観察断面５０において、任意の位置で複数抽出される。この場合、観察領域５１は、観察断面５０から、５００μｍ×５００μｍ以上の大きさの領域として抽出される。観察領域５１は、小さすぎると観察領域５１に粒子相３５が含まれない可能性がある。つまり、観察領域５１は、粒子相３５が含まれる程度に十分な大きさの範囲とする必要がある。観察領域５１は、上述の５００μｍ×５００μｍ以上の範囲であれば任意の寸法に設定することができる。
　この観察領域５１における粒子相３５の面積率Ｓｖは、０．２％≦Ｓｖ≦５％である。面積率Ｓｖとは、観察領域５１の面積Ｓと、この観察領域５１に含まれる粒子相３５の面積の総和Ｓｍとから、Ｓｖ＝Ｓｍ／Ｓ×１００として算出される。本実施形態では、この面積率Ｓｖは、観察断面５０から抽出した複数の任意の観察領域５１のいずれにおいても、０．２％≦Ｓｖ≦５％である。つまり、粒子相３５は、いずれの観察領域５１においても面積率Ｓｖが０．２％≦Ｓｖ≦５％である。これは、粒子相３５が摺動層３２のマトリクス３４に均一に分散していることを示している。また、粒子相３５の最大粒子径Ｄａは、０μｍ＜Ｄａ≦３０μｍである。最大粒子径Ｄａは、観察断面５０において観察してもよく、観察領域５１において観察してもよい。いずれにしても、摺動層３２に含まれる粒子相３５の最大粒子径Ｄａは、０μｍ＜Ｄａ≦３０μｍである。このように、摺動層３２のマトリクス３４に分散する粒子相３５は、最大粒子径Ｄａが３０μｍ以下の微細なものであることを示している。
　摺動層３２に含まれる粒子相３５の体積割合Ｗは、０．１ｖｏｌ％≦Ｗ≦５．０ｖｏｌ％であることが好ましい。体積割合Ｗは、摺動層３２の体積に対する粒子相３５の体積の総和である。この体積割合Ｗは、０．２ｖｏｌ％≦Ｗ≦２．０ｖｏｌ％であることがより好ましい。粒子相３５のうち特に高硬度相は、体積割合Ｗが０．１ｖｏｌ％以上になると、耐焼付性の向上にさらに寄与する。また、体積割合Ｗは、上限を５．０ｖｏｌ％とすることが好ましい。体積割合Ｗを５．０ｖｏｌ％以下とすることにより、相手材への攻撃性は効果的に抑制される。
　母材１１と摺動層３２との間の接着強度Ｆは、２５０Ｎ／ｍｍ２≦Ｆであることが好ましい。このように、接着強度Ｆを確保することにより、母材１１となる回転軸部４１にたわみが生じても、母材１１からの摺動層３２の剥離は確実に回避される。また、摺動層３２の形成時において、厚さ方向において母材１１が摺動層３２から熱の影響を受ける深さＴｔは、Ｔｔ≦５００μｍであることが好ましい。溶接時における母材１１の温度を適切に確保することにより、母材１１が溶接による熱の影響を受ける範囲は低減される。そのため、母材１１の強度への影響は減少する。すなわち、本実施形態の場合、母材１１が加熱される時間は極めて短く、母材１１への熱の影響が小さくなる。したがって、熱による母材１１の組織の変化、およびこれにともなう母材１１の強度への影響を小さくすることができる。
　摺動層３２の表面における粗さＲａは、Ｒａ≦０．６であることが好ましい。特に、摺動層３２の表面における粗さＲａは、０．３≦Ｒａ≦０．６であることがより好ましい。このように、摺動層３２の表面における粗さＲａを設定することにより、摺動層３２の摩擦係数の低減を図りつつ、加工工数および加工精度を低減することができるとともに、加工精度の低減にともなう設備の簡素化を図ることができる。
　以下、摺動部材３０の具体的な実施例および比較例について説明する。
　実施例および比較例は、接着試験および摺動試験によって評価した。試験片は、Ｆｅ系の母材１１に、ワイヤ１２および添加材２１で摺動層３２を肉盛溶接した。摺動層３２は、溶接時に生成した溶融池へ、ワイヤ１２を正方向および逆方向へ高速で供給を繰り返すＣＭＴ式を用いて、ＭＩＧ溶接によって形成した。溶接の後、試験片は、切削および研磨などの機械加工を加えて所定の形状とした。
　接着試験では、摺動部材３０の強度として、接着強度を評価した。接着強度は、母材１１と摺動層３２との接着力である。接着試験では、図１１および図１２に示すように母材１１と摺動層３２とが所定の接合面積で接合されている試験片６０を用いた。接着強度は、試験片６０の両端に引張荷重を加え、接合部６１が破壊する最大の引張力を測定した。用いた試験片６０は、母材１１と摺動層３２との接合部６１において重なりが９ｍｍ×０．３ｍｍであり、接合面積が２．７ｍｍ２である。つまり、試験片６０は、幅が９ｍｍであり、重なり部分の長さが０．３ｍｍである。接着試験は、試験片６０の両端に、外側へ向けて２ｋＮの荷重を５ｍ／ｍｉｎの速度で加えて実施した。
　摺動試験では、摺動部材３０の強度および摺動特性として、焼付試験による耐焼付性、および摩耗試験による耐摩耗性を評価した。焼付試験では、摺動部材３０の焼き付かない最大面圧を耐焼付性として評価した。摩耗試験では、摺動部材３０の摩耗量を耐摩耗性として評価した。摺動試験における焼付試験および摩耗試験は、図１３および図１４に示すように円弧環状に形成した試験片７０を保持具７１に取り付け、保持具７１に取り付けた試験片７０を筒状の試験軸７２に押し付けて実施した。摺動試験は、図１５に示す条件による焼付試験、および図１６に示す条件による摩耗試験で摺動部材３０の実施例および比較例を評価した。
　実施例および比較例の評価結果をそれぞれ図１７および図１８に示す。粒子相３５の面積率Ｓｖは、任意の観察断面５０から１０箇所の観察領域５１を任意に抽出し、抽出した各観察領域５１における面積率Ｓｖの最大値および最小値を算出している。すなわち、図１７および図１８の場合、面積率Ｓｖは、１０箇所の観察領域５１の最大値および最小値である。粒子相３５の最大粒子径Ｄａは、観察断面５０から抽出した１０箇所の観察領域５１における粒子相３５のうち最大となる粒子相３５の粒子径である。観察領域５１は、５００μｍ×５００μｍに設定した。焼付試験では、焼き付かない最大面圧が１８ＭＰａ以上を「適格」とした。摩耗試験では、摩耗量が５μｍ以下を「適格」とした。なお、焼付試験においては、試験機器の性能の制約から、２５ＭＰａが最大値である。
　図１７に示すように実施例である試料１～試料９は、いずれも接着強度、最大面圧および摩耗量が適格である。これに対し、図１８に示すように比較例である試料１０、試料１３および試料１６は、粒子相３５の面積率Ｓｖが過大となっている。そのため、これら試料１０、試料１３および試料１６は、摩耗量が低下するものの、相手材への攻撃性が高く、耐焼付性の低下を招くことがわかる。また、比較例である試料１１、試料１４および試料１７は、粒子相３５が凝集し、最大粒子径Ｄａが過大となっている。粒子相３５が凝集することにより、摺動層３２は、場所によって耐焼付性および耐摩耗性が異なる。そのため、これら試料１１、試料１４および試料１７は、マトリクス３４における粒子相３５の分布が不均一になり、耐焼付性および耐摩耗性が悪化することがわかる。
　比較例である試料１２、試料１５および試料１８は、摺動層３２に含まれる粒子相３５の面積率Ｓｖが過小となっている。そのため、これら、試料１２、試料１５および試料１８は、耐焼付性および耐摩耗性の向上が見込めないことがわかる。比較例である試料１９および試料２０は、添加材２１を母材１１に生じた溶融池に添加している。そのため、試料１９および試料２０は、粒子相３５が局所的に生成する偏析を招いている。試料１９および試料２０は、この偏析によって、耐焼付性および耐摩耗性のばらつきが増大していることがわかる。比較例である試料２１および試料２２は、添加材２１を添加しておらず、摺動層３２に粒子相３５が含まれていない。そのため、試料２１および試料２２は、耐焼付性および耐摩耗性が悪化することがわかる。
　以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
　例えば、摺動部材３０は、母材１１および摺動層３２に加え、図示しないオーバレイ層を備えていてもよい。この場合、オーバレイ層は、摺動層３２の表面、つまり母材１１と反対側の面に摺動層３２に重ねて形成される。オーバレイ層は、例えばＳｎやＢｉなどの軟質の金属または合金を用いることが好ましい。また、オーバレイ層は、例えば固体潤滑剤を分散した樹脂などを用いてもよい。摺動部材３０は、オーバレイ層を備えるとき、このオーバレイ層の最表面が相手材と摺動する摺動面３３となる。さらに、摺動部材３０は、母材１１と摺動層３２との間に、図示しない１層以上の中間層を備えていてもよい。この場合、中間相は、例えばＮｉやその合金など、母材１１と摺動層３２との接着力を高める材料を用いることが好ましい。

Claims (17)

  1. 　母材と、
    　前記母材に積層され、マトリクスおよび前記マトリクスに均一かつ微細に分散した粒子相を有する摺動層と、
    　を備える摺動部材であって、
    　前記摺動層において任意の観察断面を設定し、前記観察断面から５００μｍ×５００μｍ以上の大きさの観察領域を複数抽出したとき、複数の前記観察領域における前記粒子相の面積率Ｓｖは、いずれの前記観察領域においても、０．２％≦Ｓｖ≦５％であり、
    　前記粒子相の最大粒子径Ｄａは、０μｍ＜Ｄａ≦３０μｍである、
    　摺動部材。
  2. 　前記マトリクスは、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎのうちのいずれかの元素が第一成分である請求項１記載の摺動部材。
  3. 　前記粒子相は、前記マトリクスよりも硬度の高い高硬度相を含む、
    　請求項１記載の摺動部材。
  4. 　前記粒子相のビッカース硬度をＨＶ１とし、前記マトリクスのビッカース硬度をＨＶ２としたとき、５≦ＨＶ１／ＨＶ２≦５０である、
    　請求項３記載の摺動部材。
  5. 　前記高硬度相は、
    　Ｎｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｒ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｃｕから選択される少なくとも１つの元素もしくはこれらの化合物、またはＯ、Ｎとの化合物である、
    　請求項３記載の摺動部材。
  6. 　前記摺動層において前記高硬度相が含まれる体積割合Ｗは、
    　０．１ｖｏｌ％≦Ｗ≦５．０ｖｏｌ％である、
    　請求項３記載の摺動部材。
  7. 　前記粒子相は、前記マトリクスよりも硬度の低い低硬度相を含む、
    　請求項１記載の摺動部材。
  8. 　前記母材と前記摺動層との接着強度Ｆは、
    　２５０Ｎ／ｍｍ２≦Ｆである、
    　請求項１記載の摺動部材。
  9. 　前記摺動層の厚さＴは、
    　０ｍｍ＜Ｔ≦０．５ｍｍである、
    　請求項１記載の摺動部材。
  10. 　厚さ方向において前記母材が前記摺動層から熱の影響を受ける厚さＴｔは、
    　Ｔｔ≦５００μｍである、
    　請求項１記載の摺動部材。
  11. 　前記摺動層の表面における粗さＲａは、
    　Ｒａ≦０．６である、
    　請求項１記載の摺動部材。
  12. 　前記粗さＲａは、
    　０．３≦Ｒａ≦０．６である、
    　請求項１１記載の摺動部材。
  13. 　請求項１から１２のいずれか一項記載の摺動部材を備えるギアボックスであって、
    　前記母材は軸部材であり、前記摺動層は前記軸部材の外周側に積層されている、
    　ギアボックス。
  14. 　請求項１３記載のギアボックスを備える、
    　風力発電機。
  15. 　母材にワイヤをアーク溶接することによって摺動層を形成する摺動部材の製造方法であって、
    　前記摺動層を構成するマトリクスとなる前記ワイヤを供給する工程と、
    　供給された前記ワイヤを、前記母材との放電によって溶融し、溶滴を形成する工程と、
    　形成された溶滴に、前記マトリクスに添加する添加材を添加する工程と、
    　を含む摺動部材の製造方法。
  16. 　前記マトリクスに添加される前記添加材は、粒子、前記粒子を含む粉末、前記粒子を含むワイヤ、または前記粒子を含む棒材として前記溶滴に加えられる請求項１５記載の摺動部材の製造方法。
  17. 　前記摺動層が形成された後、機械加工によって前記摺動層の厚さを０．５ｍｍ以下にする工程を、
    　さらに含む請求項１５記載の摺動部材の製造方法。
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