JP2005076075A

JP2005076075A - 溶射皮膜とその形成方法及び軸受部材

Info

Publication number: JP2005076075A
Application number: JP2003306973A
Authority: JP
Inventors: Masateru Hirano; 雅揮平野; Noritaka Miyamoto; 典孝宮本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】鉛を含まない摺動特性に優れかつ高強度で密着性に優れた溶射皮膜とその形成方法、及び鉛を含まない摺動特性に優れかつ高強度で密着性に優れた溶射皮膜を有する軸受部材を提供することである。
【解決手段】基材表面に溶射する溶射粉末を、重量百分率で５〜２５％のＳｎ粉末と９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末とする。ここで、Ａｌ粉末の粒径に対するＳｎ粉末の粒径が０．５〜０．８であることが望ましい。
また、基材表面に溶射する溶射粉末を、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属粒子を基材表面に溶射して形成した溶射皮膜と、その形成方法および軸受部材に関する。

軸受部材の摺動部に溶射皮膜を形成することで、軸受部材を小型化、軽量化することができる。近年、このような溶射皮膜を形成した軸受部材に関する技術が報告されるようになった（例えば、特許文献１）。当該文献に開示された軸受材料は、溶射により形成される特殊な組織を持つ青銅系軸受け材料に関するものである。すなわち、溶射層の組織を青銅アトマイズ粉の未溶解組織と、鉛を強制固溶した層状溶射組織との混合組織とするか、あるいは３〜４０％の鉛を含有する粉体の未溶解組織と、３％未満の鉛を含有するかもしくは含有しない溶解組織との混合組織としたものである。このような組織の溶射層を有することで、摺動特性に優れ、かつ高硬度で密着性に優れた軸受材料が得られるとしている。しかし、当該技術においては、主として摺動成分として多量の鉛を使用している。

２０００年１０月に発効したいわゆる「ＥＵ廃車指令」では、原則として自動車部材に、鉛、水銀、カドミウムおよび６価クロムといった重金属の使用を禁止している。このため、摺動部に鉛を含まない溶射軸受部材の開発が望まれていた。
特許第２９６５１９２号公報

本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、本発明の第１の目的は、鉛を含まない摺動特性に優れかつ高強度で密着性に優れた溶射皮膜を提供することである。また、本発明の第２の目的は、鉛を含まない摺動特性に優れかつ高強度で密着性に優れた溶射皮膜の形成方法を提供することである。さらに、本発明の第３の目的は、鉛を含まない摺動特性に優れかつ高強度で密着性に優れた溶射皮膜を形成した軸受部材を提供することである。

本発明者は、溶射皮膜中にＳｎを多量に含有させることにより，摺動特性に優れかつ高強度で密着性に優れた溶射皮膜を得ることのできることを見出して本発明を完成した。

請求項１の溶射皮膜に係わる発明は、本発明の第１発明であり、上記第１の目的を達成するために、金属粒子を基材表面に溶射して形成した溶射皮膜であって、前記金属粒子は、重量百分率で５〜２５％のＳｎ粉末と９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末であることを特徴とするものである。

請求項２の溶射皮膜に係わる発明は、上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の発明において、前記混合粉末の粒径は１０〜７５μｍであることを特徴とするものである。

請求項３の溶射皮膜に係わる発明は、上記第１の目的を達成するために、請求項１または２に記載の発明において、前記Ａｌ粉末の粒径に対する前記Ｓｎ粉末の粒径が０．５〜０．８であることを特徴とするものである。

請求項４の溶射皮膜に係わる発明は、本発明の第２発明であり、上記第１の目的を達成するために、金属粒子を基材表面に溶射して形成した溶射皮膜であって、
前記金属粒子は、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末であることを特徴とするものである。

請求項５の溶射皮膜に係わる発明は、上記第１の目的を達成するために、請求項４に記載の発明において、前記粉末の粒径は１０〜４５μｍであることを特徴とするものである。

請求項６の溶射皮膜に係わる発明は、上記第１の目的を達成するために、請求項４または５に記載の発明において、前記溶射層中の酸素濃度が４重量％未満であることを特徴とするものである。

請求項７の溶射皮膜の形成方法に係わる発明は、本発明の第３発明であり、上記第２の目的を達成するために、重量百分率で５〜２５％のＳｎと９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成することを特徴とするものである。

請求項８の溶射皮膜の形成方法に係わる発明は、本発明の第４発明であり、上記第２の目的を達成するために、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成することを特徴とするものである。

請求項９の溶射皮膜の形成方法に係わる発明は、上記第２の目的を達成するために、請求項８に記載の発明において、前記基材を２００〜３００℃に予熱することを特徴とするものである。

請求項１０の溶射皮膜の形成方法に係わる発明は、上記第２の目的を達成するために、請求項９に記載の発明において、前記溶射皮膜の積層回数は１回であることを特徴とするものである。

請求項１１の軸受部材に係わる発明は、本発明の第５発明であり、上記第３の目的を達成するために、金属粒子を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成した軸受部材であって、前記金属粒子は、重量百分率で５〜２５％のＳｎ粉末と９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末であることを特徴とするものである。

請求項１２の軸受部材に係わる発明は、本発明の第６発明であり、上記第３の目的を達成するために、金属粒子を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成した軸受部材であって、前記金属粒子は、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末であることを特徴とするものである。

本発明の第１発明の溶射皮膜は、Ａｌ粉末とＳｎ粉末とを混合粉末として溶射して形成するので、溶射皮膜中にＳｎを均一に分散することができる。従って、面圧疲労強度が高く焼き付き強度の高い良好な溶射皮膜を得ることができる。

また、本発明の第２発明の溶射皮膜は、Ｃｕ中に大量のＳｎを含有させることによって、溶射皮膜の酸化を抑制することができる。従って、溶射皮膜の硬化を抑えることができ、溶射粉末を高温で溶融することができるので、基材との密着強度が高く、また、面圧疲労強度の高い溶射皮膜を得ることができる。さらに、本合金粉末によれば、溶射時の粉末供給量を多くして溶射皮膜の積層回数（溶射ガンのパス回数）を減らすことができる。これにより、形成された溶射皮膜の品質の向上と、生産性を著しく向上させる効果がある。

本発明の軸受部材は、自動車内燃機関のコンロッドとして好適に使用することができる。

本発明の軸受部材は、軸受部材の小型化、軽量化に寄与し、さらに燃費の向上に寄与するところ大である。

まず、本発明の第１発明の実施の形態について図１〜１３を参照しながら説明する。

Ａｌ−Ｓｎ合金粉末をプラズマ溶射して溶射皮膜を形成すると、ＳｎはＡｌ中に固溶しにくいために溶射された合金粉末表面にＳｎが析出する。Ｓｎは融点が２３２℃と、Ａｌの６６０℃に対して極めて低い。このため、図１２に示すように溶射皮膜１では、隣接する溶射粒子から該粒子表面に析出したＳｎ３が溶融するとともに連なって融合し、Ａｌ粒子２を包み込んだ溶射組織が得られる。このような溶射組織においては，Ａｌに比べてＳｎの強度は低いために、溶射被膜１に引張り力が働くと融合したＳｎ３に沿って亀裂Ｃが発生する。従って、溶射被膜１の強度は低いものとなる。図１３に、Ａｌ−１０％Ｓｎ合金粉末を溶射して得られた溶射皮膜のＥＰＭＡによるマッピング像を示す。ａはＡｌ，ｂはＳｎのマッピング像である。Ａｌの間に融合したＳｎが連続面を形成していることが分かる。

本第１発明の溶射皮膜は、Ａｌ粉末にＳｎ粉末を混合して、この混合粉末を溶射して形成した溶射皮膜である。このようにして形成された溶射皮膜では、図１に示すようにＡｌ粒子２の層中に溶融Ｓｎ３が分散して凝固した溶射組織１が得られ、Ａｌ粒子２が摺動荷重を支え、分散して溶融凝固したＳｎ３が摺動成分として焼き付き強度を確保することができる。図２に、Ａｌ粉末にＳｎ粉末を１０重量％混合した混合粉末を溶射して得られた溶射皮膜のＥＰＭＡによるマッピング像を示す。ａはＡｌ，ｂはＳｎのマッピング像である。ここでは、Ａｌの中にＳｎが分散して凝固していることが分かる。

本第１発明の溶射皮膜は、金属粒子を基材表面に溶射して形成した溶射皮膜であって、前記金属粒子は、重量百分率で５〜２５％のＳｎ粉末と９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末であることを特徴とする。（以降、％は重量％とする。）
Ｓｎ粉末の配合量に対する溶射被膜の面圧疲労強度の変化と焼き付き荷重の変化とを図３に示す。左縦軸は皮膜の面圧疲労強度を、右縦軸は焼き付き強度を示す。ここで、面圧疲労強度は、軸受けに軸からの繰り返し面圧（たたき）を付加して溶射皮膜が破損する疲労強度である。すなわち、所定の混合粉末を溶射して形成した溶射皮膜を有する溶射軸受けに円柱形のシャフトを挿通し、シャフトを所定の周速で回転するとともに、一定の面圧で溶射皮膜表面とシャフト外周面との接触・非接触を繰り返すことで溶射皮膜の破断する面圧を面圧疲労強度とする。
本実施の形態においては、接触面圧を７０〜１００ＭＰａの範囲で変動させ、３０００回／分の面圧を発生させ、１０⁷回で溶射皮膜が破損する面圧を面圧疲労強度とした。なお、シャフトの周速は６．７ｍ／ｓｅｃとした。

図３で溶射被膜の面圧疲労強度（■で示す）は、混合粉末中のＳｎ粉末量の増加とともに低下する。特にＳｎ粉末の配合量が２５重量％を越えると急激に低下することが分かる。これは、Ｓｎ粉末の配合量の増加とともに溶射皮膜中でＳｎ粒子が隣接する確率が高まり、相互に融合しやすくなったためであると推察される。

一方、よく知られているようにＳｎは摺動成分であるので、溶射皮膜の焼き付き荷重（◆で示す）は、Ｓｎ粉末量の増加とともに高くなる。

以上のように、溶射皮膜の面圧疲労強度と焼き付き強度とはＳｎ粉末の配合量の増加に伴って、相反する挙動を示す。従って、溶射皮膜に要求される特性値に合わせて、Ｓｎ粉末の配合量を両方の特性値を満足する範囲で選択することが望ましい。すなわち、Ｓｎ粉末の配合量が５重量％未満では、十分な耐焼き付き荷重が得られない。また、Ｓｎ粉末の配合量が２５重量％を越えると十分な面圧疲労強度を得ることができない。従って、混合粉末全体を１００重量％としてＳｎ粉末の配合量は、５〜２５重量％とすることが望ましい。Ｓｎ粉末のより好ましい配合量は、混合粉末を１００重量％として１０〜１５重量％である。

混合粉末の粒径は１０〜７５μｍであることが望ましい。混合粉末の粒径が１０μｍ未満では溶融しやすいために安定した溶射が得られない、また、７５μｍを越えると混合粉末が溶融不足となることがあるので好ましくない。さらに好ましくは４５〜７５μｍである。

ところで、以上のようにＡｌとＳｎの粒径が同程度の粉末を混合して溶射すると、図４に示すように溶射皮膜１内でＳｎ３が基材４側に偏って溶射されることがある。これは、Ａｌの比重が約２．７に対してＳｎの比重は約７．３と大きく、両者の比重の差が大きいためである。粉末の粒径が同程度であるＡｌ粉末とＳｎ粉末を混合粉末としてプラズマジェット中に供給すると、Ｓｎ粉末の方が粉末供給部の先端から飛び出す初速が遅いために、プラズマジェットの奥深くにまで到達することができない。このためにＡｌ粒子よりも早く基材の表面に到達するので、基材表面側にＳｎ３が偏ることとなる。溶射ガンを基材表面に平行に移動させ、１回の移動（１パス条件）で溶射する場合には、このＳｎの偏りが顕著に現れる。多パス条件とすればこのＳｎの偏りを無くすことができるが、この場合には、溶射皮膜を積層することとなり、層間に酸化物が形成されて層間剥離が生じるおそれがあり好ましくない。

そこで、Ａｌ粉末に対してＳｎ粉末の粒径を小さくして、Ａｌ粉末の粒子の重量とＳｎ粉末の粒子の重量とを同程度にすることで、Ａｌ粒子とＳｎ粒子とをほぼ同時に基材表面へ到達するようにする。このように、粒子の重量を同程度とすることにより、図５に示すようにＳｎを溶射皮膜中に均一に分散することができる。

比重の異なる粉末を混合粉末とする場合には、混合する粉末の粒径の違いによって皮膜中での分散の様子が異なる。図６は、Ａｌ粉末とＳｎ粉末について粒径の違いと皮膜中のＳｎの分散状態との関係を調べたものである。すなわち、Ａｌの平均粒径に対するＳｎの平均粒径の比（以下、粒径比と称する）を横軸としＳｎの分散率を縦軸として、粒径比の変化による溶射被膜内でのＳｎの分散率の変化を示している。ここで、分散率は、溶射皮膜の基材側と表面側とにおけるＳｎの面積率のバラツキを表すものとする。図７に示すように任意の溶射皮膜断面において溶射皮膜を厚さ方向に２等分して、中間より表面側の皮膜をＡ、中間より基材側の皮膜をＢとする。ＡにおけるＳｎの面積率をａ、ＢにおけるＳｎの面積率をｂとして、分散率を（ａ−ｂ）の絶対値と定義する。つまり、分散率が大きいほど溶射被膜中でのＳｎの偏りが大きく、分散率が０に近いほど溶射被膜中でＳｎは均一に分散していることを示す。図６から、Ｓｎの分散率は、粒径比が０．７付近までは粒径比の増加につれて減少する。その後増加して粒径比が１，すなわちＡＬ粉末とＳｎ粉末との粒径が一致すると分散率は１０％程度となる。

溶射皮膜の安定した面圧疲労強度を得るためには、この分散率は０．５％以下であることが望ましい。つまり、Ａｌ粉末の粒径に対するＳｎ粉末の粒径は、０．５〜０．８であることが望ましい。

以下、具体例により本第１発明の溶射皮膜についてさらに詳しく説明する。

図８は、溶射粉末の種類による溶射皮膜の面圧疲労強度を比較した具体例である。横軸は粉末の種類であり縦軸はその粉末を溶射して形成された溶射皮膜の面圧疲労強度である。Ａは平均粒径が６０μｍのＡｌ粉末に平均粒径が２５μｍのＳｎ粉末を１０重量％配合した混合粉末である。Ｂは平均粒径が６０μｍのＡｌ粉末に、平均粒径がＡｌ粉末と同程度の６０μｍのＳｎ粉末を１０重量％配合した混合粉末である。また、ＣはＡｌにＳｎを１０重量％配合した平均粒径が６０μｍのＡｌ−Ｓｎ合金粉末である。面圧疲労強度は、合金粉末を溶射したＣよりも、混合粉末で溶射したＡ及びＢの方が高い値が得られた。さらに、混合粉末溶射においても、Ａｌ粉末の粒径よりもＳｎ粉末の粒径が小さい混合粉末を用いたＡの方が、同程度の粒径である混合粉末を用いたＢよりもさらに高い面圧疲労強度を示すことが分かる。

図９は前記の粉末Ｂと粉末Ｃを用いて形成した各溶射皮膜について、それぞれ２０箇所のビッカース硬さ（ＨＶ：０．２）を常温で測定した結果である。平均硬さは混合粉末であるＢが合金粉末であるＣに比べてやや高い程度であるが、図中太線で示す硬さのバラツキは、ＣではＨＶ３０〜ＨＶ８０と著しく大きいのに対して、ＢではＨＶ５０〜ＨＶ７０と小さいことが分かる。このことから、混合粉末を溶射することによって溶射皮膜内にＳｎが均一に分散していることが推察される。つまり、混合粉末Ｂを用いた溶射皮膜では皮膜硬さのバラツキを抑えることができるので、結果として溶射皮膜の摩耗量などのバラツキを低減することができる。

図１０は、溶射皮膜の加熱状態での高温硬さの変化を示している。混合粉末Ｂによる溶射皮膜（◆）と合金粉末Ｃによる溶射皮膜（◇）との結果を併記した。いずれの場合も温度が高くなるにつれて皮膜の硬さは低下する。しかし、低下の程度は、混合粉末Ｂの方が合金粉末Ｃに比べて小さい。すなわち、溶射皮膜中にＳｎを分散することにより高温硬さの低下を抑制でき、高温状態での耐摩耗性の低下を防止することができる。Ｓｎは高温硬さが低下しやすいが、均一に分散させることで高温硬さの低下を抑制できることが分かる。

本第２発明の溶射皮膜は、金属粒子を基材表面に溶射して形成した溶射皮膜であって、前記金属粒子は、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末であることを特徴とするものである。

図１４にＣｕ合金中のＳｎ量による溶射皮膜の酸化量（重量百分率で示す酸素濃度）の変化を示す。Ｓｎの含有量が増加するのに伴って酸化量は減少することが分かる。酸化量はＳｎの含有量が３５％付近で約２．８％と最小となり、その後わずかに増加してＳｎの含有量が５０％では約３．２％となる。従来のＳｎの含有量が５％であるＣｕ合金粉末における酸化量は約５．８％であるので、Ｓｎ含有量の増加により溶射皮膜の酸化が著しく抑制されることが分かる。これは、Ｃｕ中にＳｎが固溶した結果、ＣｕとＳｎとが規則格子的な原子配列を形成したために、酸素がこの規則格子の内部に拡散しにくくなったためと考えられる。

以上のように溶射皮膜の酸化を抑制できることで、溶射皮膜の特性に対して以下のような従来にない有用な作用を及ぼすことができる。
１）溶射皮膜の硬化を抑制することができる。

図１５には、Ｓｎの含有量による皮膜硬さの変化を示す。皮膜硬さはＳｎ量の増加に伴って低下してＳｎ含有量が１５％付近でＨＶ１２０となり、２５％付近では最も低いＨＶ１００程度となる。さらにＳｎ含有量が増加すると皮膜硬さは徐々に増加して、Ｓｎ含有量が４０％付近で再びＨＶ１２０となりさらに硬さを増す。すなわち、Ｓｎ含有量を増加させることにより溶射皮膜の酸化を抑制できるので、皮膜硬化を抑制できることが分かる。例えば、相手材とのなじみ性を確保するためにＨＶ１２０以下の硬さの皮膜を形成する場合には、Ｃｕ合金中のＳｎ量を１５〜４０％とすればよいことが分かる。
２）溶射皮膜の伸び率を向上させることができる。

図１６にＳｎの含有量と皮膜の伸び率との関係を示す。ここで伸び率は、溶射皮膜の引張り応力に対する長さの増加率を示す。すなわち、伸び率は溶射皮膜の変形限界量を示しており高い方が好ましい値である。図１６から分かるように、Ｓｎ含有量の増加に伴って、伸び率は向上しＳｎ含有量が３０％付近で約０．３５％の最大値となる。さらにＳｎ含有量を増加させると伸び率は僅かに低下する。つまり、Ｓｎ含有量の増加に伴い皮膜の酸化が抑制されるので、皮膜の伸び率を向上させることができるわけである。例えば、軸受部材がコンロッドの場合には、稼働中のコンロッドのひずみに対応するために必要な溶射皮膜の伸び率は０．２％以上であり、図１６では目標値として点線で示している。Ｃｕ−５％Ｓｎの従来合金では十分な伸び率が得られないが、Ｓｎ量を増加させることで皮膜の伸び率を向上させやすいことが分かる。
３）面圧疲労強度の高い溶射皮膜を形成することができる。

以上のように酸化しにくい材料にすることで、従来より粉末の溶融熱を増加させても溶射皮膜は硬化しにくい。そこで、粉末の溶融熱を高めることで、粉末粒子同士の密着性を高め、溶射皮膜の面圧疲労強度を向上させることができる。

図１７に、溶射粉末としてＣｕ−２５％Ｓｎ粉末を用いた溶射皮膜の粉末の溶融熱による面圧疲労強度の変化を示した。横軸に溶融熱としてプラズマを発生させるための電力（ｋＷ）をとった。図１７で、溶融熱を増加させることで面圧疲労強度が向上することが分かる。例えば、従来のＣｕ−５Ｓｎ粉末の溶射では、酸化を抑えるために溶融熱は３０ｋＷであったが、Ｓｎの含有量を増加したＣｕ−２５％Ｓｎ粉末を用いれば溶融熱を４０ｋＷ以上としても酸化の心配はない。つまり、Ｓｎ含有量を変化させて従来より高温で溶射することで、例えば、硬さをＨＶ１２０以下に維持しながら、面圧疲労強度を目標値である８０（ＭＰａ）以上にすることができる。従って、溶融熱は３０〜５０ｋＷとすることが望ましい。
４）基材との密着強度の高い溶射皮膜を形成することができる。

一般的に基材を予熱すると、溶融粒子が基材表面に衝突した後も液体状態を維持する時間が長くなるため基材との密着強度が向上する。しかし、従来合金では溶射皮膜が酸化しやすいので基材の予熱温度を高くすることができなかった。本発明では、溶射粉末を酸化しにくい材料にすることで、従来より基材の予熱温度を高温とすることができる。つまり、皮膜硬さを低く維持しながら皮膜密着強度や面圧疲労強度を向上させることができるわけである。

Ｃｕ−２５％Ｓｎ合金粉末を溶射して形成した溶射皮膜について、基材予熱温度と密着強度との関係を図１８に示した。基材予熱温度の上昇に伴って密着強度は高くなる。Ｃｕ−５％Ｓｎの従来合金粉末では、基材予熱温度を１００℃以上とすることは困難であったが、Ｓｎ含有量を増加させることで、従来より基材の予熱温度を高温にできることが分かる。

図１９は、Ｃｕ−２５％Ｓｎ合金粉末を溶射して形成した溶射皮膜について、基材予熱温度と面圧疲労強度との関係を示したものである。前記の密着強度と同様に基材予熱温度の上昇に伴って面圧疲労強度は向上する。Ｃｕ−５％Ｓｎの従来合金粉末では、基材予熱温度を１００℃以上とすることは困難であったため、目標値ぎりぎりの面圧疲労強度しか得られなかったが、Ｓｎ含有量を増加させることで基材予熱温度を高めることができるので、さらに高い面圧疲労強度を得ることができる。

つまり、皮膜硬さを低く維持しながら皮膜密着強度や面圧疲労強度を向上させるために、基材の予熱温度は２００〜３００℃であることが望ましい。。
５）基材温度のバラツキによる溶射皮膜の硬さバラツキを抑制することができる。

図２０に基材予熱温度と溶射皮膜硬さとの関係を示す。溶射粉末としてＣｕ−２５％Ｓｎ合金を用いた場合を△、従来のＣｕ−５％Ｓｎ合金を用いた場合を■で示し、さらに参考として銅粉末を用いた場合を◆で示した。いずれの場合も基材予熱温度の上昇とともに皮膜硬さは増加する。しかし、Ｓｎ含有量の多い方が硬さは低いことが分かる。特にＣｕ−２５％Ｓｎ合金粉末の場合には、基材予熱温度にほぼ比例して硬さは高くなるが、その割合は小さく、例えば、基材予熱温度が１００℃から３００℃に２００℃上昇しても、硬さは約ＨＶ３０程度しか硬くならない。従って、基材予熱温度がばらついても溶射皮膜の硬さは大きくばらつくことはない。

すなわち、Ｓｎ量を増加させることで酸化を抑制できるので、基材の予熱による皮膜硬さのバラツキを抑制することができる。
６）溶射皮膜の耐焼き付き性を向上させることができる。

従来のようにＣｕ−Ｓｎ合金粉末を焼結して形成した軸受メタルでは、図２１に■で示すように、合金粉末中のＳｎ含有量の増加に伴って軸受メタルの硬度は急激に増加する。これは、合金粉末を焼結することにより、軸受メタル中にＣｕ₃₁Ｓｎ₈，Ｃｕ₄₁Ｓｎ₁₁といったＣｕＳｎ金属間化合物が部分的に形成されるためと考えられる。このため、軸受メタル用の合金粉末材にあってはＳｎの含有量を増加させることができなかった。

ところが、溶射皮膜は急冷凝固によって形成されるために、同一の合金組成であってもＣｕＳｎ金属間化合物を形成しにくく、Ｓｎ量を増加させても皮膜硬化しにくいと考えられる。そのため、図２２に示すように摺動成分であるＳｎを増加させて耐焼き付き性を向上させることができる。
７）溶射皮膜を低エネルギで溶射成形することができる。

Ｃｕ−Ｓｎ合金ではＳｎの含有量を増加させることにより、大幅に融点を下げることができる。例えば、銅の融点は約１１００℃であるが、Ｃｕ−２５％Ｓｎ合金では約８００℃とその融点は極めて低くなっている。そのため、Ｓｎの含有量を増加させるほど、溶射粉末の溶融に必要なエネルギを小さくすることができる。合金粉末の融点を低くできると、溶射粉末の供給量を大きくしても溶射皮膜内に未溶融粒子ができにくく、従って、溶射皮膜を形成する溶射積層回数（溶射ガンのパス回数）を低減することができる。溶射積層回数を少なくすることで、形成された積層間の酸化を抑制し、溶射皮膜全体の酸化量を低減することができる。

図２３は、Ｃｕ−２５％Ｓｎ粉末を溶射して形成した溶射皮膜の溶射積層回数と皮膜内の酸化量との関係を示したものである。形成された皮膜厚さは４００μｍで一定とした。一回毎の溶射量を増加させて積層回数を減らすことによって溶射皮膜内の酸化量が低減していることが分かる。

従って、本第２発明の溶射皮膜の積層回数はできるだけ少ないことが望ましく、１回で形成することが好ましい。

以上のように、本第２発明の溶射皮膜は、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末を基材表面に溶射して形成した溶射皮膜である。すでに説明したように、Ｓｎ含有量が１５重量％未満、あるいはＳｎ含有量が４０重量％を越えると溶射皮膜中の酸化量が大きくなり、溶射皮膜の硬度が高くなって適当ではない。より好ましくはＣｕ中のＳｎの含有量は２０〜３５重量％である。

また、Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末の粒径は１０〜４５μｍであることが望ましい。合金粉末の粒径が１０μｍ未満では溶融しやすいために安定した溶射が得られない、また、４５μｍを越えると溶融不足となることがあるので好ましくない。さらに好ましくは２０〜３５μｍである。

本発明の溶射皮膜は酸化量が４％未満であることが望ましい。酸化量が４％を越えると皮膜が硬化して好ましくない。より好ましくは１％未満である。

本発明の第３発明は、第１発明の溶射皮膜を形成する溶射皮膜の形成方法に関する発明である。

すなわち、本発明の溶射皮膜の形成方法は、重量百分率で５〜２５％のＳｎと９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成することを特徴とするものである。ここで、本実施の形態における溶射皮膜の形成方法は特に限定されるものでなく、通常の方法で行うことができる。一例を以下に説明する。

まず、基材表面にショットブラストを施し、表面をＲｚ＝４０〜６０μｍとする。ショットブラストにより粗面化した表面に溶射皮膜と基材との密着性を高めるために、メッキ、スパッタリング、溶射などの方法により中間層を形成する。中間層の厚さは１００〜１５０μｍであることが望ましい。次に、この中間層の上に、溶射粉末を溶射して３５０〜４００μｍの溶射皮膜を形成する。さらに切削加工などを施して所望の完成皮膜となす。

ここで、基材は、鋼、アルミニウムなど各種の材料を限定することなく採用することができるが、鋼が好ましい。また、中間層材料は特に限定するものではなく、銅、ニッケル、アルミニウム、銅ニッケル系合金、ニッケルアルミ系合金、銅アルミ系合金、ニッケル自溶合金及びコバルト自溶合金などを適宜に使用することができる。

溶射方法としてはプラズマ溶射法が望ましい。図１１に、その一例を模式的に示した。溶射ガン１１から噴出されるプラズマジェット１２によって、粉末供給ホース１３からこのプラズマジェット１２内へ供給された粉末１４が、溶融されるとともにワーク（例えば軸受部材など）１５の内周面へ溶射される。溶射ガン１１は、ワーク１５の軸心線に対して角度αで傾斜して保持されており、溶射距離ｄを保って軸心線に平行に上下（矢印Ｙ）しながら、軸心周りに回転しているワーク１５の内周面へ溶射皮膜を形成することができる。

なお、本発明の第１発明であるＡｌ粉末とＳｎ粉末とを混合した混合粉末の好適な溶射条件の一例を表１に示す。

本発明の第４発明は、第２発明の溶射皮膜を形成する溶射皮膜の形成方法に関する発明である。

すなわち、本発明の溶射皮膜の形成方法は、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成することを特徴とする。一例を以下に説明する。

まず、基材表面にショットブラストを施し、表面をＲｚ＝４０〜６０μｍとする。ショットブラストにより粗面化した表面に溶射皮膜と基材との密着性を高めるために、メッキ、スパッタリング、溶射などの方法により中間層を形成する。中間層の厚さは１００〜１５０μｍであることが望ましい。次に、この中間層の上に、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末を溶射して３５０〜４００μｍの溶射皮膜を形成する。さらに溶射皮膜には切削加工などを施して所望の完成皮膜となす。

ここで、基材は、鋼、アルミニウムなど各種の材料を限定することなく採用することができるが、鋼が好ましい。また、中間層の材料は特に限定するものではなく、銅、ニッケル、アルミニウム、銅ニッケル系合金、ニッケルアルミ系合金、銅アルミ系合金、ニッケル自溶合金及びコバルト自溶合金などを適宜に使用することができる。

なお、本発明の第２発明であるＣｕ−Ｓｎ合金粉末の好適な溶射条件の一例を表２に示す。

本発明の溶射皮膜の形成方法においては、基材を２００〜３００℃に予熱して溶射皮膜を形成することが望ましい。基材の予熱温度を高めることで、溶射皮膜の面圧疲労強度を向上させるとともに基材との密着強度を向上することができる。

また、本発明の溶射皮膜の形成方法においては、溶射粉末を溶融する溶融熱が３０〜５０ｋＷであることが望ましい。溶融熱を高くすることにより溶射皮膜の面圧疲労強度を向上させることができる。

さらに、本発明の溶射皮膜の形成方法においては、溶射皮膜の積層回数は１回である好ましい。溶射皮膜の積層回数を１回とすることで、皮膜の酸化を低減し良好な溶射皮膜を得ることができる。

本発明の第５発明は、軸受部材に関する発明である。すなわち、第５発明の軸受部材は、金属粒子を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成した軸受部材であって、前記金属粒子は、重量百分率で５〜２５％のＳｎ粉末と９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末であることを特徴とする。このような混合粉末を溶射して溶射皮膜を形成した軸受部材は、高い面圧疲労強度と良好な焼き付き荷重とを有するので、自動車内燃機関のコンロッドとして好適に採用することができる。

本発明の第６発明は、軸受部材に関する発明である。すなわち、第６発明の軸受部材は、金属粒子を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成した軸受部材であって、前記金属粒子は、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末であることを特徴とする。このような混合粉末を溶射して溶射皮膜を形成した軸受部材は、高い面圧疲労強度と良好な焼き付き荷重とを有するので、自動車内燃機関のコンロッドとして好適に使用することができる。

Ａｌ粉末とＳｎ粉末との混合粉末を溶射して形成した溶射皮膜の断面模式図である。Ａｌ粉末とＳｎ粉末との混合粉末を溶射して形成した溶射皮膜のＥＰＭＡによるマッピング像である。ａはＡＬ，ｂはＳｎのマッピング像である。Ａｌ粉末とＳｎ粉末との混合粉末を溶射して形成した溶射皮膜のＳｎ粉末量による面圧疲労強度と焼き付き荷重との関係を示す図である。溶射皮膜中のＳｎの偏りを説明する説明図である。溶射皮膜中にＳｎが均一に分散した状態を説明する説明図である。混合粉末の粒径比と分散率との関係を示す図である。分散率の定義を説明する説明図である。各粉末によ形成した溶射皮膜の面圧疲労強度を比較する比較図である。粉末による溶射皮膜の硬さとバラツキを示す図である。溶射皮膜の高温硬さの変化を示す図である。プラズマ溶射法の一例を示す模式図である。Ａｌ−Ｓｎ合金粉末を溶射して形成した溶射皮膜の断面模式図である。Ａｌ−Ｓｎ合金粉末を溶射して形成した溶射皮膜のＥＰＭＡによるマッピング像である。ａはＡＬ，ｂはＳｎのマッピング像である。Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末のＳｎ含有量と酸化量との関係を示す図である。Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末のＳｎ含有量と溶射皮膜の硬さとの関係を示す図である。Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末のＳｎ含有量と溶射皮膜の伸び率との関係を示す図である。Ｃｕ−２５％Ｓｎ合金粉末の溶融熱と面圧疲労強度との関係を示す図である。Ｃｕ−２５％Ｓｎ合金粉末の基材予熱温度と密着強度との関係を示す図である。Ｃｕ−２５％Ｓｎ合金粉末の基材予熱温度と面圧疲労強度との関係を示す図である。基材予熱温度による溶射皮膜硬さの変化を示す図である。Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末のＳｎ含有量と溶射皮膜の硬さとの関係を示す図である。Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末のＳｎ含有量と溶射皮膜の耐焼付き性との関係を示す図である。溶射積層回数と溶射皮膜の酸化量との関係を示す図である。

符号の説明

１：溶射皮膜２：Ａｌ３：Ｓｎ４：基材１１：溶射ガン１２：プラズマジェット１３：粉末供給ホース１４：溶射粉末１５：ワーク

Claims

金属粒子を基材表面に溶射して形成した溶射皮膜であって、
前記金属粒子は、重量百分率で５〜２５％のＳｎ粉末と９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末であることを特徴とする溶射皮膜。
前記混合粉末の粒径は１０〜７５μｍである請求項１に記載の溶射皮膜。
前記Ａｌ粉末の粒径に対する前記Ｓｎ粉末の粒径が０．５〜０．８である請求項１又は２に記載の溶射皮膜。
金属粒子を基材表面に溶射して形成した溶射皮膜であって、
前記金属粒子は、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末であることを特徴とする溶射皮膜。
前記粉末の粒径は１０〜４５μｍである請求項４に記載の溶射皮膜。
前記溶射層中の酸素濃度が４重量％未満である請求項４または５に記載の溶射皮膜。
重量百分率で５〜２５％のＳｎ粉末と９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成することを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成することを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
前記基材を２００〜３００℃に予熱する請求項８に記載の溶射皮膜の形成方法。
前記溶射皮膜の積層回数は１回である請求項９に記載の溶射皮膜の形成方法。
金属粒子を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成した軸受部材であって、
前記金属粒子は、重量百分率で５〜２５％のＳｎ粉末と９５〜７５重量％のＡｌ粉末とを混合した混合粉末であることを特徴とする軸受部材。
金属粒子を基材表面に溶射して溶射皮膜を形成した軸受部材であって、
前記金属粒子は、重量百分率で１５〜４０％のＳｎを含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる粉末であることを特徴とする軸受部材。