JP2016065638A - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストであり、苛酷環境下で使用する場合でも安定した潤滑性能を維持できる焼結軸受を提供する。【解決手段】金属粉を主成分とする原料粉を成形して金属粉成形体３'を形成し、これを焼結して金属母材３を形成する。また、黒鉛粒子１３の集合体で潤滑部材４を形成し、軸受面１１の少なくとも一部を潤滑部材４で構成する。潤滑部材４を金属粉成形体３'に嵌合してから金属粉成形体３'を焼結させ、その際に金属粉成形体３'に生じる収縮力Ｆで潤滑部材４を金属母材３に固定する。【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材およびその製造方法に関する。

摺動部材の一種である焼結軸受は、粉末冶金法により製造された多孔質の金属体内に潤滑油を含浸させたものである。軸受内部の空孔に保持された潤滑油は、軸の回転に伴うポンプ作用や発熱により、軸受内部から摺動面である軸受面に滲み出し、軸受面に潤滑油膜を形成する構成になっている（例えば特許文献１）。

特開２０１０−１７５００２

近年では、高面圧や高温といった苛酷条件下でも使用可能な焼結軸受の提供が望まれている。しかしながら、既存の焼結軸受は、高面圧下では潤滑油膜の破断による金属接触が起こり易く、また高温下では潤滑油が早期に劣化し易い。そのため、安定した潤滑性を得ることが難しいという問題がある。そのため特許文献１では、焼結軸受に含浸させる潤滑油の組成や特性を改良することで、潤滑油膜強度を高めて高面圧下でも使用可能にする提案がなされているが、潤滑機能を潤滑油が主体となって担う限り、苛酷条件下での使用には限界がある。また、特許文献１のように潤滑油を含浸させた焼結軸受は、潤滑油の混入を嫌う環境下では使用できない点も問題となる。

その一方で、特許文献１に記載されたような焼結軸受では、軸受面の潤滑性を補完するため、黒鉛等の固体潤滑剤を金属粉に配合するのが通例である。しかしながら、潤滑性を増すために固体潤滑剤粉の配合量を増やしすぎると、金属粒子間の結合を阻害して材料強度の低下を招く等の問題があるため、固体潤滑剤粉の増量には限界がある。

そこで、本発明は、低コストであり、苛酷環境等の特殊環境下で使用する場合も安定した潤滑性能を維持できる摺動部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、相手側の部材と摺動する摺動面を有する摺動部材であって、金属粉を主成分とする原料粉を焼結させてなる金属母材と、固体潤滑剤粒子の集合体からなる潤滑部材とを備え、前記摺動面の少なくとも一部を潤滑部材で構成し、かつ前記原料粉を焼結させる焼結操作で潤滑部材を金属母材に固定したことを特徴とするものである。

かかる構成では、摺動面の少なくとも一部に形成された潤滑部材が固体潤滑剤の供給源となる。潤滑部材から供給された固体潤滑剤は相手側の部材との相対的な摺動によって摺動面全体に行き渡るため、摺動面全体で潤滑効果を得ることができる。また、摺動部材においては、必ずしも摺動面の全体に対して相手側の部材が摺動するとは限らず、摺動面の限定された一部領域が相手側の部材と摺動する場合もある。その場合、相手側の部材との摺動領域に潤滑部材が位置するように潤滑部材の位置や形状を設計し、あるいはその摺動領域に潤滑部材が位置するように摺動部材の設置姿勢を調整することで、相手側の部材を常時潤滑部材に対して摺動させることが可能となる。また、摺動面に現れる潤滑部材の面積を増やせば潤滑効果を高めることができる。その場合でも、従来品のように、金属粒子間の結合力が低下することはないので、摺動部材の強度低下を回避することができる。

その一方で、このように摺動面の一部領域に限って潤滑部材を配置する場合、潤滑部材を如何にしてベースとなる金属母材に固定するのかが問題となる。これに対し、本発明では金属母材を焼結させる際の焼結操作で潤滑部材を金属母材に固定する、との新たな技術手段を採用している。摺動部材の製造過程で不可欠の焼結操作で潤滑部材を金属母材に固定すれば、圧入や接着といった焼結金属の本来の製造工程とは無関係の工程で固定作業を行う必要がなくなる。そのため、摺動部材のニヤネットシェイプ成形が可能となり、摺動部材の低コスト化を図ることができる。

潤滑部材と金属母材を固定する構造の一例として、前記焼結操作に伴って金属母材に生じる収縮力で潤滑部材と金属母材を締まり嵌め状態にすることが考えられる。

この場合、潤滑部材は、固体潤滑剤粉とバインダとを含む粉末の焼成により形成することができる。

固体潤滑剤粉を金属で被覆してなる被覆粉を、前記焼結操作で焼結させて潤滑部材を形成することもできる。この場合、潤滑部材と金属母材を固定する構造の他例として、被覆粉の前記金属を、金属母材を構成する前記金属粉に拡散させて潤滑部材と金属母材を結合することが考えられる。

摺動面にサイジングを施すことで高精度の摺動面を低コストに得ることができる。このサイジングは、金属母材と潤滑部材の双方に対して行う他、どちらか一方に対してのみ行うこともできる。摺動面だけでなく、必要に応じてそれ以外の面にサイジングを行っても構わない。サイジング自体は、既存の焼結金属製摺動部材でも行わるのが通例であるので、かかる処理を行ったとしてもコストアップの要因にはならない。

以上に述べた摺動部材は、固体潤滑剤粉とバインダとを含む粉末を焼成して潤滑部材を形成し、金属粉を主成分とする原料粉を成形して成形体を形成すると共に、前記潤滑部材を、その一部が摺動面となるべき面に現れるように、前記成形体に接触させ、その状態で潤滑部材および成形体を焼結温度で加熱して、成形体の焼結により金属母材を形成し、かつこの焼結時に成形体に生じる収縮力で潤滑部材を金属母材に固定することで製造することができる。

また、固体潤滑剤粉を金属で被覆した被覆粉を主成分とする第一粉末と、金属粉を主成分とする第二粉末とを、両粉末の充填領域を区分けした状態で、摺動面となるべき面に第一粉末が現れるように成形して成形体を形成し、前記成形体を焼結温度で加熱して、第一粉末の焼結により潤滑部材を形成すると共に、第二粉末の焼結により金属母材を形成し、この焼結操作時に、第一粉末に含まれる被覆粉の前記金属を第二粉末の金属粉に拡散させることで潤滑部材を金属母材に固定することでも摺動部材を製造することができる。

潤滑部材を金属母材に固定した後で摺動面にサイジングを施すことにより、精度の高い摺動面を低コストに得ることができる。

本発明によれば、低コストでありながら、高い潤滑性能を有する摺動部材を提供することができる。この摺動部材であれば、特殊環境下、例えば高温、高面圧、高速回転等の苛酷環境や潤滑油の使用が困難な環境でも高い潤滑性能を得ることが可能である。

（ａ）図は第一の実施形態にかかる焼結軸受の正面図、（ｂ）図は当該焼結軸受の断面図である。 （ａ）図は焼成体の正面図であり、（ｂ）図は焼成体の側面である。 造粒粉を示す断面図である。 焼成した潤滑部材の断面図である。 金属母材の正面図である。 めっき粉の断面図である。 圧縮成形工程を示す断面図である。 圧縮成形工程を示す断面図である。 圧縮成形工程を示す断面図である。 圧縮成形工程を示す断面図である。 圧縮成形工程を示す断面図である。 圧縮成形工程を示す断面図である。 第二の実施形態にかかる焼結軸受の正面図および要部拡大図である。 （ａ）図および（ｂ）図の何れも焼結軸受の他の実施形態を示す正面図である。 （ａ）図は焼結前の金属粉を示すモデル図であり、（ｂ）図は焼結後の金属粉を示すモデル図である。 内接型ギヤポンプの分解斜視図である。 アウタロータとインナロータの嵌合部を示す断面図である。

以下、本発明にかかる摺動部材の一例として焼結軸受を例に挙げ、その詳細を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、焼結軸受１は円筒状の形態をなしており、その内周には、摺動面として円筒面状の軸受面１１が形成されている。焼結軸受１の内周に、相手側の部材としての軸２（二点鎖線で示す）を挿入することで、軸２が軸受面１１で回転自在に支持される。軸２を回転軸とする場合、焼結軸受１の外周面１２が図示しないハウジングの内周面に圧入や接着等の手段で固定される。このように軸２を回転側とする他、軸２を静止側とし、焼結軸受１を回転側にすることもできる。

図１（ａ）（ｂ）に例示した焼結軸受１は、焼結金属からなる金属母材３と、多数の黒鉛粒子の集合体からなる潤滑部材４とを備えている。金属母材３は、その円周方向で等配した複数個所に潤滑部材４を保持するための保持部３ａを有する。各保持部３ａは、金属母材３の内周面３ｂに開口した凹所であり、その断面（軸方向と直交する方向の断面）が潤滑部材４の断面形状と適合する形状に形成される。本実施形態における保持部３ａは、円筒面の円周方向一部領域を切除した部分円筒面状の形態をなし、かつ金属母材３の軸方向両端面に開口するように、金属母材３の軸方向全長にわたって同一形状で形成されている。

潤滑部材４は、金属母材３の保持部３ａの形状に適合する形状（部分円筒状）に形成される。潤滑部材４の周面は、金属母材３の保持部３ａに対向する外側面４ａと、軸２の外周面と対向する内側面４ｂとを備えている。外側面４ａは金属母材３の保持部３ａに面接触する凸円筒面状に形成され、内側面４ｂは金属母材３の内周面３ｂと段差なく連続する凹円筒面状に形成されている。金属母材３の内周面３ｂと潤滑部材４の内側面４ｂとで、摺動面として断面真円状の軸受面１１が構成される。

この焼結軸受１では、軸受面１１の一部に形成された潤滑部材４が黒鉛粒子の供給源となる。潤滑部材４から供給された黒鉛粒子は軸受面１１と軸２の相対移動によって軸受面１１全体に行き渡るため、軸受面１１全体で潤滑効果を得ることができる。

また、焼結軸受１においては、必ずしも軸受面１１の全体に対して軸２が摺動する訳ではなく、軸受面１１の限定された一部領域が軸２と摺動する場合が多い。例えば、軸２を水平姿勢とした場合、軸２は重力によって落ち込んで軸受面１１の下側領域で軸受面１１と摺接することが多い。その場合、軸２との摺動領域に潤滑部材４が位置するように潤滑部材４の位置や形状を設計し、あるいはその摺動領域に潤滑部材４が位置するように焼結軸受１の円周方向の位相を調整することで、軸２を常時潤滑部材４に対して摺動させることが可能となる。そのため、高い潤滑効果を得ることができ、軸受面１１に潤滑油を介在させないオイルレスの状態でも軸２を支持することが可能となる。従って、高温、高面圧、あるいは高速回転等の苛酷条件下での使用に耐える焼結軸受１を提供することができる。

既存の焼結軸受のように、軸受面に黒鉛粒子を分散させた場合、潤滑性向上のため、原料粉に対する黒鉛粉の配合割合を増して、軸受面における黒鉛粒子の濃度を高めようとしても、過剰配合された黒鉛粒子が金属粒子間の結合を阻害するため、焼結軸受の強度低下を招くことなる。従って、潤滑性の向上には限界がある。これに対し、上記のように、摺動面の少なくとも一部を固体潤滑剤粒子（黒鉛粒子等）の集合体からなる潤滑部材４で形成すれば、潤滑部材４の個数を増やし、あるいは潤滑部材４を大型化するだけで、軸受面１１に対する黒鉛粒子の供給量を増大させて潤滑効果を高めることができる。この場合でも、金属母材３における金属粒子間の結合強度が低下することはないため、焼結軸受１の強度低下を回避することができる。

その一方で、このように軸受面１１の一部を黒鉛粒子の集合体である潤滑部材４で構成する場合、潤滑部材４を如何にして金属母材３に固定するのかが問題となる。固定手段として圧入を採用したのでは、適正な圧入代を得るために双方の嵌め合い面を機械加工等で高精度に加工する必要があり、加工コストが高騰する。また、固定手段として接着を採用したのでは、新たに接着工程が必要となり、生産性の低下を招く。何れにせよ、ニヤネットシェイプ成形による低コスト化という焼結軸受１の最大のメリットが減殺される。

かかる課題に鑑み、本願発明では、原料粉を焼結させて金属母材３を形成する際の焼結操作で潤滑部材４を金属母材３に固定する、という新たな構成を採用することにした。これは、焼結操作による金属組織の物理的変化あるいは化学的変化で固定力を確保する、との新たな着想に依拠したものである。

［第一の実施形態］
このように焼結操作によって潤滑部材４を金属母材３に固定するための第一の手法として、焼結操作に伴って生じた金属母材３の収縮力Ｆを活用することが考えられる。以下、この手法による焼結軸受１の製造工程を第一の実施形態として説明する。

潤滑部材４は、固体潤滑剤粉としての黒鉛粉と、バインダとを含む原料粉末を成形し、焼成することで形成される。この場合、バインダの単体粉末と黒鉛粉との混合粉末を原料粉末として使用すると、黒鉛粉の流動性が低いため、黒鉛粉末に多量の黒鉛粉を含ませた際に混合粉末を所定形状に成形することが難しくなる。そのため、原料粉末としては、図３に示すように、複数の黒鉛粉６をバインダ５の介在下で造粒した造粒黒鉛粉７を使用するのが好ましい。

造粒黒鉛粉７で使用する黒鉛粉としては、天然黒鉛粉および人造黒鉛粉の何れもが使用可能である。天然黒鉛粉は一般に鱗片状をなし、潤滑性に優れるという特徴を有する。一方、人造黒鉛粉は塊状をなし、成形性に優れるという特徴を有する。従って、潤滑性を重視する場合は天然黒鉛粉を用いた造粒黒鉛粉を使用し、成形性を重視する場合は人造黒鉛粉を用いるのが好ましい。バインダとしては、例えばフェノール樹脂等の樹脂材料を使用することができる。

以上に述べた造粒黒鉛粉７を、必要に応じて成形助剤や潤滑剤、あるいは改質剤等を添加して均一に混合する。この混合物を成形型に供給した上で加圧成形し、図２（ａ）（ｂ）に示すように、潤滑部材４の形状に対応した成形体４'（黒鉛粉成形体）を成形する。その後、この黒鉛粉成形体４'を、例えば炉内温度９００℃〜１０００℃で焼成することで、多孔質の焼成体（潤滑部材４）を得る。焼成は、酸素の存在しない雰囲気下、例えば窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下や真空雰囲気下で行う。雰囲気に酸素が存在すると、焼成時に黒鉛粉がＣＯやＣＯ₂となって揮散し、消失するためである。

図４は、焼成された潤滑部材４のミクロ組織を概略的に表すものである。焼成により造粒黒鉛粉に含まれていた樹脂バインダは炭化物（非晶質の無定形炭素）となって、網目構造のバインダ成分１４を構成する。バインダ成分１４の網目中に、黒鉛粉に由来する、固体潤滑剤粒子としての黒鉛粒子１３が保持される。黒鉛粒子１３の保持は、バインダ成分１４の表面が黒鉛粒子１３の表面と絡み合うことによって行われる。図中の符号１５は、ミクロ組織中に多数形成された空孔である。潤滑部材４の表面においては、黒鉛粒子１３が面積比で６０％以上、好ましくは８０％以上を占めており、そのために軸２との摺動時に高い潤滑性が得られる。

一方、金属母材３は、焼結軸受で採用される通常の製造工程、すなわち金属粉を主成分とする原料粉を成形型で圧縮成形し、成形体（金属粉成形体）を加熱して焼結させることで製造される。金属母材３としては、銅を主成分とする銅系、鉄を主成分とする鉄系、銅および鉄を主成分とする銅鉄系をはじめとする任意の種類の焼結金属を使用することができる。この他、アルミニウム−青銅系等の特殊な焼結金属を使用することもできる。

例えば銅鉄系の焼結軸受では、鉄粉、銅粉、および低融点金属粉を混合したものが原料粉として使用される。低融点金属は、焼結時にそれ自体が溶融して液相焼結を進行させるための成分であり、銅よりも低融点の金属が使用される。具体的には７００℃以下の融点を有する金属、例えば錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、リン（Ｐ）等が使用可能であり、この中でも銅との相性の良いＳｎを使用するのが好ましい。低融点金属は、混合粉中にその単体粉を添加する他、他の金属粉と合金化することで添加することもできる。

原料粉には、上記の金属粉の他に、必要に応じてフッ化カルシウム等の焼結助剤やステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を添加し、さらに固体潤滑剤粉としての黒鉛粉を添加することもできる。黒鉛粉を添加することで、焼結後の金属母材３の焼結組織中に黒鉛粒子を分散させることができるので、軸受面１１のうち金属母材３で形成される部分での潤滑性をさらに高めることができる。

成形工程では、成形型に原料粉を充填して圧縮することで、図５に示すように、金属母材３に対応した形状の成形体３’（金属粉成形体）が成形される。この金属粉成形体３’には、その成形時に、金属母材３の保持部３ａに相当する凹部３ａ’が形成されている。

次いで、金属粉成形体３’の各凹部３ａ’に上記の手順で製作した焼成体（潤滑部材４）を隙間嵌めで嵌合させ、その後、金属粉成形体３’と潤滑部材４のアセンブリを、金属粉成形体３’を焼結させるのに必要な焼結温度（例えば金属粉成形体３’が銅鉄系であれば、７５０〜９００℃程度）で加熱して金属粉成形体３’を焼結させる。焼結中は、焼成された潤滑部材４も加熱されることになるが、加熱中に潤滑部材４の組織が変化することはなく、焼成の前後で潤滑部材４の組織および形態が維持される。

ところで、焼結前の金属粉成形体の段階では、図１５（ａ）に示すように、金属粉Ｐ１，Ｐ２同士が互いに接触した状態にある（この時の粒子間距離をＥとする）。その一方で、金属粉成形体を焼結すると、図１５（ｂ）に示すように、隣り合う金属粉Ｐ１’，Ｐ２’の一部組織が相手側に拡散するため、焼結後の粒子間距離ｅが焼結前の粒子間距離Ｅよりも小さくなる（Ｅ＞ｅ）。このように焼結に伴って粒子間距離が縮小するため、焼結後の金属母材３には内径面および外径面の双方を縮径させる方向の収縮力Ｆ（図１（ａ）ご参照）が生じ、この収縮力Ｆによって金属母材３と潤滑部材４の嵌め合いが隙間嵌め状態から締まり嵌め状態に移行する。従って、潤滑部材４を金属母材３に確実に固定し、使用中の潤滑部材４の脱落を防止することが可能となる。特に図１（ａ）に示すように、金属母材３における収容部３ａの開口幅Ｄｏを、潤滑部材４の最大幅Ｄ（直径寸法）よりも小さくしておけば、潤滑部材４の内径側への脱落をより確実に規制することができる。

焼結時における金属粉成形体３’の収縮は、例えば金属粉を構成する粒子として、不規則形状のものを使用することで強化することができる。この場合、焼結に伴って不規則形状の粒子が球形化し、粒子間の距離が小さくなるため、成形体３’の収縮がより一層顕著なものとなる。鉄粉および銅粉としては、還元粉、アトマイズ粉、電解粉等が代表的であるが、鉄粉として多孔質の海綿状をなす還元鉄粉を使用し、銅粉として樹枝状をなす電解銅粉を使用すれば、何れも不規則度合いが大きいために高い収縮力Ｆを得ることができる。従って、収縮力Ｆを大きくしたいのであれば、原料粉中の鉄粉あるいは銅粉として、還元鉄粉や電解銅粉を使用するのが好ましい。還元鉄粉にこれ以外の種類の鉄粉を添加し、あるいは電解銅粉にそれ以外の種類の銅粉を添加することにより、焼結時に生じる収縮力Ｆの大きさを調整することができる。

焼結工程を経た焼結品はサイジング工程に移送され、金型内での再圧縮により表面各部（内周面、外周面、および両端面）の寸法が矯正される。この際、少なくとも軸受面１１となる内周面にサイジングを施すことで、高真円度の軸受面１１を得ることができ、安定した軸受性能を得ることが可能となる。このように軸受面１１は最終的にはサイジングで仕上げられるので、焼結終了時点では金属母材３の内周面３ｂと潤滑部材４の内側面４ｂとの間に段差が存在していても構わない。サイジングで矯正できないほどの段差が存在する場合は、焼結品の内周面全体、すなわち金属母材３の内周面３ｂ、および潤滑部材４の内側面４ｂの全体にわたって切削等の機械加工を施してからサイジングを行う。

サイジング工程を経ることで、図１（ａ）（ｂ）に示す焼結軸受１が完成する。この焼結軸受１は、基本的には潤滑油や液状グリース等を含浸させないドライ軸受として使用される。但し、必要があればこれらを含浸させる含油処理をサイジング後に行い、金属母材３および潤滑部材４の何れか一方または双方の細孔中に潤滑油成分を保持させてもよい。

［第二の実施形態］
焼結操作で潤滑部材４を金属母材３に固定するための第二の手法として、潤滑部材４を焼結可能な材料で形成することが考えられる。以下、この手法による焼結軸受１の構成およびその製造工程を、第二の実施形態として説明する。

第二の実施形態において、潤滑部材４は、原料粉末を成形して得た成形体を焼結することで形成される。この場合、原料粉末は、固体潤滑剤粉を金属で被覆した被覆粉を主成分とする。被覆粉として、図６に示すように、例えば固体潤滑剤粉６を金属８でめっき（無電解めっき）しためっき粉９を用いることができる（以下の説明では、金属８を「被覆金属」と称する）。固体潤滑剤粉６としては黒鉛粉が好ましく、被覆金属８としては銅（Ｃｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）を用いるのが好ましい。めっき粉９としては、黒鉛粉６の全表面を被覆金属８で被覆したものが最も好ましいが、必ずしも全表面を被覆する必要はなく、黒鉛粉６の表面の一部が単体めっき粉９の外部に露出していても構わない。めっき粉９における被覆金属８の割合は、１０ｗｔ％以上、８０ｗｔ％以下、好ましくは１５ｗｔ％以上、６０ｗｔ％以下、さらに好ましくは２０ｗｔ％以上、５０ｗｔ％以下の程度とする。被覆金属８の量が少なすぎると、めっき粉９の表面に黒鉛粉６が露出する割合が多くなって、焼結後の粒子間の結合強度が不足する。一方、被覆金属８の量が多すぎると、軸受面１１となる潤滑部材４の内側面４ｂに露出する黒鉛量が少なくなって潤滑部材４の潤滑性が低下する。なお、銅とニッケルでは比重がほぼ同じであるので、被覆金属８として銅とニッケルのどちらを使用した場合でも、好ましい重量割合に実質的な差は生じない。

めっき粉９で使用する黒鉛粉６としては、人造黒鉛粉を使用するのが好ましい。鱗片状の天然黒鉛粉を使用すると、黒鉛粉６を被覆金属８で十分に被覆することが難しいためである。被覆金属８による黒鉛粉６の被覆が不十分であると、後の焼結工程においてめっき粉の被覆金属８同士を結合することができず、強度を確保できない。

めっき粉９の被覆金属８同士を強固に結合するため、原料粉には低融点金属を含有させる。含有させる手法としては、低融点金属の単体粉をめっき粉９に添加し、あるいはめっき時に、低融点金属と合金化させた被覆金属８を黒鉛粉６の周囲に析出させることが考えられる。低融点金属は、第一の実施形態と同様に、７００℃以下の融点を有する金属、例えば錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、リン（Ｐ）等が使用可能であり、この中でもＳｎを使用するのが好ましい。

この場合、被覆金属８に対する低融点金属の割合は０．３〜５ｗｔ％、好ましくは０．５〜３ｗｔ％の範囲に設定する。低融点金属の割合が少なすぎると液相焼結が進まないために必要強度を得ることができず、逆に低融点金属の割合が多すぎると、軸受面１１となる潤滑部材４の内側面４ｂに露出する黒鉛量が少なくなり、かつ内側面４ｂが不必要に硬質化されて潤滑部材４の潤滑性が低下するため、上記の割合とする。

この他、潤滑部材４を形成する原料粉には、上記の粉末（めっき粉、および必要であれば低融点金属粉）の他に、必要に応じて焼結助剤や潤滑剤を添加する。

この第二の実施形態において、金属母材３を形成するための原料粉は、第一の実施形態の金属母材３を形成する原料粉と共通するので重複説明を省略する。以下、潤滑部材４の原料粉（めっき粉９を含む）を第一粉末Ｍａとし、金属母材３の原料粉を第二粉末Ｍｂとして、焼結軸受１の製造工程を説明する。

この実施形態の成形工程では、第一粉末Ｍａと第二粉末Ｍｂを同一の金型に供給して同時に成形する、いわゆる二色成形（多色成形）の手法を採用する。この二色成形は、金型内に二つのキャビティを区画形成して、各キャビティにそれぞれ粉末を充填し、成形するものである。

二色成形用の金型の一例を図７に示す。この金型は、ダイ２１と、ダイ２１の内周に配されたコアピン２２と、ダイ２１の内周面とコアピン２２の外周面との間に配された下パンチ２３と、仕切り部材２５（図８参照）と、円錐面状のガイド２８（図８参照）と、上パンチ２９（図１２参照）とを有する。ガイド２８は、第一粉末Ｍａのキャビティへの充填を円滑化するために設けられており、かかる充填がスムーズに行われるのであればガイド２８を省略することもできる。

図８に示すように、仕切り部材２５は、同心配置した内側仕切り２６と外側仕切り２７とを備えている。両仕切り２６，２７は互いに独立して昇降可能に構成されている。内側仕切り２６は、図１に示す各潤滑部材４に対応した形状に形成されている。

この圧縮成形工程では、先ず図７に示すように、仕切り部材２５およびガイド２８を金型から退避させた状態で、コアピン２２および下パンチ２３を上昇させ、それらの上端面をダイ２１の上端面２１ａと同レベルに配置する。金型に対する仕切り部材２５およびガイド２８の退避方向は、上方および側方のどちらでもよい。

次いで、図８に示すように、仕切り部材２５およびガイド２８を金型上に配置して、内側仕切り２６の下端面を下パンチ２３の上端面に接触させ、外側仕切り２７の下端面をダイ２１の上端面２１ａに接触させる。また、ガイド２８の下端面をコアピン２２の上端面に接触させる。この状態で、内側仕切り２６とガイド２８の間の空間を第一粉末Ｍａで満たし、内側仕切り２６と外側仕切り２７の間の空間を第二粉末Ｍｂで満たす。

次いで、図９に示すように、下パンチ２３および内側仕切り２６の位置を保持しながら、ダイ２１、コアピン２２、および外側仕切り２７を連動して上昇させる。これにより、内側仕切り２６とコアピン２２の間の内側キャビティ２４ａが第一粉末Ｍａで満たされ、内側仕切り２６とダイ２１の間の外側キャビティ２４ｂが第二粉末Ｍｂで満たされる。

次に図１０に示すように、内側仕切り２６を上昇させて、内側キャビティ２４ａと外側キャビティ２４ｂを区画していた内側仕切り２６を撤去し、両キャビティ２４ａ，２４ｂを一体化する。このように内側仕切り２６を撤去しても、第一粉末Ｍａと第二粉末Ｍｂが完全に混じり合うことはなく、両粉末Ｍａ，Ｍｂは分離した状態に維持される（図中の破線は、両粉末のＭａ，Ｍｂの境界を表すために便宜的に付した線である）。

次に図１１に示すように、仕切り部材２５およびガイド２８を撤去し、さらにキャビティ２４ａ，２４ｂから溢れ出た余剰粉末を除去してから、図１２に示すように、上パンチ２９を降下させてキャビティ内の第一粉末Ｍａおよび第二粉末Ｍｂを圧縮し、成形体１’を製作する。

その後、成形体１’を成形型から取り出し、低融点金属の融点よりも高く、めっき粉９の被覆金属８（銅あるいはニッケル）の融点よりも低い温度（例えば７５０〜９００℃程度）で焼結することで図１３に示す焼結軸受１が完成する。この際、第一粉末Ｍａの焼結によって潤滑部材４が形成され、第二粉末Ｍｂの焼結によって金属母材３が形成される。

この焼結中は、内側の第一粉末Ｍａに含まれる低融点金属が溶融し、これがめっき粉９の被覆金属８（例えば銅）をぬらして被覆金属８との合金になる。この合金化により、被覆金属８の表面がその融点よりも低い温度で溶融し、この溶融液によってめっき粉９の被覆金属８同士が結合されて第一粉末Ｍａが焼結体となる。

被覆金属８と低融点金属の合金溶融液は、第二粉末Ｍｂからなる成形体にも浸透し、第二粉末Ｍｂに含まれる金属粉に拡散して、金属粉同士（例えば鉄粉同士、銅粉同士、あるいは鉄粉と銅粉）を結合させる。第二粉末Ｍｂに低融点金属や銅等が含まれている場合には、同様の作用で第二粉末Ｍｂに含まれる金属粉同士が結合する。また、第二粉末Ｍｂが鉄系粉末からなり、低融点金属と銅が含まれていない場合でも、第一粉末Ｍａで生じた前記合金溶融液が第二粉末Ｍｂの鉄粉に拡散し、鉄粉同士を結合させる。以上の作用により、成形体１’の全体が焼結体となるため、高強度の焼結軸受１が得られる。また、金属母材３と潤滑部材４の境界部も界面のない焼結組織となるため、潤滑部材４を金属母材３により確実に固定することができる。

その一方で、第一粉末Ｍａのめっき粉９に含まれる黒鉛粉６は、基本的に第二粉末Ｍｂ側に移動せずにそのまま残るため、潤滑部材４は黒鉛粒子をリッチに含んだ組織となる。

その後、第一の実施形態と同様に、少なくとも軸受面１１にサイジングを施し、さらに必要に応じて含油を行うことで、図１（ｂ）および図１３に示す焼結軸受１が完成する。

ところで、めっき粉９はその表面の略全体が被覆金属８で覆われているため、焼結工程の直後は、摺動部材４の内側面４ｂのほとんどが被覆金属８に由来する金属粒子で覆われた状態にある。その後の軸受面１１のサイジング工程で、サイジング型（例えばコアロッド）との摺動で潤滑部材４の内側面４ｂの金属粒子を剥離もしくは脱落させれば、内側面４ｂに多量の黒鉛粒子を露出させることができ、内側面４ｂにおける黒鉛粒子の分布量（面積比）を第一の実施形態と同程度まで高めることができる。金属粒子の剥離もしくは脱落を効果的に行うため、軸受面１１をサイジングする際には、焼結品の内周面をサイジング型でしごくような操作、例えば焼結品をダイに圧入して焼結品の内周面をサイジング型に押し付け、その状態でサイジング型を軸方向に摺動させるような操作、を行うのが好ましい。

なお、たとえ初期の状態で潤滑部材４の内側面４ｂに露出した黒鉛粒子の量が不十分であっても、その後、軸２（図１（ｂ）参照）を回転させれば、軸２との摺動により内側面４ｂを覆う金属粒子が剥離・脱落し、必要十分な量の黒鉛粒子が内側面４ｂに現れるようになる。

この第二実施形態の焼結軸受１では、内側仕切り２６を撤去する際に、第一粉末Ｍａと第二粉末Ｍｂの境界付近で両粉末が混じり合うことが避けられない。そのため、金属母材３と潤滑部材４の間に明瞭な界面は存在せず、両者間には、図１３の拡大図に示すように、金属母材３側から潤滑部材４側にかけて、各元素の濃度勾配を有する遷移層Ｘが形成されることになる。

［第三の実施形態］
第三の実施形態として、第一の実施形態と第二の実施形態の組み合わせで焼結軸受１を製造することもできる。この第三の実施形態における焼結軸受１の製造手順は以下のとおりである。すなわち、第二の実施形態と同様の手法で、めっき粉９を主成分とする原料粉を成形し、焼結することで潤滑部材４を形成する。次に、この潤滑部材４を第一の実施形態で述べた金属粉成形体３’（図５参照）の凹部３ａ’に嵌合し、この状態で金属粉成形体３’および潤滑部材４からなるアセンブリを焼結温度で加熱して金属粉成形体３’を焼結させる。この焼結時に金属粉成形体３’に生じる収縮力Ｆで潤滑部材４を金属母材３に固定する。その後、少なくとも軸受面１１にサイジングを行うことで、図１（ａ）（ｂ）に示す焼結軸受を得ることができる。

［他の実施形態］
以上の説明では、摺動部材の一例として軸受を例示したが、本発明の摺動部材は、相対運動を行う相手側の部材を支持する部材として広く用いることができる。ここでいう相対運動には、回転運動に限らず、直線運動も含まれる。また、相手側の部材の形態としては、軸状の他、平面状等の任意の形態を採用することができる。また、摺動部材の形態も任意であり、焼結軸受１のような円筒形状に限らず、摺動パッドと呼ばれる平板状等の形態を採用することもできる。

また、以上の説明では、潤滑部材４を金属母材３の円周方向複数個所に配置する場合を例示したが、潤滑部材４の形態はこれに限定されるものではない。例えば図１４（ａ）に示すように、円周方向で連続させた潤滑部材４を軸受面１１の略半周を覆うように配置し、あるいは図１４（ｂ）に示すように、軸受面１１の略全周を覆うように配置することもできる。

さらに、潤滑部材４は、図１（ａ）（ｂ）に示すように軸方向に沿って配置する他、軸芯を中心としたらせん状に配置してもよい。これにより、軸２の軸方向各部を、その１回転の間に少なくとも１回は潤滑部材４を通過させることが可能となるので、良好な潤滑性が得られる。また、図１（ａ）（ｂ）に示すように、潤滑部材４を金属母材３の軸方向全長にわたって配置する他、軸方向の一部領域に限って配置してもよい。何れにせよ、少なくとも軸受面１１の一部が潤滑部材４で形成されていれば本願発明の効果を得ることができる。

この他、潤滑部材４を半径方向に延ばして、摺動部材の他部材に対する取り付け面（例えば金属母材３の外周面１２）の一部を潤滑部材４で構成することもできる。

また、以上の説明では、潤滑部材４を構成する固体潤滑剤として黒鉛を使用する場合を例示したが、二硫化モリブデン等の黒鉛以外の固体潤滑剤も広く使用することが可能である。

以上に述べた摺動部材の用途は問わないが、特に高温、高面圧、高速回転といった苛酷条件下で使用する用途に適合する。例えば自動車エンジンにおける燃料ポンプ用の軸受、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を目的として設置される排気ガス循環装置（ＥＧＲ装置）のＥＧＲバルブ用の軸受等に使用することが可能である。これらの用途では、ガソリンや廃棄ガスに対する軸受の耐腐食性も求められるため、金属母材３としては耐腐食性に優れるアルミニウム−青銅系を使用するのが好ましい。この他、建設機械（ブルドーザ、油圧ショベル等）におけるアームの関節部分に使用する軸受等としても使用することができる。

また、以上に説明した摺動部材は、トルク伝達機構において固定軸に回転可能に支持される従動要素（ギヤ、プーリ−等）としても使用することができる。この従動要素の用途によっては、固定軸との間の摺動部に潤滑油を介在させることが好ましくない場合があり、そのような用途に本発明の摺動部材が適合する。例えばガソリンスタンド等に設置される計量機には給油用ギヤポンプが配置されるが、この給油用ギヤポンプの給油経路中に従動ギヤが配置される場合がある。この場合、燃料や灯油等への潤滑油の混入を避けるため、従動ギヤに潤滑油を含浸させるのは好ましくない。従って、このような用途に用いる従動ギヤとして、潤滑油を用いずとも高い潤滑性が得られる本発明の摺動部材１を使用するのが好ましい。

図１６に、上記給油用ギヤポンプとして用いられる内接型ギヤポンプの分解斜視図を示す。同図に示すように、このギヤポンプは、静止側となる本体５１と、外歯型のインナロータ５２（従動ギヤ）と、内歯型のアウタロータ５３とを有する。アウタロータ５３には、モータ等の回転駆動源に駆動される駆動軸５３ａが設けられている。本体５１には、駆動軸５３ａに対して偏心した固定軸５１ａが設けられており、この固定軸５１ａの外周にインナロータ５２の軸孔５２ａが回転可能に嵌合されている。図１７に示すように、インナロータ５２は、その外歯をアウタロータ５３の内歯と噛み合わせてアウタロータ５３の内径側に偏心して配置される。アウトロータ５３の歯数は、インナロータ５２の歯数よりも一つもしくは二つ以上多くする。

かかる構成において、アウタロータ５３を回転駆動させると、歯部同士の噛み合いでインナロータ５２も回転力を受け、アウタロータ５３に追従して同方向に回転する。これにより、歯部間の空間の容積が拡大および縮小するため、ガソリン等を吸入・吐出することが可能となる。

この給油用ギヤポンプにおいて、従動ギヤであるインナロータ５２は、既に述べた焼結軸受１と同様に、金属母材３と、金属母材３の内周面に固定された潤滑部材４とを有する。金属母材３は、金属粉を主成分とする原料粉を焼結させたものであり、外周に複数の歯部を有すると共に、内周に孔を有するギヤ形状をなす。潤滑部材４は、黒鉛粒子の集合体からなり、金属母材３の前記原料粉を焼結させる焼結操作で金属母材３の内周面に固定されている。潤滑部材４の内周面が、固定軸５１ａの外周面と摺動する摺動面（軸孔５２ａ）を構成する。金属母材３と潤滑部材４の各構成や両者の固定手法は、焼結軸受１の第一の実施形態〜第三の実施形態と共通する。なお、金属母材３には、ガソリンに対する耐腐食性も求められるため、金属母材３としては耐腐食性に優れるアルミニウム−青銅系を使用するのが好ましい。

金属母材３に潤滑部材４を固定した後で、必要に応じて、潤滑部材４の内周面にサイジングや切削等の仕上げ加工を施すことで、図１６に示すインナロータ５２が完成する。金属母材３および潤滑部材４に対する潤滑油の含浸は行われない。

かかる構成のインナロータ５２は、潤滑油を含まないため、計量機で供給される燃料や灯油への潤滑油の混入を回避することができる。その一方で、摺動面が高い潤滑性を有するため、インナロータ５２でのトルクロスを最低限に抑えることができる。

１ 焼結軸受（摺動部材）
２ 軸（相手側の部材）
３ 金属母材
４ 潤滑部材
５ 樹脂バインダ
６ 黒鉛粉（固体潤滑剤粉）
８ 被覆金属（金属）
９ めっき粉（被覆粉）
１１ 軸受面（摺動面）
１３ 黒鉛粒子（固体潤滑剤粒子）
５２ インナロータ（摺動部材）
Ｆ 収縮力

Claims (10)

1. 相手側の部材と摺動する摺動面を有する摺動部材であって、
   金属粉を主成分とする原料粉を焼結させてなる金属母材と、固体潤滑剤粒子の集合体からなる潤滑部材とを備え、前記摺動面の少なくとも一部を潤滑部材で構成し、かつ前記原料粉を焼結させる焼結操作で潤滑部材を金属母材に固定したことを特徴とする摺動部材。
2. 前記焼結操作に伴って金属母材に生じる収縮力で潤滑部材と金属母材を締まり嵌め状態にした請求項１記載の摺動部材。
3. 固体潤滑剤粉と樹脂バインダとを含む粉末の焼成により潤滑部材を形成した請求項２記載の摺動部材。
4. 固体潤滑剤粉を金属で被覆してなる被覆粉を、前記焼結操作で焼結させて潤滑部材を形成した請求項１記載の摺動部材。
5. 被覆粉の前記金属を、金属母材を構成する前記金属粉に拡散させて潤滑部材と金属母材を結合した請求項４記載の摺動部材。
6. 前記摺動面にサイジングを施した請求項１〜５の何れか１項に記載の摺動部材。
7. 相手側の部材と摺動する摺動面を有する摺動部材の製造方法であって、
   固体潤滑剤粉とバインダとを含む粉末を焼成して潤滑部材を形成し、
   金属粉を主成分とする原料粉を成形して金属粉成形体を形成すると共に、前記潤滑部材を、その一部が摺動面となるべき面に現れるように、前記金属粉成形体に接触させ、
   その状態で潤滑部材および金属粉成形体を焼結温度で加熱して、金属粉成形体の焼結により金属母材を形成し、かつこの焼結時に金属粉成形体に生じる収縮力で潤滑部材を金属母材に固定することを特徴とする摺動部材の製造方法。
8. 相手側の部材と摺動する摺動面を有する摺動部材の製造方法であって、
   固体潤滑剤粉を金属で被覆した被覆粉を主成分とする第一粉末と、金属粉を主成分とする第二粉末とを、両粉末の充填領域を区分けした状態で、摺動面となるべき面に第一粉末が現れるように成形して成形体を形成し、
   前記成形体を焼結温度で加熱して、第一粉末の焼結により潤滑部材を形成すると共に、第二粉末の焼結により金属母材を形成し、
   この焼結時に、第一粉末に含まれる被覆粉の前記金属を第二粉末の金属粉に拡散させることで潤滑部材を金属母材に固定することを特徴とする摺動部材の製造方法。
9. 被覆粉として、固体潤滑剤粉に金属めっきを施しためっき粉を使用する請求項８記載の摺動部材の製造方法。
10. 潤滑部材を金属母材に固定した後で、摺動面にサイジングを施す請求項７〜９の何れか１項に記載の摺動部材の製造方法。

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