JP4389026B2

JP4389026B2 - 摺動材料およびその製造方法

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Publication number: JP4389026B2
Application number: JP2005253430A
Authority: JP
Inventors: 秀雄辻; 正仁藤田; 茂稲見; 和彦榊; 修平新海
Original assignee: Daido Metal Co Ltd; Shinshu University NUC
Current assignee: Daido Metal Co Ltd; Shinshu University NUC
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2025-09-01
Also published as: JP2007064426A

Description

本発明は、基材上に被覆層を設けて構成した摺動材料およびその製造方法に係り、特に被覆層の組織を改良して軸受特性の向上を図ったものに関する。

自動車や一般産業機械の内燃機関用として使用されるすべり軸受には、優れた軸受特性、具体的には、優れた耐疲労性の他に、優れた非焼付性が要求される。この内燃機関用のすべり軸受には、従来から、軸受合金としてＡｌ合金を用いたアルミニウム基合金すべり軸受、軸受合金としてＣｕ合金を用いた銅基合金すべり軸受、更にこれらアルミニウム基合金すべり軸受や銅基合金すべり軸受の軸受合金層表面にオーバレイ層を施したすべり軸受があり、それぞれを使用環境に応じて使い分けている。

上記のアルミニウム基合金すべり軸受および銅基合金すべり軸受は、裏金上に軸受合金をライニングしたバイメタルから製造される。例えば、アルミニウム基合金すべり軸受では、まず、Ａｌ合金を鋳造および圧延してＡｌ合金板を製造する。そして、このＡｌ合金板を炭素鋼ストリップに重ね合わせてロール圧接し、裏金層とＡｌ合金層とからなるバイメタルを形成する。その後、このバイメタルを機械加工して半円筒状或いは円筒状のすべり軸受として形成する。

このアルミニウム基合金すべり軸受において、Ａｌ合金としては、通常、Ａｌ−Ｓｎ系のものが使用される。このＡｌとＳｎは、互いに相分離する金属であるため、固溶体を作らず、或いは作ってもほんの僅かである。従って、その鋳造組織としては、図４に示すように、Ａｌマトリックス１２中にＳｎ相が比較的大きな結晶粒子１４となって分散した形態となる。

このようにＡｌ合金の鋳造組織では、軟質のＳｎ相が比較的大きな粒子となって存在するので、軸受合金層を鋳造によって製造したアルミニウム基合金すべり軸受では、異物埋収性およびなじみ性、ひいては非焼付性に優れる。しかしながら、Ａｌマトリックス中に存在するＳｎ相のサイズが大きいがゆえ、機械的強度の面において不利に働く場合があり、更なる耐疲労性が求められている。
このＡｌ合金の耐疲労性の向上を図るために、例えば特許文献１に開示された溶射の技術を適用することが考えられる。特許文献１には、斜板式コンプレッサの斜板の耐摩耗性を向上させるために、斜板にＡｌまたはＡｌ合金を溶射することが記載されている。
特開２００１−２０８５６号公報

特許文献１に記載の技術をアルミニウム基合金すべり軸受に適用すると、裏金の表面に溶射によってＡｌ合金粒子を付着させてＡｌ合金層を形成したり、Ａｌ合金からなる軸受合金層の表面にＡｌ合金粒子を溶射によって付着させてオーバレイ層を形成したりすることとなる。すると、溶射によって被着された軸受合金層或いはオーバレイ層の組織は、図５に示すように、Ａｌマトリックス１６中にサイズの小さなＳｎ相１８が分散する形態となるため、硬度が硬く且つ機械的強度にも優れた組織となって、耐摩耗性および耐疲労性が向上すると考えられる。

しかしながら、溶射によって得られた組織では、サイズの大きなＳｎ相が存在しないため、異物埋収性およびなじみ性の面において不利に働く場合があり、更なる非焼付性が求められている。

一方、銅基合金軸受では、炭素鋼ストリップ上に焼結用Ｃｕ合金粉末を散布し、８００℃程度の高温度で焼結して裏金層とＣｕ合金層とからなるバイメタルを形成する。そして、このバイメタルを機械加工して半割状或いは円筒状のすべり軸受として形成する。銅基合金すべり軸受では、半割状或いは円筒状に形成した後、Ｃｕ合金層の表面にＡｇ−Ｐｂ系のＡｇ合金を電気めっきしてオーバレイ層を形成する。

しかしながら、このオーバレイ層は、電気めっきによるものであるため、Ａｇ中に微細なＰｂが分散した状態となる。このようなオーバレイ層は、耐摩耗性および耐疲労性に優れるが、軟質金属であるＰｂの大きな相が存在しないため、上記した溶射の場合と同様に、異物埋収性およびなじみ性の面において不利に働く場合があり、更なる非焼付性が求められている。

以上のように、従来のすべり軸受（摺動材料）では、耐疲労性を維持しながら非焼付性に優れたすべり軸受を得ることは困難であった。
そこで、本発明の目的は、耐疲労性を維持しながら非焼付性に優れた摺動材料およびその製造方法を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明では、基材とこの基材上に形成された被覆層とを有する摺動材料において、前記被覆層は、互いに相分離する２種以上の金属成分を含み、前記相分離する２種以上の金属成分のうち硬度において差のある少なくとも２種の金属成分からなる合金粒子と、この合金粒子を構成する前記少なくとも２種の金属成分のうち最も硬質の金属成分ではない金属成分からなる軟質金属粒子とが共に存在する組織となっており、前記合金粒子は、前記最も硬質の金属成分ではない金属成分からなる分散相が当該合金粒子中に分散して存在していることを特徴とする。

摺動材料としては、図２に示すように、裏金層１上に軸受合金層２を形成した構造のものと、図３に示すように、裏金層１上の軸受合金層２上に更にオーバレイ層３を形成した構造のものとがある。本発明は、これら両方の摺動材料を対象としており、図２の構造のものでは、裏金層１が基材に相当し、軸受合金層２が被覆層に相当する。また、図３の構造のものでは、軸受合金層２が基材に相当し、オーバレイ層３が被覆層に相当する。軸受合金層２として使用される合金は、Ａｌ合金、Ｃｕ合金が主として用いられ、オーバレイ層３としては、Ａｌ合金、Ｃｕ合金の他、Ａｇ合金などが用いられる。

＜相分離する金属成分＞
相分離する金属成分としては、Ａｌに対してＳｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｂｉなど、Ｃｕに対してＰｂ、Ｂｉなど、Ａｇに対してＰｂ、Ｂｉなどがある。被覆層を構成する金属成分は、相分離する金属成分だけで構成されているものを含むことは勿論であるが、固溶できる金属成分（例えば、Ａｌに対してＣｕ、Ｓｉ、Ｚｎなど、Ｃｕに対してＳｎ、Ｎｉ、Ｚｎなど、Ａｇに対してＳｎ、Ｚｎなど）が含まれていても良い。

＜合金粒子＞
合金粒子としては、分散相を形成する軟質金属成分として、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｂｉなどを添加したＡｌ合金、Ｐｂ、Ｂｉなどを添加したＣｕ合金、Ｓｎ、Ｚｎなどを添加したＡｇ合金などがある。
この合金粒子には、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇなどのマトリックスを構成する金属成分と固溶体を作る金属成分、換言すれば相分離しない金属成分や、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｂｉなどの分散相を構成する金属成分と固溶体を作る金属成分を含んでいても良い。

合金粒子を構成する金属の組み合わせとしては、次のようなものがある。
（１）Ａｌ合金粒子
Ａｌ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｐｂ、Ａｌ−Ｂｉ、Ａｌ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ａｌ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｐｂ−Ｚｎ、Ａｌ−Ｐｂ−Ｚｎ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｎ−Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ−Ｓｎ−ＳｉＣなど。
（２）Ｃｕ合金粒子
Ｃｕ−Ｐｂ、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｚｎ、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｂｉ、Ｃｕ−Ｂｉ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｂｉ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｂｉ−Ｚｎ、Ｃｕ−Ｐｂ−Ａｌ₂Ｏ₃など。
（３）Ａｇ合金粒子
Ａｇ−Ｐｂ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｇ−Ｐｂ−Ｂｉ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ａｇ−Ｚｎ−Ｐｂ、Ａｇ−Ｐｂ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｂｉ−Ａｌ₂Ｏ₃など。

＜軟質金属粒子＞
軟質金属粒子としては、上記の合金粒子を構成する金属成分のうち、最も硬質でない金属成分によって構成する。好ましくは、最も軟質である金属成分によって構成する。その金属成分としては、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ等がある。軟質金属粒子は合金であっても良い。この軟質金属粒子は、合金粒子中に含まれる分散相を構成する金属成分と同じである。軟質金属粒子は、５〜３０ＨＶであることが好ましく、１０ＨＶ以下であることが更に好ましい。

本発明の摺動材料によれば、被覆層中に、上述したような合金粒子と軟質金属粒子とが共に共存し、しかも、合金粒子中にも、最も硬質でない金属成分からなる分散相が分散している。このため、比較的軟質な金属成分を、分散相として合金粒子中に微細に存在させると共に、合金粒子とは別に比較的大きな粒子としても存在させるので、軟質な金属成分を微細に分散させることによってその潤滑作用により相手材との局所的な金属接触に対する焼付き防止を図りながら強度の低下を抑えて耐疲労性を維持でき、大きな前記軟質金属粒子によって異物埋収性およびなじみ性を確保できて優れた非焼付性を得ることができる。

具体的例を挙げると、被覆層は、互いに相分離するＡｌとＳｎを含み、Ａｌと軟質なＳｎとからなる合金粒子と、Ｓｎのみの軟質金属粒子とが共に存在する組織となっており、合金粒子中には微細なＳｎの分散相が分散している。このため、合金粒子中にＳｎが微細に分散することによって、Ｓｎの潤滑作用により相手材との局所的な金属接触に対する焼付き防止を図りながら、強度の低下を抑えて良好な耐疲労性を維持できる。また、比較的大きな粒子で存在するＳｎの軟質金属粒子によって、異物埋収性やなじみ性を確保できて優れた非焼付性を得ることができる。

本発明は、本発明者らが、摺動材料の耐疲労性を維持しながら非焼付性を向上させるには皮膜（被覆層）組織、特に粒子や相の大きさや形状を制御することの重要性を見出し、従来の被覆層製造方法（鋳造法、溶射法、電気めっき法、ＰＶＤ（物理蒸着）法）とは異なるコールドスプレー法を用いて良好な耐疲労性を維持しながら優れた非焼付性を得たことによる。これまで、前記組織を制御するための製造条件は確立されていなかったが、本発明者らにより確立され、良好な耐疲労性を維持しながら優れた非焼付性を有する摺動材料を得られるようになった。

本発明の摺動材料において、合金粒子、軟質金属粒子は、被覆層の厚さ方向の粒子長よりも、厚さ方向に直角な方向の粒子長の方が長いことが好ましい。
相手材は、被覆層の表面上を摺動する。この相手材の摺動方向に沿う方向（被覆層の厚さ方向に垂直な方向、つまり摺動層の表面に沿う方向）に対して合金粒子および軟質金属粒子の長さが長ければ、軟質金属成分が被覆層表面に広がり易くなり、異物埋収性およびなじみ性、ひいては非焼付性がより向上する。

本発明の摺動材料では、合金粒子中の分散相は、軟質金属粒子よりも小さいことが好ましい。
合金粒子中の軟質金属成分は、軟質金属粒子よりも細かな分散相となっていることで、合金粒子の強度の低下を効率良く抑えることができるのである。本発明の高い強度を有する合金粒子は、相手材が局部的に接触しても十分に相手材の荷重を持ちこたえることができ、摺動材料の耐疲労性が向上する。そして、軟質金属成分が軟質金属粒子よりも細かな分散相となって均一に分散していることで、その潤滑作用によって摺動材料の非焼付性が向上する。
この場合、分散相の大きさは、４μｍ以下であることが、上記の耐疲労性、耐摩耗性および非焼付性の向上を図る上で好ましい。

被覆層には、気孔が存在していることが好ましい。
被覆層に気孔が存在すると、油溜り効果により、非焼付性が向上する。
機械的強度を考慮すると、気孔は、分散相よりも小さいことが好ましい。

また、本発明では、被覆層を、合金粒子と、軟質金属粒子と、合金粒子を構成する少なくとも２種の金属成分のうち最も軟質の金属成分ではない金属成分からなる硬質金属粒子とが共に存在する組織することができる。

硬質金属粒子の金属成分は、合金粒子に含まれている金属成分であり、合金粒子を構成する金属成分のうちの最も軟質の金属成分ではない金属成分である。好ましくは、最も硬質である金属成分によって構成する。その金属成分としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｉなどがある。硬質金属粒子は合金であっても良い。この硬質金属粒子の金属成分は、合金粒子の主成分の金属成分であることが好ましい。硬質金属粒子は、２０〜４００ＨＶであることが好ましく、１００ＨＶ以上であることが更に好ましい。また、硬質金属粒子のビッカース硬さは、軟質金属粒子のビッカース硬さの２〜１００倍であることが好ましく、３〜２０倍であることが更に好ましい。
このように、硬質金属粒子が被覆層中に含まれていることにより、耐摩耗性が向上する。

前記軟質金属粒子は、被覆層の非焼付性および異物埋収性の一層の向上のために、被覆層中に均一に分布していることが好ましい。
また、前記硬質金属粒子も、被覆層の耐摩耗性の一層の向上のために、被覆層中に均一に分布していることが好ましい。
前記合金粒子は、被覆層の強度向上のためには、外接球直径の平均が７０μｍ以下であることが好ましい。また、前記軟質金属粒子は、外接球直径の平均が７０μｍ以下であることが好ましい。更に、前記硬質金属粒子は、外接球直径の平均が７０μｍ以下であることが好ましい。
これら合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子の大きさが７０μｍを超えると、強度が低下する傾向がある。
ここで、外接球直径とは、図６に例示すように、粒子Ｐ１，Ｐ２が外にはみ出ることなく粒子に外接する球Ｂ１，Ｂ２の直径ａ，ｂを言う。そして、外接球直径の平均とは、各粒子についての外接球直径の、平均値（２個の粒子を示す図６の例では、（ａ＋ｂ）÷２）を言う。

前記分散相は、摺動層の厚さ方向の長さよりも前記厚さ方向に垂直な方向の長さの方が長いことが好ましい。このように摺動層の厚さ方向に垂直方向の長さが長ければ、軟質金属からなる分散相が相手材の摺動方向に広がり易くなり、非焼付性がより向上する。本発明では、以上の摺動部材を形成するために、次の２つの方法を採用した。

１つの方法は、硬質金属粒子を含まない場合の方法であって、相分離する２種以上の金属成分のうち硬度において差のある少なくとも２種の金属成分からなる合金粒子と、この合金粒子を構成する前記少なくとも２種の金属成分のうち最も硬質の金属成分ではない金属成分からなる軟質金属粒子とを、高速度の作動ガス流により基材に衝突させて、当該基材上に前記合金粒子と前記軟質金属粒子とが共に存在する被覆層を形成することを特徴とするものである。

もう１つの方法は、硬質金属粒子を含む場合の方法であって、相分離する２種以上の金属成分のうち硬度において差のある少なくとも２種の金属成分からなる合金粒子と、この合金粒子を構成する前記少なくとも２種の金属成分のうち最も硬質の金属成分ではない金属成分からなる軟質金属粒子と、前記少なくとも２種の金属成分のうち最も軟質の金属成分ではない金属成分からなる硬質金属粒子とを、高速度の作動ガス流により基材に衝突させて、当該基材上に前記合金粒子と前記軟質金属粒子と前記硬質金属粒子とが共に存在する被覆層を形成することを特徴とするものである。

このように合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子を溶融させることなく高速度の作動ガス流によって基材に衝突させることにより被覆層を形成するので、基材に衝突させる合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子の大きさを予め選択することによって、被覆層を形成した場合の合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子を所望の大きさとすることができる。粒子が基材に衝突すると、その際に粒子は潰れて偏平化する傾向にある。このため、被覆層を形成した合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子は、被覆層の厚さ方向の粒子長よりも厚さ方向に垂直な方向の粒子長の方が長くなる傾向を呈する。しかし、作動ガス流の速度を遅くすれば、被覆層を形成した粒子は偏平にならず、元のままの形態を保つ。合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子は、予め良く混合して均一分布させることによって、被覆層を形成した際の合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子は、被覆層中に均一に分散する。

以上のことから、合金粒子においては、中に微細な軟質金属が分散相として均一に分散した状態のままとなる。また、軟質金属粒子は、比較的大きいサイズの粒子として被覆層中に分散した状態となり、異物埋収性、なじみ性を発揮する。

本発明の効果を確認するために、基材上に被覆層を形成した試料を作成し、この試料に焼付試験と疲労試験を施した。作成した試料は、下の表１および表２に示す実施例品１〜２１および比較例品１〜６である。焼付試験と疲労試験の条件は、下の表３および表４にそれぞれ示した。なお、表１の組成欄に被覆層の組成を示し、製法欄に被覆層の製造方法を示した。この製造方法中、「ＣＳ」とあるのは、コールドスプレー装置を使用する方法である。また、表２の基材欄には、被複層を形成する基材を示している。この基材欄に鋼とあるのは、鋼板、Ａｌ合金とあるのは、裏金層付きＡｌ合金層、Ｃｕ合金とあるのは、裏金層付きＣｕ合金層であることを示している。

上記コールドスプレー装置は、金属粒子を溶融させることなく基材に衝突させるための装置であって、粉末供給装置、ガス加熱装置、先細末広がり状のノズル（ラバルノズル）からなるガンを備えている。粉末供給装置からガンに粉末（金属粒子）を供給すると共に、ガンから作動ガスを高速度で噴き出させることにより、粉末を作動ガス流により基材に勢い良く衝突させるものである。この場合、作動ガスをガス加熱装置によって加熱することで、ガンから噴き出るガスの速度を高くすることができる。この加熱装置による加熱温度は、高くし過ぎると、金属粒子が溶融したりするため、５００℃以下の温度とする。通常は、２００〜４００℃で行い、ここでは４００℃で行った。

また、通常、作動ガス圧は、０．４〜４ＭＰａで行い、ここでは１〜２ＭＰａで行った。ガンから勢い良く噴き出された粉末は、基材に衝突して基材中に入り込むと共に、その基材に入り込んだ粉末上に粉末が積層されてゆくことで成膜され、被覆層となる。以下では、このコールドスプレー装置を使用して被覆層を形成する方法をＣＳ法ということとする。

次に試料の製造法を説明する。
＜実施例品１〜２１＞
＊実施例品１〜３，６〜９，１２〜１６，１８
脱脂洗浄した鋼板を治具に固定し、表面をブラスト処理によって粗面化した後、表１の組成欄に示す組成となるように、表１の粉末材料欄に示す合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子を計量して満遍なく混合し、これをコールドスプレー装置によって鋼板に衝突させて１ｍｍ厚の被覆層を形成した。この鋼板（裏金層）上に被覆層を設けてなるバイメタルを半割軸受状にプレス加工し、鋼裏金厚さ１．５ｍｍ、被覆層厚さ０．２〜０．３ｍｍの実施例品１〜３，６〜９，１２〜１６，１８を得た。

＊実施例品４，５，１０，１１
例えば、Ｚｎ：４質量％、Ｓｉ：１質量％、残部ＡｌからなるＡｌ合金を鋳造および圧延してＡｌ合金板を製造し、このＡｌ合金板を鋼板上に重ねてロール圧延して両者を圧接し、バイメタルを得た。そして、このバイメタルを半割軸受状にプレス加工し、所定の寸法に切削加工したものを治具に固定し、表１の組成欄に示す組成となるように、表１の粉末材料欄に示す合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子を計量して満遍なく混合し、これをコールドスプレー装置によってＡｌ合金層に衝突させて０．１ｍｍ厚の被覆層を形成した。この場合、ガンが半割形状の内面に沿うようにコールドスプレー装置のガンと治具とを連続的に動かして被覆層を形成してゆくものである。そして、被覆層を０．１ｍｍ厚に成膜した後、最終的に２０μｍ厚の被覆層となるように仕上げ加工して実施例品４，５，１０，１１を得た。

＊実施例品１７，１９，２０，２１
例えば、Ｐｂ：２０質量％、Ｓｎ：３質量％、残部Ｃｕからなる２５０μｍ以下の焼結用Ｃｕ合金を、厚さ１．３ｍｍの鋼板上に均一に散布し、還元雰囲気中で、８００〜９２０℃の温度で初回の焼結を約１５分間行い、その後、ロール圧延を行った。更に、密度を増すために、焼結、ロール圧延を必要回数繰り返し、鋼板上にＣｕ合金層を接合したバイメタルを製造した。そして、このバイメタルを半割軸受状にプレス加工し、所定の寸法に切削加工したものを治具に固定し、表１の組成欄に示す組成となるように、表１の粉末材料欄に示す合金粒子、軟質金属粒子、硬質金属粒子を計量して満遍なく混合し、これをコールドスプレー装置によってＣｕ合金層に衝突させて０．１ｍｍ厚の被覆層を形成した。この場合、ガンが半割形状の内面に沿うようにコールドスプレー装置のガンと治具とを連続的に動かして被覆層を形成してゆくものである。そして、被覆層を０．１ｍｍ厚に成膜した後、最終的に２０μｍ厚の被覆層となるように仕上げ加工して実施例品１７，１９，２０，２１を得た。

＜比較例品＞
＊比較例品１
脱脂洗浄した鋼板を治具に固定し、表面をブラスト処理によって粗面化した後、表１の組成欄に示す組成となるように、表１の粉末材料欄に示す合金粒子、軟質金属粒子を計量して満遍なく混合し、これを溶射装置（高速フレーム溶射）により鋼板表面に溶射して１ｍｍ厚の被覆層を形成し、バイメタルを製造した。このバイメタルを半割軸受状にプレス加工し、所定の寸法に切削加工して鋼裏金厚さ１．５ｍｍ、被覆層厚さ０．２〜０．３ｍｍの比較例品１を得た。

＊比較例品２，３
表１の組成欄に示す組成のＡｌ合金を鋳造および圧延してＡｌ合金板を製造し、このＡｌ合金板を鋼板に重ね合わせてロール圧接し、バイメタルを形成した。このバイメタルを半割軸受状にプレス加工し、所定の寸法に切削加工して比較例品２，３を得た。

＊比較例品４
上記実施例品４，５，１０，１１の製造時に使用したバイメタルを半割軸受状にプレス加工し、所定の寸法に切削加工したものを治具に固定し、表１の組成欄に示す組成となるように、表１の粉末材料欄に示す合金粒子を所要量だけ計量して満遍なく混合し、これを上記実施例品４，５，１０，１１と同様にコールドスプレー装置によってＡｌ合金層に衝突させて１ｍｍ厚の被覆層を形成した。そして、被覆層を０．１ｍｍ厚に成膜した後、最終的に２０μｍ厚の被覆層となるように仕上げ加工して比較例品４を得た。

＊比較例品５
表１の組成欄に示す組成の合金粒子からなる焼結用Ｃｕ合金を所要量計量して満遍なく混合し、これを厚さ１．３ｍｍの鋼板上に均一に散布し、還元雰囲気中で、８００〜９２０℃の温度で初回の焼結を約１５分間行い、その後、ロール圧延を行った。更に、密度を増すために、焼結、ロール圧延を必要回数繰り返し、鋼板上にＣｕ合金層を接合したバイメタルを製造した。そして、このバイメタルを半割軸受状にプレス加工し、所定の寸法に切削加工して比較例品５を得た。

＊比較例品６
実施例品１７，１９，２０，２１の製造時に使用したバイメタルを半割軸受状にプレス加工し、所定の寸法に切削加工したもののＣｕ合金層上にＡｇめっきを施して比較例品６を得た。

以上のようにして製造した実施例品１〜２１、比較例品１〜６の被覆層について、合金粒子のサイズ、合金粒子中の軟質金属の分散相のサイズ、合金粒子の形状、軟質粒子のサイズおよび形状、硬質金属粒子のサイズ、気孔の有無、合金粒子中の軟質金属の分散相と軟質金属粒子との大きさの関係を調べ、これを表２に表示した。なお、合金粒子および軟質金属粒子の形状は、被覆層の厚さ方向の長さをＴ、厚さ方向に垂直な方向の長さをＬとしてその大小関係で示した。

また、実施例品１〜２１、比較例品１〜６について実施した焼付試験および疲労試験の結果を表２に示した。この焼付試験および疲労試験の結果について考察する。
実施例品１〜２１は、比較例品１〜６に比べ、非焼付性および耐疲労性共に優れたものとなっている。以下、詳述する。

（１）実施例品１〜１５、比較例品１〜４は、Ａｌ合金を被覆層としている。
＜実施例品１〜３，８，９，１２〜１５と比較例品１，２＞
実施例品１〜３，８，９，１２〜１５と比較例品１，２とは、被覆層のＳｎ含有量が同じ（２０質量％）である。
比較例品１は被覆層を溶射によって形成しているため、図５のように軟質のＳｎが微細な相となって分散しているが、大きなサイズのものが見られない組織となる。このため、強度が高く耐疲労性には優れるが、非焼付性は不十分となる。比較例品２は被覆層を鋳造によって形成しているため、図４のように大きなサイズの軟質のＳｎが存在しているが、微細な相が見られない組織となる。このため、なじみ性および異物埋収性、ひいては非焼付性に優れるが、強度が不十分で耐疲労性に欠ける。

これに対し、実施例品１〜３，８，９，１２〜１５は、ＣＳ法により被覆層を形成しているため、図１に示すように大きなサイズの軟質のＳｎからなる粒子（軟質金属粒子）４が、Ａｌをマトリックス６とする被覆層中に存在した組織となっていると共に、合金粒子１０中では軟質のＳｎが微細な相（分散相）８となって分散した組織となっている。このため、実施例品１〜３，８，９，１２〜１５は、なじみ性および異物埋収性、ひいては非焼付性に優れると共に、強度が十分で、耐疲労性にも優れたものとなる。

＜実施例品４，５，１０と比較例品３＞
実施例品４，５，１０と比較例品３とは、被覆層のＳｎ含有量が同じ（６０質量％）である。比較例品３の被覆層は鋳造によるものであるから、比較例品２と同様に、非焼付性に優れるが、耐疲労性が不十分である。これに対し、実施例品４，５，１０は、非焼付性および耐疲労性共に優れる。
なお、硬質のＳｉやＡｌからなる粒子（硬質金属粒子）を含む場合、それらは、図１中のハッチングを施した粒子１１で示すように、被覆層中に存在している。

＜実施例品１１について＞
実施例品１１は、被覆層の組成が実施例品４，５，１０と同じである。しかしながら、合金粒子のサイズが実施例品４，５，１０では７０μｍ以下であるのに対し、実施例品１１では７０μｍを超え、１００μｍと大きい。このため、耐疲労性において、実施例品１１は、実施例品４，５，１０に比べて低くなっている。

＜実施例品１〜３，８，９，１２〜１５と比較例品４＞
実施例品１〜３，８，９，１２〜１５と比較例品４とは、Ｓｎの含有量が同じである。しかも、比較例品４の被覆層は、ＣＳ法によって作成されている。しかしながら、比較例品４では、合金粒子のみを使用し、軟質金属粒子を用いていないため、大きいサイズのＳｎ粒子がない組織となっており、非焼付性において劣る。これに対し、実施例品１〜３，８，９，１２〜１５は、非焼付性および耐疲労性共に比較例品４よりも優れている。

＜実施例品１〜３について＞
実施例品１の合金粒子の形状は、Ｌ＝Ｔとなっているが、実施例品２の合金粒子の形状は、Ｌ＞Ｔとなっている。そして、非焼付性において、実施例品２の方が実施例品１よりも優れている。また、実施例品１の軟質金属粒子の形状は、Ｌ＝Ｔとなっているが、実施例品３の軟質金属粒子の形状は、Ｌ＞Ｔとなっている。そして、非焼付性において、実施例品３の方が実施例品１よりも優れている。このように、合金粒子および軟質金属粒子共に、Ｌ＞Ｔであると、非焼付性が向上することが理解される。

＜実施例品４，５＞
実施例品４は、合金粒子中のＳｎ相が軟質金属粒子として単独で存在するＳｎ粒子よりも大きい。これに対し、実施例品５は、合金粒子中のＳｎ相が軟質金属粒子として単独で存在するＳｎ粒子よりも小さく、４μｍ以下のサイズ、具体的には２μｍとなっている。そして、実施例品５は、実施例品４に比べて、非焼付性および耐疲労性共に優れている。このように、合金粒子中の軟質金属の分散相が、軟質金属粒子よりも小さいサイズで、４μｍ以下となっていることによって非焼付性および耐摩耗性が共に向上することが理解される。

＜実施例品３，５，８〜１０，１４について＞
実施例品３と実施例品８，９，１４、実施例品５と実施例品１０は、それぞれＳｎ含有量が同じである。しかし、実施例品３、実施例品５が、硬質金属粒子を含んでいないのに対し、実施例品８，１０は、硬質金属粒子を含んでいる。そして、硬質金属粒子を含む実施例品８，１０は、耐摩耗性が向上し、硬質金属粒子を含まない実施例品３，５よりも耐疲労性に優れている（なお、摩耗量は、疲労試験前後の被覆層の厚さの差から算出した。下の表５参照）。このように硬質金属粒子を含有することによって耐疲労性及び耐摩耗性が向上する。酸化物であるＡｌ₂Ｏ₃を含有する実施例品９，１４も、耐疲労性及び耐摩耗性が向上している。

＜実施例品６，７＞
実施例品６，７は、被覆層のＳｎ含有量が５質量％と低い。しかしながら、非焼付性および耐疲労性において、他の実施例品に比べて遜色ない。従って、Ｓｎ（軟質金属粒子）は、５質量％以上あれば、非焼付性および耐摩耗性に優れた被覆層を得られることが理解される。
また、実施例品６の被覆層には、気孔が存在しないが、実施例品７の被覆層中には、気孔が存在している（気孔は主に粒子間に存在するが、小さいため図示省略）。そして、気孔のある実施例品７の方が、気孔のない実施例品６よりも非焼付性に優れている。このように被覆層中の気孔は、非焼付性の向上に寄与する。
（２）実施例品１６〜１９、比較例品５は、Ｃｕ合金を被覆層としている。

＜実施例品１６〜１９と比較例品５との比較＞
比較例品５は、焼結によって被覆層を形成している。Ｐｂ含有Ｃｕ合金粒子を焼結すると、融点の低い軟質金属成分であるＰｂがその合金粒子から溶出して、その合金粒子の表面に滲み出る。このため、焼結層（被覆層）には、微細に分散したＰｂ相は存在しない。
これに対し、実施例品１６，１８は、比較例品５と同様の軟質金属粒子が存在すると共に微細に分散した５μｍのＰｂ相が存在することで、非焼付性および耐疲労性共が向上している。
また、実施例品１７，１９は、潤滑作用を発揮するＰｂやＢｉを７０質量％含有する被覆層である。ＰｂやＢｉによる軟質金属粒子と微細な分散相とによって、十分な耐疲労性を維持しながら飛躍的に非焼付性が向上している。

（３）実施例品２０，２１、比較例品６は、Ａｇ、Ａｇ系合金を被覆層としている。
＜実施例品２０，２１と比較例品６との比較＞
比較例品６は、被覆層をＡｇめっきすることによって形成している。このため、耐疲労性には優れるが、非焼付性の低いものとなる。これに対し、実施例品２０，２１は、被覆層をＣＳ法によって形成し、しかも、Ｐｂを軟質金属粒子として含んでいるため、耐疲労性に優れることは勿論、非焼付性にも優れたものとなる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、次のような拡張或いは変更が可能である。
被覆層は、互いに相分離する２種の金属成分からなるものに限られず、互いに相分離する金属成分を３種或いはそれ以上含んでいても良く、所定の金属成分には相分離しない金属成分を含んでいても良い。
互いに相分離する金属成分を３種或いはそれ以上含んでいる場合、合金粒子を、それら相分離する金属成分のうちから選択した２種の金属成分により構成しても良い。
合金粒子を構成する金属成分が３種以上あった場合、軟質な金属粒子を構成する金属成分は、それら３種の金属成分のうち２番目以降の硬さの金属成分とすれば良い。
被覆層には、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＷＣ、Ｍｏ₂Ｃなどの炭化物、窒化物、酸化物の粒子を含ませることができる。これらは、２００ＨＶ以上であることが好ましい。また、被覆層には、例えば、ＭｏＳ₂やグラファイト等の固体潤滑剤を含ませることができる。前記Ａｌ₂Ｏ₃やＭｏＳ₂は、図１中のハッチングを施して示す硬質金属粒子１１と同様に、被覆層中に存在させることができる。

本発明の被覆層の組織を示す図摺動材料の断面図図２とは異なる摺動材料の断面図鋳造による被覆層の組織を示す図溶射による被覆層の組織を示す図粒子の外接球直径を示す図

符号の説明

図面中、１は裏金層、２は軸受合金層、３はオーバレイ層、４は軟質金属粒子、６はマトリックス、８は分散相、１０は合金粒子である。

Claims

基材とこの基材上に形成された被覆層とを有する摺動材料において、
前記被覆層は、互いに相分離する２種以上の金属成分を含み、
前記相分離する２種以上の金属成分のうち硬度において差のある少なくとも２種の金属成分からなる合金粒子と、この合金粒子を構成する前記少なくとも２種の金属成分のうち最も硬質の金属成分ではない金属成分からなる軟質金属粒子とが共に存在する組織となっており、
前記合金粒子は、前記最も硬質の金属成分ではない金属成分からなる分散相が当該合金粒子中に分散して存在していることを特徴とする摺動材料。
前記合金粒子は、前記被覆層の厚さ方向の粒子長よりも前記厚さ方向に垂直な方向の粒子長の方が長いことを特徴とする請求項１記載の摺動材料。
前記軟質金属粒子は、前記被覆層の厚さ方向の粒子長よりも前記厚さ方向に垂直な方向の粒子長の方が長いことを特徴とする請求項１または２記載の摺動材料。
前記分散相は、前記軟質金属粒子よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動材料。
前記分散相の大きさは、４μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動材料。
前記被覆層には、気孔が存在していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動材料。
前記気孔は、前記分散相よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動材料。
前記合金粒子と、前記軟質金属粒子と、前記合金粒子を構成する少なくとも２種の金属成分のうち最も軟質の金属成分ではない金属成分からなる硬質金属粒子とが共に存在する組織となっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の摺動材料。
前記軟質金属粒子は、前記被覆層中に均一に分布していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の摺動材料。
前記硬質金属粒子は、前記被覆層中に均一に分布していることを特徴とする請求項８記載の摺動材料。
前記合金粒子は、外接球直径の平均が７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の摺動材料。
前記軟質金属粒子は、外接球円直径の平均が７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の摺動材料。
前記硬質金属粒子は、外接球円直径の平均が７０μｍ以下であることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載の摺動材料。
前記分散相は、前記摺動層の厚さ方向の長さよりも前記厚さ方向に垂直な方向の長さの方が長いことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の摺動材料。
請求項１記載の摺動材料を製造する方法において、
相分離する２種以上の金属成分のうち硬度において差のある少なくとも２種の金属成分からなる合金粒子と、この合金粒子を構成する前記少なくとも２種の金属成分のうち最も硬質の金属成分ではない金属成分からなる軟質金属粒子とを、高速度の作動ガス流により基材に衝突させて、当該基材上に前記合金粒子と前記軟質金属粒子とが共に存在する被覆層を形成することを特徴とする摺動材料の製造方法。
請求項８記載の摺動材料を製造する方法において、
相分離する２種以上の金属成分のうち硬度において差のある少なくとも２種の金属成分からなる合金粒子と、この合金粒子を構成する前記少なくとも２種の金属成分のうち最も硬質の金属成分ではない金属成分からなる軟質金属粒子と、前記少なくとも２種の金属成分のうち最も軟質の金属成分ではない金属成分からなる硬質金属粒子とを、高速度の作動ガス流により基材に衝突させて、当該基材上に前記合金粒子と前記軟質金属粒子と前記硬質金属粒子とが共に存在する被覆層を形成することを特徴とする摺動材料の製造方法。