摺動材料並びに複合焼結摺動部材およびその製造方法
【課題】 低速かつ高面圧下で摺動し、潤滑切れが起こり易い作業機軸受の耐焼き付き性および／または耐摩耗性の向上と、異音の発生防止と、給脂間隔の延長とをねらいとして、規則相の金属間化合物性による耐摩耗性の向上と凝着性の低減とを図る。
【解決手段】 摺動材料を、規則変態性を有する組成範囲の金属合金相を１０体積％以上含有してなる構成とする。また、この金属合金相を、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの１種以上の元素を含むＦｅ系合金相とする。
【解決手段】 摺動材料を、規則変態性を有する組成範囲の金属合金相を１０体積％以上含有してなる構成とする。また、この金属合金相を、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの１種以上の元素を含むＦｅ系合金相とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高面圧下での軸受の耐焼き付き性および／または耐摩耗性の向上、異音の発生防止、給脂間隔の延長をねらいとした摺動材料並びに複合焼結摺動部材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、建設機械の作業機ブッシュのようなより高面圧、低速の条件下で使用される軸受材として、耐摩耗性を重視した浸炭もしくは高周波焼入れした鋼製のブッシュがグリース潤滑下にて用いられている。特に、この種の作業機では高面圧下で潤滑条件が厳しくなることから、作業時に不快な異音が発生するのを防止するために、前記鋼製ブッシュの摺動面に潤滑皮膜処理を施したり、グリースの潤滑性を高めるために多数のグリース溝を形成することが行われている。
【０００３】また、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕを基本型とし、軟質なマルテンサイト基地の鉄系焼結摺動材料の気孔に潤滑油を含浸させた含油焼結軸受や、この鉄系焼結摺動材料に、より軟質な工具粉末やセラミック粉末を添加した含油焼結軸受等も、軽負荷の作業機部位において一部使用されている。
【０００４】銅系焼結軸受材としては、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ等の青銅系、鉛青銅系材料が建設機械分野においても足回りの転輪ローラ部にごく一般的に利用されているが、作業機用としても、より硬質で高強度な高力黄銅製ブッシュが耐焼き付き性と馴染み性に優れることから一部使用されている。
【０００５】また、作業機などの軸受部への給脂時間間隔を延ばすために、高力黄銅製ブッシュに、摺動部面積の３０％前後の面積の機械加工穴を設け、その穴を摺動方向においてオーバーラップするように配置し、この穴に固体潤滑剤の黒鉛を埋め込んだ軸受材料（例えばオイレス工業社製、５００ＳＰ）や、固体潤滑剤を多量に添加した金属焼結体（例えば東芝タンガロイ社製、ＳＬ合金）が利用されている場合もある。
【０００６】また、高面圧下条件にて使用される複層焼結摺動部材としては、固体潤滑成分としての黒鉛が３〜８重量％の範囲で含有された５〜１３重量％Ａｌ、３〜６重量％Ｆｅ、０．１〜１．５ＴｉＨ組成範囲のアルミ青銅系焼結摺動合金を燐青銅板の接合層を介して鋼板に一体接合してなる複層焼結摺動部材およびその製造方法が、特開平５−１５６３８８号公報において開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前述の作業機ブッシュのように、高面圧下で、かつ極めて遅い速度で摺動するものにおいては、潤滑膜形成条件が極めて厳しくなる。前記鋼製ブッシュでは硬さの点で高荷重に対してへたることはないが、容易に焼き付いたり、不快な異音が発生し易いことが重要な問題となっており、給脂間隔を短くしてそれらの問題が発生しないように管理することが必要となっている。
【０００８】前記作業機ブッシュとして、マルテンサイト基地の含油鉄系焼結摺動材を使用するものにおいては、へたりがなく、鋼製ブッシュに比べて焼き付き性の点でかなり改善されるものであるが、作業機のように極めて低速、かつ高荷重下で使用される場合には、潤滑切れ状態が容易に起こるために、耐焼き付き性の向上および異音発生の防止を十分に図ることができないという問題点がある。
【０００９】さらに、焼結摺動材中の空隙に潤滑油を多量に含油させて摺動時の潤滑条件を改善するものにおいては、焼結体中に空隙が多くあることによって逆に潤滑的な条件が悪くなり、耐焼き付き性の向上および異音の発生を期待するほどに改善できないという問題点がある。
【００１０】また、鋼製の作業機ピンと作業機ブッシュとの間の耐焼き付き性を高めるために、異種材のＣｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｐｂなど青銅系材料を用いるものでは、高面圧下でへたってしまうという問題点と、潤滑条件が厳しいために極めて簡単に摩耗するという問題点がある。
【００１１】これに対し、作業機ブッシュに、より硬質で、高強度の溶製された高力黄銅材を使用するものでは、へたりはほぼなく、鋼製ブッシュに比べて異音の発生がかなりの点で防止できるものの、前述のように潤滑切れが容易に起こるために、耐焼き付き性の向上および異音発生の防止を十分に図ることができないという問題点がある。
【００１２】また、給脂性を高めるとともに、給脂間隔を延ばすために、溶製材の高力黄銅ブッシュに自己潤滑性の高い黒鉛を埋め込み、さらに黒鉛に潤滑油を含油させたブッシュにおいても、黒鉛充填用の穴の面積率を通常２５〜３０％に抑えて使用されるため、摺動距離が短くなるに連れて潤滑の行き届かなくなる個所ができ、局所的な焼き付きが発生するとともに、長時間にわたって十分な自己潤滑性が得られないという問題点があり、また黒鉛埋め込み用の穴あけ加工と黒鉛の充填等の工程がコストを顕著に引き上げるという問題点がある。
【００１３】さらに、特開平５−１５６３８８号公報に開示されている技術のように、耐焼き付き性を高めるために、３〜８重量％（約１２〜３６体積％）に及ぶ多量の固体潤滑剤の黒鉛を高強度なアルミ青銅焼結材料中に含有させたものにおいても、黒鉛を多量に含有する弱さから、十分な高面圧下での摺動特性が確保されず、また耐摩耗性においても十分でないという問題点がある。
【００１４】さらに、固体潤滑剤を多量に含有する金属焼結体では、焼結性が困難となり、実用的な強度を得るためには焼結時に加圧処理を必要としており、例えば前記３〜８重量％の黒鉛を含有するＡｌ青銅系焼結摺動材料を燐青銅材を介して裏金に一体化した複層焼結摺動部材は、焼結時において加圧処理を必要としており、少なくとも一体化する工程におけるコスト高が避けられないという問題点がある。
【００１５】本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、低速かつ高面圧下で摺動し、潤滑切れが起こり易い作業機軸受の耐焼き付き性および／または耐摩耗性の向上と、異音の発生防止と、給脂間隔の延長とをねらいとして、規則相の金属間化合物性による耐摩耗性の向上と凝着性の低減とを図ることのできる摺動材料と、この摺動材料を裏金に一体化させた複合焼結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ものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】低速で、かつ高面圧下の潤滑切れが起こり易い摺動条件下で使用される作業機軸受材料は、適度の硬さを有しながら、耐焼き付き性および／または耐摩耗性に優れた特性を持つことが必要であるとの観点から、本発明は、このような特性を持つ材料として、規則変態性を有する組成範囲の金属合金相、とりわけＦｅ系合金規則相が優れていることを明らかにした点に特徴がある。
【００１７】要するに、第１発明による摺動材料は、規則変態性を有する組成範囲の金属合金相を１０体積％以上含有してなることを特徴とするものである。また、第２発明は、前記第１発明において、前記金属合金相を、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの１種以上の元素を含むＦｅ系合金相としたものである。
【００１８】ＨＡＮＳＥＮの状態図集を参照すれば、実用的な軸受Ｆｅ系合金で規則相を示す系としては、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉが挙げられるが、コスト的な観点からは、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系を主体に用いたものが極めて有効である。
【００１９】なお、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系の規則相としては、Ｆｅ３Ａｌ、ＦｅＡｌ、Ｆｅ３Ｓｉ、ＦｅＳｉがある。これらの結晶はいずれもＢＣＣ構造であり、Ｆｅ原子とＡｌ原子および／またはＳｉ原子が極めて強力に引きつけ合いながら、規則正しくそれら原子同士が最近接距離に配置されることから、この規則相の硬さは、規則度が高まるとともに、金属間化合物に近い硬さを示すことが良く知られている。しかも、Ｎｉ、Ｃｏを添加したＦｅ−Ａｌ系合金ではＦｅ−ＡｌとＮｉ−ＡｌもしくはＣｏ−Ａｌの２種の規則相への二相分離反応も関与することから、例えば６００℃での時効処理を施すか、焼結後の冷却速度を遅くすることによって、顕著に硬化させることができ、耐摩耗性の付与に極めて有効である。しかし、これらの規則相硬さがビッカース硬さＨｖ８００を越えることはなく、摺動材料として用いた場合においては、前述の相手摺動材となる作業機ピン表面が熱処理で硬化されているので、ブッシュによるアタックがなく、かつ摺動材自身が耐摩耗性に優れることは好ましいことである。
【００２０】規則相が金属間化合物に近い硬さをもつことから類推されるように、Ｆｅ原子とＡｌ原子および／またはＳｉ原子が規則配列すると極めて安定である。その逆に、凝着によってその原子的配列が乱されると極めて不安定な状態になる。したがって、化学的な意味合いからして、鋼製の作業機ピンの凝着性を低減させることは摺動材料としての特性に好ましいのは明らかである。
【００２１】さらに、規則的な原子配列が不規則化する段階においては、顕著な吸熱反応を伴うことから、本発明による摺動材料が摺動面における発熱を抑える作用を示すことはより好ましい。また、顕著な凝着によるのではなくても、摺動面が摩擦熱によって昇温する場合においても、規則相から不規則相への二次変態的な広い温度範囲での吸熱作用を持つことを利用することによって、結果的には耐凝着性を改善することが好ましいのは明らかである。
【００２２】さらに、これら規則・不規則変態と同様な吸熱反応は、強磁性体から常磁性体に二次的変態する磁気変態によっても顕著に引き起こされるので、例えば規則・不規則変態温度と磁気変態温度とを調整することによって、更なる二次変態的な広い温度範囲での極めて顕著な吸熱作用を引き起こさせるように設計することが可能であり、耐凝着性の向上を図ることができることも本発明に係る摺動材料の特徴である。
【００２３】前記第２発明において、前記Ｆｅ系合金相は、Ｆｅを主体として少なくとも５〜３０重量％のＡｌを含有するものであるのが好ましい（第３発明）。また、前記Ｆｅ系合金相は、Ｆｅを主体として少なくとも５〜１５重量％のＳｉを含有するものとすることもできる（第４発明）。さらに、Ｆｅを主体としてＡｌおよびＳｉを５〜２０重量％含有するものであっても良い（第５発明）。
【００２４】前記第２発明乃至第５発明において、前記Ｆｅ系合金相は、ＣｏおよびＮｉのうちの１種以上を５〜４０重量％含有し、Ｆｅ系合金相の硬さをＨｖ３００〜８００に調整してなるものであるのが好ましい（第６発明）。また、前記第２発明乃至第６発明において、前記Ｆｅ系合金相は、規則−不規則変態温度および／または磁気変態温度を２００〜９００℃に調整されたものであるのが好ましい（第７発明）。
【００２５】また、前記各発明において、少なくともＣｕが１０〜９０重量％含有され、当該摺動材料組織中に１０体積％以上のＦｅ系合金相とＣｕ合金相とが分散されているのが好ましい（第８発明）。このようにＦｅ系合金規則相をＣｕ系材料でつなぐ組織とすることによって、軸受の利用条件に合わせた適正な材料硬さが調整されるとともに、靭性の調整が図られる。Ｆｅ系合金規則相がその効果を発揮するのは１０体積％以上であり、残りの相がＣｕを主体とするＣｕ系材料であるのが良い。また、これら第７発明または第８発明において、規則−不規則変態を示すＦｅ系相とＣｕを主体とするＣｕ系相の少なくとも２つの相以上から構成され、Ｃｕ系相がＣｕ−Ａｌ状態図中における（α＋β）相および／またはβ相からなるのが好ましい（第９発明）。
【００２６】さらに、潤滑油の軸受摺動面への均一供給を図る目的で、Ｆｅ系規則相合金および／または前述のＣｕ系材料とＦｅ系規則相とからなる軸受材料を焼結で製造することによって、軸受内部に潤滑油を含有させる気孔を多量に分散させることは、軸受の耐焼き付き性を高めるだけでなく、軸受への給脂間隔を顕著に延長する効果があるので、本発明では、軸受が気孔を含有する焼結材料で製造されるものを主体にした。
【００２７】すなわち、前記各発明において、気孔率が少なくとも５〜３５体積％に調整されているのが好ましい（第１０発明）。通常、含油軸受焼結摺動材料として利用される気孔率は通気孔であることが望ましく、本発明においても十分な通気孔性が得られる気孔率として５体積％以上とした。また、気孔率の上限は、潤滑油の粘性を高めることによって含油性が改善できるので、適用する軸受の面圧との関係でかなり自由に設定することができるが、材料強度が弱くなり過ぎることを考慮して、３５体積％を越えないようにした。また、前述のように多量の気孔を含有させる場合には、潤滑性に優れたＰＡ（ポリアミド）等の樹脂を含浸させることも効果的である。
【００２８】Ｆｅ系規則相を主体とする焼結材料を製造する際において、Ｆｅ系規則相組成に近いＦｅ系合金粉末とＣｕ粉末とを混合成形して焼結することが好ましいが、これらのＦｅ系合金粉末の入手性の困難さと、粉末コストが高いことおよび硬質粉末となるための成形性の困難さがあるため、この困難を避けるためには、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ等の素粉末の混合粉末を混合・成形・焼結することが望まれる。しかし、ＦｅとＡｌの混合粉末を成形後に焼結すると、極めて顕著な膨張性を起こし、困難な難焼結性を示すことになる。そこで、本発明では、■燐（鉄）、Ｓｉ、Ｔｉの一種以上を０．２５重量％以上添加し、還元性を高めると同時に部分的な液相を出現させることによって焼結性を促進する、■１０重量％以上のＣｕ粉末を添加して、焼結初期においてＣｕ系の液相を発生させることによって焼結を促進する、■Ｃｕ粉末に固溶して融点を下げるＳｎ、Ｓｉ、燐、Ｍｎ等の元素を１０重量％の範囲内で調整して焼結性を促進する、という手段を組み合わせて前述の顕著な膨張性を制御することとし、Ｆｅ−Ａｌ系を主体とする規則相焼結摺動材料および規則相がＣｕ系成分によって容易に製造できるようにした。
【００２９】この方法によれば、硬質なＦｅ−Ａｌ系合金粉末に前記範囲内の軟質なＣｕ粉末を混合することによって成形性を解決するとともに、Ｆｅ系規則相中には焼結時に最大でも約２５重量％のＣｕを固溶することができるので、１０重量％以上のＣｕを含有する摺動材料中のＦｅ−Ａｌ規則相には、焼結温度からの冷却時や、低温度における時効処理によって、Ｆｅ−Ａｌ規則相内部に微細なＣｕ系相が析出することが予測されるが、規則相自体の硬さが十分に発現され、摺動特性上の問題がないことは、前述の規則化などに大きな影響を与えないことを意味する。
【００３０】したがって、前記第１０発明においては、Ｓｎ，Ｐ，Ｔｉ，Ｍｎのうちの一種以上が０．１〜１０重量％の範囲で添加されるのが好ましい（第１１発明）。
【００３１】また、Ｆｅ系合金規則相をＣｕ系材料でつなぐ組織とする場合には、Ｃｕ系相にもＡｌ、Ｓｉが拡散固溶して、Ｃｕ相はＡｌ、Ｓｉによって強化されるが、本出願人が既に特願２０００−８６０８０号にて開示しているように、Ｃｕ−Ａｌ系状態図に記載されている、より硬質のβ相（ＢＣＣ）が含有されていることが好ましく、少なくともＣｕ相においては８重量％以上のＡｌが含有されていることが好ましい。また、その摺動特性を高めるＳｎ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐの一種以上の元素が共存するのが好ましい。
【００３２】なお、前記Ｆｅ−Ａｌ系合金規則相をＣｕ系材料でつなぐ組織のＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー分析）による組成分布を調査した結果、Ａｌ、ＴｉはＣｕ系相よりもＦｅ規則相中へ濃化するのに対して、ＳｎはＣｕ系相へ濃化し、Ｐはほぼ均等に固溶することが明らかになっている。また、Ｆｅ−Ａｌ規則相中へ固溶するＣｕ濃度は前述のように２５重量％、Ｃｕ系相へ固溶するＦｅ濃度は約５重量％にまで及ぶことが明らかとなっている。
【００３３】とりわけ、Ｓｎは、Ｆｅ−Ａｌ規則相へほとんど固溶せずにＣｕ系相に濃化して、Ｃｕ系相の摺動特性を高めることが容易に理解できるが、本出願人が特願２０００−８６０８０号において開示しているように、このＳｎは、Ｃｕ−Ａｌ系β相を顕著に安定化してβ相を出現し易くすると同時に、Ｃｕ系相の融点を下げて易焼結性を高める働きをするが、Ａｌ共存下でＳｎが多量に添加された場合には、金属間化合物を多量に析出して顕著に脆化するので、このＳｎの添加量の最大値を１０重量％にした。
【００３４】また、ＳｉもＳｎと同様の易焼結性を顕著に示すが、Ａｌ共存下でＣｕ系相に３重量％以上に濃縮される場合にはＣｕ系相が顕著に硬化、脆化するため、軸受材料としてはＳｉ添加量を５重量％以下に抑えることが好ましい。
【００３５】さらに、前記成分以外にも、焼結性、摺動特性、強度の改善、気孔率調整のためＰｂ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇ，Ａｇ等の元素および黒鉛，ＭｎＳ，ＣａＦ２等の固体潤滑剤および／またはセラミックスなどの硬質分散材のうちの一種以上が含有されるのが好ましい（第１２発明）。
【００３６】また、Ｆｅ−Ａｌ系規則相は、磁歪材料としても優れた機能を有し、大きな機械的圧力（弾性変形）を受けたときには、大きな磁化変化によるエネルギー吸収を顕著に引き起こす材料系であることから、摺動時の局部的な過大応力を吸収するのに適したものであり、これらの磁歪特性を高める合金元素の添加も積極的に利用できる。
【００３７】次に、第１３発明は、前記第１発明による焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる板状、円筒状もしくは略円筒状の裏金に一体化してなることを特徴とするものである。
【００３８】また、第１４発明は、前記第１３発明において、前記焼結摺動材料を、前記裏金の面積に対して３０〜７０面積％となるように島状に独立・分散して焼結接合し、摺動時にその独立した島状の摺動材料間に形成される凹部にグリースもしくは固体潤滑剤を充填するようにしたものである。こうすることで、給脂間隔を画期的に延長することができることが明らかである。この場合、より高面圧下での摺動条件によっても一体化面からの剥離を防止するために、摺動材の島状の形状において、摺動面方向の一体化面の島長さが、一体化面と摺動面までの長さの２倍以上であるようにするのが好ましい。
【００３９】さらに、第１５発明は、前記第１３発明において、前記焼結摺動材料を、前記裏金の面積に対して３０〜７０面積％となるように穴あき状態で焼結接合し、摺動時にその独立した穴あき凹部にグリースもしくは固体潤滑剤を充填するようにしたものである。
【００４０】前記第１３発明において、前記裏金の接合面の表面に予め潤滑油の溜り溝部が形成されるのが好ましい（第１６発明）。これによって、含油軸受としての含油量を極めて顕著に高めることが可能になり、給脂間隔の延長に有効である。また、前記裏金となる鉄系材料が、気孔率を５〜３０体積％の範囲に調整されてその裏金部分においても含油できるようにされるのが好ましい（第１７発明）。なお、気孔率５〜３０体積％の範囲は、５体積％未満の気孔率では、含油性を高めるための通気性が不足し、３０体積％を越える気孔率では、裏金として焼結体強度が脆弱になり過ぎることを考慮して選定されたものである。
【００４１】また、前記焼結摺動材料は第三のインサート材を介して前記裏金に焼結接合されるのが好ましい（第１８発明）。このように焼結接合温度において焼結摺動材料に液相を発生させて、焼結接合性の優れた第三のインサート材を介して焼結接合することは、本発明の焼結摺動材料の成分的制約をかなり緩和することができるので好ましい。ここで、第三のインサート材としては、Ｓｎを含有する青銅系および／またはＦｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結体等が好ましい（特願２０００−８６０８０号参照）。
【００４２】さらに、前記第１３発明乃至第１８発明において、スラスト荷重を受けて摺動するように前記裏金に鍔部が設けられ、この鍔部摺動面に耐摩耗材料もしくは摺動材料が一体化される態様としても良い（第１９発明）。この場合、前記耐摩耗材料もしくは摺動材料が、超硬、ステライト、鉄系耐摩耗材料、セラミックス、耐摩耗Ｃｕ溶浸材のうちの一種であり、これらが溶射、ろう付け、焼結接合、溶浸接合、接着のうちのいずれかの手段で一体化されるのが好ましい（第２０発明）。なお、前記ろう付け、接着による手段が簡便で好ましいが、この場合には摺動材料が焼結摺動材料の場合、予め焼結が完了している必要がある。
【００４３】ところで、Ａｌが少なくとも５重量％以上含有されるＦｅ系規則相合金において、ＳｎおよびＣｕが含有されている摺動材料を前記裏金に一体化させた複合焼結摺動部材においては、本出願人が特願２０００−８６０８０号にて開示しているように、ＡｌとＳｎとは負の偏析傾向を示し、焼結時には摺動材料中のＡｌによって裏金との接合界面にＳｎリッチ相が富化されることから、裏金との接合性が容易になるものである。なお、Ｓｎの発汗性を抑制するＴｉ、Ｎｉ、燐鉄、ＮｉＰ、Ｍｎ、Ｓｉを添加することによって、接合面での濡れ性を改善して接合性を高めることができる。
【００４４】次に、前記複合摺動部材を製造するために、第２１発明による複合焼結摺動部材の製造方法は、規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる円筒状もしくは略円筒状の裏金に一体化する複合焼結摺動部材の製造方法であって、前記焼結摺動材料が、その焼結摺動材料を膨張させる金属Ａｌと、高温度側で液相を発生させて焼結体強度および焼結接合性を確保する元素としての１０〜７０重量％のＣｕとを含有し、かつその焼結摺動材料よりなる成形体が、前記裏金の内径と同じかまたは僅かに小さい外径を有する円筒状部材とされ、この円筒状部材を前記裏金に挿入した状態で９００℃以上の温度に加熱する際に、（ａ）前記焼結摺動材料を８００℃以上の温度で所定時間加熱することによってその焼結摺動材料を膨張させてその温度で発生するＣｕ系合金液相によって前記裏金に接合し、（ｂ）さらに昇温して９００℃以上の温度で加熱することによりＣｕ系合金液相をより多く発生させることによって前記焼結摺動材料を緻密化させることを特徴とするものである。
【００４５】なお、添加するＡｌ金属素粉末はＦｅ−Ａｌ規則相合金中のＡｌ添加量の全量である必要はなく、実質的には１％以上の寸法的膨張量が確保されれば良好な接合性が確保されるので、添加はこの条件を満足していれば良い。
【００４６】前記第２１発明において、前記鉄系材料よりなる円筒状もしくは略円筒状の裏金とその裏金の内径よりわずかに小さい外径を有する前記焼結摺動材料よりなる円筒状成形体との間隙に第三のインサート材を配置し、前記８００℃以上の温度での加熱によってその焼結摺動材料を膨張させて前記裏金に接合させるための有効な液相成分を発生させるようにする態様を採ることができる（第２２発明）。ここで、前記第三のインサート材は、前記接合温度においてその全量が液相にならないように調整され、前記鉄系材料に対する濡れ性に優れたＳｎ、Ｃｕを含有する合金材料であるのが好ましい（第２３発明）。こうすることで、第三のインサート材から発生する液相が前記焼結摺動材料および前記鉄系材料よりなる裏金への急速な浸透を防止して接合性を安定化させることができる。
【００４７】前記第２１発明または第２２発明において、前記裏金に鍔部が設けられ、この鍔部摺動面に耐摩耗材料もしくは前記焼結摺動材料がろう付け、焼結接合、溶浸接合のうちのいずれかの手段により同時に一体化される態様とすることができる（第２４発明）。これによって、製造コストを安価にすることができる。
【００４８】ここで、前記鍔部摺動面に、少なくとも炭素１．５〜３．５重量％、Ｃｒ５〜１７重量％を含有する高炭素高Ｃｒ系合金焼結材料が前記耐摩耗材料もしくは焼結摺動材料と同時に焼結接合されるのが好ましい（第２５発明）。この場合、少なくとも炭素１．５〜３．５重量％、Ｃｒ５〜１７重量％をベースとして、０．１〜０．５重量％のＰ、０．５〜５．０重量％のＳｉ、Ｍｏによって適正焼結温度を調整し、さらにその焼入れ性等の調整のために０．５〜５．０重量％のＮｉ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏを添加するのが好ましいことが良く知られている。
【００４９】次に、第２６発明による複合焼結摺動部材の製造方法は、規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる板状の裏金に一体化する複合焼結摺動部材の製造方法であって、前記焼結摺動材料が、前記規則変態性を有するＦｅ系合金相と、高温度側で液相を発生させて焼結体強度および焼結接合性を確保する元素としての１０〜７０重量％Ｃｕおよび３〜１０重量％Ｓｎとを少なくとも含有し、この焼結摺動材料の混合粉末を前記裏金の表面に散布し、中性、還元または真空雰囲気中で焼結した後、圧延機もしくはプレス機を用いて焼結層を圧縮し、前記中性、還元または真空雰囲気中で再焼結する工程を１回以上実施して焼結接合することを特徴とするものである。
【００５０】前記焼結摺動材料を板状の裏金に一体化する場合には、本発明のような方法によるのが好ましい。なお、この際において、低温度での接合性を高めるためにＰｂを５重量％の範囲内で添加するのが効果的である。さらに、前述のＭｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇ，Ａｇ等の元素および黒鉛，ＭｎＳ，ＣａＦ２等の固体潤滑剤および／またはセラミックスなどの硬質分散材を積極的に利用するのが好ましい。
【００５１】前記第２６発明にて製造された複合焼結摺動部材は、前記焼結接合後に丸曲げ加工して円筒状もしくは略円筒状に成形して使用することができる（第２７発明）。
【００５２】
【実施例】次に、本発明による摺動材料並びに複合焼結摺動部材およびその製造方法の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００５３】（実施例１）電解鉄（９９．９５重量％）とＡｌ、Ｃｏとを用いて、各種組成の合金を真空雰囲気下で溶解、製造し、鍛造後、小試験片に切り出し、それら合金の磁気変態温度（キュリー点、℃）と、硬さと熱処理との関係を調べた。
【００５４】図１（ａ）（ｂ）には、０〜４０原子％Ｃｏ、０〜４０原子％Ａｌの組成のＦｅ−Ａｌ−Ｃｏ三元合金を１２００℃に加熱後急冷したもの（ａ）と、この急冷後に６００℃で１０時間時効処理したもの（ｂ）のそれぞれのビッカース硬さ分布が示されている。これらの図から、急冷したもの（図１（ａ））においても２５〜４０原子％Ａｌ、１５〜３０原子％Ｃｏの範囲においてわずかな硬化傾向が認められるが、６００℃で時効処理したもの（図１（ｂ））では、１５〜４０原子％Ａｌ、１０〜４０原子％Ｃｏの範囲において顕著に硬化する領域が存在することがわかる。
【００５５】次に、図２には、図１（ｂ）における０，１０，１５，２０，３０，４０原子％Ｃｏ断面におけるＡｌ濃度（原子％）と硬さとの関係が示されている。この図から、次のことがわかる。すなわち、０原子％Ｃｏ（Ｃｏを添加しない場合）においては、Ａｌ濃度の増加に伴って硬化している。この硬化割合は、急冷合金で観察された増加の程度にほぼ等しいため、６００℃での時効硬化現象がほとんど観察されていない。これに対して、１０原子％Ｃｏにおいては、１５原子％Ａｌ（約８重量％Ａｌ）において顕著に硬化し、２０原子％Ａｌにて最大硬さ（Ｈｖ＝６２０）に達した後、３０原子％Ａｌで時効硬化性が消失する。また、２０原子％ＣｏでのＡｌ添加の影響は、１０原子％Ａｌから時効硬化性が確認され、３０原子％Ａｌで最大硬さ（Ｈｖ＝７７０）に達した後、４０原子％Ａｌでほぼ時効硬化性が消失する。さらに、３０原子％Ｃｏにおいては、４０原子％Ａｌまで時効硬化性が確認されるが、４０原子％Ａｌに至ると顕著な時効硬化性はなくなる。
【００５６】上述の結果からすれば、Ｃｏ添加による時効硬化性を効率的に発揮するには、１０〜３０原子％Ｃｏおよび１０〜５０原子％Ａｌの範囲で調整されるのが好ましい。なお、上述のようなＣｏの添加による顕著な時効硬化現象は、Ｆｅ系規則相の二相分離反応に由来することは明らかであり、同様の現象はＦｅ−Ａｌ−Ｎｉ系合金においても確認されている。さらに、同様の現象がＡｌの代わりにＳｉおよびＣｏ、Ｎｉの代わりにＭｎの合金元素を用いることにより得られるのは、熱力学的に予測される。
【００５７】図３には、１０原子％Ｃｏを添加したＦｅ−Ａｌ−Ｃｏ三元合金を、５℃／ｍｉｎの昇温、降温速度で測定した磁化曲線から求めた磁気変態温度（キュリー温度）とＡｌ原子％濃度との関係が示されている。この図から、Ｆｅ−１０原子％Ｃｏ−１５原子％Ａｌでは、複数の磁気変態点が出現し、Ｆｅ−１０原子％Ｃｏ−２０原子％Ａｌ合金では三段の磁気変態温度が確認される。このことから、不規則状態、Ｆｅ３Ａｌ型およびＦｅＡｌ型の３種類の原子配列が存在していることが確認される。さらに、Ｃｏの添加をより多くした場合においては、上記三段の磁気変態点はより高温側に推移して発現されることから、Ｆｅ−Ａｌ系の規則相がＣｏの添加によってより安定化されることがわかる。
【００５８】（実施例２）本実施例では、Ｆｅ規則相の耐摩耗性を評価するために、表１に示される組成の溶製材料よりなる直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱状試験片を用いて、５００℃と６００℃での前記時効処理時間を調整することによって各種の硬さを調整した後、油潤滑下で、ＳｉＣを２０重量％含有したポルトランドセメント円盤に摺動材料を押し付けたときの土砂摩耗性を評価した。
【００５９】
【表１】
【００６０】図４には、試験装置の概念図と試験条件とが示されている。この試験においては、ビッカース硬さがＨｖ＝５００となるように焼入れ焼戻しされたＳ４５基準材を試験材と同時に装置に取り付けて、試験材の摩耗性を基準材の摩耗量に対する摩耗量の比で評価した。図５に、本発明によるＦｅ系規則相材料の硬さを、比較材とともに示す試験結果が示されている。この図から明らかに、Ｆｅ系規則相の耐摩耗性が硬さの割に極めて優れていることがわかる。なお、比較材の高炭素高Ｃｒ焼結材は、Ｆｅ−３．０重量％Ｃ−０．３重量％Ｐ−１５重量％Ｃｒ−２重量％Ｎｉ−１．５重量％Ｖ−３．０重量％Ｃｏ組成で、１１８０℃で１時間真空焼結後ガス冷却によって焼入れ硬化させたものであり、Ｃｒ７Ｃ３型炭化物を多量に析出させ、耐摩耗性と耐焼き付き性を改善させたメカニカルシール材料である。
【００６１】（実施例３）本実施例では、表２に示される合金を真空溶解して、１０００〜１１５０℃での熱間鍛造、熱間圧延で板状に加工した後、切断・丸曲げし、図６に示される形状に機械加工したブッシュを摺動試験片とし、６００℃での前記時効処理時間を調整することによって各種の硬さになるように調整した。比較材としては、ＳＣＭ４２０肌焼き鋼に表面炭素濃度を約０．８重量％に調整した浸炭処理ブッシュ（比較材１）、Ｓ４３Ｃ焼入れ焼戻しブッシュ（比較材２）および高力黄銅４種材（Ｃｕ−２５重量％Ｚｎ−５重量％Ａｌ−３重量％Ｍｎ−２．５重量％Ｆｅ）（比較材３）を用いた。
【００６２】
【表２】
【００６３】図７には、摺動試験装置の概念図と試験条件が示されている。この摺動試験においては、供試ブッシュの投影面積に対して１０００ｋｇ／ｃｍ２まで１００ｋｇ／ｃｍ２毎に１００００回の往復摺動を行いながら摺動面圧を段階的に高めて行き、焼き付いて摩擦係数が急増したり、急進的な摩耗や異音が発生した時点で試験を中断して評価を行った。
【００６４】図８には摺動摩擦係数の推移、図９には摺動摩耗量の推移がそれぞれ示されている。これらの試験結果から、本発明材が比較材に比べて極めて良好な耐焼き付き性を発揮するとともに、Ｆｅ規則相を時効硬化させた場合において耐摩耗性が改善されるのが明らかである。
【００６５】（実施例４）３００メッシュ以下のＦｅアトマイズ粉末、Ｆｅ１０重量％Ａｌアトマイズ粉末、Ａｌアトマイズ粉末、Ｓｎアトマイズ粉末、Ｎｉ１０Ｐアトマイズ粉末、Ｃｕ８Ｐアトマイズ粉末、３００メッシュ以下のＴｉＨ粉末、燐鉄（２５重量％Ｐ）、Ｓｉ粉末、Ｍｎ粉末、５μｍのカーボニルＮｉ粉末、平均粒径６μｍの黒鉛等を用いて、表３、表４に示される配合成分の混合粉末を作成し、図１０に示される引張試験片（形状ブッシュ摺動試験片）を成形圧力４ｔｏｎ／ｃｍ２で成形した。なお、これら成形体は、１０−１ｔｏｒｒ以下の真空状態にて９５０〜１２５０℃の範囲で１０分〜１ｈｒ焼結して、６００ｔｏｒｒのＮ２ガス冷却後にそれらの寸法、組織を調査した。
【００６６】
【表３】
【００６７】
【表４】
【００６８】図１１〜図１３は、１１４０℃、１２００℃、１２５０℃で各１ｈｒ真空焼結した時の前記引張試験片長さを示したものである。この結果から明らかなように、図中に破線にて示される成形体長さ（約９６．５５ｍｍ）に対して、Ｆｅ−Ａｌ二元系焼結合金において、ＦｅとＡｌの素粉末を配合した焼結合金では、１２５０℃までの高温度においても焼結収縮することはなく、従来からの報告（例えばＤ．Ｊ．ＬＥＥ ＡＮＤ Ｒ．Ｍ．Ｇｅｒｍａｎ、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２１（１９８５．９））の通りに、顕著な膨張性を示すことがわかった。また、Ａｌに対して熱力学的反発性を有するＳｉ、Ｓｎを単独に添加した焼結合金においても、顕著な膨張性を抑えることはなく、燐鉄（Ｆｅ２５重量％Ｐ）を単独に添加した場合においてのみ１２５０℃において焼結収縮性が認められた。したがって、緻密なＦｅ−Ａｌ二元系焼結合金を得るためにはＦｅ−Ａｌ二元合金粉末や二元合金粉末に少量のＡｌ素粉末を添加することが望ましいのは明らかである。
【００６９】しかし、素粉末を用いたＦｅ−Ａｌ焼結合金の難焼結性を改善するためのＣｕ添加の影響を調査した結果、Ｃｕ単独の添加では１０重量％未満では焼結収縮性の改善がほとんどないが、１０重量％以上の添加によって焼結収縮性が認められるようになり、好ましくは約２０重量％Ｃｕによって十分な焼結収縮性が確保されることがわかった。この原因は、図１４に示されるＦｅ−１２重量％Ａｌ−２０重量％Ｃｕ焼結合金の組織観察写真からわかるように、Ｆｅ−Ａｌ規則相粒子間にＣｕ−Ａｌ系合金が液相として残留する量が少なくなるためである。したがって、Ｆｅ−Ａｌ系焼結合金の焼結性を高めるためには、１０重量％以上のＣｕの添加が必要であり、より好ましくは２０重量％以上であることがわかった。
【００７０】さらに、ＣｕとともにＳｉ，Ｓｎ，Ｐ，Ｔｉ等のＣｕ合金の融点を下げる合金元素を複合添加することによって、その焼結収縮性はさらに改善され、より低温度側からの焼結収縮性が確保されることがわかる。
【００７１】表５は、表３、表４中のＮｏ．１８，１４，２０，２１，２２の焼結合金を１２００℃で０．５ｈｒ真空焼結・ガス冷却したＦｅ−Ａｌ系規則相およびＦｅ−Ａｌ規則相を繋ぐＣｕ−Ａｌ系相の化学組成をＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ分析）によって調べた結果を示したものである。
【００７２】
【表５】
【００７３】この表５から明らかなように、Ａｌ、ＴｉはＣｕ−Ａｌ相よりもＦｅ−Ａｌ規則相中に顕著に濃縮して存在しており、ＳｎはＣｕ−Ａｌ相中に濃縮するとともに、Ｆｅが３〜５重量％程度固溶することがわかった。また、ＨＡＮＳＥＮの状態図を参考にした場合、Ｃｕ−Ａｌ相には約９重量％のＡｌが含有され、さらにＳｎ，Ｆｅなどのβ相を安定化する元素が含有されていることから、Ｃｕ−Ａｌ相がほぼβ相に相当すると考えられることがわかった。
【００７４】このことは、本出願人が既に特願２０００−８６０８０号において開示しているように、β相Ｃｕ−Ａｌ合金が高面圧、低摺動速度の極めて厳しい油潤滑条件下で使用する合金として優れた摺動特性と耐摩耗性を発揮することから、極めて好ましいことであることは明らかである。また、規則変態性を有する組成範囲の金属合金相を１０体積％以上含有してなることを特徴とするものである。また、第２発明は、前記第１発明において、前記金属合金相を、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの１種以上の元素を含むＦｅ系合金相としたものＳｉ，Ｓｎ，Ｔｉの添加はβ相Ｃｕ−Ａｌ合金の焼結性をも顕著に高めると同時に、顕著に硬化させるために、その添加量は５重量％以下に抑えて使用することが好ましい。
【００７５】図１５は、Ｆｅ，Ａｌ素粉末を用いたＦｅ−Ａｌ系規則相焼結合金の焼結収縮性に対するＳｉ，Ｃｏ，Ｎｉの影響を示したものである。この図から、前記時効硬化性を顕著にするＮｉ，Ｃｏの添加によっても十分な焼結収縮性が得られること、およびＳｉの添加によって焼結収縮性がより改善されることがわかる。ＳｉはＡｌと同結晶構造のＦｅ−Ｓｉ系規則相を形成する元素であることから、Ａｌとの複合添加は規則相を形成させる観点から極めて望ましい元素である。
【００７６】さらに、図１５中にはＦｅ１０重量％Ａｌ合金粉末を利用して、Ａｌ素粉末添加量を抑えた規則相焼結合金（表３、表４中のＮｏ．２７）の焼結収縮性が示されているが、素粉末だけの焼結合金に比べ、良好な収縮性を示すとともに、例えばＦｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ等の合金粉末の入手性が良い場合には、これらの合金粉末にＣｕもしくはＣｕ合金粉末を添加配合することによって焼結収縮性の良い各種Ｆｅ−Ａｌ系焼結合金が得られることが明らかである。
【００７７】（実施例５）本実施例は、実施例４に示される表３、表４中の代表的なＦｅ−Ａｌ規則相焼結合金と、表６に示されるようなＣｕ合金マトリックスに＃１００メッシュ以下のＦｅ１５Ａｌ、Ｆｅ１０Ａｌ１０Ｃｏ系規則相合金粉を分散させるように焼結した材料の摺動特性の調査を行ったものである。なお、比較材として、高力黄銅４種材（Ｃｕ−２５重量％Ｚｎ−５重量％Ａｌ−３重量％Ｍｎ−２．５重量％Ｆｅ）を用いた。
【００７８】
【表６】
【００７９】プレス成形体は、外径６６ｍｍ、内径７７ｍｍ、高さ３５ｍｍの円筒体を４ｔｏｎ／ｃｍ２の加圧力で成形した後に、気孔率が１０体積％、２０体積％程度になるように真空焼結、Ｎ２ガス冷却したものを前述の図６に示される形状にブッシュ加工したもの、および６００℃で１ｈｒの加熱処理を行ったものに＃３０の潤滑オイルを含浸させて摺動試験に供した。また、摺動試験装置およびその試験条件は前述の図７に示されているとおりである。摺動面圧は供試ブッシュの投影面積に対して１０００ｋｇ／ｃｍ２まで５０ｋｇ／ｃｍ２毎に１００００回の往復摺動を行いながら面圧を段階的に高め、焼き付いて摩擦係数が急増したり、急進的な摩耗や異音が発生した時点で試験を中断して評価した。
【００８０】図１６には、気孔率を約１０体積％に調整した場合の試験結果が示されている。この結果から明らかなように、本発明材の多くが高力黄銅材に比べて明らかに高い耐焼き付き面圧を示していることがわかる。とりわけ、Ｃｏ，Ｎｉ等を含有しないＦｅ−Ａｌ−Ｃｕにおいて、前記図８に示されるものに比べて優れた耐焼き付き性を有している。この原因は、焼結体中に含浸させた潤滑油に起因することは明らかであり、少なくとも開気孔性が維持される５体積％以上の気孔率が望ましいことは明らかである。また、Ｎｏ．４３〜４８の結果からは、Ｆｅ−Ａｌ規則相をＣｕマトリックス中に分散させた摺動材料においてもその耐焼き付き性は顕著に改善され、Ｆｅ系規則相がほぼ１０重量％以上（近似的には１０体積％以上）含有されるのが望ましいことがわかる。
【００８１】また、図１７には気孔率を約２０体積％に調整した場合の摺動試験結果が示されているが、耐焼き付き性がより改善されていることがわかる。現実的には２５体積％以上の気孔率を維持した場合には、軸受材料としての強度不足が問題になるものと考えられる。
【００８２】以上の実施例の結果から、Ｆｅ系規則相自身に極めて優れた耐焼き付き性および耐摩耗性等の摺動、耐摩耗特性が備わっていることが明らかになったが、Ｆｅ系規則相焼結合金にようにＣｕを多量に添加して、Ｆｅ規則相をＣｕ相で繋ぐような組織や、Ｃｕ量をより多くしてＣｕ相中にＦｅ系規則相が分散するような組織を持つ摺動材料を開発することが可能である。この場合、分散させるＦｅ系規則相の量は、通常１０体積％以上であると考えられるが、より好ましくは２０体積％以上であることは明らかである。
【００８３】（実施例６）表７には本実施例で使用したＦｅ系規則相焼結合金組成が示されている。混合粉末の成形は、外径５３ｍｍ、内径４７ｍｍ、高さ３５ｍｍの円筒体を２ｔｏｎ／ｃｍ２の加圧力で成形した後に、外径６６ｍｍ、内径５３ｍｍ、高さ４０ｍｍの鋼管（Ｓ４５Ｃ）の内径部にセットして１１５０℃、１ｈｒ真空焼結した後、Ｎ２ガス冷却した。
【００８４】
【表７】
【００８５】なお、表７中には、超音波検査装置にて評価した鋼管と焼結層との接合率が合わせて示されている。この表から明らかなように、内径焼結接合にとってもＳｎの添加が極めて効果的であり、０．２重量％以上、好ましくは０．５重量％以上の添加が必要であることがわかる。また、燐鉄，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉの添加によって接合率が顕著に改善されているのがわかる。これは、これらの元素が焼結の際に発生する液相と外接する鋼管表面の濡れ性を改善するためであることは明らかである。また、黒鉛の単独添加による接合率の低下が大きく認められなかったのは、黒鉛とＳｎを多量に含有する液相が濡れにくいことから、焼結体内に発生する液相が鋼管との接合界面に排出され易くなるためと考えられるが、黒鉛と、Ｔｉ，Ｃｒ等の黒鉛との反応性に富んだ合金元素とを複合添加した場合には、低融点のＳｎに対する黒鉛の影響が先行して作用し、さらにＴｉ，Ｃｒの作用が重複することによって、接合性がより改善されることがわかった。
【００８６】さらに、接合する鋼管の内径面に予めスパイラル状の深さ約１ｍｍ、幅５ｍｍの油溝を機械加工で形成したものに対しても、前述されたのと略同じように内径面に接合焼結することができることがわかる。また、この溝加工部を適宜工夫し、この溝部に潤滑油を含有させることによって、より長時間の無給脂軸受に適していることがわかる。
【００８７】（実施例７）本実施例では、２５０メッシュ以下のＣｕアトマイズ粉末、Ｓｎアトマイズ粉末、１００メッシュ以下のＦｅ１５Ａｌ、Ｆｅ１０Ａｌ１０Ｎｉアトマイズ粉末を用いて、前記実施例５の表６に示される混合粉末を調整し、４００番の研磨紙で表面を荒し、アセトンで良く洗浄した軟鋼板（ＳＳ４００、厚さ３．５ｍｍ、幅９０ｍｍ、長さ３００ｍｍ）への接合焼結実験を実施した。
【００８８】この実験においては、表６中の混合粉末を前記軟鋼板上に３ｍｍの高さで散布して、露点−３８℃のアンモニア分解ガス雰囲気炉で、８５０℃で２０分間加熱されるように接合焼結した後に、圧延機で焼結層が１．７ｍｍになるように圧延し、さらに圧延した散布材を再度前述と同じ条件で焼結し、この焼結後にその焼結層を内側にして直系４５ｍｍの円筒上に丸曲げ加工を施し、その時の鋼鈑からの焼結層の剥離状況を観察した。この結果、曲げ加工時における割れ、剥離の発生はなかった。
【００８９】（実施例８）本実施例では、１００メッシュ以下のＦｅアトマイズ粉末、２５０メッシュ以下のＣｕアトマイズ粉末、Ｓｎアトマイズ粉末、１００メッシュ以下のＦｅ１５Ａｌ、Ｆｅ１０Ａｌ１０Ｎｉアトマイズ粉末を用いて表８に示される混合粉末を調整し、実施例７と同じ鋼鈑への接合焼結実験を実施した。なお、焼結温度は９００℃として丸曲げ加工後の焼結層の剥離状況を観察した。この観察において薄利の発生はなかった。
【００９０】
【表８】
【００９１】次に、図１８に示される定速摩擦摩耗試験機と試験条件、図１９に示される摺動試験片を用いて、摺動特性を調査した。なお、比較材としては、鋼鈑に接合焼結されたＣｕ−１０重量％Ｓｎ−１０重量％Ｐｂの鉛青銅焼結材料（ＬＢＣ）を用いた。図２０には、異常摩耗および異常な摩擦係数の増大が発生する時点でのＰＶ値（限界ＰＶ値）を調査した結果が示されている。この結果から、５重量％以上のＦｅ１５Ａｌ規則相合金粉末の添加によって摺動特性が改善されるが、１０重量％以上の添加がより好ましいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｏ三元合金を１２００℃に加熱後急冷したもののビッカース硬さ分布を示す図、図１（ｂ）は、この急冷後に６００℃で１０時間時効処理したもののビッカース硬さ分布を示す図である。
【図２】図２は、図１（ｂ）における０，１０，１５，２０，３０，４０原子％Ｃｏ断面におけるＡｌ濃度（原子％）と硬さとの関係を示すグラフである。
【図３】図３は、Ｆｅ−Ａｌ−１０Ｃｏ合金のキュリー温度とＡｌ原子％濃度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、摩耗試験の試験装置の概念図と試験条件を示す図である。
【図５】図５は、Ｆｅ系規則相材料の硬さと摩耗比との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、摺動試験に供した試験片形状を示す断面図である。
【図７】図７は、摺動試験装置の概念図と試験条件を示す図である。
【図８】図８は、Ｆｅ系規則相材の摺動摩擦係数の推移を示すグラフである。
【図９】図９は、Ｆｅ系規則相材の摺動摩耗量の推移を示すグラフである。
【図１０】図１０は、引張試験片の形状を示す図である。
【図１１】図１１は、ＦｅＡｌＣｕ系焼結特性（１１４０℃）を示すグラフである。
【図１２】図１２は、ＦｅＡｌＣｕ系焼結特性（１２００℃）を示すグラフである。
【図１３】図１３は、ＦｅＡｌＣｕ系焼結特性（１２５０℃）を示すグラフである。
【図１４】図１４は、各種Ｆｅ系規則相焼結合金の焼結組織（金属組織）を示す写真である。
【図１５】図１５は、Ｆｅ−Ａｌ系規則相焼結合金の焼結収縮性に対するＳｉ，Ｃｏ，Ｎｉの影響を示すグラフである。
【図１６】図１６は、Ｆ系規則相焼結合金の耐焼き付き性（気孔率約１０体積％）を示すグラフである。
【図１７】図１７は、Ｆ系規則相焼結合金の耐焼き付き性（気孔率約２０体積％）を示すグラフである。
【図１８】図１８は、定速摩擦摩耗試験機と試験条件を示す図である。
【図１９】図１９は、定速摩擦摩耗試験用の摺動試験片形状を示す図である。
【図２０】図２０は、Ｆｅ系焼結材料の摺動特性を示すグラフである。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高面圧下での軸受の耐焼き付き性および／または耐摩耗性の向上、異音の発生防止、給脂間隔の延長をねらいとした摺動材料並びに複合焼結摺動部材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、建設機械の作業機ブッシュのようなより高面圧、低速の条件下で使用される軸受材として、耐摩耗性を重視した浸炭もしくは高周波焼入れした鋼製のブッシュがグリース潤滑下にて用いられている。特に、この種の作業機では高面圧下で潤滑条件が厳しくなることから、作業時に不快な異音が発生するのを防止するために、前記鋼製ブッシュの摺動面に潤滑皮膜処理を施したり、グリースの潤滑性を高めるために多数のグリース溝を形成することが行われている。
【０００３】また、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕを基本型とし、軟質なマルテンサイト基地の鉄系焼結摺動材料の気孔に潤滑油を含浸させた含油焼結軸受や、この鉄系焼結摺動材料に、より軟質な工具粉末やセラミック粉末を添加した含油焼結軸受等も、軽負荷の作業機部位において一部使用されている。
【０００４】銅系焼結軸受材としては、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ等の青銅系、鉛青銅系材料が建設機械分野においても足回りの転輪ローラ部にごく一般的に利用されているが、作業機用としても、より硬質で高強度な高力黄銅製ブッシュが耐焼き付き性と馴染み性に優れることから一部使用されている。
【０００５】また、作業機などの軸受部への給脂時間間隔を延ばすために、高力黄銅製ブッシュに、摺動部面積の３０％前後の面積の機械加工穴を設け、その穴を摺動方向においてオーバーラップするように配置し、この穴に固体潤滑剤の黒鉛を埋め込んだ軸受材料（例えばオイレス工業社製、５００ＳＰ）や、固体潤滑剤を多量に添加した金属焼結体（例えば東芝タンガロイ社製、ＳＬ合金）が利用されている場合もある。
【０００６】また、高面圧下条件にて使用される複層焼結摺動部材としては、固体潤滑成分としての黒鉛が３〜８重量％の範囲で含有された５〜１３重量％Ａｌ、３〜６重量％Ｆｅ、０．１〜１．５ＴｉＨ組成範囲のアルミ青銅系焼結摺動合金を燐青銅板の接合層を介して鋼板に一体接合してなる複層焼結摺動部材およびその製造方法が、特開平５−１５６３８８号公報において開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前述の作業機ブッシュのように、高面圧下で、かつ極めて遅い速度で摺動するものにおいては、潤滑膜形成条件が極めて厳しくなる。前記鋼製ブッシュでは硬さの点で高荷重に対してへたることはないが、容易に焼き付いたり、不快な異音が発生し易いことが重要な問題となっており、給脂間隔を短くしてそれらの問題が発生しないように管理することが必要となっている。
【０００８】前記作業機ブッシュとして、マルテンサイト基地の含油鉄系焼結摺動材を使用するものにおいては、へたりがなく、鋼製ブッシュに比べて焼き付き性の点でかなり改善されるものであるが、作業機のように極めて低速、かつ高荷重下で使用される場合には、潤滑切れ状態が容易に起こるために、耐焼き付き性の向上および異音発生の防止を十分に図ることができないという問題点がある。
【０００９】さらに、焼結摺動材中の空隙に潤滑油を多量に含油させて摺動時の潤滑条件を改善するものにおいては、焼結体中に空隙が多くあることによって逆に潤滑的な条件が悪くなり、耐焼き付き性の向上および異音の発生を期待するほどに改善できないという問題点がある。
【００１０】また、鋼製の作業機ピンと作業機ブッシュとの間の耐焼き付き性を高めるために、異種材のＣｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｐｂなど青銅系材料を用いるものでは、高面圧下でへたってしまうという問題点と、潤滑条件が厳しいために極めて簡単に摩耗するという問題点がある。
【００１１】これに対し、作業機ブッシュに、より硬質で、高強度の溶製された高力黄銅材を使用するものでは、へたりはほぼなく、鋼製ブッシュに比べて異音の発生がかなりの点で防止できるものの、前述のように潤滑切れが容易に起こるために、耐焼き付き性の向上および異音発生の防止を十分に図ることができないという問題点がある。
【００１２】また、給脂性を高めるとともに、給脂間隔を延ばすために、溶製材の高力黄銅ブッシュに自己潤滑性の高い黒鉛を埋め込み、さらに黒鉛に潤滑油を含油させたブッシュにおいても、黒鉛充填用の穴の面積率を通常２５〜３０％に抑えて使用されるため、摺動距離が短くなるに連れて潤滑の行き届かなくなる個所ができ、局所的な焼き付きが発生するとともに、長時間にわたって十分な自己潤滑性が得られないという問題点があり、また黒鉛埋め込み用の穴あけ加工と黒鉛の充填等の工程がコストを顕著に引き上げるという問題点がある。
【００１３】さらに、特開平５−１５６３８８号公報に開示されている技術のように、耐焼き付き性を高めるために、３〜８重量％（約１２〜３６体積％）に及ぶ多量の固体潤滑剤の黒鉛を高強度なアルミ青銅焼結材料中に含有させたものにおいても、黒鉛を多量に含有する弱さから、十分な高面圧下での摺動特性が確保されず、また耐摩耗性においても十分でないという問題点がある。
【００１４】さらに、固体潤滑剤を多量に含有する金属焼結体では、焼結性が困難となり、実用的な強度を得るためには焼結時に加圧処理を必要としており、例えば前記３〜８重量％の黒鉛を含有するＡｌ青銅系焼結摺動材料を燐青銅材を介して裏金に一体化した複層焼結摺動部材は、焼結時において加圧処理を必要としており、少なくとも一体化する工程におけるコスト高が避けられないという問題点がある。
【００１５】本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、低速かつ高面圧下で摺動し、潤滑切れが起こり易い作業機軸受の耐焼き付き性および／または耐摩耗性の向上と、異音の発生防止と、給脂間隔の延長とをねらいとして、規則相の金属間化合物性による耐摩耗性の向上と凝着性の低減とを図ることのできる摺動材料と、この摺動材料を裏金に一体化させた複合焼結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ものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】低速で、かつ高面圧下の潤滑切れが起こり易い摺動条件下で使用される作業機軸受材料は、適度の硬さを有しながら、耐焼き付き性および／または耐摩耗性に優れた特性を持つことが必要であるとの観点から、本発明は、このような特性を持つ材料として、規則変態性を有する組成範囲の金属合金相、とりわけＦｅ系合金規則相が優れていることを明らかにした点に特徴がある。
【００１７】要するに、第１発明による摺動材料は、規則変態性を有する組成範囲の金属合金相を１０体積％以上含有してなることを特徴とするものである。また、第２発明は、前記第１発明において、前記金属合金相を、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの１種以上の元素を含むＦｅ系合金相としたものである。
【００１８】ＨＡＮＳＥＮの状態図集を参照すれば、実用的な軸受Ｆｅ系合金で規則相を示す系としては、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉが挙げられるが、コスト的な観点からは、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系を主体に用いたものが極めて有効である。
【００１９】なお、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系の規則相としては、Ｆｅ３Ａｌ、ＦｅＡｌ、Ｆｅ３Ｓｉ、ＦｅＳｉがある。これらの結晶はいずれもＢＣＣ構造であり、Ｆｅ原子とＡｌ原子および／またはＳｉ原子が極めて強力に引きつけ合いながら、規則正しくそれら原子同士が最近接距離に配置されることから、この規則相の硬さは、規則度が高まるとともに、金属間化合物に近い硬さを示すことが良く知られている。しかも、Ｎｉ、Ｃｏを添加したＦｅ−Ａｌ系合金ではＦｅ−ＡｌとＮｉ−ＡｌもしくはＣｏ−Ａｌの２種の規則相への二相分離反応も関与することから、例えば６００℃での時効処理を施すか、焼結後の冷却速度を遅くすることによって、顕著に硬化させることができ、耐摩耗性の付与に極めて有効である。しかし、これらの規則相硬さがビッカース硬さＨｖ８００を越えることはなく、摺動材料として用いた場合においては、前述の相手摺動材となる作業機ピン表面が熱処理で硬化されているので、ブッシュによるアタックがなく、かつ摺動材自身が耐摩耗性に優れることは好ましいことである。
【００２０】規則相が金属間化合物に近い硬さをもつことから類推されるように、Ｆｅ原子とＡｌ原子および／またはＳｉ原子が規則配列すると極めて安定である。その逆に、凝着によってその原子的配列が乱されると極めて不安定な状態になる。したがって、化学的な意味合いからして、鋼製の作業機ピンの凝着性を低減させることは摺動材料としての特性に好ましいのは明らかである。
【００２１】さらに、規則的な原子配列が不規則化する段階においては、顕著な吸熱反応を伴うことから、本発明による摺動材料が摺動面における発熱を抑える作用を示すことはより好ましい。また、顕著な凝着によるのではなくても、摺動面が摩擦熱によって昇温する場合においても、規則相から不規則相への二次変態的な広い温度範囲での吸熱作用を持つことを利用することによって、結果的には耐凝着性を改善することが好ましいのは明らかである。
【００２２】さらに、これら規則・不規則変態と同様な吸熱反応は、強磁性体から常磁性体に二次的変態する磁気変態によっても顕著に引き起こされるので、例えば規則・不規則変態温度と磁気変態温度とを調整することによって、更なる二次変態的な広い温度範囲での極めて顕著な吸熱作用を引き起こさせるように設計することが可能であり、耐凝着性の向上を図ることができることも本発明に係る摺動材料の特徴である。
【００２３】前記第２発明において、前記Ｆｅ系合金相は、Ｆｅを主体として少なくとも５〜３０重量％のＡｌを含有するものであるのが好ましい（第３発明）。また、前記Ｆｅ系合金相は、Ｆｅを主体として少なくとも５〜１５重量％のＳｉを含有するものとすることもできる（第４発明）。さらに、Ｆｅを主体としてＡｌおよびＳｉを５〜２０重量％含有するものであっても良い（第５発明）。
【００２４】前記第２発明乃至第５発明において、前記Ｆｅ系合金相は、ＣｏおよびＮｉのうちの１種以上を５〜４０重量％含有し、Ｆｅ系合金相の硬さをＨｖ３００〜８００に調整してなるものであるのが好ましい（第６発明）。また、前記第２発明乃至第６発明において、前記Ｆｅ系合金相は、規則−不規則変態温度および／または磁気変態温度を２００〜９００℃に調整されたものであるのが好ましい（第７発明）。
【００２５】また、前記各発明において、少なくともＣｕが１０〜９０重量％含有され、当該摺動材料組織中に１０体積％以上のＦｅ系合金相とＣｕ合金相とが分散されているのが好ましい（第８発明）。このようにＦｅ系合金規則相をＣｕ系材料でつなぐ組織とすることによって、軸受の利用条件に合わせた適正な材料硬さが調整されるとともに、靭性の調整が図られる。Ｆｅ系合金規則相がその効果を発揮するのは１０体積％以上であり、残りの相がＣｕを主体とするＣｕ系材料であるのが良い。また、これら第７発明または第８発明において、規則−不規則変態を示すＦｅ系相とＣｕを主体とするＣｕ系相の少なくとも２つの相以上から構成され、Ｃｕ系相がＣｕ−Ａｌ状態図中における（α＋β）相および／またはβ相からなるのが好ましい（第９発明）。
【００２６】さらに、潤滑油の軸受摺動面への均一供給を図る目的で、Ｆｅ系規則相合金および／または前述のＣｕ系材料とＦｅ系規則相とからなる軸受材料を焼結で製造することによって、軸受内部に潤滑油を含有させる気孔を多量に分散させることは、軸受の耐焼き付き性を高めるだけでなく、軸受への給脂間隔を顕著に延長する効果があるので、本発明では、軸受が気孔を含有する焼結材料で製造されるものを主体にした。
【００２７】すなわち、前記各発明において、気孔率が少なくとも５〜３５体積％に調整されているのが好ましい（第１０発明）。通常、含油軸受焼結摺動材料として利用される気孔率は通気孔であることが望ましく、本発明においても十分な通気孔性が得られる気孔率として５体積％以上とした。また、気孔率の上限は、潤滑油の粘性を高めることによって含油性が改善できるので、適用する軸受の面圧との関係でかなり自由に設定することができるが、材料強度が弱くなり過ぎることを考慮して、３５体積％を越えないようにした。また、前述のように多量の気孔を含有させる場合には、潤滑性に優れたＰＡ（ポリアミド）等の樹脂を含浸させることも効果的である。
【００２８】Ｆｅ系規則相を主体とする焼結材料を製造する際において、Ｆｅ系規則相組成に近いＦｅ系合金粉末とＣｕ粉末とを混合成形して焼結することが好ましいが、これらのＦｅ系合金粉末の入手性の困難さと、粉末コストが高いことおよび硬質粉末となるための成形性の困難さがあるため、この困難を避けるためには、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ等の素粉末の混合粉末を混合・成形・焼結することが望まれる。しかし、ＦｅとＡｌの混合粉末を成形後に焼結すると、極めて顕著な膨張性を起こし、困難な難焼結性を示すことになる。そこで、本発明では、
【００２９】この方法によれば、硬質なＦｅ−Ａｌ系合金粉末に前記範囲内の軟質なＣｕ粉末を混合することによって成形性を解決するとともに、Ｆｅ系規則相中には焼結時に最大でも約２５重量％のＣｕを固溶することができるので、１０重量％以上のＣｕを含有する摺動材料中のＦｅ−Ａｌ規則相には、焼結温度からの冷却時や、低温度における時効処理によって、Ｆｅ−Ａｌ規則相内部に微細なＣｕ系相が析出することが予測されるが、規則相自体の硬さが十分に発現され、摺動特性上の問題がないことは、前述の規則化などに大きな影響を与えないことを意味する。
【００３０】したがって、前記第１０発明においては、Ｓｎ，Ｐ，Ｔｉ，Ｍｎのうちの一種以上が０．１〜１０重量％の範囲で添加されるのが好ましい（第１１発明）。
【００３１】また、Ｆｅ系合金規則相をＣｕ系材料でつなぐ組織とする場合には、Ｃｕ系相にもＡｌ、Ｓｉが拡散固溶して、Ｃｕ相はＡｌ、Ｓｉによって強化されるが、本出願人が既に特願２０００−８６０８０号にて開示しているように、Ｃｕ−Ａｌ系状態図に記載されている、より硬質のβ相（ＢＣＣ）が含有されていることが好ましく、少なくともＣｕ相においては８重量％以上のＡｌが含有されていることが好ましい。また、その摺動特性を高めるＳｎ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐの一種以上の元素が共存するのが好ましい。
【００３２】なお、前記Ｆｅ−Ａｌ系合金規則相をＣｕ系材料でつなぐ組織のＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー分析）による組成分布を調査した結果、Ａｌ、ＴｉはＣｕ系相よりもＦｅ規則相中へ濃化するのに対して、ＳｎはＣｕ系相へ濃化し、Ｐはほぼ均等に固溶することが明らかになっている。また、Ｆｅ−Ａｌ規則相中へ固溶するＣｕ濃度は前述のように２５重量％、Ｃｕ系相へ固溶するＦｅ濃度は約５重量％にまで及ぶことが明らかとなっている。
【００３３】とりわけ、Ｓｎは、Ｆｅ−Ａｌ規則相へほとんど固溶せずにＣｕ系相に濃化して、Ｃｕ系相の摺動特性を高めることが容易に理解できるが、本出願人が特願２０００−８６０８０号において開示しているように、このＳｎは、Ｃｕ−Ａｌ系β相を顕著に安定化してβ相を出現し易くすると同時に、Ｃｕ系相の融点を下げて易焼結性を高める働きをするが、Ａｌ共存下でＳｎが多量に添加された場合には、金属間化合物を多量に析出して顕著に脆化するので、このＳｎの添加量の最大値を１０重量％にした。
【００３４】また、ＳｉもＳｎと同様の易焼結性を顕著に示すが、Ａｌ共存下でＣｕ系相に３重量％以上に濃縮される場合にはＣｕ系相が顕著に硬化、脆化するため、軸受材料としてはＳｉ添加量を５重量％以下に抑えることが好ましい。
【００３５】さらに、前記成分以外にも、焼結性、摺動特性、強度の改善、気孔率調整のためＰｂ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇ，Ａｇ等の元素および黒鉛，ＭｎＳ，ＣａＦ２等の固体潤滑剤および／またはセラミックスなどの硬質分散材のうちの一種以上が含有されるのが好ましい（第１２発明）。
【００３６】また、Ｆｅ−Ａｌ系規則相は、磁歪材料としても優れた機能を有し、大きな機械的圧力（弾性変形）を受けたときには、大きな磁化変化によるエネルギー吸収を顕著に引き起こす材料系であることから、摺動時の局部的な過大応力を吸収するのに適したものであり、これらの磁歪特性を高める合金元素の添加も積極的に利用できる。
【００３７】次に、第１３発明は、前記第１発明による焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる板状、円筒状もしくは略円筒状の裏金に一体化してなることを特徴とするものである。
【００３８】また、第１４発明は、前記第１３発明において、前記焼結摺動材料を、前記裏金の面積に対して３０〜７０面積％となるように島状に独立・分散して焼結接合し、摺動時にその独立した島状の摺動材料間に形成される凹部にグリースもしくは固体潤滑剤を充填するようにしたものである。こうすることで、給脂間隔を画期的に延長することができることが明らかである。この場合、より高面圧下での摺動条件によっても一体化面からの剥離を防止するために、摺動材の島状の形状において、摺動面方向の一体化面の島長さが、一体化面と摺動面までの長さの２倍以上であるようにするのが好ましい。
【００３９】さらに、第１５発明は、前記第１３発明において、前記焼結摺動材料を、前記裏金の面積に対して３０〜７０面積％となるように穴あき状態で焼結接合し、摺動時にその独立した穴あき凹部にグリースもしくは固体潤滑剤を充填するようにしたものである。
【００４０】前記第１３発明において、前記裏金の接合面の表面に予め潤滑油の溜り溝部が形成されるのが好ましい（第１６発明）。これによって、含油軸受としての含油量を極めて顕著に高めることが可能になり、給脂間隔の延長に有効である。また、前記裏金となる鉄系材料が、気孔率を５〜３０体積％の範囲に調整されてその裏金部分においても含油できるようにされるのが好ましい（第１７発明）。なお、気孔率５〜３０体積％の範囲は、５体積％未満の気孔率では、含油性を高めるための通気性が不足し、３０体積％を越える気孔率では、裏金として焼結体強度が脆弱になり過ぎることを考慮して選定されたものである。
【００４１】また、前記焼結摺動材料は第三のインサート材を介して前記裏金に焼結接合されるのが好ましい（第１８発明）。このように焼結接合温度において焼結摺動材料に液相を発生させて、焼結接合性の優れた第三のインサート材を介して焼結接合することは、本発明の焼結摺動材料の成分的制約をかなり緩和することができるので好ましい。ここで、第三のインサート材としては、Ｓｎを含有する青銅系および／またはＦｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結体等が好ましい（特願２０００−８６０８０号参照）。
【００４２】さらに、前記第１３発明乃至第１８発明において、スラスト荷重を受けて摺動するように前記裏金に鍔部が設けられ、この鍔部摺動面に耐摩耗材料もしくは摺動材料が一体化される態様としても良い（第１９発明）。この場合、前記耐摩耗材料もしくは摺動材料が、超硬、ステライト、鉄系耐摩耗材料、セラミックス、耐摩耗Ｃｕ溶浸材のうちの一種であり、これらが溶射、ろう付け、焼結接合、溶浸接合、接着のうちのいずれかの手段で一体化されるのが好ましい（第２０発明）。なお、前記ろう付け、接着による手段が簡便で好ましいが、この場合には摺動材料が焼結摺動材料の場合、予め焼結が完了している必要がある。
【００４３】ところで、Ａｌが少なくとも５重量％以上含有されるＦｅ系規則相合金において、ＳｎおよびＣｕが含有されている摺動材料を前記裏金に一体化させた複合焼結摺動部材においては、本出願人が特願２０００−８６０８０号にて開示しているように、ＡｌとＳｎとは負の偏析傾向を示し、焼結時には摺動材料中のＡｌによって裏金との接合界面にＳｎリッチ相が富化されることから、裏金との接合性が容易になるものである。なお、Ｓｎの発汗性を抑制するＴｉ、Ｎｉ、燐鉄、ＮｉＰ、Ｍｎ、Ｓｉを添加することによって、接合面での濡れ性を改善して接合性を高めることができる。
【００４４】次に、前記複合摺動部材を製造するために、第２１発明による複合焼結摺動部材の製造方法は、規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる円筒状もしくは略円筒状の裏金に一体化する複合焼結摺動部材の製造方法であって、前記焼結摺動材料が、その焼結摺動材料を膨張させる金属Ａｌと、高温度側で液相を発生させて焼結体強度および焼結接合性を確保する元素としての１０〜７０重量％のＣｕとを含有し、かつその焼結摺動材料よりなる成形体が、前記裏金の内径と同じかまたは僅かに小さい外径を有する円筒状部材とされ、この円筒状部材を前記裏金に挿入した状態で９００℃以上の温度に加熱する際に、（ａ）前記焼結摺動材料を８００℃以上の温度で所定時間加熱することによってその焼結摺動材料を膨張させてその温度で発生するＣｕ系合金液相によって前記裏金に接合し、（ｂ）さらに昇温して９００℃以上の温度で加熱することによりＣｕ系合金液相をより多く発生させることによって前記焼結摺動材料を緻密化させることを特徴とするものである。
【００４５】なお、添加するＡｌ金属素粉末はＦｅ−Ａｌ規則相合金中のＡｌ添加量の全量である必要はなく、実質的には１％以上の寸法的膨張量が確保されれば良好な接合性が確保されるので、添加はこの条件を満足していれば良い。
【００４６】前記第２１発明において、前記鉄系材料よりなる円筒状もしくは略円筒状の裏金とその裏金の内径よりわずかに小さい外径を有する前記焼結摺動材料よりなる円筒状成形体との間隙に第三のインサート材を配置し、前記８００℃以上の温度での加熱によってその焼結摺動材料を膨張させて前記裏金に接合させるための有効な液相成分を発生させるようにする態様を採ることができる（第２２発明）。ここで、前記第三のインサート材は、前記接合温度においてその全量が液相にならないように調整され、前記鉄系材料に対する濡れ性に優れたＳｎ、Ｃｕを含有する合金材料であるのが好ましい（第２３発明）。こうすることで、第三のインサート材から発生する液相が前記焼結摺動材料および前記鉄系材料よりなる裏金への急速な浸透を防止して接合性を安定化させることができる。
【００４７】前記第２１発明または第２２発明において、前記裏金に鍔部が設けられ、この鍔部摺動面に耐摩耗材料もしくは前記焼結摺動材料がろう付け、焼結接合、溶浸接合のうちのいずれかの手段により同時に一体化される態様とすることができる（第２４発明）。これによって、製造コストを安価にすることができる。
【００４８】ここで、前記鍔部摺動面に、少なくとも炭素１．５〜３．５重量％、Ｃｒ５〜１７重量％を含有する高炭素高Ｃｒ系合金焼結材料が前記耐摩耗材料もしくは焼結摺動材料と同時に焼結接合されるのが好ましい（第２５発明）。この場合、少なくとも炭素１．５〜３．５重量％、Ｃｒ５〜１７重量％をベースとして、０．１〜０．５重量％のＰ、０．５〜５．０重量％のＳｉ、Ｍｏによって適正焼結温度を調整し、さらにその焼入れ性等の調整のために０．５〜５．０重量％のＮｉ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏを添加するのが好ましいことが良く知られている。
【００４９】次に、第２６発明による複合焼結摺動部材の製造方法は、規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる板状の裏金に一体化する複合焼結摺動部材の製造方法であって、前記焼結摺動材料が、前記規則変態性を有するＦｅ系合金相と、高温度側で液相を発生させて焼結体強度および焼結接合性を確保する元素としての１０〜７０重量％Ｃｕおよび３〜１０重量％Ｓｎとを少なくとも含有し、この焼結摺動材料の混合粉末を前記裏金の表面に散布し、中性、還元または真空雰囲気中で焼結した後、圧延機もしくはプレス機を用いて焼結層を圧縮し、前記中性、還元または真空雰囲気中で再焼結する工程を１回以上実施して焼結接合することを特徴とするものである。
【００５０】前記焼結摺動材料を板状の裏金に一体化する場合には、本発明のような方法によるのが好ましい。なお、この際において、低温度での接合性を高めるためにＰｂを５重量％の範囲内で添加するのが効果的である。さらに、前述のＭｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇ，Ａｇ等の元素および黒鉛，ＭｎＳ，ＣａＦ２等の固体潤滑剤および／またはセラミックスなどの硬質分散材を積極的に利用するのが好ましい。
【００５１】前記第２６発明にて製造された複合焼結摺動部材は、前記焼結接合後に丸曲げ加工して円筒状もしくは略円筒状に成形して使用することができる（第２７発明）。
【００５２】
【実施例】次に、本発明による摺動材料並びに複合焼結摺動部材およびその製造方法の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００５３】（実施例１）電解鉄（９９．９５重量％）とＡｌ、Ｃｏとを用いて、各種組成の合金を真空雰囲気下で溶解、製造し、鍛造後、小試験片に切り出し、それら合金の磁気変態温度（キュリー点、℃）と、硬さと熱処理との関係を調べた。
【００５４】図１（ａ）（ｂ）には、０〜４０原子％Ｃｏ、０〜４０原子％Ａｌの組成のＦｅ−Ａｌ−Ｃｏ三元合金を１２００℃に加熱後急冷したもの（ａ）と、この急冷後に６００℃で１０時間時効処理したもの（ｂ）のそれぞれのビッカース硬さ分布が示されている。これらの図から、急冷したもの（図１（ａ））においても２５〜４０原子％Ａｌ、１５〜３０原子％Ｃｏの範囲においてわずかな硬化傾向が認められるが、６００℃で時効処理したもの（図１（ｂ））では、１５〜４０原子％Ａｌ、１０〜４０原子％Ｃｏの範囲において顕著に硬化する領域が存在することがわかる。
【００５５】次に、図２には、図１（ｂ）における０，１０，１５，２０，３０，４０原子％Ｃｏ断面におけるＡｌ濃度（原子％）と硬さとの関係が示されている。この図から、次のことがわかる。すなわち、０原子％Ｃｏ（Ｃｏを添加しない場合）においては、Ａｌ濃度の増加に伴って硬化している。この硬化割合は、急冷合金で観察された増加の程度にほぼ等しいため、６００℃での時効硬化現象がほとんど観察されていない。これに対して、１０原子％Ｃｏにおいては、１５原子％Ａｌ（約８重量％Ａｌ）において顕著に硬化し、２０原子％Ａｌにて最大硬さ（Ｈｖ＝６２０）に達した後、３０原子％Ａｌで時効硬化性が消失する。また、２０原子％ＣｏでのＡｌ添加の影響は、１０原子％Ａｌから時効硬化性が確認され、３０原子％Ａｌで最大硬さ（Ｈｖ＝７７０）に達した後、４０原子％Ａｌでほぼ時効硬化性が消失する。さらに、３０原子％Ｃｏにおいては、４０原子％Ａｌまで時効硬化性が確認されるが、４０原子％Ａｌに至ると顕著な時効硬化性はなくなる。
【００５６】上述の結果からすれば、Ｃｏ添加による時効硬化性を効率的に発揮するには、１０〜３０原子％Ｃｏおよび１０〜５０原子％Ａｌの範囲で調整されるのが好ましい。なお、上述のようなＣｏの添加による顕著な時効硬化現象は、Ｆｅ系規則相の二相分離反応に由来することは明らかであり、同様の現象はＦｅ−Ａｌ−Ｎｉ系合金においても確認されている。さらに、同様の現象がＡｌの代わりにＳｉおよびＣｏ、Ｎｉの代わりにＭｎの合金元素を用いることにより得られるのは、熱力学的に予測される。
【００５７】図３には、１０原子％Ｃｏを添加したＦｅ−Ａｌ−Ｃｏ三元合金を、５℃／ｍｉｎの昇温、降温速度で測定した磁化曲線から求めた磁気変態温度（キュリー温度）とＡｌ原子％濃度との関係が示されている。この図から、Ｆｅ−１０原子％Ｃｏ−１５原子％Ａｌでは、複数の磁気変態点が出現し、Ｆｅ−１０原子％Ｃｏ−２０原子％Ａｌ合金では三段の磁気変態温度が確認される。このことから、不規則状態、Ｆｅ３Ａｌ型およびＦｅＡｌ型の３種類の原子配列が存在していることが確認される。さらに、Ｃｏの添加をより多くした場合においては、上記三段の磁気変態点はより高温側に推移して発現されることから、Ｆｅ−Ａｌ系の規則相がＣｏの添加によってより安定化されることがわかる。
【００５８】（実施例２）本実施例では、Ｆｅ規則相の耐摩耗性を評価するために、表１に示される組成の溶製材料よりなる直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱状試験片を用いて、５００℃と６００℃での前記時効処理時間を調整することによって各種の硬さを調整した後、油潤滑下で、ＳｉＣを２０重量％含有したポルトランドセメント円盤に摺動材料を押し付けたときの土砂摩耗性を評価した。
【００５９】
【表１】
【００６０】図４には、試験装置の概念図と試験条件とが示されている。この試験においては、ビッカース硬さがＨｖ＝５００となるように焼入れ焼戻しされたＳ４５基準材を試験材と同時に装置に取り付けて、試験材の摩耗性を基準材の摩耗量に対する摩耗量の比で評価した。図５に、本発明によるＦｅ系規則相材料の硬さを、比較材とともに示す試験結果が示されている。この図から明らかに、Ｆｅ系規則相の耐摩耗性が硬さの割に極めて優れていることがわかる。なお、比較材の高炭素高Ｃｒ焼結材は、Ｆｅ−３．０重量％Ｃ−０．３重量％Ｐ−１５重量％Ｃｒ−２重量％Ｎｉ−１．５重量％Ｖ−３．０重量％Ｃｏ組成で、１１８０℃で１時間真空焼結後ガス冷却によって焼入れ硬化させたものであり、Ｃｒ７Ｃ３型炭化物を多量に析出させ、耐摩耗性と耐焼き付き性を改善させたメカニカルシール材料である。
【００６１】（実施例３）本実施例では、表２に示される合金を真空溶解して、１０００〜１１５０℃での熱間鍛造、熱間圧延で板状に加工した後、切断・丸曲げし、図６に示される形状に機械加工したブッシュを摺動試験片とし、６００℃での前記時効処理時間を調整することによって各種の硬さになるように調整した。比較材としては、ＳＣＭ４２０肌焼き鋼に表面炭素濃度を約０．８重量％に調整した浸炭処理ブッシュ（比較材１）、Ｓ４３Ｃ焼入れ焼戻しブッシュ（比較材２）および高力黄銅４種材（Ｃｕ−２５重量％Ｚｎ−５重量％Ａｌ−３重量％Ｍｎ−２．５重量％Ｆｅ）（比較材３）を用いた。
【００６２】
【表２】
【００６３】図７には、摺動試験装置の概念図と試験条件が示されている。この摺動試験においては、供試ブッシュの投影面積に対して１０００ｋｇ／ｃｍ２まで１００ｋｇ／ｃｍ２毎に１００００回の往復摺動を行いながら摺動面圧を段階的に高めて行き、焼き付いて摩擦係数が急増したり、急進的な摩耗や異音が発生した時点で試験を中断して評価を行った。
【００６４】図８には摺動摩擦係数の推移、図９には摺動摩耗量の推移がそれぞれ示されている。これらの試験結果から、本発明材が比較材に比べて極めて良好な耐焼き付き性を発揮するとともに、Ｆｅ規則相を時効硬化させた場合において耐摩耗性が改善されるのが明らかである。
【００６５】（実施例４）３００メッシュ以下のＦｅアトマイズ粉末、Ｆｅ１０重量％Ａｌアトマイズ粉末、Ａｌアトマイズ粉末、Ｓｎアトマイズ粉末、Ｎｉ１０Ｐアトマイズ粉末、Ｃｕ８Ｐアトマイズ粉末、３００メッシュ以下のＴｉＨ粉末、燐鉄（２５重量％Ｐ）、Ｓｉ粉末、Ｍｎ粉末、５μｍのカーボニルＮｉ粉末、平均粒径６μｍの黒鉛等を用いて、表３、表４に示される配合成分の混合粉末を作成し、図１０に示される引張試験片（形状ブッシュ摺動試験片）を成形圧力４ｔｏｎ／ｃｍ２で成形した。なお、これら成形体は、１０−１ｔｏｒｒ以下の真空状態にて９５０〜１２５０℃の範囲で１０分〜１ｈｒ焼結して、６００ｔｏｒｒのＮ２ガス冷却後にそれらの寸法、組織を調査した。
【００６６】
【表３】
【００６７】
【表４】
【００６８】図１１〜図１３は、１１４０℃、１２００℃、１２５０℃で各１ｈｒ真空焼結した時の前記引張試験片長さを示したものである。この結果から明らかなように、図中に破線にて示される成形体長さ（約９６．５５ｍｍ）に対して、Ｆｅ−Ａｌ二元系焼結合金において、ＦｅとＡｌの素粉末を配合した焼結合金では、１２５０℃までの高温度においても焼結収縮することはなく、従来からの報告（例えばＤ．Ｊ．ＬＥＥ ＡＮＤ Ｒ．Ｍ．Ｇｅｒｍａｎ、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２１（１９８５．９））の通りに、顕著な膨張性を示すことがわかった。また、Ａｌに対して熱力学的反発性を有するＳｉ、Ｓｎを単独に添加した焼結合金においても、顕著な膨張性を抑えることはなく、燐鉄（Ｆｅ２５重量％Ｐ）を単独に添加した場合においてのみ１２５０℃において焼結収縮性が認められた。したがって、緻密なＦｅ−Ａｌ二元系焼結合金を得るためにはＦｅ−Ａｌ二元合金粉末や二元合金粉末に少量のＡｌ素粉末を添加することが望ましいのは明らかである。
【００６９】しかし、素粉末を用いたＦｅ−Ａｌ焼結合金の難焼結性を改善するためのＣｕ添加の影響を調査した結果、Ｃｕ単独の添加では１０重量％未満では焼結収縮性の改善がほとんどないが、１０重量％以上の添加によって焼結収縮性が認められるようになり、好ましくは約２０重量％Ｃｕによって十分な焼結収縮性が確保されることがわかった。この原因は、図１４に示されるＦｅ−１２重量％Ａｌ−２０重量％Ｃｕ焼結合金の組織観察写真からわかるように、Ｆｅ−Ａｌ規則相粒子間にＣｕ−Ａｌ系合金が液相として残留する量が少なくなるためである。したがって、Ｆｅ−Ａｌ系焼結合金の焼結性を高めるためには、１０重量％以上のＣｕの添加が必要であり、より好ましくは２０重量％以上であることがわかった。
【００７０】さらに、ＣｕとともにＳｉ，Ｓｎ，Ｐ，Ｔｉ等のＣｕ合金の融点を下げる合金元素を複合添加することによって、その焼結収縮性はさらに改善され、より低温度側からの焼結収縮性が確保されることがわかる。
【００７１】表５は、表３、表４中のＮｏ．１８，１４，２０，２１，２２の焼結合金を１２００℃で０．５ｈｒ真空焼結・ガス冷却したＦｅ−Ａｌ系規則相およびＦｅ−Ａｌ規則相を繋ぐＣｕ−Ａｌ系相の化学組成をＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ分析）によって調べた結果を示したものである。
【００７２】
【表５】
【００７３】この表５から明らかなように、Ａｌ、ＴｉはＣｕ−Ａｌ相よりもＦｅ−Ａｌ規則相中に顕著に濃縮して存在しており、ＳｎはＣｕ−Ａｌ相中に濃縮するとともに、Ｆｅが３〜５重量％程度固溶することがわかった。また、ＨＡＮＳＥＮの状態図を参考にした場合、Ｃｕ−Ａｌ相には約９重量％のＡｌが含有され、さらにＳｎ，Ｆｅなどのβ相を安定化する元素が含有されていることから、Ｃｕ−Ａｌ相がほぼβ相に相当すると考えられることがわかった。
【００７４】このことは、本出願人が既に特願２０００−８６０８０号において開示しているように、β相Ｃｕ−Ａｌ合金が高面圧、低摺動速度の極めて厳しい油潤滑条件下で使用する合金として優れた摺動特性と耐摩耗性を発揮することから、極めて好ましいことであることは明らかである。また、規則変態性を有する組成範囲の金属合金相を１０体積％以上含有してなることを特徴とするものである。また、第２発明は、前記第１発明において、前記金属合金相を、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの１種以上の元素を含むＦｅ系合金相としたものＳｉ，Ｓｎ，Ｔｉの添加はβ相Ｃｕ−Ａｌ合金の焼結性をも顕著に高めると同時に、顕著に硬化させるために、その添加量は５重量％以下に抑えて使用することが好ましい。
【００７５】図１５は、Ｆｅ，Ａｌ素粉末を用いたＦｅ−Ａｌ系規則相焼結合金の焼結収縮性に対するＳｉ，Ｃｏ，Ｎｉの影響を示したものである。この図から、前記時効硬化性を顕著にするＮｉ，Ｃｏの添加によっても十分な焼結収縮性が得られること、およびＳｉの添加によって焼結収縮性がより改善されることがわかる。ＳｉはＡｌと同結晶構造のＦｅ−Ｓｉ系規則相を形成する元素であることから、Ａｌとの複合添加は規則相を形成させる観点から極めて望ましい元素である。
【００７６】さらに、図１５中にはＦｅ１０重量％Ａｌ合金粉末を利用して、Ａｌ素粉末添加量を抑えた規則相焼結合金（表３、表４中のＮｏ．２７）の焼結収縮性が示されているが、素粉末だけの焼結合金に比べ、良好な収縮性を示すとともに、例えばＦｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ等の合金粉末の入手性が良い場合には、これらの合金粉末にＣｕもしくはＣｕ合金粉末を添加配合することによって焼結収縮性の良い各種Ｆｅ−Ａｌ系焼結合金が得られることが明らかである。
【００７７】（実施例５）本実施例は、実施例４に示される表３、表４中の代表的なＦｅ−Ａｌ規則相焼結合金と、表６に示されるようなＣｕ合金マトリックスに＃１００メッシュ以下のＦｅ１５Ａｌ、Ｆｅ１０Ａｌ１０Ｃｏ系規則相合金粉を分散させるように焼結した材料の摺動特性の調査を行ったものである。なお、比較材として、高力黄銅４種材（Ｃｕ−２５重量％Ｚｎ−５重量％Ａｌ−３重量％Ｍｎ−２．５重量％Ｆｅ）を用いた。
【００７８】
【表６】
【００７９】プレス成形体は、外径６６ｍｍ、内径７７ｍｍ、高さ３５ｍｍの円筒体を４ｔｏｎ／ｃｍ２の加圧力で成形した後に、気孔率が１０体積％、２０体積％程度になるように真空焼結、Ｎ２ガス冷却したものを前述の図６に示される形状にブッシュ加工したもの、および６００℃で１ｈｒの加熱処理を行ったものに＃３０の潤滑オイルを含浸させて摺動試験に供した。また、摺動試験装置およびその試験条件は前述の図７に示されているとおりである。摺動面圧は供試ブッシュの投影面積に対して１０００ｋｇ／ｃｍ２まで５０ｋｇ／ｃｍ２毎に１００００回の往復摺動を行いながら面圧を段階的に高め、焼き付いて摩擦係数が急増したり、急進的な摩耗や異音が発生した時点で試験を中断して評価した。
【００８０】図１６には、気孔率を約１０体積％に調整した場合の試験結果が示されている。この結果から明らかなように、本発明材の多くが高力黄銅材に比べて明らかに高い耐焼き付き面圧を示していることがわかる。とりわけ、Ｃｏ，Ｎｉ等を含有しないＦｅ−Ａｌ−Ｃｕにおいて、前記図８に示されるものに比べて優れた耐焼き付き性を有している。この原因は、焼結体中に含浸させた潤滑油に起因することは明らかであり、少なくとも開気孔性が維持される５体積％以上の気孔率が望ましいことは明らかである。また、Ｎｏ．４３〜４８の結果からは、Ｆｅ−Ａｌ規則相をＣｕマトリックス中に分散させた摺動材料においてもその耐焼き付き性は顕著に改善され、Ｆｅ系規則相がほぼ１０重量％以上（近似的には１０体積％以上）含有されるのが望ましいことがわかる。
【００８１】また、図１７には気孔率を約２０体積％に調整した場合の摺動試験結果が示されているが、耐焼き付き性がより改善されていることがわかる。現実的には２５体積％以上の気孔率を維持した場合には、軸受材料としての強度不足が問題になるものと考えられる。
【００８２】以上の実施例の結果から、Ｆｅ系規則相自身に極めて優れた耐焼き付き性および耐摩耗性等の摺動、耐摩耗特性が備わっていることが明らかになったが、Ｆｅ系規則相焼結合金にようにＣｕを多量に添加して、Ｆｅ規則相をＣｕ相で繋ぐような組織や、Ｃｕ量をより多くしてＣｕ相中にＦｅ系規則相が分散するような組織を持つ摺動材料を開発することが可能である。この場合、分散させるＦｅ系規則相の量は、通常１０体積％以上であると考えられるが、より好ましくは２０体積％以上であることは明らかである。
【００８３】（実施例６）表７には本実施例で使用したＦｅ系規則相焼結合金組成が示されている。混合粉末の成形は、外径５３ｍｍ、内径４７ｍｍ、高さ３５ｍｍの円筒体を２ｔｏｎ／ｃｍ２の加圧力で成形した後に、外径６６ｍｍ、内径５３ｍｍ、高さ４０ｍｍの鋼管（Ｓ４５Ｃ）の内径部にセットして１１５０℃、１ｈｒ真空焼結した後、Ｎ２ガス冷却した。
【００８４】
【表７】
【００８５】なお、表７中には、超音波検査装置にて評価した鋼管と焼結層との接合率が合わせて示されている。この表から明らかなように、内径焼結接合にとってもＳｎの添加が極めて効果的であり、０．２重量％以上、好ましくは０．５重量％以上の添加が必要であることがわかる。また、燐鉄，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉの添加によって接合率が顕著に改善されているのがわかる。これは、これらの元素が焼結の際に発生する液相と外接する鋼管表面の濡れ性を改善するためであることは明らかである。また、黒鉛の単独添加による接合率の低下が大きく認められなかったのは、黒鉛とＳｎを多量に含有する液相が濡れにくいことから、焼結体内に発生する液相が鋼管との接合界面に排出され易くなるためと考えられるが、黒鉛と、Ｔｉ，Ｃｒ等の黒鉛との反応性に富んだ合金元素とを複合添加した場合には、低融点のＳｎに対する黒鉛の影響が先行して作用し、さらにＴｉ，Ｃｒの作用が重複することによって、接合性がより改善されることがわかった。
【００８６】さらに、接合する鋼管の内径面に予めスパイラル状の深さ約１ｍｍ、幅５ｍｍの油溝を機械加工で形成したものに対しても、前述されたのと略同じように内径面に接合焼結することができることがわかる。また、この溝加工部を適宜工夫し、この溝部に潤滑油を含有させることによって、より長時間の無給脂軸受に適していることがわかる。
【００８７】（実施例７）本実施例では、２５０メッシュ以下のＣｕアトマイズ粉末、Ｓｎアトマイズ粉末、１００メッシュ以下のＦｅ１５Ａｌ、Ｆｅ１０Ａｌ１０Ｎｉアトマイズ粉末を用いて、前記実施例５の表６に示される混合粉末を調整し、４００番の研磨紙で表面を荒し、アセトンで良く洗浄した軟鋼板（ＳＳ４００、厚さ３．５ｍｍ、幅９０ｍｍ、長さ３００ｍｍ）への接合焼結実験を実施した。
【００８８】この実験においては、表６中の混合粉末を前記軟鋼板上に３ｍｍの高さで散布して、露点−３８℃のアンモニア分解ガス雰囲気炉で、８５０℃で２０分間加熱されるように接合焼結した後に、圧延機で焼結層が１．７ｍｍになるように圧延し、さらに圧延した散布材を再度前述と同じ条件で焼結し、この焼結後にその焼結層を内側にして直系４５ｍｍの円筒上に丸曲げ加工を施し、その時の鋼鈑からの焼結層の剥離状況を観察した。この結果、曲げ加工時における割れ、剥離の発生はなかった。
【００８９】（実施例８）本実施例では、１００メッシュ以下のＦｅアトマイズ粉末、２５０メッシュ以下のＣｕアトマイズ粉末、Ｓｎアトマイズ粉末、１００メッシュ以下のＦｅ１５Ａｌ、Ｆｅ１０Ａｌ１０Ｎｉアトマイズ粉末を用いて表８に示される混合粉末を調整し、実施例７と同じ鋼鈑への接合焼結実験を実施した。なお、焼結温度は９００℃として丸曲げ加工後の焼結層の剥離状況を観察した。この観察において薄利の発生はなかった。
【００９０】
【表８】
【００９１】次に、図１８に示される定速摩擦摩耗試験機と試験条件、図１９に示される摺動試験片を用いて、摺動特性を調査した。なお、比較材としては、鋼鈑に接合焼結されたＣｕ−１０重量％Ｓｎ−１０重量％Ｐｂの鉛青銅焼結材料（ＬＢＣ）を用いた。図２０には、異常摩耗および異常な摩擦係数の増大が発生する時点でのＰＶ値（限界ＰＶ値）を調査した結果が示されている。この結果から、５重量％以上のＦｅ１５Ａｌ規則相合金粉末の添加によって摺動特性が改善されるが、１０重量％以上の添加がより好ましいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｏ三元合金を１２００℃に加熱後急冷したもののビッカース硬さ分布を示す図、図１（ｂ）は、この急冷後に６００℃で１０時間時効処理したもののビッカース硬さ分布を示す図である。
【図２】図２は、図１（ｂ）における０，１０，１５，２０，３０，４０原子％Ｃｏ断面におけるＡｌ濃度（原子％）と硬さとの関係を示すグラフである。
【図３】図３は、Ｆｅ−Ａｌ−１０Ｃｏ合金のキュリー温度とＡｌ原子％濃度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、摩耗試験の試験装置の概念図と試験条件を示す図である。
【図５】図５は、Ｆｅ系規則相材料の硬さと摩耗比との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、摺動試験に供した試験片形状を示す断面図である。
【図７】図７は、摺動試験装置の概念図と試験条件を示す図である。
【図８】図８は、Ｆｅ系規則相材の摺動摩擦係数の推移を示すグラフである。
【図９】図９は、Ｆｅ系規則相材の摺動摩耗量の推移を示すグラフである。
【図１０】図１０は、引張試験片の形状を示す図である。
【図１１】図１１は、ＦｅＡｌＣｕ系焼結特性（１１４０℃）を示すグラフである。
【図１２】図１２は、ＦｅＡｌＣｕ系焼結特性（１２００℃）を示すグラフである。
【図１３】図１３は、ＦｅＡｌＣｕ系焼結特性（１２５０℃）を示すグラフである。
【図１４】図１４は、各種Ｆｅ系規則相焼結合金の焼結組織（金属組織）を示す写真である。
【図１５】図１５は、Ｆｅ−Ａｌ系規則相焼結合金の焼結収縮性に対するＳｉ，Ｃｏ，Ｎｉの影響を示すグラフである。
【図１６】図１６は、Ｆ系規則相焼結合金の耐焼き付き性（気孔率約１０体積％）を示すグラフである。
【図１７】図１７は、Ｆ系規則相焼結合金の耐焼き付き性（気孔率約２０体積％）を示すグラフである。
【図１８】図１８は、定速摩擦摩耗試験機と試験条件を示す図である。
【図１９】図１９は、定速摩擦摩耗試験用の摺動試験片形状を示す図である。
【図２０】図２０は、Ｆｅ系焼結材料の摺動特性を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 規則変態性を有する組成範囲の金属合金相を１０体積％以上含有してなることを特徴とする摺動材料。
【請求項２】 前記金属合金相が、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの１種以上の元素を含むＦｅ系合金相である請求項１に記載の摺動材料。
【請求項３】 前記Ｆｅ系合金相が、Ｆｅを主体として少なくとも５〜３０重量％のＡｌを含有するものである請求項２に記載の摺動材料。
【請求項４】 前記Ｆｅ系合金相が、Ｆｅを主体として少なくとも５〜１５重量％のＳｉを含有するものである請求項２に記載の摺動材料。
【請求項５】 前記Ｆｅ系合金相が、Ｆｅを主体としてＡｌおよびＳｉを５〜２０重量％含有するものである請求項２に記載の摺動材料。
【請求項６】 前記Ｆｅ系合金相が、ＣｏおよびＮｉのうちの１種以上を５〜４０重量％含有し、Ｆｅ系合金相の硬さをＨｖ３００〜８００に調整してなる請求項２〜５のいずれかに記載の摺動材料。
【請求項７】 前記Ｆｅ系合金相は、規則−不規則変態温度および／または磁気変態温度を２００〜９００℃に調整されたものである請求項２〜６のいずれかに記載の摺動材料。
【請求項８】 少なくともＣｕが１０〜９０重量％含有され、当該摺動材料組織中に１０体積％以上のＦｅ系合金相とＣｕ合金相とが分散されている請求項１〜７のいずれかに記載の摺動材料。
【請求項９】 規則−不規則変態を示すＦｅ系相とＣｕを主体とするＣｕ系相の少なくとも２つの相以上から構成され、Ｃｕ系相がＣｕ−Ａｌ状態図中における（α＋β）相および／またはβ相からなる請求項７または８に記載の摺動材料。
【請求項１０】 気孔率が少なくとも５〜３５体積％に調整されている請求項１〜９のいずれかに記載の摺動材料。
【請求項１１】 さらに、Ｓｎ，Ｐ，Ｔｉ，Ｍｎのうちの一種以上が０．１〜１０重量％の範囲で添加される請求項１０に記載の摺動材料。
【請求項１２】 さらに、Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇ，Ａｇ等の元素および黒鉛，ＭｎＳ，ＣａＦ２等の固体潤滑剤および／またはセラミックスなどの硬質分散材のうちの一種以上が含有される請求項１１に記載の摺動材料。
【請求項１３】 規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料が、鉄系材料よりなる板状、円筒状もしくは略円筒状の裏金に一体化されてなることを特徴とする複合焼結摺動部材。
【請求項１４】 前記焼結摺動材料が、前記裏金の面積に対して３０〜７０面積％となるように島状に独立・分散して焼結接合され、摺動時にその独立した島状の摺動材料間に形成される凹部にグリースもしくは固体潤滑剤が充填される請求項１３に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１５】 前記焼結摺動材料が、前記裏金の面積に対して３０〜７０面積％となるように穴あき状態で焼結接合され、摺動時にその独立した穴あき凹部にグリースもしくは固体潤滑剤が充填される請求項１３に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１６】 前記裏金の接合面の表面に予め潤滑油の溜り溝部が形成される請求項１３に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１７】 前記裏金となる鉄系材料が、気孔率を５〜３０体積％の範囲に調整されてその裏金部分においても含油できるようにされる請求項１３に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１８】 前記焼結摺動材料が第三のインサート材を介して前記裏金に焼結接合される請求項１３〜１７のいずれかに記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１９】 スラスト荷重を受けて摺動するように前記裏金に鍔部が設けられ、この鍔部摺動面に耐摩耗材料もしくは摺動材料が一体化される請求項１３〜１８のいずれかに記載の複合焼結摺動部材。
【請求項２０】 前記耐摩耗材料もしくは摺動材料が、超硬、ステライト、鉄系耐摩耗材料、セラミックス、耐摩耗Ｃｕ溶浸材のうちの一種であり、これらが溶射、ろう付け、焼結接合、溶浸接合、接着のうちのいずれかの手段で一体化される請求項１９に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項２１】 規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる円筒状もしくは略円筒状の裏金に一体化する複合焼結摺動部材の製造方法であって、前記焼結摺動材料が、その焼結摺動材料を膨張させる金属Ａｌと、高温度側で液相を発生させて焼結体強度および焼結接合性を確保する元素としての１０〜７０重量％のＣｕとを含有し、かつその焼結摺動材料よりなる成形体が、前記裏金の内径と同じかまたは僅かに小さい外径を有する円筒状部材とされ、この円筒状部材を前記裏金に挿入した状態で９００℃以上の温度に加熱する際に、（ａ）前記焼結摺動材料を８００℃以上の温度で所定時間加熱することによってその焼結摺動材料を膨張させてその温度で発生するＣｕ系合金液相によって前記裏金に接合し、（ｂ）さらに昇温して９００℃以上の温度で加熱することによりＣｕ系合金液相をより多く発生させることによって前記焼結摺動材料を緻密化させることを特徴とする複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２２】 前記鉄系材料よりなる円筒状もしくは略円筒状の裏金とその裏金の内径よりわずかに小さい外径を有する前記焼結摺動材料よりなる円筒状成形体との間隙に第三のインサート材を配置し、前記８００℃以上の温度での加熱によってその焼結摺動材料を膨張させて前記裏金に接合させるための有効な液相成分を発生させるようにした請求項２１に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２３】 前記第三のインサート材は、前記接合温度においてその全量が液相にならないように調整され、前記鉄系材料に対する濡れ性に優れたＳｎ、Ｃｕを含有する合金材料である請求項２２に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２４】 前記裏金に鍔部が設けられ、この鍔部摺動面に耐摩耗材料もしくは前記焼結摺動材料がろう付け、焼結接合、溶浸接合のうちのいずれかの手段により同時に一体化される請求項２１または２２に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２５】 前記鍔部摺動面に、少なくとも炭素１．５〜３．５重量％、Ｃｒ５〜１７重量％を含有する高炭素高Ｃｒ系合金焼結材料が前記耐摩耗材料もしくは焼結摺動材料と同時に焼結接合される請求項２４に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２６】 規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる板状の裏金に一体化する複合焼結摺動部材の製造方法であって、前記焼結摺動材料が、前記規則変態性を有するＦｅ系合金相と、高温度側で液相を発生させて焼結体強度および焼結接合性を確保する元素としての１０〜７０重量％Ｃｕおよび３〜１０重量％Ｓｎとを少なくとも含有し、この焼結摺動材料の混合粉末を前記裏金の表面に散布し、中性、還元または真空雰囲気中で焼結した後、圧延機もしくはプレス機を用いて焼結層を圧縮し、前記中性、還元または真空雰囲気中で再焼結する工程を１回以上実施して焼結接合することを特徴とする複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２７】 前記焼結接合後に丸曲げ加工して円筒状もしくは略円筒状に成形される請求項２６に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項１】 規則変態性を有する組成範囲の金属合金相を１０体積％以上含有してなることを特徴とする摺動材料。
【請求項２】 前記金属合金相が、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの１種以上の元素を含むＦｅ系合金相である請求項１に記載の摺動材料。
【請求項３】 前記Ｆｅ系合金相が、Ｆｅを主体として少なくとも５〜３０重量％のＡｌを含有するものである請求項２に記載の摺動材料。
【請求項４】 前記Ｆｅ系合金相が、Ｆｅを主体として少なくとも５〜１５重量％のＳｉを含有するものである請求項２に記載の摺動材料。
【請求項５】 前記Ｆｅ系合金相が、Ｆｅを主体としてＡｌおよびＳｉを５〜２０重量％含有するものである請求項２に記載の摺動材料。
【請求項６】 前記Ｆｅ系合金相が、ＣｏおよびＮｉのうちの１種以上を５〜４０重量％含有し、Ｆｅ系合金相の硬さをＨｖ３００〜８００に調整してなる請求項２〜５のいずれかに記載の摺動材料。
【請求項７】 前記Ｆｅ系合金相は、規則−不規則変態温度および／または磁気変態温度を２００〜９００℃に調整されたものである請求項２〜６のいずれかに記載の摺動材料。
【請求項８】 少なくともＣｕが１０〜９０重量％含有され、当該摺動材料組織中に１０体積％以上のＦｅ系合金相とＣｕ合金相とが分散されている請求項１〜７のいずれかに記載の摺動材料。
【請求項９】 規則−不規則変態を示すＦｅ系相とＣｕを主体とするＣｕ系相の少なくとも２つの相以上から構成され、Ｃｕ系相がＣｕ−Ａｌ状態図中における（α＋β）相および／またはβ相からなる請求項７または８に記載の摺動材料。
【請求項１０】 気孔率が少なくとも５〜３５体積％に調整されている請求項１〜９のいずれかに記載の摺動材料。
【請求項１１】 さらに、Ｓｎ，Ｐ，Ｔｉ，Ｍｎのうちの一種以上が０．１〜１０重量％の範囲で添加される請求項１０に記載の摺動材料。
【請求項１２】 さらに、Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇ，Ａｇ等の元素および黒鉛，ＭｎＳ，ＣａＦ２等の固体潤滑剤および／またはセラミックスなどの硬質分散材のうちの一種以上が含有される請求項１１に記載の摺動材料。
【請求項１３】 規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料が、鉄系材料よりなる板状、円筒状もしくは略円筒状の裏金に一体化されてなることを特徴とする複合焼結摺動部材。
【請求項１４】 前記焼結摺動材料が、前記裏金の面積に対して３０〜７０面積％となるように島状に独立・分散して焼結接合され、摺動時にその独立した島状の摺動材料間に形成される凹部にグリースもしくは固体潤滑剤が充填される請求項１３に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１５】 前記焼結摺動材料が、前記裏金の面積に対して３０〜７０面積％となるように穴あき状態で焼結接合され、摺動時にその独立した穴あき凹部にグリースもしくは固体潤滑剤が充填される請求項１３に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１６】 前記裏金の接合面の表面に予め潤滑油の溜り溝部が形成される請求項１３に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１７】 前記裏金となる鉄系材料が、気孔率を５〜３０体積％の範囲に調整されてその裏金部分においても含油できるようにされる請求項１３に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１８】 前記焼結摺動材料が第三のインサート材を介して前記裏金に焼結接合される請求項１３〜１７のいずれかに記載の複合焼結摺動部材。
【請求項１９】 スラスト荷重を受けて摺動するように前記裏金に鍔部が設けられ、この鍔部摺動面に耐摩耗材料もしくは摺動材料が一体化される請求項１３〜１８のいずれかに記載の複合焼結摺動部材。
【請求項２０】 前記耐摩耗材料もしくは摺動材料が、超硬、ステライト、鉄系耐摩耗材料、セラミックス、耐摩耗Ｃｕ溶浸材のうちの一種であり、これらが溶射、ろう付け、焼結接合、溶浸接合、接着のうちのいずれかの手段で一体化される請求項１９に記載の複合焼結摺動部材。
【請求項２１】 規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる円筒状もしくは略円筒状の裏金に一体化する複合焼結摺動部材の製造方法であって、前記焼結摺動材料が、その焼結摺動材料を膨張させる金属Ａｌと、高温度側で液相を発生させて焼結体強度および焼結接合性を確保する元素としての１０〜７０重量％のＣｕとを含有し、かつその焼結摺動材料よりなる成形体が、前記裏金の内径と同じかまたは僅かに小さい外径を有する円筒状部材とされ、この円筒状部材を前記裏金に挿入した状態で９００℃以上の温度に加熱する際に、（ａ）前記焼結摺動材料を８００℃以上の温度で所定時間加熱することによってその焼結摺動材料を膨張させてその温度で発生するＣｕ系合金液相によって前記裏金に接合し、（ｂ）さらに昇温して９００℃以上の温度で加熱することによりＣｕ系合金液相をより多く発生させることによって前記焼結摺動材料を緻密化させることを特徴とする複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２２】 前記鉄系材料よりなる円筒状もしくは略円筒状の裏金とその裏金の内径よりわずかに小さい外径を有する前記焼結摺動材料よりなる円筒状成形体との間隙に第三のインサート材を配置し、前記８００℃以上の温度での加熱によってその焼結摺動材料を膨張させて前記裏金に接合させるための有効な液相成分を発生させるようにした請求項２１に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２３】 前記第三のインサート材は、前記接合温度においてその全量が液相にならないように調整され、前記鉄系材料に対する濡れ性に優れたＳｎ、Ｃｕを含有する合金材料である請求項２２に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２４】 前記裏金に鍔部が設けられ、この鍔部摺動面に耐摩耗材料もしくは前記焼結摺動材料がろう付け、焼結接合、溶浸接合のうちのいずれかの手段により同時に一体化される請求項２１または２２に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２５】 前記鍔部摺動面に、少なくとも炭素１．５〜３．５重量％、Ｃｒ５〜１７重量％を含有する高炭素高Ｃｒ系合金焼結材料が前記耐摩耗材料もしくは焼結摺動材料と同時に焼結接合される請求項２４に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２６】 規則変態性を有するＦｅ系合金相を１０体積％以上含有してなる焼結摺動材料を、鉄系材料よりなる板状の裏金に一体化する複合焼結摺動部材の製造方法であって、前記焼結摺動材料が、前記規則変態性を有するＦｅ系合金相と、高温度側で液相を発生させて焼結体強度および焼結接合性を確保する元素としての１０〜７０重量％Ｃｕおよび３〜１０重量％Ｓｎとを少なくとも含有し、この焼結摺動材料の混合粉末を前記裏金の表面に散布し、中性、還元または真空雰囲気中で焼結した後、圧延機もしくはプレス機を用いて焼結層を圧縮し、前記中性、還元または真空雰囲気中で再焼結する工程を１回以上実施して焼結接合することを特徴とする複合焼結摺動部材の製造方法。
【請求項２７】 前記焼結接合後に丸曲げ加工して円筒状もしくは略円筒状に成形される請求項２６に記載の複合焼結摺動部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図８】
【図９】
【図１９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【図２】
【図３】
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【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
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【図９】
【図１９】
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【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【公開番号】特開２００２−１８０２１６（Ｐ２００２−１８０２１６Ａ）
【公開日】平成１４年６月２６日（２００２．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−３８２６５８（Ｐ２０００−３８２６５８）
【出願日】平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年６月２６日（２００２．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
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