銅系摺動材料の製造方法及びその方法で製造した銅系摺動材料
【課題】 Ｂｉを含有しても鋼裏金との接合強度が高く、動荷重負荷を支持する軸受に好適な銅系摺動材料の製造方法およびその方法で製造した銅系摺動材料を提供する。
【解決方法】 鋼裏金２上に中間層３としてＢｉを含有しない銅合金粉が焼結されて緻密化された後に摺動層４としてＢｉを含有する銅合金粉を焼結するため、第２次焼結における焼結中に発生する摺動層銅合金４のＢｉ液相が焼結により緻密化された中間層３に浸み込みにくく、このため、鋼裏金２と中間層３との界面にＢｉ薄膜の形成が抑制されて鋼裏金２と中間層３及び摺動層４との接合強度の向上を図ることができ、内燃機関のような動荷重負荷を支持する軸受用の摺動材料として充分な耐疲労性を有する材料を提供することができる。
【解決方法】 鋼裏金２上に中間層３としてＢｉを含有しない銅合金粉が焼結されて緻密化された後に摺動層４としてＢｉを含有する銅合金粉を焼結するため、第２次焼結における焼結中に発生する摺動層銅合金４のＢｉ液相が焼結により緻密化された中間層３に浸み込みにくく、このため、鋼裏金２と中間層３との界面にＢｉ薄膜の形成が抑制されて鋼裏金２と中間層３及び摺動層４との接合強度の向上を図ることができ、内燃機関のような動荷重負荷を支持する軸受用の摺動材料として充分な耐疲労性を有する材料を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、内燃機関や各種産業機械用の軸受に使用される銅系摺動材料の製造方法及びその製造方法により製造された銅系摺動材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関や各種産業機械用の軸受として、鋼裏金付のＣｕ−Ｐｂ系合金やＣｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系合金の銅系摺動材料が広く使用されてきた。しかし、近年は、環境面の問題から、例えば、特開平１０−３３０８６８号公報（特許文献１）や特開２００５−２００７０３号公報（特許文献２）に示されるように、Ｐｂに代えてＢｉを用いたＣｕ−Ｂｉ系合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金の銅系摺動材料が使用されている。しかし、Ｐｂに比べＢｉが高価であることから、低コストの銅系摺動材料を製造することを目的として、特表２００５−５０６４４５号公報（特許文献３）に示されるように、Ｃｕ−Ｓｎ層とＢｉ含有量の低いＣｎ−Ｓｎ−Ｂｉ層と鋼裏金からなる銅系摺動材料の製造方法も提案されている。
【特許文献１】特開平１０−３３０８６８号公報（段落００３９）
【特許文献２】特開２００５−２００７０３号公報（段落００１７）
【特許文献３】特表２００５−５０６４４５号公報（請求項１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、Ｂｉは、Ｐｂと同じく低融点金属であり、また、銅又は銅合金にほとんど固溶しない点で共通するためにＰｂに代わる潤滑成分として銅系摺動材料に用いられるようになった。しかし、焼結の加熱によってＰｂが液相となるが、銅合金結晶粒界におけるＰｂ原子の拡散速度は遅く、また、液相となったＰｂの表面張力が大きいため、銅合金の結晶粒界で粒状となりやすいので、鋼と銅合金との界面にＰｂの薄膜が形成されるようなことはない。一方、焼結の加熱によってＢｉも液相となるが、銅合金結晶粒界におけるＢｉ原子の拡散速度がＰｂに比べて速く、また、液相となったＢｉの表面張力もＰｂに比べて小さいため、銅合金結晶粒界に沿って薄く広がりやすいという特性の違いがある。このため、特許文献１や特許文献２に示されるように、鋼裏金上にＢｉ含有銅合金を焼結した場合には、銅合金結晶粒界を拡散し鋼との界面に到達したＢｉ原子は鋼相側へは拡散しないため鋼裏金との界面に強度が低く且つ脆いＢｉ薄膜が形成される場合がある。特に、Ｂｉを５質量％を超えて含有する銅合金の場合には、鋼裏金との界面におけるＢｉ薄膜の面積率が高くなる（例えば、５質量％のＢｉを含有する銅合金を焼結した場合、Ｂｉ薄膜の面積率は３０％以上となる）ために接合強度が弱く、内燃機関のような動荷重負荷を支持する軸受用の摺動材料としては耐疲労性が不十分となる。
【０００４】
そこで、特許文献３に開示されるような、鋼裏金とＢｉ含有銅合金摺動層との間にＢｉを含有しない青銅合金からなる中間層を形成する製造方法が、鋼裏金との界面のＢｉ薄膜形成防止に有効であると考えられたが、この特許文献３に開示される方法に従って、出願人が実際に試みるとＢｉ薄膜形成防止効果はなかった。これは、特許文献３に開示される製造方法では、中間層である青銅粉を鋼裏金上に散布後、Ｂｉ含有摺動層銅合金粉を散布した後に焼結を行うものであるため、焼結加熱の昇温の初期に、中間層銅合金粉末同士の焼結がほとんど進行していない状態で摺動層銅合金のうち低融点のＢｉ相が液相となり中間層銅合金粉末間の隙間に浸透してしまうため、鋼裏金との界面にＢｉ薄膜がより形成されやすくなると考えられるからである。
【０００５】
本願発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、Ｂｉを含有しても鋼裏金との接合強度が高く、動荷重負荷を支持する軸受に好適な銅系摺動材料の製造方法およびその方法で製造した銅系摺動材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために採用された解決手段として、請求項１に係る発明は、銅系摺動材料の製造方法であって、鋼裏金上にＢｉを含有しない銅合金粉末を散布し焼結して中間層を形成する第１次焼結工程と、該第１次焼結工程によって形成された中間層を冷却した後Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布し焼結して摺動層を形成する第２次焼結工程と、からなることを特徴とする。なお、中間層の銅合金粉末がＢｉを含有しない状態とは、原材料銅合金粉末製造での不可避不純物としてのＢｉ含有は許容する。具体的な不可避不純物Ｂｉ量としては０．０５質量％以下である。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の銅系摺動材料の製造方法であって、前記第１次焼結工程と前記第２次焼結工程との間に、前記Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布する前に前記中間層の緻密化を図る散布前圧延工程を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、請求項１記載の銅系摺動材料の製造方法であって、前記第１次焼結工程と前記第２次焼結工程との間に、前記Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布した後に前記中間層の緻密化と該中間層と前記摺動層との接合を図る散布後圧延工程を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、銅系摺動材料の製造方法であって、鋼裏金上にＢｉを含有しない銅合金粉末を散布し焼結して中間層を形成する第１次焼結工程と、該第１次焼結工程によって形成された中間層を冷却した後緻密化を図る緻密化圧延工程と、該緻密化圧延工程後に再度焼結する第２次焼結工程と、該第２次焼結工程後にＢｉを含有する銅合金粉末を散布し焼結して摺動層を形成する第３次焼結工程と、からなることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの製造方法で製造した銅系摺動材料であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６に係る発明は、請求項５記載の銅系摺動材料において、前記中間層を構成する銅合金の固相線温度は、前記摺動層を構成するＢｉを含有する銅合金の固相線温度より０〜５０℃高いことを特徴とする。
【００１２】
更に、請求項７に係る発明は、請求項５又は請求項６記載の銅系摺動材料において、前記摺動層を構成する銅合金は、１〜１５質量％Ｓｎ、１〜３０質量％Ｂｉ、残部銅の組成を有するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明においては、鋼裏金上に中間層としてＢｉを含有しない銅合金粉が焼結により緻密化された後に摺動層としてＢｉを含有する銅合金粉を焼結するため、第２次焼結工程における焼結中に発生する摺動層銅合金のＢｉ液相が焼結により緻密化された中間層に浸み込みにくく、このため、鋼裏金と中間層との界面にＢｉ薄膜の形成が抑制されて鋼裏金と中間層及び摺動層との接合強度の向上を図ることができ、内燃機関のような動荷重負荷を支持する軸受用の摺動材料として充分な耐疲労性を有する材料を提供することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明においては、Ｂｉを含有する銅合金粉末の散布と第２次焼結工程の前に、中間層の緻密化を図る散布前圧延が行なわれるため、第２次焼結工程における焼結中に発生する摺動層銅合金のＢｉ液相が散布前圧延によりさらに緻密化された中間層銅合金に浸み込みにくくなり、鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成をさらに抑制することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明においては、第２次焼結工程の焼結前に、中間層と該中間層と散布されたＢｉ含有銅合金粉末との予備的な接合を図る散布後圧延が行われるため、第２次焼結工程における焼結中に発生する摺動層銅合金のＢｉ液相が散布後圧延によりさらに緻密化された中間層銅合金に浸み込みにくくなり、鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成をさらに抑制することができる。
【００１６】
請求項４に係る発明においては、鋼裏金上に中間層としてＢｉを含有しない銅合金粉が焼結により緻密化された後に、更に緻密化するために緻密化圧延工程と第２次焼結工程とを実行し、その後摺動層としてＢｉを含有する銅合金粉を焼結するため、第３次焼結工程における焼結中に発生する摺動層銅合金のＢｉ液相が緻密化圧延工程と第２次焼結工程によりさらに緻密化された中間層に浸み込みにくくなり、鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成をさらに抑制することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれかの製造方法で製造した銅系摺動材料は、鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成が抑制され鋼裏金と中間層及び摺動層との接合強度の向上を図ることができるため、内燃機関のような動荷重負荷を支持する軸受用の摺動材料として充分な耐疲労性を有する材料とすることができる。なお、本願における鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成が抑制された状態とは、鋼裏金と中間層の界面におけるＢｉ薄膜の面積率が１０％以下の状態であり、より好ましくは５％未満である。
【００１８】
請求項６に係る発明においては、中間層の銅合金が摺動層の銅合金に対して固相線温度が０〜５０℃高い銅合金としたため、鋼との接合強度が高い。これは、中間層の銅合金の固相線温度が摺動層の銅合金の固相線温度より低い場合には、Ｂｉの中間層への拡散が早くなり、鋼との界面にＢｉ薄膜が形成されやすい。なぜなら、摺動層の銅合金を十分に焼結する温度に加熱すると、中間層の銅合金自身の液相が必要以上に多く発生する。原子の拡散速度は固相中より液相中の方が速いため、摺動層の銅合金から中間層の銅合金へのＢｉの拡散が促進される。一方、中間層の銅合金の固相線温度が摺動層の銅合金の固相線温度に対し０〜５０℃高い場合には、摺動層の銅合金を十分に焼結する温度に加熱しても、中間層の銅合金自身の発生液相量が少ないため、中間層の銅合金へのＢｉ拡散が抑制される。さらに、中間層の銅合金が摺動層の銅合金の固相線温度に対し５０℃を超えて高い場合には、摺動層を十分に焼結する温度で焼結すると、中間層の銅合金自身の発生液相量が少なすぎるため、中間層の銅合金と鋼との接合が不十分となる。また、中間層の銅合金と鋼が十分に接合する温度で焼結すると、摺動層の銅合金の発生液相量が多くなりすぎて中間層の銅合金へのＢｉ拡散が促進される。これらの理由により、中間層の銅合金が摺動層の銅合金に対して固相線温度が０〜５０℃高い銅合金とすることが望ましい。
【００１９】
請求項７に係る発明においては、前記摺動層を構成する銅合金として、１〜１５質量％Ｓｎ、１〜３０質量％Ｂｉ、残部銅の組成を有するものであることが望ましい。Ｓｎは、Ｂｉ相と銅相との密着性を向上させ、材料強度を向上させる作用を奏するが、１５質量％を超えて添加すると摺動層銅合金の融点が低下し、高温化での摺動特性が低下するので、Ｓｎの添加量は、１５質量％が望ましい。また、Ｂｉの添加量を１質量％未満とした場合には、相手材との焼き付きが発生し易くなり、Ｂｉの添加量が３０質量％を超える場合には、高荷重が作用する部位への適用が困難となるので、Ｂｉの添加量は、１〜３０質量％が望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第１の製造方法を説明するための工程図であり、図２は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第２の製造方法を説明するための工程図であり、図３は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第３の製造方法を説明するための工程図であり、図４は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第４の製造方法を説明するための工程図であり、図５は、第１の製造方法ないし第４の製造方法で製造した銅系摺動材料の断面の模式図であり、図６は、接着力測定用試験片の模式図である。
【００２１】
図１において、第１の製造方法は、鋼裏金上（例えば、帯鋼）にＢｉを含まない銅合金粉末を散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却して中間層を有する複層材料を得る。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層の表面にＢｉを含有する銅合金粉末を散布後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。なお、この第１の製造方法において、一次焼結炉における焼結による緻密化によって中間層銅合金焼結層の空孔率が１０％以下、好ましくは３％以下の状態とすることが望ましい。空孔率を３％以下にすると、各空孔は独立した閉空孔となり連通しないので、Ｂｉ液相の浸み込みを効果的に防止することができる。また、鋼裏金上にＢｉを含まない銅合金粉末を散布した後に、一次焼結する前に、ロール圧延による緻密化を行うと、鋼裏金上の銅合金がロールとの接触により流動してロールに噛込まれないため十分に緻密化できないだけではなく、銅合金層厚さの制御も困難になるという欠点がある。
【００２２】
図２において、第２の製造方法は、鋼裏金上（例えば、帯鋼）にＢｉを含まない銅合金粉末を散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却して中間層を有する複層材料を得る。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層をロール圧延にて緻密化を図る散布前圧延した後、中間層銅合金焼結層の表面上にＢｉを含有する銅合金粉末を散布後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。なお、この第２の製造方法において、一次焼結炉における焼結による緻密化と散布前圧延による緻密化とによって中間層銅合金焼結層の空孔率を確実に１０％以下にすることができる。なお、二次焼結炉による焼結の後に、摺動層の銅合金層を緻密化するために、さらにロール圧延や焼結を繰り返し行なってもよい。
【００２３】
図３において、第３の製造方法は、鋼裏金上（例えば、帯鋼）にＢｉを含まない銅合金粉末を散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却して中間層を有する複層材料を得る。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層の表面にＢｉを含有する銅合金粉末を散布後、ロール圧延にて中間層銅合金焼結層を緻密化とＢｉ含有銅合金粉末との予備的な接合を図る散布後圧延した後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。なお、この第３の製造方法において、一次焼結炉における焼結による緻密化と散布後圧延による緻密化とによって中間層銅合金焼結層の空孔率を確実に１０％以下にすることができる。また、二次焼結炉による焼結の後に、摺動層の銅合金層を緻密化するために、さらにロール圧延や焼結を繰り返し行なってもよい。
【００２４】
図４において、第４の製造方法は、鋼裏金上（例えば、帯鋼）にＢｉを含まない銅合金粉末を散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却して中間層を有する複層材料を得る。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層をロール圧延にて緻密化圧延した後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却した後、中間層銅合金焼結層の表面上にＢｉを含有する銅合金粉末を散布後、再び三次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。なお、この第４の製造方法において、一次から三次焼結炉における焼結による緻密化と緻密化圧延による緻密化とによって中間層銅合金焼結層の空孔率を確実に３％以下にすることができる。また、三次焼結炉による焼結の後に、摺動層の銅合金層を緻密化するために、さらにロール圧延や焼結を繰り返し行なってもよい。
【００２５】
上記した第１から第４の製造方法で製造した銅系摺動材料は、図５に示すように、鋼裏金２の上に中間層としてＢｉを含まない銅合金焼結層３が積層され、さらにその中間層の上に摺動層としてＢｉ含有銅合金層４が積層された３層構造の銅系摺動材料１として製作される。
【００２６】
ここで、摺動層のＢｉ含有銅合金には、強度や耐食性を高めるためにＮｉ，Ａｇ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｐの少なくとも１種を２０質量％以下含有させてもよい。これら元素を添加しても本発明の効果には影響なく、銅合金の強度や耐食性を高めることができる。また、摺動層のＢｉ含有銅合金は、さらに潤滑性を高めるためにＧｒ，ＭｏＳ2，ＷＳ2等の固体潤滑剤を含有させてもよいし、耐摩耗性を高めるために炭化物、窒素物、酸化物、珪化物、硼化物等の硬質粒子を含有させてもよい。更に、摺動層のＢｉ含有銅合金の厚さは、５０μｍ以上であることが望ましい。５０μｍ未満では摺動機能が不十分となる。
【００２７】
また、中間層の銅合金の厚さが１００μｍ以上であることが望ましい。１００μｍ以上であれば、界面でのＢｉ薄膜形成を抑制することができる。
【００２８】
更に、中間層の銅合金は、摺動層の銅合金に対して固相線温度が０〜５０℃高いＢｉを含有しない銅合金としたため鋼との接合強度が高い。これは、前述したように、中間層の銅合金の固相線温度が摺動層の銅合金の固相線温度より低い場合には、Ｂｉの中間層への拡散が早くなり、鋼との界面にＢｉ薄膜が形成されやすい。なぜなら、摺動層の銅合金を十分に焼結する温度に加熱すると、中間層の銅合金自身の液相が必要以上に多く発生する。原子の拡散速度は固相中より液相中の方が速いため、摺動層の銅合金から中間層の銅合金へのＢｉの拡散が促進される。一方、中間層の銅合金の固相線温度が摺動層の銅合金の固相線温度に対し０〜５０℃高い場合には、摺動層の銅合金を十分に焼結する温度に加熱しても、中間層の銅合金自身の発生液相量が少ないため、中間層の銅合金へのＢｉの拡散が抑制される。さらに、中間層の銅合金が摺動層の銅合金の固相線温度に対し５０℃を超えて高い場合には、摺動層を十分に焼結する温度で焼結すると、中間層の銅合金自身の発生液相量が少なすぎるため、中間層の銅合金と鋼との接合が不十分となる。また、中間層の銅合金と鋼が十分に接合する温度で焼結すると、摺動層の銅合金の発生液相量が多くなりすぎて中間層の銅合金へのＢｉの拡散が促進される。これらの理由により、中間層の銅合金が摺動層の銅合金に対して固相線温度が０〜５０℃高い銅合金とすることが望ましい。なお、中間層銅合金は摺動特性に影響しないためＢｉを含有しない事以外には組成の制約はない。
【実施例】
【００２９】
次に、本発明に係る製造方法により製造した銅系摺動材料について表１、表２を参照して説明する。実施例３は、前述した第１の製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層の表面に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３０】
また、実施例４は、前述した第２の製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料をロール圧延にて中間層銅合金焼結層を緻密化した後、中間層銅合金焼結層の表面に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３１】
また、実施例１、２、５、６は、前述した第３の製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層の表面に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布後、ロール圧延にて中間層銅合金焼結層を緻密化した後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３２】
更に、実施例７，８は、前述した第４の製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層をロール圧延にて緻密化した後、再び同条件で焼結後冷却し、その後中間層銅合金焼結層の表面に上に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布後再び同条件で焼結し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３３】
比較例１は、特許文献３に示す製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金粉末を散布、次に中間層銅合金粉末の散布面上に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。得られた複層材をロール圧延にて中間層銅合金層が緻密化した後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３４】
比較例２は、特許文献１，２に示す製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料の銅合金層をロール圧延にて緻密化した後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、銅合金層厚さが３００μｍ、となるように銅系摺動材料を製作した。なお、表１に示す固相線温度は示差熱分析法により測定した。
【００３５】
【表１】
【００３６】
上記のように製作された銅系摺動材料１を、図６に示す試験片５に加工した、試験片５には、円形の開口６が２つ設けられ、その円形開口６を引張試験機にて引っ張ることにより銅合金層と鋼裏金との接着力を測定した。試験結果を表１に示す。
【００３７】
上記のように製作された銅系摺動材料のうち、摺動層銅系合金組成が共通する実施例２、５、７と比較例１、２より半割形状軸受を製作し、この半割軸受２個を突合せて円筒状とし、表３に示す条件で耐疲労性試験を行った。耐疲労性試験結果（摺動層銅合金に疲労が発生しなかった限界の面圧）を表２に示す。
【００３８】
【表２】
【００３９】
【表３】
【００４０】
本願の実施例１〜８は、従来製法により製造しＢｉを含有しない銅合金からなる中間層が形成されていない比較例２に比べ鋼裏金と銅合金との接合強度が高い。本願の実施例１〜８は、接着力試験による銅合金と鋼面とのせん断面にはＢｉ薄膜の形成が抑制されていた（せん断面でのＢｉ薄膜面積率１０％未満）ので接合強度が高い。比較例２には銅合金と鋼裏金とのせん断面の広範囲にＢｉ薄膜が形成されていた。
【００４１】
比較例１は、Ｂｉを含有しない銅合金を散布後にＢｉを含有する摺動層銅合金を散布し焼結したために、焼結中に摺動層銅合金粉より発生したＢｉ液相が中間層銅合金粉の隙間に浸透し中間層銅合金と鋼との界面にまで達しＢｉ薄膜が形成されたため、接合強度が低い。
【００４２】
鋼裏金と中間層銅合金の界面にＢｉ薄膜が形成された比較例１、２に対し、摺動層銅合金の組成が同一であるが鋼と中間層銅合金界面にＢｉ薄膜の形成が抑制されている本願の実施例２、５、７は、接合強度が高いため疲労強度も高い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第１の製造方法を説明するための工程図である。
【図２】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第２の製造方法を説明するための工程図である。
【図３】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第３の製造方法を説明するための工程図である。
【図４】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第４の製造方法を説明するための工程図である。
【図５】第１の製造方法ないし第４の製造方法で製造した銅系摺動材料の断面の模式図である。
【図６】接着力測定用試験片の模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 銅系摺動材料
２ 鋼裏金
３ 中間層
４ 摺動層
５ 試験片
６ 開口
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、内燃機関や各種産業機械用の軸受に使用される銅系摺動材料の製造方法及びその製造方法により製造された銅系摺動材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関や各種産業機械用の軸受として、鋼裏金付のＣｕ−Ｐｂ系合金やＣｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系合金の銅系摺動材料が広く使用されてきた。しかし、近年は、環境面の問題から、例えば、特開平１０−３３０８６８号公報（特許文献１）や特開２００５−２００７０３号公報（特許文献２）に示されるように、Ｐｂに代えてＢｉを用いたＣｕ−Ｂｉ系合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金の銅系摺動材料が使用されている。しかし、Ｐｂに比べＢｉが高価であることから、低コストの銅系摺動材料を製造することを目的として、特表２００５−５０６４４５号公報（特許文献３）に示されるように、Ｃｕ−Ｓｎ層とＢｉ含有量の低いＣｎ−Ｓｎ−Ｂｉ層と鋼裏金からなる銅系摺動材料の製造方法も提案されている。
【特許文献１】特開平１０−３３０８６８号公報（段落００３９）
【特許文献２】特開２００５−２００７０３号公報（段落００１７）
【特許文献３】特表２００５−５０６４４５号公報（請求項１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、Ｂｉは、Ｐｂと同じく低融点金属であり、また、銅又は銅合金にほとんど固溶しない点で共通するためにＰｂに代わる潤滑成分として銅系摺動材料に用いられるようになった。しかし、焼結の加熱によってＰｂが液相となるが、銅合金結晶粒界におけるＰｂ原子の拡散速度は遅く、また、液相となったＰｂの表面張力が大きいため、銅合金の結晶粒界で粒状となりやすいので、鋼と銅合金との界面にＰｂの薄膜が形成されるようなことはない。一方、焼結の加熱によってＢｉも液相となるが、銅合金結晶粒界におけるＢｉ原子の拡散速度がＰｂに比べて速く、また、液相となったＢｉの表面張力もＰｂに比べて小さいため、銅合金結晶粒界に沿って薄く広がりやすいという特性の違いがある。このため、特許文献１や特許文献２に示されるように、鋼裏金上にＢｉ含有銅合金を焼結した場合には、銅合金結晶粒界を拡散し鋼との界面に到達したＢｉ原子は鋼相側へは拡散しないため鋼裏金との界面に強度が低く且つ脆いＢｉ薄膜が形成される場合がある。特に、Ｂｉを５質量％を超えて含有する銅合金の場合には、鋼裏金との界面におけるＢｉ薄膜の面積率が高くなる（例えば、５質量％のＢｉを含有する銅合金を焼結した場合、Ｂｉ薄膜の面積率は３０％以上となる）ために接合強度が弱く、内燃機関のような動荷重負荷を支持する軸受用の摺動材料としては耐疲労性が不十分となる。
【０００４】
そこで、特許文献３に開示されるような、鋼裏金とＢｉ含有銅合金摺動層との間にＢｉを含有しない青銅合金からなる中間層を形成する製造方法が、鋼裏金との界面のＢｉ薄膜形成防止に有効であると考えられたが、この特許文献３に開示される方法に従って、出願人が実際に試みるとＢｉ薄膜形成防止効果はなかった。これは、特許文献３に開示される製造方法では、中間層である青銅粉を鋼裏金上に散布後、Ｂｉ含有摺動層銅合金粉を散布した後に焼結を行うものであるため、焼結加熱の昇温の初期に、中間層銅合金粉末同士の焼結がほとんど進行していない状態で摺動層銅合金のうち低融点のＢｉ相が液相となり中間層銅合金粉末間の隙間に浸透してしまうため、鋼裏金との界面にＢｉ薄膜がより形成されやすくなると考えられるからである。
【０００５】
本願発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、Ｂｉを含有しても鋼裏金との接合強度が高く、動荷重負荷を支持する軸受に好適な銅系摺動材料の製造方法およびその方法で製造した銅系摺動材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために採用された解決手段として、請求項１に係る発明は、銅系摺動材料の製造方法であって、鋼裏金上にＢｉを含有しない銅合金粉末を散布し焼結して中間層を形成する第１次焼結工程と、該第１次焼結工程によって形成された中間層を冷却した後Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布し焼結して摺動層を形成する第２次焼結工程と、からなることを特徴とする。なお、中間層の銅合金粉末がＢｉを含有しない状態とは、原材料銅合金粉末製造での不可避不純物としてのＢｉ含有は許容する。具体的な不可避不純物Ｂｉ量としては０．０５質量％以下である。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の銅系摺動材料の製造方法であって、前記第１次焼結工程と前記第２次焼結工程との間に、前記Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布する前に前記中間層の緻密化を図る散布前圧延工程を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、請求項１記載の銅系摺動材料の製造方法であって、前記第１次焼結工程と前記第２次焼結工程との間に、前記Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布した後に前記中間層の緻密化と該中間層と前記摺動層との接合を図る散布後圧延工程を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、銅系摺動材料の製造方法であって、鋼裏金上にＢｉを含有しない銅合金粉末を散布し焼結して中間層を形成する第１次焼結工程と、該第１次焼結工程によって形成された中間層を冷却した後緻密化を図る緻密化圧延工程と、該緻密化圧延工程後に再度焼結する第２次焼結工程と、該第２次焼結工程後にＢｉを含有する銅合金粉末を散布し焼結して摺動層を形成する第３次焼結工程と、からなることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの製造方法で製造した銅系摺動材料であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６に係る発明は、請求項５記載の銅系摺動材料において、前記中間層を構成する銅合金の固相線温度は、前記摺動層を構成するＢｉを含有する銅合金の固相線温度より０〜５０℃高いことを特徴とする。
【００１２】
更に、請求項７に係る発明は、請求項５又は請求項６記載の銅系摺動材料において、前記摺動層を構成する銅合金は、１〜１５質量％Ｓｎ、１〜３０質量％Ｂｉ、残部銅の組成を有するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明においては、鋼裏金上に中間層としてＢｉを含有しない銅合金粉が焼結により緻密化された後に摺動層としてＢｉを含有する銅合金粉を焼結するため、第２次焼結工程における焼結中に発生する摺動層銅合金のＢｉ液相が焼結により緻密化された中間層に浸み込みにくく、このため、鋼裏金と中間層との界面にＢｉ薄膜の形成が抑制されて鋼裏金と中間層及び摺動層との接合強度の向上を図ることができ、内燃機関のような動荷重負荷を支持する軸受用の摺動材料として充分な耐疲労性を有する材料を提供することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明においては、Ｂｉを含有する銅合金粉末の散布と第２次焼結工程の前に、中間層の緻密化を図る散布前圧延が行なわれるため、第２次焼結工程における焼結中に発生する摺動層銅合金のＢｉ液相が散布前圧延によりさらに緻密化された中間層銅合金に浸み込みにくくなり、鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成をさらに抑制することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明においては、第２次焼結工程の焼結前に、中間層と該中間層と散布されたＢｉ含有銅合金粉末との予備的な接合を図る散布後圧延が行われるため、第２次焼結工程における焼結中に発生する摺動層銅合金のＢｉ液相が散布後圧延によりさらに緻密化された中間層銅合金に浸み込みにくくなり、鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成をさらに抑制することができる。
【００１６】
請求項４に係る発明においては、鋼裏金上に中間層としてＢｉを含有しない銅合金粉が焼結により緻密化された後に、更に緻密化するために緻密化圧延工程と第２次焼結工程とを実行し、その後摺動層としてＢｉを含有する銅合金粉を焼結するため、第３次焼結工程における焼結中に発生する摺動層銅合金のＢｉ液相が緻密化圧延工程と第２次焼結工程によりさらに緻密化された中間層に浸み込みにくくなり、鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成をさらに抑制することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれかの製造方法で製造した銅系摺動材料は、鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成が抑制され鋼裏金と中間層及び摺動層との接合強度の向上を図ることができるため、内燃機関のような動荷重負荷を支持する軸受用の摺動材料として充分な耐疲労性を有する材料とすることができる。なお、本願における鋼裏金と中間層との界面におけるＢｉ薄膜の形成が抑制された状態とは、鋼裏金と中間層の界面におけるＢｉ薄膜の面積率が１０％以下の状態であり、より好ましくは５％未満である。
【００１８】
請求項６に係る発明においては、中間層の銅合金が摺動層の銅合金に対して固相線温度が０〜５０℃高い銅合金としたため、鋼との接合強度が高い。これは、中間層の銅合金の固相線温度が摺動層の銅合金の固相線温度より低い場合には、Ｂｉの中間層への拡散が早くなり、鋼との界面にＢｉ薄膜が形成されやすい。なぜなら、摺動層の銅合金を十分に焼結する温度に加熱すると、中間層の銅合金自身の液相が必要以上に多く発生する。原子の拡散速度は固相中より液相中の方が速いため、摺動層の銅合金から中間層の銅合金へのＢｉの拡散が促進される。一方、中間層の銅合金の固相線温度が摺動層の銅合金の固相線温度に対し０〜５０℃高い場合には、摺動層の銅合金を十分に焼結する温度に加熱しても、中間層の銅合金自身の発生液相量が少ないため、中間層の銅合金へのＢｉ拡散が抑制される。さらに、中間層の銅合金が摺動層の銅合金の固相線温度に対し５０℃を超えて高い場合には、摺動層を十分に焼結する温度で焼結すると、中間層の銅合金自身の発生液相量が少なすぎるため、中間層の銅合金と鋼との接合が不十分となる。また、中間層の銅合金と鋼が十分に接合する温度で焼結すると、摺動層の銅合金の発生液相量が多くなりすぎて中間層の銅合金へのＢｉ拡散が促進される。これらの理由により、中間層の銅合金が摺動層の銅合金に対して固相線温度が０〜５０℃高い銅合金とすることが望ましい。
【００１９】
請求項７に係る発明においては、前記摺動層を構成する銅合金として、１〜１５質量％Ｓｎ、１〜３０質量％Ｂｉ、残部銅の組成を有するものであることが望ましい。Ｓｎは、Ｂｉ相と銅相との密着性を向上させ、材料強度を向上させる作用を奏するが、１５質量％を超えて添加すると摺動層銅合金の融点が低下し、高温化での摺動特性が低下するので、Ｓｎの添加量は、１５質量％が望ましい。また、Ｂｉの添加量を１質量％未満とした場合には、相手材との焼き付きが発生し易くなり、Ｂｉの添加量が３０質量％を超える場合には、高荷重が作用する部位への適用が困難となるので、Ｂｉの添加量は、１〜３０質量％が望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第１の製造方法を説明するための工程図であり、図２は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第２の製造方法を説明するための工程図であり、図３は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第３の製造方法を説明するための工程図であり、図４は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第４の製造方法を説明するための工程図であり、図５は、第１の製造方法ないし第４の製造方法で製造した銅系摺動材料の断面の模式図であり、図６は、接着力測定用試験片の模式図である。
【００２１】
図１において、第１の製造方法は、鋼裏金上（例えば、帯鋼）にＢｉを含まない銅合金粉末を散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却して中間層を有する複層材料を得る。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層の表面にＢｉを含有する銅合金粉末を散布後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。なお、この第１の製造方法において、一次焼結炉における焼結による緻密化によって中間層銅合金焼結層の空孔率が１０％以下、好ましくは３％以下の状態とすることが望ましい。空孔率を３％以下にすると、各空孔は独立した閉空孔となり連通しないので、Ｂｉ液相の浸み込みを効果的に防止することができる。また、鋼裏金上にＢｉを含まない銅合金粉末を散布した後に、一次焼結する前に、ロール圧延による緻密化を行うと、鋼裏金上の銅合金がロールとの接触により流動してロールに噛込まれないため十分に緻密化できないだけではなく、銅合金層厚さの制御も困難になるという欠点がある。
【００２２】
図２において、第２の製造方法は、鋼裏金上（例えば、帯鋼）にＢｉを含まない銅合金粉末を散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却して中間層を有する複層材料を得る。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層をロール圧延にて緻密化を図る散布前圧延した後、中間層銅合金焼結層の表面上にＢｉを含有する銅合金粉末を散布後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。なお、この第２の製造方法において、一次焼結炉における焼結による緻密化と散布前圧延による緻密化とによって中間層銅合金焼結層の空孔率を確実に１０％以下にすることができる。なお、二次焼結炉による焼結の後に、摺動層の銅合金層を緻密化するために、さらにロール圧延や焼結を繰り返し行なってもよい。
【００２３】
図３において、第３の製造方法は、鋼裏金上（例えば、帯鋼）にＢｉを含まない銅合金粉末を散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却して中間層を有する複層材料を得る。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層の表面にＢｉを含有する銅合金粉末を散布後、ロール圧延にて中間層銅合金焼結層を緻密化とＢｉ含有銅合金粉末との予備的な接合を図る散布後圧延した後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。なお、この第３の製造方法において、一次焼結炉における焼結による緻密化と散布後圧延による緻密化とによって中間層銅合金焼結層の空孔率を確実に１０％以下にすることができる。また、二次焼結炉による焼結の後に、摺動層の銅合金層を緻密化するために、さらにロール圧延や焼結を繰り返し行なってもよい。
【００２４】
図４において、第４の製造方法は、鋼裏金上（例えば、帯鋼）にＢｉを含まない銅合金粉末を散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却して中間層を有する複層材料を得る。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層をロール圧延にて緻密化圧延した後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却した後、中間層銅合金焼結層の表面上にＢｉを含有する銅合金粉末を散布後、再び三次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。なお、この第４の製造方法において、一次から三次焼結炉における焼結による緻密化と緻密化圧延による緻密化とによって中間層銅合金焼結層の空孔率を確実に３％以下にすることができる。また、三次焼結炉による焼結の後に、摺動層の銅合金層を緻密化するために、さらにロール圧延や焼結を繰り返し行なってもよい。
【００２５】
上記した第１から第４の製造方法で製造した銅系摺動材料は、図５に示すように、鋼裏金２の上に中間層としてＢｉを含まない銅合金焼結層３が積層され、さらにその中間層の上に摺動層としてＢｉ含有銅合金層４が積層された３層構造の銅系摺動材料１として製作される。
【００２６】
ここで、摺動層のＢｉ含有銅合金には、強度や耐食性を高めるためにＮｉ，Ａｇ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｐの少なくとも１種を２０質量％以下含有させてもよい。これら元素を添加しても本発明の効果には影響なく、銅合金の強度や耐食性を高めることができる。また、摺動層のＢｉ含有銅合金は、さらに潤滑性を高めるためにＧｒ，ＭｏＳ2，ＷＳ2等の固体潤滑剤を含有させてもよいし、耐摩耗性を高めるために炭化物、窒素物、酸化物、珪化物、硼化物等の硬質粒子を含有させてもよい。更に、摺動層のＢｉ含有銅合金の厚さは、５０μｍ以上であることが望ましい。５０μｍ未満では摺動機能が不十分となる。
【００２７】
また、中間層の銅合金の厚さが１００μｍ以上であることが望ましい。１００μｍ以上であれば、界面でのＢｉ薄膜形成を抑制することができる。
【００２８】
更に、中間層の銅合金は、摺動層の銅合金に対して固相線温度が０〜５０℃高いＢｉを含有しない銅合金としたため鋼との接合強度が高い。これは、前述したように、中間層の銅合金の固相線温度が摺動層の銅合金の固相線温度より低い場合には、Ｂｉの中間層への拡散が早くなり、鋼との界面にＢｉ薄膜が形成されやすい。なぜなら、摺動層の銅合金を十分に焼結する温度に加熱すると、中間層の銅合金自身の液相が必要以上に多く発生する。原子の拡散速度は固相中より液相中の方が速いため、摺動層の銅合金から中間層の銅合金へのＢｉの拡散が促進される。一方、中間層の銅合金の固相線温度が摺動層の銅合金の固相線温度に対し０〜５０℃高い場合には、摺動層の銅合金を十分に焼結する温度に加熱しても、中間層の銅合金自身の発生液相量が少ないため、中間層の銅合金へのＢｉの拡散が抑制される。さらに、中間層の銅合金が摺動層の銅合金の固相線温度に対し５０℃を超えて高い場合には、摺動層を十分に焼結する温度で焼結すると、中間層の銅合金自身の発生液相量が少なすぎるため、中間層の銅合金と鋼との接合が不十分となる。また、中間層の銅合金と鋼が十分に接合する温度で焼結すると、摺動層の銅合金の発生液相量が多くなりすぎて中間層の銅合金へのＢｉの拡散が促進される。これらの理由により、中間層の銅合金が摺動層の銅合金に対して固相線温度が０〜５０℃高い銅合金とすることが望ましい。なお、中間層銅合金は摺動特性に影響しないためＢｉを含有しない事以外には組成の制約はない。
【実施例】
【００２９】
次に、本発明に係る製造方法により製造した銅系摺動材料について表１、表２を参照して説明する。実施例３は、前述した第１の製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層の表面に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３０】
また、実施例４は、前述した第２の製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料をロール圧延にて中間層銅合金焼結層を緻密化した後、中間層銅合金焼結層の表面に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３１】
また、実施例１、２、５、６は、前述した第３の製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層の表面に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布後、ロール圧延にて中間層銅合金焼結層を緻密化した後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３２】
更に、実施例７，８は、前述した第４の製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料の中間層銅合金焼結層をロール圧延にて緻密化した後、再び同条件で焼結後冷却し、その後中間層銅合金焼結層の表面に上に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布後再び同条件で焼結し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３３】
比較例１は、特許文献３に示す製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の中間層銅合金粉末を散布、次に中間層銅合金粉末の散布面上に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。得られた複層材をロール圧延にて中間層銅合金層が緻密化した後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、摺動層銅合金層厚さが１００μｍ、中間層銅合金厚さが２００μｍとなるように銅系摺動材料を製作した。
【００３４】
比較例２は、特許文献１，２に示す製造方法で製作した摺動材料である。即ち、厚さ１．５ｍｍの鋼上に表１に示す組成、固相線温度の摺動層銅合金粉末を散布し、還元雰囲気を有する焼結炉にて８００℃〜９５０℃の温度で１５分間焼結後冷却し複層材料を得た。次に得られた複層材料の銅合金層をロール圧延にて緻密化した後、再び同条件で焼結後冷却し総厚１．６ｍｍ、銅合金層厚さが３００μｍ、となるように銅系摺動材料を製作した。なお、表１に示す固相線温度は示差熱分析法により測定した。
【００３５】
【表１】
【００３６】
上記のように製作された銅系摺動材料１を、図６に示す試験片５に加工した、試験片５には、円形の開口６が２つ設けられ、その円形開口６を引張試験機にて引っ張ることにより銅合金層と鋼裏金との接着力を測定した。試験結果を表１に示す。
【００３７】
上記のように製作された銅系摺動材料のうち、摺動層銅系合金組成が共通する実施例２、５、７と比較例１、２より半割形状軸受を製作し、この半割軸受２個を突合せて円筒状とし、表３に示す条件で耐疲労性試験を行った。耐疲労性試験結果（摺動層銅合金に疲労が発生しなかった限界の面圧）を表２に示す。
【００３８】
【表２】
【００３９】
【表３】
【００４０】
本願の実施例１〜８は、従来製法により製造しＢｉを含有しない銅合金からなる中間層が形成されていない比較例２に比べ鋼裏金と銅合金との接合強度が高い。本願の実施例１〜８は、接着力試験による銅合金と鋼面とのせん断面にはＢｉ薄膜の形成が抑制されていた（せん断面でのＢｉ薄膜面積率１０％未満）ので接合強度が高い。比較例２には銅合金と鋼裏金とのせん断面の広範囲にＢｉ薄膜が形成されていた。
【００４１】
比較例１は、Ｂｉを含有しない銅合金を散布後にＢｉを含有する摺動層銅合金を散布し焼結したために、焼結中に摺動層銅合金粉より発生したＢｉ液相が中間層銅合金粉の隙間に浸透し中間層銅合金と鋼との界面にまで達しＢｉ薄膜が形成されたため、接合強度が低い。
【００４２】
鋼裏金と中間層銅合金の界面にＢｉ薄膜が形成された比較例１、２に対し、摺動層銅合金の組成が同一であるが鋼と中間層銅合金界面にＢｉ薄膜の形成が抑制されている本願の実施例２、５、７は、接合強度が高いため疲労強度も高い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第１の製造方法を説明するための工程図である。
【図２】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第２の製造方法を説明するための工程図である。
【図３】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第３の製造方法を説明するための工程図である。
【図４】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための第４の製造方法を説明するための工程図である。
【図５】第１の製造方法ないし第４の製造方法で製造した銅系摺動材料の断面の模式図である。
【図６】接着力測定用試験片の模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 銅系摺動材料
２ 鋼裏金
３ 中間層
４ 摺動層
５ 試験片
６ 開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼裏金上にＢｉを含有しない銅合金粉末を散布し焼結して中間層を形成する第１次焼結工程と、
該第１次焼結工程によって形成された中間層を冷却した後Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布し焼結して摺動層を形成する第２次焼結工程と、
からなることを特徴とする銅系摺動材料の製造方法。
【請求項２】
前記第１次焼結工程と前記第２次焼結工程との間に、前記Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布する前に前記中間層の緻密化を図る散布前圧延工程を含むことを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料の製造方法。
【請求項３】
前記第１次焼結工程と前記第２次焼結工程との間に、前記Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布した後に前記中間層の緻密化と該中間層と前記摺動層との接合を図る散布後圧延工程を含むことを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料の製造方法。
【請求項４】
鋼裏金上にＢｉを含有しない銅合金粉末を散布し焼結して中間層を形成する第１次焼結工程と、
該第１次焼結工程によって形成された中間層を冷却した後緻密化を図る緻密化圧延工程と、
該緻密化圧延工程後に再度焼結する第２次焼結工程と、
該第２次焼結工程後にＢｉを含有する銅合金粉末を散布し焼結して摺動層を形成する第３次焼結工程と、
からなることを特徴とする銅系摺動材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかの製造方法で製造した銅系摺動材料。
【請求項６】
前記中間層を構成する銅合金の固相線温度は、前記摺動層を構成するＢｉを含有する銅合金の固相線温度より０〜５０℃高いことを特徴とする請求項５記載の銅系摺動材料。
【請求項７】
前記摺動層を構成する銅合金は、１〜１５質量％Ｓｎ、１〜３０質量％Ｂｉ、残部銅の組成を有するものであることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の銅系摺動材料。
【請求項１】
鋼裏金上にＢｉを含有しない銅合金粉末を散布し焼結して中間層を形成する第１次焼結工程と、
該第１次焼結工程によって形成された中間層を冷却した後Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布し焼結して摺動層を形成する第２次焼結工程と、
からなることを特徴とする銅系摺動材料の製造方法。
【請求項２】
前記第１次焼結工程と前記第２次焼結工程との間に、前記Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布する前に前記中間層の緻密化を図る散布前圧延工程を含むことを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料の製造方法。
【請求項３】
前記第１次焼結工程と前記第２次焼結工程との間に、前記Ｂｉを含有する銅合金粉末を散布した後に前記中間層の緻密化と該中間層と前記摺動層との接合を図る散布後圧延工程を含むことを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料の製造方法。
【請求項４】
鋼裏金上にＢｉを含有しない銅合金粉末を散布し焼結して中間層を形成する第１次焼結工程と、
該第１次焼結工程によって形成された中間層を冷却した後緻密化を図る緻密化圧延工程と、
該緻密化圧延工程後に再度焼結する第２次焼結工程と、
該第２次焼結工程後にＢｉを含有する銅合金粉末を散布し焼結して摺動層を形成する第３次焼結工程と、
からなることを特徴とする銅系摺動材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかの製造方法で製造した銅系摺動材料。
【請求項６】
前記中間層を構成する銅合金の固相線温度は、前記摺動層を構成するＢｉを含有する銅合金の固相線温度より０〜５０℃高いことを特徴とする請求項５記載の銅系摺動材料。
【請求項７】
前記摺動層を構成する銅合金は、１〜１５質量％Ｓｎ、１〜３０質量％Ｂｉ、残部銅の組成を有するものであることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の銅系摺動材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１４４２５２（Ｐ２００８−１４４２５２Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３６１９０（Ｐ２００６−３３６１９０）
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（５９１００１２８２）大同メタル工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（５９１００１２８２）大同メタル工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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