銅系摺動材料
【課題】 耐焼付き性に優れた無機化合物粒子を添加した銅系摺動材料を提供する。
【解決手段】 無機化合物粒子５の平均粒径が１〜１０μｍ、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比が０．６〜１．４、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比が１．５〜３．０を満たし、Ｃｕ合金マトリクス４に分散した無機化合物粒子５の平均粒子間距離を５〜５０μｍとしたことで、Ｃｕ合金マトリクス４の全体が無機化合物粒子５との熱膨張量の差による影響を受けるようになる。このため、均質に活性状態となり、Ｃｕ合金マトリクス４の表面全体に早期に酸化膜及び硫化膜が形成されることで、耐焼付き性を向上させることができる。
【解決手段】 無機化合物粒子５の平均粒径が１〜１０μｍ、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比が０．６〜１．４、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比が１．５〜３．０を満たし、Ｃｕ合金マトリクス４に分散した無機化合物粒子５の平均粒子間距離を５〜５０μｍとしたことで、Ｃｕ合金マトリクス４の全体が無機化合物粒子５との熱膨張量の差による影響を受けるようになる。このため、均質に活性状態となり、Ｃｕ合金マトリクス４の表面全体に早期に酸化膜及び硫化膜が形成されることで、耐焼付き性を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐焼付き性に優れた銅系摺動材料に係り、特に自動車、産業機械等における半割軸受、ブシュ、スラストワッシャ等の材料として好適な銅系摺動材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関用のすべり軸受に使用される銅系摺動材料は、連続焼結法により製造されるのが一般的である。この連続焼結法とは、帯鋼上にＣｕ合金粉末を連続的に散布し、焼結、圧延を連続的に施す製造方法である。また、すべり軸受に使用される銅系摺動材料には、耐摩耗性、耐焼付き性、耐食性等の軸受特性を向上させるために、無機化合物粒子を添加した焼結Ｃｕ合金を使用するものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１２４６４６号公報
【特許文献２】特開２００５−３５０７２２号公報
【特許文献３】特許３８３９７４０号公報
【特許文献４】特許３３７０７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、自動車エンジンの高出力化に伴い、すべり軸受にかかる負荷は大きくなる傾向にある。このため、すべり軸受の摺動面と相手軸の表面とは、金属同士が直接接触するようになり、焼付きが発生し易い。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、耐焼付き性に優れた無機化合物粒子を添加した銅系摺動材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明は、鋼裏金層及びＣｕ合金層からなる銅系摺動材料であって、前記Ｃｕ合金層はＳｎを０．５〜１５質量％、無機化合物粒子を０．２〜５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅系摺動部材において、前記無機化合物粒子の平均粒径が１〜１０μｍ、前記無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの真密度の比が０．６〜１．４、前記無機化合物粒子に対する前記Ｃｕ合金マトリクスの熱膨張係数の比が１．５〜３．０を満たし、前記Ｃｕ合金マトリクスに分散した前記無機化合物粒子の平均粒子間距離を５〜５０μｍとしたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の銅系摺動材料において、前記無機化合物粒子は、金属の炭化物、窒化物、珪化物、ホウ化物の少なくとも１種以上であることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の銅系摺動材料において、前記Ｃｕ合金層は、Ｂｉ、Ｐｂからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜３０質量％含有することを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の銅系摺動材料において、前記Ｃｕ合金層は、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｉｎからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜４０質量％含有することを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の銅系摺動材料において、前記Ｃｕ合金層は、Ｐを０．０１〜０．５質量％含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
Ｃｕ合金マトリクス中に無機化合物粒子を分散した銅系摺動材料は、例えば内燃機関用のすべり軸受として使用される場合において、銅系摺動材料の温度が上昇すると、Ｃｕ合金マトリクスと無機化合物粒子との熱膨張量の差により、無機化合物粒子の周囲のＣｕ合金マトリクスを構成する金属原子の配列に欠陥（歪み）が生じる。このとき、金属原子の配列に欠陥が生じたＣｕ合金マトリクスは活性状態となり、潤滑油中に存在する酸素成分及び硫黄成分と反応が起き易くなる。請求項１に係る発明においては、Ｃｕ合金マトリクス中に分散した無機化合物粒子の粒子間距離を５〜５０μｍとしたことで、Ｃｕ合金マトリクスの全体が無機化合物粒子との熱膨張量の差による影響を受けるようになるため、均質に活性状態となり、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に早期に酸化膜及び硫化膜を形成することが可能となる。これにより、Ｃｕ合金マトリクスの表面と相手軸の表面とが直接接触することを防いで、耐焼付き性を向上させることができる。
【００１１】
上記したＣｕ合金マトリクス中に分散した無機化合物粒子の粒子間距離は、粉末散布時の分散状態が影響し、Ｃｕ合金粉末の空隙率（（１−嵩密度／真密度）×１００の式から算出）および無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの真密度の比によって、制御が可能であることが見出された。アトマイズ法によって作製されたＣｕ合金粉末は、帯鋼上に散布を行うと、Ｃｕ合金粉末間には空隙が存在している。そして、アトマイズ法によって作製されたＣｕ合金粉末と無機化合物粒子との混合粉末を帯鋼上に散布を行うと、無機化合物粒子はＣｕ合金粉末間の空隙部分に存在する。通常では、空隙率が２０〜８０％程度であるが、空隙率が７０％を超える場合、無機化合物粒子が凝集・偏析を生じ易く、無機化合物粒子の平均粒子間距離が大きくなり過ぎる。一方、空隙率が小さいほど無機化合物粒子の分散性は向上するが、空隙率を２０％未満とするには、特別な方法で製造されたＣｕ合金粉末が必要となり、銅系摺動材料が高価になる。
【００１２】
本発明者は、平均粒径が小さく、且つ、粒度分布の範囲が狭いＣｕ合金粉末と無機化合物粒子との混合粉末を使用すれば、焼結後にＣｕ合金マトリクスに分散した無機化合物粒子の粒子間距離が一定になると考えて試みたが、これに反し、無機化合物粒子の平均粒子間距離のバラつきが大きく、無機化合物粒子の粒子間距離を制御することが困難であった。これは、粉末混合時にＣｕ合金粉末と無機化合物粒子とを均一に分散しても、平均粒径が小さく、且つ、粒度分布の範囲が狭いＣｕ合金粉末は空隙率が大きく、また、このＣｕ合金粉末と無機化合物粒子とを混合した粉末は流動性が悪いため、帯鋼上に散布する工程にて、無機化合物粒子が凝集、偏析することが原因と考えられる。
【００１３】
以下、請求項１に係る発明の限定理由について説明する。
（１）Ｓｎの含有量について
銅系摺動材料において、Ｃｕ合金マトリクスにＳｎを含有させることは一般的である。これは、Ｃｕ合金マトリクスの強度を強化するためである。Ｓｎの含有量が０．５質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクスの強度を強化する効果が得られず、１５質量％を越えると、Ｃｕ合金マトリクスが脆くなる。
【００１４】
（２）無機化合物粒子の含有量について
無機化合物粒子の含有量が０．２質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクス中に分散した無機化合物粒子の平均粒子間距離が５０μｍを超えて、無機化合物粒子間に存在するＣｕ合金マトリクスが、無機化合物粒子との熱膨張量の差による影響を受け難くなるため、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなる。一方、無機化合物粒子の含有量が５質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリクス中に局部的に無機化合物粒子が凝集し易く、無機化合物粒子の平均粒子間距離が５０μｍを超えて、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなる。
【００１５】
（３）無機化合物粒子の平均粒径について
無機化合物粒子の平均粒径が１μｍ未満では、無機化合物粒子が細か過ぎて、Ｃｕ合金マトリクスと無機化合物粒子との熱膨張量の差により、無機化合物粒子の周囲のＣｕ合金マトリクスを構成する金属原子の配列に欠陥（歪み）が生じ難い。このため、潤滑油中に存在する酸素成分及び硫黄成分と反応が起こり難くなり、耐焼付き性が低下する。一方、無機化合物粒子の平均粒径が１０μｍを超えると、無機化合物粒子と相手軸との接触による発熱量が多くなり、無機化合物粒子の周囲のＣｕ合金マトリクスの欠陥（歪み）量が大きくなる。このため、局所的に酸化膜及び硫化膜が肥厚化し、破壊が生じる。そして、破壊が生じた部分においては、Ｃｕ合金マトリクスの金属表面が露出するため、耐焼付き性が低下する。
【００１６】
（４）真密度の比について
本発明における無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの真密度の比は、（Ｃｕ合金マトリクスの真密度／無機化合物粒子の真密度）の式によって表わされるものであり、この真密度の比が０．６〜１．４となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクスと無機化合物粒子との真密度が近く、Ｃｕ合金マトリクス中における無機化合物粒子の分散を制御することが可能となる。この真密度の比が０．６〜１．４の範囲から外れる場合、真密度の差が大きくなり、無機化合物粒子が凝集・偏析を生じ易くなる。
【００１７】
（５）熱膨張係数の比について
本発明における熱膨張係数は、内燃機関用のすべり軸受の使用温度域に相当する温度域として、２０〜３００℃の温度域での値を使用している。また、無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの熱膨張係数の比は、（Ｃｕ合金マトリクスの熱膨張係数／無機化合物粒子の熱膨張係数）の式によって表わされるものであり、この熱膨張係数の比が１．５〜３．０となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に均質な酸化膜及び硫化膜を形成することが可能となる。より好ましくは、熱膨張係数の比が１．９〜２．６の範囲である。この熱膨張係数の比が１．５未満では、無機化合物粒子の周囲しか熱膨張量の差による影響を受けないため、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に均質な酸化膜及び硫化膜が形成し難くなる。一方、熱膨張係数の比が３．０を超えると、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体が歪みを大きく受けるため、酸化膜及び硫化膜が過剰に形成される。このため、酸化膜及び硫化膜が肥厚化し、膜内の応力が高くなることで破壊が生じる。そして、破壊が生じた部分においては、Ｃｕ合金マトリクスの金属表面が露出するため、耐焼付き性が低下する。
【００１８】
（６）無機化合物粒子の平均粒子間距離について
本発明における無機化合物粒子の平均粒子間距離は、Ｃｕ合金マトリクス中に分散した無機化合物粒子の表面と、その粒子が最も近接する他の無機化合物粒子の表面との間の距離の平均値であり、無機化合物粒子間に存在するＣｕ合金マトリクスの平均長さを表わしている。この無機化合物粒子の平均粒子間距離が５０μｍを超えると、無機化合物粒子間の中央部付近のＣｕ合金マトリクスが、無機化合物粒子との熱膨張量の差による影響を受け難くなるため、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなる。一方、無機化合物粒子の平均粒子間距離については、５μｍを下限値としたが、実験で確認した限界値である。なお、無機化合物粒子の平均粒子間距離が５μｍ未満では、酸化膜及び硫化膜の形成の観点では望ましい状態であるが、原材料を無機化合物粒子とＣｕ合金粉末を機械的に複合化する等の特殊な粉末製造方法や、従来技術に示した連続焼結法以外の製造方法で製造する必要があり、銅系摺動材料が高価になる。
【００１９】
また、請求項２に係る発明のように、無機化合物粒子は、金属の炭化物、窒化物、珪化物、ホウ化物の少なくとも１種以上であり、炭化物としてＮｂＣ、ＴａＣ、Ｍｏ２Ｃ、Ｃｒ３Ｃ２等、窒化物としてＺｒＮ、Ｃｒ２Ｎ、ＮｂＮ等、珪化物としてＴａＳｉ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３、ＷＳｉ２等、ホウ化物としてＭｏ２Ｂ５、ＶＢ２、ＣｒＢ、ＴａＢ２等を使用することができる。
【００２０】
また、請求項３に係る発明のように、Ｃｕ合金層は、Ｃｕ合金マトリクスの摺動特性を高めるため、Ｂｉ、Ｐｂからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜３０質量％含有してもよい。これらの含有量が０．１質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクスの摺動特性の向上に寄与せず、３０質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリクスの強度が低下する。
【００２１】
また。請求項４に係る発明のように、Ｃｕ合金層は、Ｃｕ合金マトリクスを強化するため、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｉｎからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜４０質量％含有してもよい。これらの含有量が０．１質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクスの強化が不十分となり、４０質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリクスが脆くなる。
【００２２】
また。請求項５に係る発明のように、Ｃｕ合金層は、Ｃｕ合金マトリクスを強化するため、Ｐを０．０１〜０．５質量％含有してもよい。これらの含有量が０．０１質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクスの強化が不十分となり、０．５質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリクスが脆くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】銅系摺動材料を作製するための焼結工程図である。
【図２】（ａ）は、Ｃｕ合金マトリクス中に無機化合物粒子を分散したＣｕ合金層の断面組織を示す模式図であり、（ｂ）は、Ｃｕ合金マトリクス中に無機化合物粒子を分散したＣｕ合金層の表面組織を示す模式図である。
【図３】（ａ）は、Ｃｕ合金粉末と無機化合物粒子の混合時における無機化合物粒子の挙動を説明するための図であり、（ｂ）は、無機化合物粒子を混合したＣｕ合金粉末の散布時における無機化合物粒子の挙動を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。図１は、銅系摺動材料１を作製するための焼結工程図であり、図２（ａ）は、Ｃｕ合金マトリクス４中に無機化合物粒子５を分散したＣｕ合金層３の断面組織を示す模式図であり、図２（ｂ）は、Ｃｕ合金マトリクス４中に無機化合物粒子５を分散したＣｕ合金層３の表面組織を示す模式図であり、図３（ａ）は、Ｃｕ合金粉末６と無機化合物粒子５の混合時における無機化合物粒子５の挙動を説明するための図であり、図３（ｂ）は、無機化合物粒子５を混合したＣｕ合金粉末６の散布時における無機化合物粒子５の挙動を説明するための図である。
【００２５】
実施例１〜１８及び比較例１〜１０の作製方法として、まず、表１に示す組成のＣｕ合金粉末６と、表１に示す組成及び平均粒径の無機化合物粒子５を、無機化合物粒子５の割合が表１の「無機化合物量」に示す値の質量％となるように混合した。また、表１には、実施例１〜１８及び比較例１〜１０について、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比を「真密度比」に、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比を「熱膨張係数比」に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
また、実施例１〜１８及び比較例１〜１０においては、無加圧時に表1に示す空隙率のＣｕ合金粉末６を用いた。具体的には、空隙率が８０％のＣｕ合金粉末６（比較例３）は、最大粒径が７５μｍ以下で、４５μｍ以下が９０％以上の粒度分布のものを使用し、空隙率が７０％のＣｕ合金粉末６（実施例４，１０、比較例１０）は、最大粒径が１０６μｍ以下で、７５μｍ以下が９０％以上、且つ４５μｍ以下が６０％以上の粒度分布のものを使用し、空隙率が４５％のＣｕ合金粉末６（実施例１〜３，６〜９，１２〜１８、比較例１，２，４〜９）は、最大粒径が１５０μｍ以下で、７５μｍ以下が５０％以上、且つ４５μｍ以下が３０％以上の粒度分布のものを使用し、空隙率が２０％のＣｕ合金粉末６（実施例５，１１）は、最大粒径が１５０μｍ以下で、７５μｍ以下が４０％以上、且つ４５μｍ以下が２５％以下の粒度分布のものを使用した。
【００２８】
なお、Ｃｕ合金粉末６の空隙率は、空隙率＝（１−嵩密度／真密度）×１００の式から算出される。本実施形態で使用される嵩密度は、例えばＩＳＯ３９２３−１（ＪＩＳ規格ではＪＩＳ Ｚ２５０４）に示されるような測定方法を用いることにより、値を求めることができる。
【００２９】
次いで、図１に示すように、無機化合物粒子５を混合したＣｕ合金粉末６を帯鋼上に散布し、還元雰囲気で、温度７５０〜９７０℃、１０〜３０分の焼結条件で一次焼結し、帯鋼上に多孔質なＣｕ合金層３を形成した。そして、多孔質なＣｕ合金層３を緻密化するためのロール圧延を施した後、一次焼結の温度と同じ焼結条件で二次焼結を行った。これにより、図２（ａ）に示すように、鋼裏金層２上において、Ｃｕ合金マトリクス４中に無機化合物粒子５を分散したＣｕ合金層３が形成された銅系摺動材料１を作製した。なお、実施例１〜１８及び比較例１〜９における一次焼結及び二次焼結の温度は、Ｃｕ合金組成に対して固相線温度を超え、液相線温度未満の温度とし、焼結時にＣｕ合金粉末６の表面に一部液相が発生（固液共存状態）するようにした。一方、比較例１０における一次焼結及び二次焼結の温度は、Ｃｕ合金組成に対して固相線温度未満の温度とし、焼結時にＣｕ合金粉末６の表面に液相が発生しないようにした。
【００３０】
次に、Ｃｕ合金層３におけるＣｕ合金マトリクス４中に分散した無機化合物粒子５の平均粒子間距離の測定結果を、表1に示す。無機化合物粒子５の平均粒子間距離は、図２（ｂ）の拡大図に示すように、Ｃｕ合金マトリクス４中に分散した無機化合物粒子５の表面と、その粒子が最も近接する他の無機化合物粒子５の表面との間の距離の平均値であり、無機化合物粒子５間に存在するＣｕ合金マトリクス４の平均長さを表わしている。この平均粒子間距離は、電子顕微鏡を用いてＣｕ合金層３の組成像を倍率５００倍で撮影し、得られた組成像から一般的な画像解析手法（解析ソフト：Ｉｍａｇｅ−ＰｒｏＰｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製等）を用いて測定した。また、図２（ａ）に示すＣｕ合金層３の断面及び図２（ｂ）に示すＣｕ合金層３の断面のいずれを測定しても無機化合物粒子５の平均粒子間距離の値が変わらないことを確認しているため、Ｃｕ合金層３の表面（摺動面）に対して垂直方向の断面から測定したデータを使用している。なお、本実施形態の「平均粒子間距離」は、Ｃｕ合金マトリクス４中に局部的に複数の無機化合物粒子５が偏析（凝集）した場合には、各偏析（凝集）部を1つの無機化合物粒子５として測定した。すなわち、無機化合物粒子５の偏析（凝集）部は、複数の無機化合物粒子５の表面が接した状態を意味する。
【００３１】
実施例１〜１８及び比較例１〜１０の銅系摺動材料１は、円筒形状のすべり軸受に加工し、表２に示す条件で保護被膜形成試験を行った。評価方法は、摺動面全体の面積における硫化や酸化により黒色や褐色となった部分の面積の割合によって求め、その結果を表１の「形成膜の面積率」に示す。また、表３に示す条件で焼付き試験を行った。評価方法は、すべり軸受の背面温度が２３０℃となった場合を焼付きと判定し、焼付きが起こらなかった限界の負荷（面圧）を表1の「焼付き限界面圧」に示す。
【００３２】
【表２】
【００３３】
【表３】
【００３４】
実施例１〜１８には、何れも銅系摺動材料１の摺動面におけるＣｕ合金マトリクス４の表面に６０％以上の酸化膜及び硫化膜が形成されており、焼付き試験の結果として、比較例１〜１０に対して良好な結果が得られている。一方、比較例１〜１０には、銅系摺動材料１の摺動面に金属光沢を呈する部分が半分以上残っており、銅系摺動材料１の摺動面におけるＣｕ合金マトリクス４の表面に十分な酸化膜及び硫化膜が形成されておらず、焼付き試験の結果として、良好な結果が得られていない。
【００３５】
実施例２，３及び比較例１，２は、実施例１に対して無機化合物粒子５の含有量を変化させたものである。実施例１〜３では、無機化合物粒子５の含有量が０．２〜５質量％の範囲内となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成され易くなるため、比較例１，２に対して耐焼付き性が優れる。特に、実施例１〜３のうち実施例１では、無機化合物粒子５の凝集・偏析が少なく、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が短くなるため、耐焼付き性が良好である。一方、比較例１では、無機化合物粒子５の含有量が０．２質量％未満であり、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が長くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４が無機化合物粒子５との熱膨張量の差による歪みを受け難くなり、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に均一な酸化膜及び硫化膜が形成されず、耐焼付き性が低い。また、比較例２では、無機化合物粒子５の含有量が５質量％を超えており、無機化合物粒子５の凝集が生じて無機化合物粒子５の平均粒子間距離が長くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなり、耐焼付き性が低い。
【００３６】
実施例４，５及び比較例３は、実施例1に対してＣｕ合金粉末６の空隙率を変化させたものである。実施例１，４，５では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が２０〜７０％の範囲内となるように構成することで、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が短くなるため、比較例３に対して耐焼付き性が優れる。特に、実施例１，４，５のうち実施例５では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が小さいほど、無機化合物粒子５の分散性が良くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成され易くなり、耐焼付きが優れる。一方、比較例３では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が２０〜７０％の範囲から意図的に外れたものを用いているが、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が大きい場合には、図３（ａ）に示すように、Ｃｕ合金粉末６との混合時に無機化合物粒子５が分散していても、図３（ｂ）に示すように、Ｃｕ合金粉末６の散布時に無機化合物粒子５が流動して偏析・凝集が起こり易い。これにより、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が長くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなり、耐焼付き性が低い。
【００３７】
実施例６，７及び比較例４，５は、実施例１に対して無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比を変化させたものである。実施例１，６，７では、熱膨張係数の比が１．５〜３．０の範囲内となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜の形成が良好であるため、比較例４，５に対して耐焼付き性が優れる。一方、比較例４では、熱膨張係数の比が３．０を超えており、Ｃｕ合金マトリクス４の表面全体が歪みを大きく受けるため、酸化膜及び硫化膜が過剰に形成される。これにより、Ｃｕ合金マトリクス４の表面で酸化膜及び硫化膜の形成と脱落を繰り返し、Ｃｕ合金層３の表面が粗くなることで、安定した油膜を確保することができず、耐焼付き性が低い。また、比較例５では、熱膨張係数の比が１．５未満であり、Ｃｕ合金マトリクス４が無機化合物粒子５との熱膨張量の差による歪みを受け難いため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に均一な酸化膜及び硫化膜が形成されず、耐焼付き性が低い。
【００３８】
実施例８，９及び比較例６，７は、実施例１に対して無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比を変化させたものである。実施例１，８，９では、真密度の比が０．６〜１．４の範囲内となるように構成することで、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が短くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成され易くなり、比較例６，７に対して耐焼付き性が優れる。一方、比較例６，７では、真密度の比が０．６〜１．４の範囲から外れており、無機化合物粒子５が偏析、凝集してしまい、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が長くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなり、耐焼付き性が低い。
【００３９】
実施例１０，１１は、実施例１に対して無機化合物粒子５の粒子間距離を変化させたものである。実施例１０では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が大きく、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比が０．６〜１．４の範囲の下限値となるように構成することで、無機化合物粒子５の粒子間距離が５〜５０μｍの範囲の上限値となるが、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成されており、耐焼付き性が良好である。また、実施例１１では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が小さく、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比が０．６〜１．４の範囲の中央値となるように構成することで、無機化合物粒子５の粒子間距離が５〜５０μｍの範囲の下限値となるが、実施例１０よりも酸化膜及び硫化膜が形成され易くなり、耐焼付き性がさらに優れる。
【００４０】
実施例１２，１３及び比較例８は、実施例１に対して無機化合物粒子５の平均粒径を変化させたものである。実施例１２，１３では、無機化合物粒子５の平均粒径が１〜１０μｍの範囲内となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成されており、耐焼付き性が良好である。一方、比較例８では、無機化合物粒子５の平均粒径が１０μｍを超えており、無機化合物粒子５と相手軸との接触による発熱量が多くなり、無機化合物粒子５の周囲のＣｕ合金マトリクス４の欠陥（歪み）量が大きくなる。このため、局所的に酸化膜及び硫化膜が肥厚化し、破壊が生じるようになり、耐焼付き性が低い。
【００４１】
実施例１４は、実施例１に対してＮｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｉｎを、実施例１５は、実施例１に対してＰを添加し、Ｃｕ合金マトリクス４の強化を行ったが、耐焼付き性が良好である。
【００４２】
実施例１６は、実施例１に対してＢｉを、実施例１７は、実施例１に対してＰｂを添加し、Ｃｕ合金マトリクス４の潤滑性を高めたが、耐焼付き性が良好である。
【００４３】
実施例１８は、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比が１．５〜３．０の範囲内である無機化合物粒子５として、ＴａＳｉ２とＭｏ２Ｃの２種類を１：１の割合で添加しているが、耐焼付き性が良好である。
【００４４】
比較例９は、無機化合物粒子５としてＡｌＮを添加しているが、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比が３．０を超えており、Ｃｕ合金マトリクス４の表面全体が歪みを大きく受けるため、酸化膜及び硫化膜が過剰に形成される。これにより、Ｃｕ合金マトリクス４の表面で酸化膜及び硫化膜の形成と脱落を繰り返し、Ｃｕ合金層３の表面が粗くなることで、安定した油膜を確保することができず、耐焼付き性が低い。
【００４５】
比較例１０は、一次焼結及び二次焼結の温度として、Ｃｕ合金組成に対して固相線温度未満の温度で焼結したため、無機化合物粒子５がＣｕ合金粉末６の表面に結合することなく、多孔質なＣｕ合金層３の空隙部で偏析、凝集を起こし易い。このため、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が大きな銅系摺動材料１しか得られない。また、一次焼結及び二次焼結の温度として、Ｃｕ合金組成に対して固相線温度未満の温度で焼結すると、Ｃｕ合金層３におけるＣｕ合金マトリクス４の結晶粒径が細かくなり過ぎて、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に保護被膜（酸化膜や硫化膜）が形成され難いことも判明した。すなわち、比較例１０では、Ｃｕ合金層３におけるＣｕ合金マトリクス４の結晶粒径が細かくなり過ぎて、Ｃｕ合金層３の表面で結晶粒界の面積の割合が増加し、硫化や酸化が結晶粒界で優先的に起こるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に保護被膜（硫化膜や酸化膜）の形成が妨げられたと考えられる。
【００４６】
本実施形態に係る銅系摺動材料１は、内燃機関のすべり軸受や各種産業機械のすべり軸受材料に適用することができる。また、本実施形態に係る銅系摺動材料１は、Ｃｕ合金層３の表面にオーバレイ層を形成させた多層軸受として使用してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１ 銅系摺動材料
２ 鋼裏金層
３ Ｃｕ合金層
４ Ｃｕ合金マトリクス
５ 無機化合物粒子
６ Ｃｕ合金粉末
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐焼付き性に優れた銅系摺動材料に係り、特に自動車、産業機械等における半割軸受、ブシュ、スラストワッシャ等の材料として好適な銅系摺動材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関用のすべり軸受に使用される銅系摺動材料は、連続焼結法により製造されるのが一般的である。この連続焼結法とは、帯鋼上にＣｕ合金粉末を連続的に散布し、焼結、圧延を連続的に施す製造方法である。また、すべり軸受に使用される銅系摺動材料には、耐摩耗性、耐焼付き性、耐食性等の軸受特性を向上させるために、無機化合物粒子を添加した焼結Ｃｕ合金を使用するものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１２４６４６号公報
【特許文献２】特開２００５−３５０７２２号公報
【特許文献３】特許３８３９７４０号公報
【特許文献４】特許３３７０７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、自動車エンジンの高出力化に伴い、すべり軸受にかかる負荷は大きくなる傾向にある。このため、すべり軸受の摺動面と相手軸の表面とは、金属同士が直接接触するようになり、焼付きが発生し易い。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、耐焼付き性に優れた無機化合物粒子を添加した銅系摺動材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明は、鋼裏金層及びＣｕ合金層からなる銅系摺動材料であって、前記Ｃｕ合金層はＳｎを０．５〜１５質量％、無機化合物粒子を０．２〜５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅系摺動部材において、前記無機化合物粒子の平均粒径が１〜１０μｍ、前記無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの真密度の比が０．６〜１．４、前記無機化合物粒子に対する前記Ｃｕ合金マトリクスの熱膨張係数の比が１．５〜３．０を満たし、前記Ｃｕ合金マトリクスに分散した前記無機化合物粒子の平均粒子間距離を５〜５０μｍとしたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の銅系摺動材料において、前記無機化合物粒子は、金属の炭化物、窒化物、珪化物、ホウ化物の少なくとも１種以上であることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の銅系摺動材料において、前記Ｃｕ合金層は、Ｂｉ、Ｐｂからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜３０質量％含有することを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の銅系摺動材料において、前記Ｃｕ合金層は、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｉｎからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜４０質量％含有することを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の銅系摺動材料において、前記Ｃｕ合金層は、Ｐを０．０１〜０．５質量％含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
Ｃｕ合金マトリクス中に無機化合物粒子を分散した銅系摺動材料は、例えば内燃機関用のすべり軸受として使用される場合において、銅系摺動材料の温度が上昇すると、Ｃｕ合金マトリクスと無機化合物粒子との熱膨張量の差により、無機化合物粒子の周囲のＣｕ合金マトリクスを構成する金属原子の配列に欠陥（歪み）が生じる。このとき、金属原子の配列に欠陥が生じたＣｕ合金マトリクスは活性状態となり、潤滑油中に存在する酸素成分及び硫黄成分と反応が起き易くなる。請求項１に係る発明においては、Ｃｕ合金マトリクス中に分散した無機化合物粒子の粒子間距離を５〜５０μｍとしたことで、Ｃｕ合金マトリクスの全体が無機化合物粒子との熱膨張量の差による影響を受けるようになるため、均質に活性状態となり、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に早期に酸化膜及び硫化膜を形成することが可能となる。これにより、Ｃｕ合金マトリクスの表面と相手軸の表面とが直接接触することを防いで、耐焼付き性を向上させることができる。
【００１１】
上記したＣｕ合金マトリクス中に分散した無機化合物粒子の粒子間距離は、粉末散布時の分散状態が影響し、Ｃｕ合金粉末の空隙率（（１−嵩密度／真密度）×１００の式から算出）および無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの真密度の比によって、制御が可能であることが見出された。アトマイズ法によって作製されたＣｕ合金粉末は、帯鋼上に散布を行うと、Ｃｕ合金粉末間には空隙が存在している。そして、アトマイズ法によって作製されたＣｕ合金粉末と無機化合物粒子との混合粉末を帯鋼上に散布を行うと、無機化合物粒子はＣｕ合金粉末間の空隙部分に存在する。通常では、空隙率が２０〜８０％程度であるが、空隙率が７０％を超える場合、無機化合物粒子が凝集・偏析を生じ易く、無機化合物粒子の平均粒子間距離が大きくなり過ぎる。一方、空隙率が小さいほど無機化合物粒子の分散性は向上するが、空隙率を２０％未満とするには、特別な方法で製造されたＣｕ合金粉末が必要となり、銅系摺動材料が高価になる。
【００１２】
本発明者は、平均粒径が小さく、且つ、粒度分布の範囲が狭いＣｕ合金粉末と無機化合物粒子との混合粉末を使用すれば、焼結後にＣｕ合金マトリクスに分散した無機化合物粒子の粒子間距離が一定になると考えて試みたが、これに反し、無機化合物粒子の平均粒子間距離のバラつきが大きく、無機化合物粒子の粒子間距離を制御することが困難であった。これは、粉末混合時にＣｕ合金粉末と無機化合物粒子とを均一に分散しても、平均粒径が小さく、且つ、粒度分布の範囲が狭いＣｕ合金粉末は空隙率が大きく、また、このＣｕ合金粉末と無機化合物粒子とを混合した粉末は流動性が悪いため、帯鋼上に散布する工程にて、無機化合物粒子が凝集、偏析することが原因と考えられる。
【００１３】
以下、請求項１に係る発明の限定理由について説明する。
（１）Ｓｎの含有量について
銅系摺動材料において、Ｃｕ合金マトリクスにＳｎを含有させることは一般的である。これは、Ｃｕ合金マトリクスの強度を強化するためである。Ｓｎの含有量が０．５質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクスの強度を強化する効果が得られず、１５質量％を越えると、Ｃｕ合金マトリクスが脆くなる。
【００１４】
（２）無機化合物粒子の含有量について
無機化合物粒子の含有量が０．２質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクス中に分散した無機化合物粒子の平均粒子間距離が５０μｍを超えて、無機化合物粒子間に存在するＣｕ合金マトリクスが、無機化合物粒子との熱膨張量の差による影響を受け難くなるため、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなる。一方、無機化合物粒子の含有量が５質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリクス中に局部的に無機化合物粒子が凝集し易く、無機化合物粒子の平均粒子間距離が５０μｍを超えて、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなる。
【００１５】
（３）無機化合物粒子の平均粒径について
無機化合物粒子の平均粒径が１μｍ未満では、無機化合物粒子が細か過ぎて、Ｃｕ合金マトリクスと無機化合物粒子との熱膨張量の差により、無機化合物粒子の周囲のＣｕ合金マトリクスを構成する金属原子の配列に欠陥（歪み）が生じ難い。このため、潤滑油中に存在する酸素成分及び硫黄成分と反応が起こり難くなり、耐焼付き性が低下する。一方、無機化合物粒子の平均粒径が１０μｍを超えると、無機化合物粒子と相手軸との接触による発熱量が多くなり、無機化合物粒子の周囲のＣｕ合金マトリクスの欠陥（歪み）量が大きくなる。このため、局所的に酸化膜及び硫化膜が肥厚化し、破壊が生じる。そして、破壊が生じた部分においては、Ｃｕ合金マトリクスの金属表面が露出するため、耐焼付き性が低下する。
【００１６】
（４）真密度の比について
本発明における無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの真密度の比は、（Ｃｕ合金マトリクスの真密度／無機化合物粒子の真密度）の式によって表わされるものであり、この真密度の比が０．６〜１．４となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクスと無機化合物粒子との真密度が近く、Ｃｕ合金マトリクス中における無機化合物粒子の分散を制御することが可能となる。この真密度の比が０．６〜１．４の範囲から外れる場合、真密度の差が大きくなり、無機化合物粒子が凝集・偏析を生じ易くなる。
【００１７】
（５）熱膨張係数の比について
本発明における熱膨張係数は、内燃機関用のすべり軸受の使用温度域に相当する温度域として、２０〜３００℃の温度域での値を使用している。また、無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの熱膨張係数の比は、（Ｃｕ合金マトリクスの熱膨張係数／無機化合物粒子の熱膨張係数）の式によって表わされるものであり、この熱膨張係数の比が１．５〜３．０となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に均質な酸化膜及び硫化膜を形成することが可能となる。より好ましくは、熱膨張係数の比が１．９〜２．６の範囲である。この熱膨張係数の比が１．５未満では、無機化合物粒子の周囲しか熱膨張量の差による影響を受けないため、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に均質な酸化膜及び硫化膜が形成し難くなる。一方、熱膨張係数の比が３．０を超えると、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体が歪みを大きく受けるため、酸化膜及び硫化膜が過剰に形成される。このため、酸化膜及び硫化膜が肥厚化し、膜内の応力が高くなることで破壊が生じる。そして、破壊が生じた部分においては、Ｃｕ合金マトリクスの金属表面が露出するため、耐焼付き性が低下する。
【００１８】
（６）無機化合物粒子の平均粒子間距離について
本発明における無機化合物粒子の平均粒子間距離は、Ｃｕ合金マトリクス中に分散した無機化合物粒子の表面と、その粒子が最も近接する他の無機化合物粒子の表面との間の距離の平均値であり、無機化合物粒子間に存在するＣｕ合金マトリクスの平均長さを表わしている。この無機化合物粒子の平均粒子間距離が５０μｍを超えると、無機化合物粒子間の中央部付近のＣｕ合金マトリクスが、無機化合物粒子との熱膨張量の差による影響を受け難くなるため、Ｃｕ合金マトリクスの表面全体に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなる。一方、無機化合物粒子の平均粒子間距離については、５μｍを下限値としたが、実験で確認した限界値である。なお、無機化合物粒子の平均粒子間距離が５μｍ未満では、酸化膜及び硫化膜の形成の観点では望ましい状態であるが、原材料を無機化合物粒子とＣｕ合金粉末を機械的に複合化する等の特殊な粉末製造方法や、従来技術に示した連続焼結法以外の製造方法で製造する必要があり、銅系摺動材料が高価になる。
【００１９】
また、請求項２に係る発明のように、無機化合物粒子は、金属の炭化物、窒化物、珪化物、ホウ化物の少なくとも１種以上であり、炭化物としてＮｂＣ、ＴａＣ、Ｍｏ２Ｃ、Ｃｒ３Ｃ２等、窒化物としてＺｒＮ、Ｃｒ２Ｎ、ＮｂＮ等、珪化物としてＴａＳｉ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３、ＷＳｉ２等、ホウ化物としてＭｏ２Ｂ５、ＶＢ２、ＣｒＢ、ＴａＢ２等を使用することができる。
【００２０】
また、請求項３に係る発明のように、Ｃｕ合金層は、Ｃｕ合金マトリクスの摺動特性を高めるため、Ｂｉ、Ｐｂからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜３０質量％含有してもよい。これらの含有量が０．１質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクスの摺動特性の向上に寄与せず、３０質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリクスの強度が低下する。
【００２１】
また。請求項４に係る発明のように、Ｃｕ合金層は、Ｃｕ合金マトリクスを強化するため、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｉｎからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜４０質量％含有してもよい。これらの含有量が０．１質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクスの強化が不十分となり、４０質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリクスが脆くなる。
【００２２】
また。請求項５に係る発明のように、Ｃｕ合金層は、Ｃｕ合金マトリクスを強化するため、Ｐを０．０１〜０．５質量％含有してもよい。これらの含有量が０．０１質量％未満では、Ｃｕ合金マトリクスの強化が不十分となり、０．５質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリクスが脆くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】銅系摺動材料を作製するための焼結工程図である。
【図２】（ａ）は、Ｃｕ合金マトリクス中に無機化合物粒子を分散したＣｕ合金層の断面組織を示す模式図であり、（ｂ）は、Ｃｕ合金マトリクス中に無機化合物粒子を分散したＣｕ合金層の表面組織を示す模式図である。
【図３】（ａ）は、Ｃｕ合金粉末と無機化合物粒子の混合時における無機化合物粒子の挙動を説明するための図であり、（ｂ）は、無機化合物粒子を混合したＣｕ合金粉末の散布時における無機化合物粒子の挙動を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。図１は、銅系摺動材料１を作製するための焼結工程図であり、図２（ａ）は、Ｃｕ合金マトリクス４中に無機化合物粒子５を分散したＣｕ合金層３の断面組織を示す模式図であり、図２（ｂ）は、Ｃｕ合金マトリクス４中に無機化合物粒子５を分散したＣｕ合金層３の表面組織を示す模式図であり、図３（ａ）は、Ｃｕ合金粉末６と無機化合物粒子５の混合時における無機化合物粒子５の挙動を説明するための図であり、図３（ｂ）は、無機化合物粒子５を混合したＣｕ合金粉末６の散布時における無機化合物粒子５の挙動を説明するための図である。
【００２５】
実施例１〜１８及び比較例１〜１０の作製方法として、まず、表１に示す組成のＣｕ合金粉末６と、表１に示す組成及び平均粒径の無機化合物粒子５を、無機化合物粒子５の割合が表１の「無機化合物量」に示す値の質量％となるように混合した。また、表１には、実施例１〜１８及び比較例１〜１０について、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比を「真密度比」に、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比を「熱膨張係数比」に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
また、実施例１〜１８及び比較例１〜１０においては、無加圧時に表1に示す空隙率のＣｕ合金粉末６を用いた。具体的には、空隙率が８０％のＣｕ合金粉末６（比較例３）は、最大粒径が７５μｍ以下で、４５μｍ以下が９０％以上の粒度分布のものを使用し、空隙率が７０％のＣｕ合金粉末６（実施例４，１０、比較例１０）は、最大粒径が１０６μｍ以下で、７５μｍ以下が９０％以上、且つ４５μｍ以下が６０％以上の粒度分布のものを使用し、空隙率が４５％のＣｕ合金粉末６（実施例１〜３，６〜９，１２〜１８、比較例１，２，４〜９）は、最大粒径が１５０μｍ以下で、７５μｍ以下が５０％以上、且つ４５μｍ以下が３０％以上の粒度分布のものを使用し、空隙率が２０％のＣｕ合金粉末６（実施例５，１１）は、最大粒径が１５０μｍ以下で、７５μｍ以下が４０％以上、且つ４５μｍ以下が２５％以下の粒度分布のものを使用した。
【００２８】
なお、Ｃｕ合金粉末６の空隙率は、空隙率＝（１−嵩密度／真密度）×１００の式から算出される。本実施形態で使用される嵩密度は、例えばＩＳＯ３９２３−１（ＪＩＳ規格ではＪＩＳ Ｚ２５０４）に示されるような測定方法を用いることにより、値を求めることができる。
【００２９】
次いで、図１に示すように、無機化合物粒子５を混合したＣｕ合金粉末６を帯鋼上に散布し、還元雰囲気で、温度７５０〜９７０℃、１０〜３０分の焼結条件で一次焼結し、帯鋼上に多孔質なＣｕ合金層３を形成した。そして、多孔質なＣｕ合金層３を緻密化するためのロール圧延を施した後、一次焼結の温度と同じ焼結条件で二次焼結を行った。これにより、図２（ａ）に示すように、鋼裏金層２上において、Ｃｕ合金マトリクス４中に無機化合物粒子５を分散したＣｕ合金層３が形成された銅系摺動材料１を作製した。なお、実施例１〜１８及び比較例１〜９における一次焼結及び二次焼結の温度は、Ｃｕ合金組成に対して固相線温度を超え、液相線温度未満の温度とし、焼結時にＣｕ合金粉末６の表面に一部液相が発生（固液共存状態）するようにした。一方、比較例１０における一次焼結及び二次焼結の温度は、Ｃｕ合金組成に対して固相線温度未満の温度とし、焼結時にＣｕ合金粉末６の表面に液相が発生しないようにした。
【００３０】
次に、Ｃｕ合金層３におけるＣｕ合金マトリクス４中に分散した無機化合物粒子５の平均粒子間距離の測定結果を、表1に示す。無機化合物粒子５の平均粒子間距離は、図２（ｂ）の拡大図に示すように、Ｃｕ合金マトリクス４中に分散した無機化合物粒子５の表面と、その粒子が最も近接する他の無機化合物粒子５の表面との間の距離の平均値であり、無機化合物粒子５間に存在するＣｕ合金マトリクス４の平均長さを表わしている。この平均粒子間距離は、電子顕微鏡を用いてＣｕ合金層３の組成像を倍率５００倍で撮影し、得られた組成像から一般的な画像解析手法（解析ソフト：Ｉｍａｇｅ−ＰｒｏＰｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製等）を用いて測定した。また、図２（ａ）に示すＣｕ合金層３の断面及び図２（ｂ）に示すＣｕ合金層３の断面のいずれを測定しても無機化合物粒子５の平均粒子間距離の値が変わらないことを確認しているため、Ｃｕ合金層３の表面（摺動面）に対して垂直方向の断面から測定したデータを使用している。なお、本実施形態の「平均粒子間距離」は、Ｃｕ合金マトリクス４中に局部的に複数の無機化合物粒子５が偏析（凝集）した場合には、各偏析（凝集）部を1つの無機化合物粒子５として測定した。すなわち、無機化合物粒子５の偏析（凝集）部は、複数の無機化合物粒子５の表面が接した状態を意味する。
【００３１】
実施例１〜１８及び比較例１〜１０の銅系摺動材料１は、円筒形状のすべり軸受に加工し、表２に示す条件で保護被膜形成試験を行った。評価方法は、摺動面全体の面積における硫化や酸化により黒色や褐色となった部分の面積の割合によって求め、その結果を表１の「形成膜の面積率」に示す。また、表３に示す条件で焼付き試験を行った。評価方法は、すべり軸受の背面温度が２３０℃となった場合を焼付きと判定し、焼付きが起こらなかった限界の負荷（面圧）を表1の「焼付き限界面圧」に示す。
【００３２】
【表２】
【００３３】
【表３】
【００３４】
実施例１〜１８には、何れも銅系摺動材料１の摺動面におけるＣｕ合金マトリクス４の表面に６０％以上の酸化膜及び硫化膜が形成されており、焼付き試験の結果として、比較例１〜１０に対して良好な結果が得られている。一方、比較例１〜１０には、銅系摺動材料１の摺動面に金属光沢を呈する部分が半分以上残っており、銅系摺動材料１の摺動面におけるＣｕ合金マトリクス４の表面に十分な酸化膜及び硫化膜が形成されておらず、焼付き試験の結果として、良好な結果が得られていない。
【００３５】
実施例２，３及び比較例１，２は、実施例１に対して無機化合物粒子５の含有量を変化させたものである。実施例１〜３では、無機化合物粒子５の含有量が０．２〜５質量％の範囲内となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成され易くなるため、比較例１，２に対して耐焼付き性が優れる。特に、実施例１〜３のうち実施例１では、無機化合物粒子５の凝集・偏析が少なく、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が短くなるため、耐焼付き性が良好である。一方、比較例１では、無機化合物粒子５の含有量が０．２質量％未満であり、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が長くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４が無機化合物粒子５との熱膨張量の差による歪みを受け難くなり、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に均一な酸化膜及び硫化膜が形成されず、耐焼付き性が低い。また、比較例２では、無機化合物粒子５の含有量が５質量％を超えており、無機化合物粒子５の凝集が生じて無機化合物粒子５の平均粒子間距離が長くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなり、耐焼付き性が低い。
【００３６】
実施例４，５及び比較例３は、実施例1に対してＣｕ合金粉末６の空隙率を変化させたものである。実施例１，４，５では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が２０〜７０％の範囲内となるように構成することで、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が短くなるため、比較例３に対して耐焼付き性が優れる。特に、実施例１，４，５のうち実施例５では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が小さいほど、無機化合物粒子５の分散性が良くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成され易くなり、耐焼付きが優れる。一方、比較例３では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が２０〜７０％の範囲から意図的に外れたものを用いているが、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が大きい場合には、図３（ａ）に示すように、Ｃｕ合金粉末６との混合時に無機化合物粒子５が分散していても、図３（ｂ）に示すように、Ｃｕ合金粉末６の散布時に無機化合物粒子５が流動して偏析・凝集が起こり易い。これにより、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が長くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなり、耐焼付き性が低い。
【００３７】
実施例６，７及び比較例４，５は、実施例１に対して無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比を変化させたものである。実施例１，６，７では、熱膨張係数の比が１．５〜３．０の範囲内となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜の形成が良好であるため、比較例４，５に対して耐焼付き性が優れる。一方、比較例４では、熱膨張係数の比が３．０を超えており、Ｃｕ合金マトリクス４の表面全体が歪みを大きく受けるため、酸化膜及び硫化膜が過剰に形成される。これにより、Ｃｕ合金マトリクス４の表面で酸化膜及び硫化膜の形成と脱落を繰り返し、Ｃｕ合金層３の表面が粗くなることで、安定した油膜を確保することができず、耐焼付き性が低い。また、比較例５では、熱膨張係数の比が１．５未満であり、Ｃｕ合金マトリクス４が無機化合物粒子５との熱膨張量の差による歪みを受け難いため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に均一な酸化膜及び硫化膜が形成されず、耐焼付き性が低い。
【００３８】
実施例８，９及び比較例６，７は、実施例１に対して無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比を変化させたものである。実施例１，８，９では、真密度の比が０．６〜１．４の範囲内となるように構成することで、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が短くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成され易くなり、比較例６，７に対して耐焼付き性が優れる。一方、比較例６，７では、真密度の比が０．６〜１．４の範囲から外れており、無機化合物粒子５が偏析、凝集してしまい、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が長くなるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成し難くなり、耐焼付き性が低い。
【００３９】
実施例１０，１１は、実施例１に対して無機化合物粒子５の粒子間距離を変化させたものである。実施例１０では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が大きく、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比が０．６〜１．４の範囲の下限値となるように構成することで、無機化合物粒子５の粒子間距離が５〜５０μｍの範囲の上限値となるが、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成されており、耐焼付き性が良好である。また、実施例１１では、Ｃｕ合金粉末６の空隙率が小さく、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の真密度の比が０．６〜１．４の範囲の中央値となるように構成することで、無機化合物粒子５の粒子間距離が５〜５０μｍの範囲の下限値となるが、実施例１０よりも酸化膜及び硫化膜が形成され易くなり、耐焼付き性がさらに優れる。
【００４０】
実施例１２，１３及び比較例８は、実施例１に対して無機化合物粒子５の平均粒径を変化させたものである。実施例１２，１３では、無機化合物粒子５の平均粒径が１〜１０μｍの範囲内となるように構成することで、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に酸化膜及び硫化膜が形成されており、耐焼付き性が良好である。一方、比較例８では、無機化合物粒子５の平均粒径が１０μｍを超えており、無機化合物粒子５と相手軸との接触による発熱量が多くなり、無機化合物粒子５の周囲のＣｕ合金マトリクス４の欠陥（歪み）量が大きくなる。このため、局所的に酸化膜及び硫化膜が肥厚化し、破壊が生じるようになり、耐焼付き性が低い。
【００４１】
実施例１４は、実施例１に対してＮｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｉｎを、実施例１５は、実施例１に対してＰを添加し、Ｃｕ合金マトリクス４の強化を行ったが、耐焼付き性が良好である。
【００４２】
実施例１６は、実施例１に対してＢｉを、実施例１７は、実施例１に対してＰｂを添加し、Ｃｕ合金マトリクス４の潤滑性を高めたが、耐焼付き性が良好である。
【００４３】
実施例１８は、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比が１．５〜３．０の範囲内である無機化合物粒子５として、ＴａＳｉ２とＭｏ２Ｃの２種類を１：１の割合で添加しているが、耐焼付き性が良好である。
【００４４】
比較例９は、無機化合物粒子５としてＡｌＮを添加しているが、無機化合物粒子５に対するＣｕ合金マトリクス４の熱膨張係数の比が３．０を超えており、Ｃｕ合金マトリクス４の表面全体が歪みを大きく受けるため、酸化膜及び硫化膜が過剰に形成される。これにより、Ｃｕ合金マトリクス４の表面で酸化膜及び硫化膜の形成と脱落を繰り返し、Ｃｕ合金層３の表面が粗くなることで、安定した油膜を確保することができず、耐焼付き性が低い。
【００４５】
比較例１０は、一次焼結及び二次焼結の温度として、Ｃｕ合金組成に対して固相線温度未満の温度で焼結したため、無機化合物粒子５がＣｕ合金粉末６の表面に結合することなく、多孔質なＣｕ合金層３の空隙部で偏析、凝集を起こし易い。このため、無機化合物粒子５の平均粒子間距離が大きな銅系摺動材料１しか得られない。また、一次焼結及び二次焼結の温度として、Ｃｕ合金組成に対して固相線温度未満の温度で焼結すると、Ｃｕ合金層３におけるＣｕ合金マトリクス４の結晶粒径が細かくなり過ぎて、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に保護被膜（酸化膜や硫化膜）が形成され難いことも判明した。すなわち、比較例１０では、Ｃｕ合金層３におけるＣｕ合金マトリクス４の結晶粒径が細かくなり過ぎて、Ｃｕ合金層３の表面で結晶粒界の面積の割合が増加し、硫化や酸化が結晶粒界で優先的に起こるため、Ｃｕ合金マトリクス４の表面に保護被膜（硫化膜や酸化膜）の形成が妨げられたと考えられる。
【００４６】
本実施形態に係る銅系摺動材料１は、内燃機関のすべり軸受や各種産業機械のすべり軸受材料に適用することができる。また、本実施形態に係る銅系摺動材料１は、Ｃｕ合金層３の表面にオーバレイ層を形成させた多層軸受として使用してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１ 銅系摺動材料
２ 鋼裏金層
３ Ｃｕ合金層
４ Ｃｕ合金マトリクス
５ 無機化合物粒子
６ Ｃｕ合金粉末
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼裏金層及びＣｕ合金層からなる銅系摺動材料であって、前記Ｃｕ合金層はＳｎを０．５〜１５質量％、無機化合物粒子を０．２〜５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅系摺動部材において、
前記無機化合物粒子の平均粒径が１〜１０μｍ、前記無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの真密度の比が０．６〜１．４、前記無機化合物粒子に対する前記Ｃｕ合金マトリクスの熱膨張係数の比が１．５〜３．０を満たし、前記Ｃｕ合金マトリクスに分散した前記無機化合物粒子の平均粒子間距離を５〜５０μｍとしたことを特徴とする銅系摺動材料。
【請求項２】
前記無機化合物粒子は、金属の炭化物、窒化物、珪化物、ホウ化物の少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料。
【請求項３】
前記Ｃｕ合金層は、Ｂｉ、Ｐｂからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜３０質量％含有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の銅系摺動材料。
【請求項４】
前記Ｃｕ合金層は、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｉｎからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜４０質量％含有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の銅系摺動材料。
【請求項５】
前記Ｃｕ合金層は、Ｐを０．０１〜０．５質量％含有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の銅系摺動材料。
【請求項１】
鋼裏金層及びＣｕ合金層からなる銅系摺動材料であって、前記Ｃｕ合金層はＳｎを０．５〜１５質量％、無機化合物粒子を０．２〜５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅系摺動部材において、
前記無機化合物粒子の平均粒径が１〜１０μｍ、前記無機化合物粒子に対するＣｕ合金マトリクスの真密度の比が０．６〜１．４、前記無機化合物粒子に対する前記Ｃｕ合金マトリクスの熱膨張係数の比が１．５〜３．０を満たし、前記Ｃｕ合金マトリクスに分散した前記無機化合物粒子の平均粒子間距離を５〜５０μｍとしたことを特徴とする銅系摺動材料。
【請求項２】
前記無機化合物粒子は、金属の炭化物、窒化物、珪化物、ホウ化物の少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料。
【請求項３】
前記Ｃｕ合金層は、Ｂｉ、Ｐｂからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜３０質量％含有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の銅系摺動材料。
【請求項４】
前記Ｃｕ合金層は、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｉｎからなる群の中から少なくとも１種以上を総量で０．１〜４０質量％含有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の銅系摺動材料。
【請求項５】
前記Ｃｕ合金層は、Ｐを０．０１〜０．５質量％含有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の銅系摺動材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−４９８８７（Ｐ２０１３−４９８８７Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８７８８５（Ｐ２０１１−１８７８８５）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【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２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【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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