(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量百分率で、Al5から50％、Sn30%以下(0を含まない), Pb32%以下（０を含まない）、及びSi5 から50%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、組織が二次相を含むCu相と二次相を含むAl相とから実質的に構成されるCu-Al系溶射摺動材料において、摺動表面における組織が、３０μm以上の長さの第１のCu相と、２０μｍ以下の長さの第２のCu相と、９０μm以下の長さの第１のAl相とより実質的に構成されることを特徴とするCu-Al系溶射摺動材料。
【請求項２】
さらに、質量％で、0.5％以下のP、30％以下のZn, 1.5％以下のFe, 5.0％以下の Mn, 5.0％以下のMg, 10％以下のAgを総量で50％以下含有することを特徴とする請求項１記載のCu-Al系溶射摺動材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材料に関するものであり、さらに詳しく述べるならば、耐焼付性を改良したＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材料に関するものである。
溶射材料は溶融物質から成膜された点では溶融めっき材料と同じであるが、溶融もしくは半溶融粉末が高速で基板に衝突して成膜されているために特有の組織を呈している。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人が、主として斜板式コンプレッサ摺動層用として国際公開公報ＷＯ０１／０４３７３で提案したＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材料は、未溶解Ｃｕ−Ｐｂアトマイズ粉末が耐焼付性を向上させることを骨子とするものである。即ち、この粉末が完全に溶解すると、Ｐｂ相が片状に変化して脆弱な組織となるので、未溶解状態に保つことによって粒状形態を維持したＰｂ組織が耐焼付性を発揮する。一方、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末中のＳｉは溶射組織中で粒状硬質Ｓｉ粒子として存在して耐摩耗性を高める。
【０００３】
前掲国際公開公報で具体的に開示されたＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材料におけるＣｕ相は未溶解粒状であり、その直径は約６０μｍ弱以下である。一方Ａｌ粉末相の大部分は溶射により溶解しており、その最大長さは１００μｍを超えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、従来のＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材料の耐焼付性を試験し、溶射組織につき次のように考察した。先ず、未溶解Ｃｕ相中のＰｂ粒子相は耐焼付性向上に寄与していることは知られていたが、その効果はＣｕ相の長さに関係していることを見出した。即ち、Ｃｕ−Ａｌ系溶射摺動材料であって、未溶解Ｃｕ相が長い材料（Ａ）と短い材料（Ｂ）とを比較すると材料（Ａ）が材料（Ｂ）より耐焼付性は良好である。次に、Ａｌ相中のＳｉ粒子が耐摩耗性に及ぼす影響も同様にＡｌ相の長さに関係している。即ち、Ｃｕ−Ａｌ系溶射摺動材料であって、Ａｌ相が長い材料（Ｃ）と短い材料（Ｄ）とを比較すると材料（Ｄ）が材料（Ｃ）より耐焼付性は良好である。
【０００５】
上記した結果は、耐焼付性の観点からはＣｕ相は粗大組織が好ましいことを示している。粗大Ｃｕ相組織をもつ材料（Ｅ）中には、粗大なＡｌ相が少数存在する場合（Ｅ１）、微細なＡｌ相が多数存在する場合（Ｅ２），    粗大・微細Ａｌ相が混在する場合（Ｅ３）がありうる。本発明者らの実験によると、耐摩耗性に関してはＥ２，Ｅ３の組織が良好であり、耐焼付性とは逆な結果となっている。
このような観点からの組織制御を行っていない従来のＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材料は摺動特性の向上に限界があることが分かった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記考察を模式的に示す図１、図２において、従来のＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材料（図２）は微細Ｃｕ未溶解相と粗大な溶解Ａｌ−Ｓｉ合金相が混在している。この組織では、Ｃｕ相を未溶解として残し、かつＣｕ相とＡｌ−Ｓｉ合金相をできるだけ微細分散させることを主たる制御目標としていると言える。一方上記した考察に基く本発明（図１）はＣｕ相を粗大化させ、一方Ａｌ−Ｓｉ合金相は比較的微細として、これら両方の相の微細分散は行わないというものである。
【０００７】
したがって、本発明に係るCu-Al系溶射摺動材料は、質量％で、Al5から50％、Sn30%以下(0を含まない), Pb32%以下（０を含まない）、及びSi5 から50%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、組織が二次相を含むCu相と二次相を含むAl相とから実質的に構成されるCu-Al系溶射摺動材料において、摺動表面における組織が、３０μm以上の長さの第１のCu相と、２０μｍ以下の長さの第２のCu相と、９０μm以下の長さの第１のAl相とより実質的に構成されることを特徴とする。以下、本発明を詳しく説明する。
【０００８】
上記した溶射組織の長さの測定は、サンプル最表面で長さ1.0mmをランダムに３箇所選んで、全ての長さを測定してCu相にAl相とともにその最大値を求めることにより行う。Cu相は溶質を含む合金相のこともあり、さらに内部にPb相などの二次相を含む。一方、Al相は溶質を含む合金相のこともあり、さらに内部にSiなどの二次相を含む。Cu相及びAl相が光学顕微鏡で相互に識別される。また、これらの相の長さは連続的に測定される長さである。例えば１個のU字状に曲がったCu相粒子を水平直線で切断すると、連続長さが2回検出されるので、測定された二つの長さに相当する2個の粒子がみかけ上存在しているものとして測定を行う。
【０００９】
本発明に係るＣｕ−Ａｌ系摺動材料においては、Ｃｕ相と  Ａｌ相の割合は前者が２０〜５０面積％、後者が８０〜５０面積％であることが好ましい。
さらに、本発明に係るＣｕ−Ａｌ系摺動材料においては、組成がＡｌ５から５０％、Ｓｎ３０％以下（０を含まない），  Ｐｂ３２％以下（０を含まない）、及びＳｉ５  〜５０％であると、耐焼付性及び耐摩耗性が良好になる。Ａｌ及びＳｉが上記下限未満であると耐摩耗性が不足し、上限を超えると耐焼付性が不足する。特にＡｌ量が非常に少ないと、ほとんどがＣｕ中に固溶するために、本発明が意図する二相材料にならない。Ｓｎ及びＰｂが上記上限を超えると、材料強度が低下して、摺動特性が不良になる。
【００１０】
本発明に係るCu-Al系摺動材料においては、Cu相が、長さが３０μm以上および９０μm以下のCu相と長さが２０μm以下の微細Cu相との混合組織となり、この微細Cu相はAl相粒子の間に介在してその耐焼付性を高める。
また、粗粒Cu相と微粒Cu相は合計を１００％として前者が30〜80面積％、後者が70〜20面積％であることが好ましい。
続いて、本発明が最も特徴とする組織を説明する。
【００１１】
本発明に係る溶射摺動材料は前掲国際公開公報と同様に斜板コンプレッサーの斜板摺動層として特に適している。その他この公報で開示された、種々の技術的展開（例えば、溶射後熱処理、MoS2層の被覆、下地基板への接着層の被覆）溶射層への10％wt以下の硬質粒子（Al２O３，SiO2，SiC，ZrO2，Si3N4，BN，AlN，TiN，TiV，B4C，Fe-P化合物、Fe-B化合物、Fe-N化合物など）の添加は本発明にも適用することができる。
【００１２】
さらに、本発明においてはCu及び/又はAlの合金元素を追加的に含有することができる。これらには、質量％で、0.5％以下のP、30％以下のZn,1.5％以下のFe, 5.0％以下の Mn, 5.0％以下のMg, 10％以下のAgなどがある。PはCu合金の流動性、強度を改善する。ZnはCu合金の耐食性を改善する。FeはCu合金の強度を改善する。MnはAl及びCu合金の強度を改善する。MgはAl合金中でMgSi系金属間化合物として析出して強度を改善する。これらの元素は総量で50％以下含有される。
続いて、本発明が最も特徴とする組織を説明する。
【００１３】
【作用】
Ｃｕ−１５〜３５％Ａｌ−１〜３％Ｓｎ−４〜２０％Ｐｂ−１２〜２７％Ｓｉからなる組成をもつ溶射材料を次の溶射法にて鉄基板上に２５０μｍの厚さに成膜した。
溶射機：ＨＶＯＦ型溶射機
燃料圧力：１００ｐｓｉ
空気圧力：１５０ｐｓｉ
溶射距離：１８０ｍｍ
【００１４】
溶射に使用した粉末は次の通りであった
・  Cu-Sn-Pb粉末（60 〜75質量％）。組成は2.0〜4.0%Sn, 22〜24%Pb, 0.50%以下 P, 1.0%以下 Zn, 0.35%以下 Feであった。粉末粒度は微粒（45μm以下）、中粒（75〜45μm）及び粗粒（150〜75μm）の３分類とし、本発明外の溶射材を調製する際には粗粒粉末を使用せず、本発明の溶射材を調製する際には、それぞれ60〜80%,0〜30%,0〜30%の割合で混合するとともに、アトマイズCu-Pb合金粉末の粒度を調整することにより、粗大Cu相と微細Cu相の混合組織を得た。
・  Al-Si粉末（40〜25質量％）。組成は35〜45%Si, 2.2〜 3.0%Cu, 0.15 〜0.55%Mn, 0.70〜 1.1% Mg, 0.50%以下のFe, 0.30%以下のZnであった。粉末粒度は微粒（75μm以下）及び粗粒（150〜75μm）の2分類とし、本発明外の溶射材を調製する際にはそれぞれ60〜80%,40〜20%の割合で混合し、本発明の溶射材を調製する際には微粒粉のみを使用した。
【００１５】
得られた摺動層について下記条件で試験した。Ｃｕ相長さ（以下「Ｃｕ長さ」と言う）は溶射に使用するアトマイズＣｕ−Ｐｂ合金粉末の粒度を調整することにより行い、Ａｌ相長さ（以下「Ａｌ長さ」と言う）は溶射に使用するＡｌ−Ｓｉ合金粉末の粒度を調整することにより行った。
試験機：高圧雰囲気試験機
荷重（圧力）：４ＭＰａ→  ｍａｘ  １５ＭＰａ  （２ＭＰａごと漸増）
回転：７２００ｒｐｍ
潤滑：オイル＋フロン（循環式）
相手材：ＳＵＪ２シュー
【００１６】
試験の結果を図３及び図４に示す。上記方法で測定したＣｕ長さが３０μｍ以上、特に６０μｍ以上になると焼付き面圧が高くなっている（図３）。さらに、Ａｌ長さが９０μｍ、特に７０μｍを超えると焼付き面圧が低くなっている（図４）。これらの結果に基づき本発明においては組織の限定を行った。より好ましくは、Ｃｕ長さが９０μｍ以上、Ａｌ長さが５０μｍ以下である。またＣｕ相は溶解するとＰｂが固溶する可能性があるために、未溶解組織であることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明者らは図３，４との結果と溶射組織の関連について考察した。  Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ未溶解組織中に存在するＰｂ粒子が耐焼付性に有効であることは前掲国際公開公報で知られている。Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ未溶解組織を粗大にすると、Ｃｕ長さが長くなることに伴い、Ｐｂ粒子の面積割合が多くなり、耐焼付性が向上する。一方Ａｌ相はほとんどの場合Ａｌ−Ｓｉ合金が溶解して生成したものである。Ａｌ相が粗大になると、その中に存在しているＳｉ粒子が、再度結晶化する際に塊状化しかつ粗大化する結果、耐焼付性が不良になる。したがって、Ａｌ相はできるだけ微細に分散するのがよい。
【００１８】
図３，４に（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）で示した材料の組織写真をそれぞれ図５，６，７，８に示す。図中暗色に見える相がＡｌ相であり、明色に見える相がＣｕ相である。
【００１９】
上記組織において、さらにＣｕ長さが２０μｍ以下の微細なＣｕ相と２０μｍを超える粗大なＣｕ相が混合していると、さらに耐焼付性が向上する。その理由については、粗大なＣｕ相そのものの働きと、微細なＣｕ相が、粗大なＣｕ相と粗大なＡｌ相との間に入り込むことによって、みかけ上のＣｕ相全体の長さをさらに長くすることによるものと考えられる。
以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。
【００２０】
【実施例】
表１に示す溶射摺動材料につき試験を行った。
【００２１】
【表１】
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表において、Noの欄に付された＊は本発明外の比較例、＊＊は本発明外の
参考例を意味する。
【００２２】
表１において、No.6はCu長さが本発明内、Al長さが本発明外の比較例であり、No.７はCu長さが本発明外、Al長さが本発明内の比較例であり、No.8はCu長さ及びAl長さの両方が本発明外の比較例である。No.１〜５はCu相が40面積％、Al相が60面積％存在するが、その中でNo.2においては、Cu相は表に示した71μmを最大値として分布した粗粒と、10〜20μmの範囲で分布した微粒が存在する実施例である。このため、No.２はCu長さがNo.３より短いが、それとは逆に焼付面圧はNo.２のほうが良好となった。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると組成は従来材と同じであるが耐焼付性が改良されたＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材の組織を示す模式図である。
【図２】従来のＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材の組織を示す模式図である。
【図３】Ｃｕ長さと焼付き面圧の関係を示すグラフである。
【図４】Ａｌ長さと焼き付き面圧の関係を示すグラフである。
【図５】本発明範囲内のＣｕ長さをもつＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材の組織を示す写真である。
【図６】本発明範囲内のＡｌ長さをもつＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材の組織を示す写真である。
【図７】本発明範囲外のＣｕ長さをもつＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材の組織を示す写真である。
【図８】本発明範囲外のＡｌ長さをもつＣｕ−Ａｌ系溶射摺動材の組織を示す写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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