(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅合金を摺動面に用いた摺動部材の製造方法であって、
上記摺動面に当該銅合金より硬度の高い粒子を激突させてディンプルとして凹部を複数形成させ、上記凹部の占める面積比率が、２％以上であり、それらの凹部の表面における大きさの平均が５μｍ以上７５μｍ以下であり、それら凹部に黒鉛を保持させる銅合金系摺動部材の製造方法。
【請求項２】
潤滑油の供給なしに、上記黒鉛が固体潤滑剤として作用する請求項１に記載の銅合金系摺動部材の製造方法。
【請求項３】
摺動面に複数形成された凹部の占める面積比率が、２％以上であり、それらの凹部の表面における大きさの平均が５μｍ以上７５μｍ以下であり、
上記摺動面に黒鉛の塊を圧接しながら摩擦することで、前記凹部に前記塊の剥離片を保持させた銅合金系摺動部材。
【請求項４】
潤滑油の供給なしに、上記黒鉛が固体潤滑剤として作用する請求項３に記載の銅合金系摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受材料などの摺動部材として、固体潤滑剤となる黒鉛を用いた銅合金を使うことが知られている。例えば、特許文献１には、銅基焼結合金製軸受を製造するにあたって、銅をコーティングした塊状グラファイトを配合し、軸受の表面に塊状グラファイトを分散配置させる方法が記載されている。また、特許文献２には、金属基体の表面に形成された孔などの凹部に、黒鉛を主体とする棒状の固体潤滑剤を、珪酸ナトリウムを介することで埋設させ、黒鉛と珪酸ナトリウムの両方を固体潤滑剤として機能させる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２０９２０７号公報
【特許文献２】特許第３９６０６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法では、焼結合金内に意図的に大量の異物を配合することになるため、銅コーティングによって劈開こそしにくいものの、全体的な強度の低下は避けられなかった。また、特許文献２の方法では、孔などの凹部に合わせた形状の黒鉛を主体とする固体潤滑剤を準備する必要があるだけでなく、珪酸ナトリウムを接着剤として黒鉛を接着させるため、２００℃ほどでの乾燥処理が必要であった（特許文献２［００１７］）。さらに、接着された黒鉛を主体とする固体潤滑剤は、摺動面にｍｍオーダーで分布しているため、固体潤滑剤が少ない箇所もｍｍオーダーで多数存在してしまい、その摺動部材に接する被摺動部材には、ｍｍオーダーでの不連続な固体潤滑領域が発生してしまうという問題があった。
【０００５】
そこでこの発明は、銅合金製の摺動部材を製造するにあたり、強度の低下を起こすことなく、また、接着や乾燥などの処理を行う必要なく、かつ、不連続面を発生させないように、摺動部材表面に黒鉛を配することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、摺動面において凹部が占める面積比率が２％以上であり、その凹部の表面における大きさの平均が５μｍ以上、７５μｍ以下となるよう形成させた摺動部材に対して、その凹部に黒鉛を保持させることによって上記の課題を解決したのである。
【０００７】
保持させる方法としては、黒鉛の薄い剥離片が凹部に収まるのであればよく、例えば、摺動面に直接に黒鉛の塊を圧接しながら動かすといったことによって、表面の凹部内に黒鉛の塊の一部が剥離されて付着すれば、それだけで静電的に黒鉛を保持することができる。
【０００８】
凹部としては、焼結の際に残存する空隙由来の気孔でもよいし、一旦製造した摺動部材の表面に硬度の高い粒子を当てディンプルを形成させる方法等の、一般的な機械加工（研削、旋削、ショット）で凹部を意図的に形成させても良い。
【０００９】
適切な大きさで、かつ適切な占有率を占めるように形成された凹部に、後から黒鉛を保持させることによって、部材自体の強度低下を起こすことなく、表面に黒鉛を配することができる。大きさと占有率さえ適切であれば、黒鉛は銅合金に対して、その他の接着成分を使わなくても付着させた状態を保持できるので、余分な処理は必要なく、かつ、接着剤を用いる場合よりも高い均一性をもって配置させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明により、銅合金製の部材から、強度低下を起こすことなく、また、接着や乾燥などの処理を行う必要なく、かつ、不連続面の発生を抑制しながら、表面に黒鉛を配した有用な銅合金製摺動部材を得ることができる。
【００１１】
さらにより好適には、この発明の条件下で銅合金の表面に配した黒鉛が固体潤滑剤として作用することにより、その摺動部材は潤滑油の供給がない、いわゆる無給油の状態で使用を続けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）参考例１のディスク表面写真、（ｂ）参考例１の摩擦後のディスク表面写真、（ｃ）参考例１の摩擦後のリング表面写真
【図２】リングオンディスク試験機の概略図
【図３】参考例１の摩擦係数測定結果を示すグラフ
【図４】（ａ）実施例１のディスク表面写真、（ｂ）実施例１の摩擦後のディスク表面写真、（ｃ）実施例１の摩擦後のリング表面写真、（ｄ）実施例１の洗浄後のディスク表面写真、（ｅ）実施例１の洗浄後のリング表面写真
【図５】実施例１の摩擦係数測定結果を示すグラフ
【図６】（ａ）実施例２のディンプル形成後のディスク表面写真、（ｂ）実施例２の黒鉛導入後のディスク表面写真、（ｃ）実施例２の摩擦後のディスク表面写真、（ｄ）実施例２の摩擦後のリング表面写真、（ｅ）実施例２の洗浄後のディスク表面写真、（ｆ）実施例２の洗浄後のリング表面写真
【図７】実施例２の摩擦係数測定結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明について具体的に説明する。この発明は、表面に保持させた黒鉛により潤滑油を供給する必要なく利用できる銅合金系の摺動部材である。ここで銅合金系であるとは、５０質量％以上が銅からなる合金であることをいい、Ｓｎを１質量％以上１５質量％以下含む青銅系銅合金でもよい。このような青銅系銅合金となる成分で焼成すると、高強度となるため好ましい。その他、Ｆｅ、Ｐなど、一般的な銅合金が含有する元素を含んでいてよい。
【００１４】
銅合金系材料によって摺動部材の外形を形成させる方法は特に限定されない。例えば、所定の成分比で配合した粉末を、溶解した後鋳型によって冷却して形成してもよいし、粉末を固めた後に焼結させて形成させてもよい。
【００１５】
上記凹部の形成方法は特に限定されるものではない。摺動部材の外形を形成させる際に最初から形成させてもよいし、後から外力によって追加してもよい。最初から凹部を形成させる場合は、焼結によって摺動部材を形成させると好ましい。焼結時に内部に気孔が残存し、それによって摺動部材の表面に露出した気孔による凹部を最初から形成できるので、焼結条件を適切に調整して後述する条件に適した大きさと数の凹部を形成できるようにするとよい。
【００１６】
一方、外形を形成させた後に凹部を形成させる方法としては、銅合金より硬度の高い粒子を激突させて、表面に微細なディンプルとして凹部を形成させる方法が挙げられる。気孔による表面の凹部を有する摺動部材に対して、追加的にディンプルを形成させて凹部を増やしてもよい。
【００１７】
黒鉛を保持させる時点での、摺動面において凹部が占める面積は、２％以上である必要があり、５％以上であることが好ましく、７％以上であると好ましい。また、ディンプルにより凹部を形成させた場合、凹部の深みが気孔によるものよりも浅いため、凹部が占める面積が１０％以上であると好ましい。一方で、凹部が占める率が高いほど黒鉛を保持しやすいため、摺動部材自体の強度が確保できる範囲であれば特に上限は存在しない。
【００１８】
上記のそれぞれの凹部の表面における大きさの平均は、５μｍ以上である必要がある。凹部が小さすぎると、黒鉛を凹部に導入することが難しくなり、形状次第では保持することも難しくなるためである。一方、７５μｍ以下である必要がある。７５μｍを超えると凹部が広すぎて、黒鉛の剥離片を保持しきれなくなるおそれがあるためである。なお、ここで表面における大きさとは、気孔による場合はそれぞれの気孔由来の凹部が表面に露出している形状の中で、隙間が連続して取れる最大の直線長さである。
【００１９】
上記の凹部に黒鉛を保持させる方法は、黒鉛の剥離片を静電的に上記凹部に導入し、保持できれば特に限定されない。ただし、接着剤によらない結合であることが望ましい。例えば、塊状の黒鉛を、上記凹部を有する摺動面に圧接させたまま摩擦することで、凹部の縁で黒鉛の塊を削り、その剥離片を凹部内に固着させる方法が挙げられる。ここで用いる黒鉛の塊は、純粋な黒鉛でなくてもよく、黒鉛を塊にするための硫黄や粘土、その他の結合成分を有していてもよい。ただし、これらの結合成分は、上記摺動面への静電的な付着に大きな影響を及ぼさないものである。また他の方法としては、液中に黒鉛の剥離片を分散させた分散液を塗布した後、溶媒を乾燥させてもよい。
【実施例】
【００２０】
以下、この発明にかかる銅合金系摺動部材の具体的な実施例を示す。まず、試験材として、錫、鉄、硫黄、リンを含む銅合金の焼結体を作製した。作成後に測定した質量比は、Ｃｕ−１１．７１Ｓｎ−１．４２Ｆｅ−０．４１Ｓ−０．０２５Ｐであった。この焼結体は内部に気孔を有しており、その一部が表面に露出して、凹部を形成していた。測定平面における気孔の占める面積比率は７．７％であった。また、個々の凹部の表面における大きさの平均値を計算したところ、３４．１９μｍとなった。この表面の拡大写真を図１（ａ）に示す。
【００２１】
（参考例１）
＜摩擦係数試験＞
この摺動部材に黒鉛を保持させる前に摩擦係数を測定した。測定には図２に示す構造のリングオンディスク試験機を使用した。リング試験片１１は炭素鋼Ｓ４５Ｃを用いた外径φ４０×内径φ３２×厚さ１２ｍｍのリング状の試験片である。ディスク試験片１２は、上記の焼結体による試験材と、バックメタル（１２ｂ）として鋼ＳＰＨＣとを用いたバイメタルのディスクであり、外径φ５０×内径φ２８×厚さ７ｍｍである。ディスク試験片１２の焼結体側（１２ａ）の面上に、軸を合わせてリング試験片１１を乗せ、その上に円盤１３を乗せた。円盤１３の中心にボールジョイント１４を設け、その上方から５０Ｎの荷重をかけた。この荷重はボールジョイントの上方に設けた歪ゲージ１５で測定しており、荷重を維持しているか確認した。温度は２４．１℃、湿度は６５％であった。この状態でディスク試験片１２が乗る回転板１６を、リングに対して０．２ｍ／ｓとなるよう回転させ、摩擦距離が３００ｍとなるまで摩擦係数を測定した。なお、試験片間に潤滑油は供給していない。その結果を図３に示す。試験全体を通しての摩擦係数の平均値は０．１６６であった。また、終了後に削り粉等をメタノールで洗い落とした後のディスクとリングの表面写真を図１（ｂ）（ｃ）にそれぞれ示す。
【００２２】
＜体積粗さ測定＞
上記の摩擦係数試験を開始する前と、終了後とのそれぞれにおいて、ディスク試験片の表面における半径方向の一直線分に亘って、接触式粗さ計により、表面の粗さ（すなわち、高さ方向の変位）を測定し、試験の前後で摩耗により生じた表面の凹みの軸方向断面積差を算出した。この面積差を面積摩耗量とし、ディスク試験片一周分について積分して、体積摩耗量を算出したところ、５．６７ｍｍ３であった。
【００２３】
（実施例１：気孔に黒鉛を圧入）
参考例１で用いたのと同一の焼結体として作製したディスク試験片１２の表面に、黒鉛源として三菱鉛筆（株）製ｕｎｉ４．０Ｂの黒芯を当てて満遍なく摩擦させ、表面の気孔に黒鉛を導入した。この表面の拡大写真を図４（ａ）に示す。摺動面にこの黒鉛を保持させたまま、リング試験片１１と接触させて、上記の摩擦係数試験を参考例１と同様の条件で行った。その結果を図５に示す。摩擦係数は測定の終盤まで０．１を超えることがなく、最後にわずかに超えただけで、全体を通じて参考例１よりも下回った。平均摩耗係数は０．０６７であった。また、上下変動も抑えられており、気孔に保持された黒鉛が固体潤滑剤として有効に作用していることが確かめられた。終了後のディスク及びリングの表面写真をそれぞれ図４（ｂ）（ｃ）に示し、それぞれをメタノールで洗浄してグラファイトと削り粉を落とした後の表面写真を図４（ｄ）（ｅ）に示す。表面の焼き付きは見られず、摺動部材として良好に作用したことが確かめられた。
【００２４】
また、黒鉛導入の前と、摩擦係数試験後とにおける面積摩耗量を測定し、積分して体積摩耗量を算出したところ、０．１４４ｍｍ３となり、参考例１から著しい減少を達成した。
【００２５】
（実施例２：ディンプルに黒鉛を圧入）
参考例１で用いたのと同一の焼結体として作製したディスク試験片１２に対して、５０μｍのガラスビーズによるショットピーニング処理を行い、摺動面に多数のディンプルを形成させた。その表面写真を図６（ａ）に示す。この時のディンプルも含めた凹部の表面における大きさの平均は２８．９７μｍである。写真で観測した範囲における、ディンプル及び気孔が占める面積比率は３３．８７％であった。これに、実施例１と同様の鉛筆により黒鉛を導入した。その後の表面写真を図６（ｂ）に示す。
【００２６】
摺動面にこの黒鉛を保持させたまま、リング試験片１１と接触させて、上記の摩擦係数試験を参考例１と同様の条件で行った。その結果を図７に示す。摩擦係数は全体を通じて０．１を超えることなく、さらに、時間経過につれて摩擦係数が減少するという効果が見られた。平均摩耗係数は０．０４９であった。これは、ディンプルに蓄えられた黒鉛が摺動に伴ってさらに満遍なく拡散され、使用と共に平滑性がさらに向上していると考えられる。摩擦試験終了後のディスク及びリングの表面写真をそれぞれ図６（ｃ）（ｄ）に示し、それぞれをメタノールで洗浄してグラファイトと削り粉を落とした後の表面写真を図６（ｅ）（ｆ）に示す。黒鉛の量が多いために洗浄後もリングが黒くなっているが、ディスクとリングのいずれにも焼き付きによる黒変は見られなかった。
【００２７】
また、黒鉛導入の前と、摩擦係数試験の後とにおける面積摩耗量を測定し、積分して体積摩耗量を算出したところ、０．１２１ｍｍ３となり、参考例１から著しい減少を達成した。
【符号の説明】
【００２８】
１１  リング試験片
１２  ディスク試験片
１２ａ  焼結体側
１２ｂ  バックメタル側
１３  円盤
１４  ボールジョイント
１５  歪ゲージ
１６  回転板
【図２】
0005980492.tif 000002
【図３】
0005980492.tif 000003
【図５】
0005980492.tif 000004
【図７】
0005980492.tif 000005
【図１】
0005980492.tif 000006
【図４】
0005980492.tif 000007
【図６】
0005980492.tif 000008