(57)【要約】 【課題】  固体潤滑剤粒子を基材に投射して埋め込む方法において、従来使用されていたアルミ合金基材は、硬度が低く、表面に酸化皮膜が存在するために、固体潤滑剤が、摺動中に長期間保持されずに脱落してしまう。鉄鋼基材の場合は、硬度が高いために初期の埋め込み量が少なく、また、埋め込み量を大きくするために投射速度を上げると、固体潤滑剤が割れ、また表面が粗されてしまう。【解決手段】銅又は銅合金からなる基材の表面に硫黄を含む固体潤滑剤が侵入かつ埋収されていることを特徴とする摺動材料。銅又は銅合金からなる基材表面における固体潤滑剤の侵入・埋収深さが０．１〜２０μｍであり、かつ侵入・埋収部における固体潤滑剤の濃度は１〜５０質量％である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる基材の表面に硫黄を含む固体潤滑剤が侵入かつ埋収されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項２】
前記銅又は銅合金からなる基材の表面への硫黄を含む固体潤滑剤の侵入かつ埋収が投射によりなされていることを特徴とする請求項1記載の摺動材料。
【請求項３】
前記銅又は銅合金からなる基材の表面への硫黄を含む固体潤滑剤への侵入かつ埋収が散布及び圧延によりなされていることを特徴とする請求項１記載の摺動材料。
【請求項４】
前記銅又は銅合金からなる基材のビッカース硬さが90〜300であることを特徴とする請求項1から3までの何れか1項記載の摺動材料。
【請求項５】
前記銅又は銅合金からなる基材表面における固体潤滑剤の侵入・埋収深さが0.1〜20μmであり、かつ侵入・埋収部における固体潤滑剤の濃度は1〜50質量％であることを特徴とする請求項1から4までの何れか1項記載の摺動材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は硫黄を含む固体潤滑剤を固体のまま直接部材に侵入・埋収させて自己潤滑層とした摺動材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、二硫化モリブテン（MoS2）などの固体潤滑剤は樹脂をバインダーとして基材上に成膜され摺動層として使用されている。
特許文献1（特開2002-339083号公報）は、バインダーを使用しないで固体潤滑剤を直接基材に適用する摺動材料に関するものであり、具体的には、平均粒子径約1〜20μｍ,95重量％以上の二硫化モリブテン（MoS2）からなる固体潤滑剤を、金属特にアルミ、鉄など,樹脂,ガラス,セラミックのいずれかからなる基材表面へ100ｍ/s以上の投射速度で投射することにより、固体潤滑剤が基材表面に侵入して、低摩擦係数を有する自己潤滑層を形成している。
【０００３】
非特許文献1（トライボロジ会議予稿集2003春期,E19, 293-294）が発表する投射摺動材料では、平均粒子径約20μｍの黒鉛（グラファイト）を鉄基材（SKD11）とアルミ合金（A5056,A7075）に0.4〜1.5MPaの圧力で投射して、低摩擦性能を達成している。また、SKD11からなる基材表面に厚さが約3/10μmの極めて薄い黒鉛層が形成される。
【特許文献１】特開2002-339083号公報
【非特許文献１】トライボロジ会議予稿集2003春期,E19, 293-294
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アルミ合金基材は、硬度が低く、表面に酸化皮膜が存在するために、投射されて基材に衝突した固体潤滑剤粒子は多く埋めこまれるが、摺動中に長期間保持されずに脱落してしまう。また、硬度が低いことで表面が粗くなってしまい良好な潤滑性能が得られなかった。
【０００５】
一方、鉄鋼基材の場合は、硬度が高いために初期の埋め込み量が少なく、また、埋め込み量を大きくするために投射速度を上げると、固体潤滑剤が割れ、また表面が粗されてしまうことで、十分な効果を得ることができなかった。
【０００６】
従来の摺動材料の表面は埋め込まれた固体潤滑剤と基材の金属が混在している。この表面は摺動中に固体潤滑剤の濃度は次第に低くなるが、かなりの摺動距離に亘って摩擦係数が低い状態での摺動が行われている。しかし、摺動状況が過酷になると、混在した金属の影響が現れることが分かった。即ち、基材がアルミ合金には相手材の鉄鋼に対して耐凝着性が劣っており、また基材が鉄では相手材である鉄鋼と同種材料どうしの摺動になるので、焼き付きが起こり易い。
【０００７】
したがって、本発明は、摩擦抵抗が低く安定した摺動が要求される部分の改質に好ましく用いることができる固体潤滑剤侵入・埋収摺動材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る摺動材料は、銅又は銅合金からなる基材の表面に硫黄を含む固体潤滑剤が侵入かつ埋収されていることを特徴とするものである。
以下、本発明を詳しく説明する。
【０００９】
本発明において使用される基材は、タフピッチ銅、電解銅などの銅、Cu-Sn,Cu-Pb,Cu-Agなどの銅合金である。銅合金は従来軸受材料として使用されているものであってもよいが、種類は特に問わない。また基材は、圧延、鍛造、押出材などが好ましく使用される。焼結材は空孔が多いと固体潤滑剤が材料内部まで侵入して無駄になるが、空孔率が少ないものは使用しても差し支えない。また、銅（合金）を鋼帯とバイメタル構造にしたものも使用することができる。これらの銅合金は、固体潤滑剤に含まれる硫黄との結合力が高いために、埋収された固体潤滑剤を十分保持することができる。
【００１０】
本発明において使用される固体潤滑剤は、ニ硫化モリブデン(MoS2)、二硫化タングステン(WS2) 、硫化ニオブ(NbS2)などの硫黄を含む固体潤滑剤である。その粒子の大きさは特に問わないが、10μm以上であることが好ましい。
これらの固体潤滑剤の粒子は基材表面に侵入・埋収されている。この構造上の特徴は次のとおりである。（イ）基材表面が溶射の場合のように溶融を経ないで固体状態を保っている。溶射層は基材に積層されており、侵入・埋収はしていない。（ロ）バインダーを用いて成膜する場合は基本的にはバインダーと固体潤滑剤の混在状態が得られるのに対して、基材の銅（合金）に侵入した固体潤滑剤と銅（合金）が混在した状態が得られる。（ハ）例えば二硫化モリブデンと銅合金を焼結して得られる混在状態では二硫化モリブデンは均一に分布しているが、侵入による埋収では二硫化モリブデンの濃度勾配が表面部の厚さ方向に存在する。（ニ）焼結合金では二硫化モリブデンは、Cuめっき二硫化モリブデンなどの特殊な粉末を使用しない限り、基本的には銅合金粉末の境界に存在するが、本発明の埋収摺動材料は、金属組織に関係する優先配置はなく、二硫化モリブデン粒子があらゆる箇所に存在する。即ち、固体潤滑剤粒子は銅（合金）の結晶粒内にも粒界にも存在する。
【００１１】
固体潤滑剤の侵入・埋収は特許文献１や非特許文献１において発表された方法により風圧などによる投射により行われ、基材に固体潤滑剤濃縮領域を形成する。
図1には、エアノズル式投射装置を示す。図中、1は圧力タンク、2は圧縮空気を送る配管、3はショット状の固体潤滑剤、4は基材である。固体潤滑剤は圧力タンク1内で加圧されてタンク外に吐出され、次に配管2b内を圧縮空気により圧送されて、管の先端に設けられたノズル5から噴出され、基材4に衝突する。基材4は通常の方法で表面が清浄化された銅（合金）であり、図には板状基材が示されているが、管、帯などの任意の形状であってよい。圧縮空気の圧力は約2MPa以上であり、一定に保ち、あるいは脈動させることができる。ノズル5と基材4の間隔は2〜10cmが好ましい。また投射時間は3s/cm2以上が好ましい。
【００１２】
このような条件での投射の結果、基材4の表面に形成された固体潤滑膜によって,低摩擦特性が付与される。例えば、固体潤滑剤投射無しでは摩擦係数0.5前後の銅合金が固体潤滑剤投射により摩擦係数が0.2以下になる。さらに、基材4の表面では、銅（合金）と固体潤滑剤が微細に混合された状態となるために、耐焼付性も向上する。
【００１３】
圧延の場合は、基材上に0.1ｍｍの厚さで固体潤滑剤を散布し1ton/cm2以上の荷重で圧延することにより固体潤滑膜を形成する。この場合、基材を予備加熱しておくことが好ましく、強固に固体潤滑膜を形成することができる。ここで、予備加熱の温度は使用する固体潤滑剤によって異なり、例えば二硫化モリブデンであれば200℃となる。このような条件の結果においても、投射時と同様に良好な摺動特性を得ることができる。
【００１４】
本発明においては、基材のビッカース硬さが90〜300であると、基材の銅（合金）と固体潤滑剤の混在状態が摺動中に長期に亘って維持され,低摩擦係数かつ高耐摩耗が継続される。なお、基材の硬さは、固体潤滑剤が埋収された位置では測定が困難であるので、埋収領域直下で測定する。上記した範囲での硬さの調節に関しては、純銅は調質状態によりHv150程度までの硬度が得られるが、それ以上の硬度はりん青銅などの硬化可能な銅合金を使用して行う。
【００１５】
本発明によると、図2に示した基材表面における固体潤滑剤の埋収深さ（d）が0.1〜20μmであり、かつ埋収部における固体潤滑剤3の濃度は1〜90重量％であることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
表1および表2に示す、基材に投射または圧延された固体潤滑剤により形成された試料の摺動特性をバウデン式スティックスリップ試験及びスラスト試験により評価した。
【００１７】
バウデン式スティックスリップ試験は、図3に示すように相手材である鋼球（SUJ2）に対して試験片を荷重4.9N、無潤滑、摺動速度3mm/s、摺動幅9mmの条件で摺動を行い、スティッキング（摩擦係数の大幅増大）が起こる時間を求める試験である。
スラスト試験は、図4に示すように、相手材であるSCM415製リングと供試品を潤滑油（50℃）を介して接触させ、荷重を1.5MPa/10minの割合で漸増させつつリングを0.5m/sの速度で回転させて焼き付きが起こった荷重を求める試験である。これらの試験の結果を表1および表2に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【表２】
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【００２０】
スティッキング時間は摩擦係数の大きな上昇が出るまでの時間であり、長い程低摩擦が持続されたことになる。
【００２１】
表に示すように、基材の材質の相違により摺動特性、すなわちスティッキング時間及び焼付荷重、が本質的に相違する。またCu基材の硬度がHv150〜180において最良の摺動特性となる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の摺動材料は各種機械の軸や軸受部、内燃機関中のピストン，シャフト，コンロッド，ピストンリング，シリンダボアなどに使用することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】投射装置の一例を示す図である。
【図２】本発明の投射摺動材料の模式的断面図である。
【図３】バウデン式スティックスリップ試験機の模式図である。
【図４】スラスト試験機の模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  圧力タンク
２  配管
３  ショット状固体潤滑剤
４  基材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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