(57)【要約】【課題】少ない手順で高い摺動特性を発揮する摺動部材を得る。【解決手段】摺動面において固体潤滑剤によって覆われる領域の摺動面占有面積率Ａ（％）と、基材の任意の断面における上記固体潤滑剤の断面占有面積率Ｂ（％）との比Ａ／Ｂが１．３以上３０以下であるように、上記固体潤滑剤を摺動面において広げる。【選択図】図３
2018194024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体潤滑剤を含有する銅合金を基材とする摺動部材であって、
摺動面において上記固体潤滑剤によって覆われる領域の摺動面占有面積率Ａ（％）と、上記基材の任意の断面における上記固体潤滑剤の断面占有面積率Ｂ（％）との比Ａ／Ｂが１．３以上３０以下である銅合金製摺動部材。
【請求項２】
上記摺動面に、上記基材の調製段階から上記固体潤滑剤を含有する領域の周囲にある金属組織が外力によって塑性変形された変形形状を有し、その塑性変形された部分の周囲の摺動面に上記固体潤滑剤が広がった被覆部分を有する、請求項１に記載の銅合金製摺動部材。
【請求項３】
上記銅合金が鋳造によるものであり、上記断面占有面積率Ｂが３％以上１５％以下である請求項１又は２に記載の銅合金製摺動部材。
【請求項４】
上記銅合金が焼結によるものであり、上記断面占有面積率Ｂが３％以上５０％以下である請求項１又は２に記載の銅合金製摺動部材。
【請求項５】
上記固体潤滑剤が硫化物である請求項１乃至４のいずれかに記載の銅合金製摺動部材。
【請求項６】
固体潤滑剤を含有する銅合金からなる摺動部材の製造方法であって、
鋳造又は焼結により調製した上記銅合金からなる基材に対して、上記固体潤滑剤の領域の周囲にある金属組織を塑性変形させて、上記固体潤滑剤を上記領域の周辺の摺動面に広げて、上記固体潤滑剤により被覆された部分を拡大させた、摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体潤滑剤を有する銅合金製の摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動部材の摺動面に固体潤滑剤を有することで摺動性能を向上させることが一般に行われている。
【０００３】
例えば特許文献１には、摺動面を構成する基材上に、前記基材とは異なる材質の中間層を有し、その中間層の表層に固体潤滑剤からなる表面層を有する摺動部品が開示されている。この表面層は、中間層の表面に固体潤滑剤粒子を配置した後で、ローラバニシングによって中間層の表面に固体潤滑剤の粒子を埋没させている。
【０００４】
一方、特許文献２には、銅合金基材の表面にディンブルを衝突させて形成させた凹部に、固体潤滑剤である黒鉛を擦り付けて、前記凹部に黒鉛を保持させ、さらに前記凹部の周囲に出来た隆起部を内側へ塑性変形させることで、黒鉛の保持力を向上させて摺動性能を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２１７５８０号公報
【特許文献２】特開２０１４−２１９０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では基材とは別に中間層を設ける必要があり、多層構造であるためその分摺動部材の製造負荷が大きかった。
【０００７】
また、特許文献２の技術では、ディンブルの衝突と黒鉛の擦り込みと、塑性変形という三段階の手順を実行する必要があり、やはり製造にかかる時間と負荷が大きなものとなってしまった。
【０００８】
そこでこの発明は、固体潤滑剤による摺動部材の製造手順を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、固体潤滑剤を含有する銅合金からなる摺動部材を
摺動面において上記固体潤滑剤により被覆された領域の摺動面占有面積率Ａ（％）と、任意の断面における上記固体潤滑剤の断面占有面積率Ｂ（％）との比Ａ／Ｂが１．３以上３０以下であるようにすることで上記の課題を解決したのである。
【００１０】
すなわち、基材となる銅合金に元々上記固体潤滑剤を含有させておき、上記基材を切断した際にその断面の一部（Ｂ％）に固体潤滑剤が現れるようにしておく。その銅合金の摺動面に露出した固体潤滑剤をローラバニシングその他の手法によって元々上記固体潤滑剤が占めていた領域以外の部分にまで押し広げて、摺動面のより多くの部分（Ａ％）を上記固体潤滑剤で覆うようにしたのである。
【００１１】
鋳造又は焼結で元々の上記銅合金を調製するにあたり、上記固体潤滑剤を元々から含有させておくことで、上記銅合金の組織中に上記固体潤滑剤の領域が分散して存在するようになる。この銅合金からなる基材をいずれかの面で切断すると、上記固体潤滑剤が占める領域が表面に露出する。任意の断面における上記固体潤滑剤の断面占有面積率は、鋳造の場合と焼結の場合で、上記固体潤滑剤を含有させつつ合金として調製可能な範囲が異なる。鋳造の場合の断面占有面積率Ｂは３％以上１５％以下、焼結の場合の断面占有面積率Ｂは３％以上５０％以下の範囲であれば、上記固体潤滑剤を断面に十分に露出させつつ、摺動材用銅合金として必要な物性を確保しやすくなる。
【００１２】
そのように上記固体潤滑剤が露出した表面（摺動面）に外的な力を加えることで、元々の上記固体潤滑剤が占めていた領域の周辺に上記固体潤滑剤が引き延ばされて、上記固体潤滑剤によって覆われた領域が拡大すると、切断しただけで上記固体潤滑剤が表面に引き延ばされていない断面に比べて大幅に摺動性能が向上する。単に上記固体潤滑剤を引き延ばすだけでなく、表面近傍にある上記固体潤滑剤の領域を覆う金属相を破壊して表面に上記固体潤滑剤を押し出したりすると、表面に上記固体潤滑剤をより多く供給することができ、最終的に得られる潤滑性能を向上させることができる。
【００１３】
この摺動面に外的な力を掛けるにあたっては、摺動面に対して押し込む力を掛けながら、面に沿った方向に移動可能な器具を用いるとよい。例えば、ローラバニシング工具を用いると好適な加工が可能である。
【００１４】
上記固体潤滑剤としては、硫化物、鉛、ビスマスなどが挙げられる。特に硫化物を用いると固体潤滑剤によって覆われた領域を拡大したことによる効果が得られやすい。
【発明の効果】
【００１５】
この発明にかかる銅合金製摺動部材の元になる銅合金は、上記固体潤滑剤を分散しながら含有していればよいため、単層のみで銅合金製摺動部材を鋳造又は焼結して得ることができる。このため、基材の製造コストと手間を低く抑えることができる。その基材を加工する手順も、上記固体潤滑剤が露出した表面において押し広げるだけでよいため、加工の手間は一回のみで済み、加工負荷も低く済む。したがって、この発明にかかる銅合金製摺動部材は低コストかつ低負荷に大量生産しながら、摺動性能を十分に発揮できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明にかかる摺動部材の摺動面の模式図
【図２】この発明にかかる摺動部材の元になる固体潤滑剤を広げる前の断面の模式図
【図３】（ａ）加工前における銅合金製基材の表面部分の模式図、（ｂ）ローラバニシング加工を行う表面部分の模式図、（ｃ）ローラバニシングにより固体潤滑剤を押し広げながらその領域の周囲の縁を塑性変形させている表面部分の模式図、（ｄ）加工後の表面部分の模式図
【図４】（ａ）表面近傍の固体潤滑剤を押し出した形態の典型的状況を示す断面写真、（ｂ）（ａ）の拡大写真
【図５】（ａ）比較例１におけるバニシング加工前の表面写真、（ｂ）（ａ）の解析用白黒二階調反転写真
【図６】（ａ）実施例１におけるバニシング加工前の表面写真、（ｂ）（ａ）の解析用白黒二階調反転写真
【図７】実施例摩擦試験に用いるボールオンディスク装置の側面断面図
【図８】実施例摩擦試験に用いるボールオンディスク装置の平面図
【図９】実施例に置ける摩擦試験の結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明について詳細に説明する。この発明は、固体潤滑剤を含有する銅合金を基材とする摺動部材である。
【００１８】
上記銅合金としては、銅を５０質量％以上有する合金である必要がある。摺動部材として用いるので、主成分が銅であることが望ましいためである。
【００１９】
上記銅合金としては、摺動性能を著しく悪化させない範囲で、銅以外の元素を含有していてよい。例えば、亜鉛を含む黄銅系銅合金や、錫を含む青銅系銅合金、さらにそれらにその他の元素を含有する合金でもよい。特に錫を含有する青銅系銅合金であると、合金自体の摺動性能が高いため好ましい。
【００２０】
ただし上記銅合金は、後述するように、容易に塑性変形できることが望ましい。このため、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）で５０以上４００以下であることが望ましい。
【００２１】
なお、上記銅合金を基材とする、とは、上記銅合金を摺動部材の摺動面に用いる材料として用いていることを意味する。
【００２２】
上記固体潤滑剤としては、硫化物、ビスマス、鉛などが挙げられる。銅合金の表面に存在することで、それら上記固体潤滑剤が存在していない面に比べて、固体潤滑性能を向上させる効果を有するものが上記固体潤滑剤として利用できる。これらの成分は、上記銅合金の主となる銅合金部分とは相が異なる塊状の領域を形成するだけの量を含まれている必要がある。上記の成分が含まれていても、少なすぎるためにそれらが固有の領域に集まらずに上記銅合金が単相であると、この発明に用いることができない。表面に存在する上記固体潤滑剤の領域を押し広げて摺動面占有面積率Ａを向上させることができないからである。
【００２３】
上記硫化物としては、Ｃｕ−Ｓ系、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｓ系などが挙げられる。以下、上記固体潤滑剤として上記硫化物を用いる場合の配合量について記す。
【００２４】
上記銅合金を鋳造により調製する場合、上記固体潤滑剤が上記銅合金の任意の断面に占める領域の面積における率である断面占有面積率Ｂ（％）において、３％以上含まれていると好ましく、５％以上含まれているとより好ましい。３％未満では表面に広げようとしても不十分で、潤滑性能を十分に向上させることができない。一方、１５％を超えて含有させようとしても、硫黄が多すぎると鋳造では基材となる銅合金を摺動部材として必要な強度などの性能を持たせるように好適に調製させることが難しくなる。望ましくは１０％以下である。
【００２５】
上記銅合金を焼結により調製する場合、上記の上記固体潤滑剤が上記銅合金の任意の断面に占める断面占有面積率Ｂ（％）において、３％以上含まれていると好ましく、１０％以上含まれているとより好ましい。３％未満では表面に広げようとしても不十分で、潤滑性能を十分に向上させることができない。一方、焼結の場合は鋳造よりも多くの硫黄を含有させることができるが、それでも５０％を超えて含有させようとしても、基材となる銅合金を摺動部材として必要な強度などの性能を持たせるように好適に調製させることが難しくなる。望ましくは４０％以下である。
【００２６】
この発明にかかる摺動部材は、摺動面において上記固体潤滑剤によって覆われる領域の面積における率である摺動面占有面積率Ａ（％）と、任意の断面における上記固体潤滑剤の占有面積率Ｂ（％）との比Ａ／Ｂが１．３以上３０以下であることが必要である。この比率はすなわち、基材となる銅合金が元々金属相の中に有している上記固体潤滑剤による領域に由来して表面に露出する断面占有面積率Ｂ（％）に対して、摺動面占有面積率Ａ（％）が１．３倍以上となるように、上記固体潤滑剤を摺動面に広げるように外力を加えることが必要であることを意味する。これにより、上記固体潤滑剤によって表面を覆われた領域の率である摺動面占有面積率Ａが高く、摺動性能に優れた摺動部材を得ることを意味する。
【００２７】
このＡとＢとの関係を図１及び図２を用いて説明する。図１が摺動面占有面積率Ａに対応する摺動面の模式図であり、図２が断面占有面積率Ｂ（％）に対応する銅合金基材の断面そのままの模式図である。上記銅合金は上記固体潤滑剤を含んでおり、何も加工しない状態でも、図２のように表面に上記固体潤滑剤を含む領域が露出している。しかし、このままでは上記固体潤滑剤が占める面は摺動面全体に対してそれほど広いわけではない。そこで、摺動面に露出している上記固体潤滑剤の領域と、摺動面に露出していないが摺動面のごく近くに存在している上記固体潤滑剤の領域とにある上記固体潤滑剤を、摺動面に力を掛けて押し広げる。上記固体潤滑剤によって覆われた被覆部分を元の面よりも広げて、上記固体潤滑剤によって覆われる領域の摺動面占有面積率Ａを向上させる。
【００２８】
この摺動面占有面積率Ａ（％）を向上させる作業を行ったことによる占有面積率の拡大比率Ａ／Ｂが１．３以上である必要があり、２以上であると好ましい。１．３未満では十分に上記固体潤滑剤が広がったとはいえず、摺動性能の向上が不十分だからである。一方、３０を超えるほど広がる場合、元々の断面占有面積率Ｂ（％）が少なすぎて、広がった上記固体潤滑剤の単位面積当たり量が不十分になっていると考えられる。このため、３０以下である必要がある。
【００２９】
上記の摺動面占有面積率Ａ（％）は、摺動面を写真撮影して得られた画像を解析し、色が元の銅合金基材の色から変色している領域が占める割合を計算することで求めることができる。この摺動面占有面積率Ａ（％）は１０％以上であると好ましい。１０％未満では上記固体潤滑剤に覆われずに銅合金の金属相がそのまま剥き出しになっている部分が多すぎ、潤滑性能が不十分になるおそれがある。一方、摺動面占有面積率Ａ（％）が大きいほど摺動面が十分に上記固体潤滑剤によって覆われていて好ましい。従って、摺動面の全面が覆われていてもよく、Ａは１００％でもよい。
【００３０】
一方、断面占有面積率Ｂ（％）は、測定しようとする断面の配置や向きによって同じ摺動部材であっても、ある程度幅のある値となる。このため、摺動部材に用いる銅合金の基材について複数の断面を削り出し、その平均値をもって断面占有面積率Ｂ（％）を算出することが望ましい。平均値を求める断面の枚数としては３面以上であると値が偏りにくく望ましい。一方で、断面一つでも測定する手間がかかるが枚数を増やしすぎてもそれほど精度があがるわけではなく、１０面以下であると好ましい。算出するにあたっては、上記の摺動面占有面積率Ａ（％）と同様に、切断面を写真撮影するなどして、色が銅合金基材の金属相の色である領域と、上記固体潤滑剤の色である領域とを判別して、上記固体潤滑剤の色である領域が占める割合を計算することで求めることが出来る。写真撮影は上記固体潤滑剤の領域を押し広げないように表面を鏡面研磨して行った。
【００３１】
上記のようにＡ／Ｂが適切な比となるようにするには、摺動面に露出している上記固体潤滑剤を、上記固体潤滑剤の領域（図２の丸部分）から周囲に広げることが必要である。このとき、上記固体潤滑剤の周囲の金属相の縁を押し広げてなだらかにさせる塑性変形を起こし、上記固体潤滑剤をはみ出しやすくすると好ましい。さらに、摺動面の近傍であって金属組織を塑性変形することで表面に押し出すことが可能な深さで金属相に埋まっている上記固体潤滑剤を、金属相を塑性変形させて押し出させると、さらに上記固体潤滑剤を広げることができる。
【００３２】
上記固体潤滑剤を押し広げたり、上記固体潤滑剤の周辺にある金属相の組織を塑性変形させる方法は特に限定されない。例えば、金属製の加工器具のエッジを押し付けて引き延ばしてもよい。ただし、この発明に係る摺動部材としては、摺動面が摺動性能を発揮させなければならない。
【００３３】
上記バニシング加工とは、「固い表面の工具を工作物に押し付けながら滑らせることによって行う表面の仕上げ（JISB0106）」である。すなわち、表面を削るのではなく、エッジなどの無い平滑な曲面を有する工具を表面に押し付けながら移動させることで、表面の凹凸がなだらかになるように塑性変形させていく。これにより、上記固体潤滑剤の周辺の金属相の組織を塑性変形して上記固体潤滑剤を押し広げることができる。バニシングに用いる工具としては様々なものが利用可能であるが、ローラを押し付けてバニシング加工するローラバニシングが好ましい。
【００３４】
上記のローラバニシングを行って、上記固体潤滑剤を周辺に広げる工程を、図３の概念図で説明する。図３（ａ）は初期状態における摺動面付近の垂直断面図である。黒色部分は上記固体潤滑剤の領域を示し、それ以外の部分は金属相である。上記固体潤滑剤はいくつかの領域に分散しており、図中中央では表面に露出している。また図中右では表面近傍に存在している。図３（ｂ）で摺動面にローラを押し付けてローラバニシングを開始する。ローラバニシングを行うと、表面が押し付けられて塑性変形される。図中左の金属相に深く埋もれた上記固体潤滑剤の領域は表面とは無関係であるが、図中中央の露出した上記固体潤滑剤は、ローラを押し付けられることで、周囲の縁が押し広げられて周囲に上記固体潤滑剤が広がって、上記固体潤滑剤により被覆された部分が増加する（図３（ｃ））。さらに、図中右の表面近傍にある上記固体潤滑剤の領域も、表面がローラに押し込まれることで破壊されて上記固体潤滑剤が表面に押し出される（図３（ｄ））。
【００３５】
上記ローラバニシングの条件は、上記銅合金の硬度や上記固体潤滑剤の含有率に応じて適宜調整するとよい。上記Ｂが小さい場合、強く押し込むことで、表面に露出していない表面近傍の上記固体潤滑剤も表面に押し出すことができる。
【００３６】
ローラバニシングによって表面に上記固体潤滑剤を押し出すように変形させた状況を図４（ａ）の断面写真に示す。図４（ｂ）は図４（ａ）の表面近傍拡大写真である。これらの写真は、バニシング後に表面に垂直な断面で切断し、樹脂埋め後、電子顕微鏡を用いて撮影した、反射電子像画像である。グレー部分が上記固体潤滑剤である。銅合金の金属組織が表面数μｍの範囲で塑性変形し、固体潤滑剤（この例では硫化物）が押し広げられていることが分かる。また、一部の硫化物が表面に押出されている様子も観察される。このように、ローラバニシングにより、単に元から摺動面に露出している上記固体潤滑剤を広げるだけではなく、露出していない表面近傍の上記固体潤滑剤を押し出すことで、高い潤滑性向上効果を発揮できる。
【実施例】
【００３７】
以下、この発明の実施例を示す。まず、用いた銅合金の基材について説明する。
【００３８】
＜鋳造銅合金基材＞
・Ｓｎ……１０質量％
・Ｓ……０．６質量％
・Ｆｅ……０．４質量％
・Ｐ……０．０５質量％
・残部…銅及び不純物
の組成となるように調製した銅合金の基材を鋳造により得た。この基材の断面における固体潤滑剤（Ｃｕ−Ｓ系、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｓ系硫化物）の断面占有面積率Ｂは７．０％（３回測定における平均値）であった。
【００３９】
（実施例１、比較例１）
上記鋳造銅合金基材を旋盤加工して削りだし、摺動部材の元になる基材を得た。この基材を鏡面研磨して比較例１の摺動試験片を得た。また、この基材をバニシング加工して実施例１の摺動試験片を得た。実施例１、比較例１のそれぞれについて顕微鏡写真を撮影した。比較例１の表面写真を図５（ａ）、実施例１の表面写真を図６（ａ）に示す。それぞれの写真を白黒二階調に反転変換したものをそれぞれ図５（ｂ）、図６（ｂ）に示す。
【００４０】
バニシング加工前の断面に対応する図５（ｂ）を解析したところ、固体潤滑剤を示す白点（反転前の黒色部分である）は８１６個でありその占有面積は３．６０×１０４μｍ２であった。画面全体の面積が５．１３×１０５μｍ２であり、断面占有面積率Ｂに対応する面積率は７．０２％と算出された。次に、バニシング加工後の摺動面に対応する図６（ｂ）を解析したところ、固体潤滑剤を示す白点（反転前の黒色部分である）は８９６個でありその占有面積は１．０６×１０５μｍ２であった。画面全体の面積が５．１３×１０５μｍ２であり、摺動面占有面積率Ａに対応する面積率は２０．６６％と算出された。よって、比Ａ／Ｂ＝２．９４となり、固体潤滑剤が十分に広げられていることが確認できた。
【００４１】
（比較例２、３）
比較のために、Ｓｎ：９．５質量％、Ｐ：０．２質量％、残部銅からなるリン青銅鋳物を同様に旋盤加工して削りだし、摺動部材の元になる基材を得た。この基材を比較例１と同じ条件で鏡面研磨して比較例２の摺動試験片を得た。また、この基材をバニシング加工して比較例３の摺動試験片を得た。
【００４２】
実施例１及び比較例１〜３の摺動部材からなる試験材であるディスク１１について、図７，８に示すボールオンディスク装置を用いた3ball on disc試験を行った。相手材となる高炭素クロム軸受鋼鋼材（SUJ2)製のボール１２を３つ、円上に、１２０度の角度に均等配置するように保持具１３のボール穴１３ａにセットする。このボール１２がディスク１１に対して面接触するように対向部を一部平面（円形）に研削加工し、面圧１．０ＭＰａ、摩擦速度０．２ｍ／ｓ、摩擦距離１００ｍの条件で、潤滑油は滴下せず、乾燥条件で摩擦試験を行った。ディスク面が焼き付くまでの速度を測定し、焼き付かない場合は１００ｍで完走とした。その結果から摩擦係数を算出したグラフを図９に示す。
【００４３】
＜焼結銅合金基材＞
・銅……残部
・鉄……３．２質量％
・錫……１０質量％
・硫黄……４．２質量％
の組成となるように調製した銅合金の基材を焼結により得た。この基材を旋盤加工して削りだし、鏡面研磨して比較例４の摺動試験片を得た。比較例４の断面における固体潤滑剤の断面占有面積率Ｂは１３．８％（３回測定における平均値）であった。比較例４の試験片の表面をバニシング加工した実施例２では、その表面の硫化物の摺動面占有面積率Ａは４６．９％であった。よって比Ａ／Ｂ＝３．４０となり、固体潤滑剤が十分に広げられていることが確認できた。
【００４４】
（実施例２、比較例４）
実施例２、比較例４について、実施例１、比較例１乃至３と同様に図７，８に示すボールオンディスク装置を用いた3ball on disc試験を行った。基本的には同様の方法であるが、面圧１．４ＭＰａ、摩擦速度１．０ｍ／ｓ、摩擦距離２０００ｍの条件で、潤滑油は滴下せず、乾燥条件で摩擦試験を行った。実施例２、比較例４とも焼付きは発生せず、試験完走した。結果を摺動距離１０００ｍから２０００ｍまでの間の平均摩擦係数で比較すると、実施例２は０．１２、比較例４は０．１６であり、実施例２の方が良好な結果を示した。
【符号の説明】
【００４５】
１１  ディスク
１２  ボール
１３  保持具
１３ａ  ボール穴
１４  ディスク押さえ
１５  治具
【図１】
2018194024.tif 000003
【図２】
2018194024.tif 000004
【図３】
2018194024.tif 000005
【図４】
2018194024.tif 000006
【図５】
2018194024.tif 000007
【図６】
2018194024.tif 000008
【図７】
2018194024.tif 000009
【図８】
2018194024.tif 000010
【図９】
2018194024.tif 000011