(57)【要約】【課題】Ｓｎ含有銅合金層と基材との接合強度の向上した摺動材料およびその製造方法の提供。【解決手段】本発明による摺動材料は、基材と銅合金層とを有し、銅合金層は、２．０〜１５．０質量％のＳｎを含有する銅合金からなる。銅合金層は、摺動面を含む摺動本体部と、基材との接合面を含む傾斜部を有し、傾斜部の錫濃度は、摺動本体側から基材との接合面に向かって小さくなっている。摺動材料は、基材上に銅合金の溶湯を鋳込んで一方向凝固させることにより製造される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材に接合された銅合金層とを有する摺動材料であって、
前記銅合金層は、２．０〜１５．０質量％のＳｎを含有する銅合金からなり、該銅合金層は、摺動面を含む摺動本体部と、基材との接合面を含む傾斜部を有し、
前記傾斜部の錫濃度は、前記摺動本体部側から前記基材との接合面に向かって小さくなっている、摺動材料。
【請求項２】
前記傾斜部内の錫濃度の比率は、０．１〜０．８である、請求項１に記載された摺動材料。
【請求項３】
前記比率が、０．２〜０．６である、請求項２に記載された摺動材料。
【請求項４】
前記銅合金が、
Ｓｎを２．０〜１５．０質量％、
Ｂｉを０〜３０．０質量％、
Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５．０質量％以下
を含み、残部が銅および不可避不純物である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された摺動材料。
【請求項５】
前記銅合金が、ＭｏＳ２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で１０．０体積％以下さらに含む、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動材料。
【請求項６】
前記銅合金層上にオーバーレイをさらに有する、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された摺動材料。
【請求項７】
前記基材の厚さが１．０〜２５．０ｍｍであり、前記銅合金層の厚さが０．１〜３．０ｍｍである、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動材料。
【請求項８】
前記傾斜部の厚さが、１０〜５０μｍである、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された摺動材料。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された摺動材料を製造する方法であって、
前記基材を準備するステップ、
前記銅合金を溶融するステップ、
溶融した前記銅合金を前記基材の接合すべき表面上に鋳込むステップ、及び
前記基材の接合すべき表面の反対側面から冷却剤により前記基材を冷却して、前記銅合金を一方向凝固させるステップ
を含む、摺動材料を製造する方法。
【請求項１０】
前記鋳込みから所定時間後に、前記冷却剤の供給量を減少させるステップをさらに含む、請求項９に記載された摺動材料を製造する方法。
【請求項１１】
前記冷却剤が、水または油である、請求項９又は請求項１０に記載された摺動材料を製造する方法。
【請求項１２】
前記基材を準備するステップが、１つ又は複数の基材から円筒形状体を成形するステップを含み、
前記鋳込むステップが、前記円筒形状体を、円筒形状の中心軸線の周りに回転させながら鋳込むステップを含む、請求項９から請求項１１までのいずれか１項に記載された摺動材料を製造する方法。
【請求項１３】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された摺動材料を含む摺動部材。
【請求項１４】
請求項１３に記載された摺動部材と軸とを有する軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動材料に関するものであり、詳細には、錫を含有する銅合金層を基材上に設けた摺動材料に係るものである。さらに、本発明は、この摺動材料の製造方法、およびその摺動材料を用いた摺動部材および軸受装置にも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関などのすべり軸受や、ブシュ、スラストワッシャなどの様々な摺動部材として、鉛を含有しない錫含有銅基摺動合金を鋼材等の裏金上に被覆した摺動部材が提案されている（例えば、特許文献１）。銅合金中の錫は、銅合金の強度を向上させて耐摩耗性を改善し、さらに耐食性および摺動特性を向上させるため、この錫含有銅合金は、摺動性、耐焼付性および耐摩耗性に優れている。このような銅合金層を裏金上に被覆する手段として、銅合金粉末を裏金上に焼結を行なうことが利用されてきた（例えば、特許文献２）。
【０００３】
他方、特許文献３には、鋳込溶着法または固体接合法として、高力黄銅合金を固体、液体又は半溶融状態で鉄系材料上に直接接触させる複合材料の製造方法が記載されている。この方法では、高力黄銅合金と鉄系材料の間に脆弱な金属間化合物が発生しないため、十分な接合強度が得られると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５０６４９号公報
【特許文献２】特開平８−２０９２６４号公報
【特許文献３】特開平１１−５８０３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、エンジンの高出力化、エンジンの小型化による軸受面積の減少などによる軸受への負荷の増加に伴い、摺動材料の強度の向上が求められている。一般に、合金の強度を上げると合金の靭性が小さくなる。裏金上に高強度の（靭性の小さい）銅合金摺動層を被覆した摺動材料では、摺動中に発生する剪断応力は、銅合金と裏金との接合界面に集中する傾向があり、剥離の危険性が大きくなる。したがって、摺動材料の強度を向上させるためには、銅合金の強度を向上させるだけではなく、接合強度の向上も必要になる。
【０００６】
銅合金粉末を裏金上に焼結する従来方法では、摺動合金自体の成分設計は容易であるため強度を向上させることができても、接合強度も同時に向上させることはできなかった。
また、特許文献３のように、鋼材側背面から冷却剤を衝突させて１方向凝固させる方法においては、急速な冷却によって合金強度を向上させることができるが、銅合金の凝固収縮の速度が大きくなり、銅合金と鋼材とが剥離しようとする力が大きくなるため、接合を阻害して接合力の低下につながる。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、錫を含有する銅合金からなる層を基材上に形成する際に、銅合金層と基材との接合強度を向上させる方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、錫含有銅合金層と基材との接合強度の向上した摺動材料、およびその摺動材料から作られた摺動部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のように、錫含有銅合金層と基材との接合強度を低下させる要因は、錫の固溶による強度向上に伴う靭性の減少、さらに場合により錫系金属間化合物の析出によるものである。そこで、本発明では、接合界面に接する錫固溶量あるいは錫系金属間化合物の析出を減少させることにより、基材と銅合金層との接合強度を向上させる。
【０００９】
本発明の一観点によれば、基材と、基材に接合された摺動層である銅合金層とを有する摺動材料が提供される。銅合金層は、２．０〜１５．０質量％のＳｎを含有する銅合金からなり、銅合金層は、摺動面を含む摺動本体部と、基材との接合面を含む傾斜部とを有し、傾斜部内の錫濃度は、摺動本体部側から接合面に向かって小さくなっている。
【００１０】
一具体例によれば、傾斜部内の錫濃度の比率は、０．１〜０．８であることが好ましく、０．１〜０．６が更に好ましい。「傾斜部内の錫濃度の比率」は、摺動本体部と接する位置での錫濃度に対する、基材との接合面近傍の錫濃度の比率をいう（下記参照）。  
【００１１】
一具体例によれば、銅合金が、
Ｓｎを２．０〜１５．０質量％、
Ｂｉを０〜３０．０質量％、
Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５．０質量％以下
を含み、残部が銅および不可避不純物である。
銅合金は、さらに、ＭｏＳ２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で１０．０体積％以下含むことができる。
【００１２】
一具体例によれば、摺動材料は、銅合金層上にオーバーレイをさらに有することができる。
【００１３】
一具体例によれば、基材の厚さが１．０〜２５．０ｍｍであり、銅合金層の厚さが０．１〜３．０ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
一具体例によれば、傾斜部の厚さは５〜５０μｍが好ましい。傾斜部厚さの下限は、１０μｍがより好ましく、１５μｍがさらにより好ましく、傾斜部厚さの上限は、４０μｍがより好ましく、３０μｍがさらにより好ましい。
【００１５】
基材は、亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼、鋳鉄、高速度鋼、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼などの鉄基材料、または純銅、リン青銅、黄銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン合金など銅基材料であることが好ましい。
【００１６】
本発明の他の観点によれば、上記の摺動材料を製造する方法が提供される。この方法は、基材を準備するステップ、銅合金を溶融するステップ、溶融した銅合金を基材の接合すべき表面上に鋳込むステップ、基材の接合すべき表面の反対側面から冷却剤により基材を冷却して銅合金を一方向凝固させるステップを含む。
【００１７】
一具体例によれば、この方法は、鋳込みから所定時間後に、冷却剤の供給量を減少させるステップをさらに含む。
一具体例によれば、冷却剤は水または油とすることができる。
一具体例によれば、基材を準備するステップが、１つまたは複数の基材からなる円筒形状体を成形するステップを含み、鋳込むステップが、円筒形状体を、円筒形状の中心軸線の周りに回転させながら鋳込むステップを含む。
【００１８】
本発明のさらに他の観点によれば、上記摺動材料から製造された摺動部材が提供される。この摺動部材は、例えば半割軸受などのすべり軸受であることができるが、その他ブシュ、スラストワッシャなどのすべり軸受であってもよい。
【００１９】
本発明の更に他の観点によれば、上記摺動部材と軸とを有する軸受装置が提供される。この軸受装置は、軸と軸受とのユニットを構成していれば良く、より具体的には各種エンジンへの適用に好適なものである。
【００２０】
本発明及びその多くの利点を、添付の概略図面を参照して以下により詳細に述べる。図面は、非限定的な実施例を例示の目的でのみ示している。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による摺動材料の一例の断面模式図。
【図２】図１の摺動材料の基材との境界付近における銅合金層の断面組織の模式図。
【図３】本発明により摺動材料の製造方法における冷却工程の一例を示す図。
【図４】遠心鋳造法を示す模式図。
【図５】剪断試験の模式図。
【図６】傾斜部の錫濃度比と剪断強さ／引張強さとの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に本発明による摺動材料１の一例の断面を概略的に示す。摺動材料１は、基材２上に、摺動層となる銅合金層３が設けられている。図１では、銅合金層３は基材２上に直接設けられている。
基材２は、銅合金層３を支持して摺動材料１の強度を確保するものである。その素材は、例えば亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼、鋳鉄、高速度鋼、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼などの一般市販される鉄基材料、あるいは純銅、リン青銅、黄銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン合金など銅基材料でよいが、他の材料でもよい。
【００２３】
銅合金層３は、摺動面８を有する摺動層として機能でき、銅合金全体の質量に対して２．０〜１５．０質量％のＳｎを含有する銅合金からなる。銅合金はＳｎ以外に、Ｂｉを０〜３０．０質量％，Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５．０質量％以下含有することができる。さらに、銅合金は、ＭｏＳ２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で１０．０体積％以下含有することができる。さらに、金属のホウ化物、ケイ化物、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物などの硬質粒子を分散させてもよい。
摺動材料は、基材の厚さが１．０〜２５．０ｍｍであり、銅合金層の厚さが０．１〜３．０ｍｍであることが好ましい。
さらに、本発明による摺動材料１は、銅合金層３上にオーバーレイを施してもよい。オーバーレイは、例えば、Ｓｎ、Ｂｉなどの軟質金属層、あるいは固体潤滑剤を分散した樹脂層など、周知の材料を使用できる。なお、オーバーレイを施した場合でも、銅合金層３のオーバーレイを施した摺動側表面を便宜的に摺動面という。
【００２４】
図２に、摺動材料１の基材２との境界付近における銅合金層３の断面の模式図を示す。
銅合金層３は、摺動本体部６と傾斜部５を含む。摺動本体部６は銅合金層３の摺動層として機能する主要部であり、その表面が本摺動材料１からなる摺動部材の摺動面８を形成している。したがって、摺動本体部６の組成、とりわけ錫濃度は、銅合金層３を形成する銅合金の組成と概ね同じである。傾斜部５は、摺動本体部６と基材２との間に位置し、その一方の表面が銅合金層３と基材の接合面７を形成する。傾斜部５内では、錫濃度が界面７に向かって減少している。銅合金層３内の錫濃度は、摺動本体部６では概ね一定でありその値は銅合金の組成と概ね同じであるが、傾斜部５では摺動本体部６との界面から接合面７に向かって減少する。ただし、傾斜部５内の錫濃度の減少は、必ずしも単調に減少していなくてもよく、階段状でもよく、途中で増加することがあってもよい。すなわち、傾斜部５内で錫濃度が全体として接合面７に向かって減少すればよい。しかし、傾斜部５において摺動本体部６側から接合面７側へ錫濃度値が単調に減少する形態が好ましい。
【００２５】
一般に、錫を含有する銅合金では、固溶錫や錫系金属間化合物の析出により強度が向上し、高い摺動性を有するとともに、耐焼付性、耐摩耗性に優れるが、靭性が小さい。他方、錫濃度が小さくなると強度は小さくなるが靭性、延性を有する。
傾斜部５内では、摺動本体部６から界面７に向かって、錫濃度の減少に伴って強度は小さくなるが靭性、延性が大きくなっていく。そのため、傾斜部５は、凝固収縮による接合面７への負荷や摺動中の剪断応力が接合面に応力集中することを軽減する「応力緩和層」の役割を果たし、剪断応力に対する接合強度を向上させる。これにより、錫含有銅合金による摺動性、耐焼付性、耐摩耗性を維持しながら、基材２との接合強度にも優れた摺動材料１が得られる。
さらに、この摺動材料１は、銅合金層３と基材２とを直接接合しており、高価な銅めっき付き鋼材を使用する必要が無いので摺動材料１のコストを低減できる。
【００２６】
傾斜部５が応力緩和層として機能するために、傾斜部５は５μｍ以上の厚さを有することが好ましい。厚さが５μｍ以上では、この領域に負荷や剪断応力が効率良く分散して接合力の向上が図れる。傾斜部５の厚さは１０μｍ以上がより好ましく、１５μｍ以上がさらにより好ましい。他方、傾斜部５の厚さが大きすぎると銅合金層３全体の強度が低下するので、上限は５０μｍが好ましい。傾斜部５の厚さは４０μｍ以下がより好ましく、３０μｍ以下がさらにより好ましい。
【００２７】
また、傾斜部５が応力緩和層として機能するのは、特に、接合面７から５０μｍ以内の領域であり、そのためこの領域の錫濃度の減少率が重要である。したがって、接合面７から５０μｍ以内の領域の錫濃度の減少は、質量％で最大錫濃度に対する最小錫濃度の比率が０．１〜０．８となることが好ましく、０．２〜０．６がより好ましい。
通常、傾斜部５内で最大錫濃度となるのは摺動本体部６と接する位置であり、基材との界面７近傍において錫濃度は最小値をとる。したがって、傾斜部５は、摺動本体部６と接する位置での錫濃度に対する、接合面７近傍の錫濃度の比率が０．１〜０．８となることが好ましく、０．２〜０．６がより好ましい。本明細書では、傾斜部５の錫濃度のこの比率を「錫濃度の比率」または「錫濃度比」と称する。
【００２８】
次に銅合金の成分組成について説明する
Ｓｎ：２．０〜１５．０質量％
Ｓｎは、銅合金のＣｕマトリックスを固溶強化する作用、または金属間化合物を形成して銅合金の強度を向上させる作用があり、耐摩耗性を向上させる。それだけでなく、Ｓｎは耐食性及び摺動特性も向上させる。この効果は、Ｓｎ２．０質量％未満では不十分である。Ｓｎが１５．０質量％を超えると、銅合金が硬くなりすぎて摺動特性が劣化すると共に、合金が脆くなり靭性が損なわれる。したがって、Ｓｎ成分は２．０〜１５．０質量％とする。
【００２９】
Ｂｉ：０〜３０．０質量％
Ｂｉは、銅合金マトリックス中に分散した軟質なＢｉ相を形成し、耐摩耗性、非焼付性の向上に寄与する。しかし、Ｂｉ自身の強度が小さいことからＢｉが３０．０質量％を越えると銅合金の強度が低下する傾向がある。更に好ましくは、Ｂｉ成分は８．０〜２５．０質量％である。
【００３０】
Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５．０質量％以下
これらの元素は、銅合金のＣｕマトリックスを固溶強化する作用、または金属間化合物を形成して銅合金の強度を向上させる作用がある。したがって、これらの元素を５．０質量％以下含有であれば摺動材料の強度の向上に寄与できる。しかし、これらの元素の含有量が多いと金属間化合物量が多くなって銅合金の靱性が低下する傾向があるため、最大５．０質量％が好ましい。より好ましくは０．１質量％以上１．１質量％以下である。
【００３１】
銅合金は、固体潤滑剤を含むことができ、ＭｏＳ２、グラファイトのいずれか又は両方の固体潤滑剤を総量で１０．０体積％以下さらに含むことができる。これらの固体潤滑剤の含有により、銅合金層の耐摩耗性、非焼付性を向上させることができる。固体潤滑剤の含有量が多くなると強度が低下するので、含有量は最大１０．０体積％が望ましい。好ましくは、最大５．０体積％であり、０．５体積％以上２．５体積％以下がより好ましい。
【００３２】
銅合金は、１０．０体積％以下の硬質粒子をさらに含有することができる。好ましい含有量は０．５体積％以上、２．５体積％以下である。硬質粒子は、１〜４５μｍのサイズを有することが好ましく、金属のホウ化物、ケイ化物、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物とすることができる。硬質粒子は、耐摩耗性を向上させることができ、銅合金層中の例えばＢｉ相に混在して摺動材料の耐摩耗性と非焼付性を向上させることができる。
【００３３】
次に、本発明の摺動材料１の製造方法について説明する。本発明では、上記組成の銅合金を溶融状態で基材２上に鋳込むことによって、銅合金溶湯を基材２に直接接触させて凝固させる。このように、本発明では、鋳造法によって、銅合金層３を基材２に接合させることにより、摺動材料１を製造できる。
まず、基材２を準備する。基材２は上記に説明した材質の平板、または円筒体とできるが、あるいはその他の形状でもよい。
上記に説明した組成の銅合金を溶解して、溶融した銅合金を基材２の接合表面上に鋳込む。この際、酸化を防ぐために、不活性ガスや還元性の雰囲気とする、あるいはフラックスを用いることが好ましい。
基材は、銅合金層３を接合させるべき基材表面（接合表面）の反対側表面から、冷却剤により基材２を冷却する。冷却剤は、例えば水または油とすることができ、水または油を基材２の接合表面の反対側表面に衝突させることにより冷却する。
このようにして銅合金の鋳込み、冷却を行なうことにより、銅合金は、基材２の接合表面に接触した銅合金から優先的に一方向凝固される。本実施形態では、銅合金の自由表面側（銅合金層の接合表面とは反対側に相当する）からは冷却を行なわない。
【００３４】
本発明では青銅合金の凝固温度範囲が広いことに起因する錫のミクロ偏析を利用する。本発明の方法では、冷却された基材２の接合表面に接触した銅合金から凝固が始まるために、基材２の接合表面近傍に初晶のＣｕ（α相）が晶出し、副成分であるＳｎは液相に残って接合面側から液相側へ移動する。この結果、冷却条件を適切に設定すれば、銅合金層３が形成されると、銅合金層３と基材２との接合面７に接触するＳｎ成分が相対的に少なくなる傾斜部が形成される。
【００３５】
このように、本発明では、冷却速度や時間を制御して銅合金を基材２の接合表面から一方向凝固させることにより、接合界面近傍が急速凝固され、銅合金層３の接合面とは反対側の摺動面８の近傍が徐冷される。このようにして、接合界面に接触する錫の濃度の傾斜を形成できる。
また、鋳造法は全体を溶融させてマトリクスを形成できるために、鋳造法によって銅合金をライニングすることで、焼結法による粉末合金同士の結合よりも銅合金層として十分な合金強度を確保できる。
【００３６】
本発明では、凝固工程中に、基材２の接合表面の反対側表面に供給する冷却剤の供給量を制御することにより、組織制御を行なうことができる。例えば、図３に、冷却条件の一例を示す。横軸に鋳込み開始からの時間を取り、縦軸に銅合金層の接合面（Ａ）および自由表面である摺動面（Ｂ）の温度を示す。冷却初期（第１段階）は冷却剤の供給量を多くして冷却時間を短くし（例えば、基材の１ｃｍ２当たりに衝突させる冷却水流量を０．２５０Ｌ/ｍｉｎ以上とし、冷却時間は基材の厚さ１ｍｍあたり２．０〜１０．０秒とする）、それ以降の第２段階は冷却剤の供給量を少なくして冷却時間を長くし（例えば、基材の１ｃｍ２当たりに衝突させる冷却水流量を０．１００Ｌ/ｍｉｎ以下とする）、第２段階の後は放冷とする。第１段階の最終時期では、銅合金層の接合面は、銅合金の凝固開始温度Ｔｓよりも低温になっており、凝固が開始しているが、摺動面はまだＴｓよりも高温であるために溶融したままである。第２段階で摺動表面もゆっくりと凝固する。この制御により、この接合界面近傍でのαＣｕ相の析出を優先させて、所定領域まで錫濃度が傾斜するように組織を制御することが可能になる。冷却剤の供給量の調整により、傾斜部の厚さおよび錫濃度の傾斜が制御できる。
【００３７】
本発明に係る方法を実施する一具体例として、平板基材の表面上に堰を設けて、銅合金の溶湯を堰に囲まれた基材表面に注湯する方法が可能である。この際、基材および銅合金の酸化を防ぐために、不活性ガスや還元性の雰囲気とする、あるいはフラックスを用いることが好ましい。注湯後に、上記冷却剤による冷却を基材裏側から行なう。
別の具体例として、遠心鋳造を採用することもできる。もちろん、本発明はこれらの鋳造方法に限定されるものではない。
【００３８】
遠心鋳造法の模式図を図４に示す。基材となる板材２を円筒形状に成形し、両端部をシール部材１１でシールする。この円筒形状に成形した基材２を、例えば回転ローラなどの回転装置１２により高速で水平回転させる。円筒形状内は、真空あるいは還元若しくは不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。基材の円筒形状の端部に設けたゲート１３から溶融させた銅合金を注入する。基材２を、外表面から冷却剤を供給することにより冷却する。溶融銅合金は、遠心力により基材２の内面に密着して、内径が真円のまま凝固して、銅合金層を形成する。遠心鋳造方法は、例えば円筒形状のすべり軸受等への適用が可能である。
【００３９】
銅合金層の基材との接合面における傾斜部の測定方法について説明する。摺動材料の断面組織を、電子顕微鏡（例えば１０００倍）により観察して、基材と銅合金層の接合面の近傍の銅合金を、接合面と垂直方向、すなわち厚さ方向に沿ってＥＤＳにより線分析または面分析を行い錫濃度分布を測定する。上記のとおり摺動本体部の錫組成は、銅合金層３を形成する銅合金全体の組成と概ね同じでほぼ一定であるので、一定のところから接合面に向かって錫濃度が減少していく領域を傾斜部とする。
【実施例】
【００４０】
以下の実施例１〜２１および比較例１〜５の各試料を作製して、傾斜部および接合強度の評価を行なった。
基材の準備
基材としてＳＰＣＣ製の鋼板を用い、湯漏れ防止のために周辺部を残し上面中央部を切削して、周辺部に堰を形成した箱形状に加工した。鋳込み厚さの設定は５ｍｍであった。摺動材料の基材となる部分の肉厚は６ｍｍである。酸化防止剤として、溶融硼砂によって基材表面を覆い、Ｈ２ガスを含む還元ガス雰囲気中にて１０００℃〜１２００℃で基材の予熱を行なった。
【００４１】
銅合金の鋳造
銅合金として、表１および表２に示す実施例１〜２１および比較例１〜５の各組成となるように、純銅、純錫及びその他の成分の材料を配合し、大気中で溶解した。銅合金の溶湯は１１００℃〜１２００℃で大気中で保持し、予熱された基材上に注湯した。
【００４２】
冷却工程
注湯後、基材下部に設置された散水ノズルから基材底面に向かって冷却水を衝突させた。比較例については、少量の一定流量で連続的に冷却水を衝突させた（冷却水流量４０Ｌ/ｍｉｎで１８０秒間冷却）。他方、実施例１〜７および１３〜２１については、図３に示すように、冷却初期（１段階）に冷却水量を比較例よりも多くして冷却時間を短くし（冷却水流量８５Ｌ/ｍｉｎで３０秒間）、冷却初期の後（２段階目）は１段階目よりも冷却水量を少なくして冷却時間長くし（冷却水流量２０Ｌ/ｍｉｎで６０秒間）、意図的に不連続的な２段階の冷却条件を適用した。２段階の冷却工程終了後は、大気中で放冷して、室温まで徐冷した。実施例８〜１２は、実施例１〜７および１３〜２１よりも第１段階の冷却水量を増大させて（冷却水流量１３０Ｌ/ｍｉｎで２０秒間）冷却効果を大きくした。２段階目以降は実施例１〜７および１３〜２１と同じ条件である。
【００４３】
錫濃度比評価方法
ＥＰＭＡ装置（型式：日本電子株式会社（ＪＥＯＬ)製ＪＸＡ−８５３０Ｆ ＦＩＥＬＤ ＥＭＩＳＳＩＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＰＲＯＢＥ ＭＩＣＲＯＡＮＡＬＹＺＥＲ）により、各試料の断面を縦８５μｍ、横１１６μｍの視野を観察し、接合面が横方向になるように撮影した。ＥＰＭＡ装置のＥＤＳにより線分析を行い、接合面近傍の錫濃度分布を測定した。そして、線分析によって得られた、錫元素の強度比を錫濃度比として評価した。断面組織写真は１試料当たり１０か所以上撮影した。
【００４４】
接合強度測定
銅合金層と基材の接合強度は、銅合金の引張強さに対する銅合金層と基材の剪断強さの比率（剪断強さ／引張強さ）により評価した。剪断強さは、引張強さの影響を受けるため、成分が違う材料を比較できるように、剪断強さ／引張強さの比により接合強度の指標とした。
剪断強さは、図５に示すように銅合金層と基材とが所定の接合面積で接合している試験片に加工して、両端に引張荷重（引張力）を印加していったときに、接合部が破壊する最高引張り応力で示したものである（特開２００２−２２４８５２号公報参照）。
【００４５】
表１に、傾斜部が観察されたか否か、傾斜部が有る場合のその厚さ（μｍ）、傾斜部内の錫濃度比、接合強度（剪断強さ／引張強さ）の測定結果を、それぞれ「傾斜部の有無」、「傾斜部の厚さ（μｍ）」、「錫濃度比」および「剪断強さ／引張強さ」の欄に示す。なお、傾斜部が存在しない場合の「錫濃度比」は銅合金層における接合面から５０μｍの位置での錫濃度に対する接合面近傍での錫濃度の比率で示した。
【００４６】
比較例１〜５、実施例１〜７、実施例８〜１２は、上記のとおり、それぞれ冷却条件が異なる。表１の結果からは、２段階冷却を採用しなかった比較例では傾斜部は観察されなかったが、実施例ではいずれの試料でも傾斜部が観察された。同じ錫成分では、冷却条件により錫濃度比が大きく異なり、冷却が大きい実施例８〜１２が最も錫濃度比が小さくなることが分かる。このように冷却条件を制御することにより、Ｓｎ成分に関わらず錫濃度比を０．８以下、さらに０．６以下とすることが可能になる。比較例１〜５の冷却条件では傾斜部が観察されないのみならず、接合面近傍での錫濃度の減少が観察されない場合もあった。
実施例１〜７の冷却条件では、Ｓｎ含有量に関わらず錫濃度比はほぼ一定であったが、実施例８〜１２の冷却条件ではＳｎ含有量が増えると錫濃度比は減少する傾向がみられた。
錫濃度比が０．８以下の実施例１〜１２の剪断強度は、剪断強さ／引張強さが０．７６以上となり、比較例１〜５の値を大きく上回った。錫濃度比に対する剪断強さ／引張強さの関係を図６に示す。錫濃度比の値は、剪断強さ／引張強さの値と大きく相関することがわかる。とりわけ錫濃度比が０．６以下となると（実施例８〜１２）、特に剪断強さ／引張強さが約０．８８以上となり優れた接合強度が得られた。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
実施例１３〜２１は、実施例５の合金組成（Ｃｕ−約８％Ｓｎ）に、その他の合金元素（Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ）または硬質粒子Ｍｏ２Ｃ、固体潤滑剤粒子グラファイト（Ｇｒ）を添加したものである。実施例１３〜２１の冷却条件は、実施例５と同じ条件にしている。
表３に、試験結果を示す。表３から、上記添加成分を添加しても、錫濃度比は０．６４％〜０．７９％の範囲にあり、実施例５の錫濃度比０．７２と同等の値であった。そのため、接合強度（剪断強さ／引張強さ）は、０．７６〜０．８７であり、実施例５の０．８６と同程度となった。この結果から添加成分が及ぼす錫濃度比および接合強度への影響は小さいことがわかる。
【００４９】
【表２】
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【符号の説明】
【００５０】
１  摺動材料
２  基材
３  銅合金層
５  傾斜部
６  摺動本体部
７  接合面
８  摺動面
１１  シール部材
１２  回転装置
１３  ゲート
【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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