(57)【要約】【課題】Ｂｉ含有銅合金層と基材との接合強度の向上した摺動部材およびその製造方法の提供。【解決手段】本発明による摺動部材は、基材と銅合金層とを有し、銅合金層は、４．０〜２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなり、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有し、銅合金層は、基材との接合界面から１０μｍまでの領域に占めるＢｉ相の体積率が２．０％以下である。摺動部材は、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
2018054097.tif 000002
【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部材であって、
前記銅合金層は、４．０〜２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなり、該銅合金は、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有し、
前記銅合金層は、前記基材との接合界面から１０μｍまでの領域に占める前記Ｂｉ相の体積率が３．０％以下である、摺動部材。
【請求項２】
前記Ｂｉ相の体積率が、Ｂｉ含有量を質量％とすると、
体積率／Ｂｉ含有量≦０．１２０
である、請求項１に記載された摺動部材。
【請求項３】
前記銅合金が、
Ｂｉを４．０〜２５．０質量％、
Ｓｎ、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５０．０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又は請求項２に記載された摺動部材。
【請求項４】
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体積％以下さらに含む、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部材。
【請求項５】
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４までのいずれか１項に記載された摺動部材。
【請求項６】
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５までのいずれか１項に記載された摺動部材。
【請求項７】
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部材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、摺動部材を製造する方法。
【請求項８】
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７に記載された摺動部材を製造する方法。
【請求項９】
前記冷却剤が、水または油である、請求項７又は請求項８に記載された摺動部材を製造する方法。
【請求項１０】
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７から請求項９までのいずれか１項に記載された摺動部材を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用の摺動部材に関するものであり、詳細には、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有する銅合金層を基材上に設けた摺動部材に係るものである。さらに、本発明は、摺動部材の製造方法にも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に使用されるすべり軸受や、ブシュ、スラストワッシャなどの様々な摺動部材用の摺動材料として従来からＣｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系摺動合金が使用されていた。しかし、Ｐｂの環境への悪影響に鑑みＰｂフリー化を図るために、Ｐｂに替わってＢｉを添加した焼結銅合金が提案されている。ＢｉはＣｕ合金のマトリックス中に分散して軟質なＢｉ相を形成し、非焼付性を向上させることが知られている。
【０００３】
例えば特開２００１−８１５２３号公報（特許文献１）は、Ｃｕ−Ｓｎ合金に、１〜２０質量％のＢｉ、平均粒径が１〜４５μｍの硬質粒子を０．１〜１０体積％を含有した銅系摺動材料を開示している。軟質なＢｉ相がＣｕ合金マトリックス中に分散することにより、なじみ性、異物埋収性および非焼付性が向上するとしている。さらに、Ｂｉ相中に硬質粒子が混在することにより、耐摩耗性に優れ非焼付性が向上するとともに、軟質のＢｉ相がクッションとなり、相手材へのアタック性が緩和されると記載されている。
【０００４】
特開２０１２−２０７２７７号公報（特許文献２）は、連続焼結法にて作製されるＣｕ合金層中のＢｉ粒の粗大化を抑制し、耐疲労性及び耐焼付性に優れた銅系摺動材料を提供するために、Ｓｎを６〜１２質量％、Ｂｉを１１〜３０質量％、Ｐを０．０１〜０．０５質量％含有する銅系摺動材料を開示する。Ｃｕ合金層に含有させるＢｉとＳｎの質量比の値をＢｉ／Ｓｎ＝１．７〜３．４、ＢｉとＰの質量比の値をＢｉ／Ｐ＝５００〜２１００とすることで、焼結後の冷却工程にてＣｕ合金粉末中のＣｕ合金にＣｕ−Ｓｎ−Ｐ系化合物が析出し、これによりＣｕ合金粉末中のＣｕ合金と液相になったＢｉの熱収縮率の差が緩和され、Ｂｉの液相がＣｕ合金粉末中に留まりＢｉ粒の粗大化を抑制し、Ｂｉ粒の平均粒子面積を６０〜３５０μｍ２と微細に分散させることができると記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−８１５２３号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０７２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなＢｉを含有する銅合金からなる摺動材料は、基材上に散布した銅合金粉末を焼結することにより製造される。この場合、Ｂｉは１次焼結工程の昇温中に溶融するので、銅合金粉末同士の接合よりも早くにＢｉが溶解して流動し始める。１次焼結工程中に早期に溶解したＢｉの一部は、銅合金粉末粒同士の隙間を伝って基材との界面まで流動し、そこに集積する。そのために、１次焼結工程により、基材と銅合金層との接合界面でＢｉの濃度が大きい領域が形成される。その後の工程を進めても、１次焼結工程時に形成された接合界面のＢｉ相は、接合界面に存在し続け、除去することは困難である。Ｂｉ相は軟質であり、強度が小さいので、Ｂｉ相の集積した接合界面の近傍の強度が小さくなる。ところで、摺動部材の使用中に摺動部材表面に繰返応力が作用することにより、摺動表面に疲労亀裂が発生する場合がある。発生した疲労亀裂は、銅合金層の内部に進展するが、接合界面の近傍の強度が小さいと、疲労亀裂が接合界面まで容易に進展してしまう傾向がある。
【０００７】
近年、エンジンの高出力化、エンジン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、疲労亀裂の進展に起因する早期の摺動層の局部的な脱落の発生が問題になっている。摺動層の脱落は摺動部材にとって致命的損傷となる。したがって、このような早期の摺動層の脱落の発生を抑制する摺動部材が求められている。
【０００８】
本発明の目的は、Ｂｉを含有する銅合金からなる摺動層を基材上に形成した摺動部材において、使用中に発生した疲労亀裂の進展を抑制できる構造を提供することであり、それにより早期の摺動層の脱落の発生を抑制することである。また、本発明の目的は、この摺動部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記のように、Ｂｉ含有銅合金層の接合界面近傍の強度を低下させる要因は、接合界面近傍に存在するＢｉである。そこで、本発明では、接合界面近傍に存在するＢｉ相を減少させることにより、銅合金層の強度を向上させる。
【００１０】
本発明の一観点によれば、基材と、基材に接合された銅合金層とを有する摺動部材が提供される。銅合金層は、４．０〜２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなり、この銅合金は、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有し、銅合金層は、基材との接合界面から１０μｍまでの領域に占めるＢｉ相の体積率が３．０％以下である。
本発明によれば、銅合金層は、接合界面から１０μｍまでの領域に占めるＢｉ相の体積率を減少させたことにより、基材との接合界面近傍の強度が大きくなり、摺動表面側に発生した疲労亀裂が接合界面まで容易に進展し難くなる。それにより、摺動部材に、早期に銅合金層の局部的な脱落が起こることが抑制される。
【００１１】
一具体例によれば、接合界面から１０μｍまでの領域におけるＢｉ相の体積率（％）が、Ｂｉ含有量を質量％で表したとき、
体積率／Ｂｉ含有量≦０．１２０
の関係により表される値とする。
【００１２】
一具体例によれば、銅合金が、
Ｂｉを４．０〜２５．０質量％、
Ｓｎ、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５０．０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体積％以下で含むことができる。
【００１３】
一具体例によれば、摺動部材は、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。
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。
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系材料、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系材料であることが好ましい。
【００１４】
本発明の他の観点によれば、上記の摺動部材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。
【００１５】
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、この円筒形状体を、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。
【００１６】
本発明の摺動部材は、例えばすべり軸受などの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摺動部材であってもよい。
【００１７】
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】
【００１８】
【図１】本発明による摺動部材の一例の断面模式図。
【図２】本発明による摺動部材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】本発明により摺動部材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】接合界面近傍領域におけるＢｉ相の体積率／Ｂｉ含有量と疲労部面積率の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に本発明による摺動部材１の一例の断面を概略的に示す。摺動部材１は、基材２上に、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を支持して摺動部材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系材料、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系材料でよいが、他の材料でもよい。
【００２０】
銅合金層３は、摺動層として機能でき、銅合金全体の質量に対して４．０〜２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなる。銅合金はＢｉ以外に、Ｓｎ、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５０．０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。限定ではないが、銅合金は、例えば、Ｂｉ４．０〜２５．０質量％、Ｓｎ１２．０質量％以下、Ｚｎ４０．０質量％以下、Ａｌ質量１３．０％以下を含有する銅合金をすることができる。
摺動部材は、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、本発明による摺動部材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など、周知の材料を使用できる。
【００２１】
図２に、本発明による摺動部材１の基材２との境界付近における銅合金層３の断面組織の模式図を示す。
銅とＢｉは固相状態では互いに固溶しあわないために、完全に分離する。そのために、銅合金層３は、図２に示すように銅合金マトリックス６の粒界にＢｉ相５が島状に分散した組織を有する。Ｂｉ相はほぼ純粋なＢｉからなるが、銅合金に含まれる合金化元素がＢｉに固溶している場合もある。
本発明によれば、銅合金層３に析出するＢｉ相５は、銅合金層３と基材２との接合界面７の近傍では、析出量が減少する。とりわけ、銅合金層３と基材２との接合界面７から銅合金層３側へ１０μｍまでの領域（以下「接合界面近傍領域」という）のＢｉ相の銅合金に対する体積率が３．０％以下である。さらに好ましくは０．５〜１．３％である。
さらに、接合界面近傍領域に占めるＢｉ相の体積率は、銅合金のＢｉ含有量により影響を受けるので、Ｂｉを影響を除くために、体積率は、Ｂｉ含有量（質量％）に係数０．１２０を乗じた値以下とすることが好ましい。さらに好ましくは、係数は０．０６５以下である。
【００２２】
Ｂｉ相は、強度が小さいために、銅合金層３と基材２との接合界面７にＢｉ相が集積すると、この領域での銅合金の強度が低下する。本発明に係る摺動部材は、接合界面７の近傍にＢｉ相が少ないので、この領域の強度が低下することなく、むしろＢｉ相が多く析出した摺動面側の領域よりも強度が向上する。そのために、摺動面側に発生した疲労亀裂が接合界面７まで進展することが抑制され、ひいては銅合金層の脱落を抑制することができる。
本実施形態では、銅合金層と基材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部材のコストを低減できる。
【００２３】
次に銅合金の成分組成について説明する。
Ｂｉ：４．０〜２５．０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。Ｂｉが４．０質量％未満では非焼付性の効果が得られず、Ｂｉ自身の強度が小さいことからＢｉが２５．０質量％を越えると銅合金の強度が低下する。好ましくは、Ｂｉ成分は８．０〜２０．０質量％である。
【００２４】
Ｓｎ、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５０．０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５０．０質量％以下含有であれば摺動部材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りすぎて、銅合金の脆性が悪くなるため、最大５０質量％とする。好ましくは３．０質量％以上４０．０質量％以下である。
【００２５】
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滑性により、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体積％とする。好ましくは、最大５．０体積％である。
【００２６】
銅合金は、１．０〜１０．０体積％の硬質粒子をさらに含有することができる。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、銅合金層中のＢｉ相に混在して耐摩耗性と非焼付性を向上させることができる。
【００２７】
次に、本発明の摺動部材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、摺動部材１を製造できる。
まず、基材２（素材）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。
【００２８】
Ｃｕ−Ｂｉ合金が溶融状態から温度が低下していくと、まずＣｕが晶出し始め、Ｃｕ−Ｂｉ液相にＢｉが濃縮されていく。そして、約２７０度で、残ったＣｕ−Ｂｉ液相が凝固するが、ＣｕとＢｉはほとんど固溶しあわないためにＣｕ相とＢｉ相に分離するので、Ｂｉ相がＣｕ相に分散した組織となる。
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が晶出し、副成分であるＢｉは液相に残って接合界面側から液相側へ移動する。この結果、銅合金層３が形成されると、銅合金層３と基材２との接合界面７に接触するＢｉ相は相対的に少なくなる。
このようにして銅合金層を接合した素材は、必要に応じてオーバーレイの被覆、摺動部材形状への加工等を行う。
【００２９】
このように、本発明では、銅合金を基材２の接合表面から一方向凝固させるように冷却することにより、接合界面近傍が急速凝固され、銅合金層３の接合表面とは反対側の摺動表面近傍が徐冷される。このようにして、接合界面近傍領域に占めるＢｉ相の体積率を３．０％以下としながら摺動表面近傍に占めるＢｉ相の体積率を例えば３．０％超えから２５．０％以下にすることが可能になる。非焼付性の観点から接合界面近傍領域と摺動表面近傍とで２．５〜２２．０体積％の差を設けるのが好ましく、１０．０〜２０．０体積％の差がより好ましい。
また、焼結法による粉末合金同士の結合よりも、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、銅合金層として十分な強度だけでなく接合界面近傍領域の強度も確保できる。
【００３０】
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表面（Ａ）および自由表面である摺動表面（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０．３００Ｌ/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、銅合金層の接合表面側は、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、摺動表面側はまだＴｓよりも高温であるために溶融したままである。第２段階で摺動表面側も凝固する。この制御により、この接合界面近傍領域に占めるＢｉ相の体積率を減少させるとともに、接合界面近傍領域の摺動表面側端部から摺動表面までの接合界面を離れた領域で、Ｂｉ相がほぼ均一に島状に分散することが可能になる。冷却剤の供給量の調整により、Ｂｉ相のサイズを摺動表面に近づくほど大きくさせても良い。このような冷却条件により、組織、肉厚比率の制御が可能になる。
【００３１】
従来の鋳造法では、銅合金層の摺動表面側、すなわち接合界面の反対側表面から冷却していたため、厚さ方向で表面から連続的に凝固していた。この従来法では、Ｂｉ相は、摺動表面側に少なくなり、接合界面側に多く析出する。
【００３２】
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。
【００３３】
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１１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。
【００３４】
銅合金層の基材との接合界面近傍領域に占めるＢｉ相の体積率の測定方法について説明する。摺動部材の断面組織を、電子顕微鏡により観察して、摺動部材の厚さ方向に９０μｍ、接合界面の方向に１２０μｍの視野の反射電子組成像を取得する。基材と銅合金層の接合界面から１０μｍ以内の領域に存在するＢｉ相の面積率を、画像解析により決定する。この測定を１０回行い、平均面積率を計算する。この面積率は体積率に相当する。
【実施例】
【００３５】
以下の実施例１〜１９および比較例１〜５の各試料を作製して、接合界面近傍領域に占めるＢｉ相の体積率およびその疲労特性への影響の評価を行なった。
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。摺動部材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。
【００３６】
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１〜１９および比較例１〜５の各組成となるように、純銅、純Ｂｉ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。
【００３７】
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１２０秒間冷却）。他方、実施例１〜５および１１〜１９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１００Ｌ/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を長くし（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６〜１０は、実施例１〜５および１１〜１９よりも第１段階の冷却水量を増大させて（冷却水流量１５０Ｌ/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１〜５および１１〜１９と同じ条件である。
【００３８】
Ｂｉ相体積率評価方法
反射電子組成像で断面を観察し、断面組織写真（縦９０μｍ×横１２０μｍの視野）を１試料当たり１０か所撮影した。写真は、銅合金と基材の境界線が横方向に並行するように撮影した。得られた画像を一般的な画像解析手法（解析ソフト：Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ  Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製）を用いて画像解析して、接合界面から１０μｍ以内の領域に占めるＢｉ相の面積率を測定し、１０か所の平均値を体積率とした。この際、Ｂｉ相の面積１．０μｍ２未満のものは除去した。
また、Ｂｉ含有量（質量％）に対するＢｉ相の体積率（体積％）の比率（Ｂｉ相の体積率／Ｂｉ含有量）も評価した。
【００３９】
疲労試験
各試料を半円筒形状に加工し、半割軸受を作製した。この半割軸受の寸法は、外径８４ｍｍ、幅１１５ｍｍ、基材厚さ６ｍｍ、摺動層（銅合金層）厚さ５ｍｍであった。この半割軸受に、表１に示す条件で疲労試験を行なった。なお試験面圧については、別途、各試料の疲労限度（疲労を起こさない最大面圧）を測定して、その疲労限度を１．２倍した値を試験面圧とした。この疲労試験を行なった試料表面を観察し、疲労亀裂および脱落部の領域面積（疲労部面積）を測定した。疲労亀裂については、浸透探傷検査法によって現れる指示模様を観察した。得られた疲労部面積の摺動表面積に対する比率を疲労部面積率とする。
【００４０】
【表１】
2018054097.tif 000003
【００４１】
表２に、Ｃｕ−Ｂｉ合金においてＢｉ成分を質量％で４．０％から２４．８％まで変化させた場合の接合界面近傍領域に占めるＢｉ相の体積率（体積％）、Ｂｉ含有量（質量％）に対する接合界面近傍領域に占めるＢｉ相の体積率（体積％）の比率、疲労部面積率（面積％）の測定結果を、それぞれ「Ｂｉ相体積率（％）」、「Ｂｉ相体積率／Ｂｉ含有量」および「疲労部面積率（％）」の欄に示す。
比較例１〜５、実施例１〜５、実施例６〜１０は、上記のとおり、それぞれ冷却条件が異なる。表２の結果からは、同じ成分では、冷却条件により接合界面近傍領域に占めるＢｉ相の体積率が大きく異なり、冷却が大きい実施例６〜１０が最も体積率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・Ｂｉ成分に関わらず体積率を体積％で３％以下とすることが可能になる。比較例１〜５の冷却条件では体積率は４％以上となった。
【００４２】
Ｂｉ相の体積率が３．０％以下である実施例１〜１０の疲労部面積率は面積％で１０％以下となり、比較例１〜５よりも小さくなった。Ｂｉ含有量当たりのＢｉ相の体積率（Ｂｉ相体積率（体積％）／Ｂｉ含有量（質量％））の値と、疲労部面積率さとの関係を図５に示す。Ｂｉ相の体積率／Ｂｉ含有量の値は、疲労部面積率の値と大きく相関することがわかる。とくに、Ｂｉ相の体積率／Ｂｉ含有量が０．０６未満となると（実施例６〜１０）、特に疲労部面積率が５％以下となり優れた疲労特性が得られた。
【００４３】
【表２】
2018054097.tif 000004
【００４４】
実施例１１〜１９は、実施例３の合金組成（Ｃｕ−約１５％Ｂｉ）に、その他の合金元素（Ｓｎ、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１１〜１９の冷却条件は、実施例３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、Ｂｉ相の体積率は１．８１％〜２．２２％の範囲にあり、実施例３のＢｉ相体積率１．７９％と同等の値であり、Ｂｉ相の体積率／Ｂｉ含有量の値も０．１２２〜０．１４８と実施例３の０．１２２と同等の値であった。そのため、疲労部面積率は、５％〜９％であり、実施例３の７％と同程度となった。この結果から添加成分が及ぼすＢｉ相体積率および疲労強度への影響は小さいことがわかる。
【００４５】
【表３】
2018054097.tif 000005
【符号の説明】
【００４６】
１  摺動部材
２  基材
３  銅合金層
５  Ｂｉ相
６  マトリックス
７  接合界面
１１  シール
１２  回転装置
１３  ゲート
【図１】
2018054097.tif 000006
【図２】
2018054097.tif 000007
【図３】
2018054097.tif 000008
【図４】
2018054097.tif 000009
【図５】
2018054097.tif 000010