(57)【要約】【課題】  不働態酸化膜形成元素を含有しても銅合金の強度が高く、動荷重負荷を支持する軸受に好適な銅系摺動材料およびその製造方法を提供する。【解決方法】  銅合金の粉末を鋼裏金上に散布後焼結して摺動層を形成した銅系摺動材料において、前記銅合金は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂのいずれか１種以上を０．１〜１０質量％含有した組成を有し、その組成のアトマイズした粉末に１００〜２００℃で窒化処理して得られる銅合金粉末を摺動層として焼結することにより、銅成分そのものは窒化されることはなく、粉末表面に存在する不働体酸化膜形成元素のみを窒化物とし安定化する。このため、焼結での昇温中に粉末表面が添加元素の不働体酸化膜に覆われることを防ぐことができ銅合金同士を強固に焼結させることが可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅合金の粉末を鋼裏金上に散布後焼結して摺動層を形成した銅系摺動材料において、
前記銅合金は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂのいずれか１種以上を０．１〜１０質量％含有した組成を有し、
その組成のアトマイズした粉末に１００〜２００℃で窒化処理して得られる銅合金粉末を摺動層として焼結したことを特徴とする銅系摺動材料。
【請求項２】
前記銅合金は、さらにＳｎ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏのいずれか１種以上を０．１〜２０質量％含有した組成を有していることを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料。
【請求項３】
前記銅合金は、さらにＰを０．１〜０．２質量％含有した組成を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の銅系摺動材料。
【請求項４】
前記銅合金は、さらにＢｉ、Ｐｂの１種以上を１〜２５質量％含有した組成を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の銅系摺動材料。
【請求項５】
Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂのいずれか１種以上を０．１〜１０質量％含有した組成の銅合金をアトマイズした粉末を１００〜２００℃で窒化処理する窒化工程と、
該窒化工程を経た銅合金粉末を鋼裏金上に散布して摺動層を焼結する第１の焼結工程と、
該第１の焼結工程で焼結した摺動層をロール圧延で圧延する圧延工程と、
該圧延工程で圧延された摺動層を再度焼結する第２の焼結工程と、
から製造される銅系摺動材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、銅合金の粉末を鋼裏金上に散布後焼結して摺動層を形成した銅系摺動材料及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関用軸受には、鉛青銅やりん青銅などの銅合金層と鋼裏金との複層摺動材料からなる摺動材料が使用されてきた。さらに、特開２００３−２６９４５６号公報（以下、「特許文献１」という。）に開示されるように、内燃機関用潤滑油に対する銅合金の耐食性を高めるために、青銅のＳｎ含有量を多くしたり、Ｎｉを添加する方法等が用いられている。また、鋼裏金付の銅系摺動材料の製造方法として、大量生産に好適で軸受材料を安価に製造できる連帯焼結方法が用いられてきた。
【特許文献１】特開２００３−２６９４５６号公報（段落０００７、００１８、請求項３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、Ｎｉ，Ｓｎ含有銅合金では、Ｃｕに比べれば硫化や酸化が起こりにくいＮｉやＳｎ成分を単にＣｕに固溶させ耐食性を高めるものであるので、これら銅合金では内燃機関用軸受使用にて銅硫化膜や酸化膜が形成される。この銅硫化膜、酸化膜は疎で脆く肥厚するために軸との摺動で容易に破壊され取り去られ、肥厚した銅硫化膜、酸化膜形成が繰り返しおきるので、耐食性は不十分である。
【０００４】
そこで、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂ等の元素を銅に添加して耐食性を向上させることが考えられるが、連帯焼結法にてＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂ等の不働態酸化膜形成元素添加したプレアロイ銅合金粉末を用いたり銅合金と不働態酸化膜形成元素粉との混合粉末を原材料として鋼裏金上に散布し焼結すると、十分な強度を有する銅系摺動材料が得られないという問題がある。これは、連帯焼結法にて鋼上に散布された青銅等の粉末は水素等の還元性を有する雰囲気を有する焼結炉にて焼結した場合、銅合金表面の酸化膜が還元性ガスで還元され、粉末同士が接触している部分で金属原子の拡散がおこり焼結が進行するものであるところ、不働態酸化膜形成元素を含有する銅合金粉末は還元性ガスによる還元よりも不働態酸化膜形成のほうが促進されるために、逆に粉末表面が緻密で強固な不働態酸化膜に覆われてしまうので、鋼上に銅合金粉末を散布し、粉末同士の接触面積が狭い状態で焼結加熱する連帯焼結法では焼結現象が十分に進行しないため、強度の強い焼結材料が得られないからである。
【０００５】
本願発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、不働態酸化膜形成元素を含有しても銅合金の強度が高く、動荷重負荷を支持する軸受に好適な銅系摺動材料およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために採用された解決手段として、請求項１に係る発明は、銅合金の粉末を鋼裏金上に散布後焼結して摺動層を形成した銅系摺動材料において、前記銅合金は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂのいずれか１種以上を０．１〜１０質量％含有した組成を有し、その組成のアトマイズした粉末に１００〜２００℃で窒化処理して得られる銅合金粉末を摺動層として焼結したことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の銅系摺動材料であって、前記銅合金は、さらにＳｎ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏのいずれか１種以上を０．１〜２０質量％含有した組成を有していることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の銅系摺動材料であって、前記銅合金は、さらにＰを０．１〜０．２質量％含有した組成を有していることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの銅系摺動材料であって、前記銅合金は、さらにＢｉ、Ｐｂの１種以上を１〜２５質量％含有した組成を有していることを特徴とする。
【００１０】
更に、請求項５に係る発明は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂのいずれか１種以上を０．１〜１０質量％含有した組成の銅合金をアトマイズした粉末を１００〜２００℃で窒化処理する窒化工程と、該窒化工程を経た銅合金粉末を鋼裏金上に散布して摺動層を焼結する第１の焼結工程と、該第１の焼結工程で焼結した摺動層をロール圧延で圧延する圧延工程と、該圧延工程で圧延された摺動層を再度焼結する第２の焼結工程と、から製造される銅系摺動材料の製造方法を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明においては、アトマイズ法で製造した後に窒化処理を行うので、銅成分そのものは窒化されることはなく、粉末表面に存在する不働体酸化膜形成元素のみを窒化物とすることにより安定化する。このため、焼結での昇温中に粉末表面が不働態酸化膜に覆われることを防ぐことができ銅合金同士を強固に焼結させることが可能となる。この銅系合金摺動材料を軸受として使用すると軸受表面にＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂからなる不働態酸化膜で覆われるため極めて耐食性が高い。そして、これら不働態酸化膜は厚く成長しないため、耐久性も高い。更に、軸との接触により、不働態酸化膜が除去されたとしても、これら不働体酸化膜形成元素は極活性であり、急速に不働態酸化膜が形成される。なお、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂは、０．１質量％添加しても銅合金の耐食性向上に効果があり、１０質量％を超えて添加すると、窒化処理による銅合金粉末表面の窒化物が多くなりすぎて、銅合金の焼結強度が弱くなりはじめる。また、粉末の極表面に存在する不働体酸化膜形成元素のみを窒化させるために窒化処理温度は１００℃〜２００℃が好ましい。
【００１２】
請求項２に係る発明又は請求項３に係る発明のように、アトマイズ粉末用の銅合金として、Ｓｎ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏのいずれか１種以上を０．１〜２０質量％含有した組成、および／またはＰを０．１〜０．２質量％含有した組成とすることにより、本願発明の効果を損なうことなく材料強度を高めることができる。
【００１３】
請求項４に係る発明のように、アトマイズ粉末用の銅合金として、さらにＢｉ、Ｐｂの１種以上を１〜２５質量％含有した組成とすることにより、本願発明の効果を損なうことなく潤滑性を高めることができる。
【００１４】
請求項５に係る発明の製造方法によって、請求項１に記載される銅系摺動部材を連帯焼結方法で製造することができる。これは、一般的に散布した状態の銅合金粉末の焼結では昇温初期は粉末の表面でのみ元素の拡散が起こり、粉末の接触部で焼結結合部が形成される。その後、温度が高くなると焼結結合部を介して体積拡散が起こるようになると焼結結合部が太く成長し強固な焼結状態となる。しかし、不働態酸化膜を形成するような極活性な元素を含む銅合金粉では、水素等の還元性雰囲気で焼結しても、焼結炉内雰囲気中に残る酸素と反応し粉末表面には不働態酸化物被膜が形成してしまう。昇温初期で銅元素の粉末表面での拡散速度が遅く焼結結合部が形成される前に粉末表面の広範囲に緻密な不働態酸化膜が形成され、焼結結合部の形成、成長が妨げられるので強固な焼結状態が得られない。これに対し、本発明の製造方法に使用される銅合金組成の粉末は、アトマイズ法で製造した後に窒化処理を行うので、銅成分そのものは窒化されることはなく、粉末表面に存在する不働体酸化膜形成元素のみを窒化物とすることにより安定化する。このため、焼結での昇温中に粉末表面が不働態酸化膜に覆われることを防ぐことができ銅合金同士を強固に焼結させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明に係る銅系摺動材料を製造するための製造方法を説明するための工程図であり、図２は、図１に示す製造方法で製造した銅系摺動材料の断面の模式図である。
【００１６】
図１において、本実施形態に係る銅系摺動材料を製造するための製造方法は、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂのいずれか１種以上を０．１〜１０質量％含有した組成の銅合金をアトマイズした銅合金粉末を１００〜２００℃で所定時間窒化処理し、その窒化処理した銅合金粉末を鋼裏金上（例えば、帯鋼）に散布し、所定条件で一次焼結炉にて焼結後、冷却してロール圧延にて銅合金焼結層を緻密化した後、再び二次焼結炉で焼結（例えば、一次焼結炉における焼結条件と同じ条件の焼結）後、冷却して銅系摺動材料を製造する。
【００１７】
ここで、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂは、０．１質量％添加しても銅合金の耐食性向上に効果があり、１０質量％を超えて添加すると、窒化処理による銅合金粉末表面の窒化物が多くなりすぎて、銅合金の焼結強度が弱くなりはじめる。また、粉末の極表面に存在する不働体酸化膜形成元素のみを窒化させるために窒化処理温度は１００℃〜２００℃が好ましい。
【００１８】
また、アトマイズするための銅合金は、Ｓｎ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏのいずれか１種以上を０．１〜２０質量％含有した組成、および／またはＰを０．１〜０．２質量％含有した組成とすることにより、材料強度を高めることができ、また、Ｂｉ，Ｐｂの１種以上を１〜２５質量％含有した組成とすることにより、潤滑性を高めることができる。さらに、耐摩耗性を高めるため、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、珪化物等の硬質粒子を添加することができる。これら化合物は窒化処理にて変化が起こるような物質ではないため本実施形態の耐食性の向上や焼結強度の向上という効果には影響しない。
【００１９】
上記した製造方法で製造した銅系摺動材料は、図２に示すように、鋼裏金２の上に摺動層として銅合金層３が積層された二層構造の銅系摺動材料１として製作される。
【実施例】
【００２０】
次に、本発明に係る製造方法により製造した銅系摺動材料について表１を参照して説明する。表１の実施例Ｎｏ．１〜１３に示す組成の銅合金粉末（−６０メッシュ）をアトマイズ法で作製し、次に窒素雰囲気中で表１に示す窒化処理温度に加熱し３分間保持する窒化処理を施した（窒化処理工程）。この粉末を厚さ１．５ｍｍの帯鋼上に０．８ｍｍの厚さに散布し、水素ガス雰囲気、８００℃〜９５０℃の焼結炉に連続的に通し焼結（第１次焼結工程）後、冷却しロール圧延（圧延工程）を行って焼結層の緻密化を行った後に再度、同条件で焼結（第２次焼結工程）し、実施例Ｎｏ．１〜１３の銅系摺動材料を作製した。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
一方、実施例Ｎｏ．１〜１３の組成にそれぞれ対応する比較例Ｎｏ．１４〜２６の銅合金粉末をアトマイズ法で作製し、窒化処理を施さずに実施例Ｎｏ．１〜１３と同条件で焼結し比較例Ｎｏ．１４〜２６の銅系摺動材料を作製した。
【００２３】
実施例Ｎｏ．１〜１３、比較例Ｎｏ．１４〜２６の銅系焼結材料をＪＩＳ６号引張試験片（ただし、引張試験片の両端は、試験機でチャックするために帯鋼が摺動層に接着されている。）に加工し、銅合金の引張試験を行い、それぞれの引張強さおよび伸び値を求めた。その結果も表１に示す。
【００２４】
比較例Ｎｏ．１４〜２６に対し、それぞれ同一組成の実施例Ｎｏ．１〜１３は何れも、引張強度、伸び共に２倍以上高い値となる。引張試験を行った試験片の破断面を電子プローブマイクロアナライザーで分析すると、比較例品の破断面には広範囲にＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂの酸化物が分析された。これは焼結時に粉末表面にＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂの不働体酸化膜が形成され、そのために焼結が阻害されたことが考えられる。この不働体酸化膜が破壊の基点となるために、引張強さも伸び値も低い値になる。
【００２５】
これに対し、実施例品の破断面にも、わずかにＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂの酸化物は分析されたが、破断の基点となるような広範囲の酸化物膜の形成はおきていない。これは原材料銅合金粉末の表面のＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂを窒化処理により窒化物とし安定化した後に焼結する事により、焼結時にこれら元素の不働態酸化膜が粉末表面に形成されることが抑制されたことによるものと考えられる。
【００２６】
本発明の銅系摺動材料は不働態酸化膜形成元素を含有しても引張強度と伸びが共に高いため、動荷重負荷を支持する軸受に好適である。なお、鋼との接合強度を高める等のための銅合金焼結材料と鋼の間に中間層としてＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂを含まない銅または銅合金（例えば、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金等）のメッキや焼結による中間層を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る銅系摺動材料を製造するための製造方法を説明するための工程図である。
【図２】図１の製造方法で製造した銅系摺動材料の断面の模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  銅系摺動材料
２  鋼裏金
３  摺動層
【図１】
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【図２】
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