(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏金鋼板上に焼結接合されたＦｅ系焼結摺動材料層を有する鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、Ｃ：０．４０〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を前記裏金鋼板上に仮焼結接合し、丸曲げ加工後に１０００℃以上の高温で液相焼結により本焼結接合を施したものであり、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相中にＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物の１種以上の特殊炭化物を分散させることを特徴とする鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項２】
裏金鋼板上に焼結接合されたＦｅ系焼結摺動材料層を有する鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、Ｃ：０．４〜１５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を前記裏金鋼板上に仮焼結接合し、丸曲げ加工後に１０００℃以上の高温で液相焼結により本焼結接合を施したものであり、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上４０重量％以下のＣｕと０．２重量％以上の炭素が含有され、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．２重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記Ｆｅ系燒結摺動材料層中に、Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗの金属粉末，Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金粉末，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物のいずれかの特殊炭化物粉末，窒化物粉末，酸化物粉末のうちのいずれか１種以上の粉末粒子を分散させることを特徴とする鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項３】
裏金鋼板上に焼結接合されたＦｅ系焼結摺動材料層を有する鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、Ｃ：０．４〜１５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を前記裏金鋼板上に仮焼結接合し、丸曲げ加工後に前記仮焼結接合の温度より高温の１０００℃以上で液相焼結により本焼結接合を施したものであり、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上４０重量％以下のＣｕと０．２重量％以上の炭素が含有され、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相中にＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型炭化物の１種以上の炭化物を分散させ、前記Ｆｅ系燒結摺動材料層中に、Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏ，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒのうちのいずれか１種以上の合金元素を主体とする窒化物粉末、酸化物粉末のうちの１種以上の粉末粒子を分散させることを特徴とする鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項４】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層には炭化物が分散されており、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は拡散層もしくは中間Ｆｅ系焼結層を介して前記裏金鋼板に焼結接合されており、
前記拡散層は、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層と前記裏金鋼板との接合界面近傍に形成され、前記炭化物を含まないＦｅ系合金相と前記焼結接合された焼結層側に伸長するＣｕ合金相を具備するものであり、
前記中間Ｆｅ系焼結層は、前記炭化物を含まないか、又は前記Ｆｅ系焼結摺動材料層より炭素量が少ないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項５】
前記中間Ｆｅ系焼結層は、Ｃｕ：１０〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０〜０．８重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ系焼結材料層であり、前記中間Ｆｅ系焼結層中のＦｅ合金相の素地組織がフェライト、パーライト、ベイナイトの１種を主体とし且つ５０体積％未満のマルテンサイト組織となるように調整された前記Ｆｅ系焼結材料層が前記裏金鋼鈑に焼結接合され、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層が前記中間Ｆｅ系焼結層を介して前記裏金鋼板の摺動面側に焼結接合されていることを特徴とする請求項４に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項６】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中の前記Ｆｅ−Ｃ系合金相が焼入れ硬化され、その母相がマルテンサイトもしくは焼戻しマルテンサイトを主体とする組織を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項７】
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末においては、０．４５重量％以上の炭素を含有し、さらに、５〜２５重量％のＣｒ、３〜２０重量％のＭｏ、３〜２０重量％のＷ、０．５〜７重量％のＶのいずれか一種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｃｒ７Ｃ３型特殊炭化物，Ｍ６Ｃ型特殊炭化物，ＭＣ型特殊炭化物およびＭ２Ｃ型特殊炭化物のいずれか一種以上が合計で５〜６０体積％分散されているＦｅ−Ｃ系合金粉末が、Ｆｅ系粉末の内の５０〜１００重量％含有することを特徴とする請求項１又は３に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項８】
前記Ｆｅ−Ｃ系合金粉末の粒内および粒界に析出、分散される特殊炭化物の平均粒径が１０μｍ以下に微細化されていることを特徴とする請求項７に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項９】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に分散される、Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗの金属、Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材、Ｃｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物のいずれかの特殊炭化物、窒化物、酸化物の粉末の平均粒径が１〜５０μｍであり、前記粉末が前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に３〜３０体積％分散されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の鉄系焼結巻ブッシュ。
【請求項１０】
前記黒鉛粉末の平均粒子径が１μｍ以上５０μｍ以下の範囲であり、前記粉末が前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に３〜３０体積％分散されていることを特徴とする請求項９に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項１１】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面から０．１ｍｍの深さまでの表層においては、摺動特性に優れたＣｕ−Ｓｎ系合金相比率を前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の内部層に比べて高めていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項１２】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面から０．１ｍｍの深さまでの表層においては、その内部層に比べてより微細なＦｅ合金粒が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項１３】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層には、前記本焼結によって開口させたクラックが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項１４】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層においては、その層内の通気孔率が１０〜３０体積％であり、その焼結通気孔中に潤滑油もしくは潤滑組成物が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項１５】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層には油溝、油溜りとなる凹部が形成され、前記凹部にＭｏＳ２又は黒鉛を有する固体潤滑剤もしくは樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項１６】
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末には、Ｐ：０．１〜１．５重量％、Ｂ：０．０５〜１．５重量％、Ｎｉ：〜１０重量％、Ａｌ：１〜１０重量％、Ｓｉ：０．５〜３重量％、Ｍｎ：１〜２０重量％、Ｔｉ：０．１〜２重量％、Ｍｏ：０．１〜１０重量％のうち一種以上が添加されていること特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項１７】
前記鉄系焼結巻ブッシュには鍔部が設けられていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュ。
【請求項１８】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュを有する作業機連結装置であって、前記裏金鋼板中の炭素濃度が０．３〜０．６重量％であり、さらに、前記鉄系焼結複層巻ブッシュの両端面における前記裏金鋼板の部位が焼入れ硬化され、この焼入れ硬化された部位にリップシール又はダストシールが配されていることを特徴とする作業機連結装置。
【請求項１９】
Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に７５０〜９５０℃の温度範囲で仮焼結接合することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する工程と、
前記仮焼結層を機械的に圧下する工程と、
前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工する工程と、
前記仮焼結時の温度より高温の１０００℃以上で前記仮焼結層を本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する本焼結工程と、
を具備し、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、Ｃ：０．４〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、
前記本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相中にＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物の１種以上を分散させることを特徴とする鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２０】
Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に７５０〜９５０℃の温度範囲で仮焼結接合することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する工程と、
前記仮焼結層を機械的に圧下する工程と、
前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工する工程と、
前記仮焼結時の温度より高温の１０００℃以上で前記仮焼結層を本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する本焼結工程と、
を具備し、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、Ｃ：０．４〜１５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上４０重量％以下のＣｕと０．２重量％以上の炭素が含有され、
前記本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．２重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記Ｆｅ系燒結摺動材料層中に、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの金属粉末、Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金粉末，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂのうちのいずれかの合金元素を主体とする特殊炭化物粉末、窒化物粉末、酸化物粉末うちの１種以上の粉末粒子を分散させることを特徴とする鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２１】
Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に７５０〜９５０℃の温度範囲で仮焼結接合することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する工程と、
前記仮焼結層を機械的に圧下する工程と、
前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工する工程と、
前記仮焼結時の温度より高温の１０００℃以上で前記仮焼結層を本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する本焼結工程と、
を具備し、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、Ｃ：０．４〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上４０重量％以下のＣｕと０．４５重量％以上の炭素が含有され、
前記本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記Ｆｅ系燒結摺動材料層中に、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの金属粉末、Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金粉末，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂのうちのいずれかの合金元素を主体とする窒化物粉末、酸化物粉末のうちの１種以上の粉末粒子を分散させることを特徴とする鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２２】
前記本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、拡散層もしくは中間Ｆｅ系焼結層を介して前記裏金鋼板に焼結接合されており、
前記拡散層は、前記裏金鋼板に接して形成された炭化物を含まないＦｅ系合金相と前記本焼結工程で焼結接合された焼結層側に伸長するＣｕ合金相を具備するものであり、
前記中間Ｆｅ系焼結層は、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層より炭素量が少ないことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２３】
前記裏金鋼板の摺動面側においては、Ｃｕ：１０〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０〜０．８重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる前記中間Ｆｅ系焼結層が仮焼結接合され、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層が前記中間Ｆｅ系焼結層を介して焼結接合されていることを特徴とする請求項２２に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２４】
前記本焼結工程は、前記本焼結した後の急冷処理によって、前記Ｆｅ−Ｃ系合金相に焼入れを行い、それによって前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中のＦｅ−Ｃ系合金相をＨｖ５００以上の硬度まで硬化させる工程を含むことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２５】
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、Ｆｅ合金粉末、Ｃｕ粉末と、Ｓｎ粉末及びＣｕＳｎ合金粉末の少なくとも一種の粉末とを配合した混合粉末、もしくは、前記混合粉末に黒鉛粉末をさらに配合した混合粉末であることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２６】
前記Ｆｅ合金粉末中には特殊鋼粉末が５０〜１００重量％含まれており、前記特殊鋼粉末は、０．４５〜５重量％の炭素を含有し、さらに、５〜２５重量％のＣｒ、３〜２０重量％のＭｏ、３〜２０重量％のＷ、０．５〜７重量％のＶのいずれか一種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、セメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型特殊炭化物，Ｍ６Ｃ型特殊炭化物，ＭＣ型特殊炭化物およびＭ２Ｃ型特殊炭化物のいずれか一種以上が５〜６０体積％析出、分散されていることを特徴とする請求項２５に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２７】
前記Ｆｅ−Ｃ系合金相の粒内および粒界に析出、分散される特殊炭化物の平均粒径が１０μｍ以下に微細化されていることを特徴とする請求項２６に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項２８】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に分散される、Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗの金属、Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材、Ｃｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物のいずれかの特殊炭化物、窒化物、酸化物の粉末の平均粒径が１〜５０μｍであり、前記粉末が前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に３〜３０体積％分散されていることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の鉄系焼結巻ブッシュの製造方法。
【請求項２９】
前記黒鉛の粉末の平均粒径が１μｍ以上２０μｍ以下の範囲であり、前記粉末が前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に３〜３０体積％分散されていることを特徴とする請求項２８に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項３０】
前記仮焼結層を形成する工程と前記機械的に圧下する工程との間に、前記仮焼結層の表面に、少なくともＳｎを２重量％以上を含有するＣｕ合金粉末を散布又は塗布する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項３１】
前記仮焼結層を形成する工程と前記機械的に圧下する工程との間に、前記仮焼結層の表面に、−＃２５０メッシュ以下のＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を散布又は塗布する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項３２】
前記機械的に圧下する際に、前記仮焼結層にクラックを発生させた後、前記本燒結によって前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に前記クラックを成長させて油溝又は油溜りとすることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項３３】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中の通気孔率が１０〜３０体積％であることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項３４】
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層には油溝、油溜りとなる凹部が形成され、前記凹部にＭｏＳ２又は黒鉛を有する固体潤滑剤もしくは樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【請求項３５】
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末には、Ｐ：０．１〜１．５重量％、Ｂ：０．０５〜１．５重量％、Ｎｉ：〜１０重量％、Ａｌ：１〜１０重量％、Ｓｉ：０．５〜３重量％、Ｍｎ：１〜２０重量％、Ｔｉ：０．１〜２重量％、Ｍｏ：０．１〜１０重量％のうち一種以上が添加されていること特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系焼結複層巻ブッシュ、その製造方法及び作業機連結装置に係わり、特に、低摩擦係数化を図りながら、耐焼付き性及び耐摩耗性に優れ、且つ、自己潤滑性を付与して給脂間隔の長時間化又は無給脂化できる鉄系焼結複層巻ブッシュ、その製造方法、及び作業機連結装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高面圧、低速摺動、揺動の極めて悪い潤滑条件下で使用される作業機連結装置用のラジアル軸受としては、少なくともその摺動面を浸炭焼入れや高周波焼き入れした鋼製軸受が使われており、とりわけ、摺動時の異音発生や焼付き性を改善するために、前記鋼製軸受摺動面に多数の潤滑溝やディンプル状の油溜りを形成させた軸受が利用されている。
さらに近年、イージーメンテナンス化のニーズから、この軸受への給脂間隔を伸ばすために、高強度に燒結した含油軸受や円筒状高力黄銅材に穴加工を施し、その穴に多孔質な黒鉛を埋め込んだ含油軸受、さらに、焼結摺動材料中に黒鉛、ＭｏＳ２、ＷＳ２等の固体潤滑剤を分散させた自己潤滑性の摺動材料が広く実用化されている。
例えば、自己潤滑性銅系摺動材料としては、銅系焼結材の母相に黒鉛、ＭｏＳ２、ＷＳ２等の固体潤滑剤を分散させてホットプレスしたもの（東芝タンガロイ製、ＳＬ合金）がある。
また、１．２重量％以下の炭素が固溶された鉄基地中に１〜５％の遊離黒鉛が分散した組織を有するＦｅ系焼結合金は、優れた摺動特性を有する。黒鉛粒子に適正な銅メッキを施し、Ｆｅ系焼結合金中の遊離黒鉛周りに厚さが５〜１０μｍの鉄−銅硬化層を形成することにより、原料粉末に配合した黒鉛を基地中に拡散させずに遊離黒鉛として分散させた摺動材料用焼結合金が知られている（例えば特許文献１参照）。
前記摺動材料用焼結合金は、初期の摺動特性はよいが、使用するにつれてその摩耗量が顕著に増大する問題が大きい。このために特許文献１では、原料粉に配合する黒鉛粉に適正な厚さの銅メッキを施して、且つ焼結時に前記銅メッキ層が鉄粒子中に拡散固溶しないような焼結温度を厳密に選定することによって黒鉛粒子周りにＦｅ−Ｃｕ硬化層を形成させている。しかし、前記銅メッキ層厚さの管理や焼結温度が銅メッキ層を溶解させない低温度に制約されることから、高面圧下で使用し得るのに十分な焼結体強度が得られず、耐摩耗性や摩擦係数が十分でない。
また、粒径が０．０３〜１ｍｍに造粒された黒鉛、ＭｏＳ２等の固体潤滑剤１０〜８０体積％に対して粒径４５μｍ以下の鉄系金属粉末を混合した混合粉末を成形し、１０５０℃で焼結することにより、造粒された固体潤滑剤のつながりを低減すると共に、その焼結時に銅合金系の溶浸剤を溶浸させることにより、造粒された固体潤滑剤の位置での応力集中を軽減させたより高強度で耐摩耗性の改善を図った自己潤滑性焼結摺動材料が知られている（例えば特許文献２参照）。
前記自己潤滑性焼結摺動材料では、焼結時に造粒黒鉛と鉄基地の反応を防止するために焼結温度を１０５０℃と制限するので、十分な焼結強度が得られない。また、固体潤滑剤の粒子間の距離が長いため、造粒黒鉛間の鉄基地で局所的な焼付きが起こり易い。また、銅合金系溶浸剤を溶浸することによって摺動材料中の気孔が封孔され、潤滑油の含油性が顕著に阻害され、結果として、十分な耐摩耗性及び耐焼付き性を得ることができない。
また、１０〜３０重量部の銅粉末と、０．１〜６．５重量部の黒鉛粉末と、０．１〜７．０重量部の二硫化モリブデン粉末と、残部が鉄粉末からなる混合粉末による鉄系焼結合金層が鋼鉄裏金に焼結接合された滑りベアリングが知られている（例えば特許文献３参照）。
前記滑りベアリングにおいても焼結温度が制限されるので、十分な焼結強度が得られない。また、特許文献３においては、固体潤滑剤の添加方法やその量的関係を主体として開示されているが、焼付き性に優れた金属相（鉄系）基地に関する検討はあまりなされていない。
また、固体潤滑剤が分散されていない軸受であって高荷重下で使用可能な含油すべり軸受としては、アトマイズ鉄粉末、Ｃｕ又はＣｕ合金粉末、黒鉛粉及び各種高速度鋼粉末、フェロＭｏ粉末、コバメット（Ｃｏ合金）粉末（キャボット社製）を配合した混合粉末成形体をＣｕ又はＣｕ合金粉末が溶解する温度域で焼結し、その冷却過程で鉄基地中に拡散固溶したＣｕ又はＣｕ合金相として析出させることによって、マルテンサイトが存在する鉄炭素合金基地中にＣｕ粒子又はＣｕ合金粒子が分散されたものがある。Ｃｕの含有量が７〜３０重量％であるとともに、前記鉄炭素合金基地より硬質な相として特定の組成を有する合金粒子が５〜３０重量％分散され、かつ気孔率が８〜３０体積％である含油軸受用の耐摩耗性のＦｅ系焼結合金が知られている（例えば特許文献４参照）。そして、この含油軸受用の耐摩耗性の焼結合金においては、多量のＣｕ又はＣｕ合金粉末を原料粉末として配合し、［１］焼結時のＣｕ又はＣｕ合金粉末の溶解によって含油に必要な流出孔を形成させること、［２］軟質なＣｕ粒子をマルテンサイト相中に分散させることによって馴染み性を改善すること、［３］基地のマルテンサイトより硬質な前記合金粒子を分散させることによって基地の塑性変形を低減するとともに、滑り摺動時に基地合金にかかる負担を低減することで、高面圧下においても優れた耐摩耗性が得られることが開示されている。
尚、前記合金粒子としては、（１）Ｃが０．６〜１．７重量％、Ｃｒが３〜５重量％、Ｗが１〜２０重量％、Ｖが０．５〜６重量％を含有するＦｅ基合金粒子（高速度鋼（ハイス）粉末粒子）、（２）Ｃが０．６〜１．７重量％、Ｃｒが３〜５重量％、Ｗが１〜２０重量％、Ｖが０．５〜６重量％、Ｍｏ及びＣｏの少なくとも一方が２０重量％以下を含有するＦｅ基合金粒子（高速度鋼（Ｍｏ、Ｃｏを含むハイス）粉末粒子）、（３）５５〜７０重量％のＭｏを含有するＭｏ−Ｆｅ粒子（フェロモリブデン）、（４）Ｃｒが５〜１５重量％、Ｍｏが２０〜４０重量％、Ｓｉが１〜５重量％を含有するＣｏ基合金粒子（肉盛り溶射用耐熱耐摩耗性合金粉末、キャポット社製、商品名コバメット）、などが挙げられる（例えば特許文献４参照）。
前記含油すべり軸受では、前記合金粒子が５〜３０重量％分散されていることから、前記摺動条件の厳しい建設機械用作業機ブッシュ（高面圧、低揺動）としては、その耐焼付き性が十分でなく、時に摩擦係数が高い問題がある。
【特許文献１】特開昭５８−１５７９５１号公報
【特許文献２】特開平４−２５４５５６号公報
【特許文献３】特許第３１６８５３８号公報
【特許文献４】特開平８−１０９４５０号公報
【発明の開示】
【０００３】
作業機連結装置のように高面圧、低速摺動、揺動などの極めて厳しい摺動条件下で使用される従来の焼結摺動材料では、摩擦係数が高い傾向（０．１５以上）を有するとともに、耐焼付き性、耐摩耗性が不十分であるために、異音の発生防止や給脂間隔の長時間化ができず、また、自己潤滑性が不十分であるために無給脂化することができない。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、前記摺動条件下においても、低摩擦係数化を図りながら、耐焼付き性及び耐摩耗性に優れ、且つ、自己潤滑性を付与して給脂間隔の長時間化又は無給脂化できるＦｅ系焼結摺動材料層を裏金鋼板に強固に燒結接合することによって、経済性に優れた鉄系焼結複層巻ブッシュ、その製造方法、及び作業機連結装置を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュは、裏金鋼板と、
前記裏金鋼板上に焼結接合されたＦｅ系焼結摺動材料層と、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層と前記裏金鋼板との接合界面近傍に形成されたＦｅ系合金粒の拡散層と、
前記接合界面近傍に形成された、該接合界面側に伸長するＣｕ合金相と、を具備することを特徴とする。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、Ｃ：０．４０〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％（より好ましくは８〜３０重量％）、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を前記裏金鋼板上に仮焼結接合し、丸曲げ加工後に本焼結を施したものであることが好ましい。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、１０００℃以上（より好ましくは１０５０℃以上）の温度で液相焼結され、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金粒が主体となり液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、かつ、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒が焼入れ硬化され、その母相がマルテンサイトもしくはマルテンサイトを主体とする組織を有することが好ましい。
本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュは、裏金鋼板上に焼結接合されたＦｅ系焼結摺動材料層を有する鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、少なくともＣ：０．４０〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％（好ましくは８〜３０重量％）、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を前記裏金鋼板上に仮焼結接合し、丸曲げ加工後に本焼結を施したものであり、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、前記仮焼結接合温度より高温（例えば１０００℃以上、好ましくは１０５０℃以上）で液相焼結され、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金粒が主体となり液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、かつ、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒が焼入れ硬化され、その母相がマルテンサイトもしくはマルテンサイトを主体とする組織を有することを特徴とする。
本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュは、裏金鋼板上に焼結接合されたＦｅ系焼結摺動材料層を有する鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、少なくともＣ：０．４０〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を前記裏金鋼板上に仮焼結接合し、丸曲げ加工後に１０００℃以上の高温で液相焼結により本焼結接合を施したものであり、
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相中にＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物の１種以上の特殊炭化物を分散させることを特徴とする。
本発明に係る作業機連結装置は、上述した鉄系焼結複層巻ブッシュを有する作業機連結装置であって、前記裏金鋼板中の炭素濃度が０．３〜０．６重量％であり、さらに、前記鉄系焼結複層巻ブッシュの両端面における前記裏金鋼板の部位が焼入れ硬化され、この焼入れ硬化された部位にシール機能を発現させるリップシール又はダストシールが配されていることを特徴とする。
本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に仮焼結することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する工程と、
前記仮焼結層を機械的に圧下する工程と、
前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工する工程と、
前記仮焼結時の温度より高温（例えば１０００℃以上、好ましくは１０５０℃以上）で前記仮焼結層を本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する本焼結工程と、
を具備し、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、少なくとも、Ｃ：０．３〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％（好ましくは８〜３０重量％）、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するものであることを特徴とする。
本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に７５０〜９５０℃の温度範囲で仮焼結接合することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する工程と、
前記仮焼結層を機械的に圧下する工程と、
前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工する工程と、
前記仮焼結時の温度より高温の１０００℃以上で前記仮焼結層を本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する本焼結工程と、
を具備し、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、少なくとも、Ｃ：０．４〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するものであり、
前記本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相中にＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物の１種以上を分散させることを特徴とする。
本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に７５０〜９５０℃の温度範囲で仮焼結接合することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する工程と、
前記仮焼結層を機械的に圧下する工程と、
前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工する工程と、
前記仮焼結時の温度より高温の１０００℃以上で前記仮焼結層を本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する本焼結工程と、
を具備し、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、少なくとも、Ｃ：０．２〜１５重量％又は０．２〜９重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するものであり、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上４０重量％以下のＣｕと０．２重量％以上の炭素が含有され、
前記本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．２重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記Ｆｅ系燒結摺動材料層中に、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの金属粉末、Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金粉末，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂのうちのいずれか１種以上の合金元素を主体とする特殊炭化物粉末、窒化物粉末、酸化物粉末うちの１種以上の粉末粒子を分散させることを特徴とする。
本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に７５０〜９５０℃の温度範囲で仮焼結接合することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する工程と、
前記仮焼結層を機械的に圧下する工程と、
前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工する工程と、
前記仮焼結時の温度より高温の１０００℃以上で前記仮焼結層を本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する本焼結工程と、
を具備し、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、少なくとも、Ｃ：０．４〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するものであり、
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上４０重量％以下のＣｕと０．４５重量％以上の炭素が含有され、
前記本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、
さらに、前記Ｆｅ系燒結摺動材料層中に、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの金属粉末、Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金粉末，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂのうちのいずれか１種以上の合金元素を主体とする窒化物粉末、酸化物粉末のうちの１種以上の粉末粒子を分散させることを特徴とする。
また、前記本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、拡散層もしくは中間Ｆｅ系焼結層を介して前記裏金鋼板に焼結接合されており、
前記拡散層は、前記裏金鋼板に接して形成された炭化物を含まないＦｅ系合金相と前記本焼結工程で焼結接合された焼結層側に伸長するＣｕ合金相を具備するものであり、
前記中間Ｆｅ系焼結層は、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層より炭素量が少ないことが好ましい。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法に関し、前記裏金鋼板の摺動面側においては、少なくともＣｕ：１０〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０〜０．８重量％を含有する前記中間Ｆｅ系焼結層が仮焼結接合され、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層が前記中間Ｆｅ系焼結層を介して焼結接合されていることが好ましい。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法において、前記本焼結工程は、前記本焼結した後の急冷処理によって、前記Ｆｅ−Ｃ系合金相に焼入れもしくは焼入れ焼戻しを行い、それによって前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中のＦｅ−Ｃ系合金相をＨｖ５００以上の硬度まで硬化させる工程を含むことも可能である。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法において、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、Ｆｅ合金粉と、Ｃｕ粉末と、Ｓｎ粉末及びＣｕ合金粉末の少なくとも一の粉末とを配合した混合粉末、もしくは、前記混合粉末に黒鉛粉末をさらに配合した混合粉末であることも可能である。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法において、前記本焼結工程は、前記本焼結する時において、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金粒と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相を有する液相焼結組織を形成し、その後に急冷処理によって、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒を焼入れ硬化させる工程であることが好ましい。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法において、前記本焼結工程後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層における前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒の含有量は６５体積％以上であることが好ましい。
以上説明したように本発明によれば、低摩擦係数化を図りながら、耐焼付き性及び耐摩耗性に優れ、且つ、自己潤滑性を付与して給脂間隔の長時間化又は無給脂化できるＦｅ系焼結摺動材料層を裏金鋼板に強固に燒結接合することによって、経済性に優れた鉄系焼結複層巻ブッシュ、その製造方法、及び作業機連結装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、実施例１のＦｅ系焼結摺動材料用混合粉末を用いて作製した引張試験片を示す図である。
図２は、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結体の焼結温度と寸法変化率を示す図である。
図３は、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結体の焼結温度と寸法変化率を示す図である。
図４は、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結体の焼結温度と焼結体のロックウェルＢ硬さを示す図である。
図５は、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結体の仮焼結温度と仮焼結体のロックウェルＢ硬さを示す図である。
図６は、Ｆｅ（ＡＳＣ３００）−Ｃｕ，−Ｓｎ，−Ｃ系焼結体の焼結温度と寸法変化率を示す図である。
図７は、Ｆｅ１６Ａｌ２５Ｃｕ合金の焼結温度と寸法変化率を示す図である。
図８は、表３−１に示すＢ１５の１２００℃での燒結組織を示す写真である。
図９は、表３−１に示すＢ１６の１２００℃での燒結組織を示す写真である。
図１０は、Ｆｅ１６Ａｌ２５Ｃｕ＋１５Ｃｕの黒鉛添加量と寸法変化率を示す図である。
図１１（ａ）は表３−１に示すＢ７の１２００℃での燒結組織を示す写真、図１１（ｂ）は表３−１に示すＢ１１の１２００での燒結組織を示す写真、図１１（ｃ）は表３−１に示すＢ１３の１２００での燒結組織を示す写真、図１１（ｄ）は表３−１に示すＢ２０の１２００での燒結組織を示す写真である。
図１２（ａ）は表３−１に示すＢ２１合金の１２００℃で燒結した組織を示す写真、図１２（ｂ）は表３−１に示すＢ２２合金の１２００で燒結した組織を示す写真、図１２（ｃ）は表３−１に示すＢ２３合金の１２００で燒結した組織を示す写真、図１２（ｄ）は表３−１に示すＢ２４合金の１２００で燒結した組織を示す写真、図１２（ｅ）は表３−１に示すＢ２５合金の１２００で燒結した組織を示す写真、図１２（ｆ）は表３−１に示すＢ２６合金の１２００で燒結した組織を示す写真である。
図１３（ａ）は表３−１に示すＢ２３合金の１２００で燒結した組織を示す写真、図１３（ｂ）は表３−１に示すＢ２３合金の１１００で燒結した組織を示す写真、図１３（ｃ）は表３−１に示すＢ２３合金の１０００で燒結した組織を示す写真である。
図１４は、実施例２による黒鉛分散量と引張強度との関係を示す図である。
図１５は、表３−２に示したＢ２８〜Ｂ４０合金の焼結温度と寸法変化率を示す図である。
図１６は、表３−２に示したＢ４１〜Ｂ５３合金の焼結温度と寸法変化率を示す図である。
図１７は、表３−２に示したＢ５４〜Ｂ６５合金の焼結温度と寸法変化率を示す図である。
図１８（ａ）〜（ｃ）は、表４に示すＣ６を９００℃、１０００℃、１０５０℃それぞれの温度で仮焼結した裏金鋼板と焼結層との接合界面近傍組織を示す写真、（ｄ）〜（ｆ）は、表４に示すＣ８を９００℃、１０００℃、１０５０℃それぞれの温度で仮焼結した裏金鋼板と焼結層との接合界面近傍組織を示す写真である。
図１９（ａ）、（ｂ）は、表４に示すＣ９を１０５０℃、１１７０℃それぞれの温度で本焼結した裏金鋼板と焼結層との接合界面近傍組織を示す写真、（ｃ）、（ｄ）は、表４に示すＣ１０を１０５０℃、１１７０℃それぞれの温度で本焼結した裏金鋼板と焼結層との接合界面近傍組織を示す写真である。
図２０（ａ），（ｂ）は、仮焼結後に圧延を施さずに、１１３０℃、３０分の本焼結後にＮ２ガス冷却したＣ１２，Ｃ１４合金の焼結層断面組織を示す写真である。
図２１（ａ）〜（ｃ）は、Ｃ２合金の仮焼結層に圧下率６０％の圧延を施し後に１１００℃、３０分の本焼結を施し、その本焼結温度からＮ２ガス冷却したものの外観と断面の組織写真である。
図２２（ａ）〜（ｅ）は、Ｃ３〜Ｃ５、Ｃ７、Ｃ１１合金の仮焼結層に圧下率約６０％の圧延を施した後、本焼結とＮ２ガス冷却を施したものの断面組織を示す写真である。
図２３（ａ），（ｂ）は、Ｃ１３合金の１１００℃本焼結後の断面組織を示す写真である。
図２４（ａ），（ｂ）は、Ｃ１５合金の１１００℃本焼結後の断面組織を示す写真である。
図２５（ａ），（ｂ）は、Ｃ１７合金の１１００℃本焼結後の断面組織を示す写真である。
図２６（ａ），（ｂ）は、Ｃ１９合金の１１００℃本焼結後の断面組織を示す写真である。
図２７（ａ），（ｂ）は、Ｃ１３合金を仮焼結した後に、微細なＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金粉末を表面に極薄く散布した後に圧下率約６５％で圧延した後、本焼結、Ｎ２ガス冷却を施した断面組織を示す写真である。
図２８（ａ），（ｂ）は、Ｃ１７合金を仮焼結した後に、微細なＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金粉末を表面に極薄く散布した後に圧下率約６５％で圧延した後、本焼結、Ｎ２ガス冷却を施した断面組織を示す写真である。
図２９（ａ）は実施例６の鉄系焼結複層巻ブッシュを軸受試験用ブッシュ形状に加工した試験片であり、図２９（ｂ）は軸受試験装置の概念図である。
図３０（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る作業機連結装置を示す断面図である。
図３１（ａ），（ｂ）は、作業機連結装置を示す断面図である。
図３２（ａ）〜（ｈ）は、種々の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法を模式的に示す図である。
図３３は、本発明の実施の形態による鉄系焼結複層巻ブッシュの一部を示す模式図である。
図３４は、本実施の形態に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの一部を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明は、耐摩耗性、耐焼付き性を改善するために、セメンタイトやＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物の内の１種以上の炭化物が析出したＦｅ合金相とＣｕ−Ｓｎ合金相、および、さらに、固体潤滑剤の黒鉛が分散されるＦｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料が裏金鋼板に焼結接合された巻ブッシュ及びその製造方法に関するものである。
本発明は、建設機械の作業機連結装置軸受で代表されるような、高面圧、低速摺動、揺動の極めて悪い潤滑条件下においても、耐焼き付き性、耐摩耗性に優れたＦｅ系燒結摺動材料を裏金鋼板に仮燒結接合し、丸曲げ加工後に本焼結を施して製造される鉄系焼結複層巻ブッシュとその製造方法に関するものである。より詳しくは、（１）耐焼付き性と耐摩耗性の改善に有効なセメンタイトやＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物等の内の１種以上の炭化物を、マルテンサイト組織の母相中に分散させたＦｅ系合金粒を主体とし、（２）裏金鋼板との焼結接合性を確保すためと耐凝着性に優れたＣｕＳｎ系合金が分散されたＦｅ系焼結摺動材料を裏金鋼板に燒結接合した鉄系焼結複層巻ブッシュに関するものであり、またそのＦｅ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金に仮焼結接合、圧延加工を施した後に丸曲げ加工して、さらに、前記仮燒結接合温度より高温度において本焼結するという製造方法に関するものである。
また、本発明は、建設機械の作業機連結装置軸受で代表されるような、高面圧、低速摺動、揺動の極めて悪い潤滑条件下においても、耐焼き付き性、耐摩耗性に優れた性能が発現されるように、（１）耐焼付き性と耐摩耗性の改善に有効なセメンタイトやＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型特殊炭化物等の１種以上の炭化物を微細に析出させたＦｅ系合金粉末をベースとし、（２）裏金鋼板との焼結接合性を確保すために、耐凝着性に優れたＣｕ系合金粉末もしくは混合粉末を添加し、さらに、（３）潤滑油が含浸され易く、かつ、摺動面に潤滑性に富んだ自己潤滑性皮膜が形成されやすい固体潤滑剤（黒鉛含む）を分散させたＦｅ系焼結摺動材料（即ち固体潤滑性Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ−黒鉛系焼結摺動材料））を裏金に仮焼結接合、圧延加工を施した後に丸曲げ加工して、さらに、９５０℃以上の高温度において再度液相焼結することによって、長期間の給脂間隔を可能とする耐凝着性と耐摩耗性を改善できる鉄系焼結複層巻ブッシュ及びその製造方法に関するものである。
本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュは、少なくとも、Ｃ：０．４〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０（３０）重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に配して（例えば散布して）、１０００℃以下の低温域で仮焼結接合し、さらに、機械的に圧下（例えば圧延、プレス）した後に、前記低温域で再焼結、丸曲げ加工を施して巻ブッシュに成形した後に、前記１０００℃以上の高温域において本焼結されたものである。その焼結時においては、主体となる固相状態の０．４５重量％以上の炭素を含有するＦｅ−Ｃ系合金粒と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金からなる液相焼結組織が形成される。焼結後の冷却過程、もしくは別工程において焼入れ熱処理を施し、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒の母相が焼入れ硬化され、マルテンサイトもしくはマルテンサイトを主体とする組織を有することとなる複層Ｆｅ系焼結巻ブッシュを開発した。
なお、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板に焼結接合してなる複層鉄系焼結巻ブッシュは、裏金によってラジアル軸受（ブッシュ）としての剛性を高め、作動時におけるブッシュの抜け出しを防止すると共に、偏荷重時作用する曲げ応力に対する焼結摺動層の割れを防止することができること、さらに、高価な焼結摺動材料の使用量を低減して、その経済性を高めることができる。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュは、裏金鋼板上に焼結接合されたＦｅ系焼結摺動材料層を有する鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、少なくとも、Ｃ：０．４〜１５重量％又は０．４〜９重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するものであり、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を前記裏金鋼板上に仮焼結接合し、丸曲げ加工後に１０００℃以上の高温で液相焼結により本焼結接合を施したものであり、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上４０重量％以下のＣｕと０．２重量％以上の炭素が含有され、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．２重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、さらに、前記Ｆｅ系燒結摺動材料層中に、Ｃｕに対する固溶度が極めて少ないＣｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗの金属粉末、Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金粉末，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒのうちのいずれか１種以上の合金元素を主体とする特殊炭化物粉末，窒化物粉末，酸化物粉末のうちの１種以上の粉末粒子を分散させることを特徴とする。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュは、裏金鋼板上に焼結接合されたＦｅ系焼結摺動材料層を有する鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、少なくとも、Ｃ：０．４〜１５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するものであり、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を前記裏金鋼板上に仮焼結接合し、丸曲げ加工後に前記仮焼結接合の温度より高温の１０００℃以上で液相焼結により本焼結接合を施したものであり、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上４０重量％以下のＣｕと０．２重量％以上の炭素が含有され、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、０．４５重量％以上のＣを含有する固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相と液相状態のＣｕ−Ｓｎ系合金相が分散された液相焼結組織を有し、さらに、前記固相状態のＦｅ−Ｃ系合金相中にＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，Ｍ２Ｃ，ＭＣ型炭化物の１種以上の炭化物を分散させ、前記Ｆｅ系燒結摺動材料層中に、Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏ，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒのうちのいずれか１種以上の合金元素を主体とする窒化物粉末、酸化物粉末のうちの１種以上の粉末粒子を分散させることを特徴とする。
また、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層には炭化物が分散されており、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は拡散層もしくは中間Ｆｅ系焼結層を介して前記裏金鋼板に焼結接合されており、前記拡散層は、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層と前記裏金鋼板との接合界面近傍に形成され、前記炭化物を含まないＦｅ系合金相と前記焼結接合された焼結層側に伸長するＣｕ合金相を具備するものであり、前記中間Ｆｅ系焼結層は、前記炭化物を含まないか、又は前記Ｆｅ系焼結摺動材料層より炭素量が少ないことも可能である。
前記中間Ｆｅ系焼結層は、少なくともＣｕ：１０〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０〜０．８重量％を含有するＦｅ系焼結材料層であり、前記中間Ｆｅ系焼結層中のＦｅ合金相の素地組織がフェライト、パーライト、ベイナイトの１種以上を主体とし且つ５０体積％未満のマルテンサイト組織となるように調整された前記Ｆｅ系焼結材料層が前記裏金鋼鈑に焼結接合され、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層が前記中間Ｆｅ系焼結層を介して前記裏金鋼板の摺動面側に焼結接合されていることが好ましい。
また、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中の前記Ｆｅ−Ｃ系合金相が焼入れ硬化され、その母相がマルテンサイトもしくは焼戻しマルテンサイトを主体とする組織を有することが好ましい。
また、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面から０．１ｍｍの深さまでの表層においては、摺動特性に優れたＣｕ合金相比率を前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の内部層に比べて高めていることが好ましい。また、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面から０．１ｍｍの深さまでの表層においては、その内部層に比べてより微細なＦｅ合金粒が形成されていること好ましい。
また、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末中にはＣｕ添加量に見合ったＳｎ素粉もしくはＳｎ母合金粉末を添加することによって、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末の裏金鋼板の燒結接合性を高めると共に、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末中にＣｕ相が分散した場合においても、Ｃｕ−Ｓｎ系合金相が優れた摺動特性を発現することを特徴としている。
さらに、硬質なＦｅ合金粒同士の強化な燒結性が開始されない前記低温域仮焼結（１０００℃以下）において、十分なＣｕ−Ｓｎ系合金の液相が発生し、裏金鋼板やＦｅ合金粉末と濡れ性を改善して、前述した機械的圧下（例えば圧延）や巻ブッシュ化するための曲げ加工に十分なＦｅ系焼結摺動材料層（即ちＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を焼結接合した層）の強度をえるようにしたことを特徴としている。
また、Ｃｕ添加量は、上記液相焼結範囲で十分な液相が発生するように設定され、ＨＡＮＳＥＮの状態図を参考にして、その下限添加量を８重量％、上限添加量４０重量％とし、Ｓｎ添加量は、前記低温域での焼結時にはＦｅ合金粉末へ拡散固溶することがほとんど無いので、Ｃｕ添加量とでＣｕ−５重量％Ｓｎ以上のＳｎ濃度のＣｕ−Ｓｎ合金が生成されるように０．５〜１０重量％とした。
なお、Ｃｕの上限添加量が多くなりすぎることは最終焼結状態で多量のＣｕ−Ｓｎ系合金相を増やし、Ｆｅ系焼結摺動材料層の耐摩耗性を悪くすることは明らかであるので、（Ｃｕ＋Ｓｎ）の上限添加量を３０重量％とすることが好ましく、２０重量％がより好ましい。
さらに、前記丸曲げ加工で巻ブッシュとした状態でのＦｅ系焼結摺動材料層では、高面圧下での摺動に耐える強度や硬さが十分でないことから、本発明では、１０００℃以上で本焼結を施すことによって、鉄合金粉末同士や鉄合金粉末とＣｕ合金液相間や鉄合金粉末と添加黒鉛間の固溶・拡散を十分図り、それに続けて急冷処理を施し、その焼結摺動材料中のＦｅ合金粒を焼入れ硬化させることによって、より高強度で、高面圧、耐焼付き性に優れた摺動特性が得られるようにしたものである。
また同時に、高面圧下で使用するための耐荷重性を得るためには、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層と裏金鋼板との燒結接合をより強固なものとすることが重要である。そこで、本発明においては、本焼結によって前記接合界面近傍において明確な拡散域を形成させるとともに、その拡散方向に長く伸びるように成長したＦｅ系合金粒および／またはＣｕ−Ｓｎ系合金相（粒）を形成させることによって強固な燒結接合性を得ることができる。
なお、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に添加される黒鉛粉末が、すばやく、Ｆｅ系合金粉末中に拡散固溶することや、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末中のＦｅ系合金粉末間の燒結性が顕著に現れ、かつ、前記接合界面における拡散層が明確に形成し始める１０００℃を、本焼結の下限温度と設定するが、１０５０℃以上で本焼結を実施することがより好ましい。また、その上限温度は前記Ｆｅ合金粒子間の燒結性が過多にならない温度として、もしくはＣｕ−Ｓｎ合金が過多に蒸発しない温度として１２００℃が好ましい。
また、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒を焼入れ硬化させるための急冷処理は、本焼結後に引き続いて、ガス冷却によって行われることが経済性に優れていることから、Ｆｅ−Ｃ系合金粒中にはＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｉ，Ｍｎ、Ｓｉの焼入れ性を高める合金元素の内の一種以上が総量で１重量％以上含有されることが好ましい。
なお、前記焼入れ処理によって、裏金鋼板が共に焼きが入った場合には、裏金の大きな体積膨張によって、内径面に焼結接合されるＦｅ系焼結摺動材料に割れの入る危険性があるので、裏金に焼きの入らないような鋼板を選定すると共に、前記急冷処理はガス冷却もしくは油中冷却などとすることが好ましい。
なお、Ｆｅ合金相の硬さはマイクロビッカース硬さＭＨＶ５５０以上であることが好ましいので、少なくとも０．３重量％以上の炭素が固溶したマルテンサイト相を形成させることが好ましい。
また、前記焼入れ硬化されたＦｅ−Ｃ系合金粒の量は、少なくとも、６５体積％以上であるが、前述のように耐摩耗性をより改善する観点からは、７５体積％以上が好ましく、さらに、耐摩耗性がほぼ飽和する９０体積％以上がより好ましい。また、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒の上限含有量は９８体積％であることが好ましい。これによりほとんどの前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒同士が強固に結合される。また、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒の上限量は、Ｃｕ成分が本焼結時にＦｅ−Ｃ系合金粒中に固溶することを考慮した場合に、摺動面上ではほぼ１００体積％に近づくが、耐摩耗性的にはほぼ飽和することは明らかである。また、ＨＡＮＳＥＮの状態図を参考にすれば、例えば、１１００℃での高温側の液相焼結によって、Ｆｅ合金中に最大約１０重量％のＣｕが固溶するので、添加されるＣｕの多くが、Ｆｅ合金相中に固溶し、耐摩耗性に好ましくないＣｕ合金相の含有量を低減できることは好ましいことである。
さらに、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の耐焼付き性と耐摩耗性をより改善させるために、少なくとも、０．４５重量％以上（好ましくは０．６重量％以上）の炭素を含有し、セメンタイトおよび／またはＣｒ７Ｃ３，Ｍ６Ｃ，ＭＣ，Ｍ２Ｃ型特殊炭化物の内の一種以上が、その粒内、粒界に析出したＦｅ−Ｃ系合金粒（特殊鋼粒）が、全Ｆｅ−Ｃ系合金粒の３０体積％以上もしくは１００体積％含有されることが好ましい。摩擦係数をより低減する観点とより耐焼付き性、耐摩耗性を改善する観点からは、特殊鋼粒が全Ｆｅ−Ｃ系合金粒の５０重量％以上もしくは１００重量％含有することが好ましい。
なお、前記特許文献４では、高速度鋼粉末を５〜３０重量％添加したＦｅ−Ｃ−Ｃｕ燒結摺動材料が開示されているが、前記特殊炭化物を析出する高速度鋼粉末をＦｅ−Ｃ−Ｃｕ燒結合金中に分散させているために、前記摺動条件の厳しい建設機械用作業機ブッシュ（高面圧、低揺動）としては、その耐焼付き性が十分でなく、時に摩擦係数が高い問題があったが、本発明においては、前記特殊炭化物がほぼ均一に分散したＦｅ合金粒が全Ｆｅ合金粒の５０重量％以上もしくは全量として、残りが摺動特性に優れたＣｕ−Ｓｎ合金相とすることによって問題点を解決することができる。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒は、５〜２５重量％のＣｒ、３〜２０重量％のＭｏ、３〜２０重量％のＷ、０．５〜７重量％のＶのいずれか一種以上を含有し、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、Ｃｒ７Ｃ３型特殊炭化物，Ｍ６Ｃ型特殊炭化物，ＭＣ型特殊炭化物およびＭ２Ｃ型特殊炭化物のいずれか一種以上が合計で５体積％以上（好ましくは５〜５０体積％）分散されている特殊鋼粉末（例えばＦｅ−Ｃ合金粉末）を５０重量％以上含有することが好ましい。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュに関し、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末においては、０．４５重量％以上の炭素を含有し、さらに、５〜２５重量％のＣｒ、３〜２０重量％のＭｏ、３〜２０重量％のＷ、０．５〜７重量％のＶのいずれか一種以上を含有し、Ｃｒ７Ｃ３型特殊炭化物，Ｍ６Ｃ型特殊炭化物，ＭＣ型特殊炭化物およびＭ２Ｃ型特殊炭化物のいずれか一種以上が合計で５〜６０体積％分散されているＦｅ−Ｃ系合金粉末が、Ｆｅ系粉末の内の５０〜１００重量％もしくは１００重量％含有することが好ましい。
前記Ｆｅ−Ｃ系合金粉末の粒内および粒界に析出、分散される特殊炭化物の平均粒径が１０μｍ以下に微細化されていることが好ましい。
前記特殊鋼粒においては、少なくとも、０．４５重量％以上（好ましくは０．６重量％以上）の炭素と５〜２５重量％のＣｒ，３〜２０重量％のＭｏ，３〜２０重量％のＷ、０．５〜７重量％のＶのいずれか１種以上が含有され、耐焼付き性と耐摩耗性に優れた工具鋼（ＳＫＤ鋼材）や高速度鋼（ＳＫＨ鋼材）に析出分散される前記特殊炭化物の１種以上が分散されるものであり、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒中に析出分散させるその炭化物量は、高速度鋼（約１０体積％）を参考にして、５体積％以上が好ましいこととし、その上限量は超硬やサーメットの炭化物量を参考にして６０体積することが好ましい。
より具体的には、例えば、Ｍ６Ｃ炭化物（炭素濃度：約３重量％）を分散させる場合には、０．１５重量％の炭素が炭化物形成に使われ、また、前述したように母相マルテンサイト中に０．３重量％の炭素を固溶されるので、Ｆｅ合金相中の必要下限炭素濃度が０．４５重量％とすることが好ましいが、前記特殊炭化物が１０体積％以上分散される場合の方が、より耐焼付き性や耐摩耗性の向上、低摩擦係数化に好ましいことから、０．６重量％がより好ましい。
さらに、前記炭化物量の上限値は、超硬やサーメット工具を参考にすると、約６０体積％に高めることも可能であることから、例えばＣｒ７Ｃ３炭化物（８．５重量％Ｃ）の場合には、上限炭素濃度を約５．５重量％がとすることが好ましい。
前記特殊炭化物を高濃度に分散させることは、耐焼付き性と耐摩耗性の改善に効果があるが、その特殊炭化物が粗大になり過ぎた場合には、炭化物自体が極めて硬質であるために相手摺動材をアタック摩耗することが危惧されることから、その平均粒径を１０μｍ以下とすることが好ましく、炭化物の平均粒径を５μｍ以下に微細化することがより好ましい。
また、Ｆｅ合金粒中の炭素含有量は、黒鉛粉末として添加、混合され、高温側の本焼結時に拡散・固溶させることによって調整されることができるが、前記Ｆｅ合金粉末中にあらかじめ含有させておくことが、前記散布後の仮燒結接合性を改善することや、後述する特殊炭化物を微細に析出、分散させる上でより好ましい。
さらに、あらかじめ炭素を含有したＦｅ合金粉末を利用するに際しても、その混合粉末中には炭素（黒鉛粉末）が０．１〜３重量％含有されていることが好ましい。これにより、本焼結時に粗大気孔（粗大気泡）の発生を防止できるとともに、Ｆｅ−Ｃ系合金粉末間の燒結性を促進することができ、本焼結時のＦｅ系焼結体の焼結性を高めることができる。
またさらに、高温側での本焼結（液相焼結）によってＦｅ合金粉末間の焼結性を促進させることは、高強度、高硬度化の観点からより好ましいことであり、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末には、Ｐ：０．１〜１．５重量％、Ｂ：０．０５〜１．５重量％、Ｃ：０．１〜３．０重量％、Ａｌ：１〜１０重量％、Ｓｉ：０．５〜３重量％、Ｍｎ：１〜２０重量％、Ｔｉ：０．１〜２重量％、Ｍｏ：０．１〜１０重量％のうち一種以上が添加されていることが好ましい。
とりわけ、黒鉛、ＭｎやＣｕ−Ｐ母合金やＦｅ−Ｐ母合金として添加されるＰの添加によって、約１０００℃近傍から焼結性が顕著に促進され、同様の効果がＢ，Ｓｉについても予測される。
なお、これらの添加元素の上限値は、例えば黒鉛は分散させる前記炭化物が６０体積％を越えて脆化しないように、Ｐは燐化物、Ｂは硼炭化物や硼化物、ＳｉはＣｕ合金相の脆化、Ｍｎは過剰な残留オーステナイトの析出防止などの観点からＦｅ系摺動材料が脆くなり過ぎない、マルテンサイト硬くならない程度に設定したものである。
裏金鋼板上へのＦｅ系焼結摺動材料用混合粉末を散布し、燒結接合する複層摺動材料においては、混合粉末の流動性などに応じて散布ムラが発生しやすく、燒結接合、機械的圧下後においても、密度ムラや、表面に２０μｍ程度の深さの微少な切り欠き状の溝が多数発生し、本焼結後においては、さらに、それ等を原因として、表面層の多孔質化や脆弱化が起こりやすく、時として十分な摺動特性が発現されないことが危惧される。そこで、本発明においては、少なくとも、摺動特性に優れた−＃２５０メッシュ以下の微細な粉末を仮燒結した前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面に極薄く散布して、機械的圧下を加えて仮燒結する工程を一回以上繰返すような化粧層（仮焼結層）を設けることも好ましい。また、化粧用の微細な粉末は、前記Ｆｅ系燒結摺動材料用混合粉末の同一もしくは類似組成の混合粉末を利用することができるが、後述するような摺動特性に優れた異種材料粉末を利用することできることは明らかである。
また、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面層においては、その内部層に比べてより微細な（例えばＦｅ合金粉末を使った）Ｆｅ合金粒が形成されていることが好ましい。これにより、より馴染み性と面圧強度を改善することができる。
前記Ｆｅ系焼結摺動材料は、炭化物を多く含有する硬質層からなるために、相手材料との馴染み性がきわめて重要になる場合が想定される。そこで、Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面層においては、摺動特性に優れた軟質のＣｕ合金の比率を前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の内部層に比べて高めることが好ましい。また、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末のＣｕ、Ｓｎ成分量を高めた混合粉末を極薄く被覆し、表面層のＣｕ合金相比率を内部層に比べて高めることが好ましい。これにより馴染み性を改善することができる。
前記の極薄く被覆した軟質の被覆層の厚さは、巻きブッシュの馴染み摩耗量を考慮して、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。
また、前記Ｃｕ合金としては、前記Ｃｕ−Ｓｎ系合金が好ましいが、Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌを多量に含有するＣｕ合金を散布して、本焼結後の前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中のＣｕ合金相中にβ相が析出するように改質することも好ましい。
また、前述した軟質の被覆層と類似の機能を発現させるものとして、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面に、微細なＭｏ，Ｗ，フェロＭｏ，Ｃｏ−Ｍｏ、ＣａＦ２，黒鉛、ＢＮ等の固体潤滑剤粉末が分散されていることが好ましい。これにより馴染み性と耐焼付き性を改善することができる。
なお、前記固体潤滑剤のほぼ全てが、本焼結時にＦｅ−Ｃ系合金粒と顕著に反応するので、本発明においては、少なくとも、０．４５重量％以上の炭素と固溶限以上にＣｕを含有させた前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ系合金粉末を用い、本焼結時に、液状のＣｕ合金相をその粉末表面に出現させることによって、前記反応を防止し、固体潤滑剤粒子が分散されることが好ましい。
なお、前記高温側の本焼結（液相燒結）前の機械的圧下と本焼結温度を調整することによって、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の気孔率を調整することが出来、含油軸受として適正な通気孔率（１０〜３０体積％）に調整し、その気孔中に潤滑油もしくは潤滑組成物を充填させることによって、耐焼付き性と給脂間隔の長時間化を図ることができるが、さらに、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層が多孔質なＦｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結材料層を介して裏金に焼結接合し、その中間Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結材料層中の気孔にも前記潤滑油や潤滑組成物の含有させることによってより給脂間隔の長時間化を図ることができるが、摺動速度の遅い作業機ブッシュとしては、摩擦係数が高くなりやすく、また、土砂の浸入が避けられない部位では、耐摩耗性が十分でない問題がある。
この場合には、本焼結温度を１０００℃以上に高めることによって、鉄合金粉末同士の焼結性を促進し、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中の気孔率を１０体積％以下とするように密度を高め、高強度で耐摩耗性を高めることが好ましいが、鉄系焼結複層巻ブッシュの焼結摺動層には潤滑油を供給するための適正な油溝や（ディンプル状の）油溜りを設けることが好ましい。
とりわけ、揺動角度が小さく、摺動速度の遅い建機作業機ブッシュでは、油溝や溜りをより細かく配されるようにすることが好ましく、かつ、油溝や油溜りの面積率が過多になる場合には、摺動部での面圧が高まり、局部凝着性が高まり、結果として高摩擦係数化がおこることに繋がるので、その面積率をできるだけ少なくすることが好ましい。そこで、本発明の鉄系焼結複層巻ブッシュにおいては、仮燒結状態のＦｅ系焼結摺動材料層に機械的圧下を加えることによって、巻ブッシュの内周方向と略直角な軸方向に微細なクラックを複数以上発生させ、本焼結によって、その焼結層をより緻密化することによって、そのクラックを開口させて波状の油溝、油溜りとして形成させることが好ましい。これにより摺動面における潤滑性を改善することができる。なお、前記微細なクラックは、圧延方向に対して略直角方向に入るものである。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュにおいては、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の表面から０．１ｍｍの深さまでの表層には、内周方向と略直角方向に前記本焼結によって開口させた波状のクラックが形成されていることも可能である。
なお、前記のクラックを発生させる機械的圧下方法としては、圧延が好ましい。また、前記クラックによる油溝、油溜りの面積率としては、〜３０面積％以下であって、前記クラック溝間の平均間隔は、１５ｍｍ以下であることを好ましいが、２０面積％以下、８ｍｍ以下がより好ましい。
さらに、低揺動角度で、かつ低摺動速度下での摩擦係数をより低減するブッシュとしては、前記クラックによる油溝、油溜り部に四フッ化樹脂（例えばＰＴＦＥ）、ポリアミド系樹脂（ナイロン）、ポリアセタール（ＰＯＭ），ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂類や黒鉛、ＢＮ、ＭｏＳ２，ＷＳ２等の固体潤滑剤のうちの１種以上を充填して使用することが好ましい。
また、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、前記裏金鋼板上に３０〜７０面積％の範囲で複数個以上の島状又は凸状に焼結接合されていることも可能である。
さらに、より高面圧で、かつ、長い給脂間隔もしくは無給脂化を必要とする作業機ブッシュにおいては、焼結摺動層により多くの油溝やディンプル状の油溜りを設けることが好ましい。さらに、裏金鋼板上に凸部状にＦｅ系焼結摺動材料を焼結接合した鉄系焼結巻ブッシュがより好ましい。またその際の凸部の面積率は３０〜７０面積％であることが好ましく、さらに、その凸部が千鳥配列もしくはランダム配列されていることが好ましい。またさらに、摺動面における凸部のサイズは摺動方向の最大長さが１５ｍｍ以下となることが好ましいが、１０ｍｍ以下がより好ましい。
また、前記とは逆に、Ｆｅ系焼結摺動材料層中に油溝やディンプル状の油溜りを設けるＦｅ系焼結巻ブッシュにおいても、油溝、油溜りの面積率は３０〜７０面積％が好ましく、摺動方向の摺動材料部の最大長さは１５ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以下がより好ましい。
また、前述のように油溝、油溜り部に前記樹脂類や固体潤滑剤を充填することがより好ましい。
また、より高面圧で使用される、作業機ブッシュでは、前記油溝部での破損が危惧されるので、このような場合には、機械加工によって、油溝の深さが、裏金鋼板内部に届くように調整し、裏金鋼板と前記Ｆｅ系燒結摺動材料の接合面に応力が集中しないようにすることが好ましい。
前記のように高面圧下で、かつ耐土砂摩耗性が必要とされる部位に使われるＦｅ系焼結巻ブッシュを想定した場合には、前記Ｆｅ系焼結摺動材料はより高密度化され、その材料中の気孔率が１０体積％以下が好ましく、５体積％以下がより好ましい。
前記焼入れ硬化したＦｅ−Ｃ系合金粒中の母相が、３００℃以上で１回以上焼戻し処理された焼戻しマルテンサイト組織を主体とすることが好ましい。つまり、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中の焼入れ硬化したＦｅ合金相中の母相組織が、マルテンサイトを主体とすることは前述したとおりであるが、本発明においては、その摺動最表面部が摺動時の発熱によって顕著に焼戻される危険性が高く、最表面層部が顕著に焼戻し軟化されたり、顕著な引張応力を発生させることによって摩耗や割れを引起こす危険性が大きいことから、工具鋼や高速度鋼の焼戻し処理を参考にして、３００℃以上での焼き戻し処理を１回以上、より好ましくは２回以上施すことが好ましいこととする。
さらに、焼き戻し軟化抵抗性を高めることも重要であり、前記焼戻し処理後のＦｅ合金相の硬さがビッカース硬さＨｖ５５０以上、より好ましくはＨｖ６５０以上に高めることが好ましい。
また、空冷や油中冷却で焼入れ硬化させたＦｅ合金母相中にはマルテンサイト以外に軟質な残留オーステナイト相が多量に残留し、高面圧、低速摺動した場合に、耐焼付き性と耐摩耗性を劣化する危険性がある。そこで、本発明においては、高速度鋼の熱処理を参考にして、Ｆｅ−Ｃ系合金粒の母相中のマルテンサイト組織中の残留オーステナイト量を１０体積％以下に調整されることが好ましく、５体積％以下に調整されることがより好ましい。
さらに、前記Ｆｅ合金母相中のマルテンサイト組織中の固溶炭素濃度が０．６重量％以上に高い場合においては、残留オーステナイト量の顕著な増大と摺動面における微細なヒートクラックが発生しやすいことから、高速度鋼における固溶炭素濃度を参考（佐藤、西沢：日本金属学会会報、２（１９６３）、Ｐ５６４．）にして０．６重量％以下に調整することが好ましい。
なお、前記Ｆｅ合金相中（Ｆｅ−Ｃ系合金粒）には、前記特殊炭化物形成元素以外にも、Ｆｅ合金相中の母相の焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性、耐焼付き性の改善を目的にして、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選択された一種以上が含有されることが好ましい。
Ｓｉは、通常の鉄合金中には０．０５重量％以上含有され、脱酸作用と焼入性を向上させる元素であるが、さらに、４５０℃以下での焼戻し軟化抵抗性を高める元素であることから、０．５重量％以上に添加される場合が多いが、より多量の添加はＣｕ合金相中への過剰なＳｉの固溶によって脆化しやすくなるので、その上限添加量を５重量％、より好ましくは３重量％とする。
Ａｌは、脱酸作用と焼入性を高める元素であって、通常０．０１重量％以上添加されることが多いが、Ｓｉと同様に焼戻し軟化抵抗性を高めることから０．５重量％以上添加されることが好ましく、また、Ｓｉよりも顕著なフェライト安定化元素として作用し、焼入れ温度を高くなり過ぎたり、燒結温度においてもフェライト相が析出することを防ぐために、その上限添加量を１０重量％、より好ましくは７重量％とする。
Ｍｎは、脱硫作用と焼入性を顕著高める元素であって、通常０．３重量％以上含有されているが、さらに、前述のようにＦｅ系焼結材料の高温度側の液相燒結性を高めるとともに、Ｆｅ合金相中に残留オーステナイトを増量させるので、その上限添加量を１５重量％、より好ましくは１０重量％とする。
Ｎｉは前記特殊炭化物中から排出されて、Ｆｅ合金相の母相中に濃縮する元素であって、残留オーステナイトを顕著に増大させるために、４重量％以下、より好ましくは２．５重量％とする。
Ｃｒは焼入性を顕著高める元素であるとともに、顕著な炭化物形成元素であって、通常１．０重量％以上添加されるが、Ｃｒ７Ｃ３型炭化物を析出分散させるためには、５〜２５重量％を添加することが好ましい。
Ｍｏは焼入性を顕著高める元素であることから、通常０．１重量％以上添加されることが多いが、より顕著な焼戻し軟化抵抗性を発現させるために、１重量％以上添加することが好ましく、さらに、Ｍ６Ｃ、Ｍ２Ｃ型炭化物を析出分散させるためには、３〜２０重量％を添加することが好ましい。
Ｗは、Ｍｏと同様に顕著な焼戻し軟化抵抗を発現させるために、１重量％以上添加することが好ましく、さらに、Ｍ６Ｃ、ＭＣ型炭化物を析出分散させるためには、３〜２０重量％を添加することが好ましい。
Ｖは、極めて顕著な焼戻し軟化抵抗性を発現する元素であって、通常０．１重量％以上添加されるが、さらに、Ｖ４Ｃ３（ＭＣ型）炭化物を析出分散させるためには、０．５〜７重量％を添加することが好ましい。
Ｃｏは、前記特殊炭化物からは排出されて、Ｆｅ合金相中に濃縮する元素であって、Ｃｏ自身は焼戻し軟化抵抗性に大きく寄与しないが、Ａｌ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖの焼戻し軟化抵抗性をより促進する作用を有することから、その上限添加量は２０重量％、より好ましくは１０重量％とする。
その他Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ等の元素は、ＭＣ型炭化物を析出させる元素であることから、その添加量は０．０１〜２．０重量％とするが、より好ましくは経済性を考慮して１重量％を上限とする。
Ｐは、前述するように高温側の液相焼結性を促進する作用が顕著な元素であり、０．１重量％以上を添加することが好ましく、さらに、その上限添加量は、燐化物の形成による脆化を防止する観点から１．５重量％とする。
Ｓは、不純物元素として０．００５重量％以上が含有される元素であるが、Ｆｅ系焼結摺動材料の切削、研削加工性を改善するために、最大１重量％の添加されるが、より好ましくは０．５重量％とする。
Ｃは、硬質なマルテンサイトと前記特殊炭化物の形成に欠かせない元素であるとともに、高温側での焼結性を促進する元素であって、まず、マルテンサイト中の炭素濃度（０．３〜０．６重量％）と特殊炭化物量（５〜５０体積％）およびまたは黒鉛粒子（３〜５０体積％）、特殊炭化物量＋黒鉛粒子量（５〜５０体積％）を構成する炭素量として０．３〜１５重量％で含有される。
Ｎは、Ｆｅ合金粉末の溶製時や前記液相焼結時に含有されるものであるが、とりわけ、金型などの焼付き防止用として良く実施される軟窒化、窒化処理などの後熱処理によっても含有させることができるので、本発明のＦｅ系焼結巻ブッシュにこれらの後熱処理を施すことは好ましい。
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中のＣｕ−Ｓｎ系合金相においては、Ｓｎ以外にも、Ｆｅ系合金粉末間の焼結性を高める元素（Ｐ：０．１〜１．５重量％、Ｂ：０．０５〜１．５重量％、Ｃ：０．２〜３．０重量％、Ａｌ：１〜１０重量％、Ｓｉ：０．５〜３重量％、Ｍｎ：１〜２０重量％、Ｔｉ：０．１〜２重量％、Ｍｏ：０．１〜１０重量％）の一部が不可避的に固溶するが、Ｃｕ−Ｓｎ合金相の液相焼結時の融点を調整する目的や強度、硬さ、摺動特性、耐食性などの調整を目的として合金元素が添加されることが好ましく、本発明においては、Ｐｂ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ．Ｎｉ，Ｓｉ，Ｐの１種以上が含有されることが好ましい。
Ｆｅは前記仮焼結時や本焼結時に前記Ｆｅ合金粉末からＣｕ−Ｓｎ合金相へ固溶することによって含まれる不可避的な元素であって、その固溶濃度は１〜３重量％以内であって、また、後述する１０００℃での燒結によって、前記特殊炭化物を含む特殊鋼粉末のＦｅ成分が固溶して、特殊炭化物がＣｕ−Ｓｎ合金相中に分散するようになるので、Ｃｕ−Ｓｎ合金相の耐焼付き性や耐摩耗性が改善されることが期待される。
Ａｌは酸化性が強力で、かつ、窒素との反応性も高いことから、真空燒結雰囲気での燒結以外には積極的利用されるものでないが、真空燒結条件下で合金化する場合にはＣｕ合金を強化するのに好ましい元素であって、かつ、２〜１２重量％のＡｌを添加させることによってβ相を形成して、摺動特性を改善させる機能を持つ。
Ｔｉは酸化性が強力で、かつ、窒素との反応性も高いことから、真空燒結雰囲気での燒結以外には積極的利用されるものでないが、真空燒結条件下で合金化する場合にはＣｕ合金を強化するのに好ましい元素であって、かつ、Ｔｉ添加によってＣｕ合金層の融点が低下することによって、低温での燒結性に寄与すると共に、０．１重量％以上のＴｉ添加によって裏金鋼板との燒結接合性を顕著に高める。
さらに、Ｔｉは強力な炭化物形成元素であって、本焼結時において前記Ｆｅ系燒結摺動材料用混合粉末中に添加される炭素成分と反応してＦｅ系燒結摺動材料層中にＴｉＣを形成し、耐焼付き性と耐摩耗性を改善することが期待されるので、その添加量の上限値を２重量％とした。なお、Ｔｉを素粉末として添加した場合には、ＴｉＣが粗大に形成されやすいことから、相手摺動材料に対するアタック性に注意することが必要である。
Ｍｎは、Ｃｕに合金化させることによって融点を顕著に低下させ、燒結性を高めると共に、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｍｎ合金では、硬質なβ相を出現させ、前記Ｃｕ−Ａｌ−Ｓｎ系のβ相と同様の優れた摺動特性と耐摩耗性の改善が期待されるので、Ｃｕ−５〜３０重量％Ｍｎ相当量が添加されることが好ましい。
Ｎｉは、Ｃｕに合金化させることによって融点を高め、Ｃｕ合金をより強化すことが良く知れており、さらに、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ液相は前記Ｆｅ合金粉末との濡れ性を改善する好ましい元素であり、また、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ三元合金においては（スピノーダル分解反応による）顕著な硬化性を示すことが知られているので、Ｃｕ合金相中のＮｉ濃度が１〜３０重量％となるように添加されることが好ましい。
ＳｉはＣｕに合金化させることによって融点を低下させ、Ｃｕ合金をより強化するものであり、その添加量は、脆弱な金属間化合物の析出を防止するために、Ｃｕ合金相中のＳｉが〜５重量％以下になるように調整されることが好ましい。
Ｐは、Ｃｕ−Ｓｎ合金の脱酸作用と液相の流動性を高める元素として知られており、また、その脱酸作用によって、Ｃｕ−Ｓｎ合金が液相焼結する過程での発泡現象を抑制するものであるので、その下限添加量は０．１重量％とした。
ＭｏはＣｕ−Ｓｎ合金相にほとんど固溶せず、Ｃｕと金属間化合物も形成しない元素であるが、前記Ｆｅ系焼結摺動材料中の炭素成分とは、本焼結時に顕著な炭化物形成反応を示す元素であり、本焼結時においてはＭｏ２Ｃ，Ｍ６Ｃ等の炭化物を形成して、前記Ｔｉと同様に耐摩耗性の改善や耐焼付き性の改善に好ましい元素である。また、本焼結時においてもＭｏ粒を安定に分散させ、Ｍｏを固体潤滑剤として利用する場合においては、前記のようにＣ：０．４５〜５重量％の炭素と固溶限以上にＣｕをあらかじめ含有させたＦｅ系合金粉末を使用することが好ましい。
また、前記Ｍｏと同じ原理を利用することによって、黒鉛、ＢＮ，Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ，フェロＭｏ，Ｃｏ−Ｍｏ合金の粉末粒を分散させることができる。本発明の鉄系焼結複層巻ブッシュは、３〜３０体積％の黒鉛、Ｍｏ，ＢＮ、フェロＭｏ，Ｃｏ−Ｍｏ合金粒のうちのいずれか１種以上が分散されることが好ましい。とりわけ、黒鉛粒は安価で、３体積％以上を分散させることによって固体潤滑性が明確に出現するが、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の強度を低下させるので、その上限値を３０体積％とし、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中の全炭素含有量が１．２〜１３重量％に調整されることが好ましい。
また、本発明に係る鉄系焼結複層巻ブッシュにおいて、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に分散される、Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗの金属粉末、Ｍｏ金属間化合物を含有するＮｉＭｏ，ＣｏＭｏ，ＦｅＭｏの合金粉末，黒鉛，ＢＮ，ＣａＦ２の固体潤滑材粉末、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒのうちのいずれか１種以上の合金元素を主体とする特殊炭化物粉末、窒化物粉末、酸化物粉末の平均粒径が１〜５０μｍであり、前記粉末粒子が前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に３〜３０体積％分散されていることが好ましい。
前記黒鉛の平均粒子径が１μｍ以上５０μｍ以下の範囲であり、前記粉末が前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に３〜３０体積％分散されていることが好ましい。
また、前記黒鉛の粉末の平均粒径が１μｍ以上２０μｍ以下の範囲であり、前記粉末が前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に３〜３０体積％分散されていることがより好ましい。
前記鉄系焼結巻ブッシュには鍔部が設けられていることも可能である。
前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、Ｃ：１．５〜１５重量％、Ｃｕ：１０〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するものである。前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、３〜３０体積％の黒鉛粉末が含有され、Ｍｏ，ＢＮのいずれか一種以上が凝集分散されることが好ましい。前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中のＦｅ−Ｃ系合金粒を形成させる前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末に含有するＦｅ系合金粉末には、固溶限以上で且つ少なくとも２重量％以上のＣｕと０．４５重量％以上の炭素が含有されていることが好ましい。これによって混合させた黒鉛粉末とＦｅ−Ｃ系合金粉末の本焼結時における浸炭反応や溶解を防止することができる。
またさらに、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中に分散される黒鉛粒はその平均粒径が１〜５０μｍ（より好ましくは５〜５０μｍ）の範囲であることが好ましい。Ｆｅ系焼結摺動材料用混合粉末に粗大に造粒した黒鉛（粒子径０．１〜３ｍｍ）を添加させることも好ましいが、後述するようにその製造過程において機械的圧下を施す場合には、その粗大黒鉛が扁平化して摺動材料強度をより顕著に劣化させることから、平均粒径が１〜２５μｍで、前記混合粉末中のＦｅ合金粉末に比べ、より微細な黒鉛を使用し、その扁平化を防止すると共に、前記本焼結中において、その微細な黒鉛粉を凝集分散させることが好ましい。
前記気孔およびまたは黒鉛粒が分散されるＦｅ系焼結摺動材料においては、それらの気孔中に潤滑油もしくは潤滑油とワックスからなる潤滑組成物（グリースを含む）が充填されることによって、より耐焼付き性に優れ、給脂間隔の長時間化が図られる。本発明においても、焼結体強度を考慮して、前記焼結気孔および前記多孔質な黒鉛粒の合計含有量が５体積％以上５０体積％以下とすることが好ましい。また、潤滑組成物は、その滴点が６０℃以上となるように調整することが好ましく、その結果、より給脂間隔の長時間化に対応できる。
極めて硬質な前記Ｆｅ系焼結摺動材料層を裏金鋼板に焼結接合する方法としては、円筒状鋼管や円筒状焼結体もしくは成形体の内周面にその内径とほぼ同じわずかに小さい外径を持つ焼結高速度鋼や焼結工具鋼用粉末の成形体を配して、焼結時の寸法変化率の違いを利用する方法や焼結と同時にＣｕ合金を溶浸する方法（特開昭６２−２５３７０２）、さらに、焼結時に加圧しながら焼結接合させる方法がある。
前記硬質な前記Ｆｅ系焼結摺動材料層を裏金鋼板に焼結接合する複層Ｆｅ焼結摺動部材の製造方法においては、少なくとも、Ｃ：０．４〜５重量％、Ｃｕ：８〜４０（好ましくは８〜３０）重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系燒結摺動材料からなり、その摺動材料を構成するＦｅ合金粉と、Ｃｕ粉末、Ｓｎ粉末及びＣｕ合金粉末の少なくとも一方の粉末を配合した混合粉末、もしくは、さらに、その混合粉末に黒鉛粉末とを配合した混合粉末を裏金鋼板上に仮燒結接合する工程が一回以上と、その仮燒結層を機械的に圧下する工程が一回以上と、丸曲げ加工工程を施した後に、前記仮燒結接合温度より高温領域における本燒結（１０００℃以上）を施し、その燒結時において、主体（６５〜９８体積％）となる固相状態の０．４５重量％以上のＣを含有するＦｅ−Ｃ系合金粒と、液相状態のＣｕＳｎ系合金からなる液相焼結組織を形成させる工程とその後に急冷処理によって、前記Ｆｅ−Ｃ系合金粒を焼入れ硬化させる工程を具備するものである。複層Ｆｅ系焼結摺動部材は焼結接合性に優れるとともに、硬質で、耐摩耗性、耐焼付き性に優れ、上記製造方法によって安価に供給できるようになる。
なお、仮焼結接合や仮焼結状態の前記Ｆｅ焼結摺動材料層を機械的圧下させる理由は、前述したようにＦｅ系合金粉末同士やＦｅ系合金粉末と裏金鋼板との接合を強固にしないで、軟質なＣｕ、Ｃｕ−Ｓｎ合金相とＦｅ系合金粉末、裏金鋼板の接合性が確保される低温域で焼結し、加工性が発現できる状態で機械的圧下することをこの製造方法の特徴とし、さらに、より高温域での本焼結によって、鉄系合金粉末間の焼結と裏金鋼板との強固な焼結接合性を促進させ、高面圧下で、耐焼付き性に優れると共に、耐摩耗性に優れた鉄系焼結複層巻ブッシュを製造するものである。
また、少なくとも、前記Ｆｅ系焼結材料層を、仮焼結した後に機械的圧下する工程を一回以上施した後に、シャーリング加工、丸曲げ加工（ロールベンダー）、プレス加工、または、丸曲げ加工した裏金鋼板の両端部を溶接し、さらに、前記本焼結を施すことによって鉄系焼結複層巻ブッシュを製造することを特徴とする。
さらに、前記裏金鋼板においては、予め、その接合面側に前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料組成と異なり、仮焼結性に優れた中間焼結材料層を仮焼結接合したものを用いることが好ましい。
例えば、仮焼結接合性を改善する中間焼結材料としては、Ｃｕ−Ｓｎ系焼結材料が好ましく、また、仮焼結接合性の改善と含油量の増大および経済性を改善する中間焼結材料層としては、少なくとも、Ｃｕ：１０〜４０重量％、Ｓｎ：０．５〜１０重量％、Ｃ：０〜０．８重量％を含有するＦｅ系焼結材料好ましい。
なお、Ｃｕ，Ｓｎの添加量は前述した裏金鋼板との焼結接合性を考慮して決められるものであり、Ｃ量は中間焼結材料の強化を目的として適正に添加されることが好ましいが、前記仮焼結接合や仮焼結、本焼結からの冷却時に、粗大な初析セメンタイトが析出してその圧延時の焼結層の割れや接合面界面での剥離しやすくすることを考慮して、ほぼ共析組成となる０．８重量％を上限とした。
また、高濃度に黒鉛を分散させる前記Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料層を裏金鋼板に直接的に焼結接合する場合よりも黒鉛粒を分散させない前記Ｆｅ系焼結材料層を介して焼結接合する方法が、前記Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料層と中間焼結層との界面を凹凸かさせることによって、より強固に接合することは明らかである。
またさらに、前記Ｃｕ−Ｓｎ系焼結材料層は、前記本焼結時においては前記Ｆｅ系焼結摺動材料中に取り込まれものであるが、前記Ｆｅ系焼結材料は、本焼結時によっても１０〜３０体積％の通気孔が残留するように調整され、その気孔中に潤滑油もしくは潤滑組成物の含有量を増すことによって、給脂間隔の長時間化に適した作業機ブッシュの製造方法として好ましく、また、高価な前記Ｆｅ系焼結摺動材料の使用量を低減できることからより経済的であることは明らかである。
前記Ｆｅ系焼結摺動材料用の混合粉末においては、前記低温域での仮焼結時においてもＣｕ−Ｓｎ合金の液相が発生することから、Ｆｅ系合金と反応してカーケンドール効果による異常膨張現象が発現するので、本発明においては、その異常膨張現象を抑制するために、前記焼結摺動材料用のＦｅ合金粉末には、あらかじめ、Ｃ：０．４５重量％以上の炭素を含有させることを特徴とすると共に、前記仮焼結温度を１０００℃以下、より好ましくは９５０℃以下とする。
さらに、前記本焼結後のＦｅ系焼結摺動材料層の耐焼付き性と耐摩耗性を改善させるために、前記Ｆｅ系合金粉末中には、セメンタイトおよび／またはＣｒ７Ｃ３型特殊炭化物，Ｍ６Ｃ型特殊炭化物，ＭＣ型特殊炭化物およびＭ２Ｃ型特殊炭化物の内の一種以上が、その粒内においても微細に析出、分散されている特殊鋼粉末が全Ｆｅ合金粉末の５０〜１００重量％を構成することを特徴とする。
また、前記Ｆｅ合金粉末中には特殊鋼粉末が５０〜１００重量％含まれており、前記特殊鋼粉末は、０．４５重量％以上の炭素を含有し、さらに、５〜２５重量％のＣｒ、３〜２０重量％のＭｏ、３〜２０重量％のＷ、０．５〜７重量％のＶのいずれか一種以上を含有し、セメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型特殊炭化物，Ｍ６Ｃ型特殊炭化物，ＭＣ型特殊炭化物およびＭ２Ｃ型特殊炭化物のいずれか一種以上が５〜６０体積％析出、分散されていることが好ましい。また、前記Ｆｅ−Ｃ系合金相の粒内および粒界に析出、分散される特殊炭化物の平均粒径が１０μｍ以下に微細化されていることが好ましい。
また、前記特殊鋼粉末のように、あらかじめ、極めて微細な前記特殊炭化物が析出分散されている場合においては、本焼結後においても、それらの特殊炭化物が急激の成長し、粗大化することが無いので、相手摺動材料に対するアタック性を少なくするための炭化物サイズの制御が容易になる特徴を有することは好ましい。
さらに、前記焼結時の異常膨張を抑制することと、仮焼結時や、本焼結時の焼結性を改善するために、前記焼結摺動材料用のＦｅ合金粉末中には、あらかじめ、Ｃ：０．４５重量％以上の炭素と固溶限以上で、かつ、２重量％以上のＣｕを含有させ、さらに、前記Ｆｅ合金粉末はセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型特殊炭化物，Ｍ６Ｃ型特殊炭化物，ＭＣ型特殊炭化物およびＭ２Ｃ型特殊炭化物のいずれか一種以上が、その粒内においても微細に析出、分散されている特殊鋼粉末が５０〜１００重量％を構成することが好ましい。
また、前記ＣとＣｕがあらかじめ含有されるＦｅ系合金粉末を利用する場合においては、前記仮焼結時や前記Ｃｕ−Ｓｎ合金相が完全液相化する本焼結時において、Ｆｅ系合金粉末表面がＣｕ−Ｓｎ合金相によって被覆され、Ｃｕ−Ｓｎ合金と反応しない黒鉛、ＢＮ，Ｍｏ，Ｗ，フェロＭｏ，Ｃｏ−Ｍｏなどの固体潤滑粉末とＦｅ系合金粉末との反応性が防止され、これらの粉末粒子が凝集、分散される。そこで、本発明においては、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、少なくとも、Ｃ：１．５〜１５重量％、Ｃｕ：８〜４０重量％（好ましくは１０〜４０重量％）、Ｓｎ：０．５〜１０重量を含有するものであり、前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末は、０．４５重量以上のＣと固溶限以上で且つ２重量％以上４０重量％未満のＣｕとを含有したＦｅ合金粉末と、黒鉛粉末と、Ｃｕ粉末、Ｓｎ粉末及びＣｕ合金粉末の少なくとも一の粉末とを混合した混合粉末からなり、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、前記本焼結工程において前記仮焼結相を液相焼結して形成されたものであり、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層はＦｅ合金粒とＣｕ合金相からなる組織を有し、該組織中に平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下の配合黒鉛粒子が３体積％以上５０体積％以下（好ましくは３体積％以上３０体積％以下）で凝集・分散されている。
前記機械的圧下を施す場合に、粗大な黒鉛粉末やＢＮが配合されていると扁平状に変形するため、前記Ｆｅ系焼結摺動材料の強度的劣化が顕著になる危険性があるので、本発明においては、前記黒鉛粉末の平均粒径が１μｍ以上２０μｍ以下で、少なくとも前記Ｆｅ系合金粉末よりも小さくして、これら固体潤滑剤の扁平化を防止することを特徴とする。
より具体的な鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法としては、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を裏金鋼板上に散布して（例えば７５０〜１０００℃で）仮焼結することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する第１工程と、前記仮焼結層に機械的圧下（例えば圧延）を加えた後に、該仮焼結層に（例えば７５０〜１０００℃で）仮焼結する第２工程と、前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工して巻ブッシュを形成する第３工程、もしくは前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工した後に両端面を溶接して巻ブッシュを形成する第３工程と、前記仮焼結する時より高温（例えば１０００℃以上、好ましくは１０５０℃以上）で液相焼結して、前記仮焼結層をより強固に本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する第４工程と、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に急冷処理を施すことによって前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中のＦｅ合金相を焼入れ硬化する第５工程と、を具備することを特徴とする。
また、より具体的な鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法としては、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末をディスク状もしくはシート状に成形した成形体を裏金鋼板上に配置して仮焼結することにより、前記裏金鋼板上に仮焼結層を形成する第１工程と、前記仮焼結層に機械的圧下（例えば圧延）を加えた後に、該仮焼結層に（例えば７５０〜１０００℃で）仮焼結する第２工程と、前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工して巻ブッシュを形成する第３工程、もしくは前記仮焼結層及び前記裏金鋼板を丸曲げ加工した後に両端面を溶接して巻ブッシュを形成する第３工程と、前記仮焼結する時より高温（例えば１０００℃以上、好ましくは１０５０℃以上）で液相焼結して、前記仮焼結層をより強固に本燒結することにより、前記裏金鋼板上にＦｅ系焼結摺動材料層を形成する第４工程と、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に急冷処理を施すことによって前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中のＦｅ合金相を焼入れ硬化する第５工程と、を具備することを特徴とする。
また、鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法において、前記第１工程と前記第２工程との間に、前記仮焼結層の表面に、−＃２５０メッシュ以下の微細なＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を極薄く散布又は塗布又は被覆する工程をさらに具備することが好ましい。つまり、前記Ｆｅ系焼結摺動材料用混合粉末を鋼板上に散布して、仮燒結接する第１工程においては、その散布状況に応じては均一な摺切り表面が得られ難いことから、前記第２工程における機械的圧下前の燒結摺動材料層表面に、同じもしくは類似組成の−＃２５０メッシュ以下の微細なＦｅ系焼結摺動材料用混合粉末を極薄く被覆（散布、塗布）して化粧層を形成した後に、第２工程、第３工程もしくは第４工程以降を継続することを特徴とするが、より好ましくは前記Ｆｅ系焼結摺動材料用混合粉末よりも細かく、少なくとも、−＃２５０メッシュ以下の微細なＦｅ系合金粉末を使用することである。また、通常前記化粧層の厚さは、０．３ｍｍ以下で十分である。
また、前記第１工程と前記第２工程との間に、前記仮焼結層の表面に、軟質なＣｕ粉末もしくは少なくともＳｎを２重量％以上を含有するＣｕ合金粉末を極薄く散布又は塗布被覆する工程をさらに具備しても良い。つまり、前記化粧層として、前記Ｆｅ系焼結摺動材料用混合粉末の代わりに、軟質な、ＣｕもしくはＣｕ合金粉末を用いることにより、密度ムラや最表面部での切り欠き状の溝の発生を防止することができ、仮焼結鋼板のシャーリングによる切断面近傍欠けを防止することができる。
また、極薄く被覆されるＣｕ合金粉末としては、Ｓｎ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ、Ｐの内の一種以上が総量で２〜３０重量％含有されることによって、前記Ｆｅ系焼結摺動材料中のＣｕ−Ｓｎ合金層の硬さ、強度、摺動特性、耐食性など改質することができる。
さらにまた、前記第１工程と前記第２工程との間に、前記仮焼結層の表面に、前記Ｆｅ系焼結摺動材料の初期馴染み性を改善するＭｏ，Ｗ，黒鉛、ＣａＦ２等のうちの一以上を含む固体潤滑剤粉末又はＣｏ−Ｍｏ合金粉末を極薄く散布又は塗布又は被覆する工程をさらに具備しても良い。つまり、前記化粧層の材料として、前記Ｆｅ系焼結摺動材料の初期馴染み性を改善するＣｏ−Ｍｏ合金粉やＭｏ，Ｗ，黒鉛、ＣａＦ２等の固体潤滑剤粉末もしくはこれらの粉末とＣｕ合金からなる混合粉末を利用することも好ましい。
また、前記第２工程と第３工程との間に、前記仮焼結層に機械的圧下（例えば圧延）を施すことによって仮焼結層のより高密度化を図る工程をさらに具備し、前記第３工程における前記丸曲げ加工としてはローラベンダーおよびプレス曲げ加工の少なくとも一方を用いることによって前記仮燒結層の高密度化を図ることも可能である。換言すれば、前記第２工程を施した後に、圧延による機械的圧下を施す工程を追加し、続いて、ロールベンダーおよびまたはプレスを使った曲げ加工の第３工程においてにおいて、前記仮燒結摺動材料層の高密度化を図り、前記第４工程の本燒結を施し、第５工程の急冷処理ことによってより高密度のＦｅ系焼結摺動材料を裏金鋼板上に燒結接合することが好ましい。
なお、前記追加される機械的圧下は、前記仮燒結摺動材料層厚さの３０％以上を圧下させることが好ましいが、５０％以上圧下させることがより好ましい。
また、前記第３工程における曲げ加工もしくは丸曲げ加工後に両端面を溶接した巻ブッシュ内周部の前記燒結摺動材料層をサイジング又はコイニング処理によって、前記仮燒結摺動材料層を機械的に圧下した後に、前記第４工程の本燒結と前記第５工程の急冷処理を施すことが好ましい。
なお、前記の圧延による機械的圧下工程と本発明のサイジングを組み合わせることも好ましい。さらに、本サイジング処理は、巻ブッシュの真円度改善につながり、巻ブッシュの仕上げ加工の簡略化を可能とする好ましい方法である。
前記機械的圧下の際に、過度の圧下を施して前記Ｆｅ系焼結摺動材料層に微細なクラックを発生させた後、前記本燒結中に、その焼結摺動材料をより緻密化することによって前記クラックを開口させて油溝や油溜りとすることも可能である。
つまり、前記Ｆｅ系焼結摺動材料を高密度化させる場合には、適正なオイル潤滑用の油溝や油溜りをその摺動面に設けることが好ましい。そこで、本発明の鉄系焼結複層巻ブッシュにおいては、前記第５工程の急冷処理の前工程、好ましくは前記第４工程の本焼結前に機械加工することが好ましいが、さらに、本発明においては、前記機械的圧下（圧延、プレス）工程において、過度の圧下を施して前記燒結摺動材料層に微細なクラックを発生させた後、前記第４工程の本燒結によって前記クラックを成長させた溝を油溝、油溜りとして利用することも可能である。
仮焼結摺動材料層へクラックを導入する機械的圧下方法としては、圧延による方法が好ましく、この場合は、圧延方向とほぼ直角の方向に微細なクラックが導入され、巻ブッシュにおいては摺動方向に対してほぼ直角に波打ちながら導入されるので、油溝、油溜りとしてより好ましい。
また、クラック溝を導入した摺動面は、バレル加工が施され、その油溝や油溜りの縁部を滑らかに加工されることがより好ましい。
さらに、給脂時間の延長化を図るために、摺動面に多くの潤滑材を保持させることを必要とする場合には、前記仮焼結の工程後で、かつ、前記本焼結の工程前に、前記仮焼結層に面積率が３０〜７０面積％となるような油溝又は油溜りを形成することも可能である。
また、前記大面積率の油溝や油溜りを機械加工する場合の経済性が極めて問題になるので、本発明においては、前記裏金鋼板上に仮焼結するＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末が、島状に散布されるか、もしくはディスク状の成形体が面積率で３０〜７０面積％となるように配列されていることを特徴とする。
さらに、前記裏金鋼板上に仮焼結するＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末においては、油溜りや油溝形状が形成されていることが好ましい。また、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末層において、油溜りや油溝形状が形成されるように散布もしくは成形体が配置されることが好ましい。
また、前記各種の油溝や油溜りを設ける鉄系焼結複層巻ブッシュにおいては、より高面圧に対する耐荷重性が必要となる場合が多いので、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中の気孔率が１０体積％以下に高密度化したことが好ましい。
前記島状に散布されるか、もしくはディスク状の成形体に配列されたＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末が前記裏金鋼板に焼結接合されて形成された凹部や油溜り、油溝にプラスチックス材料および／または固体潤滑材料が充填されることも可能である。
なお、前記裏金鋼板上に仮燒結接合、仮焼結する工程においては、仮焼結温度が高い場合には、前記合金元素を多量に含有する特殊鋼粒が冷却過程で焼入れ硬化するので、その仮燒結温度を７５０〜１０００℃の範囲に調整することが好ましいが、より好ましくは７５０℃以上９５０℃以下とする。また、下限温度はＣｕ−Ｓｎ合金相が液相を発生し、前記仮焼結接合性を発現し始める温度として設定したものである。
また、前記裏金鋼板上に仮燒結接合する工程においては、その仮燒結後の冷却は前記炭素を含有するＦｅ合金粉末が硬化しないように徐冷することが好ましく、例えば、前記徐冷手段としては、少なくとも、５００〜７００℃まで炉冷することや、その温度範囲に調整した炉内を通しながら冷却する方法が好ましい。
また、前記本燒結の工程においては、その液相焼結温度を１０００℃以上とした場合に、前記裏金鋼板との強固な接合組織が発現し始めるが、前記Ｆｅ系焼結摺動材料がより強度を高めるとともに、裏金鋼板との接合強度をより高めるために、前記本焼結の温度を１０５０℃以上とすることがより好ましい。
また、Ｆｅ合金粒を形成させる前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末における特殊鋼粉末には、Ｃ：０．４５〜５重量％を含有すると共に、さらに、５〜２５重量％のＣｒ、３〜２０重量％のＭｏ、３〜２０重量％のＷ、０．５〜７重量％のＶのいずれか１種以上が含有されていることが好ましい。
またさらに、前記鉄系焼結摺動材料においては、その混合粉末中には炭素（黒鉛）が０．１〜３重量％含有され、前記本焼結時の粗大気泡の発生を防止するともに、前記本焼結時のＦｅ系焼結体の焼結性を高めることを特徴とする。
なお、前記鉄系焼結摺動材料においては、高温側の液相焼結時（本焼結時）のＦｅ系焼結摺動材料層（Ｆｅ系焼結体）の焼結性を高める、Ｐ：０．１〜１．５重量％、Ｂ：０．０５〜１．０重量％、Ｓｉ：０．５〜３重量％、Ｍｎ：１〜２０重量％、Ｔｉ：０．１〜５重量％、Ｍｏ：０．１〜１０重量％の１種以上が素粉末もしくは合金粉末として添加されていることが好ましい。
なお、前記Ｆｅ合金粒内中の焼入れマルテンサイト組織では、摺動面での摩擦熱によって最表面層部が焼戻された場合には、その最表面層が軟化されると共に引張り残留応力が発生し、ヒートクラックの発生や耐焼付き性の劣化が危惧される。そこで、本発明においては、３００℃以上の温度における焼戻し処理を施すことが好ましい。焼戻し処理後のＦｅ系焼結摺動材料層の硬さはＨｖ５５０以上であることが好ましい。
さらに、前記Ｆｅ合金粒が前記特殊鋼粉末からなる場合においては、顕著な残留オーステナイトが存在し、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層の耐焼付き性や耐摩耗性の劣化が危惧されるので、高速度鋼の焼戻し処理を参考にして、残留オーステナイト相が前記Ｆｅ合金粒の母相中に１０体積％以下となる焼戻し処理を施すことが好ましい。
なお、前記高速度鋼の焼戻し処理としては、複数回以上の５５０℃焼戻し処理、３５０℃での焼戻し処理＋５５０℃の焼戻し処理、深冷処理＋５５０℃の焼戻し処理などがあり、本発明においては、これらの処理を施しても良い。
なお、裏金鋼板は、前記急冷処理によって焼入れ硬化しない鋼種が選ばれるが、その硬さは、作業機ブッシュとしての圧入力および抜出し力を確保するために、ビッカース硬さＨｖ２５０〜４００以下となるように０．３５重量％以上の炭素を含有する鋼板とすることが好ましい。
前記Ｆｅ合金粉末においては、前記急冷処理によって硬化する焼入れ性と焼戻し軟化抵抗性を確保するために、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選択された１種以上が含有されていることを特徴とする。
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層中のＣｕ−Ｓｎ合金相には、前記Ｓｎ以外にも、Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａの一種以上が含有されることを特徴とする。
前記鉄系焼結複層巻ブッシュには、鍔部が設けられていることを特徴とする。
前記Ｆｅ系焼結摺動材料層は、焼結気孔及び多孔質黒鉛を有し、前記焼結気孔及び前記多孔質黒鉛の合計含有量が５体積％以上５０体積％以下であり、前記焼結気孔及び前記多孔質黒鉛それぞれの中に潤滑油もしくは潤滑組成物が充填されていることを特徴とするなお、前記潤滑油もしくは潤滑組成物の充填方法として、減圧充填方式などの従来技術が適用される。前記潤滑組成物の滴点が６０℃以下であることが好ましい。
（作業機連結装置）
次に、本発明による作業機連結装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図３０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）には、本発明の一実施形態に係る作業機連結装置の断面図が示されている。
本実施形態の代表的な作業機連結装置として、図３０（ａ）に示す油圧ショベルのアーム本体とバケットの連結装置では、アーム本体８に圧入される作業機ブッシュ１と、この作業機ブッシュ１の内径部を貫通するとともに、バケットフレーム２の穴を貫通するように配される円筒状の作業機ピン４とより構成されている。作業機ピン４の一端には作業機ピンの抜け止め用の鋼板３が一体化され、さらに、固定用リング５とボルト６によってバケットフレーム２に固定され、バケットが作業するときには作業機ピン４がバケットと共に回転し、作業機ブッシュ１との間で摺動する。そして、前記作業機ブッシュ１と作業機ピン４との間には、含油および／またはグリース等の潤滑材を蓄えることのできる構造の金属系摺動材料７が介在され、作業時における焼付き、異常摩耗等をその金属系摺動材料７に集中させるようにしてその補修性の改善が図られている。なお、前記金属系摺動材料７としては前述したＦｅ系焼結摺動材料層を用いる。
さらに、バケットフレーム２に固定される作業機ピン４のわずかなたわみに起因する微小な摺動によって、パケットフレーム２と作業機ピン４間で発生する異音（鳴き）を防止するためには、図３０（ｂ）に示されるようにバケットフレーム２に作業機ブッシュ９と金属系摺動材料１０を配することがより好ましい。なお、前記金属系摺動材料１０としては前述したＦｅ系焼結摺動材料層を用いる。
また、前記焼付き性や局部焼付きによる異状摩耗をできるだけ改善するために、前記作業機ブッシュ１および／または前記作業機ピン４との摺動面における材料の組み合わせを、５〜３０体積％の通気孔が含有される金属系多孔質焼結摺動材料とＨＲＣ４５以上の硬さに焼入れ硬化された鋼とからなるようにし、その金属系多孔質焼結摺動材料の気孔中に潤滑油を含有させるようにされている。ここで、図３０（ｃ）には、作業機ブッシュ１の内径部に溝を形成し、この溝に前記金属系摺動材料７を一体化した例が示され、図３０（ｄ）には、作業機ピン４の外径部に溝を形成し、この溝に前記金属系摺動材料７を一体化した例が示されている。なお、図３０（ｃ）において符号１１にて示されるのはシール装置である。
さらに、図３１（ａ）に示されるように、作業機ピン４と作業機ブッシュ１をシール装置１３またはシール装置１３とスラストリング１４を介して固定リング１５，１６で一体化し、本体への取り付け、取り外し性を簡便化するとともに、さらに、長時間の使用後に金属系摺動材料７の荷重面を変更できるようにするために、一体化した連結装置を本体に装着したままの状態でブッシュ固定ピン１２を緩めるか外して、作業機ブッシュ１を回転させる構造および／または固定リング５と固定ボルト６を緩めるか外して作業機ピン４が回転できるような構造にしても良い。
さらに、図３１（ｂ）に示されるように、ブラケット部が二分されたアーム本体８とバケットフレーム２を連結するにあたり、二分されたブラケット部それぞれに作業機ブッシュ１をシール装置１３またはシール装置１３とスラストリング１４を介して装着し、リング３０を介して作業機ピン４と固定リング１５，１６で一体化し、取り付けるようにしても良い。こうすることによって、作業機ブッシュ１を含めてブラケット部がコンパクトになり、取付け・取り外し性を簡便化することができる。さらに、長時間の使用後に金属系摺動材料７の荷重面を変更できるようにするために、一体化した連結装置を本体に装着したままの状態でブッシュ固定ピン１２を緩めるか外して、作業機ブッシュ１を回転させる構造および／または固定リング５と固定ボルト６を緩めるか外して作業機ピン４が回転できるような構造にすることもできる。
（鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法の具体例）
次に、本発明による鉄系焼結複層巻ブッシュの具体的な製造方法の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図３２（ａ）〜（ｈ）は、種々の鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法を模式的に示す図である。
図３２（ａ）に示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、裏金鋼板６１上に前述したＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末６２を散布し、仮焼結接合した後に、仮焼結層６３を圧延機によって圧下したものを丸曲げ加工し、本焼結することにより製造される。なお、仮焼結接合と圧延との間にコーティング散布を行っても良い。
図３２（ｂ）〜（ｈ）に示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、図３２（ａ）の圧延までの工程は同様であるので、説明を省略する。
図３２（ｂ）に示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、圧延後、丸曲げ加工を行い、サイジング、コイニングを行った後、本焼結することにより製造される。
図３２（ｃ）に示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、圧延後、再び仮焼結を行い、丸曲げ加工を行ったものを本焼結することにより製造される。
図３２（ｄ）示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、圧延後、再び仮焼結を行い、丸曲げ加工を行った後、サイジング、コイニングを行い、本焼結することにより製造される。
図３２（ｅ）示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、圧延後、再び仮焼結を行い、再び圧延機によって圧下したものを丸曲げ加工し、本焼結することにより製造される。
図３２（ｆ）示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、圧延後、再び仮焼結を行い、再び圧延機によって圧下したものを丸曲げ加工し、サイジング、コイニングを行い、本焼結することにより製造される。
図３２（ｇ）示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、圧延後、再び仮焼結を行い、再び圧延機によって圧下し、さらに再び仮焼結を行ったものを丸曲げ加工し、本焼結することにより製造される。
図３２（ｈ）示す鉄系焼結複層巻ブッシュの製造方法は、圧延後、再び仮焼結を行い、再び圧延機によって圧下し、さらに再び仮焼結を行ったものを丸曲げ加工し、サイジング、コイニングを行った後、本焼結することにより製造される。
（Ｆｅ系焼結摺動材料層を島状に焼結接合した例）
前述したようにＦｅ系焼結摺動材料層は、裏金鋼板上に３０〜７０面積％の範囲で複数個以上の島状又は凸状に焼結接合されていることも可能であるので、この島状に焼結接合された具体例について以下に説明する。
鉄系焼結複層巻ブッシュは、裏金鋼板の表面に、前記Ｆｅ系焼結摺動材料層よりなる複数個の独立した突出部を焼結接合し、この突出部によって形成される凹部を、潤滑油が摺動面に均一に流動するように連続して設ける構成とする。
つまり、鉄系焼結複層巻ブッシュは、各種形状の穴を持つシートを裏金鋼板に重ね、上方から前記Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を散布して前記シートの穴にその混合粉末を充填したものを、前述した方法で焼結接合し、巻ブッシュの形状に加工するものである。
図３３は、本発明の実施の形態による鉄系焼結複層巻ブッシュの一部を示す模式図である。
鉄系焼結複層巻ブッシュに使用する裏金としては板厚５ｍｍ，幅１５０ｍｍ，長さ１０００ｍｍのＳ４５Ｃ鋼板を用いて、またＦｅ系焼結摺動材料層の突出部を形成させる方法としては、厚さ４ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス製穴あきメタルシートを先の鋼板上に配置して、穴部に上述のＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を摺り切り散布した。なお、図３３に示されているように、穴あき部の面積率はすべて６２．５面積％に統一し、穴部の直径は例えば５，１０，１５，２０ｍｍとし、各ピッチ間距離を調整しても良い（Ｐ＝６，１２，１８，２４ｍｍ）。裏金鋼板上にＦｅ−Ｃ−Ｃｕ−Ｓｎ系焼結摺動材料用混合粉末を配した後のＦｅ系焼結摺動材料層の作製方法は、前述したとおりである。
（Ｆｅ系焼結摺動材料層を島状に焼結接合した他の例）
次に、島状に焼結接合された他の具体例について説明する。
鉄系焼結複層巻ブッシュは、Ｆｅ系焼結摺動材料層において高密度焼結層と低密度焼結層とを交互に分布させて、該Ｆｅ系焼結摺動材料層に含油された油脂が未摺動時および摺動時に、該Ｆｅ系焼結摺動材料層端面部から漏出するのを防ぐようにするものである。
図３４は、本実施の形態に係る鉄系焼結複層巻ブッシュの一部を示す断面図である。本実施の形態の鉄系焼結複層巻ブッシュ５１は、裏金鋼板５２と、この裏金鋼板５２の上面に一体的に形成された摺動潤滑層５３より構成されている。摺動潤滑層５３は、摺動部端面部および焼結体内部において密度が高くなるように散布・焼結・圧延された多数の略平行な筋状もしくは互いに交差する筋状のＦｅ系焼結摺動材料層５４を有している。このＦｅ系焼結摺動材料層５４を除く他の部分は多孔質のままで存在し、ゲル化剤入りの油が含浸された多孔質含油層５５となっている。なお、Ｆｅ系焼結摺動材料層５４は前述した方法で形成されるのである。
このように、鉄系焼結複層巻ブッシュ１の端面部に高密度の焼結体であるＦｅ系焼結摺動材料層が存在し、また内部にも含油層が連続しないように高密度のＦｅ系焼結摺動材料層が網目状に存在することによって、焼結体内部での油の移動が妨げられるので、一部の端面の高密度焼結体部であるＦｅ系焼結摺動材料層が崩壊して、端面部からの油流失を防ぐ防波堤がなくなったとしても、含油層が小さく島状に独立して分布していることにより、焼結体内部の油の移動が妨げられ油の損失が少なくてすむことになる。
【実施例】
【０００６】
次に、本発明の実施例による複層Ｆｅ系焼結巻ブッシュとその製造方法について図面を参照しつつ説明する。
（実施例１）
（各種Ｆｅ系燒結摺動材料の仮燒結性確認実験）
表１に示した三種のＣｕ合金混合粉末をあらかじめ準備し、表２に示した組成のＦｅ系燒結合金を本実施例で使用した。これらの燒結合金は、Ａ３００Ｍ（神戸製鋼、鉄粉末）、ＰＸ１６（三菱製鋼、高速度鋼粉末Ｆｅ−１．１重量％Ｃ−４重量％Ｃｒ−５重量％Ｍｏ−６重量％Ｗ−２重量％Ｖ）、ＫＭ１５（三菱製鋼、高Ｃｒ工具鋼粉末Ｆｅ−０．４５重量％Ｃ−１６重量％Ｃｒ−３重量％Ｍｏ−２重量％Ｖ）、−＃３５０メッシュ以下のアトマイズ銅粉末（福田金属），アトマイズＣｕ−３３重量％Ｓｎ粉末（福田金属），−＃２５０メッシュ以下アトマイズＳｎ粉末（福田金属）、平均粒径６μｍの黒鉛（ＬＯＮＺＡ社製、ＫＳ６）を用いて、組成調整したものであって、これら混合粉末を用いて図１に示す引張り試験片を成形圧５ｔｏｎ／ｃｍ２で成形し、７７０〜１０５０℃の各温度で１５分間真空焼結した後、６００℃まで炉冷し、かつ、６００℃で３０分間保持した後に、６００ｔｏｒｒのＮ２ガスで冷却したものである。
また、燒結温度から６００℃に炉冷するのは、燒結温度が高くなり過ぎた場合には、前記ＰＸ１６，ＫＭ１５合金が燒結温度からの直接Ｎ２ガス冷却によって、マルテンサイト変態し、焼入れ硬化することを避けるとともに、その相変態による顕著な膨張を避けるためである。
【表１】
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【表２】
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また、上記焼結試験片に関しては、その寸法変化率、ロックウェルＢ硬さ（ＨＲＢ）を調査した。
（１）寸法変化率と燒結特性
図２は、前記表１に示すＳｎ含有量を変えた混合粉末を２８．５重量％添加した表２に示すＡ１，Ａ５〜Ａ８、Ａ１１〜Ａ１３，Ａ１６，Ａ１７合金の燒結温度とその燒結体の寸法変化を示したものである。
（ａ）８６０℃以下においては前記Ｃｕ−Ｓｎ混合粉末の合金化に伴う膨張現象が全ての合金に認められる。
（ｂ）前記Ｃｕ−Ｓｎ混合粉末中のＳｎ量が多いほど、その膨張量は大きくなり、燒結体が多孔質化する。
（ｃ）炭素をあらかじめ含有しないＦｅ粉末を使ったＡ１，Ａ５〜Ａ７では、９００℃以上においては液相のＣｕ−Ｓｎ合金との拡散に伴う膨張が持続するのに対して、あらかじめ炭素を含有するＰＸ１６，ＫＭ１５を使ったＡ８，Ａ１１〜Ａ１３，Ａ１６，Ａ１７合金では９００℃以上に燒結温度を昇温するのに伴って、燒結性が改善され、緻密化する。
（ｄ）炭素をあらかじめ含有しないＦｅ粉末を使い、かつ、０．５重量％の黒鉛（Ｇｒ）を配合したＡ６合金においては、９５０℃以上で顕著な膨張を示すが、１０００℃以上では黒鉛がＦｅ粉末中に完全固溶化することによって燒結性が改善され、その燒結体が明確に収縮し始めることがわかる。
前記（ａ）〜（ｄ）の結果から、低温燒結温度では、過剰なＳｎ量の添加は、燒結体の膨張を促進し、後述する仮燒結工程後や仮燒結後の圧延による機械的圧下を困難にすることがわかる。従って、少なくとも、Ｆｅ系燒結体中のＣｕ量とＳｎ量がＣｕ−１６重量％Ｓｎ以下の関係、より好ましくはＣｕ−Ｓｎ２元系状態図を参考にして、脆弱な金属間化合物が低温燒結後の冷却過程で多量に析出しないＣｕ−１３重量％以下の関係を満足させることが好ましい。
また、図３は、Ｃｕ−１２重量％Ｓｎに配合した混合粉末の添加量を９〜２８．５重量％に調整したＡ２〜Ａ６，Ａ９〜Ａ１１，Ａ１４〜Ａ１６合金の燒結寸法変化率を示したものであるが、
（ｅ）Ｃｕ−Ｓｎ混合粉末の配合量を多くするのに伴って、その膨張性が増大すること
（ｆ）前記（ａ）〜（ｃ）とほぼ同じ結果が観測されること
などがわかる。
（２）燒結温度と硬さ（ＨＲＢ）の関係
図４は、表２に示すＡ１〜Ａ１２合金の燒結体硬さ（ロックウェル硬さ  ＨＲＢ）と燒結温度の関係を示したものである。表２に示した鉄粉末Ａ３００Ｍを主体とするＡ１〜Ａ５とＡ７合金では、９００℃以上の温度で燒結した場合には、その燒結体硬さが低下する傾向があり、その原因が前記燒結体の膨張によると考えられ、黒鉛を添加したＡ６合金では、９００℃以上で、前記燒結体の膨張が大きくなるにもかかわらず、配合黒鉛が鉄粉末中に固溶し始めることによって、燒結体中のＦｅ粒子の硬さが増大し、強化されていることがわかる。
また、あらかじめ炭素を含有するＰＸ１６特殊鋼粉末を主体とするＡ８〜Ａ１２合金では、８５０℃以上の温度で燒結性が改善され、それらの燒結体硬さも急速に増大し、燒結体強度が増大するが、８５０℃以下においては前記図２、図３に示したように顕著な膨張を示すことから、その燒結体の硬さ（強度）が、前記Ａ１〜Ａ７合金のそれよりも低いことがわかる。
また、図５は、あらかじめ炭素を含有するＫＭ１５特殊鋼粉末を主体とするＡ１３〜Ａ１７合金の燒結体硬さ（ロックウェル硬さ  ＨＲＢ）と燒結温度の関係を示したものであり、前記Ａ８〜Ａ１２合金と同様の傾向を示すが、とりわけ、８５０℃以下での燒結性は、前記Ａ８〜Ａ１２合金の場合よりも優れていることがわかる。
（実施例２）
（各種Ｆｅ系焼結摺動材料の本焼結性確認実験）
表３−１及び表３−２に、本実施例に用いたＦｅ系焼結摺動材料の合金用混合粉末組成が示されている。これらの摺動材料は、前記実施例１で使用した原料粉末以外に、ＡＳＣ３００（ヘガネス社製鉄粉末）、Ｍ２（三菱製鋼、高速度鋼粉末Ｆｅ−０．８重量％Ｃ−４重量％Ｃｒ−５重量％Ｍｏ−６重量％Ｗ−２重量％Ｖ）、ＳＵＳ４４０Ｃ（日本アトマイズ社製、Ｆｅ−１．１重量％Ｃ−１７重量％Ｃｒ）、電解銅粉末（福田金属ＣＥ２５），−＃３５０メッシュ以下のＴｉＨ、電解Ｍｎ、Ｎｉ、燐鉄（２５重量％Ｐ）、平均粒径５μｍのＭｏ、＃２００メッシュ以下のＦｅ−１６重量％Ａｌ−２５重量％Ｃｕ、Ｆｅ−１６重量％Ａｌを用いて組成調整したものであり、これらの混合粉末を用いて、前記引張り試験片を成形圧５ｔｏｎ／ｃｍ２で成形し、１０００〜１２００℃の各温度で１時間真空焼結した後、６００ｔｏｒｒのＮ２ガスで冷却し、それらの焼結寸法変化率を測定することによって、その合金系の焼結性を調査した。
【表３−１】
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【表３−２】
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図６はＢ１〜Ｂ１１の合金について、その燒結温度と寸法変化率の関係を示したものである。Ｂ１〜Ｂ５のＦｅ−Ｃｕ系においては、Ｃｕが液相化する１０８６℃以上の１１００℃で明確に膨張し、さらに、１２００℃においても、十分な緻密化を達成しないことがわかる。
さらに、Ｂ５とＢ８合金の寸法変化率を比較することによって、２重量％のＳｎ添加によって、Ｃｕの液相がより低温から発生し、燒結体の膨張性が増大されることがわかる。
また、Ｂ５とＢ６，Ｂ７合金の寸法変化率を比較することによって、炭素の添加によって、前記Ｂ１〜Ｂ５合金で観察された１１００℃での膨張が抑制されると共に、炭素含有量を増量させることによって、急速に燒結性が改善され、より緻密化することがわかる。
また、Ｂ９（Ｆｅ−１６重量％Ａｌ合金粉末）合金は、Ｂ１鉄粉末と同様の寸法変化挙動をしめすが、それに２５重量％のＣｕ粉末を添加した合金（Ｂ１０）の寸法変化率は、例えばＢ４、Ｂ５のいずれの場合よりも、１０００℃以上の高温燒結によって顕著に燒結性が促進されることがわかる。
さらに、Ｆｅ−１６重量％Ａｌに対するＣｕの固溶限度（約２０重量％Ｃｕ）以上の２５重量％のＣｕをあらかじめ含有させたＦｅ−１６重量％Ａｌ−２５重量％Ｃｕ合金粉末（Ｂ１１）では、１０００℃の膨張現象を示すことなく、かつ、より燒結性が促進されて、顕著に緻密化することがわかる。
図７は、表３−１に示したＢ１１〜Ｂ１９合金の焼結後の寸法変化率を示したものである。Ｂ１１〜Ｂ１４合金の比較によって、Ｆｅ−１６重量％Ａｌ−２５重量％Ｃｕ合金にＣｕ粉末を添加させることによって、１１５０℃以下の燒結性が促進され、逆に、１２００℃以上では５重量％以上のＣｕ添加によってオーバー燒結状態になって、燒結密度が低下すことがわかる。
また、Ｂ１３とＢ１５〜Ｂ１９の寸法変化率を比較することによって、Ｍｏ，およびＮｉ−Ｍｏの複合添加、Ｔｉ、Ｍｎの添加が顕著な燒結性を阻害化することが無いことがわかり、また、Ｓｎの添加によっては燒結性に対する促進がより低温側から開始されることがわかり、前記本焼結温度を低減させる有効な元素として利用されることがわかる。
また、図８、図９には、Ｂ１５とＢ１６の１２００℃での燒結組織を示したが、燒結時に発生するＣｕ合金液相とほとんど反応しないＭｏは、Ｍｏ相として分散し、また、Ｎｉ−Ｍｏを複合添加した場合には、ＮｉとＭｏが優先的に合金化反応を起こして、Ｎｉ−Ｍｏ系金属間化合物として分散することがわかる。従って、あらかじめ固溶限以上にＣｕを含有させたＦｅ系合金粉末中にＭｏを配合させたＦｅ系燒結摺動材料においては、固体潤滑剤としてのＭｏが有効に利用されることがわかる。また、前記Ｎｉ−Ｍｏのような複合添加によって耐焼付き性と耐摩耗性の向上に期待されるＭｏ系金属間化合物を分散させることができる。
図１０は、Ｂ１４とＢ２０〜Ｂ２７合金の焼結後の寸法変化率を示したものであり、後述するように、配合黒鉛粉末は燒結体中に分散することによって、燒結による緻密化が抑制されていることがわかる。１０００℃では、Ｃｕ系合金の液相が発生しない固相燒結、１１００℃ではＣｕが完全に液相化する液相燒結、１２００℃では、少なくとも２重量％の黒鉛を含有する合金においてはＦｅ−Ｃ系の液相が発生しはじめ、４重量％の黒鉛を含有する合金においては完全にＦｅ−Ｃ系合金が完全に液相化する温度にもかかわらずに、溶損していないことがわかる。後述するように、この原因が配合黒鉛粉末とＦｅ合金との合金化反応を、あらかじめＦｅ合金粉末中に固溶限以上に含有させたＣｕによって発生するＣｕ合金系液相が阻止していることは明らかである。
図１１（ａ）〜（ｄ）はＢ７，Ｂ１１、Ｂ１３とＢ２０の１２００℃での燒結組織を示したものである。
［１］Ｂ７では、配合した１．２重量％の黒鉛は、Ｆｅ粉末中に固溶し、一部白色のセメンタイト炭化物が析出していること、
［２］Ｂ１１と比べ、Ｂ１３では１０重量％Ｃｕの添加によって、燒結時により多くの液相が発生し、大きな結晶粒に成長し、さらに、
［３］Ｂ２０では配合した微細な黒鉛が、前記Ｆｅ−１６重量％Ａｌ−２５重量％Ｃｕ合金粉末中に固溶することなく、凝集しながら微細に分散して、Ｆｅ−１６重量％Ａｌ−２５重量％Ｃｕ合金相の結晶粒成長を抑制することがわかる。
また、図１２（ａ）〜（ｆ）は、Ｂ２１〜Ｂ２６合金の１２００℃で燒結した組織を示したものであり、微細な黒鉛粒子（平均粒径６μｍ）が凝集しながら、粒界上にほぼ均一に、高濃度に分散することがわかる。さらに、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、その燒結温度（１２００〜１０００℃）を下げることによって、分散する黒鉛粒子を微細化できることがわかる。また、前記のように固溶限以上にＣｕをあらかじめ含有するＦｅ系合金粉末を活用することによって、配合黒鉛粉末をＦｅ系合金中に固溶させないで、微細な配合黒鉛を適正に凝集、分散させたＦｅ系燒結摺動材料が、前記分散する黒鉛の自己潤滑性と黒鉛の多孔質性を利用して優れた摺動特性を示すことは明らかである。
また、図１４は、黒鉛分散量と引張強度の関係を示したものである。従来の含油軸受の圧環強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上（引張強度：約１００Ｎ／ｍｍ２以上）であることを参考にすると、本Ｆｅ系焼結摺動材料では９重量％黒鉛まで添加されてよいことがわかる。５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の高面圧下で使用する場合には、面圧の３倍の引張強度である１５０Ｎ／ｍｍ２以上であることが好ましいので、黒鉛の添加量を７重量％以下とすることがより好ましいことがわかる。さらに、前記Ｆｅ系合金相をより強化したり、耐摩耗性を改善するためには、前記Ｆｅ系合金粉末として固溶限以上のＣｕのほかに適正量の炭素を含有させておくことによって、焼結後に焼入れ硬化などの熱処理を付加することが好ましい。
図１５は、表３−２に示した前記Ｍ２特殊鋼粉末をベースにしたＢ２８〜Ｂ４０合金の燒結後の寸法変化率を示したものである。また、図１６は、前記ＳＵＳ４４０Ｃ粉末をベースにしたＢ４１〜Ｂ５３の燒結後の寸法変化率を示したものである。
Ｂ２８、Ｂ４１の結果からは、炭素をあらかじめ含有するＦｅ系合金粉末とＣｕ粉末からなる燒結体においては、前記Ｂ２〜Ｂ５で観察されたＣｕ粉末添加による膨張現象が発現されないことがわかる。
また、Ｂ２８とＢ２９〜Ｂ４０合金の寸法変化率との比較によって、以下のことがわかる。
［１］前記燐鉄合金（Ｆｅ−２５重量％Ｐ）によって、その燒結性が顕著に改善され、より緻密化する（Ｂ２９）、
［２］Ｓｎ，Ｓｉの添加によって、僅かに燒結性が改善される（Ｂ３０，Ｂ３６）。
［３］Ｍｏの添加は、僅かな緻密化抑制作用を示す（Ｂ３４，Ｂ３５）、
［４］黒鉛の添加によって、その燒結性が顕著に促進されてより緻密化し、（Ｂ３１，Ｂ３７）、Ｔｉと黒鉛を添加し、ＴｉＣを分散させた燒結体においても緻密化される（Ｂ３３）、
［５］Ｍｎの添加によって、より低温側における燒結性が顕著に改善され、低温側からより緻密化し始める（Ｂ３８）、
［６］Ｆｅ５０重量％Ａｌ母合金による、Ａｌ添加によって、顕著な膨張性が発現する（Ｂ３９，Ｂ４０）
とりわけ、Ｐ、Ｃ（Ｍｎ）が燒結における緻密化制御元素として重要であり、これらと類似するＢの添加も好ましいことがわかる。
またさらに、Ｂ４１とＢ４２〜Ｂ５３合金の寸法変化率との比較によって、Ｃｒ７Ｃ３型炭化物を析出分散する高Ｃｒ鋼ベース燒結体においても、前記Ｍ２特殊鋼ベースの燒結体と同様に、燐鉄、黒鉛、Ｍｎの添加によって燒結性が促進され、Ｆｅ５０重量％Ａｌ母合金の添加によって顕著な膨張性が発現することが確認されるが、とりわけ、Ｐ添加が最も顕著な燒結促進作用を示すことから、少なくとも、Ｐ、黒鉛もしくはＢの内の１種以上が含有されることがきわめて重要であることがわかる。
図１７は、Ｂ５４〜Ｂ６５合金の燒結寸法変化率を示したものである。Ｆｅ粉末（ＡＳＣ３００）とＭ２もしくはＳＵＳ４４０Ｃを混合したＢ５４〜Ｂ５７合金では前記Ｃｕ粉末の混合に起因する膨張性が黒鉛粉末の添加によって認められなくなり、その収縮性は、前記図６中のＢ７合金の例と比較してより明らかに増加しており、これが、あらかじめ炭素を含んだＭ２、ＳＵＳ４４０Ｃの添加によることは明らかであるが、十分な緻密化を達成するものではないことがわかる。
また、あらかじめＣｕを含有させたＦｅ−１６重量％Ａｌ−２５重量％Ｃｕ（Ｃｕの固溶度；約２０重量％）合金粉末にＭ２もしくはＳＵＳ４４０Ｃを混合したＢ５８〜Ｂ６０、Ｂ６２〜Ｂ６４合金においては、顕著な燒結収縮性が発現されることわかる。
なお、Ｂ６１、Ｂ６５合金においては、あらかじめＣｕを含有し、燒結時においてＣｕ合金の液相を発生するＦｅ−１６重量％Ａｌ−２５重量％Ｃｕ合金粉末量が少ないために、前記燒結時の収縮性が減じて、前記黒鉛を混合したＢ５６、Ｂ５７に近くなるが、Ｍ２，ＳＵＳ４４０Ｃの添加量が５０重量％程度までは緻密化されることが期待できる。
さらに、燒結性に優れた前記Ｍ２やＳＵＳ４４０などの高速度鋼粉末としては、Ｆｅ−１６重量％Ａｌ−２５重量％Ｃｕ（Ｃｕの固溶度；約２０重量％）合金粉末の同じように、あらかじめ、固溶限以上にＣｕを含有させることが好ましい。
（実施例３）
（Ｆｅ系焼結巻ブッシュの製造１）
表４に、本実施例に用いたＦｅ系焼結摺動材料の合金組成が示されている。これらの摺動材料は、前記実施例１、２で使用した原料粉末を用いて組成調整したものである。これらの混合粉末を４ｍｍ厚さのＳＰＣＣ鋼板上に１．４ｍｍの厚さで散布し、９００℃で１５分間仮燒結接合した後に、約５０％燒結層を圧延機によって圧下し、再度９００℃で１５分間仮燒結した後に一旦冷却し、１０００〜１２００℃の各温度で３０分本焼結した後に各燒結温度から６００ｔｏｒｒのＮ２ガスによって急冷したものを組織観察し、各合金系の焼結性と裏金鋼板との強固な接合強度が確保される下限の本焼結温度について調査した。
図１８（ａ）〜（ｆ）には、Ｃ６，Ｃ８合金の仮焼結（９００℃）後と、さらに、１０００℃、１０５０℃の本焼結後に前記Ｎ２ガス冷却した焼結層断面組織を示したものである。１０００℃の本焼結によって、裏金鋼板と焼結層の接合界面において、ＰＸ１６の拡散層が形成されると共に、その拡散方向に伸長したＣｕ合金相粒子が分散した特有の接合界面組織を形成すことがわかり、強固な接合強度を有する複層部材を得るためには、本焼結が１０００℃以上で実施されることが必要であり、好ましくは焼結層がより緻密化される１０５０℃以上に設定されることが良いことがわかる。
また、図１９（ａ）〜（ｄ）は、Ｃ９，Ｃ１０合金の焼結層組織と本焼結温度との関係を示したもので、１０５０〜１１７０℃の温度範囲で緻密な焼結組織の得られることがわかる。さらに、本合金系では１２００℃の本焼結では、過剰焼結（オーバーシンタリング）状態に入り、多孔質化し始めることが分かった。
さらに、図２０（ａ），（ｂ）は前記仮焼結後に圧延を施さずに、１１３０℃、３０分の本焼結後にＮ２ガス冷却したＣ１２，Ｃ１４合金の焼結層断面組織を示したものであり、前記図１９に示した各組織に比べ、含油焼結摺動材料に適した多孔質組織の得られることがわかった。
【表４】
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（実施例４）
（Ｆｅ系焼結巻ブッシュの製造２）
表４に、本実施例に用いたＦｅ系焼結摺動材料の合金組成が示されている。これらの摺動材料は、前記実施例１、２で使用した原料粉末を用いて組成調整したものである。これらの混合粉末を４ｍｍ厚さのＳＰＣＣ鋼板上に１．４ｍｍの厚さで散布し、９００℃で１５分間仮燒結接合した後に、約５０％燒結層を圧延機によって圧下し、再度９００℃で１５分間仮燒結した後に一旦冷却し、さらに、圧延機によって圧延率０％と５５％の機械的圧下したものを１１００℃で３０分間本燒結した後に、各燒結温度から６００ｔｏｒｒのＮ２ガスによって急冷したものを組織観察し、各合金系の焼結性を調査した。また、前記圧延率は圧延工程の前後における複層部材の厚さの変化量を焼結層厚さで除した値を用いるが、さらに、焼結層厚さは、圧延時において裏金厚さが変らないものとして圧延前の複合部材厚さから裏金厚さを差し引いた値を用いた。なお、前記圧延率は、圧延によって前記複層部材に顕著な伸びが発生しない圧延率範囲内では、焼結層の圧下率を適正に表示できるが、強圧延を施した場合においては、裏金も圧下されることは明らかであり、前記圧下率は便宜的なパラメータとなることは明らかである。
前記表４の右欄には、仮焼結接合後の焼結層を約５０％圧延したときの圧延性を表示したが、すべての合金水準において、裏金鋼板との剥離や焼結層にクラックが発生することなく圧延できることを確認し、前記仮焼結接合性を確保しながら、第１回目の圧延によって焼結層を十分に圧下できる合金としては、８重量以上の前記Ｃｕ−Ｓｎ系混合粉末を添加することが必要であり、好ましくはその添加量は１０重量％以上とすることがわかる。
また、前記表４の最右欄には、前記９００℃の仮焼結後の焼結層に圧下率約５５〜６７％の圧延を施したときの圧延性を評価した結果を示したが、明らかにＣ１合金においては微細なクラックが多発し、Ｃ２，Ｃ３合金においてはわずかに微細なクラックが発生することがわかった。
図２１（ａ）〜（ｃ）は、Ｃ２合金の仮焼結層に圧下率６０％の圧延を施し後に１１００℃、３０分の本焼結を施し、その本焼結温度からＮ２ガス冷却したものの外観と断面の組織写真を示したものである。前記圧延時に発生した微細なクラックが、本焼結によって、波状の溝を形成し、その断面組織から、その溝幅は約２００μｍ以上に成長しており、また、裏金鋼板との接合強度を劣化させるクラックを発生していないことがわかる。さらに、その接合界面においては、焼結摺動材料のＰＸ１６と裏金鋼板とが十分拡散しあって一体化し、その界面近傍では前記拡散方向に伸長したＣｕ合金相が分散した強固な接合界面を形成しいていることから、これらのクラック溝が摺動面における油溜りや油溝として極めて有効に利用されることがわかる。
また、摺動材料部を拡大した図２１（ｃ）から、その摺動材中においては、Ｃｕ合金相はわずかに粒状に点在する程度であって、その摺動材料が、ほぼＰＸ１６の焼結高速度鋼と同じ特性を有し、優れた耐摩耗性、耐焼戻し軟化抵抗性、耐焼付き性、低摩擦係数化を有することがわかる。
さらに、図２２（ａ）〜（ｅ）はＣ３〜Ｃ５、Ｃ７、Ｃ１１合金の仮焼結層に圧下率約６０％の圧延を施した後、前記本焼結とＮ２ガス冷却を施したものの断面組織を示したものである。Ｃ３〜Ｃ５合金およびＣ７、Ｃ１１合金の比較から、０．５重量％以上の黒鉛が配合された焼結層がより緻密に焼結化されていることがわかる。また、図２２（ｂ）（Ｃ４合金）の気孔が粗大気孔であることから、本焼結時における発生ガスの焼結層中からの抜けを促進する黒鉛を微量添加することが好ましいことがわかる。
また、表４中のＣ１２〜Ｃ１９合金についても、前記と同様に圧延性について評価した結果を記載したが、Ｃ１２〜Ｃ１７においては過剰な圧下率で圧延した場合に、わずかに微細なクラックが入ることがわかった。
図２３（ａ），（ｂ）、図２４（ａ），（ｂ）、図２５（ａ），（ｂ）、図２６（ａ），（ｂ）には、Ｃ１３，Ｃ１５，Ｃ１７，Ｃ１９合金の１１００℃本焼結後の断面組織を示したが、前記ＰＸ１６特殊鋼粉末を使った場合と同様に、その焼結摺動材は緻密に焼結されていることがわかる。
また、Ｃ１９合金の断面組織を拡大した図２７及び図１８からは、その焼結摺動材料中のＫＭ１５中にはＣｒ７Ｃ３炭化物が高密度に分散し、かつＣｕ合金相が粒状に分散されていることがわかる。
また、図２７（ａ），（ｂ）、図２８（ａ），（ｂ）には、Ｃ１３，Ｃ１７合金を前記仮焼結した後に、３５０メッシュ以下の微細なＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金粉末を表面に極薄く散布した後に圧下率約６５％で圧延した後、前記本焼結、Ｎ２ガス冷却を施した断面組織を示したものである。前記軟質なＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金の散布によって、強圧延時のクラック発生を抑制すると共に、より高密度に焼結層を仕上げることができることがわかった。
さらに、前記図２０（ａ），（ｂ）の含油焼結摺動材料に適した多孔質組織に比べ、仮焼結後に圧延などで、機械的圧下を加えることによって、前記図２３〜図２６、図２７、図２８に示した高密度な焼結組織が得られることがわかる。
（実施例５）
（Ｆｅ系焼結巻ブッシュの製造３）
実施例３，４と同じＣ４，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ９合金を使って、仮焼結温度を８２０℃として仮焼結し、仮焼結後の圧下率を２０〜１００％を変えて圧延し、本焼結条件１１００℃、３０分を実施した。その結果、８２０℃仮焼結後の圧延においては、極めてその圧延性が優れ、１００％圧下率においても前記すべての合金系において微細クラックの発生が認められず、仮焼結接合と仮焼結温度が仮焼結後の圧延性に重要な影響を与えることがわかった。
また、この原因は、実施例１で調査したように、前記焼結材料中の軟質性の高いＣｕ−Ｓｎ合金相が十分な焼結性が確保され、かつ、鉄系粉末同士の焼結が促進されないことが重要であることを示唆している。また、図４に示した実施例１の結果から、仮焼結温度としては７７０℃であっても良いことがわかり、仮焼結温度の下限値が７５０℃と設定されるが、７７０℃がより好ましい。
また、仮焼結の上限温度は、前記図４の結果と実施例４の圧延性確認結果から１０００℃と設定されるが、９５０℃ないしは９００℃がより好ましいことがわかる。
（実施例６）
（軸受摺動試験）
本実施例で使用した焼結合金組成を表５に示した。Ｄ１〜Ｄ８は前記表４に記載のＣ２，Ｃ６，Ｃ９，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１６，Ｃ１９合金を使ったものであり、Ｄ１１〜Ｄ１３は、表６に示したあらかじめ炭素とＣｕを含有したＦｅ−Ｃ−Ｃｕ系合金粉末を主体としたものである。
【表５】
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【表６】
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また、比較ブッシュとして比較１には多孔質な含油焼結ブッシュ、比較２、３にはＳＣＭ４２０炭素鋼鋼管の内周面にスパイラル状に約２ｍｍ幅の油溝を面積率１０％、３５％となるように加工したものを浸炭焼入れしたブッシュを使用した。
前記実施例２、３に記載の方法に従って、仮燒結後、もしくは仮焼結後に圧延を施した前記複層部材をロールベンダーを用いて丸曲げ加工した後に、さらに、プレスで内径７０ｍｍに強制し、裏金鋼板の両端部をＴＩＧ溶接した巻ブッシュに本焼結（１１００〜１１７０℃）、Ｎ２ガス冷却を施したものを図２９（ａ）に示す軸受試験用ブッシュ形状に加工し、またさらに、エンジンオイルＷ３０を真空含油して軸受試験に供した。なお、Ｄ１〜Ｄ４、Ｄ１３は５５０℃で１ｈｒ、Ｄ５〜Ｄ１２は２００℃で１ｈｒの焼戻し処理を施したものである。
軸受試験装置の概念図を図２９（ｂ）に示すが、前記ブッシュの相手材はＳ５３Ｃ材を機械加工後に、高周波焼入れ、１８０℃、１ｈｒの焼戻し処理を施したシャフトを利用した。また、Ｄ１，Ｄ５については前記クラック溝を導入したブッシュ、Ｄ３，Ｄ１０については機械加工によって前記面積率３０％のスパイラル状の油溝を形成させたものについても評価した。
またさらに、Ｄ１１〜Ｄ１３は多量の多孔質黒鉛粒子を分散させたものであって、多孔質焼結摺動材料となる。
本試験においては、揺動角５°として、１Ｈｚ間隔で揺動回数１０００回毎に面圧を５０ｋｇｆ／ｃｍ２毎に昇圧して異常な摩擦係数（０．２５以上）や焼付きが発生する面圧と焼付き前もしくは面圧４００ｋｇｆ／ｃｍ２における摩擦係数を調査し、その結果を、表５中に記載した。なお、前記軸受試験機が負荷できる最大面圧は１８００ｋｇｆ／ｃｍ２である。
表５中に記載したＤ１〜Ｄ４の比較、および、比較材１〜３の結果と比較することによって、Ｍ６Ｃ型、Ｍｏ２Ｃ型炭化物が多量に（１０体積％以上）分散するＤ１〜Ｄ４合金では、多孔質化した場合のほうが耐焼付き性に優れ、高密度化したものでは低摩擦係数化されるが、高密度品に油溝を形成させた場合には、低摩擦係数化と耐焼付き性が両立して好ましいことがわかる。とりわけ、前記仮焼結後の強圧延によって導入した波状のクラック溝が焼結層の剥離を引き起こさずに、潤滑用油溝として有効に作用することが確認された。
さらに、Ｄ１〜Ｄ４とＤ９，Ｄ１０合金の結果を比較した場合、Ａ３００Ｍで記載のＦｅ粉末の増量によって、耐焼付き性が劣化するとともに、摩擦係数も増大することがわかり、（Ａ３００Ｍ粉末添加量÷特殊鋼粉末添加量）≦１となるように調整されることが好ましく、さらには、０．５以下に調整されることがより好ましい。
また、Ｄ５〜Ｄ８合金の比較によって、Ｃｒ７Ｃ３型炭化物が析出分散されないＤ７合金を除いては前記Ｄ１〜Ｄ４の結果とほぼ同様に優れた摺動特性を示すことから、１０体積％以上（Ｄ５合金）のＣｒ７Ｃ３型炭化物を分散させることが摺動特性の改善に効果的であることがわかる。
Ｄ１１〜Ｄ１３は、あらかじめ炭素とＣｕを含有したＦｅ−Ｃ−Ｃｕ系鋼粉末を利用することによって、配合する黒鉛を分散させたものであり、黒鉛の固体潤滑作用によって摩擦係数の低減と耐焼付き性の改善が顕著に図られることがわかる。
Ｄ１４、Ｄ１５合金はＤ１合金の多孔質品を、Ｎ２ガス冷却のままと２００℃、１ｈｒの焼戻し処理を施したものであって、それらには大きな摺動特性の差異は無いが、Ｃ１合金と比較した場合には、摩擦係数の増加と耐焼付き性の低下が認められ、焼結層中の残留オーステナイト相量を２０体積％以下に抑えることがより好ましいことがわかった。
【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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【図７】
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【図１０】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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