(57)【要約】【課題】  鋼裏金付銅系軸受材料において、銅系軸受合金に悪影響を及ぼすことなく鋼裏金を強化する。【解決手段】  歪硬化によって鋼裏金を強化する。鋼裏金はＮを０を超え０．１質量％以下含む亜共析鋼を用いる。この鋼裏金に銅系軸受合金層を固着して複層材料を形成し、この複層材料を５３０℃以上７００℃以下の温度にて圧下率で２％以上の圧延を施す。この圧延後、１分以内に３５０℃以下に冷却する。５３０℃以上７００℃以下での圧延によって歪硬化が起きて瞬間的に鋼裏金が硬化する。また、圧延後、１分以内に３５０℃以下に冷却することで歪硬化をより完全に保持でき、室温においてもより高い鋼裏金硬度を保持する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼裏金上に銅系軸受合金層を固着してなる銅系軸受材料を製造する方法において、
前記鋼裏金はＮを０を超え０．１質量％以下含む亜共析鋼からなり、この鋼裏金に前記銅系軸受合金層を固着して複層材料を形成し、この複層材料を５３０℃以上７００℃以下の温度にて圧下率で２％以上の圧延を施すことを特徴とする鋼裏金付銅系軸受材料の製造方法。
【請求項２】
圧延後、１分以内に３５０℃以下に冷却することを特徴とする請求項１記載の鋼裏金付銅系軸受材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼裏金上に銅系軸受合金層を固着してなる鋼裏金付銅系軸受材料の製造方法に係り、特に鋼裏金の強度向上を図ったものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の鋼裏金付銅系軸受材料の鋼裏金としては、例えば、特許文献１に示されているように、一般に炭素含有量が０．２質量％以下の低炭素鋼が用いられる。また、この鋼裏金付銅系軸受材料の製法としては、例えば特許文献２に示されているように、銅系軸受合金として青銅焼結合金を使用し、その青銅焼結合金の粉末を鋼裏金となる帯鋼上に散布した後、還元雰囲気を有する焼結炉で一次焼結を行い、次いで大気による酸化の影響が少ない温度まで冷却し、その後、この焼結材を圧延して合金層の密度を上げ、再び焼結炉で二次焼結を行い、冷却するという方法にて製造される。なお、二次焼結後、再度圧延する場合もある。
【０００３】
この製法によれば、鋼裏金として帯鋼を用いるため、帯鋼を各工程設備に連続的に通すことによって連続的な製造が可能で、大量生産に適し、安価に軸受材料を提供することができる。
【特許文献１】特開平６−１５９３６７号公報
【特許文献２】特開２０００−３０３１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、軸受装置の小型軽量化のために鋼裏金付すべり軸受には、薄肉化、幅狭化が要求されている。この要求に対処できるようにするには、薄肉或は幅狭にした状態で軸受ハウジングに組み付けても座屈しないように軸受の強度を高める必要がある。軸受の強度は鋼裏金が負担する。そこで、軸受の強度を高める方策として、次のようなことが考えられている。
【０００５】
（ａ）二次焼結後に二次圧延を行う方法を採り、その二次圧延での圧下率を高めて鋼裏金を加工硬化させその強度を向上させる。
（ｂ）鋼裏金として、低炭素鋼よりも強度の高い中炭素鋼、高張力鋼（Ｍｎ鋼）、ステンレス鋼を使用する。
（ｃ）特に高強度とする用途には、強靭鋼（マルエージ鋼）を用いる。
（ｄ）中炭素鋼以上のＣ含有量の多い鋼を焼入れによって強化する。
【０００６】
しかしながら、二次圧延での圧下率を高める方法では、圧延による鋼裏金の高強度化と同時に銅系軸受合金の硬化も起きる。このため、圧下率を高くし過ぎると、銅系軸受合金が脆くなり、その後の円筒の軸受形状に成形する加工や銅系軸受合金層表面への油溝などのプレス加工時に割れなどが発生し易くなる。また、銅系軸受合金の過度の硬化は実際の軸受としての使用時において、相手軸とのなじみ性や異物埋収性などの軸受性能に悪影響を及ぼす。従って、圧下率を高めることによる鋼裏金の強化は銅系軸受合金の物性変化との兼ね合いで制約を受けるため、限界がある。
【０００７】
中炭素鋼、高張力鋼、ステンレス鋼を使用する方法は銅系軸受合金との結合性が悪いという問題がある。即ち、中炭素鋼は銅系軸受合金との結合性の悪い炭化物（Ｆｅ3Ｃ）相を多く含む。高張力鋼は必須成分であるＭｎ、Ｓｉを多く含むため表面にＭｎ酸化膜、Ｓｉ酸化膜を形成し、また、ステンレス鋼では必須成分であるＣｒが表面にＣｒ酸化膜を形成するが、これらの酸化膜は銅系軸受合金の焼結時に一般に用いられている還元雰囲気である水素-窒素混合ガスやプロパン変成ガスなどで還元困難であるため、銅系軸受合金との結合性が悪くなる。
【０００８】
この還元困難な酸化膜の形成を防止するには、鋼表面にＣｕやＮｉなどのめっきを施す方法も用いられているが、めっきを行うことはそれだけ製造コストの上昇をもたらし、また、めっき作業に伴う各種の廃液処理の問題も生ずる。
更に、高張力鋼では、鉄鋼メーカー毎、更には用途毎に組成が異なり、鋼としての一般的なＦｅ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ以外の成分を添加することにより鋼特性を改良したものも多いため、リサイクルが困難であり、環境面でも劣る。
【０００９】
強靭鋼を用いる方法では、強靭鋼が高強度と高靱性を併せ持ち、また成形性も良い上、表面に還元困難な酸化膜が形成されるような成分も微量しか含有しないため銅系軸受合金との接合も容易であるが、元々、強靭鋼は特殊鋼に分類されるもので、生産量が少なく非常に高価であり、経済性に劣る。また、鉄鋼メーカー、特殊鋼メーカー毎に組成及び添加元素が異なることや、精錬過程などで除去が困難なＣｏ、Ｍｏなどを含有する場合も多いことや、不純物の混入にも敏感に反応する鋼であるため、リサイクル性は非常に悪い。
【００１０】
中炭素鋼以上のＣを多く含有する鋼を焼入れすることにより強化する方法では、軸受材料として用いるには延性に欠ける。即ち、焼入れは、一般には８００℃程度以上の高温域から油冷や水冷などにより、γ（オーステナイト）相からα（フェライト）相への変態を起こさせることなく２００℃以下まで冷却し、原子の拡散を伴わないマルテンサイト変態を瞬間的に起こさせて硬化させるものである。
【００１１】
従って、焼入れした状態では、延性が低下しているため、延性を取り戻すためには長時間の焼戻し処理を行う必要がある。しかし、軸受材料のように、その後に円筒状に軸受成形加工するような加工素材としては焼戻しを行っても、延性が不足し軸受成形加工が困難となる。また、連帯焼結などのようにＣｕ合金の焼結のために可燃性の還元雰囲気下で連続的に生産を行う場合には、焼結炉内に水冷却や油冷却に伴う大量のガスを発生させることは危険であり、また、加熱部雰囲気を汚染するなどにより適用困難で、しかも、銅系軸受合金に悪影響を及ぼす熱処理となる場合もあることから従来から焼入れは用いられていない。
【００１２】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、鋼裏金付銅系軸受材料において、銅系軸受合金に悪影響を及ぼすことなく鋼裏金を強化できる鋼裏金付銅系軸受材料の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、鋼裏金の硬度を高めることによって鋼裏金付銅系軸受材料を強化する。そして、本発明では、鋼裏金の高硬度化のために、ステンレス鋼や強靭鋼などの特殊鋼を使用したり、中高炭素鋼を焼入れしたりするのではなく、歪硬化によって鋼裏金のα相を硬化させる方法を採用した。
即ち、鋼に加工を施すと、結晶が歪を生ずる。鋼のα相に生じた結晶歪部に、ＣやＮ原子が入り込むと、硬化が起きる。本発明で利用する歪硬化は主に鋼が含有するＮ原子を関係させるものとする。大部分の鋼は、不可避不純物としてＮを含んでいる。通常、自動車用外板などのように加工（絞り成形など）を施す鋼板は、加工後の引張しわの発生や歪時効硬化の原因であるα相中に固溶するＮ原子をできるだけ少なくするために、Ｎ除去を意図的に行って製鋼されているが、それでも微量ではあるがＮ原子が必ず残っている。本願発明はこの鋼に必ず含有されているＮを歪硬化に利用するものである。
【００１４】
加工によって生じた結晶歪部へのＣやＮ原子の侵入によって起きる硬化には、加工を行うと、瞬間的に硬化が完了する歪硬化と、時間経過につれて硬化が進行し、硬化が完了するまでに時間を要する歪時効硬化とがある。歪硬化により鋼裏金を硬化できれば、複層材料を硬化処理した後、直ぐにすべり軸受などの摺動部材に製品化でき、生産性を高めることができる。
【００１５】
或る程度高い温度で加工を行うと、鋼のα相中のＮ原子の拡散速度が速くなるので、加工によって結晶歪が生ずると、直ちにＮ原子が結晶歪部に侵入し、瞬間的に硬化、つまり歪硬化が起きる。室温などで加工を行った場合には、Ｎ原子の拡散速度が低いため、加工によって生じた結晶歪に対して徐々にＮ原子が侵入してゆくので、瞬間的な硬化である歪硬化にはならず、時間経過と共に硬化が進行してゆく歪時効硬化となる。従って、歪硬化を起こさせるには、或る程度高い温度で加工を実施する必要がある。
【００１６】
以上のような歪硬化によって鋼裏金を強化するために、請求項１の発明は、鋼裏金上に銅系軸受合金層を固着してなる銅系軸受材料を製造する方法において、前記鋼裏金はＮを０を超え０．１質量％以下含む亜共析鋼からなり、この鋼裏金に前記銅系軸受合金層を固着して複層材料を形成し、この複層材料を５３０℃以上７００℃以下の温度にて圧下率で２％以上の圧延を施すことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、圧延後、１分以内に３５０℃以下に冷却することを特徴とするものである。
【００１７】
以下に、請求項１，２における限定事項の意味について説明する。
［亜共析鋼］
鋼の歪硬化はα相内において生ずる。亜共析鋼は、初析相としてα相が必ず析出するので、強化対象となるα相が多く得られる。亜共析鋼はＣ濃度が共析点（約０．８質量％）未満の鋼を言うが、本発明においては、Ｃが０．６質量％以下の亜共析鋼が好ましい。Ｃ０．６質量%以下の亜共析鋼にあっては、軸受形状(半割円筒状或は円筒状)への成形が容易で、しかも、硬化の対象となる初析α相が多くなるので、鋼裏金強化に適する。更に好ましくは、α相が一層増加し、硬化にとって効果的である低炭素鋼（Ｃ０．３質量％以下）である。
【００１８】
鋼裏金に最適な亜共析鋼の成分範囲は、質量％でＣが０．０７〜０．２５％、Ｓｉが０．３５％以下、Ｍｎが０．２０〜０．９０％、Ｐが０．０４０％以下、Ｓが０．０５０％以下である。この成分範囲の亜共析鋼（低炭素鋼）は自動車用外板などに使用される鋼板と同じ成分範囲であるので、安価に入手できる。勿論、本発明の亜共析鋼は、この成分範囲に限られない。
【００１９】
［Ｎ；０を超え０．１質量％以下］
Ｎは鋼中に不可避不純物として僅かに存在する程度でも歪硬化を起こさせることが可能である。上記の自動車用外板は絞り加工などの成形加工を前提としているので、成形加工後のしわや時効硬化を排除するために、積極的にＮを除去する製鋼法で製造されるが、それでもＮを不可避的不純物として含んでいる。このような自動車用外板であってもＮによる歪硬化を起こすことができる。
但し、歪硬化を効果的に生じさせるＮ量は０．００４質量％以上である。Ｎは０．１質量％を超えて含有しても、歪硬化にそれ以上の効果をもたらさないし、かえって鋼そのものを脆くする。従って、Ｎは０を超え０．１質量％以下とする。
【００２０】
［複層材料を５３０℃以上７００℃以下の温度で圧延］
歪硬化は、結晶歪部にＮが瞬間的に拡散することによって起きる。圧延開始時の複層材料の温度（以下、圧延温度と言う。）が低いと、Ｎの拡散速度は遅く、従って、圧延により鋼裏金に生じた結晶歪部へのＮの拡散が遅くなり、硬化が完了するまでの時間が長くかかる。圧延と同時に硬化する歪硬化となるか、時間経過に伴って硬化が進行する歪時効硬化となるかの温度境界は、５００℃から５３０℃未満の間にある。５３０℃以上であれば、必ず歪硬化となる。
しかし、圧延温度が７００℃を超えると、歪硬化が起こらない。これは、鋼裏金の再結晶やＡ１変態点（約７２３℃）での相変態などの影響を受け、歪硬化の核となる結晶歪の大幅な減少や完全な消失が起き、歪硬化が起きなくなると推定する。
【００２１】
以上のことから、歪硬化を生じさせるために、複層材料の温度を５３０℃以上７００℃以下の温度にして圧延を行う。
ところで、室温での鋼のα相のＮ固溶限は０．００３質量％程度であるが、温度が高くなるにつれて、α相のＮ固溶限は高くなる。α相のＮ固溶量が最大となる温度は５８０℃程度で、そのときの含有量は０．１質量％程度である。このため、圧延温度を６００℃程度に定めることによって鋼裏金の歪硬化量を最大とすることができる。
【００２２】
［圧延の圧下率は２％以上］
５３０℃以上７００℃以下の温度において行う複合材料の圧延の圧下率は２％以上とする。圧下率が２％未満では、硬化の核となる結晶歪がない、或は結晶歪の量が少なく歪硬化が不十分となる。なお、圧下率とは、圧延前の複合材料の厚さと圧延後の複合材料の厚さの差を、圧延前の複合材料の厚さで除した値の百分率である。
【００２３】
［圧延後、１分以内に３５０℃以下に冷却］
３５０℃を超える温度では、歪硬化の減少が起き易い。歪硬化の減少は、結晶歪部に拡散した（入り込んだ）Ｎが再拡散する（抜け出る）ことによると考えられる。温度が高い程、Ｎの拡散速度が速いため、高温度で長い時間保持される程、歪硬化の減少量は大きい。
【００２４】
５３０℃以上７００℃以下の温度において圧延した複層材料は、その後、１分以内に３５０℃以下の温度まで冷却することにより、歪硬化量の減少を最低限に抑制することができ、歪硬化を十分に残すことができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、複層材料を５３０℃以上７００℃未満の温度で圧延するので、歪硬化によって鋼裏金の硬度を高め、軸受全体としての強度を向上させることができる。しかも、圧延と同時に起きる歪硬化によって鋼裏金の硬化を瞬間的に完了させることができるので、複層材料を製造した後、これに連続して軸受成形加工することができ、生産性が向上する。
【００２６】
また、本発明では、圧延した後、１分以内に３５０℃以下の温度に冷却するので、歪硬化量の減少を極力防止でき、室温でも十分な歪硬化量を保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に本発明の実施例を説明する。
まず、鋼裏金付銅系軸受材料を製造するための、従来から採用されている一般的な製造方法を説明する。この製造方法を、以下では従来製法と称する。まず、予めアトマイズ法により製造した組成（数値は質量％；以下、同じ）Ｃｕ−１０ＳｎのＣｕ合金粉末(−６０メッシュ)を、厚さ１．５ｍｍ、組成Ｆｅ−０．１Ｃ−０．０２Ｓｉ−０．４Ｍｎ−０．００６Ｎの鋼板(鋼裏金)上に厚さ１ｍｍに散布した後、還元雰囲気を有する加熱部と冷却部とを連続して有する連続焼結炉の加熱部(８００℃)で１５分間焼結し、次いで冷却部で冷却した後、Ｃｕ合金焼結層(軸受合金層)を緻密化するために圧延を施し、再び上記と同一条件で二次焼結する。なお、ニ次焼結後に二次圧延を行っても良い。
この従来製法によって得た複層材料(鋼裏金上に軸受合金層を被着した材料)を、次の表１に示す圧延温度および圧下率にて圧延し、実施例品１〜９および比較例品１〜９を得た。
【００２８】
【表１】
2005264180.tif 000002
【００２９】
実施例品１〜９、比較例品１〜９の各試料において、圧延温度は圧延直前に測定した複層材料の温度である。圧延はロール圧延により行い、実施例品１〜９、比較例品１〜６の各試料については、その圧延中、ロールに直接、水を噴射して水冷して、試料を圧延時から冷却するようにした。そして、上記各試料について、圧延時の圧延圧力を測定し、その測定結果を表１に示した。また、圧延終了後１分経過時点での各試料の鋼裏金の温度を測定すると共に、圧延終了後１時間経過時点での各試料の鋼裏金の硬度を測定し、その測定結果を表１に示した。圧延圧力と圧延終了後１時間経過時点での鋼裏金硬度については、図１および図２にそれぞれグラフ化しても示した。
【００３０】
実施例品１〜９は圧延温度が５３０℃〜７００℃であるから、鋼裏金のα相中のＮ原子の拡散速度が速い状態にある。このため、圧延によりα相に結晶歪が生ずると、瞬間的にＮがその結晶歪部に拡散して歪硬化を起こすと考えられる。この瞬間的な歪硬化は、圧延圧力と圧延後の鋼裏金硬さとの関係によって推測できる。
即ち、圧延温度が室温である比較例品７〜９の圧延圧力は、主として鋼裏金の加工硬化によるものであり、圧延温度５００℃である比較例品１〜３の圧延圧力も同等であることから、主に鋼裏金の加工硬化によるものであることが分かる。
【００３１】
これに対し、実施例品１〜９の圧延圧力が主として鋼裏金の加工硬化によるものであるとすれば、実施例品１〜９の圧延圧力は比較例品１〜３、７〜８と同程度になる筈である。しかしながら、実施例品１〜９の圧延圧力は比較例品１〜３、７〜８に比較して相当に高くなっている。
一方、圧延後１時間経過時点での鋼裏金の硬さについて見てみると、比較例品１〜３、７〜９に比べ、実施例品１〜９は相当高くなっている。
このように実施例品１〜９の圧延圧力および鋼裏金硬度は比較例品１〜３、７〜９に比べて高くなっており、これは、圧延と同時に鋼裏金が硬化する歪硬化が起きていることによるものと推測できる。
また、圧延温度５００℃の比較例品１〜３は、圧延温度が室温の比較例品７〜９に対して圧延圧力が同等であるが、硬さが若干高くなっており、圧延終了後に硬化した歪時効硬化が起きていることが分かる。
【００３２】
なお、圧延温度を７５０℃とした比較例品４〜６では、Ｎの拡散速度は充分に速いはずであるが、圧延圧力および圧延後１時間経過時点での鋼裏金硬さは室温で圧延を行った比較例品７〜９と同程度となっており、歪硬化は生じていない。この機構の詳細は不明であるが、図１および図２から明らかなように７００℃と７５０℃とで明らかな差があることから、Ａ１変態や再結晶が影響していると推定する。
【００３３】
図３は圧延後１時間以上経過した時点で実施例品１〜９と比較例品７〜９の伸び率を測定し、この伸び率と鋼裏金硬度との関係をグラフ化したものである。これによれば、実施例品１〜９は伸び、硬さにおいて優れ、強靱化されていることが分かる。
また、圧延後１分以内に３５０℃以下に冷却した場合と、これをしなかった場合とで、鋼裏金の硬さが変化するか否かを調べた。前記従来製法によって得た複層材料を次の表２に示す圧延温度および圧下率で圧延を行った。圧延後に強制冷却せずにおいた実施例品１０〜１２の圧延後１時間経過時点での鋼裏金硬さを測定し、その結果を前記実施例品４〜６および比較例品７〜９と共に表２に記載した。
【００３４】
【表２】
2005264180.tif 000003
【００３５】
この表２および図４から理解されるように、実施例品１０〜１２の圧延終了から１分経過した時点での鋼裏金の温度は４５０℃以上であるが、実施例品１０〜１２の鋼裏金硬さは、それでも圧延温度が室温の比較例品７〜９の鋼裏金硬度に比べて高く、本発明の製造法が鋼裏金の硬度向上に有効であることが理解される。但し、実施例品１０〜１２は実施例品４〜６に比べると鋼裏金硬度が低下しており、圧延後１分以内に３５０℃以下に冷却することが歪硬化を保持する上で効果のあることが理解される。
【００３６】
本発明の歪硬化に対し最も効果的な冷却方法は、前述した水噴射などによりロール表面を低温に保ちながら圧延と同時に冷却を行う方法であるが、これに限定されるものではない。圧延直後に複層材料の冷却を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例品と比較例品とついて、圧下率と圧延圧力との関係を示すグラフ
【図２】実施例品と比較例品とについて、圧下率と鋼裏金硬度との関係を示すグラフ
【図３】実施例品と比較例品とについて、伸び率と鋼裏金硬度との関係を示すグラフ
【図４】実施例品と比較例品とについて、圧下率と鋼裏金硬度との関係を示すグラフ
【図１】
2005264180.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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