(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ単相とＣｕ−Ｓｎ合金相を含有するとともに、燐青銅、ＴｉＯ２、ＣおよびＦｅＰが分散されてなり、合金ではない銅粉、Ｃｕ−Ｓｎ合金、ＴｉＯ２ウイスカ、人造黒鉛および、ＦｅＰまたは燐青銅を添加して、混練してなる混練粉を焼結して形成される滑り軸受材料であって、
前記混練粉に、ＴｉＯ２ウイスカ：０．１〜０．７質量％、人造黒鉛：０．１〜０．７質量％、Ｐ：０．３質量％以下で、ＴｉＯ２ウイスカと人造黒鉛との添加合計が１．２質量％以下となるように配合し、かつ焼結後にＳｎがＣｕに対して１３質量％以下となるように各添加量を調整することを特徴とする滑り軸受材料。
【請求項２】
請求項１に記載の混練粉を圧延鋼板上に散布・焼結して一体化し、これを圧延、２次焼結して所定の軸受形状に加工してなることを特徴とする軸受部品。
【請求項３】
請求項１に記載の混練粉を圧延鋼板の両面に焼き付けてなることを特徴とする軸受部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高面圧荷重下で使用される滑り軸受材料および軸受部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ブッシュやスラストプレート等、相対的に回転しながら荷重を支える滑り軸受材料として、特に高面圧（３００ｋｇ／ｃｍ２以上）、低速（相対速度２ｍ／ｓｅｃ以下）下においては、潤滑油の切れる境界潤滑域であることから、主として摺動特性の優れたＬＢＣ３などの鉛青銅系の材料が使用されている。このＬＢＣ３は、耐焼付き性に優れ、異物の埋収性および初期馴染み性にも優れていることから、例えば建設機械の足回りの転輪ローラ部や、一般のエンジンコンロッド部のエンジン用メタルとして多く利用されてきている。
【０００３】
しかし、近年における地球環境問題および人体への影響を考慮した場合、元来摺動特性の向上のために添加されている鉛を廃止すること（Ｐｂレス化）が重要な課題となってきており、前述の鉛青銅系の滑り軸受材料に代わる材料の提供が望まれている。
【０００４】
なお、高速回転する滑り軸受に用いられる材料を中心に、Ａｌ系材料におけるＳｉＯ２析出型材料や、Ａｇ配合型材料などをエンジン用メタル等に適用することが検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、建設機械に使用される滑り軸受のように、高面圧、超低速で使用されるものにおいては境界潤滑域になり易いために、前述のＡｌ系材料では使用に耐えないという問題点がある。
【０００６】
一方、鉄系焼結材を高面圧、低摺動速度部に使用した場合には摺動特性の不足を補うために樹脂の含浸層もしくは含油層を設けることが必要となる。ところが、この樹脂の含浸層もしくは含油層が増えると、焼結金属の空洞部が増えて硬度不足や強度不足を生じ、耐摩耗性が悪化したり、粒子剥離によって焼付きが生じ易くなってしまう。また、高面圧下で使用した場合には潤滑油が気孔部に逃げて油膜切れを生じ易く、かえって焼付きが生じてしまう。
【０００７】
また、固体潤滑材を混入させた摺動材料は、その混入量を間違えると気孔と同じ役割を担ってしまい不具合を発生する。また、この固体潤滑材は摩擦係数を上昇させる危険性もある。
【０００８】
このようなことから、軟らかさと、耐荷重性、耐摩耗性を確保するための硬質層とを同時に持った材料の開発が望まれているところである。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、鉛を完全に無くしても、高面圧、低速摺動特性に優れ、かつ耐摩耗性に優れた滑り軸受材料および軸受部品を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、本発明による滑り軸受材料は、
Ｃｕ単相とＣｕ−Ｓｎ合金相を含有するとともに、燐青銅、ＴｉＯ２、ＣおよびＦｅＰが分散されてなり、合金ではない銅粉、Ｃｕ−Ｓｎ合金、ＴｉＯ２ウイスカ、人造黒鉛および、ＦｅＰまたは燐青銅を添加して、混練してなる混練粉を焼結して形成される滑り軸受材料であって、
前記混練粉に、ＴｉＯ２ウイスカ：０．１〜０．７質量％、人造黒鉛：０．１〜０．７質量％、Ｐ：０．３質量％以下で、ＴｉＯ２ウイスカと人造黒鉛との添加合計が１．２質量％以下となるように配合し、かつ焼結後にＳｎがＣｕに対して１３質量％以下となるように各添加量を調整することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、軟質なＣｕよりなる単独相が形成されているため、滑り軸受材料をＰｂレスにしても異物埋収性および初期馴染み性を確保することができるとともに、延性に優れているので、この材料を鋼板上に散布して巻きブッシュ等を製造するのに適している。また、Ｃｕ−Ｓｎ合金相を圧延することによる加工硬化によって、さらにはＦｅＰよりなる硬質粒子の分散によって硬質相を確保することができる。また、燐青銅相によって低速域での摺動特性の改善が図られ、かつ固体潤滑材としてのＴｉＯ２、人造黒鉛によって完全に油切れした際の摺動性が確保される。こうして、初期馴染み性と埋収性とを有し、かつ高面圧、低速摺動特性にも優れ、かつ従来のＬＢＣ３や高密度化したＬＢＣ３より限界ＰＶ値が高く耐摩耗性に優れた、地球環境に優しい軸受材料を提供することができる。
【００１２】
本発明の滑り軸受材料においては、合金でない銅粉（アトマイズ銅粉）が添加されているので、合金を作らない銅の相を比較的大きな粒状に残すことができる。また、本発明では、低速域での摺動特性は燐の添加によりある程度改善できることから、燐青銅（ＰＢＣ：燐の量は０．２５％程度）またはＦｅＰ（燐の量は凡そ２７％）が添加される。この場合、焼結の時点で、燐が早期に液相化し、鋼板上に散布したときにその鋼板との界面に析出して接着を妨げるので、この燐（Ｐ）の添加量は０．３質量％以下に抑えられる。
【００１３】
また、完全に油切れした場合の摺動性を確保するため、前記滑り軸受材料は、ＴｉＯ２ウイスカおよび人造黒鉛を添加して形成される。ただし、これらの材料は焼結に寄与しない異物として混合されるため、過度に添加すると焼結強度が落ち、粒子剥離などを引き起こすことになる。そのため、ＴｉＯ２ウイスカが０．１〜０．７質量％、人造黒鉛が０．１〜０．７質量％添加される。ＴｉＯ２ウイスカと人造黒鉛とを同時に添加すると、ＴｉＯ２ウイスカに人造黒鉛がある程度トラップされて固体潤滑材の役割を更に高める可能性がある。また、ＴｉＯ２をウイスカで添加することにより、組織中にウイスカの集合体が分散し、この集合体に潤滑油が蓄えられるため、高面圧時の油切れ状態を緩和する役目をする。また、人造黒鉛の添加は焼結時の収縮を抑えることができるため、鉄板のような金属板上に散布して焼結にて接合する場合の収縮による欠陥発生を防止する効果がある。ここで、ＴｉＯ２ウイスカと人造黒鉛とを同時に添加したときの合計が１．２質量％以下とされる。
【００１４】
本発明においては、前述のように軟質部分はＣｕ単相、硬質部分はＣｕ−Ｓｎ析出相を圧延することによる加工硬化および硬質粒子の分散により確保されるので、焼結後にＳｎはＣｕに対して１３質量％以下（より好ましくは１０〜１２重量％）となるように各添加量が調整される。
【００１５】
次に、本発明による軸受部品は、前述された混練粉を圧延鋼板上に散布・焼結して一体化し、これを圧延、２次焼結して所定の軸受形状に加工してなることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の滑り軸受材料は、混練粉の配合物の配合比を制御することで、この混練粉の圧延鋼板上への散布・焼結にて強固に接着させることができ、その焼結後に圧延、２次焼結しても鋼板から剥離せずにしっかりと接着することができる。したがって、これを２次焼結した後に曲げ加工またはプレス加工などを施して、例えば巻きブッシュ、半月ブッシュ、球面ブッシュ等の所定の軸受形状に成形することができる。
【００１７】
また、本発明の滑り軸受材料は、鋼板など鉄系材料への接合が容易であることから、前記混練粉を圧延鋼板の両面に焼き付けて、スラストプレートのような両面に焼結材を有するプレートにも製作可能である。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明による滑り軸受材料および軸受部品の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
表１には、接着性試験および摺動試験に用いた摺動材料の合金組成（焼結品の成分組成）が示されている。ここで、表１に示される数値は、全体を１としたときの比で示されており、この数値を１００倍すれば％表示となる。また、表中「ＴｉＯ２」は「ＴｉＯ２ウイスカ」を指し、「Ｃ」は「人造黒鉛」を指す。
【００２０】
例えば表１で記号Ａにて示される試験片は、次のようにして作製される。すなわち、水アトマイズ銅粉にＴｉＯ２ウイスカ（大塚化学（株）製ＭＴＷ）、ＦｅＰ、グラファイト（人造黒鉛）を最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにＣｕ１０Ｓｎ合金、Ｃｕ３３Ｓｎ合金を加えてＶコーンミキサーにて混練調整して最終目標成分を得る。次いで、この混練粉末を、洗浄し油分を落としたＳＰＣＣ鋼板上に散布し、真空焼結炉で８３０℃まで昇温３０分、８３０℃で保持３０分で焼結して目標とする焼結体を得る。
【００２１】
この記号Ａにて示される試験片と同様にして記号Ｂ〜Ｉにて示される試験片を作製し、鋼板上に散布した摺動材料の接着性の良否について判定した。この判定結果が表１に合わせて示されている。なお、表１中には、参考例として、ＬＢＣ３（鉛青銅系材料）の合金組成と接着性についても合わせて示されている。表中において「接着せずＮＧ」と記述されているのは、焼結炉から取り出した時点で摺動材料が鋼板に対し全く接着していない状態を示している。
【００２２】
この接着性の判定結果から、燐（Ｐ）の添加量が多いＢ，Ｅ，Ｈの試験片において接着性不良が発生していることがわかる。これは、燐の添加量が多いと、焼結の時点でその燐が早期に液相化し、鋼板との界面に析出して接着性を妨げることによるものと考えられる。なお、この接着性は、焼結条件には依存しない。
【００２３】
次に、接着性が良好であった記号Ａ，Ｄ，Ｆ，Ｇ，ＩおよびＬＢＣ３の各試験片、更には低速高面圧用摺動材料として使用されるＣｕ７Ｓｎ７Ｐｂ３Ｚｎ０．５Ｎｉ合金（「既知の材料」と表記）よりなる試験片を用い、この試験片のサンプル（５ｍｍ×５ｍｍ）を相手材（ＦＣＤ７００熱処理済み材）に押し付けて摩擦トルクおよび摩耗量を測定する摺動試験（定速摩擦摩耗試験）を行った。なお、試験条件は、次のとおりである。
摺動速度：１ｍ／ｓｅｃ、潤滑油：ゼネラルＥＯ−１０、油温：８０℃、油量２００ｃｃ／ｍｉｎ、昇圧：１０ｓｅｃ、保持：５ｍｉｎ
【００２４】
前記摺動試験の試験結果が図１に示されている。この図１において、グラフが途中で終わっているのは計測がそれ以上できなかったことを示しており、この終端部が摩耗限界である。この図から明らかなように、ＬＢＣ３および既知の材料の摩耗限界が面圧２００ｋｇ／ｃｍ２程度であるのに対し、本実施例の各試験片Ａ，Ｄ，Ｆ，Ｇ，Ｉの摩耗限界が格段に向上しているのがわかる。また、既知の材料においては、面圧の小さな初期に摩擦係数が大きく上昇しているのに対して、本実施例のものにおいては、３００ｋｇ／ｃｍ２を越える面圧において摩擦係数が上昇していることがわかる。
【００２５】
次に、本実施例の滑り軸受材料、特に記号Ａ，Ｄ，Ｆ，Ｇの材料を用いて巻きブッシュおよびスラスト軸受（両面焼結スラスト軸受）を作製した。その製造実施例について以下に説明する。
【００２６】
（製造実施例１）
水アトマイズ銅粉にＴｉＯ２ウイスカ（大塚化学（株）製ＭＴＷ）、ＦｅＰ、グラファイト（人造黒鉛）を、表１の記号Ａにて示される最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにＣｕ１０Ｓｎ合金、Ｃｕ３３Ｓｎ合金を加えてＶコーンミキサーにて混練調整して混練粉末を得る。この混練粉末を、洗浄して油分を落としたＳＰＣＣ鋼板（厚さ４．５ｍｍ）に厚さ１．８ｍｍになるように散布し、連続焼結炉（ブタンガス還元炉）で８３５℃設定の焼結ゾーンに送り速度１４０ｍｍで焼結する。この後、１次圧延で合計厚さ５．５ｍｍまで圧延し、再度同じ焼結炉、焼結条件で２次焼結を行い、次いで２次圧延を行い合計厚さ５．２ｍｍまで圧延する。これを切断して曲げ加工により巻きブッシュとする。
【００２７】
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）には、このようにして得られた巻きブッシュの断面の金属組織を示す写真が示されている。なお、図２（ｃ）において、白っぽい色の部分がＴｉＯ２、黒い色の部分が空洞、薄い灰色（実際には赤っぽい色）の部分がＣｕの層である。
【００２８】
（製造実施例２）
水アトマイズ銅粉に、燐青銅（ＰＢＣ）、ＴｉＯ２ウイスカ、グラファイトを、表１の記号Ｄにて示される最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにＣｕ２０Ｓｎ合金、Ｃｕ３３Ｓｎ合金を加えてＶコーンミキサーにて混練調整して混練粉末を得る。この混練粉末を、洗浄して油分を落としたＳＰＣＣ鋼板（厚さ４．５ｍｍ）に厚さ１．８ｍｍになるように散布し、連続焼結炉（ブタンガス還元炉）で８３５℃設定の焼結ゾーンに送り速度１４０ｍｍで焼結する。この後、１次圧延で合計厚さ５．５ｍｍまで圧延し、再度同じ焼結炉、焼結条件で２次焼結を行い、次いで２次圧延を行い合計厚さ５．２ｍｍまで圧延する。これを切断して曲げ加工により巻きブッシュとする。
【００２９】
（製造実施例３）
水アトマイズ銅粉にＴｉＯ２ウイスカ（大塚化学（株）製ＭＴＷ）、ＦｅＰ、グラファイト（人造黒鉛）を、表１の記号Ａにて示される最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにＣｕ１０Ｓｎ合金、Ｃｕ３３Ｓｎ合金を加えてＶコーンミキサーにて混練調整して混練粉末を得る。この混練粉末を、洗浄して油分を落としたＳＰＣＣ鋼板（厚さ３．２ｍｍ）に厚さ２．５ｍｍになるように散布し、連続焼結炉（ブタンガス還元炉）で８３５℃設定の焼結ゾーンに送り速度１４０ｍｍで焼結する。この後、裏返して裏側に同様に厚さ２．５ｍｍになるように前記混練粉末を散布し、同条件で２次焼結を行う。次いでできた焼結体を合計厚さ６．６ｍｍになるように圧延し、機械加工することでスラスト軸受を得る。
【００３０】
（製造実施例４）
水アトマイズ銅粉に、燐青銅（ＰＢＣ）、ＴｉＯ２ウイスカ、グラファイトを、表１の記号Ｄにて示される最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにＣｕ２０Ｓｎ合金、Ｃｕ３３Ｓｎ合金を加えてＶコーンミキサーにて混練調整して混練粉末を得る。この混練粉末を、洗浄して油分を落としたＳＰＣＣ鋼板（厚さ３．２ｍｍ）に厚さ２．５ｍｍになるように散布し、連続焼結炉（ブタンガス還元炉）で８３５℃設定の焼結ゾーンに送り速度１４０ｍｍで焼結する。この後、裏返して裏側に同様に厚さ２．５ｍｍになるように前記混練粉末を散布し、同状件で２次焼結を行う。次いでできた焼結体を合計厚さ６．６ｍｍになるように圧延し、機械加工することでスラスト軸受を得る。
【００３１】
なお、表１の記号Ｆ，Ｇにて示される材料についても、これら材料を用いて前記製造実施例１〜４と同様にして巻きブッシュもしくはスラスト軸受を作製することができる。また、本発明の材料は、これら軸受部品以外に、半月ブッシュ、球面ブッシュ等の作製にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、定速摩擦摩耗試験の試験結果を示すグラフである。
【図２】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、製造実施例１により得られた巻きブッシュの断面の金属組織を示す写真である。
【図１】
0003941923.tif 000002
【図２】
0003941923.tif 000003