(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材上に低融点の金属材料を介在させるとともに等間隔および一定形状の目開きをもつ金網を配置し、
この金網上に金属粒あるいは金属塊を整列することによって隣同志が接触しない間隔を持つ金属粒あるいは金属塊の単層または数層に配列された表面層を形成し、
この表面層の上に押圧材を配置し、
この表面層を少なくとも低融点の金属材料の一部に液相が発生する温度以上で、且つ、母材と金属粒または金属塊の融点以下の温度に加熱しつつ押圧材を押圧し、
単層または数層に配列された金属粒あるいは金属塊の間の空隙内に低融点の金属材料を圧入充填して摺動部材または軸受部材として用いられる金属複合部材の製造方法。
【請求項２】
金網として、母材と同種の金属からなる金網を用い、加熱処理後、金網を金属複合部材中に残留させる請求項１に記載の金属複合部材の製造方法。
【請求項３】
金網として、金属粒あるいは金属塊の間の空隙内に圧入充填される低融点の金属と同種の金属からなる金網を用い、加熱処理後、金網を圧入充填される低融点の金属中に溶け込ませる請求項１に記載の金属複合部材の製造方法。
【請求項４】
金属粒が３２メッシュ以上であり、また、金属塊が等軸形状で平滑な表面をもつ材料等軸形状で平滑な表面をもつ線材を直径程度の長さに切断したカットワイヤーである請求項１に記載の金属複合部材の製造方法。
【請求項５】
粒状または塊状の材料の表面に、あらかじめ、低融点の金属材料を被覆する請求項１に記載の金属複合部材の製造方法。
【請求項６】
母材表面の外縁に、低融点の金属材料が液相となって流失するのを防止するための堰を設ける請求項１に記載の金属複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動部材および軸受部材に適した金属材料と異種金属材料を機械的に接合した金属複合部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、かかる複合部材の製造法として、金属母材上に粉末状の結合用の金属材料を散布して焼結する方法、帯状の母材に連続して結合用の金属材料を鋳造する連帯鋳造法、回転する母材を含む容器中に金属材料を鋳造する遠心鋳造法が知られている。
【０００３】
ところが、何れの製造法も、焼結層または鋳造層および母材となる鋼等の厚さおよび面積に制限があり、寸法的な自由度に乏しく、厚物および大型品には不適である。
【０００４】
とくに、潤滑性、耐焼付き性および耐腐食性に優れた金属材料として錫または鉛合金であるホワイトメタル、錫等を含むアルミ合金、銅合金などを接合材とし、運搬機械、産業機械などの摺動部材および軸受部材としての複合材の製造に適用する場合には、接合材と母材との接合界面における機械的強度が乏しいという問題がある。
【０００５】
このため、接合材と母材との間の接合強度を高めるために、接合面に事前にメッキ等の予備処理を施すことも考えられるが、これによっても充分な接合強度は望めず、工程数の増加による製造コストの増大につながるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、潤滑性、耐焼付き性、さらには、耐腐食性などの機能を向上させる金属材料をより多くの種類で、且つ寸法制限の少ない適用が可能で、その上、充分な接合強度を有する金属複合材を安価に得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属母材上に低融点の金属材料を介在させるとともに等間隔および一定形状の目開きをもつ金網を配置し、この金網上に金属粒あるいは金属塊を整列することによって隣同志が接触しない間隔を持つ金属粒あるいは金属塊の単層または数層に配列された表面層を形成し、この表面層の上に押圧材を配置し、この表面層を少なくとも低融点の金属材料の一部に液相が発生する温度以上で、且つ、母材と金属粒または金属塊の融点以下の温度に加熱しつつ押圧材を押圧し、単層または数層に配列された金属粒あるいは金属塊の間の空隙内に低融点の金属材料を圧入充填して摺動部材または軸受部材として用いられる金属複合部材の製造方法である。
【０００８】
これによって、鋼等の母材と充分な接合強度をもつ寸法制限の少ない複合部材を安価に得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、添付各図に示す。図１は本発明により板状の摺動部材又は軸受部材を製造する場合の、粒状または塊状の材料の配置の一例を示すもので、粒状または塊状の材料１としてのボールが、鋼板等からなる母材４、母材４より低融点の銅板３、整列のための金網２の全面に整列した状態を示す。
【００１１】
図２および図３は、それぞれ本発明により製造された、規則的な形状と大きさをもち、且つ、整列した空隙を有する表面層が母材となる鋼等に接合された複合体の断面拡大図の例を示す。図２の場合は、母材である軟鋼板４ａ上の金網２にバレル玉１ａが全面整列し、銅ロウ３ａによって一体化接合された複合板を示す。また、図３の場合は、ステンレス製ボール１ｂがニッケルろう３ｂによって一体化接合された複合板を示す。
【００１２】
図４は粒状または塊状の材料１として、線材を直径程度の長さに切断したカットワイヤー１ｃを使用した場合であり、直径程度の長さに切断した円柱形状となるが、切断長さが直径の３倍以上になると形成される空隙の形状および大きさが不均一となりやすいので、線材の直径にほぼ等しい長さで切断して等軸形状としたほうが好適である。
【００１３】
金属母材４（４ａ）としては、炭素鋼、ステンレス鋼および合金鋼の組成をもつ、いわゆる鉄鋼材料であれば良い。
【００１４】
従来、多孔質化のために用いられる粉末の粒度は３２メッシュ以下がほとんどであるが、本発明において原料として用いる粒状または塊状の材料は粒度が３２メッシュ超過で、むしろ施工時の配置作業においては大きい粒あるいは塊のほうが取扱が簡便である。
【００１５】
また、粒状または塊状の材料は等軸形状で平滑な表面をもつ材料が好適であるが、製造履歴および製造方法には制限がなく、粒度の小さい粉末を適当な方法で固化成形して造粒した塊状の異形体でも、それ自身が形状保持できる程度の構造強度をもっていれば使用可能である。
【００１６】
そして、本発明における「空隙を有する表面層」は粒状または塊状の材料を、隣同志で接触しない間隔で単層あるいはせいぜい数層配置することで得られるが、単層とした方が、前記粒状または塊状の材料と母材となる鋼等との界面で接合が行われて、規則的な形状と大きさの空隙をもつ表面層を形成できることから、ホワイトメタル等の金属材料を空隙に圧入充填するのに都合がよい。
【００１７】
粒状または塊状の材料は、母材となる鋼等の表面に不規則的に配置するより整列させて配置するほうが施工後に形成される空隙の形状および大きさが均一となり、施工前において形成される空隙の形状および大きさを制御することが可能となる。
【００１８】
つまり、不規則な配置を行うと空隙の形状および大きさが乱雑になり、さらに空隙の分布および表面層の厚さも不均一となるため、摺動部材および軸受部材としての充分な機能を付与することができない。
【００１９】
したがって、粒状または塊状の材料を母材となる鋼等の表面に整列させて配置するため、例えば図１に示す例においては金網２を用いて配列を行うことができる。金網は等間隔および一定形状の目開きをもった網であれば良く、その製造方法には制限がない。
【００２０】
金網の材質は母材となる鋼等の主成分である鉄を含有する合金、例えば炭素鋼、ステンレス鋼および合金鋼等の組成をもつ材料が入手しやすい。整列配置のために用いた金網は施工後も表面層内に残留し、金網自体も表面層内に空隙を形成し、ホワイトメタル等の金属材料を表面層に固着する機能をもつ。
また、金網の材質を母材となる鋼等より融点の低い材料、例えば銅または銅合金とすることにより施工後においても金網を残留させることなく、施工前および施工中において整列配置させるだけではなく、母材となる鋼等とのろう付けによる接合を行う場合に、銅製の金網にろう材としての機能をもたせることも可能である。
【００２１】
粒状あるいは塊状の材料を整列させるために用いる金網等の整列材を、処理後残留させないようにする手段としては、この融点の低い金網を用いる以外にも、図１に示す母材４または重し５として、図５、図６および図７に示す断面形状に母材となる鋼等を加工したものを使用することも可能である。
【００２２】
つまり、図５に示す角溝３１、図６に示す三角溝３２、または図７に示す丸溝３３の断面形状に母材となる鋼等を加工すれば、これに沿って粒状または塊状の材料を配置することで、該粒状または塊状の材料の規則的に整列した状態を得ることは容易であるから、異種材料からなる整列材を用いた場合に比べて、施工後においても前記異種材料が残留することはない。
【００２３】
一方、母材ではなく、図１に示す重し５に、前記粒状あるいは塊状の材料の整列のための、上記断面形状を有する溝を加工する場合、該溝に沿って前記粒状あるいは塊状の材料を配置した上で、固定して上下を逆転すれば良い。重し５に整列のための断面形状の溝加工を行えば、重し５は整列のために繰返して用いることが可能なため、製造コストの低減につながる。
【００２４】
また、図１に示す押圧材としての重し５の表面に適当な穴形状および寸法をもったエキスパンドメタルを配置し、その穴に粒状または塊状の材料を配置する方法であれば、重しへの断面形状加工が不要となり、繰返し利用も可能であるためより経済的である。
【００２５】
何れにしろ、上記断面形状は空隙を形成する粒状または塊状の材料の形状に対応してより密着する形状を選択すれば良く、施工前においてできるだけ密着させることにより施工作業が簡便となり、接合強度を高くすることができる。
【００２６】
そして、鋼等の母材と表面層を構成する粒状または塊状の材料を一体化接合するために、鋼等の母材及び粒状または塊状の材料の間に両者より融点が低い金属材料を介在させて、その一部に液相が発生する温度以上に加熱することにより、液相となった前記金属材料は溶解流動して、前記鋼等の母材及び粒状または塊状の材料を冶金的に接合する。
【００２７】
この接合方法に類するものとして通常のろう付けもその範躊にあるが、本発明のおける接合方法はろう付けによる方法よりも広い意昧をもつ。つまり通常のろう付けでは本来接合のため介在する金属材料は施工中においては液相のみとなる温度に加熱するのに対し、本発明においてはその一部に液相が発生する温度以上に加熱するため広い温度域での施工が可能となる。
【００２８】
したがって施工のための装置設備としては通常のろう付け炉が適用でき、図１に示す銅板３の他に、通常のろう材として用いられている銀ろう、リン銅ろう、黄銅ろう及びニッケルろう等の材質に対しても前記通常のろう付け炉が適用できる。
【００２９】
図１に示す場合においては、母材４となる鋼等と粒状または塊状の材料１の間に、これらより融点の低い金属材料を介在させて、その一部に液相が発生する温度以上に加熱することにより溶解流動させ母材４と粒状または塊状の材料１を冶金的に接合させるため、前記金属材料の材質としては、母材４となる鋼等と粒状または塊状の材料１の簡隙において均一に広がり、濡れる性質があれば良く、市販のろう材でなくても上記で挙げた銅製金網でも充分にその特性を有する。
【００３０】
母材及び粒状または塊状の材料との間に介在させる前記金属材料は形状および寸法が自由に選択できるもの、例えば、図１に示すような板および箔状の銅であれば入手が容易で、製造コストに占める原料費の割合を低くすることができる。線材の銅であれば、適当な長さに切断し、必要な位置で液相となり、かつ、広がったときに接合するのに充分な量となるように配置すれば良い。
【００３１】
さらに、予め粒状または塊状の材料の表面に、接合のために介在させる金属材料を被覆しておけば、母材となる鋼等と粒状または塊状の材料の接触位置で前記金属材料が液相状態で流動することにより、接合に必要な量を補足して供給することが可能である。
【００３２】
この場合、前記金属材料の粒状または塊状の材料の表面への被覆方法は、めっき、バレルコーティングおよび溶射等の通常用いられる被覆方法でよく、粒状または塊状の材料の形状、寸法および材質により適当な方法を選択すれば良い。
【００３３】
また、母材となる鋼等の接合面の外縁には、接合のために介在させる金属材料が液相となって流失するのを防止するための堰となる薄板を、該薄板の上辺が粒状または塊状の材料の上端からわずかに出る程度に母材の側面に溶接で取付けるか、あるいは、母材の接合面に、接合のために介在させる金属材料、金網及び粒状または塊状の材料が配置できる面積を有し、かつ、粒状または塊状の材料の上端がわずかに出る程度の深さをもった空間を堀込んで加工しても良い。
【００３４】
このように、図２、図３または図４に示されるようなホワイトメタル等の金属材料を多量に複合するための整列した空隙をもつ表面層が母材となる鋼等と充分な強度をもって接合された複合材では、空隙が表面層に占める割合は３０体積％以上であり、空隙の開口部は内部より小さいため圧入充填されたホワイトメタル等の金属材料が抜けにくい構造となっている。図８は、ホワイトメタル等の充填金属６を表面層に含まれる空隙中に圧入充填した摺動部材または軸受部材に適した機能をもつ複合部材の断面拡大図の一例を示す。
【００３５】
整列した空隙をもつ表面層を備えた母材と複合する充填金属材料は、一体複合化のために圧入充填されるため、空隙への充填度を大きくして接合強度を大きくするためにも、変形抵抗が小さい方が望ましいが、必要に応じて圧入充填時に加熱すれば良く、変形流動しやすい変形抵抗になるように適宜な温度で加熱して圧入充填される。
【００３６】
また、圧入充填のために荷重を負荷する装置は、従来から用いられている加工機械を用いれば良く、例えばプレス、鍛造機、圧延機等が挙げられ、製品の形状と寸法により適した加工装置を使用すれば良い。
【００３７】
そして、加熱のための加熱装置は通常用いられる電気炉が有用であり、特に加熱時に特殊な雰囲気調整は必要としない。つまり、加熱時に酸化皮膜を形成したとしても、圧入充填時に大きく変形流動する充填金属材料表面の酸化皮膜は完全に破壊され、空隙内の金属粒または金属塊や母材金属表面とほとんど金属接触するため、接合界面は充分な接合強度をもつことになり、空隙内に充填された充填金属材料の体積は酸化皮膜の体積よりはるかに大きいため、前記充填金属材料の機械的接合強度の劣化も少ない。
【００３８】
ところで、整列した空隙をもつ表面層を備えた母材と複合する充填金属材料は、その製造法および加工履歴に特に制限はなく、粉末焼結材でも鋳造材でも、勿論加工材でも良く、少なくとも圧入充填時に破壊することなく変形流動するような金属材料であれば良く、圧入充填時に加熱を適宜行うことにより適用できる金属材料はかなり増える。
【００３９】
【実施例】
以下に示す実施例では、真空ろう付炉を用いてろう付けにより施工を行い、角板状のろう付け複合材を製造した具体例について説明する。
【００４０】
実施例１
図９に示すように、板厚２２ｍｍで３００ｍｍ×３００ｍｍの面積をもった軟鋼（材質：ＳＳ４００）板４ａを母材とし、該軟鋼板４ａの、ろう付けによる接合を行う接合面上に、ろう材となる厚さ０．１ｍｍで２９０ｍｍ×２９０ｍｍの面積をもった銅板３を配置し、その上にバレル玉１ａを整列させるためのステンレス製金網２（目開き：３ｍｍ、線径：０．６５ｍｍ）を置き、３×３の網目１つにつき直径３．２ｍｍの鉄製のバレル玉１ａを１個ずつ配置した。そして、銅板３、金網２およびバレル玉１ａを軟鋼板４ａに密着および固定するために重し５をバレル玉１ａ上に接触させて配置した。
【００４１】
鉄製のバレル玉１ａは事前に、バレルコーティングにより厚さ２０μｍの銅層がバレル玉全面に被覆したものを用いた。
【００４２】
軟鋼板４ａの外縁には、ろうの流失を防止するため、軟鋼板４ａの上記接合面に上記の銅板３、金網２およびバレル玉１ａが配置できる面積およびバレル玉１ａの上面がわずかに飛び出す程度の深さをもった平底の空間を堀込んだ。
【００４３】
施工は通常の真空ろう付炉を用いて、真空度を約１０-4ｔｏｒｒとした真空雰囲気中でろう材となる銅の融点直下１０００℃で９０分保持した上で、最終的に１１３５℃で２０分保持した後に冷却した。１０００℃保持後および１１３５℃保持後に段階的に窒素ガスで雰囲気置換を行い、ガス加圧しながら冷却させた。冷却後、炉より取り出したろう付け複合体は図２に示すように、施工前における銅板３が溶けて形成された銅ろう３ａにより軟鋼板４ａ、金網２およびバレル玉１ａが全面整列して一体化接合されていた。
【００４４】
複合体断面のミクロ組織観察においても、銅ろう３ａにより軟鋼板４ａ、金網２およびバレル玉１ａが健全に一体化接合されていることが確認された。
【００４５】
さらに摺動部材および軸受部材とするために、バレル玉１ａの形成する空隙にホワイトメタルＷＪ２（代表組成：９重量％アンチモン、５重量％銅、残錫および不可避不純物）を充填した。
【００４６】
先ず、図２に示すように、軟鋼板４ａ、金網２およびバレル玉１ａが全面整列して一体化接合された複合板（面積：６０ｍｍ×６０ｍｍ）のバレル玉１ａに接するように板厚１０ｍｍのＷＪ２の板（面積：５０ｍｍ×４０ｍｍ）を上にして配置し、余分な酸化を防ぐため、できるだけ露出がないように全体をアルミ箔で包み、加熱のために大気雰囲気の電気炉へ装入した。
【００４７】
加熱温度は２５０℃、保持時間は１時間として、加熱終了後すばやく３５ｔｏｎ油圧プレスの下金敷上に移動させて、ホワイトメタル側に上金敷を手動で接触させた上で、下金敷を油圧で上方に駆動させて、ホワイトメタル板に圧下を加えた。複合板は変形せず、圧下によりホワイトメタル板のみが変形されて、特にバレル玉１ａに接触したホワイトメタル板下側が大きく変形流動して、バレル玉１ａと軟鋼板４ａで形成された空隙内に充填されて、複合板とホワイトメタルが一体化した複合材が得られた。
【００４８】
一体化したホワイトメタルを最表面層とする複合体は、切断断面のマクロ観察からバレル玉１ａおよび軟鋼板４ａで形成された空隙内はほとんど変形流動したホワイトメタルで充填されているのが観察され、充分な接合強度でホワイトメタルと軟鋼板４ａが接合された、一体化複合体となっているのが確認された。
【００４９】
実施例２
実施例１におけるホワイトメタルの代わりに、純アルミＡ１０５０（純度：９９．５％以上）を用いて一体化接合を行った。図２に示す軟鋼板４ａ、金網２およびバレル玉１ａが全面整列して一体化接合された複合板（面積：６０ｍｍ×６０ｍｍ）のバレル玉１ａに接するように板厚１０ｍｍの純アルミ板（面積：５０ｍｍ×５０ｍｍ）を上にして配置し、余分な酸化を防ぐため、できるだけ露出がないように全体をアルミ箔で包み、加熱のために大気雰囲気の電気炉へ装入した。
【００５０】
加熱温度は６５０℃、保持時間は１時間として、加熱終了後すばやく３５ｔｏｎ油圧プレスの下金敷上に移動させて、純アルミ側に上金敷を手動で接触させた上で、下金敷を油圧で上方に駆動させて、純アルミ板に圧下を加えた。複合板は変形せず、圧下により純アルミ板のみが変形して、特にバレル玉１ａに接触した純アルミ板下側が大きく変形流動して、バレル玉１ａと軟鋼板４ａで形成された空隙内に充填されて、複合板と純アルミが一体化した複合材が得られた。
【００５１】
一体化した純アルミを最表面層とする複合体は、切断断面のマクロ観察からバレル玉１ａおよび軟鋼板４ａで形成された空隙内はほとんど変形流動した純アルミで充填されているのが観察され、充分な接合強度で純アルミと軟鋼板４ａが接合された、一体化複合体となつているのが確認された。
【００５２】
実施例３
実施例１におけるホワイトメタルの代わりに、無酸素銅Ｃ１０２０（純度：９９．９６％以上）を用いて一体化接合を行った。図２に示す軟鋼板４ａ、金網２およびバレル玉１ａが全面整列して一体化接合された複合板（面積：６０ｍｍ×６０ｍｍ）のバレル玉１ａに接するように板厚１０ｍｍの無酸素銅板（面積：５０ｍｍ×５０ｍｍ）を上にして配置し、余分な酸化を防ぐため、できるだけ露出がないように全体を銅箔で包み、加熱のために大気雰囲気の電気炉へ装入した。加熱温度は９５０℃、保持時間は１時間として、加熱終了後すばやく３５ｔｏｎ油圧プレスの下金敷上に移動させて、無酸素銅板側に上金敷を手動で接触させた上で、下金敷を油圧で上方に駆動させて、無酸素銅板に圧下を加えた。複合板は変形せず、圧下により無酸素銅板のみが変形して、特にバレル玉１ａに接触した無酸素銅板下側が大きく変形流動して、バレル玉１ａと軟鋼板４ａで形成された空隙内に充填されて、複合板と無酸素銅が一体化した複合材が得られた。
【００５３】
一体化した無酸素銅を最表面層とする複合体は、切断断面のマクロ観察からバレル玉１ａおよび軟鋼板４ａで形成された空隙内は変形流動した無酸素銅で充填されているのが観察されたが、実施例１および実施例２に示す、ホワイトメタルおよび純アルミと比べると、空隙の体積に対する無酸素銅の充填体積の割合は低かった。しかし、無酸素銅はホワイトメタルおよび純アルミと比べて単体としての強度はかなり高いため、一体化された複合体としては充分な接合強度で無酸素銅と軟鋼板４ａは接合されていると判断された。
【００５４】
【発明の効果】
（１）ホワイトメタル等の金属材料を複合するための空隙が表面層の３０体積％以上を占めた表面層が母材となる鋼等と充分な強度で接合された複合部材を得ることができる。
【００５５】
（２）ホワイトメタル等の金属材料を表面層に含まれる空隙中に圧入充填するという、比較的簡単な手段で、潤滑性、耐焼付き性および耐腐食性に優れた摺動部材または軸受部材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によって、板状の摺動部材または軸受部材を製造の過程として、粒状または塊状の材料の配置の一例を示す断面配置図である。
【図２】  本発明により製造された、規則的な形状と大きさをもち、且つ、整列した空隙を有する表面層が母材となる鋼等に接合された複合体の断面拡大図である。
【図３】  本発明により製造された、規則的な形状と大きさをもち、且つ、整列した空隙を有する表面層が母材となる鋼等に接合された複合体の他の例を示す断面拡大図である。
【図４】  粒状または塊状の材料としてカットワイヤーを用いて、多くの規則的な形状と大きさをもち、且つ、整列した空隙を有する表面層が母材となる鋼と接合された複合体の断面拡大図である。
【図５】  粒状または塊状の材料を整列させるために母材または重しに加工する断面形状のうち、角溝を示す断面図である。
【図６】  粒状または塊状の材料を整列させるために母材または重しに加工する断面形状のうち、三角溝を示す断面図である。
【図７】  粒状または塊状の材料を整列させるために母材または重しに加工する断面形状のうち、丸溝を示す断面図である。
【図８】  本発明により製造された金属材料との複合部材の断面拡大図である。
【図９】  本発明によって、板状の摺動部材または軸受部材を製造の過程として、粒状または塊状の材料の配置の実施例を示す断面配置図である。
【符号の説明】
１  粒状または塊状の材料
１ａ  バレル玉
１ｂ  ステンレス製ボール
１ｃ  ステンレス製カットワイヤー
２  金網
３  銅板
３ａ  銅ろう
３ｂ  ニッケルう
４  母材
４ａ  軟鋼板
５   重し
６   充填金属
３１  角溝
３２  三角溝
３３  丸溝
【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８】
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【図９】
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