(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料よりなる母材の表面に、Ｔｉ：０．２〜３．０重量％と、Ｓｎ：５〜１２重量％と、Ｐｂ：０〜１０重量％と、残部がＣｕよりなる銅系焼結摺動材を焼結により接合してなり、前記鉄系材料と前記銅系焼結摺動材との接合界面での接合せん断強度が１４．８ｋｇ／ｍｍ２以上であることを特徴とする摺動材。
【請求項２】
前記母材は、鋳鉄材であることを特徴とする請求項１に記載の摺動材。
【請求項３】
鉄系材料よりなる母材に銅系焼結摺動材を接合するに際し、Ｔｉ：０．２〜３．０重量％と、Ｓｎ：５〜１２重量％と、Ｐｂ：０〜１０重量％と、残部がＣｕよりなる銅系焼結摺動材を用い、この銅系焼結摺動材を前記母材と組み合わせて焼結することにより、その焼結と同時に前記母材に接合することを特徴とする摺動材の製造方法。
【請求項４】
前記母材は、鋳鉄材であることを特徴とする請求項３に記載の摺動材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄系材料（鉄もしくは鉄合金）よりなる母材に銅系焼結摺動材（焼結材よりなる銅鉛合金，鉛青銅合金もしくは青銅合金）を接合してなる摺動材およびその摺動材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄もしくは鉄合金に鉛青銅系の摺動材を接合する接合方法として、次のような方法が知られている。
▲１▼鋳造などにより製造された鉛青銅系の摺動材を切削加工し、この摺動材を、同じく所定の形状に切削加工された後に表面に銅めっきが施されてなる鋼材の上に載せ、約８００℃で加圧して接合を行うもの。
▲２▼所定の形状に切削加工された鋼材の接合部分に堰を設け、この堰内に鉛青銅系の材料（鋳造材もしくは合金材をアトマイズして得られる粉体）を配置し、これを鉛青銅系材料の溶融温度以上の還元雰囲気の炉内に装入し、鉛青銅系材料を溶解させた後冷却して、溶融接合した鉛青銅相を得るもの。
▲３▼裏金の上に鉛青銅系の合金粉末を散布し、これを電気炉もしくはガス炉に通して還元性雰囲気中で一次焼結を行い、多孔性合金層を一次圧延にて潰した後再び電気炉へ通し二次焼結を行って合金層の焼結度を高め、更に二次圧延にて裏金の強度向上を図った焼結バイメタルを作り、このバイメタルを溶接にて接合するもの。なお、この方法は、銅系軸受材料の製造に利用されている。
▲４▼前記▲１▼と▲３▼の中間的な方法として、鉛青銅系の合金粉末を圧粉成形した後、この成形材を、所定の形状に切削加工された後に表面に銅めっきが施されてなる鋼材の上に載せ、約８００℃で加圧して焼結度を高めて接合するもの。なお、この方法によれば、加圧により円錐状の母材に対しても接合することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記▲１▼の方法では、鋳造材にめっきを施して昇温加圧接合する方式であるために、めっき費用が嵩むという問題点がある。また、鋳造組織には鉛相が連続して存在し易いことから、摺動材自身が強度不足を生じ易く、摺動特性も良くないといった問題点もある。
【０００４】
また、前記▲２▼の方法では、炉内で溶融した鉛青銅が凝固する際に表面部にひけ巣を生じ易いという問題点がある。また、接合面の濡れ不足による接合不良もしくは鋳造欠陥を発生させないためには鉛青銅の量を多くする必要があり、この結果加工代も多くなってコストアップを招いてしまうという問題点がある。また、溶融させた鉛青銅が凝固する際に、接合界面部近傍に鉛が重量偏析現象に従って連続して存在し易くなり、接合強度そのものの顕著な低下に繋がり易い。
【０００５】
次に、前記▲３▼の方法では、焼結バイメタルを製作する工程と、この焼結バイメタルを鋼材に接合する工程とからなるために、工程が複雑となってコストアップが避けられないという問題点がある。
【０００６】
さらに、前記▲４▼の方法では、焼結により均一な組織の鉛青銅材を得ることができるが、銅めっき工程を含むためにコストアップを招くという問題点がある。特に、鋼材が大径・大重量のときにそのコストアップが顕著になる。
【０００７】
さらに、前記▲１▼〜▲４▼の方法において母材に鋳鉄材料を適用した場合には、銅めっきを施す前に接合面に存在する黒鉛を例えばコーリン処理などで除去し、めっき処理および銅系材料との接合時の顕著な濡れ性阻害要因とならないようにする必要があるため、更にコストアップが避けられないという問題点がある。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解消することを目的として、コスト高となるめっき工程を廃して焼結による摺動材製造工程を採用することにより、製造工程を著しく簡略化するとともに、良好な接合特性を得ることのできる摺動材およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
本発明は、前述の目的を達成するために、めっきなしで銅系焼結摺動材を焼結時に鉄系材料よりなる母材に接合させ、かつ適当な焼結組織を得る方法として、銅系焼結摺動材に焼結助材としてのＴｉを添加することに着目してなされたものである。すなわち、本発明による摺動材は、
鉄系材料よりなる母材の表面に、Ｔｉ：０．２〜３．０重量％と、Ｓｎ：５〜１２重量％と、Ｐｂ：０〜１０重量％と、残部がＣｕよりなる銅系焼結摺動材を焼結により接合してなり、前記鉄系材料と前記銅系焼結摺動材との接合界面での接合せん断強度が１４．８ｋｇ／ｍｍ２以上であることを特徴とするものである。
【００１０】
この摺動材によれば、焼結助材としてＴｉが含有されていることによって、接合時における銅系焼結摺動材の鉄系母材への濡れ性が改善され、これら銅系焼結摺動材と鉄系母材との間に良好な接合状況を得ることができ、特に銅系焼結摺動材が鉛青銅材料のように鉛を含有する材料の場合に、鉛粒子の粗大化が抑えられてその鉛が細かく鉄系母材内に分散した組織を得ることができる。また、Ｔｉの添加によってその摺動材の耐摩耗性も向上させることができる。
【００１１】
前記母材は、鋳鉄材であるのが好ましい。
【００１２】
前記母材に黒鉛の析出した鋳鉄を使用する際においても、銅系焼結摺動材料にＴｉを含有させることによって、接合界面に析出する黒鉛とＴｉを積極的に反応させ、黒鉛を変質させることによって濡れ性の改善と接合性の改善を図ることができる。
【００１３】
次に、本発明による摺動材の製造方法は、
鉄系材料よりなる母材銅系焼結摺動材を接合するに際し、Ｔｉ：０．２〜３．０重量％と、Ｓｎ：５〜１２重量％と、Ｐｂ：０〜１０重量％と、残部がＣｕよりなる銅系焼結摺動材を用い、この銅系焼結摺動材を前記母材と組み合わせて焼結することにより、その焼結と同時に前記母材に接合することを特徴とするものである。
【００１４】
この製造方法によれば、めっき工程を廃して焼結による摺動材製造工程を採用しているので、製造工程を簡略化することができてコストアップを避けることができるとともに、銅系焼結摺動材と鉄系材料よりなる母材との間に良好な接合状況を得ることができる。
【００１５】
前記焼結は、露点が−３０℃以下の還元性もしくは中性雰囲気ガス中で行われるのが好ましい。特に安定な露点を得て、銅系焼結摺動材料が接合するときの濡れ性の安定化を図ることを目的とする場合には、Ｎ2 のような中性ガス減圧雰囲気で行われるのが更に好ましい。ただし、１０ｔｏｒｒ以下の減圧下では焼結途中において焼結材中に含有されるＰｂ，Ｓｎが蒸発することによる組成変動が１．０ｗｔ％を越えて大きくなり、炉内へのＰｂ，Ｓｎの堆積が設備上のメンテナンスコストを押し上げることが問題点となる。また、６００ｔｏｒｒ以上では減圧の効果が顕著でなくなるので、適正な減圧範囲としては１０〜６００ｔｏｒｒが好ましい。
【００１６】
前記母材は、鋳鉄材であるのが好ましい。
【００１７】
また、前記Ｔｉの添加割合が０．２重量％未満では発泡性、言い換えれば焼結時に焼結体内部より発生するガスによりその焼結体にふくれが発生する性質を呈することとなり、一方３．０重量％を越えると、摺動時に相手材（例；ＳＣＭ４４０Ｈ，ＳＵＪ２等）をアタックすることとなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明においては、予め所定の形状に加工した鋼材に鉛青銅粉よりなる圧粉成形体を載せ、還元性雰囲気の炉内に通すことにより、焼結と同時に接合が行われる。
【００１９】
鉛青銅系の焼結材を接合するためには、焼結時の温度を高くして焼結しなければならない。ところが、このように焼結温度を高くすると、摺動特性の上でなじみ性を確保する鉛粒子が成長し大きくなって、焼結材の強度低下を招いてしまう。一方、鉛の粒子を細かくして分散させるためには、低い温度で焼結しなければならない。ところが、低い焼結温度では、発生する液相量が少なくて濡れが十分でなく、接合不十分となってしまう。
【００２０】
そこで、本発明においては、接合に十分な液相を発生させ、かつ鉛を粗大化させないために、鉛青銅粉に焼結助材としてのチタンを添加して改善を図っている。このようにチタンを添加すると、鉛青銅合金の鉛以外の合金成分からの多量の液相発生が抑えられ、かつ鉄系母材への鉛青銅合金の濡れ性が改善され、更には鉛粒子の成長が抑えられることになる。こうして、焼結相および接合状態の共に良好な摺動材を得ることが可能となる。なお、本発明による摺動材は、ブルドーザ等の下転輪リテーナに適用して好適である。
【００２１】
【実施例】
次に、本発明による摺動材およびその製造方法の具体的実施例につき説明する。
【００２２】
図１に示されているように、Ｃｕ（銅），Ｓｎ（錫），Ｐｂ（鉛），Ｔｉ（チタン），Ｚｎ（亜鉛）の各材料の重量比の異なる１１種類の銅系焼結摺動材料について試験を行った。この試験においては、各材料をＶ型混合機で混合した後、２ｔ／ｃｍ2 になるような圧力で成形を行って銅系摺動材の圧粉体を得た。圧粉体形状については図２（ａ）に示されるとおりである。また、鉄系母材の形状については図２（ｂ）に示されている。母材形状で特徴的な点は焼結時の銅系焼結体の収縮代を見込んで焼結体内径部に堰となるものを設け、接合焼結完了時にはこの堰の形状に沿って銅系摺動材料が正確に接合できるようにしてあることである。つまり、製造技術的な観点からすれば、焼結体が上置きで接合できることは生産性やハンドリングの点で大きなメリットが生まれる。母材の材質としてはＳＣＭ４４０ＨとＦＣＤ４２０の鋳鉄を使用した。なお、具体的に使用した材料としては、Ｃｕは福田金属箔粉工業製の電解銅材ＣＥ１５，Ｓｎは同じく福田金属箔粉工業製のＳｎ−Ａｔ２５０，Ｐｂは同じく福田金属箔粉工業製のＰｂ−Ａｔ２５０であり、Ｔｉは住友スナック製のＴｉ−Ｈ粉末である。
【００２３】
図１に記載のＮｏ．１〜１０の銅系摺動材の圧粉体をＳＣＭ４４０Ｈ材の鉄系母材の上に載せて、８５０℃と８９０℃で１時間６００ｔｏｒｒの窒素雰囲気中で焼結した結果を図３および図４に示した。また、同様に図１に記載のＮｏ．１，３，５，１１の銅系摺動材の圧粉体をＳＣＭ４４０Ｈ材の上に載せて、露点−２７℃のアンモニア分解ガス雰囲気中、８４０℃で焼結接合した結果を図５に示した。これら図３乃至図５に示した硬さは荷重１ｋｇのビッカース硬度計で測定した。また、図中での面積率は超音波非破壊検査機による鉄系母材と銅系摺動材との接合面積率を測定したものであり、１００％であれば完全に接合したことを示している。さらに、発泡性は、焼結時に焼結時に焼結体内部より発生するガスにより焼結体にふくれが発生するか否かを評価したもので、ふくれ発生の場合は×と判断している。なお、図３中のＮｏ．４＊は鉄系母材にＦＣＤ４２０鋳鉄を使用したもので、同図中のＮｏ．４と比べて問題なく前述した本発明の主旨を満足していることが分かる。図６にＮｏ．４＊の接合部の組織を示した。この界面での接合せん断強度（下記に示した方法で求めたもの）は１５．２ｋｇ／ｍｍ2 と非常に高い強度を示しており、母材がＦＣＤ４２０であること以外は違いをほとんで認めることができなかった。これは、せん断破壊面が界面の銅系焼結体側で起こっているためと考えられ、接合界面が十分に強度の高い状態であることが確認できた。
【００２４】
次に、図４，図５に示した焼結水準テストピース（ＴＰ）から図７に示されるようなＴＰを準備して求めた接合せん断強度を図４，図５中に併せて示した。Ｎｏ．１のＴＰについてはできるだけ接合率の高い部分から切り出しているが、それでも明らかにチタンの添加によって顕著な接合強度の改善が認められている。これらの原因として、前述のようにＰｂがチタンの添加によって微細にかつ均一に焼結材料中に分散し、Ｐｂの連続的に繋がるような偏析的な作用を防止することと、更に図６にも示されるように接合焼結時に発生する液相内に含まれるチタン成分が黒鉛や鉄中の炭素、更には鉄そのものとの反応によって強固に接合するためと考えられる。また、少量のチタンの添加によりＦｅに対する濡れ性が顕著に改善されることによって接合面積率が改善されることも液相中に含まれるチタンの顕著な還元力と上述の反応性に原因していると考えられる。
【００２５】
次に、チタンの添加が銅系摺動材の摺動特性に及ぼす影響を調査するために、前述の試験片Ｎｏ．１，２，３，５，７，８について図８に示すような形状の試験片を加工し、次の試験条件にて摺動摩擦摩耗試験（摩擦係数，摺動材料および相手材の摩耗量の測定）を行った。この試験結果が図９に示されている。
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【００２６】
これらの試験結果から、銅系摺動材へのチタンの添加割合は０．２〜３．０重量％であるのが好ましい。この添加割合が０．２重量％未満では、焼結体が発泡性を呈し、かつ摺動材料としての耐摩耗性に顕著な効果が期待されない。また、３．０重量％を越えると、摺動時に相手材料をアタックして摺動特性が悪化する。
【００２７】
本実施例においては、銅系摺動材にチタンを添加するものとしたが、クロム−チタン合金を添加しても同様の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、銅系焼結摺動材料の試験材料を示す表である。
【図２】図２（ａ）は、銅系摺動材の圧粉体形状，（ｂ）は鉄系母材の形状である。
【図３】図３は、図１の材料の焼結結果を示す表▲１▼である。
【図４】図４は、図１の材料の焼結結果を示す表▲２▼である。
【図５】図５は、図１の材料の焼結結果を示す表▲３▼である。
【図６】図６は、接合部の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図７】図７は、せん断試験片を示す図である。
【図８】図８は、摺動試験片を示す図である。
【図９】図９は、図３の試験片についての摺動摩擦摩耗試験の結果を示す表である。
【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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