JP5036390B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本願発明は、合金の粉末を鋼裏金上に散布後焼結して摺動層を形成した摺動部材に関するものである。

従来の内燃機関の高周速用軸受として、特許第２５９５３８６号特許公報に示される摺動部材の耐焼付性を高める目的で熱伝導性を向上させた銅鉛軸受合金層と鋼裏金との複層摺動材料からなる摺動部材が使用されてきた。
特許第２５９５３８６号特許公報（請求項１、０００５）

ところで、近年のエンジンの高速・高回転化により従来の摺動部材では耐焼付性にさらに耐キャビテーション性の向上が求められるようになってきた。そこで、出願人は、特許文献１に記載される従来の銅鉛系合金と同じく熱伝導性に優れ且つ銅鉛系軸受合金に対し強度に優れる純Ａｇを摺動材料に用いる試みを行ったが、純Ａｇの摺動材料は、耐キャビテーション性が不十分であった。さらにＡｇを合金化し単に合金強度を高めただけでは耐キャビテーション性を十分に高められないことが判明した。

本願発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、熱伝導性及び耐キャビテーション性に優れた銀系合金摺動層を有する摺動部材を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するために採用された解決手段として、請求項１に係る発明は合金の粉末を鋼裏金上に散布後焼結して摺動層を形成した摺動部材において、前記合金は、ＡｇとＣｕとからなる銀系合金であると共に当該銀系合金の焼結後の組織が複相の固溶体のみからなる複相組織であることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の摺動部材であって、前記銀系合金は、Ｃｕを０．３５〜２８．５質量％含有した組成の銀系合金であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の摺動部材であって、前記銀系合金は、さらにＡｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｎのいずれか１種以上を総量で２０質量％以下含有した組成の銀系合金であることを特徴とする。

請求項１に係る発明においては、ＡｇとＣｕとを合金化することにより純Ａｇに比べて熱伝導性は低下するが、Ａｇ，Ｃｕは、共に金属の中でも熱伝導性に最も優れるため、従来の銅鉛系合金摺動材料と同等以上の熱伝導性を有する摺動層を有する摺動部材を提供することができる。

また、Ａｇの強度を高める方法としては、Ａｇに異種金属を添加しＡｇと添加元素からなる固溶体にＡｇと添加元素との金属間化合物相を析出や晶出させる方法が一般的であるが、固溶体相と金属間化合物相からなる合金に負荷がかかると固溶体相には負荷による変形が伝播していくものの、金属間化合物相との結晶粒界に到達すると極めて硬く延性がない金属間化合物相が変形の抵抗となる。このため、固溶体相と金属間化合物相からなる合金であると強度は高くなるが、キャビテーションによる材料破壊が起こりやすいことが判明した。この理由としては、キャビテーションのように超音波周波数域の周期の繰り返し負荷がかかると、固溶体相と金属間化合物相との結晶粒界で変形の運動が阻止され、応力集中が起こるので結晶粒界を基点として材料破壊が起こるものと考えられるからである。

しかし、請求項１に係る発明のように、銀系合金の組織が複相の固溶体のみからなる複相組織の合金であると、固溶体相であったとしても結晶構造の異なる異種固溶体相間の結晶粒界が変形抵抗となるので強度を高められるが、変形は結晶粒界を介して異種固溶体相へ伝播していくので結晶粒界での応力集中が緩和され耐キャビテーション性に優れたものとなる。

請求項２に係る発明は、共晶合金系である銀銅合金が、０．３５質量％以上のＣｕを含有することで、軟質で伸びのあるα固溶体相と該α固溶体相に比べると硬く延性が低いβ固溶体相との複相組織となり、一方、２８．５質量％以下のＣｕを含有することによりβ固溶体相より延性の高いα固溶体相の割合を多くしα固溶体相とβ固溶体相間の結晶粒界での応力集中の緩和に好適となり、さらに耐キャビテーション性の向上につながる。

請求項３に係る発明のように、金属間化合物相が形成されない範囲でＡｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｎを添加することにより固溶体相の強度を高めることができるので耐キャビテーション性をさらに高められる。ただし、２０％を超えて添加すると、金属間化合物相を形成するようになるため耐キャビテーション性が低下する。

なお、耐焼付性を高めるため、ＰｂやＢｉなどの軟質成分を耐キャビテーション性を低下させない程度に添加してもよい。また、耐摩耗性を高めるため、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、珪化物等の硬質粒子を耐キャビテーション性を低下させない程度に添加してもよい。また、合金粉末製造工程での不可避不純物であるＰ等を含有してもよい。さらに、耐焼付性を高めるため、摺動部材の表面に金属や樹脂などのオーバレイ層を形成してもよい。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、純Ａｇの金属組織の概略図（Ａ）、金属間化合物が存在する合金組織の概略図（Ｂ）、ＡｇとＣｕの固溶体が２相存在する合金組織の概略図（Ｃ）である。

図１（Ａ）に示す純Ａｇの金属組織は、Ａｇの単一相であるため、延性に優れているが、強度が低いので、破壊靭性は低い。また、図１（Ｂ）に示すＡｇに異種金属であるＴｈ（トリウム）を添加することにより、ＡｇとＴｈの固溶体と金属間化合物（ＴｈＡｇ₃）との複相の合金組織となる。この合金組織は、ＡｇとＴｈの固溶体（単一相）中に金属間化合物が析出したものであるが、固溶体相には延性がある一方、金属間化合物は硬さは極めて高いものの延性が全くないというように材料物性に大きな違いがある。このため、金属間化合物と固溶体の結晶粒界には、材料物性の連続性がなくなり破壊靭性が低下する。このように、純Ａｇの単一相は強度が低いために破壊靭性が低く、また、単に異種金属を添加して金属間化合物を析出させて強度を高めても破壊靭性を高めることはできない。このため、キャビテーションによる材料破壊が起こりやすい。

これに対し、図１（Ｃ）に示す共晶合金系であるＡｇとＣｕとの合金組織は、α固溶体相とβ固溶体相との２相が混在した組織となっている。β固溶体は、α固溶体に比べ硬さが高くなる。しかし、α固溶体もβ固溶体も何れも延性を有するため結晶粒界での材料物性には連続性があり、破壊靭性を高めることができる。つまり、銀系合金の組織が複相の固溶体のみからなる複相組織の合金であると、固溶体相であったとしても異種固溶体相間の結晶粒界が変形抵抗となるので強度を高められこととなる一方、変形が結晶粒界を介して異種固溶体相へ伝播していくので結晶粒界での応力集中が緩和され耐キャビテーション性に優れたものとなる。

本発明は、上記した共晶合金系であって熱伝導性の高いＡｇとＣｕとの合金であってα固溶体相とβ固溶体相との２相の固溶体のみからなる複相組織の合金を摺動部材の摺動層として利用しようとするものである。このため、アトマイズ法等によって粉末にした銀系合金粉末を鋼裏金上に所定厚となるように散布後、所定温度の還元雰囲気中で焼結し、その後冷却してロール圧延を行って焼結層を緻密化し、再度焼結することで摺動層を有する摺動部材とすることができる。

以下、本発明を実施した実施例及び該実施例と比較すべき比較例について表１を参照して説明する。表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．１０に示す組成の粉末を厚さ１．５ｍｍの帯鋼上に０．８ｍｍの厚さに散布し、Ｈ₂雰囲気、７００℃〜９００℃の焼結炉に連続的に通し焼結後、冷却しロール圧延を行って焼結層の緻密化を行った後に再度、同条件で焼結し、実施例１〜７および比較例８〜１０の摺動部材を作製した。また、実施例１〜７、比較例８〜１０の摺動部材の組織をＸ線回折にて観察し、固溶体相の数を確認した。その結果、実施例１〜実施例７は、図１（Ｃ）に示すようないずれも２相の固溶体相が存在していることが確認された。一方、比較例８は、固溶体相は１相のみの従来の銅鉛系合金、比較例９は、図１（Ａ）に示すような１相の純銀、比較例１０は、図１（Ｂ）に示すような固溶体相に金属間化合物が析出したＡｇ−Ｔｈ合金であることが確認された。

また、表１中におけるキャビテーション試験は、実施例１〜７及び比較例８〜１０に示す摺動部材を水中に支持し、その摺動部材の摺動層に対面する位置に所定間隔（例えば、０．５ｍｍ）を置いてホーンを設け、そのホーンから１９０００Ｈｚの周波数を３０分間発生させたときの摺動層の体積の減量を測定したものである。

しかして、比較例８〜１０に対し実施例１〜７は何れも、キャビテーションによる減少量が少ない値である。特に、実施例４を除くＣｕ量が０．３５〜２８．５質量％の実施例は、比較例８〜１０と比べて半分以下の数値となっている。これは、β固溶体相に比べ延性の高いα固溶体相の複相組織中での割合を多くしたため、応力集中の緩和が容易になったことによると推測される。実施例４では、逆に複相組織中でα固溶体相に比べ延性の低いβ固溶体相の割合が多いため、他の実施例１〜３，５〜７に比べキャビテーションによる減少量がやや多い値を示しているが、それでも従来の一般的に使用されている実施例８の摺動部材に比べて耐キャビテーション性が改善されている。

また、Ａｇと２０質量％Ｃｕ合金中にＳｎを固溶させた実施例５や、Ａｇと２０質量％Ｃｕ合金中にＩｎを固溶させた実施例６においては、ＳｎやＩｎがα固溶体相やβ固溶体相に固溶した２相となっており、異種固溶体相の結晶粒界にキャビテーションによる負荷の応力集中が起きにくく、しかもそれらの２相の固溶体相自身の強度が高まるので耐キャビテーション性が実施例２（Ａｇと２０質量％Ｃｕ合金）に比較してさらに高められたものである。

更に、Ａｇと２０質量％Ｃｕ合金中にＴｉとＺｎとＡｌをそれぞれ少量ずつ添加した実施例７においても、ＴｉとＺｎとＡｌがα固溶体相やβ固溶体相に固溶した２相となっており、異種固溶体相の結晶粒界にキャビテーションによる負荷の応力集中が起きにくく、しかもそれらの２相の固溶体相における強度が高まるので耐キャビテーション性が実施例２（Ａｇと２０質量％Ｃｕ合金）に比較して高められたものである。

一方、固溶体相に金属間化合物が析出した比較例１０は、固溶体相と金属間化合物との結晶粒界に応力集中が起こるので、耐キャビテーション性は実施例１〜７と比較して低い。これは、固溶体相は延性が高いという金属の性質を有するが、金属間化合物は延性を有するという金属としての性質を持たないため、物理的性質が大きく異なる固溶体と金属化合物間の結晶粒界に応力が集中しやすく、また、延性が無い金属間化合物相には応力を緩和する能力が無いので耐キャビテーション性が低いと推定されるからである。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明においては、耐焼付性を高めるため、ＰｂやＢｉなどの軟質成分を耐キャビテーション性を低下させない程度に添加してもよい。また、耐摩耗性を高めるため、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、珪化物等の硬質粒子を耐キャビテーション性を低下させない程度に添加してもよい。さらに、耐焼付性を高めるため、摺動部材の表面に金属や樹脂などのオーバレイ層を形成してもよい。

本発明に係る銅系摺動部材を製造するための製造方法を説明するための工程図である。

Claims (3)

1. 合金の粉末を鋼裏金上に散布後焼結して摺動層を形成した摺動部材において、
   前記合金は、ＡｇとＣｕとからなる銀系合金であると共に当該銀系合金の焼結後の組織が複相の固溶体のみからなる複相組織であることを特徴とする摺動部材。
2. 前記銀系合金は、Ｃｕを０．３５〜２８．５質量％含有した組成の銀系合金であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
3. 前記銀系合金は、さらにＡｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｎのいずれか１種以上を総量で２０質量％以下含有した組成の銀系合金であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の摺動部材。

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