特許 6752671 摺動材料およびその製造方法並びに摺動部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6752671

(24)【登録日】2020年8月21日

(45)【発行日】2020年9月9日

(54)【発明の名称】摺動材料およびその製造方法並びに摺動部材

(51)【国際特許分類】

   C22C 9/00 20060101AFI20200831BHJP

   F16C 33/12 20060101ALI20200831BHJP

   C22C 9/01 20060101ALI20200831BHJP

   C22C 9/02 20060101ALI20200831BHJP

   C22C 9/04 20060101ALI20200831BHJP

   C22C 9/05 20060101ALI20200831BHJP

   C22C 9/06 20060101ALI20200831BHJP

   C22C 9/10 20060101ALI20200831BHJP

   C22C 1/02 20060101ALI20200831BHJP

   F16C 33/14 20060101ALI20200831BHJP

   B22D 19/16 20060101ALI20200831BHJP

   B22D 27/04 20060101ALI20200831BHJP

【ＦＩ】

   C22C9/00

   F16C33/12 A

   C22C9/01

   C22C9/02

   C22C9/04

   C22C9/05

   C22C9/06

   C22C9/10

   C22C1/02 501A

   F16C33/14 Z

   B22D19/16 A

   B22D27/04 A

【請求項の数】10

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2016-194266(P2016-194266)

(22)【出願日】2016年9月30日

(65)【公開番号】特開2018-53349(P2018-53349A)

(43)【公開日】2018年4月5日

【審査請求日】2019年7月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】591001282

【氏名又は名称】大同メタル工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】戸田 和昭

【審査官】 瀧澤 佳世

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０３００３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−０８１５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４３９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１７４１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２８５２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０７２７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ９／００

Ｂ２２Ｄ １９／１６

Ｂ２２Ｄ ２７／０４

Ｃ２２Ｃ １／０２

Ｃ２２Ｃ ９／０１

Ｃ２２Ｃ ９／０２

Ｃ２２Ｃ ９／０４

Ｃ２２Ｃ ９／０５

Ｃ２２Ｃ ９／０６

Ｃ２２Ｃ ９／１０

Ｆ１６Ｃ ３３／１２

Ｆ１６Ｃ ３３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と、該基材に接合された銅合金層とを有する摺動材料であって、
前記銅合金層は、
４．０〜２５．０質量％のＢｉ、および
Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で０〜５０．０質量％
を含み、残部が銅および不可避不純物である銅合金からなり、該銅合金は、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有し、
前記銅合金層の前記基材との接合界面における前記Ｂｉ相の接触面積率が２．０％以下である、摺動材料。

【請求項2】

前記Ｂｉ相の接触面積率が、Ｂｉ含有量を質量％とすると、
接触面積率／Ｂｉ含有量≦０．０７５
である、請求項１に記載された摺動材料。

【請求項3】

前記銅合金が、ＭｏＳ_２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で１０体積％以下さらに含む、請求項１または請求項２に記載された摺動材料。

【請求項4】

前記銅合金が、１．０〜１０．０体積％の硬質粒子をさらに含み、該硬質粒子は、金属のホウ化物、ケイ化物、酸化物、窒化物または炭化物、あるいは金属間化合物である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された摺動材料。

【請求項5】

前記銅合金層上にオーバーレイをさらに有する、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動材料。

【請求項6】

前記基材の厚さが１．０〜２５．０ｍｍであり、前記銅合金層の厚さが０．１〜３．０ｍｍである、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された摺動材料。

【請求項7】

請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動材料を製造する方法であって、
前記基材を準備するステップ、
前記銅合金を溶融するステップ、
溶融した前記銅合金を前記基材の接合すべき表面上に鋳込むステップ、
前記基材の接合すべき表面の反対側面から冷却剤により前記基材を冷却して、前記銅合金を一方向凝固させるステップ、及び
前記鋳込みから所定時間後に前記冷却剤の供給量を減少させるステップ
を含む、摺動材料を製造する方法。

【請求項8】

前記冷却剤が、水または油である、請求項７に記載された摺動材料を製造する方法。

【請求項9】

前記基材を準備するステップが、１つ又は複数の基材から円筒形状体を成形するステップを含み、
前記鋳込むステップが、前記円筒形状体を、円筒形状の中心軸線の周りに回転させながら鋳込むステップを含む、請求項７または請求項８に記載された摺動材料を製造する方法。

【請求項10】

請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動材料を含む摺動部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摺動材料に関するものであり、詳細には、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有する銅合金層を基材上に設けた摺動材料に係るものである。さらに、本発明は、摺動材料の製造方法、および摺動材料を用いた摺動部材にも関するものである。

【背景技術】

【0002】

内燃機関などのすべり軸受や、ブシュ、スラストワッシャなどの様々な摺動部材用の摺動材料として従来からＣｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系摺動合金が使用されていた。しかし、Ｐｂの環境への悪影響に鑑みＰｂフリー化を図るために、Ｐｂに替わってＢｉを添加した焼結銅合金が提案されている。ＢｉはＣｕ合金のマトリックス中に分散して軟質なＢｉ相を形成し、非焼付性を向上させることが知られている。

【0003】

例えば特開２００１−８１５２３号公報（特許文献１）は、Ｃｕ−Ｓｎ合金に、１〜２０質量％のＢｉ、平均粒径が１〜４５μｍの硬質粒子を０．１〜１０体積％を含有した銅系摺動材料を開示している。軟質なＢｉ相がＣｕ合金マトリックス中に分散することにより、なじみ性、異物埋収性および非焼付性が向上するとしている。さらに、Ｂｉ相中に硬質粒子が混在することにより、耐摩耗性に優れ非焼付性が向上するとともに、軟質のＢｉ相がクッションとなり、相手材へのアタック性が緩和されると記載されている。

【0004】

特開２０１２−２０７２７７号公報（特許文献２）は、連続焼結法にて作製されるＣｕ合金層中のＢｉ粒の粗大化を抑制し、耐疲労性及び耐焼付性に優れた銅系摺動材料を提供するために、Ｓｎを６〜１２質量％、Ｂｉを１１〜３０質量％、Ｐを０．０１〜０．０５質量％含有する銅系摺動材料を開示する。Ｃｕ合金層に含有させるＢｉとＳｎの質量比の値をＢｉ／Ｓｎ＝１．７〜３．４、ＢｉとＰの質量比の値をＢｉ／Ｐ＝５００〜２１００とすることで、焼結後の冷却工程にてＣｕ合金粉末中のＣｕ合金にＣｕ−Ｓｎ−Ｐ系化合物が析出し、これによりＣｕ合金粉末中のＣｕ合金と液相になったＢｉの熱収縮率の差が緩和され、Ｂｉの液相がＣｕ合金粉末中に留まりＢｉ粒の粗大化を抑制し、Ｂｉ粒の平均粒子面積を６０〜３５０μｍ^２と微細に分散させることができると記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−８１５２３号公報

【特許文献2】特開２０１２−２０７２７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

このようなＢｉを含有する銅合金からなる摺動材料は、基材上に散布した銅合金粉末を焼結することにより製造される。この場合、Ｂｉは１次焼結工程の昇温中に溶融するので、銅合金粉末同士の接合よりも早くにＢｉが溶解して流動し始める。１次焼結工程中に早期に溶解したＢｉの一部は、銅合金粉末粒同士の隙間を伝って基材との界面まで流動し、そこに集積する。そのために、１次焼結工程により、基材と銅合金層との接合界面でＢｉの濃度が大きい領域が形成される。その後の工程を進めても、１次焼結工程時に形成された接合界面のＢｉ相は、接合界面に存在し続け、除去することは困難である。その結果、銅合金と基材との接着面積が小さくなる。Ｂｉ相は軟質であり、強度が小さいので、全体として銅合金と基材との接合強度が小さくなり、材料強度の確保が容易ではなくなる。特に製造コスト低減のために中間層を設けずに直接接合する場合、このようにＢｉにより銅合金層と基材との接合が阻害される傾向がある。

【0007】

近年、エンジンの高出力化、エンジン小型化による軸受面積の減少などによる軸受への負荷の増加に伴い、摺動材料の強度の向上が求められている。このためには、合金自体の強度だけでなく、合金層と基材との接合強度の向上も必要とされる。

【0008】

本発明の目的は、Ｂｉを含有する銅合金からなる層を基材上に形成する際に、銅合金層と基材との接合強度を向上させる方法を提供することである。また、本発明の目的は、Ｂｉ含有銅合金層と基材との接合強度の向上した摺動材料、およびその摺動材料から作られた摺動部材を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記のように、Ｂｉ含有銅合金層と基材との接合強度を低下させる要因は、接合界面に存在するＢｉである。そこで、本発明では、接合界面に接するＢｉ相を減少させることにより、基材と銅合金層との接合強度を向上させる。

【0010】

本発明の一観点によれば、基材と、基材に接合された銅合金層とを有する摺動材料が提供される。銅合金層は、４．０〜２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなり、この銅合金は、Ｂｉ相が銅合金組織に分散した組織を有し、基材との接合面における銅合金層のＢｉ相の面積比率（接触面積率）が２．０％以下である。
本発明によれば、接合界面に接するＢｉ相の面積を減少させたことにより、基材と銅合金層との接合面積が大きくなり、良好な接合強度を確保した摺動材料が得られる。

【0011】

一具体例によれば、接合界面におけるＢｉ相の接触面積率（％）が、Ｂｉ含有量を質量％で表したとき、
接触面積率／Ｂｉ含有量≦０．０７５
の関係により表される値とする。

【0012】

一具体例によれば、銅合金が、
Ｂｉを４．０〜２５．０質量％、
Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５０．０質量％以下
を含み、残部が銅および不可避不純物である。
銅合金は、さらに、ＭｏＳ_２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で1０体積％以下で含むことができる。

【0013】

一具体例によれば、摺動材料は、銅合金層上にオーバーレイをさらに有することができる。
一具体例によれば、基材の厚さが１．０〜２５．０ｍｍであり、銅合金層の厚さが０．１〜３．０ｍｍである。
基材は、亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼、鋳鉄、高速度鋼、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼などの鉄系材料、または純銅、リン青銅、黄銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン合金など銅系材料であることが好ましい。

【0014】

本発明の他の観点によれば、上記の摺動材料を製造する方法が提供される。この方法は、基材を準備するステップ、銅合金を溶融するステップ、溶融した銅合金を基材の接合すべき表面上に鋳込むステップ、基材の接合すべき表面の反対側面から冷却剤により基材を冷却して銅合金を一方向凝固させるステップを含む。

【0015】

一具体例によれば、この方法は、鋳込みから所定時間後に、冷却剤の供給量を減少させるステップをさらに含む。
一具体例によれば、冷却剤は水または油とすることができる。
一具体例によれば、基材を準備するステップが、１つまたは複数の基材からなる円筒形状体を成形するステップを含み、鋳込むステップが、円筒形状体を、円筒形状の中心軸線の周りに回転させながら鋳込むステップを含む。

【0016】

本発明のさらに他の観点によれば、上記摺動材料から製造された摺動部材が提供される。この摺動部材は、例えばすべり軸受などの軸受であることができるが、その他ブシュ、スラストワッシャなどの摺動部材であってもよい。

【0017】

本発明及びその多くの利点を、添付の概略図面を参照して以下により詳細に述べる。図面は、非限定的な実施例を例示の目的でのみ示している。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明による摺動材料の一例の断面模式図。

【図2】本発明による摺動材料の基材との境界付近における銅合金層の断面組織の模式図。

【図3】本発明により摺動材料の製造方法における冷却工程の一例を示す図。

【図4】遠心鋳造法を示す模式図。

【図5】剪断試験の模式図。

【図6】接触面積率／Ｂｉ含有量と剪断強さ／引張強さの関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１に本発明による摺動材料１の一例の断面を概略的に示す。摺動材料１は、基材２上に、銅合金層３が設けられている。図１では、銅合金層３は基材２上に直接設けられている。
基材２は、銅合金層３を支持して摺動材料１の強度を確保するものである。その素材は、例えば亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼、鋳鉄、高速度鋼、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼などの一般市販される鉄系材料、あるいは純銅、リン青銅、黄銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン合金など銅系材料でよいが、他の材料でもよい。

【0020】

銅合金層３は、摺動層として機能でき、銅合金全体の質量に対して４．０〜２５．０質量％のＢｉを含有する銅合金からなる。銅合金はＢｉ以外に、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５０．０質量％以下含有することができる。さらに、銅合金は、ＭｏＳ_２、グラファイトのいずれか又は両方を総量で1０体積％以下含有することができる。さらに、金属のホウ化物、ケイ化物、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物などの硬質粒子を分散させてもよい。限定ではないが、銅合金は、例えば、Ｂｉ４．０〜２５．０質量％、Ｓｎ１２．０％質量以下、Ｚｎ４０．０質量％以下、Ａｌ１３．０％質量以下を含有する銅合金をすることができる。
摺動材料は、基材の厚さが１．０〜２５．０ｍｍであり、銅合金層の厚さが０．１〜３．０ｍｍであることが好ましい。
さらに、本発明による摺動材料１は、銅合金層３上にオーバーレイを施してもよい。オーバーレイは、例えば、Ｓｎ、Ｂｉなどの軟質金属層、あるいは固体潤滑剤を分散した樹脂など、周知の材料を使用できる。

【0021】

図２に、本発明による摺動材料１の基材２との境界付近における銅合金層３の断面組織の模式図を示す。
銅とＢｉは固相状態では互いに固溶しあわないために、完全に分離する。そのために、銅合金層３は、図２に示すように銅合金マトリックス６の粒界にＢｉ相５が島状に分散した組織を有する。Ｂｉ相はほぼ純粋なＢｉからなるが、銅合金に含まれる合金化元素がＢｉに固溶している場合もある。
本発明によれば、銅合金層３に析出するＢｉ相５は、銅合金層３と基材２との接合界面７の近傍では、析出量が減少する。とりわけ、接合界面７に接触する純Ｂｉ相の接触面積が接合界面７の面積に占める比率、すなわち接触面積率は２．０％以下である。更に好ましくは０．２〜１．２％である。
さらに、Ｂｉ相の接触面積率は、銅合金のＢｉ含有量により影響を受けるので、Ｂｉを影響を除くために、接触面積率は、Ｂｉ含有量（質量％）に係数０．０７５を乗じた値以下とすることが好ましい。更に好ましくは、係数は０．０６０以下である。

【0022】

Ｂｉ相は、強度が小さいうえに、銅合金層３と基材２との接合界面７において銅合金と基材との接着を阻害する。本発明に係る摺動材料は、接合界面７にＢｉ相が少ないので、銅合金層３と基材２との接触面積が増大するために、銅合金層３と基材２との接合強度が向上し、ひいては摺動材料１の全体としての強度を向上させることもできる。
さらに、本実施形態では、銅合金層と基材とを直接接合しており、高価な銅めっき付き鋼材を使用する必要が無いので摺動材料のコストを低減できる。

【0023】

次に銅合金の成分組成について説明する。
Ｂｉ：４．０〜２５．０質量％
Ｂｉは、銅合金マトリックス中に分散した軟質なＢｉ相を形成し、耐摩耗性、非焼付性の向上に寄与する。Ｂｉが４．０質量％未満では非焼付性の効果が得られず、Ｂｉ自身の強度が小さいことからＢｉが２５．０質量％を越えると銅合金の強度が低下する。好ましくは、Ｂｉ成分は８．０〜２０．０質量％である。

【0024】

Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから選ばれる１種または２種以上を総量で５０．０質量％以下
これらの元素は、銅合金のＣｕマトリックスを固溶強化する作用、または金属間化合物を形成して銅合金の強度を向上させる作用がある。したがって、これらの元素を５０質量％以下含有であれば摺動材料の強度の向上に寄与できる。しかしこれらの元素の含有量が多いと金属間化合物量が多くなりすぎて、銅合金の脆性が悪くなるため、最大５０質量％とする。好ましくは３．０質量％以上４０．０質量％以下である。

【0025】

銅合金は、固体潤滑剤を含むことができ、ＭｏＳ_２、グラファイトのいずれか又は両方の固体潤滑剤を総量で1０体積％以下さらに含むことができる。これらの固体潤滑剤の含有滑性により、銅合金層の耐摩耗性、非焼付性を向上させることができる。固体潤滑剤の含有量が多くなると強度が低下するので、含有量は最大1０体積％とする。好ましくは、最大５．０体積％である。

【0026】

銅合金は、１．０〜１０．０体積％の硬質粒子をさらに含有することができる。硬質粒子は、１〜４５μｍのサイズを有することが好ましく、金属のホウ化物、ケイ化物、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物とすることができる。硬質粒子は、銅合金層中のＢｉ相に混在して耐摩耗性と非焼付性を向上させることができる。

【0027】

次に、本発明の摺動材料１の製造方法について説明する。本発明では、上記組成の銅合金を溶融状態で基材２上に鋳込むことによって、銅合金溶湯を基材２に直接接触させて凝固させる。このように、本発明では、鋳造法によって、銅合金層３を基材２に接合させることにより、摺動材料１を製造できる。
まず、基材２を準備する。基材２は上記に説明した材質の平板、または円筒体とできるが、あるいはその他の形状でもよい。
上記に説明した組成の銅合金を溶解して、溶融した銅合金を基材２の接合表面上に鋳込む。この際、酸化を防ぐために、不活性ガスや還元性の雰囲気とする、あるいはフラックスを用いることが好ましい。
基材は、銅合金層３を接合させるべき基材表面（接合表面）の反対側表面から、冷却剤により基材２を冷却する。冷却剤は、例えば水または油とすることができ、水または油を基材２の接合表面の反対側表面に衝突させることにより冷却する。
このようにして銅合金の鋳込み、冷却を行なうことにより、銅合金は、基材２の接合表面に接触した銅合金から優先的に一方向凝固される。本実施形態では、銅合金の自由表面側（銅合金層の接合表面とは反対側に相当する）からは冷却を行なわない。

【0028】

Ｃｕ−Ｂｉ合金が溶融状態から温度が低下していくと、まずＣｕが晶出し始め、Ｃｕ−Ｂｉ液相にＢｉが濃縮されていく。そして、約２７０度で、残ったＣｕ−Ｂｉ液相が凝固するが、ＣｕとＢｉはほとんど固溶しあわないためにＣｕ相とＢｉ相に分離するので、Ｂｉ相がＣｕ相に分散した組織となる。
本発明の方法では、冷却された基材２の接合表面に接触した銅合金から凝固が始まるために、基材２の接合表面近傍に初晶のＣｕが晶出し、副成分であるＢｉは液相に残って接合界面側から液相側へ移動する。この結果、銅合金層３が形成されると、銅合金層３と基材２との接合界面７に接触するＢｉ相は相対的に少なくなる。

【0029】

このように、本発明では、銅合金を基材２の接合表面から一方向凝固させことにより、接合界面近傍が急速凝固され、銅合金層３の接合界面とは反対側の摺動表面近傍が徐冷される。このようにして、接合界面に接触するＢｉ相の接触面積を２．０％以下とすることが可能になる。
また、焼結法による粉末合金同士の結合よりも、鋳造法は全体を溶融させてマトリクスを形成できるために、鋳造法によって銅合金をライニングすることで、銅合金層として十分な合金強度を確保できる。

【0030】

本発明では、凝固工程中に、基材２の接合表面の反対側表面に供給する冷却剤の供給量を制御することにより、組織制御を行なうことができる。例えば、図３に、冷却条件の一例を示す。横軸に鋳込み開始からの時間を取り、縦軸に銅合金層の接合表面（Ａ）および自由表面である摺動表面（Ｂ）の温度を示す。冷却初期（第１段階）は冷却剤の供給量を多くして冷却時間を短くし（例えば、基材の１ｃｍ^２当たりに衝突させる冷却水流量を０．４００Ｌ/ｍｉｎ以上とし、冷却時間は基材の厚さ１ｍｍあたり１．０〜８．０秒とする）、それ以降の第２段階は冷却剤の供給量を少なく冷却時間を長くし（例えば、基材の１ｃｍ^２当たりに衝突させる冷却水流量を０．１００Ｌ/ｍｉｎ以下とする）、第２段階の後は放冷とする。第１段階の最終時期では、銅合金層の接合表面は、銅合金の凝固開始温度Ｔｓよりも低温になっており、凝固が開始しているが、摺動表面はまだＴｓよりも高温であるために溶融したままである。第２段階で摺動表面もゆっくりと凝固する。この制御により、この接合界面に接触するＢｉ相の接触面積率を減少させるとともに、摺動表面までの接合界面を離れた領域で、Ｂｉ相がほぼ均一に島状に分散することが可能になる。冷却剤の供給量の調整により、Ｂｉ相のサイズを摺動表面に近づくほど大きくさせても良い。このような冷却条件により、組織、肉厚比率の制御が可能になる。

【0031】

従来の鋳造法では、銅合金層の摺動表面側、すなわち接合界面の反対側表面から冷却していたため、厚さ方向で表面から連続的に凝固していた。この従来法では、Ｂｉ相は、摺動表面側に少なくなり、接合界面側に多く析出する。

【0032】

本発明に係る方法を実施する一具体例として、平板基材の表面上に堰を設けて、銅合金の溶湯を堰に囲まれた基材表面に注湯する方法が可能である。この際、基材および銅合金の酸化を防ぐために、不活性ガスや還元性の雰囲気とする、あるいはフラックスを用いることが好ましい。注湯後に、上記冷却剤による冷却を基材裏側から行なう。
別の具体例として、遠心鋳造を採用することもできる。もちろん、本発明はこれらの鋳造方法に限定されるものではない。

【0033】

遠心鋳造法の模式図を図４に示す。基材となる板材２を円筒形状に成形し、両端部をシール１１する。この円筒形状に成形した基材２を、例えば回転ローラなどの回転装置１２により高速で水平回転させる。円筒形状内は、真空あるいは還元若しくは不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。基材の円筒形状の端部に設けたゲート１３から溶融させた銅合金を注入する。基材２を、外表面から冷却剤を供給することにより冷却する。溶融銅合金は、遠心力により基材２の内面に密着して、内径が真円のまま凝固して、銅合金層を形成する。遠心鋳造方法は、例えば円筒形状のすべり軸受等への適用が可能である。

【0034】

銅合金層の基材との接合界面におけるＢｉ相の接触面積率の測定方法について説明する。摺動材料の断面組織を、光学顕微鏡または電子顕微鏡（例えば２００倍）により観察して、基材と銅合金層の接合界面を決定する。その接合界面の所定長さ内に接触するＢｉ相の接触距離を測り、そのＢｉ相の接触距離の合計の接合界面の所定長さに対する比率、すなわち線分率によりＢｉ相の接触面積率を評価する。

【実施例】

【0035】

以下の実施例１〜１９および比較例１〜５の各試料を作製して、接触面積率および接合強度の評価を行なった。
基材の準備
基材としてＳＰＣＣ製の鋼板を用い、湯漏れ防止のために周辺部を残し上面中央部を切削して、周辺部に堰を形成した箱形状に加工した。鋳込み厚さの設定は５ｍｍであった。摺動部材の基材となる部分の肉厚は６ｍｍである。酸化防止剤として、溶融硼砂によって基材表面を覆い、Ｈ_２ガスを含む還元ガス雰囲気中にて１０００℃〜１２００℃で基材の予熱を行なった。

【0036】

銅合金の鋳造
銅合金として、表１および表２に示す実施例１〜１９および比較例１〜５の各組成となるように、純銅、純Ｂｉ及びその他の成分の材料を配合し、大気中で溶解した。銅合金の溶湯は１１００℃〜１２００℃で大気中で保持し、予熱された基材上に注湯した。

【0037】

冷却工程
注湯後、基材下部に設置された散水ノズルから基材底面に向かって冷却水を衝突させた。比較例については、少量の一定流量で連続的に冷却水を衝突させた（冷却水流量４０Ｌ/ｍｉｎで１８０秒間冷却）。他方、実施例１〜５および１１〜１９については、図３に示すように、冷却初期（１段階）に冷却水量を比較例よりも多くして冷却時間を短くし（冷却水流量１３０Ｌ/ｍｉｎで２０秒間）、冷却初期の後（２段階目）は１段階目よりも冷却水量を少なくして冷却時間を長くし（冷却水流量２０Ｌ/ｍｉｎで６０秒間）、意図的に不連続的な２段階の冷却条件を適用した。２段階の冷却工程終了後は、大気中で放冷して、室温まで徐冷した。実施例６〜１０は、実施例１〜５および１１〜１９よりも第１段階の冷却水量を増大させて（冷却水流量１８０Ｌ/ｍｉｎで１５秒間）冷却効果を大きくした。２段階目以降は実施例１〜５および１１〜１９と同じ条件である。

【0038】

接触面積率評価方法
光学顕微鏡または反射電子組成像で断面を観察し、断面組織写真（縦２３４μｍ×横３３４μｍの視野）を１試料当たり１０か所以上撮影した。写真は、銅合金と基材の境界線が横方向に並行するように撮影した。断面組織写真上の境界線の長さを計測するとともに、銅合金組織中に分布する各Ｂｉ相の輪郭線と境界線とが重なる部分の長さ、すなわちＢｉ相と接合界面の接触線の各長さを計測して合計した。各測定箇所から得られた接触線長さの合計／境界線長さの値を平均化し、接触面積率として評価した。
また、Ｂｉ含有量（質量％）に対する接触面積率（面積％）の比率（接触面積率／Ｂｉ含有量）も評価した。

【0039】

接合強度測定
銅合金層と基材の接合強度は、銅合金の引張強さに対する銅合金層と基材の剪断強さの比率（剪断強さ／引張強さ）により評価した。剪断強さは、引張強さの影響を受けるため、成分が違う材料を比較できるように、剪断強さ／引張強さの比により接合強度の指標とした。
剪断強さは、図５に示すように銅合金層と基材とが所定の接合面積で接合している試験片に加工して、両端に引張荷重（引張力）を印加していったときに、接合部が破壊する最高引張り応力で示したものである（特開２００２−２２４８５２号公報参照）。

【0040】

表１に、Ｃｕ−Ｂｉ合金においてＢｉ成分を質量％で４．０％から２５．６％まで変化させた場合の接触面積率（面積％）、Ｂｉ含有量（質量％）に対する接触面積率（面積％）の比率、接合強度（剪断強さ／引張強さ）の測定結果を、それぞれ「接触面積率（％）」、「接触面積率／Ｂｉ含有量」および「剪断強さ／引張強さ」の欄に示す。
比較例１〜５、実施例１〜５、実施例６〜１０は、上記のとおり、それぞれ冷却条件が異なる。表１の結果からは、同じ成分では、冷却条件により接触面積率が大きく異なり、冷却が大きい実施例６〜１０が最も接触面積が小さくなることが分かる。このように冷却条件を制御することにより、Ｂｉ成分に関わらず接触面積率を２．０面積％以下とすることが可能になる。比較例１〜５の冷却条件では接触面積率は３．７０面積％以上となった。
同じ冷却条件では、Ｂｉ含有量が増えると接触面積は大きくなるが、接触面積率／Ｂｉ含有量の値はＢｉ含有量が変化してもほぼ均一である。
接触面積率２．０％以下である実施例１〜１０の剪断強度は、剪断強さ／引張強さが０．７以上となり、比較例１〜５の値を大きく上回った。Ｂｉ含有量当たりの接触面積率（接触面積率（％）／Ｂｉ含有量（質量％））の値と、剪断強さ／引張強さとの関係を図６に示す。接触面積率／Ｂｉ含有量の値は、剪断強さ／引張強さの値と大きく相関することがわかる。接触面積率／Ｂｉ含有量が０．０７５以下となると（実施例６〜１０）、特に剪断強さ／引張強さが約０．８以上となり優れた接合強度が得られた。

【0041】

【表1】

【0042】

実施例１１〜１９は、実施例３の合金組成（Ｃｕ−約１５％Ｂｉ）に、その他の合金元素（Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ）または硬質粒子Ｍｏ_２Ｃ、固体潤滑剤粒子グラファイト（Ｇｒ）を添加したものである。実施例１１〜１９の冷却条件は、実施例３と同じ条件にしている。
表３に、試験結果を示す。表３から、上記添加成分を添加しても、接触面積率は１．２８％〜１．７８％の範囲にあり、実施例３の接触面積率１．５０％と同等の値であり、接触面積率／Ｂｉ含有量の値も０．０８６〜０．０１１９と実施例３の０．１０１と同等の値であった。そのため、接合強度（剪断強さ／引張強さ）は、０．６９〜０．７６であり、実施例３の０．７５と同程度となった。この結果から添加成分が及ぼす接触面積率および接合強度への影響は小さいことがわかる。

【0043】

【表2】

【符号の説明】

【0044】

１ 摺動材料
２ 基材
３ 銅合金層
５ Ｂｉ相
６ マトリックス
７ 接合界面
１１ シール
１２ 回転装置
１３ ゲート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】