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(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】
(24)【登録日】2024-06-11
(45)【発行日】2024-06-19
(54)【発明の名称】摺動部材、および摺動部材の製造方法
(51)【国際特許分類】
F16C 33/12 20060101AFI20240612BHJP
F16C 33/14 20060101ALI20240612BHJP
B22D 13/02 20060101ALI20240612BHJP
B22D 21/00 20060101ALI20240612BHJP
C22C 9/02 20060101ALI20240612BHJP
C22C 9/00 20060101ALI20240612BHJP
B22D 19/00 20060101ALI20240612BHJP
B22D 19/16 20060101ALI20240612BHJP
【ＦＩ】
F16C33/12 A
F16C33/14 Z
B22D13/02 501A
B22D21/00 B
C22C9/02
C22C9/00
B22D19/00 M
B22D19/16 B
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2022056212
(22)【出願日】2022-03-30
(65)【公開番号】P2023148279
(43)【公開日】2023-10-13
【審査請求日】2022-12-19
(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】110000567
【氏名又は名称】弁理士法人サトー
(72)【発明者】
【氏名】森川 峻志
(72)【発明者】
【氏名】中井 雅博
【審査官】鈴木 貴晴
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－０５２３５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１９６７６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－１７９３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２０７２７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２７０２０５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ１６Ｃ ３３／１２
Ｆ１６Ｃ １７／００
－１７／２６
Ｆ１６Ｃ ３３／００
－３３／２８
Ｃ２２Ｃ １／０８
－１／１０
Ｃ２２Ｃ ９／００
Ｃ２２Ｆ １／０８
Ｂ２２Ｄ １９／００
Ｃ２２Ｃ ４７／００
－４９／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材と、Ｃｕを主成分としてＢｉを含み、前記基材と反対側に摺動面を形成する合金層と、
を備える摺動部材であって、
前記合金層は、
前記基材側の界面から前記摺動面側へ厚さの３０％の領域に設定されている第一領域と、
前記摺動面から前記基材側へ厚さの１０％の領域に設定されている第二領域と、を有し、
前記第二領域に含まれるＢｉ相は、前記第一領域に含まれるＢｉ相と比較して、任意の観察断面における断面積が大きなものが多く分布しているとともに、
前記第一領域に分散するＢｉ相は、任意の観察断面における断面積が２５０μｍ ２ 以上のものが個数割合で６％以下であり、
前記第二領域に分散するＢｉ相は、任意の観察断面における断面積が２５０μｍ ２ 以上のものが個数割合で１０％以上である、
摺動部材。
【請求項2】
基材の一方の面側にＣｕを主成分としてＢｉを含む合金層を鋳造する鋳造工程と、
前記鋳造工程において前記基材を、前記基材の他方の面側から冷却材で冷却し、前記合金層を一方向に凝固させる冷却工程と、
前記冷却工程の後、前記基材に前記合金層が形成された摺動部材を、６５０～８００℃で１時間以上保持する熱処理工程と、を含み、
前記冷却工程は、
前記基材の１ｃｍ ３ あたりに提供する冷却材の流量を０．４７リットル／ｍｉｎ以下に設定する第一冷却段階と、
前記第一冷却段階の開始から予め設定された設定時間が経過すると、前記冷却材の供給量を前記第一冷却段階よりも低減する第二冷却段階と、
を含むことにより、前記合金層の厚さ方向で前記合金層に含まれるＢｉ相の大きさおよび数を制御する、
摺動部材の製造方法。
【請求項3】
前記鋳造工程は、筒状の前記基材を、軸を中心に回転しつつ前記合金層を前記基材の内周面に形成する遠心鋳造である、請求項２記載の摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本実施形態は、摺動部材、および摺動部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
Ｃｕ系の合金層を有する摺動部材において、合金層にＢｉを添加することが知られている。合金層に添加されたＢｉは、合金層においてマトリクスよりも軟らかい軟質相を形成する。これにより、Ｃｕ系の合金層を有する摺動部材は、なじみ性の向上および耐焼付性の向上が図られている。
近年、エンジンの高出力化、およびエンジンの小型化にともなう軸受面積の減少などにより、摺動部材に加わる負荷は増大している。そのため、摺動部材は、より高い耐焼付性が求められている。摺動部材の耐焼付性の向上には、合金層に添加するＢｉの量を増やすことが好ましい（特許文献１、２）。
近年、エンジンの高出力化、およびエンジンの小型化にともなう軸受面積の減少などにより、摺動部材に加わる負荷は増大している。そのため、摺動部材は、より高い耐焼付性が求められている。摺動部材の耐焼付性の向上には、合金層に添加するＢｉの量を増やすことが好ましい（特許文献１、２）。
【0003】
しかしながら、合金層に含まれるＢｉが増加すると、耐疲労性が低下するという問題がある。そのため、単に合金層に添加するＢｉの量を増すだけでは、摺動部材のさらなる耐焼付性の向上は困難となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１８－５３３４９号公報
【文献】特開２０１８－１４５５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
そこで、合金層に添加するＢｉを制御して、耐疲労性の低下を招くことなく、耐焼付性のさらなる向上を図る摺動部材、および摺動部材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
一実施形態による摺動部材は、基材と、Ｃｕを主成分としてＢｉを含み、前記基材と反対側に摺動面を形成する合金層と、を備える。前記合金層は、第一領域および第二領域を有する。第一領域は、前記基材側の界面から前記摺動面側へ厚さの３０％の領域に設定されている。第二領域は、前記摺動面から前記基材側へ厚さの１０％の領域に設定されている。前記第二領域に含まれるＢｉ相は、前記第一領域に含まれるＢｉ相と比較して、任意の観察断面における断面積が大きなものが多く分布している。
【0007】
このように、摺動面に近い第二領域に含まれるＢｉ相は、基材に近い第一領域に含まれるＢｉ相と比較して断面積が大きなものが多く分布している。摺動部材と相手材との摺動によって合金層の温度が上昇すると、合金層に含まれているＢｉ相は合金層のマトリクスから溶出する。特に、摺動面に近い第二領域に分布するＢｉ相は、合金層のマトリクスから溶出し、摺動部材と相手材との間に層状に広がる。このＢｉは軟質の金属であることから、合金層と相手材との間に存在する層状のＢｉは合金層と相手材との局所的な接触を緩和する。その結果、摺動相と相手材とは、摺動時における焼付が低減される。一方、合金層の第一領域では、Ｂｉ相は主に微細化されたものとなる。合金層のマトリクスに分布するＢｉ相は、微細になるほど、合金層の内部におけるクラックの進展を妨げる。そのため、合金層は、基材に近い第一領域においてクラックの進展が抑えられる。これにより、クラックの進展にともなう合金層と基材との剥離が低減され、耐疲労性の向上が図られる。したがって、合金層に添加するＢｉを制御することにより、耐疲労性の低下を招くことなく、耐焼付性のさらなる向上を図ることができる。
【0008】
一実施形態の摺動部材では、前記第一領域に分散するＢｉ相は、任意の観察断面における断面積が２５０μｍ２以上のものが個数割合で６％以下であり、前記第二領域に分散するＢｉ相は、任意の観察断面における断面積が２５０μｍ２以上のものが個数割合で１０％以上であることが好ましい。
【0009】
また、一実施形態の摺動部材の製造方法は、鋳造工程および冷却工程を含む。鋳造工程は、基材の一方の面側にＣｕを主成分としてＢｉを含む合金層を鋳造する。冷却工程は、前記鋳造工程において前記基材を、前記基材の他方の面側から冷却材で冷却し、前記合金層を一方向に凝固させる。冷却工程では、開始から予め設定された設定時間が経過すると、前記冷却材の供給量を低減することにより、前記合金層の厚さ方向で前記合金層に含まれるＢｉ相の大きさおよび数を制御する。
【0010】
これにより、一実施形態による摺動部材の製造方法では、合金層において基材に近い第一領域と摺動面に近い第二領域とでＢｉ相の大きさおよび数が制御される。したがって、合金層に添加するＢｉを制御することができ、耐疲労性の低下を招くことなく、耐焼付性のさらなる向上を図ることができる。
【0011】
一実施形態の摺動部材の製造法では、前記冷却工程の後、前記基材に前記合金層が形成された摺動部材を、６５０～８００℃で１時間以上保持する熱処理工程をさらに含む、ことが好ましい。
また、一実施形態による摺動部材の製造方法では、前記鋳造工程は、筒状の前記基材を、軸を中心に回転しつつ前記合金層を前記基材の内周面に形成する遠心鋳造である、ことが好ましい。
また、一実施形態による摺動部材の製造方法では、前記鋳造工程は、筒状の前記基材を、軸を中心に回転しつつ前記合金層を前記基材の内周面に形成する遠心鋳造である、ことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】一実施形態による摺動部材の構造を示す模式図
【図2】一実施形態による摺動部材の構造を示す模式図
【図3】一実施形態による摺動部材の観察断面における合金層の組織の構造を示す模式的な断面図
【図4】一実施形態による摺動部材において相手材との摺動時の状態を示す模式図
【図5】比較例の摺動部材において合金層を進展するクラックを示す模式図
【図6】一実施形態による摺動部材の製造方法を示す模式図
【図7】一実施形態による摺動部材の実施例および比較例の検証結果を示す概略図
【図8】一実施形態による摺動部材の実施例の検証結果を示す概略図
【図9】一実施形態による摺動部材の実施例および比較例の検証結果を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、一実施形態による摺動部材について図面に基づいて説明する。
図１に示すように摺動部材１０は、基材１１および合金層１２を備えている。合金層１２は、基材１１の一方の面側である界面１３に鋳造することにより、基材１１に設けられる。摺動部材１０は、合金層１２の表面が摺動面１４となる。この場合、合金層１２は、基材１１の界面１３に直接鋳造することが好ましい。
図１に示すように摺動部材１０は、基材１１および合金層１２を備えている。合金層１２は、基材１１の一方の面側である界面１３に鋳造することにより、基材１１に設けられる。摺動部材１０は、合金層１２の表面が摺動面１４となる。この場合、合金層１２は、基材１１の界面１３に直接鋳造することが好ましい。
【0014】
基材１１は、いわゆる裏金層であり、Ｆｅ基またはＣｕ基の材料で形成されている。Ｆｅ基の基材１１の場合、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を用いることができる。また、Ｃｕ基の基材１１の場合、例えば純銅、リン青銅、黄銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン合金などを用いることができる。基材１１は、厚さを１．０～２５．０ｍｍ程度に設定することが好ましい。
【0015】
合金層１２は、Ｃｕを主成分とし、Ｂｉを含んでいる。また、合金層１２は、Ｓｎを５～１５質量％程度、含んでいてもよい。合金層１２は、Ｓｎを含むことにより、耐疲労性の向上を図ることができる。Ｓｎは、合金層１２に含まれる割合が５質量％以下であると、耐疲労性の向上への寄与が小さくなる。一方、Ｓｎは、合金層１２に含まれる割合が１５質量％を超えると、合金層１２の主成分であるＣｕとＳｎによるＣｕ－Ｓｎ化合物が析出しやすくなる。そのため、Ｓｎが過大になると、基材１１と合金層１２との間の接着力の低下を招く。
【0016】
合金層１２は、添加元素として、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちから１種または２種以上含んでいてもよい。これらの添加元素は、合金層１２における含有量が５質量％以下であることが好ましい。Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇは、固溶の強化に寄与する。Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇは、化合物の析出に寄与する。また、合金層１２は、上記の添加元素に加えて、Ｍｏ２Ｃまたはグラファイトのいずれか一方または両方を含んでいてもよい。Ｍｏ２Ｃまたはグラファイトは、合金層１２に含まれる割合が総量で１０体積％以下であることが好ましい。
【0017】
摺動部材１０は、これらの基材１１および合金層１２に加えて、図２に示すようにオーバレイ層１５を備えていてもよい。オーバレイ層１５は、合金層１２の表面、つまり基材１１と反対側の面に合金層１２に重ねて形成される。オーバレイ層１５は、例えばＳｎやＢｉなどの軟質の金属を用いることが好ましい。また、オーバレイ層１５は、例えば固体潤滑剤を分散した樹脂などを用いてもよい。摺動部材１０は、オーバレイ層１５があるとき、このオーバレイ層１５の最表面が相手材と摺動する摺動面１４となる。
【0018】
合金層１２は、図３に示すように厚さ方向へ第一領域Ａ１および第二領域Ａ２を有している。図３に示す実施形態の場合、第一領域Ａ１は、合金層１２の厚さ方向において、基材１１との界面１３から摺動面１４側へ厚さの３０％の領域に設定されている。第二領域Ａ２は、合金層１２の厚さ方向において、摺動面１４から基材１１側へ厚さの１０％の領域に設定されている。合金層１２は、マトリクス２１に分散するＢｉ相２２を有している。Ｂｉ相２２は、この第一領域Ａ１と第二領域Ａ２とで任意の観察断面Ｄにおける断面積に違いがある。具体的には、第二領域Ａ２に含まれるＢｉ相は、第一領域Ａ１に含まれるＢｉ相よりも大きいものが多い。なお、観察断面Ｄは、図１に示すように合金層１２を厚さ方向に切断した任意の断面に設定した任意の領域である。なお、基材１１と合金層１２との間に中間層を設ける場合、第一領域Ａ１は、合金層１２の基材１１側の界面、つまり合金層１２の中間層との界面から摺動面１４側へ厚さの３０％の領域に設定される。
【0019】
合金層１２は、図３に示すように任意の観察断面Ｄにおいて様々な断面積のＢｉ相２２を含んでいる。ここで、任意の観察断面Ｄにおける断面積が２５０μｍ２以上のＢｉ相２２は、「特定Ｂｉ相」とする。本実施形態の場合、基材１１に近い第一領域Ａ１に分散する「特定Ｂｉ相」は、その観察断面Ｄにおける個数割合で６％以下である。一方、摺動面１４に近い第二領域Ａ２に分散する「特定Ｂｉ相」は、その観察断面Ｄにおける個数割合で１０％以上である。このように、断面積が大きな「特定Ｂｉ相」は、基材１１に近い第一領域Ａ１よりも摺動面１４に近い第二領域Ａ２により多く含まれている。換言すると、本実施形態では、合金層１２に含まれるＢｉ相２２は、基材１１に近い側では断面積が小さなものが多く、摺動面１４に近い側では断面積が大きなものが多く分布している。なお、合金層１２に含まれるＢｉ相２２は、その断面積の上限を１０，０００μｍ２程度とすることが好ましい。すなわち、「特定Ｂｉ相」の断面積は、２５０～１０，０００μｍ２であることが好ましい。また、第一領域Ａ１に含まれるＢｉ相２２は、その平均面積が１０～８０μｍ２の範囲にあることが好ましい。一方、第二領域Ａ２に含まれるＢｉ相２２は、その平均面積が１２０～４５０μｍ２の範囲にあることが好ましい。そして、第二領域Ａ２におけるＢｉ相２２の平均面積は、第一領域Ａ１におけるＢｉ相２２の平均面積の２倍以上であることが好ましい。このように、摺動面１４に近い第一領域Ａ１に含まれるＢｉ相２２は、基材１１との界面１３に近い第二領域Ａ２に含まれるＢｉ相２２よりも、面積の平均値が大きくなっている。
【0020】
合金層１２は、Ｃｕ系合金の組織であるマトリクス２１にＢｉ相２２が分散した構造を有している。この合金層１２に含まれるＢｉ相２２は、図４に示すように摺動部材１０が相手材３１と摺動するとき、焼付の低減に寄与する。具体的には、摺動部材１０と相手材３１とが摺動するとき、相手材３１と接する合金層１２、特に摺動面１４は温度が上昇する。摺動によって合金層１２の温度が上昇すると、合金層１２に含まれているＢｉ相２２は合金層１２のマトリクス２１から溶出する。特に、摺動面１４に面しているＢｉ相２２は、合金層１２のマトリクス２１から溶出する。溶出したＢｉは、摺動部材１０と相手材３１とが摺動する摺動面１４に層状に広がる。このＢｉは、軟質の金属であることから、合金層１２と相手材３１との間に存在することにより、これらの局所的な接触を緩和する。その結果、摺動部材１０は、相手材３１との摺動時における焼付が溶出したＢｉによって低減される。
【0021】
このように、合金層１２に含まれるＢｉ相２２は、焼付の低減に寄与する。このとき、焼付の低減に寄与するＢｉは、合金層１２に分散するＢｉ相２２のうち摺動面１４に近い位置に存在するものが主である。そのため、摺動面１４に近い領域に分散するＢｉ相２２を大きくすることにより、摺動部材１０は耐焼付性の向上が図られる。本実施形態では、合金層１２は、この摺動面１４に近い第二領域Ａ２において、断面積が２５０μｍ２以上の「特定Ｂｉ相」を多く含んでいる。そのため、摺動部材１０と相手材３１とが接する摺動面１４には、マトリクス２１に含まれる大きな「特定Ｂｉ相」を供給源として十分なＢｉが供給される。特に、摺動面１４から厚さ方向へ１０％を第二領域Ａ２として設定することにより、第二領域Ａ２に含まれる「特定Ｂｉ相」は、摺動面１４に確実かつすみやかに供給される。
【0022】
一方、軟質の金属であるＢｉで形成されているＢｉ相２２は、Ｃｕ系合金のマトリクス２１よりもやわらかく、強度が低い。そのため、摺動面１４の近傍でクラック３３が生じると、図５に示すようにマトリクス２１とＢｉ相２２との境界に沿ってクラック３３が進展しやすくなる。このとき、摺動面１４の近傍で生じたクラック３３が合金層１２を経由して進展し、基材１１と合金層１２との界面１３に達すると、合金層１２は基材１１から剥離し、疲労破壊に至るおそれがある。このような合金層１２の剥離は、摺動部材１０の耐疲労性の低下を招く。
【0023】
Ｂｉ相２２が大きくなるほど、マトリクス２１とＢｉ相２２との境界が長くなるとともに、この境界が連続しやすくなる。そのため、マトリクス２１に生じたクラック３３は、マトリクス２１とＢｉ相２２との境界を経由してより深い基材１１側へ進展しやすくなる。その結果、摺動面１４の近傍で生じたクラック３３は、基材１１側へ進展しやすくなる。このような理由から、耐疲労性を向上するためには、Ｂｉ相２２を微細化し、クラック３３の進展を抑えることが重要である。そこで、本実施形態では、図３に示すように合金層１２は、この基材１１との界面１３に近い第一領域Ａ１において、断面積が２５０μｍ２以上の「特定Ｂｉ相」を少なく含んでいる。特に、合金層１２において基材１１との界面１３から厚さ方向へ摺動面１４側の３０％を第一領域Ａ１として設定し、この第一領域Ａ１に含まれる「特定Ｂｉ相」の数は少なくしている。これにより、第一領域Ａ１に含まれるＢｉ相２２は、主に微細化されたものとなる。そのため、合金層１２の内部、特に基材１１に近い第一領域Ａ１ではクラック３３の進展が抑えられる。その結果、合金層１２の剥離が低減され、摺動部材１０は耐疲労性が向上する。
【0024】
以上のように、本実施形態では、合金層１２に含まれるＢｉ相２２は、合金層１２の厚さ方向で大きさおよび数が異なっている。すなわち、本実施形態の場合、合金層１２は、第二領域Ａ２において、断面積の大きな「特定Ｂｉ相」を第一領域Ａ１と比較して多く含んでいる。そのため、摺動面１４には、この「特定Ｂｉ相」から十分なＢｉが供給され、相手材３１との摺動時における焼付の低減が図られる。一方、合金層１２は、第一領域Ａ１において、断面積の大きな「特定Ｂｉ相」を第二領域Ａ２と比較して少なく含んでおり、第一領域Ａ１におけるＢｉ相２２の微細化が図られている。そのため、合金層１２の摺動面１４付近で生じたクラック３３は、第一領域Ａ１において進展が抑えられる。その結果、合金層１２は基材１１からの剥離が低減され、摺動部材１０の耐疲労性の向上が図られる。したがって、合金層１２に含まれるＢｉ相の大きさと数を制御することにより、耐疲労性の低下を招くことなく、耐焼付性のさらなる向上を図ることができる。
【0025】
本実施形態では、合金層１２に含まれるＢｉの含有量は、５～２５質量％であることが好ましい。Ｂｉは、合金層１２における含有量が５質量％以上であれば耐焼付性の向上に寄与する。一方、Ｂｉは、柔軟であることから、合金層１２における含有量が過大になると耐疲労性に影響を及ぼす。そこで、合金層１２に含まれるＢｉの含有量は、２５％質量以下であることが好ましい。また、合金層１２の厚さは、０．１～５．０ｍｍ程度に設定することが好ましい。
【0026】
また、合金層１２の第一領域Ａ１に含まれる「特定Ｂｉ相」は、観察断面Ｄにおける個数割合が１～６％であることが好ましい。第一領域Ａ１における「特定Ｂｉ相」の個数割合が１％未満になると、合金層１２の全体におけるＢｉの含有量が５質量％未満となりやすく、合金層１２の耐焼付性の向上に寄与しない。一方、第一領域Ａ１における「特定Ｂｉ相」の個数割合が６％より大きくなると、合金層１２におけるＢｉの含有量が３０質量％より大きくなりやすく、高価なＢｉの使用量が増大する。また、合金層１２の第二領域Ａ２に含まれる「特定Ｂｉ相」は、観察断面Ｄにおける個数割合が１０～３０％であることが好ましい。第二領域Ａ２における「特定Ｂｉ相」の個数割合が１０％未満になると、摺動面１４に供給されるＢｉが不十分となり、合金層１２の耐焼付性の向上に寄与しない。一方、第二領域Ａ２における「特定Ｂｉ相」の個数割合が３０％より大きくなると、合金層１２の全体におけるＢｉの含有量が３０質量％より大きくなり、高価なＢｉの使用量が増大する。
【0027】
次に、上記の構成による摺動部材１０の製造方法について説明する。
まず、基材１１が用意される。本実施形態の場合、基材１１は、図６に示すように円筒状に形成されている。用意された基材１１は、合金層１２となる合金を鋳造する鋳造工程が実施される。合金層１２となるＢｉを含むＣｕ系の合金は、溶融状態で供給され、基材１１に重ねて鋳造される。本実施形態のように円筒状の基材１１を用いる場合、合金層１２となる合金の鋳造は円筒状の基材１１の内周面に遠心鋳造によって実施される。なお、基材１１は、合金層１２となる合金を鋳造する前に、例えば酸化膜除去剤などを用いて、基材１１の表面に形成されている酸化膜を除去することが好ましい。この場合、基材１１は、例えば酸化膜除去剤に浸すことにより、酸化膜が除去される。除去剤は、合金層１の形成時に、除去した酸化膜とともに合金層１２の最表面に浮き上がり、酸化膜とともに凝固する。凝固物を取り除くことにより、基材１１の表面の酸化膜は合金層１２の形成後に容易に除去される。
まず、基材１１が用意される。本実施形態の場合、基材１１は、図６に示すように円筒状に形成されている。用意された基材１１は、合金層１２となる合金を鋳造する鋳造工程が実施される。合金層１２となるＢｉを含むＣｕ系の合金は、溶融状態で供給され、基材１１に重ねて鋳造される。本実施形態のように円筒状の基材１１を用いる場合、合金層１２となる合金の鋳造は円筒状の基材１１の内周面に遠心鋳造によって実施される。なお、基材１１は、合金層１２となる合金を鋳造する前に、例えば酸化膜除去剤などを用いて、基材１１の表面に形成されている酸化膜を除去することが好ましい。この場合、基材１１は、例えば酸化膜除去剤に浸すことにより、酸化膜が除去される。除去剤は、合金層１の形成時に、除去した酸化膜とともに合金層１２の最表面に浮き上がり、酸化膜とともに凝固する。凝固物を取り除くことにより、基材１１の表面の酸化膜は合金層１２の形成後に容易に除去される。
【0028】
この鋳造工程と同時に、基材１１は、冷却材４１によって冷却される冷却工程が実施される。具体的には、基材１１は、合金層１２が形成される界面１３と反対側から冷却材４１によって冷却される。本実施形態のように円筒状の基材１１を用いる場合、冷却は円筒状の基材１１の外周面４２に冷却材４１を提供することにより実施される。冷却材４１は、例えば水や油などの液体、または空気などの気体である。冷却材４１は、例えばドライアイスなどの固体であってもよい。基材１１は、これらの冷却材４１を、例えば吹き付けたり衝突させたりすることにより、形成される合金層１２と反対側の外周面４２から冷却される。これにより、基材１１に形成される合金層１２は、基材１１の外周面４２側から一方向に凝固する。
【0029】
この冷却工程は、開始から予め設定された設定時間が経過すると、冷却材４１の供給量が低減される。具体的には、冷却工程は、第一冷却段階と、第二冷却段階とを含んでいる。第一冷却段階は、冷却材４１の供給量が大きく、形成される合金層１２が急速に冷却される。第二冷却段階は、冷却材４１の供給量が小さく、形成される合金層１２が徐々に冷却される。冷却工程は、連続的な鋳造工程と同時に並行して実施され、冷却材４１の供給量の差によって第一冷却段階から第二冷却段階へ連続的に移行する。すなわち、冷却工程は、鋳造工程とともに第一冷却段階が開始され、予め設定した所定期間が経過した後、冷却材４１の供給量を低減することにより、第二冷却段階に移行する。一例として、第一冷却段階は、例えば基材１１の１ｃｍ３あたりに提供する水の量を０．０５～０．５リットル／ｍｉｎに設定し、５～４０秒間で実施される。そして、この第一冷却段階が終了した後に実施される第二冷却段階は、例えば基材１１の１ｃｍ３あたりに提供する水の量を０．０５リットル／ｍｉｎ以下として、１０秒以上で実施される。これら第一冷却段階および第二冷却段階における具体的な数値は、あくまでも例示であり、用いる基材１１の寸法、合金層１２の種類などに応じて任意に変更することができる。
【0030】
第一冷却段階で鋳造される合金を急速に冷却することにより、基材１１に近い合金層１２の第一領域Ａ１は鋳造された合金が急速に凝固する。そのため、合金層１２の第一領域Ａ１に含まれるＢｉ相２２の成長が阻害され、合金層１２に含まれるＢｉ相２２は微細化される。一方、合金の鋳造の途中で冷却材４１の供給量を変更し、第二冷却段階へ移行することにより、基材１１から遠い合金層１２の第二領域Ａ２は鋳造された合金が比較的緩やかに凝固する。そのため、合金層１２の第二領域Ａ２に含まれるＢｉ相２２の成長が促され、合金層１２に含まれるＢｉ相２２は大きくなる。
【0031】
このように、本実施形態の製造方法では、冷却工程において形成される合金層１２の冷却を変更することにより、基材１１に近い側に微細なＢｉ相２２を含む第一領域Ａ１を形成するとともに、摺動面１４に近い側に大きなＢｉ相２２を含む第二領域Ａ２を形成している。
【0032】
さらに、本実施形態では、冷却工程の後に熱処理工程を含んでいる。熱処理工程は、基材１１の鋳造によって合金層１２が形成された後に実施される。基材１１に合金層１２が形成された摺動部材１０は、６５０～８００℃で熱処理が施される。この熱処理工程において、合金層１２に含まれるＢｉ相２２はさらなる成長が促される。特に、第二領域Ａ２に含まれている大きなＢｉ相は、熱処理によってさらに成長し、断面積の増大が図られる。この熱処理における温度は、６５０℃以上に設定することによりＢｉ相２２の成長を促すことができるとともに、８００℃以下に設定することにより投入エネルギーの軽減を図ることができる。したがって、熱処理は、６５０～８００℃で実施することが好ましい。
【0033】
以上の手順により、合金層１２の厚さ方向でＢｉ相２２の断面積が制御された摺動部材１０を製造することができる。なお、上記の実施形態では、円筒状の基材１１に遠心鋳造で合金層１２を形成する例について説明した。しかし、例えば円弧状や平板状の基材１１に合金層１２となる合金を鋳造する構成としてもよい。この場合も、上記の実施形態と同様に、基材１１の一方の界面１３側には合金層１２が形成されるとともに、他方の端面は冷却材４１によって冷却することができる。なお、基材１１と合金層１２との間に中間層を設ける場合、合金層１２は予め中間層が形成された基材１１に鋳造される。
【0034】
（実施例）
次に、本実施形態の実施例について、図７～図９を用いて比較例と比較しながら検証する。
実施例および比較例では、基材１１は、内径が８０ｍｍ、軸方向の全長が１２０ｍｍ、厚さが５ｍｍの円筒状とした。合金層１２は、基材１１の内周側にＣｕ系の合金を遠心鋳造により形成した。合金層１２の厚さは、５ｍｍとした。冷却工程における冷却材４１は水を用いた。冷却材４１となる水は、実際の流量および提供時間を図７～図９に示している。この水の流量は、基材１１の１ｃｍ３あたりに供給する量に換算すると次の通りである。５リットル／ｍｉｎは０．０３４リットル／ｍｉｎであり、７．５リットル／ｍｉｎは０．０５０リットル／ｍｉｎであり、２５リットル／ｍｉｎは０．１６８リットル／ｍｉｎであり、３０リットル／ｍｉｎは０．２０２リットル／ｍｉｎであり、５０リットル／ｍｉｎは０．３３６リットル／ｍｉｎであり、７０リットル／ｍｉｎは０．４７０リットル／ｍｉｎであり、１００リットル／ｍｉｎは０．６７２リットル／ｍｉｎである。
次に、本実施形態の実施例について、図７～図９を用いて比較例と比較しながら検証する。
実施例および比較例では、基材１１は、内径が８０ｍｍ、軸方向の全長が１２０ｍｍ、厚さが５ｍｍの円筒状とした。合金層１２は、基材１１の内周側にＣｕ系の合金を遠心鋳造により形成した。合金層１２の厚さは、５ｍｍとした。冷却工程における冷却材４１は水を用いた。冷却材４１となる水は、実際の流量および提供時間を図７～図９に示している。この水の流量は、基材１１の１ｃｍ３あたりに供給する量に換算すると次の通りである。５リットル／ｍｉｎは０．０３４リットル／ｍｉｎであり、７．５リットル／ｍｉｎは０．０５０リットル／ｍｉｎであり、２５リットル／ｍｉｎは０．１６８リットル／ｍｉｎであり、３０リットル／ｍｉｎは０．２０２リットル／ｍｉｎであり、５０リットル／ｍｉｎは０．３３６リットル／ｍｉｎであり、７０リットル／ｍｉｎは０．４７０リットル／ｍｉｎであり、１００リットル／ｍｉｎは０．６７２リットル／ｍｉｎである。
【0035】
合金層１２に含まれる「特定Ｂｉ相」の断面積および個数割合は、画像解析によって測定した。具体的には、顕微鏡で合金層１２における観察断面の断面画像を取得し、取得した断面画像は合金層１２のマトリクス２１とＢｉ相２２とに二値化した。画像解析ソフトウェアを用いて、断面画像に含まれるＢｉ相２２の断面積を測定した。第一領域Ａ１および第二領域Ａ２に含まれる「特定Ｂｉ相」の個数割合は、測定したＢｉ相２２の断面積から算出した。実施例における「特定Ｂｉ相」の断面積および個数割合は、得られた摺動部材１０の軸方向の両端部付近および中心付近の３箇所で観察し、その平均値を用いた。
【0036】
摺動部材１０は、耐焼付性および耐疲労性を評価した。耐焼付性は、摺動部材１０から作製した試料に荷重を加えつつ相手材３１となるシャフトを回転し、試料に焼付が生じた際の面圧を測定することにより評価した。試料は、上記の条件で形成した摺動部材１０から軸方向の長さを２０ｍｍに切り出した試験用のブシュを用いた。耐疲労性は、試料に荷重を加えつつ相手材３１となるシャフトを回転し、疲労しない最大の面圧を耐疲労強度として測定することにより評価した。試料は、上記の条件で形成した摺動部材１０から軸方向の長さを３０ｍｍに切り出した試験用のブシュを用いた。
【0037】
図７に示す実施例２、４～８および比較例１～７は、合金層１２に含まれるＢｉおよびＳｎの含有量が同一である。これら実施例２、４～８および比較例１～７は、冷却工程における第一冷却段階および第二冷却段階の条件、ならびに熱処理工程の条件を変更している。また、実施例１、３は、合金層１２に含まれるＢｉの含有量を変化させている。これら実施例１～８は本実施形態の冷却工程および熱処理工程の条件を充足し、比較例１～７は本実施形態の冷却工程および熱処理工程の条件を充足していない。
【0038】
比較例１、２によると、冷却水量が過大となると、第二領域における「特定Ｂｉ相」の個数割合が第一領域Ａ１と同等になることを示している。すなわち、冷却水量が過大となると、合金層１２の全体でＢｉ相２２が微細化される。そのため、摺動面１４に供給されるＢｉが減少し、耐焼付性が低下することがわかる。また、比較例３は、冷却水量が不十分となると、第一領域Ａ１における「特定Ｂｉ相」の個数割合が第二領域Ａ２と同等になることを示している。すなわち、冷却水量が不十分となると、合金層１２の全体でＢｉ相が大きくなる。そのため、合金層１２におけるクラック３３の進展が抑えられず、耐疲労性が低下することがわかる。熱処理を実施していない比較例４、熱処理の温度が不足している比較例５、および熱処理の時間が不足している比較例６は、いずれも「特定Ｂｉ相」の生成が阻害され、耐焼付性が低下することを示している。比較例７は、本実施形態の冷却工程および熱処理工程の条件のいずれも充足していない。この比較例７では、第一領域Ａ１および第二領域Ａ２ともに「特定Ｂｉ相」が本実施形態を充足せず、耐焼付性および耐疲労性の双方が低下することを示している。
【0039】
図８に示す実施例２、実施例９～１９は、合金層１２における各種の添加元素の影響を示している。実施例９は、合金層にＳｎを含んでいない。これにより、合金層１２にＳｎを含む実施例２は、耐疲労性に優れることがわかる。実施例１２～１７は、合金層１２にＡｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇのうちの１種または２種以上を５質量％以下含んでいる。これらの添加元素は、合金層１２のマトリクス２１における固溶の強化、または化合物の析出などにより、耐疲労性の向上に寄与している。実施例１８は合金層１２に固体潤滑剤としてＭｏ２Ｃを含み、実施例１９は合金層１２に固体潤滑剤としてグラファイト含んでいる。これら合金層１２に固体潤滑剤を含む実施例１８および実施例１９は、耐焼付性の向上が見られた。
【0040】
図９は、実施例２を基準として、冷却工程の影響を示している。比較例８は、実施例２と比較して冷却工程の第一冷却段階における冷却がやや過剰となっている。そのため、比較例８では、「特定Ｂｉ相」は、合金層１２の厚さ方向で摺動面１４から５％程度の範囲での存在にとどまっていた。そのため、第二領域Ａ２に含まれる「特定Ｂｉ相」が減少し、摺動面１４へのＢｉの供給が不十分となった。その結果、比較例８は、実施例２と比較して耐焼付性が低下した。また、比較例９は、実施例２と比較して冷却工程の第一冷却段階における冷却がやや不足している。そのため、比較例９では、微細なＢｉ相は、合金層１２の厚さ方向で基材１１側の界面１３から１４％程度の範囲での存在にとどまっていた。そのため、第一領域Ａ１に含まれる微細なＢｉ相が不足し、合金層１２におけるクラック３３の進展の低減が不十分となった。その結果、比較例９は、実施例２と比較して耐疲労性が低下した。
【0041】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【0042】
図面中、１０は摺動部材、１１は基材、１２は合金層、１３は界面、１４は摺動面、２２はＢｉ相、Ａ１は第一領域、Ａ２は第二領域を示す。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】