JP5338647B2 - 摺動部材の製造方法と摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は摺動部材の製造方法と摺動部材に関し、より詳しくは、摺動面に多数の凹部（インデント）が形成されている摺動部材の製造方法およびこの製造方法によって製造された摺動部材に関する。

従来、摺動面に油溜まりとしての多数の凹部（インデント）を備えたすべり軸受が提案されている（例えば特許文献１）。この特許文献１の製造方法においては、摺動部材の摺動面に凹部を形成した際に該凹部の底部および周辺の金属組織が層状となって加工硬化が起きるので、凹部の底部にひび割れが生じるという問題があった。
そこで、本願の出願人は、上記特許文献１の問題点を踏まえた上で、摺動面に凹部を形成した際に該凹部の底部にひび割れが生じにくい摺動部材の製造方法を提案したところである（特許文献２）。

特開平１１−２０１１６６号公報 特開２００９−２４１０号公報

ところで、本願の発明者が特許文献２の製造方法に関してさらに試験と研究を行ったところ、特許文献２の製造方法によれば前述した特許文献１に関する欠点を解消できるけれども、次のような欠点があることが判明した。つまり、図６に断面の模式図として示したように、摺動部材の焼結合金層に多数の凹部を形成した際に、各凹部と対応する摺動部材の裏面（裏金の裏面）の位置に微小な凸部が生じていたものである。摺動部材の裏面にこのような微小な凸部が多数生じると、該摺動部材を成形して作成したすべり軸受の裏面をハウジングに重合させて両部材を固定した際に、すべり軸受の裏面とそれを固定するハウジングとの当たりが悪くなる。つまり、すべり軸受の裏面とハウジングとの実質的な接触面積が小さくなり、その結果、ハウジングからすべり軸受が抜け落ちやすくなるという欠点がある。
また、各凹部の縁とその隣接部分は層状となって加工硬化が生じ、かつ各凹部の縁部が盛り上がるという問題が発生した。そのため、特許文献２の製造方法においては、摺動部材に凹部を形成した後の工程において、裏面の凸部や各凹部の縁の盛り上がり部分を削除する仕上げ作業が必要となり、その作業に時間とコストが掛かるという問題が生じた。

上述した事情に鑑み、本発明は、裏金の表面に積層される焼結合金層および該焼結合金層の表面に形成された多数の凹部を備えた摺動部材の製造方法において、
上記裏金の表面に少なくとも一種以上の金属の粉末を散布した後に、該金属の粉末に１次焼結処理を施して上記裏金の表面に焼結合金層を積層させて形成し、次に上記裏金に積層させた焼結合金層の表面に上記多数の凹部を形成し、次に上記凹部が形成された焼結合金層および裏金を圧延し、その後、上記凹部が形成された焼結合金層に２次焼結処理を施すことにより上記摺動部材を製造するようにしたものである。

上述した構成によれば、後述する試験結果から明らかなように、上記各凹部を形成した際に各凹部と対応する裏面に生じる凸部の膨出量は上記先願の製造方法よりも小さくなる。しかも、各凹部の縁部が盛り上がることを防止することができる。そのため、各凹部の縁部の盛り上がり部分や裏面に生じた凸部を除去する作業を上記従来のものと比較して簡略化することができる。したがって、従来と比較して仕上げ作業が簡単な摺動部材の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施例を示す作業工程図。 本発明の製造方法によって製造した摺動部材の斜視図。 図１の要部の正面図。 図３の要部の拡大図。 本実施例によって形成された摺動部材の凹部とその周辺の断面を示す模式図。 従来技術によって形成されたすべり軸受の凹部とその周辺の断面を示す模式図。 本実施例によって形成された摺動部材の凹部とその周辺の断面写真。 従来技術によって形成された摺動部材の凹部とその周辺の断面写真。 図７（ａ）および図８（ａ）における（１）〜（４）の４箇所の硬度検査の結果を比較して示した図。 従来技術と本実施例における裏面の凸部の膨出量およびバック処理による凸部の減少過程を示す図。

以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１は本発明に係る摺動部材の製造システム１を示したものである。本実施例は、すべり軸受に用いられる薄板状の摺動部材２の製造システム１とそれによる製造工程に関するものであるが、この製造システム１による摺動部材２の製造工程を説明する前に、先ずこの製造システム１によって製造する摺動部材２の構成について説明する。

図２に示すように、製品としての摺動部材２は、基材である薄板状の裏金３と、この裏金３の表面全域に焼結処理して形成された焼結合金層４とからなり、かつ上記焼結合金層４の表面全域にわたって油溜りとなる多数の半球状の凹部５が形成されている。
裏金３の材料としては長手方向に連続する薄板状の鋼材を用いてあり、この裏金３の表面（上面）に銅系合金の焼結合金層４を形成するようにしている。本実施例においては裏金３の材料として冷間圧延鋼を用いている。なお、裏金３としては、予め表面に銅めっきを施した鋼材を用いても良い。焼結合金層４の表面に形成された油溜りとしての凹部５は、直径３〜４ｍｍ程度の半球状の窪みとなっている。また、摺動部材２の板厚は１〜６ｍｍ程度を想定している。
摺動部材２を所定寸法の短冊状に切断してから円筒状に成形されたすべり軸受は、その外周面となる裏金３の裏面がハウジングに重合された状態で、該ハウジングに固定されるとともに、内周面となる焼結合金層４の表面が軸部材と摺動する摺動面となる。そして、摺動面となる焼結合金層４には油溜りとしての多数の凹部５が形成されているので、潤滑油は上記凹部５内に一時貯留されてすべり軸受の耐焼付性及び耐摩耗性を向上させることができるようになっている。

本実施例は、上記摺動部材２を製造するに際して、１次焼結工程の直後に上記多数の凹部５を焼結合金層４に形成することが特徴である。それにより、上記凹部５の内部空間に臨む焼結合金層４の表面と内部に加工硬化が生じることを抑制するとともに、各凹部５と対応する裏面に生じる凸部の膨出量を減少させたものである。
ここで、図１に基づいて本実施例の製造システム１による製造工程を説明する。先ず、ロール部材６に巻き取られた薄板状の裏金３が図示しない機構によって引き出されてから隣接下流側の焼結材散布機構１１へ供給されるようになっている。
裏金３が焼結材散布機構１１に送り込まれると、この焼結材散布機構１１によって裏金３における表面全域（上面全域）にわたって焼結合金層４の材料となる鉛と銅の粉末が散布される（散布工程）。なお、本実施例では焼結合金層４の材料となる金属粉末としてＣｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金の金属粉末１種類のみを散布しているが、２種類以上の金属粉末（例えばＣｕ粉末とＳｎ粉末とＢｉ粉末）の混合体を散布するようにしてもよい。なお、これはあくまでも一例であり、金属粉末の種類と組合せが上記に限定されないのは勿論である。
このようにして焼結合金層４となる金属材料の粉末が表面に散布された裏金３は、その後、第１焼結機構１２の内部へ送り込まれてから下流側に向けて移送されながら所要の温度まで加熱されるようになっている。これにより、裏金３の表面全域に焼結合金層４が形成されるようになっている（１次焼結処理）。なお、ここまでの１次焼結の方法および機構は、電気炉焼結、高周波焼結など従来公知のものを利用することができる。

このように裏金３は第１焼結機構１２の内部を移送されながら加熱されることで、表面に焼結合金層４が形成されるようになっており、その後、裏金３とその表面に積層された焼結合金層４は、中間圧延機構１３へ供給される。なお、上記１次焼結処理の後に上記裏金３および焼結合金層４を所要の温度まで冷却してから中間圧延機構１３へ供給するようにしても良い。

本実施例の中間圧延機構１３は、第１焼結機構１２の隣接下流位置に配置され、かつ焼結合金層４の表面に多数の凹部５を形成する凹部成形機構１４と、この凹部成形機構１４の隣接下流位置に配置された圧延ロール１５とを備えている。
凹部成形機構１４は、図３及び図４に示すように、凹凸のない滑らかな外周面を有する下方側の回転ロール１６と、外周面の全域に多数の成形ピン１７Ａを放射方向に向けて配置した成形ロール１７とを備えている。そして、回転ロール１６と成形ロール１７との間に、前述した焼結合金層４を積層した裏金３が送り込まれると、裏金３および焼結合金層４はそれらの間を通過していき、それに伴って、成形ロール１７の多数の成形ピン１７Ａによって焼結合金層４の表面に半球状をした多数の凹部５が形成されるようになっている。
次に、下流側の圧延ロール１５は上下一対の回転ロール１５Ａ、１５Ｂを備えており、それらは矢印方向に同期して回転されるようになっている。そして、凹部５が形成された焼結合金層４と裏金３が凹部成形機構１４から圧延ロール１５に送り込まれると、圧延ロール１５の回転ロール１５Ａ、１５Ｂによって焼結合金層４および裏金３が圧延され、その後、隣接位置の第２次焼結機構２１へ送り出されるようになっている。

このように、本実施例においては、上記凹部成形機構１４によって焼結合金層４に油溜りとしての多数の凹部５が形成されるようになっており、その後に多数の凹部５が形成された焼結合金層４と裏金３は圧延ロール１５によって圧延されてから第２焼結機構２１に送り込まれるようになっている。このように、本実施例においては、一次焼結処理後の組織化されていない段階で焼結合金層４に多数の凹部５を形成することで、凹部５とその周辺に加工硬化が生じる事を抑制するようにしている。
そして、この後、裏金３と焼結合金層４はこの第２焼結機構２１によって再度加熱されて仕上げ焼結処理（２次焼結処理）が施されるようになっている。
これにより、図２に示した製品としての上記摺動部材２が製造されるようになっている。そして、この製品としての摺動部材２は最も下流側に配置された巻取りロール２２に巻き取られるようになっている。
なお、第２焼結機構２１による仕上げ焼結処理の後に、裏金３と焼結合金層４を所要温度まで冷却するようにしても良いし、さらにそのような冷却処理を行った後に、裏金３と焼結合金層４に対してサンディング等の仕上げ加工を施しても良い。また、上記２次焼結処理とそれ以降の処理に関しては、従来公知の機構を利用することができる。

上述したように、本実施例の製造システム１においては、１次焼結処理によって裏金３の表面に焼結合金層４を積層させて形成した直後に凹部成形機構１４によって焼結合金層４の表面に多数の凹部５を形成するようにしている。そして、その後に、焼結合金層４と裏金３を圧延ロール１５によって圧延するようになっている。つまり、第２焼結機構２１によって仕上げ焼結処理を施す前であって、かつ、圧延ロール１５による圧延前に、焼結合金層４の表面に上記多数の凹部５を形成するようにしている。これにより、本実施例においては、製品としての摺動部材２における各凹部５の箇所および焼結合金層４の内部に加工硬化が生じることを抑制することができる。

図５は本実施例による製品としての摺動部材２の断面を示した模式図である。この図５に示すように、摺動部材２の焼結合金層４は、金属組織である鉛や銅が層状にならずに粒状に分散したマトリックス構造となる。換言すると、本実施例においては、焼結合金層４における凹部５とその周辺（凹部５内の内部空間に臨む焼結合金層４の表面と内部）は、金属組織が層状とならずに粒状のままとなって加工硬化が生じない。そのため、凹部５の底部とその周辺にひび割れが生じにくい。また、焼結合金層４の表面および内部に加工硬化も生じにくい。さらに、凹部５が形成された際に該凹部５の縁部５Ａにバリ状の盛り上がりも生じない。
このように、本実施例において縁部５Ａに盛り上がり部分が生じないのは次のような理由からと考えられる。すなわち、本実施例においては、焼結合金層４を構成する組織が粒状のままとなっているので、それら組織の粒子間に微小な隙間が残存する。そのため、前述したように焼結合金層４に上記多数の凹部５を形成する工程において、表面側から成形ピン１７Ａが焼結合金層４に押し込まれて組織の粒子を圧縮させる際に上記微小な隙間が粒子の逃げ場となる。そのため、各凹部５の縁部にバリ状の盛り上がり部が形成されないものと考えられる。
しかも、焼結合金層４は加工硬化を起こしていないので、焼結合金４の表面に仕上げ加工を施したときでも凹部５の縁部５Ａが欠落することを防止することができる。さらに、本実施例においては、各凹部５と対応する裏金３の裏面の箇所に生じる凸部３Ａの膨出量αも小さくなる。よって、製造されたすべり軸受の裏金に生じる膨出量αも小さくなる。

このような本実施例に対して、上記特許文献２の製造方法においては、１次焼結処理してから焼結合金層と裏金を圧延ロールによって圧延し、その後に凹部成形機構によって焼結合金層に多数の凹部を形成していたものである。この従来技術においては、図６に模式図で示すように、凹部の縁部とその周辺は金属組織が層状となって加工硬化が生じており、しかも凹部の縁部にバリ状の盛り上がり部が生じる。従来では、焼結合金層を圧延した後に、該焼結合金層に多数の凹部を形成していたので、このようなバリ状の盛り上がり部が生じると考えられる。より詳細には、圧延工程が施された後の焼結合金層は、その組織が層状となり、かつ組織の粒子間の隙間がほとんどなくなっている。そのため、圧延工程後の焼結合金層に成形ピンを押し込んで凹部を形成する際には、焼結合金層における層状となった粒子は逃げ場がないので、成形ピンを焼結合金層に押し込む力が吸収されなくなる。そのため、従来技術においては、凹部の縁部に盛り上がり部が形成されてしまうものと考えられる。
また、凹部と対応する裏金の裏面に生じた凸部の膨出量αは本実施例と比較すると倍以上に大きくなる。そのため、この従来技術による摺動部材においては、裏面の凸部や表面のバリ状の盛り上がり部を除去するため仕上げ作業に時間を要することになる。しかも、前述したように、焼結合金層における凹部の縁部には硬くなった盛り上がり部が生じているため、焼結合金層の表面に仕上げ加工を施した場合には、凹部の縁部の盛り上がり部に割れやカケが生じることがあった。
換言すると、本実施例においては、従来技術と比較すると焼結合金層４の加工硬化を抑制することができ、裏金３の裏面に生じる凸部３Ａの膨出量αを小さくすることができる。そのため、本実施例においては、裏金３の裏面に生じた凸部３Ａの除去作業を行うだけでよく、その作業時間も従来技術と比較して凸部の膨出量αが小さい分だけ簡単なものとなる。

ここで、実際の製品としての摺動部材について従来技術と本実施例とを比較した結果を示した資料が図７〜図１０である。
図７（ａ）、（ｂ）は、本実施例の摺動部材２における凹部５とその周辺の断面写真である。図７（ａ）は断面を５０倍に拡大したものであり、図７（ｂ）は断面の中央部分を１００倍に拡大したものである。
他方、図８（ａ）、（ｂ）は、上記特許文献２の従来技術によって製造した摺動部材の凹部とその周辺の断面写真である。図８（ａ）は断面を５０倍に拡大したものであり、図７（ｂ）は断面の中央部分を１００倍に拡大したものである。
図７に示す本実施例においては、焼結合金層４における凹部５の表面全域だけでなく内部側においても金属組織が粒状に散在してマトリックス構造となっている。つまり、凹部５の底部および内部空間に臨む箇所には加工硬化は生じていないことが理解できる。そのため、本実施例においては、凹部５の底部および内部空間に臨む箇所にはひび割れは生じなかった。
他方、図８に示す従来技術においては、凹部の底部とその近辺は金属組織が粒状に散在しているが、底部とその周辺よりも開口に近い領域では金属組織が粒状ではなく層状になっている。なお、この従来技術においても、凹部５の底部にはひび割れは生じなかった。しかしながら、図６の模式図でも示したように、凹部の縁部とその内方側および外方側の箇所は金属組織が層状となっている。

次に、図９は、図７（ａ）と図８（ａ）の摺動部材を円筒状に成形したものの表面に近い箇所（１）〜（４）の４箇所について、硬さ検査の結果を示したものである。この図９の検査結果は、本実施例および従来技術の摺動部材について、その表面側から０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２５ｍｍの位置を切削した際に上記（１）〜（４）の４箇所それぞれの平均硬度を測定したものである。
なお、このように摺動部材の表面を所定量切削した位置の硬度を測定した理由は、円筒状のブシュはハウジングに圧入された後、その内周面を切削等によって仕上げ加工した上で使用されることが多いからである。
まず、表面から０．１５ｍｍ切削した際には、従来技術においては、凹部の縁部となる箇所（２）、（３）では硬度がＨｖ１２０程度であったが、凹部の縁部の隣接外方の箇所（１）、（４）では、硬度がＨｖ１００程度となっている。また、凹部の縁部となる箇所とその隣接外方の箇所との硬度差は、最大でＨｖ２５程度である。
これに対して、本実施例においては、（１）〜（４）の全ての箇所において、硬度がＨｖ９０程度以下となっている。つまり、本実施例においては、凹部５の縁部５Ａおよびその隣接外方側において硬度は略同一（硬度差は最大でＨｖ１５程度）であって、かつ従来技術と比較すると硬度が小さくなっている。
次に表面から０．２０ｍｍ切削した際には、従来技術においては、凹部の縁部となる箇所（２）、（３）では硬度がＨｖ１３０〜１４０程度となっているのに対して、縁部の隣接外方となる箇所（１）では硬度がＨｖ１００程度、他方の箇所（４）では硬度がＨｖ１２０程度となっている。従って硬度差は最大でＨｖ４０程度となっている。
これに対して本実施例においては、（１）〜（４）の全ての箇所において硬度はＨｖ９０程度（硬度差は最大でＨｖ５程度）となっている。
さらに、表面から０．２５ｍｍ切削した際には、従来技術においては、凹部の縁部となる箇所（２）では硬度がＨｖ１３０程度、他方の箇所（３）では硬度がＨｖ１５０程度となっている。また、縁部の隣接外方となる箇所（１）では硬度がＨｖ１１０程度、反対側の箇所（４）では硬度がＨｖ約１４０程度となっている。従って硬度差は最大でＨｖ４０程度となっている。
これに対して、本実施例においては、（１）〜（４）の４箇所全てにおいて硬度はＨｖ９０〜１００程度（硬度差は最大でＨｖ１０程度）となっている。
この図９に示す検査結果から理解できるように、本実施例の摺動部材２においては、凹部５の縁部５Ａとその隣接外方側の箇所は従来技術のものと比較すると軟質となっており、硬さは略均一となっている。つまり、本実施例においては加工硬化が生じていないことと、従来技術においては加工硬化が生じていたことが理解できる。なお、前述したとおり従来技術においても、本願発明と同様に各凹部の底部にはクラック（ひび割れ）は生じていなかったが、図７、図８の金属組織と上記の硬さ検査の結果を照合すると、従来技術における各凹部の底部においては加工硬化が生じていると推定できる。

次に、図１０は摺動部材の凹部と対応する裏面に生じた凸部の膨出量と該凸部を削除するためのバック処理の回数について、本実施例と従来技術とを比較したものである。なお、ここでバック処理とは、摺動部材の裏面に施す、研磨・研削等の処理を意味している。
この図１０において、バック処理が０回とは、つまり、摺動部材の裏面に生じた凸部に対してバック処理を施す前の状態を示しており、その状態においては、従来技術では凸部の膨出量は１６μｍであった。これに対して本実施例では凸部３Ａの膨出量は４μｍであった。つまり、本実施例においては、従来技術と比較すると凸部の膨出量は４分の１に大幅に減少していることが理解できる。
また、この図１０は、従来技術と本実施例の摺動部材の裏面に対して１回、２回、３回と順次バック処理を施した際の凸部の減少状態を示している。つまり、図１０における右側に示す本実施例においては１回のバック処理によって凸部３Ａが略完全に削除されている。これに対して、図１０における左方側の従来技術においては、３回のバック処理後においてようやく凸部が削除されている。このように、本実施例においては、凹部５と対応する裏面に生じる凸部３Ａの膨出量は、従来技術と比較すると４分の１程度に減少しており、そのために、本実施例においては凸部３Ａを削除するためのバック処理の回数も一度だけで十分である。
したがって、本実施例によれば、従来技術と比較して摺動部材２の裏面に生じる凸部３Ａを削除するための仕上げ作業工程が容易なものとなる。

以上のように、本実施例の製造システム１による製造方法によれば、各凹部５の内部空間に臨む焼結合金層４の表面と内部における組織の層状化を防止して加工硬化が生じることを抑制することができる。そのため、摺動部材２は凹部５の底部に割れが生じにくく、しかも凹部５の縁部５Ａ及びその周辺の欠落を抑制することができる。また、凹部５の縁部５Ａに盛り上がりが生じない。さらに、凹部５と対応する裏面に生じる凸部３Ａは、上記従来技術の場合と比較して膨出量が小さくなり、その分だけ、凸部３Ａを削除するための仕上げ作業工程が容易なものとなる。したがって、本実施例の製造方法によれば、従来のものよりも製造コストが安く、かつ摺動性能に優れた摺動部材２を提供することができる。

１‥摺動部材の製造システム ２‥摺動部材
３‥裏金 ４‥焼結合金層
５‥凹部 １４‥凹部成形機構

Claims (4)

1. 裏金の表面に積層される焼結合金層および該焼結合金層の表面に形成された多数の凹部を備えた摺動部材の製造方法において、
   上記裏金の表面に少なくとも一種以上の金属の粉末を散布した後に、該金属の粉末に１次焼結処理を施して上記裏金の表面に焼結合金層を積層させて形成し、次に上記裏金に積層させた焼結合金層の表面に上記多数の凹部を形成し、次に上記凹部が形成された焼結合金層および裏金を圧延し、その後、上記凹部が形成された焼結合金層に２次焼結処理を施すことにより上記摺動部材を製造することを特徴とする摺動部材の製造方法。
2. 上記裏金は、表面に予め銅めっきが施された鋼材であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
3. 上記凹部の内部空間に臨む該凹部の表面とその内部の焼結合金層は、上記金属が粒状に分散してマトリックス構造となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２の製造方法によって製造された摺動部材。
4. 上記摺動部材を円筒状または半円筒状のすべり軸受に成形加工した際に、上記凹部の縁部における硬さと、該凹部の縁部以外の部位における硬さとの硬度差がＨｖ１５以下であることを特徴とする請求項３に記載の摺動部材。