专利名称：Al青铜烧结合金滑动材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及位于表层的高强度且耐磨耗性、耐热性、耐腐蚀性优异的Al青铜烧结合金层经由中间层在钢衬垫上一体接合的多层烧结滑动材料及其制造方法。
背景技术：
作为先行技术文献，例如在下述的专利文献I中公开有一种技术，其是将Cu或Cu合金的粉末散布在钢衬垫上后，进行烧结，在所得到的烧结材料表面散布Al或Al合金的粉末，压力复合后进行烧结，由此得到致密烧结的Al青铜烧结轴承材料，但该技术利用的是，表层部的高浓度Al向Cu合金烧结层扩散，因此Cu烧结层的厚度，由于烧结温度会导致在烧结表层部和下层部容易发生Al浓度的偏差，另外，伴随着轻而易飞散的粉尘爆发的危险，需要考虑处理Al或高浓度Al合金的粉末的工序中的安全的设备。此外，因为还需要使 散布在Cu合金烧结层上的易流动的粉末层高效率地加压压缩的技术，所以也有不易利用这一问题。另外，在下述的专利文献2中，作为三层构造的轴承的制法，公开有一种技术，其是在金属基体上散布粘接层用粉末，再在其上散布表面层用轴承材料，实施烧结后轧制，将轴承材料层提高到锻造的密度，粘接金属基体，但在该方法中，散布状态的Al青铜烧结材料粉末在烧结时于粉末表层形成热的稳定的氧化Al皮膜,不进行烧结，即使实施加压处理，也得不到具有致密的强度的Al青铜烧结合金层。此外，在下述的专利文献3中，作为与专利文献2的三层构造的轴承的制法类似的制法，公开有一种多层粉末金属Cu合金轴承制造法，其是在金属基体上设置粉末Cu合金的第一层，在其上设置与第一层的组成不同的粉末Cu合金第二层，在一次烧结后进行冷却，架上压缩辊，实施二次烧结而成。但是，这里所公开的方法的情况是，钢衬垫和第一层的Cu-Sn合金的烧结/接合，如果是使一般的Cu-Sn合金的烧结温度为一次烧结温度，则容易取得，但使第二层为由Cu粉末和Al合金粉末的混合粉末构成的Al青铜烧结材料粉末时，作为一次烧结后加压压缩，即使在还原气氛中实施二次烧结，由于一次烧结时的加热过程，Al青铜烧结材料粉末中的Al成分向Cu粒子的扩散带来的熔点上升仍会阻碍二次烧结时的液相烧结进行，得不到作为目标的Al青铜烧结合金的强度。另外，反之若过度降低一次烧结温度，则存在如下问题钢衬垫和第一层Cu-Sn合金的烧结密接强度降低，一次烧结后的加压压缩时，钢衬垫和积层粉末层的剥离脱落，或在二次烧结时第一层与第二层的边界部的烧结/接合进行比钢衬垫与第一层的烧结/接合强，发生密接不良。还有，本申请发明者等，在下述的专利文献4中，作为含Al铜合金用混合粉末及其制造方法，提出有一种Al青铜烧结材料粉末，其是使I 12质量％ Al和余量为Cu的粉末材料中，含有P 0. 05 I质量％、Si 0. 05 4质量％、Sn :0. I I质量％，可以用900°C以下的温度进行烧结的Al青铜烧结材料粉末，但是将该Al青铜烧结材料粉末散布在钢衬垫上，即使进行加压压缩而提高散布的粉末层的密度后，再实施烧结处理，仍得不到与钢衬垫接合一体化的粉末烧结层。这被认为是由于，即使对钢衬垫表面实施轻微的研磨和脱脂处理作为前处理，与粉末层的机械的结合仍弱，另外Al向与粉末层接触的钢衬垫面的扩散在烧结开始前进行，还原钢衬垫表面而形成Al氧化皮膜，粉末层和钢衬垫的烧结受到阻碍。先行技术文献专利文献专利文献I特开2001_303107号公报专利文献2特公昭57-42681号公报专利文献3特表2005-506445号公报专利文献4特开2009-7650号公报
发明内容
本发明的课题在于，提供一种解决所述背景技术栏中所述的技术性的问题点，能够经济且安全地制造的Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法,和由该制造方法制造的Al青铜烧结合金滑动材料，本发明者等发现，着眼于高强度且耐磨耗性、耐热性、耐腐蚀性优异的Al青铜,将由该Al青铜构成的Al青铜烧结合金层一体接合在钢衬垫上，由此能够制造出一种Al青铜烧结合金滑动材料，其可以面向现有的Cu系烧结合金滑动材料所不能利用的严酷的用途展开利用，从而完成了本发明。本发明的Al青铜烧结合金滑动材料，其特征在于，具有如下三层构造在钢衬垫上形成有由Cu-Sn烧结合金层构成的中间层；在其上形成有作为滑动层的Al青铜烧结合金层。另外，本发明根据具有上述的特征的Al青铜烧结合金滑动材料，其中，所述滑动层由2 12质量％的Al、5质量％以下的石墨和余量为Cu和不可避免的杂质构成。此外，本发明根据具有上述特征的Al青铜烧结合金滑动材料，其中，所述滑动层还含有O. 5 5质量％的Si、0. 5 3质量％的Sn、0. 05 O. 4质量％的P。另外，用于制造上述的Al青铜烧结合金滑动材料的本发明的方法，其特征在于，包括如下工序在钢衬垫上散布构成中间层的含有8 12质量％的Sn的Cu-Sn烧结材料粉末作为第一粉末层，在其上散布作为滑动层的Al青铜烧结材料粉末而形成第二粉末层后，在还原性或惰性气体气氛下以550 750°C的温度范围进行一次烧结，使所述第一粉末层的烧结与钢衬垫的烧结/接合和与凝集固化的第二粉末层的边界部的烧结进行的工序，以及，对于所述的钢衬垫上的多层材料，实施加压压缩的致密化处理后，使二次烧结条件为还原性或惰性气气氛下，超过中间层Cu-Sn合金的固相线温度的840 950°C，借助从所述第一粉末层发生的过渡性的液相，促进所述第二粉末层的烧结进行和经由中间层的钢衬垫与滑动层的烧结/ 一体化接合，在钢衬垫的最表层形成致密的Al青铜烧结合金层的工序。另外，本发明根据具有上述特征的Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法，其中，所述Al青铜烧结材料粉末的Al源由含有50质量％以上的Cu的Cu-Al合金粉末构成，该Al青铜烧结材料粉末由2 12质量％的Al、5质量％以下的石墨和余量为Cu和不可避免的杂质构成。另外，本发明根据具有上述特征的Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法，其中，所述Al青铜烧结材料粉末还含有O. 5 5质量％的Si、0. 5 3质量％的Sn、0. 05 O. 4质量％的P。另外，本发明是以上述Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法形成中间层时所使用的Cu-Sn烧结材料粉末，其特征在于，该粉末含有8 12质量％的Sn，余量由Cu和不可避免的杂质构成。另外，本发明是以上述Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法形成滑动层时所使用的Al青铜烧结材料粉末，其特征在于，该粉末由2 12质量％的Al、5质量％以下的石墨和余量为Cu和不可避免的杂质构成。另外，本发明根据上述Al青铜烧结材料粉末，其中，还含有O. 5 5质量％的Si、O. 5 3质量％的Sn、0. 05 O. 4质量％的P。本发明的Al青铜烧结合金滑动材料，因为在高强度下耐磨耗性、耐热性、耐腐蚀性优异，所以可以面向要求有这些物性的用途展开利用。·
图I是用于说明本发明的Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法的工序图。图2是由本发明的制造方法制造的Al青铜烧结合金滑动材料的截面的模式图。图3是进行钢衬垫与Al青铜烧结合金层的烧结/接合性的评价试验的180度圆形弯曲加工试验片形状的模式图。图4是销盘方式的摩擦磨耗试验的模式图。符号说明I Al青铜烧结合金滑动材料2滑动层(Al青铜烧结合金层)3中间层(Cu-Sn烧结合金层)4钢衬垫
具体实施例方式本发明的Al青铜烧结合金滑动材料，在钢衬垫上，经由Cu-Sn烧结合金层所构成的中间层，在其上形成有作为滑动层的Al青铜烧结合金层而成为三层构造，Al青铜烧结合金层与钢衬垫一体化接合，因此与历来已知的Cu系烧结合金滑动材料相比，高强度且耐磨耗性、耐热性、耐腐蚀性优异。本发明的滑动层，优选由2 12质量％的Al、5质量％以下的石墨及余量为Cu和不可避免的杂质构成，Al的含量脱离上述范围时，得不到充分的硬度、延展性和耐腐蚀性，石墨的含量超过5质量％时，得不到实用上需要的滑动层的机械的强度。还有，所谓“不可避免的杂质”，就是不是刻意添加的，而是在各原料的制造工序等中不可避免地混入的杂质，其总和通常为O. 3质量％以下，在对本发明的作用不会造成影响的程度。本发明的滑动层，优选还含有O. 5 5质量％的Si、O. 5 3质量％的Sn、O. 05 O. 4质量％的P，通过含有O. 5 5质量％的Si，高温耐磨耗性提高，含有O. 5 3质量％的Sn和O. 05 O. 4质量％的P时，利用Si、Sn与P的协同效果，用于形成滑动层的烧结容易。
其次，对用于制造上述Al青铜烧结合金滑动材料的本发明的制造方法进行说明。首先，最初向钢衬垫上，作为中间层，散布与钢衬垫的烧结密接性良好，且适用于一次烧结的加热温度过程为不阻碍Al青铜烧结材料粉末的二次烧结时的液相烧结进行的750°C以下的温度，作为钢衬垫的程度的可以烧结/接合的Cu-Sn烧结材料粉末作为第一粉末层，在其上散布作为滑动层的Al青铜烧结材料粉末作为第二粉末层后，在还原性或惰性气体气氛下以550 750°C的温度范围进行一次烧结，一定程度上使之进行至第一粉末层的Cu-Sn烧结材料粉末之间，与钢衬垫的烧结和凝集固化的第二粉末层的边界部的烧结(一次烧结工序)。然后，接着对于在实施了一次烧结的钢衬垫上形成的多层粉末层实施压缩处理，提高多层粉末层的密度，其后，在还原性或惰性气体气氛下使二次烧结加热至840 950°C的温度，利用从第一粉末烧结层发生的过渡性的液相，促进不容易烧结的第二粉末层的烧结，同时，经由中间层与钢衬垫的烧结/接合也得到促进，在最表层致密形成与钢衬垫一体接合的Al青铜烧结合金层(二次烧结工序)。
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在上述本发明的制法中，在钢衬垫上，作为中间层使用含有8 12质量％的Sn的Cu-Sn烧结材料粉末(含有8 12质量％的Sn，余量由Cu和不可避免的杂质构成)，利用与Al无论液相、固相在热力学上均强烈互相排斥的Sn的特性，和避免Al青铜烧结材料粉末层和钢衬垫的接触的物理上的屏障设置的协同效果，抑制Al向钢衬垫的扩散，经550 750°C的温度范围下的一次烧结，能够得到即使在作为后工序的加压压缩工序中利用辊轧机也不会剥离的与钢衬垫的烧结/接合。另外，比起表层的Al青铜烧结材料粉末层先行烧结的Cu-Sn烧结材料粉末层，其与Al青铜烧结材料粉末层在边边界部的密接性也高。经过一次烧结而形成于钢衬垫上的Cu-Sn烧结合金层和Al青铜烧结材料粉末的凝集固化层，即使作为加压压缩处理使用辊轧机也不会从钢衬垫上脱落，容易被压缩，未烧结状态的Al青铜烧结材料粉末层被提高至充分烧结进行的密度。此外在加热至840 950°C的二次烧结工序中，利用从第一粉末烧结层发生的过渡性的液相，不容易烧结的第二粉末层的烧结促进，与此同时，经由中间层与钢衬垫的烧结/接合也得到促进，能够得到在最表层具有致密地与钢衬垫一体接合的Al青铜烧结合金层的Al青铜烧结合金滑动材料。在本发明中，通过使用于形成中间层的Cu-Sn烧结材料粉末的Sn下限为8质量％，在一次烧结的加热过程不会对Al青铜烧结材料的烧结造成影响的550 750°C的温度范围，钢衬垫与中间层的烧结/接合进行，能够得到加压压缩工序所要求的钢衬垫和中间层的接合强度，另外，在二次烧结中，利用过渡性的液相，不容易烧结的第二粉末层的烧结促进和经由中间层而使Al青铜烧结材料粉末层和钢衬垫的烧结促进所需要的量的Cu-Sn液相发生。另外，通过使Sn上限为12质量％，中间层的脆弱的金属间化合物的析出被防止，能够防止所得到的Al青铜烧结合金滑动材料变形加工时的钢衬垫与中间层的龟裂剥尚。另外，在本发明中，通过使作为滑动层的Al青铜烧结材料粉末的Al源成为含有50质量％以上的Cu的Cu-Al合金粉末，能够避免处理时伴有危险的高浓度Al粉末的使用，提高安全性。另外，通过使Al的含量为2 12质量％，能够得到作为Al青铜烧结合金滑动部材所要求的硬度、延展性和耐腐蚀性。另外，在本发明中，为了实现耐磨耗性的提高，优选在5质量％以下含有石墨，这是为了确保随着石墨添加而来的实用上需要的滑动层的机械的强度。另外在本发明中，通过使上述的Al青铜烧结材料粉末含有O. 5 5质量％的Si，从而在烧结时降低Cu或Cu合金的熔点，作为液相烧结促进所得到的烧结合金层的滑动特性，能够使高温耐磨耗性提高。此外，通过含有O. 5 3质量％的Sn和O. 05 O. 4质量％的P，借助在一次烧结时，含有Sn的该第二粉末层的凝集固化促进，以及在二次烧结时，Si、Sn与P的协同效果带来的该粉末层的液相结晶温度向低温侧转变，能够实现易烧结化。以下，对于本发明优选的实施方式进行说明。图I是用于说明本发明的Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法的工序图，图2是以本发明的制造方法制造的Al青铜烧结合金滑动材料的截面的模式图。
在图I中，本发明的制造方法，是在钢衬垫(例如，带钢)上散布作为中间层的Cu-Sn烧结材料粉末，在其上散布作为滑动层的Al青铜烧结材料粉末，形成由这样的多个层构成的粉末层后，用一次烧结炉进行烧结后进行冷却，对于所得到的多层材料利用辊轧机，实施Cu-Sn烧结合金层的致密化和凝集固化的Al青铜烧结材料粉末层的高密度化后，再用二次烧结炉进行烧结后，进行冷却，制造Al青铜烧结合金滑动材料。还有，在二次烧结炉进行烧结之后，为了调整滑动层的Al青铜合金层的致密化和形成层厚，也可以再实施辊车L。以上述的制造方法制造的Al青铜烧结合金滑动材料，如图2所示，制作为如下三层构造的Al青铜烧结合金滑动材料1，即在钢衬垫4之上作为中间层层叠有Cu-Sn烧结合金层3，此外在该中间层的上，作为滑动层又层叠有Al青铜烧结合金层2。在此，在滑动层的Al青铜烧结合金中，为了提高强度、硬度和耐热性，也可以含有Ni、Co、Fe、Mo的至少I种在5质量％以下。这些元素即使添加也不会对本发明的效果造成不良影响，而能够提高Al青铜烧结合金的强度、硬度和耐热性。另外，滑动层的Al青铜烧结合金，此外为了提高润滑性和耐磨耗性，除了石墨以外，也可以含有WS2、MoS2等的固体润滑材和碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、硼化物等的至少I种在5质量％以下。还有，滑动层的Al青铜烧结合金的厚度，在中间层和滑动层的边界邻域有伴随烧结/接合而来的两层成分的扩散层，期望滑动层为50 μ m以上，另外，期望中间层的Cu-Sn烧结合金的厚度为100 μ m以上。通过达到100 μ m以上，Al向钢衬垫与中间层的界面的扩散得到抑制，此外与形成于上层的Al青铜烧结合金的液相烧结也得到促进，能够得到经由中间层的钢衬垫和滑动层的强固的接合。实施例接下来，参照表I 表5、图3、图4，对于本发明的Al青铜烧结合金滑动材料及其制造方法的具体的实施例进行说明。实施例I表示，以压缩成形机进行的作为非连续性的制作的、适合于钢衬垫的厚度大的Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法的优选的一例，实施例2表示，对于所述的图I的连续性地供给的钢衬垫，进行得用所对应的辊轧机的加压压缩，制造Al青铜烧结合金滑动材料的方法的一例。在本实施例中，作为基体的钢衬垫，使用冷轧钢板(JISG3141)，对于各钢衬垫实施前处理，即实施用400号的研磨纸使表面粗糙化和利用丙酮进行的脱脂净化处理。另外，向钢衬垫上散布的中间层烧结材料粉末和滑动层烧结材料粉末，预先根据表I和表2调配混合各原料粉末而加以准备。还有，以高比率调配合的Cu原料粉末，考虑到散布时的各烧结材料粉末的流动性，而利用表观密度高的电解铜粉末。还有，表I中的“-150 μ m”表示通过150 μ m的筛网眼的粒径150 μ m以下的粉末。表I
权利要求
1.一种Al青铜烧结合金滑动材料，其特征在于，具有如下的三层构造在钢衬垫上形成的由Cu-Sn烧结合金层构成的中间层，和在其上形成的作为滑动层的Al青铜烧结合金层。
2.根据权利要求I所述的Al青铜烧结合金滑动材料，其特征在于，所述滑动层含有2 12质量％的Al、5质量％以下的石墨，余量为Cu和不可避免的杂质。
3.根据权利要求I或2所述的Al青铜烧结合金滑动材料，其特征在于，所述滑动层还含有O. 5 5质量％的Si、0. 5 3质量％的Sn、0. 05 O. 4质量％的P。
4.一种Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法，其特征在于，是用于制造Al青铜烧结合金滑动材料的方法，该方法包括 在钢衬垫上散布构成中间层的含有8 12质量％的Sn的Cu-Sn烧结材料粉末作为第一粉末层，在其上散布构成滑动层的Al青铜烧结材料粉末而形成第二粉末层后，在还原性或惰性气体气氛下在550 750°C的温度范围进行一次烧结，使所述第一粉末层的烧结与钢衬垫的烧结、接合和与凝集固化的第二粉末层的边界部的烧结进行的工序；以及 对所述钢衬垫上的多层材料，实施通过加压压缩进行的致密化处理后，将在还原性或惰性气体气氛下、在超过中间层Cu-Sn合金的固相线温度的840 950°C作为二次烧结条件，通过从所述第一粉末层发生的过渡性的液相，促进所述第二粉末层的烧结的进行和经由中间层的钢衬垫与滑动层的烧结、一体化接合，在钢衬垫的最表层形成致密的Al青铜烧结合金层的工序。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述Al青铜烧结材料粉末的Al源由含有50质量％以上的Cu的Cu-Al合金粉末构成，该Al青铜烧结材料粉末含有2 12质量％的Al、5质量％以下的石墨，余量为Cu和不可避免的杂质。
6.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，所述Al青铜烧结材料粉末还含有O. 5 5质量％的Si、0. 5 3质量％的Sn、0. 05 O. 4质量％的P。
7.—种Cu-Sn烧结材料粉末，其特征在于，是通过权利要求4所述的Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法形成中间层时所使用的Cu-Sn烧结材料粉末，其中，含有8 12质量％的3]1，余量由Cu和不可避免的杂质构成。
8.—种Al青铜烧结材料粉末，其特征在于，是通过权利要求4所述的Al青铜烧结合金滑动材料的制造方法形成滑动层时所使用的Al青铜烧结材料粉末，其中，含有2 12质量％的Al、5质量％以下的石墨，余量为Cu和不可避免的杂质。
9.根据权利要求8所述的Al青铜烧结材料粉末，其特征在于，还含有O.5 5质量％的Si、0. 5 3质量％的Sn、0. 05 O. 4质量％的P。
全文摘要
本发明提供与钢衬垫强固接合的Al青铜烧结合金滑动材料及其制造方法。在钢衬垫上散布构成中间层的Cu-Sn烧结材料粉末作为第一粉末层，在其上散布Al青铜烧结材料粉末而形成构成滑动层的第二粉末层后，以还元性或惰性气体气氛在550～750℃的温度范围进行一次烧结，使第一粉末层的烧结进行，接着实施加压压缩后，在还原性或惰性气体气氛下，以840～950℃的温度实施二次烧结，利用从第一粉末层发生过渡性的液相，促进第二粉末层的烧结，和使经由中间层的钢衬垫与滑动层间的烧结/接合更强固，得到在最表层形成有与钢衬垫强固接合的Al青铜烧结合金层的Al青铜烧结合金滑动材料。
文档编号C22C9/02GK102886521SQ20121023853
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月10日 优先权日2011年7月21日
发明者高谷严, 益冈佐千子 申请人:福田金属箔粉工业株式会社