JP2016079432A

JP2016079432A - すべり軸受用銅合金

Info

Publication number: JP2016079432A
Application number: JP2014209941A
Authority: JP
Inventors: 祐平江端; Yuhei Ebata
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-05-16
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: JP6363931B2

Abstract

【課題】良好な焼結性を均一に得ることができる技術を提供する。【解決手段】本発明のすべり軸受用銅合金は、Ｂｉ１〜３０質量％および平均粒径が１０〜５０μｍの硬質物粒子０．１〜１０質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、前記硬質物粒子より平均粒径が小さいＢｉ相がＣｕマトリックス中に分散し、前記硬質物粒子として、単一粒子内にＦｅ2ＰとＦｅ3Ｐとを含む粒子を含有する。【選択図】図２

Description

本発明は、すべり軸受用銅合金に関する。

摺動用銅合金に通常添加されているＰｂは摺動時の温度上昇によって摺動面において膨張・展伸する結果、Ｐｂは摺動面を冷却すると同時に、その優れた自己潤滑作用により焼付きを防止する。さらに、Ｐｂは軟質分散相であるから、なじみ性および異物埋収性を有している。しかしながら、Ｐｂは硫酸以外の酸に腐食され易く、Ｃｕ合金中に粗大粒子として存在すると、軸受の負荷能力が低下するために、特許文献１（特公平８−１９９４５号公報）では特定の計算式で表わされる微細粒子として分散させることを提案する。その式の意味は、０．１ｍｍ²(１０５μｍ²)の視野で観察される全Ｐｂ粒子の平均面積率が1個当たり０．１％以下であると解釈できる。この公報の実施例では、Ｃｕ-Ｐｂ-Ｓｎプレアロイ粉末が使用されており、焼結温度が低い方が微細Ｐｂ組織が得られると説明されているから、低温焼結によりＰｂの析出・成長を押さえる手法が採用されていると考えられる。

焼結銅合金の耐摩耗性を高めるために、Ｃｒ₂Ｃ₃，Ｍｏ₂Ｃ，ＷＣ，ＶＣ，ＮｂＣなどの炭化物を硬質物として添加することは特許文献２（特公平７−９０４６号公報）より公知である。この公報によると、平均粒径が１０〜１００μｍの銅合金粉末および平均粒径が５〜１５０μｍの硬質物粉末をＶ型混合機で混合し、次に圧粉と焼結を行なっている。Ｐｂは銅粒子の粒界に存在するとの説明（第４欄第２１〜２２行）は、ＰｂはＣｕにほとんど固溶しないとの平衡状態図から導かれる知見と矛盾はしていない。

Ｃｕ-Ｐｂ系焼結合金と同等の摺動特性を達成するＰｂフリー合金は特許文献３（特開平１０−３３０８６８号公報）より公知であり、この公報の図から、Ｂｉ（合金）相の存在箇所は粒界３重点およびこの近傍の粒界であることが分かる。

焼結銅合金において、硬質物がＰｂ、Ｂｉ相中に混在すると、Ｐｂ、Ｂｉの流出を防ぎ、Ｐｂ、Ｂｉ相がクッションになって、硬質物の相手軸攻撃性を緩和する；脱落した硬質物をＰｂ、Ｂｉ相が再度捕捉し、アブレシブ摩耗を緩和することが特許文献４（特許第３４２１７２４号）にて提案されている。この特許では、硬質物はＢｉ相中に包み込まれたような状態で存在するので、Ｂｉ相は硬質物よりも寸法が大きくなる。

特許文献５（特開２００１−２２０６３０号公報）は、Ｃｕ-Ｂｉ(Ｐｂ)系焼結合金において、耐摩耗性向上のために添加された金属間化合物がＢｉまたはＰｂ相の周りに存在する組織とすることにより、摺動巾に金属間化合物が銅合金表面から突出し、Ｂｉ、Ｐｂ相およびＣｕマトリックスは凹んでオイル溜まりとなり、耐焼付性および耐疲労性に優れた摺動材料が得られることが開示されている。焼結条件の例としては、８００〜９２０℃で約１５分が挙げられている。

特許文献６（特許第４４７６６３４号）は、Ｃｕマトリックス中に焼結性が優れたＦｅ₂Ｐ、Ｆｅ₃Ｐ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃ＢなどのＦｅ系化合物を分散させることを開示している。Ｆｅ系化合物はＣｕマトリックスよりも硬質であるため、耐摩耗性、耐焼付き性を向上させることができる。

特公平８−１９９４５号公報特公平７−９０４６号公報特開平１０−３３０８６８号公報特許第３４２１７２４号特開２００１−２２０６３０号公報特許第４４７６６３４号

Ｃｕ合金中のＰｂおよびＢｉはＣｕマトリックスにほとんど固溶せず、また金属間化合物を生成しないため、Ｃｕマトリックスとは別の相を形成する。摺動用銅合金のなじみ性はこの組織・性質を利用しているが、反面Ｐｂ、Ｂｉ相は低強度部分であるために、耐疲労性の低下を招いている。したがって、特許文献１が提案する低温焼結によるＰｂ相の微細化はこの弊害を少なくするために有効である。しかしながら、Ｐｂの成長を抑えるために必要な低温は、銅合金粒子どうしの結合力を低下させるという弊害もある。

特許文献３，４，５で提案されているＣｕ-Ｂｉ系合金中のＢｉ相は高温中、あるいは劣化油中で使用した場合、Ｂｉの発汗や腐食が起きて、添加したＢｉ量に対し、Ｂｉ量が減少してしまうため、摺動性能が低下する。また、Ｂｉは潤滑油に溶出することもある。しかし、Ｂｉが微細に分散していると、個々のＢｉ相の体積が小さいため、発汗や腐食、流出によるＢｉ量の減少を抑制できる。ただし、Ｂｉの微細分散と銅合金の焼結性とは相反する関係にある。

また、特許文献４および特許文献５のＢｉ含有Ｃｕ基合金では、焼結中にＢｉ相が液相になるためＣｕマトリックス中の成分がＢｉ相に拡散し易くなり、金属間化合物がそこで生成する。したがって、金属間化合物は常にＢｉ相とＣｕマトリックスの境界に存在することになるために、Ｃｕマトリックスによる金属間化合物の保持効果が少なくなる。特許文献５で提案された焼結銅合金では、通常の焼結では所望の組織状態が得られないので、所望組織を得るための長時間焼結を行っている。この結果、特許文献４の図2に示されているようにＢｉ相が硬質物粒子よりも寸法が大きくなり、かつ後述する硬質物存在率がほぼ１００％となっていると考えられる。また、特許文献５の図１においては、後述する硬質物接触率が高くなる。このようなＢｉ相はＣｕ-Ｂｉ系焼結合金の耐疲労性や耐食性を低下させる原因となる。

さらに、特許文献７において、Ｆｅ₂Ｐの硬質物粒子とＦｅ₃Ｐの硬質物粒子との双方がＣｕマトリックス中に分散していることが開示されているが、Ｆｅ₂Ｐの硬質物粒子の周辺の焼結性と、Ｆｅ₃Ｐの硬質物粒子の周辺の焼結性との間に差が生じるという問題があった。ここで、Ｆｅ₂Ｐの硬質物粒子とＦｅ₃Ｐの硬質物粒子から周辺にＰが拡散することにより、焼結温度を低くすることができるが、Ｆｅ₃Ｐの方がＦｅ₂ＰよりもＰを放出しにくいため、Ｆｅ₃Ｐの硬質物粒子の周辺の焼結性がＦｅ₂Ｐの硬質物粒子の周辺の焼結性よりも悪くなるという問題があった。

（１）合金組成
本発明のＣｕ-Ｂｉ系焼結合金において、Ｂｉ含有量が、１質量％未満であると耐焼付性が劣り、一方、３０質量％を超えると強度が低下し、耐疲労性が劣るために、Ｂｉ含有量は１〜３０質量％である。好ましいＢｉ含有量は１〜１５質量％である。本発明において硬質物粒子とは、少なくともＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含めばよく、銅合金における焼結性が優れたＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃ＢなどのＦｅ系化合物を含んでもよい。さらに、Ｆｅ系化合物はＢｉとの濡れ性が低く、逆にＣｕとは濡れ性が高いので、Ｂｉ相と硬質物粒子が接する割合が小さく、Ｃｕマトリックスに保持され易くなる。これにより、硬質物の脱落や欠けが生じにくくなり、耐摩耗性、耐焼付き性が低下するのを抑えることができる。硬質物の含有量が０．１質量％未満であると耐焼付性、耐摩耗性が劣り、一方、１０質量％を超えると強度が低下し、耐疲労性が劣るとともに、相手材を傷つけたり、焼結性を低下させる。

また、本発明のＣｕ-Ｂｉ系焼結合金において、硬質物粒子として、単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含む粒子を含有する。単一粒子内にＦｅ₃ＰだけでなくＦｅ₂Ｐが含まれるようにしたため、Ｆｅ₂ＰのＰが容易に拡散し、硬質物粒子の周辺の焼結性を向上させることができる。すなわち、Ｆｅ₃Ｐのみで構成される硬質物粒子を抑制でき、焼結性の悪い領域が局所的に形成されることを抑制できる。周辺の焼結性が悪い硬質物粒子を抑制できるため、低温で焼結を行っても均一な焼結を実現できる。本実施形態における硬質物粒子（粉末）をＸ線回折によって解析したところ、Ｆｅ₂Ｐ：Ｆｅ₃Ｐの重量比７：３であった。硬質物粒子の粒子径が大きくなるほど単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとが含まれる確率が高くなり、粒子径が２０μｍ以上のほぼ全ての硬質物粒子の粒子において単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとが含まれることが分かった。また、粒子径が２０μｍ以上の硬質物粒子の重量割合は全体の２５％程度であった。このように、硬質物粒子として、単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含む粒子を含有することにより、良好な焼結性を均一に得ることができる。

また、硬質物粒子として、単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含む粒子を含有することにより、Ｆｅ₂Ｐのみで構成される硬質物粒子を抑制でき、Ｐの拡散が過多となる領域が局所的に形成されることを抑制できる。従って、Ｐの拡散が過多となることにより、銅合金が脆くなる領域が局所的に形成されることを抑制できる。

前記組成の残部は不可避的不純物とＣｕである。不純物は通常のものであるが、その中でもＰｂも不純物レベルとなっている。必要により、銅合金への添加元素を添加してもよい。例えば、Ｃｕの融点を下げ、焼結性を高めるＰを０．５質量％以下添加することができる。Ｐ含有量が０．５質量％を超えると銅合金が脆くなる。また、強度および耐疲労性を高めるＳｎを１〜１５質量％添加することができる。Ｓｎ含有量が１質量％未満であると、強度向上の効果が少なく、一方１５質量％を超えると金属間化合物が生成し易くなり、合金が脆くなる。また、強度および耐食性を高めるために、０．１〜５％のＮｉを添加することもできる。Ｎｉ含有量が０．１％未満であると、強度向上の効果が少なく、一方５質量％を超えると金属間化合物が生成し易くなり、合金が脆くなる。これら元素はＣｕに合金化されて銅合金マトリックスを構成する。
さらに、銅合金に対する複合成分として、ＭｏＳ₂、黒鉛などの固体潤滑剤を５質量％以下添加することができる。

（２）合金組織
硬質物粒子の平均粒径は１０〜５０μｍである。平均粒径が１０μｍ未満であると、耐摩耗性に対する硬質物の効果が小さく、５０μｍを超えると焼結銅合金の強度が低下する。好ましい硬質物粒子の平均粒径は１５〜３０μｍである。
本発明の合金組織は、銅合金の焼結中に硬質物粒子とＢｉ相が接するような後者の流動をできるだけ阻止することである。

この結果を本発明の第一においては、Ｂｉ相の平均粒径（Ｂｉ相の円相当径）（ＤＢｉ）は添加した硬質物の平均粒径(ＤＨ)より小さい(ＤＢｉ＜ＤＨ)ことである規定している。

また、本発明の第二においては、Ｂｉ相と接している硬質物粒子に関して、該硬質物粒子の全周に対するＢｉ相の接触長さ割合が５０％以下である硬質物粒子の存在割合が硬質物粒子個数の全体に対して７０％以上であると規定している。ここで、「硬質物粒子の全周に対するＢｉ相の接触長さ割合」を「硬質物接触比率」ということにする。硬質物接触比率が１００％であると、特定の１個のＢｉ相と接している１または２以上の硬質物粒子のそれぞれが、全周でＢｉ相と接していることであり、これは、とりもなおさず、硬質物粒子がＢｉ相中に埋め込まれている状態である。一方硬質物接触比率が１００％未満であり、０でないとすると、硬質物粒子はＢｉ相外にはみ出した部分を必ず有しており、この部分は銅合金と接していることになる。本発明において、硬質物接触比率を５０％以下としたのは、硬質物粒子とＢｉ相との接触をできるだけ少なくすることにより、それぞれの特性を十分に発揮させるためである。次に、５０％以下の硬質物接触比率の硬質物粒子が硬質物全体に対して存在する個数割合を『硬質物存在率』ということにする。硬質物存在率が１００％であると、すべての硬質物接触比率が５０％以下である。一方、硬質物存在比率が０％であると、すべての硬質物粒子に関して硬質物接触比率が５０％を超えることになる。
本発明においては硬質物存在比率を７０％以上に限定したのは、接触が少ないＢｉ相
と硬質物粒子を相対的に多くすることにより、それぞれの特性を十分に発揮させるためである。

このような焼結過程をもたらすためには、Ｃｕ-Ｂｉプレアロイアトマイズ粉末あるいはＣｕ（合金）アトマイズ粉末とＣｕ-Ｂｉ合金粉末との混合粉末を焼結温度での保持時間が２分以下の短時間焼結を行なうことが好ましい。このような短時間焼結は特許文献６（特開２００２−１２９０２号公報）で本出願人が提案した高周波焼結により行なうことができる。

（３）合金の性質
本発明の銅基焼結合金は、一般的にいうと、Ｂｉ相はなじみ性を発揮し、硬質物粒子がＣｕマトリックスに強固に保持され、その脱落が起こりがたく、耐摩耗性および耐焼付き性が向上するとともに、強度や耐疲労性が良好になる。
（イ）Ｂｉ相は焼結合金全体において微細に分散しているために、材料自体のバルク性質が耐疲労性、耐食性および強度の点で優れている。
（ロ）硬質物粒子は殆どがＣｕもしくは銅合金マトリックスに保持されているので、摺動面における材料は耐摩耗性に優れている。
（ハ）摺動面に存在するＢｉ相によりＰｂフリーでも優れたなじみ性が達成される。
（ニ）微細に分散されたＢｉ相が優れた非凝着性と耐焼付性をもたらす。
（ホ）単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含む硬質物粒子が優れた焼結性をもたらす。
以下、実施例により本発明をより詳しく説明する。

本発明の一実施例に係る焼結銅合金の顕微鏡組織を示す写真である（２００倍）。本発明の一実施例に係る焼結銅合金の顕微鏡組織を示す写真である（５００倍）。比較例に係る焼結銅合金の顕微鏡組織を示す写真である（２００倍）。比較例に係る焼結銅合金の顕微鏡組織を示す写真である（５００倍）。

表１に組成を示すＣｕ-Ｂｉプレアロイ合金粉末（粒径１５０μｍ以下、アトマイズ粉末）と硬質物粒子（平均粒径−表１に示す）を混合し、鋼板上に約１ｍｍの厚さになるように散布した後、７５０〜９００℃、焼結時間２０〜１８００秒、水素還元雰囲気中で１次焼結を行った。その後圧延を行い、同じ条件で２次焼結を行って得られた焼結材を供試材とした。焼結時間範囲内の長時間焼結はＢｉ相の拡散を促進して本発明外の比較例を調製するための条件である。なお、ＦｅとＰとで構成される溶融金属（Ｐ：２０ｗｔ％）を凝固させることにより硬質物粒子用のインゴットを形成し、当該硬質物粒子用のインゴットを塊状に粉砕し、ふるいによって粒径を揃えることにより粉末状の硬質物粒子を用意した。粉末状の硬質物粒子には、単一粒子がＦｅ₂Ｐのみ構成される粒子と、単一粒子がＦｅ₃Ｐのみ構成される粒子と、単一粒子がＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとで構成される粒子とが含まれる。

耐焼付性試験方法
前記方法により調製された銅合金表面をペーパーでラップして表面粗さ（十点平均粗さ）を１．０μｍ以下にした供試材に鋼球をあて、荷重をかけて一方向に滑らせる。滑らせた後の鋼球を観察し、鋼球に凝着しているＣｕ合金の面積を測定する。凝着しやすい材料は耐焼付き性に劣るため、凝着面積が小さいものが耐焼付性に優れる。
試験機：スティックスリップ試験機
荷重：５００ｇ
軸材質：ＳＵＪ２
潤滑油：なし
温度：室温〜２００℃漸増

耐食性
供試材の表面を粗さ１．０μｍに仕上げ、油中に浸漬し、前後の重量変化を測定する。重量減少量が少ないものが耐腐食性に優れる。
油種：劣化ＡＴＦ
油温：１８０℃
時間：２４ｈ

耐疲労性
疲労強度と引張強度はよい相関にあり、引張強度が高いものが耐疲労性に優れているため、Ｃｕ-Ｂｉ合金の材料強度（引張強度）をＪＩＳに準拠した引張試験により行ない、これを疲労強度の代替特性とした。

硬質物存在率並びに前記特性の試験の結果を表１に示す。

表１より本発明実施例は耐焼付性、耐疲労性および耐食性を兼備していることが明らかである。

図１および２に本発明実施例Ｎｏ．３の２００倍および５００倍の顕微鏡組織写真を示し、同様に図３および４に比較例Ｎｏ．３の２００倍および５００倍の顕微鏡組織写真を示す。前者の図１，２は硬質物とＢｉ相の接触割合が少なく、後者の図３，４は硬質物とＢｉ相の接触割合が大きいことが分かる。

本発明に係る焼結銅合金は、各種軸受、例えばＡＴ(Automatic Transmission)用ブシュ、ピストンピンブシュなどに使用することができる。これらの用途に対して本発明が達成した高レベルのなじみ性、耐摩耗性、耐焼付性及び耐疲労性は有効に作用する。

Claims

Ｂｉ１〜３０質量％および平均粒径が１０〜５０μｍの硬質物粒子０．１〜１０質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、前記硬質物粒子より平均粒径が小さいＢｉ相がＣｕマトリックス中に分散し、
前記硬質物粒子として、単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含む粒子を含有する、
すべり軸受用銅合金。
Ｂｉ１〜３０質量％と、Ｓｎ１〜１５質量％、Ｎｉ０．５〜５質量％およびＰ０．５質量％以下からなる群の少なくとも１種と、平均粒径が１０〜５０μｍの硬質物粒子０．１〜１０質量％とを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、前記硬質物粒子より平均粒径が小さいＢｉ相が銅合金マトリックス中に分散し、
前記硬質物粒子として、単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含む粒子を含有する、
すべり軸受用銅合金。
Ｂｉ１〜３０質量％および平均粒径が１０〜５０μｍの硬質物粒子０．１〜１０質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、Ｂｉ相と接している前記硬質物粒子に関して、該硬質物粒子全周に対するＢｉ相の接触長さ割合が５０％以下である前記硬質物粒子の存在割合が前記硬質物粒子個数の全体に対して７０％以上であり、
前記硬質物粒子として、単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含む粒子を含有する、
すべり軸受用銅合金。
Ｂｉ１〜３０質量％と、平均粒径が１０〜５０μｍの硬質物粒子０．１〜１０質量％と、Ｓｎ１〜１５質量％、Ｎｉ０．５〜５質量％、および０．５質量％以下のＰからなる群の少なくとも１種とを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる組成を有し、Ｂｉ相と接している前記硬質物粒子に関して、該硬質物粒子全周に対するＢｉ相の接触長さ割合が５０％以下である前記硬質物粒子の存在割合が前記硬質物粒子個数の全体に対して７０％以上であり、
前記硬質物粒子として、単一粒子内にＦｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとを含む粒子を含有する、
すべり軸受用銅合金。