JP6259709B2 - すべり軸受用銅合金およびすべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、黄銅系のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受に関する。

Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏを含む金属間化合物と、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒを含む酸化物とを含有する銅合金が知られている（特許文献１、参照）。特許文献１において、金属間化合物と酸化物との原料となる各元素の粉末を配合して焼結を行うことにより、金属間化合物と酸化物とが均一に分布する銅合金を形成している。また、金属間化合物と酸化物によって銅合金の耐焼付性や耐摩耗性を向上させている。

特許第２７４５６９５号

しかしながら、給油量が少ない状態で、特許文献１の銅合金を摺動部材に用いると、摩耗や焼付きが生じやすくなるという問題があった。特に、特許文献１の銅合金を用いた摺動部材では、起動時や停止時において摩耗や焼付きが生じやすくなる。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、給油量が少ない状態でも良好な耐摩耗性と耐焼付性とを実現できる技術を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明のすべり軸受用銅合金は、１ｗｔ％以上かつ１０ｗｔ％以上かつ４０ｗｔ％以下のＺｎと、１０ｗｔ％以下（０ｗｔ％よりも大きい）のＢｉと、０．５ｖｏｌ％以上かつ１５ｖｏｌ％以下の硬質粒子と、を含有し、残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸受用銅合金である。また、本発明のすべり軸受用銅合金が含有する硬質粒子の平均粒径が１μｍ以上かつ３０μｍ以下であり、硬質粒子のビッカース硬さが７００以上である。

以上のすべり軸受用銅合金は、平均粒径が１μｍ以上かつ３０μｍ以下であり、ビッカース硬さが７００以上の硬質粒子を含有することにより、硬質粒子が摩耗を抑制し、耐摩耗性を向上させることができる。硬質粒子の含有量を０．５ｖｏｌ％以上かつ１５ｖｏｌ％以下とすることにより、すべり軸受用銅合金の硬度を適度に向上させ、耐摩耗性を向上させることができる。また、硬質粒子の粒径を１μｍ以上かつ３０μｍ以下とすることにより、粗大な硬質粒子が相手軸を攻撃することを防止でき、耐焼付性を向上させることができる。また、軟質のＢｉを１ｗｔ％以上含有することにより、摩擦抵抗を軽減することができ、耐焼付性を向上させることができる。すなわち、硬質粒子およびＢｉにより耐摩耗性と耐焼付性とを両立させることができ、給油量が少ない状態でも良好な耐摩耗性と耐焼付性とを実現できる。また、Ｂｉを含有することにより、切削加工を容易にすることができる。さらに、１０ｗｔ％以上かつ４０ｗｔ％以下のＺｎを含有することにより、マトリクスの強度を向上させることができるとともに、高温での硫化腐食を抑制できる。

さらに、硬質粒子の平均粒径は２０μｍ以上であるとともに、すべり軸受用銅合金は硬質粒子を混合した焼結材を焼結することにより形成されてもよい。これにより、粒径が大きな硬質粒子（粒径が２０μｍ以上）もすべり軸受用銅合金に均一に分布させることができる。すなわち、連続鋳造や押出成形のように合金中の硬質粒子を流動させて成形する必要がないため、粒径が大きい硬質粒子もすべり軸受用銅合金において均一に分布させることができる。

なお、ビッカース硬さが７００以上となる硬質粒子を構成する化合物として、Ｆｅ₃ＰとＦｅ₂ＰとＦｅＰとＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＣとＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄とＢＮとＦｅＢとＦｅ₂ＢとＮｉＢとが挙げられ、これらのうち少なくとも１種類以上によって硬質粒子が構成されてもよい。さらに、本発明のすべり軸受用銅合金を銅合金層として備えるすべり軸受においても、給油量が少ない状態でも良好な耐摩耗性と耐焼付性とを実現できる。

スラスト軸受の斜視図である。 （２Ａ）は摩耗試験の説明図、（２Ｂ）は摩耗体積を説明する模式図である。 （３Ａ）は焼付試験の説明図、（３Ｂ）は比摩耗量のグラフ、（３Ｃ）は焼付面圧のグラフである。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）スラスト軸受の構成：
（１−１）耐摩耗性：
（１−２）耐焼付性：
（２）スラスト軸受の製造方法：
（３）実験例：
（４）他の実施形態：

（１）スラスト軸受の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかるすべり軸受用銅合金によって形成されたすべり軸受としてのスラスト軸受１の斜視図である。スラスト軸受１は、例えば内燃機関用のターボ式過給機において、タービン翼とコンプレッサ翼とが軸方向の両端に備えられた相手軸２（一点鎖線）に作用する荷重をスラスト方向（軸方向）に支持する。スラスト軸受１は円筒状となるように形成されており、当該スラスト軸受１の内側を相手軸２が貫通する。相手軸２には、径方向外側に突出したカラー部２ａが設けられており、当該カラー部２ａとスラスト軸受１とがスラスト方向に接触し、相手軸２のカラー部２ａからスラスト軸受１に荷重が伝達される。例えば、スラスト軸受１の内径は５〜１５ｍｍであってもよいし、外径は２０〜４０ｍｍであってもよいし、スラスト軸受１の厚みは２〜１０ｍｍであってもよい。スラスト軸受１と相手軸２のカラー部２ａとの間に潤滑油としてのエンジンオイルの油膜が形成される。相手軸２が回転することにより、スラスト軸受１のスラスト方向の表面である摺動面１ａ上において相手軸２のカラー部２ａが摺動する。なお、図示しないが相手軸２に作用する荷重をラジアル方向に支持するラジアル軸受もスラスト軸受１と同一の銅合金によって形成してもよい。

以下、スラスト軸受１を構成するすべり軸受用銅合金について説明する。すべり軸受用銅合金は、２７．５ｗｔ％のＺｎを含有し、４ｗｔ％のＢｉを含有し、１２ｖｏｌ％の硬質粒子を含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。本実施形態において、硬質粒子はである。不可避不純物はＭｇ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｂ，Ｐｂ，Ｃｒ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％以下である。すべり軸受用銅合金における各元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。本実施形態の硬質粒子は、Ｆｅ₂ＰおよびＦｅ₃Ｐであり、硬質粒子のビッカース硬さは７８９であった。硬質粒子には、Ｆｅ₂Ｐのみによって形成された粒子と、Ｆｅ₃Ｐのみによって形成された粒子と、Ｆｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとからなる粒子とが含まれ得る。また、硬質粒子の平均粒径は、１９．７μｍであった。硬質粒子の平均粒径とは、スラスト軸受１を製造する際にスラスト軸受１の材料に混合した硬質粒子の平均粒径である。

（１−１）耐摩耗性：
スラスト軸受１を構成するすべり軸受用銅合金の耐摩耗性を評価するために摩耗試験を行った。図３Ａは、摩耗試験に使用した円筒平板型摩擦摩耗試験機を説明する模式図である。摩耗試験は、潤滑油としてのエンジンオイル（流動パラフィン）Ｆに一部が浸漬した状態で円柱状の相手材Ａを回転させるとともに、相手材Ａに所定の静荷重が作用するように試験片Ｔを相手材Ａに接触させることにより行った。試験片Ｔは、スラスト軸受１を構成するすべり軸受用銅合金と同一条件で形成し、平面板状とした。相手材Ａは、スラスト軸受１が軸受けする相手軸２と同等の材料で形成し、具体的に焼き入れ処理を行ったＳＣＭ４１５（クロムモリブデン鋼）で形成した。相手材Ａの回転軸方向における試験片Ｔの長さａを１０ｍｍとし、相手材Ａの底面の半径ｒを２０ｍｍとした。摺動部における相手材Ａの試験片Ｔに対する相対移動速度ｂが２００ｍｍ／ｓｅｃとなるように、相手材Ａの回転速度を制御した。また、静荷重を１３９Ｎとし、潤滑油の温度を室温とし、試験時間ｃを３６００ｓｅｃ（１時間）とした。以上の条件で摩耗試験を行った後に、表面粗さ計（小坂研究所製 ＳＥ３４００）よって試験片Ｔにおける相手材Ａとの摺動部の深さのプロフィールを計測した。そして、深さのプロフィールにおける平坦部（非摩耗部）と最深部との深さの差を摩耗深さｄとして計測した。

さらに、下記の（１）式によって、比摩耗量Ｋを算出した。

Ｌは摺動距離であり、摩耗試験において試験片Ｔ上を摺動した相手材Ａの表面の長さである。
摺動距離Ｌは、相対移動速度ｂに試験時間ｃを乗算した値（ｂ×ｃ）である。Ｖは、摩耗試験において摩耗した試験片Ｔの体積（摩耗体積）である。（１）式に示すように、比摩耗量Ｋとは、試験片Ｔに単位荷重（１Ｎ）を作用させた場合に、単位摺動距離（１ｍｍ）あたりに摩耗した試験片Ｔの体積を意味する。比摩耗量Ｋが小さいほど、耐摩耗性が高いことを意味する。

次に、摩耗体積Ｖについて説明する。図３Ｂは、摩耗体積Ｖを説明する模式図である。図３Ｂにおいてハッチングで示すように、試験片Ｔのうち摩耗した部分の形状は、相手材Ａのうち、摩耗試験の終了時において試験片Ｔに入り込んだ部分の形状となると考えることができる。相手材Ａの円形状の底面のうち中心Ｃから試験片Ｔの摺動面１ａに直交する半径ＣＰ₀において相手材Ａが最も深く入り込み、当該半径ＣＰ₀において相手材Ａが入り込んでいる深さが摩耗深さｄとなる。ここで、相手材Ａの底面の円周上において、摩耗試験の終了時において試験片Ｔに入り込んだ部分の下限の点をそれぞれＰ₁，Ｐ₂と表すと、摩耗体積Ｖは、相手材Ａの底面のうち円弧Ｐ₁Ｐ₂と弦Ｐ₁Ｐ₂とによって囲まれた部分の面積に試験片Ｔの長さａを乗算することにより得ることができる。相手材Ａの底面のうち円弧Ｐ₁Ｐ₂と弦Ｐ₁Ｐ₂とによって囲まれた部分の面積は、円弧Ｐ₁Ｐ₂と半径ＣＰ₁，ＣＰ₂とによって囲まれた扇形の面積Ｓ₁から、弦Ｐ₁Ｐ₂と半径ＣＰ₁，ＣＰ₂とによって囲まれた三角形の面積Ｓ₂を減算した面積となる。従って、摩耗体積Ｖは以下の（２）式によって算出できる。

前記扇形の面積Ｓ₁は以下の（３）式によって算出できる。

ここで、θは、半径ＣＰ₁，ＣＰ₂が相手材Ａの底面の中心Ｃにてなす角度の半分を表す。なお、角度θは、以下の（４）式を満足する。

一方、前記三角形の面積Ｓ₂は図形の対称性から以下の（５）式によって算出できる。

以上のようにして、本実施形態のスラスト軸受１を構成するすべり軸受用銅合金の比摩耗量Ｋを計測したところ、３×１０^-10ｍｍ²／Ｎと良好であった。

（１−２）耐焼付性：
スラスト軸受１を構成するすべり軸受用銅合金の耐焼付性を評価するために焼付試験を行った。図４は、焼付試験に使用したピンオンディスク試験機を説明する模式図である。焼付試験は、回転する円盤状の相手材Ａを厚み方向に挟み込むように一対の試験片Ｔを配置し、油圧シリンダーＷによって試験片Ｔ間に静荷重を作用させることにより行った。相手材Ａと試験片Ｔとの接触部における両者の相対速度が１５ｍ／ｓｅｃとなるように相手材Ａの回転速度を調整した。また、相手材Ａに対して潤滑油（ＳＡＥ３０ ＣＤ級）を保持する給油パッドＰを接触させることにより、相手材Ａと試験片Ｔとの接触部に給油を行った。相手材Ａは、焼き入れ処理を行ったＳＣＭ４１５で形成した。一対の試験片Ｔは相手材Ａと平行な面内にて回転可能に保持された梁部Ｅの先端に取り付けられ、当該梁部Ｅの水平回転を妨げるようにロードセルＹを配置した。梁部Ｅのうち試験片Ｔが備えられない端部には、バランスウェイトＢを取り付け、油圧シリンダーＷによって梁部Ｅに生じる鉛直方向のモーメントを相殺させた。

相手材Ａと試験片Ｔとの間に摩擦力が生じ、当該摩擦力によって梁部Ｅが水平回転することとなる。そのため、ロードセルＹには梁部Ｅを水平回転させる摩擦力が作用し、ロードセルＹが計測する荷重の大きさは、試験片Ｔと相手材Ａとの間に生じる摩擦力の大きさを意味する。そのため、ロードセルＹに作用する荷重が所定の閾値以上となった場合に、試験片Ｔと相手材Ａとの間の摩擦力が異常に大きく、焼付きが生じたと判定した。

油圧シリンダーＷによって試験片Ｔ間に作用する静荷重の大きさを徐々（２ＭＰａ／５ｍｉｎ）に大きくしていき、試験片Ｔと相手材Ａとの間に焼付きが生じた際の静荷重である焼付荷重を計測した。さらに、焼付荷重を試験片Ｔと相手材Ａとの接触面積で除算することによって焼付面圧を計測した。
以上のようにして、本実施形態のスラスト軸受１を構成するすべり軸受用銅合金の焼付面圧を計測したところ、２４Ｍｐａと良好であった。なお、焼付面圧が大きいほど、耐焼付性が良好であることを意味する。

以上説明したように、本実施形態では、平均粒径が１９．７μｍであり、ビッカース硬さが７００以上の硬質粒子を含有することにより、硬質粒子が摩耗を抑制し、耐摩耗性を向上させることができた。硬質粒子の含有量を１２ｖｏｌ％とし、硬質粒子の平均粒径を１９．７μｍとすることにより、耐焼付性を悪化させない程度に、耐摩耗性を向上させることができた。また、軟質のＢｉを含有することにより、摩擦抵抗を軽減することができ、耐焼付性を向上させることができた。すなわち、硬質粒子およびＢｉにより耐摩耗性と耐焼付性とを両立させることができ、給油量が少ない状態でも良好な耐摩耗性と耐焼付性とを実現できる。また、２７．５ｗｔ％のＺｎを含有することにより、マトリクスの強度を向上させることができるとともに、高温での硫化腐食を抑制できた。

（２）スラスト軸受の製造方法：
本実施形態においてスラスト軸受１は、ａ．圧粉体の形成、ｂ．焼結、ｃ．機械加工の各工程を順に行うことにより製造される。以下、各工程について説明する。

ａ．圧粉体の形成
まず、スラスト軸受１を構成するすべり軸受用銅合金の材料の粉末を用意した。すなわち、２７．５ｗｔ％のＺｎを含有し、４ｗｔ％のＢｉを含有し、１２ｖｏｌ％の硬質粒子を含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなるすべり軸受用銅合金が形成できるように、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ）粉末と、Ｂｉ粉末と、市販の硬質粒子の粉末と、の重量比および体積比を調整した。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粒子用のインゴットを形成し、当該硬質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粒子が用意されてもよい。粉末状の硬質粒子には、Ｆｅ₂ＰとＦｅ₃Ｐとが含まれている。なお、マイクロビッカース硬さ計（明石製作所製 ＭＶＫ−ＥII）によって、５０ｇの荷重で硬質粒子用のインゴット上に形成した圧痕の大きさ（２個の対角線の長さの平均値）を、硬質粒子のビッカース硬さとして計測した。

次に、各粉末を均一に混合した。次に、スラスト軸受１の形状に対応した型に混合した粉末を入れ、加圧することにより圧粉体を形成した。

ｂ．焼結
次に、焼結材としての圧粉体を７５０〜９００℃で焼結した。圧粉体を焼結した後に、スラスト軸受１における硬質粒子の平均粒径を以下のようにして計測した。焼結後の圧粉体の任意の断面をバフ研磨した。次に、焼結後の圧粉体の任意の断面を電子顕微鏡（日本電子製 ＪＸＡ−８１００）によって２００倍の倍率で撮影することにより、観察画像（組成像）の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置（ニレコ社製 ＬＵＺＥＸ ＡＰ）によって解析することにより、複数の硬質粒子の粒径を計測し、当該硬質粒子の粒径の算術平均値を平均粒径として計測した。なお、硬質粒子の粒径は、投影面積円相当径（ＨＥＹＷＯＯＤ）である。なお、機械加工において硬質粒子の形状が変化しないと見なせるため、焼結後の圧粉体における硬質粒子の平均粒径と、焼結後の圧粉体に機械加工を施したスラスト軸受１における硬質粒子の平均粒径とを同視できる。
ｃ．機械加工
最後に、切削等の機械加工によって寸法や表面状態の仕上げを行うことにより、スラスト軸受１を完成させた。

（３）実験結果：
表１は、前記実施形態のすべり軸受用銅合金から、硬質粒子の含有量だけを変更（Ｚｎの含有量は２５〜３０ｗｔ％の範囲内で調整）した試料１〜４について、比摩耗量Ｋを計測した結果を示す。また、上述した製造方法と同様の方法によって各試料１〜４を作成した。

図４Ｂは、硬質粒子の含有量と比摩耗量Ｋとの関係を示すグラフである。同図に示すように、硬質粒子の含有量が大きくなるほど比摩耗量Ｋが小さくなる。特に、硬質粒子の含有量が０〜３ｖｏｌ％の範囲で硬質粒子の含有量が大きくなるほど、急激に比摩耗量Ｋが小さくなり、少なくとも硬質粒子を０．５ｖｏｌ％程度含有させることにより良好な耐摩耗性を実現できる。硬質粒子の含有量が１２ｖｏｌ％以上となる範囲においては、比摩耗量Ｋはほぼ一定となる。従って、硬質粒子の含有量を１５ｖｏｌ％以下（望ましくは１５ｖｏｌ％以下）に抑制することにより、スラスト軸受１の加工性等を確保することが望ましい。

表２は、前記実施形態のすべり軸受用銅合金から、Ｂｉの含有量だけを変更（Ｚｎの含有量は２５〜３０ｗｔ％の範囲内で調整）した試料５〜９について、焼付面圧を計測した結果を示す。また、上述した製造方法と同様の方法によって各試料５〜９を作成した。

図４Ｂは、Ｂｉの含有量と焼付面圧との関係を示すグラフである。同図に示すように、Ｂｉの含有量が大きくなるほど焼付面圧が大きくなる。特に、硬質粒子の含有量が０〜２ｗｔ％の範囲でＢｉの含有量が大きくなるほど、急激に焼付面圧が小さくなり、少なくともＢｉを１ｗｔ％以上（望ましくは２ｗｔ％程度）含有させることにより良好な耐焼付性を実現できる。Ｂｉの含有量が６ｖｏｌ％以上の範囲においては、Ｂｉの含有量が大きくなっても焼付面圧は大きく増加して行かない。従って、Ｂｉの含有量を１０ｗｔ％以下（望ましくは６ｗｔ％以下）に抑制することにより、スラスト軸受１の硬度を確保することが望ましい。

（４）他の実施形態：
前記実施形態においては、本発明のすべり軸受用銅合金によってスラスト軸受１を形成した例を示したが、本発明のすべり軸受用銅合金によって他の摺動部材を形成してもよい。例えば、本発明の銅合金によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等を形成してもよい。また、本発明のすべり軸受用銅合金は、必ずしも焼結によって製造されなくてもよく、例えば鋳造や連続鋳造によって製造されてもよい。また、硬質粒子は、必ずしもＦｅ₃ＰやＦｅ₂Ｐでなくてもよく、ＦｅＰとＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＣとＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄とＢＮとＦｅＢとＦｅ₂ＢとＮｉＢとのうちのいずれか１種類以上によって構成されてもよい。

前記実施形態では、すべり軸受全体がすべり軸受用銅合金によって構成されたが、本発明のすべり軸受用銅合金で形成された銅合金層と、他の材料で形成された層とを積層することによってすべり軸受が形成されてもよい。例えば、本発明のすべり軸受用銅合金で形成された銅合金層と、鋼で形成された裏金とを積層することによってすべり軸受が形成されてもよい。また、本発明のすべり軸受用銅合金で形成された銅合金層上に金属または樹脂によって形成されたオーバーレイが積層されてもよい。

１…スラスト軸受、２…相手軸、Ａ…相手材、Ｋ…比摩耗量、Ｌ…摺動距離、Ｐ…給油パッド、Ｗ…油圧シリンダー、Ｔ…試験片、Ｖ…摩耗体積、Ｅ…梁部、Ｙ…ロードセル。

Claims (4)

1. １０ｗｔ％以上かつ４０ｗｔ％以下のＺｎと、
   １ｗｔ％以上かつ１０ｗｔ％以下のＢｉと、
   ０．５ｖｏｌ％以上かつ１５ｖｏｌ％以下の硬質粒子と、を含有し、
   残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸受用銅合金であって、
   前記硬質粒子の平均粒径が１μｍ以上かつ３０μｍ以下であり、
   前記硬質粒子のビッカース硬さが７００以上であることを特徴とするすべり軸受用銅合金。
2. 前記硬質粒子の平均粒径は２０μｍ以上であるとともに、
   前記硬質粒子を混合した焼結材を焼結することにより形成される、
   請求項１に記載のすべり軸受用銅合金。
3. 前記硬質粒子は、Ｆｅ₃ＰとＦｅ₂ＰとＦｅＰとＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＣとＡｌＮとＳｉ₃Ｎ₄とＢＮとＦｅＢとＦｅ₂ＢとＮｉＢのうち少なくとも１種類以上から構成される、
   請求項１または請求項２のいずれかに記載のすべり軸受用銅合金。
4. １０ｗｔ％以上かつ４０ｗｔ％以下のＺｎと、
   １ｗｔ％以上かつ１０ｗｔ％以下のＢｉと、
   ０．５ｖｏｌ％以上かつ１５ｖｏｌ％以下の硬質粒子と、を含有し、
   残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸受であって、
   前記硬質粒子の平均粒径が１μｍ以上かつ３０μｍ以下であり、
   前記硬質粒子のビッカース硬さが７００以上であることを特徴とするすべり軸受。

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