JPH0717978B2

JPH0717978B2 - 自己潤滑性に優れる耐摩耗性銅基合金

Info

Publication number: JPH0717978B2
Application number: JP3130737A
Authority: JP
Inventors: 和彦森; 稔河崎; 信吉田; 博之村瀬; 卓斎藤; 浩司田中; 好男志村
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1995-03-01
Anticipated expiration: 2010-03-01
Also published as: EP0505172A1; DE69211736D1; EP0505172B1; JPH04297536A; US5188799A; DE69211736T2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、銅（Ｃｕ）基合金、よ
り詳しくは、肉盛に適しかつ自己潤滑性に優れている分
散強化型の耐摩耗性銅基合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】銅基合金の耐摩耗性材料としては、Ｃｕ
にベリリウム（Ｂｅ）を添加したベリリウム銅あるいは
コルソン合金として知られるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金など
の析出硬化型の合金や、銅基マトリックス中にＳｉ
Ｏ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＢｅＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｍｇ
Ｏ、ＭｎＯなどの硬質酸化物を主体とする粒子を分散さ
せた分散強化型の合金などが知られている。

【０００３】特に、ベリリウム銅は、鋼並みの強さ（１
００ｋｇ／ｍｍ^２以上の引張強度）を有し、銅基合金の
中では高い硬さ（Ｈｖ３００以上の硬度）を有してい
る。しかし、このような析出硬化処理（時効硬化処理）
を施したものでは、析出（時効）温度よりも高い温度状
態（３５０〜４５０℃）になると、急激に硬さが低下
し、耐摩耗部材としては不十分である。また、このよう
な析出硬化処理は大物部材に適用し難く、熱処理による
歪みの発生が問題となり、処理に長時間を必要とする。
さらに、析出は、固体内の拡散によって生じるため、析
出粒子の大きさは数μｍ程度と微細であり、このため硬
さは得られても、摺動（滑り）を伴う摩耗条件では、し
ばしば大きな摩耗を生じることがある。

【０００４】分散強化型の銅基合金の内で、内部酸化法
によって得られるものは、固体内での酸素の拡散により
酸化物粒子を形成するので、この分散粒子は析出型の場
合と同様に微細なものとなってしまう。しかも、固体内
拡散のために高温長時間の処理を必要とし、大物部材に
適用し難く、歪み発生の問題もある。また、焼結法によ
って得られるものは、原料粉体の粒径を変えることで容
易に分散粒子の大きさをコントロールすることはできる
が、均一な分散をミクロンオーダでコントロールするこ
とは困難である。しかも、肉盛のように局部的に銅基合
金層を形成しようとすると、基体である被処理部材全体
を焼結温度まで加熱しなければならず、それによって被
処理部材に変形・歪みが発生してしまうので、肉盛用に
は不向きである。

【０００５】そこで、本出願人は、肉盛用耐摩耗性銅基
合金として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ−（Ｂ）−Ｓｉ系の銅基
合金に珪化物や硼化物の硬質粒子を晶出により分散させ
た銅基分散強化合金を、特許出願した。特開昭６３−１
５７８２６号公報では、Ｆｅ−Ｎｉ系の珪化物および硼
化物の硬質粒子を分散させて、また、特開平１−１１１
８３１号公報では、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系の珪化物および
硼化物の硬質粒子を分散させて、従来材よりも耐摩耗性
を向上させることができた。

【０００６】ところで、内燃機関（例えば、自動車エン
ジン）の排気バルブは、その温度がフェース部では７０
０°Ｃ以上であり、しかも排気ガス温度が１０００°Ｃ
以上になる場合もある。このために、バルブシートは、
７００°Ｃ以上のバルブと接触しかつ１０００°Ｃ以上
のガスに曝されることになる。したがって、バルブシー
トの表面温度が高温になり、バルブに銅基合金が凝着し
やすい状態になる。そして、一旦凝着が発生すると、そ
こでは銅（Ｃｕ）基合金同士の接触になるため、凝着が
激しく進行して大きな摩耗を生じることになる。上述し
た提案に係る銅基合金は、硬質粒子の晶出による強化作
用を利用しているが、マトリックスの銅リッチ相の凝着
を抑えることができないことが分かった。また、第２相
の析出で強化した従来の銅基分散強化合金においても、
銅リッチ相の凝着が抑えられないことが分かった。

【０００７】そこで、本出願人は、マトリックスの銅リ
ッチ相の凝着を抑制するために、銅よりも酸化しやすい
亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）を銅基初晶中に固溶させる方
法（特願平１−１９６７８４号、平成１年７月３１日出
願）や鉛（Ｐｂ）を銅基α相デンドライト（樹枝状晶）
間に分散させる方法（特願平１−２２１６１３号、平成
１年８月３０日出願）を提案した。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
提案の銅基合金では耐凝着性は改善されたが、次のよう
な問題が生じた。即ち、亜鉛、錫、鉛はいずれもが融点
が銅よりもかなり低い（Ｚｎ＝４２０°Ｃ、Ｓｎ＝２３
１．９°Ｃ、Ｐｂ＝３２７．４°Ｃ）ために、図１に示
すようなレーザを利用した肉盛方法では、処理中にこれ
らの合金元素が蒸発してしまい、所望の濃度（組成）を
維持するのが難しいことが分かった。また、亜鉛はその
蒸気圧が高いために、プラズマが発生しやすく、ビード
（溶着層）が安定して形成できないことが分かった。さ
らに、鉛はその蒸気に毒性があり、排気装置など十分な
安全対策が必要となる。

【０００９】本発明の目的は、上述の問題点を考慮し
て、所定の組成の肉盛が安定に形成でき、有毒蒸気の発
生が無く、しかも高温における凝着抑制効果が先に提案
した銅基合金よりも優れた銅基合金を提案することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的が、ニッケル
（Ｎｉ）１０．０〜３０．０ｗｔ％、珪素（Ｓｉ）０．
５〜５．０ｗｔ％、コバルト（Ｃｏ）２．０〜１５．０
ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニ
オブ（Ｎｂ）およびバナジウム（Ｖ）の一種または二種
以上２．０〜１５．０ｗｔ％、残部が銅（Ｃｕ）および
不可避的不純物からなる組成で、モリブデン、タングス
テン、ニオブおよびバナジウムの一種または二種以上を
主体とするシリサイド（珪化物）を体積率で５％以上含
む硬質相が、銅リッチマトリックス中に体積率１０〜６
０％で均一に分散組織を有する、自己潤滑性に優れる耐
摩耗性銅基合金によって達成される。

【００１１】上述の組成に、鉄（Ｆｅ）２．０〜１５．
０ｗｔ％およびクロム（Ｃｒ）１．０〜１０．０ｗｔ％
の１つあるいは両方を添加含有してもよい。この場合に
は、靭性および耐熱性をさらに向上させ、相手攻撃性を
小さくする効果が得られる。

【００１２】本発明に係る分散強化銅基合金は、先に提
案した合金と同様に、金属基体上にレーザ、ＴＩＧアー
ク、プラズマアーク、電子ビームなどの高密度加熱エネ
ルギーを用いて溶着（肉盛）することによって容易に形
成されるものである。その際の銅基合金は、粉末あるい
は溶接棒の形態で用意される。

【００１３】

【作用】本発明における組成成分の限定理由は次の通り
である。ＮｉはＣｕに固溶してＣｕ基マトリックスを強
化し、硬質なＮｉの珪化物（シリサイド）をデンドライ
トの間に形成して分散強化により耐摩耗性を高める。ま
た、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ等とともに硬質相を形成する。１
０％未満ではマトリックスの強化が不十分で耐熱性の向
上が図れず、一方、３０％を越えると、肉盛層（ビー
ド）に割れが発生し易く、金属基体（特に、Ａｌ板）へ
の溶着性が低下する。

【００１４】Ｓｉは珪化物形成元素であって、珪化物
（Ｎｉシリサイド、Ｍｏ（Ｗ，Ｎｂ，Ｖ）シリサイド）
を形成し、さらにＣｕ基マトリックスの強化に寄与す
る。特に、Ｍｏ（Ｗ，Ｎｂ，Ｖ）シリサイドは、本発明
の高温潤滑性を維持する働きがある。０．５％未満で
は、珪化物硬質粒子の形成に不十分であり、Ａｌ板への
溶着性が悪く、一方、５％を越えると、肉盛層（ビー
ド）の靭性が低下し、割れの発生が見られる。

【００１５】Ｍｏはシリコンとの化合物（シリサイド）
を硬質相中に形成し、高温での耐摩耗性と潤滑性とを高
める役割をする重要な元素である。このＭｏシリサイド
は５００〜７００°Ｃ前後の比較的低い温度で、しかも
酸素分圧の低い状態でも、分解して酸化物（ＭｏＯ_３）
を形成し易い。このＭｏＯ_３は、融点が低く、Ｃｕ基合
金表面全体を覆ってしまい、Ｃｕ基の初晶と相手材との
直接接触を回避することができる。これにより、高い自
己潤滑性が維持される。２％未満では高温での高い潤滑
性が得られず、一方、１５％を越えると、靭性が損なわ
れ、割れが発生し易くなる。

【００１６】ＣｏはＭｏとともにシリサイドを形成し、
シリサイド安定化の働きをする。また、Ｍｏシリサイド
硬質のまわりにＮｉとともに固溶体を形成し、２相分離
傾向を高める。２％未満では、その効果が得られず、一
方、１５％を越えると硬質相の粗大化を招き、金属基体
上に溶着させる際に割れが発生し易くなる。特に、金属
基体がＡｌ板の場合には、溶着性が著しく低下する。

【００１７】Ｗ、ＮｂおよびＶは、いずれもＭｏと同様
に、高温で潤滑性の高い酸化物に分解するシリサイドを
形成する。Ｍｏと同じように、２％未満では高温での高
い潤滑が得られず、一方、１５％を越えると、靭性が損
なわれ、割れが発生し易くなる。

【００１８】ＦｅはＣｏと同様な働きをして、Ｃｕ基の
マトリックスにはほとんど固溶しないで、主に、分散硬
質相（シリサイドとＣｏ−Ｎｉ固溶体）中に存在し、２
相分離傾向を高める。さらに、分散相の靭性、耐熱性も
高める。２％未満では、その効果が得られず、一方、１
５％を越えると硬質相の粗大化が著しくなり、相手材へ
の攻撃性が増加してしまう。

【００１９】ＣｒはＦｅおよびＣｏと同様な働きをし
て、主に、分散硬質相（シリサイドとＣｏ−Ｎｉ固溶
体）中に存在し、２相分離傾向を高める。そして、分散
相の靭性、耐熱性を高める。１％未満では、その効果が
得られず、一方、１０％を越えると硬質相の粗大化が著
しくなり、相手材への攻撃性が増加してしまう。

【００２０】銅マトリックス中に分散する硬質相として
は、Ｍｏ、Ｗ、ＮｂおよびＶの一種または二種以上を主
体とするシリサイド（珪化物）を含むものである。該シ
リサイドの割合としてとは、体積率で５％以上とする。
５％未満では、高温での高い潤滑性が得られない。ま
た、上記硬質相の銅リッチマトリックス中での分散割合
としては、体積率で１０〜６０％の範囲内とする。１０
％未満では、耐摩耗性が不足し、６０％を越える場合に
は、靭性が損なわれ、割れが発生しやすくなるととも
に、硬質相の粗大化が著しくなり、相手への攻撃性が増
加してしまう。

【００２１】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例および比較例によって本発明を詳細に説明する。表
１に示した組成の合金粉末の試料Ａ〜Ｇ（本発明実施例
のＣｕ基合金）と、特開昭６３−１５７８２６号公報
（特許請求の範囲第１項）での合金粉末の試料Ｈと、特
開平１−５２２３２号公報での合金粉末の試料Ｉとを、
後述するようにレーザ光を熱源として用いて、Ａｌ合金
（ＪＩＳ・ＡＣ２Ｃ）基板上に溶着させて溶着（肉盛）
層を形成した。試料ＨおよびＩは比較例のＣｕ基合金で
ある。

【００２２】

【表１】

【００２３】ここでの溶着（肉盛）は、特開昭６３−１
５７８２６号公報にて開示されたやり方と同様にして図
１に示すような装置を用いて行った。図１において、金
属基体（Ａｌ合金基板：ＡＣ２Ｃ）１を矢印Ｔの方向へ
４５０〜２０００ｍｍ／ｍｉｎの速度で連続的に移動さ
せる。この金属基体１上に、試料Ａ〜Ｉの粉末２を図示
しないホッパーから粉末供給管３を介して、移動方向Ｔ
に対し直交する方向にある幅Ｗで連続的に供給する。一
方、レーザ光４、は図示しないレーザ光源から折り返し
ミラー５およびオシレートミラー６で反射されて、金属
基体１上の粉末２に直径０．５〜５．０ｍｍに集光され
た状態で１×１０^２〜２×１０^４ｗ／ｍｍ^２のパワー密
度で照射される。ここでオシレートミラー６は、ガルバ
ノモータなどの振動機構７によって所定角度の範囲で振
動して、粉末２に照射されるレーザ光４を移動方向Ｐに
対し直交する方向、すなわち、金属基体１上の粉末２の
幅Ｗの方向に１０〜５００Ｈｚの周波数でオシレート
（走査）する。

【００２４】このようなレーザ光４の照射によって、粉
末２（粒径：４０〜１５０μｍ）は瞬時に溶融されて溶
融物９となり、かつレーザ光４をオシレートすることに
よりその溶融物９が攪拌され、引き続いてその溶融物９
が金属基体１のＴ方向への移動によりレーザ光４が照射
されない位置に到れば、金属基体１への熱移動により急
速凝固され、分散強化Ｃｕ基合金からなる溶着層（肉盛
層）８が形成される。

【００２５】試料Ａ〜Ｉについてレーザ溶着（肉盛）
を、例えば、レーザ出力４．５ｋＷ、レーザビーム径
２．５ｍｍ、処理走査速度８００ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ
ビームのオシレート幅８ｍｍ、パワー密度２２５Ｗ／ｍ
ｍ^２、オシレート周波数２００Ｈｚの条件にて行い、Ａ
ｌ基板１上に分散強化Ｃｕ基合金の肉盛層８が得られ
る。試料Ａ、ＢおよびＣの肉盛層の表面研磨組織の顕微
鏡写真（×２００）を図２、３および４に示す。

【００２６】これらの組織写真から、いずれの銅基合金
もＣｕ基のマトリックス中に比較的大きな硬質相が均一
に分散していることが分かる。これらの粒子は、Ｍｏと
Ｃｏのシリサイドと、ＮｉとＣｏの固溶体中にＦｅ、Ｃ
ｒが固溶したものの複合体である。

【００２７】（凝着特性試験）高温雰囲気（状態）での
肉盛層の凝着特性を評価する方法として、図５に図示し
たようにして、肉盛層（溶着層）８の相手材１２に押し
付け、相手材（エンジンバルプ材）への凝着高さを調べ
る。すなわち、ヒータ１３によって加熱した状態で、相
手材（ＳＵＨ３５）１２に肉盛層８付きのＡｌ基体１を
往復運動的に下記条件で押し付ける。

【００２８】加熱温度：３００〜４００℃ 押し付け力Ｐ：２０ｋｇ（面圧で５ｋｇ／ｍｍ^２）往復距離Ｌ：５ｍｍ往復速度：５００回／分試験時間：３０分終了してから、相手材１２に付着したＣｕ基合金の凝着
高さを粗さ計で測定した。図６にその結果を示す。

【００２９】図６から明らかなように、本発明に係る銅
基合金試料Ａ〜Ｇでは、比較例（従来例）よりも高温時
の凝着高さが小さい（耐凝着性が良い）。なお、試料
Ｄ、ＥおよびＦではそれぞれにＷ、Ｎｂ、ＶをＭｏの代
わりに単独添加したものであり、試料ＡおよびＢ（Ｍｏ
の単独添加）に比べて凝着高さが少し大きくなってい
る。

【００３０】また、Ｍｏ、Ｗ、ＮｂおよびＶは、Ｓｉよ
りもＢとの親和性が強いため、Ｂをある程度以上含む合
金中ではＭｏ、Ｗ、ＮｂおよびＶの全てが硼化物になっ
て晶出し、珪化物は生成せず、高温での潤滑性が期待で
きなくなってしまう。。したがって、試料Ｉの従来例は
Ｍｏを含有しているにもかかわらず、Ｂが多いので、耐
凝着性が劣る。

【００３１】（ビード破断歪み試験）Ａｌ基板上に得ら
れた分散強化Ｃｕ基合金の肉盛層（幅８ｍｍ、最大厚さ
２ｍｍ）の表面を研削加工して厚さ１〜１．５ｍｍに
し、その上に歪みゲージを貼りつける。このＡｌ基板に
ビードに対して垂直、かつ溶着面と平行な方向に圧縮試
験機で圧力をかけると、肉盛層表面に引張応力がかかり
（曲げ試験と同じようになる）、歪みゲージにより肉盛
層の伸びを測定することができる。肉盛層にクラック、
剥離が発生したときの伸び（歪み）をビード破断歪みと
する。図７にその結果を示す。図７から明らかなよう
に、静的変形における肉盛層の耐割れ性、耐剥離性は、
本発明に係るＣｕ基合金のほうが、比較例の試料Ｈおよ
びＩよりも優れている。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る分散
強化Ｃｕ基合金は、従来よりも高温状態での耐凝着性
（即ち、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖシリサイドの形成とその分
解による酸化物形成による自己潤滑）が優れ、静的変形
に強い。そして、本発明のＣｕ基合金を任意に金属基体
上に肉盛（溶着）できるので、各種の機械部品（エンジ
ンのバルブシートを含め）で耐摩耗性が必要な部位のみ
にこれを形成して特性向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属基板上へＣｕ基合金をレーザ肉盛（溶着）
する方法を示す溶着装置の概略斜視図である。

【図２】本発明にかかる試料Ａの分散強化Ｃｕ基合金肉
盛層の金属組織写真（×２００）である。

【図３】本発明にかかる試料Ｂの分散強化Ｃｕ基合金肉
盛層の金属組織写真（×２００）である。

【図４】本発明にかかる試料Ｃの分散強化Ｃｕ基合金肉
盛層の金属組織写真（×２００）である。

【図５】凝着特性試験を模式的に示す概略図である。

【図６】凝着特性評価試験結果を示すグラフである。

【図７】ビード（肉盛層）破断歪みの試験結果を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１…金属基体２…粉末４…レーザ光８…肉盛層（溶着層）１２…相手材１３…ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田信愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者村瀬博之愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者斎藤卓愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者田中浩司愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者志村好男愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献特開昭61−64838（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記組成：ニッケル：１０．０〜３０．０ｗｔ％珪素：０．５〜５．０ｗｔ％コバルト：２．０〜１５．０ｗｔ％モリブデン、タングステン、ニオブおよびバナジウムの
一種または二種以上：２．０〜１５．０ｗｔ％銅および不可避的不純物：残部よりなり、モリブデン、タングステン、ニオブおよびバ
ナジウムの一種または二種以上を主体とするシリサイド
（珪化物）を体積率で５％以上含む硬質相が、銅リッチ
マトリックス中に体積率１０〜６０％で均一に分散組織
を有する、自己潤滑性に優れる耐摩耗性銅基合金。
【請求項２】下記組成：ニッケル：１０．０〜３０．０ｗｔ％珪素：０．５〜５．０ｗｔ％コバルト：２．０〜１５．０ｗｔ％モリブデン、タングステン、ニオブおよびバナジウムの
一種または二種以上：２．０〜１５．０ｗｔ％鉄：２．０〜１５．０ｗｔ％およびクロム１．０〜１
０．０ｗｔ％の少なくとも一種銅および不可避的不純物：残部よりなり、モリブデン、タングステン、ニオブおよびバ
ナジウムの一種または二種以上を主体とするシリサイド
（珪化物）を体積率で５％以上含む硬質相が、銅リッチ
マトリックス中に体積率１０〜６０％で均一に分散組織
を有する、自己潤滑性に優れる耐摩耗性銅基合金。