CN102149833B - 不含Pb的Cu－Bi系烧结材料制得的滑动部件 - Google Patents

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Abstract

与配对轴接触的一侧通过机械加工被精加工为预定的粗糙度，且多数的Bi相存在于精加工面的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制滑动部件，其中，稳定地发挥Bi的性能。该烧结材料通过机械加工而被覆一部分的Bi相，且相对于精加工面未被被覆的Bi相总体的露出面积率为0.5%以上。

Description

不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件
技术领域
本发明涉及将代替为对滑动用铜合金发挥适应性而通常所含有的软质金属Pb而含有Bi的Cu－Bi系滑动材料的滑动面进行机械加工得到的滑动部件，尤其涉及，着眼于烧结合金表面的上述软质金属对滑动特性造成的影响而得到的不含Pb的Cu－Bi系烧结材料制得的滑动部件。
背景技术
专利文献1：日本特开2001－220630号公报公开了分散了1~10重量%的 Bi相的不含Pb的Cu－Bi系烧结滑动材料，Bi相粒子的周围存在Ni－Sn等金属间化合物。应予说明，存在代替Bi或与Bi一同还含有Pb的情况。烧结材料的显微组织的简图示于图1。另外，对滑动材料的表面通过机械加工进行精加工、之后被覆覆盖层制为轴承。
专利文献2：日本特开2005－350772号公报公开了含有1~30%的Bi及0.1~10%平均粒径为10~50μm的硬质粒子，具有比硬质粒子小的Bi相分散于Cu基质中的组织的不含Pb的Cu－Bi系烧结滑动材料。烧结材料的显微照片示于图1－4。另外，该不含Pb的Cu－Bi系烧结材料的表面状态是用纸进行研磨使十点平均粗糙度为1.0μm。
专利文献3：WO2008/018348公开了含有1~15%的Sn、1~15%的Bi、1~10%的平均粒径为5~70μm的硬质粒子，硬质粒子全部与铜基质接合的不含Pb的Cu－Bi系烧结滑动材料。烧结材料的显微照片示于图1－4，分散有多数的Bi相。
上述现有技术公报中公开的烧结合金的显微组织照片或简图显示Bi相、硬质粒子及铜基质。显微组织观察用试样制备中，依次进行材料的切断、粗研磨直到微细研磨、抛光等的加工，使各相准确地呈现。尤其是，由于Bi、Pb等为软质，故应注意不要因研磨而被削掉或流动。
从以往的Cu－Pb系滑动材料转变为最近的Cu－Bi系滑动材料中，专利文献1－3从各种观点考虑了Bi的特性。另外，由于Bi比Pb价格高，故想尽可能的减少Bi的添加量从原料成本的观点考虑也重要。
专利文献1：日本特开2001－220630号公报
专利文献2：日本特开2005－350772号公报
专利文献3：WO2008/018348。
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1~3中提出的不含Pb的Cu－Bi系烧结滑动材料中，说明下述主旨，即在其组织形态特定时，Bi的效果依赖于添加质量％。这些专利文献中，由于如图所示的组织应当在Cu－Bi系烧结滑动材料中随处可见，因此可以说是均质材料。在均质材料中，组织特定为所期望的组织时，Bi的效果依赖于Bi的添加量。
但是，使用于变速器、发动机用轴承等时，其滑动表面被施以切削等机械加工，被精加工为预定表面粗糙度，但在Cu－Bi合金之类的情形多使用烧结金刚石等高性能工具。该加工后的部件的滑动特性在不含Pb的Cu－Bi系烧结滑动材料中即使是同一Bi添加量、同一Bi相组织也会有大的不均，另外Bi添加量多的材料与少的材料中特性也有时变得相同。即，以包括加工表面的总体的材料来进行评价，则可知Cu－Bi系烧结滑动材料并不是均质材料。本发明人进行了进一步研究，结果发现由于滑动部件表面的状态受机械加工的影响，故Bi应发挥的性能变得不稳定。尤其是，在切削工具削掉铜合金表面之际，铜合金的一部分被作为切粉而从被加工材料分离。另一方面，未被切削除去的材料形成粗糙度，并且处于受切削工具造成的剪切应力影响的状态。可知在该受机械加工的影响的状态下，Bi相的分散形态与烧结材料的本体不同。
所以，本发明的目的在于不含Pb的Cu－Bi系烧结材料制得的滑动部件，其中使Bi的性能稳定地发挥。
用于解决课题的手段
本发明提供不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其是与配对轴（mating shaft）接触的一侧通过机械加工被精加工为预定的粗糙度、且多数的Bi相存在于精加工面的不含Pb的Cu－Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，该烧结材料通过前述机械加工而被覆一部分的Bi相，且相对于前述精加工面未被被覆的Bi相总体的露出面积率为0.5%以上。
以下，对本发明进行详细说明。应予说明，Bi与Cu几乎不固溶。因此Bi在Cu－Bi烧结合金中，Cu的多个晶界中仅分布Bi。因此，Bi相在Cu－Bi烧结合金中，具有与上述晶界的形态相仿的粒子形态，虽具有多个粒子形态，但本说明书中均称为Bi相。因此，烧结材料制得的滑动部件的精加工面存在多数的Bi相。
不含Pb的Cu－Bi系烧结材料制得的滑动部件是指变速器用轴衬、燃料喷射泵用轴衬、汽车发动机用滑动轴承、作业机械用轴衬、船舶发动机用滑动轴承等各种部件。
它们的与配对轴接触的一侧的滑动面受到烧结金刚石、金属陶瓷、高速钢、超硬工具等切削工具加工。应予说明，加工后的表面粗糙度一般为JIS Rz0.5~5μm左右。
本发明中的Cu－Bi系滑动部件中使用的Cu－Bi系烧结材料一般含有0.5~15质量%、优选2~10质量%的Bi。
进一步地，作为任选成分可以含有下述的元素。例如，可以含有1~15质量%、优选3~10质量%的提高强度的Sn，5质量%以下的同样的提高强度的Ni，5质量%以下、优选0.1~1质量%的固溶于Cu基质中、形成Ag－Sn浓缩层或形成Bi－Ag共晶的Ag，0.2质量%以下的提高烧结性的P，10质量%以下的固溶于Cu基质而提高耐咬粘性的In，30质量%以下的提高强度及耐腐蚀性的Zn。可以组合含有这些元素，总量优选为40质量%以下。上述之外，在铜合金中也可少量例如含有0.5质量%以下作为杂质元素、伴随元素而含有的、或者出于提高滑动特性之外的目的而添加的Fe、As、Sb、Mn、Al、Be、S、Ti、Si等。
进一步地，Cu－Bi系滑动部件可以含有10质量%以下、优选1~5质量%的提高耐磨耗性的硬质粒子。硬质粒子为Fe3P、Fe2P、FeB、Fe2B等Fe的化合物、AlN、NiB、Mo2C、Al2O3等，优选为Fe3P、Fe2P、FeB、Fe2B等Fe的化合物。硬质粒子的平均粒径优选为1.5~70μm。
另外，作为固体润滑剂，可以含有10质量%以下、优选1~3质量%的MoS2、石墨。
接下来，对作为本发明最显著特征的Cu－Bi系滑动部件表面的Bi相的状态进行说明。
以往的Cu－Pb系滑动材料中，Pb含量多于5~30质量%，加工表面存在易于露出较多Pb的倾向，但Cu－Bi系滑动材料中由于Bi的含量少，因此存在Bi难以露出于加工表面的倾向。
图1为将Cu－Bi系烧结材料的表面用切削工具加工后的剖面组织照片，图2为使图1的组织照片的Bi相为黑、Cu基质为白的二值化表现来表示的示意图。这些图中表示的、表面上方的Cu－Bi系烧结材料被切削工具除去。切削面的组织状态受切削加工的剪切应力的影响，从与维持着烧结组织状态的内部、即本体比较即可看出。即，由于切削工具从图的左侧向右侧移动，故烧结材料受该方向的剪切应力，切削完毕之后，在不同的相相接的部位可看出切削加工的影响。即，Bi相如三个部位的椭圆所围的位置所示，一直延伸到Cu基质的表面（以下称为“情形1”），或者相反地，铜被覆Bi相的表面（以下称为“情形2”）。
图3以及将其白黑二值化表现的示意图4中显示相同的剖面组织，相当于情形1，图5以及将其白黑二值化表现的示意图6相当于情形 2。情形1中，由于假定为均质材料，故预测以上的Bi露出于加工表面。另一方面，情形2中由于仅Bi添加量的一部分露出于表面，故不能够发挥与Bi的添加量相应的滑动特性。
接下来，对Cu－Bi系滑动部件的Bi露出面积率的测定方法进行说明。首先，取机械加工后的部件进行脱脂、洗涤之后作为测定用试样。接下来，以电子显微镜观察如图7和图8的上半部分所示的Bi的表面露出状态，其结果以图像分析装置进行分析，算出Bi的露出面积率。此时，若研磨试样，则试样表面的Bi相状态会改变，因而不能进行脱脂、洗涤之外的研磨等处理。
将经机械加工的部件的表面脱脂、洗涤后以电子显微镜观察时，以情形1、2等种种存在形态存在于表面的Bi相作为图案（patten）而被检出，相对于试样整体的面积来计算该图案的面积，求得Bi露出面积率。图7显示在表1的进给速度条件A下进行机械加工形成情形1的表面状态（Bi露出面积率12.5%）的显微照片（上部）以及其二值化得到的图（下部），图8显示相同的试样以进给条件B进行机械加工形成情形2的表面状态（Bi露出面积率0.3%）的显微照片（上部）以及其二值化得到的图（下部）。
对Cu－Bi系滑动部件的加工面中Bi相的形态与利用电子显微镜的Bi的检出进行说明。
Cu－Bi系合金中，烧结时在Cu粒子的晶界存在Bi相。在添加了任选元素的组成中，同时添加Ag时则存在为Ag－Bi共晶相。虽然有此类种种的Bi存在形态，但由于Bi基本完全不固溶于Cu，故Bi作为Bi相区别于其它相而被检出。进一步地，添加硬质粒子时，则烧结中生成的液相Bi与硬质粒子存在于同一部位，该状态直接形成烧结材料的组织。此类组织中在电子显微镜下硬质粒子也会与Bi相相区别。如上所述生成种种的烧结组织，每种都可以将如图1－6所示的形态存在的Bi相相对于机械加工面的比例作为Bi露出面积率而求出。
将加工表面的Bi相的面积率定义为Bi露出面积率。即使是相同材料，内部的剖面组织的Bi相面积率与加工表面的Bi露出面积率也多不同。
本发明人将对多个轴衬测定Bi露出面积率的结果按照Bi含有量范围进行整理、示于下表。由该表可知，即使Cu－Bi系滑动部件的Bi含量变多，Bi露出面积率也停留于非常低的水平。如该表所示，Bi含量非常多、在10%以上时，如进给速度B条件的情形那样基本成为情形2，多数的Bi相被通过机械加工而变形的Cu所被覆，得到了露出率极低的预料之外的结果。
[表1]
Figure 586019DEST_PATH_IMAGE001
切削条件
加工机器：车床
切削工具材质：烧结金刚石
轴衬内径：30mm
转速：970r.p.m
进给速度A：0.5mm/rev.以上
进给速度B：0.01mm/rev.以下 
烧结方法
制造Cu－Bi系烧结材料之际，将散布于里衬金属的粒径150μm以下的Cu－Bi粉末在温度700~1000℃、惰性气氛中进行烧结。可以混合Cu粉末与Bi粉末以使Cu－Bi粉末成为预定的成分。另外，可以调节Bi量、烧结温度条件。另外，配合P等添加元素或者硬质粒子或固体润滑剂时，也可在将它们混合的基础上进行烧结。
加工方法
烧结粒子所致的凹凸面被压延辊等压下，烧结制品的表面为密度变高的状态。通常，用作滑动材料时，为了调整轴承尺寸及表面粗糙度而使用切削工具等进行机械加工。进一步地，在表面的材料被削掉后的切削面上，流动物质的比例，即在固溶了纯Cu、Sn、Ni等的Cu或分散了Cu－Sn系金属间化合物等的种种组织中存在的Cu基质与Bi相的哪一者更多，根据机械加工条件而不同。因此，认为即使烧结合金的Bi含量恒定，Bi露出面积率也会根据机械加工条件而变化。即，可知越加快切削工具的进给速度，Bi越易流动而被覆切削面。在非常低的进给速度下，可得到如表1的进给速度B条件那样的低Bi露出面积率的结果。
加工后的Cu－Bi系滑动部件可直接使用，根据需要可以被覆具有适应性的Sn等金属系或树脂系覆盖层来使用。应予说明，此时的Bi露出面积率是指被覆覆盖层之前的机械加工表面的Bi露出面积率。
接下来，对本发明中的Bi露出面积率限定理由进行说明。图9为显示烧结材料部件的Bi或Pb露出面积率与咬粘表面压力的关系的数据。
图中的供试材料的烧结合金组成如下所示，通过机械加工使表面粗糙度为JISRz 2~3μm。其中，主要调节进给速度，微调切削速度和切削工具的形状，通过改变情形1和2的比例从而改变Bi露出面积率。
●(黑点)：Cu‐3%Sn－7%Bi
◇(白菱形)：Cu－3%Sn－23%Pb
△(白三角形)：Cu－3%Sn 
耐咬粘性的试验条件如下所述。
试验机器：ブシュジャーナル试验机
滑动速度：20m/S
荷重：1Mpa逐步增加
润滑：ATF 
由图9可知，Bi露出面积率与耐咬粘性相关。作为机械加工的结果，Bi的露出面积率极低时则咬粘表面压力低，随着Bi露出面积率增加则咬粘表面压力变高。即，因切削工具而塑性流动并覆盖烧结材料表面的Bi也有助于耐咬粘性提高。另外，从Bi露出面积率0.5%开始咬粘表面压力急剧变高。因此，在本发明中，基于该发现，并不是如以往的烧结材料那样以Bi添加量或含量来特定，而是以Bi露出面积率来特定滑动部件。另外，将上述Bi露出面积率0.5%采用作为本发明的Cu－Bi系滑动部件中的特性。其次，Bi露出面积率约3%时，咬粘表面压力基本变得恒定，在此以上即使再添加Bi，也不会得到与添加量相应的效果。另外，由于该恒定的咬粘表面压力范围与以往的Cu－Pb合金的特性基本一致，故可知不含Pb的Cu－Bi系咬粘合金可以得到与Cu－Pb系材料相匹敌的性能。
根据以上的说明，本发明实现如下的效果。
（A）可通过控制Cu－Bi系烧结滑动部件的Bi露出面积率来使耐咬粘性良好。
（B）即使Bi添加量少，也可通过增多露出于部件表面的Bi相的量（Bi露出面积率）来得到良好的耐咬粘性。
（C）可实现与以往的Cu－Pb系烧结材料同等的耐咬粘性。
（D）Bi系烧结材料的Bi添加量增多时，耐咬粘性提高，但相反耐疲劳性、强度及耐磨耗性会变差。通过本发明由于可由少的Bi添加量得到优良的耐咬粘性，故还可以使耐疲劳性等特性良好。
附图说明
[图1]是显示经机械加工的Cu－Bi系滑动部件的表面的剖面显微组织照片。
[图2]是图1的示意图。
[图3]是显示经机械加工的Cu－Bi系滑动部件的表面的剖面显微组织照片，且显示B相延伸至Cu基质表面的情形1。
[图4]是图3的示意图。
[图5]是显示经机械加工的Cu－Bi系滑动部件的表面的剖面显微组织照片，且显示Cu延伸至B相表面的情形2。
[图6]是图5的示意图。
[图7]显示在表1的进给条件A下进行了机械加工的表面（B i露出面积率12.5%），上侧为显微照片，下侧为示意图。
[图8]显示将与图7相同的试样在进给条件B下进行了机械加工的表面（B i露出面积率0.3%），上侧为显微照片，下侧为示意图。
[图9]是对于Cu－Sn系、Cu－Bi系以及Cu－Pb系滑动部件，显示Bi或Pb的露出面积率与咬粘表面压力的关系的图。
具体实施方式
实施例及比较例
将粒径150μm以下的表2所示组成的铜合金雾化粉末以1mm厚度散布于里衬金属钢板，在850℃下烧结20分钟。之后，压延烧结材料，再次以相同条件进行烧结及压延。将得到的双金属状的烧结材料的表面弯曲加工为内径50mm的轴衬状。将轴衬内面用烧结金刚石的切削工具加工。轴衬的Bi露出面积率及耐咬粘性示于表2。
[表2]
Figure 981228DEST_PATH_IMAGE002
由表2可知，Bi露出面积率为0.5%以上的本发明实施例中可得到高的咬粘表面压力。
产业适用性
如以上说明所述，现有技术对Cu－Bi系滑动材料提出了种种改良，但本发明深入至经机械加工的滑动部件领域进行考察和研究，提供了优良的滑动部件。

Claims (12)

1.不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其是与配对轴接触的一侧通过机械加工被精加工为预定的粗糙度、且多数的Bi相存在于精加工面的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，该烧结材料通过前述机械加工而被覆一部分的Bi相，且相对于前述精加工面未被被覆的Bi相的总体的露出面积率为0.5%以上。
2.权利要求1所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其中，上述Cu－Bi系烧结材料的Bi含量为0.5~15质量%。
3.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，以总量计含有40质量%以下的1~15质量%的Sn、5质量%以下的Ni、5质量%以下的Ag、0.2质量%以下的P、10质量%以下的In和30质量%以下的Zn中的一种或两种以上。
4.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其中，含有10质量%以下的硬质粒子。
5.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，以总量计含有40质量%以下的1~15质量%的Sn、5质量%以下的Ni、5质量%以下的Ag、0.2质量%以下的P、10质量%以下的In和30质量%以下的Zn中的一种或两种以上，
含有10质量%以下的硬质粒子。
6.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其中，含有10质量%以下的固体润滑剂。
7.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，以总量计含有40质量%以下的1~15质量%的Sn、5质量%以下的Ni、5质量%以下的Ag、0.2质量%以下的P、10质量%以下的In和30质量%以下的Zn中的一种或两种以上，含有10质量%以下的固体润滑剂。
8.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其中，含有10质量%以下的硬质粒子，含有10质量%以下的固体润滑剂。
9.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，经机械加工的Cu－Bi系烧结材料的表面由覆盖层被覆。
10.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，以总量计含有40质量%以下的1~15质量%的Sn、5质量%以下的Ni、5质量%以下的Ag、0.2质量%以下的P、10质量%以下的In和30质量%以下的Zn中的一种或两种以上，
经机械加工的Cu－Bi系烧结材料的表面由覆盖层被覆。
11.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，含有10质量%以下的硬质粒子，经机械加工的Cu－Bi系烧结材料的表面由覆盖层被覆。
12.权利要求1或2所述的不含Pb的Cu-Bi系烧结材料制得的滑动部件，其特征在于，含有10质量%以下的固体润滑剂，经机械加工的Cu－Bi系烧结材料的表面由覆盖层被覆。
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