CN102471832A - Cu基烧结滑动部件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种可在高负荷的使用环境下使用的Cu基烧结滑动部件。本发明的时效硬化的Cu基烧结部件，其含有5～30质量％的Ni、5～20质量％的Sn、0.1～1.2质量％的P，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，通过使所述Ni、所述P及所述Sn的浓度高于整个所述烧结合金中的所述Ni、所述P及所述Sn的平均浓度的合金相存在于金属组织的晶界，从而耐磨性优异，因此能够获得无需昂贵硬质粒子且为低成本，并且可在高负荷环境下使用的Cu基烧结滑动部件。另外，通过含有0.3～10质量％的石墨、氟化石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、氟化钙、滑石及硅酸镁矿物粉末中的至少1种以上作为固体润滑剂，从而能够获得更加优异的耐磨性。

Description

Cu基烧结滑动部件
技术领域
本发明涉及一种Cu基烧结滑动部件，尤其涉及一种可在高负荷环境下应用的Cu基烧结滑动部件。
背景技术
在汽车中使用的轴承中，在高负荷下使用的用途、例如在汽车的ABS系统的轴承等之类的高负荷用途中使用昂贵滚珠轴承。另外，在汽车的刮水器等马达系统用途中使用廉价的Fe-Cu系烧结轴承，但是由于马达系统的小型化，轴承也往小型化发展，轴承组件所承受的负荷变高，因此要求比以往优异的耐磨性、耐熔焊性的性能。
最近，市场强烈要求降低成本，因此正在研究在前述汽车ABS系统之类的高负荷用途中，从昂贵的滚珠轴承取代为廉价的烧结轴承，但有如下问题：在以往的Cu基烧结滑动部件中由于超过使用负荷范围而无法使用，另外，硬度、强度高于Cu基烧结滑动部件的Fe-Cu系烧结滑动部件包含Fe，所以在对偶轴(相手シャフト)中使用Fe系材料，因此因相同组织金属(トモガネ)现象引起异常摩擦或熔焊的可能性很低但也不能排除，由此作为滑动部件的可靠性不充分。因此，要求比昂贵的滚珠轴承廉价，且可在比以往高负荷环境下使用的Cu基烧结滑动部件。
作为可在高负荷环境下使用的Cu基烧结滑动部件的以往技术，公开有如下Cu基烧结合金(例如专利文献1)，其在内燃机用阀门导向轴承等用途中，在高温、高负荷、低润滑下的环境下具有优异的耐磨性和耐熔焊性。
所述以往技术的Cu基烧结合金为通过时效处理引起调幅分解的组成的Cu-Ni-Sn系合金，通过使之调幅分解形成微细的组织且基体被强化，通过进一步添加与基体粘附性良好的Ni基硬质粒子和固体润滑剂MoS2，从而在高温、高负荷、低润滑环境下赋予耐磨性和耐熔焊性。
但是，在以往技术中使用的Ni基硬质粒子昂贵，另外Ni基硬质粒子中包含Cr，所以需要真空烧结，因此制造成本也较高，成本上的优点并不充分。
专利文献1：日本特开平5-195117号公报
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种，无需添加昂贵的硬质粒子就可在高负荷的使用环境下使用的Cu基烧结滑动部件。
第一方案发明为一种Cu基烧结滑动部件，其含有5～30质量％的Ni、5～20质量％的Sn、0.1～1.2质量％的P，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，并经过时效硬化，金属组织的晶界中存在所述Ni、所述P及所述Sn的浓度高于整个所述滑动部件中的所述Ni、所述P及所述Sn的平均浓度的合金相。
另外，第二方案的发明为一种如下Cu基烧结滑动部件，即含有0.3～10质量％的石墨、氟化石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、氟化钙、滑石及硅酸镁矿物粉末中的至少1种以上作为固体润滑剂。
发明效果
根据上述结构，利用Cu-Ni-Sn系合金通过时效处理发生硬化的性质，并且在所述合金中添加P，从而进一步提高合金基体的强度，并且通过使Ni、P及Sn的浓度高于基体的Ni-P-Cu-Sn的合金相存在于晶界中，从而获得优异的耐磨性，且由于无需昂贵的硬质粒子所以能够获得低成本，并可在高负荷的轴承使用环境下使用的Cu基烧结滑动部件。
另外，能够通过添加固体润滑剂来提高耐磨性。石墨、氟化石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、氟化钙、滑石(Mg3SiO4(OH)2)及硅酸镁(MgSiO3)矿物粉末作为固体润滑剂。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的电子显微镜照片的附图。
具体实施方式
参考附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，以下说明的实施方式并不限定权利要求所记载的本发明的内容。另外，以下说明的整个结构并不一定是本发明的必须条件。各实施例中，通过采用与以往不同的新型Cu基烧结滑动部件来获得以往没有的Cu基烧结滑动部件，记述各个Cu基烧结滑动部件。
本发明利用Cu-Ni-Sn系合金通过时效处理发生硬化的性质，并且在所述合金中添加P，从而进一步提高合金基体的强度，并且使Ni、P及Sn的浓度高于基体的Ni-P-Cu-Sn的合金相存在于晶界中，从而获得优异的耐磨性，且由于无需昂贵的硬质粒子所以能够获得低成本，并可在高负荷的轴承使用环境下使用的Cu基烧结滑动部件。能够通过进一步添加固体润滑剂来提高耐磨性。
另外，关于Cu-Ni-Sn系合金通过时效处理发生硬化的性质，已知在预定的组成范围内，Ni及Sn固溶于Cu中而成为单一α相结构，通过时效处理发生调幅分解硬化。该调幅分解硬化是指，通过调幅分解而生成的组织具有数纳米单位的周期结构，并形成非常微细的组织，因此通过应变能等的上升，变形阻力增加，且硬度或强度增加的现象。
接着，对在本发明的Cu基烧结滑动部件中限定构成该Cu基烧结滑动部件的烧结Cu合金的组成的理由进行说明。
(a)Ni：5～30质量％
Ni与P、Sn、Cu形成基体的固溶体，通过时效硬化提高烧结合金的强度。进而通过使Ni、P及Sn的浓度高于基体的合金相存在于晶界中，从而有助于提高耐磨性。获得基于时效处理的硬化所需的Ni量为5质量％以上，并且即使添加超过30质量％的量也看不到基于时效处理的硬化提高，反而原料成本变高所以不优选。
(b)Sn：5～20质量％
Sn与Ni、P、Cu形成基体的固溶体，通过时效硬化提高烧结合金的强度。进而通过使Ni、P及Sn的浓度高于基体的合金相存在于晶界中，从而有助于提高耐磨性。获得基于时效处理的硬化而所需的Sn量需添加5质量％以上，并且即使添加超过20质量％的量也看不到基于时效处理的硬化提高，反而对偶轴攻击性能变高所以不优选。
(c)P：0.1～1.2质量％
P提高烧结性并与Ni、Sn、Cu形成基体的固溶体，提高烧结合金的强度。另外，通过使Ni、P及Sn的浓度高于基体的合金相存在于晶界中，从而有助于耐磨性。含P量若不到0.1质量％则无法获得预定的耐磨性，另一方面，若超过1.2质量％则对滑动对偶材料的攻击性能变高，导致对偶材料磨损所以不优选。
(d)固体润滑剂：0.3～10质量％
可含有0.3～10质量％的石墨、氟化石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、氟化钙、滑石(Mg3SiO4(OH)2)及硅酸镁(MgSiO3)矿物粉末中的至少1种以上作为固体润滑剂，若固体润滑剂的含量不到0.3质量％则无法获得提高耐磨性的效果，若超过10质量％，则强度显著下降所以不优选。
另外，石墨及氟化石墨以分散分布于基体的游离石墨、游离氟化石墨方式存在，对烧结合金赋予优异的润滑性，并且有助于提高烧结合金的耐磨性。另外，二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、氟化钙、滑石(Mg3SiO4(OH)2)及硅酸镁(MgSiO3)矿物粉末对烧结合金赋予优异的润滑性，并且减少滑动部件之间的金属接触，并且有助于提高烧结合金的耐磨性。另外，滑石在烧结后变成顽辉石。
实施例1
以下参考附图对本发明的实施例进行说明。
在烧结合金的制造中，将原料粉末填充至所需形状的模具中，粉末成形而获得所需密度的成形体。将该成形体在还原气氛中烧结而获得烧结合金。在模具中对该烧结合金进行尺寸调整，以便满足产品的尺寸精确度。检查尺寸调整后的烧结合金的尺寸、密度、硬度、强度等，将检查合格的烧结合金作为产品。作为该产品例示作为滑动部件的轴承。
实验例
原料粉末准备如下粉末，即粒径-100mesh的电解Cu粉末、粒径-250mesh的Sn雾化粉末、粒径-200mesh的Cu-8质量％P雾化粉末、粒径250mesh的Cu-30质量％Ni雾化粉末、作为添加的固体润滑剂的平均粒径：20μm的石墨粉末、平均粒径：150μm以下的二硫化钼粉末、平均粒径为60μm的氟化钙粉末及平均粒径：20μm的滑石粉末。
将这些原料粉末配合成表1及表2所示的最终成分组成，加入0.5质量％的硬脂酸锌且用V型混合机混合20分钟后，以200～300MPa的范围内的预定压力冲压成型来制作压坯，在混合天然气和空气并通过加热的催化剂来分解变成的吸热式气体(endothermic gas)气氛中，以840～940℃范围内的预定温度烧结该压坯，接着进行尺寸调整，在非氧化性气氛中以350～450℃范围内的预定温度进行1小时的时效处理，进而，通过使合成油浸渍在Cu基烧结合金中，由此制作均具有外径：18mm×内径：8mm×高度：8mm的尺寸且由表1所示的组成成分的本发明的Cu基烧结滑动部件(以下称为本发明例)及作为比较未添加P的Cu基烧结滑动部件和脱离发明的组成成分的Cu基烧结滑动部件(以下称为比较例)构成的环形试样。这样获得的Cu基烧结滑动部件的基体中以5～25质量％的比例分散有气孔。
利用由所获得的上述的本发明Cu基烧结滑动部件1～13(以下称为本发明例1～13)、比较的Cu基烧结滑动部件1～13(以下称为比较例1～13)、及作为以往例1、2未发生时效硬化的Cu基烧结部件和Fe-Cu系烧结滑动部件构成的环形试样，进行以下试验，并在表1及表2中示出其压环试验和耐磨试验的结果。
另外，表1中示出本发明例1～4、比较例1～8及以往例1～2，表2中示出本发明例5～13和比较例9～13。
压环试验：
对由本发明例1～13、比较例1～13、以往例1～2构成的环形试样从半径方向施加负荷，测定环形试样破坏时的压环负荷，并计算强度。将其结果示于表1及表2的“压环强度”栏中。
耐磨试验：
向由本发明例1～13、比较例1～12及以往例1～2构成的环形试样插入S45C的轴，向由本发明例1～13、比较例1～13构成的环形试样的半径方向(相对于轴的轴向为直角方向)从所述环形试样的外侧施加负荷以便表面压力成为1.5MPa，同时使所述轴以75m/min旋转1000小时来实施试验，测定试验后的环形试样及S45C轴的各自的滑动面中的最大磨损深度，并对耐磨性进行评价。将其结果记载于表1及表2。
另外，在本耐磨试验中进行的条件为设想高负荷环境的条件。
[表1]
Figure BDA0000132832700000071
(表中，*表示本发明范围外，++表示试验时间100小时后的测定数据。)
Figure BDA0000132832700000081
从表1及表2所示的结果可知，与由比较例及以往例构成的环形试样相比由本发明例构成的环形试样的最大磨损深度均较小，因此具有优异的耐磨性。
另一方面，从具有脱离该发明的范围的成分组成的比较例1～13可知，环形试样的强度、耐磨性、向对偶轴材料的攻击性能中至少任一特性较差。
表1中，P不到0.1质量％的比较例1～3与本发明例相比，最大磨损深度变大，另外，P超过1.2质量％的比较例4与本发明例相比，对偶轴的最大磨损深度变大，另外，Ni不到5质量％的比较例5与本发明例相比，最大磨损深度变大，并且，Ni超过30质量％的比较例6与本发明例相比，最大磨损深度及对偶轴材料的最大磨损深度变大，此外，Sn不到5质量％的比较例7与本发明例相比，最大磨损深度变大，此外，Sn超过20质量％的比较例7与本发明例相比，对偶轴材料的最大磨损深度变大。另外，比较例1、2、3、5及7与本发明例相比压环强度较差。
表2中，P不到0.1质量％的比较例9、固体润滑材料超过10质量％的比较例10～12及固体润滑材料超过10质量％并且P超过1.2质量％的比较例13与本发明例相比，压环强度较差，并且最大磨损深度变大。
关于本发明例1的合金，利用电子探针显微分析仪(EPMA)分析了存在于金属组织的晶界的Ni、P及Sn的浓度高于整个合金中的Ni、P及Sn的平均浓度的合金相中的Ni、P、Sn、Cu。将其结果示于表3，另外，作为分析的合金相的一例，将电子显微镜照片(COMPO像)示于图1中。
[表3]
就EPMA分析条件而言，以加速电压15kV将射束径设定为
Figure BDA0000132832700000092
在5处测定图1所示的晶界的合金相。将其平均的值记载于表3。从基于该EPMA的分析结果可知，本发明例1的合金相中，Ni、P及Sn的各自浓度高于整个烧结合金中的Ni、P及Sn的平均浓度的合金相存在于晶界。
另外，本发明并不限于所述实施方式，可实施各种变形。例如，实施例中作为滑动部件例示了在内周具有滑动面的轴承，但是也可应用于具有滑动面的其他滑动部件。

Claims (2)

1.一种Cu基烧结滑动部件，为含有5～30质量％的Ni、5～20质量％的Sn、0.1～1.2质量％的P、剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成的时效硬化的Cu基烧结滑动部件，其特征在于，
在金属组织的晶界中存在所述Ni、所述P及所述Sn的浓度高于整个所述滑动部件中的所述Ni、所述P及所述Sn的平均浓度的合金相。
2.如权利要求1所述的Cu基烧结滑动部件，其特征在于，
含有0.3～10质量％的石墨、氟化石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、氟化钙、滑石及硅酸镁矿物粉末中的至少1种以上作为固体润滑剂。
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