CN102844451A - 滑动件用铜合金 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种不依赖铅或钼的滑动性优异的铜合金。铜合金通过对利用气体雾化法形成、且含有Cu、Fe和S的原料粉末进行烧结而获得，并且该铜合金含有Cu5FeS4的烧结体。

Description

滑动件用铜合金
技术领域
本发明涉及用于轴承材料等的滑动部件的铜合金，作为有助于滑动性的成分，该铜合金含有除了铅以外的有助于滑动性的成分。
背景技术
在轴承材料等的滑动部件中使用了以CAC603（Cu－Sn－Pb系铜合金）为代表的含铅的铜合金，其中，全部都是铅有助于滑动性。但是，为了响应抑制铅的使用的社会上的要求，对抑制了铅的使用量的滑动件用铜合金进行了各种各样的研究。
例如，在专利文献1中，记载有将可以用Sn或Zn置换一部分的Cu作为粘结材料，作为低摩擦合金使用包括Fe、Ni、Co中的任一种、以及Mo和S的合金，并将将这些材料烧结而得到的滑动部件。MoS2相有助于摩擦系数的减小，通过将Fe的一部分置换为Mi、Co来抑制因硫化铁而妨碍生成MoS2的情况。
专利文献1:日本特开2003－73758号公报
然而，在以MoS2为主要滑动材料的铜合金（专利文献1）中，不仅在得到MoS2的烧结工序中，即使在使用过程中MoS2也会氧化劣化，因此存在仅通过防止烧结工序中的氧化无法防止润滑性能的降低的问题。
发明内容
因此本发明的目的在于得到一种不依赖有可能被氧化的MoS2而能够发挥有效的滑动特性的铜合金。
本发明通过使用含有Cu5FeS4的滑动件用铜合金解决了上述的课题。含有Cu5FeS4的铜合金能够发挥较高的滑动性能。
作为获得含有Cu5FeS4的铜合金的方法，例如，若通过雾化法形成含有Cu、S和Fe的原料粉末，则会产生含有Cu5FeS4的铜合金。能够认为这是基于雾化法的淬火的方法，但只要能实现相同的条件，对于制造方法并没有特别限定。
由于本发明涉及的铜合金所含有的Cu5FeS4能够发挥滑动性，所以解决了以往的滑动件用铜合金所具有的问题。
因为即使成为烧结体之后在该铜合金中也能够存在Cu5FeS4，所以在用于轴承的金属零件的内部金属层上撒布通过气体雾化法生成的粒子粉末，并进行烧结、辊轧，由此能够作为在表面形成有可以发挥滑动性能的层叠烧结部件来使用。
附图说明
图1是实施例1的烧结前的原料粉末的X射线衍射图。
图2是实施例2的烧结前的原料粉末的X射线衍射图。
图3是实施例1的烧结后的原料粉末的X射线衍射图。
图4是实施例2的烧结后的原料粉末的X射线衍射图。
图5是示出用于摩擦磨损试验的片材的形状的图。
图6是示出用于摩擦磨损试验的片材保持件的形状的图。
图7是示出用于摩擦磨损试验的销的形状的图。
图8是示出用于摩擦磨损试验的盘状件的形状的图。
具体实施方式
以下，对本发明进行详细说明。本发明是含有Cu5FeS4的滑动件用铜合金。Cu5FeS4是将具有Cu、Fe、S的原料熔融混合之后通过气体雾化法或水雾化法等方法进行淬火而在铜合金中生成的。此处，铜合金是指由质量比为50％以上的铜构成的合金。
该铜合金也可以含有Cu、Fe、S以外的元素。例如，也可以是含有质量比为1％以上15％以下的Sn的青铜系铜合金。若以这样的成为青铜系铜合金的成分烧制，则能够形成高强度，因此是优选的。
另外，为了发挥脱氧效果，在执行淬火前的熔融的阶段可以含有P。
优选地，烧结后的上述铜合金中所含有的Pb的量越少越好。若Pb较多则从环境负担的角度考虑并非为优选。
作为含有这些元素的、在制成进行淬火的熔融金属时所使用的原料，能够使用Cu单质、Sn单质、硫化铁、Cu－Fe、CuP等。
将这些材料混合并熔化之后，对熔融金属进行淬火而制成含有Cu5FeS4的铜合金材料或者铜合金。作为淬火方法，若使用雾化法则能够迅速冷却并且容易得到均匀的粒子，因此是优选的，若利用气体雾化法则能够得到均匀且良好的成为铜合金材料的原料的粒子。为了利用气体雾化法得到铜合金粒子，使熔融金属从在装有该熔融金属的容器的底部设置的喷嘴孔流出，用喷射器向该熔融金属流喷射惰性气体。使用惰性气体是为了防止原料氧化。具体而言，能够使用氮气、氩气等。
虽然并未规定上述的惰性气体的温度，但是需要通过与熔融金属之间的足够的温度差来进行淬火。具体而言，只要是103K/sec左右、或者是103K/sec以上的淬火速度即可。
通过利用喷射器喷射的惰性气体对熔融金属流进行微细化并且进行淬火而使该熔融金属流形成为微细粉末。因为该液滴化与冷却同时进行，所以能够得到近似球形且均质的粒子。在进行该淬火时，Cu5FeS4的化合物临时在合金内形成。
利用该气体雾化法生成的原料粉末的粒径优选为150μm以下。若粒径过大，则有可能无法高效地进行滑动件的制造。
对以该方式得到的原料粉末进行烧结，从而得到适合作为滑动件的铜合金。例如可以通过在将粉末撒布于欲形成滑动层的材料上之后再加热到进行烧结所需的温度的方法来进行该烧结。在撒布之后烧制的情况下，若在临时烧结后进行辊轧，然后进行二次烧结并再次进行辊轧，则与仅进行临时烧结的情况相比能够得到更牢固、且与基材一体化的滑动层。此处，也能够在将铜合金等其他的合金粉末与烧结前的粉末混合之后再将该混合后的粉末用于烧结。
优选地，烧结原料粉末的温度为800℃以上900℃以下，特别是在830℃以上860℃以下的条件下进行5分钟～60分钟的烧结。无论温度过低、时间过短还是温度过高、时间过长，都有可能无法获得作为滑动件的适当的机械特性。另外，优选地，在还原气氛下进行烧结。其理由在于若不这样则粉末有可能被氧化。此外，烧结炉可以是分批炉也可以是连续炉。
若本发明所涉及的滑动件用铜合金含有质量比为1％以上的Cu5FeS4，则能够发挥所需的滑动性，若质量比为2％以上，则能够确保足够的滑动性，所以是更优选的。另一方面，由于会产生其他相的物质，因此即便欲使所含的质量比超过20％也难以实现，从而若质量比为15％以下，则作为滑动件用铜合金是能够实现的且为优选。
实施例
以下，举出作为青铜系铜合金的具体的实施例对本发明进行说明。首先对使用的原料进行说明。
（实施例1、2）
将单质Cu、单质Sn、硫化铁、Cu－Fe、CuP混合并放入坩埚中，在氮气气氛中加热融解而得到熔融金属。
使该熔融金属流出，从其流路上的喷嘴喷射常温氮气，以103K/s左右的速度进行淬火并且得到粒子。将该粒子中粒径为150μm以下的粉末用于后述的试验。
由雾化法得到的成为实施例的目标的材料中元素比，在实施例1中，Sn的质量比为9.0%～11.0％、Fe的质量比为1.5%～2.5％、S的质量比为0.5%～0.7％、P的质量比为0.01%～0.03％、剩余部分为Cu和无法避免的杂质。另外，在实施例2中，Sn的质量比为9.0%～11.0％、Fe的质量比为1.5%～2.5％、S的质量比为1.8%～2.2％、P的质量比为0.01%～0.03％，剩余部分为Cu和无法避免的杂质。
＜X射线衍射试验＞
针对以该方式得到的粒子的粉末进行了基于粉末X射线衍射法的解析。装置采用了X射线衍射装置（XRD，日本理学株式会社（RigakuCorporation）RINT－2500H/PC）。X射线源是CoK α（30kV－100mA），方式是θ－2θ法。扫描析像度为0.02°，以2°/min的扫描速度进行试验，从而使试料以60rpm的速度旋转。图1中示出了实施例1的结果，图2中示出了实施例2的结果。图1（a）、图2（a）是总强度曲线图，图1（b）、图2（b）是放大曲线图。能够确认：两者均在相当于Cu5FeS4的一个形态亦即相当于PDF（Powder DiffractionFile（International Centre for Diffraction Date－ICDD发行））42－1405的衍射峰（各图中的峰值）的位置观测到峰值，并且通过淬火而从熔融金属中生成了Cu5FeS4。另外并未检测到其他的硫化物以及硫黄单质。因此，能够认为在实施例1以及2中，硫黄几乎全部形成了Cu5FeS4。
将该粒子粉末与Cu（80）―Sn（20）合金粉末混合，然后在厚度为3.2mm的金属衬垫（back metal）（SPC钢板100mm ×28mm）上将混合物撒布成2.5mm的厚度，在还原气氛下的管状炉中，在830℃～860℃的范围内连续加热10分钟而进行一次烧结。然后利用辊进行一次辊轧，接下来以与一次烧结等同的条件进行二次烧结，从而得到总厚度为90％左右（铜合金层的厚度为2mm左右）的烧结试料。与上述同样地对对该烧结试料进行了基于粉末X射线衍射法的解析。图3中示出了实施例1的结果，图4中示出了实施例2的结果。两者均在与Cu5FeS4的一个形态亦即PDF25－1424的衍射峰（各图中的峰值）对应的位置观测到清楚的峰值。另外，没有检测到其他的硫化物以及硫黄单质。因此，能够认为虽然在烧结后Cu5FeS4的构造发生了变化，但是硫黄几乎全部形成了Cu5FeS4。
＜成分分析＞
对实施例1及2的烧结后的试验片进行了成分分析。在对各成分的含有率的分析中，通过ICP发光分光分析法进行对Sn、Fe的分析，通过高频燃烧红外线吸收法进行对S的含有率的分析，通过磷钒钼酸吸光光度法进行进行对P的含有率的分析，通过ICP发光分光分析法进行对Pb的含有率的分析。此外，在ICP发光分光分析法中，作为ICP分析装置，采用了热电公司（Thermo Co.,Ltd.）制造的IRIS AdvantageRP CID检测器。另外，计算了残余部分的铜。表1中示出了其结果。如上所述，因为认为S全部形成了Cu5FeS4，所以从成分比来看，认为实施例1中含有质量比为2.03％的Cu5FeS4，实施例2中含有质量比为6.34％的Cu5FeS4。另外，对于比较例1及2将合金的目标值记载于表1中。
[表1]
Figure BDA00002239581000061
＜摩擦磨损试验＞
接下来，对于上述的实施例1及2、作为比较例1的以往的含铅的滑动件用合金亦即CAC603、作为比较例2的由Cu：88wt％－Sn：12wt％构成的Cu－Sn合金，制作成试验片而进行摩擦磨损试验，并测量了PV值。
首先，对试验片的制作进行说明。在实施例1、2中使用将通过气体雾化法得到的粒子与Cu（80）－Sn（20）合金粉末混合后的混合物，在比较例2中使用具有下述表1所记载的成分比的粉末，并且通过与X射线衍射试验相同的方法制作了试验片。
以如图5所示的形状的φ5×4t将实施例1、2以及比较例2的烧结品加工成滑动表面为Ra3.2的双金属片11。此外，图的左侧的附图标记12表示铜合金层，右侧的附图标记13表示金属衬垫。利用固定螺栓16将其固定于图6所示的形状的内周为φ5.0的片材保持件15，由此制成了试验片。另外，对于比较例1的CAC603滑动材料，将其加工为图7所示的形状的销17（对滑动侧进行台阶加工，使得非台阶部19形成为φ8×25t，台阶部18形成为φ5×6t。滑动表面为Ra3.2。），由此制成了试验片。对于供这些销滑动的盘，采用了像图8所示的形状那样地形成为φ55×5t、且试验面为Ra3.2的S45C钢铁制的试料盘21。
试验机采用了高千穗精机株式会社（Takachihoseiki Co.,LTD）制造的摩擦磨损试验机RI－S－500NP。将试验机的盘21以及试验片22浸泡于以200ml/min的流量流动的润滑油（昭和壳牌株式会社制造的Rimula D20W－20），使试验环境的温度维持在80±5℃。
在试验中，将盘的周速度设为6.2m/s，在经过3分钟的磨合之后，以每次提高25MPa的载荷（平均表面压强）的方式进行步进式运转，在各载荷的条件下保持2分钟。将试验中产生油烟的时刻假定为烧焦的时刻而使试验结束。在表1中示出了各载荷的条件下的平均摩擦系数、烧焦时的附加的平均表面压强与周速度的积、亦即最大PV值。
实施例1及2中示出了与含有铅的以往的滑动材料CAC603等同或在其之上的平均摩擦系数和PV值，能够确认其发挥了有效的滑动特性。另外，若比较实施例1与实施例2，则可知含有较多的Cu5FeS4的实施例2显示出了良好的平均摩擦系数和PV值。与此相对，对于不含有Cu5FeS4的比较例2而言，在第一阶段的升压后马上便产生了烧焦，并未发挥出滑动特性。
作为其他的实施例，对使用通过水雾化法制作的粒子粉末并以与上述相同的方式制成的试验片、和烧结前的粉末进行了X射线衍射试验，结果，虽然省略了图示，但是两者也均在相当于Cu5FeS4（PDF25－1424）的衍射峰的位置清楚地观测到峰值，并且没有观测到其他的硫化物、硫黄单质的峰值。
附图标记的说明
11…双金属片；12…铜合金层；13…金属衬垫；15…片材保持件；16…固定螺栓；17…销；18…台阶部；19…非台阶部；21…试料盘。

Claims (5)

1.一种滑动件用铜合金，其中，
所述滑动件用铜合金含有Cu5FeS4。
2.根据权利要求1所述的滑动件用铜合金，其中，
所述滑动件用铜合金是含有质量比为1％以上15％以下的Sn的青铜系合金。
3.根据权利要求1或2所述的滑动件用铜合金，其中，
所述滑动件用铜合金通过对利用雾化法形成、且含有Cu、Fe和S的原料粉末进行烧结而获得。
4.一种滑动件，其中，
将权利要求1~3的滑动件用铜合金用于滑动面。
5.一种滑动件，其中，
将上述原料粉末撒布于基材上并对其及基材一起进行烧结而得到所述滑动件，使权利要求3的滑动件用铜合金形成于滑动面。
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