CN107109536A - 滑动轴承用铜合金以及滑动轴承 - Google Patents

Abstract

为了提供一种能够防止Mn‑Si初晶中的咬合的滑动轴承用铜合金以及滑动轴承，本发明的滑动轴承用铜合金以及滑动轴承的特征在于，所述滑动轴承用铜合金含有：25wt％以上且48wt％以下的Zn、1wt％以上且7wt％以下的Mn、0.5wt％以上且3wt％以下的Si、以及1wt％以上且10wt％以下的Bi，剩余部分由不可避免的杂质和Cu构成，在与配对件的滑动面上，以最接近的三个Mn‑Si初晶为顶点的三角形中面积为5000μm²以上、且不存在当量圆直径为10μm以上的Bi粒子的三角形的比率为20％以下。

Description

滑动轴承用铜合金以及滑动轴承

技术领域

本发明涉及一种黄铜系的滑动轴承用铜合金以及滑动轴承。

背景技术

已知使结晶型Mn-Si化合物的粒子分散于滑动面的铜合金(参照专利文献1)。在专利文献1中，通过将结晶型Mn-Si化合物的平均粒子间距设为20～80μm，能够均质地将铜合金的基质的表面设为活性状态，能够提前形成硫化膜。并且，通过该硫化膜提高抗咬合性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-179600号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，存在如下问题：当基质的磨损发生时，硬质的结晶型Mn-Si化合物突出，来自配对轴的载荷集中于结晶型Mn-Si化合物，容易因在结晶型Mn-Si化合物上产生的摩擦热而产生咬合。另外，能够产生即使将结晶型Mn-Si化合物的平均粒子间距管控在20～80μm，粒子间距也会变大的区域，即结晶型Mn-Si稀疏的区域。如此，存在如下问题：在结晶型Mn-Si稀疏的区域中，载荷集中于少数的结晶型Mn-Si，容易产生咬合。

本发明是鉴于所述问题而完成的发明，其目的在于提供一种能够防止Mn-Si初晶中的咬合的滑动轴承用铜合金以及滑动轴承。

用于解决问题的方案

为了达成所述目的，对于本发明的滑动轴承用铜合金以及滑动轴承而言，所述滑动轴承用铜合金含有：25wt％以上且48wt％以下的Zn、1wt％以上且7wt％以下的Mn、0.5wt％以上且3wt％以下的Si、以及1wt％以上且10wt％以下的Bi，剩余部分由不可避免的杂质和Cu构成，在与配对件的滑动面上，以最接近的三个Mn-Si初晶为顶点的三角形中面积为5000μm²以上、且不存在当量圆直径为10μm以上的Bi粒子的三角形的比率为20％以下。

在以所述方式构成的滑动轴承用铜合金中，由Bi粒子供给的Bi覆盖滑动面，由此能够提高抗咬合性。在此，能够形成如下区域：形成有以Mn-Si初晶为顶点、面积为5000μm²以上的三角形的区域，即Mn-Si初晶稀疏的区域。需要说明的是，若假定面积为5000μm²以上的等边三角形，则该等边三角形的一边的长度、即Mn-Si初晶间的距离为107.45μm。如此，在Mn-Si初晶稀疏的区域中，载荷集中于难以被磨损的Mn-Si初晶，容易产生咬合。然而，若面积为5000μm²以上、且不存在当量圆直径为10μm以上的Bi粒子的三角形的比率最多为20％以下，则即使存在Mn-Si初晶稀疏的区域，也能使Bi覆盖Mn-Si初晶，也能减轻Mn-Si初晶中的摩擦阻力。因此，能够减轻Mn-Si初晶中的摩擦热，能够防止咬合。

在此，通过含有25.0wt％以上的Zn，能够强化Cu-Zn基质的强度，并且能够抑制由润滑油中的S成分引起的硫化腐蚀。在Mn-Si初晶稀疏的区域中，容易因Mn-Si初晶中的摩擦热而产生由S成分引起的硫化腐蚀，但由于能够用Bi覆盖Mn-Si初晶稀疏的区域，因此能够抑制由S成分引起的硫化腐蚀。需要说明的是，通过含有35.0wt％以上的Zn，能够使Mn-Si初晶的粒子成长到能得到更优异的耐磨损性的大小。另外，通过将Zn的含量抑制为48.0wt％以下，能够防止在Cu-Zn基质中大量析出γ相，能够防止Cu-Zn基质变脆。

另外，通过含有1.0wt％以上的Mn以及0.5wt％以上的Si，能够析出足以提高耐磨损性的Mn-Si初晶的粒子。另一方面，通过将Mn的含量抑制为7.0wt％以下、将Si的含量抑制为3.0wt％以下，能够防止因过量的Mn-Si初晶析出而导致韧性降低。需要说明的是，本发明的铜合金可以含有不可避免的杂质。

附图说明

图1是向心轴承的立体图。

图2A至图2D是向心轴承的滑动面的照片。

图3A是磨损试验的说明图，图3B是对磨损体积进行说明的示意图。

图4是咬合试验的说明图。

具体实施方式

在此，按照下述顺序对本发明的实施方式进行说明。

(1)向心轴承的构成：

(2)向心轴承的制造方法：

(3)实验结果：

(4)其他实施方式：

(1)向心轴承的构成：

图1是作为由本发明的一实施方式的滑动轴承用铜合金形成的滑动轴承的向心轴承1(浮动衬套)的立体图。例如在内燃机用的涡轮式增压器中，向心轴承1在径向上支承作用于轴向的两端具备涡轮机叶片和压缩机叶片的配对轴2(单点划线)的载荷。向心轴承1形成为圆筒状，与轴向正交的剖面呈圆环形状。由此，能够在向心轴承1的内侧轴支承配对轴2。本实施方式的向心轴承1的内径为7.5mm，外径为13.6mm。在向心轴承1与配对轴2之间形成有作为润滑油的发动机油的油膜。配对轴2旋转，由此配对轴2在作为向心轴承1的内侧表面的滑动面1a上滑动。需要说明的是，虽然未图示，但在推力方向上支承作用于配对轴2的载荷的推力轴承也可以由与向心轴承1相同的铜合金形成。另外，向心轴承1可以通过将两个对开形状的轴承部件组合成圆筒状来形成。

以下，对构成向心轴承1的滑动轴承用铜合金进行说明。滑动轴承用铜合金含有40.0wt％的Zn，含有4.0wt％的Mn，含有1.4wt％的Si，含有3.9wt％的Bi，剩余部分由Cu和不可避免的杂质构成。不可避免的杂质为Mg、Ni、Ti、B、Pb、Cr等，为在精炼或者废料中混入的杂质。不可避免的杂质的含量在整体中为1.0wt％以下。滑动轴承用铜合金中的各元素的质量利用ICP发射光谱分析装置(岛津制作所制ICPS-8100)来计量。

以下，对向心轴承1的滑动面的照片的解析结果和解析方法进行说明。图2A至图2D是向心轴承1的滑动面的照片。向心轴承1的滑动面的照片是用电子显微镜(日本电子制JSM6610A)以200倍的倍率拍摄的照片。如图2A所示，在向心轴承1的滑动面中，Mn-Si初晶4(黑色)和Bi粒子3分散于Cu-Zn基质5(灰色)中。Mn-Si初晶4具有棒状、圆形或者环状的剖面形状，Bi粒子3具有近似圆形的剖面形状。

将图2A所示的滑动面的照片的图像(以下，称为解析图像)输入图像解析装置(NIRECO公司制LUZEX_AP)，利用该图像解析装置按照以下的步骤对解析图像进行解析。首先，调整解析图像的亮度和对比度，以便Mn-Si初晶4的像呈黑色、Mn-Si初晶4以外的像呈白色。图2B表示调整为Mn-Si初晶4的像呈黑色、Mn-Si初晶4的像以外呈白色的解析图像。通过以规定的亮度对图2B的解析图像进行二值化，将Mn-Si初晶4的像从Mn-Si初晶4以外的像中分离出来。进而，计量Mn-Si初晶4的像的当量圆直径(计量参数：HEYWOOD)，提取出当量圆直径为3μm以上的Mn-Si初晶4的像。这是为了将微小的Mn-Si的晶体(还包含Mn-Si与Cu-Zn的共晶)从解析对象中排除。需要说明的是，所提取的Mn-Si初晶4的像的平均当量圆直径为26.5μm。

接着，对每一个当量圆直径为3μm以上的Mn-Si初晶4的粒子的像求出像的几何重心，形成以最接近的重心彼此为顶点的三角形(以下，记作单位三角形)。图2C表示在解析图像上形成的单位三角形。以最接近的重心G彼此为顶点的单位三角形是指，该单位三角形内不包含顶点的重心G以外的重心G的三角形。接着，计量出单位三角形的总个数和面积，提取出该面积为5000μm²以上的单位三角形。需要说明的是，单位三角形的平均面积为6300μm²。

接着，调整解析图像的亮度和对比度，以便Bi粒子3的像呈白色、Bi粒子3的像以外呈黑色。图2D表示调整为Bi粒子3的像呈白色、Bi粒子3的像以外呈黑色的解析图像。通过以规定的亮度对图2D的解析图像进行二值化，将Bi粒子3的像从Bi粒子3以外的像中分离出来。然后，计量出Bi粒子3的像的当量圆直径(计量参数：HEYWOOD)，提取出当量圆直径为10μm以上的Bi粒子3的像。需要说明的是，Bi粒子3的像的平均当量圆直径为33μm。

然后，计量出单位三角形中面积为5000μm²以上、且不存在当量圆直径为10μm以上的Bi粒子3的像的三角形(以下，记作不存在Bi的三角形)的个数。单位三角形中不存在Bi粒子3的像是指，在单位三角形内完全不存在当量圆直径为10μm以上的Bi粒子3的像。进而，通过使不存在Bi的三角形的个数除以单位三角形的总个数，计算出不存在Bi的三角形的比率。在本实施方式中，不存在Bi的三角形的比率为20％。在此，不存在Bi的三角形是指，Mn-Si初晶4稀疏的区域、且不存在粒子尺寸大的Bi粒子3的区域。因此，不存在Bi的三角形的比率小是指，Mn-Si初晶4稀疏的区域少、以及在Mn-Si初晶4稀疏的区域中存在Bi粒子3的可能性大。

(1-1)耐磨损性的评价：

为了对构成向心轴承1的滑动轴承用铜合金的耐磨损性进行评价，进行了磨损试验。图3A是对在磨损试验中使用的圆筒平板式摩擦磨损试验机进行说明的示意图。磨损试验通过如下方式进行：在一部分浸渍于作为润滑油的发动机油(液体石蜡)F的状态下，使圆柱状的配对件A旋转，并且使试验片T与配对件A接触，以便规定的静载荷作用于配对件A。按照与构成向心轴承1的滑动轴承用铜合金相同的条件，形成试验片T并设为平面板状。配对件A由与经向心轴承1轴支承的配对轴2同等的材料形成，具体而言由进行了淬火处理的SCM415(铬钼钢)形成。将配对件A的旋转轴方向上的试验片T的长度a设为10mm，将配对件A的底面的半径r设为20mm。控制配对件A的转速，以便滑动部中的配对件A相对于试验片T的相对移动速度b为200mm/sec。另外，将静载荷设为139N，将润滑油的温度设为室温，将试验时间c设为3600sec(1小时)。按照以上的条件进行了磨损试验之后，利用表面粗糙度计(小坂研究所制SE3400)计量出试验片T中的与配对件A的滑动部的深度的轮廓。并且，计量出深度的轮廓中的平坦部(非磨损部)与最深部的深度之差作为磨损深度d。

进而，由下述的(1)式计算出比磨损量K。

[算式1]

L为滑动距离，为磨损试验中在试验片T上滑动的配对件A的表面的长度。滑动距离L为相对移动速度b与试验时间c相乘而得的值(b×c)。V为磨损试验中磨损掉的试验片T的体积(磨损体积)。如(1)式所示，比磨损量K是指，在使单位载荷(1N)作用于试验片T的情况下，每单位滑动距离(1mm)磨损掉的试验片T的体积。比磨损量K越小，意味着耐磨损性越高。

接着，对磨损体积V进行说明。图3B是对磨损体积V进行说明的示意图。如图3B中剖面线所示，可以认为，试验片T中磨损掉的部分的形状为：在磨损试验结束时，配对件A中进入到试验片T的部分的形状。在配对件A的圆形的底面的从中心C与试验片T的滑动面1a正交的半径CP₀中，配对件A进入得最深，在该半径CP₀中配对件A所进入的深度为磨损深度d。在此，当在配对件A的底面的圆周上将磨损试验结束时进入到试验片T的部分的下限的点分别表示为P₁、P₂时，能够通过将配对件A的底面中由圆弧P₁P₂和弦P₁P₂包围的部分的面积与试验片T的长度a相乘而得到磨损体积V。配对件A的底面中由圆弧P₁P₂和弦P₁P₂包围的部分的面积为从由圆弧P₁P₂和半径CP₁、CP₂包围的扇形的面积S₁减去由弦P₁P₂和半径CP₁、CP₂包围的三角形的面积S₂而得的面积。因此，磨损体积V能够由以下的(2)式计算出来。

[算式2]

V＝(S₁-S₂)×a…(2)

所述扇形的面积S₁能够由以下的(3)式计算出来。

[算式3]

在此，θ表示半径CP₁、CP₂在配对件A的底面的中心C所成角度的一半。需要说明的是，角度θ满足以下的(4)式。

[算式4]

另一方面，所述三角形的面积S₂能够根据图形的对称性由以下的(5)式计算出来。

[算式5]

按照以上方式计量出构成本实施方式的向心轴承1的滑动轴承用铜合金的比磨损量K为1.95×10^-10mm²/N，是良好的。

(1-3)抗咬合性的评价：

为了对构成向心轴承1的滑动轴承用铜合金的抗咬合性进行评价，进行了咬合试验。图4是对在咬合试验中使用的销盘式(pin-on-disk)试验机进行说明的示意图。

咬合试验通过如下方式进行：以在厚度方向上夹入旋转的圆盘状的配对件A的方式配置一对试验片T，利用液压缸W使静载荷作用于试验片T之间。

调整配对件A的转速，以便配对件A与试验片T的接触部中的二者的相对速度为15m/sec。另外，使保持有润滑油(SAE30CD级)的供油垫P与配对件A接触，由此对配对件A与试验片T的接触部进行供油。配对件A由进行了淬火处理的SCM415形成。一对试验片T装配于以能够旋转的方式保持在与配对件A平行的面内的梁部E的顶端，配置有测力传感器Y，以便阻碍该梁部E的水平旋转。在梁部E的不具备试验片T的端部装配有平衡配重B，使由液压缸W在梁部E产生的铅直方向的力矩相抵。

在配对件A与试验片T之间产生摩擦力，梁部E通过该摩擦力而水平旋转。因此，使梁部E水平旋转的摩擦力作用于测力传感器Y，测力传感器Y所计量的载荷的大小是指，在试验片T与配对件A之间产生的摩擦力的大小。因此，在作用于测力传感器Y的载荷为规定的阈值以上的情况下，判定为试验片T与配对件A之间的摩擦力异常大，产生了咬合。

以2MPa/5min逐渐增大利用液压缸W作用于试验片T之间的静载荷的大小，计量出作为在试验片T与配对件A之间产生咬合时的静载荷的咬合载荷。进而，通过使咬合载荷除以试验片T与配对件A的接触面积来计量出咬合面压。

按照以上方式计量出构成本实施方式的向心轴承1的滑动轴承用铜合金的咬合面压为23MPa，是良好的。需要说明的是，咬合面压越大，意味着抗咬合性越高。

如上所述，在本实施方式中，可以确认：向心轴承1的滑动面中的不存在Bi的三角形的比率为20％，Mn-Si初晶4稀疏的区域少，以及即使在Mn-Si初晶4稀疏的区域中，存在Bi粒子3的可能性也大。因此，即使存在Mn-Si初晶4稀疏的区域，也能使Bi覆盖Mn-Si初晶4，也能减轻Mn-Si初晶4中的摩擦阻力。因此，可以确认：能减轻Mn-Si初晶4中的摩擦热，能实现23MPa这一良好的咬合面压。

(2)向心轴承的制造方法：

在本实施方式中，向心轴承1通过依次进行a.熔融、b.连铸、c.切割、d.机械加工的各工序来制造。以下，对各工序进行说明。

a.熔融

首先，计量并准备各原料，以便能够形成滑动轴承用铜合金，所述滑动轴承用铜合金含有40.0wt％的Zn，含有4.0wt％的Mn，含有1.4wt％的Si，含有3.9wt％的Bi，剩余部分由Cu和不可避免的杂质构成。在本实施方式中，分别计量并准备Cu锭、Zn锭、Cu-Mn锭、以及Cu-Si锭。在此，只要准备满足作为目标的向心轴承1的机械特性的质量的原料即可。作为目标的向心轴承1的机械特性例如根据配对轴2的机械特性而定。接着，利用高频感应炉将所准备的各原料加热至1200℃。由此，各锭熔化。然后，使Ar气体的气泡分散喷出，对氢气和夹杂物进行去除。

b.连铸

接着，将滑动轴承用铜合金的熔融材料注入铸模，从该铸模的开口沿铸造方向连续地拉拔滑动轴承用铜合金，直接冷却至室温，由此形成滑动轴承用铜合金的连铸棒。例如，利用由碳形成的铸模在1060℃下进行铸造，以90mm/min的拉拔速度进行拉拔来形成连铸棒。在从熔融状态起连铸的凝固过程中，可以认为，首先结晶出Mn-Si初晶4，然后结晶出Cu-Zn基质5，最后Mn-Si与Cu-Zn的共晶进行凝固。需要说明的是，与向心轴承1的外径相比，滑动轴承用铜合金的连铸棒的直径大出机械加工中的切削量。

c.切割

接着，按照向心轴承1的厚度(配对轴2的长度方向的厚度)对滑动轴承用铜合金的连铸棒进行切割。

d.机械加工

最后，对切割后的滑动轴承用铜合金的连铸棒进行切削加工、冲压加工，由此完成向心轴承1。在此，形成具有比配对轴2的外径大出规定量的内径的贯通孔，并且进行切削加工，以便向心轴承1的外径的大小与设计值一致。

(3)实验结果：

表1是表示多个实施例1～3的实验结果的表。需要说明的是，实施例3与第一实施方式相同。另外，表1的磨损量比的值为各实施例1～3的比磨损量K除以实施例3的比磨损量K而得的值。

[表1]

对于实施例1～3，在除了Bi的含量以外其余与第一实施方式相同的材料组成中，通过调整Bi的含量，并且调整连铸中的保持时间、冷却速度，来调整Bi粒子3和Mn-Si初晶4的分布状态、形状。具体而言，将实施例1中的Bi的含量设为1.5wt％，将实施例2中的Bi的含量设为4.3wt％，将实施例3中的Bi的含量设为3.9wt％。如表1所示，在单位三角形的平均面积最大的实施例3中，得到最良好的咬合面压。可以预想：单位三角形的平均面积越大，Mn-Si初晶4稀疏的区域越多，越容易因Mn-Si初晶4中的摩擦热而产生咬合。然而，可知：通过将不存在Bi的三角形的比率抑制为20％以下，并且以一定程度增大Bi的含量来确保Bi粒子3的密度，且增大Bi粒子3的平均当量圆直径，即使单位三角形的平均面积大，也能得到充分的抗咬合性。

(4)其他实施方式：

在所述实施方式中，示出了由本发明的铜合金形成向心轴承1的例子，但也可以由本发明的铜合金形成其他滑动构件。例如，可以由本发明的铜合金形成变速器用的齿轮衬套、活塞销衬套/轮毂衬套等。另外，本发明的滑动轴承用铜合金可以利用连铸以外的制造方法来制造。

附图标记说明

1：向心轴承；2：配对轴；3：Bi粒子；4：Mn-Si初晶；5：Cu-Zn基质。

Claims (2)

1.一种滑动轴承用铜合金，其特征在于，含有：

25wt％以上且48wt％以下的Zn、

1wt％以上且7wt％以下的Mn、

0.5wt％以上且3wt％以下的Si、以及

1wt％以上且10wt％以下的Bi，

剩余部分由不可避免的杂质和Cu构成，

在与配对件的滑动面上，以最接近的三个Mn-Si初晶为顶点的三角形中面积为5000μm²以上、且不存在当量圆直径为10μm以上的Bi粒子的三角形的比率为20％以下。

2.一种滑动轴承，其特征在于，含有：

25wt％以上且48wt％以下的Zn、

1wt％以上且7wt％以下的Mn、

0.5wt％以上且3wt％以下的Si、以及

1wt％以上且10wt％以下的Bi，

剩余部分由不可避免的杂质和Cu构成，

在与配对件的滑动面上，以最接近的三个Mn-Si初晶为顶点的三角形中面积为5000μm²以上、且不存在当量圆直径为10μm以上的Bi粒子的三角形的比率为20％以下。