CN111720444A

CN111720444A - 轴承合金、滑动构件、内燃机和机动车辆

Info

Publication number: CN111720444A
Application number: CN202010181542.9A
Authority: CN
Inventors: 儿玉勇人
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2040-03-16
Also published as: DE102020107188A1; JP7376998B2; JP2020152980A; US20200299807A1; CN111720444B

Abstract

本发明涉及轴承合金、滑动构件、内燃机和机动车辆。一个实施方式的轴承合金包括5.5质量％至10质量％的Sn；2质量％至7质量％的Ni；1质量％至5质量％的Bi；0质量％至0.3质量％的Ag；并且余量基本上由Cu和不可避免的杂质组成。

Description

轴承合金、滑动构件、内燃机和机动车辆

技术领域

本发明涉及轴承合金、滑动构件、内燃机和机动车辆。

背景技术

专利文献1描述了一种Cu基轴承合金，其中，初生Ag相分散在Bi相中以提高抗咬合性。专利文献2公开了一种具有以下结构的Cu基轴承合金，其中，金属间化合物与Pb相和/或Pb相周围的Bi相和/或Bi相接触以提高抗咬合性和抗疲劳性，同时降低铅含量。

现有技术

专利文献

专利文献1：日本专利申请特许公开2014-196524号

专利文献1：日本专利3507388号

发明内容

待解决的问题

在专利文献1中描述的轴承合金中，对于抗疲劳性和抗咬合性还有改进的空间。另外，专利文献2中描述的轴承合金含有Pb，并且存在轴承合金可能对环境产生不利影响的担忧。

相比之下，本发明提供了一种使用无铅材料并提高抗咬合性的滑动构件，以及用于该滑动构件的合金。

解决方案

本发明提供了一种滑动构件用合金，该合金包括5.5质量％至10质量％的Sn、2质量％至7质量％的Ni、1质量％至5质量％的Bi、0质量％至0.3质量％的Ag，并且余量基本上由Cu和不可避免的杂质组成。

截面中的Ni-Sn金属间化合物的面积比可以为0.4％以上。

在截面中，面积大于或等于30μm²的Bi颗粒和面积小于或等于5μm²的Bi颗粒可以共存。

面积为5μm²以下的Bi颗粒的数量与截面中观察到的所有Bi颗粒的数量之比可以为50％以上。

在截面中，在从面积为30μm以上的Bi颗粒的中心起半径为25μm的区域中，面积为5μm²以下的的Bi颗粒的数量与该区域中Bi颗粒的总数量之比可以为50％以上。

本发明还提供了一种滑动构件，其具有由上述任一项所述的滑动构件用合金形成的衬里层，以及形成在该衬里层上的树脂涂层或金属镀层。

此外，本发明提供了一种具有上述滑动构件的内燃机。

本发明还提供了一种具有上述内燃机的机动车辆。

发明的效果

根据本发明，可以提供一种使用无铅材料来提高抗咬合性同时抑制抗疲劳性降低的滑动构件，以及用于该滑动构件的合金。

附图说明

图1示出了一个实施方式的推力滑动构件的外观。

图2是一个实施方式的滑动构件用合金的截面照片的实例。

图3示出了滑动构件用合金的截面结构的示意图。

图4示出了Sn和Ni对合金特性的影响。

图5是示出一个实施方式的滑动构件的制造方法的流程图。

图6是示出Ni-Sn相的面积比与磨损深度之间的关系的图。

图7是示出Ni-Sn相的面积比与摩擦系数之间的关系的图。

具体实施方式

1.组成

图1示出了一个实施方式的滑动构件的外观。在此，示出半轴承作为滑动构件的实例。滑动构件包括由一个实施方式的滑动构件用合金形成的层。滑动构件用合金是Cu基合金(铜合金)。Cu基合金是所谓的Cu-Sn-Ni-Bi-Ag合金，并且包括(A)Sn、(B)Ni、(C)Bi和(D)Ag。其余部分由Cu和不可避免的杂质组成。不可避免的杂质包括例如Al、Fe、Mg、Ti、B、Pb和Cr中的至少一种。不可避免的杂质例如掺入到熔炼或废料中。不可避免的杂质的含量例如为总量的1.0质量％以下。

图2是一个实施方式的滑动构件用合金的截面照片的实例。这些图像是通过SEM-EDX(使用由Nippon Electronics Co.,Ltd.制造的JSM-6610A)获得的×500图像。图中左侧的图像是二次电子图像(SEI)，并且按从左到右的顺序显示了Cu、Sn、Ni、Bi和Ag元素的分布。从这些图中可以看出，Sn和Ni被分为Cu中的固溶体和Ni-Sn的金属间化合物。该照片中的样品组成如下。不包含其他成分或不可避免的杂质。

表1

	Cu	Sn	Ni	Bi	Ag
						样品1	余量	8.5	3.0	4.2	0.19
样品2	余量	6.6	4.6	3.1	0.11
						样品3	余量	5.4	6	2.1	0.02

以质量％计

各成分的含量优选如下。

(A)Sn：5质量％至10质量％。更优选地，含量为5质量％至8.5质量％。

(B)Ni：2质量％至7质量％。更优选地，含量为3质量％至6质量％。

(C)Bi：1质量％至5质量％。更优选地，含量为2质量％至4.5质量％。

(D)Ag：0质量％至0.3质量％。更优选地，含量为0.01质量％至0.2质量％。

在此，5质量％至10质量％是指5质量％以上且10质量％以下。

图3示出了滑动构件用合金的截面结构的示意图。在滑动构件用合金的截面结构中，具有较大尺寸(具体而言，面积为30μm以上²)的Bi颗粒和具有较小尺寸(具体而言，面积为5μm²以下)的Bi颗粒共存(或混合)。具体而言，小Bi颗粒的数量与观察面(长150μm×宽250μm)上观察到的Bi颗粒的总数量之比为50％以上，优选为60％以上。

表2示出了样品1至3的小Bi颗粒数量的比例的测量结果。对于该测量，使用与后面描述的实验例中用于图像分析的设备相同的设备。样品4是比较例，其组成为Cu-4Sn-6.5Bi。

表2

从结果可以看出，在样品1至3的每一个中，小于样品4(其为比较例)的Bi颗粒的比例更高，为40％以上，更具体地为60％以上。大Bi颗粒的比例为30％以下，更具体地为20％以下，甚至为16％以下。该测量中的Bi颗粒的面积由图像分析软件计算，该计算将在后面描述。

另外，从另一个角度来看，小Bi颗粒分布在大Bi颗粒周围的许多区域中。具体而言，在从大Bi颗粒的中心起半径为25μm的区域中，小Bi颗粒所占的比例平均为50％以上，优选为60％以上。

表3示出了样品1至4的在从大Bi颗粒中心起半径为25μm的区域中的Bi颗粒数量比例的测量结果。对于该测量，使用与后面描述的实验例中用于图像分析的设备相同的设备。尽管在观察区域中存在多个大Bi颗粒，但对每个大Bi颗粒设置一个半径为25μm的区域，并且在对该区域中的Bi颗粒进行测量之后，对所有的大Bi颗粒的结果进行平均。

表3

从结果可以看出，在样品1至3的每一个中，小于样品4(其为比较例)的Bi颗粒的比例更高，为40％以上，更具体地为60％以上。大Bi颗粒的比例为30％以下，更具体地为20％以下，进一步为18％以下。此外，与表2所示的结果相反，该区域中的中等Bi颗粒数量的比例小于整个观察区域中的中等Bi颗粒数量的比例。相反，该区域中的大Bi颗粒数量的比例大于整个观察区域中的大Bi颗粒数量的比例。

Bi是一种柔软且自润滑的材料。与仅存在大直径的Bi颗粒的情况相比，小直径的Bi颗粒以及大直径的Bi颗粒的分布扩大了与相对轴上的Bi颗粒接触的范围，从而导致摩擦降低。低摩擦提供了提高抗咬合性和提高耐磨性的效果。由于Bi较软，因此整个材料的强度可能会降低。然而，与仅分布大颗粒Bi的实例相比，当将大颗粒Bi和小颗粒Bi混合时，整个材料的强度降低较小。当将该材料用于滑动构件(例如，轴承)时，可以获得抑制抗疲劳性降低的效果。

图4是示出Sn和Ni对合金特性的影响的图。在此，Sn的含量为0质量％或4.5质量％，Ni的含量为0质量％或7质量％。除Sn和Ni以外的组成是3质量％的Bi、0.07质量％的Ag，并且余量为Cu。对于摩擦系数、磨损量、腐蚀量和洛氏硬度，与不包含Sn或Ni的实例相比，在包含Sn和Ni中的至少一种的实例中，特性得到改善。特别是，与仅含有Sn或Ni的实例相比，同时含有Sn和Ni的实例显示出性能的进一步改善。对于摩擦系数、磨损量、腐蚀量和硬度，与仅含有Ni的实例相比，仅含有Sn的实例的改善效果更高。

2.制造方法

图5是示出使用一个实施方式的滑动构件用合金来制造滑动构件的方法的流程图。在步骤S1中，制备铜合金的原料粉末。在该实施方式中，使用Cu-Sn-Ni-Bi-Ag合金粉末。除此之外或替代此，可以使用元素金属粉末的混合物。在步骤S2中，将原料粉末喷在背衬金属上。在步骤S3中，进行一次烧结。一次烧结在氢还原气氛中在温度为850℃和保持时间为10分钟的条件下进行。在一次烧结之后，进行辊压(步骤S4)，随后进行二次烧结(步骤S5)。二次烧结在与一次烧结相同的条件下进行。二次烧结后的工件呈带状，例如卷绕在辊上并进行下一步。在步骤S6中，将合金材料加工成所需形状以获得滑动构件。

由此获得的滑动构件例如是半轴承。该半轴承例如用作机动车辆的内燃机中的所谓的主轴承。另外，在相关技术中，存在一个将含有In的Cu基合金用作滑动构件用合金的实例，但In的成本相对较高，并且在某些情况下成本已成为问题。然而，由于本实施方式的滑动构件用合金的成分中不含In(无In)，因此与含有In的实例相比，可以保持低成本。

3.实施方式

本申请的发明人在各种条件下制备了滑动构件的试样，并且评价了这些试样的耐磨性和摩擦系数。首先，所制试件中使用的合金的组成和截面结构中的Ni-Sn相(Ni-Sn金属间化合物相)的面积比如表4所示。截面结构中的Ni-Sn相的面积比通过以下方法测量。首先，通过SEM-EDX(使用由Nippon Electronics Corporation制造的JSM-6610A)以300倍的光学放大倍率拍摄截面，并且获得观察图像的图像数据。将该图像数据输入到图像分析仪(由Nireko Corporation制造的LUZEX_AP)，并且测量观察图像中存在的相的面积。如图2所示，在滑动构件用合金的截面结构中，相对于基体的相对较薄的有色层是Ni-Sn相。

表4

图6是示出Ni-Sn相的面积比与磨损深度之间的关系的图。磨损试验的条件如下。

测试：环块法(block on ring)

负载：90N

转速：0.5m/s

时间：30分钟

油类型：石蜡油

油温：室温

根据实验结果，当Ni-Sn相的面积比低时，磨损量大，随着Ni-Sn相的面积比增加，磨损量减少，并且面积比稳定在约0.8％以上的低水平。根据该结果，截面中的Ni-Sn金属间化合物的面积比优选为0.4％以上，更优选为0.8％以上。

图7是示出Ni-Sn相的面积比与摩擦系数之间的关系的图。根据实验结果，当Ni-Sn相的面积比低时，摩擦系数大，随着Ni-Sn相的面积比增加，摩擦系数减小，并且面积比稳定在低于约1.5％的水平。根据该结果，截面中的Ni-Sn金属间化合物的面积比优选为0.4％以上，更优选为1.5％以上。由于以此方式减小了摩擦系数，因此当将该材料用于滑动构件(例如，轴承)时，可以获得在高负载时抑制温度升高并提高抗咬合性的效果。

Claims

1.一种滑动构件用合金，所述合金包括：

5.5质量％至10质量％的Sn；

2质量％至7质量％的Ni；

1质量％至5质量％的Bi；

0质量％至0.3质量％的Ag；并且

余量基本上由Cu和不可避免的杂质组成。

2.如权利要求1所述的滑动构件用合金，其中，

截面中的Ni-Sn金属间化合物的面积比为0.4％以上。

3.如权利要求1或2所述的滑动构件用合金，其中，

在截面中，面积为30μm²以上的Bi颗粒和面积为5μm²以下的Bi颗粒共存。

4.如权利要求3所述的滑动构件用合金，其中，

面积为5μm²以下的Bi颗粒的数量与截面中观察到的Bi颗粒的总数量之比为50％以上。

5.如权利要求3所述的滑动构件用合金，其中，

在半径为25μm且中心位于面积为30μm²以上的Bi颗粒的中心的区域中，特定Bi颗粒与Bi颗粒的总数量之比为50％以上，所述特定Bi颗粒是面积为5μm²以下的Bi颗粒。

6.一种滑动构件，其包括：

由权利要求1至5中任一项所述的滑动构件用合金形成的衬里层；以及

在所述衬里层上形成的树脂涂层或金属镀层。

7.一种内燃机，其包括权利要求6所述的滑动构件。

8.一种机动车辆，其包括权利要求7所述的内燃机。