CN117128242A

CN117128242A - 铜类滑动构件

Info

Publication number: CN117128242A
Application number: CN202310574004.XA
Authority: CN
Inventors: 久保田宽隆
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2023-05-19
Publication date: 2023-11-28

Abstract

本发明的滑动构件包括由Cu‑Sn合金构成的轴承合金，Cu‑Sn合金含有1.5～10质量％的Sn，剩余部分为Cu及杂质，从与滑动面垂直的截面来看具有Cu‑Sn合金的平均Sn浓度的1.1倍以上的Sn浓度、面积为500μm²以上的高锡浓度区域分散存在，高锡浓度区域的个数为每1mm²5～93个。

Description

铜类滑动构件

技术领域

本发明通常涉及铜类滑动构件,特别涉及包含含有Cu-Sn合金的轴承合金的滑动构件。

背景技术

Cu-Sn类合金由于强度大、耐磨耗性优异，因此作为轴承合金被广泛使用。近年来，随着发动机的高输出化、发动机的小型化引起的轴承面积的减少等对轴承的负荷的增加，要求滑动材料的耐磨耗性进一步提高。作为用于提高现有的耐磨耗性的对策，例如有专利文献1和专利文献2中记载的对策。

专利文献1公开了一种铜合金，其中Ag、Sn、Sb、In、Mn、Fe、Bi、Zn、Ni和/或Cr固溶于Cu基质中，并且实质上不形成这些元素的二次相。固溶于Cu基质中这些添加元素与摩擦热的产生或内衬表面组织的变化并行，向内衬表面移动而形成部分添加元素的浓缩层，其进一步与润滑油中的硫类添加剂反应而成为硫类化合物，另外润滑油中的氧与添加元素反应而成为氧类化合物。这些浓缩层及硫类化合物等的固体润滑作用优异，即使在高面压下滑动特性也优异，具有减少磨耗量的效果。

专利文献2的滑动轴承的轴承合金的特征在于，分散的细微成分(例如Sn)的浓度从滑动轴承的轴承金的顶部范围向分割面范围连续降低。通过较大范围的锡比例保证了滑动要素中的较大耐荷重能力。

但是，在专利文献1中，由于在形成固溶强化元素的浓缩层之前磨耗严重，因此在磨耗量多的使用用途中，耐磨耗性不充分。专利文献2仅考虑主要承受荷重的顶部范围，则主要承受荷重的顶部范围仅具有与其他现有技术相同的耐磨耗性。而且，Sn浓度低的部分不能作为主荷重部使用，因此不适合在荷重方向变化的用途、轴承成为平板形状的用途中使用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平9-249924号公报

专利文献2：日本专利特开2000-27866号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种滑动构件，该滑动构件具有可提高耐磨耗性的新组织，包括含有Cu-Sn合金的轴承合金。

解决技术问题所采用的技术方案

根据本发明一个方面，提供具有滑动面的滑动构件，包括含有Cu-Sn合金的轴承合金，Cu-Sn合金的Sn为1.5～10.0质量％，剩余部分为Cu及杂质，从与滑动面垂直的截面来看具有Cu-Sn合金的平均Sn浓度(以下也称为Sn成分)的1.1倍以上的锡浓度，面积为500μm²以上的高锡浓度区域分散存在，高锡浓度区域的个数为每1mm²5～93个。

Cu-Sn合金的Sn优选为8.0质量％以下。此外，Cu-Sn合金的Sn优选为2质量％以下。

另外，Cu-Sn合金还可以含有0～5.0质量％的Ni和0～1.0质量％的P中的任一种或两者。

根据本发明的一具体例，从与滑动面垂直的截面来看，高锡浓度区域所占的面积率为5～47％。

根据本发明的一具体例，轴承合金还可含有固体润滑剂颗粒和硬质颗粒中的任一种或两者。固体润滑剂颗粒优选含有石墨颗粒或石墨。硬质颗粒优选包含SiC颗粒或为SiC颗粒。

根据本发明的另一方面，提供一种滑动构件，其具备里衬层和该里衬层上的轴承合金层，轴承合金层包含上述轴承合金。

根据本发明的一具体例，上述滑动构件是滑动轴承。

根据本发明的另一方面，提供一种包含上述滑动构件的轴承装置。

本发明以及其大量优点参照附加的示意图如下详细描述。附图以例示的目的示出了数个非限定的实施例。

附图说明

图1是表示本发明的一具体例的滑动构件的结构例的图。

图2是本发明一具体例的滑动构件的与Cu-Sn合金的滑动面垂直的剖面图。

具体实施方式

本发明的滑动构件涉及具有Cu-Sn合金作为轴承合金的滑动构件。该滑动构件例如用于客车用的内燃机或自动变速器的轴承部的轴颈轴承或推力轴承等滑动轴承。例如，滑动构件在轴颈轴承中可以是成形为圆筒形状的滑动轴承、或者将成形为半圆筒形状的构件作为一对组合而成为圆筒形状的滑动轴承。在推力轴承中，可以将成形为圆环形状的滑动轴承、或者成形为半圆环形状的构件作为一对组合而成为圆环形状的轴承。但是，滑动构件也可以是其他形状，也可以作为滑动轴承以外的滑动构件使用。例如，在润滑油润滑环境下，也可以在产业机械的往复滑动部作为平板形状的滑动板使用。

本发明也以包含这样的滑动构件的轴承装置为对象。

对本发明的一个具体例的滑动构件1的结构例进行说明。参照图1，在背衬层4上设置轴承合金层2。但是，背衬层4是任意要素，也可以没有背衬层4而仅为轴承合金层2。轴承合金层2的表面成为滑动面3。虽然可选地在轴承合金层2上设置覆盖层，但在该情况下，在本说明书中将轴承合金层2的表面称为滑动面3。

背衬层4可以为了提高滑动构件1的强度而设置。背衬层没有特别限定，可使用钢、Fe合金、Cu、Cu合金等金属板，作为铁类材料，例如优选亚共晶钢或奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢等Fe合金的规定尺寸的板材。

可选地，可以在轴承合金层2上设置覆盖层。覆盖层可以是公知的覆盖层，例如用于提高滑动层表面的适应性的Bi、Sn、Pb、Ag等金属或以这些金属为主体的合金或以合成树脂为主体的覆盖层，其形成方法也可以使用公知的方法。

另外，也可选地在背衬层4与轴承合金层2之间设置中间层。也可通过在背衬层的表面、即作为与轴承合金层的交界面的一侧上设有多孔质金属层或者中间层，提高滑动层和背衬层的接合强度。

轴承合金层包括由Cu-Sn合金构成的轴承合金。图2表示本发明的一具体例的滑动构件1的截面图。该截面图是以与滑动面垂直的面切断的截面图。在图2中，在Cu-Sn合金的基质8中分散存在Sn的浓度相对较大的高锡浓度区域6。高锡浓度区域6是相对于Cu-Sn合金的平均Sn浓度具有1.1倍以上的Sn浓度的区域，其面积为500μm²以上。即使是具有1.1倍以上Sn浓度的区域，如果其面积小于500μm²，则不包含在高锡浓度区域6中。在本发明的Cu-Sn合金中，高锡浓度区域6的个数为每1mm²5～93个。

另外，由于高锡浓度区域6等的存在，Cu-Sn合金中Sn浓度存在偏差，因此“Cu-Sn合金的平均Sn浓度”表示Cu-Sn合金中的Sn浓度的平均。在本发明中，该值被视作等于Cu-Sn合金的Sn成分。

Sn浓度较大的高锡浓度区域6比较硬，耐磨耗性高。当Sn均匀固溶于Cu-Sn合金时，整个Cu-Sn合金承受荷重。但是，即使是相同组成的Cu-Sn合金，通过在比较软的基质8内分散存在比较硬的高锡浓度区域6，高锡浓度区域6主要支撑对方面，作为整个面难以磨耗。其结果，即使是相同的平均Sn浓度，与Sn均匀固溶的情况相比，耐磨耗性也得到改善。而且，无论是哪个深度，与滑动面垂直的截面都成为上述组织，即，通过在深度方向上也存在高锡浓度区域6，即使磨耗加剧，也能够维持较高的耐磨耗性。

本发明的滑动构件的Cu-Sn合金优选Sn固溶于Cu而实质上不形成二次相(金属间化合物)。Cu-Sn的二次相(金属间化合物)硬度大，但脆性也大(脆)，因此容易破坏而脱落，脱落的二次相的碎片进入滑动面与对方面之间，损伤滑动面，从而加速磨耗。因此，有可能阻碍耐磨耗性的提高。另外，Cu-Sn合金中实质上不存在二次相是指，如果不存在具有3μm²以上的尺寸的面积的二次相，则“实质上不存在”。使用电子显微镜设定100倍以上的倍率，确认是否存在该具有3μm²以上的大小的面积的二次相。

Cu-Sn合金中Sn为1.5～10.0质量％，其余部分为Cu及杂质。Sn含量低于1.5质量％时，硬度不会提高到能够得到耐磨耗性。为了具有能够得到耐磨耗性的硬度，Sn含量的最小值更优选为2.0质量％。进而，Sn含量的最小值更优选为3.0质量％。当Sn含量超过10.0质量％时，形成Cu-Sn的二次相的可能性大。为了可靠地减小形成二次相的可能性，Sn含量的最大值更优选为8.0质量％。进而，Sn含量的最大值更优选为6.5质量％。

另外，Cu-Sn合金还可以含有0～5.0质量％的Ni、0～1.0质量％的P中的任一种或两者。如果在上述范围内含有这些元素，则容易提高耐腐蚀性、提高烧结性。添加0～5.0质量％的Ni时，强度增加，能够提高耐磨耗性。但是，添加超过5.0质量％的Ni会提高烧结温度，导致成本增加。通过添加0～1.0质量％的P，烧结性提高，因此强度增加，能够提高耐磨耗性。但是，如果添加超过1.0质量％的P，则烧结过度，难以控制。

从与滑动面3垂直的截面来看，Cu-Sn合金的高锡浓度区域6的面积率优选为5～47％。如果高锡浓度区域6的面积率为5％以上，则能够有效地发挥上述效果，如果为47％以下，则能够在不损害轴承合金层的强度的情况下可靠地确保烧结工序的稳定性，容易得到具有所希望的耐磨耗性的轴承合金层。

高锡浓度区域6的面积为500μm²以上。即使是相对于Cu-Sn合金的Sn含量具有1.1倍以上的Sn含量的区域，面积小于500μm²时，也不包含在高锡浓度区域6中。如果面积如此小，则支撑荷重的效果弱，对耐磨耗性的提高没有贡献。

在本发明的Cu-Sn合金中，高锡浓度区域6的个数为每1mm²5～93个。高锡浓度区域6的个数每1mm²小于5个时，不能发挥上述效果，超过93个时，锡浓度容易变得均匀，面积为500μm²以上、具有1.1倍以上的锡浓度，不能得到主要支撑对方面的高锡浓度区域的可能性高。另外，为了制造含有超过93个高锡浓度区域的轴承合金层，在制造时需要进一步减小铜锡合金粉末的粒径。此时，如果铜锡合金粉末的粒径过小，则在烧结工序中Sn容易扩散。因此，在烧结工序中不能稳定地控制Sn扩散的程度，不能稳定地制作高锡浓度区域6。

作为优选的具体例，相对于Cu-Sn合金的Sn含量的Sn浓度为1.2倍的区域(以下称为“阈值1.2倍的区域”等)的面积率为5～42％。更优选地，阈值1.3倍的区域的面积率为5～35％。更优选地，阈值1.4倍的区域的面积率为5～26％。在这样的结构中，更容易得到上述效果。

作为优选的具体例，阈值1.2倍的区域的个数为5～84个/mm²。作为进一步优选的具体例，阈值1.3倍的区域的个数为5～61个/mm²。作为进一步优选的具体例，阈值1.4倍的区域的个数为5～54个/mm²。在这样的结构中，更容易得到上述效果。

任选地，轴承合金层2可进一步包含0.1～12.0质量％的一种以上的选自例如MoS₂、WS₂、石墨、h-BN的固体润滑剂颗粒。固体润滑剂优选含有石墨。更优选地，固体润滑剂是石墨。0.1～12.0质量％的固体润滑剂分散在Cu-Sn合金的基质中，提高润滑性，进一步提高耐磨耗性。但是，如果固体润滑剂超过12.0质量％，则有时会阻碍烧结性。

任选地，轴承合金层2可进一步含有0.1～5质量％的选自例如Al₂O₃、SiO₂、AlN、Mo₂C、WC、Fe₂P、Fe₃P的1种以上的硬质颗粒。硬质颗粒优选含有SiC。更优选地，硬质颗粒为SiC。0.1～5.0质量％的硬质颗粒分散在基质中，进一步提高耐磨耗性。但是，如果硬质颗粒超过5.0质量％，则有时会阻碍烧结性。

接着，对本发明的滑动构件的轴承合金层(Cu-Sn合金)的制造方法进行说明。该制造方法包括以下步骤。

1.制备含有规定量的Sn的铜锡合金粉末和纯铜粉末。在任选地含有Ni和P中的任一种或两者时，使用含有该元素的铜粉代替铜锡合金粉(在这种情况下，以下也称为“铜锡合金粉”)。

2.称量铜锡合金粉末和纯铜粉末，使Sn成分达到规定值(Sn为1.5～10.0质量％)(任选含有Ni、P时为规定限度以下)。

3.将称量的铜锡合金粉末和纯铜粉末混合。此时，当任选地进一步含有固体润滑剂颗粒和硬质颗粒中的任一种或两者时，也添加这些颗粒。

4.在基材上散布混合粉末。基材例如在背衬上形成轴承合金层时为背衬。

5.将散布的粉末在800℃～900℃下烧结10～31分钟。

6.轧制烧结体，使烧结体为规定厚度。

7.将规定厚度的烧结体在800℃～900℃下进一步烧结10～31分钟。

在上述烧结条件下，铜锡合金粉末的Sn进行向纯铜粉末扩散、但不均匀地扩散到合金整体的烧结，以铜锡合金粉末的区域为中心，形成Sn浓度比较大的区域。通过调整铜锡合金粉末的粒径、Sn浓度、上述范围内的烧结条件，可以调整高锡浓度区域的面积率、每单位面积的个数。

作为原料使用铜锡合金粉末的Sn含量优选为3～15质量％，平均粒径优选为10～75μm。例如，即使使用纯锡粉代替铜锡合金粉末，也可以制作Sn的浓度高的部分，但由于形成脆的二次相，因此有时耐磨耗性不能提高。

接着，对高锡浓度区域的测定方法进行说明。

高锡浓度区域6的确定是通过SEM-EPMA对垂直于滑动面3的轴承合金层2的截面进行面分析，确定具有Cu-Sn合金的平均Sn浓度的1.1倍以上的锡浓度的高锡浓度区域。测定条件的例示于表1。将通过面分析取得的映射用标准曲线(标准条件)表示为浓度，施加中值滤波器以进行二值化。然后，将面积为500μm²以上的Sn浓化区域确定为高锡浓度区域。高锡浓度区域的阈值和分析需要在0.5mm²以上的区域进行。

[表1]

分析装置	FE-EPMA(日本电子株式公社的JXA-8530F)
		分析方法	使用WDS的面分析
分析区域的大小	800μm×800μm(＝400pix×400pix)
		分析像素的大小	2μm×2μm
分析元素	Sn
		使用的晶体	PETH
加速电压	15kV
		照射电流	1×10^-8A
照射时间	30ms/pix
		扫描方向	单向扫描

实施例

表4～表6所示的各试样通过上述说明的制造方法制作。将Sn含量为3～15质量％的铜锡合金粉末和纯铜粉末以成为表所示成分的方式混合，散布在基板上。但是，对于试样24及试样25，使用Cu-12Sn-15Ni-3P合金粉末代替铜锡合金粉末。另外，关于试样27～试样29、试样31、试样32，还混合了规定量的石墨粉末和SiC粉末。基板使用2.2mm厚的钢板。

散布的粉末进行第一烧结、轧制、第二烧结，得到厚度为0.9mm的轴承合金层。各试样的烧结条件如表2所示。

并且，通过上述说明的测定方法，进行轴承合金层内的高锡浓度区域(阈值1.1倍、即具有平均的Sn浓度的1.1倍以上的Sn浓度的区域)的个数及面积率。

在表3所示的条件下对各试样进行磨耗试验，测定试验后的试样的磨耗量。结果示于表4～表6。

[表2]

[表3]

试验机	环形磁盘摩擦磨耗试验机
		面压	10MPa
滑动速度	2.0m/min
		温度	200℃
润滑	润滑油
		对方轴	S55C
试验时间	5小时

根据表4所示结果，发现Cu-Sn合金含有1.5～10.0质量％的Sn、阈值为1.1倍的高锡浓度区域的个数每1mm²为5～93个的本发明实施例的试样1～试样23与不具有高锡浓度区域的比较例的试样41～试样47相比，如果为相同的Sn浓度，则基于磨耗试验的磨耗量减少。

[表4]

作为本发明的实施例的试样24和试样25，Cu-Sn合金除了4.0质量％Sn以外，还含有5.0质量％的Ni和1.0质量％的P。表5表示这些试样的磨耗试验的磨耗量。表5还显示了Sn浓度和高浓度区域的个数、面积率分别与试样24和试样25相同但不含Ni和P的试样13和试样20的试验结果。由表5所示的结果可知，如果Sn浓度及高浓度区域的个数、面积率相同，则由于Ni及P的添加，磨耗量减少。

[表5]

表6示出除了轴承合金为3.0质量％Sn的Cu-Sn合金之外还含有石墨和SiC的作为本发明实施例的试样26～试样29、试样31和试样32与不含有石墨和SiC的试样26和试样30的比较。由表6所示的结果可知，通过含有石墨和SiC，磨耗试验的磨耗量减少。

[表6]

表7表示本发明的试样与Cu-Sn合金的平均Sn浓度相同的比较例(未形成高浓度区域)的磨耗量的比较。从表7可知，高浓度区域的个数为40个/mm²的例比5个/mm²的例在耐磨耗性提高方面更优。无论哪种高浓度区域的个数，在平均Sn浓度为2.0质量％～8.0质量％的范围内，耐磨耗性的提高都更优异。

[表7]

符号说明

1 滑动构件

2 轴承合金层

3 滑动面

4 背衬层

6 高锡浓度区域

8 基质

Claims

1.一种具有滑动面的滑动构件，其包含含有Cu-Sn合金的轴承合金，其特征在于，所述Cu-Sn合金包含Sn1.5～10.0质量％，剩余部分是Cu以及杂质，从与所述滑动面垂直的截面来看具有所述Cu-Sn合金的平均Sn浓度的1.1倍以上的Sn浓度、面积为500μm²以上的高锡浓度区域分散存在，所述高锡浓度区域的个数为每1mm²5～93个。

2.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，从与所述滑动面垂直的截面看，所述高锡浓度区域的面积率为5～47％。

3.如权利要求1或2所述的滑动构件，其中，所述Cu-Sn合金的Sn为8.0质量％以下。

4.如权利要求1或2所述的滑动构件，其中，所述Cu-Sn合金的Sn为2质量％以上。

5.如权利要求1或2所述的滑动构件，其中，所述Cu-Sn合金还含有0～5.0质量％的Ni和0～1.0质量％的P中的任一种或两者。

6.如权利要求1或者权利要求2所述的滑动构件，其中，所述轴承合金还含有固体润滑剂颗粒和硬质颗粒中的任一种或两者。

7.如权利要求6所述的滑动构件，其特征在于，所述固体润滑剂颗粒为石墨颗粒。

8.如权利要求6所述的滑动构件，其特征在于，所述硬质颗粒为SiC颗粒。

9.如权利要求1或2所述的滑动构件，其特征在于，具备背衬层和该背衬层上的轴承合金层，所述轴承合金层包含所述轴承合金。

10.如权利要求9所述的滑动构件，其特征在于，所述滑动构件是滑动轴承。

11.一种轴承装置，其特征在于，包括权利要求10所述的滑动构件。