JP2002249844A - 摺動部品用銅合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Cu-Al系合金においてAl含有量を高くしても
脆化を起こさず、耐摩耗性及び耐焼付性がすぐれた摺動
材料を提供する。 【解決手段】 Cu：38 〜48％, Sn：1〜 2％, Pb： 4〜
20％, Al： 18〜30％,及びSi： 15〜 25％を含有する
銅合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、第１主成分として
Ｃｕを、第２主成分としてＡｌを含有するＣｕ−Ａｌ系
合金に関するものであり、さらに詳しく述べるならば耐
摩耗性と耐焼付性に優れた摺動部品用Ｃｕ−Ａｌ系合金
に関するものである。

【０００２】銅合金において、Ｃｕの次にＡｌ含有量が
多い合金（ＩＰＣ分類：Ｃ２２Ｃ９/０１）は摺動特性
もしくは耐食性などが要求される構造材料、肉盛り合金
などとして使用されており、そのＡｌ含有量上限は１０
数％である。より多い２０％のＡｌを含む銅合金はラネ
ー銅と称され、アクリルニトリル生成の触媒素材に供さ
れている（特開平７−１ ９７１１０号）。

【０００３】特開平１０−８２３１号公報によると、斜
板式コンプレッサーの斜板表面層に、Ｃｕ基鉛青銅合金
と、最大Ａｌ含有量が１２％のＣｕ基アルミニウム青銅
合金を混合溶射することが提案されている。この方法に
よると従来のＳｎめっき斜板よりも優れた耐摩耗性、耐
焼付性及び耐荷重性が得られている。

【０００４】耐摩耗性や耐焼付性などの性質が要求され
るアルミニウム合金系摺動材料としては従来以下のもの
が知られている。 （イ）共晶Ｓｉもしくは初晶Ｓｉによる耐摩耗性を利用
したＡｌ−Ｓｉ系溶製合金（アルジル合金）。この合金
ではＳｉ含有量は一般に３〜１８％であり、鍛造や鋳造
などにより素材形状に加工される。 （ロ）アルミニウム合金圧延板を加工しかつ熱処理する
過程においてＳｉ粒子、Ｆｅ粒子などの硬質粒子を塊状
化したアルミニウム合金（本出願人のドイツ特許第３２
４９１３３号）。この合金では塊状Ｓｉなどが相手軸を
なじませることにより優れた耐焼付性などを達成してい
る。 （ハ）Ａｌ−Ｓｎ系合金に少量のＣｒを添加することに
より、Ｓｎ相の粗大化を防止し耐疲労性を高めたアルミ
ニウム合金（本出願人の米国特許４１５３７５６号）。 （ニ）急冷凝固粉末を使用した粉末冶金合金（例えば特
許掲載公報第２５３５７８９号）。この公報では１５〜
３０重量％のＳｉを含有するアルミニウム合金溶湯を急
冷凝固させた粉末をホットプレスし、次に熱間押出する
ことにより耐摩耗性、機械的強度、軽量性、低熱膨張率
などの特性が優れた摺動材料を製造している。 前掲（イ）〜（ハ）の合金はＳｉ含有量が２０％を超え
ると鋳造が困難になり、鍛造などの加工はさらに困難に
なる。したがって、これらの合金の耐摩耗性はＳｉ量に
より制約されている。前掲（二）の合金は多量のＳｉを
含有することができるが、ホットプレスや熱間押出など
の成形方法を採用する必要が生じるので、例えば、斜板
式コンプレッサの斜板などへの適用は事実上不可能であ
る。一般に、アルミニウム合金の耐摩耗性は優れている
が、耐焼付性は劣るので、前掲（ハ）のようにＳｎの添
加がなされているが銅合金におけるＰｂ相ほどの効果は
ない。

【０００５】一方、銅合金のうち特に摺動合金としては
Ｐｂを添加して耐凝着性と耐焼付性を良好にしたＣｕ−
Ｐｂ系が多用されている。ところが、銅合金は耐摩耗性
が劣ってくるために、例えば本出願人の米国特許第５，
３２６，３８４号で提案されているようにＦｅ₂Ｐなど
の硬質物を添加して焼結を行うことが知られているが、
硬質物の添加によりなじみ性などは劣化することは避け
られない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ラネー銅などを除く従
来の一般的Ｃｕ−Ａｌ系合金ではＡｌ含有量が１０数％
以上となると金属間化合物が生成し、脆くなるので組成
は避けられてきた。上述のような状況ではアルミニウム
合金の耐摩耗性と銅合金の耐焼付性を一つの材料で実現
することはできないと考えられていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】Ｃｕ−Ａｌ系合金におい
てＡｌ含有量を２０％以上と高くしても、全体の組成を
所定範囲に制限し、かつ一定量のＰｂが存在していると
脆化の難点を克服することができ、しかもアルミニウム
合金の耐摩耗性と銅合金の耐焼付性を兼備できることが
見出された。

【０００８】即ち、本発明は、必須成分が、質量百分率
で、Ｃｕ：３０〜４８％、Ｓｎ：１〜２％，Ｐｂ：４〜
２０％，Ａｌ：１８〜３０％，Ｓｉ：１５〜２５％から
実質的になる銅合金を提供するものである。以下、本発
明を詳しく説明する。なお、百分率は特に断らない限り
質量％である。

【０００９】本発明の合金において、Ｃｕは基材物質で
あり、主として耐焼付性を担う。即ち、Ｃｕは軟質相と
してのＰｂを微細に分散させるマトリックスとなって耐
焼付性を発揮する。Ｃｕの含有量が３０％未満では通常
の銅合金に匹敵する耐焼付性が得られず、一方４８％を
超えると通常のアルミニウム合金に匹敵する耐摩耗性が
得られない。

【００１０】ＡｌはＣｕの次に量が多い物質であり、１
８％以上と多量に、即ちラネー銅と匹敵する程度添加し
ている。このように多量にＡｌを添加するとＣｕ−Ａｌ
系金属間化合物の生成は避けられないが、Ｃｕ量上限を
上述のように４８％と銅系合金としては低く抑えている
ので、Ｃｕ−Ａｌ系金属間化合物の生成量がある程度抑
えられ、耐摩耗性と耐焼付性の低下を防止することがで
きる。Ａｌ含有量が１８％より少ないと、Ｃｕマトリッ
クスに固溶するＡｌの割合が多くなり、この結果通常の
アルミニウム合金に匹敵する耐摩耗性が得られなくな
る。一方、Ａｌ含有量が３０％を超えると、全体の融点
が低下することによる強度低下を惹起し、Ｐｂの結合力
低下などが起こり、通常の銅合金に匹敵する耐焼付性が
得られない。

【００１１】ＳｎはＡｌ中に軟質相として分散して潤滑
性を付与し、またＣｕの強度を高める。Ｓｎの含有量が
１％未満ではこれらの作用が不足し、一方２％を超える
と強度低下をひきおこす。

【００１２】Ｓｉは粒子形態で存在して、耐摩耗性を高
める。通常のＡｌ−Ｓｉ合金ではＳｉ含有量が１２〜２
０％程度あり、即ちＳｉ／Ａｌ比率が１／４以下である
が、本発明組成ではＳｉ／Ａｌ比率が：０．５〜１程度
となっている。全体組成でＳｉ量が１５％未満であると
通常のアルミニウム合金に匹敵する耐摩耗性が得られ
ず、２５％を超えると通常の銅合金に匹敵する耐焼付性
が得られない。

【００１３】Ｐｂは軟質のＰｂ粒子として存在し、なじ
み性や耐焼付性を高める。その含有量が４％未満である
と通常の銅合金に匹敵する耐焼付性が得られず、一方２
０％を超えると通常のアルミニウム合金に匹敵する耐摩
耗性が得られない。より好ましいPｂ含有量は９〜１６
％である。

【００１４】本発明合金の組成は前記各成分と、少量の
不純物、例えば銅及びアルミニウムの不純物であるＦ
ｅ，Ni，銅の不純物であるＡｓ，Ｓ，Ｏなど、アルミニ
ウムの不純物であるＭｇ，Mnなどの鉱石もしくはスクラ
ップに由来する各種元素で１００％を構成する。これら
不純物の合計量は、Ｃｕ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ａｌ及びＳｉを
１００％として、その外割で、通常０．１〜３％以下で
あり、好ましくは０．１〜1．５％である。また、上述
のように本発明の合金組成の特徴は、必須元素であるＣ
ｕ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｓｉ及びＰｂの量を所定範囲に維持す
ると、上記以外の銅の脱酸剤であるＰ，銅に固溶するＡ
ｇ，銅を強化するＭｎ，銅及びアルミニウムを強化し、
特にＡｌ−Ｓｎ系アルミニウム合金に有用なＣｒ，銅に
固溶して耐食性を高めるＮｉ，銅の合金元素であるＺ
ｎ，Ｓｂなどの成分を若干量を、Ｃｕ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ａ
ｌ及びＳｉを１０％として、その外割で、例えば合計で
１０％以下添加しても、必須成分の性能は損なわれな
い。

【００１５】上記組成の銅―アルミニウム合金は、溶製
法、肉盛り法、溶射法、焼結法などで製造することがで
きるが、溶射法が最も好ましい。なお、溶製法ではイン
ゴットの寸法を薄くするなどの急速凝固条件を採用し、
焼結法では、Cu―Al系金属間化合物生成量が少ない銅リ
ッチ合金粉末とアルミニウムリッチ合金粉末を用意し、
これらを混合し、後者を溶融する液相焼結を行うことが
好ましい。

【００１６】図１には後述の高速火炎溶射法で銅合金粉
末とアルミニウム合金粉末を混合溶射して成膜した溶射
層の顕微鏡組織（エッチング方法：グラード液（塩化第
二鉄５ｇ、塩酸１０ｃｃ、水１００ｃｃ）で10秒間エッ
チング）を示す。この写真から次のことがわかる。
（イ）これら両粉末は溶射後では区別ができないが、極
く一部（面積割合では30％以下）に未溶解銅合金粉末が
認められる。（ロ）Ｓｉ粒子及びＰｂ粒子はそれぞれ灰
色及び白色を呈しており、一方金属間化合物に相当する
針状、多角系状などのようなものはほとんど認められな
い。（ハ）Ｓｉ粒子及びＰｂ粒子は同じ箇所に存在して
いるものが多いので、アルミニウム合金粉末のかなりの
部分は溶融して銅合金粉末と融合している。（ニ）銅合
金粉末は溶射時に基板に衝突した際に平坦化され、その
鉛粒子の集団が溶射層面に平行な形態を呈している。

【００１７】高速火炎溶射法のように急冷凝固組織とす
ると、Ｃｕ−Ａｌ系金属間化合物の生成による延性低下
を避けることができる。よって本発明の実施態様として
は、Ｓｉ粒子及びＰｂ粒子が存在し、金属間化合物が実
質的に存在しない組織の合金（請求項２）を提供する。

【００１８】溶射法はトライボロジストＶｏｌ．４１
（１９９６），Ｎｏ．１１，第１９〜２４頁に解説され
ている各種溶射法を採用することができるが、中でも高
速ガス火炎溶射法（HVOF, High velocity oxyfuel）を
好ましく採用することができる。この方法は同第２０頁
右側欄第４〜１３行に記載された「．．．高速ガス火焔
溶射法（HVOF, High Velocity Oxyfuel）で、この方法
は燃焼がガン内部（燃焼室）で行われ、酸素、燃料ガス
とも高圧になっており、ガスジェットの速度が非常に速
く、その粒子速度も爆発溶射に匹敵する。このＨＶＯＦ
の系列に入る各種溶射法が開発され、ダイアモンドジェ
ット、トップガン、連続爆発システムなどがある。」と
の特長を有している。溶射されたＡｌは急冷凝固により
硬化しているために、Ｓｉ粒子の保持力が高い特長を有
し、このためにＳｉ粒脱落による摩耗を抑えることがで
きる溶射粉末としてはＣｕ−Ｐｂ−Ｓｎ合金、Ａｌ−Ｓ
ｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｎ合金などのアトマイズ粉末を
使用することができる。溶射条件としては、酸素圧力
０．４５〜１．１０ＭＰａ、燃料圧力０．４５〜０．７
６ＭＰａ、溶射距離５０〜２５０ｍｍが好ましい。溶射
層の厚さは１０〜５００μｍが好ましい。溶射後はその
まま、あるいは表面を研磨して摺動層とすることができ
る。また、必要により、溶射後熱処理を行って、歪取
り、成分の均一化、アルミニウム合金からの時効性元素
の析出、低融点相の再溶融による皮膜結合力の向上など
を行ってもよい。

【００１９】本発明においては、溶射層の密着性を高め
るために、溶射層と基材の間に、銅、ニッケル、アルミ
ニウム、銅ニッケル系合金、ニッケルアルミ系合金、銅
アルミ系合金、銅スズ系合金、ニッケル自溶合金及びコ
バルト自溶合金からなる群より選択された1種又は２種
以上の材料からなる中間層をめっき、スパッタリング、
溶射等の方法により形成することが好ましい。これらの
材料はいずれも、それらの表面が粗なことが必要である
が、青銅と合金化し易いために、溶射層と裏金との接合
強度を高める。なお好ましい中間層の厚みは５〜１００
μｍである。銅−スズ合金としてはＣｕ−Ｓｎ−Ｐ系合
金を使用することができる。この合金は湯流れが良くか
つ酸化され難いので、溶射により中間層とすると優れた
性能が得られる。

【００２０】本発明により提供される銅合金は各種摺動
材料として使用することが出来るが、とりわけ斜板式コ
ンプレッサーの斜板のシューとの摺動面に成膜される摺
動層として優れた性能を発揮する。溶射表面層を、Ｐ
ｂ、Ｐｂ合金、Ｓｎ又はＳｎ合金めっきなどの軟質金属
層で被覆すると、これらは急速に摩耗して良好ななじみ
面を作るために、その後の摩耗が起こり難しくなる。軟
質金属層は、例えば主としてＰｂとＳｎからなるめっき
層である。さらに、上記した溶射表面層をＭｏＳ₂もし
くは黒鉛あるいはMｏＳ₂と黒鉛の混合物を含み、これら
を樹脂バインダー結合した皮膜で被覆することもでき
る。これらの被覆層の厚さは１〜５０μｍであることが
好ましい。

【００２１】

【実施例】実施例１ Ｃｕ−２３％Ｐｂ−３％Ｓｎ合金アトマイズ粉末（平均
粒径３０μm）（Ａ）とアルミニウム合金アトマイズ粉
末（但し、Ａ２０２４アルミニウム合金に４０％Ｓｉを
添加した合金のアトマイズ粉、平均粒径１００μm）
（Ｂ）を、混合比を変えて混合し、全体の組成中でＰｂ
含有量を９％，１０％，１２％，１４％，１５％もしく
は２０％と変化させた。各Ｐｂ含有量に対応する粉末A,
Bの組み合わせは以下のとおりである。但し、A粉末とB
粉末の配合比と組織全体の成分組成とは一致しないが、
理由は現在のところ不明である。

【００２２】９％Ｐｂ：Ａ粉末＝７０％、B粉末＝３０
％、全体の組成：４０％Ｃｕ，２％Ｓｎ、９％Ｐｂ，２
８％Ａｌ，２１％Ｓｉ。 １０％Ｐｂ：Ａ粉末＝７２％、B粉末＝２８％、全体の
組成：４１％Ｃｕ，２％Ｓｎ、１０％Ｐｂ，２７％Ａ
ｌ，２０％Ｓｉ。 １２％Ｐｂ：Ａ粉末＝７５％、B粉末＝２５％、全体の
組成：４３％Ｃｕ，２％Ｓｎ、１２％Ｐｂ，２５％Ａ
ｌ，１８％Ｓｉ。 １４％Ｐｂ：Ａ粉末＝７８％、B粉末＝２２％、全体の
組成：４５％Ｃｕ，２％Ｓｎ、１４％Ｐｂ，２２％Ａ
ｌ，１７％Ｓｉ。 １５％Ｐｂ：Ａ粉末＝８０％、B粉末＝２０％、全体の
組成：４５％Ｃｕ，２％Ｓｎ、１５％Ｐｂ，２１％Ａ
ｌ，１７％Ｓｉ。 ２０％Ｐｂ：Ａ粉末＝８３％、B粉末＝１７％、全体の
組成：４５％Ｃｕ，２％Ｓｎ、２０％Ｐｂ，１８％Ａ
ｌ，１５％Ｓｉ。

【００２３】市販の純アルミニウム圧延板にスチールグ
リッド(寸法０．７ｍｍ)によるショットブラストを施
し、表面を粗さRz４５μmに粗面化した基材に厚さ２５
０μｍに溶射した。溶射には、ＨＶＯＦ型溶射機（スル
ザーメテコ社製DJ）を使用し、下記条件で溶射を行っ
た。 酸素圧力：１．０３ＭＰａ，１５０ｐｓｉ 燃料圧力：０．６９ＭＰａ，１００ｐｓｉ 溶射距離：１８０ｍｍ 溶射厚さ：２５０μm 溶射合金を次の方法で耐摩耗性試験に供した。

【００２４】耐摩耗性試験方法 直径が８ｍｍの鋼球（ＳＵＪ２）を１ｋｇｆの荷重で試
験片の溶射層に押付け、０．５mm／秒の速度で摺動させ
た。試験結果を図２に示す。この図のグラフより摩耗深
さはＰｂ含有量に強く依存し、約１０．５％Ｐｂで摩耗
深さがゼロになっている。

【００２５】実施例２ 実施例１の１０％Ｐｂ合金の耐焼付性試験を以下の方法
で行った。 試験機：高圧雰囲気試験機 荷重付加方法：４MＰa〜１５MＰaまで２MＰa毎に漸増 潤滑油：冷凍機油＋冷媒混合 潤滑方法：循環噴霧式 相手軸：SUJ２ 比較のために、実施例１で使用した銅合金粉末のみ及び
アルミニウム合金粉末のみも溶射して耐焼付性を測定し
たところ次の結果が得られた。 本発明，銅―アルミニウム合金：１０〜１４ＭＰａ 比較例、銅合金：１５ＭＰａ 比較例アルミニウム合金：８ＭＰａ

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると耐
摩耗性及び耐焼付性を兼備した銅系合金が得られるの
で、各種摺動部品の性能向上に寄与するところが大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 全体組成が４１％Ｃｕ，２７％Ａｌ，１３％
Ｐｂ，１７％Ｓｉ，２％Ｓｎである溶射層の断面顕微鏡
写真である。

【図２】 実施例１における溶射層のＰｂ含有量（％）
と摩耗深さ（μm）の関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村松 省吾 愛知県豊田市緑ヶ丘３丁目65番地 大豊工 業株式会社内 (72)発明者 秋月 政憲 愛知県豊田市緑ヶ丘３丁目65番地 大豊工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 4K031 AA02 AB02 AB08 CB12 CB35 CB37 DA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 必須成分が、質量百分率で、Ｃｕ：３０
   〜４８％、Ｓｎ：１〜２％，Ｐｂ：４〜２０％，Ａｌ：
   １８〜３０％，及びＳｉ：１５〜２５％からなることを
   特徴とする摺動部品用銅合金。
2. 【請求項２】 Ｐｂ粒子及びＳｉ粒子が分散し、且つＡ
   ｌ−Ｃｕ系金属間化合物が実質的に存在しないことを特
   徴とする請求項１記載の摺動部品用銅合金。
3. 【請求項３】 Ｐｂ含有量が９〜１６％である請求項１
   又は２記載の摺動部品用銅合金。
4. 【請求項４】 斜板式コンプレッサーの斜板のシューと
   の摺動面に成膜されたことを特徴とする請求項１から３
   までの何れか１項記載の摺動部品用銅合金。