JP2005060808A

JP2005060808A - 耐摩耗性、耐焼付性に優れた摺動部材用銅合金

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Publication number: JP2005060808A
Application number: JP2003296148A
Authority: JP
Inventors: Hidemasa Takeuchi; 英昌竹内; Takayuki Ueda; 貴之植田
Original assignee: KAIBARA KK
Current assignee: KAIBARA KK
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】摺動用部材として使用されている鉛青銅と同等の耐摩耗性、耐焼付性を有すること。
【解決手段】Ｓｎ：４．０〜１０．０質量％、Ｂｉ：４．０〜１６．５質量％、を含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなり、Ｂi 粒子が銅合金に均一に分布している。必要に応じて、Ｓｅ：１．０質量％以下、Ｓｂ：０．２〜０．５質量％、のうちのどちらか一方を含有する。
【効果】環境に有害な鉛を減少させ、環境問題の解決に貢献できる。また、銅合金材料のリサイクルによって、資源の節約、産業廃棄物の減少に貢献できる。
【選択図】なし

Description

本発明は、環境や衛生面に配慮し、しかも、耐摩耗性、耐焼付性に優れた摺動部材用の銅合金に関するものである。

近年、青銅製給水器具などでは、水質基準強化に伴う対応が模索され、環境や衛生面に悪影響を与える鉛を含有する鉛青銅に代わり、耐食性に優れた鉛フリー合金材料の開発が給水関係を中心として検討され、成果を挙げてきている。

しかしながら、自動車、産業機械、建設機械及び農業機械などの摺動部材用銅合金では、依然として耐摩耗性と耐焼付性に優れた鉛青銅が多く使用されているのが現状である。
ＪＩＳＨ５１２０（１９９７）ＣＡＣ６０２，６０３，６０４

従って、これらの自動車、産業機械、建設機械及び農業機械などにおいても、将来は鉛を含む銅合金鋳物の使用そのものが問題視され、摺動部材用鉛フリー銅合金が望まれるようになることは必定である。そして、この摺動部材用鉛フリー銅合金にあっては、耐摩耗性や耐焼付性に優れていることが必須の要件になる。

ところが、給水関係を中心として現在多く使用されている鉛を含有しない銅合金には、摺動用部材として使用されている前記鉛青銅と同等の耐摩耗性と耐焼付性を有するものはない。

解決しようとする問題点は、従来の鉛を含有しない銅合金には、摺動用部材として使用されている鉛青銅と同等の耐摩耗性、耐焼付性を有するものは存在しない点である。

本発明は、ＢｉをＰｂの代替元素として添加することにより、摺動用部材として使用されているＪＩＳに規定の鉛青銅と同等の耐摩耗性と耐焼付性を有する摺動部材用銅合金を得ることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、環境に有害な鉛を人々の生活環境から減少させ、環境問題の解決に貢献できるという利点がある。
また、銅合金材料のリサイクルによって、資源の節約、産業廃棄物の減少に貢献できるという利点もある。
さらに、環境に無害な他の鉛フリー合金材料の開発への応用が期待できるという利点もある。

本発明に係る耐摩耗性、耐焼付性に優れた摺動部材用銅合金は、
Ｓｎ：４．０〜１０．０質量％、
Ｂｉ：４．０〜１６．５質量％、
を含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなり、Ｂi 粒子が銅合金に均一に分布している構成とし、
必要に応じて、
Ｓｅ：１．０質量％以下、
Ｓｂ：０．２〜０．５質量％、
のうちのどちらか一方を含有することとしている。

本発明に係る摺動部材用銅合金では、環境に無害のＢｉを鉛の代替元素として母材中に均一に分散させることで、鉛を使用することなく、耐摩耗性・耐焼付性などの軸受性能の向上が図れる。

次に、本発明に係る摺動部材用銅合金における化学組成の限定理由を説明する。
Ｓｎ：Ｓｎは合金の強度（引張強さ、耐力、硬さ）、耐食性、耐摩耗性、耐焼付性向上のために配合されるものであるが、摺動部材に採用される前述のＪＩＳに規定の鉛青銅（ＣＡＣ６０２，６０３，６０４）のＳｎの含有量の７．０〜１１．０質量％に対して本発明では４．０〜１０．０質量％としている。

４．０質量％未満では、摺動部材に必要な強度、耐食性、耐摩耗性が得られず、１０．０質量％を超えた場合には、伸び、衝撃値が低下し、鋳造時に微細収縮巣が多く発生し、逆に強度が低下する。

Ｂｉ：本発明では、環境や衛生面に配慮しつつ耐焼付性を向上させるためにＢｉを添加する。ＢｉはＰｂと同じようにマトリックス中に単独で存在するが、Ｐｂよりも融点が約５６℃も低いので、Ｐｂを添加した場合よりも潤滑効果が良くなり、相手材とのなじみ性が向上する。また、比重も９．７８とＰｂより約１．６小さいので偏析が少なくより均一に分散される。

しかしながら、４．０質量％未満ではその効果が低い。一方、１６．５質量％を超えると合金強度が低下するとともにＢｉの重力偏析が生じ、また、材料のコストも高くなる。従って、本発明ではＢｉの含有量を４．０〜１６．５質量％としている。

Ｓｅ：強度を向上するために必要に応じて微量添加するが、１．０質量％を超えるとその効果がなく、コストも高い。従って、本発明ではＳｅの含有量を１．０質量％以下としている。

Ｓｂ：Ｓｅと同じ働きでＳｅに代えて添加するが、０．２質量％未満及び０．５質量％を超えると効果は薄れる。従って、本発明では、必要に応じて添加するＳｂの含有量を０．２質量％〜０．５質量％としている。

以下、本発明の摺動材料用銅合金の効果を確認するために、実施例と比較例を対比しながら説明する。
銅合金鋳物の鉛フリー化のための研究開発として、軸受用合金であるＪＩＳ規格のＣＡＣ６００系の鉛代替元素としてＢｉ単体、Ｂｉ−Ｓｅ、Ｂｉ−Ｓｂを複合添加した３種類のＣＡＣ６００系鉛代替合金の機械的性質、軸受性能について従来のＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ６０２，６０３，６０４との比較試験を行った。

目標組成、注湯温度を下記表１に示す。
溶解は容量６００ｋｇの高周波誘導炉を用い、Ｃｕ，Ｓｎ，Ｂｉをそれぞれ単体で、全量４００ｋｇを溶解し、先に５質量％Ｂｉを注湯後、順次Ｂｉを増量添加して１０質量％、１５質量％に調製し、Ｓｎは残湯及びＢｉ増量分を配合計量して添加した。また、Ｓｅ，Ｓｂは取鍋内で添加した。

脱酸はＰ−Ｃｕを用い、所定の温度で、機械的性質試験用のテストピース（以下、「Ｔ．Ｐ」と略す。）、軸受性能試験用のＴ．Ｐを、以下の夫々の製造用型に注湯した。
機械的性質試験用のＴ．Ｐ：砂型Ａ号、金型Ｅ号（ＪＩＳＨ５１２０）
軸受性能試験用のＴ．Ｐ：内径が６０ｍｍの砂型

Ｃｕを除く化学成分の分析結果を下記表２に示すが、本実施例のＡ〜Ｉでは、Ｂｉ含有量が５質量％から１６．５質量％と多くなるにつれて、現行の鉛青銅（ＣＡＣ６０２，６０３，６０４：りん添加量同一）に比べてＳｎの酸化ロスが多い傾向を示した。

次に、機械的性質の試験結果を下記表３及び表４に示すが、本実施例では溶湯の酸化が強いため、砂型Ａ号や金型Ｅ号に注湯した溶湯は酸化物が浮上せず、Ｔ. Ｐ内に異物が混入し、現行の鉛青銅（ＣＡＣ６０２，６０３，６０４）に比べて機械的性質は低い値になった。

しかしながら、鋳込み温度を高くするなど鋳造法案の変更により酸化物の浮上を促進すれば、Ｔ．Ｐ内への異物の混入はなくなり、機械的性質は現行の鉛青銅（ＣＡＣ６０２，６０３，６０４）と同程度になると考えられる。

次に、軸受性能試験の条件を下記表５に示す。

１）耐焼付性評価試験方法
図１に示したように、４１８８ｒｐｍ（摺動速度５ｍ／ｓｅｃ）で回転している回転軸１に取り付けられた円筒形の相手材２に、アンビル３上に配置した円盤形状の供試材４を、ならし運転の後、焼付きが発生するまで、潤滑油６に浸漬した状態で、毎分２４０ｍリットルずつ潤滑油を供給しながら、図２に示す荷重プログラムに従って押し付ける（最大５８８０Ｎ) 。そして、焼付きが発生したときの押付荷重の大きさから得られるＰＶ値（焼付ＰＶ値）を耐焼付性の評価とする。なお、図１中の５は供試材４の温度を測定する熱電対を示す。

なお、本実験において、焼付きというのは以下の現象のうち１つ以上が発生した場合のことを示す。
ａ）供試材４の温度が２５０℃以上になった場合
ｂ）摩擦力が５０Ｎ・ｃｍ以上になった場合

２）耐摩耗性評価試験方法
上述の耐焼付性評価試験方法と同じ条件でならし運転をした後、所定の押付荷重（８００Ｎ）で、図３に示す荷重プログラムに従って１時間押し付ける。そして、供試材の試験後の摺動痕深さを耐摩耗性の評価とする。
なお、上述の耐焼付性評価試験方法や耐摩耗性評価試験方法におけるならし運転とは、図２や図３の荷重プログラムに示すように、試験初期の５分間、軽荷重（５００Ｎ）で行う運転をいう。

上記の試験結果を下記表６に示す。
下記表６より以下のことが判明した。
１）焼付ＰＶ値（耐焼付き性）について
本発明の実施例である、鉛代替元素としてＢｉ単体、Ｂｉ−Ｓｅ、Ｂｉ−Ｓｂを添加した鉛代替合金は、Ｂｉ添加量が５質量％、１０質量％、１５質量％の何れの添加量とも、現行のＣＡＣ６００系鉛青銅より焼付ＰＶ値は若干高く、耐焼付き性は向上する傾向が認められた。

また、本発明の実施例は、Ｂｉ単体、Ｂｉ−Ｓｅ及びＢｉ−Ｓｂ複合添加の何れであっても大きな差異はないが、Ｂｉ−Ｓｅを添加した代替合金（実施例Ｂ，Ｅ，Ｈ) は他の合金と比較して若干焼付ＰＶ値が高い結果が得られた。

２) 摺動痕深さ（耐摩耗性）について
本発明の実施例は、現行のＣＡＣ６００系との差異はほとんど認められず、また、本発明の実施例同士の差異も殆どない。

以上ＣＡＣ６００系において、Ｂｉ添加量を、５質量％、１０質量％、１５質量％添加した鉛代替元素の軸受性能に及ぼす影響調査を行ったが、現行のＣＡＣ６００系合金と比較して軸受性能に悪影響を及ぼすことはないと考えられる。
すなわち、本発明では耐焼付性と耐摩耗性が鉛青銅と同等の高レベルで両立している。

本発明は、摺動部材だけでなく、他の用途の鉛フリー合金材料の開発への応用にも適用できる。

スラスト摩擦摩耗試験の概要を説明する図である。耐焼付性評価試験のプログラムを表した図である。耐摩耗性評価試験の荷重プログラムを表した図である。

符号の説明

２相手材
４供試材

Claims

Ｓｎ：４．０〜１０．０質量％、
Ｂｉ：４．０〜１６．５質量％、
を含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなり、Ｂi 粒子が銅合金に均一に分布していることを特徴とする耐摩耗性、耐焼付性に優れた摺動部材用銅合金。
請求項１記載の耐摩耗性、耐焼付性に優れた摺動部材用銅合金において、
Ｓｅ：１．０質量％以下、
Ｓｂ：０．２〜０．５質量％、
のうちのどちらか一方を含有することを特徴とする耐摩耗性、耐焼付性に優れた摺動部材用銅合金。