JP2005220385A

JP2005220385A - 摺動部材用Ｃｕ基合金

Info

Publication number: JP2005220385A
Application number: JP2004027442A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sawada; 俊之澤田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】本発明は環境負荷物質である鉛を使用せず、かつ、摺動性に優れたＣｕ基合金を安価に提供する。
【解決手段】質量％で、Ｎｉ：５〜４０％、Ｚｒ：２〜１０％、Ｓ：０．５〜５％を含み、残部Ｃｕおよび不可避的不純物よりなる摺動部材用Ｃｕ基合金。また、上記Ｃｕ基合金に加えて、Ｚｎ：３０％以下、Ｓｎ：２０％以下、Ｐ：１％以下、Ａｌ：１０％以下、の中から１種または２種以上の元素を添加してなる摺動部材用Ｃｕ基合金。さらに、上記のＣｕ基合金に加えて、Ｆｅ：１０％以下を添加してなる摺動部材用Ｃｕ基合金。
【選択図】なし

Description

本発明は、すべり軸受けなどの摺動面を有する摺動部材用Ｃｕ基合金に関し、特に初期なじみ性に優れた摩擦係数の低い摺動部材用Ｃｕ基合金に関するものである。

従来、摺動面を有する摺動部材としては、焼結含油軸受けが最も一般的である。これは青銅系や鉄銅系粉末を空孔のある状態に焼結し、タービン油やスピンドル油、合成油などを含浸させることにより界面の潤滑を促し摩擦係数を下げるものである。また、必要に応じて黒鉛、二硫化モリブデン、鉛などの固体潤滑作用のある物質を含む場合もある。

一方、使用温度環境が高温になる場合や周囲の機器との関係で油を使用することができない部材の場合は油による界面潤滑よりは効果は低下するが、マトリックスに黒鉛、二硫化モリブデン、鉛などの固体潤滑材や樹脂粉末などを含ませた合金摺動部材も使用されている。この場合のマトリックスとしては、含油軸受けと同様、青銅系や鉄銅系に加えて鉄系合金も使用される。部材としては、含油軸受けと同様に焼結部材を使用する場合や溶射などの表面被覆を施す場合がある。

これら摺動部材の摩擦係数は初期段階では摩擦係数が高く、その後次第に低下して安定した摩擦係数を示すようになる。この初期なじみに要する時間は短いほど好ましいため、マトリックスとしては、耐面圧性や耐久性に支障がない範囲でなるべく軟質な合金、例えば青銅系材料などの銅系合金が一般的である。また、摺動部材の相手材としては鉄系材料が一般的であるため、相手材と凝着を起こすような「とも材」とならない銅系材料は鉄系合金よりもその点からも有利である。

一方、固体潤滑材の中で二硫化モリブデンは最も効果のあるものとして知られているが、焼結や溶射時に高温に晒された際、その多くが酸化されて潤滑性が失われてしまうため製造条件や施工方法に制限があり一般的でない。樹脂粉末も同様の理由に加えてコストが高くなるため普及には至っていない。また、黒鉛は、例えば「粉末および粉末冶金」Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．１１第１０１１〜１０１９頁「メカニカルアロイングした銅−錫−グラファイト系粉末の焼結と摩擦摩耗特性」（非特許文献１）に開示されているように、通常、マトリックス合金粉末と混合されて使用されるが、密度が大きく異なる黒鉛粉末とマトリックスの銅系粉末とを均一に混合することは非常に困難であり、メカニカルアロイングのような複雑な工程を必要とする。

さらに、黒鉛は銅系合金の溶湯に対して固溶しないため溶解時に黒鉛を加えて合金中に黒鉛を分散させることもできない。これらの理由から現在では青銅系などのマトリックス中に鉛を分散させた摺動部材用合金が最も広く使用されており、例えば「粉末および粉末冶金」Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．８第７８０〜７８３頁「Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系合金の機械的性質ならびに摩擦摩耗特性に及ぼすＮｉ−Ｂ化合物添加の影響」（非特許文献２）に開示されているように、Ｎｉ−Ｂ化合物を添加し、さらに耐摩耗性を改善している例も見られる。しかし、鉛は環境汚染の原因にもなるため、これに代わる鉛レスの摺動部材用合金の開発が強く望まれていた。

粉末および粉末冶金」Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．１１第１０１１〜１０１９頁「メカニカルアロイングした銅−錫−グラファイト系粉末の焼結と摩擦摩耗特性粉末および粉末冶金」Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．８第７８０〜７８３頁「Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系合金の機械的性質ならびに摩擦摩耗特性に及ぼすＮｉ−Ｂ化合物添加の影響

上述したような要求に対し、上記のようにグラファイト粉末を混合して焼結する方法などが検討されているが、しかしながら、混合工程が複雑になるなど課題が残されている。そこで、本発明は環境負荷物質である鉛を使用せず、かつ、摺動性に優れたＣｕ基合金を安価に提供することを目的とする。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、鉛と同様に柔らかくて潤滑作用のある二硫化ジルコニウムを活用することに着目し、初期なじみ性に優れたＣｕ基マトリックス中に二硫化ジルコニウムを分散させるための方法について検討した。その結果、ＣｕにＮｉ、Ｚｒ、Ｓを添加して溶解することにより、Ｃｕ基マトリックス中に二硫化ジルコニウムを良好に分散できることを見出した。その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｎｉ：５〜４０％、Ｚｒ：２〜１０％、Ｓ：０．５〜５％を含み、残部Ｃｕおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする摺動部材用Ｃｕ基合金。

（２）前記（１）に記載のＣｕ基合金に加えて、Ｚｎ：３０％以下、Ｓｎ：２０％以下、Ｐ：１％以下、Ａｌ：１０％以下の中から１種または２種以上の元素を添加することを特徴とする摺動部材用Ｃｕ基合金。
（３）前記（１）または（２）に記載のＣｕ基合金に加えて、さらに、Ｆｅ：１０％以下を添加することを特徴とする摺動部材用Ｃｕ基合金にある。

上記のように、本発明は、環境汚染の原因となる鉛を使用せず、かつ、摺動性に優れた低摩擦部材を安価に供給することができるＣｕ基合金を提供することにある。

以下、本発明について詳細に説明する。
発明者らは、鉛と同様に軟らかくて潤滑作用のある二硫化ジルコニウムを活用することに着目し、初期なじみ性に優れたＣｕ基マトリックス中に二硫化ジルコニウムを分散させるための方法について検討した。その結果、ＣｕにＮｉ、Ｚｒ、Ｓを添加して溶解することにより、Ｃｕ基マトリックス中に二硫化ジルコニウムを良好に分散できることを見出したことにある。

この摺動部材用合金は二硫化ジルコニウムがＣｕ基マトリックス中に均一分散して摩擦係数を低下させる。また、Ｃｕ基マトリックスはＮｉにより固溶強化され、また、Ｓと結合しなかった一部Ｚｒによっても固溶強化され、耐面圧、耐久性と初期なじみ性に優れたＣｕ基マトリックスを形成する。さらに、Ｃｕ基マトリックスを強化する手段として、ＺｎやＳｎ、Ｐ、Ａｌなどの一般的なＣｕ基合金強化元素を添加しても良い。また、Ｓを添加する際、硫化鉄や硫化ニッケルとして添加しても良い。

二硫化ジルコニウムを形成させるためにＳを添加する際、ＣｕはＳと均一な液相を形成しない。このため、Ｎｉを添加することによりＳを含む均一な液相となる。また、この際硫化ニッケルとして添加することによりＳの突沸を防いで成分のコントロールもしやすくなる。凝固する際にＳはＺｒと二硫化ジルコニウムを形成してＣｕ基合金中に均一に分散する。

均一な液相を形成するために添加されたＮｉは凝固の際、Ｃｕ中に固溶されＣｕ基マトリックスの強化に利用される。また、Ｓと結合しなかったＺｒはＮｉと同様にマトリックス強化元素として利用される。この強化度合いはＮｉ、Ｚｒ量によるＣｕ基マトリックスの硬さコントロールによって調整可能であり、摺動環境により最適なマトリックス設計が可能である。

さらに、耐面圧性や耐久性などが求められる場合、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｌなどのマトリックス強化元素のうち、１種以上を同時に添加しても良く、初期なじみ性と耐面圧性、耐久性とのバランスによって添加量をコントロールして調整可能である。また、Ｓの添加手段として入手しやすい硫化鉄として添加しても良く、その鉄成分はＣｕ基強化元素として利用される。

以下、本発明に係る成分組成の限定理由について説明する。
Ｎｉ：５〜４０％
Ｎｉは、Ｓを合金中に固溶させ、ＺｒＳ₂を均一に分散させるために必須な元素である。さらに、Ｃｕ基マトリックスを固溶強化し、耐面圧性を改善する効果もある。しかし、５％未満ではＳを合金中に固溶させる効果が小さく、また、４０％を超える添加は、Ｆｅ基の相手材に対する凝着が大きくなってしまう。そのため、その範囲を５〜４０％とした。なお、好ましくは、１０〜３５％である。

Ｚｒ：２〜１０％
Ｚｒは、Ｓと結合し自己潤滑性を有するＺｒＳ₂を析出させるために必須な元素である。さらに、Ｓと結合しなかった一部ＺｒはＣｕ基マトリックスを固溶強化し、耐面圧性を改善する効果もある。しかし、２％未満ではＺｒＳ₂析出量が十分でなく、また、１０％を超えて添加しても効果が飽和する。従って、その範囲を２〜１０％とした。なお、好ましくは、３〜８％である。

Ｓ：０．５〜５％
Ｓは、Ｚｒと結合し自己潤滑性を有するＺｒＳ₂を析出させるために必須な元素である。しかし、０．５％未満ではＺｒＳ₂析出量が十分でなく、また、５％を超えて添加しても効果が飽和する。従って、その範囲を０．５〜５％とした。なお、好ましくは１〜４％である。

Ｚｎ：３０％以下
Ｚｎは、Ｃｕ基マトリックスを強化し、耐面圧性を改善する。しかし、３０％を超えて添加しても効果が飽和する。従って、その上限を３０％とした。なお、好ましくは、１〜１０％である。
Ｓｎ：２０％以下
Ｓｎは、Ｃｕ基マトリックスを強化し、耐面圧性を改善する。しかし、２０％を超えて添加しても効果が飽和する。従って、その上限を２０％とした。なお、好ましくは、１〜１５％である。

Ｐ：１％以下
Ｐは、Ｃｕ基マトリックスを強化し、耐面圧性を改善する。しかし、１％を超えて添加しても効果が飽和する。従って、その上限を１％とした。なお、好ましくは、０．１〜０．８％である。
Ａｌ：１０％以下
Ａｌは、Ｃｕ基マトリックスを強化し、耐面圧性を改善する。しかし、１０％を超えて添加しても効果が飽和する。従って、その上限を１０％とした。なお、好ましくは、１〜８％である。

Ｆｅ：１０％以下
Ｆｅは、Ｓを添加する際、ＦｅＳを母材とすることが効率的である。また、Ｃｕ基マトリックスを強化し、耐面圧性を改善する。しかし、１０％を超えて添加してもマトリックス強化の効果が飽和する。従って、その上限を１０％とした。なお、好ましくは、０．５〜８％である。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
表１に示す成分組成に調整した、２ｋｇの母材をＡｒ雰囲気中で誘導加熱炉にて溶解し、インゴットを作成した。このインゴットより切り出してφ５×１３ｍｍのピンオンディスク試験用のピンを各３本作製した。評価項目として、ピンオンディスク摩擦摩耗試験は、ピン本数：３本
ディスク：φ６０×１２ｍｍＳＣｒ４２０
試験条件：大気雰囲気３００℃ ピンにかかる押付け応力＝５ＭＰａ、摩擦速度＝０．３ｍ／ｓ
上記条件において比較的初期の摩耗である０から１００ｍの間の摩擦における平均摩擦係数で評価した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜８は本発明例であり、Ｎｏ．９〜１１は比較例である。比較例Ｎｏ．９はＮｉの添加量が少ないために、平均摩擦係数が高い。比較例Ｎｏ．１０はＮｉ添加量が高いために、上記同様に平均摩擦係数が高い。比較例Ｎｏ．１１はＺｒ添加量が低く、かつＳ添加量も低いために、平均摩擦係数が高いことが分かる。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜８はいずれも平均摩擦係数が低く、初期なじみ性に優れた低摩擦部材を安価に供給することができる。

実施例はインゴットを用いた摩擦試験であるが、摺動部材の製造方法は溶射や成形焼結、ＨＩＰ、ホットプレス等一般的な固化成形方法などでも構わない。また、Ｚｎ，Ｓｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｆｅ以外にも代表的なＣｕ基合金の強化元素であるＳｉ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｎ等を適量添加しても構わない。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、Ｎｉ：５〜４０％、Ｚｒ：２〜１０％、Ｓ：０．５〜５％を含み、残部Ｃｕおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする摺動部材用Ｃｕ基合金。
（２）請求項１に記載のＣｕ基合金に加えて、Ｚｎ：３０％以下、Ｓｎ：２０％以下、Ｐ：１％以下、Ａｌ：１０％以下の中から１種または２種以上の元素を添加することを特徴とする摺動部材用Ｃｕ基合金。
（３）請求項１または２に記載のＣｕ基合金に加えて、さらに、Ｆｅ：１０％以下を添加することを特徴とする摺動部材用Ｃｕ基合金。