JP2007297707A - 銅と多成分の合金およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い機械的耐摩擦性と高い耐熱性を有する銅と多成分の合金を提供する。
【解決手段】Ｎｉ １．０から１５．０重量％、Ｓｎ ２．０から１２．０重量％、Ｍｎ ０．１から５．０重量％、Ｓｉ ０．１から３．０重量％、残分 Ｃｕおよび不可避の不純物、場合によって、個別または組み合わせでＴｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｂが１．５重量％まで、場合によって、個別または組み合わせでＢ、Ｚｒ、Ｐ、Ｓが０．５重量％まで、場合によって、Ｐｂ２５重量％までからなる、銅と多成分の合金とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅と多成分の合金およびその使用方法に関する。

従来から、銅−ニッケル−スズをベースとする加工用鍛錬合金は知られている。例えば、特許文献１には、このような合金が、耐腐食性、延性および可塑性に関して材料特性を改善する目的と共に記載されている。

特許文献２からも、銅−ニッケル−スズ合金およびそのような合金をさらに処理する方法が知られている。この方法は、合金を鋳造した後に、冷間成形方法と、特殊な材料特性を調節するために合金を均一化および焼き戻しするための温度処理とを含む。温度処理により、連続的および断続的な析出が、さらなるγ相の形成下に生じる。

特許文献３から、さらなる方法が知られており、この方法では、すべり素子用途のための銅−ニッケル−スズ合金を加工用鍛錬合金として、鋳造および成形の通常のステップに掛けるが、この際、最後の冷間成形の後で、熱処理により、γ−相を連続的および断続的析出として生じさせる。生じたγ−相の容量割合はこの場合、温度処理の際に選択された実施方法に左右される。

さらなる経過において、材料特性をさらに発展させるために絶えず、数多くの研究が銅−ニッケル−スズ合金の系において実施されている（特許文献４、特許文献５および特許文献６パンフレット）。いずれにせよ実際には、既知の方法技術を用いても、少なからぬ特性組み合わせ、例えば、耐摩擦性と耐熱性とを同時に最適化することはできないことが判明している。一方の材料特性の改善は、特定の使用領域では同程度に重要な他方の特性の負担となってしまう。

米国特許第１５３５５４２号明細書 米国特許第１８１６５０９号明細書 ドイツ特許第４１２１９９４Ｃ２号明細書 米国特許第４１４２９１８号明細書 米国特許第４４０６７１２号明細書 国際公開第２００５／１０８６３１Ａ１号

したがって、本発明の課題は、高い機械的耐摩擦性と高い耐熱性とが同時に生じるように、銅と多成分の合金を発展させることである。

本発明を、銅と多成分の合金に関しては、請求項１に記載の特徴により、その使用方法に関しては請求項７の特徴により示す。さらなる従属請求項は、本発明の好ましい発展形態に関する。

本発明はこの場合、非常に良好な耐摩擦性と同時に、特に、熱的負荷のかかる環境下ですべり素子として使用する場合に優れた耐熱性を示す銅と多成分の合金を提供するという考えから出発している。ケイ素またはマンガン含分が３重量％または５重量％の前記最大値を上回る場合には、さらに加工する際の困難、特にバンド材料での辺縁部亀裂により、圧延する際の困難を考慮しなければならない。元素Ｔｉ、Ｃｏ、ＣｒおよびＦｅの添加は、さらなるケイ化物相の形成に役立つ。ＳｂおよびＡｌは、すべり特性または耐腐食性の改善に基づき加えることができる。さらなる元素Ｂ、Ｚｒ、ＰおよびＳは、溶融物の脱酸素に役立つか、粒子微細化に寄与する。元素の鉛は、鋳物合金の製造に関している。

本発明によるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−加工用鍛錬合金は、スピノダル分解系であり、これは、中実材料として、さらに複合すべり素子において、エンジン構造内の軸受け材料として特に適している。これらの材料は、良好な摩擦および摩滅特性ならびに良好な耐腐食性を有する。熱安定性も優れている。

１から１５重量％のＮｉ含分および２から１２重量％のＳｎ含分を用いると、これらの材料において、６０％までの冷間成形率を達成することができる。軟化焼き入れと組み合わせると、複合材料に適した薄いバンドを製造することができる。この合金を、３００から５００℃の温度範囲で焼き戻し（auslagern）することもできる。これにより、材料は、進行するスピノダル分解により硬化する。これに加えて、連続的または断続的な析出も生じうる。析出硬化のこの形態は、二元銅−ベース合金よりも明らかに優れている。

二元銅−ベース合金および慣用のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金に対して、本発明で達成される利点は特に、材料特性を、圧延、均一化焼き入れおよび焼き戻しにより、それぞれの必要性に最適に合わせることができることにある。例えば、軟質または硬質銅−多成分合金層を、複合すべり素子において、機械的および熱的処理により、より硬い材料、例えば鋼と組み合わせることもできる。

本発明の特に好ましい実施形態では、銅と多成分の合金は、Ｍｎ２．５重量％までおよびＳｉ１．５重量％までを含有してよい。１．５重量％までのＳｉ含分および２．５重量％までのＭｎ含分で変性されたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ態様を、材料特性を改善しつつ製造することができることが判明している。同様に、さらなる実験室実験をこのために既に実施し、限界値を確認した。

これにより、硬い金属間相の形成によりＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金の耐摩擦性のさらなる改善を生じさせるという目的を追求する。このさらなる硬質物質相には、マンガン−ニッケル−ケイ化物が該当する。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金は概して、すべり特性、耐腐食性および室温での耐弛緩性に関して非常に良好な特性を示す。硬質相が生じると、混合摩擦の領域での粘着傾向が低下し、高温での耐熱性および延性がさらに上昇する。

耐摩擦性に寄与する構造成分と、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系のスピノダル分解性合金との組み合わせにより意外にも、一方では、摩擦による負荷が始まるまでの到達特性（Einlaufverhalten)を低減することができ、他方では、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｍｎ−Ｓｉからなるこのような材料は、耐熱性であると同時に十分に延性であることが判明した。

有利には、銅と多成分の合金は、Ｍｎ１．６重量％までおよびＳｉ０．７重量％までを含有してもよい。特に、Ｓｉ含有率が０．７重量％までであり、Ｍｎ含有率が１．６重量％までであると実際に、製造技術的な観点からも、問題なく製造することができることが保証された。ケイ素およびマンガンの含有率がさらに高い場合には、鋳造パラメーターによって、相応する調節を慣用の対策の範囲内で実施しなければならない。

有利には、銅と多成分の合金を３００から５００℃での温度処理に少なくとも１回掛けることができる。この場合、材料は、進行するスピノダル分解によって硬化する。

本発明の好ましい実施形態では、銅と多成分の合金を６００から８００℃での温度処理に少なくとも１回掛けることができる。この範囲での温度処理により、均一化が生じ、それにより、材料は、延性になる。

本発明の特に有利な実施形態では、銅と多成分の合金を６００から８００℃での溶解焼き入れを少なくとも１回と、３００から５００℃での焼き戻しを少なくとも１回との組み合わせに掛けることができる。この場合、材料は、進行するスピノダル分解により硬化する。この範囲での温度処理により、均一化が生じ、それにより、材料は、延性になる。均一化焼き入れならびに焼き戻しまたは圧延での材料の硬化により、銅と多成分の合金の材料特性を、それぞれの要求に最適に合わせることができる。

他の好ましい実施形態では、銅と多成分の合金を、すべり素子または差し込み結合材のために使用することができる。

本発明は、
Ｎｉ １．０から１５．０重量％、
Ｓｎ ２．０から１２．０重量％、
Ｍｎ ０．１から５．０重量％
Ｓｉ ０．１から３．０重量％、
残分 Ｃｕおよび不可避の不純物、
場合によって、個別または組み合わせでＴｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｂが１．５重量％まで、
場合によって、個別または組み合わせでＢ、Ｚｒ、Ｐ、Ｓが０．５重量％まで、
場合によって、Ｐｂ ２５重量％までからなる、銅と多成分の合金を包含するという形態とすることで実現した。

本発明の実施例を、次の実施例および図１に記載の走査電子顕微鏡写真により、詳細に説明する。

例：
一連の実験では、様々なＭｎ−Ｓｉ比を有するブロックを鋳造し、引き続き、冷間でさらに加工した。実験された合金態様を表１にまとめる。鋳造ブロックを７００から８００℃の温度範囲で均一化し、次いで、切削した。複数回の冷間成形および中間焼き入れにより、２．５から２．８５ｍｍの厚さを有するバンドを製造した。これらのバンドを冷間圧延し、７００から８００℃の温度範囲で焼き入れして、十分な冷間成形能（Kaltumformvermoegen）を達成した。

予測されたように、ケイ化物で変性されたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金の冷間成形能は、さらなるケイ化物相を伴わないＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金の場合よりもやや低いことが確認された。

このようなベルトは、さらなる方法ステップで、圧延クラッディング法により、硬い材料複合体に合わせることもできる。ケイ化物で変性されたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金は、ケイ化物不含の態様と比べて明らかに低い摩擦係数も有した。したがって本発明による合金は特に、エンジン、ギアおよびハイドロリックに関する各自動車領域ですべり素子（ブッシュ、スラストワッシャなど）として使用するための一次物質として適している。

図１は、銅と多成分の合金の表面の走査電子顕微鏡写真を示している。比較的微細に分布したマンガン−ニッケルケイ化物２をはっきりと見ることができ、これは、合金マトリックス１に包埋している。これらのケイ化物は、既に１１００℃付近の温度範囲で初析出として溶融物中に生じる。溶融物組成の有利な選択では、利用可能なケイ素およびマンガンは、ケイ化物に対して過剰に存在するニッケル成分と共に析出する。この場合にケイ化物の形態で消費されるニッケル割合を、マトリックスの後続の形成のために、溶融物中での比較的高いニッケル割合により相応に考慮することができる。

ケイ化物の組成は、予め設定された化学量論に必ずしも対応しない。製造方法の実施によって、特に冷却速度によって、三元金属間相が、（Ｍｎ、Ｎｉ）_ｘＳｉタイプのケイ化物の形態で析出し、これは、二元辺縁相Ｍｎ_５Ｓｉ_３およびＮｉ_２Ｓｉの間の範囲に位置する。

ケイ化物含有銅と多成分の合金のバンドの機械的特性は、圧延硬化状態で、５６０ＭＰａの引張り強度Ｒｍおよび４８０ＭＰａの弾性限度を、２５％の伸張度Ａ５と共に有する。硬度ＨＢは、約１７６である。

バンドの焼き戻しの後に、７１５ＭＰａの引張り強度Ｒｍおよび６３０ＭＰａの弾性限度Ｒｐ_０．２が、１７％の伸張度Ａ５と共に確定される。硬度ＨＢは、約２３５である。

走査電子顕微鏡写真で示す銅と多成分の合金の表面図である。

符号の説明

１ 合金マトリックス
２ マンガン−ニッケルケイ化物

Claims (7)

1. 銅と多成分の合金であって、
   Ｎｉ １．０から１５．０重量％、
   Ｓｎ ２．０から１２．０重量％、
   Ｍｎ ０．１から５．０重量％、
   Ｓｉ ０．１から３．０重量％、
   残分 Ｃｕおよび不可避の不純物、
   場合によって、個別または組み合わせでＴｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｂが１．５重量％まで、
   場合によって、個別または組み合わせでＢ、Ｚｒ、Ｐ、Ｓが０．５重量％まで、
   場合によって、Ｐｂ ２５重量％までからなる、銅と多成分の合金。
2. Ｍｎ２．５重量％およびＳｉ１．５重量％までを含有することを特徴とする請求項１に記載の銅と多成分の合金。
3. Ｍｎ１．６重量％およびＳｉ０．７重量％を含有することを特徴とする請求項２に記載の銅と多成分の合金。
4. ３００から５００℃での温度処理を少なくとも１回受けていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の銅と多成分の合金。
5. ６００から８００℃での温度処理を少なくとも１回受けていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の銅と多成分の合金。
6. ６００から８００℃での溶解焼き入れを少なくとも１回と、３００から５００℃での焼き戻しを少なくとも１回との組み合わせで受けていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の銅と多成分の合金。
7. すべり素子または差し込み結合材として使用することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の銅と多成分の合金の使用方法。

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