JP2007527953A - 焼結された滑り軸受け材料、滑り軸受け複合体材料並びにその用途 - Google Patents

焼結された滑り軸受け材料、滑り軸受け複合体材料並びにその用途 Download PDF

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Abstract

【課題】 銅−錫−ビスマスをベースとする価格的に有利で、焼結された滑り軸受け材料の提供。
【解決手段】 この課題は、銅合金よりなる焼結された滑り軸受け材料において、１０〜１５重量％の錫、０．５〜１０重量％のビスマス、５〜１２重量％のグラファイトおよび残量の銅よりなることを特徴とする、上記滑り軸受け材料によって解決される。

Description

本発明は、銅合金よりなる焼結された滑り軸受けに関する。本発明は、滑り軸受け複合体材料並びに滑り軸受け材料あるいは滑り軸受け複合体材料の用途にも関する。
滑り軸受けを製造するためには、要求プロフィール次第で、なかでも適当な添加成分を含有するアルミニウム合金または銅合金が使用される。埋め込み性を改善するために軟質成分として鉛が添加される。
滑り速度が小さい非潤滑運転用途のためには、グラファイト成分を含有する銅−錫−鉛合金が使用される。鉛の毒性のために、滑り軸受け材料の既に従来に達成された長所を捨てる必要ない代替物質が探求されている。
ここで救済処置を講ずるために、ヨーロッパ特許出願公開第０，２２４，６１９Ａ１号明細書では、銅合金の鉛成分を減らすかまたは完全に排除しそして代わりにビスマスを使用する、内燃機関における油潤滑式ベアリングシェルが提案されている。匹敵する容量部の鉛およびビスマスを含有する銅−鉛−および銅−ビスマス−軸受けを用いる負荷試験において、銅−ビスマス合金がより良好な改善をもたらすことが確認できた。
それ故にヨーロッパ特許出願公開第０，２２４，６１９Ａ１号明細書では、特に耐蝕性を改善するためにも、５〜２５重量％のビスマス含有量が挙げられており、この場合には追加的に１０重量％までの錫、１重量％までの鉛並びに銀、アンチモン、亜鉛、燐またはニッケルを含有していてもよい。
鋼鉄製裏材の上に焼結されるか、注型またはロール加工できるこれらの合金は、１２〜１８重量％のビスマス、１〜３重量％の錫および０．５重量％の鉛を有する場合に最も良好な性質を示す。鉛を省いた場合には、ビスマスの含有量は１２〜２０重量％の範囲ですらありそして錫の含有量は１〜２重量％であることが記載されている。
ビスマスの割合が多いためにおよびそれに伴ってコストが掛かるために、プラスの性質を保持しながら価格的に有利な滑り軸受け材料を見出すことが要求されている。
それ故に本発明の課題は銅−錫−ビスマスをベースとする価格的に有利な、焼結された滑り軸受け材料を提供することである。
この課題は、銅合金よりなる焼結された滑り軸受け材料において、１０〜１５重量％の錫、０．５〜１０重量％のビスマス、５〜１２重量％のグラファイトおよび残量の銅よりなることを特徴とする、上記滑り軸受け材料によって解決される。
本発明の解決法は、グラファイトを添加しそして錫の割合を増やした場合に、ビスマスの割合を著しく減らすことができるという驚くべき知見に基づいている。錫およびグラファイトはビスマスよりも安価であるので、この本発明の解決法によって滑り軸受け材料の製造費用を著しく低減することができる。更に、従来技術によれば少なくともビスマスの割合が少ない場合には必要とされていた鉛を省略することができた。従って、明らかに良好な摩擦特性を有する安価で鉛不含の材料が提供された。
ビスマスの割合を減らしそして錫およびグラファイトの割合を増やすことによって、マトリックスの割合、即ち銅の割合は大きく変化させない。このことがビスマスの割合の多い公知の滑り軸受け材料に比較して強度が変化しないままであるという長所をもたらしている。錫の割合はこの場合にビスマスの割合よりも依然として多い。
ビスマスの割合を５％より少なく、即ち０．８〜＜５重量％に調整するのが特に有利である。
別の有利なビスマスの範囲は８〜１０重量％である。
錫の割合は好ましくは＞１０〜１３重量％、特に好ましくは１１〜１３重量％である。
グラファイトを添加することは、それどころか耐摩耗性を更に向上させることができるという長所を有していることが判った。
グラファイトの割合のためには天然グラファイトを用いるのが有利である。合成グラファイトを使用することも可能である。
グラファイトは、それの９９％が＜４０μｍの粒度を有する粒子であるのが有利である。このグラファイトはｆ−グラファイトと称され、滑り軸受け材料を設けた滑り層が微細運動している場合に特に有利である。
大きい空間で滑り運動する場合には、１００〜６００μｍの粒度を有するいわゆるｐ−グラファイトが特に有利である。特に有利な粒度は１００〜３００μｍである。このグラファイトはｐｆ−グラファイトとも称する。
滑り軸受け材料は固体材料（Vollmaterial）から製造することができる。この場合には、滑り軸受け材料が追加的に焼結助剤を含有する場合が有利である。焼結助剤としては1〜3重量％のＭｏＳ２および／または０．５〜２重量％のＣｕＰが適しており有利である。
滑り軸受け材料は例えば鋼鉄または青銅よりなる支持材料の上に適用してもよい。この場合には、滑り軸受け材料が支持体材料の上で焼結されている滑り軸受け複合体材料である。焼結助剤は、この実施態様においてはこの滑り軸受け材料には添加されない。
滑り軸受け材料あるいは滑り軸受け複合体材料は非潤滑運転式軸受けに使用するのが有利である。他の特に有利な用途は、ラジアル滑り軸受け、アキシアルコンタクト軸受け（plain thrust bearings）、滑り軸受けセグメント（plain or sliding bearing-segments）、滑り平板、球面滑り軸受けおよび／または軸受けブシュに使用する場合である。
別の特に有利な用途分野は沖合技術（off-shore technology）；エネルギー工業；エネルギー変換プラント；水力発電装置；風力発電装置；造船；運搬装置；鉄鋼業（例えば粗鋼製造；圧延装置）；合成樹脂加工装置；自動車工業；ゴム加工業；炉製造；パン焼機がある。
本発明の例を以下に図面によって更に詳細に説明する。
図１〜３は圧縮強度および硬度のグラフである。
図４〜１１は酸化挙動についてのグラフである。
図１２〜１５は摩擦係数、摩耗量および摩耗率のグラフである。
図１６〜１９は摩擦についてのグラフである。
以下の表１に滑り軸受け材料の特に有利な組成を示す。
表１：表中の数字は重量％である。
Figure 2007527953
以下の表２に比較用材料として鉛成分を含有する材料を示す。
表２：表中の数字は重量％である。
Figure 2007527953
選択した実施例および比較例について比較実験を実施した。
摩擦および摩耗量の比較実験：
振動、回転運動に対する潤滑試験台：
パラメータ：
比負荷量 １０ＭＰａ
滑り速度 ０．００８ｍ／ｓ
相手材料 材料表示１．２０８０の鋼鉄
運動角度 +１７．５（サイクル当たりの全角度７０°）
試験体 円筒状ブシュ
内径 １００ｍｍ
外径 １３０ｍｍ
長さ ５０ｍｍ
摩擦量試験：
回転運動のための潤滑試験状況
負荷量 ２０００Ｎ
滑り速度 ０．０５ｍ／ｓ
相手材料 材料標記Ｃ４５の鋼鉄
回転運動 ３６０°
試験体 直径２０ｍｍで長さ４０ｍｍの円筒状の棒
図１〜３は鉛含有合金および本発明の合金のそれぞれの圧縮強度および硬度を示している。本発明の合金の番号は表中の番号に当たる。本発明の合金に関してはいずれの場合にも４回の実験を実施した。鉛含有材料についての予めの実験に比べて圧縮強度および硬度が増加し得ることが明らかに見える。
図４〜１１には本発明の二種類の滑り軸受け材料の酸化挙動を鉛含有滑り軸受けと比較して示している。酸化挙動は長さの変化で確認している。これは運転中の寸法精度にとっても重要である。試験した材料の酸化挙動に関して実質的に互いに相違しないことが判る。
図１２〜１５には二つの本発明の滑り軸受け材料についての摩擦係数、摩耗量および摩耗速度を鉛含有材料と比較して示している。鉛をビスマスに換えた場合に摩擦係数が僅かに低下するが、摩耗値は実質的に相違しないことが判る。ビスマス含有量を減らした場合には、摩擦値並びに摩耗値の上昇が認められる。
図１６〜１９には摩耗試験を示しており、この場合には重量損失量および摩耗速度を本発明の２つの滑り軸受け材料について鉛含有滑り軸受けと比較して記載している。鉛をビスマスに交換した場合に一部は著しく良好な摩耗値が得られることが判る。ビスマス含有量を減らすことが高い摩耗値をもたらすことも判る。潤滑の観点から、これらの特に良好なビスマス含有量が最適であることが判る。
は圧縮強度および硬度のグラフである。 は圧縮強度および硬度のグラフである。 は圧縮強度および硬度のグラフである。 は酸化挙動についてのグラフである。 は酸化挙動についてのグラフである。 は酸化挙動についてのグラフである。 は酸化挙動についてのグラフである。 は酸化挙動についてのグラフである。 は酸化挙動についてのグラフである。 は酸化挙動についてのグラフである。 は酸化挙動についてのグラフである。 は摩擦係数、摩耗量および摩耗率のグラフである。 は摩擦係数、摩耗量および摩耗率のグラフである。 は摩擦係数、摩耗量および摩耗率のグラフである。 は摩擦係数、摩耗量および摩耗率のグラフである。 は摩耗量についてのグラフである。 は摩耗量についてのグラフである。 は摩耗量についてのグラフである。 は摩耗量についてのグラフである。

Claims (17)

  1. 銅合金よりなる焼結された滑り軸受け材料において、１０〜１５重量％の錫、０．５〜１０重量％のビスマス、５〜１２重量％のグラファイトおよび残量の銅よりなることを特徴とする、上記滑り軸受け材料。
  2. ビスマスの割合が０．８〜＜５重量％である、請求項１に記載の滑り軸受け材料。
  3. ビスマスの割合が８〜１０重量％である、請求項１に記載の滑り軸受け材料。
  4. 錫の割合が＞１０〜１３重量％である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料。
  5. 錫の割合が１１〜１３重量％である、請求項１〜４のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料。
  6. グラファイトの割合が５．６６〜１０．７１重量％である、請求項１〜５のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料。
  7. グラファイトが天然グラファイトである、請求項１〜６のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料。
  8. グラファイトが合成グラファイトである、請求項１〜６のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料。
  9. グラファイトの９９％の粒度が＜４０μｍである、請求項１〜８のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料。
  10. グラファイトが１００〜６００μｍの粒度を有する、請求項１〜８のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料。
  11. グラファイトが１００〜３００μｍの粒度を有する、請求項１０に記載の滑り軸受け材料。
  12. 追加的に焼結助剤を有する、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料。
  13. 焼結助剤として１〜３重量％のＭｏＳ２および／または０．５〜２重量％のＣｕＰを有する、請求項１２に記載の滑り軸受け材料。
  14. 鋼鉄および／または青銅よりなる支持体材料の上で請求項１〜１３のいずれか一つに記載の滑り軸受け材料が焼結されていることを特徴とする、滑り軸受け複合体材料。
  15. １０〜１５重量％の錫、０．５〜１０重量％のビスマス、５〜１２重量％のグラファイトおよび残量の銅よりなる焼結された滑り軸受け材料を非潤滑運転式軸受けのために用いる方法。
  16. 鋼鉄および／または青銅よりなる支持体材料上で、１０〜１５重量％の錫、０．５〜１０重量％のビスマス、５〜１２重量％のグラファイトおよび残量の銅よりなる滑り軸受け材料が焼結されている滑り軸受け複合体材料を非潤滑運転式軸受けのために用いる方法。
  17. ラジアル滑り軸受け、アキシアルコンタクト軸受け、滑り軸受けセグメント、滑り平板、球面滑り軸受けおよび軸受けブシュのために用いる請求項１５または１６に記載の方法。
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