JP2015160960A

JP2015160960A - 耐摩耗性銅基焼結合金

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Publication number: JP2015160960A
Application number: JP2014035126A
Authority: JP
Inventors: 英昭河田; Hideaki Kawada
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-09-07
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: JP6315241B2

Abstract

【課題】従来の鉄系焼結合金より高い熱伝導性と、従来の高力黄銅より高い耐摩耗性を兼ね備えたエンジン用バルブガイド用の焼結合金を提供する。【解決手段】全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２．０〜１６．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、および残部がＣｕおよび不可避不純物からなり、気孔と、銅もしくは銅−ニッケル合金からなる基地と、基地中に中に分散する粒状のニッケル珪化物とからなる金属組織を呈するとともに、ニッケル珪化物は２μｍ以上の大きさのものを含む耐摩耗性焼結銅合金。【選択図】図１

Description

本発明は、耐摩耗性に優れた銅基焼結合金に係り、特に、熱伝導性に優れた銅基焼結合金に関する。

自動車用エンジン等に用いられるバルブガイドは、バルブの軸部を支持し、バルブの往復運動を支えるための部品であり、高速で往復運動するバルブと摺動するため優れた耐摩耗性が要求される。バルブガイド用材料としては、従来、鋳鉄や高力黄銅が用いられてきたが、近年では、耐摩耗性に優れる鉄基焼結合金（特許文献１〜３等）が広く用いられてきている。

特公昭５５−０３４８５８号公報特許第２６８０９２７号公報特許第４３２３４６７号公報

年々強まる環境意識の中、より一層のエンジンの燃費向上が求められており、エンジンの燃費向上手法の一つとして、エンジンの高圧縮比化が検討されている。すなわち、圧縮比が高ければ高いほど、排気量と投入燃料量が同じでもピストンを押し下げる圧力が大きくなるため燃費は向上する。また、一般的に、同じ系列のエンジンでも高い圧縮比のエンジンは低い圧縮比のエンジンより高出力・高トルクとなる。

しかしながら、従来のバルブガイド用鉄基焼結合金は、熱伝導性が約２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低く、摺動相手となるバルブの熱をバルブガイドを介して放散する能力が低い。このため、燃焼室に露出するバルブの傘部の熱が放散し難く、燃焼室内の熱がこもり易くなり、燃費向上のため圧縮比を高めると、ノッキングが発生し易くなる。

また、鋳造で製造した銅基合金（高力黄銅）は、高い熱伝導性を有するが、耐摩耗性が低いため、負荷の小さいエンジンにしか適用することができない。

このため、熱伝導性を高めて摺動相手であるバルブから熱を放散する能力が高く、しかも圧縮比を高めてもノッキングが発生しないようにするとともに、バルブとの摺動環境において充分な耐摩耗性を有する銅基合金のバルブガイド用焼結合金への要望が強まってきている。

したがって、本発明は、従来の鉄系焼結合金より高い熱伝導性と、従来の高力黄銅より高い耐摩耗性を兼ね備えたバルブガイド用の焼結合金を提供することを目的とする。

本発明は、銅基焼結合金をベースとすることで、焼結合金の熱伝導性を向上させるとともに、銅基焼結合金の基地中に硬質粒子を分散させることにより耐摩耗性を向上させたことを骨子とする。

具体的には、本発明の耐摩耗性銅基焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２．０〜１６．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、および残部がＣｕおよび不可避不純物からなり、気孔と、銅もしくは銅−ニッケル合金からなる基地と、前記基地中に中に分散する粒状のニッケル珪化物とからなる金属組織を呈するとともに、前記ニッケル珪化物は２μｍ以上の大きさのものを含むことを特徴とする。

上記の耐摩耗性銅基焼結合金においては、２μｍ以上の大きさのニッケル珪化物が、金属組織中の面積率で２％以上であることを好ましい態様とする。また、全体組成におけるＮｉとＳｉの比率がＮｉ：１に対してＳｉ：０．０５〜０．３５となることを特徴とすることを好ましい態様とする。

上記の耐摩耗性銅基焼結合金においては、基地中に、総量として５．０質量％以下の鉄基硬質相、コバルト基硬質相および合金鉄のうち１種以上をさらに分散させることにより、耐摩耗性を更に向上させることができ、また、気孔中に全体組成中のＣ量として３．０質量％以下の黒鉛相をさらに分散させることにより摺動特性を更に向上させることができる。

本発明の耐摩耗性銅基焼結合金は、基地が銅基焼結合金であるため、熱伝導性に優れるとともに、基地中に硬質粒子が分散することにより耐摩耗性が向上したものであり、バルブガイドとして使用した場合に、摺動相手となるバルブと良好な摺動を維持できるとともに、摺動相手となるバルブの熱をバルブガイドを介して放散することができ、エンジンの圧縮比を高めてもノッキングの発生を防止でき、もってエンジンの燃費向上に寄与できるという優れた効果を奏する。

本発明の耐摩耗性焼結合金の金属組織を示す図面代用写真である。

Ｃｕは熱伝導率が３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、Ｆｅの８４Ｗ／（ｍ・Ｋ）に比して４．７倍の高い熱伝導率を示す。また、銅合金は、Ｃｕに比して熱伝導率が低下するものの、Ｆｅおよび従来の鉄系焼結合金（約２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））に比して高い熱伝導率を示す。このため、焼結合金の熱伝導性を向上させるため、基地を銅もしくは銅合金として構成する。

一方、銅および銅合金は、Ｆｅおよび従来の鉄系焼結合金に比して耐摩耗性が低いことから、基地のみでは耐摩耗性が不充分である。このため、基地中に硬質粒子を分散させることで耐摩耗性を向上させる。硬質粒子は、基地中に均一に分散することが好ましく、銅合金基地中より析出分散するものが好ましい。

このような観点から検討を進めたところ、Ｃｕと合金化する元素としてＮｉが好適であり、基地中に析出分散させる硬質粒子をニッケル珪化物とすると、高い熱伝導率と耐摩耗性を確保できることを見出した。以下に、本発明の耐摩耗性銅基焼結合金の成分について限定理由を説明する。

Ｎｉは、Ｃｕに固溶して基地を強化する作用がある。また、Ｎｉは、後述するＳｉとニッケル珪化物（Ｎｉ_２Ｓｉ）を形成して基地中に析出分散することで、銅基焼結合金の耐摩耗性を向上させる作用がある。Ｎｉ量が２．０質量％に満たないと、上記効果が乏しくなり、銅基焼結合金の耐摩耗性が低くなる。一方、Ｎｉ量が１６．０質量％を超えると、Ｃｕに固溶するＮｉ量が過多となったり、析出するニッケル珪化物量が過多となったりして、銅基焼結合金の熱伝導率の低下が著しくなる。このため、全体組成におけるＮｉ量を２．０〜１６．０質量％とする。

Ｓｉは、Ｎｉとニッケル珪化物（Ｎｉ_２Ｓｉ）を形成して基地中に析出分散し、銅基焼結合金の耐摩耗性を向上させるために添加する。また、ＳｉはＣｕの液相発生温度を低くする作用があるため、焼結を促進して銅基焼結合金を緻密化し、銅基焼結合金の強度の向上に寄与する。Ｓｉ量は、０．２質量％に満たないと、析出分散するニッケル珪化物の量が乏しくなり、銅基焼結合金の耐摩耗性が低くなる。一方、Ｓｉ量が４．０質量％を超えると、銅基焼結合金の基地中に析出分散するニッケル珪化物の量が過多となり、銅基焼結合金の熱伝導率が著しく低下する。このため、全体組成におけるＳｉ量を０．２〜４．０質量％とする。

上記のＮｉとＳｉの比率は、Ｎｉに対してＳｉが乏しい場合、もしくはＳｉに対してＮｉが乏しい場合、析出分散するニッケル珪化物の量が乏しくなり耐摩耗性が低くなるとともに、銅基焼結合金の基地に固溶されるＮｉもしくはＳｉの量が多くなって、銅基焼結合金の熱伝導率が低下する。この観点から、全体組成におけるＮｉとＳｉの比率は、Ｎｉ：１に対してＳｉ：０．０５〜０．３５とすることが好ましい。

銅基焼結合金の基地中に析出分散するニッケル珪化物は、微細なものであると、相手材となるバルブとの摺動時に、基地ごと塑性流動してしまい、耐摩耗性向上の効果が乏しくなる。このため、ニッケル珪化物は、粒状のものとするとともに、２μｍ以上の大きさのものを含むものとする必要がある。なお、ここで云うニッケル珪化物の大きさは、ニッケル珪化物の一粒子における最大径である。２μｍ以上の大きさのニッケル珪化物は、耐摩耗性の観点から金属組織中の面積率で２％以上とすることが好ましい。

以上より、本発明の耐摩耗性銅基焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２．０〜１６．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、および残部がＣｕおよび不可避不純物からなるものとする。また、金属組織は、焼結合金の製造において不可避の気孔と、銅もしくは銅−ニッケル合金からなる基地と、この基地中に分散し、粒状であって２μｍ以上の大きさものを含むニッケル珪化物とからなる金属組織を呈するものとなる。

なお、気孔は焼結合金において不可避なものであるが、焼結合金の強度や熱伝導率を低下させるものであるから、なるべく少ないことが好ましく、銅基焼結合金の密度として７．５Ｍｇ／ｍ^３以上とすることが好ましい。

本発明の耐摩耗性銅基焼結合金は、次のようにして製造することができる。

（１）銅粉末とニッケル粉末、（２）銅−ニッケル合金粉末、（３）銅粉末と銅−ニッケル合金粉末のうちのいずれかに、シリコン（Ｓｉ）粉末を添加し、混合して、原料粉末が、質量比で、Ｎｉ：２．０〜１６．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、および残部がＣｕおよび不可避不純物の組成となるように調整する。

このように調整された原料粉末を、略円筒のバルブガイド形状に５００〜７００ＭＰａ程度の成形圧力で成形して、バルブガイド形状の成形体とする。銅粉末や銅−ニッケル合金粉末は比較的軟質であるため、この程度の成形圧力で７．５Ｍｇ／ｍ^３以上とすることができる。

得られた成形体を焼結炉に投入し、非酸化性雰囲気中９００〜１０５０℃程度の温度に加熱し焼結を行い、通常の冷却速度（５〜１５℃／分程度）で冷却することで、本発明の金属組織を有する銅基焼結合金を得ることができる。ここで、ニッケル珪化物は、焼結の冷却時に生成して析出して粒状かつ２μｍ以上の大きさを含むものとなる。このため、溶体化処理や時効処理は不要である。

本発明の耐摩耗性銅基焼結合金の金属組織の一例を図１に示す。図１の銅基焼結合金は全体組成が、Ｎｉ：１０質量％、Ｓｉ：２質量％および残部がＣｕおよび不可避不純物であり、焼結体密度が７．８Ｍｇ／ｍ^３のものである。図１中薄灰色の部分が銅合金基地であり、濃灰色の部分がニッケル珪化物粒子である。図１において、金属組織に占める最大径が２μｍ以上のニッケル珪化物粒子は、８面積％となっている。なお、図１の銅基焼結合金の熱伝導率は９９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、従来の鉄系焼結合金（約２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））の約４倍の熱伝導率を示す。

上記により製造される本発明の耐摩耗性銅基焼結合金は、熱伝導率が高く、かつ耐摩耗性に優れたものとなるが、より一層の耐摩耗性の向上を図りたい場合、基地中に、総量として５．０質量％以下の鉄基硬質相、コバルト基硬質相および合金鉄のうち１種以上を、第二硬質相として、さらに分散させることにより、耐摩耗性を更に向上させることができる。ただし、基地中に分散するこれらの硬質相の量が、総量で５質量％を超えると、銅基焼結合金の熱伝導率の低下が著しくなるため、総量で５質量％以下に止めるべきである。

上記の硬質相のうち、鉄基硬質相としては、鉄基合金基地中に炭化物粒子が析出分散する硬質相が好ましい。具体的には、（Ａ）質量比で、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にＣｒの炭化物粒子が分散する硬質相、（Ｂ）質量比で、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％と、Ｍｏ：０．３〜３．０％、Ｖ：０．２〜２．２％の少なくとも１種以上、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にＣｒ、Ｍｏ、Ｖの炭化物粒子および／またはこれらの元素の複合炭化物粒子が分散する硬質相、および（Ｃ）質量比で、Ｍｏ：４〜８％、Ｖ：０．５〜３％、Ｗ：４〜８％、Ｃｒ：２〜６％、Ｃ：０．６〜１．２％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にＭｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒの炭化物粒子および／またはこれらの元素の複合炭化物粒子が分散する硬質相、が好ましい。

また、鉄基合金基地中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相が好ましく、具体的には、（Ｄ）質量比で、Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相、および（Ｅ）質量比で、Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％と、Ｃｒ：０．５〜１０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｍｎ：０．５〜５％の少なくとも１種以上、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相が、好ましい。

さらに、コバルト基硬質相としては、コバルト基合金基地中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相が好ましく、具体的には、（Ｆ）質量比で、Ｓｉ：１．５〜３．５％、Ｃｒ：７〜１１％、Ｍｏ：２６〜３０％と、および残部がＣｏおよび不可避不純物からなり、コバルト基合金中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相、が好ましい。

そして、合金鉄としてはフェロモリブデン、フェロクロム、フェロタングステンが好ましく、具体的には、（Ｇ）質量比で、Ｍｏ：５５〜６５％、Ｃ：４％以下、Ｓｉ：２％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなるフェロモリブデン硬質相、（Ｈ）質量比で、Ｃｒ：５０〜７５％、Ｃ：１％以下、Ｓｉ：８％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなるフェロクロム硬質相、（Ｉ）質量比で、Ｗ：７５〜８５％、Ｃ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなるフェロタングステン硬質相、が好ましい。

これらの硬質相は、硬質相の組成の粉末を、原料粉末に添加し混合して、上記の成形および焼結を行うことで、銅基焼結合金の基地中に分散させることができる。

また、本発明の耐摩耗性銅基焼結合金においては、原料粉末に３．０質量％以下の黒鉛粉末を添加することで、気孔中に全体組成中のＣ量として３．０質量％以下の黒鉛相をさらに分散させることができる。黒鉛は劈開性に優れ固体潤滑剤として作用する。このような黒鉛を気孔中に黒鉛相として分散させることにより、相手材となるバルブとの摺動特性を更に向上させることができる。

［第１実施例］
銅粉末、ニッケル粉末、シリコン粉末およびＮｉ量が２０質量％で残部がＣｕおよび不可避不純物からなる銅−ニッケル合金粉末を用意し、表１に示す割合で添加、混合した原料粉末を、成形圧力６００ＭＰａの成形圧力で、外径１８ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ１００ｍｍの円筒形状に成形し、得られた成形体を焼結炉に投入し、非酸化性雰囲気中、焼結温度１０００℃で焼結を行い、冷却速度１２℃／分で冷却して試料番号０１〜２１の銅基焼結合金試料を作製した。これらの試料の全体組成を表１に併せて示す。

比較のため、従来の高力黄銅として、全体組成が、質量比で、Ｚｎ：４０％Ｚｎ、Ｍｎ：２％、Ａｌ：１．５％、Ｓｉ：０．６％、Ｐｂ：０．６％および残部がＣｕおよび不可避不純物からなる溶製の高力黄銅を、外径１８ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ１００ｍｍの円筒形状に機械加工を行ったものを試料番号２２の試料として用意した。

また、従来のバルブガイド用鉄系焼結合金として、鉄粉末に鉄−燐合金粉末、銅−錫合金粉末、黒鉛粉末を用意し、成形圧力６００ＭＰａの成形圧力で、外径１８ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ１００ｍｍの円筒形状に成形し、得られた成形体を焼結炉に投入し、非酸化性雰囲気中、焼結温度１０００℃で焼結を行い、冷却速度１２℃／分で冷却して、全体組成が、質量比で、Ｃｕ：４．５％、Ｓｎ：０．５％、Ｐ：０．２８％、Ｃ：２．４％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基焼結合金を試料番号２３の試料として用意した。

試料０１〜２１の銅基焼結合金試料について、ＪＩＳＺ２５０５に規定された焼結体密度測定方法（水中重量法）に準じて焼結体密度の測定を行った。また、顕微鏡を用いて焼結体の金属組織断面（×３４０）を観察し、株式会社イノテック製QuickGrain Standardを用いて金属組織断面中に占める２μｍ以上のニッケル珪化物の割合（面積％）を求めた。これらの結果を表１に併せて示す。

また、全ての試料（試料番号０１〜２３）について、熱伝導率を測定するとともに、摩耗試験を行って摩耗量の測定を行った。これらの結果を表１に併せて示す。なお、摩耗試験は、円筒形状の焼結体を縦型バルブガイド摩耗試験機に取り付けて摩耗試験を行った。摩耗試験では、軸線を鉛直方向に設定したピストンの下端部にバルブステムを取り付けてバルブを焼結体内経に挿通し、３ＭＰａの横加重をピストンに加えながら、５００℃の排気ガス雰囲気中でバルブを往復動させた。この際のストローク速度は３０００回／分、ストローク長は８ｍｍとした。３０時間の往復動の後、焼結体の内周面の摩耗量（μｍ）を測定した。

なお、熱伝導率の評価にあたっては、従来のバルブガイド用鉄系焼結合金として用意した試料番号２３の鉄基焼結合金試料の熱伝導率の２倍以上の値を示すものを合格として評価した。また、摩耗量の評価にあたっては従来の高力黄銅として用意した試料番号２２の高力黄銅試料の摩耗量の６割以下の値を示すものを合格として評価した。

表１の試料番号０１〜１０の銅基焼結合金試料より、全体組成中のＮｉ量の影響を調べることができる。また、表１の試料番号０６、１１〜２０の銅基焼結合金試料より、全体組成中のＳｉ量の影響を調べることができる。さらに、表１の試料番号０６の銅基焼結合金試料と試料番号２１の銅基焼結合金試料を比較することによりＮｉの添加形態の影響について調べることができる。

［Ｎｉ量の影響］
試料番号０１の試料はＮｉを含まないものであり、ニッケル珪化物（Ｎｉ_２Ｓｉ）は析出せず、Ｓｉの全量がＣｕ基地に固溶する。このため、摩耗量が６４５μｍと大きい値となっている。熱伝導率は６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、試料番号２３の従来の鉄基焼結合金試料より約２．５倍向上している。

試料番号０２の試料はＮｉを２質量％を含有することから、ＮｉがＳｉと結合してニッケル珪化物（Ｎｉ_２Ｓｉ）が基地中に析出分散する結果、耐摩耗性が向上し、摩耗量が３５２μｍと、試料番号２２の従来の高力黄銅試料の５７％にまで低減されている。このときの２μｍ以上の大きさのニッケル珪化物が、金属組織に占める面積率は２．１％となっている。また、Ｓｉがニッケル珪化物として析出して、銅合金基地に固溶するＳｉが減少することにより、熱伝導率も１２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）と極めて高い熱伝導率を示す。

また、試料番号０３〜１０の試料より、Ｎｉ量が増加するにしたがい、析出するニッケル珪化物の量が増加するとともに、２μｍ以上の大きさのニッケル珪化物が金属組織に占める面積率が増加して、銅基焼結合金の耐摩耗性が向上する。このため、摩耗量はＮｉ量が増加するに従って低下する傾向を示している。

一方、Ｎｉ量が増加すると基地中に析出するニッケル珪化物の量が増加するため、銅合金基地の割合が低下する。このため熱伝導率は、Ｎｉ量の増加に従って低下する傾向を示しており、Ｎｉ量が１８質量％の試料番号１０の試料は熱伝導率の低下が著しく、試料番号２３の従来の鉄基焼結合金試料の２倍に満たない値となっている。

以上より、耐摩耗性銅基焼結合金のＮｉ量を、２．０〜１６．０質量％の範囲とすることで、熱伝導率の向上と耐摩耗性の向上（摩耗量の低減）を図ることができることが確認された。

［Ｓｉ量の影響］
試料番号１１の試料は、Ｓｉを含まない試料であり、ニッケル珪化物（Ｎｉ_２Ｓｉ）は析出せず、Ｎｉの全量がＣｕ基地に固溶する。このため、摩耗量が５３４μｍと大きい値を示すとともに、熱伝導率は３３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と、試料番号２３の従来の鉄基焼結合金試料の２倍に満たない値を示している。

試料番号１２の試料はＳｉを０．２質量％を含有することから、ＮｉがＳｉと結合してニッケル珪化物（Ｎｉ_２Ｓｉ）が基地中に析出分散する結果、耐摩耗性が向上し、摩耗量が３７０μｍと、試料番号２２の従来の高力黄銅試料の約６０％にまで低減されている。このときの２μｍ以上の大きさのニッケル珪化物が、金属組織に占める面積率は２．０％となっている。また、Ｎｉがニッケル珪化物として析出して、銅合金基地に固溶するＮｉが減少することにより、熱伝導率も５５Ｗ／（ｍ・Ｋ）と試料番号２３の従来の鉄基焼結合金試料の２．２倍に向上している。

試料番号１３〜１５、０６、１６〜２０の試料より、Ｓｉ量が増加するに従って析出するニッケル珪化物の量が増加するとともに、２μｍ以上の大きさのニッケル珪化物が金属組織に占める面積率が増加し、銅基焼結合金の耐摩耗性が向上している。このため、摩耗量はＳｉ量が増加するに従って低下する傾向を示している。

また、熱伝導率はＳｉ量が３．０質量％まではＳｉ量の増加に従って低下するが、Ｓｉ量が３．０質量％を超えると逆に低下する傾向を示している。これは、銅合金基地中に固溶するＮｉ量が減少することによる熱伝導率向上と、銅合金基地中にニッケル珪化物が析出することによる熱伝導率低下のバランスによるもので、Ｓｉ量が３．０質量％までは前者の効果が大きく熱伝導率が増加するが、Ｓｉ量が３．０質量％を超えると後者の影響が大きくなって熱伝導率の低下が生じるものと考えられる。このため、Ｓｉ量が４質量％を超える試料番号２０の試料では、熱伝導率の低下が著しく、試料番号２３の従来の鉄基焼結合金試料の２倍に満たない値となっている。

以上より、耐摩耗性銅基焼結合金のＳｉ量を、０．２〜４．０質量％の範囲とすることで、熱伝導率の向上と耐摩耗性の向上（摩耗量の低減）を図ることができることが確認された。

［Ｎｉの添加形態の影響］
試料番号０６の銅基焼結合金試料は、Ｎｉをニッケル粉末の形態で付与した例であり、試料番号２１の銅基焼結合金試料は、Ｎｉを銅−ニッケル合金粉末の形態で付与した例である。いずれの試料もＮｉ：１０質量％、Ｓｉ：２質量％および残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成であり、Ｎｉの添加形態だけが異なる試料である。これらの試料を比較すると、熱伝導率および摩耗量はほぼ同一の値であり、Ｎｉの添加形態は影響しないことがわかった。

［第２実施例］
第１実施例で用いた銅粉末、ニッケル粉末、およびシリコン粉末と、表２に示す組成（元素記号の前に記載の数値は質量％）の硬質相形成粉末を用意し、表２に示す割合で添加し混合した原料粉末を第１実施例と同じ条件で成形、焼結して試料番号２４〜３８の銅基焼結合金試料を作製した。これらの試料の全体組成を表３に示す。

これらの試料について、第１実施例と同様にして熱伝導率と耐摩耗性の測定を行った。その結果を表３に併せて示す。なお、表２および表３には第１実施例の試料番号０６、２２および２３の試料の値を併せて示した。

表２および表３の試料番号０６〜３１の銅基焼結合金試料より、第２硬質相の量の影響を調べることができる。また、表２および表３の試料番号２８，３２〜３８の銅基焼結合金試料を比較することにより第２硬質相の種類の影響について調べることができる。

［第２硬質相の量の影響］
第２硬質相を含まない試料番号０６の試料に対し、第２硬質相を含む試料番号２４〜３１の試料では、いずれも摩耗量が小さくなっており、第２硬質相の量が増加するに従って摩耗量が低下する傾向を示している。一方、第２硬質相を含む試料番号２４〜３１の試料では、いずれも第２硬質相を含まない試料番号０６の試料に対して熱伝導率が低下するとともに、第２硬質相の量が増加するに従って熱伝導率が低下する傾向を示している。このため、第２硬質相量が５質量％を超える試料番号３１の試料では熱伝導率の低下が著しく、試料番号２３の従来の鉄基焼結合金試料の２倍に満たない値となっている。

以上より、第２硬質相を分散させることで耐摩耗性の向上（摩耗量の低減）を図ることができるが、その量は５．０質量％以下に止めるべきであることが確認された。

［第２硬質相の種類の影響］
試料番号２８、３２〜３８の試料は、第２硬質相の種類が異なるものである。ここで、試料番号２８の試料は（Ｇ）フェロモリブデン硬質相の例、試料番号３２の試料は（Ｈ）フェロクロム硬質相の例、試料番号３３の試料は（Ｉ）フェロタングステン硬質相の例である。また、試料番号３４の試料は（Ａ）鉄基合金中にＣｒの炭化物粒子が分散する硬質相の例、試料番号３５の試料は（Ｂ）鉄基合金中にＣｒ、Ｍｏ、Ｖの炭化物粒子および／またはこれらの元素の複合炭化物粒子が分散する硬質相の例、試料番号３６の試料は（Ｃ）鉄基合金中にＭｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒの炭化物粒子および／またはこれらの元素の複合炭化物粒子が分散する硬質相の例である。そして、試料番号３７の試料は（Ｅ）鉄基合金中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相の例であり、試料番号３８の試料は（Ｆ）コバルト基合金中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相の例である。

これらの試料番号２８、３２〜３８の試料は、いずれも第２硬質相を含まない試料番号０６の試料に比して摩耗量が小さくなっており、銅基焼結合金の耐摩耗性の向上に寄与することが確認された。

［第３実施例］
第１実施例で用いた銅粉末、ニッケル粉末、およびシリコン粉末と、黒鉛粉末を用意し、表４に示す割合で添加し混合した原料粉末を第１実施例と同じ条件で成形、焼結して試料番号２４〜３６の銅基焼結合金試料を作製した。これらの試料について、第１実施例と同様にして熱伝導率と耐摩耗性の測定を行った。その結果を表４に併せて示す。なお、表４には第１実施例の試料番号０６、２２および２３の試料の値を併せて示した。

表４の試料番号０６、３９〜４４の銅基焼結合金試料より、黒鉛相の量の影響を調べることができる。

［黒鉛相の量の影響］
Ｃを含有せず黒鉛相を含まない試料番号０６の試料に対し、Ｃを含有して黒鉛相を含む試料番号３９〜４３の試料は、Ｃ量すなわち黒鉛相量が３．０質量％まではＣ量の増加に従って摩耗量が小さくなる傾向を示しているが、Ｃ量が３．０質量％を超える試料番号４４の試料では、摩耗量が逆に増加する傾向を示している。また、黒鉛粉末は焼結における銅基焼結合金の緻密化を阻害するため、Ｃ量すなわち黒鉛相量が増加するに従って、焼結体密度が低下する傾向を示している。Ｃ量が３．０質量％を超えると摩耗量が逆に増加する傾向は、焼結体密度の低下に起因するものと考えられる。すなわち、焼結体密度の低下は基地強度の低下につながることから、Ｃ量が３．０質量％を超える試料番号４４の試料では、基地強度の低下の影響により摩耗量が増加したものと考えられる。

また、Ｃ量すなわち黒鉛相量の増加にともなう焼結体密度の低下により、熱伝導率はＣ量の増加に従って低下する傾向を示しており、Ｃ量が３．０質量％を超える試料番号４４の試料では熱伝導率の低下が著しく、試料番号２３の従来の鉄基焼結合金試料の２倍に満たない値となっている。

以上より、Ｃを含有させて黒鉛相を分散させることで耐摩耗性の向上（摩耗量の低減）を図ることができるが、Ｃ量は３．０質量％以下に止めるべきであることが確認された。

本発明の耐摩耗性銅基焼結合金は、熱伝導率と耐摩耗性を兼ね備えたものであり、エンジンの圧縮比を高めてもノッキングの発生を防止することができ、もってエンジンの燃費向上に寄与できるため、高燃費エンジン用のバルブガイドに好適なものである。

Claims

全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２．０〜１６．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、および残部がＣｕおよび不可避不純物からなり、気孔と、銅もしくは銅−ニッケル合金からなる基地と、前記基地中に中に分散する粒状のニッケル珪化物とからなる金属組織を呈するとともに、前記ニッケル珪化物は２μｍ以上の大きさのものを含むことを特徴とする耐摩耗性銅基焼結合金。
前記２μｍ以上の大きさのニッケル珪化物が、金属組織中の面積率で２％以上であることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性銅基焼結合金。
全体組成におけるＮｉとＳｉの比率がＮｉ：１に対してＳｉ：０．０５〜０．３５となることを特徴とする請求項１または２に記載の耐摩耗性銅基焼結合金。
全体組成中に、さらに、Ｓｎ、Ｐ、Ｃｏのうちの１種以上を総量で３．０質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐摩耗銅基性焼結合金。
前記基地組織中に、下記（Ａ）〜（Ｉ）のうちの少なくとも１種が、総量として５．０質量％以下、分散し、全体組成中に、さらに選択された成分を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐摩耗性銅基焼結合金。
（Ａ）質量比で、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にＣｒの炭化物粒子が分散する硬質相
（Ｂ）質量比で、Ｃｒ：４〜２５％、Ｃ：０．２５〜２．４％と、Ｍｏ：０．３〜３．０％、Ｖ：０．２〜２．２％の少なくとも１種以上、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にＣｒ、Ｍｏ、Ｖの炭化物粒子および／またはこれらの元素の複合炭化物粒子が分散する硬質相
（Ｃ）質量比で、Ｍｏ：４〜８％、Ｖ：０．５〜３％、Ｗ：４〜８％、Ｃｒ：２〜６％、Ｃ：０．６〜１．２％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にＭｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒの炭化物粒子および／またはこれらの元素の複合炭化物粒子が分散する硬質相
（Ｄ）質量比で、Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相
（Ｅ）質量比で、Ｓｉ：０．５〜１０％、Ｍｏ：１０〜５０％と、Ｃｒ：０．５〜１０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｍｎ：０．５〜５％の少なくとも１種以上、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鉄基合金中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相
（Ｆ）質量比で、Ｓｉ：１．５〜３．５％、Ｃｒ：７〜１１％、Ｍｏ：２６〜３０％と、および残部がＣｏおよび不可避不純物からなり、コバルト基合金中にモリブデン珪化物粒子が分散する硬質相
（Ｇ）質量比で、Ｍｏ：５５〜６５％、Ｃ：４％以下、Ｓｉ：２％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなるフェロモリブデン硬質相
（Ｈ）質量比で、Ｃｒ：５０〜７５％、Ｃ：１％以下、Ｓｉ：８％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなるフェロクロム硬質相
（Ｉ）質量比で、Ｗ：７５〜８５％、Ｃ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなるフェロタングステン硬質相
全体組成中に、さらに、Ｃ：３．０質量％以下を含有するとともに、前記気孔中に黒鉛相が分散することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐摩耗性銅基焼結合金。
密度が７．５ｋｇ／ｍ^３以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の耐摩耗性銅基焼結合金。