JP2016089214A - すべり軸受用銅合金およびすべり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｍｎ−Ｓｉ化合物が破壊されて異物になりにくいすべり軸受用銅合金およびすべり軸受を提供する。【解決手段】本発明のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受は、２５ｗｔ％以上かつ４８ｗｔ％以下のＺｎと、１ｗｔ％以上かつ７ｗｔ％以下のＭｎと、０．５ｗｔ％以上かつ３ｗｔ％以下のＳｉと、１ｗｔ％以上かつ１０ｗｔ％以下のＢｉと、を含有し、残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸受用銅合金であって、相手軸との摺動面に分散するＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子の幅の平均値が３μｍ以上であることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、黄銅系のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受に関する。

Ｍｎ−Ｓｉ化合物が摺動面に晶出している軸受が知られている（特許文献１、参照）。特許文献１において、Ｍｎ−Ｓｉ化合物の粒子が相手軸の摺動方向に伸長して分散している。

特許第３７１８１４７号

しかしながら、Ｍｎ−Ｓｉ化合物が伸張しすぎると、伸張方向の直交方向にＭｎ−Ｓｉ化合物が細くなり、摺動面に垂直方向の軸荷重によって破壊されやすくなるという問題があった。そして、破壊したＭｎ−Ｓｉ化合物が軸受から脱落して異物となり、当該異物によって軸受が摩耗したり、当該異物によって相手軸を傷付けるという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、Ｍｎ−Ｓｉ化合物が破壊されて異物になりにくいすべり軸受用銅合金およびすべり軸受を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受は、２５ｗｔ％以上かつ４８ｗｔ％以下のＺｎと、１ｗｔ％以上かつ７ｗｔ％以下のＭｎと、０．５ｗｔ％以上かつ３ｗｔ％以下のＳｉと、１ｗｔ％以上かつ１０ｗｔ％以下のＢｉと、を含有し、残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸受用銅合金であり、相手軸との摺動面に分散するＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子の幅の平均値が３μｍ以上である。

前記のように構成したすべり軸受用銅合金およびすべり軸受において、相手軸との摺動面に分散するＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子の幅の平均値が３μｍ以上であるため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶の幅方向に力が作用した場合にＭｎ−Ｓｉ初晶が破壊されることを防止できる。従って、Ｍｎ−Ｓｉ初晶が破壊されて異物になることを防止できる。ここで、Ｍｎ−Ｓｉ初晶の幅方向とは、Ｍｎ−Ｓｉ初晶の長さ方向の直交方向である。Ｍｎ−Ｓｉ初晶の長さ方向とは、長さが最大となるようにＭｎ−Ｓｉ初晶の輪郭上に両端点が存在する線分を形成した場合における当該線分の方向である。

ここで、２５．０ｗｔ％以上のＺｎを含有することにより、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスの強度を強化することができるとともに、潤滑油中のＳ成分による硫化腐食を抑制することができる。なお、３５．０ｗｔ％以上のＺｎを含有することにより、より優れた耐摩耗性を得ることができる大きさまでＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子を成長させることができる。また、Ｚｎの含有量を４８．０ｗｔ％以下に抑えることにより、Ｃｕ−Ｚｎマトリクス中にγ相が多量に析出することを防止でき、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスが脆くなることを防止できる。

また、１．０ｗｔ％以上のＭｎおよび０．５ｗｔ％以上のＳｉを含有することにより、耐摩耗性を向上させるのに十分なＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子を析出させることができる。一方、Ｍｎの含有量を７．０ｗｔ％以下に抑え、Ｓｉの含有量を３．０ｗｔ％以下に抑えることにより、Ｍｎ−Ｓｉ初晶が過剰に析出することによって靭性が低下することを防止できる。さらに、１ｗｔ％以上かつ１０ｗｔ％以下のＢｉを含有することにより、摺動面に存在する軟らかいＢｉの粒子によって耐焼付性を向上させることができる。また、Ｍｎ−Ｓｉ初晶が破壊されても、Ｂｉの粒子が破壊されたＭｎ−Ｓｉ初晶を埋収し、異物の発生を抑制できる。なお、本発明の銅合金は、不可避不純物を含有し得る。

また、本発明のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受は、ビッカース硬さが１００以上かつ２００以下であってもよい。このようにビッカース硬さを抑制することにより、Ｍｎ−Ｓｉ初晶が破壊されてＭｎ−Ｓｉ初晶の突起が形成された場合でも、相手軸になじんでＭｎ−Ｓｉ初晶の突起を抑制することができる。従って、Ｍｎ−Ｓｉ初晶の突起が相手軸を傷つけることを防止できる。

ラジアル軸受の斜視図である。 （２Ａ），（２Ｂ）はラジアル軸受の摺動面の写真、（２Ｃ）はＭｎ−Ｓｉ初晶の模式図である。 （３Ａ）は摩耗試験の説明図、（３Ｂ）は摩耗体積を説明する模式図である。 （４Ａ）〜（４Ｃ）はＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子の幅のグラフ、（４Ｄ）〜（４Ｆ）はＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子の長さのグラフである。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）ラジアル軸受の構成：
（２）ラジアル軸受の製造方法：
（３）実験結果：
（４）他の実施形態：

（１）ラジアル軸受の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかるすべり軸受用銅合金によって形成されたすべり軸受としてのラジアル軸受１（フローティングブシュ）の斜視図である。ラジアル軸受１は、例えば内燃機関用のターボ式過給機において、タービン翼とコンプレッサ翼とが軸方向の両端に備えられた相手軸２（一点鎖線）に作用する荷重をラジアル方向に支持する。ラジアル軸受１は円筒状に形成されており、軸方向に直交する断面が円環形状となっている。これにより、ラジアル軸受１の内側にて相手軸２を軸受け可能となる。本実施形態のラジアル軸受１の内径は７．５ｍｍであり、外径は１３．６ｍｍである。ラジアル軸受１と相手軸２との間に潤滑油としてのエンジンオイルの油膜が形成される。相手軸２が回転することにより、ラジアル軸受１の内側の表面である摺動面１ａ上において相手軸２が摺動する。なお、図示しないが相手軸２に作用する荷重をスラスト方向に支持するスラストベアリングもラジアル軸受１と同一の銅合金によって形成してもよい。また、ラジアル軸受１は、半割形状の軸受部品を円筒状に２個組み合わせることによって形成されてもよい。

以下、ラジアル軸受１を構成するすべり軸受用銅合金について説明する。すべり軸受用銅合金は、４０．０ｗｔ％のＺｎを含有し、４．０ｗｔ％のＭｎを含有し、１．４ｗｔ％のＳｉを含有し、３．５ｗｔ％のＢｉを含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。不可避不純物はＭｇ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｂ，Ｐｂ，Ｃｒ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％以下である。すべり軸受用銅合金における各元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。

図２Ａは、ラジアル軸受１の摺動面１ａの写真（２００倍）である。ラジアル軸受１の摺動面１ａの写真は、電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ６６１０Ａ）で撮影した写真である。図２Ａに示すように、ラジアル軸受１の摺動面１ａにおいては、Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５（灰色）中に、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４（黒色）とＢｉ粒子３とが分散している。Ｍｎ−Ｓｉ初晶４は棒状、円形状または環状の断面形状を有しており、Ｂｉ粒子３はほぼ円形状の断面形状を有している。

２００倍または４００倍の摺動面１ａの写真の画像（以下、解析画像）を画像解析装置（ニレコ社製 ＬＵＺＥＸ＿ＡＰ）に入力し、当該画像解析装置によって解析画像を以下の手順で解析した。まず、Ｍｎ−Ｓｉ化合物（Ｍｎ−Ｓｉ初晶４以外にＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶も含む）の像が黒色となり、Ｍｎ−Ｓｉ化合物以外の像が白色となるように、解析画像の明るさとコントラストを調整した。図２Ｂは、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の像が黒色となり、Ｍｎ−Ｓｉ化合物の像以外が白色となるように調整された解析画像を示す。図２Ｂの解析画像を所定の明るさで二値化することにより、Ｍｎ−Ｓｉ化合物の像をＭｎ−Ｓｉ初晶４以外の像から分離した。さらに、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の像の円相当径（計測パラメータ：ＨＥＹＷＯＯＤ）を計測し、円相当径が３μｍ以上のＭｎ−Ｓｉ初晶４の像を抽出した。これは、円相当径が３μｍ未満となるＭｎ−Ｓｉ化合物（おもにＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶）を解析対象から除外するためである。

次に、円相当径が３μｍ以上のＭｎ−Ｓｉ初晶４の粒子の像のそれぞれについて画像解析装置によって幅（計測パラメータ：幅）と長さ（計測パラメータ：最大長）を計測した。そして、円相当径が３μｍ以上のＭｎ−Ｓｉ初晶４の粒子の像の幅の平均値と長さの平均値とを算出した。円相当径が３μｍ以上のＭｎ−Ｓｉ初晶４の粒子の像の幅の平均値は８μｍであり、長さの平均値は２０μｍであった。

図２Ｃは、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の粒子の像の模式図である。図２Ｃに示すように、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の粒子の像の長さは、両端がＭｎ−Ｓｉ初晶４の粒子の像の輪郭Ｘ上に位置する線分Ｌのうち、長さが最大となる線分Ｌの長さである。線分Ｌの方向を長さ方向とし、当該線分Ｌの直交方向を幅方向とする。次に、線分Ｌを挟んで当該線分Ｌと平行な２本の直線Ｍ１，Ｍ２であって、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の粒子の像を幅方向から挟む直線Ｍ１，Ｍ２を形成した。そして、幅方向における直線Ｍ１，Ｍ２間の距離をＭｎ−Ｓｉ初晶４の幅として計測した。なお、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の粒子の像が環状である場合、内側の輪郭は無視することとした。

ラジアル軸受１のビッカース硬さを計測したところＨＶ１８５であった。ビッカース硬さは、マイクロビッカース硬さ計（明石製作所製 ＭＶＫ−ＥII）によって、１ｋｇの荷重で試験片上の測定点に形成した圧痕の大きさ（２個の対角線の長さの平均値）を測定点のビッカース硬さとして計測した。ラジアル軸受１上における３〜７点の測定点にて測定したビッカース硬さの平均値をラジアル軸受１のビッカース硬さとして採用した。

（１−１）耐摩耗性の評価：
ラジアル軸受１を構成するすべり軸受用銅合金の耐摩耗性を評価するために摩耗試験を行った。図３Ａは、摩耗試験に使用した円筒平板型摩擦摩耗試験機を説明する模式図である。摩耗試験は、潤滑油としてのエンジンオイル（流動パラフィン）Ｆに一部が浸漬した状態で円柱状の相手軸Ａを回転させるとともに、相手軸Ａに所定の静荷重が作用するように試験片Ｔを相手軸Ａに接触させることにより行った。試験片Ｔは、ラジアル軸受１を構成するすべり軸受用銅合金と同一条件で形成し、平面板状とした。相手軸Ａは、ラジアル軸受１が軸受けする相手軸２と同等の材料で形成し、具体的に焼き入れ処理を行ったＳＣＭ４１５（クロムモリブデン鋼）で形成した。相手軸Ａの回転軸方向における試験片Ｔの長さａを１０ｍｍとし、相手軸Ａの底面の半径ｒを２０ｍｍとした。摺動部における相手軸Ａの試験片Ｔに対する相対移動速度ｂが２００ｍｍ／ｓｅｃとなるように、相手軸Ａの回転速度を制御した。また、静荷重を１３９Ｎとし、潤滑油の温度を室温とし、試験時間ｃを３６００ｓｅｃ（１時間）とした。以上の条件で摩耗試験を行った後に、表面粗さ計（小坂研究所製 ＳＥ３４００）よって試験片Ｔにおける相手軸Ａとの摺動部の深さのプロフィールを計測した。そして、深さのプロフィールにおける平坦部（非摩耗部）と最深部との深さの差を摩耗深さｄとして計測した。

さらに、下記の（１）式によって、比摩耗量Ｋを算出した。
Ｌは摺動距離であり、摩耗試験において試験片Ｔ上を摺動した相手軸Ａの表面の長さである。摺動距離Ｌは、相対移動速度ｂに試験時間ｃを乗算した値（ｂ×ｃ）である。Ｖは、摩耗試験において摩耗した試験片Ｔの体積（摩耗体積）である。（１）式に示すように、比摩耗量Ｋとは、試験片Ｔに単位荷重（１Ｎ）を作用させた場合に、単位摺動距離（１ｍｍ）あたりに摩耗した試験片Ｔの体積を意味する。比摩耗量Ｋが小さいほど、耐摩耗性が高いことを意味する。

次に、摩耗体積Ｖについて説明する。図３Ｂは、摩耗体積Ｖを説明する模式図である。図３Ｂにおいてハッチングで示すように、試験片Ｔのうち摩耗した部分の形状は、相手軸Ａのうち、摩耗試験の終了時において試験片Ｔに入り込んだ部分の形状となると考えることができる。相手軸Ａの円形状の底面のうち中心Ｃから試験片Ｔの摺動面１ａに直交する半径ＣＰ₀において相手軸Ａが最も深く入り込み、当該半径ＣＰ₀において相手軸Ａが入り込んでいる深さが摩耗深さｄとなる。ここで、相手軸Ａの底面の円周上において、摩耗試験の終了時において試験片Ｔに入り込んだ部分の下限の点をそれぞれＰ₁，Ｐ₂と表すと、摩耗体積Ｖは、相手軸Ａの底面のうち円弧Ｐ₁Ｐ₂と弦Ｐ₁Ｐ₂とによって囲まれた部分の面積に試験片Ｔの長さａを乗算することにより得ることができる。相手軸Ａの底面のうち円弧Ｐ₁Ｐ₂と弦Ｐ₁Ｐ₂とによって囲まれた部分の面積は、円弧Ｐ₁Ｐ₂と半径ＣＰ₁，ＣＰ₂とによって囲まれた扇形の面積Ｓ₁から、弦Ｐ₁Ｐ₂と半径ＣＰ₁，ＣＰ₂とによって囲まれた三角形の面積Ｓ₂を減算した面積となる。従って、摩耗体積Ｖは以下の（２）式によって算出できる。

前記扇形の面積Ｓ₁は以下の（３）式によって算出できる。
ここで、θは、半径ＣＰ₁，ＣＰ₂が相手軸Ａの底面の中心Ｃにてなす角度の半分を表す。なお、角度θは、以下の（４）式を満足する。
一方、前記三角形の面積Ｓ₂は図形の対称性から以下の（５）式によって算出できる。
以上のようにして、本実施形態のラジアル軸受１を構成するすべり軸受用銅合金の比摩耗量Ｋを計測したところ、１．１４１０^-9ｍｍ²／Ｎと良好であった。

以上説明したように、本実施形態では、相手軸２との摺動面１ａに分散するＭｎ−Ｓｉ初晶４の粒子４の幅の平均値が３μｍ以上であるため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の幅方向に力が作用した場合にＭｎ−Ｓｉ初晶４が破壊されることを防止できる。従って、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４が破壊されて異物になることを防止できる。結果として、異物が摩耗を促進することを防止し、良好な耐摩耗性を実現できた。また、ビッカース硬さを２００以下に抑制することにより、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４が破壊されてＭｎ−Ｓｉ初晶４の突起が形成された場合でも、相手軸２になじんでＭｎ−Ｓｉ初晶４の突起を抑制することができる。従って、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の突起が相手軸２を傷つけることを防止できる。

（２）ラジアル軸受の製造方法：
本実施形態においてラジアル軸受１は、ａ．溶融、ｂ．連続鋳造、ｃ．切断、ｄ．機械加工の各工程を順に行うことにより製造される。以下、各工程について説明する。

ａ．溶融
まず、４０．０ｗｔ％のＺｎを含有し、４．０ｗｔ％のＭｎを含有し、１．３ｗｔ％のＳｉを含有し、３．４ｗｔ％のＢｉを含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなるすべり軸受用銅合金が形成できるように各原料を計量して用意した。本実施形態では、Ｃｕのインゴットと、Ｚｎのインゴットと、Ｃｕ−Ｍｎのインゴットと、Ｃｕ−Ｓｉのインゴットと、Ｂｉのインゴットとをそれぞれを計量して用意した。ここでは、目標とするラジアル軸受１の機械特性に応じた質量の原料を用意すればよい。目標とするラジアル軸受１の機械特性は、例えば相手軸２の機械特性に応じて定められる。次に、用意した各原料を高周波誘導炉によって１２００℃まで加熱する。これにより、各インゴットが融解する。その後、Ａｒガスの気泡を分散噴出させて、水素ガスや介在物の除去を行う。

ｂ．連続鋳造
次に、すべり軸受用銅合金の溶融材料を鋳型に注入し、当該鋳型の開口からすべり軸受用銅合金を鋳造方向に連続的に引き抜き、そのまま室温まで冷却することにより、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒を形成する。例えば、炭素で形成された鋳型によって１０６０℃にて鋳造を行い、９０ｍｍ／ｍｉｎの引抜速度で引き抜いて連続鋳造棒を形成する。
溶融状態から連続鋳造における凝固過程において、まずＭｎ−Ｓｉ初晶４が晶出し、その後Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５が晶出し、最後にＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶が凝固すると考えられる。なお、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒の直径は、ラジアル軸受１の外径よりも機械加工における切削量だけ大きくされる。

ｃ．切断
次に、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒をラジアル軸受１の厚み（相手軸２の長さ方向の厚み）ごとに切断する。

ｄ．機械加工
最後に、切断後のすべり軸受用銅合金の連続鋳造棒に対して切削加工やプレス加工をすることにより、ラジアル軸受１を完成させる。ここでは、相手軸２の外径よりも所定量だけ大きい内径を有する貫通穴を形成するとともに、ラジアル軸受１の外径の大きさが設計値と一致するように切削加工を行う。

（３）実験結果：
表１は、実施例１，２と比較例１，２の材料組成を示す表である。表２は、比較例１，２と比較例１，２についての実験結果を示す表である。なお、実施例２は第１実施形態と同じである。また、表２の摩耗量比の値は、実施例２の比摩耗量Ｋで比較例１，２と実施例１，２の比摩耗量Ｋを除算した値である。

比較例１はＳｉとＭｎを含まない材料組成であり、ＳｉとＭｎ以外は第１実施形態の材料組成と同様である。実施例１，２は、第１実施形態と同様の材料組成を有する。連続鋳造における保持時間や冷却速度を調整することにより、実施例２よりも実施例１の方がＭｎ−Ｓｉ初晶４が小さくなるようにした。また、連続鋳造よりも結晶粒形状に指向性が生じやすい押出成型により形成した比較例２においては、アスペクト比が６．５となり、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４が細長形状となった。

図４Ａ〜４Ｃは比較例２と実施例１，２におけるＭｎ−Ｓｉ初晶４の幅のヒストグラムであり、図４Ｄ〜４Ｆは比較例２と実施例１，２におけるＭｎ−Ｓｉ初晶４の長さのヒストグラムである。図４Ａ〜４Ｃに示すように、比較例２ではＭｎ−Ｓｉ初晶４の幅の最頻値が３μｍ未満であるのに対して、実施例１，２ではＭｎ−Ｓｉ初晶４の幅の最頻値が３μｍ以上であった。

表１に示すように、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の幅が比較例２よりも大きく、かつ、ビッカース硬さが比較例２よりも小さい実施例１，２においては良好な耐摩耗性が得られている。
比較例１においては、摺動面１ａに硬質のＭｎ−Ｓｉ初晶４が存在しておらず、摩耗が進行したものと考えられる。また、比較例２においては、摺動面１ａに硬質のＭｎ−Ｓｉ初晶４が存在しているが、Ｍｎ−Ｓｉ初晶４の幅が２μｍと小さく、破壊したＭｎ−Ｓｉ初晶４が異物となって摩耗が進行したものと考えられる。また、比較例２においては、ビッカース硬さがＨＶ２１０と大きく、破壊したＭｎ−Ｓｉ初晶４が摺動面１ａに突出した状態が維持され、相手軸２が傷つき、それにより摩耗が進行したものと考えられる。

（４）他の実施形態：
前記実施形態においては、本発明の銅合金によってラジアル軸受１を形成した例を示したが、本発明の銅合金によって他の摺動部材を形成してもよい。例えば、本発明の銅合金によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等を形成してもよい。また、本発明のすべり軸受用銅合金は、連続鋳造以外の製造方法で製造されてもよい。

１…ラジアル軸受、２…相手軸、３…Ｂｉ粒子、４…Ｍｎ−Ｓｉ初晶、５…Ｃｕ−Ｚｎマトリクス。

Claims (4)

1. ２５ｗｔ％以上かつ４８ｗｔ％以下のＺｎと、
   １ｗｔ％以上かつ７ｗｔ％以下のＭｎと、
   ０．５ｗｔ％以上かつ３ｗｔ％以下のＳｉと、
   １ｗｔ％以上かつ１０ｗｔ％以下のＢｉと、を含有し、
   残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸受用銅合金であって、
   相手軸との摺動面に分散するＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子の幅の平均値が３μｍ以上であることを特徴とするすべり軸受用銅合金。
2. ビッカース硬さが１００以上かつ２００以下である、
   請求項１に記載のすべり軸受用銅合金。
3. ２５ｗｔ％以上かつ４８ｗｔ％以下のＺｎと、
   １ｗｔ％以上かつ７ｗｔ％以下のＭｎと、
   ０．５ｗｔ％以上かつ３ｗｔ％以下のＳｉと、
   １ｗｔ％以上かつ１０ｗｔ％以下のＢｉと、を含有し、
   残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸であって、
   相手軸との摺動面に分散するＭｎ−Ｓｉ初晶の粒子の幅の平均値が３μｍ以上であることを特徴とするすべり軸受。
4. ビッカース硬さが１００以上かつ２００以下である、
   請求項３に記載のすべり軸受。