JP2016125067A

JP2016125067A - 摺動接点材料及びその製造方法

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Publication number: JP2016125067A
Application number: JP2014264256A
Authority: JP
Inventors: 敬雄麻田; Takao Asada; 巧望新妻; Takumi Niitsuma; 高橋　昌宏; Masahiro Takahashi; 昌宏高橋; 輝政 ▲鶴▼田; Terumasa Tsuruta
Original assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Current assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-11
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: TW201631163A; TWI586819B; CN107109530B; CN107109530A; WO2016104323A1; JP5913556B1; US20180223394A1; US10378086B2

Abstract

【課題】高回転数化するマイクロモーター等にも対応することができ、従来よりも耐磨耗性にも優れたＡｇ合金系の摺動接点材料を提供する。
【解決手段】本発明は、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇの組成を有する摺動接点材料である。この添加元素Ｍは、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも１の元素である。本発明に係る摺動接点材料は、Ａｇ合金マトリックス中にＮｉと添加元素Ｍの双方を少なくとも含む金属間化合物を含む分散粒子が分散する材料組織を有する。この分散粒子中のＮｉ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）が所定範囲内にあることが要求されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、Ａｇ合金からなる摺動接点材料に関する。特に、高回転数化等により負荷が増大し得るモーター用の整流子等に対して好適に使用できる摺動接点材料に関する。

モーターは、各種家電製品や自動車等、多くの用途で使用されている機器であるが、近年、その小型化、高出力化に関して一層高いレベルのものが要求されている。この傾向によりモーター回転数は増大することとなり、これに対応できて長寿命を発揮し得るモーターが求められる。

寿命によるモーターの停止の例としては、その構成部品である整流子とブラシとの間で生じる機械的磨耗によるものが挙げられる。この現象においては、モーター駆動過程の摺動による磨耗で整流子の材料がブラシに移着し、それが整流子に再移着する過程で粗大な磨耗粒子が生成する。そして、この磨耗粒子が整流子のスリットに蓄積し、整流子がショートしてモーターが停止するというものである。かかるメカニズムを考慮すると、モーターの長寿命化のための取り組みとしては、これらの部品を構成する摺動接点材料の耐磨耗特性の改善が挙げられる。

モーター等に適用される摺動接点材料としては、耐磨耗性に加えて導電性を考慮しＡｇ系合金が良く知られている。例えば、ＡｇにＣｕ合金化したＡｇ−Ｃｕ合金や、更に、Ｚｎ、Ｍｇを合金化したＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇ合金等が知られている。

特開平６−１７２８９４号公報

これまで開示された摺動接点材料も一定の効果はあるものの、上記したモーター回転数の増大による負荷にも耐え得るモーターを開発するためには、より耐磨耗性にすぐれたものが求められている。そこで本発明は、Ａｇ合金を基本とする摺動接点材料について、従来技術よりも耐磨耗性にも優れたものを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇ及び不可避不純物からなる摺動接点材料であって、前記添加元素Ｍは、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも１の元素であり、その材料組織として、Ａｇ合金マトリックス中に、Ｎｉと添加元素Ｍの双方を少なくとも含む金属間化合物を含む分散粒子が分散する材料組織を有し、前記分散粒子中の、Ｎｉ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）が下記範囲内にある摺動接点材料である。
・添加元素ＭがＳｍ、Ｌａのとき：１．５０以上２．５０以下
・添加元素ＭがＺｒのとき：１．８０以上２．８０以下

本発明に係る摺動接点材料は、Ａｇ−Ｃｕ合金をベースとなる合金とし、これにＮｉ、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｌａ）又はＺｒを添加したものである。そして、Ａｇ合金をマトリックスとし、ここに所定の金属間化合物を含む分散粒子を分散させたものである。即ち、本発明は、Ａｇ合金を金属間化合物の分散強化機構により強化し、摺動接点材料として有効な耐磨耗性を具備させたものである。

ここで重要なのは、強化作用を発揮する分散粒子とは、単純にマトリックスとなるＡｇ合金に対して組成の異なる相であれば良いというものではない。ＮｉやＳｍ等の希土類元素は、Ａｇに固溶することがなく単独でも分散粒子を形成することができるが、その場合には耐磨耗性の向上は期待できない。本発明において有効な分散粒子は、Ｎｉと添加元素Ｍの双方を含む金属間化合物を含むものであって、且つ、Ｎｉと添加元素Ｍの含有量について所定比率を具備するようになっていることが要求される。

更に、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒは、それぞれＮｉと金属間化合物を形成するものの、その構成は１種類ではなく複数種の金属間化合物を形成し得る。その例として、ＮｉとＳｍの双方を添加した場合について説明する。図１はＳｍ−Ｎｉ系状態図であるが、この図から分かるように、この系ではＳｍとＮｉとの構成比率により複数の金属間化合物が形成され得る。本発明者等によれば、Ａｇ合金にＳｍとＮｉを添加する場合、合金を有効に強化することができる金属間化合物はＳｍＮｉ_５であることが確認されている。これ以外の金属間化合物は、材料強化に寄与しない。

このように、強化作用を有する特定の金属間化合物を選定しなければならない点は、Ｌａ、Ｚｒでも同様である。具体的には、ＬａについてはＬａＮｉ_５が有用であり、ＺｒについてはＺｒ_２Ｎｉ_７が有用である。図２は、Ｌａ−Ｎｉ系及びＮｉ−Ｚｒ系の状態図を示すが、これらにおいても特定領域の金属間化合物が要求される。本発明に係る摺動接点材料は、これらの有用な金属間化合物を主体的に含む分散粒子により強化されている。以下、本発明の構成についてより詳細に説明する。

上記の通り、本発明に係る摺動接点材料は、全体組成として、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇ及び不可避不純物からなるものである。

ここで、各構成元素に関して説明する。Ｃｕは、主に、本発明に係る摺動接点材料のマトリックスとなるＡｇ合金の構成成分となる。Ｃｕの添加量を適正範囲とすることでマトリックスを適正な強度とする。Ｃｕ濃度は、６．０質量％未満であっても９．０質量％を超えても摺動接点材料の耐磨耗性は低下し磨耗量が増大する。

Ｎｉはこれまで説明したように、強化作用を有する金属間化合物の構成元素である。Ｎｉ濃度について０．１質量％以上２．０質量％以下とするのは、これらの範囲外では有効な金属間化合物を生成しがたくなる。特に、２．０質量％を超えると、Ｎｉの偏析も生じ加工性が悪化する。

添加元素Ｍ（Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒ）については、０．１質量％以上０．８質量％以下とする。有効な組成の金属間化合物を生成させるためである。添加元素Ｍの濃度については、より好ましくは、０．４質量％以上０．８質量％以下とする。詳細は後述するが、添加元素Ｍの濃度とＮｉ濃度は、両者の比率を考慮して調整するのが好ましい。

以上の全体組成を有するＡｇ合金において、マトリックスとなるＡｇ合金は、Ａｇ−Ｃｕ合金である。また、後述するＺｎ、Ｍｇが添加された場合のマトリックスは、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇ合金となる。つまり、マトリックスにはＮｉ及び添加元素Ｍは殆ど含まれていない。これらの添加元素は、Ａｇに対して固溶範囲を有しないからであり、マトリックス中のＮｉ濃度は０．１質量％以下である。

そして、本発明で特徴として規定される分散粒子は、Ｎｉと添加元素Ｍ（Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒ）との金属間化合物（ＳｍＮｉ_５、ＬａＮｉ_５、Ｚｒ_２Ｎｉ_７）を主成分としているが、それらのみで構成されているとは限らない。例えば、添加元素ＭとしてＳｍを添加した摺動接点材料の場合、分散粒子にはＮｉとＳｍに加えてＣｕが含まれていることがある。これは、ＳｍＮｉ_５にＣｕが固溶して分散粒子を形成している、或いは、ＳｍＮｉ_５にＣｕを含む合金相（ＣｕＮｉ等）が混合し一体化して分散粒子を形成したためと推定される。このように、本発明における分散粒子は、ＮｉとＳｍ等の添加元素Ｍ以外の元素を含んでいても良い。

もっとも、分散粒子がＮｉと添加元素Ｍ以外の元素を含んでいるとしても、本発明で有効とされる分散粒子は、好適な金属間化合物（ＳｍＮｉ_５、ＬａＮｉ_５、Ｚｒ_２Ｎｉ_７）を主成分としていることから、分散粒子中の、Ｎｉ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）の値が一定範囲内にある。この含有量の比率（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）については、添加元素ＭがＳｍ又はＬａである場合に１．５０以上２．５０以下である、また、添加元素ＭがＺｒである場合は、１．８０以上２．８０以下とする。本発明者等の検討によれば、Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍの値が上記範囲外の分散粒子は、Ｎｉと添加元素Ｍとの金属間化合物で構成されていない分散粒子、或いは、Ｎｉと添加元素Ｍとの金属間化合物を含むものであっても強化作用を有する金属間化合物（ＳｍＮｉ_５、ＬａＮｉ_５、Ｚｒ_２Ｎｉ_７）以外の金属間化合物で構成された分散粒子等に該当すると考えられる。そのような分散粒子は材料強化に作用しない。

また、本発明においては、分散粒子の組成及びその分布状態を良好なものとするため、全体組成におけるＮｉ濃度（Ｓ_Ｎｉ：質量％）と添加元素Ｍの濃度（Ｓ_Ｍ：質量％）との比率を調整することが好ましい。この濃度比（Ｓ_Ｎｉ／Ｓ_Ｍ）の好適範囲は、添加元素Ｍの種類によって相違し、添加元素ＭがＳｍのときは０．８０以上５．０以下とするのが好ましい。また、添加元素ＭがＬａのときは１．５０以上５．０以下が好ましく、添加元素ＭがＺｒのとき１．４０以上６．７以下とするのが好ましい。

本発明に係る摺動接点材料は、ＡｇＣｕ合金を基礎とするものであるが、ここに他の添加元素を加えても良い。特に、０．１質量％以上２．０質量％以下のＺｎを添加することで、マトリックスとなるＡｇ合金の強化に寄与し、摺動接点材料全体の材料強化に繋がる。また、同様の趣旨から、０．０５質量％以上０．３質量％以下のＭｇを含む摺動接点材料も摺動性等の好ましい特性を有する。

本発明に係る摺動接点材料は、上述した所定の金属間化合物を含む分散粒子が分散していることを必須構成とするが、それ以外の相（析出物）の存在を否定するものではない。ここで、生じうる他の相としては、ＣｕとＮｉとの合金相（ＣｕＮｉ）や、Ｚｎを添加した場合に生成し得るＣｕとＮｉとＺｎとの合金相（ＣｕＮｉＺｎ）等が挙げられる。これらの析出相は、材料強化に大きく寄与することは無いものの、阻害要因にもならないことから存在が許容される。

次に、本発明に係る摺動接点材料の製造方法について説明する。本発明に係る摺動接点材料は、基本的に溶解鋳造法により製造可能である。即ち、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇ及び不可避不純物からなるＡｇ合金の溶湯を生成し、その後冷却凝固させることで製造可能である。

但し、本発明では、強化作用を有する金属間化合物を形成し、Ｎｉ含有量と添加元素Ｍの含有量との比率（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）を有する分散粒子を分散させる必要がある。上記した有効な金属間化合物は、いずれの場合も高融点であり固相線温度が高い。そのため本発明においては、溶湯の温度管理が重要であり、冷却凝固前の溶湯の温度を１３００℃以上とすることを要する。この溶湯温度は、冷却前に前記温度に達していれば良く長時間保持する必要は無いが、５〜１０分間程度保持した後に冷却することが好ましい。この加熱温度の上限は、エネルギーコストや装置保全等の現実的な観点から１４００℃以下にするのが好ましい。

そして、本発明に係る摺動接点材料の製造方法においてもう一点重要なのは、凝固時の冷却速度である。本発明で必須とする金属間化合物は、比重がマトリックス（Ａｇ合金）よりも低い傾向があるため、冷却速度が低いと生成した金属間化合物が浮揚し均一分散に支障が生じる。また、冷却速度が過度に遅くなると、好適組成の金属間化合物に組成変動が生じて好ましくない組成の金属間化合物に変化するおそれがある。このようなことから、本発明では凝固時の冷却速度を１００℃／ｍｉｎ以上とする。冷却速度の上限については３０００℃／ｍｉｎ以下とするのが好ましい。

尚、Ａｇ合金溶湯を製造する際、通常は各金属成分（Ａｇ、Ｃｕ等）の高純度原料を使用し、それらを混合・溶解することになる。このとき、本発明の摺動接点材料をリサイクルして使用しても良い。本発明の摺動接点材料における金属間化合物は、液相線以上に加熱することで可逆的に溶解し冷却することで同様の組成で再生される。例えば、前回製造時の端材や使用済み材料（汚染されていないもの）を利用することができる。

以上説明したように、本発明に係る摺動接点材料は、これまで有用性が確認されていなかったＮｉと特定元素との金属間化合物を適用することで高い耐磨耗性を有する。本発明は、小型化・高回転数化が進むモーターの構成材料として有用である。特に、マイクロモーターの整流子で使用される摺動接点材料として有用である。尚、本発明に係る摺動接点材料は、無垢材として使用することもできるが、クラッド材の形態で使用することもできる。例えば、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかに本発明に係る摺動接点材料を複合してなるクラッド材が挙げられる。このとき、Ｃｕ又はＣｕ合金の一部又は全面に本発明に係る摺動接点材料を摺動面として接合する。

本発明で生成する金属間化合物について説明するためのＳｍ−Ｎｉ系状態図。本発明で生成する金属間化合物について説明するためのＬａ−Ｎｉ系状態図及びＮｉ−Ｚｒ系状態図本実施形態で行った摺動試験の試験方法を説明する図。実施例１及び実施例３の金属組織写真と実施例３のＥＤＳ分析結果。比較例１及び比較例２の金属組織写真と比較例２のＥＤＳ分析結果。

以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、Ａｇ−Ｃｕ合金等にＮｉ及びＳｍ等の添加元素を添加した摺動接点材料を製造し耐磨耗性を評価した。試験材の製造は、高純度原料を所定組成になるように混合し高周波溶解し溶湯とし、溶湯温度を測定し１３００℃以上になるように加熱し、その後急冷して合金インゴットを製造した。このときの冷却速度は１００℃／ｍｉｎである。そして、圧延加工して６００℃でアニーリングした後、再圧延加工し、切断加工して試験片（長さ４５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ１ｍｍ）とした。

本実施形態では、実施例１〜実施例１５として上記製造工程で各種の組成の摺動接点材料を製造した。また、比較例として、Ｎｉ、Ｓｍの一方のみ添加した合金（比較例１、２）、Ｎｉ濃度過剰の合金（比較例３）を製造した。また、溶湯温度を１３００℃より低温（１１００℃）としてそこから急冷した合金（比較例４）、溶湯温度を１３００℃以上としつつ、炉冷により１００℃／ｍｉｎ未満で徐冷した合金（比較例５）も製造した。更に、添加金属としてＳｍ、Ｌａ以外の希土類元素であるＥｕを添加したもの（比較例６）も製造した。

作製した各サンプルについては、まず、ＳＥＭにより組織観察を行い金属間化合物の析出の有無を調べ、金属間化合物がある場合には分散粒子の定性分析をＥＤＸで行って分散粒子中のＮｉ含有量とＭ含有量を測定し、それらの比率（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）を算出した。

そして、各試験片について耐磨耗性評価のための摺動試験を行った。図３は、摺動試験の方法を概略説明するものであるが、この試験では各実施例の試験片を固定接点とし、これにブラシを想定した可動接点として加工されたＡｇＰｄ５０の線材を当接して摺動させた。このとき、可動接点の６Ｖ、５０ｍＡで常時通電しつつ荷重４０ｇとし、始点から前後５ｍｍ（１０ｍｍ）を往復したとき（２０ｍｍ）を１サイクルとし、５００００サイクル摺動させた（摺動長合計１ｋｍ）。その後、摺動部分の磨耗深さを測定した。この結果を表１に示す。この評価結果には、従来技術であるＡｇ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ合金からなる摺動接点材料の測定値も示した。

表１から、Ｎｉと添加元素Ｍ（Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒ）を同時添加した合金（実施例１〜実施例１５）について見ると、従来例１、２に対して飛躍的に耐磨耗性が向上していることが確認できる。中でも実施例１の合金が耐磨耗性に優れている。Ｎｉと添加元素Ｍに関しては、双方添加が必須であり、いずれか一方のみの添加では効果がない。これは比較例１、２との対比から把握できる。比較例１、２では、金属間化合物の生成はなく、マトリックスであるＡｇ合金に固溶できないＮｉ、Ｓｍが単独で分散していた。

図４は、実施例１及び実施例３の金属組織写真である。いずれの試料でも、ＮｉとＳｍとの金属化化合物の形成による球状の分散粒子が見られる。図４には、例として実施例３の分散粒子のＥＤＳ分析結果も示したが、Ｎｉ及びＳｍを適切量含むものであることが分かる。これに対して、図５は、比較例１及び比較例２の金属組織写真である。比較例１は、Ｎｉのみを添加したものであるが細長い針状のＮｉ相が見られる。比較例２はＳｍのみを添加したものであるが、こちらも実施例１、３のような分散粒子は見られない。比較例２について、観察された析出相をＥＤＳ分析したが、この析出相は当然ながらＮｉを含むものではなかった。

分散粒子の構成について、比較例３〜比較例６を参照すると、Ｎｉ含有量と添加元素Ｍの含有量との比率（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）の制御が必要であることが理解できる。比較例３のようにＮｉ過多であるとＮｉの多い分散粒子が生じる。この比較例３は、比較例１、２や従来例１、２と対比すると、耐磨耗性が多少改善しているが良好といえるほどではない。また、比較例４、５から、分散粒子の組成（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）は、製造条件にも大きく依存することがわかる。これらの比較例は、組成は実施例３と同様であるが、鋳造時の条件として溶湯温度が低い又は冷却速度が遅い。これらの比較例では、有効な金属間化合物が生成せず、分散粒子も組成は範囲外となり、耐磨耗性にも劣っている。よって本発明に係る材料を製造する場合、組成（全体組成）の調整だけでは足りず、製造条件も適切にする必要があることが確認された。

実施例１〜実施例１５に関して詳細に検討するに、添加元素としてＳｍ、Ｌａ、Ｚｒの選定は有効であるといえる。これは比較例６で希土類元素であるＥｕを添加しても、金属間化合物を生成させることなく耐磨耗性の改善も見られなかったことからも理解できる。また、実施例１２〜実施例１５の結果から、より好適な耐磨耗性を発揮させるためには、合金の全体組成に関して、Ｎｉ濃度と添加元素Ｍの濃度との比（Ｓ_Ｎｉ／Ｓ_Ｍ）を制御することが好ましいといえる。これらの実施例は、磨耗量が８００μｍ^２を超えており、他の実施例よりは耐磨耗性がやや劣ると思われるからである。尚、本発明に関しては、Ａｇ−Ｃｕ合金にＮｉとＳｍ等を添加しても有効であり（実施例１０）、Ｍｇを添加しても良い（実施例１１）。

以上説明したように、本発明に係る摺動接点材料は、従来のＡｇ系摺動接点材料に対して高い耐磨耗性を有する。本発明は、特に、小型化・高回転数化が進むマイクロモーターの整流子の摺動接点材料として有用である。

Claims

６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、
０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、
０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、
残部Ａｇ及び不可避不純物からなる摺動接点材料であって、
前記添加元素Ｍは、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも１の元素であり、
その材料組織として、Ａｇ合金マトリックス中に、Ｎｉと添加元素Ｍの双方を少なくとも含む金属間化合物を含む分散粒子が分散する材料組織を有し、
前記分散粒子中の、Ｎｉ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（Ｋ_Ｎｉ／Ｋ_Ｍ）が下記範囲内にある摺動接点材料。
・添加元素ＭがＳｍ、Ｌａのとき：１．５０以上２．５０以下
・添加元素ＭがＺｒのとき：１．８０以上２．８０以下
Ｎｉ濃度（Ｓ_Ｎｉ：質量％）と添加元素Ｍの濃度（Ｓ_Ｍ：質量％）との比（Ｓ_Ｎｉ／Ｓ_Ｍ）が下記範囲内にある請求項１記載の摺動接点材料。
・添加元素ＭがＳｍのとき：０．８０以上５．０以下
・添加元素ＭがＬａのとき：１．５０以上５．０以下
・添加元素ＭがＺｒのとき：１．４０以上６．７以下
０．１質量％以上２．０質量％以下のＺｎを含む請求項１又は請求項２記載の摺動接点材料。
０．０５質量％以上０．３質量％以下のＭｇを含む請求項１〜請求項３のいずれかに記載の摺動接点材料。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の摺動接点材料の製造方法であって、Ａｇ合金の溶湯を生成し、その後冷却凝固させる工程を含み、
前記Ａｇ合金の溶湯は、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇ及び不可避不純物からなり、
前記冷却前の前記Ａｇ合金の溶湯の温度は１３００℃以上であり、
冷却時の冷却速度を１００℃／ｍｉｎ以上とする、摺動接点材料の製造方法。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の摺動接点材料に、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかを複合してなるクラッド材。