JP2017517629A - チップ−ブレーカを備えた鉛不含のＣｕＦｅ２Ｐ滑り軸受材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、２．１−２．６質量％の鉄、０．０５−０．２質量％の亜鉛、０．０１５−０．１５質量％のリン、≦０．０３質量％の鉛、治金溶融工程の結果として生じる≦０．２質量％の不純物、および残りが銅から成るマトリックス材料、および任意に少なくとも１つの硬質材料および任意に少なくとも１つの固体潤滑剤を有し、少なくとも一つの添加剤がテルル、硫黄、クロムおよびジルコニウムの群から選択され、鉛不含の滑り軸受材料に関する。さらに、本発明は、バッキング層、軸受金属層、および前記軸受金属層に適用される摺動層を有し、前記軸受金属層が前記の滑り軸受材料から作製される、滑り軸受複合体材料、並びに、前記の滑り軸受複合体材料から作製された滑り要素または滑り軸受に関する。

Description

本発明は、２．１−２．６質量％の鉄、０．０５−０．２質量％の亜鉛、０．０１５−０．１５質量％のリン、≦０．０３質量％の鉛、治金溶融工程の結果として生じる≦０．２質量％の不純物、および残りが銅から成るマトリックス材料を有する滑り軸受材料に関する。さらに、本発明は、バッキング層、軸受金属層、および前記軸受金属層に適用される摺動層を有する滑り軸受複合体材料、並びに、特にブッシングまたは軸受シェルの形態の放射状滑り軸受である滑り要素（摺動部品）に関する。

銅、鉄、およびリンをベースとした鉛不含材料（以下、ＣｕＦｅ２Ｐ合金と示す）は、長い間既知のものであり、また、滑り軸受材料、特に、ブッシングまたは軸受シェルのための滑り軸受複合体材料として、しばらくの間使用されてきた。出願人らによる書類ＤＥ １０ ２００９ ００２ ８９４ Ａ１およびＤＥ １０ ２０１１ ００７ ３６２ Ａ１が、上記の組成物を含む材料が示されている例である。

銅−鉄−リン合金は、鋳造および焼結の両方の方法により製造され、または圧延接着を使用し製造できる。これらは高い延性、基本的な強度、および基本的な硬度により特徴づけられる。これらのパラメータは、熱機械的な工程を使用して広い範囲にわたって各々の需要に合わせて調整されることができ、不十分な環境適合性のために置き換えられることが必要とされていた鉛−銅の硬度、強度、および焼付挙動のレベルに当該材料が到達できる。実際、当該材料は、それらの高く基本的な強度および硬度を含む多くの理由により、これらよりも加工性が著しく劣る。乏しい加工性によりより短い道具寿命となり、したがって加工精密性および表面品質に関しても早く劣化する。

ドイツ銅学会は、他の事項の中で、銅の加工性について系統的に調査し、その結果をいわゆる情報プリントアウト（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｔ−ｏｕｔ）として発行している。以下のｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｔ−ｏｕｔ（ｉ．１８）の１８版、２０１０年を参照される。ここで銅材料の機械加工性は３つの異なるメジャーグループに分割される。機械加工性に関し類似している材料を共に分類される。銅材料は、形成されるチップ形状および工具上の摩耗量に基づき最初に分類される。

機械加工性分類Ｉは非常に良好な機械加工性を有する銅材料、および均質または不均質構造を有する鉛−銅、テルル−銅または硫黄−銅合金を含む。機械加工中に、短く不連続なチップが形成される。工具の摩耗は低いと評価される。機械加工性分類ＩＩは、適度に容易に機械加工可能な材料を含む。機械加工性分類Ｉの材料と比較して、これらの材料を機械加工することにより、より長いチップ、一般に中程度の長さの螺旋形状のチップが得られる。この種の材料を機械加工するときの工具の摩耗は「中程度」と評価される。機械加工性分類ＩＩＩでは、分類ＩおよびＩＩと比較して加工が最も困難な材料がグループ化される。これらの材料を機械加工すると、長い、らせん状の、糸またはリボンチップが形成される。工具の摩耗は高い。

これらの主要グループ内の標準物質の機械加工性について、経験的に得られたデータをさらに区別するために、機械加工性指数も確立されている。第１のグループの材料については、これは１００〜７０である。第２群の場合は６０〜４０、第３群の場合は３０〜２０である。

ＣｕＦｅ２Ｐ合金は、ドイツ銅学会の情報プリントアウトにリストされていない。

ＤＥ １０ ２００９ ００２ ８９４ Ａ１ ＤＥ １０ ２０１１ ００７ ３６２ Ａ１

ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｔ−ｏｕｔ ｉ．１８ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｇｅｒｍａｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ

本発明の目的は、既知のＣｕＦｅ２Ｐ合金と同様の良好なトライボロジーおよび機械的特性を有する滑り軸受材料であって、改善された機械加工性および、より長い工具寿命のために、より高い機械制度および表面品質を有する滑り軸受材料を提供することである。本発明の別の目的は、特に既知の材料とは対照的に、特に潤滑が不足している場合に、焼付を起こしにくい材料を提供することである。

この課題は、請求項１にかかる滑り軸受材料により解決される。

本発明の滑り軸受材料は、２．１−２．６質量％の鉄、０．０５−０．２質量％の亜鉛、０．０１５−０．１５質量％のリン、≦０．０３質量％の鉛、治金溶融工程の結果として生じる≦０．２質量％の不純物、および残りが銅から成るマトリックス材料を特徴とし、任意に、少なくとも１つの硬質材料および場合により少なくとも１つの固体潤滑剤を有し、テルル、硫黄、クロムおよびジルコニウムの群から選択される少なくとも１つの添加剤を有する。

チップ破壊（ｃｈｉｐ−ｂｒｅａｋｉｎｇ）元素としてテルル、硫黄、クロム及び／又はジルコニウムを添加することにより、これらのマトリックス合金のチップ形状及び機械加工性も改良されたことが確認された。Ｔｅ、Ｓ、Ｃｒおよび／またはＺｒの添加は、破断時の材料の伸びの減少を導く。これらの添加物を含まないＣｕＦｅ２Ｐは約１５％の破断点伸びを有するが、これはテルルおよび／または硫黄を添加することにより２％まで減少させることができる。したがって、チップは長いリボンまたは連続チップを形成せず、むしろ長いチップとは対照的に、材料の機械加工を妨げることのない微細な針状の破片に砕ける。特に驚くべきことに、テルル、硫黄、クロムおよび／またはジルコニウムの添加がまた滑り軸受材料の焼付感受性を著しく低下させることを見出した。

図１は、滑り軸受の磨耗を判定するための試験プログラムを示す図である。 図２は、本発明および種々の他の銅合金の測定された摩耗値の図である。

有利な実施形態によれば、添加剤は、滑り軸受材料に対して０．０１〜２．０質量％の全量でマトリックス材料内に分散される。添加剤はマトリックス材料中に０．０５〜１．０質量％の全量で分散されていることが好ましく、マトリックス材料中に０．１〜０．３質量％の全量で分散していることが特に好ましい。

破断時の伸びが小さすぎると、鋳造後のＣｕＦｅ２Ｐ材料の変形量が限られてしまうので、破断伸びの低下の効果はある点まで望ましく、この変形能力は、軸受を製造する際に不可欠である。したがって、破断点伸びは決して１％未満であってはならない。その量が２質量％を超えると、これはもはや保証されず、マトリックス材料の強度、変形能などのマトリックス材料の本質的な特性に影響を及ぼし得る。量が低すぎる場合、すなわち０．０１質量％未満である場合、チップ破壊効果は十分に現れない。チップ破壊効果は、マトリクス材料の特性を著しく悪化させることなく、既に０．１〜０．３質量％の添加量で非常によく効果を示す。したがって、この量の範囲は非常に良好な妥協点であることは明白である。

添加されたテルル、硫黄、クロムおよび／またはジルコニウムは、ＣｕＦｅ２Ｐマトリックス内に溶解されず、従って別個の相にある。この相は、マトリックス材料の粒界で主に見出され、機械加工のような機械的負荷が重く局部的に負荷されると、マトリックス構造内で亀裂が転流され、そして、最終的には、連続的な負荷の下でチップが破壊されることを促進する。好ましくは、マトリックス材料中の測定可能な粒子の９０％は最大径が３０μｍ、さらに好ましくは１５μｍである。「測定可能」とは、５００ｎｍの最小サイズを有する全ての粒子を指す。この最小サイズは、検出のための明示的な「カットオフ」ポイントとしてのみ機能し、したがってパラメータにおける明瞭性の目的のためにのみに示される。

添加剤がこのサイズの粒子を形成する場合、マトリクス材料の他の機械的特性およびトライボロジー特性は、わずかしか影響を受けないか、全く影響を受けず、焼き付けに対する感受性の場合には、驚くべきことに肯定的な影響を受ける一方で、添加剤は滑り軸受材料の機械加工性を著しく高めるようにＣｕＦｅ２Ｐマトリックス中に分散される。添加剤がこのサイズの粒子を形成する場合、添加剤は滑り軸受材料の機械加工性を著しく高めるようにＣｕＦｅ２Ｐマトリックス中に分散される。これは、粒子のより微細な分布がマトリックス構造の粒界に広範な破壊を引き起こし、したがってチップがより容易に破壊されるという事実による。強度の著しい損失を招くのを防ぐために、上記で概説した境界内のチップ破壊添加剤の含有量を保持する必要がある。しかしながら、粒子が１５μｍよりも大きく、従って、２質量％以下の割合で構造中に散発的かつ局所的にのみ見出すことができる場合、材料全体に十分なチップ破壊効果はない。

マトリックス内に少なくとも１つの添加剤を分散させた後、滑り軸受材料は有利には機械加工性インデックスが１００〜７０である。機械加工性インデックスが１００〜７０の場合、滑り軸受材料は加工グループＩに分類される。機械加工においては不連続チップが形成されるが、加工エリアから効果的に取り除くことができるために、材料加工に悪影響を与えることはない。これにより、表面品質、加工精度が向上し、工具の摩耗が軽減される。

別の有利な実施形態では、７２０ＭＰａｍ／ｓ、好ましくは８００ＭＰａｍ／ｓ未満の荷重および摺動速度の限界値を下回る滑り軸受材料においては、付着性の磨耗は生じない。

例えば、以下の図２に示されるように、最大荷重とすべり速度の測定値が焼付試験に記録された。７２０ＭＰａ ｍ／ｓ、好ましくは８００ＭＰａ ｍ／ｓの限界値または最大値は、他の公知のＣｕＦｅ２Ｐ材料よりも驚くほど顕著に高い。従って、テルル、硫黄、クロム及び／又はジルコニウムの上記範囲内での添加により、チップ破壊効果のみならず摩耗低減又は潤滑効果をも生じる。本発明の軸受材料の場合、焼付による材料の損傷は、非常に高い負荷および／または相対的な摺動パートナー速度のもとでのみ生じるので、前記滑り軸受材料は、不十分な潤滑で負荷に長く耐えることができる。

また、滑り軸受材料は、好ましくは、ケイ化物、酸化物、炭化物および窒化物、特にＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｍｏ_２Ｃ、ＭｏＳｉ_２、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、Ｓｉ_３Ｎ_４およびｃ−ＢＮからなる群から選択される少なくとも１つの硬質材料を含むとよい。

また、滑り軸受材料が、ｈ−ＢＮおよびグラファイトからなる群から選択される少なくとも１つの固体潤滑剤を含むことが有利である。

上記の軸受材料は、滑り軸受要素、例えばブッシングまたは軸受シェルにおいて固体材料として使用することができる。固体材料は、材料が十分なレベルの強度を有し、したがってそれ自体を支持することを意味する。同時に、材料は軸受金属の役割を果たす。

本発明はまた、バッキング層と、軸受金属層と、前記軸受金属層に適用された摺動層とを有するすべり軸受複合材料を含む。軸受金属層は、上述したタイプのすべり軸受材料からなる。

特に軸受シェルに変換された滑り軸受要素の形態の滑り軸受複合材料は、最終加工段階において、穿孔（ドリル）によって調整される。軸受シェルは基本的に量産する必要があるため、現在この加工段階を最適化する必要がある。例えば、複数の同じ軸受シェルを一列に配置し、１つの作業ステップでドリル加工することができる。さらに、高い切削速度および送り速度が必要となる。工具の寿命は長くする必要があり、工具と次のセットアップ手順を変更する際にできるだけ時間がかからないようにする必要がある。最後に重要なことには、冷却材および潤滑剤からの残留物が軸受シェル表面から取り除かなければならず、湿式機械加工を省略しなければならないことである。したがって、機械加工性は、現在、この用途において最も重要な要素である。

滑り軸受複合材料におけるバッキング層は、好ましくはスチール層とすると良い。

いわゆるスチールバッキングは、その剛性のために必要な圧入を保証し、軸受材料の構造の組成は、強度の要求に関係なく調整することができる。したがって、請求されている銅合金の微細構造は、それらの強度および硬度ならびに焼付挙動のような摩擦特性が従来の鉛青銅材料のものと類似するように設計することができる。全体として、滑り軸受複合材料の適用範囲が大きく拡大される。スチールバッキングの場合、複合材料は、スチール被膜（ｃａｓｉｎｇ）が使用される状況における熱膨張係数に関する利点も提供する。

テルル相が例として使用される以下に記載される製造プロセスの目的は、添加剤の相が焼付挙動に関して有益であることが証明された規定サイズで最終製品中に存在させることである。この場合のように、摺動特性を最適化するためのものではなく、むしろ強度または導電性を向上させるための仕上げエージング熱処理の必要もない。

本発明の有利な実施形態によれば、軸受金属層は焼結層である。

焼結層は、粉末形態のスチールバッキングに適用される。添加剤はプレ合金化されたマトリックス材料に既に含まれており、これと共に粉砕されてよく、または、別の粉末としてマトリックス材料の焼結粉末に添加されていてもよい。ＣｕＦｅ２Ｐマトリックスおよび添加剤が別の粉末形態である場合、これらの粉末は適切な質量分布により混合され、次いでバッキング層上で焼結され得る。スチールバッキングに適用される焼結粉末は、不活性雰囲気中で１０〜３０分間にわたって８００℃〜１０００℃の焼結温度に加熱され、圧延され、次いで同じ温度で再び焼結され、硬度要件に応じて、別の圧延手順を実行する。特に、残留する多孔を非常に低くできるか、または全く生じないことを目的とする。それ以上の手順は必要ない。特に、アニーリング（焼純）は本質的に焼結プロセスに組み込まれるので、アニーリングを省略することができる。焼結手順の詳細は、以下の通りである：焼結粉末は、所定の厚さで鋼裏材に適用される。第１の焼結手順は、８００℃〜１０００℃の温度で行われる。第２の焼結工程を同様の温度で行う前に、焼結層を１０〜３０％の変形のうちに圧延工程を用いて圧縮し、凝縮させる。最終の１回の圧延は、２種の金属から成るストリップを所望の強度と厚さの許容差に調整する手順を完了する。両方の焼結手順において、冷却条件は、別個のテルル粒子が３０μｍ、好ましくは１５μｍの最大径を超えないように制御される。

別の実施形態によれば、必要に応じて中間層を介して、軸受金属層とバッキング層との間にロールクラッド接続部が設けられる。

最初に、軸受金属はストリップ材料の形で製造され、中間層は任意に予備クラッディング（被膜）され、次いで軸受金属がバッキング層（中間層の有無にかかわらず）上にロールアウトされる。これにより、軸受金属は３５〜７０％の変形を受け、これにより、軸受金属の機械的特性を所望のレベルに調整するためにその後の熱機械的処理を行う必要がある。これには、５５０℃〜７００℃で２〜５時間の複合体の初期アニーリング、複合体の少なくとも１回の初期圧延が含まれ、これにより２０〜３０％の変形度が達成され、少なくとも１回の第２のアニーリング工程５００℃〜６００℃で１時間以上、必要に応じて複合体の２回目の圧延を行い、それにより最大で３０％の変形度が達成され、続いて＞５００℃の温度で少なくとも１時間、３回目のアニーリングを行う。アニーリング温度およびこの温度で保持される時間は、テルル相が上記のサイズ範囲内に形成されるように選択される。強度と導電性を高めるために通常使用されるエージング熱処理は必要ない。上記３回目のアニールの前に冷却圧延が行われるので、このアニーリング工程によりテルル相のサイズが調整されるとともに、マトリックス材料の再結晶化が引き起こされる。

中間層のために、例えば銅−亜鉛合金または銅−錫合金のような銅または銅合金のいずれかを使用することができる。

別の代替実施形態では、前記軸受金属層は鋳造層である。バッキング層上の鋳造は、典型的には１０００℃〜１２５０℃の温度で行われる。この場合もまた、所望の材料特性、特に、例えば、テルルサイズ分布、したがって、焼付に対する改善された耐性を達成するために、圧延およびアニーリングを用いた熱機械的処理が行われる。スチールストリップに鋳造した後、６５０℃以上の温度で数時間（＞４時間）、複合体の均質化処理が行われる。いくつかのローリングパスで３５〜７０％の複合体のその後の変形があり、続いてテルル相のサイズを調整する別の最終のアニーリングの工程が行われ、マトリックス材料の再結晶化を引き起こす。ここでも５００℃以上の温度が＞１時間使用される。

摺動軸受材料及び摺動軸受複合材料に加えて、本発明は、滑り要素、特に、上記のタイプの滑り軸受材料からなる滑り軸受も含む。

滑り軸受要素を製造するために、板がスリットされ、次いで、上記のように製造された、固体または滑り軸受複合材料から分離され、公知の変形プロセスを用いて滑り軸受要素（例えば軸受シェルまたはブッシュ）に変形される。これに続いて、軸受穴の寸法精度を作成する機械加工プロセス、および必要に応じて摺動層を適用する機械加工プロセスが行われる。

本発明の滑り軸受材料の他の特性および特徴は、以下の図面において説明される。これらは：
図１は、滑り軸受の磨耗を判定するための試験プログラムを示す図である。図２は、本発明および種々の他の銅合金の測定された摩耗値の図である。

本発明の材料および比較材料に、図１に示す図式に従った摩耗試験を行った。測定が行われた試験台は、本来のピストン、コネクティングロッド、クランクシャフトおよび滑り軸受を備えた内燃機関と同様である。試験中、クランクシャフトの回転速度は毎分１９００回転から毎分最大８０００回転へと徐々に増加させた。後者の値は、クランクピン面と滑り軸受面との間の最大相対速度１９．７ｍ／ｓに等しい。ここでは、滑り軸受は、２つの軸受シェルの形態の２つの部分で示されているコネクティングロッドの大きな目に正弦波荷重を受ける。回転速度と同時に、発生する遠心力のために負荷が徐々に増加する。図では、負荷（ＭＰａ）と相対速度（ｍ／ｓ）の積がｙ軸にプロットされている。軸受は、最初に５００ｍｌ／分の一定の油流速のオイルで潤滑される。最大負荷に達する前の２５０分の期間の後、油の流れは徐々に減少し、負荷または回転の速度は徐々に増加する。これらの条件下でベアリングが傷つく最大荷重と摺動速度は、同じ条件でベアリング材当り少なくとも３つの試験のそれぞれで測定され、図２の図に平均値としてプロットされている。

図２では、このようにして測定された最大荷重および摺動速度の値が、２つの異なるＣｕＦｅ２Ｐ微細構造の修飾の焼付挙動を示す棒グラフで示されている。第１のバー（１０）は、２．４質量％のＦｅ、０．１５質量％のＰ、０．０５質量％のＺｎ、残りがＣｕである添加剤なしの比較材料を示す。第２のバー（１２）は、１重量％のテルルを添加した同じマトリックス材料を表し、従って、本発明の滑り軸受材料を表す。

純粋なマトリックス材料（１０）において、７２３ＭＰａ ｍ／ｓの平均負荷限界が測定された。

テルルを含む本発明の材料は、焼付きなしに８００ＭＰａ ｍ／ｓの有意に高い平均負荷限界を有していた。

したがって、本発明の滑り軸受材料は、添加剤を含有しない公知の滑り軸受材料と比較して、改善されたレベルの機械加工性を有するだけでなく、驚くほど顕著に減少する焼き付き感受性を有する。したがって、当該材料は、潤滑剤が不十分であっても、潤滑油がない場合においてさえ、その使用に特に公的である。

Claims (12)

1. ２．１−２．６質量％の鉄、０．０５−０．２質量％の亜鉛、０．０１５−０．１５質量％のリン、≦０．０３質量％の鉛、治金溶融工程の結果として生じる≦０．２質量％の不純物、および残りが銅から成るマトリックス材料、および任意に少なくとも１つの硬質材料および任意に少なくとも１つの固体潤滑剤を有する滑り軸受材料であって、少なくとも一つの添加剤がテルル、硫黄、クロムおよびジルコニウムの群から選択されることを特徴とする、前記滑り軸受材料。
2. 添加剤が０．０１〜２．０質量％の全量でマトリックス材料内に分散されることを特徴とする、請求項１に記載の滑り軸受材料。
3. 添加剤が粒子の形態でマトリックス材料に存在し、測定可能な粒子の９０％が、最大径が３０μｍ、好ましくは１５μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の滑り軸受材料。
4. ７２０ＭＰａｍ／ｓ、好ましくは８００ＭＰａｍ／ｓ未満の限界値内においては、付着性の摩耗が生じないことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の滑り軸受材料。
5. 少なくとも一つの硬質材料が、ケイ化物、酸化物、炭化物および窒化物、特にＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｍｏ_２Ｃ、ＭｏＳｉ_２、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、Ｓｉ_３Ｎ_４およびｃ−ＢＮからなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか一つに記載の滑り軸受材料。
6. ｈ−ＢＮおよびグラファイトからなる群から選択される少なくとも１つの固体潤滑剤を含む、請求項１〜５のいずれか一つに記載の滑り軸受材料。
7. バッキング層、軸受金属層、および前記軸受金属層に適用される摺動層を有する滑り軸受複合体材料であって、前記軸受金属層が、請求項１〜６のいずれか一つに記載の滑り軸受材料から成ることを特徴とする、前記滑り軸受複合体材料。
8. 前記軸受金属層が焼結層であることを特徴とする、請求項７に記載の滑り軸受複合体材料。
9. 必要に応じて中間層を介して、軸受金属層とバッキング層との間にロールクラッド接続部が設けられることを特徴とする、請求項７に記載の滑り軸受複合体材料。
10. 前記軸受金属層が鋳造層であることを特徴とする、請求項７に記載の滑り軸受複合体材料。
11. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の滑り軸受材料を含む滑り要素または滑り軸受。
12. 請求項７〜９のいずれか一つに記載の滑り軸受複合体材料から作製された滑り要素または滑り軸受。

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