JP2018141211A - 摺動部材用銅合金及び摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部材用銅合金において被削性と耐摩耗性とを両立する。【解決手段】一実施形態に係る摺動部材用銅合金は、２５重量％以上５０重量％以下のＺｎと、１重量％以上７重量％以下のＭｎと、０．５重量％以上３重量％以下のＳｉと、１０重量％以下のＢｉとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなり、β相及びγ相を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、摺動部材用銅合金及び摺動部材に関する。

Ｃｕ及びＺｎを含むマトリクスにＭｎ−Ｓｉ化合物の粒子を分散させた摺動部材用銅合金が知られている。例えば特許文献１には、耐摩耗性を向上させるため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶、並びにＭｎ−Ｓｉ及びＣｕ−Ｚｎの共晶を含む銅合金が記載されている。

特開２０１５−２０６０９９号公報

特許文献１に記載の技術において、Ｍｎ−Ｓｉ化合物は硬さが１０００Ｈｖ程度であるため被削性に改善の余地があった。
これに対し本発明は、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｎ−Ｓｉ系の摺動部材用銅合金において被削性と耐摩耗性とを両立する技術を提供する。

本発明は、２５重量％以上５０重量％以下のＺｎと、１重量％以上７重量％以下のＭｎと、０．５重量％以上３重量％以下のＳｉと、１０重量％以下のＢｉとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなり、β相及びγ相を含む摺動部材用銅合金を提供する。

断面における前記γ相の面積率が、２％以上７０％以下であってもよい。

この摺動部材用銅合金は、Ｃｕ−Ｚｎ及びＭｎ−Ｓｉの共晶をさらに含んでもよい。

断面における前記共晶の面積率が、６０％以下であってもよい。

この摺動部材用銅合金は、Ｍｎ−Ｓｉ初晶をさらに含んでもよい。

また、本発明は、上記いずれかの摺動部材用銅合金を用いた摺動部材を提供する。

本発明によれば、摺動部材用銅合金において被削性と耐摩耗性とを両立することができる。

一実施形態に係る摺動部材１を例示する斜視図。 摺動部材用銅合金の断面組織を例示する模式図。 摺動部材用銅合金の断面写真の一例。 摺動部材用銅合金の断面写真の一例。 摺動部材１の製造方法を例示するフローチャート。

１．構成
図１は、一実施形態に係る摺動部材１を例示する斜視図である。この例において、摺動部材１は、円筒形状を有するいわゆるブシュである。摺動部材１は、例えば内燃機関用のターボ式過給機において用いられるフローティングブシュである。摺動部材１は、シャフト２を回転可能な状態で支持するすべり軸受である。シャフト２においては、タービン翼及びコンプレッサ翼（いずれも図示略）が軸方向の両端に固定される。摺動部材１は、シャフト２に作用する径方向の荷重を支持する。摺動部材１において軸方向に直交する断面は円環形状を有している。摺動部材１において、内周面がシャフト２と摺動する。内周面すなわち摺動面には潤滑油が供給される。

摺動部材１は、銅合金で形成される。この銅合金は、本発明に係る摺動部材用銅合金の一例である。この銅合金は、いわゆるＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ−Ｓｉ系の銅合金であり、以下の組成を有する。
（Ａ）２５重量％以上５０重量％以下のＺｎ。
（総Ｚｎ当量が４５％以上６０％以下に相当）。
（Ｂ）１重量％以上７重量％以下のＭｎ。
（Ｃ）０．５重量％以上３重量％以下のＳｉ。
（Ｄ）１０重量％以下のＢｉ。
なお、残部はＣｕ及び不可逆不純物からなる。不可避不純物は、例えば、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｐｂ、及びＣｒの少なくとも１種を含む。不可逆不純物は、例えば、精錬又はスクラップにおいて混入する。不可避不純物の含有量は、一例として、総量で１．０重量％以下である。

図２は、一実施形態に係る銅合金の断面組織を例示する模式図である。図３及び図４は、一実施形態に係る銅合金の断面写真の一例である。図３及び図４の断面写真は、電子顕微鏡（日本電子製ＪＸＡ８１００）を用いて１０００倍の倍率において撮影した組成像である。なお、図３は後述する実施例における実験例１の断面写真であり、図４は実験例２の断面写真である。

この銅合金の組織は、初晶１１、共晶１２、マトリクス１３、γ相１４、及びＢｉ相１５を含む。初晶１１は、Ｍｎ−Ｓｉ系の初晶に相当する相である。図３及び図４の写真においては黒色の領域として写っている。共晶１２は、Ｃｕ−Ｚｎ及びＭｎ−Ｓｉの共晶である。図３及び図４の写真においては黒斑を含む灰色の領域として写っている。共晶１２は、Ｍｎ−Ｓｉ相１２１及びＣｕ−Ｚｎ相１２２を含む。共晶１２は、Ｃｕ−Ｚｎ相１２２（灰色の領域）にＭｎ−Ｓｉ相１２１（黒斑に相当する領域）が分散された組織を有する。マトリクス１３は、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスに相当する相である。図３及び図４の写真においては灰色の領域として写っている。マトリクス１３は、β相１３１を含む。β相１３１は、Ｃｕ−Ｚｎ２元系におけるβ相に相当する相である。ただし、β相１３１は、純粋なＣｕ−Ｚｎ２元系におけるβ相ではなく、微量のＭｎ及びＳｉを含む。γ相１４は、Ｃｕ−Ｚｎ２元系におけるγ相に相当する相である。ただし、γ相１４は、純粋なＣｕ−Ｚｎ２元系におけるγ相ではなく、微量のＭｎ及びＳｉを含む。γ相１４は、共晶１２及びマトリクス１３の双方に存在する。図３の写真においては、Ｃｕ−Ｚｎ相１２２よりも淡い灰色の領域として写っている。Ｂｉ相１５は、主としてＢｉにより構成される相である。

断面組織における各相の面積率は、例えば以下のとおりである。
初晶１１： ０％以上１０％以下
共晶１２： ２０％以上６０％以下
γ相１４： ２％以上７０％以下
Ｂｉ相１５： ０％以上１０％以下
β相１３１： 残部

ここで、各相の硬さは概ね以下のとおりである。
初晶１１： １０００ＨＶ
共晶１２： ２００ＨＶ
γ相１４： ４００ＨＶ
β相１３１： １５０ＨＶ

初晶１１は約１０００Ｈｖの硬さを有するので、例えば円相当径２０μｍ程度の大きさで晶出させることにより、合金の耐摩耗性を向上させることができる。しかし、この硬さゆえ合金の被削性は低下する。なお被削性とは切削加工のしやすさをいう。初晶１１を小さく、かつその面積率を少なくすれば被削性は改善するが、一方で耐摩耗性は低下してしまう。そこで本実施形態においては、初晶１１よりは柔らかいものの共晶１２より硬いγ相１４を晶出させることにより、耐摩耗性と被削性とを両立させることができる。

２．製造方法
図５は、摺動部材１の製造方法を例示するフローチャートである。ステップＳ１において、銅合金の原料が溶融される。銅合金の原料としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｕ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｓｉ、及びＢｉのインゴットが用いられる。これらの原料は所望の組成となるように計量され、混合される。なおγ相１４の面積率は、総Ｚｎ当量により制御される。混合された原料は高周波誘導炉等で高温（例えば１２００℃）に加熱される。こうして原料は溶融する。このとき、Ａｒガス等の気泡を分散噴出し、水素ガス及び介在物を除去してもよい。

ステップＳ２において、連続鋳造が行われる。詳細には例えば以下のとおりである。まず溶融した原料が鋳型に注入される。銅合金は、鋳型の開口から鋳造方向に連続的に引き抜かれる。引き抜かれた原料は室温まで冷却される。こうして、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒が得られる。溶融状態から連続鋳造における凝固過程において合金組織の各相が形成される。

ステップＳ３において、連続鋳造棒が切断される。連続鋳造棒は、摺動部材１のサイズに応じた大きさ又は形状に切断される。

ステップＳ４において、切断された部材が機械加工される。機械加工は、例えば、プレス加工及び切削加工を含む。こうして、摺動部材１が得られる。

３．実施例
本願の発明者らは、種々の条件で摺動部材の試験片（サンプル）を作製し、これらの試験片について各種の特性を評価した。まず、作製した試験片に用いた合金の組成及び断面組織における各相の面積率は表１のとおりである。この例において、実験例１及び２が本発明の実施例に相当し、実験例３〜６が比較例に相当する。

表１における組成は、原料として投入された割合を示す。断面組織における各相の面積率は、以下の方法により計測した。まず、摺動部材１の断面を金属顕微鏡（オリンパス社製ＧＸ５１）によって２００倍の光学倍率で撮影し、観察画像の画像データを得た。そして、この画像データを画像解析装置（ニレコ社製ＬＵＺＥＸ＿ＡＰ）に入力し、観察画像に存在する相の面積を計測した。図３の例に示すように、銅合金の断面組織において、各相の像における色の濃さは、濃い方から
初晶１１＞β相１３１＞γ相１４＞Ｂｉ相１５
の順である。また、共晶１２は、黒斑が分散された領域である。以上の事情を考慮し、観察画像における像の色及び形状等から、初晶１１、共晶１２、γ相１４、及びβ相１３１を特定した。観察画像において各粒子の外縁にはエッジ（明度や彩度や色相角が所定値以上異なる境界）が存在する。そこで、画像解析装置によって、エッジによって閉じられた領域を各相の像として観察画像から抽出した。ただし、円相当径（計測パラメータ：ＨＥＹＷＯＯＤ）が１μｍ以上となる像のみを計測対象とした。こうして抽出された初晶１１、γ相１４、及びβ相１３１のそれぞれの面積率を算出した。

実験例１〜６のそれぞれの試験片に対し、硬さ試験及び摩耗試験を行った。硬さ試験は、硬さ試験機（明石製作所社製ＭＶＫ−ＥＩＩ）を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に従って行った。摩耗試験においては以下の条件に従って試験片と軸とを摺動させた。試験後の試験片の表面の粗さプロファイルを、表面粗さ計（小坂研究所社製ＳＥ−３４００）を用いて計測した。得られたプロファイルから、平坦部と最深部との差を摩耗深さとした。硬さ試験及び摩耗試験の結果を表２に示す。
・試験機：円筒平板型摩擦摩耗試験機
・潤滑油：流動パラフィン
・軸材質：ＳＣＭ４１５
・軸半径：２０mm
・相対移動速度：２００mm／ｓｅｃ
・サンプル幅：１０mm
・荷重：１３９Ｎ
・試験温度：室温
・試験時間：３６００ｓｅｃ

初晶１１の面積率に関して、実験例１及び２は、実験例３〜６と同等以下である。実験例１〜６はいずれも、初晶１１の面積率が５％を超える例と比較すると初晶１１の面積率は低減されており、被削性が改善されることは明らかである。例えば、実験例１と実験例６と比較すると、初晶１１の面積率は同じである。しかし、実験例１はγ相１４を有しているためより硬く、耐摩耗性では実験例６よりも優れている。このように、本実施形態によれば、初晶１１の面積率を抑制しつつ、耐摩耗性を向上させることができる。すなわち、被削性と耐摩耗性とを両立することができる。

４．変形例
本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。摺動部材１はターボ式過給機において用いられるフローティングブシュに限定されるものではなく、種々の用途又は形状を有してもよい。例えば、摺動部材１は、内燃機関の主軸受として用いられる半割軸受、スラストワッシャ、斜板式コンプレッサにおける斜板、又はロータリーコンプレッサにおけるローター等、他の用途に用いられてもよい。

なお実施例として例示した銅合金の組成及び製造方法はあくまで一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、実施例の銅合金はＢｉを含んでいたが、Ｂｉは含まれていなくてもよい。

１…摺動部材
１１…初晶
１２…共晶
１２１…Ｍｎ−Ｓｉ相
１２２…Ｃｕ−Ｚｎ相
１３…マトリクス
１３１…β相
１４…γ相
１５…Ｂｉ相
２…シャフト

Claims (6)

1. ２５重量％以上５０重量％以下のＺｎと、
   １重量％以上７重量％以下のＭｎと、
   ０．５重量％以上３重量％以下のＳｉと、
   １０重量％以下のＢｉと
   を含有し、
   残部がＣｕ及び不可避不純物からなり、
   β相及び
   γ相
   を含む
   摺動部材用銅合金。
2. 断面における前記γ相の面積率が、２％以上７０％以下である
   請求項１に記載の摺動部材用銅合金。
3. Ｃｕ−Ｚｎ及びＭｎ−Ｓｉの共晶をさらに含む
   請求項１又は２に記載の摺動部材用銅合金。
4. 断面における前記共晶の面積率が、６０％以下である
   請求項３に記載の摺動部材用銅合金。
5. Ｍｎ−Ｓｉ初晶をさらに含む
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の摺動部材用銅合金。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の摺動部材用銅合金を用いた摺動部材。